專利名稱：具有精密功率檢測器的射頻電源的制作方法
技術領域：
本發明涉及射頻電源，尤其是涉及一種具有精密功率檢測器的射頻電源。
背景技術：
射頻電源是用于產生射頻功率信號的裝置，屬于半導體工藝設備的核心部件，所有產生等離子體進行材料處理的設備都需要射頻電源提供能量。在集成電路、太陽能電池和LED (Light Emitting Diode,發光二極管)的工藝制造設備，例如刻蝕機、PVD (Physical Vapor Deposition,物理氣相沉積)、PECVD (Plasma Enhanced ChemicalVapor Deposition,等離子體增強化學氣相沉積)、ALD (Atomic layer deposition,原子層沉積)等設備，均裝備有不同功率規格的射頻電源。射頻電源一般由射頻信號發生器、射頻功率放大電路、供電線路和射頻功率檢測器組成。當前，集成電路制造產業向著更細線寬的目標發展，制造工藝的線寬從90納米、65納米、45納米到最新的32納米，這對射頻電源的輸出功率提出了更高的要求，即輸出功率的波動范圍應當足夠小。對于射頻電源的輸出功率控制，射頻功率檢測是否精確至關重要。現有的射頻功率檢測器因其的檢波電路存在較大的死區，動態范圍小，無法實現較寬范圍內的射頻功率檢測的精度一致性，即檢測較小射頻功率時存在較大誤差，從而無法保證工藝設備能夠處理更小線寬的晶圓。對于目前的32納米制造工藝，如果采用現有技術，那么無法實現期望的細小線寬，進而無法實現期望的圖形，最終導致制造工藝失敗。
發明內容
本發明需要解決的技術問題是提供一種具有精密功率檢測器的射頻電源，該射頻電源能夠實現高精度的射頻功率檢測，檢測范圍寬，精度一致性好，死區小。為了解決上述技術問題，本發明提供了一種具有精密功率檢測器的射頻電源，所述射頻電源包括射頻信號發生器、射頻功率放大電路、供電線路和精密功率檢測器，所述精密功率檢測器包括電壓互感器、電流互感器、精密檢波模塊和集成有模數轉換器和微處理單元的微控制器，所述電壓互感器和所述電流互感器分別與所述精密檢波模塊相連，所述精密檢波模塊包括加法電路、減法電路、整流電路和濾波放大電路，所述加法電路將來自所述電壓互感器和所述電流互感器的信號進行加法運算，所述減法電路將來自所述電壓互感器和所述電流互感器的信號進行減法運算，所述加法電路和所述減法電路分別與所述整流電路相連，所述整流電路連接所述濾波放大電路，所述濾波放大電路與所述微控制器相連。進一步地，本發明還具有如下特點:所述精密檢波模塊還包括多路開關，所述多路開關的輸入端分別連接所述加法電路的輸出端和所述減法電路的輸出端，所述多路開關根據所述微控制器的指令，分別將所述加法電路的輸出信號和所述減法電路的輸出信號傳遞至所述整流電路。進一步地，本發明還具有如下特點:所述整流電路包括整流運算放大器和檢波二極管，所述檢波二極管的正極連接所述整流運算放大器的反相輸入端，所述檢波二極管的負極連接所述整流運算放大器的輸出端，所述整流運算放大器的輸出端和所述濾波放大電路的輸入端之間還連接另一個檢波二極管。進一步地，本發明還具有如下特點:所述整流運算放大器的正相輸入端的電平小于0.01伏特。進一步地，本發明還具有如下特點:所述檢波二極管為低導通電壓的肖特基二極管。進一步地，本發明還具有如下特點:所述整流運算放大器為高速運算放大器，帶寬大于IGHz。進一步地，本發明還具有如下特點:所述濾波放大電路是由運算放大器、電阻和電容構成的一階濾波放大電路。進一步地，本發明還具有如下特點:所述濾波放大電路是由運算放大器、電阻和電容構成的二階濾波放大電路。進一步地，本發明還具有如下特點:所述整流運算放大器的輸入電阻、連接在所述整流運算放大器的反相輸入端和輸出端之間的反饋電阻和所述濾波放大電路的電阻的阻值根據所述精密檢波模塊的增益和輸入范圍進行配置。進一步地，本發明還具有如下特點:所述射頻電源的工作頻率為2MHz、13.56MHz或 27.12MHz ο與現有技術相比，本發明具有以下優點:A、由于本發明采用精密檢波模塊替代現有技術中只采用檢波二極管的技術方案，檢波二極管的動態特性與整流運算放大器相關，IV曲線過零點，因此檢測范圍變大，死區小，檢波動態范圍大，精度一致性好；B、本發明可采用多路開關實現整流電路和濾波電路的復用，簡化了器件，降低成本；C、由于本發明中的整流電路的輸入阻抗為50歐姆，所以有利于射頻信號的阻抗匹配；D、由于本發明中的檢波二極管采用低導通電壓的肖特基二極管，整流運算放大器采用高速高帶度的運算放大器，可保證常用于半導體工藝設備的頻率為2MHz、13.56MHz或27.12MHz的射頻信號的半波不失真，檢測精度高。
