專利名稱：鑒幅傳感器及射頻傳輸系統及其對負載阻抗進行鑒幅的方法
技術領域：
本發明涉及一種半導體加工技術，尤其涉及一種鑒幅傳感器及射頻傳輸系統及其對負載阻抗進行鑒幅的方法。
背景技術：
等離子體被廣泛應用于半導體器件的生產中。在等離子體刻蝕系統中，射頻電源向等離子腔體供電以產生等離子體。等離子體中含有大量的電子、離子、激發態的原子、分子和自由基等活性粒子，這些活性粒子和置于腔體并曝露在等離子體環境下的晶圓相互作用，使晶圓材料表面發生各種物理和化學反應，從而使材料表面性能發生變化，完成晶圓的刻蝕過程。
常用的射頻電源工作頻率為13.56MHz，輸出阻抗為50Ω，通過特征阻抗為50Ω的同軸電纜與反應腔室相連。隨著刻蝕過程的進行，腔室中的氣體成分以及壓力都在不斷變化，因此，作為負載的等離子的阻抗也在不斷的變化。而射頻電源的內阻為固定的50Ω，即功率源與負載之間阻抗是不匹配的，這樣就導致RF(射頻)傳輸線上存在較大的反射功率，射頻輸出功率無法全部施加到等離子體腔。如果獲得的RF能量不足以使等離子體起輝，刻蝕過程就無法進行，而且，功率會反射回電源，當達到輸出功率的20％左右時，就會損壞RF電源。
如圖1所示，現有技術是在RF功率源與等離子體腔室之間插入一個匹配網絡，使得負載阻抗與電源阻抗能夠達到共軛匹配。由于隨著刻蝕過程的進行，負載阻抗的值是不斷變化的，所以需要引入一個阻抗幅值、相位檢測器，即傳感器(Sensor)。通過檢測傳輸線上的電壓、電流信號，利用一定的鑒幅和鑒相方法，就可以得到負載阻抗的幅值和相位。自動阻抗控制器根據傳感器的輸出，控制步進電機的轉動，從而調整匹配網絡中的可變元件，最終使匹配網絡與等離子腔室的總阻抗為50Ω，實現阻抗匹配。
如圖2所示，現有技術中的平衡式鑒幅法 根據傳輸線上的電壓和電流信號檢測負載阻抗幅值，對從RF傳輸線上取出來的電壓和電流信號通過二極管和濾波電路(由電阻電容組成，圖2中未畫出，用虛線代替)進行整流濾波，得到電壓和電流取樣信號的直流值，分別為Mag+和Mag-，由圖2中二極管的連接可以看出(Mag+)>0，(Mag-)<0。Mag+和Mag-分別加到電位器R的兩端，通過測量電位器R中心抽頭處的電壓值就可以判斷負載阻抗幅值的情況，即有當負載阻抗的幅值|Z|＝50Ω時，則有電位器R中心抽頭處的電壓值MAGNITUDE＝0；當|Z|>50Ω時，MAGNITUDE>0；當|Z|<50Ω時，MAGNITUDE<0。
上述現有技術至少存在以下缺點由于二極管特性曲線的一致性難以保證，所以其性能精度低，并且電路體積大，一致性差，可靠性低。
發明內容
本發明的目的是提供一種性能精度高、可靠性高的鑒幅傳感器及射頻傳輸系統及其對負載阻抗進行鑒幅的方法。
本發明的目的是通過以下技術方案實現的 本發明的鑒幅傳感器，包括信號采集單元，所述的信號采集單元包括電壓信號采集單元和電流信號采集單元，所述電壓信號采集單元和電流信號采集單元的輸出端分別連接有模擬乘法器，所述的模擬乘法器可以接收交流電壓或交流電流信號，所述的模擬乘法器的輸出表達式為 公式1式中X1、X2、Y1、Y2、Z2為輸入變量。
本發明的射頻傳輸系統，包括射頻主傳輸線，所述的射頻主傳輸線上連接有權利要求1或2所述的鑒幅傳感器，所述鑒幅傳感器的電壓信號采集單元和電流信號采集單元分別與所述射頻主傳輸線耦合，所述鑒幅傳感器的輸出端連接有控制器， 所述控制器根據所述鑒幅傳感器傳來的信號計算所述射頻傳輸系統的負載阻抗的幅值，所述控制器的計算表達式為 公式2式中k為常量；A0和A1分別為所述電壓信號和電流信號經所述鑒幅傳感器處理后的輸出信號。
