CN104298268A - 一种具有前馈补偿的半导体工艺设备的温控方法 - Google Patents
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Abstract
一种具有前馈补偿的半导体工艺设备的温控方法，该半导体工艺设备中包括一个或多个控温区的温控，该方法包括根据半导体工艺预设的温控条件，构建温控的前馈补偿参考信号轨迹，即将整个温控升温阶段划分为包括高速升温阶段和标准升温阶段，所述高速升温阶段完成从初始温度t到第一中间温度t’的升温过程，所述标准升温阶段完成从第一中间温度t’到目标温度T的升温过程；标准升温阶段的参考信号轨迹满足所述预设温控条件，高速升温阶段的升温速率高于标准升温阶段的升温速率；以及基于获得的前馈补偿参考信号的轨迹，进行该温控***的控制操作。本发明能减弱温控***时滞性的影响，加快炉体的升温效果，提高半导体工艺设备的产能。
Description
技术领域
本发明属于集成电路制造技术领域，涉及一种具有前馈补偿的半导体工艺设备的温控方法，更具体地说，一种应用于半导体工艺设备温控的参考信号轨迹规划方法。
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工艺设备，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。
半导体工艺设备的温度作为被控对象,在工艺腔温度从初始温度到目标温度(Target)过程中情况下，满足快速并线性升温的特性是比较理想的。本领域技术人员清楚，温控***均存在时滞的现象，时滞的现象容易受外界因素干扰，导致控制***响应慢，控制性能变差；，当生产过程中模型时滞惯性等参数发生改变时,控制器的快速并线性升温的特性效果就会变差,严重时会导致***产生超调和振荡。
同时，不同工艺设备的炉体特性以及温度范围的差异性会进一步加大温控***的时滞性，直接影响着设备的产能和产出制品的性能及质量，也就是说，半导体工艺设备的温度控制***的温度控制效果直接影响晶圆的合格率
请参阅图1，图1为现有技术中根据半导体工艺设备温控的预设条件获取标准期望信号后所得到温控参考信号轨迹的示意图。在进行半导体工艺前，技术人员首先会根据设定目标温度(Target)，选取不同的升温速率K，如图1所示，在初始温度条件下，从起始时间0开始，以升温速率K作为斜率，达到目标温度(Target)，规划标准期望信号a按照标准期望信号(点划线a)的条件，完成一次设定温度的控制过程，得到温度响应曲线(实线b)。
从图1可以看出，要快速达到目标温度(Target)，就要选取较高的升温速率K，然而，如果升温速率K选取过高，快速并线性升温的特性会产生矛盾，并且，在刚达到目标温度(Target)时，由于升温速率过快，升温速率的稳定阶段超调过大，从而导致***获得精确的目标温度(Target)的进程时间加大。
发明内容
本发明的目的在于提供一种应用于半导体工艺设备温控的参考信号轨迹规划方法，通过设定前馈补偿参考信号，从而减弱温控***时滞性和超调及振荡的影响，加快被控设备的升温效果，提高工艺设备的产能。
为实现上述目的，本发明的技术方案如下：
一种具有前馈补偿的半导体工艺设备的温控方法，所述半导体工艺设备中包括一个或多个控温区的温控，其特征在于，所述方法包括：
步骤S1：根据半导体工艺预设的温控条件，构建温控的前馈补偿参考信号轨迹；其中，所述预设温控条件包括初始温度t、目标温度T和升温速率K；所述步骤S1具体包括：
步骤S11：将整个温控升温阶段划分为包括高速升温阶段和标准升温阶段，所述高速升温阶段完成从初始温度t到第一中间温度t’的升温过程，所述标准升温阶段完成从第一中间温度t’到目标温度T的升温过程；所述标准升温阶段的参考信号轨迹满足所述预设温控条件，所述高速升温阶段的升温速率高于所述标准升温阶段的升温速率；
步骤S12：根据所述半导体工艺设备中包括一个或多个控温区的温控目标温度T和升温速率K的预设条件，规划所述标准升温阶段的标准期望信号轨迹；并基于所述标准期望信号轨迹，温控***模拟或实际完成对起始温度t到预设目标温度T的控制过程，并根据所述控制过程获取所述标准升温阶段的温度响应曲线；
步骤S13：根据所述高速升温阶段T’的预设升温速率k’，规划所述标准高速升温阶段的期望信号轨迹；并基于所述期望信号轨迹，温控***模拟完成对初始温度t到第一中间温度t’的控制过程，并根据所述控制过程获取所述高速升温阶段的温度响应曲线；
