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用于光学 传感器的 信号转换系统

阅读：1052发布：2020-06-21

专利汇可以提供用于光学传感器的信号转换系统专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本公开提供光学仪器、将光学输入转换为数字信号输出的方法，以及光谱仪。在一个实施例中，所述光学仪器包含：(1)光学传感器，其经配置以接收光学输入且将所述光学输入转换为电信号；以及(2)转换系统，其具有：转换电路，其具有经配置以接收所述电信号且将所述电信号修改为模拟输出的多个并行信号通道；模拟开关，其经配置以根据所述光学仪器的操作模式而选择所述并行信号通道中的一者；以及模/数转换器，其经配置以从所述所选并行信号通道接收所述模拟输出且将所述模拟输出转换为数字信号输出。，下面是用于光学传感器的信号转换系统专利的具体信息内容。

权利要求

1.一种光学仪器，其包括：
光学传感器，其经配置以接收光学输入且将所述光学输入转换为电信号；以及转换系统，其包含：
转换电路，其具有经配置以接收所述电信号且将所述电信号修改为模拟输出的多个并行信号通道；
模拟开关，其经配置以根据所述光学仪器的操作模式而选择所述并行信号通道中的一者；以及
模/数转换器，其经配置以从所述所选并行信号通道接收所述模拟输出且将所述模拟输出转换为数字信号输出。
2.根据权利要求1所述的光学仪器，其中所述转换电路、所述模拟开关与所述模/数转换器串联耦合。
3.根据权利要求1所述的光学仪器，其中所述模拟开关串联耦合于所述模/数转换器与所述转换电路之间。
4.根据权利要求1所述的光学仪器，其进一步包括差分驱动器，其经配置以接收和修改所述所选模拟输出且将所述所选模拟输出提供到所述模/数转换器。
5.根据权利要求1所述的光学仪器，其中所述光学仪器在所述转换系统的输入与输出之间具有单个转换路径。
6.根据权利要求1所述的光学仪器，其中所述转换电路包含至少两个并行信号通道。
7.根据权利要求6所述的光学仪器，其中所述至少两个并行信号通道包含DC耦合通道和AC耦合通道。
8.根据权利要求1所述的光学仪器，其进一步包括控制器，所述控制器经配置以向所述光学传感器发送光阀命令以对所述光学输入的收集进行定时。
9.根据权利要求1所述的光学仪器，其进一步包括控制器，所述控制器经配置以基于所述操作模式指导所述模拟开关的操作。
10.根据权利要求1所述的光学仪器，其进一步包括控制器，所述控制器经配置以基于所述操作模式使定时同步，以使所述光学传感器从所述光学信号产生所述电信号且使所述转换电路接收和修改所述电信号。
11.根据权利要求10所述的光学仪器，其中所述定时是基于外部同步信号。
12.根据权利要求1所述的光学仪器，其进一步包括控制器，所述控制器经配置以基于从所述光学传感器接收的至少一个冷却参数产生来自所述光学传感器的潜在受损电信号的警告。
13.根据权利要求12所述的光学仪器，其中所述至少一个冷却参数选自由以下组成的列表：
所述光学传感器的冷却器的操作电压，
所述光学传感器的冷却器的操作电流，
所述光学传感器的冷却器的操作温度，
所述光学传感器的冷却系统的至少一个风扇的操作参数，
所述光学传感器的操作温度，以及
来自所述光学传感器的冷却器的控制环路的操作反馈。
14.一种将光学输入转换为数字信号输出的方法，其包括：
接收操作模式；
从光学传感器接收表示到所述光学传感器的光学输入的电信号；
基于所述操作模式选择至少两个并行信号通道中的一者以用于修改所述电信号；以及将所述经修改电信号转换为数字信号输出。
15.根据权利要求14所述的方法，其中所述转换包含在所述转换为所述数字信号输出之前从所述经修改电信号提供差分输出信号。
16.根据权利要求14所述的方法，其中所述操作模式指示用于控制所述方法的同步信号的类型。
17.根据权利要求14所述的方法，其进一步包括接收外部同步信号且使用所述外部同步信号来定时所述光学输入到所述电信号的所述转换且修改所述电信号。
18.根据权利要求14所述的方法，其中所述至少两个并行信号通道是DC耦合通道和AC耦合通道。
19.根据权利要求14所述的方法，其进一步包括监视所述光学传感器的冷却参数且基于所述冷却参数中的至少一者产生所述电信号可能受损的警告。
20.根据权利要求14所述的方法，其中所述操作模式是从处理腔室控制器接收。
21.根据权利要求14所述的方法，其中所述光学传感器接收用于对所述光学输入的收集进行定时的光阀命令。
22.一种光谱仪，其包括：
控制器，其经配置以基于操作模式指导所述光谱仪的操作；
光学传感器，其经配置以接收光学输入且基于所述光学输入和所述操作模式提供电信号；以及
转换系统，其基于所述操作模式沿着并行信号通道修改所述电信号且选择所述经修改电信号中的一者作为数字信号输出。
23.根据权利要求22所述的光谱仪，其中所述操作模式指示选择所述经修改电信号中的哪一者。
24.根据权利要求22所述的光谱仪，其中所述操作模式指示使用外部同步信号或内部同步信号来控制所述光学传感器和所述转换系统的操作。
25.根据权利要求22所述的光谱仪，其中所述控制器在接收到外部同步信号时，自动使用所述外部同步信号来控制所述光学传感器和所述转换系统的操作。
26.根据权利要求22所述的光谱仪，其中所述控制器进一步经配置以向所述光学传感器发送光阀命令，且所述光学传感器经配置以使用所述光阀命令来对所述光学输入的收集进行定时。
27.根据权利要求22所述的光谱仪，其中所述光学传感器包含冷却系统，且所述控制器进一步经配置以基于监视所述冷却系统而产生指示所述电信号可能受损的警告。
28.根据权利要求22所述的光谱仪，其中所述并行信号通道是两个通道，即DC耦合通道和AC耦合通道。
29.根据权利要求22所述的光谱仪，其中所述控制器是可编程集成电路。

