CN113169018B - 使用动态阈值进行电弧检测的系统和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及快速熄灭可以在与离子源相关联的高压电极之间形成的电弧的电路、系统和方法，以缩短电弧的持续时间并减轻非均匀离子注入。在一个示例中，用于检测离子注入系统中的电弧的电弧检测电路包括模数转换器(ADC)和分析电路。ADC配置成将感测电流转换为数字电流信号，其中，感测电流表示供应到离子注入系统中的电极的电流，数字电流信号对该感测电流进行量化。分析电路配置成对数字电流信号进行分析，以确定数字电流信号是否满足阈值参数值，并且响应于数字电流信号满足阈值参数值，向触发控制电路提供电弧检测信号，触发控制电路激活灭弧机构。

Description

使用动态阈值进行电弧检测的系统和方法
相关申请的引用
本申请要求2018年12月19日提交的名称为“A SYSTEM AND METHOD OF ARCDETECTION USING DYNAMIC THRESHOLD(使用动态阈值进行电弧检测的系统和方法)”的美国申请第16/225,298号的优先权，其内容通过引用整体并入本文。
技术领域
本发明总体涉及离子注入系统，更具体地，涉及对可以在离子注入系统内形成的电弧进行检测的一种电弧检测电路和方法。
背景技术
离子注入系统用于将杂质(称为掺杂剂元素)施加到半导体基底或晶片(通常称为工件)中。在这样的系统中，离子源将期望的掺杂剂元素电离，并且经离子化的杂质被从离子源提取，作为离子束。离子束被引导(例如，扫掠)穿过相应的工件以将经离子化的掺杂剂注入工件内。掺杂剂离子改变工件的组成，使得它们具有期望的电特性，这例如对于在基底上形成特定的半导体器件(例如晶体管)可以是有用的。
电子器件小型化的持续趋势促进了将更多数量的较小、更强大且更节能的半导体器件“封装”到单个晶片上的做法。这需要严密控制半导体制造过程，包括离子注入，尤其是注入晶片的离子的均匀性。此外，在较大的工件上制造半导体器件以增加产品产量。例如，使用直径为300mm或更大的晶片，使得可以在单个晶片上产生更多的器件。这样的晶片很昂贵，因此期望减小浪费，例如由于非均匀的离子注入而必须废弃整个晶片。然而，较大的晶片和高密度特征使得均匀的离子注入具有挑战，因为必须跨较大的角度和距离扫描离子束以到达晶片的周边，而不会错过在其间注入任何区域。
此外，提供给用于这种离子束的离子源的高电压在各种高压电极和其他附近元件之间受到偶尔的电弧放电影响。电弧放电的这种现象通常使一个或更多个受影响的高压(HV)电源完全放电，直到电弧在低得多的电源电压下自然地自熄灭为止。当电弧放电时，射束电流可能变得不稳定，或者可能被中断直到电源电压恢复为止，在此期间在工件上的离子注入可能会出现间歇或非均匀剂量水平的现象。
如果在处理/注入晶片的过程中在表面上形成膜，则可能发生电弧放电，由此，膜变得分层并且落在两个电极之间的高电压间隙中。膜也可能被充电并嵌入到离子束中，直到其被向下游传输而穿过形成电弧的高电压间隙。电弧放电可以烧蚀膜材料，从而产生大量粒子，这些粒子也可能嵌入晶片中。在绝缘体和/或馈通器件被处理材料或副产物涂覆以至于它们的绝缘值变得不足以隔离HV之后，也可能发生电弧放电，从而导致可能跟随绝缘体/馈通器件并烧蚀材料的电弧，重复恢复一定量的绝缘值，直到能够维持HV电源或者注入系统停止工作为止。电弧放电也可能由于高压应力场附近的真空泄漏和/或压力爆发而发生。
电弧可以在至少一个高压电极和另一导电部件之间形成。图1所示的常规离子注入系统10中示出了三种不同类型的电弧。第一电弧类型12发生在离子源电极14(其处于正电势)与提取接地电极16之间。第二电弧类型18发生在抑制电极20(其处于负电势)与接地电极16或靠近抑制电极的其他接地电极之间。第一电弧类型12有时能够诱导或级联成第二电弧类型18的附加电弧。这样的第一和第二电弧类型12、18可能是由于软件或操作者失误导致离子注入系统10失调而引起的。第三电弧类型22发生在电极(例如，离子源电极14)与靠近该电极的壳体24之间。其他类型的电弧包括在相同极性的两个电极之间的电弧，例如在端子偏置电极与端子抑制电极之间的电弧。也经常出现对围绕任何处于电势下的电极的射束线的电弧。
图1还示出了对源电极14的提取狭缝进行馈送的高正电压提取电源26，以及对与接地电极16相邻的抑制电极20进行馈送的高负电压抑制电源28。HV抑制电源28具有常规的电弧抑制或保护电路30，该电路可以使用限流电阻器32来限制到抑制电极20的电弧电流，使用电容器34来过滤并稳定电源的电压，并且使用反激式二极管36来限制在电弧通断循环期间电路的电抗元件产生的任何反向电压。
传统上，电弧保护电路30基于固定阈值电流来限制电弧电流。然而，固定阈值电流的使用会限制电弧保护电路30的有效性，这是因为阈值应被设置得足够高以避免错误地触发。然而，由于不同的处理配方和操作条件，由各种电源供应的电流可能各异到足以使固定阈值电流无法及时地检测一些电弧放电状态(如果有的话)。因此，需要在各种情况下检测电弧，以能够减轻与离子注入系统的离子源或各种电极相关联的高压电弧放电的影响。
发明内容
以下是简化的发明内容，以便提供对本发明的一个或更多个方面的基本理解。发明内容不是本发明的广泛概述，并且既不旨在指出本发明的关键或重要元素，也不旨在限制本发明的范围。相反，发明内容的主要目的在于以简化形式呈现本发明的一些概念，作为稍后呈现的具体实施方式的序言。
