CN110502049B - 卡盘温度控制方法、卡盘温度控制系统及半导体设备 - Google Patents

卡盘温度控制方法、卡盘温度控制系统及半导体设备 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种卡盘温度控制方法、卡盘温度控制系统及半导体设备,该方法包括:获取当前微波源的输出功率值;根据预设的温控关系表,基于所述输出功率值,调节输出至卡盘加热装置的加热功率控制值和输出至卡盘冷却装置的冷却介质流量控制值,以将卡盘的温度维持在目标温度值;其中,所述温控关系表中包括所述微波源的输出功率值与加热功率控制值、冷却介质流量控制值的对应关系。通过本发明,提高了卡盘温度的稳定性。

Description

卡盘温度控制方法、卡盘温度控制系统及半导体设备
技术领域
本发明涉及半导体制造领域,具体地,涉及一种卡盘温度控制方法、卡盘温度控制系统及半导体设备。
背景技术
目前,金属刻蚀工艺过程中,去胶工艺主要是将晶片置于高温环境中,利用工艺气体去除反应副产物。在去胶工艺过程中,对晶片的加热通过加热卡盘实现,且卡盘温度控制通常采用单闭环比例-积分-微分控制器(proportion-integral-derivative,以下简称PID)控制;但是在微波源启辉时,工艺气体被电离,产生等离子体,释放巨大能量,使得晶片温度瞬间升高,远远超出目标温度,而在微波源停止时,晶片温度骤降。这种情况下,PID控制响应速度慢,易引起超调,对温度的调节十分有限,导致卡盘温度的回落过程较慢,影响去胶工艺结果和产量。
发明内容
本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一,提出了一种卡盘温度控制方法、卡盘温度控制系统及半导体设备。
本发明提供了一种卡盘温度控制方法,所述方法包括:
获取当前微波源的输出功率值;
根据预设的温控关系表,基于所述输出功率值,调节输出至卡盘加热装置的加热功率控制值和输出至卡盘冷却装置的冷却介质流量控制值,以将卡盘的温度维持在目标温度值;
其中,所述温控关系表中包括所述微波源的输出功率值与加热功率控制值、冷却介质流量控制值的对应关系。
优选地,所述微波源的输出功率值与加热功率控制值、冷却介质流量控制值的对应关系满足以下公式:
aX+bY=cT+dP;
其中,a,b,c,d为系数,X为加热功率控制值、Y为冷却介质流量控制值,T为目标温度值,P为所述微波源的输出功率值,所述系数是通过对多组实际加热功率控制值、冷却介质流量控制值、目标温度值、所述微波源的输出功率值进行拟合得到的。
优选地,通过对多组实际加热功率控制值、冷却介质流量控制值、目标温度值、所述微波源的输出功率值进行拟合得到所述系数,包括:
保持所述微波源的输出功率值不变,获取使所述卡盘的温度维持在所述目标温度值的多组静态加热功率控制值和冷却介质流量控制值;
使所述微波源的输出功率值随工艺时间变化,获取使所述卡盘的温度维持在所述目标温度值的多组动态加热功率控制值和冷却介质流量控制值;
对所述多组静态加热功率控制值和冷却介质流量控制值、所述多组动态加热功率控制值和冷却介质流量控制值进行拟合,获得所述系数。
优选地,在保持所述微波源的输出功率值不变时,所述微波源的输出功率值保持在一个可满足工艺要求的预设输出功率值范围内。
优选地,所述微波源的输出功率值随工艺时间变化,包括:
所述微波源启动时,所述输出功率值随工艺时间由0增大至所述预设输出功率值范围内;
所述微波源关闭时,所述输出功率值随工艺时间由所述预设输出功率值范围内减小至0。
优选地,所述加热功率控制值为控制所述卡盘加热装置的脉宽调制信号的占空比,所述冷却介质流量控制值为控制所述卡盘冷却装置的脉宽调制信号的占空比。
一种卡盘温度控制系统,包括:卡盘加热装置、卡盘冷却装置和主控单元;其中,