说明书全文

用于光学传感器的 信号转换系统

[0001] 对相关申请的交叉引用

[0002] 本申请要求拉里·阿罗斯·布洛克(Larry Arlos Bullock)于2018年5月3日提交的标题为“用于光学传感器的信号转换系统(SIGNAL CONVERSION SYSTEM FOR OPTICAL SENSORS)”的第62/666,433号美国临时申请的权益，所述美国临时申请与本申请共同转让且以全文引用的方式并入本文中。

技术领域

[0003] 本公开大体涉及光学光谱测定系统，且更确切地说，涉及改善用于光谱仪和其中使用的光学传感器的模/数信号转换系统的动态范围和噪声性能。

背景技术

[0004] 半导体工艺的光学监视是用于工艺控制的成熟方法。半导体制造向更快工艺、更小特征大小和更复杂结构的不断进步对光学监视技术提出了很高的要求。举例来说，需要更高的数据取样率(例如，每秒收集的光学信号测量值或光谱数)以准确地监视非常薄的层(其中几个原子层中的变化是关键的)上的快得多的蚀刻速率。在许多情况下，还需要较大信噪比，以支持检测光学信号的极小变化。所有这些要求都寻求驱动用于半导体工艺的光学监视系统的性能的进步。在光谱仪内，光学传感器(常常是面电荷耦合装置(“CCD”)或线性单行装置)及其相关联的转换电路是用于确定数据取样率、光/电带宽、光/电信号检测灵敏度、光/电信噪比性能等的关键元件。发明内容

[0005] 在一个方面中，本公开提供一种光学仪器。在一个实施例中，所述光学仪器包含：(1)光学传感器，其经配置以接收光学输入且将所述光学输入转换为电信号；以及(2)转换系统，其具有：转换电路，其具有经配置以接收所述电信号且将所述电信号修改为模拟输出的多个并行信号通道；模拟开关，其经配置以根据所述光学仪器的操作模式而选择所述并行信号通道中的一者；以及模/数转换器，其经配置以从所述所选并行信号通道接收所述模拟输出且将所述模拟输出转换为数字信号输出。

[0006] 在另一方面中，本公开提供一种将光学输入转换为数字信号输出的方法。在一个实施例中，所述方法包含：(1)接收操作模式；(2)从光学传感器接收表示到所述光学传感器的光学输入的电信号；(3)基于所述操作模式选择至少两个并行信号通道中的一者以用于修改所述电信号；以及(4)将所述经修改电信号转换为数字信号输出。

[0007] 在又一方面中，本公开提供一种光谱仪。在一个实施例中，所述光谱仪包含：(1)控制器，其经配置以基于操作模式指导所述光谱仪的操作；(2)光学传感器，其经配置以接收光学输入且基于所述光学输入和所述操作模式提供电信号；以及(3)转换系统，其基于所述操作模式沿着并行信号通道修改所述电信号且选择所述经修改电信号中的一者作为数字信号输出。附图说明

[0008] 被认为是新颖的本公开的特征性特征阐述于所附权利要求书中。然而，将参考结合附图阅读的说明性实施例的以下详细描述最佳地理解本公开本身以及使用模式、其其它目标和优点，附图中：

[0009] 图1A是根据本公开的原理的包含光学仪器的光学系统的框图，所述光学仪器具有用于光学传感器的转换系统；

[0010] 图1B说明具有根据本公开的原理建构的冷却系统的光学传感器的实例的框图；

[0011] 图1C说明根据本公开的原理建构的光谱仪控制器的实例的框图；

[0012] 图2是根据本公开的原理的用于光学传感器的转换系统的细节的框图；

[0013] 图3A和3B是根据本公开的原理的来自光学传感器的信号和由转换系统提供的相关取样的简化时间序列表示；以及

[0014] 图4是根据本公开的原理的处理来自光学传感器的光学数据的方法的流程图。

具体实施方式

[0015] 在以下描述中，参考形成本文一部分的附图，且在附图中以说明方式展示可实践本公开的特征的特定实施例。足够详细地描述这些实施例以使得所属领域的技术人员能够实践本公开的特征，且应理解，可利用其它实施例。还应理解，在不脱离本公开的精神和范围的情况下，可进行结构、程序和系统改变。因此，不应以限制意义对待以下描述。为了解释清楚起见，附图中展示的相同特征以相同参考编号指示，且图式中在替代实施例中展示的类似特征以类似参考编号指示。本公开的其它特征将从附图和以下详细描述中显而易见。应注意，出于说明清晰的目的，图式中的特定元件可能并非按比例绘制。

