半導體生產設備中的功率控制裝置及方法
2023-09-19 01:42:20 1
專利名稱：：半導體生產設備中的功率控制裝置及方法
技術領域：
：本發明涉及自動控制
技術領域：
，尤其涉及一種半導體生產設備中的功率控制裝置及方法。
背景技術：
：在半導體生產設備的控制操作中，腔室內輸出功率參數經常會與期望獲得的功率輸出參數出現不一致的情況。針對這一情況，通常釆用反饋控制理論對相應的功率輸出參數進行控制。目前，在半導體生產設備中均為採用硬體實現相應的反饋控制，如圖1所示，所述的半導體生產設備包括工控機、功率匹配器、功率發生器及反應腔室，相應的反饋控制是由外置於半導體設備的硬體電路實現，該硬體電路包括電壓偏移檢測器和硬體反饋控制電路。其中，電壓偏移檢測器採集反應腔室中的功率參數，並輸出給硬體反饋控制電路，之後由硬體反饋控制電路根據採用的功率參數對功率發生器進行控制，以調整輸出到反應腔室中的功率。可以看出，現有技術提供的硬體實現反饋控制存在著費用昂貴，以及硬體電路實現十分複雜的缺陷，而且，硬體電路存在的幹擾因素較多，因此，經常難以在半導體生產設備中實現較佳的反饋控制效果。
發明內容本發明的目的是提供一種半導體生產設備中的功率控制裝置及方法，從而能夠以較低的成本實現針對半導體生產設備的功率控制，而且，整個實現方案較為簡單。本發明的目的是通過以下技術方案實現的本發明提供了一種半導體生產設備中的功率控制裝置，包括電壓偏移檢測器和功率反饋控制單元，其中，所述的電壓偏移檢測器採集半導體生產設備的輸出功率參數，並傳遞給設置於半導體設備的工控機內部的功率反饋控制單元，所述的功率反饋控制單元根據所述的輸出功率參數控制所述工控機輸出至功率發生器的參數，以實現功率控制。可選地，所述的功率反饋控制單元具體包括增量比例微分積分PID算法模塊，用於根據初始功率值與實際輸出功率值計算相應的功率增量值；保持器，用於根據所述增量值在原功率的基礎上進行功率的累積處理，獲得功率設定值，所述的功率設定值用於作為功率匹配器的控制參數，以通過功率匹配器控制功率發生器輸出功率。本發明還提供了一種半導體生產設備中的功率控制方法，該方法應用於上述半導體生產設備中的功率控制裝置中，且包括電壓偏移檢測器釆集射頻電壓反饋值作為輸出功率參數，並在確定該射頻電壓反饋值與預先設定的偏壓設定值的差值不符合預定的要求後，對功率設定值進行調整，所述的功率設定值用於作為確定射頻電壓加載值的參數，直到所述差值符合預定的要求。可選地，所述的對功率設定值進行調整的過程包括將當前的功率設定值增加預定的增量值獲得新的功率設定值，所述的增量值可以為正數或負數，且該增量值為預先設定；判斷所述新的功率設定值是否大於零，如果大於零且新的功率設定值與功率初始值之間的差值小於預設值，則直接根據該新的功率設定值進行加載的射頻電壓的調整，否則，利用功率初始值作為新的功率設定值進行加載的射頻電壓的調整。可選;也，所述的方法還包括設定每次進行功率設定值調整允許佔用的時間範圍，並控制僅允許在所述時間範圍內完成對功率設定值的調整。可選地，所述的增量值FpW(A)的確定方式包括Fp考)=[e-_l)]+^+^[)-2e("1)+-2)]}式中，T、Kp、Ti、Td依次分別為偏壓PID採樣周期、偏壓PID比例增益系統、偏壓PID積分時間常數、偏壓PID微分時間常數；K為當前進行功率設定值調整的次數值；為第K次功率設定值調整過程中的偏壓設定值與射頻電壓反饋值的差值。可選地，所述的方法還包括通過上述半導體生產設備中的功率控制裝置提供參數修改接口，用於對進行增量值計算過程中應用的參數進行調整更新。