温度控制装置和半导体生产设备的制作方法

本实用新型涉及半导体生产技术领域，尤其涉及一种温度控制装置和安装该温度控制装置的半导体生产设备。

背景技术：

在半导体生产制造过程中，成膜工艺需要控制温度，温度会影响薄膜性质，在成膜工艺中温度控制不及时会对生产出的薄膜的品质造成很大的影响，但是现有技术中较难对成膜工艺中温度进行实时控制；在现有技术中也没有将PID控制器较好的应用于半导体制造工艺中。

因此，有必要研究一种新的温度控制装置和安装该温度控制装置的半导体生产设备。

所述背景技术部分公开的上述信息仅用于加强对本实用新型的背景的理解，因此它可以包括不构成对本领域普通技术人员已知的现有技术的信息。

技术实现要素：

本实用新型的目的在于克服上述现有技术的无法对半导体生产设备温度进行实时控制的不足，提供一种可以对半导体生产设备温度进行实时控制的温度控制装置和安装该温度控制装置的半导体生产设备。

本实用新型的额外方面和优点将部分地在下面的描述中阐述，并且部分地将从描述中变得显然，或者可以通过本实用新型的实践而习得。

根据本实用新型的一个方面，一种温度控制装置，用于控制半导体生产设备的温度，包括：

温度感测器，用于测量所述半导体生产设备的实时温度；

控制器，电连接于所述温度感测器，用于接收所述实时温度并将所述实时温度与预设温度范围进行比较，根据比较结果发出控制信号；

气体流量调节器，电连接于所述控制器，用于根据所述控制信号控制通入所述半导体生产设备的气体流量，以使所述半导体生产设备的温度保持在预设温度范围内，避免了铝金属凸起造成的缺陷。

根据本实用新型的一种实施方式，所述预设温度范围包括：第一预设温度范围以及第二预设温度范围。

根据本实用新型的一种实施方式，所述第一预设温度范围为第一设定温度值加减第一误差温度，所述第二预设温度范围为第二设定温度值加减第二误差温度。

根据本实用新型的一种实施方式，所述第一设定温度值为大于等于270℃且小于等于400℃。

根据本实用新型的一种实施方式，所述第二设定温度值大于第一设定温度值10℃至50℃。

根据本实用新型的一种实施方式，所述气体流量调节范围大于等于2050sccm且小于等于10050sccm，吸附晶圆的电压范围为大于等于1050volt且小于等于10050volt。

根据本实用新型的一种实施方式，所述气体流量调节范围大于等于2000sccm且小于等于10000sccm，吸附晶圆的电压范围大于等于1000volt且小于等于10000volt。

根据本实用新型的另一个方面，一种半导体生产设备，包括：

上述任意一项所述的温度控制装置。

由上述技术方案可知，本实用新型具备以下优点和积极效果中的至少之一：

本实用新型的温度控制装置和安装该温度控制装置的半导体生产设备，采用温度感测器测量半导体生产设备的实时温度；利用控制器接收实时温度，并将实时温度与预设温度范围进行比较，根据比较结果发出控制信号；采用气体流量调节器根据控制信号控制通入半导体生产设备的气体流量，以使半导体生产设备的温度保持在预设温度范围内。由于采用了温度感测器测量实时温度经由控制器比较并指示气体流量调节器控制通入半导体生产设备的气体流量，以使半导体生产设备的温度保持在预设温度范围内，达到了有效控制半导体生产设备的实时温度的效果，避免了因为温度过高而产生金属凸起缺陷。

