TWI804734B - 用於控制加熱溫度的方法及系統與非暫時性電腦可讀介質 - Google Patents

用於控制加熱溫度的方法及系統與非暫時性電腦可讀介質 Download PDF

Info

Publication number
TWI804734B
TWI804734B TW109118449A TW109118449A TWI804734B TW I804734 B TWI804734 B TW I804734B TW 109118449 A TW109118449 A TW 109118449A TW 109118449 A TW109118449 A TW 109118449A TW I804734 B TWI804734 B TW I804734B
Authority
TW
Taiwan
Prior art keywords
temperature
workpiece
temperature sensor
controller
mode
Prior art date
Application number
TW109118449A
Other languages
English (en)
Other versions
TW202115517A (zh
Inventor
詹姆斯 Ｄ 史瑞斯奈
布萊德利 Ｍ 波瑪李歐
Ｄ 傑弗里 里斯查爾
孫大偉
麥可 保羅 羅雷爾
Original Assignee
美商應用材料股份有限公司
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 美商應用材料股份有限公司 filed Critical 美商應用材料股份有限公司
Publication of TW202115517A publication Critical patent/TW202115517A/zh
Application granted granted Critical
Publication of TWI804734B publication Critical patent/TWI804734B/zh

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L21/00—Processes or apparatus adapted for the manufacture or treatment of semiconductor or solid state devices or of parts thereof
    • H01L21/67—Apparatus specially adapted for handling semiconductor or electric solid state devices during manufacture or treatment thereof; Apparatus specially adapted for handling wafers during manufacture or treatment of semiconductor or electric solid state devices or components ; Apparatus not specifically provided for elsewhere
    • H01L21/67005—Apparatus not specifically provided for elsewhere
    • H01L21/67242—Apparatus for monitoring, sorting or marking
    • H01L21/67248—Temperature monitoring
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L21/00—Processes or apparatus adapted for the manufacture or treatment of semiconductor or solid state devices or of parts thereof
    • H01L21/67—Apparatus specially adapted for handling semiconductor or electric solid state devices during manufacture or treatment thereof; Apparatus specially adapted for handling wafers during manufacture or treatment of semiconductor or electric solid state devices or components ; Apparatus not specifically provided for elsewhere
    • H01L21/67005—Apparatus not specifically provided for elsewhere
    • H01L21/67011—Apparatus for manufacture or treatment
    • H01L21/67098—Apparatus for thermal treatment
    • H01L21/67115—Apparatus for thermal treatment mainly by radiation
    • G—PHYSICS
    • G05—CONTROLLING; REGULATING
    • G05D—SYSTEMS FOR CONTROLLING OR REGULATING NON-ELECTRIC VARIABLES
    • G05D23/00—Control of temperature
    • G05D23/01—Control of temperature without auxiliary power
    • G05D23/02—Control of temperature without auxiliary power with sensing element expanding and contracting in response to changes of temperature
    • G—PHYSICS
    • G05—CONTROLLING; REGULATING
    • G05D—SYSTEMS FOR CONTROLLING OR REGULATING NON-ELECTRIC VARIABLES
    • G05D23/00—Control of temperature
    • G05D23/19—Control of temperature characterised by the use of electric means
    • G05D23/1902—Control of temperature characterised by the use of electric means characterised by the use of a variable reference value
    • G05D23/1904—Control of temperature characterised by the use of electric means characterised by the use of a variable reference value variable in time
    • G—PHYSICS
    • G05—CONTROLLING; REGULATING
    • G05D—SYSTEMS FOR CONTROLLING OR REGULATING NON-ELECTRIC VARIABLES
    • G05D23/00—Control of temperature
    • G05D23/19—Control of temperature characterised by the use of electric means
    • G05D23/20—Control of temperature characterised by the use of electric means with sensing elements having variation of electric or magnetic properties with change of temperature
    • G05D23/22—Control of temperature characterised by the use of electric means with sensing elements having variation of electric or magnetic properties with change of temperature the sensing element being a thermocouple
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L21/00—Processes or apparatus adapted for the manufacture or treatment of semiconductor or solid state devices or of parts thereof
    • H01L21/02—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Computer Hardware Design (AREA)
  • Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Automation & Control Theory (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Toxicology (AREA)
  • Waste-Gas Treatment And Other Accessory Devices For Furnaces (AREA)
  • Control Of Temperature (AREA)
  • Radiation Pyrometers (AREA)
  • Testing Or Measuring Of Semiconductors Or The Like (AREA)
  • Control Of Electric Motors In General (AREA)
  • Electric Stoves And Ranges (AREA)

Abstract

公開一種將工件加熱到期望的溫度的系統及方法以及一 種非暫時性電腦可讀介質。此系統及方法在創建更高效地對工件進行加熱的混合方法時考慮了溫度器件的物理限制，例如時滯、溫度偏差及校準。首先，使用開環控制對工件進行加熱，以將工件加熱到閾值溫度。在達到閾值溫度之後，利用閉環維持模式。在某些實施例中，在開環加溫模式與閉環維持模式之間採用開環維持模式。另外，還公開一種使用接觸式熱電偶校準高溫計的方法。

