專利名稱：用于半導(dǎo)體熱處理器的基于模型的溫度控制器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明一般涉及半導(dǎo)體處理方法和裝置，具體涉及主要用于對半導(dǎo)體處理中所用的熱反應(yīng)器和其它處理器的溫度以及可能有的其它處理變量進行控制的處理控制器。
由于目前全球集成電路的產(chǎn)量十分巨大且其應(yīng)用價值和作用也越來越顯著，隨之而來的便是半導(dǎo)體晶片處理技術(shù)在經(jīng)濟中所處的地位變得越來越重要。近年來由于由于競爭的壓力使得其產(chǎn)品形式發(fā)生了巨大的變化。其中最主要的變化體現(xiàn)于形成于集成電路上用于構(gòu)成晶體管以及其它器件的各種集成電路特征尺寸變得越來越小。特征尺寸不斷減小的原因是為了實現(xiàn)更高的集成度，更尖端和復(fù)雜的電路，并通過在所制造的每個晶片上獲得集成度更高的電路來降低其生產(chǎn)成本。
雖然目前集成電路中所用的特征尺寸已降低得很多，但不論降低到何種程度人們總會希望能夠進一步減小其尺寸。處理晶片時所在的溫度對摻雜劑的擴散，材質(zhì)的淀積以及所進行的其它熱處理均有著至關(guān)重要的影響。因此半導(dǎo)體生產(chǎn)的很重要的一條要求便是要具有能夠?qū)崿F(xiàn)精確溫度控制以滿足所需的熱處理規(guī)定的處理設(shè)備。隨著特征尺寸的不斷降低，對處理過程中溫度控制精確程度的要求也隨之越來越高了。
一直以來，半導(dǎo)體熱反應(yīng)器均是利用比例積分微分(PID)控制器來控制溫度的。盡管此類控制器具有操作簡單維護方便等優(yōu)點，但在控制溫度時其控制精度十分有限。精度上的局限使得集成電路可實現(xiàn)的尺寸和生產(chǎn)均受到很大限制。
典型的PID控制器參數(shù)是通過實驗方法調(diào)節(jié)增益值來進行調(diào)諧的，或利用多種調(diào)諧準則(例如，Ziegler-Nichols方法)來選定的。由于在產(chǎn)品生產(chǎn)以及所得集成電路或所制成的其它半導(dǎo)體元件的一致性方面的局限性，使得這些控制方法只能對熱反應(yīng)器溫度提供精度相對較低的控制。
雖然目前已設(shè)計出更為復(fù)雜的控制方案，但由于這些復(fù)雜方案經(jīng)常會由于計算量過于復(fù)雜而使其在線操作不是不可能就是不可行。由于在生產(chǎn)設(shè)備中實現(xiàn)所需控制系統(tǒng)配置和維護方面的困難，使得在某些情況下無法使用復(fù)雜控制方案。對于由那些沒有很強控制系統(tǒng)背景的工程師所操作的控制器來說，此問題就更顯突出。其結(jié)果是對他們來說經(jīng)常會很難圓滿解決在調(diào)整控制系統(tǒng)以適應(yīng)其具體處理器性能變化的過程中所遇到的所有復(fù)雜問題。此情況在相同處理器隨時間和條件變化而變化時將更為嚴重。
可以以多種不同的方式來對半導(dǎo)體器件熱處理中所遇到的溫度控制問題進行研究。其中一種控制問題涉及如何使晶片溫度與處理器的理想總體或平均目標溫度或流程方案(recipe)溫度相匹配。該問題涉及如何實現(xiàn)理想的流程方案溫度，以及如何在各生產(chǎn)過程之間實現(xiàn)相對一致的溫度。
可以將理想的處理器總體或平均流程方案溫度簡單地考慮為三個不同階段。第一階段通常是其中當處理開始時平均工作溫度從很低的水平增大或驟升的跳升階段。溫度跳升階段之后通常緊接著的是其中保持所需的最大或其它恒定處理溫度的階段。該恒溫階段包括其中溫度的跳升停止而實現(xiàn)恒定或接近恒定的溫度的穩(wěn)定階段。在一個處理循環(huán)中可以出現(xiàn)一次或多次恒溫階段。而另外一個階段則是其中處理器的平均溫度降低的跳降階段。請注意不同的處理可以包括多于一次的上述每個不同階段。
無論是使用簡單的還是使用較復(fù)雜的溫度方案或流程方案，上述各階段均可能會由于一種或多種輔助處理氣體或?qū)囟群蜔岱磻?yīng)有影響的氣相處理成分的介入而進一步變復(fù)雜。此類輔助處理氣體通常是含有摻雜劑，淀積材料的氣體或蒸汽。
另一個溫度控制問題是如何在所處理的一批晶片或其它半導(dǎo)體工件每一個的處理循環(huán)中實現(xiàn)相對類似的熱輻射量或溫度史。對于靠近熱處理爐中所盛放的晶片陣列末端的晶片，通常會發(fā)生溫度變化。在諸如沿熱處理爐中所包含的晶片陣列的方向上，晶片之間還存在有其它更不可預(yù)測的變化因素。
另一個溫度控制問題與所正處理的單個晶片或其它半導(dǎo)體工件上的溫度變化有關(guān)。此方面的溫度變化性可以由大多數(shù)均具有一組以環(huán)繞在所正處理的晶片陣列周圍的環(huán)形形成的并聯(lián)電加熱元件的熱處理爐的幾何形狀來例示。由于來自這些加熱元件的熱量是通過處理容器來進行輻射的，所以晶片外圍區(qū)域所得到的熱增量與內(nèi)部區(qū)域相比將會有所不同。而晶片之間所出現(xiàn)的輻射熱傳導(dǎo)和輻射屏蔽程度上的變化將會進一步使此問題惡化。
另一個值得注意的因素是加工領(lǐng)域更加關(guān)注的是如何減小完成熱處理器所執(zhí)行的特定處理或一組處理所用的處理時間。要減小處理時間便需要增大跳升階段的溫度變化率。相反地，為減少時間也會增大跳降階段的溫度變化率。溫度變化率提高將會使在跳升階段和穩(wěn)定階段之間以及穩(wěn)定溫度與相對較快的溫度跳降階段之間的過渡處理期間更難于保持流程方案溫度。
考慮到上述復(fù)雜性以及某些抵銷性方面的要求，可以看出很難實現(xiàn)能夠既實用于又可用于半導(dǎo)體晶片改進熱處理的改進控制系統(tǒng)。


圖1A所示為其中一部分以剖面形式顯示的用于實施本發(fā)明的熱反應(yīng)器系統(tǒng)的側(cè)視圖；圖1B所示為其中一部分以剖面形式顯示的圖1A所示的熱反應(yīng)器系統(tǒng)在利用裝配有熱電偶的晶片來建模及特征化過程中的側(cè)視圖；圖2所示為根據(jù)本發(fā)明的一種優(yōu)選溫度控制器的方框圖；圖3所示為處理定序子系統(tǒng)及氣體接口的操作方框圖；圖4所示為溫度子系統(tǒng)的操作方框圖；圖5所示為用于特征化圖1A所示反應(yīng)器的示例性偽隨機二進制序列的波形圖；圖6所示為在實際用于處理半導(dǎo)體晶片之前利用圖2所示的偽隨機二進制序列來特征化圖1A所示的反應(yīng)器的特征化控制模式的控制圖；圖7所示為采用峰值控制器(Spike Controller)的元件控制模式邏輯電路的控制圖；圖8所示為采用分布控制器(Profile Controller)和圖7所示的峰值控制器的基本控制模式邏輯電路的控制圖；圖9所示為采用晶片控制器，圖8所示的分布控制器以及圖7所示的峰值控制器的動態(tài)控制模式邏輯電路的控制圖；圖10所示為采用Dt非線性控制器，圖8所示的分布控制器，圖7所示的峰值控制器的Dt控制模式邏輯電路的控制圖；圖11所示為各優(yōu)選控制器的設(shè)計流程圖。
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本發(fā)明提供了多種用于對處理半導(dǎo)體工件的熱反應(yīng)器或處理器進行控制的控制器和方法。典型的熱反應(yīng)器包含有由電源供電的加熱元件，并具有分布熱電偶和峰值熱電偶。一種優(yōu)選方法包括如下步驟對熱反應(yīng)器的熱動態(tài)特性進行建模，建模步驟包括將裝配有熱電偶的晶片放置在熱反應(yīng)器中，利用激勵序列對加熱元件進行控制以使熱反應(yīng)器發(fā)生熱擾動，并根據(jù)由上述擾動所造成的溫度變化來推導(dǎo)出多個模型，其中包括能量對峰值熱電偶讀數(shù)的模型，峰值熱電偶讀數(shù)對分布熱電偶讀數(shù)的模型，以及分布熱電偶和峰值熱電偶讀數(shù)對裝配有熱電偶的晶片讀數(shù)的模型。
