CN102230727A - 立式炉冷却控制系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种立式炉冷却控制系统及方法，涉及半导体热反应工艺设备温度控制技术领域。该系统包括：感温模块，用于感测立式炉反应室上测温点的温度，并将感测到的温度电压信号发送至信号处理模块；信号处理模块，将温度电压信号转换为温度数据，并进行冷端温度补偿，将补偿后的温度数据发送至控制模块；控制模块，根据补偿后的温度数据以及当前时刻或控制周期的目标温度，生成冷却控制命令，并将冷却控制命令发送至冷却模块；冷却模块，根据冷却控制命令控制风机形成冷却降温循环气流，使反应室按照设定的降温速率降温，并将风机状态信息实时反馈至所述控制模块。本发明的系统及方法针对性强、控制精度高且适用范围广。

Description

立式炉冷却控制系统及方法

技术领域

本发明涉及半导体热反应工艺设备温度控制技术领域，尤其涉及一种立式炉冷却控制系统及方法。

背景技术

硅片是一种重要的半导体材料，它的加工工艺，特别是热反应工艺是一种对温度控制方法要求非常高的工艺。硅片在反应过程中通常会经历升温、工艺处理和降温三个阶段，过去在工艺质量要求不高或产能不大的情况多采用切断加热器对工艺完成的硅片进行自然降温的方法。但是，随着半导体生产线自动化程度和工艺性能要求的提高，必然要求在降温阶段对设备的降温速率进行准确控制。

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：提供一种针对性强、控制精度高且适用范围广的立式炉冷却控制系统及方法。

(二)技术方案

为解决上述问题，本发明提供了一种立式炉冷却控制系统，该系统包括：感温模块，用于感测立式炉反应室上测温点的温度，并将感测到的温度电压信号发送至信号处理模块；信号处理模块，与所述感温模块相连，用于将所述温度电压信号转换为温度数据，并进行冷端温度补偿，将补偿后的温度数据发送至控制模块；控制模块，与所述信号处理模块相连，用于根据所述补偿后的温度数据以及当前时刻或控制周期的目标温度，生成冷却控制命令，并将所述冷却控制命令发送至冷却模块；冷却模块，与所述控制模块相连，用于根据所述冷却控制命令控制风机形成冷却降温循环气流，使反应室按照设定的降温速率降温，并将风机状态信息实时反馈至所述控制模块。

其中，所述冷却模块进一步包括：进风单元，用于根据所述冷却控制命令控制进风管道的开闭、进风风机的启停、以及进风风机的转速；通风管道，与所述进风单元相连，环绕于立式炉反应室外，用于利用冷却降温循环气流与反应室进行热交换，使反应室按照设定的降温速率降温；出风单元，与所述通风管道相连，用于根据所述冷却控制命令控制出风管道的开闭，将所述通风管道换热后的气流抽出，并将其传送至热交换器；热交换器，连接于所述进风单元与所述出风单元之间，用于将所述出风单元传送的气流利用外部冷却水进行降温，并将降温后的气流传送至所述进风单元。

其中，所述控制模块进一步包括：存储模块，用于记录所述控制模块的输入输出命令；检测模块，用于检测热交换器外部冷却水温度及流量，以及风机工作状态，若检测值不在设定的范围内，则向所述冷却模块发送报警信息，停止所述冷却模块工作；显示模块，与所述冷却模块相连，用于显示冷却模块的工作状态以及报警信息。

本发明还提供了一种基于上述立式炉冷却控制系统的立式炉冷却控制方法，该方法包括步骤：

S1.感温模块感测立式炉上测温点的温度，并实时将感测到的温度电压信号发送至信号处理模块；

S2.信号处理模块将所述温度电压信号转换为温度数据，并进行冷端温度补偿，将补偿后的温度数据发送至控制模块；

S3.控制模块根据所述补偿后的温度数据以及当前时刻或控制周期的目标温度，采用比例积分微分PID算法生成冷却控制命令，并将所述冷却控制命令发送至冷却模块；

S4.冷却模块根据所述冷却控制命令形成冷却降温循环气流，使反应室按照设定的降温速率降温，并将风机状态信息实时反馈至所述控制模块。

其中，步骤S3进一步包括：

S3.1所述控制模块根据所述补偿后的温度数据以及当前时刻或控制周期的目标温度，计算所述目标温度所需的换热量；

S3.2根据所述换热量以及通风管道大小，采用比例积分微分PID算法生成包括风机转速的冷却控制命令；

S3.3所述控制模块将所述冷却控制命令发送至冷却模块。

其中，步骤S3.2中按照下式计算风机转速Speed：

$\mathrm{Speed}=\mathrm{KSpee}{d}_P{e}_N+\mathrm{KSpee}{d}_I\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{e}_i+\mathrm{KSpee}{d}_D{\stackrel{\·}{e}}_N$

