立式炉及立式炉的炉体温度控制方法

摘要

本发明的一个方面，提供一种立式炉，包括炉体、环绕炉体设置的温控组件、送风管路、温度采集装置和控制装置，温控组件与炉体之间具有环形风道，温控组件与送风管路连通，送风管路用于向环形风道输送冷却气体，送风管路上设置有调节阀。温度采集装置用于获得炉体的实际温度，控制装置用于根据炉体的实际温度与目标温度的差值来控制调节阀的开度，以实现按预设变温速率对炉体进行温度控制。在本发明中，控制装置能够根据实际温度实时自动调节调节阀的开度，以降低炉体的实际温度与目标温度之间的差值，实现自动控制炉体温度，从而提高了对炉体温度的控制效率和控制精度。本发明还提供一种立式炉的炉体温度控制方法。

说明书

技术领域

本发明涉及半导体工艺设备领域，具体地，涉及一种立式炉以及一种立式炉的炉体温度控制方法。

背景技术

随着半导体行业的飞速发展，半导体市场的需求与日俱增，对半导体工艺设备的生产效率及良品率等性能提出了更高的要求。立式炉设备涉及热氧化、化学气相沉积、热扩散、金属合金化、杂质激活、介质膜致密化等多种工艺。在其工艺流程中，温度控制效果是评价工艺质量的重要指标。

就升温能力而言，各设备厂商生产的半导体工艺设备间差异性不大，各厂商的半导体工艺设备的升温效率、升温均匀性均能够满足正常工艺需求，然而半导体工艺设备之间在降温能力所涉及的降温速率及各温区(例如，立式炉的不同高度对应区域)的一致性等性能上存在巨大差异，降温能力成为半导体工艺设备温控能力的重要影响因素。

在现有的半导体工艺设备中，最常用的降温方式是水冷自然降温，此方式降温速率缓慢且因为各温区的保温性能不一致，造成各温区的降温效果出现差异。现阶段针对降温效果问题设计的新型炉体结构采用环绕炉体的风道对炉体进行降温，当需要降温时开启风道并使用鼓风机加快风道空气流动带走热量，此涉及对降温速率进行了大幅度提升，但风道对立体各温区的降温速率仍存在不一致问题，需要操作人员对炉体各温区温度差进行大量测算，并手动对各温区控制风速的机械蝶阀进行多次调控，调节效率低下，且在实际应用中的效果与理论计算之间存在难以避免的误差。

因此，如何提供一种高效、精准的炉体温度控制方案，成为本领域亟待解决的技术问题。

发明内容

本发明旨在提供一种立式炉和一种立式炉的炉体温度控制方法，能够提高对炉体温度的控制效率和控制精度。

为实现上述目的，作为本发明的一个方面，提供一种立式炉，所述立式炉包括炉体、环绕所述炉体设置的温控组件、送风管路，所述温控组件与所述炉体之间具有环形风道，所述温控组件与所述送风管路连通，所述送风管路用于向所述环形风道输送冷却气体，所述送风管路上设置有调节阀；所述立式炉还包括温度采集装置和控制装置，所述温度采集装置用于获得炉体的实际温度，所述控制装置用于根据所述炉体的实际温度与目标温度的差值来控制所述调节阀的开度，以实现按预设变温速率对所述炉体进行温度控制。

可选地，所述调节阀包括电动蝶阀。

可选地，所述控制装置包括可编程逻辑控制器控制器。

可选地，所述炉体包括用于内管和套设在所述内管外的外管，所述温度采集装置设置在所述外管的内壁与所述内管的外壁之间。

可选地，所述环形风道包括沿高度方向分布的多个温区，所述送风管路为多条，多条所述送风管路用于一一对应地向多个所述温区输送冷却气体，所述温度采集装置包括与多个所述温区一一对应设置的测温点，各个所述测温点用于检测所述炉体对应于各个所述温区的各个区域的实际温度，所述控制装置还用于根据各个所述温区的实际温度与目标温度的差值来控制对应送风所述管路上的所述调节阀的开度，以实现所述炉体的各个所述区域按预设变温速率进行温度控制。

