CN116819946A - 半导体设备的实时控压系统、半导体设备和控制方法 - Google Patents

Abstract

本申请提供一种半导体设备的实时控压系统，包括：压力传感器，用于接收实时气压值和目标气压值的上位机，输入端和输出端分别电连接于上位机的PID模块，自学习控制模块电连接于PID模块并根据目标气压值获得第一控制信号；调节阀与上位机的另一端连接；调节阀包括驱动部件，用于接收上位机发送的第一控制信号以驱动调节阀阀板。本申请的半导体设备的实时控压系统、半导体设备和控制方法，通过在实时控压系统中设置压力传感器、上位机、PID模块、自学习控制模块和调节阀，自学习控制模块根据不同目标压力调整调节阀的开度，提高调节阀的调节效率。

Description

半导体设备的实时控压系统、半导体设备和控制方法

技术领域

本发明涉及一种半导体设备的实时控压系统、半导体设备和控制方法。

背景技术

在半导体加工过程中，常常涉及控制腔体部件108的压力，图1所示现有的半导体设备的实时控压系统，流量控制部件107的进口端通入工艺气体，工艺气体流入腔体部件108，压力传感器109实时测量腔体部件108内的气压。压力传感器109将压力数据传输给PID模块102，控制器101将设定的目标气压值传输给PID模块102，PID模块102对压力传感器109的反馈信号和控制器101设定的目标气压值做模型化收敛处理，PID模块102的输出信号作用于驱动部件106(如步进电机)。驱动部件106带动调节阀阀板105转动，调节阀阀板105的开度大小决定腔体部件108内的压力，真空泵104将调节阀阀板105尾端流出的废弃工艺气体排入后端尾气处理系统。

现有技术是将压力传感器109采集的压力信号直接传输给PID模块102做模型化收敛处理，PID模块102将输出信号直接作用于驱动部件106。压力传感器109传输给PID模块102的信号在传输过程中容易受到干扰，为避免传输过程中受到干扰，对线路及空间电磁场环境要求严格，如此一来，往往会影响到PID模块102的实时处理，而且PID模块102处理使气压值达到目标气压值的时间较长。且如果压力传感器109本体故障导致输出的气压值超出上限或低于下限，出现PID模块102无法正常处理反馈的气压值数据。除此之外，如果PID模块102输出的开度值过大或震荡过大，会导致驱动部件106运动状态异常，对机械结构造成伤害或导致压力值波动变大。

发明内容

本发明的目的是提供一种半导体设备的实时控压系统、半导体设备和控制方法，具有压力调节速度快、稳定性强的优点。

为实现上述目的，本发明提供一种半导体设备的实时控压系统，所述半导体设备包括：

实时控压系统及依次连接的流量控制部件、腔体部件、真空泵，所述实时控压系统分别与所述腔体部件和所述真空泵连接，所述实时控压系统包括：

压力传感器，所述压力传感器连接于所述腔体部件，用于测量所述腔体部件内的气压；

上位机，所述上位机的一端电连接于所述压力传感器以接收实时气压值，所述上位机还用于接收设置的目标气压值；

PID模块，所述PID模块的输入端和输出端分别电连接于所述上位机；

自学习控制模块，所述自学习控制模块电连接于所述PID模块的输入端和输出端，用于根据所述目标气压值获得对应的关于开度值的第一控制信号，并将第一控制信号传输至所述上位机；

调节阀，所述调节阀与所述上位机的另一端连接；所述调节阀包括调节阀阀板和驱动部件，用于接收所述上位机发送的所述第一控制信号以驱动所述调节阀阀板。

较佳地，所述自学习控制模块包括运算模块和与之相连的自学习模块，所述自学习模块用于存储关于开度值的经验数值。

较佳地，所述经验数值包括气压值、开度值、比例P参数、积分I参数，不同的所述气压值分别对应一组开度值、比例P参数和积分I参数。

较佳地，所述运算模块用于生成第一控制信号，具体为所述运算模块接收所述上位机传输的所述目标气压值，根据所述目标气压值调用自学习模块内的经验数值，并对经验数值进行处理以获得目标气压值对应的关于开度值的第一控制信号。

