惯性温度控制系统和方法技术方案

本发明专利技术提供了一种惯性温度控制系统和方法，用于使坯体温度在两个温度之间变化，从而平滑地到达结束温度，而基本上没有温度过调节或振荡。将设置点温度输入给温度控制算法，该设置点温度以物理上可达到的速率加速或减速。（*该技术在2022年保护过期，可自由使用*）

Inertial temperature control system and method

The present invention provides an inertial temperature control system and method for changing the body temperature between two temperatures so as to smoothly reach an end temperature without substantially temperature overshoot or oscillation. The set point temperature is input to the temperature control algorithm, which sets the point temperature to accelerate or decelerate at a physically available rate.

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及一种温度控制系统和方法，它用于从一个设置点温度改变到另一个设置点温度。更具体地，本专利技术涉及惯性温度(inertial temperature)控制系统和方法，它用在生产过程中，如半导体生产过程和设备中，但不限于此。
技术介绍
温度控制系统和方法在很多生产过程中扮演重要角色。在生产过程中控制温度的方法的现有技术中，采用如比例-积分-求导算法(PID)或模糊逻辑的温度算法。PID算法在控制理论中是众所周知的，该方法使用当前测量温度与所需温度之间的差(误差值)来确定应用于加热电路中的功率的大小。正如它的名称所提示的，在PID计算中有三项。比例项提供与误差值成比例的功率的基值，积分项提供与误差值的时间积分(和)成比例的功率的基值，微分项提供与误差值的差分(改变的速率)成比例的功率的基值。当改变所需的温度时，PID算法通过增加功率(如果上升到更高的设置点)或减小功率(如果下降到更低的设置点)来响应设置点(所需温度)的改变。典型地，当上升到更高的温度时，测量的温度将滞后于设置点，然后过调节所需温度，并且在稳定而与之匹配前振荡。这在图1中描述。重要的还有限制斜率(ramp rate)，以保护对象防止负的热效应，或者防止由于对象内过度的内部温度梯度而使对象加热。这在半导体晶片处理系统中是特别要考虑的。晶片边缘相对于它的中心的过度加热，可以导致物理和/或化学损坏，这会使晶片不可用，或者导致由这块晶片生产的半导体芯片过早出现故障。当在一个半导体晶片处理系统内，如在加热炉中，从一个温度到另一个温度加热或冷却时，重要的是以最短的时间稳定在所需的设置点温度上。经典地，加热炉使用受控的线性斜率从一个温度设置点到另一个温度设置点。尽管这提供了连续的温度设置点值，但产生的斜率也不是连续的，如图1所示。相反地，斜率从0上升到某个值(斜率)，然而当到达最终设置点时返回到零。设置点的二次导数是温度加速度，它必须是无穷大的，从而可立即从0斜率跳到非零值并再次返回。真实对象不能在以这种理想化方式加热或冷却所需的温度斜率中瞬时和无穷大地“加速”。结果是加热开始后对象实际温度斜率到达所需斜率前产生时间延乙当对象的温度到达最终设置点时，发生“加热惯性”的相似效果。当加热炉关闭后，温度斜率“减速度”必须是负无穷大的以使斜率从非零值返回到零值。结果，对象的温度相对于设置点过调节(over shoot)，然后在最终稳定在一个不变的温度前相对该设置点上下振荡，如图1所述。在斜率开始时的时间延迟或滞后，所需设置点的过调节和相对于设置点的温度振荡，这些在图1中显示的与现有技术控制方法相关的特性，在需要稳定和精确地控制温度的很多应用中都是不想要的。由此需要改进的温度控制系统和方法。
技术实现思路
