半导体行业在线式加热器串级 PID 控制技术研究

摘要

随着半导体制造对温控精度和响应速度要求的不断提升，在线式加热器因其加热效率高、结构紧凑而广泛应用于气体加热、化学气相沉积（CVD）、原子层沉积（ALD）等关键工艺中。然而，由于其热惯性大、控制难度高，传统单回路PID控制方法已难以满足实际需求。本文基于串级控制原理，构建了适用于在线式加热器的双回路PID控制系统，主回路控制出口温度，副回路控制加热器表面温度，从而提升温控系统的响应速度与稳定性。通过系统建模、控制器参数整定及实验验证，结果表明串级PID控制能够有效抑制系统超调，缩短调节时间，显著提高加热器在半导体工艺中的控温精度与鲁棒性。

关键词

在线式加热器；半导体工艺；PID控制；串级控制；温控系统

1 引言

近年来，半导体行业正迈向更高集成度、更小特征尺寸的发展方向，对各类制造设备的工艺精度提出了更高要求。其中，在线式加热器作为关键的温控部件，广泛用于高纯气体加热、反应腔壁温度维持、前驱体气化等核心工艺环节，其控制性能直接影响到工艺稳定性与产品良率。然而，在实际应用中，由于在线式加热器结构紧凑、功率密度高，存在显著的热惯性与滞后性。本文以某型号在线式加热器为研究对象，搭建控制模型，探讨串级PID控制在温度调节过程中的性能表现，并提出合理的控制器整定策略，为半导体设备的温控系统优化提供理论与工程参考。

2 在线式加热器与控制技术概述

2.1 在线式加热器的结构与工作原理

在线式加热器（In-line Heater）是一种安装于气体输送管路中、用于对流动气体进行加热的温控设备。该加热器通常由加热管体、电热元件、热绝缘层、热电偶（或热敏电阻）及外壳构成。其核心特征是“即加即热、快速响应”，可实现对载气、反应气体或液体前驱体蒸气的高效加热与稳定输出。

其工作原理为：气体在通过管道时与电热管壁充分换热，输出温度由控制系统实时调节。为了提高传热效率与控制精度，管体通常采用不锈钢或合金材料，加热元件紧贴管道表面布设，温度传感器则布置于管道出口或壁面关键位置。

与传统热板或腔体加热装置相比，在线式加热器具备加热面积小、热容量低、响应时间短等优点，适用于快速热循环、高通量气体处理等工艺条件。但同时也存在控温难度大、系统动态特性复杂、易受负载变化影响等问题，需要更高性能的控制策略加以应对。

2.2 半导体工艺对加热温控系统的技术要求

在半导体制造过程中，CVD、ALD、刻蚀等关键工艺对温度控制有极高的稳定性与均匀性要求。具体体现在以下几个方面：

首先是控温精度。工艺窗口通常非常窄，温度波动超过±1℃便可能影响薄膜质量或刻蚀速率。因此，要求温控系统在波动负载或环境变化下依然能保持高度稳定。

其次是响应速度。部分ALD工艺采用快速脉冲方式控制反应过程，对温度跟踪能力要求极高，系统必须具备毫秒级调节响应能力。

再次是抗干扰能力。外部扰动（如流量波动、气源温度变化）对系统温度造成影响时，控制系统需快速判断并修正输出，避免产生温度偏移或超调。

最后是系统鲁棒性。在长期连续运行中，传感器老化、电源波动、负载变化等情况不可避免，因此温控系统需具备良好的稳定性和自适应能力。

由于在线式加热器具有一定的热滞后和非线性，常规PID控制策略在此类应用中表现出调节慢、响应差的问题。因此，结合主控与辅助控制的串级PID控制技术成为较为理想的解决方案。

3 PID控制原理与串级控制系统分析

3.1 PID控制器基本结构与调节机制

PID控制器是一种经典的反馈控制器，由比例（P）、积分（I）、微分（D）三个控制项组成。其控制规律可表达为：

其中，e(t)为期望值与实际值的偏差，Kp 、Ki 、Kd 分别为比例、积分和微分系数。

比例作用可快速响应偏差变化，提高系统响应速度；

积分作用可消除稳态误差，提升系统长期准确性；

微分作用用于预测系统趋势，抑制过冲和振荡。

在实际工业应用中，PID控制因其结构简单、参数少、易实现而被广泛应用于温度控制系统。但在非线性、时滞性较强的对象中，如在线加热系统，单环PID往往存在调节慢、超调大、易振荡等问题。因此，须引入更加复杂的控制结构提升控制性能。

