CN100371839C - 用来获得用于加工操作、优化、监视和控制的数据的方法和设备 - Google Patents

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Abstract

收集用来导出响应模型以及开发并保持加工过程和加工工具所需信息的数据。用于收集该数据的方法和设备包括一个比通常可能使用的方法能较少干扰和较少中断地收集数据的传感器设备(100)。可把该传感器设备装到加工工具中。该传感器设备的一实施例能从该加工工具内测量数据、存储数据和发送数据，该传感器设备具有近实时数据收集和通信能力。

Description

用来获得用于加工操作、优化、监视和控制的数据的方法和设备
技术领域
本发明涉及用来收集用于加工工件，更具体地，加工用在电子部件制造上的工件，的数据的改进方法和设备。
背景技术
用于电子部件的材料的成功加工典型地要求在所有加工工序中优化并精确控制加工环境。这些加工工序中的许多工序是在难以或者不可能测量所希望的加工变量的状况下进行的。在这些不能方便测量重要加工变量(例如，用于集成电路的等离子蚀刻工序期间的半导体晶片温度)的情况下，试图把感兴趣的参数和其它可测量或可控参数相关起来。这些相关的精确性和稳定性(也称为设备响应模型)对于确定任何给定加工工序的加工能力以及部件产量是一个关键因素。
一给定加工工序的准确设备响应模型典型地具有空间分量(取决于处理工具内的位置)和时间分量(取决于处理时间或顺序)。在诸如半导体晶片加工的应用中，趋于更大晶片的业界不仅使要测量的关键加工参数的均值而且使它们的分布和均匀性变得更为重要。该空间变换要求通常需要在加工区域内分布多个传感器，这可能增加过程扰动的可能性并且可能降低响应模型质量。获得和时间相关的过程数据典型地需要就地的和基本实时的仪表和测量。这些测量技术通常具有和加工环境以及工具配置不一致的或要侵入的要求(例如，光进入、电连接等)。
在这些状态下得到或核实设备响应模型可能是困难的、昂贵的和有问题的。引入可能发生扰动的传感器元件以及它们对加工环境的耦合和连接(例如热耦合到等离子释放中)受到很大的阻碍。从而，大多数的侵入性应用只由设备开发商采用，并且在更小的程度上只由过程开发商采用。尽管通过这样的应用会明显地在高产量上获益，但是在这样的环境中几乎从不采用先进仪表和建模。这是因为过程扰动的危险通常超过潜在的好处。
设备响应模型常常对于一些特定过程参数是很敏感的，并且有时以非显而易见的方式。例如，在典型的等离子蚀刻系统中，晶片温度可取决于处理气体混合和晶片背面粗糙度并且取决于一些更明显的参数如夹具温度、射频功率和背面氦压力。在不全面了解所有交互关系下形成的或者在明显不同于实际制造状态的状态下得出的设备响应模型可具有严重错误。这样未必得充分预计最终的最优加工条件以及晶片状态以便生产总的来讲可接受的响应模型；在通常测量响应模型的设计和研制阶段尤其是这样的。
设备响应模型可能对硬件变化，例如半导体晶片加工中所使用的静电夹具上的表面光洁度，非常敏感。试图通过对某部件的各种属性规定严格容限来稳定响应模型通常是高成本的和低效的。重要的硬件属性通常随着时间的流逝历经缓慢改变，并且这些改变可以按设备响应模型中的缓慢增大的不精确性的形式作为偏差反映出来。
很清楚，许多应用需要可以通过它们方便地并且经济地得出和保持空间解析以及时间解析的设备响应模型的可靠且有效的方法和设备。重要应用的一个例子是工件，例如半导体晶片、平板显示器和其它电子部件，的一致加工。另外，需要能够在真实加工状态下运行的未经修改的加工设备上以未扰动方式收集用于响应模型的数据的方法和设备。再而，需要能为制造设施中每件设备产生、检查并且频繁更新响应模型的方法和设备，从而改进操作效率、改进生产率并且减小设备以及整个制造设施的拥有成本。
发明内容
本发明寻求一种可以改进加工工件所使用的工序和加工工具的性能和生产率的方法和设备。本发明的一个方面包括获取用于产生响应模型并且用于监视、控制和优化各工序以及各加工工具的数据的方法。该方法是利用具有信息处理能力的传感器设备实现的。该方法包括把该传感器设备装在加工工具中并且利用该传感器设备测量操作特征的步骤。该方法还包括利用该传感器设备把测到的各个操作特征转换成数字数据。另外，该方法还包括进行把该数字数据存储到该传感器设备中和把该数字数据发送到一个接收器的中的至少一个的步骤。
本发明的另一个方面是一种获取用来监视、控制和优化各工序和各加工工具的数据的设备。该设备包括一个基体和至少一个的由该基体支持的传感器。该基体支持一个具有数据处理能力的信息处理器。该信息处理器和该传感器连接从而可把来自传感器信息提供给该信息处理器，该基体支持一个内部通信器。该内部通信器和该信息处理器连接，从而该信息处理器可向该内部通信器提供信息。该内部通信器能发送从该信息处理器接收的信息，该基体支持一个电源。该电源连接成至少向该信息处理器、该内部通信器和该传感器中的至少一个提供电源。
在该设备的另一实施例中，该内部通信器能够利用无线通信技术向接收器发送信息。供选用地，该内部通信器能够双向通信。
在又一实施例中，该信息处理器具有用来存储测量数据、存储操作数据、存储校准数据以及其它信息的数据存储能力。任选地，该信息处理器还可以具有数学上运算测量数据的能力。
本发明的另一个方面包括一种操作用于获取用来监视、控制和优化各工序和各加工工具的数据的传感器设备的方法。在一示例实施例中，该方法包括一个可由该传感器设备执行的程序。该方法包括初始化该传感器设备以使该传感器设备准备好收集并且处理数据的步骤。该方法还包括使该传感器设备至少完成收集并处理数据、向接收器发送数据、存储数据和执行某操作命令中之一的步骤。在初始化步骤之后，该方法可包括使该传感器设备进入睡眠状态以减小功耗的步骤。
另外，本发明的另一个方面包括一个操作用来加工工件的制造设施的方法。该方法包括提供至少一个的能加工工件的加工工具的步骤。该方法还包括提供能无线地收集加工数据的传感器设备的步骤。该传感器设备至少能够执行如下之一：
