CN202995297U - 控制系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种控制系统，所述控制系统包括：用于探测所述反应腔内的气体信息的探测单元；用于基于所述气体信息设定控制参数的参数设定单元，所述参数设定单元与所述探测单元相连；基于所述参数设定单元设定的控制参数控制所述加热单元进行加热的控制单元，所述控制单元与所述参数设定单元相连。本实用新型的控制系统可以根据反应腔内微环境的不同，实现对加热单元的精准控制。

Description

控制系统

技术领域

本实用新型涉及半导体技术领域，特别是涉及一种控制系统。

背景技术

半导体器件的制备需要经过沉积工艺、刻蚀工艺、离子注入工艺等多个过程。在沉积工艺、刻蚀工艺、离子注入工艺等工艺中，需要将晶圆(Wafer)放置于可密闭的反应腔(Chamber)中，以对所述晶圆进行工艺处理。在所述反应腔内，温度的控制对所述反应腔内的微环境起着举足轻重的作用，因此，控制反应腔内的温度对工艺处理非常重要。

以下以沉积工艺为例具体说明在现有技术中对反应腔内的温度进行控制的方法。现有的沉积工艺通常利用两种或两种以上的源物质发生反应，在衬底上形成相应的沉积材料层，现有技术中沉积设备的反应腔的结构如图1所示。在图1中，在反应腔110内，衬底150放置于托盘140上，进气管路121用于向反应腔110内输送气体，用于将反应气体和/或载体气体提供至衬底150，托盘140下方放置加热单元130，用于对衬底150进行加热，出气管路122用于向反应腔110外排除气体。控制单元161控制所述加热单元130的功率输出，以使得所述托盘140和所述衬底150的温度达到目标温度。

在现有技术中，所述控制单元161根据所述托盘140和/或所述衬底150的目标温度设定控制参数，通过控制所述加热单元130功率或电流等控制所述加热单元130对所述托盘140和/或所述衬底150进行加热。但在反应腔110内为一密闭的微环境，所述微环境中的气体的组分、流量、流速或压力等，都会影响所述微环境，从而影响所述托盘140和/或所述衬底150的温度，进一步地会影响所述控制单元161的调节能力和调节精度。比如，在沉积GaN-LED外延片的工艺中根据不同的工艺条件需要会存在以下的情况，一种可能为所述微环境中所述气体主要由导热性较好的氢气和氨气组成的混合气体，另一种可能为所述微环境中所述气体主要由导热性一般的氮气和氨气组成的混合气体，还有一种可能所述微环境中所述气体主要由氢气、氮气和氨气组成的混合气体，如果在上述各种情况下选择同样的所述控制参数，由于各种情况下气体的导热性不同，使得两种情况下的所述微环境不同，使得所述托盘140和/或所述衬底150被加热的情况不同，从而影响所述沉积材料层的性能。

因此，如何根据反应腔内微环境的不同，实现对加热单元的精准控制，已成为本领域技术人员需要解决的问题。

实用新型内容

现有技术的控制系统无法根据反应腔内微环境的不同，实现对加热单元的精准控制，本实用新型提供一种能解决上述问题的控制系统。

本实用新型提供一种控制系统，用于控制半导体加工设备的加热单元对反应腔内的托盘或/和衬底进行加热，所述控制系统包括：

用于探测所述反应腔内的气体信息的探测单元；

用于基于所述气体信息设定控制参数的参数设定单元，所述参数设定单元与所述探测单元相连；

基于所述参数设定单元设定的控制参数控制所述加热单元进行加热的控制单元，所述控制单元与所述参数设定单元相连。

进一步的，在所述控制系统中，所述参数设定单元包括：

用于存放气体信息与控制参数的对应关系的参数存放单元；

基于所述气体信息通过查找所述参数存放单元确定所述控制参数的参数选择单元，所述参数选择单元分别与所述探测单元和所述参数存放单元相连。

进一步的，在所述控制系统中，所述气体信息包括反应腔内的气体的组分、流量、流速和压力中的一种或几种。

进一步的，在所述控制系统中，所述半导体加工设备为LED外延片外延设备，所述气体包括氨气和氢气混合气体、氨气和氮气混合气体或氨气和氢气与氮气混合气体。

进一步的，在所述控制系统中，所述半导体加工设备具有向所述反应腔输送气体的进气管路和排除气体的出气管路，所述探测单元与所述进气管路或出气管路相连，或设置于所述进气管路或出气管路之中。

