CN108981917B - 用于过程监测的高动态范围测量*** - Google Patents

Abstract

本发明涉及用于过程监测的高动态范围测量***。提供了一种闪光灯控制***，其具有静态电连接到高电压电源的电容器，接着电流感测部件电连接到静态电容器和数字控制电子器件以监测静态电容器的充电电流和/或放电电流。动态可开关的电容器也可以电连接到高电压电源和数字控制电子器件，用于基于所监测的充电电流和/或放电电流将动态可开关的电容器与高电压电源相隔离。一个或多个均质化元件，包括空气间隙、漫射均质化元件、成像元件、非成像元件或光管均质化元件，可以被布置在接近于闪光灯的光路中，例如多通道分配器如果存在的话，以在时间上或光谱上或者在这二者上降低光学信号的变化系数。

Description

用于过程监测的高动态范围测量***

本申请是申请日为2016年03月24日、申请号为201610171306.2、发明名称为“用于过程监测的高动态范围测量***”的发明专利申请的分案申请。

技术领域

本发明涉及光学测量***及使用方法。更具体地，本发明针对被配置用于在基于闪光灯的光学测量***中减少变化源并扩大测量能力的动态范围的光学测量***。

背景技术

光学测量***在诸如半导体处理工业之类的各种工业中使用，以用于晶片改性和过程控制的实时监测。光学测量***可以与半导体处理工具相集成，并且可以被原位利用以用于实时处理控制，或者可以被在线利用以用于连续运行反馈控制。典型地，被监测的处理包括半导体蚀刻、沉积、注入和化学机械平坦化处理以用于膜厚度和等离子体监测的应用。

特别是在半导体处理工业中，增大的可变材料层以及特征尺寸(较薄的/较厚的层、高的纵横比特征、非常小的特征、混合尺寸特征、高度变化的反射率/吸收性材料以及高层数堆叠)的使用已经导致了难以实现必要的测量准确度和精确度的水平。除了半导体自身的增大的复杂度之外，高度集成的单室多步骤处理和机械参数(例如孔径和工作距离)的动态处理工具变化导致了对测量准确度和精确度有不利影响的光学信号水平的变化。

图1示出了典型的现有技术的光学测量***100的图示的原理图。光学测量***100包括光分析装置110、光源120、光学组件130、光纤组件140、计算机150和晶片160。光分析装置110通常是光谱仪、分光仪、单色仪或其它提供波长区分的光分析装置。光源120是连续宽波段发射源(例如卤素钨灯或氘灯)或者例如氙气闪光灯的脉冲宽波段发射源。可选地，使用例如激光和/或发光二极管的窄波段连续发射源或脉冲发射源。光学组件130被设计为将从光源120发射的一个或多个波长的光引导到晶片160上，晶片160典型地是硅半导体晶片、蓝宝石衬底或其它工件。光学组件130通常工作用于将来自光源120的光聚焦或校准到晶片160上。光纤组件140通常是分叉的光纤组件，其将来自光源120的光经由光学组件130引导到晶片160，并随后将从晶片160反射收集的光经由光学组件130引导到光分析装置110。计算机150用于控制光分析装置110和光源120，并且还用于分析光分析装置110所收集的数据。计算机150也可以提供信号以控制例如半导体处理工具的外部***(未示出)。

以干涉测量端点确定(interferometric endpointing)的形式的反射测定法被广泛使用于半导体工业中，以通过利用在半导体处理工具内被改性的晶片反射的光学信号来监测该半导体处理工具内的晶片处理的状态。虽然干涉测量端点确定技术可能随着具体的应用和处理而变化，但是典型地在一个或多个预定的波长处监测光发射强度。取决于处理，可以使用各种算法来从在评定半导体处理和处理中的晶片的状态时有用的光强度导出通常涉及晶片的各种层的厚度或晶片的特征的趋势参数、检测与处理、处理工具或其它装备相关联的故障。尽管通常被称为“端点确定”且历史上表示对处理的结束的检测；但是干涉测量端点确定已发展为包括在处理周期的所有时间期间的监测和测量。

特别地关于对处理工具内的晶片状态的监测和评估，图2示出了使用干涉测量端点确定来监测和/或控制等离子体处理工具内的工件的状态的典型的现有技术的处理200。为了方便起见，大大简化了本方法。通过回顾美国专利申请20130016343号(通过引用包括于此)来提供某些处理和实现的细节。处理200典型地从将光引导到关注的工件上(步骤210)开始。被引导到工件上的光然后从该工件反射(步骤220)并随后被检测(步骤230)。检测通常与转换为电信号相关联，所述信号典型地被放大并随后被数字化并传递到信号处理器以用于分析(步骤240)。信号处理器使用对于具体的生产处理和被监测的工件的特性而言专用的多个算法之一。为了实现有效的结果，有必要选择用于具体处理的适当的算法以及参数值。在不过于专用的情况下，算法分析强度信号并确定涉及处理的状态并能用于访问该状态的趋势参数(例如端点检测、蚀刻深度、膜厚度、故障、等离子体不稳定性等)(步骤250)。结果被输出(步骤260)以被外部控制***和/或工程师使用，并随后用于监测和/或更改在等离子体处理工具内发生的生产处理(步骤270)。

