CN106256012A

CN106256012A - 一种监测等离子体过程中的放电的方法以及用于监测等离子体中的放电的监测设备

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Publication number: CN106256012A
Application number: CN201580007623.4A
Authority: CN
Inventors: A·吉拉托斯基; A·格拉博夫斯基; P·瓦赫; M·泽莱科斯基
Original assignee: Huettinger Electronic Sp zoo
Current assignee: Trumpf Huettinger Sp zoo
Priority date: 2014-02-07
Filing date: 2015-02-06
Publication date: 2016-12-21
Anticipated expiration: 2035-02-06
Also published as: JP2017510938A; KR20160119788A; US10290477B2; US20160343549A1; WO2015118096A1; CN106256012B; KR102254853B1; EP2905801A1; EP2905801B1; JP6538702B2

Abstract

一种监测等离子体过程中的放电的方法，包括以下步骤：a.将周期性电源信号(71a)提供给等离子体过程；b.确定电源信号的第一时段内的第一时间间隔(Δt)内的第一电源信号波形；c.确定电源信号的第二时段内的第二时间间隔(Δt)内的第二电源信号波形(31，51)，其中，第二时间间隔(Δt)在第二时段中的位置与第一时间间隔(Δt)在第一时段内的位置相对应；d.将第二时间间隔的第二电源信号波形(31，51)与第一时间间隔的第一电源信号波形或参考信号波形(50，60)进行比较，并确定第一比较结果；e.如果第一比较结果与给定第一比较结果相对应，则对第二时间间隔(Δt)中的第二电源信号波形(31，51)、第一时间间隔(Δt)中的第一电源波形、或参考信号波形(50，60)中的一个信号波形进行时间偏移，并且将经时间偏移的信号与未进行时间偏移的信号波形中的一个信号波形进行比较，从而获得第二比较结果。

Description

一种监测等离子体过程中的放电的方法以及用于监测等离子体中的放电的监测设备

技术领域

本发明涉及一种监测等离子体过程中的放电的方法以及一种用于监测等离子体过程中的放电的监测设备。

背景技术

在等离子体过程中，利用阴极溅射在例如玻璃基底上进行基底的喷涂是已知的工艺。阴极溅射通常或通过利用反应气体来执行。在之后的情况中它被称为反应溅射法。等离子体利用电流源或电压源生成，所述电流源或电压源从靶移除材料。然后所移除的材料被沉积在基底上。在沉积之前，靶材料的原子与气体原子或分子在反应过程中相结合。

在反应过程中，可以使用中频发生器(MF发生器)。这样的发生器一般可以在10到500kHz的频率范围中工作。此外，可以使用脉冲发生器，特别是双极脉冲发生器。那些发生器的共同之处在于他们产生周期性输出信号。将该周期性输出信号提供给等离子体过程。一般地，这样的发生器的输出电压通过两个电极提供给等离子体腔，这两个电极依次作为阴极和阳极。两个电极分别与靶相连。发生器可以是自由振荡发生器或具有可控频率的发生器。

特别地，如果使用反应过程，可能出现弧。如果出现弧，他们可能损害基底或靶。因此，应当避免弧，或者如果检测到弧，应当快速将其熄灭。为了能够熄灭弧，有必要快速可靠地检测弧。为了检测弧，可以观察电源的输出信号，即电源信号。特别地，如果输出信号的值像在双极脉冲或MF等离子体过程中那样周期性改变的话，可以将在后续时段中的一个具体时刻的输出信号与在先前时段中的相同时刻的对应值进行比较。当输出信号非常快速地上升或跌落时，问题就出现了。尤其是，在由双极脉冲供电的等离子体中，这是非常相关的。如果这种情况发生，可能检测到虚假弧，也就是说即使没有出现弧，也会检测到弧。这使得等离子体过程中断，这是不期望的。另一方面，如果为了避免检测到这些虚假弧，而将弧检测的阈值设置的太大，则真正的弧可能被太迟或根本检测不到。这种情形会在图1和图2中说明。

