CN102560681A - 测温装置及扩散炉 - Google Patents

Abstract

一种测温装置，用于扩散炉中，所述扩散炉包括：温度控制器、腔室及设置于其中用于放置晶圆的晶舟；所述测温装置包括：温度测量模块、温度传送模块和温度处理模块，温度测量模块，设置于所述晶舟内，包括至少两个温度传感器，用于测量所述晶圆的温度并发送至所述温度传送模块；温度传送模块，设置于所述腔室内，用于将所述温度测量模块测得的温度传送至所述温度处理模块，所述温度传送模块包裹有热绝缘套；温度处理模块，用于对接收到的所述温度传感器测得的温度值求平均，并发送至所述温度控制器。本发明提供的测温装置及扩散炉结构简单，安装方便且能够更准确测量晶圆表面的温度。

Description

测温装置及扩散炉

技术领域

本发明涉及半导体技术领域，特别涉及一种测温装置及扩散炉。

背景技术

半导体器件及集成电路的制造就是在硅片上进行一系列复杂的化学或物理操作。炉体设备在半导体器件及集成电路的制造过程中起着至关重要的作用。炉体设备通常被用于热生长氧化物，如栅氧的形成；离子注入后硅表面的热退火，薄膜的沉积等。

炉体设备一般分为卧式炉、立式炉及快速热处理。卧式炉用于早期的半导体产业，其由于放置和加热硅片的石英管是水平放置的，故称其为卧式炉。

从上世纪90年代初期开始，由于立式炉更易自动化、可改善操作者的安全以及减少颗粒玷污、更好地控制温度和均匀性，卧式炉开始逐渐被立式炉取代。

扩散炉作为立式炉的一种主要用于对硅片进行扩散、氧化、退火、合金及烧结等工艺。扩散炉的主要控制系统分为五部分：工艺腔、硅片传输系统、气体分配系统、尾气系统和温控系统。对于上述的工艺，精确的控制炉管的温度在整个工艺过程中至关重要。

请参见图1，图1为现有技术扩散炉的示意图(图中仅给出了扩散炉的温度控制系统)包括：加热器1、腔室2、晶舟3、置于腔室2内的侧热电偶4及置于腔室2外部的外部热电偶5、微控制器10、温度控制器11、可控硅整流器(SCR)12、能量供给单元13。对于扩散炉的温控系统而言，微控制器10会将晶圆需要加热的温度控制信号发送至温度控制器11，温度控制器11控制SCR12的打开与关闭，当SCR12打开时，能量供给单元13提供相应的能量给加热器1，以供加热器1加热腔室2。需要说明的是图1中所标识的加热器1，实际上是由五个独立的加热器组成，每一个加热器都为缠绕在腔室外部的金属电阻丝，图1中的扩散炉具有五个加热区，每个加热区对应一个加热器。实际生产过程中，加热器的个数可以为3～7不等，即加热区的个数也从3～7不等。

设置于腔室2内部的侧热电偶4用于检测腔室2内部的温度并且将其传送给温度控制器11，设置于腔室2外部的外部热电偶5用于检测加热器1的温度并且将其传送给温度控制器11。温度控制器11根据侧热电偶4与外部热电偶5之间的温度差来实时的控制SCR12，调节能量供给单元13供给加热器1的能量，进而调节腔室2内的温度。举例来说，如果侧热电偶4与外部热电偶5之间的温度差为15摄氏度，若腔室2内的温度想达到800摄氏度，则只需要调节能量供给单元13供给加热器1的能量，使得外部热电偶5的温度达到785摄氏度既可。

此外，由于侧热电偶一直放在扩散炉中，时间长了测量温度会不准，因此需要通过拉(pull)恒温区(flat zone)的方式来校准侧热电偶的温度以及各个加热区之间温度的差异，通常用flat zone热电偶来实现。请参见图2，图2是现有技术采用flat zone热电偶测量腔室温度的扩散炉示意图。通常情况下，为了能够校正腔室2内的温度，在扩散炉的初装过程中，会安装有flat zone热电偶6，所述flat zone热电偶6设置在靠近晶舟3的位置。

