CN112430846B - 半导体工艺设备及其观察窗清洁方法 - Google Patents

半导体工艺设备及其观察窗清洁方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种半导体工艺设备及其观察窗清洁方法，其中，该半导体工艺设备包括工艺腔室、坩埚和温度监测组件，坩埚设置在工艺腔室中，坩埚的顶部具有与坩埚的内腔连通的顶开口，工艺腔室的顶壁具有观察窗，温度监测组件用于透过观察窗和顶开口监测坩埚内部的温度，半导体工艺设备还包括观察窗吹扫组件，观察窗吹扫组件与观察窗对应设置，用于对观察窗的待吹扫面进行吹扫，待吹扫面为观察窗朝向坩埚的表面。在本发明中，工艺腔室内设置有观察窗吹扫组件，其能够向观察窗的表面吹扫气体，去除附着在观察窗表面上的料源颗粒，从而保证温度监测组件监测结果的准确性，保证晶圆在合适的温度范围内进行外延生长工艺，提高产品良率。

Description

半导体工艺设备及其观察窗清洁方法
技术领域
本发明涉及半导体工艺设备领域，具体地，涉及一种半导体工艺设备及其观察窗清洁方法。
背景技术
物理气相传输法(Physical Vapor Transport，PVT)是指在高温区加热料源使之升华，再将升华的料源输送到冷凝区使其冷凝并结晶的外延生长工艺。
在晶圆外延生长工艺中，升华的料源在冷凝区结晶的温度与晶圆的品质息息相关，通常需要在反应过程中利用温度监测设备对生长中的晶圆温度进行实时监测，以保证将晶圆的温度严格控制在所需范围内。因此，如何提高监测晶圆生长温度的精确性，成为晶圆外延生长工艺中至关重要的课题。
发明内容
本发明旨在提供一种半导体工艺设备，该半导体工艺设备能够保证晶圆在合适的温度范围内进行外延生长工艺，提高产品良率。
为实现上述目的，作为本发明的一个方面，提供一种半导体工艺设备，包括工艺腔室、坩埚和温度监测组件，所述坩埚设置在所述工艺腔室中，所述坩埚的顶部具有与所述坩埚的内腔连通的顶开口，所述工艺腔室的顶壁具有观察窗，所述温度监测组件用于透过所述观察窗和所述顶开口监测所述坩埚内部的温度，所述半导体工艺设备还包括观察窗吹扫组件，所述观察窗吹扫组件与所述观察窗对应设置，用于对所述观察窗的待吹扫面进行吹扫，所述待吹扫面为所述观察窗朝向所述坩埚的表面。
可选地，所述观察窗吹扫组件包括吹扫气体管路和吹扫腔结构，所述吹扫腔结构包括设置在所述工艺腔室内的吹扫侧壁和与所述吹扫侧壁相连的吹扫底壁，所述吹扫侧壁和所述吹扫底壁均环绕所述观察窗设置，所述吹扫侧壁上形成有吹扫孔，所述吹扫气体管路用于通过所述吹扫孔对所述待吹扫面进行吹扫。
可选地，所述吹扫侧壁中形成有至少一个吹扫通道，所述吹扫通道包括相互连通的垂直段和弯折段，所述垂直段沿所述半导体工艺设备高度方向延伸，所述弯折段朝向所述观察窗延伸，所述吹扫气体管路与所述垂直段连通，所述弯折段的一端在所述吹扫侧壁上形成所述吹扫孔。
可选地，所述吹扫底壁上形成有观察口，所述观察口的形状、大小均与所述观察窗匹配。
可选地，所述吹扫气体管路上设置有质量流量控制器，所述质量流量控制器用于控制所述吹扫气体管路中吹扫气体的流量。
可选地，所述半导体工艺设备还包括吹扫控制电路和光强检测组件，所述光强检测组件用于透过所述观察窗和所述顶开口获得所述坩埚内部的实际光强检测值；
所述吹扫控制电路用于在理论光强检测值与所述光强检测组件获得的所述实际光强检测值之间的差值超过预定偏差范围时，控制所述观察窗吹扫组件对所述待吹扫面进行吹扫。
可选地，所述吹扫气体管路上设置有质量流量控制器，所述吹扫控制电路还用于根据所述理论光强检测值与所述实际光强检测值之间的差值控制所述质量流量控制器的开度。
