CN114334596B - 一种微波等离子体控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明实施例提出一种微波等离子体控制方法，包括均与主控装置通信连接的气路控制装置、真空压力控制装置和水路控制装置；主控装置用于根据目标参数和采集的气路控制装置、真空压力控制装置和水路控制装置的工作数据，向气路控制装置、真空压力控制装置和水路控制装置分别发送对应的控制指令；气路控制装置用于根据控制指令控制气体开关和气体流量控制，并根据其工作状态实时调整气体流量配比；真空压力控制装置用于根据控制指令控制腔内真空状态、样品台位置、墙板位置和腔盖开关；水路控制装置用于根据控制指令控制样品台温度和水流量。其能够保证籽晶表面均匀沉积，并提高生产效率。

Description

一种微波等离子体控制方法

技术领域

本发明涉及微波等离子体技术领域，具体而言，涉及一种微波等离子体控制方法。

背景技术

微波等离子体化学气相沉积装置适合于金刚石生产，通过等离子化的反应气体在托盘的籽晶表面沉积以形成金刚石膜。为实现批量生产，托盘上会按照阵列放置籽晶。如何保证籽晶表面均匀沉积和提高生产效率为目前亟待解决的问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种微波等离子体控制方法，其能够保证籽晶表面均匀沉积，并提高生产效率。

为了实现上述目的，本发明实施例采用的技术方案如下：

本发明实施例提供了一种微波等离子体控制方法，应用于微波等离子体控制系统，所述微波等离子体控制系统包括主控装置、气路控制装置、真空压力控制装置和水路控制装置，所述主控装置与所述气路控制装置、所述真空压力控制装置和所述水路控制装置均通信连接，所述方法包括：

所述主控装置根据目标参数和采集的所述气路控制装置、所述真空压力控制装置和所述水路控制装置的工作数据，向所述气路控制装置、所述真空压力控制装置和所述水路控制装置分别发送对应的控制指令；

所述气路控制装置根据所述控制指令控制气体开关和气体流量控制，并根据其工作状态实时调整气体流量配比；

所述真空压力控制装置根据所述控制指令控制腔内真空状态、样品台位置、墙板位置和腔盖开关；

所述水路控制装置根据所述控制指令控制所述样品台温度和水流量。

进一步地，所述气路控制装置根据所述控制指令控制气体开关和气体流量控制，并根据其工作状态实时调整气体流量配比的步骤包括：

所述气路控制装置判断与所述主控装置之间的通讯连接是否成功；

若失败，则检查通信参数是否异常；

若成功，所述气路控制装置判断所述控制指令为读指令或写指令；

若所述控制指令为读指令，则获取所述气体开关的状态信息和气体反馈值，并向所述主控装置反馈所述气体开关的状态信息和气体反馈值；

若所述控制指令为写指令，则根据所述控制指令控制气体流量配比和所述气体开关的开关。

进一步地，所述微波等离子体控制系统还包括视觉交互装置，所述视觉交互装置与所述主控装置通信连接，所述方法还包括：

所述视觉交互装置实时采集所述腔内的图像信息，并将所述图像信息发送至所述主控装置；

所述主控装置根据所述图像信息进行运算处理获得籽晶生长状态信息。

本发明实施例提供的微波等离子体控制方法的有益效果为：该系统包括主控装置、气路控制装置、真空压力控制装置和水路控制装置，主控装置与气路控制装置、真空压力控制装置和水路控制装置均通信连接；主控装置用于根据目标参数和采集的气路控制装置、真空压力控制装置和水路控制装置的工作数据，向气路控制装置、真空压力控制装置和水路控制装置分别发送对应的控制指令；气路控制装置用于根据控制指令控制气体开关和气体流量控制，并根据其工作状态实时调整气体流量配比；真空压力控制装置用于根据控制指令控制腔内真空状态、样品台位置、墙板位置和腔盖开关；水路控制装置用于根据控制指令控制样品台温度和水流量。主控装置通过气路控制装置、真空压力控制装置和水路控制装置实时调节籽晶生长过程的温度、压力和真空值，通过各个角度进行系统的各指标检测，保证籽晶的生长。

为使本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1示出了本发明实施例提供的一种微波等离子体控制系统的结构示意图；