进一步的，在所述控制系统中，所述控制单元为比例-积分-微分控制器，所述控制参数包括所述比例-积分-微分控制器的比例常数、积分常数和微分常数。

进一步的，在所述控制系统中，所述半导体加工设备为沉积设备、刻蚀设备或离子注入设备。

与现有技术相比，本实用新型提供的控制系统具有以下优点：

1.本实用新型的控制系统中，具有用于探测所述反应腔内的气体信息的探测单元，与现有技术相比较，探测单元探测所述反应腔内的气体信息，所述参数设定单元根据所述气体信息设定控制参数，所述控制单元根据所述控制参数控制加热单元对所述托盘或/和衬底进行加热，从而根据所述反应腔内不同的微环境，实现对所述加热单元的精准控制，保证在不同的微环境下，制备工艺均能稳定地完成。

2.本实用新型的控制系统中，所述气体信息包括反应腔内的气体的组分、流量、流速和压力中的一种或几种，所以所述探测单元探测所述反应腔内的气体的组分、流量、流速或压力即可反映所述反应腔内的微环境，简化所述探测单元的检测过程，简单、方便。

3.本实用新型的控制系统中，所述控制单元为比例-积分-微分控制器，所述控制参数包括所述比例-积分-微分控制器的比例常数、积分常数和微分常数，比例-积分-微分控制器能够克服控制过程中可能会出现振荡和失稳，改善在控制过程中的动态特性。

附图说明

图1为现有技术控制系统的示意图；

图2是本实用新型一实施方式的控制系统的示意图；

图3是本实用新型一实施方式的控制系统的流程图。

具体实施方式

在现有技术中，所述控制单元仅根据所述托盘和/或所述衬底的目标温度设定控制参数，然后根据所述控制参数控制所述加热单元对所述托盘和/或所述衬底进行加热，然而，所述反应腔的微环境中的气体的组分、流量、流速或压力等均会影响所述控制单元的调节能力和调节精度。实用新型人经过对现有技术控制系统的深入研究发现，可以设置一用于探测所述反应腔内的气体信息的探测单元，并根据所述气体信息通过一参数设定单元设定所述控制参数，所述控制单元根据所述控制参数控制所述加热单元进行加热，从而根据所述反应腔内不同的微环境，实现对所述加热单元的精准控制。现有技术的控制系统并没考虑到所述反应腔的微环境中的气体对衬底和/或托盘温度的影响，从而无法控制温度调节的精度。

有鉴于上述的研究，本实用新型提出一种可以精确控制温度调节的精度的控制系统，所述控制系统包括：探测单元，用于探测所述反应腔内的气体信息；参数设定单元，用于基于所述气体信息设定控制参数；控制单元，与所述参数设定单元相连，所述控制单元基于所述参数设定单元设定的控制参数控制所述加热单元进行加热。

进一步的，为了简化所述探测单元的检测过程，所述气体信息包括反应腔内的气体的组分、流量、流速和压力中的一种或几种，所以所述探测单元探测所述反应腔内的气体的组分、流量、流速或压力即可反映所述反应腔内的微环境。

进一步的，为了克服控制过程中可能会出现振荡和失稳，改善在控制过程中的动态特性，所述控制单元为比例-积分-微分控制器，所述控制参数包括所述比例-积分-微分控制器的比例常数、积分常数和微分常数。

与现有技术的控制系统相比较，本实用新型的控制系统中，所述探测单元用于探测所述反应腔内的气体信息，并根据所述气体信息通过一参数设定单元设定所述控制参数，所述控制单元根据所述控制参数控制所述加热单元进行加热，从而根据所述反应腔内不同的微环境，实现对所述加热单元的精准控制。现有技术的控制系统并没考虑到所述反应腔的微环境中的气体对衬底和/或托盘温度的影响，从而无法控制温度调节的精度。

请参阅图2，图2是本实用新型一实施方式的控制系统的示意图。在本实施例中，所述控制系统用于控制半导体加工设备的加热单元230对反应腔210内的托盘240或/和衬底250进行加热，其中，所述半导体加工设备为沉积设备。所述控制系统包括：探测单元262、参数设定单元263和控制单元261。