本發(fā)明的一個方面提供了一種對包括有由電源供電的加熱元件，分布熱電偶和峰值熱電偶，并選擇性地接收裝配有熱電偶的晶片的熱反應(yīng)器進行控制的控制器單元，該控制器單元包括用于接收流程方案的輸入裝置；以及與分布熱電偶和峰值熱電偶相聯(lián)系的多個可選擇控制模式邏輯電路，被用來根據(jù)該流程方案對加熱元件進行控制。
本發(fā)明的另一個方面提供了一種用于對包括有由電源供電的加熱元件，分布熱電偶和峰值熱電偶，并選擇性地接收裝配有熱電偶的晶片的熱反應(yīng)器進行控制的方法，該方法包括如下步驟利用分布熱電偶，峰值熱電偶和裝配有測量設(shè)備的晶片來對熱反應(yīng)器的熱動態(tài)特性進行建模；接收包括有所需溫度對時間的變化關(guān)系的流程方案，其中還包含了所需控制模式對時間的變化關(guān)系；利用由分布熱電偶和峰值熱電偶所得到的溫度信息，根據(jù)該流程方案從一種控制模式切換到另一種控制模式，并在不同的控制模式中對溫度進行不同地控制。
本發(fā)明的另一個方面提供了一種用于對包括有由電源供電的加熱元件，分布熱電偶和峰值熱電偶的熱反應(yīng)器進行控制的控制器單元，該種控制器單元包括用于預(yù)測晶片溫度的在線模型；以及用于響應(yīng)該在線模型以及在操作過程中由分布熱電偶和峰值熱電偶所得到的溫度信息來控制加熱元件的多個可選擇控制模式邏輯電路。
本發(fā)明的另一個方面提供了用于對包括有由電源供電的加熱元件，分布熱電偶和峰值熱電偶的熱反應(yīng)器進行控制的方法，該方法包括利用來自分布熱電偶的測量值并對e(-2/kT)取積分(其中k為玻爾茲曼常數(shù)，而T為利用分布熱電偶所測得的溫度)來相對于所需能量對提供給熱反應(yīng)器的能量進行控制。
本發(fā)明的另一個方面提供了一種用于對包括有由電源供電的加熱元件，分布熱電偶和峰值熱電偶的熱反應(yīng)器進行控制的控制器單元，該種控制器單元包括通過利用來自分布熱電偶的測量值并對e(-2/kT)取積分(其中k為玻爾茲曼常數(shù)，而T為利用分布熱電偶所測得的溫度)來相對于所需能量對提供給熱反應(yīng)器的能量進行控制的熱平衡控制器。
本發(fā)明的另一個方面提供了一種用于對包括有由電源供電的加熱元件，分布熱電偶和峰值熱電偶的熱反應(yīng)器進行控制的方法，該方法包括如下步驟對該熱反應(yīng)器的熱動態(tài)特性進行建模；接收含有所需溫度對時間的變化關(guān)系的流程方案，其中還包含了所需控制模式對時間的變化關(guān)系；并利用由分布熱電偶和峰值熱電偶所提供的溫度信息來根據(jù)流程方案從一種控制模式切換到另一種模式，并在不同的控制模式中對溫度進行不同地控制，上述各控制模式由級聯(lián)控制器來定義。
本發(fā)明的另一個方面提供了一種用于對包括有由電源供電的加熱元件，分布熱電偶和峰值熱電偶的熱反應(yīng)器進行控制的控制器單元，該控制器單元包括用于預(yù)測晶片溫度的在線模型；以及響應(yīng)分布熱電偶，峰值熱電偶及在線模型中的一個或多個來對加熱元件進行控制的多個級聯(lián)的可選擇控制模式邏輯電路。
本發(fā)明的另一個方面提供了用于對包括有由電源供電的加熱元件，分布熱電偶及峰值熱電偶的熱反應(yīng)器進行控制的控制器單元，該控制器單元包括用于基于峰值熱電偶和分布熱電偶的測量值預(yù)測晶片溫度的在線模型；以及多個可選擇控制模式邏輯電路，其中包括基本控制模式邏輯電路，其具有用于響應(yīng)峰值熱電偶的測量值來對提供給加熱元件的能量進行控制的峰值控制器，以及用于響應(yīng)分布熱電偶的測量值來對峰值控制器進行控制的分布控制器；測量提供給熱反應(yīng)器的能量并根據(jù)所需能量來對提供給熱反應(yīng)器的能量進行控制的熱平衡控制模式邏輯電路，該熱平衡控制模式邏輯電路采用了峰值控制器，分布控制器，此外其還包括一個對分布控制器進行控制的Dt控制器；以及用于根據(jù)通過預(yù)測所得的晶片溫度來對提供給熱反應(yīng)器的能量進行控制的動態(tài)控制模式邏輯電路，該動態(tài)控制模式邏輯電路采用了峰值控制器，分布控制器以及在線模型，該動態(tài)控制模式邏輯電路另外還包括與在線模型相聯(lián)系并對分布控制器進行控制的晶片控制器。
圖1A所示為用于實施本發(fā)明的熱反應(yīng)器系統(tǒng)10。熱反應(yīng)器系統(tǒng)10包括熱反應(yīng)器12。熱反應(yīng)器12可定位于水平或垂直方向上。
熱反應(yīng)器12包括定義出一個內(nèi)腔的處理艙14。處理艙14優(yōu)選由石英或碳化硅制成。在所示實施例中，處理艙是具有開口端16的中空圓柱體形狀。處理艙14的長度沿縱軸延伸并定義出縱軸。熱反應(yīng)器系統(tǒng)10另外還包括一個將晶片負載20插入到處理艙14或從中移走的舟皿裝載器或槳葉18。具體地說，舟皿裝載器18包括承載部22，可隨承載部22一起移動并在承載部22被插入到處理艙時將把處理艙14的開口端16封住的艙門部24。艙門部24密封并隔離處理艙以防止在晶片負載20被插入到處理艙14中之后發(fā)生熱量散失。
晶片負載20包括多個船形器皿26。在所示實施例中，船形器皿26由石英或碳化硅制成。晶片負載20另外包括多個硅晶片28，每個船形器皿26均承載有多個晶片28。在所示實施例中，每個船形器皿26上的晶片彼此均勻地間隔開。這些承載有晶片的船形器皿26構(gòu)成了晶片或其它半導(dǎo)體工件處理陣列。
熱反應(yīng)器12包括環(huán)繞在處理艙14周圍的加熱元件30。在所示實施例中，加熱元件30是一種電阻加熱線圈或平行于處理艙14的長度方向沿處理腔的長度方向延伸的線圈。加熱元件30被細分為多個可單獨進行控制的加熱區(qū)32。各加熱區(qū)32是通過沿線圈方向提供接線點而將該線圈或多個線圈劃分為單獨的可控制區(qū)來進行定義的。隨后便可以通過向與每個區(qū)域相關(guān)的各線圈的相對端或更大線圈的某部分供電對這些區(qū)域單獨進行控制。具體地說，熱反應(yīng)器系統(tǒng)10另外包括(見圖4)用于可受控地向每個加熱區(qū)32加載能量的高電流電壓轉(zhuǎn)換器33及可控硅整流器(SCR)34。
熱反應(yīng)器12另外還包括將加熱元件30封在其內(nèi)部的陶瓷絕緣體35。該絕緣體還起到了將熱量反射和引導(dǎo)到晶片陣列上并提供用于使離開處理陣列的熱通量變化減小到最小的更均勻隔熱層的作用。
熱反應(yīng)器12另外包括多個峰值熱電偶36。這里所說的熱電偶不僅具體指熱電偶，還可以泛指所能用的各種溫度傳感器。其也可以涵蓋其它的另選溫度傳感器構(gòu)造。峰值熱電偶36被放置在一個合適的位置上，比如在加熱元件30與處理艙14之間。峰值熱電偶36沿加熱元件30的長度方向彼此間隔開，峰值熱電偶36被放在每個加熱區(qū)32中。峰值熱電偶36給出了各加熱區(qū)中的加熱元件上的最特殊及響應(yīng)性的溫度示值。
熱反應(yīng)器12另外還包括在處理艙14內(nèi)部延伸的分布溫度傳感器護層38。處理艙14具有一個底面，并沿平行于處理艙的長度方向的方向?qū)⑻幚砼?4支撐于該底面上。護層38至少部分地穿過每個加熱區(qū)32。在所示實施例中，護層38由石英或碳化硅制成。
熱反應(yīng)器12另外包括一個支撐于護層38中的延長分布桿(Profilerod)40。分布桿40的長度方向平行于處理艙14的長度方向。分布桿40包括多個沿分布桿40的長度方向等距離間隔開的熱電偶42，在每一個加熱區(qū)32中均有一個熱電偶42。熱電偶42不必非得與處理艙14長度方向上的峰值熱電偶36對齊。分布桿40測量處理艙14內(nèi)部的溫度并給出每個加熱區(qū)中的晶片負載20的溫度指示。
