具有故障诊断功能的控制系统和方法

专利名称：具有故障诊断功能的控制系统和方法
技术领域：
本发明涉及控制技术领域，具体而言，涉及一种具有故障诊断功能的控制系统及 方法。
背景技术：
随着电子技术的高速发展，人们对集成电路的集成度要求越来越高，这就要求生 产集成电路的企业不断地提高半导体器件的加工能力。目前，在半导体器件的加工、制造过 程中广泛采用等离子体刻蚀技术。所谓等离子体刻蚀技术指的是，反应气体在射频功率的 激发下产生电离形成含有大量电子、离子、激发态的原子、分子和自由基等活性粒子的等离 子体，这些活性粒子与被刻蚀物体(例如，晶片)的表面发生各种物理和化学反应并形成挥 发性的生成物，从而使得被刻蚀物体表面的性能发生变化。在实际工艺中，需要借助于等离子体刻蚀设备实施上述等离子体刻蚀技术。等离 子体刻蚀设备通常由若干部件组成，其中的电气系统负责完成对这些部件的控制，并且对 于不同的部件，控制方式也不同，例如，有的用串口，有的用并口。在并口的应用中，对于每 一个部件，通常会涉及到数字量控制和模拟量控制。所谓数字量控制包括启动信号、停止信 号、阀开/阀关等信号，这些信号往往由开关量来控制；所谓模拟量控制是指对连续变化的 物理量所采取的控制，例如，对射频电源输出功率进行的控制便是模拟量控制。在等离子体刻蚀设备中，射频电源用于向下电极输出给定功率的信号，以便在工 艺腔室内产生等离子体。然而，不同的工艺往往要求不同的射频电源输出功率，因而，这就 需要对射频电源进行设置，以使其能够输出符合工艺要求的功率。此外，还可设置回读通 路，以返回射频电源的实际输出功率，供CUP和/或操作者了解实际工艺状况。图1就示出 了这样一种包含上述设置通路和回读通路的射频电源控制系统。如图1所示，该控制系统包括CPU、A0卡(模拟量输出卡)、AI卡(模拟量输入卡) 和射频电源。其中，CPU、AO卡和射频电源构成设置通路，S卩，由AO卡接收来自CPU的功率 设定值，并对其进行解析、数/模转换等处理，而后再传输至射频电源，以便射频电源根据 该设置信号输出符合工艺要求的功率。同时，CPU、AI卡和射频电源构成回读通路，即，由AI 卡接收来自射频电源的实际输出功率值，并对其进行解析、模/数转换等处理，而后再传输 至CPU，以便CPU和/或操作者了解射频电源的实际输出功率值。其中，图中的A点表示CPU向AO卡输出的射频电源功率设定值(以下将其称为 RFSetpoint)。该功率设定值通过AO卡解析、转换处理后，转换成电压信号(此电压信号和 射频电源功率值存在线性对应关系)，而后发送给射频电源；射频电源根据该电压信号输 出相应的功率，同时经由射频电源的接口向AI卡发出与其实际输出功率相对应的电压信 号(此电压信号和射频电源输出功率之间存在前述的线性对应关系)，该电压信号通过AI 卡解析、转换处理后，转换成功率信号，如图中B点所示(以下将其称为RFPower)，该功率回 读值上传至CPU。这样，便实现了射频电源输出功率的设置和回读。在实际应用中，当设置通路出现故障时，即，回读的射频电源实际输出功率RFPower和射频电源的设定功率RFSetpoint不一致时，为了确保工艺结果，就需要进一步 判断故障所在的具体位置，也就是说，需要判断是设置通路中的AO卡出现故障，还是射频 电源本身出现故障。这种情况下，往往需要停止工艺进程以进行停机排查。但是，停机排查 将会降低生产效率，并使维护成本较高。

发明内容
为解决上述技术问题，本发明提供了一种具有故障诊断功能的控制系统和方法， 其能够快速便捷地在线诊断故障所在位置，而不会影响生产工艺和设备产能，同时还具有 维护成本低的特点。为此，本发明提供了一种具有故障诊断功能的控制系统，包括控制单元、下传单 元、作业单元和上传单元，所述控制单元、下传单元和作业单元构成系统中的设置通路，所 述作业单元、上传单元和控制单元构成系统中的回读通路。所述控制系统还包括控制信号 检测单元和表征参量测量单元，其中，所述下传单元从所述控制单元接收针对所述作业单 元的控制信号设定值，并对其进行相应处理后传输至作业单元；所述作业单元根据来自所 述下传单元的控制信号进行相应的作业操作，并将其实际输出值传输至所述上传单元；所 述控制信号检测单元连接在所述下传单元和上传单元之间，用以采集下传单元输出的所述 控制信号，并将采集到的控制信号测量值传输至所述上传单元；所述表征参量测量单元用 以测量与作业单元实际输出存在对应关系的表征参量，并将其传输至上传单元；所述上传 单元执行这样的操作即，接收来自所述控制信号检测单元的控制信号测量值，并对其进行 相应处理后传输至控制单元；接收来自所述作业单元的实际输出值，并对其进行相应处理 后作为实际输出回读值传输至控制单元；接收来自所述表征参量测量单元的表征参量值， 并对其进行相应处理后作为实际输出表征值传输至控制单元；所述控制单元执行这样的操 作首先，根据所述控制信号设定值和实际输出回读值判断系统中是否存在故障；其次，当 判断出系统存在故障时，根据所述实际输出表征值来判断故障是否存在于设置通路；再次， 当判断出故障存在于设置通路时，根据所述控制信号测量值来判断故障所在单元。其中，所述控制单元为CPU，所述作业单元包括射频电源，所述下传单元包括模拟 量输出卡，所述控制信号检测单元包括电压传感器，所述上传单元包括模拟量输入卡。