CN111665882A - 温度控制方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种温度控制方法及系统、半导体设备，该温度控制方法用于控制腔室的温度变化，方法包括：建立模型的步骤：控制腔室加热装置以向所述腔室输出不同测试功率值，获取与各个所述测试功率值所对应的所述腔室的实际温度值，根据所述实际温度值与所述测试功率值之间的关系建立模型，所述模型用于表示腔室温度与加热功率之间的关系；基于所述模型计算得到全局参数表，所述全局参数表用于表示腔室温度值与加热功率值的对应关系；根据所述全局参数表控制腔室加热装置输出的加热功率值，以控制腔室的温度变化。通过本发明，灵活、准确地控制了腔室温度。

Description

温度控制方法及系统

技术领域

本发明涉及半导体制造领域，具体地，涉及一种温度控制方法及系统。

背景技术

目前，温度控制系统对PVD(Physical Vapor Deposition，物理气相沉积)工艺过程中薄膜沉积质量的一致性具有重要影响，腔室温度的波动性与不准确性势必会大大降低晶片的工艺结果。

具体地，温度控制系统的框图如图1所示，图1中在腔室1’中各个加热器2’按区分组，同组内的加热器2’由同一个功率控制器进行控制。温度测量采用接触式热电偶测量方法，热电偶3’测量温度并将测量结果发送给温度控制器，温度控制器生成控制信号并发送给功率控制器，功率控制器根据控制信号调节各区加热器2’的加热功率输出，使测量点温度稳定在工艺温度，图1中主机向温度控制器输出温度设定值，温度控制器将设定温度和实测温度的进行比较，生成控制信号以控制功率控制器，从而控制了腔室1’内的温度环境。采用这种控制策略，在加热过程中控温的准确性主要依赖于温度控制器的性能。

因此，现有技术的温度控制系统具有以下缺点：

1.目前温度控制器内的控制环节绝大多数采用PID(Proportional IntegralDerivative，比例积分微分)控制，虽然PID控制理论依据充足，但PID控制其自身的响应速度不够好，致使其控制超调量的性能相对较差，在高温使用情况下会存在短暂的温度冲击，且温度波动相对较大。

2.主机向温度控制器输出设定温度，具体控制取决于温度控制器自身的参数设定，控制策略的改变需要对温度控制器参数进行重新整定，且PID参数的改变对于控制结果具有一定的不可预期性，因而客户端的自主智能性相对较差。

发明内容

本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一，提出了一种温度控制方法及系统，以灵活、准确地控制腔室温度。

为实现本发明的目的而提供一种温度控制方法，所述方法包括：

建立模型的步骤：控制腔室加热装置以向所述腔室输出不同测试功率值，获取与各个所述测试功率值所对应的所述腔室的实际温度值，根据所述实际温度值与所述测试功率值之间的关系建立模型，所述模型用于表示腔室温度与加热功率之间的关系；

