TW202040302A - 腔室壓力控制方法及裝置、半導體設備 - Google Patents

腔室壓力控制方法及裝置、半導體設備 Download PDF

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Abstract

本發明提供一種腔室壓力控制方法及裝置、半導體設備，該方法包括以下步驟：S1，檢測腔室內部的實際壓力值；S2，計算實際壓力值與預設的目標壓力值的差值；判斷差值是否超出預設範圍，若超出，則進行步驟S3；若未超出，則流程結束；S3，獲取控制係數，該控制係數為曲率與預設的PID係數的乘積，該曲率為與目前的氣體流量值對應的關於壓力和位置參數的曲線中，與執行單元的目前的位置參數值相對應的曲率；S4，基於差值和控制係數計算獲得執行單元的位置參數調整量，向該執行單元輸出，返回步驟S2。本發明提供的腔室壓力控制方法及裝置、半導體設備的技術方案，可以精確快速的控制腔室內壓力，使之穩定在預設範圍內，從而可以提高製程品質和成品率。

Description

腔室壓力控制方法及裝置、半導體設備
本發明涉及半導體製造技術領域，特別涉及一種腔室壓力控制方法及裝置、半導體設備。
在半導體製造、光伏等領域，氧化爐等的反應腔室是半導體製程中最重要的設備。在進行鍍膜等製程的過程中，通入反應腔室內的反應氣體包括H2 、HCl、大量的O2 、少量的C2 H2 Cl2 以及N2 等，這些反應氣體需要在恆定的壓力條件下進行化學反應，以確保製程結果諸如鍍層的厚度等滿足要求，而且應保持反應腔室內的壓力穩定在設定壓力，如若製程實際壓力大於或小於設定壓力均會影響鍍層的厚度。目前，亟需一種能夠精確快速的控制反應腔室內壓力的方法和裝置。
本發明旨在至少解決先前技術中存在的技術問題之一，提出了一種腔室壓力控制方法及裝置、半導體設備，其可以精確快速的控制腔室內壓力，使之穩定在預設範圍內，從而可以提高製程品質和成品率。
為實現上述目的，本發明提供了一種腔室壓力控制方法，包括以下步驟： S1，檢測腔室內部的實際壓力值； S2，計算該實際壓力值與預設的目標壓力值的差值；並判斷該差值是否超出預設範圍，若超出，則進行步驟S3；若未超出，則流程結束； S3，獲取控制係數，該控制係數為曲率與預設的PID係數的乘積，其中，該曲率為：與目前的氣體流量值對應的關於壓力和執行單元的位置參數的曲線中，與該執行單元的目前的位置參數值相對應的曲率； S4，基於該差值和該控制係數計算獲得該執行單元的位置參數調整量，且向該執行單元輸出，並返回該步驟S2。
可選的，在該步驟S1之前，還包括： S0，預先儲存樣本資料範本； 其中，該樣本資料範本包括不同的該氣體流量值與該曲線的對應關係，以及每條該曲線中不同的該位置參數值與曲率的對應關係； 該步驟S3，進一步包括： S31，根據目前的該氣體流量值和該執行單元的目前的位置參數值，從該樣本資料範本中獲取該曲率； S32，計算從該樣本資料範本中獲取的該曲率與該PID係數的乘積。
可選的，該執行單元包括壓力調節閥，該執行單元的位置參數為該壓力調節閥的與其開度對應的閥門位置。
可選的，該執行單元的位置參數的初始值設定在與該壓力調節閥的開度取值範圍對應的範圍內；該開度取值範圍在30°-50°。
可選的，該氣體流量值的取值範圍在3-50L/min。
可選的，在該步驟S1中，檢測該腔室在排氣口處的壓力作為該實際壓力值； 或者，檢測該腔室的內部壓力與該腔室外部的大氣壓的差值作為該實際壓力值。