作为本发明的第二个方面，提供一种立式炉的炉体温度控制方法，所述立式炉为前面所述的立式炉，且所述控制方法通过所述立式炉的控制装置实现，所述控制方法包括：

根据所述炉体的实际温度与目标温度的差值来控制所述调节阀的开度，以实现按预设变温速率对所述炉体进行温度控制。

可选地，所述根据所述炉体的实际温度与目标温度的差值来控制所述调节阀的开度，包括：

周期性地获取所述炉体的实际温度；

根据当前周期与前两个周期中所述炉体的实际温度与所述目标温度之间的差值确定开度调节量；

根据所述开度调节量调节所述调节阀的开度。

可选地，根据当前周期的温度差值与前两个周期的温度差值确定所述调节阀的开度调节量，包括：

根据如下计算式得到当前周期对应的开度调节参数：

△u(k)＝K

将所述开度调节参数与所述调节阀开度的最大调节量的预设比例相乘，得到所述开度调节量。

可选地，所述K

可选地，所述环形风道包括沿高度方向分布的多个温区，所述送风管路为多条，多条所述送风管路用于一一对应地向多个所述温区输送冷却气体，所述温度采集装置包括与多个所述温区一一对应设置的测温点，各个所述测温点用于检测所述炉体对应于各个所述温区的各个区域的实际温度，所述根据所述炉体的实际温度与目标温度的差值来控制所述调节阀的开度，包括：

根据各个所述温区的实际温度与目标温度的差值来控制对应送风所述管路上的所述调节阀的开度，以实现所述炉体的各个所述区域按预设变温速率进行温度控制。

在本发明实施例提供的立式炉及立式炉的炉体温度控制方法中，控制装置能够根据实际温度实时自动调节调节阀的开度，以降低炉体的实际温度与目标温度之间的差值，或使炉体的变温速率接近目标温度的变温速率，实现自动控制炉体温度，从而提高了对炉体温度的控制效率和控制精度。

附图说明

附图是用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本发明，但并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1是本发明实施例提供的立式炉的结构示意图；

图2是图1中立式炉的A区域局部放大示意图；

图3是本发明实施例提供的立式炉中控制装置与其他装置之间的通讯连接关系示意图；

图4是本发明一种实施例提供的立式炉炉体温度控制方法的流程图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。

为解决上述技术问题，作为本发明的一个方面，提供一种立式炉，如图1至图3所示，该立式炉包括炉体(炉体包括外管4和内管5)、环绕炉体设置的温控组件、送风管路，温控组件与炉体之间具有环形风道16，温控组件与送风管路连通，送风管路用于向环形风道16输送冷却气体，送风管路上设置有调节阀1。该立式炉还包括温度采集装置和控制装置，温度采集装置用于获得炉体的实际温度，控制装置用于根据炉体的实际温度与目标温度的差值来控制调节阀1的开度，以实现按预设变温速率对炉体进行温度控制。

需要说明的是，调节阀1的开度可直接影响送风管路中的冷却气体流量，从而在调节阀1的开度发生变化时可以直接改变环形风道16中对应于该送风管路位置的冷却气体风速，进而影响冷却气体与炉体之间的换热速率。具体地，调节阀1的开度增加，则送风管路中的冷却气体流量增大，环形风道16中的冷却气体风速加快，炉体的散热速率提高；调节阀1的开度减小，则送风管路中的冷却气体流量减小，环形风道16中的冷却气体风速减慢，炉体的散热速率降低。

在本发明中，控制装置能够根据炉体的实际温度与目标温度之间的差值自动调节调节阀1的开度，以减小炉体的实际温度与目标温度之间的差值。即，在实际温度高于目标温度时，增加调节阀1的开度，提高炉体散热速率，使得实际温度降低至接近目标温度，或者加快实际温度的降低速率、使炉体的降温速率接近目标温度的降低速率；在实际温度低于目标温度时，减小调节阀1的开度，降低炉体散热速率，使得实际温度升高至接近目标温度，或者减缓实际温度的降低速率、使炉体的降温速率接近目标温度的降低速率。

