專利名稱：立式爐冷卻控制系統(tǒng)及方法
技術領域：
本發(fā)明涉及半導體熱反應工藝設備溫度控制技術領域，尤其涉及一種立式爐冷卻控制系統(tǒng)及方法。
背景技術：
硅片是一種重要的半導體材料，它的加工工藝，特別是熱反應工藝是一種對溫度控制方法要求非常高的工藝。硅片在反應過程中通常會經(jīng)歷升溫、工藝處理和降溫三個階段，過去在工藝質(zhì)量要求不高或產(chǎn)能不大的情況多采用切斷加熱器對工藝完成的硅片進行自然降溫的方法。但是，隨著半導體生產(chǎn)線自動化程度和工藝性能要求的提高，必然要求在降溫階段對設備的降溫速率進行準確控制。

發(fā)明內(nèi)容
(一)要解決的技術問題本發(fā)明要解決的技術問題是提供一種針對性強、控制精度高且適用范圍廣的立式爐冷卻控制系統(tǒng)及方法。( 二 )技術方案為解決上述問題，本發(fā)明提供了一種立式爐冷卻控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括感溫模塊，用于感測立式爐反應室上測溫點的溫度，并將感測到的溫度電壓信號發(fā)送至信號處理模塊；信號處理模塊，與所述感溫模塊相連，用于將所述溫度電壓信號轉(zhuǎn)換為溫度數(shù)據(jù)，并進行冷端溫度補償，將補償后的溫度數(shù)據(jù)發(fā)送至控制模塊；控制模塊，與所述信號處理模塊相連，用于根據(jù)所述補償后的溫度數(shù)據(jù)以及當前時刻或控制周期的目標溫度，生成冷卻控制命令，并將所述冷卻控制命令發(fā)送至冷卻模塊；冷卻模塊，與所述控制模塊相連，用于根據(jù)所述冷卻控制命令控制風機形成冷卻降溫循環(huán)氣流，使反應室按照設定的降溫速率降溫，并將風機狀態(tài)信息實時反饋至所述控制模塊。其中，所述冷卻模塊進一步包括進風單元，用于根據(jù)所述冷卻控制命令控制進風管道的開閉、進風風機的啟停、以及進風風機的轉(zhuǎn)速；通風管道，與所述進風單元相連，環(huán)繞于立式爐反應室外，用于利用冷卻降溫循環(huán)氣流與反應室進行熱交換，使反應室按照設定的降溫速率降溫；出風單元，與所述通風管道相連，用于根據(jù)所述冷卻控制命令控制出風管道的開閉，將所述通風管道換熱后的氣流抽出，并將其傳送至熱交換器；熱交換器，連接于所述進風單元與所述出風單元之間，用于將所述出風單元傳送的氣流利用外部冷卻水進行降溫，并將降溫后的氣流傳送至所述進風單元。其中，所述控制模塊進一步包括存儲模塊，用于記錄所述控制模塊的輸入輸出命令；檢測模塊，用于檢測熱交換器外部冷卻水溫度及流量，以及風機工作狀態(tài)，若檢測值不在設定的范圍內(nèi)，則向所述冷卻模塊發(fā)送報警信息，停止所述冷卻模塊工作；顯示模塊，與所述冷卻模塊相連，用于顯示冷卻模塊的工作狀態(tài)以及報警信息。本發(fā)明還提供了一種基于上述立式爐冷卻控制系統(tǒng)的立式爐冷卻控制方法，該方法包括步驟Si.感溫模塊感測立式爐上測溫點的溫度，并實時將感測到的溫度電壓信號發(fā)送至信號處理模塊；S2.信號處理模塊將所述溫度電壓信號轉(zhuǎn)換為溫度數(shù)據(jù)，并進行冷端溫度補償，將補償后的溫度數(shù)據(jù)發(fā)送至控制模塊；S3.控制模塊根據(jù)所述補償后的溫度數(shù)據(jù)以及當前時刻或控制周期的目標溫度， 采用比例積分微分PID算法生成冷卻控制命令，并將所述冷卻控制命令發(fā)送至冷卻模塊；S4.