专利名称：半导体热处理工艺温度前馈补偿方法
技术领域：
本发明涉及半导体工艺加热器温度控制技术领域，尤其涉及一种半导体热处理工艺温度前馈补偿方法。
背景技术：
随着半导体工艺和集成度的不断提高，对硅片表面的工艺处理精度提出了更高的要求，这些都依赖于工艺过程中的温度控制的精度，而温度的变化过程是一个惯性加滞后的过程，为了补偿这种滞后特性缩短工艺时间进而提高产能，在温度控制算法中加入了前馈补偿算法。特别是对于立式多温区热处理设备，因为热量向反应室上部聚集，并且反应室下部因结构原因热损失较大，这样如果给各温区相同的功率输入，它们的升(降)温曲线和滞后的时间都有差别，从而无法提供一个稳定性和一致性很好的温度场，而前馈算法能针对每个温区对应的滞后情况输出不同的补偿值，使各温区的升(降)温过程都能较好地跟踪目标温度曲线。图1和图2分别是带有前馈补偿和不带前馈补偿的温度控制系统原理图，在带有前馈补偿功能的温度控制系统中，有三组温度数据给定温度、当前温度和目标温度。给定温度为前馈补偿部分的输出值；当前温度为温度采集模块采集到的实际温度值；目标温度为上位机给出的目标温度值。在不带有前馈补偿功能的温度控制系统中，只有两组温度数据当前温度和目标温度，其中目标温度即为给定温度。一个典型的不具备前馈补偿升温过程曲线如图3所示实线为给定温度，即目标温度，虚线为在比例-积分-微分(PID)控制下实际的温度曲线，从图中可以看到，经过PID各参数的调整，曲线几乎没有超调，调整时间也很短， 但是该曲线存在一个最大的问题就是实际温度曲线整体滞后于给定温度曲线(即目标曲线)，这种滞后是加热系统本身的惯性和滞后特性所造成的。为了让实际温度曲线精确地跟踪目标曲线的变化，必须根据系统的滞后程度对应地改变给定温度曲线，而这通常依靠前馈补偿的方法来实现。目前的前馈补偿主要有两种实现方法或者这两种方法的结合第一种根据每段升温曲线的滞后时间的大小，让加热器按不同的时间提前加热，起到补偿滞后的作用。第二种方法是升温开始和结束阶段叠加阶跃函数或指数函数来补偿温度变化过程本身的惯性和滞后特性。但这两种方法都存在一定的缺陷前者需要通过大量的实验来确定滞后的时间， 根据不同升温过程滞后时间的大小确定提前加热的时间，并且适用性比较差；后者补偿效果较好，但同样存在适用性的问题。
发明内容
(一)要解决的技术问题本发明要解决的技术问题是如何提供一种能够有针对性地高精度地补偿，且适用性较广的半导体热处理工艺温度前馈补偿方法。
( 二)技术方案为解决上述问题，本发明提供了一种半导体热处理工艺温度前馈补偿方法，该方法包括步骤若当前实际温度与目标温度之间的差值不小于第一设定值d，则根据所述目标温度的升温速率调整补偿输出的给定温度，使所述给定温度大于目标温度，消除实际温度相对于目标温度的滞后；若当前实际温度与目标温度之间的差值小于第一设定值山且当前实际温度的升温速率不小于所述目标温度的升温速率，则根据所述当前实际温度与目标温度之间的差值调整补偿输出的给定温度，使所述当前实际温度跟踪目标温度的变化； 若当前实际温度与最终温度之间的差值小于当前实际温度与目标温度之间的差值ε，则根据最终温度，调整补偿输出的给定温度以减小超调。其中，若当前实际温度与目标温度之间的差值不小于第一设定值d，则设置补偿输出的给定温度遵循第一前馈补偿函数，所述第一前馈补偿函数为f\(t) = aXramp_ rateX At+start_temp，其中，Δ t为所述目标温度在每个控制周期的增量，ramp_rate为所述目标温度的升温速率，start_temp为起始温度，a > 1。其中，若当前实际温度与目标温度之间的差值小于第一设定值d，且当前实际温度的升温速率不小于所述目标温度的升温速率，则设置补偿输出的给定温度遵循第二前馈补偿函数，所述第二前馈补偿函数:f2(t) = set_point+bXramp_rate+ ε，其中，set_point 为所述目标温度，d彡ε。其中，若当前实际温度与最终温度之间的差值小于当前实际温度与目标温度之间的差值ε，则设置补偿输出的给定温度遵循第三前馈补偿函数，所述第三前馈补偿函数为 .