CN101377686A

CN101377686A - 智能热盘温度控制器及其温度控制方法

Info

Publication number: CN101377686A
Application number: CNA2007100126527A
Authority: CN
Inventors: 赵乃霞
Original assignee: Shenyang Xinyuan Microelectronics Equipment Co Ltd
Current assignee: Shenyang Xinyuan Microelectronics Equipment Co Ltd
Priority date: 2007-08-31
Filing date: 2007-08-31
Publication date: 2009-03-04

Abstract

本发明涉及一种智能热盘温度控制器及其控制方法，温度控制器具有主控制电路，其输入端通过温度检测电路接有热盘温度传感器，输出端通过温度控制电路接至热盘加热装置，主控制电路还接有人机接口电路，所述主控制电路以单片机为控制核心，其内部存有热盘温度控制程序；本发明方法包括以下步骤：上电后系统初始化配置及参数；读取存储器内容；根据需要修改目标温度及各种参数；主控制电路通过温度检测电路获取热盘的当前实际温度；当前实际温度与目标温度时行比较，得到温度误差；温度误差进行PID调节，使实际温度保持在目标温度。本发明温度控制精确、恒定、响应迅速，重复开机时温度的重复性一致，能够准确跟踪工艺过程，提高成品率，调试方便省时。

Description

智能热盘温度控制器及其温度控制方法

技术领域

本发明涉及一种温度控制器及其温度控制方法，具体地说是一种用于半导体生产设备的匀胶和显影自动控制系统其他具有相似生产工艺设备中的智能热盘温度控制器及其温度控制方法。

背景技术

热盘温度控制器被广泛应用于半导体器件制造工艺中，晶片的生产工艺过程都是需要热盘才能完成。热盘温度控制器的作用就是满足生产过程对温度的要求，若热盘在某一时间段内的恒温值、在一定范围内各点温度的一致性、升降温温度梯度、重复开机温度的重复性等不能准确地跟踪工艺过程，就会导致成品率低而失去整条生产线的开工价值等一系列问题。

例如：作为增强光刻胶与衬底表面之间的黏附力的方法之一的脱水烘焙、蒸发光刻胶薄膜中的残留溶剂的前烘和坚膜、减少曝光过程中的驻波缺陷的曝光后烘焙、脱水烘焙后的晶片还要用六甲基二硅胺烷进行气相打底成膜处理以起到粘附促进作用。上述工艺过程都是在热盘中完成的，热盘温度控制精确与否直接影响产品质量。

热盘温度控制器是大惯量系统，目前用于本技术领域的热盘控制器控制精度不高，升到目标温度需要的时间长，响应速度不够快，尤其当温度超调后，由于是空气制冷，重新降到目标温度的时间很长，影响生产进度，降低了生产效率。而且采用PID温度控制算法需要占用的软件资源很多，调试麻烦，需要不断反复试验来确定符合要求的P(比例)、I(积分)、D(微分)三个参数，而由于三者互相关联，调试费时费力。

发明内容

为解决现有技术中热盘温度控制器控制精度不高、响应速度不够快的缺陷，本发明要解决的问题是提供一种能准确地控制热盘盘面的温度并且调试简单的智能热盘温度控制器及温度控制方法。

为解决上述问题，本发明采用的技术方案是：

具有主控制电路，其输入端通过温度检测电路接有热盘温度传感器，输出端通过温度控制电路接至热盘加热装置，主控制电路还接有人机接口电路，所述主控制电路以单片机为控制核心，其内部存有热盘温度控制程序。

所述主控制电路还接有故障检测和保护电路，其中故障检测电路除采集上述温度检测电路的温度值外还采集热盘电流值，保护电路；还设有参数掉电保护电路，通过数据线及时钟线与主控制电路相连；所述主控制电路设有三种通讯接口，分别通过RS232接口与上位计算机通讯，通过CAN总线接口挂接在CAN总线网络上，通过RS485通讯接口挂接在RS485总线网络上。