对于上述采用外部热电偶、侧热电偶及flat zone热电偶的组合来测量扩散炉腔室内的温度，侧热电偶与外部热电偶之间温度的差异，实际上并不等于外部热电偶与晶圆表面温度之间的差异，因此通过将上述外部热电偶、侧热电偶及flat zone热电偶测量得到的温度反馈给温度控制器，通过温度控制器控制能量供给单元调节加热器的温度而获得的腔室的温度实际上并不等同于微控制器欲将晶圆加热到的目标温度，而实际生产过程中，则需要能够更准确的控制晶圆的温度，也既外部热电偶和侧热电偶之间的温度差应更接近外部热电偶与晶圆之间的温度差。

因此，采用上述的侧热电偶和flat zone热电偶仍然不能精确的获得位于晶舟内的晶圆的温度，另外由于flat zone热电偶通常用于来校准侧热电偶的温度，将其初始安装在扩散炉的腔室内时拉所述flat zone热电偶需要耗费一定的时间，在高温制程中拉所述flat zone热电偶仍然会耗费时间。故采用flat zone热电偶测量晶圆温度时，拉flat zone热电偶比较麻烦，费时又费力。

申请号为200620042768.6中国专利申请提供了一种双向装、卸晶体硅片的石英管式扩散炉，其硅片的载入和载出可同时、同方向完成、结构简单、效率高、成本低。但是对于上述问题并未涉及。

发明内容

本发明解决的问题是提供一种结构简单且能够精确获得晶圆温度的测温装置。

为解决上述问题，本发明提供一种测温装置，用于扩散炉中，所述扩散炉包括：温度控制器、腔室及设置于其中用于放置晶圆的晶舟；所述测温装置包括：温度测量模块、温度传送模块和温度处理模块，

温度测量模块，设置于所述晶舟内，包括至少两个温度传感器，用于测量所述晶圆的温度并发送至所述温度传送模块；

温度传送模块，设置于所述腔室内，用于将所述温度测量模块测得的温度传送至所述温度处理模块，所述温度传送模块包裹有热绝缘套；

温度处理模块，用于对接收到的所述温度传感器测得的温度值求平均，并发送至所述温度控制器。

可选的，所述温度传感器为热电偶。

可选的，所述测温装置还包括电源模块，用于给所述温度传送模块供电。

可选的，所述电源模块为太阳能电池，设置于所述腔室内。

可选的，所述温度处理模块设置在所述腔室外。

可选的，所述温度传送模块通过有线方式与所述温度测量模块连接，通过无线方式与所述温度处理模块连接。

为解决上述问题，本发明还提供一种包括上述测温装置的扩散炉。

为解决上述问题，本发明还提供一种测温装置，用于扩散炉中，所述扩散炉包括：温度控制器、腔室及设置于其中用于放置晶圆的晶舟；所述测温装置包括：温度测量模块和温度传送模块，

温度测量模块，设置于所述晶舟内，包括一个温度传感器，用于测量所述晶圆的温度并发送至所述温度传送模块；

温度传送模块，设置于所述腔室内，用于将所述温度测量模块测得的温度传送至所述温度控制器，所述温度传送模块包裹有热绝缘套。

可选的，所述温度传送模块通过有线方式与所述温度测量模块连接，通过无线方式与所述温度控制器连接。

为解决上述问题，本发明还提供一种包括上述测温装置的扩散炉。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

通过将温度测量模块，设置于晶舟内，能够更准确测量位于所述晶舟内的晶圆表面的温度。

所述温度测量模块包括两个温度传感器，使得晶舟在旋转过程中能够保持很好的平衡性，并且通过求平均值获得晶圆的温度，也保证了测量晶圆表面温度的准确性。

仅通过温度测量模块测量晶圆表面的温度，一方面省去了安装和清洗侧热电偶的时间，另一方面由于不再需要flat zone热电偶，也省去了拉flat zone热电偶所耗费的时间。

通过利用扩散炉内的高温以给设置于腔室内的太阳能电池提供能量，进而利用太阳能电池所产生的电能给温度处理模块供电，充分利用了热能，而不用再通过外接电源给温度传送模块供电，既节约了电能又环保。

附图说明

图1是现有技术扩散炉的示意图；

图2是现有技术采用flat zone热电偶测量腔室温度的扩散炉示意图；

图3是本发明实施例测温装置的示意图；

图4是本发明实施例的测温装置设置于扩散炉的示意图；

图5是本发明实施例的晶舟示意图。

具体实施方式

扩散炉主要用于对硅片进行扩散、氧化、退火、合金及烧结等工艺。现有技术的扩散炉如图1所示，其通过外部热电偶测量加热器的温度、侧热电偶及flat zone热电偶来测量扩散炉腔室内的温度偏移，通过外部热电偶与侧热电偶之间的温度差及flat zone热电偶对所述侧热电偶的校准来确定最终加热器应该加热的温度。

