专利名称：检测并防止rf等离子体系统中电弧放电的装置和方法
本非临时申请在35USC 119(e)下要求1997年9月17日申请的序列号No.60/059173的优先权，其内容作为参考包含于此。本申请与“System and Method for Monitoring and Controlling Gas PlasmaProcesses(用于控制气体等离子体处理的系统和方法)”，序列号No.60/059151，以及“Electrical Impedance Matching System andMethod(电抗匹配系统和方法)”，序列号No.60/059176有关。这两件申请均作为参考包含于此。本申请还与“System and Method forMonitoring and Controlling Gas Plasma Processes(用于控制气体等离子体处理的系统和方法)”，序列号＿＿＿＿＿，代理人记录摘要2312-742-6 YA WO，以及“Electrical Impedance Matching System andMethod(电抗匹配系统和方法)”，序列号＿＿＿＿＿，代理人记录摘要2312-741-6 YA WO有关。这两件申请与本申请一道在同一天申请，并作为参考包含于此。
本发明涉及等离子体发生系统，尤其适用于利用等离子体处理诸如半导体晶片之类基体的系统。
在许多电气装置或固体生产工艺过程中，等离子体与诸如半导体晶片之类的基体反应。等离子体处理系统使用，例如射频(RF)功率激发并保持等离子体，同时由电感和/或电容等离子体耦合元件把RF功率送入气体中。举例来说，如
图1A中所示，导电回路或螺旋线圈5可用作电感耦合元件。如图1B中所示，一个电极或一对电极5E1和5E2可用作电容耦合元件。
为了产生等离子体，需要进行几个步骤。首先，如图1A和1B中所示，通过进气口6把气体加入处理室中。具有输出阻抗Rs的RF功率源3向等离子体耦合元件(例如图1A中的线圈5，或者图1B中的电极5E1和5E2)供给RF功率，这些等离子体耦合元件再在处理室的某一区域(等离子体区2)内把气体激发成等离子体。等离子体随后被用于处理基体，例如半导体晶片40。许多常规系统通过电匹配网络供给RF功率。Miller & Kamon的美国专利No.5325019提出了一种利用关于频率的信息来监视或评定等离子体状态的方法。另外参见Turner等的美国专利No.5576629，Gesche&Vey的美国专利No.5025135及Patrick等的美国专利No.5474648。
如图3中所示，等离子体通过被保持在其称为“异常辉光区”的电流-电压特性曲线部分中。在该区中，由于存在高密度的电子和离子，并且由于还存在较大的电场，因此等离子体易于发生电弧放电，电弧放电一般在邻近异常辉光区的电流-电压特性曲线部分中发生。电弧放电是这样一种状态，在该状态下，通常散布在较大体积内的等离子体中的电流区域紧缩在高度集中的区域(称为电弧放电区)中，该区域含有集中的电弧电流。在电弧放电过程中，由于高密度的功率耗散，及由电弧放电区域中的电子和离子达到的高速度的缘故，基体表面或系统组件可由于离子或电子注入，由于表面溅射和/或局部加热(它可导致剥落)而被改变或被损坏。
虽然在等离子体处理系统的正常工作过程中，偶尔发生导致轻微损坏或者不导致损坏的低强度电弧放电，但是高强度或更频繁的电弧放电是一个重要的问题，它可导致被处理的电路的性能较次，或者甚至导致故障。剧烈的电弧放电还可损坏处理系统的一个或多个组件，以致必须更换昂贵的组件。此外，为了更换受损的组件，或者校正电弧放电问题，必须关闭处理系统。即使系统中的组件没有被损坏到需要立即更换的程度，处理室、电极或其它组件表面凹坑的产生也可引起污染系统或基体的微粒。另外，在使用静电吸盘的系统中，电弧放电可破坏把晶片卡紧在吸盘上的电场，从而导致晶片未被卡紧或者脱离吸盘。
虽然有时高强度的电弧放电以闪光形式可见，但是如果电弧放电剧烈到足以看得见，则系统或基体可能已被损坏。此此，通常难以检测低强度或中等强度的电弧放电(它可是更剧烈电弧放电的先兆)。另外，可因为各种原因发生电弧放电，包括，例如功率过高或者在等离子体处理系统内的一个或多个组件(或者基体)上积聚的定域杂质/污染物。此外，一旦已发生电弧放电，则随后很可能发生更剧烈的电弧放电。
由于预测电弧放电的困难性，常规系统有时在相当低或者安全的功率下运转，以便避免可能导致电弧放电的条件。但是，一些处理工艺排除使用保守的功率水平，或者使用保守的功率水平不能得到最佳运行。另外，由于不能始终确定安全的工作范围，并且可由于各种原因发生电弧放电，因此至少保守地使用RF功率也不总是有效。随着系统因正常使用而被污染和恶化，系统变得越来越易于发生电弧放电，这种趋势加剧了确定安全工作范围方面的困难。
描述检测辉光放电内电弧的方法的首批专利之一是Oppel的美国专利No.4193070。其中，控制系统监视放电电压和电流。当电压低于门限值，并且电流上升到门限值以上时，一般认为已产生了电弧。其它几个专利遵循了类似的途径来监视放电电压和/或电流，放电电压和电流的变化速率，和/或电信号中的任何这种随机异常。参见Teschner的美国专利No.5192894，Anderson等的美国专利No.5241152，Drummond的美国专利No.5427669及Maass的美国专利No.5611899(下面称为“899专利”)。特别地，899专利还提出了一种防止“剧烈”电弧放电的方法，在该方法中，在检测几个规定的条件之后，调节AC电源，以避免产生电弧。随后可把大的电弧认作为损坏基体的电弧，并中断处理过程。然而，这种检测电弧的方法局限于监视等离子体耦合元件的电压及其变化速率。
在许多领域，神经网络已被用于预测和控制。Maynard等在“Plasma etching endpointing by monitoring RF power systems withan artifical neural network(利用人工神经网络通过监测RF功率系统确定等离子体蚀刻过程终点)”，Electrochem.Soc.Proc.，95-4，p189-207，1995，及“Plasma etching endpointing by monitoring radio-frequency power systems with an artificial neural network(利用人工神经网络通过监测RF功率系统确定等离子体蚀刻过程终点)”，J.Electrochem.Soc.，143(6)中论述了神经网络在半导体处理中预测蚀刻过程终点的应用。系统监视器被训练成观察几个电分量，特别是，传输的功率，反射的功率，匹配网络中的电容器值，直流偏压等，并使它们的情况与蚀刻过程终点相连系，其中分别借助椭率计(ellipsometer)和用户输入确定并规划终点。本质上，神经网络提出了一种使几个可测量变量的相互关系与事件的发生相关联，以便建立可预测性的手段。
神经网络的一种应用是系统的表征。提出电性能表征尝试的文献众多；参见Logan，Mazza & Davidse的“Electrical characterization ofradio-frequency sputtering gas discharge(射频溅射气体放电的电特性)”，J.Vac.Sci.Technol.，6，p120(1968)；Godyak的“Electricalcharacteristics of parrallel-plate RF discharges in Argon(氩气环境下平行板RF放电的电特性)”，IEEE Transactions on Plasma Sci.，19(4)，p660(1991)；及Sobolewski的“Electrical characterization ofradio-frequency discharge in the Gaseous…(气体环境下射频放电的电特性)”，J.Vac.Sci.Technol.，10(6)(1992)。关于利用多元统计分析的蚀刻过程的实时控制，参见Fox&Kappuswamy的美国专利No.5479340。