附图说明

通过参照附图详细描述其示例实施方式，本实用新型的上述和其它特征及优点将变得更加明显。

图1是半导体器件上金属凸起缺陷的结构示意图；

图2是半导体器件上金属凸起缺陷严重的结构示意图；

图3是半导体器件正常状态的简化俯视示意图；

图4是图3的剖视示意图；

图5是中半导体器件出现凸起缺陷时的简化示意图；

图6是图5的剖视示意图；

图7是半导体生产设备的通气孔安装阀门后的结构示意图；

图8是图7中的半导体生产设备的温度随时间变化的示意图；

图9是本实用新型温度控制装置的结构示意图；

图10是第一设定温度值对产生缺陷类型和晶圆尘粒图形造成影响的对应示意图表；

图11是没有设置第二预设温度时温度随时间变化的示意图；

图12是保证晶圆背部气体流通的一种结构示意图；

图13是采用本实用新型的温度控制装置后的温度随时间变化的示意图；

图14是采用本实用新型的温度控制装置后与现有技术中产生的缺陷对比的示意图。

图中主要元件附图标记说明如下：

1、第一电极；2、第二电极；3、空气间隙；4、第一阻挡层；5、第二阻挡层；6、半导体层；7、半导体生产设备；8、阀门；9、前置步骤；10、主要步骤；11、金属凸起缺陷；12、温度感测器；13、控制器；14、气体流量调节器；15、晶圆；16、圆盘；17、模糊缺陷。

具体实施方式

现在将参考附图更全面地描述示例实施方式。然而，示例实施方式能够以多种形式实施，且不应被理解为限于在此阐述的实施方式；相反，提供这些实施方式使得本实用新型将全面和完整，并将示例实施方式的构思全面地传达给本领域的技术人员。图中相同的附图标记表示相同或类似的结构，因而将省略它们的详细描述。

在半导体生产制造过程中，金属凸起缺陷11是常见的缺陷之一。参照图1和图2所示金属凸起缺陷11的结构示意图，严重时会导致可靠性降低甚至短路，如图2所示。金属凸起缺陷11产生的主要原因是后续其他工艺温度过高导致。

参照图3、图4所示，第一电极1与第二电极2之间有空气间隙3。但是在温度过高的情况下会出现金属凸起缺陷11；参照图5所示出现凸起缺陷简化示意图与图6所示的图5的剖视示意图；在第一电极1与第二电极2两端都分别设有第一阻挡层4与第二阻挡层5；均被半导体层6包围，在高温时第一电极1与第二电极2会产生金属凸起缺陷11，严重时可能造成短路。目前，没有对半导体生产设备7进行很好的温度控制的温度控制装置和温度控制方法。

参照图7所示半导体生产设备的通气孔安装阀门后的结构示意图，虽然在每一步骤前均将阀件调到一定的角度以控制该步骤通入气体的流量来对温度进行控制。但是无法做到精准的控制工艺温度，参照图8所示的图7中的半导体生产设备的温度随时间变化的示意图，从图上可以看出三个阶段的主要步骤10的温度差异很大，上述问题并没有得到很完善的解决。

本实用新型首先提供了一种温度控制装置，用于控制半导体生产设备7的温度，参照图9所示本实用新型温度控制装置的结构示意图，该温度控制装置可以包括温度感测器12、控制器13以及气体流量调节器14。温度感测器12可以用于测量半导体生产设备7的实时温度；控制器13与温度感测器12电连接，控制器13可以用于接收实时温度并将实时温度与预设温度范围进行比较，然后根据比较结果发出控制信号给气体流量调节器14；气体流量调节器14与控制器13电连接，气体流量调节器14可以用于根据所述控制信号控制通入半导体生产设备7的气体流量，以使半导体生产设备7的温度保持在预设温度范围内。

在本示例实施方式中，温度感测器12可以利用光学感测温度，具体为红外线温度感测器12，设于半导体生产设备7内。当然，温度感测器12还可以是热敏电阻传感器制成的温度感测器。

