CN2710024Y

CN2710024Y - 具有温度补偿特征的温度控制装置

Info

Publication number: CN2710024Y
Application number: CN 200420049667
Authority: CN
Inventors: 萧义理; 周梅生; 彭进兴; 黄见翎; 陈择毅; 李俊仪; 吴学昌
Original assignee: Taiwan Semiconductor Manufacturing Co TSMC Ltd
Current assignee: Taiwan Semiconductor Manufacturing Co TSMC Ltd
Priority date: 2004-04-28
Filing date: 2004-04-28
Publication date: 2005-07-13
Anticipated expiration: 2014-04-28

Abstract

一种具有温度补偿特征的温度控制装置，用来控制一受控体于一标准受控温度值，其中所述温度控制装置至少包括：一主温度控制装置，其根据一主温度特性曲线来操作；一补偿温度控制装置，其根据一补偿温度特性曲线来操作，其中该补偿温度特性曲线以该标准受控温度值为基准，而与该主温度特性曲线互为镜射。主温度控制装置可为具有主冷却液(Coolant)槽的冷却机(Chiller)，或PN接口(Junction)温度控制装置等，而补偿温度控制装置可为具有温度补偿冷却液槽的冷却机，或PN接口温度控制装置等，其中此补偿温度控制装置可为开放回路或封闭回路的自动控制方式。

Description

具有温度补偿特征的温度控制装置

技术领域

本实用新型涉及一种具有温度补偿特征的温度控制装置，特别涉及一种根据互为镜射(Mirror Reflected)的补偿温度特性曲线与主温度特性曲线来操作的温度控制装置。

背景技术

温度控制在工业生产上一直是个相当重要的课题，尤其是半导体设备的冷却，关系着工业生产的设备成本，以及产品的合格率，因此更是须要特别关注。冷却机(Chiller)是常常被使用的有效冷却方式。使用冷却机的温度控制装置是使用储存在冷却机的单一冷却液槽的冷却液(其温度控制在低于受控体的温度)，通过管路流经受控体来降低受控体的温度。

如图1所示，图1为绘示现有的温度控制装置的示意图。其中，此现有的温度控制装置至少包括具有主冷却液槽22的冷却装置20，和连接主冷却液槽22与受控体10的管路122和管路124，其中，主冷却液槽22中储存有温度控制在主冷却液标准温度设定值T22的主冷却液，而冷却装置20可以是用于电浆反应室(PlasmaChamber)的冷却机，受控体10可为如电浆反应室中的晶圆(Wafer)静电吸附器(Electrostatic Chuck；ESC)。当操作温度控制装置时，主冷却液经由管路122进入受控体10，冷却受控体10的温度后，温度高于主冷却液标准温度设定值T22的主冷却液再经由管路124流回主冷却液槽22，接着，冷却装置20再将主冷却液的温度降回主冷却液标准温度设定值T22。

然而，受到冷却装置20的控制***的限制，受控体10的温度与标准受控温度值Ts(即受控体10欲被控制的温度)常有数度的误差。请参照图2，图2为绘示现有的温度控制装置的主温度特性曲线示意图(即当电浆反应室的RF电源开动时的温度曲线)，其中此温度控制装置如图1所示，且主冷却液的温度控制在主冷却液标准温度设定值。当热源(Heat Source)例如电浆在热源激活时间t1进入受控体时，受控体虽在冷却装置的冷却下，其温度仍自标准受控温度值Ts开始上升，直到热源在热源关闭时间t2关闭，受控体的温度才又开始冷却至标准受控温度值Ts，如主温度特性曲线322所示。由此可知，现有的温度控制装置的效果不佳。例如：在多晶硅的制程中，在t1为15秒和t2为45秒(即30秒内)时，电浆反应室中的晶圆静电吸附器的主温度特性曲线322与欲控制得的理想温度控制线320间的最大温度增加值DT22可多达3℃至4℃，而且时间愈长，最大温度增加值DT22还会更大。一般而言，当温度增加1℃时，多晶硅制程(如多晶硅蚀刻)便会产生约1.5纳米的误差(Error)，按照制程规格(Specification)的要求，当误差达3纳米时，晶圆便会被宣布报废。故现有的温度控制装置的性能无法满足半导体制程的要求。