本发明涉及一种电弧检测电路，用于检测可以在与离子注入系统相关联的高压(HV)电极之间形成的电弧。电弧的检测，例如，可以用于触发缩短电弧持续时间的灭弧机构。此外，根据本发明，可以减轻不稳定的离子束电流和不均匀的离子注入。虽然本说明书的一些部分的上下文是针对离子源电极的，但应当理解，该电弧检测电路可以用于任何HV电极，包括离子注入系统中的使射束成形、提供射束的能量过滤或者扫描或以其它方式操做射束的各种电极。
在一个示例中，灭弧机构包括高压高速(HVHS)开关电路布置，该高压高速(HVHS)开关电路布置中的每一个都包括HVHS开关，HVHS开关串联添加在每个高压电源和该高压电源相应的与离子源相关联的高压电极之间，用于快速熄灭有害电弧。
在一个示例中，在这些区域中形成的电弧趋向于：使用于离子源或提取电极电源电压(Vext)或者用于抑制电极电源电压(Vsup)的电源(诸如HV电源)内的高压电容器充分放电。因此，离子束电流受到离子束电流(Ibeam)中的这些“故障”的显著影响，且因此在此后花费相当多的时间来使电源电压和射束电流Ibeam恢复。
讨论了电弧检测电路，该电弧检测电路将电极电流量化为数字电流信号，该数字电流信号能够由数字处理部件针对多个检测参数进行分析，以检测在离子注入系统中的不同情况下和不同位置处发生的电弧。电弧检测电路生成电弧检测信号，该电弧检测信号触发灭弧电路以缩短电弧的持续时间，从而减小不稳定离子束电流的持续时间，并且使例如离子注入的不均匀性最小化。
此外，期望在HV电源上包括灭弧机构，该HV电源为在离子束扫描下游作用于离子束的电极供电。供应到下游电极的电流根据离子束在晶片上的处理扫描内的位置而显著变化。例如，固定阈值不能有效地检测在处理扫描的中心部分期间的电弧放电，因为在该位置处的正常电流水平比离子束在晶片的边缘处时的正常电流水平低得多。
本发明的电弧检测电路使用动态检测参数(例如，电流或电压阈值)来检测电弧，该动态检测参数能够适于许多处理配方，能够根据最近经历的电流电平而变化，并且能够根据射束的处理扫描中的位置而变化。例如，能够根据离子注入系统的各种参数、操作条件、配方、负载条件等来选择性地和/或动态地确定用于触发灭弧机构的阈值参数值。此外，灭弧机构的特性(比如熄灭时间和稳定时间)也可以根据该各种参数而变化。以此方式，所公开的本发明的电弧检测电路及方法在各种应用及条件下有效地减轻离子束干扰并加速射束电流恢复。
本发明的电弧检测电路将流入或流出离子注入系统中的电极的感测电极电流量化为数字电流信号。例如，电极电流是流入或流出HV电极的电流，并且包括撞击电极的离子束电流的部分与提供给电极以维持设定偏置电压的电源电流的组合。电极电流的数字表示能够由数字处理部件(例如，处理器、现场可编程门阵列(FPGA)、复杂可编程逻辑器件(CPLD)、部件的组合等)快速分析，以检测HV电极处的电弧放电的征兆。术语FPGA可以用作简写，表示FPGA或CPLD等。数字处理部件可以包括：FPGA，其做出关于触发熄灭操作的实时决策；以及ARM或其他处理器，其配置成存储和/或操纵所存储的数字信号以确定阈值参数值；等等。
可以由电弧检测电路基于在先前扫描期间经历的电极电流水平来计算在处理扫描中随离子束位置而变化的电极电流信号的阈值范围。电弧检测电路存储多个电弧检测参数值，该多个电弧检测参数值可以单独使用或组合使用以检测电弧放电状况。电弧检测参数或值例如是动态的，并且能够根据处理配方或操作条件的变化而改变。
根据一个示例，提供了一种检测离子注入系统中的电弧的方法。该方法包括接收表示供应给离子注入系统中的一个或更多个电极的电流的感测电流，并且量化该感测电流以生成数字电流信号。例如，利用数字处理电路系统分析数字电流信号以确定数字电流信号是否满足阈值参数值。响应于数字电流信号满足阈值参数值，向触发控制电路提供检测信号，该触发控制电路激活灭弧机构。
在一个示例中，提供了一种用于检测离子注入系统中的电弧的电弧检测电路。该电弧检测电路包括分析电路和模数转换器(ADC)。ADC配置成将表示供应到离子注入系统中的电极的电流的感测电流转换为量化感测电流的数字电流信号。分析电路配置成对数字电流信号进行分析以确定数字电流信号是否满足阈值参数值，并且响应于数字电流信号满足阈值参数值，向触发控制电路提供电弧检测信号，该触发控制电路激活灭弧机构。
根据另一示例，提供了一种分析电路，该分析电路包括硬件处理部件，该硬件处理部件配置成将数字电流信号与阈值参数值进行比较，并且响应于数字电流信号满足阈值参数值，向触发控制电路提供电弧检测信号，该触发控制电路激活灭弧机构。分析电路还包括处理器，该处理器配置成动态地确定阈值参数值。
为了实现上述和相关的目的，以下描述和附图详细阐述了本发明的某些示例性方面和实施方式。这些仅指示可以采用本发明的原理的各种方式中的一些。当结合附图考虑时，根据本发明的以下具体实施方式，本发明的其它方面、优点和新颖特征将变得更加明显。
附图说明
图1是电弧放电的简化示意图，该电弧放电发生在如可以用于离子注入系统中的离子源以及具有常规电弧抑制电路的示例性抑制电极高压电源电路处；
图2A是例如可以使用本发明的电弧检测电路的示例性离子注入系统的简化框图；
图2B是例如可以使用本发明的电弧检测电路的示例性角能量过滤器系统的简化立体图；
图3是根据本发明的一个或更多个方面的电弧检测电路的部件的示意性框图，该电弧检测电路用以熄灭与离子注入系统的离子源相关联的电弧；
图4是端子偏置电源电流对时间的曲线图，其表示最小和最大阈值射束电流以及分析中的射束电流；
图5是在图2A的离子注入系统的高压电极的电弧放电期间，离子注入系统内的射束电流以及提取和抑制电压随时间变化的曲线图；
图6是根据本发明的与例如可以用于离子注入系统中的离子源的高压电源相关联地使用的示例性灭弧电路的简化框图；
图7是示出在与离子源相关联的提取电极的电弧放电期间，在真空中测试的断开和闭合示例性灭弧电路的HVHS开关的灭弧效应的图形表示；
