CN112481696A - 一种用于外延设备的测温装置及外延设备 - Google Patents
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Abstract
本发明实施例公开了一种用于外延设备的测温装置及外延设备；所述测温装置用于测量放置于所述外延设备中的承载托盘上表面的晶圆温度值，所述装置包括：多个均匀埋设于所述承载托盘内的温度传感器，每个所述温度传感器用于感测自身在所述承载托盘的埋设点处所对应区域的温度值；每个所述温度传感器均引出导线与设置于外延设备外部的温度控制器相连接；所述温度控制器，用于基于所有温度传感器通过所述导线传输的温度值确定所述承载托盘上表面放置的晶圆的温度分布。
Description
技术领域
本发明实施例涉及晶圆制造技术领域，尤其涉及一种用于外延设备的测温装置及外延设备。
背景技术
在半导体制造技术领域，外延工艺通常需要在高温下进行，合理的温度控制对外延片的性能具有极为重要的意义；以硅晶圆外延工艺为例，外延晶圆的沉积温度通常在1100℃—1150℃，温度分布的轻微改变就会对产品质量产生显著影响，造成滑移、厚度波动等现象。因此，精确的温度控制更有利于提高不同晶圆、不同批次、不同反应腔之间温度的偏差，保证产品质量稳定性。而精确的温度控制必须要有精确的温度测量为基础，因此，为了提高温度控制的精确性，从而提升外延晶圆产品的质量稳定性，需要对外延设备中反应腔内的温度进行准确的测量。
发明内容
有鉴于此，本发明实施例期望提供一种用于外延设备的测温装置及外延设备；能够对外延设备中反应腔内的温度进行准确的测量，从而提高了温度控制的精确性，进而提升外延晶圆产品的质量稳定性。
本发明实施例的技术方案是这样实现的：
第一方面，本发明实施例提供了一种用于外延设备的测温装置，所述装置用于测量放置于所述外延设备中的承载托盘上表面的晶圆温度值，所述装置包括：
多个均匀埋设于所述承载托盘内的温度传感器，每个所述温度传感器用于感测自身在所述承载托盘的埋设点处所对应区域的温度值；
每个所述温度传感器均引出导线与设置于外延设备外部的温度控制器相连接；
所述温度控制器，用于基于所有温度传感器通过所述导线传输的温度值确定所述承载托盘上表面放置的晶圆的温度分布。
第二方面，本发明实施例提供了一种外延设备，所述外延设备包括：第一方面所述的用于外延设备的测温装置、承载托盘、支撑轴以及电机；其中，
所述测温装置内的多个温度传感器均匀埋设于所述承载托盘内，每个所述温度传感器用于感测自身在所述承载托盘的埋设点处所对应区域的温度值；并且每个所述温度传感器均引出导线与设置于所述外延设备外部的温度控制器相连接；所述外延设备中用于支撑承载托盘的所述支撑轴为中空以容纳所述导线；所述电机驱动所述支撑轴绕轴心旋转以带动所述承载托盘进行绕轴旋转，且所述电机为中空形状以容纳所述导线。
本发明实施例提供了一种用于外延设备的测温装置及外延设备；通过将多个温度传感器均匀埋设在承载托盘的内部，则可以针对放置于承载托盘上的晶圆的各部分的温度进行感测，从而使得温度控制器在外延生长过程中，获得晶圆整体的温度分布，相较于当前关于外延设备的温度测量方案，晶圆整体的温度分布能够使得温度控制器在进行温度控制的过程中具备了较为准确的控制依据，而且通过直接温度传感器直接在承载托盘内对晶圆的温度进行检测，避免了当前非接触测量方案中由于副产物导致的较大的温度测量值误差。
附图说明
图1为相关技术方案提供的外延设备结构示意图；
图2为本发明实施例提供的接触式测量方案示意图；
图3为本发明实施例提供的一种用于外延设备的测温装置组成示意图；
图4为本发明实施例提供的承载托盘的侧视及俯视示意图；
图5为本发明实施例提供的温度控制器的硬件结构示意图；
图6为本发明实施例提供的一种外延设备结构示意图；
图7为本发明实施例提供的一种支撑轴结构示意图；
