CN111501004A - 温度控制方法和系统、半导体设备 - Google Patents

温度控制方法和系统、半导体设备 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种温度控制方法和系统、半导体设备，该方法包括以下步骤：S1，使用加热装置对被加工工件进行加热，且在加热过程中根据预设的功率调节规则调节加热装置的输出功率，直至被加工工件的温度达到预设的第一目标值，其中，第一功率调节规则用于控制加热装置的输出功率随被加工工件的温度升高而增大；S2，使用加热装置继续对被加工工件进行加热，且在加热过程中实时检测被加工工件的温度值，并根据该温度值调节加热装置的输出功率，以使被加工工件的温度达到预设目标值。本发明提供的温度控制方法和系统的技术方案，可以在保证加热速率的基础上，减小加热功率的波动，有效减少碎盘的发生。

Description

温度控制方法和系统、半导体设备
技术领域
本发明涉及半导体加工技术领域，具体地，涉及一种温度控制方法和系统、半导体设备。
背景技术
在诸如蓝光、白光等的LED的制造过程中，蓝宝石衬底上直接外延生长氮化镓(GaN)，一直存在晶格失配和热失配问题。由于氮化铝(AlN)材料具有与GaN相同的晶格结构，且与蓝宝石材料的晶格也有很强的匹配度，因此将AlN作为缓冲层，置入在蓝宝石衬底和GaN之间，在减少外延缺陷，提高外延质量方面有较大提高。
目前，通常使用氮化铝溅射设备采用物理气相沉积法(Physical VaporDeposition，简称PVD)在蓝宝石衬底上沉积氮化铝薄膜，该氮化铝溅射设备主要包括工作台、装载腔、传输腔、工艺腔和冷却腔。其中，工艺腔为制程中最重要的腔室，该腔室内设置有基座，且在该基座上设置有顶针，用于承载托盘，衬底放置在托盘上。并且，在基座上还设置有加热装置，用于向托盘辐射热量，以将托盘加热到预定温度之后，再通过磁控溅射系统进行溅射处理。
在ALN制作的整个过程中，托盘需要快速升温和降温。伴随着市场需求，托盘的尺寸在不断的增大，而根据格里菲斯(Griffith)微裂纹理论可知，材料的强度随着尺寸的增大而减小，随尺寸的减小而增大。因此，托盘尺寸越大，其在升温和降温的过程中就越容易碎盘。为了防止碎盘的发生，就需要对加热装置的加热功率、加热温度及加热控制方法等进行改进。
现有的一种温度控制方法是一种直接升温方法，其利用热电偶测量托盘的温度，然后温控器根据该温度和内部控制策略控制加热装置的加热功率，以能够将托盘温度稳定在目标温度值。图1示出了直接升温方法获得的托盘温度曲线和加热功率曲线图，如图1所示，在托盘温度自450℃上升至650℃的过程中，功率波动较大。由于功率越大，照射能量越大；反之，功率越小，照射能量越小，根据格里菲斯微裂纹理论，在灯管功率波动的过程中，采用脆性材料(例如SiC)制作的托盘内的微裂纹就伴随着灯管功率的不断波动而扩展，一旦扩展到一定程度，即发生碎盘。
还有一种温度控制方法是在上述温度控制方法的基础上，将整个加热过程划分为多步升温分步。这样，可以减缓托盘的升温速度，使升温速率变得相对平滑，从而可以有效减少碎盘的发生，碎盘概率降低了约30％。但是，如图2所示，为多步升温方法与图1所示的直接升温方法分别获得的托盘温度曲线和加热功率曲线的对比图，图2中左侧的曲线为直接升温方法获得的曲线，右侧的曲线为多步升温方法获得的曲线。与直接升温相比，虽然功率波动有所减小，但减小的程度有限；同时，多步升温方法中托盘的升温时间增加了1.5倍，
从而造成加热效率降低。
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，提出了一种温度控制方法和系统、半导体设备，其可以在保证加热速率的基础上，减小加热功率的波动，有效减少碎盘的发生。
为实现上述目的，本发明提供了一种半导体设备的温度控制方法，包括以下步骤：