在现有技术中，典型的监视和控制系统通过立即关闭功率输入，并且在某些情况下，启动开关在电弧电极两端释放符号相反的电压以熄灭电弧，来抑制电弧的发生。例子包括Teschner的美国专利No.5192894，Anderson等的美国专利No.5241152，Sturmer&Teschner的美国专利No.5281321，Drummond的美国专利No.5427669及Lantsman的美国专利No.5584972。但是，在许多情况下，这些专利公开的方法只对可能已损坏基体或处理硬件的电弧作出响应。
本发明的一个目的是提供一种能够检测、表征和/或降低电弧放电的系统和方法，从而能够在等离子体处理，尤其是利用高密度等离子体的等离子体处理过程中，控制或防止电弧放电的发生。
由于等离子体电性能的固有非线性，与等离子体耦合的单频RF功率源在等离子体和用于产生等离子体的电路中产生谐波信号(即是RF功率源的基频的倍数或谐波的分量)。根据本发明，已认识到当不发生电弧放电时，在基频和谐波频率之外的频率下，几乎不存在信号。但是在电弧放电过程中，在基频和谐波频率之外的频率下，产生信号。电弧信号通常具有宽带特性，并含有在低于基频的，基频和最低谐波频率之间的，及谐波频率之间的频率下的信号分量。
根据本发明的一个方面，电弧信号可被测量并用于提供电弧事件的发生频率和/或等级的指示。另外，已认识到构造作为频率函数的电弧信号的轮廓的技术可提供关于导致电弧放电的元件，系统内电弧放电的位置，电弧放电的强度，和/或电弧放电的发生频率的信息。同样，可训练神经网络，以检测并预测电弧放电，识别导致电弧放电的元件，并提供处理过程的近实时控制。
在一个剧烈的电弧放电或一系列频繁发生的电弧放电之后，可暂时中断RF功率，以抑制电弧放电，并且随后在预定的一段时间之后恢复RF功率。随后向操作人员或自动化的中央控制器给予RF功率被中断的警报。对于不频繁或不剧烈的电弧放电，可不必采取任何进一步的动作。对于较频繁或较剧烈的电弧放电，给予操作人员或中央控制器应尽快维修系统的警报。对于更频繁或更剧烈的电弧放电，给予操作人员或中央控制器需要立即维修系统的警报。对于最频繁或最剧烈的电弧放电，这种情况下存在系统或基体马上被损坏的危险，系统被自动关闭。
本发明提高了对等离子体处理系统中电弧放电的有害效应的防护，并在电弧放电损坏系统之前，能够检测(或预测)并抑制电弧放电。另外，本发明还可提供电弧放电问题的详细诊断。这些特征在常规系统中是不能获得的，并且这些特征在降低对系统或基体的损坏方面，能够提供相当大的好处。另外，通过较好地控制电弧放电，系统可在最适于处理基体的范围内工作，而不是在防止电弧放电的安全范围内运转该系统。此外，由于电弧放电信息可用于确定何时需要进行维修，并在最方便的时刻进行维修，从而避免/减少在处理期内关闭设备进行维修的需要，因此可更有效操作处理系统。
本发明提出了在RF等离子体源的工作过程中，监视并检测电弧的存在的两种途径。第一种途径监视从与等离子体耦合的多个电气组件提取的电信号的频率内容。除了基本的RF激励频率之外(一般为13.56MHZ)，由于等离子体的固有非线性本质，在谐波频率下存在信号。此外，在等离子体系统的电气组件上发生电弧放电将在信号中产生宽带频率内容。因此，频域的子频段(特别是，谐波频率之间的频率空间)可用于检测电弧，并估计其强度。第二种途径，与第一种途径有关，是观察频率内容对抖动RF输入的响应。
本发明还提供一种基于神经网络的预测并防止RF等离子体室中产生电弧的方法。神经网络的应用涉及“训练”系统(用于监视RF等离子体电气系统的计算机系统和设备)学习各种各样参数，电参数，蚀刻/沉积参数，压强等之间的关系，该关系指示电弧的发生。事实上，根据系统“训练”的水平或RF系统表征，电弧的等级及频率，及它们的位置是可预测的。根据网络的各个组件的相互有关的趋势或特点，检测并防止电弧。这种特点可被识别为“微电弧”，发生大的或剧烈的电弧(可危害处理过程的成功或者甚至对晶片产生严重损害的电弧)前的一系列小幅度电弧。
参考下面的详细说明，尤其是当结合附图时，对本发明的更全面理解及本发明的许多附带优点将是显而易见的，其中图1A示意地表示了电感RF等离子体系统的一个例子；图1B示意地表示了电容激励的RF等离子体系统的一个例子；图2是RF匹配网络的一个例子的示意图；图3是等离子体的电流-电压曲线；图4A是较少或适度发生电弧放电情况下，在与等离子体耦合的电路的一个节点上的电压-时间曲线图；图4B是频繁发生电弧放电情况下，在与等离子体耦合的电路的一个节点上的电压-时间曲线图；图5A是来自在正常(无电弧放电)条件下工作的等离子体系统的接收信号的频谱图；图5B是来自其中发生电弧放电的等离子体系统的接收信号的频谱图；图5C是来自等离子体系统的电信号的频谱图，在该等离子体系统中，正在发生电弧放电，其中某些频率下的电弧信号大于其它频率下的电弧信号；图6A是下变频和滤波电路的一个实施例的示意图，该电路包括混频器和低通滤波器，用在一个实施例中测量频谱分量的幅度；图6B是下变频和滤波电路的另一个实施例的示意图，该电路包括整流二极管和低通滤波器，用在另一实施例中测量频谱分量的幅度；图7A是被训练用于检测/预测RF等离子体系统中的电弧放电的神经网络的示意图；图7B是用于收集供RF等离子体系统使用的电弧放电信息的程序的流程图的一个例子；图8A图解说明了静电屏蔽的RF(ESRF)系统的一个例子；图8B是等离子体控制器的一个例子的方框图；图8C是变换器的第一实施例的方框图；图8D是变换器的第二实施例的方框图；图8E是信号分离器的一个实施例的方框图；图8F是A/D转换器的一个实施例的方框图；图9A是用于分析RF等离子体系统中的电弧信号的程序的流程图例子；图9B是用于分析RF等离子体系统中电弧事件频率的程序的流程图例子；图9C是用于确定RF等离子体系统中电弧放电的强度，原因和/或区域的程序的流程图例子；图10示意地表示了用于等离子体控制器或中央控制器的计算机系统的例子。
现在参考附图，其中在几个视图中，相同的附图标记表示相同或相应的部分，图1A和1B示意地描述了实现RF生成的等离子体处理的处理室的例子。RF功率可如图1A中所示那样，电感耦合接入处理室中，或者可如图1B中所示那样，电容耦合接入处理室中。气体(例如氯气或氧气)通过进气口被引入处理室1中。具有输出阻抗Rs的RF源3向等离子体耦合元件提供功率，等离子体耦合元件可以是线圈5，如图1A中所示，或者可以是电极5E1和5E2，如图1B中所示。(被供给功率的其它等离子体耦合元件还可包括偏压屏蔽罩及静电吸盘)。RF功率一开始在处理室的区域2中形成等离子体，该等离子体与诸如晶片4之类的工件反应。虽然这里是关于RF生成的等离子体来说明本发明的，但是应明白本发明的各个方面也可适用于具有在除RF之外的其它频率下工作的功率源的系统。
如图2中所示，为了提供从RF源到等离子体耦合元件的功率传递，使用了阻抗匹配网络20。该电路变换等离子体耦合元件(例如图1A的线圈5)的输入阻抗，以便该阻抗(它取决于等离子体中的条件)更密切地匹配RF源3的输出。通过使电探头或传感元件与等离子体发生电路22的至少一个节点连接，可从存在于该节点的电信号获得关于等离子体条件的信息。可与等离子体耦合元件(节点N4)，匹配网络的一个节点(节点N2、N3或N4)，与匹配网络相连的电缆(节点N1或N2)及RF源(节点N1)中的任意一个或者它们的组合实现连接。或者，该电信号可由与等离子体耦合，但是不向等离子体提供功率的另一信号传感元件接收。例如，感应回路或线圈(例如环形天线)或电容探测器(例如线状天线或偶极天线)可用作为信号传感元件。