其 中的CPU预置射频电源的功率设定值，并将由所述功率值表示的数字量控制信号传输至模 拟量输出卡；所述模拟量输出卡接收来自CPU的表示射频电源功率设定值的数字量控制信 号，并将其转换成由模拟量所表示的与功率存在线性对应关系的第一电压信号，而后将该 第一电压信号传输至射频电源；所述射频电源根据所述第一电压信号输出与之对应的射频 功率，并将与其实际输出功率值相对应的第二电压信号经由其接口传输至模拟量输入卡； 所述电压传感器对模拟量输出卡所输出的第一电压信号进行检测，并将第一电压信号测量 值传输至模拟量输入卡；所述表征参量测量单元用以测量与射频电源实际输出存在对应关 系的表征参量，并将其传输至模拟量输入卡；所述模拟量输入卡执行这样的操作其一，接 收来自射频电源的第二电压信号，并将其转换成由数字量表示的与其存在线性对应关系的 实际功率回读值，而后传输至CPU ；其二，接收来自电压传感器的第一电压信号测量值，并 对将其转换成由数字量表示的与其存在线性对应关系的设定功率测量值，而后将其传输至 CPU;其三，接收来自所述表征参量测量单元的表征参量值，并对其进行相应处理后作为实际功率表征值传输至CPU ;CPU执行这样的操作首先，根据所述实际功率回读值和设定功 率预置值判断系统中是否存在故障；其次，当判断出系统存在故障时，根据所述实际功率表 征值来判断故障是否存在于设置通路；再次，当判断出故障存在于设置通路时，根据所述设 定功率测量值来判断故障所在单元。作为本发明的另一个方案，本发明还提供了一种具有故障诊断功能的控制方法， 适用于包含有控制单元、下传单元、作业单元、控制信号检测单元、上传单元和表征参量测 量单元的控制系统，其中所述控制单元、下传单元和作业单元构成系统中的设置通路，所述 作业单元、上传单元和控制单元构成系统中的回读通路。所述控制方法包括下述步骤步骤 10，控制单元设置针对所述作业单元的控制信号的设定值；步骤20，下传单元从所述控制 单元接收针对所述作业单元的控制信号设定值，并对其进行相应处理后传输至作业单元； 步骤30，作业单元根据来自所述下传单元的控制信号进行相应的作业操作，并将其实际输 出值传输至所述上传单元；步骤40，所述控制信号检测单元连接在所述下传单元和上传单 元之间，用以采集下传单元输出的所述控制信号，并将采集到的控制信号测量值传输至所 述上传单元；所述表征参量测量单元测量与作业单元实际输出存在对应关系的表征参量， 并将其传输至上传单元；步骤50，所述上传单元执行这样的操作其一，接收来自所述控制 信号检测单元的控制信号测量值，并对其进行相应处理后传输至控制单元；其二，接收来 自所述作业单元的实际输出值，并对其进行相应处理后作为实际输出回读值传输至控制单 元；其三，接收来自所述表征参量测量单元的表征参量值，并对其进行相应处理后作为实际 输出表征值传输至控制单元；步骤60，所述控制单元根据所述控制信号设定值和实际输出 回读值判断系统中是否存在故障，如果是，则转到步骤70 ；如果否，则继续进行工艺，并转 到步骤10 ；步骤70，所述控制单元根据所述实际输出表征值来判断故障是否存在于设置通 路，如果是，则转到步骤80 ；如果否，则退出；步骤80，所述控制单元根据所述控制信号测量 值来判断故障所在单元。其中，所述控制单元为CPU，所述作业单元包括射频电源，所述下传单元包括模拟 量输出卡，所述控制信号检测单元包括电压传感器，所述上传单元包括模拟量输入卡。在所 述步骤10中，CPU预置射频电源的功率设定值，并将由所述功率值表示的数字量控制信号 传输至模拟量输出卡；在所述步骤20中，所述模拟量输出卡接收来自CPU的表示射频电源 功率设定值的数字量控制信号，并将其转换成由模拟量所表示的与功率存在线性对应关系 的第一电压信号，而后将该第一电压信号传输至射频电源；在所述步骤30中，所述射频电 源根据所述第一电压信号输出与之对应的射频功率，并将与其实际输出功率值相对应的第 二电压信号经由其接口传输至模拟量输入卡；在所述步骤40中，所述电压传感器对模拟量 输出卡所输出的第一电压信号进行检测，并将第一电压信号测量值传输至模拟量输入卡； 在所述步骤50中，所述模拟量输入卡执行这样的操作其一，接收来自射频电源的第二电 压信号，并将其转换成由数字量表示的与其存在线性对应关系的实际功率回读值，而后传 输至CPU;其二，接收来自电压传感器的第一电压信号测量值，并对将其转换成由数字量表 示的与其存在线性对应关系的设定功率测量值，而后将其传输至CPU ；其三，接收来自所述 表征参量测量单元的表征参量值，并对其进行相应处理后作为实际功率表征值传输至CPU ； 在所述步骤60中，CPU根据所述实际功率回读值和设定功率预置值判断系统中是否存在 故障，如果是，则转到步骤70 ；如果否，则继续进行工艺，并转到步骤10 ；在所述步骤70中，
8CPU根据所述实际功率表征值来判断故障是否存在于设置通路，如果是，则转到步骤80 ；如 果否，则退出；在所述步骤80中，CPU根据所述设定功率测量值来判断故障所在单元。本发明具有下述有益效果在本发明提供的具有故障诊断功能的控制系统和方法中，由于可以对针对作业单 元的控制信号的测量值进行实时采样和上传，这样便使得在工艺过程中，一旦系统设置通 路出现故障，控制单元就可以根据实时的控制信号测量值立刻判断出故障所在位置，以便 于及时快捷地进行后续维修和更换，而无需中断工艺过程并在停机状态下进行故障排查。 因此，本发明提供的具有故障诊断功能的控制系统和方法具有较高的故障排查效率，并且 也不会影响生产工艺和设备产能，同时还可以降低设备维护成本。