{，S:,其中，g(t) = bXramp_rate_cXramp_rateXt，target 为所述最终温度。其中，若当前实际温度与最终温度之间的差值小于当前实际温度与目标温度之间的差值ε，则设置补偿输出的给定温度遵循第三前馈补偿函数，所述第三前馈补偿函数为 f3(t) = target, target为所述最终温度。(三)有益效果本发明的方法采用三段式前馈补偿方式，每段采用对应地补偿函数，实现了有针对性地高精度地补偿；对不同特性的加热系统，每段中的补偿函数可根据系统特性灵活地做出变化。采用了以升温速率和温度差为变量的补偿函数，使本发明的方法能够在加热系统升温能力范围内适应不同的升温速率和升温区间的升温过程，尤其对于热学特性存在一定差异的多温区加热系统有很好的补偿效果。
图1为带有前馈补偿的温度控制系统示意图；图2为不带有前馈补偿的温度控制系统示意图；图3为不带前馈补偿的PID升温曲线；图4为依照本发明一种实施方式的半导体热处理工艺温度前馈补偿方法流程图；图5(a)_5(b)分别为依照本发明一种实施方式的半导体热处理工艺温度前馈补偿方法中升温末段两种处理方法下的温度曲线；图6为经过本发明一种实施方式的半导体热处理工艺温度前馈补偿方法补偿后的温度曲线；
图7 图9为本方法在不同升温速率和多温区的补偿结果曲线图。
具体实施例方式本发明提出的半导体热处理工艺温度前馈补偿方法，结合附图及实施例详细说明如下。在半导体热处理设备中，一个完整的工艺过程包括若干次不同的“升温-恒温-降温”过程，恒温阶段的温度场的稳定性主要由温控算法本身的控制精度决定，而在升温和降温阶段为了让实际温度曲线精确地跟踪目标曲线、消除滞后并且超调尽可能小，本发明采用了分段控制的思想，按照升(降)温过程不同阶段要解决的问题将整个升温过程分为三个部分，针对每部分对应的问题进行不同的处理，以达到精细控制的目的，引入了以升温速率和温度差值为变量的补偿函数，在一定范围内，对于不同升温速率和升温区间的升温过程都能起到比较满意的补偿效果，扩展了算法的适用性。如果这种前馈补偿方式移植到其它平台，只需要做几次大速率升温实验，根据实验数据即可确定每个补偿函数的参数值，提高了算法的可移植性。通过分析发现在升温开始阶段和结束阶段，曲线都会经历一个温度变化速率的调整过程，升温开始阶段的调整过程使曲线产生了滞后，升温结束阶段的调整过程使升温过程的调整时间变长。为了在升温开始阶段消除滞后，同时在升温结束阶段缩短调整时间，将本发明的前馈补偿方法分为三个阶段升温前段、升温中段和升温末段。如图1所示，依照本发明一种实施方式的半导体热处理设备温度前馈补偿方法包括步骤若设备当前实际温度与目标温度之间的差值不小于第一设定值d，则进入第一阶段，即升温前段，为了消除滞后，即使实际温度与目标温度之间的差值尽量小，设置补偿输出的给定温度遵循第一前馈补偿函数=^t) = aXramp_rateX At+start_temp，这样就会产生一个大于目标升温速率的给定温度输出，因为实际温度总是跟随给定温度变化而变化，所以实际温度会不断接近目标温度值，当其差值小于d时，认为实际温度的滞后已经减小到可以接受的范围，该阶段结束。其中，At为所述目标温度在每个控制周期的增量，ramp_rate为所述目标温度升温曲线的升温速率，StartJemp为起始温度，a是通过实验得出的系数，通常3> 1， aXramp_rate决定了第一阶段给定温度曲线的斜率，即给定温度曲线将以a倍于当前目标升温速率(ramp_rate)的速率上升，这个斜率会随着每次升温时ramp_rate的变化而变化， 从而可以在一定范围内补偿不同升温速率的升温过程。a是一个倍率，如果目标升温速率为 15°C /min，a为1. 5，那么经过该函数调整后的升温速率就变成30°C /min ；如果温度系统允许的最大升温速率为40°C /min,当前的目标升温速率为10°C /min，那么a的值就可以设为 1 4之间的任意一个值。系统滞后越大，a的值就要越大。