其中，e_i＝T_SetPoint(i)-T_i(i＝1，2，…，N)，T_i为测温点的温度，T_SetPoint(i)为i时刻或第i个控制周期的目标温度，KSpeed_P为进风风机转速控制比例系数，KSpeed_I为进风风机转速控制积分系数，KSpeed_D为进风风机转速控制微分系数。

其中，步骤S4进一步包括：

S4.1冷却模块的出风单元根据所述冷却控制命令，打开出风管道，将通风管道内的气体抽出；

S4.2冷却模块的进风单元根据所述冷却控制命令，打开进风管道，设定进风风机转速，启动进风风机，向通风管道输送冷却气流；

S4.3若冷却模块收到结束命令，则先停止进风单元工作，再停止出风单元工作，最后停止热交换器工作，否则，继续执行步骤S4.1。

其中，该方法在步骤S1-S4执行的过程中，还进行步骤：

检测热交换器外部冷却水温度及流量，若检测值不在设定的正常范围内，则向冷却模块发送报警信息，停止所述冷却模块工作；以及

检测风机的工作状态，若检测值不在设定的正常范围内，则向冷却模块发送报警信息，停止所述冷却模块工作。

(三)有益效果

本发明的系统及方法扩展性强，可根据工艺要求设定并控制立式炉反应室的降温速率以满足工艺质量要，同时应用于常规工艺以提高设备产能。该系统控制精度高，可靠性和稳定性好，原理简单，操作维护方便的优点。该方法在全面考虑冷却换热子系统各个模块的安全保护设置，功能清晰，可作为配置模块，应用于半导体加热设备的冷却。

附图说明

图1为依照本发明一种实施方式的立式炉冷却控制系统结构框图；

图2为依照本发明一种实施方式的立式炉冷却控制系统中冷却模块的结构框图；

图3(a)-图3(c)分别为立式炉反应室在自然冷却时的温度示意图、冷却风机100％工作时的温度示意图、以及按指定降温速率进行冷却控制的温度示意图；

图4为依照本发明一种实施方式的立式炉冷却控制方法的流程图。

具体实施方式

本发明提出的立式炉冷却控制系统及方法，结合附图及实施例详细说明如下。

依照本发明一种实施方式的立式炉冷却控制系统包括：

感温模块10，用于感测立式炉反应室上测温点的温度，并将感测到的温度电压信号发送至信号处理模块20，感温模块10优选为热电偶。

信号处理模块30，与感温模块10相连，用于根据热电偶类型，对照热电偶标准数据表进行计算，将温度电压信号转换为温度数据，并进行冷端温度补偿，将补偿后的温度数据发送至控制模块30。

控制模块30，与信号处理模块20相连，用于根据补偿后的温度数据以及当前时刻或控制周期的目标温度(工艺要求的温度)，计算当前降温所需要的换热量，采用比例微分积分PID算法生成包括风机转速的冷却控制命令，并将冷却控制命令发送至冷却模块40。

冷却模块40，与控制模块相连，用于根据冷却控制命令控制风机转速，形成冷却降温循环气流，使反应室按照设定的降温速率降温，并将风机状态信息实时反馈至所述控制模块。

如图2所示，冷却模块40进一步包括：

进风单元41，用于根据冷却控制命令控制进风管道的开闭、进风风机的启停、以及进风风机的转速；

通风管道42，与进风单元41相连，环绕于立式炉反应室外，用于利用冷却降温循环气流与反应室进行热交换，使反应室按照设定的降温速率降温；

出风单元43，与所述通风管道42相连，用于根据冷却控制命令控制出风管道的开闭，将通风管道换热后的气流抽出，并将其传送至热交换器44，本实施方式中，出风风机转速恒定；

