TWI740137B - 光學儀器、光譜儀、以及將一光學輸入轉換為一數位信號輸出之方法 - Google Patents

光學儀器、光譜儀、以及將一光學輸入轉換為一數位信號輸出之方法 Download PDF

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Abstract

本發明提供一種光學儀器、一種將一光學輸入轉換為一數位信號輸出之方法，及一種光譜儀。在一個實施例中，該光學儀器包括：(1)一光學感測器，其經組態以接收一光學輸入且將該光學輸入轉換為電信號；及(2)一轉換系統，其具有：轉換電路，其具有經組態以接收該等電信號且將該等電信號修改為類比輸出之多個並行信號通道；一類比開關，其經組態以根據該光學儀器之一操作模式而選擇該等並行信號通道中之一者；及一類比轉數位轉換器，其經組態以自該所選並行信號通道接收該類比輸出且將該類比輸出轉換為一數位信號輸出。

Description

光學儀器、光譜儀、以及將一光學輸入轉換為一數位信號輸出之方法
本發明大體係關於光學光譜測定系統，且更特定言之，係關於改良用於光譜儀及其中使用之光學感測器之類比轉數位信號轉換系統之動態範圍及雜訊效能。
半導體製程之光學監視為用於製程控制之成熟方法。半導體製造向更快製程、更小特徵大小及更複雜結構之不斷進步對光學監視技術提出了很高要求。舉例而言，需要更高之資料取樣率(例如，每秒收集之光學信號量測值或光譜數)以準確地監視非常薄之層(其中幾個原子層中之變化係關鍵的)上之快得多之蝕刻速率。在許多情況下，亦需要較大信雜比，以支援偵測光學信號之極小變化。所有此等要求皆尋求驅動用於半導體製程之光學監視系統之效能之進步。在光譜儀內，光學感測器(常常為面電荷耦合裝置(「CCD」)或線性單列裝置)及其相關聯之轉換電路為用於判定資料取樣率、光/電頻寬、光/電信號偵測靈敏度、光/電信雜比效能等之關鍵元件。
在一個態樣中，本發明提供一種光學儀器。在一個實施例中，該光學儀器包括：(1)光學感測器，其經組態以接收光學輸入且將該 光學輸入轉換為電信號；及(2)轉換系統，其具有：轉換電路，其具有經組態以接收該等電信號且將該等電信號修改為類比輸出之多個並行信號通道；類比開關，其經組態以根據該光學儀器之操作模式而選擇該等並行信號通道中之一者；及類比轉數位轉換器，其經組態以自該所選並行信號通道接收該類比輸出且將該類比輸出轉換為數位信號輸出。
在另一態樣中，本發明提供一種將光學輸入轉換為數位信號輸出之方法。在一個實施例中，該方法包括：(1)接收操作模式；(2)自光學感測器接收表示至該光學感測器之光學輸入之電信號；(3)基於該操作模式選擇至少兩個並行信號通道中之一者以用於修改該等電信號；及(4)將該等經修改電信號轉換為數位信號輸出。
在又一態樣中，本發明提供一種光譜儀。在一個實施例中，該光譜儀包括：(1)控制器，其經組態以基於操作模式指導該光譜儀之操作；(2)光學感測器，其經組態以接收光學輸入且基於該光學輸入及該操作模式提供電信號；及(3)轉換系統，其基於該操作模式沿著並行信號通道修改該等電信號且選擇該等經修改電信號中之一者作為數位信號輸出。
100:光學系統
105:光學信號源
110:光纖纜線
120:冷卻系統
121:感測器板
122:冷卻參數感測器
123:電壓感測器
124:電流感測器
125:溫度感測器
126:控制迴路感測器
128:冷卻器
129:光學感測器
130:冷卻板
131:風扇
132:風扇
133:風扇
135:溫度環境感測器
137:介面
140:控制器
142:熱監視器
144:狀態機
146:通信介面
148:模式選擇器
150:光學儀器
155:光學感測器
157:冷卻系統
159:連接器
160:轉換系統
162:輸入介面
164:轉換路徑
166:輸出介面
170:控制器
172:通信介面
190:系統輸出
200:轉換系統
201:輸入介面
205:轉換電路
210:信號通道
220:信號通道
225:緩衝級
230:增益/偏移級
240:增益級
250:箝位級
260:濾波器級
270:偏移級
280:類比開關
285:差分驅動器
290:類比轉數位轉換器
299:輸出介面
400:過程
410:步驟
420:步驟
430:步驟
440:步驟
450:步驟
460:步驟
470:步驟
被認為係新穎的本發明之特徵性特徵闡述於所附申請專利範圍中。然而，將參考結合附圖閱讀之說明性實施例之以下詳細描述最佳地理解本發明本身及使用模式、其其他目標及優點，附圖中：圖1A為根據本發明之原理的包括光學儀器之光學系統之方塊圖，該光學儀器具有用於光學感測器之轉換系統；圖1B說明具有根據本發明之原理建構的冷卻系統之光學感 測器的實例之方塊圖；圖1C說明根據本發明之原理建構的光譜儀控制器之實例之方塊圖；圖2為根據本發明之原理的用於光學感測器之轉換系統之細節的方塊圖；圖3A及圖3B為根據本發明之原理的來自光學感測器之信號及由轉換系統提供之相關取樣之簡化時間序列表示；及圖4為根據本發明之原理的處理來自光學感測器之光學資料的方法之流程圖。