作為另一個技術方案，本發明還提供一種腔室壓力控制裝置，包括檢測單元、控制單元和執行單元，其中， 該檢測單元用於檢測腔室內部的實際壓力值，並將其發送至該控制單元； 該控制單元用於計算該實際壓力值與預設的目標壓力值的差值；並判斷該差值是否超出預設範圍，若超出，則獲取控制係數，並基於該差值和該控制係數計算獲得執行單元的位置參數調整量，且向該執行單元輸出；該控制係數為曲率與預設的PID係數的乘積，其中，該曲率為：與目前的氣體流量值對應的關於壓力和位置參數的曲線中，與該執行單元的目前的位置參數值相對應的曲率； 該執行單元用於根據該位置參數調整量調節自身位置參數。
可選的，該控制單元包括儲存模組、獲取模組、計算模組和控制模組，其中， 該儲存模組用於儲存樣本資料範本；該樣本資料範本包括不同的該氣體流量值與該曲線的對應關係，以及每條該曲線中不同的該位置參數值與曲率的對應關係； 該獲取模組用於根據目前的該氣體流量值和該執行單元的目前的位置參數值，從該儲存模組中儲存的該樣本資料範本中獲取該曲率，併發送至該計算模組； 該計算模組用於計算從該樣本資料範本中獲取的該曲率與該PID係數的乘積，並將其作為該控制係數發送至該控制模組； 該控制模組用於基於該差值和該控制係數計算獲得執行單元的位置參數調整量，且向該執行單元輸出。
可選的，該執行單元包括用於調節該腔室的排氣流量的壓力調節閥，及用於抽取該腔室的內部氣體的真空裝置；其中， 該位置參數為該壓力調節閥的與其開度對應的閥門位置。
可選的，該壓力調節閥包括蝶閥、針閥或球閥。
可選的，該腔室壓力控制裝置還包括輸入單元，用於接收使用者輸入的該目標壓力值，並將其發送至該控制單元。
可選的，該檢測單元用於檢測該腔室在排氣口處的壓力作為該實際壓力值； 或者，該檢測單元用於檢測該腔室的內部壓力與該腔室外部的大氣壓的差值作為該實際壓力值。
作為另一個技術方案，本發明還提供一種半導體設備，包括反應腔室，其特徵在於，還包括用於控制該反應腔室的壓力的腔室壓力控制裝置，該腔室壓力控制裝置採用本發明提供的上述腔室壓力控制裝置，其中， 該檢測單元用於檢測該反應腔室內部的實際壓力值，並將其發送至該控制單元；該執行單元設置在該反應腔室的排氣口處，用於根據該位置參數調整量調節自身位置參數。
本發明的有益效果： 本發明所提供的腔室壓力控制方法及裝置、半導體設備的技術方案中，在藉由步驟S1、步驟S2和步驟S4來實現對腔室壓力的閉環控制的同時，藉由步驟S3獲取控制係數，該控制係數為與目前的氣體流量值對應的關於壓力和位置參數的曲線中，與執行單元的目前的位置參數值相對應的曲率與預設的PID（Proportion- Integral- Derivative）係數的乘積，即，可以根據氣體流量、壓力和執行單元的位置參數之間的對應關係，在不同的氣體流量條件下，對PID係數進行分段式精細調節，從而可以實現快速穩定對腔室壓力進行控制，使之穩定在預設範圍內，進而可以提高製程品質和成品率。
為使本領域的技術人員更好地理解本發明的技術方案，下面結合附圖對本發明提供的腔室壓力控制方法及裝置、半導體設備進行詳細描述。 請參閱圖1，本發明第一實施例提供的腔室壓力控制方法，其包括以下步驟：
S1，檢測腔室內部的實際壓力值。
在步驟S1中，可選的，可以檢測腔室在排氣口處的壓力作為實際壓力值；或者，也可以檢測腔室的內部壓力與腔室外部大氣壓的差值作為實際壓力值。也就是說，本實施例提供的腔室壓力控制方法可以適用於絕對式控壓方法或者相對式控壓方法。
S2，計算實際壓力值與預設的目標壓力值的差值；並判斷該差值是否超出預設範圍，若超出，則進行步驟S3；若未超出，則流程結束。
S3，獲取控制係數，該控制係數為與目前的氣體流量值對應的關於壓力和位置參數的曲線中，與執行單元的目前的位置參數值相對應的曲率與預設的PID係數的乘積。
