CN115656864B - 一种射频电源信号采集电路和半导体工艺设备 - Google Patents

Abstract

本发明实施例提供了一种射频电源信号采集电路和一种半导体工艺设备，包括：定向耦合器用于接收射频电源输出的电压，耦合出入射电压波信号和反射电压波信号；电压测量模块与定向耦合器连接，用于将入射电压波信号和反射电压波信号相加，生成传输线电压和值信号；对传输线电压和值信号进行整形，转换为第一方波信号；电流测量模块与定向耦合器连接，用于将入射电压波信号和反射电压波信号相减，生成传输线电压差值信号；对传输线电压差值信号进行整形，转换为第二方波信号；处理器与电压测量模块、电流测量模块连接，用于依据第一方波信号和第二方波信号确定电流电压相位差值。本发明实施例可以计算射频电源输出电压和输出电流的电流电压相位差值。

Description

一种射频电源信号采集电路和半导体工艺设备

技术领域

本发明涉及半导体技术领域，特别是涉及一种射频电源信号采集电路和一种半导体工艺设备。

背景技术

射频电源是半导体制造装备的核心零部件，其产生的射频能量是用来点燃和维持等离子体放电的核心装置。近年来，随着微电子工业迅速发展，器件尺寸逐渐的缩小，电路集成度逐渐的提高，这就需要可控的精度更高的射频电源产生的不同形式的等离子体来满足工艺上的要求，而在射频电源中测量电路的性能决定了输出功率的精度和线性度。

目前，对于射频电源的测量，是通过定向耦合器作为传感器测量电源的输出功率，但是这种方式无法测量和计算射频电源输出端的电压、电流和阻抗，也就无法提供数据分析当前等离子体的实际状态，进而无法实现对较复杂工艺的测量和控制要求。

发明内容

鉴于上述问题，提出了本发明实施例以便提供一种克服上述问题或者至少部分地解决上述问题的一种信号采集电路和相应的一种半导体工艺设备。

为了解决上述问题，本发明实施例公开了一种射频电源信号采集电路，所述射频电源信号采集电路用于与射频电源连接，所述信号采集电路包括：

定向耦合器，电压测量模块，电流测量模块和处理器；

所述定向耦合器用于接收所述射频电源输出的电压，耦合出入射电压波信号和反射电压波信号；

所述电压测量模块与所述定向耦合器连接，用于将所述入射电压波信号和所述反射电压波信号相加，生成传输线电压和值信号；对所述传输线电压和值信号进行整形，转换为第一方波信号；

所述电流测量模块与所述定向耦合器连接，用于将所述入射电压波信号和所述反射电压波信号相减，生成传输线电压差值信号；对所述传输线电压差值信号进行整形，转换为第二方波信号；

所述处理器与所述电压测量模块、所述电流测量模块连接，用于依据所述第一方波信号和所述第二方波信号确定电流电压相位差值。

可选地，所述电压测量模块还用于对所述传输线电压和值信号进行滤波整流，转换为第一直流信号；

所述电流测量模块还用于对所述传输线电压差值信号进行滤波整流，转换为第二直流信号；

所述处理器还用于依据所述第一直流信号确定电压幅值，依据所述第二直流信号确定电流幅值，以及根据所述电压幅值、所述电流幅值和所述电流电压相位差值确定负载阻抗值。

可选地，所述电压测量模块包括：加法电路和第一比较电路，

所述加法电路与所述定向耦合器连接，用于将所述入射电压波信号和所述反射电压波信号相加，生成所述传输线电压和值信号；

所述第一比较电路与所述加法电路连接，用于将所述传输线电压和值信号整形为第一方波信号。

可选地，所述电压测量模块还包括第一检波电路和第一低通滤波电路，

所述第一检波电路与所述加法电路连接，用于对所述传输线电压和值信号进行半波整流，生成第一整流信号；

所述第一低通滤波电路输入端与所述第一检波电路输出端连接，所述第一低通滤波电路输出端与所述处理器连接，用于将所述第一整流信号转换为第一直流信号。

可选地，所述电流测量模块包括：减法电路和第二比较电路，

所述减法电路与所述定向耦合器连接，用于将所述入射电压波信号和所述反射电压波信号相减，生成传输线电压差值信号；

所述第二比较电路与所述减法电路连接，用于将所述传输线电流波信号整形为第二方波信号。

可选地，所述电流测量模块还包括第二检波电路和第二低通滤波电路，

所述第二检波电路与所述减法电路连接，用于对所述传输线电压差值信号进行半波整流，生成第二整流信号；

所述第二低通滤波电路输入端与所述第二检波电路输出端连接，所述第二低通滤波电路输出端与所述处理器连接，用于将所述第二整流信号转换为第二直流信号。

可选地，所述处理器包括三态鉴相器，

所述三态鉴相器与所述电压测量模块、所述电流测量模块连接，所述三态鉴相器用于接收所述第一方波信号和所述第二方波信号；根据所述第一方波信号和所述第二方波信号确定所述电流电压相位差值。

可选地，所述三态鉴相器包括第一触发器、第二触发器和与门，

所述第一触发器的时钟输入端与所述电压测量模块连接；所述第二触发器的时钟输入端与所述电流测量模块连接；所述第一触发器的触发信号输入端和所述第二触发器的触发信号输入端连接预设高电平；

