用于SiC外延工艺的智能温度控制方法、装置及系统

技术领域

本发明主要涉及碳化硅材料制备领域，具体涉及一种用于SiC外延工艺的智能温度控制方法、装置及系统。

背景技术

SiC器件向大尺寸、超高压、大电流方向的发展对外延层制备技术提出极大挑战，包括超厚外延层生长、大尺寸高均匀性等方面。众多研究表明，外延层的生长质量与温度控制密不可分。温度是外延生长工艺中最重要参数之一，它的升降温速率、控制精度和稳定度直接影响着外延生长层的质量。业内通常采用单段PID、恒斜率变化温度设置的温控仪对温度实现控制。然而，SiC外延工艺要求控温范围广、升降温速率快、控温精度高，而单段PID不能很好的满足整个控温范围的高精度控制要求，恒斜率变化温度设置会导致过冲温度大等问题的存在。

发明内容

本发明要解决的技术问题就在于：针对现有技术存在的技术问题，本发明提供一种减小加热启动时对硬件的冲击、减小过冲温度的用于SiC外延工艺的智能温度控制方法、装置及系统

为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为：

一种用于SiC外延工艺的智能温度控制方法，包括步骤：

获取SiC外延工艺中的加热对象的实际温度；

将加热对象的实际温度与预设切换温度进行比对；当实际温度小于预设切换温度时，采用功率控制模式进行加热；当实际检测温度不小于预设切换温度时，采用变斜率温度控制模式进行加热。

优选地，功率控制模式的具体过程为：

加热电源的输出功率按一定斜率从0开始增加到目标功率；

加热电源保持目标功率输出，直到实际温度达到预设切换温度。

优选地，变斜率温度控制模式的具体过程为：

设定温度根据变化的斜率来进行调整，直至设定温度达到最终目标温度。

优选地，变化的斜率f(t)采用二次函数计算公式，具体为：

其中r为固定斜率，m为固定斜率的倍数，t为时间,t

优选地，设定温度根据变化的斜率来进行调整的具体过程为：

将设定温度与最终目标温度进行比较，如设定温度小于最终目标温度，当前设定温度在前一次设定温度的基础上每秒钟递加一次；如设定温度大于最终目标温度，当前设定温度在前一次设定温度的基础上每秒钟递减一次；上述递加或递减的幅度为当前计算得到的斜率值。

优选地，预先将加热对象的实际温度分成多个温度区间段，各所述温度区间段均对应相对应的PID参数；在进行加热的过程中，判断加热对象的实际温度所属温度区间段，并采用相对应的PID参数进行温度控制。

本发明还公开了一种用于SiC外延工艺的智能温度控制装置，包括温度检测单元、加热电源、发热单元和控制单元；所述温度检测单元与所述控制单元相连；所述加热电源分别与发热单元和控制单元相连；所述温度检测单元用于获取SiC外延工艺中的加热对象的实际温度并发送至控制单元；所述控制单元根据加热对象的实际温度来控制加热电源的加热方式；所述加热方式包括功率控制模式和变斜率温度控制模式。

优选地，所述温度检测单元为红外测温探头。

本发明进一步公开了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序在被处理器运行时执行如上所述方法的步骤。

本发明还公开了一种用于SiC外延工艺的智能温度控制系统，包括相互连接的存储器和处理器，所述存储器上存储有计算机程序，所述计算机程序在被处理器运行时执行如上所述方法的步骤。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

本发明用于SiC外延工艺感应加热温度控制，针对SiC外延工艺感应加热过程中，升降温速度快、温控范围跨度大、控温精度高、过冲温度小、冷态加热慢等特点，通过冷态加热启动时设置温控模式启动温度(对应预设切换温度)，在小于预设切换温度时采用功率控制模式进行加热，确保了冷态启动时慢速升温，从而减小对反应室的冲击，延长了反应室硬件使用寿命，减小了使用成本；而在大于或等于预设切换温度时采用变斜率温度控制模式，在确保升降温速率的前提下，大大减小过冲温度；通过多段PID控制，确保了整个温控范围内温度控制的高精度。