图8是根据本发明的一个或更多个方面的用于检测电弧并向灭弧机构提供电弧检测信号的示例性方法的流程图。
具体实施方式
现在参考附图来描述本发明，其中相同的附图标记始终用于指代相同的元件。图示以及以下描述本质上是示例性的，而不是限制性的。因此，应当理解，除了本文所示出的那些之外，所示出的系统和方法以及其他这样的实施方式的变型被认为落入本发明和所附权利要求的范围内。如本文所使用的，术语“模块”、“部件”、“系统”、“电路”、“元件”、“切片”、“电路系统”等旨在指代一个或更多个电子部件、计算机相关实体、硬件、软件(例如，执行中的软件)和/或固件的集合。例如，电路系统、电路或类似术语能够是处理器、现场可编程门阵列(FPGA)、在处理器上运行的进程、控制器、对象、可执行程序、存储设备和/或具有处理设备的计算机。举例来说，在服务器上运行的应用程序和服务器也能够是电路系统。一个或更多个电路能够设置在同一电路系统内，电路系统能够位于一台计算机上和/或分布在两台或更多台计算机上。本文会描述一组元件或一组其他电路，其中术语“组”能够被解释为“一个或更多个”。
本文描述了电弧检测电路，其包括模数转换器(ADC)和分析电路。ADC对电极电流进行采样并将其转换成数字电流信号，该数字电流信号由分析电路相对于多个电弧检测参数进行分析，该多个电弧检测参数包括熄灭时间、稳定时间、电弧持续时间以及阈值电流或电压。
灭弧电路例如包括高压高速(HVHS)开关电路以熄灭有害电弧，该高压高速开关电路包括HVHS开关(例如，65k V@2MHz MOSFET开关)，该HVHS开关与高压电源串联耦合到抑制和/或提取电极或接地电极。当发生这种HV电弧时，这样的HV电源的高压电容器可以充分放电。这种深度放电极大地影响了离子束电流，并且此后需要相当长的时间来使电源电压及离子束电流Ibeam恢复。
灭弧电路中的高压开关由电弧检测电路控制，电弧检测电路检测HV电源对电极的电流或电压变化，例如与电极之一处的电弧形成相关联的电流或电压变化。灭弧电路包括用于HV开关的一个或更多个保护电路，以吸收来自HVHS开关周围的电抗部件的过量能量并钳位来自HVHS开关的任何过电压。保护电路可以与相应的HVHS开关并联和/或串联连接。
尽管在离子源和离子注入系统的上下文中示出并描述了本发明的电弧检测电路，但是应当理解，这种电弧检测电路也可以用于需要HV和高速灭弧的其他应用，例如X射线设备、加速器或其他离子源应用。以此方式，可在高压电源已显著放电且已有机会影响相关系统(例如，离子注入系统的离子束)的输出之前，检测高压电源的不想要的电弧短路。
现在参考附图，图2A示出了示例性离子注入系统100，其中离子束能量能够如本文所述被选择性地改变和/或控制。系统100具有设置在端子106中的注入器102和束线组件104以及终端站108。端子106包括端子偏置高压电源110，其将端子内的部件相对于地偏置。根据一个示例性方面，端子灭弧电路112与端子106相关联。下文将进一步讨论端子灭弧电路112的各种细节。
特别地，端子灭弧电路112例如用于检测和熄灭在端子106和接地源之间发生的电弧。这些接地源能够包括用于使端子106离开真空状态的电隔离的排气管线(未示出)或者能够涂覆有各种膜的其他部件。例如，当电隔离的排气管线由于膜涂覆而不再与高电压应力绝缘时，管线能够发生电弧并烧蚀材料，直到恢复足够的电阻或者注入器被维护为止。端子106与地之间的其它电弧源能够包括端子隔离套管(未示出)，其将端子连接到终端站108并且能够被涂覆直到不充分绝缘。如果去离子化的水没有充分去离子化或者被污染了(这进一步降低电隔离直到产生电弧为止)，则也能够通过去离子化的水和用于冷却的水管线(未示出)而发生从端子106到地的电弧。
注入器102例如包括由提取高压电源(HVPS)116供电的离子源114，其产生离子束118并将离子束118引导至束线组件104。例如，源HVPS 116使气体箱(未示出)和离子源114偏置。在这方面，离子源114产生带电离子，该带电离子经由提取组件120从离子源提取并且形成离子束118，离子束118随后沿着束线组件104中的射束路径被引导至终端站108。
为了生成离子，在离子源114的生成室122内提供待电离的掺杂剂材料(未示出)。例如，掺杂剂材料能够从气体源(未示出)被馈送到生成室122中。应当理解，能够使用任何数量的合适的机构(未示出)来激发离子生成室122内的自由电子，例如RF或微波激发源、电子束注入源、电磁源和/或在生成室内产生电弧放电的阴极。被激发的电子与掺杂剂气体分子碰撞，从而产生离子。通常，在离子生成室122中产生正离子；但是本文的公开内容也适用于产生负离子的系统。
离子由离子提取组件120可控制地通过腔室122中的狭缝124提取，其中，离子提取组件包括多个提取抑制电极126a、126b。离子提取组件120例如可以包括单或双提取抑制电极126。一个或更多个提取抑制电源128例如使相应的提取抑制电极126a、126b偏置，以使来自生成室122的离子加速。由于源HVPS 116供应高电压，因此离子源114与周围环境之间可能发生电弧放电。源灭弧电路130用于通过中断从提取HVPS 116到离子源114的电力，来熄灭这种电弧。本公开认识到，电弧132有时可以发生在电极126a、126b之间或者该电极中的一个与围绕该电极的真空室壳体(未示出)或另一部件之间。提取抑制灭弧电路134用于通过中断从提取抑制HVPS 128到电极126a和/或126b的电力，来熄灭这种电弧。