如图5A-5C中所示，接收的信号一般含有大的RF源的基频fF分量，以及由等离子体的非线性导致的几个大的谐波分量f2、f3、f4、f5和f6。当不发生电弧放电时，一般不存在其它重要的分量。但是，由于电弧波形的形状通常与RF源产生的波形的形状无关，电弧信号通常含有与RF源的基频及谐波无关的频率下的分量。某些情况下，电弧信号具有宽带特性，存在于宽广的频率范围内，如图5B中所示。更具体地说，如图5C中所示，在所关心的B1的特殊频段中内，当发生电弧放电时，接收信号的分量出现在一个或多个子频段(SB1、SB2)中。电弧信号的特定频率分量的幅度可取决于它的频率，如图5C中所示。
根据本发明的一个方面，测量接收信号的除基频分量及谐波分量之外的其它分量，以便检测电弧放电。基频以下的频谱部分，基频和最低谐波之间的频谱部分，以及谐波之间的频谱部分由图8A和8B中所示的等离子体控制器77观察。在目前的一个最佳实施例中，等离子体控制器77包括用于获得接收信号，并把接收信号变换为数字形式的变换器77A。如果前述频谱部分中的一个频率下的接收信号分量的幅度大于第一预定门限值，则等离子体控制器向操作人员，或者向图8A中所示的中央控制器78提供已检测到电弧放电事件的指示。如果前述接收信号分量的幅度大于第二个更高的门限值，则等离子体控制器可关闭该处理过程。
如图8B中所示，另外，等离子体控制器可包括中央处理器77B，中央处理器77B从变换器及控制RF功率源的功率控制器77D接收幅度信息。如果接收信号的一个分量的幅度超过了预定值，例如前述第二门限值，则中央处理器77B可命令功率控制器77C降低从一个或多个RF功率源提供的功率，或者关闭一个或多个RF功率源。
图8B图解说明了根据本发明的等离子体控制器的例证实施例。等离子体控制器77包括变换器77A、中央处理器77B及功率控制器77C。接收信号通过接收信号输入端口7702被送入变换器77A中。变换器77A处理接收信号的各个分量，并通过数字端口7780把最后得到的处理信号发送给中央处理器77B。中央处理器77B通过另一数字端口7790向功率控制器77C发送命令。功率控制器77C在功率控制器输出端口7704提供用于控制RF功率源的信号。中央处理器77B可命令功率控制器77C打开RF功率源，关闭RF功率源，或者改变RF功率源提供的功率的数量。在图8C所示的最佳实施例中，变换器77A只包括一个模/数(A/D)转换器77A1，该模/数转换器77A1把在接收信号输入端口7702接收的模拟信号转换为数字形式。预测/检测电弧放电所需精度的位数可能因处理的不同而不同，并可影响A/D转换器77A1的选择。另外，采样速率将规定A/D转换器77A1的最大许可建立时间。变换后的信号(数字形式)被输出给中央处理器77B。同时，A/D转换器77A1和中央处理器77B的组合体利用快速傅里叶变换(FFT)处理转换后的信号，以确定每个子频段中的能量。David L.Nicholson在“SpreadSpectrum Signal Design”(Maryland，Rockville的Computer SciencePress出版)中说明了一种确定子频带中能量的方法，这种方法在本领域中众所周知，该文献的内容作为参考包括于此。
图8D图解说明了根据本发明的变换器77A的一个备选实施例。变换器77A通过接收信号输入端口7702获得接收信号，在信号分离器77A2中分解接收信号，并在A/D转换器77A3中转换分解信号。
图8E表示了信号分离器77A2的一个实施例。信号被送入分解器7745中，它把送入的信号分离为提供给通道CH1～CHn的多个分解信号。在本例中，分解信号被送入多个下变频器DCR1～DCRn中，这些下变频器对分解信号进行下变频，以便在包括通道7761～776n的处理信号端口7760提供下变频(即DC)信号。每个下变频器DCR1～DCRn对不同的频谱部分(即不同的子频段)进行下变频。虽然图8E只图解表示了信号处理器的三个通道，但是显然也可包括三个以上的通道，对应于三个以上的频率子频段。
图8F图解说明了根据本发明的A/D转换器77A3的例子。在本例中，通过包括通道7761～776n的处理信号端口7760接收处理后(即下变频后)的信号。由多个模/数转换器A/D1～A/Dn测量下变频信号，并通过包括通道7781～778n的数字端口7780，以数字形式提供测量结果。虽然图8F只图解表示了A/D转换器的四个通道，但是显然可包括对应于任意数目A/D转换器的任意数目的通道。
图6A图解说明了当使用下变频器电路时，目前的一个最佳下变频器电路实施例。该下变频器可用于测量根据本发明的频谱的一部分。下变频器利用，例如包括本地振荡源65，混频器M1及低通滤波器的外差电路把来自与等离子体耦合的电路的接收信号下变频为DC信号，该低通滤波器包括包括电阻器R6A和电容器C6A。输入信号Vi被送入混频器的射频(RF)端子，本地振荡器(LO)信号被送入混频器的LO端子。来自混频器的中频(IF)端子的信号被送入前述低通滤波器(它包括电阻器R6A和电容器C6A)，以产生输出电压Vo。最后得到的下变频滤波信号指示所考虑的频带的某一子频段内接收信号分量的幅度。图6A的电路可用作包括在等离子体控制器内的变换器的一个通道。另外，利用变换器内的多个下变频通道，可下变频并过滤频谱的各种频率分量，每个通道具有不同的本地振荡频率。变换器提供的下变频滤波信号被送给A/D转换器，该A/D转换器测量各个下变频滤波信号，并确定信号是否高于一个或多个预定门限值，以便检测并表征等离子体系统中的电弧放电。
或者，可利用具有滤波器的简单的整流电路对接收的信号进行下变频。图6B中表示了这种电路的一个例子，该电路包括二极管Di及低通滤波器(它包括电阻器R6B和电容器C6B)。如果使用图6B的整流电路，必须在整流电路的输入Vi之前，利用带通滤波器，选择所需的频谱部分。图6B的电路可包括在等离子体控制器的变换器内。
图8A图解说明了可应用本发明的处理系统的例子。本例中，该系统具有三个等离子体耦合元件，电感线圈5A，电容偏压屏蔽罩5B，固定晶片4的吸盘5C(例如静电吸盘)。虽然吸盘的一个目的是固定晶片，不过吸盘也可用于向等离子体传送RF功率。每个等离子体耦合元件可从RF源(3A、3B或3C)接收功率，在传送的功率的幅度和频率方面，每个RF源是独立可控的。在使用离子能量调制(IEM)的系统中，发送给吸盘的功率的频率(例如500KHz)远远低于送入其它等离子体耦合元件的功率的频率(例如13.56MHz)。要明白图8A的系统只是一个例子，本发明的各个方面也可有利地应用于存在电弧放电问题的其它系统中。例如，本发明也可用在只包括一个等离子体耦合元件的系统中，或者可用在含有溅射源的系统中。
等离子体控制器77可以是图10中示意表示的计算机系统。计算机系统1100具有安装主板1104的机壳1102，主板1104含有中央处理器(CPU)1106(例如Intel Pentium，Intel Pentium II，Dec Alpha，IBM/Motorola？？？PC)，存储器1108(例如DRAM，ROM，EPROM，EEPROM，SRAM及闪速RAM)，及其它可选的特殊用途逻辑装置(例如ASIC)或者可配置的逻辑装置(例如GAL及可重编程FPGA)。另外，根据本发明，计算机系统含有用于从各个匹配网络80A～80C(图8A)接收信号的模/数(A/D)输入端1126。该计算机还含有与中央控制器78(图8A)通信的通信端口1128。计算机1100还包括一个以上的输入装置(例如键盘1122和鼠标1124)，及用于控制监视器1120的显示卡1110。另外，计算机系统1100包括软盘驱动器1114；其它可拆卸的介质装置(例如光盘1119，磁带，及可拆卸的磁-光介质(图中未表示))；及硬盘1112，或者利用恰当的装置总线(例如SCSI总线或增强的IDE总线)连接的其它固定的高密度介质驱动器。虽然图中所示光盘1119处于CD卡盒中，不过光盘1119也可不需要吸盘直接插入CD-ROM驱动器中。计算机1100另外还可包括同样与相同的装置总线或者另一装置总线相连，作为高密度介质驱动器的光盘阅读机1118、光盘读/写器(图中未表示)或者光盘点播机(图中未表示)。另外，打印机(图中未表示)可提供与等离子体控制器的操作相关的重要信息的打印副本，例如RF功率级的记录及训练或生产过程中的电弧放电行为。