所述与门的输出端与所述第一触发器的复位端、所述第二触发器的复位端连接；所述与门的输入端分别与所述第一触发器的输出端、所述第二触发器的输出端连接。

可选地，所述第一比较电路和所述第二比较电路为过零比较电路。

可选地，所述第一低通滤波电路和所述第二低通滤波电路为积分电路。

可选地，所述射频电源信号采集电路还包括：功率信号采集电路，

所述定向耦合器还用于输出交流电压信号；

所述功率信号采集电路与所述定向耦合器连接，用于将所述交流电压信号转换为直流电压信号；

所述处理器与所述功率信号采集电路连接，所述处理器还用于根据所述直流电压信号确定输出功率值。

可选地，所述信号采集电路还包括：上位机，

所述上位机与所述处理器输出端连接，用于实时监测所述电压幅值、所述电流幅值、所述电流电压相位差值和所述负载阻抗值。

本发明实施例还公开了一种半导体工艺设备，所述半导体工艺设备包括射频电源、射频匹配器、工艺腔室和如上所述的射频电源信号采集电路。

本发明实施例包括如下优点：

本发明实施例通过定向耦合器，电压测量模块，电流测量模块和处理器组成射频电源信号采集电路；定向耦合器用于接收射频电源输出的电压，耦合出入射电压波信号和反射电压波信号；电压测量模块与定向耦合器连接，用于将入射电压波信号和反射电压波信号相加，生成传输线电压和值信号；对传输线电压和值信号进行整形，转换为第一方波信号；电流测量模块与定向耦合器连接，用于将入射电压波信号和反射电压波信号相减，生成传输线电压差值信号；对传输线电压差值信号进行整形，转换为第二方波信号；处理器与电压测量模块、电流测量模块连接，用于依据第一方波信号和第二方波信号确定电流电压相位差值。通过定向耦合器进行射频电源信号采集，电压测量模块对电压测量信号进行处理，电流测量模块对电流测量信号进行处理，通过处理器对电压测量模块和电流测量模块传输来的第一方波信号和第二方波信号进行计算，确定出电流电压相位差值；实现对电压和电流的相位监测，便于工艺研发人员实时了解电流电压相位差值，以观察等离子体负载的变化情况，为实现更复杂的工艺提供了有效的数据支撑。

附图说明

图1是现有的功率采集电路框图；

图2是本发明实施例的一种射频电源信号采集电路框图；

图3是本发明实施例的另一种射频电源信号采集电路框图；

图4是本发明实施例的一种电压测量模块的原理图；

图5是本发明实施例的一种电流测量模块的原理图

图6是本发明实施例的一种三态鉴定器的原理图；

图7是本发明实施例的一种相位测量原理图；

图8是本发明实施例的一种半导体工艺设备的结构示意图。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

现有技术的射频电源的功率采集电路可以参照图1，定向耦合器输出的交流电压信号U_i，直流分量为零，频率往往高于控制***的采集频率，无法通过模拟-数字转换器(ADC，Analog to Digital Converter)直接采集。现有的技术方案使用乘法器将交流电压信号U_i的波形转换为只有正电压的全波波形U_i'，再经过低通滤波器变成直流信号U₁，然后经过运算放大器放大后变成U₂，通过ADC转换器采集后送到处理器，处理器根据ADC采样值确定U₂，U₂的值与传输主线的功率之间的关系如下：

U₂＝k₂U₁ (公式4)

分别把公式3、公式2、公式1、代入公式4，通过计算得出：

而传输主线的功率为：

P＝k₃P₁ (公式7)把公式6代入公式7，得出：

其中，A为U_i的幅值，k₁为乘法器系数，k₂为运放系数，k₃为定向耦合器系数，R为负载阻值，P₁为U_i对应的功率值，P为实际输出功率。ADC转换器采集到U₂的值。

可见，可以根据公式5可计算得到U₂与A的关系，然后再根据公式8可计算出实际输出功率P与A的关系，从而计算出实际输出功率P。

由于上述技术方案是通过直接采集测量乘法器输出的功率信号，没有分解计算出电压和电流信号，所以该技术方案无法测量射频电源输出端的电压值和电流值，同理，由于没有相位数据，也无法计算输出端电压和电流的相位及其阻抗。

参照图2，示出了本发明实施例的一种射频电源信号采集电路框图。射频电源信号采集电路用于与射频电源连接，所述射频电源信号采集电路包括：

定向耦合器，电压测量模块，电流测量模块和处理器；

所述定向耦合器用于接收所述射频电源输出的电压，耦合出入射电压波信号和反射电压波信号；

所述电压测量模块与所述定向耦合器连接，用于将所述入射电压波信号和所述反射电压波信号相加，生成传输线电压和值信号；对所述传输线电压和值信号进行整形，转换为第一方波信号；可选地，该第一方波信号为第一正方波信号，即只有正周期的第一方波信号；

所述电流测量模块与所述定向耦合器连接，用于将所述入射电压波信号和所述反射电压波信号相减，生成传输线电压差值信号；对所述传输线电压差值信号进行整形，转换为第二方波信号；可选地，该第二方波信号为第二正方波信号，即只有正周期的第二方波信号；

所述处理器与所述电压测量模块、所述电流测量模块连接，用于依据所述第一方波信号和所述第二方波信号确定电流电压相位差值。

在本发明实施例中，射频电源信号采集电路可以由定向耦合器，电压测量模块，电流测量模块和控制器组成。

其中，定向耦合器为信号采集器，其与射频电源连接，接收射频电源输出的电压，定向耦合器基于接收到的射频电源输出的电压耦合出入射电压波信号和反射电压波信号。

电压测量模块与定向耦合器连接，定向耦合器输出的入射电压波信号和反射电压波信号会传输到电压测量模块中。电压测量模块用于对射频电源的输出电压信号进行测量。具体用于将入射电压波信号和反射电压波信号进行相加，得到传输线电压和值信号。再将传输线电压和值信号进行整形处理，将传输线电压和值信号转换为第一方波信号。通过第一方波信号表征射频电源输出电压的相位。

