CN106384723B - 具有多级主工艺步骤的热处理设备工艺控制装置及方法 - Google Patents

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Abstract

一种具有多级主工艺步骤的热处理设备工艺控制装置和方法，包括加热器、给加热器供电的电力供应单元、测量反应腔室温度的温度测量单元、信号处理单元、包含在电力供应单元中的功率控制单元、专用温度控制器和工艺模块控制器；当工艺流程开始前，工艺模块控制器将工艺文件中至少连续两步正常主工艺步骤的工艺参数和与各主工艺步骤相对应的所有从属工艺文件的工艺参数信息导入温度控制器的缓存区内；当进行主工艺步骤切换时，由工艺模块控制器主动发送切换控制的信号量，专用温度控制器以指针方式或者存储器位置跳转的方式将需更新的工艺参数从缓存区导入运行中的功率控制单元，与信号处理单元一起实现电力供应单元的控制信息更新。

Description

具有多级主工艺步骤的热处理设备工艺控制装置及方法
技术领域
本发明涉及集成电路制造应用技术领域，尤其涉及一种具有多级主工艺步骤的热处理设备工艺控制装置及方法，即热处理设备工艺控制系统数据通讯和调度的方法。
背景技术
随着半导体制造工艺的不断进步，集成电路的集成度越来越高，芯片的尺寸越来越小。由此而带来的半导体制造工艺的复杂度也越来越高。例如关键尺寸的减小使得对光刻工艺要求更为苛刻，对于在半导体芯片制造过程中诸如氧化、沉积、扩散、退火等工艺中均需要的热处理工艺，也是如此。
热处理工艺一般是将半导体晶片置于热处理设备中，通过热处理设备中的加热装置对晶片进行加热，以执行氧化、沉积、扩散、热退火等工艺。目前，在热处理工艺中，普遍采用自动化程度较高、工艺性能更优异的立式炉为热处理设备。然而，随着工艺特征尺寸的减小，热处理工艺质量及效率越发依赖温度控制系统性能和安全性的提升。
请参阅图1，图1为热处理设备中加热器的结构示意图。如图所示，数字1.1表示加热丝、数字1.2表示反应腔室、数字1.3表示Inner热电偶以及数字1.4表示Outer热电偶。温度控制器(图未示)根据Inner热电偶1.3以及Outer热电偶1.4所采集的温度，对反应腔室1.2中的加热丝1.1进行加热控制。在热处理工艺中，有的工艺步骤中需要单一的工艺温度并持续一定的时间即可，有的工艺需要至少两个不同的工艺温度，并各自持续的时间不同，而有的热处理工艺需要按照一定梯度变化的温度。
由于不同工艺步骤中对热处理温度、持续时间以及变化率等的要求各不相同，使得在半导体集成电路的制造中，热处理工艺控制复杂化，对相应的热处理设备和温度控制系统也提出了高要求。
当前热处理设备通常需要配置单独设定的温度控制器，然而，常规的商用PID温度控制器只能设定输入单步的控制参数信息，每次工艺控制器发送工艺文件信息时都会和温度控制器之间进行信号握手、数据发送、数据返回、校验核对、确认信号等操作，或导致工艺切换操作的时延(几十至数百毫秒)。这会造成每组工艺时间重复性的不可控因素，累计产生数秒的工艺时间偏差，从而导致工艺质量的偏差超出控制范围。
同时，虽然有采用先进控制算法的温度控制器得到应用，但是单步控制参数数据设定的方式使工艺控制系统和温度控制器之间数据交互的实时性和稳定性难以保障。
本领域技术人员清楚，大生产线通常衡量设备性能的指标为每小时产品的产出能力(WPH)、可使用时间比例(Uptime)以及连续生产工程中的工艺稳定性(RTR Uniformity)，要求每组工艺的时间重复性、工艺参数的波动范围以及各种异常及报警的响应时效性，以保障设备的性能和市场竞争力。
发明内容
为了实现上述情况，本专利提供了一种提高生产效率和可靠性的热处理设备工艺控制方法，其基于双缓存或多缓存的工艺模块控制器和温度控制器的工艺文件信息通讯方法，考虑了温度控制器数据存储区有限的特点，针对工艺要求，实现工艺文件中不同工艺步切换时的准确可控。
