一種可快速精細(xì)調(diào)節(jié)溫度場空間分布的加熱盤及控制方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種可快速精細(xì)調(diào)節(jié)溫度場空間分布的加熱盤及控制方法，屬于加熱盤的精細(xì)控制【技術(shù)領(lǐng)域】。在加熱盤金屬基體上設(shè)置若干個隔熱層，隔熱層將加熱盤金屬機(jī)體分成不同直徑的環(huán)形或扇形區(qū)域；在加熱盤金屬基體內(nèi)部、各隔熱層分隔的環(huán)形或扇形區(qū)域內(nèi)，分別設(shè)置若干個溫度傳感器、加熱棒及冷卻裝置；由控制模塊控制加熱棒加熱或冷卻裝置制冷，對溫度空間分布進(jìn)行精準(zhǔn)控制，使其逼近預(yù)期溫度空間分布要求。本發(fā)明通過隔熱層，減小相鄰區(qū)域間的熱擴(kuò)散效應(yīng)，使得不同區(qū)域間的控制更加獨(dú)立，進(jìn)而通過在不同區(qū)域設(shè)置獨(dú)立可控的加熱與冷卻裝置，實(shí)現(xiàn)對該區(qū)域溫度的雙向快速調(diào)節(jié)，最終實(shí)現(xiàn)對溫度場空間分布雙向、快速、靈活及精細(xì)化的調(diào)控能力。
【專利說明】一種可快速精細(xì)調(diào)節(jié)溫度場空間分布的加熱盤及控制方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種可快速精細(xì)調(diào)節(jié)溫度場空間分布的加熱盤及控制方法，屬于加熱盤的精細(xì)控制【技術(shù)領(lǐng)域】。
【背景技術(shù)】
[0002]溫度控制在很多領(lǐng)域有重要應(yīng)用，現(xiàn)在的溫度控制多是針對空間的平均溫度進(jìn)行調(diào)節(jié)，但在很多場合，需要對溫度場空間分布進(jìn)行快速精細(xì)調(diào)節(jié)。化學(xué)氣相沉積的在線實(shí)時控制就對溫度場空間空間分布的快速精細(xì)化調(diào)控提出了要求。
[0003]化學(xué)氣相沉積(CVD)是反應(yīng)物質(zhì)在氣態(tài)條件下發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成固態(tài)物質(zhì)沉積在加熱的固態(tài)基體表面，進(jìn)而制得固體材料的工藝技術(shù)，其通過化學(xué)氣相沉積裝置得以實(shí)現(xiàn)?，F(xiàn)階段化學(xué)氣相沉積(CVD)設(shè)備，如等離子增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積(PECVD)設(shè)備、低壓化學(xué)氣相沉積(LPCVD)設(shè)備、金屬有機(jī)化合物化學(xué)氣相沉積(MOCVD)設(shè)備己經(jīng)廣泛應(yīng)用于半導(dǎo)體器件制造領(lǐng)域。以下以離子增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積(PECVD)設(shè)備為例對現(xiàn)有的化學(xué)氣相沉積設(shè)備進(jìn)行簡單說明。
[0004]圖1為現(xiàn)有技術(shù)一種PECVD裝置結(jié)構(gòu)示意圖，包括工藝腔室I，腔室艙門2，噴淋頭3，遠(yuǎn)程等離子源4，質(zhì)量流量控制器5，射頻匹配器6，高頻源7，加熱盤8，低頻源9，基臺調(diào)整支柱10，真空泵11，壓力表12，頂針盤13，襯底14。
