CN117784840A - 一种晶圆热处理设备的温度控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种晶圆热处理设备的温度控制方法，包含以下步骤：在过渡段前，获取目标工艺温度和升/降温速率；所述过渡段为升温段到温度稳定段之间的或降温段到温度稳定段之间的时间段；根据所述目标工艺温度和升/降温速率设置过渡段PID参数，并根据所述过渡段PID参数执行所述过渡段的PID控制。本发明在升/降温到温度稳定段的过程中设置过渡段，能够减少温度过冲以及缩短进入温度稳定段的时间。
Description
技术领域
本发明涉及半导体设备温度控制领域，具体涉及一种晶圆热处理设备的温度控制方法。
背景技术
在半导体制造领域，晶圆热处理设备的温度控制对半导体工艺的稳定性起到至关重要的作用。其中，例如化学气相沉积(CVD)是利用加热、等离子激励或光辐射等各种能源，在反应器内使气态或蒸汽状态的化学物质在气相或气固界面上经化学反应形成固态沉积物的技术。
CVD反应腔的工艺温度是外延材料生长的重要因素，温度直接决定材料生长的质量，因此控制CVD反应室的温度至关重要。实际工艺温度曲线是多台阶的，CVD反应腔温度场的热传导及升/降温都具有较大的滞后性，工艺需要保证在所需时间内达到目标工艺温度，在升/降温过程中的温度“过冲”要控制在2℃以内，“过冲”指的是温度波动超过设定的目标工艺温度，在恒温段温度波动控制在±0.5℃。
目前采用的温度控制方法是PID控制，若工艺温度是在600℃～1200℃范围内任意温度，升/降温速率是从5℃/s到20℃/s范围内的任意值，设备在600℃恒温所需功率与1200℃恒温所需功率差别很大，5℃/s升/降温和20℃/s升/降温到恒温时所产生的“过冲”也有很大差别，采用现有的PID控制技术无法兼顾这些应用场景的变化。
如图4所示，现有PID控制技术将温度控制分为升温段11、降温段13、升温后的温度稳定段12和降温后的温度稳定段14，以及启动时候的初始段10。现有PID控制在使用中仅通过改变PID参数中的比例系数Kp，积分时间常数Ti和微分时间常数Td来达到控制温度的目的。但是，使用同一组PID参数无法满足工艺温度对CVD反应室全温度段、任意升/降温速率下的温控的需求。例如，恒温在700℃所需的功率约20kW，恒温在1200℃所需功率约为80kW，以5℃/s升温至700℃使用的PID参数，用在20℃/s升温至1200℃时，需要更长的稳定调节时间；反之，使用20℃/s升温至1200℃时调好的PID参数，用在5℃/s升温至700℃时，会带来较大的“过冲”，也加长了温度稳定的时间。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提出了一种晶圆热处理设备的温度控制方法，包含以下步骤：
S1、在过渡段前，获取目标工艺温度和升/降温速率；所述过渡段为升温段到温度稳定段之间的或降温段到温度稳定段之间的时间段；
S2、根据所述目标工艺温度和升/降温速率设置过渡段PID参数，并根据所述过渡段PID参数执行所述过渡段的PID控制。
优选地，在所述步骤S2中，根据所述目标工艺温度和升/降温速率设置过渡段PID参数为：根据所述目标工艺温度判断所述目标工艺温度在预设目标工艺温度区间所处的区间，以及根据所述升/降温速率判断所述升/降温速率在预设升/降温速率区间所处的区间，选择所处区间对应的过渡段PID参数。
优选地，所述预设目标工艺温度区间和预设升/降温速率区间通过表格、矩阵或阵列方式形成。
优选地，所述预设目标工艺温度区间包括＜700℃、700-799℃、800-899℃、900-999℃、1000-1099℃或≥1100℃。
优选地，所述预设目标工艺温度区间的温度间隔为80-150℃。
优选地，所述预设升/降温速率区间包括＜5℃/s、5-9℃/s、10-14℃/s、15-19℃/s或≥20℃/s。
优选地，所述预设目标工艺温度区间和预设升/降温速率区间还包括预设目标工艺温度点和预设升/降温速率值。