定向耦合器还会与电流测量模块连接，定向耦合器输出的入射电压波信号和反射电压波信号也会传输到电流测量模块中，电流测量模块用于对射频电源的输出电流信号进行测量。具体地，电流测量模块用于将入射电压波信号和反射电压波信号相减，生成传输线电压差值信号。再将传输线电压差值信号进行整形处理，将传输线电压差值信号转换为第二方波信号。通过第二方波信号表征射频电源输出电流的相位。

处理器与电压测量模块，电流测量模块连接，接收电压测量模块输出的第一方波信号，以及接收电流测量模块输出的第二方波信号。在实际应用中，处理器可以设置至少两个信号输入接口，一个信号输入接口接收电压测量模块输出的信号，另一个信号输出接口接收电流测量模块输出的信号。处理器根据第一方波信号和第二方波信号，计算出两个方波信号之间的相位差，确定为电流电压相位差值。

本发明实施例通过定向耦合器，电压测量模块，电流测量模块和处理器组成射频电源信号采集电路；定向耦合器用于接收射频电源输出的电压，耦合出入射电压波信号和反射电压波信号；电压测量模块与定向耦合器连接，用于将入射电压波信号和反射电压波信号相加，生成传输线电压和值信号；对传输线电压和值信号进行整形，转换为第一方波信号；电流测量模块与定向耦合器连接，用于将入射电压波信号和反射电压波信号相减，生成传输线电压差值信号；对传输线电压差值信号进行整形，转换为第二方波信号；处理器与电压测量模块、电流测量模块连接，用于依据第一方波信号和第二方波信号确定电流电压相位差值。通过定向耦合器进行射频电源信号采集，电压测量模块对电压测量信号进行处理，电流测量模块对电流测量信号进行处理，通过处理器对电压测量模块和电流测量模块传输来的第一方波信号和第二方波信号进行计算，确定出电流电压相位差值；实现对电压和电流的相位监测，便于工艺研发人员实时了解电流电压相位差值，以观察等离子体负载的变化情况，为实现更复杂的工艺提供了有效的数据支撑。

参照图3，示出了本发明实施例的另一种射频电源信号采集电路框图。

在本发明实施例中，根据传输线理论，传输线上Z点的电压和电流为：

U_(z)＝U⁺+U^- (公式9)

I₍z₎＝I⁺+I^- (公式10)

其中，U⁺是传输线上Z点的入射电压，U^-是传输线上Z点的反射电压，U_(z)传输线上Z点的实际电压，I⁺是传输线上Z点的入射电流，I^-是传输线上Z点的反射电流，I_(z)是传输线上Z点的实际电流。

根据特性阻抗定义的公式：

由公式11计算可得：

U⁺＝Z₀I⁺ (公式12)

U^-＝-Z₀I^- (公式13)

由公式12减去公式13并带入公式10可得：

I_(z)＝(U⁺-U^-)/Z₀ (公式14)

由上述公式9至公式14可知，可以由入射波电压和反射波电压，得出射频电源输出端的电压、电流以及它们之间的相位差。

为此，可以采用定向耦合器接收射频电源的信号，耦合出入射电压波信号和反射电压波信号。通过电压测量模块、电流测量模块对入射电压波信号和反射电压波信号进行处理。

电压测量模块与定向耦合器连接，对入射电压波信号和反射电压波信号进行相加生成传输线电压和值信号，并且基于传输线电压波信号，对传输线电压波信号进行整形，转换为第一方波信号，对传输线电压和值信号进行滤波整流，转换为第一直流信号，以便于计算出电压幅值和电压相位。

具体地，电压测量模块可以包括：加法电路、第一比较电路、第一检波电路和第一低通滤波电路。

其中，加法电路与定向耦合器连接，加法电路接收定向耦合器发送的入射电压波信号和反射电压波信号，将所述入射电压波信号和所述反射电压波信号相加，生成所述传输线电压和值信号。

第一比较电路与加法电路连接，第一比较电路用于将传输线电压和值信号与基准电压进行比较，以对传输线电压和值信号的正弦波形进行整形，生成第一方波信号，使得第一方波信号的相位和射频电源主回路中电压波的相位相同，以第一方波信号的相位表征射频电源主回路中电压波的相位。

进一步地，第一比较电路为过零比较电路，即将传输线电压波信号的正弦波形基于“零值”进行整形，生成大于零的第一方波信号，实现正弦波到方波的同相位转换。以对传输线电压和值信号的正弦波形进行整形，生成只有正周期的第一方波信号，使得第一方波信号的相位和射频电源主回路中电压波的相位相同。

第一检波电路也与加法电路连接，即加法电路可以包括两个输出端口，其中一个与第一检波电路连接，另一个与第一比较电路。第一检波电路对接收到的传输线电压和值信号的正弦波形进行半波整流，生成第一整流信号。

进一步地，第一检波电路为半波整流电路。通过使用半波整流电路实现具有正负半周正弦波形的传输线电压和值信号整流成只有正半周正弦波的第一整流信号，即第一整流信号的波形为只有正周期的正弦波。