图1为现有的一种控制系统结构示意图；图2为本发明第一实施例提供的具有故障诊断功能的控制系统的原理框图；图3为本发明第二实施例提供的具有故障诊断功能的控制系统的原理框图；图4为本发明提供的具有故障诊断功能的控制方法第一实施例的流程示意图；以 及图5为本发明提供的具有故障诊断功能的控制方法第二实施例的流程示意图。
具体实施例方式为使本技术领域的人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图对本发明进 行详细描述。请参阅图2，其中示出了本发明所提供的具有故障诊断功能的控制系统的第一实 施例。在该实施例中，具有故障诊断功能的控制系统包括控制单元110、下传单元120、作业 单元130、控制信号检测单元140、上传单元150、报警单元160和表征参量测量单元(图未 示)。其中，控制单元110、下传单元120和作业单元130构成系统中的设置通路；作业单元 130、上传单元150和控制单元110构成系统中的回读通路。所述控制单元110根据实际作业要求向作业单元130输出控制信号，以使作业单 元130按照实际作业要求来工作。下传单元120位于控制单元110和作业单元130之间，用于接收来自控制单元110 的上述控制信号的设定值，并对其进行解析及相关处理，而后将解析和处理后的控制信号 设定值向作业单元130传输。下传单元120例如可以是数/模转换单元，其接收来自控制 单元110的数字量的控制信号设定值，并对其进行解析及数/模转换等处理，而后将经上述 处理所得到的模拟量的控制信号设定值向作业单元130传输。作业单元130根据经由下传单元120传输来的控制信号实施相应的作业任务，并 且，其也可以将实际输出值经由接口传输至上传单元150。作业单元130例如可以为等离子 体处理工艺中的射频电源，这样，其将根据上述控制信号而输出与该设定值相对应的射频 功率，并将其实际输出功率值传输至上传单元150。控制信号检测单元140设置在下传单元120和上传单元150之间，用于对下传单 元120输出的控制信号进行采样，并将采样得到的控制信号测量值传输至上传单元150。如图所示，下传单元120所输出的控制信号测量值通常即为输入至作业单元130的控制信号， 换言之，控制信号检测单元140采样得到的控制信号测量值通常为作业单元130实际所接 收并遵循的控制信号。表征参量测量单元用以测量与作业单元130实际输出存在对应关系的表征参量， 并将其传输至上传单元150。其中，所谓表征参量可以是在工艺过程中位于作业单元130 下游、并与作业单元130的输出值存在着对应关系的工艺参数。例如，当作业单元130为刻 蚀工艺中的射频电源时，该表征参量可以是与射频电源输出功率存在着线性对应关系的刻 蚀速率和/或工件上的电压等。这是因为，射频电源的实际输出功率和刻蚀设备的刻蚀速 率之间存在着一一对应的正比关系，因而在实际工艺中，可以通过监测刻蚀速率有无异常 来判断是否存在射频电源的输出功率偏离其设定值的故障；类似地，射频电源的实际输出 功率和硅片上的电压之间也存在着一一对应的关系，因而在实际工艺中，可以通过监测该 电压来判断是否存在射频电源实际输出功率偏离其设定值的故障。这样，在借助于表征参 量判断出射频电源的实际输出功率确实偏离其设定值后，即可把故障问题集中在设置通路 上。上传单元150执行这样的操作其一，接收来自控制信号检测单元140的控制信号 测量值，并对其进行解析及有关处理，而后将解析和处理后的控制信号测量值传输至控制 单元110 ；其二，接收来自作业单元130的实际输出值，并对其进行解析和处理后传输至控 制单元110 ；其三，接收来自表征参量测量单元的表征参量值，并对其进行相应处理后作为 实际输出表征值传输至控制单元110。实际应用中，上传单元150例如可以是模/数转换单元，其接收来自控制信号检测 单元140的模拟量的控制信号，并对其进行解析及模/数转换等处理，而后将经上述处理所 得到的数字量的控制信号测量值传输至控制单元110。上传单元150还可以接收来自作业 单元130的由模拟量所表示的实际输出值，并对其进行解析及模/数转换等处理，而后再传 输至控制单元110。当然，上传单元150也可以接收来自表征参量测量单元的表征参量值， 并对其进行解析及模/数转换等处理后作为实际输出表征值传输至控制单元110。控制单元110除具有设置功能(例如，设置针对作业单元130的控制信号的设定 值)之外，还可以执行下述功能其一，根据作业单元130的实际输出值和控制信号设定值判断系统中是否存在故 障。也就是说，控制单元110对控制信号设定值和由作业单元130输出并经上传单元150上 传来的实际输出的回读值(实际输出回读值)进行比较，若二者相等，则判定系统无故障， 并且该系统继续进行常规工艺；若二者不等，则判定系统存在故障，并继续进行下述判断。其二，在判断出系统存在故障后，控制单元110将继续判断故障单元是否存在于 设置通路中，如果不是，则判定故障存在于回读通路中；如果是，则继续执行下述具体位置 的判断。实际应用中，可以借助于表征参量来判断是否是设置通路出现故障，具体地，将表 征参量所对应的作业单元130的实际输出表征值与控制单元110所输出的控制信号设定值 进行比较，若二者相等，则判定设置通路无故障，而回读通路有故障；若二者不等，则判定设 置通路有故障。或者，也可以将表征参量所对应的作业单元130的实际输出表征值与经由 上传单元150传输至控制单元110的作业单元130实际输出回读值进行比较，若二者相等， 则判定回读通路无故障，而设置通路有故障；若二者不等，则判定回读通路有故障。
