CN103668128A - Mocvd设备、温度控制系统及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种温度控制系统，其包含：功率值计算单元，用于接收各个测温传感器检测的加热区域的温度值，根据该温度值计算各个加热区域对应的加热区域功率值；功率值转换单元，用于接收功率值计算单元输出的各个加热区域对应的加热区域功率值，并将加热区域功率值转换为各个加热单元对应的加热单元功率值后输出；功率输出单元，用于接收功率值转换单元转换输出的各个加热单元对应的加热单元功率值，根据该加热单元功率值向各个加热单元输出对应功率。本发明用于控制对象多、耦合作用强的场合，能使控制通道相互独立，实现解耦，提高系统控制精度。

Description

MOCVD设备、温度控制系统及控制方法

技术领域

本发明涉及半导体技术领域，具体涉及一种金属有机化学气相沉淀（MOCVD）设备、应用于该设备的温度控制系统及控制方法。

背景技术

半导体设备中加热系统通常具有惯性大、反应慢、延时、升温单向性等特点，同时还存在着复杂的热传导、热辐射、热对流等传热现象，实现精密温度控制很困难。对于某些应用场合，当面积或体积较大时，由于不同区域热损耗的不同，采用单个加热器很难实现温度的均匀性。因此，有必要将加热器分解为若干单元，每个单元只加热一小块区域。同时还需要为每一块区域配置测温传感器（即测温单元），以检测不同加热区域温度的均匀性。这样就产生了多个加热单元、多个测温单元之间的控制问题。加热单元和测温单元在设计上考虑因素不同，会导致加热单元和测温单元在空间位置上的不对应，同一测温单元测量的区域会受多个加热单元影响，其测得的温度数据往往是多个加热单元共同作用的结果，从而增加了温度控制的复杂度。另外，实际的加热系统总是存在着热传导、热辐射、热对流等多种形式的热损失，如果这些热损失仅由控制单元来进行补偿，会增加控制单元调节时间，增大控制误差。

金属有机化学气相沉淀（MOCVD）设备用于在外延片衬底上，例如蓝宝石衬底或硅衬底上生长外延层薄膜，对温度的精确性和均匀性要求非常高。MOCVD一般包含多个加热单元、多个加热区域、多个测温单元，温度控制存在着较强的耦合作用。

中国专利申请（申请号：201010263355.1）公开了一种用于MOCVD设备中控制外延片温度及均匀性的装置。该装置用若干个非接触光学温度计来测量多个环状区域的外延片温度，同时由多个环状排列、径向覆盖面积较小的加热元件来加热外延片，并采用温度控制单元来实现外延片的温度及均匀性的控制。该方案通过独立控制各个加热元件的功率，提高了外延片衬底的温度均匀性，但是其缺点在于，由于该方案中调整某个加热元件的功率以改变部分区域外延片温度时，仍可能影响到其他区域外延片温度，而该方案对如何降低这种影响考虑不足，各个通道之间温度控制的耦合性较强，控制精度有待进一步的提高。

发明内容

本发明实施例提供一种MOCVD设备、温度控制系统及其控制方法，以提高温度控制精度。

为实现上述目的，本发明一个实施例提供一种温度控制系统，该温度控制系统输入端连接有若干测温传感器，所述若干测温传感器用于检测半导体薄膜沉积设备中各个加热区域的温度值，每个加热区域对应于一个或多个测温传感器；温度控制系统输出端连接有若干加热单元，所述若干加热单元用于根据温度控制系统输出的功率对各个加热区域进行加热；具体地，该温度控制系统包含：

功率值计算单元，用于接收各个测温传感器检测的加热区域的温度值，根据该温度值计算各个加热区域对应的加热区域功率值；

功率值转换单元，用于接收功率值计算单元输出的各个加热区域对应的加热区域功率值，并将加热区域功率值转换为各个加热单元对应的加热单元功率值后输出；

功率输出单元，用于接收功率值转换单元转换输出的各个加热单元对应的加热单元功率值，根据该加热单元功率值向各个加热单元输出对应功率。

本发明一个实施例还提供一种半导体薄膜沉淀设备，包含上述的温度控制系统。

本发明一个实施例还提供一种该MOCVD设备，该MOCVD设备包含外延反应腔、托盘、加热器、测温传感器以及温度控制系统；

托盘位于外延反应腔中，托盘上设有多个用于放置外延片的外延片区；

加热器包含多个加热单元，用于对托盘上的外延片区进行加热；

测温传感器用于测量各个外延片区的温度值；

温度控制系统用于接收测温传感器测得的温度，根据测温传感器测得的温度计算各个外延片区的加热区域功率值，并转换为各个加热单元对应的加热单元功率值，以及向各个加热单元输出对应的功率；

