CN111413002A - 基板温度测定装置和半导体制造装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供基板温度测定装置和半导体制造装置，基板的种类不限，采用接触式温度计能准确地测定基板温度。在用于被热源(H)加热的基板(S)的温度测定的基板温度测定装置(M)中，包括：具有和基板(S)相同的热透过率的小片(1)；安装有小片(1)的主体(3)；以及与小片(1)在第一方向上分开并安装在主体(3)上的热吸收构件(2)，小片(1)具有在第一方向上和热吸收构件(2)重叠的重复区域(G)，以及和热吸收构件(2)不重叠的非重复区域，非重复区域曝露在热源(H)下，接触式温度计(5)安装在重复区域(G)中。

Description

基板温度测定装置和半导体制造装置

技术领域

本发明涉及被加热的基板的温度测定所使用的基板温度测定装置以及半导体制造装置。

背景技术

半导体制造装置在进行基板处理的前后或中途，会根据基板处理的内容利用加热基板的工序。所述加热工序中采用热电偶等测定装置进行基板的温度测定。

另一方面，专利文献1(日本专利公开公报特开平4-218670)公开了代替热电偶、采用辐射温度计测定基板温度。代替热电偶使用辐射温度计的理由，可以列举当硅等透过红外线的基板的情况下，热电偶会被透过基板的红外线加热而不可能完成准确的温度测定。

相比热电偶等接触式温度计，通常辐射温度计因耐热温度较低，配置在进行加热处理的真空容器的外部。

辐射温度计对基板温度的测定是借助真空容器壁面的观察口进行，但是由于观察口自身的设置场所的制约以及在基板与观察口之间不能配置遮蔽物等空间性制约，所以优选使用没有这种制约的、以热电偶为代表的接触式温度计。

可是，如专利文献1所述，因与基板和热源的组合、热电偶会被热源加热，所以热电偶不可能进行准确的温度测定。

发明内容

本发明提供一种能够不依靠与基板和热源的组合、采用接触式温度计准确地测定基板温度的基板温度测定装置。

本发明的基板温度测定装置用于被热源加热的基板的温度测定，其包括：小片，具有和所述基板相同的热透过率；主体，安装有所述小片；以及热吸收构件，与所述小片在第一方向上分开，并安装在所述主体上，所述小片具有在所述第一方向上和所述热吸收构件重叠的重复区域，以及和所述热吸收构件不重叠的非重复区域，所述非重复区域曝露于热源下，在所述重复区域中安装有接触式温度计。

由于代替用接触式温度计直接测定基板温度，而准备和基板相同的热透过率的小片，并在和所述小片的热吸收构件重叠的重复区域上安装接触式温度计，因此可以防止接触式温度计被热源加热。

这样，相比接触式温度计被热源加热的现有结构，可以准确地进行基板温度的测定。

为了更准确地进行温度测定，优选所述接触式温度计是一组接触式温度计。

通过安装一组接触式温度计，从测定点间的温度差计算出给予小片的热量，并从该热量确定基板温度。

当进行多次基板加热工序时，为了将加热前的条件统一，需要将小片温度设置成规定温度。

鉴于这一点，优选所述主体具有对所述小片进行冷却的冷却构件。

当考虑小片的损耗时，不希望小片的非重复区域持续曝露在热源中。因此，优选所述主体能够旋转的结构。

本发明的半导体制造装置包括：热源，加热输送中的基板；输送机构，横过所述热源将基板向规定方向输送；以及多个与所述热源相对配置的上述基板温度测定装置，所述基板温度测定装置在所述规定方向并列配置。

当横过热源输送基板时，对应基板位置、基板从热源接受的热量发生变化。所述热量随着基板和热源的距离接近而变大。相反，所述热量随着基板和热源的远离而变小。

因此，将基板温度测定装置在基板输送方向上并列配置。这样，能够在基板输送方向的不同位置上测定赋予基板的热量和基板温度，只要将上述的测定结果进行平均化等，就可以准确地进行横过热源被输送的、基板的温度和赋予基板的热量的测定。

