CN103076826A - 多温区温度控制系统及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种多温区温度控制系统及控制方法，所述控制系统包括：多个加热单元，用于分别对应加热多个加热区，反馈信号获得单元；以及矫正处理单元及控制信号形成单元。本发明所述多温区温度控制系统及控制方法能够避免采用一个控制信号形成单元的控制方式导致人为产生的系统升温特性的改变对整个加热过程的影响，从而避免受矫正因子和自动控制参数相互影响，降低调节难度；且同时能够保证多个加热区的温度一起上升，减少了加热区之间存在相互热干扰，使温度能够快速收敛达到稳定状态；此外，减少了反馈信号获得单元的数目，进而简化了温度控制系统的结构。

Description

多温区温度控制系统及其控制方法

技术领域

本发明涉及一种温度控制设备及温度控制方法，尤其涉及一种多温区温度控制系统及控制方法。

背景技术

在现有技术中，加热器的多个加热单元对多个加热区进行加热。而加热器各个加热单元对多个加热区的加热通常采用自动控制(PID)单元闭环进行控制。为了消除各个加热区之间的温度差，自动控制单元会对各个加热单元的加热进行分别调节，以使得各个加热区的温度更加均匀。

请参考图1所示的现有技术中一种温度控制系统的结构示意图。如图1所示，温度控制系统包括：加热器，所述加热器包括三个加热单元，分别是第一加热单元41、第二加热单元42和第三加热单元43，第一加热单元41、第二加热单元42和第三加热单元43分别用于对三个加热区进行加热，反馈信号获得单元50设置在加热环路1中，反馈信号获得单元50用于获得反馈信号，作为自动控制单元20的一个输入信号。具体地，自动控制单元20具有输入端10，所述输入端10用于输入目标信号以及反馈信号，并且基于目标信号和反馈信号获得比较信号，所述比较信号作为自动控制单元20的输入信号。其中，所述目标信号可以为温度信号，其定义了自动控制单元控制加热区的控制目标；所述反馈信号为来自反馈信号控制单元50的反馈信号，所述反馈信号可以为温度信号，该反馈信号反映了三个加热区的实际温度值，当所述目标信号和反馈信号为温度信号时，所述比较信号为加热区的目标温度和实际温度的温度差。

所述自动控制单元20用于基于比较信号产生控制信号，从加热输出端30输出，所述控制信号经过第一矫正单元R1进行矫正因子处理后输出至第一加热单元41，所述控制信号经过第二矫正个单元R2进行矫正因子处理后输出至第二加热单元42，所述控制信号经过第三矫正单元R3进行矫正因子处理后输出值第三加热单元43。各个加热单元在矫正处理后的控制信号的控制下对各个加热区进行加热。所述反馈信号获得单元50采集任意一个加热区的信号(比如实际温度)作为反馈信号，提供至输入端10。

上述第一种温度控制系统是三个加热单元在一个自动控制单元50的控制下对加热区进行加热，使用一个加热路径，做自动控制计算，使用同一个输入端，同一个反馈信号获得单元，得出一个控制信号，所述控制信号经过每一加热单元对应的矫正单元进行矫正处理后输入至各个加热单元，对各个加热单元的加热进行控制。这种方式假设了三个加热单元对三个加热区加热后各个的温度变化能基本同步，因此各个加热单元按指定比例一起升温，一起降温，能够一定程度减少各个加热单元之间的相互干扰。其优点是硬件设计简单，仅需要一个反馈信号获得单元，一个加热路径(Loop)，减少了加热单元之间的相互干扰，不存在一个加热单元在升温、另几个加热单元在降温的情况。但其缺点是会破坏原来自动控制系统的固有的控制率，导致自动控制参数的整体设定困难，无法满足对某个加热区单独升温的要求，从而无法快速实现各个加热区的温度均匀性，无法实时计算和调整加热的矫正因子，虽然自动加热参数对被控对象的特性变化有一定的包容性，但可能会导致未知的系统稳定性。

因而，在实际中当发现各个加热区之间的温度不均匀时，技术人员通常会对矫正因子进行调节，即将图1中的三个矫正因子单元R1、R2和R3分别设置于加热输出端30和三个加热区41、42、43之间，并产生矫正因子调节加热输出端30输出的功率信号。但是对于控制信号形成单元，调节矫正因子相当于改变了系统固有的升温特性，矫正因子的变化会导致系统升温特性的变化。由于原有的自动控制(PID)参数是针对原有的系统的升温特性进行，因此，当温度控制系统的升温特性发生变化时，需要对自动控制参数进行相应的调节，因此，矫正因子和自动控制参数相互影响，调节难度较大。

图2为现有技术中另一种温度控制系统的结构示意图。如图2所示，第二种温度控制系统具有三个加热环路1、2和3，三个自动控制单元21、22和23以及三个反馈信号获得单元51、52和53，三个自动控制单元21、22和23及三个反馈信号获得单元51、52和53分别与加热区的三个加热单元(第一个加热单元41、(第二个加热单元42和第三个加热单元43，每一加热单元用于对应于一个加热区进行加热)对应。每个加热单元41、42和43利用各自的反馈信号获得单元51、52和53及自动控制单元21、22和23进行控制，每个加热区的输入端信号不同。

