基座加热方法和基座加热装置与流程

本发明实施例涉及半导体加工技术领域，具体涉及一种基座加热方法和基座加热装置。

背景技术：

化学气相淀积工艺是将多种工艺气体在一定温度和压力下通过化学反应的方式在基片上镀膜或者刻蚀的一种工艺方式。图1为现有技术中进行化学气相淀积工艺的工艺腔室的示意图，如图1所示，当前采用的工艺腔室1中，利用基座3作为基片的承载结构，其中，基座3内部均匀分布有加热器件(如加热丝等)；通过加热基座3，将热量传导给基片2，使工艺气体在一定温度下发生反应，并在基片2上沉积成薄膜或与基片表面的物质反应。基座3加热的稳定性和均匀性直接影响工艺的结果。目前，一种典型的基座加热的控制方法为：利用热电偶4检测基座3的温度，并将检测的温度传送给温控器，温控器根据该温度以及预设加热温度调整加热器件的输出功率，从而控制基座的温度，以实现对基片的稳定加热。这种方式将整个基座的加热器件作为一个整体结构进行统一控制，但是，在整个基座中，并不能保证加热器件的分布是均匀的，且整个加热器件的加热功率较大，一旦加热功率稍有误差，就会导致基座3加热温度的不均匀。

为解决上述问题，另一些现有技术中提出了分区加热的方式。图2为现有技术中分区加热的原理示意图，图3为现有技术中将基座划分为多个加热区的示意图，如图2以及图3所示，将基座3分为外区31、中区32以及内区33三个加热区，每个加热区均设置热电偶来检测温度，并通过温控器和热电偶形成与多个加热区一一对应的控制回路来控制每个加热区的加热。这种将基座3划分为多个加热区，且每个加热区各自控温的方式，有利于提高整个基座3上加热器件分布的均匀性，然而在这种方式中，相邻加热区的加热仍会相互干扰，导致基座3上的温度不稳定且波动较大。

技术实现要素：

本发明实施例旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一，提出了一种基座加热方法和基座加热装置。

为了实现上述目的，本发明实施例提供一种基座加热方法，所述基座包括第一加热区和至少一个第二加热区，所述第一加热区和每个所述第二加热区用于进行分区加热；其中，所述基座加热方法包括：

获取所述第一加热区当前的加热功率和所述第二加热区当前的温度；

判断所述第二加热区当前的温度是否满足预设条件；

当所述第二加热区当前的温度满足预设条件时，根据目标温度、所述第二加热区当前的温度以及所述第一加热区当前的加热功率，调整所述第二加热区的加热功率，以使所述第二加热区与所述第一加热区之间的温度差异减小；

当所述第二加热区当前的温度不满足预设条件时，根据预设规则调整所述第二加热区的加热功率。

可选地，所述预设条件为：所述第二加热区当前的温度大于预设温度且小于过冲温度，其中，所述预设温度小于所述目标温度，所述过冲温度大于所述目标温度。

可选地，当所述第二加热区当前的温度不满足预设条件时，所述基座加热方法还包括：

判断所述第二加热区当前的温度是否小于或等于所述预设温度；

所述预设规则包括：

当所述第二加热区当前的温度小于或等于所述预设温度时，将所述第二加热区的加热功率调整为最大值。

可选地，当所述第二加热区当前的温度不满足预设条件时，所述基座加热方法还包括：

判断所述第二加热区当前的温度是否大于或等于所述过冲温度；

所述预设规则包括：

当所述第二加热区当前的温度大于或等于所述过冲温度时，停止对所述第二加热区加热。

可选地，所述根据所述第二加热区当前的温度以及所述第一加热区当前的加热功率，调整所述第二加热区的加热功率，以使所述第二加热区与所述第一加热区之间的温度差异减小，包括：

