專利名稱：溫度控制系統(tǒng)及金屬有機化學(xué)氣相沉淀設(shè)備及半導(dǎo)體薄膜沉積設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及半導(dǎo)體技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種金屬有機化學(xué)氣相沉淀(MOCVD)設(shè)備和半導(dǎo)體薄膜沉積設(shè)備，及應(yīng)用于該MOCVD設(shè)備和半導(dǎo)體薄膜沉積設(shè)備的溫度控制系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
半導(dǎo)體設(shè)備中加熱系統(tǒng)通常具有慣性大、反應(yīng)慢、延時、升溫單向性等特點，同時還存在著復(fù)雜的熱傳導(dǎo)、熱輻射、熱對流等傳熱現(xiàn)象，實現(xiàn)精密溫度控制很困難。對于某些應(yīng)用場合，當(dāng)加熱面積或體積較大時，由于不同區(qū)域熱損耗的不同，采用單個加熱器很難實現(xiàn)溫度的均勻性。因此，有必要將加熱器分解為若干單元，每個單元只加熱一小塊區(qū)域。同時還需要為每一塊區(qū)域配置測溫傳感器(即測溫單元)，以檢測不同加熱區(qū)域溫度的均勻性。這樣就產(chǎn)生了多個加熱單元、多個測溫單元之間的控制問題。加熱單元和測溫單元在設(shè)計上考慮因素不同，會導(dǎo)致加熱單元和測溫單元在空間位置上的不對應(yīng)，同一測溫單元測量的區(qū)域會受多個加熱單元影響，其測得的溫度數(shù)據(jù)往往是多個加熱單元共同作用的結(jié)果，從而增加了溫度控制的復(fù)雜度。另外，實際的加熱系統(tǒng)總是存在著熱傳導(dǎo)、熱輻射、熱對流等多種形式的熱損失，如果這些熱損失僅由控制模塊來進行補償，會增加控制模塊調(diào)節(jié)時間，增大控制誤差。金屬有機化學(xué)氣相沉淀(MOCVD)設(shè)備用于在外延片襯底上，例如藍寶石襯底或硅襯底上生長外延層薄膜，對溫度的精確性和均勻性要求非常高。中國專利申請(申請?zhí)?01010263355.1)公開了一種用于MOCVD設(shè)備中控制外延片溫度及均勻性的裝置。該裝置用若干個非接觸光學(xué)溫度計來測量多個環(huán)狀區(qū)域的外延片溫度，同時由多個環(huán)狀排列、徑向覆蓋面積較小的加熱元件來加熱外延片，并采用溫度控制模塊來實現(xiàn)外延片的溫度及均勻性的控制。該方案通過獨立控制各個加熱元件的功率，提高了外延片襯底的溫度均勻性，但是其缺點在于，沒有考慮到實際加熱過程中的熱量損失，從而影響了溫度控制的精度。

實用新型內(nèi)容本實用新型的目的在于提供一種溫度控制系統(tǒng)、MOCVD設(shè)備，以及半導(dǎo)體薄膜沉積設(shè)備，以提高溫度控制精度。為實現(xiàn)上述目的，本實用新型的一個實施例提供一種溫度控制系統(tǒng)，該溫度控制系統(tǒng)包含功率值計算單元、功率值補償單元、與功率值計算單元和功率值補償單元分別相連接的功率值相加單元、以及和功率值相加單元相連接的功率輸出單元；其中功率值計算單元和若干測溫傳感器相連，所述若干測溫傳感器用于測量半導(dǎo)體薄膜沉積設(shè)備中各個加熱區(qū)域的溫度值；功率輸出單元和加熱器相連，加熱器包含多個加熱單元；功率值計算單元，用于根據(jù)所述若干測溫傳感器測得的溫度值，計算加熱器中各加熱單元的加熱單元功率值，該加熱單元功率值以加熱過程中熱量損失為零的情況下獲得;功率值補償單元，用于計算各加熱單元的補償功率值，該補償功率值用于調(diào)整各加熱單元的加熱單元功率值以補償加熱過程中的熱量損失；功率值相加單元，分別連接功率值計算單元和功率值補償單元，用于將功率值計算單元輸出的加熱單元功率值和各個功率值補償單元輸出的補償功率值對應(yīng)相加，得到各加熱單元的實際功率值；功率輸出單元,用于根據(jù)實際功率值向各加熱單元輸出對應(yīng)功率?？蛇x地，上述的功率值補償單元可以是多個，每個功率值補償單元包含第一功率值補償單元和第二功率值補償單元中的至少一個；其中，第一功率值補償單元和功率值相加單元相連接，用于計算對應(yīng)加熱區(qū)域的加熱區(qū)域熱損失功率值，作為對應(yīng)加熱單元的補償功率值輸出至功率值相加單元；第二功率值補償單元和功率值相加單元相連接，用于計算對應(yīng)加熱單元的加熱單元熱損失功率值，作為對應(yīng)加熱單元的補償功率值輸出至功率值相加單元?？