因此，非常迫切需要发展一种具有温度补偿特征的温度控制装置。以有效地冷却受控体的温度，使温度控制的偏差(Deviation)缩小，满足半导体制程的要求，进而改善晶圆的合格率(Yield)。

发明内容

鉴于上述现有的温度控制装置的偏差过大，无法满足半导体制程的要求，因而极易造成晶圆的报废。

因此，本实用新型的主要目的在于提供一种具有温度补偿特征的温度控制装置，以将现有的温度控制装置加以改良，无须使用昂贵且复杂的温度控制设备，便可大幅缩小温度控制的偏差，充分满足生产上对的温度要求。

为实现上述目的，本实用新型所提供的具有温度补偿特征的温度控制装置，用来控制一受控体于一标准受控温度值，此温度控制的装置至少包括：一主温度控制装置，其根据一主温度特性曲线来操作；一补偿温度控制装置，其根据一补偿温度特性曲线来操作，其中该补偿温度特性曲线以该标准受控温度值为基准，而与该主温度特性曲线互为镜射。

所述主温度控制装置至少包括：一主冷却液槽，其连接于一冷却装置，其中所述主冷却液槽中装有受温度控制的一主冷却液，而所述补偿温度控制装置至少包括：一温度补偿冷却液槽，其连接于所述冷却装置，其中所述温度补偿冷却液槽中装有受温度控制的一补偿冷却液；一使所述主冷却液由所述主冷却液槽流入所述受控体的第一管路，其连接于所述主冷却液槽和所述受控体之间；一使所述主冷却液由所述受控体流回所述主冷却液槽的第二管路，其连接于所述主冷却液槽和所述受控体之间；一使所述补偿冷却液由所述温度补偿冷却液槽流出的第三管路，所述第三管路的一端连接于所述温度补偿冷却液槽；一第四管路，所述第四管路的一端连接于所述第三管路的另一端，所述第四管路的另一端连接于所述第一管路进入所述受控体之前，使所述补偿冷却液与所述主冷却液会合后流入所述受控体，所述第四管路还安装有一控制所述补偿冷却液流量的第一阀；一第五管路，所述第五管路的一端连接于所述第三管路与所述第四管路连接后的一位置，所述位置位于所述第四管路的所述第一阀与所述温度补偿冷却液槽之间，所述第五管路的另一端连接于所述温度补偿冷却液槽，使所述补偿冷却液流回所述温度补偿冷却液槽，所述第五管路还安装有一控制所述补偿冷却液流量的第二阀。

所述补偿温度控制装置还至少包括一第六管路，所述第六管路的一端连接于所述第一管路，所述第六管路的另一端连接于所述第五管路上的所述第二阀与所述温度补偿冷却液槽之间。

本实用新型使用主温度控制装置和补偿温度控制装置，来控制受控体于标准受控温度值，此温度控制方法至少包括：操作主温度控制装置，来提供主温度特性曲线；提供补偿温度特性曲线，其中补偿温度特性曲线以标准受控温度值为基准，而与主温度特性曲线互为镜射；以及根据主温度特性曲线来操作主温度控制装置，并根据补偿温度特性曲线来同时操作补偿温度控制装置。