冷卻模塊根據(jù)所述冷卻控制命令形成冷卻降溫循環(huán)氣流，使反應室按照設定的降溫速率降溫，并將風機狀態(tài)信息實時反饋至所述控制模塊。其中，步驟S3進一步包括S3. 1所述控制模塊根據(jù)所述補償后的溫度數(shù)據(jù)以及當前時刻或控制周期的目標溫度，計算所述目標溫度所需的換熱量；S3. 2根據(jù)所述換熱量以及通風管道大小，采用比例積分微分PID算法生成包括風機轉(zhuǎn)速的冷卻控制命令；S3. 3所述控制模塊將所述冷卻控制命令發(fā)送至冷卻模塊。其中，步驟S3. 2中按照下式計算風機轉(zhuǎn)速Speed
NSpeed - KSpeedpeN + KSpeed1 ^ ef + KSpeedDeN
i=l其中，ei= Tsetpointw-Ti (i = 1,2,…，N)，Ti 為測溫點的溫度，Tsetpointω 為 i 時刻或第i個控制周期的目標溫度，KSpeedp為進風風機轉(zhuǎn)速控制比例系數(shù)，KSpeed1為進風風機轉(zhuǎn)速控制積分系數(shù)，KSpeedD為進風風機轉(zhuǎn)速控制微分系數(shù)。其中，步驟S4進一步包括S4. 1冷卻模塊的出風單元根據(jù)所述冷卻控制命令，打開出風管道，將通風管道內(nèi)的氣體抽出；S4. 2冷卻模塊的進風單元根據(jù)所述冷卻控制命令，打開進風管道，設定進風風機轉(zhuǎn)速，啟動進風風機，向通風管道輸送冷卻氣流；S4. 3若冷卻模塊收到結(jié)束命令，則先停止進風單元工作，再停止出風單元工作，最后停止熱交換器工作，否則，繼續(xù)執(zhí)行步驟S4. 1。其中，該方法在步驟S1-S4執(zhí)行的過程中，還進行步驟檢測熱交換器外部冷卻水溫度及流量，若檢測值不在設定的正常范圍內(nèi)，則向冷卻模塊發(fā)送報警信息，停止所述冷卻模塊工作；以及檢測風機的工作狀態(tài)，若檢測值不在設定的正常范圍內(nèi)，則向冷卻模塊發(fā)送報警信息，停止所述冷卻模塊工作。(三)有益效果本發(fā)明的系統(tǒng)及方法擴展性強，可根據(jù)工藝要求設定并控制立式爐反應室的降溫速率以滿足工藝質(zhì)量要，同時應用于常規(guī)工藝以提高設備產(chǎn)能。該系統(tǒng)控制精度高，可靠性和穩(wěn)定性好，原理簡單，操作維護方便的優(yōu)點。該方法在全面考慮冷卻換熱子系統(tǒng)各個模塊的安全保護設置，功能清晰，可作為配置模塊，應用于半導體加熱設備的冷卻。


圖1為依照本發(fā)明一種實施方式的立式爐冷卻控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖；圖2為依照本發(fā)明一種實施方式的立式爐冷卻控制系統(tǒng)中冷卻模塊的結(jié)構(gòu)框圖；圖3(a)-圖3(c)分別為立式爐反應室在自然冷卻時的溫度示意圖、冷卻風機 100 %工作時的溫度示意圖、以及按指定降溫速率進行冷卻控制的溫度示意圖；圖4為依照本發(fā)明一種實施方式的立式爐冷卻控制方法的流程圖。