其三，在判断出故障存在于设置通路后，控制单元110将继续判断是设置通路中 的哪一个单元存在故障。具体地，控制单元110将上述控制信号设定值同来自上传单元150 的控制信号测量值进行比较，若二者相等，则判定下传单元120正常，而作业单元130存在 故障；若二者不等，则判定下传单元120存在故障。事实上，在设置通路中进行故障具体位置判断时，控制单元110也可以将上述控 制信号测量值同作业单元130的实际输出回读值或者实际输出表征值进行比较，若二者相 等，则判定作业单元130正常，而下传单元120存在故障；若二者不等，则判定作业单元130 存在故障。此外，本实施例提供的具有故障诊断功能的控制系统还可以包括报警单元160，以 便在判断出故障所在具体位置(即，哪一个单元存在故障)后，通过该报警单元160进行提 示。至于提示方式，可以是语音提示、声音提示、闪光提示等。需要指出的是，尽管本发明上述实施例中在控制单元110和作业单元130之间仅 示出了一个下传单元120，然而在实际应用中，该下传单元120可以根据实际工艺需要而包 括一个或多个下传子单元，以进行多种处理。当设置了多个下传子单元的时候，可以对应于 每一个下传子单元设置一个控制信号检测单元，即，在每一个下传子单元的输出端设置控 制信号采样点以检测每一个下传子单元输出的控制信号，并将测量值经由上传单元150传 输至控制单元110。这样，控制单元110可以根据预置的控制信号设定值和各下传子单元 输出的控制信号测量值来判断该下传子单元是否存在故障，具体地，若二者相等，则判定该 下子传单元正常；若二者不等，则判定该下传子单元存在故障。或者，控制单元110也可以 根据上一级下传子单元输出的控制信号测量值与本级下传子单元输出的控制信号测量值 来判断本级下传子单元是否存在故障，即通过比较本级下传子单元输入端和输出端的控制 信号来判断本级下传子单元是否存在故障，具体地，若二者相等，则判定本级下传子单元正 常；若二者不等，则判定本级下传子单元存在故障。请参阅图3，其中示出了本发明所提供的具有故障诊断功能的控制系统的第二实 施例。在该实施例中，控制单元为CPU，控制信号检测单元(图未示)为电压传感器，下传 单元为具有数/模转换功能的AO卡，作业单元为等离子体处理工艺中的射频电源，上传单 元为具有模/数转换功能的AI卡，表征参量测量单元测量刻蚀速率和/或加工工件上的电 压等表征参量的测量单元。其中，CPU、AO卡和射频电源构成设置通路；射频电源、AI卡和 CPU构成回读通路。作为控制单元的CPU根据实际工艺需要预置射频电源的功率设定值(简称为设定 功率预置值)，并将这个由数字量所表示的设定功率预置值传输至AO卡。作为下传单元的AO卡接收上述设定功率预置值，并对其进行解析和数/模转换等 处理，以将该设定功率预置值转换成由模拟量所表示的与功率存在线性对应关系的第一电 压信号，而后将该第一电压信号传输至射频电源。作为作业单元的射频电源根据该第一电压信号输出相应的符合工艺要求的射频 功率，以对工件进行等离子体处理。此外，射频电源还将与其实际输出功率值相对应的第二 电压信号经由其接口传输至AI卡。作为控制信号检测单元的电压传感器对AO卡所输出的第一电压信号进行检测， 并将第一电压信号测量值传输至AI卡。
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表征参量测量单元测量刻蚀速率和/或加工工件上的电压，并将相应测量值传输 至AI卡。作为上传单元的AI卡可以执行下述三个操作其一，接收来自射频电源的第二电 压信号，并对其进行解析和模/数转换等处理，以将该第二电压信号转换成由数字量表示 的与其存在线性对应关系的射频电源输出功率值的回读值(简称为实际功率回读值)，而 后将其传输至CPU，以便CPU和/或操作者了解射频电源的实际输出功率；其二，从电压传 感器接收第一电压信号的测量值，并对其进行解析和数/模转换等处理，以将该第一电压 信号转换成由数字量表示的与其存在线性对应关系的射频电源功率设定值的测量值(简 称为设定功率测量值)，而后将该设定功率测量值传输至CPU ；其三，接收来自表征参量测 量单元的表征参量值，并对其进行相应处理后作为实际功率表征值传输至CPU。作为控制单元的CPU除具有上述设置功能之外，还可以执行下述功能其一，CPU将来自AI卡的实际功率回读值和设定功率预置值进行比较，若二者相 等，则判定系统无故障，该系统继续进行等离子体处理工艺；若二者不等，则判定系统存在 故障，并继续进行下述判断。其二，在判断出系统存在故障后，CPU可以根据表征参量继续判断故障单元是否存 在于设置通路中。例如，可以借助于诸如刻蚀速率以及工件上的电压等的表征参量来判断 是否是设置通路出现故障，具体地，将表征参量所对应的射频电源的实际功率表征值与设 定功率预置值进行比较，若二者相等，则判定设置通路无故障，而回读通路有故障；若二者 不等，则判定设置通路有故障。