[发明专利]改进的控制系统仿真器及简化的互连控制系统

说明书

相关申请

本申请要求享有于2010年3月22日提交的美国临时专利申请序号61/316,070的权利。上述的公开与本文合并，以作参考。

技术领域

本发明涉及用于物理过程的计算机仿真器（“过程仿真器”或“仿真器”），更具体地，特别涉及以下改进：简化仿真器的布线，减少实施仿真器所需的组件的数量，以及缩短实施所需的时间长度。本发明可广泛地应用于各种类型的过程，包括但不限于化学过程、热过程和机械过程。

背景技术

物理过程的计算机仿真广泛用于工程系统，以开发新的过程或测试，并优化基于计算机的控制系统的运作。因此，制造用于加工硅晶片的工具的制造商可采用仿真器来运行工具控制系统，从而避免需要使用真实的产品来运行该工具，这可节省在工具开发和测试中的时间和金钱。

例如，如果一种复杂的半导体晶片加工工具设计成在真空下加热硅晶片，然后将硅晶片暴露于多种气体中，以产生薄膜涂层，那么控制系统必须采用大量传感器和致动器来实现该加工的目标。因此，该控制系统可能会启动阀门以隔离处理室，开动泵以排空该处理室，然后在启动加热系统之前检测真空水平，以使得该晶片可严格加热至精确的温度。一旦晶片达到初始的处理温度，该工具控制系统会启动一个或多个质量流量控制器，以导入精确的反应气体的混合物。接着控制系统会打开电源，以产生可增强气体反应的等离子体，并最终在晶片上生成膜。在该加工的最后，工具控制系统会关掉等离子体，关闭质量流量控制器，关掉阀门，关闭加热器，以及使晶片冷却和再次达到大气压强，以便接着将晶片传送至复杂的半导体加工工艺的下一步。

为了优化上述的复杂的加工工艺，该半导体加工工具的设计者必须组装硬件和编写软件，以使该工具按顺序进行加工工艺的各个步骤。为了减少贵重的晶片的浪费以及避免使用有毒气体和有潜在危险的电能时发生意外，该工具的设计者会尝试采用若干方法来模拟该物理过程。

一种简单的用于模拟物理过程的方法是在控制系统软件程序中嵌入子程序，这些子程序可模仿或模拟如果采用真实的传感器和致动器时会产生的作用或结果。例如，用于开启加热器的控制系统语句可能会启动一个软件子程序，该软件子程序开始对加热器能量求和并估计当前的温度。然后当该控制系统需要从温度传感器读取处理温度的值时，这个温度估计会被所测量的温度取代。因此，控制系统可利用模拟温度来确定晶片加工是否受控。这样的简单仿真是常用的，但它受到一些局限。第一，必须修改该控制系统软件以忽略真实的传感器和致动器。所以不用测试真实的软件，而需要测试该软件的修改版本。第二，模拟值可能不会准确地表示物理值。真实的传感器将物理特性—诸如温度或压力—转换成电信号。这些电信号接着通过该控制系统转换成由仿真器所模拟的数字表示。如果由上述的简单的嵌入软件方法产生的模拟值不能表示由该传感器产生的电信号，则该控制系统的作用不能表示它在没有仿真的情况下运作的作用。例如，模拟数字表示可能具有或多或少的数值精度，或者体积的动力学或调速可能不同。因此，这种将软件嵌入控制系统的简单的修改的软件仿真方法存在较大的局限。

一种更复杂但有效的用于模拟物理过程的方法是采用另一台计算机，该计算机能够检测由工具控制系统产生的致动信号，然后产生可被该工具控制系统检测的致动信号。在操作中，如果工具控制系统致动加热器，电信号会路由至该仿真器计算机而不是加热器。该仿真器计算机检测发送至该加热器的致动信号，并通过以下方式来响应，对该系统中的热量总和进行集中，接着可能逐渐增大或减小它的输出电信号，该输出电信号用于模拟由温度传感器产生的电信号。该工具控制系统检测这个电信号，工具控制系统并不能区分该电信号和由温度传感器产生的电信号。如果该仿真系统设计合理，该工具控制系统会精确地运作，就像如同没有采用忽略加热致动器和温度传感器的仿真传感器时一样运作。这样的基于计算机的传感器与工具控制系统分离，可以允许在不需要采用物理过程的情况下，开发、测试和优化该工具控制系统。因为不需要修改工具控制软件来运行真实的物理过程，所以可预期从模拟过程转移至真实过程的步骤更容易进行。

现有技术的采用另一台计算机来模拟物理过程的方法虽然有效但是较复杂和昂贵，因为仿真器的复杂度与工具控制系统的复杂度大致相同。此外，这台仿真器计算机必须与工具控制系统电连接，而该连接较复杂、易出错且费时。

发明内容