一种用于等离子体处理系统中匹配单元的控制器的制作方法

1.本发明一般涉及用于射频匹配网络(单元)的控制系统，该网络用于等离子体处理机和其他射频功率传输应用。


背景技术：

2.等离子体工艺广泛用于制造半导体设备、太阳能电池、平板显示器以及某些医疗设备，而这些只是其中一些应用。最常见的为等离子体工艺供能的方法之一是以rf(射频)方式，将电能输送到包含工艺气体混合物的处理室。一些母体气体原子或分子被电离，从而产生足够数量的自由电子和离子，形成等离子体(也称为物质的第四状态)。等离子体状态下能够产生高活性的离子物种，这些离子物种雨点般落在等离子体室的任何工件上，并改变了工件的表面，以产生预定的结构、特征或表面特性。
3.在典型的射频等离子体工艺中，射频功率通过电极或天线耦合到腔室中的气体混合物，以激发等离子体状态。射频功率通常以13.56mhz传输，从10多千赫兹到100多兆赫兹的频率也很常见。射频发生器通过传输线向处理室输送功率。传输线特性阻抗与发生器输出阻抗匹配，通常为50欧姆，以优化功率耦合。理想情况下，腔室阻抗也应为50欧姆，以避免阻抗不匹配导致功率反射回发生器。不幸的是，等离子体室不可能在所有频率和所有等离子体条件下都具有50欧姆的特性阻抗。因此，使用中间电路来匹配射频发生器、传输线和等离子体室的阻抗。这种阻抗可调的中间电路通常称为射频阻抗匹配网络。
4.射频匹配网络将等离子室的射频阻抗转换为50欧姆，以最大限度地提高发生器的功率输出。换句话说，当在传输线连接的平面上测量时，匹配网络(电路)和等离子体室的组合是50欧姆。典型的射频匹配网络包括输入功率传感器、可变电容器、电感器和控制器电路，该控制器电路上，可以在微处理器或微控制器处对自调谐匹配算法进行编程。匹配网络(电路)拓扑和组成射频匹配网络的可变电容/电感的值/大小，是由等离子体处理室的功率传输需求、工作频率以及阻抗范围所决定的。
5.定向耦合器和相位/磁通检测器是在射频匹配网络应用中常用的输入传感器类型。vi(电压和电流)探头或传感器不太常见。定向耦合器测量匹配输入端的正向和反射功率。而相位/磁通检测器监测匹配网络加腔室的阻抗幅度和阻抗相位。来自输入传感器的数据被馈送到控制器，在控制器中的算法可用于调整可变电容器值，对于定向耦合器而言，这能将反射的射频功率降到最低，而对于相位/磁检测器而言，这能使阻抗幅度和阻抗相位分别达到50欧姆和零度。这适用于较为简单且连续的射频工艺。对于更复杂的半导体制造工艺，其射频功率是脉冲的，射频是动态的，这需要在匹配网络的输入侧和输出侧设置更先进的传感器，例如vi探头。先进的vi探头能监测射频电压和电流(及其谐波)的大小以及射频电压和电流之间的相移。因此，vi探头可以在脉冲期间和存在动态频率调谐的情况下准确测量匹配50欧姆(输入侧)和非50欧姆(输出侧)的复阻抗。
6.具有精确输出传感器的优势是可以在匹配网络中直接测量腔室阻抗。这提供了一个额外的数据点，以实现更快的阻抗匹配。该数据点可以减少对电容预设位置的依赖，其中
电容器需要在匹配点附近，以便在调谐期间不会“丢失”。控制算法是由典型匹配网络中使用的控制器来运行的。控制算法是匹配网络制造商专有的，用户无法配置。这可能会限制匹配网络对新工艺的适应性，而新工艺正是智能制造工艺的关键需求之一(下文有更详细的解释)。因此，将智能匹配网络控制器与精确的输入和输出vi探头结合使用是极其有必要的。
7.随着纳米技术设备尺寸的缩小和/或设备变得更加复杂，用于制造着纳米技术设备的工艺也变得更加复杂。尤其是，半导体集成电路设计已经大众化，许多技术巨头更愿意自己设计设备，以满足自己的特殊需求。然而，由于涉及到巨大的成本和工艺复杂性，半导体制造还没有实现这种大众化。这迫使半导体设备制造商将生产线变得更加智能，以应对需要制造的更多种类的半导体设备。智能传感器，如匹配网络中的输入和输出vi探头，是更智能、更具适应性的制造工艺的关键。
