300 mm立式爐溫度控制系統(tǒng)研制

徐 冬，程朝陽(yáng)，陳亞，張海輪

(北京七星華創(chuàng)電子股份有限公司IC工藝設(shè)備研發(fā)中心，北京100015)

立式爐是300mm集成電路制造的重要工藝設(shè)備，適用于集成電路制造過(guò)程中各種氧化、退火、薄膜生長(zhǎng)等工藝。立式爐作為集成電路生產(chǎn)中氧化工藝的常用設(shè)備，工作溫度一般為數(shù)百攝氏度至上千攝氏度，并且需要形成在一定溫度范圍內(nèi)滿足均勻性要求和快速響應(yīng)要求的穩(wěn)定可控的恒溫區(qū)。此外，立式爐工藝曲線是多臺(tái)階的，爐體內(nèi)溫度場(chǎng)的熱傳導(dǎo)及升降溫都具有較大的滯后性，各控溫區(qū)段之間存在很強(qiáng)的耦合性。因此，為滿足工藝要求，需要對(duì)立式爐的爐溫和控溫時(shí)間進(jìn)行精確的計(jì)算機(jī)控制，并能隨時(shí)查詢(xún)控制結(jié)果以及進(jìn)行后期數(shù)據(jù)追蹤。

針對(duì)300 mm立式爐這類(lèi)多輸入多輸出強(qiáng)耦合加熱設(shè)備，ASM、TEL、KOKUSAI、BROOKS 等專(zhuān)業(yè)性半導(dǎo)體設(shè)備生產(chǎn)廠家都獨(dú)立自主研發(fā)針對(duì)自己產(chǎn)品的高性能溫度控制系統(tǒng)[1]。然而，此類(lèi)技術(shù)作為公司核心競(jìng)爭(zhēng)力之一，通常被列為商業(yè)機(jī)密，不被公開(kāi)。即使有個(gè)別產(chǎn)品出售，價(jià)格也異常昂貴。本文描述了針對(duì)300 mm立式爐設(shè)備的應(yīng)用，設(shè)計(jì)了一整套擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的溫度控制軟硬件系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明該系統(tǒng)的應(yīng)用有效地提高了設(shè)備的溫度控制性能，并具有良好的可靠性和穩(wěn)定性。

1 硬件控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

北京七星華創(chuàng)電子股份有限公司現(xiàn)有的300 mm氧化爐設(shè)備，采用單反應(yīng)室結(jié)構(gòu)，爐體加熱絲包覆的范圍劃分為5個(gè)區(qū)段(ZoneA,B,C,D,E)，各區(qū)段有獨(dú)立的功率輸出單元以控制溫度。爐體配置有兩組熱電偶用于提供每一區(qū)段的溫度信息，一組位于石英管內(nèi)稱(chēng)之為“Profile”熱電偶，其測(cè)得的溫度較接近硅片本身的溫度；另一組則靠近加熱絲稱(chēng)為“Spike”熱電偶，其測(cè)得的溫度較接近加熱絲本身的溫度。整套系統(tǒng)如圖1所示。當(dāng)硅片以一定的速度被送入處在保溫狀態(tài)下的爐體反應(yīng)室中，設(shè)備進(jìn)入工藝階段。硅片定位后，爐體開(kāi)始升溫進(jìn)行氧化工藝。氧化工藝需要控制適量的工藝氣體進(jìn)入反應(yīng)室內(nèi)，并在特定溫度下進(jìn)行硅表面的氧化反應(yīng)。氧化過(guò)程完成后，爐體降溫至待機(jī)溫度，硅片被移出反應(yīng)室，工藝完成。本設(shè)備恒溫區(qū)長(zhǎng)約1 000 mm，溫度均勻性≤±0.3℃，溫度穩(wěn)定性≤±0.5℃(24 h)。

圖1 立式爐溫度控制示意圖

對(duì)于立式爐設(shè)備，常用的功率調(diào)節(jié)方法有固態(tài)繼電器調(diào)節(jié)、調(diào)壓器調(diào)壓和可控硅移相調(diào)壓等幾種。