在對熱反應(yīng)器建模的過程中可任選地采用多個裝配有熱電偶的晶片44。圖1B所示為圖1A所示的熱反應(yīng)器12在建模過程中接收裝配有熱電偶的晶片44的示意圖。這些裝配有熱電偶的晶片44沿晶片負載16均勻的間隔開以提供對晶片20實際溫度的精確測量。晶片或其它工件由硅或其它正被處理的半導(dǎo)體材料制成。每個示例性裝配有熱電偶的晶片44均包括一個硅晶片，以及兩個粘到硅晶片上的熱電偶46；一個在晶片的邊緣，另一個在晶片的中心處。利用諸如陶瓷粘合劑等粘合劑將每一個裝配有熱電偶的晶片44的熱電偶46粘到硅晶片上，以提供精確的溫度測量。
熱反應(yīng)器系統(tǒng)10另外還包括氣體輸送系統(tǒng)或充氣板48，用于將氣體從可選氣體源50受控地注入到處理艙14中以在硅晶片28的表面上生長，擴散或淀積材料。充氣板48包括(見圖3)閥門52以及質(zhì)流控制器54。質(zhì)流控制器54用于測量并控制進入到處理艙14中的處理氣體的流量。
在某些實施例中，為了進行低壓化學(xué)氣相淀積(LPCVD)需要對處理艙14進行密封加壓。在這些實施例中，熱反應(yīng)器12另外包括(見圖3)一個壓力控制器56。此外在這些實施例中，熱反應(yīng)器系統(tǒng)10還包括用于測量處理艙中的壓力并將所測得的壓力通知給壓力控制器56的氣壓計(baratron)或其它合適的壓力測量裝置58。另外，在這些實施例中，熱反應(yīng)器系統(tǒng)10還包括多個與壓力控制器56相連的泵和閥門60，以在處理艙14中實現(xiàn)所需的壓力。
在某些實施例中，熱反應(yīng)器12另外包括(見圖3)一個在處理艙14內(nèi)部或外部的火焰噴槍62?；鹧鎳姌?2被用于通過燃燒一定比例的氫氧混合氣而在處理艙14中產(chǎn)生蒸汽的濕氧化處理。
熱反應(yīng)器系統(tǒng)10包括(見圖2)用于對熱反應(yīng)器12進行控制的控制系統(tǒng)64?？刂葡到y(tǒng)64包括兩個子系統(tǒng)用于處理定序的處理定序子系統(tǒng)66，以及用于溫度控制的溫度子系統(tǒng)68。每個子系統(tǒng)66和68均包括一個微處理器，如Intel PC，286，386，486，Pentium或更高級的處理器，或其兼容處理器，或Motorola 6800，68000或更高，或其它公司的微處理器。
盡管可以使用其它微處理器，但在所示實施例中，處理定序子系統(tǒng)66采用的是6800微處理器70。該處理定序子系統(tǒng)包括隨機存取存儲器72及存儲有控制器邏輯的可編程EPROM 74。處理定序子系統(tǒng)66另外包括多個數(shù)字輸入和輸出通道76以及多個模擬輸入和輸出通道78。如果需要進行外部通信，處理定序子系統(tǒng)66還將另外包括多個用于外部(遠程)通信的串行輸入及輸出通道80。處理定序子系統(tǒng)66按照用戶所定義的處理流程方案進行操作。具體地說，熱反應(yīng)器系統(tǒng)10另外包括一個定義了輸入裝置的用戶界面82。盡管也可以采用其它的用戶界面，但在所示實施例中，用戶界面82包括一個利用其用戶可以輸入用戶定義的處理流程方案的觸摸屏終端界面。在該處理流程方案中，用戶可以以每一步驟為基礎(chǔ)來定義步驟時間，氣體流量，腔體壓力，溫度給定值以及跳變率。
盡管也可以采用其它的微處理器，但在所示實施例中，溫度子系統(tǒng)68包括一個486微處理器84。溫度子系統(tǒng)68另外還包括用于和微處理器84一起使用的動態(tài)隨機存取存儲器86。例如，在所示實施例中，溫度子系統(tǒng)68控制器單元包括大小為四兆字節(jié)的動態(tài)隨機存取存儲器。如圖所示的溫度子系統(tǒng)68控制器單元另外包括大小為兩兆字節(jié)的閃存磁盤88，雙端口隨機存取存儲器90，16位模數(shù)轉(zhuǎn)換器92，以及PC/104總線94。溫度子系統(tǒng)包括多個多變量控制器96，98，100及102，它們是利用魯棒最優(yōu)控制理論和經(jīng)驗試探法推導(dǎo)出的加熱爐和晶片模型所構(gòu)造出的。具體地說，在所示實施例中，是利用H無窮控制理論來構(gòu)造多變量控制器96，98，100和102。
在所示實施例中，控制系統(tǒng)64另外包括(見圖3)連在充氣板48與處理定序子系統(tǒng)66之間的充氣板接口104。充氣板接口104向控制系統(tǒng)64提供了一個與質(zhì)流控制器54，氣體閥門52，內(nèi)部或外部火焰噴槍62，壓力控制器56，舟皿裝載器18等進行連接的接口。另外，充氣板接口104還包括多個用于熱反應(yīng)器的硬件安全互鎖(例如，用于確保氫氣以適宜的氧氫比率進行流動，用于檢測來自火焰噴槍62的火焰等等)。
在所示實施例中，控制系統(tǒng)64另外包括(見圖4)連在熱電偶36，42和44與溫度子系統(tǒng)68之間的溫度接口。具體地說，在所示實施例中，溫度接口包括熱電偶放大器接口板106。在所示實施例中，溫度子系統(tǒng)與至多兩個的熱電偶放大器接口相連一個用于測量峰值熱電偶36及分布熱電偶42，一個用于測量裝配有熱電偶的晶片44的熱電偶46(如果其中采用了裝配有熱電偶的晶片)。在所示實施例中，控制系統(tǒng)64另外還包括(見圖4)連在加熱元件30與溫度子系統(tǒng)68之間的元件觸發(fā)接口108。該元件觸發(fā)接口108包括一個用于所定義的各加熱區(qū)32的觸發(fā)板。這些觸發(fā)板使用了零點切換技術(shù)以在電壓波形的零交叉點處加載或切斷電源。
圖11詳細顯示了控制器96，98，100和102的設(shè)計過程。
在特征化控制模式中(圖6以及圖11的步驟110)，利用峰值，分布和晶片溫度以及激勵過程中的能量給定值，利用隨機或其它激勵序列來對熱反應(yīng)器的熱動態(tài)特性進行建模(見圖5)。在所示實施例中，采用的是偽隨機二進制序列(PRBS)。具體地說，在特征化控制模式中(圖6)，先將熱反應(yīng)器升溫到工作溫度，隨后利用偽隨機二進制序列來使其溫度發(fā)生擾動，從而在熱反應(yīng)器中引起逐漸的溫度波動。在步驟112a-d中，將根據(jù)由該熱擾動所產(chǎn)生的溫度變化來創(chuàng)建出多個模型。在所示實施例中，所有模型均是利用一種線性最小二乘最小距離系統(tǒng)識別技術(shù)來進行推導(dǎo)的。在所示實施例中，所有模型均是以狀態(tài)空間形式來表示及實現(xiàn)的。
在所示實施例中，生成了兩種類型的模型離線和在線類型?！半x線模型”表示在控制系統(tǒng)設(shè)計中所產(chǎn)生的模型。而“在線模型”則表示在熱反應(yīng)器12的操作過程中有效從而可以對實際的半導(dǎo)體晶片28進行處理的模型。
在所示實施例中，共有三種離線模型能量給定值對峰值熱電偶模型；峰值熱電偶對分布熱電偶模型；以及分布和峰值熱電偶對裝配有熱電偶的晶片模型。上述每個離線模型均被用來設(shè)計溫度子系統(tǒng)中的控制器96，98，100和102。
在所示實施例中，推導(dǎo)出了一個單獨的在線模型114用以估計熱反應(yīng)器12操作過程中的晶片溫度。在線模型110利用來自峰值和分布熱電偶36和42的真實溫度測量值來預(yù)測晶片28的實際溫度。因為對整個熱反應(yīng)器12建模過于復(fù)雜且其對隨時間變化的偏差和維護操作十分敏感，所以對晶片溫度與所測得的分布和峰值溫度之間的關(guān)系只進行簡單地建模以給出晶片溫度在溫度動態(tài)變化過程中的精確表示。另外，其假設(shè)在穩(wěn)定狀態(tài)條件下，分布溫度所表示的是晶片28的實際溫度。
