CN101970166A - 等离子体无约束传感器及其方法 - Google Patents

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Abstract

提供一种在等离子体反应器内用于检测等离子体无约束事件的装置。该装置包括传感器，其是在该等离子体反应器内实现的电容式传感器。该传感器是在等离子体约束区域外实现的并被配置为当该传感器暴露于与该等离子体无约束事件有关的等离子体时产生瞬态电流。该传感器具有至少一个电绝缘外层，该电绝缘外层定向为朝向与该等离子体无约束事件有关的该等离子体。该装置还包括检测电路，其电气连接于该传感器以将该瞬态电流转换为瞬态电压信号并处理该瞬态电压信号以确定该等离子体无约束事件是否存在。

Description

等离子体无约束传感器及其方法
背景技术
长久以来，等离子体处理系统已被用于处理衬底(比如半导体晶圆)以制造集成电路。等离子体可以是用许多方法产生的，比如电子回旋共振等离子体(ECR)、电感耦合等离子体(ICP)或电容耦合等离子体(CCP)。在许多领域中，将等离子体约束于处理室的特定区域中，比如正被处理的衬底的正上方的区域中，会带来某些好处。
为了便于讨论，图1显示了低压等离子体反应器100的一个实例，其中在处理过程中等离子体是约束的。考虑这种情况，例如，其中衬底124被放在电极110上，电极110安装于底座120，底座120连接到室102。电极110通过底座120的内部连接于远程电力供应114，比如射频(RF)电力发生器。当室102内的压强(可以用泵(未示)使其降低)达到理想水平时，处理气体150(其可以是多种化工品的混合物)可以通过进口104被引入室102。为了处理衬底124，电极110可以电容方式将电力从电力供应114耦合到处理气体150以形成等离子体106。通常，等离子体106通过一组约束环108被容纳在室102的期望区域内。在衬底处理过程中，来自等离子体106的气体(其可能包括来自处理气体150的化学成分、由等离子体106内的反应形成的化学成分和来自衬底124的处理的化工品副产物的混合物)在通过出口126从室102除去之前可流动穿过约束环108和非等离子体室内容积128。这个路线被描绘为路径136，并通常使得室102的内部暴露于高活性的气体，甚至在等离子体106被容纳时。
然而，在衬底124的处理过程中，等离子体106有可能意外地或不受控制地从室102内的期望区域中迁出。换句话说，无约束等离子体138可能在室102中约束环108以外的区域中形成。无约束等离子体138的形成是不好的，因为无约束等离子体138有可能改变处理等离子体106的品质，以可能导致下述至少一项发生的方式：显著降低衬底124上的性能，损坏室102和损坏底座120。例如，衬底124可能由于蚀刻或沉积速率的变化而被损坏或者因为被无约束等离子体138产生的微粒缺陷或元素污染物污染而被损坏。处理室102和/或底座120可能由于暴露于无约束等离子体138而被室内材料物理损坏，例如，通过腐蚀或侵蚀。另外，处理室102的各组件可能经受电气损坏，因为无约束等离子体138可能改变等离子体电力通过该室回到地的路径。在一个实例中，来自电力供应114的等离子体电力会通过不被设计来传送等离子体电力的那些室内元件回到地。
从上面可以看出，等离子体无约束事件可由许多不同因素引起。例如，如果等离子体变得不稳定的话，等离子体会变得无约束。在另一个实例中，如果在该处理室内发生电弧时，等离子体无约束事件可能发生。在又一个实例中，如果各处理参数，比如等离子体电力、等离子体成分、气体供应流、工作压强等波动时，等离子体会变得无约束。
而且，等离子体无约束事件的发生可能是零星的并且通常是不可预知的。不可预知的一个理由是无约束等离子体可能有不同形式。另外，由于无约束等离子体所展现的多变而不可预知的形式，等离子体无约束事件对衬底处理的具体影响通常不能预期。例如，无约束等离子体可能有低密度或高密度。在另一个实例中，该无约束等离子体占据的空间可以大或小。在又一个实例中，无约束等离子体可能是稳定的等离子体或者可以是波动的、零星的等离子体。在处理过程中，无约束等离子体在该反应器内的位置会变化。
