CN112947629B - 一种半导体温控设备及温控方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种半导体温控设备及温控方法，半导体温控设备包括制冷系统、循环系统和控制系统，制冷系统包括压缩机、冷凝器、电子膨胀阀和蒸发器，压缩机的出口与冷凝器的入口连接，冷凝器的出口与电子膨胀阀的入口连接，电子膨胀阀的出口与蒸发器的第一入口连接，蒸发器的第一出口与压缩机的入口连接；本发明提供的半导体温控设备及温控方法，通过对E1、ΔE1、E2、Rate2进行判断，实时修正PID的控制参数，实现温度的快速稳定控制，增强温度控制能力，提高温控设备的温控精度，满足空载状态精度控制在±0.1℃以内，加载状态精度控制在±0.5℃以内。

Description

一种半导体温控设备及温控方法

技术领域

本发明涉及半导体制造技术领域，尤其涉及一种半导体温控设备及温控方法。

背景技术

半导体温控设备作为半导体集成电路IC制造过程中的重要设备，在集成电路IC制造的刻蚀工艺中要求保持恒定的温度输出用于控制刻蚀设备工艺腔，需要快速的进行温度精确控制。半导体温控装置在实际使用中采用传统PID控制算法实现对出口温度的控制，在实际的控制过程中，具有一定的局限性，主要表现在温控控制精度差，控制精度为±1.0℃，针对刻蚀设备大负载及负载的剧烈变化时，则温控设备难以在短时间内实现快速温度控制，容易出现温度超调量，影响集成电路IC的品质。

发明内容

本发明提供一种半导体温控设备及温控方法，用以解决现有技术中温控设备存在温控控制精度差的问题。

本发明提供一种半导体温控设备，包括：

制冷系统，所述制冷系统包括：压缩机、冷凝器、电子膨胀阀和蒸发器，所述压缩机的出口与所述冷凝器的入口连接，所述冷凝器的出口与所述电子膨胀阀的入口连接，所述电子膨胀阀的出口与所述蒸发器的第一入口连接，所述蒸发器的第一出口与所述压缩机的入口连接；

循环系统，所述循环系统包括：加热器、循环水箱和循环泵，所述加热器的入口与所述蒸发器的第二出口连接，所述加热器的出口与刻蚀工艺设备负载的入口连接，所述刻蚀工艺设备负载与所述加热器之间的管线设置有出口温度传感器，所述刻蚀工艺设备负载的出口与所述循环水箱的入口连接，所述刻蚀工艺设备负载与所述循环水箱之间的管线设置有回口温度传感器，所述循环水箱的出口与所述循环泵的入口连接，所述循环泵的出口与所述蒸发器的第二入口连接；

控制系统，分别与所述加热器、所述出口温度传感器、所述回口温度传感器电连接。

根据本发明提供的半导体温控设备，所述制冷系统还包括气液分离器，所述气液分离器设置于所述蒸发器与所述压缩机之间，所述气液分离器的入口与所述蒸发器的第一出口连接，所述气液分离器的出口与所述压缩机的入口连接。

根据本发明提供的半导体温控设备，所述循环系统还包括出口手动阀，所述出口手动阀设置于所述刻蚀工艺设备负载与所述加热器之间的管线。

根据本发明提供的半导体温控设备，所述循环系统还包括回口手动阀，所述回口手动阀设置于所述刻蚀工艺设备负载与所述循环水箱之间的管线。

本发明还提供一种半导体温控方法，所述方法包括以下步骤：

步骤a10，对控制系统的PID控制参数比例Kp、积分Ki、微分Kd进行初始化，使得Kp＝Kp0，Ki＝Ki0，Kd＝Kd0，此时，E0＝0，系统状态Status1＝0，E0用于记录温度误差值E1在上一控制周期的数值，E1＝SP-PV1，SP为设定的目标温度值，PV1为出口温度传感器检测的当前出口温度值；

步骤a20，根据当前温度误差值E1与上一控制周期的温度误差值E0得到两个控制周期之间E1的变化差值ΔE1，ΔE1＝E1-E0，根据回口温度传感器检测的当前回口温度值PV2与出口温度传感器检测的当前出口温度值PV1，计算回口与出口温度差值E2和当前回口温度变化速率Rate2；

