CN103760929A - 半导体设备的硅片承载区域氧含量控制方法及控制装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种半导体设备的硅片承载区域氧含量控制方法及控制装置，通过分阶段控制氮气吹入的流量，来达到氧气含量的控制目标，在控制开始时，对硅片承载区域快速吹入氮气，进行气体置换；当氧含量低于设定值后，切换到PID控制方式，以PID控制计算值设定流量值，对硅片承载区域慢速吹入氮气，并控制氧含量直至目标值。本发明通过控制模块控制快速置换空气阀、排气阀、直通进气阀和带MFC的进气阀的启闭组合，保证了硅片承载区域的压力稳定在目标范围内，实现简单，资源节约，获得了良好的综合效果。

Description

半导体设备的硅片承载区域氧含量控制方法及控制装置

技术领域

本发明涉及一种气体含量控制方法，更具体地，涉及一种半导体扩散设备的硅片承载区域氧气含量控制方法，以及实现该方法的控制装置。

背景技术

半导体扩散设备是集成电路制造的重要工艺设备，作为一种要求能长时间连续工作，且具有优异的控温精度及良好的可靠性、稳定性的自动化控制设备，应用于集成电路制造过程中的各种氧化、退火和薄膜生长等工艺。

扩散设备的一种工艺结果，即半导体硅片表面扩散层的均匀性，是扩散设备的核心指标。硅片经过工艺处理后，在向晶圆传送盒传送时，是在相对密封的硅片承载区域进行的。由于硅片可与空气中的氧发生自然氧化反应，生成被工艺视为“污染”的不均匀氧化物，使工艺结果得不到保证，因此，对硅片承载区域氧气含量的控制显得十分重要。

为使硅片承载区域在工艺过程中始终处于一个可控的低氧状态，技术上是通过向此区域不断吹入惰性的氮气，并通过排气装置置换氧气的方法来实现的。

现有的扩散设备一般采用单纯的增量式PID（比例-积分-微分）控制方法，对吹氮过程中硅片承载区域的氧气含量进行控制。其原理是将氧气含量的测量值与目标值进行比较，然后根据增量式PID计算公式计算出的控制量，控制MFC（质量流量计）吹入氮气的流量，从而达到控制目的的一种方法。

现有的控制氧气含量的方法，是在吹氮气开始时就启动增量式PID控制。硅片承载区域是一个相对密封的环境，其内设有多路管道阀门及检测单元，设于其中的硅片传输单元较多、结构较复杂。由于硅片承载区域复杂的结构特点，在控制的开始阶段，硅片承载区域的氧气含量还较高，气体分析仪测得的数值与目标值的差距较大，所以PID计算输出的控制量也大，易产生超调，造成参数整定困难。在这种状况下，需要耗费很长的时间，才能实现控制目标。

在实际工作中，按现有方法控制时，一个操作熟练人员往往需要2～3小时才能实现控制目标，不但占用的时间长，而且耗氮量大，非常不经济。同时，因PID需要不断进行参数整定，并输出控制量，造成执行机构动作频繁，以致加速其老化，影响使用寿命。

此外，采用现有的控制方法，当控制达标时，需要关闭排气阀。但由于缺乏对MFC流量的预调整，造成区域压力骤然升高，且波动较大。这会引起氧含量随之波动，继而PID又需调整；而当压力过大时，还需打开排气阀卸压，同样会造成氧含量波动，导致控制过程反复，耗时增加。而且，执行机构将一直处于频繁动作状态，对寿命影响很大。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术存在的氧含量控制目标实现时间长、控制过程反复、执行机构易老化的缺陷，提供一种新的硅片承载区域氧含量控制方法，通过在控制过程中进行分阶段控制，将预设快速吹氮与PID控制慢速吹氮相结合、并对PID计算的流量进行干预的方式，缩短了控制目标实现的时间，避免了压力波动造成的不利影响，同时减少了执行机构的频繁动作，延长了使用寿命。同时，本发明还提供了实现该方法的一种控制装置。

