CN103759860B - 一种基于模型的热电偶故障诊断与处理方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种半导体热处理设备的热电偶故障诊断与处理方法及系统，该系统包括滤波器、感温模块、逻辑处理器、温度控制器和电力控制单元，以形成闭环控制；其中，热电偶采集热处理设备温度数据经过滤波器，再经过感温模块后进入逻辑处理器，逻辑处理器基于短路异常状态模型对热电偶采集的温度数据进行处理，判断当前热电偶的工作状态生成相应的处理对策，并将处理对策发送给温度控制器，温度控制器根据处理对策生成控制参数，发送给电力控制单元执行，其中，处理对策考虑各控温区间的耦合效应，实现多控温区间控制协调补偿。因此，本发明能判断出控温热电偶的短路故障，且能够及时切换到相应的控温模式，保证工艺的继续进行，将损失降到最低。

Description

一种基于模型的热电偶故障诊断与处理方法及系统

技术领域

本发明涉及集成电路制造技术领域，更具体地说，涉及一种基于模型的半导体热处理设备的热电偶故障诊断与处理方法及系统。

背景技术

目前，半导体器件的设计向高密度、高集成度的方向迅速发展，对半导体集成电路新工艺、新技术、新设备提出了越来越高的要求。作为集成电路生产线前工序的工艺设备之一的半导体热处理设备，在扩散、退火、合金、氧化、薄膜生长等硅片生产制造工艺中扮演着重要的角色，其要求精确控制的温度为硅片表面温度。

热电偶作为温度控制系统的测量工具，具有测量精度高，测量范围大，体积小，热响应快，寿命长等特点，现已广泛应用于半导体热处理设备中。

本领域技术人员清楚，热电偶在工作过程中可能会出现开路和短路等故障。请参阅图1，图1为热电偶工作的三种状态，即正常状态、短路故障状态及开路故障状态示意图。由于感温模块通常自带开路报警功能，在热电偶处于开路状态时其会向逻辑控制器发出开路报警信号，开路故障状态比较容易判别，而当热电偶处于短路状态时，由于短路故障点位置的不同，热电偶采集的温度数据也不尽相同，短路故障的现象随热电偶所处实际环境的差异，故障现象较复杂，所以热电偶的短路故障较难判别。

然而，在半导体制造工艺中，用户希望热处理设备能够长时间连续运行多组工艺而不出现故障，这对设备的稳定性提出了很高的要求。本领域技术人员清楚，在实际工艺步骤中，业界急需解决一下两个问题：

①、对热电偶采集的温度数据进行实时监测，并通过采集到的温度数据判断热电偶的工作状态，特别是短路状态。若判断出热电偶处于短路故障状态则应及时进行相应处理，避免造成工艺结果大幅度下降。

②、当判断出控温热电偶故障时，能够切换到其他控温热电偶及相应的控温模式，保证工艺的继续进行，将损失降到最低。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于模型的热电偶故障诊断与处理方法及系统，能实时监测加热系统温度控制器模型预测值与实际温度采样值之间的关系来诊断热电偶是否处于短路故障状态，且能及时对该短路故障状态进行处理。

为实现上述目的，本发明的技术方案如下：

一种半导体热处理设备的热电偶故障诊断与处理方法，所述半导体热处理设备中的每个控温区分别包括热电偶和加热单元，所述方法具体包括如下步骤：

步骤S1：在系统启动时，载入所述加热单元正常工作时热电偶所有异常短路状态时的状态模型，以形成短路异常状态模型库；其中，所述模型表示所述半导体热处理设备中所有热电偶输出温度与加热单元功率变化之间的映射关系；

步骤S2：在进行工艺过程中，启动所有模型的状态观测器并行工作，判断当前热电偶的工作状态生成相应的处理对策；其中，所述处理对策考虑各控温区间的耦合效应，实现多控温区间控制协调补偿；