在本发明提供的立式炉中，控制装置能够根据实际温度实时自动调节调节阀1的开度，以降低炉体的实际温度与目标温度之间的差值(或使炉体的变温速率接近目标温度的变温速率)，实现自动控制炉体温度，从而提高了对炉体温度的控制效率和控制精度。

本发明实施例对温度采集装置在立式炉中的设置位置不作具体限定，例如，优选地，如图1所示，该立式炉的炉体可以包括用于容纳晶舟6的内管5和套设在内管5外的外管4，温度采集装置设置在外管4的内壁与内管5的外壁之间，从而在不影响内管5内部气体环境的同时避免与冷却气体接触，保证了温度采集装置的测温精度。

本发明实施例对立式炉中的其余结构不作具体限定，例如，如图1所示，该温控组件包括用于对炉体进行加热的炉丝7和套设在炉丝7外的壳体，该壳体一侧的表面形成有至少一个进气口2，另一侧形成有出气口。进气管路与壳体上对应的进气口2连接，冷却气体由气源进入进气管路后沿进气管路流至进气口2并进入壳体内部形成的分段式进气结构11(每一分段式进气结构11对应于一个温区)，再经过炉丝7上的气孔3进入环形风道16，与炉体进行换热后由炉丝7另一侧形成的排气孔13排至壳体内部形成的分段式排气结构12中，各排气结构12中的尾气经壳体内部形成的沿高度方向延伸并经过各个温区的排气通道8汇集后由壳体上的出气口排出温控组件，最后尾气由热交换器9吸收余热后通过风机10流入厂务热排管路。

为提高立式炉炉体温度沿高度方向的均匀性，优选地，如图1、图2所示，环形风道16包括沿高度方向分布的多个温区，送风管路为多条，多条送风管路用于一一对应地向多个温区输送冷却气体，温度采集装置包括与多个温区一一对应设置的测温点，各个测温点用于检测炉体对应于各个温区的各个区域的实际温度，控制装置还用于：

根据各个温区的实际温度与目标温度的差值来控制对应送风管路上的调节阀1的开度，以实现炉体的各个区域按预设变温速率进行温度控制。

作为本发明的一种可选实施方式，如图1所示，温度采集装置可以为测温热偶14，测温热偶14上具有与多个温区一一对应设置的测温点15，控制装置通过测温热偶14获取各个温区的实际温度。

在本发明实施例中，控制装置分别根据多个温区的实际温度控制多个温区对应的调节阀1的开度，从而分别对炉体在多个温度的温度(或变温速率)进行单独调节，提高了对炉体各个温区升温、降温速率进行控制的均匀性。

本发明实施例对调节阀1的结构不作具体限定，只要能够实现自动化控制即可。例如，作为本发明的一种可选实施方式，调节阀1可以包括电动蝶阀，控制装置通过电信号控制电动蝶阀的开度。在调节阀1为电动蝶阀的情况下，调节阀1的开度即指电动蝶阀中蝶板的转动角度。

本发明实施例对该控制装置的电路结构不作具体限定，例如，作为本发明的一种可选实施方式，该控制装置可以包括可编程逻辑控制器(PLC，Programmable LogicController)控制电路，且该可编程逻辑控制器控制电路用于实现本发明实施例提供的控制方法。该PLC控制电路优选包括PID控制器(比例-积分-微分控制器)，通过该PID控制器对控制阀1的开度的调节量进行高效计算。

本发明实施例对控制装置如何与电动蝶阀通讯连接不作具体限定，例如，可选地，控制装置可以通过Devicenet网络控制电动蝶阀的筏板转动角度。

具体地，如图3所示，控制装置通过通讯线缆与调节阀1(电动蝶阀)等装置连接，组成设备之间的通信网络(Devicenet网络)，控制装置由温度采集装置获取炉体温度后，确定调节阀1的开度调节量，并根据开度调节量通过Devicenet控制单元(控制装置的接口，用于转换并传输控制信号)及Devicenet网络向调节阀1发送相应的控制信号，以改变调节阀1的开度。