具體實施例方式本發(fā)明提出的立式爐冷卻控制系統(tǒng)及方法，結(jié)合附圖及實施例詳細說明如下。依照本發(fā)明一種實施方式的立式爐冷卻控制系統(tǒng)包括感溫模塊10，用于感測立式爐反應室上測溫點的溫度，并將感測到的溫度電壓信號發(fā)送至信號處理模塊20，感溫模塊10優(yōu)選為熱電偶。信號處理模塊30，與感溫模塊10相連，用于根據(jù)熱電偶類型，對照熱電偶標準數(shù)據(jù)表進行計算，將溫度電壓信號轉(zhuǎn)換為溫度數(shù)據(jù)，并進行冷端溫度補償，將補償后的溫度數(shù)據(jù)發(fā)送至控制模塊30?？刂颇K30，與信號處理模塊20相連，用于根據(jù)補償后的溫度數(shù)據(jù)以及當前時刻或控制周期的目標溫度(工藝要求的溫度)，計算當前降溫所需要的換熱量，采用比例微分積分PID算法生成包括風機轉(zhuǎn)速的冷卻控制命令，并將冷卻控制命令發(fā)送至冷卻模塊40。冷卻模塊40，與控制模塊相連，用于根據(jù)冷卻控制命令控制風機轉(zhuǎn)速，形成冷卻降溫循環(huán)氣流，使反應室按照設定的降溫速率降溫，并將風機狀態(tài)信息實時反饋至所述控制模塊。如圖2所示，冷卻模塊40進一步包括進風單元41，用于根據(jù)冷卻控制命令控制進風管道的開閉、進風風機的啟停、以及進風風機的轉(zhuǎn)速；通風管道42，與進風單元41相連，環(huán)繞于立式爐反應室外，用于利用冷卻降溫循環(huán)氣流與反應室進行熱交換，使反應室按照設定的降溫速率降溫；出風單元43，與所述通風管道42相連，用于根據(jù)冷卻控制命令控制出風管道的開閉，將通風管道換熱后的氣流抽出，并將其傳送至熱交換器44，本實施方式中，出風風機轉(zhuǎn)速恒定；熱交換器44，連接于進風單元41與出風單元43之間，用于將出風單元43傳送的氣流利用外部冷卻水進行降溫，并將降溫后的氣流傳送至進風單元41?？刂颇K30進一步包括存儲模塊，具有通訊功能和日志功能，能夠自動記錄48小時內(nèi)的各種輸入輸出命令，以備查詢；檢測模塊，用于檢測熱交換器44外部冷卻水溫度及流量，以及風機工作狀態(tài)，若檢測值不在設定的范圍內(nèi)，則向冷卻模塊40發(fā)送報警信息，停止冷卻模塊40工作；顯示模塊，與冷卻模塊40相連，用于顯示冷卻模塊40的工作狀態(tài)以及報警信息。通常，由于立式爐在結(jié)構(gòu)、制造、密封、保溫層等因素的影響下，使其從上至下各部分的降溫速率不一致，最上端和最下端的降溫速率會大于中間部分的降溫速率，從而使位于反應室上端和下端的硅片的降溫速率大于位于反應室中間部分的降溫速率。在特定高端工藝下，要求反應室在降溫的全過程中按照指定降溫速率降溫，以保證硅片在降溫過程中的熱學特性保持一致，以此使批量生產(chǎn)的硅片工藝獲取相同的工藝結(jié)果。如圖4所示，依照本發(fā)明一種實施方式的立式爐冷卻控制方法，包括步驟Si.感溫模塊感測立式爐上測溫點的溫度，并實時將感測到的溫度電壓信號發(fā)送至信號處理模塊；S2.信號處理模塊將溫度電壓信號轉(zhuǎn)換為溫度數(shù)據(jù)，并進行冷端溫度補償，將補償后的溫度數(shù)據(jù)發(fā)送至控制模塊；S3.控制模塊根據(jù)所述補償后的溫度數(shù)據(jù)以及當前時刻或控制周期的目標溫度， 采用比例積分微分PID算法生成冷卻控制命令，并將所述冷卻控制命令發(fā)送至冷卻模塊；S4.冷卻模塊根據(jù)所述冷卻控制命令形成冷卻降溫循環(huán)氣流，使反應室按照設定的降溫速率降溫，并將風機狀態(tài)信息實時反饋至所述控制模塊。冷卻氣流經(jīng)圍繞立式爐反應室的通風管道使反應室按工藝設定降溫速率降溫。