專利名稱：快速閃光退火爐中的溫度控制程控方法
技術領域：
本發(fā)明通過硬件設計實現(xiàn)對溫度的控制，通過自適應算法模型對鹵素燈管進行功 率控制，來提高硅晶片的溫度均勻性和快速閃光退火爐的工作效率，滿足集成電路制造技 術對半導體工藝設備的飛速發(fā)展，快速閃光退火爐是半導體行業(yè)的工藝設備，該發(fā)明屬于 半導體器件制造領域。
背景技術：
隨著半導體技術從130nm到90nm以下工藝的微縮，每個芯片上集成的邏輯器件也 越來越多，作為離子摻雜的離子注入機的工藝步驟也越來越多，摻完雜后需要用快速退火 系統(tǒng)快速退火，要求退火效率45 70片/小時，這樣就必須提高退火的升溫和退溫的時 間，新型的快速閃光退火爐最大升溫速度達250°C /秒，最大退溫速度達60°C /秒，高溫保 持期溫度控制精度達士 1. 5°C，熱處理后的電阻均勻性達1. 5%，基于這些要求，傳統(tǒng)的PID 溫度調(diào)節(jié)控制方法已無法實現(xiàn)最新型的快速熱處理功能。本發(fā)明針對上述技術背景，采用改變鹵素燈管的功率和排列方式，結(jié)合溫度控制 硬件電路的設計，設計溫度控制自適應算法模型對多個穩(wěn)區(qū)進行溫度調(diào)整控制，達到快速 退火的要求。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明通過以下技術方案實現(xiàn)硅晶片的加熱升溫采用鹵素鎢燈輻射加熱升溫法，共應用了 28根1. 5KW和2KW兩 種規(guī)格的鹵素燈管，分別設置在爐腔的頂部和底部，各有14根燈管，頂部和底部的燈管成 垂直交叉狀安放。將28根燈管分成10個加熱功率控制區(qū)，頂部和底部各分布5個加熱功 率控制區(qū)，為了保證加熱腔體中硅晶片在加熱處理過程中溫度均勻，每個加熱功率區(qū)安放 不一樣的燈管功率和燈管根數(shù)，頂部和底部的加熱功率控制區(qū)的燈管數(shù)按對稱分布，按照 自適應算法模型對每個區(qū)的燈管加熱實行精確調(diào)整和控制，以達到使爐腔中的硅晶片快速 升溫和溫度均勻的目的。三相交流電送給加熱燈電源，連到雙相可控硅的輸入端，同時該三相交流電也送 給一塊“過零信號檢測板”，“過零信號檢測板”會將交流電“過零時刻”作為參考點輸出一 個方波信號，該信號作為“定時/計數(shù)板”上的計數(shù)器開始計數(shù)的起始點，計數(shù)器根據(jù)計算 機送來的計數(shù)值來計數(shù)，計數(shù)計滿后，計數(shù)器輸出一觸發(fā)脈沖送給爐溫控制板，該觸發(fā)脈沖 經(jīng)爐溫控制板隔離和功率放大后，去控制雙相可控硅的導通，即為控制加熱燈區(qū)的供電。計數(shù)器采用IMHz頻率計數(shù)，每個計數(shù)脈沖為1微秒，計數(shù)值最大設計為10000個， 對應時間為10000*1微秒=10毫秒，正是50HZ交流電的半個周期。因此計算機送給計數(shù) 器的計數(shù)值理論上在0 10000之間變化，計算機根據(jù)紅外快速測溫高溫計的測量值，補償 值和修正值來輸入自適應算法，算出每個燈區(qū)需要的計數(shù)值，計算機根據(jù)算出的計數(shù)值來 控制可控硅的導通角，即控制鹵素鎢燈的加熱功率，當環(huán)境，工藝氣體等因數(shù)變化時，計算機會快速的算出最新的計數(shù)值輸出給計數(shù)器，達到改變燈管加熱功率的目的。這樣就可以 實現(xiàn)對每個燈區(qū)加熱功率的程控調(diào)節(jié)。本發(fā)明具有如下顯著優(yōu)點1.在硬件的支持下，可使溫度控制實現(xiàn)全自動計算機程序控制，而且調(diào)節(jié)響應快 速，滿足自適應算法的要求；2.加熱源功率可分區(qū)控制，為溫度均勻性控制提供了硬件基礎；3.采用16位計數(shù)器對可控硅導通角進行調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)精度高，本專利為1/10000的 控制精度，通過參數(shù)調(diào)節(jié)最高可達1/60000的控制精度；4.控制調(diào)節(jié)計數(shù)器采用D8254計數(shù)模塊，每塊D8254計數(shù)模塊有三個計數(shù)通道，四 塊D8254就可以控制10個加熱燈區(qū)，因而控制電路簡單，集成度高。