相關申請案之交叉參考
本申請案主張Larry Arlos Bullock於2018年5月3日申請之標題為「用於光學感測器之信號轉換系統(SIGNAL CONVERSION SYSTEM FOR OPTICAL SENSORS)」之美國臨時申請案第62/666,433號之權益，該美國臨時申請案與本申請案共同讓渡且以全文引用之方式併入本文中。
在以下描述中，參考形成本文一部分之附圖，且在附圖中以說明方式展示可實踐本發明之特徵之特定實施例。足夠詳細地描述此等實施例以使得熟習此項技術者能夠實踐本發明之特徵，且應理解，可利用其他實施例。亦應理解，在不脫離本發明之精神及範圍之情況下，可進行結構、程序及系統改變。因此，不應以限制意義對待以下描述。為了解釋清楚起見，附圖中展示之相同特徵以相同參考編號指示，且圖式中在替代實施例中展示之類似特徵以類似參考編號指示。本發明之其他特徵將自附 圖及以下詳細描述中顯而易見。應注意，出於說明清晰之目的，圖式中之特定元件可能並非按比例繪製。
如上文所指出，改良之取樣及改良之信雜比對於準確地監視非常薄之層(其中幾個原子層中之變化係關鍵的)上之快得多的蝕刻速率及支援偵測光學信號之極小變化係重要的。除了定時之外，此等考慮因素亦對處理由光學感測器提供之電信號係重要的。此外，光學感測器本身之恰當操作對於確保電信號準確地反映所接收之光學資料係重要的。所有此等要求皆尋求驅動用於半導體製程之光學監視系統之效能的進步。
舉例而言，在光學感測器於其溫度範圍外部操作時，光學感測器可將額外雜訊添加至電信號。隨著雜訊增大，信雜比減小，且電信號內存在之資料可能受損。在處理寬動態範圍內之資料時，此更為關鍵。在一些情況下，光學感測器之熱波動可產生信號背景雜訊之調變，其甚至類似於來自光源之所監視半導體製程信號。由此，不管包括光學感測器之光譜儀之處理精度如何，所處理之電信號皆可能受損。因此，光學監視可能提供錯誤結果。
除了確保光學感測器恰當地操作之外，用於處理之定時亦係重要的；在光源使用經調變或脈衝式電漿時，尤其如此。在此等應用中，經調變或脈衝式電漿之調變應與電信號之處理同步，以便區分正常調變週期與異常調變週期。同步亦限制混疊及其他時間移轉問題之不良影響。
因此，本發明改良光譜儀之操作以確保由光譜儀處理之資料具有高品質，從而準確地反映以光學方式監視之製程。由此，本發明藉由監視關於光學感測器之操作之關鍵參數以通知可能導致資料損壞之任何 異常或趨勢性內容而對諸如使用者、控制電腦或半導體處理工具等額外系統提供增強之回饋。此外，本發明提供之操作模式使用光學信號源之電漿之調變與光譜儀處理之間的硬體同步。
關於光學感測器之操作，本發明提供熱監視，其判定用於光學感測器之冷卻系統何時接近操作限制。可接著提供警告，其指示光學感測器之熱環境使得可能損壞資料。舉例而言，光學感測器可能過熱地操作，或其操作溫度可能不穩定。警告可包括為由光譜儀提供之資料流內之回饋，以指示資料可能受損或不久後可能受損。由此，可使得光學監視系統之操作者、控制器或其他交互系統瞭解冷卻系統之潛在負面條件及資料劣化。
關於硬體同步，本發明提供以下實例：其中光學感測器自光學信號產生電信號及處理電信號之操作與用以產生光學信號之調變同步。因此，本發明提供一種使用基於外部同步信號之定時之受控系統。可選擇同步模式以使用外部同步信號且相應地調整光譜儀及光學感測器之操作。在一個實例中，光譜儀控制器接收低延時數位外部同步信號，該低延時數位外部同步信號與電漿調變驅動器同相鎖定以進行同步。光譜儀控制器可實施為現場可程式化積體電路(FPGA)，或可包括FPGA以接收數位信號並進一步作用於該信號。
現在轉向附圖，圖1A說明光學系統100之方塊圖，其中光學信號源105向光學儀器150提供光以產生系統輸出190。光學儀器150至少包括光學感測器155、轉換系統160及控制器170。光學系統100可與半導體晶片處理設備一起使用。由此，光學信號源105可為處理腔室，且光學儀器150可為光譜儀，其用於例如監視及/或控制處理工具內之電漿或非 電漿處理之狀態。在一些實施例中，光學儀器150可包括來自習知光譜儀之特徵，諸如由德克薩斯州卡羅爾頓之Verity Instruments公司製造之SD1024G型光譜儀。光學系統100亦可與其他類型之光學信號源及光學儀器一起使用，該等光學信號源及光學儀器用於處理光學輸入以例如監視或控制製程或系統。光學系統100可與用於空間成像之相機、干涉計、光度計、極化感測器、通用光量測等一起使用。
來自光學信號源105之連續或不連續光可經由光纖纜線110或其他光學組件被引導至光學儀器150。在一些實例中，來自光源105之光為經調變光。在到達光學儀器150時，來自光學信號源105之光被接收為光學輸入，用於由光學感測器155進行偵測及轉換。