第一低通滤波电路则与第一检波电路、处理器连接。具体为：第一低通滤波电路输入端与第一检波电路输出端连接，第一低通滤波电路输出端与处理器连接，第一低通滤波电路将交流的第一整流信号转换为直流的第一直流信号。

进一步地，第一低通滤波电路为积分电路，将只有正半周正弦波形的第一整流信号进行采样，转变成直流的第一直流信号，可以基于该第一直流信号的幅值反推出第一整流信号的负载。

此外，电压测量模块还可以包括：第一过压保护电路。

所述第一过压保护电路输入端与所述定向耦合器输出端连接，所述第一过压保护电路输出端与所述加法电路输入端连接；

在实际应用中，可以在加法电路和定向耦合器之间增加至少一个第一过压保护电路，第一过压保护电路的输入端与定向耦合器输出端连接，第一过压保护电路输出端与加法电路输入端连接，通过第一过压保护电路将通入加法电路的入射电压波的电压设置在合理的范围之内，避免加法电路及后级电路因过压而烧毁，减少了电路故障的几率。其中，对于第一过压保护电路的数量可以根据电路设计的需求确定，本发明实施例对此不作限定。

在实际应用中，可以采用两个钳位二极管即第一钳位二极管和第二钳位二极管组成第一过压保护电路，实现过压保护功能。

在本发明的一实施例中，电压测量模块还可以包括：第一跟随电路。

第一跟随电路设置在第一过压保护电路和加法电路之间。第一跟随电路输入端与第一过压保护电路输出端连接，第一跟随电路输出端与加法电路连接，入射电压波信号通过跟随电路，增加入射电压波信号的输出驱动能力，令入射电压波信号与加法电路匹配，提高加法电路的负载能力。

在本发明的一实施例中，所述电压测量模块还包括：第一放大电路。

具体地，可以在第一低通滤波电路和处理器之间设置第一放大电路。第一放大电路输入端与第一低通滤波电路输出端连接，第一放大电路输出端与控制器输入端连接，第一放大电路接收第一直流信号进行信号放大处理，实现信号的固定比例放大，便于处理器进行采样计算。其中，对于放大的倍数，本领域技术人员可以根据实际需求进行设置，本发明实施例对此不作具体限定。在本发明的一示例中，放大倍数可以为两倍。

在本发明的一实施例中，电压测量模块还包括：第一模数转换电路。

在放大的第一直流信号进入处理器前，可以设置第一模数转换电路。即第一模数转换电路的输入端与第一放大电路输出端连接，第一模数转换电路的输出端与控制器输入端连接，对放大后的第一直流信号进行数模转换，将模拟量转换为数字量，便于处理直接基于数字量进行数据处理。

为了可以更清楚的说明电压测量模块的电路原理，可以参照图4，示出了本发明实施例的一种电压测量模块的原理图。以该原理图作为示例对电压测量模块的电路进行说明。

定向耦合器耦合出的入射电压波信号(U⁺)和反射电压波信号(U^-)，第一过压保护电路包括钳位二极管D1(第一钳位二极管)和钳位二极管D3(第二钳位二极管)。由钳位二极管D1的2管脚和钳位二极管D3的1管脚相连后再与定向耦合器相连，接收入射电压波信号，钳位二极管D1的1管脚和电源正极相连，钳位二极管D3的2管脚和电源负极相连，第一跟随电路包括运算放大器U1，运算放大器U1的同向输入端3管脚连接第一过压保护电路的输出端，运算放大器U1的反相输入端2管脚和1管脚相连，运算放大器U1的4管脚是运放的负电源管脚连接电源负极，运算放大器U1的8管脚是运放的正电源管脚，连接电源正极。第一跟随电路的主要功能是增加输出驱动能力令入射电压波信号与后级电路匹配，运算放大器U1的1管脚连接加法电路，加法电路包括电阻R2、电阻R4、电阻R6、电阻R7和运算放大器U4，加法电路的同向输入端3管脚连接电阻R7的一端，电阻R7的另一端接GND(地)，实现0电压的输入。加法电路的反相输入端分别接电阻R4、电阻R6和电阻R2，电阻R4的另一端和运算放大器U1的1管脚连接，电阻R6的另一端和定向耦合器连接，接收反射电压波信号，电阻R2的另一端和运算放大器U4的1管脚连接作为反馈电阻，加法电路的主要功能是实现信号U⁺和U^-相加，得出公式1中的U_(z)信号，其输出端运算放大器U4的1管脚分别与第一比较电路和检波电路相连，第一比较电路为过零比较电路，其包括电阻R8、电阻R9和运算放大器U5，运算放大器U5的同向输入端1管脚分别接电阻R8和电阻R9，电阻R8的另一端和加法电路的输出端运算放大器U4的1管脚连接，电阻R9的另一端接GND实现了电阻分压功能，运算放大器U5的反向输入端接GND，实现了和0电压的比较，过零比较电路的主要功能是实现把完整的正弦波整形成只有正半周的第一方波信号，其输出端运算放大器U5的8管脚与处理器U12的一个管脚相连，处理器U12包括三态鉴相器，该三态鉴相器的一个输入端与运算放大器U5的输出端连接，以获取电压的相位，第一检波电路包括二极管D2，二极管D2的2管脚和加法电路的输出端运算放大器U4的1管脚连接，主要功能是进行半波整流，得到只有正半周的第一整流信号，其输出端二极管D2的1管脚和第一低通滤波电路相连，第一低通滤波电路包括电阻R5和电容C1，电阻R5的一端和第一检波电路输出端二极管D2的1管脚连接，电阻R5另一端和电容C1连接，电容C1的另一端接GND，主要功能实现把交流信号滤波成第一直流信号，其输出端和第一放大电路相连。第一放大电路包括电阻R1、电阻R3和运算放大器U2，运算放大器U2的同向输入端3管脚和第一低通滤波电路的输出端连接，运算放大器U2的反相输入端2管脚分别接电阻R3和电阻R1的一端，电阻R3的另一端接GND，电阻R1的另一端接运算放大器U2的1管脚作为反馈电阻，主要功能是实现信号放大两倍，其输出端运算放大器U2的1管脚和第一模数转换电路相连，第一模数转换电路包括ADC采样芯片U3，主要功能是实现模拟信号转换成数字信号，其输出端连接处理器U12的输入端，令处理器U12实现电压值的读取。