各个加热单元分别用于根据温度控制系统输出的功率对外延片区加热。

本发明一个实施例还提供一种温度控制方法，该方法包含以下步骤：

获取半导体薄膜沉积设备中各个加热区域对应的加热区域功率值；

将各个加热区域对应的加热区域功率值转换为半导体薄膜沉积设备中各个加热单元对应的加热单元功率值；

根据各个加热单元对应的加热单元功率值，控制各个加热单元输出功率。

本发明实施例提供了一种温度控制系统、温度控制方法及半导体薄膜沉积设备例如MOCVD设备，可用于控制对象多、耦合作用强的场合，通过将加热区域功率值转换为加热单元功率值，可以使多个控制通道相互独立，实现解耦，提高了温度控制精度。

附图说明

图1为本发明一个实施例中温度控制系统应用于MOCVD设备上的结构示意图；

图2为本发明一个实施例中温度控制系统的结构示意图；

图3为本发明另一个实施例中温度控制系统的部分结构示意图；

图4为本发明又一个实施例中温度控制系统的部分结构示意图；

图5为图2中功率值计算单元52的一种结构示意图；

图6为图2中功率值计算单元52的另一种结构示意图；

图7为图2中功率输出单元56的一种结构示意图；

图8为本发明一个实施例中温度控制方法流程示意图；

图9为本发明一个实施例中获得加热区域功率值的过程示意图；

图10为本发明一个实施例中进行功率值转换的过程示意图。

具体实施方式

以下结合附图，进一步说明本发明的具体实施例。

如图1所示，为本发明一个实施例中温度控制系统用于金属有机化学气相沉淀（MOCVD）设备中总体结构示意图。金属有机化学气相沉淀（MOCVD）设备包含有托盘101（例如石墨托盘101），和旋转轴102，石墨托盘101可绕旋转轴102作旋转运动。石墨托盘101上表面开设有若干凹陷的晶片槽103，该晶片槽103用于放置外延片，本实施例中对外延片的类型和大小不做限定。本实施例中，晶片槽103按照四个不同的半径作同心圆排列，从石墨托盘101中心到其边沿，围绕石墨托盘101中心一共排列有四圈，每圈作为一个环状外延片区，从内到外依次为：第一外延片区104A、第二外延片区104B、第三外延片区104C、第四外延片区104D，形成四个环状外延片区。第一外延片201a置于第一外延片区104A内，第二外延片201b置于第二外延片区104B内，第三外延片201c置于第三外延片区104C内，第四外延片201d置于第四外延片区104D内，上述的外延片分别放置于各环状外延片区的晶片槽103内。

石墨托盘101的正下方安装有加热器，加热器用于加热石墨托盘101，尤其是用于四个环状外延片区的加热，该四个环状外延片区即为加热区域。本实施例中每个环状外延片区为一个加热区域。需要指出的是，对某个加热区域来说，可以不放置外延片，甚至不设置晶片槽。在一个可选实施例中，加热器包含四个独立的加热单元：第一加热单元401a、第二加热单元401b、第三加热单元401c和第四加热单元401d。上述的第一加热单元401a、第二加热单元401b、第三加热单元401c和第四加热单元401d呈环状，该四个加热单元排列成同心圆形状，从托盘旋转轴102向外，依次为：第一加热单元401a、第二加热单元401b、第三加热单元401c、第四加热单元401d。该四个加热单元的面积根据需要可以设置为不同的面积大小，加热范围主要是各自正上方的石墨托盘101区域。该第一加热单元401a、第二加热单元401b、第三加热单元401c和第四加热单元401d与上述石墨托盘101上的四个环状外延片区不一定是一一对应关系，例如，第一外延片区104A其热量来源主要是第一加热单元401a和第二加热单元401b。本实施例中，在第三加热单元401c位置下方安装有一个热电偶温度计601，热电偶温度计601用来测量加热器的温度，作为加热器工作状态的监测点及外延片温度控制的参照点。在实际应用中，热电偶温度计601可以是一个或者多个，例如为多个加热单元设置一个热电偶温度计，或者为每个加热单元设置一个热电偶温度计。

测温传感器用于检测各个加热区域的加热区域温度值，本实施例中，温度控制系统所连接的测温传感器分别安装于上述四个环状外延片区上方，在一种可选方式中，为每个外延片区分别设有一个测温传感器，该些测温传感器分别为设置于第一外延片区104A上方的第一测温传感器301a、设置于第二外延片区104B上方的第二测温传感器301b、设置于第三外延片区104C上方的第三测温传感器301c，以及设置于第四外延片区104D上方的第四测温传感器301d。优选地，上述测温传感器通常选用非接触式光学测温传感器（pyrometer），其用于测量石墨托盘101上用来放置外延片的晶片槽103（pocket）的温度，或者用于测量上述加热单元的温度，测得的温度值即为加热区域的温度值（例如外延片区的温度值）。

本实施例中，温度控制系统500具体用于控制上述四个环状外延片区温度的精确性和均匀性。上述的第一测温传感器301a、第二测温传感器301b、第三测温传感器301c、第四测温传感器301d的输出端分别连接温度控制系统500的输入端，该四个测温传感器分别测量到的四个温度作为温度控制系统500的输入。上述的第一加热单元401a、第二加热单元401b、第三加热单元401c和第四加热单元401d的输入端分别连接温度控制系统500的输出端，该四个加热单元的驱动信号（例如电流驱动信号），作为温度控制系统500的输出。上述热电偶温度计601的输出端连接温度控制系统500的输入端，其测量到的加热器温度，作为参考温度传送给温度控制系统500。本实施例中，温度控制系统500为多输入多输出控制系统。不难明白，实际应用中，加热单元和测温传感器的个数可以灵活设置，本实施例对其设置不做任何限定。