光學感測器155包括多個主動像素，用於將光轉換為電信號。光學感測器155內之電信號可為電荷信號、電流信號及/或電壓信號中之任一者，此取決於光學感測器155之確切組態。通常，藉由光纖纜線接收之光學輸入首先轉換為電荷，電荷接著轉換成電壓，且隨後經由輸出放大器而使其可用於光學感測器155外部之裝置。光學感測器155可為例如CCD，諸如面CCD。在一些實施例中，光學感測器155可為來自日本濱松(Hamamatsu)之S7031系列CCD面感測器。
與光學感測器155相關聯的為冷卻系統157，其經組態以將光學感測器155之溫度保持在操作溫度限制內且減少可能影響所收集信號之熱雜訊。光學感測器之操作溫度限制通常為由光學感測器之製造商建立之參數。冷卻系統157亦監視光學感測器155之操作參數，且經由連接器159向控制器170提供關於操作參數之回饋。在一個實例中，冷卻系統157包括附接至光學感測器155之熱電冷卻器(thermoelectric cooler，TEC)。冷卻系統157亦可包括風 扇以幫助冷卻光學感測器155。在一個實例中，光學感測器155及冷卻系統157之至少一部分一起位於單個電路板上。圖1B提供可與光學感測器(諸如光學感測器155)一起使用的冷卻系統之實例。
轉換系統160經組態以在輸入介面162處自光學感測器155接收電信號，沿著單個轉換路徑164將其轉換為數位信號(即，數位輸出)，且在輸出介面166處提供數位信號。轉換、修改或處理係根據轉換路徑164之轉換電路元件之功能而進行的。電信號之修改可包括AC/DC參考、箝位、差分電壓組態、提供增益，及提供偏移。轉換系統160之轉換路徑164可包括轉換電路，該轉換電路包括轉換電路元件、類比開關、差分驅動器及類比轉數位轉換器。轉換電路元件可為並行信號通道。關於圖2之轉換系統詳細論述轉換電路元件之實例。輸入介面162及輸出介面166可為經組態以傳達信號之習知介面。
控制器170經組態以指導光學感測器155及轉換系統160之操作。控制器170可為例如FPGA、嵌入式處理器或其組合。控制器170可經由連接器159向光學感測器155及轉換系統160發送指令或控制信號。控制器170可在例如連續獨立操作模式或同步操作模式下操作。在連續操作模式中，控制器170可使用軟體來判定內部同步信號。在此操作模式中，來自光源105之光可為連續發光之光源。在同步操作模式中，控制器170接收外部同步信號，該外部同步信號用於控制光學感測器155及轉換系統160之操作。在同步操作模式中，自光源105接收之光為經調變光，且外部同步信號對應於產生光或其他調變之調變。利用外部同步信號，光學感測器155及轉換系統160之操作可與外部同步信號鎖相，諸如在外部同步信號之奈秒內。控制器170可使用狀態機來指導光學感測器155及轉換系 統160之操作。取決於操作模式，內部或外部同步信號用於驅動狀態機。在同步操作模式中，控制器170可藉由連接器159向光學感測器155發送光閘(shutter)控制信號，以在同步模式下操作時打開及關閉光學感測器155之光閘。
控制器170可包括通信介面172，以接收及發送操作信號，包括操作模式、設定及控制信號。通信介面172可為習知介面，諸如用於在電路板上傳達信號之介面。在一些實施例中，操作信號可包括外部同步信號，該外部同步信號對應於用於點燃光學信號源105之電漿之調變信號。
如圖1A中之虛線及實線所指示，來自轉換系統160之數位輸出可被投送至控制器170以進行進一步處理、儲存等，及/或亦可作為系統輸出190直接/間接地在傳送至外部，以供所連接之系統進一步使用。在一些實例中，控制器170基於來自冷卻系統157之冷卻參數添加熱警告，作為系統輸出190之一部分。
圖1B說明根據本發明之原理的與光學感測器一起使用之冷卻系統120之實例的方塊圖。冷卻系統120監視光學感測器附近及諸如光譜儀之封閉系統內之其他位置處的熱環境，以提供光學感測器之一或多個潛在負面條件之指示。接著可使用由冷卻系統120獲得之冷卻參數資料來提供潛在負面條件及資料損壞之警告。
冷卻系統120可至少部分地在電路板、感測器板121及冷卻板130上實施。感測器板121包括冷卻參數感測器122及熱耦合至光學感測器129之冷卻器128。冷卻參數感測器122包括電壓感測器123、電流感測器124、溫度感測器125及控制迴路感測器126。冷卻板130包括至風扇131、132及133之介面、溫度環境感測器135及介面137。冷卻系統120可 包括未說明或論述之額外組分。舉例而言，冷卻系統120可包括連接各種組件之電源供應器及電路。
電壓感測器123、電流感測器124及溫度感測器125監視冷卻器128之電壓、電流及溫度。控制迴路感測器126監視冷卻器128之操作回饋控制迴路。冷卻參數感測器122偵測冷卻器128之操作參數是否接近操作限制。因此，冷卻參數感測器122可感測冷卻器128是否正確地、邊緣地或不正確地操作。來自冷卻參數感測器122之感測的冷卻參數資料經由介面137傳輸至光學儀器之控制器。光學儀器可為光譜儀，且控制器可為例如圖1A之控制器170。因此，介面137可經由連接器159與控制器170通信。