8.通常定义智能制造为具有高度适应性的计算机集成制造，其能够迅速修正制造工艺。智能制造依赖于自动收集和分析数据的智能传感器和智能控制器，并根据智能传感器的数据做出智能决策，以优化生产机器的性能。来源于传感器和机器的数据通常与云端或工厂网络连通，其通过工厂级部署的工业iot(物联网)来传送解决方案。工业物联网技术使数据在工厂中流动，并提供远程监控和管理流程的功能，从而使生产计划能够在必要时得到快速和实时的改变。
9.智能工厂的一个重要考虑因素是智能传感器和机器产生的数据量。边缘分析是一个术语，用于描述在智能传感器上或附近执行的数据收集和数据分析计算，而不是等待数据发送回中央数据库。在工厂网络的边缘，在源位置通过分析算法来运行数据，使公司能够围绕哪些信息值得存储在数据库中以备后用，以及哪些数据可以丢弃来设置参数。在数据生成时对其进行分析也可以减少决策过程中的延迟。例如，如果由本地控制器分析来自匹配网络的输入和输出传感器的数据，那么内置在分析算法中解释网络边缘数据的规则可以自动将可变电容器调整到最佳位置。然后，将缩减的数据集发送到中央位置进行存储。算法规则可以通过工厂网络进行迅速修正，工厂网络的速度要求比实际数据处理速度低。
10.实施智能工厂的一个关键是网络连接的速度、可靠性以及适用性。定义工厂自动化控制系统为“实时系统”。要实现对机器的控制往往需要非常低的延迟。通过网络传递的消息应该具有优先级，如急停指令不应该因大数据备份流而被延迟。实时信息应获得优先级。在传统的以太网网络中，没有优先级协议，所有数据都一视同仁。以太网尽管价格便宜，速度快，但其难以适应控制系统的互连。问题主要在于不能满足实时控制所需的确定性或时间精度。
11.因此，需要一种用于匹配单元的控制器来解决现有技术的缺陷。


技术实现要素：

12.本发明涉及一种用于等离子体处理系统中匹配单元的控制器，该控制器配置为能够从匹配单元接收与系统的射频发生器有关的阻抗数据(该数据从系统的射频发生器侧测量得到)，以及与系统的腔室有关的阻抗数据，并使用算法来处理阻抗数据以确定匹配单元的目标阻抗，使腔室阻抗与发生器的阻抗匹配。还可以通过调整匹配单元的可变电容器的电容来实现目标阻抗，其中该控制器进一步配置为，在与匹配单元进行通信时，其作为匹配
单元的主控制器。而在与等离子体处理系统的主控制器进行通信时，其作为匹配单元的从属控制器。
13.控制器可进一步配置为，其能够基于至少一个网络协议，通过网络与匹配单元和等离子体处理系统通信。
14.可选地，其中针对多步骤等离子体处理的每一步执行阻抗数据的接收和处理以及电容的调整，并且控制器可配置为，其在等离子体处理的每一步骤中接收算法，并将接收到的算法用于等离子体处理的后续步骤。
15.可选地，该控制器可进一步配置为，其能够在执行接收和处理阻抗数据以及调整电容中的任一项时，经由网络接收算法，并存储所接收的算法以供以后使用。
16.控制器可进一步配置为，其在作为匹配单元的从属控制器时，能够从等离子体处理系统的主控制器接收算法，并同时作为匹配单元的主控制器。
17.控制器可进一步配置为，其能够存储在阻抗匹配范围内的高分辨率映射，该映射能够根据来自输出传感器的阻抗数据查找目标阻抗。
18.控制器可进一步配置为，其能够处理与系统的腔室有关的阻抗数据，在高分辨率映射上使用算法查找共轭阻抗，并调整可变电容器的电容以实现共轭阻抗。
19.控制器可进一步配置为，其在调整电容器以实现共轭阻抗后能应用微调步骤，该微调步骤能进一步调整电容器的电容以最大限度地提高功率传输。
20.与系统射频发生器有关的阻抗数据可从匹配单元的输入传感器接收。
21.可选地，输入传感器能够监测射频电压和电流的大小、谐波以及射频电压和电流之间的相移。
22.与系统的腔室有关的阻抗数据可从匹配单元的输出传感器接收。