可選地，在進行增量值計算過程中應用各參數為根據仿真實驗獲得。由上述本發明提供的技術方案可以看出，本發明主要是基於反饋控制理論提出一種在不需要特殊硬體的前提下的一種軟體的實現的方法，從而能夠以較低的成本實現針對半導體生產設備的功率控制，實現在半導體設備儀器上的穩定功率輸出；而且，整個實現方案克服了傳統設備搭建複雜困難、實現較難及費用昂貴的缺點，即通過實現簡單的功率控制方案達到了較好的控制效果。圖1為現有技術中實現功率控制的裝置結構示意圖；圖2為本發明中實現功率控制的裝置的具體實現結構示意圖；圖3為本發明所述的方法的實現原理示意圖；圖4為本發明所述的方法的具體實現過程示意圖。具體實施例方式下面將結合附圖對本發明提供的具體實現方式進行說明。如圖2所示，本發明主要是由內置於工控機中的功率反饋控制單元實現，由於功率反饋控制單元內置於工控機中，因而，其藉助於工控機中已經存在的硬體電路，結合相應的軟體設置便可以較為簡便地實現相應的功率反饋控制功能。在圖2中，首先，功率反饋控制單元的獲取電壓偏移檢測器檢測到的偏壓輸出值，所述的偏壓輸出值即為輸出到反應腔室中的功率參數的檢測值；之後，根據所述的偏壓輸出值確定需要針對功率發生器的調整參數，具體為利用相應的參數調整功率匹配器輸出的偏壓值，進而對功率發生器進行輸出功率的控制，以實現針對功率的反饋控制，最終，在反應腔室中可以獲得預期輸出功率，實現了針對半導體生產設備中的功率控制。本發明中所述的功率反饋控制單元的具體實現原理如圖3所示，具體可以包括以下模塊(1)增量PID算法模塊，用於獲取偏壓設定值與實際偏壓輸出值的差值，並採用增量PID算法進行功率增量計算，以獲得相應的增量值印,W(";formulaseeoriginaldocumentpage7式中，T，Kp，Ti，Td為實驗中確定的參數，本發明中提供了相應參數的修改接口，以便於針對各參數進行較為方便地修改；各參數分別為Kp，偏壓PID比例增益係數；T,偏壓PID採樣周期；Ti偏壓PID積分時間常數；Td偏壓PID微分時間常數。(2)保持器，用於將原功率的設定值根據所述的增量值進行調整，即進行功率的累積，以獲得新的功率的設定值，作為控制功率匹配器(即biasMatch)的參數，以實現針對功率發生器輸出功率的控制。將結合圖3和圖4對其具體實現過程進行說明。在圖3和圖4中，各參數值及函數定義如下1、BiasVoltageSetpoint為偏壓設定值；2、BiasVoltageln為功率匹配器輸出值；3、Wpreset為每次使用PID算法時的功率初始值；4、r(k)=BiasVoltageSetpoint,k>=0;5、y(k)-BiasVoltageAI，BiasVoltageAI即為BiasVoltageln，k>=0;6、e(k)=BiasVoltageSetpoint-BiasVoltageAI，k〉=0。其他參數前面已經說明，在此不再說明。如圖4所示，相應的處理步驟具體包括步驟301、系統開始工作；步驟302、確定偏壓設定值，並令輸入的偏壓值為偏壓設定值；步驟303、判斷系統硬體的初始功率是否小於等於系統硬體的允許最大功率，如是，執行步驟305，否則執行步驟304;步驟304、產生報警，並結束工作過程。