特表 2023-531601 ＲＦ電圧及び電流（Ｖ－Ｉ）センサ及び測定方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公表特許公報(A)

(11)【公表番号】

(43)【公表日】2023-07-25

(54)【発明の名称】ＲＦ電圧及び電流（Ｖ－Ｉ）センサ及び測定方法

(51)【国際特許分類】

   H01L 21/3065 20060101AFI20230718BHJP

   H05H 1/46 20060101ALI20230718BHJP

   H01L 21/205 20060101ALI20230718BHJP

   H01L 21/31 20060101ALI20230718BHJP

   C23C 16/50 20060101ALI20230718BHJP

   C23C 16/52 20060101ALI20230718BHJP

【ＦＩ】

H01L21/302 103

H05H1/46 A

H01L21/205

H01L21/31 C

C23C16/50

C23C16/52

【審査請求】未請求

【予備審査請求】未請求

(21)【出願番号】P 2022577120

(86)(22)【出願日】2021-06-17

(85)【翻訳文提出日】2022-12-14

(86)【国際出願番号】 US2021037758

(87)【国際公開番号】W WO2021262514

(87)【国際公開日】2021-12-30

(31)【優先権主張番号】16/913,545

(32)【優先日】2020-06-26

(33)【優先権主張国・地域又は機関】US

(81)【指定国・地域】

(71)【出願人】

【識別番号】000219967

【氏名又は名称】東京エレクトロン株式会社

(71)【出願人】

【識別番号】514028776

【氏名又は名称】トーキョー エレクトロン ユーエス ホールディングス，インコーポレーテッド

(74)【代理人】

【識別番号】100107766

【弁理士】

【氏名又は名称】伊東 忠重

(74)【代理人】

【識別番号】100070150

【弁理士】

【氏名又は名称】伊東 忠彦

(72)【発明者】

【氏名】モーゼス，ジャスティン

(72)【発明者】

【氏名】レーン，バートン

(72)【発明者】

【氏名】ファン，メリット

(72)【発明者】

【氏名】デュボーズ，チェルシー

(72)【発明者】

【氏名】山澤 陽平

(72)【発明者】

【氏名】ヒュンメル，マイケル

【テーマコード（参考）】

2G084

4K030

5F004

5F045

【Ｆターム（参考）】

2G084AA02

2G084AA05

2G084CC12

2G084CC13

2G084DD02

2G084DD15

2G084DD55

2G084HH05

2G084HH08

2G084HH21

2G084HH22

2G084HH23

2G084HH29

2G084HH43

2G084HH52

4K030FA01

4K030KA39

5F004BA04

5F004BA20

5F004BB13

5F004BD04

5F004CB05

5F045AA08

5F045BB08

5F045EH12

5F045GB04

(57)【要約】

無線周波数センサアセンブリは、中央の穴の周りに配置されたセンサケーシングを含み、センサケーシングは、第１の伝導性カバー及び第２の伝導性カバーを含む。このアセンブリは、中央の穴の周りに配置された空洞を含み、且つ誘電体材料を含み、空洞は、中央の穴の中心からの放射状方向に沿って第１の主外表面及び第２の主外表面によって境界をつけられ、第１の伝導性カバーは、空洞の第２の主外表面を越えた結合領域を介して第２の伝導性カバーに電気的に結合され、空洞及び中央の穴によって、第２の伝導性カバーから電気的に絶縁されている。このアセンブリは、電流センサであって、センサケーシングから電気的に絶縁され、中央の穴の周りに対称的に配置された電流ピックアップを含む、電流センサを含み、電流ピックアップは、空洞の内部に配置され、センサケーシングから絶縁されている。

【特許請求の範囲】

【請求項1】

無線周波数（ＲＦ）センサアセンブリであって、
中央の穴の周りに配置されたセンサケーシングであって、第１の伝導性カバー及び第２の伝導性カバーを含むセンサケーシングと、
前記中央の穴の周りに配置され第１の誘電体材料を含む空洞であって、前記空洞は、前記中央の穴の中心から放射状方向に沿って第１の主外表面及び第２の主外表面によって境界をつけられ、前記第１の主外表面は、前記中央の穴と物理的に接触した連続的なリング状の領域を含み、前記第２の主外表面は、前記第１の主外表面の半径より大きな半径距離にあり、前記第１の伝導性カバーは、前記空洞の前記第２の主外表面を越えた結合領域を介して前記第２の伝導性カバーに電気的に結合され、前記第１の伝導性カバーは、前記空洞及び前記中央の穴によって、前記第２の伝導性カバーから電気的に絶縁されている、空洞と、
前記センサケーシングから電気的に絶縁され、前記中央の穴の周りに対称的に配置された電流ピックアップを含む電流センサであって、前記電流ピックアップは、前記空洞の内部に配置され、前記センサケーシングから絶縁されている、電流センサと、を含む、無線周波数（ＲＦ）センサアセンブリ。

【請求項2】

前記電流センサは、トロイドのような形状をしたマンドレルを含む、請求項１に記載のセンサアセンブリ。

【請求項3】

前記マンドレルは、連続的な中空の通路の周りに第２の誘電体材料を含み、前記中空の通路は、内部円形軸の周りに対称的に巻かれており、前記電流ピックアップは、２つの反対端を有する連続的な導線を含み、前記導線は、前記中空の通路を通るコイルのような形状をしている、請求項２に記載のセンサアセンブリ。

【請求項4】

前記マンドレルの外表面から前記中空の通路まで延びる複数のアクセス穴と、
前記センサケーシングから絶縁された２つの電気端子であって、前記２つの電気端子は、前記複数のアクセス穴を通って前記マンドレルの外に延びる前記導線の前記２つの反対端にそれぞれの電気的に結合されている、２つの電気端子と、を更に含む、請求項３に記載のセンサアセンブリ。

【請求項5】

前記マンドレルは、前記マンドレルの外側主表面上に溝を有する第２の誘電体材料を含み、前記溝は、内部円形軸の周りを対称的に巻かれており、前記電流ピックアップは、２つの反対端を有する連続的な導線を含み、前記導線は、前記トロイドの前記溝の中に配置されたコイルのような形状をしている、請求項２に記載のセンサアセンブリ。

【請求項6】

前記センサケーシングから絶縁された２つの電気端子を更に含み、前記２つの電気端子は、前記マンドレルの外側で前記導線の前記２つの反対端に電気的にそれぞれ結合されている、請求項５に記載のセンサアセンブリ。

【請求項7】

電圧センサを更に含み、前記電圧センサは電圧ピックアップ及び電気端子を含み、
前記電圧ピックアップは、前記電流センサと前記中央の穴との間に介在する前記空洞内に配置され、
前記電気端子は、前記電圧ピックアップに電気的に接続され、
前記電圧センサは、前記センサケーシングから電気的に絶縁されている、請求項１に記載のセンサアセンブリ。

【請求項8】

前記電圧ピックアップは、前記中央の穴の周りに対称的に配置されたリングのような形状をした電極であり、
前記電圧ピックアップは、前記第１の伝導性カバーと前記第２の伝導性カバーとの間に配置された前記空洞内の第３の誘電体材料によって機械的に支持される、請求項７に記載のセンサアセンブリ。

【請求項9】

前記第３の誘電体材料は、固体の誘電体材料であり、前記第１の誘電体材料は気体である、請求項８に記載のセンサアセンブリ。

【請求項10】

前記電圧ピックアップは、スリット領域によって前記センサケーシングから電気的に絶縁され、前記スリット領域は、リングのような形状をした連続的なジグザグの領域を含み、前記スリット領域は、前記中央の穴、前記電圧ピックアップ、及び前記電流センサと物理的に接触している、請求項８に記載のセンサアセンブリ。

【請求項11】

無線周波数（ＲＦ）センサアセンブリであって、
中央の穴の周りに対称的に配置されたセンサケーシングであって、第１の伝導性カバー及び第２の伝導性カバーを含むセンサケーシングと、
前記中央の穴の周りに対称的に配置された環形のような形状をしており、第１の誘電体材料を含む空洞であって、前記空洞は、前記中央の穴の中心から放射状方向に沿って第１及び第２の主外表面によって境界をつけられ、前記第１の主外表面は、前記中央の穴と物理的に接触しているリング状の連続領域を含み、前記第２の主外表面は、前記第１の主外表面の半径よりも大きな半径距離にある閉じた外側境界を含む、空洞と、
前記中央の穴の周りに対称的に配置された電流ピックアップコイルを含む電流センサであって、前記電流ピックアップコイルは、前記センサケーシングから絶縁されており、前記電流ピックアップコイルは、前記空洞の内部に配置されている、電流センサと、
前記電流ピックアップコイルと前記中央の穴との間に介在し、前記第２の伝導性カバーに電気的に結合された、リングのような形状をした伝導性隆起であって、前記誘電体材料で覆われている、伝導性隆起と、を含む、無線周波数（ＲＦ）センサアセンブリ。

【請求項12】

前記第１の伝導性カバーは、前記中央の穴の中心から前記放射状方向に沿って、
前記伝導性隆起の鉛直上方に配置された環形のような形状をした第１の溝と、
前記中央の穴からより遠い半径距離にある、環形のような形状をした第２の溝と、
前記第１に溝と前記第２の溝との間の伝導性領域を含むリングのような形状をしたビームと、を含み、
前記第２の伝導性カバーは、前記ビーム及び前記第２の溝の鉛直下方に配置された環形のような形状をした第３の溝を含み、
前記電流センサは、前記第２の溝を含む前記空洞の部分内に配置された上側部分と、前記第３の溝を含む前記空洞の部分内に配置された下側部分と、を含む、請求項１１に記載のセンサアセンブリ。

【請求項13】

前記空洞は、前記中央の穴の中心から前記放射状方向に沿ってスリット領域を含み、前記スリット領域は、リングのような形状をした連続的なジグザグの誘電体領域を含み、
前記スリット領域は、前記中央の穴、前記伝導性隆起、及び前記電流センサと物理的に接触している、請求項１１に記載のセンサアセンブリ。

【請求項14】

前記第１の伝導性カバーは、前記空洞の前記第２の主外表面を越えた領域を介して前記第２の伝導性カバーに電気的に結合され、前記第１の伝導性カバーは、前記閉じた外側境界によって囲まれる領域内では前記空洞及び前記中央の穴によって前記第２の伝導性カバーから電気的に絶縁されている、請求項１１に記載のセンサアセンブリ。

【請求項15】

プラズマシステムであって、
電極を含む処理チャンバと、
ＲＦ信号を用いて前記処理チャンバに給電するように構成された無線周波数電源（ＲＦ電源）と、
前記ＲＦ電源を前記処理チャンバの前記電極に結合するＲＦパイプと、
前記ＲＦ信号を運ぶ前記ＲＦパイプの軸の周りに対称的に配置されたトロイドのような形状をしたマンドレルと、
前記ＲＦパイプの前記軸の周りに対称的に配置され、前記マンドレルによって囲まれた、電圧ピックアップと、を含む、プラズマシステム。

【請求項16】

電流センサを更に含み、前記電流センサは、
誘電体材料を含む前記マンドレルと、
２つの反対端を備える連続的な導線を含む電流ピックアップであって、前記導線は、前記マンドレルの内部円形軸の周りに対称的に巻かれている、電流ピックアップと、
前記マンドレルの外側で前記導線の前記２つの反対端のそれぞれに電気的に接続された２つの電気端子と、を含む、請求項１５に記載のシステム。

【請求項17】

センサアセンブリを更に含み、前記センサアセンブリは、
中央の穴であって、前記ＲＦパイプの内側導体が前記中央の穴の中に配置される、中央の穴と、
前記中央の穴の周りに隣接して配置される環形のような形状をしており、第１の伝導性カバー及び第２の伝導性カバーを含む、センサケーシングであって、第１の環状領域と第２の環状領域に分割される、センサケーシングと、を含み、
前記第１の環状領域は、一方の側で前記中央の穴と隣接し、反対側で前記第２の環状領域に隣接しており、
前記第１の環状領域では、前記第１の伝導性カバーは、誘電体材料を含む空洞によって前記第２の伝導性カバーから電気的に絶縁され、前記マンドレル及び前記電圧ピックアップは、前記空洞内に配置され、
前記第２の環状領域では、前記第１の伝導性カバーは、前記第２の伝導性カバーに電気的に結合される、請求項１５に記載のプラズマシステム。

【請求項18】

前記センサケーシングの前記第１の環状領域内の前記第１の伝導性カバー及び前記第２の伝導性カバーは、前記ＲＦパイプの外側導体に電気的に結合され、
前記センサケーシングの前記第２の環状領域内の前記第１の伝導性カバー及び前記第２の伝導性カバーは、前記ＲＦパイプの前記外側導体に電気的に結合される、請求項１７に記載のプラズマシステム。

【請求項19】

電圧センサを更に含み、前記電圧センサは前記電圧ピックアップ及び電気端子を含み、
前記電圧センサは、前記センサケーシングから電気的に絶縁されており、
前記電圧ピックアップは、中央の穴の周りに対称的に配置されたリングのような形状をした電極であり、
前記電圧ピックアップは、前記第１の伝導性カバーと前記第２の伝導性カバーとの間に配置された空洞内の固体誘電体材料によって機械的に支持され、
前記電圧ピックアップは、前記電気端子に電気的に結合される、請求項１７に記載のプラズマシステム。

【請求項20】

前記電圧ピックアップは、スリット領域によって前記センサケーシングから電気的に絶縁され、前記スリット領域は、リングのような形状をした連続的なジグザグの誘電体領域を含み、前記スリット領域は、前記中央の穴、前記電圧ピックアップ、及び前記マンドレルと物理的に接触している、請求項１９に記載のプラズマシステム。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

関連出願の相互参照
本出願は、同時出願中の、２０２０年６月２６日に出願された米国非仮特許出願第１６／９１３，５２６号明細書、代理人整理番号１９０９０７ＵＳ０１、及び２０２０年６月２６日に出願された米国非仮特許出願第１６／９１３，５４８号明細書、代理人整理番号１９０８８３ＵＳ０１に関するものであり、且つ、２０２０年６月２６日に出願された米国非仮特許出願第１６／９１３，５４５号明細書、代理人整理番号２００３９１ＵＳ０１の優先権を主張するものであり、これらの出願は、参照によって本明細書に組み込まれる。