冷卻器128熱耦合至光學感測器129，且經組態以自光學感測器129移除熱。冷卻器128可為TEC。除了感測潛在之冷卻問題之外，冷卻參數感測器122亦與控制迴路協作以維持冷卻器128之操作。
除了冷卻器128之外，冷卻系統120亦包括用於冷卻光學感測器129之環境之風扇。溫度環境感測器135用於提供光學感測器129附近之溫度。風扇131、132、133之操作參數及來自溫度環境感測器135之溫度亦經由介面137提供給控制器，作為冷卻參數之一部分。控制器可個別地或共同地使用該冷卻參數來判定潛在問題及資料損壞。利用冷卻參數，操作者可更好地瞭解光學感測器129之熱環境。
圖1C說明根據本發明之原理建構的光學儀器之控制器140之實例的方塊圖。控制器140可為例如圖1A之控制器170，且光學儀器可為光譜儀。控制器140或其至少一部分可在FPGA及/或微控制器內實施。控制器140可為分佈式控制器。在一些實例中，控制器之邏輯分佈至不同裝置，諸如FPGA、微控制器或此等計算裝置之組合。在一些應用中，邏 輯之一部分可分佈至冷卻系統之控制器，諸如冷卻板130上。控制器140包括熱監視器142、狀態機144、通信介面146及模式選擇器148。
熱監視器142經組態以判定來自光學感測器之可能之資料損壞。在一個實例中，熱監視器142自光學感測器之冷卻系統接收冷卻參數，且基於此，判定可能之資料損壞。根據冷卻參數，熱監視器142可判定光學感測器何時接近於可能給出受損資料之條件。熱監視器142可個別地或共同地使用該冷卻參數來判定冷卻系統是否充分冷卻光學感測器以防止資料損壞。熱監視器142可將個別冷卻參數與操作限制進行比較以指示潛在問題。舉例而言，可將冷卻器之操作溫度與冷卻器之溫度臨限值進行比較，該溫度臨限值係基於溫度控制迴路之動態特性之低於溫度操作限制之預定度數。控制迴路可為比例積分微分(PID)控制迴路。因此，熱監視器142可判定可能損壞來自光學感測器之資料之潛在問題之可能性。熱監視器142亦可加權一些或所有冷卻參數，且據此判定可能之資料損壞。舉例而言，冷卻器之溫度可被給出一個權重，風扇速度可被給出另一權重，且環境之溫度可被給出另一權重。接著可相加此等加權冷卻參數以產生一分數，該分數與預定值進行比較，以判定光學感測器是否接近於可能給出受損資料之條件。熱監視器142亦可監視冷卻器之回饋控制迴路之誤差電壓，以指示何時接近於受損資料條件。可建立設定點以指示與受損資料條件之接近度。可基於已知之最大誤差電壓及歷史資料來建立設定點。熱監視器142可經由系統輸出提供回饋，以指示至受損資料條件之接近性。可將回饋提供至顯示器以進行視覺警告，或可將軟體指示提供至控制軟體。回饋類型可取決於冷卻參數而變化。舉例而言，若多個溫度感測器指示高溫，多個風扇停止運行，或控制迴路飽和，則回饋可指示需要儘快採取行 動之即將發生之條件。有了此種問題，可防止另一監視過程開始直至檢查了系統。
狀態機144控制光學感測器及光學儀器之轉換系統之操作。同步信號用於啟動狀態機。同步信號可為外部同步信號或內部同步信號。通信介面146可接收外部同步信號。通信介面146可直接自光源之調變系統或自光學感測器接收外部同步信號，該光學感測器在被調變系統調變時依據監視光源來判定外部同步信號。當使用外部同步信號時，控制器140處於同步模式。模式選擇器148可接收指示同步模式之輸入。在一個實例中，使用者或諸如處理工具之外部控制器可提供同步模式信號。在另一實施例中，控制器140可在接收到外部同步信號時自動進入同步模式。在同步模式中，光學感測器定時及轉換系統定時充當外部同步信號之從屬。
除了來自狀態機之控制命令之外，控制器140亦可在同步模式下向光學感測器發送光閘命令。此提供電子光閘系統，其藉由多個週期同步收集而允許非常短之積分時間(毫秒至微秒)，直至充電水平足以被讀取。
最大化動態範圍、信雜比、資料速率及其他特性為光學儀器(諸如光學儀器150)之實用性之重要改良。為解決諸如光譜儀及整合式光學感測器之習知光學儀器之限制，考慮到包括數位轉換器之特定電路元件之限制，需要新之信號轉換組態。為此，圖2說明根據本發明之原理建構之改良之轉換系統，即轉換系統200之細節之方塊圖。
轉換系統200處理來自光學感測器之電信號，且提供寬動態範圍、高信雜比及高速操作之組合。轉換系統200包括具有並行信號通 道之單個處理或轉換路徑，其有利地提供用於來自光學感測器之信號電壓之信號類比轉數位轉換之擴展功能性。轉換系統200包括輸入介面201、具有兩個並行信號通道210及220之轉換電路205，及輸出介面299。
信號通道210可為DC耦合通道，且包括緩衝級225及增益/偏移級230。來自光學感測器之電信號，諸如圖3B中所示，可引導至DC耦合通道210，在此處其首先進入緩衝級225。緩衝級225可包括NPN電晶體或組態為用於電流放大及輸入/輸出電阻轉換之發射極隨耦器之其他電路元件。在緩衝級225處之阻抗緩衝之後，電信號傳遞至組合之增益/偏移級230，在此處信號可被放大且以其他方式調整以最佳地容納在後續之A/D轉換器290處。增益/偏移級230可藉由使用運算放大器或組態有可調整偏移及增益之離散組件而受到影響。
