CN1987490B - 用于检测电弧的方法和设备 - Google Patents

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Abstract

本发明设计用于在等离子工艺中检测电弧的一种方法和电弧检测装置(1)，包括至少一个比较器(ADC)，为所述比较器提供AC发生器的输出信号或者与所述输出信号有关的内部信号作为评估信号，还为所述比较器提供参考值(R1到R4)，其中，比较器(3到6)连接到逻辑器件(16)，所述逻辑器件(16)生成用于电弧抑制设备(23)的信号。

Description

用于检测电弧的方法和设备
技术领域
本发明涉及用于在由AC发生器供给的等离子工艺中检测电弧的一种方法，其中AC发生器的一个输出信号用于供电。
背景技术
在等离子工艺中，采用传统的反应的方式通过溅射/阴极溅射对物质(例如玻璃表面)的涂敷，在建筑玻璃涂敷中是已知的。为了该目的，电流源或电压源生成等离子，所述等离子从目标上移除沉积到衬底(例如玻璃面板)上的物质。在沉积之前，根据所期望的涂敷，可以在反应过程中将原子约束为气体原子或者气体分子。
经常使用通常工作在10到500kHz频率的MF发生器，尤其是对于反应过程。通常将MF发生器的输出电压提供给等离子工艺室的两个电极，这两个电极交替地作为阴极和阳极工作，并且每一个连接一个目标。存在所谓的自由振荡MF发生器，或者固定频率的MF发生器。
尤其是，在反应过程中，MF发生器还频繁地产生火花，称为微电弧，其通常在下一个电压翻转过程中或者至少在几个周期之后熄灭。然而，可能发生具有较高能量和较长持续时间的电弧。经常通过检查输出电压的电压降或者通过检查输出电压的电流增大，来检测电弧。可选择地，电弧可以通过通到各个电极的电流之间的差值来识别。在传统设备中，用户可以调节电弧检测限定值。测量电流和电压的有效值，以进行检测。在这种测量中，电压和电流的值必须在该期间结合在一起，以防止将零交叉检测为电压降。因此这种电弧检测通常比MF输出电压的半波形的持续时间慢，从而长于40μs。
当MF发生器用在半导体制造工艺中，尤其是用在平板显示器FPD制造中时，发生器必须满足更高的要求。必须在几个μs甚至1个μs之内检测到电弧。
在DE 43 26 100 A1中公开的电弧检测方法中，中频发生器的中频信号的每个半波被划分为多个时间段，测量预定时间段的电流和电压的值，以形成真实值信号，并将其输入到浮地式测量设备。该测量设备嵌入到回路中，该回路的主站位于发生器的控制单元，其中，当发生电弧时，通过将该测量设备连接到该发生器的连接线使发生器无效。
US 6,420,863 B1提出对每个半波，测量至少一个放电电流或者一个放电电压的值。计算第一和第二半波的测量值之间的差值。将该差值与可预定公差进行比较，并且当超过该公差时，降低功率供给。
发明内容
本发明的目的是提供一种电弧检测方法和电弧检测装置，用于以更快和更可靠的方式来检测电弧。
根据本发明，该目的是采用在由AC发生器供给的等离子工艺中的一种电弧检测方法，以令人惊奇并简单的方式实现的，其中AC发生器的输出信号用于功率供给，所述方法包括以下方法步骤：
a.确定下述至少之一：aa.时刻，在该时刻，作为评估信号的所述输出信号或者与所述输出信号有关的信号在所述评估信号的正半波中超过参考值，或者在所述评估信号的负半波中下降到低于所述参考值，和bb.确定随后的时刻，在该时刻，所述评估信号在所述评估信号的正半波中的相同半波中下降到低于参考值，或者在所述评估信号的负半波中超过所述参考值，
b.使用所述时刻中的至少一个，确定至少一个时间间隔，
c.对评估信号的后面的半波重复方法步骤a)-b)，
d.将相互对应的时间间隔进行比较，
e.当所述相互对应的时间间隔彼此之间的差值超过可预定公差时，生成电弧检测信号。
