圓片級電弧檢測裝置和方法

2023-07-23 15:54:16 3

專利名稱：圓片級電弧檢測裝置和方法
圓片級電弧檢測裝置和方法
背景技術：
像物理氣相沉積(Physical Vapor Deposition, PVD)那樣的濺射沉積 (sputtering depositon)是將多種材料的高度均勻薄層沉積在許多物體上(例如，將金屬 層沉積在像用在形成集成電路(IC)中的圓片(wafer)那樣的基板上)的過程。在直流(DC) 濺射過程中，將要沉積的材料(靶(target))和接受沉積材料的基板(圓片)放置在特殊 真空室中。真空室被抽成真空，並且隨後像氬氣那樣的惰性氣體以低壓充入其中。圓片與高壓電源的陽極(或鄰近)電連接，該陽極一般處在地電位上或接近地電 位。使濺射室的側壁也處在這個電位上。通常由金屬形成的靶被放置在真空室中，並且與 高壓電源的陰極電連接。可替代地，該靶可以由絕緣材料形成。該電源在靶(陰極)與陽 極之間形成電場。當陽極與陰極之間的電位達到200-400伏時，在惰性氣體中，在眾所周知 的帕邢(Paschen)曲線的超導區中產生輝光放電。當輝光放電發生在帕邢曲線的超導區中時，價電子從氣體中拉出來，流向陽極 (地)，而由此產生的帶正電電離氣體原子(即等離子體)受到電場的電位加速，以足夠的 能量撞擊陰極(靶)，使靶材料的分子與靶物理分離，或「濺射」。射出的原子幾乎不受阻礙 地通過低壓氣體和等離子體，其中一些著陸在基板上，且在基板上形成靶材料的塗層。理想 條件下的結果是室內均勻靶分子雲，使真空室及其內含物(例如，圓片)上的最後沉積具有 均勻厚度。這種塗層一般是各向同性的，與室內物體的形狀共形。這種行為的自然結果是， 隨著更多的材料被濺射，靶材料磨得或變得越來越薄。集成電路的處理依賴於輝光放電過程造成的塗層的均勻性。包含放電和靶材料的 真空室被精心設計成試圖保持均勻電場，並且，再次依照帕邢曲線，輝光放電原則上在一個 電場強度範圍內都可持續。但是，電場的均勻性不能完全保持，並且輝光放電以及此後對靶 的磨損的均勻性也受許多因素影響，包括在室內產生的熱電流以及像靶錯位那樣的其它機 械異常。為了補償這些異常，商用PVD濺射機常常含有在靶上方恆速轉動大磁體的機構。這 種旋轉用於幹擾室內電磁場，使等離子體撞擊靶的區域集中在較小運動區上。在恆速轉動 磁體的同時保持室內恆定功率提高了靶磨損的均勻性，使靶壽命延長以及使室內的分子靶 材料保持更均勻分布。隨著磁體在靶上方旋轉，局部幾何、熱以及其他變化使真空室的集總 電阻抗發生變化。對於配置成將恆定功率輸送給輝光放電的電源，保持恆定功率所需的室 電壓和電流之間的關係隨阻抗的變化而變化。如果人們監測室電壓和電流，則可以觀察到 室電壓和電流明顯周期性變化，其周期等於磁體的旋轉周期。即使適當利用旋轉磁體機構試圖穩定輝光放電，某些條件也可以導致電場局部集 中，使輝光放電從帕邢曲線的超導區進入弧光放電(arcing)區。PVD期間的弧光放電通過 等離子體中的電子或離子導致從陽極到靶的意想不到低阻抗路徑，該意想不到路徑一般包 括地，該弧光放電由像靶材料的雜質(即，包含物)、靶結構(例如，表面)內的包含物、不適 當靶對準(例如，陰極和陽極的錯位)、真空洩漏和/或來自像真空油脂那樣的其它來源的 汙染物那樣的因素引起。靶雜質包括SiO2 (二氧化矽)或Al2O3 (三氧化二鋁)。PVD期間的弧光放電是在半導體圓片上形成集成電路時產量降低缺陷的一個原因。雖然正常金屬沉積通常小於1微米厚度，但弧光放電使圓片上的金屬沉積局部較厚。當 發生電弧時，真空室的電磁場能量集中在比預定(例如，靶缺陷的鄰域)小的靶區上，這可 以造成一個固體靶塊被逐出。逐出的固體靶材料塊相對於預計出現在圓片上的均勻塗層的 厚度可能更大，並且如果一大塊落在圓片上，則可能造成在那個地點上形成集成電路中的 缺陷。隨後的光刻處理蝕刻掉各種區域的沉積金屬層，按照所希望的電路圖案留下金屬導 體路徑。因為弧光放電導致厚度比周圍金屬大的定域缺陷(區)，該缺陷區在隨後處理中可 能未徹底蝕刻掉，導致晶片上的意想不到電路路徑(即，短路)。半導體晶片具有被絕緣層 隔開的多個金屬層，每個金屬層都通過如上所述，沉積金屬層，在金屬層上形成圖案，以及 蝕刻金屬層形成。一個層中的局部缺陷也可以使在隨後光刻步驟中成像在圓片上的覆蓋圖 案失真，因此導致覆蓋層中的缺陷。製造現代集成電路的圓片可以牽涉到遠遠超過一千個單獨處理步驟，圓片以及隨 後每個單獨集成電路小片的值隨每個處理步驟而增大。用於將圓片處理成集成電路的PVD 濺射裝置中的弧光放電可以使圓片的一些部分不可用於其預定目的，從而使製造成本增 大。使用沒有致電弧包含物的靶材料是使集成電路製造缺陷最小化的一種方式；但是，靶材 料在其製造期間或以後也可能被汙染。在濺射操作之前發現靶汙染物以防止弧光放電缺陷 無論在時間方面還是在費用方面都是昂貴的。在引起弧光放電的靶包含物濺射出去之前， 例如，操作沉積室的製造人員不及時發現弧光放電缺陷就隨機產量損失而言也同樣昂貴。 而且，當一個固體靶塊在電弧期間被逐出時，靶表面可能受到進一步損害，並且將來在那個 鄰域中發生弧光放電的可能性增大。當缺乏實時電弧檢測時，糾正行為取決於參數數據的可用性。例如，經由設計成揭 示短路的電路測試，或通過在金屬沉積之後利用雷射掃描圓片的表面，測量由弧光放電引 起的許多缺陷層是昂貴的。這些測試都要花費一些時間運行，其間使生產推遲，或在延長時 間內造成檢測不到產量損失。由於像任何層上的短路那樣的缺陷都可以影響集成電路功 能，所以希望在濺射沉積期間避免弧光放電引起的損害。於是，實時電弧檢測允許更快地識別產量損失的原因，以及檢測處理工具或靶本 身中的隱患，兩者都導致更有效的集成電路製造應用。如上所述，電弧可以將固體材料拋入真空室中，並且可以認為，著陸在集成電路圓 片上的任何這樣固體材料塊都有很大的可能損害至少一個集成電路。因此，指示對集成電 路圓片潛在損害的一個統計量是在處理步驟期間發生的電弧的數量。由於強烈的電弧有可 能比相對「溫和」的電弧將更多的固體材料擴散到更大的區域上，所以認為各個電弧引起的 對集成電路圓片的預期損害是輸送給電弧的能量的單調增加函數也是合理的。因此，可以 實時估計在PVD濺射處理步驟期間發生的電弧的數量以及電弧的嚴重性的系統是估計在 特定PVD濺射步驟中引起的潛在損害的有價值工具。眾所周知，當在輝光放電過程中發生電弧時，真空室的集總阻抗的幅度迅速下降。 當發生這種情況時，在包含電源和互連器件的輸電系統的驅動點阻抗中存在串聯電感使真 空室的陽極與陰極之間的觀察電壓的幅度迅速下降。觀察室電壓並將它與固定閾值相比 較是檢測電弧是否存在的常見手段，通過將常用示波器附在陰極上，將附在真空室上的示 波器探針接地，人們就可以輕易地完成這項工作。當擁有可以通過使用自激示波器觀察電 壓直觀獲得的平均真空室處理電壓的估計值時，人們可以將示波器的觸發點設置在大於預期電壓(這樣觀察的電壓相對於示波器基準是負的)的電壓上。當示波器觸發時，可以觀 察到由電弧引起的所得電壓波形，並且也可以通過適當電流探針同時觀察電流。人們已經 開發出模擬這種檢測電弧的方法、以及計數如此在處理步驟的過程中獲得的發生次數的系 統。這種手段的已知缺點是，由於如上所述，室電壓隨磁體旋轉而周期性變化，以及由於熱 和其它考慮在PVD處理步驟的過程中的變化，所以必須謹慎地設置固定觸發電平。這樣，這 樣的系統可能漏掉要不然會引起損害的小幅度電弧。可以更緊密地跟隨實際瞬時預期室電 壓的系統將使這些電弧更輕易地被檢測到，提供更準確的損害估計。在用於生產集成電路的PVD過程中，時常觀察到持續時間小於1微秒的弧光放 電狀況。這些短持續時間電弧常稱為微弧。電控模擬或開關電源不能對微弧期間這種室 阻抗的迅速變化作出反應。作為串聯電感的自然結果，電源在微弧期間將近恆流輸送給 真空室。假設在弧光放電狀況期間，電源輸送的所有能量都集中在電弧上，則可以通過 在電弧區間上積分電源電壓與電流(假設恆定)的乘積來估計輸送給各個電弧的能量。 並且，存在允許捕獲弧光放電狀況期間的室電壓和電流波形兩者的數字示波器。存在像 Tektronix 「Wavestar」軟體那樣的計算機軟體，它可以允許將數字存儲波形上傳到計算機， 隨後可以在計算機中逐點相乘捕獲的電壓和電流波形，以計算瞬時功率，並且在電弧持續 時間上積分功率波形，以確定電弧輸送的總能量。雖然可用於理解PVD應用中的弧光放電現象，但這種使用示波器和後處理計算機 計算電弧和電弧能量的方法在生產應用中價值不大。即使新式的手持示波器也是相對笨重 的儀器，並且集成電路無塵室中的不動產也是極其寶貴的。獨立後處理計算機也佔用寶貴 的地面空間，並且有可能需要處在無塵室之外，並通過網絡與示波器連接，使示波器與計算 機之間的數據傳送的延遲增大。而且，還沒有手段來事先告訴人們各個電弧的持續時間、或 它們可能發生的頻率。留下了究竟如何設置示波器的控制的問題。示波器也具有有限波形 存儲能力，因此，當在處理期間存在許多弧光放電活動時，往往在最需要的時候丟失信息。 如此配置的系統使實時控制和決策作出變得不切實際。除了所討論的問題之外，當只計數違反電壓閾值的電弧時，如果電源通過減小輸 送功率來對電弧作出響應，則一些信息可能會丟失或變得模糊。減小功率的結果是使電壓 和電流兩者都下降。雖然確定物理氣相沉積室中陰極-陽極或靶弧光放電的嚴重性正受到人們關注， 但更成問題的是圓片級電弧的發生。當發生圓片級電弧時，對陰極弧光放電監測的能量通 常保持零。可以認為，這樣的圓片級電弧是由電隔離真空室部件(即沉積環或蓋環的充 電)，以及電荷突然驅散到圓片或與圓片非常接近的真空室部件中引起的。這就提出了如何 指示這樣圓片級電弧的發生，或發生可能性的問題。

發明內容