该计算机系统还包括至少一个计算机可读介质。这种计算机可读介质的例子是光盘1119，硬盘1112，软盘，磁带，磁-光盘，PROM(EPROM，闪速EPROM)，DRAM，SRAM等。
本发明包括存储在一个计算机可读介质上，或者存储在计算机可读介质组合体上的，用于控制计算机1100的硬件，并使计算机1100能够与使用者及受控系统相互作用的软件。这种软件可包括，但不局限于设备驱动程序，操作系统及用户应用程序，例如开发工具及(图形)系统监督程序。根据本发明，这种计算机可读介质还包括用于根据频谱成型、神经网络控制、糊模控制或者任意其它非线性控制方法操作等离子体控制器的计算机程序。
等离子体控制器可用作遥程计算机，并可允许操作人员“登录”主计算机，主计算机可以是中央控制器78(图8A)，它不仅可控制该特定处理过程，而且可控制生产线上的其它工序。主计算机，例如图10中的主计算机还可限制进行处理的同时，允许操作人员作出的可能选择，从而即使不存在熟练操作人员，也可降低操作人员发生错误的危险。同样，在一个备选实施例中，通过GUI，例如客户机-服务器程序，或者使用WWW界面(包括CGI scripts，Active X组件及Javascript)控制等离子体控制器。
本领域的技术人员显然知道，通过利用根据本说明书的教导编程的常规通用数字计算机或微处理器，可方便地实现本发明。本领域的技术人员显然知道，根据本发明公开的教导，可准备适当的软件编码。同样本领域的技术人员易于明白，通过制备专用集成电路，或者通过互连常规的组件电路的适当网络，也可实现本发明。此外，显然图8A中的等离子体控制器77和中央控制器78(图8A中)可包括在单个控制器内，该控制器执行等离子体控制器77和中央控制器78的所有功能。该单个控制器可以是类似于图10的系统的计算机系统，在该计算机系统中，在第一软件方法的指令下，实现等离子体控制器的功能，在第二软件方法的指令下，实现中央控制器的功能。
如图5C中所示，第一子频段SB1中电弧信号第一分量的幅度可明显不同于第二子频段SB2中第二分量的幅度。根据本发明的一个有利方面，通过分析电弧信号的不同频率分量的幅度，等离子体控制器可确定是否停止处理过程和/或是否向操作人员或中央控制器78(图8A)报警。特别地，通过以非线性神经网络的形式实现等离子体控制器，可利用在实现的处理过程中收集的数据训练等离子体控制器77。这种神经网络非常适于响应等离子体的非线性特性，并且非常适于利用噪声及不完全的数据，正确地检测/防止电弧放电。另外，根据本发明的有利的“频谱仿形(spectral profiling)”特征，已认识到通过把处理过程中发生的不同电弧信号频率分量的幅度与已知频谱轮廓数据库中的一组幅度数据进行比较，等离子体控制器可检测/防止电弧放电。同样，利用二者中的任一种方法，等离子体控制器可确定，例如电弧放电的程度，位置及原因，和/或确定等离子体条件是否是如果继续进行处理过程，就很可能发生更严重的电弧放电的情况。
在图5C的例子中，所考虑的频段B1包括基频fF和第二谐波频率f2。或者，可使用更窄或更宽的频段。按照一个例子，所关心的频段可完全位于第二谐波频率f2和第三谐波频率f3之间，不包括任一谐波频率。按照一个备选例子，所关心的频段可从DC延伸到第六谐波频率f6上方的一个频率，包括基频，及低于该频段上频率的所有谐波频率。此外，所关心的频段可包括几个谐波频率，不过系统可忽略围绕并包括这些谐波频率的区域。
根据本发明的神经网络情况，图7A表示了用作等离子体控制器77的一部分的神经网络的结构。可以硬件的形式，或者通过利用中央处理器77B以软件的形式实现该神经网络。在本发明的训练阶段中，神经网络在输入层接收一系列输入，并按照初始加权(例如随机、均匀)对这一系列输入进行加权。在正常的处理过程中搜集输入值，并进行存储以供训练使用。
如图所示，可能的输入包括(但不局限于)每个子频段的能量，RF源的频率、相位和能量，等离子体的压强，自清洁以来的时间，及自最后n次电弧以来的时间。自最后清洗以来的时间允许神经网络在时间范围内跟踪电弧放电条件的变化，而不是得到静态映射。自最后n次电弧以来的时间实际是间隔指定的时钟间隔被更新的一系列n值。周期性地进行这些输入测量中的每一个测量，并存储为训练验证数据。同样被存储的还有进行测量时系统的状态。使用测得的输入及已知的输出，可利用对于本领域中的普通技术来说显而易见的若干神经网络训练算法中的任意一种算法训练该系统。进行足够数目的训练周期，以更新系统的初始加权，从而当利用验证数据测试该系统时，正确地输出所需的结果(在规定的误差范围内)。通过相对于输出，对每个输入进行灵敏性分析，可除去无关的输入。通过降低输入的数目，可使将来的训练加速，并提高总体性能。随后神经网络可用于预测/检测错误，甚至在电弧放电之前，通过降低RF功率输入，避免这些错误。同样，当等离子体控制器77检测到系统不再正常工作时，神经网络可用于通知中央控制器78。
按照本发明的“频谱仿形”特征，关于电弧放电的程度、位置和/或原因的信息可用于确定是否向操作人员或中央控制器报警，和/或是否中止该处理过程。例如，如果条件是，例如(1)电弧放电严重，(2)在易损坏部件附近的位置中发生(或可能发生)电弧放电，或(3)可能发生更严重的电弧放电，则终止处理过程。另外，或者来自神经网络或“频谱仿形”的信息可指示系统有多接近可能发生电弧放电或严重的电弧放电的条件。例如，如果该信息指示在不发生破坏性电弧放电事件的情况下，可完成目前的处理过程，但是很可能在下一处理过程中发生破坏性电弧放电事件，则可在目前的处理过程和下一处理过程之间进行维护，从而可避免损坏和/或中断下一处理过程。
当使用频谱仿形时，频率分量的幅度可直接与数据库中的幅度数据进行比较，或者当轻微地改变，或“抖动”供给一个或多个等离子体耦合元件的RF功率的幅度时，可对它们进行比较。源于初始RF功率幅度的接收信号不同于源于不同的(即抖动的)RF功率幅度的“抖动响应信号”。通过抖动进行一个元件的功率，并观察，例如另一元件的抖动响应信号，可以较好地表征系统中的电弧放电。例如，在轻微的电弧放电条件下，使供给一个等离子体耦合元件E1的功率增大1％，可使来自第二等离子体耦合元件E2的电弧信号的一个分量的幅度增大1％。在更强烈的电弧放电条件下，使供给E1的功率增大1％，可使来自E2的前述分量的幅度增大2％。
除了抖动供给第一元件的RF功率的幅度，并观察第二元件的抖动响应信号之外，通过抖动供给一个元件的功率的幅度，并测量来自同一元件的抖动响应信号分量，可看到类似的效果。此外，抖动RF功率幅度的效果不仅可取决于电弧放电的程度，而且还取决于哪个等离子体耦合元件引发电弧放电，以及电弧放电发生的区域(即电弧放电区)。特定的抖动响应信号轮廓对应于特定的电弧放电严重程度、特定的电弧放电原因，和/或特定的电弧放电区域。于是，通过匹配检测到的(即测得的)抖动响应轮廓与存储的抖动响应轮廓，可确定检测的电弧放电程度，检测的电弧放电原因，和/或检测的电弧放电区域。
在处理过程中生成并编辑典型电弧放电条件的数据库。图7B中所示的流程解说明了用于产生这种数据库的程序的一个例子。在各种操作条件下测试给定系统，以便为该系统建立这种数据库。该系统可以是新设计的系统，并且可以刚好在设备生产阶段之前获得数据，以便可在设备的生产阶段中实现数据库和控制软件。或者，对于现有的设备，可为特定类型/型号的设备获得该数据库，以便可在改进基础上提供数据和控制软件，或者可包括在该种类型或型号的新生产设备中。在图7B中图解说明的例子中，表征了具有三个独立的等离子体耦合元件的系统(即，形成数据库，以提供随后可在处理期间应用的“图”)。这种测试的变化参数是供给所述三个等离子体耦合元件的RF功率的相应数量。虽然在本例子中，该程序只改变了三个功率极，但是该测试程序也可改变其它参数。这些参数包括(但不局限于)供给等离子体耦合元件的RF功率信号的相应频率和相位。另外，数据库中的数据可包括关于自进行最后一次维护以来的处理运行期或周期的数目的信息，以便提供关于由系统组件的污染和/或退化引起的电弧放电的发生情况的信息(频率和/或严重程度)。