根据所述目标温度、所述预设温度、所述第二加热区当前的温度、所述第二加热区的额定加热功率以及所述第一加热区的额定加热功率，确定所述第二加热区的加热功率系数；

根据所述第一加热区当前的加热功率以及所述加热功率系数确定所述第二加热区的加热功率。

可选地，根据以下公式确定所述第二加热区的加热功率系数：

x＝k(n-u)*w2/(l*(w2+w1))；

其中，x为所述加热功率系数，k为根据所述目标温度设定的系数，n为所述预设温度，u为所述第二加热区当前的温度，w1为所述第一加热区的额定加热功率，w2为所述第二加热区的额定加热功率，l为所述目标温度。

可选地，所述基座加热方法还包括：

获取所述第一加热区当前的温度；

根据所述第一加热区当前的温度和所述目标温度的差异，控制所述第一加热区的加热功率，以使所述第一加热区的温度与所述目标温度一致。

本发明实施例还提供一种基座加热装置，所述基座包括第一加热区和至少一个第二加热区；其中，所述基座加热装置包括：检测模块、处理器和功率控制器；

所述检测模块用于获取所述第一加热区当前的加热功率和所述第二加热区当前的温度；

所述处理器包括判断模块和计算模块；

所述判断模块与所述检测模块相连，用于判断所述第二加热区当前的温度是否满足预设条件；

所述计算模块与所述判断模块相连，用于在所述第二加热区当前的温度满足所述预设条件时，根据目标温度、所述第二加热区当前的温度以及所述第一加热区当前的加热功率，计算所述第二加热区的加热功率；

所述功率控制器与所述处理器相连，用于根据所述计算模块的计算结果，调整所述第二加热区的加热功率，以使所述第二加热区与所述第一加热区之间的温度差异减小；

所述功率控制器还用于在所述第二加热区当前的温度不满足预设条件时，根据预设规则调整所述第二加热区的加热功率。

可选地，所述预设条件为：所述第二加热区当前的温度大于预设温度且小于过冲温度，其中，所述预设温度小于所述目标温度，所述过冲温度大于所述目标温度。

可选地，所述判断模块还用于当所述第二加热区当前的温度不满足预设条件时，判断所述第二加热区的温度是否小于或等于所述预设温度；

所述预设规则包括：

当所述第二加热区当前的温度小于或等于所述预设温度时，将所述第二加热区的加热功率调整为最大值。

可选地，所述判断模块还用于当所述第二加热区当前的温度不满足预设条件时，判断所述第二加热区当前的温度是否大于或等于所述过冲温度；

所述预设规则包括：

当所述第二加热区当前的温度大于或等于所述过冲温度时，将所述第二加热区的加热功率调整为零。

可选地，所述计算模块包括：

第一计算单元，用于根据所述目标温度、所述预设温度、所述第二加热区当前的温度、所述第二加热区的额定加热功率以及所述第一加热区的额定加热功率，确定所述第二加热区的加热功率系数；

第二计算单元，与所述第一计算单元相连，用于根据所述第一加热区当前的加热功率以及所述加热功率系数确定得到所述第二加热区的加热功率。

可选地，所述第二计算单元用于根据以下公式确定所述第二加热区的加热功率系数：

x＝k(n-u)*w2/(l*(w2+w1))；

其中，x为所述加热功率系数，k为根据所述目标温度设定的经验值，n为所述预设温度，u为所述第二加热区当前的温度，w1为所述第一加热区的额定加热功率，w2为所述第二加热区的额定加热功率，l为所述目标温度。

本发明实施例具有以下有益效果：

采用本发明实施例的基座加热方法以及基座加热装置，其将基座分为第一加热区以及第二加热区，当第二加热区当前的温度满足预设条件时，根据目标温度、第二加热区当前的温度以及第一加热区当前的加热功率来调整第二加热区的加热功率，使第二加热区与第一加热区之间的温度差异减小。可见，和现有技术相比，本发明实施例在调节第二加热区的加热功率时，不仅是基于第二加热区自身的温度与目标温度的差异进行控制的，还结合了第一加热区的加热功率，因此当第一加热区的功率变化时，第二加热区的功率也会相应变化，从而不会出现现有技术中的多个加热区发生温度波动的问题，提高了基座加热的均匀性和稳定性。