本实施例中，石墨托盘101上设有四个加热区域（在MOCVD设备中即对应具体为四个环状外延片区），每个环状外延片区上对应设有一个测温传感器，即非接触式光学测温传感器（pyrometer）。温度控制系统500具有四个控制通道，分别控制第一外延片区104A、第二外延片区104B、第三外延片区104C、第四外延片区104D 四个外延片区的温度，本实施例中这四个控制通道相互独立，实现了解耦，提高了温度控制精度。需要指出的本实施例中仅以四个通道为例进行了说明，还可以适用于其他场景例如两个通道或三个通道。

另外需要指出的是，本实施例提出的温度控制系统除适用于MOCVD设备外，还适用于其他半导体设备，例如半导体薄膜沉积设备，具体包含等离子体增强化学气相沉积（PECVD）设备等。

如图2所示，本发明一个实施例中温度控制系统500包含功率值计算单元52，功率值转换单元54，功率输出单元56。温度控制系统的输出端连接加热器40，温度控制系统的输入端连接测温传感器。

功率值计算单元52，用于接收各个测温传感器检测的加热区域温度，计算中各个加热区域对应的加热区域功率值。

功率值转换单元54，用于接收功率值计算单元52输出的各个加热区域对应的加热区域功率值，并将加热区域功率值转换为各个加热单元401对应的加热单元功率值后输出。

功率输出单元56，用于接收功率值转换单元54转换输出的各个加热单元401对应的加热单元功率值，根据该加热单元功率值向各个加热单元401输出对应功率。

加热器40则分别根据对应的加热单元功率值对各个加热区域进行加热。

如图3所示，在一种实现方式中，温度控制系统500还可以包含：第一功率值补偿单元53和第一相加单元57。

第一功率值补偿单元53用于补偿各个MOCVD设备中环形外延片区（加热区域）的热损失功率，包含热对流和热辐射引起的热量损失。

第一相加单元57用于将其对应的第一功率值补偿单元53计算出的各个对应加热区域的加热区域热损失功率值与功率值计算单元52中对应功率值计算模块521计算出的加热区域对应的加热区域功率值对应相加，得到补偿后的加热区域对应的加热区域补偿后功率值，并传输至功率值转换单元54。

在一种实现方式中，可以设置一个第一功率值补偿单元53和一个第一相加单元57，来完成各个加热区域功率补偿。在另一种实现方式中，可以设置多个第一功率值补偿单元53和多个第一相加单元57来完成各个加热区域功率补偿，例如各第一功率值补偿单元53分别计算各个加热区域对应的加热区域热损失功率值并输出，各个第一相加单元57分别将对应加热区域的加热区域热损失功率值和加热区域功率值进行相加，得到加热区域补偿后功率值。通过对应转换后最终影响加热器40中各加热单元401的输出功率，其中具体的转换至少跟功率值转换单元54相关，第一功率值补偿单元53的设置可有效补偿实际系统中石墨托盘101上方各个环形外延片区（加热区域）的热量损失，从而减小温度波动，提高系统控制精度。该第一功率值补偿单元53输出加热区域补偿后功率值可以通过模型计算和试验测试来获得。

该实现方式中，功率值转换单元54将补偿后的各个加热区域对应的加热区域补偿后功率值转换为各个加热单元401对应的加热单元功率值并输出。

如图4所示，在另一种实现方式中，该温度控制系统500还可以包含：第二功率值补偿单元55和第二相加单元58。

第二功率值补偿单元55用于计算各个加热单元401对应的加热单元热损失功率值，输出加热单元热损失功率值对各个加热单元401对应的加热单元功率值进行补偿，以补偿设置于MOCVD设备中托盘101下方的各个加热单元401的热损失功率，具体可以包含热对流和热辐射引起的热量损失。各第二功率值补偿单元55输出的功率补偿值会影响加热单元401的输出功率，从而减小温度波动，提高系统控制精度。第二功率值补偿单元55输出的功率补偿值可以通过模型计算和试验测试来获得。

第二相加单元58用于将对应的第二功率值补偿单元55计算出的各个加热单元401的加热单元热损失功率值和功率值转换单元54输出的各个加热单元401对应的加热单元功率值对应相加，得到补偿后的各个加热单元401对应的加热单元补偿后功率值并输出至功率输出单元56。功率输出单元56即根据第二相加单元58输出的补偿后的各个加热单元401对应的加热单元补偿后功率值，向各个加热单元401输出对应的功率。

在一种实现方式中，可以设置一个第二功率值补偿单元55和一个第二相加单元58，来完成各个加热区域功率补偿。在另一种实现方式中，可以设置多个第二功率值补偿单元55和多个第二相加单元58来完成各个加热区域功率补偿，例如第二功率值补偿单元55和第二相加单元58的个数均等于加热单元的个数。