图2示出了本发明实施例提供的另一种微波等离子体控制系统的结构示意图；

图3示出了本发明实施例提供的一种微波等离子体控制方法的流程示意图；

图4示出了本发明实施例提供的另一种微波等离子体控制方法的流程示意图；

图5示出了本发明实施例提供的又一种微波等离子体控制方法的流程示意图。

附图标号：100-微波等离子体控制系统；110-主控装置；120-气路控制装置；130-真空压力控制装置；140-水路控制装置；150-视觉交互装置；160-人机交互装置；170-IOT交互装置；180-功率控制装置；190-保护装置。

实施方式

下面将结合本发明实施例中附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。同时，在本发明的描述中，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

如图1所示，为本发明实施例所示的微波等离子体控制系统100的结构示意图，该微波等离子体控制系统100包括主控装置110、气路控制装置120、真空压力控制装置130和水路控制装置140，主控装置110与气路控制装置120、真空压力控制装置130和水路控制装置140均通信连接。

主控装置110用于根据目标参数和采集的所述气路控制装置120、真空压力控制装置130和水路控制装置140的工作数据，向气路控制装置120、真空压力控制装置130和水路控制装置140分别发送对应的控制指令；气路控制装置120用于根据控制指令控制气体开关和气体流量控制，并根据其工作状态实时调整气体流量配比；真空压力控制装置130用于根据所述控制指令控制腔内真空状态、样品台位置、墙板位置和腔盖开关；水路控制装置140用于根据控制指令控制样品台温度和水流量。

可见，主控装置110通过气路控制装置120、真空压力控制装置130和水路控制装置140实时调节籽晶生长过程的温度、压力和真空值，通过各个角度进行系统的各指标检测，保证籽晶的生长。

其中，主控装置110用于根据目标参数、气路控制装置120的工作数据、真空压力控制装置130的工作数据和水路控制装置140的工作数据进行阈值设置、开关机、气体流量配比、真空压力配比、温度和流量参数设定、整机互联、水电火安全检测等，并完成监控状态信息量化，并通过TCP/IP协议和远程交互。

主控装置110通过交换机向气路控制装置120、真空压力控制装置130和水路控制装置140下发各个控制指令和流量控制，并根据工作数据实时调节气体流量配比，完成流量数据量化、气体流量监测并提供告警信息。

真空压力控制装置130用于根据控制指令控制腔内真空状态，比如破真空、抽真空、真空状态实时控制；还控制样品台位置，可以对样品台进行上下调整和控制墙板上下调整实现样品台位置控制；还可以通过伺服控制器控制腔盖开启和旋转等动作，实现腔盖开关；并量化各个节点数据通过网络接口上传给主控装置110。

气路控制装置120用于根据控制指令控制五路气体开关和气体流量控制，并根据其工作状态实时调整气体流量配比，完成流量数据量化、气体流量监测并提供告警信息。

水路控制装置140用于通过闭环算法控制样品台温度、采集腔盖8路进出水温度、控制样品台水温和水流量等，并量化各个节点数据通过网络接口上传给主控装置110。

进一步地，主控装置110可以采用工控机，还可以采用嵌入式硬件（如ARM结构的MCU），根据目标参数下发各个工作节点参数给气路控制装置120、真空压力控制装置130和水路控制装置140，并整合气路控制装置120、真空压力控制装置130和水路控制装置140反馈的工作数据，实时调整气路控制装置120、真空压力控制装置130和水路控制装置140的工艺参数。

主控装置110还用于响应用户操作，获得目标参数；或主控装置110还用于根据预先设置的自动工艺流程，获得目标参数。应理解，可手动设置气路控制装置120、真空压力控制装置130和水路控制装置140的各个节点的目标参数。还可以提前预设气路控制装置120、真空压力控制装置130和水路控制装置140的各个节点的自动工艺流程，气路控制装置120、真空压力控制装置130和水路控制装置140在各个节点自动获取目标参数，达到全自动工作状态。其中，气路控制装置120、真空压力控制装置130和水路控制装置140的各个节点包括排空节点、抽真空节点、启辉节点、自动升温节点、晶种刻蚀节点、单晶生长节点、自动降温节点、设备关机节点、晶体清洁节点和腔体清洁节点。

在本实施例中，气路控制装置120还用于判断与主控装置110之间的通讯连接是否成功，若失败，则检查通信参数是否异常；若成功，气路控制装置120还用于判断控制指令为读指令或写指令，若控制指令为读指令，则获取气体开关的状态信息和气体反馈值，并向主控装置110反馈气体开关的状态信息和气体反馈值；若控制指令为写指令，则根据控制指令控制气体流量配比和气体开关的开关。

