CN104076842A - 热处理设备的温度补偿方法、温度控制方法及系统 - Google Patents

热处理设备的温度补偿方法、温度控制方法及系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种温度补偿方法，包括在硅片保持件上安装多个第二温度传感器；将硅片保持件搬入处理容器内，各第二温度传感器和处理容器内的多个第一温度传感器一一对应；控制加热器以第二温度传感器为控温对象调整处理容器内的温度，使第二传感器采集的温度上升至多个离散温度点，当采集温度收敛于离散温度点时控制其在该离散温度点恒温一定时间段；在每一离散温度点的恒温时间段内周期性记录多个第一和第二温度传感器所采集的温度，并计算两者的温度差异值；在实际热处理工艺中，根据各离散温度点及其对应的温度差异值，通过线性插值法在线计算第一温度传感器的采集温度对应的温度差异值作为其温度补偿值。本发明能够抑制升温阶段的瞬间电力抖动。

Description

热处理设备的温度补偿方法、温度控制方法及系统
技术领域
本发明涉及半导体热处理工艺温度控制技术领域，特别涉及应用于热处理设备的温度补偿方法、温度控制方法及温度控制系统。
背景技术
硅片是一种重要的半导体材料，目前普遍采用自动化程度更高、工艺性能更优异的立式热处理设备，对硅片进行批处理工艺，如淀积、氧化和扩散等加工工艺。随着工艺特征尺寸的减小，对硅片表面的工艺处理精度提出了更高的要求，这些都依赖于工艺过程中的温度控制的精度，尤其是硅片表面温度的控制精度。
然而，在实际工艺过程中却无法直接测量硅片温度，这是因为若在硅片上安装了金属热电偶测温，将会对硅片造成不可预估的金属污染。因此，只能采用间接测量的方法。如图1所示，现有技术中是通过在热处理设备的处理容器内设有Inner热偶1，以该Inner热偶所测得的温度近似为硅片W的温度。然而，虽然Inner热偶较为接近硅片本身的温度，但与硅片温度之间仍然存在着实际的温度差异。且实际进行工艺过程中半导体热处理设备将横跨多个温度区间，而不同的温度区间硅片温度与Inner热偶温度的差异值是不同的，因此采用Inner热偶测量的温度值不能正确反映硅片温度，若以Inner热偶测量的温度值作为控温对象，将严重影响工艺质量，例如目标膜厚的调节，片间均匀性的调整等。
为解决上述问题，需要对Inner热偶测量的温度值加以补偿以近似硅片温度，实际控温对象为CtrlTemp＝Inner热偶的采样值+温度补偿值，从而实现等效控制。但若采用不合适的补偿方法，在工艺过程的升温(RampUp)初始阶段，计算出的温度补偿值发生偏差会造成实际控温对象CtrlTemp突变，从而导致电力瞬间抖动。特别是CVD工艺，会因该电力瞬间抖动，导致颗粒问题。此外氧化工艺也会因电力抖动，延长温度的收敛时间，乃至工艺时间，降低设备产能。因此，需要提供一种合适的温度补偿方法。
发明内容
本发明的主要目的旨在提供一种能够在工艺升温阶段抑制电力抖动的温度补偿方法及温度控制方法。
为达成上述目的，本发明提供一种用于半导体热处理设备的温度补偿方法，所述半导体热处理设备包括处理容器，对所述处理容器加热的加热器以及设于所述处理容器内的第一温度传感器，所述温度补偿方法包括以下步骤：
S1，在硅片保持件上安装多个第二温度传感器；
S2，将所述硅片保持件搬入所述处理容器内，各所述第二温度传感器与各所述第一温度传感器的位置一一对应；
S3，控制所述加热器以所述第二温度传感器为控温对象调整所述处理容器内的温度，使所述第二传感器所采集的温度上升至多个离散温度点，其中当所述第二温度传感器所采集的温度收敛于所述离散温度点时控制其在该离散温度点恒温一定时间段；
S4，在每一个所述离散温度点的恒温时间段内周期性地记录所述第一温度传感器和第二温度传感器所采集的温度，并计算得到每一个所述离散温度点所对应的第二温度传感器和第一温度传感器的温度差异值；以及
