CN107293465A

CN107293465A - 一种等离子体电弧监测方法及装置

Info

Publication number: CN107293465A
Application number: CN201610200486.2A
Authority: CN
Inventors: 徐蕾; 饭塚浩; 席朝晖; 倪图强
Original assignee: Advanced Micro Fabrication Equipment Inc Shanghai
Current assignee: Medium and Micro Semiconductor Equipment (Shanghai) Co., Ltd.
Priority date: 2016-03-31
Filing date: 2016-03-31
Publication date: 2017-10-24
Anticipated expiration: 2036-03-31
Also published as: CN107293465B; TWI610332B; TW201735089A

Abstract

本发明提供一种等离子体电弧监测方法，在利用该对静电吸盘的电信号进行电弧的监测时，通过将电信号与第一阈值进行比较，获得第一比较波形，通过将电信号与第二阈值进行比较，获得第二比较波形，由于第一阈值较小，第一比较波形的脉冲具有更长的持续时间，便于获取变化较快的电信号的相对较宽的持续时间，而第二波形是通过与较大的阈值比较后获得波形，也就是说，第二波形中的脉冲代表幅值满足要求的情况，通过这二者的判断，可以去除了电信号微小波动或短暂波动等干扰信号，有效的判断出准确的电弧发生的情况，达到可靠监测等离子体电弧发生的目的。

Description

一种等离子体电弧监测方法及装置

技术领域

本发明涉及半导体刻蚀技术领域，特别涉及一种等离子体电弧检测方法。

背景技术

等离子体设备是半导体器件加工工艺中常用的设备，它是将气体进行电离产生等离子体，通过等离子体对基片表面进行加工，如清洗、刻蚀或衬底等。

在等离子体设备利用等离子体对基片进行表面加工时，若在反应腔室内产生等离子体电弧，会对基片表面造成损害或导致其无法正常工作，有时也会对等离子体设备的反应腔室造成不良的影响。若能在电弧发生时监测到该电弧的发生，则可以避免后续对基片甚至腔室造成的伤害。

在目前，一种等离子体电弧的监测方法为监测溅射靶材的高压DC电源，通过电弧发生时，引起的瞬时电压或电流来体现该电弧现象，然而，这种方法仅可以监测到靠近靶材区域的电弧，无法可靠监测等离子体的电弧。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种等离子体电弧检测方法及装置，有效监测等离子体电弧的发生。

为实现上述目的，本发明有如下技术方案：

一种等离子体电弧监测方法，其特征在于，包括：

利用静电吸盘电源的电信号的变化监测等离子体电弧的发生，电信号包括电压信号或电流信号；

利用静电吸盘电源的电信号的变化监测等离子体电弧的发生的步骤包括：

将电信号与第一阈值进行比较，获得第一比较波形；

将电信号与第二阈值进行比较，获得第二比较波形，其中，第二阈值大于第一阈值；

判断第一比较波形中的脉冲的持续时间是否在预设时长范围内，以输出第三波形，第三波形中的脉冲对应第一比较波形中脉冲持续时间在预设时长范围内的脉冲，并判断在第三波形的脉冲持续时间内，第二比较波形中是否也存在脉冲，若是，则认为有一次等离子体电弧发生。

可选的，利用静电吸盘电源的电信号的变化监测等离子体电弧的发生的步骤包括：

将电信号与第一阈值进行比较，获得第一比较波形；

判断第一比较波形中的脉冲的持续时间是否在预设时长范围内，以输出第三波形，第三波形中的脉冲对应第一比较波形中脉冲持续时间在预设时长范围内的脉冲，判断在第三波形的脉冲持续时间内，第二比较波形中是否也存在脉冲，若是，则认为有一次等离子体电弧发生。

