专利名称：：一种射频匹配器的传感器的鉴相装置和方法
技术领域：
：本发明涉及半导体制造设备的检测与监控
技术领域：
，尤其涉及一种射频匹配器的传感器的鉴相装置和方法。
背景技术：
：等离子体被广泛应用于半导体器件的生产。在等离子体刻蚀系统中，射频电源向等离子腔体供电以产生等离子体。等离子体中含有大量的电子、离子、激发态的原子、分子和自由基等活性粒子，这些活性粒子和置于腔体并曝露在等离子体环境下的半导体晶圆相互作用，使半导体晶圆材料表面发生各种物理和化学反应，从而使材料表面性能发生变化，完成半导体晶圆的刻蚀过程。常用的射频电源工作频率为13.56MHz，输出阻抗为50Q，通过特征阻抗为50Q的同轴电缆与反应腔室相连。随着刻蚀过程的进行，腔室中的气体成分以及压力都在不断变化，因此，作为负载的等离子的阻抗也在不断的变化。而射频电源的内阻为固定的50Q，即功率源与负载之间阻抗是不匹配的，这样就导致射频RF传输线上存在较大的反射功率，射频输出功率无法全部施加到等离子体腔。如果获得的RF能量不足以使等离子体起辉，刻蚀过程就禾法进行，而且，功率会反射回电源，当达到输出功率的20%左右时，就会损坏RF电源。由此，如图1所示的整个射频传输系统的框图，一般RF功率源与等离子体腔室之间插入一个匹配网络，使得负载阻抗与电源阻抗能够达到共轭匹配。由于随着刻蚀过程的进行，负载阻抗的值是不断变化的，所以需要引入一个阻抗模值、相位检测器，即传感器(Sensor)。通过检测传输线上的电压、电流信号，利用一定的鉴幅和鉴相方法，就可以得到负载阻抗的模值和相位。自动阻抗控制器根据传感器的输出，控制步进电机的转动，从而调整匹配网络中的可变元件，最终使匹配网络与等离子腔室的总阻抗为50Q，实现匹配。对于根据传输线上的电压和电流信号计算负载阻抗的相位的方法，常规的一种方法如图2所示，釆用模拟乘法器，若输入信号与参考信号的相位差为d)，则模拟乘法器的输出与COS小成正比，因此可以用乘法器鉴相。4><0时的输出与4)〉0时相同，鉴相器不能鉴别相位超前与滞后，它工作在"/2土:r/2范围内，在4>=兀/2附近，鉴相器线性最好，灵敏度最高。影响精度的主要因素有输入信号的幅值，输出的非线性等。如图2所示模拟乘法器的输出等于K倍的x乘y。根据三角公式化简Uo=(1/2)XKXUsmXUcmXCOS4>式中UO，为模拟乘法器鉴相器的输出信号；K，为常系数；Usm，输入信号之一；Ucm，另一路输入信号。即模拟乘法器输出了一个与信号间相位差相关的量，完成了鉴相功能这种方法存在的缺点是，输出信号是相位的余弦函数，是非线性的，信号幅值影响鉴相结果，因此无法得到准确的结果。常规的另一种鉴相的方法如图3与图4所示，是釆用门鉴相器，而其中最常用的是异或门鉴相，它由异或门与低通滤波器组成。异或门的电路符号如图3所示及真值表如表1所示，输出波形及鉴相特性如图5、图6与图7所示。表1<table>tableseeoriginaldocumentpage4</column></row><table>输出电压波形V3经过低通滤波器后的平均电压为叫其中，相位差06="",V加是输出脉冲幅度。鉴相器的鉴相范围是0n，鉴相灵敏度是<formula>formulaseeoriginaldocumentpage5</formula>(式2)由于异或门的逻辑电平是O和VoD,所以Vdr^VoD。这种利用异或门鉴相的方法存在的缺点是要求两个输入必须是完全对称的方波，而对称方波却很难实现。在将正弦波转换为方波时，由于高低电平的阈值并不是零电平，而是大于零的，所以由正弦波转成的方波占空比都小于1。由于输入波形的不对称，导致异或门本身产生额外的相差输出，因此无法得到准确的结果。
