发明内容
本发明的目的在于提供一种用于半导体热处理设备的温度控制等效方法,消除工艺对象与实际控制对象之间的差异,解决同一机台维修和保养(PM)前后温度控制的等效问题,即实现不同控温模式下的等效控制。
为实现上述目的,本发明的技术方案如下:
一种用于半导体热处理设备的温度等效控制方法,所述半导体热处理设备中包括多个控温区,每个控温区分别包括热电偶、温度控制单元和加热单元;所述方法具体包括如下步骤:
步骤S1:根据Profile TC、Inner TC、Outer TC和OverTemp TC四种控温模式在工艺稳定状态下的标准阈值,判断系统在预定的时间内是否稳定,如果稳定,执行步骤S2;
步骤S2:在采样周期中,连续采样Profile TC、Inner TC、Outer TC和OverTemp TC热电偶测量值并将所得到的测量值分别计算平均值,得到该采样周期中各控温模式下的稳态值;
步骤S3:分别进行Inner TC与Outer TC间、Outer TC与OverTempTC间、Profile TC和Inner TC间的稳态差值计算,得到该采样周期的存放Inner TC与Outer TC及Outer TC与OverTemp TC间进行温度校准的Profiling校准表;使用Offset校准表存放Profile TC和Inner TC间进行温度校准的数值;Profiling校准表包括Profiling Result1校准表,ProfilingResult2校准表;
步骤S4:同步更新各校准表,以Wafer TC测量的温度为基准,通过Profile TC与硅片本身表面温度的Wafer TC校准表,以及所述各校准表,温度控制单元进行补偿控温处理;
步骤S5:如果热电偶发生故障,发出等效控制指令;
步骤S6:温度控制单元接收温度控制指令,分别选择并切换到InnerTC、Outer TC、OverTemp TC或几者的组合控温模式下进行下一采样周期的温度等效控温。
优选地,所述Profile TC控温模式通过Wafer TC校准表校准后,采用插值计算方法等效于硅片本身温度Wafer TC模式;其中,Wafer TC校准表表示Profile TC与安装在TC Wafer硅片的量测热电偶所获得测量值的差异。
优选地,所述插值计算方法为线性插值的方法,补偿数据的插值计算具体包括三种模式:
①、如果Profile TC采样值小于Wafer TC校准表中最小温度值,该校准插值直接取最小温度值对应的校准值;
②、如果Profile TC采样值大于Wafer TC校准表中最大温度值,该校准插值直接取最大温度值对应的校准值;
③、如果Profile TC采样值大于Wafer TC校准表中最小温度值,小于Wafer TC校准表中最大温度值,则根据Profile TC和Wafer TC校准值表中温度区间较小和较大温度值,计算该校准插值。
优选地,所述Inner TC控温模式通过Profile TC校准表校准后,等效于Profile TC模式,再应用Wafer TC校准表采用插值计算方法等效于硅片本身温度Wafer TC模式。
优选地,所述插值计算方法为线性插值的方法,补偿数据的插值计算具体包括三种模式:
①、如果Inner TC采样值小于Offset校准表中最小温度值,该校准插值直接取最小温度值对应的校准值;
②、如果Inner TC采样值大于Offset校准表中最大温度值,该校准插值直接取最大温度值对应的校准值;
③、如果Inner TC采样值大于Offset校准表中最小温度值,小于Offset校准表中最大温度值,则根据校准表该周期温度区间内较小和较大温度值,计算该校准插值。
优选地,所述Outer TC控温模式通过Profiling Result1校准表校准后,等效于Inner TC控温模式;然后,应用Offset校准等效于Profile TC控温模式,再应用Wafer TC校准表采用插值计算方法等效于硅片本身温度WaferTC控温模式。
优选地,所述插值计算方法为线性插值的方法,补偿数据的插值计算具体包括三种模式:
①、如果Outer TC采样值小于Profiling Result1校准表中最小温度值,该校准插值直接取最小温度值对应的校准值;
②、如果Outer TC采样值大于Profiling Result1校准表中最大温度值,该校准插值直接取最大温度值对应的校准值;
③、如果Outer TC采样值大于Profiling Result1校准表中最小温度值,小于Profiling Result1校准表中最大温度值,则根据校准表该周期温度区间内较小和较大温度值,计算该校准插值。