热交换器44，连接于进风单元41与出风单元43之间，用于将出风单元43传送的气流利用外部冷却水进行降温，并将降温后的气流传送至进风单元41。

控制模块30进一步包括：

存储模块，具有通讯功能和日志功能，能够自动记录48小时内的各种输入输出命令，以备查询；

检测模块，用于检测热交换器44外部冷却水温度及流量，以及风机工作状态，若检测值不在设定的范围内，则向冷却模块40发送报警信息，停止冷却模块40工作；

显示模块，与冷却模块40相连，用于显示冷却模块40的工作状态以及报警信息。

通常，由于立式炉在结构、制造、密封、保温层等因素的影响下，使其从上至下各部分的降温速率不一致，最上端和最下端的降温速率会大于中间部分的降温速率，从而使位于反应室上端和下端的硅片的降温速率大于位于反应室中间部分的降温速率。在特定高端工艺下，要求反应室在降温的全过程中按照指定降温速率降温，以保证硅片在降温过程中的热学特性保持一致，以此使批量生产的硅片工艺获取相同的工艺结果。

如图4所示，依照本发明一种实施方式的立式炉冷却控制方法，包括步骤：

S1.感温模块感测立式炉上测温点的温度，并实时将感测到的温度电压信号发送至信号处理模块；

S2.信号处理模块将温度电压信号转换为温度数据，并进行冷端温度补偿，将补偿后的温度数据发送至控制模块；

S3.控制模块根据所述补偿后的温度数据以及当前时刻或控制周期的目标温度，采用比例积分微分PID算法生成冷却控制命令，并将所述冷却控制命令发送至冷却模块；

S4.冷却模块根据所述冷却控制命令形成冷却降温循环气流，使反应室按照设定的降温速率降温，并将风机状态信息实时反馈至所述控制模块。

冷却气流经围绕立式炉反应室的通风管道使反应室按工艺设定降温速率降温。

步骤S1之前还包括步骤：系统上电，控制模块接收工艺降温命令，启动整个冷却控制系统，向冷却模块发送初始化命令和自检命令；冷却模块初始化，启动热交换器。

通常，由于工艺质量要求，工艺降温过程中，立式炉反应室的冷却处于以下三种状态中的一种：

(1)、自然冷却降温，如图3(a)所示；

(2)、冷却风机100％工作降温，如图3(b)所示；

(3)、在(1)、(2)之外，按指定降温速率降温，如图3(c)所示。

控制模块3工作在(3)时，生成包括进风风机转速的冷却控制命令，并将冷却控制命令发送至冷却模块。计算风机转速Speed的公式为：

$\mathrm{Speed}=\mathrm{KSpee}{d}_P{e}_N+\mathrm{KSpee}{d}_I\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{e}_i+\mathrm{KSpee}{d}_D{\stackrel{\·}{e}}_N---\left(1\right)$

其中，e_i＝T_SetPoint(i)-T_i(i＝1，2，…，N)，T_i为测温点温度，T_SetPoint(i)为i时刻或第i个控制周期的目标温度，KSpeed_P为进风风机转速控制比例系数，KSpeed_I为进风风机转速控制积分系数，KSpeed_D为进风风机转速控制微分系数。

步骤S3进一步包括：

S3.1所述控制模块根据所述补偿后的温度数据以及当前时刻或控制周期的目标温度，计算所述目标温度所需的换热量；

S3.2根据所述换热量以及通风管道大小，按照公式(1)，采用比例积分微分PID算法生成包括风机转速的冷却控制命令；

S3.3所述控制模块将所述冷却控制命令发送至冷却模块。

步骤S4进一步包括：

S4.1冷却模块的出风单元根据所述冷却控制命令，打开出风管道，将通风管道内的气体抽出，使进风管道与出风管道之间形成负压；

S4.2冷却模块的进风单元根据所述冷却控制命令，打开进风管道，设定进风风机转速，启动进风风机，向通风管道输送冷却气流；

S4.3若冷却模块收到结束命令，则先停止进风单元工作，再停止出风单元工作，最后停止热交换器工作，否则，继续执行步骤S4.1。

另外，该方法在步骤S1-S4执行的过程中，还进行步骤：

检测热交换器外部冷却水温度及流量，若检测值不在设定的正常范围内，则向冷却模块发送报警信息，停止所述冷却模块工作；以及

检测风机的工作状态，若检测值不在设定的正常范围内，则向冷却模块发送报警信息，停止所述冷却模块工作。

以上实施方式仅用于说明本发明，而并非对本发明的限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行各种组合、修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (8)

