CN111831022B - 腔室压力控制方法及装置、半导体设备 - Google Patents

腔室压力控制方法及装置、半导体设备 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种腔室压力控制方法及装置、半导体设备，该方法包括以下步骤：S1，检测腔室内部的实际压力值；S2，计算实际压力值与预设的目标压力值的差值；判断差值是否超出预设范围，若超出，则进行步骤S3；若未超出，则流程结束；S3，获取控制系数，该控制系数为曲率与预设的PID系数的乘积，该曲率为与当前的气体流量值对应的关于压力和位置参数的曲线中，与执行单元的当前的位置参数值相对应的曲率；S4，基于差值和控制系数计算获得执行单元的位置参数调整量，向该执行单元输出，返回步骤S2。本发明提供的腔室压力控制方法及装置、半导体设备的技术方案，可以精确快速的控制腔室内压力，使之稳定在预设范围内，从而可以提高工艺质量和成品率。

Description

腔室压力控制方法及装置、半导体设备
技术领域
本发明涉及半导体制造技术领域，特别涉及一种腔室压力控制方法及装置、半导体设备。
背景技术
在半导体制造、光伏等领域，反应腔室诸如氧化炉等是半导体工艺过程中最重要的设备。在进行镀膜等工艺的过程中，通入反应腔室内的反应气体包括H2、HCl、大量的O2、少量的C2H2Cl2以及N2等，这些反应气体需要在恒定的压力条件下进行化学反应，以确保工艺结果诸如镀层的厚度等满足要求，而且应保持反应腔室内的压力稳定，如若工艺实际压力大于或小于设定压力均会影响镀层的厚度。目前，亟需一种能够精确快速的控制反应腔室内压力的方法和装置。
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，提出了一种腔室压力控制方法及装置、半导体设备，其可以精确快速的控制腔室内压力，使之稳定在预设范围内，从而可以提高工艺质量和成品率。
为实现上述目的，本发明提供了一种腔室压力控制方法，包括以下步骤：
S1，检测腔室内部的实际压力值；
S2，计算所述实际压力值与预设的目标压力值的差值；并判断所述差值是否超出预设范围，若超出，则进行步骤S3；若未超出，则流程结束；
S3，获取控制系数，所述控制系数为曲率与预设的PID系数的乘积，其中，所述曲率为：与当前的气体流量值对应的关于压力和执行单元的位置参数的曲线中，与所述执行单元的当前的位置参数值相对应的曲率；
S4，基于所述差值和所述控制系数计算获得所述执行单元的位置参数调整量，且向所述执行单元输出，并返回所述步骤S2。
可选的，在所述步骤S1之前，还包括：
S0，预先存储样本数据模板；
其中，所述样本数据模板包括不同的所述气体流量值与所述曲线的对应关系，以及每条所述曲线中不同的所述位置参数值与曲率的对应关系；
所述步骤S3，进一步包括：
S31，从所述样本数据模板中获取与当前的所述气体流量值对应的关于压力和位置参数的曲线中，与当前的所述位置参数值相对应的曲率；
S32，计算从所述样本数据模板中获取的曲率与所述PID系数的乘积。
可选的，所述执行单元包括压力调节阀，所述执行单元的位置参数为所述压力调节阀的与其开度对应的阀门位置。
可选的，所述执行单元的位置参数的初始值设定在与所述压力调节阀的开度取值范围对应的范围内；所述开度取值范围在30°-50°。
可选的，所述气体流量值的取值范围在3-50L/min。
可选的，在所述步骤S1中，检测所述腔室在排气口处的压力作为所述实际压力值；
或者，检测所述腔室的内部与大气压的差值作为所述实际压力值。
作为另一个技术方案，本发明还提供一种腔室压力控制装置，包括检测单元、控制单元和执行单元，其中，
所述检测单元用于检测腔室内部的实际压力值，并将其发送至所述控制单元；
所述控制单元用于计算所述实际压力值与预设的目标压力值的差值；并判断所述差值是否超出预设范围，若超出，则获取控制系数，并基于所述差值和所述控制系数计算获得执行单元的位置参数调整量，且向该执行单元输出；所述控制系数为曲率与预设的PID系数的乘积，其中，所述曲率为：与当前的气体流量值对应的关于压力和位置参数的曲线中，与所述执行单元的当前的位置参数值相对应的曲率；
所述执行单元用于根据所述位置参数调整量调节自身位置参数。