S1，使用加热装置对被加工工件进行加热，且在加热过程中根据预设的功率调节规则调节所述加热装置的输出功率，直至所述被加工工件的温度达到预设的第一目标值，其中，所述第一功率调节规则用于控制所述加热装置的输出功率随所述被加工工件的温度升高而增大；
S2，使用所述加热装置继续对所述被加工工件进行加热，且在加热过程中实时检测所述被加工工件的温度值，并根据所述温度值调节所述加热装置的输出功率，以使所述被加工工件的温度达到预设目标值。
可选的，所述功率调节规则满足下述公式：
W＝k×W0
其中，W为所述加热装置的输出功率；W0为预设的初始功率值；k为功率调节系数，且随所述被加工工件的温度升高而增大。
可选的，所述根据所述温度值调节所述加热装置的输出功率，以使所述被加工工件的温度达到预设目标值，包括：
根据所述温度值逐渐降低所述加热装置的输出功率，直至达到目标功率值；
其中，所述目标功率值为所述被加工工件的温度达到所述预设目标值所对应的当前功率值。
可选的，所述根据所述温度值调节所述加热装置的输出功率，以使所述被加工工件的温度达到预设目标值，还包括：
在所述加热装置的输出功率达到所述目标功率值之后，维持所述目标功率值不变。
可选的，所述根据所述温度值调节所述加热装置的输出功率，以使所述被加工工件的温度达到预设目标值，包括：
根据所述温度值采用比例积分微分控制的方式调节所述加热装置的输出功率，以使所述被加工工件的温度达到所述预设目标值。
可选的，所述第一目标值为所述预设目标值的90％。
可选的，所述被加工工件包括碳化硅托盘；所述被加工工件的温度的初始值为450℃；所述预设目标值为650℃。
作为另一个技术方案，本发明还提供一种温度控制系统，用于控制加热装置对被加工工件进行加热，包括控制单元和功率调节单元，其中，
所述控制单元，用于：在所述加热装置加热的过程中，根据预设的功率调节规则控制所述功率调节单元调节所述加热装置的输出功率，直至所述被加工工件的温度达到预设的第一目标值，其中，所述第一功率调节规则用于控制所述加热装置的输出功率随所述被加工工件的温度升高而增大；以及，在所述加热装置继续对所述被加工工件进行加热的过程中，实时检测所述被加工工件的温度值，并根据所述温度值控制所述功率调节单元调节所述加热装置的输出功率，以使所述被加工工件的温度达到预设目标值。
作为另一个技术方案，本发明还提供一种半导体设备，包括反应腔室、设置在所述反应腔室内的基座和设置在所述基座上的支撑件和加热装置，其中，所述支撑件用于支撑被加工工件，并使之位于所述基座上方；所述加热装置用于对所述被加工工件进行加热，还包括本发明提供的上述温度控制系统。
可选的，所述加热装置包括设置在所述基座上的反射屏和设置在所述反射屏上方的加热灯管。
本发明的有益效果：
本发明提供的温度控制方法和系统的技术方案中，将加热过程划分为两个阶段，第一个阶段是采用开环控制方法调节加热装置的输出功率，即，采用预设的功率调节规则调节加热装置的输出功率，直至被加工工件的温度达到预设的第一目标值；第二个阶段是采用闭环控制方法调节加热装置的输出功率，即，在加热过程中实时检测被加工工件的温度值，并根据该温度值调节加热装置的输出功率，以使被加工工件的温度达到预设目标值。通过在第一个阶段采用开环控制方法调节加热装置的输出功率，既可以保证加热速率，又可以通过预先设置的功率调节规则来减小加热功率的波动，从而有效减少碎盘的发生。通过在第二个阶段采用闭环控制方法调节加热装置的输出功率，可以保证控温的精确度。
本发明提供的半导体设备，其通过采用本发明提供的上述温度控制系统，可以在保证加热速率的基础上，减小加热功率的波动，有效减少碎盘的发生。
附图说明
图1为直接升温方法获得的托盘温度曲线和加热功率曲线图；
图2为多步升温方法与直接升温方法分别获得的托盘温度曲线和加热功率曲线的对比图；
图3为本发明实施例提供的温度控制方法的一种流程框图；
图4为本发明实施例提供的温度控制方法的另一种流程框图；
图5为直接升温方法与本实施例提供的温度控制方法分别获得的托盘温度曲线和加热功率曲线的对比图；
