一种基于电压控制的辐射加热灯温度控制方法与流程

本发明涉及半导体，尤其涉及一种基于电压控制的辐射加热灯温度控制方法。

背景技术：

1、在半导体领域，芯片是重中之重，作为生产芯片的原材料，硅晶圆的生产工艺质量将直接决定芯片质量的优劣。在晶圆生产的所有工艺步骤中，最重要的就是热处理。

2、目前最常见的热处理方法是采用氢气钝化处理技术：将制备半导体器件的晶片在氢气环境中退火，使悬挂键与氢气相结合，从而降低悬挂键的数量并使对半导体器件的不良影响最小化。根据各类研究和实践表明，在1100摄氏度的温度下进行热处理会使效果达到最理想的状态。在经历了一段时间的摸索和实践后，业界总结出以下两个用于加热晶圆的步骤：第一步为加热算法，即给设备中的十五组加热灯分别给定不同百分比的功率，使晶圆中心点的温度从室温(20摄氏度左右)提升到600度的同时，尽可能保证晶圆中心和边缘的温差不超过20摄氏度；相比于直接在室温环境下对晶圆加热到1100摄氏度的方式，此方法的优点在于加热晶圆的同时加热腔体，并保证晶圆不会在自身温度激增的情况下由于和腔体温差过大导致结构破裂。只有在第一步所有必要条件都满足的情况后，再进行第二步闭环加热步骤：利用基于pid模型的闭环加热算法以较高的加热速率加热晶圆，在十秒以内使其从600摄氏度上升到1100摄氏度(温差为正负0.75摄氏度)后并使其温度稳定，再进行热处理。

3、国内半导体行业基于上述步骤的加热工艺虽然已经相当成熟，但目前现有的加热工艺，尤其是加热处理环节仍然需要解决在第一步加热晶圆时如何保证实时的温度均匀性并确保时间效率的问题。

技术实现思路

1、本发明要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，提供一种基于电压控制的辐射加热灯温度控制方法。

2、为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案是：

3、辐射加热灯的基本配置包括晶圆正上方的加热灯以及晶圆下方的光学测温计。每组加热灯有数个不同的小加热灯组成，每个加热灯的大小、型号、规格、功率相同。光学测温计在晶圆底部会放置几个测温点用来测量晶圆对应位置的温度以及辐射率。

4、步骤1确定所需的内存分配，选定合适的单片机并分布不同功能块内存地址以及初始化相关数据；

5、步骤2进行初步加热仿真实验；

6、计算出在给定初始温度时，每组加热灯j应该设定多大的电压才能保证在规定的加热时间内使晶圆达到最终规定温度，且各个测温点i的和中心点的温差不过大，并在每组仿真实验结束后，把每组加热灯的电压值记录下来。

7、步骤3通过仿真实验中每组加热灯的电压值和每个测温点的温度值数据，依靠线性回归法计算出回归矩阵b；

8、步骤4加热灯设备内部的光学测温计由于温度变化会产生一些误差，因此引入了一个新的系数ci,用来表示每个测温点i的校正系数；通过对每个测温点强制锁定辐射率，获得不同温度下几个测温点的理想值以及真实值，并根据以上数据拟合出各个测温点的校正系数ci，最终计算出校正后的温度值ti＝ti*ci，其中ti为测温点i测得的原始温度值；

9、步骤5鉴于各个测温点的位置并不是等间距且不同组别的加热灯位置的非对称性，会导致一定程度的热损失，引入一个热有效系数kj，代表第j组加热灯的实际加热有效率。并根据多组仿真，分别求得各组灯的热有效系数。每组加热灯的真实电压vj计算公式如下:

10、vj＝vj*kj       (1)