可选的，所述控制单元包括存储模块、获取模块、计算模块和控制模块，其中，
所述存储模块用于存储样本数据模板；所述样本数据模板包括不同的所述气体流量值与所述曲线的对应关系，以及每条所述曲线中不同的所述位置参数值与曲率的对应关系；
所述获取模块用于从所述存储模块中存储的所述样本数据模板中获取与当前的所述气体流量值对应的关于压力和位置参数的曲线中，与当前的所述位置参数值相对应的曲率，并发送至所述计算模块；
所述计算模块用于计算从所述样本数据模板中获取的曲率与所述PID系数的乘积，并将其作为所述控制系数发送至所述控制模块；
所述控制模块用于基于所述差值和所述控制系数计算获得执行单元的位置参数调整量，且向所述执行单元输出。
可选的，所述执行单元包括用于调节所述腔室的排气流量的压力调节阀，及用于抽取所述腔室的内部气体的真空装置；其中，
所述位置参数为所述压力调节阀的与其开度对应的阀门位置。
可选的，所述压力调节阀包括蝶阀、针阀或球阀。
可选的，所述腔室压力控制装置还包括输入单元，用于接收用户输入的目标压力值，并将其发送至所述控制单元。
可选的，所述检测单元用于检测所述腔室在排气口处的压力作为所述实际压力值；
或者，所述检测单元用于检测所述腔室的内部与大气压的差值作为所述实际压力值。
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，其特征在于，还包括用于控制所述反应腔室的压力的腔室压力控制装置，所述腔室压力控制装置采用本发明提供的上述腔室压力控制装置，其中，
所述检测单元用于检测所述反应腔室内部的实际压力值，并将其发送至所述控制单元；所述执行单元设置在所述反应腔室的排气口处，用于根据所述位置参数调整量调节自身位置参数。
本发明的有益效果：
本发明所提供的腔室压力控制方法及装置、半导体设备的技术方案中，在通过步骤S1、步骤S2和步骤S4来实现对腔室压力的闭环控制的同时，通过步骤S3获取控制系数，该控制系数为与当前的气体流量值对应的关于压力和位置参数的曲线中，与执行单元的当前的位置参数值相对应的曲率与预设的PID(Proportion-Integral-Derivative)系数的乘积，即，可以根据气体流量、压力和执行单元的位置参数之间的对应关系，在不同的气体流量条件下，对PID系数进行分段式精细调节，从而可以实现快速稳定对腔室压力进行控制，使之稳定在预设范围内，进而可以提高工艺质量和成品率。
附图说明
图1为本发明第一实施例提供的腔室压力控制方法的流程框图；
图2为某一气体特定流量下，关于压力和位置参数的曲线图；
图3为本发明第二实施例提供的腔室压力控制方法的流程框图；
图4为本发明第三实施例提供的腔室压力控制装置的原理框图；
图5为本发明第三实施例采用的控制单元的原理框图；
图6为本发明第三实施例提供的腔室压力控制装置的结构图。
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腔室压力控制方法及装置、半导体设备进行详细描述。
请参阅图1，本发明第一实施例提供的腔室压力控制方法，其包括以下步骤：
S1，检测腔室内部的实际压力值。
在步骤S1中，可选的，可以检测腔室在排气口处的压力作为实际压力值；或者，也可以检测腔室的内部与大气压的差值作为实际压力值。这样，本实施例提供的腔室压力控制方法可以适用于绝对式控压方法或者相对式控压方法。
S2，计算实际压力值与预设的目标压力值的差值；并判断该差值是否超出预设范围，若超出，则进行步骤S3；若未超出，则流程结束。
S3，获取控制系数，该控制系数为与当前的气体流量值对应的关于压力和位置参数的曲线中，与执行单元的当前的位置参数值相对应的曲率与预设的PID系数的乘积。
在步骤S3中，每一种气体相同流量值(通入腔室内的气体流量值)对应一条关于压力和位置参数的曲线，而不同的气体流量值对应不同的曲线。如图2所示，每条曲线的横坐标为执行单元的位置参数值(L1,L2,...,Ln)；纵坐标为与各个位置参数值(L1,L2,...,Ln)一一对应的腔室压力值(P1,P2,...,Pn)。与各个位置参数值(L1,L2,...,Ln)一一对应的曲线的曲率即为表示压力变化与阀门开度的转换系数(K1,K2,...,Kn)。