信號通道220可為經組態用於DC恢復技術之AC耦合通道，且包括增益級240、箝位級250、濾波器級260及偏移級270。可藉由使用組態有可調整增益之運算放大器來實現增益級240。箝位級250可包括開關元件，且接收「箝位」信號以在光學感測器信號之波形期間之特定時間設定參考信號位準。濾波器級260為主動低通濾波器，以防止數位化時之波形混疊。隨後之偏移級270可藉由使用具有可調整偏移之放大器而受到影響。
來自並行信號通道210及220之輸出可被引導至類比開關280以供選擇。如圖2中所說明，類比開關280有利地在並行信號通道210、220之後串聯定位，其中電信號被提供給兩個信號通道210、220，但僅選擇經修改電信號中之一者。隨後，所選信號由差分驅動器285接收及處理，且接著由類比轉數位轉換器290接收，以轉換成數位信號。可放 大數位信號輸出。類比開關280可例如類似於由Analog Devices公司提供之ADG1419。差分驅動器285可例如類似於由Analog Devices公司提供之ADA4922。
轉換系統200之某些優點可概述如下。信號通道210提供具有非常有限數量之電路元件之全差分DC信號路徑。此提供了總體低雜訊信號路徑，且移除可能由信號通道220上發生之DC恢復引起之某些雜訊及信號偏移源。此信號通道有利地用於具有較慢時脈速度之光學感測器，諸如具有較慢時脈速度之CCD，且每個「樣本」包括信號之參考及資料部分之一對相關聯量測值。信號通道220儘管具有大於信號通道210之雜訊及偏移特徵，但可比信號通道210更快地操作，例如為兩至十倍快，因為箝位級250不需要獨立量測參考信號位準。簡單陳述之信號通道210用於低雜訊，且信號通道220用於高速操作。
某些反相及非反相幾何形狀之組態係方便的，因為來自諸如CCD之光學感測器之輸出通常為反相及負向的，且兩個信號通道210及220之多個級應最方便地在類比開關280、驅動器285及類比轉數位轉換器290處具有相同極性。對於轉換電路205之每個並行信號通道使用共同之差分驅動器285及類比轉數位轉換器290進一步降低了電路複雜性及成本。藉由與光學感測器之定時協調地控制類比轉數位轉換器290，可對信號通道210及220進行過取樣，從而以總資料速率為代價進一步降低雜訊。
轉換系統200之取樣定時、箝位信令、通道切換及數位轉換器控制及其他低級功能及相關聯光學感測器及光學儀器之其他功能可由諸如圖1A之控制器170之元件控制。信號通道之選擇可基於與轉換系統200相關聯之光學系統之操作模式。可在開始監視之操作或過程之前完成 選擇或設定。舉例而言，製程工程師可基於對在處理腔室中監視之操作或製程類型之分析來判定用於轉換系統200之最佳信號通道。當製程或操作改變時，信號通道之選擇亦可改變。在一些實施例中，可由控制器自動執行選擇。
圖3A及圖3B為來自光學感測器(諸如CCD)之電信號之簡化時間序列表示，其展示轉換系統之各種信號通道之取樣、箝位及數位化之協調。時間序列表示可由諸如圖1C之狀態機144之狀態機驅動。可使用外部或內部同步信號。圖3A具體涉及信號通道220，其中參考箝位信號根據參考時脈信號而定時，該參考時脈信號改變箝位開關(例如箝位器250)之狀態，以設定參考信號位準，接著根據資料時脈信號進行電信號之資料部分之實際取樣及數位化。
圖3B具體涉及信號通道210，其中根據參考時脈信號對參考信號位準進行取樣及數位化，接著根據資料時脈信號對資料信號位準進行取樣及數位化。對於信號通道210及220兩者，可在適當之時間執行多次取樣(如圖3B中之多個箭頭所示)，以准許在數位化之後進行信號平均。應理解，可藉由光學感測器或數位轉換器中之限制來設定用於取樣及數位化之最終時脈速度。圖3A及圖3B兩者中之參考時脈信號及資料時脈信號可來自控制器，諸如控制器170。在圖3A及圖3B中，在資料時脈之下降邊緣進行取樣，其中圖3B中所示之額外取樣由未展示之另一時脈控制。亦可在資料時脈之前邊緣執行取樣。
圖3A及圖3B兩者之所得輸出皆為數位信號，諸如來自A/D轉換器290之數位輸出。數位信號輸出表示光學感測器之像素之電壓值。舉例而言，數位信號輸出可自零至218，以表示零至五伏範圍內之電壓 值。
圖4為用於轉換來自光學感測器之光學信號資料的過程400之實例之流程圖。過程400以準備步驟410開始，其中可預先判定任何初始參數。接下來，在步驟420中，可選擇轉換系統及相關聯光學儀器及光學感測器之預定操作模式。操作模式可包括例如用於轉換電路選擇、過取樣計數及定時、光學信號積分時間、用於使動態範圍最大化之數位化方案、同步模式等之設定及參數。操作模式可由光學儀器之操作者選擇。可在外部系統內定義操作模式，且例如藉由圖1A之控制器170將其傳送至所需組件。舉例而言，過程之外部控制器，諸如工具控制器或腔室控制器，可提供操作模式。操作模式可基於過程之類型。在一些實施例中，可自動提供操作模式。舉例而言，外部控制器可將操作模式發送至光學儀器之控制器，而無需使用者(諸如工程師或技術人員)之提示。操作模式可由光學儀器之控制器接收，其中控制器經組態以基於所接收之操作模式來指導光學儀器之操作。