按照本發明的一個方面，提供了解決上述挑戰的和提供控制膜沉積過程的反饋方 法的在等離子體生成期間檢測電弧的裝置和方法。等離子體生成裝置的一個例子包括可通信地與供電電路耦合的電弧檢測裝置。所 述供電電路具有封閉在真空室中的陰極，並且適用於生成功率相關參數。所述電弧檢測裝 置適用於通過將功率相關參數與至少一個閾值相比較，評估真空室中弧光放電的嚴重性(severity)。按照本發明的進一步方面，所述電弧檢測裝置適用於估計電弧強度、電弧持續時 間和/或電弧能量。所述電弧檢測裝置可以使用例如可編程邏輯控制器(PLC)來實現。所 述PLC可以與所述電弧檢測裝置相呼應地工作，計算響應PVD室阻抗正常變化的自適應電 弧閾值，所述實時自適應電弧閾值由所述PLC近實時地傳送給所述電弧檢測裝置。所述響 應PVD室阻抗正常變化的自適應電弧閾值可以由所述電弧檢測裝置本身計算，有關弧光放 電活動和自適應電弧閾函數兩者的統計數據被近實時地傳送給所述PLC。實際微弧(例如，如在示波器上捕獲的那樣)在電壓幅度上呈現迅速下降趨勢 (接著恢復成額定值)，同時在電流幅度上呈現迅速上升趨勢(接著也恢復成額定值)。於 是，在電流電平上尋找到尖峰，並且在電壓電平上尋找到同時下降極大地提高了檢測到「真 正」電弧的置信度或成功率。因此，提供了檢測這樣電弧事件，以及檢測和分類其它電弧事 件的方法和裝置。按照本發明的另一個方面，使電流傳感器的輸出饋入電弧檢測單元的可編程閾值 比較器中。例如，所述電弧檢測單元可以就電流多少次向上偏移到閾值之上以及就電流在 閾值之上的經過時間對電弧事件進行測量。有關電弧嚴重性的附加信息可以通過在額定工 作點之上設置不止一個閾值(每一個在不同電平上)並且針對不同閾值電平比較電弧事件 計數和經過時間獲得。 按照本發明的另一個方面，所述裝置包括根據來自電源接口的電壓和電流通道兩 者的組合數據分類電弧事件的邏輯單元。另外，所述裝置可以針對發生在電弧事件的特定 類別中的事件計算掃描能量和電弧能量。本發明的進一步方面提供了在物理氣相沉積過程中檢測和分類電弧的方法。所述 方法可以包含例如監測等離子體生成裝置的電源電壓和電流。根據所述監測，所述方法可 以包括檢測電壓降到預定第一電壓閾值以下的每個實例，計時電壓降到預定第一電壓閾值 以下的每個實例的持續時間，檢測電流衝到預定第一電流閾值之上的每個實例，以及計時 電流衝到預定第一電流閾值之上的每個實例的持續時間。所述電壓降的持續時間和電流尖 峰的持續時間可以在一個時鐘周期內測量。所述方法可以進一步包含將電壓掉到預定第一 電壓閾值以下的每個實例和電流衝到預定第一電流閾值之上的每個實例分類成電弧事件。 於是，可以從所檢測電壓降和/或電流尖峰開始發生電弧事件。所述方法可以進一步包括確定電源電壓是否處在穩定模式，上升過渡模式或下降 過渡模式之一中。可以針對這些類別的每一個分開計數或要不然分析電弧事件。例如，所 述方法可以包括保存電壓處在穩定模式下時發生的電弧事件的計數和相應持續時間，保存 電壓處在上升過渡模式下時發生的電弧事件的計數和相應持續時間，以及保存電壓處在下 降過渡模式下時發生的電弧事件的計數和相應持續時間。可以根據從監測所述等離子體生成裝置的電源電壓和電流中獲得的數據將電弧 事件放入不同類別中。按照一個例子，在像PLC或其它計算設備的掃描周期那樣的預定時 段內，所述方法包括將電壓降和電流尖峰相符的電弧事件實例指定成第一類別。另外，所述 方法可以進一步包括將累計持續時間小於預定時間的沒有相符電流尖峰的一個或多個電 壓降的電弧事件實例指定成第二類別，以及將累計持續時間大於預定時間的沒有相符電流 尖峰的一個或多個電壓降的電弧事件實例指定成第三類別。關於感測的電流電弧事件，所述方法可以類似地包括將累計持續時間小於預定時間的沒有相符電壓降的一個或多個電 流尖峰的電弧事件實例指定成第四類別，以及將累計持續時間大於預定時間的沒有相符電 壓降的一個或多個電流尖峰的電弧事件實例指定成第五類別。對於各種類別的每一個，所 述方法可以包括針對所指定電弧事件計算掃描能量。檢測電弧事件常常導致供電下降(即，進入下降過渡模式)。為了避免正處在穩定 模式下時包括或計數短暫導致這種下降過渡模式的瞬態，所述方法進一步包括在每次檢測 低於預定第一電壓閾值的電壓降之後的過渡保持時段內禁止檢測低於預定第一電壓閾值 的電壓降，以及在每次檢測高於預定第一電流閾值的電流尖峰之後的過渡保持時段內禁止 檢測高於預定第一電流閾值的電流尖峰。如果需要對過渡模式進行進一步分析，則仍然可 以保存該信息。所述方法還可以適應在穩定模式下在濺射沉積過程中發生的供給電壓緩慢變化 (即，相對於電弧事件)。關於這一點，所述方法可以進一步包括在跟蹤供給電壓緩慢變化 的掃描周期內調整預定第一電壓閾值。按照一個例子，可以將所述方法設置成提供有關弧光放電嚴重性的附加信息。關 於這一點，所述方法可以包括檢測電壓掉到預定第二電壓閾值以下的每個電弧事件實例， 以及檢測電流衝到預定第二電流閾值之上的每個電弧事件實例。附加閾值可以類似地用於 提供甚至更精確的信息。按照另一個例子，可以提供在等離子體生成裝置中確定電弧事件的方法，所述方 法包含監測電源電流，獲取指示監測電流的電流信號，以及確定所述電流信號是否超出指 示電弧事件的預定電流閾值之外。類似地，所述方法可以進一步包含監測電源的電壓，獲取 指示監測電壓的電壓信號，以及確定所述電壓信號是否超出指示電弧事件的預定電壓閾值 之外。另外，所述方法可以包括計時電流超出預定電流閾值之外時和電壓超出預定電壓閾 值之外發生的每個電弧事件的持續時間。並且，可以分類每個電弧事件，以及可以計算掃描 能量和電弧能量。按照又一個例子，在等離子體生成裝置中檢測電弧事件的方法可以包含向所述等 離子體生成裝置提供功率，以便在靶與圓片之間形成電離氣體，提供檢測供給電壓和供給 電流的接口，以設置頻率將所述電壓與電壓閾值相比較，以及以設置頻率將所述電流與電 流閾值相比較。另外，所述方法可以包含電弧事件是從所述電壓與電壓閾值的比較中獲得 的還是從所述電流與電流閾值的比較中獲得的。所述方法可以進一步包括在每次檢測電弧事件之後將所述電壓與電壓閾值和所 述電流與電流閾值的比較延遲過渡延遲時段。為可以為穩定模式提供更準確的電弧事件計數。另外，所述方法可以包括查看其它參數(非電壓或電流閾值交點)，以便提供任何 弧光放電的進一步信息。這可以包括有關電弧事件嚴重性的進一步信息。按照一個例子， 所述方法可以進一步包括如下步驟生成功率相關參數，將所述功率相關參數與至少一個 閾值比較，以確定所述等離子體生成裝置中的弧光放電的嚴重性，以及響應所述功率相關 參數與至少一個閾值的比較，測量電弧持續時間。按照本發明的又一個方面，提供了在等離子體生成室中檢測電弧事件的裝置。所 述裝置可以包含電源接口模塊，配置成檢測施加於所述等離子體生成室的電源電壓和電流；以及可通信地與所述電源接口模塊耦合的電弧檢測單元，所述電弧檢測單元包括閾值 比較電路，所述閾值比較電路被安排成將所述電壓與第一電壓閾值相比較，以確定是否發 生了電弧事件，以及將所述電流與第一電流閾值相比較，以確定是否發生了電弧事件。所述 電弧檢測單元可以包括帶有模擬-數字轉換器的數位訊號處理器(DSP)。另外，所述裝置的電弧檢測單元可以包括邏輯電路或與邏輯電路耦合，所述邏輯 電路被安排成根據所述閾值比較電路的輸出作出電弧事件的確定。所述邏輯電路可以是可 編程邏輯控制器(PLC)或其它類似計算設備。此外，在一些情況下，所述DSP可以包括執行 本文所述的一些或所有功能的邏輯單元。所述閾值比較電路可以是可編程的，以便使用戶能夠設置初始電壓閾值和初始電 流閾值。另外，可以對電壓和電流使用分立部件。所述閾值比較電路可以是模擬和/或數 字電路。所述閾電平可以在所述DSP中生成，以及所述電弧信號由所述DSP中的模擬-數 字轉換器轉換成數字的。所述DSP可以包含由所述PLC或其它邏輯電路或裝置用軟體控制 參數的固件。所述裝置的邏輯電路可以用於許多功能。例如，所述邏輯電路可以安排成確定所 述電壓是否處在穩定模式，上升過渡模式和下降上升過渡模式之一下。另外，所述邏輯電路 可以安排成保存電壓處在穩定模式下時發生的電弧事件的計數，保存電壓處在上升過渡模 式下時發生的電弧事件的計數，以及保存電壓處在下降過渡模式下時發生的電弧事件的計 數。所述邏輯電路還可以安排成確定基於所述電壓掉到第一電壓閾值以下的電弧事件的持 續時間、和基於所述電流衝到第一電流閾值之上的電弧事件的持續時間。所述持續時間可 以在可以根據頻率轉換成時間單位的時鐘周期中測量。所述邏輯電路可以進一步安排成根據所述閾值比較電路的輸出和每個電弧事件 的持續時間分類電弧事件。所述分類可以在像PLC掃描周期那樣的預定時間周期內。所述 邏輯電路可以配置成，例如，將電壓降和電流尖峰相符的電弧事件實例指定成第一類別，將 累計持續時間小於第一預定時段的沒有相符電流尖峰的一個或多個電壓降的電弧事件實 例指定成第二類別，將累計持續時間大於第一預定時段的沒有相符電流尖峰的一個或多個 電壓降的電弧事件實例指定成第三類別，將累計持續時間小於第二預定時段的沒有相符電 壓降的一個或多個電流尖峰的電弧事件實例指定成第四類別，以及將累計持續時間大於第 二預定時段的沒有相符電壓降的一個或多個電流尖峰的電弧事件實例指定成第五類別。所述邏輯電路還可以包括計算弧光放電的各種參數。這可以包括掃描能量和電弧 能量°按照本發明的進一步方面，在等離子體生成裝置中檢測電弧的裝置包含可通信地 與電源的電流耦合的電弧檢測單元。所述電弧檢測單元可以包括閾值比較電路，配置成將 所述電流與第一電流閾值相比較；以及邏輯電路，安排成根據所述閾值比較電路中所述電 流與第一電流閾值的比較檢測電弧事件。所述電弧檢測單元還可以可通信地與電源的電壓耦合。在這種情況下，所述閾值 比較電路可以進一步配置成將所述電壓與第一電壓閾值相比較，以及所述邏輯電路可以進 一步安排成根據所述閾值比較電路中所述電壓與第一電壓閾值的比較檢測電弧事件。所述電弧檢測單元可以進一步包含計時單元，安排成根據所述電流與電流閾值的 比較計算所檢測電弧事件的持續時間。所述計時單元還可以安排成根據所述電壓與電壓閾值的比較計算所檢測電弧事件的持續時間。所述閾值比較電路可以配置成將所述電流與不同於所述第一電流閾值的第二電 流閾值(或多個附加閾電平)相比較。所述閾值比較電路可以類似地配置成將所述電壓與 一個或多個附加閾值相比較。可以為每個閾值計算所述電流或電壓超出特定閾值之外的持 續時間。按照本發明的更進一步方面，在等離子體生成裝置中檢測電弧的裝置包含電源接 口模塊，可通信地與所述等離子體生成裝置的電源的電壓和電流耦合；電弧檢測單元，含有 接收指示所述電壓的信號的通道、和接收指示所述電流的信號的通道；以及所述電弧檢測 單元中的閾值比較電路，安排成將所述電壓信號與電壓閾值相比較，以及將所述電流信號 與電流閾值相比較。所述裝置可以進一步包含邏輯電路，用於確定電弧事件是否是根據所述閾值比較 電路的輸出發生的。所述邏輯電路還可以安排成與供應給所述等離子體生成裝置的功率有 關的參數。所述邏輯電路還可以將所述功率相關參數與至少一個閾值相比較，以確定所述 等離子體生成裝置中弧光放電的嚴重性。本發明的各個方面可以提高實時確定發生弧光放電的時間，以便可以採取糾正行 動的能力。