具有故障診斷功能的控制系統和方法

2023-12-03 22:43:26

專利名稱：具有故障診斷功能的控制系統和方法
技術領域：
本發明涉及控制技術領域，具體而言，涉及一種具有故障診斷功能的控制系統及 方法。
背景技術：
隨著電子技術的高速發展，人們對集成電路的集成度要求越來越高，這就要求生 產集成電路的企業不斷地提高半導體器件的加工能力。目前，在半導體器件的加工、製造過 程中廣泛採用等離子體刻蝕技術。所謂等離子體刻蝕技術指的是，反應氣體在射頻功率的 激發下產生電離形成含有大量電子、離子、激發態的原子、分子和自由基等活性粒子的等離 子體，這些活性粒子與被刻蝕物體(例如，晶片)的表面發生各種物理和化學反應並形成揮 發性的生成物，從而使得被刻蝕物體表面的性能發生變化。在實際工藝中，需要藉助於等離子體刻蝕設備實施上述等離子體刻蝕技術。等離 子體刻蝕設備通常由若干部件組成，其中的電氣系統負責完成對這些部件的控制，並且對 於不同的部件，控制方式也不同，例如，有的用串口，有的用並口。在並口的應用中，對於每 一個部件，通常會涉及到數字量控制和模擬量控制。所謂數字量控制包括啟動信號、停止信 號、閥開/閥關等信號，這些信號往往由開關量來控制；所謂模擬量控制是指對連續變化的 物理量所採取的控制，例如，對射頻電源輸出功率進行的控制便是模擬量控制。在等離子體刻蝕設備中，射頻電源用於向下電極輸出給定功率的信號，以便在工 藝腔室內產生等離子體。然而，不同的工藝往往要求不同的射頻電源輸出功率，因而，這就 需要對射頻電源進行設置，以使其能夠輸出符合工藝要求的功率。此外，還可設置回讀通 路，以返回射頻電源的實際輸出功率，供CUP和/或操作者了解實際工藝狀況。圖1就示出 了這樣一種包含上述設置通路和回讀通路的射頻電源控制系統。如圖1所示，該控制系統包括CPU、A0卡(模擬量輸出卡)、AI卡(模擬量輸入卡) 和射頻電源。其中，CPU、AO卡和射頻電源構成設置通路，S卩，由AO卡接收來自CPU的功率 設定值，並對其進行解析、數/模轉換等處理，而後再傳輸至射頻電源，以便射頻電源根據 該設置信號輸出符合工藝要求的功率。同時，CPU、AI卡和射頻電源構成回讀通路，即，由AI 卡接收來自射頻電源的實際輸出功率值，並對其進行解析、模/數轉換等處理，而後再傳輸 至CPU，以便CPU和/或操作者了解射頻電源的實際輸出功率值。其中，圖中的A點表示CPU向AO卡輸出的射頻電源功率設定值(以下將其稱為 RFSetpoint)。該功率設定值通過AO卡解析、轉換處理後，轉換成電壓信號(此電壓信號和 射頻電源功率值存在線性對應關係)，而後發送給射頻電源；射頻電源根據該電壓信號輸 出相應的功率，同時經由射頻電源的接口向AI卡發出與其實際輸出功率相對應的電壓信 號(此電壓信號和射頻電源輸出功率之間存在前述的線性對應關係)，該電壓信號通過AI 卡解析、轉換處理後，轉換成功率信號，如圖中B點所示(以下將其稱為RFPower)，該功率回 讀值上傳至CPU。這樣，便實現了射頻電源輸出功率的設置和回讀。在實際應用中，當設置通路出現故障時，即，回讀的射頻電源實際輸出功率RFPower和射頻電源的設定功率RFSetpoint不一致時，為了確保工藝結果，就需要進一步 判斷故障所在的具體位置，也就是說，需要判斷是設置通路中的AO卡出現故障，還是射頻 電源本身出現故障。這種情況下，往往需要停止工藝進程以進行停機排查。但是，停機排查 將會降低生產效率，並使維護成本較高。

發明內容
為解決上述技術問題，本發明提供了一種具有故障診斷功能的控制系統和方法， 其能夠快速便捷地在線診斷故障所在位置，而不會影響生產工藝和設備產能，同時還具有 維護成本低的特點。為此，本發明提供了一種具有故障診斷功能的控制系統，包括控制單元、下傳單 元、作業單元和上傳單元，所述控制單元、下傳單元和作業單元構成系統中的設置通路，所 述作業單元、上傳單元和控制單元構成系統中的回讀通路。所述控制系統還包括控制信號 檢測單元和表徵參量測量單元，其中，所述下傳單元從所述控制單元接收針對所述作業單 元的控制信號設定值，並對其進行相應處理後傳輸至作業單元；所述作業單元根據來自所 述下傳單元的控制信號進行相應的作業操作，並將其實際輸出值傳輸至所述上傳單元；所 述控制信號檢測單元連接在所述下傳單元和上傳單元之間，用以採集下傳單元輸出的所述 控制信號，並將採集到的控制信號測量值傳輸至所述上傳單元；所述表徵參量測量單元用 以測量與作業單元實際輸出存在對應關係的表徵參量，並將其傳輸至上傳單元；所述上傳 單元執行這樣的操作即，接收來自所述控制信號檢測單元的控制信號測量值，並對其進行 相應處理後傳輸至控制單元；接收來自所述作業單元的實際輸出值，並對其進行相應處理 後作為實際輸出回讀值傳輸至控制單元；接收來自所述表徵參量測量單元的表徵參量值， 並對其進行相應處理後作為實際輸出表徵值傳輸至控制單元；所述控制單元執行這樣的操 作首先，根據所述控制信號設定值和實際輸出回讀值判斷系統中是否存在故障；其次，當 判斷出系統存在故障時，根據所述實際輸出表徵值來判斷故障是否存在於設置通路；再次， 當判斷出故障存在於設置通路時，根據所述控制信號測量值來判斷故障所在單元。其中，所述控制單元為CPU，所述作業單元包括射頻電源，所述下傳單元包括模擬 量輸出卡，所述控制信號檢測單元包括電壓傳感器，所述上傳單元包括模擬量輸入卡。