11、式(1)中vj为步骤2仿真中求得的第j组加热灯的电压设定值。

12、步骤6初始化第一次迭代的各组加热灯的电压值；

13、计算第一次迭代时各组加热灯的电压值：

14、首先规定各个测温点i的期待温度向量t_matexp为：

15、

16、其中，t_expi为第i个测温点的最终期待温度，n为测温点的总个数。用t_matexp乘以步骤3中得出的回归矩阵b得到第一次迭代循环中各组加热灯的电压v_mat1为：

17、

18、其中，v1,j为第一次迭代循环中第j组加热灯的电压值，m为加热灯总组数，并且由于步骤5中每组加热灯需要乘以各自的热有效系数kj，v_mat1还需要在前面乘以优化矩阵k：

19、

20、其中，kj为步骤5中第j组加热灯的热有效系数,因此校正后的电压向量应为:

21、v_max1，校正后＝kv_mat1     (5)

22、并以此作为第一次迭代的输入。

23、步骤7根据对应的测温点的温度迭代优化各组加热灯的电压值；

24、每个测温点的温度会受到一至多组加热灯加热的影响，因此我们引入一个映射

25、f:{1,2…m}→{1,2…n}

26、此映射代表从1至m的集合到1至n集合的映射，并且规定f(j)＝i代表第j组加热灯影响第i个测温点；

27、根据之前步骤中的数据，进行优化迭代，并得出下一组实测时m组灯的电压数据，迭代公式为:

28、

29、其中，tf(j)为经过加热后第j组加热灯所控制的测温点i的温度，t中心为晶圆中心测温点经过单位时间后的温度，vj为当前第j组加热灯的额定电压，v'j为下一个循环时第j组加热灯的额定电压；

30、规定在第f个迭代循环后，晶圆中心测温点和晶圆边缘测温点的温差为δtf，即

31、δtf＝(t中心)f-(t边缘)f      (7)

32、其中,(t中心)f为第f个循环时晶圆中心测温点的最终温度，(t边缘)f为第f个循环时晶圆边缘测温点的最终温度；

33、当循环次数足够多时，当前第f个迭代循环的δtf与上一次迭代循环的δtf-1比值趋近于1，即:

34、

35、式(8)中，当迭代次数f不断增加时，δtf趋向于一个固定值，此时可以停止步骤7的迭代，并把此循环中每组灯的电压值作为最终结果保存下来,方便后续使用。

36、采用上述技术方案所产生的有益效果在于：本发明提供一种基于电压控制的辐射加热灯温度控制方法。该方法无需人为手动计算，只需要在最初的第一个循环阶段通过仿真计算出各组加热灯的初始电压值，便可以通过自动迭代的方式逐步优化算法，满足时间和温度均匀度的要求。

技术特征：

1.一种基于电压控制的辐射加热灯温度控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的一种基于电压控制的辐射加热灯温度控制方法，其特征在于，所述步骤6具体包括以下步骤：

3.根据权利要求1所述的一种基于电压控制的辐射加热灯温度控制方法，其特征在于，所述步骤7具体包括以下步骤：

技术总结
本发明提供一种基于电压控制的辐射加热灯温度控制方法，具体涉及半导体技术领域。该方法首先通过热仿真软件计算出每组加热灯的电压值和测得的温度，并通过上述两组数据求出回归矩阵；然后锁定光学测温计的辐射率，求得各个测温点的校正系数后，再得出每个测温点的校正后温度值；通过仿真得到各组加热灯的热有效系数，并求得各组加热灯的真实电压；最后，根据回归矩阵得到第一次迭代的输入值后，通过循环迭代法求出各组加热灯的理想电压值。该方法无需人为手动计算，只需要在最初的第一个循环阶段通过仿真计算出各组加热灯的初始电压值，便可以通过自动迭代的方式逐步优化算法，满足晶圆加热对时间效率和温度均匀度的要求。

技术研发人员：祁广杰,王昕,赵丽新,高文文,初春,林淼
受保护的技术使用者：盛吉盛（宁波）半导体科技有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/1/13