发明内容

本发明涉及一种用于随半导体处理工具中的光学测量***一起使用的高动态范围和低噪声的闪光灯控制***。典型地，闪光灯控制***包括连接到闪光灯灯泡的高电压电源。本发明还包括电连接到所述高电压电源的至少一个电容器以及用于控制所述高电压电源的占空比和脉冲宽度的数字控制电子器件。所述至少一个电容器可以被配置为单个电容器或者串联、并联或这二者的多个电容器，以产生预定的电容。此外，所述至少一个电容器可以静态地电连接到高电压电源，并且至少一个动态可开关的电容器也可以电连接到所述高电压电源。所述动态可开关的电容器也可以被配置为单个电容器或者串联、并联或这二者的多个电容器，以产生预定的电容。本发明还包括用于控制所述高电压电源的占空比和脉冲宽度的数字控制电子器件。

此外，电流感测部件可以电连接到所述至少一个电容器，以监测所述至少一个电容器的充电电流和放电电流之一或这二者，并且还连接到数字控制电子器件。此外还可以包括电连接到所述至少一个动态可开关的电容器的隔离开关。在功能上，所述数字控制电子器件监测所述至少一个电容器的充电电流和放电电流之一或这二者，以确定所述动态可开关的电容器的最优的隔离状态，然后在必要时将隔离状态信号传送给隔离开关以用于电隔离所述至少一个动态可开关的电容器的低侧和所述高电压电源。

此外，均质化元件(homogenizing element)可以布置在接近于闪光灯灯泡的光路中，以通过减小光学信号的变化系数来在时间上或在光谱上或者在时间和光谱上更改光学信号。均质化元件可以包括预定的空气间隙、一个或多个漫射均质化元件、一个或多个成像元件、一个或多个非成像元件或光管均质化元件。优选地，所述更改的光学信号的变化系数为0.25％或更小。所述均质化元件可以布置在介于所述闪光灯灯泡和多个光纤之间的多通道分配器内。

最终，基本上通过增加光谱遮罩和光谱接合器(spectral splicer)可以进一步增大所述闪光灯控制***所产生的光谱信号的动态范围。在第一预定的闪光倍数或能量处获得第一光谱。该光谱可能在一波长范围内具有太低而不能读取的值(高信噪比(SNR))。然而，增大闪光倍数或能量将导致其它的波长饱和，使得它们不可读。在这种情况下，在第二预定的闪光倍数或能量(通常更高)处获得第二光谱，其中该波长范围增大为超过信号噪声。然后，应用光谱遮罩以将除了波长范围之外的都遮罩掉，并且将第一光谱接合到第二光谱，导致可读波长的完整光谱。

附图说明

在所附的权利要求中提出了本发明的新颖特征所认定的特性。然而，通过参考下面在结合附图阅读时对示意性实施例的详细描述，将最好地理解本发明自身及其优选的使用模式、其更多目的和优点，其中：

图1是现有技术的光学测量***的图示的原理图；

图2示出了使用干涉测量端点确定来监测和/或控制处理工具内的晶片的状态的典型的现有技术的处理；

图3A和3B示出了根据本发明的示例性实施例的表示在测量薄膜反射率以及高精确度半导体处理所期望的可访问的反射率检测中的差别的固有挑战的一组曲线图；

图4示出了根据本发明的示意性实施例的包括光学测量***的半导体处理工具的图示的原理图；

图5A、5B和5C是根据本发明的示例性实施例的与能够配置为随光学测量***一起使用的闪光灯接口的改进的光学组件的示例性构成的三个横截面视图的集合；

图6A、6B和6C示出了将现有技术的光学测量***的性能与根据本发明的示例性实施例的闪光灯和光学组件的性能相比较的一组曲线图；

图7是根据本发明的示例性实施例的可配置为随光学测量***一起使用的改进的闪光灯控制***的简化的电气原理图；

图8A和8B示出了将现有技术的光学测量***的性能与加入根据本发明的示例性实施例更改的闪光灯的光学测量***的性能相比较的一组曲线图；

图9A-9E示出了详细描述根据本发明的示例性实施例的加入图7的闪光灯控制***的光学测量***的功能性所提供的复合高动态范围信号的构成的一组曲线图；以及

图10示出了根据本发明的示例性实施例的可配置为随光学测量***一起使用的光谱平坦化滤波器的添加的性能的曲线图。

具体实施方式

在下面的描述中，参考了形成其一部分的附图，其中以示意方式示出了其中可以实践本发明的具体实施例。以足够的细节描述这些实施例，以使本领域的技术人员能够实践本发明，并且应当理解可以使用其它的实施例。也应当理解，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以对结构、过程和***进行变化。因此，不将下面的描述作为限定性的意义。为了阐述的清楚起见，用相似的附图标记指示附图中示出的相似的特征，并且用相似的附图标记指示图中的替代性实施例中示出的相似特征。从附图和下面的详细描述，本发明的其它特征将是明显的。注意，为了说明的清楚的目的，图中的一些元件未按比例示出。