或者，也可以将表征参量所对应的射频电源的实际功率表征 值与经由AI卡传输至CPU的实际功率回读值进行比较，若二者相等，则判定回读通路无故 障，而设置通路有故障；若二者不等，则判定回读通路有故障。其三，当判断出故障存在于设置通路后，即可进一步判断故障是存在于AO卡，还 是存在于射频电源。具体地，CPU将设定功率测量值与预置的设定功率预置值进行比较，若 二者相等，则判定AO卡正常，而射频电源存在故障；若二者不等，则判定AO卡存在故障；或 者，CPU将设定功率测量值与射频电源的实际功率回读值或者实际功率表征值进行比较， 若二者相等，则判定射频电源正常，而AO卡存在故障；若二者不等，则判定射频电源存在故 障。在实际的等离子体处理工艺中，可以采用输出功率为0 1500W的射频电源，并且 控制该射频电源输出功率的电压信号通常可以为0 10V，该电压信号与该射频电源输出 功率之间存在线性对应关系。此外，本发明还提供一种具有故障诊断功能的控制方法，其适用于包含有控制单 元、下传单元、作业单元、控制信号检测单元、表征参量测量单元和上传单元的控制系统。下 面结合图4对本发明提供的控制方法的第一实施例进行详细说明。在图4所示步骤410中，控制单元根据实际作业要求向作业单元输出控制信号 (即，预置控制信号设定值)，以使其按照实际作业要求来工作。步骤420，下传单元接收来自控制单元的上述控制信号设定值，并对其进行解析及 相关处理，而后将解析和处理后的控制信号设定值向作业单元传输。步骤430，作业单元根据经由下传单元传输来的控制信号实施相应的作业任务，并 且也可以将其实际输出值经由接口传输至上传单元。
步骤440，连接在下传单元和上传单元之间的控制信号检测单元对下传单元输出 的控制信号进行采样，并将采样得到的控制信号测量值传输至上传单元。该控制信号测量 值通常就是作业单元实际所接受并遵循的控制信号。并且，表征参量测量单元测量与射频 电源实际输出存在对应关系的表征参量，例如测量刻蚀速率和/或加工工件上的电压，并 将其传输至模拟量输入卡。步骤450，上传单元执行这样的操作其一，接收来自控制信号检测单元的控制信 号测量值，并对其进行解析及有关处理，而后将解析和处理后的控制信号测量值传输至控 制单元；其二，接收来自作业单元的实际输出值，并对其进行解析和处理后作为实际输出回 读值传输至控制单元；其三，接收来自所述表征参量测量单元的表征参量值，并对其进行相 应处理后作为实际输出表征值传输至控制单元。步骤460，控制单元根据作业单元的实际输出值和控制信号设定值判断系统中是 否存在故障。也就是说，控制单元对控制信号设定值和作业单元输出并经由上传单元上传 来的实际输出值(即，回读的实际输出值，简称为实际输出回读值)进行比较，若二者相等， 则判定系统无故障，继续进行常规工艺并转到步骤410 ；若二者不等，则判定系统存在故 障，并转到步骤470。步骤470，控制单元继续判断故障单元是否存在于设置通路中，如果不是，则判定 故障存在于回读通路中，并对回读通路进行故障排查；如果是，则转到步骤480，以在设置 通路中继续执行具体位置的判断。至于具体的判断方法及过程，类似于前面结合图2所详 述的相应内容，在此不再赘述。步骤480，控制单元继续判断是设置通路中的哪一个单元存在故障，即，是作业单 元还是下传单元存在故障。具体判断方法可以是，控制单元将上述控制信号设定值同来自 上传单元的控制信号测量值进行比较，若二者相等，则判定下传单元正常，而作业单元存在 故障，并转到步骤490 ；若二者不等，则判定下传单元存在故障，并转到步骤500。当然，在步骤480中，控制单元110也可以根据控制信号测量值和作业单元的实际 输出值进行故障具体位置的判断，具体判断方法及过程，类似于前面结合图2所详述的相 应内容，在此不再赘述。步骤490，发出报警信号，以提示作业单元出现故障。步骤500，发出报警信号，以提示下传单元出现故障。下面结合图5对本发明提供的控制方法的第二实施例进行详细说明。在该实施例 中，本发明所提供的控制方法应用于等离子体处理工艺。其中，作业单元可以为射频电源， 下传单元可以为具有数/模转换功能的AO卡，上传单元可以为具有模/数转换功能的AI 卡，控制信号检测单元为电压传感器，控制单元可以为诸如CPU等的处理器。其中，步骤510中，作为控制单元的CPU预置射频电源的功率设定值(简称为设定 功率预置值)，并将这个由数字量所表示的设定功率预置值传输至AO卡。在步骤520中，AO卡接收上述设定功率预置值，并对其进行解析和数/模转换等 处理，以将该设定功率预置值转换成由模拟量所表示的与功率存在线性对应关系的第一电 压信号，而后将该第一电压信号传输至射频电源。在步骤530中，射频电源根据该第一电压信号输出相应的符合工艺要求的射频功 率，以对工件进行等离子体处理。同时，射频电源还将与其实际输出功率值相对应的第二电压信号经由其接口传输至AI卡。在步骤540中，作为控制信号检测单元的电压传感器对AO卡所输出的第一电压信 号进行检测，并将第一电压信号测量值传输至AI卡。表征参量测量单元测量与射频电源实 际输出存在对应关系的表征参量，例如测量刻蚀速率和/或加工工件上的电压，并将其传 输至AI卡。