其 中的CPU預置射頻電源的功率設定值，並將由所述功率值表示的數字量控制信號傳輸至模 擬量輸出卡；所述模擬量輸出卡接收來自CPU的表示射頻電源功率設定值的數字量控制信 號，並將其轉換成由模擬量所表示的與功率存在線性對應關係的第一電壓信號，而後將該 第一電壓信號傳輸至射頻電源；所述射頻電源根據所述第一電壓信號輸出與之對應的射頻 功率，並將與其實際輸出功率值相對應的第二電壓信號經由其接口傳輸至模擬量輸入卡； 所述電壓傳感器對模擬量輸出卡所輸出的第一電壓信號進行檢測，並將第一電壓信號測量 值傳輸至模擬量輸入卡；所述表徵參量測量單元用以測量與射頻電源實際輸出存在對應關 系的表徵參量，並將其傳輸至模擬量輸入卡；所述模擬量輸入卡執行這樣的操作其一，接 收來自射頻電源的第二電壓信號，並將其轉換成由數字量表示的與其存在線性對應關係的 實際功率回讀值，而後傳輸至CPU ；其二，接收來自電壓傳感器的第一電壓信號測量值，並 對將其轉換成由數字量表示的與其存在線性對應關係的設定功率測量值，而後將其傳輸至 CPU;其三，接收來自所述表徵參量測量單元的表徵參量值，並對其進行相應處理後作為實際功率表徵值傳輸至CPU ;CPU執行這樣的操作首先，根據所述實際功率回讀值和設定功 率預置值判斷系統中是否存在故障；其次，當判斷出系統存在故障時，根據所述實際功率表 徵值來判斷故障是否存在於設置通路；再次，當判斷出故障存在於設置通路時，根據所述設 定功率測量值來判斷故障所在單元。作為本發明的另一個方案，本發明還提供了一種具有故障診斷功能的控制方法， 適用於包含有控制單元、下傳單元、作業單元、控制信號檢測單元、上傳單元和表徵參量測 量單元的控制系統，其中所述控制單元、下傳單元和作業單元構成系統中的設置通路，所述 作業單元、上傳單元和控制單元構成系統中的回讀通路。所述控制方法包括下述步驟步驟 10，控制單元設置針對所述作業單元的控制信號的設定值；步驟20，下傳單元從所述控制 單元接收針對所述作業單元的控制信號設定值，並對其進行相應處理後傳輸至作業單元； 步驟30，作業單元根據來自所述下傳單元的控制信號進行相應的作業操作，並將其實際輸 出值傳輸至所述上傳單元；步驟40，所述控制信號檢測單元連接在所述下傳單元和上傳單 元之間，用以採集下傳單元輸出的所述控制信號，並將採集到的控制信號測量值傳輸至所 述上傳單元；所述表徵參量測量單元測量與作業單元實際輸出存在對應關係的表徵參量， 並將其傳輸至上傳單元；步驟50，所述上傳單元執行這樣的操作其一，接收來自所述控制 信號檢測單元的控制信號測量值，並對其進行相應處理後傳輸至控制單元；其二，接收來 自所述作業單元的實際輸出值，並對其進行相應處理後作為實際輸出回讀值傳輸至控制單 元；其三，接收來自所述表徵參量測量單元的表徵參量值，並對其進行相應處理後作為實際 輸出表徵值傳輸至控制單元；步驟60，所述控制單元根據所述控制信號設定值和實際輸出 回讀值判斷系統中是否存在故障，如果是，則轉到步驟70 ；如果否，則繼續進行工藝，並轉 到步驟10 ；步驟70，所述控制單元根據所述實際輸出表徵值來判斷故障是否存在於設置通 路，如果是，則轉到步驟80 ；如果否，則退出；步驟80，所述控制單元根據所述控制信號測量 值來判斷故障所在單元。其中，所述控制單元為CPU，所述作業單元包括射頻電源，所述下傳單元包括模擬 量輸出卡，所述控制信號檢測單元包括電壓傳感器，所述上傳單元包括模擬量輸入卡。在所 述步驟10中，CPU預置射頻電源的功率設定值，並將由所述功率值表示的數字量控制信號 傳輸至模擬量輸出卡；在所述步驟20中，所述模擬量輸出卡接收來自CPU的表示射頻電源 功率設定值的數字量控制信號，並將其轉換成由模擬量所表示的與功率存在線性對應關係 的第一電壓信號，而後將該第一電壓信號傳輸至射頻電源；在所述步驟30中，所述射頻電 源根據所述第一電壓信號輸出與之對應的射頻功率，並將與其實際輸出功率值相對應的第 二電壓信號經由其接口傳輸至模擬量輸入卡；在所述步驟40中，所述電壓傳感器對模擬量 輸出卡所輸出的第一電壓信號進行檢測，並將第一電壓信號測量值傳輸至模擬量輸入卡； 在所述步驟50中，所述模擬量輸入卡執行這樣的操作其一，接收來自射頻電源的第二電 壓信號，並將其轉換成由數字量表示的與其存在線性對應關係的實際功率回讀值，而後傳 輸至CPU;其二，接收來自電壓傳感器的第一電壓信號測量值，並對將其轉換成由數字量表 示的與其存在線性對應關係的設定功率測量值，而後將其傳輸至CPU ；其三，接收來自所述 表徵參量測量單元的表徵參量值，並對其進行相應處理後作為實際功率表徵值傳輸至CPU ； 在所述步驟60中，CPU根據所述實際功率回讀值和設定功率預置值判斷系統中是否存在 故障，如果是，則轉到步驟70 ；如果否，則繼續進行工藝，並轉到步驟10 ；在所述步驟70中，
8CPU根據所述實際功率表徵值來判斷故障是否存在於設置通路，如果是，則轉到步驟80 ；如 果否，則退出；在所述步驟80中，CPU根據所述設定功率測量值來判斷故障所在單元。本發明具有下述有益效果在本發明提供的具有故障診斷功能的控制系統和方法中，由於可以對針對作業單 元的控制信號的測量值進行實時採樣和上傳，這樣便使得在工藝過程中，一旦系統設置通 路出現故障，控制單元就可以根據實時的控制信號測量值立刻判斷出故障所在位置，以便 於及時快捷地進行後續維修和更換，而無需中斷工藝過程並在停機狀態下進行故障排查。 因此，本發明提供的具有故障診斷功能的控制系統和方法具有較高的故障排查效率，並且 也不會影響生產工藝和設備產能，同時還可以降低設備維護成本。