图1a示出了参考信号波形1，其中，通过确定先前时段中的电源信号(在本情况中为输出电压)的信号波形，以及从该先前确定的电压波形中减去一常数值来确定该参考信号波形1。在电源的输出处测量到的实际电源信号，即电压2，与该参考信号波形1进行比较。在图1a中，由于信号波形2与先前的信号波形一致，从而不会检测到弧。因此，在这两个波形1和2之间总是存在差值。

图1b示出了参考信号波形1′是通过将先前确定的电源信号波形与一常数因子相乘来生成的情形。在这种情况下，实际电源信号2在参考信号波形1′的开始和结束处都非常接近参考信号波形1′，但是它并没有与该参考信号1′相交。因此，不会检测到弧。

在图2a和2b示出的情形中，参考信号波形10和10′的确定方法与图1a和图1b中相同。在这种情况下，实际电源信号波形20存在非常小的频率抖动。因此，在这两种情况下，实际电源信号波形20跌落到参考信号波形10、10，之下。这会检测到弧。然而，却不会出现弧。这被称为虚假弧检测。由于频率抖动，实际电源信号波形20只是跌落到参考信号波形10、10′之下。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于监测等离子体过程中的放电的方法和监测设备，其允许安全和可靠的弧检测。

此目的通过一种监测等离子体过程中的放电的方法来实现，所述方法包括以下步骤：

a)将周期性电源信号提供给等离子体过程；

b)确定电源信号的第一时段内的第一时间间隔内的第一电源信号波形；

c)确定电源信号的第二时段内的第二时间间隔内的第二电源信号波形，其中，第二时间间隔在第二时段中的位置与第一时间间隔在第一时段内的位置相对应；

d)将第二时间间隔的第二电源信号波形与第一时间间隔的第一电源信号波形或参考信号波形进行比较，并确定第一比较结果；

e)如果第一比较结果与给定第一比较结果相对应，则对第二时间间隔中的第二电源信号波形、第一时间间隔中的第一电源波形、或参考信号波形中的一个波形进行时间偏移，并且将经时间偏移的信号与未进行时间偏移的信号波形中的一个信号波形进行比较，从而获得第二比较结果。

该方法由于不只执行一个比较，而是执行两个比较，因此会得到更可靠的弧检测。从而可以避免比如由于频率抖动带来的虚假弧检测。使用第二比较来确认第一比较已经检测到真正的弧。

第一和第二比较结果中的一个比较结果可以通过确定第一和第二电源波形之间的差值，以及确定该差值是否高于或低于给定参考值来获得。依据是否将输出电流、输出电压或输出功率视为电源信号，如果第一和第二电源信号波形之间的差值上升到给定参考值之上或跌落到给定参考值之下，则检测到弧。一般地，如果发生弧，则输出电压跌落；并且如果发生弧，则输出电流增加。因此，通过比较第一和第二电源信号波形，特别是通过形成第一和第二电源信号之间的差值，可以检测到弧。

可替换地，可以通过将第一间隔中的第一电源信号波形与一给定值相乘，或从第一间隔中的第一电源信号波形中增加或减去一常数值来确定参考信号波形。如果将这样的参考信号波形与目前测量到的输出信号波形(＝第二电源信号波形)进行比较，并且目前测量到的输出信号波形与该参考信号波形相交，这可以指示弧已经发生了。

因此，可以通过监测第二电源信号波形是否与参考信号波形相交来获得第一或第二比较结果中的一个比较结果。

可以以相反的方向对上述步骤e)中已经进行了时间偏移的信号波形进行时间偏移，并且可以将经时间偏移的信号与没有进行时间偏移的信号波形中的一个信号波形进行比较，从而获得第三比较结果。通过这种方式，在输出电压上升时，可以可靠地检测弧。

如果第一比较结果与第一给定比较结果相对应，且第二或第三比较结果中的至少一个比较结果分别与第二或第三给定比较结果相对应，那么可以生成弧检测信号。因此，只有在第一比较结果已得到第二或第三比较结果确认的情况下，才会生成弧检测信号。