为实现上述目的，本发明的技术方案如下：

一种半导体设备的硅片承载区域氧含量控制方法，在控制过程中分阶段对氧气含量进行控制，并包括以下步骤：

步骤S01：在控制开始时，关闭快速置换空气阀，打开排气阀，打开直通进气阀和带MFC（质量流量计）的进气阀，对硅片承载区域快速吹入氮气，进行气体置换；

步骤S02：在前一个步骤的控制过程中对硅片承载区域的气体进行采样分析，当硅片承载区域的氧含量低于设定的第一临界值后，关闭直通进气阀，切换到PID控制方式，关闭排气阀，以PID控制计算值设定MFC流量值，对硅片承载区域慢速吹入氮气，并控制氧含量直至目标值；其中，所述第一临界值高于氧含量控制目标值。

进一步地，在步骤S01中，将MFC设置为以最大流量吹入氮气。

进一步地，在步骤S02中，若氧含量回升到大于设定的第二临界值后，则再次切换到步骤S01，对硅片承载区域快速吹入氮气。

进一步地，在步骤S02中，若氧含量回升到大于设定的第二临界值后，则再次切换到步骤S01；当氧含量重又低于设定的第一临界值后，则又切换回步骤S02，直至控制氧含量到目标值。

进一步地，在步骤S02中，所述快速置换空气阀处于关闭状态。

进一步地，所述第二临界值高于第一临界值。

进一步地，在由步骤S01切换到步骤S02时，为了使硅片承载区域的压力基本保持稳定，避免剧烈变化引起氧含量的波动或压力过大，根据试验测试的结果，给PID控制量的输出结果设置了一个“窗口”，即：在步骤S02中，当PID计算的MFC流量在150～200slm之间时，以计算值作为MFC的流量设定值；当PID计算的MFC流量小于150slm时，将150slm作为MFC的流量设定值；当PID计算的MFC流量大于200slm时，将200slm作为MFC的流量设定值。

本发明还提供了实现该方法的一种半导体设备的硅片承载区域氧含量控制装置，该装置包括控制模块，分别与快速置换空气阀、排气阀、直通进气阀和带MFC的进气阀的控制器电连接，其根据检测到的硅片承载区域的氧含量临界值，输出控制信号，并通过控制器控制快速置换空气阀、排气阀、直通进气阀和带MFC的进气阀的启闭组合，使在快速吹氮气阶段和慢速吹氮气阶段之间的切换；

其中，快速吹氮气阶段开始时，关闭快速置换空气阀，打开排气阀，打开直通进气阀和带MFC的进气阀，对硅片承载区域快速吹入氮气，进行气体置换；慢速吹氮气阶段开始时，关闭直通进气阀，切换到PID控制方式，关闭排气阀，以PID控制计算值设定MFC流量值，对硅片承载区域慢速吹入氮气，并控制氧含量直至目标值，所述临界值高于氧含量控制目标值。

当半导体扩散设备完成预定的生产周期，需要停止控制时，则关闭直通进气阀和带MFC的进气阀，打开排气阀和快速置换空气阀，对扩散设备内的残留气体进行置换。

从上述技术方案可以看出，本发明采取在整个控制过程中采用控制模块分阶段对氧气含量进行控制，通过控制氮气吹入的流量来达到氧气含量的控制目标；此外，在控制过程中，通过配合排气阀的开启和关闭，保证了硅片承载区域的压力稳定在目标范围内。本发明运行简单，可将实现氧含量控制目标的时间缩短到1个小时左右，大大节省了氮气资源；同时又避免了各阀门的频繁动作，延缓了老化过程，提高了使用寿命，获得了良好的综合效果。

附图说明

图1为本发明氧含量控制方法的控制流程图

具体实施方式

下面结合附图，对本发明的具体实施方式作进一步地详细说明。

在本实施例中,请参阅图1,图1是本发明氧含量控制方法的控制流程图。如图左列所示，本发明在对半导体扩散设备的硅片承载区域氧气含量进行控制时，在控制过程中采取分阶段的方式，先预设快速吹氮，当氧含量低于一定值后，再切换到PID控制方式慢速吹氮。具体分为二个步骤：

第一步，首先进入快速吹氮气阶段。在控制开始时，启动控制系统，关闭快速置换空气阀，打开排气阀、直通进气阀和带MFC的进气阀，并将MFC（质量流量计）设置为以最大流量快速吹入氮气，对硅片承载区域进行气体置换。在该阶段的过程中，对处于相对密封环境的硅片承载区域进行气体采样，然后通过气体分析仪进行分析，来监测氧气含量的变化。

