相位比较器及相位差监测装置技术领域
本发明涉及半导体技术领域，特别涉及一种应用于等离子体处理装置
的相位比较器及相位差监测装置。
背景技术
随着半导体制造工艺的发展，对元件的集成度和性能要求越来越高，
等离子体技术得到了极为广泛的应用，其通过在等离子体处理装置的反应
腔体内通入反应气体，将反应气体激发产生电离而形成等离子体，产生的
等离子体中内含有大量的电子、离子、自由基等活性离子，这些活性反应
基团与待处理物体表面发生反应，使待处理物体表面材料性能发生变化，
可被用于各种半导体制造工艺，例如沉积工艺(如化学气相沉积)、刻蚀工艺
(如干法刻蚀)等。
电感耦合等离子体(InductivelyCoupledPlasma，ICP)处理装置是一种
应用广泛的等离子体处理装置。图1所示为现有技术中较为常见的电感耦
合等离子体处理装置。电感耦合等离子体处理装置包括反应腔体1，反应腔
体1内的底部设置静电卡盘4，待处理基片W被放置在静电卡盘4上。反
应腔体1顶板的外侧上方配置有电感耦合线圈2，射频源(图中未示)与该
线圈2连接，向电感耦合线圈2输入高频电流而产生变化的磁场，根据法
拉第电磁感应定律，该变化的磁场会感应出电场，从而将反应腔体1内的
由气体源3注入的工艺气体电离成等离子体，以对基片进行刻蚀沉积等处
理。高频电流转变成磁场过程中，因能量损失会发生电流大小和相位的变
化，因此输入电感耦合线圈和从电感耦合线圈输出的是两个大小不同、相
位不同的电流。
现有技术中，为检测电感耦合线圈输入电流和输出电流的相位差，通
常是将示波器接在线圈的输入和输出两端，通过示波器显示的两个电流的
波形图来观察两个电流的相位差。由于这种方法需要借助外接的示波器，
且无法直观了解输入电流和输出电流的相位差，往往会造成用户的使用不
便。
因此，需要提供一种能够更方便地观察电感耦合等离子体处理装置的
电感耦合线圈中输入输出电流相位差的装置以改善上述缺陷。
发明内容
本发明的主要目的在于克服现有技术的缺陷，提供一种能够直观掌握
ICP等离子体处理装置的感应线圈中输入输出电流相位差的相位比较器。
为达成上述目的，本发明提供一种相位比较器，用于检测电感耦合等
离子体处理装置的感应线圈的输入输出电流的相位差，其包括第一转换单
元、第二转换单元、相位比较单元和整流单元。所述第一转换单元用于将
所述感应线圈的输入电流信号转换为方波波形的第一电压信号；所述第二
转换单元用于将所述感应线圈的输出电流信号转换为方波波形的第二电压
信号，所述第一电压信号和第二电压信号的幅值和形状一致且相位差与所
述感应线圈的输入电流信号和输出电流信号的相位差相同；所述相位比较
单元接收所述第一电压信号和第二电压信号并输出占空比与所述第一电压
信号和第二电压信号的相位差对应的方波脉冲信号；所述整流单元用于将
所述相位比较单元输出的方波脉冲信号进行整流滤波处理以输出直流电压
信号。
优选地，所述第一转换单元包括相连的第一过电压保护单元和第一过
零比较单元，所述第一过电压保护单元将所述输入电流转换为限定范围内
的电压信号、所述第一过零比较单元将该第一过电压保护单元输出的限定
范围内的电压信号与零电位比较形成第一方波信号；所述第二转换单元包
括相连的第二过电压保护单元和第二过零比较单元，所述第二过电压保护
单元将所述输出电流转换为限定范围内的电压信号、所述第二过零比较单
元将该第二过电压保护单元输出的限定范围内的电压信号与零电位比较形
成与所述第一方波信号幅值和形状一致的第二方波信号，所述第一方波信
号和第二方波信号的相位差与所述感应线圈的输入电流信号和输出电流信
号的相位差相同。
优选地，所述第一转换单元还包括第一分频单元，所述第二转换单元
还包括第二分频单元，分别用于对该第一方波信号和第二方波信号以相同