另一方面，考虑减少基板温度测定装置的数量，则优选本发明的半导体制造装置包括：热源，加热输送中的基板；输送机构，横过所述热源将基板向规定方向输送；以及上述基板温度测定装置，所述基板温度测定装置和所述基板一起横过所述热源被输送。

按照上述结构，和在输送方向上将多个基板温度测定装置并列的结构同样、能够准确地确定横过热源被输送的基板的温度，且与在输送方向上将多个基板温度测定装置并列的结构相比，能通过少量的基板温度测定装置横跨大范围进行基板的温度测定和热量测定。

由于代替用接触式温度计直接测定基板温度，而准备和基板同等热透过率的小片，并将接触式温度计安装在和所述小片的热吸收构件重叠的重复区域，所以能够防止接触式温度计被热源加热。

这样，相比接触式温度计被热源加热的现有结构，可以准确地进行基板温度的测定。

附图说明

图1是基板温度测定装置的一例立体示图。

图2是表示在半导体制造装置内使用基板温度测定装置时的一例俯视图。

图3是设置多个基板温度测定装置的结构的一例立体示图。

图4是表示基板温度测定装置2维配置时的一例俯视图。

图5是表示具备基板温度测定装置的离子注入装置的结构例的俯视图。

图6是表示具有能旋转的主体的、基板温度测定装置的结构例的俯视图。

图7是表示具备基板温度测定装置的离子注入装置的另一结构例的俯视图。

图8是基板温度测定装置的另一例立体示图。

附图标记说明

1 小片

2 热吸收构件

3 主体

4 冷却构件

5 接触式温度计

G 重复区域

M 基板温度测定装置

H 热源

S 基板

具体实施方式

图1是基板温度测定装置的一例立体示图，图2是表示在半导体制造装置内部使用图1的基板温度测定装置时的一例俯视图。以下采用上述附图，说明本发明的基板温度测定装置M的结构。

另外，图2中为了便于说明，省略了支撑基板温度测定装置M和基板S的支撑构件的记述。

基板温度测定装置M在真空室C内配置在基板S的附近，用于测定由热源H加热的基板的温度。

基板温度测定装置M主要由主体3、小片1和热吸收构件2构成。小片1和热吸收构件2拧接或嵌合在主体3上，两构件在图的Z方向上分开。

在Z方向上，小片1具有和热吸收构件2重叠的重复区域G(图1中，用虚线施以剖面线的区域)以及和热吸收构件2不重叠的非重复区域(图1中，小片1的重复区域G以外的区域)。

作为热吸收构件2的构成材料例，可以列举吸热性、耐热性优异的碳材料或耐热性良好的高熔点材料。

当由热源H从热吸收构件2的上方(与Z方向相反侧的方向)加热基板时，曝露在热源H侧的小片1的非重复区域被加热。热源H为间接电阻加热方式的热源H，例如卤素灯或LED灯。

根据热源H的种类、基板加热所使用的主波长各不相同。此外，各基板对特定波长的透过率也不同。

小片1具有和基板S相同的热透过率。这里所述相同的热透过率是指，对从上述的热源H释放的红外线的主波长的透过率，小片和基板相同。假定小片的材质是与基板相同或一部分组成不同的材质，相同的范围设定在透过率与基板的透过率差不到0.1左右。

基板S被热源H加热时，上述的小片1会和作为测定对象的基板S达到同样的温度。因此本发明中代替基板温度的测定，测定小片1的温度。具体在和小片1的热吸收构件2重叠的重复区域G安装一组接触式温度计5(例如热电偶或热变电阻)，进行小片1的温度测定。

与接触式温度计被透过基板的红外线加热的现有结构相比，因为小片1的重复区域G被热吸收构件2遮挡、不会被热源直接加热，因而通过在这里安装接触式温度计进行基板温度的测定，能更准确地进行基板温度的测定。

