CN103792974A - 一种可快速精细调节温度场空间分布的加热盘及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种可快速精细调节温度场空间分布的加热盘及控制方法，属于加热盘的精细控制技术领域。在加热盘金属基体上设置若干个隔热层，隔热层将加热盘金属机体分成不同直径的环形或扇形区域；在加热盘金属基体内部、各隔热层分隔的环形或扇形区域内，分别设置若干个温度传感器、加热棒及冷却装置；由控制模块控制加热棒加热或冷却装置制冷，对温度空间分布进行精准控制，使其逼近预期温度空间分布要求。本发明通过隔热层，减小相邻区域间的热扩散效应，使得不同区域间的控制更加独立，进而通过在不同区域设置独立可控的加热与冷却装置，实现对该区域温度的双向快速调节，最终实现对温度场空间分布双向、快速、灵活及精细化的调控能力。

Description

一种可快速精细调节温度场空间分布的加热盘及控制方法

技术领域

本发明涉及一种可快速精细调节温度场空间分布的加热盘及控制方法，属于加热盘的精细控制技术领域。

背景技术

温度控制在很多领域有重要应用，现在的温度控制多是针对空间的平均温度进行调节，但在很多场合，需要对温度场空间分布进行快速精细调节。化学气相沉积的在线实时控制就对温度场空间空间分布的快速精细化调控提出了要求。

化学气相沉积（CVD）是反应物质在气态条件下发生化学反应，生成固态物质沉积在加热的固态基体表面，进而制得固体材料的工艺技术，其通过化学气相沉积装置得以实现。现阶段化学气相沉积（CVD）设备，如等离子增强化学气相沉积（PECVD）设备、低压化学气相沉积（LPCVD）设备、金属有机化合物化学气相沉积（MOCVD）设备己经广泛应用于半导体器件制造领域。以下以离子增强化学气相沉积（PECVD）设备为例对现有的化学气相沉积设备进行简单说明。

图1为现有技术一种PECVD装置结构示意图，包括工艺腔室1，腔室舱门2，喷淋头3，远程等离子源4，质量流量控制器5，射频匹配器6，高频源7，加热盘8，低频源9，基台调整支柱10，真空泵11，压力表12，顶针盘13，衬底14。

所述工艺腔室1和腔室舱门2的特征在于当腔室舱门关闭时，工艺腔室内部与外界隔离，实现真空密封；所述远程等离子源4的特征在于，产生刻蚀等离子体，用于清洗附着在腔室内壁的沉积物；所述质量流量控制器5的特征在于，能够对流入工艺腔室的反应气体流量进行调控，并通过所述喷淋头3对气流均匀性进行调控；所述高频源7、低频源9的特征在于，在工艺腔室内产生射频电磁场，使反应气体解离，进而产生等离子体，并通过射频匹配器6对包含等离子的射频回路阻抗特性进行调控，使得尽可能多的射频功率被注入工艺腔室，用于激发等离子而不被反射；所述基台调整支柱10，其特征在于，调整射频电容耦合放电的极间距；所述顶针盘13的特征在于，能够将衬底14顶起和落下，主要用于将衬底14放入和取出工艺腔室时；所述真空泵11、压力表12的特征在于，能够对腔室内真空度进行调节；所述衬底14的特征在于，放置在加热盘8上，薄膜在衬底14上沉积；所述加热盘8的特征在于，作为射频电容耦合放电回路的下电极，并能够对所述衬底14进行加热，可调节衬底14的温度。

随着IC制造晶圆尺寸不断增大，特征尺寸不断缩小，IC制造对薄膜沉积工艺的大面积高一致性提出了更高的要求。这实际上是要求设备对工艺因素的空间分布具有更精确的控制能力，而现有的CVD腔室设计普遍过于刚性，只能对工艺因素平均值进行调节，不能实现工艺因素空间分布的灵活调控，工艺品质是由简单的结构与粗略的工艺条件控制来保证的，这导致设备对不同工艺要求的适应能力及工艺偏差的调节矫正能力均相对较差，同时也不能实现工艺品质空间分布的精细化调控。

发明内容

本发明的主要目的在于提供一种可快速精细调节温度场空间分布的加热盘及控制方法，使得PECVD腔室内温度空间分布具有灵活与精细化调控能力，能够相对自由快速地使得腔室内温度空间分布逼近预期要求。本发明以PECVD装置进行说明，但不局限于PECVD装置，可应用于任何需要温度场空间分布快速精细控制的场合。