Description

用於控制加熱溫度的方法及系統與非暫時性電 腦可讀介質
本公開的實施例涉及一種非暫時性電腦可讀介質以及用於對襯底進行加熱(且更具體來說，用於將襯底高效地加熱到期望的溫度)的系統及方法。
半導體器件的製作涉及多個分立且複雜的程序。半導體襯底通常在製作程序期間經歷許多程序。這些程序可在處理室中進行，所述處理室可維持在與環境不同的處理條件下。
在處理之前和/或在處理之後對襯底進行加熱在許多半導體製作程序中是常見的。在許多情形中，襯底被加熱到高溫。此種預熱可有助於防止當冷的襯底接觸熱的台板(platen)時發生襯底翹曲、爆裂及移動。這些現象可導致顆粒的產生及處理不當，且可降低總的處理良率。
另外，在一些實施例中，可在使襯底經受冷程序(cold process)之後對襯底進行加溫，以消除當襯底離開處理室時發生冷凝的可能性。
將工件加熱到特定溫度的能力並不簡單。通常，存在兩種用於測量工件溫度的技術。
第一種技術是使用壓靠工件的接觸式熱電偶。熱電偶測量工件的溫度。然而，存在與這種方法相關聯的三個缺點。第一，熱電偶可能不會記錄工件的實際溫度。舉例來說，工件與熱電偶之間可能不存在完美的熱傳導。因此，由熱電偶測量的溫度可能不精確。第二，熱電偶可能具有時滯。舉例來說，隨著工件的溫度改變，在熱電偶測量溫度的這種改變之前會存在延遲。第三，具有新塗層(coating)的每一新型工件都需要帶有永久貼合的熱電偶的校準工件，因為塗層會改變發射率(emissivity)。這是為了確保特定工件與塗層組合的精確溫度讀數(reading)。這是非常昂貴且耗時的程序。
第二種技術是使用高溫計或其他紅外感測器來遠端測量工件的溫度。然而，使用紅外線的溫度測量可能不精確，因為矽的發射率隨著溫度的變化而改變。換句話說，如果高溫計是在特定的溫度下進行校準，那麼在不接近校準溫度的溫度下的讀數將是錯誤的。
因此，當試圖將工件從第一溫度(例如，室溫)加熱到第二較高溫度時，這兩種測量技術都是有問題的。接觸式熱電偶的溫度偏差及時滯可能難以控制加熱源以使工件達到期望的溫度。 矽的改變的發射率使得使用高溫計在寬的溫度範圍內進行溫度測量變得即使不是不可能，也是困難的。
因此，如果存在一種控制系統來精確地對工件進行加熱而不利用帶有永久貼合的熱電偶的校準工件，那麼將是有益的。此外，如果控制系統使用接觸式熱電偶和/或高溫計進行操作，那麼將是有利的。
公開一種將工件加熱到期望的溫度的系統及方法。此系統及方法在創建更高效地對工件進行加熱的混合方法時考慮了溫度器件的物理限制，例如時滯、溫度偏差及校準。首先，使用開環控制對工件進行加熱，以將工件加熱到閾值溫度。在達到閾值溫度之後，利用閉環維持模式。在某些實施例中，在開環加溫模式與閉環維持模式之間採用開環維持模式。另外，還公開一種使用接觸式熱電偶校準高溫計的方法。
根據一個實施例，公開一種用於控制工件的溫度的系統。所述系統包括：溫度感測器；加熱元件；以及控制器，與所述溫度感測器及所述加熱元件進行通訊，其中所述控制器包括處理單元及記憶體器件，其中所述記憶體器件包含指令，所述指令在由所述處理單元執行時能夠使所述控制器：以開環加溫模式運行，其中所述控制器使用開環控制對所述工件進行加熱，直到達到閾值溫度；以及以閉環維持模式運行，其中所述控制器使用閉環控 制將所述工件的溫度維持在目標溫度。在某些實施例中，所述溫度感測器具有時滯，且所述記憶體器件還包含在由所述處理單元執行時能夠使所述控制器進行以下操作的指令：在達到所述閾值溫度之後以開環維持模式運行，其中所述控制器使用開環控制粗略地維持所述工件的所述溫度；以及在一持續時間之後，從開環維持模式切換到所述閉環維持模式。在一些實施例中，所述持續時間至少與所述時滯一樣長。在某些實施例中，所述閾值溫度被選擇成使得在所述開環加溫模式期間所述工件的所述溫度不超過所述目標溫度。在某些實施例中，以所述閉環維持模式運行包括：對所述溫度感測器的輸出進行採樣；對所述溫度感測器的溫度偏差-如果有的話-進行修正；對所述溫度感測器的時滯-如果有的話-進行補償；以及使用所述溫度感測器的經修正及補償的輸出作為比例-積分-微分控制環路的輸入來確定送至所述加熱元件的輸出。在一些實施例中，對所述時滯進行補償包括利用逆低通濾波器，其中所述逆低通濾波器的時間常數等於所述溫度感測器的所述時滯。在某些實施例中，所述溫度感測器包括接觸式熱電偶。在某些實施例中，所述溫度感測器包括高溫計。