现有技术的***(例如光学测量***100)容易受到这里提及的多个变化和限制，并且具有对于高的可重复性和高准确度的光学测量的有限的可适用性，这限制了其用于当前最新水平的原位应用和/或在线应用的功能性。为了克服现有技术的***的缺陷，本发明总体上包括一种用于光学测量的***和方法，其补偿有限的动态范围和可变的信号衰减的不利影响，以及补偿其它的***漂移和***变化。更具体地，本发明解决了：(1)增大光学测量***的动态范围，(2)改进光学测量***的稳定性以用于更优的光学测量分辨率和准确度，以及(3)以多通道方式提供这些先前的方面。下面将结合实施例描述本发明的其它优点。

现有技术的光学测量***的可调节性通常是基于操作参数(包括对闪光灯电容器的手动改变、可编程闪光灯电压控制和/或可配置的分光仪积分时间)的有限的集合。随着受最新水平的半导体处理装备和集成处理的需求所驱动的被监测的处理的复杂度增大，这些现有技术的***及其限制性的操作参数变得不足。此外，尽管上面关于图2讨论的一般方法在监测/评估许多不同的处理时是有用的；但是处理的增大的精确度、准确度和变化性需要在动态范围和噪声降低方面的不断增大，由此进一步增加了光学测量***和处理的复杂性和需求。

图3A和3B分别示出了表示薄膜反射率以及对半导体处理的高精确度监测所需要的反射率检测的差别的一组曲线图300和350。这里在晶体硅衬底上沉积的二氧化硅覆膜的示例是通常非常复杂的多层图案化的膜堆叠的简化，但被用作特别是利用常用的“监测器晶片”的参考和测试的几何形状。曲线图300示出了针对在晶体硅衬底上沉积的300和305埃厚的二氧化硅覆膜的相对于波长的理论绝对反射率。如所示出的，反射系数基本上是难以区分的，除了在约350纳米的波长附近。明显地，膜厚度的差别与仅晶体硅的两个单层可比拟，并比二氧化硅的两个单层更大。诸如高速处理器中的3D NAND存储器和栅极结构之类的先进的应用需要这些非常薄的膜并对其膜厚度确定的非常高的准确度和精确度具有严格要求。对于膜厚度需要的控制水平通常在1埃的水平。尽管在该水平的厚度测量的精确度和准确度历史上需要应用椭偏仪；但是本发明的新颖的光学测量***也提供了该水平的测量精确度和后续的处理控制。

曲线图350示出了通过实验从本发明的光学测量***获得的针对曲线图300中表示的300埃和305埃厚的膜的不同的光谱。对于5埃的精确度，信噪比必须约大于200:1，而对于1埃的精确度，信噪比大于1000:1。在300纳米波长附近，膜厚度差为5埃时，最大反射系数的差别小于0.5％，膜厚度差为1埃时，最大反射系数的差别小于0.1％。尽管这里指的是单个静态测量，但是需要从同一晶片上的多个点的跨多个测量以及跨多个半导体处理工具的可重复性，并且进一步严格要求了动态范围、信噪比、通道间的变化以及其它需求。目前的现有技术的基于闪光灯的光学计量***并且特别在闪光灯自身的实现中的固有限制妨碍了获得需要的可重复性、均匀性、精确度和准确度。

图4示出了本发明的半导体处理工具和光学测量***的集成的图示原理图400。这里描述的***可以与图1中描述的现有***相对照，以允许讨论和促进干涉测量端点确定创新以调整动态工具条件、多点测量均匀性、多膜单室处理等。严格地，应当注意到，现有技术的光学测量***典型地实现单个测量通道。类似地，相关的处理工具通常仅实现单个处理步骤。为了支持增大的操作参数，针对较大晶片的处理工具灵活性和处理方法学中的进步现在需要光学计量***中的附加的可配置性。例如，处理工具可以改变间隙(等离子体空间)，并且可以通过处理工具变化所驱动的机械变化和/或热变化来影响多个测量位置。此外，可能需要连续的计量来代替用于处理步骤的常见的现有技术“端点确定”。

***400包括以下主要部件：处理室410、分光仪420、闪光灯450、测量控制***460和工具控制***470。处理室410在等离子体容积414中包括晶片412。闪光灯450向一个或多个光纤452(用虚线表示)提供光，光纤452将光引向光学器件455，光学器件455用于限定晶片412的表面上的光束457和测量斑点尺寸。随着晶片尺寸从200mm增大到300mm并很快增大到450mm，需要更多的用于测量的位置以表征监测的处理的非均匀性。这要求对各种光学信号水平的同时控制，以确保跨测量位置的均匀性。所有的光学信号水平必须被精确地控制以用于适当的信噪比，从而实现得到的表征(如膜厚度确定)的期望的准确度和精确度。