【0002】

本発明は、一般に、プラズマ処理システム及び方法に関し、特定の実施形態では、無線周波数（ＲＦ）電圧及び電流センサ及び測定方法に関する。

【背景技術】

【0003】

一般的に、半導体集積回路（ＩＣ）における進歩は、低コストでのより高い機能性に対する需要によって、推し進められている。より低コストでのより高い機能性は、主に、小型化を通じて部品の集積密度を上げることにより、もたらされる。ＩＣは、導電線、接点、及びビアのマルチレベルシステムによって相互接続された電子部品（例えば、トランジスタ、抵抗器、及びコンデンサ）のネットワークである。ネットワークの素子は、化学蒸着（ＣＶＤ）、フォトリソグラフィ、及びエッチングなどの処理ステップを含む製造フローを使用して、半導体基板上に誘電体材料、導電体材料、及び半導体材料の層を順次堆積させパターニングすることにより、一緒に統合される。回路素子の集積密度は、液浸リソグラフィー及び多重パターニングなどの革新的技術を用いて最小フィーチャサイズを定期的に縮小することにより、高められてきた。更なる小型化は、３次元（３Ｄ）デバイス構造（例えば、ＦｉｎＦＥＴ及び積層されたコンデンサメモリセル）を用いてデバイスの実装面積を低減することにより、達成される。

【0004】

反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）、プラズマ増強ＣＶＤ（ＰＥＣＶＤ）、プラズマ増強原子層エッチング及び堆積（ＰＥＡＬＥ及びＰＥＡＬＤ）、並びに周期的なプラズマ処理（例えば、堆積とエッチングを交互に行うサイクル）、などのプラズマ処理が、半導体ＩＣ製造で使用される堆積ステップ及びパターニングステップにおいて、慣例的に使用される。しかしながら、高度なＩＣ設計のための製造可能なプラズマ技術を提供するという課題は、構造的な特徴を原子スケールの寸法で制御しながら、フィーチャサイズを数ナノメートルまで縮小する事態の出現により、激化した。製造可能なプラズマ処理は、精密な寸法（例えば、線幅、エッチング深さ、及び膜厚さ）に加えて、プラズマエッチングの特徴（例えば、側壁角度、異方性、及びエッチング停止層の選択性）とプラズマ堆積の特徴（例えば、コンフォーマリティ（ｃｏｎｆｏｒｍａｌｉｔｙ）、アスペクト比の選択性、及びボトムアップパターニングのエリア選択性）の両方について精密に制御された特徴、並びに幅の広い（例えば、３００ｍｍの）ウェーハ全体に渡る均一性、を備えた構造を提供することが期待されている。ＩＣ製造で使用されるプラズマ処理の多くでは、プラズマはＲＦ電力によって維持される。プラズマ特性は、処理チャンバに供給されるＲＦ電力によって影響されるので、プラズマ処理を精密に制御するには、目立たず正確であるＲＦ信号の革新的な計測が必要になることがある。

【発明の概要】

【課題を解決するための手段】

【0005】

本発明の一実施形態によれば、無線周波数センサアセンブリは、中央の穴の周りに配置されたセンサケーシングを含み、センサケーシングは、第１の伝導性カバー及び第２の伝導性カバーを含む。このアセンブリは、中央の穴の周りに配置された空洞を含み、且つ誘電体材料を含み、空洞は、中央の穴の中心から放射状方向に沿って第１の主外表面及び第２の主外表面によって境界をつけられ、第１の伝導性カバーは、空洞の第２の主外表面を越えた結合領域を介して第２の伝導性カバーに電気的に結合され、空洞及び中央の穴によって、第２の伝導性カバーから電気的に絶縁されている。このアセンブリは、電流センサであって、センサケーシングから電気的に絶縁され、中央の穴の周りに対称的に配置された電流ピックアップを含む、電流センサを含み、電流ピックアップは、空洞の内部に配置され、センサケーシングから絶縁されている。

【0006】

本発明の一実施形態によれば、無線周波数（ＲＦ）センサアセンブリは、中央の穴の周りに対称的に配置されたセンサケーシングを含み、センサケーシングは、第１の伝導性カバー及び第２の伝導性カバーを含む。このアセンブリは、中央の穴の周りに対称的に配置された環形のような形状をしており、第１の誘電体材料を含む空洞であって、空洞は、中央の穴の中心から放射状方向に沿って第１及び第２の主外表面によって境界をつけられ、第１の主外表面は、中央の穴と物理的に接触しているリング状の連続領域を含み、第２の主外表面は、第１の主外表面の半径よりも大きな半径距離にある閉じた外側境界を含む、空洞と、中央の穴の周りに対称的に配置された電流ピックアップコイルを含む電流センサであって、電流ピックアップは、センサケーシングから絶縁され、電流ピックアップは、空洞の内部に配置されている電流センサと、を含む。このアセンブリは、電流ピックアップと中央の穴との間に介在し、第２の伝導性カバーに電気的に結合されたリングのような形状をした伝導性隆起を含み、この伝導性隆起は、誘電体材料で覆われている。

【0007】

本発明の一実施形態によれば、プラズマシステムは、電極を含む処理チャンバと、処理チャンバにＲＦ信号を用いて給電するように構成された無線周波数（ＲＦ）電源と、ＲＦ電源を処理チャンバの電極に結合するＲＦパイプと、ＲＦ信号を運ぶＲＦパイプの軸の周りに対称的に配置されたトロイド形のような形状をしたマンドレルと、ＲＦパイプの軸に周りに対称的に配置され、マンドレルによって囲まれた電圧ピックアップと、を含む。

【0008】

本発明及びその利点をより完全に理解するために、ここで、添付図面と併せて読まれるべき以下の説明を参照する。

【図面の簡単な説明】

【0009】

【図1A】半導体ＩＣ製造のための一般的なプラズマ処理システムのブロック図を示す。

【図1B】一実施形態による、ＲＦパイプ用のＶ－Ｉセンサの断面図を示す。

【図1C】一実施形態による、ＲＦパイプ用のＶ－Ｉセンサの電流センサの上部断面図を示す。

【図2A】一実施形態による、ＲＦパイプ用のＶ－Ｉセンサの斜視図を示す。

【図2B】図２Ａに示したＶ－Ｉセンサの切取内部図を示す。

【図3】ある実施形態による、ＲＦパイプ用のＶ－Ｉセンサの切取内部図を示す。

【図4】ある実施形態による、ＲＦパイプ用のＶ－Ｉセンサの切取内部図を示す。

【図5】ある実施形態による、ＲＦパイプ用のＶ－Ｉセンサの切取内部図を示す。

【図6A】ある実施形態による、ＲＦパイプ用のＶ－Ｉセンサの斜視図を示す。

【図6B】図６Ａに示したＶ－Ｉセンサの切取内部図を示す。

【図6C】図６Ａに示したＶ－Ｉセンサの断面図を示す。

【図6D】一実施形態による、図６Ａに示したＶ－Ｉセンサの電流センサ要素の斜視図を示す。

【図7A】ある実施形態による、ＲＦパイプ用の電流センサアセンブリの斜視図を示す。

【図7B】図７Ａに示した電流センサアセンブリの分解図を示す。

【図7C】ＲＦパイプ用のＲＦ導体と共に、図７Ａの電流センサアセンブリの切取内部図の分解図を示す。

【図7D】ある実施形態による、図７Ｃに示したＲＦパイプ用のＲＦ導体を有する電流センサアセンブリの切取内部図を示す。

【図7E】図７Ｃに示した、ＲＦ導体を有する電流センサアセンブリの底部の平面図を示す。

【発明を実施するための形態】

【0010】

図１Ａ～図７Ｅにおける３桁の参照番号全ての最後の２桁は、常に、類似の構成要素を表す。

【0011】

本開示の実施形態を作製すること及び使用することについて、以下で詳述する。しかしながら、本明細書で開示する概念は、多岐にわたる特定の文脈で具現化することができ、本明細書で考察する特定の実施形態は、単なる例示に過ぎず、特許請求の範囲を制限するようにはたらくものではないことが、理解されるべきである。

【0012】

本開示は、無線周波数（ＲＦ）電気信号の電圧（Ｖ）、電流（Ｉ）、及び電圧と電流との間の位相角（Φ）を正確に測定するために使用される、センサ設計及び方法について説明する。本明細書に記載される電圧－電流（Ｖ－Ｉ）センサの実施形態は、ＲＦパイプと呼ばれる同軸伝送線に沿ってＲＦ電磁波の電場及び磁場をプローブすることに、適用されている。

【0013】

半導体製造におけるプラズマ処理（例えば、プラズマエッチング及び堆積処理）では、しばしば、プラズマを維持するためにＲＦ電力が使用される。当業者には知られているように、プラズマチャンバ内でプラズマを維持するＲＦ信号は、プラズマ特性に影響を及ぼす。プラズマ特性（例えば、電子の密度、プラズマシースの厚さ、イオンとラジカルフラックスとの比率、など）は、次いで、プラズマ処理のエッチング特徴及び／又は堆積特徴に影響を及ぼす。

【0014】

様々な実施形態において、本出願は、ＲＦパイプを通るＲＦ信号の電流及び電圧を測定するためのＲＦ Ｖ－Ｉセンサについて説明する。ＲＦパイプという用語は、本明細書では、プラズマ反応器（プラズマ処理システムと呼ばれる）の一部分から別の部分にＲＦ電力を運ぶ同軸伝送線を指す。ＲＦパイプを通って伝送される波形、Ｉ及びＶは、位置（ｘ）及び時間（ｔ）の関数、Ｉ（ｘ、ｔ）及びＶ（ｘ、ｔ）である。単一の周波数成分ｆが存在する場合、電流及び電圧は、Ｒｅ（Ｉ（ｘ）ｅ^ｊωｔ）及びＲｅ（Ｖ（ｘ）ｅ^{ｊ（ωｔ＋Φ）}）として簡潔に記述された正弦波形によって表現され、ここで、ω＝２πｆ、ｊ^２＝－１、Ｒｅは複素関数の実数部である。上述のように、Ｉ及びＶはそれぞれある大きさを有し、それぞれ、互いから位相角Φだけ離れている。一般的に、波形Ｉ及びＶは、複数の周波数成分を含むことがある。電圧Ｖ（ｘ、ｔ）は、グランド接続された外側導体（又はシールド）に対する、ＲＦパイプ（又は同軸伝送線）の内側導体（又はコア）の電位を指し、ここで、グランドとは、ＲＦシステムの基準電位を示す。

【0015】

様々な実施形態において説明されるように、ＲＦ Ｖ－Ｉセンサは、幾何学的な対称性及び差分測定法を使用して、高精度でセンサの位置におけるＶ及びＩを提供することがある。幾つかのＶ－ＩセンサをＲＦパイプに沿った様々な位置で使用して、その場所でＲＦ信号をプローブすることがある。Ｖ及びＩは位置ｘの関数なので、各Ｖ－Ｉセンサは、それぞれの所望の測定場所のできる限り近くに配置されることがある。例えば、プラズマチャンバに提供されるＲＦ信号の電圧及び電流の正確な測定値を使用してプラズマ処理を監視及び制御することが望ましい場合、その目的のために使用されるＶ－Ｉセンサは、ＲＦ信号がプラズマチャンバに入る場所の近くに配置されることがある。本明細書に記載される様々な実施形態は、コストを増加させることなく、Ｖ－Ｉセンサの測定精度及び感度を高め、それによって、同じコストでより優れた再現性及びより厳密なプロセス制御を備えたプラズマ処理を提供する能力を強化されたプラズマ処理システムを提供する。更に、ＲＦプローブは、製造フローにおける確立されたプラズマ処理のレシピを長い時間及び高い費用をかけて再開発することなしに、既存のプラズマ処理機器に改良されたＶ－Ｉセンサを容易に後付けできるように、邪魔にならないように設計されている。

【0016】

本開示では、プラズマ処理システムにおけるＶ－Ｉセンサの使用について、まず、図１Ａに示したブロック図を参照して説明する。次に、プラズマ処理システムにおけるＶ－Ｉセンサの基本構造及び動作原理について、一実施形態による図１Ｂに示した概略図を参照して説明する。次いで、Ｖ－Ｉセンサ設計（図１Ｂの概略図における基本構造と同様の設計）の革新的な側面の幾つかについて、図２Ａ、図２Ｂ、図３、図４、及び図５に示すＶ－Ｉセンサの例示的な実施形態を参照して説明する。

【0017】

図１Ｂを参照して以下で詳述するように、図２Ａ、図２Ｂ、図３、図４、及び図５の実施形態における電圧センサは、軸対称性を有し、電流の流れの方向に平行に走る中央長手方向軸の周りのＲＦパイプループの内部に配置された伝導性リングとして設計される。軸対称の設計によりもたらされる利点が、図２Ｂを参照した以下の考察において説明されている。

【0018】

例示的な実施形態におけるそれぞれの電流センサは、ＲＦパイプの外側の周縁の周りのスリーブ又はギャラリーに配置される。ギャラリーは、センサケーシング内部の空洞である。センサケーシングは、ギャラリーを覆う伝導性の壁を有し、ＲＦパイプの外側導体に接続され、それによってグランドに接続されていることがある。図１Ｂを参照して以下で詳述するように、電流センサは、２つの開放端を有する単一の伝導性ループ（半ループと呼ばれる）であり、このループは、例えば、同軸ケーブルによって電流センサに接続された外部Ｖ－Ｉ分析器の構成要素を使用して完成される。Ｖ－Ｉ分析器は、電流センサ及び電圧センサから受け取った生の信号を分析する測定システムである。以下で更に説明するように、電流センサの両端をＶ－Ｉ分析器に接続して、正確な分析のための差分測定を行うことがある。しかしながら、精度を犠牲にしてシステムを単純化するために、電流センサの両端のうちの一方のみがＶ－Ｉ分析器に接続されることがあり、他方の端部は、負荷インピーダンスにより（例えば、５０オームの負荷により）グランドに終端されるか、又はグランドに短絡されることがある。グランド接続は、センサケーシングとの直接接続であり得る。この構成では、ギャラリーの外側グランドカバーは、半ループの２つの端部間の回路内にあり、ループを完成させるのに大いに貢献する。本開示に記載する電流センサの実施形態を使用した代替のＲＦシステムでは、閉じたループ全体が、適切なインピーダンス整合及び１つ又は複数の外部信号接続部を伴って、ギャラリーの内部に収容されることがある。