附图说明

附图是用来提供对本发明实施例的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本发明实施例，但并不构成对本发明实施例的限制。在附图中：

图1为现有技术中进行化学气相淀积工艺的工艺腔室的示意图；

图2为现有技术中分区加热的原理示意图；

图3为现有技术中将基座划分为多个加热区的示意图；

图4为本发明实施例提供的基座加热方法的流程图之一；

图5为本发明实施例提供的基座的加热区的划分示意图；

图6为本发明实施例提供的基座加热方法的流程图之二；

图7为本发明实施例提供的基座加热装置的结构示意图；

图8为本发明实施例中半导体加工设备的结构示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明实施例的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明实施例，并不用于限制本发明实施例。

本发明实施例提供一种基座加热方法，基座包括第一加热区和至少一个第二加热区，第一加热区和每个第二加热区用于进行分区加热。图4为本发明实施例提供的基座加热方法的流程图之一，如图4所示，基座加热方法包括以下步骤：

s110、获取第一加热区当前的加热功率和第二加热区当前的温度。

s120、判断第二加热区当前的温度是否满足预设条件；若是，则进行步骤s130；若否，则进行步骤s140。

s130、根据目标温度、第二加热区当前的温度以及第一加热区当前的加热功率，调整第二加热区的加热功率，以使第二加热区与第一加热区之间的温度差异减小。

s140、根据预设规则调整第二加热区的加热功率。

其中，第一加热区的温度可以采用与现有技术中的控温方式进行控制，具体地，第一加热区中可以设置有温度采集器件，例如，热电偶。温度采集器件与温度控制器相连，温度控制器可以根据第一加热区中的温度采集器件采集的温度以及目标温度来控制第一加热区的加热功率，以使第一加热区的温度与目标温度一致，即，第一加热区当前的加热功率随着第一加热区与目标温度的差异进行实时调整。需要说明的是，本发明实施例中的温度一致为温度相同或温度基本相同。

其中，预设规则可以为：将第二加热区的加热功率维持在一固定值进行加热；或者，停止对第二加热区加热；再或者，也可以是根据目标温度、第二加热区当前的温度以及第一加热区当前的加热功率，调整第二加热区的加热功率。上述“满足预设条件”可以根据实际需要进行设置，具体可以为：与目标温度接近。

现有技术中在对各个加热区进行控温时，对每个加热区的温度进行检测，当某个加热区的温度与目标温度不一致时，则对该区域的加热功率进行调节。而这种方式会导致相邻加热区的加热相互干扰，导致基座3上的温度不稳定且波动较大。具体地，如图2所示，假设中区32的温度较高，那么，温度较高的中区32将向温度较低的外区31进行热传递，导致外区31当前的温度达到目标温度，此时，控制外区31的加热器件停止加热。然而，外区31是由于中区32的热传递导致，无法使外区31的温度维持在目标温度，因此外区31的温度很快将会发生回落，此时，控制加热器件再次加热外区31，如此往复，导致外区31的温度发生波动。基于上述原因，整个基座上的多个加热区的温度发生波动，基座加热的均匀性和稳定性较差。

采用本发明实施例的基座加热方法，将基座分为第一加热区以及第二加热区，当第二加热区当前的温度满足预设条件时，根据目标温度、第二加热区当前的温度以及第一加热区当前的加热功率来调整第二加热区的加热功率，以使第二加热区与第一加热区之间的温度差异减小，可见，和现有技术的控温方法相比，本发明实施例的方法在调节第二加热区的加热功率时，不仅是基于第二加热区自身的温度与目标温度的差异进行控制的，还结合了第一加热区的加热功率，因此当第一加热区的功率变化时，第二加热区的功率也会相应变化，从而不会出现现有技术中的多个加热区发生温度波动的问题，提高了基座加热的均匀性和稳定性。

