清洗药液的复合温度控制方法
技术领域
本发明涉及自动化控制技术领域,具体涉及一种清洗药液的复合温度控制方法。
背景技术
65nm清洗及化学处理设备在集成电路装备领域中处于非常重要的位置。65nm超精细清洗设备主要用在后道工艺铜互连阶段中的多孔性Low-k介质材料的清洗。主要去除光刻胶残留、颗粒、通孔内的聚合物。清洗机的化学传递系统(Chemical delivery system)简称CDS系统,是清洗设备的供液系统。以ST-250为清洗药液,对温度的控制显得尤为重要。温度较低,粘性增加,移除率降低。低于30℃时一些组份处于惰性状态,不能有效的进行聚合物的去除;温度较高,则会造成较高的刻蚀率,导致氧化层及铜CU表面的不平整,造成损伤。
化学药液传递系统(Chemical Delivery System-CDS)是清洗设备的清洗供给系统,给硅片清洗工艺过程提供N2、清洗药液以及水等清洗工艺的必要介质,其大致流程示意图如图1所示,ST-250药液供给循环过程由药液存储槽经过加热器加热,再经过滤器之后又回到药液存储槽,如此循环。待温度加热到工艺所需温度后,开始向设备工作前端供液。完成清洗工艺后的ST-250药液,经过药液回收管路回收至药液存储槽,进行重复利用。目前工艺设备上对于温度的控制方法基本都采用的是单回路PID(比例-积分-微分)控制器进行调节,此过程中以药液存储槽TANK中的温度为控制目标,比例P的大小用以反映控制的灵敏度,积分I的目的是为了消除偏差。P和I的作用都是对结果进行修正,但响应速度较慢,有可能对设备的快速初始过程造成影响,因此加入微分D用以消除此缺点。但这样的温度控制方法仅通过改变加热器HEATER的加热功率来控制药液存储槽TANK或者供液出口处测点的温度,但由于系统只存在一个控制环,具有极大的滞后性,难以克服ST-250药液的回收、管路各种因素带来的扰动。
发明内容
(一)要解决的技术问题
本发明要解决的技术问题是:清洗药液供给过程中,如何提高药液温度控制方法的抗扰动能力。
(二)技术方案
为解决上述技术问题,本发明提供一种清洗药液的复合温度控制方法,所述温度控制方法涉及包括药液存储槽、加热器以及过滤器的化学药液传递系统,所述化学药液传递系统通过工艺清洗供液出口对清洗目标设备进行清洗药液的供给,所述温度控制方法包括如下步骤:
S1:在所述药液存储槽底部位置设置第一温度传感器;在所述加热器的对应位置上设置有内环PID控制器;在所述工艺清洗供液出口处设置第二温度传感器,并对应设置有外环PID控制器;
S2:预先设定药液存储槽内的存储槽目标温度值以及工艺清洗供液出口处的供液目标温度值;
S3:所述内环PID控制器控制加热器对药液存储槽内的药液进行加热,并使所述第一温度传感器所检测到的存储槽内药液温度达到所述存储槽目标温度值;
S4:当药液存储槽内的药液达到存储槽目标温度值并稳定后,开启工艺清洗供液出口进行清洗药液供给,同时通过所述外环PID控制器及所述内环PID控制器对加热器的加热功率进行控制,使所述第二温度传感器所检测到的供液温度稳定保持为所述预设的供液目标温度值。
所述步骤S3具体包括如下步骤:
S301:计算所述预设的存储槽目标温度值与所述第一温度传感器所检测到的存储槽内当前药液温度之间的存储槽药液温度偏差值;
S302:将所述存储槽药液温度偏差值输入所述内环PID控制器,计算得出第一加热控制信号并输出给加热器;
S303:加热器根据所述第一加热控制信号调整其加热功率;
S304:重复步骤S201-步骤203,直至所述第一温度传感器所检测到的存储槽内当前药液温度达到所述存储槽目标温度值。
所述步骤S301中,根据下述公式A计算得到存储槽药液温度偏差值;
其中,公式A:
Etank=Tsetp-Tta,
其中,Etank为存储槽药液温度偏差值,Tsetp为预设的存储槽目标温度值,Tta为第一温度传感器所检测到的存储槽内当前药液温度。
步骤S4具体包括:
S401:计算所述预设的供液目标温度值与所述第二温度传感器所检测到的当前供液温度之间的供液温度偏差值;
S402:根据所述供液温度偏差值以及根据加热器的输出信号所检测到的加热器加热丝温度,通过所述外环PID控制器及所述内环PID控制器计算得出第二加热控制信号并输出给加热器;
S403:加热器根据所述第二加热控制信号调整其加热功率;
