快速閃光退火爐中的溫度控制程控方法
2023-10-22 14:23:22
專利名稱：快速閃光退火爐中的溫度控制程控方法
技術領域：
本發明通過硬體設計實現對溫度的控制，通過自適應算法模型對滷素燈管進行功 率控制，來提高矽晶片的溫度均勻性和快速閃光退火爐的工作效率，滿足集成電路製造技 術對半導體工藝設備的飛速發展，快速閃光退火爐是半導體行業的工藝設備，該發明屬於 半導體器件製造領域。
背景技術：
隨著半導體技術從130nm到90nm以下工藝的微縮，每個晶片上集成的邏輯器件也 越來越多，作為離子摻雜的離子注入機的工藝步驟也越來越多，摻完雜後需要用快速退火 系統快速退火，要求退火效率45 70片/小時，這樣就必須提高退火的升溫和退溫的時 間，新型的快速閃光退火爐最大升溫速度達250°C /秒，最大退溫速度達60°C /秒，高溫保 持期溫度控制精度達士 1. 5°C，熱處理後的電阻均勻性達1. 5%，基於這些要求，傳統的PID 溫度調節控制方法已無法實現最新型的快速熱處理功能。本發明針對上述技術背景，採用改變滷素燈管的功率和排列方式，結合溫度控制 硬體電路的設計，設計溫度控制自適應算法模型對多個穩區進行溫度調整控制，達到快速 退火的要求。
發明內容
本發明通過以下技術方案實現矽晶片的加熱升溫採用滷素鎢燈輻射加熱升溫法，共應用了 28根1. 5KW和2KW兩 種規格的滷素燈管，分別設置在爐腔的頂部和底部，各有14根燈管，頂部和底部的燈管成 垂直交叉狀安放。將28根燈管分成10個加熱功率控制區，頂部和底部各分布5個加熱功 率控制區，為了保證加熱腔體中矽晶片在加熱處理過程中溫度均勻，每個加熱功率區安放 不一樣的燈管功率和燈管根數，頂部和底部的加熱功率控制區的燈管數按對稱分布，按照 自適應算法模型對每個區的燈管加熱實行精確調整和控制，以達到使爐腔中的矽晶片快速 升溫和溫度均勻的目的。三相交流電送給加熱燈電源，連到雙相可控矽的輸入端，同時該三相交流電也送 給一塊「過零信號檢測板」，「過零信號檢測板」會將交流電「過零時刻」作為參考點輸出一 個方波信號，該信號作為「定時/計數板」上的計數器開始計數的起始點，計數器根據計算 機送來的計數值來計數，計數計滿後，計數器輸出一觸發脈衝送給爐溫控制板，該觸發脈衝 經爐溫控制板隔離和功率放大後，去控制雙相可控矽的導通，即為控制加熱燈區的供電。計數器採用IMHz頻率計數，每個計數脈衝為1微秒，計數值最大設計為10000個， 對應時間為10000*1微秒=10毫秒，正是50HZ交流電的半個周期。因此計算機送給計數 器的計數值理論上在0 10000之間變化，計算機根據紅外快速測溫高溫計的測量值，補償 值和修正值來輸入自適應算法，算出每個燈區需要的計數值，計算機根據算出的計數值來 控制可控矽的導通角，即控制滷素鎢燈的加熱功率，當環境，工藝氣體等因數變化時，計算機會快速的算出最新的計數值輸出給計數器，達到改變燈管加熱功率的目的。這樣就可以 實現對每個燈區加熱功率的程控調節。本發明具有如下顯著優點1.在硬體的支持下，可使溫度控制實現全自動電腦程式控制，而且調節響應快 速，滿足自適應算法的要求；2.加熱源功率可分區控制，為溫度均勻性控制提供了硬體基礎；3.採用16位計數器對可控矽導通角進行調節，調節精度高，本專利為1/10000的 控制精度，通過參數調節最高可達1/60000的控制精度；4.控制調節計數器採用D8254計數模塊，每塊D8254計數模塊有三個計數通道，四 塊D8254就可以控制10個加熱燈區，因而控制電路簡單，集成度高。
圖1為本發明的滷素燈管布局2為本發明的硬體控制波形圖
具體實施例方式下面結合附圖對本發明作進一步介紹。參見圖1，快速閃光退火爐的燈管布局說明如下1為控制區1 ；2為控制區2 ；3為 控制區3 ；4為控制區4 ；5為控制區5 ；6為控制區6 ；7為控制區7 ；8為控制區8 ；9為控制 區9 ;10為控制區10 ；11為頂部燈管組；12為矽晶片；13為底部燈管組。矽晶片的加熱升溫採用滷素鎢燈輻射加熱升溫法，共應用了 28根1. 5KW和2KW兩 種規格的滷素燈管，分別設置在爐腔的頂部和底部，各有14根燈管，頂部和底部的燈管成 垂直交叉狀安放。將28根燈管分成10個加熱功率控制區，頂部和底部各分布5個加熱功率 控制區，為了保證加熱腔體中矽晶片在加熱處理過程中溫度均勻，每個加熱功率區安放不 一樣的燈管功率和燈管根數，頂部和底部的加熱功率控制區的燈管數按對稱分布。頂部燈 管為水平布局，靠近操作面為加熱功率控制區1，依次向內為加熱功率控制區2、加熱功率 控制區3、加熱功率控制區4和加熱功率控制區5 ；底部燈管為前後布局，從設備左邊開始依 次為加熱功率控制區6、加熱功率控制區7、加熱功率控制區8、加熱功率控制區9和加熱功 率控制區10。