在从晶片412反射时，经由信号光纤459(用实线表示)将光学信号发送到分光仪420以用于波长区分并转换为电信号和/或数字信号。分光仪420例如可以包括用于波长区分的光栅以及用于收集光学信号的CCD或CMOS光学传感器。光纤459可以在长度上变化并形成为允许访问晶片412的各个位置，并且其可以包括衰减器以调节每个信号并调整由于长度、处理工具影响或其它因素导致的总体信号水平的差别。分光仪420可以经由互连422向闪光灯450发送并从闪光灯450接收命令和其它信息。如同这里所讨论的，这些命令可以包括灯功率水平、闪频、误差、多脉冲配置等。分光仪420也可以经由通信链路425与通常是工业PC的测量控制***460进行通信，通信链路425可以使用以太网、USB、以太网控制自动化技术(EtherCAT)或其它***和协议。替代性地，测量控制***460可以嵌入到分光仪420中作为统一的组件。分光仪和/或测量控制***460可以经由链路465与工具控制***470进行通信，工具控制***470自身经由链路472与处理室410以及处理工具和半导体制造设施的其它元件(未示出)进行通信/控制它们。

由于闪光灯的脉冲操作、亮度、可控制性和成本，闪光灯是光学测量***的有利的部件。然而，闪光灯可能是时间变化和光谱变化的重要来源。本发明的一方面是要解决闪光灯中固有的这些变化，以通过增大均质化、减少发射间(shot-to-shot)的时间和光谱可变性以及改进用于多点测量***的通道间的均匀性来扩展其适用性。图5A、5B和5C是与能够配置为随光学测量***一起使用的闪光灯以及例如结合图4所描述的闪光灯450接口的改进的光学组件的示例性构成的三个横截面视图的集合。再参照图4，在多点测量***中，闪光灯的光学输出可以映射到适当的多通道分配器上。在图5A、5B和5C中，多通道分配器510提供对闪光灯灯泡520所提供的光学信号的1×N个分配，并将光纤连接集成为诸如图4的光纤452之类的光纤。尽管图5A、5B和5C示出了特定的闪光灯灯泡520，并且多通道分配器510包括具有SMA连接的7个光纤；但是应当理解更多或更少的光纤是可行的，并且可以利用不同的闪光灯灯泡和光纤连接。

历史上，为了最高的信号耦合，分配器510的公共端子位于尽可能接近于闪光灯灯泡520的面。尽管这可能提供了最高的总体信号耦合效率；但是光纤束515和弧光灯518的相对尺寸可能导致由于角尺寸和几何尺寸不匹配而引起的高的通道间不均匀性(参见图6A的***配置#1和#2)。例如，如束515中所示的被设计为六角形闭合封装阵列的400微米光纤芯具有约1.35mm的直径；而弧光灯518的空间范围为约1×2mm的平顶矩形高斯轮廓。此外，闪光灯灯泡的角发射轮廓和束515的单根光纤的数值孔径通常是不一致的。可以通过选择性地改变分配器510与灯520之间的距离D1来实现部分优化。达到这种部分优化以牺牲信号电平为代价。可以通过增大灯输出来调节信号电平，但是这促使了灯的较短的寿命，并且最终不可取。实验表明，距离D1可以设置在约0.0到0.5英寸的范围内，更优选地是0.2到0.3英寸的范围，以实现改进的均质化以及通道间的非均匀性。

图5B示出了包括均质化元件530的第一类型。具体地，元件530可以是例如单面或双面磨砂玻璃漫射器、蝇眼式(fly-eye)透镜组件、全息漫射器、微透镜阵列或其它成像或非成像均质器(包括容积均质器)。由于相当多的光可能被散射并且可能需要相当大的距离来允许元件530适当地工作，因此均质化元件530也以信号电平为代价提供部分均质化。实验表明，对于例如来自Newton的Thorlabs公司的磨砂玻璃漫射器，New Jersey间隙535和538可以设置在约0.0到0.5英寸的范围内，并且更优选地分别是间隙535设置在0.2到0.3英寸的范围以及间隙538设置在0.0，以实现改进的均质化以及通道间的非均匀性。均质化元件和适当的间隙的应用可以容易地在以下情况下应用：由于以中等范围的功率水平操作灯对于最佳性能是有利的，因此可能获得过多的光，从而效率可能是不严格的。

图5C示出了集成在分配器510和灯520之间的第二类的均质化元件(即，光管540)。光管540与均质化元件530或包括间隙D1的作用不同，并利用有限的信号电平的损失来提供均质化。为了光管540适当地起作用，间隙545和548必须被仔细地控制，必须保持灯520、光管540和分配器510的同轴对齐以用于适当地填充光管540并将均质化的信号拦截到分配器510上。在具体的实施例中，间隙545和548可以设置在约0.0到0.5英寸的范围内，并且更优选地分别是，间隙545设置在0.05到0.25英寸的范围以及间隙548设置在0.0，以实现对于2mm熔融石英光管(例如来自Barrington NJ的Edmund光学器件)的改进的均质化和通道间的非均匀性。应当注意到，本文中结合以上图5A-5C讨论的每种均质化方法提供了改进的均质化，但是必须考虑选择性的使用条件以平衡光损失。尽管在上面讨论了透射式光学元件；但是应当理解，反射式的等效物可以存在，并且可以被替换。