应理解，气路控制装置120配合主控装置110实时采集各路气体流量控制器的流量大小，控制气体的打开或关闭等。即气路控制装置120的工作数据包括各路气体流量控制器的流量大小，气路控制装置120根据控制指令控制气体开关的打开或关闭以调整气体流量配比。

气路控制装置120在判断其与主控装置110之间的通讯连接是否成功之前，会先判断初始化是否成功，若失败，则检测其状态或电路连接；若成功，则开始建立与主控装置110的通讯连接，并判断与主控装置110之间的通讯连接是否成功，若失败，则检查通信参数是否异常；若成功，则接收控制指令，并进行modbus（串行通信协议）协议解析，判断控制指令为读指令还是写指令，若控制指令为读指令，则获取气体开关的状态信息和气体反馈值，并向主控装置110反馈气体开关的状态信息和气体反馈值；若控制指令为写指令，则根据控制指令控制气体流量配比和气体开关的开关。

在本实施例中，真空压力控制装置130配合主控装置110打开或关闭各个阀控开关、抽真空度，设置和测量压强参数等。

应理解，真空压力控制装置130还用于采集腔内真空值，并将真空值进行模数转换，并向主控装置110反馈转换后的真空值。真空压力控制装置130采用ADC采样方式进行真空值采集，真空压力控制装置130先进行ADC采样参数和通道设定，采集模拟的真空值，进行模拟量数字量的转换，计算真实的腔内真空值。

真空压力控制装置130还用于判断与主控装置110之间的通讯连接是否成功，若失败，则检查通信参数是否异常；若成功，真空压力控制装置130还用于判断控制指令为读指令或写指令，若控制指令为读指令，则获取相序状态，并向主控装置110反馈相序状态；若控制指令为写指令，则根据控制指令控制样品台位置、墙板位置和腔盖开关，并将样品台的状态信息、腔内真空状态信息反馈至主控装置110。

其中，真空压力控制装置130在判断其与主控装置110之间的通讯连接是否成功之前，会先判断初始化是否成功，若失败，则检测其状态或电路连接；若成功，则开始建立与主控装置110的通讯连接，并判断与主控装置110之间的通讯连接是否成功，若失败，则检查通信参数是否异常；若成功，则接收控制指令，并进行modbus协议解析，判断控制指令为读指令还是写指令，若控制指令为读指令，则获取相序状态，判断相序状态，若相序状态正常，则向主控装置110反馈相序状态正常，若相序状态异常，则检测参数配置以及电路状态，并向主控装置110反馈参数配置信息和电路状态。

若控制指令为写指令，则根据控制指令控制样品台位置、墙板位置和腔盖开关，并将样品台的状态信息、腔内真空状态信息反馈至主控装置110。应理解，真空压力控制装置130还用于根据控制指令设定腔板样品台伺服位置、控制腔板样品台伺服启动以及腔板样品台伺服复位及机械泵开关阀控制，并实时检测伺服是否启动、腔板样品台准备状态、腔板样品台当前设定值、阀门状态、腔内压强值和阀门开度值，并将腔板样品台准备状态、腔板样品台当前设定值、阀门状态、腔内压强值和阀门开度值反馈至主控装置110。

在本实施例中，水路控制装置140包括主路控制模块和腔盖控制模块，主路控制模块负责主机内部各水路的水温度和水流量参数采集，以及样品台水流量大小的设定。腔盖控制模块负责腔盖上各路水温度和水流量参数采集。

应理解，水路控制装置140用于判断与主控装置110之间的通讯连接是否成功，若失败，则检查通信参数是否异常；若成功，水路控制装置140还用于判断控制指令为读指令或写指令，若控制指令为读指令，则获取水流量信息和温度信息，并将水流量信息和温度信息反馈至主控装置110；若控制指令为写指令，则根据控制指令控制样品台温度和水流量。

其中，温度和水流量的采集原理为：水路控制装置140采用ADC采样方式进行温度和水流量采集，水路控制装置140先进行ADC采样参数和通道设定，采集模拟的温度和水流量，进行模拟量数字量的转换，计算真实的温度和水流量，将温度和水流量反馈至主控装置110。

水路控制装置140在判断其与主控装置110之间的通讯连接是否成功之前，会先判断初始化是否成功，若失败，则检测其状态或电路连接；若成功，则开始建立与主控装置110的通讯连接，并判断与主控装置110之间的通讯连接是否成功，若失败，则检查通信参数是否异常；若成功，则接收控制指令，并进行modbus协议解析，判断控制指令为读指令还是写指令，若控制指令为读指令，则获取水流量信息和温度信息，并将水流量信息和温度信息反馈至主控装置110。