所述加热盘采用的技术方案为：

在加热盘金属基体上设置若干个隔热层，隔热层将加热盘金属机体分成不同直径的环形或扇形区域；在加热盘金属基体内部、各隔热层分隔的环形或扇形区域内，分别设置若干个温度传感器、加热棒及冷却装置；

控制模块包括温度传感器控制器、加热棒控制器、冷却装置控制器和总控制器，由温度传感器和温度传感器控制器得到各区域温度值，再由总控制器输送指令加热棒控制器和冷却装置控制器，控制加热棒加热或冷却装置制冷，对温度空间分布进行精准控制，使其逼近预期温度空间分布要求。

所述隔热层可以为陶瓷隔热材料，也可以为真空隔热层。

所述温度传感器为热电偶传感器。

所述加热棒为环形，截面形状为圆形或多边形。

所述冷却装置布置在加热棒的下方，采用冷却管道的形式，通过调节冷却流体流量进行降温调节，冷却流体为水、冷却液或气体；或者，冷却装置采用半导体制冷器件，通过电子设备进行冷却。

本发明还提供的一种所述加热盘的温度场空间分布控制方法，按如下步骤进行：

步骤1：通过仿真或数值设定确定加热盘的理想温度场空间分布，并输入总控制器；

步骤2：通过温度传感器获得对应采样点的温度值；

步骤3：通过温度传感器控制器将温度传感器获得的采样点温度值转换为可识别的信号；

步骤4：将温度信号输入总控制器，并通过拟合方法，得到近似的温度场空间分布轮廓，比较当前温度场空间分布轮廓与预设温度场分布轮廓之间的差异；

步骤5：根据差异，输出控制信号给加热棒控制器或冷却装置控制器，控制加热棒加热或冷却装置制冷，进而实现对温度场空间分布进行快速调节；

重复执行步骤2至步骤5和操作，采用基于PID的控制算法，直至实际温度场空间分布逼近理论温度场空间分布。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

本发明通过加热盘的设计，使得设备能够对温度空间分布具有双向、快速、灵活的调控能力，进而实现工艺的快速精细化调控，为适应在线实时工艺调控提供解决方案。另外，这种工艺因素空间分布的设计与调控方案使得设备具有更自由的可编程控制，对不同的工艺要求具有更好的适应能力，对工艺偏差具有更好的矫正能力，同时设备的稳定性与兼容性也会大幅增强。

附图说明

图1为现有技术中单腔室的PECVD工艺腔室示意图；

图2为本发明实施例1中加热盘模块俯视剖面图；

图3为本发明实施例2中加热盘模块俯视剖面图；

图4为本发明实施例1，2中加热盘模块主视剖面图；

图5为本发明控制系统流程图；

图中标号：

1-工艺腔室；2-腔室舱门；3-喷淋头；4-远程等离子源RPS；5-质量流量控制器MFC；6-射频匹配器；7-高频源HRF；8-加热盘；9-低频源LRF；10-基台调整支柱；11-真空泵；12-压力表；13-顶针盘；14-衬底；81-加热盘金属基体；82-温度传感器；83-隔热层；84-加热棒；85-控制模块；851-温度传感器控制器；852-加热器控制器；853-冷却装置控制器；854-总控制器；86-冷却装置。

具体实施方式

本发明提供了一种可快速精细调节温度场空间分布的加热盘及控制方法，下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步说明。

实施例1

图2和图4为加热盘8的第一种实施方式的示意图，该实施方式实现了温度空间分布灵活的调控能力和精细化调控。

加热盘8的特征在于将原来一体的加热盘金属基体81用隔热层83分隔成若干个彼此隔热的部分。隔热层83为2个或多个环形结构，将加热盘8分成不同直径的环形区域，通过隔热层，减小相邻区域间的热扩散效应，使得不同区域间的控制更加独立。

在加热盘金属基体81的内部、各隔热带区域内布置温度传感器82。温度传感器82呈环形阵列布置，每一环为4个或多个。温度传感器82可以为热电偶传感器或其他类型传感器，能够通过温度传感器检测温度场分布。

在加热盘金属基体81的内部、各隔热带区域内还布置加热棒84。加热棒84为环形，截面形状可以为圆形或多边形。位于不同隔热层的加热棒84可以被独立控制。通过控制加热棒84，可以实现温度空间分布的改变。