步骤S14：根据所述控制过程获取所述高速升温阶段的温度响应曲线和所述标准升温阶段的温度响应曲线，获取在第一中间温度t’点拼接的前馈补偿参考信号的轨迹；
步骤S2：基于获得的所述前馈补偿参考信号的轨迹，进行所述温控***的控制操作。
优选地，所述高速升温阶段T’由多段组成，最后一段的预设升温速率为升温速率k’。
优选地，所述高速升温阶段T’中的最后一段的预设升温速率低于前几段的升温速率。
优选地，所述高速升温阶段T’中前几段的升温速率依次递减。
优选地，所述第一中间温度t’为在所述标准升温阶段的温度响应曲线上所述目标温度T和初始温度t的温度平均值点。
优选地，所述的步骤S12中的预设条件选取规则如下：
当***为单温区加热时，预设一初始温度t、目标温度T及目标升温速率K，在所述目标升温速率K下，根据所述初始温度t达到所述目标温度T的过程规划获取标准期望信号；
当***为多温区加热时，预设一初始温度t、目标温度T及各温区中目标升温速率的最小值K，在所述升温速率K下，根据所述初始温度t达到所述目标温度T的过程规划获取标准期望信号。
优选地，所述的标准升温阶段包括第一升温阶段和第二升温阶段，所述第一升温阶段完成从第一中间温度t’到第二中间温度t”的升温过程，所述第二升温阶段完成从第二中间温度t”到目标温度T的升温过程；所述第一升温阶段的参考信号轨迹满足所述预设温控条件，所述第二升温阶段的升温速率低于所述标准升温阶段的升温速率。
优选地，所述第一升温阶段和第二升温阶段的时间比例为1:6。
优选地，所述第二升温阶段由多段不同升温速率的子阶段组成，所述第二升温阶段中的初始一段的预设升温速率高于后几段的升温速率。
优选地，所述第二升温阶段中的后几段的升温速率依次递减。
从上述技术方案可以看出，本发明一种具有前馈补偿的半导体工艺设备的温控方法，即提出了一种参考信号轨迹规划方法，其通过将升温控过程分成开始的高速升温阶段和后续的标准升温阶段，以及还可以在后续的标准升温阶段的末尾加上一段慢速升温阶段来完成。使用本发明后，温度控制的时滞性被削弱，升温时间得到缩短，提高了设备的温控性能。使用本方法，可以方便的设定前馈参考信号，减弱温控***时滞性的影响，同时能够保证预定的升温速率，缩短升温时间，提高半导体工艺设备的产能。
附图说明
图1为现有技术中根据半导体工艺设备温控的预设条件获取标准期望信号后所得到温控参考信号轨迹的示意图。
图2为本发明应用于半导体工艺设备中的温控***的控制方法的流程示意图
图3为本发明将升温控过程分成高速升温阶段和标准升温阶段的设置前馈参考信号轨迹过程的较佳实施例的示意图
图4为本发明将升温控过程标准升温阶段又分为第一升温阶段和第二升温阶段的设置前馈参考信号轨迹过程的较佳实施例的示意图
具体实施方式
下面结合附图2-4，对本发明的具体实施方式作进一步的详细说明。
需要说明的是，本发明具有前馈补偿的半导体工艺设备的温控方法，通过设定前馈补偿参考信号，即将升温控过程分成开始的高速升温阶段和后续的标准升温阶段，以及还可以在后续的标准升温阶段的末尾加上一段慢速升温阶段来完成；基于上述升温过程得到的参考信号轨迹规划方法，获取前馈参考信号的轨迹；根据获得的所述前馈参考信号轨迹获取温控***的前馈参考信号，并基于所述前馈参考信号进行温控***的控制操作。
在下述实施例中，半导体工艺设备的温度控制可以根据需要划分成一个或多个控温区，每个控温区可以分别包括多个热电偶和加热单元，每个控温区还可以分别包括多种热电偶和加热单元。
请参阅图2，图2为本发明应用于半导体工艺设备中的温控***的控制方法的流程示意图。本发明实施例的解决方案主要如下：
步骤S1：根据半导体工艺预设的温控条件，构建温控的前馈补偿参考信号轨迹；在本发明的一些较优实施例中，当***为单温区加热时，预设温控条件可以包括初始温度t、目标温度T和升温速率K；当***为多温区加热时，预设温控条件可以选择包括预设初始温度t、目标温度T及各温区中目标升温速率的最小值K。下面通过两个实施例对步骤S1的具体实现步骤进行详细说明。
实施例一
请参阅图3，图3为本发明将升温控过程分成高速升温阶段和标准升温阶段的设置前馈参考信号轨迹过程的较佳实施例的示意图。如图2和3所示，步骤S1可以具体分成如下步骤：
步骤S11：将整个温控升温阶段划分为包括高速升温阶段T’和标准升温阶段T，高速升温阶段T’完成从初始温度t到第一中间温度t’的升温过程(即如图3所示的0到t1时间段的升温过程)，标准升温阶段T完成从第一中间温度t’到目标温度T的升温过程(即如图3所示的t1到t2时间段的升温过程)。