本發明的對上述的射頻傳輸系統的負載阻抗進行鑒幅的方法，包括步驟 首先，檢測射頻傳輸系統的射頻主傳輸線上的交流電壓信號和交流電流信號； 然后，將所述交流電壓信號代人公式1中的輸入變量X1、Y1，并將公式1中的X2、Y2、Z2設為0，進行運算；以同樣的方法將所述交流電流信號代人公式1中，進行運算； 之后，將運算的結果代人公式2中計算所述負載阻抗的幅值。
由上述本發明提供的技術方案可以看出，本發明所述的鑒幅傳感器及射頻傳輸系統及其對負載阻抗進行鑒幅的方法，由于模擬乘法器可以接收交流信號，鑒幅傳感器可以檢測射頻傳輸系統的射頻主傳輸線上的交流電壓和電流信號；然后，由模擬乘法器通過公式1對所述交流電壓和電流信號進行運算，并根據運算的結果通過公式2計算所述射頻傳輸系統的負載阻抗的幅值。性能精度高、可靠性高。
圖1為現有技術中的射頻傳輸系統框圖； 圖2為現有技術中平衡式鑒幅的電路原理圖； 圖3為本發明的鑒幅傳感器及射頻傳輸系統的原理框圖； 圖4為本發明中模擬乘法器的電路原理圖。
具體實施例方式 本發明的鑒幅傳感器及包含該傳感器的射頻傳輸系統，其較佳的具體實施方式
如圖3所示， 射頻傳輸系統的射頻主傳輸線上連接有鑒幅傳感器，鑒幅傳感器包括信號采集單元、模擬乘法器，信號采集單元采集電信號輸入給模擬乘法器進行處理。
如圖4所示，模擬乘法器可以接收交流信號，包括交流電壓信號、電流信號，模擬乘法器的輸出表達式為 (1)式中X1、X2、Y1、Y2、Z2為輸入變量。
模擬乘法器的輸出端還可以連接有低通濾波器。
鑒幅傳感器的信號采集單元包括電壓信號采集單元和電流信號采集單元，分別采集射頻主傳輸線的電壓信號和電流信號。
鑒幅傳感器的輸出端連接有控制器，控制器根據鑒幅傳感器傳來的信號計算射頻傳輸系統的負載阻抗的幅值。
控制器的計算表達式為 (2)式中k為常量；A0和A1分別為電壓信號和電流電流信號經鑒幅傳感器處理后的輸出信號。
本發明的對上述的射頻傳輸系統的負載阻抗進行鑒幅的方法，包括步驟 首先，檢測射頻傳輸系統的射頻主傳輸線上的交流電壓信號和交流電流信號； 然后，將所述交流電壓信號代人公式1中的輸入變量X1、Y1，并將公式1中的X2、Y2、Z2設為0，進行運算；以同樣的方法將所述交流電流信號代人公式1中，進行運算； 之后，將運算的結果代人公式2中計算所述負載阻抗的幅值。
在將運算的結果代人公式2之前，可以首先對運算的結果進行濾波，除去倍頻信號。
具體實施例 參見圖3，采用兩個模擬乘法器來檢測負載阻抗的幅值。一個模擬乘法器的輸入為從RF(射頻)傳輸線上取出來的電壓正弦波信號，另一個模擬乘法器的輸入為從RF傳輸線上取出來的電流正弦波信號。經過模擬乘法器的處理之后，輸出的信號經過RC低通濾波器濾波之后輸入給控制器進行下一步的處理。
假定以電壓采樣信號為參考，設鑒幅傳感器上從RF傳輸線上取出來的電壓信號為u(t)＝Ucosωt，電流信號為i(t)＝Icos(ωt-θ)，其中U、I分別為電壓和電流信號的幅度，θ為電流滯后于電壓的相位，ω為角頻率，t為時間。
根據模擬乘法器MPY634的輸出表達式 再結合圖4，由此可以得到模擬乘法器U1的傳遞關系式如下 Ulout信號經過由電阻和電容構成的RC低通濾波網絡，除去2倍頻信號
