CN106406388B - 一种基于实时系统的热处理设备温度控制装置及方法 - Google Patents

一种基于实时系统的热处理设备温度控制装置及方法 Download PDF

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Abstract

一种基于实时系统的热处理设备温度控制装置和方法，该装置包括加热器、给加热器供电的电力供应单元、测量反应腔室温度的温度测量单元、信号处理单元、包含在电力供应单元中的功率控制单元、专用温度控制器和工艺模块控制器；当进行工艺前，所述模块控制器将工艺文件和系统文件中配置参数和控制参数导入温度控制器；当专用温度控制器启动时，接收工艺模块控制器发出控制指令的信号量，根据控制专用温度控制器配置参数和控制参数，以及工艺模块控制器与所述专用温度控制器间周期相同的心跳交互线程，实时执行对反应腔室供热的加热器的温度控制操作。

Description

一种基于实时系统的热处理设备温度控制装置及方法
技术领域
本发明涉及集成电路制造应用技术领域，尤其涉及一种基于实时系统的热处理设备温度控制方法。
背景技术
热处理工艺一般是将半导体晶片置于热处理设备中，通过热处理设备中的加热装置对晶片进行加热，以执行氧化、沉积、扩散、热退火等工艺。目前，在热处理工艺中，普遍采用自动化程度较高、工艺性能更优异的立式炉为热处理设备。然而，随着工艺特征尺寸的减小，热处理工艺质量及效率越发依赖温度控制系统性能和安全性的提升。
请参阅图1，图1为热处理设备中加热器的结构示意图。如图所示，数字1.1表示加热丝、数字1.2表示反应腔室、数字1.3表示Inner热电偶以及数字1.4表示Outer热电偶。温度控制器(图未示)根据Inner热电偶1.3以及Outer热电偶1.4所采集的温度，对反应腔室1.2中的加热丝1.1进行加热控制。在热处理工艺中，有的工艺步骤中需要单一的工艺温度并持续一定的时间即可，有的工艺需要至少两个不同的工艺温度，并各自持续的时间不同，而有的热处理工艺需要按照一定梯度变化的温度。
由于不同工艺步骤中对热处理温度、持续时间以及变化率等的要求各不相同，使得在半导体集成电路的制造中，热处理工艺控制复杂化，对相应的热处理设备和温度控制系统也提出了高要求。
在半导体制造工艺中，热处理设备的工艺质量提升通常要求精确控制的温度为硅片表面温度，而现有商业化的温度控制器通常采用传统的单点比例-积分-微分控制器(PID)的控制方法，不能够根据控制对性及加热器的特性调整具体的PID控制器的结构方式和PID参数。即通用温度控制器不是针对热处理工艺专门设定，其适用功能范围狭窄，成本高且可扩展性差，不能随着工艺要求的更新而及时更新。
发明内容
为了实现上述情况，本专利提供了一种提高生产效率和可靠性的热处理设备工艺控制方法，为了实现热处理工艺质量要求的温控性能，解决目标工艺曲线的跟随性能、超调量、多加热区一致性等，需要针对加热器特性专门构建温度控制器，同时对原有已经应用的控制系统在短时间和低成本的情况下进行温控模块的升级改进。
为实现上述目的，本发明的技术方案如下：
一种基于实时系统的热处理设备温度控制装置；包括：用于给反应腔室供热的加热器、给所述加热器供电的电力供应单元、测量所述反应腔室温度的温度测量单元、信号处理单元、包含在电力供应单元中的功率控制单元、专用温度控制器和工艺模块控制器；所述信号处理单元接收所述温度测量单元发送所述反应腔室的实时温度测量结果和温度测量单元状态信息，其中，所述工艺模块控制器与信号处理单元、专用温度控制器和电力供应单元相连；当进行工艺前，所述工艺模块控制器将工艺文件和系统文件中配置参数和控制参数导入温度控制器；当所述专用温度控制器启动时，接收所述工艺模块控制器发出控制指令的信号量，根据控制所述专用温度控制器配置参数和控制参数，以及所述工艺模块控制器与所述专用温度控制器间周期相同的心跳交互线程，实时执行对所述反应腔室供热的加热器的温度控制操作。
优选地，所述工艺模块控制器还包括复核模块，用于对基于实时系统的所述专用温度控制器所回送收到的配置参数和控制参数的执行复核功能；即将所述专用温度控制器接收的配置参数和控制参数，发送回到所述工艺模块控制器，同初始化的配置参数和控制参数进行比较核对。