圖1為現有的一種控制系統結構示意圖；圖2為本發明第一實施例提供的具有故障診斷功能的控制系統的原理框圖；圖3為本發明第二實施例提供的具有故障診斷功能的控制系統的原理框圖；圖4為本發明提供的具有故障診斷功能的控制方法第一實施例的流程示意圖；以 及圖5為本發明提供的具有故障診斷功能的控制方法第二實施例的流程示意圖。
具體實施例方式為使本技術領域的人員更好地理解本發明的技術方案，下面結合附圖對本發明進 行詳細描述。請參閱圖2，其中示出了本發明所提供的具有故障診斷功能的控制系統的第一實 施例。在該實施例中，具有故障診斷功能的控制系統包括控制單元110、下傳單元120、作業 單元130、控制信號檢測單元140、上傳單元150、報警單元160和表徵參量測量單元(圖未 示)。其中，控制單元110、下傳單元120和作業單元130構成系統中的設置通路；作業單元 130、上傳單元150和控制單元110構成系統中的回讀通路。所述控制單元110根據實際作業要求向作業單元130輸出控制信號，以使作業單 元130按照實際作業要求來工作。下傳單元120位於控制單元110和作業單元130之間，用於接收來自控制單元110 的上述控制信號的設定值，並對其進行解析及相關處理，而後將解析和處理後的控制信號 設定值向作業單元130傳輸。下傳單元120例如可以是數/模轉換單元，其接收來自控制 單元110的數字量的控制信號設定值，並對其進行解析及數/模轉換等處理，而後將經上述 處理所得到的模擬量的控制信號設定值向作業單元130傳輸。作業單元130根據經由下傳單元120傳輸來的控制信號實施相應的作業任務，並 且，其也可以將實際輸出值經由接口傳輸至上傳單元150。作業單元130例如可以為等離子 體處理工藝中的射頻電源，這樣，其將根據上述控制信號而輸出與該設定值相對應的射頻 功率，並將其實際輸出功率值傳輸至上傳單元150。控制信號檢測單元140設置在下傳單元120和上傳單元150之間，用於對下傳單 元120輸出的控制信號進行採樣，並將採樣得到的控制信號測量值傳輸至上傳單元150。如圖所示，下傳單元120所輸出的控制信號測量值通常即為輸入至作業單元130的控制信號， 換言之，控制信號檢測單元140採樣得到的控制信號測量值通常為作業單元130實際所接 收並遵循的控制信號。表徵參量測量單元用以測量與作業單元130實際輸出存在對應關係的表徵參量， 並將其傳輸至上傳單元150。其中，所謂表徵參量可以是在工藝過程中位於作業單元130 下遊、並與作業單元130的輸出值存在著對應關係的工藝參數。例如，當作業單元130為刻 蝕工藝中的射頻電源時，該表徵參量可以是與射頻電源輸出功率存在著線性對應關係的刻 蝕速率和/或工件上的電壓等。這是因為，射頻電源的實際輸出功率和刻蝕設備的刻蝕速 率之間存在著一一對應的正比關係，因而在實際工藝中，可以通過監測刻蝕速率有無異常 來判斷是否存在射頻電源的輸出功率偏離其設定值的故障；類似地，射頻電源的實際輸出 功率和矽片上的電壓之間也存在著一一對應的關係，因而在實際工藝中，可以通過監測該 電壓來判斷是否存在射頻電源實際輸出功率偏離其設定值的故障。這樣，在藉助於表徵參 量判斷出射頻電源的實際輸出功率確實偏離其設定值後，即可把故障問題集中在設置通路 上。上傳單元150執行這樣的操作其一，接收來自控制信號檢測單元140的控制信號 測量值，並對其進行解析及有關處理，而後將解析和處理後的控制信號測量值傳輸至控制 單元110 ；其二，接收來自作業單元130的實際輸出值，並對其進行解析和處理後傳輸至控 制單元110 ；其三，接收來自表徵參量測量單元的表徵參量值，並對其進行相應處理後作為 實際輸出表徵值傳輸至控制單元110。實際應用中，上傳單元150例如可以是模/數轉換單元，其接收來自控制信號檢測 單元140的模擬量的控制信號，並對其進行解析及模/數轉換等處理，而後將經上述處理所 得到的數字量的控制信號測量值傳輸至控制單元110。上傳單元150還可以接收來自作業 單元130的由模擬量所表示的實際輸出值，並對其進行解析及模/數轉換等處理，而後再傳 輸至控制單元110。當然，上傳單元150也可以接收來自表徵參量測量單元的表徵參量值， 並對其進行解析及模/數轉換等處理後作為實際輸出表徵值傳輸至控制單元110。控制單元110除具有設置功能(例如，設置針對作業單元130的控制信號的設定 值)之外，還可以執行下述功能其一，根據作業單元130的實際輸出值和控制信號設定值判斷系統中是否存在故 障。也就是說，控制單元110對控制信號設定值和由作業單元130輸出並經上傳單元150上 傳來的實際輸出的回讀值(實際輸出回讀值)進行比較，若二者相等，則判定系統無故障， 並且該系統繼續進行常規工藝；若二者不等，則判定系統存在故障，並繼續進行下述判斷。其二，在判斷出系統存在故障後，控制單元110將繼續判斷故障單元是否存在於 設置通路中，如果不是，則判定故障存在於回讀通路中；如果是，則繼續執行下述具體位置 的判斷。實際應用中，可以藉助於表徵參量來判斷是否是設置通路出現故障，具體地，將表 徵參量所對應的作業單元130的實際輸出表徵值與控制單元110所輸出的控制信號設定值 進行比較，若二者相等，則判定設置通路無故障，而回讀通路有故障；若二者不等，則判定設 置通路有故障。或者，也可以將表徵參量所對應的作業單元130的實際輸出表徵值與經由 上傳單元150傳輸至控制單元110的作業單元130實際輸出回讀值進行比較，若二者相等， 則判定回讀通路無故障，而設置通路有故障；若二者不等，則判定回讀通路有故障。