蛇x地，上述的功率值計算單元包含有至少兩個功率值計算模塊，每個功率值計算模塊對應(yīng)于一個不同的加熱區(qū)域及用于測量該加熱區(qū)域溫度值的測溫傳感器，且每個功率值計算模塊對應(yīng)于一個不同的加熱單元；每個功率值計算模塊包含溫度計算模塊，和溫度計算模塊及測溫傳感器分別相連接的比較模塊，以及和比較模塊相連接的控制模塊；溫度計算模塊，用于根據(jù)設(shè)定溫度值和調(diào)整時間，計算出中對應(yīng)加熱區(qū)域從當(dāng)前溫度值到設(shè)定溫度值分步調(diào)整所需的若干個溫度設(shè)定值；比較模塊，用于根據(jù) 每步調(diào)整中測溫傳感器測量的加熱區(qū)域溫度值和溫度計算模塊計算出的溫度設(shè)定值，得到溫度差值；控制模塊，用于將比較模塊輸出的溫度差值轉(zhuǎn)換為控制模塊輸出功率值并輸出。上述的功率值計算模塊還包含和溫度計算單元相連接的前饋模塊，以及和前饋模塊、控制模塊分別相相連的相加模塊；其中溫度計算模塊還用于計算分步調(diào)整中每步調(diào)整的溫度斜率；前饋模塊，用于接收溫度計算模塊計算出的分步調(diào)整所需的多個溫度值和每步調(diào)整的溫度斜率，計算出溫度每步調(diào)整所需的功率增量值，以及每步調(diào)整中與溫度相關(guān)的熱損失功率值，相加得到前饋模塊輸出功率值并輸出；相加模塊，用于將前饋模塊輸出的前饋模塊輸出功率值和控制模塊輸出的控制模塊輸出功率值進行相加，得出對應(yīng)加熱單元的加熱單元功率值?？蛇x地，上述的功率輸出單元還連接有至少一個測量加熱單元溫度熱電偶溫度計，上述功率輸出單元包含至少兩個功率輸出模塊，功率輸出模塊與加熱單元--對應(yīng)；每個功率輸出模塊包含信號轉(zhuǎn)換單元，用于根據(jù)熱電偶溫度計測量的加熱單元溫度計算出對應(yīng)加熱單元的電阻，并根據(jù)對應(yīng)加熱單元的電阻和各加熱單元對應(yīng)的實際功率值計算出加熱單元電流值；加熱器電源，用于接收信號轉(zhuǎn)換單元輸出的加熱單元電流值，調(diào)整對應(yīng)加熱單元的電流大小。[0025]可選地,上述的功率輸出單元包含至少兩個功率輸出模塊,上述功率輸出模塊與加熱單兀 對應(yīng)，每個功率輸出模塊對應(yīng)于一個不同的功率值計算模塊；每個功率輸出模塊包含信號轉(zhuǎn)換單元，用于根據(jù)溫度計算模塊計算出的上一步調(diào)整后的溫度計算對應(yīng)加熱單元的電阻，并根據(jù)對應(yīng)加熱單元的電阻和功率值轉(zhuǎn)換單元輸出的各加熱單元對應(yīng)的加熱單元功率值計算出加熱單元電流值；加熱器電源，用于接收信號轉(zhuǎn)換單元輸出的加熱單元電流值，調(diào)整對應(yīng)加熱單元的電流大小。本實用新型的另一個實施例還提供一種包含上述實施例中溫度控制系統(tǒng)的半導(dǎo)體薄膜沉積設(shè)備。本實用新型的又一個實施例還提供一種金屬有機化學(xué)氣相沉淀設(shè)備，該設(shè)備包含外延反應(yīng)腔、托盤、加熱器、測溫傳感器以及溫度控制系統(tǒng)；托盤位于外延反應(yīng)腔中，托盤上設(shè)有多個用于放置外延片的外延片區(qū)；加熱器位于托盤下方，加熱器包含多個加熱單元，用于對托盤上的外延片區(qū)進行加熱；測溫傳感器和溫度控制系統(tǒng)相連接，測溫傳感器用于測量各個外延片區(qū)的溫度值，溫度控制系統(tǒng)用于根據(jù)測溫傳感器測得的溫度計算在加熱過程中熱量損失為零的情況下加熱單元功率值，并進行功率補償，得到各加熱單元的實際功率值，以及向各個加熱單元輸出對應(yīng)的功率；各個加熱單元分別和溫度控制系統(tǒng)相連接，用于根據(jù)溫度控制系統(tǒng)輸出的功率對外延片區(qū)加熱。可選地，溫度控制系統(tǒng)可以采用上一個實施例提供的各種方案?？蛇x地，金屬有機化學(xué)氣相沉淀設(shè)備還包含熱電偶溫度計，熱電偶溫度計和溫度控制系統(tǒng)相連接，用于測量加熱器的溫度，并將測得的溫度值傳送給溫度控制系統(tǒng)相連接以計算各個加熱單元的電流大小。本實用新型提供的溫度控制系統(tǒng)，可用于控制對象多的場合，基于功率計算來對熱損失進行補償，提高了系統(tǒng)控制精度。此外，本實用新型提供的MOCVD設(shè)備由于對加熱單元進行熱補償，溫度控制精度相應(yīng)提高，能夠改善托盤上外延片之間的溫度均勻性，進而提高外延片的生產(chǎn)良率。