优选地，所述专用温度控制器的温度控制操作包括温度控制启停操作、系统配置参数和控制参数交互操作、Autoprofiling功能操作、心跳信号功能操作、清除回送数据功能操作、温度控制器重置功能操作。
优选地，所述专用温度控制器在完成操作时，回写各所述温度控制操作状态的完成标志位。
为实现上述目的，本发明还提供一种技术方案如下：
一种基于实时系统的热处理设备温度控制方法，其采用上述的温度控制装置；包括如下步骤：
步骤S1：所述的热处理设备温度控制装置启动前，所述工艺模块控制器将工艺文件和系统文件中配置参数和控制参数导入所述专用温度控制器；
步骤S2：当需所述专用温度控制器启动时，所述工艺模块控制器发送的信号量给所述专用温度控制器；
步骤S3：根据控制所述专用温度控制器配置参数和控制参数，以及所述工艺模块控制器与所述专用温度控制器间的心跳交互线程，实时执行对所述反应腔室供热的加热器的温度控制的操作流程。
优选地，所述专用温度控制器的温度控制操作流程包括温度控制启停操作流程、系统配置参数和控制参数交互操作流程、Autoprofiling功能操作流程、心跳信号功能操作流程、清除回送数据功能操作流程、温度控制器重置功能操作流程。
优选地，所述温度控制启动操作流程包括如下步骤：
步骤A：当所述专用温度控制器启动时，根据接收到的配置参数和控制参数，初始化主函数变量、清除交互区数据、初始化控制器变量、启动与所述工艺模块控制器周期相同的心跳交互线程、启动信号量处理主循环和等待所述工艺模块控制器发出控制指令的信号量；
步骤B：所述工艺模块控制器发出控制指令的信号量，查询指令编码数组、识别指令编号和利用枚举类型进行分选。
优选地，所述步骤S3后还包括：步骤S4：所述专用温度控制器在完成操作时，回写各所述操作状态的完成标志位。
优选地，所述基于实时系统的专用温度控制器心跳状态工作流程包括如下步骤：
步骤a：所述专用温度控制器启动心跳线程函数；
步骤b：按所述工艺模块控制器发送的心跳信号量，启动与所述工艺模块控制器心跳周期相同的定周期循环；
步骤c：向所述工艺模块控制器写入操作状态完成标志位；
步骤d：状态反转处理、定周期循环计数器累加；
步骤e：如果计数器累加大于一个预定值，两个计数器清零；否者，状态异常。
优选地，所述步骤S1还包括：将所述专用温度控制器接收的配置参数和控制参数，发送回到所述工艺模块控制器，同初始化的配置参数和控制参数进行比较核对。
从上述技术方案可以看出，本专利提供了一种基于实时系统的温度控制系统构建方法，考虑了多输入多输出加热器的特点，针对工艺要求，为实现不同的目标温度曲线，如响应速度、超调量、多温区一致性的温度指标及工艺之间的重复性问题，设计基于模型的问题控制器或各种模式的PID控制器，解决传统商用单点PID温度控制器不能满足工艺要求的问题。
此外，利用本发明中的方法能够解决已有设备的温度控制性能升级问题，通过配置专用温度控制模块取代原有的单点PID温度控制器，提升温度控制性能，满足更高水平工艺需求，降低整套控制系统更新导致的工期延误及成本费用问题。
附图说明
图1为热处理设备中加热器的结构示意图
图2为依照本发明一种实施方式的半导体热处理设备工艺模块控制器(ProcessModule Controller，简称PMC)示意图
图3为依照本发明实施例的基于实时系统的专用温度控制器的半导体热处理设备控制装置的示意图
图4为本发明实施例中工艺控制系统增加对基于实时系统温度控制器返回参数的复核功能流程图
图5为本发明实施例中基于实时系统的专用温度控制器启动流程图
图6为本发明实施例中基于实时系统的专用温度控制器心跳状态工作流程图
图7为本发明实施例中基于实时系统的专用温度控制器控制指令执行功能图之温度控制启停操作流程示意图
图8为本发明实施例中为本发明实施例中基于实时系统的专用温度控制器控制指令执行功能图之系统配置参数和控制参数交互操作流程示意图
图9为本发明实施例中为本发明实施例中基于实时系统的专用温度控制器控制指令执行功能图之Autoprofiling功能实现流程示意图
图10为本发明实施例中为本发明实施例中基于实时系统的专用温度控制器控制指令执行功能图之心跳信号功能实现流程示意图
图11为本发明实施例中为本发明实施例中基于实时系统的专用温度控制器控制指令执行功能图之清除回送数据功能实现流程示意图
