CN118034411A - 基于自抗扰控制的单片式硅外延设备反应腔温度控制方法和装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于自抗扰控制的单片式硅外延设备反应腔温度控制方法和装置，属于硅外延设备反应腔温度控制技术领域，包括：将反应腔分为四个区域，在每个区域中分别设置热传感器和加热器件，基于一阶加时滞模型构建传递矩阵，得到功率‑温度模型；根据功率‑温度模型，构建自抗扰控制算法，基于每个区域的目标温度、上一时刻的实际温度和第一补偿后输出功率，采用自抗扰控制算法计算对应区域当前时刻的第二补偿后输出功率，加热器件以所述第二补偿后输出功率进行加热，将反应腔的温度控制在目标温度。本发明提出的方法能够对外部温度波动进行及时响应，并对内部多区域加热耦合温度影响进行补偿，提高了温度控制的非线性适应性。
Description
技术领域
本发明涉及硅外延设备反应腔温度控制技术领域，具体涉及一种基于自抗扰控制的单片式硅外延设备反应腔温度控制方法和装置。
背景技术
集成电路芯片制造主要是指在晶圆硅片上采用半导体加工技术，加工制造出具有高集成度的电子芯片，目前的集成电路芯片主要以单晶硅圆片作为衬底材料，并且单晶硅圆片在光刻、刻蚀等加工过程中要消耗大量的硅外延片材料。
硅外延片材料是超大规模集成电路、半导体器件、传感器等的基础功能材料，是在抛光的单晶硅片上生长一层或多层硅单晶薄膜，一般在硅外延设备中进行生产制造。
硅外延设备包括单片式和多片式两种。早期的硅外延设备大多采用多片式，因为其容量大、生产效率高。然而，随着半导体行业的发展，市场对硅外延片的质量要求越来越高，多片式硅外延设备已无法满足行业对外延片质量的要求。于是，单片式硅外延设备逐渐占据了较大的市场，因为其生产的外延片质量远远超过多片式。通过控制硅外延设备中反应腔的外延生长条件，能够获得不同电阻率、不同厚度及不同型号的硅外延片。
硅外延片的制作方法主要有：气相外延沉积、分子束外延、液相外延技术以及用专门沉积化合物外延的固相外延技术等方法进行制造。其中，应用最为广泛的是化学气相沉积(CVD)外延生长工艺。在众多的硅外延片制造工艺中，温度是影响硅外延片生长最为重要的因素，一方面硅的外延生长需要达到一定的温度，温度太高或者太低都有可能发生副反应而产生附加物，另一方面硅外延生长需要整个腔室内部温度均匀分布。因此温度控制将直接影响外延层的生长质量。
目前工业上大多数单片式硅外延设备中反应腔温度控制策略采用PID控制(Proportional-Integral-Derivative Control)，但PID控制器对非线性适应性较差，容易受到外界环境波动的影响，且对于多区域加热的耦合影响并不能及时做出补偿，导致控制效果并不稳定。
针对上述问题，公开号为CN116397326A的专利文献公开了一种碳化硅外延设备及加热控制方法，包括：基于温度检测单元采样温度信息并反馈至数据处理单元，数据处理单元基于接收的温度信息经预设的算法运算生成第一指令并反馈至温度控制单元，温度控制单元基于接收的第一指令计算出匹配对应的第二指令并反馈至加热执行单元，所述加热执行单元接收并响应第二指令输出第三指令对第一侧壁加热器、第二侧壁加热器、第三侧壁加热器及底部加热器的实际加热输出。但是该发明提出的方案中，采用的控制器仍然是PID控制器，由于PID控制器具有对非线性适应较差、对多区域加热的耦合影响不能及时做出补偿的特性，该发明的加热控制效果鲁棒性较差。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于自抗扰控制的单片式硅外延设备反应腔温度控制方法和装置，使用自抗扰控制器，不仅能够对外部环境变化产生的温度波动进行及时响应，更可以对多区域加热产生的耦合温度影响进行补偿，提高了温度控制的非线性适应性，从而提升成品的质量。
为实现上述发明目的，本发明提供的技术方案如下：