1.从该加工工具内无线发送加工数据，以及
2.在该加工工具内存储加工数据。
另外，还能在基本上不中断该加工工具的操作下把该传感器设备装到该加工工具上和从其上取下。该方法还包括利用该传感器设备测量用来操作该加工工具的加工数据的步骤。该方法还包括至少完成利用来自该传感器设备的数据监视该加工工具的性能和响应利用该传感器设备测量的加工数据保持该加工工具的性能中之一的步骤。
应该理解本发明在本申请中不受到下面的说明中所阐述的或在各附图中示出的结构细节以及各部件的布局的限制，本发明能从其它实施方式并且可以在各种方式下实现和进行。另外，应理解本文中使用的措辞和术语是描述性的不应该当成是限制。
从而，业内人士会理解，本发明所基于的概念可以方便地用作为设计其它结构、方法和系统以便实现本发明的各个方面的基础。从而，重要的是要把权利要求书当成其包括着不违背本发明的精神和范围的等同推定。
一旦研究下面的对各具体实施例的详细说明，尤其是在连带着各附图情况下，本发明的上述以及进一步的特征和优点会变得更清楚。
附图说明
图1是在相对于附加的通信设备下示出的本发明的一实施例的方块图。
图2是在相对于附加的信息处理和通信设备下示出的本发明的一实施例的方块图。
图3是本发明的另一实施例的方块图。
图4是本发明的另一实施例的方块图。
图5是本发明的另一实施例的方块图。
图6是本发明的另一实施例的方块图。
图7是本发明的另一实施例的方块图。
图8是示出本发明的一实施例中可能需要屏蔽的多个部件的方块图。
图9是本发明的一实施例的剖面图。
图10是示出用来控制本发明的一实施例的各个步骤的流程图。
具体实施方式
下面主要在加工半导体晶片或平板显示器的环境下讨论本发明和各实施例的操作。但是，应该理解，依据本发明的各实施例可以本质地为其加工状态中可能受到时间和/或空间变化的工件所涉及到的任何加工工序测量加工特征并且生成响应模型。
在对各图的下述说明中，当标记各图中共用的基本相同的元件或步骤时使用相同的参考数字。
现参照图1，其中示出一个传感器设备100的方块图。传感器设备100包括一个基体110，一个传感器但最好是多个传感器150，一个信息处理器200，一个内部通信器300以及一个电源350。传感器组150、信息处理器200、内部通信器300以及电源350由基体110支持。各传感器150和信息处理器200连接以允许各传感器150生成的信号作为输入提供给信息处理器200。信息处理器200和内部通信器300连接以允许把来自信息处理器200的信息和数据传送到内部通信器300。在各优选实施例中，把信息处理器200和内部通信器300连接成允许在信息处理器200和内部通信器300之间进行双向信息传送。
电源350和信息处理器200连接以向信息处理器200供电。电源350和内部通信器350连接以向内部通信器供电。本发明的各实施例可以包括各个需要供电以便运行的传感器；对于这些实施例，电源350和各传感器150连接以向各传感器供电。在一些替代实施例中，这些传感器150不需要电力；从而对于这些实施例不需要和电源350的连接。
内部通信器300是一个能把从信息处理器200接收到的信息和数据发送到接收器的发送器。对于其中把信息处理器200和内部通信器300连接成进行双向信息传送的实施例，最好使内部通信器300除了能接收来自发送器的信息外还能向接收器发送信息。
图1还示出一个选用的布置成接收内部通信器300发送的信息的外部通信器400。外部通信器400是一个能接收由内部通信器300发送的数据和信息的接收器。替代地，对于本发明的具有双向信息传送能力的内部通信器300的各实施例，外部通信器400能向内部通信器300发送信息。
在各优选实施例中，内部通信器300能在无需导线、无需电缆并且无需任何类型的连续物理连接下和外部通信器400进行双向信息传送。换言之，利用无线通信技术无线地传送信息。二种适用的无线通信技术的例子是使用声音的技术以及使用电磁辐射的技术。基本上任何类型的适用于通信应用的电磁辐射适用于本发明的各实施例。适用类型的电磁辐射的例子是微波辐射、射频辐射、紫外辐射、可见光辐射和红外辐射。本发明的一个实施例采用用于无线通信的波长在850nm和900nm之间的脉冲式红外光。
基体110支持各传感器150、信息处理器200、内部通信器300和电源350并且充当它们的载体。基体110最好具有和工件相类似的材料特性。
对于本发明各用于表征半导体各工序的实施例，基体110最好具有类似于半导体晶片工件中包括的材料的材料特性。具体地，基体110可由例如用于硅加工的硅和用于砷化镓加工的砷化镓的半导体材料制成。类似地，为了表征平板显示器加工，基体110可以由玻璃或者其它在用于平板显示器加工的工件中典型使用的材料构成。
替代地，基体110可由与工件使用的材料不同的材料构成。基体110的材料的选择可能受到诸如材料价格、传感器设备100容易使用该材料、寿命和在传感器设备100应用该材料的坚固性的各种因素的影响。最好把基体110使用的材料选择成该材料实质上不污染或不改变加工工具。此外，基体110使用的材料最好能够实质上允许传感器设备100进行正确的测量。换言之，应把材料选择成该材料不会对过程测量造成不可挽回的误差。
除了使基体110在材料上类似于工件外，最好使传感器设备100具有和工件相类似的尺寸。具体地，希望传感器设备100具有和工件相类似的尺寸以便模拟加工工具中的工件的行为。传感器设备100最好具有能利用把工件装到加工工具上的同一个进入口把传感器100装入到该加工工具上的尺寸。这种特性可以可以消除为了装上和卸下传感器设备100而拆下该加工工具的需要。
大量制造操作采用用来把工件装到加工工具上并从其上卸下的机械处理设备。该机械处理设备通常是自动的以便减少装上和卸下工件中所涉及的人工量。机器人是自动处理设备的一个例子，常常在制造操作中利用它装上和卸下工件。例如，频繁地在电子部件的加工中使用机器人来搬运工件。希望传感器设备100的尺寸能够和工件利用同一个机器人以把它装到加工工具上并且从其下卸下从而使得对制造操作的破坏为最小。
