热处理设备的温度补偿方法、温度控制方法及系统的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种温度补偿方法，包括在硅片保持件上安装多个第二温度传感器；将硅片保持件搬入处理容器内，各第二温度传感器和处理容器内的多个第一温度传感器一一对应；控制加热器以第二温度传感器为控温对象调整处理容器内的温度，使第二传感器采集的温度上升至多个离散温度点，当采集温度收敛于离散温度点时控制其在该离散温度点恒温一定时间段；在每一个离散温度点的恒温时间段内周期性地记录多个第一和第二温度传感器所采集的温度，并计算两者的温度差异值；在实际热处理工艺中，根据各离散温度点及其对应的温度差异值，通过线性插值法计算出目标温度所对应的温度差异值作为第一温度传感器所采集温度的温度补偿值。本发明的温度补偿方法能够真实反映硅片温度。
【专利说明】热处理设备的温度补偿方法、温度控制方法及系统
【技术领域】
[0001] 本发明涉及半导体热处理工艺温度控制【技术领域】，特别涉及应用于热处理设备的 温度补偿方法、温度控制方法及温度控制系统。
【背景技术】
[0002] 硅片是一种重要的半导体材料，目前普遍采用自动化程度更高、工艺性能更优异 的立式热处理设备，对硅片进行批处理工艺，如淀积、氧化和扩散等加工工艺。随着工艺特 征尺寸的减小，对硅片表面的工艺处理精度提出了更高的要求，这些都依赖于工艺过程中 的温度控制的精度，尤其是硅片表面温度的控制精度。
[0003] 然而，在实际工艺过程中却无法直接测量硅片温度，这是因为若在硅片上安装了 金属热电偶测温，将会对硅片造成不可预估的金属污染。因此，只能采用间接测量的方法。 如图1所示，现有技术中是通过在热处理设备的处理容器内设有Inner热偶1,以该Inner 热偶所测得的温度近似为硅片W的温度。然而，虽然Inner热偶较为接近硅片本身的温度， 但与硅片温度之间仍然存在着实际的温度差异。且实际进行工艺过程中半导体热处理设备 将横跨多个温度区间，而不同的温度区间硅片温度与Inner热偶温度的差异值是不同的， 因此采用Inner热偶测量的温度值不能正确反映硅片温度，若以Inner热偶测量的温度值 作为控温对象，将严重影响工艺质量，例如目标膜厚的调节，片间均匀性的调整等。
【发明内容】
[0004] 本发明的主要目的旨在提供一种能够真实反映硅片温度的温度补偿方法及温度 控制方法。
[0005] 为达成上述目的，本发明提供一种用于半导体热处理设备的温度补偿方法，所述 半导体热处理设备包括处理容器，对所述处理容器加热的加热器以及设于所述处理容器中 将该处理容器的内部划分为多个区域的多个第一温度传感器，所述温度补偿方法包括以下 步骤：
[0006] S1，在硅片保持件上安装多个第二温度传感器；
[0007] S2,将所述硅片保持件搬入所述处理容器内，各所述第二温度传感器与各所述第 一温度传感器的位置一一对应；
[0008] S3,控制所述加热器以所述第二温度传感器为控温对象调整所述处理容器内的 温度，使每一所述第二传感器所采集的温度逐步上升至多个离散温度点，其中当所述第二 温度传感器所采集的温度收敛于所述离散温度点时控制其在该离散温度点恒温一定时间 段；
[0009] S4,在每一个所述离散温度点的恒温时间段内周期性地记录每一所述区域的第一 温度传感器和第二温度传感器所采集的温度，并计算出每一个所述离散温度点所对应的各 所述区域的第二温度传感器和第一温度传感器所采集温度的温度差异值；以及
[0010] S5,根据各所述离散温度点及各所述离散温度点对应的各所述区域的所述温度差 异值，通过线性插值法计算出实际热处理工艺的目标温度对应于所述区域的温度差异值以 其作为该区域的所述第一温度传感器所采集温度的温度补偿值。
[0011] 优选地，步骤S4中每一个所述离散温度点所对应的各所述区域的第二温度传感 器和第一温度传感器所采集温度的温度差异值通过以下方法计算得到：在该离散温度点的 恒温时间段内所记录的同一所述区域的第一温度传感器和第二温度传感器所采集温度中 选取多组数据；以及计算出所述多组数据中第二温度传感器所采集温度的平均值与第一温 度传感器所采集温度的平均值的差值以其作为该离散温度点对应的该区域的第二温度传 感器和第一温度传感器所采集温度的温度差异值。