第一方面，本发明实施例提供的一种基于自抗扰控制的单片式硅外延设备反应腔温度控制方法，包括以下步骤：
步骤1：将反应腔分为若干个区域，在每个区域中分别设置热传感器和加热器件，基于一阶加时滞模型构建传递矩阵，得到功率-温度模型；
步骤2：根据所述功率-温度模型，构建自抗扰控制算法，基于每个区域的目标温度、由对应热传感器检测得到的上一时刻的实际温度和第一补偿后输出功率，采用所述自抗扰控制算法计算对应区域的第二补偿后输出功率，加热器件以所述第二补偿后输出功率进行加热，将反应腔的温度控制在目标温度，实现实时温度控制；
其中，所述第一补偿后输出功率为上一时刻的补偿后输出功率，所述第二补偿后输出功率为当前时刻的补偿后输出功率；
起始阶段无上一时刻的补偿后输出功率，则基于每个区域的目标温度、由对应热传感器检测得到的上一时刻的实际温度进行计算。
本发明的技术构思为：目前工业上大多数单片式硅外延设备中反应腔温度控制策略采用PID控制，但PID控制器对非线性适应性较差，无法对反应腔中多区域的扰动及时做出补偿的问题，本发明首先将反应腔分为若干个区域，在每个区域中分别设置热传感器、加热器件和控制器，其中，热传感器用于实时检测所在区域的实际温度，控制器采用自抗扰控制算法，通过对各个区域采集到的实际温度和目标温度之间的温度差值，计算出各个区域的补偿功率，加热器件以补偿功率对所在区域进行加热，将每个区域的温度控制在目标温度，实现温度控制。
进一步的，步骤1中，将反应腔分为四个区域，在每个区域中分别设置热传感器和加热器件，热传感器包括热电偶、红外高温计；加热器件包括加热灯管、红外聚光灯，其中，采用热电偶作为热传感器成本较低并且精确度相对较高。
进一步的，步骤1中，所述的基于一阶加时滞模型构建传递矩阵，得到功率-温度模型，具体为：
其中，Tn(s),m＝1,2,3,4分别表示四个区域的温度，Pm(s),m＝1,2,3,4分别表示四个区域的输入功率，Gmn(s)表示当m标号的区域加热时，n标号的区域温度对此的响应，s表示拉普拉斯算子。
进一步的，步骤2中，所述的根据功率-温度模型，构建自抗扰控制算法，包括：
选取三阶扩张状态观测器，用公式描述为：
其中，fal(·)表示非线性函数：
z1(·)表示状态观测值，z2(·)表示z1(·)对应的微分值，z3(·)表示对内部和外部扰动的补偿值，y(k)表示由热传感器采集到的k时刻的实际温度，ε1表示状态观测值和实际温度之间的误差值，h(·)表示采样时间，β01,β02,β03,b0,δ均为可调节参数，u(k)表示k时刻的补偿后输出功率。采用三阶扩张状态观测器的好处是与一阶时滞系统阶次对应，可以进行有效的补偿。
进一步的，步骤2中，自抗扰控制算法还包括：
以每个区域的目标温度为输入，构建微分跟踪器，用公式描述为：
其中，v1(·)表示对目标温度的跟踪，v2(·)表示对v1(·)的微分，r表示跟踪速率系数，v(k)表示k时刻的目标温度。通过设置微分跟踪器对目标温度进行跟踪，能够保证大误差时，系统输出在可控的范围内。
进一步的，步骤2中，自抗扰控制算法还包括：
将扩张状态观测器和微分跟踪器进行整合，构建非线性状态误差反馈率，用公式描述为：
u0＝β1fal(e1,α1,δ)+β2fal(e2,α2,δ)
其中，u0表示未补偿的输出功率，β1,β2,α1,α2,δ均为可调节参数，e1＝v1-z1，e2＝v2-z2。由于硅外延设备反应腔温度控制场景为非线性系统，因此这里设置非线性状态误差反馈率，得到的补偿后输出功率能够更好地贴合本发明应用场景。
进一步的，步骤2中，所述的第二补偿后输出功率，用公式表示为：
其中，u表示第二补偿后输出功率。
第二方面，为实现上述发明目的，本发明实施例还提供了一种基于自抗扰控制的单片式硅外延设备反应腔温度控制装置，包括存储器和处理器，所述存储器用于存储计算机程序，其特征在于，所述处理器用于执行所述计算机程序时，实现第一方面本发明实施例提供的基于自抗扰控制的单片式硅外延设备反应腔温度控制方法。