基于所述模型计算得到全局参数表，所述全局参数表用于表示腔室温度值与加热功率值的对应关系；

根据所述全局参数表控制所述腔室加热装置输出的加热功率值，以控制所述腔室的温度变化。

优选地，所述建立模型的步骤进一步包括：

建立腔室温度与加热功率的关系式；

按预设规则控制所述腔室加热装置输出不同的测试功率值，直至腔室的实际温度值达到预设温度值，并在加热过程中检测与各个所述测试功率值相对应的实际温度值；

基于所述测试功率值以及所述实际温度值进行线性拟合，以获得所述关系式的系数，从而使所述关系式转换为函数关系式。

优选地，所述预设规则包括：

自定义功率函数，所述功率函数用于表示加热时间与所述测试功率值的对应关系；

其中，所述加热时间与所述测试功率值呈正比例关系。

优选地，所述功率函数为分段函数；所述分段函数包括按预设时长划分的不同区间，每个区间对应的所述述测试功率值按表示时间和功率的线性函数关系变化。

优选地，同一区间对应的所述测试功率值固定不变，且各个相邻的两个区间对应的所述测试功率值的差值是所述腔室加热装置的满功率的百分之n，n小于1。

优选地，所述分段函数的公式为：

其中，y表示所述测试功率值，t表示加热时间，a’、b’、c’为所述区间的分界时间点。

优选地，所述腔室温度与加热功率的关系式为：

T＝a*e^bP+A₀+A₁P+A₂P²+┄+A_nPⁿ；

其中，n为所述关系式的阶，T为所述腔室温度，P为所述加热功率，a、b、A0、A1、A2...An为所述关系式的系数。

优选地，所述方法还包括：

在设定周期内，获取所述腔室温度的实际值和所述加热功率的实际值；

基于所述腔室温度的实际值和所述加热功率的实际值进行线性拟合，以获得新的全局参数表，并对原来的所述全局参数表进行更新；

计算所述新的全局参数表中的腔室温度值与原来的所述全局参数表中的腔室温度值的差值，并判断该差值是否超出设定阈值，若否，则确定所述腔室的环境正常；若是，确定所述腔室的环境异常。

一种温度控制系统，包括腔室加热装置，还包括：上位机与下位机；其中，

所述上位机用于控制所述腔室加热装置以向腔室输出不同测试功率值，获取与各个所述测试功率值所对应的所述腔室的实际温度值；根据所述实际温度值与所述测试功率值之间的关系建立模型，所述模型用于表示腔室温度与加热功率之间的关系；

所述上位机还用于基于所述模型计算得到全局参数表，并根据所述全局参数表向所述下位机输出控制信号；所述全局参数表用于表示腔室温度值与加热功率值的对应关系；

所述下位机用于接收所述控制信号，并根据所述控制信号控制所述腔室加热装置输出的加热功率值，以控制所述腔室的温度变化。

优选地，所述下位机为可编程逻辑控制器。

优选地，还包括：热电偶；

所述热电偶用于采集所述腔室的实际温度值，并向所述上位机发送所述实际温度值；

所述上位机还用于根据所述实际温度值建立模型。

本发明具有以下有益效果：

本发明提供的温度控制方法、温度控制系统，利用表示腔室温度与加热功率之间关系的模型计算得到全局参数表，在根据全局参数表控制腔室加热装置输出的加热功率值，从而使腔室温度控制可控性更强，并且客户还可以通过改变模型实现对腔室温度的控制，从而使客户自主性更强。进一步，采用全局参数表控制腔室温度的方式可以灵活、准确地控制腔室温度。

附图说明

图1为现有技术中温度控制系统的一种结构图。

图2为本发明实施例提供的温度控制方法的一种流程图；

图3为本发明实施例中建立模型的步骤的流程图；

图4为本发明实施例中功率函数一种表示图；

图5为本发明实施例中功率函数另一种表示图；

图6为本发明实施例提供的温度控制方法的另一种流程图；

图7为本发明实施例提供的温度控制系统的一种结构示意图。

具体实施方式

为使本领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图来对本发明提供的温度控制方法及系统进行详细描述。

实施例一

如图2所示为本发明实施例提供的温度控制方法的一种流程图，包括以下步骤：

步骤101：建立模型，模型用于表示腔室温度与加热功率之间的关系。

具体地，建立模型步骤：控制腔室加热装置以向腔室输出不同测试功率值，获取与各个测试功率值所对应的腔室的实际温度值，根据实际温度值以及测试功率值之间的关系建立模型。

具体地，测试功率值与加热功率均为腔室加热装置输出的功率，测试功率值仅是腔室加热装置的加热功率在测试过程中，腔室加热装置输出的功率。

步骤102：基于模型计算得到全局参数表，全局参数表用于表示腔室温度值与加热功率值的对应关系。

步骤103：根据全局参数表控制腔室加热装置输出的加热功率值，以控制腔室的温度变化。

需要说明的是，目前现有的建模方法大致分为两类：原理模型和数值模型。原理模型以输入输出量之间的原理性方程为基础，建立含有明确原理意义的模型；而数值模型则以数学关系式为基础，在对输入输出有一定认知的条件下，通过纯数学关系式的构造建立输入输出之间的描述。腔室温度与加热功率之间没有十分明确的原理性依据，且关联因素比较多(如热传导率、接触面积等)，使得腔室温度与加热功率之间的关系错综复杂，建立原理模型十分困难；相反，本发明中建立数值模型大大简化了描述对象之间的复杂原理性关联，以相对简单的数值公式描述输入输出的因果关系，且加热功率增大，腔室温度必然会有所增加，因此从数值模型角度建立温度模型是合理可行的。建模原理为：由于腔室温度与加热功率存在正关系，但两者之间又具有强烈的非线性关系。