发明内容针对现有技术方案中存在的技术缺陷，本发明的目的是提供一种射频匹配器的传感器的鉴相装置和方法，不要求两个输入信号的幅度相等；不要求输入为对称的方波，即可输出准确的结果，本发明的目的是通过以下技术方案实现的一种射频匹配器的传感器的鉴相装置，应用于射频匹配器的传感器中，用于检测射频负载阻抗的相位，包括信号处理采样电路，用于获取射频传输线上的电压与电流信号，并对所采集的正弦波的电压与电流信号进行处理输出方波信号至边单稳态触发器；单稳态触发器，根据输入的方波电压与电流信号经过处理，输出脉冲控制信号至滤波电路；滤波电路，对输入的窄脉冲控制信号进行低通滤波，输出含有电压与电流信号相位差的输出控制信号。所述的信号处理采样电路门电路比较器，将所采集的正弦波的电压与电流信号处理为方波信号。所述的单稳态触发器包括，RS触发器、D触发器、JK触发器或T触发器。所述的滤波电路包括低通滤波器。一种射频匹配器的传感器的鉴相方法，包括，A、获取射频传输线上的电压与电流信号，并对所采集的正弦波的电压与电流信号进行处理输出方波电压与电流信号；B、根据输入的方波电压与电流信号经过处理，输出窄脉冲控制信号；c、对输入的窄脉冲控制信号进行低通滤波，输出含有电压与电流信号相位差的输出控制信号。所述的步骤A包括，采用门电路比较器将所采集的正弦波的电压与电流信号处理为方波信号。由上述本发明提供的技术方案可以看出，本发明所述的一种射频匹配器的传感器的鉴相装置和方法，应用于射频匹配器的传感器中，用于通过射频主传输线检测射频负载阻抗的相位，所述的装置包括信号处理采样电路、单稳态触发器与滤波电路。其中，单稳态触发器对输入信号的要求不是很严格，既不要求两个输入信号的幅度相等又不要求输入为对称的方波，因此系统实现比较容易。虽然系统并不复杂，但是此鉴相方案也能很好的检测负载阻抗的相位。图1为整个射频传输系统的示意框图；图2为现有技术的模拟乘法器鉴相装置结构示意图；图3为现有技术的异或门鉴相装置结构示意图一；图4为现有技术的异或门鉴相装置结构示意图二；图5为现有技术的异或门鉴相装置的特征曲线示意图一；图6为现有技术的异或门鉴相装置的特征曲线示意图二；图7为现有技术的异或门鉴相装置的特征曲线示意图三；图8为本发明所述的射频匹配器的传感器的鉴相装置结构示意图；图9为本发明所述的射频匹配器的传感器的鉴相装置的RS触发器的符号图；图10为本发明所述的射频匹配器的传感器的鉴相装置的RS触发器的状态转移图；图11为本发明所述的射频匹配器的传感器的鉴相装置的RS触发器的波形示意图；图12为本发明所述的射频匹配器的传感器的鉴相装置的的RS触发器的特征曲线示意图。具体实施方式本发明所述的一种射频匹配器的传感器的鉴相装置和方法，如图8所示，其应用于射频匹配器的传感器中，用于通过射频主传输线检测射频负载阻抗的相位，其具体实施方式为如图8所示，本发明所述的一种射频匹配器的传感器的鉴相装置包括信号处理采样电路、单稳态触发器与滤波电路。其中，信号处理采样电路，用于获取射频传输线上的电压与电流信号，并对所采集的正弦波的电压与电流信号进行处理输出方波信号至边单稳态触发器；本例具体采用门电路比较器，将输入的原始电压电流正弦信号转换成方波。单稳态触发器，根据输入的方波电压与电流信号经过处理，输出脉冲控制信号至滤波电路；本例具体采用RS触发器作为单稳态触发器。如图9所示，为RS触发器的符号图，RS触发器有两个输入端，SET和RESET，分别可以对触发器进行置1和置0。输入端加圈表示低电平有效。有两个互补的输出端Q和Q补，一般把Q做为触发器的状态指示端。图10是RS触发器的状态转移图，从中可以清楚地看出RS触发器的逻辑功能如果原本状态为0,则输入RESET信号后状态还是O，输入SET信号后触发器状态变成1。如果原本状态为1，则输入SET信号后触发器状态还是1，输入RESET信号后状态变成O。输入的方波电压与电流信号分别加到RS触发器的R端和S端。