本发明智能热盘温度控制方法包括以下步骤：

上电后系统初始化配置及参数；

读取存储器内容，其中包括热盘前一次运行时设定的目标温度及各种参数；

根据需要修改目标温度及各种参数；

主控制电路通过温度检测电路获取热盘的当前实际温度；

主控制电路将热盘当前实际温度与目标温度时行比较，得到温度误差ΔT，即ΔT＝目标温度-实际温度；

采用分段时间片控制方式对上述温度误差ΔT进行PID调节，使实际温度保持在目标温度。

所述分段时间片控制方式包括以下步骤：

1)当温度误差ΔT大于等于持续加热阀值时，热盘持续加热；

2)当温度误差ΔT小于等于停止加热阀值时，也就是实际温度已经大于或等于目标温度，热盘停止加热，处于空气制冷状态；

3)在持续加热阀值及停止加热阀值之间设置多个连续的温控区间，并设置每个温控区间加热时间与制冷时间的比率，热盘按每个温控区间的加热时间与制冷时间的比率进行间歇加热；上述各温控区间的加热时间随着温差的降低而减少；在温差最小的温控区间，随着实际温度的升高而增加。

本发明方法还具有故障检测及保护步骤，具体如下：

通过故障检测和保护电路实时采集热盘实际电流值，当此电流值大于额定电流设定倍数时，切断温度控制电路的输出；通过温度检测电路实时采集热盘实际温度，当实际温度超过温度控制范围时，切断温度控制电路的输出。

述修改目标温度及各种参数是通过人机接口电路中的按键根据工艺要求对温度及各种参数进行调整。

本发明具有以下有益效果及优点

1.温度控制精确、恒定、响应迅速。由于本发明装置以单片机做为主控制电路的控制核心，结合了参数掉电保护电路、温度检测电路、通讯接口以及由功率放大和固态继电器构成的温度控制输出电路，形成了闭环控制系统，并利用PID控制算法原理，将传统的PID控制算法转换为分段时间片控制方式，准确地将热盘盘面的温度控制在所需范围内，温度恒定、响应迅速无超调、抗扰动能力强。

2.重复开机时温度的重复性一致。本发明智能热盘温度控制器通过使用单片机和EEPROM存储器实现记忆掉电前运行状态，重新上电后恢复原来的控制状态的功能，能够准确地跟踪工艺过程，提高成品率。

3.调试方便省时。本发明利用PID控制算法原理，将传统的PID控制算法转换为分段时间片控制方式，不需要占用太多的软件资源，也不需要反复试验来确定符合要求的P、I、D三个参数，只需在修改参数时通过按键设定或修改各温控区间的温度阀值及时间参数可。

附图说明

图1为本发明装置电气原理框图；

图2为本发明主控制电路和复位电路原理图；

图3为本发明温度检测电路原理图(4路)；

图4为本发明温度控制输出电路原理图(4路)；

图5为本发明人机接口电路图；

图6为本发明故障检测和保护电路原理图(4路)；

图7为本发明参数掉电保护电路原理图；

图8为本发明电源电路图；

图9为本发明电平转换电路原理图；

图10为本发明RS232接口电路原理图；

图11为本发明CAN总线接口电路原理图；

图12为本发明RS485通讯接口电路原理图；

图13本发明温度控制方法流程图；

图14为为本发明装置外形结构示意图.

具体实施方式

如图1所示，为解决半导体生产工艺中的热盘温度控制问题，本发明装置为一以单片机(本实施例采用C8051F040)做为主控制电路的控制核心，结合了参数掉电保护电路(本实施例采用记忆存储芯片EEPROM)、温度检测电路(本实施例采用微小信号检测芯片)、通讯接口以及由功率放大和固态继电器构成的温度控制输出电路，形成了闭环控制系统。

如图2、3及图4所示，本实施例采用4路温度检测及控制，分别在4个热盘盘体内安装有铂电阻做为热盘温度传感器，通过温度检测电路(图3)接入到单片机的模拟量输入端；单片机的输出端通过温度控制电路(图4)接至热盘加热装置，主控制电路(图2)还接有人机接口电路(图5)，其包括按键和液晶显示两个部分的显示板，实现人机对话。