优选地,所述OverTemp TC控温模式通过Profiling Result2校准表校准后,等效于Outer TC控温模式;接下来,进行Outer TC控温模式通过Profiling Result1校准表校准后,等效于Inner TC控温模式;然后,应用Offset校准等效于Profile TC控温模式,再应用Wafer TC校准表采用插值计算方法等效于硅片本身温度Wafer TC模式。
优选地,所述OverTemp所述插值计算方法为线性插值的方法,补偿数据的插值计算具体包括三种模式:
①、如果OverTemp TC采样值小于Profiling Result2校准表中最小温度值,该校准插值直接取最小温度值对应的校准值;
②、如果OverTemp TC采样值大于Profiling Result2校准表中最大温度值,该校准插值直接取最大温度值对应的校准值;
③、如果OverTemp TC采样值大于Profiling Result2校准表中最小温度值,小于Profiling Result2校准表中最大温度值,则根据校准表该周期温度区间内较小和较大温度值,计算该校准插值。
优选地,所述控温模式选择包括:在所述Inner TC控温模式下,如果Inner TC热电偶故障,切换至Outer TC控温;在Outer TC控温模式下,如果Outer TC热电偶故障,切换至OverTemp TC控温,如果OverTemp TC故障,停止工艺。
从上述技术方案可以看出,本发明提供的本专利提供了一种简易可行的温度控制等效方法,考虑了更多热处理设备的稳定条件,为实现不同控温模式下的等效控制打下了良好的基础。利用本专利中的方法能够解决工艺需求对象与实际控制对象的等效问题,实现不同控温模式下的等效问题;解决同一机台PM(定期维护)前后温度控制的等效问题;解决不同机台同一工艺条件下的温度控制的等效问题;同时也解决了不同控温模式切换瞬间的被控对象值突变问题。
具体实施方式
需要说明的是,本发明提出一种实现各种采样温度等效的校准方法,以TC Wafer测量的温度为基准,实现Inner TC,Outer TC和Over Temp TC等效于TC Wafer量测温度的校准方法,并应用至实际热处理设备。下面结合附图,对本发明的具体实施方式作进一步的详细说明。
请参阅图1,图1为一种具有热电偶测温单元的半导体热处理设备的结构示意图。在下述实施例中,半导体热处理设备的温度控制可以根据需要划分成多个控温区,每个控温区可以分别包括多个热电偶和加热单元,每个控温区可以分别包括热电偶和加热单元。
如图1所示,本实施例中,半导体热处理设备的温度控制区为5个,每个控温区分别包括5组热电偶,和5个温控区(zone1、zone2、zone3zone4和zone5)所包含的加热单元,即热电偶组1、热电偶组2、热电偶组3、热电偶组4和热电偶组5。
下面结合图2-6,对本发明用于半导体热处理设备的温度等效控制方法工艺步骤进行详细阐述。请参阅图2,本发明的方法具体包括如下步骤:
步骤S1:根据Profile TC、Inner TC、Outer TC和OverTemp TC四种控温模式在工艺稳定状态下的标准阈值,判断系统在预定的时间内是否稳定,如果稳定,执行步骤S2;否者,报警或进行其它的故障处理。
本领域技术人员清楚,在半导体制造工艺中Auto Profiling功能用于获取各组热偶在温度控制稳定时的稳态差值。Auto Profiling作为一个独立工艺步骤存在,用户可在此工艺步骤中设置稳定状态判定标准(Judge Stable Table)表示在不同的工艺温度下,各温控模式的稳定阈值范围和持续时间等参数。
请参阅图3,图3为本发明在Auto Profiling工艺步中进行稳定状态判定的标准,即在持续时间内,用于Auto Profiling的温度需要满足设定的阈值实例表。如图所示,图中包含分别对应四种控温模式(Profile、Inner、Outer和OverTemp控温)下,用于判断系统是否稳定的标准,使用时自动选取与工艺参数中控温方式对应的一组用于Auto Profiling稳定状态的判定。
也就是说,使用时,在Auto Profiling工艺步运行过程中,判断系统进行Auto Profiling的温度是否稳定的标准可以是:在连续的3600秒内,如果所设定的用于Auto Profiling的该组热偶(Profile TC、Inner TC、Outer TC和OverTemp TC)都位于该工艺步骤温度设定值Set Point的+/-0.5℃内,则可以判断系统处于稳定状态,可以进行Auto Profiling的数据处理。
