一種快速熱處理溫度控制器的設(shè)計

趙曉慶 ，何廣平 ，袁俊杰，劉敬猛

（1.北京航空航天大學(xué) 自動化科學(xué)與電氣工程學(xué)院，北京 100191；2.北方工業(yè)大學(xué) 機(jī)器人與MEMS實驗室，北京 100041）

快速熱處理(RTP)是對硅片快速加熱到設(shè)定溫度，進(jìn)行短時間快速熱處理的方法，熱處理時間通常小于1～2 min。過去幾年里，RTP已成為半導(dǎo)體制造必不可少的一項工藝，用于氧化、退火、金屬硅化物的形成和快速化學(xué)沉積[1]。

傳統(tǒng)的熱處理方法是將很多硅片垂直排列在石英舟上,放進(jìn)電阻爐加熱,這種技術(shù)很難避免基片變形。由于石英舟和眾多的硅片熱容量較大,需要長的升溫和降溫時間,這種方法熱存積即溫度和時間的乘積很大而難于接受。因為當(dāng)在硅片上形成集成電路時需要進(jìn)行熱處理,熱處理時基片上形成電路所使用的不同材料趨向擴(kuò)散,降低了基片的性能和可靠性,因這種擴(kuò)散最終限制了可能獲得最小電路的性能尺寸。擴(kuò)散依賴于熱存積,因此降低熱處理過程的熱存積將能得到越來越小的元件。

溫度的控制是目前RTP系統(tǒng)的設(shè)計者和用戶都將面對的重要問題，也是RTP能否取得成功的一個關(guān)鍵。

在RTP系統(tǒng)中，硅片以非?？斓乃俣燃訜岷屠鋮s，維持在工藝溫度的時間也極短，不僅硅片與反應(yīng)室一般不是熱平衡，而且反應(yīng)室內(nèi)不同部位的溫度也不相同。因為整個熱處理過程對溫度有著嚴(yán)格的要求，所以保證系統(tǒng)的控制精度就成為提高晶圓質(zhì)量的關(guān)鍵。但是目前國產(chǎn)設(shè)備的溫度自動控制部分仍是薄弱環(huán)節(jié)，其控制精度和自動化程度遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足市場的需求和發(fā)展，迫切需要改造和升級。針對這些問題，本文提出一種采用模塊化設(shè)計的溫度控制裝置，內(nèi)置自適應(yīng)能力較強的控制算法，具有參數(shù)自動調(diào)節(jié)、液晶顯示、按鍵輸入、數(shù)據(jù)保存等功能，即從整體上提高溫控系統(tǒng)的智能化程度和控制精度，加快參數(shù)調(diào)節(jié)的響應(yīng)速度，使整個熱處理過程中溫度的變化能快速地跟隨工藝曲線變化。該裝置通用性強，操作簡單可靠。

1 RTP的優(yōu)點

熱處理過程主要有：升溫至設(shè)定的溫度、在設(shè)定溫度下維持一預(yù)定的時間及降溫過程。有一些工藝更為復(fù)雜，有若干個不同的溫度設(shè)定點。RTP與傳統(tǒng)批量爐不同之處是：(1)有急劇快速的變溫(包括升溫和降溫)速度，又可以有復(fù)雜的、多級的、廣溫度范圍變化控制能力。對環(huán)境氣氛的控制遠(yuǎn)比傳統(tǒng)爐精確。傳統(tǒng)爐變溫速度為 10～20℃/min,而 RTP的變溫速度為 50～200℃/s或更快。RTP采用單片工藝過程，不僅減小了操作失敗帶來的風(fēng)險，而且更重要的是聯(lián)機(jī)容易。可以適應(yīng)計算機(jī)集成制造系統(tǒng)和先進(jìn)真空處理系統(tǒng)操作環(huán)境，使整個系統(tǒng)一體化;(2)可以對環(huán)境氣氛進(jìn)行良好的控制。在某種情況下，需要對環(huán)境氣氛本身的質(zhì)量進(jìn)行控制，以符合工藝水平的要求,這一點傳統(tǒng)爐中很難做到。