其三，在判斷出故障存在於設置通路後，控制單元110將繼續判斷是設置通路中 的哪一個單元存在故障。具體地，控制單元110將上述控制信號設定值同來自上傳單元150 的控制信號測量值進行比較，若二者相等，則判定下傳單元120正常，而作業單元130存在 故障；若二者不等，則判定下傳單元120存在故障。事實上，在設置通路中進行故障具體位置判斷時，控制單元110也可以將上述控 制信號測量值同作業單元130的實際輸出回讀值或者實際輸出表徵值進行比較，若二者相 等，則判定作業單元130正常，而下傳單元120存在故障；若二者不等，則判定作業單元130 存在故障。此外，本實施例提供的具有故障診斷功能的控制系統還可以包括報警單元160，以 便在判斷出故障所在具體位置(即，哪一個單元存在故障)後，通過該報警單元160進行提 示。至於提示方式，可以是語音提示、聲音提示、閃光提示等。需要指出的是，儘管本發明上述實施例中在控制單元110和作業單元130之間僅 示出了一個下傳單元120，然而在實際應用中，該下傳單元120可以根據實際工藝需要而包 括一個或多個下傳子單元，以進行多種處理。當設置了多個下傳子單元的時候，可以對應於 每一個下傳子單元設置一個控制信號檢測單元，即，在每一個下傳子單元的輸出端設置控 制信號採樣點以檢測每一個下傳子單元輸出的控制信號，並將測量值經由上傳單元150傳 輸至控制單元110。這樣，控制單元110可以根據預置的控制信號設定值和各下傳子單元 輸出的控制信號測量值來判斷該下傳子單元是否存在故障，具體地，若二者相等，則判定該 下子傳單元正常；若二者不等，則判定該下傳子單元存在故障。或者，控制單元110也可以 根據上一級下傳子單元輸出的控制信號測量值與本級下傳子單元輸出的控制信號測量值 來判斷本級下傳子單元是否存在故障，即通過比較本級下傳子單元輸入端和輸出端的控制 信號來判斷本級下傳子單元是否存在故障，具體地，若二者相等，則判定本級下傳子單元正 常；若二者不等，則判定本級下傳子單元存在故障。請參閱圖3，其中示出了本發明所提供的具有故障診斷功能的控制系統的第二實 施例。在該實施例中，控制單元為CPU，控制信號檢測單元(圖未示)為電壓傳感器，下傳 單元為具有數/模轉換功能的AO卡，作業單元為等離子體處理工藝中的射頻電源，上傳單 元為具有模/數轉換功能的AI卡，表徵參量測量單元測量刻蝕速率和/或加工工件上的電 壓等表徵參量的測量單元。其中，CPU、AO卡和射頻電源構成設置通路；射頻電源、AI卡和 CPU構成回讀通路。作為控制單元的CPU根據實際工藝需要預置射頻電源的功率設定值(簡稱為設定 功率預置值)，並將這個由數字量所表示的設定功率預置值傳輸至AO卡。作為下傳單元的AO卡接收上述設定功率預置值，並對其進行解析和數/模轉換等 處理，以將該設定功率預置值轉換成由模擬量所表示的與功率存在線性對應關係的第一電 壓信號，而後將該第一電壓信號傳輸至射頻電源。作為作業單元的射頻電源根據該第一電壓信號輸出相應的符合工藝要求的射頻 功率，以對工件進行等離子體處理。此外，射頻電源還將與其實際輸出功率值相對應的第二 電壓信號經由其接口傳輸至AI卡。作為控制信號檢測單元的電壓傳感器對AO卡所輸出的第一電壓信號進行檢測， 並將第一電壓信號測量值傳輸至AI卡。
11
表徵參量測量單元測量刻蝕速率和/或加工工件上的電壓，並將相應測量值傳輸 至AI卡。作為上傳單元的AI卡可以執行下述三個操作其一，接收來自射頻電源的第二電 壓信號，並對其進行解析和模/數轉換等處理，以將該第二電壓信號轉換成由數字量表示 的與其存在線性對應關係的射頻電源輸出功率值的回讀值(簡稱為實際功率回讀值)，而 後將其傳輸至CPU，以便CPU和/或操作者了解射頻電源的實際輸出功率；其二，從電壓傳 感器接收第一電壓信號的測量值，並對其進行解析和數/模轉換等處理，以將該第一電壓 信號轉換成由數字量表示的與其存在線性對應關係的射頻電源功率設定值的測量值(簡 稱為設定功率測量值)，而後將該設定功率測量值傳輸至CPU ；其三，接收來自表徵參量測 量單元的表徵參量值，並對其進行相應處理後作為實際功率表徵值傳輸至CPU。作為控制單元的CPU除具有上述設置功能之外，還可以執行下述功能其一，CPU將來自AI卡的實際功率回讀值和設定功率預置值進行比較，若二者相 等，則判定系統無故障，該系統繼續進行等離子體處理工藝；若二者不等，則判定系統存在 故障，並繼續進行下述判斷。其二，在判斷出系統存在故障後，CPU可以根據表徵參量繼續判斷故障單元是否存 在於設置通路中。例如，可以藉助於諸如刻蝕速率以及工件上的電壓等的表徵參量來判斷 是否是設置通路出現故障，具體地，將表徵參量所對應的射頻電源的實際功率表徵值與設 定功率預置值進行比較，若二者相等，則判定設置通路無故障，而回讀通路有故障；若二者 不等，則判定設置通路有故障。或者，也可以將表徵參量所對應的射頻電源的實際功率表徵 值與經由AI卡傳輸至CPU的實際功率回讀值進行比較，若二者相等，則判定回讀通路無故 障，而設置通路有故障；若二者不等，則判定回讀通路有故障。