为实现上述目的，本发明的技术方案如下：
一种具有多级主工艺步骤的热处理设备工艺控制装置，其包括：用于给反应腔室供热的加热器、给所述加热器供电的电力供应单元、测量所述反应腔室温度的温度测量单元、信号处理单元、包含在电力供应单元中的功率控制单元、专用温度控制器和工艺模块控制器；所述信号处理单元接收所述温度测量单元发送所述反应腔室的实时温度测量结果和温度测量单元状态信息，其中，所述工艺模块控制器与信号处理单元、专用温度控制器和电力供应单元相连；
当工艺流程开始前，所述工艺模块控制器将工艺文件中至少连续两步正常主工艺步骤的工艺参数和与各主工艺步骤相对应的所有从属工艺文件的工艺参数信息导入温度控制器的缓存区内；
当进行主工艺步骤切换时，由所述工艺模块控制器主动发送切换控制的信号量，所述专用温度控制器以指针方式或者存储器位置跳转的方式将需更新的工艺参数从缓存区导入运行中的功率控制单元，与所述信号处理单元输出信号一起，实现所述电力供应单元的控制信息更新。
优选地，所述专用温度控制器缓存区采用先进先出的方式的进行数据更新。
优选地，如果所述专用温度控制器缓存区不能存放完整的工艺文件时，所述工艺模块控制器通过执行多次数据交互以完成整个工艺文件信息的发送。
优选地，所述专用温度控制器包括与所述工艺模块控制器相连的文件交互模块和文件读取模块、工艺步信息提取模块、温度控制算法模块、系统文件读取模块、与所述信号处理单元相连的信号输入模块、选定的温度控制器模块、以及与所述功率控制单元相连的控制量输出模块和电力监测模块。
优选地，如果所述主工艺步骤有N级，所述专用温度控制器缓存区存储N级主工艺步骤的工艺参数和与各主工艺步骤相对应的所有从属工艺文件的工艺参数信息。
优选地，所述的装置还包括：CTC模块，所述CTC模块，用于与所述工艺模块控制器交互工艺信息显示、工艺运行操作、工艺文件的编辑和系统文件的配置。
为实现上述目的，本发明的技术方案如下：
一种具有多级主工艺步骤的热处理设备工艺控制方法，其采用上述的热处理设备工艺控制装置，用于具有N级主工艺步骤的工艺流程中，其中，N为大于等于2的正整数；其包括如下步骤：
步骤S1：所述的热处理设备工艺控制装置启动时，传送所述工艺流程中的系统文件和工艺文件到工艺模块控制器；
步骤S2：所述工艺模块控制器主动发送更新信号，将工艺文件中至少连续两步正常主工艺步骤的工艺参数和与各主工艺步骤相对应的所有从属工艺文件的工艺参数信息导入温度控制器的缓存区内；
步骤S3：当进行主工艺步骤切换时，由所述工艺模块控制器主动发送切换控制的信号量，所述专用温度控制器以指针方式或者存储器位置跳转的方式将需更新的工艺参数从缓存区导入运行中的功率控制单元，与所述信号处理单元输出信号一起，实现所述电力供应单元的控制信息更新。
从上述技术方案可以看出，本专利提供的提高生产效率和可靠性的热处理设备工艺的控制装置和方法，解决了工艺步切换时由于数据交互导致的实验及数据安全性问题，提高了工艺控制系统的工作效率和可靠性，从而保障产品、设备、人身的安全以及良好的工艺重复性。
此外，利用本发明实施例中的方法能够以较小的成本提高原有工艺控制系统和温度控制系统性能，满足更高水平工艺需求。
附图说明
图1为热处理设备中加热器的结构示意图
图2为依照本发明一种实施方式的半导体热处理设备工艺模块控制器(ProcessModule Controller，简称PMC)示意图
图3为依照本发明实施例的基于实时系统的专用温度控制器的半导体热处理设备控制装置的示意图
图4为本发明具有多级主工艺步骤的热处理设备工艺控制装置的一个较佳的实施例示意图
图5为本发明实施例中温度控制器采取双缓存且存储区自调度先进先出的方式实现运行与数据更新的同步操作示意图