本实用新型的优点在于可将现有的温度控制装置加以改良，无须使用昂贵且复杂的温度控制设备，可大幅缩小温度控制的偏差，充分满足生产上的温度要求。

附图说明

图1为现有的温度控制装置的示意图；

图2为现有的温度控制装置的主温度特性曲线示意图，其中温度控制装置如图1所示，且主冷却液的温度控制在主冷却液标准温度设定值；

图3为本实用新型一较佳实施例的温度控制装置的示意图；

图4为本实用新型一较佳实施例的温度控制装置的补偿温度特性曲线示意图；

图5为应用本实用新型的一较佳实施例后所得的温度特性曲线示意图，其中主温度特性曲线如图2所示，补偿温度特性曲线如图4所示；

图6为应用本实用新型的又一较佳实施例的温度控制装置的示意图；

图7为常开式微调流量控制阀的阀位置(流量)与所施加的电压的关系示意图；

图8为常关式微调流量控制阀的阀位置(流量)与所施加的电压的关系示意图；

图9为PN接口温度控制装置的温度差与所施加的电压的关系示意图；

图10为应用本实用新型的再一较佳实施例的温度控制装置的示意图；

图11为应用本实用新型的使用封闭回路的自动控制方式的示意图。

具体实施方式

本实用新型揭示了一种具有温度补偿特征的温度控制装置，本实用新型的特征在于根据主温度特性曲线来操作主温度控制装置，并根据补偿温度特性曲线来同时操作补偿温度控制装置，以大幅增加受控体的温度控制的精准度，缩小温度控制的偏差。

本实用新型的主温度控制装置和补偿温度控制装置可使用同样的冷却装置(如冷却机)的控制器，来提供适当的温度补偿效果，以抵销(Offset)单独使用主温度控制装置时所产生的温度偏差。

请同时参照图2、图4和图5，图4为本实用新型的一较佳实施例的温度控制装置的补偿温度特性曲线示意图，图5为应用本实用新型的一较佳实施例后所得的温度特性曲线示意图。本实用新型的温度控制方法至少包括：操作主温度控制装置(如图1所示)，来提供主温度特性曲线322(如图2所示)，提供补偿温度特性曲线324(如图4所示)，其中补偿温度特性曲线324以标准受控温度值Ts为基准，来与主温度特性曲线322互为镜射，以及根据主温度特性曲线322来操作主温度控制装置，并根据补偿温度特性曲线324来同时操作补偿温度控制装置，以获得如图5所示的结果，使温度控制的偏差缩小。因此，当受控体的机台欲动作一特定程序时，则该补偿温度控制装置同时将以该特定程序的温度特性来补偿，使温度能完全维持在设定温度。

请参照图3，图3为本实用新型的一较佳实施例的温度控制装置的示意图。图3所示的主温度控制装置和补偿温度控制装置仅用来举例说明本实用新型，本实用新型也可应用于其它的温度控制***，如PN接口(Junction)温度控制装置等，故本实用新型并不在此限。

本实施例在如图1所示的冷却装置20的主冷却液槽22(主温度控制装置)外，另外安装补偿温度控制装置，补偿温度控制装置至少包括：温度补偿冷却液槽24，管路222和具有常关式(Normal Close)微调流量控制阀32的管路226，具有常开式(Normal Open)微调流量控制阀34的管路224以及管路228。其中，管路228可安装有常关式微调流量控制阀36。温度补偿冷却液槽24中装有温度控制在补偿温度设定值T24的补偿主冷却液，通常补偿温度设定值T24低于主冷却液标准温度设定值T22，如T22为60℃时，T24为50℃。管路222的一端连接于温度补偿冷却液槽24，以使补偿冷却液由温度补偿冷却液槽24流出。管路226的一端连接于管路222的另一端，而管路226的另一端连接于管路122进入受控体10之前，以使补偿冷却液与主冷却液会合后流入受控体10，管路226上的常关式微调流量控制阀32用来控制补偿冷却液的流量。如欲单独使用主冷却液槽22来控制受控体10的温度(即如图1所示的现有装置)，则需关闭常关式微调流量控制阀32和常关式微调流量控制阀36(如图3和图6所示)。另外，可安装具有常开式微调流量控制阀34的管路224，以在打开常开式微调流量控制阀34后，可维持温度补偿冷却液槽24中的补偿冷却液处于动态平衡。其中，管路224的一端连接于管路226与管路222连接后的一位置，此位置位于管路226的常关式微调流量控制阀32与温度补偿冷却液槽24之间，而管路224的另一端则连接于温度补偿冷却液槽24，以使补偿冷却液流回温度补偿冷却液槽24，管路224的常开式微调流量控制阀34用来控制补偿冷却液的流量。

