控制电加热器的方法和系统的制作方法

专利名称：控制电加热器的方法和系统的制作方法
控制电加热器的方法和系统
背景技术：
温度控制在许多制造工艺中(如晶片处理)是很重要的。
通常，负荷温度必须控制在设定点的公差内，该设定点表示用于该 负荷温度的用户定义的理想值。—般地说，该负荷温度可通过控制提供给电加热器的功 率量来控制。该加热器通常通过使用例如固体继电器(SSR)电路 选择性打开和关闭从AC电源提供到该加热器的电力来控制。常规 上，该SSR可通过脉冲宽度调制(PWM)信号来控制，响应由控制 器提供的占空比命令将该信号提供到该SSR。占空比命令表示所期望的该SSR必须打开该电源的时间 百分比，从而在给定的持续时间内将所需量的电力提供给该加热器 以确保该负荷温度处于该i殳定点的7>差内。为了符合给定制造工艺 所要求的公差，该占空比命令通常需要具有某个水平的解析度(或 精度)。例如，该公差可能要求该占空比命令的解析度为0.1%。因 此，例如，提供为65.8%的占空比命令符合所要求的公差，相反， 仅仅指定为65%的占空比不符合所要求的0.1%的解析度。利用要求的占空比命令解析度控制该加热器的示例性常 规方法在图1A和1B中说明。图1A说明书控制加热器B5的示例性常 -见方法的流程图100。图1B示出实if见图1A的示例性常失见方法的示例 性常规系统的对应的框图120 。
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该示例性常失见方法开始于步艰《102，其中求和函凄il244妄 收i殳定点122 (见图1B)。 i殳定点122通常表述为温度，其单位可以 是摄氏度、开尔文或华氏温度。在步骤104，求和函数124将负荷温 度136 (其可是利用例如温度传感器感应到)与设定点122对比并且 输出温度误差，即，负荷温度136和设定点122之间的差。在步骤106, 控制器126考虑该设定点以及该温度误差，并生成占空比命令，例 如，65.8235%。接着，在步骤108,硬件132将该占空比命令量化为例如 65.8%的量化占空比命令，具有例如0.1%的要求解析度。在步骤IIO， 基于该量化占空比命令，硬件132确定若干"ON" AC周期，即，若 干应当打开该电源的AC周期。因为要求的解析度是0.1%,所以需 要1 OOO个AC周期以允许辨别0.1%的精度或者1 OOO个周期中的1个。 在当前示例中，该PWM占空比可以是1000个AC周期中的658个AC 周期，而该1000个AC周期中其余的是关闭。在步骤112，硬件132输出PWM信号，即， 一系列周期性 脉沖，以触发固体继电器134 (SSR134), /人而在确定凄t目的"ON"
该658个"ON"周期可以贯穿该1000个AC周期瞬态分布(temporally distributed )，以确〗呆在该示例的IOOO个周期上至始至纟冬平滑传，餘电 力。因此，在步骤114,该AC电源由SSR134控制以在确定数 目的"ON" AC周期(例如1000个AC周期中的658个AC周期)上周 期性向加热器135纟是供电力。在步艰"16,测量该负荷温度136，完成该示例性常^见方 法的重复。随后，反馈回路138将负荷温度136输入求和函数124， 用于该示例性常^见方法的下 一 次重复。
如可以从上面的说明认识到的，如果要求解析度为R，那 么该示例性常^见方法的重复通常需要1/R AC周期的时间间隔。该时 间间隔表示更新该占空比命令的响应时间。通常，因为R比l小-得多， 所以该时间间隔，或响应时间，表示多个AC周期。例如，3口果 R=0.1%,该响应将是1000个AC周期，或16.67秒。图2说明图1 A和1B中说明的该示例性常规方法和该示例
