一种快速热处理温度测控系统和测控方法技术方案

本发明专利技术公开了一种快速热处理温度测控方法及测控系统，该系统包括：红外高温计、标准Ｋ型热电偶硅晶片、温度信号处理器、热电偶测温仪、加热功率调节器、交流电压过零检测器、定时计数器、可控硅控制信号隔离放大器、可控硅加热电源、加热灯组和控制计算机。所述的各个组件连接关系如附图１所示，整个系统由控制计算机统一协调进行控制，其中所述的加热功率调节器是内置于计算机中的程序。该温度测控方法，包括采用标准热电偶进行温度测量校准、红外高温计进行温度测量、定时计数器控制灯加热功率调节，以及加热灯分区控制对温度分布均匀性进行调整等步骤。本发明专利技术能对温度进行自适应ＰＩＤ调节，调控反应快速，能全自动实现快速温度测控功能。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种快速热处理设备用的温度测量与控制系统和控制方法，适用于快 速热处理设备，即RTP设备、属半导体器件制造领域。
技术介绍
快速热处理是在非常短的时间内(经常是几秒钟)，将单个硅片加热至400 130(TC温度范围的一种方法。快速热处理工艺由于其热预算小、硅中杂质运动量小、冷壁设 计减少了沾污、较小的腔体体积可以达到清洁的气氛以及很短的热处理周期等优点，在半 导体制造中得到越来越广泛的应用。主要应用在(1)离子注入后热退火，以消除缺陷、激活 和扩散杂质；(2)沉积膜的致密，如沉积氧化膜；(3)硼磷硅玻璃回流；(4)阻挡层退火，如 氮化钛(TiN) ;(5)硅化物形成，如硅化钛(TiSi2) ;(6)接触合金等。特别是半导体集成电 路器件制造工艺进入深亚微米以后，传统的热处理设备也无法再满足其对热处理工艺的要 求。所以国际先进的国家已推出多种型号的快速热处理设备，且应用越来越成熟，技术越来 越先进。 在国内，快速热处理技术的研究刚刚起步，快速热处理设备的制造几乎是空白，快 速热处理关键技术之一的快速温度测控技术和方法也无先例可寻。这种现状严重阻碍了我 国半导体集成电路制造工艺技术向更细特征尺寸(100nm以下)技术发展。
技术实现思路
本专利技术是针对快速热处理设备中无快速热处理温度测量和温度控制方法及快速 温度测控系统这一问题而提出的一种应用于快速热处理设备的快速温度测量和快速温度 控制的方法。该专利技术应用于快速热处理设备，能够快速准确地测量硅晶片的温度、并根据所 测温度与快速热处理工艺曲线设置温度的差值对加热灯各个灯区的加热功率进行调整，使 进行快速热处理硅晶片上的温度精确按编制的工艺温度曲线变化，并使整块硅晶片上温度 分布均匀性得到控制。完全可以满足100nm半导体器件制造对快速热处理工艺的要求。 本专利技术提供一种快速热处理设备用温度测量与温度控制系统，包括两只红外高温 计、标准K型热电偶硅晶片、温度信号处理器、热电偶测温仪、加热功率调节器、交流电压过 零检测器、定时计数器、可控硅控制信号隔离放大器、可控硅加热电源、加热灯管和控制计 算机。所述的红外高温计输出与温度信号处理器连接；所述的温度信号处理器输出与控制 计算机连接；所述的标准K型热电偶硅晶片输出与热电偶测温仪连接；所述的热电偶测温 仪输出与控制计算机连接；所述的灯加热功率调节器内置于计算机的程序中；所述的交流 电压过零检测器输出与定时计数器连接；所述的定时计数器输出与可控硅控制信号隔离放 大器连接；所述的可控硅控制信号隔离放大器输出与可控硅加热电源控制信号连接；所述 的加热电源输出与加热灯管连接；所述的加热电源输入分别与三相交流电压A、 B、 C相连 接；所述的温度信号处理器、热电偶测温仪、定时计数器与控制计算机连接，由计算机协调 动作并进行控制。 本专利技术还提供快速热处理设备用温度测量与温度控制方法，包括温度测量校准过 程、硅晶片实时温度测量和温度控制过程、硅晶片温度分布均匀性调整过程。