若设备当前实际温度与目标温度之间的差值小于第一设定值d，且当前实际温度的升温速率不小于目标温度的升温速率，则进入第二阶段，即升温中断，为了使当前实际温度平稳地跟随目标温度的变化，设置补偿输出的给定温度遵循第二前馈补偿函数f2(t)=set_point+bXramp_rate+ε，其中，set_point为所述目标温度，ε引入到前馈输出，可以根据该差值的大小调整补偿输出，使实际温度能够更好地跟踪目标温度，同时使升温中段的实际温度曲线变的平滑，通常d由第二阶段的跟踪精度来确定，而ε的大小反应了跟踪精度的大小，所以只要比ε稍大就可以，因此，d彡ε，b是通过实验确定的一个与系统滞后时间相关的参数，对于不同升温速率的升温过程，实际温度曲线相对于目标温度曲线的滞后程度会有所不同，并且滞后时间的长短与ramp_rate成正比，因此，bXramp_rate反应了对应升温速率的升温曲线的滞后程度，可以对一定升温速率范围内的升温过程起到很好的补偿作用。通常确定b的方法是进行几次不同升温速率的不带有前馈补偿作用的升温实验，计算出每组数据中实际温度与目标温度是差值ΔΤ，然后计算出对应的AT/ramp_ rate，取一个折中的值作为b的值即可，例如最大值与最小值的中间值。若当前实际温度与最终温度之间的差值小于当前实际温度与目标温度之间的差值ε，则进入第三阶段，即升温末段，升温末段为了减小超调和缩短调整时间，这对缩短整个工艺时间、提高产能起着重要的作用。在这个阶段设置，补偿输出的给定温度遵循第三前馈补偿函数f3(t) = target (2)，其中，g(t)= bXramp_rate-cXramp_rateXt, target 为所述最终温度，参数 cXramp_rate直接决定了补偿输出的给定温度曲线的斜率，斜率的绝对值越大，抑制实际温度曲线超调的作用就越强，可以根据实验数据综合考虑超调量和调整时间选择合适的c 值。采用公式(1)和公式O)的不同之处在于前者不会使补偿输出产生突变，但需要根据实验确定参数c的值；后者会使输出产生突变，但不需要确定参数，使用方便。实验证明两种方法都能起到很好地减小超调缩短稳定时间的效果。两种方法中对应的ε的值不同， 这需要根据实验来调整，通常第一种方法对应的ε值大一些，第二种方法对应的ε值小一些。两种处理方法处理后的温度曲线分别如图5(a)、5(b)所示。其中，c值与a值一样，同样为倍率，取值方法也大体相同，cXramp_rate是第三阶段曲线的斜率，因为第三阶段主要作用是消除超调，因此通常取c > 1。对于某些特殊的情况c也可取1以内的值，根据需要自由配置。对不同特性的加热系统，每段中的补偿函数可根据系统特性灵活地做出变化，例如在升温前段和升温末段中，除了采用本实施方式中提到的函数外，也可采用指数函数或阶跃函数等。在本发明的方法中，每个阶段开始前要通过阶段标记值、目标温度的升温速率、实际温度与目标温度的差值大小三个变量来综合判断进入哪个阶段，每个阶段补偿函数执行完后进行判断是否跳出该阶段，如果条件符合，则更新阶段标记值，阶段标记值被更新后下次循环就不会进入该阶段，这样按顺序依次按执行升温前段、升温中段和升温末段的补偿函数，直到前馈补偿结束。为了防止在升温末段因为参数设置不合理产生过大的超调，在输出时加入了限幅。通常这个限幅值可根据升温过程的最终温度target与实际温度的差值 ΔΤ(不带前馈补偿时实际温度曲线与目标温度曲线之间的温度差值)确定，初始值可取为 target+Δ Τ，然后再根据实验情况稍加调整即可。
本发明的前馈补偿方法能够补偿的升温速率范围的大小取决于加热系统本身的加热能力(即最大升温速率)和a值的大小，假设一个加热系统的最大升温速率为Rampmax， 那么本方法能够补偿的最大的升温速率为R_pmax/a。由于每个分阶段的补偿函数都引入了升温速率做参数，而且将实际温度与目标温度的差值引入了每个阶段的起始判断条件，这样在同一组参数在不同升温速率的升温过程中，每个阶段所持续的时间是动态变化的。对于升温速率大滞后大的升温过程，升温前段持续的时间就会变长，反之对于升温速率小滞后小的升温过程，升温前段持续的时间就会很短。