能够理解的是，由于离子束118包括类似带电的粒子，所以当类似带电的粒子在离子束内彼此排斥时，离子束可以具有径向向外膨胀的趋势，或者射束“放大”的趋势。还能够理解的是，这种射束放大现象在低能量、高电流射束中可能加剧，其中许多类似带电的粒子在相同方向上相对缓慢地移动，并且其中，在粒子之间存在大量排斥力，但是几乎没有粒子动量来保持粒子沿射束路径的方向移动。
因此，提取组件120通常构造成使得以高能量提取离子束118，使得离子束不被放大(例如，使得粒子具有足够的动量以克服可能导致射束放大的排斥力)。此外，通常有利的是，在整个系统中以相对高的能量转移离子束118，其中，根据需要在离子注入工件136中之前减小该能量能够，以促进射束容纳。由于分子或簇离子的能量被分配在分子的掺杂剂原子之间，因此并产生并传输分子或簇离子也能够是有利的，分子或簇离子能够以相对高的能量传输但以较低的等效能量注入。
束线组件104包括射束引导器138、质量分析器140、扫描系统142、平行器或校正器144以及一个或更多个角能量过滤器146(在图2B中详细示出)。图2A的质量分析器140构造成具有大约九十度的角度并且包括一个或更多个磁体(未示出)，该一个或更多个磁体用于在质量分析器中建立(双极)磁场。虽然图2A中示出了九十度角，但是其他质量分析器采用的角度包括110度、130度或其他角度。当离子束118进入质量分析器140时，离子束118被磁场相应地弯曲，使得期望的离子沿着离子束路径传输，而不适当荷质比的离子被拒绝。更具体地，具有太大或太小荷质比的离子被不充分地或极大地偏转，以便被转向到质量分析器140的侧壁148中，使得质量分析器允许射束118中具有期望荷质比的那些离子通过并且通过解析孔150而离开。
扫描系统142包括扫描元件152和聚焦和/或转向元件154。在示例性扫描系统142中，相应的电源156、158可操作地耦合到扫描元件152以及聚焦和转向元件154，并且更具体地耦合到位于其中的相应的电极160a、160b和162c、162d。聚焦和转向元件154接收具有相对窄分布的经质量分析的离子束118(例如，所示系统100中的“铅笔状”射束)，其中，由电源158施加到板162a和162b的电压操作以将离子束聚焦并转向到扫描元件152的最佳点，优选扫描顶点164。由电源156施加到扫描仪板160a和160b的电压波形然后来回扫描射束118，以将射束118展开成细长的“带状”射束(例如，扫描射束118a)，该“带状”射束具有可以至少与所关注的工件一样宽或比其更宽的宽度。应当理解，扫描顶点164能够被定义为光学路径中的点，在被扫描元件152扫描之后，带状射束118a的每个子束或扫描部分似乎都源于该点。
应当理解，本文所述类型的离子注入系统可以采用不同类型的扫描系统。例如，本发明中可以采用静电系统或磁性系统。静电扫描系统的一个实施例包括耦合到扫描仪板或电极160a和160b的电源，其中扫描仪152提供扫描射束118a。扫描仪152接收具有相对窄分布的经质量分析的离子束118(例如，所示系统中的“铅笔状”射束)，并且由电源156施加到扫描仪板160a和160b的电压波形操作以沿X方向(扫描方向)来回扫描射束，以将射束展开成具有有效X方向宽度的细长“带状”射束(例如，扫描射束)，该有效X方向宽度可以至少与所关注的工件一样宽或比其更宽。类似地，在磁性扫描系统中，高电流源连接到电磁体的线圈。出于本公开的目的，设想所有不同类型的扫描系统，而静电系统用于说明。然后，扫描射束118a穿过平行器144，平行器144将射束大致平行于Z方向(例如，大致垂直于工件表面)地引导向终端站108。虽然图2A中示出了磁性平行器144，但是在其他离子注入系统中，使用静电平行透镜电极。在这样的系统中，可以安装类似于本文讨论的那些灭弧电路(未示出)，以用于熄灭在平行器144的平行电极166c、166d上发生的电弧。
参考图2B，角能量过滤器146例如包括电偏置端子抑制孔168，其抑制电子回流到图2A的被负偏置的端子106。更具体地，具有过大或过小电势的离子被不充分地或极大地偏转，以便被转向到角能量过滤器出口孔的顶壁和底壁(未示出)中，使得只有射束中具有期望电势的那些离子穿过孔并离开。图2B的孔168被端子抑制HVPS 170偏置，并且来自孔168的电弧由灭弧电路172检测并熄灭。顶板电极174和底板电极176建立电场，该电场从扫描射束118a中滤除不期望的离子射束电势。电极174、176分别由顶板HVPS 178和底板HVPS 180偏置。灭弧电路182用于检测和熄灭顶板电极174上的电弧，并且灭弧电路184用于检测和熄灭底板电极176上的电弧。在一个示例中，单个电路板可以嵌入灭弧电路182和灭弧电路184两者。
上述任何部件的控制可以经由图2A所示的离子注入系统控制系统186来实现。如下文更详细地描述的，例如，通过相应的电弧检测电路(未示出)来控制或触发图2A-2B的灭弧电路112、130、134、172、182、184(通常称为灭弧电路188)，该电弧检测电路感测流到离子源114(在灭弧电路130的情况下)或HV电极(在灭弧电路112、134、172、182、184的情况下)的电流，并且响应于满足阈值参数值而激活灭弧机构(未示出)。灭弧电路188以类似的方式工作，但使用不同的阈值参数值，该阈值参数值与给定位置处的预期电极电流相关联。例如，由图2A的灭弧电路130和134监测的电极电流本质上可以是几乎DC的，而由位于扫描系统142下游的灭弧电路112、172、182、184监测的电极电流随着在晶片的处理扫描中离子束的位置而显著变化。因此，灭弧电路112、172、182、184可以使用随着射束扫描内的位置(例如，由从扫描开始起经过的时间确定)而变化的阈值参数值，而灭弧电路130和134可以使用不随着射束位置而变化的阈值参数值。虽然在本说明书中，使用六个电弧检测电路来检测六个不同HV电极中的电弧，但是所公开的电弧检测电路可以应用于易于产生电弧的任何HV电极，包括具有与较小聚焦和抑制电极相关联的较小电压源的电极。