性常规系统的输出信号。信号210说明该AC电源的交流电压随时间的变化。通常， 该AC电源可具有大约60Hz的交流频率。因此，每个AC周期(由"p" 指示)表示大约16.67毫秒(ms)。信号220说明该量化占空比命令。信号230示出由硬件132 生成的PWM信号，该信号用作SSR电路134的输入。该SSR电路134 的输出由信号240示出。如图表220的示例所示，考虑到交流频率为60Hz，与该信 号220相关的该量化占空比命令在1000个AC周期或16.67秒的时间 间隔上保持不变。这是因为考虑到在该示例中要求的解析度为 0.1%，需要1000个AC周期来完成该示例性常失见方法的重复。然而， 更新该占空比命令需要的16.67秒的响应时间对于许多制造工艺来 说太长、是不利的并因此是不能接受的，比如晶片处理，其要求例 如具有0.1 %解析度甚至更精细解析度、小于5秒的响应时间。此外，现有技术方法的重复通常包含同样模式的"ON" 脉冲和"OFF"脉冲，导致对于至加热器的功率传输具有周期性重 复的"ON"周期和"OFF"周期模式。这种周期性，特别是由于他 们在相对长的时间段上出现，常常负面影响基片处理，因为其会导
8致对该所需设定点的较大峰值偏差，使得更难以实现晶片与晶片之 间足够紧密的工艺控制结果。

发明内容
这个扭无要并不是为了限制本发明的范围，该范围与 一又利
要求相对应。在一个实施例中，本发明涉及一种在等离子系统中用于 控制电加热器的方法。该方法包括接收设定点温度并且对比该设定 点温度与负荷温度，该负荷温度表示最近测量的负荷的测量温度。 该方法还包括响应该对比生成占空比命令。该方法另外还包括使用 累计占空比误差更新占空比命令并且将该占空比命令量化为PWM (脉沖宽度调制)信号，该PWM信号包括多个ON脉沖和多个OFF 脉冲。该方法还包括利用该PWM信号触发固体继电器(SSR)电^各， 由此响应该PWM信号给该电加热器通电。此外，该方法包括将代表 该PWM信号的值增加到该累计占空比误差估值。该方法进一步包括 4姿照预先定义的间隔中断该SSR电^各，该间隔小于60Hz AC周期。本发明的这些和其他特征将在下面的具体描述中结合附 图更详细地/说明。


在附图中，本发明作为示例而不是作为限制来i兌明，其 中类似的参考标号指出相似的元件，其中图1 A说明控制加热器的示例性常规方法的流程图1B说明实现图1A的示例性常规方法的示例性常规系 统的示例框图。图2说明图1 A和1B中说明的该示例性常^见方法和该示例 性常规系统的各种信号。图3A说明，按照本发明一个或多个实施例，用于控制加 热器的方法的流程图。图3Bi兌明实J见图3A的方法的系统的示例才匡图。图4说明，按照本发明一个或多个实施例，图3中说明的 方法和系统的输出信号。图5说明由图1中说明的示例性常规方法得到的与由按照 图3中说明的本发明 一个或多个实施例的方法得到的温度误差之间
具体实施例方式现在将4艮据其如在附图中i兌明的几个实施方式来具体描 述本发明。在下面的描述中，阐述许多具体细节以提供对本发明的 彻底理解。然而，对于本领域冲支术人员，显然，本发明可不利用这 些具体细节的一些或者全部而实施。在有的情况下，7>知的工艺步 骤和/或结构没有i兌明，以避免不必要的混淆本发明。这里描述了各种实施例，包4舌方法和4支术。应当记住， 本发明还覆盖包括计算才几可读介质的制造品，在该介质上存^诸有用 于实施该创新性:技术的实施例的计算才几可读指令。该计算才几可读介 质可包括，例如，半导体、光磁、光学或其他形式的用于存储计算 机可读代码的计算机可读介质。进而，本发明还覆盖4丸行本发明的设备或系统'
施例有关的才喿作。这种i殳备的示例包括适当编程的通用目的计算枳j 和/或专用计算装置，并且包括计算机/计算装置和适于与本发明实 施例有关的各种操作的专用/可编程电路的组合。本发明一个或多个实施例包含一种用于控制加热器以驱 动负荷温度4妄近"i殳定点的方法。在一个实施例中，该"i殳备包含一个 电路，以检测触发DSP (数字信号处理)微处理器的AC功率线跨零 点(AC powerline zero-crossing),该微处理器是计算控制回路，其 输出是表示为0.1%百分比或更好解析度的所需加热器功率。该DSP 微处理器在每个AC功率线1/2周期的开始处执行sigma-delta算法，其 结果用来确定打开还是关闭该AC周期。过去的实际的占空比的运行 估算(running estimate)与所需输出占空比对比，并且这两者之差 用来调节下一个l/2周期输出。这产生伪随机脉冲序列输出，其不包 含会在^C加热元件上导致不希望的小的周期性热"波动"的明显周 期性部分。在一个实施例中，该电加热器表示在基片处理期间采用 的加热器。在一个实施例中，该基片在等离子处理室中4吏用等离子 增强处理方法处理。；故加热的元件可表示该基片本身，或可表示该 等离子处理室的部件。在一个实施例中，这里公开的步骤使用电路 执行，该电路表示专用逻辑或可编程逻辑(例如，功能受到计算机 可读指令支配的处理器)。在一个实施例中，该方法可包4舌4艮据预先定义的时间间 隔周期性更新占空比命令以生成更新的占空比命令。在一个实施例 中，该时间间隔小于用于该^w热器的AC电源的AC周期。例:feo,该 时间间隔可以是该AC周期的一半或对于60Hz AC信号为大约 8.33ms。所以，该方法可4是供足够短的用以更新该占空比命令的响