上述控制系数为与执行单元的当前的位置参数值相对应的转换系数与预设的PID(Proportion-Integral-Derivative)系数的乘积。所谓PID系数，是指用于实现PID控制的比例系数(Proportion)、积分系数(Integral)和微分系数(Derivative)，而PID控制即为下述步骤S4，其应用于闭环控制中，用于根据系统的误差，基于比例系数、积分系数和微分系数以及实际值与期望值的差值，计算获得控制量，并基于该控制量对执行单元进行控制。
S4，基于上述差值和控制系数计算获得执行单元的位置参数调整量，且向该执行单元输出，并返回步骤S2。
上述执行单元用于调节腔室压力，例如，执行单元为设置在腔室的排气管路上的压力调节阀。在真空用于抽取腔室内的气体的过程中，压力调节阀通过调节阀门开度，可以调节排气流量，从而可以调节腔室压力。这里，压力调节阀的位置参数值即为与其开度对应的阀门位置。
通过上述步骤S1、步骤S2和步骤S4，可以实现对腔室压力的闭环控制。同时，通过步骤S3获取控制系数，该控制系数为与当前的气体流量值对应的关于压力和位置参数的曲线中，与执行单元的当前的位置参数值相对应的曲率与预设的PID系数的乘积，即，可以根据气体流量、压力和位置参数之间的对应关系，在不同的气体流量条件下，对PID系数进行分段式精细调节，即，不同的气体流量值，不同的位置参数值对应的曲线曲率不同，曲率与PID系数的乘积(即，控制系数)也不同，从而可以实现快速稳定对腔室压力进行控制，使之稳定在预设范围内，进而可以提高工艺质量和成品率。
通过实验发现，本发明实施例提供的腔室压力控制方法，其对腔室压力的控制精度可以达到0.02％F.S.。
优选的，本实施例提供的腔室压力控制方法是基于PTL(Pressure to Location)策略选取执行单元的位置参数范围，以达到最大限度地减小压力波动幅度的目的，从而可以提高工艺稳定性和重复性。
例如，当执行单元为压力调节阀时，基于阀快开特性，即，开度较小时压力变化灵敏度较高，具体地，当阀门位置在接近全关状态(开度为0°)时，此时改变阀门位置，压力的波动较为明显；当阀门位置位于与开度的取值范围为30°-50°对应的范围内时，压力较为稳定；当阀门位置位于与开度的取值范围大于60°对应的范围内时，压力调节阀对压力的调节基本不起作用。
基于PTL(Pressure to Location)策略，可以将执行单元的位置参数的初始值设定在与压力调节阀的开度取值范围对应的范围内；该开度取值范围在30°-50°。这样，可以在压力波动较小的稳定区域内对执行单元的位置参数进行调节，从而可以减少压力波动对工艺的影响。
图3为本发明第二实施例提供的腔室压力控制方法的流程框图。请参阅图3，本发明第二实施例提供的腔室压力控制方法是在上述第一实施例的基础上所做的进一步改进，具体地，
在上述步骤S1之前，还包括：
S0，预先存储样本数据模板；
其中，样本数据模板包括不同的气体流量值与曲线的对应关系，以及每条曲线中不同的位置参数值与曲率的对应关系。
在整个工艺时间中，可以阶跃设置均匀间隔的气体流量值，例如，随着工艺时间的增加，气体流量值分别为28L/min、24L/min、20L/min和16L/min，其中，每种气体流量值对应的预定时长，例如，110s。优选的，各相邻的两个气体流量值之间的间隔相等。可选的，根据工艺需要，气体流量值的取值范围在3-50L/min。
根据上述气体流量的变化，可以采集获得多组关于压力和位置参数的数据，并根据该数据拟合获得关于压力和位置参数的曲线及其曲率，并据此构建反映流量、压力和位置参数的对应关系的样本数据模板，并在工艺前存储。
在此基础上，上述步骤S3进一步包括：
S31，从样本数据模板中获取与当前的气体流量值对应的关于压力和位置参数的曲线中，与当前的位置参数值相对应的曲率；
S32，计算从样本数据模板中获取的曲率与PID系数的乘积。
由上可知，在进行工艺的过程中，在已知当前的气体流量和当前的位置参数值的情况下，可以从样本数据模板中直接获取与之对应的曲率，并计算获得曲率与PID系数的乘积。这样，不仅控制精度高，而且响应速度快。
作为另一个技术方案，请一并参阅图4至图6，本发明第三实施例提供的腔室压力控制装置，其包括检测单元2、控制单元5和执行单元3，其中，检测单元2用于检测腔室内部的实际压力值，并将其发送至控制单元5。检测单元2例如为测压计。
