CN117501403A - 信号处理系统和具有信号处理系统的功率供给装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于求取并且提供描述等离子体工艺的数据流的信号处理系统，所述信号处理系统具有：a)检测装置(10)，所述检测装置设立为用于检测在预给定的时间区间(n＝T1…T8)中重复的信号变化过程(100，101)，所述信号变化过程根据等离子体工艺状态改变，b)求取装置(12，14)，所述求取装置设立为用于基于在各一个时间区间中检测到的至少两个信号变化过程(100，101)产生所述数据流，其中，所述数据流具有用于所述等离子体工艺的连续求取出的稳定性特征数值。也公开一种用于产生用于等离子体的脉冲式电高频功率信号的功率供给装置(1)，所述功率供给装置具有功率发生器(2)、阻抗匹配组件(6)并且具有这样的信号处理系统，所述阻抗匹配组件与所述功率发生器连接，并且公开一种用于等离子体工艺的工艺调节组件，所述工艺调节组件设立为用于使用来自这样的信号处理系统的稳定性特征数值。

Description

信号处理系统和具有信号处理系统的功率供给装置

技术领域

本发明涉及一种用于求取并且提供描述等离子体工艺的数据流的信号处理系统。另外，本发明涉及一种具有这样的信号处理系统的功率供给装置。

背景技术

在连续波运行中的稳定的等离子体工艺的情况下，在点燃等离子体之后，构造恒定的负载阻抗(等离子体阻抗)，所述恒定的负载阻抗变化得较少。自动阻抗匹配网络(Matchbox，匹配盒)补偿该阻抗，并且向发生器呈现该自动阻抗匹配网络的额定阻抗，该发生器生成用于点燃和运行等离子体的功率。然而，如果等离子体不稳定地燃烧，无论是由于不利的室几何形状、工艺化学、电弧还是类似原因，不同的随机工艺都导致，等离子体阻抗并且因此耦合输入到等离子体中的功率不断变化。

匹配盒不能够补偿这一点，使得在发生器输出端/匹配盒输入端上产生不匹配。在HF发生器和匹配盒的工业应用中，通常认为，只有当由发生器、匹配盒、等离子体组成的该系统能够如此调设，使得反射功率接近为零时，等离子体才是稳定的。因此，在工业中已成为习惯的是，不等于零的反射功率等同于不稳定的等离子体。

相反，在以确定的重复频率变化的等离子体应用中，例如在经调制的或者脉冲式等离子体应用中，原则上，通过例如在每个脉冲的开始和结束时的暂态过程和衰减过程以及点火过程产生反射功率。通常，该反射功率不能够通过匹配盒来补偿，因为等离子体中的变化对于这些匹配盒而言发生得过快。在大的脉冲频率或者短的占空比的情况下，这变得明显。如果每个脉冲对于正向功率Pi和反射功率Pr或者电压和电流具有相同的曲线走向，则仍然可以认为是稳定的工艺。因此，将反射功率用作用于等离子体的稳定性的量度，在此不可行。然而，在不稳定的等离子体的情况下出现的是，例如单个的脉冲未点燃或者脉冲彼此不同。

换言之，在等离子体设备中，平均反射功率的量值通常用作用于自动匹配盒的匹配过程的质量的指标并且同时用作用于等离子体的稳定性标准。在(快速)脉冲式应用中，在每个脉冲的开始和结束时，出现暂态过程和衰减过程，尽管工艺稳定并且匹配是尽可能好的，所述暂态过程和衰减过程仍然导致反射功率。

发明内容

本发明的任务在于，提供一种用于求取特征数值的设备，该特征数值更可靠地描述等离子体的稳定性。

根据本发明，该任务通过一种用于求取并且提供描述等离子体工艺的数据流的信号处理系统来解决，所述信号处理系统具有：

a)检测装置，该检测装置设立为用于检测在预给定的时间区间中重复的信号变化过程，该信号变化过程根据等离子体工艺状态改变，

b)求取装置，该求取装置设立为用于基于在各一个时间区间中检测到的至少两个信号变化过程产生数据流，其中，该数据流具有用于等离子体工艺的连续求取出的稳定性特征数值。

信号变化过程指的是：与包络曲线、与有效值曲线、与均方根误差(Root-Mean-Squared，RMS)曲线或者与MF信号或者HF信号的极值曲线成比例的信号变化过程或者DC信号的可以连续变化的变化过程。