还通过用于监测等离子体过程的中放电的监测设备解决了此问题，所述等离子体过程由电源信号供电，所述监测设备包括：

a)第一确定设备，用于确定电源信号的第一时段内的第一时间间隔内的第一电源信号波形；

b)第二确定设备，用于确定电源信号的第二时段内的第二时间间隔中的第二电源信号波形，其中，第二时间间隔在第二时段中的位置与第一时间间隔在第一时段内的位置相对应；

c)第一比较器，用于将第二时间间隔的第二电源信号波形与第一时间间隔的第一电源信号波形、或参考信号波形进行比较，并确定第一比较结果；

d)第一时间偏移器，用于对第二间隔中中第二电源信号波形、第一时间间隔中的第一电源信号波形、或参考信号波形中的一个信号波形进行时间偏移；

e)第二比较器，用于将经时间偏移的信号与未进行时间偏移的信号波形中的一个信号波形进行比较。

这样的监测设备允许在等离子体过程中快速且可靠地检测弧。

第一和第二比较器中的至少一个比较器可以包括减法设备，用于从一个信号波形中减去另一个信号波形。获得的差值指示出现了弧，如果其与给定比较结果相对应的话，例如，该差值是在给定参考值之上还是之下。

该监测设备可以包括参考信号波形发生器。特别地，该参考信号波形发生器可以包括乘法器，其将测量到的输出信号波形与给定值相乘的；或该参考信号波形发生器可以包括加法器或减法器，其从测量到的信号波形中增加或减去一恒定的给定值。

可以设置第二时间偏移器，用于以相较于由第一时间偏移器执行的时间偏移相反的方向对信号波形进行时间偏移。因此，可以进一步确认由第一比较器实现的比较结果。

可以设置第三比较器，用于将第二时间偏移器的输出信号与未进行时间偏移的信号波形进行比较。其也用于确认第一比较结果。

可以设置弧信号发生器，其被连接到第二或第三比较器中的至少一个比较器和第一比较器。因此，可以确保只有在从第一比较器获得的第一比较结果和从第二或第三比较器获得的进一步比较结果二者都指示出现弧的情况下，才生成弧信号。

附图说明

将通过阅读下面结合附图的描述更充分地理解本发明前述和其它目的、特征和优点，以及本发明本身，附图不一定是按比例绘制的。

图1a、1b是示出了根据现有技术的测量到的信号波形和参考信号波形相比较的图，两种情况中都没有指示出现了弧。

图2a、2b是示出了根据现有技术的测量到的信号波形和参考信号波形相比较的图，其中，测量到的信号波形与参考信号波形相交，因此指示出现了弧。

图3a、3b是示出了根据本发明如何避免检测到虚假弧的图。

图4a、4b是示出了根据本发明如何可靠地检测弧的图。

图5示出了包括监测设备的等离子体过程系统。

图6是用于解释本发明方法的流程图。

具体实施方式

图3a示出了参考信号波形30，它是已通过首先确定电源信号的第一时段内的第一电源信号波形，以及然后从所确定的第一电源信号波形中减去一常数值而获得的。此外，图3a示出了第二电源信号波形31，其已在电源信号的第二时段中确定。波形31与实际测量或确定的电源信号波形相对应。电源信号波形30的一部分30.1与第一电源信号波形相对应，所述第一电源信号波形已在电源信号的第一时段内的第一时间间隔Δt内确定，其中，已从所确定的第一电源信号波形中减去一常数值，以便获得间隔Δt中的参考信号波形30.1。波形31的一部分31.1与第二电源信号波形相对应，所述第二电源信号波形已在电源信号的第二时段内的第二时间间隔Δt内确定，其中，第二时间间隔在第二时段中的位置与第一时间间隔在第一时段内的位置相对应。另外，所选的第一和第二时段的时间间隔具有相等长度。因此，以优选的方式比较间隔Δt内的信号波形30.1和31.1成为可能。但是对于本领域技术人员来说清楚的是，为了比较两信号波形，第一间隔和第二间隔在长度不必相等。