步驟305、根據所述的初始功率確定射頻電壓的設定值；步驟306、按照所述射頻電壓的設定值，加載射頻電壓，以獲得由功率發生器輸出到反應腔室中的輸出功率，這樣，電壓偏移檢測器也可以檢測獲得功率匹配器輸出的射頻電壓並作為射頻電壓反饋值，該射頻電壓反饋值即為實際檢測到的偏壓輸出值；步驟307、保持加載射頻電壓的設定值，並等待設定的時間T1後執行步驟308;步驟308、計算偏壓設定值與射頻電壓反饋值的差值；步驟309、判斷偏壓設定值與射頻電壓反饋值的差值是否在誤差允許範圍值(即BiasDCTolerance值)內，如是結束工作過程；否則，執行步驟310;步驟310、設置K-O,開始調節；步驟311、開始計時，即啟動一個定時器timeM,該計時器的作用是要求在設定的時間內完成調節；該定時器的定時時長為偏壓調節時間容許值(即BiasDCTimeout);步驟312、將新的功率設定值調整為當前功率設定值加上調整公差，該公差可為正值也可為負值；步驟313、判斷調整後的功率的設定值是否大於零，如是執行步驟314,否則執行步驟315;步驟314、判斷調整後的功率的設定值與所述的功率初始值之間的差值是小於等於功率預設值；如是執行步驟316，否則執行步驟315;為防止反饋控制出現振蕩發散(即在出現振蕩發散情況時可以將設定值拉回至預定值)，所述功率預設值一般取初始功率的初始值的70%;步驟315、令新的功率的設定值為初始功率值，並執行步驟316;步驟316、根據新的功率的設定值調整將所述的射頻電壓的設定值，獲得調整後的射頻電壓值的設定值，並據此重新加載射頻電壓；步驟317、統計調整次數，設置K-K+1;步驟318、保持加載調整後的射頻電壓的設定值，加載設定的時間T;步驟319、判斷所述的定時器是否超時，即是否超過調節時間允許值，如是執行步驟320,否則執行步驟321;步驟320、產生報警，並結束工作過程；步驟321、計算偏壓設定值與實際檢測到的偏壓輸出值(即射頻電壓反饋值)的差值；步驟322、判斷所述的差值是否在誤差允許範圍內，如是結束工作過程；否則，重新執行步驟312。通過上述處理過程便可以實現針對輸出到反應腔室中的功率的有效控制。下面再對本發明中涉及的參數的確定方式進行說明。(1)採樣周期T通過實驗方式獲得該參數，具體為設定BiasRF(偏置射頻)功率，記錄從發出指令到顯示的偏壓穩定的時間，記錄設定的BiasRF功率和穩定的偏壓值；更改BiasRF功率，記錄從發出指令到顯示的偏壓穩定的時間，記錄設定的BiasRF功率和穩定的偏壓值；計算從發出功率設定指令到顯示的偏壓穩定的時間平均值，作為T。(2)PID參數採用臨界穩定法確定PID參數，具體步驟如下利用(1)中確定的T作為採樣周期，控制器作純比例Kp控制。即圖4中Fpid(k)=Kp*[e(k)-e(k-1)]逐漸加大比例係數Kp，使控制系統出現臨界振蕩；由臨界振蕩過程求得相應的臨界振蕩周期Ts，並記下臨界振蕩增益Ks;tableseeoriginaldocumentpage10對通過臨界穩定法確定的PID參數進行修正根據上述參數編制PID算法，對系統進行控制，根據實驗結果改進參數。Kp:隨著Kp值的增加，閉環系統的超調量增加，響應速度加快，控制時間加長，穩態誤差減小，但不能完全消除穩態誤差。隨著Kp值的繼續增加，系統的穩定性變差或者使系統變得不穩定。Ti:隨著Ti值的增加，系統的超調量減小，響應速度減慢；Ti太小，系統不穩定；Tj能完全消除系統的穩態誤差，提供系統的控制精度。Td:隨著Td值的增加，系統的超調量增大，但經曲線尖銳的起始上升階段後響應速度減慢。以上所述，僅為本發明較佳的具體實施方式，但本發明的保護範圍並不局限於此，任何熟悉本
技術領域：