其三，當判斷出故障存在於設置通路後，即可進一步判斷故障是存在於AO卡，還 是存在於射頻電源。具體地，CPU將設定功率測量值與預置的設定功率預置值進行比較，若 二者相等，則判定AO卡正常，而射頻電源存在故障；若二者不等，則判定AO卡存在故障；或 者，CPU將設定功率測量值與射頻電源的實際功率回讀值或者實際功率表徵值進行比較， 若二者相等，則判定射頻電源正常，而AO卡存在故障；若二者不等，則判定射頻電源存在故 障。在實際的等離子體處理工藝中，可以採用輸出功率為0 1500W的射頻電源，並且 控制該射頻電源輸出功率的電壓信號通常可以為0 10V，該電壓信號與該射頻電源輸出 功率之間存在線性對應關係。此外，本發明還提供一種具有故障診斷功能的控制方法，其適用於包含有控制單 元、下傳單元、作業單元、控制信號檢測單元、表徵參量測量單元和上傳單元的控制系統。下 面結合圖4對本發明提供的控制方法的第一實施例進行詳細說明。在圖4所示步驟410中，控制單元根據實際作業要求向作業單元輸出控制信號 (即，預置控制信號設定值)，以使其按照實際作業要求來工作。步驟420，下傳單元接收來自控制單元的上述控制信號設定值，並對其進行解析及 相關處理，而後將解析和處理後的控制信號設定值向作業單元傳輸。步驟430，作業單元根據經由下傳單元傳輸來的控制信號實施相應的作業任務，並 且也可以將其實際輸出值經由接口傳輸至上傳單元。
步驟440，連接在下傳單元和上傳單元之間的控制信號檢測單元對下傳單元輸出 的控制信號進行採樣，並將採樣得到的控制信號測量值傳輸至上傳單元。該控制信號測量 值通常就是作業單元實際所接受並遵循的控制信號。並且，表徵參量測量單元測量與射頻 電源實際輸出存在對應關係的表徵參量，例如測量刻蝕速率和/或加工工件上的電壓，並 將其傳輸至模擬量輸入卡。步驟450，上傳單元執行這樣的操作其一，接收來自控制信號檢測單元的控制信 號測量值，並對其進行解析及有關處理，而後將解析和處理後的控制信號測量值傳輸至控 制單元；其二，接收來自作業單元的實際輸出值，並對其進行解析和處理後作為實際輸出回 讀值傳輸至控制單元；其三，接收來自所述表徵參量測量單元的表徵參量值，並對其進行相 應處理後作為實際輸出表徵值傳輸至控制單元。步驟460，控制單元根據作業單元的實際輸出值和控制信號設定值判斷系統中是 否存在故障。也就是說，控制單元對控制信號設定值和作業單元輸出並經由上傳單元上傳 來的實際輸出值(即，回讀的實際輸出值，簡稱為實際輸出回讀值)進行比較，若二者相等， 則判定系統無故障，繼續進行常規工藝並轉到步驟410 ；若二者不等，則判定系統存在故 障，並轉到步驟470。步驟470，控制單元繼續判斷故障單元是否存在於設置通路中，如果不是，則判定 故障存在於回讀通路中，並對回讀通路進行故障排查；如果是，則轉到步驟480，以在設置 通路中繼續執行具體位置的判斷。至於具體的判斷方法及過程，類似於前面結合圖2所詳 述的相應內容，在此不再贅述。步驟480，控制單元繼續判斷是設置通路中的哪一個單元存在故障，即，是作業單 元還是下傳單元存在故障。具體判斷方法可以是，控制單元將上述控制信號設定值同來自 上傳單元的控制信號測量值進行比較，若二者相等，則判定下傳單元正常，而作業單元存在 故障，並轉到步驟490 ；若二者不等，則判定下傳單元存在故障，並轉到步驟500。當然，在步驟480中，控制單元110也可以根據控制信號測量值和作業單元的實際 輸出值進行故障具體位置的判斷，具體判斷方法及過程，類似於前面結合圖2所詳述的相 應內容，在此不再贅述。步驟490，發出報警信號，以提示作業單元出現故障。步驟500，發出報警信號，以提示下傳單元出現故障。下面結合圖5對本發明提供的控制方法的第二實施例進行詳細說明。在該實施例 中，本發明所提供的控制方法應用於等離子體處理工藝。其中，作業單元可以為射頻電源， 下傳單元可以為具有數/模轉換功能的AO卡，上傳單元可以為具有模/數轉換功能的AI 卡，控制信號檢測單元為電壓傳感器，控制單元可以為諸如CPU等的處理器。其中，步驟510中，作為控制單元的CPU預置射頻電源的功率設定值(簡稱為設定 功率預置值)，並將這個由數字量所表示的設定功率預置值傳輸至AO卡。在步驟520中，AO卡接收上述設定功率預置值，並對其進行解析和數/模轉換等 處理，以將該設定功率預置值轉換成由模擬量所表示的與功率存在線性對應關係的第一電 壓信號，而後將該第一電壓信號傳輸至射頻電源。在步驟530中，射頻電源根據該第一電壓信號輸出相應的符合工藝要求的射頻功 率，以對工件進行等離子體處理。同時，射頻電源還將與其實際輸出功率值相對應的第二電壓信號經由其接口傳輸至AI卡。在步驟540中，作為控制信號檢測單元的電壓傳感器對AO卡所輸出的第一電壓信 號進行檢測，並將第一電壓信號測量值傳輸至AI卡。表徵參量測量單元測量與射頻電源實 際輸出存在對應關係的表徵參量，例如測量刻蝕速率和/或加工工件上的電壓，並將其傳 輸至AI卡。在步驟550中，AI卡執行這樣的操作其一，從電壓傳感器接收第一電壓信號的測 量值，並對其進行解析和數/模轉換等處理，以將該第一電壓信號轉換成由數字量表示的 與其存在線性對應關係的射頻電源功率設定值的測量值(簡稱為設定功率測量值)，而後 將該設定功率測量值傳輸至CPU ；其二，AI卡還可以接收來自射頻電源的第二電壓信號，並 對其進行解析和模/數轉換等處理，以將該第二電壓信號轉換成由數字量表示的與其存在 線性對應關係的射頻電源輸出功率值的回讀值(簡稱為實際功率回讀值)，而後將其傳輸 至CPU ；其三，接收來自所述表徵參量測量單元的表徵參量值，並對其進行相應處理後作為 實際功率表徵值傳輸至CPU。