需要强调说明的是，标准升温阶段T的参考信号轨迹满足预设温控条件；高速升温阶段T’的升温速率高于标准升温阶段T的升温速率；这是减弱温控***时滞性的关键点。
步骤S12：根据所述半导体工艺设备中包括一个或多个控温区的温控目标温度T和升温速率K的预设条件，规划所述标准升温阶段的标准期望信号轨迹；并基于所述标准期望信号轨迹，温控***模拟完成对起始温度t到预设目标温度T的控制过程，并根据所述控制过程获取所述标准升温阶段的温度响应曲线；为叙述方便起见，本实施例中假设本温控加热***为单温区温控加热***。
并且，在本发明的一些较优实施例中，高速升温阶段T’还可以由多段不同升温速率的子阶段组成，但最后一子阶段的预设升温速率通常为升温速率k’；高速升温阶段T’中的最后一子阶段的预设升温速率低于前几子阶段的升温速率，较佳地，高速升温阶段T’中前几子阶段的升温速率依次递减。
在本实施例中，第一中间温度t’的取值为在标准升温阶段的温度响应曲线上，即目标温度T和初始温度t的温度平均值点，高速升温阶段T’也只包含一个升温阶段。接下来就可以进行：
步骤S13：根据高速升温阶段T’的预设升温速率k’，规划所述标准高速升温阶段的期望信号轨迹；并基于所述期望信号轨迹，温控***模拟完成对初始温度t到第一中间温度t’的控制过程，并根据所述控制过程获取所述高速升温阶段的温度响应曲线。
具体地，再请参阅图3，第一中间温度t’对应的响应时间点的获取，可以：首先设定目标温度T，升温速率K，在初始温度条件下，从起始时间0开始，以升温速率K作为斜率，达到目标温度T，规划标准期望信号a。接着，按照规划好的标准期望信号(如图3中的点划线a)的条件，完成一次设定温度的控制过程，得到温度响应曲线(如图3中的实线b)。然后，在实线b上找到目标温度T和初始温度t的平均值点A，过点A做平行于X轴的平行线，得到与标准期望信号a的交点B，以及线段AB的距离d。在线段AB的延长线方向截取距离为d的点A’，将标准期望信号a沿平行于X轴的方向平移至点A’得到中心线曲线c。
步骤S14：根据所述控制过程获取所述高速升温阶段的温度响应曲线和所述标准升温阶段的温度响应曲线，获取在第一中间温度t’点拼接的前馈补偿参考信号的轨迹。从上面的获取结果为可以看出，新的前馈参考信号的轨迹规划以0为起始时间，在t1的时间里，从初始温度开始，以适当的斜率K’，保证在t1时刻，参考信号的轨迹能够达到点C，点C为时间线t1与曲线c的交点。点C的温度与初始温度的差值也可以确定使用此种前馈参考信号轨迹规划的最低温度；之后沿着平移的中心线曲线c作为接下来的前馈参考信号的轨迹，即粗实线部分e1+e2+e3。
前馈参考信号的轨迹即粗实线部分e1+e2+e3确定后，就可以执行，步骤S2：基于获得的前馈补偿参考信号的轨迹，进行温控***的控制操作。
实施例二
为了使温控***在温度稳定阶段不产生较大的超调，在本实施例中，对实施例的方法还可以进行改进。请结合图2参阅图4，图4为本发明将升温控过程标准升温阶段(即如图3所示的t1到t2时间段的升温过程)又分为第一升温阶段和第二升温阶段的设置前馈参考信号轨迹过程的较佳实施例的示意图。如图4所示，标准升温阶段T包括第一升温阶段(即如图4所示的t1到t2时间段的升温过程)和第二升温阶段(即如图4所示的t2到t3时间段的升温过程)，第一升温阶段完成从第一中间温度t’到第二中间温度t”的升温过程，第二升温阶段完成从第二中间温度t”到目标温度T的升温过程。
需要强调说明的是，第一升温阶段的参考信号轨迹必须满足预设温控条件，通常情况下第二升温阶段的升温速率低于标准升温阶段的升温速率。优选地，第一升温阶段和第二升温阶段的时间比例可以为1:6。
并且，在本发明的一些较优实施例中，第二升温阶段由多段不同升温速率的子阶段组成；较优地，第二升温阶段中的初始一段的预设升温速率通常高于后几段的升温速率；较佳地，第二升温阶段中的后几段的升温速率依次递减。
在本实施例中，第二升温阶段只有一段，并且，实施例一中的高速升温阶段和标准升温阶段的设置前馈参考信号轨迹过程可以适用于实施例二，下面就着重介绍第一升温阶段和第二升温阶段的升温过程。
请参阅图4，第二中间温度t”的取值为在标准升温阶段的温度响应曲线上，即可在t2时间的后段，适当留取t3时间，以较低的升温速率K”升温，即粗实线e4，t2和t3的具体时间可适当修改，在本实施例中，高速升温阶段的参数相同的，那么前馈参考信号的轨迹为粗实线部分e1+e2+e4+e3。