ii应时间，以在大多^t制造工艺中控制加热器，包4舌前面^是到的半导 体基片处理。该方法可进一步包括响应更新的占空比生成控制信号 (如PWM脉沖)以触发(例如使用SSR电^各)从该AC电源向该加 热器提供电力。与现有技术生成的那些不同，4姿照本发明实施例生 成的脉沖趋向于在时间上伪随才几。这样，占空比误差，即，该更新 的占空比命令和理想的占空比命令之间的差，以及温度i吴差，即， 更新的负荷温度和该i殳定点之间的差，也可以是伪随才几的，并且可 以随时间^氐消和/或减小。该方法可进一步包含依照该时间间隔周期性将占空比误 差累加进累计占空比误差并且在计算该更新的占空比命令中包括 该累计占空比误差。 一般而言，该占空比误差可使用根据该时间间 隔周期性更新的该温度误差信息来计算，例如，前面提到的1/2AC 周期。因为该占空比i吴差可以是伪随才几的，所以它们随时间可以独: 此抵消。因此，该方法会产生较低平均温度误差并因此得到更精确 的温度控制。进而， 一个或多个实施例可包含一个或多个系统或装置， 其实现该用于控制加热器的方法。该一个或多个系统或装置可包括 处理单元、信号生成单元、温度计、求和单元、定时器和计算单元 (或前面提到的任何或全部部件的等同物)的至少一个，用以执行 该方法的 一个或多个步骤。参照下面的附图和讨论，会更好地理解本发明的特征和 优点。
图3A说明，按照本发明一个或多个实施例，控制加热器 135的方法的流程图300。图3B说明，按照本发明一个或多个实施例， 实现图3 A的方法的系统的框图320 。该方法开始于步骤302,其中求和函数124接收设定点 122。如所讨i仑的，i殳定点122通常以温度表示，其单4立可以是纟聂氏 度、开尔文或华氏度。在步骤304，求和函数124对比负荷温度136 与i殳定点122,并丰lr出温度i吴差，即，该负4肓温度136和i殳定点122
之间的差。该负荷温度可使用用以测量负荷温度的合适的传感器获 得，并且可使用接触或非接触测量技术。然后，将控制转移到步骤 306。在步骤306,控制器3264巴该温度误差考虑进去并且生成 占空比命令，例如，65.8235%。在步骤308，控制器326和硬件332至少一个可使用该累计
占空比误差的极性更新该占空比命令以生成更新的占空比命令。该 更新的占空比命令可根据控制器326和/或硬件332的解析度精度保 持该占空比命令的浮点解析度。对于说明性示例，当将该累计占空 比包含进浮点解析度为0.1%的该65.8235%的占空比命令时，可以生 成具有同样浮点解析度的65.8421%的更新的占空比命令。然后通过 注明其极性将该更新的占空比命令量化为ON/OFF值。在步骤312,硬件332生成用以触发SSR 134的脉冲以根据 量化的ON/OFF占空比打开从该AC电源至加热器135的电力。或者， 根据该更新的量化的占空比命令，硬件332可以不生成脉冲，从而 SSR 134保持关闭。然后，在步骤336,将该量化的占空比增加到累计高解析 度占空比估值。
在步骤314,定期地，才艮据该时间间隔(例如，前面^是到 的1/2AC周期)，可以认为该更新的占空比命令作废，并可以使用控 制器326、硬件332和周期性定时器333的至少一个中断SSR134。该 时间间隔可以小于AC周期。在一个实施例中，该时间间隔可以是 AC周期的一半(1/2 AC周期)，即，大约8.33ms。另一种选冲奪，或 附力口地，切断该三相AC功率信号的任何相实现该方法。因此，该时 间间隔可以是1/3或1/6，即，1/ (相凄t)或1/2/ (相凄t)。该中断的持 续时间可以在亳孩i秒、的凄t量级，并且相比该时间间隔可以忽略不 计。然后，在步驶《316,测量负荷温度136,并且完成该方法 的一个重复。然后，反馈回路138将负荷温度136输入求和函数124,