具体地，腔室温度与加热功率的关系式为：

T＝a*e^bP+A₀+A₁P+A₂P²+┄+A_nPⁿ；其中，n为关系式的阶，T为腔室温度，P为加热功率，a、b、A0、A1、A2...An为关系式的系数。本实施例采用上述关系式，单独的多项式拟合能力有限，与指数函数组合能够更好满足功率和腔室温度之间的非线性正关系，其二，该关系式的微分方程易于构造，有利于控制算法的构造与升级。

具体地，如图3所示，建立模型的步骤进一步包括：

步骤1011：建立腔室温度与加热功率的关系式。

步骤1012：按预设规则控制腔室加热装置输出不同的测试功率值，直至腔室的实际温度值达到预设温度值，并在加热过程中检测与各个测试功率值相对应的实际温度值。

步骤1013：基于测试功率值以及实际温度值进行线性拟合，以获得关系式的系数，从而使关系式转换为函数关系式。

具体地，预设规则包括：

自定义功率函数，功率函数用于表示加热时间与测试功率值的对应关系；其中，加热时间与测试功率值呈正比例关系。

本发明实施例提供的温度控制方法，利用表示腔室温度与加热功率之间关系的模型计算得到全局参数表，在根据全局参数表控制腔室加热装置输出的加热功率值，从而使腔室温度控制可控性更强，并且客户还可以通过改变模型实现对腔室温度的控制，从而使客户自主性更强。进一步，采用全局参数表控制腔室温度的方式可以灵活、准确地控制腔室温度。

进一步，本发明的另一个实施例中，功率函数为分段函数；分段函数包括按预设时长划分的不同区间，每个区间对应的述测试功率值按表示时间和功率的线性函数关系变化。本实施例中，以0和预设温度值作为时间轴上的起始点和终止点，通过任意构造功率函数，使温度升高最终达到预设温度值的目的，这个过程可以称为温度自学习过程，温度自学习过程后，以获得多对相对应的功率值和温度值，利用最小二乘算法便可得到关系式的系数a、b、A0、A1…An的值。即，基于预设温度值以及用户自定义功率函数便可准确、灵活的控制腔室加热装置输出的加热功率值，达到了灵活控制温度的效果。

进一步，本发明的另一个实施例中，如图4所示的功率函数，同一区间对应的测试功率值固定不变，且各个相邻的两个区间对应的测试功率值的差值是腔室加热装置的满功率的百分之n，n大于0且小于100。图4中，n为10，p为加热功率，t为加热时间，图4中，t的单位为小时，p是指相对于腔室加热装置满功率的百分比值，相邻两个区间对应的测试功率值的差值是腔室加热装置的满功率的百分之十。本实施例中，按满功率的百分之n为间隔，控制腔室加热装置输出不同的测试功率值，在某个测试功率值下均有一个实际的腔室温度，依据这些不同功率值和对应的温度值，利用最小二乘算法便可得到关系式的系数a、b、A₀、A₁…A_n的值。

进一步，本发明的另一个实施例中，如图5所示的功率函数，分段函数的公式为：

其中，y表示测试功率值，t表示加热时间，a’、b’、c’为区间的分界时间点。如图5所示，t的单位为小时，y是指相对于腔室加热装置满功率的百分比值，a’可以为3.125h，b’为4.375h，c’为5.625h。

本实施例提供的建立模型的方法，按预设规则控制腔室加热装置输出不同的测试功率值，而该预设规则为用户自定义的功率函数，客户可以根据不同腔室以及不同工艺的要求在客户端随意设置自定义功率函数，得到不同的模型，从而本发明增加了客户的自主性与灵活性。