同时，将三个矫正因子单元R1、R2和R3分别设置于三个反馈信号获得单元51、52、53和输入端11、12、13之间，三个矫正因子单元R1、R2和R3产生矫正因子调节反馈信号获得单元的反馈信号51、52、53。

上述第二种温度控制系统的三个加热区使用三个加热路径(Loop)分别控制，他们可以使用相同的自动控制参数，但是分开计算，每一加热路径的输入端的目标信号不同(所述目标信号可以为加热区的目标温度)。优点是矫正因子的概念简单直接，即每个加热区的下表面设置温度可微调，可以对单个加热区分别进行升温或降温，快速拉平较明显的温度差，系统升温特性相对稳定，不会因为矫正因子的变化导致对自动控制参数的调整需求。但是这种方法由于需要三个反馈信号获得单元，增加了设备的投入，系统比较复杂，而且加热区之间存在相互热干扰，从而使被控对象的温度波动频繁，难以解决各个加热区快速稳定加热的问题。

发明内容

现有技术采用的两种温度控制系统，一种受矫正因子和自动控制参数相互影响，调节难度较大，另一种增加设备投入，系统复杂，且加热区之间存在相互热干扰的问题，因此被控对象的温度波动频繁，难以快速稳定。本发明提供一种能够解决上述问题的温度控制系统及其控制方法。

因此，本发明提供一种多温区温度控制系统，用于控制多个加热区的加热温度，多温区温度控制系统包括：多个加热单元，用于分别对应加热所述多个加热区；矫正处理单元，用于基于所述反馈信号获得多个矫正信号，每一矫正信号对应于每一加热区；控制信号形成单元，基于每一加热区的矫正信号与目标信号比较获得每一加热区的比较信号，基于每一加热区的比较信号形成控制信号，所述控制信号用于控制所述加热单元对所述加热区的加热。

与现有技术相比较，本发明所述温度控制系统包括一个反馈信号获得单元、矫正处理单元及控制信号形成单元，其中所述反馈信号用于获得多个加热区中的一个加热区的反馈信号，矫正处理单元对所述反馈信号进行矫正计算，获得包括反馈信号

获取单元对应的加热区在内的各个加热区的矫正信号，控制信号基于所述各个加热区的矫正信号获得与每一加热区对应的控制信号，实现对每一加热区的控制，由于采集了一个加热区的反馈信号，因此相对于现有技术的上述第一种温度控制系统(三个加热单元在一个自动控制单元50的控制下对加热区进行加热，使用一个加热路径，做自动控制计算，使用同一个输入端，同一个反馈信号获得单元，得出一个控制信号)相比，本发明的技术方案不会改变或破坏系统原来固有的控制率，也不会引起导致自动控制参数的整体设定困难，更好地满足了对某个加热区单独升温的要求，可以快速实现快速加热区间的温度均匀性，控制系统基于一个加热区的反馈信号获得各个加热区的反馈信号，然后控制单元基于每一加热区的反馈信号实时计算和调整加热的矫正因子对加热区进行合理控制，能够避免采用一个控制信号形成单元的控制方式导致人为产生的系统升温特性的改变对整个加热过程的影响，从而避免受矫正因子和自动控制参数相互影响，降低调节难度，简化了工艺工程师的工作；与现有技术第二种温度控制系统(三个加热区使用三个加热路径分别控制，他们可以使用相同的自动控制参数，但是分开计算，每一加热路径的输入端的目标信号不同)相比，本发明只需要一个反馈信号获得单元，简化了系统的结构和复杂程度，降低了系统的成本，也避免了各个加热区之间的相互干扰，可以解决各个加热区快速稳定加热的问题，同时能够保证多个加热区的温度一起上升，减少了加热区之间存在相互热干扰，使温度能够快速收敛达到稳定状态；此外，由于只需要一个反馈信号获得单元，减少了反馈信号获得单元的数目，进而简化了温度控制系统的结构。

进一步的，所述反馈信号可以为所述加热区的温度信号或红外辐射信号。所述反馈信号可以采用所述加热区的温度信号或红外辐射信号，以更加直接地反应加热区的温度，亦能够使所述多温区温度控制系统在反馈、控制上的算法更为简单，进而提高所述多温区温度控制系统的反馈速度和控制的准确性。当所述反馈信号为温度信号，所述反馈信号获得单元包括：用于测试加热区温度的热电偶。所述反馈信号选择采用温度信号，则所述反馈信号获得单元优选地包括用于测试加热区温度的热电偶。采用所述热电偶能够使测试温度更为准确，进而所述多温区温度控制系统的准确性。

进一步的，所述矫正信号为通过对所述反馈信号进行矫正后获得的每一加热区的温度信号，所述目标信号为目标温度，所述比较信号为每一加热区的温度与目标温度之间的温度差值。

进一步的，所述控制信号通过控制加热功率调节加热区的加热。采用功率调节相对于电流调节或电压调节能够更为直接、准确地控制加热区的加热过程，使加热区更准确地、快速地达到加热温度。