电连接可以是电信号网络连接，也可以是电信号通过线路连接。

在本示例实施方式中，可以用现有技术中的PID控制器作为本实用新型的控制器13；当然，控制器13还可以采用微处理器、单片机等等。

这里对PID控制器的函数设定进行详细介绍，PID控制器由比例单元(P)、积分单元(I)和微分单元(D)组成。其输入e(t)与输出u(t)的关系为：

u(t)＝kp[e(t)+1/TI∫e(t)dt+TD*de(t)/dt]，

式中，u(t)为输入参数，e(t)为输出参数，例如设定输入u(t)为100sccm，经过计算输出e(t)为101sccm。

kp为比例系数，其取值范围为0～100；TI为积分时间常数，其取值范围为0～100；TD为微分时间常数，其取值范围为0～100。kp、TI、TD均为自定义参数。

积分的上限和下限分别是0和t，因此它的传递函数为：

G(s)＝U(s)/E(s)＝kp[1+1/(TI*s)+TD*s]，

此公式为上述公式去掉微积分参数后，经过整理变形得到的传递函数；式中，G(s)为传递函数；U(s)为输入；E(s)为输出，s为秒数。

实时温度在预设温度范围时，控制器13控制气体流量调节器14保持现有的气体流量。实时温度大于预设温度范围时，控制器13控制气体流量调节器14使气体流量加大，带走较多热量以降低半导体生产设备7的实时温度，例如，温度为310摄氏度在第10秒氦气流量约70sccm；20秒约为74sccm。实时温度小于预设温度范围时，控制器13控制气体流量调节器14使气体流量减小，使的温度回升至预设温度范围。

气体流量调节器14可以包括安装于半导体生产设备7的通气口的阀门8；气体流量调节器14通过改变阀门8的开口角度来达到控制气体流量的目的，参考图7所示的半导体生产设备的通气孔安装阀门后的结构示意图，阀门8结构可以为一个圆盘16设于通气孔中，圆盘16可转动，圆盘16的转动由电机带动来完成，电机可以固定在半导体生产设备7上，当温度高于预设温度时，电机带动圆盘16转动使圆盘16所在平面与通气孔轴线的夹角变小，从而使通气口变大；当温度小于预设温度时，电机带动圆盘16转动使圆盘16所在平面与通气孔轴线的夹角变大，从而使通气口变小；当圆盘16所在平面与通气孔轴线平行时气体流量最大，当圆盘16所在平面与通气孔轴线垂直时，气体流量最小；改变气体流量可以是通过改变阀门8与通气孔的角度来完成的。该阀门8还可以为电磁阀，电磁阀的控制端电连接于控制器13的输出端。半导体生产制备过程中大多采用氦气来做温度控制气体，当然，也可以采用导热系数较好、性质较为稳定的气体。

在本示例实施方式中，预设温度范围可以包括第一预设温度范围以及第二预设温度范围。参照图8所示图7中的半导体生产设备的温度随时间变化的示意图，将半导体生产设备7的工作过程分为前置步骤9与主要步骤10，第一预设温度范围是主要步骤10的预设温度范围；第二预设温度范围是前置步骤9的预设温度范围。

在本示例实施方式中，第一预设温度范围为第一设定温度值加减第一误差温度，第二预设温度范围为第二设定温度值加减第二误差温度。参照图10所示的第一设定温度值对产生缺陷类型和晶圆15尘粒图形造成影响的对应示意图表，第一设定温度值可以为大于等于270℃且小于等于400℃，当半导体生产设备7的温度处在大于等于270℃且小于等于400℃这个区间时，可以将缺陷降至最低。当温度大于400℃时由于温度过高会出现铝金属凸起的缺陷从而造成晶圆15上的尘粒数量较多，较难达到工艺所需要求；当温度小于270℃时，会出现模糊缺陷17，同样晶圆15上的尘粒数量较多，较难达到工艺要求。

参照图11所示的没有设置第二预设温度时温度随时间变化的示意图，当主要步骤10温度处在预设温度范围内，即主要步骤10温度处在第一预设温度范围内，但是前置步骤9温度没有在预设温度范围内会影响工艺稳定度，因此，前置步骤9的第二预设温度也需要进一步限定，在实际生产过程中将第二设定温度值设定为大于第一设定温度值10℃至50℃，既可以满足产品生产要求，而且能够使整个生产过程的温度较为稳定。

第一误差温度与第二误差温度在生产不同半导体产品时会有不同的设定，其数值也会有所偏差，第一误差温度与第二误差温度可以相同，也可以不同，一般第一误差温度与第二误差温度可以均设定在5℃以内，例如，可以为2、3等整数或2.5、3.5等小数。