采用该方法，即使是最小的电弧也能够可靠地快速地检测到，并且不会错误地将通过例如在等离子室中的压力变化引起的电压波动认为是电弧。该方法还特别加快了电弧检测。尤其是可以在几个微秒内甚至更快地，即小于1个微米内检测电弧。这就可以对电弧的检测进行适当的反应，以避免破坏，尤其是在平板显示器制造中，并且降低了不合格品数量。可以将例如AC发生器的输出电流、输出电压或者输出功率用作评估信号。优选地监视所述输出电压或者测量直接提供给电极的电压，并将其用作评估信号。然而，也可以使用AC发生器的与所述输出信号有关的内部信号作为评估信号。
在特别优选的方法变体中，可以确定并比较同一极性的半波的时间间隔。通过在等离子工艺中对目标的不同燃烧，生成不同的电压曲线。通过将同一极性的半波用于电弧检测，能够避免将由此造成的波动认为是电弧。
更加能够避免对评估信号波动的错误反应，因为是检测和比较同一极性的完全连续的半波的时间间隔。
在优选的方法变体中，要进行比较的时间间隔可以形成为超过或者下降到低于所述参考值时的连续的时刻之间的差值，并且当后面的半波的时间间隔较之前的半波的相应时间间隔小到超过可预定公差时，生成电弧检测信号。因此，确定在正半波的上升脉冲波前(risingflank)超过所述参考值与正半波的下降脉冲波前(falling flank)下降到低于所述参考值之间的时间段。与之对应的，为负半波确定在下降脉冲波前下降到低于所述参考值与上升脉冲波前超过所述参考值之间的时间段。当后面的半波的该时间段较为之前的半波所确定的时间段短到超过可预定公差时，表示存在电弧。从而，整体公差可以由在时间段或时间间隔的开始和结束处的两个不同公差值组成。
在另一方法变体中，可以在半波的起始处检测评估信号的零交叉时刻，要进行比较的时间间隔可以形成为第奇数次(第一次、第三次等)超过或者下降到低于(经过)所述参考值的时刻与零交叉时刻之间的差值，并且当后面的半波的时间间隔较之前的半波的时间间隔大到超过可预定公差时，可以生成电弧检测信号。该方法变体可以采用可编程逻辑器件以特别简单的方式实现。
可替换地或者附加地，可以在半波的起始处检测评估信号的零交叉时刻，要进行比较的时间间隔可以形成为第偶数次(第二次、第四次等)超过或者下降到低于(经过)所述参考值的时刻与零交叉时刻之间的差值，并且当后面的半波的时间间隔较之前的半波的时间间隔小到超过可预定公差时，可以生成电弧检测信号。
在电弧检测中，当从超过或者下降到低于所述参考值的时刻与随后的下降到低于或者超过所述参考值的时刻之间的差值得到的时间间隔小于预定时间段时，忽略该时间间隔，从而能够增加电弧检测的可靠性。从而可以不考虑并非由电弧产生的评估信号的波动。
当预定了几个参考值时，能够更加快速地并更高准确度地检测电弧。
在特别优选的方法变体中，形成平均振幅值，其是几个半波的平均值，并且根据所述平均振幅值预定所述一个(或多个)参考值。采用这种测量，所述参考值不是严格地预先确定的，而是根据在工作中可以逐渐变化的评估信号进行自动调节。所述参考值优选地选择为所述平均振幅值的百分比，例如所述平均振幅值的20％、40％、60％、80％。
本发明还包括用于在等离子工艺中的检测电弧的电弧检测装置，其包括至少一个模拟数字转换器(ADC)，为其提供AC发生器的输出信号或者与所述输出信号有关的内部信号作为评估信号，还为其提供参考值，其中，ADC连接到逻辑器件，所述逻辑器件生成用于电弧抑制设备的信号。本发明的电弧检测装置的优点在于，所述逻辑器件直接使用ADC信号生成电弧检测信号，而无须互连控制装置。这比使用控制装置(例如微控制器)可能得到的结果快很多。具有优势的是，所述逻辑器件是可编程逻辑器件。在最简单的情况中，所述ADC由比较器组成。
在本发明的特别简单的实现中，将所述逻辑器件设计为FPGA。
在有利的实施例中，可以提供控制器，其预置所述逻辑器件的所述(参数)值。从而可以预定不同的参数值，例如公差值或者时间间隔的长度，其对于电弧检测不会被考虑。
根据该工艺，可能要求预置不同的公差值。为了使用户能够进行预置，有利的是，可以将操作区域和显示器与所述控制器关联起来。