接下來，在步驟430中，可設定通道選擇開關以選擇圖2中論述之信號通道中之任一者。選擇可基於所接收之操作模式。光學儀器之控制器可指導通道選擇開關之操作。在步驟440中，可對信號之參考部分進行取樣並數位化一次或多次。此步驟通常僅應用於圖2之信號通道210，但若使用替代拓樸，則可應用於信號通道220。在步驟450中，可對信號之資料部分進行取樣並數位化一次或多次。此步驟通常應用於圖2之信號通道210及220兩者。
接下來，在步驟460中，可根據步驟410及420中定義之操作模式來處理經數位化樣本。通常，可計算經數位化參考值與資料信號值 之間的差異，且在已執行過取樣之情況下，亦可在判定信號值差異之前執行求平均值。過程400以步驟470結束，其中可將所計算值儲存及/或傳送至其他所連接之系統以供進一步使用。
在不脫離本發明之範圍的情況下，可對本文描述之信號轉換系統及子系統進行改變。舉例而言，儘管結合光譜儀及半導體晶片處理設備描述了某些實例，但可理解，本文描述之信號轉換系統可與其他類型之光學儀器一起使用，諸如用於空間成像之相機、干涉計、光度計、極化感測器及用於通用光量測。
選擇本文中所描述之實施例以便最好地解釋本發明之原理及其實際應用，且使得熟習此項技術者能夠理解本發明之具有各種修改之各種實施例中，此等修改適合於所涵蓋之特定用途。本文描述之特定實施例決不旨在限制本發明之範圍，因為其可在多種變化及環境中實踐而不脫離本發明之範圍及意圖。因此，本發明並不旨在限於所示之實施例，而應被賦予與本文中所描述之原理及特徵相一致之最廣泛範圍。
諸圖中之流程圖及方塊圖說明根據本發明之各種實施例之系統、方法及電腦程式產品之可能實施之架構、功能性及操作。就此而言，流程圖或方塊圖中之每個區塊可表示模組、區段或程式碼之部分，其包含用於實施指定邏輯功能之一或多個可執行指令。亦應注意，在一些替代之實施中，各個區塊中提及之功能可以不按圖中所提及之順序出現。舉例而言，取決於所涉及之功能，連續展示之兩個區塊實際上可大體同時執行，或區塊有時可能以相反次序執行。亦將注意到，方塊圖及/或流程圖說明中之每個區塊，及方塊圖及/或流程圖說明中之區塊之組合可以藉由專用之基於硬體之系統(其執行指定功能或動作)或專用硬體與電腦指令之 組合實施。
如熟習此項技術者將瞭解，本發明或其部分可體現為方法、系統或電腦程式產品。因此，本文揭示之特徵或至少一些特徵可呈完全硬體實施例、完全軟體實施例(包括韌體、常駐軟體、微碼等)或組合軟體與硬體態樣之實施例之形式，所有此等在本文中統稱為「電路」或「模組」。所揭示之一些特徵可體現在諸如數位資料處理器之各種處理器或電腦中或由其執行，其中電腦被程式化或儲存軟體指令序列之可執行程式以執行方法之一或多個步驟。因此，本文揭示之特徵或至少一些特徵可呈在非暫時性電腦可用儲存媒體上之電腦程式產品之形式，該非暫時性電腦可用儲存媒體具有體現在該媒體中之電腦可用程式碼。此類程式之軟體指令可表示演算法，且在非暫時性數位資料儲存媒體上以機器可執行之形式編碼。
因此，所揭示之實例之部分可涉及具有非暫時性電腦可讀媒體之電腦儲存產品，其上具有用於執行體現設備、裝置之一部分或執行本文中闡述之方法之步驟的各種電腦實施之操作之程式碼。本文使用之非暫時性係指除了暫時之傳播信號之外的所有電腦可讀媒體。非暫時性電腦可讀儲存媒體之實例包括但不限於：磁性媒體，諸如硬碟、軟碟及磁帶；光學媒體，諸如CD-ROM碟；磁-光媒體，諸如光磁碟；及專門經組態以儲存並執行程式碼之硬體裝置，諸如ROM及RAM裝置。程式碼之實例包括諸如由編譯器產生之機器程式碼及含有電腦可使用解譯器執行之更高級別程式碼之檔案兩者。
本文中所使用之術語僅出於描述特定實施例之目的，且並不旨在限制揭示。如本文所使用，單數形式「一」及「該」希望亦包括複 數形式，除非上下文另外清楚地指示。將進一步理解，術語「包含(comprise及/或comprising)」在用於本說明書中時指定所陳述之特徵、整數、步驟、操作、元件及/或組件之存在，但並不排除一個或多個其他特徵、整數、步驟、操作、元件、組件及/或其群組之存在或添加。
本申請所涉及領域之技術者將理解，可以對所描述之實施例進行其他及進一步之添加、刪除、替換及修改。
可主張本發明之各個態樣，包括如本文中所揭示之設備、系統及方法。本文揭示之態樣包括：
A.一種光學儀器，其包括：(1)光學感測器，其經組態以接收光學輸入且將該光學輸入轉換為電信號；及(2)轉換系統，其具有：轉換電路，其具有經組態以接收該等電信號且將該等電信號修改為類比輸出之多個並聯信號通道；類比開關，其經組態以根據該光學儀器之操作模式而選擇該並聯信號通道中之一者；及類比轉數位轉換器，其經組態以自該所選並聯信號頻道接收該類比輸出且將該類比輸出轉換為數位信號輸出。