图6为本发明实施例提供的半导体设备的反应腔室的局部剖视图。
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，下面结合附图对本发明提供的温度控制方法和系统、半导体设备进行详细描述。
请参阅图3，本发明实施例提供一种半导体设备的温度控制方法，其包括：
步骤S1，使用加热装置对被加工工件进行加热，且在加热过程中根据预设的功率调节规则调节加热装置的输出功率，直至该被加工工件的温度达到预设的第一目标值，其中，上述第一功率调节规则用于控制加热装置的输出功率随被加工工件的温度升高而增大；
步骤S2，使用加热装置继续对被加工工件进行加热，且在加热过程中实时检测被加工工件的温度值，并根据该温度值调节加热装置的输出功率，以使被加工工件的温度达到预设目标值。
本发明实施例提供的温度控制方法，其将加热过程划分为两个阶段，第一个阶段(即，步骤S1)是采用开环控制方法调节加热装置的输出功率。所谓开环控制方法，是指无信息反馈的控制方法，即，采用预先设定的功率调节规则控制加热装置的输出功率，使之能够随被加工工件的温度升高而增大。通过在第一个阶段采用开环控制方法控制加热装置的输出功率，既可以保证加热速率，又可以通过预先设置的功率调节规则来减小加热功率的波动，从而有效减少碎盘的发生。
上述步骤S1中，功率调节规则满足下述公式：
W＝k×W0
其中，W为加热装置的输出功率；W0为预设的初始功率值；k为功率调节系数，且随被加工工件的温度升高而增大。
在加热过程中，为了能够使被加工工件随时间的累积而逐渐升温，可以逐渐增大加热装置的输出功率，该输出功率可以遵循上述公式来调节。其中，功率调节系数k的变化决定了输出功率的变化，因此，随着时间的累积，改变功率调节系数k的大小，可以实现对输出功率的控制。并且，上述功率调节系数k的变化是预先设定的，且与被加工工件的温度之间具有对应关系，例如，若被加工工件随时间的累积而逐渐升温，则功率调节系数随被加工工件的温度升高而增大。
这样，在加热过程中，被加工工件的温度变化，上述功率调节系数k的数值也相应的发生改变，即，实现了开环控制。在实际应用中，可以根据实验数据建立并存储功率调节系数k与被加工工件的温度的对应关系。此外，上述功率调节系数k的设定应满足减小功率波动的要求。
当被加工工件的温度达到预设的第一目标值时，进行第二个阶段(即，步骤S2)。该第一目标值可以为根据经验获得的经验值，例如，第一目标值为被加工工件的温度的预设目标值的90％。这样，既可以保证功率的波动较小，又可以保证控温精确度。
以氮化铝薄膜的沉积工艺为例，半导体设备通常采用氮化铝溅射设备，其采用物理气相沉积法(PhysicalVaporDeposition，简称PVD)在蓝宝石衬底上沉积氮化铝薄膜。被加工工件包括碳化硅托盘，用于承载衬底。而且，碳化硅托盘的温度的初始值为450℃；上述预设目标值为650℃。
第二个阶段是采用闭环控制方法控制加热装置的输出功率。闭环控制方法是一种带有反馈信息的控制方法，即，加热装置的输出功率以一定方式返回到控制单元的输入端，并对输入端施加控制影响的一种控制关系。具体的，在加热过程中，实时检测被加工工件的温度值，并根据该温度值调节加热装置的输出功率，以使被加工工件的温度达到预设目标值。这样，加热装置的输出功率会随着被加工工件的实际温度值升高而降低或不变，从而使调节后的温度值达到预设目标值。
通过在第二个阶段采用闭环控制方法调节加热装置的输出功率，可以保证控温的精确度。
步骤S2中，根据检测到的温度值获得输出功率的调整量计算的方法有多种，例如，根据检测到的温度值采用比例积分微分(ProportionalIntegralDerivative，PID)控制的方式调节加热装置的输出功率，以使被加工工件的温度达到预设目标值。
步骤S2中，为了能够使被加工工件的温度达到预设目标值，可以根据检测到的温度值逐渐降低加热装置的输出功率，直至达到目标功率值。该目标功率值为被加工工件的温度达到预设目标值所对应的当前功率值。