在步驟560中，CPU將來自AI卡的實際功率回讀值和設定功率預置值進行比較， 若二者相等，則判定系統無故障，該系統繼續進行等離子體處理工藝，並轉到步驟510 ；若 二者不等，則判定系統存在故障，並轉到步驟570，以繼續進行後續判斷。在步驟570中，CPU根據諸如刻蝕速率以及工件上的電壓等的表徵參量來判斷是 否是設置通路出現故障，也就是說，將表徵參量所對應的射頻電源的實際功率表徵值與設 定功率預置值進行比較，若二者相等，則判定設置通路無故障，而回讀通路有故障，並對回 讀通路進行故障排查；若二者不等，則判定設置通路有故障，並轉到步驟580，以在設置通 路中繼續執行具體位置的判斷。至於具體的判斷方法及過程，類似於前面結合圖3所詳述 的相應內容，在此不再贅述。在步驟580中，CPU進一步判斷故障具體位置，即，是AO卡存在故障，還是射頻電 源存在故障。若是前者，則轉到步驟600;若是後者，則轉到步驟590。至於故障具體位置的 判斷方法及過程，類似於前面結合圖3所詳述的相應內容，在此不再贅述。通過上面的各個實施例可以看出，應用本發明提供的具有故障診斷功能的控制系 統和方法，可以實時採樣並上傳針對作業單元的控制信號的測量值，因而在工藝過程中，一 旦系統設置通路出現故障，控制單元就可以根據實時的控制信號測量值立刻判斷出故障所 在位置，以便於及時便捷地進行後續維修和更換，而無需像現有技術那樣，需要在停止生產 工藝的情況下進行故障排查。因此，本發明提供的系統和方法不僅故障排查效率比較高，而 且也不會影響生產工藝，同時還可以降低系統設備維護成本。可以理解的是，儘管前述實施例中僅詳細描述了如何在設置通路中判斷故障具體 位置，但是在實際應用中，對於回讀通路中的故障具體位置，也可以採用類似的方法和系統 進行判斷。換言之，本發明提供的具有故障診斷功能的控制系統和方法可以應用於需要進 行故障位置判定的所有適宜的模擬量控制過程中。還可以理解的是，以上實施方式僅僅是為了說明本發明的原理而採用的示例性實 施方式，然而本發明並不局限於此。對於本領域內的普通技術人員而言，在不脫離本發明的 精神和實質的情況下，可以做出各種變型和改進，這些變型和改進也視為本發明的保護範圍。
權利要求
一種具有故障診斷功能的控制系統，包括控制單元、下傳單元、作業單元和上傳單元，所述控制單元、下傳單元和作業單元構成系統中的設置通路，所述作業單元、上傳單元和控制單元構成系統中的回讀通路，其特徵在於，所述控制系統還包括控制信號檢測單元和表徵參量測量單元，其中所述下傳單元從所述控制單元接收針對所述作業單元的控制信號設定值，並對其進行相應處理後傳輸至作業單元；所述作業單元根據來自所述下傳單元的控制信號進行相應的作業操作，並將其實際輸出值傳輸至所述上傳單元；所述控制信號檢測單元連接在所述下傳單元和上傳單元之間，用以採集下傳單元輸出的所述控制信號，並將採集到的控制信號測量值傳輸至所述上傳單元；所述表徵參量測量單元用以測量與作業單元實際輸出存在對應關係的表徵參量，並將其傳輸至上傳單元；所述上傳單元執行這樣的操作即，接收來自所述控制信號檢測單元的控制信號測量值，並對其進行相應處理後傳輸至控制單元；接收來自所述作業單元的實際輸出值，並對其進行相應處理後作為實際輸出回讀值傳輸至控制單元；接收來自所述表徵參量測量單元的表徵參量值，並對其進行相應處理後作為實際輸出表徵值傳輸至控制單元；所述控制單元執行這樣的操作首先，根據所述控制信號設定值和實際輸出回讀值判斷系統中是否存在故障；其次，當判斷出系統存在故障時，根據所述實際輸出表徵值來判斷故障是否存在於設置通路；再次，當判斷出故障存在於設置通路時，根據所述控制信號測量值來判斷故障所在單元。
2.如權利要求1所述的具有故障診斷功能的控制系統，其特徵在於，所述控制單元這 樣判斷系統中是否存在故障即，將所述控制信號設定值和實際輸出回讀值進行比較，若二 者相等，則判定系統無故障；若二者不等，則判定系統存在故障。
3.如權利要求1所述的具有故障診斷功能的控制系統，其特徵在於，所述控制單元這 樣判斷故障是否存在於設置通路即，將表徵參量測量值同控制信號設定值進行比較，若二 者相等，則判定設置通路無故障，而回讀通路有故障；若二者不等，則判定設置通路有故障； 或者將表徵參量測量值同實際輸出回讀值進行比較，若二者相等，則判定回讀通路無故障， 而設置通路有故障；若二者不等，則判定回讀通路有故障。
4.如權利要求1所述的具有故障診斷功能的控制系統，其特徵在於，所述控制單元這 樣判斷故障所在單元即，將控制信號設定值同控制信號測量值進行比較，若二者相等，則 判定下傳單元正常，而作業單元存在故障；若二者不等，則判定下傳單元存在故障；或者， 將控制信號測量值同實際輸出回讀值/實際輸出表徵值進行比較，若二者相等，則判定作 業單元正常，而下傳單元存在故障；若二者不等，則判定作業單元存在故障。
5.如權利要求1-4中的任意一項所述的具有故障診斷功能的控制系統，其特徵在於， 所述下傳單元包括多級順序連接的下傳子單元，對應於每一級下傳子單元均設置控制信號 檢測單元，用以採集本級下傳子單元輸出的所述控制信號，並將採集到的控制信號測量值 傳輸至所述上傳單元。