根據另一實施例，公開一種將工件加熱到目標溫度的方法。所述方法包括：以開環加溫模式運行，其中控制器使用開環控制對加熱元件進行控制，直到達到閾值溫度；以及以閉環維持模式運行，其中所述控制器基於來自溫度感測器的測量、使用閉環控制將所述工件的溫度維持在目標溫度。在某些實施例中，所 述方法還包括：以開環維持模式運行，其中所述控制器在切換到所述閉環維持模式之前使用開環控制將所述工件的溫度粗略地維持一持續時間。在某些實施例中，所述溫度感測器具有時滯，且所述持續時間至少與所述時滯一樣長。在某些實施例中，以所述閉環維持模式運行包括：對所述溫度感測器的輸出進行採樣；對所述溫度感測器的溫度偏差-如果有的話-進行修正；對所述溫度感測器的時滯-如果有的話-進行補償；以及使用所述溫度感測器的經修正及補償的輸出作為比例-積分-微分控制環路的輸入來確定送至所述加熱元件的輸出。在某些實施例中，對所述時滯進行補償包括利用逆低通濾波器，其中所述逆低通濾波器的時間常數等於所述溫度感測器的所述時滯。在某些實施例中，所述溫度感測器包括高溫計，且所述方法還包括：在所述開環加溫模式之前使用接觸式熱電偶通過以下方式校準所述高溫計：將工件加熱到由所述接觸式熱電偶確定的已知溫度；停留在所述已知溫度達一持續時間，所述持續時間大於所述接觸式熱電偶的時滯；以及將所述高溫計的輸出關聯到由所述接觸式熱電偶確定的所述已知溫度。
根據另一實施例，一種非暫時性電腦可讀介質，包含指令，所述指令在由控制器執行時能夠使所述控制器：以開環加溫模式運行，其中所述控制器使用開環控制使用加熱元件對工件進行加熱，直到達到閾值溫度，所述閾值溫度由溫度感測器進行測量；以及以閉環維持模式運行，其中所述控制器基於由所述溫度感測器進行的測量、使用閉環控制將所述工件的溫度維持在目標 溫度。在某些實施例中，所述溫度感測器具有時滯，且所述非暫時性電腦可讀介質還包含在由所述控制器執行時能夠使所述控制器進行以下操作的指令：在達到所述閾值溫度之後以開環維持模式運行，其中所述控制器使用開環控制粗略地維持所述工件的所述溫度；以及在一持續時間之後，從開環維持模式切換到閉環維持模式。在某些實施例中，所述持續時間至少與所述時滯一樣長。在某些實施例中，所述閾值溫度被選擇成使得在所述開環加溫模式期間所述工件的所述溫度不超過所述目標溫度。在某些實施例中，以所述閉環維持模式運行包括：對所述溫度感測器的輸出進行採樣；對所述溫度感測器的溫度偏差-如果有的話-進行修正；對所述溫度感測器的時滯-如果有的話-進行補償；以及使用所述溫度感測器的經修正及補償的輸出作為比例-積分-微分控制環路的輸入來確定送至所述加熱元件的輸出。在某些實施例中，對所述時滯進行補償包括利用逆低通濾波器，其中所述逆低通濾波器的時間常數等於所述溫度感測器的所述時滯。
10:工件
100:襯底加熱系統
101:處理室
102:石英窗口
110:加熱元件
120:接觸式熱電偶
121:電線
130:控制器
131:處理單元
132:記憶體器件
140:高溫計
200、210、220、230、240、410、420、430、700、710、720、730:程序
300:線
310:閾值溫度
311:目標溫度
320:第一持續時間
321:第二持續時間
322:第三持續時間
330:第一功率位準
331:第二功率位準
332:功率位準
400:溫度感測器
為了更好地理解本公開，參照附圖，所述附圖通過引用併入本文，且在附圖中：圖1是根據一個實施例的使用接觸式熱電偶來測量工件的溫度的處理室。
圖2是示出用於對工件進行加熱的順序的流程圖。
圖3是示出工件的溫度及施加到加熱元件的功率隨著時間的變化而變化的曲線圖。
圖4示出可用於一些實施例中的閉合控制環路(closed control loop)。
圖5是根據一個實施例的使用高溫計來測量工件的溫度的處理室。
圖6是根據一個實施例的使用高溫計與用來校準高溫計的接觸式熱電偶的處理室。
圖7是示出使用接觸式熱電偶來校準高溫計的順序的流程圖。
如上所述，在許多應用中，在襯底被處理之前對襯底進行預熱是有利的。因此，可用於快速加熱襯底的系統將是有益的。
圖1示出根據一個實施例的襯底加熱系統100的側視圖。襯底加熱系統100包括處理室101，處理室101可維持在接近真空條件(例如小於100mTorr)下。處理室101的外部是加熱元件110。來自加熱元件110的光可穿過用作處理室101的一側的視窗，例如石英視窗102。此加熱元件110可為加熱燈陣列。舉例來說，可使用鹵鎢燈泡(tungsten halogen light bulb)朝工件發射能量。
鹵鎢燈泡發射的功率的波長介於從約400nm到2600nm的範圍內，峰值處於近似1000nm。在波長600nm與1800nm之 間，發射功率至少是最大發射功率的一半。
在其他實施例中，發光二極體(light emitting diode，LED)可提供熱能。在一些情況下，LED是使用鎵及氮(GaN)或者氮化銦及氮化鎵(InGaN)製作的。這些LED發射光的波長與p型材料和n型材料之間的帶隙能量(bandgap energy)有關。因此，對於使用GaN及InGaN製作的LED，波長傾向於處於約450nm到500nm。
如圖1中所示，加熱元件110可設置在工件10的上方，或者可設置在工件10的下方。因此，加熱元件110的位置不受本公開限制。