2 硬件設(shè)計

2.1 硬件總體結(jié)構(gòu)

快速熱處理溫度器由溫度控制電路和人際交互面板等部分組成,其硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1 硬件結(jié)構(gòu)框圖

控制系統(tǒng)采用DSP+MCU的雙核結(jié)構(gòu),其中,DSP作為下位機(jī)，通過SPI總線外接12位A/D進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，將獲得的采樣值與設(shè)定值比較，獲得誤差經(jīng)過計算后完成多路控制量輸出的任務(wù)；MCU作為上位機(jī)，外接鍵盤與LCD，工藝曲線以折線或簡單函數(shù)形式分段從鍵盤輸入，NAND Flash用于存放設(shè)置的參數(shù)和熱處理過程中采集的溫度值，便于以后研究；DSP與MCU之間采用異步串行口通信。

2.2 串行A/D與DSP接口電路

由于TMS320LF2407(DSP)片內(nèi)10位A/D滿足不了快速熱處理的要求,為此控制器采用外接12位A/D轉(zhuǎn)換器的方法來提高DSP檢測精度。AD7858是A/D公司推出的12位串口、高速低功耗、逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換器。8個模擬通道可配置為單端和差分兩種模式,采樣率高達(dá)200 KS/s。DSP自帶的 SPI接口可實現(xiàn)與 AD7858的連接，DSP的 SPICLK(SPI時鐘)、SPISIMO(從動輸入主動輸出)和SPISOMI(從動輸出主動輸入)分別與AD7858的SCKK、DIN和DOUT引腳連接。將AD7858的啟動轉(zhuǎn)換信號(CONVST)、同步信號(SYNC)與轉(zhuǎn)換狀態(tài)信號(BUSY)分別于DSP的I/O口連接。為得到較好的信噪比，將AD7858的模擬地和數(shù)字地連接一起，并采用單端輸入。轉(zhuǎn)換結(jié)果以 16位二進(jìn)制從DOUT輸出,通過SPISOMI傳送給DSP，該數(shù)據(jù)的前4位始終為0。在BUSY位為低電平時，DSP將向AD7858發(fā)送轉(zhuǎn)換信號。

2.3 IGBT驅(qū)動電路設(shè)計

采用IGBT作為鹵鎢燈功率調(diào)節(jié)元件。絕緣雙極型晶體管(IGBT)兼有MOSFET的高輸入阻抗和GTR的低導(dǎo)通壓降兩方面的優(yōu)點，驅(qū)動功率小而飽和壓降低,非常適合用于功率控制。IGBT的驅(qū)動電路如圖2所示。驅(qū)動電路采用了VLA517專用集成電路，最高運行頻率為40 kHz。輸入信號經(jīng)內(nèi)部光耦隔離，最大延遲時間為1 μs。驅(qū)動電路外加+20 V單電源供電，由內(nèi)部電阻和穩(wěn)壓管分為+15 V和-5 V,分別作為正、負(fù)柵極電源。VLA517內(nèi)部采用集電極和發(fā)射級之間電壓識別法進(jìn)行過流保護(hù)。為防止柵極積累電荷，設(shè)一放電電阻Rs，同時并接2個反向串聯(lián)穩(wěn)壓管，可以避免柵極和發(fā)射機(jī)間的尖峰電壓損壞IGBT[2]。

圖2 IGBT驅(qū)動電路

2.4 人機(jī)交互面板

人機(jī)交互部分采用C8051F060單片機(jī)為控制核心,利用單片機(jī)的I/O口擴(kuò)展4×4的鍵盤，包括數(shù)字鍵、確定、取消、上翻、下翻等。選用型號為YM12864的液晶屏(LCD)作為顯示設(shè)備，同樣利用I/O口控制LCD的數(shù)據(jù)線、片選以及讀寫信號。因為YM12864是5 V設(shè)備，而單片機(jī)是3.3 V設(shè)備，為實現(xiàn)兩者之間的電平匹配，在兩者之間加入SN74ALVC164245電平轉(zhuǎn)換芯片。