[0016] 如上文所指出，改善的取样和改善的信噪比对于准确地监视非常薄的层(其中几个原子层中的变化是关键的)上的快得多的蚀刻速率以及支持检测光学信号的极小变化是重要的。除了定时之外，这些考虑因素也对处理由光学传感器提供的电信号是重要的。此外，光学传感器本身的恰当操作对于确保电信号准确地反映所接收的光学数据是重要的。所有这些要求都寻求驱动用于半导体工艺的光学监视系统的性能的进步。

[0017] 举例来说，在光学传感器于其温度范围外部操作时，光学传感器可将额外噪声添加到电信号。随着噪声增大，信噪比减小，且电信号内存在的数据可能受损。在处理宽动态范围内的数据时，这更为关键。在一些情况下，光学传感器的热波动可产生信号背景噪声的调制，其甚至类似于来自光源的所监视半导体工艺信号。由此，不管包含光学传感器的光谱仪的处理精度如何，所处理的电信号都可能受损。因此，光学监视可能提供错误结果。

[0018] 除了确保光学传感器恰当地操作之外，用于处理的定时也是重要的；在光源使用经调制或脉冲式等离子体时，尤其如此。在这些应用中，经调制或脉冲式等离子体的调制应与电信号的处理同步，以便区分正常调制周期与异常调制周期。同步还限制混叠和其它时间移转问题的不良影响。

[0019] 因此，本公开改善光谱仪的操作以确保由光谱仪处理的数据具有高质量，从而准确地反映以光学方式监视的工艺。由此，本公开通过监视关于光学传感器的操作的关键参数以通知可能导致数据损坏的任何异常或趋势性内容而对例如用户、控制计算机或半导体处理工具等额外系统提供增强的反馈。此外，本公开提供的操作模式使用光学信号源的等离子体的调制与光谱仪处理之间的硬件同步。

[0020] 关于光学传感器的操作，本公开提供热监视，其确定用于光学传感器的冷却系统何时接近操作限制。可接着提供警告，其指示光学传感器的热环境使得可能损坏数据。举例来说，光学传感器可能过热地操作，或其操作温度可能不稳定。警告可包含为由光谱仪提供的数据流内的反馈，以指示数据可能受损或不久后可能受损。由此，可使得光学监视系统的操作者、控制器或其它交互系统了解冷却系统的潜在负面条件和数据劣化。

[0021] 关于硬件同步，本公开提供以下实例：其中光学传感器从光学信号产生电信号和处理电信号的操作与用以产生光学信号的调制同步。因此，本公开提供一种使用基于外部同步信号的定时的受控系统。可选择同步模式以使用外部同步信号且相应地调整光谱仪和光学传感器的操作。在一个实例中，光谱仪控制器接收低延时数字外部同步信号，所述低延时数字外部同步信号与等离子体调制驱动器同相锁定以进行同步。光谱仪控制器可实施为现场可编程集成电路(FPGA)，或可包含FPGA以接收数字信号并进一步作用于所述信号。

[0022] 现在转向附图，图1A说明光学系统100的框图，其中光学信号源105向光学仪器150提供光以产生系统输出190。光学仪器150至少包含光学传感器155、转换系统160和控制器170。光学系统100可与半导体晶片处理设备一起使用。由此，光学信号源105可为处理腔室，且光学仪器150可为光谱仪，其用于例如监视和/或控制处理工具内的等离子体或非等离子体处理的状态。在一些实施例中，光学仪器150可包含来自常规光谱仪的特征，例如由德克萨斯州卡罗尔顿的Verity Instruments公司制造的SD1024G型光谱仪。光学系统100还可与其它类型的光学信号源和光学仪器一起使用，所述光学信号源和光学仪器用于处理光学输入以例如监视或控制工艺或系统。光学系统100可与用于空间成像的相机、干涉计、光度计、极化传感器、通用光测量等一起使用。

[0023] 来自光学信号源105的连续或不连续光可经由光纤缆线110或其它光学组件被引导到光学仪器150。在一些实例中，来自光源105的光是经调制光。在到达光学仪器150时，来自光学信号源105的光被接收为光学输入，用于由光学传感器155进行检测和转换。