较佳地，所述运算模块还用于给所述PID模块的比例P参数和积分I参数的输入端加增益，然后在所述PID模块的输出端生成第二控制信号，并将第二控制信号传输至所述上位机控制所述调节阀。

较佳地，所述PID模块的微分D参数为零。

较佳地，所述运算模块还用于实时监控所述PID模块的输出端的第二控制信号，判断所述第二控制信号是否超过震荡阈值，如果是，对所述第二控制信号进行补偿后传输至所述上位机；如果否，将第二控制信号传输至所述上位机。

较佳地，所述上位机还包括超限检测模块，所述超限检测模块用于实时检测所述压力传感器传输的所述实时气压值是否超出限制阈值范围，如果是，将所述实时气压值设置为最大气压值；如果否，所述实时气压值不变。

较佳地，所述超限检测模块还用于实时检测所述PID模块传输的关于所述开度值的控制信号是否超出所述调节阀的动作范围；如果是，将所述开度值设置为最大开度值；如果否，所述开度值不变。

较佳地，所述PID模块用于根据实时气压值进行PID控制。

较佳地，所述实时控压系统还包括人机交互端，所述人机交互端用于设定所述目标气压值。

本申请还提供一种半导体设备，包括：

实时控压系统，及依次连接的流量控制部件、腔体部件、真空泵；

所述实时控压系统分别与所述腔体部件和所述真空泵连接。

本申请还提供一种实时控压系统的控制方法，包括：

S1、设定目标气压值；

S2、自学习控制模块获取所述目标气压值，根据所述目标气压值获得对应所述目标气压值的关于开度值的第一控制信号，并将第一控制信号传输至上位机，通过所述第一控制信号控制调节阀；

S3、自学习控制模块的运算模块在所述PID模块的输出端实时监控生成的第二控制信号，判断所述第二控制信号是否超过震荡阈值。

综上所述，与现有技术相比，本发明提供的半导体设备的实时控压系统、半导体设备和控制方法，具有如下有益效果：

1、本申请的半导体设备的实时控压系统、半导体设备和控制方法，通过在实时控压系统中设置自学习控制模块，实现在设置目标气压值完成的调节初始阶段给调节阀一个开度值，让实时气压值可以快速到达目标气压值附近，提高了调节阀的调节效率；

2、另外，运算模块实时监控PID模块的输出端，可以将压力值的偏差补偿回来，将实时压力值稳定在目标气压值；

3、此外，通过上位机设置超限检测模块，避免了调节阀过度调节，起到了保护调节阀的作用；同时也避免了实时气压值出现错误。

附图说明

图1为现有技术的半导体腔室压力控制系统。

图2为本申请的半导体设备及实时控压系统的结构示意图。

图3为本申请的自学习模块内存储的多维数据与调节阀开度值之间的对应关系图。

图4为本申请实时控压系统的控制方法的流程图。

附图标记说明：

控制器101

PID模块102

真空泵104

调节阀阀板105

驱动部件106

流量控制部件107

腔体部件108

压力传感器109

人机交互端200

上位机201

运算模块202

自学习模块203

具体实施方式

以下将结合本发明实施例中的附图2～附图4，对本发明实施例中的技术方案、构造特征、所达成目的及功效予以详细说明。

需要说明的是，附图采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施方式的目的，并非用以限定本发明实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容能涵盖的范围内。

需要说明的是，在本发明中，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明确列出的要素，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。

如图2所示，本实施例提供一种半导体设备以及半导体设备的实时控压系统。半导体设备包括实时控压系统及依次连接的流量控制部件107、腔体部件108、真空泵104；其中实时控压系统分别与腔体部件108和真空泵104连接。可选的，所述腔体部件108为刻蚀腔体、CVD腔体、外延腔体、ALD腔体、快速热处理腔体等。