6.如權利要求1所述的具有故障診斷功能的控制系統，其特徵在於，所述控制單元為 CPU，所述作業單元包括射頻電源，所述下傳單元包括模擬量輸出卡，所述控制信號檢測單元包括電壓傳感器，所述上傳單元包括模擬量輸入卡，其中CPU設置射頻電源的設定功率預置值，並將由所述設定功率預置值表示的數字量控制 信號傳輸至模擬量輸出卡；所述模擬量輸出卡接收來自CPU的由所述設定功率預置值表示的數字量控制信號，並 將其轉換成由模擬量所表示的與功率存在線性對應關係的第一電壓信號，而後將該第一電 壓信號傳輸至射頻電源； 所述射頻電源根據所述第一電壓信號輸出與之對應的射頻功率，並將與其實際輸出功 率值相對應的第二電壓信號經由其接口傳輸至模擬量輸入卡； 所述電壓傳感器對模擬量輸出卡所輸出的第一電壓信號進行檢測，並將第一電壓信號 測量值傳輸至模擬量輸入卡；所述表徵參量測量單元用以測量與射頻電源實際輸出存在對應關係的表徵參量，並將 其傳輸至模擬量輸入卡；所述模擬量輸入卡執行這樣的操作其一，接收來自射頻電源的第二電壓信號，並將其 轉換成由數字量表示的與其存在線性對應關係的實際功率回讀值，而後傳輸至CPU ；其二， 接收來自電壓傳感器的第一電壓信號測量值，並對將其轉換成由數字量表示的與其存在線 性對應關係的設定功率測量值，而後將其傳輸至CPU ；其三，接收來自所述表徵參量測量單 元的表徵參量值，並對其進行相應處理後作為實際功率表徵值傳輸至CPU ；CPU執行這樣的操作首先，根據所述實際功率回讀值和設定功率預置值判斷系統中 是否存在故障；其次，當判斷出系統存在故障時，根據所述實際功率表徵值來判斷故障是否 存在於設置通路；再次，當判斷出故障存在於設置通路時，根據所述設定功率測量值來判斷 故障所在單元。
7.如權利要求6所述的具有故障診斷功能的控制系統，其特徵在於，CPU這樣判斷系統 中是否存在故障即，將所述實際功率回讀值和設定功率預置值進行比較，若二者相等，則 判定系統無故障；若二者不等，則判定系統存在故障；CPU這樣判斷故障是否存在於設置通路即，將表徵參量所對應的射頻電源的實際功 率表徵值與設定功率預置值進行比較，若二者相等，則判定設置通路無故障，而回讀通路有 故障；若二者不等，則判定設置通路有故障；或者，將表徵參量所對應的射頻電源的實際功 率表徵值與實際功率回讀值進行比較，若二者相等，則判定回讀通路無故障，而設置通路有 故障；若二者不等，則判定回讀通路有故障；以及CPU這樣判斷故障所在單元即，將設定功率測量值與設定功率預置值進行比較，若二 者相等，則判定模擬量輸出卡正常，而射頻電源存在故障；若二者不等，則判定模擬量輸出 卡存在故障；或者，將設定功率測量值與射頻電源的實際功率回讀值或者實際功率表徵值 進行比較，若二者相等，則判定射頻電源正常，而模擬量輸出卡存在故障；若二者不等，則判 定射頻電源存在故障。
8.如權利要求6或7所述的具有故障診斷功能的控制系統，其特徵在於，所述表徵參量 包括刻蝕速率、加工工件上的電壓。
9.一種具有故障診斷功能的控制方法，適用於包含有控制單元、下傳單元、作業單元、 控制信號檢測單元、上傳單元和表徵參量測量單元的控制系統，其中所述控制單元、下傳單 元和作業單元構成系統中的設置通路，所述作業單元、上傳單元和控制單元構成系統中的回讀通路，其特徵在於，所述控制方法包括下述步驟步驟10，控制單元設置針對所述作業單元的控制信號的設定值；步驟20，下傳單元從所述控制單元接收針對所述作業單元的控制信號設定值，並對其進行相應處理後傳輸至作業單元；步驟30，作業單元根據來自所述下傳單元的控制信號進行相應的作業操作，並將其實 際輸出值傳輸至所述上傳單元；步驟40，所述控制信號檢測單元連接在所述下傳單元和上傳單元之間，用以採集下傳 單元輸出的所述控制信號，並將採集到的控制信號測量值傳輸至所述上傳單元；所述表徵 參量測量單元測量與作業單元實際輸出存在對應關係的表徵參量，並將其傳輸至上傳單 元；步驟50，所述上傳單元執行這樣的操作其一，接收來自所述控制信號檢測單元的控 制信號測量值，並對其進行相應處理後傳輸至控制單元；其二，接收來自所述作業單元的實 際輸出值，並對其進行相應處理後作為實際輸出回讀值傳輸至控制單元；其三，接收來自所 述表徵參量測量單元的表徵參量值，並對其進行相應處理後作為實際輸出表徵值傳輸至控 制單元；步驟60，所述控制單元根據所述控制信號設定值和實際輸出回讀值判斷系統中是否存 在故障，如果是，則轉到步驟70 ；如果否，則繼續進行工藝，並轉到步驟10 ；步驟70，所述控制單元根據所述實際輸出表徵值來判斷故障是否存在於設置通路，如 果是，則轉到步驟80 ；如果否，則判定回讀通路存在故障；步驟80，所述控制單元根據所述控制信號測量值來判斷故障所在單元。
10.如權利要求9所述的具有故障診斷功能的控制方法，其特徵在於，所述步驟60中， 所述控制單元這樣判斷系統中是否存在故障即，將所述控制信號設定值和實際輸出回讀 值進行比較，若二者相等，則判定系統無故障；若二者不等，則判定系統存在故障。
11.如權利要求9所述的具有故障診斷功能的控制方法，其特徵在於，所述步驟70中， 所述控制單元這樣判斷故障是否存在於設置通路即，將表徵參量測量值同控制信號設定 值進行比較，若二者相等，則判定設置通路無故障，而回讀通路有故障；若二者不等，則判定 設置通路有故障；或者將表徵參量測量值同實際輸出回讀值進行比較，若二者相等，則判定 回讀通路無故障，而設置通路有故障；若二者不等，則判定回讀通路有故障。