[0024] 光学传感器155包含多个有源像素，用于将光转换为电信号。光学传感器155内的电信号可为电荷信号、电流信号和/或电压信号中的任一者，这取决于光学传感器155的确切配置。通常，通过光纤缆线接收的光学输入首先转换为电荷，电荷接着转换成电压，，且随后经由输出放大器而使其可用于光学传感器155外部的装置。光学传感器155可为例如CCD，例如面CCD。在一些实施例中，光学传感器155可为来自日本滨松(Hamamatsu)的S7031系列CCD面传感器。

[0025] 与光学传感器155相关联的是冷却系统157，其经配置以将光学传感器155的温度保持在操作温度限制内且减少可能影响所收集信号的热噪声。光学传感器的操作温度限制通常是由光学传感器的制造商建立的参数。冷却系统157还监视光学传感器155的操作参数，且经由连接器159向控制器170提供关于操作参数的反馈。在一个实例中，冷却系统157包含附接到光学传感器155的热电冷却器(TEC)。冷却系统157还可包含风扇以帮助冷却光学传感器155。在一个实例中，光学传感器155和冷却系统157的至少一部分一起位于单个电路板上。图1B提供可与光学传感器(例如光学传感器155)一起使用的冷却系统的实例。

[0026] 转换系统160经配置以在输入接口162处从光学传感器155接收电信号，沿着单个转换路径164将其转换为数字信号(即，数字输出)，且在输出接口166处提供数字信号。转换、修改或处理是根据转换路径164的转换电路元件的功能而进行的。电信号的修改可包含AC/DC参考、箝位、差分电压配置、提供增益，以及提供偏移。转换系统160的转换路径164可包含转换电路，所述转换电路包含转换电路元件、模拟开关、差分驱动器和模/数转换器。转换电路元件可为并行信号通道。关于图2的转换系统详细论述转换电路元件的实例。输入接口162和输出接口166可为经配置以传达信号的常规接口。

[0027] 控制器170经配置以指导光学传感器155和转换系统160的操作。控制器170可为例如FPGA、嵌入式处理器或其组合。控制器170可经由连接器159向光学传感器155和转换系统160发送指令或控制信号。控制器170可在例如连续独立操作模式或同步操作模式下操作。
在连续操作模式中，控制器170可使用软件来确定内部同步信号。在此操作模式中，来自光源105的光可为连续发光的光源。在同步操作模式中，控制器170接收外部同步信号，所述外部同步信号用于控制光学传感器155和转换系统160的操作。在同步操作模式中，从光源105接收的光是经调制光，且外部同步信号对应于产生光或其它调制的调制。利用外部同步信号，光学传感器155和转换系统160的操作可与外部同步信号锁相，例如在外部同步信号的纳秒内。控制器170可使用状态机来指导光学传感器155和转换系统160的操作。取决于操作模式，内部或外部同步信号用于驱动状态机。在同步操作模式中，控制器170可通过连接器
159向光学传感器155发送光阀控制信号，以在同步模式下操作时打开和关闭光学传感器
155的光阀。

[0028] 控制器170可包含通信接口172，以接收和发送操作信号，包含操作模式、设定和控制信号。通信接口172可为常规接口，例如用于在电路板上传达信号的接口。在一些实施例中，操作信号可包含外部同步信号，所述外部同步信号对应于用于点燃光学信号源105的等离子体的调制信号。

[0029] 如图1A中的虚线和实线所指示，来自转换系统160的数字输出可被路由到控制器170以进行进一步处理、存储等，和/或也可作为系统输出190直接/间接地在传送到外部，以供所连接的系统进一步使用。在一些实例中，控制器170基于来自冷却系统157的冷却参数添加热警告，作为系统输出190的一部分。

[0030] 图1B说明根据本公开的原理的与光学传感器一起使用的冷却系统120的实例的框图。冷却系统120监视光学传感器附近以及例如光谱仪的封闭系统内的其它位置处的热环境，以提供光学传感器的一或多个潜在负面条件的指示。接着可使用由冷却系统120获得的冷却参数数据来提供潜在负面条件和数据损坏的警告。

[0031] 冷却系统120可至少部分地在电路板、传感器板121和冷却板130上实施。传感器板121包含冷却参数传感器122和热耦合到光学传感器129的冷却器128。参数传感器122包含电压传感器123、电流传感器124、温度传感器125和控制环路传感器126。冷却板130包含到风扇131、132和133的接口、温度环境传感器135和接口137。冷却系统120可包含未说明或论述的额外组分。举例来说，冷却系统120可包含连接各种组件的电力供应器和电路。

[0032] 电压传感器123、电流传感器124和温度传感器125监视冷却器128的电压、电流和温度。控制环路传感器126监视冷却器128的操作反馈控制环路。传感器122检测冷却器128的操作参数是否接近操作限制。因此，参数传感器122可感测冷却器128是否正确地、边缘地或不正确地操作。来自参数传感器122的感测的冷却参数数据经由接口137传输到光学仪器的控制器。光学仪器可为光谱仪，且控制器可为例如图1的控制器170。因此，接口137可经由连接器159与控制器170通信。

[0033] 冷却器128热耦合到光学传感器129，且经配置以从光学传感器129移除热。冷却器128可为TEC。除了感测潜在的冷却问题之外，参数传感器122还与控制环路协作以维持冷却器128的操作。