這樣就可以提高圓片產量並減少缺陷。在一些例子中，主要查看電壓和電流的裝置將計數電弧以及造成的電壓下降 (即，由對電弧作出響應的供電減少引起)，這將得出不準確的計數。因此，本發明的進一步 方面可以提供更準確地計數和分類電弧的方法和裝置。也就是說，通過計數違反電流閾值 的電弧，即使在存在功率減小事件的情況下，也可以用電弧計數和時間統計量更準確地表 示電弧。依照進一步方面，描述了在用於將金屬或其它材料沉積在圓片上的物理氣相沉積 室中檢測圓片級弧光放電的發生的方法。所述方法可以包括，例如，監測施加於物理氣相沉 積室的電源電壓和電源電流、和/或其它信號，獨立地對每個感測波形作指示發生圓片級 弧光放電的波形異常方面的分析，以及將所述波形異常分類成包括指示這樣異常的發生次 數和/或所述異常的累計持續時間的變量的新類別。在檢測到所述波形異常並且這樣分類它之後，所述方法可以包括提供是否發生了 圓片級弧光放電的指示。這可以，例如，通過將適當數據寫入計算機可讀媒體中和/或通過 提供用戶可辨別輸出，譬如，通過顯示消息和/或使適當燈管(例如，LED (發光二極體))接 通來實現。按照更進一步方面，可以提供包括如下步驟的方法將陰極電弧檢測單元與物理 氣相沉積室耦合，為在所述室中處理的多個圓片的每一個生成圓片級弧光放電分類數據， 以及根據生成的圓片級弧光放電分類數據確定所述室中圓片級弧光放電的嚴重性。所述方法可以進一步包括根據確定步驟提供發生圓片級弧光放電和未發生圓片 級弧光放電之一的指示。另外，所述方法可以進一步包括對傳感波形作圓片級弧光放電異 常方面的分析，分類數據，以及當分類數據非零時，指示發生了圓片級弧光放電。按照更進一步方面，提供了在處理圓片的物理氣相沉積室中檢測圓片級弧光放電 的系統。所述系統包含陰極弧光放電檢測單元，可通信地耦合成監測物理氣相沉積室的供 給電壓；以及處理器，與所述陰極弧光放電檢測單元耦合-作為所述單元的一部分或與所述單元通信，配置成為在所述室中處理的每個圓片生成圓片級弧光放電分類數據。所述陰 極弧光放電檢測單元可以進一步可通信地耦合成監測所述物理氣相沉積室的供給電流、室 電壓和室電流。所述系統可以進一步包含第一傳感器，用於監測所述供給電壓；第二傳感器，用 於監測所述室電壓；第三傳感器，用於監測所述供給電流；第四傳感器，用於監測所述室電 流；以及第五傳感器，用於監測靜電吸盤電壓。所述處理器被配置成從從每個相應傳感器中 接收的信號中為每個傳感器生成圓片級電弧分類數據。所述處理器還可以配置成從圓片級弧光放電分類數據中為每個圓片計算指示參 數。所述系統還可以包括由所述處理器經由所述指示參數控制的可視指示器。關於這一點， 所述處理器向所述可視指示器提供發生圓片級弧光放電的指示。一旦研究了如下詳細描述，本公開的這些和其它方面將是顯而易見的。


通過考慮附圖參考如下描述，可以對本公開作更全面理解，並且可以知道本文所 述的各種方面的潛在優點，在附圖中，相同標號表示相同特徵，以及其中圖1是例示按照本發明的電弧檢測裝置的一個示範性實施例的方塊圖；圖2是例示按照本發明的電弧檢測裝置的電源接口模塊(PSIM)部分的一種示範 性實現的方塊圖；圖3是例示按照本發明的電弧檢測裝置的PSIM電壓感測電路部分的一種示範性 實現的電路圖；圖4是例示按照本發明的電弧檢測裝置的PSIM電流感測電路部分的一種示範性 實現的電路圖；圖5是例示按照本發明的電弧檢測裝置的PSIM供電電路部分的一種示範性實現 的電路圖；圖6是例示按照本發明的電弧檢測裝置的電弧檢測單元(ADU)部分的一種示範性 實現的方塊圖；圖7是例示按照本發明的電弧檢測裝置的ADU電壓濾波器部分的一種示範性實現 的電路圖；圖8是例示按照本發明的電弧檢測裝置的ADU可編程閾值比較器部分的一種示範 性實現的電路圖；圖9是例示按照本發明的電弧檢測裝置的ADU電弧檢測邏輯單元(ADLU)部分的 一種示範性實現的方塊圖；圖10是例示按照本發明的電弧檢測裝置的ADLU計數單元部分的一種示範性實現 的方塊圖；圖11是例示按照本發明的時鐘邏輯單元(CLU)時鐘生成的一種示範性實現的時 序圖；圖12是例示按照本發明的電弧檢測裝置的ADLU數位訊號處理接口邏輯裝置部分 的一種示範性實現的邏輯圖；圖13是PVD室配置的截面圖的圖形例示；
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圖14是帶有弧光放電事件的典型PVD電壓信號與時間之間的關係的曲線圖；圖15是本發明的電弧檢測單元中的PVD電壓信號的曲線圖；圖16是進入弧光放電狀況和從弧光放電狀況退出時電弧檢測單元的邏輯電平狀 態過渡圖；圖17是電弧通道信號傳播的方塊圖；圖18是PLC程序主控的方塊圖；圖19是穩定帶監測變量與時間之間的關係的曲線圖；圖20是功率和點火邏輯單元的方塊圖；圖21是點火時間的曲線圖；圖22是電弧分類的方塊圖；圖23是電弧分類的表格；圖M是圓片處理電弧變量時序圖；圖25是圓片處理閾值時序圖；圖沈是對邏輯單元執行的電弧檢測順序的方塊圖；圖27是例示按照本發明的電弧檢測裝置的電弧檢測單元部分的另一種示範性實 現的方塊圖；圖觀示出了典型陰極或靶電弧缺陷圖案；圖四示出了圓片表面上的彗星狀缺陷的特寫圖；圖30示出了典型圓片級電弧缺陷圖案；圖31示出了非陰極電弧造成的圓片膜損害的特寫或放大圖；圖32示出了在圓片的中間遠離非陰極電弧的圓片汙染物；圖33示出了電弧附近的圓片汙染物；圖34是用於處理單個圓片的來自靜電吸盤電源的例示性波形的曲線圖；圖35是發生了圓片級弧光放電的靜電吸盤電源的例示性波形的曲線圖；圖36是示出圖30的曲線圖的一部分的附加細節的曲線圖；圖37是示出用於發生了圓片級弧光放電的單個圓片的來自陰極(DC)電源的例示 性波形的曲線圖；圖38是示出可以在檢測、分類、和測量圓片級弧光放電時執行的例示性步驟的流 程圖；圖39是示出結合PLC的穩定/非穩定模式和動態穩定帶的例示性波形的曲線圖；圖40是示出沒有ADU地可以在檢測、分類、和測量圓片級弧光放電時執行的另一 個實施例的例示性步驟的流程圖；以及圖41是檢測、分類、和測量圓片級弧光放電的例示性裝置的功能方塊圖。
具體實施例方式雖然本發明可以有許多不同形式的實施例，但顯示在附圖中以及本文詳細描述的 是本發明的一些方面的例示性實施例，並且應該明白，本公開被認為是對本發明原理的示 範，而無意使本發明的廣泛方面局限於例示的實施例。本發明被認為可應用於多種不同類型的等離子體生成應用，並且已經發現特別可
12用於薄膜沉積應用，後者在等離子體環境形成期間從對所檢測電弧作出響應的技術中獲 益。本文所述的示範性實施例牽涉到PVD濺射技術；但是，本發明可以結合多種系統來實 現，包括像等離子體蝕刻或等離子體增強化學氣相沉積系統(PECVD)那樣使用等離子體生 成技術的那些。雖然弧光放電事件可能永遠無法完全避免，但獲取有關濺射過程期間發生的電弧 的嚴重性的某些詳細數據提供了可以作出過程補償決定的有用信息。例如，通過實時檢測 小幅度的單電弧，人們可以懷疑在受影響集成電路小片上可能存在由弧光放電引起的小缺 陷。相反，根據大量電弧或非常嚴重電弧的實時檢測，人們可以懷疑存在許多缺陷，也許甚 至得出整個處理步驟都有缺陷的結果。按照本發明一些方面的實時電弧檢測可以允許實時 地或近實時地作出製造決定。例如，在由於大量或嚴重弧光放電的檢測，懷疑處理步驟有缺 陷的情況下，可以在可能發生進一步損害之前終止PVD處理步驟。在PVD處理步驟結束時， 無論正常完成還是按上述那樣終止，都可以在開始進一步的處理步驟之前作出修理還是放 棄圓片的決定。如果通過嚴重弧光放電的實時檢測認為初始處理步驟是有缺陷的，並且制 造圓片的當前階段的處理成本較低，那麼放棄圓片可能是划算的。如果在對於受影響的步 驟來說處理圓片的成本較高的以後處理步驟中發生弧光放電，那麼化學蝕刻或物理拋光圓 片以便除去有缺陷沉積層並重新處理圓片可能是划算的。另外，以前沒有或很少觀察到弧 光放電活動的單獨PVD系統要逐個圓片地檢測弧光放電活動可能是可以在所安排裝備未 工作期間通過安排適當裝備維護加以糾正的早期裝備故障狀況越來越嚴重的徵兆。關鍵是 要及時認識到由弧光放電引起缺陷的概率增大了。對於特定PVD系統，推動進程的電源試圖調節輸送給真空室的功率。包括陽極、陰 極和陽極與陰極之間的室環境的室元件的阻抗與等離子體生成供電電路的阻抗串聯。保持 等離子體中的功率恆定的電壓與電流之間的關係取決於包括隨著濺射過程而改變的特定 靶材料本身的電容的室元件的阻抗。當在濺射室中出現電弧時，濺射室的阻抗幅度迅速下降，從而改變等離子體生成 供電電路的阻抗。供電和配電電路包含限制電路中電流可以變化的速率的重要串聯電感。 因此，由於這個電感部件，室阻抗的迅速下降使室電壓的幅度迅速降低。這種室電壓幅度 的崩潰常常足以破壞弧光放電條件，並且可以在對濺射室、電源或靶造成嚴重損害之前重 新建立輝光放電。通常，弧光放電事件比電源能夠作出反應的電子線路調節更迅速地發生 (或消失)，因此，即使電子線路開始糾正行動，也可能對圓片造成一些損害。如前所述，被 塗的物品遭受像圓片上的塗層不均勻那樣的某些形式缺陷的概率隨每個弧光放電事件而 增大。因為當發生弧光放電事件時室電壓迅速下降，所以可以將低於預定或自適應電壓閾 電平的無法預料電壓降用於定義弧光放電狀況的發生。按照一種示範性實現，描繪弧光放電事件的存在的電壓閾值取決於額定施加 (即，非弧光放電)、也許隨時間變化的室電壓。為產生輝光放電而施加的非弧光放電室電 壓取決於包括靶狀況和成分(影響電路阻抗)的許多因素。當所有其它電路阻抗保持恆定 時，使用導電性相對較差的靶材料產生輝光放電可能需要較高的室電壓，相反，使用導電性 相對較好的靶材料產生輝光放電可能需要較低的室電壓。例如，在一種濺射室實現中，均勻 沉積鋁材料所需的室電壓幾乎是均勻沉積銅材料所需的室電壓的兩倍。取決於包括電源和 其它室元件的電路阻抗的平衡，均勻沉積鋁材料所需的室電壓也可以隨濺射室而變。而且，隨著靶老化以及濺射更多材料，必須修改(或增大)保持均勻沉積速率所需的功率。隨著 所需施加電壓發生變化，可以推斷決定弧光放電狀況的相關閾電壓也應該發生變化。按照一般性例示的實施例，等離子體生成裝置包括可通信地與供電電路耦合的電 弧檢測裝置。該供電電路具有封閉在真空室中的陰極，並且該供電電路適用於生成功率相 關參數(例如，電壓信號)。該電弧檢測裝置適用於通過將功率相關參數與至少一個閾值相 比較，評估真空室中弧光放電的嚴重性。