建模之后，在步驟116a，116b和116c(圖11)中，上述三個離線模型被用來生成三個獨立且唯一的控制器峰值控制器96，分布控制器98和晶片控制器100。峰值控制器96利用峰值給定值與峰值熱電偶測量值之間的差值作為輸入，并將能量給定值輸出給觸發(fā)接口108。分布控制器98利用分布給定值與分布測量值之間的差值作為輸入，并將峰值給定值輸出給峰值控制器96。晶片控制器100則利用晶片給定值與在線晶片溫度模型的預(yù)測值之間的差值作為輸入并將分布給定值輸出給分布控制器98。在所示實施例中，每個控制器96，98和100均利用H無限魯棒最優(yōu)控制理論來進行設(shè)計。具體地說，在所示實施例中，各控制器均是多變量的，其中考慮了加熱區(qū)之間的相互作用以給出對所需跳變或給定值的改進溫度響應(yīng)。
現(xiàn)在將對控制器96，98和100的設(shè)計進行更詳細地說明。利用從辨識實驗所獲得的數(shù)據(jù)來設(shè)計控制器96，98和100。設(shè)計過程由兩個主要步驟組成即，系統(tǒng)識別和控制器設(shè)計。本優(yōu)選實施例在建模和控制器設(shè)計中采用的是高性能的數(shù)值分析軟件，如MATLAB(TM)和SIMULINK(TM)。系統(tǒng)辨識或特征化系統(tǒng)辨識或特征化步驟涉及以經(jīng)驗試探法來測量處理器對已知熱輸入的溫度響應(yīng)特性。其中對輸入的響應(yīng)是利用峰值熱電偶36，分布熱電偶42和溫度檢測晶片46來進行測量的。利用適用的分析技術(shù)對所測得的響應(yīng)數(shù)據(jù)進行分析，以獲得一個或多個能夠根據(jù)在實際的晶片處理過程中所測得的峰值和分布熱電偶溫度來預(yù)測出晶片溫度的模型。然而，為了得到所需的系統(tǒng)熱響應(yīng)特性，其需要使用溫度檢測晶片46或其它至少必須在實際操作處理開始之前的單獨特征化階段便已完成的測量技術(shù)。
一種用于推導(dǎo)特征化信息的優(yōu)選技術(shù)包括利用最小二乘參數(shù)估計算法來獲得對反映了溫度響應(yīng)特性的系統(tǒng)參數(shù)的估計。此步驟的主要目的是為了對描述了輸入-輸出數(shù)據(jù)的系統(tǒng)模型進行辨識以及對描述了該模型可信度的不確定邊界進行估計。因此，我們所研究的系統(tǒng)是由一般狀態(tài)空間模型所表示的系統(tǒng)＝Ax+Bu；y＝Cx+Du其中x為狀態(tài)向量，u為具有m個輸入的輸入向量，而y為具有n個輸出的輸出向量。矩陣A維數(shù)為n×n，矩陣B維數(shù)為n×m，矩陣C維數(shù)為m×n，而矩陣D維數(shù)為m×m。這些矩陣的系數(shù)即為所推導(dǎo)出的參數(shù)，可以針對所推導(dǎo)的特定模型對其進行適當調(diào)整以使該模型能夠與實際情況更相符。
假設(shè)(A，C)是可觀察的(狀態(tài)空間方程的所有模式均可以在輸出處被觀察到)，則可將上述模型寫為＝(A-LC)x+(B-LD)u+Ly；y＝Cx+Du其中A-LC是赫維茨矩陣(詳見各種控制理論教科書，如Kailath，T.，Linear Systems，Prentice-Hall，Englewood Cliffs，NJ，1980)。
其意味著可以用如下方程來描述上述線性系統(tǒng)＝Fx+Θ1u+Θ2y；y＝qx+du其中(F，q)為可觀察的，F(xiàn)為赫維茨矩陣而Θ1，Θ2和d則為表示該模型的可調(diào)節(jié)參數(shù)的矩陣。
對前一方程進行拉普拉斯變換，可得sIx(s)-x(0)＝Fx(s)+Θ1u(s)+Θ2y(s)；y(s)＝qx(s)+du(s)其中I為單位矩陣，而X(0)為各狀態(tài)的初始條件。
接著，從中求解狀態(tài)向量，可得x(s)＝(sI-Fx)-1[Θ1u(s)+Θ2y(s)+x(0)]使用上述狀態(tài)方程求解輸出向量，可得y(s)＝q(sI-Fx)-1[Θ1u(s)+Θ2y(s)+x(0)]+du(s)整理上述方程可得y(s)＝[q(sI-Fx)-1Θ1+d]u(s)+q(sI-F)-1Θ2y(s)+q(sI-F)-1x(0)由于其均是標量傳遞函數(shù)，所以將其轉(zhuǎn)置可得y(s)＝Θ1T(sI-FT)-1qTu(s)+Θ2T(sI-FT)-1qTy(s)+du(s)+x(0)T(sI-FT)-1qT對于單輸入輸出系統(tǒng)，為便于參數(shù)估計可將上一方程簡寫為線性模型形式y(tǒng)＝ΘTw其中Θ為含有可調(diào)節(jié)參數(shù)Θ1，Θ2，d以及可能未知的初始條件x(0)的向量，而w則含有信號(sI-FT)-1qTu，(sI-FT)-1qTy，u以及(sI-FT)-1qT。
因此，基本的系統(tǒng)辨識步驟包括如下子步驟1.進行實驗以產(chǎn)生輸入-輸出時間序列2.計算濾波信號w3.估計線性模型y＝ΘTw的參數(shù)4.計算所辨識系統(tǒng)的對應(yīng)狀態(tài)空間表達式[A，B，C，D]5.如果必要對所辨識的系統(tǒng)進行降階6.計算所辨識系統(tǒng)的誤差邊界(不確定性)接下來將對系統(tǒng)辨識步驟的這些子步驟進行更詳細地說明。
辨識或特征化實驗成功與否取決于能夠向熱反應(yīng)器提供足夠激勵以允許對其參數(shù)進行可靠辨識的輸入信號的產(chǎn)生。各類文獻中已提出了多種類型的激勵信號(參見，如，Ljung，L.System IdentificationTheory for the User，Prentice-Hall，Englewood Cliffs，NJ，1980)。為簡化設(shè)計，本文所示實施例均采用偽隨機二進制序列(PRBS)以提供所需的激勵。另外，為避免在選擇激勵信號大小的過程中進行過多的實驗，其是以閉環(huán)形式來進行辨識的。即，利用所要辨識的熱反應(yīng)器的先驗知識來設(shè)計較簡單的控制器(例如，比例或比例積分)。隨后將偽隨機二進制序列激勵作為參考輸入(給定值)饋送給該控制器，并對所得到的控制輸入以及熱反應(yīng)器輸出進行測量。
盡管由于其需要預(yù)先進行控制器設(shè)計使得此種方法看起來具有很強的限制性，但在實踐中此要求并不十分嚴格。通常，已有現(xiàn)成的或也可很容易推導(dǎo)出熱反應(yīng)器初級原始模型，或者大多數(shù)情況下簡單的控制器早已被實現(xiàn)了。實踐經(jīng)驗表明只要其帶寬和性能合理，則辨識結(jié)果對所用的控制器并不十分敏感。當然，如果不屬于這種情況，則可以通過在下一辨識實驗中使用新控制器來重復(fù)執(zhí)行辨識和控制器設(shè)計步驟，直到獲得足夠好的性能。
需更多注意的是偽隨機二進制序列的設(shè)計。此類型的激勵是作為與熱反應(yīng)器的標稱操作條件有關(guān)的參考命令中的步驟變化序列來實現(xiàn)的。偽隨機二進制序列可以由兩個向量來定義[t1，t2，Λ]，[m1，m2，Λ]其中第一個向量表示的是切換時間，而第二個向量則表示與標稱給定值之間的偏差量(±最大偏差碼元數(shù))。偽隨機二進制序列中的隨機性進入到其中ti+1-ti為一個隨機數(shù)的切換時間中。最大碼元數(shù)和每次脈沖的最小和最大持續(xù)時間是偽隨機二進制序列的設(shè)計參數(shù)。通常，應(yīng)該將碼元數(shù)選得足夠大以給出較好的信噪比(SNR)，但同時也不能太大，還應(yīng)選得足夠小以避免與標稱操作條件偏離太大，否則將會由于固有的被控對象(plant)非線性而引入干擾。無疑閉環(huán)辨識更有優(yōu)勢，因為即使是一個較粗糙的控制器也能將標稱值附近的被控對象響應(yīng)大致保持在PRBS碼元數(shù)之內(nèi)。每個偽隨機二進制序列脈沖的持續(xù)時間應(yīng)該能夠使所得序列的能量大部分集中在所需的閉環(huán)帶寬(閉環(huán)交叉頻率)的周圍，即反應(yīng)器模型最應(yīng)可靠的地方。最后，偽隨機二進制序列的總長度隨存儲器和實驗時間限制而定，但其應(yīng)足夠長以允許在充分多的頻率上均能夠進行噪聲平均以及觀測被控對象響應(yīng)。一般來說，一條經(jīng)驗準則是觀測熱反應(yīng)器對其持續(xù)時間依照前述標準來選定的的7-10個PRBS的響應(yīng)。