按照图7B的数据库产生程序，在整个有效操作时间范围内，系统地改变供给每个等离子体耦合元件的RF功率的幅度、频率及相位，以便表征该系统。测量来自与等离子体耦合的电路的接收信号，并且对于所测试的每组功率条件，在数据库中记录表征电弧信号的频谱(除基频和谐波频率之外的分量)的幅度数据，作为“频谱轮廓”。如图7B中所示，步骤700把RF功率之外的系统参数(例如气体混合物及压强)初始化为它们的理想值。步骤701把所有的RF功率级初始化为零。步骤702使P3增加预定的数量(即，P3的1个阶梯)。随后在步骤703使P2增加1个增量或功率阶梯。在步骤704中，使P1增大1个功率阶梯。在步骤705，测量并存储对应于当前的功率级的频谱轮廓(它包括一个或多个频率分量的幅度)。此外，步骤705还存储当前的功率级。在步骤706中，测量来自与等离子体耦合的电路的接收信号分量的幅度，以便检测是否已发生电弧放电(即，是否一个或多个幅度值超过预定的门限值)。如果检测到电弧放电，则程序继续进行到步骤707，步骤707检测电弧放电的强度和/或频率。可通过研究前述在步骤706测得的幅度值来确定电弧放电的强度，或者在某些情况下，可通过利用另外的仪器，例如足够灵敏，足以检测非常严重的电弧放电的光学传感器来确定电弧放电的强度。如果没有检测到电弧放电，步骤710确定是否已达到P1的终值(即，在获取数据库方面，所需该信息的最大值)。如果已达到P1的终值，则在步骤711中把P1设定为零，并在步骤703中，把P2增大到它的下一数值。
如果在步骤707中检测到严重或频繁的电弧放电(即，一个或多个电弧信号幅度超过了“剧烈电弧放电”门限值，和/或比预定限度更为频繁地发生电弧放电事件)，则执行步骤716，该步骤把所有的功率级设为零。可通过，例如计数在特定的时间段内发生的电弧放电事件的数目来确定电弧放电频率。
在步骤716完成之后，随后步骤717把与剧烈的电弧放电相关的频谱轮廓，及电弧放电前和电弧放电后的三个功率级的记录数据存储在数据库中，以便确定哪个功率级的改变，或者哪个等离子体耦合元件引发剧烈的电弧放电。在步骤718中，检查系统是否有损坏的部件，随后更换损坏的部件。把检查结果和哪个部件被更换的记录一起输入数据库中(步骤726)，以便帮助确定在特定的电弧放电条件下，哪个部件可能受到损坏。随后在步骤719中，使系统功率级斜升到P2和P3的不会导致电弧放电的最后值。这些“非电弧放电”值是从数据库中获取的。在步骤720，更新含有关于这些P2、P3数值的最大P1许可值的记录(在数据库中)。随后程序返回步骤703，该步骤把P2增大到它的下一数值，并继续该程序。
在步骤707，如果没有检测到剧烈或频繁的电弧放电，则程序继续进行到步骤708，该步骤把P1设定为零。在步骤709，检测P2以确定其值是否是其最终所需值。如果不是，则系统返回步骤703，并继续该程序。如果P2的值是其终值，则在步骤712，系统进行检查，以确定P3是否位于其所需信息的终值。如果不是，则系统返回步骤702，并继续该程序。如果P3的值是其终值，则系统执行步骤713，该步骤检查以确定在其它处理参数的不同条件下，例如不同的气体混合物或压强，是否要重复该测试。如果要重复测试，则在步骤714改变适当的处理条件，并通过返回步骤701来重复该测试。如果不必改变任何其它参数，则终止该程序(步骤715)。
虽然上述测试程序是通过在多个RF功率幅度下测试该系统来实现的，不过也可执行备选测试程序。另外，可以按照对应于图7A和7B的前述说明中记录和改变功率条件的相同方式，系统地记录或改变备选参数，例如气体混合物，气体压强，RF相位，及RF频率。此外，可以在不能被系统改变，但是是系统常规操作的副作用的各种参数条件(例如在几个处理期的过程内，系统的污染/退化)下测试该系统。可使系统污染/退化的速度与电弧放电数据相关，以便给出直到发生电弧放电，或者直到电弧放电变得更为频繁或严重为止，可进行的处理工序/周期的近似数目的指示。这样，可安排在方便的时候进行维护。
前述程序提供了有限数目的离散点(即，有限数目的功率特性曲线值)，但是通过实际已收集的数据的插值，可确定在采样数据点之间的条件下所预计的谱频轮廓。重要的数据点包括非常接近电弧放电开始的那些条件，及在其下发生轻微电弧放电的那些条件。特别重要的数据点是指示正在发生轻微电弧放电，以及指示这种电弧放电是更强烈电弧放电的先兆的数据点。其它重要的数据点可包括在该条件下，测试过程中系统中的特定组件被损坏的那些条件，因为通过检查受损组件，可提供关于给定的频谱轮廓是否警告系统中的特定组件存在损坏的指示。
当随后利用已为其获得数据库的系统处理基体时，周期性或者连续地监视来自与等离子体耦合的电路的接收信号的频谱轮廓。随后把在一个处理期中获得的数据和存储在数据库中的已知频谱轮廓组进行比较，以确定电弧放电的存在和/或强度，或者确定是否即将或可能发生剧烈的电弧放电。根据本发明的一个可选方面，在一个处理期中得到的数据可用于周期性地更新神经网络或数据库。例如，如果在一个处理期中，或者在一系列处理期后，得到评价正常响应，但是具有受损晶片的数据，或者得到不同于数据库数据的数据，则可利用系统的实际性能来修改神经网络或存储的数据库。根据本发明的另一可选方面，可进行类似于用于产生神经网络或数据库的程序的每日测试程序，以更新神经网络或数据库和/或确保系统正常运转。每日测试可类似于上面描述的，并由图7A和7B中的例子举例说明的神经网络训练程序或数据库生成程序。或者，每日测试可不象神经网络训练程序或数据库生成程序那样全面(即，每日测试程序可在一组较少的条件下对系统进行测试)。例如，P1、P2和P3的初始值可被设定在较高的水平上，和/或P1、P2和P3的终值可被设定在较低的水平上，以便和数据库生成程序相比，在每日测试程序中，在较小的功率水平范围内测试系统。此外，在每日测试程序中，P1、P2和P3的增大值可大于数据库生成程序中P1、P2和P3的增大值，从而减少每日测试程序中，收集的数据点的数目。
或者，可以以大于或小于每天一次的频率执行定期测试程序。例如，在给定数目的处理期后，得到频谱信息，该频谱信息用于确定某一组条件和剧烈电弧放电的开始条件有多接近。在时间范围内，同一组条件产生更接近于发生电弧放电，剧烈电弧放电或者频繁电弧放电可能性更大的频谱轮廓的频谱轮廓。当频谱轮廓指示很可能发生电弧放电，剧烈电弧放电或者更为频繁的电弧放电时，向操作人员或中央控制器提供需要进行维护的指示。
对于一组给定的操作参数(例如功率级)，如果对于给定处理，该组操作参数远离可能引发电弧放电的操作参数，则预期的频谱轮廓可能由非常小的电弧信号组成，或者没有电弧信号。但是，如果特殊的处理要求足够高的功率级，以致按常规发生可测量的电弧放电数量，则预期的频谱轮廓可包括明显的电弧信号。对于这种例行电弧放电，频谱轮廓的某些频率分量的幅度可预想到高于其它频率分量的幅度。在一个处理期内观察到的，作为频率函数的宽带信号的测量幅度会与数据库中的轮廓极其相似。
根据本发明的一个方面，已认识到在一个元件或位置发生的电弧放电可由系统的另一元件引发。例如，当在系统的表征和测试过程中，正在训练神经网络或者正在生成数据库时，一组给定条件被观察到导致在电极E1上电弧放电。另外还确定当增大供给电极E2的功率时，在电极E1上开始电弧放电(或者可能是E2的其它条件，例如使用时间，污染等发生改变的结果)。根据在训练/生成程序中收集的信息，分别指示一个处理期中E1上电弧放电的训练输出或测量轮廓，可用于通知操作人员需要维护/更换E2。在更进一步的改进中，可使在特殊元件(即该元件的特定部分)的不同位置上的电弧原因与电弧放电事件的原因，或最可能的原因发生连系。