圖1為本發明射頻電源的精密功率檢測器的原理框圖；圖2為本發明的精密功率檢測器的精密檢波模塊的第一種實施方式的原理圖；圖3為本發明的精密功率檢測器的精密檢波模塊的第二種實施方式的原理圖；圖4為本發明的精密檢波模塊的整流電路和濾波放大電路的第一種實施方式的電路原理圖；圖5為本發明的精密檢波模塊的整流電路和濾波放大電路的第二種實施方式的電路原理圖；圖6為本發明的精密檢波模塊的整流電路和濾波放大電路的第三種實施方式的電路原理圖。
具體實施例方式為了深入了解本發明，下面結合附圖及具體實施例對本發明進行詳細說明。本發明提供了一種具有精密功率檢測器的射頻電源，該射頻電源一般可為電子管式的射頻電源或晶體管式的射頻電源，包括有射頻信號發生器、射頻功率放大電路、供電線路和精密功率檢測器，此外，本射頻電源還包括主控制器和人機界面接口等。其中，射頻信號發生器分別與射頻功率放大電路、供電線路和主控制器相連，射頻功率放大電路分別與供電線路、精密功率檢測器以及主控制器相連接，此外主控制器分別連接供電線路和精密功率檢測器。射頻電源的工作頻率可為2MHz、13.56MHz或27.12MHz。如圖1所示，本發明的精密功率檢測器包括電壓互感器、電流互感器、精密檢波模塊和微控制器，電壓互感器和電流互感器分別與精密檢波模塊相連，精密檢波模塊連接微控制器。電壓互感器可采用在精密功率檢測器的射頻信號輸入端對地并聯一個互感線圈構成，匝數比根據精密檢波模塊的增益確定，也可采用電容分壓器的方案。電流互感器可采用在在精密功率檢測器的射頻信號輸入端和輸出端之間直接串聯一個互感線圈構成，匝數比根據精密檢波模塊的增益確定。微控制器集成有模數轉換器和微處理單元，在一些應用中，此微控制器可為單片機，優選C8051F系列的單片機。如圖2所示，精密檢波模塊包括加法電路、減法電路、整流電路和濾波放大電路，加法電路將來自電壓互感器和電流互感器的信號進行加法運算，加法運算的結果一般用于表征入射功率(有時也稱為正向功率)，減法電路將來自電壓互感器和電流互感器的信號進行減法運算，減法運算的結果一般用于表征反射功率(有時也稱為反向功率)，加法電路和減法電路分別與整流電路相連，整流電路連接濾波放大電路，濾波放大電路與微控制器相連。在圖3所示的實施方式中，精密檢波模塊還包括多路開關，多路開關的輸入端分別連接加法電路的輸出端和減法電路的輸出端，該多路開關根據微控制器的指令，分別將加法電路的輸出信號和減法電路的輸出信號從多路開關的輸出端輸出至整流電路。與圖2所示的實施方式相比，圖3只采用了一個整流電路和濾波放大電路，節省了器件，降低了成本。圖4表示本發明的精密檢波模塊的整流電路和濾波放大電路的第一種實施方式，整流電路主要包括整流運算放大器Ul和檢波二極管Dl、D2，檢波二極管Dl的正極連接整流運算放大器Ul的反相輸入端，檢波二極管Dl的負極連接整流運算放大器Ul的輸出端，檢波二極管D2設置在整流運算放大器Ul的輸出端和濾波放大電路的輸入端之間。檢波二極管Dl和D2可為低導通電壓的肖特基二極管，優選型號為IN5711的二極管。整流運算放大器為高速運算放大器，帶寬大于1GHz，優選美國德州儀器公司的帶寬為
1.6GHz的高速運算放大器0PA657，檢波二極管Dl、D2的動態特性與整流運算放大器Ul相關，IV曲線過零點，檢測范圍變大，死區小，檢波動態范圍大，精度一致性好。在整流運算放大器Ul的正相輸入端設置有分壓接入的電阻Rl和R2，電阻Rl的阻抗比電阻R2的阻抗高至少1000倍，保證整流運算放大器的正相輸入端的電平小于0.01伏特，基本為零電位。在整流運算放大器Ul的反相輸入端設置有輸入電阻R3，輸入電阻R3的阻值優選為50歐姆，有利于射頻信號的阻抗匹配，這是因為半導體設備中所使用的射頻傳輸線的特性阻抗均為50歐姆。在整流運算放大器Ul的反相輸入端和輸出端之間還設置有反饋電阻R6，反饋電阻R6的阻值根據精密檢波模塊的增益和輸入范圍來確定。在整流運算放大器Ul的輸出端和檢波二極管D2的正極之間設置有輸出電阻R7。濾波放大電路主要由運算放大器、電阻和電容構成，運算放大器U2的正相端連接輸入電阻R9和電容Cl，電阻R9的另一端分別連接整流電路的輸出端(即檢波二極管D2的負極)和接地電阻R8，電容Cl接地，運算放大器U2的反相輸入端與輸出端之間設有電阻RIO、R11，這些電阻的阻值可根據精密檢波模塊的增益和輸入范圍來確定，由此構成一階濾波放大電路，最后輸出可由微控制器處理的表征入射功率或反射功率的模擬信號。