S5，在实际热处理工艺中，根据所述第一温度传感器采集的温度、各所述离散温度点及各所述离散温度点对应的所述温度差异值，通过线性插值法在线计算得到所述第一温度传感器采集的温度所对应的温度差异值作为所述第一温度传感器所采集温度的温度补偿值。
优选地，步骤S4中每一个所述离散温度点所对应的各所述区域的第二温度传感器和第一温度传感器所采集温度的温度差异值通过以下方法计算得到：在该离散温度点的恒温时间段内所记录的同一所述区域的第一温度传感器和第二温度传感器所采集温度中选取多组数据；以及计算出所述多组数据中第二温度传感器所采集温度的平均值与第一温度传感器所采集温度的平均值的差值以其作为该离散温度点对应的该区域的第二温度传感器和第一温度传感器所采集温度的温度差异值。
优选地，步骤S5包括：建立各所述离散温度点及其对应的温度差异值的差异表；以及查询所述差异表，根据所述第一温度传感器采集的温度所处的离散温度点范围，以该范围的离散温度点所对应的温度差异值为基值，通过线性插值法在线计算所述温度补偿值。
优选地，所述恒温时间段为2～4小时。
优选地，对于每一个所述离散温度点的恒温时间段，记录每一所述区域的所述第一温度传感器和第二温度传感器采集的温度的周期为1～5秒。
本发明还提供了一种半导体热处理设备的温度控制方法，所述半导体热处理设备包括处理容器，对所述处理容器加热的加热器以及设于所述处理容器中将该处理容器的内部划分为多个区域的多个第一温度传感器，所述温度控制方法用于在热处理工艺中根据温控实验的结果进行温度控制，其中所述温控实验包括以下步骤：
S11，在硅片保持件上安装多个第二温度传感器；
S12，将所述硅片保持件搬入所述处理容器内，各所述第二温度传感器与各所述第一温度传感器的位置一一对应；
S13，控制所述加热器以所述第二温度传感器为控温对象调整所述处理容器内的温度，使每一所述第二传感器所采集的温度逐步上升至多个离散温度点，其中当所述第二温度传感器所采集的温度收敛于所述离散温度点时控制其在该离散温度点恒温一定时间段；
S14，在每一个所述离散温度点的恒温时间段内周期性地记录每一所述区域的第一温度传感器和第二温度传感器所采集的温度，并计算出每一个所述离散温度点所对应的各所述区域的第二温度传感器和第一温度传感器所采集温度的温度差异值；
所述温度控制方法包括：
S21：根据各所述离散温度点及各所述离散温度点对应的各所述区域的所述温度差异值，通过线性插值法在线计算出热处理工艺中所述第一温度传感器采集的温度所对应的温度差异值作为该第一温度传感器所采集温度的温度补偿值；以及
S22：以该第一温度传感器采集的温度值与其温度补偿值之和作为控温对象，通过所述加热器对该第一温度传感器所处区域进行温度控制。
优选地，步骤S14中每一个所述离散温度点所对应的各所述区域的第二温度传感器和第一温度传感器所采集温度的温度差异值通过以下方法计算得到：在该离散温度点的恒温时间段内所记录的同一所述区域的第一温度传感器和第二温度传感器所采集温度中选取多组数据；以及计算出所述多组数据中第二温度传感器所采集温度的平均值与第一温度传感器所采集温度的平均值的差值以其作为该离散温度点对应的该区域的第二温度传感器和第一温度传感器所采集温度的温度差异值。
优选地，步骤S21进一步包括：建立各所述离散温度点及其对应的温度差异值的差异表；以及查询所述差异表，根据所述第一温度传感器采集的温度所处的离散温度点范围，以该范围的离散温度点所对应的温度差异值为基值，通过线性插值法在线计算所述温度补偿值。
根据本发明的另一方面，还提供一种实施上述温度控制方法的系统，包括：计算单元，用于根据各所述离散温度点及其各所述离散温度点对应的各所述区域的所述温度差异值，通过线性插值法在线计算出热处理工艺中所述第一温度传感器采集的温度所对应的温度差异值以作为其温度补偿值；以及控制单元，用于以该第一温度传感器采集的温度值与其温度补偿值之和作为控温对象，控制所述加热器对该第一温度传感器所处区域进行温度控制。
