一种半导体外延生长设备的温度控制系统的制作方法

本发明主要涉及半导体外延生长设备，具体涉及一种半导体外延生长设备的温度控制系统。

背景技术：

1、半导体外延生长设备的温度控制系统一般由供配电、温度采集、加热装置、温度控制仪表和工业控制器组成，供配电部分主要为设备的温度采集装置、加热装置、温度控制仪表和工业控制器进行配电，温度采集装置通过实时监控目标加热区域的温度反馈给温度控制仪表，温度控制仪表接收温度采集装置的实时温度后，通过工业控制器输入的目标温度控制加热装置进行不同功率的输出，加热装置在接收到温度控制仪表的输出信号后进行对应加热功率的输出，工业控制器则接收操作者对目标加热区域的期望温度信号并进行安全监控后输出目标温度值给温度控制仪表。

2、外延生长设备在加热过程中的温度需要精确控制并且批次一致，以保证工艺过程中晶圆生长的效果。外延工艺的温度要求较高，在1600℃以上，且需要温度控制精度较高，并且要求在真空环境下进行。目前的加热装置和温度控制系统均使用的是单点单闭环控制，即通过单一温度控制器对加热装置进行温度控制，并未考虑整个温度场的分布均匀性，升温后由于环境温度变化，容易形成温度梯度分布，而控制环集中在一个点而无法实现对整个晶圆片所处环境温度的控制。

技术实现思路

1、针对现有技术存在的技术问题，本发明提供一种温度控制精准，避免外延生长设备片间温度差异大的半导体外延生长设备的温度控制系统。

2、为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为：

3、一种半导体外延生长设备的温度控制系统，包括控制单元、加热单元、晶圆片温度检测单元、石英管壁温度检测单元和气体单元；

4、所述晶圆片温度检测单元与所述控制单元相连，用于检测所述晶圆片温度并发送至控制单元；所述控制单元与所述加热单元相连，用于根据晶圆片温度控制加热单元的加热作业以使得晶圆片温度在对应预设阈值内；

5、所述石英管壁温度检测单元与所述控制单元相连，用于检测石英管壁温度并发送至控制单元；所述控制单元与所述气体单元相连，用于根据石英管壁温度来调节气体单元的气体流量或/和气体中各成分的配比以使得石英管壁温度在对应预设阈值内。

6、作为上述技术方案的进一步改进：

7、所述加热单元包括加热电源、电容匹配器和线圈；所述线圈环绕在半导体外延生长设备的石英钟罩外部周围；所述控制单元与所述加热电源相连；所述加热电源通过电容匹配器与线圈相连；所述控制单元输出信号控制加热电源的输出功率，加热电源输出交变电流，通过电容匹配器和线圈在空间中产生交变电磁场，在石英钟罩内的上下石墨半月和石墨底座中形成涡流进而使晶圆片周围温度升高。

8、所述线圈在石英钟罩内中间的布置密度大于两端的布置密度。

9、所述石英钟罩的一端设有隔磁板，另一端设有法兰盘，用于防止出现漏磁干扰整个设备。

10、所述晶圆片温度检测单元为红外激光探头，所述石英钟罩的端部设有观察窗，所述红外激光探头正对观察窗以对石墨底座进行温度测量。

11、所述石英管壁温度检测单元为石英管壁温度探头。

12、所述气体单元包括氢气和氮气，通过在石英钟罩内通入氢氮混合气体以实现散热。

13、所述控制单元通过pid输出调节氮气和氢气浓度配比以实现对石英管壁温度的反馈调节。

14、与现有技术相比，本发明的优点在于：

15、本发明通过检测晶圆片温度来控制加热单元的加热作业以使得晶圆片温度在对应预设阈值内，同时通过氢气和氮气比热容不一致，在石英钟罩内通入氢氮混合气体，通过pid输出调节氮气和氢气浓度配比，实现对管壁温度的负反馈调节，结合石英管壁温度实时值，修改反应腔环境散热因数，从而实现反应室温度的双闭环控制，避免外延生长设备片间温度差异大。

技术特征：

1.一种半导体外延生长设备的温度控制系统，其特征在于，包括控制单元、加热单元、晶圆片温度检测单元、石英管壁温度检测单元和气体单元；

2.根据权利要求1所述的半导体外延生长设备的温度控制系统，其特征在于，所述加热单元包括加热电源(1)、电容匹配器(2)和线圈(5)；所述线圈(5)环绕在半导体外延生长设备的石英钟罩(4)外部周围；所述控制单元与所述加热电源(1)相连；所述加热电源(1)通过电容匹配器(2)与线圈(5)相连；所述控制单元输出信号控制加热电源(1)的输出功率，加热电源(1)输出交变电流，通过电容匹配器(2)和线圈(5)在空间中产生交变电磁场，在石英钟罩(4)内的上下石墨半月(6)和石墨底座(8)中形成涡流进而使晶圆片(7)周围温度升高。

3.根据权利要求2所述的半导体外延生长设备的温度控制系统，其特征在于，所述线圈(5)在石英钟罩(4)内中间的布置密度大于两端的布置密度。

4.根据权利要求2或3所述的半导体外延生长设备的温度控制系统，其特征在于，所述石英钟罩(4)的一端设有隔磁板(3)，另一端设有法兰盘(10)，用于防止出现漏磁干扰整个设备。

5.根据权利要求1或2或3所述的半导体外延生长设备的温度控制系统，其特征在于，所述晶圆片温度检测单元为红外激光探头(11)，所述石英钟罩(4)的端部设有观察窗(9)，所述红外激光探头(11)正对观察窗(9)以对石墨底座(8)进行温度测量。

6.根据权利要求1或2或3所述的半导体外延生长设备的温度控制系统，其特征在于，所述石英管壁温度检测单元为石英管壁温度探头(16)。

7.根据权利要求1或2或3所述的半导体外延生长设备的温度控制系统，其特征在于，所述气体单元包括氢气和氮气，通过在石英钟罩(4)内通入氢氮混合气体以实现散热。

8.根据权利要求7所述的半导体外延生长设备的温度控制系统，其特征在于，所述控制单元通过pid输出调节氮气和氢气浓度配比以实现对石英管壁温度的反馈调节。

技术总结本发明公开了一种半导体外延生长设备的温度控制系统，包括控制单元、加热单元、晶圆片温度检测单元、石英管壁温度检测单元和气体单元；晶圆片温度检测单元与控制单元相连，用于检测晶圆片温度并发送至控制单元；控制单元与加热单元相连，用于根据晶圆片温度控制加热单元的加热作业以使得晶圆片温度在对应预设阈值内；石英管壁温度检测单元与控制单元相连，用于检测石英管壁温度并发送至控制单元；控制单元与气体单元相连，用于根据石英管壁温度来调节气体单元的气体流量或/和气体中各成分的配比以使得石英管壁温度在对应预设阈值内。本发明能够实现反应室温度的双闭环控制，温度控制精准，避免外延生长设备片间温度差异大。技术研发人员：熊峥,周立平,巴赛,尹航仁受保护的技术使用者：中国电子科技集团公司第四十八研究所技术研发日：技术公布日：2024/11/4