那么RS触发器的输出端就一段时间被置O,—段时间被置1，置1的时间长短取决于R、S两个端口信号的相位差。所述的单稳态触发器除采用RS触发器外还可采用D触发器、JK触发器或T触发器。滤波电路，对输入的窄脉冲控制信号进行低通滤波，输出含有电压与电流信号相位差的输出控制信号。滤波电路采用低通滤波器，在RS触发器输出端进行低通滤波，得到的电压电平和被置1的时间相关，也就是说得到了含有相位差信息的输出信号，完成了鉴相功能。RS触发器的波形示意图如图11所示。图12是RS触发器鉴相的特性曲线图，可以看到，其特性曲线是一条直线，与模拟乘法器输出的余弦函数适成对照。综上所述，本发明中涉及的RS触发器对输入信号的要求不是很严格，既不要求两个输入信号的幅度相等又不要求输入为对称的方波，因此系统实现比较容易。因为在本发明中，输入信号先被转换为窄脉冲，也就是说，只有脉冲的上升沿起作用，所以脉冲的占空比不会对结果造成影响。可见本发明的鉴相装置对Us和Uc的占空比没有要求。再者，由RS触发器原理可知，它有一个置1端和一个置0端，两路输入信号分别变成窄脉冲后，相当于反复对触发器置1、置0。从置1到置0的时间决定了输出信号脉冲宽度。所以输出脉冲宽度正比于相位差。所以输出信号是关于相位差线性的。可见，其鉴相的精度高，线性好，而且鉴相范围接近27t，应用范围广。以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本
技术领域：
的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。权利要求1.一种射频匹配器的传感器的鉴相装置，应用于射频匹配器的传感器中，用于检测射频负载阻抗的相位，其特征在于，包括信号处理采样电路，用于获取射频传输线上的电压与电流信号，并对所采集的正弦波的电压与电流信号进行处理输出方波信号至边单稳态触发器；单稳态触发器，根据输入的方波电压与电流信号经过处理，输出脉冲控制信号至滤波电路；滤波电路，对输入的窄脉冲控制信号进行低通滤波，输出含有电压与电流信号相位差的输出控制信号。2、根据权利要求1所述的射频匹配器的传感器的鉴相装置，其特征在于，所述的信号处理采样电路门电路比较器，将所釆集的正弦波的电压与电流信号处理为方波信号。3、根据权利要求1所述的射频匹配器的传感器的鉴相装置，其特征在于，所述的单稳态触发器包括，RS触发器、D触发器、JK触发器或T触发器。4、根据权利要求1所述的射频匹配器的传感器的鉴相装置，其特征在于，所述的滤波电路包括低通滤波器。5、一种射频匹配器的传感器的鉴相方法，其特征在于，包括，A、获取射频传输线上的电压与电流信号，并对所釆集的正弦波的电压与电流信号进行处理输出方波电压与电流信号；B、根据输入的方波电压与电流信号经过处理，输出窄脉冲控制信号；c、对输入的窄脉冲控制信号进行低通滤波，输出含有电压与电流信号相位差的输出控制信号。6、根据权利要求5所述的射频匹配器的传感器的鉴相方法，其特征在于，所述的步骤A包括，采用门电路比较器将所采集的正弦波的电压与电流信号处理为方波信号。全文摘要本发明所述的一种射频匹配器的传感器的鉴相装置和方法，应用于射频匹配器的传感器中，用于通过射频主传输线检测射频负载阻抗的相位，所述的装置包括信号处理采样电路、单稳态触发器与滤波电路。其中，单稳态触发器对输入信号的要求不是很严格，既不要求两个输入信号的幅度相等又不要求输入为对称的方波，因此系统实现比较容易。虽然系统并不复杂，但是此鉴相方案也能很好的检测负载阻抗的相位。文档编号H01L21/00GK101221894SQ20071006339公开日2008年7月16日申请日期2007年1月10日优先权日2007年1月10日发明者申浩南申请人:北京北方微电子基地设备工艺研究中心有限责任公司