供选地，对于本发明的用于半导体加工应用的某些实施例，基体110由一块半导体晶片构成。该半导体晶片设置成模拟实际加工状态，以便对加工环境提供实质上合适的物理轮廓、热质量、其它关键电特性和各关键化学特性。类似地，对于平板显示器应用，基体110可由一个平板显示器基体构成。
另外，基体110可充当支持布线的基础，以便互连各传感器150、信息处理器200、内部通信器300和电源350。可以采用用于对电子部件布线的标准互连技术，例如用于集成电路和印制电路板的技术。最好把各传感器和它们的互连具体设计成是简单和经济的。采用大的特征尺寸可以以允许采用例如丝网印制法或直接光掩蔽法而不是采用价格较高的投影印制法或直接电子束写入技术加工和/或互连各个传感器150。
传感器150可以为任何所要求测量的所需类型。传感器组150中也可包括多种类型的传感器以便能够实质上同时地或者至少在同一数据获取对话期间测量不同类型的过程特征。当然，另一种选择是包括用来测量同一过程参数的类型不同的传感器以用于例如校准和传感器性能比较的目的。
传感器150设计成提供和某个表示加工过程和加工工具的基本、局部过程参数成正比的电信号。对于例如半导体加工和平板显示器加工为重要的过程参数的例子包括温度、蚀刻速率、沉积速率、射频场、等离子势和离子通量。希望具有价格相对低的传感器，因为每个传感器设备100可能要把多个传感器用作为它的一部分。
典型传感器类型的例子包括：电阻器；用于温度测量的依赖温度的传感器(RTD)；用于温度测量的热敏电阻；用于测量等离子势和测量离子通量的规定区域探子；用于测量蚀刻速率的Van der Paw十字器(crosses)；用于测量等离子势的隔离场效应晶体管；以及用于测量离子通量和测量视频场的电流回路。
可以在基体110上按阵列分布组成传感器组150的各个传感器，从而对某特定参数的测量提供地图或分布。本发明的其中传感器组150包括不同类型的传感器的各实施例能够根据对多个过程特征的测量提供过程指纹或过程概要。根据具体应用以及加工过程要求选择传感器的数量和类型。
传感器组150可包括附着在基体110上的各个分立传感器部件。替代地，可以作为基体110的一部分加工各个传感器150。换言之，基体110可被处理成把传感器组150加工成是基体110的一个集成部分。
信息处理器200最好能和各种类型的传感器接口，并且本发明的各优选实施例包括多于一个的传感器，信息处理器200最好和各传感器150接口成能从各传感器接收信息。在其它实施例中，可能需要把信息处理器200和各传感器150接口成信息处理器200可向各传感器150提供信息。本发明的各实施例可包括需要输入信号的传感器。作为一个特殊例子，这些传感器可以包括它们自己的用来处理信息和指令的微处理器。
传感器设备100的一个重要特征是它的带宽。在各优选实施例中，传感器设备100具有足够的可在配置中使用的信号处理带宽以便允许高清晰的空间、高清晰的时间或高清晰空间和高清晰时间监视。高清晰空间以及高清晰时间监视的定义取决于传感器设备100的具体应用。
对于涉及半导体晶片加工的应用，可能传感器设备100上有一个传感器到传感器设备100上有超过50个的传感器。对于直径约为200毫米的半导体晶片的加工过程，高清晰空间监视的一个例子应在传感器100上具有多于约50个的传感器。类似地，半导体晶片加工的时间分辨率的范围可以从每次读数约为1秒到每次读数约小于0.01秒。对于这样的应用，高清晰时间监视可看成是大于每秒约读出一次。在一实施例中，存在50个传感器，每秒一次读出并且每次读出12位；该实施例的足够带宽应约为每秒600位。
除了多个传感器互连能力以及足够的带宽之外，还希望信息处理器200存在其它能力。信息处理器200最好能控制数据的获取。具体地，信息处理器200扫描各传感器150以获得用于空间解析响应模型、时间解析响应模型或者二者的组合的数据。在各优选实施例中，信息处理器200包括提供弹性的可编程获取排序的能力。另外，信息处理器200最好能够对各种传感器类型在时间和空间分辨率之间提供灵活的可编程折衷。这是一个可能有价值的能力，因为不同类型的传感器可能在时间分辨率上具有大于空间分辨率的值或者反之。
取决于要完成的测量的类型，信息处理器200可能需要能够调整从传感器150接收的信号。信号调整的例子包括信号放大和噪声过滤。信号调整技术在技术上是周知的，本文不给出详细讨论。
信息处理器200的另一种优选能力是对来自各传感器150的信号的模数(A/D)转换。典型地，当传感器150向信息处理器200提供模拟信号时，对于信息处理器200这是一种要求的功能。信息处理器200最好能对传感器输入提供可变的模拟增益以及可变的范围选择。
本地数据存储是另一个要由信息处理器200处理的优选能力。具有本地数据存储能力，传感器设备100便能够存储数据，例如用于各传感器的校准数据，传感器验证数据，专用于每个传感器设备的标识信息以及从各传感器导出的测量数据。可选地，本地数据存储能力允许信息处理器200存储从各传感器收集的数据，或者除了基本实时地发送数据外存储来自各传感器的数据。可以保持信息处理器200中存储的数据并且以后下载到其它信息储存库。在传感器设备100上具有数据存储能力的另一个好处是减小带宽要求的可能性。具体地，如果可以存储测量数据并且晚些时候再发送则明显减小的带宽是可接受的；该较小的带宽仅需要更长的传送数据的时间。
信息处理器200的本地数据存储能力还提供其它好处。具体地，由于传感器设备100可以作为一个整体校准，传感器测量的绝对精度不是关键性的；可以作为本地数据存储的一部分保持场地专用的校准以及线性化因子。换言之，可以在传感器100上存储信息供需要时使用。这是特别有好处的，因为传感器设备100能够存储或发送利用储存的校准数据导出的正确数据。