参照图12所示保证晶圆背部气体流通的一种结构示意图，图中向上的箭头表示氦气对晶圆15的向上的推力；向下的箭头表示通过电吸附对晶圆15产生的向下的吸力，当氦气流量越大时，吸住晶圆15的力量就需要越大，力量过小会抓不住晶圆15而造成甩片，但是，力量过大会造成晶圆15破片；所以在每个步骤中气体流量的调节范围应该与吸附晶圆15的电压范围相对应，氦气流量增大则吸附晶圆15的电压也该增大。

需要说明的是气体流量调节范围与吸附晶圆15的电压范围只要保证晶圆15不会被甩出，也不会因为吸附晶圆15电压过大而造成晶圆15破碎即可。

在本示例实施方式中，在前置步骤9中气体流量调节范围大于等于2050sccm且小于等于10050sccm，相应的，吸附晶圆15的电压范围可以是大于等于1050volt且小于等于10050volt；在主要步骤10802中气体流量调节范围可以大于等于2000sccm且小于等于10000sccm，相应的，吸附晶圆15的电压范围大于等于1000volt且小于等于10000volt。

在通过以上改进后，参照图13所示采用本实用新型的温度控制装置后的温度随时间变化的示意图，既可以满足产品生产要求的温度，而且能够使整个生产过程的温度较为稳定。

参照图14所示采用本实用新型的温度控制装置后与现有技术中产生的缺陷对比的示意图，图中在框图中是现有技术中晶圆15上出现尘粒的数量，大概有800个左右，方框内部的线为晶圆上出现尘粒数量中位数其上下线为晶圆上出现尘粒数量最大值与最小值；在横坐标轴上的是本实用新型中晶圆15上出现尘粒的数量，大概有1个左右。因此，晶圆15上出现尘粒的数量明显较少，产品的合格率有了明显改善。

实用新型实用新型进一步的，本实用新型还提供了一种半导体生产设备，该半导体生产设备包括上述所述的温度控制装置。温度控制装置的具体结构上述已经进行了详细说明，因此，此处不再赘述。