然而，发明人发现，采用上述方式最终所得的外部热电偶与侧热电偶之间的温度差并不等同于外部热电偶与晶圆之间的实际温度差，因此，晶圆表面实际的温度会与微控制器欲将晶圆加热到的目标温度之间有偏差。

举例来说，微控制器欲将晶圆加热到目标温度800摄氏度，若外部热电偶与侧热电偶之间的温度差为15摄氏度，则加热器应该提供的温度为785摄氏度。然而实际上侧热电偶所测量到的温度并不是晶圆表面的温度，因此，晶圆表面的温度并没有达到微控制器想要将晶圆加热到的目标温度，即800摄氏度，而是比目标温度800摄氏度略高。对于对温度要求十分严格的半导体工艺而言，很可能会影响到器件的可靠性及良率。

此外，通过采用侧热电偶、flat zone热电偶测量腔室温度时，侧热电偶的安装、拉所述flat zone热电偶都会耗费一定的时间，尤其是在初装扩散炉时，拉flat zone热电偶需要耗费一定的时间，且对于不同的制程而言，如高温制程，除了在扩散炉初装过程中需要拉所述flat zone热电偶外，一般1～2年后还会拉所述flat zone热电偶，仍然需要耗费大量的时间。同时，由于侧热电偶位于扩散炉的腔室内，使用一段时间后其表面会沉积一层膜层，为了清除侧热电偶表面的膜层，需要对其进行刻蚀、烘干，仍然会耗费大量的时间。

发明人考虑是否可以尽可能不采用flat zone热电偶，进而无需耗费大量的时间在拉所述flat zone热电偶上，但又可以精确的测得晶圆表面的温度。发明人提供一种测温装置及扩散炉，将温度测量模块设置于晶舟内，通过温度传送模块将所述温度测量模块测得的温度发送至温度控制器，在精确测量晶圆表面温度的同时也节省了大量的时间。

为了能够更好地说明本发明的技术方案，以下结合附图对本发明的实施例进行详细的说明。

请参见图3，图3是本发明实施例测温装置的示意图，图4是本发明实施例的测温装置设置于扩散炉的示意图。结合图3和图4，本发明实施例的测温装置，用于扩散炉中，所述扩散炉包括：温度控制器11、腔室2及设置于其中用于放置晶圆的晶舟3；所述测温装置包括：温度测量模块24、温度传送模块8和温度处理模块9。

所述温度测量模块24，设置于所述晶舟3内，包括至少两个温度传感器，用于测量所述晶圆的温度并发送至所述温度传送模块8。本实施例中所述温度传感器包括设置在所述晶舟3内的第一热电偶4a和第二热电偶6a，所述第一热电偶4a和第二热电偶6a设置于所述晶舟3内，请参见图5，图5为本发明实施例的晶舟示意图，如图5所示，本实施例中所述晶舟3包括3根石英管101、102、103，其中101和103之间的开口用于供机械手臂传送晶圆。所述石英管101、102、103在水平面上的投影等间隔的位于半个圆弧上，其中石英管101和103投影之间的距离为圆的直径。

本实施例中，优选地所述第一热电偶4a和第二热电偶6a设置在石英管101和103之内。由于所述第一热电偶4a和第二热电偶6a并未设置在扩散炉的腔室内，而是直接设置在石英管内，故所述第一热电偶4a和第二热电偶6a的表面不会沉积薄膜，省去了清洗第一热电偶4a和第二热电偶6a的时间，而现有的在扩散炉内设置侧热电偶，一方面安装侧热电偶大概需要1个小时左右，另一方面清洗所述侧热电偶，即对其进行刻蚀和烘干大概需要6个小时。

此外，对于采用flat zone热电偶而言，初装扩散炉时拉所述flat zone热电偶大概需要8～12个小时，而对于一些高温制程而言，在扩散炉初装1～2年后还需要拉所述flat zone热电偶，仍然要耗费大概8～12个小时。