比例分频以形成所述第一电压信号和第二电压信号。
优选地，所述第一分频单元和第二分频单元将其接收的信号的频率降
低为原来的1/100～1/50。
优选地，所述相位比较单元对所述第一电压信号和所述第二电压信号
进行异或运算以得到所述方波脉冲信号。
优选地，所述输入电流信号和所述输出电流信号均为正弦波信号。
优选地，所述第一过压保护单元和第二过压保护单元均包括用于进行
电流-电压转换的电压转换模块以及用于对经转换的电压限定范围的电压限
定模块，所述第一过压保护单元和第二过压保护单元的电压限定模块设定
相同的参考电压，当该输入电流或该输出电流经所述电压转换模块转换得
到的电压超出该参考电压时，该电压限定模块将所述第一过压保护单元或
第二过压保护单元输出的电压信号限定为等于该参考电压。
优选地，所述整流单元输出的直流电压信号随所述感应线圈的输入输
出电流的相位差的增加而减小。
本发明还提供了一种相位差监测装置，其包括上述的相位比较器以及
控制器，该控制器与所述相位比较器相连，用于根据当前所述相位比较器
输出的直流电压信号获得相应的感应线圈的输入输出电流的相位差并将其
显示在所述等离子体处理装置的控制机台。
优选地，所述控制器包括存储单元、分析单元和显示单元，所述存储
单元用于存储所述直流电压信号与感应线圈输入输出电流相位差的对应关
系；所述分析单元与所述存储单元及所述相位比较器相连，其根据该存储
单元所存储的对应关系及该相位比较器所输出的直流电压信号获得该直流
电压信号相应的当前所述感应线圈输入输出电流的相位差；所述显示单元
用于将该分析单元得到的相位差显示于所述等离子体处理装置的控制机台。
本发明的有益效果在于省去了示波器，能够方便直观地了解感应线圈输
入输出电流的相位差并且能够对各种波形的感应线圈输入输出电流的相位
差进行比较，应用范围更为广泛。
附图说明
图1为现有技术中电感耦合型等离子体处理装置的结构示意图；
图2为本发明一实施例的相位比较器的方块图；
图3为本发明一实施例的相位比较器的转换单元的方块图；
图4为本发明一实施例的感应线圈的输入输出电流及其经过相位比较
器各单元后的信号波形图；
图5为本发明一实施例的相位差监测装置的方块图。
具体实施方式
为使本发明的内容更加清楚易懂，以下结合说明书附图，对本发明的
内容作进一步说明。当然本发明并不局限于该具体实施例，本领域内的技
术人员所熟知的一般替换也涵盖在本发明的保护范围内。
请参照图2，示出了示例性实施例的相位比较器。该相位比较器用于检
测电感耦合等离子体处理装置的感应线圈的输入输出电流的相位差其包
括第一转换单元10、第二转换单元11、相位比较单元20和整流单元30。
第一转换单元10接收感应线圈的输入电流信号I1，并将其转换成方波波形
的第一电压信号V″1。第二转换单元11接收感应线圈的输出电流信号I2，
并将其转换成同样是方波波形的第二电压信号V″2，并且，这两个方波波形
的电压信号的幅值和形状完全一致且相位差与输入电流信号I1和输出电流
信号I2的相位差相同。相位比较单元20与第一和第二转换单元相连，接
收第一电压信号V″1和第二电压信号V″2，并输出占空比与这两个电压信号
的相位差对应的方波脉冲信号V3。相位比较单元20可以用XOR门器件实
现，通过对第一电压信号V″1和第二电压信号V″2进行异或运算来得到方波
脉冲信号V3。具体来说，方波脉冲信号V3的高电平部分也就是第一电压信
号V″1和第二电压信号V″2不相重叠的部分，对应了电压信号V″1和V″2的
相位差；低电平部分则是电压信号V″1和V″2重叠的部分。若方波脉冲信号
V3的占空比越大，说明两个电压信号的相位差越大，两者成正比例关系。
整流单元30与相位比较单元20相连，将其输出的方波脉冲信号V3进行整
流滤波处理以输出直流电压信号V4，直流电压信号V4与方波脉冲信号V3
