获取施加到射频负载上的射频功率波的电压和电流值的方法和装置制造方法及图纸

用于测量加在ＲＦ负载上的ＲＦ功率波的电流、电压和相位的一种方法，该方法考虑到了所述电压和电流采集头的有限长度，对于电压和电流的驻波分量的效应进行了校正。在所述预定发射频率的预定标系数的基础上把电压和电流当作所述电压采集信号和所述电流采集信号的复函数来计算。此外，可以以经过校正的电压值和负载复阻抗为基础获得经过校正的电流。（*该技术在2019年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及对施加在一个非线性负载上的RF功率的电压、电流以及相位的准确测量，更确切地说，涉及一种对供给一个RF等离子腔的射频(RF)电功率的电流、电压以及相位进行测量的探头。在一个典型的RF等离子发生器装置中，由大功率RF源按预定的频率，即13.56MHz，产生RF波，并且沿一个功率通道将该RF波传送到一个等离子腔。由于在RF功率源和所述等离子腔之间通常存在严重的阻抗不匹配，因此在二者之间插入一个阻抗匹配网路。由于在等离子腔内的非线性，以及在导线中或阻抗匹配网路中的损耗，RF发生器的输出功率不能全部到达所述等离子腔。因此，比较方便的是在等离子腔的功率输入端设置一个探头，当RF波输入到等离子腔中时，用该探头测量其电压和电流。通过对尽量靠近所述等离子腔的电压和电流进行准确测量，等离子处理的使用者可以获得对所述等离子品质的较好的表示。由此可以对硅晶片或腔内的其他工件的蚀刻或沉积特性进行更好的控制。目前，经常使用二极管检测探头对所述电流和电压波形的幅值进行检测。这些探头简单地用二极管检测器电路对所述电压和电流波形进行整流，并且将电压和电流的简单的直流测量输出值传送出去。在这方面这些探头至少具有两个缺点。二极管检测器对于低信号水平具有固有的非线性，并且温漂严重。所述二极管检测器电路仅限于检测基频的信号峰值，而对所述RF功率波形中更高或更低频率不起作用。此外，用它还不能得到电流和电压波形之间的相位角，这导致功率测量的不准确。为了改进对RF功率的检测，曾经考虑过获得探头输出的电压和电流的数字采样值的方案，即，通过快速转换，随后在高速缓冲器RAM上对所述采样值进行处理。然而，这个方法依然存在准确度和精密度的问题。目前，快速转换的动态范围低，通常限制在8比特的分辨率。为了获得等离子体用户需要的合理的相位准确度，需要达到至少12比特的精密度。此外，快速转换需要一个特别的快速RAM以便在数字信号处理器(DSP)对一段采样值进行处理之前对它进行缓冲，而快速RAM电路既占用空间又昂贵。现存的电压和电流探头受到其性能的限制，这是由于它们仅在某一个频率监视电压、电流以及相位角，即使如此这些探头的动态范围依然很低。在不同频率进行检测需要改变硬件，这既耗资又费时。这就是说，只有负载是线性的才会有好的性能，而对于等离子腔来说则永远不可能实现。与电容，电感及电阻不同，等离子腔具有高度非线性的负载，它导致输入功率的正弦波形失真。这一失真导致最终的波形成为多个正弦曲线的和，每个正弦曲线的频率是输入正弦波频率的整数倍(即谐波)。普通的探头可以提供电压、电流以及粗略的相位信息，最多的是对于基波的电压和电流波形。这极大地限制了系统的准确度，并且当存在明显的谐波电压或谐波电流时，难以具有准确度和可重复控制。在1996年7月22日提出的，与本申请具有相同的受让人的美国专利申请08/684833中提出了一种可能的解决方法。在此，电压/电流探头使用了一个频率转换装置，其将采样的电压和电流转换为一个较低频基带信号，从而便于准确检测基带约为0.2KHz到15KHz的所施加功率的RF电流和电压，以及相位信息。将所述基带电压和电流信号数字化，并对其进行处理从而得到电压和电流信息，并运用复数快速傅立叶变换技术从而得到准确的相位信息。该08/684833号申请以引用方式结合在有申请中。