可选的，在认为有一次等离子体电弧发生之后，还包括：

输出预设周期的脉冲波形，以用于电弧的识别。

可选的，静电吸盘电源的电信号来自静电吸盘高压直流转换器的电流检测端口。

可选的，判断在第三波形的脉冲持续时间内，第二比较波形中是否也存在脉冲的方法包括：

将第二比较波形中的脉冲进行延时，延时结束的时间在第三波形的脉冲翻转之后的预定时间内，以输出第四波形；

将第三波形与第四波形进行与逻辑操作，以输出第五波形，并认为第五波形中的脉冲对应等离子体电弧发生的信号。

可选的，将第二比较波形中的脉冲进行延时，延时结束的时间在第三波形的脉冲翻转之后的预定时间内，以输出第四波形的步骤包括：

将第二比较波形的脉冲通过电容延时电路进行延时，通过延时电路确定延时结束的时间，且延时结束的时间在第三波形的脉冲翻转之后的预定时间内，以输出第四波形。

将第二比较波形的脉冲延时一段时间，通过第三波形的脉冲下降沿确定延时的结束的时间，且延时结束的时间在第三波形的脉冲翻转之后的预定时间内，以输出第四波形。

可选的，在利用所述电信号的变化检测等离子体电弧的发生之前，还包括：将电信号进行滤波。

此外，本发明还提供了一种等离子体电弧监测装置，用于利用静电吸盘电源的电信号的变化监测等离子体电弧的发生，电信号包括电压信号或电流信号，包括：

第一比较器，用于将电信号与第一阈值进行比较，获得第一比较波形；

第二比较器，将电信号与第二阈值进行比较，获得第二比较波形，其中，第二阈值大于第一阈值；

第一判断单元，判断第一比较波形中的脉冲的持续时间是否在预设时长范围内，以输出第三波形，第三波形中的脉冲对应第一比较波形中脉冲持续时间在预设时长范围内的脉冲；

第二判断单元，用于判断在第三波形的脉冲持续时间内，第二比较波形中是否也存在脉冲，若是，则认为有一次等离子体电弧发生。

可选的，还包括：

脉冲输出单元，用于输出预设周期的脉冲波形，以用于电弧的识别。

可选的，还包括：

滤波单元，用于将电信号进行滤波。

可选的，第二判断单元包括：延时单元，用于将第二比较波形中的脉冲进行延时，延时结束的时间在第三波形的脉冲翻转之后的预定时间内，以输出第四波形；

与电路单元，用于将第三波形与第四波形进行与逻辑操作，以输出第五波形，并认为第五波形中的脉冲对应等离子体电弧发生的信号。

可选的，延时单元中，将第二比较波形的脉冲通过电容延时电路进行延时，通过延时电路确定延时结束的时间，且延时结束的时间在第三波形的脉冲翻转之后的预定时间内，以输出第四波形。

可选的，延时单元中，将第二比较波形的脉冲延时一段时间，通过第三波形的脉冲下降沿确定延时的结束的时间，且延时结束的时间在第三波形的脉冲翻转之后的预定时间内，以输出第四波形。

本发明实施例提供的等离子体电弧监测方法及装置，在利用该对静电吸盘的电信号进行电弧的监测时，通过将电信号与第一阈值进行比较，获得第一比较波形，通过将电信号与第二阈值进行比较，获得第二比较波形，由于第一阈值较小，第一比较波形的脉冲具有更长的持续时间，便于获取变化较快的电信号的相对较宽的持续时间，而第二波形是通过与较大的阈值比较后获得波形，也就是说，第二波形中的脉冲代表幅值满足要求的情况，通过这二者的判断，可以去除了电信号微小波动或短暂波动等干扰信号，有效的判断出准确的电弧发生的情况，达到可靠监测等离子体电弧发生的目的。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为等离子体设备中上电极和静电吸盘的结构示意图；

图2为图1的等离子体设备中发生等离子体电弧时静电吸盘的电信号波形示意图；

图3为根据本发明实施例的等离子体电弧监测方法的流程示意图；

图4为本发明实施例监测方法中获得等离子体电弧的发生信号的波形示意图；

图5为根据本发明实施例的等离子体电弧监测装置的结构示意图；

图6为根据本发明一实施例的等离子体电弧监测装置的电路结构示意图；

图7为根据本发明另一实施例的等离子体电弧监测装置的电路结构示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

正如背景技术的描述，在现有技术中，通过监测等离子体设备中溅射靶材的高压DC电源，来监测等离子体电弧的发生，然而，这种方法仅可以监测到靠近靶材区域的电弧，无法可靠监测等离子体的电弧。

为此，本发明提出了一种等离子体电弧监测方法，以达到能够可靠监测等离子体的电弧的目的。申请人在反复实践中，发现通过利用静电吸盘电源的电信号的变化可以可靠监测到等离子体电弧的发生。参考图1所示，为等离子体设备中上电极和静电吸盘的结构示意图，可以看到，静电吸盘(ESC，Electrostatic Chuck)位于产生等离子体的上、下电极之间，并设置在下电极12之上，输送到下电极的射频功率能够耦合到静电吸盘内的电极12，当等离子体14有电弧16发生时，电弧16会对静电吸盘产生影响，这种影响会体现在对ESC的电信号上，尤其是电压信号和电流信号。