[0012] 优选地，步骤S5包括：建立各所述离散温度点及其对应的温度差异值的差异表； 以及查询所述差异表，根据所述目标温度所处的离散温度点范围，以该范围的所述离散温 度点所对应的温度差异值为基值，通过线性插值法计算所述目标温度所对应的温度差异 值。
[0013] 优选地，所述恒温时间段为2?4小时。
[0014] 优选地，对于每一个所述离散温度点的恒温时间段，记录每一所述区域的所述第 一温度传感器和第二温度传感器采集的温度的周期为1?5秒。
[0015] 本发明还提供了一种半导体热处理设备的温度控制方法，所述半导体热处理设备 包括处理容器，对所述处理容器加热的加热器以及设于所述处理容器中将该处理容器的内 部划分为多个区域的多个第一温度传感器，所述温度控制方法用于在热处理工艺中根据温 控实验的结果进行温度控制，其中所述温控实验包括以下步骤：
[0016] S11，在硅片保持件上安装多个第二温度传感器；
[0017] S12,将所述硅片保持件搬入所述处理容器内，各所述第二温度传感器与各所述第 一温度传感器的位置一一对应；
[0018] S13,控制所述加热器以所述第二温度传感器为控温对象调整所述处理容器内的 温度，使每一所述第二传感器所采集的温度逐步上升至多个离散温度点，其中当所述第二 温度传感器所采集的温度收敛于所述离散温度点时控制其在该离散温度点恒温一定时间 段；
[0019] S14,在每一个所述离散温度点的恒温时间段内周期性地记录每一所述区域的第 一温度传感器和第二温度传感器所采集的温度，并计算出每一个所述离散温度点所对应的 各所述区域的第二温度传感器和第一温度传感器所采集温度的温度差异值；
[0020] 所述温度控制方法包括：
[0021] S21，根据各所述离散温度点及各所述离散温度点对应的各所述区域的所述温度 差异值，通过线性插值法计算出实际热处理工艺的目标温度对应于所述区域的温度差异值 以其作为该区域的第一温度传感器所采集温度的温度补偿值；以及
[0022] S22,以该区域的第一温度传感器采集的温度值与所述温度补偿值之和作为控温 对象，通过所述加热器对该区域进行温度控制。
[0023] 优选地，步骤S14中每一个所述离散温度点所对应的各所述区域的第二温度传感 器和第一温度传感器所采集温度的温度差异值通过以下方法计算得到：在该离散温度点的 恒温时间段内所记录的同一所述区域的第一温度传感器和第二温度传感器所采集温度中 选取多组数据；以及计算出所述多组数据中第二温度传感器所采集温度的平均值与第一温 度传感器所采集温度的平均值的差值以其作为该离散温度点对应的该区域的第二温度传 感器和第一温度传感器所采集温度的温度差异值。
[0024] 优选地，步骤S21进一步包括：建立各所述离散温度点及其对应的温度差异值的 差异表；以及查询所述差异表，根据所述目标温度所处的离散温度点范围，以该范围的所述 离散温度点所对应的温度差异值为基值，通过线性插值法计算所述目标温度所对应的温度 差异值。
[0025] 根据本发明的另一方面，还提供一种实施上述温度控制方法的系统，包括：计算 单元，用于根据各所述离散温度点及各所述离散温度点对应的各所述区域的所述温度差异 值，通过线性插值法计算出实际热处理工艺的工艺步骤中所述区域的目标温度所对应的温 度差异值以其作为该区域的第一温度传感器所采集温度的温度补偿值；以及控制单元，用 于以该区域的第一温度传感器采集的温度值与所述温度补偿值之和作为控温对象，控制所 述加热器对该区域进行温度控制。
[0026] 优选地，所述计算单元包括：表格建立模块，用于建立各所述离散温度点及其对应 的温度差异值的差异表；以及补偿值计算模块，用于查询所述差异表，根据所述目标温度所 处的离散温度点范围，以该范围的所述离散温度点所对应的温度差异值为基值，通过线性 插值法计算所述目标温度所对应的温度差异值。