決定弧光放電嚴重性的參數是過程相關的，非限制 性地包括電弧數量、電弧速率、電弧強度、電弧持續時間、和/或電弧能量。按照一種實現，用於濺射過程的電弧檢測裝置監測濺射室電壓，並且每當室電壓 幅度低於預置電弧電壓閾值時，檢測弧光放電狀況。功率相關參數(例如，電壓)閾值可以是在功率相關參數值的範圍內的變量。任 何閾值都可以是可編程的，並且可以通過邏輯裝置來控制，例如，通過遠程邏輯裝置來電控 制。在一種示範性實現中，響應額定室電壓幅度的估計值地計算界定電弧發生的電壓閾值， 該額定室電壓幅度是在非弧光放電狀況期間產生輝光放電(即，生成等離子體)所必需的 室電壓。在一種示範性實現中，任何閾值都可能是滯後的，或被編程成具有不同於「超越」值 的「復位」值的滯後。該電弧檢測裝置可以進一步適用於響應至少一個閾值計算弧光放電狀況(事 件)。從中可以確定所檢測弧光放電狀況發生的速率。該電弧檢測裝置可以進一步適用於響應功率相關參數與至少一個閾值的比較來 測量弧光放電持續時間。例如，在一種實現中，該電弧檢測裝置包括時鐘和數字計數裝置。 該時鐘提供具有固定周期的時鐘信號，以及該數字計數裝置適用於響應功率相關參數與至 少一個閾值的比較來計數時鐘信號周期。弧光放電狀況的持續時間可以通過比較功率相關 參數和至少一個閾值來評估。按照一種示範性實現，在固定時段內累計弧光放電狀況的持 續時間。按照另一種示範性實現，累計弧光放電狀況的持續時間直到達到持續時間閾值，或 直到累計持續時間復位。該電弧檢測裝置可以進一步適用於響應功率相關參數與至少一個閾值的比較來 測量弧光放電強度。在一種示範性實現中，該電弧檢測裝置適用於將功率相關參數與安排 在不同值上的多個閾值相比較，從而查明在弧光放電事件期間功率相關參數的變化程度或 範圍(相對應額定值)。在一個示範性實施例中，與最大觀察電壓幅度降低相對應的閾值提 供能量估計的下限，而次最大電壓降閾值(對系統的觀察不會超過它)提供能量估計的上 限。該電弧檢測裝置可以進一步適用於響應功率相關參數與至少一個閾值的比較來 測量弧光放電持續時間和強度。在一種示範性實現中，該電弧檢測裝置進一步適用於響應 功率相關參數與至少一個閾值的比較來測量弧光放電能量，該弧光放電能量與弧光放電持 續時間和弧光放電強度的乘積成正比，以及弧光放電嚴重性的評估是弧光放電能量(即， 弧光放電強度和弧光放電持續時間的乘積)的函數。按照一種特定實現，使用多個閾值來 確定多個持續時間，以便估計(即，近似或積分)由弧光放電引起的電壓降低期間由功率相 關參數(例如，室電壓)界定的區域隨時間變化的曲線圖。將每個弧光放電事件與界定區 域成正比的弧光放電能量用於評估弧光放電的嚴重性。按照進一步的實現，該電弧檢測裝 置進一步適用於，例如，通過求和弧光放電強度和弧光放電持續時間的乘積累計多個弧光放電事件的弧光放電能量，以便評估弧光放電的嚴重性。該電弧檢測裝置可以包括功率相關參數限帶濾波器，作為在數位化功率相關參數 之前防止混疊的手段。將通常理解的數位訊號處理技術應用於這種數位化功率相關參數， 以減弱或加強功率相關參數的某些頻率響應特性。然後，可以直接將這種數位化信號處理 參數與至少一個閾值的類似數位化形式相比較。按上述那樣的數位化信號處理參數可以用於響應PVD處理過程中一個或多個功 率相關參數的某些觀察特性，計算至少一個時變閾值。在如上所述評估弧光放電的嚴重性中，可以將多個功率相關參數與多個閾值相比 較。例如，除了室電壓之外，可以監測電源電流，並將其用在檢測弧光放電事件中，每當電流 幅度超過預置電流閾值時，就確定發生了弧光放電事件。邏輯裝置可以可通信地與該電弧檢測裝置耦合，並且適用於處理該電弧檢測裝置 收集的弧光放電數據。在一種實現中，該邏輯裝置適用於與該電弧檢測裝置交接，該邏輯裝 置含有數據網絡和像過程控制器、監視器和邏輯裝置那樣的附加外部設備。在一種特定應 用中，該邏輯裝置是可編程邏輯控制器(PLC)。等離子體生成室中的電弧嚴重性可以通過計時電弧持續時間來評估，該電弧持續 時間通過將功率相關參數與至少一個電弧強度閾值相比較，並且將電弧持續時間相加成累 計弧光放電持續時間來導出。該方法的進一步示範性實現包括在非弧光放電等離子體生成 期間測量功率相關參數，以及響應功率相關參數的測量自動調整電弧強度閾值；計數電弧 發生；以及/或評估作為電弧強度、電弧持續時間和/或它們的乘積的函數的嚴重性。等離子體生成室中的弧光放電嚴重性另外或可替代地可以通過確定電弧強度來 評估，該電弧強度可以通過如下步驟導出將功率相關參數與至少一個電弧強度閾值相比 較，響應功率相關參數與至少一個電弧強度閾值的比較計數電弧持續時間，計算作為電弧 強度和電弧持續時間的函數的電弧能量，然後將電弧能量相加成累計電弧能量。該方法的 進一步示範性實現包括在非弧光放電等離子體生成期間測量功率相關參數，以及響應功率 相關參數的測量自動調整至少一個電弧強度閾值；響應功率相關參數與至少一個電弧強度 閾值的比較計數電弧發生；以及/或應用滯後電弧強度閾值；以及/或根據命令經由共享 數據路徑將代表弧光放電的信息發送給邏輯裝置，該信息是從包括電弧發生次數和累計弧 光放電持續時間的一組信息中選擇出來的一個。在一種特定實現中，功率相關參數是等離 子體生成室電壓的函數；在另一種實現中，功率相關參數形成等離子體生成室工作特性的 數字表示。在描述如下特定示範性實施例時，本文將引用相同標號表示相同特徵的附圖。圖1例示了本發明的電弧檢測裝置100的一個示範性實施例。電弧檢測裝置100 用在，例如，集成電路製造和希望均勻沉積材料的其它過程中的壓力氣相沉積(PVD)處理 步驟中。PVD濺射系統包括包含像氬氣那樣的低壓氣體15的沉積(真空)室10。由金屬 形成的靶20被放在真空室10中，並且作為陰極經由獨立電源接口模塊(PSIM) 40與電源30 電連接。按照一種示範性實現，電源30和沉積室10使用同軸互連電纜35來耦合。將基板 (圓片)25作為陽極經由接地連線與電源30耦合。真空室通常也與接地電位耦合。按照另 一種示範性實現，直接將陽極與電源30耦合。包括旋轉磁體27是為了控制等離子體的方 向以便保持均勻靶磨損。PSIM 40包括緩衝電壓衰減器44，它適用於感測室電壓，並且響應室電壓，經由電壓信號路徑42將模擬信號提供給電弧檢測單元(ADU) 50。PSIM 40還包括 基於霍爾效應的電流傳感器46，它適用於感測流過室的電流，並且響應該室電流，經由電流 信號路徑48將模擬信號提供給ADU。在另一種示範性實現中，ADU 50經由局部數據接口 70可通信地耦合到邏輯裝置 60，例如，可編程邏輯控制器(PLC)或通信頂帽(tophat)。邏輯裝置60可以耦合到數據網 絡80，例如，像乙太網上的EG Modbus-Plus TCP-IP那樣的高級過程控制網絡。邏輯裝置 60 一般可以稱為處理器。如本文所使用的術語「處理器」指的是非限制性地像中央處理單 元和/或PLC那樣，配置成處理信息的任何類型電路。術語「處理器」還包括像整臺計算機 或其它計算設備的較大設備。處理器可以硬連線成執行所希望功能和/或能夠執行存儲在 計算機可讀媒體中的計算機可執行指令(例如，軟體)。如本文所使用的術語「計算機可讀 媒體」指的是能夠存儲計算設備或其它處理器可讀的信息的任何一種或多種媒體。計算機 可讀媒體的例子非限制性地包括一個或多個存儲器、硬碟驅動器、磁碟、光碟、和/或磁帶， 可選地包括從這樣的相應媒體中讀取和寫入這樣的相應媒體中的硬體設備。電源將真空室中的氣體電離在靶(陰極)與陽極之間形成電場。電離氣體原子 (即，等離子體)受到電場的電位加速，高速撞擊在靶上，使靶材料的分子與靶物理分離，或 「濺射」。射出的分子幾乎不受阻礙地通過低壓氣體和等離子體，撞擊在基板上，並且在基板 上形成靶材料的塗層。使鋁濺射出來的典型靶電壓是近似450伏直流電(VDC)的穩態幅度。圖2例示了 PSIM 40的一個示範性實施例。PSIM 40導出代表室電壓和電流的信 號。同軸電纜35將電源與真空室電耦合。電纜35含有額定值在接地(地)電位上的外部 導體210、和相對於外部導體負偏置的中心導體215。電纜35中的電流使用霍爾效應傳感 器220或其它電流傳感器件來測量。傳感器220被安排成有選擇地測量指示流到真空室的 總電流、流入中心導體215中的電流。電纜35的中心導體215穿過霍爾效應傳感器220中 的孔隙225。為了使中心導體215暴露出來，在傳感器220附近截去外部導體210，並且經 由與外部導體210耦合的分流器230圍繞孔隙225地引導外部導體電流。霍爾效應傳感器 220的這種安排簡化了 PSIM的封裝，同時在電纜35與傳感器220的輸出信號之間提供了高 水平的電流隔離。本發明不局限於使用霍爾效應傳感器。可以設想出響應從真空室10流 到電源30的電流導出信號的其它手段，非限制性包括包括具有適當電壓隔離的分流器的 裝置、和基於某些壓阻電流傳感器的手段。傳感器220具有攜帶電流信號I-的第一輸出端222和攜帶電流信號1+的第二輸 出端224。第一和第二傳感器輸出端與Isense電路裝置240電耦合，第一傳感器輸出端222 與Isense電路第一輸入端242耦合，以及第二傳感器輸出端2M與Isense電路第二輸入 端244耦合。Isense電路裝置240還具有攜帶信號IPSIM-的第一輸出端M6、和攜帶信號 IPSIM+的第二輸出端M8。Isense電路接收電流信號1+和1_，並且響應從真空室流到電 源的電流，生成信號IPSIM+與IPSIM-之間的差分電壓。Vsense電路250測量中心導體215與外部導體210之間的電位差，並且響應該電 位差生成差分信號。Vsense電路包括與內部導體21 5耦合和攜帶電壓信號V-的第一輸 入端252。Vsense電路250還包括與外部導體210耦合和攜帶電壓信號V+的第二輸入端 254。Vsense電路具有攜帶輸出電壓信號VPSIM-的第一輸出端256、和攜帶輸出電壓信號 VPSIM+的第二輸出端258。
