TWI474403B - 高效能高準確度加熱驅動器 - Google Patents

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TWI474403B TW100105125A TW100105125A TWI474403B TW I474403 B TWI474403 B TW I474403B TW 100105125 A TW100105125 A TW 100105125A TW 100105125 A TW100105125 A TW 100105125A TW I474403 B TWI474403 B TW I474403B
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Description

高效能高準確度加熱驅動器
本發明係關於加熱器驅動器，其可用於快速熱製程腔室，藉以在處理晶圓時提供更有效率之操作方式。
當處理半導體晶圓時，快速熱製程(RTP)腔室需要控制供給予燈具之功率以控制燈具所產生之熱量。現有之快速熱處理腔室利用包含有由相位角度控制之矽控整流器(silicon controlled rectifier,SCR)的燈具驅動電路來控制提供給燈具之功率，藉以控制晶圓處理。此矽控整流器類的燈具驅動電路蒙受許多限制晶圓處理之效能的缺點。矽控整流器類之架構的眾多缺點中，其中一者即為電流之功率因數較低。此在低功率位準時特別是如此，其中功率因數可小於50%。因此造成半導體處理之能源利用沒有效率。
除此之外，矽控整流器類的燈具驅動電路在電壓橫跨零的點之附近時不能被開啟。這是因為矽控整流器需要一最小電壓來以將之開啟。因此，受控之輸出電流之最小值具有一個臨界值。也同樣造成處理沒有效率。
另一個問題是，因為矽控整流器的本性，其只能在每一個周期中開關兩次。這是由於只有當流經裝置之電流為零的時候，矽控整流器才會關閉。所以，若能對於燈 具驅動器電路發展更精確的控制，則可以改善高速之溫度處理。
承上，有鑑於快速熱處理腔室中上述矽控整流器類的燈具驅動電路之各缺點，一種嶄新且改良之燈具驅動電路是不可或缺的。
本發明之一實施態樣係在提供一種處理晶圓之快速熱製程腔室。此快速熱製程腔室係被提供有交流功率且可包含複數個鹵素燈具、燈具驅動器、測量晶圓溫度之溫度感測器；及連接至溫度感測器及燈具驅動器之溫度控制器，而溫度控制器提供控制訊號給第一電晶體之控制輸入端與第二電晶體之控制輸入端，控制訊號為晶圓溫度與期望溫度之函數。此燈具驅動器包含負極連接至第一電晶體之第一端的第一二極體，其並聯連接至負極連接至第二電晶體之第一端的第二二極體，其中第一二極體之正極與第二電晶體之第二端連接至上述複數個鹵素燈具之一者或多者，而第二二極體之正極與第一電晶體之第二端連接至交流功率供應器。
依據本發明之另一實施態樣，一種處理晶圓之快速熱製程腔室包含複數個鹵素燈具、功率源(power source)、測量晶圓溫度之溫度感測器及溫度控制器。功率源包含具有第一開關與第二開關之交流電源，功率源連接至複 數個鹵素燈具以供應功率至複數個鹵素燈具。溫度控制器連接至溫度感測器、及功率源中之第一開關與第二開關。溫度控制器並提供第一控制訊號至第一開關，並且提供第二控制訊號至第二開關，第一控制訊號與第二控制訊號為晶圓溫度與期望溫度之函數。第一控制訊號在交流功率之每半個周期中開啟及關閉第一開關複數次，且第二控制訊號在交流功率之每半個周期中開啟及關閉第二開關複數次。
依據本發明之其他實施態樣，當第二開關為關閉時，第一開關為開啟。又，當第二開關為開啟時，第一開關為關閉。
依據本發明之其他實施態樣，溫度控制器形成第一控制訊號與第二控制訊號，使其為交流功率之脈衝形式。
依據本發明之其他實施態樣，供給予複數個鹵素燈具之功率的功率因數大約為1。大體而言該功率因數係介於0.9到1之間。
依據本發明之其他實施態樣，第一開關及第二開關係電晶體。此些電晶體可為MOSFET電晶體、雙極性電晶體或絕緣閘雙極性電晶體。