圖1為本實用新型一個實施例中溫度控制系統(tǒng)應(yīng)用于金屬有機化學(xué)氣相沉淀設(shè)備上的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為本實用新型一個實施例中溫度控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖；圖3為圖2中功率值計算單元52的一種結(jié)構(gòu)示意圖；圖4為圖2中功率值計算單兀52的另一種結(jié)構(gòu)不意圖；圖5為圖2中功率輸出單元56的一種結(jié)構(gòu)示意圖；圖6為圖2中功率輸出單元56的另一種結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實施方式

以下結(jié)合附圖，進一步說明本實用新型的具體實施例。如圖1所示，本實用新型一個實施例公開了的一種溫度控制系統(tǒng)用于金屬有機化學(xué)氣相沉淀(MOCVD)設(shè)備中結(jié)構(gòu)示意圖。MOCVD設(shè)備包含有托盤101 (例如石墨托盤101)和旋轉(zhuǎn)軸102，石墨托盤101可繞旋轉(zhuǎn)軸102作旋轉(zhuǎn)運動。石墨托盤101上表面開設(shè)有若干凹陷的晶片槽103，該晶片槽103用于放置外延片，本實施例中對外延片的類型和大小不做限定。本實施例中，晶片槽103按照四個不同的半徑作同心圓排列，從石墨托盤101中心到其邊沿，圍繞石墨托盤101中心一共排列有四圈，每圈作為一個環(huán)狀外延片區(qū)，從內(nèi)到外依次為第一外延片區(qū)104A、第二外延片區(qū)104B、第三外延片區(qū)104C、第四外延片區(qū)104D，形成四個環(huán)狀外延片區(qū)。第一外延片201a置于第一外延片區(qū)104A內(nèi)，第二外延片201b置于第二外延片區(qū)104B內(nèi)，第三外延片201c置于第三外延片區(qū)104C內(nèi)，第四外延片201d置于第四外延片區(qū)104D內(nèi)，具體地，上述的外延片分別放置于各環(huán)狀外延片區(qū)的晶片槽103內(nèi)。石墨托盤101的正下方安裝有加熱器,加熱器用于加熱石墨托盤101,尤其是用于四個環(huán)狀外延片區(qū)的加熱，該四個環(huán)狀外延片區(qū)即為加熱區(qū)域。本實施例中每個環(huán)狀外延片區(qū)為一個加熱區(qū)域。需要指出的是，對某個加熱區(qū)域來說，可以不放置外延片，甚至不設(shè)置晶片槽。在一個可選實施例中，加熱器包含四個獨立的加熱單元第一加熱單元401a、第二加熱單元401b、第三加熱單元401c和第四加熱單元401d。上述的第一加熱單元401a、第二加熱單元401b、第三加熱單元401c和第四加熱單元401d呈環(huán)狀，該四個加熱單元排列成同心圓形狀，從托盤旋轉(zhuǎn)軸102向外，依次為第一加熱單元401a、第二加熱單元401b、第三加熱單元401c、第四加熱單元401d。該四個加熱單元的面積根據(jù)需要可以設(shè)置為不同的面積大小，加熱范圍主要是各自正上方的石墨托盤101區(qū)域。同一個外延片區(qū)可能受到多個加熱單元的影響，例如，第一外延片區(qū)104A其熱量來源主要是第一加熱單元401a和第二加熱單元40 Ib。為方便表達，本實施例中，根據(jù)加熱單元和外延片區(qū)的大致位置關(guān)系，假定外延片區(qū)和加熱單兀存在對應(yīng)關(guān)系，例如圖1中第一外延片區(qū)104A對應(yīng)于第一加熱單兀401a、第二外延片區(qū)104B對應(yīng)于第一加熱單元401b、第三外延片區(qū)104C對應(yīng)于第一加熱單元401c、第四外延片區(qū)104D對應(yīng)于第一加熱單元401d;不難明白，根據(jù)大致位置關(guān)系，若托盤上設(shè)置兩個外延片區(qū)，而加熱單元設(shè)置有四個，則位置較為靠近托盤中心的外延片區(qū)對應(yīng)較為靠近托盤中心的兩個加熱單元，而位置較為遠離托盤中心的外延片區(qū)對應(yīng)較為遠離托盤中心的兩個加熱單元。進一步地，本實施例中，在第三加熱單元401c位置下方安裝有一個熱電偶溫度計601，熱電偶溫度計601可以和加熱器相接觸，用來測量加熱器的溫度，作為加熱器工作狀態(tài)的監(jiān)測點及外延片溫度控制的參照點。