请再次参见图2，本实施例中功率值转换单元54负责功率值转换，即用于将各个加热区域（例如MOCVD设备中具体为各环形外延区）对应的功率值转换为各个加热单元401对应的功率值。具体地，功率值转换单元54通过矩阵计算完成该加热区域功率至加热单元功率的转换。功率值转换单元54将各个环形外延区对应的功率值作为一个向量和预先设置的矩阵进行计算，得到另一个向量作为加热单元功率值。

具体地，功率值转换单元54可以包含输入模块，运算模块及输出模块。

输入模块接收各功率值计算单元52输出的各个加热区域对应的加热区域功率值，将各加热区域功率值作为一个输入向量，例如列向量。

运算模块预设有矩阵A，将预设的矩阵A与输入向量做矩阵乘法运算，得到输出向量，具体地输出向量也是一个列向量。

输出模块将输出向量作为各个加热单元401对应的加热单元功率值，并输出。

功率值转换单元54中预先设置的矩阵A为m×n矩阵，不难明白，m和n均为正整数。在一个实施例中，假定m=n=4，如下所示：

                （1）

功率转换满足如下公式：

       （2）

式（2）中，P519a、P519b、P519c、P519d分别为加热单元功率值。P518a、P518b、P518c、P518d分别为加热区域功率值。

功率值转换单元54预先设置的矩阵A，例如式（1），体现了加热区域（环形外延区）对应的功率值到加热单元功率值的映射关系，各种热传导现象如加热器热辐射、托盘内热传导、吹扫气体带走的热损失等各种因素均可考虑包含其中，或可根据需要仅考虑其中的部分因素。该m×n矩阵例如式（1）的矩阵中的各个元素可通过专门的校准方法来获得。

需要指出的是，该矩阵A可以为方阵，也可以是普通矩阵，一般而言，该矩阵可以表达为m×n的形式，n表示功率值转换单元54输入多个信号的个数（通常为加热区域的个数），m 表示功率值转换单元54输出多个信号的个数（通常为加热单元的个数），其中m，n均为大于或等于2的正整数，且m大于或等于n，也就是说，对功率值转换单元54而言，输出的个数可以大于或等于输入的个数。当输出的个数大于输入的个数时，转换得到的功率值可以有多种选择，从中选取一种即可。

当系统需要改变温度例如升温时，通过功率值转换单元54可准确计算出各个加热单元401对应的加热单元功率值，从而控制或者调整各个加热单元401对应的功率输出模块561的输出功率。需要明白的是，本实施例中的控制输出功率既可以是增加输出功率，或减小输出功率，还可以是维持输出功率不变，即输出功率的调整量可以是正值或负值或零。本实施例中功率输出单元56根据加热单元功率值输出对应的加热单元电流值，各加热单元401按照各自的加热单元电流值加热石墨托盘101后，托盘101上的加热区域（环形外延片区）的温度，可按照各自预先设定曲线变化，不致产生较大的温度偏差，可实现某一区温度按照设定曲线变化，而其它区温度仍然稳定在当前设定值而不产生波动，与现有技术中为改变MOCVD设备中一个外延片区的温度单纯调整某一个加热单元的功率从而引起的其他外延片区温度也发生变化相比，提高了温度控制精度。

功率值计算单元包含多个功率值计算模块521，功率值计算模块521分别与各个加热区域一一对应，每个加热区域可以设置一个或多个测温传感器。

如图5所示，在一种实现方式中，每个功率值计算模块521包含：温度计算模块501、比较模块502和控制模块503。

温度计算模块501用于接收用户发送的设定值，包含设定温度值和调整时间，并根据设定温度值和调整时间，计算出中对应加热区域从当前温度值到设定温度值之间分步调整所需的若干个温度设定值，并输出至比较模块502。温度计算模块501每次从一个温度值调整到下一个温度值所需的时间称为一个调整周期（或计算周期），例如将温度从500度调整为600度，假定每步调整温度升高2度，那么每升高2度的时间就是一个调整周期。不难明白，在每步调整中每个温度计算单元都会分别计算出一个不同的温度值，通过多步调整，使温度从当前温度值逐渐达到设定温度值。

本实施例中所公开的温度控制系统可同时分别接收四个温度设定值，分别对应托盘101的不同外延区的或位于不同外延区的外延片。系统中的四个温度计算单元分别接收一个温度设定值。该四个温度设定值分别对应托盘101上的四个不同加热区域或该加热区域中的受热物体（即环形外延区或各个外延区中的外延片）。

比较模块502分别接收温度计算单元与测温传感器的输出，根据每步调整中测温传感器301测量的加热区域温度值和温度计算模块501计算出的温度设定值，得到温度差值，并输出至控制模块503。

