应用于化学药液供给系统的化学药液温度控制装置

摘要

本发明公开了一种应用于化学药液供给系统的化学药液温度控制装置，包括：用于将化学药液加热的加热器；用于测量经加热器加热后的化学药液的实际温度的温度传感器；根据设定温度与测量的实际温度的温差输出控制信号的控制器；和根据所述控制信号控制所述加热器加热的功率控制器。其中，当温差超出预定范围时，控制器基于PI运算输出所述控制信号；当温差位于所述预定范围内时，控制器根据该温差在该预定范围内的区段输出与该区段相对应的定常量的所述控制信号，其中所述预定范围内的区段为连续分布的多个。本发明能够快速稳定地控制药液加热且无超调。

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于半导体设备的温度控制，尤其涉及到一种应用于清洗机化学药 液供给系统的化学药液温度控制装置。

背景技术

在半导体工艺过程中，需要对硅片进行各种清洗，在清洗的过程中会用到各种化学 药液。例如，在铜互连清洗设备中，一般会用到ST250化学液，ST250是一种弱碱性化 学清洗药液，用于去除硅片表面的光刻胶、聚合物。通常通过化学药液供给系统将化学 药液输送到设备的各个工艺腔室中。图1所示为现有技术的化学药液供给系统的示意图， 包括，储液罐1，其可以存储一定量的化学药液，既可以完成工艺开始前的准备工作， 工艺完成后还可以继续存储回收的化学药液。工艺开始时，首先打开气动阀2向储存罐 中注入一定量的化学药液，然后关闭该气动阀。化学药液在泵3的作用下进入工艺管路， 由于药液组份的活性对温度要求较高，该装置在工艺管路上安装了在线加热器4，在满 足工艺需求的情况下将化学药液加热到工艺温度。之后化学药液经由过滤器5和气动三 通阀6进入储液容器1。另外，工艺单元完成工艺后还需将化学药液回收。

为提高铜互连硅片清洗生产的良率和硅片清洗质量的一致性，化学药液供给系统输 出至工艺单元的药液温度应保持在一个较小的工艺设定值误差范围之内。以ST250为 例，其工艺温度为40℃，温度较低时会导致硅片清洗效率降低，温度较高时又会造成硅 片表面较高的刻蚀率，形成损伤。因此，需要提供一种能够准确将储液罐中的化学药液 从室温左右快速加热到工艺温度的温度控制装置。

发明内容

本发明的主要目的旨在提供一种能够快速稳定地控制药液加热且无超调的温度控 制装置。

为达成上述目的，本发明提供如下的技术方案：

一种应用于化学药液供给系统的化学药液温度控制装置，包括：加热器，用于将所 述化学药液供给系统的储液罐输出的化学药液加热；温度传感器，用于测量经所述加热 器加热后的化学药液的实际温度；控制器，根据设定温度与所述温度传感器所测量的实 际温度的温差输出控制信号；其中，当所述温差超出预定范围时，所述控制器基于PI 运算输出所述控制信号；当所述温差位于所述预定范围内时，所述控制器根据该温差在 该预定范围内的区段输出与该区段相对应的定常量的所述控制信号，其中所述预定范围 内的区段为连续分布的多个；以及功率控制器，与所述控制器及加热器相连，根据所述 控制信号控制所述加热器加热功率。

优选地，所述预定范围内的多个区段为以预定范围正偏差值、预定范围负偏差值、 设定温度控制精度正偏差值和设定温度控制精度负偏差值为端点连续分布的欠调段、稳 定段和超调段，位于所述欠调段的所述温差介于所述预定范围正偏差值和所述设定温度 控制精度正偏差值之间，位于所述超调段的所述温差介于所述预定范围负偏差值和所述 设定温度控制精度负偏差值之间，位于所述稳定段的所述温差介于所述设定温度控制精 度正偏差值和所述设定温度控制精度负偏差值之间。