其中，静电吸盘12是通过静电荷吸引来固定待加工基片的装置，静电吸盘通常连接有高压直流转换器(HV DC/DC Converter)18，为静电吸盘提供高压直流电源，参考图2所示，监测等离子体设备中的静电吸盘的电信号所获得的波形，可以看到，当有等离子体电弧发生时，静电吸盘的电信号会突然增大，且在电弧消失时，电信号逐渐减小到正常值。基于此，本发明提出了一种等离子体电弧监测方法，参考图3所示，包括：S01，利用静电吸盘电源的电信号的变化监测等离子体电弧的发生，电信号包括电压信号或电流信号；利用静电吸盘电源的电信号的变化监测等离子体电弧的发生的步骤包括：将电信号与第一阈值进行比较，获得第一比较波形；将电信号与第二阈值进行比较，获得第二比较波形，其中，第二阈值大于第一阈值；判断第一比较波形中的脉冲的持续时间是否在预设时长范围内，以输出第三波形，第三波形中的脉冲对应第一比较波形中脉冲持续时间在预设时长范围内的脉冲，并判断在第三波形的脉冲持续时间内，第二比较波形中是否也存在脉冲，若是，则认为有一次等离子体电弧发生。通过对静电吸盘的电信号的监测，达到有效监测等离子体电弧发生的目的。

为了便于获取静电吸盘电源的电信号，在本发明实施例中，参考图1所示，静电吸盘电源的电信号为静电吸盘的高压直流转换器18的电流检测端口的电流或电压信号V(I_ESC)，该电流检测端口的输出电流与静电吸盘电源的电流成正比，能够体现该电流的变化，该电流检测端口提供的电压或电流信号的电信号，通过监测电信号的变化，监测等离子体电弧的发生。

为了更好的理解本发明的技术方案和技术效果，以下将结合流程图对具体的实施例进行详细的描述。

在步骤S101，将电信号与第一阈值进行比较，获得第一比较波形。

在本发明实施例中，第一阈值相较于第二阈值具有较小的数值，在电信号为电流信号时，电信号与第一阈值比较，即电信号的值若大于第一阈值则比较后输出第一数值，第一数值例如为1，电信号的值若小于第一阈值则比较后输出第二数值，第二数值例如为0，第一数值和第二数值组成随时间变化的第一比较波形，其中，第一数值代表电信号为异常时的数值，在第一比较波形中为脉冲。

在步骤S102，将电信号与第二阈值进行比较，获得第二比较波形，其中，第二阈值大于第一阈值。

在该步骤中，将电信号与一阈值，第二阈值进行比较，第二阈值较第一阈值更大，在一个具体的实施例中，例如，第一阈值可以为10uA，第二阈值可以为20uA。

同步骤S101，电信号与第二阈值进行比较，即电信号若大于第二阈值，则比较后输出第三数值，第三数值例如为1，电信号若小于第二阈值，则比较之后输出第四数值，第四数值例如为1，第三数值和第四数值组成随时间变化的第一比较波形，其中，第三数值代表电信号为异常时的数值，在第二比较波形中为脉冲。

对于上述的电信号，可以为直接来自静电吸盘电源的电信号，例如来自静电吸盘高压直流转换器的电流检测端口的电信号，更优地，该电信号为经过滤波的电信号，如经过低通滤波和高通滤波的电信号。

在步骤S103，判断第一比较波形中的脉冲的持续时间是否在预设时长范围内，以输出第三波形，第三波形中的脉冲对应第一比较波形中脉冲持续时间在预设时长范围内的脉冲，并判断在第三波形的脉冲持续时间内，第二比较波形中是否也存在脉冲，若是，则认为有一次等离子体电弧发生。

对于第一比较波形，判断其中的脉冲的持续时间是否在预设时长范围内，预设时长范围例如可以为25-330us，对于在预设时长范围内的脉冲，则认为有可能是有电弧发生，也就是说，要将第一比较波形中的较长或较短时长的异常情况排除，过短的异常通常为干扰情况，过长的异常通常为故障情况，这些都不会是电弧发生的情形。

而对于时长满足条件的情形，仍可能为干扰信号，在实际生产中，并不能认为是有电弧发生。因此，本发明实施例中，继续判断在所述持续时间段内，第二比较波形中是否也存在脉冲，若存在，则认为该次脉冲对应一次等离子体电弧的发生。也就是说，在异常时长满足条件之后，若在该持续时间段内，如果第二比较波形中也存在脉冲，说明该次异常引起较大的电信号的波动，并不是干扰信号，认为该次脉冲是等离子体电弧发生引起的电信号的突变。

