半導(dǎo)體設(shè)備的溫度控制裝置、控制系統(tǒng)及其控制方法
【專利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種溫度控制裝置，包括硅片承載部，多個(gè)光加熱部，測(cè)溫部和溫度控制部。硅片承載部包括工藝腔室、水平保持硅片的基座以及旋轉(zhuǎn)該基座的旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)。多個(gè)光加熱部向硅片射出加熱光以在硅片表面形成多個(gè)加熱區(qū)域，其包括平行分布于工藝腔室外部的上側(cè)和下側(cè)、在水平面方向相互垂直設(shè)置的多個(gè)第一線狀線加熱器和多個(gè)第二線狀加熱器；測(cè)溫部包括多個(gè)用于測(cè)量各加熱區(qū)域的溫度的溫度傳感器，位于工藝腔室內(nèi)對(duì)應(yīng)于多個(gè)加熱區(qū)域的位置。溫度控制部根據(jù)多個(gè)溫度傳感器輸出的溫度值及各加熱區(qū)域的目標(biāo)溫度控制各光加熱部的輸出功率。本發(fā)明可以實(shí)現(xiàn)對(duì)硅片快速升降溫的精確控制，并能夠保證硅片內(nèi)各點(diǎn)的溫度均勻性。
【專利說(shuō)明】
半導(dǎo)體設(shè)備的溫度控制裝置、控制系統(tǒng)及其控制方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種用于半導(dǎo)體設(shè)備的溫度控制系統(tǒng)及其控制方法，尤其涉及到一種可快速升降溫并精確控制溫度的半導(dǎo)體設(shè)備溫度控制裝置、系統(tǒng)及控制方法。

【背景技術(shù)】
[0002]在半導(dǎo)體加工中采用的熱反應(yīng)、熱處理工藝，是一種獲得更好的材料的常用的方法。許多熱反應(yīng)及熱處理工藝過(guò)程具有相似的特點(diǎn):如工藝中的物理及化學(xué)反應(yīng)需要很高的溫度才能達(dá)到預(yù)定的效果；為了縮短工藝時(shí)間、節(jié)約成本，要求更快的升降溫速率；同時(shí)，為了獲得更好的片內(nèi)參數(shù)的均勻性、減少硅片缺陷、保證工藝的重復(fù)性等，要求設(shè)備的溫度場(chǎng)穩(wěn)定性好，硅片上溫度分布要均勻。
[0003]現(xiàn)有的半導(dǎo)體熱工藝設(shè)備，例如單硅片處理的硅外延設(shè)備，要求工藝溫度達(dá)到1100°C以上，升降溫速度達(dá)到10?15°C /S，溫度均勻性達(dá)到±1°C。這些指標(biāo)將直接影響設(shè)備生產(chǎn)的效率，及產(chǎn)品的質(zhì)量如厚度均勻性、電阻率均勻性、位錯(cuò)、滑移線等。隨著硅片尺寸越來(lái)越大，產(chǎn)品質(zhì)量要求越來(lái)越高，要求半導(dǎo)體設(shè)備中所要控制的溫度場(chǎng)尺寸也越來(lái)越大?，F(xiàn)有的單片硅外延設(shè)備，其加熱方式較為單一，通常只采用一種形式的熱源進(jìn)行加熱，且加熱器的分布或照射角度也沒(méi)有完全與設(shè)備腔室的布局相結(jié)合。由于溫度場(chǎng)分布受到腔體結(jié)構(gòu)、氣流、冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)等多種因素的影響，現(xiàn)有的單片硅外延設(shè)備，較易發(fā)生溫度場(chǎng)波動(dòng)現(xiàn)象，要使設(shè)備同時(shí)達(dá)到上述工藝指標(biāo)的要求，并在工藝過(guò)程中處于穩(wěn)定狀態(tài)，往往難以做到。實(shí)踐中，需要工程技術(shù)人員頻繁進(jìn)行干預(yù)，使得生產(chǎn)量和產(chǎn)品質(zhì)量受到很大制約。
[0004]因此，現(xiàn)有的單片硅外延設(shè)備在溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)上，越來(lái)越難以滿足產(chǎn)品及工藝發(fā)展的需要，提供一種可以快速響應(yīng)，靈活調(diào)節(jié)，控制精度高的溫度控制系統(tǒng)及相應(yīng)的控制方法，是本發(fā)明需要解決的技術(shù)課題。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的主要目的旨在提供一種能夠?qū)崿F(xiàn)可以快速升降溫，精確控制硅片溫度，并保證片內(nèi)溫度均勻性的一種溫度控制系統(tǒng)及其控制方法。
[0006]為達(dá)成上述目的，本發(fā)明提供如下的技術(shù)方案:
[0007]一種溫度控制裝置，包括硅片承載部，多個(gè)光加熱部，測(cè)溫部和溫度控制部。硅片承載部包括內(nèi)部形成一封閉處理空間的工藝腔室、位于所述工藝腔室內(nèi)用于水平保持硅片的基座以及旋轉(zhuǎn)所述基座的旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)；多個(gè)加熱部用于向所述硅片射出加熱光以在所述硅片表面形成多個(gè)加熱區(qū)域，其包括多個(gè)第一線狀線加熱器和多個(gè)第二線狀加熱器，該第一線狀加熱器和第二線狀加熱器平行分布于所述工藝腔室外部的上側(cè)和下側(cè)、在水平面方向相互垂直設(shè)置。測(cè)溫部包括多個(gè)溫度傳感器，位于所述工藝腔室內(nèi)對(duì)應(yīng)于所述多個(gè)加熱區(qū)域的位置，用于測(cè)量各所述加熱區(qū)域的溫度。溫度控制部根據(jù)所述多個(gè)溫度傳感器輸出的溫度值及各所述加熱區(qū)域的目標(biāo)溫度控制所述多個(gè)光加熱部的輸出功率。