附图说明

图1为本发明的智能温度控制方法在实施例的流程图。

图2为本发明的智能温度控制系统在实施例的方框原理图。

图3为本发明的变斜率温度控制模式对应的曲线图。

图4为本发明在实际应用时的控温效果图。

具体实施方式

以下结合说明书附图和具体实施例对本发明作进一步描述。

如图1所示，本发明实施例提供的用于SiC外延工艺的智能温度控制方法，包括以下步骤：

获取SiC外延工艺中的加热对象的实际温度；

将加热对象的实际温度与预设切换温度进行比对；当实际温度小于预设切换温度时，采用功率控制模式进行加热；当实际检测温度不小于预设切换温度时，采用变斜率温度控制模式进行加热。

本发明的用于SiC外延工艺的智能温度控制方法，在不同的温度阶段采用不同的控制策略，具体当实际温度小于预设切换温度时，采用功率控制模式进行加热，实现温和加热，减小加热启动时对硬件的冲击,延长反应室硬件使用寿命，减小使用成本；当实际检测温度不小于预设切换温度时，采用变斜率温度控制模式进行加热，在实现快速升降温的同时，减小过冲温度；上述控制方法整体操作简便且易于实现。

具体地，功率控制模式的具体过程为：

加热电源的输出功率按一定斜率从0开始增加到目标功率；

加热电源保持目标功率输出，直到实际温度达到预设切换温度，然后再切换至变斜率温度控制模式。

具体地，变斜率温度控制模式的具体过程为：

设定温度根据变化的斜率来进行调整，直至设定温度达到最终的最终目标温度。

其中变化的斜率f(t)采用二次函数计算公式，具体为：

其中r为固定斜率，m为固定斜率的倍数，t为时间,t

对应的系统实时设定温度根据上述斜率变化而变化。具体地，将设定温度与最终目标温度进行比较，如设定温度小于最终目标温度，当前设定温度在前一次设定温度的基础上每秒钟递加一次；如设定温度大于最终目标温度，当前设定温度在前一次设定温度的基础上每秒钟递减一次；上述递加或递减的幅度为当前计算得到的斜率值。

上述变斜率温度控制大大减小了温度过冲的幅度；变斜率之前过冲4-6℃，变斜率之后过冲＜1℃；同时减小加热过程中加热电源输出功率的振幅，有效减小了功率波动对反应室造成的冲击，改善了工艺效果。

另外，在上述温度控制的过程中，采用多段PID控制策略，具体为：预先将加热对象的实际温度分成多个温度区间段(各温度区间段包括常用温度)，各温度区间段均对应相对应的PID参数。在进行加热的过程中，判断加热对象的实际温度所属温度区间段，并采用相对应的PID参数进行温度控制，以确保在各常用温度下的控制精度最高、控制最稳定。

本发明用于SiC外延工艺感应加热温度控制，针对SiC外延工艺感应加热过程中，升降温速度快、温控范围跨度大、控温精度高、过冲温度小、冷态加热慢等特点，通过冷态加热启动时设置温控模式启动温度(对应预设切换温度)，在小于预设切换温度时采用功率控制模式进行加热，确保了冷态启动时慢速升温，从而减小对反应室的冲击，延长了反应室硬件使用寿命，减小了使用成本；而在大于或等于预设切换温度时采用变斜率温度控制模式，在确保升降温速率的前提下，大大减小过冲温度；通过多段PID控制，确保了整个温控范围内温度控制的高精度。