在處理室101的外部可設置有控制器130。此控制器130包括處理單元131及記憶體器件132。處理單元131可為任何合適的元件，例如微處理器、嵌入式處理器、應用專用電路、可程式設計電路、微控制器或其他類似器件。此記憶體器件132包含指令，所述指令在由處理單元131執行時能夠使控制器130實行本文中闡述的功能。此記憶體器件132可為非易失性記憶體，例如快閃記憶體唯讀記憶體(Flash Read Only Memory，Flash ROM)、電可擦除ROM或其他合適的器件。在其他實施例中，記憶體器件132可為易失性記憶體，例如隨機存取記憶體(random access memory，RAM)或動態隨機存取記憶體(dynamic random access memory，DRAM)。
控制器130與加熱元件110進行通訊。控制器可使加熱元 件110通電，且還可確定供應到加熱元件110的功率的量。換句話說，控制器130可確定供應到加熱元件110的功率的適當可變的量，以實現期望的工件溫度。
在處理室101中(例如在工件支架(workpiece support)上)還設置有工件10。接觸式熱電偶120可實體接觸工件10。控制器130經由電線121與接觸式熱電偶120進行電通訊。因此，控制器130能夠經由接觸式熱電偶120監控工件10的溫度。
因此，接觸式熱電偶120、控制器130及加熱元件110形成閉環控制系統，其中控制器130經由接觸式熱電偶120監控工件10的溫度且相應地調節送至加熱元件110的功率。
如上所述，接觸式熱電偶120可具有兩個缺點；溫度偏差及時滯。因此，可實行校準以將由接觸式熱電偶120記錄的溫度與工件10的實際溫度相關聯。舉例來說，可將工件放置在處理室中且將工件加熱到已知溫度。此工件可為熱電偶工件，所述熱電偶工件是具有嵌入的熱電偶的工件。然後記錄由接觸式熱電偶測量的溫度。這可在多個溫度下實行以創建示出工件的測量溫度及實際溫度的曲線圖或表格。如上所述，處理室101可具有石英視窗102。在此實施例中，石英視窗102的溫度可作為處理室101內的溫度的代表(proxy)。在另一實施例中，可在處理室101內設置器件，例如矽試片(silicon coupon)。器件的溫度可作為處理室101內的溫度的代表。校準程序可包括實際的工件溫度、處理室101內的溫度以及由接觸式熱電偶測量的溫度。基於此資料， 可確定關係。因此，可基於從接觸式熱電偶120接收的測量以及可選地處理室101中的石英視窗102的溫度來確定工件10的實際溫度。在某些實施例中，確定溫度偏差的表徵測試(characterization testing)可由系統供應商(system vendor)或元件供應方實行。換句話說，以上闡述的校準技術可單獨地且在與以下闡述的其餘程序不同的時間實行。
與接觸式熱電偶120相關聯的第二個問題是它的時滯。據估計，工件10達到特定溫度的時間與接觸式熱電偶檢測到此溫度的時間之間的持續時間可為幾秒。在某些實施例中，用於確定特定接觸式熱電偶120的時滯的表徵測試可由系統供應商或元件供應方來實行。因此，實際時滯可被提供到執行以下闡述的方法的控制器130。
換句話說，接觸式熱電偶就像低通濾波器，以一定的時間延遲傳遞信號。低通濾波器可使用以下公式進行數位構建：Sfiltered,i=(1-f)* Sfiltered,i-1+f*Sraw,i，其中，Sraw,i是時間i處的原信號
Sfiltered,i是時間i處的濾波信號
Sfiltered,i-1是時間i-1處的濾波信號，且f=Tsample/(Tsample+τfilter)，其中Tsample是資料採樣時間間隔，且 τfilter是低通濾波器的時間常數。
此方程可用於將信號延遲近似τfilter。
接觸式熱電偶120充當低通濾波器，使得其測量滯後於實際溫度一定的時間延遲。因此，為了重建原始信號，可創建逆低通濾波器，所述逆低通濾波器基於濾波後的信號來恢復原始信號。求解以上方程的Sraw,i，得出以下結果：Sraw,i=Sfiltered,i-1+(Sfiltered,i-Sfiltered,i-1)/f
因此，通過以有規律的時間間隔對測量(例如Tsample)進行採樣，並記錄測量，可使用逆低通濾波器來重建當前時間處的工件10的實際溫度。
這種逆低通濾波器可能會引入雜訊且因此當溫度存在微小改變時可能會更精確。
已經闡述了消除溫度偏差及時滯的技術，可創建混合控制系統來對工件10進行加熱。
圖2示出使用圖1的系統以受控方式對工件10進行加熱的流程圖。控制器130可執行圖2中闡述的程序。這在圖3中以圖表方式示出。首先，如程序200中所示，控制器向加熱元件110施加第一功率位準330。此第一功率位準330使得工件10快速對工件進行加熱，如圖3中的線300所示。在第一持續時間320期間，控制器130以開環模式運行，其中控制器130向加熱元件110 施加第一功率位準330而不依賴於工件10的溫度。第一持續時間320期間的模式可被稱為開環加溫模式。眾所周知，開環控制意味著工件10的溫度不影響供應到加熱元件110的功率。因此，在某些實施例中，以開環加溫模式中，施加到加熱元件110的功率可保持恆定，直到達到閾值溫度310。
儘管施加到加熱元件110的第一功率位準330不取決於工件10的溫度，但是控制器130在第一持續時間320期間仍使用接觸式熱電偶120監控工件10的溫度。