关于使用一组接触式温度计5确定基板温度，例如采用将各个接触式温度计5的测定值平均后的值作为基板温度，或者将任意的测定值作为基板温度的方法。

另外，不将测定值平均化的情况下，小片1的重复区域G上安装的接触式温度计5的数量可以是1个。此外，一组接触式温度计5代表两个接触式温度计，例如为热电偶时，则不是指具有成对的金属线的一个热电偶，而是存在两个这种热电偶。

可是，上述的方法中对应安装接触式温度计5的场所、测定值会产生差别。

因此，为了实现更准确的温度测定，可以考虑如下的使用一组接触式温度计5的基板温度的确定方法。

设用各个接触式温度计测定的小片温度为T1(K)、T2(K)，测定点间的距离为L(m)，小片的热传导率为λ(W/m²·K)，小片的截面积为A(m²)时，则从

Q＝λA×(|T1－T2|)/L的公式，可以算出小片被加热时得到的热量Q(W)。

设这里求出的热量与基板上所施加的热量同等，通过计算施加所述热量后基板温度上升了多少来确定基板温度。

上述的计算通过在基板温度测定装置中预设数据记录器，或与测定装置分开、单独设置数据记录器，利用数据记录器上的程序自动进行。另一方面，还可以在数据记录器以外，设置执行这种计算的计算机。此外，数据记录器或上述的计算机中预先注册有基板的初始温度。

另一方面，还可以由人进行上述的计算。例如，可以在显示器上显示小片温度，由对此进行观察的、装置的操作员进行上述的计算。

由于热传导率具有温度依赖性，因此可以根据小片的温度测定结果决定计算方法。例如，在用于计算的数据记录器或计算机内预先存储有关小片的温度依赖性的热传导率的数据，读出与用一组接触式温度计测定的各个测定值对应的热传导率，并把将其平均后的值作为热量计算时的热传导率。

此外，代替热传导率的平均化，还可以先把测定的温度平均化，再读出与平均化后的温度对应的热传导率的值，将其作为热量计算时的热传导率。

而且，如果小片温度的各个测定值的差如果处在预定的基准范围内，则可以将任意一个测定值所对应的热传导率作为热量计算时的热传导率。

只要是计算提供给上述的小片的热量、并根据该热量确定基板温度的方法，就能更准确地求出基板温度。

基板温度测定装置M的主体3上设有冷却构件4。

所述冷却构件4用于使主体3上内嵌的圆筒构件的内侧流通制冷剂。利用所述冷却构件4，通过停止热源对基板加热，就可以使热吸收构件2和小片1的温度迅速返回初始温度。

另外，当被热源加热的热吸收构件2的辐射热几乎不影响小片侧时，冷却构件4只要具备仅将小片1冷却的能力即可。

上述的冷却构件4可以在主体3上直接形成制冷剂流路，也可以采用在主体3的侧面安装冷却套管等各种结构。

图2中基板S的下方(Z方向侧)设有反射板6。该结构通过把透过基板S的红外线向基板侧反射，来提高基板的加热效率。

设置这种反射板6时，如图2所示，以在小片1的下方(Z方向)侧也能进行热反射的方式预先设置反射板6。关于小片用的反射板6的安装场所，可以安装在基板温度测定装置M的主体3上。此外，代替图示的分割型的反射板6、可以在基板S的下方预先准备大型的反射板6，并在配置大型反射板的区域内配置基板S和基板温度测定装置M双方。

而且，代替反射板6，可以用对应热源的波长、容易反射来自热源的红外线的金属薄膜覆盖真空室C的底面。

因基板面内的位置，存在一定的温度差。因此，为把握基板面内的温度分布，可以通过配置多个本发明的基板温度测定装置M来进行基板温度的测定。

图3是配置多个基板温度测定装置M的具体示例。如该图所示，基板温度测定装置M1～M3沿Y方向并列配置，将冷却构件4共用、连接各个基板温度测定装置M1～M3进行单元化。

