快速热处理设备温度稳定性研究概要
- 格式：doc
- 大小：19.00 KB
- 文档页数：8
(总第173期Jun .2009
快速热处理设备温度稳定性研究
江西元
(中国电子科技集团公司第十三研究所,石家庄050051
摘
要:以快速热处理设备对温度控制的特殊要求为研究目的,研究温度热惯性对温度稳定性的
影响,目的是为解决芯片快速退火和快速合金的稳定性和可靠性,并为设计新快速热处理设备提出串级控制建议。
关键词:温度稳定性;快速热处理设备;热惯性;串级控制中图分类号:TG155.1
文献标识码:B
文章编号:1004-4507(200906-0050-03
A Study on the Temperature Stability of
Rapid Thermal Process
JIANG Xiyuan
(The 13th Research Institute of China Electronic Technology Group Company,Shijiazhuang 050051,China
Abstract:This article's research object is Rapid Thermal Process for temperatur especial control.In or-der to study some questions such as product?s stability and reliability ,We study the factors that affect temperature stability of Rapid Thermal
Process and put forward good suggestion of cascade control to design new Rapid Thermal Process.
Keywords:Temperatuare Stability;Rapid Thermal Process;Thermal inertia;Cascade Conrtol
收稿日期:2009-04-21节省时间、节省能量、容易控制的快速热处理工艺在半导体器件制造工艺中得到了广泛的应用,并且在新材料的缺陷工程中发挥了特殊的作用,人们通过高温快速热处理在芯片中引入空位,并控制空位的分布,进而形成了具有较强内吸杂能力的洁净区,这一应用使芯片中杂质和缺陷在快速热处理过程中的行为的研究成为目前新材料研究的新热点。
所以快速热处理设备(RTP也就成为新材料研究领域的钟爱。
但一般的RTP 温度控制系统在外界环境
温度干扰不大时,可以认为是一个自适应温度控制,因为在外界环境温度变化不大时,温度控制系统能够保持稳定的工作状态。
这种状态在给芯片做普通退火时能满足,但是在芯片要求快速退火或芯片快速合金时,就不能满足要求;因为在快速退火或快速合金时要求在一定的时间里快速升温和快速降温,这样以来对设备控制温度就有严格的要求。
如果没有冷却作用,设备的加热过程通常要比放热过程快的多。
因此,如果温度经常上下波动,过程对象的时间
作者简介:江西元(1974-,男,安徽桐城人,工程师,现从事半导体专用非标设备研制开发和生产工作。
50
(总第173期Jun .2009常数将会有很大的变化。
在时间常数和滞后时间变化的情况下,用PID 来控制会很容易产生振荡或控制作用缓慢。
在一定的操作范围内,可以通过调整PID 的参数实现对过程的控制。
但是一旦过程动态特性发生改变,PID 就有可能失控出现超温,快速降温时,温度不能按要求快速下降;芯片的快速退火和合金就不能满足要求,导致芯片的稳定性和合金的可靠性也就无发保证。
笔者认为现有的RTP 设备温度控制系统没有考虑这些因素,不是严格意义上的RTP 设备。
要解决RTP 快速升降温问题,
关键要解决温度过冲问题和快速降温问题。
使其成为真正意义上的RTP 设备。
1传统的设计
传统的RTP 的结构为上下卤钨灯管加热方
式,热偶位于密封的石英反应室中间,热量的传递主要是辐射。
假设我们设定一个温度曲线,温度控制仪就会按照设定曲线运行,用函数来表示为
T =f (x ,y ,z ,t
其中:x ,y ,z 表示热偶的位置,t 为升温时间但RTP 快速升温时,因为热惯性,实际温度都超过设定温度,外界环境对其基本没有反应,它的温度控制原理如图1所示。
2604温度控制仪是控制温度的核心部分,把