稳定性特征数值可以一方面与反射功率有关，但是此外可以与另外的参数有关，例如该稳定性特征数值可以不仅与反射功率有关。另外，稳定性特征数值可以与反射功率无关，并且尤其是，即使反射功率不等于零，也可以达到该稳定性特征数值的最大值。借助根据本发明求取出的稳定性特征数值，可以对等离子体的稳定性做出更有说服力的陈述。

数据流构成不断更新的数据的连续提供，所述数据尤其是稳定性特征数值。

在此，数据流可以这样构型，使得总是在预给定的数据流区间之后输出稳定性特征数值的经更新的数据。数据流区间可以与重复的信号变化过程的预给定的时间区间无关。数据流区间可以尤其大于重复的信号变化过程的时间区间。数据流区间可以为大于1ms直至大约1s。该数据流区间可以提供给上级的等离子体工艺控制单元。上级的等离子体工艺控制单元可以设立为用于，将该稳定性特征数值纳入到该数据流区间的工艺改进调节中，并且例如如此调设气体工艺、气体混合物、压力、电气参数(例如频率、功率、电压、电流、调制或者脉冲频率)，使得该稳定性特征数值具有更有利的值。

该数据流可以通过在各一个时间区间中检测到的至少两个信号变化过程的比较产生。该比较可以例如是相关或者减法。

数据流的输出值，即这样的稳定性特征数值，可以基于具有多个检测到的信号曲线的这样的比较中的多个比较。

可以由这样的比较中的多个比较将该稳定性特征数值求取为统计值，即例如平均值或者最大值。

可以根据不同的统计分析处理求取具有多个不同稳定性特征数值的多个数据流。

可以例如根据高的最大值和低的平均值来识别罕见的、但是非常鲜明的事件。

求取出的稳定性特征数值可以单独地和/或与用于KI(Künstliche Intelligenz，人工智能)的应用的和/或用于机器学习的别的数据相结合地不仅用作测试数据，还用作学习数据，并且可以因此使工艺更稳定。

数据流的产生可以这样构型，使得用于求取稳定性特征数值的时间窗至少与数据流区间一样长，但是优选比该数据流区间长，尤其是该数据流区间的至少两倍。因此，预防信息的丢失。

在例如由于不稳定的负载或者环境条件而具有基础不稳定性的等离子体工艺中，稳定性特征数值可以非常有利地用于调节等离子体工艺。因此，可以根据一个或者多个稳定性特征数值来求取基础不稳定性，并且可以尝试在该基础不稳定性中保持该工艺，并且可以尝试借助所述一个或者多个稳定性特征数值来识别，该工艺何时处于与与基础不稳定性相有偏差的经改变的不稳定性，并且如果该经改变的不稳定性是不期望的，则采取措施以便回到基础不稳定性。

检测装置可以具有模拟数字转换器(ADC)并且将数据保存在存储器中。在此，一个时间区间的所有数据可以保存在第一存储器区段(阵列，array)中，随后的时间区间的数据可以保存在另外的存储器区段中。可以设置有多于两个的这样的存储器区段。如果所设置的最后一个存储器区段被写入，则第一存储器区段可以再次作为下一个存储器区段被写入并且存在于那里的数据被覆盖。

检测装置可以完成所有这些。检测装置可以具有固定接线的或者可编程的逻辑结构组，尤其是FPGA。这具有如下优点：能够实现快速的数据处理。可以总是实施相同的例程。另一优点是FPGA的可配置性。

求取装置可以设立为用于，以读取的方式访问存储器区段，尤其是总是访问检测装置当前未写入的存储器区段。求取装置可以构型为微处理器或者具有这样的微处理器。微处理器可以设立为用于实施控制装置的另外的任务。