B.一種將光學輸入轉換為數位信號輸出之方法，其包括：(1)接收操作模式；(2)自光學感測器接收表示至該光學感測器之光學輸入之電信號；(3)基於該操作模式選擇至少兩個並行信號通道中之一者以用於修改該等電信號；及(4)將該等經修改電信號轉換為數位信號輸出。
C.一種光譜儀，其包括：(1)控制器，其經組態以基於操作模式指導該光譜儀之操作；(2)光學感測器，其經組態以接收光學輸入且基於該光學輸入及該操作模式提供電信號；及(3)轉換系統，其基於該操作模式沿著並聯信號通道修改該等電信號且選擇該等經修改電信號中之一者作為數位信號輸出。
態樣A、B及C中之每一者可組合地具有以下額外元素中之一或多者：元素1：其中該轉換電路、該類比開關與該類比轉數位轉換器串聯耦接。元素2：其中該類比開關串聯耦接於該類比轉數位轉換器與該轉換電路之間。元素3：其進一步包含差分驅動器，其經組態以接收及修改該所選類比輸出且將該所選類比輸出提供至該類比轉數位轉換器。元素4：其中該光學儀器在該轉換系統之輸入與輸出之間具有單個轉換路徑。元素5：其中該轉換電路包括至少兩個並行信號通道。元素6：其中該至少兩個並行信號通道包括DC耦合通道及AC耦合通道。元素7：其進一步包含控制器，該控制器經組態以向該光學感測器發送光閘命令以對該光學輸入之收集進行定時。元素8：其進一步包含控制器，該控制器經組態以基於該操作模式指導該類比開關之操作。元素9：其進一步包含控制器，該控制器經組態以基於該操作模式使定時同步，以使該光學感測器自該等光學信號產生該等電信號且使該轉換電路接收及修改該等電信號。元素10：其中該定時係基於外部同步信號。元素11：其進一步包含控制器，該控制器經組態以基於自該光學感測器接收之至少一個冷卻參數產生來自該光學感測器之潛在受損電信號之警告。元素12：其中該至少一個冷卻參數選自由以下組成之清單：該光學感測器之冷卻器之操作電壓、該光學感測器之冷卻器之操作電流、該光學感測器之冷卻器之操作溫度、該光學感測器之冷卻系統之至少一個風扇之操作參數、該光學感測器之操作溫度，及來自該光學感測器之冷卻器之控制迴路之操作回饋。元素13：其中該轉換包括在該轉換為該數位信號輸出之前自該等經修改電信號提供差分輸出信號。元素14：其中該操作模式指示用於控制該方法之同步信號之類型。元素15： 其進一步包含接收外部同步信號且使用該外部同步信號來定時該光學輸入至該等電信號之該轉換且修改該等電信號。元素16：其中該至少兩個並行信號通道為DC耦合通道及AC耦合通道。元素17：其進一步包含監視該光學感測器之冷卻參數且基於該等冷卻參數中之至少一者產生該等電信號可能受損之警告。元素18：其中該操作模式係自處理腔室控制器接收。元素19：其中該光學感測器接收用於對該光學輸入之該收集進行定時之光閘命令。元素20：其中該操作模式指示選擇該等經修改電信號中之哪一者。元素21：其中該操作模式指示使用外部同步信號或內部同步信號來控制該光學感測器及該轉換系統之操作。元素22：其中該控制器在接收到外部同步信號時，自動使用該外部同步信號來控制該光學感測器及該轉換系統之操作。元素23：其中該控制器進一步經組態以向該光學感測器發送光閘命令，且該光學感測器經組態以使用該等光閘命令來對該光學輸入之該收集進行定時。元素24：其中該光學感測器包括冷卻系統，且該控制器進一步經組態以基於監視該冷卻系統而產生指示該等電信號可能受損之警告。元素25：其中該等並行信號通道為兩個通道，即DC耦合通道及AC耦合通道。元素26：其中該控制器為可程式化積體電路。
100:光學系統
105:光學信號源
110:光纖纜線
150:光學儀器
155:光學感測器
157:冷卻系統
159:連接器
160:轉換系統
162:輸入介面
164:轉換路徑
166:輸出介面
170:控制器
172:通信介面
190:系統輸出

Claims (29)

  1. 一種光學儀器，其包含：一光學感測器，其經組態以接收一光學輸入且將該光學輸入轉換為電信號；及一轉換系統，其包括：轉換電路，其具有多個並行(parallel)信號通道，該等並行信號通道經組態以接收該等電信號且依據每一該等並行信號通道修改該等電信號以提供不同類比輸出；一類比開關，其經組態以根據該光學儀器之一操作模式而選擇該等並行信號通道中之一者；及一類比轉數位轉換器，其經組態以自所選擇之該等並行信號通道中之該者接收該類比輸出且將該類比輸出轉換為一數位信號輸出，其中該類比開關串聯定位於所選擇之該等並行信號通道中之該者以及該類比轉數位轉換器之間。
  2. 如請求項1之光學儀器，其中該轉換電路、該類比開關與該類比轉數位轉換器串聯耦接。
  3. 如請求項1之光學儀器，其中該轉換系統更包括一輸入介面經組態以自該光學感測器該接收該等電信號，且該多個並行信號通道經組態以透過非切換式連接(non-switchable connections)自該輸入介面同時接收該等電信號。