依據本發明之再一實施態樣，提供一種控制處理晶圓之快速熱製程腔室之方法。此方法可包含下列步驟：感測晶圓之溫度；決定期望溫度；溫度控制器根據晶圓之溫度及期望溫度產生第一控制訊號與第二控制訊號；第一控制訊號在提供給溫度控制器之交流功率之每半個周 期中開啟及關閉第一開關複數次；第二控制訊號在提供給溫度控制器之交流功率之每半個周期中開啟及關閉第一開關複數次；及第一開關及第二開關提供功率給複數個鹵素燈具。
依據本發明之其他實施態樣，第一開關與第二開關在不同時間為開啟。當第二開關為關閉時，第一開關為開啟時，且當第二開關為開啟時，第一開關為關閉時。
依據本發明之其他實施態樣，溫度控制器形成第一控制訊號與第二控制訊號，使其為交流功率之脈衝形式。
依據本發明之其他實施態樣，供給予複數個鹵素燈具之功率之功率因數係近似1。
如上所述，第一開關及第二開關可為電晶體。且可選自由MOSFET電晶體、雙極性電晶體、絕緣閘雙極性電晶體組成之群組。
依據本發明之又一實施態樣，提供一種用以處理晶圓之快速熱製程腔室。此快速熱製程腔室係被供應有交流功率且可包含複數個鹵素燈具、燈具驅動器、測量晶圓溫度之溫度感測器及溫度控制器。而燈具驅動器包含第一二極體及第一電晶體，其與第二二極體及第二電晶體並聯連接，燈具驅動器連接至交流功率源且連接至複數個鹵素燈具，以提供功率給複數個鹵素燈具。又，溫度控制器連接至溫度感測器與燈具驅動器，並提供為晶圓溫度與期望溫度之函數的第一控制訊號至第一電晶體，且提供為晶圓溫度與期望溫度之函數之第二控制訊號至 第二電晶體。第一電晶體係開啟於不同於第二電晶體之時間。
電晶體可以皆為MOSFET電晶體，也可以都為雙極性電晶體，或者都為絕緣閘雙極性電晶體。如上所述，第一電晶體及第二電晶體在所提供之交流電壓之每半周期中開啟及關閉2次或更多次。供給予複數個鹵素燈具之功率之功率因數係介於0.9到1之間。
第1圖繪示快速熱製程腔室(Rapid Temperature Process(RTP)chamber)10。此RTP腔室10包含多組鹵素燈具12，多個燈具驅動器14與正被處理之晶圓16。燈具驅動器14係連接至鹵素燈具12，並控制提供至鹵素燈具12之功率。鹵素燈具12提供熱能給晶圓16，以使得晶圓16可以藉由已知之方式來處理。
晶圓溫度控制器18具有一輸入端與一輸出端，而輸入端連接至溫度感測器20，輸出端連接至燈具驅動器14。依據本發明之一實施態樣，此溫度感測器20為非接觸式溫度感測器，其測量晶圓16之溫度。而溫度感測器20會將此溫度傳至溫度控制器18。晶圓16所需之溫度也會傳給溫度控制器18。溫度控制器18便依據所量測之溫度與所需之溫度來傳送控制訊號給燈具驅動器14，以控制鹵素燈具12。燈具驅動器14維持鹵素燈具12必需 之燈具功率來產生紅外線放射，以加熱晶圓16。
一種習知之燈具驅動器14係繪示於第2圖中。燈具驅動器14連接至功率源30。功率源30可以為功率分配線。燈具驅動器14係由功率控制元件組成。在先前技術中，舉例而言，提出雙極性矽控整流器(silicon controlled rectifier,SCR)34及矽控整流器控制器36。最初，矽控整流器並不導通電流。但基於來自控制器18之外接指令，矽控整流器控制器36會開啟或關閉矽控整流器34，導致電流流經燈具12。而當所提供至矽控整流器34之控制訊號的極性反轉時，矽控整流器34停止電流導通，則燈具12關閉。
第3圖繪示來自功率源30之電壓40於左側。當使用矽控整流器34時，來自矽控整流器34的驅動器輸出電壓42則繪示於右側。值得注意的是，矽控整流器34是典型地在功率源30之交流週期之每半個周期中開啟及關閉一次。
第4圖繪示根據本發明之一實施態樣之燈具驅動器。燈具驅動器具有電子開關46及控制器48。依據本發明之一實施態樣，電子開關44包含第一電晶體50、第二電晶體52、第一二極體54及第二二極體56。如第4圖所示，第一二極體54之負極連接至第一電晶體50之第一端。第二二極體56之負極連接至第二電晶體52之第一端。串聯之第一二極體54與第一電晶體50又與串聯之第二二極體56與第二電晶體52並聯。