已经使用各种方法来检测等离子体无约束事件。一种方法包括利用静电探针，该静电探针通常有多个电极，比如V1电极或Langmuir电极，以检测等离子体无约束事件。在一个实例中，Langmuir型探针(其可以是无保护电极(通常由金属制成))可以暴露于该室内环境。因为该Langmuir型探针通常是电气偏置的从而当该探针暴露于等离子体时，直流电流(DC)会从该等离子体流到该电极。例如，Langmuir型探针122被定位在期望等离子体约束区域之外的等离子体环境内。通过使用电流检波器148，由电力供应118的Langmuir型探针122上的直流电流的变化可以被检测到。而且，可以使用DC电力供应(未示)来偏置该探针。
然而，Langmuir型探针的操作要求(即，该电极是无保护的而且与存在的等离子体DC电接触)限制了Langmuir型探针在检测等离子体无约束事件中的使用。而且，由于等离子体无约束事件的不可预知性，Langmuir型探针必须在衬底被处理的时候持续工作才能有效。然而，连续使用可能使得Langmuir型探针的无保护电极曝光于化学物质的混合物中，该化学物质的混合物通常在等离子体处理过程中存在于反应器室中。化学物质的混合物(其包括为了处理衬底而提供的化工品、在处理等离子体内产生的新的化学物质以及在衬底处理过程中形成的化学副产物)通常包括腐蚀性成分和沉积成分两者，它们会对Langmuir型探针正常运作的能力带来负面影响。在一个实施例中，腐蚀性元件(例如氯、氟和溴等等)会导致电极被侵蚀，从而使得Langmuir型探针无法正常运作，比如不能及时和/或准确地检测等离子体无约束事件。另外，被侵蚀的电极可能成为微粒缺陷和/或金属杂质的来源，其可能间接损坏正被处理的衬底。在另一个实例中，该混合物的沉积成分(例如，无机SiOx基副产物和有机CFx基聚合剂)会导致电绝缘膜在该探针的电极上形成；因此，该膜会妨碍所需的等离子体-电极的DC接触，从而阻止探针准确和/或及时地感测等离子体的存在。从上面可以看出，Langmuir型探针在检测等离子体无约束事件中不是完美的。
已经的另一种方法是鉴别处理过程中衬底的偏置电压的变化以检测等离子体无约束事件。参考图1，当由电力供应114提供的电力与反应器100内的等离子体106相互作用时，会在衬底124上产生偏置电压。通常传感器140可被安装(例如在电极110中)以允许在处理过程中直接测量衬底124上的偏置电压，并使用偏置电压检测器144来将该偏置电压与一阈值进行比较。因此，当等离子体106的特征由于无约束等离子体138而改变时，可以使用传感器140来测量该偏置电压并可以使用偏置电压检测器144来检测该偏置电压的变化。
附加地或替代地，偏置电压的变化可以通过测量与衬底偏置电压有关的参数的变化而间接测量。例如，当衬底偏置电压由于无约束等离子体138而变化时，由电力供应114供应到电极110以维持等离子体106的电力也会变化。因此，用RF电力检测器142监视供应到等离子体106的电力可以进行等离子体无约束事件的检测。
然而，通过监视偏置以检测等离子体无约束事件受到检测由等离子体无约束事件引起的偏置电压的变化的困难的限制。当利用更高频率的发生器(比如60MHz)产生等离子体时，检测偏置电压的变化是特别困难的。由更高频率的发生器产生的偏置电压很小并且因为等离子体无约束事件通常在更低的电力水平上，将等离子体无约束事件与DC偏置信号的变化区分开来会是很困难或不可能检测到的。因此，这种技术的使用由于无法可靠地检测等离子体无约束事件而受到限制。