所述卡盘加热装置用于加热所述卡盘;
所述卡盘冷却装置用于通过冷却介质冷却所述卡盘;
所述主控单元用于获取当前微波源的输出功率值,根据预设的温控关系表,基于所述输出功率值,调节输出至所述卡盘加热装置的加热功率控制值和输出至所述卡盘冷却装置的冷却介质流量控制值,以将所述卡盘的温度维持在目标温度值;
其中,所述温控关系表中包括所述微波源的输出功率值与加热功率控制值、冷却介质流量控制值的对应关系。
优选地,加热功率控制值为控制所述卡盘加热装置的脉宽调制信号的占空比;
所述卡盘加热装置包括:加热器和用于控制所述加热器的通断的继电器;
所述主控单元用于向所述继电器发送具有预定占空比的脉宽调制信号控制所述继电器的通断。
优选地,所述冷却介质流量控制值为控制所述卡盘冷却装置的脉宽调制信号的占空比;
所述卡盘冷却装置包括:用于提供冷却介质的冷却介质源和用于调节所述冷却介质的流量值的流量控制阀;
所述主控单元用于向所述流量控制阀发送具有预定占空比的脉宽调制信号控制所述流量控制阀的开度。
优选地,还包括:中控机,用于接收用户输入的所述目标温度值。
一种半导体设备,包括:反应腔室、微波源以及卡盘,所述卡盘位于所述反应腔室中,还包括:上述的卡盘温度控制系统。
本发明具有以下有益效果:
本发明提供的卡盘温度控制方法、卡盘温度控制系统的技术方案中,获取当前微波源的输出功率值,根据预设的温控关系表,基于输出功率值,调节输出至卡盘加热装置的加热功率控制值和输出至卡盘冷却装置的冷却介质流量控制值,以将卡盘的温度维持在目标温度值,即基于温控关系表联合控制加热装置以及冷却装置,可以降低微波源对卡盘温度的影响,大幅度减小了工艺过程中卡盘温度的波动,显著提高了卡盘温度的稳定性,为工艺过程的正常进行提供了有利温度条件。
本发明提供的半导体设备,包括上述技术方案中的卡盘温度控制系统,也可以降低微波源对卡盘温度的影响,显著提高卡盘温度的稳定性,大幅度减小卡盘温度的波动,为工艺过程的正常进行提供有利温度条件。
附图说明
图1为本发明实施例中的卡盘温度控制方法的流程框图;
图2为本发明实施例中拟合过程的流程框图;
图3为本发明实施例中微波源的输出功率值与时间对应关系的示意图;
图4为本发明实施例中卡盘温度与时间对应关系的示意图;
图5为本发明一个实施例提供的卡盘温度控制系统的结构示意图;
图6为本发明另一个实施例提供的卡盘温度控制系统的结构示意图。
具体实施方式
为使本领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案,下面结合附图来对本发明提供的卡盘温度控制方法、卡盘温度控制系统及半导体设备进行详细描述。
如图1所示,为本发明实施例提供的卡盘温度控制方法的流程框图,本实施例中,卡盘温度控制方法包括以下步骤:
步骤S1:获取当前微波的输出功率值。
步骤S2:根据预设的温控关系表,基于输出功率值,调节输出至卡盘加热装置的加热功率控制值和输出至卡盘冷却装置的冷却介质流量控制值,以将卡盘的温度维持在目标温度值;其中,温控关系表中包括微波源的输出功率值与加热功率控制值、冷却介质流量控制值的对应关系。
可选的,微波源的输出功率值与加热功率控制值、冷却介质流量控制值的对应关系可以满足以下公式:
aX+bY=cT+dP;
其中,a,b,c,d为系数,X为加热功率控制值,Y为冷却介质流量控制值,T为目标温度值,P为微波源的输出功率值,系数是通过对多组实际加热功率控制值、冷却介质流量控制值、目标温度值、微波源的输出功率值进行拟合得到的。进一步,在对上述公式优化时,可根据实际效果修正系数,以达到最优控制效果;本实施例通过动态调节冷却介质流量和加热器功率实现卡盘温度的快速精准控制,提高卡盘温度稳定性。需要说明的是,其他可以表征加热功率控制值、冷却介质流量控制值、目标温度值、微波源的输出功率值之间相互关系的公式也可以用在此处,本发明不做具体限定。
