徐 冬，程朝陽，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程中各種氧化、退火、薄膜生長等工藝。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階的，爐體內(nèi)溫度場的熱傳導(dǎo)及升降溫都具有較大的滯后性，各控溫區(qū)段之間存在很強的耦合性。因此，為滿足工藝要求，需要對立式爐的爐溫和控溫時間進(jìn)行精確的計算機控制，并能隨時查詢控制結(jié)果以及進(jìn)行后期數(shù)據(jù)追蹤。

針對300 mm立式爐這類多輸入多輸出強耦合加熱設(shè)備，ASM、TEL、KOKUSAI、BROOKS 等專業(yè)性半導(dǎo)體設(shè)備生產(chǎn)廠家都獨立自主研發(fā)針對自己產(chǎn)品的高性能溫度控制系統(tǒng)[1]。然而，此類技術(shù)作為公司核心競爭力之一，通常被列為商業(yè)機密，不被公開。即使有個別產(chǎn)品出售，價格也異常昂貴。本文描述了針對300 mm立式爐設(shè)備的應(yīng)用，設(shè)計了一整套擁有自主知識產(chǎn)權(quán)的溫度控制軟硬件系統(tǒng)。實驗數(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

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個區(qū)段(ZoneA,B,C,D,E)，各區(qū)段有獨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)稱之為“Profile”熱電偶，其測得的溫度較接近硅片本身的溫度；另一組則靠近加熱絲稱為“Spike”熱電偶，其測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)。氧化過程完成后，爐體降溫至待機溫度，硅片被移出反應(yīng)室，工藝完成。本設(shè)備恒溫區(qū)長約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)、使用條件及周圍環(huán)境，我們選擇了過零觸發(fā)的固態(tài)繼電器 (SSR)調(diào)節(jié)方式，即在電源電壓零點附近觸發(fā)晶閘管導(dǎo)通和關(guān)斷，通過改變設(shè)定周期內(nèi)晶閘管導(dǎo)通的周波數(shù)，實現(xiàn)交流調(diào)功。工作原理如圖2所示。圖2中Tc=t1+t2為控制信號的周期，t1和t2分別為可控硅的導(dǎo)通和關(guān)斷時間。該電路是通過改變繼電器的通斷時間比即改變每個周期內(nèi)導(dǎo)通的周波數(shù)來實現(xiàn)功率調(diào)節(jié)。過零觸發(fā)方式能保證輸出電壓波形的完整性，對電網(wǎng)擾動小。

圖2 周期過零觸發(fā)工作原理

整個溫控系統(tǒng)的原理圖如圖3所示，由上位機IPC，下位PLC主機，信號采集子系統(tǒng)，控制信號輸出子系統(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

2.1 控制模式

系統(tǒng)中有兩套溫度測量反饋信號，一組是更接近爐絲的Spike信號，Spike T/C控溫響應(yīng)速度快，但溫控點與恒溫區(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，在從待機溫度轉(zhuǎn)向工藝溫度時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)備工藝對溫控系統(tǒng)的超調(diào)量與穩(wěn)定時間都有嚴(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)斜變升溫的跟蹤過程中，受控制器的限制，通常會產(chǎn)生一定的超調(diào)量，尤其對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)按升溫時間優(yōu)先原則進(jìn)行軌跡規(guī)劃，即在指定的時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，盡可能使實際溫度曲線沿目標(biāo)曲線進(jìn)行梯度爬升-即斜率升溫。現(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)中引入多項式樣條函數(shù)軌跡規(guī)劃來改進(jìn)升溫控制過程具有明顯的效果。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)計了3種規(guī)劃方法：(1)線性插值；(2)分段線性插值；(3)多項式樣條插值。分段線性插值相對于多項式樣條插值計算更為簡單，雖然在時間上軌跡規(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)整時間。