实时控压系统包括压力传感器109、上位机201、PID模块102、自学习控制模块和调节阀。

流量控制部件107的进口端存在高压气源，高压气源内的高压气体经流量控制部件107流入腔体部件108。腔体部件108上连接有压力传感器109，压力传感器109用于检测腔体部件108内的气压并将检测得到的实时气压值传送至上位机201。压力传感器109为数字式压力传感器，压力传感器109采集到腔体部件108内的压力数据后，将实时压力值转化为数字信号传输给上位机201。相比于模拟信号，数字信号在传输过程中能够降低受到干扰的几率，提高压力信号传输的可靠性。

上位机201的一端电连接于压力传感器109以接收腔体部件108内的实时气压值。实时控压系统还包括人机交互端200，人机交互端200用于设定目标气压值。上位机201还电连接于人机交互端200，在人机交互端200上设置好目标气压值后，上位机201接收设置的目标气压值。

PID模块102的输入端和输出端分别电连接于上位机201，PID模块102用于根据实时气压值通过PID算法调整调节阀的开度值对腔体部件108内的压力进行PID控制。

自学习控制模块电连接于PID模块102的输入端和输出端，用于根据目标气压值获得对应的关于开度值的第一控制信号，并将第一控制信号传输至上位机。自学习控制模块独立于PID模块102工作，PID模块102输出第二控制信号，自学习控制模块输出第一控制信号，第一控制信号和第二控制信号之间无影响。自学习控制模块包括运算模块202和与运算模块202相连的自学习模块203，自学习模块203用于存储关于开度值的经验数值。如图3所示，图3中左侧纵轴表示气压值、P参数、I参数，横轴表示调节阀的开度值，经验数值包括目标气压值(即图中气压值)、开度值、比例P参数(即图中P参数)、积分I参数(即图中I参数)，不同的目标气压值分别对应一组开度值、比例P参数和积分I参数，在实际控制过程中，运算模块202收到目标气压值后，根据所述目标气压值调用自学习模块203内的已经存储在自学习模块203内的经验数值，找该目标气压值对应的开度值、比例P参数和积分I参数，运算模块202对所述目标气压值对应的开度值、比例P参数和积分I参数进行处理，然后获得目标气压值对应的关于开度值的第一控制信号，所述第一控制信号通过运算模块202传送至PID模块102的输出端，最终传送至上位机201，在最初调节腔体部件108内部压力时，上位机201根据第一控制信号调整调节阀的开度。上位机201也接收PID模块102生成的第二控制信号，上位机201根据第一控制信号和第二控制信号来调整调节阀的开度，在调节初始阶段(即操作人员在人机交互端200设置目标气压值完成，上位机201接收到设置的所述目标气压值的第一时间)，上位机201将所述第一控制信号发送至调节阀调整调节阀的开度，此时，由于开度值是根据经验数值获得，因此腔体部件108内的实时气压值接近所述目标气压值，之后，自学习控制模块不再产生第一控制信号，调节阀通过PID模块102产生的所述第二控制信号实现调节，此时上位机201根据第二控制信号不断调整调节阀的开度，直至达到稳定的目标气压值。PID模块102中的微分D参数在实际控制中设置成零或常量，所以不在自学习模块中存储。

通过第一控制信号可以快速给予调节阀一个开度，让腔体部件108内部的气压值快速达到目标气压值附近，提高了压力控制效率。另外，调节阀若仅根据该第一控制信号运动，则会将腔体部件108内的气压值调整至目标压力值附近，因该对应开度值为固定值，无法应对腔体部件108在运行过程中的其他扰动，待腔体部件108内的实时气压值调整至目标压力值附近后，再根据PID模块102生成的第二控制信号对调节阀的开度进行微调，以使得腔体部件108内的压力达到目标压力值并稳定。PID模块102根据比例P参数和积分I参数且基于目标气压值和实时气压值之间的关系计算开度值。

调节阀与上位机201的另一端连接；调节阀包括调节阀阀板105和驱动部件106，驱动部件106用于接收上位机201发送的控制信号以驱动调节阀阀板调节开度。控制信号包括自学习控制模块产生的第一控制信号和PID模块102生成的第二控制信号。运算模块202用于生成第一控制信号，具体为运算模块202接收上位机201传输的目标气压值，根据目标气压值调用自学习模块203内的经验数值，并对经验数值进行处理以获得目标气压值对应的关于开度值的第一控制信号。