电源是本地、自备电源，用于提供操作传感器设备100所需的电力。电源350最好是足够自含的，从而在收集数据时传感器设备100不需要物理上和外部电源连接。在各优选实施例中，电源350包括储能电源例如电池。另一种预想的电源是电容器。其它用来驱动电子部件的电源适用于本发明的各实施例。
作为具有自备电源的结果，传感器设备100更加能在实质上不受干扰的方式下获取用于响应模型的数据。另外，不必为了和外部电源物理连接而修改加工工具。没有导线和电缆有利地使利用装上和卸下工件的同一机器人装上和卸下传感器设备100变得更加容易。
内部通信器300是一个通信部件。存在大量描述适应于用作为内部通信器300的通信部件的文献。在本发明的一优选实施例中，利用容易得到的红外发射和检测部件完成该通信功能。这些部件和技术广泛应用于短距离通信应用例如器具遥控。
另外，数个现有的通信协议适应于用在本发明的各实施例中，例如，本发明的一实施例中可以采用带有用于差错校验的循环冗余校验(CRC)的修改型ASCII码和自动波特率匹配方法。
本发明的另一实施例包括全都由同一个基体110支持的传感器组150、信息处理器200、内部通信器300和电源350重复组。由于具有更多的传感器，该实施例具有对测量提供更大的空间分辨率的潜在优点。由于具有更多的用于信息处理和数据传输的资源，还存在具有更大的处理信息的带宽的可能性。
现参照图2，其中示出传感器设备100的方块图；传感器设备100基本上和图1所描述的相同(图2中未示出基体110)。另外，图2还示出外部通信器400；图2中示出的外部通信器基本和图1所说明的外部通信器相同。一个外部信息处理器450示成和外部通信器400耦合，从而允许在外部信息处理器450和外部通信器之间传送信息。外部信息处理器450具有类似于计算机的信息处理能力。可选地，外部信息处理器450可以是一个计算机或者其它类似于计算机能处理从外部通信器400接收的信息的部件。外部信息处理器450可以有海量数据存储能力。
外部信息处理器450的一种希望功能是充当用户接口，从而用户可以得到传感器设备100提供的信息。另外，还希望外部信息处理器450允许用户向传感器设备100发送命令和信息：例如，数据收集之前的设置和开始条件信息。
现参照图3，其中示出传感器设备100。除了更详细地示出信息处理器200外，图3中示出的传感器设备100基本上和图1和图2中所示的相同(图3中未示出基体110)。信息处理器200包括微处理器210和存储器220。微处理器210和存储器220连接以允许微处理器210和存储器220之间的信息传送。
微处理器210包括一个中央处理器和其它功能体，用于：收集来自各传感器的数据，处理从传感器接收的数据，把来自传感器的数据存储到存储器220中，把来自传感器的数据发送到内部通信器300，响应通过内部通信器300接收的命令以及总体地控制传感器设备100的操作。存在大量适用于本发明的各实施例的微处理器。微芯片技术公司生产多种适用于本发明的各实施例的微处理器。一些可买到的微处理器能调整信号并能对输入信号进行模数转换。
存在大量用于存储器220的适当类型的电子存储器部件。存储器220可包括随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)或者RAM和ROM的组合。本发明的一实施例包括具有EEPROM的存储器220，例如微芯片技术公司制造的存储器。
参照图4，其中示出传感器设备100。除了示出信息处理器200的替代配置外，图4中示出的传感器设备100基本和图3中所示的相同。具体地，信息处理器200包括一个连接在微处理器210和各传感器150之间的信号调节器230。信号调节器能修改从传感器150接收的信号。可能需要信号修改以便使信号更好地和微处理器210的输入要求相符。诸如噪声过滤的活动也可能需要信号修改。
参照图5，其中示出传感器设备100。除了示出信息处理200的一种替代配置外，图5中示出的传感器设备100基本上和图3中示出的相同。具体地，信息处理器200包括一个在微处理器210和各传感器150之间连接的数据缓冲器240。数据缓冲器240方便各传感器150和微处理器210之间的数据流管理。在涉及到数据采集的应用中常常使用数据缓冲器；本文不给出数据缓冲器操作的细节。
现参照图6，其中示出传感器设备100。除了示出电源350的更详细配置外，图6中示出的传感器设备100基本上和图1中示出的相同(图6中未示出基体110)。具体地，电源350包括电池360和与电池360的输出连接的输出稳压器370。
对于电源350，有可能在没有输出稳压器370的情况下使用电池360。但是，随着电池360的使用，电池360的输出电压下降。电池360的输出电压的下降降低由电池360供电的各个电子部件的运行可靠性。换言之，可得到的稳定运行的时间会不希望地变短。含有输出稳压器370帮助减轻该问题。输出稳压器370可以在来自电池360的大的输入电压范围内提供基本不变的输出电压。输出稳压器有利地允许传感器设备100利用范围更宽的输入电池电压工作。
在本发明的一实施例中，电池360由一个或多个小的可充电的能够提供3.3伏的额定输出电压的锂电池构成。传感器设备100最好能允许在把电池360安装在传感器100中时对电池360充电。用于电池充电的功能可包括多个使传感器设备100和用来对电池360充电的外部电源连接的电接点。另外，用于电池充电的功能可包括无接触充电功能，例如基于磁感应的充电技术。
作为一种对采用充电电池的替代，电池可以是不充电电池。可在需要时舍弃并更换不充电电池。
应理解该对电池说明的充电功能可应用于电池之外的电源。例如，利用类似于用于电池的技术可对电容器充电。
输出稳压器370可以是任何适当类型；市场上可买到适当的稳压器。某些适当稳压器包括充电泵集成电路，例如Burr Brown和Maxim公司制造的充电泵集成电路。