【0019】

図１Ｂ～図５を参照して説明する例示的な実施形態では、半ループ電流センサの電流ループは、３つの伝導性要素を含む１つの伝導性ターンを有する。電流センサの半ループの３つの伝導性要素とは、ＲＦパイプの中央軸に平行に向けられた水平ブランチによって接続された、２つの同一の垂直ブランチである。従って、本明細書で考察する電流センサ設計は、ＲＦパイプの中央軸に垂直であり２つの垂直ブランチ間の中間を通る鏡面の周りに鏡面対称である。鏡映対称であることの利点は、図２Ｂを参照して以下で考察される。しかしながら、ＲＦパイプの片側に配置されているので、単一ターンの半ループ電流センサは、軸対称性に欠けている。軸対称の多ターン半ループ電流センサ設計については、図６Ａ～図７Ｅを参照して説明されており、これらの図では、実施形態は、トロイド形のマンドレルを利用して多ターン電流ピックアップを機械的に支持している。

【0020】

本開示に記載されるＶ－Ｉセンサ設計の革新的な態様は、幾つかの利点を提供することがある。例えば、電磁波の電場及び磁場の非侵入型のプロービングを使用して、ＲＦパイプ内のＲＦ信号の無視できる程度の擾乱を伴って、Ｖ－Ｉ測定を行うことができる。また、センサ設計において幾何学的な対称性及び差分測定技術を有利にも利用すると、Ｖ－Ｉセンサの組み立て中の位置決め誤差に加えて、構成要素を形成するために使用されるツールの標準公差に起因する機械加工誤差の影響を受けないことがある測定がもたらされる。更に、幾つかの構造的な強化技術が利用されている。例えば、幾何学的対称性を高めるために、Ｖ－Ｉセンサの要素が複製的に配置されることがあり、また、組み立て中に機械的応力によって引き起こされる、重要なセンサ構成要素の形状のほんの僅かな変形を低減／抑制するために、追加の機械的支持を提供するように設計された部品が配置されることがある。従って、本開示において記載される実施形態を使用することにより、より厳密な機械加工公差によるコストの上昇を招くことなく、精度が改善されたＲＦ Ｖ－Ｉ測定が達成されることがある。

【0021】

図１Ａは、半導体ＩＣ製造に使用されることがある一般的なプラズマ処理システムのブロック図である。

【0022】

ここで図１Ａを参照すると、プラズマ処理システムでは、高出力ＲＦ電源１０、例えば、ＲＦ電力増幅器に結合されたＲＦ発振器、によってＲＦ信号が生成されることがある。ＲＦ信号波形（例えば、周波数、振幅、パルス状／連続した、など）は、プログラム可能なコントローラ２０及び関連した電子回路によって、調節されることがある。ＲＦ信号を、導管、例えばＲＦパイプ１１０を介して伝送して、図１Ａではプラズマチャンバ３０として示されたブロック内部のプラズマに結合された電極にＲＦ電力を運ぶことがある。

【0023】

当業者には知られているように、ＲＦパイプ１１０内のＲＦ信号は、進行するＲＦ電磁波の組み合わせとして表現されることがある。ＲＦ電源１０の出力インピーダンスと負荷インピーダンスとの間のインピーダンス不整合により、ＲＦ電源１０から負荷に向けて進行するＲＦ電力の一部が、反射してＲＦ電源１０に戻ることになる。そのような望ましくない反射を抑制するために、図１Ａに示すように、整合ネットワークを備える整合器４０が、ＲＦ電源１０とプラズマチャンバ３０との間のＲＦ信号経路中に挿入されることがある。反射電力と整合ネットワークの入射電力との比率が、整合器４０によって（例えば、Ｖ－Ｉセンサ及び分析器を使用して）感知され、プログラム可能コントローラ２０に提供されることがある。プログラム可能コントローラ２０は、例えば、フィードバック制御ループ（図１Ａでは、整合器４０とプログラム可能コントローラ２０との間の２つの矢印によって示される）を使用して、整合ネットワークのインピーダンスを調節することにより、整合ネットワークからＲＦ電源１０に反射して戻るＲＦ電力を低減することができる。

【0024】

プラズマは、例えば、ＲＦパイプ１１０によってＲＦ電源１０からプラズマチャンバ３０の電極まで送達されるＲＦ電力を使用して、プラズマチャンバ３０内で維持されることがある。図１Ａに示すように、Ｖ－Ｉセンサ１００を使用して、電極に提供されるＲＦ信号の電流及び電圧を感知することができる。様々なプラズマチャンバ設計では、電極は、チャンバ壁の内部にあることがあり、例えば、容量結合プラズマ（ＣＣＰ）チャンバ内のディスク状の電極であることがあり、又はチャンバ壁の外部のアンテナであり得る。例えば、誘導結合プラズマ（ＩＣＰ）チャンバでは、アンテナは、誘電体窓の上方に配置された伝導性の平面螺旋（ｓｐｉｒａｌ）であるか、又は、誘電体円筒の周りに巻かれた伝導性螺旋（ｈｅｌｉｘ）であり得る。図１Ａではプラズマチャンバ３０として示されたブロックは、プラズマに結合されたアンテナ及び電極を含む。単純にするために、本開示では、電極という用語は、電極及び／又はアンテナを指す。プラズマチャンバ３０は、少なくとも２つの電極、例えば、上部電極及び底部電極であって、それらの電極の間のプラズマに電気的に結合された上部電極及び底部電極を含む。設計によっては、底部電極が基板ホルダーでもあることが有利である場合がある。

【0025】

図１Ａのブロック図は、ＲＦパイプ１１０がＲＦ電力を単一のＲＦ電源１０からプラズマチャンバ３０に送達する様子を示しているが、２つ以上の電極にＲＦ電力を供給する２つ以上のＲＦ電源があってもよい。例えば、ＲＦ電源１０が、プラズマチャンバ３０の電極（例えば、上部電極）にＲＦ電力を供給することがあり、第２のＲＦバイアス電源が、それぞれのＲＦパイプと、整合器と、底部電極に提供されるＲＦ信号の電圧及び電流を感知するようにプラズマチャンバの近くに配置されたＶ－Ｉセンサと、を使用して、プラズマチャンバ３０の別の電極（例えば、底部電極）にＲＦバイアス電力を供給することがある。

【0026】

図１Ａでは、ＲＦ信号を受け取る電極の近くでＲＦ信号の電流及び電圧を感知及び測定するために使用されるＶ－Ｉセンサ１００は、Ｖ－Ｉ分析器６０に接続されている。Ｖ－Ｉ分析器６０は、矢印によって示されるように、Ｖ（ｔ）及びＩ（ｔ）を反映する、Ｖ－Ｉセンサ１００からの生の出力波形を受け取ることがある。Ｖ－Ｉ分析器６０は、信号プロセッサ、例えばデジタル信号プロセッサであることがあり、このプロセッサは、生の波形から様々なＲＦ信号の特徴を抽出することができる。この様々なＲＦ信号の特徴には、大きさ｜Ｖ｜、｜Ｉ｜、ＶとＩとの間の位相角（Φ）、及びピークＲＦ電力｜Ｖ｜｜Ｉ｜ｃｏｓΦ、が含まれることがある。更に、複数の周波数成分を抽出するために、高調波解析が行われることがある。測定されたＲＦ信号の特徴は、自由電子及びイオン密度並びにイオン／ラジカルフラックス及びエネルギーなどの、プラズマ特性及びプラズマインピーダンスを反映していることがある。Ｖ－Ｉ分析器６０は、例えば、ある範囲の周波数（例えば、約０．４ＭＨｚから約１ＧＨｚまで）及び電力（約０．０１５ｋＷから約３０ｋＷまで）に渡るＲＦ較正信号、標準負荷インピーダンス（例えば、短絡回路、開回路、５０オーム、など）、及びベクトル・ネットワーク・アナライザ（ＶＮＡ）を使用して、事前較正されることがある。

【0027】

図１Ａで矢印によって示されるように、プラズマ特性を反映した様々なＲＦ信号特徴が、Ｖ－Ｉセンサ１００及びＶ－Ｉ分析器６０によって、プログラム可能コントローラ２０に提供され、例えば、プロセスの監視又は終点検出のために使用されることがある。更に、プログラム可能コントローラ２０は、受け取ったＲＦ測定値をプロセス制御のために使用することがある。当業者には知られているように、プラズマ特性は、プラズマに結合されるＲＦ信号を変更することにより、変更されることがある。プログラム可能コントローラ２０は、例えば、ＲＦ電源１０の設定を調節することにより、又は、整合器４０の整合ネットワークのインピーダンスを調節することにより、ＲＦ測定値からの情報を使用して、プラズマ処理を制御することがある。

【0028】

Ｖ－Ｉセンサ１００を使用してプラズマのパラメータを推定し制御する実施形態では、Ｖ－Ｉセンサ１００をプラズマチャンバ３０の近くに配置するのが有利であることがある。電極の位置でのＲＦ信号のＶ及びＩは、異なる場所に配置されたＶ－Ｉセンサ１００により、その場所で測定されたＶ及びＩから推定されることがある。しかしながら、電極とＶ－Ｉセンサとの距離が増加するにつれて、電極におけるＶ及びＩの測定の誤差が増加することがある。理論的には、２つの場所の間のセンサ信号を変換するために使用される伝達行列は、それらの２つの場所の間の距離が増加するにつれて、統一行列からいっそうはずれる。従って、電極の場所に対して推定されるＶ及びＩは、それぞれの伝達行列の推定における誤差に一段と敏感になる。

【0029】

ここで図１Ｂを参照すると、Ｖ－Ｉセンサ１００は、一実施形態によれば、プラズマチャンバ３０に接続するＲＦパイプ１１０に取り付けられる。ＲＦパイプ１１０は、共有された長手方向軸の周りに同心円状に配置された２つの伝導性チューブ（例えば、アルミニウム又は銅のチューブ）を備えた同軸構造であり得る。内側導体１２０と呼ばれる、内側の伝導性チューブは、左を指している矢印によって示される整合器４０の出力端子に電気的に接続されることがある。外側導体１３０と呼ばれる、外側の伝導性チューブは、一般的にグランドと呼ばれる基準電位に接続された、グランドシースであり得る。ＲＦパイプ１１０は、主同軸線と呼ばれることがある、というのも、これは、整合器４０からプラズマチャンバ３０へＲＦ電力を運ぶからである。本開示での他の同軸線は、同軸信号線と呼ばれる（例えば、Ｖ－Ｉセンサ１００からＶＩ分析器６０まで信号を運ぶために使用されることがある同軸線）。

【0030】

Ｖ－Ｉセンサ１００は、２つの主要な構成要素、即ち、電流センサ１４０及び電圧センサ１５０を備えている。電流センサ１４０は、伝導性の壁（例えば、アルミニウム、真鍮、ステンレス鋼、又は銅）を有するセンサケーシング１６５の内部の環状ギャラリー１６０内に配置されることがある。図１Ｂに概略的に示す実施形態では、ギャラリー１６０は、外側導体１３０の外側の円周全体をなぞる中空の環状領域であり、ＲＦパイプ１１０の軸の周りに軸対称である。ギャラリー１６０の軸対称設計は、ＲＦパイプ１１０内を伝播するＲＦ電磁波の追加の反射及び非軸対称の波動モードを防止するという利点をもたらす。ギャラリー１６０及び伝導性センサケーシング１６５は、ＲＦパイプ１１０と一体的に形成されるか、又は、ＲＦパイプ１１０の周りに対称的に取り付けられ、ＲＦパイプ１１０の長手方向軸と電流センサ１４０との間の位置合わせ誤差を回避するのを助けるように、組み立て中に位置決めされることができるか、の何れかであり得る。どちらの場合でも、伝導性センサケーシング１６５と外側導体１３０は、電気的且つ物理的に接続されている。従って、センサケーシング１６５は、同軸ＲＦパイプ１１０の外側導体１３０の延長部であるとみなすことができる。

【0031】

図１Ｂの実施形態は環状ギャラリー１６０を有しているが、他の実施形態では、ギャラリーは環状ではないことがある。他の実施形態では、ＲＦパイプ１１０の軸対称性は、例えば、ＲＦパイプ１１０の湾曲部によって不可避的に壊されていることがあり、従って、Ｖ－Ｉセンサ設計における非対称性に起因する更なる軸対称性の低下は、あまり重要ではないことがある。そこで、Ｖ－Ｉセンサ設計において軸対称性を緩和することが妥当であることがある。例えば、ギャラリーは、外側導体１３０の円周を部分的になぞり、ＲＦパイプ１１０の完全な回路を形成しないことがある。

【0032】

図１Ｂ及び図１Ｃを参照すると、ギャラリー１６０は、ギャラリー１６０の中空領域とＲＦパイプ１１０とを接続するスリット１３２を除いて、センサケーシング１６５の伝導性表面及び外側導体１３０によって完全に囲まれている様子が示されている。電流センサ１４０の電流ピックアップ１４１は、スリット１３２の真上のギャラリー１６０内に配置されている様子が示されている。図１Ｂに示した実施形態では、電流ピックアップ１４１は、矩形の３つの辺として配置された３つの伝導性ブランチ、即ち、２つの垂直ブランチ１４２及び１つの水平ブランチ１４３、を備えている（半ループと呼ばれる）。一実施形態では、２つの垂直ブランチ１４２はそれぞれ、水平ブランチ１４３の開口部にねじ込まれている。