[0005]所述工藝腔室I和腔室艙門2的特征在于當(dāng)腔室艙門關(guān)閉時，工藝腔室內(nèi)部與外界隔離，實(shí)現(xiàn)真空密封；所述遠(yuǎn)程等離子源4的特征在于，產(chǎn)生刻蝕等離子體，用于清洗附著在腔室內(nèi)壁的沉積物；所述質(zhì)量流量控制器5的特征在于，能夠?qū)α魅牍に嚽皇业姆磻?yīng)氣體流量進(jìn)行調(diào)控，并通過所述噴淋頭3對氣流均勻性進(jìn)行調(diào)控；所述高頻源7、低頻源9的特征在于，在工藝腔室內(nèi)產(chǎn)生射頻電磁場，使反應(yīng)氣體解離，進(jìn)而產(chǎn)生等離子體，并通過射頻匹配器6對包含等離子的射頻回路阻抗特性進(jìn)行調(diào)控，使得盡可能多的射頻功率被注入工藝腔室，用于激發(fā)等離子而不被反射；所述基臺調(diào)整支柱10，其特征在于，調(diào)整射頻電容耦合放電的極間距；所述頂針盤13的特征在于，能夠?qū)⒁r底14頂起和落下，主要用于將襯底14放入和取出工藝腔室時；所述真空泵11、壓力表12的特征在于，能夠?qū)η皇覂?nèi)真空度進(jìn)行調(diào)節(jié)；所述襯底14的特征在于，放置在加熱盤8上，薄膜在襯底14上沉積；所述加熱盤8的特征在于，作為射頻電容耦合放電回路的下電極，并能夠?qū)λ鲆r底14進(jìn)行加熱，可調(diào)節(jié)襯底14的溫度。
[0006]隨著IC制造晶圓尺寸不斷增大，特征尺寸不斷縮小，IC制造對薄膜沉積工藝的大面積高一致性提出了更高的要求。這實(shí)際上是要求設(shè)備對工藝因素的空間分布具有更精確的控制能力，而現(xiàn)有的CVD腔室設(shè)計(jì)普遍過于剛性，只能對工藝因素平均值進(jìn)行調(diào)節(jié)，不能實(shí)現(xiàn)工藝因素空間分布的靈活調(diào)控，工藝品質(zhì)是由簡單的結(jié)構(gòu)與粗略的工藝條件控制來保證的，這導(dǎo)致設(shè)備對不同工藝要求的適應(yīng)能力及工藝偏差的調(diào)節(jié)矯正能力均相對較差，同時也不能實(shí)現(xiàn)工藝品質(zhì)空間分布的精細(xì)化調(diào)控。
【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]本發(fā)明的主要目的在于提供一種可快速精細(xì)調(diào)節(jié)溫度場空間分布的加熱盤及控制方法，使得PECVD腔室內(nèi)溫度空間分布具有靈活與精細(xì)化調(diào)控能力，能夠相對自由快速地使得腔室內(nèi)溫度空間分布逼近預(yù)期要求。本發(fā)明以PECVD裝置進(jìn)行說明，但不局限于PECVD裝置，可應(yīng)用于任何需要溫度場空間分布快速精細(xì)控制的場合。
[0008]所述加熱盤采用的技術(shù)方案為:
[0009]在加熱盤金屬基體上設(shè)置若干個隔熱層，隔熱層將加熱盤金屬機(jī)體分成不同直徑的環(huán)形或扇形區(qū)域；在加熱盤金屬基體內(nèi)部、各隔熱層分隔的環(huán)形或扇形區(qū)域內(nèi)，分別設(shè)置若干個溫度傳感器、加熱棒及冷卻裝置；
[0010]控制模塊包括溫度傳感器控制器、加熱棒控制器、冷卻裝置控制器和總控制器，由溫度傳感器和溫度傳感器控制器得到各區(qū)域溫度值，再由總控制器輸送指令加熱棒控制器和冷卻裝置控制器，控制加熱棒加熱或冷卻裝置制冷，對溫度空間分布進(jìn)行精準(zhǔn)控制，使其逼近預(yù)期溫度空間分布要求。
[0011]所述隔熱層可以為陶瓷隔熱材料，也可以為真空隔熱層。
[0012]所述溫度傳感器為熱電偶傳感器。
[0013]所述加熱棒為環(huán)形，截面形狀為圓形或多邊形。
