CN102763201A - 高效率高准确度加热器驱动器 - Google Patents

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Abstract

本发明揭示了一种快速热处理腔室，所述快速热处理腔室具有灯具驱动电路，灯具驱动电路包含两个晶体管和两个二极管。快速热处理腔室包含多个卤素灯具、灯具驱动器、测量晶片温度的温度传感器以及连接至温度传感器和灯具驱动器的温度控制器，温度控制器提供控制信号给灯具驱动器，控制信号为晶片温度与期望温度的函数。灯具驱动器包含由控制信号控制的两个晶体管，使得供应给多个卤素灯具的功率的功率因数(power factor)在0.9到1之间的范围。

Description

高效率高准确度加热器驱动器
技术领域
本发明涉及加热器驱动器，所述加热器驱动器可用于快速热处理腔室，以在处理晶片(wafer)时提供更有效率的操作方式。
背景技术
当处理半导体晶片时，快速热处理（RTP）腔室需要控制供给灯具的功率以控制灯具所产生的热量。现有的快速热处理腔室利用包含有相位角度控制的硅控整流器（siliconcontrolled rectifier，SCR）的灯具驱动电路来控制提供给灯具的功率，以控制晶片处理。这些基于硅控整流器的灯具驱动电路具有许多限制晶片处理的效率的缺点。基于硅控整流器途径的一系列缺点在于电流的功率因数较低。在低功率水平时特别如此，其中功率因数(power factor)可小于50％。因此造成半导体处理的能量没有效率。
除此之外，基于硅控整流器的灯具驱动电路在电压跨零点的点附近时不能被开启。这是因为硅控整流器需要一最小电压来开启。因此，受控的输出电流的最小值具有阈值。这也同样造成处理没有效率。
另一个问题是，因为硅控整流器的特性，只能在每一个周期中开启和关闭硅控整流器两次。这是由于只有当流经装置的电流为零的时候，硅控整流器才会关闭。若能对于灯具驱动器电路实现更精确的控制，则可以改善高速的温度处理。
因此，鉴于快速热处理腔室中与基于硅控整流器的灯具驱动电路相关的这些缺点，需要新的且改良的灯具驱动电路。
发明概述
本发明的一个方式提供了一种处理晶片的快速热处理腔室。所述快速热处理腔室被供应交流功率并且可包含多个卤素灯具、灯具驱动器、测量晶片温度的温度传感器；以及连接至温度传感器和灯具驱动器的温度控制器，所述温度控制器提供控制信号给第一晶体管的控制输入端和第二晶体管的控制输入端，所述控制信号为晶片温度与期望温度的函数。所述灯具驱动器包含负极连接至第一晶体管的第一端的第一二极管，所述第一二极管与负极连接至第二晶体管的第一端的第二二极管相并联，其中第一二极管的正极与第二晶体管的第二端连接至上述多个卤素灯具中的一个或多个，而第二二极管的正极与第一晶体管的第二端连接至交流功率供应器(power supply)。
根据本发明的另一方式，一种处理晶片的快速热处理腔室包括：多个卤素灯具、功率源、测量晶片温度的温度传感器以及温度控制器。所述功率源包含具有第一开关与第二开关的交流功率源(power source)，所述功率源连接至多个卤素灯具以供应功率至所述多个卤素灯具。所述温度控制器连接至温度传感器以及功率源中的第一开关和第二开关，所述温度控制器提供第一控制信号至第一开关，并且提供第二控制信号至第二开关，第一控制信号与第二控制信号为晶片温度与期望温度的函数。第一控制信号在交流功率的每半个周期中开启和关闭第一开关多次，而第二控制信号在交流功率的每半个周期中开启和关闭第二开关多次。
根据本发明的另一方式，当第二开关关闭时，第一开关开启。同样，当第二开关开启时，第一开关关闭。
根据本发明的另一方式，温度控制器形成第一控制信号和第二控制信号，作为交流功率的脉冲形式。
根据本发明的另一方式，供应给多个卤素灯具的功率的功率因数大约为1。通常，功率因数介于0.9到1之间。
根据本发明的另一方式，第一开关和第二开关为晶体管。所述晶体管可为MOSFET晶体管、双极性晶体管或绝缘栅双极性晶体管。
根据本发明的另一方式，提供了一种控制处理晶片的快速热处理腔室的方法。所述方法可包含下列步骤：感测晶片的温度；确定期望温度；温度控制器根据晶片的温度和期望温度产生第一控制信号和第二控制信号；第一控制信号在供应给温度控制器的交流功率的每半个周期中开启和关闭第一开关多次；第二控制信号在供应给温度控制器的交流功率的每半个周期中开启和关闭第二开关多次；以及第一开关和第二开关供应功率给多个卤素灯具。