【0033】

図１Ｂの実施形態では、電流ピックアップ１４１の垂直ブランチ及び水平ブランチは、３つの別々の部品を使用して形成される。他の実施形態では、異なる数の部品（より少ない／より多い）が使用されることがある。

【0034】

スリット１３２は、磁束がギャラリー１６０を突き通るように設計されている。内側導体１２０内を流れる電流は、内側導体１２０と外側導体１３０との間の領域内で長手方向軸ＬＡ１を中心に内側導体１２０の周りを循環する磁束をもたらす。スリット１３２が無いと、外側導体１３０の外部の磁束は概ねゼロになる、というのも、外側導体１３０の内表面上を流れる、等しいが反対向きの戻り電流が、アンペールの法則に従って、内側導体１２０内の電流に起因する循環する磁束を相殺するからである。スリット１３２は、円筒形の外側導体１３０の連続性を中断することにより、戻り電流の進路を変えて、センサケーシング１６５の外側伝導体の内表面に沿って流れるようにする。それによって、半ループ電流ピックアップ１４１を含むギャラリー１６０の中空領域は、内側導体１２０内を流れる電流とそれぞれの戻り電流との間の領域の内部に位置するようになる。ここで、アンペールの法則により、電流ピックアップ１４１の矩形の半ループを通るギャラリー１６０内部の磁場が存在する。一例では、スリット１３２は、円筒形の外側導体１３０の円周全体に沿って延びて、電流ピックアップ１４１の半ループを通る磁束を最大化するのを助けることがある。

【0035】

磁束に加えて、グランド接続された外側導体１３０と内側導体１２０との間の電圧差に起因して、内側導体１２０から発生する電束が存在する。望ましくない電束が、外側導体１３０内に形成されたスリット１３２によって提供されるグランドシース内のギャップを介して、ギャラリー１６０に漏れ出ることがある。電流ピックアップ１４１の半ループを通る変化する磁束は、その場所におけるＩ（ｔ）の尺度となる電気信号を誘起する。しかしながら、ギャラリー１６０に入る電束が、電流ピックアップ１４１と結合し、磁束によって生成される信号を汚染することがある。従って、図１Ｃに示すように、スリット１３２は、約１ｍｍ～約５ｍｍの幅（ＬＡ１と平行な寸法）を有するように設計されている。スリット１３２の幅は、ＲＦパイプ１１０の内側からギャラリー１６０に入る電束を低減するのに役立つように、狭く保たれていることがある。

【0036】

図１Ｂ～図５を参照して説明するＶ－Ｉセンサの実施形態で使用されるスリットのデザインは、外側導体の円周に沿ったリングのような形状をしているが、様々な他のデザインも可能であることを理解されたい。例えば、図７Ａ～図７Ｅを参照して説明する電流センサアセンブリでは、ジグザグのスリットデザインが使用されている。

【0037】

電流センサ１４０の伝導性部分は、エアギャップ（又は他の絶縁体）によって、且つ、図１ｂの絶縁部分１６２（及び図２Ａ～図５に示す同様の他の部分）などの、機械的支持に使用される絶縁構成要素によって、外側導体１３０及びセンサケーシング１６５の伝導性表面から絶縁されていることがある。

【0038】

電流ピックアップ１４１は、形態的に、その２つの垂直ブランチ１４２及び水平ブランチ１４３を有する矩形断面を備えた領域の周りに１つのターンを形成する半ループ（２つの開放端を有するループ）である。単一ターンの半ループ電流ピックアップ１４１は、ＲＦパイプ１１０に沿って進むＲＦ電磁波から発生する時間変動磁場の存在下に置かれることがある。ファラデーの法則により、時間変動する電圧差が、時間変動する磁束に比例して、電流ピックアップ１４１の２つの端部の間に誘起されることがある。電流ピックアップ１４１の２つの端部は、図１Ｂのセンサケーシング１６５の上方に示す対称的な端子１４４の対に取り付けられることがある。一実施形態では、端子１４４は、同軸信号線を接続するのに使用される同軸ケーブルコネクタであり得る。

【0039】

以下でより詳細に説明するように、電流ピックアップ１４１に対して対称的なデザインを使用することが有利である。対称性は、例えば、電流センサ１４０の２つの端子１４４間の差分電圧を測定することにより、２つの垂直ブランチ１４２における寄生信号を打ち消すために、測定システム（例えば、図１Ａ及び図１ＢのＶ－Ｉ分析器６０）によって利用される。この測定方法の場合、電流センサ１４０からの差分信号が、その出力信号であり、例えば、差動増幅器を使用して検出されることがある。

【0040】

電流ピックアップ１４１の半ループは、終端インピーダンスと、初期検出システムの入力インピーダンスと、ケーブルのインピーダンスと（ケーブルが、電流センサ１４０の出力信号を測定システムの初期検出システムに伝送するのに使用される場合）の組み合わせにより、Ｖ－Ｉセンサの外部で完成される。初期検出システムが電流センサ１４０そのものに配置される場合、検出器インピーダンスをケーブルインピーダンスに整合させるという要件が撤廃されることがある。測定システムが電流センサ１４０から離れている場合、端子１４４は、例えば、同軸ケーブルを含む同軸信号線を使用して、測定システムの初期検出システムに接続されることがある。同軸ケーブルは、通常、約２０オームから約３００オームの範囲内のインピーダンスを有する。インピーダンス不整合に起因する測定システムからの反射を回避するために、同軸信号線を整合したインピーダンスで終端させることが有利である。電流センサ１４０の２つの端部端子１４４を、対称的な態様で終端された対称的な同軸信号線に接続し、それによって、電流センサ１４０の出力信号の対称性を保つことも有利である。例えば、一実施形態では、５０オームの終端を備えた同一の５０オームの同軸ケーブルの対が使用されることがある。

【0041】

上述のように、電流センサの出力信号として差分信号を使用すると、Ｉを測定する際により高い精度がもたらされる。差分信号を検出するために、端子１４４の対からの信号の対が、例えば、同軸ケーブルの対を使用して、初期検出システムに提供されなければならない。しかしながら、幾らかの精度の損失を伴うが、電流センサを、端子１４４の対の端子のうちの一方における信号を検出する測定システムと併せて使用することもできる。（差分信号を検出する代わりに）端子１４４の対の第１の端子における信号を検出するシステムでは、端子１４４の対の第２の端子は、できる限り厳密に第１の端子でのインピーダンスを反映するインピーダンスに接続されることがある。例えば、第１の端子は、信号を初期検出システムの５０オームの入力ポートに伝送するために、第１の５０オームの同軸ケーブルに接続されることがあり、第２の端子は、検出器の代わりにケーブルの端部に５０オームの終端を有する第２の同一の５０オームの同軸ケーブルに接続されることがある。なお、終端には、他の適切なインピーダンスが使用されてもよいことに留意されたい。インピーダンスは、５０オームである必要はない。更に、第２の同軸ケーブルは省略されることがあり、適切なインピーダンス終端が、端子１４４の対の第２の端子に直接的に取り付けられることがある。

【0042】

電流センサ１４０を接続するのに使用される要素を含め、測定システムの設計では、電子部品の寄生容量に起因する、グランドへのインピーダンスも考慮に入れられる。寄生容量性インピーダンスの周波数依存性のせいで、ＲＦ周波数での構成要素のインピーダンスは、低周波数又はＤＣ（ゼロ周波数）での構成要素のインピーダンスとは大幅に異なることがある。例えば、電気信号の周波数がＲＦ範囲に増加されるにつれて、ＤＣでの抵抗器構成要素のインピーダンスは、抵抗器構造に関連したグランドに対する寄生容量のせいで、低下することがある。抵抗値がより高い抵抗器のインピーダンスは、ＲＦ信号の周波数に対してより敏感である。グランドに対する寄生容量は、幾何学的形状及び抵抗器が置かれる幾何学的な環境に依存するので、抵抗器の抵抗値が高い場合、ユニット毎にインピーダンスの変動を制御するのは困難である。従って、測定精度を維持するために、初期検出システムがセンサ位置に配置されている場合であっても、初期検出システムの設計を、抵抗値が寄生ＲＦリアクタンスの０．１未満である抵抗器を使用するように制限することが有利である。

【0043】

電圧センサ１５０の電圧ピックアップ１５１は、外側導体１３０の内表面に沿って配置されることがある伝導性リングを備える。外側導体１３０及び伝導性電圧ピックアップ１５１は、図１Ｂに示すように、絶縁リング１５２によって互いから絶縁されていることがある。絶縁リング１５２は、テフロン（登録商標）、又は他のプラスチック材料、又は他の適切な誘電体を含むことがある。一実施形態では、伝導リングなどの電圧ピックアップ１５１は、内側導体１２０と外側導体１３０との間で空気（又は他の絶縁体）にさらされることがある。別の実施形態では、電圧ピックアップ１５１は、絶縁ハウジング内に埋め込まれていることがある。全ての実施形態において、電圧ピックアップ１５１（例えば、伝導リング）は、外側導体１３０から電気的に絶縁され、絶縁構造によって機械的に支持されていることがある。

【0044】

一実施形態では、電圧ピックアップ１５１（例えば、伝導リング）の内径は、外側導体１３０の内径と同じであり得る。他の実施形態では、電圧ピックアップ１５１（例えば、伝導リング）の内径は、異なっている（外側導体１３０の内径より小さいか又は大きい）ことがある。電圧ピックアップ１５１を挿入することにより引き起こされるＲＦパイプ１１０内の電場及び磁場に対する擾乱は、電圧ピックアップ１５１（例えば、伝導リング）の内径と外側導体１３０の内径が等しい場合に、相対的に最小になる。以下で更に詳細に説明するように、電圧ピックアップ１５１からの出力信号は、電圧ピックアップ１５１（例えば、伝導リング）の内径が小さくなるにつれて、増加する。電圧ピックアップ１５１への接点は、外側導体１３０の外側に延び、センサケーシング１６５の上方に取り付けられた第３の端子１５３（例えば、第３の同軸ケーブルコネクタ）で終端する。電流ピックアップ１４１、電圧ピックアップ１５１、並びにそれぞれの端子１４４及び１５３への接点は、電気伝導率が高い金属（例えば、銅）を含むことがあり、外側導体１３０及び伝導性センサケーシング１６５などの他の伝導性要素から全て絶縁されていることがある。

【0045】

初期検出システムを電圧センサ１５０の端子１５３に接続する同軸信号線及び終端インピーダンスについての設計上の考慮事項は、上記で考察したような、初期検出システムを電流センサ１４０の端子１４４に接続する同軸信号線及び終端インピーダンスについての設計上の考慮事項と、同様であり得る。電流センサ１４０を参照した上記の考察は、差分出力信号の対称性を保持するための考慮事項を含む。しかしながら、考察のその部分は、電圧センサには当てはまらない、というのも、Ｖ－Ｉセンサ１００の実施形態では、電圧センサ１５０は、１つのリング状の電圧ピックアップ１５１及び１つの端子１５３のみを有し、一方、電流センサ１４０は端子１４４の対を有するからである。対称性の考慮事項は、２つの電圧ピックアップリングが対称的に配置され、２つの信号の算術平均が使用されることがある別の実施形態において、例えば、図３を参照して説明するＶ－Ｉセンサ３００において、適用可能であり得る。

【0046】

図１Ｂ及び図１Ｃに示すように、ＲＦパイプ１１０の長手方向軸ＬＡ１は、電流ピックアップ１４１の平面Ｐ１内にある。長手方向軸ＬＡ１は、ＲＦパイプ１１０内の電流の方向とも平行である。更に、図１Ｃでより容易に観察されるように、ＲＦパイプ１１０の長手方向軸ＬＡ１に垂直な方向に沿って、電流ピックアップ１４１は、ＲＦパイプ１１０の長手方向軸ＬＡ１を含む第１の鏡面対称平面Ｍ１と、第１の鏡面対称平面Ｍ１に垂直な第２の鏡面対称平面Ｍ２と、を含む。電流ピックアップ１４１の第１の鏡面対称平面Ｍ１とＲＦパイプ１１０の長手方向軸ＬＡ１は、１つ又は複数の実施形態において、同一平面上にある。

【0047】

磁場線は、長手方向軸ＬＡ１の周りにほぼ同心円状であり、半ループの平面Ｐ１を垂直に通過する。この構成では、磁場は、（望む通りに）電流ピックアップ１４１に誘導的に結合される。電場への望ましくない結合は、電流ピックアップ１４１を外側導体１３０の外側に配置することにより、大幅に弱められる。誘導的に結合された振動磁場により、電流ピックアップ１４１（３辺の半ループ）内に起電力（ｅｍｆ）が誘起される。誘起されたｅｍｆは、ファラデーの法則に従って、変化する磁束に関係している。導電している導体の周りの磁場の強度は、それぞれの電流を反映しているので、電流センサ１４０は、それぞれの場所におけるＲＦパイプ１１０内のＲＦ電流を反映する時間変動電気信号を生成することがある。電流センサ１４０の一態様は、端子１４４の両方における電気信号が検出システムによって受け取られることがあり、２つの端子１４４間の差分電圧が、電流センサ１４０の出力信号として使用されることがある、ということである。差分出力技術によってもたらされる利点については、図２Ｂを参照して以下でより詳細に説明する。

【0048】

電位及び電場の大きさの等高線は、概ね円形であり、その中心がＲＦパイプ１１０の長手方向軸ＬＡ１上にある。円形の等高線は、長手方向軸ＬＡ１に垂直な一団の平面内に含まれている。従って、電場線は、長手方向軸ＬＡ１に垂直に、内側導体１２０から放射状方向に向いている。リング状の電圧ピックアップ１５１は、概ね、円形の等高線のうちの１つ上に配置される。この構成では、内側導体１２０の外側の空間内の振動電場は、電圧ピックアップ１５１と容量結合され、伝導性リングは、電磁気の物理法則に従って、それぞれの場所における内側導体の電位にほぼ比例する振動電位を獲得する。この振動電位は、電圧センサ１５０の出力信号として使用されることがある。内側導体１２０と外側導体１３０との間の放射状方向の電場の大きさは、ガウスの法則に従って、長手方向軸ＬＡ１からの放射状方向の距離が増加するにつれて、小さくなる。従って、電圧センサ１５０の出力信号は、電圧ピックアップ１５１を内側導体１２０のより近くに配置することにより、例えば、電圧ピックアップリングの内径を低減することにより、増加することがある。