第一二極體54之正極與第二電晶體52之第二端連接至複數個鹵素燈具12之一或多者。第二二極體56之正極與第一電晶體50之第二端連接至交流功率源。
電晶體50及52可以藉由大多數之電晶體來實現。例如：依據本發明之一實施態樣中，電晶體50及52係利用MOSFET電晶體來實現。根據其他實施態樣，電晶體50及52係利用雙極性電晶體來實現。甚至，電晶體50及52也可以利用絕緣閘雙極性電晶體(insulated gate bipolar transistor,IGBT)來實現。在第4圖中，電晶體50及52係MOSFET電晶體。在輸入正弦波之正部份，二極體56與電晶體52為導通，而在輸入正弦波之負部份，二極體54與電晶體50為導通。
請參考第4圖，控制器48收到來自溫度控制器18之指令。溫度控制器18接受期望溫度與來自溫度感測器20所感測之溫度。控制器48分析所感測溫度及期望溫度並發出控制訊號到電晶體50及52之控制輸入端，藉此開啟及關閉電晶體50及52，以維持橫跨燈具12之所需電壓，而維持期望溫度。
如第5圖所示，控制器48能夠在輸入交流電壓之每半個周期中開啟及關閉電晶體50及52複數次。這是藉由輸入電壓60之正弦波形式被切整為脈衝電壓62來達成。溫度控制器18因而可藉由在輸入交流電壓供應器之每周期中開啟及關閉電晶體50及52兩次或以上之方式，來在輸入交流電壓之周期中精準地調整橫跨燈具12 之電壓。
第6圖繪示依據本發明之一實施態樣之燈具加熱器電路，其包含兩個驅動電路90及92。驅動器電路90及92之每一者控制一或多組燈具。依據本發明之其他實施態樣，在交流電壓之周期中，控制器94交錯驅動器90之切換相位來展開導通相位。50%工作周期中的輸出電壓96及98如圖所示。在主動式負載的狀況下，如電阻器或燈具，輸入電流99及100具有與輸出電壓96及98相同的形式。輸入加熱器電流27會是多個驅動器之輸出電流的疊加。是故，輸入電流為多個驅動器之輸出電流的疊加。在此例中，輸入電流之結果形式是正弦波。而加熱器輸入電壓26與輸入電流27彼此間並不具有相位偏移，而功率因數近似為1。
相較於先前使用矽控整流器之燈具電路而言，本發明燈具驅動器可以更快速地受到控制。這是因為相對於具有較慢反應時間的矽控整流器來說，電晶體可以較快速地被開啟及關閉。於是，利用本發明之技術可以進階來精準地控制鹵素燈具12。
本發明更提供一種控制處理晶圓之快速熱製程腔室之方法。快速熱製程腔室被供應有交流功率，並如前所述具有複數個鹵素燈具，而鹵素燈具之功率輸出被燈具驅動器所控制。如前所述，燈具驅動器包含負極連接至第一電晶體之第一端的第一二極體，其並聯連接至負極連接至第二電晶體之第一端的第二二極體，其中第一二極 體之正極與第二電晶體之第二端連接至一或多個上述複數個鹵素燈具，而第二二極體之正極與第一電晶體之第二端連接至交流功率供應器。
依據本發明之一實施態樣，製程包含以溫度感測器感測晶圓之溫度；傳送感測溫度與期望溫度至溫度控制器；溫度控制器產生傳送至第一電晶體之控制輸入端和第二電晶體之控制輸入端的控制訊號，以開啟及關閉第一電晶體與第二電晶體；溫度控制器並提供一訊號給複數個鹵素燈具，以控制所照射之熱能。
其中，若每一個燈具驅動器中的第一電晶體與第二電晶體皆為MOSFET電晶體，則第一電晶體與第二電晶體之控制輸入端為MOSFET電晶體之閘極。若使用雙極性電晶體，則第一電晶體與第二電晶體之控制輸入端為基極端。
依據本發明其他實施態樣，溫度控制器會切整所提供之交流電壓來產生控制訊號至第一及第二電晶體，第一及第二電晶體在所提供之交流電壓的每半個周期中開啟及關閉二次或以上。
本發明之驅動器電路具有三個優點。其允許更快速的輸出電壓之設定時間；及容許製程溫度控制中更好的動態精準度。根據本發明之實施例之驅動器具有最大的可達成速度，此係因為其工作在開路模式。開路模式消除所有關於內部封閉閉路之負面影響：增加設定時間和過調節(overshooting)。驅動器之靜態誤差更是藉由外接晶 圓溫度控制閉路來做補償。