如图3a中可以看出的，信号波形31.1与参考信号波形30.1相交。因此，满足第一种指示检测到弧的条件。为了确认是否的确出现弧，对间隔Δt内的信号波形31.1执行时间偏移操作。经时间偏移的信号波形被标记为32。特别地，进行第二比较，核实信号波形32是否仍然与参考信号波形30.1相交。没有相交。因此，第二比较结果与给定第二比较结果不对应。从而，第一比较结果没有被确认。没有弧出现。

图3b示出的情形与图3a示出的情况相对应。唯一的区别在于：参考信号波形40是已通过将在电源信号的第一时段中确定的第一电源信号波形与一常数因子相乘而获得的。在这种情况下，由第一比较获得的弧检测，即信号31.1与参考信号波形40相交，并没有得到经时间偏移的信号32的确认。因此，没有检测到弧。

在图4a中，已通过测量电源信号的第一时段中的第一输出信号波形，然后减去一常数值(例如一恒定电压)来推导出参考信号波形50。此外，已在电源信号第二时段内确定第二电源信号波形51。通过比较信号波形50和51，人们可以看到第二电源信号波形51在点52处与参考信号波形50相交。因此，满足指示在等离子体中出现弧的第一条件。为了确认，已对第二电源信号波形51进行时间偏移，以得到经时间偏移的信号波形53。该信号波形53也与参考信号波形50在点54处相交。因此，达到第二给定条件。验证了弧的出现。

在本示例中，已将时间间隔Δt选在点52附近。因此，信号波形51，特别是在时间间隔Δt内的部分51.1，必须被进行时间偏移。这将使仅仅确定时间间隔Δt中的信号50和51，并且只对信号波形51.1和50.1进行比较成为可能。另一方面，可以将时间间隔Δt选择为电源信号的整个时段或电源信号的半个时段。特别地，可以只在电源信号的两个不同时段上的相应的时间间隔Δt中确定信号50和51。

图4b基本上与图4a相对应。唯一的区别在于：参考信号波形60是已通过首先确定电源信号的第一时段内的第一时间间隔内的第一电源信号波形，然后将所确定的电源信号波形与一常数因子相乘而确定的。从图4b清楚看出的是，已选择足够大的时间间隔Δt以确保可以检测到弧。优选地，时间间隔Δt与电源信号的至少半个时段相对应。

图5示出了根据本发明的具有电源71和监测设备72的等离子体过程系统70。电源71为等离子体腔73内的等离子体过程提供电源。电源71生成电源信号71a，其通过导线76、77传递给等离子体腔73内的电极74、75。电源71可以是MF发生器，特别地可以是自由振荡MF发生器。在此情况下，电源71产生具有正半波和负半波的AC信号。优选可替换地，电源71可以是双极脉冲发生器。在此情况下，可以单独调节正半波或负半波。

可以通过测量单元78、79来测量电源信号。设置第一确定设备80用于确定电源信号的第一时段内的第一时间间隔内的第一电源信号波形。此外，设置第二确定设备81用于确定电源信号的第二时段内的第二时间间隔内的第二电源信号波形，其中，第二时间间隔在第二时段中的位置与第一时间间隔在第一时段内的位置相对应。在优选实施例中，利用一个测量单元来测量第一电源信号波形和第二电源信号波形二者。

第一确定设备80被连接到参考信号发生器82，参考信号发生器82产生参考信号波形。参考信号波形以及由第二确定设备81确定的电源波形被提供给第一比较器83。如果已获得预定的比较结果，则向弧信号发生器84提供一信号。例如，如果由第二确定设备81确定的电源信号波形与参考信号发生器82产生的参考信号波形相交，则向弧信号发生器84提供一信号。