在又一种现有技术方式中，可以使用光学传感器来检测等离子体无约束事件。精通本领域的人会意识到，等离子体通常会放射光。因此，可以使用光学传感器来检测从无约束等离子体放射的光。在一个实例中，参考图1，光学传感器132可以邻近透明窗130安装，并有进入室102内期望监视的区域的视线路径(这里用通道134表示)。因此，当等离子体106变成无约束等离子体138时，来自无约束等离子体138的光会进入通道134并会穿透窗130而被光学传感器132检测到。一旦检测到光，光学传感器132会向光学信号检测器146发送信号。如果该信号高于一预定阈值，光学信号检测器146会提供警报，表示已经检测到无约束等离子体138。
然而，使用光学传感器检测等离子体无约束事件会受限制，因为检测从无约束等离子体138放射的光会是非常困难的，因为无约束等离子体138放射的光比从处理等离子体106放射的光明显更暗。另外，光学传感器132定位在室102外会使得透过透明窗130“看到”该光非常困难，因为活性化工品会使得透明窗不那么透明。换句话说，活性化工品会使得一层膜沉积在透明窗130上，从而显著减少被光学传感器132检测的光的量和/或质量。而且，光学传感器的使用依赖于对处理环境能够视觉访问。然而，在被监视的所有位置放置窗口和/或观察通道不总是可行。
尽管已经实现了各种方法，但是每种方法都没有提供一种可靠而全面的检测等离子体无约束事件的方法。在一个实例中，Langmuir型探针易于被侵蚀，这会在识别等离子体无约束事件时对探针带来负面影响。在另一个实例中，依靠识别偏置电压的变化确定等离子体无约束会依赖于将DC偏置信号的变化与等离子体无约束事件区分开来。当该DC偏置信号是由更高频率的发生器(比如60MHz)产生同时该无约束等离子体发生在较低的电力水平时，区分这两个的能力是非常困难的。在又一个实例中，使用光学传感器来检测从无约束等离子体放射的光受到可观察通道的可得性和/或由于会导致观察通道“不可观察”而不能检测光的限制。
发明内容
在一个实施方式中，本发明涉及一种在等离子体反应器内用于检测等离子体无约束事件的装置。该装置包括传感器，其是在该等离子体反应器内实现的电容式传感器。该传感器是在等离子体约束区域外实现的并被配置为当该传感器暴露于与该等离子体无约束事件有关的等离子体时产生瞬态电流。该传感器具有至少一个电绝缘外层，该电绝缘外层定向为朝向与该等离子体无约束事件有关的该等离子体。该装置还包括检测电路，其电气连接于该传感器以将该瞬态电流转换为瞬态电压信号并处理该瞬态电压信号以确定该等离子体无约束事件是否存在。
上述摘要只涉及此处披露的本发明的许多实施方式之一，而不是为了限制本发明的范围，该范围在权利要求中阐明。下面在本发明的实施方式部分，结合附图，对本发明的这些及其他特征进行更详细的描述。
附图说明
本发明是以附图中各图中的实施例的方式进行描绘的，而不是通过限制的方式，其中类似的参考标号指示类似的元件，其中：
图1显示了一种现有技术等离子体处理室的一个实例，在处理过程中等离子体约束于该处理室中，并描绘了用于检测等离子体无约束事件的电流策略。
图2显示，依照本发明的一个实施方式，在等离子体处理过程中等离子体反应器的简单示意图。
图3A显示了，在本发明的一个实施方式中，电容耦合传感器的一种实现。
图3B显示了，在本发明的一个实施方式中，矩形电容式(capacitive-based)传感器的一个实施例。
图3C显示了，在本发明的一个实施方式中，具有两个电绝缘外层的传感器的剖面的一个实施例。
图4A和4B是等离子体检测电路的各实施方式的示意图。
具体实施方式
现在会参考附图中所示的一些优选实施方式详细地描述本发明。在下面的描述中，阐明了许多具体细节以提供对本发明的彻底理解。然而，显然，对于本领域的技术人员来说，本发明可以不需这些细节中的一些或全部而实现。在其它情况下，没有对熟知的处理步骤和/或结构进行详细描述，以免不必要地模糊本发明。