按照该结构，能测定规定方向上的温度分布且共用构件，因此可以简化装置整体的结构。

将基板温度测定装置单元化的情况下，各个基板温度测定装置M1～M3仅靠冷却构件4支撑，有可能作为支撑构件的刚性不足。

关于这一点，例如也可以通过将各基板温度测定装置M1～M3的主体3局部连接，或单独设置用于连接各装置的连接构件10等来对应。图3的结构中，各装置用这种连接构件10连接。

虽然图3的结构是沿Y方向测定基板的温度分布的结构，但是当希望对基板面的温度分布进行2维测定时，在图3的结构基础上，可以在垂直Y方向的X方向上也并列设置多个基板温度测定装置。

当不对基板温度进行实时测定时，不用在基板S的周边，可以在基板S所配置的下方(Z方向侧)上配置基板温度测定装置。

此外，为了测定被加热的基板位置上的温度分布，也可以如图4所示，将基板温度测定装置2维配置。

另外，图示的基板温度测定装置M1a～e、M2a～e、M3a～e分别由未图示的连接构件连接并单元化。

图4例示的结构只是一例，当配置多个基板温度测定装置时，上述的朝向不一定是同一方向。例如，基板温度测定装置M1a～e与基板温度测定装置M2a～e相对配置，或者，采用基板温度测定装置M1a～e、M2a～e、M3a～e在Y方向错开配置等各种配置。

作为热源H的结构，假设具有将基板S的整面充分加热程度的大小，但是也可以使用多个小热源进行基板整面的加热。

此时，如图4所示准备与各个基板温度测定装置相同个数的热源，基于各个基板温度测定装置上的测定结果进行各个热源的输出调整。

另一方面，热源和基板温度测定装置的个数也可以不同。例如，当将Y方向上较长的3个热源在X方向并列时，可以使各个热源与Y方向上并列的多个基板温度测定装置对应。此时，可以根据将Y方向上并列的多个基板温度测定装置上的测定值平均后的值，调整对应热源的输出。

此外，可以将热源的长度方向作为X方向，将5个所述热源在Y方向并列设置，根据将X方向上配置的基板温度测定装置上的测定值平均化后的值，调整对应热源的输出。

上述热源的输出调整不过是一例，对应热源和基板温度测定装置的个数及位置关系、可以采用各种结构。

图5是在离子注入装置上应用本发明的基板温度测定装置M的结构例。该图中由于设想在处理室内的基板加热，所以省略了离子注入装置的离子束输送路径等的图示。以下，简单说明同装置中的基板输送和基板加热。

基板S由未图示的大气机器人输送到加载互锁真空室S1。此时，加载互锁真空室S1的大气侧的阀门V1打开，真空侧的阀门V2关闭。

基板S搬入加载互锁真空室S1后，加载互锁真空室S1的大气侧的阀门V1关闭，进行加载互锁真空室S1的抽真空。

加载互锁真空室S1达到规定的真空度后，加载互锁真空室S1的真空侧的阀门V2打开，位于基板输送室S2的未图示的真空机器人把基板从加载互锁真空室S1向处于处理室S3的保持构件7输送。

基板S输送到保持构件7上后，保持构件7利用未图示的旋转机构绕R轴旋转，基板S沿导轨L朝向I方向输送到完全横过离子束IB的位置。按照图5的结构例，在所述基板输送的中途进行热源H对基板加热。

另外，在J方向上离子束IB比基板S的尺寸长，以对应向基板的离子注入量、使基板S一次或多次完全横过离子束IB的方式、沿I方向进行保持构件7的输送。

保持构件7的一个侧面上安装有基板温度测定装置M。和在基板输送的中途被加热的基板S相同地，通过和基板一起输送、由热源H加热基板温度测定装置M的小片。

基板温度测定装置M横过热源H时，基板温度测定装置M测定的温度和基于该温度计算的热量随时间一起变化。

例如，当将测定的温度作为基板温度时，将反映时间变化的测定温度平均化并将平均化后的温度作为基板温度。此外，当基于热量确定基板温度时，计算出通过横过热源H得到的总计的热量，确定基板温度。