根据本发明的另一方式，第一开关与第二开关在不同时间开启。当第二开关关闭时，第一开关开启，而当第二开关开启时，第一开关关闭。
根据本发明的另一方式，温度控制器形成第一控制信号和第二控制信号，作为交流功率的脉冲形式。
根据本发明的另一方式，供应多个卤素灯具的功率的功率因数大约为1。
如上所述，第一开关及第二开关可为晶体管。晶体管可选自由MOSFET晶体管、双极性晶体管和绝缘栅双极性晶体管组成的组。
根据本发明的另一方式，一种处理晶片的快速热处理腔室。所述快速热处理腔室被供应交流功率，且包括：多个卤素灯具、灯具驱动器、测量晶片温度的温度传感器以及温度控制器。所述灯具驱动器包含与第二二极管和第二晶体管并联连接的第一二极管和第一晶体管，所述灯具驱动器连接至交流功率源并连接至所述多个卤素灯具，以供应功率给多个卤素灯具。所述温度控制器连接至温度传感器和灯具驱动器，所述温度控制器给第一晶体管提供作为晶片温度和期望温度的函数的第一控制信号，并给第二晶体管提供作为晶片温度与期望温度的函数的第二控制信号。第一晶体管与第二晶体管在不同的时间开启。
晶体管可以都为MOSFET晶体管，也可以都为双极性晶体管，或者都为绝缘栅双极性晶体管。如上所述，第一晶体管和第二晶体管可在所供应的交流电压的每半个周期中开启和关闭两次或更多次。供应给多个卤素灯具的功率的功率因数介于0.9到1之间。
附图说明
图1表示具有卤素灯具、灯具驱动器、晶片温度控制器、温度传感器以及温度控制器的快速热处理腔室。
图2表示根据本发明的一种方式的灯具驱动器。
图3表示根据本发明的一种方式的来自功率源的电压和驱动器输出电压。
图4表示根据本发明的一种方式的驱动器电路。
图5表示根据本发明的一种方式的与本发明电路相关的波形。
图6表示根据本发明的一种方式的本发明操作方式。
发明描述
图1表示快速热处理腔室（Rapid Temperature Process(RTP)chamber）10。该RTP腔室10包含多组卤素灯具12，多个灯具驱动器14以及正被处理的晶片16。灯具驱动器14连接至卤素灯具12，并控制提供给卤素灯具12的功率。卤素灯具12供应热量给晶片16，以使得晶片16以已知的方式来处理。
晶片温度控制器18具有输入端与输出端，输入端连接至温度传感器20，输出端连接至灯具驱动器14。根据本发明的一种方式，所述温度传感器20为非接触式温度传感器，所述温度传感器测量晶片16的温度。所述温度从温度传感器20提供给温度控制器18。晶片16所需的温度也会提供给温度控制器18。温度控制器18便依据所量测的温度与所需的温度来发送控制信号给灯具驱动器14，以控制卤素灯具12。灯具驱动器14维持卤素灯具12必需的灯具功率来产生红外线发射，以加热晶片16。
一种现有技术的灯具驱动器14表示于图2中。灯具驱动器14连接至功率源30。功率源30可以为功率分配线。灯具驱动器14由功率控制元件组成。例如，在现有技术中，提供双极性硅控整流器(silicon controlled rectifier，SCR)34以及硅控整流器控制器36。最初，硅控整流器并不导通电流。但基于来自控制器18的外部指令，硅控整流器控制器36会开启或关闭硅控整流器34，导致电流流经灯具12。当所提供给硅控整流器34的控制信号的极性反转时，硅控整流器34停止电流导通，灯具12关闭。
图3的左图表示来自功率源30的电压40。右图表示当使用硅控整流器34时，来自硅控整流器34的驱动器输出电压42。值得注意的是，硅控整流器34典型地是在功率源30的交流周期的每半个周期中开启和关闭一次。
图4表示根据本发明的一种方式的灯具驱动器。该灯具驱动器具有电子开关46和控制器48。依据本发明的一种方式，电子开关44包含第一晶体管50、第二晶体管52、第一二极管54和第二二极管56。如图4所示，第一二极管54的负极连接至第一晶体管50的第一端。第二晶体管56的负极连接至第二晶体管52的第一端。串联的第一二极管54和第一晶体管50与串联的第二二极管56和第二晶体管52并联。
第一二极管54的正极与第二晶体管52的第二端连接至多个卤素灯具12中的一个或多个。第二二极管56的正极与第一晶体管50的第二端连接至交流功率供应器。