[0014]所述冷卻裝置布置在加熱棒的下方，采用冷卻管道的形式，通過調(diào)節(jié)冷卻流體流量進(jìn)行降溫調(diào)節(jié)，冷卻流體為水、冷卻液或氣體；或者，冷卻裝置采用半導(dǎo)體制冷器件，通過電子設(shè)備進(jìn)行冷卻。
[0015]本發(fā)明還提供的一種所述加熱盤的溫度場空間分布控制方法，按如下步驟進(jìn)行:
[0016]步驟1:通過仿真或數(shù)值設(shè)定確定加熱盤的理想溫度場空間分布，并輸入總控制器；
[0017]步驟2:通過溫度傳感器獲得對應(yīng)采樣點(diǎn)的溫度值；
[0018]步驟3:通過溫度傳感器控制器將溫度傳感器獲得的采樣點(diǎn)溫度值轉(zhuǎn)換為可識別的信號；
[0019]步驟4:將溫度信號輸入總控制器，并通過擬合方法，得到近似的溫度場空間分布輪廓，比較當(dāng)前溫度場空間分布輪廓與預(yù)設(shè)溫度場分布輪廓之間的差異；
[0020]步驟5:根據(jù)差異，輸出控制信號給加熱棒控制器或冷卻裝置控制器，控制加熱棒加熱或冷卻裝置制冷，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對溫度場空間分布進(jìn)行快速調(diào)節(jié)；
[0021]重復(fù)執(zhí)行步驟2至步驟5和操作，采用基于PID的控制算法，直至實(shí)際溫度場空間分布逼近理論溫度場空間分布。
[0022]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果在于:
[0023]本發(fā)明通過加熱盤的設(shè)計(jì)，使得設(shè)備能夠?qū)囟瓤臻g分布具有雙向、快速、靈活的調(diào)控能力，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)工藝的快速精細(xì)化調(diào)控，為適應(yīng)在線實(shí)時工藝調(diào)控提供解決方案。另夕卜，這種工藝因素空間分布的設(shè)計(jì)與調(diào)控方案使得設(shè)備具有更自由的可編程控制，對不同的工藝要求具有更好的適應(yīng)能力，對工藝偏差具有更好的矯正能力，同時設(shè)備的穩(wěn)定性與兼容性也會大幅增強(qiáng)。
【專利附圖】

【附圖說明】[0024]圖1為現(xiàn)有技術(shù)中單腔室的PECVD工藝腔室示意圖；
[0025]圖2為本發(fā)明實(shí)施例1中加熱盤模塊俯視剖面圖；
[0026]圖3為本發(fā)明實(shí)施例2中加熱盤模塊俯視剖面圖；
[0027]圖4為本發(fā)明實(shí)施例1，2中加熱盤模塊主視剖面圖；
[0028]圖5為本發(fā)明控制系統(tǒng)流程圖；
[0029]圖中標(biāo)號:
[0030]1-工藝腔室；2_腔室艙門；3_噴淋頭；4_遠(yuǎn)程等離子源RPS ;5_質(zhì)量流量控制器MFC ;6_射頻匹配器；7_高頻源HRF ;8_加熱盤；9-低頻源LRF ; 10-基臺調(diào)整支柱；11_真空泵；12-壓力表；13-頂針盤；14_襯底；81_加熱盤金屬基體；82_溫度傳感器；83_隔熱層；84-加熱棒；85_控制模塊；851-溫度傳感器控制器；852_加熱器控制器；853_冷卻裝置控制器；854_總控制器；86_冷卻裝置。
【具體實(shí)施方式】
[0031]本發(fā)明提供了一種可快速精細(xì)調(diào)節(jié)溫度場空間分布的加熱盤及控制方法，下面結(jié)合附圖和【具體實(shí)施方式】對本發(fā)明做進(jìn)一步說明。
[0032]實(shí)施例1
[0033]圖2和圖4為加熱盤8的第一種實(shí)施方式的示意圖，該實(shí)施方式實(shí)現(xiàn)了溫度空間分布靈活的調(diào)控能力和精細(xì)化調(diào)控。