第三方面，为实现上述发明目的，本发明实施例还提供了一种基于自抗扰控制的单片式硅外延设备，包括反应腔，所述反应腔分为四个区域，在每个区域中分别设置热传感器和加热器件，基于自抗扰控制的单片式硅外延设备还包括第二方面本发明实施例提供的基于自抗扰控制的单片式硅外延设备反应腔温度控制装置。
本发明的有益效果如下：
本发明使用自抗扰控制器，不仅能够对外部环境变化产生的温度波动进行及时响应，更可以对多区域加热产生的耦合温度影响进行补偿，提高硅外延设备反应腔温度控制的非线性适应性，从而提升成品的质量。
附图说明
图1是本发明实施例提供的反应腔内加热系统排布图。
图2是本发明实施例提供的反应腔内热电偶位置分布图。
图3是本发明实施例提供的自抗扰控制控制算法具体流程示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例对本发明进行进一步的详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施方式仅用以解释本发明，并不限定本发明的保护范围。
本发明实施例提供了一种基于自抗扰控制的单片式硅外延设备反应腔温度控制方法，包括以下步骤：
S110，将反应腔分为若干个区域，在每个区域中分别设置热传感器和加热器件，基于一阶加时滞模型构建传递矩阵，得到功率-温度模型。
如图1所示，本实施例中，将反应腔分为4个区域，分别为中、前、后、侧四个区域，各个区的加热器件可以采用红外加热灯管或红外聚光灯，本实施例中，在四个区域中均设置了加热灯管，在中区的正中心，本发明还设置了4个红外聚光灯，加热灯管和红外聚光灯整体构成加热系统。
如图2所示，反应腔内四个区域中，分别安放有四个热传感器，本实施例中，具体采用热电偶，此外，还可以采用红外高温计用于温度检测，但是相对而言，采用热电偶作为热传感器成本较低并且精确度相对较高。
在进行温度控制时，在四个区域内分别设置控制器，用于进行温度控制。单个控制器仅接收本区域热电偶反馈的温度进行计算，输出的功率驱动本区的加热系统进行加热。
将温度控制的模型近似于一个四输入四输出的模型，建立传递函数矩阵：
式中，Tn(s),n＝1,2,3,4分别代表中、前、后、侧四区的温度，Pm(s),m＝1,2,3,4分别代表中、前、后、侧四区的输入功率，其中Gmn(s)代表当m标号的区域加热时，n标号的区域温度对此的响应的部分。
使用一阶加时滞的模型来作为过程控制的数学模型，即：
其中，Tmn表示惯性时间常数，Kmn表示比例系数，τmn表示纯延迟时间常数。
S120，根据所述功率-温度模型，构建自抗扰控制算法，基于每个区域的目标温度、由对应热传感器检测得到的上一时刻的实际温度和第一补偿后输出功率，采用所述自抗扰控制算法计算对应区域的第二补偿后输出功率，加热器件以所述第二补偿后输出功率进行加热，将反应腔的温度控制在目标温度，实现实时温度控制；
其中，所述第一补偿后输出功率为上一时刻的补偿后输出功率，所述第二补偿后输出功率为当前时刻的补偿后输出功率；
起始阶段无上一时刻的补偿后输出功率，则基于每个区域的目标温度、由对应热传感器检测得到的上一时刻的实际温度进行计算。
为中、前、后、侧四区均建立自抗扰控制器，利用自抗扰控制器对于扰动的补偿机制，来减小各区之间的耦合影响。单个自抗扰控制器的建立包括：
如图3所示，首先，因为选取一阶加时滞的模型，选取如下形式的3阶扩张状态观测器(ESO)：
式中的非线性函数：
z1(·)表示状态观测值，z2(·)表示z1(·)对应的微分值，z3(·)表示对内部和外部扰动的补偿值，y(k)表示由热传感器采集到的k时刻的实际温度，ε1表示状态观测值和实际温度之间的误差值，h(·)表示采样时间，β01,β02,β03,b0,δ均为可调节参数，u(k)表示k时刻的补偿后输出功率。
其次，选择微分跟踪器(TD)形式如下：
其中，v1(·)表示对目标温度的跟踪，v2(·)表示对v1(·)的微分，r表示跟踪速率系数，v(k)表示k时刻的目标温度。