2.5 存儲電路設(shè)計

控制器需要保存50條以上的工藝曲線，并且在熱處理的過程中需要保存實時數(shù)據(jù)供以后研究使用，因需要大容量的存儲器。因此本設(shè)計采用Samsung公司的具有很大的容量的NAND Flash K9F1208芯片,它提供按頁讀寫等多種數(shù)據(jù)訪問的方法。只有8根數(shù)據(jù)線，沒有專門的地址線，主要通過不同控制線和發(fā)送不同命令來實現(xiàn)不同的操作。Flash與MCU的接口電路如圖3所示。

利用單片機(jī)的I/O口來控制Flash的讀寫，其中P2口作為Flash的數(shù)據(jù)接口，P1.2～P1.6控制Flash的片選、地址、命令、讀寫等信號，P1.7用來讀取Flash的狀態(tài)。

3 控制器軟件設(shè)計

3.1 控制器的軟件功能與規(guī)劃

控制系統(tǒng)采用模塊化的設(shè)計結(jié)構(gòu)，主要完成A/D采樣、溫度控制、單片機(jī)與DSP通信、數(shù)據(jù)存取、人機(jī)交互等功能。系統(tǒng)啟動后MCU進(jìn)入鍵盤掃描，根據(jù)鍵值進(jìn)入相應(yīng)的處理程序(參數(shù)設(shè)置、修改、啟動加熱、停止加熱等)；DSP啟動后完成初始化進(jìn)入循環(huán)等待上位機(jī) MCU發(fā)送的工藝參數(shù)，接收后開中斷，啟動定時器進(jìn)入中斷服務(wù)程序。

圖3 Flash與MCU接口電路

3.2 AD7858的讀寫控制

AD7858包含14個片上寄存器，這些寄存器都可通過串行接口訪問。在實際的應(yīng)用中并不需要訪問所有的寄存器[3]，只需訪問控制寄存器，設(shè)置串口模式、單端/差分模式、讀寄存器等。圖4是接口模式2下軟件觸發(fā)方式的程序流程圖。AD7858S上電后給定CLKIN信號,完成自檢，設(shè)置串口為模式2，給定同步信號和SPI時鐘信號，初始化通道,再將CONVST位置1,啟動轉(zhuǎn)換。

3.3 NAND Flash的讀寫

K9F1208芯片(NAND Flash)的地址分為行地址和列地址，以字節(jié)為單位，這樣K9F1208芯片的存儲陣列可以看成一個三維模型。K9F1208由很多頁組成，32頁組成一塊(block)，每頁分為第1半?yún)^(qū)、第2半?yún)^(qū)和備用區(qū)3個部分，其中第2個半?yún)^(qū)各256個字節(jié)，用來存儲數(shù)據(jù)；備用區(qū)16個字節(jié)用來存放備注信息。K9F1208通過列地址A0～A7實現(xiàn)對頁的某個字號的尋址。由于 A0～A7表示數(shù)的范圍是0～256，因此結(jié)合不同的命令才能實現(xiàn)對1頁任意位置進(jìn)行訪問。不同的命令確定了地址位A8的值，因此在地址數(shù)據(jù)中,用戶輸入的A8被忽略。K9F1208芯片具體的每1頁的地址通過行地址A9～A25來表示，這樣通過利用行地址和列地址結(jié)合相應(yīng)的命令就能實現(xiàn)對K9F1208任意地址進(jìn)行訪問。圖5是按頁寫的程序流程圖，先寫入頁寫命令(80h)，然后寫入要寫入的地址，在寫地址時先寫列地址，而行地址分3個周期順次寫入。地址寫入后，將數(shù)據(jù)寫入數(shù)據(jù)線，并寫入寫操作確認(rèn)命令(10h)，寫入讀狀態(tài)命令(70h)，讀狀態(tài)寄存器或R/B引腳判斷寫操作是否完成(讀狀態(tài)寄存器判斷寫操作是否發(fā)生錯誤)。讀操作與寫操作類似，只是命令不同。