在實際應(yīng)用中，熱電偶溫度計601可以是一個或者多個，例如為多個加熱單元設(shè)置一個熱電偶溫度計，或者為每個加熱單元設(shè)置一個熱電偶溫度計。測溫傳感器用于檢測各個加熱區(qū)域(例如各個外延片區(qū))的加熱區(qū)域溫度值，本實施例中，溫度控制系統(tǒng)所連接的測溫傳感器分別安裝于上述四個環(huán)狀外延片區(qū)上方，在一種可選方式中，為每個外延片區(qū)分別設(shè)有一個測溫傳感器，該些測溫傳感器分別為設(shè)置于第一外延片區(qū)104A上方的第一測溫傳感器301a、設(shè)置于第二外延片區(qū)104B上方的第二測溫傳感器301b、設(shè)置于第三外延片區(qū)104C上方的第三測溫傳感器301c，以及設(shè)置于第四外延片區(qū)104D上方的第四測溫傳感器301d。優(yōu)選地，上述測溫傳感器通常選用非接觸式光學(xué)測溫傳感器(pyrometer)，其用于測量石墨托盤101上用來放置外延片的晶片槽103(pocket)的溫度，或者用于測量晶片槽中外延片的溫度的溫度，測得的溫度值即為加熱區(qū)域的溫度值(例如外延片區(qū)的溫度值)。本實施例中，溫度控制系統(tǒng)500具體用于控制上述四個環(huán)狀外延片區(qū)溫度的精確性和均勻性。上述的第一測溫傳感器301a、第二測溫傳感器301b、第三測溫傳感器301c、第四測溫傳感器301d的輸出端分別連接溫度控制系統(tǒng)500的輸入端，該四個測溫傳感器分別測量到的四個溫度作為溫度控制系統(tǒng)500的輸入。上述的第一加熱單元401a、第二加熱單元401b、第三加熱單元401c和第四加熱單元401d的輸入端分別連接溫度控制系統(tǒng)500的輸出端，該四個加熱單兀的驅(qū)動信號(例如電流驅(qū)動信號)，作為溫度控制系統(tǒng)500的輸出。上述熱電偶溫度計601的輸出端連接溫度控制系統(tǒng)500的輸入端，其測量到的加熱器溫度，作為參考溫度傳送給溫度控制系統(tǒng)500。此外，溫度控制系統(tǒng)相連接500還可以根據(jù)熱電偶溫度計601測得的溫度來計算各個加熱單元的電流大小。本實施例中，溫度控制系統(tǒng)500為多輸入多輸出控制系統(tǒng)。不難明白，實際應(yīng)用中，加熱區(qū)域、加熱單元和測溫傳感器的個數(shù)可以根據(jù)需要靈活設(shè)置，例如加熱區(qū)域、加熱單元和光學(xué)測溫儀的個數(shù)可以均為3個，本實施例對其設(shè)置不做任何限定。本實施例中，石墨托盤101上設(shè)有四個加熱區(qū)域(在MOCVD設(shè)備中即對應(yīng)具體為四個環(huán)狀外延片區(qū))，每個環(huán)狀外延片區(qū)上對應(yīng)設(shè)有一個測溫傳感器，例如非接觸式光學(xué)測溫傳感器(pyrometer)。溫度控制系統(tǒng)500具有四個控制通道,分別控制第一外延片區(qū)104A、第二外延片區(qū)104B、第三外延片區(qū)104C、第四外延片區(qū)104D四個外延片區(qū)的溫度。需要指出的本實施例中僅以四個通道為例進行了說明，還可以適用于其他場景例如兩個通道或三個通道。需要指出的是，本實施例提出的溫度控制系統(tǒng)除適用于MOCVD設(shè)備外，還適用于其他半導(dǎo)體設(shè)備，例如薄膜沉積設(shè)備，具體包含等離子體增強化學(xué)氣相沉積(PECVD)設(shè)備
坐寸ο如圖2所示，本實用新型一個實施例中溫度控制系統(tǒng)包含功率值計算單元52和功率值補償單元53，和功率值計算單元52和功率值補償單元53相連接的功率值相加單元55，和功率值相加單元55相連接的功率輸出單元56。該功率輸出單元56和加熱器40相連接。功率值計算單元52，用于根據(jù)所述若干測溫傳感器測得的溫度值，計算加熱器中各加熱單元401的加熱單元功率值，該加熱單元功率值以加熱過程中熱量損失為零的情況下獲得，即在不考慮加熱過程中熱量損失(包括加熱單元熱量損失和加熱區(qū)域熱量損失)的情況下獲得。功率值補償單元53，用于計算各加熱單元401的補償功率值，該補償功率值用于調(diào)整各加熱單元401的加熱單元功率值以補償加熱過程中的熱量損失。功率值相加單元55，分別連接功率值計算單元52和至少兩個功率值補償單元53，用于將功率值計算單元52輸出的加熱單元功率值和各個功率值補償單元53輸出的補償功率值對應(yīng)相加，得到各加熱單元401的實際功率值。