在一種示範性實現中，將電源30與真空室10連接的同軸電纜35終結在標準商用 UHF(超高頻)型連接器上。按照本發明的一個方面，PSIM 40的機械封裝是這樣安排和配 置的即，可以解除電纜35 —端的終結，穿過PSIM40的孔隙225，然後重新終結來完成電源 30與真空室10之間的電路。在一種可替代實現中，PSIM 40包括UHF型連接器，以便可以 將PSIM 40插入電源30與真空室10之間的電纜35的電路中。圖3例示了 Vsense電路250響應PVD系統的陰極與陽極之間的瞬時電壓差提供 差分輸出電壓信號的一種示範性實現。例示在圖3中的示範性Vsense電路保證了出現在 其輸入端上的電壓信號與出現在其輸出端上的電壓信號之間的極高阻抗。從供電電纜35 的外部導體210中導出正輸入電壓信號2M(V+)，而從供電電纜35的內部導體215中導出 負電壓信號252 (V-)。按照例示的示範性實現，電阻網絡R3和R4相對於基準面GNDANAL0G向每個相應 輸入電壓信號提供500 1的衰減比例。電阻網絡R3和R4的每一個在網絡感測端(引 腳1)與基準面(引腳幻之間具有近似20兆歐的額定阻值。電阻網絡R3和R4可以使用 例如像Ohmcraft P/N CN-470那樣的厚膜高壓分配器網絡實現。252 (V+)與254(V_)之間 1000伏的施加電壓使25微安的電流流入R4的引腳1中並從R3的引腳1流出。這些電壓 衰減器(即，電阻網絡)每一個的引腳3都與基準面GNDANAL0G耦合。由於每個電壓衰減 器提供了 500 1的衰減，在每個電阻網絡的引腳2之間(S卩，在R4的引腳2上的衰減信 號VPSA+與R3的引腳2上的衰減信號VPSA-之間)測量的差分電壓按500 1衰減，這種 測量與V+與GNDANAL0G之間，或V-與GNDANAL0G之間的電壓差無關。PVD濺射室10具有應用在一種示範性實現中使等離子體達到穩定的射頻(RF)能 量。Vsense電路250的電容器C2，C3和C5顯著衰減(即，過濾)這種高頻「噪聲」。按照 一種示範性實現，C2和C3的組合在大約22 kHz (千赫茲)上具有有效極點。如上所述，出現在VPSA-與VPSA+之間的差分電壓是額定DC衰減比例為500 1 的出現在V-與V+之間的信號的限帶表示。VPSA-與VPSA+之間的等效DC戴維南 (Thevenin)源阻抗較高(在80千歐的數量級)，因此不適合長距離傳輸或進入低阻抗負載 中。因此，將差分儀器運算放大器U2，例如，LT1920儀器運算放大器併入Vsense電路中，用 作低阻抗電壓跟隨器。運算放大器U2提供不顯著裝載衰減器R3和R4的輸出的高阻抗輸 入端(引腳2和3)。電阻網絡R3的引腳2與U2的反相輸入端(引腳2)耦合，而電阻網絡 R4的引腳2與U2的非反相輸入端(引腳3)耦合。電阻器RG2設置U2的電壓增益，在一個 示範性實施例中被選擇成產生1 V/V的增益。U2的所得輸出(引腳6)是緊跟在VPSA-與 VPSA+之間形成的電壓的相對於GNDANAL0G的單端低阻抗電壓源。U2的輸出端(引腳6)與BNC型連接器J2的中心端耦合，並且攜帶VPSIM+信號 258。BNC型連接器J2的外部連接器攜帶VPSIM-信號256，並且與基準面GNDANAL0G耦合。 信號VPSIM+與VPSIM-之間的所得差分電壓相對於差分輸入信號V+和V-是限帶的，並且 具有2 mV/V的額定DC響應。在一個實施例中，霍爾效應型DC電流傳感器220當與處在信號M4(I+)與信號 242(1-)之間的適當負載阻抗耦合時，響應流入內部供電導體215中的電流而生成電流。在 一個特定實施例中，當使用LEM公司製造的LA25-P型號霍爾效應型DC電流傳感器時，DC電 流傳感器220形成的電流信號以1000 1的比率近似地與經過孔隙220的總電流成正比。因此，經過孔隙220的1安培信號在DC電流傳感器的設計極限內，生成流過處在244 (1+)與 242(1-)之間的阻抗的1毫安恆定電流。圖4例示了 DC電流感測裝置的一種示範性實現， 即響應示範性LA25-P霍爾效應型DC電流傳感器形成的電流生成電壓的Isense電路M0。 在本例中，信號I-與PSIM 40的基準面GNDANAL0G耦合。包含與包含電阻器R7和電容器 ClO的低通濾波器並聯的100歐姆電阻器R6的阻抗耦合在1+與I-之間。當忽略低通濾 波器的相對較高阻抗時，電流1+流過電阻器R6，並且通過I-返回到電流傳感器220。包含 電流傳感器220和電阻器R6的電路的最終結果是R6兩端的電壓以等於100毫伏/安(mV/ Α)的比例常數與流過孔隙222的電流成正比。包含電阻器R7和電容器ClO的低通濾波器 具有23 kHz的額定3 dB(分貝)截止頻率，它用於從電流信號中除去任何雜散噪聲，包括 有時包括進來使輝光放電達到穩定的上述RF成分。圖4中的低通濾波器輸出VIL是電流 傳感器220在R6兩端形成的電壓的限帶表示。像LT1920那樣的儀器放大器U3用作通過 將VIL與U3的非反相輸入端(引腳3)耦合響應信號VIL的低阻抗電壓跟隨器，U3的反相 輸入端(弓丨腳2)通過電阻器R5與GNDANAL0G耦合。電阻器RGl在本例中用於將儀器放大 器U3的增益設置成1V/V。U3的輸出端(引腳6)攜帶IPSIM+信號，並且與BNC型連接器 J3的中心導體耦合。BNC型連接器J3的外部導體與GNDANAL0G耦合，並且將IPSIM-信號 指定給它。因此，在IPSIM+與IPSIM-之間形成的電壓是響應流入孔隙220中的電流、限帶 於近似23kHz的截止頻率、和具有近似100mV/A的比例常數的信號。圖5例示了偏置儀器運算放大器U2和U3所需的PSIM供電電路500 (未顯示在圖 2中)的一種示範性實現。雙電源模塊U1，例如，FDC10-MD15型號的ASTR0DYNE，生成用於 偏置PSIM放大器U2、U3、和電流傳感器CSl的額定+15VDC和-15VDC。模塊Ul通過連接 器J1，即引腳1和3從外部額定MVDC電源中引出它的偏置電力，引腳1比引腳3更往正向 偏置。連接器Jl的引腳3與電源模塊Ul的-Vin端耦合。連接器Jl的引腳1通過肖特基 (Schottky)勢壘二極體D2與電源模塊Ul的+Vin端耦合，以防止萬一供給連接器Jl的電 力的極性意外反向而對模塊Ul造成傷害。電源模塊Ul具有三個輸出端+Vo，-Vo和Com。在端子+Vo上提供+15VDC信號， 而在端子-Vo上提供-15VDC信號。端子Vcom與基準面GNDANAL0G耦合。如有需要，在應 用中也將連接器Jl的引腳2與作為公共電位的GNDANAL0G耦合。電阻器Rl和R2以及發 光二極體Dl串聯地耦合在+15VDC偏置電壓與-15VDC偏置電壓之間，以提供PSIM供電電 路500正在工作的指示。弧光放電可以通過跨過閾電壓的室電壓幅度的崩潰預示。一旦發生電弧，室(靶) 電壓幅度就迅速下降(即，更接近接地電位)，而室電流由於串聯電感，從穩態(即，非弧光 放電)狀況開始更緩慢地增大。編程閾電壓是確定弧光放電狀態的預定室電壓，且它可以 是常數值，或額定、預計、可能隨時間變化室電壓的時變函數。將非弧光放電狀態確定成出 現在室電壓高於閾電壓的時候。按照一種可替代示範性實現，從包括非弧光放電狀態的時 段中確定閾電壓，並且將弧光放電狀態定義成出現在室電壓低於閾電壓的時候。可以使用 多個閾電壓來確定電弧的幅度(即，電壓降或「嚴重性」)。例如，可以認為跨過-200V閾值 但未跨過-100V閾值的電弧沒有跨過兩個閾值的電弧那麼嚴重。ADU 50包括數位訊號處理器，以處理從PSIM接收的信號，以便將室電壓和電流信 號各自的數字濾波表示(例如，數位訊號)提供給邏輯裝置。按照一種示範性實現，ADU包括模擬-數字轉換器(A/D)。ADU進一步適用於設置至少一個可編程電弧閾電壓。在進一步的實現中，ADU還適 用於設置至少一個滯後閾電壓。按照一個方面，可以在沿著連續譜的任何點上設置相應閾 值；這可以通過對比較電路裝置設置控制的電位計來影響。按照另一種示範性實現，經由數 字-模擬連接器，或經由通過將特定電路部件切換到比較電路裝置，例如，通過選擇電阻網 絡的配置取得的多個分立閾電平數字設置相應閾值。為了識別滯後閾值，ADU提供了檢測 自身緩慢顯現出來的電弧的可編程滯後功能。可以在ADU中直接設置或編程電弧(電壓) 閾值和滯後功能兩者，或者可選地，可以通過可通信地與ADU耦合的遠程設備，例如，經由 Ethernet,Modbus Plus,Devicenet或其它數據網絡地通過標準Momentum通信頂帽設置閾 值。在一種示範性實現中，ADU經由高速專用串行接口緊密地與像Momentum Ml-E那樣的 可編程邏輯控制器(PLC)耦合，並且PLC可以編程成按照實時自適應算法實時地不斷適應 電弧電壓閾值和滯後功能。圖6例示了基於數位訊號處理器和控制器(DSPC)630的電弧檢測單元(ADU)的 一個示範性實施例，數位訊號處理器和控制器(DSPC) 630包括像可從Texas Instruments, Inc. ,of Dallas,Tex.公司獲得的TMS320F2407型號那樣的數位訊號處理器(DSP)集成電 路、和用於形成控制外部設備和與外部設備通信的信號的附加商用集成電路器件。這樣器 件的一個例子是常用於將DSP的地址空間劃分成幾個範圍並選擇多個外部集成電路器件 之一將數據傳送給DSP和從DSP傳送數據的地址解碼器。使用集成電路形成這些信號依照 數位訊號處理器訪問外部設備時的定時要求，本領域設計和實現基於微處理器和微控制器 的系統的技術人員十分明白這一點。例示的DSP包括可以通過積分型10-位模擬-數字轉換器635取樣和數位化的 十六個模擬輸入通道。隨後要討論的像信號ICH 616和VCH 614那樣出現在這些模擬輸 入信道上的信號可以由DSP以用戶可編程速率取樣和數位化。在一種示範性實現中，這個 速率可編程到IOkHz每信道。在另一種示範性實現中，在DSP內執行的軟體程序保證了多 個數字有限脈衝響應濾波器之一的選擇並應用於取樣數據信號。DSPC 630還將控制信號 提供給可編程閾值比較功能620，以便設置可編程閾值比較器的閾值和滯後值。另外，DSPC 630提供來往高速電弧檢測邏輯單元(ADLU)640的控制和數據路徑，高速電弧檢測邏輯單 元(ADLU) 640與可編程閾值比較器620 —起工作，以便累計像電弧數量和總電弧時間那樣 的電弧統計量。DSPC 630經由局部數據接口 70，例如，專用ATII接口與像聯網通信頂帽或 可編程邏輯控制器(PLC)那樣的外部邏輯裝置60通信。可以從ADU供應給外部邏輯裝置 60的信息的例子是如電弧檢測邏輯單元640確定的濾波室電壓和電流、單獨弧光放電事件 的數量和指示電弧嚴重性的其它值。ADU可以從外部邏輯裝置接受的數據的例子是瞬時電 弧閾電壓和滯後、以及控制電弧檢測邏輯單元的邏輯控制信號。