[0008]優(yōu)選地，所述基座包括基座本體和支撐體，所述基座本體的上表面形成用于容納所述硅片的凹部，所述支撐體由所述旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)并帶動(dòng)所述基座本體旋轉(zhuǎn)。
[0009]優(yōu)選地，所述多個(gè)第一線狀加熱器為等間距均勻分布，所述多個(gè)第二線狀加熱器以不與所述支撐體及所述旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)干涉的方式等間距均勻?qū)ΨQ分布于所述支撐體的兩側(cè)。
[0010]優(yōu)選地，所述多個(gè)加熱部還包括多個(gè)點(diǎn)狀加熱燈，所述多個(gè)點(diǎn)狀加熱燈安裝于所述工藝腔室外部、所述基座本體正下方且位于所述多個(gè)第二線狀加熱器的內(nèi)側(cè)環(huán)繞所述支撐體。
[0011]優(yōu)選地，所述點(diǎn)狀加熱燈為偶數(shù)個(gè)且以所述基座的旋轉(zhuǎn)中心對(duì)稱分布。
[0012]優(yōu)選地，所述加熱部還包括反射板及反射罩，所述反射板包圍所述多個(gè)第一線狀加熱器和第二線狀加熱器，用于反射從各所述第一線狀加熱器和第二線狀加熱器射出的光并使其射向所述硅片；所述反射罩包圍所述多個(gè)點(diǎn)狀加熱燈，用于反射從各所述點(diǎn)狀加熱燈射出的光并使其射向所述硅片。
[0013]優(yōu)選地，所述加熱區(qū)域包括中心加熱區(qū)和邊緣加熱區(qū)，所述多個(gè)溫度傳感器包括用于測(cè)量所述邊緣加熱區(qū)溫度的第一溫度傳感器和用于測(cè)量所述中心加熱區(qū)溫度的第二溫度傳感器，所述第二溫度傳感器插入所述支撐體中并由所述旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)。
[0014]優(yōu)選地，所述第二溫度傳感器通過(guò)旋轉(zhuǎn)連接器連接至對(duì)應(yīng)的所述溫度控制器。
[0015]優(yōu)選地，所述硅片承載部還包括與所述基座本體上表面基本平行并圍繞該基座本體外周的靜止的基座環(huán)。
[0016]優(yōu)選地，所述溫度控制部包括多個(gè)溫度控制器、比例分配器及多個(gè)功率調(diào)整器，所述多個(gè)溫度控制器與所述多個(gè)溫度傳感器一一對(duì)應(yīng)，用于接收來(lái)自各所述溫度傳感器輸出的溫度值并生成各所述加熱區(qū)域的加熱功率輸出值；所述多個(gè)功率調(diào)整器與所述多個(gè)加熱區(qū)域?qū)?yīng)，所述比例分配器將每一所述加熱區(qū)域的加熱功率輸出值以預(yù)設(shè)比例分配至對(duì)應(yīng)于該加熱區(qū)域的所述功率調(diào)整器，使其根據(jù)該分配的功率輸出值控制該區(qū)域的各所述加熱部加熱。
[0017]優(yōu)選地，所述功率控制器為可控硅功率控制器或固態(tài)繼電器；所述比例分配器為可編程邏輯控制器或比例運(yùn)算電路。
[0018]優(yōu)選地，所述第二溫度傳感器為雙通道傳感器，其輸出信號(hào)通過(guò)第一通道輸出至對(duì)應(yīng)的所述溫度控制器，并通過(guò)第二通道輸出至上位機(jī)以用于超溫報(bào)警。
[0019]本發(fā)明還提出了一種溫度控制系統(tǒng)，包括上述溫度控制裝置及上位機(jī)，所述上位機(jī)與所述溫度控制部相連，用于發(fā)出控制參數(shù)，所述控制參數(shù)包括各所述加熱區(qū)域的目標(biāo)溫度及升降溫速率。
[0020]優(yōu)選地，所述溫度控制部包括多個(gè)溫度控制器、比例分配器及多個(gè)功率調(diào)整器，所述多個(gè)溫度控制器與所述多個(gè)溫度傳感器一一對(duì)應(yīng)，用于接收來(lái)自各所述溫度傳感器輸出的溫度值、來(lái)自所述上位機(jī)的各所述加熱區(qū)域的目標(biāo)溫度及升降溫速率并生成各所述加熱區(qū)域的加熱功率輸出值；所述多個(gè)功率調(diào)整器與所述多個(gè)加熱區(qū)域?qū)?yīng)，所述比例分配器將每一所述加熱區(qū)域的加熱功率輸出值以預(yù)設(shè)比例分配至對(duì)應(yīng)于該加熱區(qū)域的所述功率調(diào)整器，使其根據(jù)該分配的功率輸出值控制該區(qū)域的各所述加熱部加熱；所述控制參數(shù)還包括加熱功率輸出值的算法及所述比例分配器采用的預(yù)設(shè)比例，所述上位機(jī)與所述多個(gè)溫度控制器及所述比例分配器相連，用于向所述多個(gè)溫度控制器輸出各所述加熱區(qū)域的目標(biāo)溫度及所述加熱功率輸出值的算法，以及向所述比例分配器輸出所述預(yù)設(shè)比例。
[0021]本發(fā)明還提出了一種基于上述溫度控制系統(tǒng)的溫度控制方法，包括以下步驟:步驟1，通過(guò)所述多個(gè)溫度傳感器測(cè)量所述硅片的各所述加熱區(qū)域的溫度，并輸出至所述溫度控制部；以及步驟2，根據(jù)各所述溫度傳感器測(cè)得的溫度及各所述加熱區(qū)域的目標(biāo)溫度控制對(duì)應(yīng)于每一所述加熱區(qū)域的各所述光加熱部的輸出功率。