若控制指令为写指令，则根据控制指令控制样品台温度和水流量。即根据控制指令获得水流量和温度的设定值，根据设定值调节样品台温度和水流量。

如图2所示，微波等离子体控制系统100还包括视觉交互装置150，视觉交互装置150与主控装置110通信连接；视觉交互装置150用于实时采集腔内的图像信息，并将图像信息发送至主控装置110；主控装置110还用于根据图像信息进行运算处理获得籽晶生长状态信息。其中，籽晶生长状态信息包括等离子体位置、状态和相对偏移等。

应理解，视觉交互装置150包括设置在三个不同方向的高清摄像设备，通过三个不同方向的高清摄像设备可以更加全面和精准的实时监测籽晶的生长温度和生长状态。且采用摄像设备获取腔体内图像信息，并进行显示观察 ，可以避免看人眼直接观察腔内强光对眼睛的伤害。

请继续参照图2，微波等离子体控制系统100还包括人机交互装置160、IOT（物联网）交互装置、功率控制装置和保护装置190，主控装置110与人机交互装置160、IOT交互装置170、功率控制装置180和保护装置190均通信连接。

人机交互装置160为用户交互界面，用户可以通过人机交互装置160的触摸显示器直观的观察设备运行状态和设置目标参数等。人机交互装置160还可以为用户提供手工设置流程功能和自动设置流程功能。

当用户选择手工设置流程功能时，需用户确认冷却水功能是否正常，若正常，则对腔体进行清洗；清洗完成后，人工擦净腔体；擦净后，放置合乎标准的目标物并关闭腔门；放置后，进行抽真空操作，直至腔内真空值达到e-3Torr；真空值达到要求后，以400SCCM的量通断氢气几次，之后设置为800SCCM保持5分钟，最后设定后400SCCM；清洗完成后，进行刻蚀流程，刻蚀过程中，功率初始设置为500W，压强初始设置为7Torr，直至温度到达700度；在温度到达700度过程中，将反射功率调整为0，并根据等离子球形状调节腔板与样品台位置，确保腔体上部石英无等离子，直至温度到达700度；温度到达700度后，腔体刻蚀过程中，氢气设置为200SCCM，通氧气并将氧气量设置为5，且设置刻蚀时间为1小时，刻蚀完成后，关闭氧气；温度到达700度后，籽晶刻蚀过程中，氢气设置为200SCCM，通氧气并将氧气量设置为4，且设置刻蚀时间为1小时，刻蚀完成后，关闭氧气。在籽晶生长过程中，根据目标物及生长目标，设定合适的氢气、甲烷和温度。

在清洗过程中，对氢气量的设置和通断时间设置，可以提高清洗效率，还可以保证清洗质量。在刻蚀过程中，对功率、压强、温度、氢气和氧气的设置，可以保证刻蚀稳定性和准确性。

当用户选择自动设置流程功能，用户可以从预先设置的抽取真空流程、启辉流程、升温流程、晶种刻蚀流程、单晶生长流程、降温流程、设备关机流程、晶体清洁流程、腔体清洁流程和排空流程中进行自动工艺灵活选择配置，也可以任意组合以上工艺流程达到全自动工作状态，以满足不同用户工艺需求。

IOT交互装置170可将微波等离子体控制系统100快速的接入物联网，方便以后实时采集和监控。

通过主控装置110设置功率控制装置180的各个参数，使得功率控制装置180为整个系统提供大功率射频能量，提供籽晶生长的高温环境。各个参数包括电源开关参数、射频开关参数和功率输出参数等。功率控制装置180还用于向主控装置110实时上报工作电压、工作电流、工作温度、输出功率、反射功率、进出水流量和进出水温度等工作状态。

保护装置190用于实现样品台温度、进出水温度、工作电压、工作电流、腔体压力和打火等离子体工作状态检测与保护功能，保证功率源的可靠运行。

下面在图1和图2示出的微波等离子体控制系统100的基础上，本申请实施例提供一种微波等离子体控制方法，请参见图3，图3为本申请实施例提供的一种微波等离子体控制方法的流程示意图，该微波等离子体控制方法可以包括以下步骤：

S101，主控装置根据目标参数和采集的气路控制装置、真空压力控制装置和水路控制装置的工作数据，向气路控制装置、真空压力控制装置和水路控制装置分别发送对应的控制指令。

