具有精密功率检测器的射频电源 |
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| 申请号 | CN201110389185.6 | 申请日 | 2011-11-30 | 公开(公告)号 | CN103137408B | 公开(公告)日 | 2015-07-29 |
| 申请人 | 中国科学院微电子研究所; | 发明人 | 李勇滔; 赵章琰; 秦威; 李英杰; 夏洋; | ||||
| 摘要 | 本 发明 公开了一种具有精密功率检测器的射频电源，包括射频 信号 发生器、射频功率放大 电路 、供电线路和精密功率检测器，精密功率检测器包括 电压 互感器、 电流 互感器、精密检波模 块 和集成有 模数转换 器 和微处理单元的微 控制器 ，电压互感器和电流互感器分别与精密检波模块相连，精密检波模块包括加法电路、减法电路、整流电路和滤波放大电路，加法电路和减法电路分别与整流电路相连，整流电路连接滤波放大电路，滤波放大电路与集成有模数转换器和微处理单元的 微控制器 相连。本发明能够实现高 精度 的射频功率检测，检测范围宽，精度一致性好，死区小。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种具有精密功率检测器的射频电源，所述射频电源包括射频信号发生器、射频功率放大电路、供电线路和精密功率检测器，其特征在于：所述精密功率检测器包括电压互感器、电流互感器、精密检波模块和集成有模数转换器和微处理单元的微控制器，所述电压互感器和所述电流互感器分别与所述精密检波模块相连，所述精密检波模块包括加法电路、减法电路、整流电路和滤波放大电路，所述加法电路将来自所述电压互感器和所述电流互感器的信号进行加法运算，所述减法电路将来自所述电压互感器和所述电流互感器的信号进行减法运算，所述加法电路和所述减法电路分别与所述整流电路相连，所述整流电路连接所述滤波放大电路，所述滤波放大电路与所述微控制器相连。 |
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| 说明书全文 | 具有精密功率检测器的射频电源技术领域[0001] 本发明涉及射频电源，尤其是涉及一种具有精密功率检测器的射频电源。 背景技术[0002] 射频电源是用于产生射频功率信号的装置，属于半导体工艺设备的核心部件，所有产生等离子体进行材料处理的设备都需要射频电源提供能量。在集成电路、太阳能电池和LED(Light Emitting Diode，发光二极管)的工艺制造设备，例如刻蚀机、PVD(Physical Vapor Deposition，物理气相沉积)、PECVD(Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition，等离子体增强化学气相沉积)、ALD(Atomic layer deposition，原子层沉积)等设备，均装备有不同功率规格的射频电源。 [0003] 射频电源一般由射频信号发生器、射频功率放大电路、供电线路和射频功率检测器组成。当前，集成电路制造产业向着更细线宽的目标发展，制造工艺的线宽从90纳米、65纳米、45纳米到最新的32纳米，这对射频电源的输出功率提出了更高的要求，即输出功率的波动范围应当足够小。对于射频电源的输出功率控制，射频功率检测是否精确至关重要。 [0004] 现有的射频功率检测器因其的检波电路存在较大的死区，动态范围小，无法实现较宽范围内的射频功率检测的精度一致性，即检测较小射频功率时存在较大误差，从而无法保证工艺设备能够处理更小线宽的晶圆。对于目前的32纳米制造工艺，如果采用现有技术，那么无法实现期望的细小线宽，进而无法实现期望的图形，最终导致制造工艺失败。 发明内容[0005] 本发明需要解决的技术问题是提供一种具有精密功率检测器的射频电源，该射频电源能够实现高精度的射频功率检测，检测范围宽，精度一致性好，死区小。 [0006] 为了解决上述技术问题，本发明提供了一种具有精密功率检测器的射频电源，所述射频电源包括射频信号发生器、射频功率放大电路、供电线路和精密功率检测器，所述精密功率检测器包括电压互感器、电流互感器、精密检波模块和集成有模数转换器和微处理单元的微控制器，所述电压互感器和所述电流互感器分别与所述精密检波模块相连，所述精密检波模块包括加法电路、减法电路、整流电路和滤波放大电路，所述加法电路将来自所述电压互感器和所述电流互感器的信号进行加法运算，所述减法电路将来自所述电压互感器和所述电流互感器的信号进行减法运算，所述加法电路和所述减法电路分别与所述整流电路相连，所述整流电路连接所述滤波放大电路，所述滤波放大电路与所述微控制器相连。 [0007] 进一步地，本发明还具有如下特点：所述精密检波模块还包括多路开关，所述多路开关的输入端分别连接所述加法电路的输出端和所述减法电路的输出端，所述多路开关根据所述微控制器的指令，分别将所述加法电路的输出信号和所述减法电路的输出信号传递至所述整流电路。 [0008] 进一步地，本发明还具有如下特点：所述整流电路包括整流运算放大器和检波二极管，所述检波二极管的正极连接所述整流运算放大器的反相输入端，所述检波二极管的负极连接所述整流运算放大器的输出端，所述整流运算放大器的输出端和所述滤波放大电路的输入端之间还连接另一个检波二极管。 [0009] 进一步地，本发明还具有如下特点：所述整流运算放大器的正相输入端的电平小于0.01伏特。 [0010] 进一步地，本发明还具有如下特点：所述检波二极管为低导通电压的肖特基二极管。 [0011] 进一步地，本发明还具有如下特点：所述整流运算放大器为高速运算放大器，带宽大于1GHz。 [0012] 进一步地，本发明还具有如下特点：所述滤波放大电路是由运算放大器、电阻和电容构成的一阶滤波放大电路。 [0013] 进一步地，本发明还具有如下特点：所述滤波放大电路是由运算放大器、电阻和电容构成的二阶滤波放大电路。 [0014] 进一步地，本发明还具有如下特点：所述整流运算放大器的输入电阻、连接在所述整流运算放大器的反相输入端和输出端之间的反馈电阻和所述滤波放大电路的电阻的阻值根据所述精密检波模块的增益和输入范围进行配置。 [0015] 进一步地，本发明还具有如下特点：所述射频电源的工作频率为2MHz、13.56MHz或27.12MHz。 [0016] 与现有技术相比，本发明具有以下优点： [0017] A、由于本发明采用精密检波模块替代现有技术中只采用检波二极管的技术方案，检波二极管的动态特性与整流运算放大器相关，IV曲线过零点，因此检测范围变大，死区小，检波动态范围大，精度一致性好； [0018] B、本发明可采用多路开关实现整流电路和滤波电路的复用，简化了器件，降低成本； [0019] C、由于本发明中的整流电路的输入阻抗为50欧姆，所以有利于射频信号的阻抗匹配； [0020] D、由于本发明中的检波二极管采用低导通电压的肖特基二极管，整流运算放大器采用高速高带度的运算放大器，可保证常用于半导体工艺设备的频率为2MHz、13.56MHz或27.12MHz的射频信号的半波不失真，检测精度高。 附图说明 [0021] 图1为本发明射频电源的精密功率检测器的原理框图； [0022] 图2为本发明的精密功率检测器的精密检波模块的第一种实施方式的原理图； [0023] 图3为本发明的精密功率检测器的精密检波模块的第二种实施方式的原理图； [0024] 图4为本发明的精密检波模块的整流电路和滤波放大电路的第一种实施方式的电路原理图； [0025] 图5为本发明的精密检波模块的整流电路和滤波放大电路的第二种实施方式的电路原理图； [0026] 图6为本发明的精密检波模块的整流电路和滤波放大电路的第三种实施方式的电路原理图。 具体实施方式[0027] 为了深入了解本发明，下面结合附图及具体实施例对本发明进行详细说明。 [0028] 本发明提供了一种具有精密功率检测器的射频电源，该射频电源一般可为电子管式的射频电源或晶体管式的射频电源，包括有射频信号发生器、射频功率放大电路、供电线路和精密功率检测器，此外，本射频电源还包括主控制器和人机界面接口等。其中，射频信号发生器分别与射频功率放大电路、供电线路和主控制器相连，射频功率放大电路分别与供电线路、精密功率检测器以及主控制器相连接，此外主控制器分别连接供电线路和精密功率检测器。射频电源的工作频率可为2MHz、13.56MHz或27.12MHz。 [0029] 如图1所示，本发明的精密功率检测器包括电压互感器、电流互感器、精密检波模块和微控制器，电压互感器和电流互感器分别与精密检波模块相连，精密检波模块连接微控制器。电压互感器可采用在精密功率检测器的射频信号输入端对地并联一个互感线圈构成，匝数比根据精密检波模块的增益确定，也可采用电容分压器的方案。