第二步，当硅片承载区域的氧含量低于设定的第一临界值后，控制系统切换到PID控制方式。这时，直通进气阀关闭，带MFC的进气阀打开且以PID控制计算值设定MFC流量值吹氮气，进入慢速吹氮气阶段。此阶段需关闭排气阀，保持快速置换空气阀关闭状态，并控制氧含量直至实现目标值。

在第二个步骤中，氧含量有时会发生波动，特别是氧含量会发生大幅回升的情况。为避免这种现象对PID计算的干扰，故对控制系统进行设定：如果氧含量回升到大于设定的第二临界值后，则控制系统会再次切换到第一个步骤，对硅片承载区域快速吹入氮气；而当氧含量重又低于设定的第一临界值后，则又切换回第二个步骤，直至控制氧含量到目标值。

第一临界值、第二临界值的设定是根据工程实际的试验测试的结果确定的经验值。第一临界值高于氧含量控制目标值，第二临界值高于第一临界值。

硅片承载区域的压力值发生波动时，对氧含量的控制具有扰动的不利影响。这种波动的发生在排气阀开、合时就十分的明显，它会造成PID计算的超调，使控制发生不稳。因此，本发明在由第一个步骤切换到第二个步骤、需关闭排气阀时，为了使硅片承载区域的压力基本保持稳定，避免剧烈变化引起氧含量的波动或压力过大，根据试验测试的结果，给PID控制量的输出结果设置了一个“窗口”，即：在第二个步骤中，当PID计算的MFC流量在150～200slm之间时，以计算值作为MFC的流量设定值；当PID计算的MFC流量小于150slm时，将150slm作为MFC的流量设定值；当PID计算的MFC流量大于200slm时，将200slm作为MFC的流量设定值。在实际操作中起到了非常良好的控制效果。

如图右列所示，当半导体扩散设备完成预定的生产周期，需要停止控制时，则关闭直通进气阀和带MFC的进气阀，打开排气阀和快速置换空气阀，对扩散设备内的残留气体进行置换。

在采用上述方法对硅片承载区域的氧气含量进行控制时，本发明是通过一控制装置来实现的。该装置包括控制模块，分别与快速置换空气阀、排气阀、直通进气阀和带MFC的进气阀的控制器电连接，其根据检测到的硅片承载区域的氧含量临界值，输出控制信号，并通过控制器控制快速置换空气阀、排气阀、直通进气阀和带MFC的进气阀的启闭组合，使在快速吹氮气阶段和慢速吹氮气阶段之间的切换。

其中，快速吹氮气阶段开始时，关闭快速置换空气阀，打开排气阀，打开直通进气阀和带MFC的进气阀，对硅片承载区域快速吹入氮气，进行气体置换；慢速吹氮气阶段开始时，关闭直通进气阀，切换到PID控制方式，关闭排气阀，以PID控制计算值设定MFC流量值，对硅片承载区域慢速吹入氮气，并控制氧含量直至目标值，所述临界值高于氧含量控制目标值。

需要说明的是,现有技术控制氧气含量的方法，是在启动控制、吹氮气开始时就采用增量式PID控制。此时，由于硅片承载区域的氧气含量还较高，气体分析仪测得的数值与目标值的差距较大，所以PID计算输出的控制量也大，易产生超调，造成参数整定困难。在实际工作中，按现有方法控制时，一个操作熟练人员往往需要2～3小时才能实现控制目标，不但占用的时间长，而且耗氮量大，非常不经济。同时，因PID需要不断进行参数整定，并输出控制量，造成执行机构动作频繁，以致加速其老化，影响使用寿命。而采用本发明的控制方法，在氧气含量较高的阶段，不启动PID控制，因此避免了系统的超调现象；当氧气含量接近控制目标时，利用PID控制则可以较容易地实现参数整定，较快达到控制目标。通常快速吹氮约15分钟，即可切换到PID控制，整个过程的控制一般只需要一个小时，就可将氧含量控制到目标值以内的稳定状态。