S102，气路控制装置根据控制指令控制气体开关和气体流量控制，并根据其工作状态实时调整气体流量配比。

S103，真空压力控制装置根据控制指令控制腔内真空状态、样品台位置、墙板位置和腔盖开关。

S104，水路控制装置根据控制指令控制样品台温度和水流量。

应理解，步骤S101-S104的具体实施内容，可以参照上述主控装置110、气路控制装置120、真空压力控制装置130和水路控制装置140的实施内容。

进一步地，如图4所示，微波等离子体控制方法还包括步骤：

S105，视觉交互装置实时采集腔内的图像信息，并将图像信息发送至主控装置。

S106，主控装置根据图像信息进行运算处理获得籽晶生长状态信息。

应理解，步骤S105-S106的具体实施内容，可以参照上述主控装置110和视觉交互装置150的实施内容。

进一步地，如图5所示，上述步骤S102还包括以下子步骤：

S102a，气路控制装置判断与主控装置之间的通讯连接是否成功。

S102b，若失败，则检查通信参数是否异常。

S102c，若成功，气路控制装置判断控制指令为读指令或写指令。

S102d，若控制指令为读指令，则获取气体开关的状态信息和气体反馈值，并向主控装置反馈气体开关的状态信息和气体反馈值。

S102e，若控制指令为写指令，则根据控制指令控制气体流量配比和气体开关的开关。

综上所述，本发明实施例提供了一种微波等离子体控制系统和方法，该系统包括主控装置、气路控制装置、真空压力控制装置和水路控制装置，主控装置与气路控制装置、真空压力控制装置和水路控制装置均通信连接；主控装置用于根据目标参数和采集的气路控制装置、真空压力控制装置和水路控制装置的工作数据，向气路控制装置、真空压力控制装置和水路控制装置分别发送对应的控制指令；气路控制装置用于根据控制指令控制气体开关和气体流量控制，并根据其工作状态实时调整气体流量配比；真空压力控制装置用于根据控制指令控制腔内真空状态、样品台位置、墙板位置和腔盖开关；水路控制装置用于根据控制指令控制样品台温度和水流量。主控装置通过气路控制装置、真空压力控制装置和水路控制装置实时调节籽晶生长过程的温度、压力和真空值，通过各个角度进行系统的各指标检测，保证籽晶的生长。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

Claims (3)

1.一种微波等离子体控制方法，其特征在于，应用于微波等离子体控制系统，所述微波等离子体控制系统包括主控装置、气路控制装置、真空压力控制装置和水路控制装置，所述主控装置与所述气路控制装置、所述真空压力控制装置和所述水路控制装置均通信连接，所述方法包括：

所述主控装置根据目标参数和采集的所述气路控制装置、所述真空压力控制装置和所述水路控制装置的工作数据，向所述气路控制装置、所述真空压力控制装置和所述水路控制装置分别发送对应的控制指令；

所述气路控制装置根据所述控制指令控制气体开关和气体流量控制，并根据其工作状态实时调整气体流量配比；

所述真空压力控制装置根据所述控制指令控制腔内真空状态、样品台位置、墙板位置和腔盖开关；

所述水路控制装置根据所述控制指令控制所述样品台温度和水流量；

在清洗过程中，以400SCCM的量通断氢气设定次数，之后将氢气设置为800SCCM保持5分钟，最后将氢气设定为400SCCM。

2.如权利要求1所述的微波等离子体控制方法，其特征在于，所述气路控制装置根据所述控制指令控制气体开关和气体流量控制，并根据其工作状态实时调整气体流量配比的步骤包括：

所述气路控制装置判断与所述主控装置之间的通讯连接是否成功；

若失败，则检查通信参数是否异常；

若成功，所述气路控制装置判断所述控制指令为读指令或写指令；

若所述控制指令为读指令，则获取所述气体开关的状态信息和气体反馈值，并向所述主控装置反馈所述气体开关的状态信息和气体反馈值；

若所述控制指令为写指令，则根据所述控制指令控制气体流量配比和所述气体开关的开关。

3.如权利要求1所述的微波等离子体控制方法，其特征在于，所述微波等离子体控制系统还包括视觉交互装置，所述视觉交互装置与所述主控装置通信连接，所述方法还包括：

所述视觉交互装置实时采集所述腔内的图像信息，并将所述图像信息发送至所述主控装置；

所述主控装置根据所述图像信息进行运算处理获得籽晶生长状态信息。