對于多變量系統(tǒng)辨識，必須為每個通道分別產(chǎn)生一個PRBS輸入。同時這些序列應(yīng)彼此獨立，以使所得的回歸方程向量(regressorvector)具有滿足要求的協(xié)方差矩陣。當所用的是長序列時此要求不會產(chǎn)生任何問題。然而，在實際應(yīng)用中，長度有限的序列則表明該假設(shè)的并不一定成立，如果條件失敗則應(yīng)重新產(chǎn)生新的PRBS。
如上所述，利用最小二乘算法來估計隨后被用來根據(jù)上述方程來計算整個狀態(tài)空間矩陣的線性模型的參數(shù)。此外，為了提高其可靠性以及產(chǎn)生強調(diào)與某一給定頻率范圍內(nèi)的被控對象特性相吻合的估計的能力，可以對上述參數(shù)估計算法進行適當?shù)男拚?加權(quán)最小二乘)。后一種算法是利用具有所需頻率響應(yīng)特性的濾波器對輸入-輸出數(shù)據(jù)進行數(shù)值濾波而以一種很易懂的方式來實現(xiàn)的。例如，當數(shù)據(jù)被高頻噪聲破壞時，可以使用低通濾波器，而使用帶通濾波器則可以提高辨識所得模型在所需閉環(huán)帶寬周圍的可靠性。根據(jù)接下來所要說明的“不確定性”邊界來判斷辨識是否成功以及是否需要重新設(shè)計上述濾波器。這里所要強調(diào)的是盡管在參數(shù)估計步驟可能會需要某些重復(fù)操作，但這并不意味著必然需要重復(fù)進行辨識實驗。
另外，為了提高估計值的可靠性，在計算最小二乘解時采用了奇異值分解方法。此外，在某一實施例中，估計步驟所要求解的問題是Min‖HΘ‖，約束條件為‖y-Θw‖≤(1+ρ)ELS其中H為加權(quán)矩陣，ρ為閾值參數(shù)，而ELS則為與最小二乘解相對應(yīng)的誤差。盡管可以很容易地以閉環(huán)形式來求解此問題，但其解有著一些很有趣的屬性。即，通過將閾值參數(shù)選得充分“小”(例如，0.5)，則可以以受控方式使由估計誤差所度量的估計參數(shù)的品質(zhì)變惡化，最高可達(1+ρ)的比例系數(shù)。這種性質(zhì)將允許更靈活地調(diào)節(jié)被估計參數(shù)以反映更微妙的估計目標。例如，通過選擇合適的加權(quán)矩陣H，上述最小化問題的解將能夠更強調(diào)所辨識模型的耦合及/或穩(wěn)定性屬性。此種能力當數(shù)據(jù)中含有可能會使反應(yīng)器比現(xiàn)實中表現(xiàn)得更具耦合性的噪聲時更為有利。另外，其可能會希望盡可能地將反應(yīng)器模型能夠去耦，這簡化了控制器的設(shè)計并可能會提高對反應(yīng)器偏差的魯棒性。
隨后將利用標準歸約算法對所得到的反應(yīng)器模型進行最小性檢測，(見Chiang，R.和M.Safonov，Robust Control ToolboxUser’sManual(For use with MATLAB)，The Mathworks Inc.，Natick，MA，1992及其中的參考書目)，通過分析余數(shù)則可以定量地表示模型的可靠性。此步驟定量表示了模型的置信度并給出了在控制器設(shè)計步驟中所應(yīng)滿足的約束。具體地說，對估計誤差進行頻譜分析將能夠提供對有效乘法(effective multiplicative)以及反饋不確定性的估計(見Alexander，C.和K.S.Tsakalis，“Control of an Inverted PendulumA ClassicalExperiment Revisited”，Proc，1995 Western Multi-conference，Society forComputer simulation，Las Vegas，1995)。這些估計值代表了為使所設(shè)計出的控制器能夠使實際的反應(yīng)器穩(wěn)定，閉環(huán)靈敏性和補充靈敏性所應(yīng)滿足的邊界約束。所應(yīng)指出的是上述計算只給出對這些邊界約束的一個估計。在嚴格意義上，并不能確保閉環(huán)穩(wěn)定性。然而，在這些邊界約束與成功的控制器設(shè)計之間表現(xiàn)出很強的相關(guān)性?？刂破髟O(shè)計控制器設(shè)計過程的核心是H∞設(shè)計方法(見Chiang，R.和M.Safonov，Robust Control ToolboxUser’s Manual(For use withMATLAB)，The Mathworks Inc.，Natick，MA，1992)，其中增添了控制器約簡及良態(tài)性(有解性)檢測。具體地說，由系統(tǒng)辨識步驟中所得到的不確定性邊界約束被用來定義靈敏性和輔助靈敏性加權(quán)值。添加了積分器的這些控制器與所辨識的反應(yīng)器一起，構(gòu)成標準H∞計算軟件所需形式的所謂的超級被控對象(super-plant)。通常，所得到的H∞控制器階數(shù)均較高且含有由于實質(zhì)上與其性能不相關(guān)并可能會使其可靠性、魯棒性和離散化屬性降低的加權(quán)值所產(chǎn)生的狀態(tài)向量。因此，應(yīng)分三步來進行簡化操作。
第一步驟是去除掉與過快模態(tài)(fast mode)，例如與上述閉環(huán)帶寬的二階幅值相對應(yīng)的多個狀態(tài)。通常，這些模態(tài)與控制器穩(wěn)定性或性能無關(guān)，但由于近似其離散時間需要較高的采樣率將使得在數(shù)字實現(xiàn)的過程中產(chǎn)生各種問題。下一步是去除掉對整個閉環(huán)模型特性貢獻很少的過慢模態(tài)。這些模態(tài)通常與jw軸附近的“極點零點對消”有關(guān)，如果將其保留下來，則可能會引起跟蹤性能方面很小但衰減很慢的誤差。最后，將進行標準的模型階次簡化(加權(quán)或不加權(quán)的)以消除掉其它貢獻不重要的控制器狀態(tài)。為簡化加權(quán)值選擇步驟必須執(zhí)行該簡化步驟。可證明該簡化不會引起任何明顯的性能惡化，其證明過程相對簡單易懂并能夠很容易地利用標準的計算工具來完成，例如(見Chiang，R.和M.Safonov，Robust Control ToolboxUser’s Manual(Foruse with MATLAB)，The Mathworks Inc.，Natick，MA，1992)。
上述過程可計算出一個能夠讓反應(yīng)器的線性模型表現(xiàn)出良好性能的合理階次。即，希望實際系統(tǒng)能夠在工作點周圍局部范圍表現(xiàn)出類似的性能。然而，為了成功地實現(xiàn)控制器，應(yīng)該將所有激勵器，如加熱元件中所固有的飽和非線性考慮進去。由這些飽和現(xiàn)象所引起的主要問題是所謂的積分器完結(jié)(wind-up)。典型的抗積分器完結(jié)改進型利用了當控制器輸出(控制器輸入)超過了飽和度時由死區(qū)類型非線性所激勵的補償器周圍起到穩(wěn)定作用的反饋(見Astrom，K，J和B.Hagglund，PID ControllerTheory，Design and Tuning，ISA Researchtriangle Park，NC，1994)。