进一步的，所述控制信号形成单元包括：

比较单元，用于基于每一加热区的矫正信号与目标信号比较获得每一加热区的比较信号；

控制单元，所述控制单元用于基于每一加热区的比较信号形成控制信号，所述控制信号为所述加热单元的电流信号或电压信号。

进一步的，所述控制单元为PI控制单元或PID控制单元。其中，所述控制单元较佳地为PI控制单元或PID控制单元。PI控制单元的价格低廉，适用于简单温度控制系统，而控制单元优选的为PID控制单元，所述PID控制单元的控制更为精确。

进一步的，所述多温区温度控制系统应用于半导体设备的反应腔室，所述反应腔室包括：

加热单元，用于输出加热功率；

托盘，设置于所述加热单元上；以及

衬底，设置于所述托盘上；

其中，所述加热区为托盘的上表面、下表面、或衬底上表面。

进一步的，所述反馈信号为衬底上表面的形成外延材料层的特性参数，所述矫正处理单元基于所述特性参数将所述反馈信号转化为所述加热区的温度。

进一步的，所述特性参数包括：外延材料层的反射光谱特性、吸收光谱特性、掺杂浓度及生长速率中的一个或多个。上述特性参数与所述加热区的温度具有一定的对应关系，因此可以通过上述特性参数与所述加热区的温度的对应关系，将所述反馈信号转化为所述加热区的温度。

进一步的，所述反馈信号为所述加热区的温度信号或红外辐射信号，所述矫正处理单元基于一组矫正因子获得所述矫正信号，所述一组矫正因子包括分别对应所述多个加热区的多个矫正因子，所述矫正处理单元根据所述反馈信号和一矫正因子获得对应所述矫正因子对应的加热区的矫正信号。

进一步的，所述矫正因子为固定值，或者随着目标信号成比例变化。

进一步的，所述矫正处理单元中设置有矫正因子查找表，用于基于目标信号查找表设置所述矫正因子。根据矫正因子查找表，可以使矫正控制更加准确、快速。

进一步的，所述矫正因子范围为0.5～1.5。

进一步的，对于反馈信号获得单元获得反馈信号的加热区，其对应的矫正因子为1。

结合上述多温区温度控制系统，本发明还提供一种多温区温度控制系统的控制方法，用于控制多个加热区的加热，所述控制方法包括：

步骤一：从一个加热区获得反馈信号；

步骤二：对所述反馈信号进行矫正，获得多个矫正信号，每一矫正信号对应于每一加热区；

步骤三：基于每一加热区的矫正信号与目标信号比较，获得每一加热区的比较信号，基于每一加热区的比较信号形成控制信号；

步骤四：利用所述控制信号控制所述加热区的加热；

重复步骤一至步骤四，直至所述每一加热区的矫正信号与所述目标信号相同。

与现有技术相比较，本发明所述温度控制系统的控制方法，通过获得一个加热区的反馈信号，该反馈信号能够反映所述加热区的实际反馈温度，再对所述反馈信号进行矫正，获得多个矫正信号，并将实际反馈温度与矫正因子结合后形成一信号，并输出该信号，以调节每个加热路径的加热温度，通过采用多个输入端对各个加热区的温度进行调节，能够避免采用单一的控制方式导致人为产生的系统升温特性的改变对整个加热过程的影响，从而避免受矫正因子和自动控制参数相互影响，降低调节难度，简化了工艺工程师的工作；同时能够保证多个加热区的温度一起上升，减少了加热区之间存在相互热干扰，使温度能够快速收敛达到稳定状态；此外，由于只需要一个获得反馈信号的装置，从而减少了反馈信号获得单元的数目，降低了对使用该控制方法的温度控制系统的结构要求。

进一步的，所述反馈信号通过采集所述加热区的温度信号或红外辐射信号获得。

进一步的，所述反馈信号为温度信号，所述反馈信号利用热电偶对加热区测试获得。

进一步的，所述步骤二包括，将所述反馈信号转换为相对应的加热区的温度信号。

进一步的，所述步骤二包括：基于每一加热区的矫正因子对所述加热区的温度信号进行矫正，以获得每一加热区的温度信号；所述目标信号为目标温度，所述比较信号通过计算所述矫正获得的每一加热区的温度信号与目标温度之间的温度差值获得。

进一步的，所述控制信号通过控制加热功率调节加热区的加热。

进一步的，在所述步骤三中，包括：

基于每一加热区的矫正信号与目标信号比较获得每一加热区的比较信号；

基于每一加热区的比较信号形成控制信号，所述控制信号为电流信号、电压信号或功率信号。

进一步的，在所述步骤三中，采用PI控制单元或PID控制单元形成控制信号。

进一步的，所述控制方法应用于半导体设备的反应腔室，所述反应腔室包括：

加热单元，用于输出加热功率；

托盘，设置于所述加热单元上；以及

衬底，设置于所述托盘上；

其中，所述加热区为托盘的上表面、下表面、或衬底上表面。

进一步的，测试从所述衬底的上表面的形成外延材料层的特性参数获得所述反馈信号，所述步骤二包括，基于所述特性参数将所述反馈信号转化为所述加热区的温度。

进一步的，测试所述衬底的上表面形成的外延材料层的特性参数获得所述反馈信号包括：测试所述外延材料层的反射光谱特性、吸收光谱特性、掺杂浓度及生长速率中的一个或多个。

进一步的，所述步骤二中包括，所述反馈信号为所述加热区的温度信号或红外辐射信号，基于一组矫正因子获得所述矫正信号，所述一组矫正因子包括分别对应所述多个加热区的多个矫正因子，根据所述反馈信号和一矫正因子获得对应所述矫正因子对应的加热区的矫正信号。