图6A、6B和6C示出了将现有技术的***的性能与根据本发明的示例性实施例的闪光灯和光学组件的性能相比较的一组曲线图。光学信号均质化直接影响通道间均匀性和每个单独通道内的变化。尽管波长依赖的光学信号经由复杂的三角函数参与反射系数和最终厚度的测量，但是可以与光学信号的变化成比例地估计反射系数和/或厚度测量的变化。这些曲线图示出了应用如图5A-5C所示的在闪光灯灯泡与多通道分配器之间结合的各种类型的均质化元件的可能的改进。具体地，图6A示出了通道间均匀性的曲线图620，并且图6B和6C是有参照和无参照的变化系数(“CV”)方面的通道内改进。图6A的箱线图(box andwhisker chart)对现有技术的未均质化的接口(配置#1和#2)、漫射均质化元件(配置#3和#4)以及均质化光管元件(配置#5和#6)之间的通道间均匀性进行比较。用于曲线图620的值是从来自七个单独通道的集合的波长平均信号得出的。配置#3表示具有用于较高信号电平的较小间隙的漫射均质化元件，并导致较差的均质化和由此导致较低的通道间均匀性。配置#4表示具有被优化用于最佳均匀性的间隙的漫射均质化元件。配置#5表示具有在分配器附近的略微过大的间隙的光管均质化元件，配置#6表示具有优化的间隙的光管均质化元件。实验表明，光管均质化元件应当被定位为使得其基本上被对接到闪光灯灯泡的表面并距分配器约1个直径(～2mm)。应当理解，光管直径和位置将取决于诸如灯泡弧尺寸、分配器中的光纤的数量和直径等的因素。

图6B示出了现有技术的七通道***的光学测量***的通道内和跨通道的性能的曲线图。对于该***，使用六个通道用于实际的测量，并使用第七个通道来参考其它通道以用于减轻信号漂移和其它效应。在曲线图640中，单独地分析数据的七个通道的变化(由最左边的7条表示)，然后成对的经由逐个波长的划分以用于参考(由列A-G的单独的条表示)。在～300-700nm的波长范围内对所表示的CV(变化系数)值进行平均。

分别地，每个通道的变化是～0.75％，但第六个通道更差，在～1.5％处。考虑到光学信号的变化相对于所分辨的膜厚度的变化的比例性；可以看出，0.75％不足以支持确定上面讨论的要求～0.1％的变化所需要的1埃的分辨率。为了操作的方便起见，期望来自分配器的所有输出是相等的，但是在现有技术的情况下并未观察到这样的情况。此外，当确定了跨通道变化(曲线图640的列A-G)时，观察到通道之间的相关性足够低，以至于对于所有组合，变化实际上被增大为使得尽管参考可以帮助减轻光学信号漂移；但是光学信号变化以及由此厚度分辨率受到负面的影响。

与图6B的数据形成对比，在包括优化的光管均质化元件的本发明的***的性能的曲线图660中示出的图6C的数据示出了显著的改进。所有通道内变化大大减少，并且成对的跨通道的变化类似地减少，并且在一些情况下，现在相关性足够高以允许所述参考进一步减少变化以及控制漂移。

图7是根据本发明的示例性实施例的可配置为随光学测量***一起使用的闪光灯控制***700的简化的电气原理图。图7表示了闪光灯控制***700的操作所需要的基本元件。为了基本元件的清楚起见，并未显示通常已知并使用的辅助元件，如信号调节部件、滤波电容器、直流-直流转换器等。该原理图表示改进的可通过内部和外部的数字电子手段来动态调节的闪光灯控制***的关键部件。这是与诸如美国专利3780344(通过引用包括于此)中示出的***之类的固定、静态的现有技术的***相对照的。

控制***700包括可配置的数字控制电子器件710，其提供对诸如图4的分光仪420和内部高电压电源720之类的外部部件和内部部件这二者的接口。闪光灯控制***700还可以包括任意数量的静态电容器730(为了简单起见，只示出一个)以及任意数量的动态电可开关的电容器740(为了简单起见，只示出一个)。应当理解，电容器730和740的并联组合和串联组合都是可以的。静态电容器730可以与电流感测部件735串联连接，电流感测部件735可以用于检测正确或错误的操作以对电容器充电和放电以及经由数字控制电子器件710向内部和外部的***提供反馈，例如用于指示适当的或不适当的灯放电。根据本发明的其它示例性实施例(图7中未示出)，附加的电流感测部件可以与任意附加的静态或动态电可开关的电容器串联。

可以通过在动态电容器740的未充电状态期间开关隔离开关745来将任意的动态电可开关的电容器740与控制***700相隔离。开关745可以是例如在下文描述的。闪光灯灯泡750以并联布置的方式与电容器730和740相连接。来自数字控制电子器件710的信号启动闪光灯灯泡750的点火，该信号激活触发晶体管770并由此对触发电容器760进行放电从而使得闪光灯灯泡750点火。