電弧檢測單元50的基本感測過程輸入是來自PSIM 40的Vsense電路(VPSIM+和 VPSIM-)和Isense電路(IPSIM+和IPSIM-)的差分輸出信號。再次參照圖6，這些信號驅 動模擬信號調節器610。模擬信號調節器610將相應差分模擬信號轉換成ADU的其餘部分 可用的單端信號。信號調節器610還為相應輸入模擬信號提供限帶濾波器，以便DSPC 630 可以沒有常稱為「混疊」的現象地應用數位訊號取樣和處理算法。模擬信號調節器610包 括三個輸出端，輸出端612提供信號VCH'，輸出端614提供信號VCH，以及輸出端616提供信號ICH。信號VCH'是源自PSIM的信號的單端形式，並且從信號VPSIM+和VPSIM-中導 出，並且饋入可編程閾值比較器620中。信號VCH是PSIM 40的Vsense電路250形成的差 分信號VPSIM+和VPSIM-的限帶單端形式。信號ICH是PSIM 40的Isense電路240形成 的差分信號IPSIM+和IPSIM-的限帶單端形式。信號ICH和VCH輸入到DSPC 630的模擬 到數字轉換器635中。隨後將更詳細地討論數位訊號處理器和控制器630對這些模擬信號 進行的處理。圖7例示了將像AD8M型號模擬器件那樣的商用四重運算放大器集成電路用於 U27:A-D的信號調節器610的電壓濾波部分700的一種示範性實現。放大器U27A以及電 阻器R108、R107、Rl 15和Rl 16形成將VPSIMl+與VPSIMl-之間的差分電壓轉換成放大器 U27A的輸出端(引腳1)上相對於基準面GNDANAL0G的單端電壓的差分放大器。放大器 U27A的輸出是圖6中標為VCH'的信號612。VCH'耦合到包含放大器U27B，U27C和U27D 以及其餘無源電阻器的內部網絡，它們形成在近似2500 Hz上具有3dB交疊的六極巴特沃 斯(Butterworth)濾波器。在圖6中標為614 (VCH)的這個濾波器的輸出是提供給DSPC 630 的模擬到數字轉換器635的信號。假設模擬到數字轉換器635的取樣速率為10kHz，則顯示 在圖7中的6極巴特沃斯濾波器優於-80分貝地以超過5kHz的奈奎斯特(Nyquist)速率 衰減信號，因此使混疊信號對取樣電壓信號的影響最小。從PSIM信號IPSIM+和IPSIM-中生成信號ICH的信號調節器610的電流濾波器 部分在布局上與電壓濾波器相同，但在示範性實施例中未使用相當於VCH'的電流信號。電 流濾波器的輸出ICH類似地被在近似2500Hz上具有3dB交疊的同一巴特沃斯濾波器限帶。再次參照圖6，功能可編程閾值比較器620將響應來自PSIM的室電壓信號之間的 差值的幅度的信號VCH'與DSPC 630設置和控制的可編程電壓值相比較。可編程閾值比較 器620的輸出622是信號\ARC。可編程閾值比較器620每當感測差分室電壓幅度超過編程 閾值時，將\ARC設定成邏輯「1」值，而每當感測差分室電壓幅度小於編程閾值時，將\ARC 設定成邏輯「0」值。可編程滯後以隨後所述的方式應用於編程閾值，使施加於可編程閾值 比較器620的嘈雜VCH'信號的影響最小。在下文中，將信號\ARC(即，「非ARC」)處在邏 輯「0」狀態下(室電壓低於預定閾值)的狀況稱為ARCING狀況，而將信號仏此處在邏輯 「1」狀態下(室電壓高於預定閾值)的狀況稱為N0N_ARCING狀況。圖8例示了可編程閾值比較器620的一種示範性實現。可編程閾值比較器620包 括像LM3 19M那樣的商用模擬比較器集成電路U12 :A。GNDANAL0G是模擬基準面；DGND是 DSPC 630和其它器件的邏輯信號使用的數字基準面，以及集成電路偏置電壓是+5V。功能 上，模擬比較器U12 =A具有輸出端(引腳12)、反相輸入端1ΙΝ-(引腳5)、和非反相輸入端 IIN+(引腳4)。U12:A的輸出端(引腳12)生成圖6中標為\ARC的信號622。名義上，每 當非反相輸入端上的信號處在比反相輸入端上的信號高的電壓上時，將出現在輸出端上的 邏輯信號表示成邏輯「1」。相反，每當非反相輸入端上的信號處在比反相輸入端上的信號 低的電壓上時，將出現在輸出端上的邏輯信號表示成邏輯「0」。每當輸入端上的兩個相應 信號相同時，出現在輸出端上的信號是未定的。在本應用的一個實施例中，器件U12 :A被安 排成具有開放集電極輸出。電阻器R27是上拉電阻器，與用於供電給DSP、ADLU和其它電路 的+3. 3V偏置電源耦合。電阻器R25的額定值是200千歐，並且向模擬比較器U12 =A提供 最低程度的滯後，以便當U12 :A遇到緩變輸入信號時，實現沒有振蕩的平穩邏輯狀態過渡。
20電阻器R28、R29和R26與連接到R26的精確3. 00伏基準電壓源一起提供如下形式的可縮 放瞬時室電壓信號VCH'的仿射變換Vcs = 0. 6Vch+1. 0 (方程 1)其中，VCS是出現在圖8中的模擬比較器U12 :A非反相輸入端，S卩引腳4上的那個 信號。因此，按照方程1，VCH上的OV信號在模擬比較器U12 :A的引腳4上表現為IV信號， 而VCH'上的2. 5V信號在模擬比較器U12:A的引腳4上表現為2. 5V信號。這種仿射變換用 於使模擬比較器U12 =A的輸入保持在模擬比較器製造者要求的範圍內，以便在0到-1250V 之間的室工作電壓範圍上保證線性地工作。在一個特定實施例中，內部模擬到數字轉換器 的3. OOV基準由National Semiconductor公司製造的REF 193型號商用帶隙穩壓器提供。將可編程閾電壓信號VTH提供給模擬比較器U12 =A的反相輸入端(引腳5)，以便 設置ADU在N0N_ARCING與ARCING狀態之間過渡的室電壓。以隨後所述的方式生成的可編 程滯後值允許VTH的值是模態的。可以編程用戶指定值來設置系統從N0N_ARCING狀態過 渡到ARCING狀態的室電壓幅度VTHNA、和設置在系統從ARCING狀態過渡到N0N_ARCING狀 態的電壓上的第二電壓幅度值VTHAN。器件U12是用於設置VTH的兩個值的雙14-位數字 模擬轉換器(DAC)，例如，Analog Devices, Inc.公司製造的AD5322型號。它有兩個標為 VOA和VOB的輸出端，其電壓值由可集成到DSP中的使用標準串行外圍接口(SPI)特徵的 DSP 設置。標為 SPISIMO、SPICLK, \DAC1_SELECT 和 \LDAC 的信號是 DSPC 630 用於為兩個 DAC通道的每一個編程範圍在0到4095之間的數字值的信號。將上述的精確3. 00伏基準 施加在U13上，其結果是每個DAC輸出端生成與編程數字值與最大值4095的比值成正比、 在0-3伏範圍內的獨立模擬輸出。將從U13的DAC B的值中生成的輸出VOB (引腳6)耦合 到運算放大器U14 =A的非反相輸入端，並且標為V0B。正如隨後顯示的那樣，信號VOB決定 比較器U12 =A從N0N_ARCING狀態過渡到ARCING狀態的電壓閾值VTHNA。將U13的DAC A 的輸出端(引腳5)生成的信號VOA耦合到模擬開關U15 :D的輸入端，並且也正如隨後顯示 的那樣，它與信號VOB —起用於設置比較器U12 =A從ARCING狀態過渡到N0N_ARCING狀態 的電壓閾值VTHNA。按照一種示範性實現，U15 :D是四路模擬開關，例如，Intersil公司等 製造的DG201HS型號的一部分。這個模擬開關的輸出出現在U15 =D的引腳15上，並且在圖 8標為VSW。在運算放大器U14 =A的輸出引腳1上生成狀態過渡閾電壓VTH。假設運算放大器 U14 =A是理想的，容易證明輸出信號VTH與信號VOB和信號VSW存在如下關係Vth = 2V0B-VSff (方程 2)信號VSW的瞬時值取決於U15:D的開關控制輸入端(引腳16)的邏輯狀態。當模 擬開關U15:D的開關控制輸入端(引腳16)上的信號處在邏輯「0」狀態下時，VSW隨DAC U13生成的信號VOA而變，並且被連接到U15 =D的輸入端引腳14。當模擬開關U15 =D的開 關控制輸入端(引腳16)上的控制信號處在邏輯「1」狀態下時，模擬開關U15 =D的電路驅 動輸出端，即引腳15被設置在極高阻抗狀態下，VSW因電阻器R30的低阻值和運算放大器 U14的極小輸入偏置電流而緊隨信號VOB而變。傳送給U15 :D的開關控制輸入端的信號由邏輯OR(或)門U16 :A提供。OR門U16 A的輸入信號是來自DSPC 630的允許滯後控制輸出(\HYSEN)和來自模擬比較器U12 =A的 輸出端(引腳12)的輸出的信號。信號\HYSEN的邏輯狀態在DSP軟體控制下生成，並在正常工作時保持在邏輯「0」狀態下。只有在某些製造系統校準和測試過程中才將信號\HYSEN 設置成邏輯「1」狀態，以便將滯後生成信號VOA與WSW隔離。如前所述，VSW和因此VTH的值因模擬開關U15 :D的狀態取決於模擬比較器U12 =A 的輸出端(引腳12)上的數位訊號\ARC的狀態而是模態的。現在導出兩者都由DAC 13生 成的信號VOA和VOB與比較器閾值VTHNA和VTHAN之間的關係。首先假設模擬比較器U12 A的輸出信號最初處在高邏輯電平狀態下。按N0N_ARCING狀態的定義，這要求U12 :A的引 腳4上的電平移位室電壓信號VCS處在比U12 :A的引腳5上的當前閾電壓VTH高的電平 上。在所述情形下，模擬開關U15 =D的輸出端存在高阻抗，並且，如前所述，由於R30的低阻 值和運算放大器U14 =A的小輸入偏置電流而迫使VSW呈現VOB值。在這種狀況下，運算放 大器U14 =A的輸出端上的信號隨VOB而變，並且從方程2中可以看出，VTH也呈現VOB值。 因此，電壓信號VOB按照如下方程直接設置比較器U12 :A從N0N_ARCING狀態過渡到ARCING 狀態的可縮放電平移位電壓VTHNA Vthna = Vob (方程 3)一旦可縮放移位室電壓幅度VCS下降到按照方程3生成的閾電壓VTH的編程Ν0Ν_ ARCING到ARCING狀態過渡值VTHNA以下，比較器U12 =A的輸出端上的信號就從邏輯「 1 」狀 態(N0N_ARCING)過渡到邏輯「0」狀態(ARCING)。假設\HYSEN控制信號處在邏輯「0」狀態 下(啟用可編程滯後功能)，則模擬開關U15 =D閉合，並且如上所述，模擬開關U15 =D的輸 出VSW隨U13的DAC A設定的模擬開關U15 =D的輸入VOA而變。