一種用于在多變量情況下實現(xiàn)此效果的簡單方式是將一個輔助信號“v”反饋給補償器，其計算公式為v＝Lud(u)其中u為控制輸入，d(u)為標量形式的用于定量表示飽和度的似死區(qū)信號(當控制沒有飽和時d(u)＝0)，而L則是能夠使控制器的閉環(huán)系統(tǒng)穩(wěn)定的矩陣增益。設(shè)計L的一種有效方法是將其作為觀測器增益(見Anderson，B.D.O和J.B.Moore，Optimal ControlLinear QuadraticMethods，Prentice-Hall，Englewood Cliffs，NJ，1990)。在此情況中，可以將控制器-觀測器增益系統(tǒng)很好地理解為一個觀察器的結(jié)構(gòu)，該觀察器能夠強迫控制器輸出跟蹤由具有飽和非線性的控制器所構(gòu)成的系統(tǒng)的輸出。其與控制器的最小性一起確保了其狀態(tài)，具體地說與積分器有關(guān)的那些狀態(tài)并不能無邊界地增大。另外，在觀測器增益設(shè)計中，可以盡可能多地保留控制器的方向性屬性，從而使控制器飽和將不會完全破壞由線性設(shè)計所實現(xiàn)的輸出去耦。
最后，作為本控制器設(shè)計過程的最后步驟，將通過在具有激勵器飽和的情況下對離散控制器和所辨識出的反應(yīng)器進行非線性仿真來執(zhí)行評測步驟。該評測步驟對發(fā)現(xiàn)可能的設(shè)計局限以及例如以可實現(xiàn)的跳變率為指標來評估控制器的性能很有用。實踐經(jīng)驗表明閉環(huán)系統(tǒng)的仿真行為可以很好地近似實際系統(tǒng)的行為。
設(shè)計完之后，在步驟118中，將以硬件形式在溫度子系統(tǒng)68中實現(xiàn)峰值、分布和晶片控制器96、98和100以及在線晶片模型。
在所示實施例中，可以從包括定義了元件控制模式的元件控制模式邏輯電路(見圖7)，定義了基本控制模式的基本控制模式邏輯電路(見圖8)，定義了動態(tài)控制模式的動態(tài)控制模式邏輯電路(見圖9)，以及定義了Dt控制模式的Dt控制模式邏輯電路(見圖10)在內(nèi)的多種不同的現(xiàn)有控制模式邏輯電路中來選擇控制模式邏輯電路。上述這些控制模式邏輯電路的每一種均是由控制器96、98和100的單獨一個或其組合來定義的。
具體地說，溫度子系統(tǒng)68將峰值控制器96用于元件控制模式(見圖7)。溫度子系統(tǒng)68將引入了偽隨機二進制序列的峰值控制器96用于特征化控制模式(見圖6)。溫度子系統(tǒng)68將分布控制器98和峰值控制器96的組合用于基本控制模式(見圖8)。溫度子系統(tǒng)68將晶片控制器100，分布控制器98和峰值控制器96的組合用于動態(tài)控制模式(見圖9)。溫度子系統(tǒng)68采用非線性Dt控制器102，分布控制器98，以及峰值控制器96以提供Dt控制模式(見圖10)。
用戶可以提供由多條步驟組成的，且在每個步驟中可以使用任一種控制模式的流程方案。例如，用戶可以提供在半導(dǎo)體處理的某一給定階段從一種控制模式切換到另一種模式的流程方案。所建議的一種方法是在溫度跳升階段之前，在加熱爐檢測和將船形器皿18送入到加熱爐中的過程中采用基本控制模式，在溫度跳升階段以及溫度穩(wěn)定的過程中采用晶片控制模式，在晶片處理步驟的過程中采用Dt控制模式，而在將船形器皿取出的過程中則采用基本控制模式。所建議的另一種方法是在所有處理步驟中均采用基本控制模式。
元件控制模式通常是維持模式(例如，燒制元件)。在元件控制模式中，峰值控制器將根據(jù)峰值熱電偶溫度來進行控制。在晶片的普通處理中并不使用本模式。
基本控制模式(圖8)是一種缺省操作模式。在基本控制模式中，分布控制器98根據(jù)分布誤差提供峰值給定值控制信號。分布誤差基于分布溫度給定值與分布熱電偶42所測得的分布溫度之間的差值。峰值控制器98根據(jù)峰值誤差控制提供給熱反應(yīng)器的能量。峰值誤差則是基于峰值給定值與峰值熱電偶36所測得的峰值溫度之間的差值?；究刂颇Ｊ教峁┝司_控制，從而使處理一致性得到了提高，并使周期時間得到減小，由此進一步使穩(wěn)定速度更快。基本控制模式邏輯電路同時使用分布和峰值控制器并將其級聯(lián)在一起。
分布熱電偶的讀數(shù)并不與負載邊緣上的溫度相匹配。用戶一般均不愿改變其流程方案以對此進行補償。此問題的一種解決方法是縮短分布熱電偶，其結(jié)果是分布熱電偶的讀數(shù)與負載邊緣上的溫度匹配得更精確。動態(tài)或晶片控制模式(圖9)則提供了對本問題的一種不需要對分布熱電偶進行修正或?qū)τ脩舻牧鞒谭桨高M行調(diào)整的解決方法。
在動態(tài)控制模式中，晶片控制器100給出了對晶片28的溫度的預(yù)測或估計，并對其進行控制以使晶片28的溫度接近于所需溫度或流程方案晶片溫度。在溫度跳變和穩(wěn)定步驟的過程中最好采用動態(tài)控制模式。動態(tài)控制模式包括如上所述在建模期間事先使用裝配有熱電偶的晶片44。建模之后，在控制系統(tǒng)運行的同時，動態(tài)控制模式將根據(jù)利用在線晶片溫度估計模型114所預(yù)測得出的晶片溫度對熱反應(yīng)器12進行控制。在線晶片溫度估計模型114根據(jù)來自峰值和分布熱電偶36和42的測量值來預(yù)測晶片溫度。具體地說，是根據(jù)來自峰值和分布熱電偶36和42的測量值，以及由裝配有熱電偶的晶片44所得到的測量值(代表了晶片溫度)與建模期間由分布和峰值熱電偶36和42所得到的測量值之間的關(guān)系來預(yù)測晶片溫度的。
在動態(tài)控制模式中，晶片控制器100根據(jù)晶片誤差給出分布給定值。晶片誤差基于分布溫度給定值與由分布熱電偶42所測得的分布溫度測量值之間的差值。分布控制器根據(jù)分布誤差提供峰值給定值控制信號。分布誤差則基于由晶片控制器100所產(chǎn)生的分布溫度給定值與由分布熱電偶所測得的分布溫度測量值之間的差值。峰值控制器根據(jù)峰值誤差對提供給熱反應(yīng)器的能量進行控制。峰值誤差則基于峰值給定值與由峰值熱電偶36所測得的峰值溫度之間的差值。動態(tài)控制模式使用的是級聯(lián)在一起的峰值控制器96、分布控制器98和晶片控制器100。
在Dt或熱平衡控制模式中，Dt控制器102對溫度輻照或所加載的熱能進行測量，并針對給定值或所需的能量對能量進行控制。利用來自分布熱電偶42的測量值并對e(-2/KT)取積分(其中k為玻爾茲曼常數(shù)而T為利用分布熱電偶42所測得的溫度)來對熱平衡進行控制，以根據(jù)所需的能量來維持Dt值。對提供給熱反應(yīng)器的能量進行計算，從而可以對提供給熱反應(yīng)器的能量進行控制。為了在卸載以及循環(huán)操作(run-to-run)時均能保持一致的Dt值，在關(guān)鍵處理步驟中優(yōu)選采用熱平衡模式來控制熱平衡。
在Dt控制模式中(見圖10)，Dt控制器102根據(jù)能量誤差給出分布給定值。能量誤差基于能量給定值與所測得的能量之間的差值。分布控制器98根據(jù)分布誤差提供峰值給定值控制信號。分布誤差基于由Dt控制器所產(chǎn)生的分布溫度給定值與分布熱電偶42所測得的分布溫度值之間的差值。峰值控制器96根據(jù)峰值誤差對提供給熱反應(yīng)器的能量進行控制。峰值誤差基于峰值給定值與由峰值熱電偶36所測得的峰值溫度之間的差值。
遵照法律規(guī)定，上文已利用詳細程度不同的語言對本發(fā)明進行了說明。然而，其應(yīng)被理解的是本發(fā)明并不會由于本文中公開了用于實施本發(fā)明的優(yōu)選形式而僅局限于所示以及所說明的具體特性。本發(fā)明因此對在根據(jù)等價原則而并入到本說明書中的附加權(quán)利要求本身范圍內(nèi)任何形式的修正均提出權(quán)利要求。
權(quán)利要求