下面对本发明实施例的加热方法进行详细说明，具体地，图5为本发明实施例提供的基座的加热区的划分示意图，如图5所示，在本发明实施例中，将基座分为三个加热区，具体包括：分别位于基座中心和边缘的两个第二加热区35，以及位于两个第二加热区35之间的第一加热区34。在第一加热区34以及两个第二加热区35中均设置有可以独立加热的加热器件，通过控制该加热器件的加热功率来控制该加热器件所在的加热区的加热温度。需要说明的是，在实际应用过程中，加热区并不限制为三个，也可是两个或三个以上，并且，对于第一加热区34以及第二加热区35的划分，也可以是以基座边缘的加热区作为第一加热区34，其余的加热区为第二加热区35，在此不做限制。

对基座的加热包括两个过程，其中一个过程是第一加热区34的加热功率通过温度控制器以闭环控制方式实现自动调节，具体地，加热第一加热区34包括以下步骤：

s201、获取第一加热区34当前的温度。

s202、根据第一加热区34当前的温度和目标温度的差异，控制第一加热区34的加热功率，以使第一加热区34的温度与目标温度一致。其中，目标温度可以是由上位机向温度控制器下发。

另一个过程是：两个第二加热区35的加热功率通过上位机控制，使两个第二加热区35的加热功率均跟据第一加热区34的加热功率进行调节。以其中一个第二加热区35为例，在对第二加热区35的加热功率进行调节之前，可以设置一预设条件，该预设条件可以是：第二加热区35当前的温度大于预设温度且小于过冲温度，其中，预设温度小于目标温度，过冲温度大于目标温度。进一步地，当第二加热区35当前的温度不满足预设条件时，还可以设置一预设规则以调整第二加热区35的加热功率，其中，预设规则包括：当第二加热区35当前的温度小于或等于预设温度时，将第二加热区35的加热功率调整为最大值；和/或，当第二加热区35当前的温度大于或等于过冲温度时，停止对第二加热区35加热。

图6为本发明实施例提供的基座加热方法的流程图之二，如图6所示，基座加热方法包括以下步骤：

s210、获取第一加热区34当前的加热功率和第二加热区35当前的温度。

s220、判断第二加热区35当前的温度是否满足预设条件，若第二加热区35当前的温度不满足预设条件，则执行步骤s230和步骤s240；若第二加热区35当前的温度满足预设条件，则执行步骤s250。

s230、判断第二加热区35当前的温度是否小于或等于预设温度，若是，则将第二加热区35的加热功率调整为最大值，即，将第二温控区35中加热器件加热功率调节为最大加热功率；若否，则执行步骤s240。

在本步骤中，预设温度可以根据应用过程中的实际需要设定，在第二加热区35的温度达到预设温度之前，可以使第二加热区35的保持较大的加热功率进行加热，从而在基座加热的初始阶段，第二加热区35能以较快的加热速度接近目标温度，在本发明实施例中，预设温度可以是目标温度的90％。

s240、判断第二加热区35的温度是否大于或等于过冲温度。若是，则停止对第二加热区35加热；其中，停止加热的方式可以是将第二加热区35的加热功率调整为零；若否，则可以继续按照步骤s250的方式继续调节第二加热区35的加热功率。

在本步骤中，通过设置过冲温度防止过度加热。其中，过冲温度可以根据应用过程中的需要设定，在本发明实施例中，过冲温度可以为目标温度+1℃；当然，也可以将过冲温度设置为其他与目标温度接近的值，例如，过冲温度为目标温度的110％。

需要说明的是，上述步骤s230和步骤s240的先后顺序并无特别限定，也可以当第二加热区35当前的温度不满足预设条件时，先执行步骤s240，当步骤s240中判断出第二加热区35当前的温度小于过冲温度时，执行步骤s230的判断过程。

s250、根据目标温度、第二加热区35当前的温度以及第一加热区34当前的加热功率，调整第二加热区35的加热功率，以使第二加热区35与第一加热区34之间的温度差异减小。