在步骤550中，AI卡执行这样的操作其一，从电压传感器接收第一电压信号的测 量值，并对其进行解析和数/模转换等处理，以将该第一电压信号转换成由数字量表示的 与其存在线性对应关系的射频电源功率设定值的测量值(简称为设定功率测量值)，而后 将该设定功率测量值传输至CPU ；其二，AI卡还可以接收来自射频电源的第二电压信号，并 对其进行解析和模/数转换等处理，以将该第二电压信号转换成由数字量表示的与其存在 线性对应关系的射频电源输出功率值的回读值(简称为实际功率回读值)，而后将其传输 至CPU ；其三，接收来自所述表征参量测量单元的表征参量值，并对其进行相应处理后作为 实际功率表征值传输至CPU。在步骤560中，CPU将来自AI卡的实际功率回读值和设定功率预置值进行比较， 若二者相等，则判定系统无故障，该系统继续进行等离子体处理工艺，并转到步骤510 ；若 二者不等，则判定系统存在故障，并转到步骤570，以继续进行后续判断。在步骤570中，CPU根据诸如刻蚀速率以及工件上的电压等的表征参量来判断是 否是设置通路出现故障，也就是说，将表征参量所对应的射频电源的实际功率表征值与设 定功率预置值进行比较，若二者相等，则判定设置通路无故障，而回读通路有故障，并对回 读通路进行故障排查；若二者不等，则判定设置通路有故障，并转到步骤580，以在设置通 路中继续执行具体位置的判断。至于具体的判断方法及过程，类似于前面结合图3所详述 的相应内容，在此不再赘述。在步骤580中，CPU进一步判断故障具体位置，即，是AO卡存在故障，还是射频电 源存在故障。若是前者，则转到步骤600;若是后者，则转到步骤590。至于故障具体位置的 判断方法及过程，类似于前面结合图3所详述的相应内容，在此不再赘述。通过上面的各个实施例可以看出，应用本发明提供的具有故障诊断功能的控制系 统和方法，可以实时采样并上传针对作业单元的控制信号的测量值，因而在工艺过程中，一 旦系统设置通路出现故障，控制单元就可以根据实时的控制信号测量值立刻判断出故障所 在位置，以便于及时便捷地进行后续维修和更换，而无需像现有技术那样，需要在停止生产 工艺的情况下进行故障排查。因此，本发明提供的系统和方法不仅故障排查效率比较高，而 且也不会影响生产工艺，同时还可以降低系统设备维护成本。可以理解的是，尽管前述实施例中仅详细描述了如何在设置通路中判断故障具体 位置，但是在实际应用中，对于回读通路中的故障具体位置，也可以采用类似的方法和系统 进行判断。换言之，本发明提供的具有故障诊断功能的控制系统和方法可以应用于需要进 行故障位置判定的所有适宜的模拟量控制过程中。还可以理解的是，以上实施方式仅仅是为了说明本发明的原理而采用的示例性实 施方式，然而本发明并不局限于此。对于本领域内的普通技术人员而言，在不脱离本发明的 精神和实质的情况下，可以做出各种变型和改进，这些变型和改进也视为本发明的保护范围。
权利要求
一种具有故障诊断功能的控制系统，包括控制单元、下传单元、作业单元和上传单元，所述控制单元、下传单元和作业单元构成系统中的设置通路，所述作业单元、上传单元和控制单元构成系统中的回读通路，其特征在于，所述控制系统还包括控制信号检测单元和表征参量测量单元，其中所述下传单元从所述控制单元接收针对所述作业单元的控制信号设定值，并对其进行相应处理后传输至作业单元；所述作业单元根据来自所述下传单元的控制信号进行相应的作业操作，并将其实际输出值传输至所述上传单元；所述控制信号检测单元连接在所述下传单元和上传单元之间，用以采集下传单元输出的所述控制信号，并将采集到的控制信号测量值传输至所述上传单元；所述表征参量测量单元用以测量与作业单元实际输出存在对应关系的表征参量，并将其传输至上传单元；所述上传单元执行这样的操作即，接收来自所述控制信号检测单元的控制信号测量值，并对其进行相应处理后传输至控制单元；接收来自所述作业单元的实际输出值，并对其进行相应处理后作为实际输出回读值传输至控制单元；接收来自所述表征参量测量单元的表征参量值，并对其进行相应处理后作为实际输出表征值传输至控制单元；所述控制单元执行这样的操作首先，根据所述控制信号设定值和实际输出回读值判断系统中是否存在故障；其次，当判断出系统存在故障时，根据所述实际输出表征值来判断故障是否存在于设置通路；再次，当判断出故障存在于设置通路时，根据所述控制信号测量值来判断故障所在单元。
2.如权利要求1所述的具有故障诊断功能的控制系统，其特征在于，所述控制单元这 样判断系统中是否存在故障即，将所述控制信号设定值和实际输出回读值进行比较，若二 者相等，则判定系统无故障；若二者不等，则判定系统存在故障。
3.如权利要求1所述的具有故障诊断功能的控制系统，其特征在于，所述控制单元这 样判断故障是否存在于设置通路即，将表征参量测量值同控制信号设定值进行比较，若二 者相等，则判定设置通路无故障，而回读通路有故障；若二者不等，则判定设置通路有故障； 或者将表征参量测量值同实际输出回读值进行比较，若二者相等，则判定回读通路无故障， 而设置通路有故障；若二者不等，则判定回读通路有故障。
4.如权利要求1所述的具有故障诊断功能的控制系统，其特征在于，所述控制单元这 样判断故障所在单元即，将控制信号设定值同控制信号测量值进行比较，若二者相等，则 判定下传单元正常，而作业单元存在故障；若二者不等，则判定下传单元存在故障；或者， 将控制信号测量值同实际输出回读值/实际输出表征值进行比较，若二者相等，则判定作 业单元正常，而下传单元存在故障；若二者不等，则判定作业单元存在故障。
5.如权利要求1-4中的任意一项所述的具有故障诊断功能的控制系统，其特征在于， 所述下传单元包括多级顺序连接的下传子单元，对应于每一级下传子单元均设置控制信号 检测单元，用以采集本级下传子单元输出的所述控制信号，并将采集到的控制信号测量值 传输至所述上传单元。