用于该示例性常失见方法的下一个重复。该方法的重复的持续时间近 似用于周期性更新该占空比命令的时间间隔，例如，1/2AC周期。 考虑1/2 AC周期的时间间隔，该更新的占空比命令每1/2 AC周期或 大约8.33ms被下 一 个更新的占空比命令替代一 利用该累计占空比 命令误差调整。结果，更新的占空比命令以及由硬件332提供的用 于控制SSR 134的"永冲可以120Hz的频率改变并且可以时间上伪随 机(如图4中说明的)。所以，负荷温度136以及该温度误差可时间 上伪随才几(将在下面参照图5描述)。图4说明，4妄照本发明一个或多个实施例，图3A和3B中 说明的该方法和系统的输出信号。j"l"号21(H兌明i亥AC电源的哭〉克 电压随时间的变〗匕。通常， 该AC电源的交流频率为60Hz。因此，每个AC周期(标示为"p") 表示大约16.67毫秒(ms), 1/2AC周期表示大约8.33ms。信号42(H兑明该更新的占空比命令。如该信号420的示例 所示，该更新的占空比命令可每1/2 AC周期改变一次并且在时间上伪随机。因此，如信号430的示例所示，由硬件332 (图3中示出) 提供的用于控制SSR 134(图3中示出)的脉冲可以在时间上伪随机。 结果，如信号440的示例所示，经过SSR 134，爿Mv该AC电源到加热 器135的电力供应也可以在时间上伪随才几。因此，该温度误差可以 在时间上伪随机，如图5中说明的。下面的列表1说明按照本发明 一 个实施例的伪代码实现。
//Function SDOUT() sigma delta control task, updates SSR duty cycle setting, 〃use DSP BIOS semaphore blocking to synchronize PWM updates void SDOUT(void)
int ij; float fval;
for(i-O; KMAXCHANNELS ; i++) 〃clear timer reg if channel not active
if((chandata[i].chstate != RUNNING—CHAM) || (!g一heanbeatok && !g_outputdefaultcontrol) ||
((chandaw[i].chtype != PIDJCH—SDCHAN) && (chandata[i].chtype != PIDJCH SD一LINELEVEL) (chi"ndai"a[i].chtype != MIM02_SC_CHAN) &&
一 (chaiijdat5〖i〗.chtype != MIM02—BR_CHAN) && (chandata[i〗.chlype != MANUAL—PWM一CHAN)) ) — _
{ — 一
chandata[i].pid.pid—out_reg3 = 0; chandatafij.ioval.sd—err = 0.0;
SEM_pend(&SEM—cpldlpulseregs, SYS_FOREVER); CPLD1 PulseRegs.chan[i〗.thresh—low = 0; CPLXMPulseRegs.chanfij.thresh一hi = 0;
SEM_post(&S'EM—cpldl puTseregs);
SEM_pend(&SEM—cpld 1 pulseregs, SYS一FOREVER); if(chandata[i〗.ioval .sd一err >= 1.0) 〃reset counter and turn on for this 1/2 cycle period { 一
ifl[!(i & 1))〃！！！force counter reset w dummy write if is even channel 0,2,4… CPLDPulseRegs.chan[i+l〗.thresh一hi = 0; CP:LDl:PulseRegs.chan[i.thresh一low - 28; CPLDlPulseRegs.chanfij.thresh—hi = 0;
