CN1135905C - 炉侧壁温度控制系统 - Google Patents

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Abstract

提供一种垂直快速热处理(RTP)系统(10)，包括沿纵轴(X)延伸的垂直处理室(20)和置于处理室内且具有支撑表面的可动平台(32)，所述支撑表面上可安放要进行处理的如半导体晶片(W)等一个或多个衬底。温度控制子系统(56，58，60)在垂直处理室内沿纵轴建立连续温度梯度。温度控制子系统包括沿纵轴设置于不同垂直位置的多个室侧壁加热元件(24)。多个加热元件中每一个皆独立于多个加热元件中的其它加热元件受控。多个纵向取向的加热元件提供有效的侧壁加热机构。

Description

炉侧壁温度控制系统
本发明一般涉及半导体热处理系统领域，特别涉及一种垂直快速热处理炉，该炉利用多个连续热源保持炉内所需恒定的温度梯度。
热处理系统广泛应用于半导体制造的各阶段。基本的热处理应用包括化学淀积、扩散、氧化、退火、硅化、氮化、和焊料回流工艺等。垂直快速热处理(RTP)系统包括垂直取向的处理室，该处理室由例如电阻加热元件或高密度光源箱等热源加热。热源可以以约100℃/秒的线性速率将处理室内部加热至450-1400℃。
处理单个晶片的垂直RTP的一个实例见美国专利NO.4857689，该专利授予Lee，转让给本发明的受让人，这里引入作为参考。Lee的专利公开了一种由装在处理室的上部的电阻加热元件加热的处理室。电阻加热元件加热该处理室以便得到从室的上部(最热)到室底部(最不热)的温度梯度。室侧壁具有由以下加热得到的温度梯度，(1)从室的上部向下到侧壁的传导的加热方式，(2)从电阻加热器通过处理室的对流辐射方式的加热。支撑晶片的升降器借助处理控制系统在该温度梯度范围内上下运动，以对晶片进行要求的加热。
如Lee的专利中所述的单加热器结构对处理特性有影响，会对单晶片的处理及多晶片系统生产能力产生不良影响。因为晶片和支撑晶片的基座占据处理室总垂直剖面面积的相当大一部分，所以晶片和基座阻挡了来自上部电阻加热元件的热，阻碍了被阻挡的热到达和加热晶片下的那部分处理室。因此，在单晶片处理期间，侧壁温度梯度的特征可能是温度相当不连续，这取决于特殊的侧壁位置，和相对于该位置晶片的位置。这种温度不连续性导致了很难精确加热晶片。
另外，单加热器结构还有一个特征是侧壁温度梯度在开始时漂移，然后在处理了几个晶片后才稳定。这种漂移现象降低了开始时的进程，所以降低了系统的生产能力。怀疑是因为处理室侧壁是由对流和传导加热的缘故，传导加热的程度在处理了几个晶片发展到一定程度，以减少由晶片造成的辐射(对流)热阻挡的反作用。连续处理了多个晶片后，这种问题消失。在某些情况下，可以通过在开始时处理假片来解决此问题。但也会对系统生产力造成不良影响。但是，甚至是利用假片也不能解决单晶片处理过程中槽受的侧壁温度梯度不连续问题，即，在每个单独晶片的处理过程中，晶片仍会阻挡热辐射，所以特定位置的侧壁温度的起伏取决于该位置上或下是否设置有晶片。
因此，本发明的目的是提供一种单晶片RTP垂直炉，该炉利用设于炉的各垂直部位上的多个连续热源，为处理室提供一致目连续的温度梯度。
本发明再一目的是一种具有有效侧壁加热机构的炉，能够在侧壁的特定垂直位置读出一致的温度，而与炉内晶片的位置无关，与已处理过的晶片数无关。
所提供的垂直快速热处理(RTP)系统包括沿纵轴延伸的垂直处理室，和设于处理室内且具有支撑表面的可动平台，支撑表面将用于安安放要处理的一多或多个半导体晶片。可以用如光学高温计等温度传感器探测设于平台上的晶片背侧的温度。在系统以一封闭的回路控制结构运行时，位置控制器接收光学温计的反馈信号，给运动机构提供相应的位置信号。运动机构调节垂直处理室内可动平台的垂直位置。
温度控制了系统在垂直处理室内沿纵轴建立了一个连续的温度梯度。温度控制子系统包括沿纵轴设于不同垂直部位的多个处理室侧壁加热元件。多个加热元件中的每一个独立于其其它加热元件受控。多个纵向取向的加热元件提供了有效的侧壁加热机构，在处理室内建立了一致且连续的温度梯度，而且并不取决于室内晶片的位置和已处理过的晶片数。上部加热元件对晶片中心施加更多的热，侧壁加热元件对晶片边缘施加更多的热。独立控制多个加热元件允许直接控制晶片上辐射温度分布。
图1是根据本发明原理构成的侧壁加热式垂直快速热处理系统的剖面图；
图2是图1的快速热处理系统的侧壁加热控制系统的示意图；
图3是现有技术侧壁温度特性的曲线图，还示出了利用本发明后这些特性一致性方面的改善。
