匹配網(wǎng)絡(luò)的損耗功率標(biāo)定方法及系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明提出一種匹配網(wǎng)絡(luò)的損耗功率標(biāo)定方法及系統(tǒng)，其中系統(tǒng)包括：射頻信號(hào)源，用于產(chǎn)生射頻信號(hào)；第一功率計(jì)，用于測(cè)量射頻信號(hào)的功率；匹配網(wǎng)絡(luò)，匹配網(wǎng)絡(luò)與第一功率計(jì)相連，匹配網(wǎng)絡(luò)包括電感；示波器，用于測(cè)量電流探頭的輸出電壓；模擬負(fù)載模塊，模擬負(fù)載模塊與匹配網(wǎng)絡(luò)相連，用于測(cè)量模擬負(fù)載模塊中50歐姆負(fù)載的損耗功率；以及處理器，用于根據(jù)第一功率計(jì)的測(cè)量結(jié)果、示波器的測(cè)量結(jié)果以及50歐姆負(fù)載的損耗功率得到匹配網(wǎng)絡(luò)的比例系數(shù)。根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的系統(tǒng)，通過(guò)總功率減去匹配網(wǎng)絡(luò)的損耗功率，避免了直接測(cè)量電壓、電流和相位差帶來(lái)的誤差以及復(fù)雜的標(biāo)定程序，并且不需要使用網(wǎng)絡(luò)分析儀等復(fù)雜設(shè)備降低了成本、易于實(shí)現(xiàn)。
【專利說(shuō)明】匹配網(wǎng)絡(luò)的損耗功率標(biāo)定方法及系統(tǒng)
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及等離子體【技術(shù)領(lǐng)域】，特別涉及一種匹配網(wǎng)絡(luò)的損耗功率標(biāo)定方法及系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]電容耦合等離子體被廣泛應(yīng)用于半導(dǎo)體材料的等離子體處理工藝中，例如反應(yīng)性離子增強(qiáng)刻蝕和等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積等方面。為得到滿足應(yīng)用要求的材料特性，需要對(duì)等離子體的多項(xiàng)控制參數(shù)進(jìn)行精確的控制。其中，等離子體吸收功率是一項(xiàng)非常重要的電學(xué)參數(shù)。為縮短材料處理時(shí)間、提高處理效率，在給定總功率的前提下要求有盡可能多的功率被等離子體吸收。同時(shí)，多次工藝中的等離子體吸收功率必須一致，以保證工藝的重復(fù)性。為滿足這些要求，需要對(duì)等離子體吸收功率進(jìn)行準(zhǔn)確的測(cè)量。
[0003]對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)的50歐姆同軸系統(tǒng)而言，電容耦合等離子體是一個(gè)不匹配負(fù)載。為提高功率耦合效率，需要使用一個(gè)阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)將等離子體的容性阻抗變換到純阻性50歐姆。通常使用電感和電容構(gòu)成L型或π型的匹配網(wǎng)絡(luò)。匹配網(wǎng)絡(luò)在實(shí)現(xiàn)阻抗匹配的同時(shí)會(huì)損耗部分輸入功率。通過(guò)合理設(shè)計(jì)可以顯著減少匹配網(wǎng)絡(luò)中電容和各連接件的電阻，以至可以忽略這些電阻上的功率損耗。但是，電感的電阻無(wú)法避免，因此電感是導(dǎo)致匹配網(wǎng)絡(luò)功率損耗的主要器件，如果能夠提高對(duì)匹配網(wǎng)絡(luò)功率損耗的準(zhǔn)確度，將會(huì)直接影響等離子體的吸收功率的運(yùn)算。
[0004]現(xiàn)有的匹配網(wǎng)絡(luò)的功率損耗的測(cè)量方法是，通過(guò)測(cè)量匹配網(wǎng)絡(luò)輸出端電流與阻性負(fù)載電阻值的關(guān)系，計(jì)算得到匹配網(wǎng)絡(luò)中電感的等效電阻，再由等效電阻和電流計(jì)算匹配網(wǎng)絡(luò)損耗功率。該方法的缺點(diǎn)是:無(wú)法用于η型匹配網(wǎng)絡(luò)，部分電流通過(guò)與負(fù)載電阻并聯(lián)的旁路電容，使得通過(guò)電感的電流大于負(fù)載電阻的電流，并且差異隨頻率升高變得更加明顯，從而導(dǎo)致測(cè)量結(jié)果不準(zhǔn)確。