晶体管50和52可以由大多数类型的晶体管来实现。例如，根据本发明的一种方式中，晶体管50及52可利用MOSFET晶体管来实现。根据本发明的其他方式，晶体管50及52也可利用双极性晶体管来实现。进一步，晶体管50和52也可以利用绝缘栅双极性晶体管(insulated gate bipolar transistor，IGBT)来实现。在图4中，晶体管50和52表示为MOSFET晶体管。在输入正弦波的正部份期间，二极管56与晶体管52导通，而在输入正弦波的负部份期间，二极管54与晶体管50导通。
参考图4，控制器48接收来自温度控制器18的指令。温度控制器18接受期望温度与来自温度传感器20所感测的温度。控制器48分析所感测温度和期望温度并发出控制信号到晶体管50和52的控制输入端，由此开启和关闭晶体管50和52，以维持跨灯具12的所需电压，使期望温度得以维持。
如图5所示，控制器48能够在输入交流电压的每半个周期中开启和关闭晶体管50和52多次。这是通过将输入电压60的正弦波形式切截(chop)成脉冲电压62来实现。温度控制器18因而可通过在输入交流电压供应器的每个周期中开启和关闭晶体管50和52两次或更多次的方式，来在输入交流电压的周期中精确地调整跨灯具12的电压。
图6表示根据本发明的一种方式的灯具加热器电路，所述灯具加热器电路包含两个驱动电路90和92。驱动器电路90和92的每一个控制一组或多组灯具。根据本发明的另一方式，在交流电压的周期中，控制器94交错(stagger)驱动器90的切换相位来展开导通相位。50％工作周期中的输出电压96和98如图所示。在主动式负载的情况下，如电阻器或灯具，输入电流99和100具有与输出电压96和98相同的形式。输入加热器电流27是多个驱动器的输出电流的迭加。因此，输入电流为多个驱动器的输出电流的迭加。在此例中，输入电流的结果形式是正弦波。加热器输入电压26与输入电流27彼此间并不具有相位偏移，而功率因数近似为1。
相较于先前使用硅控整流器的灯具电路而言，本发明灯具驱动器可以更快速地被控制。这是因为相对于具有较慢反应时间的硅控整流器来说，晶体管可以较快速地被开启和关闭。于是，利用本发明可以更精准得多地控制卤素灯具12。
本发明还提供一种控制处理晶片的快速热处理腔室的方法。快速热处理腔室被供应交流功率，并如前所述具有多个卤素灯具，所述卤素灯具的功率输出受灯具驱动器所控制。如前所述，灯具驱动器包含负极连接至第一晶体管的第一端的第一二极管，所述第一二极管与负极连接至第二晶体管的第一端的第二极管并联，其中第一二极管的正极与第二晶体管的第二端连接至所述多个卤素灯具中的一个或多个，而第二二极管的正极与第一晶体管的第二端连接至交流功率供应器。
根据本发明的一种方式，所述处理包括：用温度传感器感测晶片的温度；传送感测的晶片温度与所需要的温度至温度控制器；温度控制器产生传送至第一晶体管的控制输入端和第二晶体管的控制输入端的控制信号，以开启和关闭第一晶体管和第二晶体管；并且所述温度控制器供应信号给所述多个卤素灯具，以控制所发出的热量。
在每一个灯具驱动器中的第一晶体管和第二晶体管均为MOSFET晶体管的情况下，第一晶体管和第二晶体管的控制输入端为MOSFET晶体管的栅极。在使用双极性晶体管的情况下，第一晶体管和第二晶体管的控制输入端为基极端。
根据本发明的另一方式，温度控制器会切截所供应的交流电压来产生控制信号至第一和第二晶体管，由此第一和第二晶体管在所供应的交流电压的每半个周期中开启和关闭二次或更多次。
本发明的驱动器电路具有三个优点。该驱动器电路允许输出电压更快速的设定时间，允许处理温度控制中更好的动态精确度。根据本发明的实施方式的驱动器具有最大的可实现速度，因为驱动器在开路模式下工作。开路模式消除了所有与内部封闭闭路有关的负面影响：增加设定时间和过调节(overshooting)。驱动器的静态误差通过外部晶片温度控制闭路而得到补偿。
本发明的驱动器电路还允许在低温时处理控制的精确度增加：不像常规使用相位角度控制方法的基于硅控整流器的驱动器，本发明的驱动器在所有实际目的上，并不具有最小输出电压，而现有技术的基于硅控整流器的驱动器的最小可控制输出电压为5％。另外，在低输出电压时，本发明的实施方式的驱动器具有更好的精确度。因此，新驱动器具有更好的功率因数，并因而在中等和低功率范围具有更低的能量消耗。由于快速热处理期间的平均功率在27％-35％范围内，故这是一个优势。使用硅控整流器驱动器的现有快速热处理系统的典型功率因数是0.4。而新驱动器在任何控制的功率水平都具有优于0.9的功率因数。在多数情况下，功率因数接近于1。