图6为本发明实施例中温度控制器采取三缓存且存储区自调度先进先出的方式实现运行与数据更新的同步操作示意图
具体实施方式
体现本发明特征与优点的实施例将在后段的说明中详细叙述。应理解的是本发明能够在不同的示例上具有各种的变化，其皆不脱离本发明的范围，且其中的说明及图示在本质上当做说明之用，而非用以限制本发明。
以下结合附图2-5，通过具体实施例对本发明的提高生产效率和可靠性的热处理设备工艺控制方法、实现该方法的装置作进一步详细说明。需说明的是，附图均采用非常简化的形式、使用非精准的比例，且仅用以方便、明晰地达到辅助说明本发明实施例的目的。
在热处理工艺中，普遍采用自动化程度较高、工艺性能更优异的立式炉为热处理设备。然而随着工艺特征尺寸的减小，热处理工艺质量及效率越发依赖温度控制系统性能和安全性的提升。
请参阅图2，图2为依照本发明一种实施方式的半导体热处理设备工艺模块控制器(Process Module Controller，简称PMC)示意图。如图所示，半导体热处理设备的控制可以为实时系统(先进)或非实时系统(原有)。其中，工艺模块控制器用于根据工艺质量要求控制整个设备的工艺流程变量控制，工艺流程变量可以包括温度、气体、压力等时变过程工艺参数和运动部件的位置及状态控制等。
在本发明的实施例中，一种具有多级主工艺步骤的热处理设备工艺控制装置，可以用于具有N级主工艺步骤的工艺流程中，其中，N为大于等于2的正整数。
在本实施例中，主要是针对工艺流程温度变量的控制；请参阅图3，图3为依照本发明实施例的基于实时系统的专用温度控制器的半导体热处理设备控制装置的示意图。如图所示，该半导体热处理设备包括：用于给反应腔室供热的加热器1、给加热器1供电的电力供应单元2、测量反应腔室温度的温度测量单元6、信号处理单元5、包含在电力供应单元2中的功率控制单元、专用温度控制器4和工艺模块控制器3；信号处理单元5接收温度测量单元6发送反应腔室的实时温度测量结果和温度测量单元6的状态信息，其中，工艺模块控制器3与信号处理单元5、专用温度控制器3和电力供应单元相连。
该专用温度控制器4基于实时系统构建，与工艺模块控制器3之间通过内部总线或者外部总线方式进行通讯，实现控制器配置参数、控制命令、控制参数时变值、控制器状态等的信息交互。工艺模块控制器3与专用温度控制器4间通过状态轮训或者通讯信号量的方式实现控制指令的交互。
具体地，请参阅图4，图4为本发明具有多级主工艺步骤的热处理设备工艺控制装置的一个较佳的实施例示意图。如图所示，该热处理设备工艺控制装置包括收集(ClusterTool Controller，简称CTC)模块、工艺模块控制器、温度控制器、功率控制单元和信号处理单元。
CTC模块可以看做一个人机交互界面，用于与所述工艺模块控制器交互工艺信息显示、工艺运行操作、工艺文件的编辑和系统文件的配置。专用温度控制器中灰色区域是文件交互功能模块，PMC可直接访问该区域内文件，交互工艺文件和系统文件。
专用温度控制器包括与所述工艺模块控制器相连的文件交互模块和工艺文件读取模块、工艺步信息提取模块、温度控制算法模块、系统文件读取模块、与信号处理单元相连的信号输入模块、选定的温度控制器模块、以及与功率控制单元相连的控制量输出模块和代理监测模块。系统文件读取模块是提取PMC定义的工艺步信息，工艺文件用来做工艺的工艺步名称，用于更新模型切换工作点。
其中，信号处理单元向信号输入模块发送由热电偶检测到的温度数据和温度检测单元的一些状态信息。
当工艺流程开始前，工艺模块控制器将工艺文件中至少连续两步正常主工艺步骤的工艺参数和与各主工艺步骤相对应的所有从属工艺文件的工艺参数信息导入温度控制器的缓存区内。
当工艺流程开始前，工艺模块控制器将工艺文件中至少连续两步正常主工艺步骤的工艺参数和与各主工艺步骤相对应的所有从属工艺文件的工艺参数信息导入温度控制器的缓存区内。