进一步的，所述矫正因子为固定值，或者随着目标信号成比例变化。

进一步的，在所述步骤二中，利用矫正因子查找表设置所述矫正因子。

进一步的，所述矫正因子范围为0.5～1.5。

进一步的，在所述步骤二中，与所述反馈信号相对应的加热区，其对应的矫正因子为1。

附图说明

图1为现有技术中一种温度控制系统的结构示意图。

图2为现有技术中另一种温度控制系统的结构示意图。

图3是本发明一实施例中温度控制系统的结构示意图。

图4是本发明一实施例中温度控制系统的控制方法的流程示意图。

具体实施方式

为使本发明的内容更加清楚易懂，以下结合说明书附图，对本发明的内容作进一步说明。当然本发明并不局限于该具体实施例，本领域内的技术人员所熟知的一般替换也涵盖在本发明的保护范围内。

其次，本发明利用示意图进行了详细的表述，在详述本发明实例时，为了便于说明，示意图不依照一般比例局部放大，不应以此作为对本发明的限定。

本发明提供一种多温区温度控制系统，用于控制多个加热区的加热温度，所述多温区温度控制系统包括：多个加热单元，用于分别对应加热所述多个加热区；反馈信号获得单元，用于从一个加热区获得反馈信号；矫正处理单元，用于基于所述反馈信号获得多个矫正信号，每一矫正信号对应于每一加热区；控制信号形成单元，基于每一加热区的矫正信号与目标信号比较获得每一加热区的比较信号，基于每一加热区的比较信号形成控制信号，所述控制信号用于控制所述加热单元对所述加热区的加热。

图3是本发明一实施例中温度控制系统的结构示意图。结合图3，在本实施例中，以三个加热区410、420、430为例进行说明，当然，加热区为两个或四个以上均在本发明的思想范围之内。

如图3所示，所述反馈信号获得单元500用于从一个加热区获得反馈信号；所述矫正处理单元R1、R2、R3分别用于基于所述反馈信号获得多个矫正信号，每一矫正信号对应于每一加热区；所述控制信号形成单元210、220、230基于每一加热区410、420、430的矫正信号与目标信号比较获得每一加热区的比较信号，基于每一加热区410、420、430的比较信号形成控制信号，其中所述控制信号用于控制所述加热区的加热。

在较佳的实施例中，所述反馈信号可以为所述加热区的温度信号或红外辐射信号。采用温度信号或红外辐射信号作为反馈信号，可以更加直接地反应加热区的温度，亦能够使所述多温区温度控制系统在反馈、控制上的算法更为简单，进而提高所述多温区温度控制系统的反馈速度和控制的准确性。其中，所述反馈信号选择采用温度信号，则所述反馈信号获得单元优选地包括用于测试加热区温度的热电偶。采用所述热电偶能够使测试温度更为准确，进而所述多温区温度控制系统的准确性。

当然，所述反馈信号并不限制于温度信号或红外辐射信号，在其他的实施例中，即在未采用温度信号或红外辐射信号作为反馈信号时，所述矫正处理单元R1、R2、R3可以将接收到的所述反馈信号转换为与所述反馈信号获得单元相对应的加热区的温度信号，同样完成实施采集加热区410、420、430加热的功能。

进一步的，当所述反馈信号为所述加热区的温度信号，例如图3所示，所述反馈信号获得单元采集加热区420的反馈信号，则所述反馈信号为所述加热区420的温度信号，所述矫正信号为通过对所述反馈信号进行矫正后获得的每一加热区410、420、430的温度信号，所述目标信号为目标温度，所述比较信号为每一加热区410、420、430的温度与目标温度之间的温度差值。

在较佳的实施例中，所述控制信号通过控制加热功率调节加热区的加热。采用功率调节相对于电流调节或电压调节能够更为直接、准确地控制加热区的加热过程，使加热区更准确地、快速地达到加热温度。

进一步的，所述控制信号形成单元210、220、230分别包括：比较单元，用于基于每一加热区410、420、430的矫正信号与目标信号比较获得每一加热区的比较信号；控制单元，所述控制单元用于基于每一加热区的比较信号形成控制信号，所述控制信号为所述加热单元的电流信号或电压信号。其中，所述控制单元较佳地为PI控制单元或PID控制单元。PI控制单元的价格低廉，适用于简单温度控制系统，而控制单元优选的为PID控制单元，所述PID控制单元的控制更为精确。