1.一種用于對包括有由電源供電的加熱元件，并具有分布熱電偶和峰值熱電偶的熱反應(yīng)器進行控制的方法，包括如下步驟對熱反應(yīng)器的熱動態(tài)特性進行建模，建模步驟包括將裝配有熱電偶的晶片送到熱反應(yīng)器中，利用激勵序列控制加熱元件來對熱反應(yīng)器進行熱擾動，并根據(jù)由于熱擾動所產(chǎn)生的溫度變化推導(dǎo)出多個模型，其中包括能量對峰值熱電偶讀數(shù)的模型，峰值熱電偶讀數(shù)對分布熱電偶讀數(shù)的模型，以及分布熱電偶和峰值熱電偶讀數(shù)對裝配有熱電偶的晶片的讀數(shù)的模型。
2.如權(quán)利要求0所述的熱反應(yīng)器控制方法，另外包括，在建模步驟之后，從現(xiàn)有的多個控制模式中選擇出一種控制模式的步驟。
3.如權(quán)利要求0所述的熱反應(yīng)器控制方法，現(xiàn)有的控制模式之一是其中測量提供給熱反應(yīng)器的能量并根據(jù)所需能量對其進行控制的熱平衡控制模式。
4.如權(quán)利要求0所述的熱反應(yīng)器控制方法，現(xiàn)有的控制模式之一是熱平衡控制模式，其中利用來自分布熱電偶的測量值并對e(-2/KT)取積分來相對于所需能量對提供給熱反應(yīng)器的能量進行控制，其中k為玻爾茲曼常數(shù)，而T為利用分布熱電偶所測得的溫度。
5.如權(quán)利要求0所述的熱反應(yīng)器控制方法，現(xiàn)有的控制模式之一是動態(tài)控制模式，其中可根據(jù)預(yù)測所得的晶片溫度來受控地向加熱元件提供能量，而晶片溫度則是根據(jù)來自峰值和分布熱電偶的測量值來進行預(yù)測的。
6.如權(quán)利要求0所述的熱反應(yīng)器控制方法，現(xiàn)有的控制模式之一是其中響應(yīng)分布熱電偶的測量值來受控地向加熱元件提供能量的基本控制模式。
7.一種用于對包括有由電源供電的加熱元件，且具有分布熱電偶和峰值熱電偶，并選擇性地接收裝配有熱電偶的晶片的熱反應(yīng)器進行控制的控制器單元，包括用于接收流程方案的輸入裝置；和與分布熱電偶和峰值熱電偶相連的多個可選擇控制模式邏輯電路，所述控制模式邏輯電路被用來根據(jù)流程方案對加熱元件進行控制。
8.根據(jù)權(quán)利要求0所述的控制器單元，其特征在于所述控制模式邏輯電路由H∞控制器構(gòu)成。
9.如權(quán)利要求所述的控制器單元，其特征在于所述控制模式邏輯電路包括一種對提供給熱反應(yīng)器的能量進行測量并根據(jù)所需能量對其進行控制的熱平衡控制模式邏輯電路。
10.如權(quán)利要求所述的控制器單元，其特征在于所述控制模式邏輯電路包括一種熱平衡控制模式邏輯電路，其利用來自分布熱電偶的測量值并對e(-2/KT)取積分來相對于所需能量對提供給熱反應(yīng)器的能量進行控制，其中k為玻爾茲曼常數(shù)，而T為利用分布熱電偶所測得的溫度。
11.如權(quán)利要求所述的控制器單元，其特征在于所述控制模式邏輯電路包括一種可根據(jù)預(yù)測出的晶片溫度受控地向加熱元件提供能量的動態(tài)控制模式邏輯電路，該動態(tài)控制模式邏輯電路包括一種其中根據(jù)來自峰值和分布熱電偶的測量值對晶片溫度進行預(yù)測的在線晶片模型。
12.如權(quán)利要求所述的控制器單元，其特征在于所述控制模式邏輯電路包括一種響應(yīng)由分布熱電偶所測得的溫度值對提供給加熱元件的能量進行控制的基本控制模式邏輯電路。
13.一種用于對包括有由電源供電的加熱元件，且具有分布熱電偶和峰值熱電偶，并選擇性地接收裝配有熱電偶的晶片的熱反應(yīng)器進行控制的方法，包括如下步驟利用分布熱電偶，峰值熱電偶以及裝配有測量設(shè)備的晶片來對熱反應(yīng)器的熱動態(tài)特性進行建模；接收一個包含有所需溫度對時間關(guān)系的流程方案，該流程方案包含了所需控制模式對時間的關(guān)系；以及利用分布熱電偶以及峰值熱電偶，根據(jù)該流程方案從一種控制模式切換到另一種控制模式，并在不同的控制模式對溫度進行不同的控制。
14.如權(quán)利要求0所述的熱反應(yīng)器控制方法，現(xiàn)有的控制模式之一是其中對提供給熱反應(yīng)器的能量進行測量并根據(jù)所需能量對其進行控制的熱平衡模式。
15.如權(quán)利要求0所述的熱反應(yīng)器控制方法，現(xiàn)有的控制模式之一是熱平衡模式，其利用來自分布熱電偶的測量值并對e(-2/KT)取積分來相對于所需能量對提供給熱反應(yīng)器的能量進行控制，其中k為玻爾茲曼常數(shù)，而T為利用分布熱電偶所測得的溫度。
16.如權(quán)利要求0所述的熱反應(yīng)器控制方法，現(xiàn)有的控制模式之一是動態(tài)控制模式，其中可根據(jù)所預(yù)測出的晶片溫度來受控地向加熱元件提供能量，而晶片溫度則是根據(jù)來自峰值和分布熱電偶的測量值來進行預(yù)測的。
17.如權(quán)利要求0所述的熱反應(yīng)器控制方法，現(xiàn)有的控制模式之一是基本控制模式，其中基本控制器響應(yīng)分布熱電偶的測量值進行操作。
18.一種用于對包括有由電源供電的加熱元件，且具有分布熱電偶和峰值熱電偶的熱反應(yīng)器進行控制的控制器單元，包括用于預(yù)測晶片溫度的在線模型；以及用于響應(yīng)在線模型，分布熱電偶以及峰值熱電偶對加熱元件進行控制的多個可選擇控制模式邏輯電路。
19.如權(quán)利要求0所述的控制器單元，其特征在于所述控制模式邏輯電路包括一種其中對提供給熱反應(yīng)器的能量進行測量并根據(jù)所需能量對其進行控制的熱平衡控制模式邏輯電路。
20.如權(quán)利要求0所述的控制器單元，其特征在于控制模式邏輯電路包括一種熱平衡控制模式邏輯電路，其利用來自分布熱電偶的測量值并對e(-2/KT)取積分來相對于所需能量對提供給熱反應(yīng)器的能量進行控制，其中k為玻爾茲曼常數(shù)，而T為利用分布熱電偶所測得的溫度。
21.如權(quán)利要求0所述的控制器單元，其特征在于控制模式邏輯電路包括一種可根據(jù)預(yù)測出的晶片溫度受控地向加熱元件提供能量的動態(tài)控制模式邏輯電路，該動態(tài)控制模式邏輯電路包括有一種其中根據(jù)來自峰值和分布熱電偶的測量值對晶片溫度進行預(yù)測的在線晶片模型。
22.如權(quán)利要求0所述的控制器單元，其特征在于控制模式邏輯電路包括一種響應(yīng)由分布熱電偶所測得的溫度值對提供給加熱元件的能量進行控制的基本控制模式邏輯電路。
23.一種用于對包括有由電源供電的加熱元件，且具有分布熱電偶和峰值熱電偶的熱反應(yīng)器進行控制的方法，該方法包括利用來自分布熱電偶的測量值并對e(-2/KT)取積分來相對于所需能量對提供給熱反應(yīng)器的能量進行控制，其中k為玻爾茲曼常數(shù)，而T為利用分布熱電偶所測得的溫度。
24.一種用于對包括有由電源供電的加熱元件，且具有分布熱電偶和峰值熱電偶的熱反應(yīng)器進行控制的控制器單元，包括熱平衡控制器，用于利用來自分布熱電偶的測量值并對e(-2/KT)取積分來相對于所需能量對提供給熱反應(yīng)器的能量進行控制，其中k為玻爾茲曼常數(shù)，而T為利用分布熱電偶所測得的溫度。
25.一種用于對包括有由電源供電的加熱元件，并具有分布熱電偶以及峰值熱電偶的熱反應(yīng)器進行控制的方法，包括如下步驟對熱反應(yīng)器的熱動態(tài)特性進行建模；接收一個包含有所需溫度對時間關(guān)系的流程方案，該流程方案包含了所需控制模式對時間的關(guān)系；以及利用分布熱電偶以及峰值熱電偶，根據(jù)該流程方案從一種控制模式切換到另一種控制模式，并在不同的控制模式中對溫度進行不同的控制，這些控制模式由級聯(lián)在一起的控制器來定義。
26.如權(quán)利要求0所述的熱反應(yīng)器控制方法，熱反應(yīng)器中的溫度選擇性地跳升到工作溫度，其中各種控制模式能夠提供全時級聯(lián)控制，包括在溫度跳升后的級聯(lián)控制。