如图2所示，本发明实施例还提供了一种用于SiC外延工艺的智能温度控制装置，包括温度检测单元、加热电源、发热单元和控制单元；温度检测单元与控制单元相连；加热电源分别与发热单元和控制单元相连；温度检测单元用于获取SiC外延工艺中的加热对象的实际温度并发送至控制单元；控制单元根据加热对象的实际温度来控制加热电源的加热方式；加热方式包括功率控制模式和变斜率温度控制模式，具体控制过程如上的方法所述，在此不再赘述。

具体地，温度检测单元为红外测温探头；对应的加热电源为RF电源，发热单元包括发热体和感应线圈，其中加热电源与感应线圈相连，加热对象(如基片)则位于两个发热体之间。红外测温探头实时采集加热对象实际温度，并上传给控制单元，以与预设切换温度进行实时比较，再通过“多段PID控制策略”、“功率控制模式”和“变斜率温度控制策略”对加热对象进行稳定、高精度的温度控制。上述装置的整体结构简单且操作简便。

以下结合说明书附图和具体实施例对本发明的方法作进一步描述：

如图1所示，本发明实施例的SiC外延工艺的智能温度控制方法，具体包括步骤：

S01、根据加热对象特性及控温范围，设定PID分段参数。即根据加热对象常用温度设置PID分段参数，分段原则为所分温度段中需包括常用温度。本实施例中，常用温度为900℃、1100℃、1600℃，因此分别设定温度区间段为125℃～999℃、1000℃～1199℃、1200℃～2200℃；各区间段对应相应的PIC分段参数；

S02、根据加热对象特性，设定温度控制模式启动温度(对应上文中的预设切换温度)。温度控制模式启动温度即为从功率控制模式切换至变斜率温度控制模式的临界温度，是为减小冷态启动加热对系统的冲击而设置。在具体应用时，根据加热对象的特性，将温度控制模式启动温度设置为300℃。当然，在其它实施例中，根据现场实际情况来进行具体设置；

S03、启动PID参数自整定，确定PID参数。启动PID参数自整定需在常用温度下进行，本实施例中，常用温度分别为900℃、1100℃、1600℃，则需要分别在900℃、1100℃、1600℃下进行PID参数自整定，以确保在各常用温度下控制精度最高、控制最稳定；

S04、设定最终的目标温度，并启动加热；

S05、当实际检测温度低于温度控制模式启动温度设定值时，系统自动采用功率控制模式加热，实现温和加热，减小加热启动时对硬件的冲击。本实施例中，当温度低于300℃时，系统采用功率控制模式加热，且加热功率从0KW开始按0.1KW/S的斜率慢慢增加，直到功率达到目标功率5KW。当温度达到温度控制模式启动温度设定值时，退出功率控制模式，切换至变斜率温度控制模式，相比于一开始就采用温度控制模式加热，大大减小了对系统的冲击；

S06、当实际检测温度高于或等于温度控制模式启动温度设定值时，系统自动采用变斜率温度控制模式加热，在实现快速升降温的同时，减小过冲温度。变斜率温度控制模式中，以设定温度为最终目标温度，系统实时的设定温度根据斜率变化而变化，直至达到最终的目标温度。

具体地，如图3所示，为本发明的变斜率温度控制原理图，具体过程为：

变斜率采用二次函数f(t)计算公式,f(t)与时间轴t所形成的面积和固定斜率r与时间轴t所形成的面积相等，根据以上条件整理成以下三个等式：

f(0)＝mr(1)

f(t

式(1)中m为固定斜率的倍数，r为固定斜率，t

一般而言，系统起始斜率m取1.5倍固定斜率；当达到目标温度时刻，系统斜率无限趋近于0；确定最终的变斜率公式如下：

对应的系统实时设定温度根据上述斜率变化而变化(具体过程如上所述，在此不再赘述)。

如图4所示，为本发明的实际温度控制效果图，在具体应用时，在70℃/min的加速速率下，从900℃加热至1600℃时，最终的过冲温度仅为0.93，很好的满足了SIC外延工艺要求。

以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，应视为本发明的保护范围。