在该优选实施例中，在利用该对静电吸盘的电信号进行电弧的监测时，通过将电信号与第一阈值进行比较，获得第一比较波形，通过将电信号与第二阈值进行比较，获得第二比较波形，由于第一阈值较小，第一比较波形的脉冲具有更长的持续时间，便于获取变化较快的电信号的相对较宽的持续时间，而第二波形是通过与较大的阈值比较后获得波形，也就是说，第二波形中的脉冲代表幅值满足要求的情况，通过这二者的判断，可以去除了电信号微小波动或短暂波动等干扰信号，有效的判断出准确的电弧发生的情况，达到可靠监测等离子体电弧发生的目的。

具体的实施例中，判断在第三波形的脉冲持续时间内，第二比较波形中是否也存在脉冲的方法包括：

为了更好的说明本实施例中的获得等离子体电弧发生的信号的方法，将以一个具体的实施例结合波形变化图进行说明，参考图4，可以看到，静电吸盘电源的电信号A在与第一阈值进行比较之后，输出第一比较波形(图未示出)，第一比较波形中的脉冲持续时间在预设时长范围内，因此，输出第三波形B，静电吸盘电源的电信号A在与第二阈值进行比较之后，输出第二比较波形C，将第二比较波形C中的脉冲进行延时，延时结束的时间在第三波形B的脉冲翻转之后的预定时间内，在图4所示中，延时结束在第三波形的下降沿来临之后的一定时间后E处，这样，在E信号之后，第二比较波形的延时波形翻转，从而，输出第四波形D，将第四波形D与第三波形B进行与逻辑操作，这样，便可以获得用于确认等离子体电弧发生的信号的第五波形，该波形中的脉冲即对应等离子体电弧发生的信号。

对于延时结束的时间的确定，可以采用不同的方式，在一些实施例中，第二比较波形的脉冲可以通过电容延时电路进行延时，延时的结束时间也由电路延时电路确定，通过电容延时电路的电容特性的设计，使第二比较波形延时特定的时间，从而，使得延时结束的时间在第三波形的脉冲翻转之后的预定时间内发生。

在另一些实施例中，通过第三波形的脉冲下降沿确定延时的结束的时间，可以通过第三波形的脉冲的下降沿直接触发第二比较波形的延时波形的翻转，也可以通过第三波形的脉冲的下降沿延时一定时间后再触发第二比较波形的延时波形的翻转，从而，使得延时结束的时间在第三波形的脉冲翻转之后的预定时间内发生。

在判断有等离子体电弧发生之后，可以输出合适的信号来表示电弧的发生，例如可以输出第六波形，以第六波形中的脉冲代表电弧发生，也可以提供其他的信号，以供进一步的应用，如报警或统计，以便于工作人员根据这些信息进行进一步的操作。

还可以包括步骤S104，输出预设周期的脉冲波形，以用于电弧的识别。

在实际的等离子体设备中，通常通过PLC(可编程控制器)来作为信号处理和控制的装置，该PLC装置无法捕获持续时间过短的脉冲信号，如持续时间小于150ms的脉冲是无法被捕获的，而电弧发生的时长都是微秒级的，即使有效地识别出了电弧发生的信号，也无法被PLC获得并进一步应用。基于此，在优选的实施例中，在确认有等离子体电弧发生之后，则输出一个能被进一步识别的周期长度的脉冲波形，例如输出一个150ms的脉冲波形，该波形表示为有一次等离子体电弧发生。该预设周期的脉冲波形将发送至信号处理和控制的装置，用于对电弧信号的识别和进一步的应用。

以上对本发明实施例的等离子体电弧监测方法进行了详细的描述，此外，本发明还提供了与上述方法相应的等离子体电弧监测装置，用于利用静电吸盘电源的电信号的变化监测等离子体电弧的发生，电信号包括电压信号或电流信号，参考图5所示，包括：

第一比较器320，用于将电信号与第一阈值进行比较，获得第一比较波形；

第二比较器330，将电信号与第二阈值进行比较，获得第二比较波形，其中，第二阈值大于第一阈值；

第一判断单元340，判断第一比较波形中的脉冲的持续时间是否在预设时长范围内，以输出第三波形，第三波形中的脉冲对应第一比较波形中脉冲持续时间在预设时长范围内的脉冲；