[0005]對(duì)等離子體吸收功率的測(cè)量方法主要有以下兩種。一種是將經(jīng)過(guò)標(biāo)定的電壓電流探頭連接在匹配網(wǎng)絡(luò)和等離子體腔室之間，直接測(cè)量饋入等離子體腔室的射頻功率信號(hào)的電壓V、電流I的幅值和兩者之間的相位差Θ，則饋入功率通過(guò)如下公式表示，P=VIcos Θ。對(duì)于電容耦合等離子體，Θ通常接近于90°，COS0接近于O。由于Θ的測(cè)量誤差的存在，cos Θ會(huì)有很大的誤差。另一種方法是利用網(wǎng)絡(luò)分析儀分析匹配網(wǎng)絡(luò)中各器件的阻抗，推導(dǎo)等離子體等效阻抗，從而計(jì)算各阻抗上的損耗功率。該方法需要先產(chǎn)生等離子體進(jìn)行阻抗匹配以確定匹配網(wǎng)絡(luò)調(diào)節(jié)參數(shù)，然后再分析匹配網(wǎng)絡(luò)，因此無(wú)法在線實(shí)時(shí)測(cè)量。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明的目的旨在至少解決上述的技術(shù)缺陷之一。
[0007]為此，本發(fā)明的一個(gè)目的在于提出一種匹配網(wǎng)絡(luò)的損耗功率標(biāo)定系統(tǒng)。
[0008]本發(fā)明的另一目的在于提出一種匹配網(wǎng)絡(luò)的損耗功率標(biāo)定方法。
[0009]為達(dá)到上述目的，本發(fā)明一方面的實(shí)施例提出一種匹配網(wǎng)絡(luò)的損耗功率標(biāo)定系統(tǒng)，包括:射頻信號(hào)源，用于產(chǎn)生射頻信號(hào)；第一功率計(jì)，所述第一功率計(jì)與所述射頻信號(hào)源相連，用于測(cè)量所述射頻信號(hào)的功率；匹配網(wǎng)絡(luò)，所述匹配網(wǎng)絡(luò)與所述第一功率計(jì)相連，所述匹配網(wǎng)絡(luò)包括電感；示波器，所述示波器與所述匹配網(wǎng)絡(luò)相連，用于測(cè)量所述電流探頭的輸出電壓；模擬負(fù)載模塊，所述模擬負(fù)載模塊與所述匹配網(wǎng)絡(luò)相連，用于測(cè)量所述模擬負(fù)載模塊中50歐姆負(fù)載的損耗功率；以及處理器，用于根據(jù)所述第一功率計(jì)的測(cè)量結(jié)果、所述示波器的測(cè)量結(jié)果以及所述50歐姆負(fù)載的損耗功率得到所述匹配網(wǎng)絡(luò)的比例系數(shù)。
[0010]根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的系統(tǒng)，通過(guò)總功率減去匹配網(wǎng)絡(luò)的損耗功率，避免了直接測(cè)量電壓、電流和相位差帶來(lái)的誤差以及復(fù)雜的標(biāo)定程序，并且不需要使用網(wǎng)絡(luò)分析儀等復(fù)雜設(shè)備降低了成本、易于實(shí)現(xiàn)。
[0011]在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，所述匹配網(wǎng)絡(luò)還包括:第一電容，所述第一電容的一端與所述電感的一端相連另一端接地，用于調(diào)整所述模擬負(fù)載模塊的阻抗；電流探頭，用于檢測(cè)所述電感的電流；以及第二電容，所述第二電容的一端與所述電感的另一端相連，用于調(diào)整所述模擬負(fù)載模塊的阻抗。
[0012]在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，所述模擬負(fù)載模塊具體包括:第三電容，所述第三電容與所述匹配網(wǎng)絡(luò)相連，用于調(diào)整所述50歐姆負(fù)載的阻抗；第二功率計(jì)，所述第二功率計(jì)與所述第三電容相連以測(cè)量所述50歐姆負(fù)載的功率；以及50歐姆負(fù)載，所述50歐姆負(fù)載與所述第二功率計(jì)相連。
[0013]在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，所述第二電容與所述電感串聯(lián)或并聯(lián)。
[0014]在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，所述電流探頭與所述示波器相連，且所述電流探頭安裝在所述電感的上端。
[0015]在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，所述處理器通過(guò)如下公式獲得所述匹配網(wǎng)絡(luò)的比例系
