射頻功率測量系統的製作方法
2023-05-01 20:22:11
射頻功率測量系統的製作方法
【專利摘要】本發明提出一種射頻功率測量系統，包括：用於傳輸射頻功率信號的同軸功率傳輸裝置，包括內導體棒和外導體環，內導體棒套設在外導體環內；電壓探頭，設置在外導體環上，用於檢測同軸功率傳輸裝置的射頻電壓信號；第一電流探頭和第二電流探頭，設置在外導體環上且沿內導體棒的軸向分布在電壓探頭的兩側；信號採集與處理器，分別與電壓探頭、第一電流探頭和第二電流探頭相連，以根據電壓探頭檢測到的射頻電壓信號、第一電流探頭和第二電流探頭檢測到的射頻電流信號確定射頻功率信號的射頻功率。本發明的射頻功率測量系統，能夠消除電壓探頭和電流探頭的空間距離導致的相位誤差，對射頻等離子體耦合功率具有較高的測量精度，且該系統結構簡單、可靠。
【專利說明】射頻功率測量系統
【技術領域】
[0001] 本發明涉及電工【技術領域】，特別涉及一種射頻功率測量系統。
【背景技術】
[0002] 射頻等離子體被廣泛應用於等離子體材料處理工藝中，如半導體材料的刻蝕和等 離子體增強化學氣相沉積等。在這些工藝過程中，由電極耦合到等離子體的射頻功率是一 個非常重要的控制參數，需要對其進行準確測量。通常採用一個電壓探頭和一個電流分別 測量電極處的電壓波形和電流波形，再由以下公式計算射頻耦合功率P(入射功率與反射 功率之差）
[0003] P = |v| I I |cos θ
[0004] 其中|v|為電壓有效值，|ι|為電流有效值，Θ為電壓波形與電流波形的相位差。 該方法的主要誤差來自於θ的誤差。
[0005] 當負載為匹配負載時，以上方法可以給出耦合功率的準確結果。然而對於常見的 兩種射頻等離子體一電感耦合等離子體和電容耦合等離子體來說，以上方法會存在較大 誤差。這是因為在這兩种放電中，等離子體等效阻抗的電抗部分遠大於電阻部分。對於射 頻功率來說，等離子體是一個極不匹配負載，Θ?±90°。此時，Θ的微小誤差會給功率 測量帶來很大的誤差。例如，COS89.5。~0.0087，cos89° ^0.0174,因此當Θ ~89° 時，0.5°的相位測量誤差會給功率測量帶來100%的誤差。對於頻率為60MHz的射頻信號 來說，lcm的距離所對應的相位差約為0.72°。因此，電壓探頭和電流探頭的間距必須足夠 小以減少相位差測量的誤差。實際情況中，電壓探頭和電流探頭的距離為幾個釐米。因此 以上方法難以在高頻情況下使用。
[0006] 另一方面，由探頭間距引起的相位差還依賴於負載的阻抗。例如，當負載為匹配負 載時，入射的射頻信號均被負載吸收，反射信號為零。假設入射射頻信號先到達電壓探頭而 後到達電流探頭，則電流探頭處的電流信號比電壓探頭處的電流信號滯後，即存在相位差。 而當負載為開路負載時，入射的射頻信號完全被反射，且反射信號與入射信號幅值相同。在 這種情況下，入射信號首先到達電壓探頭而反射信號首先到達電流探頭。對於兩個方向的 射頻信號，探頭間距引起的相位差大小相等方向相反，兩者互相抵消。此時，電流探頭處的 電流信號與電壓探頭處的電流信號是同相位的，即不存在相位差。因此，對探頭間距引起的 相位差的確定還需要知道負載的準確阻抗。而射頻等離子體等效負載的阻抗通常難以確 定，給功率測量帶來了很大的誤差。
【發明內容】
[0007] 本發明旨在至少在一定程度上解決上述相關技術中的技術問題之一。
[0008] 為此，本發明的目的在於提出一種射頻功率測量系統，該系統能夠消除電壓探頭 和電流探頭的空間距離導致的相位誤差，對射頻等離子體耦合功率具有較高的測量精度， 並且該系統結構簡單、可靠。
[0009] 為了實現上述目的，本發明的實施例提出了一種射頻功率測量系統，包括：用於傳 輸射頻功率信號的同軸功率傳輸裝置，所述同軸功率傳輸裝置包括內導體棒和外導體環， 所述內導體棒套設在所述外導體環內；電壓探頭，所述電壓探頭設置在所述外導體環上，用 於檢測所述同軸功率傳輸裝置的射頻電壓信號；第一電流探頭和第二電流探頭，所述第一 電流探頭和第二電流探頭設置在所述外導體環上且沿所述內導體棒的軸向上分布在所述 電壓探頭的兩側；信號採集與處理器，所述信號採集與處理器分別與所述電壓探頭、所述第 一電流探頭和第二電流探頭相連，以根據所述電壓探頭檢測到的射頻電壓信號、所述第一 電流探頭和第二電流探頭檢測到的射頻電流信號確定所述射頻功率信號的射頻功率。