图8为本发明实施例提供的一种支撑轴与电机驱动装置的连接示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。
当前常规的技术方案中，通常采用非接触式测量方案和接触式测量方案两种方式对晶圆外延生长时的温度进行测量。
在一些示例中，非接触式测量方案主要采用高温红外温度计；举例来说，参见图1目前某一型号外延炉内部结构示意，在外延炉中通过上穹顶1和下底部2构成外延腔，针对外延腔内的温度进行控制所需要的主要部件包括：可控硅整流器，温度控制器，高温红外测温仪以及加热灯组。具体来说，温度控制方案的具体实施是由设置于外延腔上方的第一高温红外测温仪3以及设置于外延腔下方的第二高温红外测温仪4分别对外延腔内的晶圆上表面的中心点以及承载托盘7的下表面中心点的温度进行检测，随后温度控制器根据检测到的温度调节设置于外延腔上方的第一加热灯组5以及设置于外延腔下方的第二加热灯组6的功率配比来调节晶圆表面的温度及均匀性。在图1中，承载托盘7通过支撑轴8进行支撑并旋转以进行外延层的生长。在沉积晶圆的外延层过程中，腔室中的副产物会附着在上穹顶1的内表面，通常需要通入氯化氢气体来进行去除该副产物，但由于存在风冷系统，上穹顶1的温度仅有600℃左右，且附着的副产物不能完全去除，因此就会导致设置于外延炉上方的高温红外测温仪3的测量值与真实温度出现偏差。此外，由于上穹顶1结构的原因，附着的副产物的不均匀分布也会使得晶圆温度的均匀性也受到影响。另外，由于高温红外测温仪3和4分别只检测晶圆表面中心和托盘中心位置的温度，无法对晶圆整体温度分布进行测量，因此无法保障晶圆厚度的均匀性。
在另一些示例中，热电偶作为一种接触式测温工具，能够进行单点测量，其测量结果与接触点的表面材料无关，测量温度结果在国际上已经公认是准确的。所以，对于接触式测量方案来说，如图2所示，通过将热电偶从外延腔体的侧面插入托盘来进行温度测量，具体来说，热偶晶圆19上设有多个传感器17，多个传感器17通过导线1与温度显示设备连接，可以得到腔体20内托盘21的晶圆区域温度分布。热偶晶圆19采用多个热电偶对托盘多点进行测温，其设备结构复杂，由于其结构的特点，在外延的腔室环境中，容易损坏。而且热偶晶圆19及其配套的传感器17和软件昂贵，每套需要数万美金，成本较高。并且，即使期望将图2所示的方案应用于图1所示的外延炉设备结构，但是由于在外延生长过程中支撑轴8会进行转动，图1所示的外延炉设备结构不能允许热电偶布置在托盘的内部区域，因此目前利用热电偶进行的接触式测量方案无法应用于常规使用的外延炉设备中。
基于以上阐述，本发明实施例期望能够在常规的外延炉设备中采用接触式测量方式进行测量，以避免因上穹顶副产物导致温度偏差，能够实时获取外延晶圆不同区域的温度分布状况；而且还可以减少热电偶在使用过程中发生损坏的概率，降低了维修成本和维修时间，提高生产效率。
基于此，参见图3，其示出了本发明实施例提供的一种用于外延设备的测温装置30，用于测量放置于承载托盘7上表面的晶圆5温度值，所述装置30包括：
多个均匀埋设于所述承载托盘7内的温度传感器31，每个温度传感器31用于感测自身在所述承载托盘7的埋设点处所对应区域的温度值；
每个温度传感器31均引出导线32与设置于外延设备外部的温度控制器33相连接；
所述温度控制器33，用于基于所有温度传感器31通过导线32传输的温度值确定所述承载托盘7上表面放置的晶圆5的温度分布。
需要说明的是，图3所示的用于外延设备的测温装置30，通过将多个温度传感器31均匀埋设在承载托盘7的内部，则可以针对放置于承载托盘7上的晶圆5的各部分的温度进行感测，从而使得温度控制器33在外延生长过程中，获得晶圆5整体的温度分布，相较于当前关于外延设备的温度测量方案，晶圆5整体的温度分布能够使得温度控制器33在进行温度控制的过程中具备了较为准确的控制依据，而且通过直接温度传感器31直接在承载托盘7内对晶圆5的温度进行检测，避免了当前非接触测量方案中由于副产物导致的较大的温度测量值误差。