在判定用于Auto Profiling温度稳定后,即可进行Auto Profiling计算所需数据的采样,连续采样时长及采样周期由工艺配置文件设定(例如,可设定连续采样3600秒,采样周期2秒)将连续采样时间内的采样数据进行平均后即可进行稳态差值的计算。
步骤S2:在采样周期中,连续采样Profile TC、Inner TC、Outer TC和OverTemp TC热电偶测量值并将所得到的测量值分别计算平均值,得到该采样周期中各控温模式下的稳态值。
得到各温控模式的采样值之后,则可以执行步骤S3:分别进行Inner TC与Outer TC间、Outer TC与OverTemp TC间、Profile TC和Inner TC间的稳态差值计算,得到该采样周期的存放Inner TC与Outer TC及Outer TC与OverTemp TC间进行温度校准的Profiling校准表;使用Offset校准表存放Profile TC和Inner TC间进行温度校准的数值;Profiling校准表包括Profiling Result1校准表,Profiling Result2校准表。
具体地,由于在实际热处理过程中,硅片会随着承载机构上升下降,并在工艺过程中进行旋转,因而Profile TC用于实际工艺前Flat zone(恒温区)调整及与Inner TC的静态校准,在设备进行实际工艺时,Profile TC将会从热处理设备上拆除,从而在运行过程中能够实时获取的温度采样值处于InnerTC,Outer TC和Over Temp TC等温控模式。
然而,对于热处理控制设备,理想控制对象为生产对象即硅片本身的表面温度,但实际使用过程中,不能在生产对象硅片表面安装高精度的温度传感器,从而通过安装于接近硅片边缘的Profilie TC量测值来近视等效硅片本身表面温度。Profile TC与硅片本身表面温度的差异通过安装表面带有高精度量测热偶的硅片TC Wafer进行静态补偿,校准表为Wafer TC Table。因此,发明提出的实现各种采样温度等效的校准方法,以TC Wafer测量的温度为基准,实现Inner TC,Outer TC和Over Temp TC等效于TC Wafer量测温度的校准方法,并应用至实际热处理设备。
在本实施例中,Wafer TC(补偿值)=Wafer TC–Profile TC;即如下表所示:
Profile TC控温模式通过Wafer TC校准表校准,即Wafer TC=ProfileTC+Wafer TC Table(Profile TC);较准后,采用插值计算方法等效于硅片本身温度Wafer TC模式;其中,Wafer TC校准表表示Profile TC与安装在TCWafer硅片的量测热电偶所获得测量值的差异。插值计算方法为线性插值的方法,补偿数据的插值计算具体包括三种模式:
①、如果Profile TC采样值小于Wafer TC校准表中最小温度值,该校准插值直接取最小温度值对应的校准值;
②、如果Profile TC采样值大于Wafer TC校准表中最大温度值,该校准插值直接取最大温度值对应的校准值;
③、如果Profile TC采样值大于Wafer TC校准表中最小温度值,小于Wafer TC校准表中最大温度值,则根据Profile TC和Wafer TC校准值表中温度区间较小和较大温度值,计算该校准插值。
对于第三种情况,具体地,如果Profile TC采样值大于Wafer TC Table中最小温度值,小于Wafer TC Table中最大温度值,查询Profile TC所在Wafer TC Table的温度区间[Profile TCless,Profile TCmore]和[Wafer TCTableless,Wafer TC Tablemore],计算校准值Profile TCcalibration=ProfileTC+(Profile TC-Profile TCless)*(Wafer TC Tablemore-Wafer TCTableless)/(Profile TCmore-Profile TCless)。
通过上述方法,实现Profile TC校准后等效于Wafer TC即硅片本身温度的目的。请参阅图4,图4所示为本发明实施例中Profile TC与Inner TC间的校准表。在Auto Profiling工艺步中,可以使用Profiling校准表(ProfilingTable)存放Inner TC与Outer TC及Outer TC与OverTemp TC间进行温度校准的数值。并且,在Auto Profiling工艺步中,可以使用Offset校准表(Offset Table)存放Profile TC和Inner TC间进行温度校准的数值,其中,Offset Table中存储的数据Offset Result=Profile TC–Inner TC。