将所述第一热电偶4a和第二热电偶6a直接安装在石英管内，因而省去了清洗侧热电偶所花费的时间。同时，由于无需再拉flat zone热电偶，省去了拉flat zone热电偶所耗费的时间。

在又一实施例中，所述第一热电偶4a和第二热电偶6a也可以分别对称的设置在石英管101和102之间及石英管102和103之间，且所述第一热电偶4a或第二热电偶6a与其所在的两个石英管之间的距离相等。

在另一实施例中，所述第一热电偶4a和第二热电偶6a也可以分别对称的设置在靠近石英管101及石英管103。

采用在所述晶舟3内分别设置第一热电偶4a和第二热电偶6a，可以保持晶圆在旋转过程中的平衡性，可以更精确地获得晶圆表面的温度。在其他实施例中，所述温度测量模块24，也可以只包括一个温度传感器，可以将其安装在石英管102中。在另外的实施例中，所述温度传感器可以不安装在石英管内，而是将其设置在靠近石英管102的附近，并尽量保证整个晶舟的平衡性。

热电偶是一种感温元件，可以直接测量温度并将温度信号转为电信号，需要说明的是，具体在石英舟内设置多少根热电偶、以及热电偶究竟设置在晶舟内的何处(即设置在哪根石英管内或是靠近哪根石英管)，一方面取决于晶舟本身的结构，另一方面也取决于对测温装置成本的考虑。因此，热电偶的根数与其设置在晶舟内的位置不应作为对本发明的限定。

温度传送模块8，设置于所述腔室2内，用于将所述温度测量模块24测得的温度传送至所述温度处理模块9，所述温度传送模块8包裹有热绝缘套。

本实施例中所述温度传送模块8可以包括温度获取单元和发送单元(图中未示出)，所述温度获取单元与所述温度测量模块24以有线或无线方式获取所述温度测量模块24测量得到的温度，所述温度获取单元将获得的测量得到的温度发送至所述发送单元，所述发送单元通过有线或无线方式将所述温度传送至所述温度处理模块9。本实施例中，温度传送模块8设置在腔室内2，温度处理模块9设置在腔室2外，所以温度传送模块8和温度处理模块9通过无线方式传送信号，这样无需对腔室2的结构进行改动，例如在形成腔室2的石英罩上开孔以供连接导线穿过。

本实施例中所述测温装置还包括设置于扩散炉腔室2内的电源模块7，用于给所述温度传送模块8供电。所述电源模块7可以为太阳能电池，利用扩散炉内的高温，使得太阳能电池给所述温度传送模块8供电，无需通过外接电源的方式给所述温度传送模块8供电，既环保又节能。

本实施例中所述温度获取单元可以为一射频模块、所述发送单元为天线模块，如：片状天线，所述射频模块和所述天线模块可以集成在一块电路板上，所述第一热电偶4a和第二热电偶6a通过导线与所述电路板的射频模块连接，将其测量得到的温度发送至射频模块。所述射频模块将所述温度发送至所述天线模块。所述热绝缘套包裹所述电路板及设置在所述电路板上的射频模块和天线模块。

温度处理模块9，用于对接收到的所述温度传感器测得的温度值求平均，并发送至所述温度控制器11。

本实施例中，温度处理模块9将由第一热电偶4a和第二热电偶6a测量所得到的温度求平均，并将其发送至所述温度控制器11。所述温度处理模块9可以为一射频模块，用于接收温度传送模块8中天线模块所发送的由第一热电偶4a和第二热电偶6a测量所得到的温度。温度控制器11根据外部热电偶5测得的温度以及温度处理模块9发送的温度控制SCR12的打开，控制能量供给单元13提供相应的能量给加热器1，加热腔室2进而加热放置于晶舟3内的晶圆。

在其他实施例中也可以不包括温度处理模块9，如上所述的温度测量模块24只包括一个温度传感器的情况，此种情况下可以直接通过温度传送模块8将由温度测量模块24测量得到的温度发送至温度控制器11即可。另外，如果温度测量模块包括两个或以上的温度传感器，也可以是温度传送模块8直接将各个温度传感器测量得到的温度发送至温度控制器11，由温度控制器11对测量得到的温度求平均值。