可选的，检测单元2用于检测腔室1在排气口处的压力作为实际压力值；或者，检测单元2用于检测腔室1的内部与大气压的差值作为实际压力值。这样，本实施例提供的腔室压力控制装置可以适用于绝对式控压系统或者相对式控压系统。
控制单元5用于计算实际压力值与预设的目标压力值的差值；并判断该差值是否超出预设范围，若超出，则获取控制系数，并基于差值和控制系数计算获得执行单元3的位置参数调整量，且向该执行单元3输出；控制系数为与当前的气体流量值对应的关于压力和位置参数的曲线中，与执行单元3的当前的位置参数值相对应的曲率与预设的PID系数的乘积。控制单元5为微处理器。
执行单元3用于根据来自控制单元5的位置参数调整量调节自身位置参数。
在本实施例中，如图6所示，执行单元3包括用于调节腔室1的排气流量的压力调节阀31，及用于抽取腔室1的内部气体的真空装置32；其中，压力调节阀31设置在排气管路7上，其通过调节自身的阀门位置，来调节阀门开度，从而对排气管路7中的气体流量进行调节，进而实现腔室内的压力调节。由此，上述执行单元3的位置参数即为压力调节阀31的与其开度对应的阀门位置，而不同的阀门位置，对应不同的阀门开度。真空装置32用于通过抽气来使腔室内的气体排入排气管路7中。真空装置32例如为真空发生器。
可选的，压力调节阀包括蝶阀、针阀或球阀等等。具体地，具有自动控制功能的压力调节阀通常设置有用于驱动阀门(蝶阀、针阀或球阀等)移动的电机，控制单元通过向该电机发送控制信号来实现对阀门位置的调节。
优选的，如图5所示，控制单元5包括存储模块51、获取模块52、计算模块53和控制模块54，其中，存储模块51用于存储样本数据模板，该样本数据模板包括不同的气体流量值与所述曲线的对应关系，以及每条曲线中不同的位置参数值与曲率的对应关系。获取模块52用于从存储模块51中存储的样本数据模板中获取与当前的气体流量值对应的关于压力和位置参数的曲线中，与当前的位置参数值相对应的曲率，并发送至计算模块53。计算模块53用于计算从样本数据模板中获取的曲率与PID系数的乘积，并将其作为控制系数发送至控制模块54；控制模块54用于基于差值和控制系数计算获得执行单元3的位置参数调整量，且向执行单元3输出。
在进行工艺的过程中，通过在存储模块51中预先存储上述样本数据模，在已知当前的气体流量和当前的位置参数值的情况下，获取模块52可以从样本数据模板中直接获取与之对应的曲率，并利用计算模块53计算获得曲率与PID系数的乘积。这样，不仅控制精度高，而且响应速度快。
可选的，腔室压力控制装置还包括输入单元，用于接收用户输入的目标压力值，并将其发送至控制单元5。这样，用户可以根据需要自由输入压力的期望值。
综上所述，本实施例提供的腔室压力控制装置，可以实现快速稳定对腔室压力进行控制，使之稳定在预设范围内，从而可以提高工艺质量和成品率。
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，其包括反应腔室及用于控制该反应腔室的压力的腔室压力控制装置，该腔室压力控制装置采用本发明实施例提供的上述腔室压力控制装置。在该半导体设备中，检测单元用于检测反应腔室内部的实际压力值，并将其发送至控制单元；执行单元设置在反应腔室的排气口处，用于根据位置参数调整量调节自身位置参数。如图6所示，该半导体设备包括反应腔室1以及用于向反应腔室内输入工艺气体的各工艺气路(O2气路、H2气路以及N2气路等)。在该半导体设备中，检测单元可通过三通接头的一端与反应腔室的排气口连通，执行单元可通过三通接头中三端接口中的一端与反应腔室的排气口连通。
本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腔室压力控制装置，可以实现快速稳定对腔室压力进行控制，使之稳定在预设范围内，从而可以提高工艺质量和成品率。
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 (13)

1.一种腔室压力控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1，检测腔室内部的实际压力值；
S2，计算所述实际压力值与预设的目标压力值的差值；并判断所述差值是否超出预设范围，若超出，则进行步骤S3；若未超出，则流程结束；