电流测量模块与定向耦合器连接，对定向耦合器耦合出的入射电压波信号和反射电压波信号进行相减生成传输线电压差值信号，并且基于将传输线电压差值信号转换为第二正方波信号和第二直流信号，以便于计算出电流幅值和电流相位。

具体地，电流测量模块包括：减法电路、第二比较电路、第二检波电路和第二低通滤波电路，

减法电路与定向耦合器连接，减法电路接收定向耦合器发送的入射电压波信号和反射电压波信号，将入射电压波信号和反射电压波信号相减，生成传输线电压差值信号。

第二比较电路与减法电路连接，第二比较电路将传输线电压差值信号与基准电压进行比较，以对传输线电压差值信号进行整形，生成第二方波信号，令第二方波信号的相位和射频电源主回路中电流波的相位相同，以通过第二方波信号的相位表征电流波的相位。

进一步地，第二比较电路为过零比较电路，即基于“零值”对传输线电压差值信号进行整形，生成大于零的第二方波信号，实现正弦波到方波的同相位转换。

第二检波电路与减法电路连接。第二检波电路对接收到的传输线电压差值信号进行整流，生成第二整流信号。

进一步地，第二检波电路为半波整流电路。通过使用半波整流电路实现具有正负半周正弦波形的传输线电压差值信号进行整流，保留正半周正弦波，生成只有正半周期的第二整流信号。

第二低通滤波电路输入端与第二检波电路输出端连接，第二低通滤波电路输出端与处理器连接，第二低通滤波电路将交流的第二整流信号进行滤波，转换为第二直流信号。

进一步地，第二低通滤波电路为积分电路，需要说明的是，该积分电路可以与第一低通滤波电路采用积分电路相同。通过该积分电路对只有正半周正弦波形的第二整流信号进行采样，转变成直流的第二直流信号。基于该第二直流信号反推出第二整流信号的幅值，即电流的幅值。

在本发明的一实施例，电流测量模块还可以包括：第二过压保护电路。

第二过压保护电路设置在减法电路和定向耦合器之间。第二过压保护电路的输入端与定向耦合器输出端连接，第二过压保护电路输出端与减法电路输入端连接，第二过压保护电路将通入减法电路的反射电压波的电压设置在合理的范围之内，避免减法电路及后级电路因过压而烧毁，减少了电路故障的几率。第二过压保护电路的数量至少为一个，具体数量可以根据需求进行设置。

在实际应用中，可以采用第三钳位二极管和第四钳位二极管组成第二过压保护电路，实现过压保护功能。其中，第三钳位二极管和第四钳位二极管的性能参数可以与第一钳位二极管和第二钳位二极管的性能参数相对应。

在本发明的一实施例中，所述电流测量模块还包括：第二跟随电路。

在第二过压保护电路和减法电路之间设置第二跟随电路，第二跟随电路输入端与第二过压保护电路输出端连接，第二跟随电路输出端与减法电路连接，反射电压波信号通过跟随电路，增加反射电压波信号的输出驱动能力，令反射电压波信号与减法电路匹配。

在本发明的一实施例中，所述电流测量模块还包括：第二放大电路，

在第二低通滤波电路和控制器之间设置第二放大电路，将第二直流信号进行放大，便于处理器进行采样计算。具体地，第二放大电路输入端与第二低通滤波电路输出端连接，第二放大电路输出端与处理器输入端连接，第二放大电路接收第二直流信号进行信号放大处理，实现信号的固定比例放大。

在本发明的一实施例中，所述电流测量模块还包括：第二模数转换电路

第二模数转换电路的输入端与第二放大电路输出端连接，第二模数转换电路的输出端与处理器输入端连接，对放大后的第二直流信号进行数模转换，将模拟量转换为数字量，便于处理器直接基于数字量的第二直流信号进行处理。