图12为本发明实施例中为本发明实施例中基于实时系统的专用温度控制器控制指令执行功能图之温度控制器重置功能实现流程示意图
具体实施方式
体现本发明特征与优点的实施例将在后段的说明中详细叙述。应理解的是本发明能够在不同的示例上具有各种的变化，其皆不脱离本发明的范围，且其中的说明及图示在本质上当做说明之用，而非用以限制本发明。
以下结合附图2-12，通过具体实施例对本发明的基于实时系统的热处理设备温度控制及方法、实现该方法的装置作进一步详细说明。需说明的是，附图均采用非常简化的形式、使用非精准的比例，且仅用以方便、明晰地达到辅助说明本发明实施例的目的。
在热处理工艺中，普遍采用自动化程度较高、工艺性能更优异的立式炉为热处理设备。然而随着工艺特征尺寸的减小，热处理工艺质量及效率越发依赖温度控制系统性能和安全性的提升。
请参阅图2，图2为依照本发明一种实施方式的半导体热处理设备工艺模块控制器(Process Module Controller，简称PMC)示意图。如图所示，半导体热处理设备的控制可以为实时系统(先进)或非实时系统(原有)。其中，工艺模块控制器用于根据工艺质量要求控制整个设备的工艺流程变量控制，工艺流程变量可以包括温度、气体、压力等时变过程工艺参数和运动部件的位置及状态控制等。
在本发明的实施例中，主要是针对工艺流程温度变量的控制；请参阅图3，图3为依照本发明实施例的基于实时系统的专用温度控制器的半导体热处理设备控制装置的示意图。
如图所示，该半导体热处理设备包括：用于给反应腔室供热的加热器1、给加热器1供电的电力供应单元2、测量反应腔室温度的温度测量单元6、信号处理单元5、包含在电力供应单元2中的功率控制单元、专用温度控制器4和工艺模块控制器3；信号处理单元5接收温度测量单元6发送反应腔室的实时温度测量结果和温度测量单元6的状态信息，其中，工艺模块控制器3与信号处理单元5、专用温度控制器3和电力供应单元相连。
该专用温度控制器4基于实时系统构建，与工艺模块控制器3之间通过内部总线或者外部总线方式进行通讯，实现控制器配置参数、控制命令、控制参数时变值、控制器状态等的信息交互。工艺模块控制器3与专用温度控制器4间通过状态轮训或者通讯信号量的方式实现控制指令的交互。
当进行工艺前，工艺模块控制器3将工艺文件和系统文件中配置参数和控制参数导入专用温度控制器4；
当专用温度控制器4启动时，接收工艺模块控制器3发出控制指令的信号量，根据控制专用温度控制器4配置参数和控制参数，以及工艺模块控制器3与专用温度控制器4间周期相同的心跳交互线程，实时执行述反应腔室供热的加热器1的温度控制操作。
需要强调的是，工艺模块控制器3还包括复核模块，用于对基于实时系统的专用温度控制器4所回送收到的配置参数和控制参数的执行复核功能；即将专用温度控制器4接收的配置参数和控制参数，发送回到工艺模块控制器3，同初始化的配置参数和控制参数进行比较核对。
在本发明的实施例中，专用温度控制器4的温度控制操作包括温度控制启停操作、系统配置参数和控制参数交互操作、Autoprofiling功能操作、心跳信号功能操作、清除回送数据功能操作、温度控制器重置功能操作。并且，专用温度控制器4在完成操作时，给工艺模块控制器3回写各温度控制操作状态的完成标志位。
下面就本发明的基于实时系统的热处理设备温度控制方法进行说明，该方法可以采用上述的热处理设备工艺控制装置，该方法可以包括如下步骤：
步骤S1：所述的热处理设备温度控制装置启动前，所述工艺模块控制器将工艺文件和系统文件中配置参数和控制参数导入所述专用温度控制器。
具体地，在本发明的一些实施例中，步骤S1还可以包括：将专用温度控制器接收的配置参数和控制参数，发送回到工艺模块控制器，同初始化的配置参数和控制参数进行比较核对。具体流程如图4所示。
步骤S2：当需专用温度控制器启动时，工艺模块控制器发送的信号量给专用温度控制器。
具体地，请参阅图5，图5为本发明实施例中基于实时系统的专用温度控制器启动流程图。如图所示，温度控制启动操作流程可以包括如下步骤：
步骤A：当专用温度控制器启动时，根据接收到的配置参数和控制参数，初始化主函数变量、清除交互区数据、初始化控制器变量、启动与工艺模块控制器周期相同的心跳交互线程、启动信号量处理主循环和等待工艺模块控制器发出控制指令的信号量；
步骤B：工艺模块控制器发出控制指令的信号量，查询指令编码数组、识别指令编号和利用枚举类型进行分选。