优选的，所述计算单元包括：表格建立模块，用于建立各所述离散温度点及其对应的温度差异值的差异表；以及在线计算模块，用于查询所述差异表格，根据所述第一温度传感器采集的温度所处的离散温度点范围，以该范围的离散温度点所对应的温度差异值为基值，通过线性插值法在线计算所述温度补偿值。
本发明所提出的温度补偿方法，以安装在硅片保持件上的第二传感器为温控对象进行实验，获得在各离散温度时第二传感器与处理容器内第一传感器的温度差异值，在实际工艺时根据第一传感器采集的实际温度，通过线性插值法在线计算出第一传感器的采集温度的温度补偿值。当进行实际热处理工艺时，以温度补偿值与第一传感器的采集值相累加后得到的累加温度作为控温对象，可实现升温阶段控温对象的平滑过渡，从而抑制瞬间电力抖动；而在恒温阶段实际控温对象也接近工艺要求对象硅片的真实温度，保证工艺质量。
附图说明
图1为现有技术中半导体热处理设备的的结构示意图；
图2为本发明一实施例温度补偿方法的流程图；
图3为本发明一实施例硅片保持件上第二传感器的分布示意图；
图4为本发明一实施例热处理工艺时的工艺温度曲线。
具体实施方式
为使本发明的内容更加清楚易懂，以下结合说明书附图，对本发明的内容作进一步说明。当然本发明并不局限于该具体实施例，本领域内的技术人员所熟知的一般替换也涵盖在本发明的保护范围内。
在半导体热处理设备中，一个完整的工艺过程包括若干次不同的“升温——恒温——降温”过程，尤其是在主工艺阶段硅片表面温度的均匀性直接决定了工艺质量，需要高精度的恒温热场控制。
尽管半导体热处理设备温控系统的控温目标是硅片温度，然而在实际工艺过程中无法直接测量硅片温度，只能采用间接测量的方法，如图1所示Inner热电偶1测得的温度是设备内最接近硅片温度的，然而两者之间仍然存在温度差异。为解决上述问题，本发明采用补偿方法间接测量硅片温度，使热处理工艺的实际控温对象CtrlTemp满足：CtrlTemp＝Inner热电偶的采样值+温度补偿值，以实现硅片温度等效控制。
图2为本发明一实施例温度补偿方法的流程图，其包括以下步骤：
S1：在硅片保持件上安装多个温度传感器Wafer TC。
如图3所示，在硅片保持件具有多个槽口，在标注为M(Monitor)的多个槽口上均安装温度传感器Wafer TC，而在其他槽口中可安装挡片(dummy wafer)。
S2：将硅片保持件搬入半导体热处理设备的处理容器内。
通常来说，处理容器为反应管，反应管周围设置有例如由电阻加热丝构成的加热器。较佳的，加热器可分为多个加热器元件，独立地控制发热量。在处理容器的内壁上，与加热器相对应设置有内侧温度传感器Inner，当加热器分为多个加热器元件时，内侧温度传感器Inner也为多个，将反应管内部的处理空间划分为多个区域。此时，多个温度传感器Wafer TC是以分别与各区域及各内侧温度传感器Inner一一对应的方式载置在硅片保持件上。如本实施例中，反应管的内部空间氛围上部区域TOP，中上部区域C-TOP，中部CTR，中下部C-BTM以及下部BTM五个区域，当硅片保持件搬入处理容器后，每个区域都对应安装一内侧温度传感器Inner，温度传感器Wafer TC以及一加热器元件。
S3：控制加热器以温度传感器Wafer TC为控温对象调整处理容器内的温度，使每一个温度传感器Wafer TC所采集的温度均逐步上升至多个离散温度点，其中当温度传感器Wafer TC所采集的温度收敛于某一离散温度点时控制其在该离散温度点恒温一定时间段。
具体来说，在将硅片保持件搬入处理容器后，通过加热器的各个加热元件对处理容器内的多个区域加热，此时是以温度传感器Wafer TC作为控温对象，使得各传感器WaferTC的温度升至归属于多个温度区间的离散温度点，若传感器Wafer TC所采集的温度在某个离散温度点收敛，则在该离散温度点恒温一段时间，该恒温时间段可以为2～4小时，本实施例中为3小时。即当传感器Wafer TC所采集的温度在离散温度点1收敛时，在该离散温度点恒温3小时，之后再进行升温，当传感器Wafer TC所采集的温度在离散温度点2收敛，继续恒温3小时，以此类推。