數(shù)，所述公式為，K1-=k2R￡Vp2mbe =AVp2mlx,其中，Pmatdl為匹配網(wǎng)絡(luò)的損耗功率，k為電流探
頭的比例系數(shù)，&為電感在射頻頻率下的表面趨膚電阻，Vprobe為電流探頭的檢測(cè)電壓，A為匹配網(wǎng)絡(luò)的比例系數(shù)。
[0016]為達(dá)到上述目的，本發(fā)明的實(shí)施例另一方面提出一種匹配網(wǎng)絡(luò)的損耗功率標(biāo)定方法，包括以下步驟:接收所述射頻信號(hào)源產(chǎn)生的射頻信號(hào)，并測(cè)量所述射頻信號(hào)的功率；通過(guò)多個(gè)電容調(diào)整模擬負(fù)載的阻抗，當(dāng)調(diào)整到預(yù)定阻抗值時(shí)，檢測(cè)所述模擬負(fù)載的損耗功率和電流探頭的輸出電壓；根據(jù)所述射頻信號(hào)的功率和所述模擬負(fù)載的損耗功率得到匹配網(wǎng)絡(luò)的損耗功率；以及根據(jù)所述電流探頭的輸出電壓和所述匹配網(wǎng)絡(luò)的損耗功率獲得所述匹配網(wǎng)絡(luò)的比例系數(shù)。
[0017]根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的方法，通過(guò)總功率減去匹配網(wǎng)絡(luò)的損耗功率，避免了直接測(cè)量電壓、電流和相位差帶來(lái)的誤差以及復(fù)雜的標(biāo)定程序，并且不需要使用網(wǎng)絡(luò)分析儀等復(fù)雜設(shè)備降低了成本、易于實(shí)現(xiàn)。
[0018]在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，所述預(yù)定阻抗值為50歐姆。
[0019]在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，所述匹配網(wǎng)絡(luò)的比例系數(shù)通過(guò)如下公式表示，所述公
式為， ，其中,Pniatdl為匹配網(wǎng)絡(luò)的損耗功率，k為電流探頭的比例系
數(shù)，&為電感在射頻頻率下的表面趨膚電阻，Vprobe為電流探頭的檢測(cè)電壓，A為匹配網(wǎng)絡(luò)的比例系數(shù)。[0020]本發(fā)明附加的方面和優(yōu)點(diǎn)將在下面的描述中部分給出，部分將從下面的描述中變得明顯，或通過(guò)本發(fā)明的實(shí)踐了解到。
【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0021]本發(fā)明上述的和/或附加的方面和優(yōu)點(diǎn)從下面結(jié)合附圖對(duì)實(shí)施例的描述中將變得明顯和容易理解，其中:
[0022]圖1為根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的匹配網(wǎng)絡(luò)的損耗功率標(biāo)定系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖；
[0023]圖2為根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的對(duì)L型匹配網(wǎng)絡(luò)的損耗功率標(biāo)定的示意圖；
[0024]圖3為根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的對(duì)π型匹配網(wǎng)絡(luò)的損耗功率標(biāo)定的示意圖；
[0025]圖4為根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的電容耦合等離子體吸收功率的測(cè)量系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖；以及
[0026]圖5為根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的匹配網(wǎng)絡(luò)的損耗功率標(biāo)定方法的流程圖。
【具體實(shí)施方式】
[0027]下面詳細(xì)描述本發(fā)明的實(shí)施例，實(shí)施例的示例在附圖中示出，其中自始至終相同或類(lèi)似的標(biāo)號(hào)表示相同或類(lèi)似的元件或具有相同或類(lèi)似功能的元件。下面通過(guò)參考附圖描述的實(shí)施例是示例性的，僅用于解釋本發(fā)明，而不能理解為對(duì)本發(fā)明的限制。