12.如權利要求9所述的具有故障診斷功能的控制方法，其特徵在於，所述步驟80中， 所述控制單元這樣判斷故障所在單元即，將控制信號設定值同控制信號測量值進行比較， 若二者相等，則判定下傳單元正常，而作業單元存在故障；若二者不等，則判定下傳單元存 在故障；或者，將控制信號測量值同實際輸出回讀值/實際輸出表徵值進行比較，若二者相 等，則判定作業單元正常，而下傳單元存在故障；若二者不等，則判定作業單元存在故障。
13.如權利要求9-12中的任意一項所述的具有故障診斷功能的控制方法，其特徵在 於，所述下傳單元包括多級順序連接的下傳子單元，對應於每一級下傳子單元均設置控制 信號檢測單元，用以採集本級下傳子單元輸出的所述控制信號，並將採集到的控制信號測 量值傳輸至所述上傳單元。
14.根據權利要求9所述的具有故障診斷功能的控制方法，其特徵在於，所述控制單元 為CPU，所述作業單元包括射頻電源，所述下傳單元包括模擬量輸出卡，所述控制信號檢測單元包括電壓傳感器，所述上傳單元包括模擬量輸入卡，其中在所述步驟10中，CPU預置射頻電源的功率設定值，並將由所述功率值表示的數字量 控制信號傳輸至模擬量輸出卡；在所述步驟20中，所述模擬量輸出卡接收來自CPU的表示射頻電源功率設定值的數字 量控制信號，並將其轉換成由模擬量所表示的與功率存在線性對應關係的第一電壓信號， 而後將該第一電壓信號傳輸至射頻電源；在所述步驟30中，所述射頻電源根據所述第一電壓信號輸出與之對應的射頻功率，並 將與其實際輸出功率值相對應的第二電壓信號經由其接口傳輸至模擬量輸入卡；在所述步驟40中，所述電壓傳感器對模擬量輸出卡所輸出的第一電壓信號進行檢測， 並將第一電壓信號測量值傳輸至模擬量輸入卡；所述表徵參量測量單元測量與射頻電源實 際輸出存在對應關係的表徵參量，並將其傳輸至模擬量輸入卡；在所述步驟50中，所述模擬量輸入卡執行這樣的操作其一，接收來自射頻電源的第 二電壓信號，並將其轉換成由數字量表示的與其存在線性對應關係的實際功率回讀值，而 後傳輸至CPU ；其二，接收來自電壓傳感器的第一電壓信號測量值，並對將其轉換成由數字 量表示的與其存在線性對應關係的設定功率測量值，而後將其傳輸至CPU ；其三，接收來自 所述表徵參量測量單元的表徵參量值，並對其進行相應處理後作為實際功率表徵值傳輸至 CPU ；在所述步驟60中，CPU根據所述實際功率回讀值和設定功率預置值判斷系統中是否存 在故障，如果是，則轉到步驟70 ；如果否，則繼續進行工藝，並轉到步驟10 ；在所述步驟70中，CPU根據所述實際功率表徵值來判斷故障是否存在於設置通路，如 果是，則轉到步驟80 ；如果否，則判定回讀通路存在故障；在所述步驟80中，CPU根據所述設定功率測量值來判斷故障所在單元。
15.根據權利要求14所述的具有故障診斷功能的控制方法，其特徵在於，在步驟60中， CPU這樣判斷系統中是否存在故障即，將所述實際功率回讀值和設定功率預置值進行比 較，若二者相等，則判定系統無故障；若二者不等，則判定系統存在故障；在步驟70中，CPU這樣判斷故障是否存在於設置通路即，將表徵參量所對應的射頻電 源的實際功率表徵值與設定功率預置值進行比較，若二者相等，則判定設置通路無故障，而 回讀通路有故障；若二者不等，則判定設置通路有故障；或者，將表徵參量所對應的射頻電 源的實際功率表徵值與實際功率回讀值進行比較，若二者相等，則判定回讀通路無故障，而 設置通路有故障；若二者不等，則判定回讀通路有故障；以及在步驟80中，CPU這樣判斷故障所在單元即，將設定功率測量值與設定功率預置值進 行比較，若二者相等，則判定模擬量輸出卡正常，而射頻電源存在故障；若二者不等，則判定 模擬量輸出卡存在故障；或者，將設定功率測量值與射頻電源的實際功率回讀值或者實際 功率表徵值進行比較，若二者相等，則判定射頻電源正常，而模擬量輸出卡存在故障；若二 者不等，則判定射頻電源存在故障。
16.根據權利要求14或15所述的具有故障診斷功能的控制方法，其特徵在於，所述表 徵參量包括刻蝕速率、加工工件上的電壓，相應地，在所述步驟40中，所述表徵參量測量單 元測量刻蝕速率和/或加工工件上的電壓，並將相應測量值傳輸至上傳單元。
全文摘要
本發明公開了一種具有故障診斷功能的控制系統，其中的下傳單元接收並向作業單元傳輸控制信號設定值；作業單元根據控制信號進行作業操作，並將其實際輸出值傳輸至上傳單元；控制信號檢測單元採集下傳單元輸出的控制信號；表徵參量測量單元測量表徵參量；上傳單元接收並向控制單元傳輸控制信號測量值、表徵參量值和作業單元的實際輸出值；控制單元判斷系統中是否存在故障，並根據實際輸出表徵值判斷故障是否存在於設置通路，並根據控制信號測量值來判斷故障所在單元。此外，本發明還公開一種具有故障診斷功能的控制方法。本發明提供的系統和方法能夠快速便捷地在線診斷故障所在位置，而不會影響生產工藝和設備產能，同時還具有維護成本低的特點。
文檔編號H01L21/3065GK101825898SQ20091007903
公開日2010年9月8日 申請日期2009年3月3日 優先權日2009年3月3日
發明者武小娟 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