[0027] 本发明所提出的温度补偿方法，以安装在硅片保持件上的第二传感器为温控对象 进行温控实验，获得在各离散温度时第二传感器与处理容器内第一传感器的温度差异值， 并根据工艺步骤的目标温度通过线性插值法计算出第一传感器采集的温度所需的温度补 偿值，该温度补偿值与处理容器内第一传感器的采样值相累加后得到的累加温度能准确反 映硅片的真实温度，保证工艺质量。当进行实际热处理工艺时，将该累加温度作为控温对 象，通过微调控温对象的温度，可调节硅片膜厚，满足工艺要求的片内均匀性和片间均匀 性，并达到工艺制程要求的目标膜厚。
【专利附图】
【附图说明】
[0028] 图1为现有技术中半导体热处理设备的的结构示意图；
[0029] 图2为本发明一实施例温度补偿方法的流程图；
[0030] 图3为本发明一实施例硅片保持件上第二传感器的分布示意图；
[0031] 图4为本发明一实施例热处理工艺时的工艺温度曲线。
【具体实施方式】
[0032] 为使本发明的内容更加清楚易懂，以下结合说明书附图，对本发明的内容作进一 步说明。当然本发明并不局限于该具体实施例，本领域内的技术人员所熟知的一般替换也 涵盖在本发明的保护范围内。
[0033] 在半导体热处理设备中，一个完整的工艺过程包括若干次不同的"升温--g 温--降温"过程，尤其是在主工艺阶段硅片表面温度的均匀性直接决定了工艺质量，需要 高精度的恒温热场控制。
[0034] 尽管半导体热处理设备温控系统的控温目标是硅片温度，然而在实际工艺过程中 无法直接测量硅片温度，只能采用间接测量的方法，如图1所示Inner热电偶1测得的温度 是设备内最接近硅片温度的，然而两者之间仍然存在温度差异。为解决上述问题，本发明采 用补偿方法间接测量娃片温度，使热处理工艺的实际控温对象CtrlTemp满足：CtrlTemp = Inner热电偶的采样值+温度补偿值，以实现硅片温度等效控制。
[0035] 图2为本发明一实施例温度补偿方法的流程图，其包括以下步骤：
[0036] S1 :在硅片保持件上安装多个温度传感器Wafer TC。
[0037] 如图3所示，在硅片保持件具有多个槽口，在标注为M(Monitor)的多个槽口上均 安装温度传感器Wafer TC，而在其他槽口中可安装挡片（dummy wafer)。
[0038] S2 :将硅片保持件搬入半导体热处理设备的处理容器内。
[0039] 通常来说，处理容器为反应管，反应管周围设置有例如由电阻加热丝构成的加热 器。较佳的，加热器可分为多个加热器元件，独立地控制发热量。在处理容器的内壁上，与 加热器相对应设置有内侧温度传感器Inner，当加热器分为多个加热器元件时，内侧温度传 感器Inner也为多个，将反应管内部的处理空间划分为多个区域。此时，多个温度传感器 Wafer TC是以分别与各区域及各内侧温度传感器Inner -一对应的方式载置在硅片保持 件上。如本实施例中，反应管的内部空间氛围上部区域Τ0Ρ，中上部区域C-T0P，中部CTR，中 下部C-BTM以及下部BTM五个区域，当硅片保持件搬入处理容器后，每个区域都对应安装一 内侧温度传感器Inner,温度传感器Wafer TC以及一加热器元件。
[0040] S3 :控制加热器以温度传感器Wafer TC为控温对象调整处理容器内的温度，使每 一个温度传感器Wafer TC所采集的温度均逐步上升至多个离散温度点，其中当温度传感器 Wafer TC所采集的温度收敛于某一离散温度点时控制其在该离散温度点恒温一定时间段。
[0041] 具体来说，在将硅片保持件搬入处理容器后，通过加热器的各个加热元件对处理 容器内的多个区域加热，此时是以温度传感器Wafer TC作为控温对象，使得各传感器Wafer TC的温度升至归属于多个温度区间的离散温度点，若传感器Wafer TC所采集的温度在某 个离散温度点收敛，则在该离散温度点恒温一段时间，该恒温时间段可以为2?4小时，本 实施例中为3小时。即当传感器Wafer TC所采集的温度在离散温度点1收敛时，在该离散 温度点恒温3小时，之后再进行升温，当传感器Wafer TC所采集的温度在离散温度点2收 敛，继续恒温3小时，以此类推。
[0042] S4:在每一个离散温度点的恒温时间段内周期性地记录每一个区域的内侧温度传 感器Inner和传感器Wafer TC所采集的温度，并计算出每一个离散温度点对应的各区域的 传感器Wafer TC和传感器Inner的温度差异值。