步骤a30，对回口温度变化速率Rate2或回口与出口温度差值E2进行大小判断并对系统状态Status1值进行修改；

步骤a40，根据回口与出口温度差值E2的大小和系统状态Status1值对PID控制参数进行调整；

步骤a50，当PID控制周期Ti完毕时，计算并输出加热控制变量Hout数值，将E1值赋给E0。

根据本发明提供的半导体温控方法，所述对回口温度变化速率Rate2或回口与出口温度差值E2进行大小判断并对系统状态Status1值进行修改包括：

当Rate2≥0.2℃时，将Status1置1，即Status1＝1；

当Rate2≤-0.2℃时，将Status1置0，即Status1＝0；

当E2＜1℃时，将Status1置0，即Status1＝0。

根据本发明提供的半导体温控方法，所述根据回口与出口温度差值E2的大小和系统状态Status1值对PID控制参数进行调整包括：

当E2≥1℃且Status1＝1时，对PID控制参数进行调整，否则将PID的控制参数设置为初始参数即Kp＝Kp0，Ki＝Ki0，Kd＝Kd0。

根据本发明提供的半导体温控方法，所述对PID控制参数进行调整包括：

当E1>0.2且ΔE1<0时，将Ki设定为0.8*Ki0，将Kd设定为0.7*Kd0，在这种条件下增大Kp值，同时对E1进行条件判断，当0.2<E1<0.4时，将Kp设定为1.3*Kp0，当E1≥0.4时，将Kp设定为1.5*Kp0；

当E1<-0.2且ΔE1<0时，若-0.4<E1<-0.2，则将Kp设定为0.9*Kp0，若E1≤-0.4，则将Kp设定为0.8*Kp0，Ki设定为初始参数值Ki0，Kd设定为1.2*Kd0；

当E1<-0.2且ΔE1>0时，Ki设定为0.8*Ki0，Kd设定为0.7*Kd0，若-0.4<E1<-0.2，则将Kp设定为1.3*Kp0，若E1≤-0.4，则将Kp设定为1.5*Kp0；

当E1>0.2且ΔE1>0时，若0.2<E1<0.4，则将Kp设定为0.9*Kp0，若E1≥0.4，则将Kp设定为0.8*Kp0，Ki设定为初始参数值Ki0，Kd设定为1.2*Kd0；

当-0.2≤E1≤0.2时，将Kp设定为Kp0，Ki设定为Ki0，Kd设定为Kd0。

根据本发明提供的半导体温控方法，所述控制周期Ti为3s。

根据本发明提供的半导体温控方法，在执行完所述步骤a50之后还执行：

判断是否结束自动控制；

若是则进入手动控制，否则返回执行所述步骤a20。

本发明提供的半导体温控设备及温控方法，通过对E1、ΔE1、E2、Rate2进行判断，实时修正PID的控制参数，实现温度的快速稳定控制，增强温度控制能力，提高温控设备的温控精度，满足空载状态精度控制在±0.1℃以内，加载状态精度控制在±0.5℃以内。相对于传统的PID控制，在设定目标温度SP固定的条件下，其PID参数是固定不变，在不同的负载及不同的负载变化量条件，采用同一个PID控制参数，温度控制精度难以保证，而本发明通过修正PID控制参数，可以满足不同的工艺负载，实现出口温度的精确控制。

附图说明

为了更清楚地说明本发明或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明提供的半导体温控设备的结构示意图；

图2是本发明提供的半导体温控方法的流程示意图；

图3是本发明提供的半导体温控方法的逻辑示意图。

附图标记：1、压缩机；2、冷凝器；3、电子膨胀阀；4、蒸发器；5、气液分离器；6、加热器；7、出口温度传感器；8、出口手动阀；9、刻蚀工艺设备负载；10、回口手动阀；11、回口温度传感器；12、循环水箱；13、循环泵。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不能用来限制本发明的范围。

在本发明实施例的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明实施例和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明实施例的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明实施例的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明实施例中的具体含义。

在本发明实施例中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明实施例的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

下面结合图1-图3描述本发明的半导体温控设备及温控方法。

图1示例了一种半导体温控设备的结构示意图，如图1所示，半导体温控设备包括制冷系统、循环系统和控制系统，制冷系统包括压缩机1、冷凝器2、电子膨胀阀3和蒸发器4，压缩机1的出口与冷凝器2的入口连接，冷凝器2的出口与电子膨胀阀3的入口连接，电子膨胀阀3的出口与蒸发器4的第一入口连接，蒸发器4的第一出口与压缩机1的入口连接。