  4. 如請求項1之光學儀器，其進一步包含一差分驅動器，其經組態以接收及修改該所選類比輸出且將該所選類比輸出提供至該類比轉數位轉換器。
  5. 如請求項1之光學儀器，其中該光學儀器在該轉換系統之一輸入與一輸出之間具有單個轉換路徑。
  6. 如請求項1之光學儀器，其中該轉換電路包括至少兩個並行信號通道，且該等至少兩個並行信號通道包括一DC耦合通道及一AC耦合通道。
  7. 如請求項6之光學儀器，其中該DC耦合通道包括一緩衝級(buffer stage)及一增益/偏移級(gain/offset stage)之至少一者，及該AC耦合通道包括一增益級、一箝位級(clamp stage)、一濾波器級及一偏移級之至少一者。
  8. 如請求項1之光學儀器，其進一步包含一控制器，該控制器經組態以向該光學感測器發送光閘命令(shutter commands)以對該光學輸入之收集進行定時。
  9. 如請求項1之光學儀器，其進一步包含一控制器，該控制器經組態以基於該操作模式指導該類比開關之操作。
  10. 如請求項1之光學儀器，其進一步包含一控制器，該控制器經組態以基於該操作模式使定時同步，以使該光學感測器自該等光學輸入產生該等電信號且使該轉換電路接收及藉由修改該等電信號以提供該等不同類比輸出。
  11. 如請求項10之光學儀器，其中該定時係基於一外部同步信號。
  12. 如請求項1之光學儀器，其進一步包含一控制器，該控制器經組態以基於自該光學感測器接收之至少一個冷卻參數產生來自該光學感測器之潛在受損電信號之一警告。
  13. 如請求項12之光學儀器，其中該至少一個冷卻參數選自由以下組成之清單：該光學感測器之一冷卻器之一操作電壓，該光學感測器之一冷卻器之一操作電流，該光學感測器之一冷卻器之一操作溫度，該光學感測器之一冷卻系統之至少一個風扇之操作參數，該光學感測器之一操作溫度，及來自該光學感測器之一冷卻器之一控制迴路的操作回饋。
  14. 一種將一光學輸入轉換為一數位信號輸出之方法，其包含：接收一操作模式；自一光學感測器在多個並行信號通道接收表示至該光學感測器之一 光學輸入之電信號；依據每一該等並行信號通道修改該等電信號以提供不同類比輸出；基於該操作模式自該等並行信號通道選擇該等不同類比輸出中之一者；及將所選擇之該等不同類比輸出中之該者轉換為一數位信號輸出。
  15. 如請求項14之方法，其中該轉換包括在該轉換為該數位信號輸出之前自每一該等並行信號通道提供差分輸出信號。
  16. 如請求項14之方法，其中該操作模式指示用於控制該方法之同步信號之一類型。
  17. 如請求項14之方法，其進一步包含接收一外部同步信號且使用該外部同步信號來定時該光學輸入至該等電信號之轉換且修改該等電信號。
  18. 如請求項14之方法，其中該等並行信號通道包括一DC耦合通道及一AC耦合通道。
  19. 如請求項14之方法，其進一步包含監視該光學感測器之冷卻參數且基於該等冷卻參數中之至少一者產生該等電信號可能受損之一警告。
  20. 如請求項14之方法，其中該操作模式係自一處理腔室控制器接收。
  21. 如請求項14之方法，其中該光學感測器接收用於對該光學輸入之收集進行定時之光閘命令(shutter commands)。
  22. 一種光譜儀，其包含：一控制器，其經組態以基於一操作模式引導該光譜儀之操作；一光學感測器，其經組態以接收一光學輸入且基於該光學輸入及該操作模式提供電信號；及一轉換系統，其沿著並行信號通道修改該等電信號以依據每一該等並行信號通道提供不同類比電信號，且基於該操作模式選擇該等不同類比電信號中之一者以轉換為一數位信號輸出。
  23. 如請求項22之光譜儀，其中一類比開關經操作以依據該操作模式選擇該等不同類比電信號之該者，且該類比開關串聯定位於該等並行信號通道以及一類比轉數位轉換器之間，該類比轉數位轉換器轉換所選擇之該等不同類比電信號之該者為該數位信號輸出。
  24. 如請求項22之光譜儀，其中該操作模式指示使用一外部同步信號或一內部同步信號來控制該光學感測器及該轉換系統之操作。
  25. 如請求項22之光譜儀，其中該控制器在接收到一外部同步信號時，自動使用該外部同步信號來控制該光學感測器及該轉換系統之操作。
  26. 如請求項22之光譜儀，其中該控制器進一步經組態以向該光學感測 器發送光閘命令(shutter commands)，且該光學感測器經組態以使用該等光閘命令來對該光學輸入之收集進行定時。
  27. 如請求項22之光譜儀，其中該光學感測器包括一冷卻系統，且該控制器進一步經組態以基於監視該冷卻系統而產生指示該等電信號可能受損之一警告。
  28. 如請求項22之光譜儀，其中該等並行信號通道為兩個通道，即一DC耦合通道及一AC耦合通道。
  29. 如請求項22之光譜儀，其中該控制器為一可程式化積體電路。
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