[0043] 具体来说，对于某一个离散温度点η来说，在该温度点η的恒温时间段内，每隔一 定时间记录处理容器内全部内侧温度传感器Inner和全部传感器Wafer TC所采集的温度， 记录周期可为1?5秒。本实施例中，5个传感器Wafer TC分别载置于硅片保持件上对应 于5个内侧温度传感器Inner的位置，则对于每一个区域的内侧温度传感器Inner和传感 器Wafer TC所采集的温度均加以周期性地记录。之后，选取该恒温时间段所记录的相同区 域的内侧温度传感器Inner和传感器Wafer TC所采集温度值的部分数据组，每一组数据包 括一对传感器Inner和传感器Wafer TC所采集的温度。较佳的所选取的数据组为恒温时间 段的后1/4至1/2时间段的数据。如选取恒温时间段最后1小时记录的TOP区域的内侧温 度传感器Inner和传感器Wafer TC所采集的温度数据，求得最后1小时内TOP区域内侧温 度传感器Inner采集的温度数据的平均值以及传感器Wafer TC采集的温度数据的平均值 的差值，即为离散温度点η对应的TOP区域的温度差异值，〇ffsetn，TOP = AverageTOP(WaferT C)-AverageTQP(Inner)。由于内侧温度传感器Inner和传感器Wafer TC均为5个，离散温度 点 η 对应的温度差异值也具有 5 个,分别为 offsetn，TQP, offsei^^op, offsetn，CTR，〇ffsetn，c_ BTM 以及offsetn，BTM，对应于处理容器内的5个区域。
[0044] 因此，通过上述步骤S1至S4,在实际热处理工艺之前，通过实验以传感器Wafer TC为控温对象模拟了半导体热处理设备的处理容器的升温过程，并获取了属于不同温度区 间（例，区间温度范围为50°C)的离散温度点所对应的传感器Wafer TC与传感器Inner的 温度差异值。
[0045] S5 :根据各离散温度点及各离散温度点对应的各个区域的温度差异值，通过线性 插值法计算出实际热处理工艺的目标温度对应于所述区域的温度差异值以其作为该区域 的温度传感器Inner所采集温度的温度补偿值。
[0046] 具体来说，首先建立关于各离散温度点以及其对应的温度差异值的差异表，如表1 所示。
[0047]
【权利要求】
1. 一种用于半导体热处理设备的温度补偿方法，所述半导体热处理设备包括处理容 器，对所述处理容器加热的加热器以及设于所述处理容器中将该处理容器的内部划分为多 个区域的多个第一温度传感器，其特征在于，所述温度补偿方法包括以下步骤： S1，在硅片保持件上安装多个第二温度传感器； 52, 将所述硅片保持件搬入所述处理容器内，各所述第二温度传感器与各所述第一温 度传感器的位置 对应； 53, 控制所述加热器以所述第二温度传感器为控温对象调整所述处理容器内的温度， 使每一所述第二传感器所采集的温度逐步上升至多个离散温度点，其中当所述第二温度传 感器所采集的温度收敛于所述离散温度点时控制其在该离散温度点恒温一定时间段； 54, 在每一个所述离散温度点的恒温时间段内周期性地记录每一所述区域的第一温度 传感器和第二温度传感器所采集的温度，并计算出每一个所述离散温度点所对应的各所述 区域的第二温度传感器和第一温度传感器所采集温度的温度差异值；以及 55, 根据各所述离散温度点及各所述离散温度点对应的各所述区域的所述温度差异 值，通过线性插值法计算出实际热处理工艺的目标温度对应于所述区域的温度差异值以其 作为该区域的所述第一温度传感器所采集温度的温度补偿值。
2. 根据权利要求1所述的温度补偿方法，其特征在于，步骤S4中每一个所述离散温度 点所对应的各所述区域的第二温度传感器和第一温度传感器所采集温度的温度差异值通 过以下方法计算得到： 在该离散温度点的恒温时间段内所记录的同一所述区域的第一温度传感器和第二温 度传感器所采集温度中选取多组数据；以及 计算出所述多组数据中第二温度传感器所采集温度的平均值与第一温度传感器所采 集温度的平均值的差值以其作为该离散温度点对应的该区域的第二温度传感器和第一温 度传感器所采集温度的温度差异值。