现在参考图3，示出了示例性离子注入系统200，其包括用于使离子源114偏置的HVPS的示例性灭弧电路202。系统200包括HVPS 204(例如，图2A的源HVPS 116)、高压高速HVHS开关206和电流互感器(CT)208，电流互感器208用于检测从电源204流向离子源114的电流，该电流用于产生一定量的离子，离子能够被提取成离子束118的形式。当由电弧检测电路216提供的检测信号214指示满足检测到的电流的某些阈值参数值时，触发控制电路210激活灭弧机构(例如，断开HVHS开关206)。可以使用除HVHS开关206以外的其他灭弧机构，例如其他类型的开关或者激活可中断来自电源的电力流动的电源功能。虽然灭弧电路202被示出为熄灭与HVPS 204相关联的电弧，但是也可以将灭弧电路202应用于用于离子束聚焦/成形或提供抑制的HV电极。
HVHS开关206分别由并联和串联保护电路212和215保护，以吸收来自开关206周围的电抗部件的能量并保护该开关免于过电压损坏。保护电路212和215还通过抑制由开关瞬变和HVHS开关206外部的电抗部件引起的任何振铃来保护开关206和离子注入系统的其他部件。灭弧电路202可以用于任何离子注入系统或其它此类应用中，例如可以使用高压电源的应用，其中高压电源经受在该电源的输出端的电弧放电。
电弧检测电路216接收或监测在CT 208的次级绕组中生成的模拟感测电流218，并且在感测电流指示电弧正在发生时生成用于触发控制电路210的检测信号214。电弧检测电路216包括模数转换器(ADC)220、分析电路222、存储介质224和接口电路226。ADC 220对感测电流进行过采样并将其量化以生成包括一系列数字电流值的数字电流信号228。由于快速灭弧的重要性，ADC 220可以是低延迟ADC，其已经被优化以减少将感测电流的样本量化为数字电流信号值所需的时间。在一个示例中，ADC 220是12位低延迟ADC，其能够以大约60-125兆样本每秒(msps)对感测电流进行采样。能够以低至约40msps的速率对感测电流进行采样的ADC能够用于完全表征由电流互感器208产生的信号。然而，使用如250ksps那样缓慢进行感测的ADC 220可以用来获得足够的熄灭性能。
分析电路222是数字处理电路，意味着电路222使用数字部件在数字域中对数字电流信号228进行操作。分析电路222配置成分析数字电流信号228，以确定是否已满足适用的阈值参数值，并且在满足条件时产生检测信号214并将检测信号214提供给触发控制电路系统210。分析电路222配置成根据离子注入系统的操作条件来确定适用的阈值参数值，该离子注入系统的操作条件例如是系统200当前正在使用的处理配方或在最近扫描期间接收到的数字电流信号228。分析电路222从存储介质224检索用于处理配方的阈值参数值。接口电路226提供用于用户将阈值参数值存储为映射到存储介质224中的不同处理配方的装置。
除了数字电流信号的幅度上的阈值之外，分析电路222还可以动态地确定其他阈值参数值。示例阈值参数值包括电流阈值、最小电弧持续时间、熄灭时间和稳定时间。电流阈值限定了对数字电流信号228的幅度的极限。例如，如果电流阈值是200mA，则如果电流信号228超过+200mA或小于-200mA，则数字电流信号超过了电流阈值。在一些示例中，不同的幅度可以用于电流阈值的正值和电流阈值的负值。
最小电弧持续时间是数字电流信号228必须超过分析电路222的阈值以确定电弧正在发生并生成检测信号214的时间量。最小电弧检测时间用于试图消除由于与电弧无关的数字电流信号228中的噪声或感测电流218中的瞬变而可能产生的错误检测信号。熄灭时间是触发控制电路210断开HVHS 206以更快速地熄灭电弧的持续时间，否则该电弧可能通过降低的电阻路径将其自身维持更长时间，直到电压被充分地放电才自然地熄灭。稳定时间是在分析电路222相对于阈值参数值分析数字电流信号228之前在HVHS 206闭合之后必须经过的时间量。这允许电极和射束在确定电弧是否仍然发生之前从开关事件中恢复。
可以根据多种不同的操作条件(包括使用中的处理配方)以动态方式来选择或改变电弧检测电路216的这些阈值参数值中的任何一个或一些或全部。可以影响阈值参数值的处理配方中的参数包括离子束电势、电极电势、离子束电流、射束扫描频率、点射束形状以及参与由CT 208测量的负载的任何其他处理配置参数。分析电路222可以配置成对针对给定处理配方而存储的阈值参数值进行自动缩放，该缩放是响应于这些参数中的任何参数的改变而进行的。
在一个示例中，分析电路222实施为现场可编程门阵列(FPGA)，其包括多个寄存器230，该多个寄存器230可以存储从存储介质224检索到的阈值参数值。FPGA有利地提供并行处理能力，以快速地将数字电流信号228的值与寄存器230的内容进行比较，寄存器230的内容对应于存储在该寄存器中的阈值参数值。
虽然恒定阈值参数值可以适合于经历近DC负载的电极(例如，扫描系统上游的电极)，但在每一处理扫描期间变化的阈值参数值可以更适合于经历更动态负载的电极(例如，扫描系统下游的电极)。分析电路222因此被配置成存储用于电流阈值的若干值，每个值被映射到处理扫描中的不同位置范围。图4示出了来自图2A的端子偏置HVPS 110的电源电流，用于在晶片的656次扫描过程中随时间变化而将端子106偏置到固定电压。图4的左侧峰值302对应于离子束处于晶片的最左侧位置时，中间峰值304对应于离子束处于晶片的最右侧位置时，右侧峰值306(其继续回到左侧峰值302)对应于离子束回到晶片的最左侧位置时。可以看出，当离子束靠近晶片的边缘时，由于其他注入系统部件(例如，安装硬件等)的接近度，负载变得更加动态。