其中 温度测量校准过程包括如下步骤 (1)将标准K型热电偶硅片放置于加热腔之中，并将其两电极的引线连接到热电 偶测温仪上，热电偶测温仪与计算机连接，该标准K型热电偶硅晶片的温度同时可以用高 温计和热电偶测到； (2)炉门关闭，计算机控制给加热灯通电，调整好加热功率； (3)随着标准K型热电偶硅片温度的持续上升，计算机从热电偶测温仪、红外高温计1、红外高温计2获取硅晶片的实时温度值yi、^、X2i，从400 130(TC采集几十个点； (4)以上采集的每组数据中，热电偶测温仪的温度读值视为标准读值，则两高温计读值、热电偶测温仪读值三值之间的关系可拟合为一线性多项式 y = ao+a^+a^ (1) y-热电偶测温仪读值，标准值， x「高温计l的读值，X2-高温计2的读值； (5)根据(3)步采集到的数据，采用最小二乘法拟合法列出线性方程组，求解出方 程(1)的系数a。、^、^，这样就得到红外高温计测温的校准公式； (6)从炉腔中取出标准K型热电偶硅晶片，以备下次校准再用。 硅晶片实时温度测量和温度调整过程包括如下步骤 (1)在计算机中编辑好快速热处理工艺温度曲线； (2)将需进行快速热处理的硅晶片放置于加热腔中，计算机控制点亮加热灯，并给 定时计数器赋值，设置起始灯加热功率； (3)灯加热功率比值与计数器计数值的关系可用公式(2)表示 PT-加热灯的满功率值， Pn-加热灯的实时功率值， n-加热灯功率比值， n-在n加热灯功率比值下可控硅导通角对应的计数值， 10000-n-定时计数器的设定值，即可控硅的截止角值； (4)用红外高温计测量硅晶片的温度，然后将其与工艺温度曲线上对应的温度设置值进行比较，根据比较的结果，调整灯加热功率的比值，算出对应的n计数值； (5)将新计算出的值10000-n送给定时计数器，调节加热灯的加热功率； (6)反复多次步骤(4)和(5)，使硅晶片的温度变动轨迹尽可能接近地跟踪工艺温度曲线，完成整个快速热处理工艺周期， 一般为几十秒到几百秒； (7)等待十多秒，硅晶片冷却，取出硅晶片。 硅晶片温度分布均匀性调整过程包括如下步骤 (1)将加热腔设计中采用的28根卤钨灯管进行分区，共分成10个灯区，顶层5个5灯区，底层5个灯区； (2)控制设计为10个灯区的加热功率可分别进行独立的调节，每个灯区的功率比值可调； (3)设置各个灯区加热功率比值，确定各个灯区的加热功率比例系数，按前段所述硅晶片实时温度测量和温度调整过程进行快速热处理工艺周期； (4)取出处理后的硅晶片，用四探针方块电路测试仪测试其表面电阻分布状况； (5)根据硅晶片表面电阻分布情况，调节各个灯区加热功率比值； (6)反复多次步骤(3)到(5)，直到处理后的硅晶片表面电阻分布达到均匀性要求。本专利技术具有如下显著优点 (1)采用红外高温计进行温度测量，光通道的合理设计、高温计工作频谱合理选择，巧妙地避开了加热灯对温度测量的干扰，温度校准过程的设计确保了温度测量的精确性； (2)温度控制硬件的设计，可使温度调节实现全自动计算机程序控制，而且调节响应快速，满足自动适应PID算法对硬件的要求； (3)加热功率采用优化的分区控制，使硅晶片温度分布均匀性优于±0. 9% ; (4)采用16位计数器对可控硅导通角进行调节，调节精度高。现设定为1/10000的控制精度，通过参数调节最高可达1/60000的控制精度； (5)定时计数器采用8254计数器块，4块就可控制10个加热灯区，控制电路简单、集成度高； (6)温度控制升温速率大于25(TC /秒、降温速率大于6(TC /秒、控制精度达士2。C。附图说明 图1为本专利技术的一种快速热处理温度测控系统装置实施例的结构框 图2为本专利技术实施例的加热灯功率调节波形 图3为本专利技术实施例的快速热处理工艺运行曲线具体实施例方式下面结合附图和具体实施例对本专利技术作进一步的介绍，但不作为对本专利技术的限定。 