优选地，等离子体工艺通过HF功率信号来激励。信号变化过程可以重复。信号变化过程可以尤其周期性地以信号变化过程频率重复。信号变化过程可以在正常运行中以时间区间的周期持续时间重复，即例如周期性调制的信号或者周期性脉冲式信号或者由这些重复的信号变化过程组成的组合。

HF功率信号的频率可以具有明显比信号变化过程频率更高的频率，典型地可以是4倍、10倍、50倍、100倍或者更多倍数的更高的频率。HF功率信号可以处在大于或者等于4MHz的频率处，尤其是处在同时小于或者等于80MHz的频率处，尤其时处在10至50MHz的频率范围中，特别优选地处在13.56MHz处。

重复的信号变化过程的频率(＝信号变化过程频率)可以处在大于等于10kHz的频率处。重复的信号变化过程的频率(＝信号变化过程频率)可以处在小于等于500kHz的频率处。该频率可以通过HF功率信号的经调制的或者脉冲式运行引起。该频率可以通过别的功率供给装置的经调制的或者脉冲式运行引起，所述别的功率供给装置同样附接到等离子体工艺上，例如是偏置功率供给装置。该频率可以通过阻抗匹配组件的周期性改变引起。该频率可以通过等离子体工艺的周期性改变引起。这可以是衬底在等离子体工艺中的运动，例如衬底的进给，或者可以是多个衬底在转台上的运动。

信号变化过程可以是基本上恒定的值。这可以例如是从功率发生器到等离子体工艺上的恒定的HF功率信号，该等离子体工艺具有先前描述的转台，该转台的转动速度为每10s回转1次。然后，该HF功率信号是基本上恒定的，但是工艺运行者知道，存在影响参量，该影响参量以10s的时间区间重复。该时间区间能够被预给定。

重复的信号变化过程的预给定的时间区间和/或数据流区间可以通过等离子体工艺的工艺波动预给定。这样的工艺波动可以是通过多个衬底之间的一个或者多个中间空间所导致的，例如在连续涂覆设备中或者在具有旋转靶或者旋转衬底的设备中通过这些设备的不平整性或者不规则性所导致。这种类型的设备和用于这样的工艺波动的原因例如在WO2020/152097A1中描述，其名称为“用于补偿等离子体工艺的工艺波动的方法和用于给等离子体工艺供电的功率发生器的调节器”。

信号处理系统可以设立为，时间区间可以从外部预给定，例如由功率发生器、阻抗匹配组件或者由影响等离子体工艺的别的单元预给定，例如另外的、附接到等离子体工艺上的、低频的、经调制的或者脉冲式电流供给装置，尤其是偏置电流供给装置。时间区间也可以通过衬底在等离子体中或在等离子体室中的进给或者转动速度预给定。

信号处理系统可以设立为用于尤其是借助检测装置或者借助求取装置自行求取该时间区间。这可以例如通过自相关实现，即例如通过信号变化过程与在较早的时间点的信号变化过程本身的相关实现。替代地，该时间区间可以借助频率分析来确定，即例如通过寻找不等于、尤其是小于等离子体工艺的激励频率的频率来确定。

信号处理系统可以设立为，数据流基于对彼此相继的时间区间的两个信号变化过程的比较产生。在此，彼此相继的时间区间不必一定是直接彼此相继的时间区间。也可以将多个第一时间区间的多个第一信号变化过程与随后的时间区间的信号变化过程进行比较，并且用于产生该数据流。因此，可以由多个第一时间区间的多个第一信号变化过程形成例如平均值变化过程或者最大值变化过程，并且可以将该平均值变化过程或者最大值变化过程用于所述比较。

信号处理系统可以具有存储器装置，用于记录信号变化过程。由此可能的是，将信号变化过程和/或由此求取出的值相互比较。此外，求平均值是可能的。包络曲线的产生也是可能的。对于每个时间区间，可以求取并且存储信号变化过程的极值。存储器装置可以构造为环形存储器。

可以设置有同步装置，用于使检测装置同步到信号变化过程频率上。由此可能的是，记录并且比较完整的信号变化过程、脉冲或者脉冲开端。替代地，可以记录多个工艺启动和点火过程。尤其是，当工艺倾向于不点火或者在启动时进入到“差的”状态中时，这是有利的。