图4示出了，使用足够高的固定阈值用以防止在晶片边缘处触发图2A的灭弧电路188，而当离子束在晶片的中间时，使用足够高的固定阈值对于检测异常电流是无效的。。因此，针对在处理扫描开始时开始发生的图4中所示的若干时间增量T1、T2、T3、……、T12中的每一个，存储不同的电流阈值(例如，晶片的每个单次扫描)。虽然示出了十二个时间增量，但是可以使用任何数量的增量，多达每个数字电流信号样本一个增量。例如，当使用设置得足够高以避免触发晶片边缘处的电流值的电流阈值时，图3的分析电路222可能检测不到电弧事件308。然而，当离子束处于更靠近晶片中心的位置时，图4的电弧事件308可以由分析电路使用更低的电流阈值(例如，图4中指示的T7阈值)来检测。为了促进在不同离子束位置处使用不同电流阈值，将同步信号310发送到图3的每个电弧检测电路216以指示每个处理扫描的开始。该同步信号可以由离子注入系统控制系统(图2A中的186)提供。
对于用于分析针对多个处理扫描的数字电流信号数据的数字电路系统和存储介质的使用还提供了在离子注入系统操作期间对数字电流信号进行统计建模以动态地调整或确定电流阈值的能力。例如，可以针对给定的处理配方存储默认电流阈值。在操作期间，可收集并分析每一扫描的数字电流信号值，以确定可预期不存在电弧的情况下在每一晶片位置中或自同步信号以来的时间增量处出现的值的范围。在图4中，例如，点350a、350b对应于在时间增量T7期间最近656次扫描的电流值的+/-3σ范围。点360a、360b对应于时间增量T9期间的最近656次扫描的+/-3σ值。这些统计建模的值，例如，会随着电极损耗、温度漂移等改变，能够由图3的分析电路222用来动态地调整针对不同时间增量的电流阈值。图4示出了基于统计建模的示例阈值电流。以此方式，分析电路能够基于数字电流信号的统计模型动态地调整阈值参数值。当处理配方改变时，分析电路可以将最新的电流阈值存储在存储介质中，以用于处理配方下次使用时访问，或者可以将默认值保留在存储介质中，以用于在处理配方下次执行时使用。
在另一示例中，可以基于数字电流信号的幅度的某比率/函数，比如在电弧放电事件期间检测到的数字电流信号的峰值或平均值，来缩放与处理配方相关联的阈值参数值。例如，200mA电弧(其对应于图2的ADC 220处的某个缩放的电压)可以使基于400mA的数字电流信号幅度而存储的200μs熄灭时间缩小到用于200mA数字电流信号幅度的150μs，或以类似方式，针对大于400mA的数字电流信号幅度而放大。还可以缩放其他阈值参数值，比如稳定时间。
回到图3，虽然示出了单个灭弧电路202，但是应当理解，在离子注入系统中，多个灭弧电路可以设置在不同的位置处并且与不同的电极相关联。有利地，每个灭弧电路可以基于不同的阈值参数值来检测电弧，该不同的阈值参数值是基于预期电极电流而选择的。
现在参考图5，示出了射束电流的变化的曲线图400，该变化是在类似于图2A的离子注入系统的离子注入系统的高电压提取和抑制电压中发生电弧时产生的。
曲线400示出了电弧在大约0ms的时刻415处将提取电压410从大约2.2kV放电到接近0V。大约同时，抑制电压420从大约-9.3kV下降到接近0V，同时射束电流Ibeam 430下降到接近0mA。随着提取和抑制电压410和420分别下降到接近0伏，电弧自熄灭，从而允许这些电压朝向其原始电压电平再充电。如440处所示，提取电压410过冲该原始电压，且不利地延迟射束电流Ibeam 430的恢复，直到提取电压410已大体上恢复的时刻445(在约67ms处)为止。从曲线400可以看出，提取电压变化对射束电流具有相对较大且持续的影响。因此，图5表明，在HV电源可能放电之前，可以有益的是：快速断开用于离子束的电极与用于电极的高压电源之间的高压电流路径。本发明的灭弧电路实现了这一目标。
图6示出了根据本发明的各个方面的示例性离子注入系统600，该离子注入系统使用与离子源的高压电源相关联的示例性灭弧电路602。例如，灭弧电路602包括高压电源(Vb)604(例如，高压正电源)以及与开关保护电路608串联连接的HVHS开关606(例如，MOSFET晶体管的串联堆叠)，开关保护电路608驱动负载(例如，离子源114)。HVHS开关606还与并联保护电路610并联连接，该并联保护电路例如保护开关606免受电抗过电压的影响。灭弧电路602还包括电流互感器CT 612，电流互感器CT 612检测电源604中到离子源114的电流，该离子源用于例如产生可以以离子束(例如，图2A的离子束118)的形式提取的一定量的离子。
电路600还包括触发控制电路614，触发控制电路614由电弧检测电路618生成的检测信号616控制。在本发明的上下文中，电弧保护电路618还可以与HVHS开关606相关联地使用，以保护HVHS开关免受损坏。如果在供电电流(Iext)620中出现了表示电弧的电流浪涌，则电弧检测电路618向触发控制电路614提供检测信号616，触发控制电路614断开HVHS开关606以熄灭电弧。因此，负载(例如，离子源114)内的点622处的电容C1和负载处的电压(Va)通过HVHS开关606与高压电源604的电压Vb隔离。因此，负载的C1处的Va可能由于电弧的发生而放电，但是由于HVHS开关606的隔离电源电压Vb大体上保持为在电压下充电的。
再次，HVHS开关606分别由串联和并联保护电路608和610保护，以吸收来自开关606外部的电抗部件的能量，并因此保护开关免受过电压损坏。本发明的灭弧电路602可以用于任何离子注入系统或其它此类应用中，例如可以使用高压电源的应用，其中高压电源经受在该电源的输出端的电弧放电。
