[发明专利]一种快速热处理温度测控系统和测控方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种快速热处理设备用的温度测量与控制系统和控制方法，适用于快 速热处理设备，即：RTP设备、属半导体器件制造领域。

背景技术

快速热处理是在非常短的时间内(经常是几秒钟)，将单个硅片加热至400～ 1300℃温度范围的一种方法。快速热处理工艺由于其热预算小、硅中杂质运动量 小、冷壁设计减少了沾污、较小的腔体体积可以达到清洁的气氛以及很短的热处 理周期等优点，在半导体制造中得到越来越广泛的应用。主要应用在(1)离子注入 后热退火，以消除缺陷、激活和扩散杂质；(2)沉积膜的致密，如沉积氧化膜；(3) 硼磷硅玻璃回流；(4)阻挡层退火，如氮化钛(TiN)；(5)硅化物形成，如硅化钛 (TiSi₂)；(6)接触合金等。特别是半导体集成电路器件制造工艺进入深亚微米以 后，传统的热处理设备也无法再满足其对热处理工艺的要求。所以国际先进的国 家已推出多种型号的快速热处理设备，且应用越来越成熟，技术越来越先进。

在国内，快速热处理技术的研究刚刚起步，快速热处理设备的制造几乎是空 白，快速热处理关键技术之一的快速温度测控技术和方法也无先例可寻。这种现 状严重阻碍了我国半导体集成电路制造工艺技术向更细特征尺寸(100nm以下) 技术发展。

发明内容

本发明是针对快速热处理设备中无快速热处理温度测量和温度控制方法及 快速温度测控系统这一问题而提出的一种应用于快速热处理设备的快速温度测 量和快速温度控制的方法。该发明应用于快速热处理设备，能够快速准确地测量 硅晶片的温度、并根据所测温度与快速热处理工艺曲线设置温度的差值对加热灯 各个灯区的加热功率进行调整，使进行快速热处理硅晶片上的温度精确按编制的 工艺温度曲线变化，并使整块硅晶片上温度分布均匀性得到控制。完全可以满足 100nm半导体器件制造对快速热处理工艺的要求。

本发明提供一种快速热处理设备用温度测量与温度控制系统，包括两只红外 高温计、标准K型热电偶硅晶片、温度信号处理器、热电偶测温仪、加热功率调 节器、交流电压过零检测器、定时计数器、可控硅控制信号隔离放大器、可控硅 加热电源、加热灯管和控制计算机。所述的红外高温计输出与温度信号处理器连 接；所述的温度信号处理器输出与控制计算机连接；所述的标准K型热电偶硅晶 片输出与热电偶测温仪连接；所述的热电偶测温仪输出与控制计算机连接；所述 的灯加热功率调节器内置于计算机的程序中；所述的交流电压过零检测器输出与 定时计数器连接；所述的定时计数器输出与可控硅控制信号隔离放大器连接；所 述的可控硅控制信号隔离放大器输出与可控硅加热电源控制信号连接；所述的加 热电源输出与加热灯管连接；所述的加热电源输入分别与三相交流电压A、B、C 相连接；所述的温度信号处理器、热电偶测温仪、定时计数器与控制计算机连接， 由计算机协调动作并进行控制。

本发明还提供快速热处理设备用温度测量与温度控制方法，包括温度测量校 准过程、硅晶片实时温度测量和温度控制过程、硅晶片温度分布均匀性调整过程。 其中：

温度测量校准过程包括如下步骤：

(1)将标准K型热电偶硅片放置于加热腔之中，并将其两电极的引线连接 到热电偶测温仪上，热电偶测温仪与计算机连接，该标准K型热电偶硅晶片的温 度同时可以用高温计和热电偶测到；

(2)炉门关闭，计算机控制给加热灯通电，调整好加热功率；

(3)随着标准K型热电偶硅片温度的持续上升，计算机从热电偶测温仪、 红外高温计1、红外高温计2获取硅晶片的实时温度值y_i、x_1i、x_2i，从400～1300 ℃采集几十个点；

(4)以上采集的每组数据中，热电偶测温仪的温度读值视为标准读值，则两 高温计读值、热电偶测温仪读值三值之间的关系可拟合为一线性多项式：

y＝a₀+a₁x₁+a₂x₂                (1)

y—热电偶测温仪读值，标准值，

x₁—高温计1的读值，

x₂—高温计2的读值；