优选地，所述晶圆热处理设备的温度控制方法还包括步骤：判断是否进入过渡段，包括获取测量温度，比较所述测量温度和目标工艺温度，形成差值，判断所述差值是否小于等于第一差值阈值，如果满足，则进入过渡段。
优选地，所述晶圆热处理设备的温度控制方法还包括步骤：判断是否进入温度稳定段，包括获取测量温度，比较所述测量温度和目标工艺温度，形成差值，判断所述差值是否小于等于第二差值阈值且维持至少一定预设时间，如果满足，则进入温度稳定段。
优选地，所述第一差值阈值的范围为4-10℃。
优选地，所述第二差值阈值的范围为0.5-1℃；所述预设时间的范围为7-10s。
优选地，PID控制的方程为：
其中，PID参数包括：比例系数Kp、积分时间常数Ti、微分时间常数Td。
本发明与现有技术相比具有以下有益效果：
1.在过渡段设置PID参数，能够减少温度过冲以及缩短进入温度稳定段的稳定时间；
2.根据预设工艺温度区间和预设升/降温速率区间预先配置PID参数，能够根据工艺温度所处区间以及升/降温速率所处区间选择对应的PID参数，从而适应更多的工艺场景，因此可以保证在每个区间实现过冲的抑制和缩短稳定时间。
3.通过设置预设目标工艺温度点和预设升/降温速率值可以实现对常用的工艺控制，从而保证更精确地控制温度，防止过冲和进一步缩减温度稳定时间。
附图说明
图1为本实施例提供的一种外延设备结构示意图；
图2为本发明温度控制过渡段的PID参数表；
图3为本发明温度控制过程的温度示意图；
图4为现有技术温度控制过程的温度示意图；
图5现有技术控温方法的控温曲线图；
图6本发明温度控制方法的控温曲线图。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施方式对本发明提出的一种晶圆热处理设备的温度控制方法作进一步详细说明。根据下面说明，本发明的优点和特征将更清楚。需要说明的是，附图采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施方式的目的。为了使本发明的目的、特征和优点能够更加明显易懂，请参阅附图。须知，本说明书所附图式所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容能涵盖的范围内。
本发明提供一种晶圆热处理设备的温度控制方法。所述晶圆热处理设备可以是CVD设备、外延设备、快速热处理设备(RTP)中的任意一种。本发明以外延设备为例，图1示出了外延设备结构示意图，如图1所示，所述的外延设备包含由石英制的上穹顶101和下穹顶102密封形成的腔体，所述腔体内设置有用于承载晶圆的基座103，基座103下方设置有旋转支撑轴109。腔体的顶部以及底部均设置有加热灯104和测温仪105，加热灯104向腔体辐射红外线给腔体内晶圆加热，其中加热灯104受本发明提出的温度控制方法控制，所述测温仪102用于监测腔体内的温度，并实时反馈腔体内的测量温度。腔体外部设置法兰106用于连接固定所述上穹顶101和下穹顶102，腔体侧边设置有进气口107和与进气口107相对的排气口108，所述排气口与泵连接。
所述外延设备还包括控制器、输入端，所述控制器分别与加热灯104和测温仪105连接，所述控制器实时地从所述测温仪105获取测量温度，并通过本发明提供的温度控制方法来控制加热灯104的加热功率；所述输入端与所述控制器连接，所述输入端用于向所述控制器输入工艺参数并实时显示腔体内的状态，所述输入端可以是电脑、平板、控制面板、触摸屏、按键、鼠标、键盘中至少一者；在工艺前，从所述输入端输入工艺参数，以其中一外延工艺为例，工艺过程中，工艺气体从所述腔体的进气口107进入，在加热灯104的热辐射作用下，实现温度的升高最终达到目标工艺温度(如700℃)，在温度到达目标工艺温度后，所述工艺气体被热分解，并在晶圆表面生长形成单晶的外延层，同时工艺气体在泵的抽力作用下，从排气口108排出腔体。
本发明提供的温度控制方法可以是设置在控制器中的程序，其中控制器与所述加热灯104和所述测温仪105均信号连接，控制器根据所述测温仪105实时反馈的测量温度控制所述加热灯104的功率。所述温度控制方法包含以下步骤：