虽然这里已示出、描述和提出如所应用于优选实施方式的本发明的基本新颖特征，但应当理解，本领域技术人员在不脱离本发明的精神的情况下，可以对所说明的装置的型式与细节及其操作上作出各种省略、取代与改变。因此，本发明的保护范围意在仅受到后附的权利要求所界定的范围的限制。

Claims (15)

1.一种处理晶片的快速热处理腔室，所述快速热处理腔室包含：
多个卤素灯具；
功率源，所述功率源包含具有第一开关和第二开关的交流功率源，所述功率源连接至所述多个卤素灯具以供应功率给所述多个卤素灯具；
温度传感器，所述温度传感器测量所述晶片的温度；以及
温度控制器，所述温度控制器连接至所述温度传感器并且连接至所述功率源中的所述第一开关和所述第二开关，所述温度控制器提供第一控制信号给所述第一开关，提供第二控制信号给所述第二开关，所述第一控制信号和所述第二控制信号为所述晶片温度和期望温度的函数；
其中所述第一控制信号在所述交流功率的每半个周期中开启和关闭所述第一开关多次，所述第二控制信号在所述交流功率的每半个周期中开启和关闭所述第二开关多次。
2.如权利要求1所述的快速热处理腔室，其中当所述第二开关关闭时，所述第一开关开启。
3.如权利要求2所述的快速热处理腔室，其中当所述第二开关开启时，所述第一开关关闭。
4.如权利要求3所述的快速热处理腔室，其中所述温度控制器形成所述第一控制信号和所述第二控制信号，作为所述交流功率的脉冲形式。
5.如权利要求3所述的快速热处理腔室，其中供应给所述多个卤素灯具的所述功率的所述功率因数介于0.9到1之间，并且所述第一开关和所述第二开关为晶体管。
6.如权利要求4所述的快速热处理腔室，其中所述第一开关和所述第二开关选自由MOSFET晶体管、双极性晶体管和绝缘栅双极性晶体管组成的组。
7.一种对处理晶片的快速热处理腔室进行控制的方法，所述方法包含以下步骤：
感测所述晶片的温度；
确定期望温度；以及
温度控制器根据所述晶片的温度和所述期望温度来产生第一控制信号和第二控制信号；
所述第一控制信号在供应给所述温度控制器的交流功率的每半个周期中开启和关闭第一开关多次；
所述第二控制信号在供应给所述温度控制器的交流功率的每半个周期中开启和关闭第二开关多次；以及
所述第一开关和所述第二开关供应功率给多个卤素灯具。
8.如权利要求7所述的方法，其中所述第一开关和所述第二开关在不同间开启。
9.如权利要求7所述的方法，其中所述温度控制器形成所述第一控制信号和所述第二控制信号，作为所述交流功率的脉冲形式。
10.如权利要求8所述的方法，其中供应给所述多个卤素灯具的所述功率的功率因数介于0.9到1之间，并且所述第一开关和所述第二开关是晶体管。
11.如权利要求9所述的方法，其中所述第一开关和所述第二开关选自由MOSFET晶体管、双极性晶体管、和绝缘栅双极性晶体管组成的组。
12.一种处理晶片的快速热处理腔室，所述快速热处理腔室被供应交流功率，所述快速热处理腔室包含：
多个卤素灯具；
灯具驱动器，包含第一二极管和第一晶体管与第二二极管和第二晶体管的并联连接，所述灯具驱动器连接至交流功率源和所述多个卤素灯具，以供应功率给所述多个卤素灯具；
温度传感器，所述温度传感器测量晶片温度；以及
温度控制器，所述温度控制器连接至所述温度传感器和所述灯具驱动器，所述温度控制器提供第一控制信号给所述第一晶体管，所述第一控制信号是所述晶片温度和期望温度的函数，并且所述温度控制器提供第二控制信号给所述第二晶体管，所述第二控制信号是所述晶片温度和所述期望温度的函数；以及
其中所述第一晶体管与所述第二晶体管在不同的时间开启。
13.如权利要求12所述的快速热处理腔室，其中所述第一晶体管和所述第二晶体管选自由MOSFET晶体管、双极性晶体管和绝缘栅双极性晶体管组成的组。
14.如权利要求12所述的快速热处理腔室，其中所述第一晶体管和所述第二晶体管在所供应的交流电压的每半个周期中开启和关闭两次或更多次。
15.如权利要求14所述的快速热处理腔室，其中供应给所述多个卤素灯具的所述功率的功率因数介于0.9到1之间。
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