由此，本专利技术的目的是提供一种改进的温度控制系统和方法。更特别地，本专利技术提供生产过程中的改进的温度控制系统和方法，例如用在半导体处理过程和设备中，但不限于此。特别是，本专利技术提供使用惯性温度控制和温度控制算法，如在可购买到的PID控制器或基于模糊逻辑的其它设备中所使用的那些算法的控制温度的系统和方法。本专利技术控制温度斜率设置点的加速和减速，使坯体的温度改变以有限的和物理可得到的速率发生。这种方法可应用于需要精确控制可变温度设置点的各种系统，例如半导体处理炉中。在所说明的一个实施例中，本专利技术的系统和方法在多区域加热炉中执行，这种多区域加热炉用在半导体处理中。在本专利技术的一个实施例中，提供了一种使用温度控制算法使坯体的温度从开始温度变化到结束温度的方法，其中坯体装在温度控制炉的加热腔中。一个或多个可控加热元件和一个或多个温度传感设备安装在加热炉的加热腔中。为温度控制算法提供一个可变的温度设置点。这个设置点温度从开始温度到结束温度以有限的速率加速，直到温度斜率到达确定的最大温度斜率为止。该最大温度斜率基本保持不变，直到设置点温度接近结束温度为止。然后，设置点温度从最大斜率以有限的速率减速，最后到达结束温度。温度控制算法基本上保持坯体的温度与所提供的设置点温度一致。本专利技术另外一个实施例提供一种使用温度控制算法使坯体的温度从开始温度变化到结束温度的方法，其中坯体装在温度控制炉的加热腔中，该温度控制算法包括下列步骤放置在加热腔中的一个或多个温度传感设备的温度数据和温度设置点作为输入提供给温度控制算法，该温度控制算法控制传递给炉中的一个或多个可控加热元件的功率。温度设置点从开始设置点温度以有限的编程加速度加速，直到达到所规定的最大温度斜率。然后，该设置点温度保持在最大的温度斜率上，直到接近结束温度。最后，温度设置点从该最大温度斜率以有限的编程减速度减速，直到到达结束设置点温度。这种减速以这样的方式执行，即使得坯体温度平滑地到达结束设置点温度，基本上不发生过调节或围绕结束设置点温度振荡。本专利技术的又一个实施例提供用于改变坯体的温度的温度控制加热炉。该加热炉包括加热腔，该加热腔设置有一个或多个可控加热元件，和一个或多个温度传感设备。传递给加热元件的功率由温度控制器控制，其中温度控制器构造成接收设置点温度的包络(profile)和代表设置在加热腔中的温度传感器设备的温度数据输入。温度控制器提供加热功率命令，使坯体的温度通过温度加速阶段、恒定斜率阶段和温度减速阶段，而以围绕所需温度的最小振荡基本上平滑地达到所需的温度。附图说明在阅读了本专利技术的下列具体描述和所附权利要求书，并且参照附图，本专利技术的其它目的和优点将变得明显，其中图1是说明现有技术的温度控制方法的温度控制响应的曲线图；图2是本专利技术的方法和系统的温度控制响应的曲线图；图3描述了用在半导体生产中的加热炉，它可以采用本专利技术的方法和系统。该加热炉包括热电偶以测量温度，并且包括电加热元件以提供功率。在该举例的实施例中，有5个控制区，每个区中具有两个热电偶用于测量； 图4是加热炉的示意图，只显示了本专利技术方法所采用的控制元件和系统；图5是流程图，示出了根据本专利技术系统和方法的一个实施例的温度控制软件的内部结构；图6是流程图，说明了本专利技术方法的一个实施例；图7是用于现有技术的温度控制方法中的随时间变化的温度和所应用功率数据的曲线图；图8是由本专利技术的惯性温度控制方法和系统提供的随时间变化的温度和所应用功率数据的曲线图。具体实施例方式本专利技术的惯性温度控制中包含的思想与如何管理温度设置点有关。在应用于半导体工业的现有技术的温度控制方法中，对象或坯体如半导体晶片，典型地具有线性方式的温度斜率。坯体的实际温度不能与该线性温度斜率匹配，因此它在开始时滞后，而在结束时过调节。相反，本专利技术提供的温度设置点与时间的曲线与真实对象能够遵循的曲线更加接近地匹配。这样，本专利技术计算出温度改变的“惯性”特性，并且控制设置点以允许坯体的实际温度更紧密地跟随该设置点温度，由此减小过调节，同时比现有技术的直线斜率方法更快速地实现温度稳定性。施加于坯体的热量并不立即传输到该坯体上，存在与热量传输的传导、对流和辐射相关的延迟。上述现有技术的温度控制方法的问题不在于控制算法本身，而更在于温度改变可以瞬时开始或结束的假设。温度改变不能以瞬时方式加速到给定的斜率，或者当温度到达所需的最终温度时瞬时停止，如图1所示的现有技术方法中以图示所说明的那样。这个问题还可以通过牛顿物理的推理本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种使用温度控制算法将坯体温度从开始设置点温度变化到结束设置点温度的方法，其中该坯体装在温度控制加热炉的加热腔中，其特征在于：所述加热腔包含一个或多个可控加热元件，和一个或多个温度传感设备；设置点温度从所述开始温度向所述结束温度以有 限的速率加速，直到到达规定的最大斜率为止；所述设置点温度基本上保持在所述最大斜率上，直到接近所述结束温度为止；所述设置点温度从所述最大斜率以有限的速率减速到所述结束温度；所述温度控制算法基本上保持所述坯体的温度与所述设置点温度一 致。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】...

【专利技术属性】
技术研发人员：艾伦L斯塔纳，
申请(专利权)人：ASML美国公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]