【0049】

電圧ピックアップ１５１は電場に容量結合されるが、磁場との結合は殆どない、というのも、リング状の電圧ピックアップ１５１の平面に垂直な磁束は、この幾何形状では無視できるからである。伝導性チューブ（この例では内側導体１２０）の周りの電場の強度は、導体の電位を反映しているので、電圧センサ１５０は、それぞれの場所におけるＲＦパイプ１１０上のＲＦ電圧を反映する時間変動電気信号を生成することがある。

【0050】

生の出力信号（例えば、電流センサ１４０からの１対の信号、及び電圧センサ１５０からの別の信号）は、矢印によって示されるように、Ｖ－Ｉ分析器６０に伝送されることがある（図１Ａも参照）。

【0051】

図２Ａは、Ｖ－Ｉセンサ２００及びＲＦパイプの外側導体２３０（外側チューブ）の斜視図を示す。図２Ｂは、軸２Ｂ－２Ｂ’に沿った、同じＶ－Ｉセンサ２００の切取内部図を示す。図２Ａ及び図２ＢのＶ－Ｉセンサ２００は、図１ＢのＶ－Ｉセンサ１００と同様である。電流センサ２４０及び電圧センサ２５０は、Ｖ－Ｉセンサ２００の環状ギャラリー２６０の内部に配置される。図２Ａ及び図２Ｂでは、外側導体２３０内部の電圧センサ２５０の電圧ピックアップリング２５１をより分かりやすく示すために、ＲＦパイプの内側導体が取り除かれている。斜視図（図２Ａ）は、Ｖ－Ｉセンサ２００の３つの端子（この例では同軸ケーブルコネクタ）を示している。図２Ｂに見られるように、ギャラリー２６０の上部の上方に延びる端子２４４の対は、電流センサ２４０の電流ピックアップ２４１に接続している。第３の端子２５３は、電圧センサ２５０の電圧ピックアップ２５１に接続している。

【0052】

図２Ｂを参照すると、電流センサ２４０の電流ピックアップ２４１は、３つの導体を含む半ループである。電流ピックアップ２４１の２つの伝導性の垂直ブランチ２４２は、金属のセンサケーシング２６５からプラスチック（又は他の絶縁材料）によって絶縁されている。垂直ブランチ２４２は、外側導体２３０の上方でギャラリー２６０の内部に水平に配置される第３の導体である、水平ブランチ２４３の２つの端部に接続している。外側導体２３０の円周に沿ったスリット２３２により、磁場が、半ループの平面を通過し、電流ピックアップ２４１の伝導性ブランチ内に起電力を誘起することができる。電流ピックアップ２４１の水平ブランチ２４３は、導体の側面に沿った、水平の非伝導性の（例えば、プラスチックの）部分２６２に取り付けられることがある。図２Ａ及び図２Ｂに示すＶ－Ｉセンサ２００の例示的な実施形態では、水平ブランチ２４３は、側面上のプラスチック部分２６２によって、且つ、水平ブランチ２４３の底部と外側導体２３０の上部との間のギャップ内の空気によって、グランド接続された金属のセンサケーシング２６５及び外側導体２３０から絶縁されている。以下で更に詳細に説明する別の実施形態では、水平ブランチ２４３に対する機械的支持は、水平導体の下の空隙内に配置された追加のプラスチック部品によって強化されることがある。

【0053】

電流ピックアップ（例えば、図２Ｂの電流ピックアップ２４１）は、ＲＦ電磁場との相互作用により、電気信号を提供する。上記で説明したように、ＲＦ電流を反映するのは、（電場ではなく）磁場である。スリット２３２により、磁場がＲＦパイプから、電流ピックアップ２４１が位置するギャラリー２６０の中へと透過することができる。電流ピックアップ２４１と電場との結合により、磁場の測定精度が低下する。電流センサ２４０は、本明細書で説明するように、電場との望ましくない相互作用から生じることがある測定誤差を抑制することがある。第一に、Ｖ－Ｉセンサ２００内の電流センサ２４０は、グランド接続された外側導体２３０の外部に配置され、それによって、外側導体２３０を使用して電場を遮蔽する。図１Ｂ及び図１Ｃを参照して上述したように、ＲＦ電場は、（ＲＦパイプの同軸ＬＡ１に垂直な放射状方向にあり、従って、ギャラリーに漏れ出す電束は、ＬＡ１に平行な寸法として上記で定義されるスリット幅に、ほぼ正比例する。スリット２３２の幅は、比較的に小さくなるように選択して、外側導体２３０内のスリット２３２によって生じるギャップに起因してギャラリー２６０に入る電束の量を低減することがある。第二に、外側導体２３０に関わらず空洞内に透過することがある電場の一部の影響を更に低減するために、差分信号が、出力信号として使用されることがある。理想的には、電流センサの２つの端子２４４間の差分電圧は、電磁気学の理論に従って、振動磁場にほぼ比例する。しかしながら、スリット２３２が存在することにより、ギャラリー２６０内部の弱い電場が、電流ピックアップ２４１に容量結合されることがある。しかしながら、電流ピックアップ２４１、スリット２３２、及びギャラリー２６０は、スリット２３２の中心を通過する平面であって、ＲＦパイプの長手方向軸に垂直に向けられる平面に関して鏡面対称になるように構成されることがある。上述した半ループの電流ピックアップ２４１の、この幾何学的な鏡面対称性により、垂直ブランチ２４２に沿った、２つの端子２４４に現れる電位に対する擾乱は、大きさ及び位相がほぼ等しくなる。この対称特性は、有利に使用することができる、というのも、これは、差分信号は、ギャラリー２６０内の透過電場との相互作用に起因する電流ピックアップ２４１内の寄生信号に影響されないことを意味するからである。言い換えると、端子対２４４の第１の端子と第２の端子との間の電位差は、擾乱されず、一次まで正しいままである。電流センサ２４０の設計のこれらの態様を有利に利用して、特に、ＲＦバイアス信号をプラズマチャンバ内の静電基板ホルダーに提供するなどの用途において、高い精度での電流測定を達成することができ、ここで、負荷インピーダンスは、電場の振幅は比較的に高く、磁場の振幅は、ＲＦ信号がプラズマチャンバに入る地点の近くで比較的に低くなるようなものであり得る。

【0054】

依然として図２Ｂを参照すると、外側導体２３０内部にその内表面の近くに配置されたリング状の導体は、電圧センサ２５０の電圧ピックアップ２５１である。電圧ピックアップ２５１によって生成される信号の強度は、その寸法に依存することがある。直径は、外側導体２３０の直径によって概ね決まることがある一方で、幅及び厚さは、調節可能な設計パラメータである。この実施形態における伝導性電圧ピックアップ２５１は、Ｖ－Ｉセンサ２００の第３の端子２５３（例えば、同軸ケーブルコネクタ）に、一箇所で電気的に接続されたリングである。伝導性電圧ピックアップ２５１は、電圧ピックアップ２５１に取り付けられたリング状の誘電体構成要素２５２によって、伝導性の外側導体２３０から絶縁されている。

【0055】

上記で説明したように、電圧ピックアップ２５１は、ＲＦ電磁場によって誘起された誘電分極によって生じる電気信号を、Ｖ－Ｉセンサ２００の第３の端子２５３で提供する。第３の端子２５３における電位は、内側導体（明確にするために、図２Ｂには図示していない）の振動電圧を反映している。ＲＦ電場は、電圧ピックアップ２５１に容量結合される。しかしながら、磁場との相互作用は無視できる、というのも、長手方向軸は、図１Ｂを参照して上記で説明したように、リングの平面に垂直であるからである。

【0056】

電圧ピックアップ２５１のリング状の設計は、本明細書で説明するように、軸対称性を利用して、配置誤差及び寸法決め誤差の一部に対する電圧センサ２５０の出力の感度を下げている。第一に、円形の対称性により、電圧ピックアップ２５１を精密に配置する必要性が取り除かれることがある、というのも、一次的に、リングの導電性表面での電位は、中心軸（図２Ａでの軸２Ｂ－２Ｂ’及び図１ＢでのＬＡ１）からのリングの中心の位置のオフセットとは無関係であるからである。むしろ、電圧ピックアップ２５１の電位は、主にリングの寸法（例えば、内径、外径、及び厚さ）に依存する。対照的に、非対称的な電圧ピックアップ設計では、電圧ピックアップ導体は、一次的に、非対称的な電圧ピックアップの配置及びサイズに依存する電位を獲得することになる。例えば、キノコ状の電圧ピックアップは、キノコの頭部の伝導性表面の寸法だけでなく、内側導体に対する伝導性表面の位置にも敏感であることがある。そのような設計では、電圧ピックアップとＲＦパイプの長手方向軸との距離は、組み立て中に精密に調整されなくてはならないことがあり、場合によってはマイクロメータねじゲージを使用して手動で調整されなくてはならないことがある。第二に、電圧ピックアップ２５１の設計により、電圧センサ２５０をＶ－Ｉセンサ２００に組み付ける際のセンタリング誤差が概ね打ち消されることがある。電圧ピックアップ２５１の軸対称性により、電圧ピックアップ２５１の円の中心が、内側導体の長手方向軸からわずかにずれている場合であっても、一次的には、全体的な電束は変わらないことが確実になる。内側導体のより近くにずれていることがあるリングの一方の半分内での電束の増加は、リングの円形の幾何形状により、このとき長手方向軸からより遠くにある伝導性リングの他方の半分内の電束の同時に起こる減少により、バランスされる。

【0057】

図３は、センサケーシング３６５内部のギャラリー３６０内に配置された電流センサ３４０を有するＶ－Ｉセンサ３００の別の実施形態の切取内部図を示す。水平ブランチ３４３は、絶縁部分３６２によって支持され、電流センサ３４０の２つの垂直ブランチ３４２に接続されて示されている。鏡面対称面Ｍ２内で一回りするスリット３３２が、水平ブランチ３４３の上方に見られる。

【0058】

第１の電圧センサ３５０は、図２Ａ及び図２Ｂを参照して説明したＶ－Ｉセンサ２００と同様に、外側導体３３０の内部に示されている。更に、Ｖ－Ｉセンサ３００は、電流センサ３４０の反対側に対称的に配置された第２の電圧センサ３５５を有する。この実施形態では、第１及び第２の電圧センサ３５０及び３５５の電圧ピックアップ及びハウジングは、外側導体３３０の内表面をできる限り滑らかに保つために、外側導体３３０のボディ内に引っ込んでいる。外側導体３３０の滑らかな内表面は、電圧センサ３５０及び３５５を挿入することにより引き起こされる電磁場への擾乱を低減するという利点をもたらす。この実施形態では、Ｖ－Ｉセンサ３００は、ＲＦパイプ内の電磁場への無視できる程度の擾乱を引き起こす。

【0059】

第１の電圧センサ３５０及び電流センサ３４０からの測定値は、それらの間の測定位置の差による相対的な位相誤差を有する。この実施形態では、反対側に配置された第２の電圧センサ３５５は、電流センサ３４０に対するこの対称的な配置により、反対の位相誤差を有する（即ち、電流センサ３４０の鏡面対称平面Ｍ２は、第１の電圧センサ３５０及び第２の電圧センサ３５５から等距離にある）。対称性から、第１の電圧センサ３５０によって感知されたＲＦ信号波形における電圧と電流との間の相対的な位相の誤差、及び第２の電圧センサ３５５によって感知されたＲＦ信号波形におけるそれぞれの誤差は、少なくとも一次まで、これら２つの感知された電圧信号の合計において打ち消し合う。従って、第１及び第２の電圧センサ３５０及び３５５からの信号を組み合わせることにより、より正確な電圧測定値がもたらされることがある。例えば、第１の電圧センサ３５０及び第２の電圧センサ３５５からの測定値の算術平均を使用することにより、位相誤差が低減又は更には除去されて、鏡面対称平面における電圧を反映する電圧測定値がもたらされることがある。

【0060】

更に、第２の電圧センサ３５５の存在は、２つの垂直ブランチ３４２、並びに電流ピックアップ３４１の水平ブランチ３４３の左半分及び右半分が、同じ電場及び磁場を受けることを確実にするのに役立つ。上記で説明したように、電流ピックアップとギャラリー３６０内の空洞に透過する電場との望ましくない結合により、寄生電気信号が生成されることがある。幾何学的対称性を改善することにより、第２の電圧センサ３５５は、電流センサ３４０の第１及び第２の端子３４４に見られる電位の擾乱が、図２Ａ及び図２Ｂを参照して上述したように、差分電流測定値を使用することにより、より正確に打ち消されることを確実にするのに役立つ。実施形態によっては、第２の電圧センサ３５５の出力を使用することは、任意選択的であることがある。

【0061】

図４は、内側導体４２０及び外側導体４３０を含むＲＦパイプ４１０に取り付けられたＶ－Ｉセンサ４００の更に別の実施形態を示す。

【0062】

Ｖ－Ｉセンサ４００は、図２Ａ及び図２Ｂを参照して説明したＶ－Ｉセンサ２００と同様に、ギャラリー４６０内に配置された電流センサ４４０及び電圧センサ４５０を備える。Ｖ－Ｉセンサ４００の設計は、電流センサ４４０の電流ピックアップ４４１の水平導体４４３に対して追加の機械的支持を設けることにより、Ｖ－Ｉセンサ２００（図２Ａ及び図２Ｂを参照）の設計に比べて、改良されている。