的占空比成正相关。
由以上可知，由于第一电压信号V″1和第二电压信号V″2的相位差与输
入输出电流I1和I2的相位差相同，方波脉冲信号V3的占空比又与电压信
号V″1和V″2的相位差对应，方波脉冲信号V3整流滤波得到的直流电压信
号V4也必然与输入输出电流的相位差存在一一对应关系，当输入输出电
流的相位差越大，则最后得到的直流电压信号V4越小。因此根据直流电压
信号V4的大小就可以得到感应线圈输入输出电流的相位差改善了现有
技术中必须使用示波器观察相位差不够方便直观的缺陷。另一方面，对于
任何波形的感应线圈的输入输出电流，本发明的相位比较器都可以对其进
行相位差的检测，应用范围更加广泛。
接下来请参考图2，其所示为本发明一实施例的两个转换单元的方块图。
具体的，每个转换单元都包括过电压保护单元和过零比较单元，较佳的还
包括分频单元。
转换单元10、11中各部分的功能和作用描述如下。其中，第一过电压
保护单元101接收输入电流I1，将该输入电流I1转换为限定范围内的电压
信号V1；第二过电压保护单元111接收输出电流I2，将该输出电流I2转换
为限定范围内的电压信号V2。每个过电压保护单元均包括用于进行电流-
电压转换的电压转换模块以及用于对经转换电压限定范围的电压限定模块，
以分别起到I-V转换以及限压的作用。电压转换模块可通过多种方式将输入
电流I1和输出电流I2转换为电压信号，如利用V＝I*R将电流通入电阻采样
出相应的电压信号，或者通过积分电路或运算放大器或三极管也可实现电
流-电压的转换。不论以何种方式进行的电流-电压转换，转换得到的两个电
压信号的相位差与输入输出电流的相位差保持一致。而通过电压限定模块，
一旦经转换的电压信号超出了参考电压，会将其值限定在参考电压，因此
可以将过电压保护单元的输出电压信号V1和V2保持在限定范围内，从而
防止后续的过零比较单元因输入的信号过高烧坏。本实施例中，对第一过
电压保护单元和第二过电压保护单元设定的参考电压为相同，包括上限参
考电压和下限参考电压。由于输入电流I1和输出电流I2的频率相同但大小
有所不同，因此过电压保护单元所输出的电压信号V1和V2的频率相同但
形状可能不完全相同。另一方面，通过过电压保护单元，对于任何波形的
输入电流和输出电流，都可以将其转换为类似方波波形的限定范围内的电
压信号。
第一过零比较单元102接收该限定范围内的电压信号V1并将其与零电
位0V比较从而形成第一方波信号V'1，第二过零比较单元112接收该限定
范围内的电压信号V2并将其与零电位0V比较从而形成第二方波信号V'2，
经过零比较后两个方波信号仍保持同频，两者的相位差与电压信号V1和
V2的相位差一致，且幅值和形状也均相同，因此排除了由于两路信号V1
和V2的幅值或形状不同对后续相位比较造成影响。方波信号V'1和V'2可以
直接输入至相位比较单元20，但是较佳的在第一/第二过零比较单元和相位
比较单元之间还连接第一/第二分频单元，分频单元103，113用于以相同的
分频比例使过零比较单元输出的方波信号的频率降低。这是因为，一般感
应线圈的输入电流I1为高频(如由频率为13.56MHz的射频源施加电力)，
经过电压保护单元和过零比较单元后得到的方波信号的频率也同样是高频
的，而一般的相位比较单元只能对信号频率在1MHz以下的信号进行相位
比较，对于高频信号必须要使用高频相位比较单元，成本较高。通过第一
分频单元103和第二分频单元113将其接收的方波信号V'1和V'2的频率降
低，较佳的降低为原来的1/100～1/50，对于高频输入电流和输出电流均可以
实现相位比较，因此低频的相位比较单元也能够应用，从而降低了相位比
较器的整体成本。该频率降低的方波信号作为第一电压信号V″1和第二电压