本发明的前馈补偿方法引入了分段控制的思想，通过对升温过程的分段细化，对每段采用不同的补偿函数进行不同的处理，从而实现了高精度补偿，并且在补偿函数中引入了升温速率(ramp_ate)作为变量，这样使整个补偿算法能适应不同升温速率和不同升温区间的升温过程，解决了传统前馈补偿算法适用性差的问题对于多温区加热系统能起到很好的补偿效果。图6所示，为依照本发明一种实施方式的补偿方法补偿后的温度曲线示意图。图7 图9是本方法在不同升温速率和多温区的补偿结果曲线图。以上实施方式仅用于说明本发明，而并非对本发明的限制，有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型，因此所有等同的技术方案也属于本发明的范畴，本发明的专利保护范围应由权利要求限定。
权利要求
1.一种半导体热处理工艺温度前馈补偿方法，其特征在于，该方法包括步骤若当前实际温度与目标温度之间的差值不小于第一设定值d，则根据所述目标温度的升温速率调整补偿输出的给定温度，使所述给定温度大于目标温度，消除实际温度相对于目标温度的滞后；若当前实际温度与目标温度之间的差值小于第一设定值d，且当前实际温度的升温速率不小于所述目标温度的升温速率，则根据所述当前实际温度与目标温度之间的差值调整补偿输出的给定温度，使所述当前实际温度跟踪目标温度的变化；若当前实际温度与最终温度之间的差值小于当前实际温度与目标温度之间的差值ε， 则根据最终温度，调整补偿输出的给定温度以减小超调。
2.如权利要求1所述的半导体热处理工艺温度前馈补偿方法，其特征在于，若当前实际温度与目标温度之间的差值不小于第一设定值d，则设置补偿输出的给定温度遵循第一前馈补偿函数，所述第一前馈补偿函数为=Kt) = aXramp_rateX At+start_temp，其中，At为所述目标温度在每个控制周期的增量，ramp_rate为所述目标温度的升温速率， start_temp为起始温度，a > 1。
3.如权利要求2所述的半导体热处理工艺温度前馈补偿方法，其特征在于，若当前实际温度与目标温度之间的差值小于第一设定值d，且当前实际温度的升温速率不小于所述目标温度的升温速率，则设置补偿输出的给定温度遵循第二前馈补偿函数，所述第二前馈补偿函数f2(t) = set_point+bXramp_rate+ ε，其中，set_point为所述目标温度， d彡ε。
4.如权利要求3所述的半导体热处理工艺温度前馈补偿方法，其特征在于，若当前实际温度与最终温度之间的差值小于当前实际温度与目标温度之间的差值ε，则设置补偿输出的给定温度遵循第三前馈补偿函数，所述第三前馈补偿函数为r Λ Jg^+tarSet 4卜 0, [targetgit) < 0 ‘其中，g⑴=bXramp_rate-cXramp_rateXt, target 为所述最终温度。
5.如权利要求3所述的半导体热处理工艺温度前馈补偿方法，其特征在于，若当前实际温度与最终温度之间的差值小于当前实际温度与目标温度之间的差值ε，则设置补偿输出的给定温度遵循第三前馈补偿函数，所述第三前馈补偿函数为f3(t) = target, target 为所述最终温度。
全文摘要
本发明公开了一种半导体热处理工艺温度前馈补偿方法，包括若当前实际温度与目标温度之间的差值不小于第一设定值，则根据目标温度的升温速率调整补偿输出的给定温度，使给定温度大于目标温度，消除实际温度相对于目标温度的滞后；若当前实际温度与目标温度之间的差值小于第一设定值，且当前实际温度的升温速率不小于目标温度的升温速率，则根据当前实际温度与目标温度之间的差值调整补偿输出的给定温度，使当前实际温度跟踪目标温度的变化；若当前实际温度与最终温度之间的差值小于当前实际温度与目标温度之间的差值，则根据最终温度，调整补偿输出的给定温度以减小超调。本发明的方法能够有针对性地高精度地补偿，且适用性较广。
文档编号G05F1/567GK102354244SQ201110162649
公开日2012年2月15日 申请日期2011年6月16日 优先权日2011年6月16日
发明者徐冬, 王艾, 田博 申请人:北京七星华创电子股份有限公司