到達DSP控制器的直流信號為 同樣，對于模擬乘法器U2，它的傳遞關系如下式所示 U2out信號經過由電阻和電容構成的RC低通濾波網絡，除去2倍頻信號到達DSP控制器的直流信號為 控制器對信號A0和A1進行運算，可以得到負載阻抗的幅值|Z|為 上式中，k為比例常數，與電壓幅度U和電流幅度I有關。
本發明中涉及的鑒幅方法對輸入信號的要求不是很嚴格，不需要將采樣電壓和電流正弦波信號轉換為直流信號，因此減少了正弦波轉直流信號的電路，在性能持平或更優的前提下大大減小了電路復雜度和體積，鑒幅通過集成芯片模擬乘法器來實現，因此提高了電路的精度、一致性和可靠性，系統實現比較容易。能很好的檢測負載阻抗的幅度。由公式(2)便可很好的判斷負載阻抗的幅度|Z|。
模擬乘法器的輸出可以送給控制器處理，也可以送給其它的運算單元來進行運算得到負載阻抗的幅值|Z|。
適用于頻率為13.56M的射頻傳輸系統，也適用于0.325-100M頻段的射頻傳輸系統。
以上所述，僅為本發明較佳的具體實施方式
，但本發明的保護范圍并不局限于此，任何熟悉本技術領域的技術人員在本發明揭露的技術范圍內，可輕易想到的變化或替換，都應涵蓋在本發明的保護范圍之內。
權利要求
1、一種鑒幅傳感器，包括信號采集單元，其特征在于，所述的信號采集單元包括電壓信號采集單元和電流信號采集單元，所述電壓信號采集單元和電流信號采集單元的輸出端分別連接有模擬乘法器，所述的模擬乘法器可以接收交流電壓或交流電流信號，所述的模擬乘法器的輸出表達式為
公式1式中X1、X2、Y1、Y2、Z2為輸入變量。
2、根據權利要求1所述的鑒幅傳感器，其特征在于，所述的模擬乘法器的輸出端連接有低通濾波器。
3、一種射頻傳輸系統，包括射頻主傳輸線，其特征在于，所述的射頻主傳輸線上連接有權利要求1或2所述的鑒幅傳感器，所述鑒幅傳感器的電壓信號采集單元和電流信號采集單元分別與所述射頻主傳輸線耦合，所述鑒幅傳感器的輸出端連接有控制器，
所述控制器根據所述鑒幅傳感器傳來的信號計算所述射頻傳輸系統的負載阻抗的幅值，所述控制器的計算表達式為
公式2式中k為常量；A0和A1分別為所述電壓信號和電流信號經所述鑒幅傳感器處理后的輸出信號。
4、一種對權利要求3所述的射頻傳輸系統的負載阻抗進行鑒幅的方法，其特征在于，包括步驟
首先，檢測射頻傳輸系統的射頻主傳輸線上的交流電壓信號和交流電流信號；
然后，將所述交流電壓信號代人公式1中的輸入變量X1、Y1，并將公式1中的X2、Y2、Z2設為0，進行運算；以同樣的方法將所述交流電流信號代人公式1中，進行運算；
之后，將運算的結果代人公式2中計算所述負載阻抗的幅值。
5、根據權利要求4所述的對所述射頻傳輸系統的負載阻抗進行鑒幅的方法，其特征在于，所述將運算的結果代人公式2之前，首先對所述運算的結果進行濾波，除去倍頻信號。
全文摘要
本發明公開了一種鑒幅傳感器及射頻傳輸系統及其對負載阻抗進行鑒幅的方法，射頻傳輸系統的射頻主傳輸線上連接有鑒幅傳感器，鑒幅傳感器的電壓信號采集單元和電流信號采集單元分別采集射頻主傳輸線的電壓信號和電流信號，然后由模擬乘法器接收電壓信號和電流信號，并對接受到的信號進行運算，并將運算后的信號輸入給控制器，控制器對接收到信號進行運算得到負載阻抗的幅值，實現射頻傳輸系統的負載阻抗進行鑒幅。性能精度高、可靠性高。
文檔編號H01L21/00GK101420815SQ20071017623
公開日2009年4月29日 申請日期2007年10月23日 優先權日2007年10月23日
發明者張文雯, 東 王, 申浩南 申請人:北京北方微電子基地設備工藝研究中心有限責任公司