本文描述了各种实施方式，包括方法和技术。应当记住，本发明还可以涵盖制造品，包括存储有计算机可读指令的计算机可读介质，该计算机可读指令用于执行本发明技术方案的各实施方式。计算机可读介质可包括，例如，半导体、磁的、电磁的、光磁的、光学的或其它形式的计算机可读介质，以存储计算机可读代码。进一步，本发明还可涵盖用于实现本发明的实施方式的装置。这样的装置可包括用以执行与本发明的实施方式有关的任务的专用的或可编程的电路。这样的装置的例子包括恰当编程过的通用计算机和/或专用计算装置，也可包括适于执行与本发明的实施方式有关的计算机/计算装置和专用的/可编程的电路的结合。
依照本发明的实施方式，提供等离子体无约束传感器，比如电容式传感器，以检测等离子体处理系统内的无约束事件。本发明的各实施方式包括对作为等离子体处理环境的特征的侵蚀和沉积不敏感的传感器。本发明的各实施方式还包括将该传感器连接于检测电路，该检测电路被配置为至少确定该等离子体处理系统内的无约束事件。
在一个实施方式中，该传感器可包括由一个或多个电绝缘层保护的导电衬底，在一个实施方式中。当该传感器暴露于无约束事件时，跨越该电绝缘层产生的瞬态电流会流过该传感器到达电路转换器。在一个实施方式中，该电路转换器被配置为将该瞬态电流转化为瞬态电压信号。该瞬态电压信号可以被发送通过低通滤波器电路以改善信噪比特征，从而从该瞬态电压信号中除去高频分量。附加地或替代地，该瞬态电压信号可以被发送通过一组谐振滤波器(比如LC滤波器)，该组谐振滤波器被配置为至少除去额外的频率。一旦该瞬态电压信号被调节后，可以将该信号与一预定阈值相比较以确定等离子体无约束事件的存在。
从上面可以看出，因为该传感器被配置为对在等离子体处理过程中发生的侵蚀或沉积不敏感，所以该传感器能够在等离子体处理过程中连续工作，从而改善非连续的(uncoupled)等离子体事件检测的可能性和及时性。进一步，该检测电路使得该瞬态电流能够被该传感器感测到从而被转化为清晰而强烈的信号，该信号可被用于确定等离子体无约束事件的存在。
参考下面的附图和讨论，可以更好地理解本发明的特征和优点。
图2显示，依照本发明的一个实施方式，在等离子体处理过程中等离子体反应器200的简单示意图。等离子体反应器200可包括电极210(例如，电容式传感器)，该电极210被配置为定位在期望检测等离子体无约束事件的区域内。换句话说，该区域在等离子体约束区域214外。在一个实施例中，电极210可以以使电极210的外表面能暴露于无约束等离子体(比如无约束等离子体212)的方式安装。
由于等离子体的固有特性，暴露于等离子体的表面会出现电荷，这来自和较重的等离子体成分(例如，分子离子)相互作用的较轻的等离子体成分(例如，电子)的速度差异。因此，当电极210暴露于无约束等离子体212时，电极210的外表面会经历一个充电过程。外部电极210表面会带正电或负电，这取决于无约束等离子体212的特定性质。通常，该充电过程是一个瞬态过程，因为该充电过程通常在电极210的外表面具有一定量的电荷之后就不发生了，其中该一定量的电荷与无约束等离子体212处于均衡。
在一个实施方式中，当电极210的外表面的瞬态充电过程发生的同时，会在电极210内感应出具有与该外表面瞬态电荷相反的电荷的瞬态电荷。为了及时识别无约束等离子体的存在，由该瞬态电荷感应的瞬态电流被转换电路222转换为瞬态电压信号。因为该瞬态电压信号可能包括噪声，所以可以使用低通滤波器224除去噪声。在一个实施例中，低通滤波器224可用于除去高频分量(例如，高频噪声)，从而改善瞬态电压信号。为了将该瞬态电压信号转换为调节信号，在一个实施方式中，可以使用一组谐振LC滤波器226来挡掉特定的频率，比如那些通常用来产生等离子体的频率。然后该调节信号被转发到阈值检测器228，阈值检测器228可被配置为将该调节信号与一预定阈值相比较。如果该调节信号高于该预定阈值，阈值检测器228可产生一个警报，指示已经检测到无约束等离子体，从而能够采取适当的动作(例如，可以关闭该等离子体并停止衬底的处理)。