在一实施例中，所述多温区温度控制系统应用于半导体设备的反应腔室，其中所述反应腔室包括：加热单元，用于输出加热功率；托盘，设置于所述加热单元上；以及衬底，设置于所述托盘上；其中，所述多温区温度控制系统从一个加热区获得的反馈信号为从所述托盘的上表面、下表面、或衬底上表面获得的反馈信号。针对反应腔室，采集的所述反馈信号的方案可以有多种，并不限制于所述托盘的上表面、下表面、或衬底上表面，上述均可灵活选择，此外例如从衬底上表面的形成外延材料层的特性参数作为等方法亦在本发明的思想范围之内，在本实施例中，所述反馈信号为衬底上表面的形成外延材料层的特性参数，所述矫正处理单元R1、R2、R3基于所述特性参数将所述反馈信号转化为所述加热区410、420、430的温度。其中，所述特性参数可以包括：外延材料层的反射光谱特性、吸收光谱特性、掺杂浓度及生长速率中的一个或多个，上述特性参数与所述加热区的温度具有一定的对应关系，因此可以通过上述特性参数与所述加热区410、420、430的温度的对应关系，将所述反馈信号转化为所述加热区410、420、430的温度。

进一步的，当所述反馈信号为所述加热区410、420、430的温度信号或红外辐射信号，所述矫正处理单元R1、R2、R3基于一组矫正因子获得所述矫正信号，所述一组矫正因子包括分别对应所述多个加热区410、420、430的多个矫正因子，所述矫正处理单元R1、R2、R3根据所述反馈信号和一矫正因子获得对应所述矫正因子对应的加热区410、420、430的矫正信号。其中，矫正因子能够进一步地反映加热区之间的实际差异，用一个加热区的反馈信号进行矫正、虚拟化的处理，获得的矫正信号，能够更加接近各个加热区410、420、430的实际信号，使控制更为精确。

在较佳的实施例中，矫正因子的确定可以采用虚拟化法确定，例如假设三个加热区410、420、430能够按比例同步升温，即三个加热区410、420、430按照指定的比例一起升温、降温；虚拟反馈值由实际仅有的一个反馈信号获得单元按稳态时实际情况进行猜测；矫正因子对反馈效果的猜测并作用于三个加热路径的输入端。反馈信号获得单元500测得第二个加热区420的实际加热温度后，反馈给第一个加热区410和第三个加热区430时，分别乘以各自对应的矫正因子后形成虚拟反馈值，则该虚拟反馈值应满足以下两个条件：

1、稳态时收敛于设定值：即控制器三区的输出因屡次计算时，温度设定值与当前温度的差ΔT不同而产生差别，输出直接作用到控制信号，不同的输出将起到调节温度分布的目的；

2、当三个加热区按指定斜率升温或降温动态时，温度控制系统对三个加热区的控制趋势是统一的，即ΔT1、ΔT2、ΔT3同为正或同为负，且其变化趋势同时变大或同时变小，当ΔT2为零时，ΔT1、ΔT3为零。

因此，虚拟反馈值与实际温度是否相符并不重要，能满足上述两个条件即完成其职责。

在本实施例中，在加热区的硬件的特性不发生变化的情况下，修改矫正因子不会导致对自动控制参数的调整要求，从而使温度控制系统更容易控制加热区的加热。三个加热区之间的功率不再是一个固定的控制参数，只是一个计算和控制过程中的变量，其值由自动控制参数和屡次计算时的变量ΔT所决定。自动控制参数将决定温度控制系统的行为，而实际温度引起的变量是由反馈信号获得单元所控制，这种区别构成方法解决了矫正因子和自动控制参数耦合的问题。

结合上述方法，在一实施例中，所述矫正因子为固定值，或者随着目标信号成比例变化，该矫正信号的获得方法简单且易于调节。例如，当所述加热区410、420、430为圆形，从加热区的圆心向外沿半径方向分为4个加热区，从最内区(即加热区的圆心所在区)采集反馈信号，则四个加热区410、420、430的矫正因子可以固定设置为1、1.1、1.2和1.3。

在较佳的实施例中，所述矫正处理单元R1、R2、R3中可以设置有矫正因子查找表，矫正因子查找表用于基于目标信号查找表设置所述矫正因子。根据矫正因子查找表，可以使矫正控制更加准确、快速。

例如，目标信号为温度，目标温度范围为700～730摄氏度，加热区分为三个区，则三个区的矫正因子分别为：0.8、1.1和0.9；当目标温度范围为731～760摄氏度，则三个区的矫正因子分别为：1、0.9和1.2；当目标温度范围为761～790，三个区的矫正因子为：1、1.1、1.2，当然，温度范围也可以有其他的划分，比如700～710、710～720、720～730选择不同的矫正因子。采用上述方法能够使温度控制更为准确。当然，在其他的实施例中，所述目标信号也可以为反射率，掺杂浓度，吸收率、生长速率等，同样适用矫正因子。

基于加热区410、420、430之间加热差异不明显，所述矫正因子较佳的范围为0.5～1.5。其中，对于反馈信号获得单元获得反馈信号的加热区410、420、430，其对应的矫正因子为1。

此外，在与放置有反馈信号获得单元500的加热区410、420、430相连接的加热路径中，所述反馈信号获得单元500不一定全部仅仅包括反馈信号获得单元，还可以包括对反馈信号获得单元500获得的数值进行处理，以获得温度信号的其他装置等。