[0034]加熱盤8的特征在于將原來一體的加熱盤金屬基體81用隔熱層83分隔成若干個彼此隔熱的部分。隔熱層83為2個或多個環(huán)形結(jié)構(gòu)，將加熱盤8分成不同直徑的環(huán)形區(qū)域，通過隔熱層，減小相鄰區(qū)域間的熱擴(kuò)散效應(yīng)，使得不同區(qū)域間的控制更加獨(dú)立。
[0035]在加熱盤金屬基體81的內(nèi)部、各隔熱帶區(qū)域內(nèi)布置溫度傳感器82。溫度傳感器82呈環(huán)形陣列布置，每一環(huán)為4個或多個。溫度傳感器82可以為熱電偶傳感器或其他類型傳感器，能夠通過溫度傳感器檢測溫度場分布。
[0036]在加熱盤金屬基體81的內(nèi)部、各隔熱帶區(qū)域內(nèi)還布置加熱棒84。加熱棒84為環(huán)形，截面形狀可以為圓形或多邊形。位于不同隔熱層的加熱棒84可以被獨(dú)立控制。通過控制加熱棒84，可以實(shí)現(xiàn)溫度空間分布的改變。
[0037]在加熱棒84的下方設(shè)置冷卻裝置86，冷卻裝置86可以為冷卻管道，通過調(diào)節(jié)冷卻流體流量進(jìn)行降溫調(diào)節(jié)，其中冷卻流體可以是水、冷卻液、氣體等，可根據(jù)需要的冷卻效率選擇相應(yīng)的冷卻流體；另外，冷卻裝置86也可為半導(dǎo)體制冷器件，通過電子設(shè)備進(jìn)行冷卻，還可以為其他能實(shí)現(xiàn)可控降溫的設(shè)備。
[0038]加熱盤8包括其控制模塊85，控制模塊85包括溫度傳感器控制器851、加熱器控制器852、冷卻裝置控制器853和分別與前述三個分控制器連接的總控制器854?？刂颇K85能夠?qū)囟瓤臻g分布進(jìn)行精準(zhǔn)控制，使其逼近預(yù)期溫度空間分布要求。
[0039]圖5為本發(fā)明控制方案，其流程包括:
[0040]步驟1:通過仿真或數(shù)值設(shè)定確定加熱盤8的理想溫度場空間分布，并輸入總控制器 854 ；
[0041]步驟2:通過溫度傳感器82獲得對應(yīng)采樣點(diǎn)的溫度值；
[0042]步驟3:通過溫度傳感器控制器851將溫度傳感器82獲得的采樣點(diǎn)溫度值轉(zhuǎn)換為可識別的信號；
[0043]步驟4:將溫度信號輸入總控制器854，并通過擬合方法，得到近似的溫度場空間分布輪廓，比較當(dāng)前溫度場空間分布輪廓與預(yù)設(shè)溫度場分布輪廓之間的差異；
[0044]步驟5:根據(jù)差異，輸出控制信號給加熱棒控制器852或冷卻裝置控制器853，控制加熱棒84加熱或冷卻裝置86制冷，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對溫度場空間分布進(jìn)行快速調(diào)節(jié)；
[0045]重復(fù)執(zhí)行步驟2至步驟5和操作，采用基于PID的控制算法，直至實(shí)際溫度場空間分布逼近理論溫度場空間分布。
[0046]本實(shí)施例中，對于某些對溫度場變化速度要求不高的情況，也可以將冷卻裝置86及冷卻裝置控制器853去掉，僅用加熱棒84進(jìn)行溫度調(diào)節(jié)，可以進(jìn)一步的節(jié)約成本，也能降低控制算法的復(fù)雜度。
[0047]實(shí)施例2
[0048]圖3和圖4為本發(fā)明的第二實(shí)施方式的示意圖，與實(shí)施例一相比，該方案除了設(shè)置了環(huán)狀的隔熱層外，還沿直徑方向設(shè)置了若干個直線形的隔熱層，將隔熱帶分成若干個扇形區(qū)域，使控制更加精細(xì)。
【權(quán)利要求】