步骤S3：将处理对策发送给温度控制器，温度控制器根据处理对策生成控制参数，发送给电力控制单元执行。

优选地，所述步骤S2具体包括：

步骤S21：对每个控温区中热电偶进行温度数据采集，使用热电偶故障诊断方法判断某一个或多个热电偶是否发生故障；

步骤S22：当获取热电偶故障信号时，查询短路异常状态模型库中是否存在对应的短路异常状态模型；

步骤S23：如果所述短路异常状态模型库有对应的短路异常状态模型与其相匹配，生成相应的处理对策；如对应的异常状态模型不存在，判断为热电偶故障属于不可补偿故障。

优选地，所述步骤S21中的热电偶故障诊断方法具体包括：

步骤S211：初始化异常状态计数器iCount＝0；

步骤S212：利用tk时刻及tk前的系统状态变量及全部输入输出变量推测出tk+1时刻的输出值

步骤S213：在工艺过程中，获取tk+1时刻y(k+1)的实际采样值，

步骤S214：计算 $\▿y(k+1)=|y(k+1)-\stackrel{\‾}{y}(k+1)|;$

步骤S215：如果▽y(k+1)>ΔT threshold，异常状态计数器iCount的值加1，否者异常状态计数器iCount的值不变；其中，α为安全常数，ΔTthreshold为在系统正常工作过程中各个控温区热电偶温度采样点反馈值的正常数据变化阈值；

步骤S216：重复步骤S212、步骤S213、步骤S214和步骤S215；如果iCount>MaxCount，则诊断为热电偶故障，诊断系统发出热电偶故障信号，用于温度控制系统进行热电偶故障处理。

优选地，所述安全常数α设定范围在1至2之间。

优选地，步骤S23中在生成相应的处理对策中，需首先诊断故障段加热单元控制量与功率反馈是否正常；如果正常，第i段故障时的异常状态模型，选择异常状态CtrlOut Zone(i)>0所对应的加热单元模型进行工作。

优选地，步骤S23中在生成相应的处理对策中，需首先诊断故障段加热单元控制量与功率反馈是否正常；如果正常，将第i段加热单元控制改为开环控制，设定CtrlOut Zone(i)＝αCtrlOutZone(i)AVG(在工作过程中为常量固定值。

优选地，系统常数α的设定范围为0至1之间的一个值。

优选地，步骤S23中在生成相应的处理对策中，需首先诊断故障段加热单元控制量与功率反馈是否正常；如果不正常，断掉第i段加热单元的加热电力供给，选择异常状态CtrlOut Zone(i)＝0对应的加热单元模型进行工作。

优选地，如果所述步骤S23出现对应的异常状态模型不存在，则在系统存在备用控制热电偶时切换为备用控温热电偶进行温度控制，否则发送系统故障报警信息供用户选择处理方式。

为实现上述目的，本发明的另一种技术方案如下：

一种采用上述半导体热处理设备的热电偶故障诊断与处理方法的系统，所述半导体热处理设备中的每个控温区分别包括热电偶和加热单元；所述系统包括滤波器、感温模块、逻辑处理器、温度控制器和电力控制单元，以形成闭环控制；热电偶采集热处理设备温度数据经过滤波器，再经过感温模块后进入逻辑处理器，逻辑处理器对热电偶采集的温度数据进行处理，并基于短路异常模型判断当前热电偶的工作状态生成相应的处理对策，并将处理对策发送给温度控制器，温度控制器根据处理对策生成控制参数，发送给电力控制单元执行；其中，所述模型表示所述半导体热处理设备中所有热电偶输出温度与加热单元功率变化之间的映射关系，所述处理对策考虑各控温区间的耦合效应，实现多控温区间控制协调补偿。

从上述技术方案可以看出，本发明提供的半导体热处理设备的热电偶故障诊断与处理方法及系统，通过实时监测加热系统温度控制器模型预测值与实际温度采样值之间的关系来诊断热电偶是否处于短路故障状态，能够迅速准确的判断出热电偶故障，外部限制条件少；并且，诊断出热电偶短路故障后可通过相应异常状态模型对热处理设备进行控制，或通过切换控温热电偶等措施及时进行处理，降低设备和产品的损失。