图3A显示了，在一个实施方式中，电容式传感器的一种实现。如同在图2中提到的，电容式传感器302可以物理安装在等离子体反应器的室壁318上。在一个实施方式中，电容式传感器302可包括至少两个元件：电绝缘外层308和导电衬底304。在一个实施方式中，电容式传感器302通过绝缘器316与安装表面电气绝缘。当由于无约束等离子体而产生瞬态电荷时，该瞬态电流可以沿着导电接触(contact)314发送，导电接触314通过电接触306耦合于导电衬底304。该瞬态电荷可以通过电线310发送到检测电路(未示)，电线310通过夹具312固定于导电接触314。
导电衬底304可由各种材料制成。在一个实施方式中，导电衬底304可由导电材料，比如金属(例如，Al、Cu、Ag、Au、Fe基等)或金属的组合/合金制成。在一个实施方式中，导电衬底304还可以由半导体材料，比如例如高掺杂硅，制成。在一个实施方式中，导电衬底304可由导电陶瓷材料(例如碳化硅)或导电陶瓷的组合制成。附加地或者替代地，在一个实施方式中，导电衬底304可以由导电聚合物或非导电聚合物制成。在一个实施例中，该导电聚合物可包括但不限于含导电“填充物”的有机聚合物、有机聚苯胺基聚合物和聚苯胺基聚合物的混合物。在又一实施方式中，导电衬底304可由导电无机聚合物，比如例如导电硅树脂，制成。从上面可以看出，导电衬底304可以是由上述导电材料的一种或全部的结合制成的。
在一个实施方式中，电绝缘外层308可由电绝缘材料，比如一种形式的SiO2(例如，石英或玻璃)、陶瓷(例如Al2O3)、商业聚合物(例如，PTFE、聚酰亚胺、硅树脂等等)、作为等离子体处理的副产品的聚合物(例如，CFx基聚合物)或上面的任意或全部的结合，制成。在一个实施方式中，电绝缘外层308可由与等离子体反应器内通常使用的化工品和等离子体的混合物兼容的电绝缘材料制成。在一个实施例中，阳极化铝是可在等离子体蚀刻反应器(比如图1中描绘的)中找到的通用元件，因为阳极化铝对通常用于衬底处理的化工品相对呈惰性。因此，由与在等离子体处理过程中使用的化工品兼容的电绝缘材料(比如阳极化铝)制成的电绝缘外层308使得该传感器被对等离子体环境不敏感的电绝缘外层(308)保护，并阻止该电绝缘外层成为金属或微粒缺陷的来源。
在另一个实施方式中，电绝缘外层308可以是从导电衬底304生长的。在一个实施例中，代表电绝缘外层308的阳极化铝可以是从铝衬底生长的。在另一个实施例中，电绝缘外层308可以是从在导电衬底304上沉积的膜上生长的。该膜可以是从多种通用沉积技术沉积的，包括化学气相沉积、等离子体增强化学气相沉积、溅射等。在又一个实施例中，电绝缘外层308可以通过多种通用施加技术被施加到导电衬底304上，比如热喷涂、烧结、热粘合等。
电绝缘外层308的厚度可以根据绝缘材料的类型而改变。在一个实施方式中，电绝缘外层308的厚度必须足够厚到将导电衬底304电绝缘，同时仍能够在电容式传感器302暴露于等离子体时产生适当的电容以形成在检测电路能够检测的可测量电压。在一个实施方式中，该膜的厚度范围是从10到100微米。
从上面可以看出，可以被施加到导电衬底304的电绝缘外层的数量可以变化，只要该组电绝缘外层将导电衬底304与传感器(302)的外表面324(其暴露于无约束等离子体)电绝缘。为了描绘，图3C显示了，在本发明的一个实施方式中，具有两个电绝缘外层320和322的电容式传感器302的剖面的一个实施例。在一个实施例中，电绝缘外层322可以作为电容式传感器302的制造的一部分施加到电绝缘外层320上。在此实施例中，电绝缘外层320可以成为“中间胶层”以改善电绝缘外层322到导电衬底304的粘着性。在另一个实施例中，电绝缘外层320可以具有介于电绝缘外层322和导电衬底304之间的热膨胀系数。该热膨胀系数使得电容式传感器302能够更不容易由于热循环效应而开裂或者剥落。
在第三实施例中，电绝缘外层322可代表沉积层，该沉积层是由于暴露于在处理衬底的时候该处理室中存在的活性气体而在电绝缘外层320上形成的。因为电容式传感器302可以像电容器那样运作，所以电容式传感器对在该传感器表面上形成附加层不敏感。相应地，不同于Langmuir型探针，电绝缘外层的形成不会丧失该传感器检测无约束等离子体的能力。
