惯性温度控制系统和方法 优先权数据：
本申请要求以2001年2月6日申请的在先申请为优先权，该在先申请的序列号为60/266,926，其所公开的内容全文在这里引入作为参考。
技术领域：
本发明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，本发明涉及惯性温度(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。
背景技术：
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(如果下降到更低地设置点)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。
发明内容：
由此，本发明的目的是提供一种改进的温度控制系统和方法。更特别地，本发明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，本发明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。本发明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，本发明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。
在本发明的一个实施例中，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。
本发明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。
本发明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：
在阅读了本发明的下列具体描述和所附权利要求书，并且参照附图，本发明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是本发明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，它可以采用本发明的方法和系统。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，只显示了本发明方法所采用的控制元件和系统；
图5是流程图，示出了根据本发明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，说明了本发明方法的一个实施例；
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是由本发明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。
具体实施方式：
本发明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，本发明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，本发明计算出温度改变的“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来说明。静止的物体不能瞬时加速到非零的速度。相反，必须发生到达最大速度的逐渐的加速。当物体返回到静止状态时，通过逐渐的减速相反地发生这一过程。在本发明讨论的问题中，温度与位置类似，斜率(温度的一阶时间导数)与速度类似，而斜率增加的速率(温度的二阶时间导数)为加速度或减速度。
设置点从一个温度线性变化到另一个温度需要坯体无穷大的加速度或无穷大的减速度。由于坯体不能与这个命令输入匹配，结果是坯体内的温度相对于理想假设的早期滞后，紧接着是斜率结束时坯体温度超过编程设置点而发生的过调节，然后是最终稳定在编程温度之前围绕设置点发生振荡。为了更好地控制温度，本发明提供了控制输入(设置点)，它以坯体物理上可实现的方式变化。温度加速到给定的斜率，并保持在这个斜率上直到接近设置点温度，然后当坯体达到想要的稳定状态的设置点温度时减速到零斜率。如图2中所说明的，提供修正的控制输入，以使温度控制算法所命令的加速为有限的，且可由被加热的坯体物理地获得。通过提供被加热坯体可遵循的设置点，本发明使现有技术方法的过调节和振荡问题最小化，或者理想地，消除了这个问题。