在本发明的一实施例中，电流测量模块可以包括：反相器和加法器。

反相器为电流测量模块的输入侧将实现输入反射电压的反向得到负的反射电压。加法器为电流测量模块的输出侧将反射电压和入射电压进行相减输出传输线电压差值信号。

为了可以更清楚的说明电流测量模块的电路原理，可以参照图5，示出了本发明实施例的一种电流测量模块的原理图。以该原理图作为示例对电流测量模块的电路进行说明。

第二过压保护包括钳位二极管D4(第三钳位二极管)和D6(第四钳位二极管)。钳位二极管D4的2管脚和钳位二极管D6的1管脚相连后再与定向耦合器相连，接收反射电压波信号，钳位二极管D4的1管脚和电源正极相连，钳位二极管D6的2管脚和电源负极相连，第二跟随电路包括运算放大器U6，运算放大器U6的同向输入端3管脚连接第二过压保护电路的输出端，运算放大器U6的反相输入端2管脚和1管脚相连，运算放大器U6的4管脚是为负电源管脚连接电源负极，运算放大器U6的8管脚为正电源管脚，连接电源正极。第二跟随电路的功能是用于增加输出驱动能力令反射电压波信号与后级电路匹配，运算放大器U6的1管脚连接减法电路。减法电路包括反相器和加法器。反相器包括运算放大器U7和电阻R11、电阻R13、电阻R17。运算放大器U7的同向输入端3管脚和电阻R17的一端连接，电阻R17的另一端和GND连接，实现0电压的输入。运算放大器U7的反相输入端分别连接电阻R13和电阻R11的一端，电阻R13的另一端和第二跟随电路的输出端运算放大器U6的1管脚连接，电阻R11的另一端和运算放大器U7的1管脚连接，将输入电压进行反向得到U^-，其输出端运算放大器U7的1管脚和加法器相连，加法器包括运算放大器U10和电阻R12、电阻R15、电阻R18、电阻R19，运算放大器U10的同向输入端3管脚连接电阻R19的一端，电阻R19的另一端和GND连接实现0电压的输入，运算放大器U10的反相输入端2管脚分别连接电阻R18、电阻R15和电阻R12，电阻R18的另一端和定向耦合器U⁺连接，接收入射电压波信号，电阻R15的另一端和反相器的输出端运算放大器U7的1管脚连接，电阻R12的另一端和运算放大器U10的1管脚连接作为反馈电阻，其输出端运算放大器U10的1管脚分别与第二检波电路和第二比较电路连接，减法电路的功能是实现了信号U⁺和U^-的差值计算。第二比较电路为过零比较电路，包括电阻R20、电阻R21和运算放大器U11，运算放大器U11的同向输入端1管脚分别接电阻R20和电阻R21的一端，电阻R20的另一端和减法电路的输出端运算放大器U10的1管脚连接，电阻R21的另一端接GND实现了电阻分压功能，运算放大器U11的反向输入端接GND，实现了和0电压的比较，过零比较电路的功能是实现把完整的正弦波整形成只有正半周的第二方波信号，其输出端运算放大器U11的8管脚与处理器U12的另一管脚相连，处理器U12中的三态鉴相器的另一个输入端与运算放大器U11的输出端连接，以获取电流的相位，三态鉴相器的两个输入端分别获取电压和电流的相位，从而得到电流电压相位差值，在下文中还将对三态鉴相器进行详细描述。第二检波电路包括二极管D5，二极管D5的2管脚和减法电路的输出端运算放大器U10的1管脚连接，主要功能是进行半波整流，得到只有正半周的第二整流信号，其输出端二极管D2的1管脚和第二低通滤波电路相连，第二低通滤波电路包括电阻R16和电容C2，电阻R16的一端和第二检波电路输出端二极管D2的1管脚连接，电阻R16另一端和电容C2连接，电容C2的另一端接GND，实现把交流信号滤波成第二直流信号，其输出端和第二放大电路相连。第二放大电路包括电阻R10、电阻R14和运算放大器U8，运算放大器U8的同向输入端3管脚和第二低通滤波电路的输出端连接，运算放大器U2的反相输入端2管脚分别接电阻R14和电阻R10，电阻R14的另一端接GND，电阻R10的另一端接运算放大器U8的1管脚作为反馈电阻，实现将第二直流信号放大两倍，其输出端运算放大器U8的1管脚和第二模数转换电路相连，第二模数转换电路包括ADC采样芯片U9，主要功能是实现模拟信号转换成数字信号，其输出端连接处理器U12的引脚输入端，令处理器U12实现电流值的读取。

功率信号采集电路与定向耦合器、处理器连接，功率信号采集电路用于将交流电压信号转换为直流电压信号，并传输至处理器。

具体地，功率信号采集电路可以采用乘法器、低通滤波器、运放和ADC转换器组成。其中，乘法器将交流电压信号的波形转换为只有正电压的全波波形U_i′，再经过低通滤波器变成直流信号U₁，然后经过运放进行放大后变成U₂，通过ADC转换器采集后送到处理器。

处理器与电压测量模块、电流测量模块和功率信号采集电路连接，将采集到的第一直流信号、第二直流信号、第一方波信号和第二方波信号的值代入公式9、14计算得到电压幅值、电流幅值以及电流电压相位差值。

进一步地，由上述内容可以看出，经过检波电路进行半波整流，得到只有正半周的第一整流信号或第二整流信号，U_a为其幅值，在经过低通滤波电路，根据半波整流平均值的计算公式可得：

经过放大电路，其放大倍数是2倍时，可得：

U₄＝2U₃ (公式16)

结合公式15和16可得：

同理可得：

由公式17和18分别推出：

通过数模转换电路采样U4和U6的电压值，再通过公式19可得电压幅值。

然后设I_b为电流的幅值，即此时I_b等于I_(z)，U_b为传输线电压和值信号的值，且在射频电源匹配时，其匹配阻抗为50欧姆，即Z₀为50；将公式20代入公式14，可得：

处理器通过测试计算可知电压幅值U_a和电流幅值I_b以及它们之间电流电压相位差值即当某一时刻是，将电压幅值U_a和电流幅值I_b其当前相位对应的比例相乘，得到该时刻的实际电压值和电流值，负载阻抗值即为实际电压值和电流值之比，可得负载阻抗值计算公式：