6.如权利要求1所述的具有故障诊断功能的控制系统，其特征在于，所述控制单元为 CPU，所述作业单元包括射频电源，所述下传单元包括模拟量输出卡，所述控制信号检测单元包括电压传感器，所述上传单元包括模拟量输入卡，其中CPU设置射频电源的设定功率预置值，并将由所述设定功率预置值表示的数字量控制 信号传输至模拟量输出卡；所述模拟量输出卡接收来自CPU的由所述设定功率预置值表示的数字量控制信号，并 将其转换成由模拟量所表示的与功率存在线性对应关系的第一电压信号，而后将该第一电 压信号传输至射频电源； 所述射频电源根据所述第一电压信号输出与之对应的射频功率，并将与其实际输出功 率值相对应的第二电压信号经由其接口传输至模拟量输入卡； 所述电压传感器对模拟量输出卡所输出的第一电压信号进行检测，并将第一电压信号 测量值传输至模拟量输入卡；所述表征参量测量单元用以测量与射频电源实际输出存在对应关系的表征参量，并将 其传输至模拟量输入卡；所述模拟量输入卡执行这样的操作其一，接收来自射频电源的第二电压信号，并将其 转换成由数字量表示的与其存在线性对应关系的实际功率回读值，而后传输至CPU ；其二， 接收来自电压传感器的第一电压信号测量值，并对将其转换成由数字量表示的与其存在线 性对应关系的设定功率测量值，而后将其传输至CPU ；其三，接收来自所述表征参量测量单 元的表征参量值，并对其进行相应处理后作为实际功率表征值传输至CPU ；CPU执行这样的操作首先，根据所述实际功率回读值和设定功率预置值判断系统中 是否存在故障；其次，当判断出系统存在故障时，根据所述实际功率表征值来判断故障是否 存在于设置通路；再次，当判断出故障存在于设置通路时，根据所述设定功率测量值来判断 故障所在单元。
7.如权利要求6所述的具有故障诊断功能的控制系统，其特征在于，CPU这样判断系统 中是否存在故障即，将所述实际功率回读值和设定功率预置值进行比较，若二者相等，则 判定系统无故障；若二者不等，则判定系统存在故障；CPU这样判断故障是否存在于设置通路即，将表征参量所对应的射频电源的实际功 率表征值与设定功率预置值进行比较，若二者相等，则判定设置通路无故障，而回读通路有 故障；若二者不等，则判定设置通路有故障；或者，将表征参量所对应的射频电源的实际功 率表征值与实际功率回读值进行比较，若二者相等，则判定回读通路无故障，而设置通路有 故障；若二者不等，则判定回读通路有故障；以及CPU这样判断故障所在单元即，将设定功率测量值与设定功率预置值进行比较，若二 者相等，则判定模拟量输出卡正常，而射频电源存在故障；若二者不等，则判定模拟量输出 卡存在故障；或者，将设定功率测量值与射频电源的实际功率回读值或者实际功率表征值 进行比较，若二者相等，则判定射频电源正常，而模拟量输出卡存在故障；若二者不等，则判 定射频电源存在故障。
8.如权利要求6或7所述的具有故障诊断功能的控制系统，其特征在于，所述表征参量 包括刻蚀速率、加工工件上的电压。
9.一种具有故障诊断功能的控制方法，适用于包含有控制单元、下传单元、作业单元、 控制信号检测单元、上传单元和表征参量测量单元的控制系统，其中所述控制单元、下传单 元和作业单元构成系统中的设置通路，所述作业单元、上传单元和控制单元构成系统中的回读通路，其特征在于，所述控制方法包括下述步骤步骤10，控制单元设置针对所述作业单元的控制信号的设定值；步骤20，下传单元从所述控制单元接收针对所述作业单元的控制信号设定值，并对其进行相应处理后传输至作业单元；步骤30，作业单元根据来自所述下传单元的控制信号进行相应的作业操作，并将其实 际输出值传输至所述上传单元；步骤40，所述控制信号检测单元连接在所述下传单元和上传单元之间，用以采集下传 单元输出的所述控制信号，并将采集到的控制信号测量值传输至所述上传单元；所述表征 参量测量单元测量与作业单元实际输出存在对应关系的表征参量，并将其传输至上传单 元；步骤50，所述上传单元执行这样的操作其一，接收来自所述控制信号检测单元的控 制信号测量值，并对其进行相应处理后传输至控制单元；其二，接收来自所述作业单元的实 际输出值，并对其进行相应处理后作为实际输出回读值传输至控制单元；其三，接收来自所 述表征参量测量单元的表征参量值，并对其进行相应处理后作为实际输出表征值传输至控 制单元；步骤60，所述控制单元根据所述控制信号设定值和实际输出回读值判断系统中是否存 在故障，如果是，则转到步骤70 ；如果否，则继续进行工艺，并转到步骤10 ；步骤70，所述控制单元根据所述实际输出表征值来判断故障是否存在于设置通路，如 果是，则转到步骤80 ；如果否，则判定回读通路存在故障；步骤80，所述控制单元根据所述控制信号测量值来判断故障所在单元。
10.如权利要求9所述的具有故障诊断功能的控制方法，其特征在于，所述步骤60中， 所述控制单元这样判断系统中是否存在故障即，将所述控制信号设定值和实际输出回读 值进行比较，若二者相等，则判定系统无故障；若二者不等，则判定系统存在故障。
11.如权利要求9所述的具有故障诊断功能的控制方法，其特征在于，所述步骤70中， 所述控制单元这样判断故障是否存在于设置通路即，将表征参量测量值同控制信号设定 值进行比较，若二者相等，则判定设置通路无故障，而回读通路有故障；若二者不等，则判定 设置通路有故障；或者将表征参量测量值同实际输出回读值进行比较，若二者相等，则判定 回读通路无故障，而设置通路有故障；若二者不等，则判定回读通路有故障。