此外，采用现有的控制方法，当控制达标时，需要关闭排气阀。但由于缺乏对MFC流量的预调整，造成区域压力骤然升高，且波动较大。这会引起氧含量随之波动，继而PID又需调整；而当压力过大时，还需打开排气阀卸压，同样会造成氧含量波动，导致控制过程反复，耗时增加。而且，执行机构将一直处于频繁动作状态，对寿命影响很大。而采用本发明的控制方法，通过让“窗口”发生作用，对PID控制量的输出结果进行干预，从而使硅片承载区域的压力基本保持稳定，避免了剧烈变化引起氧含量的波动或压力过大，在实际操作中起到了非常良好的控制效果。同时，又避免了各阀门的频繁动作，延缓了老化过程，提高了使用寿命，获得了良好的综合效果。

以上所述的仅为本发明的优选实施例，所述实施例并非用以限制本发明的专利保护范围，因此凡是运用本发明的说明书及附图内容所作的等同结构变化，同理均应包含在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种半导体设备的硅片承载区域氧含量控制方法，所述硅片承载区域包括快速置换空气阀、排气阀、直通进气阀和带MFC的进气阀，其特征在于，所述的控制方法包括以下步骤：

步骤S01：在控制开始时，关闭快速置换空气阀，打开排气阀，打开直通进气阀和带MFC的进气阀，对硅片承载区域快速吹入氮气，进行气体置换；

步骤S02：当硅片承载区域的氧含量低于设定的第一临界值后，关闭直通进气阀，切换到PID控制方式，关闭排气阀，以PID控制计算值设定MFC流量值，对硅片承载区域慢速吹入氮气，并控制氧含量直至目标值；其中，所述第一临界值高于氧含量控制目标值。

2.如权利要求1所述的氧含量控制方法，其特征在于，步骤S01中，将MFC设置为以最大流量吹入氮气。

3.如权利要求1所述的氧含量控制方法，其特征在于，步骤S02中，若氧含量回升到大于设定的第二临界值后，则再次切换到步骤S01，对硅片承载区域快速吹入氮气。

4.如权利要求1所述的氧含量控制方法，其特征在于，步骤S02中，若氧含量回升到大于设定的第二临界值后，则再次切换到步骤S01；当氧含量重又低于设定的第一临界值后，则又切换回步骤S02，直至控制氧含量到目标值。

5.如权利要求1所述的氧含量控制方法，其特征在于，步骤S02中，所述快速置换空气阀处于关闭状态。

6.如权利要求3或4所述的氧含量控制方法，其特征在于，所述第二临界值高于第一临界值。

7.如权利要求1、3或4所述的氧含量控制方法，其特征在于，步骤S02中，当PID计算的MFC流量在150～200slm之间时，以计算值作为MFC的流量设定值。

8.如权利要求1、3或4所述的氧含量控制方法，其特征在于，步骤S02中，当PID计算的MFC流量小于150slm时，将150slm作为MFC的流量设定值。

9.如权利要求1、3或4所述的氧含量控制方法，其特征在于，步骤S02中，当PID计算的MFC流量大于200slm时，将200slm作为MFC的流量设定值。

10.一种半导体设备的硅片承载区域氧含量控制装置，包括带有控制器的快速置换空气阀、排气阀、直通进气阀和带MFC的进气阀，其特征在于，还包括控制模块，分别与快速置换空气阀、排气阀、直通进气阀和带MFC的进气阀的控制器电连接，其根据检测到的硅片承载区域的氧含量临界值，输出控制信号，并通过控制器控制快速置换空气阀、排气阀、直通进气阀和带MFC的进气阀的启闭组合，使在快速吹氮气阶段和慢速吹氮气阶段之间的切换；

其中，快速吹氮气阶段开始时，关闭快速置换空气阀，打开排气阀，打开直通进气阀和带MFC的进气阀，对硅片承载区域快速吹入氮气，进行气体置换；慢速吹氮气阶段开始时，关闭直通进气阀，切换到PID控制方式，关闭排气阀，以PID控制计算值设定MFC流量值，对硅片承载区域慢速吹入氮气，并控制氧含量直至目标值，所述临界值高于氧含量控制目标值。

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