如程序210中所示，只要工件10的溫度尚未達到閾值溫度310，控制器130便保持開環加溫模式。一旦工件10的溫度達到閾值溫度310，控制器130便退出開環加溫模式。
在某些實施例中，使用接觸式熱電偶120測量工件10的溫度。在某些實施例中，基於溫度增加的速率(即，線300的斜率)來選擇閾值溫度310。在某些實施例中，當確定閾值溫度310時，考慮接觸式熱電偶120的溫度偏差。在某些實施例中，當確定閾值溫度310時，考慮接觸式熱電偶120的時滯。在其他實施例中，閾值溫度310是憑經驗確定的，以便在使工件10的溫度不超過目標溫度311的情況下實現快速預熱時間。因此，閾值溫度310小於目標溫度311。舉例來說，閾值溫度310可比目標溫度311低20℃到30℃。
當控制器130退出開環加溫模式時，它進入開環維持模式，如程序220中所示。在具有第二持續時間321的此模式中， 控制器130調節施加到加熱元件110的功率，以試圖維持工件10的溫度。可在第二持續時間321期間將第二功率位準331施加到加熱元件110。此第二功率位準331小於第一功率位準330。儘管工件的溫度可能偏離此閾值溫度310，但第二功率位準331可使工件10的溫度粗略地保持在閾值溫度310，如圖3中所示。選擇第二功率位準331以粗略地維持工件10的溫度，直到第二持續時間321期滿。短語“粗略地維持(roughly maintain)”表示工件的溫度可偏離閾值溫度310高達20℃。第二持續時間321可等於或大於接觸式熱電偶120的時滯。如上所闡釋，接觸式熱電偶120的時滯可為例如由系統供應商供應到控制器130的參數，或者可基於技術資料登錄到控制器130。因此，在一個實施例中，控制器130在整個開環維持模式期間施加小於第一功率位準330的第二功率位準331，且在第二持續時間321期間保持第二功率位準331恆定。
這樣一來，逆低通濾波器使用所有相當接近目標溫度311的溫度值進行操作。這可提高逆低通濾波器的精度。舉例來說，在某些實施例中，接觸式熱電偶120的時滯可為約2.7秒。因此，在此實施例中，如程序230中所示，等待延遲可為至少2.7秒。
在等待延遲之後，控制器130切換到閉環維持模式，如程序240中所示。閉環維持模式具有第三持續時間322，如圖3中所示。在這種模式下，控制器130使用來自接觸式熱電偶120的測量來確定施加到加熱元件110的功率位準332。眾所周知，閉環控 制意味著供應到加熱元件110的功率取決於工件10的溫度。典型的閉環程序如圖4中所示。
首先，對來自溫度感測器400的信號進行採樣。溫度感測器400可為如上所述的接觸式熱電偶120，或者如下所述的高溫計。接下來，如程序410中所示，修正溫度感測器讀數中固有的溫度偏差。這可通過向採樣讀數添加常數來實現。在另一實施例中，這可通過使用將測量溫度轉換為實際溫度的查閱資料表或方程來實現。同樣，修正溫度偏差的演算法可由系統提供方或通過另一種方法提供。一旦已經修正溫度值，便對溫度感測器400中可能固有的時滯進行補償，如程序420中所示。如上所述，這可使用時間常數等於溫度感測器400的時滯的逆低通濾波器來實現。逆低通濾波器的輸出代表工件10在當前時間的實際溫度。如程序430中所示，然後將此值用作比例-積分-微分(Proportional-Integral-Derivative，PID)控制環路的輸入。PID控制環路的輸出用於向加熱元件110施加適量的功率。這樣一來，可嚴格控制工件10的溫度。
由於控制器130使用開環控制(例如在第一持續時間320期間)及閉環控制(例如在第三持續時間322期間)，因此這種方法可被稱為混合控制系統。
圖5示出其中高溫計140被用於測量工件10的溫度的實施例。在此實施例中，接觸式熱電偶120被高溫計140代替。高溫計140可設置在處理室101的外部且可通過視窗向處理室101 中發射光。當用於確定矽晶片的溫度時，高溫計140具有局限性。矽的光學性質使得使用紅外技術測量工件的絕對溫度變得困難。發射率是對材料通過輻射發射能量的能力的測量。在某些溫度下，矽的發射率改變很快，且這使得用於精確測量絕對溫度的紅外成像變成一種不穩定技術。在某些溫度下，矽的發射率幾乎為零。隨著矽的溫度增加，矽的發射率也增加。在800℃下，矽的發射率幾乎恆定在接近0.7。
因此，為了使用高溫計140，在期望的溫度下校準高溫計140。換句話說，將工件加熱到期望的溫度。舉例來說，工件可被放置在處理室中並被加熱到已知溫度。此工件可為熱電偶工件，熱電偶工件為具有嵌入的熱電偶的工件。然後記錄由高溫計140測量的溫度。這可在多個溫度下實行，以便創建示出工件的測量溫度及實際溫度的曲線圖或表格。因此，在期望的溫度下，工件具有一定的發射率且高溫計140被校準到所述發射率。