电流互感器可采用在在精密功率检测器的射频信号输入端和输出端之间直接串联一个互感线圈构成，匝数比根据精密检波模块的增益确定。微控制器集成有模数转换器和微处理单元，在一些应用中，此微控制器可为单片机，优选C8051F系列的单片机。 [0030] 如图2所示，精密检波模块包括加法电路、减法电路、整流电路和滤波放大电路，加法电路将来自电压互感器和电流互感器的信号进行加法运算，加法运算的结果一般用于表征入射功率(有时也称为正向功率)，减法电路将来自电压互感器和电流互感器的信号进行减法运算，减法运算的结果一般用于表征反射功率(有时也称为反向功率)，加法电路和减法电路分别与整流电路相连，整流电路连接滤波放大电路，滤波放大电路与微控制器相连。 [0031] 在图3所示的实施方式中，精密检波模块还包括多路开关，多路开关的输入端分别连接加法电路的输出端和减法电路的输出端，该多路开关根据微控制器的指令，分别将加法电路的输出信号和减法电路的输出信号从多路开关的输出端输出至整流电路。与图2所示的实施方式相比，图3只采用了一个整流电路和滤波放大电路，节省了器件，降低了成本。 [0032] 图4表示本发明的精密检波模块的整流电路和滤波放大电路的第一种实施方式，整流电路主要包括整流运算放大器U1和检波二极管D1、D2，检波二极管D1的正极连接整流运算放大器U1的反相输入端，检波二极管D1的负极连接整流运算放大器U1的输出端，检波二极管D2设置在整流运算放大器U1的输出端和滤波放大电路的输入端之间。 [0033] 检波二极管D1和D2可为低导通电压的肖特基二极管，优选型号为IN5711的二极管。整流运算放大器为高速运算放大器，带宽大于1GHz，优选美国德州仪器公司的带宽为1.6GHz的高速运算放大器OPA657，检波二极管D1、D2的动态特性与整流运算放大器U1相关，IV曲线过零点，检测范围变大，死区小，检波动态范围大，精度一致性好。 [0034] 在整流运算放大器U1的正相输入端设置有分压接入的电阻R1和R2，电阻R1的阻抗比电阻R2的阻抗高至少1000倍，保证整流运算放大器的正相输入端的电平小于0.01伏特，基本为零电位。 [0035] 在整流运算放大器U1的反相输入端设置有输入电阻R3，输入电阻R3的阻值优选为50欧姆，有利于射频信号的阻抗匹配，这是因为半导体设备中所使用的射频传输线的特性阻抗均为50欧姆。在整流运算放大器U1的反相输入端和输出端之间还设置有反馈电阻R6，反馈电阻R6的阻值根据精密检波模块的增益和输入范围来确定。在整流运算放大器U1的输出端和检波二极管D2的正极之间设置有输出电阻R7。 [0036] 滤波放大电路主要由运算放大器、电阻和电容构成，运算放大器U2的正相端连接输入电阻R9和电容C1，电阻R9的另一端分别连接整流电路的输出端(即检波二极管D2的负极)和接地电阻R8，电容C1接地，运算放大器U2的反相输入端与输出端之间设有电阻R10、R11，这些电阻的阻值可根据精密检波模块的增益和输入范围来确定，由此构成一阶滤波放大电路，最后输出可由微控制器处理的表征入射功率或反射功率的模拟信号。 [0037] 图5表示本发明的精密检波模块的整流电路和滤波放大电路的第二种实施方式，与图4相比，图5的实施方式只是在整流电路的输入电阻方面做了变换，采用电阻R3、R4和R5构成T形网络，替代原有的单个输入电阻R3，这种方案能够实现大信号输入时的分流分压，减小在电阻上的功率损耗，保护整流运算放大器，从而扩大精密检波模块的输入范围(即图4所示实施方式不能检测较大功率的射频信号，而图5所示实施方式可以检测)，这些电阻的相应阻值根据精密检波模块的增益和输入范围来确定。 [0038] 图6表示本发明的精密检波模块的整流电路和滤波放大电路的第三种实施方式，与图5相比，图6的实施方式将一阶滤波放大电路变换为二阶滤波放大电路，这种方式有利于过滤更多的谐波，从而保证微控制器内的模数转换器得到更为准确的数值(即表示入射功率和反射功率的数值)以便微处理单元进一步运算处理。 [0039] 以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的本质和基本原理之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。 |
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