专利名称:快速闪光退火炉中的温度控制程控方法
技术领域:
本发明通过硬件设计实现对温度的控制,通过自适应算法模型对卤素灯管进行功 率控制,来提高硅晶片的温度均勻性和快速闪光退火炉的工作效率,满足集成电路制造技 术对半导体工艺设备的飞速发展,快速闪光退火炉是半导体行业的工艺设备,该发明属于 半导体器件制造领域。
背景技术:
随着半导体技术从130nm到90nm以下工艺的微缩,每个芯片上集成的逻辑器件也 越来越多,作为离子掺杂的离子注入机的工艺步骤也越来越多,掺完杂后需要用快速退火 系统快速退火,要求退火效率45 70片/小时,这样就必须提高退火的升温和退温的时 间,新型的快速闪光退火炉最大升温速度达250°C /秒,最大退温速度达60°C /秒,高温保 持期温度控制精度达士 1. 5°C,热处理后的电阻均勻性达1. 5%,基于这些要求,传统的PID 温度调节控制方法已无法实现最新型的快速热处理功能。本发明针对上述技术背景,采用改变卤素灯管的功率和排列方式,结合温度控制 硬件电路的设计,设计温度控制自适应算法模型对多个稳区进行温度调整控制,达到快速 退火的要求。
发明内容
本发明通过以下技术方案实现硅晶片的加热升温采用卤素钨灯辐射加热升温法,共应用了 28根1. 5KW和2KW两 种规格的卤素灯管,分别设置在炉腔的顶部和底部,各有14根灯管,顶部和底部的灯管成 垂直交叉状安放。将28根灯管分成10个加热功率控制区,顶部和底部各分布5个加热功 率控制区,为了保证加热腔体中硅晶片在加热处理过程中温度均勻,每个加热功率区安放 不一样的灯管功率和灯管根数,顶部和底部的加热功率控制区的灯管数按对称分布,按照 自适应算法模型对每个区的灯管加热实行精确调整和控制,以达到使炉腔中的硅晶片快速 升温和温度均勻的目的。三相交流电送给加热灯电源,连到双相可控硅的输入端,同时该三相交流电也送 给一块“过零信号检测板”,“过零信号检测板”会将交流电“过零时刻”作为参考点输出一 个方波信号,该信号作为“定时/计数板”上的计数器开始计数的起始点,计数器根据计算 机送来的计数值来计数,计数计满后,计数器输出一触发脉冲送给炉温控制板,该触发脉冲 经炉温控制板隔离和功率放大后,去控制双相可控硅的导通,即为控制加热灯区的供电。计数器采用IMHz频率计数,每个计数脉冲为1微秒,计数值最大设计为10000个, 对应时间为10000*1微秒=10毫秒,正是50HZ交流电的半个周期。因此计算机送给计数 器的计数值理论上在0 10000之间变化,计算机根据红外快速测温高温计的测量值,补偿 值和修正值来输入自适应算法,算出每个灯区需要的计数值,计算机根据算出的计数值来 控制可控硅的导通角,即控制卤素钨灯的加热功率,当环境,工艺气体等因数变化时,计算机会快速的算出最新的计数值输出给计数器,达到改变灯管加热功率的目的。这样就可以 实现对每个灯区加热功率的程控调节。本发明具有如下显著优点1.在硬件的支持下,可使温度控制实现全自动计算机程序控制,而且调节响应快 速,满足自适应算法的要求;2.加热源功率可分区控制,为温度均勻性控制提供了硬件基础;3.采用16位计数器对可控硅导通角进行调节,调节精度高,本专利为1/10000的 控制精度,通过参数调节最高可达1/60000的控制精度;4.控制调节计数器采用D8254计数模块,每块D8254计数模块有三个计数通道,四 块D8254就可以控制10个加热灯区,因而控制电路简单,集成度高。
图1为本发明的卤素灯管布局2为本发明的硬件控制波形图
具体实施例方式下面结合附图对本发明作进一步介绍。参见图1,快速闪光退火炉的灯管布局说明如下1为控制区1 ;2为控制区2 ;3为 控制区3 ;4为控制区4 ;5为控制区5 ;6为控制区6 ;7为控制区7 ;8为控制区8 ;9为控制 区9 ;10为控制区10 ;11为顶部灯管组;12为硅晶片;13为底部灯管组。硅晶片的加热升温采用卤素钨灯辐射加热升温法,共应用了 28根1. 5KW和2KW两 种规格的卤素灯管,分别设置在炉腔的顶部和底部,各有14根灯管,顶部和底部的灯管成 垂直交叉状安放。将28根灯管分成10个加热功率控制区,顶部和底部各分布5个加热功率 控制区,为了保证加热腔体中硅晶片在加热处理过程中温度均勻,每个加热功率区安放不 一样的灯管功率和灯管根数,顶部和底部的加热功率控制区的灯管数按对称分布。顶部灯 管为水平布局,靠近操作面为加热功率控制区1,依次向内为加热功率控制区2、加热功率 控制区3、加热功率控制区4和加热功率控制区5 ;底部灯管为前后布局,从设备左边开始依 次为加热功率控制区6、加热功率控制区7、加热功率控制区8、加热功率控制区9和加热功 率控制区10。