圖1為本發(fā)明的鹵素燈管布局2為本發(fā)明的硬件控制波形圖
具體實施例方式下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進一步介紹。參見圖1，快速閃光退火爐的燈管布局說明如下1為控制區(qū)1 ；2為控制區(qū)2 ；3為 控制區(qū)3 ；4為控制區(qū)4 ；5為控制區(qū)5 ；6為控制區(qū)6 ；7為控制區(qū)7 ；8為控制區(qū)8 ；9為控制 區(qū)9 ;10為控制區(qū)10 ；11為頂部燈管組；12為硅晶片；13為底部燈管組。硅晶片的加熱升溫采用鹵素鎢燈輻射加熱升溫法，共應用了 28根1. 5KW和2KW兩 種規(guī)格的鹵素燈管，分別設置在爐腔的頂部和底部，各有14根燈管，頂部和底部的燈管成 垂直交叉狀安放。將28根燈管分成10個加熱功率控制區(qū)，頂部和底部各分布5個加熱功率 控制區(qū)，為了保證加熱腔體中硅晶片在加熱處理過程中溫度均勻，每個加熱功率區(qū)安放不 一樣的燈管功率和燈管根數(shù)，頂部和底部的加熱功率控制區(qū)的燈管數(shù)按對稱分布。頂部燈 管為水平布局，靠近操作面為加熱功率控制區(qū)1，依次向內(nèi)為加熱功率控制區(qū)2、加熱功率 控制區(qū)3、加熱功率控制區(qū)4和加熱功率控制區(qū)5 ；底部燈管為前后布局，從設備左邊開始依 次為加熱功率控制區(qū)6、加熱功率控制區(qū)7、加熱功率控制區(qū)8、加熱功率控制區(qū)9和加熱功 率控制區(qū)10。根據(jù)自適應算法和修正系數(shù)，以及最外測的散熱比最里測的散熱好等因素考 慮，靠近外測的加熱功率控制區(qū)如加熱功率控制區(qū)1、加熱功率控制區(qū)5、加熱功率控制區(qū)6 和加熱功率控制區(qū)10設計為兩根2KW的燈管并聯(lián)；加熱功率控制區(qū)2、加熱功率控制區(qū)4、 加熱功率控制區(qū)7和加熱功率控制區(qū)9設計為三根2KW的燈管并聯(lián)；最里面的加熱功率控 制區(qū)3和加熱功率控制區(qū)8設計4根1. 5KW的燈管并聯(lián)。10個加熱功率控制區(qū)設計不同的 燈管數(shù)和燈管功率，以達到使爐腔中的硅晶片快速升溫和溫度均勻的目的。參見圖2，控制硬件波形圖說明如下三相交流電送給加熱燈電源，連到可控硅的輸入端，同時該三相交流電也送給一 塊“過零信號檢測板”卡，“過零信號檢測板”會將交流電“過零時刻”轉(zhuǎn)變?yōu)? 5V方波的 跳變沿，從“過零信號檢測板”輸出的0 5V方波信號GAME，去觸發(fā)“定時/計數(shù)板”上的 計數(shù)器計數(shù)，計數(shù)器計數(shù)值滿后，則輸出一觸發(fā)脈沖OUT。該觸發(fā)脈沖送給爐溫控制板，經(jīng)爐溫控制板隔離和功率放大后，去控制雙相可控硅的導通，即為控制加熱燈區(qū)的供電。從圖2可知，可控硅的導通角Φ與“定時/計數(shù)板”上計數(shù)器上的計數(shù)值相關，計 數(shù)器采用IMHz頻率計數(shù)，每個計數(shù)脈沖為1微秒，計數(shù)值最大設計為10000個，對應時間為 10000*1微秒=10毫秒，正是50ΗΖ交流電的半個周期。