因此，处理器在计算得到电压幅值、电流幅值和电流电压相位差值后，将电压幅值、电流幅值和电流电压相位差值后代入公式22，可计算得到负载阻抗值。

同时，处理器还可以根据公式5和8，计算出射频电源的输出功率。

在本发明的一实施例中，所述处理器包括三态鉴相器，

三态鉴相器的第一输入端和第二输入端分别与电压测量模块、电流测量模块连接，通过接收第一方波信号和第二方波信号，根据第一方波信号和第二方波信号计算出确定电流电压相位差值。

参照图6，示出了本发明的一种三态鉴相器的原理图。以所接收到的方波信号为正方波信号为例，三态鉴相器的第一触发器的输入端(U_CLK)和电压测量模块的输出端相连，接收第一正方波信号，将第一正方波信号作为第一触发器的时钟信号。三态鉴相器的第二触发器的输入端(I_CLK)和电流测量模块输出端相连，接收第二正方波信号，将第二正方波信号作为第二触发器的时钟信号。该第一触发器和第二触发器例如为D触发器。将第一触发器的触发信号输入端和第二触发器的触发信号输入端连接预设高电平，即将两个触发器设置为高电平。当U_CLK/I_CLK上升沿时，对应触发器的Q＝D，第一触发器或第二触发器输出高电平。且第一触发器的复位端和第二触发器的复位端和与门连接，即第一触发器输出的信号UP和第二触发器输出的信号DN通过与门，进行与运算，输出到第一触发器的复位端和第二触发器的复位端。在信号UP和信号DN同时为高，对三态鉴相器模块输出的UP和DN进行复位，形成低电平，反之为高电平。

再利用如图7所示的相位测量计算方法，处理器例如可以为FPGA，处理器利用锁相环生成400MHz参考时钟信号Fs。设置门控时间GATE_TIME；GATE_TIME是被测信号UP、信号DN周期的整数倍N。然后基于GATE_TIME的一次高电平时间，对时钟信号Fs、信号UP、信号DN上升沿进行计数，而由于信号UP、信号DN的上升沿数量相同，可以采用信号UP、信号DN中的其中一个上升沿数量即可。然后采用信号UP或信号DN上升沿的数量与时钟信号Fs的比值即为在单个门控时间周期内的差值，再该差值转化为角度值，即为电流电压相位差值。如图7中，在GATE_TIME为高时，计数Fs上升沿FS_cnt，同时计数信号UP、信号DN为高时Fs上升沿UP_CNT、DN_CNT，即相位差，可得：

通过公式23计算出电流电压相位差值。

处理器与电压测量模块输出端、电流测量模块输出端、功率采集电流的输出连接，处理器用于接收电压测量模块输出的第一直流信号和电流测量模块输出的第二直流信号，通过公式9、14计算出电压幅值和电流幅值。并且，处理器还根据电压幅值、电流幅值和电流电压相位差值代入公式23计算得到负载阻抗值。

在本发明的一实施例中，所述射频电源信号信号采集电路还包括：上位机，

在实际应用中，还可以在处理器的输出端设置上位机，处理器计算得到的电压幅值、电流幅值、电流电压相位差值和负载阻抗值都传输至上位机。上位机对电压幅值、电流幅值、电流电压相位差值和负载阻抗值进行可视化，并将电压幅值、电流幅值、电流电压相位差值和阻抗值进行展示。

本发明实施例通过定向耦合器用于耦合出入射电压波信号和反射电压波信号；所述电压测量模块与所述定向耦合器连接，用于将所述入射电压波信号和所述反射电压波信号相加，生成电流电压相位和值信号；以及将所述传输线电压波信号转换为第一方波信号和第一直流信号；所述电流测量模块与所述定向耦合器连接，用于将所述入射电压波信号和所述反射电压波信号相减，生成电流电压相位差值信号；以及将所述传输线电流波信号转换为第二方波信号和第二直流信号；所述处理器与所述电压测量模块、所述电流测量模块连接，用于依据所述第一直流信号确定电压幅值，依据所述第二直流信号确定电流幅值，依据所述第一方波信号和所述第二方波信号确定电流电压相位差值，以及根据所述电压幅值、所述电流幅值和所述电流电压相位差值确定负载阻抗值。实现实时监测射频电源负载的电压和电流，当电源反射功率过大时，可以判断电流过大还是电压过高，方便进一步分析原因；利用测量电压值、电流值和其相位，可以实时监测射频电源的负载阻抗，从而可以进一步了解等离子体的阻抗变化情况，通过三态鉴相器计算电流电压相位差值，提高相位检测精度；通过上位机把实时的输出端的电压、电流和负载阻抗信息显示出来，方便工艺研发人员了解等离子体负载的变化情况，为实现更复杂的工艺提供了有效的数据支撑。

参照图8，示出了本发明实施例的一种半导体工艺设备的结构示意图，该半导体工艺设备801包括射频电源8011、射频匹配器8012、工艺腔室8013和如上所述的射频电源信号采集电路8014。

本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可。

本领域内的技术人员应明白，本发明实施例的实施例可提供为方法、装置、或计算机程序产品。因此，本发明实施例可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明实施例可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

本发明实施例是参照根据本发明实施例的方法、终端设备(***)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理终端设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理终端设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理终端设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理终端设备上，使得在计算机或其他可编程终端设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程终端设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

尽管已描述了本发明实施例的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例做出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明实施例范围的所有变更和修改。