对于图3所示的技术方案，由于承载托盘7位于外延设备，比如外延炉的外延腔中，在外延生长过程中，环境温度较高，因此，在一些示例中，承载托盘7的表面可以涂覆有碳化硅涂层，从而避免晶圆4在外延生长过程中引入杂质。
在一些示例中，温度传感器31优选为热电偶。以热电偶为例，其埋设于承载托盘7的具体实施例参见图4所示的承载托盘的侧视及俯视示意图，可以包括：承载托盘7沿径向的不同角度设置放置孔；热电偶丝9埋设在放置孔内，可以理解地，热电偶丝9外部包覆有氧化硅层以实现绝缘和高温保护；埋设完毕后，利用石墨将放置孔进行填充以固定热电偶丝9；最后将碳化硅涂层涂覆于埋设完毕的承载托盘7的表面。需要说明的是，每个热电偶丝9均引出一导线32并从承载托盘7的下方中心引出，为了实现高温保护，每个导线32的外部同样包覆有硅或氧化硅。可以理解地，热电偶丝9在承载托盘7的埋设位置可以根据具体晶圆的形状以及实际外延工艺情况进行调整，从而能够更加全面的检测外延工艺过程中晶圆的温度分布。
在一些示例中，温度控制器33具体可以是能够实现信号传输以及信息处理的实体硬件设备，如图5所示，至少需要包括：通信接口501，存储器502和处理器503；各个组件通过总线系统504耦合在一起。可理解，总线系统504用于实现这些组件之间的连接通信。总线系统504除包括数据总线之外，还包括电源总线、控制总线和状态信号总线。但是为了清楚说明起见，在图5中将各种总线都标为总线系统504。其中，
所述通信接口501，用于在与其他外部网元之间进行收发信息过程中，信号的接收和发送；
所述存储器502，用于存储能够在所述处理器503上运行的计算机程序；
所述处理器503，用于在运行所述计算机程序时，以基于所有温度传感器31通过导线32传输的温度值确定所述承载托盘7上表面放置的晶圆5的温度分布。
基于前述针对测温装置30组成及其示例的阐述，结合图1所示的外延炉设备的结构，参见图6，其示出了配置有测温装置30的外延设备60，该外延设备60中，多个温度传感器31均匀埋设于所述承载托盘7内，每个温度传感器31用于感测自身在所述承载托盘7的埋设点处所对应区域的温度值；并且每个温度传感器31均引出导线32与设置于外延设备外部的温度控制器33相连接；所述外延设备60中用于支撑承载托盘的支撑轴8为中空以容纳导线32，并且在外延生长过程中，外延设备60的支撑轴8通过电机10驱动以绕轴心旋转从而带动承载托盘7进行绕轴旋转，为了能够将导线32引出至与外延设备60外部的温度控制器33相连接，在一些示例中，所述电机10也为中空形状以容纳所述导线32。
根据图6所示，结合前述技术方案的阐述，温度传感器31优选为热电偶，每个热电偶所引出的导线32从承载托盘7下方引出并通过中空的支撑轴8和电机10与外延设备60外部的温度控制器33相连接来实现信号传输。具体可结合参见图7及图8，支撑轴8的中空部分用于为导线32提供通道，支撑轴8下部与电机10的驱动装置13结合。由于在外延生长过程中，支撑轴8会带动承载托盘7进行绕轴旋转，从而也会带动由承载托盘7下方引出的导线32会进行旋转，但是与外延设备60外部的温度控制器33相连接的外部接口处是要求静止固定的，因此，在一些示例中，可以在支撑轴8与驱动装置13结合处加入滑环12，从而使得滑环12上方的容纳于支撑轴8中空部分的导线32进行绕轴运动，而滑环12下方的通过电机10的中空部分引出的导线32保持静止固定。需要说明的是，导线32可以通过电机10侧部的真空电极接口引出，从而保证外延设备60中外延腔内的密封，并实现将热电偶所感测的温度信号向外部传输。
可以理解地，当温度控制器33接收到热电偶所感测的温度值之后，可以通过设定的温度控制策略对第一加热灯组5以及第二加热灯组6的功率配比进行调整，从而调节晶圆表面的温度及均匀性。