根據自適應算法和修正係數，以及最外測的散熱比最裡測的散熱好等因素考 慮，靠近外測的加熱功率控制區如加熱功率控制區1、加熱功率控制區5、加熱功率控制區6 和加熱功率控制區10設計為兩根2KW的燈管並聯；加熱功率控制區2、加熱功率控制區4、 加熱功率控制區7和加熱功率控制區9設計為三根2KW的燈管並聯；最裡面的加熱功率控 制區3和加熱功率控制區8設計4根1. 5KW的燈管並聯。10個加熱功率控制區設計不同的 燈管數和燈管功率，以達到使爐腔中的矽晶片快速升溫和溫度均勻的目的。參見圖2，控制硬體波形圖說明如下三相交流電送給加熱燈電源，連到可控矽的輸入端，同時該三相交流電也送給一 塊「過零信號檢測板」卡，「過零信號檢測板」會將交流電「過零時刻」轉變為0 5V方波的 跳變沿，從「過零信號檢測板」輸出的0 5V方波信號GAME，去觸發「定時/計數板」上的 計數器計數，計數器計數值滿後，則輸出一觸發脈衝OUT。該觸發脈衝送給爐溫控制板，經爐溫控制板隔離和功率放大後，去控制雙相可控矽的導通，即為控制加熱燈區的供電。從圖2可知，可控矽的導通角Φ與「定時/計數板」上計數器上的計數值相關，計 數器採用IMHz頻率計數，每個計數脈衝為1微秒，計數值最大設計為10000個，對應時間為 10000*1微秒=10毫秒，正是50ΗΖ交流電的半個周期。因此計算機送給計數器的計數值 理論上在0 10000之間變化，在快速退火處理過程中，計算機先給「定時/計數板」上的 各計數器設置預計的計數值，即給各加熱功率控制區設置預計的加熱功率，在加熱過程中， 用高溫計實時檢測矽晶片的溫度，然後根據設定的溫度曲線，對各個計數值進行調節，從而 對各個加熱功率控制區的功率進行調節，達到精確控制溫度和溫度均勻性的目的。計算機 根據紅外快速測溫高溫計的測量值，補償值和修正值來輸入自適應算法模型，算出每個燈 區需要的計數值，計算機根據算出的計數值來控制可控矽的導通角，即控制滷素鎢燈的加 熱功率，當環境、工藝氣體等因數變化時，計算機會快速的算出最新的計數值輸出給計數器 D8254，達到改變燈管加熱功率的目的。這樣就可以實現對每個加熱功率控制區加熱功率的 程控調節。在交流電的半個周期內，如果計數值較大時，當計數器計數值滿後，則輸出的觸發 脈衝OUT就會比較後，則燈管加熱功率就較大，圖2所示的波形3和波形4是加熱功率較大 的情況；同理，在交流電的半個周期內，如果計數值較小時，當計數器計數值滿後，則輸出的 觸發脈衝OUT也比較前，則燈管加熱功率就較小，圖2所示的波形5和波形6是加熱功率較 小的情況。本發明的特定實施例已對本發明的內容做了詳盡說明。對本領域一般技術人員而 言，在不背離本發明精神的前提下對它所做的任何顯而易見的改動，都構成對本發明專利 的侵犯，將承擔相應的法律責任。
權利要求
1.應用了28根1. 5KW和2KW兩種規格的滷素燈管，分別設置在爐腔的頂部和底部，各 有14根燈管，頂部和底部的燈管成垂直交叉狀安放，將28根燈管分成10個加熱功率控制 區，頂部和底部各分布5個加熱功率控制區，10個加熱功率控制區設計不同的燈管數和燈 管功率，以達到使爐腔中的矽晶片快速升溫和溫度均勻的目的。
2.計算機通過向16位計數器D8254發送計數值來控制可控矽的導通角，根據自適應算 法，10個加熱功率控制區可以對應不同的計數值，即對應不同的加熱功率，這樣就可以對加 熱源功率進行分區控制，滿足矽晶片升溫和溫度均勻性的要求。
全文摘要
本發明公開了一種新型的快速閃光退火爐的溫度控制程控方法，快速閃光退火爐是半導體行業的工藝設備，該發明屬於半導體器件製造領域。矽晶片的加熱升溫方法採用滷素鎢燈輻射加熱升溫法，共應用了28根1.5KW和2KW兩種規格的滷素燈管，分別設置在爐腔的頂部和底部，各有14根燈管，頂部和底部的燈管成垂直交叉狀安放，將28根燈管分成10個加熱功率控制區，頂部和底部各分布5個加熱功率控制區，為了保證矽晶片在加熱退火處理過程中溫度均勻，每個加熱功率區安放不一樣的燈管功率和燈管根數，頂部和底部的加熱功率控制區的燈管數按對稱分布，按照自適應算法模型對每個區的燈管加熱實行精確調整和控制，以達到使爐腔中的矽晶片快速升溫和溫度均勻的目的。
文檔編號F27D11/00GK102003882SQ20091009066
公開日2011年4月6日 申請日期2009年9月3日 優先權日2009年9月3日
發明者伍三忠, 姚琛, 易文杰, 金澤軍, 龍會躍 申請人:北京中科信電子裝備有限公司