如要同时使用主冷却液槽22和温度补偿冷却液槽24来控制受控体10的温度，则需微开常关式微调流量控制阀32与36并微关常开式微调流量控制阀34，以控制适当的补偿冷却液经管路222和管路226，在管路122与主冷却液会合成混合液后，进入控制受控体10。降低受控体10的温度后，部分的混合液经管路124流回主冷却液槽22，另一部分的混合液经管路228和224流回温度补偿冷却液槽24，管路228的一端连接于管路124，而管路228的另一端连接于管路224上的常开式微调流量控制阀阀34与温度补偿冷却液槽24之间。请参照图6，图6为应用本实用新型的又一较佳实施例的温度控制装置的示意图。如图6所示，管路228的一端也可安装于受控体10上，而其另一端可连接于管路224上的一位置，其中此位置位于常开式微调流量控制阀34与温度补偿冷却液槽24之间。常关式微调流量控制阀36与常关式微调流量控制阀32为同步控制。而具有常关式微调流量控制阀32的管路226可直接连接至受控体10，使主冷却液槽22和温度补偿冷却液槽24有各自的回路，其中的冷却液不混合，而两回路在受控体10内相当接近。

另外，温度补偿冷却液槽24的大小无一定的限制，通常可小于主冷却液槽22，视需补偿的温度大小而定。

值得一提的是，请参照图7和图8，图7为常开式微调流量控制阀的阀位置与所施加的电压的关系示意图，图8为常关式微调流量控制阀的阀位置与所施加的电压的关系示意图。常开式微调流量控制阀34与常关式微调流量控制阀32(或36)具有互补的功效，即常开式微调流量控制阀34全开时，常关式微调流量控制阀32和36必然是全关。常关式微调流量控制阀32和36应为同步微开微关的等同流量控制阀，常开式微调流量控制阀34则为另一流量控制阀。而常开式微调流量控制阀34的阀位置(Valve Position)与所施加的电压成反比(如图7所示)，常关式微调控制阀32和36的阀位置与所施加的电压成正比(如图8所示)。因此，可通过调整这些阀的位置，获得较佳的受控体的温度特性曲线。

请同时参照图2、图3和图4。提供补偿温度特性曲线324的步骤可通过单独使用具有主冷却液槽22的主温度控制装置来获得。即关闭常关式微调流量控制阀32和36，以及打开常开式微调流量控制阀34，达到逐步调低受控体的温度，直至获得补偿温度特性曲线324为止，而此时所得的主冷却液的温度即为温度补偿冷却液槽24所应使用的补偿温度设定值T24。其中，此补偿温度特性曲线324以标准受控温度值Ts(理想温度控制线320)为基准，而与如图2所示主温度特性曲线322大体上互为镜射。补偿温度特性曲线324于时间t1和时间t2之间，由标准受控温度值Ts线性降低至最大温度减少值DT24后，再回升至标准受控温度值Ts。此最大温度减少值DT24约等于最大温度增加值DT22。

请同时参照图3和图5。当操作本实用新型的温度控制装置时，即微开常关式微调流量控制阀32和36，以及微关常开式微调流量控制阀34，并控制主冷却液的温度于主冷却液标准温度设定值T22、补偿冷却液的温度于补偿温度设定值T24，受控体的温度特性曲线大体上可趋近于理想温度控制线320。理论上，主温度特性曲线322与补偿温度特性曲线324的和为理想温度控制线320，实际实施本实用新型的温度控制方法与装置时，受控体的温度特性曲线与理想温度控制线320间的偏差可大幅改善至少一个次元(Order)，如原本的最大温度增加值DT22多达3℃至4℃，应用本实用新型后，最大温度增加值DT22则可减少到0.3℃至0.4℃。