[0028]在本發(fā)明的描述中，需要理解的是，術(shù)語(yǔ)“中心”、“縱向”、“橫向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“豎直”、“水平”、“頂”、“底”、“內(nèi)”、“外”等指示的方位或位置關(guān)系為基于附圖所示的方位或位置關(guān)系，僅是為了便于描述本發(fā)明和簡(jiǎn)化描述，而不是指示或暗示所指的裝置或元件必須具有特定的方位、以特定的方位構(gòu)造和操作，因此不能理解為對(duì)本發(fā)明的限制。此外，術(shù)語(yǔ)“第一”、“第二”僅用于描述目的，而不能理解為指示或暗示相對(duì)重要性。
[0029]在本發(fā)明的描述中，需要說(shuō)明的是，除非另有明確的規(guī)定和限定，術(shù)語(yǔ)“安裝”、“相連”、“連接”應(yīng)做廣義理解，例如，可以是固定連接，也可以是可拆卸連接，或一體地連接；可以是機(jī)械連接，也可以是電連接；可以是直接相連，也可以通過(guò)中間媒介間接相連，可以是兩個(gè)元件內(nèi)部的連通。對(duì)于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員而言，可以具體情況理解上述術(shù)語(yǔ)在本發(fā)明中的具體含義。
[0030]圖1為根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的匹配網(wǎng)絡(luò)的損耗功率標(biāo)定系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖。如圖1所示，根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的匹配網(wǎng)絡(luò)的損耗功率標(biāo)定系統(tǒng)包括射頻信號(hào)源100、第一功率計(jì)200、匹配網(wǎng)絡(luò)300、示波器400、模擬負(fù)載模塊500和處理器600。
[0031]其中，射頻信號(hào)源100用于產(chǎn)生射頻信號(hào)。
[0032]第一功率計(jì)200與射頻信號(hào)源相連，用于測(cè)量射頻信號(hào)的功率。
[0033]匹配網(wǎng)絡(luò)300與第一功率計(jì)相連，匹配網(wǎng)絡(luò)包括電感310。
[0034]在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，匹配網(wǎng)絡(luò)300還包括第一電容320、電流探頭330和第二電容340。
[0035]其中，第一電容320第一電容的一端與電感的一端相連另一端接地,用于調(diào)整模擬負(fù)載模塊的阻抗。
[0036]電流探頭330用于檢測(cè)電感的電流。[0037]在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，電流探頭330與示波器400相連，且電流探頭330安裝在電感310的上端。
[0038]第二電容340的一端與電感的另一端相連，用于調(diào)整模擬負(fù)載模塊的阻抗。第二電容340與電感310串聯(lián)或并聯(lián)。[0039]示波器400與匹配網(wǎng)絡(luò)300相連，用于測(cè)量電流探頭的輸出電壓。
[0040]模擬負(fù)載模塊500與匹配網(wǎng)絡(luò)300相連,用于測(cè)量模擬負(fù)載模塊中50歐姆負(fù)載530的損耗功率。
[0041]在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，模擬負(fù)載模塊500具體包括第三電容510、第二功率計(jì)520和50歐姆負(fù)載530。
[0042]其中，第三電容510與匹配網(wǎng)絡(luò)300相連，用于調(diào)整50歐姆負(fù)載530的阻抗。
[0043]第二功率計(jì)520與第三電容相連以測(cè)量50歐姆負(fù)載的功率。
[0044]50歐姆負(fù)載530與第二功率計(jì)相連。
[0045]處理器600用于根據(jù)第一功率計(jì)的測(cè)量結(jié)果、示波器的測(cè)量結(jié)果以及50歐姆負(fù)載的損耗功率得到匹配網(wǎng)絡(luò)的比例系數(shù)。
[0046]在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，處理器600通過(guò)如下公式獲得匹配網(wǎng)絡(luò)300的比例系
數(shù),公式為，
【權(quán)利要求】