1.一種可快速精細(xì)調(diào)節(jié)溫度場空間分布的加熱盤，其特征在于，在加熱盤金屬基體(81)上設(shè)置若干個隔熱層(83)，隔熱層(83)將加熱盤金屬基體(81)分成不同直徑的環(huán)形或扇形區(qū)域；在加熱盤金屬基體(81)內(nèi)部、各隔熱層(83)分隔的環(huán)形或扇形區(qū)域內(nèi)，分別設(shè)置若干個溫度傳感器(82 )、加熱棒(84 )及冷卻裝置(86 ); 控制模塊(85)包括溫度傳感器控制器(851)、加熱棒控制器(852)、冷卻裝置控制器(853)和總控制器(854)，由溫度傳感器(82)和溫度傳感器控制器(851)得到各區(qū)域溫度值，再由總控制器(854)輸送指令加熱棒控制器(852)和冷卻裝置控制器(853)，控制加熱棒(84)加熱或冷卻裝置(86)制冷，對溫度空間分布進(jìn)行精準(zhǔn)控制，使其逼近預(yù)期溫度空間分布要求。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種可快速精細(xì)調(diào)節(jié)溫度場空間分布的加熱盤，其特征在于，所述溫度傳感器(82)為熱電偶傳感器。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種可快速精細(xì)調(diào)節(jié)溫度場空間分布的加熱盤，其特征在于，所述加熱棒(84)為環(huán)形，截面形狀為圓形或多邊形。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種可快速精細(xì)調(diào)節(jié)溫度場空間分布的加熱盤，其特征在于，所述冷卻裝置(86)布置在加熱棒(84)的下方，采用冷卻管道的形式，通過調(diào)節(jié)冷卻流體流量進(jìn)行降溫調(diào)節(jié)，冷卻流體為水、冷卻液或氣體；或者，冷卻裝置(86)采用半導(dǎo)體制冷器件，通過電子設(shè)備進(jìn)行冷卻。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種可快速精細(xì)調(diào)節(jié)溫度場空間分布的加熱盤，其特征在于，所述隔熱層為絕緣隔熱陶瓷材料或采用真空隔熱層。
6.一種權(quán)利要求1所述加熱盤的溫度場空間分布控制方法，其特征在于，按如下步驟進(jìn)行: 步驟1:通過仿真或數(shù)值設(shè)定確定加熱盤(8)的理想溫度場空間分布，并輸入總控制器(854)； 步驟2:通過溫度傳感器(82)獲得對應(yīng)采樣點(diǎn)的溫度值； 步驟3:通過溫度傳感器控制器(851)將溫度傳感器(82)獲得的采樣點(diǎn)溫度值轉(zhuǎn)換為可識別的信號； 步驟4:將溫度信號輸入總控制器(854)，并通過擬合方法，得到近似的溫度場空間分布輪廓，比較當(dāng)前溫度場空間分布輪廓與預(yù)設(shè)溫度場分布輪廓之間的差異； 步驟5:根據(jù)差異，輸出控制信號給加熱棒控制器(852 )或冷卻裝置控制器(853 )，控制加熱棒(84)加熱或冷卻裝置(86)制冷，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對溫度場空間分布進(jìn)行快速調(diào)節(jié)； 重復(fù)執(zhí)行步驟2至步驟5和操作，采用基于PID的控制算法，直至實(shí)際溫度場空間分布逼近理論溫度場空間分布。
【文檔編號】C23C16/52GK103792974SQ201410031142
【公開日】2014年5月14日 申請日期:2014年1月22日 優(yōu)先權(quán)日:2014年1月22日
【發(fā)明者】向東, 楊旺, 夏煥雄, 牟鵬, 張瀚, 王偉, 劉學(xué)平 申請人:清華大學(xué)