即使使用这种方法仍然需要提供一个超高匹配定向性的电压和电流传感器，其工作时被视为具有零探头长度，并且要求它在所述RF负载条件下准确地反映电压、电流以及相位条件。由于实际的电压探头以及任何实际的电流探头都具有一点的长度，因此这样做依旧存在上述问题，而在传感器长度上的电流和电压波形不是平直的。电压-电流探头是这样一种传感器，它的输出信号反映其插入位置的一个零长度的点。另一方面，任何实际的传感器必定具有一定的尺寸以便检测电压或电流。所述电压/电流探头产生一个与待测的高电平信号(即所用的电流或电压)具有良好的确定关系的低电平信号。由于所述探头或传感器具有确定长度，加上所施加的功率和实际的非理想负载所产生驻波，意味着所述RF电压(或电流)沿其确定长度上将不是各处同一的。也就是说，在更高频率，例如所施加的RF功率的谐波的情况下在传感器长度方向上的不均匀效应更显著。遗憾的是，现有技术没有能够对此进行补偿，而对于电压/电流探头的定标算法在现有技术中也是未知的。本专利技术的一个目的就是提供一种价格低廉的、可靠而准确的探头，用于检测施加给等离子腔的RF功率的电流和电压并且用于准确得到负载阻抗(它可以包括实部和虚部)以及负载上电压和电流之间的相位角。本专利技术更加具体的目的就是提供一种改进的电压和电流采集头，它可以准确测量RF功率波形注入RF负载那一点的RF电压和电流。本专利技术的另一个目的就是提供一个探头，它具有能够对探头的电压电流传感器非零长度进行补偿的定标算法。根据本专利技术的一个方面，可以推导出以预定的RF频率施加到负载上，诸如等离子腔的功率输入，的RF功率波的RF电压和电流电平以及相关的电流和电压的相位信息。该探头产生一个电压采集值VV和一个电流采集值VI。然而由于电压和电流探头具有一定的长度，而非简单的点，本专利技术的技术对其进行补偿以产生经过校正的电压、电流以及阻抗和相位值。这包括在对于特定的工作射频预定标系数的基础上，将电压作为电压采集信号和电流采集信号的复函数进行计算，并且同样在对于特定的工作射频预定标系数的基础上，将电流作为电压采集信号和电流采集信号的复函数进行计算。它也可以在对于工作射频预定标系数的基础上，将校正电压值作为电压采集信号和电流采集信号的复函数进行计算，在电压和电流采集信号的基础上计算在工作射频下负载的复阻抗，然后在校正的电压值和复数阻抗基础计算校正电流值。“复阻抗”可以理解为具有“实部”或电阻分量和“虚部”或电抗性(容性或感性)分量的负载阻抗。对某范围中的多个频率中的每一个用校正因数对信号处理器进行定标。对某范围中多个频率中的每一个在下列条件下(a)开路负载，(b)短路负载，(c)固定的已知阻抗负载，例如，50欧姆，以及(d)从一个RF定标源以准确的输入水平将一个已知的定标电压和一个已知电流输入到已知的负载上，通过得到电压和电流采集信号可以获得这些数值。接着数字信号处理器基于在条件(a)到(d)下得到的电压和电流值计算并存储校正参数。这些参数是针对所应用的整个频率范围内的每一个定标频率得到的。当系统在选定的工作频率工作时，将存储的校正参数加到电压和电流采集信号上以得到经过校正的电压、电流和负载阻抗值。在数字信号处理器中对电压和电流的幅值和相对相位进行计算。对连续的定标发射频率中的任何一个的校正参数进行存储，通过在高于和低于所选工作频率的定标频率的各个校正参数的存储值之间进行内插来应用校正参数。电压和电流探头具有一个金属外壳，该外壳上具有一个纵穿其中的圆柱形腔以及第一和第二凹陷，该凹陷面向空腔敞开一个轴向距离。电压和电流传感器板就装在这些凹陷中，不久将讲到这些。沿空腔的轴有一个中心导体并且在腔中有一个圆柱形绝缘体。所述绝缘体围绕该中心导体并且在导体和外壳之间沿径向延伸。在第一凹陷中装有一个电压传感器板，它具有一个沿径向面对空腔轴的容性采集板。在第二凹陷处装有电流传感器板，本文档来自技高网...