再参考图3，绝缘器316、导体接触314和夹具312的特定组合可以针对特定应用定制，也可以用任意数量的商业馈通(feed-through)器件代替。
而且，电容式传感器302可以用多种不同方式安装到该室。在一个实施方式中，电容式传感器302可以紧邻室壁318安装，如图3A中所示。在另一个实施方式中，电容式传感器302可以与室壁318齐平。在又一个实施方式中，电容式传感器302可以远离室壁318(比如在棒或的末端)安装。
在一个实施方式中，电容式传感器302可以是不同几何形状的。从上面可以看出，电容式传感器302的形状可以基于制造商的偏好，或者可以取决于安装位置。在一个实施方式中，如图3B中所示，电容式传感器302可以是矩形“按钮”，具有大约一英寸的x和y尺寸以及0.05英寸的厚度z。在另一个实施方式中，电容式传感器302可以是环形形状的，比如一个环，以配合该环境中的其他元件，比如圆形底座或圆形室。通常，敏感度和探针与无约束等离子体的接触表面面积(它不会占据整个外部体积)成比例。相应地，更大的探针会提供更大的信号，但是也会采集更多的噪声。而且，非常大的探针可能有扰乱正常等离子体处理的危险，例如通过改变RF电流返回路径。因此，该传感器的形状和尺寸在给定上述标准的情况下取决于制造商的偏好。
如上所述，一旦已经产生了瞬态电流，该瞬态电流可被发送到检测电路以确定无约束等离子体的存在。接下来几幅图(图4A和4B)是到该检测电路的瞬态回路的电流。
图4A显示了，在本发明的一个实施方式中，电容式传感器和检测电路两者的示例性电气模型。方框402显示了电容式传感器的示例性电路模型。该电容式传感器的外表面(暴露于等离子体的那个表面)用板404表示。电容器406和408每个代表在该电容式传感器的导电衬底上存在的电绝缘外层。从上面可以看出，该导电衬底上的额外的层在该电气模型中可被显示为额外的电容(反之亦然)。在一个实施方式中，该导电衬底上的该组电绝缘外层的电容是主导电容。换句话说，由于等离子沉积产品形成的层带来的额外的电容相对于该检测器的外层的电容很大，因为在串联时最小的电容器是主导电容器。通常，该膜的典型电容值可以是每平方厘米表面面积约0.1nF。
方框410、420和430显示了检测电路的示例性电路模型。方框410显示了电流到电压转换器(即，电路转换器)的模型的一个实施例。该电流到电压转换器被配置为转换从由于板404暴露于等离子体所带来的电荷产生的瞬态电流。在一个实施例中，由于暴露于等离子体而跨越电容器406和408产生的瞬态电流可经由电阻器414流到电气地，从而将该瞬态电流转换为瞬态电压信号，该瞬态电压信号可以在点412读取。在一个实施方式中，电阻器414的值在1-100千欧之间。
然后在点412处产生的瞬态电压信号可以被调节以改善信噪比特征。在一个实施方式中，该瞬态电压信号可穿过低通滤波器电路，比如方框420中显示的示例性电路。在一个实施方式中，低通滤波器420可包括但不限于，连接到电容器424的电阻器422，电容器424连接到地426。元件422和424的结合用于从瞬态电压信号中除去高频分量。在一个实施方式中，电阻器422的值为100欧而电容器424的值为约100nF。
在一个实施方式中，该瞬态电压信号的信噪比特征可以通过使该瞬时电压信号通过一组谐振LC滤波器(比如方框430中显示的两个实例)而进一步改善。该第一LC滤波器可包括与电容器434并联的电感器432。类似地，该第二LC滤波器可包括并联于电容器438的电感器436。使用该组谐振LC滤波器，该瞬态电压信号可以通过选择性除去阻挡已知和/或期望频率而改善。例如，如果处理等离子体由工作在不同频率(例如，13.56MHz和28MHz)的两个独立的RF发生器加电，那么从暴露于等离子体的电容式传感器产生的瞬态电压信号可包括这两种频率。因为这些频率的幅度会妨碍瞬态电压信号的检测，所以可以使用该组谐振LC滤波器来挡掉这些频率。在一个实施例中，与电容器434并联的电感器432可以挡掉13.56MHz的分量而与电容器438并联的电感器436可以挡掉28MHz的分量。通常，通常使用的频率的类型(例如，2、27和60MHz)是可被挡掉的频率的类型。然而，该组谐振LC滤波器可以不限于仅仅挡掉前面提到的频率，而是可以挡掉一个频率范围(例如，500kHz到200MHz)。从上面可以看出，可以被挡掉的频率的类型取决于用户的偏好。