本發明之驅動器電路亦允許增加在低溫時製程控制的精確度。有別於一般使用相位角度控制方法之矽控整流器類驅動器，本發明之驅動器在所有實際目的上，並不具有最小輸出電壓，而習知矽控整流器類驅動器的最小可控制輸出電壓為5%。另外，在低輸出電壓時，本發明之實施例之驅動器具有更佳之精準度。因此，新驅動器具有更佳的功率因數，因而在中階與低功率範圍具有更低之能量損耗。由於快速熱製程期間的平均功率係落在27%-35%的範圍，故這是一個優勢。使用矽控整流器之驅動器的快習知快速熱製程系統的典型功率因數是0.4。而新驅動器在任何控制之功率位準中都具有優於0.9之功率因數。在多數狀況下，功率因數是趨近於1。
雖然如所應用至較佳實施例的本發明之基本新穎特徵已顯示、描述及提出如上，然應瞭解，任何熟習此技藝者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作所說明的裝置之型式與細節中及其操作上的各種省略、取代與改變。因此，申請人希望本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。
10‧‧‧快速熱製程腔室
12‧‧‧燈具
14‧‧‧驅動器
16‧‧‧晶圓
18‧‧‧溫度控制器
20‧‧‧溫度感測器
26‧‧‧輸入電壓
27‧‧‧加熱器電流
30‧‧‧功率源
34‧‧‧矽控整流器
36‧‧‧矽控整流器控制器
40‧‧‧電壓
42‧‧‧輸出電壓
46‧‧‧開關
48‧‧‧控制器
50‧‧‧第一電晶體
52‧‧‧第二電晶體
54‧‧‧第一二極體
56‧‧‧第二二極體
60‧‧‧輸入電壓
62‧‧‧脈衝電壓
90‧‧‧驅動器電路
92‧‧‧驅動器電路
94‧‧‧控制器
96‧‧‧輸出電壓
98‧‧‧輸出電壓
99‧‧‧輸入電流
100‧‧‧輸入電流
第1圖繪示快速熱製程腔室，快速熱製程腔室具有鹵素燈具、燈具驅動器、晶圓溫度控制器、溫度感測器及 溫度控制器。
第2圖繪示依據本發明之一實施態樣之燈具驅動器。
第3圖繪示依據本發明之一實施態樣之來自功率源的電壓及驅動器輸出電壓。
第4圖為繪示依據本發明之一實施態樣之驅動器電路。
第5圖繪示依據本發明之一實施態樣之電路之對應波形。
第6圖為繪示依據本發明之一實施態樣之操作方式。
12．．．燈具
18．．．溫度控制器
46．．．開關
48．．．控制器
50．．．第一電晶體
52．．．第二電晶體
54．．．第一二極體
56．．．第二二極體

Claims (6)

  1. 一種快速熱製程腔室，其處理一晶圓，且被供應有一交流功率，該快速熱製程腔室包含：複數個鹵素燈具；一燈具驅動器，包含一第一二極體及一第一電晶體與一第二二極體及一第二電晶體的並聯連接，該燈具驅動器連接至一交流功率源且連接至該複數個鹵素燈具，以供應功率給該複數個鹵素燈具；一溫度感測器，其測量一晶圓溫度；以及一溫度控制器，其連接至該溫度感測器與該燈具驅動器，該溫度控制器提供一第一控制訊號至該第一電晶體且提供一第二控制訊號至該第二電晶體，該第一控制訊號為該晶圓溫度與一期望溫度之一函數，而該第二控制訊號為該晶圓溫度與該期望溫度之一函數；以及其中該第一電晶體在不同於該第二電晶體之時間開啟。
  2. 如請求項1所述之快速熱製程腔室，其中該第一電晶體及該第二電晶體皆為MOSFET電晶體。
  3. 如請求項1所述之快速熱製程腔室，其中該第一電晶體及該第二電晶體皆為雙極性電晶體。
  4. 如請求項1所述之快速熱製程腔室，其中該第一電晶體及該第二電晶體皆為絕緣閘雙極性電晶體。
  5. 如請求項1所述之快速熱製程腔室，其中該第一電晶體及該第二電晶體在所供應之交流電壓之每半周期中開啟及關閉2次或更多次。
  6. 如請求項5所述之快速熱製程腔室，其中供應至該複數個鹵素燈具之該功率之功率因數係介於0.9到1之間。
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