從方程2中可以看出，對 於設置成VTHNA的V0B，所得閾值VTH變成Vth = 2Vthna-Voa(方程 4)如果滯後的編程值(縮放成反映PSIM和電平位移網絡的增益)是VHYSS，那麼，按 照如下方程設置VOA Voa = Vthna-Vhyss(方程 5)以及代入方程4中得出Vthan = VTHNA+VHYSS (方程 6)按照方程5設置VOA使得當ADU處在ARCING狀態下時，將固定滯後電壓值VHYSS 加入N0N_ARCING到ARCING狀態過渡電壓VTHNA中，形成ARCING到N0N_ARCING過渡電壓 值VTAN。總之，在這個實施例中，DACB輸出信號VOB用於直接設置可編程比較器按照方程 1從N0N_ARCING狀態過渡到ARCING狀態的室電壓，而方程5指示確定DAC A將滯後值加入 VTHNA中的值的算法，以便生成從N0N_ARCING到ARCING狀態的相關，但可能較高過渡電壓 VTHAN0按照一種實現，可以經由局部數據接口 70將可編程比較器620從N0N_ARCING狀 態過渡到ARCING狀態的所希望室電壓閾值以及要加入這個室電壓閾值中定義可編程比較 器620從ARCING狀態過渡到N0N_ARCING狀態的室電壓值的所希望電壓傳送給來自邏輯裝 置60的DSPC 630,DSPC 630可以計算要發送給DAC U13的糾正數字值，以便通過使用整體 存儲在DSP存儲器中的適當縮放和偏移常數的仿射變換生成適當信號VOA和V0B。在一個 示範性實施例中，為了提供高度精確閾值，通過校準例程為各個模塊計算所述縮放和偏移 常數值，以便考慮在電子部件中遇到的相對於額定值的正態偏差(例如，電阻公差值)。將 這些校準常數值存儲在集成到DSPC 630中的串行EEPR0M(電可擦除可編程只讀存儲器)中。按照一種示範性實現，DSP 630的模擬數字轉換器的取樣速率具有每通道10kHz， 或每100 μ S (微秒)過濾室電壓以及電流信號VCH和ICH的一個完整樣本的數量級。在 這個速率下，持續時間為Iys或更短的隨機發生微弧具有小於的被DSP檢測到的概 率，並且，如上所述，1 μ S數量級的微弧在集成電路製造過程中既常見又可以造成傷害。為 了可靠地檢測持續時間為1 μ s或更短數量級的微弧，ADU 50包括高速電弧檢測邏輯單元 (ADLU) 640，它可以與可編程閾值比較器620合作並且可以受DSPC 630控制和監測，生成 有關PVD過程中的弧光放電的統計數據。參照圖6，DSPC 630將控制信號和系統時鐘信號 SYSCLK 650提供給ADLU 640，並且以如後所述的方式從ADLU 640中讀取數據和將數據寫 入ADLU 640中。ADLU 640包括第一高速計數器，它適用於計數如通過可編程閾值比較器 620的編程電壓閾值和真空室10的陽極與陰極之間的電壓確定的\ARC信號從N0N_ARCING 邏輯狀態過渡到ARCING邏輯狀態的次數。如前所述，電弧的持續時間與電壓下降和電流增 大的幅度一起，是其嚴重性的一種指示。於是，ADLU 640還包括計時器，它適用於測量可編 程閾值比較器自以如後所述的方式設置的最後一次計時器復位以來在ARCING狀態下度過 的持續時間。按照一種示範性實現，該計時器是將時鐘信號周期列表的計數器。按照一種特 定示範性實現，固定時鐘以30MHz (兆赫)的頻率工作。計數器累計與生產周期內真空室處 在弧光放電狀況下的總時間(自最後一次復位以來)成正比的(計數)值。保留在ARCING 狀態期間出現的系統時鐘周期的數量的運行計數提供了有關濺射過程在弧光放電狀況下 度過的總時間的一種量度。按照一個特定例子，ADLU包括具有地址和數據總線形式的與DSPC 630的交接機 構，接受來自DSPC 630的控制信號，以便DSPC 630可以從器件中讀取數據和將數據寫入器 件中。該ADLU包括允許DSPC 630控制像計數器的復位、啟用和禁用那樣的某些ADLU功能 的寄存器，並且還包括允許DSPC630從ADLU中讀取狀態信息的附加寄存器和控制邏輯單兀。圖9例示了利用眾所周知現場可編程邏輯陣列(FPLA)設計工具編程、使用通用 FPLA的本發明的ADLU 640的一種示範性實現。圖9中顯示在ADLU 640外部的信號代表出 現在FPLA的物理引腳上的信號，這些信號或者在FPLA製造期間預先指定給FPLA的特定引 腳，或者通過DSP在加電時使用在製造時預先定義的集成FPLA程序接口 910下載到FPLA的 PFLA 「程序」來定義。ADLU 640包含通過內部數據總線結構950與DSP接口邏輯裝置960 耦合的計數單元(⑶)920、計數器控制寄存器(CCR)930、和計數器狀態緩衝器(CSB)940。信 號仏此622是如前所述由可編程閾值比較器620生成的到ADLU的邏輯輸入。系統時鐘信 號SYSCLK 650是DSPC 630提供的30MHz邏輯方波信號，為ADLU提供時基。圖10例示了本發明的⑶920的一種示範性實現。⑶920包含16-位異步二進 制計數器(ACC) 1010、32_位異步二進位計數器(ACC) 1020、三個16-位鎖存器(ACC鎖存器 1030、ATC高位鎖存器1040、和ATC低位鎖存器1050)、和三個16-位三態緩衝器(ACC三態 緩衝器1060、ATC高位三態緩衝器1070、和ATC低位三態緩衝器1080)。從計數器控制寄存 器930提供三個數位訊號，S卩，計數器復位(CRST)、啟用(ENB)和快照(SNP)，以便分別控制 ACC和ATC計數器的操作。當被CCR 930設定時，CRST信號使ACC和ATC計數器兩者復位 成零，並且在設定的同時使計數器保持復位狀況。當CCR 930釋放CRST信號時，這些計數器被分別啟用，並且根據它們各自時鐘(CLK)信號輸入的每次從高到低過渡遞增。每個計 數器具有倘若特定計數器因計數超過其最大容量和返回到零而「翻轉」，則可以設定(和鎖 存)的各自溢出位(OVF)。OVF信號保持在高電平上，直到通過CRST信號的設定而被清除。 ACC計數器1010由ACCLK信號驅動，信號ACCLK源自D觸發器1090的輸出端1092。ATC計 數器1020由信號ATCLK驅動，而信號ATCLK又源自NAND (與非)門1094的輸出端。圖11是例示ADLU 640的各種信號之間的關係的時序圖。參照圖10和11，DSPC 系統時鐘信號SYSCLK 650被反相器1096反相，變成\SYSCLK1120。信號\SYSCLK驅動D觸 發器1090的時鐘輸入端1091。根據來自DSP的SYSCLK信號的每次從高到低過渡，出現在 D輸入端1093上的值被鎖存到D觸發器中，並且在短傳播延遲之後出現在觸發器1090的Q 輸出端1092上。出現在D觸發器的D輸入端1093上的信號由AND (與)門1098驅動。到AND門 1098的輸入信號是計數器控制寄存器930提供的ENB信號1130、和來自反相器1097的 \ARC信號622的反相信號(\\ARC 1150)，\ARC信號622由可編程比較器620提供。當ENB 信號1130處在低邏輯電平(FALSE)狀態下，或\ARC信號處在高電平狀態下(指示檢測到 N0N_ARCING室狀況)時，D輸入端1093上的信號處在低邏輯電平狀態下。相反，當ENB信 號處在高邏輯電平狀態下(從而允許計數)，和\ARC信號處在低邏輯電平狀態下(指示檢 測到ARCING室狀況)時，D輸入端1093上的信號處在高邏輯電平狀態下。因此，假設允 許計數(ENB信號1130處在高邏輯電平狀態下)，當檢測到真空室處在N0N_ARCING狀況下 時，ACCLK信號1160將根據SYSCLK的隨後從高到低過渡處在低邏輯電平狀態下。當檢測到 ARCING狀況時，例如，如圖11中的1180所指(並且假設仍然允許計數)，則將\ARC信號設 定成低電平。根據SYSCLK信號的下一次從高到低過渡(如圖11中的1182所指)，ACCLI^f 號將從低邏輯電平狀態過渡到高邏輯電平狀態，並且在SYSCLK信號的隨後整個周期內保 持在高邏輯電平狀態下，直到不再檢測到ARCING狀況(以及如圖11中的1184所指，\ARC 信號返回到高邏輯電平狀態)。ACC計數器1010在每當將CRST信號設定成低電平時其CLK輸入端上的信號的每 次從低到高過渡時遞增。從而，ACC計數器1010在將ENB信號設定成高電平(允許計數) 的同時，有效地計數從N0N_ARCING狀況到ARCING狀況的室過渡的次數。在該示範性實施 例中，ACC計數器1010可以使用頻率在30MHz數量級的SYSCLK信號分辨短至33nS(納秒) 的由可編程比較器620(生成\ARC信號)檢測的微弧。更高的解析度可能通過提高時鐘頻 率來達到。ATC計數器1020用於估計真空室處在如可編程比較器620確定的ARCING狀況下 的總時間。ATC計數器1020在每當將CRST信號設定成低電平時其CLK輸入端上的信號的 每次從低到高過渡時遞增。ATC計數器1020的CLK輸入端由具有ACCLK和SYSCLK信號輸 入的AND門1094提供的ATCLK信號1170驅動。每當允許計數(ENB信號1130是高電平) 和檢測到ARCING室狀況(\ARC信號1140是低電平)，例如，在圖11中的1186上時，ATCLK 信號1170開始跟蹤SYSCLK信號1110。此後，ATC計數器1020計數在可編程閾值比較器處 在指示PVD室中的電弧的ARCING狀態下的同時維持的ATCLK信號1170的時鐘周期。當使 用30 MHz系統時鐘時，可以分辨短至33 nS增量內的每種ARCING狀況的持續時間。ACC鎖存快照寄存器1030、ATC高位鎖存快照寄存器1040和ATC低位鎖存快照寄