圖4 模式2下程序流程圖

圖5 K9F1208按頁寫流程圖

3.4 模糊PID控制算法的設(shè)計

溫度變化的非線性、時變性和難以建立數(shù)學(xué)模型的特性決定了常規(guī)PID控制器難以達(dá)到理想的控制效果。在實際生產(chǎn)現(xiàn)場中,因受到參數(shù)整定方法繁雜的困擾，常規(guī)PID控制參數(shù)往往整定不良、性能欠佳、對被控過程的適應(yīng)性差。針對上述問題，利用模糊控制具有不用建立數(shù)學(xué)模型、魯棒性好等優(yōu)點，因此本設(shè)計提出模糊PID控制。以溫度的誤差E和誤差的變化率 ΔE作為模糊控制器的輸入變量，經(jīng)過模糊推理，輸出量為PID參數(shù)的修正量 ΔKp、ΔKi、ΔKd。 在線實時整定 PID 的 3個參數(shù)：比例系數(shù)、積分系數(shù)、微分系數(shù)，從而實時調(diào)整PID的輸出控制信號，實現(xiàn)對PWM信號占空比的精確控制[4～5]。模糊自適應(yīng)PID原理圖如圖6所示。

將溫度誤差E和誤差變化率ΔE定義為模糊集上的論域：E、ΔE={-6，-5，-4，-3，-2，-1，0，1，2，3，4，5，6}。其模糊集為：{NB,NM,NS,Z,PS,PM,PB},NB、NM、NS、Z、PS、PM、PB 分別為負(fù)大、負(fù)中、負(fù)小、零、正小、正中、正大。 ΔKp、ΔKi、ΔKd論域為{-7，-6，-5，-4，-3，-2，-1，0，1，2，3，4，5，6，7}。 隸屬度函數(shù)均選擇三角函數(shù)。

圖6 模糊自適應(yīng)PID原理圖

PID參數(shù)的調(diào)整必須考慮到不同時刻3個參數(shù)的作用及相互的關(guān)聯(lián)性。根據(jù) Kp、Ki、Kd對系統(tǒng)輸出特性的影響關(guān)系， 得到對 ΔKp、ΔKd、ΔKi3個參數(shù)的模糊控制表，表1為ΔKp的模糊控制表。根據(jù)整理的模糊控制規(guī)則進(jìn)行3個參數(shù)的自適應(yīng)校正。

表1 ΔKp模糊控制規(guī)則表

在實際控制時，只要獲得當(dāng)前溫度的差值和差值變化率 ，經(jīng)模糊量化，再查離線算得的參數(shù)控制表得到新的參數(shù)調(diào)整值,即可求出當(dāng)前的PID參數(shù)值，并以此參數(shù)值求得控制量。定義 Kp、Ki、Kd調(diào)整算式如下：

式中,Kp′、Kd′、Ki′為 初 始 值 ；ΔKp、ΔKd、ΔKi為經(jīng)模糊推理后得到的PID調(diào)整參數(shù)值。

4 仿真

運用MATLAB的Simulink建立模糊控制器對控制對象進(jìn)行仿真，該模糊控制器為二輸入三輸出，控制器類型為Mamdani型，去模糊化采用重心平均法。RTP溫度控制系統(tǒng)的仿真模型可以用純滯后環(huán)節(jié)和一階慣性環(huán)節(jié)表示,其傳遞 函 數(shù) 為:圖7是常規(guī)PID控制曲線，圖8是模糊PID控制曲線。仿真結(jié)果表明，模糊PID控制方法較常規(guī)PID控制具有較高的控制精度，超調(diào)量小，調(diào)節(jié)時間短，控制效果好。

本文介紹了以一種基于DSP+MCU的快速熱處理溫度控制器的設(shè)計，采用脈寬調(diào)制、模糊PID控制策略。本系統(tǒng)很大程度上提高了快速熱處理溫度控制系統(tǒng)自動化程度和控制精度，對集成電路的制造和其他半導(dǎo)體制造有一定的實際意義。

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