[0034] 除了冷却器128之外，冷却系统120还包含用于冷却光学传感器129的环境的风扇。温度环境传感器135用于提供光学传感器129附近的温度。风扇131、132、133的操作参数和来自温度环境传感器135的温度也经由接口137提供给控制器，作为冷却参数的一部分。控制器可个别地或共同地使用所述冷却参数来确定潜在问题和数据损坏。利用冷却参数，操作者可更好地了解光学传感器129的热环境。

[0035] 图1C说明根据本公开的原理建构的光学仪器的控制器140的实例的框图。控制器140可为例如图1A的控制器170，且光学仪器可为光谱仪。控制器140或其至少一部分可在FPGA和/或微控制器内实施。控制器140可为分布式控制器。在一些实例中，控制器的逻辑分布到不同装置，例如FPGA、微控制器或这些计算装置的组合。在一些应用中，逻辑的一部分可分布到冷却系统的控制器，例如冷却板130上。控制器140包含热监视器142、状态机144、通信接口146和模式选择器148。

[0036] 热监视器142经配置以确定来自光学传感器的可能的数据损坏。在一个实例中，热监视器142从光学传感器的冷却系统接收冷却参数，且基于此，确定可能的数据损坏。根据冷却参数，热监视器142可确定光学传感器何时接近于可能给出受损数据的条件。热监视器142可个别地或共同地使用所述冷却参数来确定冷却系统是否充分冷却光学传感器以防止数据损坏。热监视器142可将个别冷却参数与操作限制进行比较以指示潜在问题。举例来说，可将冷却器的操作温度与冷却器的温度阈值进行比较，所述温度阈值是基于温度控制环路的动态特性的低于温度操作限制的预定度数。控制环路可为比例积分差分(PID)控制环路。因此，热监视器142可确定可能损坏来自光学传感器的数据的潜在问题的可能性。热监视器142还可加权一些或所有冷却参数，且据此确定可能的数据损坏。举例来说，冷却器的温度可被给出一个权重，风扇速度可被给出另一权重，且环境的温度可被给出另一权重。
接着可相加这些加权冷却参数以产生一分数，所述分数与预定值进行比较，以确定光学传感器是否接近于可能给出受损数据的条件。热监视器142还可监视冷却器的反馈控制环路的误差电压，以指示何时接近于受损数据条件。可建立设定点以指示与受损数据条件的接近度。可基于已知的最大误差电压和历史数据来建立设定点。热监视器142可经由系统输出提供反馈，以指示到受损数据条件的接近性。可将反馈提供到显示器以进行视觉警告，或可将软件指示提供到控制软件。反馈类型可取决于冷却参数而变化。举例来说，如果多个温度传感器指示高温，多个风扇停止运行，或控制环路饱和，则反馈可指示需要尽快采取行动的即将发生的条件。有了这样的问题，可防止另一监视过程开始直到检查了系统。

[0037] 状态机144控制光学传感器和光学仪器的转换系统的操作。同步信号用于启动状态机。同步信号可为外部同步信号或内部同步信号。通信接口146可接收外部同步信号。通信接口146可直接从光源的调制系统或从光学传感器接收外部同步信号，所述光学传感器在被调制系统调制时依据监视光源来确定外部同步信号。当使用外部同步信号时，控制器140处于同步模式。模式选择器148可接收指示同步模式的输入。在一个实例中，用户或例如处理工具的外部控制器可提供同步模式信号。在另一实施例中，控制器140可在接收到外部同步信号时自动进入同步模式。在同步模式中，光学传感器定时和转换系统定时充当外部同步信号的从属。

[0038] 除了来自状态机的控制命令之外，控制器140还可在同步模式下向光学传感器发送光阀命令。这提供电子光阀系统，其通过多个周期同步收集而允许非常短的积分时间(毫秒至微秒)，直到充电水平足以被读取。

[0039] 最大化动态范围、信噪比、数据速率和其它特性是光学仪器(例如光学仪器150)的实用性的重要改善。为解决例如光谱仪和集成式光学传感器的常规光学仪器的限制，考虑到包含数字转换器的特定电路元件的限制，需要新的信号转换配置。为此，图2说明根据本公开的原理建构的改善的转换系统，即转换系统200的细节的框图。

[0040] 转换系统200处理来自光学传感器的电信号，且提供宽动态范围、高信噪比和高速操作的组合。转换系统200包含具有并行信号通道的单个处理或转换路径，其有利地提供用于来自光学传感器的信号电压的信号模/数转换的扩展功能性。转换系统200包含输入接口201、具有两个并行信号通道210和220的转换电路205，以及输出接口299。