[0022]優(yōu)選地，所述溫度控制部包括多個(gè)溫度控制器、比例分配器及多個(gè)功率調(diào)整器，所述多個(gè)溫度控制器與所述多個(gè)溫度傳感器一一對(duì)應(yīng)，所述多個(gè)功率調(diào)整器與所述多個(gè)加熱區(qū)域?qū)?yīng)，步驟I中各所述溫度傳感器測(cè)得的溫度輸出至所述多個(gè)溫度控制器；步驟2進(jìn)一步包括:根據(jù)各所述溫度傳感器輸出的溫度值及各所述加熱區(qū)域的目標(biāo)溫度生成各所述加熱區(qū)域的加熱功率輸出值；將每一所述加熱區(qū)域的加熱功率輸出值以預(yù)設(shè)比例分配至對(duì)應(yīng)于該加熱區(qū)域的所述功率調(diào)整器；對(duì)應(yīng)于該加熱區(qū)域的所述功率調(diào)整器以其分配的加熱功率輸出值控制該加熱區(qū)域的各所述光加熱部的輸出功率。
[0023]本發(fā)明所提出的半導(dǎo)體擴(kuò)散設(shè)備的溫度控制系統(tǒng)及控制方法，通過(guò)位于工藝腔室外部且垂直交叉的第一線狀加熱器和第二線狀加熱器進(jìn)行加熱，并通過(guò)基座導(dǎo)熱及基座旋轉(zhuǎn)，可達(dá)到使硅片快速升溫，并保證硅片各部分受熱均勻。

【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0024]圖1為本發(fā)明一實(shí)施例半導(dǎo)體設(shè)備溫度控制系統(tǒng)的方塊圖；
[0025]圖2為本發(fā)明一實(shí)施例半導(dǎo)體設(shè)備溫度控制裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0026]圖3為本發(fā)明一實(shí)施例半導(dǎo)體設(shè)備溫度控制裝置的硅片承載部和光加熱部的俯視圖；
[0027]圖4為本發(fā)明一實(shí)施例半導(dǎo)體設(shè)備溫度控制裝置的溫度傳感器的立體圖；
[0028]圖5為本發(fā)明一實(shí)施例半導(dǎo)體設(shè)備溫度控制裝置的溫度傳感器的分布示意圖。
[0029]【主要組件符號(hào)說(shuō)明】
[0030]I第一線狀加熱器；2工藝腔室；3基座；4第二線狀加熱器；5點(diǎn)狀加熱燈；
[0031]6反射板；7旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)；8基座環(huán)；9、11、12、13-1、13-2測(cè)溫?zé)崤迹?br> [0032]10旋轉(zhuǎn)連接器。

【具體實(shí)施方式】
[0033]為使本發(fā)明的內(nèi)容更加清楚易懂，以下結(jié)合說(shuō)明書附圖，對(duì)本發(fā)明的內(nèi)容作進(jìn)一步說(shuō)明。當(dāng)然本發(fā)明并不局限于該具體實(shí)施例，本領(lǐng)域內(nèi)的技術(shù)人員所熟知的一般替換也涵蓋在本發(fā)明的保護(hù)范圍內(nèi)。
[0034]在本發(fā)明的描述中，需要說(shuō)明的是，除非另有規(guī)定和限定，術(shù)語(yǔ)“安裝”、“相連”、“連接”應(yīng)做廣義理解，例如，可以是機(jī)械連接或電連接，也可以是兩個(gè)元件內(nèi)部的連通，可以是直接相連，也可以通過(guò)中間媒介間接相連，對(duì)于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員而言，可以根據(jù)具體情況理解上述術(shù)語(yǔ)的具體含義。
[0035]在本發(fā)明的描述中，需要說(shuō)明的是，術(shù)語(yǔ)“中心”、“邊緣”、“上”、“下”、“前”、“后”、
“左”、“右”、“豎直”、“水平”、“內(nèi)”、“外”等指示的方位或位置關(guān)系為基于附圖所示的方位或位置關(guān)系，僅是為了便于描述本發(fā)明和簡(jiǎn)化描述，而不是指示或暗示所指的裝置或元件必須具有特定的方位、以特定的方位構(gòu)造和操作，因此不能理解為對(duì)本發(fā)明的限制。此外，術(shù)語(yǔ)“第一”、“第二”僅用于描述目的，而不能理解為指示或暗示相對(duì)重要性。
[0036]單片硅處理設(shè)備溫度控制系統(tǒng)的原理框圖如附圖1所示，整個(gè)控制系統(tǒng)包括溫度控制裝置及上位機(jī)。溫度控制裝置包括用于對(duì)硅片進(jìn)行處理的工藝腔室(外延工藝腔室)、安裝在工藝腔室內(nèi)的測(cè)溫部分、安裝在工藝腔室外部周圍的光加熱部分、以及溫度控制部分。本實(shí)施例中工藝腔室為外延工藝腔室，但應(yīng)當(dāng)理解，本發(fā)明的單片硅處理設(shè)備并不限于此，例如工藝腔室也可以用于其它化學(xué)氣相沉積。光加熱部分用于向工藝腔室射出加熱光以對(duì)硅片表面加熱，測(cè)溫部用于測(cè)量硅片表面的溫度。溫度控制部根據(jù)目標(biāo)溫度、測(cè)溫部測(cè)量的溫度值及用戶設(shè)定的參數(shù)計(jì)算出溫度控制信號(hào)，發(fā)送至各個(gè)光加熱部從而改變各光加熱部的功率，進(jìn)而使硅片表面溫度分布均勻并與目標(biāo)溫度一致。溫度控制部包括溫度控制器、用于調(diào)節(jié)各加熱部功率比例的比例調(diào)節(jié)器，如可編程邏輯控制器(簡(jiǎn)稱PLC)或者比例電路、以及控制加熱部分功率的功率調(diào)整器，功率調(diào)整器例如為可控硅功率調(diào)整器或固態(tài)繼電器。
[0037]上位機(jī)提供一交互界面，以方便用戶操作、設(shè)定參數(shù)和數(shù)據(jù)監(jiān)視。用戶可通過(guò)上位機(jī)設(shè)定目標(biāo)溫度、升降溫速率、溫度控制信號(hào)的算法、比例分配器采用的預(yù)設(shè)比例等控制參數(shù)，也可從上位機(jī)獲取溫度控制器輸出的報(bào)警信息或測(cè)量溫度值等信息。上位機(jī)與溫度控制裝置的交互將在下文中詳細(xì)說(shuō)明。