根据本发明的频谱轮廓监视特征的另一方面，如果在规定的精度范围内，测得的轮廓不匹配数据库中的轮廓(即，如果在预定的精度水平范围内，目前正被测量的接收信号的频率分量的幅度不匹配数据库中的幅度)，则等离子体控制器可采取校正动作。根据轮廓的失配程度，等离子体控制器可向操作人员报警，或者在情况严重的情况下，中断处理过程。应注意由于系统老化，及由于日常使用，处理室逐渐被污染，因此某一处理过程与其最初的轮廓存在一定量的偏差是可能的。图9A中图解说明了监视并响应这种偏差的程序的一个例子。
在开始该程序(步骤900)时，等离子体控制器进行检查，确定是否已把电弧放电频率选作为确定可接受的电弧放电强度水平的标准(步骤924)。如果是，则测量电弧放电事件的频率(步骤918)。例如，可通过计数在特定时间段内发生的电弧放电事件的数目，并测量该时间段的持续时间来确定电弧放电事件的频率。或者，可根据电弧放电事件之间的时间量来确定电弧放电事件的频率，该时间量可通过对两次电弧放电事件之间的时间进行时间测量，或者通过进行多次这种时间测量，并计算平均值来确定。
使用电弧放电事件频率确定偏离程度(程度1～3)，偏离程度稍后将被用于定义检测到的轮廓偏离存储轮廓有多远。通过首先测量检测到的信号的各个频率分量与数据库中的相应幅度的偏差量，随后对这些幅度的偏差进行数学运算(例如加权平均)，确定检测到的轮廓与存储轮廓的偏差。
在步骤924，如果电弧放电事件频率还没被选择用来确定偏离程度1～3，则把偏离程度设定为预定值，程度继续进行到步骤901。在步骤901，等离子体控制器接收一个信号，等离子体控制器测量各个频率分量的幅度，并根据这些测量结果构造检测的(即测量的)轮廓(步骤902)。从数据库检索出对应于目前正在进行的处理过程的预期等离子体条件的存储轮廓(步骤903)。把各个检测的(即测量的)频率分量的“检测”幅度与存储轮廓中的相应“存储”幅度进行比较(步骤904)，以便确定检测的(即测量的)幅度与存储的幅度数据的偏差。各个存储幅度对应于特定的子频段。根据本发明的一个可选特征，可以追踪并向操作人员显示检测的电弧信号幅度和存储的电弧信号幅度之间的偏差(在步骤904中确定)。
如果检测的幅度与存储的幅度数据的偏差不超出第一预定精度水平(步骤905)，则不采取任何校正动作，并在不向操作人员作出任何警告的情况下结束该程序(步骤912)。如果偏差超出第一精度水平，但是没有超出第二预定精度水平(步骤906)，则向操作人员报警，指出系统可能需要尽快维修(步骤913)。如果偏差更为严重，但是不是紧急事件(即，如步骤908中一样，没有超出第三预定精度水平)，则向操作人员报警，指出系统需要立即进行维修(步骤914)。在最严重的情况下(步骤908)，这种情况下电弧放电强度可能具有破坏性(即，存在系统或工件很快将受到损坏的危险)，等离子体控制器可利用其功率控制器来执行RF功率源的关闭操作，从而中断处理过程(步骤910)。
另外，系统还可跟踪电弧放电事件的发生频率。如果电弧放电发生频率超过了预定值，则可向操作人员或中央控制器报警。在严重情况下，可关闭系统。图9B的流程图中图解说明了这种特征。在开始该程序(步骤900B)时，测量电弧放电事件的发生频率(步骤901B)。如果该频率超过了第一预定水平(步骤905B)，则程序进行到步骤906B。如果没有，则程序被终止(步骤912B)。步骤906B确定电弧放电事件频率是否超出了第二预定水平，第二预定水平高于第一预定水平。如果电弧放电频率没有超出第二预定水平，则给予操作人员系统可能需要尽快维修的警告(步骤913B)，并结束该程序(步骤912B)。在步骤906B中，如果电弧放电频率超出了第二预定水平，则程序进行到步骤908B，该步骤把电弧放电频率与第三预定水平进行比较，第三水平高于第二水平。如果没有超出第三水平，则给予操作人员系统需要立即进行维修的警告(步骤914B)，并结束该程序(912B)。如果电弧放电频率超出了第三水平，则认为电弧放电对系统或工件可能是破坏性的，等离子体控制器可利用其功率控制器执行关闭程序，从而中断该处理过程(步骤910B)。
如图9C中所示，数据库另外可被用于提供有关电弧放电事件的信息，例如强度，原因和/或电弧放电的位置。当开始该程序(步骤900C)时，等离子体控制器接收一个信号，等离子体控制器测量接收信号的各个频率分量的幅度(步骤901C)，并根据这些测量结果构造检测(即测量)轮廓(步骤902C)。搜索数据库，以便找出与检测轮廓匹配的存储轮廓(步骤930C)。更具体地说，把接收信号的第一频率分量(在第一子频段范围内)的第一检测幅度与数据库中对应于第一子频段的第一存储幅度进行比较。另外，可把接收信号的第二频率分量(在第二子频段范围内)的第二检测幅度与数据库中对应于第二子频段的第二存储幅度进行比较。此外，接收信号的各个频率分量的幅度与数据库中存储的各个幅度的比较并不必仅限于两个子频段。另外，其它子频段内的频率分量的幅度可与数据库中对应于这些其它子频段的幅度进行比较。
如果找到一个与检测轮廓匹配的存储轮廓(步骤932C)，则从数据库中检出关于电弧放电强度，电弧放电原因，和/或电弧放电区域的信息(步骤936C)。通过使传感得到的/检测到的数据与经验获得的数据相关，可确定电弧放电的强度、原因和位置。例如，可把电弧放电的强度分为三种水平(1)经常发生，但是不会导致损坏，并且不会导致更严重的电弧的电弧放电，(2)导致适度损坏，或者不导致损坏，但是经验表明将导致更严重的电弧放电(即剧烈电弧放电的先兆)的电弧放电，及(3)导致损坏的电弧放电。电弧放电的原因对应于导致电弧放电的组件，并可通过，例如识别(在测试过程中)被改变的组件，该组件产生从非电弧放电状态到电弧放电状态的变化来确定电弧放电原因。把与识别的组件相关的数据存储在数据库中。随后通过把在处理期中获得的数据与测试过程中得到的数据(即测试数据表征引发电弧放电的元件/组件)进行比较，可把在处理期中获得的数据用于识别引发电弧放电的元件或组件。电弧放电的区域对应于发生电弧放电事件的位置，也通过把在生产运行期中得到的数据与测试过程中得到的数据进行比较来确定，并且先前已使该位置与测试数据发生连系。
在图9C的例子中，关于电弧放电的强度、原因和/或区域的信息被显示给操作人员或中央控制器(步骤938C)，程序进行到步骤940C。步骤940C根据电弧放电强度、原因和/或区域，确定电弧放电是否可能具有破坏性(即是否可能损坏工件或系统)。如果是，则功率控制器降低RF功率源提供的RF功率，或者关闭RF功率源(步骤910C)。随后结束该程序(步骤912C)。如果在步骤940C中，确定电弧放电不具有潜在的破坏性，则在不降低或关闭RF功率的情况下终止该程序(步骤912C)。如果在步骤932中，没有在数据库中找到与测量轮廓匹配的存储轮廓，则向操作人员或中央控制器发出没有找到匹配的警告(步骤934C)，此时终止该程序(步骤912C)。
已认识到虽然RF功率条件可能是恒定不变的，但是随着时间的过去，电弧放电的强度和/或频率可发生变化。具体地说，在某些条件下，如果不采取措施防止电弧放电强度的增大，则电弧放电强度的水平可增大。另外，在某些条件下，如果不采取恰当的措施，则电弧放电频率会增大。在图7B中描述的数据库生成程序的过程中，可把关于在该条件下，随着时间的变化，电弧放电强度和频率会增大的条件的信息存储在数据库中。通过使检测轮廓与数据库中的存储轮廓相匹配(如图9C中所示)，并通过考察与该轮廓相关的电弧放电强度和电弧放电频率，有可能预测何时电弧放电行为可能变得更剧烈或更频繁。