S1、在过渡段前，获取目标工艺温度和升/降温速率；所述过渡段为升温段到温度稳定段之间的或降温段到温度稳定段之间的时间段。
其中，如图3所示，在过渡段15、16前，获取目标工艺温度和升/降温速率；两个所述过渡段15、16分别为升温段11到温度稳定段12之间的或降温段13到温度稳定段14之间的时间段，所述升温段11到温度稳定段12之间的过渡段15为升温的过渡段，所述降温段13到温度稳定段14之间的过渡段16为降温的过渡段；可选的，所述升/降温速率为升温速率或降温速率至少一者；所述目标工艺温度为进行外延工艺所要求的工艺温度，例如可以是750℃、820℃、1130℃等温度，所述升温速率为外延工艺所要求的升温速率，例如可以是15℃/s、20℃/s等，所述降温速率为外延工艺所要求的降温速率，例如可以是15℃/s、20℃/s等，所述目标工艺温度和升/降温速率通过所述输入端输入；可选的，获取目标工艺温度和升/降温速率为所述控制器从所述输入端获取。
S2、根据所述目标工艺温度和升/降温速率设置过渡段15、16的PID参数，并根据所述过渡段15、16的PID参数执行所述过渡段15、16的PID控制。
具体的，根据所述目标工艺温度和升温速率设置对应的升温的过渡段15的PID参数，和/或根据所述目标工艺温度和降温速率设置对应的降温的过渡段16的PID参数；并根据所述过渡段15的PID参数执行所述过渡段15的PID控制，和/或根据所述过渡段16的PID参数执行所述过渡段16的PID控制。可选的，所述步骤S2通过控制器执行，所述控制器通过PID参数执行所述PID控制，最终控制加热灯的功率。通过本发明的温度控制方法，可以根据不同目标工艺温度和升/降温速率来确定PID参数，因此可以适应不同的工艺场景，从而避免升温或降温过程时出现“过冲”，同时缩减温度稳定所需的时间。
可选的，所述PID控制的方程为：
其中，PID参数包括：比例系数Kp、积分时间常数Ti、微分时间常数Td。过渡段的PID控制，通过比例系数Kp、积分时间常数Ti和微分时间常数Td来实现PID控制。
在所述步骤S2中，根据所述目标工艺温度和升/降温速率设置过渡段15、16的PID参数为：根据所述目标工艺温度判断所述目标工艺温度在预设目标工艺温度区间所处的区间，以及根据所述升/降温速率判断所述升/降温速率在预设升/降温速率区间所处的区间，选择所处区间对应的过渡段15、16的PID参数。
所述预设目标工艺温度区间和预设升/降温速率区间通过表格、矩阵、集合或阵列方式形成。所述表格、矩阵、集合或阵列均包括以下对应关系：对于所述预设目标工艺温度区间中的每一个区间，预设升/降温速率区间中每一个区间均与它对应并两两形成一对应组，每个所述对应组对应一过渡段PID参数。可选的，所述表格、矩阵、集合或阵列存储于所述控制器内。图2仅示出了通过表格的方式形成，在所述图2中，所述Ratio_(A-E)(a-f)为过渡段PID参数，所述过渡段PID参数为上文所述的PID参数(包括比例系数Kp、积分时间常数Ti、微分时间常数Td)；可选的，所述过渡段PID参数为系数，根据所述比例系数Kp、积分时间常数Ti、微分时间常数Td之间的关系公式和所述系数便可以得到所述比例系数Kp、积分时间常数Ti、微分时间常数Td的具体值。可选的，不同对应组的过渡段PID参数Ratio_(A-E)(a-f)可以相同，也可以不相同。
进一步地，所述预设目标工艺温度区间包括＜700℃、700-799℃、800-899℃、900-999℃、1000-1099℃和≥1100℃，其中所述区间的温度间隔为100℃；可选的，所述预设目标工艺温度区间的温度间隔为80-150℃。
进一步地，所述预设升/降温速率区间包括＜5℃/s、5-9℃/s、10-14℃/s、15-19℃/s和≥20℃/s。
以所述升温段11到温度稳定段12之间的过渡段15(即升温的过渡段)为例，若目标工艺温度为720℃和升温速率为5℃/s，因此获取的目标工艺温度为720℃和升温速率为5℃/s，根据所述目标工艺温度720℃判断所述目标工艺温度在预设目标工艺温度区间所处的区间为700-799℃，以及根据所述升温速率5℃/s判断所述升温速率在预设升温速率区间所处的区间为5-9℃/s，根据所述目标工艺温度所处的区间和所述升/降温速率所处的区间共同选择对应的过渡段PID参数为Ratio_Bb。在所述过渡段，通过过渡段PID参数Ratio_Bb执行所述过渡段的PID控制。以此类推。