运算模块202还用于给PID模块102的比例P参数和积分I参数的输入端加增益，从而提高数值赋值速度，然后在PID模块102的输出端生成第二控制信号，并将第二控制信号传输至上位机201控制调节阀。

在本实施例中，PID模块102中，微分D参数设定为零，避免调节阀在调整过程中，因调整过程的半导体设备工作不稳定导致微分D参数产生的控制作用而导致调节阀调整跳动过大，从而增加控压系统的稳定性。

当腔体部件108内的实时气压值接近目标气压值附近后，此时第一控制信号不再生成，而仅靠第二控制信号控制调节阀。在第一控制信号不输出时，运算模块202还用于实时监控PID模块102的输出端的第二控制信号，运算模块202判断第二控制信号是否超过震荡阈值，如果PID模块102生成的第二控制信号超过震荡阈值，则对第二控制信号进行补偿后传输至上位机201；如果PID模块102生成的第二控制信号未超过震荡阈值，将第二控制信号直接传输至上位机201。一般情况下，PID模块102输出的PID输出公式补偿值(即第二控制信号)为0，然而有时却不为0，甚至很大，此时就需要给所述PID输出公式补偿值(即第二控制信号)一个补偿，最终将压力值的偏差补偿回来，最终将实时压力值稳定在目标气压值。

上位机201还包括超限检测模块，超限检测模块用于实时检测压力传感器109传输的实时气压值是否超出限制阈值范围，如果是，将实时气压值设置为最大气压值，PID模块102根据最大气压值产生第二控制信号；如果否，实时气压值不变。超限检测模块用于判断压力传感器109传回的腔体部件108内部实时气压值的测量结果是否有误，如果压力传感器109测得的实时气压值超出限制阈值范围，则表明压力传感器109测得的实时气压值有误。可选的，将实时气压值设置为最大气压值的同时，超限检测模块产生报警信号，所述报警信号传送至所述人机交互端用于提醒操作人员。

超限检测模块还用于实时检测PID模块102传输的关于开度值的控制信号是否超出调节阀的动作范围；如果是，将开度值设置为最大开度值；如果否，开度值不变。这样的好处是，可以保护调节阀的阀板不会因为开度值超过其动作范围而撞击阀体，起到对调节阀保护的作用。

在本实施例中，总线协议采用Ethercat协议，其刷新周期不高于1ms，其中高性能上位机201作为master主站，其余子系统压力传感器109、PID模块102、驱动部件106分别为独立slave从站。得益于总线系统的高效高速刷新，所有数据均按照实施性处理，增加系统实时判断可靠性。

如图4所示，本申请还提供一种实时控压系统的控制方法，包括：

S1、设定目标气压值；首先操作人员在人机交互端200输入当前腔体部件108的目标气压值，并将目标气压值传输给上位机201。

S2、自学习控制模块获取目标气压值，根据目标气压值获得对应目标气压值的关于开度值的第一控制信号，并将第一控制信号传输至上位机201，通过第一控制信号控制调节阀。在所述调节初始阶段，对腔体部件108内的气压开始调节时，由于腔体部件108内的实时压力值距离设定的目标压力值较远，需要调整调节阀的开度较大，通过自学习模块203内存储的经验数值，根据目标压力值直接获得调节阀开度生成第一控制信号，第一控制信号用于直接驱动调节阀动作，以使得腔体部件108内的压力能够快速达到目标压力值附近。

S3、自学习控制模块的运算模块202在PID模块102的输出端实时监控生成的第二控制信号，判断第二控制信号是否超过震荡阈值。在腔体部件108内的压力值到达目标压力值附近后，此时第一控制信号不再生成，此时第二控制信号对调节阀的开度起控制作用，实现在目标压力值附近对调节阀开度值的微调，以使所述实时气压值慢慢地且稳定地达到所述目标压力值，同时以应对在运行过程中出现的扰动导致腔体部件108内的实时气压值偏离目标气压值。在此过程中，运算模块202对PID模块102的运行过程进行监控。

尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。

Claims (13)

1.一种半导体设备的实时控压系统，所述半导体设备包括实时控压系统及依次连接的流量控制部件、腔体部件、真空泵，所述实时控压系统分别与所述腔体部件和所述真空泵连接，其特征在于，所述实时控压系统包括：

压力传感器，所述压力传感器连接于所述腔体部件，用于测量所述腔体部件内的气压；

上位机，所述上位机的一端电连接于所述压力传感器以接收实时气压值，所述上位机还用于接收设置的目标气压值；

PID模块，所述PID模块的输入端和输出端分别电连接于所述上位机；

自学习控制模块，所述自学习控制模块电连接于所述PID模块的输入端和输出端，用于根据所述目标气压值获得对应的关于开度值的第一控制信号，并将第一控制信号传输至所述上位机；

调节阀，所述调节阀与所述上位机的另一端连接；所述调节阀包括调节阀阀板和驱动部件，驱动部件用于接收所述上位机发送的所述第一控制信号以驱动所述调节阀阀板。

2.如权利要求1所述的实时控压系统，其特征在于，所述自学习控制模块包括运算模块和与之相连的自学习模块，所述自学习模块用于存储关于开度值的经验数值。

3.如权利要求2所述的实时控压系统，其特征在于，所述经验数值包括目标气压值、开度值、比例P参数、积分I参数，不同的所述目标气压值分别对应一组开度值、比例P参数和积分I参数。

4.如权利要求3所述的实时控压系统，其特征在于，所述运算模块用于生成第一控制信号，具体为所述运算模块接收所述上位机传输的所述目标气压值，根据所述目标气压值调用自学习模块内的经验数值，并对经验数值进行处理以获得目标气压值对应的关于开度值的第一控制信号。

5.如权利要求3所述的实时控压系统，其特征在于，所述运算模块还用于给所述PID模块的比例P参数和积分I参数的输入端加增益，然后在所述PID模块的输出端生成第二控制信号，并将第二控制信号传输至所述上位机控制所述调节阀。

6.如权利要求5所述的实时控压系统，其特征在于，所述PID模块的微分D参数为零。

7.如权利要求5所述的实时控压系统，其特征在于，所述运算模块还用于实时监控所述PID模块的输出端的第二控制信号，判断所述第二控制信号是否超过震荡阈值，如果是，对所述第二控制信号进行补偿后传输至所述上位机；如果否，将第二控制信号传输至所述上位机。

8.如权利要求1所述的实时控压系统，其特征在于，所述上位机还包括超限检测模块，所述超限检测模块用于实时检测所述压力传感器传输的所述实时气压值是否超出限制阈值范围，如果是，将所述实时气压值设置为最大气压值；如果否，所述实时气压值不变。

9.如权利要求8所述的实时控压系统，其特征在于，所述超限检测模块还用于实时检测所述PID模块传输的关于所述开度值的控制信号是否超出所述调节阀的动作范围；如果是，将所述开度值设置为最大开度值；如果否，所述开度值不变。

10.如权利要求1所述的实时控压系统，其特征在于，所述PID模块用于根据实时气压值进行PID控制。

11.如权利要求1所述的实时控压系统，其特征在于，所述实时控压系统还包括人机交互端，所述人机交互端用于设定所述目标气压值。

12.一种半导体设备，其特征在于，包括：

如权利要求1-11任一所述的实时控压系统，

及依次连接的流量控制部件、腔体部件、真空泵；

所述实时控压系统分别与所述腔体部件和所述真空泵连接。

13.一种如权利要求1-11任一所述的实时控压系统的控制方法，其特征在于，包括：

S1、设定目标气压值；

S2、自学习控制模块获取所述目标气压值，根据所述目标气压值获得对应所述目标气压值的关于开度值的第一控制信号，并将第一控制信号传输至上位机，通过所述第一控制信号控制调节阀；

S3、自学习控制模块的运算模块在所述PID模块的输出端实时监控生成的第二控制信号，判断所述第二控制信号是否超过震荡阈值。