附图说明

图1为半导体热处理设备热电偶的三种状态，即正常状态、短路状态及开路状态示意图

图2为采用本发明半导体热处理设备的热电偶故障诊断与处理方法的电力控制系统框图

图3本发明半导体热处理设备的热电偶故障诊断与处理一较佳实施例的流程示意图

图4为本发明基于模型的多输入多输出加热系统温度控制器示意图

图5为本发明状态观测器设计方法原理示意图

图6本发明半导体热处理设备的热电偶故障诊断方法一较佳实施例的流程示意图

具体实施方式

下面结合附图1-6，对本发明的具体实施方式作进一步的详细说明。

请参阅图2，图2为采用本发明半导体热处理设备的热电偶故障诊断与处理的电力控制系统框图。需要说明的是，在下述实施例中，半导体热处理设备的温度控制可以根据需要划分成多个控温区，每个控温区可以分别包括多个热电偶和加热单元，每个控温区可以分别包括热电偶和加热单元。

如图2所示，本实施例中，半导体热处理设备的温度控制区为5个，每个控温区分别包括5组热电偶，和5个温控区(zone1、zone2、zone3、zone4和zone5)所包含的加热单元，即热电偶组1、热电偶组2、热电偶组3、热电偶组4和热电偶组5。该系统除包括5组热电偶组外，还包括滤波器、感温模块、逻辑处理器、温度控制器和电力控制单元，以形成闭环控制。

五个热电偶组采集热处理设备温度数据经过滤波器，再经过感温模块后进入逻辑处理器，逻辑处理器对热电偶采集的温度数据进行处理，即根据短路异常状态模型，判断当前热电偶的工作状态生成相应的处理对策，并将处理对策发送给温度控制器，温度控制器根据处理对策生成控制参数，发送给电力控制单元执行，其中，该模型表示半导体热处理设备中所有热电偶输出温度与加热单元功率变化之间的映射关系，处理对策考虑各控温区间的耦合效应，实现多控温区间控制协调补偿。

下面结合图3，对本发明半导体热处理设备的热电偶故障诊断与处理方法进行详细阐述。请参阅图3，本发明的方法具体包括如下步骤：

步骤S1：在系统启动时，载入所述加热单元正常工作时热电偶所有异常短路状态时的状态模型，以形成短路异常状态模型库；具体地，短路异常状态模型库中的模型表示半导体热处理设备中所有热电偶输出温度与加热单元功率变化之间的映射关系。

请参阅图4，图4为本发明基于短路异常状态模型的多输入多输出加热系统温度控制器示意图；如图所示，温度控制器将温度场系统作为一个整体进行控制，利用模型建立方法建立输入功率U(k)，输出温度y(k)之间的映射关系，这样可以充分考虑各控温区间的耦合效应，实现多控温区间控制协调补偿，只需较短时间即可建立符合热处理设备工艺特性的温控系统。

其状态方程如下所示：

$\left\{\begin{array}{c}x(k+1)=Ax\left(k\right)+BU\left(k\right)\\ y\left(k\right)=Cx\left(k\right)\end{array}\right.$

接下来，进行后续的在半导体热处理设备中的工艺。

步骤S2：在进行工艺过程中，启动所有模型的状态观测器并行工作，判断当前热电偶的工作状态生成相应的处理对策；其中，所述处理对策考虑各控温区间的耦合效应，实现多控温区间控制协调补偿。

再请参阅图1，如图所示，热电偶包括三种工作状态，即正常状态、短路故障状态及开路故障状态。在加热系统在各个典型工艺温度点正常工作的情况下，当热电偶处于正常状态工作时，各个控温区温度采样点反馈值的正常数据变化阈值如下表1所示，表中每个控温区包括四种热电偶，Inner热电偶、OuterA热电偶、OuterB热电偶和OverTemp热电偶。

表1典型工艺曲线各温度区间温度变化量数据表

当热电偶处于开路状态时，由于感温模块通常自带开路报警功能，在热电偶处于开路状态时其会向逻辑控制器发出开路报警信号。

当热电偶处于短路状态时，由于短路故障点位置的不同，热电偶采集的温度数据也不尽相同，步骤S2可以具体包括：

步骤S21：对每个控温区中热电偶进行温度数据采集，使用热电偶故障诊断方法判断某一个或多个热电偶是否发生故障；在本发明的实施例中，步骤S21中的热电偶故障诊断方法具体包括：