在步驟S3中，每一種氣體在一個流量值下（通入腔室內的氣體流量值）對應一條關於壓力和執行單元的位置參數的曲線，即，不同的氣體流量值對應不同關於壓力和執行單元的位置參數的曲線。如圖2所示，每條曲線的橫坐標為執行單元的位置參數值（L1,L2,...,Ln）；縱坐標為與各個位置參數值（L1,L2,...,Ln）一一對應的腔室壓力值（P1,P2,...,Pn）。與各個位置參數值（L1,L2,...,Ln）一一對應的曲線的曲率即為表示壓力變化與閥門開度的轉換係數（K1,K2,...,Kn）。
上述控制係數為與執行單元的目前的位置參數值相對應的轉換係數與預設的PID（Proportion- Integral- Derivative）係數的乘積。所謂PID係數，是指用於實現PID控制的比例係數（Proportion）、積分係數(Integral)和微分係數(Derivative)，而PID控制藉由下述步驟S4來實現。PID控制應用於閉環控制中，用於根據系統的誤差，基於比例係數、積分係數和微分係數以及實際值與期望值的差值，計算獲得控制量（例如，執行單元的調整量），並基於該控制量對執行單元進行控制。
S4，基於上述差值和控制係數計算獲得執行單元的位置參數調整量，且向該執行單元輸出，並返回步驟S2。
上述執行單元用於調節腔室壓力，例如，執行單元為設置在腔室的排氣管路上的壓力調節閥。在真空裝置抽取腔室內的氣體的過程中，壓力調節閥藉由調節閥門開度，來調節排氣流量，從而可以調節腔室壓力。這裏，壓力調節閥的位置參數值即為與其開度對應的閥門位置。
藉由上述步驟S1、步驟S2和步驟S4，可以實現對腔室壓力的閉環控制。同時，藉由步驟S3獲取控制係數，該控制係數為與目前的氣體流量值對應的關於壓力和位置參數的曲線中，與執行單元的目前的位置參數值相對應的曲率與預設的PID係數的乘積，即，可以根據氣體流量、壓力和位置參數之間的對應關係，在不同的氣體流量條件下，對PID係數進行分段式精細調節，即，不同的氣體流量值，不同的位置參數值對應的曲線曲率不同，曲率與PID係數的乘積（即，控制係數）也不同，從而可以實現快速穩定對腔室壓力進行控制，使之穩定在預設範圍內，進而可以提高製程品質和成品率。
藉由實驗發現，本發明實施例提供的腔室壓力控制方法，其對腔室壓力的控制精度可以達到0.02%F.S.。
可選的，本實施例提供的腔室壓力控制方法是基於PTL（Pressure to Location）策略選取執行單元的位置參數範圍，以達到最大限度地減小壓力波動幅度的目的，從而可以提高製程穩定性和重複性。
例如，當執行單元為壓力調節閥時，基於閥快開特性，即，開度較小時，壓力調節閥控制壓力產生變化的靈敏度較高，當閥門位置在接近全關狀態（開度為0°）時，改變閥門位置，壓力的波動較為明顯；當閥門位置位於與開度的取值範圍為30°-50°對應的範圍內時，改變閥門位置，壓力的波動較小，壓力較為穩定，對製程影響的程度較小；當閥門位置位於與開度的取值範圍大於60°對應的範圍內時，改變閥門位置，對壓力的調節基本不起作用。
基於PTL（Pressure to Location）策略，可以將執行單元的位置參數的初始值設定在與壓力調節閥的開度取值範圍對應的範圍內；該開度取值範圍在30°-50°。這樣，可以在壓力波動較小的穩定區域內對執行單元的位置參數進行調節，從而可以減少壓力波動對製程的影響。
圖3為本發明第二實施例提供的腔室壓力控制方法的流程框圖。請參閱圖3，本發明第二實施例提供的腔室壓力控制方法是在上述第一實施例的基礎上所做的進一步改進，具體地， 在上述步驟S1之前，還包括： S0，預先儲存樣本資料範本； 其中，樣本資料範本包括不同的氣體流量值與曲線的對應關係，以及每條曲線中不同的位置參數值與曲率的對應關係。