作为本发明的第二个方面，提供一种如前面所述的半导体工艺设备的观察窗清洁方法，所述方法包括：
接收所述光强检测组件测得的实际光强检测值；
在理论光强检测值与所述实际光强检测值之间的差值超过预定偏差范围时，控制所述观察窗吹扫组件对所述观察窗的所述待吹扫面进行吹扫。
可选地，所述半导体工艺设备还包括加热组件，用于加热所述坩埚；所述理论光强检测值通过根据所述加热组件的加热时长确定对应的预存理论光强检测值得到，所述预存理论光强检测值通过如下方式得到：
加热空载的所述坩埚，接收所述光强检测组件测得的光强检测值，并将各加热时长对应的光强检测值预存为该加热时长对应的预存理论光强检测值。
可选地，所述方法还包括：
根据所述理论光强检测值与所述实际光强检测值之间的差值控制所述观察窗吹扫组件的吹扫流量。
在本发明提供的半导体工艺设备和观察窗清洁方法中，工艺腔室内设置有观察窗吹扫组件，该观察窗吹扫组件能够向观察窗的待吹扫面吹扫气体，从而去除晶圆外延生长工艺中附着在观察窗表面上的料源颗粒，维持观察窗的透光性，提高了温度监测组件对坩埚内部温度监测结果的准确性，进而能够保证晶圆在合适的温度范围内进行外延生长工艺，提高产品良率。
附图说明
附图是用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本发明，但并不构成对本发明的限制。在附图中：
图1是现有技术中一种半导体工艺设备的结构示意图；
图2是本发明提供的半导体工艺设备的结构示意图。
附图标记说明
1：坩埚 2：感应线圈
3：籽晶 4：料源
5：温度监测组件 6：观察窗
7：吹扫腔结构 8：吹扫孔
9：旋转驱动机构 10：光强传感器
11：吹扫接头 12：吹扫通道
具体实施方式
以下结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。
如图1所示为现有技术中一种用于外延生长工艺的半导体工艺设备的结构示意图，其包括坩埚1、温度监测组件5(如，红外测温仪)以及由两根石英管组成的工艺腔室。在采用PVT法生长碳化硅(SiC)单晶时，通常需要将碳化硅晶体作为籽晶3放置在坩埚1顶部，将碳化硅粉末作为料源4放置在坩埚1底部，通过感应线圈2对工艺腔室进行加热，使坩埚1温度达到2300℃左右，并向工艺腔室中通入氩气控制气压。在晶圆外延生长过程中，晶圆粘贴在坩埚1顶部的顶开口处，温度较低，料源4温度较高，两者之间存在一定的温度梯度，料源4升华并在冷端的籽晶3上结晶，从而获得碳化硅单晶。
为保证将晶圆的温度严格控制在所需范围内，需要通过温度监测组件对生长中的晶圆温度进行实时监测，温度监测组件5发射的红外光束需要透过工艺腔室顶部的观察窗6。然而，本发明的发明人发现，在包括碳化硅在内的部分晶圆外延生长工艺中，部分升华的料源4会在观察窗6处凝结，导致观察窗6在晶圆开始外延生长后透光性下降，影响温度监测组件5透过观察窗6监测坩埚内部温度的精确性，难以保证晶圆表面外延层的质量，产品良率低。
为解决上述技术问题，本发明的一个方面提供一种半导体工艺设备，包括工艺腔室、坩埚1和温度监测组件5，坩埚1设置在工艺腔室中，坩埚1的顶部具有与坩埚1的内腔连通的顶开口，工艺腔室的顶部具有观察窗6，温度监测组件用于透过观察窗6和顶开口监测坩埚1内部的温度。该半导体工艺设备还包括观察窗吹扫组件，该观察窗吹扫组件与观察窗6对应设置，用于对观察窗6的待吹扫面进行吹扫，该待吹扫面为观察窗6朝向坩埚1的表面。
在本发明提供的半导体工艺设备中，工艺腔室内设置有观察窗吹扫组件，该观察窗吹扫组件能够向观察窗6的待吹扫面吹扫气体，从而去除晶圆外延生长工艺中附着在观察窗6表面上的料源4颗粒，维持观察窗6的透光性，提高了温度监测组件5对坩埚1内部温度监测结果的准确性，进而能够保证晶圆在合适的温度范围内进行外延生长工艺，提高产品良率。