步骤S211：初始化异常状态计数器iCount＝0；

步骤S212：利用tk时刻及tk前的系统状态变量及全部输入输出变量推测出tk+1时刻的输出值

步骤S213：在工艺过程中，获取tk+1时刻y(k+1)的实际采样值，

步骤S214：计算 $\▿y(k+1)=|y(k+1)-\stackrel{\‾}{y}(k+1)|;$

步骤S215：如果▽y(k+1)>ΔT threshold，异常状态计数器iCount的值加1，否者异常状态计数器iCount的值不变；其中，α为安全常数，较佳地，安全常数α设定范围在1至2之间；ΔT threshold为在系统正常工作过程中各个控温区热电偶温度采样点反馈值的正常数据变化阈值；

步骤S216：重复步骤S212、步骤S213、步骤S214和步骤S215；如果iCount>MaxCount，则诊断为热电偶故障，诊断系统发出热电偶故障信号，用于温度控制系统进行热电偶故障处理。

上述步骤完成后，如果知道某一个或多个热电偶发生了故障，就需要进行下一步的补偿处理了，即执行：

步骤S22：当获取热电偶故障信号时，查询短路异常状态模型库中是否存在对应的短路异常状态模型；

步骤S23：如果所述短路异常状态模型库有对应的短路异常状态模型与其相匹配，生成相应的处理对策；如对应的异常状态模型不存在，判断为热电偶故障属于不可补偿故障。这时，可以在系统存在备用控制热电偶时切换为备用控温热电偶进行温度控制，否则，发送系统故障报警信息供用户选择处理方式。

请参阅图5，图5为本发明状态观测器设计方法原理示意图。在本实施例中，以卡尔曼滤波器设计方法为例，通过状态观测器设计方法，可求得状态观测器参数用于状态估计。

具体地，假定1段或多段热电偶故障的情况下，建立多个异常状态对应的加热单元异常状态模型，如第i段热电偶时，建立第i段加热单元控制量CtrlOut Zone(i)＝0或CtrlOut Zone(i)＝CtrlOutZone(i)AVG_Setpoint的异常状态模型，该异常状态模型能够保证第i段热偶的真实采样值符合系统工艺要求。

上述补偿模型确定以后，执行步骤S3：将处理对策发送给温度控制器，温度控制器根据处理对策生成控制参数，发送给电力控制单元执行。

需要说明的是，温度控制器根据处理对策生成控制参数时，可以首先诊断第i段加热单元控制量与功率反馈是否正常；如果正常，则可以选择以下两种工作模式：

①、第i段故障时的异常状态模型，选择异常状态CtrlOut Zone(i)>0所对应的加热单元模型进行工作。

②、将第i段加热单元控制改为开环控制，设定CtrlOut Zone(i)＝βCtrlOutZone(i)AVG(β为系统常数，可设定范围(0,1))，其在工作过程中为常量固定值。

如果第i段加热单元控制量与功率反馈不正常，则断掉第i段加热单元的加热电力供给，选择异常状态CtrlOut Zone(i)＝0对应的加热单元模型进行工作。

综上所述，本方法通过实时监测系统在工作状态下各控温区热电偶采样值变化情况、相邻控温区热电偶采样值变化情况、各控温区对应热电偶采样值变化情况和控制量变化情况、各控温区对应热电偶采样值和相邻控温区热电偶采样变化值以及相关控制量变化情况来达到诊断热电偶短路故障的目的。利用本方法能够正确诊断出热电偶是否处于故障状态，给温度控制器以提示信息，温度控制器根据工艺需求及时做出正确处理，降低设备和产品的损失。

以上所述的仅为本发明的优选实施例，所述实施例并非用以限制本发明的专利保护范围，因此凡是运用本发明的说明书及附图内容所作的等同结构变化，同理均应包含在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种基于模型的热电偶故障诊断与处理方法，半导体热处理设备中的每个控温区分别包括热电偶和加热单元，其特征在于，所述方法具体包括如下步骤：

步骤S1：在系统启动时，载入所述加热单元正常工作时热电偶所有短路异常状态时的状态模型，以形成短路异常状态模型库；其中，所述模型表示所述半导体热处理设备中所有热电偶输出温度与加热单元功率变化之间的映射关系；

步骤S2：在进行工艺过程中，启动所有模型的状态观测器并行工作，判断当前热电偶的工作状态生成相应的处理对策；其中，所述处理对策考虑各控温区间的耦合效应，实现多控温区间控制协调补偿；