通过提供几个，尤其是4个，对其提供不同参考值的比较器，可以实现特别快速的和准确的电弧检测。所有这些比较器都连接到可编程逻辑器件上。
有利的是，提供参考值生成装置，尤其是分压器。可以将评估信号的经过平均的平均振幅值提供给所述分压器。所述比较器可以测量在所述分压器的电阻器之间的参考值。所述参考值能够通过所述电阻器的数量和大小来调节，尤其是作为所述平均振幅值的百分比。
在本发明的以下的实施例描述中、示出本发明具体细节的附图中、以及权利要求中，能够提取出本发明的其他特征和优点。各个特征能够分别地或者整体地以本发明的变体的任意组合来实现。
附图说明
附图示意性地示出了本发明的优选实施例，以下将参考附图对优选实施例进行解释。
图1示出了电弧检测装置的示意性表示；以及
图2示出了更加详细地解释本发明方法的两个波形。
具体实施方式
图1示出了电弧检测装置1。将评估信号施加到输入端2，该信号来自AC发生器，或者来自对在等离子工艺室的电极处的直接测量。该评估信号可以是，例如，由AC发生器生成的AC电压，或者AC电压发生器的内部信号。在本实施例中，将该信号施加到每个模拟数字转换器(ADC)3、4、5、6、25的一个输入端，所述ADC设计为比较器。还将所述评估信号提供给峰值整流器7，其中峰值整流器7包括二极管8、电阻器9和电容器10。在所述峰值整流器7中确定振幅UA，其是所述评估信号几个周期的平均。在本实施例中是确定电压。将电压施加到设计为分压器的参考值生成装置11。参考值生成装置11的电阻器12、13、14、15大小相等。这意味这在所有电阻器处具有相同的电压降，从而将经过平均的振幅分割为等值的4个电压。将这4个电压作为参考值R1、R2、R3和R4施加到ADC 3到6，并将其与在该位置处的瞬时评估信号进行比较。将比较结果提供给可编程逻辑器件16，可编程逻辑器件16从来自ADC 3到6的信息中确定是否存在电弧。
比较器25通过将参考值R5与所述评估信号进行比较来检测零交叉。电路配置26包括ADC 3-6、25和参考值生成装置11。其也可以由一个ADC实现。这就降低了器件成本。此外，甚至可以更加精细地调节参考值，尤其是参考阈值。此外，可以使用ADC生成正半波和负半波，从而额外地降低了器件数量、成本和必需的空间。可以额外地提供一个ADC，用于测量流入等离子工艺的电流。从而可以监视电流和电压。
当存在电弧时，直接通过线17发出相应信号，而不必互连微控制器18或者控制设备20。线17直接引向电弧抑制或者电弧去除装置23。可编程逻辑器件16连接到微控制器18，通过微控制器18可以预置不同的参数值。此外，可编程逻辑器件16连接到时钟发生器19，时钟发生器19允许在可编程逻辑器件16中快速处理信息。
微控制器进而连接到用于数据交换的下级控制设备20。控制设备20具有显示器21和操作区域22，用于对微控制器18进行编程，进而对可编程逻辑器件16进行编程。
图2示出了在MF发生器的输出电压的当前情况下，评估信号的第一个和后面的正半波30、31。根据本发明的方法，检测到正在上升的评估信号超过参考值R1的时刻t1。类似的检测到时刻t2到t5，在这些时刻处，具有正半波30的正在上升的评估信号超过参考值R2、R3、R4。此外，检测到时刻t6、t7、t8、t9、t10，在这些时刻，正在下降的评估信号下降到低于参考值R1到R4。由此必须注意的是，在时刻t4首次超过参考值R4，在时刻t5第二次超过参考值R4，在时刻t6首次下降到低于参考值R4，并在时刻t7第二次下降到低于参考值R4。
对每个参考值R1到R4形成时间间隔，从而考虑时刻t1-t10中的至少一些，并且可能考虑零交叉的时刻t0。尤其是，可以通过将时刻t10与t1，t9和t2，t8和t3，t7和t5以及t6和t4相减，来形成时间间隔。这些时间间隔指定为I1到I5。可替换地或者附加地，可以从时刻t1-t10与零交叉时刻t0之间的差值中确定时间间隔。