图4是本发明一实施例中温度控制系统的控制方法的流程示意图。结合图4，本发明还提供一种多温区温度控制系统的控制方法，用于控制多个加热区的加热，包括以下步骤：

步骤一：从一个加热区获得反馈信号；

步骤二：对所述反馈信号进行矫正，获得多个矫正信号，每一矫正信号对应于每一加热区；

步骤三：基于每一加热区的矫正信号与目标信号比较，获得每一加热区的比较信号，基于每一加热区的比较信号形成控制信号；

步骤四：利用所述控制信号控制所述加热区的加热；

重复步骤一至步骤四，直至所述每一加热区的矫正信号与所述目标信号相同。

在较佳的实施例中，所述反馈信号通过采集所述加热区的温度信号或红外辐射信号获得。采用温度信号或红外辐射信号作为反馈信号，可以更加直接地反应加热区的温度，亦能够使所述多温区温度控制系统在反馈、控制上的算法更为简单，进而提高所述多温区温度控制系统的反馈速度和控制的准确性。其中，所述反馈信号选择采用温度信号，则所述反馈信号获得单元优选地包括用于测试加热区温度的热电偶。采用所述热电偶能够使测试温度更为准确，进而所述多温区温度控制系统的准确性。

当然所述反馈信号并不限制于温度信号或红外辐射信号，在其他的实施例中，即在未采用温度信号或红外辐射信号作为反馈信号时，在所述步骤二中，可以将接收到的所述反馈信号转换为相对应的加热区的温度信号，同样完成实施采集加热区加热的功能。

其中，所述步骤二中，所述矫正因子矫正的过程，具体包括：基于每一加热区的矫正因子对所述温度信号进行矫正，以获得每一加热区的温度信号；所述目标信号为目标温度，所述比较信号通过计算所述矫正获得的每一加热区的温度信号与目标温度之间的温度差值获得。

在较佳的实施例中，所述控制信号通过控制加热功率调节加热区的加热。采用功率调节相对于电流调节或电压调节，能够更为直接、准确地控制加热区的加热过程，使加热区更准确地、快速地达到加热温度。

进一步的，在所述步骤三中，具体包括：基于每一加热区的矫正信号与目标信号比较获得每一加热区的比较信号；基于每一加热区的比较信号形成控制信号，所述控制信号为电流信号、电压信号或功率信号。其中，在所述步骤三中，可以采用PI控制单元或PID控制单元形成控制信号，其中PI控制单元的价格低廉，适用于简单温度控制系统，而控制单元优选的为PID控制单元，所述PID控制单元的控制更为精确。

在一实施例中，所述控制方法应用于半导体设备的反应腔室，所述反应腔室包括：

加热单元，用于输出加热功率；

托盘，设置于所述加热单元上；以及

衬底，设置于所述托盘上；

其中，所述多温区温度控制系统从一个加热区获得的反馈信号为从所述托盘的上表面、下表面、或衬底上表面获得的反馈信号。针对反应腔室，采集的所述反馈信号的方案可以有多种，并不限制于所述托盘的上表面、下表面、或衬底上表面，上述均可灵活选择，此外例如从衬底上表面的形成外延材料层的特性参数作为等方法亦在本发明的思想范围之内，在本实施例中，测试从所述衬底的上表面的形成外延材料层的特性参数获得所述反馈信号。

所述步骤二包括，基于所述特性参数将所述反馈信号转化为所述加热区的温度。其中，测试所述衬底的上表面形成的外延材料层的特性参数获得所述反馈信号包括：测试所述外延材料层的反射光谱特性、吸收光谱特性、掺杂浓度及生长速率中的一个或多个。上述特性参数与所述加热区的温度具有一定的对应关系，因此可以通过上述特性参数与所述加热区的温度的对应关系，将所述反馈信号转化为所述加热区的温度。

进一步的，所述步骤二中包括，基于每一加热区的矫正因子获得所述矫正信号。所述反馈信号为所述加热区的温度信号或红外辐射信号，基于一组矫正因子获得所述矫正信号，所述一组矫正因子包括分别对应所述多个加热区的多个矫正因子，根据所述反馈信号和一矫正因子获得对应所述矫正因子对应的加热区的矫正信号。其中，矫正因子能够进一步地反映加热区之间的实际差异，用一个加热区的反馈信号进行矫正、虚拟化的处理，获得的矫正信号，能够更加接近各个加热区的实际信号，使控制更为精确。

在较佳的实施例中，矫正因子的确定可以采用虚拟化法确定，例如假设三个加热区410、420、430能够按比例同步升温，即三个加热区410、420、430按照指定的比例一起升温、降温；虚拟反馈值由实际仅有的一个反馈信号获得单元按稳态时实际情况进行猜测；矫正因子对反馈效果的猜测并作用于三个加热路径的输入端。反馈信号获得单元500测得第二个加热区420的实际加热温度后，反馈给第一个加热区410和第三个加热区430时，分别乘以各自对应的矫正因子后形成虚拟反馈值，则该虚拟反馈值应满足以下两个条件：

1、稳态时收敛于设定值：即控制器三区的输出因屡次计算时，温度设定值与当前温度的差ΔT不同而产生差别，输出直接作用到控制信号，不同的输出将起到调节温度分布的目的；

2、当三个加热区按指定斜率升温或降温动态时，温度控制系统对三个加热区的控制趋势是统一的，即ΔT1、ΔT2、ΔT3同为正或同为负，且其变化趋势同时变大或同时变小，当ΔT2为零时，ΔT1、ΔT3为零。