同理,请参考图5和图6,图5所示为本发明实施例中Inner TC与OuterTC间的校准表;图6所示为本发明实施例中Outer TC与OverTemp TC间的校准表。如图所示,Profiling Result1=Inner TC–Outer TC,ProfilingResult2=Outer TC–OverTemp TC。
通过对上述校准表中数据的处理,即可实现不同控温模式下的等效控制,即在实际工艺中,热偶校准功能在获取热偶采样值后的每一个控制周期都进行计算,并同步更新后作为输入提供给温度控制器。
在本实施例中,Inner TC控温模式可以通过Profile TC校准表校准后,等效于Profile TC温控模式,再应用Wafer TC校准表采用插值计算方法等效于硅片本身温度Wafer TC温控模式。下面以插值计算方法为线性插值的方法为例,补偿数据的插值计算具体可以包括三种模式:
①、如果Inner TC采样值小于Offset校准表中最小温度值,该校准插值直接取最小温度值对应的校准值;
②、如果Inner TC采样值大于Offset校准表中最大温度值,该校准插值直接取最大温度值对应的校准值;
③、如果Inner TC采样值大于Offset校准表中最小温度值,小于Offset校准表中最大温度值,则根据校准表该周期温度区间内较小和较大温度值,计算该校准插值。
具体地,对于第三种情况,Inner TC采样值大于Offset Table中最小温度值,小于Offset Table中最大温度值,查询Inner TC所在Offset Table中的温度区间[Inner TCless,Inner TCmore]和[Offset Tableless,OffsetTablemore],计算校准值Inner TCcalibration=Inner TC+(Inner TC-InnerTCless)*(Offset Tablemore-Offset Tableless)/(Inner TCmore-InnerTCless)。
最后,在Inner TCcalibration基础上应用Wafer TC Table校准,即可实现Inner TC等效于Wafer TC即硅片本身温度。
在本实施例中,Outer TC控温模式可以通过Profiling Result1校准表校准后,等效于Inner TC控温模式;然后,应用Offset校准等效于Profile TC控温模式,再应用Wafer TC校准表采用插值计算方法等效于硅片本身温度Wafer TC控温模式。下面以插值计算方法为线性插值的方法为例,补偿数据的插值计算具体可以包括三种模式:
①、如果Outer TC采样值小于Profiling Result1校准表中最小温度值,该校准插值直接取最小温度值对应的校准值;
②、如果Outer TC采样值大于Profiling Result1校准表中最大温度值,该校准插值直接取最大温度值对应的校准值;
③、如果Outer TC采样值大于Profiling Result1校准表中最小温度值,小于Profiling Result1校准表中最大温度值,则根据校准表该周期温度区间内较小和较大温度值,计算该校准插值。
具体地,对于第三种情况,如果Outer TC采样值大于Profiling Result1Table中最小温度值,小于Profiling Result1Table中最大温度值,查询OuterTC所在Profiling Result1Table中的温度区间[Outer TCless,Outer TCmore]和[Profiling Result1Tableless,Profiling Result1Tablemore],计算校准值Outer TCcalibration_1=Outer TC+(Outer TC-Outer TCless)*(ProfilingResult1Tablemore-Profiling Result1Tableless)/(Outer TCmore-OuterTCless)。
接下来,在Outer TCcalibration_1基础上应用Offset Table校准,得到Outer TCcalibration_2,即可实现Outer TC等效于Profile TC;最后,在Outer TCcalibration_2基础上应用Wafer TC Table校准,即可实现Outer TC等效于Wafer TC即硅片本身温度。