较佳的，所述参数设定单元263包括一参数存放单元272和一参数选择单元271，可以快速地根据不同的所述气体信息设定所需要的所述控制参数，其中，所述参数存放单元272用于存放气体信息与控制参数的对应关系，所述参数选择单元271分别与所述探测单元262和所述参数存放单元272相连，所述参数选择单元271基于所述气体信息通过查找所述参数存放单元272确定所述控制参数。

所述探测单元262用于探测所述反应腔210内的气体信息，以探测所述反应腔210内的微环境，其中所述探测单元262可以位于所述反应腔210内。较佳的，所述气体信息包括反应腔210内的气体的组分、流量、流速和压力中的一种或几种，以反映所述反应腔210内的微环境，可以简化所述探测单元262的检测过程，简单、方便。优选的，如在MOCVD(金属有机化合物化学气相沉淀)设备沉积LED外延片的工艺中，所述气体主要包括氨气和氢气混合气体、氨气和氮气混合气体或氨气和氢气与氮气混合气体，所述气体还包括TMG(三甲基镓)等反应气体，由于所述TMG等反应气体含量非常小，因此对所述微环境的影响可以忽略不计，当然，所述气体信息也可以不包括的TMG等反应气体的气体信息，其中，氢气、氮气或氩气等的载气的化学性质稳定，不会影响反应气体的反应。

在本实施例中，所述半导体加工设备还具有向所述反应腔210输送气体的进气管路221和排除气体的出气管路222，当所述气体信息包括反应腔内的气体的组分、流量、流速和压力中的一种或几种时，所述探测单元262还可以与所述进气管路221或出气管路222相连，或所述探测单元262设置于所述进气管路221或出气管路222之中，以探测所述气体信息，可以避免将所述探测单元262设置于所述真空环境的反应腔210内，降低成本。

参数存放单元272用于存放气体信息与控制参数的对应关系，例如，当所述气体信息为所述气体的组分时，可以在参数存放单元272建立一个气体的组分与控制参数对应表，以方便参数选择单元271在所述气体信息下查找对应的控制参数，当所述气体信息为所述气体的组分和流速等多个信息时，可以在参数存放单元272建立一个数据库，以方便参数选择单元271在所述气体信息下查找对应的控制参数。另外，由于不同的半导体加工设备其所述控制参数与气体信息的对应关系不尽相同，因此，所述气体的组分与控制参数对应表或所述数据库的建立可以通过本领域技术人员习知的实验而获得；当然所述气体的组分与所述控制参数对应表或所述数据库还可以是通过建立所述气体信息的与所述控制参数之间的数学模型的方式建立。

参数选择单元271基于所述气体信息，通过查找所述控制参数存放单263确定所述控制参数，所述参数选择单元271分别与所述探测单元262和所述参数存放单元272相连，以得到所述气体信息和所述控制参数。

控制单元261基于所述控制参数控制所述加热单元230进行加热，所述控制单元261分别与所述参数选择单元271和所述加热单元230相连。较佳的，在本实施例中，所述控制单元261为比例-积分-微分控制器(简称PID控制器)，可以克服控制所述加热单元230进行加热的过程中可能会出现振荡和失稳，改善在控制所述加热单元230进行加热的过程中的动态特性，其中，所述控制参数包括所述比例-积分-微分控制器的比例常数、积分常数和微分常数。但所述控制单元261并不限于比例-积分-微分控制器，如普通的温控器，亦在本实用新型的思想范围之内。

图3是本实用新型实施方式的控制系统的流程图，以下请参阅图3具体说明本实施例中控制方法的步骤。

首先，进行步骤S01，提供所述探测单元262，所述探测单元262探测所述反应腔210内的气体信息，并输出一气体信息信号。

然后，进行步骤S02，提供参数设定单元263，所述参数设定单元263接收所述气体信息信号，根据所述气体信息信号输出一控制参数信号，在本实施例中，所述参数选择单元271接收所述气体信息信号，根据所述气体信息信号，从参数存放单元272中选择出与所述气体信息信号对应的控制参数，所述参数选择单元271根据所述控制参数输出一控制参数信号。