3. 根据权利要求1或2所述的温度补偿方法，其特征在于，步骤S5包括： 建立各所述离散温度点及其对应的温度差异值的差异表；以及 查询所述差异表，根据所述目标温度所处的离散温度点范围，以该范围的所述离散温 度点所对应的温度差异值为基值，通过线性插值法计算所述目标温度所对应的温度差异 值。
4. 根据权利要求3所述的温度补偿方法，其特征在于，所述恒温时间段为2?4小时。
5. 根据权利要求4所述的温度补偿方法，其特征在于，对于每一个所述离散温度点的 恒温时间段，记录每一所述区域的第一温度传感器和第二温度传感器采集的温度的周期为 1?5秒。
6. -种用于半导体热处理设备的温度控制方法，所述半导体热处理设备包括处理容 器，对所述处理容器加热的加热器以及设于所述处理容器中将该处理容器的内部划分为多 个区域的多个第一温度传感器，所述温度控制方法用于在热处理工艺中根据温控实验的结 果进行温度控制，其特征在于，所述温控实验包括以下步骤： S11，在硅片保持件上安装多个第二温度传感器； S12,将所述硅片保持件搬入所述处理容器内，各所述第二温度传感器与各所述第一温 度传感器的位置一一对应； 513, 控制所述加热器以所述第二温度传感器为控温对象调整所述处理容器内的温度， 使每一所述第二传感器所采集的温度逐步上升至多个离散温度点，其中当所述第二温度传 感器所采集的温度收敛于所述离散温度点时控制其在该离散温度点恒温一定时间段； 514, 在每一个所述离散温度点的恒温时间段内周期性地记录每一所述区域的第一温 度传感器和第二温度传感器所采集的温度，并计算出每一个所述离散温度点所对应的各所 述区域的第二温度传感器和第一温度传感器所采集温度的温度差异值； 所述温度控制方法包括： S21，根据各所述离散温度点及各所述离散温度点对应的各所述区域的所述温度差异 值，通过线性插值法计算出实际热处理工艺的目标温度对应于所述区域的温度差异值以其 作为该区域的第一温度传感器所采集温度的温度补偿值；以及 S22,以该区域的第一温度传感器采集的温度值与所述温度补偿值之和作为控温对象， 通过所述加热器对该区域进行温度控制。
7. 根据权利要求6所述的温度控制方法，其特征在于，步骤S14中每一个所述离散温度 点所对应的各所述区域的第二温度传感器和第一温度传感器所采集温度的温度差异值通 过以下方法计算得到： 在该离散温度点的恒温时间段内所记录的同一所述区域的第一温度传感器和第二温 度传感器所采集温度中选取多组数据；以及 计算出所述多组数据中第二温度传感器所采集温度的平均值与第一温度传感器所采 集温度的平均值的差值以其作为该离散温度点对应的该区域的第二温度传感器和第一温 度传感器所采集温度的温度差异值。
8. 根据权利要求6或7所述的温度控制方法，其特征在于，步骤S21进一步包括： 建立各所述离散温度点及其对应的温度差异值的差异表；以及 查询所述差异表，根据所述目标温度所处的离散温度点范围，以该范围的离散温度点 所对应的温度差异值为基值，通过线性插值法计算所述目标温度所对应的温度差异值。
9. 一种实施权利要求6所述的温度控制方法的系统，其特征在于，包括： 计算单元，用于根据各所述离散温度点及各所述离散温度点对应的各所述区域的所述 温度差异值，通过线性插值法计算出实际热处理工艺的目标温度对应于所述区域的温度差 异值以其作为该区域的第一温度传感器所采集温度的温度补偿值；以及 控制单元，用于以该区域的第一温度传感器采集的温度值与所述温度补偿值之和作为 控温对象，控制所述加热器对该区域进行温度控制。
10. 根据权利要求9所述的温度控制系统，其特征在于，所述计算单元包括： 表格建立模块，用于建立各所述离散温度点及其对应的温度差异值的差异表；以及 补偿值计算模块，用于查询所述差异表，根据所述目标温度所处的离散温度点范围，以 该范围的所述离散温度点所对应的温度差异值为基值，通过线性插值法计算所述目标温度 所对应的温度差异值。
【文档编号】G05D23/30GK104090604SQ201410307082
【公开日】2014年10月8日 申请日期:2014年6月30日 优先权日:2014年6月30日
【发明者】王艾, 徐冬, 张乾 申请人:北京七星华创电子股份有限公司