一旦该瞬态电压信号被过滤过后，在点440可以产生调节信号。在一个实施方式中，该调节信号(即，从谐振LC滤波器方框430输出的)可以被发送到阈值检测器(未示)。该阈值检测器可将该调节信号与一预定阈值进行比较以确定是否发生了等离子体无约束事件。
该检测电路可以如图4B中所示那样实现。图4B中所示的检测电路类似于图4A的检测电路，区别在于额外的电容器418。在一个实施方式中，电容器418可以在方框410的电流到电压转换器中实现。因为方框402的电容式传感器有时候会经历短路，电容器418可以对该检测电路的下游元件(即，方框420、430、阈值检测器等等)提供一些保护以免被损坏。在一个实施方式中，电容器418具有100nF的值。在一个实施例中，如果该电容式传感器的该组外层被损坏以至于该电容式传感器的电气特性被危害了，方框402中的模型电容器406和408被该电容式传感器(即，板404)和检测电路元件(它们连接于框410中的点412)间的直接电连接所取代，那么该检测电路也会被短路并且被损坏。然而，使用电容器418，该等离子体和该检测元件之间的直接连接可以被阻止，由此防止该检测电路被损坏。另外，即使电容器418由于短路情况而变得暴露于无约束等离子体中，所产生的瞬态电压信号和与非短路的传感器相关联的瞬态电压信号之间的差异是可察觉的。因此，阈值检测器能够区分这两种类型的瞬态电压信号甚至可能能够确定该电容式传感器已被损坏。
从上面可以看出，本发明的一个或多个实施方式提供了用于检测无约束等离子体的等离子体无约束传感器。通过使一组电绝缘外层保护该等离子体无约束传感器的导电衬底，该等离子体无约束传感器被保护而免受等离子体环境的损坏，从而使该等离子体无约束传感器能够在不经历由于对关键传感器元件的侵蚀和/或电绝缘膜在该传感器的导电衬底上的沉积而带来的性能下降的情况下运作。使用能够从电压信号中过滤掉外来噪声的检测电路，该电压信号的质量更高；因此，为阈值检测器提供了清晰的信号，通过该信号可以确定等离子体无约束事件。
尽管本发明是依据几个优选实施方式描述的，然而有落入本发明范围的变更、置换和等同。尽管此处提供了各种实施例，这些实施例意在对本发明进行说明而非限制。
而且，此处提供的名称和发明内容是为了方便，不应当被用于解释此权利要求的范围。而且，摘要是以高度浓缩的形式写成的，在这里提供是为了方便，因此被用于解释或限制整个发明，该发明用权利要求来表述。如果此处使用了术语“组”，这种术语意在具有其通常理解的数学含义，涵盖零、一或一个以上成员。应当注意，有许多实现本发明的方法和装置的替代方式。因此，意图是所附权利要求被解释为包括所有这些变更、置换和等同均落入本发明的真实精神和范围。

Claims (20)

1.一种在等离子体反应器内用于检测等离子体无约束事件的装置，包含：
传感器，所述传感器是在所述等离子体反应器内实现的电容式传感器，所述传感器是在等离子体约束区域外实现的，其中所述传感器被配置为当所述传感器暴露于与所述等离子体无约束事件有关的等离子体时产生瞬态电流，其中所述传感器具有至少一个电绝缘外层，所述电绝缘外层定向为朝向与所述等离子体无约束事件有关的所述等离子体；以及
检测电路，所述检测电路电气连接于所述传感器以将所述瞬态电流转换为瞬态电压信号并处理所述瞬态电压信号以确定所述等离子体无约束事件是否存在。
2.根据权利要求1所述的装置，其中所述检测电路包括电压转换器，所述电压转换器被配置为将所述瞬态电流转换为所述瞬态电压信号。
3.根据权利要求2所述的装置，其中所述检测电路进一步包括低通滤波器，所述低通滤波器被配置为从所述瞬态电压信号中除去高频分量。