采用该方式确定的每个时间间隔可以与一个公差相关联。从而，可以为所有参考值预定相同或不同的公差。公差可以通过控制设备20进行调节。微控制器18存储调节后的值，并将其传送到逻辑器件16。可以将公差规定为固定时刻值，或者规定为半波的多个部分，或者规定为间隔I1到I4的一部分。有利的是，按照半波持续时间的百分比来规定所述公差，这是因为当频率发生改变时，不需要重新输入所述规定。公差的典型值为，对于I1到I3是半波的持续时间的10％到20％，对于I4是20％到35％。更加灵活的是，可以为时间间隔的开始和结束预定不同的公差值。这表示为第二半波31。在该情况下，所有参考值对于时间间隔I1-I5的开始具有相同的预置的第一公差值，对于时间间隔I1-I5的结束具有相同的第二公差值，第二公差值比第一公差值大。公差值表示为T。只要半波31在标记为T的这些位置之中或者在其外部时，就不执行电弧检测。只要半波31在区域A1到A4之一中时，就执行电弧检测。
对于时间间隔I5，必须注意的是，该间隔的长度小于可预定的最小时间段。因此，对于电弧检测不考虑时间间隔I5。最小时间段可以通过控制设备20调节。微控制器18存储调节后的值并将其传送到逻辑器件16。可以将时间段规定为固定时间值或者规定为半波的一部分。有利的是规定为半波持续时间的百分比，这是因为当频率发生改变时不需要重新输入所述规定。典型值为，对于I1到I3是半波的持续时间的10％到20％，对于I4是5％到15％。
如上所述，可以替换地或者附加地确定时刻t1和t10与零交叉时刻t0之间的差值，以形成由于公差值而减少的时间间隔I1到I4或者时间间隔A1到A4。从而，对于正在上升的半波30，可以为时刻t1到t5预定第一公差值(对于所有参考值都相同，或者有一个或者更多的不同，甚至尤其是对于所有参考值都不相同)。当超过该公差值时，即，由于半波31的时间间隔t1到t0较半波30的时间间隔t1到t0大到超过可预定公差值，则检测到电弧。为了对评估使用正确的时刻，必须考虑到时刻t1、t2、t3、t4表示在每个半波中最初超过或者下降到低于各个参考值时的时刻，并且时刻t5是第三次通过参考值R4。在该分析中，必须使用各个参考值的第奇数次通过的时刻。
当考虑由半波30的下降脉冲波前的时刻t6到t10形成的时间间隔时，也检测到电弧。从而对于正在下降的半波30，可以为时刻t6到t10预定第二公差值(对于所有参考值都相同，或者有一个或者更多的不同，甚至尤其是对于所有参考值都不相同)。当下降到低于该公差值时，即，由于半波31的时间间隔t10到t0较半波30的时间间隔t10到t0小到超过可预定公差值，则检测到电弧。为了保证对评估使用正确的时刻，必须注意的是，时刻t6、t8、t9、t10是在每个半波中第二次超过或者下降到低于各个参考值时的时刻，并且时刻t7是第四次通过参考值R4。在该分析中，必须使用各个参考值的第偶数次通过的时刻。
明确的是，当检查第二半波31是否具有证实电弧的波形时，对该半波，可以同时再次检测时刻t0到t10，从而该半波能够在此与随后的半波进行比较。

Claims (19)

1.在由AC发生器供给的等离子工艺中的电弧检测方法，其中所述AC发生器的输出信号用于供电，所述方法包括以下方法步骤：
a.确定下述至少之一：
aa.时刻，在该时刻，作为评估信号的所述输出信号或者与所述输出信号有关的信号在所述评估信号的正半波(30)中超过了参考值，或者在所述评估信号的负半波中下降到低于所述参考值，和
bb.随后的时刻，在该随后的时刻，所述评估信号在所述评估信号的正半波(30)中的相同半波(30)中下降到低于所述参考值，或者在所述评估信号的负半波中超过所述参考值，
b.使用所述时刻和所述随后的时刻中的至少一个，确定至少一个时间间隔，
c.对所述评估信号的后面的半波(31)重复方法步骤a)-b)，
d.将相互对应的时间间隔进行比较，