23.可选地，输入和输出传感器能够监测射频电压和电流的大小、谐波以及射频电压和电流之间的相移。
24.控制器可进一步配置为，其能够经由通信端口与计算机相连接，该通信端口不同于用于与等离子体处理系统通信的接口。
25.可选地，控制器可进一步配置为，其能够通过接口接收算法、存储所接收的算法，并能使用该算法来确定目标阻抗。
26.本发明还涉及一种包括上述控制器的匹配单元。
附图说明
27.本发明将通过以下对其实施例的描述来进一步阐明，这些实例仅通过参考附图的方式给出，其中：
28.图1示出了根据本发明的等离子体处理机的匹配单元(网络)的控制器；以及
29.图2示出了图1的控制器，并展示同时主从的功能。
具体实施方式
30.本发明提供了一种用于控制射频的匹配网络(单元)101的匹配控制器100，以下称为匹配控制器。在一个实施例中，匹配控制器安装在匹配网络外壳内。
31.根据本发明，匹配控制器100依赖于标准化通信协议的使用。已发现ethercat(以
太网控制自动化技术)是合适的。该协议由beckhoff自动化公司开发；该公司是在工业自动化和实时控制系统中使用的plc(可编程逻辑控制器)的主要制造商。ethercat是一项实时的工业以太网技术。ethercat协议适用于工业自动化中的实时应用。ethercat的开发过程中有两个重点：≤100μs的短周期时间(或延迟)和≤1μs的低抖动以实现精确同步。半导体行业已经采用ethercat作为自动化标准，ethercat的设备配置文件和标准现在已经可以用于半导体行业的特定设备，这些特定设备包括射频发生器和匹配网络。
32.在ethercat“主机”上发送的消息能通过ethercat网络上的每个设备或节点。网络上每个ethercat的“从属”设备都能读取发送到自身的数据，并将数据插入消息帧中。最后一个节点能检测到开放的端口，并使用全双工功能将信息发回给ethercat主机。ethercat主机是唯一允许主动发送ethercat帧的节点。所有其他节点(从属)只是在下游转发帧，从而防止不可预测的延迟，以确保实时能力。这给基于ethercat的匹配控制器100带来了复杂性。如果射频输入传感器102、射频输出传感器103和可变电容器104都使用ethercat协议，那么本地的匹配控制器100应该充当这些传感器和电容器的ethercat主设备。然而，等离子体处理机(匹配网络是其一部分)很可能有ethercat主控制器来控制机器上的所有ethercat设备，这些设备包括匹配网络(单元)101。由于ethercat的架构，其不能有两个主机。
33.在从射频传感器102、103读取数据期间，以及使用所述数据来控制可变电容器104或联锁开关期间，根据本发明的匹配控制器100作为ethercat主设备105。而作为ethercat从设备106时，其用与等离子体处理机的ethercat主控制器107进行通信。出于许多原因，最好将匹配控制器100定位在匹配网络(单元)101中/附近，而不是从远处(例如从工厂网络)控制匹配网络(单元)101的功能。
34.在ethercat主设备105下，匹配控制器100在匹配网络外壳内的这种定位使其能够以不依赖于工厂网络的速度运行。当在靠近传感器数据生成位置的工厂网络边缘工作时，可以实现更低的延迟。智能算法可以部署到匹配控制器cpu 108中，并且可以通过ethercat或通过所提供的其他协议来即时更改。智能分析算法可根据来自射频传感器102、103的数据迅速做出关于等离子体阻抗的决定，并相应改变电容器104的位置，以优化匹配性能。匹配控制器100可以在等离子体工艺的步骤期间接收算法，同时从射频传感器102、103读取数据并使用该数据来控制可变电容器。收到的算法可用于同一等离子体工艺的后续步骤或不同的等离子体工艺中。阻抗数据的接收和处理以及电容的调整是在时间尺度为毫秒级上持续发生的。因此，在每个过程步骤中调谐都是一个连续的过程。新的算法可以随时发送/接收，并在现有的步骤中、或用于随后的步骤，以及任何后续的步骤中使用。这个控制系统是可扩展的，其可以根据需要来处理多个传感器和设备，如电容器和联锁开关。