根據(jù)本系統(tǒng)負(fù)載性質(zhì)、使用條件及周?chē)h(huán)境，我們選擇了過(guò)零觸發(fā)的固態(tài)繼電器 (SSR)調(diào)節(jié)方式，即在電源電壓零點(diǎn)附近觸發(fā)晶閘管導(dǎo)通和關(guān)斷，通過(guò)改變?cè)O(shè)定周期內(nèi)晶閘管導(dǎo)通的周波數(shù)，實(shí)現(xiàn)交流調(diào)功。工作原理如圖2所示。圖2中Tc=t1+t2為控制信號(hào)的周期，t1和t2分別為可控硅的導(dǎo)通和關(guān)斷時(shí)間。該電路是通過(guò)改變繼電器的通斷時(shí)間比即改變每個(gè)周期內(nèi)導(dǎo)通的周波數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)功率調(diào)節(jié)。過(guò)零觸發(fā)方式能保證輸出電壓波形的完整性，對(duì)電網(wǎng)擾動(dòng)小。

圖2 周期過(guò)零觸發(fā)工作原理

整個(gè)溫控系統(tǒng)的原理圖如圖3所示，由上位機(jī)IPC，下位PLC主機(jī)，信號(hào)采集子系統(tǒng)，控制信號(hào)輸出子系統(tǒng)及加熱爐體構(gòu)成。

圖3 溫控系統(tǒng)原理圖

2 軟件控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 控制模式

系統(tǒng)中有兩套溫度測(cè)量反饋信號(hào)，一組是更接近爐絲的Spike信號(hào)，Spike T/C控溫響應(yīng)速度快，但溫控點(diǎn)與恒溫區(qū)存在溫差；另一組是更接近工藝片的Profile熱偶，Profile T/C控溫精度高，但響應(yīng)速度慢。在此基礎(chǔ)上形成了3種不同的控溫方式

A.Spike控溫

B.Profile控溫

C.Ratio控溫(即采用Spike T/C與Profile T/C合成的虛擬T/C，而在不同的實(shí)際采樣溫度區(qū)間段調(diào)整二者之間的比例)

通常，在從待機(jī)溫度轉(zhuǎn)向工藝溫度時(shí)的初始控溫階段采用Spike T/C控溫，而在接近恒溫區(qū)目標(biāo)值的時(shí)候切換回Profile T/C控溫以達(dá)到溫控精度要求，這樣能有效地抑制超調(diào)量，可認(rèn)為是Ratio控溫的一種特殊方式。

2.2 溫升目標(biāo)軌跡規(guī)劃

立式爐設(shè)備工藝對(duì)溫控系統(tǒng)的超調(diào)量與穩(wěn)定時(shí)間都有嚴(yán)格的要求，超調(diào)量的大小直接影響工藝質(zhì)量及成品的電學(xué)特性。然而，在系統(tǒng)斜變升溫的跟蹤過(guò)程中，受控制器的限制，通常會(huì)產(chǎn)生一定的超調(diào)量，尤其對(duì)于立式爐這種多輸入/輸出、各溫區(qū)之間嚴(yán)重耦合的系統(tǒng)更為明顯。通常系統(tǒng)的溫升目標(biāo)軌跡規(guī)劃有兩種方式：(1)按升溫時(shí)間優(yōu)先原則進(jìn)行軌跡規(guī)劃，即在指定的時(shí)間里以最快的速率達(dá)到目標(biāo)溫度而超調(diào)量盡可能??；(2)按升溫速率優(yōu)先原則進(jìn)行軌跡規(guī)劃，即指定升溫速率，盡可能使實(shí)際溫度曲線沿目標(biāo)曲線進(jìn)行梯度爬升-即斜率升溫?，F(xiàn)有立式爐設(shè)備工藝中，通常采用斜率升溫的方式。

在本系統(tǒng)中引入多項(xiàng)式樣條函數(shù)軌跡規(guī)劃來(lái)改進(jìn)升溫控制過(guò)程具有明顯的效果。根據(jù)溫升目標(biāo)軌跡規(guī)劃的模式及系統(tǒng)升溫速率的大小分別設(shè)計(jì)了3種規(guī)劃方法：(1)線性插值；(2)分段線性插值；(3)多項(xiàng)式樣條插值。分段線性插值相對(duì)于多項(xiàng)式樣條插值計(jì)算更為簡(jiǎn)單，雖然在時(shí)間上軌跡規(guī)劃有一定的延遲，但在升溫速率≤±15℃/M in的加熱系統(tǒng)中，不但能有效地抑制超調(diào)量，還能縮短系統(tǒng)整體穩(wěn)定所需的調(diào)整時(shí)間。