本发明的一个附加方面是等离子体控制器监视电弧放电的强度和频率，并且在某些情况下可暂时中止处理过程。如果单个电弧放电足够剧烈，或者如果电弧放电非常频繁，则根据数据库中收集的信息，等离子体控制器可把该信息理解为系统或工件处于被损坏的危险中，或者可能已被损坏的指示。如果等离子体控制器确定通过暂时关闭等离子体，可解决该问题，则暂时中断RF功率，以便抑制电弧放电，并在预定的一段时间后恢复RF功率。抑制电弧放电所需的时间取决于系统的性能，可能近似于20个RF功率周期，如图4A中所示。诸如等离子体发生电路的电学品质因素(Q)(它取决于等离子体的存在与否，从而在等离子体关闭过程中发生变化)之类的因素可影响抑制电弧所需的时间。恢复RF功率所需的时间也取决于系统的性能，并且可能约为2000个RF功率周期，同样如图4A中所示。如果等离子体已被短时关闭，则向操作人员，或者中央控制器(图8A中的78)发生恰当的报警。如果电弧放电更为频繁，如图4B中所示，或者电弧放电更剧烈，则等离子体控制器可根据问题的严重性，向操作人员(例如利用显示器或声音警报)，或者向中央控制器发出应尽快，或者应立即维修系统的信号。在最严重的情况下，等离子体控制器停止该处理过程。
作为关闭系统的一种备选方法，对于某些情况，也可改变，例如功率或气体密度，以便在避免发生剧烈的电弧放电发生(或者使剧烈的电弧放电延迟足够的时间，以便能够进行维修)的同时，能够继续处理过程。但是，目前首选的是中断电源，以便处理条件不会偏离基体处理设计规范。
如上所述，本发明提供了一种利用神经网络，通过根据几个可测量参数的相互关系方面的可重复趋势，预测电弧放电的发生来防止发生电弧放电的方法。换句话说，“训练”神经网络预测何时可能发生电弧放电，并为采取校正措施提供时间。一种改进“微电弧”检测灵敏性的方法是监视这种电信号的频谱。微电弧不仅可测，而且通过监视等离子体系统内的电气组件的频谱，还是可预测的，从而快速变化的频谱分量表现出等离子体源中的高度紧张(straining)的电场。在理解电气组件频谱中频带的关系的神经网络环境中识别这种频谱内容，可提供预测未来电弧放电的方法，同时具有适当的时间用于防止该电弧放电。
根据前述说明，显然本发明提供了帮助防止/控制等离子体处理系统中的不良电弧放电的各种特征。常规系统不能检测并抑制电弧放电，它检测到并抑制电弧放电时已经太迟，不能防止系统和工件的损坏。相反，本发明不仅允许根据来自与等离子体耦合的电路的接收信号的分析，实现电弧放电或电弧放电开始的是期检测，而且还允许得到关于电弧放电的位置和特征的详细信息。这样，可提高对电弧放电破坏效应的防护能力，并能更好地诊断电弧放电的原因。同样，对测得的输入值的分析也有助于查出其它问题，例如系统的不正确装配或使用。通过测试晶片(可交替地使用神经网络或频谱仿形)，可检测另外的问题。作为不恰当应用的一个例子，当相对于静电吸盘不正确地改变晶片时，接收的谐波信号发生改变。通过检测不正确的夹紧和再夹紧，本发明可降低系统的总磨损。
显然，根据上面的说明，本发明的各种修改和改变是可能的。于是要明白除了这里具体说明的之外，本发明可在在附加的权利要求的范围内实现。
权利要求
1.一种等离子体系统，包括(a)处理室；(b)等离子体发生电路，具有(i)功率源；和(ii)从所述功率源接收功率，并把所述功率提供给所述处理室内的等离子体区的等离子体耦合元件；(c)从与所述等离子体区耦合的电路获得接收信号的变换器；及(d)确定所述接收信号是否包括预定频带中的分量，以便检测电弧放电的处理装置。
2.按照权利要求1所述的等离子体系统，其中所述处理装置包括检测电弧放电的神经网络。
3.按照权利要求1所述的等离子体系统，其中所述变换器包括用于检测电弧放电位置的装置。
4.按照权利要求1所述的等离子体系统，其中所述变换器包括用于确定电弧放电强度的装置。
5.按照权利要求1所述的等离子体系统，其中所述变换器包括监视所述接收信号的频率分量的幅度，并当监视的幅度超过预定值时，检测电弧放电的监视装置。
6.按照权利要求5所述的等离子体系统，其中所述变换器包括监视在除所述功率源的基频及除所述基频的谐波频率外的频率下，所述接收信号的频率分量的幅度，并当监视的幅度超过预定值时，检测电弧放电的监视装置。
7.按照权利要求6所述的等离子体系统，其中所述变换器包括用于接收所述接收信号的装置，包含用于接纳所述接收信号的一个分量，以便提供选择的子频段信号的装置，其中所述分量在所述预定频带范围内。
8.按照权利要求7所述的等离子体系统，其中所述变换器还包括用于当所述选择子频段信号的幅度超过预定值时，确定所述接收信号包括所述预定频带中的分量的装置。
9.按照权利要求7所述的等离子体系统，其中用于接纳分量的所述装置包括下变频所述分量，以提供较低的频率信号和DC信号之一，从而提供所述选择子频段信号的下变频电路。
10.按照权利要求1所述的等离子体系统，其中所述等离子体系统是半导体处理系统。
11.按照权利要求1所述的等离子体系统，其中所述系统还包括从所述等离子体区获得所述接收信号的信号传感元件，其中所述变换器从所述信号传感元件获得所述接收信号。
12.按照权利要求1所述的等离子体系统，其中所述变换器测量所述接收信号的第一检测分量的第一检测幅度，和所述接收信号的第二检测分量的第二检测幅度，其中所述第一检测幅度在第一预定子频段内，所述第二检测幅度在第二预定子频段内；该系统还包括用于存储幅度数据的存储器，所述幅度数据包括第一存储幅度及第二存储幅度，其中所述第一存储幅度对应于所述第一预定子频段，所述第二存储幅度对应于所述第二预定子频段；及执行所述第一检测幅度与所述第一存储幅度的第一比较，并且还执行所述第二检测幅度与所述第二存储幅度的第二比较的中央处理器。
13.按照权利要求12所述的等离子体系统，其中所述幅度数据还包括第三存储幅度和第四存储幅度，其中所述第三存储幅度对应于所述第一预定子频段，所述第四存储幅度对应于所述第二预定子频段，其中所述中央处理器执行所述第一检测幅度与所述第三存储幅度的第三比较，并执行所述第二检测幅度与所述第四存储幅度的第四比较。
14.按照权利要求13所述的等离子体系统，其中所述第一和第二存储幅度对应于经受第一存储强度电弧放电的等离子体系统，所述第三和第四存储幅度对应于经受第二存储强度电弧放电的等离子体系统，其中所述中央处理器响应所述第一、第二、第三和第四比较，确定电弧放电的检测强度。
15.按照权利要求13所述的等离子体系统，还包括从所述至少一个功率源接收功率的第二等离子体耦合元件，其中所述第一和第二存储幅度对应于经受由所述第一等离子体耦合元件导致的电弧放电的等离子体系统，所述第三和第四存储幅度对应于经受由所述第二等离子体耦合元件导致的电弧放电的等离子体系统。
16.按照权利要求13所述的等离子体系统，其中所述第一和第二存储幅度对应于经受第一电弧放电区中的电弧放电的等离子体系统，所述第三和第四存储幅度对应于经受第二电弧放电区中的电弧放电的等离子体系统。
17.按照权利要求16所述的等离子体系统，还包括从所述至少一个功率源接收功率的第二等离子体耦合元件。
18.按照权利要求12所述的等离子体系统，其中所述中央处理器包括神经网络和仿形器(profiler)之一，用于利用所述第一和第二比较确定下述之一电弧放电的检测强度；电弧放电的检测原因，电弧放电的所述检测原因是所述第一等离子体耦合元件和第二等离子体耦合元件之一；及检测的电弧放电区。
19.按照权利要求18所述的等离子体系统，还包括控制所述至少一个功率源的功率控制器，其中当所述中央处理器确定所述电弧放电的检测强度，电弧放电的检测原因及检测的电弧放电区之一是否可能具有破坏性时，所述功率控制器降低所述至少一个功率源提供的功率数量。
20.按照权利要求12所述的等离子体系统，还包括控制所述至少一个功率源的功率控制器，其中所述幅度数据还包括第三存储幅度和第四存储幅度，其中所述第三和第四存储幅度分别对应于所述第一和第二预定子频段，其中所述确定装置测量所述第一和第二存储幅度，同时所述功率控制器控制所述至少一个功率源提供第一级功率，其中所述确定装置测量所述第三和第四存储幅度，同时所述功率控制器在所述第二操作中，控制所述至少一个功率源提供第二级功率，其中所述等离子体系统按照预定顺序提供所述第一级和第二级功率。