现参照图7，其中示出传感器设备100。图7中示出的传感器设备100基本上和图1中所示的相同(图7中未示出基体110)。还示出设置一个电源充电器380以便能无线地对电源350充电。无线充电能力的优点是可以减小和传感器设备物理接触的可能。在各优越实施例中，传感器设备100既包括无线充电电源350的能力又包括通过物理电连接对电源350充电的能力。
现参照图8，其中示出传感器设备100。图8中示出的传感器设备100基本上和图1中所示的相同(图8中未示出基体110)。对于本发明的各实施例的某些应用，可以需要在标准使用的或者容易买到的电子部件不相符的环境下得到用于响应模型的测量。从而，可能必须屏蔽传感器设备100中包括一部分或全部电子部件，从而这些部件可以在加工环境的条件下运行。图8示出一些可能需要屏蔽的部件的例子。被屏蔽的部件500包括信息处理器200、内部通信器300和电源350。被屏蔽的各部件500需要被保护以免受到诸如过热、离子轰击、电场、磁场、电磁能和腐蚀性化工品的加工条件的损害。换言之，被屏蔽的各部件500需要对加工条件足够隔离，以保护传感器设备100中的各电子部件在收集数据时的操作。理想地，这些电子部件屏蔽成使它们只承受它们的制造商推荐的工作条件。通常可以从部件的制造商得到电子部件的操作规范。换言之，本发明的一优选实施例包括足够的屏蔽以使得当传感器设备所测量的加工条件有损于电子部件的工作时电子部件能运行。
本发明的一些实施例可能需要屏蔽，以便实质上防止加工工具或加工环境会污染传感器设备100。例如，如果传感器设备100包括在测量的加工条件暴露时会退化的材料，需要屏蔽或密封封闭这些材料，从而实质上防止这些退化材料的生成物漏入加工环境。
现参照图9，其中示出传感器设备100的一实施例的剖面图。该用于图9中示出的传感器设备100的图基本上和图8中所示相同，但带有一些修改。图9示出基体510。基体510具有一个腔520。基体510所支持的信息处理器200、内部通信器300和电源350实质上在腔520内，基体盖530和基体510相连从而实质上覆盖腔520。基体盖530最好具有和工件相似的化学、物理及电气特性。供选地，信息处理器200、内部通信器300和电源350部分地或者基本上全部地封在腔520内。另外，图9示出各传感器150位于基体盖530的外侧面上。
屏蔽540部分地或者基本全部地包围信息处理器200、内部通信器300以及电源350。屏蔽540最好位于腔520内。屏蔽540具有实质上对于加工条件，例如过量的热、电场、磁场、电磁能、离子轰击和腐蚀性化工品隔离信息处理器200、内部通信器300以及电源350的特性。
屏蔽540最好包括能够对这些部件提供足够的坚固性和隔离性的材料或结构，以使传感器设备100能在这些加工条件的存在下运行。这些加工条件可能包括过量的电场、磁场、电磁辐射、射频辐射、微波辐射、离子轰击、对于高于100℃的温度的暴露和对于腐蚀性化工品的暴露。理想地，屏蔽这些电子部件使它们只承受制造商的建议之内的工作条件。
补充的或替代的屏蔽540的使用包括防止加工环境令传感器100的可能污染。例如，可能需要屏蔽540实质上防止加工工具或加工室向构成传感器设备100的化学品或材料的暴露，因为这些化学品可能干扰加工工具或加工室的性能或者影响传感器测量的精度。类似地，可能需要屏蔽540实质上防止从传感器设备100释放会影响加工工具或加工室的性能或者影响传感器测量的精度的能量或信号。
本发明的一些实施例可包括利用标准技术获得的用于对一些部件隔离电场、磁场、电磁辐射、射频辐射、微波辐射、高于100℃的温度和腐蚀性化工品的屏蔽540。另外，本发明的各实施例还可包括利用诸如加工微机电系统(MEMS)的技术获得的屏蔽540。
适用的屏蔽技术的例子包括例如采用法拉第笼的技术，例如采用旁路电容器的技术，例如采用感应阻挡的技术，例如包括基于MEMS的微腔成形的技术，例如包括用于物理隔离的聚合物涂覆的技术，以及例如采用用于电磁屏蔽的聚合物/金属/聚合物夹层涂覆的技术。
适用于本发明的各实施例的屏蔽技术的例子可在下述书籍和出版物中找到：Klaassen，E.H.，“Thermal AC to RMS Converter”，StanfordUniversity Ph.D.Thesis，May 1996；Kovacs，G.T.A.，MicromachinedTransducers Sourcebook，pp.586-587，WCB McGraw-Hill，1998，它们都收录为参考文献。
在另一实施例中，基体510和基体盖530形成腔520，从而腔520是密封的，这样实质上能防止处理气体进入腔520。密封腔520的另一个优点是腔520实质上还防止可能从腔520泄漏可能的污染，从而传感器设备100本质上不会污染加工工具或加工室。在一优选实施例中，传感器设备100能实质上保持在腔520内形成的真空状态，即负压。在另一实施例中，传感器100还在腔520内包含屏蔽540。屏蔽540可部分地或者基本全部地包围信息处理器200、内部通信器300和电源350。
如对图1的讨论中提到的那样，该传感器设备最好具有大致和工件相同的尺寸。对于半导体晶片应用，这意味着该传感器设备应具有目前可得到的晶片从约75毫米到约300毫米范围内的直径。当使用更大的晶片(例如直径大于300毫米的晶片)时，该传感器设备需要更大的直径。涉及平板显示器加工的应用会需要基体尺寸约和平板显示器基体的尺寸相等；例如，平板显示器基体可具有约45厘米×约60厘米的尺寸或者更大。当然，其它类型的加工过程和加工设备中使用的工件会具有确定用于这些应用的该传感器设备的尺寸的特征尺寸。
该传感器设备的各个电子部件，例如信息处理器、内部通信和电源，需要一定的面积以便由该基体支持。本文中把该面积量定义成占用面积。应理解，本文中所定义的占用面积不包括各传感器需要的面积。相似地，这些电子部件要包含在由基体形成的腔中会占据一定的体积。本文中把该体积定义为占用体积。