在本发明实施例中，步骤s250包括以下子步骤：

s251、根据目标温度、预设温度、第二加热区35当前的温度、第二加热区35的额定加热功率以及第一加热区34的额定加热功率，确定第二加热区35的加热功率系数。

具体地，对于基座而言，其各个加热区的材质相同，因此各个加热区的比热容相同，而根据公式q＝c*m*△t(其中q为加热产生的热量，c为被加热物体的比热容，△t为被加热物体升高的温度，m为被加热物体的质量)可知，各个加热区升高相同的温度，所需的热量跟质量成线性关系。另外，根据q＝w*t(w为额定功率，t为时间)可知，在相同的时间内，加热区的质量和加热器件的功率成线性关系。由此可得加热功率系数为：

x＝k(n-u)*w2/(l*(w2+w1))(1)

其中，x为加热功率系数，n为预设温度，u为第二加热区35当前的温度，w1为第一加热区34的额定加热功率，w2为第二加热区35的额定加热功率，l为目标温度，k为根据目标温度设定的参数。其中，k的值可以根据多次加热测温的方式确定，以用于调整加热功率系数x的增幅。例如，如图5所示，第一加热区34位于两个第二加热区35之间，从而使得第一加热区34受到两侧的第二加热区35的热传递，造成第一加热区34的温度增长速度要快于第二加热区35的温度增长速度，因此，为提高第二加热区35的温度的增长速度，可以设置一较大的k值。同理，当以基座边缘的加热区作为第一加热区34、以基座中间的加热区以及基座中心的加热区作为第二加热区35时，位于基座中间的第二加热区35的温度增长速度较快，此时，可以将位于基座中间的第二加热区35的k值设定较小，以使第二加热区35的温度的增长速度减小。

s252、根据第一加热区34当前的加热功率以及加热功率系数确定第二加热区35的加热功率。

将第一加热区34以及第二加热区35的加热功率建立数学关系，此时第二加热区35的加热功率p2为：

p2＝p1*x(2)

其中p1为第一加热区34当前的加热功率。第一加热区34的加热功率为温度控制器根据第一加热区34的温度以及目标温度进行比对后，调整得到的加热功率，即，根据步骤s201～s202得到的功率。

基于相同的发明构思，本发明实施例还提供一种基座加热装置，基座包括第一加热区34和至少一个第二加热区35，其中，第一加热区34、第二加热区35均设置有加热器件。本发明实施例中，某个加热区的加热功率是指计算某个加热区的加热器件的加热功率。图7为本发明实施例提供的基座加热装置的结构示意图，结合图5以及图7所示，基座加热装置包括：处理器810、功率控制器820和检测模块830。

检测模块830用于获取第一加热区34当前的加热功率和第二加热区35当前的温度。其中，基座的第二加热区35中可以设置温度采集器件(例如，热电偶等)，检测模块830获取的第二加热区35当前的温度即为第二加热区35中的温度采集器件采集的温度。

另外，基座加热装置还可以包括温度控制器840，该温度控制器840用于根据目标温度以及第一加热区34中温度采集器件采集的温度来控制第一加热区34的加热功率，以使第一加热区34的温度与目标温度一致，即，第一加热区34当前的加热功率随着第一加热区34与目标温度的差异在实时调整。其中，目标温度可以是由处理器810下发至温度控制器的。

处理器810包括判断模块811和计算模块812。

判断模块811与检测模块830相连，用于判断第二加热区35当前的温度是否满足预设条件。计算模块812与判断模块811相连，用于在判断模块811判断出第二加热区35当前的温度满足预设条件时，根据目标温度、第二加热区35当前的温度以及第一加热区34当前的加热功率，计算第二加热区35的加热功率。

功率控制器820与处理器810相连，用于根据处理器810中的计算模块812的计算结果，调整第二加热区35的加热功率，以使第二加热区35与第一加热区34之间的温度差异减小。其中，功率控制器820可以与第二加热区35一一对应，每个功率控制器820用于调整相应的一个第二加热区35的加热功率。功率控制器820还用于在第二加热区35当前的温度不满足预设条件时，根据预设规则调整第二加热区35的加热功率。