如图2所示，本发明热盘控制器的主控制电路包括单片机(U1)及其晶振等，是系统的核心，配合外围电路实现所有控制功能；外围电路包括故障检测和保护电路，其中故障检测电路除采集上述温度检测电路的温度值外还通过电流检测电路(图6)采集热盘电流值，为系统提供电流检测、温度传感器检测等输入信号，系统判断故障后采取必要措施；当该电流值大于额定电流设定倍数时，切断温度控制电路的输出；通过温度检测电路采集热盘实际温度，当实际温度超过温度控制范围(高于最大温度或和低于最小温度)时，切断温度控制电路的输出；参数掉电保护电路(图7)通过数据线及时钟线与主控制电路相连，将系统正常运行中的关键参数进行备份，记忆运行状态，以便于下次重新上电运行时使用；电源电路(图8)为整个系统提供电源；电平转换电路(图9)实现不同电压等级之间的转换；用户可以通过复位电路使整个系统复位，从系统初始状态开始运行。

所述主控制电路可以分别通过串口接口电路(图10)与上位计算机通讯，通过CAN总线接口电路(图11)挂接在CAN总线网络上，通过RS485通讯接口电路(图12)挂接在RS485总线网络上。

本发明智能热盘温度控制器及其温度控制方法采用将传统的PID温度控制算法转换为分段时间片控制方式，既简化了程序设计又便于系统调试，而且没有超调，加速系统稳定，如图13所示，其具体工作过程如下：

整个热盘控制器系统上电，初始化系统配置及参数之后，读取存储器内容，修改参数及设定目标温度；主控制电路通过温度检测电路获取热盘的当前实际温度；

主控制电路将热盘当前实际温度与目标温度时行比较，得到温度误差ΔT，ΔT＝目标温度-实际温度；采用分段时间片控制方式对上述温度误差ΔT进行PID调节，使实际温度保持在目标温度。

上述分段时间片控制方式包括以下步骤：

1)当温度误差ΔT大于等于持续加热阀值时，热盘持续加热；

2)当温度误差ΔT小于等于停止加热阀值(本实施例为0度)时，即实际温度已经大于或等于目标温度，热盘停止加热，处于空气自然冷却状态；

3)在持续加热阀值及停止加热阀值之间设置多个连续的温控区间，并设置每个温控区间加热时间与制冷时间的比率，热盘按每个温控区间的加热时间与制冷时间的比率进行间歇加热，本实施例以1秒为一个加热周期，温度控制在50.0～180.0C°之间，具体为：

在第1温控区间即4C°≤ΔT<5C°，加热时间为制冷时间的N1倍(本实施例中N1＝3，即加热时间为750毫秒，制冷时间为250毫秒)；

在第2温控区间即3C°≤ΔT<4C°，加热时间为制冷时间的N2倍(本实施例中N2＝2，即加热时间为666毫秒，制冷时间为334毫秒)；

在第3温控区间即2C°≤ΔT<3C°，加热时间为制冷时间的N2倍(本实施例中N1＝1，即加热时间等于制冷时间，均为500毫秒)；

在第4温控区间即0C°≤ΔT<2C°时，根据目标温度的数值决定加热和制冷时间的比率。实现方法是设置多个目标温度上限温控区间，并设置这些温控区间加热时间与制冷时间的比率来进行间歇加热，具体为：