本发明实施例对坩埚1的材质不做具体限定，例如，作为一种可选的实施方式，坩埚1可以为石墨坩埚。本发明实施例对坩埚1中装载的料源4种类不做具体限定，例如，坩埚1中装载的料源4可以为碳化硅粉末。本发明实施例对观察窗6的材质不做具体限定，例如，作为一种可选的实施方式，观察窗6可以为石英窗。
本发明实施例对如何加热坩埚1不做具体限定，例如，如图2所示，该半导体工艺设备还包括加热组件，该加热组件包括感应线圈2，感应线圈2环绕工艺腔室设置。该加热组件还可以包括相应的供电电路，用于向感应线圈2提供电能。
优选地，工艺腔室包括内石英管和套设在内石英管外侧的外石英管，内石英管的外壁与外石英管的内壁之间具有冷却夹层，冷却夹层用于通入冷却液(如，冷却水)。
作为本发明的一种优选实施方式，如图2所示，该观察窗吹扫组件包括吹扫气体管路和吹扫腔结构7，吹扫腔结构7包括设置在工艺腔室内的吹扫侧壁和与吹扫侧壁相连的吹扫底壁，吹扫侧壁和吹扫底壁均环绕观察窗6设置，吹扫侧壁上形成有吹扫孔，吹扫气体管路用于通过吹扫孔对观察窗6的待吹扫面进行吹扫。
在本发明实施例中，该观察窗吹扫组件包括吹扫腔结构7，将观察窗6限制在吹扫腔结构7中，从而在通过吹扫气体吹扫观察窗的同时，通过吹出吹扫腔结构7的吹扫气体阻挡由坩埚1中逸出的料源4气体进入吹扫腔结构7中，降低料源气体与观察窗6接触的概率，延缓料源4气体在观察窗6表面结晶的速率，进而提高了维持观察窗6透光性的效率。
吹扫气体管路用于向吹扫通道12提供吹扫气体(将气源中的气体通过吹扫接头11通入吹扫通道12中)，以使吹扫通道12中的吹扫气体喷射至观察窗6的表面。
本发明实施例对吹扫气体管路如何向吹扫孔提供气体不做具体限定，例如，作为一种易于实现的实施方式，如图2所示，吹扫侧壁中形成有至少一个吹扫通道12，吹扫通道12包括相互连通的垂直段和弯折段，垂直段沿该半导体工艺设备高度方向延伸，弯折段朝向观察窗6延伸，吹扫气体管路与垂直段连通，弯折段的一端在吹扫侧壁上形成吹扫孔8。
为保证温度监测组件的温度监测功能，优选地，吹扫底壁上形成有观察口，观察口的形状、大小均与观察窗6匹配，以便温度监测组件通过观察窗6、观察口和坩埚1的顶开口监测坩埚1中晶圆的温度。
本发明实施例对温度监测组件5的种类不做具体限定，例如，该温度监测组件5可以为红外线温度监测组件。
为提高吹扫功能的控制效率，优选地，该半导体工艺设备还包括吹扫控制电路和光强检测组件，该光强检测组件用于透过观察窗6和顶开口获得坩埚1内部的实际光强检测值；
该吹扫控制电路用于在理论光强检测值与光强检测组件获得的实际光强检测值之间的差值超过预定偏差范围时，控制观察窗吹扫组件对观察窗6的待吹扫面进行吹扫。
需要说明的是，理论光强检测值是指当前对坩埚1的加热时间对应的坩埚1内的理论温度对应的光强检测值，该理论光强检测值可通过对空的坩埚1在相同加热时间情况下对应的光强检测值得到。
例如，可在非工艺时间将空坩埚加热到反应温度(如2200℃)，并记录光强检测组件的光强检测值Imax(如，相应光电传感器产生的电流值)，从而得到观察窗6未被污染情况下光强I与温度T之间的对应关系。
在正式工艺中观察窗6上开始沉积污染物之后，测得的光强(优选为多次测得的光强平均值I0)在光强范围内(即差值未超过预定偏差范围)，则认为观察窗6为洁净，无需吹扫；测得的光强超出光强范围(即差值超过预定偏差范围)，则认为观察窗6被污染，需要吹扫。光强I0的正常范围为：Imax-ΔI0<I0<Imax，其中ΔI0为预定偏差范围。