圖6示出可用於校準高溫計140的另一實施例。與前面的實施例不同，圖6的實施例不利用熱電偶工件。因此，此實施例可更容易地由系統的客戶或使用者實施。在此實施例中，僅利用高溫計140來控制工件的溫度，而接觸式熱電偶120僅用於校準高溫計140。如上所述，為了使用高溫計140，在期望的溫度下校準高溫計140。此校準程序如圖7中所示。首先，如程序700中所示，將工件10加熱到已知溫度。舉例來說，可將工件放置在處理室中，且將工件加熱到由接觸式熱電偶120限定的已知溫度。此 已知溫度可為工件將被加熱到的期望溫度，或者可為校準溫度。由於接觸式熱電偶120可用於測量工件10的溫度，因此不利用熱電偶工件。如上所述，接觸式熱電偶120可具有溫度偏差。當確定工件處於已知溫度時，可考慮這一點。此外，由於接觸式熱電偶120具有固有的回應延遲，因此工件10保持在已知的設定點溫度達足夠的持續時間，如程序710中所示。此持續時間包括在內，以確保時間延遲為零。舉例來說，此持續時間等於或大於接觸式熱電偶120的時滯。然後記錄由高溫計140測量的溫度，如程序720中所示。這可在多個溫度下實行，以便創建示出工件的測量溫度及實際溫度的曲線圖或表格。然後將高溫計140的輸出關聯到由接觸式熱電偶確定的已知溫度，如程序730中所示。因此，在此已知溫度下，工件具有一定的發射率且高溫計140被校準到所述發射率。因此，如果利用具有新發射率的不同工件，則會重新校準高溫計140。
一旦校準，高溫計140便可用於測量工件10的溫度，但僅處於校準溫度附近。換句話說，高溫計140可用於在第二持續時間321及第三持續時間322期間檢測閾值溫度310，但是在較低溫度下是無效的，例如在第一持續時間320期間發現的那些。
高溫計140也在其他方面不同於接觸式熱電偶120。舉例來說，與接觸式熱電偶不同，高溫計140測量工件10的暫態溫度。換句話說，高溫計140沒有時間延遲。
這些特性使得圖2中所示的順序同樣適用於高溫計。舉例 來說，由於高溫計140不可測量低溫，因此使用程序200中所示的開環加溫模式。在此實施例中，閾值溫度是高溫計可精確測量工件10的溫度時的溫度。一旦達到閾值溫度，控制器130便切換到開環維持模式，如程序220中所示。
控制器130在等待延遲期間保持此模式，如程序230中所示。然而，在某些實施例中，由於高溫計140沒有時滯，等待延遲可為零或接近零。控制器130然後切換到閉環維持模式，如程序240中所示。因此，在某些實施例中，當使用高溫計140時，控制器130在達到閾值溫度310時從開環加溫模式直接移動到閉環維持模式。
此外，與閉環維持模式相關聯的閉合控制環路可與圖4中所示的閉合控制環路不同。具體來說，由於高溫計140被校準到期望的溫度，因此可省略程序410中所示的溫度偏差校正。類似地，由於高溫計140沒有時滯，因此也可省略程序420中所示的對時滯進行補償。
換句話說，高溫計140的輸出可直接用作PID控制環路的輸入，如程序430中所示。
儘管以上公開闡述了具有控制器的系統，所述控制器具有能夠使其實行圖2中所示序列的指令，但是其他實施例也是可能的。舉例來說，可將實行這些功能的指令下載到現有系統。換句話說，這些指令可(例如(舉例來說)通過網路連接(未示出)、通過光碟唯讀記憶體(compact disc read only memory，CD ROM) 或通過另一種機制)下載到記憶體器件132中。這些指令可用任何程式設計語言編寫且不受本公開限制。因此，在一些實施例中，可存在包含本文中闡述的指令的多個電腦可讀介質。第一電腦可讀介質可與處理單元131進行通訊，如圖1中所示。第二非暫時性電腦可讀介質可為位於遠離控制器130的CD ROM或不同的記憶體器件。可將包含在此第二非暫時性電腦可讀介質上的指令下載到記憶體器件132上，以允許由控制器130執行指令。
本申請中的上述實施例可具有許多優點。首先，在處理之前對襯底進行加熱是常見的半導體製作程序。通過創建採用開環控制及閉環控制二者的混合控制系統，可使達到期望溫度的時間最小化，從而提高通量。另外，使用閉環控制，對溫度偏差及時滯-如果有的話-進行補償使得工件的最終溫度能夠得到更嚴格的控制。舉例來說，在一個測試中，將這種混合方法與傳統的PID控制環路進行比較，其中控制器在整個加熱程序中利用閉環控制。在每次測試中，目標溫度為150℃。傳統的閉環控制方法使得工件在22秒後達到目標溫度。相比之下，在利用閉環控制之前的加溫期間使用開環控制的混合方法使得工件在約10秒內達到目標溫度。這種加熱時間的急劇減少可顯著提高通量。
本公開在範圍上不受本文中所述具體實施例限制。實際上，根據上述說明及附圖，除本文中所述之外的本公開的其他各種實施例及修改對於所屬領域中的普通技術人員來說將顯而易見。因此，此種其他實施例及修改旨在落於本公開的範圍內。此 外，儘管本文中已在用於特定目的的特定環境中的特定實施方案的上下文中闡述了本公開，但所屬領域中的普通技術人員將認識到其適用性並不僅限於此且本公開可有益地出於任意數目的目的而在任意數目的環境中實施。因此，以下所提出的申請專利範圍應根據本文中所述本公開的全部廣度及精神來解釋。
300:線
310:閾值溫度
311:目標溫度
320:第一持續時間
321:第二持續時間
322:第三持續時間
330:第一功率位準
331:第二功率位準
332:功率位準