优选地，所述PI运算的比例系数可变，当所述温差超出所述预定范围时，所述控 制器根据所述温差所属的区段以对应该区段的比例系数进行PI运算。

优选地，所述PI运算为积分分离型PI运算。

优选地，所述稳定段以大于0的一正值呈对称分布。

优选地，所述化学药液温度控制装置还包括安全控制装置，当所述化学药液供给系 统发生异常时停止所述加热器的供电。

优选地，所述异常至少包括以下任一情况：所述异常至少包括以下任一情况：向所 述加热器供给所述化学药液的泵未运行；未检测到所述加热器输出端的化学药液流量信 号；所述加热器内的热切断装置触点因加热元件过热而打开；所述加热器输出端的化学 药液的温度超出阈值；所述加热器的加热元件的温度值超出阈值；所述加热器内通入的 保护气体的气压小于阈值。

优选地，当所述温差超出所述预定范围时，所述控制器基于所述PI运算建立以所 述实际温度为输入变量，以所述加热器的输出功率为输出变量的控制模型、根据所述控 制模型以及当前测量的所述实际温度计算所述加热器的输出功率，并将计算的所述加热 器的输出功率转换为控制所述功率控制器的所述控制信号。

优选地，当所述温差位于所述预定范围内时，所述控制器基于该温差在该预定范围 内所处的区段与所述加热器的输出功率的对应关系得到所述加热器的输出功率，并将所 述加热器的输出功率转换为控制所述功率控制器的所述控制信号。

优选地，所述化学药液为ST250，所述预定范围为小于等于0.5℃。

本发明所提出的温度控制装置，根据设定温度与化学药液实际温度的偏差所处范围 可选择地基于PI运算输出控制信号或以定常量输出控制信号，来控制加热器加热化学 药液，克服了化学药液加热易超调、以及加热器调节和温度变化滞后所引起的温度振荡 问题。

附图说明

图1为现有技术的化学药液供给系统的示意图；

图2为本发明一实施例的温度控制装置各部分的连接关系示意图；

图3为本发明一实施例积分分离型PI算法的原理框图；

图4为本发明一实施例的预定范围内欠调段、稳定段和超调段的分布图。

具体实施方式

为使本发明的内容更加清楚易懂，以下结合说明书附图，对本发明的内容作进一步 说明。当然本发明并不局限于该具体实施例，本领域内的技术人员所熟知的一般替换也 涵盖在本发明的保护范围内。

请参照图2，本发明的温度控制装置包括功率控制器10、加热器11、温度传感器 12和控制器13，其中控制器13分别电性连接温度传感器12和功率控制器10，功率控 制器10则电性连接加热器11。

加热器11设于化学药液传输的工艺管路上，用于将储液罐输出的化学药液加热到 设定温度。温度传感器12用于测量经加热器加热后的化学药液的实际温度，并将测量 信号传送至控制器13。控制器13可以是微控制单元(Micro Control Unit,MCU)，其具有 感测接脚和控制接脚，通过感测接脚电性连接温度传感器12，通过控制接脚电性连接功 率控制器10。如此一来，控制器13便能从温度传感器12接收到化学药液加热后的实际 温度的测量信号，并根据该测量信号产生控制信号，将该控制信号传送至功率控制器10。 功率控制器10根据来自控制器13的控制信号来控制加热器的输出功率，而使加热器11 能够将化学药液加热至设定温度，功率控制器10例如为固态功率控制器(Solid-State  Power Controller，SSPC)。

