此控温系统采用计算机直接对扩散炉系统进行控制，取代现在扩散炉控制系统中大多采用的单片机为主要处理单元的仪表控制模式［3］，或者采用仪表结合上位机 的主从控制模式［4］，如图2，信号采集端的炉体温度由热电偶采集。多路热电偶信号通过多路选通模块分时选通各路温度信号，将选通信号输入温度变送器，信 号由毫伏级微小信号变送到0～10V的标准电压信号。电压信号由16位A/D板卡检测，根据控制器计算输出的大小，由12位D/A卡输出标准4～20mA 电流信号至移相触发板进行对可控硅的控制。这样采用多路开关选通多路信号的方式可以有效排除原先采用多个温度变送环节特性不一致而造成的信号检测偏差，并 且可以减少变送设备的成本。

2 软件系统

系统中每个加温段都有独立的控制器，具有基本控温、斜变升降温、PID自整定及自动温区分布功能。系统中各功能流程框图见图3。

2．1 PID控制算法与自整定算法

在工业过程中，目前采用最多的控制方法仍然是PID控制，但PID控制器的参数与系统所处的稳态工况有关，一旦工况变化，控制器参数的需要随之改变，而 PID参数的整定过程复杂繁琐。传统的PID参数xx由人工整定，这种整定工作不仅需要经验、熟练的技巧而且往往相当费时。本系统采用改进适应性激励信号 的继电器谐波平衡整定方法，对系统PID参数整定。此方法快捷、稳定，适用于各类型氧化扩散炉PID参数自整定，大大减少了工程人员整定参数的工作。

自主调节继电器激励方法是指当系统在R进行PID参数自整定时，系统低于R-ε时继电器输出激励信号h；当系统高于温度R+ε时继电器输出为0。首先选择 系统中激励信号为h，这时获得系统高温输出为a1，低温输出为a2，那么系统的谐波激励信号为2d=2h×a2/（a1+a2）。采用2d作为激励信号可 以在保证控制系统输出的信号为一近似的正弦波的前提下，使继电器信号尽可能为方波。在此激励下可通过继电器谐波平衡算法获得系统的临界周期与临界增益，并 通过Z-N法［5］，获得PID控制器的参数。

2．2 曲线规划算法

扩散炉系统要求系统对超调与稳定之间有严格控制，然而在斜坡跟踪过程中，系统容易产生超调，这样对氧化工艺会造成不良的影响。所以引入在机床系统中较多使用的多项式样条函数轨迹规划，用于改进加温控制过程。

在斜变加温段的结束阶段采用路径规划［6］，则有

其中，v代表t0时刻轨迹升温速度。从而获得斜变加温结束阶段的路径规划。

实验结果表明，通过在温度控制中引入轨迹规划，可以有效减少超调量并缩短调整时间，如图4所示。此升温曲线加温速率为10℃/min，优化前温度超调量为1.5℃，优化后超调量减至0.5℃，稳定时间也有所缩短。

2．3 温度补偿与自动温区分布

此控制系统目标之一是获得稳定的均匀一致的恒温区间，以控温热电偶温度检测值作为反馈信号，所以系统检测温度与控制目标之间存在温度差，需要进行温度补偿 才能达到获得恒温区的控制目标。此系统采用查表方式进行温度补偿，各点在特定温度下的补偿值保存在补偿表中，通过目标温度在补偿表中查询，以插值方式获得 补偿数值。而特定点的补偿值的确定可以通过自动温区分布的方式完成。

系统中加入侧热电偶时，系统可以同时测得炉膛内恒温区温度与控温热电偶温度并获得之间的温度差。在特定温度点恒温控制时，通过控温—温度稳定—获得温度补 偿值—控温四个过程多次迭代，最终使补偿后的炉膛内温度达到控温目标值，同时获得此温度点的补偿值。多段炉体的自动温区分布可以同时进行，可同时获得温度 的补偿值与恒温区间，达到系统的控制目标。

3 结果

进行典型工艺指令控制结果曲线如图5。工艺过程为系统快速升温至400℃，温度保持400℃，时间30min；斜变升温到600℃，时间40min，温度 保持600℃，时间50min；斜变升温到800℃，时间20min，温度保持800℃，时间50min。图中画出了左、中、右三段控制热偶采集到的温度 值。

4 结论

针对高温氧化扩散炉，提出一套具有自主知识产权的软硬件控温系统，此系统具有良好的可扩展性、稳定性和优良的控温特性，并降低了硬件成本。此系统控制性能 满足高温氧化扩散工艺对温度控制的极高需求，恒温区内温度均匀性±0.5℃／760mm，稳定度±0.5℃/24h，超调量小于2℃，同时可适用于化学气 相沉积炉体。该技术已经过了设备长期运行的检验，已在七星华创公司研制的扩散炉、PECVD设备上使用。

对北京七星华创微电子股份有限公司的大力协助表示感谢。