2.3 溫度補(bǔ)償

溫度控制系統(tǒng)的目標(biāo)是為工藝處理建立一個(gè)長(zhǎng)度和均勻性都滿足設(shè)計(jì)要求的穩(wěn)定可靠的恒溫區(qū)，并盡可能地通過(guò)控制手段改善恒溫區(qū)的穩(wěn)定性和動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性以保證生產(chǎn)效率和工藝可靠性。由于熱偶反饋的毫伏級(jí)電壓信號(hào)在采樣變送以及從爐體至采樣模塊的長(zhǎng)信道傳輸過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生失真現(xiàn)象，所以需要對(duì)采樣模塊及傳輸通道進(jìn)行校正。對(duì)于“Profile”熱偶，生產(chǎn)廠商通常會(huì)附帶一份有關(guān)毫伏信號(hào)及標(biāo)定溫度點(diǎn)的校準(zhǔn)數(shù)據(jù)，在進(jìn)行“Profile”控溫時(shí)，也需要通過(guò)插值或其他方法對(duì)當(dāng)前的測(cè)量值進(jìn)行校準(zhǔn)。由于“Spike”熱偶和“Profile”熱偶溫度測(cè)量點(diǎn)的不同，在其反饋值上會(huì)存在較大的差異。針對(duì)不同控制模式中的相同工藝控溫點(diǎn)，我們要求控制過(guò)程能夠平穩(wěn)切換并能獲得一樣的工藝處理結(jié)果。在指定溫度點(diǎn)完成“Spike”熱偶和“Profile”熱偶穩(wěn)態(tài)差值補(bǔ)償?shù)倪^(guò)程叫自動(dòng)溫區(qū)分布，系統(tǒng)在運(yùn)行過(guò)程中根據(jù)實(shí)際采樣溫度和目標(biāo)溫度分別進(jìn)行插值，以獲取補(bǔ)償數(shù)據(jù)，達(dá)到恒溫區(qū)硅片表面實(shí)際溫度與控制目標(biāo)的一致性。

2.4 自動(dòng)溫區(qū)分布

在本系統(tǒng)中有兩組測(cè)溫反饋熱偶，同時(shí)測(cè)量反應(yīng)管內(nèi)和加熱絲附近在垂直方向上指定測(cè)量點(diǎn)的溫度分布情況，但這兩組溫度測(cè)量反饋值之間通常存在一定的溫度差。如何在系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中自動(dòng)獲取這組溫度差數(shù)據(jù)的過(guò)程稱(chēng)為自動(dòng)溫區(qū)分布(AutoProfiling)。當(dāng)控制器能夠在不同模式下進(jìn)行穩(wěn)定的溫度控制時(shí)，通過(guò)在工藝文件中設(shè)定不同的目標(biāo)溫度值和相應(yīng)的“Profiling”參數(shù)，系統(tǒng)按照程序流程自動(dòng)運(yùn)行直到滿足設(shè)定精度要求或超過(guò)設(shè)定的最大“Profiling”次數(shù)。其運(yùn)行流程圖如圖4所示。

圖4 自動(dòng)溫區(qū)分布流程圖

2.5 PID控制

數(shù)字PID控制算法簡(jiǎn)單、魯棒性和可靠性好，在工業(yè)過(guò)程控制中已有幾十年應(yīng)用歷史，尤其適用于可獲取精確數(shù)學(xué)模型的確定性系統(tǒng)[2]。但是，實(shí)際系統(tǒng)通常具有非線性、時(shí)變不確定性，難以獲取準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)模型；此外，PID控制器的參數(shù)與系統(tǒng)功能需求有關(guān)，一旦需求變化，參數(shù)就需要進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整。傳統(tǒng)繼電器自整定方法對(duì)于立式爐這類(lèi)多輸入/輸出的強(qiáng)耦合滯后性熱傳遞系統(tǒng)，很難形成穩(wěn)定的振蕩輸出，更難以保持繼電器自整定過(guò)程要求的系統(tǒng)長(zhǎng)時(shí)間處于臨界振蕩狀態(tài)。因此，本系統(tǒng)采用了一次在線閉環(huán)自整定的開(kāi)關(guān)階躍響應(yīng)PID自整定方法[3]，如圖5所示。