此外，温度控制器33还可以与第一高温红外测温仪3相连接，将从热电偶处接收到的温度值与第一高温红外测温仪3所检测的晶圆上表面的中心点温度值进行对比，以提高温度测量的准确性。
需要说明的是：本发明实施例所记载的技术方案之间，在不冲突的情况下，可以任意组合。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。
Claims (10)
1.一种用于外延设备的测温装置，其特征在于，所述装置用于测量放置于所述外延设备中的承载托盘上表面的晶圆温度值，所述装置包括：
多个均匀埋设于所述承载托盘内的温度传感器，每个所述温度传感器用于感测自身在所述承载托盘的埋设点处所对应区域的温度值；
每个所述温度传感器均引出导线与设置于外延设备外部的温度控制器相连接；
所述温度控制器，用于基于所有温度传感器通过所述导线传输的温度值确定所述承载托盘上表面放置的晶圆的温度分布。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述温度传感器包括热电偶。
3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述承载托盘沿径向的不同角度设置放置孔；所述热电偶的热电偶丝埋设在所述放置孔内；埋设完毕后，利用石墨将手术放置孔进行填充以固定所述热电偶丝；最后将碳化硅涂层涂覆于埋设完毕的所述承载托盘的表面。
4.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，所述热电偶丝外部包覆有氧化硅层以实现绝缘和高温保护；每个所述导线的外部包覆有硅或氧化硅。
5.一种外延设备，其特征在于，所述外延设备包括：权利要求1至4任一项所述的用于外延设备的测温装置、承载托盘、支撑轴以及电机；其中，
所述测温装置内的多个温度传感器均匀埋设于所述承载托盘内，每个所述温度传感器用于感测自身在所述承载托盘的埋设点处所对应区域的温度值；并且每个所述温度传感器均引出导线与设置于所述外延设备外部的温度控制器相连接；所述外延设备中用于支撑承载托盘的所述支撑轴为中空以容纳所述导线；所述电机驱动所述支撑轴绕轴心旋转以带动所述承载托盘进行绕轴旋转，且所述电机为中空形状以容纳所述导线。
6.根据权利要求5所述的设备，其特征在于，所述温度传感器包括热电偶。
7.根据权利要求6所述的设备，其特征在于，每个所述热电偶所引出的导线从所述承载托盘下方引出并通过中空的所述支撑轴和所述电机与设置在所述外延设备外部的所述温度控制器相连接来实现信号传输。
8.根据权利要求7所述的设备，其特征在于，所述支撑轴的中空部分用于为所述导线提供通道，所述支撑轴下部与所述电机的驱动装置结合；且在所述支撑轴与所述驱动装置的结合处加入滑环，使得所述滑环上方的容纳于所述支撑轴中空部分的所述导线进行绕轴运动，而所述滑环下方的通过所述电机的中空部分引出的所述导线保持静止固定。
9.根据权利要求6所述的设备，其特征在于，所述设备还包括：设置于外延腔上方的第一加热灯组以及设置于外延腔下方的第二加热灯组；所述温度控制器分别与所述第一加热灯组和所述第二加热灯组相连接，且用于接收到所述热电偶所感测的温度值之后，通过设定的温度控制策略对所述第一加热灯组以及所述第二加热灯组的功率配比进行调整以调节晶圆表面的温度及均匀性。
10.根据权利要求6所述的设备，其特征在于，所述设备还包括：设置于外延腔上方的第一高温红外测温仪；所述温度控制器与所述第一高温红外测温仪相连接，且用于将从所述热电偶处接收到的温度值与所述第一高温红外测温仪所检测的晶圆上表面的中心点温度值进行对比，以提高温度测量的准确性。
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