【0063】

図４に示したＶ－Ｉセンサ４００の設計では、支持構成要素（例えば、プラスチック部分４６２及び４７０）は、図２Ｂに示したＶ－Ｉセンサ２００内のそれぞれの部分（例えば、プラスチック部分２６２）よりも、より強固に水平ブランチ４４３を固定することができる。例えば、一実施形態では、Ｖ－Ｉセンサ２００内の水平ブランチ２４３の２つの端部にあるプラスチック部分２６２は、水平ブランチ２４３をその中に配置することができる穴の組を有するリングであるが、一方Ｖ－Ｉセンサ４００の設計では、部分４６２及び４７０などのプラスチック部分は、水平ブランチ４４３のより多くの部分を取り囲み、金属のセンサケーシング４６５内の対応する空洞及び外側導体４３０の金属の外表面に緊密にフィットする突起部を有することがある。

【0064】

図４に示すように、絶縁支持体４６２に加えて配置される、支持構造４７０（例えば、プラスチック又は他の非伝導性の材料でできている）は、全側面から、電流ピックアップ４４１の伝導性水平ブランチ４４３を保持する。支持構造４７０は、水平ブランチの第１の部分を支持するための第１の部分と、水平ブランチの第２の部分を支持するための第２の部分と、を含み、ギャップによって分離されている。対照的に、図２Ｂに示したように、（支持体４６２と同様の）プラスチック部分２６２は、下からは水平ブランチを支持しない。図２Ｂでは、電流センサ２４０の電流ピックアップ２４１の水平ブランチ２４３と外側導体２３０との間には、空の空間がある。追加の支持体は、電流ピックアップ４４１の垂直ブランチ４４２が水平ブランチ４４３と接触して配置されたときに、水平導体４４３が曲がるのを防ぐ。更に、支持構造４７０は、垂直ブランチ４４２の水平ブランチ４４３への過度の締め付けを防止することがある。電流ピックアップ４４１に結合される磁束の変動は、電流ピックアップ４４１の半ループ幾何形状の形状及び面積の変動によって影響を受ける。従って、電流ピックアップ４４１の形状を安定化させると、電流センサ４４０の電気出力の変動が低減され、電流の測定値の精度が改善される。

【0065】

図５は、内側導体５２０及び外側導体５３０を備えたＲＦパイプ５１０に取り付けられたＶ－Ｉセンサ５００を示す。電流センサ５４０は、センサケーシング５６５の上に配置された端子５４４の対と、ギャラリー５６０の内部に配置された単一ターンの半ループ電流ピックアップ５４１と、を有して示されている。電流ピックアップ５４１は、水平ブランチ５４３に取り付けられた２つの垂直ブランチ５４２を備える。図４のＶ－Ｉセンサ４００と同様に、プラスチック部分５７０が、電流センサ５４０の組み立ての際の、電流ピックアップ５４１の垂直ブランチ５４２の過度の締め付け及び水平ブランチ５４３の湾曲を防止するために使用されている。

【0066】

Ｖ－Ｉセンサ５００は、機械加工の複雑さを低減するという改良点を含み、それによってＶ－Ｉセンサ４００（図４に示す）に比べて製造コストを低減する。Ｖ－Ｉセンサ５００の設計は、図５に示すように、電圧センサ５５０の伝導性電圧ピックアップリングを支持するために、ＲＦパイプ５１０の内側導体５２０を中心に置く絶縁体片５５５も使用される、電圧センサ５５０を使用することにより、Ｖ－Ｉセンサ４００の設計に対して改良されている。複数の目的に対して同じプラスチック部分５５５を使用することにより、例えば、Ｖ－Ｉセンサ４００で使用されたプラスチック部分の一部を取り除くことができる。これにより、Ｖ－Ｉセンサ５００の機械加工の複雑さ及び製造コストが低減される。

【0067】

図５の電圧センサ５５０の伝導性電圧ピックアップリングは、電圧ピックアップリングの直径を外側導体５３０の直径よりも小さくなるように設計することにより、内側導体５２０のより近くに配置されている。図１Ｂ及び図１Ｃを参照して上記で説明したように、電圧ピックアップリングの直径が小さいほど、電圧センサ５５０の出力信号強度が増加する。

【0068】

図１～図５を参照して上記で説明したＶ－Ｉセンサでは、単一ターンの半ループ電流ピックアップが使用されているが、電流センサの電流ピックアップの設計では、複数ターンが利用されてもよいことを理解されたい。例えば、図１～図５に図示したＶ－Ｉセンサにおける電流ピックアップは、電流センサの２つの端子に接続された電流ピックアップの２つの端部間に、複数の矩形のターンを含んでもよい。上記で言及したように、多ターン電流ピックアップは、マンドレル、例えば、トロイド形のマンドレルの周りに導線を巻き付けることにより、構成されることもある。導線は、トロイドの中央の穴を垂直に通過するＲＦパイプの内側導体の周りを対称的に取り巻くドーナツ状の絶縁材料の円形の軸の周りに、コイル状に巻かれることがある。トロイド形マンドレルを使用した多ターン電流ピックアップについては、図６Ａ～図７Ｅを参照して以下で説明する。

【0069】

マンドレルは、トロイドの数学的な定義に正確に従っていなくてもよいが、コイルを取り付け、端子に接続する、などのための構造を備えた、概ねトロイドのような形状をしていることを、理解されたい。

【0070】

図６Ａは、Ｖ－Ｉセンサ６００の斜視図を示し、図６Ｂは切取内部図を示し、図６ＣはＶ－Ｉセンサ６００の軸Ａ－Ａ’に沿った断面図を示す。

【0071】

図６Ａは、Ｖ－Ｉセンサ６００の伝導性センサケーシング６６５を示す。図６Ａでは見えないが、電流ピックアップ及び電圧ピックアップが、伝導性センサケーシング６６５によって囲まれる空間の中に収容されている。図６Ａ～図６Ｃでは、内側導体が、中央の穴６２１を通過する。内側導体自体は、分かりやすくするために、図６Ａ～図６ＣにおけるＶ－Ｉセンサ６００の様々な図で省略されている。ＲＦパイプの外側導体は、伝導性センサケーシング６６５の上部及び底部で、フランジに接続する。図６Ａでは、２つのネック領域６３１が、センサケーシング６６５の上部及び底部にあるフランジに隣接して示されている。ネック領域６３１の形状及び寸法は、ＲＦパイプの外側導体の形状及び寸法と同様になるように設計されていることがある。従って、センサケーシング６６５は、ネック領域６３１から、より大きな直径の伝導性の壁を有する上部カバー６６３及び底部カバー６６６を含む、より広い中央部分へと広がる外側導体の延長部として、解釈されることがある。センサケーシング６６５及び外側導体は、同軸構造の外側シールドを形成し、グランドに接続されることがある。図６Ｂ及び図６Ｃを参照して以下で説明するように、センサケーシング６６５のより広い中央部分は、中央の穴６２１を通過する内側導体の周りに環状の誘電体空洞６６１を収容する。

【0072】

図６Ａの斜視図は、センサケーシング６６５の外側に組み立てられた３つの同軸ケーブルコネクタも示している。これらの３つの同軸ケーブルコネクタは、Ｖ－Ｉセンサ６００の３つの端子である。同軸コネクタ６４５の外側の対は、電流ピックアップに接続された電流センサ６４１の端子に接続し、中央の同軸コネクタは、電圧センサの電圧ピックアップ６５１に接続された中央端子６５４に接続する。電流ピックアップ及び電圧ピックアップは、上部カバー６６３と底部カバー６６６との間に配置される。

【0073】

図６Ｂの切取内部図、及び（図６Ａに示す）切断面Ａ－Ａ’に沿った図６Ｃの断面図は、Ｖ－Ｉセンサ６００の内部構造を示す。ＲＦパイプの内側導体は、分かりやすくするために省略されている。図６Ｂ及び図６Ｃではネック領域６３１の内部に示されている、中央の穴６２１の内表面６３８は、ＲＦパイプと解釈することもできる主同軸構造の内部の側壁を形成する。ネック領域６３１は、Ｖ－Ｉセンサアセンブリ６００の中央の穴６２１の周りの部分において誘電体空洞６６１を取り囲むセンサケーシング６６５の、より広い直径の上部カバー６６３及び底部カバー６６６へと膨らむ。内側壁６３８は、スリット６７１によって中断されるまで、上部カバー６６３及び底部カバー６６６の表面６２７として続く。図６Ｃに示すように、誘電体空洞６６１は、中央の穴６２１の中心から放射状方向に沿って、第１の主外表面６２７と第２の主外表面６２８との間にある。第１の主外表面６２７は、中央の穴６２１と物理的に接触している連続的な円形のリング状の領域を含む。垂直方向に、このリング状の第１の主外表面６２７は、スリット領域６７１によって２つの部分に分離される。第２の主外表面６２８は、第１の主外表面６２７の半径よりも大きな半径距離に位置する。

【0074】

空洞６６１は、スリット領域６７１を含む。図６Ｂ及び図６Ｃに示すように、スリット領域６７１は、物理的な切れ目であって、センサケーシング６６５の上部カバー６６３と底部カバー６６６との間の接合部にギャップを形成する、中央の穴６２１の円筒形の壁の内表面６２７における物理的な切れ目を含む。表面６２７は、中央の穴６２１の円筒形の壁の表面６３８の延長である。中央の穴６２１の中心から放射状方向に見た場合、スリット領域６７１は、中央の穴６２１と物理的に接触している絶縁リングの様相をしている。更に放射状方向外側に、スリット領域６７１は、図６Ｂ及び図６Ｃでジグザグの破線によって示すように、リング状の伝導性電圧ピックアップ６５１を迂回するジグザグ形状をしている。中央の穴６２１との物理的接点とトロイド形の電流センサ６４１の内側半径との間に放射状方向に配置された、空洞６６１の連続的な絶縁環状領域は、Ｖ－Ｉセンサ６００のスリット領域６７１と呼ばれる。図６Ｂ及び図６Ｃに示すように、スリット領域６７１は、伝導性電圧ピックアップ６５１と電流センサ６４１、並びにセンサケーシング６６５との間に介在する誘電体バリアを形成する。第１の主外表面６２７と第２の主外表面６２８との間の放射状方向の領域において、空洞６６１（絶縁スリット領域６７１を含む）は、上部カバー６６３と底部カバー６６６とを電気的に絶縁する。第１の主外表面６２７より小さな放射状方向距離については、上部カバー６６３は、中央の穴６２１によって、底部カバー６６６から電気的に絶縁されている。上部カバー６６３は、誘電体空洞６６１の第２の主外表面６２８を放射状方向に越えた結合領域６２９を介して、底部カバー６６６と電気的に結合されている。

【0075】

この設計では、グランド接続されたセンサケーシング６６５内を流れるＲＦ電流は、トロイド形の電流センサ６４１によって囲まれた領域内には殆ど流れないことがある。電流は、内側壁６３８に沿ってネック領域６３１内を垂直に流れ、その後、誘電体スリット６７１によって形成された内表面６３８内の物理的な切れ目により、電流センサ６４１の周りを通る。スリット６７１のために、電流は、トロイド形の電流センサ６４１の周りを放射状方向外側にそらされ、環状誘電体空洞６６１の伝導性の壁に沿って横方向に流れ、放射状方向に戻り、次いで、ネック領域６３１の内側壁６３８に沿って垂直に続く。

【0076】

図６Ｂ及び図６Ｃを参照すると、電流センサ６４１は、空洞の外側部分、即ち、中央の穴６２１からより遠くの領域内にある、環状誘電体空洞６６１の内部のトロイド形の構造である。電流センサ６４１は、伝導性コイル６４７及びトロイド形のマンドレル６４２を含む。コイル６４７は、トロイド形のマンドレル６４２の中心の円形軸の周りに巻かれた連続的な導線の複数のターンを含む。コイル６４７の２つの反対端は、図６Ｂに示すように、同軸コネクタ６４５に取り付けられることがある。コイル６４７の導線は、裸導体、エナメル加工された導体、又は絶縁体でコーティングされた導体であり得る。トロイド形のマンドレル６４２については、図６Ｄを参照して以下でより詳細に説明する。電流センサ６４１は、伝導性センサケーシング６６５から電気的に絶縁されている。

【0077】

図６Ｂ及び図６Ｃに示すように、電圧センサの伝導性の電圧ピックアップ６５１は、伝導性リングのような形状をしている。電圧ピックアップ６５１は、トロイド形の電流センサ６４１と中央の穴６２１との間の環状誘電体空洞６６１の領域内に配置されて示されている。電圧ピックアップ６５１の機械的支持を提供するために使用される部分には、固体誘電体材料（例えば、プラスチック）が使用されることがある。空洞６６１のスリット領域６７１及び誘電体支持部分は、伝導性センサケーシング６６５から伝導性電圧ピックアップ６５１を電気的に絶縁する。電圧ピックアップ６５１と中央端子６５４との間の接続が、図６Ｂに示されている。（同軸コネクタ６４５及び中央端子６５４は、切断面Ａ－Ａ’には含まれていない。従って、図６Ｃに示す断面図では見えない）。

【0078】

電圧ピックアップ６５１の機能は、ＲＦパイプの内側導体と外側導体との間の放射状方向の電場を感知することにより、中央の穴の中心における内側導体のＲＦ電圧を感知することである。一般的に、ＲＦパイプの外側導体及び伝導性センサケーシング６６５は、グランド接続されている。従って、電圧ピックアップ６５１は、例えば、内側導体と電圧ピックアップ６５１との間の環状誘電体領域に配置されたグランド接続された金属リングにより、電圧ピックアップ６５１の伝導性リングがＲＦパイプの内側導体から遮蔽された場合、適切に機能できなくなることがある。遮蔽が過度になると、電圧センサの出力は、弱くなりすぎて役に立たなくなる。図６Ｂ及び図６Ｃに示すように、電圧ピックアップ６５１は、空洞６６１のスリット領域６７１の上方及び下方の環状誘電体空洞６６１の中へと垂直に部分的に延びる。空洞は、上方の金属上部カバー６６３の溝及び下方の金属底部カバー６６６内のそれぞれの溝によって、形成される。これらの溝のグランド接続された伝導性内側壁が、電圧ピックアップ６５１の伝導性リングと内側導体の中央の穴６２１の中心軸との間に介在するが、グランド接続された金属は、電圧ピックアップ６５１を完全には遮蔽しない。図６Ｂ及び図６Ｃに示す、上部カバー６６３を底部カバー６６６から分離する誘電体スリット６７１が存在する。スリット６７１は、鏡面Ｍ（図６Ｃでは破線によって示される）内の円筒形のディスクのような形状をした誘電体領域として見える、というのも、中央の穴６２１には、内側導体が存在しないからである。内側導体が所定の位置にある場合、誘電体スリット６７１は、内側導体の周りの環状ディスクのような形状になる。誘電体スリット６７１内の遮蔽されていない放射状方向の電場は、内側導体とリング状の電圧ピックアップ６５１の中心部分との間の容量結合により感知される。このとき、電圧ピックアップ６５１は、その場所における内側導体のＲＦ電圧に比例した使用可能な電気信号を提供することができる。