现有技术的参考示出了用于触发闪光灯的各种不同的开关配置，然而通向开关的控制电路总是模拟的。根据本发明的示例性实施例，闪光灯数字控制电子器件的加入改进了在五个关键区域中的闪光灯性能和功能。它(1)减少了电容器再充电时间(***周期时间)，(2)改进了闪光间的强度和光谱稳定性，(3)扩展了所述***的可用的动态范围，(4)允许电容器和灯输出的动态变化，以及(5)提供对灯放电故障条件的监测。通过获知有效的放电电容器值和配置，数字控制电子器件710计算最优的电源驱动频率和占空比，以尽可能快地在***功率约束内对电容器730和740进行充电。在现有技术中，快速充电时间的典型的负面影响是高电压纹波，高电压纹波导致差的闪光强度和光谱稳定性。数字控制电子器件710的配置通过随着电容器730和740的充电电压接近指定的放电电压而动态地改变驱动频率和占空比，防止了该负面影响并最小化了高电压纹波。来自该先进的控制方案的残留的高电压纹波效应远低于固有的灯泡不稳定性，从而去除了作为闪光灯不稳定性的原因的高电压电源纹波。然而***动态范围依据灯的有限的稳定的电压操作范围(典型地，对于该类型的灯是～300V-1kV)。数字控制电子器件710能够动态地开关电容器以大大扩大该***的稳定操作动态范围并同时使灯保持在其电压规格之内。由于数字控制电子器件710主动地监测操作期间的***电压和电流，因此如果发生了灯泡或***的异常操作，则数字控制电子器件710可以提供故障通知。

控制***700的附加特性包括将高电压电源720的初级侧开关配置为高功率高电压金属氧化物半导体场效应晶体管(“MOSFET”)器件，以用于改进的性能和控制。此外，灯触发晶体管770被配置为高电流高电压MOSFET器件。该具体实施例提供了对传统的基于硅控整流器(“SCR”)的电路的改进的触发脉冲控制。通过基于高电压二极管和SCR的配置的开关745，实现了动态电容器开关。开关745的唯一拓扑消除了由于SCR接通时间导致的放电电流波形的失真。电容器通常在放电时在额定低侧开关，所以仅充电周期电流被开关，而不影响放电电流波形。

可以通过使用例如来自Altera或Xilinx的现场可编程门阵列(“FPGA”)、例如来自Microchip的“PIC”系列器件的微控制器或者例如来自Atmel的ARM系列器件的嵌入式微处理器来实现数字控制电子器件710。在一个可能的实施例中，以基于闪光的Xilinx FPGA来实现数字控制电子器件710。该具体实现通过消除由基于SRAM的器件引起的引导和初始化问题/延迟而提供了额外的益处。数字控制电子器件710所提供的可配置性和反馈/控制能力极大改进了模拟控制***的历史应用。

图8A示出了将现有技术的***的性能与根据本发明的示例性实施例更改的闪光灯的性能相比较的曲线图800。曲线图800表示在三种不同操作模式下的闪光灯操作的波长平均的CV(为在200-800nm光谱范围平均的信号的百分比的变化系数)相对于数据间隔的比较。所述数据被呈现为以低功率操作(电容器充电电压～350V-400V)，其中闪光灯操作的有害影响是最普遍的。曲线805是表示具有固定充电速率和静态高电压电源条件的现有技术的***的性能的数据的参考集合。充电电路的差的性能被清楚地表示为其导致了曲线805中的随着数据间隔增大的总体高的CV和显著的结构，由此变化与再充电速率相互影响。曲线805中的强的结构是由在每次点火之间变化的电容器的充电状态的变化引起的，所述电容器在一些情况下被充电超出期望，而在其它情况下被充电低于期望。对于～25和45毫秒的再充电时段而言这是特别明显的。曲线810示出了实现图7的闪光灯控制***而达到的显著改进的性能。总体上CV的4x-6x提升大约到0.25％。这支持了对于前面与图3相关联地讨论的高精确度和准确度测量的极低的噪声要求。此外，曲线815表示在2x的情况下由闪光灯的多脉冲所提供的额外的性能益处(由包括数字控制电子器件710的控制***700中的改进来实现)。

图8B示出了闪光灯控制***700的电容器开关和多脉冲改进所提供的扩展的动态范围的图表840。在图表840中，驱动能量的以10为底的对数相对于电容器的配置而图示。这里使用驱动能量因为其与可确定的效率因子的光学输出成比例。在所示出的示例中，包括0.033μF的静态小电容器C1以及0.15μF的动态可开关的大电容器C2。条843表示分别与2mJ和16.5mJ的驱动能量相对应，其是在驱动电压范围350到1000V上电容器C1的驱动能量的范围。条845表示电容器C1和C2均导通以利用分别与11mJ和91.5mJ的驱动能量相对应的350到1000V的驱动充电电压再次驱动灯。条850表示电容器C1和C2均导通，以利用直至183mJ的驱动能量的2x多脉冲来驱动灯。由于用于闪光灯灯泡和驱动能量的适当的激发的操作特性以及作为E＝0.5*C*V*V的光学输出尺度，典型的闪光灯操作被限制到350到1000伏特的电压范围。这些约束将传统的***的输出范围限制到从12.25％到100％(～8x的范围)，而不管电容器尺寸如何。如同可以容易地看出地，先进的闪光灯控制***所提供的动态开关和多脉冲能力的改进容易地允许在包括单个可开关的电容器而无不利影响的情况下使输出范围过量90x(183mJ/2mJ)。应当注意到，对于现有技术的固定的闪光灯充电电路，使用所描述的示例中的大比率电容器将导致小电容器的较差性能和/或大电容器的慢充电时间的折衷的解决方案。