图7示出了在与离子源相关联的提取电极的电弧放电期间，在真空中测试的本发明的灭弧电路的HVHS开关的断开和闭合的灭弧效果。曲线750示出了在实际真空环境中测试的在与例如离子注入系统的离子源(例如，图2A和图6的114)相关联的提取电极(例如，图2A的126a)的电弧放电期间由根据本发明的灭弧电路(例如，图6的602)提供的信号的相对幅度水平。图7还示出了在提取电极电压Vext 770处测量的在HVHS开关(例如，图6的606)的断开和闭合期间检测到的法拉第电流760。离子源由高正电源电压馈送，并且当由触发控制电路(例如，图6的614)响应于来自电弧检测电路(例如，图6的602)的电弧检测信号而生成的Vext触发控制信号780触发时，具有由高负电源电压馈送的抑制电压Vsup 790。图7还示出了HVHS开关606两端的电压770，当开关闭合时产生高Vext电平770a，当开关断开时产生低Vext电平770b，如所看到的，高压电源Vb 730在电源604处，高电压Va 720在负载(例如，离子源114)处。
在时刻0.0之前，当电弧发生时，检测到的法拉第电流IFaraday 760处于高电平760a，用于电极电压Vext 770的正电源电压处于高正电压电平770a，用于电极电压Vsup 790的负电源电压处于低负电压电平790a，Vext触发控制信号780向图6的开关606提供开关闭合780a信号，其产生高Vext电平770a。在图7的时刻0.0处，在高压电源(例如，Va 720)上，例如在Vext电极处，发生电弧，Vext 770和Vsup 790电压快速下降到零，如分别在770b和790b处所示。作为响应，例如，由CT 612检测到的电流被图6的电弧检测电路618接收，并且作为响应，电弧检测电路向触发控制电路614提供检测信号，触发控制电路614在图7的Vext触发控制信号780上生成780b信号以控制HVHS开关606断开，这产生低Vext电平770b。此外，检测到的法拉第电流IFaraday 760下降到低电流水平760b。在HVHS开关现在断开并且在约0.3ms之后，Vext触发控制信号780返回到780a电平，表示电弧已经熄灭，并且Vext触发控制信号780控制HVHS开关重新闭合，并且作为响应，Vext 770回到770a电平。
此后，在大约0.6ms处，并且在电弧熄灭的情况下，负载处的电源电压开始恢复到足以使Vsup 790再次恢复到Vsup 790a电平，并且此后不久，在大约0.65ms-0.7ms处，射束电流恢复，如IFaraday 760恢复到760a电平所指示的。因此，示出了本发明的灭弧电路能够熄灭例如离子注入系统的高压电极中的电弧，并且使离子束故障的时长最小化到约0.7ms。利用所公开的灭弧技术，离子束故障的时长甚至可以进一步减小到200-270μs的范围。
图8示出了用于检测和熄灭离子注入系统中的电弧的一个示例性方法800。根据本发明的若干方面，方法800可以由本发明的灭弧电路(例如，图2A-2B的188、图2的202和图6的602)执行。尽管示例性方法800在下文中被图示和描述为一系列动作或事件，但是应当理解，本发明不受这些动作或事件的所图示的顺序限制。在这方面，根据本发明，一些动作可以以不同的顺序发生和/或与除了本文所示和/或所述的那些动作或事件之外的其他动作或事件同时发生。此外，可能不需要所有示出的步骤来实现根据本发明的方法。还应注意，根据本发明的方法可与本文中所说明及描述的晶片、晶片盒、晶片传感器、晶片处置系统及建模系统以及与未说明的其它设备及结构相关联地实施。
方法800包括，在810处，接收感测电流，该感测电流表示供应到离子注入系统中的一个或更多个电极的电流。在820处，量化感测电流，对感测电流进行量化以生成数字电流信号。在830处，该方法包括利用数字处理电路系统分析数字电流信号，以确定数字电流信号是否满足阈值参数值。在840处，响应于数字电流信号满足阈值参数值，该方法包括向触发控制电路提供检测信号，该触发控制电路激活灭弧机构。
HVHS开关基本上应用于任何离子源的提取系统。应当理解，本文描述的方面同样适用于其它离子源，包括在“软电离”离子源中提供初级电子束电流、在RF或微波离子源中提供RF或微波电力以及非电弧放电源的那些离子源。
尽管上文针对某些方面和实施方式示出和描述了本发明，但是应当理解，本领域的技术人员在阅读和理解本说明书和附图之后能够想到等同的改变和变型。特别地，对于由上述部件(组件、设备、电路、系统等)执行的各种功能，除非另有说明，否则用于描述这些部件的术语(包括对“装置”的引用)旨在对应于执行所描述的部件的指定功能的任何部件(即，功能上等同的部件)，即便在结构上不等同于执行本发明的本文所示的示例性实施方式中的功能的所公开的结构，亦是如此。此外，虽然仅相对于若干实施方式中的一个实施方式公开了本发明的特定特征，但是当对于任何给定的或特定的应用可能是期望的并且有利时，这样的特征可以与其他实施方式的一个或更多个其他特征组合。此外，就在具体实施方式或权利要求书中使用的术语“包括”、“包含”、“具有”、“带有”及其变体而言，这些术语旨在是非排他性的，类似于术语“包含”。而且，本文使用的术语“示例性”仅仅是指示例，而不是最好的执行者。使用短语“A、B或C中的一个或更多个”旨在包括A、B和C的所有组合，例如A、A和B、A和B和C、B等等。

Claims (19)

1.一种检测离子注入系统中的电弧的方法，包括：
接收感测电流，所述感测电流表示供应到所述离子注入系统中的一个或更多个电极的电流；