功率輸出單元56，用于根據(jù)實際功率值向各加熱單元401輸出對應(yīng)功率。請繼續(xù)參閱圖2，其中功率值計算單元52包含有至少兩個功率值計算模塊521，每個功率值計算模塊521分別和外接測溫傳感器相連接，每個功率值計算模塊521對應(yīng)于一個不同的加熱區(qū)域以及用測量該加熱區(qū)域溫度值的測溫傳感器，且每個功率值計算模塊521對應(yīng)于一個不同的加熱單元401。功率輸出單元56包含有至少兩個功率輸出模塊561，每個功率輸出模塊對應(yīng)一個不同的功率值計算模塊521和一個不同的加熱單元401，也就是說功率值計算模塊521、功率輸出模塊561、加熱單元401相互間一一對應(yīng)。功率值補償單元53可以是一個或者多個。在一個可選方式中，溫度控制系統(tǒng)500包含多個功率值補償單元53，每個功率值補償單元53對應(yīng)于一個不同的功率值計算模塊521。每個功率值補償單元53包含第一功率值補償單元531和第二功率值補償單元532中的至少一個。第一功率值補償單元531和功率值相加單元55相連接，用于計算對應(yīng)加熱區(qū)域的加熱區(qū)域熱損失功率值，作為對應(yīng)加熱單元的補償功率值輸出至功率值相加單元。第二功率值補償單元532和功率值相加單元55相連接，用于計算對應(yīng)加熱單元401的加熱單元熱損失功率值，作為對應(yīng)加熱單元的補償功率值輸出至功率值相加單元55。在另一個可選方式中，溫度控制系統(tǒng)500包含單個功率值補償單元53，該單個功率值補償單元53包含多個第一功率值補償單元531，每個第一功率值補償單元531對應(yīng)于一個不同的功率值計算模塊521 ；或者該單個功率值補償單元53包含多個第二功率值補償單元532，每個第二功率值補償單元531對應(yīng)于一個不同的功率值計算模塊521 ;或者該單個功率值補償單元53包含多個第一功率值補償單元531和多個第二功率值補償單元532，每個功率值計算模塊521對應(yīng)于一個不同的第一功率值補償單元531和一個不同的第二功率值補償單元532。進一步地，功率值相加單元55可以包含多個功率值相加模塊551，每個功率值相加模塊551對應(yīng)于一個不同的功率值計算模塊521和一個不同的功率輸出模塊561。具體在，在MOCVD設(shè)備中，第一功率值補償單元531用于補償MOCVD設(shè)備中各個環(huán)形外延片區(qū)(加熱區(qū)域)的熱損失功率，包含熱對流和熱輻射引起的熱量損失。各第一功率值補償單元531計算各個加熱區(qū)域?qū)?yīng)的加熱區(qū)域熱損失功率值并輸出，影響加熱器40中各加熱單元401的實際輸出功率，第一功率值補償單元531的設(shè)置可有效補償實際系統(tǒng)中托盤101上方各個環(huán)形外延片區(qū)(加熱區(qū)域)的熱量損失，從而減小溫度波動，提高系統(tǒng)控制精度。實際應(yīng)用中，該第一功率值補償單元53輸出的加熱區(qū)域補償功率值可以通過模型計算和試驗測試來獲得。第二功率值補償單元532用于計算MOCVD設(shè)備中各個加熱單元401對應(yīng)的加熱單元熱損失功率值，作為對應(yīng)加熱單元的補償功率值輸出至功率值相加單元55，以補償設(shè)置于MOCVD設(shè)備中托盤101下方的各個加熱單元401的熱損失功率，具體可以包含熱對流和熱輻射引起的熱量損失。第二功率值補償單元532輸出的功率補償值會影響加熱單元401的實際輸出功率，從而減小溫度波動，提高系統(tǒng)控制精度。實際應(yīng)用中，第二功率值補償單元532輸出的功率補償值可以通過模型計算和試驗測試來獲得。每個功率值計算模塊521分別對應(yīng)于一個不同加熱區(qū)域及該加熱區(qū)域上的測溫傳感器，換而言之，不同功率值計算模塊521對應(yīng)于不同的加熱區(qū)域。如圖3所示，每個功率值計算模塊521包含溫度計算模塊501、比較模塊502和控制模塊503，比較模塊502和和溫度計算模塊501相連接，控制模塊503和比較模塊相連接，且比較模塊502和功率值計算模塊521對應(yīng)的測溫傳感器301相連接。溫度計算模塊501用于接收用戶發(fā)送的設(shè)定值，包含設(shè)定溫度值和調(diào)整時間，并根據(jù)設(shè)定溫度值和調(diào)整時間，計算出對應(yīng)加熱區(qū)域從當(dāng)前溫度值到設(shè)定溫度值之間分步調(diào)整所需的若干個溫度設(shè)定值，并輸出至比較模塊502。