在专用温度控制器启动并稳定运行后，可以执行下面的操作：
步骤S3：根据控制专用温度控制器配置参数和控制参数，以及工艺模块控制器与专用温度控制器间的心跳交互线程，实时执行对所述反应腔室供热的加热器的温度控制的操作流程。
具体地，请参阅图6，图6为本发明实施例中基于实时系统的专用温度控制器心跳状态工作流程图。如图所示，基于实时系统的专用温度控制器心跳状态工作流程可以包括如下步骤：
步骤a：专用温度控制器启动心跳线程函数；
步骤b：按所述工艺模块控制器发送的心跳信号量，启动与工艺模块控制器心跳周期相同的定周期循环；
步骤c：向工艺模块控制器写入操作状态完成标志位；
步骤d：状态反转处理、定周期循环计数器累加；
步骤e：如果计数器累加大于一个预定值，两个计数器清零；否者，状态异常。
需要特别说明的是，专用温度控制器的温度控制操作流程包括温度控制启停操作流程、系统配置参数和控制参数交互操作流程、Autoprofiling功能操作流程、心跳信号功能操作流程、清除回送数据功能操作流程、温度控制器重置功能操作流程。
请参阅图7，图7为本发明实施例中基于实时系统的专用温度控制器控制指令执行功能图之温度控制启停操作流程示意图。如图所示，温度控制启停操作分为温度控制启动和温度控制停止。
温度控制启动后可以执行：控制变量初值设定、温度控制线程启动、回写温控启动完成标志位等步骤。温度控制停止后可以执行：清除控制变量初值设定值、温度控制线程退出、回写温控停止完成标志位等步骤。
请参阅图8，图8为本发明实施例中为本发明实施例中基于实时系统的专用温度控制器控制指令执行功能图之系统配置参数和控制参数交互操作流程示意图。如图所示，系统配置参数操作包括配置数据发送开始和配置数据发送完成。控制参数操作包括控制参数发送开始和控制参数发送完成。
配置数据发送开始后，需执行读取指定配置数据、回写指定配置数据和回写指定配置数据接收完成标志位等步骤；配置数据发送完成后，需执行清除回写配置数据和清除回写指定配置数据完成标志位等步骤。
控制参数发送开始后，需执行读取控制参数、回写控制参数和回写指定控制参数接收完成标志位等步骤；控制参数发送完成后，需执行清除回写控制参数和清除回写控制参数完成标志位等步骤。
请参阅图9，图9为本发明实施例中为本发明实施例中基于实时系统的专用温度控制器控制指令执行功能图之Autoprofiling功能实现流程示意图。如图所示，Autoprofiling功能操作包括Autoprofiling启动和Autoprofiling停止。Autoprofiling启动后，执行变量初值设定、Autoprofiling线程启动和回写完成标志位等步骤；Autoprofiling停止后，执行清除变量初值、Autoprofiling线程退出和回写停止标志位等步骤。
请参阅图10，图10为本发明实施例中为本发明实施例中基于实时系统的专用温度控制器控制指令执行功能图之心跳信号功能实现流程示意图。如图所示，心跳信号功能包括：接收到心跳信号量、累加心跳变量、判断是否大于一定的预设值，例如，大于100，如果是置零，如果不是，就表示完毕。
请参阅图11，图11为本发明实施例中为本发明实施例中基于实时系统。如图所示，的专用温度控制器控制指令执行功能图之清除回送数据功能实现流程示意图。如图所示，清除回送数据功能操作可以包括：清除回送数据信号量、清除回写数据和清除回写数据标志位等步骤。
请参阅图12，图12为本发明实施例中为本发明实施例中基于实时系统的专用温度控制器控制指令执行功能图之温度控制器重置功能实现流程示意图。如图所示，温度控制器重置功能操作可以包括：清除profiling功能信息、清除温度控制器信息、清除温控线程信息、清除各种信号量和和重启主程序等步骤。
综上所述，本发明提供了一种基于实时系统的热处理设备温度控制装置及方法，即为基于双缓存或多缓存的工艺模块控制器和温度控制器的工艺文件信息通讯方法，其构建的温度控制器与工艺模块控制器之间的数据交互方式，提高了生产效率和可靠性，具体体现在如下两点：
①、根据具体工艺需求实现专用的定制化温度控制算法，工艺时间精确可控；
②、实现对原有设备温度控制系统的改造升级，满足先进工艺需求，不需要更换设备，节省成本。
以上所述的仅为本发明的实施例，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 (8)