进一步在图3、4和5中说明本发明。在本发明的一个实施例中，本方法可以用于半导体加热炉中，如图3所示的立式快速加热炉，但不限于此。在本实施例中，加热炉包括可控加热器元件器12，它可以分成独立可控制区域14。该可控加热器元件12可以是电阻加热线圈，辐射加热灯或其它一些可控的将热量传输到坯体或从坯体传出的结构或系统。图4中说明的一个控制系统的简化的例子包括五个这样的区域14。功率命令或信号16在每个区域14中单独受控。加热器元件12的目的是将坯体20——在这个例子中是硅晶片——加热到所需的温度24，其中坯体20设置在加热炉10的加热腔22内。当显示具有五个区域14的特定半导体加热炉时，本技术领域的技术人员应该理解，本发明的系统和方法可以应用于其它类型的半导体加热炉中，并且还可以在其它类型的半导体设备中执行，同样也可以用于需要精确温度控制的其它应用中。本发明不限于示出的特定例子。例如，本发明可以用于具有不同数量的区域的加热炉中，或者具有一个或多个区域的单晶片工具中。除了这里描述的那些应用以外，本发明还可以用于其它的加热应用中。除了加热环路，惯性温度还适于控制冷却环路。
再次参考图3和4中例举的控制系统实施例，它通常包括具有过程控制软件的过程控制器34，它可操作地耦接到具有温度控制软件的温度控制器32上。本控制系统还提供了一个或多个温度传感设备。在说明的实施例中，这些温度传感设备最好是两组热电偶，其包括一个或多个尖峰热电偶26和一个或多个包络热电偶30，它们提供用于在加热腔22内进行温度测量。尖峰热电偶26放置在加热元件12附近，这样就可更快地对响应温度控制输入的加热腔22内的温度变化作出反应。包络热电偶30更靠近坯体20——在这个说明的例子中是硅晶片——这样能更好地代表坯体的温度。以可购买到的温度控制软件编程的温度控制器32从过程控制器34接收所需的温度24设置点，并从相应的热电偶26和30读取测量的尖峰温度36和包络温度38。作为时间的函数的温度设置点最好可以作为设置点温度包络在过程控制软件中被编程。基于控制算法(在下面描述)，温度控制器软件32确定施加到加热炉加热元件12的每个区域14上的功率的量。
图5是流程图，示出了根据本发明一个实施例的温度控制器32的内部控制软件。在确定控制温度函数40中，基于相应热电偶26和30的尖峰和包络温度36和38计算单一的控制温度41。在本发明的这个举例的实施例中，这些值以特定的比例结合，并且还可以包含偏移量，以更好地反映晶片的实际温度。该比例可以用于响应不同的温度范围。尖峰热电偶26迅速响应功率输入，因为它们位于与加热元件12非常靠近的位置。包络热电偶30更靠近坯体20，这样响应更慢。如果加热炉控制只基于包络热电偶30，那么坯体20的慢速响应可以导致振荡。通过规定比例可优化响应和精度。对于加热炉、区域和温度条件的给定范围，最佳比例由经验确定，本技术领域的普通人员能容易地做到，但在较高温度。从线圈到热电偶26和30的热量传输更快，所以通常更强烈地依赖于包络温度38。本发明的一个说明性的实施例在具有5个区域和电子线圈的大气压为300mm的快速立式处理器(RVP)加热炉中执行，用于计算控制温度的包络温度与尖峰温度的比例从400℃时的50％包络+50％尖峰，到600℃时的60％包络+40％尖峰，到700℃时的90％包络+10％尖峰，到800℃以上时的100％包络发生变化。根据被加热的坯体成分和使用的加热炉的参数，可以采用其它比例。
计算设置点函数42用以计算中间温度设置点。该函数将所需的设置点温度24作为它的输入。它还保持它当前的设置点44。当该当前的设置点44等于所需的设置点温度24时，不进行处理，并且将当前的设置点传递给温度控制算法46。设置点44是可变的，并且在此涉及到多方式，如当前的设置点温度或中间设置点温度。当计算设置点温度函数42接收与当前的控制温度41不同的所需设置点温度时，它将当前设置点44以预定的加速度向所需设置点温度24加速。计算设置点函数42还保持预定的温度加速度。当温度斜率到达最大斜率时，它将斜率保持在最大的斜率上，直到温度接近结束设置点。当中间温度设置点44靠近结束设置点足够近从而以一定减速度减速将使该中间设置点到达该结束设置点时，则斜率减小以使这一过程发生。最大斜率最好在大约2℃min-1到30℃min-1的范围内。选择的确定值依赖于几个因素，包括加热炉的操作温度和发生加热还是冷却。对于加热过程，温度斜率最好在2℃min-1到10℃min-1的范围内。在高温时采用较低的最大斜率以将对加热坯体的热膨胀损坏的危险降至最低。对于冷却过程，最大温度斜率通常由加热炉功率以外的物理因素限制。由于这个原因，用于冷却的最大斜率典型地小于大约3℃min-1。