信号V″2输出后，由相位比较单元20进行相位比较生成方波脉冲信号V3
再由整流单元30整流滤波形成直流电压信号V4。
图4所示为本发明一实施例的感应线圈的输入输出电流及其经过相位
比较器各单元后的信号波形图。本实施例中，输入电流信号I1为正弦波信
号，相应的输出电流信号I2为与输入电流信号I1频率相同、幅值不同且存
在相位差的正弦波信号。输入电流信号I1和输出电流信号I2经第一和第
二过电压保护单元后，转换成为频率与转换前相同、幅值为-1V～+1V之间
(参考电压设为±1V)、相位差为的同频电压信号V1和V2。第一和第二
过零比较单元将其接收的信号与零电位比较，若大于等于0则输出5V电压、
若小于0则输出0V电压，因此电压信号V1和V2经过零比较后成为幅值为
-5V～+5V之间、形状一致，频率与过零比较前相同、相位差为的同频方
波信号V'1和V'2。方波信号V'1和V'2经第一和第二分频单元分频后形成频
率均降低为原先的1/50、幅值为-5V～+5V之间、形状一致，相位差为的
同频第一和第二电压信号V″1和V″2。第一和第二电压信号V″1和V″2经相
位比较单元进行异或运算得到幅值为-5V～+5V之间、占空比与相位差对
应的方波脉冲信号V3。最后由整流单元对方波脉冲信号V3进行整流滤波得
到直流电压信号V4。直流电压信号V4与输入输出电流的相位差之间存在
一一对应的负相关关系，当相位差越大，则直流电压信号V4越小。当相
位差为180°时，对应的直流电压信号为0V。
图5所示为本发明一实施例的相位差监测装置的方块图。相位差监测
装置包括上述的相位比较器以及控制器。其中相位比较器51根据其接收的
感应线圈的输入输出电流输出两者的相位差，控制器52与相位比较器51
相连，用于根据当前相位比较器51所输出的直流电压信号获得相应的感应
线圈的输入输出电流的相位差，并将其显示在等离子体处理装置的控制机
台上。具体的，控制器52包括存储单元521、分析单元522和显示单元523。
如前所述，直流电压信号V4与输入输出电流的相位差之间存在一一对应
的负相关关系，存储单元521存储该直流电压信号与感应线圈输入输出电
流相位差之间的对应关系。这里的对应关系可以是反线性关系的函数，也
可以是记录各种相位差和直流电压信号的表。分析单元522与存储单元521
及相位比较器51相连，根据存储单元521所存储的对应关系及相位比较器
51当前所输出的直流电压信号获得该直流电压信号相应的当前感应线圈输
入输出电流的相位差。具体的，分析单元可以通过将当前直流电压信号代
入对反线性关系的函数计算、或通过查表的方式获得当前相位差。显示单
元523将分析单元522得到的相位差显示于等离子体处理装置的控制机台
的显示屏上。由此，操作人员直接通过控制机台的监控页面就能够看出感
应线圈输入输出电流的相位差。
综上所述，本发明相位比较器，通过转换单元能够将各种波形的存在
相位差的感应线圈输入输出电流转换成幅值和形状一致且相位差不变的低
频方波电压信号，在通过相位比较单元进行相位比较形成方波脉冲信号及
整流单元整流滤波，而最终将感应线圈输入输出电流的相位差以直流电压
信号的形式展现出来，省去了现有技术中示波器的接入，能够方便直观地
观察出感应线圈输入输出电流的相位差且应用范围广泛。可以理解的是，
本发明中的相位比较器及具有该相位比较器的相位监测装置可应用于各种
电感耦合等离子体处理装置中，如等离子体刻蚀、等离子体物理汽相沉积、
等离子体化学汽相沉积、等离子体表面清洗等装置。
虽然本发明已以较佳实施例揭示如上，然所述诸多实施例仅为了便于
说明而举例而已，并非用以限定本发明，本领域的技术人员在不脱离本发
明精神和范围的前提下可作若干的更动与润饰，本发明所主张的保护范围
应以权利要求书所述为准。