为更好地应对变温控制需求，优选地，根据实际温度与目标温度之间的温度差值确定调节阀1的开度值的步骤包括：

周期性地获取炉体的实际温度；

根据当前周期与前两个周期中炉体的实际温度与目标温度之间的差值确定开度调节量；

根据开度调节量调节调节阀的开度。

在本发明实施例中，控制装置周期性地获取温度差值，且不仅根据当前周期的温度差值确定开度调节量，而是根据最近三个周期的温度差值确定每一次调节调节阀1的开度调节量，从而通过增量式反馈调节实现了对炉体(各温区)变温速率的控制，缩小了炉体(各温区)实际温度的变化速率与目标温度的变化速率之间的差异，提高了变温过程的温度控制效果。

本发明实施例对该增量式反馈调节中如何确定开度调节量不作具体限定，例如，作为本发明的一种可选实施方式，根据当前周期的温度差值与前两个周期的温度差值确定调节阀1的开度调节量的步骤可以包括：

根据如下计算式得到当前周期对应的开度调节参数：

△u(k)＝K

将开度调节参数△u(k)与调节阀开度的最大调节量的预设比例相乘，得到开度调节量。

本发明实施例对固定参数K

即，通过△u(k)＝2[e(k)-e(k-1)]+0.1e(k)+3[e(k)-2e(k-1)+e(k-2)]计算得到(每一温区对应的)当前调节周期对应的开度调节参数△u(k)，控制调节阀1的开度改变10△u(k)％。

需要说明的是，调节阀1的开度存在控制极限，即，调节阀1的开度为全开(100％)后，即便开度调节量为正值，也无法继续增加调节阀1的开度，同样地，调节阀1的开度为完全关闭(0％)后，即便开度调节量为负值，也无法继续减小调节阀1的开度。

本发明的发明人根据一种采用本发明实施例所提供的结构的立式炉进行重复试验得到上述K

在本发明实施例中，先计算开度调节参数△u(k)，再将开度调节参数△u(k)与一固定的预设比例相乘以得到开度调节量，只是一种便于直观查看开度改变量大小的实施方式，例如，当预设比例取10％时，工作人员可根据△u(k)数值直观判断调节阀1的开度改变百分之几十(如，当计算得到开度调节参数△u(k)为6.15时，则工作人员可直观地判断调节阀1的开度将改变60％以上)。

在本发明的一些实施例中，该预设比例也可以取100％，即，K

为便于工作人员对各调节阀1的开度以及升温、降温工艺中的温度要求进行初始值设定，优选地，该控制方法还包括在半导体工艺开始前，接收工艺设定信息，并根据该工艺设定信息调整调节阀1的开度。该工艺设定信息除调节阀1的初始开度外，还可以包括升温、降温工艺中的升温、降温速度(即每单位时间升高、降低多少度)等信息。

作为本发明的第二个方面，提供一种立式炉的炉体温度控制方法，该立式炉为本发明实施例提供的立式炉，且该控制方法通过该立式炉的控制装置实现，该控制方法包括：

根据炉体的实际温度与目标温度的差值来控制调节阀1的开度，以实现按预设变温速率对炉体进行温度控制。

为更好地应对变温控制需求，优选地，控制装置通过增量式反馈调节实现对炉体变温速率的控制，根据炉体的实际温度与目标温度的差值来控制调节阀1的开度，包括：

周期性地获取炉体的实际温度；

根据当前周期与前两个周期中炉体的实际温度与目标温度之间的差值确定开度调节量；

根据开度调节量调节调节阀1的开度。

本发明实施例对该增量式反馈调节中如何确定开度调节量不作具体限定，例如，作为本发明的一种可选实施方式，根据当前周期的温度差值与前两个周期的温度差值确定调节阀的开度调节量，包括：