【0079】

電流ピックアップコイル６４７の機能は、トロイド形のマンドレル６４２の円形の中心軸に平行な方向にコイル内を通過する循環磁場を感知することにより、中央の穴の中心における内側導体内のＲＦ電流を感知することである。ファラデーの法則により、コイル６４７の導線のターンの内部に取り囲まれたトロイド形のマンドレル６４２内の振動磁束に比例する振動電気信号が、コイル内に誘起される。アンペールの法則によれば、電流センサ６４１を通過する磁場の強度は、トロイド形の電流センサの中央の穴（ドーナツのドーナツ穴に似た）内の中央の穴の内部に取り囲まれた平面の領域を横切る全電流に比例する。任意の同軸構造に当てはまることだが、ＲＦパイプの任意の場所で内側導体を流れる電流は、外側導体内の反対の電流と正確に等しくなる。Ｖ－Ｉセンサ６００のセンサケーシング６６５は、ＲＦパイプの同等の外側導体であるとみなされることがあり、内側導体は、中央の穴６２１を通過している。従って、電流センサ６４１は、センサケーシング６６５内のＲＦ電流が、トロイド形のマンドレル６４２の外側周縁によって囲まれた円形のディスク状領域の外側を流れるように制限されない限り、適切に機能しないことがある。例えば、上部カバー６６３と底部カバー６６６が、トロイド形のマンドレル６４２の内側半径よりも短い、中心軸からの放射状方向の距離において電気的に接触する場合、伝導性ケーシング内の電流の一部が、この接点を通って流れることがある。内側導体内の電流とは反対向きのこの電流は、電流センサ６４１によって封じ込まれる全電流の大きさを減少させ、従って、コイル６４７を通過する磁束を減少させる。トロイド形の電流センサ６４１によって囲まれた領域内部の接点を流れる全電流が小さすぎる場合、磁場が、電流ピックアップコイル６４７内に使用可能な電気信号を誘起するのには不十分になることがある。図６Ｂ及び図６Ｃに示すように、やはり、誘電体スリット領域６７１が、トロイド形の電流センサ６４１の内側半径よりも小さい放射状方向の距離における上部カバー６６３と底部カバー６６６との電気的接触を防止する。

【0080】

電圧ピックアップ６５１を空洞６６１の垂直方向の高さよりも小さくなるように設計することにより、トロイド形の電流センサ６４１の外側の円まですっかり上部カバー６６３と底部カバー６６６とを分離する、途切れのない連続的な誘電体領域が実現される。電圧ピックアップ６５１の伝導性リングは、絶縁材料を含む支持部分によって、上部カバー６６３と底部カバー６６６との間に概ね対称的に配置されることがある。従って、全ての方向において、伝導性電圧ピックアップ６５１のごく近傍は、絶縁材料である。上記で説明したように、この絶縁材料は、空洞６６１のスリット領域６７１の内部にある。電圧ピックアップ６５１の伝導性リング上方の誘電体の形状は、図６Ｂのジグザグの破線によって描写されている。なお、図６Ｃでは破線によって示すように、ジグザグの誘電体スリット領域６７１は、電圧ピックアップ６５１の上方と下方の両方に存在する、というのも、電圧ピックアップ６５１の伝導性リングは、グランド接続されたセンサケーシング６６５から電気的に絶縁されなければならないからである。

【0081】

電流センサの電流ピックアップは、一般的に、グランド接続された伝導性部分によって、ＲＦ電場から遮蔽される。電流ピックアップを遮蔽することは、例えば高インピーダンス負荷の近傍などの、電場が強く磁場が弱い用途では、有利である。Ｖ－Ｉセンサ６００では、電流ピックアップコイル６４７は、センサケーシング６６５内部の誘電体空洞６６１内に配置される。図６Ｂ及び図６Ｃに見られるように、また上記で説明したように、トロイド形の電流センサ６４１から内側導体まで放射状方向内側に移動する間に遭遇する伝導性部分は、第一に、伝導性電圧ピックアップ６５１と、第二に、伝導性センサケーシング６６５の内側壁の一部分とを含む。これらの介在する伝導性部分は、放射状方向の電場から電流センサ６４１を遮蔽するのに役立つことがある。内側導体から発生する電場線のうちの幾つかは、伝導性センサケーシング６６５のグランド接続された内側壁上で終端することがある。更に、伝導性電圧ピックアップ６５１は、コイル６４７をＲＦ電場から部分的に遮蔽することにより、二重の目的に貢献する。電圧ピックアップ６５１は、グランドに短絡されていないので、伝導性リングによって提供される電場の低下は、中央端子６５４におけるグランドに対するインピーダンスの大きさに依存する。

【0082】

Ｖ－Ｉセンサ６００の電流センサ６４１と電圧ピックアップ６５１の両方の構造は、中央の穴６２１の中心を通り、中央の穴６２１の平面に垂直な方向を通る共有軸に対して軸対称である。更に、電流センサ６４１と電圧ピックアップ６５１の両方は、長手方向軸に垂直な同じ鏡面（図６Ｃでは破線Ｍによって示される）を共有する。Ｖ－Ｉセンサ６００の構造の対称性は、電圧と電流との間の位相角（Φ）の測定におけるずれを低減／除去するのに役立つ。更に、軸対称性に起因する一次の相殺効果により、Ｖ－Ｉセンサ６００のセンサ出力信号が、機械加工公差及び組み立て中の位置決め誤差の影響を受けにくくなる。

【0083】

図６Ｄは、図６Ｂに示したトロイド形の電流センサ６４１のマンドレル６４２として使用されることがある例示的なトロイド形の構造を示す。トロイド形のマンドレル６４２は、（図６Ｂに示す）コイル６４７を形成するように導線が配置されることがある外表面上の連続的な溝を有する。コイル６４７の２つの反対端は、図６Ｄに示す、２つの開口部６４３に通され、その後、同軸コネクタ６４５の対に取り付けられる（図６Ｂを参照）ことがある。電圧ピックアップ６５１（図６Ｂを参照）は、伝導性要素を、トロイド形のマンドレル６４２内の穴及び開口部６５３に通して中央端子６５４に取り付けることによって、接続されることがある。

【0084】

トロイド形のマンドレル６４２は、プラスチック及び他の絶縁材料を含み、例えば、３Ｄ印刷技術を使用して製造されることがある。コイル６４７が溝を付けられたトロイド形のマンドレル６４２に取り付けられた後、この構造は、任意選択的に、例えば埋め込み樹脂技術を使用して、樹脂のコーティング内に封止されることがある。樹脂カプセル化により、コイル状の多ターン電流ピックアップ６４７がしっかりと固定される。

【0085】

上述した、電流センサ６４１及び電場遮蔽と電圧ピックアップ６５１との組み合わせを含む、Ｖ－Ｉセンサ６００の一体化されたアセンブリは、コンパクトなＶ－Ｉセンサ設計の利点をもたらす。

【0086】

図７Ａ～図７Ｅは、Ｖ－Ｉセンサ６００の設計と同様の設計の、電流センサアセンブリ７０１を示す。Ｖ－Ｉセンサ６００とは異なり、電流センサアセンブリ７０１は電圧を感知しない。また、電流センサアセンブリ７０１に使用されるトロイド形のマンドレル７４２の設計は、以下で更に説明するように、溝を付けられたトロイド形のマンドレル６４２とは異なっている。

【0087】

図７Ａは、センサケーシング７６５の上部カバー７８２と底部カバー７８４との間の誘電体空洞内に配置されたトロイド形の電流センサ７４１を使用した電流センサアセンブリ７０１の斜視図を示す。電流センサ７４１については、図７Ｃ～図７Ｅを参照して以下で更に説明する。上部カバー７８２及び底部カバー７８４は、金属（例えば、銅又はアルミニウム）を含むことがある。電流センサアセンブリ７０１は、中央の穴７１０を有する。電流センサアセンブリ７０１が使用されることがある同軸伝送線（例えば、ＲＦパイプ）の内側導体は、中央の穴７１０を通過する。それによって、電流センサアセンブリ７０１は、同軸伝送線の長手方向軸の周りに対称的に配置される。

【0088】

図７Ｂは、電流センサアセンブリ７０１の分解図を示す。図７Ｂでは、誘電体空洞７２０の下半分及び底部カバー７８４の構造を示すために、電流センサ７４１がセンサケーシング７６５から取り除かれている。（この構造の上半分については、図７Ｃを参照して以下で更に説明する）。誘電体空洞７２０は、外側誘電体領域７２３と、ジグザグ誘電体スリット７２５と呼ばれる、内側誘電体領域とに分割されることがある。外側誘電体領域は、底部カバー７８４の床にある最も外側の溝の上方の領域である。この最も外側の溝の外側の円の外部では、金属上部カバー７８２と金属底部カバー７８４が、物理的に且つ電気的に一緒に接続されることがあるが、最も外側の溝の外側の円の内部では、上部カバー７８２と底部カバー７８４との間に電気的な接触は形成されないことがある。

【0089】

ジグザグ誘電体スリット７２５は、底部カバー７８４の床から突き出たリングのような形状をした伝導性隆起７５０の両側の２つの溝上の誘電体領域を含む。伝導性隆起７５０を含む、誘電体空洞７２０の伝導性の床は、途切れのない連続的な誘電体領域によって、誘電体空洞７２０のそれぞれの伝導性の屋根から電気的に且つ物理的に分離されている。従って、伝導性隆起７５０の上部は、上部金属カバー７８２内のそれぞれの溝の中に突き出ていることがあるが、屋根とは接触していないことがある。従って、ジグザグ誘電体スリット７２５の組み合わされた上部部分と底部部分は、図７Ｂでジグザグの破線によって示されるように、伝導性隆起７５０の周り及び上に延びる、ジグザグ状の誘電体領域になる。

【0090】

図７Ｃは、内側導体７１１の周りに対称的に配置された電流センサアセンブリ７０１の中央の穴７１０を通過するＲＦパイプの内側導体７１１を含むＲＦシステム７００の一部分を示す。グランド接続された外側導体が、上方から上部カバー７８２に、下方から底部カバー７８４に、物理的且つ電気的に取り付けられ、それによって、センサケーシング７６５がグランド接続される。センサケーシングは、Ｖ－Ｉセンサ６００のセンサケーシング６６５と同様に、中央の穴７１０を通過する内側導体７１１の部分に対するグランド接続された外側導体として機能する。

【0091】

図７Ｃでは、電流センサアセンブリ７０１は、電流センサ７４１を含む分解図の切取内部図によって示されている。電流センサ７４１は、トロイド形のマンドレル７４２に加えて、伝導性の電流ピックアップコイル７４７を含む。トロイド形のマンドレル７４２は、巻き線通路を備えた固体の誘電体材料を含む。巻き線通路は、トロイド形のマンドレル７４２の表面の様々な位置にあるアクセス穴７４９を通じてアクセスされることがある。２つの穴を有する接続機構７４３が、アクセス穴７４９のうちの１つの上に配置されている。コイル７４７の導線の２つの反対端が、接続機構７４３内の穴を介して上方に突き出て示されている。トロイド形のマンドレル７４２の固体の誘電体材料内の巻き線通路を通り抜けるコイル７４７の導線を示すために、トロイド形のマンドレル７４２の一部分が切り取られている。コイル７４７は、マンドレル７４２の内部にはめ込まれている。マンドレル７４２の設計は、マンドレル６４２の溝を付けられた設計に比べてより大きな機械的支持をもたらし、それによって、図６Ｄを参照して上記で説明した樹脂カプセル化工程が排除される。

【0092】

図７Ｃでは、トロイド形のマンドレル７４２は、外側誘電体領域７２３及び底部カバー７８４の床のそれぞれの溝に配置されている（図７Ｂを参照）。電流センサアセンブリ７０１の分解図は、トロイド形のマンドレル７４２の上半分を、誘電体空洞７２０の外側誘電体領域７２３内の上部カバー７８２内の溝にはめ込むことができることを示している。同様に、伝導性隆起７５０は、誘電体空洞７２０のジグザグ誘電体スリット７２５内の上部カバー７８２内の隣接する溝に延びることができる。トロイド形の電流センサ７４１と内側導体７１１との間に介在する連続的なリングである伝導性隆起７５０は、電流センサ７４１をＲＦ電場から効果的に遮蔽することができる。

【0093】

上記で説明したように、トロイド形の電流センサ７４１によって囲まれた領域内での、グランド接続された上部カバー７８２とグランド接続された底部カバー７８４との間の電気的接触は、電流ピックアップコイル７４７を通過する磁場の強度を低減し、電流信号の出力信号を過度に弱めることがある。そこで、伝導性隆起７５０の上部は、ジグザグ誘電体スリット７２５によって、上部カバー７８２から電気的に絶縁される。誘電体領域のジグザグの形状は、図７Ｃではジグザグの破線によって示されている。

【0094】

図７Ｄに示す、ＲＦシステム７００の一部分の切取内部図は、上部カバー７８２が底部カバー７８４に取り付けられた状態の電流センサアセンブリ７０１を示す。誘電体スリット７２５のジグザグの形状は、図７Ｄではジグザグの破線によって示されている。