根据自适应算法和修正系数,以及最外测的散热比最里测的散热好等因素考 虑,靠近外测的加热功率控制区如加热功率控制区1、加热功率控制区5、加热功率控制区6 和加热功率控制区10设计为两根2KW的灯管并联;加热功率控制区2、加热功率控制区4、 加热功率控制区7和加热功率控制区9设计为三根2KW的灯管并联;最里面的加热功率控 制区3和加热功率控制区8设计4根1. 5KW的灯管并联。10个加热功率控制区设计不同的 灯管数和灯管功率,以达到使炉腔中的硅晶片快速升温和温度均勻的目的。参见图2,控制硬件波形图说明如下三相交流电送给加热灯电源,连到可控硅的输入端,同时该三相交流电也送给一 块“过零信号检测板”卡,“过零信号检测板”会将交流电“过零时刻”转变为0 5V方波的 跳变沿,从“过零信号检测板”输出的0 5V方波信号GAME,去触发“定时/计数板”上的 计数器计数,计数器计数值满后,则输出一触发脉冲OUT。该触发脉冲送给炉温控制板,经炉温控制板隔离和功率放大后,去控制双相可控硅的导通,即为控制加热灯区的供电。从图2可知,可控硅的导通角Φ与“定时/计数板”上计数器上的计数值相关,计 数器采用IMHz频率计数,每个计数脉冲为1微秒,计数值最大设计为10000个,对应时间为 10000*1微秒=10毫秒,正是50ΗΖ交流电的半个周期。因此计算机送给计数器的计数值 理论上在0 10000之间变化,在快速退火处理过程中,计算机先给“定时/计数板”上的 各计数器设置预计的计数值,即给各加热功率控制区设置预计的加热功率,在加热过程中, 用高温计实时检测硅晶片的温度,然后根据设定的温度曲线,对各个计数值进行调节,从而 对各个加热功率控制区的功率进行调节,达到精确控制温度和温度均勻性的目的。计算机 根据红外快速测温高温计的测量值,补偿值和修正值来输入自适应算法模型,算出每个灯 区需要的计数值,计算机根据算出的计数值来控制可控硅的导通角,即控制卤素钨灯的加 热功率,当环境、工艺气体等因数变化时,计算机会快速的算出最新的计数值输出给计数器 D8254,达到改变灯管加热功率的目的。这样就可以实现对每个加热功率控制区加热功率的 程控调节。在交流电的半个周期内,如果计数值较大时,当计数器计数值满后,则输出的触发 脉冲OUT就会比较后,则灯管加热功率就较大,图2所示的波形3和波形4是加热功率较大 的情况;同理,在交流电的半个周期内,如果计数值较小时,当计数器计数值满后,则输出的 触发脉冲OUT也比较前,则灯管加热功率就较小,图2所示的波形5和波形6是加热功率较 小的情况。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。
权利要求
1.应用了28根1. 5KW和2KW两种规格的卤素灯管,分别设置在炉腔的顶部和底部,各 有14根灯管,顶部和底部的灯管成垂直交叉状安放,将28根灯管分成10个加热功率控制 区,顶部和底部各分布5个加热功率控制区,10个加热功率控制区设计不同的灯管数和灯 管功率,以达到使炉腔中的硅晶片快速升温和温度均勻的目的。
2.计算机通过向16位计数器D8254发送计数值来控制可控硅的导通角,根据自适应算 法,10个加热功率控制区可以对应不同的计数值,即对应不同的加热功率,这样就可以对加 热源功率进行分区控制,满足硅晶片升温和温度均勻性的要求。
全文摘要
本发明公开了一种新型的快速闪光退火炉的温度控制程控方法,快速闪光退火炉是半导体行业的工艺设备,该发明属于半导体器件制造领域。硅晶片的加热升温方法采用卤素钨灯辐射加热升温法,共应用了28根1.5KW和2KW两种规格的卤素灯管,分别设置在炉腔的顶部和底部,各有14根灯管,顶部和底部的灯管成垂直交叉状安放,将28根灯管分成10个加热功率控制区,顶部和底部各分布5个加热功率控制区,为了保证硅晶片在加热退火处理过程中温度均匀,每个加热功率区安放不一样的灯管功率和灯管根数,顶部和底部的加热功率控制区的灯管数按对称分布,按照自适应算法模型对每个区的灯管加热实行精确调整和控制,以达到使炉腔中的硅晶片快速升温和温度均匀的目的。
文档编号F27D11/00GK102003882SQ20091009066
公开日2011年4月6日 申请日期2009年9月3日 优先权日2009年9月3日
发明者伍三忠, 姚琛, 易文杰, 金泽军, 龙会跃 申请人:北京中科信电子装备有限公司