按照图5的结构例，一个基板温度测定装置M设在和基板S的大体中央对应的部位，但是也可以沿保持构件7的一边设置多个基板温度测定装置M。另外，这里所述的保持构件7的一边，是横过离子束IB进行基板输送时的、保持构件7的与J方向大体平行的边。

另外，还可以在J方向也设置多个热源H，将各个热源与基板温度测定装置对应相关，基于测定结果来调整各个热源的输出。

当基板温度测定装置M横过离子束IB时，露出于热源H侧的构件上会被照射离子束IB。因离子束IB、构件(特别是小片)被溅射后，有可能妨碍准确的温度测定。

因此，可以设置挡板构件，在基板温度测定装置M输送到离子束IB的照射区域的时机上，所述挡板构件覆盖基板温度测定装置M的被照射侧。

另一方面，代替上述的挡板构件，可以采用图6所示的结构。图6中表示了通过将基板温度测定装置M的一部分或整体旋转，防止离子束IB对小片溅射的结构。

图6的(A)中使主体3的一部分能绕V1轴旋转，小片1以避开离子束IB的方式向图的下方旋转。

另一方面，图6的(B)中使连接构件10能绕V2轴旋转，不改变热吸收构件2和小片1的相对位置、使小片1避开离子束IB向图的下方旋转。

如图6的(B)所示，由于只要不改变热吸收构件2和小片1的相对位置，则小片1的至少一部分就会被热吸收构件2覆盖，所以该构件成为小片1的保护构件、能大幅改善离子束IB对小片1的溅射。

也可以在图6所示的旋转部位以外，在不改变热吸收构件2和小片1的相对位置的情况下、使主体3旋转。

不论如何旋转，只要能使安装有小片1的主体3旋转，就可以防止小片1被离子束IB溅射。

由于从小片1观察、热吸收构件2配置在离子束IB侧，所以只要不配置遮蔽构件等其他构件，所述部分被溅射就不能避免。

在采用半导体制造装置的半导体制造工序中，不希望金属混入半导体元件。因此，在将本发明的基板温度测定装置应用于半导体制造装置时，热吸收构件2不应该是上述的高熔点材料，而是优选由碳材料构成。

在离子注入装置中，为了使基板温度快速升温到规定温度，先于处理室S3中的基板加热、在加载互锁真空室S1和基板输送室S2等处理室S3以外的基板输送通道中进行预备性的基板加热。

图7是在加载互锁真空室S1中进行基板的预加热的结构例。加载互锁真空室S1的天花板上配置有多个热源H。以使被真空机器人VR的手支撑的基板S一次或多次完全横过热源H的方式，使真空机器人VR的手在箭头A的方向上往返。

另外，和图6的附图标记共通的部位，由于和图6结构相同，故本结构中省略说明。

真空机器人VR的手前端安装有本发明的基板温度测定装置M4。所述基板温度测定装置M4和被手支撑的基板S一起，横过热源H、在基板输送室S2和加载互锁真空室S1之间往返输送。

基板温度测定装置M4如图所示，虽然可以对应多个热源H、在和热源H的排列方向平行的方向上安装多个，但是基板温度测定装置M4的数量也可以是1个。

此外，关于利用基板温度测定装置的测定结果调整热源的输出，可以采用和以上的实施方式说明的方法同样的方法进行。

而且，基板测定装置M也可以配置在和手端部相反侧的手的根部侧。

图5至图7说明了离子注入装置的示例，但是本发明的基板温度测定装置不限于此，可以应用在溅射装置和成膜装置等各种半导体制造装置上。

此外，举例说明了基板S横过离子束的结构例，但是该结构例不限于离子注入装置，由于离子束蚀刻装置、离子束取向装置等其他离子束照射装置结构都通用，所以其他的离子束照射装置也可以直接应用图5至图7所述的基板温度测定装置的结构例。