的技術人員在本發明揭露的技術範圍內，可輕易想到的變化或替換，都應涵蓋在本發明的保護範圍之內。因此，本發明的保護範圍應該以權利要求的保護範圍為準。權利要求1、一種半導體生產設備中的功率控制裝置，其特徵在於，包括電壓偏移檢測器和功率反饋控制單元，其中，所述的電壓偏移檢測器採集半導體生產設備的輸出功率參數，並傳遞給設置於半導體設備的工控機內部的功率反饋控制單元，所述的功率反饋控制單元根據所述的輸出功率參數控制所述工控機輸出至功率發生器的參數，以實現功率控制。2、根據權利要求1所述的裝置，其特徵在於，所述的功率反饋控制單元具體包括增量比例微分積分PID算法模塊，用於根據初始功率值與實際輸出功率值計算相應的功率增量值；保持器，用於根據所述增量值在原功率的基礎上進行功率的累積處理，獲得功率設定值，所述的功率設定值用於作為功率匹配器的控制參數，以通過功率匹配器控制功率發生器輸出功率。3、一種半導體生產設備中的功率控制方法，其特徵在於，該方法應用於上述半導體生產設備中的功率控制裝置中，且包括電壓偏移檢測器採集射頻電壓反饋值作為輸出功率參數，並在確定該射頻電壓反饋值與預先設定的偏壓設定值的差值不符合預定的要求後，對功率設定值進行調整，所述的功率設定值用於作為確定射頻電壓加載值的參數，直到所述差值符合預定的要求。4、根據權利要求3所述的方法，其特徵在於，所述的對功率設定值進行調整的過程包括將當前的功率設定值增加預定的增量值獲得新的功率設定值，所述的增量值可以為正數或負數，且該增量值為預先設定；判斷所述新的功率設定值是否大於零，如果大於零且新的功率設定值與功率初始值之間的差值小於預設值，則直接根據該新的功率設定值進行加栽的射頻電壓的調整，否則，利用功率初始值作為新的功率設定值進行加載的射頻電壓的調整。5、根據權利要求3所述的方法，其特徵在於，所述的方法還包括設定每次進行功率設定值調整允許佔用的時間範圍，並控制僅允許在所述時間範圍內完成對功率設定值的調整。6、根據權利要求3、4或5所述的方法，其特徵在於，所述的增量值FpW(A;)的確定方式包4舌Fp考)=--1)]++^[e("-2e(A:-1)+^-2)]}乃r式中，T、Kp、Ti、Td依次分別為偏壓PID採樣周期、偏壓PID比例增益系統、偏壓PID積分時間常數、偏壓PID微分時間常數；K為當前進行功率設定值調整的次數值；eW為第K次功率設定值調整過程中的偏壓設定值與射頻電壓反饋值的差值。7、根據權利要求6所述的方法，其特徵在於，所述的方法還包括通過上述半導體生產設備中的功率控制裝置提供參數修改接口，用於對進行增量值計算過程中應用的參數進行調整更新。8、根據權利要求6所述的方法，其特徵在於，在進行增量值計算過程中應用各參數為根據仿真實驗獲得。全文摘要本發明涉及一種半導體生產設備中的功率控制裝置及方法。本發明主要包括電壓偏移檢測器和功率反饋控制單元，其中，所述的電壓偏移檢測器採集半導體生產設備的輸出功率參數，並傳遞給設置於半導體設備的工控機內部的功率反饋控制單元，所述的功率反饋控制單元根據所述的輸出功率參數控制所述工控機輸出至功率發生器的參數，以實現功率控制。因此，本發明主要是基於反饋控制理論提出一種在不需要特殊硬體的前提下的一種軟體的實現的方法，從而能夠以較低的成本實現針對半導體生產設備的功率控制，實現在半導體設備儀器上的穩定功率輸出。文檔編號G05B19/02GK101178582SQ200610114418公開日2008年5月14日申請日期2006年11月9日優先權日2006年11月9日發明者付金生申請人:北京北方微電子基地設備工藝研究中心有限責任公司