e.当所述相互对应的时间间隔彼此之间的差值超过可预定公差(T)时，生成电弧检测信号。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，确定并比较相同极性的半波(30，31)的所述时间间隔。
3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，确定并比较相同极性的完全连续的半波(30，31)的所述时间间隔。
4.如权利要求1-3中的任意一项所述的方法，其特征在于，要比较的所述时间间隔形成为超过或者低于所述参考值时的连续时刻之间的差值，并且当半波(31)的时间间隔较所述半波(31)之前的半波(30)的相应时间间隔小到超过所述可预定公差(T)时，生成电弧检测信号。
5.如权利要求1-3中的任意一项所述的方法，其特征在于，在所述半波(30，31)的起始处检测到所述评估信号的零交叉时刻(t0)，将要进行比较的所述时间间隔形成为第奇数次超过或者下降到低于所述参考值的所述时刻与所述零交叉时刻(t0)之间的差值，并且当半波(31)的时间间隔较所述半波(31)之前的半波(30)的时间间隔大到超过所述可预定公差(T)时，生成电弧检测信号。
6.如权利要求1-3中的任意一项所述的方法，其特征在于，在所述半波(30，31)的起始处检测到所述评估信号的零交叉时刻(t0)，将要进行比较的所述时间间隔形成为第偶数次超过或者下降到低于所述参考值的时刻与所述零交叉时刻(t0)之间的差值，并且当半波(31)的时间间隔较所述半波(31)之前的半波(30)的时间间隔小到超过所述可预定公差(T)时，生成电弧检测信号。
7.如权利要求1-3中的任意一项所述的方法，其特征在于，当从超过或者下降到低于所述参考值的所述时刻与随后的下降到低于或者超过所述参考值的所述随后的时刻之间的差值得到的时间间隔(I5)低于可预定的时间时，对于检测电弧不考虑所述时间间隔(I5)。
8.如权利要求1-3中的任意一项所述的方法，其特征在于，所述参考值中的几个是预定的。
9.如权利要求1-3中的任意一项所述的方法，其特征在于，形成平均振幅值(UA)，该平均振幅值(UA)是对几个半波(30，31)的平均值，并且根据所述平均振幅值(UA)预定所述参考值。
10.用于在等离子工艺中检测电弧的电弧检测装置(1)，其设计为执行如以上任意一个权利要求所述的方法，其包括至少一个模拟数字转换器，为所述模拟数字转换器提供AC发生器的输出信号或者与所述输出信号有关的内部信号作为评估信号，还为所述模拟数字转换器提供参考值，其中，所述模拟数字转换器连接到逻辑器件(16)，所述逻辑器件(16)生成用于电弧抑制设备(23)的信号。
11.如权利要求10所述的电弧检测装置，其特征在于，所述模拟数字转换器是比较器。
12.如权利要求10所述的电弧检测装置，其特征在于，提供控制器(18)，其预置所述逻辑器件(16)的参数值。
13.如权利要求12所述的电弧检测装置，其特征在于，将操作区域(22)和显示器(21)与所述控制器(18)关联起来。
14.如权利要求10到13中的任意一项所述的电弧检测装置，其特征在于，提供几个比较器，为所述比较器提供不同的参考值。
15.如权利要求10到13中的任意一项所述的电弧检测装置，其特征在于，提供了参考值生成装置(11)。
16.如权利要求15所述的电弧检测装置，其特征在于，所述参考值生成装置(11)是分压器。
17.如权利要求10到13中的任意一项所述的电弧检测装置，其特征在于，所述逻辑器件(16)确定时间间隔，并将所述时间间隔存储在缓存器中。
18.如权利要求10到13中的任意一项所述的电弧检测装置，其特征在于，所述逻辑器件连接到时钟发生器(19)，所述时钟发生器(19)为所述逻辑器件提供时钟信号。
19.如权利要求10到13中的任意一项所述的电弧检测装置，其特征在于，提供了峰值整流器(7)。
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