Claims (15)

  1. 一種用於控制工件的溫度的系統，包括：溫度感測器；加熱元件；以及控制器，與所述溫度感測器及所述加熱元件進行通訊，其中所述控制器包括處理單元及記憶體器件，其中所述記憶體器件包含指令，所述指令在由所述處理單元執行時能夠使所述控制器：以開環加溫模式運行，其中所述控制器使用開環控制對所述工件進行加熱，直到達到閾值溫度，其中所述溫度感測器的讀數不影響所述開環加溫模式期間施加到所述加熱元件的功率；以及以閉環維持模式運行，其中所述控制器使用閉環控制將所述工件的溫度維持在目標溫度。
  2. 如請求項1所述的系統，其中所述溫度感測器具有時滯，且所述記憶體器件還包含在由所述處理單元執行時能夠使所述控制器進行以下操作的指令：在達到所述閾值溫度之後以開環維持模式運行，其中所述控制器使用開環控制粗略地維持所述工件的溫度；以及在一持續時間之後，從所述開環維持模式切換到所述閉環維持模式，其中所述持續時間至少與所述時滯一樣長。
  3. 如請求項1所述的系統，其中所述閾值溫度被選擇成使得在所述開環加溫模式期間所述工件的溫度不超過所述目標溫度。
  4. 如請求項1所述的系統，其中以所述閉環維持模式運行包括：對所述溫度感測器的輸出進行採樣；對所述溫度感測器的溫度偏差-如果有的話-進行修正；對所述溫度感測器的時滯-如果有的話-進行補償；以及使用所述溫度感測器的經修正及補償的輸出作為比例-積分-微分控制環路的輸入來確定送至所述加熱元件的輸出。
  5. 如請求項4所述的系統，其中對所述時滯進行所述補償包括利用逆低通濾波器，其中所述逆低通濾波器的時間常數等於所述溫度感測器的所述時滯。
  6. 一種將工件加熱到目標溫度的方法，包括：以開環加溫模式運行，其中控制器使用開環控制對加熱元件進行控制，直到達到閾值溫度，其中溫度感測器的讀數不影響所述開環加溫模式期間施加到所述加熱元件的功率；以及以閉環維持模式運行，其中所述控制器基於來自溫度感測器的測量、使用閉環控制將所述工件的溫度維持在目標溫度。
  7. 如請求項6所述的方法，還包括：以開環維持模式運行，其中所述控制器在切換到所述閉環維持模式之前使用開環控制將所述工件的溫度粗略地維持一持續時 間，其中所述溫度感測器具有時滯，且所述持續時間至少與所述時滯一樣長。
  8. 如請求項6所述的方法，其中以所述閉環維持模式運行包括：對所述溫度感測器的輸出進行採樣；對所述溫度感測器的溫度偏差-如果有的話-進行修正；對所述溫度感測器的時滯-如果有的話-進行補償；以及使用所述溫度感測器的經修正及補償的輸出作為比例-積分-微分控制環路的輸入來確定送至所述加熱元件的輸出。
  9. 如請求項8所述的方法，其中對所述時滯進行所述補償包括利用逆低通濾波器，其中所述逆低通濾波器的時間常數等於所述溫度感測器的所述時滯。
  10. 如請求項6所述的方法，其中所述溫度感測器包括高溫計，所述方法還包括：在所述開環加溫模式之前使用接觸式熱電偶通過以下方式校準所述高溫計：將工件加熱到由所述接觸式熱電偶確定的已知溫度；停留在所述已知溫度達一持續時間，所述持續時間大於所述接觸式熱電偶的時滯；以及將所述高溫計的輸出關聯到由所述接觸式熱電偶確定的所述已知溫度。
  11. 一種非暫時性電腦可讀介質，包含指令，所述指令在由控制器執行時能夠使所述控制器：以開環加溫模式運行，其中所述控制器使用開環控制使用加熱元件對工件進行加熱，直到達到閾值溫度，所述閾值溫度由溫度感測器進行測量，其中所述溫度感測器的讀數不影響所述開環加溫模式期間施加到所述加熱元件的功率；以及以閉環維持模式運行，其中所述控制器基於由所述溫度感測器進行的測量、使用閉環控制將所述工件的溫度維持在目標溫度。
  12. 如請求項11所述的非暫時性電腦可讀介質，其中所述溫度感測器具有時滯，且所述非暫時性電腦可讀介質還包含在由所述控制器執行時能夠使所述控制器進行以下操作的指令：在達到所述閾值溫度之後以開環維持模式運行，其中所述控制器使用開環控制粗略地維持所述工件的溫度；以及在一持續時間之後，從所述開環維持模式切換到所述閉環維持模式，其中所述持續時間至少與所述時滯一樣長。
  13. 如請求項11所述的非暫時性電腦可讀介質，其中所述閾值溫度被選擇成使得在所述開環加溫模式期間所述工件的溫度不超過所述目標溫度。
  14. 如請求項11所述的非暫時性電腦可讀介質，其中以所述閉環維持模式運行包括：對所述溫度感測器的輸出進行採樣；對所述溫度感測器的溫度偏差-如果有的話-進行修正； 對所述溫度感測器的時滯-如果有的話-進行補償；以及使用所述溫度感測器的經修正及補償的輸出作為比例-積分-微分控制環路的輸入來確定送至所述加熱元件的輸出。
  15. 如請求項14所述的非暫時性電腦可讀介質，其中對所述時滯進行所述補償包括利用逆低通濾波器，其中所述逆低通濾波器的時間常數等於所述溫度感測器的所述時滯。
TW109118449A 2019-06-17 2020-06-02 用於控制加熱溫度的方法及系統與非暫時性電腦可讀介質 TWI804734B (zh)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US16/443,043 US11545375B2 (en) 2019-06-17 2019-06-17 Hybrid control system for workpiece heating
US16/443,043 2019-06-17