图9A-9E示出了详细描述根据本发明的示例性实施例的与经由分光仪的光学信号测量相同步的由图7的闪光灯控制子***的多脉冲功能所提供的复合高动态范围信号的构成的一组曲线图。多脉冲允许闪光灯***的输出信号电平的有效变化并同时保持每个闪光周期性放电的固定能量的稳定状态性能和温度。如上面所讨论的，由于发射间变化很小并且由于未使用可变的驱动电压，每个输出接近于相同；因此与分光仪和测量控制***相协作地不同地组合倍增脉冲信号导致了具有降低的CV的复合高动态范围信号。图9A示出了分别根据1x和4x脉冲发生的闪光倍数的示例性信号907和910的曲线图905。图9B示出了分别根据1x和4x脉冲发生的示例性信号907和910的CV 917和920的曲线图915。尽管来自4x倍增脉冲信号的信号和CV相对于来自1x发生脉冲情况的CV有改进；但是原始信号的某些部分是饱和的并且CV的对应部分未定义，因此光谱总体上不可用于测量。然而，通过分光仪和闪光灯以及内部闪光灯控制之间的同步，使得信号907和CV 917的对应部分可用。

图9C示出了用于将光谱907和910组合成图9D中示出的新的较低CV和较高动态范围的信号的光谱遮罩的曲线图925。实曲线927是波长依赖的遮罩值，并且曲线图925的阴影部分表示其中倍增脉冲信号910饱和的光谱区。为了使用遮罩，光谱907与所述遮罩相乘，并且光谱910与所述遮罩的附加的补充值(1－遮罩)相乘。图9D示出了得到的较高动态范围光谱935的曲线图930，并且图9E示出了对于接合的光谱得到的CV 945的曲线图940。将图9E与图9B相比较，可以观察到由降低的CV表示的约2x的改进。

图10示出了根据本发明的示例性实施例的可配置为随光学测量***一起使用的光谱平坦化滤波器的添加的性能的曲线图1000。如通过将未平坦化的信号1010与平坦化的信号1020相比较所看到的，典型地，光谱平坦化大大降低了信号电平。氙气闪光灯的输出的复杂光谱结构特别难以平坦化，并导致了在一些波长处的信号电平降低约10x。尽管通过滤波器的传输损失了该非常显著的信号量，但是平坦化的信号通过将光谱信号更均匀地匹配于诸如分光仪之类的光学测量装置的检测能力而提供了在多个波长处的光学测量***的动态范围中的等效增大。图7的闪光灯控制***所提供的多脉冲能力可以有利地被使用以恢复有用信号电平，而无需用于闪光灯的过量的驱动功率。

在不脱离在此描述的光学测量***和子***的范围的情况下，可以对其作出上述的变化以及其它变化。例如，尽管结合半导体晶片处理装配描述了一些示例，但是可以理解，在此描述的光学测量***可以适应于其它类型的处理装配，例如卷绕式(roll-to-roll)薄膜处理、太阳能电池制备或可能需要高精确度光学测量的任意应用。此外，尽管在此讨论的一些实施例描述了使用常见的光分析装置，例如光谱仪；但是应当理解，可以利用具有已知的相对灵敏度的多光分析装置。此外，尽管描述本发明的方面时已经在本文使用了术语“晶片”；但是应当理解，可以使用其它类型的工件，例如石英片、相移遮罩、LED衬底和其它类型的非半导体处理相关的衬底以及工件，包括固态、气态和液态工件。

在此描述的示例性实施例被选择和描述以最佳地解释本发明的原理和实践应用，以及使得本领域普通技术人员能够理解本发明以用于适合于所设想的具体用途的具有各种更改的各种实施例。在此描述的具体实施例绝不是旨在限制本发明的范围，这是因为在不脱离本发明的范围和目的的情况下其可以在各种变化和环境中实践。因此，本发明并不是旨在受限于所示出的实施例，而是符合与在此描述的原理和特征相一致的最宽的范围。