控制模块503用于负责系统误差的调节，其接收比较模块502输出的温度差值，并将温度差值转换为控制单元输出功率值。

本实施方式中，该控制模块输出功率值作为对应加热区域功率值输出，通过对应转换后最终影响加热单元的输出功率，其中具体的转换至少跟功率值转换单元54相关。

如图6所示，在另一种实现方式中，在图5的基础上，每个功率值计算模块521还包含有前馈模块504和相加模块505。

该实现方式中，进一步地，各温度计算模块501除计算多步调整所需的多个温度值之外，还计算每步调整的温度斜率，并分别输出至各个前馈单元504。前馈模块504接收温度计算模块501计算出的分步调整所需的多个温度值和每步调整的温度斜率，并根据该温度计算单元计算出的温度与温度斜率，分别计算出系统温度每步调整所需的功率增量值，以及每步调整中与温度相关的热损失功率值，相加得到前馈模块输出功率值并输出至相加模块505。

前馈单元504具体的计算方式有多种，跟系统加热模型密切相关，选择不同的系统加热模型，计算方式也不相同，本实施例中对此不作限定。本实施例中公开如下一种计算方法：

假设，系统为一阶模型，其传递函数如下：

                     （3）

式（3）中，G(s)为传递函数，s为复数变量，K为增益系数，T0为时间常数，τ为延时时间。K、T₀、τ为一阶模型的三个参数，则前馈模块内部公式如下：

                  （4）

式（4）中，P为前馈模块输出功率，T为计算出的温度，

为计算出的温度斜率（T的导数）。T和

分别由上述温度计算单元传输至各前馈单元，

为功率增量和，

为温度相关的热损失功率。前馈单元可提高系统响应速度，本实施例中用于升降温阶段，以便温度快速调整至设定值。

相加模块505分别接收上述的前馈模块504输出功率与控制单元503输出功率值，并将前馈模块504输出的前馈模块输出功率值和控制模块503输出的控制模块输出功率值进行相加，得出相加模块输出功率值，并作为对应加热区域的加热区域功率值输出。

功率输出单元56包含多个功率输出模块561，功率输出模块561与加热单元401一一对应，此外功率输出单元56对应于一个或若干个热电偶温度计601，每个功率输出模块561也对应于其中一个热电偶温度计601。如图7所示，

每个功率输出模块561包含： 信号转换单元509和加热器电源510

信号转换单元509，根据热电偶温度计601测量的加热单元温度计算出对应加热单元的电阻，并根据对应加热单元的电阻和功率值转换单元54输出的各加热单元401对应的加热单元功率值计算出加热单元电流值，并输出至加热器电源510。

信号转换单元509将加热单元功率值转换为加热单元电流值。该加热单元电流值与加热单元电阻有关，满足如下关系：

                      （5）

i=K·P                      （6）

通过公式（5）和（6），可得出：

                    （7）

上式（5）、（6）、（7）中：K为信号转换单元的内部参数，表示一个功率-电流转换因子，P为加热单元总功率值，R为加热单元电阻，i为加热单元电流。

加热单元电阻是温度的函数，随着温度的升高而增大，满足如下关系：

              （8）

上式（8）中，R为温度T下的电阻，R₀为常温T₀下的电阻，α为电阻温度系数。

计算加热单元电阻，需要获取加热单元的当前温度。本实施例中，用插在上述MOCVD设备的第三外延片区104C的加热单元401上的热电偶温度计601来监测加热单元温度，并输出至各信号转换单元509，信号转换单元509计算出当前温度下第三外延片区104C中加热单元401的加热单元电阻R。

加热器电源510则分别接收各信号转换单元509输出的加热单元电流值，根据该加热单元电流值调整对应加热单元401的电流，使各加热单元根据调整后的加热单元电流值，输出对应的能量来加热石墨托盘101，及其上的各个外延片。

如图7所示，功率输出单元56接收一个或若干个热电偶温度计601测得的温度值。

不难明白，当只设有一个热电偶温度计601时，该热电偶温度计601可以对应于任意一个加热单元401，并测量该加热单元401的温度，以及将测得温度作为所有加热单元401的加热单元温度，分别输出至各信号转换单元509。

当设有若干个热电偶温度计601时，热电偶温度计601可以和加热单元401一一对应，热电偶温度计601分别测量各个对应加热单元401的加热单元温度，并分别输出至对应的信号转换单元509。

如图1所示，在一个实施例中，可以用热电偶温度计601监测的第三外延片区104C的加热单元温度，来近似计算第一外延片区104A、第二外延片区104B和第四外延片区104D的加热单元电阻。即本发明实施例中，可以采用多个加热单元共用一个热电偶温度计601的设置方式，也可以采用分别为每个加热单元设置一个热电偶温度计601的设置方法。

请再次参阅图1，本发明一个实施例还提供一种MOCVD设备，该设备包含外延反应腔、托盘101、加热器，测温传感器以及温度控制系统500；

托盘101位于外延反应腔中，托盘101上设有多个用于放置外延片的外延片区；

加热器位于托盘下方，加热器包含多个加热单元，用于对托盘上的外延片区进行加热；

测温传感器（301a、301b、301c、301d）用于测量各个外延片区的温度值；

温度控制系统（500）用于接收测温传感器测得的温度，根据测温传感器测得的温度计算各个外延片区的加热区域功率值，并转换为各个加热单元（401a、401b、401c、401d）对应的加热单元功率值，以及向各个加热单元输出对应的功率；