Publications (2)

Publication Number Publication Date
TW202115517A TW202115517A (zh) 2021-04-16
TWI804734B true TWI804734B (zh) 2023-06-11

Family

ID=73745662

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
TW109118449A TWI804734B (zh) 2019-06-17 2020-06-02 用於控制加熱溫度的方法及系統與非暫時性電腦可讀介質

Country Status (6)

Country Link
US (1) US11545375B2 (zh)
JP (1) JP7365432B2 (zh)
KR (1) KR102676155B1 (zh)
CN (1) CN113924641A (zh)
TW (1) TWI804734B (zh)
WO (1) WO2020256876A1 (zh)

Families Citing this family (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP4209112A1 (en) 2020-09-04 2023-07-12 Watlow Electric Manufacturing Company Method and system for controlling an electric heater using control on energy
KR20220144512A (ko) * 2021-04-20 2022-10-27 주성엔지니어링(주) 기판처리장치, 온도측정방법 및 온도제어방법
US20230086151A1 (en) * 2021-09-23 2023-03-23 Applied Materials, Inc. In-situ calibration/optimization of emissivity settings in vacuum for temperature measurement
CN113853035A (zh) * 2021-11-09 2021-12-28 陕西科技大学 一种提高温控精度的装置及方法

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2004000180A2 (en) * 2002-06-24 2003-12-31 Bausch & Lomb Incorporated Adjustable fluid flow resistor cassette
US20040195737A1 (en) * 2001-05-16 2004-10-07 Arjen Storm Method and device for heat treating substrates
JP2016006824A (ja) * 2014-06-20 2016-01-14 トヨタ自動車株式会社 冷却器
US9418881B2 (en) * 2010-10-18 2016-08-16 Hitachi Kokusai Electric Inc. Substrate processing apparatus capable of switching control mode of heater

Family Cites Families (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2729283B2 (ja) * 1986-05-12 1998-03-18 光洋精工株式会社 ランプアニール炉の温度制御装置
US6121061A (en) 1997-11-03 2000-09-19 Asm America, Inc. Method of processing wafers with low mass support
US6204484B1 (en) * 1998-03-31 2001-03-20 Steag Rtp Systems, Inc. System for measuring the temperature of a semiconductor wafer during thermal processing
US7734439B2 (en) 2002-06-24 2010-06-08 Mattson Technology, Inc. System and process for calibrating pyrometers in thermal processing chambers
US7398693B2 (en) * 2006-03-30 2008-07-15 Applied Materials, Inc. Adaptive control method for rapid thermal processing of a substrate
US8052419B1 (en) * 2007-11-08 2011-11-08 Novellus Systems, Inc. Closed loop temperature heat up and control utilizing wafer-to-heater pedestal gap modulation
US8254767B2 (en) * 2008-08-29 2012-08-28 Applied Materials, Inc. Method and apparatus for extended temperature pyrometry
MX2015012500A (es) 2013-03-14 2016-06-28 Magnadrive Corp Aparatos, sistemas, y metodos para monitorear temperaturas elevadas en acoplamientos y accionamientos rotatorios.
US10366867B2 (en) * 2016-08-19 2019-07-30 Applied Materials, Inc. Temperature measurement for substrate carrier using a heater element array
US20180053666A1 (en) 2016-08-19 2018-02-22 Applied Materials, Inc. Substrate carrier with array of independently controllable heater elements

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20040195737A1 (en) * 2001-05-16 2004-10-07 Arjen Storm Method and device for heat treating substrates
WO2004000180A2 (en) * 2002-06-24 2003-12-31 Bausch & Lomb Incorporated Adjustable fluid flow resistor cassette
US9418881B2 (en) * 2010-10-18 2016-08-16 Hitachi Kokusai Electric Inc. Substrate processing apparatus capable of switching control mode of heater
JP2016006824A (ja) * 2014-06-20 2016-01-14 トヨタ自動車株式会社 冷却器

Also Published As

Publication number Publication date
US11545375B2 (en) 2023-01-03
WO2020256876A1 (en) 2020-12-24
KR20220024515A (ko) 2022-03-03
CN113924641A (zh) 2022-01-11
JP2022537535A (ja) 2022-08-26
US20200395233A1 (en) 2020-12-17
TW202115517A (zh) 2021-04-16
KR102676155B1 (ko) 2024-06-18
JP7365432B2 (ja) 2023-10-19

Similar Documents

Publication Publication Date Title
TWI804734B (zh) 用於控制加熱溫度的方法及系統與非暫時性電腦可讀介質
JP5173092B2 (ja) 加工室の温度制御方法、半導体加工装置及びセンサ較正方法
TWI387007B (zh) 用以快速熱處理基材的適度控制法
US8047706B2 (en) Calibration of temperature control system for semiconductor processing chamber
US6151446A (en) Apparatus and method for thermally processing substrates including a processor using multiple detection signals
TWI504871B (zh) 使用低溫測溫法進行低溫測量及控制之方法
US10345155B2 (en) Model based lamp background filtration of stray radiation for pyrometry
US20150170934A1 (en) Flat wafer control
JP2012156522A (ja) 二重パイロメータ
JP6464765B2 (ja) 熱処理装置、熱処理方法及び記憶媒体
TW201543533A (zh) 處理系統及校準工件製程、驗證工件製造製程及在高溫處理工件的方法
TW201625910A (zh) 校準ｃｖｄ或ｐｖｄ反應器之高溫計配置的方法
JP3795788B2 (ja) 基板の熱処理方法
CN113939720B (zh) 高温计校正衬底温度方法及非暂时性计算机可读存储介质
KR102199776B1 (ko) 기판 온도 측정 장치 및 방법
US10605677B2 (en) Method for calibrating a temperature control in thermal analyses of samples
JP2008218928A (ja) ウエハ加熱成膜装置、及びウエハ温度制御方法
JP2000218151A (ja) 真空装置
KR100377012B1 (ko) 급속열처리 장치의 온도보정 방법
TWI844536B (zh) 用於原位晶圓溫度測量、監測與控制的系統
JP2001289714A (ja) 基板の温度計測方法及び計測装置、並びに基板の処理装置
JP2005183485A (ja) 枚葉式ランプ加熱装置
JP2006114638A (ja) 熱処理装置、熱処理方法及び昇温レートの算出方法
JP2006114580A (ja) 温度測定装置及びプラズマ処理装置