进一步地，所述温度控制方法还包括判断是否进入过渡段的步骤，可选的，该步骤包括实时获取测量温度，比较所述测量温度和目标工艺温度，形成差值，判断所述差值是否小于等于第一差值阈值，如果满足，则进入过渡段。本例中测量温度可通过上方的测温仪105获得，所述第一差值阈值的范围为4-10℃。还是以升温段11到温度稳定段12的过程为例，若目标工艺温度为720℃，第一差值阈值设定为10℃，测温仪105实时测量获得测量温度，然后形成差值，当差值小于等于10℃(即测量温度达到710℃)，进入过渡段，就启动过渡段15的PID参数控制。
进一步地，所述温度控制方法还包括判断是否进入温度稳定段的步骤，可选的，包括实时获取测量温度，比较所述测量温度和目标工艺温度，形成差值，判断所述差值是否小于等于第二差值阈值且维持至少一定预设时间，如果满足，则进入温度稳定段。所述第二差值阈值的范围为0.5-1℃；所述预设时间的范围为7-10s。继续以升温段11到温度稳定段12的过程为例，若目标工艺温度为720℃，所述第二差值阈值设定为1℃，预设时间设定为7s，在过渡段，实时获取测量温度，比较所述测量温度和目标工艺温度，形成差值，若差值小于等于1℃(即测温仪105测得的测量温度在719-721℃之间)，且持续7s及以上，则进入温度稳定段12，此后，根据温度稳定段PID参数执行PID控制。可选的，所述温度稳定段PID参数和过渡段PID参数相同或不相同。通过上述方式明确过渡段的具体时间段，在该时间段采用过渡段PID参数来实现PID控制，本发明选取的时间段可以很好的保证防止温度过冲的发生，因为这一时间段是过冲发生的时间段，且由于一般温度的稳定需要的时间大约为6s，因此所述预设时间的范围为7-10s可以保证温度进入温度稳定段。
优选的，所述预设目标工艺温度区间和预设升/降温速率区间还包括预设目标工艺温度点和预设升/降温速率值；可选的，所述预设目标工艺温度点和预设升/降温速率值为一一对应的对应对，每个所述对应对对应一过渡段PID参数；例如，预设目标工艺温度点为720℃和预设升温速率值为15℃/s的对应对对应一过渡段PID参数Ratio_1(所述Ratio_1与Ratio_(A-E)(a-f)任一一个相同或不同)、预设目标工艺温度点为720℃和预设降温速率值为15℃/s的对应对对应一过渡段PID参数Ratio_2(所述Ratio_2与Ratio_(A-E)(a-f)任一一个相同或不同)、预设目标工艺温度点为1090℃和预设升温速率值为25℃/s的对应对对应一过渡段PID参数Ratio_3(所述Ratio_3与Ratio_(A-E)(a-f)任一一个相同或不同)；优选的，所述Ratio_1、Ratio_2、Ratio_3与Ratio_(A-E)(a-f)任一一个不同；所述对应对为外延工艺中常用工艺的工艺温度和升/降温速率。具体地，在步骤S2中，在根据所述目标工艺温度判断所述目标工艺温度在预设目标工艺温度区间为预设目标工艺温度点，以及根据所述升/降温速率判断所述升/降温速率在预设升/降温速率区间为预设升/降温速率值时，选择所处对应对对应的过渡段PID参数，并根据对应对对应的所述过渡段PID参数执行所述过渡段的PID控制。在此种情况下，所述过渡段的PID控制不通过预设目标工艺温度区间和预设升/降温速率区间形成的对应组对应的过渡段PID参数控制，而是通过对应对对应的过渡段PID参数控制。通过设置预设目标工艺温度点和预设升/降温速率值可以实现对常用的工艺控制，从而保证更精确地控制温度，防止过冲和进一步缩减温度稳定时间。
可选的，所述过渡段PID参数(对应组对应的过渡段PID参数和对应对对应的过渡段PID参数)获得方式为：在不同工艺温度和升/降温速率下，不断调节PID参数(包括比例系数Kp、积分时间常数Ti、微分时间常数Td)以获得各个工艺温度和升/降温速率的条件下最优的PID参数。