S4：在每一个离散温度点的恒温时间段内周期性地记录每一个区域的内侧温度传感器Inner和传感器Wafer TC所采集的温度，并计算出每一个离散温度点对应的各区域的传感器Wafer TC和传感器Inner的温度差异值。
具体来说，对于某一个离散温度点n来说，在该温度点n的恒温时间段内，每隔一定时间记录处理容器内全部内侧温度传感器Inner和全部传感器Wafer TC所采集的温度，记录周期可为1～5秒。本实施例中，5个传感器Wafer TC分别载置于硅片保持件上对应于5个内侧温度传感器Inner的位置，则对于每一个区域的内侧温度传感器Inner和传感器Wafer TC所采集的温度均加以周期性地记录。之后，选取该恒温时间段所记录的相同区域的内侧温度传感器Inner和传感器Wafer TC所采集温度值的部分数据组，每一组数据包括一对传感器Inner和传感器Wafer TC所采集的温度。较佳的所选取的数据组为恒温时间段的后1/4至1/2时间段的数据。如选取恒温时间段最后1小时记录的TOP区域的内侧温度传感器Inner和传感器Wafer TC所采集的温度数据，求得最后1小时内TOP区域内侧温度传感器Inner采集的温度数据的平均值以及传感器Wafer TC采集的温度数据的平均值的差值，即为离散温度点n对应的TOP区域的温度差异值，offsetn,TOP＝AverageTOP(WaferTC)-AverageTOP(Inner)。由于内侧温度传感器Inner和传感器Wafer TC均为5个，离散温度点n对应的温度差异值也具有5个，分别为offsetn,TOP，offsetn,C-TOP，offsetn,CTR，offsetn,C-BTM以及offsetn,BTM，对应于处理容器内的5个区域。
因此，通过上述步骤S1至S4，在实际热处理工艺之前，通过实验以传感器Wafer TC为控温对象模拟了半导体热处理设备的处理容器的升温过程，并获取了属于不同温度区间(例，区间温度范围为50℃)的离散温度点所对应的传感器Wafer TC与传感器Inner的温度差异值。
S5：在实际热处理工艺中，根据各离散温度点及各离散温度点对应的各个区域的温度差异值，通过线性插值法在线计算出内侧温度传感器Inner的采集温度所对应的温度差异值，以其作为传感器Inner所采集温度的温度补偿值。
具体来说，首先建立关于各离散温度点以及其对应的温度差异值的差异表，如表1所示。
top C-top CTR C-BTM BTM
温度1 offset1,top offset1,C-top offset1,CTR offset1,C-BTM offset1,BTM
温度2 offset2,top offset2,C-top offset2,CTR offset2,C-BTM offset2,BTM
…… …… …… …… …… ……
温度n offsetn,top offsetn,C-top offsetn,CTR offsetn,C-BTM offsetn,BTM
表1：离散温度点的差异表
接着，查询该差异表，根据传感器Inner采集的实际温度所处的离散温度点范围，以该范围的离散温度点所对应的温度差异值为基值，通过线性插值法在线计算该采集的温度值所对应的温度差异值作为温度补偿值。
假设本次工艺步骤的当前控制周期的传感器Inner采集的实际温度在表1的离散温度点n-1和n温度范围内，则以Top区域为例，计算的温度补偿值为：
若InnerTOP接近温度n，则offsetr，TOP在计算温度补偿值时插补权重大；反之，则offsetn-1，TOP的插补权重大。对于其他区域，也可分别计算出对应的温度补偿值。