步驟Sl之前還包括步驟系統(tǒng)上電，控制模塊接收工藝降溫命令，啟動整個冷卻控制系統(tǒng)，向冷卻模塊發(fā)送初始化命令和自檢命令；冷卻模塊初始化，啟動熱交換器。通常，由于工藝質(zhì)量要求，工藝降溫過程中，立式爐反應室的冷卻處于以下三種狀態(tài)中的一種(1)、自然冷卻降溫，如圖3(a)所示；(2)、冷卻風機100%工作降溫，如圖3 (b)所示；(3)、在(1)、(2)之外，按指定降溫速率降溫，如圖3(c)所示?？刂颇K3工作在( 時，生成包括進風風機轉(zhuǎn)速的冷卻控制命令，并將冷卻控制命令發(fā)送至冷卻模塊。計算風機轉(zhuǎn)速Speed的公式為
權利要求
1.一種立式爐冷卻控制系統(tǒng)，其特征在于，該系統(tǒng)包括感溫模塊，用于感測立式爐反應室上測溫點的溫度，并將感測到的溫度電壓信號發(fā)送至信號處理模塊；信號處理模塊，與所述感溫模塊相連，用于將所述溫度電壓信號轉(zhuǎn)換為溫度數(shù)據(jù)，并進行冷端溫度補償，將補償后的溫度數(shù)據(jù)發(fā)送至控制模塊；控制模塊，與所述信號處理模塊相連，用于根據(jù)所述補償后的溫度數(shù)據(jù)以及當前時刻或控制周期的目標溫度，生成冷卻控制命令，并將所述冷卻控制命令發(fā)送至冷卻模塊；冷卻模塊，與所述控制模塊相連，用于根據(jù)所述冷卻控制命令控制風機形成冷卻降溫循環(huán)氣流，使反應室按照設定的降溫速率降溫，并將風機狀態(tài)信息實時反饋至所述控制模塊。
2.如權利要求1所述的立式爐冷卻控制系統(tǒng)，其特征在于，所述冷卻模塊進一步包括 進風單元，用于根據(jù)所述冷卻控制命令控制進風管道的開閉、進風風機的啟停、以及進風風機的轉(zhuǎn)速；通風管道，與所述進風單元相連，環(huán)繞于立式爐反應室外，用于利用冷卻降溫循環(huán)氣流與反應室進行熱交換，使反應室按照設定的降溫速率降溫；出風單元，與所述通風管道相連，用于根據(jù)所述冷卻控制命令控制出風管道的開閉，將所述通風管道換熱后的氣流抽出，并將其傳送至熱交換器；熱交換器，連接于所述進風單元與所述出風單元之間，用于將所述出風單元傳送的氣流利用外部冷卻水進行降溫，并將降溫后的氣流傳送至所述進風單元。
3.如權利要求2所述的立式爐冷卻控制系統(tǒng)，其特征在于，所述控制模塊進一步包括 存儲模塊，用于記錄所述控制模塊的輸入輸出命令；檢測模塊，用于檢測熱交換器外部冷卻水溫度及流量，以及風機工作狀態(tài)，若檢測值不在設定的范圍內(nèi)，則向所述冷卻模塊發(fā)送報警信息，停止所述冷卻模塊工作；顯示模塊，與所述冷卻模塊相連，用于顯示冷卻模塊的工作狀態(tài)以及報警信息。
4.一種基于權利要求1-3任一項所述的立式爐冷卻控制系統(tǒng)的立式爐冷卻控制方法， 其特征在于，該方法包括步驟51.感溫模塊感測立式爐上測溫點的溫度，并實時將感測到的溫度電壓信號發(fā)送至信號處理模塊；52.信號處理模塊將所述溫度電壓信號轉(zhuǎn)換為溫度數(shù)據(jù)，并進行冷端溫度補償，將補償后的溫度數(shù)據(jù)發(fā)送至控制模塊；53.控制模塊根據(jù)所述補償后的溫度數(shù)據(jù)以及當前時刻或控制周期的目標溫度，采用比例積分微分PID算法生成冷卻控制命令，并將所述冷卻控制命令發(fā)送至冷卻模塊；54.冷卻模塊根據(jù)所述冷卻控制命令形成冷卻降溫循環(huán)氣流，使反應室按照設定的降溫速率降溫，并將風機狀態(tài)信息實時反饋至所述控制模塊。