图5示出了现有技术的控温方法的控温曲线图，所述横坐标为时间(单位为秒)，纵坐标为温度(单位为摄氏度)，如图5所示，所示目标工艺温度为800℃，采用现有技术，达到目标工艺温度为800℃并稳定时，需要稳定时间为35s，温度过冲为1.8℃。图6为本发明的温度控制方法的控温曲线图，同样目标工艺温度为800℃，需要稳定时间5.6s，温度过冲仅1.2℃。从图5和图6的对比可得，本发明采用的温度控制技术能够减小温度过冲，且能降低进入温度稳定段的时间。
尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。
Claims (12)
1.一种晶圆热处理设备的温度控制方法，其特征在于，包含以下步骤：
S1、在过渡段前，获取目标工艺温度和升/降温速率；所述过渡段为升温段到温度稳定段之间的或降温段到温度稳定段之间的时间段；
S2、根据所述目标工艺温度和升/降温速率设置过渡段PID参数，并根据所述过渡段PID参数执行所述过渡段的PID控制。
2.如权利要求1所述晶圆热处理设备的温度控制方法，其特征在于，在所述步骤S2中，根据所述目标工艺温度和升/降温速率设置过渡段PID参数为：根据所述目标工艺温度判断所述目标工艺温度在预设目标工艺温度区间所处的区间，以及根据所述升/降温速率判断所述升/降温速率在预设升/降温速率区间所处的区间，选择所处区间对应的过渡段PID参数。
3.如权利要求2所述晶圆热处理设备的温度控制方法，其特征在于，所述预设目标工艺温度区间和预设升/降温速率区间通过表格、矩阵或阵列方式形成。
4.如权利要求2所述晶圆热处理设备的温度控制方法，其特征在于，所述预设目标工艺温度区间包括＜700℃、700-799℃、800-899℃、900-999℃、1000-1099℃或≥1100℃。
5.如权利要求2所述晶圆热处理设备的温度控制方法，其特征在于，所述预设目标工艺温度区间的温度间隔为80-150℃。
6.如权利要求2所述晶圆热处理设备的温度控制方法，其特征在于，所述预设升/降温速率区间包括＜5℃/s、5-9℃/s、10-14℃/s、15-19℃/s或≥20℃/s。
7.如权利要求2所述晶圆热处理设备的温度控制方法，其特征在于，所述预设目标工艺温度区间和预设升/降温速率区间还包括预设目标工艺温度点和预设升/降温速率值。
8.如权利要求1所述晶圆热处理设备的温度控制方法，其特征在于，还包括步骤：判断是否进入过渡段，包括获取测量温度，比较所述测量温度和目标工艺温度，形成差值，判断所述差值是否小于等于第一差值阈值，如果满足，则进入过渡段。
9.如权利要求1所述晶圆热处理设备的温度控制方法，其特征在于，还包括步骤：判断是否进入温度稳定段，包括获取测量温度，比较所述测量温度和目标工艺温度，形成差值，判断所述差值是否小于等于第二差值阈值且维持至少一定预设时间，如果满足，则进入温度稳定段。
10.如权利要求8所述晶圆热处理设备的温度控制方法，其特征在于，所述第一差值阈值的范围为4-10℃。
11.如权利要求9所述晶圆热处理设备的温度控制方法，其特征在于，所述第二差值阈值的范围为0.5-1℃；所述预设时间的范围为7-10s。
12.如权利要求1-11任一所述晶圆热处理设备的温度控制方法，其特征在于，PID控制的方程为：
PID参数包括：比例系数Kp、积分时间常数Ti、微分时间常数Td。
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| CN202311728468.8A Pending CN117784840A (zh) | 2023-12-14 | 2023-12-14 | 一种晶圆热处理设备的温度控制方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN117784840A (zh) |
-
2023
- 2023-12-14 CN CN202311728468.8A patent/CN117784840A/zh active Pending
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