采用本发明实施例的基座加热装置在调节第二加热区的加热功率时，不仅是基于第二加热区自身的温度与目标温度的差异进行控制的，还结合了第一加热区的加热功率，因此在第一加热区的功率变化时，第二加热区的功率也会相应变化，从而不会出现现有技术中的多个加热区温度发生波动的问题，提高了基座加热的均匀性和稳定性。

如上文所述，预设条件为：第二加热区35当前的温度大于预设温度且小于过冲温度，其中，预设温度小于目标温度，过冲温度大于目标温度。

在一些具体实施例中，判断模块811还用于当第二加热区35当前的温度不满足预设条件时，判断第二加热区35当前的温度是否小于或等于预设温度，以及判断第二加热区35的温度是否大于或等于过冲温度。

功率控制器820还用于按照预设规则调整第二加热区35的加热功率，具体地，预设规则包括：当第二加热区35当前的温度小于或等于预设温度时，将第二加热区35的加热功率调整为最大值；和/或，当第二加热区当前的温度大于或等于过冲温度时，将第二加热区35的加热功率调整为零。

在具体应用中，处理器810可以包括上位机和可编程逻辑控制器(plc)，判断模块811和计算模块812可以均集成在上位机中，可编程逻辑控制器将上位机的输出结果(如，计算模块812计算得到的加热功率)转换为相应的逻辑控制指令，来对功率控制器820或检测模块830进行控制。

在一些具体实施例中，计算模块812包括：第一计算单元和第二计算单元。其中，第一计算单元用于根据目标温度、预设温度、第二加热区35当前的温度、第二加热区35的额定加热功率以及第一加热区34的额定加热功率，确定第二加热区35的加热功率系数。具体地，第一计算单元用于根据以下公式确定第二加热区35的加热功率系数：

x＝k(n-u)*w2/(l*(w2+w1))。

其中，x为加热功率系数，k为根据目标温度设定的经验值，n为预设温度，u为第二加热区35当前的温度，w1为第一加热区34的额定加热功率，w2为第二加热区35的额定加热功率，l为目标温度。

第二计算单元与第一计算单元相连，用于根据第一加热区34当前的加热功率以及加热功率系数确定得到第二加热区35的加热功率。即，将第一加热区34当前的加热功率与加热功率系数相乘，得到第二加热区35的加热功率。

本发明实施例中的基座加热装置可以用于半导体加工设备中，图8为本发明实施例提供的半导体加工设备的结构示意图，结合图5和图8所示，半导体加工设备包括：工艺腔室1、设置在工艺腔室1中的基座3，基座3用于承载晶圆2。基座3包括第一加热区34和至少一个第二加热区35，第一加热区34和每个第二加热区35均能够独立加热。半导体加工设备还包括上述的基座加热装置，基座加热装置与基座相连，用于调整基座的第一加热区34和每个第二加热区35的加热功率。

如图5所示，基座包括两个第二加热区35，第一加热区34环绕其中一个第二加热区35a，另一个第二加热区35环绕第一加热区34。

另外，如图8所示，半导体加工设备还包括进气管路5和6、设置在管路6上的开关阀g1-1、g1-2、g1-3以及气压控制装置7。对基座3上的晶圆2进行加热时，包括以下步骤：

s310、打开开关阀g1-3和开关阀g1-2，通过管路5向腔室1中吹入工艺气体。

s320、将腔室内的压力维持在a，并通过气泵(pump)将基座与晶圆之间抽真空。

s330、关闭开关阀g1-2，打开开关阀g1-1，由管路6向开关阀g1-1、开关阀g1-2以及开关阀g1-3之间的管路吹入导热气体(如氦气)，该导热气体通过气压控制装置7将压力控制在b，且b<a。

s330、打开开关阀g1-2，将导热气体吹入基座3与晶圆2之间。

可以理解的是，以上实施方式仅仅是为了说明本发明实施例的原理而采用的示例性实施方式，然而本发明实施例并不局限于此。对于本领域内的普通技术人员而言，在不脱离本发明实施例的精神和实质的情况下，可以做出各种变型和改进，这些变型和改进也视为本发明实施例的保护范围。