技术领域

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

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。

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。

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 圓。 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

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。

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。

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。

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。 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。

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。

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 lGHz。

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。

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。

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。

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。

与现有技术相比， 本发明具有以下优点：

A、由于本发明采用精密检波模块替代现有技� �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；

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， 筒化了器件， 降低成本；

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；

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

图 1为本发明射频电源的精密功率检测器的原理� �图；

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；

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；

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；

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；

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

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。 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。

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圏构成， 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圏构 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。

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。

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。

图 4表示本发明的精密检波模块的整流电路和滤� �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 Dl、 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。

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� �� 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 Dl、 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。

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。

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。

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 CI ,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 。

图 5表示本发明的精密检波模块的整流电路和滤� �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� �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。

图 6表示本发明的精密检波模块的整流电路和滤� �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� �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。

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。