加速度、减速度和最大斜率是对于给定的加热炉建立的预定值。预定值基于实验测量的元件性能。不同类型的元件显示了不同的性能。加速度和减速度基于热电偶可以多快地响应功率输入，该功率输入然后与元件可以提供的热能量相关。具有较高功率密度的元件将适于较高的设置点加速度。该加速度最好在2℃min-2到40℃min-2的范围内。加速度在4℃min-2到15℃min-2的范围内更佳。在上述RVP炉中，最好使用大约8℃min-2的加速度。类似地，具有较小绝热性可以迅速冷却的元件，适于较高的设置点减速度。最好使用在大约1℃min-2到6℃min-2范围内的温度减速度，使用大约2℃min-2的减速度则最佳。
在一个实施例中，使用传感阵列(sensarray)晶片建立偏移量。这些晶片是其上附着有热电偶的检测晶片。特别地，晶片保持在给定的炉温下一段时间，并且测量包络与晶片温度之间的差异。一旦这个静态偏移量已知，传感阵列晶片就从炉腔22中取出。然后通过将包络温度设置为所需的晶片温度减去偏移量来处理没有传感器的晶片，这样就准确并精确地控制了估计的晶片温度。PID算法函数46将根据控制温度41和设置点44确定命令功率16。
图6示出了本发明一个实施例的流程图。它是对包含在用于计算中间设置点44的计算设置点函数42中的逻辑的具体描述。这个流程图描述了用于将设置点44从一个温度平滑改变到另一个温度的逻辑。这通过首先检查坯体20当前是否被加热或冷却(50)来进行。如果不是，则不需要具有斜率，所以程序保持当前的设置点(52)并退出(54)。如果温度斜率正在上升，那么程序检查是否到了开始减速的时间(56)。如果要保证减速，那么计算减速度(60)，以将中间设置点平滑地转变到结束设置点。如果程序当前使斜率减速(62)，则根据当前的减速度计算(64)修改的温度设置点44。如果斜率既不减速也不需要加速，则程序确定斜率当前是否低于最大温度斜率(66)。对于在这些条件下低于最大值的斜率，程序将指定一个向最大斜率的加速度(70)。如果斜率当前为最大值，那么程序保持该最大斜率(72)，直到它到达需要减速的点，从而平滑地到达最终设置点。实验：
进行了几个实验来比较本发明与现有技术的温度控制方法，在这些实验中，传感阵列半导体晶片在模拟的氧化过程中在立式快速加热炉中加热。下面陈述的例子只为了说明的目的，并且在任何方面都并非意在限制本发明。
为了建立本发明的方法与现有技术方法之间相比的基线而进行了实验，其中晶片被具有五个加热器元件区域且由PID算法控制的但不具有本发明的惯性温度控制系统的加热炉加热到850℃。图7示出了五个加热炉加热器元件区域的温度对时间(顶部)和所施加的加热器功率对时间的响应关系。如图7所示，通过传统的PID控制，以大约3到4℃的结束温度过调节发生温度上升后的温度恢复，且恢复时间大约为10分钟，其间加热炉内各个区域的温度围绕所需温度振荡，并且所施加的功率重复地出现尖峰和关闭。
使用相同的加热炉和PID温度控制算法进行相似的检测，其中PID温度控制算法增加了本发明的惯性温度控制方法。在只有PID算法的实验中的所有原始的步骤次数、温度和气体流量被保持。仅有的改变只是使用了如本发明所提供的惯性温度控制。如图8所示，惯性温度控制减小了热过调节和稳定时间。对于所有的区域，热过调节被限制在小于0.5℃，并且温度恢复在5分钟之内发生。此外，当比较两个数据曲线图时，可以看见功率调节的上述改进。使用本发明的方法，功率波动在振幅和频率上都得到缓冲，并且对于相同的热循环从整体上显著减小。这对加热炉的操作具有一些积极的影响。由于减小的功率循环，可以期望元件寿命有所提高，此外，对于加热炉线圈附近的机械组件产生较小的应力，并且这会提高整个加热炉的可靠性。
前面出于说明和描述的目的已经给出了本发明的特定实施方式和例子的具体描述，并且尽管本发明已通过前面适当的例子说明，但不构成对本发明的限制。这些例子并非意在将本发明穷举或限制在已经揭示的精确形式上，在上述说明的教导下，本发明显然可能有很多改进、实施例和改变。本发明的范围意在包括这里揭示的以及通过附后的权利要求书及其等同物所确定的一般领域。