在整個製程中，可以在不同的製程時間段階躍設置不同的氣體流量值（通入腔室內的氣體流量值），例如，將整個製程時間劃分為四個製程時間段，四個製程時間段分別對應四個氣體流量值，分別為28L/min、24L/min、20L/min和16L/min，其中，不同的氣體流量值對應的製程時間段可以相同，或者也可以不同，該預定時長例如為110s。可選的，根據製程需要，氣體流量值的取值範圍在3-50L/min。
根據上述氣體流量值的變化，可以採集獲得多組關於壓力和位置參數的資料，並根據該資料擬合獲得關於壓力和位置參數的曲線及其曲率，並據此構建反映流量、壓力和位置參數的對應關係的樣本資料範本，並在製程前儲存。
在此基礎上，上述步驟S3進一步包括： S31，根據目前的氣體流量值和執行單元的目前的位置參數值，從樣本資料範本中獲取對應的曲率； S32，計算從樣本資料範本中獲取的曲率與PID係數的乘積。
由上可知，在進行製程的過程中，在已知目前的氣體流量和目前的位置參數值的情況下，可以從樣本資料範本中直接獲取與之對應的曲率，並計算獲得曲率與PID係數的乘積。這樣，不僅控制精度高，而且回應速度快。
作為另一個技術方案，請一併參閱圖4至圖6，本發明第三實施例提供的腔室壓力控制裝置，其包括檢測單元2、控制單元5和執行單元3，其中，檢測單元2用於檢測腔室內部的實際壓力值，並將其發送至控制單元5。檢測單元2例如為測壓計。
可選的，檢測單元2用於檢測腔室1在排氣口處的壓力作為實際壓力值；或者，檢測單元2用於檢測腔室1的內部壓力與腔室外部的大氣壓的差值作為實際壓力值。也就是說，本實施例提供的腔室壓力控制裝置可以適用於絕對式控壓系統或者相對式控壓系統。
控制單元5用於計算實際壓力值與預設的目標壓力值的差值；並判斷該差值是否超出預設範圍，若超出，則獲取控制係數，並基於差值和控制係數計算獲得執行單元3的位置參數調整量，且向該執行單元3輸出；控制係數為曲率與預設的PID係數的乘積。該曲率為與目前的氣體流量值對應的關於壓力和位置參數的曲線中，與執行單元3的目前的位置參數值相對應的曲率。可選的，控制單元5為微處理器。
執行單元3用於根據來自控制單元5的位置參數調整量調節自身位置參數。
在本實施例中，如圖6所示，執行單元3包括用於調節腔室1的排氣流量的壓力調節閥31，及用於抽取腔室1的內部氣體的真空裝置32；其中，壓力調節閥31設置在排氣管路7上，其藉由調節自身的閥門位置，來調節閥門開度，從而對排氣管路7中的氣體流量進行調節，進而實現腔室內的壓力調節。由此，上述執行單元3的位置參數即為壓力調節閥31的與其開度對應的閥門位置，而不同的閥門位置，對應不同的閥門開度。真空裝置32用於藉由抽氣來使腔室1內的氣體排入排氣管路7中。真空裝置32例如為真空發生器。
可選的，壓力調節閥31包括蝶閥、針閥或球閥等等。具體地，具有自動控制功能的壓力調節閥通常設置有用於驅動閥門（蝶閥、針閥或球閥等）移動的電機，控制單元5藉由向該電機發送控制信號來實現對閥門位置的調節。
較佳的，如圖5所示，控制單元5包括儲存模組51、獲取模組52、計算模組53和控制模組54，其中，儲存模組51用於儲存樣本資料範本，該樣本資料範本包括不同的氣體流量值與該曲線的對應關係，以及每條曲線中不同的位置參數值與曲率的對應關係。獲取模組52用於根據目前的氣體流量值和執行單元的目前的位置參數值，從儲存模組51中儲存的樣本資料範本中獲取對應的曲率，併發送至計算模組53。計算模組53用於計算從樣本資料範本中獲取的曲率與PID係數的乘積，並將其作為控制係數發送至控制模組54；控制模組54用於基於差值和控制係數計算獲得執行單元3的位置參數調整量，且向執行單元3輸出。