因此計算機送給計數(shù)器的計數(shù)值 理論上在0 10000之間變化，在快速退火處理過程中，計算機先給“定時/計數(shù)板”上的 各計數(shù)器設置預計的計數(shù)值，即給各加熱功率控制區(qū)設置預計的加熱功率，在加熱過程中， 用高溫計實時檢測硅晶片的溫度，然后根據(jù)設定的溫度曲線，對各個計數(shù)值進行調(diào)節(jié)，從而 對各個加熱功率控制區(qū)的功率進行調(diào)節(jié)，達到精確控制溫度和溫度均勻性的目的。計算機 根據(jù)紅外快速測溫高溫計的測量值，補償值和修正值來輸入自適應算法模型，算出每個燈 區(qū)需要的計數(shù)值，計算機根據(jù)算出的計數(shù)值來控制可控硅的導通角，即控制鹵素鎢燈的加 熱功率，當環(huán)境、工藝氣體等因數(shù)變化時，計算機會快速的算出最新的計數(shù)值輸出給計數(shù)器 D8254，達到改變燈管加熱功率的目的。這樣就可以實現(xiàn)對每個加熱功率控制區(qū)加熱功率的 程控調(diào)節(jié)。在交流電的半個周期內(nèi)，如果計數(shù)值較大時，當計數(shù)器計數(shù)值滿后，則輸出的觸發(fā) 脈沖OUT就會比較后，則燈管加熱功率就較大，圖2所示的波形3和波形4是加熱功率較大 的情況；同理，在交流電的半個周期內(nèi)，如果計數(shù)值較小時，當計數(shù)器計數(shù)值滿后，則輸出的 觸發(fā)脈沖OUT也比較前，則燈管加熱功率就較小，圖2所示的波形5和波形6是加熱功率較 小的情況。本發(fā)明的特定實施例已對本發(fā)明的內(nèi)容做了詳盡說明。對本領域一般技術人員而 言，在不背離本發(fā)明精神的前提下對它所做的任何顯而易見的改動，都構(gòu)成對本發(fā)明專利 的侵犯，將承擔相應的法律責任。
權利要求
1.應用了28根1. 5KW和2KW兩種規(guī)格的鹵素燈管，分別設置在爐腔的頂部和底部，各 有14根燈管，頂部和底部的燈管成垂直交叉狀安放，將28根燈管分成10個加熱功率控制 區(qū)，頂部和底部各分布5個加熱功率控制區(qū)，10個加熱功率控制區(qū)設計不同的燈管數(shù)和燈 管功率，以達到使爐腔中的硅晶片快速升溫和溫度均勻的目的。
2.計算機通過向16位計數(shù)器D8254發(fā)送計數(shù)值來控制可控硅的導通角，根據(jù)自適應算 法，10個加熱功率控制區(qū)可以對應不同的計數(shù)值，即對應不同的加熱功率，這樣就可以對加 熱源功率進行分區(qū)控制，滿足硅晶片升溫和溫度均勻性的要求。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種新型的快速閃光退火爐的溫度控制程控方法，快速閃光退火爐是半導體行業(yè)的工藝設備，該發(fā)明屬于半導體器件制造領域。硅晶片的加熱升溫方法采用鹵素鎢燈輻射加熱升溫法，共應用了28根1.5KW和2KW兩種規(guī)格的鹵素燈管，分別設置在爐腔的頂部和底部，各有14根燈管，頂部和底部的燈管成垂直交叉狀安放，將28根燈管分成10個加熱功率控制區(qū)，頂部和底部各分布5個加熱功率控制區(qū)，為了保證硅晶片在加熱退火處理過程中溫度均勻，每個加熱功率區(qū)安放不一樣的燈管功率和燈管根數(shù)，頂部和底部的加熱功率控制區(qū)的燈管數(shù)按對稱分布，按照自適應算法模型對每個區(qū)的燈管加熱實行精確調(diào)整和控制，以達到使爐腔中的硅晶片快速升溫和溫度均勻的目的。
文檔編號F27D11/00GK102003882SQ20091009066
公開日2011年4月6日 申請日期2009年9月3日 優(yōu)先權日2009年9月3日
發(fā)明者伍三忠, 姚琛, 易文杰, 金澤軍, 龍會躍 申請人:北京中科信電子裝備有限公司