因此，虚拟反馈值与实际温度是否相符并不重要，能满足上述两个条件即完成其职责。

在本实施例中，在加热区的硬件的特性不发生变化的情况下，修改矫正因子不会导致对自动控制参数的调整要求，从而使温度控制系统更容易控制加热区的加热。三个加热区之间的功率不再是一个固定的控制参数，只是一个计算和控制过程中的变量，其值由自动控制参数和屡次计算时的变量ΔT所决定。自动控制参数将决定温度控制系统的行为，而实际温度引起的变量是由反馈信号获得单元所控制，这种区别构成方法解决了矫正因子和自动控制参数耦合的问题。

结合上述方法，在一实施例中，所述矫正因子为固定值，或者随着目标信号成比例变化，该矫正信号的获得方法简单且易于调节。例如，当所述加热区为圆形，从加热区的圆心向外沿半径方向分为4个加热区，从最内区(即加热区的圆心所在区)采集反馈信号，则四个加热区矫正因子可以固定设置为1、1.1、1.2和1.3。

在较佳的实施例中，在所述步骤二中，利用矫正因子查找表设置所述矫正因子。根据矫正因子查找表，可以使矫正控制更加准确、快速。

例如，目标信号为温度，目标温度范围为700～730摄氏度，加热区分为三个区，则三个区的矫正因子分别为：0.8、1.1和0.9；当目标温度范围为731～760摄氏度，则三个区的矫正因子分别为：1、0.9和1.2；当目标温度范围为761～790，三个区的矫正因子为：1、1.1、1.2，当然，温度范围也可以有其他的划分，比如700～710、710～720、720～730选择不同的矫正因子。采用上述方法能够使温度控制更为准确。当然，在其他的实施例中，所述目标信号也可以为反射率，掺杂浓度，吸收率、生长速率等，同样适用矫正因子。

基于加热区之间加热差异不明显，所述矫正因子范围为0.5～1.5。其中，对于与所述反馈信号相对应的加热区，其对应的矫正因子为1。

当然，上述所述的控制方法可以采用本发明中所述的多温区温度控制系统进行控制。

与现有技术相比较，本发明所述温度控制系统及其控制方法采用一个反馈信号获得单元、矫正处理单元及控制信号形成单元，其中一个反馈信号获得单元获得一个加热区的反馈信号，该反馈信号能够反映所述加热区的实际反馈温度，再利用矫正处理单元计算其他加热区的反馈温度，并将实际反馈温度与矫正因子结合后形成一信号，并输出该信号，以调节每个加热路径的加热温度，通过采用多个输入端对各个加热区的温度进行调节，能够避免采用一个控制信号形成单元的控制方式导致人为产生的系统升温特性的改变对整个加热过程的影响，从而避免受矫正因子和自动控制参数相互影响，降低调节难度，简化了工艺工程师的工作；同时能够保证多个加热区的温度一起上升，减少了加热区之间存在相互热干扰，使温度能够快速收敛达到稳定状态；此外，由于只需要一个反馈信号获得单元，减少了反馈信号获得单元的数目，进而简化了温度控制系统的结构。

虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明，任何所属技术领域中具有通常知识者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作些许的更动与润饰，因此本发明的保护范围当视权利要求书所界定者为准。

Claims (27)

1.一种多温区温度控制系统，用于控制多个加热区的加热温度，其特征在于，包括：多个加热单元，用于分别对应加热所述多个加热区；反馈信号获得单元，用于从一个加热区获得反馈信号；矫正处理单元，用于基于所述反馈信号获得多个矫正信号，每一矫正信号对应于每一加热区；控制信号形成单元，基于每一加热区的矫正信号与目标信号比较获得每一加热区的比较信号，基于每一加热区的比较信号形成控制信号，所述控制信号用于控制所述加热单元对所述加热区的加热。

2.如权利要求1所述的多温区温度控制系统，其特征在于，所述反馈信号为所述加热区的温度信号或红外辐射信号；当所述反馈信号为所述加热区的温度信号时，所述反馈信号获得单元包括：用于测试加热区温度的热电偶。

3.如权利要求1所述的多温区温度控制系统，其特征在于，所述反馈信号为所述加热区的温度信号，所述矫正信号为通过对所述反馈信号进行矫正后获得的每一加热区的温度信号，所述目标信号为目标温度，所述比较信号为每一加热区的温度与目标温度之间的温度差值。

4.如权利要求1所述的多温区温度控制系统，其特征在于，所述控制信号形成单元包括：

比较单元，用于基于每一加热区的矫正信号与目标信号比较获得每一加热区的比较信号；

控制单元，所述控制单元用于基于每一加热区的比较信号形成控制信号，所述控制信号为所述加热单元的电流信号或电压信号。

5.如权利要求4所述的多温区温度控制系统，其特征在于，所述控制单元为PI控制单元或PID控制单元。

6.如权利要求1所述的多温区温度控制系统，其特征在于，所述多温区温度控制系统应用于半导体设备的反应腔室，所述反应腔室包括：

加热单元，用于输出加热功率；

托盘，设置于所述加热单元上；以及

衬底，设置于所述托盘上；

其中，所述加热区为托盘的上表面、下表面、或衬底上表面。

7.如权利要求6所述的多温区温度控制系统，其特征在于，所述反馈信号为衬底上表面的形成外延材料层的特性参数，所述矫正处理单元基于所述特性参数将所述反馈信号转化为所述加热区的温度。