根据如下计算式得到当前周期对应的开度调节参数：

△u(k)＝K

将开度调节参数△u(k)与调节阀开度的最大调节量的预设比例相乘，得到开度调节量。

本发明实施例对固定参数K

如图4所示为本发明提供的立式炉炉体温度控制方法的一种实施例的流程图，在该实施例中目标温度为一确定值，控制装置通过PID调节将炉体实际温度调节至目标温度时(即开度调节量为零时)程序终止。如图4所示，在程序开始时，先设定调节阀1的初始开度和目标温度，随后控制装置周期性地计算温度差值e(k-1)，通过计算式计算得到开度调节参数△u(k)，并计算得到开度调节量。当开度调节量不为零时，控制装置根据开度调节量确定调节阀1新的开度，并将其调节至新的开度大小，当开度调节量为零时，则说明炉体实际温度已达到目标温度，程序终止。

特别地，当调节阀1为电动蝶阀时，开度即指电动蝶阀中蝶板的转动角度，在程序开始时，先设定调节阀1的初始开度为B，控制装置在每一周期计算得到角度调节量C(即开度调节量)，并将B+C的值赋给B(即，B＝B+C)，再将调节阀1的蝶板转动角度调节至新的角度B。当C＝0(即开度调节量为零)时，炉体实际温度已达到目标温度，程序结束。

为提高立式炉炉体温度沿高度方向的均匀性，优选地，如图1、图2所示，环形风道16包括沿高度方向分布的多个温区，送风管路为多条，多条送风管路用于一一对应地向多个温区输送冷却气体，温度采集装置包括与多个温区一一对应设置的测温点，各个测温点用于检测炉体对应于各个温区的各个区域的实际温度。根据炉体的实际温度与目标温度的差值来控制调节阀1的开度的步骤具体包括：

根据各个温区的实际温度与目标温度的差值来控制对应送风管路上的调节阀1的开度，以实现炉体的各个区域按预设变温速率进行温度控制。

为便于本领域技术人员理解本发明提供的立式炉炉体温度控制方法的实际效果，本发明还提供一种该方法应用于降温工艺的实施例：

在本实施例中，控制装置获取实际温度、计算开度调节量并调整调节阀1开度的采样周期为10s，调整调节阀1的初始设定开度为0％，K

表1-1

表1-1为本实施例的降温工艺过程中炉体的实际温度、电动蝶阀的开启角度以及其他计算、控制信息的记录表。由表1-1可知，在编号为1至4的前四个周期，温度实际下降速率低于设定值3℃/min，经控制装置判断需增大电动蝶阀的开启角度，增加进风量带走更多热量，因此控制装置控制电动蝶阀的开启角度逐渐增加；在编号为4至6的三个周期，温度的实际下降速率等于或高于设定值，控制装置判断需减小电动蝶阀的开启角度，减少进风量，控制装置控制电动蝶阀的开启角度逐渐减小；在编号为6至8的两个周期，温度出现升高趋势，控制装置判断需要增大电动蝶阀的开启角度，增加进风量带走更多热量，因此控制电动蝶阀的开启角度逐渐增大，达到全开(100％)；在编号为8、9的两个周期，温度又出现回落，降温速率升高，所以控制装置经逻辑运算判断需要减小电动蝶阀的开启角度，减少进风量，控制电动蝶阀的开启角度逐渐减小。根据温度的变化，当降温速率低于设定值时，增加电动蝶阀的开启角度，以此增加进风量带走更多的热量使温度加速降低，当降温速率高于设定值时，减小电动蝶阀的开启角度，减小热量的散失。整个降温过程无需人为干涉，控制装置自动调节电动蝶阀的开启角度以实现降温速率的稳定调控。

可以理解的是，以上实施方式仅仅是为了说明本发明的原理而采用的示例性实施方式，然而本发明并不局限于此。对于本领域内的普通技术人员而言，在不脱离本发明的精神和实质的情况下，可以做出各种变型和改进，这些变型和改进也视为本发明的保护范围。