在本发明实施例中，该半导体工艺设备还包括吹扫控制电路，该吹扫控制电路能够将光强检测组件检测到的光强检测值与理论光强检测值之间的差值与预定偏差范围进行比较，并在观察窗6被污染时启动观察窗吹扫组件，提高了吹扫功能的控制效率。
为提高温度监测结果的准确性，优选地，如图2所示，光强检测组件包括红外线发射装置和红外线接收装置，红外线发射装置用于通过观察窗6向顶开口发射红外线信号，红外线接收装置包括光强传感器10和旋转驱动机构9，光强传感器10用于通过观察窗6接收红外线信号，旋转驱动机构9用于驱动光强传感器10沿圆周方向运动，且光强传感器10的运动路径与观察窗6的轮廓匹配。
在进行温度监测时，由旋转驱动机构9带动光强传感器10沿观察窗6轮廓旋转一周并采集多组数据，取光强I的平均值I0作为检测结果，从而提高了温度监测的准确性。
本发明实施例对吹扫气体管路的结构不做具体限定，例如，作为一种可选实施方式，如图2所示，吹扫气体管路上设置有质量流量控制器(MFC)，质量流量控制器用于控制吹扫气体管路中吹扫气体的流量。
为节约吹扫气体，优选地，在吹扫气体管路上设置有质量流量控制器的情况下，吹扫控制电路还用于根据光强检测值与理论光强检测值之间的差值控制质量流量控制器的开度，从而根据观察窗6的实际污染程度确定吹扫强度，提高了吹扫气体的利用率，避免大流量一直吹扫带来的气体浪费。
为进一步提高吹扫气体的利用率，优选地，吹扫控制电路通过PID算法根据该差值控制质量流量控制器的开度。
为提高气路稳定性，优选地，如图2所示，吹扫气体管路上还设置有第一开关PV01和第二开关PV02，第一开关PV01和第二开关PV02分别设置在质量流量控制器的两侧。
吹扫控制电路在启动观察窗吹扫组件时先打开第二开关PV02，再根据该差值控制质量流量控制器的开度，最后打开第一开关PV01。结束使用后，吹扫控制电路先关闭第一开关PV01，再将质量流量控制器的流量设定为0，最后关闭第二开关PV02。
作为本发明的第二个方面，还提供一种应用于本发明实施例提供的半导体工艺设备的观察窗清洁方法，包括：
接收光强检测组件测得的实际光强检测值I0；
在理论光强检测值Imax与实际光强检测值I0之间的差值超过预定偏差范围时，控制观察窗吹扫组件对所述观察窗6的待吹扫面进行吹扫。
在本发明提供的清洁方法中，工艺腔室内的观察窗吹扫组件能够向观察窗6的待吹扫面吹扫气体，从而去除晶圆外延生长工艺中附着在观察窗6表面上的料源4颗粒，维持观察窗6的透光性，保证温度监测组件5对坩埚1内部温度监测结果的准确性，进而能够保证晶圆在合适的温度范围内进行外延生长工艺，提高了产品良率。
并且，本发明提供的清洁方法实时对光强检测值与理论光强检测值之间的差值与预定偏差范围进行比较，在观察窗6被污染时及时发现污染现象并启动观察窗吹扫组件，提高了吹扫功能的控制效率。
可选地，该半导体工艺设备还包括加热组件，用于加热所述坩埚。
本发明实施例对如何获得该理论光强检测值不作具体限定，例如，作为本发明的一种可选实施方式，该理论光强检测值可通过根据加热组件的加热时长确定对应的预存理论光强检测值得到，该预存理论光强检测值可通过如下方式得到：
加热空载的坩埚1，接收光强检测组件测得的光强检测值I，并将各加热时长对应的光强检测值I预存为该加热时长对应的预存理论光强检测值Imax。
为节约吹扫气体，优选地，该方法还包括：根据理论光强检测值Imax与实际光强检测值I0之间的差值控制观察窗吹扫组件的吹扫流量，从而根据观察窗6的实际污染程度确定吹扫强度，提高吹扫气体的利用率，降低半导体工艺的工艺成本。