chandata[i〗.ioval.sd_err -= 1.0-ciiiandatai〗.pid.pid一out一reg3; 〃subtract quantized value
} _
else//output = 0 for this 1/2 cycle periodCPLDl:PulseRegs.chan[i〗.threshJow = 0; CPLDl.Pulse.Regs.chan^.thresh_hi = 0;
chandata[i].ioval.sd一err = 0.0-chandatai].pid.pid一out一reg3; 〃subtract quantized value
} 一 一 _
SEMjaost(&SEM一cpld 1 pulseregs);列表1图5 i兌明图H兌明的该示例性常失见方法-彈到的与由图3 A 和3B中说明的按照本发明 一个或多个实施例的方法得到的温度误 差之间的对比。图表510的示例示出i殳定点512保持在X。C直到Tsc，然后 改变为(X-l) 。C。在图表520的示例中，温度误差522和524分别表 示使用该示例性常^L方法(522)和4姿照本发明一个或多个实施例 的方法(524 )得到的温度误差，用以驱动负荷温度4妄近i殳定点512。4艮据该示例性常^见方法，利用第一占空比命令情况，温 度误差522可保持在rC不变直到T。 T表示该示例性常夂见方法一个重 复的持续时间，例如，近似16.67秒或1000个AC周期，以满足0.1% 的占空比解析度要求。然后，该示例性常规方法可利用第二占空比 命令进入下一个重复。该示例性常规方法可包括额外的步骤，用以 响应i殳定点512改变而更新占空比命令。因此，温度误差522可保持在-2。C不变直到Tsc,即设定 点512改变的时刻。在Tsc,该示例性常^L方法利用第三占空比命令 开始新的重复，温度误差522可改变到-l。C。温度误差522可保持在 -rc, 4寺续时间T，直到Tsc+T。然后，该示例性常^L方法利用第四 占空比命令进入下一个重复，该第四占空比命令会导致温度误差 522改变为2 。C并且保持在2 。C直到Tsc+2C 。
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相反地，根据按照本发明一个或多个实施例的方法，以 高得多的频次更新占空比命令，例如，以120Hz,或大约每8.33ms。 结果，温度误差524可以是伪随才几的。进而，因为在更新该占空比 命令时，累加并且包括占空比误差，该占空比误差会彼此抵消。结 果，温度误差524可比温度误差522具有更小的平均量。乂人前面可i人识到，相比该示例性常^L方法，本发明一个 或多个实施例可在控制温度中产生低得多的平均误差。进而，因为 该一个或多个实施例的l命出信号可以伪随才几，所以误差信号可以伪 随才几并且不包含周期性部分，,人而，可以有效:降^f氐例如净皮力a热元件 上的周期性热波动和周期性制造工艺缺陷的风险。进而，在短得多的更新占空比命令间隔情况下，本发明 的实施例允许更加动态化的温度控制。并且，通过在更新该占空比 命令中保持浮点解析度，本发明的实施例可提供温度控制中更精细 的津fr确度。所以，本发明的实施例比该示例性常失见方法适用于更多 的制造工艺。尽管本发明依照多个实施方式描述，但是存在落入本发 明范围内的改变、置换和各种替代等同物。摘要(限制其字数以专 利法实施规定)在这里不应当用来构成权利要求的含义。还应当注 意，有许多实现本发明方法和设备的可选方式。所以，其意图是下 面所附的权利要求解释为包括所有这样的落入本发明主旨和范围 内的改变、置换和各种替代等同物。
1权利要求
1. 一种在等离子处理系统控制电加热器的方法，包括a)接收设定点温度；b)对比所述设定点温度与负荷温度，所述负荷温度表示最近测量的负载的测量温度；c)响应所述对比生成占空比命令；d)使用累计占空比误差更新占空比命令；e)将所述占空比命令量化为PWM(脉冲宽度调制)信号，所述PWM信号包括多个ON脉冲和多个OFF脉冲；f)利用所述PWM信号来触发固体继电器(SSR)电路，由此响应所述PWM信号对所述电加热器通电；和g)按照预先定义的间隔中断所述SSR电路，该间隔小于60HzAC周期，其中所述步骤a)到g)重复执行。