[0038]接下來(lái)將結(jié)合具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作詳細(xì)說(shuō)明。
[0039]請(qǐng)參照?qǐng)D2至圖4，本實(shí)施例中工藝腔室2為近似長(zhǎng)方體形狀。為適應(yīng)外延工藝的高溫環(huán)境，要求工藝腔室具有密封性好、透光性好的特點(diǎn)，工藝腔室的材質(zhì)優(yōu)選為高純透明石英。石英腔室或腔室內(nèi)的其他石英件在加工時(shí)較佳地進(jìn)行火焰拋光，退火處理以消除應(yīng)力。工藝腔室內(nèi)部形成封閉處理空間，其中設(shè)有用于水平保持硅片的基座3。工藝腔室為硅片周圍創(chuàng)造一個(gè)與外界隔離的密閉空間，這個(gè)空間一方面可以更好地保證熱量的傳導(dǎo)與吸收，另一方面可以防止工藝氣體泄漏，將其反應(yīng)氣體及熱量限制在一定的范圍內(nèi)?；哂行D(zhuǎn)功能，可通過(guò)旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)7驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)。具體來(lái)說(shuō)，基座3下端面中心部位裝有空心的旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)如旋轉(zhuǎn)支撐軸7，旋轉(zhuǎn)支撐軸7穿過(guò)工藝腔室2的下方腔壁，通過(guò)同步帶輪連接至驅(qū)動(dòng)電機(jī)(圖中未示)。同步電機(jī)帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)支撐軸7可作勻速旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)支撐軸7帶動(dòng)基座3在基座環(huán)8內(nèi)平穩(wěn)旋轉(zhuǎn)，以獲得更好的溫度及氣流均勻性。工藝腔室2、基座3以及旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)7用于構(gòu)成提供熱傳導(dǎo)及旋轉(zhuǎn)功能的硅片承載部。
[0040]基座3包括基座本體以及支撐于基座本體下方的支撐體(圖中未示)。支撐體由旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)7驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)，基座本體也隨之被帶動(dòng)勻速旋轉(zhuǎn)而獲得更好的溫度均勻性及氣流均勻性。如圖4所示，基座本體的上表面的中間部分形成一凹部以容納硅片，該凹部的直徑略大于硅片，可對(duì)硅片起到定位作用，以防止工藝時(shí)硅片滑動(dòng)或錯(cuò)位?；^佳為石墨材質(zhì)，表面可涂有SiC涂層或其他耐高溫、熱傳導(dǎo)率良好且化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定的涂層。優(yōu)選地，一基座環(huán)8環(huán)繞在基座本體的外周，其為環(huán)狀且基本與基座本體的上表面平行，基座環(huán)8為靜止?fàn)顟B(tài)不隨基座的旋轉(zhuǎn)而旋轉(zhuǎn)。如此，基座環(huán)8在硅片的周圍提供了一個(gè)相對(duì)封閉的環(huán)境，約束熱量外泄以改善硅片上溫度的均一性?；h(huán)8可與基座同為石墨材質(zhì)，表面覆有SiC涂層。
[0041]請(qǐng)繼續(xù)參考圖2，多個(gè)光加熱部包括多個(gè)第一線狀加熱器I和多個(gè)第二線狀加熱器4，分別位于工藝腔室2外側(cè)的上方和下方。第一線狀加熱器I和第二線狀加熱器4平行設(shè)置且均平行于硅片表面、在水平面方向相互垂直，即上方的第一線狀加熱器I和下方的第二線狀加熱器4且按在垂直投影下呈相互垂直的方向水平相互平行相向設(shè)置。優(yōu)選地，上層的第一線狀加熱器I為等間距均勻分布且處于同一水平面，覆蓋基座3及基座環(huán)8正上方，下層的第二線狀加熱器4則對(duì)稱分布在基座支撐體的兩側(cè)且處于同一水平面，避免與支撐體及旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)7干涉。位于每一側(cè)的第二線狀加熱器4也優(yōu)選為等間距均勻分布。另一方面，在基座3正下方且位于線狀加熱器4內(nèi)側(cè)，還安裝多個(gè)點(diǎn)狀加熱器5，用于對(duì)基座本體的下表面中央部分進(jìn)行加熱。由于在旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)7占據(jù)的部位無(wú)法設(shè)置線狀加熱器4，會(huì)造成加熱的不均勻。因此，點(diǎn)狀加熱器5可彌補(bǔ)因下方線狀加熱器4設(shè)置不均勻造成的影響。本實(shí)施例中點(diǎn)狀加熱器為點(diǎn)狀加熱燈，點(diǎn)狀加熱燈5環(huán)繞支撐體，優(yōu)選為偶數(shù)個(gè)(本實(shí)施例中為4個(gè))且以基座的旋轉(zhuǎn)中心對(duì)稱分布。點(diǎn)狀加熱燈5的位置和角度可以靈活地進(jìn)行小范圍調(diào)整。本實(shí)施例中，第一線狀加熱器I和第二線狀加熱器2均為紅外光加熱器，這些光加熱部射出的紅外光線經(jīng)工藝腔室2透射后由基座3導(dǎo)熱而加熱硅片。在本實(shí)施例中采用的加熱光源為紅外線光，實(shí)際應(yīng)用中也可采用其他能被硅片吸收的特定波長(zhǎng)的加熱光。