进一步的，本实用新型还提供了一种温度控制方法，该温度控制方法用于控制半导体生产设备的温度，该温度控制方法可以包括以下步骤：

步骤S110，测量半导体生产设备的实时温度。

步骤S120，将实时温度与预设温度范围进行比较，根据比较结果发出控制信号。

步骤S130，根据控制信号控制通入半导体生产设备的气体流量，以使半导体生产设备的温度保持在预设温度范围内。

下面，将对本示例实施例中的温度控制方法进行进一步的说明。

在步骤S110中，测量半导体生产设备的实时温度。

本示例实施方式中，测量半导体生产设备7的实时温度可以使用光学温度测量器12，具体为红外线温度感测器12。

在步骤S120中，将实时温度与预设温度范围进行比较，根据比较结果发出控制信号。

本示例实施方式中，在进行比较和发出控制信号过程中可以用现有技术中的PID控制器作为本实用新型的控制器13。

这里对PID控制器的函数设定进行详细介绍，PID控制器由比例单元(P)、积分单元(I)和微分单元(D)组成。其输入e(t)与输出u(t)的关系为：

u(t)＝kp[e(t)+1/TI∫e(t)dt+TD*de(t)/dt]，

式中，u(t)为输入参数，e(t)为输出参数，例如设定输入u(t)为100sccm，经过计算输出为e(t)为101sccm。

kp为比例系数，其取值范围为0～100；TI为积分时间常数，其取值范围为0～100；TD为微分时间常数，其取值范围为0～100。kp、TI、TD均为自定义参数。

积分的上限和下限分别是0和t，因此它的传递函数为：

G(s)＝U(s)/E(s)＝kp[1+1/(TI*s)+TD*s]，

此公式为上述公式去掉微积分参数后，经过整理变形得到的传递函数；式中，G(s)为传递函数；U(s)为输入；E(s)为输出，s为秒数。

在步骤S130中，根据所述控制信号控制通入半导体生产设备的气体流量，以使半导体生产设备的温度保持在预设温度范围内。

本示例实施方式中，气体流量调节器14可以包括安装于半导体生产设备7的通气口的阀门8；气体流量调节器14通过改变阀门8的开口来达到控制气体流量的目的，温度超出温度预设范围值时会做He回补对其降温，例如，温度为310摄氏度在第10秒氦气流量约70sccm；20秒约为74sccm。温度低于温度预设范围值时，减少氦气流量。参考图7半导体生产设备的通气孔安装阀门后的结构示意图，阀门8结构可以为一个圆盘16设于圆柱形通气孔中，圆盘16可转动，圆盘16的转动由电机带动来完成，当温度高于预设温度时，电机带动圆盘16转动使圆盘16所在平面与通气孔轴线的夹角变小，从而使通气口变大；当温度小于预设温度时，电机带动圆盘16转动使圆盘16所在平面与通气孔轴线的夹角变大，从而使通气口变小；当圆盘16所在平面与通气孔轴线平行时气体流量最大，当圆盘16所在平面与通气孔轴线垂直时，气体流量最小；改变气体流量可以是通过改变阀门8与通气孔的角度来完成的。该阀门8还可以为电磁阀，电磁阀的控制端电连接于控制器13的输出端。

半导体生产制备过程中大多采用氦气来做温度控制气体，当然，也可以采用导热系数较好、性质较为稳定的气体。

在本示例实施方式中，预设温度范围可以包括第一预设温度范围以及第二预设温度范围。参照图8所示图7中的半导体生产设备的温度随时间变化的示意图，将半导体生产设备7的工作过程分为前置步骤9与主要步骤10，第一预设温度范围是主要步骤10的预设温度范围；第二预设温度范围是前置步骤9的预设温度范围。

在本示例实施方式中，第一预设温度范围为第一设定温度值加减第一误差温度，第二预设温度范围为第二设定温度值加减第二误差温度。参照图10所示的第一设定温度值对产生缺陷类型和晶圆15尘粒图形造成影响的对应示意图表，第一设定温度值可以为大于等于270℃且小于等于400℃，当半导体生产设备7的第一设定温度值在大于等于270℃且小于等于400℃这个区间时，可以将缺陷降至最低。当温度大于400℃时由于温度过高会出现铝金属凸起的缺陷从而造成晶圆15上的尘粒数量较多，较难达到工艺所需要求；当温度小于270℃时，会出现模糊缺陷17，同样晶圆15上的尘粒数量较多，较难达到工艺要求。

参照图11所示的没有设置第二预设温度时温度随时间变化的示意图，当主要步骤10温度处在预设温度范围内，即主要步骤10温度处在第一预设温度范围内，但是前置步骤9温度没有在预设温度范围内会影响工艺稳定度，因此，前置步骤9的第二预设温度也需要进一步限定，在实际生产过程中将第二设定温度值设定为大于第一设定温度值10℃至50℃既可以满足产品生产要求而且能够使整个生产过程的温度较为稳定。

第一误差温度与第二误差温度在生产不同半导体产品时会有不同的设定，其数值也会有所偏差，第一误差温度与第二误差温度可以相同，也可以不同，一般第一误差温度与第二误差温度可以均设定在5℃以内，例如，可以为2、3等整数或2.5、3.5等小数。

参照图12所示保证晶圆背部气体流通的一种结构示意图，图中向上的箭头表示氦气对晶圆15的向上的推力；向下的箭头表示通过电吸附对晶圆15产生的向下的吸力，当氦气流量越大时，吸住晶圆15的力量就需要越大，力量过小会抓不住晶圆15而造成甩片，但是，力量过大会造成晶圆15破片；所以在每个步骤中气体流量的调节范围应该与吸附晶圆15的电压范围相对应，氦气流量增大则吸附晶圆15的电压也该增大。

需要说明的是气体流量调节范围与吸附晶圆15的电压范围只要保证晶圆15不会被甩出，也不会因为吸附晶圆15电压过大而造成晶圆15破碎即可。

在本示例实施方式中，在前置步骤9中气体流量调节范围大于等于2050sccm且小于等于10050sccm，相应的，吸附晶圆15的电压范围可以是大于等于1050volt且小于等于10050volt；在主要步骤10802中气体流量调节范围可以大于等于2000sccm且小于等于10000sccm，相应的，吸附晶圆15的电压范围大于等于1000volt且小于等于10000volt。