量化所述感测电流，以生成数字电流信号；以及
利用数字处理电路系统：
分析所述数字电流信号，以确定所述数字电流信号是否满足阈值参数值；并且
响应于所述数字电流信号满足所述阈值参数值，向触发控制电路提供检测信号，其中，所述触发控制电路激活灭弧机构；
其中：
所述阈值参数值包括电流值范围，所述电流值范围映射到相对于所述离子注入系统的处理扫描的开始时间的时间增量；并且
分析所述数字电流信号包括：
接收同步信号，所述同步信号表示所述处理扫描的开始时间；
在每个时间增量中，将所述数字电流信号与映射到该时间增量的所述电流值范围进行比较；以及
响应于对于至少一个时间增量所述数字电流信号落在所述电流值范围之外，生成所述检测信号。
2.根据权利要求1所述的方法，还包括利用所述数字处理电路系统，至少基于所述离子注入系统使用的处理配方来选择用于检测所述电弧的所述阈值参数值。
3.根据权利要求1所述的方法，还包括利用所述数字处理电路系统，至少基于所述离子注入系统的操作条件来动态地调整用于检测所述电弧的所述阈值参数值。
4.根据权利要求1所述的方法，还包括利用所述数字处理电路系统：
收集针对所述离子注入系统的多个处理扫描的数字电流信号数据；
统计分析所述数字电流信号数据，以生成统计模型；
基于统计模型确定所述阈值参数值；以及
将所确定的阈值参数值存储在存储介质中，以用于在后续分析中访问。
5.根据权利要求1所述的方法，其中，分析所述数字电流信号包括：
识别映射到所述离子注入系统使用的处理配方的存储的一个或更多个阈值参数值；
从存储介质读取所述一个或更多个阈值参数值；以及
基于所述一个或更多个阈值参数值分析所述数字电流信号。
6.根据权利要求5所述的方法，还包括至少基于离子注入系统的操作条件确定所述阈值参数值。
7.根据权利要求6所述的方法，其中，所述一个或更多个阈值参数值包括熄灭时间、稳定时间、电弧持续时间或电流阈值中的一个或更多个。
8.根据权利要求5所述的方法，还包括：
基于所述数字电流信号的幅度，缩放所述阈值参数值中的至少一个阈值参数值；以及
基于经缩放的所述至少一个阈值参数值，分析所述数字电流信号。
9.根据权利要求1所述的方法，其中，量化所述感测电流包括：将所述感测电流提供给模/数转换器ADC的输入，使得由所述模/数转换器ADC响应于所述感测电流而输出的信号为所述数字电流信号。
10.根据权利要求1所述的方法，其中，分析所述数字电流信号包括：
将所述数字电流信号提供给现场可编程门阵列FPGA；以及
利用所述现场可编程门阵列FPGA，将所述数字电流信号与存储在与所述现场可编程门阵列FPGA相关联的寄存器中的阈值参数值进行比较。
11.一种用于检测离子注入系统中的电弧的电弧检测电路，包括：
模/数转换器ADC，其配置成将感测电流转换为量化所述感测电流的数字电流信号，其中，所述感测电流表示供应到所述离子注入系统中的电极的电流；和
分析电路，其配置成：
分析所述数字电流信号，以确定所述数字电流信号是否满足阈值参数值；
响应于所述数字电流信号满足所述阈值参数值，向触发控制电路提供电弧检测信号，其中，所述触发控制电路激活灭弧机构；并且
其中，所述分析电路包括处理器，所述处理器配置成：
收集针对所述离子注入系统的多个处理扫描的数字电流信号数据；
统计分析所述数字电流信号数据，以生成统计模型；
基于统计模型确定所述阈值参数值；以及
将所确定的阈值参数值存储在存储介质中，以用于在后续分析中访问。
12.根据权利要求11所述的电弧检测电路，其中，所述模/数转换器ADC包括低延迟模/数转换器ADC，所述低延迟模/数转换器ADC具有每秒至少40兆采样的采样率。
13.根据权利要求11所述的电弧检测电路，其中，所述分析电路包括现场可编程门阵列FPGA，所述现场可编程门阵列包括配置成存储一个或更多个阈值参数值的多个寄存器，并且其中，所述现场可编程门阵列FPGA配置成将所述数字电流信号与存储的所述一个或更多个阈值参数值进行比较，以确定是否满足所述阈值参数值。
14.根据权利要求13所述的电弧检测电路，还包括：
存储介质，其配置成存储多组阈值参数值，并且
其中，所述现场可编程门阵列FPGA配置成：
基于所述离子注入系统使用的处理配方选择一组阈值参数值；
将所述一组阈值参数值存储在所述多个寄存器中；并且
当分析所述数字电流信号时，读取所述多个寄存器的内容。
15.根据权利要求14所述的电弧检测电路，还包括接口电路，所述接口电路配置成：
接收对应于一组阈值参数值和处理配方的数据；并且
以将所述一组阈值参数值映射到所述处理配方的方式将所述数据存储在所述存储介质中。
16.一种分析电路，包括：
硬件处理部件，其配置成将数字电流信号与阈值参数值进行比较，并且响应于所述数字电流信号满足所述阈值参数值，向触发控制电路提供电弧检测信号，其中，所述触发控制电路激活灭弧机构；以及
处理器，其配置成动态地确定所述阈值参数值；
其中，所述处理器配置成：
收集离子束的多次扫描中的数字电流信号；
对所收集的数字电流信号数据进行统计建模；并且
至少基于经统计建模的数字电流信号数据，确定所述阈值参数值。
17.根据权利要求16所述的分析电路，其中，所述处理器配置成至少基于离子注入系统使用的处理配方来确定所述阈值参数值。
18.根据权利要求16所述的分析电路，其中，所述处理器配置成：
读取存储的阈值参数值；并且
至少基于离子注入系统的操作条件来缩放所述阈值参数值。
19.根据权利要求16所述的分析电路，其中，所述一个或更多个阈值参数值包括熄灭时间、稳定时间、电弧持续时间或电流阈值中的一个或更多个。
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