5.如權利要求4所述的立式爐冷卻控制方法，其特征在于，步驟S3進一步包括S3. 1所述控制模塊根據(jù)所述補償后的溫度數(shù)據(jù)以及當前時刻或控制周期的目標溫度， 計算所述目標溫度所需的換熱量；S3. 2根據(jù)所述換熱量以及通風管道大小，采用比例積分微分PID算法生成包括風機轉(zhuǎn)速的冷卻控制命令；S3.3所述控制模塊將所述冷卻控制命令發(fā)送至冷卻模塊。
6.如權利要求5所述的立式爐冷卻控制方法，其特征在于，步驟S3.2中按照下式計算風機轉(zhuǎn)速Speed NSpeed - KSpeedpeN + KSpeed1 ^ ef + KSpeedDeNi=\其中，h = Tsetpointj-Ti (i = 1,2,…，N) ,Ti為測溫點的溫度，TSetP。int(i)為i時刻或第i 個控制周期的目標溫度，KSpeedp為進風風機轉(zhuǎn)速控制比例系數(shù)，KSpeed1為進風風機轉(zhuǎn)速控制積分系數(shù)，KSpeedD為進風風機轉(zhuǎn)速控制微分系數(shù)。
7.如權利要求4所述的立式爐冷卻控制方法，其特征在于，步驟S4進一步包括S4.1冷卻模塊的出風單元根據(jù)所述冷卻控制命令，打開出風管道，將通風管道內(nèi)的氣體抽出；S4. 2冷卻模塊的進風單元根據(jù)所述冷卻控制命令，打開進風管道，設定進風風機轉(zhuǎn)速， 啟動進風風機，向通風管道輸送冷卻氣流；S4. 3若冷卻模塊收到結(jié)束命令，則先停止進風單元工作，再停止出風單元工作，最后停止熱交換器工作，否則，繼續(xù)執(zhí)行步驟S4. 1。
8.如權利要求4所述的立式爐冷卻控制方法，其特征在于，該方法在步驟S1-S4執(zhí)行的過程中，還進行步驟檢測熱交換器外部冷卻水溫度及流量，若檢測值不在設定的正常范圍內(nèi)，則向冷卻模塊發(fā)送報警信息，停止所述冷卻模塊工作；以及檢測風機的工作狀態(tài)，若檢測值不在設定的正常范圍內(nèi)，則向冷卻模塊發(fā)送報警信息， 停止所述冷卻模塊工作。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種立式爐冷卻控制系統(tǒng)及方法，涉及半導體熱反應工藝設備溫度控制技術領域。該系統(tǒng)包括感溫模塊，用于感測立式爐反應室上測溫點的溫度，并將感測到的溫度電壓信號發(fā)送至信號處理模塊；信號處理模塊，將溫度電壓信號轉(zhuǎn)換為溫度數(shù)據(jù)，并進行冷端溫度補償，將補償后的溫度數(shù)據(jù)發(fā)送至控制模塊；控制模塊，根據(jù)補償后的溫度數(shù)據(jù)以及當前時刻或控制周期的目標溫度，生成冷卻控制命令，并將冷卻控制命令發(fā)送至冷卻模塊；冷卻模塊，根據(jù)冷卻控制命令控制風機形成冷卻降溫循環(huán)氣流，使反應室按照設定的降溫速率降溫，并將風機狀態(tài)信息實時反饋至所述控制模塊。本發(fā)明的系統(tǒng)及方法針對性強、控制精度高且適用范圍廣。
文檔編號F27B1/28GK102230727SQ20111014597
公開日2011年11月2日 申請日期2011年6月1日 優(yōu)先權日2011年6月1日
發(fā)明者徐冬, 王艾, 田博, 董金衛(wèi), 趙燕平 申請人:北京七星華創(chuàng)電子股份有限公司