溫度計算模塊501每次從一個溫度值調(diào)整到下一個溫度值所需的時間稱為一個調(diào)整周期(或計算周期)，例如將溫度從500度調(diào)整為600度，假定每步調(diào)整溫度升高2度，那么每升高2度的時間就是一個調(diào)整周期。不難明白，在每步調(diào)整中溫度計算單元都會分別計算出一個不同的溫度值，通過多步調(diào)整，使溫度從當(dāng)前溫度值逐漸達到設(shè)定溫度值。本實施例中溫度控制系統(tǒng)可同時分別接收四個溫度設(shè)定值，分別對應(yīng)托盤101的四個不同外延區(qū)(例如該外延片區(qū)的晶片槽)或不同外延區(qū)的外延片。系統(tǒng)中的四個溫度計算單元分別接收一個溫度設(shè)定值。該四個溫度設(shè)定值分別對應(yīng)托盤101上的四個不同加熱區(qū)域或該加熱區(qū)域中的物體(例如環(huán)形外延區(qū)或各個外延區(qū)中的外延片)。比較模塊502用于根據(jù)每步調(diào)整中測溫傳感器301測量的加熱區(qū)域溫度值和溫度計算模塊501計算出的溫度設(shè)定值，得到溫度差值，并輸出至控制模塊503?？刂颇K503用于負責(zé)系統(tǒng)誤差的調(diào)節(jié)，其接收比較模塊502輸出的溫度差值，并將溫度差值轉(zhuǎn)換為控制模塊輸出功率值。本實施例中將控制模塊輸出功率值作為加熱單元功率值。具體地如何將溫度差值轉(zhuǎn)換為輸出功率值，本領(lǐng)域已經(jīng)有對應(yīng)的實現(xiàn)方式，此處不再贅述。如圖4所示，每個功率值計算模塊521還可以進一步包含有前饋模塊504和相加模塊505，前饋模塊504和溫度計算單元501相相連，相加模塊505和前饋模塊504和相加模塊505分別相連接。進一步地，各溫度計算模塊501除計算多步調(diào)整所需的多個溫度值之外，還計算每步調(diào)整的溫度斜率，并分別輸出至各個前饋模塊504。前饋模塊504接收溫度計算模塊501計算出的分步調(diào)整所需的多個溫度值和每步調(diào)整的溫度斜率，并根據(jù)該溫度計算單元計算出的溫度與溫度斜率，分別計算出系統(tǒng)溫度每步調(diào)整所需的功率增量值，以及每步調(diào)整中與溫度相關(guān)的熱損失功率值，相加得到前饋模塊輸出功率值并輸出至相加模塊505。前饋模塊504具體的計算方式有多種，跟系統(tǒng)加熱模型密切相關(guān)，選擇不同的系統(tǒng)加熱模型，計算方式也不相同，本實施例中對此不作限定。本實施例中公開如下一種計算方法假設(shè)，系統(tǒng)為一階模型，其傳遞函數(shù)如下
權(quán)利要求1.一種溫度控制系統(tǒng)，其特征在于，該溫度控制系統(tǒng)包含功率值計算單元(52)、功率值補償單元(53)、與功率值計算單元(52)和功率值補償單元(53)分別相連接的功率值相加單元(55)、以及和功率值相加單元(55)相連接的功率輸出單元(56)； 其中功率值計算單元(52)和若干測溫傳感器相連，所述若干測溫傳感器用于測量半導(dǎo)體薄膜沉積設(shè)備中各個加熱區(qū)域的溫度值；功率輸出單元(56)和加熱器(40)相連，加熱器(40)包含多個加熱單元； 功率值計算單元(52)，用于根據(jù)所述若干測溫傳感器測得的溫度值，計算加熱器中各加熱單元(401)的加熱單元功率值，該加熱單元功率值以加熱過程中熱量損失為零的情況下獲得； 功率值補償單元(53)，用于計算各加熱單元(401)的補償功率值，該補償功率值用于調(diào)整各加熱單元(401)的加熱單元功率值以補償加熱過程中的熱量損失； 功率值相加單元(55)，分別連接功率值計算單元(52)和功率值補償單元(53)，用于將功率值計算單元(52)輸出的加熱單元功率值和各個功率值補償單元(53)輸出的補償功率值對應(yīng)相加，得到各加熱單元(401)的實際功率值； 功率輸出單元(56)，用于根據(jù)實際功率值向各加熱單元(401)輸出對應(yīng)功率。
2.如權(quán)利要求1所述的溫度控制系統(tǒng)，其特征在于，所述溫度控制系統(tǒng)包含多個功率值補償單元(53 )，每個功率值補償單元(53 )包含第一功率值補償單元(531)和第二功率值補償單元(532)中的至少一個； 第一功率值補償單元(531)，和功率值相加單元(55)相連接，用于計算對應(yīng)加熱區(qū)域的加熱區(qū)域熱損失功率值，作為對應(yīng)加熱單元的補償功率值輸出至功率值相加單元(55)； 第二功率值補償單元(532)，和功率值相加單元(55)相連接，用于計算對應(yīng)加熱單元(401)的加熱單元熱損失功率值，作為對應(yīng)加熱單元的補償功率值輸出至功率值相加單元(55)。