第二判断单元350，用于判断在第三波形的脉冲持续时间内，第二比较波形中是否也存在脉冲，若是，则认为有一次等离子体电弧发生。进一步地，还包括脉冲输出单元360，用于输出预设周期的脉冲波形，例如周期为150ms的脉冲波形，以用于电弧的识别。

进一步地，静电吸盘电源的电信号来自静电吸盘高压直流转换器的电流检测端口。

进一步地，还包括：滤波单元310，用于将电信号进行滤波。

参考图6和图7所示，第二判断单元包括：延时单元3501/3503，用于将第二比较波形中的脉冲进行延时，延时结束的时间在第三波形的脉冲翻转之后的预定时间内，以输出第四波形；

与电路单元3502，用于将第三波形与第四波形进行与逻辑操作，以输出第五波形，并认为第五波形中的脉冲对应等离子体电弧发生的信号。

对于延时单元，可以采用不同方式的延时电路，在一些实施例中，参考图6所示，延时单元为电容延时电路3501，通过电容延时电路3501将第二比较波形C的脉冲延时，并通过延时电路3501确定延时结束的时间，且延时结束的时间在第三波形B的脉冲翻转之后的预定时间内，以输出第四波形D。可以通过电容延时电路的电容特性的设计，使第二比较波形延时特定的时间，

在另一些实施例中，参考图7所示，延时单元为延时触发电路3503，用于将第二比较波形C的脉冲延时一段时间，通过第三波形B的脉冲下降沿触发延时的结束，且延时结束的时间在第三波形的脉冲翻转之后的预定时间内，以输出第四波形D。在该图示的实施例中，延时触发电路3503的触发信号端连接在延时触发电路的输出端D与第三波形B的与操作之后的输出端E，这样，通过第三波形的脉冲的下降沿延时一定时间后再触发第二比较波形的延时波形的翻转。

本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于系统实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述得比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。以上所描述的系统实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的模块或单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为模块或单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性劳动的情况下，即可以理解并实施。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，虽然本发明已以较佳实施例披露如上，然而并非用以限定本发明。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何的简单修改、等同变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。

Claims

1.一种等离子体电弧监测方法，其特征在于，包括：

将电信号与第一阈值进行比较，获得第一比较波形；

2.根据权利要求1所述的监测方法，其特征在于，在认为有一次等离子体电弧发生之后，还包括：

输出预设周期的脉冲波形，以用于电弧的识别。

3.根据权利要求1所述的监测方法，其特征在于，判断在第三波形的脉冲持续时间内，第二比较波形中是否也存在脉冲的方法包括：

4.根据权利要求3所述的监测方法，其特征在于，将第二比较波形中的脉冲进行延时，延时结束的时间在第三波形的脉冲翻转之后的预定时间内，以输出第四波形的步骤包括：

将第二比较波形的脉冲通过电容延时电路进行延时，通过电路延时电路确定延时结束的时间，且延时结束的时间在第三波形的脉冲翻转之后的预定时间内，以输出第四波形。

5.根据权利要求3所述的监测方法，其特征在于，将第二比较波形中的脉冲进行延时，延时结束的时间在第三波形的脉冲翻转之后的预定时间内，以输出第四波形的步骤包括：

6.根据权利要求1-5中任一项所述的监测方法，其特征在于，静电吸盘电源的电信号来自静电吸盘高压直流转换器的电流检测端口。

7.一种等离子体电弧监测装置，其特征在于，用于利用静电吸盘电源的电信号的变化监测等离子体电弧的发生，电信号包括电压信号或电流信号，包括：

8.根据权利要求7所述的监测装置，其特征在于，还包括：

9.根据权利要求7所述的监测装置，其特征在于，第二判断单元包括：延时单元，用于将第二比较波形中的脉冲进行延时，延时结束的时间在第三波形的脉冲翻转之后的预定时间内，以输出第四波形；

10.根据权利要求9所述的监测装置，其特征在于，延时单元为电容延时电路，通过电容延时电路将第二比较波形的脉冲延时，并通过延时电路确定延时结束的时间，且延时结束的时间在第三波形的脉冲翻转之后的预定时间内，以输出第四波形。

11.根据权利要求9所述的监测装置，其特征在于，延时单元为延时触发电路，用于将第二比较波形的脉冲延时一段时间，通过第三波形的脉冲下降沿触发延时的结束，且延时结束的时间在第三波形的脉冲翻转之后的预定时间内，以输出第四波形。

12.根据权利要求7-11中任一项所述的监测装置，其特征在于，静电吸盘电源的电信号来自静电吸盘高压直流转换器的电流检测端口。