用来计算未补偿的控制器输出，将扩张状态观测器两个观测值进行非线性组合，构建合适的非线性状态误差反馈律(NLSEF)：
u0＝β1fal(e1,α1,δ)+β2fal(e2,α2,δ)
其中，u0表示未补偿的输出功率，β1,β2,α1,α2,δ均为可调节参数，e1＝v1-z1，e2＝v2-z2。
本实施例中，当前k+1时刻的未补偿的输出功率u0(k+1)用公式表示为：
u0(k+1)＝β1fal(e1(k+1),α1,δ)+β2fal(e2(k+1),α2,δ)
其中，u0表示未补偿的输出功率，β1,β2,α1,α2,δ均为可调节参数，e1(k+1)＝v1(k+1)-z1(k+1)，e2(k+1)＝v2(k+1)-z1(k+1)。
最后计算控制器的输出：
其中，u表示第二补偿后输出功率；
本实施例中，当前时刻，即k+1时刻的第二补偿后输出功率u(k+1)为：
如图3所示，根据得到的第二补偿后输出功率，控制加热系统以第二补偿后输出功率进行加热，输出温度T，实现反应腔内的温度控制。
基于同样的发明构思，本发明实施例还提供了一种基于自抗扰控制的单片式硅外延设备反应腔温度控制装置，包括存储器和处理器，所述存储器用于存储计算机程序，其特征在于，所述处理器用于执行所述计算机程序时，实现上述基于自抗扰控制的单片式硅外延设备反应腔温度控制方法。
对于本发明实施例提供的基于自抗扰控制的单片式硅外延设备反应腔温度控制装置而言，由于其基本对应于方法实施例，所以相关之处参见方法实施例的部分说明即可。以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本发明方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性劳动的情况下，即可以理解并实施。
基于同样的发明构思，实施例还提供了一种基于自抗扰控制的单片式硅外延设备，包括反应腔，所述反应腔分为若干个区域，在每个区域中分别设置热传感器和加热器件，基于自抗扰控制的单片式硅外延设备中还包括上述基于自抗扰控制的单片式硅外延设备反应腔温度控制装置。
需要说明的是，上述实施例提供的基于自抗扰控制的单片式硅外延设备反应腔温度控制装置和基于自抗扰控制的单片式硅外延设备，均与基于自抗扰控制的单片式硅外延设备反应腔温度控制方法实施例属于同一构思，其具体实现过程详见基于自抗扰控制的单片式硅外延设备反应腔温度控制方法实施例，这里不再赘述。
以上所述，仅为本发明的优选实施案例，并非对本发明做任何形式上的限制。虽然前文对本发明的实施过程进行了详细说明，对于熟悉本领域的人员来说，其依然可以对前述各实例记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行同等替换。凡在本发明精神和原则之内所做修改、同等替换等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种基于自抗扰控制的单片式硅外延设备反应腔温度控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：将反应腔分为若干个区域，在每个区域中分别设置热传感器和加热器件，基于一阶加时滞模型构建传递矩阵，得到功率-温度模型；
步骤2：根据所述功率-温度模型，构建自抗扰控制算法，基于每个区域的目标温度、由对应热传感器检测得到的上一时刻的实际温度和第一补偿后输出功率，采用所述自抗扰控制算法计算对应区域的第二补偿后输出功率，加热器件以所述第二补偿后输出功率进行加热，将反应腔的温度控制在目标温度，实现实时温度控制；
其中，所述第一补偿后输出功率为上一时刻的补偿后输出功率，所述第二补偿后输出功率为当前时刻的补偿后输出功率；
起始阶段无上一时刻的补偿后输出功率，则基于每个区域的目标温度、由对应热传感器检测得到的上一时刻的实际温度进行计算。