3.如權(quán)利要求1所述的溫度控制系統(tǒng)，其特征在于，所述的功率值計算單元(52)包含有至少兩個功率值計算模塊(521)，每個功率值計算模塊(521)對應(yīng)于一個不同的加熱區(qū)域及用于測量該加熱區(qū)域溫度值的測溫傳感器(301)，且每個功率值計算模塊(521)對應(yīng)于一個不同的加熱單元(401)； 每個功率值計算模塊(521)包含溫度計算模塊(501)，和溫度計算模塊(501)及測溫傳感器(301)分別相連接的比較模塊(502)，以及和比較模塊(502)相連接的控制模塊(503)； 溫度計算模塊(501)，用于根據(jù)設(shè)定溫度值和調(diào)整時間，計算出對應(yīng)加熱區(qū)域從當(dāng)前溫度值調(diào)整到設(shè)定溫度值分步調(diào)整所需的若干個溫度設(shè)定值； 比較模塊(502)，用于根據(jù)每步調(diào)整中所述測溫傳感器(301)測量的加熱區(qū)域溫度值和所述溫度計算模塊(501)計算出的對應(yīng)溫度設(shè)定值，得到溫度差值； 控制模塊(503)，用于將所述比較模塊(502)輸出的溫度差值轉(zhuǎn)換為控制模塊輸出功率值并輸出。
4.如權(quán)利要求4所述的溫度控制系統(tǒng)，其特征在于，所述的功率值計算模塊(521)還包含和溫度計算單元(501)相連接的前饋模塊(504)，以及和前饋模塊(504)、控制模塊(503)分別相相連的相加模塊(505)；所述溫度計算模塊(501)還用于計算分步調(diào)整中每步調(diào)整的溫度斜率； 前饋模塊(504)，用于接收溫度計算模塊(501)計算出的分步調(diào)整所需的若干個溫度設(shè)定值和每步調(diào)整的溫度斜率，計算出溫度每步調(diào)整所需的功率增量值，以及每步調(diào)整中與溫度相關(guān)的熱損失功率值，將功率增量值和熱損失功率值相加得到前饋模塊輸出功率值并輸出； 相加模塊(505)，用于將所述前饋模塊(504)輸出的前饋模塊輸出功率值和所述控制模塊(503)輸出的控制模塊輸出功率值進行相加，得出對應(yīng)加熱單元(401)的加熱單元功率值。
5.如權(quán)利要求1所述的溫度控制系統(tǒng)，其特征在于，所述的功率輸出單元(56)還和用于測量加熱單元溫度的至少一個熱電偶溫度計(601)相連接，每個熱電偶溫度計(601)對應(yīng)一個或多個加熱單元； 所述功率輸出單元(56)包含至少兩個功率輸出模塊(561 )，所述功率輸出模塊(561)與所述加熱單元(401) —一對應(yīng)； 每個功率輸出模塊(561)包含信號轉(zhuǎn)換單元(509)和與信號轉(zhuǎn)換單元相連接的加熱器電源(510)； 信號轉(zhuǎn)換單元(509)，用于根據(jù)對應(yīng)熱電偶溫度計(601)測量的加熱單元溫度計算出對應(yīng)加熱單元的電阻，并根據(jù)對應(yīng)加熱單元的電阻和實際功率值計算出加熱單元電流值； 加熱器電源(510)，用于接收信號轉(zhuǎn)換單元(509)輸出的加熱單元電流值，調(diào)整提供給對應(yīng)加熱單元(401)的電流大小。
6.如權(quán)利要求3所述的溫度控制系統(tǒng)，其特征在于，所述的功率輸出單元(56)包含至少兩個功率輸出模塊(561),所述功率輸出模塊(561)與所述加熱單兀(401) 對應(yīng),每個功率輸出模塊(561)對應(yīng)于一個不同的功率值計算模塊(521); 每個功率輸出模塊(561)包含信號轉(zhuǎn)換單元(509)和與信號轉(zhuǎn)換單元(509)相連接的加熱器電源510，其中信號轉(zhuǎn)換單元(509)還與溫度計算模塊(501)相連接； 信號轉(zhuǎn)換單元(509)，用于根據(jù)溫度計算模塊(501)計算出的上一步調(diào)整后的溫度計算對應(yīng)加熱單元(401)的電阻，并根據(jù)對應(yīng)加熱單元的電阻和實際功率值計算出加熱單元電流值； 加熱器電源(510)，用于接收信號轉(zhuǎn)換單元(509)輸出的加熱單元電流值，調(diào)整提供給對應(yīng)加熱單元(401)的電流大小。