[0042]此外，在光加熱部外還可安裝反射件來(lái)反射光能，從而抑制光能向除了硅片以外的方向擴(kuò)散。具體地，第一線狀加熱器I和第二線狀加熱器4外側(cè)四周均安裝反射板6將其包圍，點(diǎn)狀加熱燈5周圍則包覆反射罩。反射板6圍繞線狀加熱器I和4的外側(cè)安裝形成一腔體，并在與點(diǎn)狀加熱燈5交匯處開(kāi)口 ；每個(gè)點(diǎn)狀加熱燈5周圍則各自包覆一反射罩。反射板6和反射罩為耐溫、不易氧化、易反射光的材料制成或涂有上述材料的涂層。例如反射板6和反射罩可為金屬材質(zhì)或表面鍍金處理。根據(jù)線狀加熱器及基座的位置，反射板6可以設(shè)計(jì)為內(nèi)壁反射面為曲面以保證反射光集中于硅片。反射罩的形狀則可根據(jù)點(diǎn)狀加熱燈形狀確定。通過(guò)增加反射件，使來(lái)自各個(gè)光加熱部的加熱光以朝向硅片的方式反射，從而均勻高效地向硅片照射光能。
[0043]請(qǐng)結(jié)合參照?qǐng)D2和圖5，可以更清楚地反映各加熱器與工藝腔室2的對(duì)應(yīng)位置關(guān)系。如圖所示，本實(shí)施例中的多個(gè)光加熱部包括8個(gè)第一線狀加熱器1、6個(gè)第二線狀加熱器4和4個(gè)點(diǎn)狀加熱燈5。8個(gè)第一線狀加熱器I安裝在工藝腔室2外側(cè)的上方，這8個(gè)線狀加熱器之間按平行的水平方向均勻分布，并處于同一水平面。6個(gè)第二線狀加熱器4安裝在工藝腔室2外側(cè)的下方，在旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)7的兩側(cè)分別各對(duì)稱設(shè)置3個(gè)，這6個(gè)線狀加熱器之間也是按平行的水平方向均勻分布，并處于同一水平面。同時(shí)，由于4個(gè)點(diǎn)狀加熱燈5環(huán)繞旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)7對(duì)稱安裝。8個(gè)第一線狀加熱器和6個(gè)第二線狀加熱器4之間按在垂直投影下呈直角的交叉方向水平相向設(shè)置，以確保形成穩(wěn)定的加熱溫度場(chǎng)。基座3處于8個(gè)第一線狀加熱器I和6個(gè)第二線狀加熱器4所形成的垂直覆蓋區(qū)域內(nèi)，以保證受到充分的紅外光照射。
[0044]如圖5所示，8個(gè)第一線狀加熱器1、6個(gè)第二線狀加熱器4和4個(gè)點(diǎn)狀加熱燈5這些光加熱部在硅片表面形成了多個(gè)加熱區(qū)域，分別為前部加熱區(qū)(由左側(cè)的2個(gè)第一線狀加熱器I對(duì)應(yīng)形成)、后部加熱區(qū)(由右側(cè)的2個(gè)第一線狀加熱器I對(duì)應(yīng)形成)、第一側(cè)部加熱區(qū)(由上側(cè)的2個(gè)第二線狀加熱器2對(duì)應(yīng)形成)、第二側(cè)部加熱區(qū)(由下側(cè)的2個(gè)第二線狀加熱器2對(duì)應(yīng)形成)、和中心加熱區(qū)(由中間的4個(gè)第一線狀加熱器1，中間的兩個(gè)第二線狀加熱器2以及4個(gè)點(diǎn)狀加熱燈5對(duì)應(yīng)形成)。其中，前部加熱區(qū)、后部加熱區(qū)、第一側(cè)部加熱區(qū)和第二側(cè)部加熱區(qū)可以合成為邊緣加熱區(qū)域。通過(guò)對(duì)這些光加熱部加熱功率的調(diào)節(jié)以調(diào)整對(duì)應(yīng)的加熱區(qū)溫度，能夠?qū)崿F(xiàn)硅片表面的溫度控制。
[0045]請(qǐng)繼續(xù)參照?qǐng)D5，對(duì)應(yīng)于每一個(gè)加熱區(qū)，設(shè)有一溫度傳感器。溫度傳感器可以是測(cè)溫?zé)崤蓟蚬鈱W(xué)溫度測(cè)量元件，其測(cè)量的溫度基本反映了加熱區(qū)域的溫度。溫度傳感器的數(shù)量可根據(jù)硅片尺寸及腔室形狀等確定。本實(shí)施例中，對(duì)于邊緣加熱區(qū)域采用的溫度傳感器為R型測(cè)溫?zé)崤迹琑型測(cè)溫?zé)崤及惭b于基座環(huán)的下方平行于硅片表面；對(duì)于中心加熱區(qū)域采用測(cè)溫?zé)崤?插入基座支撐體中(如穿過(guò)旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)7)位于硅片中心正下方處，垂直于硅片表面且上端接近硅片的背面。在本實(shí)施例中，考慮到設(shè)備給與測(cè)溫?zé)崤嫉陌惭b空間較緊湊，所以，將對(duì)應(yīng)邊緣區(qū)域的其中2個(gè)R型測(cè)溫?zé)崤加靡粋€(gè)R型雙通道測(cè)溫?zé)崤紒?lái)替代并將此雙通道測(cè)溫?zé)崤嫉膬蓚€(gè)測(cè)頭安裝在基座環(huán)8下表面相鄰的兩側(cè)，即測(cè)溫?zé)崤?3為雙通道熱偶13-1和13-2，可以探測(cè)前部區(qū)域及第一側(cè)部加熱的溫度，測(cè)溫?zé)崤?2可以檢測(cè)后部加熱區(qū)的溫度，而熱偶11用于檢測(cè)與第一側(cè)部加熱區(qū)相對(duì)的第二側(cè)部加熱區(qū)的溫度。測(cè)溫?zé)崤?用于檢測(cè)中心加熱區(qū)的溫度。由于基座由旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)，測(cè)溫?zé)崤?