12.如权利要求9所述的具有故障诊断功能的控制方法，其特征在于，所述步骤80中， 所述控制单元这样判断故障所在单元即，将控制信号设定值同控制信号测量值进行比较， 若二者相等，则判定下传单元正常，而作业单元存在故障；若二者不等，则判定下传单元存 在故障；或者，将控制信号测量值同实际输出回读值/实际输出表征值进行比较，若二者相 等，则判定作业单元正常，而下传单元存在故障；若二者不等，则判定作业单元存在故障。
13.如权利要求9-12中的任意一项所述的具有故障诊断功能的控制方法，其特征在 于，所述下传单元包括多级顺序连接的下传子单元，对应于每一级下传子单元均设置控制 信号检测单元，用以采集本级下传子单元输出的所述控制信号，并将采集到的控制信号测 量值传输至所述上传单元。
14.根据权利要求9所述的具有故障诊断功能的控制方法，其特征在于，所述控制单元 为CPU，所述作业单元包括射频电源，所述下传单元包括模拟量输出卡，所述控制信号检测单元包括电压传感器，所述上传单元包括模拟量输入卡，其中在所述步骤10中，CPU预置射频电源的功率设定值，并将由所述功率值表示的数字量 控制信号传输至模拟量输出卡；在所述步骤20中，所述模拟量输出卡接收来自CPU的表示射频电源功率设定值的数字 量控制信号，并将其转换成由模拟量所表示的与功率存在线性对应关系的第一电压信号， 而后将该第一电压信号传输至射频电源；在所述步骤30中，所述射频电源根据所述第一电压信号输出与之对应的射频功率，并 将与其实际输出功率值相对应的第二电压信号经由其接口传输至模拟量输入卡；在所述步骤40中，所述电压传感器对模拟量输出卡所输出的第一电压信号进行检测， 并将第一电压信号测量值传输至模拟量输入卡；所述表征参量测量单元测量与射频电源实 际输出存在对应关系的表征参量，并将其传输至模拟量输入卡；在所述步骤50中，所述模拟量输入卡执行这样的操作其一，接收来自射频电源的第 二电压信号，并将其转换成由数字量表示的与其存在线性对应关系的实际功率回读值，而 后传输至CPU ；其二，接收来自电压传感器的第一电压信号测量值，并对将其转换成由数字 量表示的与其存在线性对应关系的设定功率测量值，而后将其传输至CPU ；其三，接收来自 所述表征参量测量单元的表征参量值，并对其进行相应处理后作为实际功率表征值传输至 CPU ；在所述步骤60中，CPU根据所述实际功率回读值和设定功率预置值判断系统中是否存 在故障，如果是，则转到步骤70 ；如果否，则继续进行工艺，并转到步骤10 ；在所述步骤70中，CPU根据所述实际功率表征值来判断故障是否存在于设置通路，如 果是，则转到步骤80 ；如果否，则判定回读通路存在故障；在所述步骤80中，CPU根据所述设定功率测量值来判断故障所在单元。
15.根据权利要求14所述的具有故障诊断功能的控制方法，其特征在于，在步骤60中， CPU这样判断系统中是否存在故障即，将所述实际功率回读值和设定功率预置值进行比 较，若二者相等，则判定系统无故障；若二者不等，则判定系统存在故障；在步骤70中，CPU这样判断故障是否存在于设置通路即，将表征参量所对应的射频电 源的实际功率表征值与设定功率预置值进行比较，若二者相等，则判定设置通路无故障，而 回读通路有故障；若二者不等，则判定设置通路有故障；或者，将表征参量所对应的射频电 源的实际功率表征值与实际功率回读值进行比较，若二者相等，则判定回读通路无故障，而 设置通路有故障；若二者不等，则判定回读通路有故障；以及在步骤80中，CPU这样判断故障所在单元即，将设定功率测量值与设定功率预置值进 行比较，若二者相等，则判定模拟量输出卡正常，而射频电源存在故障；若二者不等，则判定 模拟量输出卡存在故障；或者，将设定功率测量值与射频电源的实际功率回读值或者实际 功率表征值进行比较，若二者相等，则判定射频电源正常，而模拟量输出卡存在故障；若二 者不等，则判定射频电源存在故障。
16.根据权利要求14或15所述的具有故障诊断功能的控制方法，其特征在于，所述表 征参量包括刻蚀速率、加工工件上的电压，相应地，在所述步骤40中，所述表征参量测量单 元测量刻蚀速率和/或加工工件上的电压，并将相应测量值传输至上传单元。
全文摘要
本发明公开了一种具有故障诊断功能的控制系统，其中的下传单元接收并向作业单元传输控制信号设定值；作业单元根据控制信号进行作业操作，并将其实际输出值传输至上传单元；控制信号检测单元采集下传单元输出的控制信号；表征参量测量单元测量表征参量；上传单元接收并向控制单元传输控制信号测量值、表征参量值和作业单元的实际输出值；控制单元判断系统中是否存在故障，并根据实际输出表征值判断故障是否存在于设置通路，并根据控制信号测量值来判断故障所在单元。此外，本发明还公开一种具有故障诊断功能的控制方法。本发明提供的系统和方法能够快速便捷地在线诊断故障所在位置，而不会影响生产工艺和设备产能，同时还具有维护成本低的特点。
文档编号H01L21/3065GK101825898SQ20091007903
公开日2010年9月8日 申请日期2009年3月3日 优先权日2009年3月3日
发明者武小娟 申请人:北京北方微电子基地设备工艺研究中心有限责任公司