【0095】

図７Ｅは、電流センサアセンブリ７０１の底部部分及び電流センサアセンブリの中央の穴７１０を通過するＲＦパイプの内側導体７１１の平面図を示す。トロイド形のマンドレル７４２及び電流ピックアップコイル７４７を含む電流センサ７４１が、底部カバー７８４の上に示されている。コイル７４７の２つの反対端が、接続機構７４３内の穴を通過している。接続機構７４３は、アクセス穴７４９と同様の開口部の上に配置されることがある。リング状の伝導性隆起７５０は、内側導体７１１と電流センサ７４１との間に介在して示されている。誘電体スリット７２５は、伝導性隆起７５０の両側に見られる。

【0096】

マンドレル６４２及び７４２などのマンドレルを使用すると、電流センサ設計で、電流ピックアップとして多数のターンを有するコイルを使用することができるようになる。ターンの数が多いほど、それぞれの電流センサの感度が増す。感度が増すと、各ターンがより小さな断面を有することが可能になり、従って、電流センサ全体のサイズを小さくすることができ、電流センサを、そうしないとアクセスできない領域内に配置することが可能になる。

【0097】

本開示で説明するマンドレルはトロイドのような形状をしているが、他の形状、例えば、正方形又は任意の数の辺を有する正多角形などを使用してもよいことを理解されたい。更に、様々な形状のピックアップを、マンドレルを使用せずに実装することもできる。

【0098】

本開示で説明した実施形態の様々な態様は、様々な他の製造技術を使用してＶ－Ｉセンサを製造するために適用されることがある。例えば、電流ピックアップは、プリント回路基板（ＰＣＢ）技術などにおける、ビアによってリンクされた誘電体材料及び伝導性材料の層で製造されることがある。

【0099】

上記で説明したトロイド形の電流センサの実施形態は、円環体の軸対称性、多ターン電流ピックアップのノイズに対する高い耐性、及びコンパクトな構造により得られる使い易さ、という利点を提供する。

【0100】

本開示で説明したＶ－Ｉセンサ及び測定方法は、低い製造コストで非常に高い精度の測定を可能にし得る実施形態を提供する。機械加工誤差及び組み立て誤差に対するＶ－Ｉ測定の感度を低減することを意図した設計特徴を含めることにより、低製造コストでの高い精度が達成されることがある。電流センサの精度は、電流ピックアップの幾何形状（例えば、矩形の半ループによって囲まれる領域）を決定する寸法のばらつきを引き起こす機械加工公差に依存する。電流の測定精度は、組み立て公差、例えば、電流ピックアップを配置することができる精度（長手方向軸からの放射状方向の距離、及び半ループの平面と長手方向軸との間の角度を含む）によっても制限されることがある。同様に、電圧測定の精度は、機械加工公差（例えば、電圧ピックアップリングの直径及び円周の精度）及び組み立て公差（例えば、リングの平面と長手方向軸との間の角度）に依存する。本発明者らは、電流ピックアップ及び電圧ピックアップの寸法及び配置のばらつきに対するＶ－Ｉセンサ信号の感度について、詳細なコンピュータシミュレーションを実施し、標準的な機械の場合１％という高い精度を達成することができ、０．００５インチという配置公差値を達成することができることを発見した。コンピュータシミュレーションは、プラズマ処理で使用される広範なＲＦ電力、ＲＦ周波数、及び負荷インピーダンスに渡る、マクスウェル方程式について、較正された３Ｄ有限要素解法を使用して、実施した。

【0101】

本出願の例示的な実施形態を、ここに要約する。他の実施形態も、本明細書の全体及び本明細書で出願される特許請求の範囲から理解することができる。

【実施例】

【0102】

実施例１．無線周波数（ＲＦ）センサアセンブリは、中央の穴の周りに配置されたセンサケーシングを含み、センサケーシングは、第１の伝導性カバー及び第２の伝導性カバーを含む。このアセンブリは、中央の穴の周りに配置され第１の誘電体材料を含む空洞を含み、この空洞は、中央の穴の中心から放射状方向に沿って第１の主外表面及び第２の主外表面によって境界をつけられ、第１の主外表面は、中央の穴と物理的に接触した連続的なリング状の領域を含み、第２の主外表面は、第１の主外表面の半径より大きな半径距離にあり、第１の伝導性カバーは、空洞の第２の主外表面を越えた結合領域を介して第２の伝導性カバーに電気的に結合され、第１の伝導性カバーは、空洞及び中央の穴によって、第２の伝導性カバーから電気的に絶縁されている。このアセンブリは、電流センサであって、センサケーシングから電気的に絶縁され、中央の穴の周りに対称的に配置された電流ピックアップを含む、電流センサを含み、電流ピックアップは、空洞の内部に配置され、センサケーシングから絶縁されている。

【0103】

実施例２．電流センサは、トロイドのような形状をしたマンドレルを含む、実施例１に記載のセンサアセンブリ。

【0104】

実施例３．マンドレルは、連続的な中空の通路の周りに第２の誘電体材料を含み、この中空の通路は、内部円形軸の周りに対称的に巻かれており、電流ピックアップは、２つの反対端を有する連続的な導線を含み、導線は、中空の通路を通るコイルのような形状をしている、実施例１又は２の何れか一項に記載のセンサアセンブリ。

【0105】

実施例４．マンドレルの外表面から中空の通路まで延びる複数のアクセス穴と、センサケーシングから絶縁された２つの電気端子と、を更に含み、この２つの電気端子は、複数のアクセス穴を通ってマンドレルから外に延びる導線の２つの反対端にそれぞれ電気的に接続されている（connected to the respective two opposite ends）、実施例１～３の何れか一項に記載のセンサアセンブリ。

【0106】

実施例５．マンドレルは、マンドレルの外側主表面上に溝を有する第２の誘電体材料を含み、溝は、内部円形軸の周りを対称的に巻かれており、電流ピックアップは、２つの反対端を有する連続的な導線を含み、導線は、トロイドの溝の中に配置されたコイルのような形状をしている、実施例１～４の何れか一項に記載のセンサアセンブリ。

【0107】

実施例６．センサケーシングから絶縁された２つの電気端子を更に含み、これら２つの電気端子は、マンドレルの外側で導線の２つの反対端にそれぞれ電気的に結合されている、実施例１～５の何れか一項に記載のセンサアセンブリ。

【0108】

実施例７．マンドレル及び電流ピックアップは、樹脂で封入されている、実施例１～６の何れか一項に記載の電流センサ。

【0109】

実施例８．電圧センサを更に含み、電圧センサは、電圧ピックアップ及び電気端子を含み、電圧ピックアップは、電流センサと中央の穴との間に介在する空洞内に配置され、電気端子は、電圧ピックアップに電気的に接続され、電圧センサはセンサケーシングから電気的に絶縁されている、実施例１～７の何れか一項に記載のセンサアセンブリ。

【0110】

実施例９．電圧ピックアップは、中央の穴の周りに対称的に配置されたリングのような形状をした電極であり、電圧ピックアップは、第１の伝導性カバーと第２の伝導性カバーとの間に配置された空洞内で第３の誘電体材料によって機械的に支持される、実施例１～８の何れか一項に記載のセンサアセンブリ。

【0111】

実施例１０．第３の誘電体材料は、固体の誘電体材料であり、第１の誘電体材料は気体である、実施例１～９の何れか一項に記載のセンサアセンブリ。

【0112】

実施例１１．電圧ピックアップは、スリット領域によってセンサケーシングから電気的に絶縁され、スリット領域は、リングのような形状をした連続的なジグザグの領域を含み、スリット領域は、中央の穴、電圧ピックアップ、及び電流センサと物理的に接触している、実施例１～１０の何れか一項に記載の電圧センサ。

【0113】

実施例１２．無線周波数（ＲＦ）センサアセンブリは、中央の穴の周りに対称的に配置されたセンサケーシングを含み、センサケーシングは、第１の伝導性カバー及び第２の伝導性カバーを含む。このアセンブリは、環形のような形状をした空洞であって、中央の穴の周りに対称的に配置され、第１の誘電体材料を含む空洞を含み、空洞は、中央の穴の中心から放射状方向に沿って第１及び第２の主外表面によって境界をつけられ、第１の主外表面は、中央の穴と物理的に接触しているリング状の連続領域を含み、第２の主外表面は、第１の主外表面の半径よりも大きな半径距離にある閉じた外側境界を含み、電流センサは、中央の穴の周りに対称的に配置された電流ピックアップコイルを含み、電流ピックアップは、センサケーシングから絶縁され、電流ピックアップは、空洞の内部に配置されている。このアセンブリは、リングのような形状をした伝導性隆起であって、電流ピックアップと中央の穴との間に介在し、第２の伝導性カバーに電気的に結合された伝導性隆起を含み、この伝導性隆起は、誘電体材料で覆われている。

【0114】

実施例１３．第１の伝導性カバーは、中央の穴の中心から放射状方向に沿って、第１の溝であって、伝導性隆起の鉛直上方に配置された環形のような形状をした第１の溝と、中央の穴からより遠い半径距離にあり、環形のような形状をした第２の溝と、第１の溝と第２の溝との間の伝導性領域を含むリングのような形状をしたビームと、を含み、第２の伝導性カバーは、ビーム及び第２の溝の鉛直下方に配置された環形のような形状をした第３の溝を含み、電流センサは、第２の溝を含む空洞部分内に配置された上側部分と、第３の溝を含む空洞部分内に配置された下側部分と、を含む、実施例１２に記載のセンサアセンブリ。

【0115】

実施例１４．空洞は、中央の穴の中心から放射状方向に沿ってスリット領域を含み、スリット領域は、リングのような形状をした連続的なジグザグの誘電体領域を含み、スリット領域は、中央の穴、伝導性隆起、及び電流センサと物理的に接触している、実施例１２又は１３の何れか一項に記載のセンサアセンブリ。

【0116】

実施例１５．第１の伝導性カバーは、空洞の第２の主外表面を越えた領域を介して第２の伝導性カバーに電気的に結合され、第１の伝導性カバーは、閉じた外側の境界によって囲まれる領域内では空洞及び中央の穴によって第２の伝導性カバーから電気的に絶縁されている、実施例１２～１４の何れか一項に記載のセンサアセンブリ。

【0117】

実施例１６．プラズマシステムであって、電極を含む処理チャンバと、処理チャンバにＲＦ信号を用いて給電するように構成された無線周波数（ＲＦ）電源と、ＲＦ電源を処理チャンバの電極に結合するＲＦパイプと、ＲＦ信号を運ぶＲＦパイプの軸の周りに対称的に配置されたトロイド形のような形状をしたマンドレルと、ＲＦパイプの軸の周りに対称的に配置され、マンドレルによって囲まれた電圧ピックアップと、を含む、プラズマシステム。

【0118】

実施例１７．電流センサを更に含み、電流センサは、誘電体材料を含むマンドレルと、２つの反対端を有する連続的な導線を含む電流ピックアップであって、導線は、マンドレルの内部円形軸の周りに対称的に巻かれている（coiled）、電流ピックアップと、マンドレルの外部で導線の２つの反対端にそれぞれ電気的に接続された２つの電気端子と、を含む、実施例１６に記載のシステム。

【0119】

実施例１８．センサアセンブリを更に含み、センサアセンブリは、中央の穴であって、ＲＦパイプの内側導体がこの中央の穴内に配置される、中央の穴と、中央の穴の周りに隣接して配置され、第１の伝導性カバー及び第２の伝導性カバーを含む、環形のような形状をしたセンサケーシングと、を含み、センサケーシングは第１の環状領域及び第２の環状領域に分割され、第１の環状領域は、一方の側で中央の穴に隣接し、反対の側で第２の環状領域に隣接しており、第１の環状領域では、第１の伝導性カバーは、誘電体材料を含む空洞によって第２の伝導性カバーから電気的に絶縁されており、マンドレル及び電圧ピックアップは空洞内に配置され、第２の環状領域では、第１の伝導性カバーは第２の伝導性カバーと電気的に結合されている、実施例１６又は１７の何れか一項に記載のプラズマシステム。

【0120】

実施例１９．センサケーシングの第１の環状領域内の第１の伝導性カバー及び第２の伝導性カバーは、ＲＦパイプの外側導体に電気的に結合され、センサケーシングの第２の環状領域内の第１の伝導性カバー及び第２の伝導性カバーは、ＲＦパイプの外側導体と電気的に結合されている、実施例１６～１８の何れか一項に記載のプラズマシステム。

【0121】

実施例２０．電圧センサを更に含み、電圧センサは電圧ピックアップ及び電気端子を含み、電圧センサはセンサケーシングから電気的に絶縁されており、電圧ピックアップは中央の穴の周りに対称的に配置されたリングのような形状をした電極であり、電圧ピックアップは第１の伝導性カバーと第２の伝導性カバーとの間に配置された空洞内の固体誘電体材料によって機械的に支持され、電圧ピックアップは電気端子に電気的に結合されている、実施例１６～１９の何れか一項に記載のプラズマシステム。

【0122】

実施例２１．電圧ピックアップは、スリット領域によってセンサケーシングから電気的に絶縁され、スリット領域は、リングのような形状をした連続的なジグザグの誘電体領域を含み、スリット領域は、中央の穴、電圧ピックアップ、及びマンドレルと物理的に接触している、実施例１６～２０の何れか一項に記載のプラズマシステム。

【0123】

本発明は、例示的な実施形態を参照して説明されているが、本明細書は、限定的な意味で解釈されることを意図するものではない。当業者であれば、本明細書を参照することにより、それらの例示的な実施形態の様々な修正形態及び組み合わせ並びに本発明の別の実施形態が明らかになるであろう。従って、添付の特許請求の範囲は、そのようなあらゆる修正形態又は実施形態を包含することが意図される。

【図1A】

【図1B】

【図1C】

【図2A】

【図2B】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6A】

【図6B】

【図6C】

【図6D】

【図7A】

【図7B】

【図7C】

【図7D】

【図7E】

【国際調査報告】