对于本发明的一些实施例，可能使占用面积或占用体积大致等于该传感器设备是恰当的。但是，对于本发明的一些其它实施例，使占用面积和传感器设备面积是相对小的会更合适。和传感器设备的面积相比小的占用面积可以潜在地提高传感器测量的精度。具体地，小占用面积减小把误差引入到测量中的可能性。小占用面积意味着这些电子部件造成该传感器设备的特性中的不连续性的可能较小。换言之，如果这些电子部件只构成传感器设备的一小部分，该传感器设备的行为可能更类似于标准工件。
对于典型的半导体和平板显示器应用，对该传感器设备或材料的占用面积最好不大于该传感器设备的面积的约20％。作为一个计算例子，这意味着对于用来表征加工75毫米直径半导体晶片的加工过程和加工工具的传感器设备，其最好具有不大于约9cm2的占用面积。类似地，对于300mm直径的晶片，占用面积最好不大于约140cm2。
在一些实施例中，使对传感器设备的占用面积不大于约传感器设备面积的1％为更好。在另一些实施例中，使该占用面积不大于约为传感器设备面积的0.3％为更好。
对加工半导体晶片和平板显示器的本发明实施例的应用，除了优选的占用面积特征外还可能具有优选的高度特征。对于这些应用，最好使传感器设备具有约不超过1cm的高度。涉及到加工半导体晶片和平板显示器应用的传感器设备的理想高度为大约和半导体晶片以及平板显示器的高度相等的高度。
本发明的另一个方面是对于传感器设备应用嵌入式软件。具体地，用来操作该传感器设备的软件包含在传感器设备之内；在一实施例中，该软件可包含在信息处理器中。该意味着可以把该软件设置除了能在加工环境之外操作外还能在由该传感器设备表征的加工环境内操作。
该软件的一种实现只利用汇编语言写成的。如业内人士周知那样，可以使用其它编程语言，例如C，C++和BASIC。任选地，可以把该软件分成为几个文件以便更容易读出。该软件可以使用用来完成一些特定动作和命令的若干子例程。
具体的软件命令和结构可以取决于使用该软件的具体硬件配置。在提供该软件一般描述的精神下，下面的说明强调用于本发明的各实施例的新颖特征和关键特征。除非必要本文中不说明明显的和硬件相关的通则。另外，可能不对诸如差错处理、设备初始化、外围驱动程序、信息传送、计时控制以及其它通用型命令执行等的周知支持算法给出细节。
现参照图10，其中示出为了采集传感器数据、处理传感器数据、存储数据和发送数据而操作该传感器设备的一实施例软件程序的流程图。步骤1100表示开始该程序。步骤1100后是初始化程序1150。初始化程序1150可包括初始化存储器，初始化电子部件和外设，读/写容量检查以及数据有效性检查。该初始化步骤的主要目的是为执行命令准备该传感器设备。
睡眠步骤1200跟随着初始化步骤1150。在初始化步骤1150后，该软件把传感器设备置成其中减少传感器设备的功耗的睡眠方式。具体地，停止或者降低不必要的功耗活动从而减小电源的功率消耗。例如，减小微处理器使用的功率。另外，如果合适的话，关掉或减小对传感器的供电。在一些实施例中，作为睡眠步骤1200的一部分，该程序监视进入的命令。尤其在接收到命令之前睡眠步骤1200使传感器设备保持在睡眠方式下。接收到命令后，该程序使传感器设备回到常规方式，从而可以根据需要消耗标准的功率使用。在各优选实施例中，该程序响应向传感器设备无线发送的命令。命令典型地由用户或者外部计算机启动。
一旦接收命令，该程序转到其中执行该命令的处理通信步骤1300。可选地，可以利用能完成所需任务的子例程执行这些命令。用于本发明的各实施例的典型命令例子是收集并处理数据命令，发送数据命令，存储数据命令，执行命令和执行命令组合。
在一些其它实施例中，睡眠步骤1200使传感器设备在预定量的时间中处于睡眠方式。在经过该预定的时间量后，传感器设备回到常规方式。该实施例的一个优点是，当在收集测量的时刻之前等待时或者在二次测量之间等待时，传感器设备可保持为睡眠方式。从而在收集数据时刻之前等待情况下或者在二次测量之间的时间内等待情况下消费的能量较少。
可选地，在完成处理通信步骤1300后该程序可循环回到睡眠步骤1200。换言之，在接收到另一个命令之前或者在预定时间量中，该程序把传感器设备置回成睡眠方式。在一优选实施例中，该程序允许用户为了操作该传感设备选择命令响应睡眠方式和时间响应睡眠方式之中的一个。
本发明的实施例也可以使用不具有睡眠步骤1200的软件程序。但是，存在睡眠步骤可以明显改进该传感器设备的能力。具有睡眠步骤产生的主要优点是改善功耗。睡眠方式大大减少传感器设备的功耗并且延长传感器设备的可使用的总时间。睡眠方式在传感器设备等待命令情况下减少对电源的功率消耗速率。在常规方式下，传感器设备按照执行所需命令的需要使用电源。作为采用睡眠方式的结果，在必须对电源充电或更换前，有更多的电能可用于常规方式下的运行。在一实施例中，睡眠方式可以只需要不超过约30毫瓦；并且不超过10毫瓦更好。
收集和处理数据命令启动传感器扫描顺序以从各传感器收集数据。来自各传感器的数据由信息处理器处理(可能包括模数转换)以得到所需的信息，可能把来自各传感器的信息处理成使数据可被用于各任务中，例如产生响应模型、过程控制、过程特性描述、过程监视、过程研制、过程优化、加工工具研制和加工工具优化中。
信息处理器还可以对从传感器接收的数据进行数学变换。例如，信息处理器可以进行数据整理计算例如测量数据的统计分析。这些数学变换可以使传感器设备提供用户所需最终形式或近最终形式下的数据。例如，不是发送所有测量数据点，而是只发送平均值和标准偏差就足够了。
发送数据命令造成该程序从信息处理器经内部通信器向外部通信器发送数据。一旦数据变成可使用就可发生对来自各传感器数据的传输，从而达到接近实时的数据传输。还可以发送信息处理器中存储的数据。这些存储数据可包括从传感器测量产生的数据。存储的数据还可以包括以下数据：各校准因子，该传感器设备的标识信息，用于数据收集的各参数，用于对测量数据进行数学变换的各参数以及用于存储数据的标识信息。