1.一种立式炉冷却控制系统，其特征在于，该系统包括：

感温模块，用于感测立式炉反应室上测温点的温度，并将感测到的温度电压信号发送至信号处理模块；

信号处理模块，与所述感温模块相连，用于将所述温度电压信号转换为温度数据，并进行冷端温度补偿，将补偿后的温度数据发送至控制模块；

控制模块，与所述信号处理模块相连，用于根据所述补偿后的温度数据以及当前时刻或控制周期的目标温度，生成冷却控制命令，并将所述冷却控制命令发送至冷却模块；

冷却模块，与所述控制模块相连，用于根据所述冷却控制命令控制风机形成冷却降温循环气流，使反应室按照设定的降温速率降温，并将风机状态信息实时反馈至所述控制模块。

2.如权利要求1所述的立式炉冷却控制系统，其特征在于，所述冷却模块进一步包括：

进风单元，用于根据所述冷却控制命令控制进风管道的开闭、进风风机的启停、以及进风风机的转速；

通风管道，与所述进风单元相连，环绕于立式炉反应室外，用于利用冷却降温循环气流与反应室进行热交换，使反应室按照设定的降温速率降温；

出风单元，与所述通风管道相连，用于根据所述冷却控制命令控制出风管道的开闭，将所述通风管道换热后的气流抽出，并将其传送至热交换器；

热交换器，连接于所述进风单元与所述出风单元之间，用于将所述出风单元传送的气流利用外部冷却水进行降温，并将降温后的气流传送至所述进风单元。

3.如权利要求2所述的立式炉冷却控制系统，其特征在于，所述控制模块进一步包括：

存储模块，用于记录所述控制模块的输入输出命令；

检测模块，用于检测热交换器外部冷却水温度及流量，以及风机工作状态，若检测值不在设定的范围内，则向所述冷却模块发送报警信息，停止所述冷却模块工作；

显示模块，与所述冷却模块相连，用于显示冷却模块的工作状态以及报警信息。

4.一种基于权利要求1-3任一项所述的立式炉冷却控制系统的立式炉冷却控制方法，其特征在于，该方法包括步骤：

S1.感温模块感测立式炉上测温点的温度，并实时将感测到的温度电压信号发送至信号处理模块；

S2.信号处理模块将所述温度电压信号转换为温度数据，并进行冷端温度补偿，将补偿后的温度数据发送至控制模块；

S3.控制模块根据所述补偿后的温度数据以及当前时刻或控制周期的目标温度，采用比例积分微分PID算法生成冷却控制命令，并将所述冷却控制命令发送至冷却模块；

S4.冷却模块根据所述冷却控制命令形成冷却降温循环气流，使反应室按照设定的降温速率降温，并将风机状态信息实时反馈至所述控制模块。

5.如权利要求4所述的立式炉冷却控制方法，其特征在于，步骤S3进一步包括：

S3.1所述控制模块根据所述补偿后的温度数据以及当前时刻或控制周期的目标温度，计算所述目标温度所需的换热量；

S3.2根据所述换热量以及通风管道大小，采用比例积分微分PID算法生成包括风机转速的冷却控制命令；

S3.3所述控制模块将所述冷却控制命令发送至冷却模块。

6.如权利要求5所述的立式炉冷却控制方法，其特征在于，步骤S3.2中按照下式计算风机转速Speed：

$\mathrm{Speed}=\mathrm{KSpee}{d}_P{e}_N+\mathrm{KSpee}{d}_I\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{e}_i+\mathrm{KSpee}{d}_D{\stackrel{\·}{e}}_N$

其中，e_i＝T_SetPoint)-T_i(i＝1，2，…，N)，T_i为测温点的温度，T_SetPoint(i)为i时刻或第i个控制周期的目标温度，KSpeed_P为进风风机转速控制比例系数，KSpeed_I为进风风机转速控制积分系数，KSpeed_D为进风风机转速控制微分系数。

7.如权利要求4所述的立式炉冷却控制方法，其特征在于，步骤S4进一步包括：

S4.1冷却模块的出风单元根据所述冷却控制命令，打开出风管道，将通风管道内的气体抽出；

S4.2冷却模块的进风单元根据所述冷却控制命令，打开进风管道，设定进风风机转速，启动进风风机，向通风管道输送冷却气流；

S4.3若冷却模块收到结束命令，则先停止进风单元工作，再停止出风单元工作，最后停止热交换器工作，否则，继续执行步骤S4.1。

8.如权利要求4所述的立式炉冷却控制方法，其特征在于，该方法在步骤S1-S4执行的过程中，还进行步骤：

检测热交换器外部冷却水温度及流量，若检测值不在设定的正常范围内，则向冷却模块发送报警信息，停止所述冷却模块工作；以及

检测风机的工作状态，若检测值不在设定的正常范围内，则向冷却模块发送报警信息，停止所述冷却模块工作。

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