27.如權(quán)利要求0所述的熱反應(yīng)器控制方法，現(xiàn)有的控制模式之一是基本控制模式，其中峰值控制器響應(yīng)峰值熱電偶的測量值進行操作，而分布控制器則響應(yīng)分布熱電偶的測量值進行操作并對峰值控制器進行控制。
28.如權(quán)利要求0所述的熱反應(yīng)器控制方法，現(xiàn)有的控制模式之一是熱平衡模式，其中峰值控制器響應(yīng)峰值熱電偶的測量值進行操作，分布控制器響應(yīng)分布熱電偶的測量值進行操作并對峰值控制器進行控制，而Dt控制器則對提供給熱反應(yīng)器的能量進行測量并根據(jù)所需能量對提供給熱反應(yīng)器的能量進行控制，同時其還對分布控制器進行控制。
29.如權(quán)利要求0所述的熱反應(yīng)器控制方法，現(xiàn)有的控制模式之一是熱平衡模式，其中峰值控制器響應(yīng)峰值熱電偶的測量值進行操作，分布控制器響應(yīng)分布熱電偶的測量值進行操作并對峰值控制器進行控制，而Dt控制器則利用來自分布熱電偶的測量值并對e(-2/KT)取積分來相對于所需能量對提供給熱反應(yīng)器的能量進行控制，其中k為玻爾茲曼常數(shù)，而T為利用分布熱電偶所測得的溫度，Dt控制器還對分布控制器進行控制。
30.如權(quán)利要求0所述的熱反應(yīng)器控制方法，現(xiàn)有的控制模式之一是動態(tài)控制模式，其中峰值控制器響應(yīng)峰值熱電偶的測量值進行操作，分布控制器響應(yīng)分布熱電偶的測量值進行操作并對峰值控制器進行控制，而晶片控制器則響應(yīng)用于對晶片溫度進行預(yù)測的在線晶片溫度估計模型預(yù)測所得的晶片溫度進行操作，晶片控制器同時還對分布控制器進行控制。
31.一種用于對包括有由電源供電的加熱元件，且具有分布熱電偶和峰值熱電偶的熱反應(yīng)器進行控制的控制器單元，包括用于對晶片溫度進行預(yù)測的在線模型；以及用于響應(yīng)分布熱電偶，峰值熱電偶以及在線模型中的一個或多個對加熱元件進行控制的多個級連的可選擇控制模式邏輯電路。
32.如權(quán)利要求0所述的控制器單元，其特征在于所述控制模式邏輯電路包括一種基本控制模式邏輯電路，其中包含有響應(yīng)峰值熱電偶的測量值對提供給加熱元件的能量進行控制的峰值控制器，以及響應(yīng)分布熱電偶的測量值對峰值控制器進行控制的分布控制器。
33.如權(quán)利要求0所述的控制器單元，其特征在于所述控制模式邏輯電路包含有一種熱平衡控制模式邏輯電路，其對提供給熱反應(yīng)器的能量進行測量并根據(jù)所需能量對提供給熱反應(yīng)器的能量進行控制，該種熱平衡控制模式邏輯電路含有用于響應(yīng)峰值熱電偶的測量值對提供給加熱元件的能量進行控制的峰值控制器，以及響應(yīng)分布熱電偶的測量值對峰值控制器進行控制的分布控制器，以及對分布控制器進行控制的Dt控制器。
34.如權(quán)利要求0所述的控制器單元，其特征在于所述控制模式邏輯電路包括有一種熱平衡控制模式邏輯電路，其對提供給熱反應(yīng)器的能量進行測量并根據(jù)所需能量對提供給熱反應(yīng)器的能量進行控制，該種熱平衡控制模式邏輯電路包括有用于響應(yīng)峰值熱電偶的測量值對提供給加熱元件的能量進行控制的峰值控制器，以及響應(yīng)分布熱電偶的測量值對峰值控制器進行控制的分布控制器，以及對分布控制器進行控制的非線性控制器。
35.如權(quán)利要求0所述的控制器單元，其特征在于所述控制模式邏輯電路包括有一種熱平衡控制模式邏輯電路，其利用來自分布熱電偶的測量值并對e(-2/KT)取積分來對提供給熱反應(yīng)器的能量進行測量并根據(jù)所需能量對提供給熱反應(yīng)器的能量進行控制，其中k為玻爾茲曼常數(shù)，而T為利用分布熱電偶所測得的溫度，該種熱平衡控制模式邏輯電路包括有用于響應(yīng)峰值熱電偶的測量值對提供給加熱元件的能量進行控制的峰值控制器，以及響應(yīng)分布熱電偶的測量值對峰值控制器進行控制的分布控制器，以及對分布控制器進行控制的Dt控制器。
36.如權(quán)利要求0所述的控制器單元，其特征在于控制模式邏輯電路包括可根據(jù)預(yù)測所得的晶片溫度受控地向加熱元件提供能量的動態(tài)控制模式邏輯電路，該動態(tài)控制模式邏輯電路包括用于根據(jù)峰值熱電偶和分布熱電偶的測量值預(yù)測晶片溫度的在線晶片溫度模型。
37.如權(quán)利要求0所述的控制器單元，其特征在于所述控制模式邏輯電路包括有一種可根據(jù)預(yù)測所得的晶片溫度受控地向加熱元件提供能量的動態(tài)控制模式邏輯電路，該動態(tài)控制模式邏輯電路包括用于根據(jù)來自峰值熱電偶和分布熱電偶的測量值預(yù)測晶片溫度的在線晶片溫度模型，該動態(tài)控制模式邏輯電路包含有響應(yīng)峰值熱電偶的測量值對提供給加熱元件的能量進行控制的峰值控制器，響應(yīng)分布熱電偶的測量值對峰值控制器進行控制的分布控制器，以及響應(yīng)在線晶片溫度模型對分布控制器進行控制的晶片控制器。
38.一種用于對包括有由電源供電的加熱元件，并具有分布熱電偶和峰值熱電偶的熱反應(yīng)器進行控制的控制器單元，包括用于根據(jù)峰值熱電偶和分布熱電偶的測量值預(yù)測晶片溫度的在線模型；以及多個可選擇控制模式邏輯電路，其中包括具有用于響應(yīng)峰值熱電偶的測量值對提供給加熱元件的能量進行控制的峰值控制器，和用于響應(yīng)分布熱電偶的測量值對峰值控制器進行控制的分布控制器的基本控制模式邏輯電路；對提供給熱反應(yīng)器的能量進行測量并根據(jù)所需能量對提供給熱反應(yīng)器的能量進行控制的熱平衡控制模式邏輯電路，該熱平衡控制模式邏輯電路采用峰值控制器和分布控制器，該熱平衡控制模式邏輯電路還包括對分布控制器進行控制的Dt控制器；以及根據(jù)預(yù)測所得的晶片溫度對提供給熱反應(yīng)器的能量進行控制的動態(tài)控制模式邏輯電路，動態(tài)控制模式邏輯電路采用峰值控制器和分布控制器，以及在線模型，該動態(tài)控制模式邏輯電路還包括與該在線模型相連并對分布控制器進行控制的晶片控制器。
39.如權(quán)利要求0所述的控制器單元，其特征在于所述控制器均是分別由離線模型推導(dǎo)得到的。
全文摘要
用于對包括有由電源供電的加熱元件(30)并具有分布熱電偶(42)和峰值熱電偶(36)的熱反應(yīng)器和其它半導(dǎo)體熱處理器進行控制的控制器及其相關(guān)方法。一種優(yōu)選方法包括如下步驟:對熱反應(yīng)器(12)的熱動態(tài)特性進行建模,建模步驟包括將裝配有熱電偶的晶片(26)提供到熱反應(yīng)器中,利用激勵序列控制加熱元件(30)來對熱反應(yīng)器進行熱擾動,以及根據(jù)由熱擾動所造成的溫度變化推導(dǎo)模型。所述模型均是以離線方式推導(dǎo)出的,并可以包括一個或多個模型,如能量對峰值熱電偶讀數(shù)的模型,峰值熱電偶讀數(shù)對分布熱電偶讀數(shù)的模型以及分布熱電偶讀數(shù)對裝配有熱電偶的晶片讀數(shù)的模型。另外還可利用所測得的分布和峰值溫度推導(dǎo)出在線模型并在對輸入到熱處理器各區(qū)域的能量進行控制的操作中使用該在線模型?？梢詫⑦@些模型級聯(lián)在一起或選擇性地激勵所述模型以實現(xiàn)不同的控制方式。
文檔編號H01L21/00GK1250587SQ98803362
公開日2000年4月12日 申請日期1998年1月27日 優(yōu)先權(quán)日1997年1月27日
發(fā)明者凱文·斯托達德, 讓·伯努瓦·于格, 康斯坦丁諾斯·察卡利斯 申請人:塞米圖爾公司