由参考信号发生器82产生的参考信号波形以及由第一时间偏移器86产生的信号被提供给第二比较器85。第一时间偏移器86对已由第二确定设备81确定的电源信号波形进行偏移。有可能对整个已确定的电源信号波形进行时间偏移或仅仅对电源信号波形中的存在于第二间隔中的部分进行偏移。特别地，可以依据一个信号波形与另一个信号波形相交的点来选择间隔。如果第二比较器85达到了给定第二比较结果，则向弧信号发生器84提供一信号。弧信号发生器84目前已接收到来自第一比较器83和第二比较器85的信号。因此，弧信号发生器84产生弧检测信号，其将被馈送给电源71和灭弧设备87。由此，可以对等离子体过程中处理的电源71和基底进行保护。

如可以从图5中看出的，可以设置第三比较器89，其中，将由参考信号发生器82产生的参考信号和来自第二时间偏移器90的信号提供给第三比较器89，第二时间偏移器90对由第二确定设备81确定的电源信号波形进行时间偏移。然而，在此情况下，在与由第一时间偏移器86产生的时间偏移方向相反的方向上执行时间偏移。如果第三比较器89检测到达到第三给定比较结果，则给弧信号发生器84一信号。弧信号发生器84可以根据从第一、第二和第三比较器83、85、89接收到的信号来产生弧检测信号。

根据本发明，作为对由第二确定设备81确定的电源信号波形进行时间偏移的替换方案，也可以利用第一和第二时间偏移器86、90对参考信号发生器82中产生的参考信号波形进行时间偏移。然后第二确定设备81被连接到第一、第二和第三比较器83、85、89。在此情况下，将由第二确定设备81确定的电源信号波形与参考信号波形和由第一和第二时间偏移器86、90分别产生的经时间偏移的参考信号波形进行比较。该替换方案在图5中以虚线画出。

监测设备72也可以作为电源71的一部分。

而且灭弧设备87也可作为电源71的一部分。

并且测量单元78、79可以作为电源71的一部分。

在微处理器或数字信号处理器或特别是在可编程数字逻辑器件(PLD)中，可以整体上或至少部分地并入监测设备72。该PLD可以是现场可编程门阵列(FPGA)。利用这种设备，可以极快速且极可靠地检测弧。

图6示出了用于解释本发明方法的流程图。在步骤100中，通过电源信号将电源提供给等离子体过程。在步骤101中，确定电源信号的第一时段内的第一时间间隔内的电源信号波形。在步骤102中，确定电源信号的第二时段内的第二时间间隔内的第二电源信号波形，其中，第二时间间隔在第二时段中的位置与第一时间间隔在第一时段内的位置相对应。第一时间间隔和第二时间间隔具有相同的长度。在步骤103中，生成参考信号波形。优选地，参考信号波形由步骤101中确定的电源信号波形产生。在步骤104中，将步骤102中确定的电源信号波形与参考信号波形进行比较。在步骤105中，核实是否达到给定第一比较结果。如果是这种情况，则在步骤106中，对步骤102中确定的电源信号波形进行时间偏移。如果不是这种情况，则在步骤110不生成弧信号。在跟随步骤106的步骤107中，将经时间偏移的信号与参考信号波形进行比较。在步骤108中，核实是否达到第二给定比较结果。如果是这种情况，则在步骤109中生成弧信号。如果不是这种情况，则在步骤116中可以对步骤102中确定的电源信号波形以另一方向进行时间偏移。在步骤117中，经时间偏移的信号可以与参考信号波形进行比较。在步骤118中，核实是否达到第三给定比较结果。如果是这种情况，则在步骤109中生成弧信号。如果不是这种情况，则在步骤110中不生成弧信号。