可以设置有比较装置，该比较装置设立为用于将所记录的信号变化过程和/或由此求取出的值相互比较或者与参考值比较。

求取装置可以设立为用于求取在多个时间区间内的平均信号变化过程。由此可以求取平均信号变化过程。每个新的信号变化过程区间以相应加权的方式加入到该平均信号变化过程中。求取装置可以构造为用于，求取、尤其是同时求取新的时间区间与该平均信号变化过程偏差多远，尤其是求取信号变化过程的样本与平均信号变化过程的偏差。然后，该偏差的最大值或者该偏差的平均值可以用作用于(不)稳定性的量度。可以为N个时间区间记录该值，并且可以输出其最大值或者平均值。在不记录的情况下，也能够使用极值，该极值在每个新的时间区间中衰减，直到在N个时间区间之后该极值达到零。

求取装置可以设立为用于，确定多个时间区间的相应的样本的包络曲线、尤其是最小值和最大值并且由此求取稳定性特征数值。例如，可以记录N个脉冲。在检测到第N+1个脉冲时，再次覆盖最旧的脉冲。通过在环形缓冲器中的所有这些脉冲，为每个样本求取最大值和最小值。产生由最大值和最小值组成的包络曲线。通过形成最大值和最小值的平均间距，同样能够确定用于不稳定性的量度。

为了节省资源，不必记录一个时间区间中的每个信号变化过程。在求取期间，也可以忽略单个的时间区间。

在一个方面，本发明涉及一种用于产生用于等离子体的电高频功率信号(HF功率信号)的功率供给装置，该功率供给装置具有功率发生器、阻抗匹配组件并且具有根据本发明的信号处理系统，该阻抗匹配组件与所述功率发生器连接。

信号处理系统可以布置在功率供给装置中。替代地，该信号处理系统也可以布置在阻抗匹配组件中。另外能够考虑，该信号处理系统布置在外部，即既不布置在功率供给装置、也不布置在阻抗匹配组件中。

附图说明

本发明的其他优点从说明书和附图中得出。同样地，根据本发明，上文提到的和更进一步阐释的特征能够本身单独地或以多个形成任意组合地予以应用。所示出并且所描述的实施方式不应理解为详尽的列举，而是具有用于本发明的叙述的示例性特征。

对本发明和附图的详细说明

图1示出功率供给装置的示意图；

图2示出用于阐明用于求取具有稳定性特征数值的数据流的第一处理方式的图表；

图3示出用于阐明用于求取具有稳定性特征数值的数据流的第二处理方式的图表。

具体实施方式

图1示出功率供给装置1，该功率供给装置用于产生尤其脉冲式电高频功率信号，用以在等离子体室4中产生等离子体。功率供给装置1包括功率发生器2和阻抗匹配组件6，该阻抗匹配组件与功率发生器2连接，功率发生器2经由该阻抗匹配组件与等离子体室4连接。

检测装置10设立为用于检测在预给定的时间区间中重复的信号变化过程，该信号变化过程根据等离子体工艺状态改变。检测装置10布置在功率发生器2与阻抗匹配组件6之间。该检测装置可以例如构造为用于测量电流和/或电压的测量装置，和/或可以构造为定向耦合器，以便检测功率。

求取装置12、14可以布置在功率发生器2或者阻抗匹配组件6中(示出两个求取装置12、14，然而一个求取装置是足够的)。也能够考虑，求取装置12、14布置在别的部位上。该求取装置设立为用于，基于在时间区间中检测到的至少一个信号变化过程产生数据流，其中，该数据流具有用于等离子体工艺的连续求取出的稳定性特征数值。

由检测装置10检测到的信号变化过程可以存储在存储器装置16中，并且可以从那里提供给求取装置12、14。存储器装置16可以构造为环形存储器。

所记录的信号变化过程和/或由此求取出的值相互的比较或者与参考值的比较，可以通过比较装置20实现。基于该比较，可以产生并且输出数据流，尤其是可以向用户显示该数据流，该数据流具有稳定性特征数值。