在加热棒84的下方设置冷却装置86，冷却装置86可以为冷却管道，通过调节冷却流体流量进行降温调节，其中冷却流体可以是水、冷却液、气体等，可根据需要的冷却效率选择相应的冷却流体；另外，冷却装置86也可为半导体制冷器件，通过电子设备进行冷却，还可以为其他能实现可控降温的设备。

加热盘8包括其控制模块85，控制模块85包括温度传感器控制器851、加热器控制器852、冷却装置控制器853和分别与前述三个分控制器连接的总控制器854。控制模块85能够对温度空间分布进行精准控制，使其逼近预期温度空间分布要求。

图5为本发明控制方案，其流程包括：

步骤1：通过仿真或数值设定确定加热盘8的理想温度场空间分布，并输入总控制器854；

步骤2：通过温度传感器82获得对应采样点的温度值；

步骤3：通过温度传感器控制器851将温度传感器82获得的采样点温度值转换为可识别的信号；

步骤4：将温度信号输入总控制器854，并通过拟合方法，得到近似的温度场空间分布轮廓，比较当前温度场空间分布轮廓与预设温度场分布轮廓之间的差异；

步骤5：根据差异，输出控制信号给加热棒控制器852或冷却装置控制器853，控制加热棒84加热或冷却装置86制冷，进而实现对温度场空间分布进行快速调节；

重复执行步骤2至步骤5和操作，采用基于PID的控制算法，直至实际温度场空间分布逼近理论温度场空间分布。

本实施例中，对于某些对温度场变化速度要求不高的情况，也可以将冷却装置86及冷却装置控制器853去掉，仅用加热棒84进行温度调节，可以进一步的节约成本，也能降低控制算法的复杂度。

实施例2

图3和图4为本发明的第二实施方式的示意图，与实施例一相比，该方案除了设置了环状的隔热层外，还沿直径方向设置了若干个直线形的隔热层，将隔热带分成若干个扇形区域，使控制更加精细。

Claims (6)

1.一种可快速精细调节温度场空间分布的加热盘，其特征在于，在加热盘金属基体（81）上设置若干个隔热层（83），隔热层（83）将加热盘金属基体（81）分成不同直径的环形或扇形区域；在加热盘金属基体（81）内部、各隔热层（83）分隔的环形或扇形区域内，分别设置若干个温度传感器（82）、加热棒（84）及冷却装置（86）；

控制模块（85）包括温度传感器控制器（851）、加热棒控制器（852）、冷却装置控制器（853）和总控制器（854），由温度传感器（82）和温度传感器控制器（851）得到各区域温度值，再由总控制器（854）输送指令加热棒控制器（852）和冷却装置控制器（853），控制加热棒（84）加热或冷却装置（86）制冷，对温度空间分布进行精准控制，使其逼近预期温度空间分布要求。

2.根据权利要求1所述的一种可快速精细调节温度场空间分布的加热盘，其特征在于，所述温度传感器（82）为热电偶传感器。

3.根据权利要求1所述的一种可快速精细调节温度场空间分布的加热盘，其特征在于，所述加热棒（84）为环形，截面形状为圆形或多边形。

4.根据权利要求1所述的一种可快速精细调节温度场空间分布的加热盘，其特征在于，所述冷却装置（86）布置在加热棒（84）的下方，采用冷却管道的形式，通过调节冷却流体流量进行降温调节，冷却流体为水、冷却液或气体；或者，冷却装置（86）采用半导体制冷器件，通过电子设备进行冷却。

5.根据权利要求1所述的一种可快速精细调节温度场空间分布的加热盘，其特征在于，所述隔热层为绝缘隔热陶瓷材料或采用真空隔热层。

6.一种权利要求1所述加热盘的温度场空间分布控制方法，其特征在于，按如下步骤进行：

步骤1：通过仿真或数值设定确定加热盘（8）的理想温度场空间分布，并输入总控制器（854）；

步骤2：通过温度传感器（82）获得对应采样点的温度值；

步骤3：通过温度传感器控制器（851）将温度传感器（82）获得的采样点温度值转换为可识别的信号；

步骤4：将温度信号输入总控制器（854），并通过拟合方法，得到近似的温度场空间分布轮廓，比较当前温度场空间分布轮廓与预设温度场分布轮廓之间的差异；

步骤5：根据差异，输出控制信号给加热棒控制器（852）或冷却装置控制器（853），控制加热棒（84）加热或冷却装置（86）制冷，进而实现对温度场空间分布进行快速调节；

重复执行步骤2至步骤5和操作，采用基于PID的控制算法，直至实际温度场空间分布逼近理论温度场空间分布。

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