可选的，步骤S2中，根据检测到的温度值调节加热装置的输出功率，以使被加工工件的温度达到预设目标值，包括：
在加热装置的输出功率达到目标功率值之后，维持该目标功率值不变。这样，可以使被加工工件的温度保持在预设目标值不变。当然，在实际应用中，可以根据工艺的具体需要不将输出功率维持在目标功率值。
请参阅图3，以氮化铝薄膜的沉积工艺为例，对本发明实施例提供的温度控制方法进行详细描述。具体地，半导体设备为氮化铝溅射设备，其采用物理气相沉积法(PhysicalVaporDeposition，简称PVD)在蓝宝石衬底上沉积氮化铝薄膜，如图6所示，该氮化铝溅射设备包括反应腔室1、设置在该反应腔室1内的基座2和设置在该基座2上的支撑件4和加热装置3，其中，支撑件4用于支撑被加工工件6，并使之位于基座2上方。该被加工工件6为用于承载衬底的托盘，例如碳化硅托盘。加热装置3用于对托盘进行加热，该加热装置3例如包括加热灯管及用于调节该加热灯管的输出功率的调功器。
氮化铝溅射设备还包括温度控制系统，用于控制加热装置3对托盘进行加热。如图4所示，上述温度控制系统的温度控制方法包括：
步骤101、设定托盘温度的目标值。
步骤102、设定托盘温度的第一目标值。
步骤103、在加热灯管对托盘进行加热的过程中，实时判断托盘的当前温度是否达到上述第一目标值；若否，则进行步骤104；若是，则进行步骤105。
步骤104、采用开环控制方法调节加热装置的输出功率。
步骤105、采用闭环控制方法调节加热装置的输出功率。
如图5所示，为现有的直接升温方法与本实施例提供的温度控制方法分别获得的托盘温度曲线和加热功率曲线的对比图。图5中左侧的曲线为直接升温方法获得的曲线，右侧的曲线为本发明实施例提供的温度控制方法获得的曲线。通过对比可知，在托盘温度自450℃上升至650℃的过程中，本发明实施例提供的温度控制方法获得的功率曲线的最高功率值是直接升温方法获得的曲线的1/2，因此，功率波动更缓和。
通过实验发现，本发明实施例提供的温度控制方法，与现有技术相比，碎盘概率降低了50％，从而有效防止了碎盘的发生。
作为另一个技术方案，本发明实施例提供的温度控制系统，用于控制加热装置对被加工工件进行加热，其包括控制单元和功率调节单元，其中，控制单元用于在加热装置加热的过程中，根据预设的功率调节规则控制功率调节单元调节加热装置的输出功率，直至被加工工件的温度达到预设的第一目标值，其中，该第一功率调节规则用于控制加热装置的输出功率随被加工工件的温度升高而增大；以及，在加热装置继续对被加工工件进行加热的过程中，实时检测被加工工件的温度值，并根据该温度值控制功率调节单元调节加热装置的输出功率，以使被加工工件的温度达到预设目标值。
本发明实施例提供的温度控制系统，将加热过程划分为两个阶段，第一个阶段是采用开环控制方法调节加热装置的输出功率，即，采用预设的功率调节规则调节加热装置的输出功率，直至被加工工件的温度达到预设的第一目标值；第二个阶段是采用闭环控制方法调节加热装置的输出功率，即，在加热过程中实时检测被加工工件的温度值，并根据该温度值调节加热装置的输出功率，以使被加工工件的温度达到预设目标值。通过在第一个阶段采用开环控制方法调节加热装置的输出功率，既可以保证加热速率，又可以通过预先设置的功率调节规则来减小加热功率的波动，从而有效减少碎盘的发生。通过在第二个阶段采用闭环控制方法调节加热装置的输出功率，可以保证控温的精确度。
作为另一个技术方案，本发明实施例还提供一种半导体设备，该半导体设备例如为氮化铝溅射设备。
如图6所示，半导体设备包括反应腔室1、设置在该反应腔室1内的基座2和设置在该基座2上的支撑件4和加热装置3，其中，支撑件4用于支撑被加工工件6，并使之位于基座2上方。该被加工工件6为用于承载衬底的托盘，例如碳化硅托盘。加热装置3用于对托盘进行加热，该加热装置3例如包括加热灯管及用于调节该加热灯管的输出功率的调功器。