7.一種半導(dǎo)體薄膜沉積設(shè)備，其特征在于，其包含如權(quán)利要求1至6中任意一項所述的溫度控制系統(tǒng)(500)。
8.一種金屬有機化學(xué)氣相沉淀設(shè)備，其特征在于，該設(shè)備包含外延反應(yīng)腔、托盤(101)、加熱器(401&、40訃、401。、401(1)、測溫傳感器(301&、30113、301。、301(1)以及溫度控制系統(tǒng)(500)； 托盤(101)位于外延反應(yīng)腔中，托盤(101)上設(shè)有多個用于放置外延片的外延片區(qū)； 加熱器位于托盤下方，加熱器包含多個加熱單兀(40la、40lb、401c、40Id),用于對托盤上的外延片區(qū)進行加熱； 測溫傳感器(301a、301b、301c、301d)和溫度控制系統(tǒng)(500)相連接，測溫傳感器用于測量各個外延片區(qū)的溫度值，溫度控制系統(tǒng)用于根據(jù)測溫傳感器測得的溫度計算在加熱過程中熱量損失為零的情況下加熱單元功率值，并進行功率補償，得到各加熱單元(401)的實際功率值，以及向各個加熱單元輸出對應(yīng)的功率； 各個加熱單元(401)分別和溫度控制系統(tǒng)相連接，用于根據(jù)溫度控制系統(tǒng)輸出的功率對外延片區(qū)加熱。
9.如權(quán)利要求8所述的金屬有機化學(xué)氣相沉淀設(shè)備，其特征在于，該溫度控制系統(tǒng)(500)包含 功率值計算單元(52)，用于根據(jù)所述若干測溫傳感器測得的溫度值，計算加熱器中各加熱單元(401)的加熱單元功率值，該加熱單元功率值以加熱過程中熱量損失為零的情況下獲得； 功率值補償單元(53)，用于計算各加熱單元(401)的補償功率值，該補償功率值用于調(diào)整各加熱單元(401)的加熱單元功率值以補償加熱過程中的熱量損失； 功率值相加單元(55)，分別連接功率值計算單元(52)和功率值補償單元(53)，用于將功率值計算單元(52)輸出的加熱單元功率值和各個功率值補償單元(53)輸出的補償功率值對應(yīng)相加，得到各加熱單元(401)的實際功率值； 功率輸出單元(56)，用于根據(jù)實際功率值向各加熱單元(401)輸出對應(yīng)功率。
10.如權(quán)利要求9所述的金屬有機化學(xué)氣相沉淀設(shè)備，其特征在于，所述溫度控制系統(tǒng)包含多個功率值補償單元(53)，每個功率值補償單元(53)包含第一功率值補償單元(531)和第二功率值補償單元(532)中的至少一個； 第一功率值補償單元(531)，和功率值相加單元(55)相連接，用于計算對應(yīng)加熱區(qū)域的加熱區(qū)域熱損失功率值，作為對應(yīng)加熱單元的補償功率值輸出至功率值相加單元(55)； 第二功率值補償單元(532)，和功率值相加單元(55)相連接，用于計算對應(yīng)加熱單元(401)的加熱單元熱損失功率值，作為對應(yīng)加熱單元的補償功率值輸出至功率值相加單元(55)。
11.如權(quán)利要求8或9或10所述的金屬有機化學(xué)氣相沉淀設(shè)備，其特征在于，所述金屬有機化學(xué)氣相沉淀設(shè)備還包含熱電偶溫度計(601)，熱電偶溫度計(601)和溫度控制系統(tǒng)(500)相連接，用于測量加熱器的溫度，并將測得的溫度值傳送給溫度控制系統(tǒng)(500)以計算加熱器中各個加熱單元的電流大小。
專利摘要本實用新型公開一種溫度控制系統(tǒng)及金屬有機化學(xué)氣相沉淀設(shè)備及半導(dǎo)體薄膜沉積設(shè)備，溫度控制系統(tǒng)包含功率值計算單元、功率值補償單元、與功率值計算單元和功率值補償單元分別相連接的功率值相加單元、以及和功率值相加單元相連接的功率輸出單元；功率值計算單元，用于計算加熱單元的加熱單元功率值；功率值補償單元，用于計算加熱單元的補償功率值；功率值相加單元，用于將功率值計算單元輸出的加熱單元功率值和功率值補償單元輸出的補償功率值對應(yīng)相加，得到加熱單元的實際功率值；功率輸出單元，用于根據(jù)加熱單元實際功率值向?qū)?yīng)的加熱單元輸出對應(yīng)功率。本實用新型適用于控制對象多的場合，基于功率計算進行熱損失補償，提高系統(tǒng)控制精度。
文檔編號C30B25/16GK202904399SQ20122044613
公開日2013年4月24日 申請日期2012年9月4日 優(yōu)先權(quán)日2012年9月4日
發(fā)明者趙輝, 陳愛華, 金小亮, 張偉 申請人:中晟光電設(shè)備(上海)有限公司