循环系统包括加热器6、循环水箱12和循环泵13，加热器6的入口与蒸发器4的第二出口连接，加热器6的出口与刻蚀工艺设备负载9的入口连接，刻蚀工艺设备负载9与加热器6之间的管线设置有出口温度传感器7，刻蚀工艺设备负载9的出口与循环水箱12的入口连接，刻蚀工艺设备负载9与循环水箱12之间的管线设置有回口温度传感器11，循环水箱12的出口与循环泵13的入口连接，循环泵13的出口与蒸发器4的第二入口连接。

控制系统分别与加热器6、出口温度传感器7、回口温度传感器11电连接。

本发明提供的半导体温控设备通过对E1、ΔE1、E2、Rate2进行判断，实时修正PID的控制参数，实现温度的快速稳定控制，增强温度控制能力，提高温控设备的温控精度，满足空载状态精度控制在±0.1℃以内，加载状态精度控制在±0.5℃以内。相对于传统的PID控制，在设定目标温度SP固定的条件下，其PID控制参数是固定不变，在不同的负载及不同的负载变化量条件，采用同一个PID控制参数，温度控制精度难以保证，而本发明通过修正PID控制参数，可以满足不同的工艺负载，实现出口温度的精确控制。

根据本发明的实施例，制冷系统还包括气液分离器5，气液分离器5设置于蒸发器4与压缩机1之间，气液分离器5的入口与蒸发器4的第一出口连接，气液分离器5的出口与压缩机1的入口连接。温控设备工作过程中，通过管道将热量带回回口端，回口温度升高，经过循环水箱12进行缓冲，由循环泵13将液体送至蒸发器4进行热量交互，实现降温的过程，通过控制加热器6的控制输出，实现出口温度的精确控制，保证出口温度的控温精度。

根据本发明的实施例，循环系统还包括出口手动阀8，出口手动阀8设置于刻蚀工艺设备负载9与加热器6之间的管线。

根据本发明的实施例，循环系统还包括回口手动阀10，回口手动阀10设置于刻蚀工艺设备负载9与循环水箱12之间的管线。

图2示例了半导体温控方法的流程示意图，图3示例了半导体温控方法的逻辑示意图，如图2和图3所示，本发明还提供一种半导体温控方法，方法包括以下步骤：

步骤a10，对控制系统的PID控制参数比例Kp、积分Ki、微分Kd进行初始化，使得Kp＝Kp0，Ki＝Ki0，Kd＝Kd0，此时，E0＝0，系统状态Status1＝0，E0用于记录温度误差值E1在上一控制周期的数值，E1＝SP-PV1，SP为设定的目标温度值，PV1为出口温度传感器检测的当前出口温度值。

步骤a20，根据当前温度误差值E1与上一控制周期的温度误差值E0得到两个控制周期之间E1的变化差值ΔE1，ΔE1＝E1-E0，根据回口温度传感器检测的当前回口温度值PV2与出口温度传感器检测的当前出口温度值PV1，计算回口与出口温度差值E2和当前回口温度变化速率Rate2；

这里需要说明的是，E2＝PV2-PV1，通过E2数值大小的判断，用于识别主机台是否加载及加载量的大小。回口温度变化速率Rate2是通过计算回口温度值PV2数值在10秒内的变化量得出。