当进行主工艺步骤切换时，由工艺模块控制器主动发送切换控制的信号量，专用温度控制器以指针方式或者存储器位置跳转的方式将需更新的工艺参数从缓存区导入运行中的功率控制单元，与信号处理单元输出信号一起，实现电力供应单元的控制信息更新。
需要特别说明的是，本发明的思路是基于双缓存或多缓存的工艺控制器和温度控制器的工艺文件信息通讯方法，考虑了温度控制器数据存储区有限的特点，实现工艺文件中不同工艺步切换时准确可控。
也就是说，在温度控制器存储区间有限时，可以采取双工艺步缓存或多工艺步缓存方案时，一次装入两个工艺步或多个工艺步的控制信息。当需要工艺步骤间的切换时，工艺模块控制器仅发送切换控制的信号量，温度控制器接收工艺模块控制器发送的切换操作的控制信号量，温度控制器采用指针或者存储器位置跳转的方式完成工艺步参数的切换，减少了工艺模块控制器与温度控制器间的数据交互次数，从而减少数据传输和校验时间，提高生产效率和系统可靠性。
请参阅图5和图6，图5为本发明实施例中，温度控制器采取双缓存且存储区自调度先进先出的方式实现运行与数据更新的同步操作示意图。图6为本发明实施例中温度控制器采取三缓存且存储区自调度先进先出的方式实现运行与数据更新的同步操作示意图。
在温度控制器存储区间足够时，在本发明的实施例中，可以采取一次下载全部工艺控制信息，在进行工艺步骤切换时仅仅交互切换操作的控制信号量，此种结构可以在工艺运行期间不再进行工艺文件数据信息的交互，提高生产效率和整个工艺控制系统的可靠性。
下面就本发明的热处理设备工艺的控制方法进行说明，该方法可以采用上述的热处理设备工艺控制装置，用于具有多级主工艺步骤的工艺流程中；该方法可以包括如下步骤：
步骤S1：所述的热处理设备工艺控制装置启动时，传送所述工艺流程中的系统文件和工艺文件到工艺模块控制器；
步骤S2：所述工艺模块控制器主动发送更新信号，将工艺文件中至少连续两步正常主工艺步骤的工艺参数和与各主工艺步骤相对应的所有从属工艺文件的工艺参数信息导入温度控制器的缓存区内；
步骤S3：当进行主工艺步骤切换时，由所述工艺模块控制器主动发送切换控制的信号量，所述专用温度控制器以指针方式或者存储器位置跳转的方式将需更新的工艺参数从缓存区导入运行中的功率控制单元，与所述信号处理单元输出信号一起，实现所述电力供应单元的控制信息更新。
此外，步骤S3还可以包括：每次主工艺步骤切换时，已完成的主工艺步骤的工艺参数信息可以被清除，更新为下一步将运行的工艺参数信息，在切换的新工艺参数信息开始运行后，再进行下一步主工艺步骤的工艺参数信息的更新处理。
综上所述，本发明提供了一种具有多级主工艺步骤的热处理设备工艺控制装置和方法，即为基于双缓存或多缓存的工艺模块控制器和温度控制器的工艺文件信息通讯方法，其构建的温度控制器与工艺模块控制器之间的数据交互方式，提高了生产效率和可靠性，具体体现在如下两点：
①、解决工艺步切换时的数据交互产生的时延、丢失及调度时间的一致性问题，提高单组工艺的生产效率，保障工艺质量；
②、实现同组工艺运行时间准确可控，解决控制系统数据交互导致的工艺重复性问题，提高设备可靠性，即利用本专利中的方法能够以较小的成本提高原有工艺控制系统和温度控制系统性能，满足更高水平工艺需求。
以上所述的仅为本发明的实施例，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)

1.一种具有多级主工艺步骤的热处理设备工艺控制装置；其特征在于，包括：用于给反应腔室供热的加热器、给所述加热器供电的电力供应单元、测量所述反应腔室温度的温度测量单元、信号处理单元、包含在电力供应单元中的功率控制单元、专用温度控制器和工艺模块控制器；所述信号处理单元接收所述温度测量单元发送所述反应腔室的实时温度测量结果和温度测量单元状态信息，其中，所述工艺模块控制器分别与信号处理单元、专用温度控制器和电力供应单元相连；