存储数据命令使该程序在信息处理器中存储数据。从传感器读出并处理的数据可存储在信息处理器里的存储器中。可把数据存储成能在将来被下载。下载可发生在该传感器仍位于加工工具中时或者从该加工工具中取出该传感器设备后。
存储数据命令启动的另一个动作可包括存储从外部通信器无线接收的数据。从外部通信器接收到的可被存储的数据的例子例如包括校准因子，用于数字收集的参数，数据传输指令，数据存储指令和标识信息。
执行操作命令使该程序完成各种类似的可能需要传感器设备的通用操作的命令。可能的操作命令的例子包括运行用于调试和差错校验的子例程，运行校准各传感器的子例程以及运行提供传感器设备的一个或多个部件的状态的子例程。在一优选实施例中，该软件包括一个用于监视电源状态的子例程，从而可以向用户提供电源的剩余能量的读数。
执行命令组合的命令使该程序完成多个命令或命令的组合。例如，可能需要一旦可得到数据立即除了发送测量数据外还存储该测量数据。
很清楚，本发明的各实施例可应用于各种各样的需要为加工工件所使用的加工工序和加工工具的展开、优化、监视和控制采集数据的应用。本发明的各实施例的能力和特性特别适用于加工高价值的工件例如半导体晶片和平板显示器。
本发明各实施例的最主要特点之一是实质上自动操作的能力。本发明的各实施例在数据采集期间不需要用于通信的物理连接也不需要供电所要求的外部物理连接。由于对于操作不需要导线和电缆，实际上不存在因要把导线和电缆连接到传感器设备而干扰测量的可能。
通常无线操作的另一个优点是，本发明的各实施例可以以实质上和工件相同的方式装到加工工具中。这意味着实质上可以在不妨碍的方式下获得数据收集和响应模型。尤其，为了收集数据不需要特别的连接也不需要特别的引线。另外，除了工件可使用的常见方法之外，通常不需要进入加工工具的内部。不必因为必须打开加工室而牺牲加工工具内部的状态。若加工室为真空，则不必破坏该真空。从而，加工工具可以具有更高的生产率而且使用该加工工具的制造设施可以具有更高产量。
本发明的各实施例可以在实质上不对加工工具的工件流造成大干扰的情况下提供获得用于响应模型的数据的能力。本发明的各实施例可以在要比通常用于数据收集的标准技术方便得多的方式下集成到制造设施的操作中。本发明的各实施例可以混入到用于制造操作的例行监视和控制过程。利用本发明的各实施例得到的数据可以包含成各种制造操作中使用的过程控制协议以及统计质量控制协议的一部分。
本发明的实施例包括用于提高用来加工工件的加工工具的生产效率的方法和设备。
本发明的实施例包括用于提高使用用来加工工件的加工工具的制造设施的生产效率的方法和设备。
本发明的实施例包括用来减少拥有用于加工工件的加工工具的成本的方法和设备。
本发明的实施例包括用于开发用来加工工件的新加工工具和新加工过程的方法和设备。
尽管已经说明并示出本发明的各种具体实施例，应清楚在不背离附属权利要求书和其法律等同物中所定义的本发明的真正精神和范围下可以对具体示出和说明的各实施例的细节做出各种改变。

Claims (38)

1.一种用于为用来加工工件的加工工具导出操作特性的方法，该方法由一个包括一个信息处理器和控制它的嵌入可执行命令组的传感器设备实现，该方法包括步骤：
a)把该传感器设备装入到该加工工具中；
b)利用该传感器设备测量该操作特性；
c)利用该传感器设备把测到的操作特性转换成数字数据；
d)至少执行下列之一的步骤：
i.在该传感器设备中存储该数字数据，
ii.在该传感器设备中存储该数字数据并且把该数字数据发送到一接收器。
2.根据权利要求1的方法，还包括步骤：
向该传感器设备无线地发送信息；以及
允许该传感器设备使用或存储向该传感器设备无线发送的信息。
3.一种用于为用来加工工件的加工工具导出操作特性的方法，该方法包括步骤：
a)把一个带有各电子部件的传感器设备装到该加工工具中；
b)利用该传感器设备测量该操作特性；
c)利用该传感器设备把测到的操作特性转换成数字数据；
d)至少进行下列之一的步骤：
i.在该传感器设备中存储该数字数据，
ii.把该数字数据发送到一接收器，以及
iii.在该传感器设备中存储该数字数据并且把该数字数据发送到一接收器，以及
e)在该传感器设备中存储校准数据以在处理来自各传感器的数据中使用。
4.根据权利要求1的方法，还包括利用该传感器设备对测量的操作特性进行数学处理的步骤。
5.一种用于为用来加工工件的加工工具导出操作特性的方法，该方法包括步骤：
a)把一个带有各电子部件的传感器设备装到该加工工具中；
b)利用该传感器设备测量该操作特性；
c)利用该传感器设备把测量的操作特性转换成数字数据；
d)至少进行下列之一的步骤：
i.在该传感器设备中存储该数字数据，
ii.把该数字数据发送到一接收器，以及
iii.在该传感器设备中存储该数字数据并且把该数字数据发送到一接收器，以及
e)对该传感器设备的电子部件提供足够隔离以使这些电子部件能在存在电场、磁场、电磁辐射、射频辐射、微波辐射、大于100℃的温度、腐蚀性化工品以及各种损害电子部件的功能的环境中至少一个的情况下运行。
6.根据权利要求1的方法，其中该传感器设备包括一个电源并且其中根据权利要求1的方法还包括步骤：
当等待时把该传感器设备的电子部件切换到简化操作以便节约电能；以及
在下述中至少一个后把该传感器设备的电子部件切换到常规方式：
a)预定时刻，
b)预定时间量，以及
c)接收命令。
7.根据权利要求1的方法，其中该传感器设备包括一个电源，并且其中还包括无线地对该电源充电的步骤。
8.根据权利要求1的方法，其中步骤a)包括利用一个机器人把该传感器设备装到该加工工具上。
9.根据权利要求8的方法，还包括用该机器人从该加工工具上卸下该传感器设备的步骤。
10.根据权利要求1的方法，其中该传感器设备的尺寸大致和工件的尺寸相同，从而可以利用装载工件的机器人把该传感器设备装到该加工工具中。
11.一种用于为用来加工工件的加工工具获取数据的设备，该设备包括：