35.图2例示了匹配控制器100，其同时展现出主从功能，这一功能可以实现多级控制架构。如前所述，等离子体处理机具有主控制器，该主控制器可用于控制包括匹配网络(单元)101在内的机器上的所有(从属)设备201。从设备202可以是前面提到的射频传感器102、103、可变电容器104或匹配网络(单元)101的其他从设备。
36.本发明的关键特征是终端用户能够访问和改变匹配控制器100上的算法。在将第一算法用于等离子体工艺步骤的第一步时，匹配控制器100可以接收第二算法，并将其用于等离子体工艺的第二步(或以后)。现有的匹配网络不具备这种能力，只有匹配网络供应商
的工程团队能够改变匹配算法。等离子体工艺开发的一个重要特征是，在该等离子体工艺开发过程中，通过新型射频匹配方案及算法的快速原型制作和测试，可以显著减少等离子体工艺设备制造商的工艺开发时间。
37.在一个实施例中，射频阻抗匹配网络(单元)是集成了可配置、自动调谐、匹配控制器的双频匹配网络。等离子机(或工具)主机通过ethercat网络与匹配控制器进行通信。应当注意，该匹配控制器不限于ethercat连接，并且本领域技术人员清楚的是，只要稍加改动，就可以使用许多其他协议中的任何一种。下表概述了一些合适的替代协议。还应理解的是，各种协议可以混合使用，因为电机(用于电容器104)需要很少的数据，而传感器将需要高带宽。无论选择哪种协议，都可以将匹配控制器100当作等离子工具ethercat主控制器107的ethercat从设备106。
[0038][0039][0040]
双频匹配网络通常用于工业领域，在工业领域，两个无线电频率(来自两个独立的
射频源)会被馈送入两个匹配网络，然后在输出端合并成一条线。对于这种拓扑架构，控制器可以使用两个射频输入传感器102(以测量输入处每个频率的阻抗)和一个射频输出传感器103来测量组合的双频输出阻抗。匹配网络可以具有四个或更多电动调谐电容器104，这些电容器能直接与匹配控制器通信。在一种配置中，匹配控制器100作为ethercat主设备105，其能够与射频输入传感器102和射频输出传感器103(vi传感器)通信，在每个驱动频率下读取包括射频阻抗的射频数据，并使用所述射频数据来计算电容器104的最佳位置。电容器104的位置可使用电机接口协议109进行相应的移动。
[0041]
图1例示了根据本发明的射频匹配控制器设计的实施例。在这个示例性实施例中，匹配控制器100位于匹配网络(单元)101外壳的壁内。该控制器也可以位于匹配网络附近，而不是在外壳内。位于匹配网络(单元)101内部的其他硬件设备包括射频输入传感器102、射频输出传感器103、电动调谐的电容器104、状态指示灯110、直流偏压(vdc)传感器111、温度传感器112和联锁开关113。射频匹配控制器的外壳封装匹配控制器cpu 108及其接口连接器。
[0042]
在优选实施例中，redis 114作为信息枢纽，其是所有应用程序都可以访问的共享存储变量存储器。redis(远程数据服务器)是处于内存中的数据结构存储，其支持不同种类的抽象数据结构，如字符串、列表、映射、集合等。redis是适合这种应用的开源软件。然而，还有许多可替代方案可以使用。
[0043]
ethercat从设备106包括ethercat软件栈。该软件栈提供ethercat协议的应用程序端，并为ethercat的从属控制器(esc)提供服务，帮助更新esc内存状态并响应can over ethercat(coe)和file over ethercat(foe)以及其他ethercat服务请求。ethercat从设备106能将存储在redis中的信息翻译成适合ethercat的格式，并使用从等离子工具ethercat主控制器107传来的所有新设置来更新redis。