本发明还提供了一种采用上述温度补偿方法在实际热处理工艺中进行温度控制的温控系统及温控方法。温控系统包括计算单元和控制单元。由于在实际热处理工艺前已经通过实验获取了各个离散温度点及其温度差异值，因此计算单元通过上述的线性插值法，根据各离散温度点及各离散温度点对应的温度差异值，在线计算得到Inner采集的实际温度所对应的温度差异值作为传感器Inner所采集温度的温度补偿值。同样还是以TOP区域为例，计算单元的表格建立模块建立各离散温度点及其对应的温度差异值的差异表；在线计算模块则查询该差异表，根据传感器Inner所采集温度所处的离散温度点范围，以该范围的离散温度点所对应的温度差异值为基值，通过线性插值法在线计算出传感器Inner所采集温度所对应的温度补偿值TOP。之后，控制单元将传感器Inner所采集的温度与温度补偿值TOP之和作为TOP区域的温控对象，即温控对象CtrlTempTOP＝Inner采集值TOP+温度补偿值TOP，控制TOP区域的加热器元件根据CtrlTempTOP对TOP区域进行温度控制。当然，对于其他区域来说，控制单元独立控制各区域对应的加热器元件，对该区域的温控对象进行温度控制。
图4所示为利用本发明的温度补偿方法进行热处理工艺的工艺温度曲线，可清楚观察到采用传感器Inner采集的实际温度进行线性差值计算所得到的温控对象CtrlTemp的温度曲线，在升温(RampUp)初始阶段，即工艺步切换瞬间，由于传感器Inner采集值变化很小，按照传感器Inner采集值计算的温度补偿值变化也很小，可实现控温对象CtrlTemp的平滑过渡，不会引起升温初始阶段的瞬间电力抖动，硅片温度相对控温对象CtrlTemp有滞后。在恒温阶段，实际控温对象CtrlTemp也十分接近工艺要求的硅片的真实温度，通过微调控温对象，可调节处理容器在不同温区时形成的膜厚，满足工艺要求的片内均匀性和片间均匀性，并达到工艺制程要求的目标膜厚。
虽然本发明已以较佳实施例揭示如上，然所述诸多实施例仅为了便于说明而举例而已，并非用以限定本发明，本领域的技术人员在不脱离本发明精神和范围的前提下可作若干的更动与润饰，本发明所主张的保护范围应以权利要求书所述为准。

Claims (10)

1.一种用于半导体热处理设备的温度补偿方法，所述半导体热处理设备包括处理容器，对所述处理容器加热的加热器以及设于所述处理容器中将该处理容器的内部划分为多个区域的多个第一温度传感器，其特征在于，所述温度补偿方法包括以下步骤：
S1，在硅片保持件上安装多个第二温度传感器；
S2，将所述硅片保持件搬入所述处理容器内，各所述第二温度传感器与各所述第一温度传感器的位置一一对应；
S3，控制所述加热器以所述第二温度传感器为控温对象调整所述处理容器内的温度，使每一所述第二传感器所采集的温度逐步上升至多个离散温度点，其中当所述第二温度传感器所采集的温度收敛于所述离散温度点时控制其在该离散温度点恒温一定时间段；
S4，在每一个所述离散温度点的恒温时间段内周期性地记录每一所述区域的第一温度传感器和第二温度传感器所采集的温度，并计算出每一个所述离散温度点所对应的各所述区域的第二温度传感器和第一温度传感器所采集温度的温度差异值；以及
S5，在实际热处理工艺中，根据各所述离散温度点及各所述离散温度点对应的各所述区域的所述温度差异值，通过线性插值法在线计算得到所述第一温度传感器采集的温度所对应的温度差异值作为该第一温度传感器所采集温度的温度补偿值。
2.根据权利要求1所述的温度补偿方法，其特征在于，步骤S4中每一个所述离散温度点所对应的各所述区域的第二温度传感器和第一温度传感器所采集温度的温度差异值通过以下方法计算得到：
在该离散温度点的恒温时间段内所记录的同一所述区域的第一温度传感器和第二温度传感器所采集温度中选取多组数据；以及
计算出所述多组数据中第二温度传感器所采集温度的平均值与第一温度传感器所采集温度的平均值的差值以其作为该离散温度点对应的该区域的第二温度传感器和第一温度传感器所采集温度的温度差异值。