可选的，加热装置3包括设置在基座2上的反射屏5和设置在该反射屏5上方的加热灯管3。反射屏5用于将加热灯管3辐射至其上的热量反射至托盘，从而可以提高加热效率和加热均匀性。
半导体设备还包括温度控制系统，用于控制加热装置3对托盘进行加热。该温度控制系统采用本发明实施例提供的上述温度控制系统。
本发明实施例提供的半导体设备，其通过采用本发明实施例提供的上述温度控制系统，可以在保证加热速率的基础上，减小加热功率的波动，有效减少碎盘的发生。
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 (10)

1.一种半导体设备的温度控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1，使用加热装置对被加工工件进行加热，且在加热过程中根据预设的功率调节规则调节所述加热装置的输出功率，直至所述被加工工件的温度达到预设的第一目标值，其中，所述第一功率调节规则用于控制所述加热装置的输出功率随所述被加工工件的温度升高而增大；
S2，使用所述加热装置继续对所述被加工工件进行加热，且在加热过程中实时检测所述被加工工件的温度值，并根据所述温度值调节所述加热装置的输出功率，以使所述被加工工件的温度达到预设目标值。
2.根据权利要求1所述的温度控制方法，其特征在于，所述功率调节规则满足下述公式：
W＝k×W0
其中，W为所述加热装置的输出功率；W0为预设的初始功率值；k为功率调节系数，且随所述被加工工件的温度升高而增大。
3.根据权利要求1所述的温度控制方法，其特征在于，所述根据所述温度值调节所述加热装置的输出功率，以使所述被加工工件的温度达到预设目标值，包括：
根据所述温度值逐渐降低所述加热装置的输出功率，直至达到目标功率值；
其中，所述目标功率值为所述被加工工件的温度达到所述预设目标值所对应的当前功率值。
4.根据权利要求3所述的温度控制方法，其特征在于，所述根据所述温度值调节所述加热装置的输出功率，以使所述被加工工件的温度达到预设目标值，还包括：
在所述加热装置的输出功率达到所述目标功率值之后，维持所述目标功率值不变。
5.根据权利要求1所述的温度控制方法，其特征在于，所述根据所述温度值调节所述加热装置的输出功率，以使所述被加工工件的温度达到预设目标值，包括：
根据所述温度值采用比例积分微分控制的方式调节所述加热装置的输出功率，以使所述被加工工件的温度达到所述预设目标值。
6.根据权利要求1所述的温度控制方法，其特征在于，所述第一目标值为所述预设目标值的90％。
7.根据权利要求1所述的温度控制方法，其特征在于，所述被加工工件包括碳化硅托盘；所述被加工工件的温度的初始值为450℃；所述预设目标值为650℃。
8.一种温度控制系统，用于控制加热装置对被加工工件进行加热，其特征在于，包括控制单元和功率调节单元，其中，
所述控制单元，用于：在所述加热装置加热的过程中，根据预设的功率调节规则控制所述功率调节单元调节所述加热装置的输出功率，直至所述被加工工件的温度达到预设的第一目标值，其中，所述第一功率调节规则用于控制所述加热装置的输出功率随所述被加工工件的温度升高而增大；以及，在所述加热装置继续对所述被加工工件进行加热的过程中，实时检测所述被加工工件的温度值，并根据所述温度值控制所述功率调节单元调节所述加热装置的输出功率，以使所述被加工工件的温度达到预设目标值。
9.一种半导体设备，包括反应腔室、设置在所述反应腔室内的基座和设置在所述基座上的支撑件和加热装置，其中，所述支撑件用于支撑被加工工件，并使之位于所述基座上方；所述加热装置用于对所述被加工工件进行加热，其特征在于，还包括如权利要求8所述的温度控制系统。
10.根据权利要求9所述的半导体设备，其特征在于，所述加热装置包括设置在所述基座上的反射屏和设置在所述反射屏上方的加热灯管。
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