实施例二

如图6所示为本发明实施例提供的温度控制方法的另一种流程图，包括以下步骤：

步骤201：建立模型，模型用于表示腔室温度与加热功率之间的关系。

步骤202：基于模型计算得到全局参数表，全局参数表用于表示腔室温度值与加热功率值的对应关系。

步骤203：根据全局参数表控制腔室加热装置输出的加热功率值，以控制腔室的温度变化。

步骤204：在设定周期内，获取腔室温度的实际值和加热功率的实际值。

具体地，设定周期可以根据工艺要求确定，比如，设定周期为1h。

步骤205：基于腔室温度的实际值和加热功率的实际值进行线性拟合，以获得新的全局参数表，并对原来的全局参数表进行更新。

步骤206：计算新的全局参数表中的腔室温度值与原来的全局参数表中的腔室温度值的差值，并判断该差值是否超出设定阈值；若否，执行步骤207；若是，执行步骤208。

具体地，设定阈值由不同腔室与工艺要求确定，比如，设定阈值为1％。

步骤207：确定腔室的环境正常。

步骤208：确定腔室的环境异常。

本发明实施例提供的温度控制方法，建立了模型为基础的控制方法，导向性的建立了温度与功率对应模型，并提出了以模型参数辨识差异监视腔室环境稳定性的思路，实现了模型参数的在线辨识过程，本发明一方面提高温度控制的精度，另一方面可以通过实时反馈回的参数辨识结果，监测腔室环境的状态，保障腔室温度的有效性。

实施例三

针对上述温度控制方法，本发明还提供了一种温度控制系统，如图7所示，该温度控制系统包括：腔室加热装置。系统还包括：上位机与下位机；

上位机用于控制腔室加热装置以向腔室输出不同测试功率值，获取与各个测试功率值所对应的腔室的实际温度值；根据实际温度值与测试功率值之间的关系建立模型，模型用于表示腔室温度与加热功率之间的关系。上位机还用于基于模型计算得到全局参数表，并根据全局参数表向下位机输出控制信号；全局参数表用于表示腔室温度值与加热功率值的对应关系。

下位机用于接收控制信号，并根据控制信号控制腔室加热装置输出的加热功率值，以控制腔室的温度变化。

具体地，本实施例中，上位机建立的模型为腔室温度和加热功率之间关系的模型，因此，上位机向下位机输出的控制信号为控制腔室加热装置的功率的信号，进一步，通过控制腔室加热装置的功率，使腔室加热装置向腔室释放不同的热量。更进一步，腔室加热装置可以包括功率调节器以及加热器，功率调节器用于调节加热器的功率，加热器用于加热腔室。

具体地，下位机为可编程逻辑控制器。

本发明实施例提供的温度控制系统，上位机利用表示腔室温度与加热功率之间关系的模型计算得到全局参数表，在根据全局参数表使下位机控制腔室加热装置输出的加热功率值，提高了对腔室温度控制可控性，并且客户还可以在上位机上通过改变模型实现对腔室温度的控制，从而使客户自主性更强。进一步，采用全局参数表控制腔室温度的方式可以灵活、准确地控制腔室温度。

实施例四

本发明实施例提供的温度控制系统，还包括：热电偶，该热电偶设置在腔室中。

热电偶用于采集腔室的实际温度值，并向上位机发送实际温度值，上位机根据实际温度值建立模型。

进一步，本发明的另一个实施例中，上位机还可以通过实际温度值与加热功率的实际值进行线性拟合，获得全新的全局参数表，并原来的全局参数表进行更新，计算新的全局参数表的腔室温度值与原来的全局参数表中的腔室温度值的差值，并判断该差值是否超出设定阈值；若否，确定腔室的环境正常；若是，确定腔室的环境异常。

本发明实施例提供的温度控制系统，通过热电偶实时采集腔室的实际温度，上位机根据腔室的实际温度建立模型，或者根据腔室的实际温度检测腔室环境是否异常，一方面提高了温度检测的精度，另一方面通过实时腔室温度温度反馈，监测了腔室环境的情况，保障了腔室的安全性。

实施例五

本发明还提供了一种半导体设备，该半导体设备包括反应腔室以及本发明中的温度控制系统，该温度控制系统用于控制反应腔室温度。

本发明实施例提供的半导体设备，为反应腔室设置温度控制系统，可以实时控制反应腔室的温度，灵活地实现了对反应腔室温度控制的自主性，同时还可以保障反应腔室的安全性。

可以理解的是，以上实施方式仅仅是为了说明本发明的原理而采用的示例性实施方式，然而本发明并不局限于此。对于本领域内的普通技术人员而言，在不脱离本发明的精神和实质的情况下，可以做出各种变型和改进，这些变型和改进也视为本发明的保护范围。