[0041] 信号通道210可为DC耦合通道，且包含缓冲级225和增益/偏移级230。来自光学传感器的电信号，例如图3B中所示，可引导到DC耦合通道210，在此处其首先进入缓冲级225。缓冲级225可包含NPN晶体管或配置为用于电流放大和输入/输出电阻转换的发射极跟随器的其它电路元件。在缓冲级225处的阻抗缓冲之后，电信号传递到组合的增益/偏移级230，在此处信号可被放大且以其它方式调整以最佳地容纳在后续的A/D转换器290处。增益/偏移级230可通过使用运算放大器或配置有可调整偏移和增益的离散组件而受到影响。

[0042] 信号通道220可为经配置用于DC恢复技术的AC耦合通道，且包含增益级240、箝位级250、滤波器级260和偏移级270。可通过使用配置有可调整增益的运算放大器来实现增益级240。箝位级250可包含开关元件，且接收“箝位”信号以在光学传感器信号的波形期间的特定时间设定参考信号电平。滤波器级260是有源低通滤波器，以防止数字化时的波形混叠。随后的偏移级270可通过使用具有可调整偏移的放大器而受到影响。

[0043] 来自并行信号通道210和220的输出可被引导到模拟开关280以供选择。如图2中所说明，模拟开关280有利地在并行信号通道210、220之后串联定位，其中电信号被提供给两个信号通道210、220，但仅选择经修改电信号中的一者。随后，所选信号由差分驱动器285接收和处理，且接着由模/数转换器290接收，以转换成数字信号。可放大数字信号输出。模拟开关280可例如类似于由Analog Devices公司提供的ADG1419。差分驱动器285可例如类似于由Analog Devices公司提供的ADA4922。

[0044] 转换系统200的某些优点可概述如下。信号通道210提供具有非常有限数量的电路元件的全差分DC信号路径。这提供了总体低噪声信号路径，且移除可能由信号通道220上发生的DC恢复引起的某些噪声和信号偏移源。此信号通道有利地用于具有较慢时钟速度的光学传感器，例如具有较慢时脉速度的CCD，且每个“样本”包含信号的参考和数据部分的一对相关联测量值。信号通道220尽管具有大于信号通道210的噪声和偏移特征，但可比信号通道210更快地操作，例如是两到十倍快，因为箝位级250不需要独立测量参考信号电平。简单陈述的信号通道210用于低噪声，且信号通道220用于高速操作。

[0045] 某些反相和非反相几何形状的配置是方便的，因为来自例如CCD的光学传感器的输出通常是反相的和负向的，且两个信号通道210和220的多个级应最方便地在开关280、驱动器285和数字转换器290处具有相同极性。对于转换电路205的每个并行信号通道使用共同的差分驱动器285和数字转换器290进一步降低了电路复杂性和成本。通过与光学传感器的定时协调地控制数字转换器290，可对信号通道210和220进行过取样，从而以总数据速率为代价进一步降低噪声。

[0046] 转换系统200的取样定时、箝位信令、通道切换和数字转换器控制以及其它低级功能以及相关联光学传感器和光学仪器的其它功能可由例如图1A的控制器170的元件控制。信号通道的选择可基于与转换系统200相关联的光学系统的操作模式。可在开始监视的操作或过程之前完成选择或设定。举例来说，工艺工程师可基于对在处理腔室中监视的操作或工艺类型的分析来确定用于转换系统200的最佳信号通道。当工艺或操作改变时，信号通道的选择也可改变。在一些实施例中，可由控制器自动执行选择。

[0047] 图3A和3B是来自光学传感器(例如CCD)的电信号的简化时间序列表示，其展示转换系统的各种信号通道的取样、箝位和数字化的协调。时间序列表示可由例如图1C的状态机144的状态机驱动。可使用外部或内部同步信号。图3A具体涉及信号通道220，其中参考箝位信号根据参考时钟信号而定时，所述参考时钟信号改变箝位开关(例如箝位器250)的状态，以设定参考信号电平，接着根据数据时钟信号进行电信号的数据部分的实际取样和数字化。

[0048] 图3B具体涉及信号通道210，其中根据参考时钟信号对参考信号电平进行取样和数字化，接着根据数据时钟信号对数据信号电平进行取样和数字化。对于信号通道210和220两者，可在适当的时间执行多次取样(如图3B中的多个箭头所示)，以准许在数字化之后进行信号平均。应理解，可通过光学传感器或数字转换器中的限制来设定用于取样和数字化的最终时脉速度。图3A和3B两者中的参考时钟信号和数据时钟信号可来自控制器，例如控制器170。在图3A和3B中，在数据时钟的下降边缘进行取样，其中图3B中所示的额外取样由未展示的另一时脉控制。也可在数据时钟的前边缘执行取样。

[0049] 图3A和图3B两者的所得输出皆是数字信号，例如来自A/D转换器290的数字输出。数字信号输出表示光学传感器的像素的电压值。举例来说，数字信号输出可从零到218，以表示零到五伏范围内的电压值。