8.如权利要求7所述的多温区温度控制系统，其特征在于，所述特性参数包括：外延材料层的反射光谱特性、吸收光谱特性、掺杂浓度及生长速率中的一个或多个。

9.如权利要求1所述的多温区温度控制系统，其特征在于，所述反馈信号为所述加热区的温度信号或红外辐射信号，所述矫正处理单元基于一组矫正因子获得所述矫正信号，所述一组矫正因子包括分别对应所述多个加热区的多个矫正因子，所述矫正处理单元根据所述反馈信号和一矫正因子获得对应所述矫正因子对应的加热区的矫正信号。

10.如权利要求9所述的多温区温度控制系统，其特征在于，所述矫正因子为固定值，或者随着目标信号成比例变化。

11.如权利要求9所述的多温区温度控制系统，其特征在于，所述矫正处理单元中设置有矫正因子查找表，用于基于目标信号查找表设置所述矫正因子。

12.一种多温区温度控制系统的控制方法，用于控制多个加热区的加热，其特征在于，包括：

步骤一：从一个加热区获得反馈信号；

步骤二：对所述反馈信号进行矫正，获得多个矫正信号，每一矫正信号对应于每一加热区；

步骤三：基于每一加热区的矫正信号与目标信号比较，获得每一加热区的比较信号，基于每一加热区的比较信号形成控制信号；

步骤四：利用所述控制信号控制所述加热区的加热；

重复步骤一至步骤四，直至所述每一加热区的矫正信号与所述目标信号相同。

13.如权利要求12所述的多温区温度控制系统的控制方法，其特征在于，所述反馈信号通过采集所述加热区的温度信号或红外辐射信号获得。

14.如权利要求13所述的多温区温度控制系统的控制方法，其特征在于，所述反馈信号为温度信号，所述反馈信号利用热电偶对加热区测试获得。

15.如权利要求12所述的多温区温度控制系统的控制方法，其特征在于，所述步骤二包括，将所述反馈信号转换为相对应的加热区的温度信号。

16.如权利要求15所述的多温区温度控制系统的控制方法，其特征在于，所述步骤二包括：基于每一加热区的矫正因子对所述加热区的温度信号进行矫正，以获得每一加热区的温度信号；所述目标信号为目标温度，所述比较信号通过计算所述矫正获得的每一加热区的温度信号与目标温度之间的温度差值获得。

17.如权利要求12所述的多温区温度控制系统的控制方法，其特征在于，所述控制信号通过控制加热功率调节加热区的加热。

18.如权利要求12所述的多温区温度控制系统的控制方法，其特征在于，在所述步骤三中，包括：

基于每一加热区的矫正信号与目标信号比较获得每一加热区的比较信号；

基于每一加热区的比较信号形成控制信号，所述控制信号为电流信号、电压信号或功率信号。

19.如权利要求18所述的多温区温度控制系统的控制方法，其特征在于，在所述步骤三中，采用PI控制单元或PID控制单元形成控制信号。

20.如权利要求19所述的多温区温度控制系统的控制方法，其特征在于，所述控制方法应用于半导体设备的反应腔室，所述反应腔室包括：

加热单元，用于输出加热功率；

托盘，设置于所述加热单元上；以及

衬底，设置于所述托盘上；

其中，所述加热区为托盘的上表面、下表面、或衬底上表面。

21.如权利要求20所述的多温区温度控制系统的控制方法，其特征在于，测试从所述衬底的上表面的形成外延材料层的特性参数获得所述反馈信号，所述步骤二包括，基于所述特性参数将所述反馈信号转化为所述加热区的温度。

22.如权利要求21所述的多温区温度控制系统的控制方法，其特征在于，测试所述衬底的上表面形成的外延材料层的特性参数获得所述反馈信号包括：测试所述外延材料层的反射光谱特性、吸收光谱特性、掺杂浓度及生长速率中的一个或多个。

23.如权利要求12所述的多温区温度控制系统的控制方法，其特征在于，所述步骤二中包括，所述反馈信号为所述加热区的温度信号或红外辐射信号，基于一组矫正因子获得所述矫正信号，所述一组矫正因子包括分别对应所述多个加热区的多个矫正因子，根据所述反馈信号和一矫正因子获得对应所述矫正因子对应的加热区的矫正信号。

24.如权利要求23所述的多温区温度控制系统的控制方法，其特征在于，所述矫正因子为固定值，或者随着目标信号成比例变化。

25.如权利要求23所述的多温区温度控制系统的控制方法，其特征在于，在所述步骤二中，利用矫正因子查找表设置所述矫正因子。

26.如权利要求23所述的多温区温度控制系统的控制方法，其特征在于，所述矫正因子范围为0.5～1.5。

27.如权利要求26所述的多温区温度控制系统的控制方法，其特征在于，在所述步骤二中，与所述反馈信号相对应的加热区，其对应的矫正因子为1。

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