最后，还需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者终端设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者终端设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者终端设备中还存在另外的相同要素。

以上对本发明所提供的一种射频电源信号采集电路和一种半导体工艺设备，进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (11)

1.一种射频电源信号采集电路，其特征在于，所述射频电源信号采集电路用于与射频电源连接，所述信号采集电路包括：

定向耦合器，电压测量模块，电流测量模块和处理器；

所述定向耦合器与所述射频电源连接，用于接收所述射频电源输出的电压，耦合出入射电压波信号和反射电压波信号；

所述电压测量模块与所述定向耦合器连接，用于将所述入射电压波信号和所述反射电压波信号相加，生成传输线电压和值信号；对所述传输线电压和值信号进行整形，转换为第一方波信号；所述第一方波信号表征所述射频电源输出电压的相位；

所述电流测量模块与所述定向耦合器连接，用于将所述入射电压波信号和所述反射电压波信号相减，生成传输线电压差值信号；对所述传输线电压差值信号进行整形，转换为第二方波信号；所述第二方波信号表征所述射频电源输出电流的相位；

所述处理器与所述电压测量模块、所述电流测量模块连接，用于依据所述第一方波信号和所述第二方波信号确定电流电压相位差值；

其中，所述处理器包括三态鉴相器，所述三态鉴相器与所述电压测量模块、所述电流测量模块连接，所述三态鉴相器用于接收所述第一方波信号和所述第二方波信号；根据在预设的单个门控时间周期内，所述第一方波信号和所述第二方波信号在所述三态鉴相器中输出的信号的上升沿数量，与所述三态鉴相器中的时钟信号数量的比值，确定所述电流电压相位差值；

所述电压测量模块还用于对所述传输线电压和值信号进行滤波整流，转换为第一直流信号；

所述电流测量模块还用于对所述传输线电压差值信号进行滤波整流，转换为第二直流信号；

所述处理器还用于依据所述第一直流信号确定电压幅值，依据所述第二直流信号确定电流幅值，以及根据所述电压幅值、所述电流幅值和所述电流电压相位差值确定负载阻抗值。

2.根据权利要求1所述的射频电源信号采集电路，其特征在于，所述电压测量模块包括：加法电路和第一比较电路，

所述加法电路与所述定向耦合器连接，用于将所述入射电压波信号和所述反射电压波信号相加，生成所述传输线电压和值信号；

所述第一比较电路与所述加法电路连接，用于将所述传输线电压和值信号整形为所述第一方波信号。

3.根据权利要求2所述的射频电源信号采集电路，其特征在于，所述电压测量模块还包括第一检波电路和第一低通滤波电路，

所述第一检波电路与所述加法电路连接，用于对所述传输线电压和值信号进行半波整流，生成第一整流信号；

所述第一低通滤波电路输入端与所述第一检波电路输出端连接，所述第一低通滤波电路输出端与所述处理器连接，用于将所述第一整流信号转换为所述第一直流信号。

4.根据权利要求3所述的射频电源信号采集电路，其特征在于，所述电流测量模块包括：减法电路和第二比较电路，

所述减法电路与所述定向耦合器连接，用于将所述入射电压波信号和所述反射电压波信号相减，生成所述传输线电压差值信号；

所述第二比较电路与所述减法电路连接，用于将所述传输线电压差值信号整形为所述第二方波信号。

5.根据权利要求4所述的射频电源信号采集电路，其特征在于，所述电流测量模块还包括第二检波电路和第二低通滤波电路，

所述第二检波电路与所述减法电路连接，用于对所述传输线电压差值信号进行半波整流，生成第二整流信号；

所述第二低通滤波电路输入端与所述第二检波电路输出端连接，所述第二低通滤波电路输出端与所述处理器连接，用于将所述第二整流信号转换为所述第二直流信号。

6.根据权利要求1所述的射频电源信号采集电路，其特征在于，所述三态鉴相器包括第一触发器、第二触发器和与门，

所述第一触发器的时钟输入端与所述电压测量模块连接；所述第二触发器的时钟输入端与所述电流测量模块连接；所述第一触发器的触发信号输入端和所述第二触发器的触发信号输入端连接预设高电平；

所述与门的输出端与所述第一触发器的复位端、所述第二触发器的复位端连接；所述与门的输入端分别与所述第一触发器的输出端、所述第二触发器的输出端连接。

7.根据权利要求4所述的射频电源信号采集电路，其特征在于，所述第一比较电路和所述第二比较电路为过零比较电路。

8.根据权利要求5所述的射频电源信号采集电路，其特征在于，所述第一低通滤波电路和所述第二低通滤波电路为积分电路。

9.根据权利要求1所述的射频电源信号采集电路，其特征在于，所述射频电源信号采集电路还包括：功率信号采集电路，

所述定向耦合器还用于输出交流电压信号；

所述功率信号采集电路与所述定向耦合器连接，用于将所述交流电压信号转换为直流电压信号；

所述处理器与所述功率信号采集电路连接，所述处理器还用于根据所述直流电压信号确定输出功率值。

10.根据权利要求1-7任一项所述的射频电源信号采集电路，其特征在于，所述射频电源信号采集电路还包括：上位机，

所述上位机与所述处理器输出端连接，用于实时监测所述电压幅值、所述电流幅值、所述电流电压相位差值和所述负载阻抗值。

11.一种半导体工艺设备，其特征在于，所述半导体工艺设备包括射频电源、射频匹配器、工艺腔室和如权利要求1至权利要求10任一项所述的射频电源信号采集电路。