圖5表示本發明的精密檢波模塊的整流電路和濾波放大電路的第二種實施方式，與圖4相比，圖5的實施方式只是在整流電路的輸入電阻方面做了變換，采用電阻R3、R4和R5構成T形網絡，替代原有的單個輸入電阻R3，這種方案能夠實現大信號輸入時的分流分壓，減小在電阻上的功率損耗，保護整流運算放大器，從而擴大精密檢波模塊的輸入范圍(即圖4所示實施方式不能檢測較大功率的射頻信號，而圖5所示實施方式可以檢測)，這些電阻的相應阻值根據精密檢波模塊的增益和輸入范圍來確定。圖6表示本發明的精密檢波模塊的整流電路和濾波放大電路的第三種實施方式，與圖5相比，圖6的實施方式將一階濾波放大電路變換為二階濾波放大電路，這種方式有利于過濾更多的諧波，從而保證微控制器內的模數轉換器得到更為準確的數值(即表示入射功率和反射功率的數值)以便微處理單元進一步運算處理。以上所述的具體實施方式
，對本發明的目的、技術方案和有益效果進行了進一步詳細說明，所應理解的是，以上所述僅為本發明的具體實施方式
而已，并不用于限制本發明，凡在本發明的本質和基本原理之內，所做的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發明的保護范圍之內。
權利要求
1.一種具有精密功率檢測器的射頻電源，所述射頻電源包括射頻信號發生器、射頻功率放大電路、供電線路和精密功率檢測器，其特征在于:所述精密功率檢測器包括電壓互感器、電流互感器、精密檢波模塊和集成有模數轉換器和微處理單元的微控制器，所述電壓互感器和所述電流互感器分別與所述精密檢波模塊相連，所述精密檢波模塊包括加法電路、減法電路、整流電路和濾波放大電路，所述加法電路將來自所述電壓互感器和所述電流互感器的信號進行加法運算，所述減法電路將來自所述電壓互感器和所述電流互感器的信號進行減法運算，所述加法電路和所述減法電路分別與所述整流電路相連，所述整流電路連接所述濾波放大電路，所述濾波放大電路與所述微控制器相連。
2.根據權利要求1所述的射頻電源，其特征在于:所述精密檢波模塊還包括多路開關，所述多路開關的輸入端分別連接所述加法電路的輸出端和所述減法電路的輸出端，所述多路開關根據所述微控制器的指令，分別將所述加法電路的輸出信號和所述減法電路的輸出信號傳遞至所述整流電路。
3.根據權利要求1或2所述的射頻電源，其特征在于:所述整流電路包括整流運算放大器和檢波二極管，所述檢波二極管的正極連接所述整流運算放大器的反相輸入端，所述檢波二極管的負極連接所述整流運算放大器的輸出端，所述整流運算放大器的輸出端和所述濾波放大電路的輸入端之間還連接另一個檢波二極管。
4.根據權利要求3所述的射頻電源，其特征在于:所述整流運算放大器的正相輸入端的電平小于0.0l伏特。
5.根據權利要求4所述的射頻電源，其特征在于:所述檢波二極管為低導通電壓的肖特基二極管。
6.根據權利要求5所述的射頻電源，其特征在于:所述整流運算放大器為高速運算放大器，帶寬大于1GHz。
7.根據權利要求6所述的射頻電源，其特征在于:所述濾波放大電路是由運算放大器、電阻和電容構成的一階濾波放大電路。
8.根據權利要求6所述的射頻電源，其特征在于:所述濾波放大電路是由運算放大器、電阻和電容構成的二階濾波放大電路。
9.根據權利要求8所述的射頻電源，其特征在于:所述整流運算放大器的輸入電阻、連接在所述整流運算放大器的反相輸入端和輸出端之間的反饋電阻和所述濾波放大電路的電阻的阻值根據所述精密檢波模塊的增益和輸入范圍進行配置。
10.根據權利要求9所述的射頻電源，其特征在于:所述射頻電源的工作頻率為2MHz、.13.56MHz 或 27.12MHz。
全文摘要
本發明公開了一種具有精密功率檢測器的射頻電源，包括射頻信號發生器、射頻功率放大電路、供電線路和精密功率檢測器，精密功率檢測器包括電壓互感器、電流互感器、精密檢波模塊和集成有模數轉換器和微處理單元的微控制器，電壓互感器和電流互感器分別與精密檢波模塊相連，精密檢波模塊包括加法電路、減法電路、整流電路和濾波放大電路，加法電路和減法電路分別與整流電路相連，整流電路連接濾波放大電路，濾波放大電路與集成有模數轉換器和微處理單元的微控制器相連。本發明能夠實現高精度的射頻功率檢測，檢測范圍寬，精度一致性好，死區小。
文檔編號H01J37/244GK103137408SQ20111038918
公開日2013年6月5日 申請日期2011年11月30日 優先權日2011年11月30日
發明者李勇滔, 趙章琰, 秦威, 李英杰, 夏洋 申請人:中國科學院微電子研究所