3.2 串级控制系统的构成及运行逻辑

串级控制系统由两个闭环控制器组成：主控回路与副控回路。主控器输出设定值给副控器，副控器再控制最终执行器（如加热功率）。这种结构适用于被控对象有两个时间尺度（快慢）特征的系统。

在在线加热系统中，主回路以出口气体温度为控制目标，副回路以加热器表面温度为调节对象。副控回路对快速变化的内部扰动进行补偿，主控回路则关注系统最终输出，二者协同作用可显著提升系统响应与稳定性。

运行逻辑如下：当主控器检测到气体出口温度偏离目标值后，产生控制信号作为副控器的设定值；副控器则快速调节加热元件的功率，改变加热器壁面温度，从而使气体温度逐渐趋于设定值。

该结构可有效避免主控系统因热惯性大、响应慢而造成控制滞后，同时通过副控快速修正内扰，减少系统超调与振荡。

4 串级PID控制在在线式加热器中的应用研究

4.1 系统建模与控制目标设定

在针对在线式加热器进行温控优化的过程中，构建合理的控制系统模型是实现高效调节的前提。由于加热器本身具有热惯性大、响应慢的特点，其动态行为可简化为一阶惯性加纯滞后模型。该模型采用传递函数形式描述热过程特性，其中系统增益、时间常数以及滞后时间需通过实验辨识获取。研究中通过阶跃响应实验采集输出数据，结合最小二乘法进行模型拟合，得到了较为准确的控制对象数学模型，为后续控制器参数整定提供了基础。

在控制目标设定方面，系统要求在不同初始条件与外部干扰下能够实现温度快速上升并稳定维持在设定值。具体性能指标包括：温度调节时间不超过20秒，稳态误差控制在±0.5℃以内，同时应尽量减小系统超调，防止热冲击对加热器或工艺材料造成影响。基于此需求，控制系统设计了主副两级控制回路。主回路以出口气体温度为控制目标，体现最终工艺要求；副回路以加热器内部金属壁面温度为调节变量，用于补偿快速扰动与提前响应功率输出变化。整个系统构成了一种内嵌反馈的双回路控制架构，能够在满足稳态控制的同时提高动态响应性能。

4.2 控制参数整定策略与实验对比

串级PID控制系统的性能优劣在很大程度上依赖于控制参数的选择。在本研究中，控制器的参数整定采用了Ziegler-Nichols经验法与仿真验证相结合的策略。副回路因其控制对象为加热器表面温度，响应速度快，动态范围小，故在控制器设计中强调快速性与灵敏性，通常采用PI控制器进行调节。主回路面对的是具有较大惯性的气体出口温度，控制器则采用PID结构，以提高稳态精度与抗干扰能力。

在控制性能对比实验中，分别测试了传统单回路PID控制、改进型PID控制（增加前馈或抗积分饱和设计）以及串级PID控制三种方式在相同实验条件下的控制表现。结果显示，传统PID控制在面对较大的负载扰动时，存在较明显的调节迟滞与温度过冲问题，系统需要较长时间才能稳定；改进PID控制策略在某些工况下能够改善响应时间，但调节过程仍缺乏精细控制。相比之下，串级PID控制系统展现出明显的优势，其调节时间缩短至原系统的60%左右，超调量显著降低，稳态误差在0.3℃以内，系统整体运行更加平稳可靠。

通过进一步的MATLAB/Simulink仿真建模分析，串级控制系统的动态响应曲线与实验实测数据基本一致，验证了建模的准确性与控制器设计的合理性。这一控制策略不仅在常规稳态工况下表现良好，在模拟突发扰动、负载突变等条件下亦能迅速完成调整，充分体现出控制系统的鲁棒性与适应能力。

5 结语

在线式加热器作为半导体制造设备中关键的温控单元，其控温性能直接关系到关键工艺的稳定性与产品质量。传统的单回路PID控制方式已难以满足在线加热器对响应速度与温度精度的双重要求。研究表明，串级PID控制系统在在线式加热器的温度控制应用中具有良好的适应性和实际推广价值。未来，随着半导体制造工艺复杂性的提升与设备智能化趋势的发展，控制系统应进一步向多变量耦合控制、自适应优化、AI辅助建模方向演进，以实现更高效、更稳定、更智能的温控能力，支撑半导体产业的技术升级与发展需求。

 参考文献

[1] 王建峰, 刘子涵. 半导体装备温控系统研究综述[J]. 真空与低温, 2021(6): 52-56.

[2] 陈雪婷, 胡晓晨. 串级PID控制在热过程系统中的应用分析[J]. 自动化与仪器仪表, 2022(4): 89-92.