进一步地,可以通过对多组实际加热功率控制值、冷却介质流量控制值、目标温度值、微波源的输出功率值进行拟合得到系数。
如图2所示,为本发明实施例中拟合过程的流程图,即本发明实施例中通过对多组实际加热功率控制值、冷却介质流量控制值、目标温度值、微波源的输出功率值进行拟合得到上述系数,拟合得到上述系数的过程包括:
步骤101:保持微波源的输出功率值不变,获取使卡盘的温度维持在目标温度值的多组静态加热功率控制值和冷却介质流量控制值。
基于不同的工艺要求,保持微波源的输出功率值不变时,将微波源的输出功率值保持在一个可满足工艺要求的预设输出功率范围内即可,即基于不同的工艺需求,并不一定要求微波源的输出功率值保持在一个固定的值,可以接受其在一定范围内波动。为保持微波源的输出功率值相对稳定,此时对应的加热功率控制值和冷却介质流量控制值也是相对稳定的(基于上述的对应关系),即所谓的静态加热功率控制值和冷却介质流量控制值。
保持微波源的输出功率值不变的情况,是指微波源起辉后,微波源为保持启辉状态同时满足工艺需求持续输出的功率值,参见图3,就是指时间t2至t3时刻的微波源的输出功率值,而对应的预设输出功率范围内可以以这个功率值为中心根据不同的工艺要求灵活的设置。图3所示为微波源的输出功率值Pm与时间t对应关系的示意图;图4所示为卡盘温度T与时间t对应关系的示意图,图4中Tsp为目标温度值。
具体地,多组静态加热功率控制值和冷却介质流量控制值的组数可以根据工艺精度需求设定,比如,组数为100组。
步骤102:使微波源的输出功率值随工艺时间变化,获取使卡盘的温度维持在目标温度值的多组动态加热功率控制值和冷却介质流量控制值。
微波源的输出功率值随工艺时间变化的情况主要是指:
微波源启动时,输出功率值随工艺时间由0增大至预设输出功率值范围内。具体地,参见图3所示,微波源启动时是指t1至t2的时刻。
微波源关闭时,输出功率值随工艺时间由预设输出功率值范围内减小至0。具体地,参见图3所示,微波源启动时是指t3至t4的时刻。
在这两个时段里,微波源输出的输出功率是处于变化状态中的,为了保持卡盘温度的稳定,对应的加热功率控制值和冷却介质流量控制值也是处于不断变化的状态中的(基于上述的对应关系),即所谓的动态加热功率控制值和冷却介质流量控制。
步骤103:对多组静态加热功率控制值和冷却介质流量控制值、多组动态加热功率控制值和冷却介质流量控制值进行拟合,获得系数。
可选地,在步骤103中,可以采用仿真分析的方式进行拟合。
基于本实施例得到上述系数的方法,对多组静态加热功率控制值和冷却介质流量控制值、多组动态加热功率控制值和冷却介质流量控制值进行拟合,实现了在不同的微波源输出功率下,可以迅速计算出加热功率控制值和冷却介质流量控制值,达到了对卡盘温度更优化的控制。
在本发明的一个优选实施例中,基于使用最为广泛的PID控制方式,上述的加热功率控制值可以为控制卡盘加热装置的脉宽调制信号的占空比;上述的冷却介质流量控制值可以为控制卡盘冷却装置的脉宽调制信号的占空比。本优选实施例中,通过控制脉宽调制信号的占空比的方式实现加热功率控制值以及冷却介质流量控制值的变化,涉及到的硬结构简单,因此容易实现,应用面也更为广泛。
需要说明的是,基于不同的控制方式,上述的加热功率控制值、冷却介质流量控制值可以灵活地进行选取,本发明不做具体限定。
在本发明实施例提供的卡盘温度控制方案中,会获取当前微波源的输出功率值,再根据预设的温控关系表,基于输出功率值,调节输出至卡盘加热装置的加热功率控制值和输出至卡盘冷却装置的冷却介质流量控制值,以将卡盘的温度维持在目标温度值,即基于温控关系表联合控制加热装置以及冷却装置,可以降低微波源对卡盘温度的影响,大幅度减小了工艺过程中卡盘温度的波动,显著提高了卡盘温度的稳定性,为工艺过程的正常进行提供了有利温度条件。