前馈参考信号的轨迹即粗实线部分e1+e2+e4+e3确定后，就可以执行，步骤S2：基于获得的前馈补偿参考信号的轨迹，进行温控***的控制操作。
综上所述，本发明的实施例中的技术方案，可以根据不同温控***的要求设置不同前馈参考信号的轨迹，用以减弱温控***时滞性和超调大及振荡的影响，保证预定的升温速率，加快被控设备的升温效果，减少整个工艺流程的时间，提高工艺设备的产能。
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)
1.一种具有前馈补偿的半导体工艺设备的温控方法，所述半导体工艺设备中包括一个或多个控温区的温控，其特征在于，所述方法包括：
步骤S1：根据半导体工艺预设的温控条件，构建温控的前馈补偿参考信号轨迹；其中，所述预设温控条件包括初始温度t、目标温度T和升温速率K；所述步骤S1具体包括：
步骤S11：将整个温控升温阶段划分为包括高速升温阶段和标准升温阶段，所述高速升温阶段完成从初始温度t到第一中间温度t’的升温过程，所述标准升温阶段完成从第一中间温度t’到目标温度T的升温过程；所述标准升温阶段的参考信号轨迹满足所述预设温控条件，所述高速升温阶段的升温速率高于所述标准升温阶段的升温速率；
步骤S12：根据所述半导体工艺设备中包括一个或多个控温区的温控目标温度T和升温速率K的预设条件，规划所述标准升温阶段的标准期望信号轨迹；并基于所述标准期望信号轨迹，温控***模拟或实际完成对起始温度t到预设目标温度T的控制过程，并根据所述控制过程获取所述标准升温阶段的温度响应曲线；
步骤S13：根据所述高速升温阶段T’的预设升温速率k’，规划所述标准高速升温阶段的期望信号轨迹；并基于所述期望信号轨迹，温控***模拟完成对初始温度t到第一中间温度t’的控制过程，并根据所述控制过程获取所述高速升温阶段的温度响应曲线；
步骤S14：根据所述控制过程获取所述高速升温阶段的温度响应曲线和所述标准升温阶段的温度响应曲线，获取在第一中间温度t’点拼接的前馈补偿参考信号的轨迹；
步骤S2：基于获得的所述前馈补偿参考信号的轨迹，进行所述温控***的控制操作。
2.根据权利要求1所述的半导体工艺设备的温控方法，其特征在于，所述高速升温阶段T’由多段组成，最后一段的预设升温速率为升温速率k’。
3.根据权利要求2所述的半导体工艺设备的温控方法，其特征在于，所述高速升温阶段T’中的最后一段的预设升温速率低于前几段的升温速率。
4.根据权利要求3所述的半导体工艺设备的温控方法，其特征在于，所述高速升温阶段T’中前几段的升温速率依次递减。
5.根据权利要求1所述的半导体工艺设备的温控方法，其特征在于，所述第一中间温度t’为在所述标准升温阶段的温度响应曲线上所述目标温度T和初始温度t的温度平均值点。
6.根据权利要求1所述的半导体工艺设备的温控方法，其特征在于，所述的步骤S12中的预设条件选取规则如下：
当***为单温区加热时，预设一初始温度t、目标温度T及目标升温速率K，在所述目标升温速率K下，根据所述初始温度t达到所述目标温度T的过程规划获取标准期望信号；
当***为多温区加热时，预设一初始温度t、目标温度T及各温区中目标升温速率的最小值K，在所述升温速率K下，根据所述初始温度t达到所述目标温度T的过程规划获取标准期望信号。
7.根据权利要求1-6任意一个所述的半导体工艺设备的温控方法，其特征在于，所述的标准升温阶段包括第一升温阶段和第二升温阶段，所述第一升温阶段完成从第一中间温度t’到第二中间温度t”的升温过程，所述第二升温阶段完成从第二中间温度t”到目标温度T的升温过程；所述第一升温阶段的参考信号轨迹满足所述预设温控条件，所述第二升温阶段的升温速率低于所述标准升温阶段的升温速率。
8.根据权利要求7所述的半导体工艺设备的温控方法，其特征在于，所述第一升温阶段和第二升温阶段的时间比例为1:6。
9.根据权利要求8所述的半导体工艺设备的温控方法，其特征在于，所述第二升温阶段由多段不同升温速率的子阶段组成，所述第二升温阶段中的初始一段的预设升温速率高于后几段的升温速率。
10.根据权利要求9所述的半导体工艺设备的温控方法，其特征在于，所述第二升温阶段中的后几段的升温速率依次递减。
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