也隨之旋轉(zhuǎn)，因此在測(cè)溫?zé)崤?下端連接一旋轉(zhuǎn)連接器10，以防止測(cè)溫?zé)崤?旋轉(zhuǎn)時(shí)因絞線造成測(cè)溫信號(hào)傳輸中斷。此外，由于旋轉(zhuǎn)過(guò)程中測(cè)溫?zé)崤?輸出的信號(hào)容易受到干擾，在旋轉(zhuǎn)連接器10和測(cè)溫?zé)崤?之間還設(shè)有電流變送器，測(cè)溫?zé)崤?輸出信號(hào)通過(guò)電流變送器轉(zhuǎn)換為電流信號(hào)，再將此電流信號(hào)通過(guò)旋轉(zhuǎn)連接器10輸出，以減小旋轉(zhuǎn)帶來(lái)的干擾。另一方面，測(cè)溫?zé)崤?較佳為雙通道測(cè)溫?zé)崤?，其中的一個(gè)通道用于將測(cè)量的中心加熱區(qū)的溫度輸出至溫度控制部用于中心加熱區(qū)的溫度控制，而另一個(gè)通道則用于獨(dú)立地將測(cè)量溫度輸出至上位機(jī)用于超溫報(bào)警使用。
[0046]接下來(lái)將對(duì)本實(shí)施例的溫度控制部分加以說(shuō)明。請(qǐng)參考圖1，溫度控制部包括溫度控制器、比例分配器及功率調(diào)整器。溫度控制器與溫度傳感器一一對(duì)應(yīng)，本實(shí)施例中5個(gè)溫度控制器(中部、第一側(cè)部、第二側(cè)部、前部、后部)分別對(duì)應(yīng)于測(cè)溫?zé)崤?、11、13-2、13-1和12。每一溫度控制器接收來(lái)自對(duì)應(yīng)測(cè)溫?zé)崤驾敵龅臏囟戎挡⒏鶕?jù)該測(cè)溫?zé)崤妓鶛z測(cè)的加熱區(qū)域的目標(biāo)溫度計(jì)算出該加熱區(qū)域的加熱功率輸出值。例如，溫度控制器可采用PID算法基于加熱區(qū)域的檢測(cè)溫度和目標(biāo)溫度的偏差值結(jié)合用戶設(shè)定的升降溫速率等參數(shù)計(jì)算出該區(qū)域的加熱功率輸出值，此外也可采用基于模型的溫度控制算法(MBTC)，或其他類似PID算法或比PID算法更復(fù)雜的算法來(lái)計(jì)算加熱功率輸出值。
[0047]每個(gè)溫度控制器輸出的加熱功率輸出值通過(guò)比例調(diào)節(jié)器，如PLC或者比例電路，以預(yù)設(shè)比例分配給對(duì)應(yīng)于該區(qū)域的功率調(diào)節(jié)器。其中預(yù)設(shè)的分配比例需根據(jù)加熱器位置、加熱器功率、工藝腔室及基座尺寸進(jìn)行計(jì)算并通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證獲得。功率調(diào)整器，如可控硅功率控制器、固態(tài)繼電器等，則以分配的功率輸出值控制該區(qū)域的光加熱部進(jìn)行加熱。以中心加熱區(qū)為例，測(cè)溫?zé)崤?輸出溫度檢測(cè)信號(hào)至中部溫度控制器，中部溫度控制器根據(jù)溫度檢測(cè)信號(hào)和中心加熱區(qū)的目標(biāo)溫度計(jì)算出中心加熱區(qū)的加熱功率輸出值，比例分配器將該加熱功率輸出值以預(yù)設(shè)比例分配給中心加熱區(qū)的一個(gè)或多個(gè)功率調(diào)整器，功率調(diào)整器據(jù)此對(duì)這六個(gè)線狀加熱器和四個(gè)點(diǎn)狀加熱燈的輸出功率進(jìn)行調(diào)節(jié)。對(duì)應(yīng)于一個(gè)加熱區(qū)，功率調(diào)整器的數(shù)量可以與該加熱區(qū)的光加熱部一一對(duì)應(yīng)，即一個(gè)功率調(diào)整器調(diào)整一個(gè)光加熱部的輸出功率；或者一個(gè)功率調(diào)整器也可控制該加熱區(qū)的多個(gè)光加熱部(如對(duì)稱設(shè)置的4個(gè)點(diǎn)狀加熱燈)的輸出功率。有以上可知，不同加熱區(qū)的輸出功率值由對(duì)應(yīng)溫度控制器獨(dú)立運(yùn)算獲得，同一加熱區(qū)的各個(gè)光加熱部的輸出功率通過(guò)比例分配器和功率調(diào)節(jié)器實(shí)現(xiàn)獨(dú)立控制，從而可實(shí)現(xiàn)將硅片不同區(qū)域均加熱到與其目標(biāo)溫度一致且硅片整個(gè)區(qū)域溫度均勻。進(jìn)一步地，為了獲得硅片溫度分布的均勻性，各加熱區(qū)域的目標(biāo)溫度可根據(jù)需要設(shè)置為不同的溫度。
[0048]因此，當(dāng)硅片的中心加熱區(qū)和邊緣加熱區(qū)溫度不均，如中心加熱區(qū)的溫度高于邊緣加熱區(qū)時(shí)，可以增大對(duì)應(yīng)邊緣區(qū)域的各線狀加熱器的輸出功率，從而使硅片中心區(qū)域與邊緣區(qū)域的溫度趨于均勻。由此，本發(fā)明的溫度控制部可實(shí)現(xiàn)單回路閉環(huán)控制，增加了溫度控制的靈活性。
[0049]另一方面，如前所述，上位機(jī)負(fù)責(zé)與用戶進(jìn)行交互，因此各加熱區(qū)域的目標(biāo)溫度、升降溫速率、各溫度控制器的控制算法、比例分配器輸出的預(yù)設(shè)比例等控制參數(shù)均可由用戶設(shè)定后，由上位機(jī)發(fā)送至溫度控制部。另外，測(cè)溫?zé)崤?的其中一個(gè)通道獨(dú)立地將測(cè)量溫度輸出至上位機(jī)，由上位機(jī)在中心測(cè)量溫度超出設(shè)定的報(bào)警溫度時(shí)，發(fā)出報(bào)警信息。當(dāng)然，上位機(jī)也可直接接收來(lái)自溫度控制器的反映如測(cè)量溫度超出報(bào)警溫度，或測(cè)溫?zé)崤紦p壞的報(bào)警信息。