[0050] 图4是用于转换来自光学传感器的光学信号数据的过程400的实例的流程图。过程400以准备步骤410开始，其中可预先确定任何初始参数。接下来，在步骤420中，可选择转换系统以及相关联光学仪器和光学传感器的预定操作模式。操作模式可包含例如用于转换电路选择、过取样计数和定时、光学信号积分时间、用于使动态范围最大化的数字化方案、同步模式等的设定和参数。操作模式可由光学仪器的操作者选择。可在外部系统内定义操作模式，且例如通过图1A的控制器170将其传送到所需组件。举例来说，过程的外部控制器，例如工具控制器或腔室控制器，可提供操作模式。操作模式可基于过程的类型。在一些实施例中，可自动提供操作模式。举例来说，外部控制器可将操作模式发送到光学仪器的控制器，而无需用户(例如工程师或技术人员)的提示。操作模式可由光学仪器的控制器接收，其中控制器经配置以基于所接收的操作模式来指导光学仪器的操作。

[0051] 接下来，在步骤430中，可设定通道选择开关以选择图2中论述的信号通道中的任一者。选择可基于所接收的操作模式。光学仪器的控制器可指导通道选择开关的操作。在步骤440中，可对信号的参考部分进行取样并数字化一次或多次。此步骤通常仅应用于图2的信号通道210，但如果使用替代拓扑，则可应用于信号通道220。在步骤450中，可对信号的数据部分进行取样并数字化一次或多次。此步骤通常应用于图2的信号通道210和220两者。

[0052] 接下来，在步骤460中，可根据步骤410和420中定义的操作模式来处理经数字化样本。通常，可计算经数字化参考值与数据信号值之间的差异，且在已执行过取样的情况下，也可在确定信号值差异之前执行求平均值。过程400以步骤470结束，其中可将所计算值存储和/或传送到其它所连接的系统以供进一步使用。

[0053] 在不脱离本发明的范围的情况下，可对本文描述的信号转换系统和子系统进行改变。举例来说，尽管结合光谱仪和半导体晶片处理设备描述了某些实例，但可理解，本文描述的信号转换系统可与其它类型的光学仪器一起使用，例如用于空间成像的相机、干涉计、光度计、极化传感器和用于通用光测量。

[0054] 选择本文中所描述的实施例以便最好地解释本公开的原理及其实际应用，且使得所属领域的一般技术人员能够理解本公开的具有各种修改的各种实施例中，这些修改适合于所涵盖的特定用途。本文描述的特定实施例决不旨在限制本公开的范围，因为其可在多种变化和环境中实践而不脱离本公开的范围和意图。因此，本公开并不旨在限于所示的实施例，而应被赋予与本文中所描述的原理和特征相一致的最广泛范围。

[0055] 诸图中的流程图和框图说明根据本公开的各种实施例的系统、方法和计算机程序产品的可能实施方案的架构、功能性和操作。就此而言，流程图或框图中的每个框可表示模块、区段或代码的部分，其包括用于实施指定逻辑功能的一或多个可执行指令。还应注意，在一些替代的实施方案中，各个框中提及的功能可以不按图中所提及的顺序出现。举例来说，取决于所涉及的功能，连续展示的两个框实际上可大体同时执行，或所述框有时可能以相反次序执行。还将注意到，框图和/或流程图说明中的每个框，以及框图和/或流程图说明中的框的组合可以通过专用的基于硬件的系统(其执行指定功能或动作)或专用硬件与计算机指令的组合实施。

[0056] 如所属领域的技术人员将了解，本公开或其部分可体现为方法、系统或计算机程序产品。因此，本文公开的特征或至少一些特征可呈完全硬件实施例、完全软件实施例(包含固件、常驻软件、微码等)或组合软件与硬件方面的实施例的形式，所有这些在本文中统称为“电路”或“模块”。所公开的一些特征可体现在例如数字数据处理器的各种处理器或计算机中或由其执行，其中计算机被编程或存储软件指令序列的可执行程序以执行方法的一或多个步骤。因此，本文公开的特征或至少一些特征可呈在非暂时性计算机可用存储媒体上的计算机程序产品的形式，所述非暂时性计算机可用存储媒体具有体现在所述媒体中的计算机可用程序代码。此类程序的软件指令可表示算法，且在非暂时性数字数据存储媒体上以机器可执行的形式编码。

[0057] 因此，所公开的实例的部分可涉及具有非暂时性计算机可读媒体的计算机存储产品，其上具有用于执行体现设备、装置的一部分或执行本文中阐述的方法的步骤的各种计算机实施的操作的程序代码。本文使用的非暂时性是指除了暂时的传播信号之外的所有计算机可读媒体。非暂时性计算机可读存储媒体的实例包含但不限于：磁性媒体，例如硬盘、软盘和磁带；光学媒体，例如CD-ROM盘；磁-光媒体，例如光磁盘；以及专门经配置以存储并执行程序代码的硬件装置，例如ROM和RAM装置。程序代码的实例包含例如由编译器产生的机器代码和含有计算机可使用解译器执行的更高级别代码的文件两者。

[0058] 本文中所使用的术语仅出于描述特定实施例的目的，且并不旨在限制公开。如本文所使用，单数形式“一”和“所述”希望还包含复数形式，除非上下文另外清楚地指示。将进一步理解，术语“包括(comprise和/或comprising)”在用于本说明书中时指定所陈述的特征、整数、步骤、操作、元件和/或组件的存在，但并不排除一个或多个其它特征、整数、步骤、操作、元件、组件和/或其群组的存在或添加。