此外，如前所述，本实用新型也可应用于其它的温度控制***，即可使用其它的温度控制装置为本实用新型的主温度控制装置和补偿温度控制装置。请参照图9和图10，图9为PN接口温度控制装置的温度差与所施加的电压的关系示意图，图10为应用本实用新型的再一较佳实施例的温度控制装置的示意图。如图9所示，施加正电压可使温度增加(即正温度差)，施加负电压则可使温度减少(即负温度差)，故本实用新型可利用PN接口温度控制装置44来获得如上所述的补偿温度特性曲线，以补偿主温度控制装置所产生的偏差。请参照图11，图11为应用本实用新型的使用封闭回路的自动控制方式的示意图。本实用新型的温度控制装置也可使用封闭回路的自动控制方式，即在主温度控制装置16(可为如冷却机或PN接口温度控制装置等)工作之后，传送一回馈温度Tf(如受控体的温度)至比较器46，与标准受控温度值Ts比较后，据以对补偿温度控制装置18进行微调步骤400(即微调图3所示的常关式微调流量控制阀32或图10所示的PN接口温度控制装置44)，以更精确地提供温度补偿。

另外，本实用新型所使用的温度控制的技术为熟悉此技术的人员所熟知，故不在此赘述。

综上所述，本实用新型的优点为提供一种具有温度补偿特征的温度控制装置，可将现有的温度控制装置加以改良，而无须使用昂贵且复杂的温度控制设备，便可大幅缩小温度控制的偏差，充分满足生产上的温度要求。

Claims

1、一种具有温度补偿特征的温度控制装置，用来控制一受控体于一标准受控温度值，其特征在于，所述温度控制装置至少包括：

一主温度控制装置，其根据一主温度特性曲线来操作；

一补偿温度控制装置，其根据一补偿温度特性曲线来操作，其中该补偿温度特性曲线以该标准受控温度值为基准，而与该主温度特性曲线互为镜射。

2、根据权利要求1所述的具有温度补偿特征的温度控制装置，其特征在于：所述主温度控制装置至少包括：一主冷却液槽，其连接于一冷却装置，其中所述主冷却液槽中装有受温度控制的一主冷却液，而所述补偿温度控制装置至少包括：

一温度补偿冷却液槽，其连接于所述冷却装置，其中所述温度补偿冷却液槽中装有受温度控制的一补偿冷却液；

一使所述主冷却液由所述主冷却液槽流入所述受控体的第一管路，其连接于所述主冷却液槽和所述受控体之间；

一使所述主冷却液由所述受控体流回所述主冷却液槽的第二管路，其连接于所述主冷却液槽和所述受控体之间；

一使所述补偿冷却液由所述温度补偿冷却液槽流出的第三管路，所述第三管路的一端连接于所述温度补偿冷却液槽；

一第四管路，所述第四管路的一端连接于所述第三管路的另一端，所述第四管路的另一端连接于所述第一管路进入所述受控体之前，使所述补偿冷却液与所述主冷却液会合后流入所述受控体，所述第四管路还安装有一控制所述补偿冷却液流量的第一阀；

一第五管路，所述第五管路的一端连接于所述第三管路与所述第四管路连接后的一位置，所述位置位于所述第四管路的所述第一阀与所述温度补偿冷却液槽之间，所述第五管路的另一端连接于所述温度补偿冷却液槽，使所述补偿冷却液流回所述温度补偿冷却液槽，所述第五管路还安装有一控制所述补偿冷却液流量的第二阀。

3、根据权利要求2所述的具有温度补偿特征的温度控制装置，其特征在于：所述补偿温度控制装置还至少包括：

一第六管路，所述第六管路的一端连接于所述第一管路，所述第六管路的另一端连接于所述第五管路上的所述第二阀与所述温度补偿冷却液槽之间。

4、根据权利要求1所述的具有温度补偿特征的温度控制装置，其特征在于：所述补偿温度控制装置是一PN接口温度控制装置。

5、根据权利要求1所述的具有温度补偿特征的温度控制装置，其特征在于：所述主温度控制装置是一PN接口温度控制装置。