1.一種匹配網(wǎng)絡(luò)的損耗功率標(biāo)定系統(tǒng)，其特征在于，包括: 射頻信號(hào)源，用于產(chǎn)生射頻信號(hào)； 第一功率計(jì)，所述第一功率計(jì)與所述射頻信號(hào)源相連，用于測(cè)量所述射頻信號(hào)的功率； 匹配網(wǎng)絡(luò)，所述匹配網(wǎng)絡(luò)與所述第一功率計(jì)相連，所述匹配網(wǎng)絡(luò)包括電感； 示波器，所述示波器與所述匹配網(wǎng)絡(luò)相連，用于測(cè)量所述電流探頭的輸出電壓； 模擬負(fù)載模塊，所述模擬負(fù)載模塊與所述匹配網(wǎng)絡(luò)相連，用于測(cè)量所述模擬負(fù)載模塊中50歐姆負(fù)載的損耗功 率；以及 處理器，用于根據(jù)所述第一功率計(jì)的測(cè)量結(jié)果、所述示波器的測(cè)量結(jié)果以及所述50歐姆負(fù)載的損耗功率得到所述匹配網(wǎng)絡(luò)的比例系數(shù)。
2.如權(quán)利要求1所述的匹配網(wǎng)絡(luò)的損耗功率標(biāo)定系統(tǒng)，其特征在于，所述匹配網(wǎng)絡(luò)還包括: 第一電容，所述第一電容的一端與所述電感的一端相連另一端接地，用于調(diào)整所述模擬負(fù)載模塊的阻抗； 電流探頭，用于檢測(cè)所述電感的電流；以及 第二電容，所述第二電容的一端與所述電感的另一端相連，用于調(diào)整所述模擬負(fù)載模塊的阻抗。
3.如權(quán)利要求1所述的匹配網(wǎng)絡(luò)的損耗功率標(biāo)定系統(tǒng)，其特征在于，所述模擬負(fù)載模塊具體包括: 第三電容，所述第三電容與所述匹配網(wǎng)絡(luò)相連，用于調(diào)整所述50歐姆負(fù)載的阻抗； 第二功率計(jì)，所述第二功率計(jì)與所述第三電容相連以測(cè)量所述50歐姆負(fù)載的功率；以及 50歐姆負(fù)載，所述50歐姆負(fù)載與所述第二功率計(jì)相連。
4.如權(quán)利要求1所述的匹配網(wǎng)絡(luò)的損耗功率標(biāo)定系統(tǒng)，其特征在于，所述第二電容與所述電感串聯(lián)或并聯(lián)。
5.如權(quán)利要求1所述的匹配網(wǎng)絡(luò)的損耗功率標(biāo)定系統(tǒng)，其特征在于，所述電流探頭與所述示波器相連，且所述電流探頭安裝在所述電感的上端。
6.如權(quán)利要求1所述的匹配網(wǎng)絡(luò)的損耗功率標(biāo)定系統(tǒng)，其特征在于，所述處理器通過(guò)如下公式獲得所述匹配網(wǎng)絡(luò)的比例系數(shù)，所述公式為， 其中，P—為匹配網(wǎng)絡(luò)的損耗功率，k為電流探頭的比例系數(shù)，&為電感在射頻頻率下的表面趨膚電阻，Vprobe為電流探頭的檢測(cè)電壓，A為匹配網(wǎng)絡(luò)的比例系數(shù)。
7.一種匹配網(wǎng)絡(luò)的損耗功率標(biāo)定方法，其中，所述匹配網(wǎng)絡(luò)為如權(quán)利要求1-6任一項(xiàng)所述的匹配網(wǎng)絡(luò)的損耗功率標(biāo)定系統(tǒng)的匹配網(wǎng)絡(luò)，所述方法包括以下步驟: 接收所述射頻信號(hào)源產(chǎn)生的射頻信號(hào)，并測(cè)量所述射頻信號(hào)的功率； 通過(guò)多個(gè)電容調(diào)整模擬負(fù)載的阻抗，當(dāng)調(diào)整到預(yù)定阻抗值時(shí)，檢測(cè)所述模擬負(fù)載的損耗功率和電流探頭的輸出電壓； 根據(jù)所述射頻信號(hào)的功率和所述模擬負(fù)載的損耗功率得到匹配網(wǎng)絡(luò)的損耗功率；以及根據(jù)所述電流探頭的輸出電壓和所述匹配網(wǎng)絡(luò)的損耗功率獲得所述匹配網(wǎng)絡(luò)的比例系數(shù)。
8.如權(quán)利要求7所述的匹配網(wǎng)絡(luò)的損耗功率標(biāo)定方法，其特征在于，所述預(yù)定阻抗值為50歐姆。
9.如權(quán)利要求7所述的匹配網(wǎng)絡(luò)的損耗功率標(biāo)定方法，其特征在于，所述匹配網(wǎng)絡(luò)的比例系數(shù)通過(guò)如下公式表示，所述公式為，
【文檔編號(hào)】G01R21/00GK103454489SQ201310414932
【公開(kāi)日】2013年12月18日 申請(qǐng)日期:2013年9月12日 優(yōu)先權(quán)日:2013年9月12日
【發(fā)明者】陳文聰, 蒲以康 申請(qǐng)人:清華大學(xué)