一个基体；
至少一个由该基体支持的传感器，传感器能提供信息；
一个由该基体支持的信息处理器，该信息处理器具有用来控制该设备的嵌入式软件，该信息处理器和传感器连接从而接收来自传感器的信息；
一个由该基体支持的内部通信器，该内部通信器和该信息处理器连接从而该信息处理器可以向该内部通信器提供信息，该内部通信器能发送从该信息处理器接收的信息；
一个由该基体支持的电源，该电源连接成向
i.该信息处理器，
ii.该内部通信器，以及
iii.该传感器
中的至少一个提供电能，该信息处理器至少能执行下列之一：
a)存储数字信息，以及
b)存储数字信息并把数字信息发送到该内部通信器。
12.根据权利要求11的设备，其中该至少一个传感器包括多个基本为相同类型的传感器或多个包括不同类型的传感器的传感器。
13.根据权利要求11的设备，其中该内部通信器能无线地向一接收器发送信息。
14.根据权利要求13的设备，其中信息处理器和内部通信器之间的连接允许双向信息传送并且其中该内部通信器能无线地接收数据。
15.根据权利要求11的设备，其中该信息处理器包括一个微处理器和一个存储器，微处理器和存储器被连接成能使信息传送。
16.根据权利要求15的设备，其中该存储器包括随机存取非易失性存储器。
17.根据权利要求11的设备，其中该电源能被无线地充电并且该电源由电池或电容器组成。
18.根据权利要求11的设备，其中该电源由一个电池和一个输出稳压器构成，该稳压器和该电池的输出连接从而提供不变的电压输出用于电源。
19.一种用于为用来加工工件的加工工具获取数据的设备，该设备包括：
一个基体；
至少一个的由该基体支持的传感器，传感器能提供信息；
一个由该基体支持的信息处理器，该信息处理器和传感器连接从而接收来自传感器的信息；
一个由该基体支持的内部通信器，该内部通信器和该信息处理器连接从而该信息处理器可以向该内部通信器提供信息，该内部通信器能发送从该信息处理器接收的信息；
一个由该基体支持的电源，该电源连接成向
i.该信息处理器，
ii.该内部通信器，以及
iii.该传感器
中的至少一个提供电能；该信息处理器至少能执行下列之一：
存储数字信息，以及
存储数字信息并把数字信息发送到该内部通信器；
并且其中该电源能通过磁感应无线地充电。
20.根据权利要求11的设备，其中该基体包括一个用于部分地或全部地容纳下列之一的腔：
i.信息处理器，
ii.电源，以及
iii.内部通信器。
21.根据权利要求11的设备，其中该内部通信器能利用音频向该加工工具的外部发送信息。
22.根据权利要求14的设备，其中该内部通信器能利用来自电磁波谱的能量发送和接收信息。
23.根据权利要求22的设备，其中该能量是红外电磁波能量。
24.一种用于为用来加工工件的加工工具获取数据的设备，该设备包括：
一个基体；
至少一个由该基体支持的传感器，传感器能提供信息；
一个由该基体支持的信息处理器，该信息处理器和传感器连接从而接收来自传感器的信息；
一个由该基体支持的内部通信器，该内部通信器和该信息处理器连接从而该信息处理器可以向该内部通信器提供信息，该内部通信器能发送从该信息处理器接收的信息；
一个由该基体支持的电源，该电源连接成向下列中至少一个提供电能：
i.该信息处理器，
ii.该内部通信器，以及
iii.该传感器；
该信息处理器至少能执行下列之一：
存储数字信息，以及
存储数字信息并把数字信息发送到该内部通信器中；以及
一个部分地或全部地包围信息处理器、电源和内部通信器中至少一个的屏蔽；该屏蔽至少能执行下列之一：
i.使这些电子部件能在有损于这些电子部件的功能的环境情况下运行，以及
ii.防止该加工工具暴露于来自该传感器设备的污染中。
25.根据权利要求20的设备，其中该基体能在该腔内保持真空。
26.根据权利要求20的设备，还包括一个屏蔽，该屏蔽实质上能隔离
i.信息处理器，
ii.电源，以及
iii.内部通信器中的至少一个，从而该传感器设备能在暴露于加工环境的情况下运行。
27.一种操作包含嵌入式软件的传感器设备的方法，该方法包括步骤：
a)初始化该传感器设备；
b)使该传感器设备至少完成下述步骤之一：
i.收集和处理数据，
ii.向一接收器发送数据，
iii.存储数据，以及
iv.执行操作命令。
28.根据权利要求27的方法，还包括在步骤a)和b)之间使该传感器设备进入睡眠方式直至
i.预定时刻，
ii.预定时间量，和
iii.接收命令中至少一个的步骤。
29.根据权利要求28的方法，其中该方法在完成步骤b)后循环回到该进入睡眠方式的步骤。
30.根据权利要求28的方法，还包括把校准数据存储到该传感器设备中的步骤。
31.根据权利要求27的方法，还包括监视该传感器设备的电源的功率电平的步骤。
32.一种操作用来加工工件的制造设施的方法，该方法包括步骤：
a)提供至少一个能加工工件的加工工具，其中该加工工具是该制造设施的一部分；
b)提供一个带有用来控制它的嵌入式软件的传感器设备，其中该传感器设备能从该加工工具内收集和无线地发送或存储数据；
c)利用该传感器设备测量用于该加工工具的加工数据；
d)执行
i.利用来自该传感器设备的数据监视该加工工具的性能，以及
ii.响应来自该传感器设备的数据保持该加工工具的性能中至少一个的步骤。
33.根据权利要求32的方法，其中该工件包括用于平板显示器的基体。
34.根据权利要求11的设备，其中该基体的尺寸及特性事实上和工件的尺寸及特性相同。
35.根据权利要求11的设备，该设备具有范围从大于工件面积的0％到不大于其20％的占用面积。
36.根据权利要求11的设备，其中该电源能通过磁感应无线地充电并且该电源由电池或电容器构成。
37.根据权利要求1的方法，其中该信息处理器包括微处理器。
38.根据权利要求11的设备，其中该信息处理器包括微处理器。
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