一种快速热处理温度测控系统和测控方法 【技术领域】
本发明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。
背景技术
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400～1300℃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。
【发明内容】
本发明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。该发明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。
本发明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。
本发明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、x1i、x2i，从400～1300℃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＝a0+a1x1+a2x2 (1)
y-热电偶测温仪读值，标准值，
x1-高温计1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a0、a1、a2，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：
η=Pn/PT=Σi=0nsin2(πi10000)/Σi=01000sin2(πi10000).............(2)]]>
PT-加热灯的满功率值，
Pn-加热灯的实时功率值，
η-加热灯功率比值，
n-在η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地28根卤钨灯管进行分区，共分成10个灯区，顶层5个灯区，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。
本发明具有如下显著优点：
(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250℃/秒、降温速率大于60℃/秒、控制精度达±2℃。
【附图说明】
图1为本发明的一种快速热处理温度测控系统装置实施例的结构框图；
图2为本发明实施例的加热灯功率调节波形图；
图3为本发明实施例的快速热处理工艺运行曲线图；
【具体实施方式】
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的介绍，但不作为对本发明的限定。
参见图1，一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大器9、可控硅加热电源10、加热灯组11和控制计算机12。
红外高温计1主要是硅晶片温度探测器，红外高温计2主要是加热腔体温度探测器，它们探测到的温度信号送给温度信号处理器4；温度信号处理器4将红外高温计1、2探测到信号进行放大并经模数转换成数字温度值，输出数字温度值x1、x2给控制计算机12；标准K型热电偶硅晶片3是温度校准过程中使用的标准，它的温度信号送给热电偶测温仪5；热电偶测温仪5将标准K型热电偶硅晶片3温度信号进行放大并转换成数字温度值y，送给控制计算机12；控制计算机12接收来自温度信号处理器4和热电偶测温仪5送来的温度值y、x1、x2，在温度校准过程中，依据方程式y＝a0+a1x1+a2x2，采用最小二乘法，列出方程组，求得方程系数a0、a1、a2，即求得温度校准公式：y＝a0+a1x1+a2x2，y就是硅片的实际温度；而在硅晶片实时温度测量和温度调整过程中，控制计算机12则按公式y＝a0+a1x1+a2x2计算硅晶片的准确温度值，并将该温度值与工艺处理菜单中设置的温度值进行比较，调用加热功率调节器6软件，算出调节功率比η，再按公式：
η=Pn/PT=Σi=0nsin2(πi10000)/Σi=010000sin2(πi10000)]]>
算出值n，再算出计数值t＝10000-n，送给定时计算器8；定时计数器8中的计数值决定了加热灯交流电的导通角，定时计数器8在交流电压过零信号检测器7送来的交流过零脉冲的触发下开始计数，计数值满后，发出导通启动信号给可控硅控制信号隔离放大器9；可控硅控制信号隔离放大器9将启动脉冲进行功率放大后送给加热电源10中的可控硅控制端，使可控硅导通；加热电源10为加热灯的交流供电电源；加热灯组11为高亮度卤钨灯组，对硅晶片进行辐射加热；交流电压过零监测器7接收三相交流电压信号，检测出交流电压的过零时刻，输出过零脉冲给定时计数器8，启动开始计数。
在整个过程中，控制计算机12接收来自温度信号处理器4和热电偶测温仪5发来的温度信号，调用加热功率调节器6软件，控制定时计数器8的定时值，调节加热灯组11的功率，使系统协调工作，完成温度测量校准、温度实时测量和精确控制及温度分布均匀性调整过程，具体操作步骤是：
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、x1i、x2i，从400～1300℃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＝a0+a1x1+a2x2 (1)
y-热电偶测温仪读值，标准值，
x1-高温计1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a0、a1、a2，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：
η=Pn/PT=Σi=0nsin2(πi10000)/Σi=010000sin2(πi10000)..........(2)]]>
PT-加热灯的满功率值，
Pn-加热灯的实时功率值，
η-加热灯功率比值，
n-在η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。
实施例：
根据上述方法记录一组快速热处理过程数据如下：
工艺处理硅晶片尺寸：8英寸。用8英寸硅晶片进行快速热处理退火试验，8英寸硅晶片先经离子注入机注入B+离子，离子注入机注入能量设定为150kev，注入剂量设定为1×1014ion/cm2。注入后的硅晶片送入快速退火炉中进行快速热退火，退火稳定期高温分别设为800、900、1000、1100℃。退火后的硅晶片用四探针方块电阻测试仪进行电阻均匀性测试，其电阻均匀性都优于±0.95％，最佳达±0.76％(3σ)。
图3为进行快速热处理工艺的实时工艺曲线图，黄色为编辑的温度控制工艺曲线，紫色为模型拟合温度控制曲线，绿色为实际运行的温度控制工艺曲线，红色为加热灯功率调整曲线，下方的绿色曲线为氮气流量设置曲线。
表1为硅晶片温度均匀性分布调整数据。为使整块硅晶片上受热均匀，将加热灯阵列10个分区的功率比值进行调整，使各个灯区加热功率不完全一致，而是按一定比值分布。表1列出了4次调整功率比值，得到的均匀性优化的数据。第1次为各个灯区功率比值均设为1，各加热灯区功率相同；第2、3、4次对各灯区功率比值进行调整，温度分布均匀性得到改善，经过3次调整，均匀性达到±0.76％。
表2列出了运行快速热处理工艺菜单，按温度测量与温度控制步骤进行控制得到的温度控制数据。共列出了5组不同的温度控制参数的快速热处理工艺运行的结果。尽管工艺要求设置的稳定期温度不同，温度控制精度和温度均匀性都能达到工艺处理的要求。
表1温度分布均匀性调整数据
表2不同稳定期温度下，温度控制结果
本发明的特定实施例已对本发明的内容做了详尽说明。对本领域一般技术人员而言，在不背离本发明精神的前提下对它所做的任何显而易见的改动，都构成对本发明专利的侵犯，将承担相应的法律责任。