参见图l，一种快速热处理温度测量与控制装置，包括红外高温计1、红外高温计2、标准K型热电偶硅晶片3、温度信号处理器4、热电偶测温仪5、加热功率调节器6、交流电压过零检测器7、定时计数器8、可控硅控制信号隔离放本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种快速热处理温度测量与控制系统，包括两只红外高温计、标准Ｋ型热电偶硅晶片、温度信号处理器、热电偶测温仪、加热功率调节器、交流电压过零检测器、定时计数器、可控硅控制信号隔离放大器、可控硅加热电源、加热灯组和控制计算机，其特征在于：所述的红外高温计输出与温度信号处理器连接；所述的温度信号处理器输出与控制计算机连接；所述的标准Ｋ型热电偶硅晶片输出与热电偶测温仪连接；所述的热电偶测温仪输出与控制计算机连接；所述的灯加热功率调节器内置于计算机的程序中；所述的交流电压过零检测器输出与定时计数器连接；所述的定时计数器输出与可控硅控制信号隔离放大器连接；所述的可控硅控制信号隔离放大器输出与可控硅加热电源控制信号连接；所述的加热电源输出与加热灯管连接；所述的加热电源输入分别与三相交流电压Ａ、Ｂ、Ｃ相连接；所述的温度信号处理器、热电偶测温仪、定时计数器与控制计算机连接，由计算机协调动作并进行控制。

【技术特征摘要】
一种快速热处理温度测量与控制系统，包括两只红外高温计、标准K型热电偶硅晶片、温度信号处理器、热电偶测温仪、加热功率调节器、交流电压过零检测器、定时计数器、可控硅控制信号隔离放大器、可控硅加热电源、加热灯组和控制计算机，其特征在于所述的红外高温计输出与温度信号处理器连接；所述的温度信号处理器输出与控制计算机连接；所述的标准K型热电偶硅晶片输出与热电偶测温仪连接；所述的热电偶测温仪输出与控制计算机连接；所述的灯加热功率调节器内置于计算机的程序中；所述的交流电压过零检测器输出与定时计数器连接；所述的定时计数器输出与可控硅控制信号隔离放大器连接；所述的可控硅控制信号隔离放大器输出与可控硅加热电源控制信号连接；所述的加热电源输出与加热灯管连接；所述的加热电源输入分别与三相交流电压A、B、C相连接；所述的温度信号处理器、热电偶测温仪、定时计数器与控制计算机连接，由计算机协调动作并进行控制。2. 如权利要求1所述的一种快速热处理温度测量与控制系统，其特征在于所述的温 度测量采用了非接触式红外测温高温计，并设计有温度测量校准过程，确保了测量精确；所 述的加热功率调节器用软件程序实现，不是通常的PID调节，而是自行开发的自适应PID调 解，满足了温度快速跟踪的要求。3. —种实施如权利要求1所述的一种快速热处理温度测量与控制系统的温度精确测 量与控制方法，包括温度测量校准过程、温度实时检测与控制过程和温度均匀性分布调整 过程，其特征在于所述的温度测量校准过程包括如下步骤(1) 将标准K型热电偶硅片放置于加热腔之中，并将其两电极的引线连接到热电偶测 温仪上，热电偶测温仪与计算机连接，该标准K型热电偶硅晶片的温度同时可以用高温计 和热电偶测到；(2) 炉门关闭，计算机控制给加热灯通电，调整好加热功率；(3) 随着标准K型热电偶硅片温度的持续上升，计算机从热电偶测温仪、红外高温计1、 红外高温计2获取硅晶片的实时温度值yi、x『x^从400 130(TC采集几十个点；(4) 以上采集的每组数据中，热电偶测温仪的温度读值视为标准读值，则两高温计读 值、热电偶测温仪读值三值之间的关系可拟合为一线性多项式y = ao+a^+a^ (1)y-热...

【专利技术属性】
技术研发人员：唐景庭，邱小莎，钟新华，
申请(专利权)人：北京中科信电子装备有限公司，
类型：发明
国别省市：11[中国|北京]