各个加热单元401分别和用于根据温度控制系统输出的功率对外延片区加热。

本实施例中的温度控制系统可以为上述实施例提供的任意一种实现方式。具体体温度控制系统可以通过软件的方式来实现，或通过硬件的方式来实现，或者通过软件和硬件结合的方式来实现，本实施例对此不作限定。

进一步地，金属有机化学气相沉淀设备还可以包含热电偶温度计601，热电偶温度计601和温度控制系统相连接500相连接，用于测量加热单元的温度，并将测得的温度值传送给温度控制系统500以计算各个加热单元的电阻和电流大小，具体的计算方式可以参见前面的实施例。

本实施例中，各加热单元401按照各自的加热单元电流值加热托盘101后，托盘101上的加热区域（环形外延片区）的温度，可按照各自预先设定曲线变化，不致产生较大的温度偏差，可实现某一区温度按照设定曲线变化，而其它区温度仍然稳定在当前设定值而不产生波动，提高了温度控制精度。

如图9所示，本发明一个实施例中还公开了一种温度控制方法，该方法适用于上述的温度控制系统或者MOCVD设备，也适用于其他半导体薄膜沉积设备。以MOCVD设备为例进行说明，该方法可以由MOCVD设备来完成，或者由MOCVD设备中的温度控制系统来完成。该方法具体可以包含以下步骤：

S1、获取半导体薄膜沉积设备中各个加热区域对应的加热区域功率值。

例如在MOCVD设备中，加热区域可以是各个外延片区。

S2、将各个加热区域对应的加热区域功率值转换为半导体薄膜沉积设备中各个加热单元401对应的加热单元功率值。

S3、根据各个加热单元401对应的加热单元功率值，控制各个加热单元401输出功率。

进一步地，在步骤S1中获得各个加热区域对应的加热区域功率值时，对任意一个加热区域来说，获得该任意一个加热区域的加热区域功率值的步骤如图9所示，具体可以包括：

S11、测量该任意一个加热区域的当前温度值；

S12、根据设定温度值和调整时间，计算出该任意一个加热区域从当前温度值到设定温度值分步调整所需的若干个温度设定值；

S13、根据每步调整中测量的该任意一个加热区域的加热区域温度值和计算出的温度设定值，得到温度差值；

S14、基于该温度差值计算出该任意一个加热区域的加热区域功率值。

在根据上述步骤计算出任意一个加热区域的加热区域功率值后，依此类推，可以计算出全部加热区域的加热区域功率值。

对于步骤S2，如图10所示，在具体实现时，可以包含如下步骤：

S21、将各个加热区域对应的加热区域功率作为一个输入向量；

S22、利用预先设定的矩阵和该输入向量做矩阵乘法，得到输出向量；

S23、将所述输出向量作为各个加热单元对应的加热单元功率值。

需要指出的是，上述各个标号仅用于帮助对实施例的理解，并不对各步骤之间的顺序造成限制。

下面结合图1对步骤S2进行进一步的说明，

在一个实施例中，输入向量可以是一个列向量，例如为

。

其中，P518a、P518b、P518c、P518d分别为MOCVD设备中的四个加热区域，即第一环形外延片区104A、第二环形外延片区104B、第三环形外延片区104C、第四环形外延片区104D，的加热区域功率值。

温度控制系统（500）中预先设置的矩阵A如下所示：

                

功率转换满足如下公式：

预设的矩阵A为m×n矩阵。m表示所述功率值转换单元（54）输出信号的个数，m大于等于2。n表示所述功率值转换单元（54）输入信号的个数，n大于等于2。m大于或等于n。

其中，P519a、P519b、P519c、P519d分别为四个加热区域对应加热单元401所对应的加热单元功率值。

此外，在转换步骤S2之前，本实施例提供的温度控制方法还可以包括：计算各个加热区域对应的加热区域热损失功率值；将各个加热区域对应的加热区域热损失功率值与各个加热区域对应的加热区域功率值对应相加，得到补偿后的各个加热区域对应的加热区域补偿后功率值；

进而，将各个加热区域对应的加热区域补偿后功率值转换为半导体薄膜沉积设备中各个加热单元401对应的加热单元功率值。

此外，在步骤S3之前，本实施例提供的温度控制方法还可以包括：计算各个加热单元的加热单元热损失功率值；将各个加热单元的加热单元热损失功率值和对应的加热单元功率值对应相加，得到补偿后的各个加热单元对应的加热单元补偿后功率值；

进而，根据补偿后的各个加热单元对应的加热单元补偿后功率值，控制向各个加热单元输出的功率。

以上为本发明揭示了一个四输入四输出温度控制系统的实施例。对于其它数量的多个加热区域、多个测温传感器和加热单元，无论其空间位置的对应关系如何，本发明均可在上述实施例的基础上，扩展出满足需要的多通道温度控制系统。对于加热器电源，其控制方式不限于电流控制，电压控制仍然可在本发明所述的温度控制系统中实现。对于测量加热器温度、提供系统参考温度的热电偶，数量多于一个的热电偶也可在本发明中得到应用。

尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。

Claims (17)

1.一种温度控制系统，该温度控制系统（500）输入端连接有若干测温传感器，所述若干测温传感器用于检测半导体薄膜沉积设备中各个加热区域的温度值，每个加热区域对应于一个或多个测温传感器；温度控制系统（500）输出端连接有若干加热单元（401），所述若干加热单元用于根据温度控制系统（500）输出的功率对各个加热区域进行加热；

其特征在于，该温度控制系统（500）包含：

功率值计算单元（52），用于接收各个测温传感器检测的加热区域的温度值，根据该温度值计算各个加热区域对应的加热区域功率值；

功率值转换单元（54），用于接收功率值计算单元（52）输出的各个加热区域对应的加热区域功率值，并将加热区域功率值转换为各个加热单元（401）对应的加热单元功率值后输出；

功率输出单元（56），用于接收功率值转换单元（54）转换输出的各个加热单元（401）对应的加热单元功率值，根据该加热单元功率值向各个加热单元（401）输出对应功率。

2.如权利要求1所述的温度控制系统，其特征在于，所述的功率值转换单元（54）包含：

输入模块，用于接收功率值计算单元（52）输出的各个加热区域对应的加热区域功率值，将各加热区域功率值作为一个输入向量；

运算模块，用于将预设的矩阵与所述输入向量做矩阵乘法运算，得到输出向量；

输出模块，用于将所述输出向量作为各个加热单元对应的加热单元功率值，并输出。

3.如权利要求2所述的温度控制系统，其特征在于，所述输入向量为n×1的列向量，所述预设的矩阵为m×n矩阵，所述输出向量为m×1的列向量；

m表示所述功率值转换单元（54）输出信号的个数，m为正整数且大于等于2；

n表示所述功率值转换单元（54）输入信号的个数，n为正整数且大于等于2；

m大于或等于n。

4.如权利要求1所述的温度控制系统，其特征在于，该温度控制系统（500）还包含：

第一功率值补偿单元（53），用于计算各个加热区域对应的加热区域热损失功率值；

第一相加单元（57），用于将第一功率值补偿单元（53）计算出的各个对应加热区域的加热区域热损失功率值与所述功率值计算单元（52）计算出的加热区域功率值对应相加，得到补偿后的各个加热区域对应的加热区域补偿后功率值；

所述的功率值转换单元（54）将补偿后的各个加热区域对应的加热区域补偿后功率值转换为各个加热单元（401）对应的加热单元功率值并输出。

5.如权利要求1或4所述的温度控制系统，其特征在于，该温度控制系统（500）还包含： 

第二功率值补偿单元（55），用于计算各个加热单元（401）对应的加热单元热损失功率值；

第二相加单元（58），用于将第二功率值补偿单元（55）计算出的各个加热单元（401）的加热单元热损失功率值和所述功率值转换单元（54）输出的各个加热单元（401）对应的加热单元功率值对应相加，得到补偿后的各个加热单元（401）对应的加热单元补偿后功率值；

所述功率输出单元（56）根据第二相加单元（58）输出的补偿后的各个加热单元（401）对应的加热单元补偿后功率值，向各个加热单元（401）输出对应的功率。

6.如权利要求1所述的温度控制系统，其特征在于，所述的功率值计算单元（52）包含有至少两个功率值计算模块（521），所述功率值计算模块（521）与所述加热区域一一对应；

每个功率值计算模块（521）包含：

温度计算模块（501），用于根据预先设置的设定温度值和调整时间，计算出对应加热区域从当前温度值到设定温度值分步调整所需的若干个温度设定值；

比较模块（502），用于根据每步调整中对应测温传感器测量的加热区域温度值和所述温度计算模块（501）计算出的温度设定值，计算得到温度差值；

控制模块（503），用于将所述比较模块（502）计算得到的温度差值转换为控制模块输出功率值，并作为对应加热区域的加热区域功率值输出。

7.如权利要求6所述的温度控制系统，其特征在于，所述温度计算模块（501）还用于计算分步调整中每步调整的温度斜率，所述的功率值计算模块（521）还包含：

前馈模块（504），用于接收温度计算模块（501）计算出的分步调整所需的多个温度值和每步调整的温度斜率，计算出温度每步调整所需的功率增量值，以及每步调整中与温度相关的热损失功率值，相加得到前馈模块输出功率值并输出；

相加模块（505），用于将所述前馈模块（504）输出的前馈模块输出功率值和所述控制模块（503）输出的控制模块输出功率值进行相加，得出相加模块输出功率值，并作为对应加热区域的加热区域功率值输出。

8.如权利要求1所述的温度控制系统，其特征在于，所述的温度控制系统（500）还连接有一个热电偶温度计（601），用于测量任意一个加热单元（401）的温度，并将测得温度作为所有加热单元的加热单元温度；

或者所述温度控制系统（500）还连接有多个热电偶温度计（601），热电偶温度计（601）和加热单元（401）一一对应，每个热电偶温度计（601）用于测量对应加热单元（401）的加热单元温度；