4.根据权利要求3所述的装置，其中所述检测电路进一步包括一组谐振滤波器，所述组谐振滤波器被配置为挡掉通常与生成处理等离子体有关的频率以产生调节信号。
5.根据权利要求4所述的装置，其中所述检测电路进一步包括阈值检测器，所述阈值检测器被配置为通过将所述调节信号与一阈值相比较以在所述等离子体无约束事件发生时识别出来。
6.一种用于检测等离子体处理过程中等离子体反应器内的等离子体无约束事件的方法，包含：
当传感器暴露于与所述等离子体无约束事件有关的等离子体时产生瞬态电流，其中所述传感器是在所述等离子体反应器内实现的传感器且所述传感器是在等离子体约束区域外实现的，其中所述传感器具有至少一个电绝缘外层，所述电绝缘外层定向为朝向与所述等离子体无约束事件有关的所述等离子体；
通过检测电路将所述瞬态电流转换为瞬态电压信号，其中所述检测电路电气连接于所述传感器；以及
处理所述瞬态电压信号以确定所述等离子体无约束事件是否存在。
7.根据权利要求6所述的方法，其中所述将所述瞬态电流转换为所述瞬态电压信号是由电压转换器执行的，其中所述电压转换器是所述检测电路的一部分。
8.根据权利要求7所述的方法，其中所述处理所述瞬态电压信号包括通过低通滤波器除去高频分量，其中所述低通滤波器是所述检测电路的一部分。
9.根据权利要求8所述的方法，其中所述处理所述瞬态电压信号包括通过使用一组谐振滤波器将所述瞬态电压信号变换为调节信号，其中所述组谐振滤波器是所述检测电路的一部分并且被配置为挡掉通常与产生处理等离子体有关的频率。
10.根据权利要求9所述的方法，其中处理所述瞬态电压信号包括通过经由阈值检测器将所述调节信号与一阈值相比较而识别所述等离子体无约束事件，其中所述阈值检测器是所述检测电路的一部分。
11.一种在等离子体反应器内用于检测等离子体无约束事件的装置，包含：
传感器，所述传感器是在所述等离子体反应器内实现的电容式传感器，所述传感器是在等离子体约束区域外实现的，所述传感器安装在所述等离子体反应器的室壁上，同时通过绝缘器与所述室壁电绝缘，其中所述传感器被配置为当所述传感器的外表面暴露于与所述等离子体无约束事件有关的等离子体时产生瞬态电流，所述传感器具有至少一个电绝缘层，所述电绝缘层被定向为朝向与所述等离子体无约束事件有关的所述等离子体；以及
检测电路，其中所述检测电路电气连接于所述传感器并被配置为至少包括
被配置为用于将所述瞬态电流转换为瞬态电压信号的电压转换器；
被配置为用于从所述瞬态电压信号除去高频分量的低通滤波器；
被配置为用于挡掉通常与产生处理等离子体有关的频率以产生调节信号的一组谐振滤波器；以及
被配置为用于确定所述等离子体无约束事件是否存在的阈值检测器。
12.根据权利要求11所述的装置，其中所述电压转换器包括电容器，其中所述电容器被配置为阻止所述传感器和下游检测元件之间的直接连接，由此在所述传感器经历短路时保护所述下游检测元件。
13.根据权利要求12所述的装置，其中所述低通滤波器包括耦合于接地电容器的电阻器。
14.根据权利要求13所述的装置，其中所述组谐振滤波器中的至少一个谐振滤波器包括与电容器并联的电感器。
15.根据权利要求14所述的装置，其中所述传感器包括导电衬底，其中所述导电衬底是用金属、金属、半导体材料、导电陶瓷材料和聚合物中的至少一种制成的。
16.根据权利要求15所述的装置，其中所述电绝缘层是用玻璃材料、石英材料、陶瓷材料、聚合物材料和阳极化铝中的至少一种制成的。
17.根据权利要求11所述的装置，其中所述传感器同与所述等离子体反应器的所述室壁齐平。
18.根据权利要求11所述的装置，其中所述传感器安装在棒上，所述棒连接于所述等离子体反应器的所述室壁。
19.根据权利要求11所述的装置，其中所述传感器是矩形形状的。
20.根据权利要求11所述的装置，其中所述传感器有环形形状。
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