如在本实施例中，所述气体信息为气体的组分，所述控制单元261为比例-积分-微分控制器，所述控制参数为PID参数，所述PID参数包括所述比例-积分-微分控制器的比例常数、积分常数和微分常数。参数存放单元272内建有建立例如表1所示的气体的组分与控制参数对应表，如表1所示。当所述参数选择单元271接受到所述探测单元262探测的所述气体信息信号为氢气和氨气，查找表1，选择出PID参数，即比例常数P常数为12、积分常数I常数为0.2以及微分常数D常数为8，并将所述PID参数为：比例常数P常数为12、积分常数I常数为0.2以及微分常数D常数为8输出给所述控制单元261。

表1

在本实施例中，除了所述气体除气体组分外，其它所述气体信息，例如所气体组分的含量比例信息、气体的流量或腔室中的气体压力等气体信息在加热过程中会变化，也可以通过例如实验的方式建立这些气体信息或这些气体信息的组合与PID参数之间的对应关系数据库，亦在本实用新型的思想范围之内。

随后，进行步骤S03，提供所述控制单元261，所述控制单元261接收所述控制参数信号，即在本实施例中的PID参数为：比例常数P常数为12、积分常数I常数为0.2以及微分常数D常数为8，并根据所述控制参数信号控制所述加热单元230的功率或电流，以对所述托盘240或/和衬底250进行加热，从而达到目标温度。

本实用新型已以较佳实施例披露如上，但本实用新型并非限定上述实施方式所述，如：半导体加工设备的所述进气管路221或出气管路222并不一定如图2所示，一个位于所述反应腔210上方，一个位于所述反应腔210下方，还可以一个位于所述反应腔210左方，一个位于所述反应腔210右方；所述加热单元230并不一定如图2所示，位于所述托盘240的下方，还可以位于所述托盘240的上方，或位于所述反应腔210外，亦可以对所述托盘240或/和衬底250进行加热。

本实用新型的上述实施例是针对沉积设备，所述控制系统用于控制沉积设备的加热单元对反应腔内的托盘或衬底或托盘和衬底进行加热，在本实用新型的其它实施例中，也可将本实用新型用于其它的半导体加工设备中，如刻蚀设备或离子注入设备等，其具体实施步骤与思路和本实用新型的上述实施例相似，在本实用新型实施例的启示下，这一应用的延伸对本领域普通技术人员而言是易于理解和实现的，在此不再赘述。

虽然本实用新型已以较佳实施例披露如上，但本实用新型并非限定于此。任何本领域技术人员，在不脱离本实用新型的精神和范围内，均可作各种更动与修改，因此本实用新型的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。

Claims (7)

1.一种控制系统，用于控制半导体加工设备的加热单元对反应腔内的托盘或/和衬底进行加热，所述控制系统包括：

用于探测所述反应腔内的气体信息的探测单元；

用于基于所述气体信息设定控制参数的参数设定单元，所述参数设定单元与所述探测单元相连；

基于所述参数设定单元设定的控制参数控制所述加热单元进行加热的控制单元，所述控制单元与所述参数设定单元相连。

2.如权利要求1所述的控制系统，其特征在于：所述参数设定单元包括：

用于存放气体信息与控制参数的对应关系的参数存放单元；

基于所述气体信息通过查找所述参数存放单元确定所述控制参数的参数选择单元，所述参数选择单元分别与所述探测单元和所述参数存放单元相连。

3.如权利要求1所述的控制系统，其特征在于：所述气体信息包括反应腔内的气体的组分、流量、流速和压力中的一种或几种。

4.如权利要求3所述的控制系统，其特征在于：所述半导体加工设备为LED外延片外延设备，所述气体包括氨气和氢气混合气体、氨气和氮气混合气体或氨气和氢气与氮气混合气体。

5.如权利要求3所述的控制系统，其特征在于：所述半导体加工设备具有向所述反应腔输送气体的进气管路和排除气体的出气管路，所述探测单元与所述进气管路或出气管路相连，或设置于所述进气管路或出气管路之中。

6.如权利要求1至5中任一项所述的控制系统，其特征在于：所述控制单元为比例-积分-微分控制器，所述控制参数包括所述比例-积分-微分控制器的比例常数、积分常数和微分常数。

7.如权利要求1所述的控制系统，其特征在于：所述半导体加工设备为沉积设备、刻蚀设备或离子注入设备。

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