[发明专利]射频功率测量系统

说明书

技术领域

本发明涉及电工技术领域，特别涉及一种射频功率测量系统。

背景技术

射频等离子体被广泛应用于等离子体材料处理工艺中，如半导体材料的刻蚀和等离子体增强化学气相沉积等。在这些工艺过程中，由电极耦合到等离子体的射频功率是一个非常重要的控制参数，需要对其进行准确测量。通常采用一个电压探头和一个电流分别测量电极处的电压波形和电流波形，再由以下公式计算射频耦合功率P(入射功率与反射功率之差)

P＝|V||I|cosθ

其中|V|为电压有效值，|I|为电流有效值，θ为电压波形与电流波形的相位差。该方法的主要误差来自于θ的误差。

当负载为匹配负载时，以上方法可以给出耦合功率的准确结果。然而对于常见的两种射频等离子体——电感耦合等离子体和电容耦合等离子体来说，以上方法会存在较大误差。这是因为在这两种放电中，等离子体等效阻抗的电抗部分远大于电阻部分。对于射频功率来说，等离子体是一个极不匹配负载，θ≈±90°。此时，θ的微小误差会给功率测量带来很大的误差。例如，cos89.5°≈0.0087，cos89°≈0.0174，因此当θ≈89°时，0.5°的相位测量误差会给功率测量带来100％的误差。对于频率为60MHz的射频信号来说，1cm的距离所对应的相位差约为0.72°。因此，电压探头和电流探头的间距必须足够小以减少相位差测量的误差。实际情况中，电压探头和电流探头的距离为几个厘米。因此以上方法难以在高频情况下使用。

另一方面，由探头间距引起的相位差还依赖于负载的阻抗。例如，当负载为匹配负载时，入射的射频信号均被负载吸收，反射信号为零。假设入射射频信号先到达电压探头而后到达电流探头，则电流探头处的电流信号比电压探头处的电流信号滞后，即存在相位差。而当负载为开路负载时，入射的射频信号完全被反射，且反射信号与入射信号幅值相同。在这种情况下，入射信号首先到达电压探头而反射信号首先到达电流探头。对于两个方向的射频信号，探头间距引起的相位差大小相等方向相反，两者互相抵消。此时，电流探头处的电流信号与电压探头处的电流信号是同相位的，即不存在相位差。因此，对探头间距引起的相位差的确定还需要知道负载的准确阻抗。而射频等离子体等效负载的阻抗通常难以确定，给功率测量带来了很大的误差。

发明内容

本发明旨在至少在一定程度上解决上述相关技术中的技术问题之一。

为此，本发明的目的在于提出一种射频功率测量系统，该系统能够消除电压探头和电流探头的空间距离导致的相位误差，对射频等离子体耦合功率具有较高的测量精度，并且该系统结构简单、可靠。

为了实现上述目的，本发明的实施例提出了一种射频功率测量系统，包括：用于传输射频功率信号的同轴功率传输装置，所述同轴功率传输装置包括内导体棒和外导体环，所述内导体棒套设在所述外导体环内；电压探头，所述电压探头设置在所述外导体环上，用于检测所述同轴功率传输装置的射频电压信号；第一电流探头和第二电流探头，所述第一电流探头和第二电流探头设置在所述外导体环上且沿所述内导体棒的轴向上分布在所述电压探头的两侧；信号采集与处理器，所述信号采集与处理器分别与所述电压探头、所述第一电流探头和第二电流探头相连，以根据所述电压探头检测到的射频电压信号、所述第一电流探头和第二电流探头检测到的射频电流信号确定所述射频功率信号的射频功率。

根据本发明实施例的射频功率测量系统，能够消除电压探头和电流探头的空间距离导致的相位误差，对射频等离子体耦合功率具有较高的测量精度，并且该系统结构简单、可靠。从而该系统可用于准确测量射频等离子体材料处理工艺中的耦合功率，从而可能有利于改进工艺参数。同时，该系统可应用于不同负载情况下，在各种射频功率测量领域均有广泛的应用前景。

另外，根据本发明上述实施例的射频功率测量系统还可以具有如下附加的技术特征：

在一些示例中，所述第一电流探头和所述电压探头之间的距离与所述第二电流探头和所述电压探头之间的距离相同。

在一些示例中，所述第一电流探头和所述电压探头的距离以及所述第二电流探头与所述电压探头的距离均为1cm。

在一些示例中，所述信号采集与处理器通过同轴电缆采集所述电压探头检测到的射频电压信号、所述第一电流探头和所述第二电流探头检测到的射频电流信号。

在一些示例中，所述同轴电缆的特征阻抗和所述信号采集与处理器的内阻均为50欧姆。

在一些示例中，所述电压头探为容性探头。