3.根据权利要求1或2所述的温度补偿方法，其特征在于，步骤S5包括：
建立各所述离散温度点及其对应的温度差异值的差异表；以及
查询所述差异表，根据所述第一温度传感器采集的温度所处的离散温度点范围，以该范围的离散温度点所对应的温度差异值为基值，通过线性插值法在线计算所述温度补偿值。
4.根据权利要求3所述的温度补偿方法，其特征在于，所述恒温时间段为2～4小时。
5.根据权利要求4所述的温度补偿方法，其特征在于，对于每一个所述离散温度点的恒温时间段，记录每一所述区域的第一温度传感器和第二温度传感器采集的温度的周期为1～5秒。
6.一种用于半导体热处理设备的温度控制方法，所述半导体热处理设备包括处理容器，对所述处理容器加热的加热器以及设于所述处理容器中将该处理容器的内部划分为多个区域的多个第一温度传感器，所述温度控制方法用于在热处理工艺中根据温控实验的结果进行温度控制，其特征在于，所述温控实验包括以下步骤：
S11，在硅片保持件上安装多个第二温度传感器；
S12，将所述硅片保持件搬入所述处理容器内，各所述第二温度传感器与各所述第一温度传感器的位置一一对应；
S13，控制所述加热器以所述第二温度传感器为控温对象调整所述处理容器内的温度，使每一所述第二传感器所采集的温度逐步上升至多个离散温度点，其中当所述第二温度传感器所采集的温度收敛于所述离散温度点时控制其在该离散温度点恒温一定时间段；
S14，在每一个所述离散温度点的恒温时间段内周期性地记录每一所述区域的第一温度传感器和第二温度传感器所采集的温度，并计算出每一个所述离散温度点所对应的各所述区域的第二温度传感器和第一温度传感器所采集温度的温度差异值；
所述温度控制方法包括：
S21：根据各所述离散温度点及各所述离散温度点对应的各所述区域的所述温度差异值，通过线性插值法在线计算出热处理工艺中所述第一温度传感器采集的温度所对应的温度差异值作为该第一温度传感器所采集温度的温度补偿值；以及
S22：以该第一温度传感器采集的温度值与其温度补偿值之和作为控温对象，通过所述加热器对该第一温度传感器所处区域进行温度控制。
7.根据权利要求6所述的温度控制方法，其特征在于，步骤S14中每一个所述离散温度点所对应的各所述区域的第二温度传感器和第一温度传感器所采集温度的温度差异值通过以下方法计算得到：
在该离散温度点的恒温时间段内所记录的同一所述区域的第一温度传感器和第二温度传感器所采集温度中选取多组数据；以及
计算出所述多组数据中第二温度传感器所采集温度的平均值与第一温度传感器所采集温度的平均值的差值以其作为该离散温度点对应的该区域的第二温度传感器和第一温度传感器所采集温度的温度差异值。
8.根据权利要求6或7所述的温度控制方法，其特征在于，步骤S21进一步包括：
建立各所述离散温度点及其对应的温度差异值的差异表；以及
查询所述差异表，根据所述第一温度传感器采集的温度所处的离散温度点范围，以该范围的离散温度点所对应的温度差异值为基值，通过线性插值法在线计算所述温度补偿值。
9.一种实施权利要求6所述的温度控制方法的系统，其特征在于，包括：
计算单元，用于根据各所述离散温度点及其各所述离散温度点对应的各所述区域的所述温度差异值，通过线性插值法在线计算出热处理工艺中所述第一温度传感器采集的温度所对应的温度差异值以作为其温度补偿值；以及
控制单元，用于以该第一温度传感器采集的温度值与其温度补偿值之和作为控温对象，控制所述加热器对该第一温度传感器所处区域进行温度控制。
10.根据权利要求9所述的温度控制系统，其特征在于，所述计算单元包括：
表格建立模块，用于建立各所述离散温度点及其对应的温度差异值的差异表；以及
在线计算模块，用于查询所述差异表格，根据所述第一温度传感器采集的温度所处的离散温度点范围，以该范围的离散温度点所对应的温度差异值为基值，通过线性插值法在线计算所述温度补偿值。
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