当工艺流程开始前，所述工艺模块控制器将工艺文件中至少连续两步正常主工艺步骤的工艺参数和与各主工艺步骤相对应的所有从属工艺文件的工艺参数信息导入专用温度控制器的缓存区内；
当进行主工艺步骤切换时，由所述工艺模块控制器主动发送切换控制的信号量，所述专用温度控制器以指针方式或者存储器位置跳转的方式将需更新的工艺参数从缓存区导入运行中的功率控制单元，与所述信号处理单元输出信号一起，实现所述电力供应单元的控制信息更新。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述专用温度控制器缓存区采用先进先出的方式的进行数据更新。
3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述专用温度控制器缓存区不能存放完整的工艺文件时，所述工艺模块控制器通过执行多次数据交互以完成整个工艺文件信息的发送。
4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述专用温度控制器包括与所述工艺模块控制器相连的文件交互模块和工艺文件读取模块、工艺步信息提取模块、温度控制算法模块、系统文件读取模块、与所述信号处理单元相连的信号输入模块、选定的温度控制器模块、以及与所述功率控制单元相连的控制量输出模块和电力监测模块。
5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述主工艺步骤有N级，所述专用温度控制器缓存区存储N级主工艺步骤的工艺参数和与各主工艺步骤相对应的所有从属工艺文件的工艺参数信息；其中，N为大于等于2的正整数。
6.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，还包括：CTC模块，所述CTC模块，用于与所述工艺模块控制器交互工艺信息显示、工艺运行操作、工艺文件的编辑和系统文件的配置。
7.一种具有多级主工艺步骤的热处理设备工艺控制方法，其采用权利要求1所述的热处理设备工艺控制装置；其特征在于，包括如下步骤：
步骤S1：所述的热处理设备工艺控制装置启动时，传送所述工艺流程中的系统文件和工艺文件到工艺模块控制器；
步骤S2：所述工艺模块控制器主动发送更新信号，将工艺文件中至少连续两步正常主工艺步骤的工艺参数和与各主工艺步骤相对应的所有从属工艺文件的工艺参数信息导入专用温度控制器的缓存区内；
步骤S3：当进行主工艺步骤切换时，由所述工艺模块控制器主动发送切换控制的信号量，所述专用温度控制器以指针方式或者存储器位置跳转的方式将需更新的工艺参数从缓存区导入运行中的功率控制单元，与所述信号处理单元输出信号一起，实现所述电力供应单元的控制信息更新。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述步骤S3还包括：每次主工艺步骤切换时，已完成的主工艺步骤的工艺参数信息被清除，更新为下一步将运行的工艺参数信息，在切换的新工艺参数信息开始运行后，再进行下一步主工艺步骤的工艺参数信息的更新处理。
9.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述工艺模块控制器与CTC模块交互工艺信息显示、工艺运行操作、工艺文件的编辑和系统文件的配置。
10.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，还包括：所述主工艺步骤有N级，所述专用温度控制器缓存区存储N级主工艺步骤的工艺参数和与各主工艺步骤相对应的所有从属工艺文件的工艺参数信息；其中，N为大于等于2的正整数。
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