在本实施例中,OverTemp TC控温模式通过Profiling Result2校准表校准后,等效于Outer TC温控模式;接下来,进行Outer TC控温模式通过Profiling Result1校准表校准后,等效于Inner TC温控模式;然后,应用Offset校准等效于Profile TC温控模式,再应用Wafer TC校准表采用插值计算方法等效于硅片本身温度Wafer TC温控模式。下面以插值计算方法为线性插值的方法为例,补偿数据的插值计算具体可以包括三种模式:
①、如果OverTemp TC采样值小于Profiling Result2校准表中最小温度值,该校准插值直接取最小温度值对应的校准值;
②、如果OverTemp TC采样值大于Profiling Result2校准表中最大温度值,该校准插值直接取最大温度值对应的校准值;
③、如果OverTemp TC采样值大于Profiling Result2校准表中最小温度值,小于Profiling Result2校准表中最大温度值,则根据校准表该周期温度区间内较小和较大温度值,计算该校准插值。
具体地,对于第三种情况,如果OverTemp TC采样值大于ProfilingResult2Table中最小温度值,小于Profiling Result2Table中最大温度值,查询OverTemp TC所在Profiling Result2Table中的温度区间[OverTempTCless,OverTemp TCmore]和[Profiling Result2Tableless,ProfilingResult2Tablemore],计算校准值OverTemp TCcalibration_1=OverTempTC+(OverTemp TC-OverTemp TCless)*(Profiling Result2Tablemore-Profiling Result2Tableless)/(OverTemp TCmore-OverTemp TCless)。
接下来,在OverTemp TCcalibration_1基础上应用Profiling Result1Table校准,得到Outer TCcalibration_2,即可实现OverTemp TC温控等效于Inner TC温控;然后,在OverTemp TCcalibration_2基础上应用OffsetTable校准,得到OverTemp TCcalibration_2,即可实现OverTemp TC温控等效于Profile TC温控;最后,在OverTemp TCcalibration_3基础上应用Wafer TC Table校准,即可实现OverTemp TC温控等效于Wafer TC温控,即硅片本身温度。
需要说明的是,热偶校准功能在获取热偶采样值后的每一个控制周期都进行计算,并同步更新后作为输入提供给温度控制器。
请再参阅图2,有了上述的校准表后,即可执行步骤S4:同步更新各校准表,以Wafer TC测量的温度为基准,通过Profile TC与硅片本身表面温度的Wafer TC校准表,以及各校准表,温度控制单元进行同步补偿控温处理。所谓进行同步补偿,即每一个温控周期都对所有热偶参考TC Wafer进行补偿更新,但存在热偶故障信号的不补偿,需执行如下的步骤。
步骤S5:如果热电偶发生故障,发出等效控制指令;以及
步骤S6:温度控制单元接收温度控制指令,分别选择并切换到InnerTC、Outer TC、OverTempTC或几者的组合控温模式下进行下一采样周期的温度等效控温。
本领域技术人员清楚,在一个工艺设置文件中,不同的工艺步骤会采用不同的控制方式,会根据工艺设置文件或者客户操作执行对应的控温方式,温度控制器接收温度控制指令,分别选择Inner热偶、Outer热偶、OverTemp热偶或几者的组合进行控温。
也就是说,温度控制器会接收热偶故障信号和控温模式切换指令后,发出报警并根据设定值进行对应处理;其中,热偶故障信号可以包括开路、短路和供电系统异常等报警信号等。对应处理的方式可以包括自动处置和手动设定工艺文件或者操作者指令进行对应操作。
在本实施例中,自动处置的控温模式选择可以包括:在Inner TC控温模式下,如果Inner TC热电偶故障,切换至Outer TC控温;在Outer TC控温模式下,如果Outer TC热电偶故障,切换至OverTemp TC控温,如果OverTemp TC故障,停止工艺。
综上所述,本专利提供了一种简易可行的温度控制等效方法,考虑了更多热处理设备的稳定条件,为实现不同控温模式下的等效控制打下了良好的基础。
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。