对信号变化过程的检测可以同步进行。为了使对信号变化过程的检测同步，设置有同步装置18，该同步装置不仅可以与检测装置10连接、还可以与控制装置22连接。控制装置22不仅可以控制功率发生器2，还可以控制同步装置18。

图2示出相应于脉冲式高频功率的第一信号变化过程100和相应于反射功率的第二信号变化过程101，该第一信号变化过程由功率发生器2提供。信号变化过程100、101在时间区间n＝T1…T8中被检测，并且存储在存储器装置16中。在每个时间区间n＝T1…T8中，从信号变化过程100、101选取m＝1…8个样本。

图2示出脉冲式HF信号、脉冲式DC偏置信号或者相似的信号。在此能够看到脉冲信号的包络曲线。该包络曲线可以为从例如10KHz直至500kHz的频率。以该脉冲形式脉动的HF信号具有明显更高的频率，例如10MHz或者更高。该HF信号在图2中未示出。

在时间区间T1-T4中，信号变化过程100、101是正常的。在时间区间T5中，存在呈脉冲中断(Pulsaussetzer)或者不期望的事件的形式的不连续性。时间区间T6-T8相应于恢复阶段。

能够看出，时间区间T1…T8同步到HF功率信号的脉冲的上升翼上，即对信号变化过程100、101的检测通过同步装置18进行，同步到引起HF功率信号的脉动的脉冲信号上。

通过求取装置12、14例如形成信号变化过程100在n个时间区间内的移动平均值，使得产生平均信号变化过程。每个新的时间区间以相应加权的方式加入到该平均信号变化过程中。另外，确定新的时间区间的每个样本与平均信号变化过程偏差多远。然后，该偏差的最大值或者该偏差的平均值可以用作用于等离子体工艺的稳定性的量度。替代地，可以考虑新的时间区间与所形成的平均值之间的互相关。可以为n个时间区间记录该稳定性特征数值，并且可以输出该稳定性特征数值的最大值或者平均值。这构成上文描述的数据流。

替代地，也可以仅比较两个时间区间的在时间上相对应的采样点(样本)，例如通过减法，并且可以存储最大值。在每个新的时间区间中，如果不出现不连续性，则该最大值衰减，直到在N个时间区间之后该最大值达到零。

相应地，对于时间区间T1-T4，求取并且输出能够分配给高稳定性的稳定性特征数值，因为样本与平均信号变化过程的偏差较小，而对于时间区间T5-T8，求取并且必要时输出能够分配给低稳定性的稳定性特征数值。

在根据图3的实施方式中，重新示出信号变化过程101。信号变化过程101是在时间区间n＝T11…T14中被检测的，并且存储在存储器装置16中。在每个时间区间n＝T11…T14中，从该信号变化过程选取多个样本。

能够看出，时间区间n＝T11…T14同步到HF功率信号的脉冲的上升翼上，即对信号变化过程101的检测通过同步装置18进行，同步到引起HF功率信号的脉动的脉冲信号上。

对于每个样本，形成在所述时间区间内的最大值和最小值，使得可以产生包络曲线103。稳定性特征数值可以例如由所述时间区间的相应的样本的平均值、最大值和最小值求取。因此，如果包络曲线103位于信号变化过程101附近，如在区间T11-T13中那样，则存在高的稳定性。相应地，为时间区间T11-T13求取并且输出能够分配给高稳定性的稳定性特征数值。如果包络曲线如在区间T14中那样与信号变化过程101具有大的间距，则存在低的稳定性。相应地，为时间区间T14求取并且输出能够分配给低稳定性的稳定性特征数值。

Claims (20)

1.一种用于求取并且提供描述等离子体工艺的数据流的信号处理系统，所述信号处理系统具有：

a)检测装置(10)，所述检测装置设立为用于检测在预给定的时间区间(n＝T1…T8)中重复的信号变化过程(100，101)，所述信号变化过程根据等离子体工艺状态改变，

b)求取装置(12，14)，所述求取装置设立为用于基于在各一个时间区间(n＝T1…T8)中检测到的至少两个信号变化过程(100，101)产生所述数据流，其中，所述数据流具有用于所述等离子体工艺的连续求取出的稳定性特征数值。