在第1上限温控区间即50C°≤实际温度<8C°，加热时间为制冷时间的N4倍(本实施例中N4＝1/5即加热时间为166毫秒，制冷时间为834毫秒)；

在第2上限温控区间即80C°≤实际温度<100C°，热时间为制冷时间的N5倍(本实施例中N5＝2/5，即加热时间为285毫秒，制冷时间为715毫秒)；

当第3上限温控区间即100C°≤实际温度<150C°，加热时间为制冷时间的N6倍(本实施例中N6＝1/2，即加热时间334毫秒，制冷时间666毫秒)；

当第4上限温控区间即150C°≤实际温度≤180C°，加热时间为制冷时间的N7倍(本实施例中N7＝2/3，即加热时间400毫秒，制冷时间600毫秒)。

上述各步骤循环进行，边检测边控温，使实际温度保持在目标温度。目标温度的时间精确地分配给加热和制冷，使加热时间随着温差的降低而减少，在温差最小的温控区间，随着实际温度的升高而增加，以此克服大惯量控制系统超调则难以稳定的特点，达到理想的温度控制效果。

所述修改参数及设定目标温度步骤为：在人机接口电路中通过按键处理和显示处理根据工艺要求对各设定值进行调整，如图14所示，为本发明装置外形结构示意图，图中为液晶显示屏，可以显示热盘当前温度、设置的目标温度、电流等状态参数、报警信息等；2为菜单按键，循环按下可以切换各个主菜单；3、4分别为增1按键和减1按键，当选择了主菜单后，可以通过这两个按键选择子菜单；5为右移按键，用于修改设置温度时使用；6为确认按键；7为正常运行显示灯；8为故障运行状态指示灯；9为控制热盘加热的输出；10为温度检测输入；11为工作电源。

接续上述步骤，本发明方法还可具有故障检测和保护步骤，包括热盘电流检测计算和热盘温度检测计算，具体如下：

通过故障检测和保护电路采集热盘实际电流值，当此电流值大于额定电流一定倍数时，切断温度控制电路的输出；通过温度检测电路采集热盘实际温度值，当此温度值超过最大温度(如180C°)和低于最小温度(如50C°)时，切断控制电路的输出。

检测每个热盘的实际温度和实际电流时，液晶显示屏初始显示第一个热盘的实际温度和目标温度，用户可以通过按键查看其他热盘的相应数值，而且目标温度可以配合按键进行修改，还可以查询其他参数。当需要对某个热盘进行温度控制时，在显示该热盘对应的温度画面时按下右移按键可以启动温度控制过程，再按则停止，下一次按下又启动温控，依次类推。温度和电流的检测是实时进行的，不断更新。每个热盘的温度和电流检测、控制、故障判断和保护都是独立的，一个发生故障不影响其余设备运行。

Claims

1.一种智能热盘温度控制器，其特征在于:具有主控制电路，其输入端通过温度检测电路接有热盘温度传感器，输出端通过温度控制电路接至热盘加热装置，主控制电路还接有人机接口电路，所述主控制电路以单片机为控制核心，其内部存有热盘温度控制程序。

2.按权利要求1所述的智能热盘温度控制器，其特征在于:所述主控制电路还接有故障检测和保护电路，其中故障检测电路除采集上述温度检测电路的温度值外还采集热盘电流值，保护电路。

3按权利要求1所述的智能热盘温度控制器，其特征在于:还设有参数掉电保护电路，通过数据线及时钟线与主控制电路相连。

4.按权利要求1所述的智能热盘温度控制器，其特征在于:所述主控制电路设有三种通讯接口，分别通过RS232接口与上位计算机通讯，通过CAN总线接口挂接在CAN总线网络上，通过RS485通讯接口挂接在RS485总线网络上。

5 一种智能热盘温度控制方法，其特征在于包括以下步骤:

上电后系统初始化配置及参数；

根据需要修改目标温度及各种参数；

主控制电路通过温度检测电路获取热盘的当前实际温度；

6.按权利要求5所述的智能热盘温度控制方法，其特征在于:所述分段时间片控制方式包括以下步骤:

1)当温度误差ΔT大于等于持续加热阀值时，热盘持续加热；

7.按权利要求5所述的智能热盘温度控制方法，其特征在于还具有故障检测及保护步骤，具体如下:

8.按权利要求5所述的智能热盘温度控制方法，其特征在于:所述修改目标温度及各种参数是通过人机接口电路中的按键根据工艺要求对温度及各种参数进行调整。