[0044]
通过ethercat主设备105来控制本地ethercat网络。它能够初始化射频传感器102、103，并用传感器读数和当前的电机位置(可变电容的设置)来更新redis 114。由计算所得出目标电机位置的任何变化都将通过电机接口协议109触发电机目的地的变化。
[0045]
匹配自动调谐应用程序115将从redis 114中读取传感器和电机的位置信息，并且如果处于自动调谐模式，将根据选定的自动调谐算法来更新目标位置(对应于目标阻抗)。如前所述，此算法可由用户自定义，并可在需要时即时更新。此更新可以通过python开发平台完成。也就是说，ethercat从设备106可以接收python算法116以更新自动调谐算法。这是能够实现快速匹配单元原型制作的有利特征。python是一种解释性的、面向对象的、具有动态语义的高级编程语言。其内置的数据结构使其成为能用于快速应用程序开发且非常具有吸引力的工具。python是一种便捷的脚本语言，通常用于将现有的组件连接在一起。python解释器及其扩展库也可以在所有主流的平台上免费使用，并且可以免费发布。可以用其他的脚本平台来替代python。
[0046]
许多先进的等离子体工艺是由脉冲射频功率驱动的，而脉冲射频功率能提供获得由连续波射频功率驱动的等离子体化学物质的机会。有些过程可以持续一个小时甚至更久，而且有多个连续处理步骤。这些步骤可以连续进行而不需要停顿。每个步骤都经过精心设计，以逐步推进正在处理的装置，直至完成。因此，每个步骤都涉及到一些工艺条件的变化。脉冲功率方案可能很复杂，多级脉冲可提供更好的特性控制。脉冲轮廓的变化可能涉及
脉冲电平数量和/或每个电平持续时间的变化。整个脉冲轮廓的重复频率也可以改变。匹配控制器和匹配网络有望在各个步骤中发挥最佳功能，以确保始终向工艺输送最大功率。对于已经讨论过的脉冲射频功率方案类型，几乎肯定的是，每个工艺步骤中都需要采用不同的匹配调谐算法。
[0047]
随着智能制造的发展，也许无法保证工艺每次都以相同的顺序和步骤进行，而未来将有更多种类的产品在生产线上流动。出于这些原因，对于安装处理工具之前修复匹配单元调谐算法的已知范例，都需要重新评估。向新模式的转变是非常可取的，在这种模式中，处理机器的主控制器可以实时向智能匹配网络发出指令，以控制调谐算法。
[0048]
图1所示的匹配网络体系架构旨在将所有匹配硬件数据公开给工厂ethercat网络。如图所示，匹配控制器可以本地安装在匹配盒中，也可以完全安装在等离子工具主控制器中。控制器的可访问性由网络连接来实现，并允许等离子工具主控制器通过ethercat(foe)或其他协议即时改变调谐算法。如前所述，这涉及匹配控制器通过网络接收算法，同时接收和处理阻抗数据或调整电容。收到的算法可以存储并用于同一等离子体工艺的下一步骤、同一工艺的后续步骤或不同等离子体工艺的任何步骤。这对多步骤工艺来说是至关重要的，在工艺步骤流程中，随着流程步骤从一个步骤过渡到下一个步骤时，调谐算法可以高速、无缝地进行调整。在步骤的顺序可能不时改变的情况下，等离子工具主机可以从算法库中选择，并实时更新匹配控制器。
[0049]
控制器的其他输入包括ethercat地址选择、联锁开关、内部温度传感器和直流电压传感器。控制器的输出包括外部ethercat网络的状态指示灯、运行指示灯和错误指示灯。这些输入与在匹配控制器100的匹配控制器cpu 108上运行的应用程序117接口，并且数据存储在redis存储器中。
[0050]