在進行製程的過程中，藉由在儲存模組51中預先儲存上述樣本資料模，在已知目前的氣體流量和目前的位置參數值的情況下，獲取模組52可以從樣本資料範本中直接獲取與之對應的曲率，並利用計算模組53計算獲得曲率與PID係數的乘積。這樣，不僅控制精度高，而且回應速度快。
可選的，腔室壓力控制裝置還包括輸入單元，用於接收使用者輸入的目標壓力值，並將其發送至控制單元5。這樣，使用者可以根據需要自由輸入壓力的期望值。
綜上所述，本實施例提供的腔室壓力控制裝置，可以實現快速穩定對腔室壓力進行控制，使之穩定在預設範圍內，從而可以提高製程品質和成品率。
作為另一個技術方案，本發明實施例還提供一種半導體設備，其包括反應腔室及用於控制該反應腔室的壓力的腔室壓力控制裝置，該腔室壓力控制裝置採用本發明實施例提供的上述腔室壓力控制裝置。在該半導體設備中，檢測單元用於檢測反應腔室內部的實際壓力值，並將其發送至控制單元；執行單元設置在反應腔室的排氣口處，用於根據位置參數調整量調節自身位置參數。如圖6所示，該半導體設備包括反應腔室1以及用於向反應腔室內輸入製程氣體的各製程氣路（O2 氣路、H2 氣路以及N2 氣路等）。在該半導體設備中，檢測單元可藉由三通接頭的一端與反應腔室的排氣口連通，執行單元可藉由三通接頭中三端介面中的一端與反應腔室的排氣口連通。
本實施例提供的半導體設備，其藉由採用本發明實施例提供的腔室壓力控制裝置，可以實現快速穩定對腔室壓力進行控制，使之穩定在預設範圍內，從而可以提高製程品質和成品率。
可以理解的是，以上實施方式僅僅是為了說明本發明的原理而採用的示例性實施方式，然而本發明並不侷限於此。對於本領域內的普通技術人員而言，在不脫離本發明的精神和實質的情況下，可以做出各種變型和改進，這些變型和改進也視為本發明的保護範圍。
1:腔室 2:檢測單元 3:執行單元 5:控制單元 7:排氣管路 31:壓力調節閥 32:真空裝置 51:儲存模組 52:獲取模組 53:計算模組 54:控制模組 K1、K2、Kn:轉換係數 L1、L2、Ln:位置參數值 P1、P2、Pn:腔室壓力值 S0、S1、S2、S3、S4、S31、S32:步驟
圖1為本發明第一實施例提供的腔室壓力控制方法的流程框圖； 圖2為某一氣體特定流量下，關於壓力和位置參數的曲線圖； 圖3為本發明第二實施例提供的腔室壓力控制方法的流程框圖； 圖4為本發明第三實施例提供的腔室壓力控制裝置的原理框圖； 圖5為本發明第三實施例採用的控制單元的原理框圖； 圖6為本發明第三實施例提供的腔室壓力控制裝置的結構圖。
S1、S2、S3、S4:步驟

Claims (13)

  1. 一種腔室壓力控制方法，其特徵在於，包括以下步驟： S1，檢測一腔室內部的一實際壓力值； S2，計算該實際壓力值與預設的一目標壓力值的一差值；並判斷該差值是否超出預設範圍，若超出，則進行步驟S3；若未超出，則流程結束； S3，獲取一控制係數，該控制係數為一曲率與預設的一PID係數的乘積，其中，該曲率為：與目前的一氣體流量值對應的關於壓力和一執行單元的位置參數的一曲線中，與該執行單元的目前的一位置參數值相對應的曲率； S4，基於該差值和該控制係數計算獲得該執行單元的位置參數調整量，且向該執行單元輸出，並返回該步驟S2。