[0050]以下將對(duì)基于上述溫度控制裝置的溫度控制方法作進(jìn)一步說(shuō)明。該溫度控制方法包括以下步驟:
[0051]步驟1、通過(guò)多個(gè)溫度傳感器測(cè)量硅片的各加熱區(qū)域的溫度，并輸出至溫度控制部。
[0052]該步驟中，通過(guò)安裝在基座下方的測(cè)溫?zé)崤?、11、12、13-1、13-2，測(cè)到硅片5個(gè)加熱區(qū)域(中心、第一側(cè)部、后部、前部、第二側(cè)部)的溫度，這些溫度分別反饋至溫度控制部的5個(gè)溫度控制器。
[0053]步驟2、根據(jù)各溫度傳感器測(cè)得的溫度及各加熱區(qū)域的目標(biāo)溫度控制對(duì)應(yīng)于每一個(gè)加熱區(qū)域的各個(gè)光加熱部的輸出功率。
[0054]該步驟中，首先，各溫度控制器根據(jù)對(duì)應(yīng)的各測(cè)溫?zé)崤紲y(cè)得的溫度與上位機(jī)設(shè)定的各加熱區(qū)域的目標(biāo)溫度進(jìn)行計(jì)算，得出各個(gè)加熱區(qū)域所需的加熱功率輸出值；接著，將每個(gè)溫度控制器輸出的加熱區(qū)域的加熱功率輸出值通過(guò)PLC或者比例電路按照預(yù)先設(shè)定的比例分配至和該加熱區(qū)域?qū)?yīng)的功率調(diào)整器；之后，對(duì)應(yīng)于該加熱區(qū)域的功率調(diào)整器以其分配到的加熱功率輸出值控制該加熱區(qū)域的光加熱部的輸出功率。
[0055]綜上所述，本發(fā)明的溫度控制裝置通過(guò)垂直交叉的線狀加熱器加熱，并通過(guò)基座導(dǎo)熱及基座旋轉(zhuǎn)，可達(dá)到快速升溫，并保證硅片內(nèi)各部分受熱均勻。通過(guò)不同加熱區(qū)域的目標(biāo)溫度的設(shè)定及各光加熱部功率比例的調(diào)整可以方便地矯正硅片內(nèi)不同位置的溫度。
[0056]雖然本發(fā)明已以較佳實(shí)施例揭示如上，然所述諸多實(shí)施例僅為了便于說(shuō)明而舉例而已，并非用以限定本發(fā)明，本領(lǐng)域的技術(shù)人員在不脫離本發(fā)明精神和范圍的前提下可作若干的更動(dòng)與潤(rùn)飾，本發(fā)明所主張的保護(hù)范圍應(yīng)以權(quán)利要求書所述為準(zhǔn)。
【權(quán)利要求】
1.一種溫度控制裝置，其特征在于，包括: 硅片承載部，其包括內(nèi)部形成一封閉處理空間的工藝腔室、位于所述工藝腔室內(nèi)用于水平保持硅片的基座以及旋轉(zhuǎn)所述基座的旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)； 多個(gè)光加熱部，用于向所述娃片射出加熱光以在所述娃片表面形成多個(gè)加熱區(qū)域，其包括多個(gè)第一線狀線加熱器和多個(gè)第二線狀加熱器，該第一線狀加熱器和第二線狀加熱器平行分布于所述工藝腔室外部的上側(cè)和下側(cè)、在水平面方向相互垂直設(shè)置； 測(cè)溫部，包括多個(gè)溫度傳感器，位于所述工藝腔室內(nèi)對(duì)應(yīng)于所述多個(gè)加熱區(qū)域的位置，用于測(cè)量各所述加熱區(qū)域的溫度； 溫度控制部，根據(jù)所述多個(gè)溫度傳感器輸出的溫度值及各所述加熱區(qū)域的目標(biāo)溫度控制所述多個(gè)光加熱部的輸出功率。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的溫度控制裝置，其特征在于，所述基座包括基座本體和支撐體，所述基座本體的上表面形成用于容納所述硅片的凹部，所述支撐體由所述旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)并帶動(dòng)所述基座本體旋轉(zhuǎn)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的溫度控制裝置，其特征在于，所述多個(gè)第一線狀加熱器為等間距均勻分布，所述多個(gè)第二線狀加熱器以不與所述支撐體及所述旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)干涉的方式等間距均勻?qū)ΨQ分布于所述支撐體的兩側(cè)。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的溫度控制裝置，其特征在于，所述多個(gè)加熱部還包括多個(gè)點(diǎn)狀加熱燈，所述多個(gè)點(diǎn)狀加熱燈安裝于所述工藝腔室外部、所述基座本體正下方且位于所述多個(gè)第二線狀加熱器的內(nèi)側(cè)環(huán)繞所述支撐體。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的溫度控制裝置，其特征在于，所述點(diǎn)狀加熱燈為偶數(shù)個(gè)且以所述基座的旋轉(zhuǎn)中心對(duì)稱分布。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的溫度控制裝置，其特征在于，所述加熱部還包括反射板及反射罩，所述反射板包圍所述多個(gè)第一線狀加熱器和第二線狀加熱器，用于反射從各所述第一線狀加熱器和第二線狀加熱器射出的光并使其射向所述硅片；所述反射罩包圍所述多個(gè)點(diǎn)狀加熱燈，用于反射從各所述點(diǎn)狀加熱燈射出的光并使其射向所述硅片。