在本示例实施方式中，参照图12所示保证晶圆背部气体流通的一种结构示意图，当氦气流量越大时,吸附晶圆15的力量就要越大，力量过小会抓不住晶圆15而甩片，力量过大会造成晶圆15破片；所以在每个步骤中气体流量的调节范围应该与吸附晶圆15的电压范围相对应。

在前置步骤9中气体流量调节范围大于等于2050sccm且小于等于10050sccm，吸附晶圆15的电压范围可以是大于等于1050volt且小于等于10050volt；在主要步骤10中气体流量调节范围可以大于等于2000sccm且小于等于10000sccm，吸附晶圆15的电压范围大于等于1000volt且小于等于10000volt。

需要说明的是气体流量调节范围与吸附晶圆15的电压范围只要保证晶圆15不会被甩出，也不会因为吸附晶圆15电压过大而造成晶圆15破碎即可，这里只提出了众多实施例中的一种。

在通过以上改进后，参照图13所示采用本实用新型的温度控制装置后的温度随时间变化的示意图，既可以满足产品生产要求的温度，而且能够使整个生产过程的温度较为稳定。

参照图14所示采用本实用新型的温度控制装置后与现有技术中产生的缺陷对比的示意图，图中在框图中是现有技术中晶圆15出现尘粒的数量，大概有800个左右，方筐内部的线为晶圆15出现尘粒的数量为中位数其上下线为晶圆上出现尘粒最大值与最小值；在横坐标轴上的是本实用新型中晶圆15上出现尘粒的数量，大概有1个左右。因此，晶圆15上出现尘粒的数量明显较少，产品的合格率有了明显改善。

上述所描述的特征、结构或特性可以以任何合适的方式结合在一个或更多实施方式中，如有可能，各实施例中所讨论的特征是可互换的。在上面的描述中，提供许多具体细节从而给出对本实用新型的实施方式的充分理解。然而，本领域技术人员将意识到，可以实践本实用新型的技术方案而没有所述特定细节中的一个或更多，或者可以采用其它的方法、组件、材料等。在其它情况下，不详细示出或描述公知结构、材料或者操作以避免模糊本实用新型的各方面。

本说明书中使用“约”“大约”的用语通常表示在一给定值或范围的20％之内，较佳是10％之内，且更佳是5％之内。在此给定的数量为大约的数量，意即在没有特定说明的情况下，仍可隐含“约”“大约”“大致”“大概”的含义。

虽然本说明书中使用相对性的用语，例如“上”“下”来描述图标的一个组件对于另一组件的相对关系，但是这些术语用于本说明书中仅出于方便，例如根据附图中所述的示例的方向。能理解的是，如果将图标的装置翻转使其上下颠倒，则所叙述在“上”的组件将会成为在“下”的组件。其他相对性的用语，例如“高”“低”“顶”“底”“前”“后”“左”“右”等也作具有类似含义。当某结构在其它结构“上”时，有可能是指某结构一体形成于其它结构上，或指某结构“直接”设置在其它结构上，或指某结构通过另一结构“间接”设置在其它结构上。

本说明书中，用语“一个”、“一”、“该”、“所述”和“至少一个”用以表示存在一个或多个要素/组成部分/等；用语“包含”、“包括”和“具有”用以表示开放式的包括在内的意思并且是指除了列出的要素/组成部分/等之外还可存在另外的要素/组成部分/等；用语“第一”、“第二”和“第三”等仅作为标记使用，不是对其对象的数量限制。

应可理解的是，本实用新型不将其应用限制到本说明书提出的部件的详细结构和布置方式。本实用新型能够具有其他实施方式，并且能够以多种方式实现并且执行。前述变形形式和修改形式落在本实用新型的范围内。应可理解的是，本说明书公开和限定的本实用新型延伸到文中和/或附图中提到或明显的两个或两个以上单独特征的所有可替代组合。所有这些不同的组合构成本实用新型的多个可替代方面。本说明书所述的实施方式说明了已知用于实现本实用新型的最佳方式，并且将使本领域技术人员能够利用本实用新型。