在初始穩(wěn)定狀態(tài)下，加入階躍激勵(lì)信號(hào)u(t)=100%*Power，保持此輸出，直到系統(tǒng)輸出y(t)達(dá)到設(shè)定值時(shí)加入反向激勵(lì)信號(hào)u(t)=0。記錄輸出信號(hào)，當(dāng)系統(tǒng)輸出達(dá)到最大值時(shí)，整定過(guò)程結(jié)束。根據(jù)記錄數(shù)據(jù)可計(jì)算出系統(tǒng)的等效時(shí)滯Lm和系統(tǒng)的最大上升斜率Rm，然后應(yīng)用Z-N整定公式，即可獲得PID參數(shù)。此方法相對(duì)于繼電器自整定方法，整定時(shí)間大大縮短，同時(shí)系統(tǒng)不需要經(jīng)歷振蕩過(guò)程，比繼電器自整定方法更適合應(yīng)用于立式爐溫控系統(tǒng)的PID參數(shù)調(diào)整。

圖5 開(kāi)關(guān)階躍響應(yīng)自整定方法

3 溫度控制實(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖6所示為一典型的工藝溫度控制結(jié)果曲線。系統(tǒng)開(kāi)始處于待機(jī)狀態(tài)，溫度保持在600℃，工藝過(guò)程始于600℃斜變升溫到900℃，時(shí)間35min，溫度保持于900℃，時(shí)間60m in。圖6中繪出了ZoneA至ZoneE五段控制溫度的實(shí)際數(shù)值，恒溫區(qū)內(nèi)控溫精度可達(dá)±0.3℃，所有5個(gè)溫區(qū)的超調(diào)量都<2℃。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明整套溫度控制系統(tǒng)具有超調(diào)量小，調(diào)節(jié)時(shí)間短，控溫精度高的特點(diǎn)，能夠滿足實(shí)際工藝的溫度控制要求。

圖6 溫控實(shí)驗(yàn)結(jié)果

4 工藝應(yīng)用結(jié)果

將本系統(tǒng)應(yīng)用于900℃氧化工藝測(cè)試中，其中在石英舟上 125個(gè) Slots中的 Slot-13、Slot-63、Slot-113位置各放置了一片300 mm測(cè)試硅片，測(cè)量結(jié)果即厚度圖譜如圖7～圖9所示。

圖7 Slot-13氧化工藝結(jié)果

圖8 Slot-63氧化工藝結(jié)果

圖9 Slot-113氧化工藝結(jié)果

工藝結(jié)果統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)為：

數(shù)據(jù)表明整套溫度控制系統(tǒng)在恒溫區(qū)內(nèi)具有非常好的一致性和穩(wěn)定性，可以在實(shí)際設(shè)備上應(yīng)用。

5 結(jié)論

針對(duì)300 mm立式爐設(shè)備的應(yīng)用，自主設(shè)計(jì)的一套完整的軟硬件溫控系統(tǒng)，具有優(yōu)異的控溫精度及良好的可靠性、穩(wěn)定性。溫控實(shí)驗(yàn)及工藝實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明整套控制系統(tǒng)性能滿足300 mm氧化工藝對(duì)溫度控制性能的需求。恒溫區(qū)內(nèi)溫度均勻性±0.3℃/900℃，穩(wěn)定性±0.5℃/24 h，超調(diào)量小于2℃。該系統(tǒng)已經(jīng)通過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的可靠性運(yùn)行實(shí)驗(yàn)，目前已在我公司研制的300mm氧化爐設(shè)備上使用。

[1]李彥斌.應(yīng)用MBTC溫控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)擴(kuò)散爐的先進(jìn)工藝要求[J],電子工業(yè)專(zhuān)用設(shè)備，2004:60～63.

[2]陶永華新型PID控制及其應(yīng)用[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社[M]，2003:233～233.

[3]朱海鋒.PID控制器參數(shù)自整定方法研究[A].中山大學(xué)碩士學(xué)位論文[C].2005:30～31.