[0010] 根據本發明實施例的射頻功率測量系統，能夠消除電壓探頭和電流探頭的空間距 離導致的相位誤差，對射頻等離子體耦合功率具有較高的測量精度，並且該系統結構簡單、 可靠。從而該系統可用於準確測量射頻等離子體材料處理工藝中的耦合功率，從而可能有 利於改進工藝參數。同時，該系統可應用於不同負載情況下，在各種射頻功率測量領域均有 廣泛的應用前景。
[0011] 另外，根據本發明上述實施例的射頻功率測量系統還可以具有如下附加的技術特 徵：
[0012] 在一些示例中，所述第一電流探頭和所述電壓探頭之間的距離與所述第二電流探 頭和所述電壓探頭之間的距離相同。
[0013] 在一些示例中，所述第一電流探頭和所述電壓探頭的距離以及所述第二電流探頭 與所述電壓探頭的距離均為lcm。
[0014] 在一些示例中，所述信號採集與處理器通過同軸電纜採集所述電壓探頭檢測到的 射頻電壓信號、所述第一電流探頭和所述第二電流探頭檢測到的射頻電流信號。
[0015] 在一些示例中，所述同軸電纜的特徵阻抗和所述信號採集與處理器的內阻均為50 歐姆。
[0016] 在一些示例中，所述電壓頭探為容性探頭。
[0017] 在一些示例中，還包括：標定模塊，所述標定模塊用於通過網絡分析儀對所述電壓 探頭、所述第一電流探頭和所述第二電流探頭進行標定，以得到所述電壓探頭與所述內導 體棒之間的電容，以及所述第一電流探頭或所述第二電流探頭所在處的電感。
[0018] 在一些示例中，所述根據所述電壓探頭檢測到的射頻電壓信號、所述第一電流探 頭和第二電流探頭檢測到的射頻電流信號確定所述射頻功率信號的射頻功率，進一步包 括：
[0019] 根據所述射頻電壓信號計算所述電壓波形，所述電壓波形為：
[0020]
【權利要求】
1. 一種射頻功率測量系統，其特徵在於，包括： 用於傳輸射頻功率信號的同軸功率傳輸裝置，所述同軸功率傳輸裝置包括內導體棒和 外導體環，所述內導體棒套設在所述外導體環內； 電壓探頭，所述電壓探頭設置在所述外導體環上，用於檢測所述同軸功率傳輸裝置的 射頻電壓信號； 第一電流探頭和第二電流探頭，所述第一電流探頭和第二電流探頭設置在所述外導體 環上且沿所述內導體棒的軸向分布在所述電壓探頭的兩側； 信號採集與處理器，所述信號採集與處理器分別與所述電壓探頭、所述第一電流探頭 和第二電流探頭相連，以根據所述電壓探頭檢測到的射頻電壓信號、所述第一電流探頭和 第二電流探頭檢測到的射頻電流信號確定所述射頻功率信號的射頻功率。
2. 根據權利要求1所述的射頻功率測量系統，其特徵在於，所述第一電流探頭和所述 電壓探頭之間的距離與所述第二電流探頭和所述電壓探頭之間的距離相同。
3. 根據權利要求2所述的射頻功率測量系統，其特徵在於，所述第一電流探頭和所述 電壓探頭之間的距離以及所述第二電流探頭和所述電壓探頭之間的距離均為lcm。
4. 根據權利要求1所述的射頻功率測量系統，其特徵在於，所述信號採集與處理器通 過同軸電纜採集所述電壓探頭檢測到的射頻電壓信號、所述第一電流探頭和所述第二電流 探頭檢測到的射頻電流信號。
5. 根據權利要求4所述的射頻功率測量系統，其特徵在於，所述同軸電纜的特徵阻抗 和所述信號採集與處理器的內阻均為50歐姆。
6. 根據權利要求1所述的射頻功率測量系統，其特徵在於，所述電壓頭探為容性探頭。
7. 根據權利要求1所述的射頻功率測量系統，其特徵在於，還包括： 標定模塊，所述標定模塊用於通過網絡分析儀對所述電壓探頭、所述第一電流探頭和 所述第二電流探頭進行標定，以得到所述電壓探頭與所述內導體棒之間的電容，以及所述 第一電流探頭或所述第二電流探頭所在處的電感。
8. 根據權利要求7所述的射頻功率測量系統，其特徵在於，所述信號採集與處理器根 據所述電壓探頭檢測到的射頻電壓信號、所述第一電流探頭和第二電流探頭檢測到的射頻 電流信號確定所述射頻功率信號的射頻功率，進一步包括： 根據所述射頻電壓信號計算所述電壓波形，所述電壓波形為：
其中，Vm(x，t)為所述電壓探頭檢測到的射頻電壓信號，R為所述信號採集與處理器的 內阻，C為所述電壓探頭與所述內導體棒之間的電容； 根據所述第一電流探頭和第二電流探頭檢測到的射頻電流信號計算所述電壓探頭處 的電流波形，電壓探頭處的電流波形為：
其中，im(x，t)為所述第一電流探頭和第二電流探頭檢測到的射頻電流信號的平均值， L為所述第一電流探頭或所述第二電流探頭所在處的電感； 根據所述電壓波形和所述電壓探頭處的電流波形計算所述射頻功率。
【文檔編號】G01R21/06GK104062492SQ201410265422
【公開日】2014年9月24日 申請日期:2014年6月13日 優先權日:2014年6月13日
【發明者】高島圭介, 陳文聰, 蒲以康 申請人:清華大學