步骤S3：将处理对策发送给温度控制器，温度控制器根据处理对策生成控制参数，发送给电力控制单元执行。

2.如权利要求1所述的热电偶故障诊断与处理方法，其特征在于，所述步骤S2具体包括：

步骤S21：对每个控温区中热电偶进行温度数据采集，使用热电偶故障诊断方法判断某一个或多个热电偶是否发生故障；

步骤S22：当获取热电偶故障信号时，查询短路异常状态模型库中是否存在对应的短路异常状态模型；

步骤S23：如果所述短路异常状态模型库有对应的短路异常状态模型与其相匹配，生成相应的处理对策；如对应的异常状态模型不存在，判断为热电偶故障属于不可补偿故障。

3.如权利要求2所述的热电偶故障诊断与处理方法，其特征在于，所述步骤S21中的热电偶故障诊断方法具体包括：

步骤S211：初始化异常状态计数器iCount＝0；

步骤S212：利用t_k时刻及t_k前的系统状态变量及全部输入输出变量推测出t_k+1时刻的输出值

步骤S213：在工艺过程中，获取t_k+1时刻y(k+1)的实际采样值，

步骤S214：计算

步骤S215：如果异常状态计数器iCount的值加1，否则异常状态计数器iCount的值不变；其中，α为安全常数，ΔTthreshold为在系统正常工作过程中各个控温区热电偶温度采样点反馈值的正常数据变化阈值；

步骤S216：重复步骤S212、步骤S213、步骤S214和步骤S215；如果iCount>MaxCount，则诊断为热电偶故障，诊断系统发出热电偶故障信号，用于温度控制器进行热电偶故障处理。

4.如权利要求3所述的热电偶故障诊断与处理方法，其特征在于，所述安全常数α设定范围在1至2之间。

5.如权利要求2所述的热电偶故障诊断与处理方法，其特征在于，步骤S23在生成相应的处理对策中，需首先诊断故障段加热单元控制量与功率反馈是否正常；如果正常，将某一个或多个热电偶发生故障的异常状态模型，选择成异常状态CtrlOut Zone(i)>0所对应的加热单元模型进行工作。

6.如权利要求2所述的热电偶故障诊断与处理方法，其特征在于，步骤S23在生成相应的处理对策中，需首先诊断故障段加热单元控制量与功率反馈是否正常；如果正常，将某一个或多个热电偶发生故障的加热单元控制改为开环控制，设定CtrlOut Zone(i)＝βCtrlOutZone(i)AVG；其中，β为系统常数，其在工作过程中为常量固定值。

7.如权利要求6所述的热电偶故障诊断与处理方法，其特征在于，系统常数β的设定范围为0至1之间的一个值。

8.如权利要求2所述的热电偶故障诊断与处理方法，其特征在于，步骤S23在生成相应的处理对策中，需首先诊断故障段加热单元控制量与功率反馈是否正常；如果不正常，断掉某一个或多个热电偶发生故障的加热单元的加热电力供给，选择异常状态CtrlOut Zone(i)＝0对应的加热单元模型进行工作。

9.如权利要求2所述的热电偶故障诊断与处理方法，其特征在于，如果所述步骤S23出现对应的异常状态模型不存在，则在系统存在备用控温热电偶时切换为备用控温热电偶进行温度控制，否则发送系统故障报警信息供用户选择处理方式。

10.一种采用权利要求1所述方法的系统，所述半导体热处理设备中的每个控温区分别包括热电偶和加热单元；其特征在于，

所述系统包括滤波器、感温模块、逻辑处理器、温度控制器和电力控制单元，以形成闭环控制；热电偶采集热处理设备温度数据经过滤波器，再经过感温模块后进入逻辑处理器，逻辑处理器基于短路异常状态模型对热电偶采集的温度数据进行处理，判断当前热电偶的工作状态生成相应的处理对策，并将处理对策发送给温度控制器，温度控制器根据处理对策生成控制参数，发送给电力控制单元执行，其中，所述模型表示所述半导体热处理设备中所有热电偶输出温度与加热单元功率变化之间的映射关系，所述处理对策考虑各控温区间的耦合效应，实现多控温区间控制协调补偿。