24存器1050允許根據瞬時命令，分別捕獲ACC計數器1010的值、ATC計數器1020的高位字、 和ATC計數器1020的低位字值。這使DSPC 630可以在允許ACC和ATC計數器按照上述的 它們各自邏輯連續工作的同時，在特定時刻讀取計數器的狀態，保存那些值為DSPC 630的 隨後檢索用。這三個16-位寄存器的每一個被安排和配置成根據計數器控制寄存器930像 將要討論的那樣在DSPC 603的控制下提供的SNP信號的從低到高過渡捕獲相應瞬時計數 器值。每個快照寄存器的輸出信號分別由ACC三態緩衝器1060、ATC高位三態緩衝器1070 和ATC低位三態緩衝器1080三態緩存到內部數據總線950中。DSP接口邏輯裝置960將 RACC 1086上的啟用信號設定到ACC三態緩衝器1060中，以便在內部總線950上提供ACC 鎖存快照寄存器1030的捕獲值；將RATH 1087上的啟用信號設定到ATC高位三態緩衝器 1070中，以便在內部總線950上提供ATC高位鎖存快照寄存器1040的捕獲值；以及將RATL 1088上的啟用信號設定到ATC低位三態緩衝器1080中，以便在內部總線950上提供ATC低 位鎖存快照寄存器1050的捕獲值。再次參照圖9，CCR鎖存寄存器930生成SNP、CRST和ENB信號。DSP接口邏輯裝 置960提供合適地址解碼和定時信號，在內部數據總線950上設定SNP、CRST和ENB信號的 命令值和生成WCCR信號，以便當DSPC 630命令這樣做時，將這些值鎖存到CCR中。計數器 狀態緩衝器(CSB) 940是這樣安排和配置的三態緩衝器，當DSP接口邏輯裝置960通過RCSB 信號的設定發出命令時，將CRST、ENB, ACCLK、COVF和TOVF信號的當前值設定到內部數據 總線950上。DSP接口邏輯裝置960隨後將這些信號設定到DSPC數據總線上，以便供DSPC 630使用。再次參照圖9，具有數據線DBO到DB15形式的外部供應信號按照由SDP630為了有 助於與像ADLU 640那樣的外部器件的通信而設定的信號\STRB，W/R和地址線AD0-AD15的 行為，提供與DSPC 630的雙向數據通信。這些數據線有效地在內部直接與ADLU 640的內 部數據總線950相關聯。當試圖與像ADLU 640那樣的外圍器件通信時，DSP 630將\STRB 信號設定成低電平。當試圖從器件中讀取時，DSPC 630還將W/R信號設定成低電平，而當試 圖寫入器件中時，DSPC 630將W/R信號設定成高電平。這些都是DSPC 630為了與任何器 件通信而設定的通用信號。尤其讓DSPC 630將\ADLU_CS信號設定成低電平，以便從ADLU 640中讀取數據或將數據寫入ADLU 640中。讓DSP接口邏輯裝置960包括在ADLU 640中， 以便按照控制信號\STRB，W/R的作用和地址信號ADO和ADl的解碼，在DSPC 630發出命令 時生成定時和控制信號WCCR、RCSB, RACC, RATL和RATH。信號WCCR用於將DSPC 630設定 在內部數據總線950上的ENB、CRST和SNP的值鎖定到CCR 930中。信號RCSB使CSB 940 中的值設定在內部數據總線上，以便隨後由DSPC 630讀取。信號RACC、RATL和RATH像上 述那樣分別啟用ACC三態緩衝器1060、ATC高位三態緩衝器1070和ATC低位三態緩衝器 1080，以便將鎖存器 ACC LATCH 1030,ATC LOW LATCH 1050 和 ATC HIGHLATCH 1040 中的值 設定在內部數據總線950上，以便隨後由DSPC 630讀取。圖12例示了生成顯示在圖9中的信號WCCR、RCSB, RACC, RATL和RATH、本發明的 ADLU 640的DSP接口邏輯裝置960的一種示範性實現。在DSP接口邏輯裝置960的內部， 控制邏輯單元(CLU) 1210經由反相器1220將DSPC 630設定的\STRB信號反相，形成內部 信號\\STRB。當DSPC 630試圖與任何外部器件通信時，信號\\STRB是高邏輯電平。根據 輸入信號WSTRB和當試圖寫到外部器件中時由DSPC 630設定成高電平的信號W/R，在AND門1230的輸出端上提供W/R信號。W/R信號經由反相器1240反相形成信號\W/R，當DSP接 口邏輯裝置960試圖從任何外部器件中讀取時，信號」/! 被設定成高邏輯電平。因此，每 當DSPC 630從外部器件中讀取時，在AND門1250的輸出端上根據輸入信號\\STRB和\W/ R提供RD信號。為ADLU 640生成控制信號的地址解碼的功能由地址解碼器，例如，如圖12所示的 2到4 二進位地址解碼器1260提供。如上所述，當從ADLU 640中讀取或寫入ADLU 640中 時，DSPC 630在ADLU 640的\ADLU_CS端上設定0邏輯電平。當\ADLU_CS信號被設置成 高邏輯電平狀態時，解碼器1260的輸出端上的所有四個信號Q0，. . .，Q3被設置成低邏輯 電平狀態。當DSPC630將\ADLU_CS信號設定在低邏輯電平狀態下時，解碼器1260隻將輸 出端上的信號之一設置成高邏輯電平狀態，設置成高邏輯電平的特定輸出從DSPC630設定 的AO和Al位的當前值和依照表1確定，其中表1中的「0」是低邏輯電平，「1」是高邏輯電 平，和「X」是無關狀態表權利要求
1.一種在等離子體處理室中檢測圓片級電弧的方法，所述方法包含 監測供應給所述等離子體處理室的信號的波形；檢測所述波形中的特徵；響應所述特徵檢測，確定所述波形在所述特徵之後是否達到穩定； 響應所述波形穩定，確定所述特徵是雙向波形異常的一部分還是單向波形過渡；以及 將所述特徵是雙向波形異常的一部分的指示或所述特徵是單向波形過渡的指示記錄 到計算機可讀媒體中。
2.如權利要求1所述的方法，其中確定所述波形是否達到穩定的步驟包含將所述波 形與定義上界和下界的穩定帶相比較。
3.如權利要求2所述的方法，進一步包含根據所述波形隨時間調整所述穩定帶。
4.如權利要求1所述的方法，其中確定所述特徵是雙向波形異常的一部分還是單向波 形過渡的步驟包含將所述波形達到穩定之後的波形與在所述特徵之前就存在的穩定帶相 比較。
5.如權利要求4所述的方法，其中確定所述特徵是雙向波形異常的一部分還是單向波 形過渡的步驟包含響應所述波形達到穩定之後的波形處在所述特徵之前就存在的穩定帶 之內，確定所述特徵是雙向波形異常的一部分。
6.如權利要求4所述的方法，其中確定所述特徵是雙向波形異常的一部分還是單向波 形過渡的步驟包含響應所述波形達到穩定之後的波形處在所述特徵之前就存在的穩定帶 之外，確定所述特徵是單向波形過渡。
7.如權利要求1所述的方法，測量第一時間與第二時間之間的時間差，其中所述第一 時間取決於出現所述特徵的時間，而所述第二時間取決於所述波形達到穩定的時間。
8.如權利要求1所述的方法，進一步包含接收代表至少一個檢測電弧的電弧計數的數據和代表所述至少一個檢測電弧的長度 的電弧時間；其中所述指示或者代表所述電弧計數和所述電弧時間是雙向波形異常的一部分，或者 代表所述電弧計數和所述電弧時間與單向波形過渡相關聯。
9.如權利要求1所述的方法，進一步包含在所述計算機可讀媒體上記錄出現所述特 徵的時標。
10.一種在等離子體處理室中檢測圓片級電弧的裝置，所述裝置包含輸入接口，配置成接收代表供應給所述等離子體處理室的信號的波形的數據；以及 處理器，配置成 檢測所述波形中的特徵；響應所述特徵檢測，確定所述波形在所述特徵之後是否達到穩定； 響應所述波形穩定，確定所述特徵是雙向波形異常的一部分還是單向波形過渡；以及 生成所述特徵是雙向波形異常的一部分的指示或所述特徵是單向波形過渡的指示。
11.如權利要求10所述的裝置，其中所述處理器進一步配置成通過將所述波形與定 義上界和下界的穩定帶相比較確定所述波形是否達到穩定。
12.如權利要求11所述的裝置，其中所述處理器進一步配置成根據所述波形隨時間 調整所述穩定帶。
13.如權利要求10所述的裝置，其中所述處理器進一步配置成通過將所述波形達到 穩定之後的波形與在所述特徵之前就存在的穩定帶相比較，確定所述特徵是雙向波形異常 的一部分還是單向波形過渡。
14.如權利要求13所述的裝置，其中所述處理器進一步配置成通過響應所述波形達 到穩定之後的波形處在所述特徵之前就存在的穩定帶之內確定所述特徵是雙向波形異常 的一部分，來確定所述特徵是雙向波形異常的一部分還是單向波形過渡。
15.如權利要求13所述的裝置，其中所述處理器進一步配置成通過響應所述波形達 到穩定之後的波形處在所述特徵之前就存在的穩定帶之外確定所述特徵是單向波形過渡， 來確定所述特徵是雙向波形異常的一部分還是單向波形過渡。
16.如權利要求10所述的裝置，其中所述處理器進一步配置成測量第一時間與第二 時間之間的時間差，其中所述第一時間取決於出現所述特徵的時間，而所述第二時間取決 於所述波形達到穩定的時間。
17.如權利要求10所述的裝置，其中所述輸入接口進一步配置成接收代表至少一個 檢測電弧的電弧計數的數據和代表所述至少一個檢測電弧的長度的電弧時間，和其中所述 指示或者代表所述電弧計數和所述電弧時間是雙向波形異常的一部分，或者代表所述電弧 計數和所述電弧時間與單向波形過渡相關聯。
18.如權利要求10所述的裝置，其中所述處理器進一步配置成在所述計算機可讀媒體 上記錄出現所述特徵的時標。
19.一種在等離子體處理室中檢測圓片級電弧的裝置，所述裝置包含監測供應給所述等離子體處理室的信號的波形的部件；檢測所述波形中的特徵的部件；響應所述特徵檢測確定所述波形在所述特徵之後是否達到穩定的部件；以及響應所述波形穩定確定所述特徵是雙向波形異常的一部分還是單向波形過渡的部件。
20.一種在等離子體處理室中檢測圓片級電弧的裝置，所述裝置包含傳感器，配置成感測施加於所述等離子體處理室的電壓或電流，所述第一傳感器基於 感測電壓或電流生成波形；以及處理器，配置成根據所述波形，確定在等離子體處理室中是否發生了圓片級電弧，並且 生成所述圓片級電弧發生的指示。
21.如權利要求20所述的裝置，其中所述傳感器配置成感測所述等離子體處理室的靜 電吸盤的電位。
22.如權利要求20所述的裝置，其中所述處理器配置成通過檢測所述波形中的過渡， 等待所述波形達到穩定，以及根據所述波形達到穩定之後的所述波形的 值確定是否發生了 圓片級電弧，來確定是否發生了圓片級電弧。
全文摘要
本發明涉及在等離子體處理室中檢測圓片級電弧的方法和裝置。所述方法包括，例如，監測供應給所述等離子體處理室的信號的波形；檢測所述波形中的特徵；響應所述特徵檢測，確定所述波形在所述特徵之後是否達到穩定；響應所述波形穩定，確定所述特徵是雙向波形異常的一部分還是單向波形過渡；以及將所述特徵是雙向波形異常的一部分的指示或所述特徵是單向波形過渡的指示記錄到計算機可讀媒體。
文檔編號H01J37/32GK102124539SQ200980131931
公開日2011年7月13日 申請日期2009年6月16日 優先權日2008年6月17日
發明者艾倫.F.克勞斯 申請人:施耐德電氣美國股份有限公司