S3，获取控制系数，所述控制系数为曲率与预设的PID系数的乘积，其中，所述曲率为：与当前的气体流量值对应的关于压力和执行单元的位置参数的曲线中，与所述执行单元的当前的位置参数值相对应的曲率；
S4，基于所述差值和所述控制系数计算获得所述执行单元的位置参数调整量，且向所述执行单元输出，并返回所述步骤S2。
2.根据权利要求1所述的腔室压力控制方法，其特征在于，在所述步骤S1之前，还包括：
S0，预先存储样本数据模板；
其中，所述样本数据模板包括不同的所述气体流量值与所述曲线的对应关系，以及每条所述曲线中不同的所述位置参数值与曲率的对应关系；
所述步骤S3，进一步包括：
S31，从所述样本数据模板中获取与当前的所述气体流量值对应的关于压力和位置参数的曲线中，与当前的所述位置参数值相对应的曲率；
S32，计算从所述样本数据模板中获取的曲率与所述PID系数的乘积。
3.根据权利要求1或2所述的腔室压力控制方法，其特征在于，所述执行单元包括压力调节阀，所述压力调节阀的与其开度对应的阀门位置即为所述执行单元的位置参数。
4.根据权利要求3所述的腔室压力控制方法，其特征在于，所述执行单元的位置参数的初始值设定在与所述压力调节阀的开度取值范围对应的范围内；所述开度取值范围在30°-50°。
5.根据权利要求1或2所述的腔室压力控制方法，其特征在于，所述气体流量值的取值范围在3-50L/min。
6.根据权利要求1所述的腔室压力控制方法，其特征在于，在所述步骤S1中，检测所述腔室在排气口处的压力，该压力即为所述实际压力值；
或者，检测所述腔室的内部与大气压的差值，该差值即为所述实际压力值。
7.一种腔室压力控制装置，其特征在于，包括检测单元、控制单元和执行单元，其中，
所述检测单元用于检测腔室内部的实际压力值，并将其发送至所述控制单元；
所述控制单元用于计算所述实际压力值与预设的目标压力值的差值；并判断所述差值是否超出预设范围，若超出，则获取控制系数，并基于所述差值和所述控制系数计算获得执行单元的位置参数调整量，且向该执行单元输出；所述控制系数为曲率与预设的PID系数的乘积，其中，所述曲率为：与当前的气体流量值对应的关于压力和位置参数的曲线中，与所述执行单元的当前的位置参数值相对应的曲率；
所述执行单元用于根据所述位置参数调整量调节自身位置参数。
8.根据权利要求7所述的腔室压力控制装置，其特征在于，所述控制单元包括存储模块、获取模块、计算模块和控制模块，其中，
所述存储模块用于存储样本数据模板；所述样本数据模板包括不同的所述气体流量值与所述曲线的对应关系，以及每条所述曲线中不同的所述位置参数值与曲率的对应关系；
所述获取模块用于从所述存储模块中存储的所述样本数据模板中获取与当前的所述气体流量值对应的关于压力和位置参数的曲线中，与当前的所述位置参数值相对应的曲率，并发送至所述计算模块；
所述计算模块用于计算从所述样本数据模板中获取的曲率与所述PID系数的乘积，并将其作为所述控制系数发送至所述控制模块；
所述控制模块用于基于所述差值和所述控制系数计算获得执行单元的位置参数调整量，且向所述执行单元输出。
9.根据权利要求7或8所述的腔室压力控制装置，其特征在于，所述执行单元包括用于调节所述腔室的排气流量的压力调节阀，及用于抽取所述腔室的内部气体的真空装置；其中，
所述压力调节阀的与其开度对应的阀门位置即为所述执行单元的位置参数。
10.根据权利要求9所述的腔室压力控制装置，其特征在于，所述压力调节阀包括蝶阀、针阀或球阀。
11.根据权利要求7所述的腔室压力控制装置，其特征在于，所述腔室压力控制装置还包括输入单元，用于接收用户输入的目标压力值，并将其发送至所述控制单元。
12.根据权利要求7所述的腔室压力控制装置，其特征在于，所述检测单元用于检测所述腔室在排气口处的压力，该压力即为所述实际压力值；
或者，所述检测单元用于检测所述腔室的内部与大气压的差值，该差值即为所述实际压力值。
13.一种半导体设备，包括反应腔室，其特征在于，还包括用于控制所述反应腔室的压力的腔室压力控制装置，所述腔室压力控制装置采用权利要求7-12任意一项所述的腔室压力控制装置，其中，
所述执行单元设置在所述反应腔室的排气口处。
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