步骤a30，对回口温度变化速率Rate2或回口与出口温度差值E2进行大小判断并对系统状态Status1值进行修改；

步骤a40，根据回口与出口温度差值E2的大小和系统状态Status1值对PID控制参数进行调整；

步骤a50，当PID控制周期Ti完毕时，计算并输出加热控制变量Hout数值，将E1值赋给E0。

根据本发明的实施例，对回口温度变化速率Rate2或回口与出口温度差值E2进行大小判断并对系统状态Status1值进行修改包括：

步骤a31，当Rate2≥0.2℃时，将Status1置1，即Status1＝1；

当Rate2≥0.2℃时，此时主机台端在运行工艺制程，有负载。

步骤a32，当Rate2≤-0.2℃时，将Status1置0，即Status1＝0；

当Rate2≤-0.2℃时，此时主机台端的工艺制程在进行卸载动作。

步骤a33，当E2＜1℃时，将Status1置0，即Status1＝0。

当E2＜1℃时，表明主机台端在空载运行或者主机台端的负载较小，维持常用的PID参数，即不进行PID参数的修正。

根据本发明的实施例，根据回口与出口温度差值E2的大小和系统状态Status1值对PID控制参数进行调整包括：

当E2≥1℃且Status1＝1时，对PID控制参数进行调整，否则将PID的控制参数设置为初始参数即Kp＝Kp0，Ki＝Ki0，Kd＝Kd0。

根据本发明的实施例，对PID控制参数进行调整包括：

步骤a41，当E1>0.2且ΔE1<0时，温度有较大的偏差值，出口液体的温度开始朝着设定的目标温度值SP的方向增大，向SP靠近，此时减小Ki、Kd值，将Ki设定为0.8*Ki0，即Ki＝0.8*Ki0，将Kd设定为0.7*Kd0，即Kd＝0.7*Kd0，在这种条件下增大Kp值，同时对E1进行条件判断，当0.2<E1<0.4时，将Kp设定为1.3*Kp0，即Kp＝1.3*Kp0；当E1≥0.4时，将Kp设定为1.5*Kp0，即Kp＝1.5*Kp0。

步骤a42，当E1<-0.2且ΔE1<0时，温度偏差值为负值，出口液体的温度越来越高，朝着设定的目标温度值SP的方向偏离，为了抑制超调量增大的Kd数值，同时减小控制输出需要减小Kp数值，若-0.4<E1<-0.2，则将Kp设定为0.9*Kp0，即Kp＝0.9*Kp0；若E1≤-0.4，则将Kp设定为0.8*Kp0，即Kp＝0.8*Kp0，Ki设定为初始参数值Ki＝Ki0，Kd设定为初始参数的1.2倍，即Kd＝1.2*Kd0。

步骤a43，当E1<-0.2且ΔE1>0时，温度有较大的偏差值，出口液体的温度开始朝着设定的目标温度值SP的方向减小，向SP靠近，此时减小Ki和Kd值，Ki设定为0.8*Ki0，即Ki＝0.8*Ki0；将Kd设定为0.7*Kd0，Kd＝0.7*Kd0；在这种条件下增大Kp值，同时对E1进行条件判断，若-0.4<E1<-0.2，则将Kp设定为1.3*Kp0，即Kp＝1.3*Kp0；若E1≤-0.4，则将Kp设定为1.5*Kp0，即Kp＝1.5*Kp0。

步骤a44，当E1>0.2且ΔE1>0时，温度偏差值为正值，出口液体的温度越来越低，朝着设定的目标温度值SP的方向偏离，为了抑制超调量增大的Kd数值，同时减小控制输出，减小Kp数值。若0.2<E1<0.4，则将Kp设定为0.9*Kp0，即Kp＝0.9*Kp0；若E1≥0.4，则将Kp设定为0.8*Kp0，即Kp＝0.8*Kp0；Ki设定为初始参数值，即Ki＝Ki0，Kd设定为初始参数的1.2倍，即Kd＝1.2*Kd0。

步骤a45，当-0.2≤E1≤0.2时，将Kp设定为Kp0，Ki设定为Ki0，Kd设定为Kd0。

根据本发明的实施例，控制周期Ti为3s。

根据本发明的实施例，在执行完步骤a50之后还执行：

判断是否结束自动控制；

若是则进入手动控制，否则返回执行步骤a20。

本发明提供的半导体温控方法，通过对E1、ΔE1、E2、Rate2进行判断，实时修正PID的控制参数，实现温度的快速稳定控制，增强温度控制能力，提高温控设备的温控精度，满足空载状态精度控制在±0.1℃以内，加载状态精度控制在±0.5℃以内。相对于传统的PID控制，在设定目标温度SP固定的条件下，其PID参数是固定不变，在不同的负载及不同的负载变化量条件，采用同一个PID控制参数，温度控制精度难以保证，而本发明通过修正PID控制参数，可以满足不同的工艺负载，实现出口温度的精确控制。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (9)

1.一种半导体温控方法，所述半导体温控方法用于半导体温控设备，其特征在于，半导体温控设备包括制冷系统、循环系统和控制系统，所述制冷系统包括：压缩机、冷凝器、电子膨胀阀和蒸发器，所述压缩机的出口与所述冷凝器的入口连接，所述冷凝器的出口与所述电子膨胀阀的入口连接，所述电子膨胀阀的出口与所述蒸发器的第一入口连接，所述蒸发器的第一出口与所述压缩机的入口连接；所述循环系统包括：加热器、循环水箱和循环泵，所述加热器的入口与所述蒸发器的第二出口连接，所述加热器的出口与刻蚀工艺设备负载的入口连接，所述刻蚀工艺设备负载与所述加热器之间的管线设置有出口温度传感器，所述刻蚀工艺设备负载的出口与所述循环水箱的入口连接，所述刻蚀工艺设备负载与所述循环水箱之间的管线设置有回口温度传感器，所述循环水箱的出口与所述循环泵的入口连接，所述循环泵的出口与所述蒸发器的第二入口连接；控制系统分别与所述加热器、所述出口温度传感器、所述回口温度传感器电连接；