Claims (11)

1.一种温度控制方法，用于控制腔室的温度变化，其特征在于，所述方法包括：建立模型的步骤：控制腔室加热装置以向所述腔室输出不同测试功率值，获取与各个所述测试功率值所对应的所述腔室的实际温度值，根据所述实际温度值与所述测试功率值之间的关系建立模型，所述模型用于表示腔室温度与加热功率之间的关系；

基于所述模型计算得到全局参数表，所述全局参数表用于表示腔室温度值与加热功率值的对应关系；

根据所述全局参数表控制所述腔室加热装置输出的加热功率值，以控制所述腔室的温度变化。

2.根据权利要求1所述的温度控制方法，其特征在于，所述建立模型的步骤进一步包括：

建立腔室温度与加热功率的关系式；

按预设规则控制所述腔室加热装置输出不同的测试功率值，直至腔室的实际温度值达到预设温度值，并在加热过程中检测与各个所述测试功率值相对应的实际温度值；

基于所述测试功率值以及所述实际温度值进行线性拟合，以获得所述关系式的系数，从而使所述关系式转换为函数关系式。

3.根据权利要求2所述的温度控制方法，其特征在于，所述预设规则包括：

自定义功率函数，所述功率函数用于表示加热时间与所述测试功率值的对应关系；

其中，所述加热时间与所述测试功率值呈正比例关系。

4.根据权利要求3所述的温度控制方法，其特征在于，所述功率函数为分段函数；所述分段函数包括按预设时长划分的不同区间，每个区间对应的所述述测试功率值按表示时间和功率的线性函数关系变化。

5.根据权利要求4所述的温度控制方法，其特征在于，同一区间对应的所述测试功率值固定不变，且各个相邻的两个区间对应的所述测试功率值的差值是所述腔室加热装置的满功率的百分之n，n大于0且小于100。

6.根据权利要求4所述的温度控制方法，其特征在于，所述分段函数的公式为：

其中，y表示所述测试功率值，t表示加热时间，a’、b’、c’为所述区间的分界时间点。

7.根据权利要求2所述的温度控制方法，其特征在于，所述腔室温度与加热功率的关系式为：

T＝a*e^bP+A₀+A₁P+A₂P²+┄+A_nPⁿ；

其中，n为所述关系式的阶，T为所述腔室温度，P为所述加热功率，a、b、A0、A1、A2...An为所述关系式的系数。

8.根据权利要求1所述的温度控制方法，其特征在于，所述方法还包括：

在设定周期内，获取所述腔室温度的实际值和所述加热功率的实际值；

基于所述腔室温度的实际值和所述加热功率的实际值进行线性拟合，以获得新的全局参数表，并对原来的所述全局参数表进行更新；

计算所述新的全局参数表中的腔室温度值与原来的所述全局参数表中的腔室温度值的差值，并判断该差值是否超出设定阈值，若否，则确定所述腔室的环境正常；若是，确定所述腔室的环境异常。

9.一种温度控制系统，包括腔室加热装置，其特征在于，还包括：上位机与下位机；其中，

所述上位机用于控制所述腔室加热装置以向腔室输出不同测试功率值，获取与各个所述测试功率值所对应的所述腔室的实际温度值；根据所述实际温度值与所述测试功率值之间的关系建立模型，所述模型用于表示腔室温度与加热功率之间的关系；

所述上位机还用于基于所述模型计算得到全局参数表，并根据所述全局参数表向所述下位机输出控制信号；所述全局参数表用于表示腔室温度值与加热功率值的对应关系；

所述下位机用于接收所述控制信号，并根据所述控制信号控制所述腔室加热装置输出的加热功率值，以控制所述腔室的温度变化。

10.根据权利要求9所述的温度控制系统，其特征在于，所述下位机为可编程逻辑控制器。

11.根据权利要求9或10所述的温度控制系统，其特征在于，还包括：热电偶；

所述热电偶用于采集所述腔室的实际温度值，并向所述上位机发送所述实际温度值；

所述上位机还用于根据所述实际温度值建立模型。

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