  2. 如請求項1所述的腔室壓力控制方法，其中，在該步驟S1之前，還包括： S0，預先儲存一樣本資料範本； 其中，該樣本資料範本包括不同的該氣體流量值與該曲線的對應關係，以及每條該曲線中不同的該位置參數值與曲率的對應關係； 該步驟S3，進一步包括： S31，根據目前的該氣體流量值和該執行單元的目前的位置參數值，從該樣本資料範本中獲取該曲率； S32，計算從該樣本資料範本中獲取的該曲率與該PID係數的乘積。
  3. 如請求項1或2所述的腔室壓力控制方法，其中，該執行單元包括一壓力調節閥，該執行單元的位置參數為該壓力調節閥的與其開度對應的閥門位置。
  4. 如請求項3所述的腔室壓力控制方法，其中，該執行單元的位置參數的初始值設定在與該壓力調節閥的一開度取值範圍對應的範圍內；該開度取值範圍在30°-50°。
  5. 如請求項1或2所述的腔室壓力控制方法，其中，該氣體流量值的取值範圍在3-50L/min。
  6. 如請求項1所述的腔室壓力控制方法，其中，在該步驟S1中，檢測該腔室在排氣口處的壓力作為該實際壓力值； 或者，檢測該腔室的內部壓力與該腔室外部的大氣壓的差值作為該實際壓力值。
  7. 一種腔室壓力控制裝置，其特徵在於，包括一檢測單元、一控制單元和一執行單元，其中， 該檢測單元用於檢測一腔室內部的一實際壓力值，並將其發送至該控制單元； 該控制單元用於計算該實際壓力值與預設的一目標壓力值的一差值；並判斷該差值是否超出預設範圍，若超出，則獲取一控制係數，並基於該差值和該控制係數計算獲得執行單元的一位置參數調整量，且向該執行單元輸出；該控制係數為一曲率與預設的一PID係數的乘積，其中，該曲率為：與目前的一氣體流量值對應的關於壓力和位置參數的一曲線中，與該執行單元的目前的一位置參數值相對應的曲率； 該執行單元用於根據該位置參數調整量調節自身位置參數。
  8. 如請求項7所述的腔室壓力控制裝置，其中，該控制單元包括一儲存模組、一獲取模組、一計算模組和一控制模組，其中， 該儲存模組用於儲存一樣本資料範本；該樣本資料範本包括不同的該氣體流量值與該曲線的對應關係，以及每條該曲線中不同的該位置參數值與曲率的對應關係； 該獲取模組用於根據目前的該氣體流量值和該執行單元的目前的位置參數值，從該儲存模組中儲存的該樣本資料範本中獲取該曲率，併發送至該計算模組； 該計算模組用於計算從該樣本資料範本中獲取的該曲率與該PID係數的乘積，並將其作為該控制係數發送至該控制模組； 該控制模組用於基於該差值和該控制係數計算獲得執行單元的位置參數調整量，且向該執行單元輸出。
  9. 如請求項7或8所述的腔室壓力控制裝置，其中，該執行單元包括用於調節該腔室的排氣流量的一壓力調節閥，及用於抽取該腔室的內部氣體的真空裝置；其中， 該位置參數為該壓力調節閥的與其開度對應的閥門位置。
  10. 如請求項9所述的腔室壓力控制裝置，其中，該壓力調節閥包括蝶閥、針閥或球閥。
  11. 如請求項7所述的腔室壓力控制裝置，其中，該腔室壓力控制裝置還包括一輸入單元，用於接收使用者輸入的該目標壓力值，並將其發送至該控制單元。
  12. 如請求項7所述的腔室壓力控制裝置，其中，該檢測單元用於檢測該腔室在排氣口處的壓力作為該實際壓力值； 或者，該檢測單元用於檢測該腔室的內部壓力與該腔室外部的大氣壓的差值作為該實際壓力值。
  13. 一種半導體設備，包括一反應腔室，其特徵在於，還包括用於控制該反應腔室的壓力的一腔室壓力控制裝置，該腔室壓力控制裝置採用請求項7至12中任一項所述的腔室壓力控制裝置，其中， 該檢測單元用於檢測該反應腔室內部的實際壓力值，並將其發送至該控制單元；該執行單元設置在該反應腔室的排氣口處，用於根據該位置參數調整量調節自身位置參數。
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