本实施例还提供一种包括上述所述测温装置的扩散炉。如图4所示，本实施例的扩散炉包括：加热器1、腔室2、置于腔室2外部的外部热电偶5、晶舟3、置于晶舟3内第一热电偶4a和第二热电偶6a、置于腔室2内的电源模块7、温度传送模块8及至于腔室外的温度处理模块9、微控制器10、温度控制器11、可控硅整流器(SCR)12、能量供给单元13。

扩散炉实际工作中，微控制器10会将晶圆需要加热的目标温度控制信号发送至温度控制器11，温度控制器11控制SCR12的打开与关闭，当SCR12打开时，能量供给单元13提供相应的能量给加热器1，以供加热器1加热腔室2。第一热电偶4a和第二热电偶6a将测得的晶圆的温度通过有线的方式实时的发送至温度传送模块8，温度传送模块8将由第一热电偶4a和第二热电偶6a测的的温度发送至温度处理模块9，温度处理模块9对所述温度求平均并发送至温度控制器11。温度控制器11根据温度处理模块9发送的所述第一热电偶4a和第二热电偶6a测量的温度的平均值与外部热电偶5之间的温度差来实时的控制SCR12，调节能量供给单元13供给加热器1的能量，进而调节腔室2内的温度，直至将晶圆加热到目标温度。

综上所述，本发明提供的测温装置及扩散炉通过将温度测量模块设置于晶舟内，能够更准确测量位于所述晶舟内的晶圆表面的温度。

所述温度测量模块包括两个温度传感器，使得晶舟在旋转过程中能够保持很好的平衡性，也保证了测量晶圆表面温度的准确性。所述温度传感器安装在石英舟的石英管内，故其表面不会沉积有薄膜，节省了因刻蚀去除侧热电偶表面膜层，烘干所述侧热电偶所花费的时间。

仅通过温度测量模块测量晶圆表面的温度，故不再需要安装侧热电偶和拉flat zone热电偶，节省了时间，温度测量模块与温度传送模块通过有线方式连接，连接简单、省时。

通过利用扩散炉内的高温以给设置于腔室内的太阳能电池提供能量，进而利用太阳能电池所产生的电能给温度处理模块供电，充分利用了热能，而不用再通过外接电源给温度传送模块供电，既节约了电能又环保。

通过温度处理模块对由所述两个温度传感器测量所得的温度值求求平均，使得测量到的晶圆表面的温度更加准确。

本发明虽然已以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (10)

1.一种测温装置，用于扩散炉中，所述扩散炉包括：温度控制器、腔室及设置于其中用于放置晶圆的晶舟；其特征在于，所述测温装置包括：温度测量模块、温度传送模块和温度处理模块，

温度测量模块，设置于所述晶舟内，包括至少两个温度传感器，用于测量所述晶圆的温度并发送至所述温度传送模块；

温度传送模块，设置于所述腔室内，用于将所述温度测量模块测得的温度传送至所述温度处理模块，所述温度传送模块包裹有热绝缘套；

温度处理模块，用于对接收到的所述温度传感器测得的温度值求平均，并发送至所述温度控制器。

2.如权利要求1所述的测温装置，其特征在于，所述温度传感器为热电偶。

3.如权利要求1所述的测温装置，其特征在于，所述测温装置还包括电源模块，用于给所述温度传送模块供电。

4.如权利要求3所述的测温装置，其特征在于，所述电源模块为太阳能电池，设置于所述腔室内。

5.如权利要求1所述的测温装置，其特征在于，所述温度处理模块设置在所述腔室外。

6.如权利要求5所述的测温装置，其特征在于，所述温度传送模块通过有线方式与所述温度测量模块连接，通过无线方式与所述温度处理模块连接。

7.一种包括权利要求1至6任一项所述的测温装置的扩散炉。

8.一种测温装置，用于扩散炉中，所述扩散炉包括：温度控制器、腔室及设置于其中用于放置晶圆的晶舟；其特征在于，所述测温装置包括：温度测量模块和温度传送模块，

温度测量模块，设置于所述晶舟内，包括一个温度传感器，用于测量所述晶圆的温度并发送至所述温度传送模块；

温度传送模块，设置于所述腔室内，用于将所述温度测量模块测得的温度传送至所述温度控制器，所述温度传送模块包裹有热绝缘套。

9.如权利要求8所述的测温装置，其特征在于，所述温度传送模块通过有线方式与所述温度测量模块连接，通过无线方式与所述温度控制器连接。

10.一种包括权利要求8或9所述的测温装置的扩散炉。

Images