可以理解的是，以上实施方式仅仅是为了说明本发明的原理而采用的示例性实施方式，然而本发明并不局限于此。对于本领域内的普通技术人员而言，在不脱离本发明的精神和实质的情况下，可以做出各种变型和改进，这些变型和改进也视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种半导体工艺设备，包括工艺腔室、坩埚和温度监测组件，所述坩埚设置在所述工艺腔室中，所述坩埚的顶部具有与所述坩埚的内腔连通的顶开口，所述工艺腔室的顶壁具有观察窗，所述温度监测组件用于透过所述观察窗和所述顶开口监测所述坩埚内部的温度，其特征在于，所述半导体工艺设备还包括观察窗吹扫组件，所述观察窗吹扫组件与所述观察窗对应设置，用于对所述观察窗的待吹扫面进行吹扫，所述待吹扫面为所述观察窗朝向所述坩埚的表面；
所述半导体工艺设备还包括吹扫控制电路和光强检测组件，所述光强检测组件用于透过所述观察窗和所述顶开口获得所述坩埚内部的实际光强检测值；
所述吹扫控制电路用于在理论光强检测值与所述光强检测组件获得的所述实际光强检测值之间的差值超过预定偏差范围时，控制所述观察窗吹扫组件对所述待吹扫面进行吹扫；所述理论光强检测值为当前对所述坩埚的加热时间对应的所述坩埚内的理论温度对应的光强检测值；
所述光强检测组件包括红外线发射装置和红外线接收装置；所述红外线发射装置用于通过所述观察窗向所述顶开口发射红外线信号；所述红外线接收装置包括光强传感器和旋转驱动机构，所述旋转驱动机构用于驱动所述光强传感器沿圆周方向运动，且所述光强传感器的运动路径与所述观察窗的轮廓匹配。
2.根据权利要求1所述的半导体工艺设备，其特征在于，所述观察窗吹扫组件包括吹扫气体管路和吹扫腔结构，所述吹扫腔结构包括设置在所述工艺腔室内的吹扫侧壁和与所述吹扫侧壁相连的吹扫底壁，所述吹扫侧壁和所述吹扫底壁均环绕所述观察窗设置，所述吹扫侧壁上形成有吹扫孔，所述吹扫气体管路用于通过所述吹扫孔对所述待吹扫面进行吹扫。
3.根据权利要求2所述的半导体工艺设备，其特征在于，所述吹扫侧壁中形成有至少一个吹扫通道，所述吹扫通道包括相互连通的垂直段和弯折段，所述垂直段沿所述半导体工艺设备高度方向延伸，所述弯折段朝向所述观察窗延伸，所述吹扫气体管路与所述垂直段连通，所述弯折段的一端在所述吹扫侧壁上形成所述吹扫孔。
4.根据权利要求2所述的半导体工艺设备，其特征在于，所述吹扫底壁上形成有观察口，所述观察口的形状、大小均与所述观察窗匹配。
5.根据权利要求2所述的半导体工艺设备，其特征在于，所述吹扫气体管路上设置有质量流量控制器，所述质量流量控制器用于控制所述吹扫气体管路中吹扫气体的流量。
6.根据权利要求2所述的半导体工艺设备，其特征在于，所述吹扫气体管路上设置有质量流量控制器，所述吹扫控制电路还用于根据所述理论光强检测值与所述实际光强检测值之间的差值控制所述质量流量控制器的开度。
7.一种如权利要求1或6所述的半导体工艺设备的观察窗清洁方法，其特征在于，所述方法包括：
接收所述光强检测组件测得的实际光强检测值；
在理论光强检测值与所述实际光强检测值之间的差值超过预定偏差范围时，控制所述观察窗吹扫组件对所述观察窗的所述待吹扫面进行吹扫。
8.根据权利要求7所述的观察窗清洁方法，其特征在于，所述半导体工艺设备还包括加热组件，用于加热所述坩埚；所述理论光强检测值通过根据所述加热组件的加热时长确定对应的预存理论光强检测值得到，所述预存理论光强检测值通过如下方式得到：
加热空载的所述坩埚，接收所述光强检测组件测得的光强检测值，并将各加热时长对应的光强检测值预存为各所述加热时长对应的预存理论光强检测值。
9.根据权利要求7所述的观察窗清洁方法，其特征在于，所述方法还包括：
根据所述理论光强检测值与所述实际光强检测值之间的差值控制所述观察窗吹扫组件的吹扫流量。
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