需要注意的是，本发明的控制器是根据化学药液的工艺所需的设定温度减去实际温 度之间的温差值ΔT＝T_设定-T_实际来产生并输出控制信号。其中，当温差ΔT超出预定范 围时，控制器13基于PI运算(比例和积分运算)输出控制信号；而当温差ΔT位于预 定范围内时，控制器13根据该温差在该预定范围内的区段输出与该区段相对应的定常 量的控制信号，其中该预定范围内的区段为连续分布的多个。因此，当温差ΔT处于预 定范围内的某一个区段时，控制器13输出的控制信号均为与该区段对应的不变的定常 量。具体地，本发明中将预定范围根据预定范围正偏差值、预定范围负偏差值、设定温 度控制精度正偏差值和设定温度控制精度负偏差值这几个端点设计为形成连续分布的 欠调段、稳定段和超调段三个区段，这里所说的预定范围正(负)偏差值可认为是预定 范围的上(下)限值，设定温度控制精度正(负)偏差值可认为是在预定范围内与设定 温度最接近的一定偏差范围的上(下)限值。其中位于欠调段的温差介于预定范围正偏 差值和设定温度控制精度正偏差值之间，位于超调段的温差介于预定范围负偏差值和设 定温度控制精度负偏差值之间，而位于稳定段的温差介于设定温度控制精度正偏差值和 设定温度控制精度负偏差值之间。以化学药液ST250为例，其工艺温度或设定温度一般 为40℃，若实际测量温度小于39.5℃，那么认为此时化学药液尚处于升温阶段，即从室 温的20℃至39.5℃都认为是升温阶段，此时控制器13基于PI运算产生控制信号；若实 际测量温度大于等于39.5℃，那么认为此时化学药液已经非常接近设定温度而处于稳定 控制阶段，控制器13根据温差ΔT处于欠调段、稳定段还是超调段输出相应的定常量 控制信号。因此，本实施例中预定范围为小于等于0.5℃，将0.1℃设为设定温度控制精 度正偏差值，将-0.1℃设为设定温度控制精度负偏差值。控制器根据温差ΔT是否大于 0.5℃而产生基于PI运算的控制信号或分段定常量的控制信号。请参见图4，对于处于 预定范围内的温差ΔT(即小于等于0.5℃的温差ΔT)，在0.5℃至0.1℃范围内为欠调 段，在0.1℃至-0.1℃范围内为稳定段，在小于-0.1℃范围内为超调段。当温差ΔT处于 欠调段时，控制器13产生的定常量的控制信号使得功率控制器10施加给加热器11的 输出功率最大，而当温差ΔT处于超调段时，控制器13产生的定常量的控制信号使得 功率控制器10施加给加热器11的输出功率最小。

接下来将进一步对控制器13的工作原理加以说明。如前所述，控制器13将其设定 温度与接收到的实际温度相减得到温差ΔT，之后判断该温差ΔT的大小，并据此发出 基于PI运算控制信号或分段定常量的控制信号。

首先，对于温差ΔT超出预定范围的情况，也即是化学药液处于升温阶段时，控制 器13基于PI运算发出控制信号。具体的，控制器13先建立以实际温度T_实际为输入变 量，以加热器的输出功率Pset为输出变量的控制模型Pset＝F(T_实际)，然后根据该控制模 型和当前测量的化学药液实际温度可计算出加热器所需的输出功率Pset，最后将该计算 出的加热器输出功率转换为控制功率控制器10的控制信号，该控制信号例如为电流信 号，进而实现对加热器输出功率的控制。较佳的，在本实施例中，控制器13所采用的 PI运算中比例系数Kp为可变的，因此不仅可以使药液温度迅速接近设定温度，更能解 决常规定系数PID调节容易造成温度超调的问题。具体地，超出预定范围的温差ΔT 可划分为多个连续分布的升温区段，对应每个升温区段控制器13采用特定的比例系数 Kp进行PI运算以产生控制信号。其中，升温区段对应的比例系数可通过实验获得。进 一步地，本实施例中采用的PI运算为积分分离型PI运算。图3所示为积分分离型PI 算法的原理框图，当温差ΔT较大时(绝对值大于等于ε)，取消PI运算的积分项I， 加快系统的快速响应性，同时控制器13的观察器根据温差ΔT选择比例项的比例系数 Kp，最终计算出加热器所需的输出功率Pset。当温差ΔT较小时(绝对值小于ε)，当 然仍处于预定范围之外，加入PI运算的积分项I，以便消除静差，提高控制精度，同时 控制器13的观察器根据温差ΔT选择比例项的比例系数Kp。由以上可知，在化学药液 的升温阶段，控制器13根据温度逼近范围选择不同的比例系数进行积分分离型PI运算， 在缩短加热时间的同时，更有效避免因为加热器热惯性带来的超调问题。