7.根據(jù)權(quán)利要求2所述的溫度控制裝置，其特征在于，所述加熱區(qū)域包括中心加熱區(qū)和邊緣加熱區(qū)，所述多個(gè)溫度傳感器包括用于測(cè)量所述邊緣加熱區(qū)溫度的第一溫度傳感器和用于測(cè)量所述中心加熱區(qū)溫度的第二溫度傳感器，所述第二溫度傳感器插入所述支撐體中并由所述旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的溫度控制裝置，其特征在于，所述第二溫度傳感器通過(guò)旋轉(zhuǎn)連接器連接至對(duì)應(yīng)的所述溫度控制器。
9.根據(jù)權(quán)利要求2所述的溫度控制裝置，其特征在于，所述硅片承載部還包括與所述基座本體上表面基本平行并圍繞該基座本體外周的靜止的基座環(huán)。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的溫度控制裝置，其特征在于，所述溫度控制部包括多個(gè)溫度控制器、比例分配器及多個(gè)功率調(diào)整器，所述多個(gè)溫度控制器與所述多個(gè)溫度傳感器一一對(duì)應(yīng)，用于接收來(lái)自各所述溫度傳感器輸出的溫度值并生成各所述加熱區(qū)域的加熱功率輸出值；所述多個(gè)功率調(diào)整器與所述多個(gè)加熱區(qū)域?qū)?yīng)，所述比例分配器將每一所述加熱區(qū)域的加熱功率輸出值以預(yù)設(shè)比例分配至對(duì)應(yīng)于該加熱區(qū)域的所述功率調(diào)整器，使其根據(jù)該分配的功率輸出值控制該區(qū)域的各所述加熱部加熱。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的溫度控制裝置，其特征在于，所述功率控制器為可控硅功率控制器或固態(tài)繼電器；所述比例分配器為可編程邏輯控制器或比例運(yùn)算電路。
12.根據(jù)權(quán)利要求7所述的溫度控制裝置，其特征在于，所述第二溫度傳感器為雙通道傳感器，其輸出信號(hào)通過(guò)第一通道輸出至對(duì)應(yīng)的所述溫度控制器，并通過(guò)第二通道輸出至上位機(jī)以用于超溫報(bào)警。
13.一種溫度控制系統(tǒng)，其特征在于，包括如權(quán)利要求1?9任一項(xiàng)所述的溫度控制裝置以及一上位機(jī)，所述上位機(jī)與所述溫度控制部相連，用于發(fā)出控制參數(shù)，所述控制參數(shù)包括各所述加熱區(qū)域的目標(biāo)溫度及升降溫速率。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的溫度控制系統(tǒng)，其特征在于， 所述溫度控制部包括多個(gè)溫度控制器、比例分配器及多個(gè)功率調(diào)整器，所述多個(gè)溫度控制器與所述多個(gè)溫度傳感器一一對(duì)應(yīng)，用于接收來(lái)自各所述溫度傳感器輸出的溫度值、來(lái)自所述上位機(jī)的各所述加熱區(qū)域的目標(biāo)溫度及升降溫速率并生成各所述加熱區(qū)域的加熱功率輸出值；所述多個(gè)功率調(diào)整器與所述多個(gè)加熱區(qū)域?qū)?yīng)，所述比例分配器將每一所述加熱區(qū)域的加熱功率輸出值以預(yù)設(shè)比例分配至對(duì)應(yīng)于該加熱區(qū)域的所述功率調(diào)整器，使其根據(jù)該分配的功率輸出值控制該區(qū)域的各所述加熱部加熱； 所述控制參數(shù)還包括加熱功率輸出值的算法及所述比例分配器采用的預(yù)設(shè)比例，所述上位機(jī)與所述多個(gè)溫度控制器及所述比例分配器相連，用于向所述多個(gè)溫度控制器輸出各所述加熱區(qū)域的目標(biāo)溫度、升降溫速率及所述加熱功率輸出值的算法，以及向所述比例分配器輸出所述預(yù)設(shè)比例。
15.一種基于權(quán)利要求1所述的溫度控制裝置的溫度控制方法，其特征在于，包括以下步驟: 步驟1、通過(guò)所述多個(gè)溫度傳感器測(cè)量所述硅片的各所述加熱區(qū)域的溫度，并輸出至所述溫度控制部； 步驟2、根據(jù)各所述溫度傳感器測(cè)得的溫度及各所述加熱區(qū)域的目標(biāo)溫度控制對(duì)應(yīng)于每一所述加熱區(qū)域的各所述光加熱部的輸出功率。
16.根據(jù)權(quán)利要求15所述的溫度控制系統(tǒng)的溫度控制方法，其特征在于，所述溫度控制部包括多個(gè)溫度控制器、比例分配器及多個(gè)功率調(diào)整器，所述多個(gè)溫度控制器與所述多個(gè)溫度傳感器一一對(duì)應(yīng)，所述多個(gè)功率調(diào)整器與所述多個(gè)加熱區(qū)域?qū)?yīng)，步驟I中各所述溫度傳感器測(cè)得的溫度輸出至所述多個(gè)溫度控制器；步驟S2進(jìn)一步包括: 步驟S21、根據(jù)各所述溫度傳感器輸出的溫度值及各所述加熱區(qū)域的目標(biāo)溫度生成各所述加熱區(qū)域的加熱功率輸出值； 步驟S22、將每一所述加熱區(qū)域的加熱功率輸出值以預(yù)設(shè)比例分配至對(duì)應(yīng)于該加熱區(qū)域的所述功率調(diào)整器； 步驟S23、對(duì)應(yīng)于該加熱區(qū)域的所述功率調(diào)整器以其分配的加熱功率輸出值控制該加熱區(qū)域的各所述光加熱部的輸出功率。
【文檔編號(hào)】H01L21/00GK104362076SQ201410488132
【公開(kāi)日】2015年2月18日 申請(qǐng)日期:2014年9月23日 優(yōu)先權(quán)日:2014年9月23日
【發(fā)明者】劉俊豪, 程朝陽(yáng), 崔娟娟, 馬超 申請(qǐng)人:北京七星華創(chuàng)電子股份有限公司