1.一种基于实时系统的热处理设备温度控制装置；其特征在于，包括：用于给反应腔室供热的加热器、给所述加热器供电的电力供应单元、测量所述反应腔室温度的温度测量单元、信号处理单元、包含在电力供应单元中的功率控制单元、专用温度控制器和工艺模块控制器；所述信号处理单元接收所述温度测量单元发送所述反应腔室的实时温度测量结果和温度测量单元状态信息，其中，所述工艺模块控制器分别与信号处理单元、专用温度控制器和电力供应单元相连；其中，所述专用温度控制器的温度控制操作包括温度控制启停操作、系统配置参数和控制参数交互操作、Autoprofiling功能操作、心跳信号功能操作、清除回送数据功能操作、温度控制器重置功能操作；
当进行工艺前，所述工艺模块控制器将工艺文件和系统文件中配置参数和控制参数导入专用温度控制器；
当所述专用温度控制器启动时，接收所述工艺模块控制器发出控制指令的信号量，根据控制所述专用温度控制器配置参数和控制参数，以及所述工艺模块控制器与所述专用温度控制器间周期相同的心跳交互线程，实时执行对所述反应腔室供热的加热器的温度控制操作。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述工艺模块控制器还包括复核模块，用于对基于实时系统的所述专用温度控制器所回送收到的配置参数和控制参数的执行复核功能；即将所述专用温度控制器接收的配置参数和控制参数，发送回到所述工艺模块控制器，同初始化的配置参数和控制参数进行比较核对。
3.权利要求1所述的装置，其特征在于，所述专用温度控制器在完成操作时，回写各温度控制操作状态的完成标志位。
4.一种基于实时系统的热处理设备温度控制方法，其采用权利要求1所述的温度控制装置；其特征在于，包括如下步骤：
步骤S1：所述的热处理设备温度控制装置启动前，所述工艺模块控制器将工艺文件和系统文件中配置参数和控制参数导入所述专用温度控制器；其中，所述专用温度控制器的温度控制操作流程包括温度控制启停操作流程、系统配置参数和控制参数交互操作流程、Autoprofiling功能操作流程、心跳信号功能操作流程、清除回送数据功能操作流程、温度控制器重置功能操作流程；
步骤S2：当需所述专用温度控制器启动时，所述工艺模块控制器发送的信号量给所述专用温度控制器；
步骤S3：根据控制所述专用温度控制器配置参数和控制参数，以及所述工艺模块控制器与所述专用温度控制器间的心跳交互线程，实时执行对所述反应腔室供热的加热器的温度控制的操作流程。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述温度控制的 操作流程包括如下步骤：
步骤A：当所述专用温度控制器启动时，根据接收到的配置参数和控制参数，初始化主函数变量、清除交互区数据、初始化控制器变量、启动与所述工艺模块控制器周期相同的心跳交互线程、启动信号量处理主循环和等待所述工艺模块控制器发出控制指令的信号量；
步骤B：所述工艺模块控制器发出控制指令的信号量，查询指令编码数组、识别指令编号和利用枚举类型进行分选。
6.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述步骤S3后还包括：步骤S4：所述专用温度控制器在完成操作时，回写各操作状态的完成标志位。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述心跳信号功能操作流程包括如下步骤：
步骤a：所述专用温度控制器启动心跳线程函数；
步骤b：按所述工艺模块控制器发送的心跳信号量，启动与所述工艺模块控制器心跳周期相同的定周期循环；
步骤c：向所述工艺模块控制器写入操作状态完成标志位；
步骤d：状态反转处理、定周期循环计数器累加；
步骤e：如果计数器累加大于一个预定值，两个计数器清零；否者，状态异常。
8.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述步骤S1还包括：将所述专用温度控制器接收的配置参数和控制参数，发送回到所述工艺模块控制器，同初始化的配置参数和控制参数进行比较核对。
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