如早先所公开的，也可以作为替换方案在步骤106、116中对参考信号波形进行时间偏移。然后在步骤107、117将电源信号波形与经时间偏移的参考信号波形进行比较。

Claims

1.一种监测等离子体过程中的放电的方法，包括以下步骤：

a.将周期性电源信号(71a)提供给等离子体过程；

b.确定所述电源信号的第一时段内的第一时间间隔(Δt)内的第一电源信号波形；

c.确定所述电源信号的第二时段内的第二时间间隔(Δt)内的第二电源信号波形(31，51)，其中，所述第二时间间隔(Δt)在所述第二时段中的位置与所述第一时间间隔(Δt)在所述第一时段内的位置相对应；

d.将所述第二时间间隔的所述第二电源信号波形(31，51)与所述第一时间间隔的所述第一电源信号波形或参考信号波形(50，60)进行比较，并确定第一比较结果；

e.如果所述第一比较结果与给定第一比较结果相对应，则对所述第二时间间隔(Δt)中的所述第二电源信号波形(31，51)、所述第一时间间隔(Δt)中的所述第一电源波形、或所述参考信号波形(50，60)中的一个信号波形进行时间偏移，并且将经时间偏移的信号与未进行时间偏移的信号波形中的一个信号波形进行比较，从而获得第二比较结果。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第一比较结果或第二比较结果中的一个比较结果是通过确定所述第一电源波形和所述第二电源波形(31，51)之间的差值，并确定所述差值是在给定参考值之上还是之下而获得的。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述参考信号波形(50，60)是通过将所述第一间隔(Δt)中的所述第一电源信号波形与一给定值相乘或通过从所述第一间隔(Δt)中的所述第一电源信号波形中增加或减去一常数值而确定的。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述第一比较结果或所述第二比较结果中的一个比较结果是通过监测所述第二信号波形(31，51)是否与所述参考信号波形(50，60)相交而获得的。

5.根据前述权利要求中的任意一项权利要求所述的方法，其特征在于，已在步骤1.e.中被进行时间偏移的所述信号波形在相反的方向上被进行时间偏移，并且将经时间偏移的信号与未进行时间偏移的信号波形中的一个信号波形进行比较，从而获得第三比较结果。

6.根据前述权利要求中的任意一项权利要求所述的方法，其特征在于，如果所述第一比较结果与所述第一给定比较结果相对应，并且所述第二比较结果或所述第三比较结果中的至少一个比较结果分别与第二给定比较结果或第三给定比较结果相对应，则生成弧检测信号。

7.一种用于监测等离子体过程中的放电的监测设备(72)，所述等离子体过程由电源信号(71a)供电，所述监测设备(72)包括：

a.第一确定设备(80)，用于确定所述电源信号的第一时段内的第一时间间隔内的第一电源信号波形；

b.第二确定设备(81)，用于确定所述电源信号的第二时段内的第二时间间隔内的第二电源信号波形，其中，所述第二时间间隔在所述第二时段中的位置与所述第一时间间隔在所述第一时段内的位置相对应；

c.第一比较器(83)，用于将所述第二时间间隔的所述第二电源信号波形与所述第一时间间隔的所述第一电源信号波形或参考信号波形进行比较，并且确定第一比较结果；

d.第一时间偏移器(86)，用于对所述第二间隔中的所述第二电源信号波形、所述第一时间间隔中的所述第一电源波形、或所述参考信号波形中的一个信号波形进行时间偏移；

e.第二比较器(85)，用于将经时间偏移的信号与未进行时间偏移的信号波形中的一个信号波形进行比较。

8.根据权利要求7所述的监测设备，其特征在于，所述第一比较器和所述第二比较器(83，85)中的至少一个比较器包括减法设备，其用于从一个信号波形中减去另一个信号波形。

9.根据前述权利要求7或8中的任意一项权利要求所述的监测设备，其特征在于，设置参考信号波形发生器(82)。

10.根据前述权利要求7到9中的任意一项权利要求所述的监测设备，其特征在于，设置第二时间偏移器(90)，用于以相较于由所述第一时间偏移器(86)执行的时间偏移相反的方向对信号波形进行时间偏移。

11.根据前述权利要求7到10中的任意一项权利要求所述的监测设备，其特征在于，设置第三比较器(89)，用于将所述第二时间偏移器的输出信号与未进行时间偏移的信号波形进行比较。

12.根据前述权利要求7到11中的任意一项权利要求所述的监测设备，其特征在于，设置弧信号发生器(84)，其被连接到所述第二比较器或所述第三比较器(85，89)中的至少一个比较器和第一比较器(83)。