所述功率输出单元（56）包含至少两个功率输出模块（561），所述功率输出模块（561）与所述加热单元（401）一一对应；

每个功率输出模块（561）包含：

信号转换单元（509），用于根据热电偶温度计（601）测量的对应加热单元温度计算出对应加热单元的电阻，并根据对应加热单元的电阻和功率值转换单元（54）输出的各加热单元（401）加热单元功率值计算出对应的加热单元电流值；

加热器电源（510），用于接收信号转换单元（509）输出的加热单元电流值，调整对应加热单元（401）的电流。

9.一种半导体薄膜沉淀设备，其特征在于，包含如权利要求1至8中任意一项所述的温度控制系统（500）。

10.一种金属有机化学气相沉淀MOCVD设备，其特征在于，该MOCVD设备包含外延反应腔、托盘（101）、加热器、测温传感器（301a、301b、301c、301d）以及温度控制系统（500）；

托盘（101）位于外延反应腔中，托盘（101）上设有多个用于放置外延片的外延片区；

加热器包含多个加热单元（401a、401b、401c、401d），用于对托盘上的外延片区进行加热；

测温传感器（301a、301b、301c、301d）用于测量各个外延片区的温度值；

温度控制系统（500）用于接收测温传感器测得的温度，根据测温传感器测得的温度计算各个外延片区的加热区域功率值，并转换为各个加热单元（401a、401b、401c、401d）对应的加热单元功率值，以及向各个加热单元输出对应的功率；

各个加热单元（401a、401b、401c、401d ）分别用于根据温度控制系统（500）输出的功率对外延片区加热。

11.如权利要求10所述的MOCVD设备，其特征在于，该温度控制系统（500）包含：

功率值计算单元（52），用于接收测温传感器检测的加热区域的温度值，根据该温度值计算各个加热区域对应的加热区域功率值；

功率值转换单元（54），用于接收功率值计算单元（52）输出的各个加热区域对应的加热区域功率值，并将加热区域功率值转换为各个加热单元（401）对应的加热单元功率值后输出；

功率输出单元（56），用于接收功率值转换单元（54）转换输出的各个加热单元（401）对应的加热单元功率值，根据该加热单元功率值向各个加热单元（401）输出对应功率。

12.如权利要求10所述的MOCVD设备，其特征在于，所述MOCVD设备还包括一个或多个热电偶温度计（601），每个热电偶温度计（601）对应于一个或多个加热单元；

每个热电偶温度计（601）用于测量一个加热单元的温度，并将测得的温度值作为该热电偶温度计（601）所对应的加热单元的温度，以及将该测得温度值发送给温度控制系统（500）

温度控制系统（500）进一步用于根据热电偶温度计（601）测得的温度值来计算对应加热单元的电阻以及电流，并输出相应的电流。

13.一种温度控制方法，其特征在于，该方法包含以下步骤：

获取半导体薄膜沉积设备中各个加热区域对应的加热区域功率值；

将各个加热区域对应的加热区域功率值转换为半导体薄膜沉积设备中各个加热单元（401）对应的加热单元功率值；

根据各个加热单元（401）对应的加热单元功率值，控制各个加热单元（401）输出功率。

14.如权利要求13所述的方法，其特征在于，所述获取步骤包含获得任意一个加热区域的加热区域功率值的步骤，所述获得步骤包含以下步骤：

测量该任意一个加热区域的当前温度值；

根据预先设置的设定温度值和调整时间，计算出该任意一个加热区域从当前温度值到设定温度值分步调整所需的若干个温度设定值；

根据每步调整中测量的该任意一个加热区域的加热区域温度值和计算出的温度设定值，得到温度差值；

基于该温度差值计算出该任意一个加热区域的加热区域功率值。

15.如权利要求13所述的方法，其特征在于，在所述转换步骤之前还包含以下步骤：

计算各个加热区域对应的加热区域热损失功率值；

将各个加热区域对应的加热区域热损失功率值与各个加热区域对应的加热区域功率值对应相加，得到补偿后的各个加热区域对应的加热区域补偿后功率值；

所述转换步骤具体为：

将各个加热区域对应的加热区域补偿后功率值转换为半导体薄膜沉积设备中各个加热单元（401）对应的加热单元功率值。

16.如权利要求13所述的方法，其特征在于，在所述转换步骤之后还包含以下步骤：

计算各个加热单元的加热单元热损失功率值；

将各个加热单元的加热单元热损失功率值和对应的加热单元功率值对应相加，得到补偿后的各个加热单元对应的加热单元补偿后功率值；

所述控制步骤具体为：

根据补偿后的各个加热单元对应的加热单元补偿后功率值，控制向各个加热单元输出的功率。

17.如权利要求13所述的方法，其特征在于，所述转换步骤包含以下步骤：

将各个加热区域对应的加热区域功率作为一个输入向量；

利用预先设定的矩阵和该输入向量做矩阵乘法，得到输出向量；

将所述输出向量作为各个加热单元对应的加热单元功率值。

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