S404:重复步骤S401-步骤403,直至所述第二温度传感器所检测到的当前供液温度稳定保持为所述预设的供液目标温度值。
所述步骤S401中,根据下述公式B计算得到供液温度偏差值;
其中,公式B:
Eout=Tout,set-Tout,
其中,Eout为供液温度偏差值,Tout,set为预设的供液目标温度值,Tout为第二温度传感器所检测到的当前供液温度。
所述步骤S402具体包括:
S4021:将所述供液温度偏差值输入所述外环PID控制器计算得出输出值;
S4023:根据所述加热器的输出信号分析出加热器加热丝温度;
S4024:所述内环PID控制器根据所述输出值及加热器加热丝温度计算得出4-20mA模拟电流的第二加热控制信号,然后再输出第二加热控制信号给加热器内的可控硅整流器SCR进行加热功率调整。
(三)有益效果
本发明技术方案与现有技术相比较,具备如下有益效果:
(1)由于加热器的信号电缆线中包括了加热器加热丝的温度信号,此信号连接到可编程逻辑控制器(Programmable Logic Controller,PLC)的温度模块,可从温度模块中读取,因此在温度测点上引入加热器加热丝温度以及向工艺供液出口的温度,该方法的药液温度控制点更接近于清洗工艺,并且采用内环-外环向结合的控制方法,因此可以快速、有效的克服前端药液回收、补液及加热器前端管路因素等带来的扰动。
(2)由于本发明技术方案在主回路和副回路(即所述的外环及内环)中采用异步采样,因此副回路能够快速抑制扰动,而且温度信号的不会过于灵敏而导致噪声太多。
附图说明
图1为现有技术所涉及的CDS供液系统中清洗药液的供给系统的工艺流程示意图;
图2为本发明具体实施方式所涉及的清洗药液的复合温度控制方法的流程图;
图3为本发明具体实施方式所涉及的CDS供液系统中清洗药液的供给系统的工艺流程示意图;
图4为本发明具体实施方式所涉及的药液存储槽内药液温度控制工艺的流程图;
图5为本发明具体实施方式所涉及的供液输出过程的药液温度控制工艺的流程图。
具体实施方式
为使本发明的目的、内容、和优点更加清楚,下面结合附图和实施例,对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。
在清洗药液供给过程中,为了提高药液温度控制方法的抗扰动能力,本发明具体实施方式优选一种清洗药液的复合温度控制方法,所述复合温度控制方法涉及包括药液存储槽TANK、加热器HEATER以及过滤器FILTER的化学药液传递系统,即CDS系统,如图3所示,所述CDS系统通过工艺清洗供液出口对清洗目标设备进行清洗药液的供给,其工艺流程具体为:初始化时,打开阀AOV1A06、MV1A02、MV1A03、MV1A06、MV1A07及AOV1A09-A,清洗药液由药液存储槽TANK经加热器HEATER加热后,通过过滤器FILTER过滤后流回药液存储槽TANK,直到药液存储槽TANK中由第一传感器TS1A01测量的当前药液温度达到目标温度。药液存储槽TANK内的药液温度达到目标温度后,关闭阀AOV1A09-A,打开阀AOV1A09-B,CDS供液系统开始给清洗工艺供给药液。清洗工艺后的药液经过药液回收系统RETURN回收至药液存储槽TANK,进行重复利用。
如图2所示,所述复合温度控制方法包括如下步骤:
S1:在所述药液存储槽底部位置设置第一温度传感器;在所述加热器的对应位置上设置有内环PID控制器;在所述工艺清洗供液出口处设置第二温度传感器,并对应设置有外环PID控制器;
S2:预先设定药液存储槽TANK内的存储槽目标温度值Tsetp以及工艺清洗供液出口处的供液目标温度值Tout,setup;
S3:初始化时,控制目标定为TANK的温度值,所述内环PID控制器控制加热器HEATER对药液存储槽TANK内的药液进行加热,并使所述第一温度传感器TS1A01所检测到的存储槽内药液温度Tta达到所述存储槽目标温度值Tsetp;
控制流程图如图4所示,图中GH(s)表示加热器HEATER的传递函数,GTaS表示加热器HEATER到药液存储槽TANK的传递函数,该函数是过程传递函数,代表过程特性。HEATER是唯一的调节器,通过HEATER控制器内部的SCR来改变HEATER的加热功率来控制加热温度。
所述步骤S3具体包括如下步骤:
S301:计算所述预设的存储槽目标温度值Tsetp与所述第一温度传感器TS1A01所检测到的存储槽内当前药液温度Tta之间的存储槽药液温度偏差值Etank;具体根据下述公式A计算得到存储槽药液温度偏差值Etank:
公式A:
Etank=Ttank,set-Ttank;
存储槽药液温度偏差值Etank经过内环PID控制器作用,转换成4到20mA电流信号传送给HEATER控制器。
S302:将所述存储槽药液温度偏差值输入内环PID控制器,计算得出第一加热控制信号并输出给加热器;
S303:加热器根据所述第一加热控制信号调整其加热功率;
S304:重复步骤S201-步骤203,直至所述第一温度传感器所检测到的存储槽内当前药液温度达到所述存储槽目标温度值。
S4:当药液存储槽TANK内的药液达到存储槽目标温度值Ttank,set并稳定后,CDS系统开始给后端工艺供液,关闭AOV1A09-A,同时打开AOV1A09-B、AOV1A16、AOV1A17、MV1A10、MV1A11、MV1A12、MV1A13、AOV1A18-B,CDS系统开始给清洗工艺供液;在开启工艺清洗供液出口进行清洗药液供给的同时保持对TS1A01和加热器HEATER加热丝的温度检测,同时通过所述外环PID控制器及所述内环PID控制器对加热器HEATER的加热功率进行控制,使所述第二温度传感器TS1A02所检测到的供液温度Tout稳定保持为所述预设的供液目标温度值Tout,set。
其过程中,将温度控制目标改为离清洗工艺较近的第二温度传感器TS1A02测点的供液温度Tout,因为此处最靠近工艺清洗腔室,也正是清洗机工作时最关心的温度。并为了克服前端药液回收、补液等扰动对第二温度传感器TS1A02测点的温度的影响,增加对加热器HEATER加热丝温度的检测。该步骤控制流程图如图5所示。其中,Gout(S)表示为液体由HEATER流到主管路清洗供给管道出口处即TS1A02测点的温度信号传递函数。
步骤S4具体包括:
S401:计算所述预设的供液目标温度值Tout,set与所述第二温度传感器所检测到的当前供液温度Tout之间的供液温度偏差值Eout;
S402:根据所述供液温度偏差值Eout以及根据加热器的输出信号所检测到的加热器加热丝温度THeater,通过所述外环PID控制器及所述内环PID控制器计算得出第二加热控制信号并输出给加热器HEATER;
S403:加热器HEATER根据所述第二加热控制信号调整其加热功率;
S404:重复步骤S401-步骤403,直至所述第二温度传感器TS1A02所检测到的当前供液温度Tout稳定保持为所述预设的供液目标温度值Tout,set。
所述步骤S401中,根据下述公式B计算得到供液温度偏差值;
其中,公式B:
Eout=Tout,set-Tout,
其中,Eout为供液温度偏差值,Tout,set为预设的供液目标温度值,Tout为第二温度传感器所检测到的当前供液温度。
所述步骤S402在上述步骤S402中,外环PID控制器的输出信号与加热器加热丝的温度信号的偏差作为内环PID控制器的输入,经过内环PID控制器调节后经Gh(S)转换为4-20mA的电流信号,此电流信号正是SCR的INPUT信号,根据此电流信号来调整对加热器的供电电压,进而改变加热功率;其具体包括:
S4021:将所述供液温度偏差值Eout输入所述外环PID控制器计算得出输出值;
S4023:根据所述加热器的输出信号分析出加热器加热丝温度THeater;这是由于加热器本身的信号线包括了加热丝温度、加热器内液体温度、超温信号等,故可以从加热器的输出信号中得出加热器的加热丝温度信号;
S4024:所述内环PID控制器根据所述输出值及加热器加热丝温度THeater计算得出4-20mA模拟电流的第二加热控制信号,然后再输出第二加热控制信号给加热器内的可控硅整流器SCR进行加热功率调整。
此外,本发明技术方案的主要特征或者意义在于通过外环PID控制的输出信号来引导内环控制器对加热器进行控制。对于每个控制器的参数数值的确定,有不同的方法(包括理论的或者基于经验的),并不是本发明的侧重点。因为控制器的参数常常采用经验的方法或者经验值,并没有一个确定的数学描述。并且此经验方法教科书中均有介绍。
以上所述仅是本发明的优选实施方式,应当指出,对于本技术领域的普通技术人员来说,在不脱离本发明技术原理的前提下,还可以做出若干改进和变形,这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。