[0059] 本申请所涉及领域的技术人员将理解，可以对所描述的实施例进行其它和进一步的添加、删除、替换和修改。

[0060] 可要求保护本公开的各个方面，包含如本文中所公开的设备、系统和方法。本文公开的方面包含：

[0061] A.一种光学仪器，其包含：(1)光学传感器，其经配置以接收光学输入且将所述光学输入转换为电信号；以及(2)转换系统，其具有：转换电路，其具有经配置以接收所述电信号且将所述电信号修改为模拟输出的多个并联信号通道；模拟开关，其经配置以根据所述光学仪器的操作模式而选择所述并联信号通道中的一者；以及模/数转换器，其经配置以从所述所选并联信号信道接收所述模拟输出且将所述模拟输出转换为数字信号输出。

[0062] B.一种将光学输入转换为数字信号输出的方法，其包含：(1)接收操作模式；(2)从光学传感器接收表示到所述光学传感器的光学输入的电信号；(3)基于所述操作模式选择至少两个并行信号通道中的一者以用于修改所述电信号；以及(4)将所述经修改电信号转换为数字信号输出。

[0063] C.一种光谱仪，其包含：(1)控制器，其经配置以基于操作模式指导所述光谱仪的操作；(2)光学传感器，其经配置以接收光学输入且基于所述光学输入和所述操作模式提供电信号；以及(3)转换系统，其基于所述操作模式沿着并联信号通道修改所述电信号且选择所述经修改电信号中的一者作为数字信号输出。

[0064] 方面A、B和C中的每一者可组合地具有以下额外元素中的一或多者：

[0065] 元素1：其中所述转换电路、所述模拟开关与所述模/数转换器串联耦合。元素2：其中所述模拟开关串联耦合于所述模/数转换器与所述转换电路之间。元素3：其进一步包括差分驱动器，其经配置以接收和修改所述所选模拟输出且将所述所选模拟输出提供到所述模/数转换器。元素4：其中所述光学仪器在所述转换系统的输入与输出之间具有单个转换路径。元素5：其中所述转换电路包含至少两个并行信号通道。元素6：其中所述至少两个并行信号通道包含DC耦合通道和AC耦合通道。元素7：其进一步包括控制器，所述控制器经配置以向所述光学传感器发送光阀命令以对所述光学输入的收集进行定时。元素8：其进一步包括控制器，所述控制器经配置以基于所述操作模式指导所述模拟开关的操作。元素9：其进一步包括控制器，所述控制器经配置以基于所述操作模式使定时同步，以使所述光学传感器从所述光学信号产生所述电信号且使所述转换电路接收和修改所述电信号。元素10：其中所述定时是基于外部同步信号。元素11：其进一步包括控制器，所述控制器经配置以基于从所述光学传感器接收的至少一个冷却参数产生来自所述光学传感器的潜在受损电信号的警告。元素12：其中所述至少一个冷却参数选自由以下组成的列表：所述光学传感器的冷却器的操作电压、所述光学传感器的冷却器的操作电流、所述光学传感器的冷却器的操作温度、所述光学传感器的冷却系统的至少一个风扇的操作参数、所述光学传感器的操作温度，以及来自所述光学传感器的冷却器的控制环路的操作反馈。元素13：其中所述转换包含在所述转换为所述数字信号输出之前从所述经修改电信号提供差分输出信号。元素14：
其中所述操作模式指示用于控制所述方法的同步信号的类型。元素15：其进一步包括接收外部同步信号且使用所述外部同步信号来定时所述光学输入到所述电信号的所述转换且修改所述电信号。元素16：其中所述至少两个并行信号通道是DC耦合通道和AC耦合通道。元素17：其进一步包括监视所述光学传感器的冷却参数且基于所述冷却参数中的至少一者产生所述电信号可能受损的警告。元素18：其中所述操作模式是从处理腔室控制器接收。元素
19：其中所述光学传感器接收用于对所述光学输入的所述收集进行定时的光阀命令。元素
20：其中所述操作模式指示选择所述经修改电信号中的哪一者。元素21：其中所述操作模式指示使用外部同步信号或内部同步信号来控制所述光学传感器和所述转换系统的操作。元素22：其中所述控制器在接收到外部同步信号时，自动使用所述外部同步信号来控制所述光学传感器和所述转换系统的操作。元素23：其中所述控制器进一步经配置以向所述光学传感器发送光阀命令，且所述光学传感器经配置以使用所述光阀命令来对所述光学输入的所述收集进行定时。元素24：其中所述光学传感器包含冷却系统，且所述控制器进一步经配置以基于监视所述冷却系统而产生指示所述电信号可能受损的警告。元素25：其中所述并行信号通道是两个通道，即DC耦合通道和AC耦合通道。元素26：其中所述控制器是可编程集成电路。

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