附图中的流程图和框图示出了根据本发明的各种实施例的***、方法和计算机程序产品的可能实现的架构、功能和操作。在这方面，流程图或框图中的每个框可以表示包括用于实现(一个或多个)所指的逻辑功能的一个或多个可执行指令的代码的模块、段或部分。还应当注意到，在一些替代性实现中，在框中注释的功能可以不按照图中所注释的顺序发生。例如，连续示出的两个框，取决于所涉及的功能可以实际上基本上同时地执行，或者框有时可以以相反的顺序执行。也将注意到，框图和/或流程图图示的每个框以及框图和/或流程图图示中的框的组合可以通过执行特定功能或动作的基于专用硬件的***或者专用硬件和计算机指令的组合来实现。

在此使用的术语仅用于描述具体实施例的目的，并不旨在限制本发明。如在此所使用的，单数形式“一”、“一个”或“该”旨在也包括复数形式，除非上下文明确另有指示。还应当理解，当术语“包括”和/或“包含”用于本说明书时，指的是存在所说明的特征、整数、步骤、操作、元件和/或部件，但并不排除存在或添加一个或多个其它的特征、整数、步骤、操作、元件、部件和/或其组合。

本领域的技术人员将认识到，本发明可以被实现为方法、***或计算机程序产品。相应地，本发明可以采用以下形式：全部硬件实施方式、全部软件实施方式(包括固件、常驻软件、微码等)或将所有在此统称为“电路”或“模块”的软件和硬件方面相组合的实施方式。此外，本发明可以采用在计算机可用存储介质上的计算机程序产品的形式，所述介质具有嵌入其中的计算机可用程序代码。

本申请所涉及的领域的技术人员将认识到，可以对所描述的实施例进行其它的和进一步的添加、删除、替换和更改。

Claims (13)

1.一种闪光灯控制***，包括：

高电压电源；

由所述高电压电源充电的至少一个动态可开关的电容器；

数字控制电子器件，用于随着所述至少一个动态可开关的电容器的充电电压接近指定的放电电压而动态地改变所述高电压电源的驱动频率和占空比；

隔离开关，所述隔离开关电连接到所述至少一个动态可开关的电容器和所述数字控制电子器件；其中所述数字控制电子器件识别所述至少一个动态可开关的电容器的未充电状态，并在所述至少一个动态可开关的电容器的未充电状态期间向所述隔离开关发送开关信号以用于电开关所述隔离开关，由此隔离所述至少一个动态可开关的电容器；

电流感测部件，所述电流感测部件电连接到所述至少一个动态可开关的电容器以用于监测所述至少一个动态可开关的电容器的充电电流和放电电流中的至少一个，所述电流感测部件还电连接到所述数字控制电子器件以用于经由所监测的充电电流和放电电流中的至少一个为所述至少一个动态可开关的电容器提供反馈控制信号；

触发元件，由所述数字控制电子器件控制；以及

闪光灯灯泡，电连接到所述高电压电源。

2.根据权利要求1所述的闪光灯控制***，其中所述数字控制电子器件控制所述闪光灯灯泡的再充电速率、能量水平设置和多脉冲。

3.根据权利要求1所述的闪光灯控制***，其中所述数字控制电子器件识别所述至少一个动态可开关的电容器的未充电状态，并在所述至少一个动态可开关的电容器的未充电状态期间向所述隔离开关发送开关信号以用于电开关所述隔离开关，由此隔离所述至少一个动态可开关的电容器。

4.根据权利要求1所述的闪光灯控制***，其中当所述至少一个动态可开关的电容器被放电时，仅充电周期电流被开关。

5.根据权利要求1所述的闪光灯控制***，还包括：

均质化元件，定位为接近于所述闪光灯灯泡，以通过减小光学信号的变化系数来在时间和光谱两者上更改所述光学信号。

6.根据权利要求5所述的闪光灯控制***，其中所述均质化元件包括预定的空气间隙、漫射均质化元件、成像元件、非成像元件或光管均质化元件。

7.根据权利要求5所述的闪光灯控制***，其中所更改的光学信号的变化系数为0.25％或更小。

8.根据权利要求1所述的闪光灯控制***，还包括：

光谱遮罩，用于遮罩在第一预定的闪光倍数或能量处获得的第一光谱中的第一波长值；以及

光谱接合器，用于将具有所遮罩的所述第一波长值的所述第一光谱与使用所述光谱遮罩的附加的补充值在第二预定的闪光倍数或能量处获得的第二光谱组合以构成高动态范围光谱信号。

9.根据权利要求1所述的闪光灯控制***，其中所述数字控制电子器件包括感测接口，所述感测接口被配置为接收与所述至少一个动态可开关的电容器的充电电流或放电电流相对应的反馈控制信号。

10.根据权利要求1所述的闪光灯控制***，其中所述至少一个动态可开关的电容器与所述闪光灯灯泡并联耦接。

11.根据权利要求9所述的闪光灯控制***，其中所述数字控制电子器件被配置为基于所述反馈控制信号来确定所述高电压电源的驱动频率、脉冲宽度和占空比。

12.根据权利要求1所述的闪光灯控制***，其中所述数字控制电子器件还被配置为确定所述闪光灯灯泡的放电故障。

13.根据权利要求1所述的闪光灯控制***，其中所述数字控制电子器件还被配置为主动地监测所述闪光灯灯泡的操作。

Images