21.按照权利要求12所述的等离子体系统，其中所述中央处理器包括利用所述第一和第二比较确定电弧放电强度，电弧放电位置和电弧放电事件频率之一的比较器。
22.按照权利要求12所述的等离子体系统，其中所述中央处理器包括检测一段时间内的多个电弧放电事件，测量所述一段时间的持续时间，并确定所述多个电弧放电事件的数目，从而确定电弧放电事件的检测频率的检测器。
23.按照权利要求12所述的等离子体系统，还包括用于控制所述功率源向所述第一等离子体耦合元件提供第一级功率，并用于控制所述功率源向所述第一等离子体耦合元件提供抖动级功率的功率控制器，所述抖动级功率不同于所述第一级功率，其中所述变换器测量由于所述抖动级功率引起的抖动响应信号的抖动分量的抖动幅度，所述抖动分量在所述第一预定子频段内，其中所述变换器包括比较所述第一检测幅度和所述抖动幅度，以便确定下述之一的比较器电弧放电的检测强度；电弧放电的检测原因，电弧放电的所述检测原因为所述第一等离子体耦合元件和第二等离子体耦合元件之一；和检测的电弧放电区。
24.一种检测等离子体系统中电弧放电的方法，该方法包括下述步骤通过从第一功率源向包括第一等离子体耦合元件的等离子体发生电路提供功率，产生等离子体区；获取基于从所述第一功率源施加的所述功率的接收信号；通过确定所述接收信号是否包括预定频带中的分量来检测电弧放电；及当检测到电弧放电时，提供指示。
25.按照权利要求24所述的方法，其中所述检测步骤还包括当所述接收信号的频率分量的幅度超过预定值时，检测电弧放电的子步骤。
26.按照权利要求25所述的方法，其中所述检测子步骤检测除所述功率源的基频，和除所述基频的谐波频率外的频率下的所述频率分量。
27.按照权利要求26所述的方法，其中所述获取步骤包括下述步骤对所述接收信号采样，产生模拟接收信号；把所述模拟接收信号转换为数字接收信号；和利用快速傅里叶变换，把所述数字接收信号变换为频带。
28.按照权利要求27所述的方法，其中所述转换步骤包括确定何时频带信号的幅度超过预定值的子步骤。
29.按照权利要求24所述的方法，其中所述获取步骤包括下变频所述接收信号，以提供较低的频率信号和DC信号之一的步骤。
30.按照权利要求24所述的方法，其中所述获取步骤包括从与所述等离子体区耦合的信号传感元件获取所述接收信号的子步骤。
31.按照权利要求24所述的方法，其中检测步骤包括下述步骤(a)测量第一预定子频段内所述接收信号的第一检测分量的第一检测幅度；(b)测量第二预定子频段内所述接收信号的第二检测分量的第二检测幅度；(c)把幅度数据存储在存储器中，所述幅度数据包括对应于所述第一预定子频段的第一存储幅度和对应于所述第二预定子频段的第二存储幅度；(d)把所述第一检测幅度与所述第一存储幅度进行比较；及(e)把所述第二检测幅度与所述第二存储幅度进行比较。
32.按照权利要求31所述的方法，还包括下述步骤(f)存储对应于所述第一预定子频段的第三存储幅度和对应于所述第二预定子频段的第四存储幅度；(g)存储所述第一和第二存储幅度对应于经受第一存储强度电弧放电的等离子体系统；(h)存储所述第三和第四存储幅度对应于经受第二存储强度电弧放电的等离子体系统；(i)把所述第一检测幅度与所述第三存储幅度进行比较；(i)把所述第二检测幅度与所述第四存储幅度进行比较；(k)响应所述步骤(d)、(e)、(i)和(j)，确定电弧放电的检测强度。
33.按照权利要求31所述的方法，还包括下述步骤(f)通过把来自所述第一功率源的功率施加给包括第二等离子体耦合元件的所述等离子体发生电路，产生所述等离子体区；(g)存储对应于所述第一预定子频段的第三存储幅度和对应于所述第二预定子频段的第四存储幅度；(h)存储所述第一和第二存储幅度还对应于经受由所述第一等离子体耦合元件引发的电弧放电的等离子体系统；(i)存储所述三和第四存储幅度对应于经受由所这第二等离子体耦合元件引发的电弧放电的等离子体系统；(j)把所述第一检测幅度与所述第三存储幅度进行比较；(k)把所述第二检测幅度与所述第四存储幅度进行比较；及(i)响应所述步骤(d)、(e)、(j)和(k)，确定是所述第一和第二等离子体耦合元件中的哪个元件引发电弧放电的。
34.按照权利要求31所述的方法，还包括下述步骤(f)存储对应于所述第一预定子频段的第三存储幅度和对应于所述第二预定子频段的第四存储幅度；(g)存储所述第一和第二存储幅度还对应于经受第一电弧区中电弧放电的等离子体系统；(h)存储所述第三和第四存储幅度对应于经受第二电弧区中电弧放电的等离子体系统；(i)把所述第一检测幅度和所述第三存储幅度进行比较；(j)把所述第二检测幅度和所述第四存储幅度进行比较；(k)响应所述步骤(d)、(e)、(i)和(j)，确定是在所述第一和第二电弧区中的哪个电弧区中发生电弧放电。
35.按照权利要求31所述的方法，还包括下述步骤(f)通过把来自第二功率源的功率施加给所述等离子体发生电路的第二等离子体耦合元件，产生所述等离子体区；及(g)存储对应于所述第一预定子频段的第三存储幅度，和对应于所述第二预定子频段的第四存储幅度；(h)存储所述第一和第二存储幅度还对应于经受由所述第一等离子体耦合元件引起的电弧放电的等离子体系统；(i)存储所述第三和第四存储幅度对应于经受由所述第二等离子体耦合元件引起的电弧放电的等离子体系统；(j)把所述第一检测幅度和所述第三存储幅度进行比较；(k)把所述第二检测幅度和所述第四存储幅度进行比较；及(l)响应所述步骤(d)、(e)、(j)和(k)，确定是所述第一和第二等离子体耦合元件中的哪一个导致电弧放电的。
36.按照权利要求31所述的方法，其中所述步骤(d)和(e)包括确定下述之一电弧放电的检测强度；电弧放电的检测原因，电弧放电的所述检测原因为所述第一等离子体耦合元件和第二等离子体耦合元件之一；和检测的电弧放电区。
37.按照权利要求36所述的方法，还包括下述步骤当电弧放电的所述检测强度，电弧放电的所述检测原因和所述检测到的电弧放电区中的一个可能具有破坏性时，降低由所述第一功率源提供的功率数量。
38.按照权利要求31所述的方法，还包括对第二等离子体耦合元件施加来自第二功率源的功率步骤，其中所述步骤(d)和(e)包括确定下述之一电弧放电的检测强度；电弧放电的检测原因，电弧放电的所述检测原因为所述第一等离子体耦合元件和第二等离子体耦合元件之一；和检测的电弧放电区。
39.按照权利要求31所述的方法，还包括下述步骤检测一段时间内的多个电弧放电事件；测量所述一段时间的持续时间；利用所述持续时间和所述数目确定电弧放电事件的检测频率；及利用电弧放电事件的所述检测频率预测电弧放电未来强度和电弧放电事件未来频率之一。
40.按照权利要求31所述的方法，还包括下述步骤(f)控制所述第一功率源向所述第一等离子体耦合元件提供第一级功率；(g)和所述步骤(f)同时获取所述接收信号；(h)控制所述第一功率源向所述第一等离子体耦合元件提供抖动级功率，所述抖动级功率不同于所述第一级功率；(i)和所述步骤(h)同时从所述等离子体发生电路获取抖动响应信号；(j)在所述第一预定子频段内测量所述抖动响应信号的抖动分量的抖动幅度；(k)比较所述第一检测幅度和所述抖动幅度，以便确定下述之一电弧放电的检测强度；电弧放电的检测原因，电弧放电的所述检测原因为所述第一等离子体耦合元件和第二等离子体耦合元件之一；和检测的电弧放电区。
全文摘要
一种用于检测并防止等离子体处理系统中的电弧放电的系统和方法。通过测量并分析来自与等离子体耦合的电路(22)的电信号,检测并表征电弧放电。表征之后,随后可使电信号与一个处理期内发生的电弧放电事件相关。可获得关于电弧放电的位置、强度和频率的信息。该系统和方法较好地诊断了电弧放电的原因,并提高了对不良电弧放电的保护,电弧放电可对系统和工件造成损坏。
文档编号H05H1/46GK1270640SQ98809274
公开日2000年10月18日 申请日期1998年9月17日 优先权日1997年9月17日
发明者怀恩·L·约汉逊, 理查德·帕森斯 申请人:东京电子株式会社