【技术保护点】
用于获取以预定射频（ＲＦ）施加在ＲＦ负载上的ＲＦ功率波的电流和电压成分的电流、电压以及相位信息的一种方法，其中具有一个具有一定长度的电压采集头（４２）以及一个具有一定长度的电流采集头（５２）的电压／电流探头（２２）向信号处理器（２４）提供电压采集信号Ｖ↓［ｖ］和电流采集信号Ｖ↓［ｉ］，该处理器对所述电压和电流采集信号进行处理并生成所述负载（２０）上出现的电压值、电流值、相位值，这些值已经相对于电压和电流的驻波分量效应进行了校正，其特征在于，该方法包括以下步骤 在对于预定的射频的预定标参数的基础上，作为电压采集信号和电流采集信号的复函数计算所述电压，以及 在对于所述射频的预定标参数的基础上，作为电压采集信号和电流采集信号的复函数计算所述电流。

【技术特征摘要】
US 1998-2-27 09/0318791.用于获取以预定射频(RF)施加在RF负载上的RF功率波的电流和电压成分的电流、电压以及相位信息的一种方法，其中具有一个具有一定长度的电压采集头(42)以及一个具有一定长度的电流采集头(52)的电压/电流探头(22)向信号处理器(24)提供电压采集信号VV和电流采集信号Vi，该处理器对所述电压和电流采集信号进行处理并生成所述负载(20)上出现的电压值、电流值、相位值，这些值已经相对于电压和电流的驻波分量效应进行了校正，其特征在于，该方法包括以下步骤在对于预定的射频的预定标参数的基础上，作为电压采集信号和电流采集信号的复函数计算所述电压，以及在对于所述射频的预定标参数的基础上，作为电压采集信号和电流采集信号的复函数计算所述电流。2.用于获取以预定射频(RF)施加在RF负载上的RF功率波的电流和电压成分的电流、电压以及相位信息的一种方法，其中具有一个具有一定长度的电压采集头(42)以及一个具有一定长度的电流采集头(52)的电压/电流探头(22)向信号处理器(24)提供电压采集信号VV和电流采集信号Vi，该处理器对所述电压和电流采集信号进行处理，并生成在所述负载上出现的电压值、电流值、相位值，这些值已经相对于电压和电流的驻波分量效应进行了校正，其特征在于，该方法包括以下步骤在对于预定的射频的预定标参数的基础上，作为电压采集信号和电流采集信号的复函数计算所述经过修正的电压，在所述电压和电流采集信号的基础上计算所述预定射频下的复阻抗，以及在所述经过校正的电压值和所述复阻抗的基础上，计算所述经过校正的电流值。3.用于获取RF功率波的电流和电压成分的电流、电压以及相位信息的一种方法，所说RF功率波是以在一个射频范围内选择的一个工作频率施加在RF负载(20)上的，其中具有一个具有一定长度的电压采集头(42)以及一个具有一定长度的电流采集头(52)的电压/电流探头(22)向信号处理器(24)提供电压采集信号VV和电流采集信号Vi，该处理器对所述电压和电流采集信号进行处理并产生出现在所述负载(20)上的电压值、电流值、相位值，这些值已经相对于电压和电流的驻波分量效应进行了校正，其特征在于，该方法包括以下步骤-对在所述范围内的多个定标射频的每一个，在以下条件下(a)开路负载，(b)短路负载，(c)固定的已知阻抗负载，以及(d)从一个RF定标源以一个精确的输入电平施加在一个已知负载上的电压和电流中的一个，得到电压和电流采集信号；以及以在上述条件(a)到(d)的条件下得到的电压和电流值为基础计算和存储校正系数；以及-在所选择的工作频率下，将所存储的校正系数施加到所述电压和电流采集信号上从而得到一个或多个经过校正的电压值、一个经过校正的电流值...

【专利技术属性】
技术研发人员：KS格里斯，
申请(专利权)人：恩尼技术公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]