还可以通过usb和/或rs232 118访问控制器。当匹配控制器不在ethercat网络上时，可以使用电脑端上的用户界面来配置匹配控制器。当控制器(或其中具有控制器的匹配网络/单元)未连接到等离子体处理工具/系统时，这对于离线测试和校准很重要。可以理解为，除了use和rs232，还可以使用其他的接口或端口。
[0051]
典型的(现有技术)自动调谐匹配网络有针对电容器位置的预设配置。这些都将在工艺开发阶段确定。电容器的位置(或数值)将由标准流程的运行来确定，并储存在存储器中。工艺偏移、老化导致的部件退化，以及匹配单元部件功耗导致的热致漂移，都会导致电容器最佳位置发生变化。可以通过微调算法来监控功率传输中的偏移并调整电容器位置以进行补偿。对于本文所述的装置，并不是必须要预设位置的。阻抗匹配范围内的高分辨率地图可存储在redis内存位置。输出传感器(vi探针)能够准确测量过程阻抗。作为粗调步骤，该算法能在映射上找到共轭或相应的阻抗，并指示电容器直接到该阻抗位置。然后应用微调步骤来调整电容器的位置，使输入传感器所报告的功率输出最大化。当工艺阻抗发生变化时，这种方法能够快速调整匹配单元。
[0052]
应注意本文所描述的本发明以下主要特征。
[0053]
·
本地控制器能以独立于工厂主机的速度运行。
[0054]
·
可以运行本地智能算法。
[0055]
·
在网络边缘提供更低的数据延时。
[0056]
·
允许可定制的、可即时更新的控制算法。
[0057]
·
控制器同时进行主从操作。
[0058]
·
控制系统是可扩展的，且允许多个传感器/电容无缝集成。
[0059]
·
可以是基于linux的ethercat主/从站控制系统和方法。
[0060]
还应注意，通常情况下，匹配网络内部的通信，包括传感器和电机在内的各种硬件元件之间的通信是特定的。传感器可以使用spi或uart等本地接口。电机可以用电压水平和/或速度控制，或用ttl信号或使用uart/rs485的本地控制器进行步进控制。标准化工业网络协议意味着电机和传感器等部件可以进行互换，使制造商能将匹配单元垂直集成到其工具中。
[0061]
正如本领域技术人员所清楚的那样，ethercat网络通常具有单个主设备和多个从设备。本发明创建了本地主控制器，当与网络上更高级别的主设备通信时，该主控制器的行为类似于从设备。因此，控制器同时作为主控制器和从属控制器运行。这就实现了图2所示的控制架构，将众所周知的主/从架构扩展为新的主/从-主/从架构。
[0062]
另一个实现匹配单元控制架构的新颖方式是将匹配控制器100模块集成到等离子工具主控制器中，以创建一个完全遥控控制的匹配网络。从而创建第一个无本地控制器的匹配单元。如前所述，其唯一的缺点是速度受到工厂网络速度的限制。随着网络速度和可靠性的提高，特别是随着5g在未来智能工厂的推广，完全远程控制匹配网络将更具吸引力。
[0063]
本发明中提供的装置包括匹配单元控制器，该控制器是在一个或多个射频输入传感器与一个或多个射频输出传感器组合下工作的。该控制器具有ethercat主控制器应用程序，并在匹配单元中作为本地ethercat主机。控制器从输入和输出传感器中收集数据并将数据提供给智能算法。该算法的输出用来设置匹配单元电容器位置。该控制器还具有ethercat从属控制器应用程序，其可用于与等离子体处理机的主控制器进行通信。
[0064]
这里描述的是一种允许用户完全控制匹配单元如何执行的控制器。用户可以购买金属盒，加上现成的可变电容器、电感器、传感器等以及本文所述的匹配单元控制器(和传感器)，就能按照自己的规格轻松定制匹配单元。用户们甚至可以添加智能算法。这可以实现快速原型设计和更快的工艺开发。
[0065]
使用步进电机，可以精确调整可变电容器的电容。
[0066]
本说明书中使用的“包含”一词旨在说明所述特征、整数、步骤或部件的存在，但不排除存在或添加一个或多个其他特征、整数、步骤、部件或前面所述的组合。