2.根据权利要求1所述的基于自抗扰控制的单片式硅外延设备反应腔温度控制方法，其特征在于，步骤1中，将反应腔分为四个区域，在每个区域中分别设置热传感器和加热器件，热传感器包括热电偶、红外高温计；加热器件包括红外加热灯管、红外聚光灯。
3.根据权利要求2所述的基于自抗扰控制的单片式硅外延设备反应腔温度控制方法，其特征在于，步骤1中，所述的基于一阶加时滞模型构建传递矩阵，得到功率-温度模型，具体为：
其中，Tn(s),n＝1,2,3,4分别表示四个区域的温度，Pm(s),m＝1,2,3,4分别表示四个区域的输入功率，Gmn(s)表示当m标号的区域加热时，n标号的区域温度对此的响应，s表示拉普拉斯算子。
4.根据权利要求3所述的基于自抗扰控制的单片式硅外延设备反应腔温度控制方法，其特征在于，步骤2中，所述的根据功率-温度模型，构建自抗扰控制算法，包括：
选取三阶扩张状态观测器，用公式描述为：
其中，fal(·)表示非线性函数：
z1(·)表示状态观测值，z2(·)表示z1(·)对应的微分值，z3(·)表示对内部和外部扰动的补偿值，y(k)表示由热传感器采集到的k时刻的实际温度，ε1表示状态观测值和实际温度之间的误差值，h(·)表示采样时间，β01,β02,β03,b0,δ均为可调节参数，u(k)表示k时刻的补偿后输出功率。
5.根据权利要求4所述的基于自抗扰控制的单片式硅外延设备反应腔温度控制方法，其特征在于，步骤2中，自抗扰控制算法还包括：
以每个区域的目标温度为输入，构建微分跟踪器，用公式描述为：
其中，v1(·)表示对目标温度的跟踪，v2(·)表示对v1(·)的微分，r表示跟踪速率系数，v(k)表示k时刻的目标温度。
6.根据权利要求5所述的基于自抗扰控制的单片式硅外延设备反应腔温度控制方法，其特征在于，步骤2中，自抗扰控制算法还包括：
将扩张状态观测器和微分跟踪器进行整合，构建非线性状态误差反馈率，用公式描述为：
u0(k+1)＝β1fal(e1(k+1),α1,δ)+β2fal(e2(k+1),α2,δ)
其中，u0表示未补偿的输出功率，β1,β2,α1,α2,δ均为可调节参数，e1(k+1)＝v1(k+1)-z1(k+1)，e2(k+1)＝v2(k+1)-z1(k+1)。
7.根据权利要求6所述的基于自抗扰控制的单片式硅外延设备反应腔温度控制方法，其特征在于，步骤2中，所述的第二补偿后输出功率，用公式表示为：
其中，u(k+1)表示k+1时刻的第二补偿后输出功率。
8.一种基于自抗扰控制的单片式硅外延设备反应腔温度控制装置，包括存储器和处理器，所述存储器用于存储计算机程序，其特征在于，所述处理器用于执行所述计算机程序时，实现权利要求1-7任一项所述的基于自抗扰控制的单片式硅外延设备反应腔温度控制方法。
9.一种基于自抗扰控制的单片式硅外延设备，其特征在于，包括反应腔，所述反应腔分为若干个区域，在每个区域中分别设置热传感器和加热器件，
所述基于自抗扰控制的单片式硅外延设备还包括权利要求8所述基于自抗扰控制的单片式硅外延设备反应腔温度控制装置。
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| CN202410136539.3A Pending CN118034411A (zh) | 2024-01-31 | 2024-01-31 | 基于自抗扰控制的单片式硅外延设备反应腔温度控制方法和装置 |
Country Status (1)
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|---|---|
| CN (1) | CN118034411A (zh) |
-
2024
- 2024-01-31 CN CN202410136539.3A patent/CN118034411A/zh active Pending
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