对于温差ΔT处于预定范围内的情况，也即是化学药液处于稳定控制阶段时，控制 器13基于温差ΔT所属的欠调段、稳定段或超调段输出对应的定常量的控制信号。由 于在该稳定控制阶段，化学药液的温度已经非常接近设定温度，因此即使化学药液的实 际温度发生变化，只要设定温度减去实际温度后得到的温差ΔT仍处于预定范围内同一 个区段的，加热器都采用相同的输出功率对化学药液加热，这样避免了频繁调节容易造 成药液温度的振荡。其中，每一区段的温差ΔT所对应的加热器输出功率也可通过实验 获得。控制器13根据温差ΔT所处的区段(欠调段、稳定段或超调段)可得到对应的 加热器输出功率。在本发明一较佳实施例中，稳定段还可以温度偏差零点分为对称两段 而分别具有对应的定常量控制信号。例如对应于欠调段将加热器功率调至A，对应于稳 定段中温度偏差大于等于零时将加热器功率调至B，对应于稳定段中温度偏差小于零时 将加热器功率调至C，而对应于超调段将加热器功率调至D，其中A＞B＞C＞D；之后 再将加热器输出功率转换为控制功率控制器10的控制信号，该控制信号例如为电流信 号，进而实现对加热器输出功率的控制。

由于加热器具有较大的热惯性以及温度控制的滞后性，在本发明中将稳定段的偏差 零点做正向偏移，也即是稳定段以大于0的正值呈对称分布。以ST250的工艺温度为 40℃为例，本实施例中稳定段以0.05℃为对称分布，稳定段的温差范围为0.15℃至 -0.05℃(即设定温度控制精度正偏差值为0.15℃，设定温度控制精度负偏差值为 -0.05℃)。由此当化学药液的实际温度超过39.85℃而小于39.95℃时，将加热器输出功 率下降为稳定段所对应的输出功率B，当化学药液的实际温度超过39.95℃而小于 40.05℃时，将加热器输出功率再下降为稳定段所对应的输出功率C，当实际温度超过 40.05℃时，再将加热器输出功率下降为超调段所对应的输出功率D；反之，当实际温度 低于40.05℃而高于39.95℃时，将加热器输出功率上升至稳定段所对应的输出功率C， 当实际温度低于39.95℃而高于39.85℃时，将加热器输出功率上升至稳定段所对应的输 出功率B，当实际温度低于39.85℃时，再将加热器输出功率上升至欠调段所对应的输 出功率A。

在本发明另一实施例中，温度控制装置还包括安全控制装置，其在化学药液供给系 统发生异常时停止加热器的供电。这里所说的异常包括：向加热器供给化学药液的泵未 运行；未检测到加热器输出端的化学药液流量信号；加热器内的热切断装置触点 (Thermal Cut-Off，TCO)因加热元件(加热丝)过热而打开；加热器输出端的化学药 液的温度过高超出一定阈值；加热器的加热元件(加热丝)的温度值超出一定阈值；加 热器内通入的保护气体如氮气的气压小于一定阈值。当其中任一条件发生时，说明不满 足化学药液供给系统的工作要求，则安全控制装置立即停止加热器的供电并触发报警， 确保加热器及周边元器件的安全。

综上所述，本发明所提出的温度控制装置，根据化学药液设定温度与实际温度的温 差所处范围可选择地基于PI运算输出控制信号或以定常量输出控制信号，来控制加热 器加热化学药液的输出功率，克服了化学药液加热易超调、以及加热器调节和温度变化 滞后所引起的温度振荡问题。

虽然本发明已以较佳实施例揭示如上，然所述诸多实施例仅为了便于说明而举例而 已，并非用以限定本发明，本领域的技术人员在不脱离本发明精神和范围的前提下可作 若干的更动与润饰，本发明所主张的保护范围应以权利要求书所述为准。