在图5至图7的结构中，是基板温度测定装置M和基板S一起被输送的结构，但是基板温度测定装置M也可以固定在基板加热位置。

此时和图4同样，在基板被热源加热期间难以测定基板温度，但是本发明并不排除这种使用方法。

在图5的结构中，保持构件7的一个侧面安装有基板温度测定装置M，但是也可以另准备保持构件7以外的构件，并在该构件上安装基板温度测定装置M。

此时，预先准备和保持构件7的导轨相同的导轨，或与所述导轨平行的其它导轨，在任意的导轨上与保持构件7的输送联动、输送基板温度测定装置M。

按照以上的实施方式，是假设在真空室C的内部配置热源H，但是热源H的配置场所不限于上述结构。

例如，可以在真空室C中设置电介质窗，借助所述窗从真空室C的外部配置的热源H加热真空容器内的基板。

作为离子束IB对小片1的溅射的对策，采用图6说明了能使主体3旋转的结构，但也可以在曝露于离子束IB的情况以外使主体3旋转。

例如，考虑小片的损耗，不希望小片的非重复区域总是曝露在热源下。因此，可以如图6所示将主体3设置成能旋转的状态，在不进行温度测定时旋转主体3，使小片远离热源。

按照图7的结构例，说明了通过使被真空机器人VR的手支撑的基板在加载互锁真空室S1和基板输送室S2之间来往、进行基板的预加热，但是也可以通过使基板在与此不同的场所来往、进行基板的预加热。

例如，可以改变为使基板在基板输送室S2和处理室S3之间来往的结构或基板仅在基板输送室S2内来往的结构，进行基板的预加热，不论在基板输送通道的任何部分进行预加热，都可以应用本发明。

以上的实施方式中说明了采用一组接触式温度计的结构例，但是其组数不限于一组，可以采用二组、三组等一组以上的接触式温度计。

此外，作为基板温度测定装置M的另一例，可以采用图8所示的结构。图8所示的基板温度测定装置M中，热吸收构件2以覆盖小片1整体的方式配置，通过形成在热吸收构件2上的通孔T，小片1局部曝露在热源H下。该基板温度测定装置M也和上述的基板测定装置M具有同样的效果。

此外，本发明不限于上述实施方式，在不脱离其发明思想的范围内可以进行各种变形。

Claims (6)

1.一种基板温度测定装置，用于被热源加热的基板的温度测定，所述基板温度测定装置的特征在于，包括：

小片，具有和所述基板相同的热透过率；

主体，安装有所述小片；以及

热吸收构件，与所述小片在第一方向上分开，并安装在所述主体上，

所述小片具有在所述第一方向上和所述热吸收构件重叠的重复区域，以及和所述热吸收构件不重叠的非重复区域，

所述非重复区域曝露于热源下，在所述重复区域中安装有接触式温度计。

2.根据权利要求1所述的基板温度测定装置，其特征在于，所述接触式温度计是一组接触式温度计。

3.根据权利要求1所述的基板温度测定装置，其特征在于，所述主体具有对所述小片进行冷却的冷却构件。

4.根据权利要求1所述的基板温度测定装置，其特征在于，所述主体能够旋转。

5.一种半导体制造装置，其特征在于包括：

热源，加热在进行基板输送的输送通道上输送中的基板；以及

多个与所述热源相对配置的如权利要求1至4中任意一项所述的基板温度测定装置，

所述基板温度测定装置在所述基板的输送方向上并列配置。

6.一种半导体制造装置，其特征在于包括：

热源，加热输送中的基板；

输送机构，横过所述热源，将基板向规定方向输送；以及

如权利要求1至4中任意一项所述的基板温度测定装置，所述基板温度测定装置和所述基板一起被横过所述热源进行输送。

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