2.3 溫度補償

溫度控制系統(tǒng)的目標(biāo)是為工藝處理建立一個長度和均勻性都滿足設(shè)計要求的穩(wěn)定可靠的恒溫區(qū)，并盡可能地通過控制手段改善恒溫區(qū)的穩(wěn)定性和動態(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電壓信號在采樣變送以及從爐體至采樣模塊的長信道傳輸過程中會產(chǎn)生失真現(xiàn)象，所以需要對采樣模塊及傳輸通道進(jìn)行校正。對于“Profile”熱偶，生產(chǎn)廠商通常會附帶一份有關(guān)毫伏信號及標(biāo)定溫度點的校準(zhǔn)數(shù)據(jù)，在進(jìn)行“Profile”控溫時，也需要通過插值或其他方法對當(dāng)前的測量值進(jìn)行校準(zhǔn)。由于“Spike”熱偶和“Profile”熱偶溫度測量點的不同，在其反饋值上會存在較大的差異。針對不同控制模式中的相同工藝控溫點，我們要求控制過程能夠平穩(wěn)切換并能獲得一樣的工藝處理結(jié)果。在指定溫度點完成“Spike”熱偶和“Profile”熱偶穩(wěn)態(tài)差值補償?shù)倪^程叫自動溫區(qū)分布，系統(tǒng)在運行過程中根據(jù)實際采樣溫度和目標(biāo)溫度分別進(jìn)行插值，以獲取補償數(shù)據(jù)，達(dá)到恒溫區(qū)硅片表面實際溫度與控制目標(biāo)的一致性。

2.4 自動溫區(qū)分布

在本系統(tǒng)中有兩組測溫反饋熱偶，同時測量反應(yīng)管內(nèi)和加熱絲附近在垂直方向上指定測量點的溫度分布情況，但這兩組溫度測量反饋值之間通常存在一定的溫度差。如何在系統(tǒng)運行過程中自動獲取這組溫度差數(shù)據(jù)的過程稱為自動溫區(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，通過在工藝文件中設(shè)定不同的目標(biāo)溫度值和相應(yīng)的“Profiling”參數(shù)，系統(tǒng)按照程序流程自動運行直到滿足設(shè)定精度要求或超過設(shè)定的最大“Profiling”次數(shù)。其運行流程圖如圖4所示。

圖4 自動溫區(qū)分布流程圖

2.5 PID控制

數(shù)字PID控制算法簡單、魯棒性和可靠性好，在工業(yè)過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，實際系統(tǒng)通常具有非線性、時變不確定性，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于立式爐這類多輸入/輸出的強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程要求的系統(tǒng)長時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，加入階躍激勵信號u(t)=100%*Power，保持此輸出，直到系統(tǒng)輸出y(t)達(dá)到設(shè)定值時加入反向激勵信號u(t)=0。記錄輸出信號，當(dāng)系統(tǒng)輸出達(dá)到最大值時，整定過程結(jié)束。根據(jù)記錄數(shù)據(jù)可計算出系統(tǒng)的等效時滯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)。此方法相對于繼電器自整定方法，整定時間大大縮短，同時系統(tǒng)不需要經(jīng)歷振蕩過程，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 開關(guān)階躍響應(yīng)自整定方法

3 溫度控制實驗結(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)開始處于待機狀態(tài)，溫度保持在600℃，工藝過程始于600℃斜變升溫到900℃，時間35min，溫度保持于900℃，時間60m in。圖6中繪出了ZoneA至ZoneE五段控制溫度的實際數(shù)值，恒溫區(qū)內(nèi)控溫精度可達(dá)±0.3℃，所有5個溫區(qū)的超調(diào)量都<2℃。實驗結(jié)果表明整套溫度控制系統(tǒng)具有超調(diào)量小，調(diào)節(jié)時間短，控溫精度高的特點，能夠滿足實際工藝的溫度控制要求。

圖6 溫控實驗結(jié)果

4 工藝應(yīng)用結(jié)果

將本系統(tǒng)應(yīng)用于900℃氧化工藝測試中，其中在石英舟上 125個 Slots中的 Slot-13、Slot-63、Slot-113位置各放置了一片300 mm測試硅片，測量結(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，可以在實際設(shè)備上應(yīng)用。

5 結(jié)論

針對300 mm立式爐設(shè)備的應(yīng)用，自主設(shè)計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。溫控實驗及工藝實驗結(jié)果表明整套控制系統(tǒng)性能滿足300 mm氧化工藝對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)通過長時間的可靠性運行實驗，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)實現(xiàn)對擴散爐的先進(jìn)工藝要求[J],電子工業(yè)專用設(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.