2. 根据权利要求1所述的方法，进一步包括在执行另一组步骤a) 到g )之前，将代表所述PWM信号的值增加到所述累计占空 比误差估算。
3. 根据权利要求1所述的方法，其中所述预先定义的间隔表示所 述60HzAC周期的1/2。
4. 根据权利要求1所述的方法，其中所述预先定义的间隔表示所 述AC周期的1/3和所述60HzAC周期的1/6之一。
5. 根据权利要求1所述的方法，其中所述负荷表示设在等离子处 理室中的结构。
6. ^^艮据^L利要求5所述的方法，其中所述结构表示在所述等离子 处理室中处理的基片。
7. 根据权利要求1所述的方法，其中所述结构表示所述等离子处 理室的部4牛。
8. —种制造品，包括用于存储配置在等离子处理系统中控制电加 热器的计算4几可读代码的程序存储介质，包括用以接收设定点温度的计算机可读代码；用以对比所述i殳定点温度与负荷温度的计算才几可读^ 码，所述负荷温度表示最近测量的负荷的测量温度；用以响应所述对比生成占空比命令的计算机可读代码；用以使用累计占空比误差更新占空比命令的计算机可读 代码；用以将所述占空比命令量化为PWM (脉沖宽度调制)信 号的计算机可读代码，所述PWM信号包括多个ON脉沖和多 个OFF脉冲，其中利用所述PWM信号触发固体继电器(SSR) 电3各，由此响应所述PWM信号为所述电加热器通电；和用以4安照预先定义的间隔中断所述SSR电^各的计算4几可 读代码，该间隔小于60HzAC周期。
9. 根据权利要求8所述的制造品，进一步包括在执行另一组步骤 a)到g)之前，将代表所述PWM信号的值增加到所述累计 占空比误差估算。
10. 根据权利要求8所述的制造品，其中所述预先定义的间隔表示 所述60HzAC周期的1/2。
11. 根据权利要求8所述的制造品，其中所述预先定义的间隔表示 所述AC周期的1/3和所述60HzAC周期的1/6之一。
12. 根据权利要求8所述的制造品，其中所述负荷表示设在等离子 处理室中的结构。
13. 才艮据^^又利要求12所述的制造品，其中所述结构表示在所述等 离子处理室中处理的基片。
14. 根据权利要求8所述的制造品，其中所述结构表示所述等离子 处理室的部件。
15. —种在等离子处理系统中控制电加热器的电系统，包^":用以接收设定点温度的逻辑；用以对比所述设定点温度与负荷温度的逻辑，所述负荷 温度表示最近测量的负荷的测量温度；用以响应所述对比生成占空比命令的逻辑；用以使用累计占空比误差更新占空比命令的逻辑，用以将所述占空比命令量化为PWM (脉冲宽度调制)信 号的逻辑，所述PWM信号包括多个ON脉沖和多个OFF脉 冲，其中利用所述PWM信号触发固体继电器(SSR)电路， 由此响应所述PWM信号为所述电加热器通电；将代表所述PWM信号的值增加到所述累计占空比误差 估算的逻辑；和用以按照预先定义的间隔中断所述SSR电路的逻辑，该 间隔小于60HzAC周期，其中所述步骤a)至g)重复才丸行。
16. 根据权利要求15所述的电系统，其中所述预先定义的间隔表 示所述60HzAC周期的1/2。
17. 根据权利要求15所述的电系统，其中所述预先定义的间隔表 示所述AC周期的1/3和所述60HzAC周期的1/6之一。
18. 根据权利要求15所述的电系统，其中所述负荷表示设在等离 子处理室中的结构。
19. 根据权利要求18所述的电系统，其中所述结构表示在所述等 离子处理室中处理的基片。
20. 根据权利要求15所述的电系统，其中所述结构表示所述等离 子处理室的部4牛。
全文摘要
控制加热器以驱动负荷温度接近设定点的系统和方法。在每个1/2AC周期的开始，计算sigma-delta调制算法以确定该AC周期应当打开还是关闭。过去的实际占空比运行估算与所需的示出占空比对比，并且它们两个之间的差用来调整下一个1/2周期的输出。这产生伪随机脉冲序列输出，其不会包含会在被加热元件上产生不希望的小的周期性“波动”的明显周期性的部分。
文档编号H05B3/02GK101536603SQ200780042784
公开日2009年9月16日 申请日期2007年11月12日 优先权日2006年11月17日
发明者彼得·诺顿, 约翰·迪斯汀蒂 申请人:朗姆研究公司