如图5所示,为本发明一个实施例提供的卡盘温度控制系统的结构示意图,本实施例中,卡盘温度控制系统包括:卡盘加热装置2、卡盘冷却装置3和主控单元1。
其中,卡盘加热装置2用于加热卡盘4;卡盘冷却装置3用于通过冷却介质冷却卡盘4;主控单元1用于获取当前微波源的输出功率值,根据预设的温控关系表,基于输出功率值,调节输出至卡盘加热装置2的加热功率控制值和输出至卡盘冷却装置3的冷却介质流量控制值,以将卡盘4的温度维持在目标温度值;其中,温控关系表中包括微波源的输出功率值与加热功率控制值、冷却介质流量控制值的对应关系。
本实施例提供的卡盘温度控制系统,会获取当前微波源的输出功率值,根据预设的温控关系表,基于输出功率值,调节输出至卡盘加热装置的加热功率控制值和输出至卡盘冷却装置的冷却介质流量控制值,以将卡盘的温度维持在目标温度值,降低了微波源对卡盘温度的影响,大幅度减小了工艺过程中卡盘温度的波动,显著提高了卡盘温度的稳定性。
如图6所示,为本发明另一个实施例提供的卡盘温度控制系统的结构示意图,相对于图5所示的卡盘温度控制,本实施例提供的卡盘温度控制系统还包括:中控机5,中控机5用于接收用户输入的目标温度值。
可选的,加热功率控制值可以为控制卡盘加热装置2的脉宽调制信号的占空比,参见图6,卡盘加热装置2可以包括:加热器21和用于控制加热器21的通断的继电器22;主控单元1用于向继电器22发送具有预定占空比的脉宽调制调制信号控制继电器22的通断。这里的预定占空比是根据具体的微波源的输出功率值与加热功率控制值、冷却介质流量控制值的对应关系确定的,不同的工艺要求会产生不同的对应关系。
可选的,冷却介质流量控制值可以为控制卡盘冷却装置3的脉宽调制信号的占空比,参见图6,卡盘冷却装置3包括:用于提供冷却介质的冷却介质源31和用于调节冷却介质的流量值的流量控制阀32;主控单元1用于向流量控制阀32发送具有预定占空比的脉宽调制信号控制流量控制阀32的开度。类似的,这里的预定占空比是根据具体的微波源的输出功率值与加热功率控制值、冷却介质流量控制值的对应关系确定的,不同的工艺要求会产生不同的对应关系。
作为一种可选的实施方式,上述冷却介质源可以是冷水机,冷却介质可以为冷却水。
本实施例中的脉宽调制是指脉冲宽度调制(Pulse-Width Modulation,以下简称PWM),PWM可对逆变电路开关器件的通断进行控制,使输出端得到一系列幅值相等的脉冲,用这些脉冲来代替正弦波或所需要的波形。也就是在输出波形的半个周期中产生多个脉冲,使各脉冲的等值电压为正弦波形,所获得的输出平滑且低次谐波少。按一定的规则对各脉冲的宽度进行调制,即可改变逆变电路输出电压的大小,也可改变输出频率。
本发明实施例提供的卡盘温度控制系统,采用中控机获取用户输入的目标温度值,便于对温控表进行实时调整;主控单元通过脉宽调制信号控制继电器的通断及流量控制阀开度,即通过调整脉宽调制信号的占空比可以达到控制卡盘加热和冷却的目的,因此本实施例提供的卡盘温度控制系统,控制方便,容易实现。
本发明的另一个实施例中,还提供了一种半导体设备,该半导体设备包括:反应腔室、微波源以及卡盘,卡盘位于反应腔室中;该半导体设备还包括:上述任意一个实施例提供的卡盘温度控制系统。
本实施例中,微波源用于输出功率,对工艺进行电离,卡盘温度控制系统用于将卡盘的温度维持在目标温度值。
本发明提供的半导体设备,包括上述技术方案中的卡盘温度控制系统,可以降低微波源对卡盘温度的影响,显著提高卡盘温度的稳定性,大幅度减小卡盘温度的波动,为工艺过程的正常进行提供有利温度条件。
可以理解的是,以上实施方式仅仅是为了说明本发明的原理而采用的示例性实施方式,然而本发明并不局限于此。对于本领域内的普通技术人员而言,在不脱离本发明的精神和实质的情况下,可以做出各种变型和改进,这些变型和改进也视为本发明的保护范围。

Claims (11)

1.一种卡盘温度控制方法,其特征在于,所述方法包括:
获取当前微波源的输出功率值;
根据预设的温控关系表,基于所述输出功率值,调节输出至卡盘加热装置的加热功率控制值和输出至卡盘冷却装置的冷却介质流量控制值,以将卡盘的温度维持在目标温度值;
其中,所述温控关系表中包括所述微波源的输出功率值与加热功率控制值、冷却介质流量控制值的对应关系。
2.根据权利要求1所述的卡盘温度控制方法,其特征在于,所述微波源的输出功率值与加热功率控制值、冷却介质流量控制值的对应关系满足以下公式:
aX+bY=cT+dP;
其中,a,b,c,d为系数,X为加热功率控制值、Y为冷却介质流量控制值,T为目标温度值,P为所述微波源的输出功率值,所述系数是通过对多组实际加热功率控制值、冷却介质流量控制值、目标温度值、所述微波源的输出功率值进行拟合得到的。
3.根据权利要求2所述的卡盘温度控制方法,其特征在于,通过对多组实际加热功率控制值、冷却介质流量控制值、目标温度值、所述微波源的输出功率值进行拟合得到所述系数,包括:
保持所述微波源的输出功率值不变,获取使所述卡盘的温度维持在所述目标温度值的多组静态加热功率控制值和冷却介质流量控制值;
使所述微波源的输出功率值随工艺时间变化,获取使所述卡盘的温度维持在所述目标温度值的多组动态加热功率控制值和冷却介质流量控制值;
对所述多组静态加热功率控制值和冷却介质流量控制值、所述多组动态加热功率控制值和冷却介质流量控制值进行拟合,获得所述系数。
4.根据权利要求3所述的卡盘温度控制方法,其特征在于,在保持所述微波源的输出功率值不变时,所述微波源的输出功率值保持在一个可满足工艺要求的预设输出功率值范围内。
5.根据权利要求3或4所述的卡盘温度控制方法,其特征在于,所述微波源的输出功率值随工艺时间变化,包括:
所述微波源启动时,所述输出功率值随工艺时间由0增大至所述预设输出功率值范围内;
所述微波源关闭时,所述输出功率值随工艺时间由所述预设输出功率值范围内减小至0。
6.根据权利要求1-4任一项所述的卡盘温度控制方法,其特征在于,所述加热功率控制值为控制所述卡盘加热装置的脉宽调制信号的占空比,所述冷却介质流量控制值为控制所述卡盘冷却装置的脉宽调制信号的占空比。
7.一种卡盘温度控制系统,其特征在于,包括:卡盘加热装置、卡盘冷却装置和主控单元;其中,
所述卡盘加热装置用于加热所述卡盘;
所述卡盘冷却装置用于通过冷却介质冷却所述卡盘;
所述主控单元用于获取当前微波源的输出功率值,根据预设的温控关系表,基于所述输出功率值,调节输出至所述卡盘加热装置的加热功率控制值和输出至所述卡盘冷却装置的冷却介质流量控制值,以将所述卡盘的温度维持在目标温度值;
其中,所述温控关系表中包括所述微波源的输出功率值与加热功率控制值、冷却介质流量控制值的对应关系。
8.根据权利要求7所述的卡盘温度控制系统,其特征在于,加热功率控制值为控制所述卡盘加热装置的脉宽调制信号的占空比;
所述卡盘加热装置包括:加热器和用于控制所述加热器的通断的继电器;
所述主控单元用于向所述继电器发送具有预定占空比的脉宽调制信号控制所述继电器的通断。
9.根据权利要求7所述的卡盘温度控制系统,其特征在于,所述冷却介质流量控制值为控制所述卡盘冷却装置的脉宽调制信号的占空比;
所述卡盘冷却装置包括:用于提供冷却介质的冷却介质源和用于调节所述冷却介质的流量值的流量控制阀;
所述主控单元用于向所述流量控制阀发送具有预定占空比的脉宽调制信号控制所述流量控制阀的开度。
10.根据权利要求7所述的卡盘温度控制系统,其特征在于,还包括:中控机,用于接收用户输入的所述目标温度值。
11.一种半导体设备,包括:反应腔室、微波源以及卡盘,所述卡盘位于所述反应腔室中,其特征在于,还包括:上述权利要求7-10任一项所述的卡盘温度控制系统。
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