所述方法包括以下步骤：

步骤a10，对控制系统的PID控制参数比例Kp、积分Ki、微分Kd进行初始化，使得Kp＝Kp0，Ki＝Ki0，Kd＝Kd0，此时，E0＝0，系统状态Status1＝0，E0用于记录温度误差值E1在上一控制周期的数值，E1＝SP-PV1，SP为设定的目标温度值，PV1为出口温度传感器检测的当前出口温度值；

步骤a20，根据当前温度误差值E1与上一控制周期的温度误差值E0得到两个控制周期之间E1的变化差值ΔE1，ΔE1＝E1-E0，根据回口温度传感器检测的当前回口温度值PV2与出口温度传感器检测的当前出口温度值PV1，计算回口与出口温度差值E2和当前回口温度变化速率Rate2；

步骤a30，对回口温度变化速率Rate2或回口与出口温度差值E2进行大小判断并对系统状态Status1值进行修改；

步骤a40，根据回口与出口温度差值E2的大小和系统状态Status1值对PID控制参数进行调整；

步骤a50，当PID控制周期Ti完毕时，计算并输出加热控制变量Hout数值，将E1值赋给E0。

2.根据权利要求1所述的半导体温控方法，其特征在于，所述对回口温度变化速率Rate2或回口与出口温度差值E2进行大小判断并对系统状态Status1值进行修改包括：

当Rate2≥0.2℃时，将Status1置1，即Status1＝1；

当Rate2≤-0.2℃时，将Status1置0，即Status1＝0；

当E2＜1℃时，将Status1置0，即Status1＝0。

3.根据权利要求1所述的半导体温控方法，其特征在于，所述根据回口与出口温度差值E2的大小和系统状态Status1值对PID控制参数进行调整包括：

当E2≥1℃且Status1＝1时，对PID控制参数进行调整，否则将PID的控制参数设置为初始参数即Kp＝Kp0，Ki＝Ki0，Kd＝Kd0。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的半导体温控方法，其特征在于，所述对PID控制参数进行调整包括：

当E1>0.2且ΔE1<0时，将Ki设定为0.8*Ki0，将Kd设定为0.7*Kd0，在这种条件下增大Kp值，同时对E1进行条件判断，当0.2<E1<0.4时，将Kp设定为1.3*Kp0，当E1≥0.4时，将Kp设定为1.5*Kp0；

当E1<-0.2且ΔE1<0时，若-0.4<E1<-0.2，则将Kp设定为0.9*Kp0，若E1≤-0.4，则将Kp设定为0.8*Kp0，Ki设定为初始参数值Ki0，Kd设定为1.2*Kd0；

当E1<-0.2且ΔE1>0时，Ki设定为0.8*Ki0，Kd设定为0.7*Kd0，若-0.4<E1<-0.2，则将Kp设定为1.3*Kp0，若E1≤-0.4，则将Kp设定为1.5*Kp0；

当E1>0.2且ΔE1>0时，若0.2<E1<0.4，则将Kp设定为0.9*Kp0，若E1≥0.4，则将Kp设定为0.8*Kp0，Ki设定为初始参数值Ki0，Kd设定为1.2*Kd0；

当-0.2≤E1≤0.2时，将Kp设定为Kp0，Ki设定为Ki0，Kd设定为Kd0。

5.根据权利要求4所述的半导体温控方法，其特征在于，所述控制周期Ti为3s。

6.根据权利要求4所述的半导体温控方法，其特征在于，在执行完所述步骤a50之后还执行：

判断是否结束自动控制；

若是则进入手动控制，否则返回执行所述步骤a20。

7.根据权利要求1所述的半导体温控设备，其特征在于，所述制冷系统还包括气液分离器，所述气液分离器设置于所述蒸发器与所述压缩机之间，所述气液分离器的入口与所述蒸发器的第一出口连接，所述气液分离器的出口与所述压缩机的入口连接。

8.根据权利要求7所述的半导体温控设备，其特征在于，所述循环系统还包括出口手动阀，所述出口手动阀设置于所述刻蚀工艺设备负载与所述加热器之间的管线。

9.根据权利要求7或8所述的半导体温控设备，其特征在于，所述循环系统还包括回口手动阀，所述回口手动阀设置于所述刻蚀工艺设备负载与所述循环水箱之间的管线。

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