设定温度和实测温度通过热偶进行负反馈控制反应室温度,如果外界环境稳定,2604可根据设定值和测量值调整输出4~20mA 值来控制功率模块的移相导通角,从而达到卤钨灯两段电压的变化,实现反应室温度的有效控制。
实际稳定达到设定温度的快慢取决于温控仪的运算速度。
2自适应串级调节控制设计
我们先在RTP 炉体外加4只冷却风扇,位于
两侧同向。
这样在风扇工作时即可减少反应室的热惯性,做到反应室热流能随时散开,而且利于腔体散热。
为此,就可以改变温度控制系统的控制方式,在原有的2604基础上,增加计算机、变送器、执行器组成串级调节系统结构。
采用了一个副调节器,系统取消了积分作用及AI 人工智能调节功能,调节部分成为一个比例微分(PD调节器,这时仪表在串级调节中作为副调节器使用,冷却风扇的风量超前信号送给副调节器,副调节器的给定信号由主调节器的输出信号来校正,副调节器直接控制执行去操纵冷却风扇。
这种串级控制方式实现了比较精确控制RTP 快速升温和快速降温。
另外计算机还可以管理整台机器的工作过程(这里不再论述,从实际应用上来说,我们可以将环境温度参数通过热偶测试传递到计算机的温度控制系统,一旦实测温度即将超过设定温度时,计算机给出相应自适应信号并启动风扇并控制风扇转速。
其控制原理如图2所示。
图1
传统温度控制原理
设定温度
2604控制仪控制信号功率模块
加热电流碘钨灯反应室温度
实测温度
S 热偶
图2
自适应串缘调节原理
设定温度
主温控仪
控制信号
副温控仪
功率模块
加热电流
碘钨灯
反应室温度
副温控仪S 热偶
计算机系统
冷却风扇
S 热偶(反应室环境参数测试
S 热偶
51
(总第173期Jun .2009
动检测仪器的工作状态,当出现输出过压、调压器到达上限位置、门未合上等异常情况时,整个系统立即停止工作,并发出声光报警,触摸屏会
显示故障提示信息。
3结论
我们自行研制的“多功能薄膜耐压测试仪”,不但可以进行两种方式测试,还具有故障诊断、声光报警、测试数据记录并保存等优点。
同国内外同类设备相比,具有技术先进、操作方便、安全可靠、维修简单等优点。
该测试仪测试数据精确,目前已成为多家厂家电工薄膜直流耐压测试使用的设备。
参考文献:
[1]
全国塑料制品标准化技术委员会.塑料标准汇编(1991[M].北京:中国轻工业出版社,1992.[2]尹燕平.双向拉伸塑料薄膜[M].北京:化学工业出版设,1998.
[3]GB/T 13541-92电气用塑料薄膜试验方法[S].国家技术监督局,1993.
[4]王桂英.电源变换技术[M].北京:人民邮电出版社1990.
[5]
岑军键.新编非标准设备设计手册(上册[M].北京:国防工业出版社,1999.
图2
耐压测试仪结构示意图
有机玻璃罩绝缘支架(聚四氟乙烯点测试上电极
点测试下电极
玻璃罩滑道
光膜金属化薄膜
(镀锌铝
玻璃罩限位开关
面测试下电极支撑框架面测试下电极面测试上电极磁铁
电测
试铜棒点测试铜棒挂钩
另外,在机器实际设计时,2604和计算机通过通信,由计算机来控制2604的设定温度,加热功率部分不变,只是增加了计算机来分析反应室环境温度和当实际温度即将超过设定温度时启动冷却风扇,并控制风扇速度。
以致达到快速升温和快速降温并保证在工作条件允许的误差范围内。
3结语
本文将自适应串级调节温度控制理论和RTP
特殊的工作要求(既求要加热快又要求温度不能有大的过冲联系在一起,设计一套能很好改善温度热惯性的控制系统,采用这种方式后,
RTP 在实际应用中,芯片快速热处理和合金效果明显得到改
善,提高了成品率。
参考文献:
[1]赵玉侠.基于模糊控制的恒温控制器的研制[D];吉林大学,2006:5-51.
[2]李兆军,纪平,娄晓光;高精度温度控制系统设计[J].电子测量技术,2007,(2:151-153.
[3]田秀华,杨顺.几种温度控制方法的特点及应用[J].自动化与仪表,2001,(06:64-65.
[4]亢春梅.温度控制器[J].传感器技术,1999,(05:28.[5]谢伟,文小玲,薛彬.基于DSP 的高精度温度测量系统的研究[J].自动化博览,2006,(03:87-89.
[6]
范永胜,徐治皋,陈#.基于动态特性机理分析的锅炉过热气温自适应模糊控制系统研究[J].中国电机工程学校,1997,(01:23-28.
::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::: (上接第23页
52。