2.根据权利要求1所述的信号处理系统，其特征在于，所述信号处理系统设立为，所述时间区间(n＝T1…T8)能够从外部预给定。

3.根据上述权利要求中任一项所述的信号处理系统，其特征在于，所述信号处理系统设立为用于尤其是借助所述检测装置(10)或者借助所述求取装置(12，14)自行求取所述时间区间(n＝T1…T8)。

4.根据上述权利要求中任一项所述的信号处理系统，其特征在于，所述信号处理系统设立为，所述数据流基于对彼此相继的时间区间(n＝T1…T8)的两个信号变化过程(100，101)的比较产生。

5.根据上述权利要求中任一项所述的信号处理系统，其特征在于，所述信号处理系统设立为，所述数据流基于对在各一个时间区间中检测到的至少两个信号变化过程(100，101)的比较产生。

6.根据权利要求4或5所述的信号处理系统，其特征在于，所述数据流的输出值、即这样的稳定性特征数值基于具有多个检测到的信号变化过程的这样的比较中的多个比较。

7.根据权利要求4至6中任一项所述的信号处理系统，其特征在于，由这样的比较中的多个比较将所述稳定性特征数值求取为统计值，即例如平均值或者最大值。

8.根据上述权利要求中任一项所述的信号处理系统，其特征在于，所述信号处理系统设立为，根据不同的统计分析处理，求取具有多个不同稳定性特征数值的多个数据流。

9.根据上述权利要求中任一项所述的信号处理系统，其特征在于，所述信号处理系统设立为，求取出的稳定性特征数值单独地和/或与用于KI的应用的别的数据和/或用于机器学习的别的数据相结合地不仅用作测试数据，还用作学习数据。

10.根据上述权利要求中任一项所述的信号处理系统，其特征在于，所述信号处理系统设立为，为了产生所述数据流，用于求取所述稳定性特征数值的时间窗至少与数据流区间一样长，但是优选比所述数据流区间长，尤其是所述数据流区间的至少两倍长。

11.根据上述权利要求中任一项所述的信号处理系统，其特征在于，所述信号处理系统设立为，重复的信号变化过程的预给定的时间区间和/或所述数据流区间通过所述等离子体工艺的工艺波动预给定。

12.根据上述权利要求中任一项所述的信号处理系统，其特征在于，设置有存储器装置(16)，用于记录所述信号变化过程(100，101)。

13.根据权利要求12所述的信号处理系统，其特征在于，所述存储器装置(16)构造为环形存储器。

14.根据上述权利要求中任一项所述的信号处理系统，其特征在于，设置有同步装置(18)，用于使所述检测装置(10)同步到信号变化过程频率上。

15.根据上述权利要求中任一项所述的信号处理系统，其特征在于，设置有比较装置(20)，所述比较装置设立为用于，将所记录的信号变化过程(100，101)和/或由此求取出的值相互比较或者与参考值比较。

16.根据上述权利要求中任一项所述的信号处理系统，其特征在于，所述求取装置(12，14)设立为用于求取在多个时间区间内的平均信号变化过程。

17.根据上述权利要求中任一项所述的信号处理系统，其特征在于，所述求取装置(12，14)构造为用于求取信号变化过程的样本与平均信号变化过程的偏差。

18.根据上述权利要求中任一项所述的信号处理系统，其特征在于，所述求取装置(12，14)设立为用于确定多个时间区间的相应的样本的包络曲线、尤其是最小值和最大值并且由此求取稳定性特征数值。

19.一种用于产生用于等离子体的脉冲式电高频功率信号的功率供给装置(1)，所述功率供给装置具有功率发生器(2)、阻抗匹配组件(6)并且具有根据上述权利要求中任一项所述的信号处理系统，所述阻抗匹配组件与所述功率发生器(2)连接。

20.一种用于等离子体工艺的工艺调节组件，所述工艺调节组件设立为用于将来自前述权利要求1至18中任一项的信号处理系统的稳定性特征数值用于调节所述等离子体工艺。