现参考各附图，图1是热处理例如半导体晶片w等一个或多个衬底的垂直快速热处理(RTP)系统10。RTP系统10包括：处理装置12，该装置包括产生垂直温度梯度区的加热机构，和在该区内垂直移动晶片的移动机构；控制温度梯度内晶片垂直位置的系统控制器14；控制处理装置的加热机构的加热器控制器16。或者，加热器控制器16可以引入系统控制器14，例如处理控制器38内。
处理装置12包括端部封闭的管18，例如石英钟罩，其限定处理室20。钟罩18内部由围绕钟罩顶部的顶部加热器组件22和至少一个围绕钟罩侧壁的附加侧壁加热组件24加热。在所公开的实施例中，示出了两个侧壁加热组件24a-b。上部和侧壁加热组件最好是包括环绕钟罩18的圆周设置的多个电阻加热元件，尽管该发明也可以用其它类型的加热器、隔热层26包围着加热元件。
激励加热元件22和24a-b产生沿钟罩中心纵轴X的垂直温度梯度，该梯度从钟罩上部(最热)延伸到钟罩底部(最不热)。晶片w在温度梯度范围内垂直运动以进行所需的执处理。被处理晶片的温度的线性上升和线性下降由处理室20内晶片的垂直位置控制，而不是靠改变处理室的温度控制的。晶片的垂直运动靠升降组件30实现，该组件包括与支撑管34连接的基座32。要处理的晶片通过传送室36装载到基座32上和从基座上卸载。
系统控制器14控制基座32的垂直位置，以使晶片W处于处理室20内建立的温度梯度范围内。处理控制器38如微处理器根据存储的所需热处理工艺给电机控制器40提供信号，并在封闭环路控制下工作时，由高温计42提供晶片温度反馈。高温计44指向晶片底侧，以得到温度反馈，该高温计通过光纤46与高温计42连接。电机控制器的输出驱动放大器48，放大器48又驱动伺服马达50，以升高或降低支撑管34。位置编码器52给电机控制器提供位置反馈。这种由系统控制器14提供的封闭环路位置控制系统现有技术是已知的。或者，系统可以在开路结构下不用从高温计42的反馈运行。
如图1所示，在一个实施例中，加热器控制器16包括控制上部加热组件22工作的上部加热器控制器56，和控制侧壁加热器组件24a-b的区域控制器58a-b。主控制器60用于控制各控制器56和58a-b的操作，有效地协调RTP系统10的工作。另一实施例中，单独的基于软件的PED控制环路可以提供给系统中的每个加热元件，该控制环路的调节由处理控制器38实现，而非由主控器60实现。
尽管图1中示出了两个侧壁区域控制器，以控制两个侧壁加热组件(除由上部加热器控制器56控制的上部加热器组件22外)，这种结构仅仅是一个实例。本发明旨在任何满足以下条件的加热器构形，即其中沿处理室的垂直轴X在不同位置设置有多个独立控制的加热器，以在处理室内建立无级的温度梯度。这里所用的“无极”一词是指在处理室内建立连续的温度梯度，而不是由中间过渡区连接的一系列不同温度的不连续区。尽管可以假定加热器为任何数目的已知电阻或灯类构形，但所示实施例中，每个加热器包括环绕地位于钟罩18外部的电阻加热元件，以便由它们界定钟罩侧壁。
图2示出了本发明提供的侧壁加热控制系统。如图2所示，主控器60存储或从存储器接收处理室20内多个(n个)垂直位置处的需要温度，由此在处理室中建立所需的连续温度梯度。垂直位置的个数n表示钟罩18内用于加热处理室20的加热组件个数(如，一个上部加热组件，和一个或多个侧壁加热组件，或两个以上侧壁加热组件)。
系统中的每个加热组件24皆有闭路控制系统。尽管图2只示出了侧壁加热组件24a-24n和相应的侧壁区域控制器58a-58n，在系统10中只有一个上部加热组件时，该上部加热组件也可以利用类似的控制系统。每个区域控制器58包括用于从主控器60接收所需温度参考输入信号和从设于钟罩侧壁18上的热偶64接收实际温度反馈信号的加法接点(如恒温器)62。每个控制器58a-n用一个开关SW，以根据所需和实际的侧壁温度间的差异，独立于系统中的其它加热器组件激励和关闭加热器组件24a-n，从而得到恒定的所需温度梯度。由于由主控器控制的每个区域控制器58的缘故，可以在钟罩处理室20内得到所需恒定的无级温度梯度。
图3示出了本发明侧壁加热机构带来的工作改进情况。如该图所示，与未利用独立侧加热的RTP系统比较。利用本发明后，侧壁上特定位置的侧壁温度一致性得到改善。图3示出了在处理t片晶片的情况下，用和不用本发明的侧壁加热机构时，在沿钟罩18的轴X大约中间的纵向位置处侧壁温度的曲线图。侧壁温度是参照时间绘制的。
在RTP系统的典型工作期间，晶片通过传送室36放置于基座32上，并被移动到由图3所示的纵向位置之下的轴X上的某位置。晶片被瞬时固定吸在该位置(如10-20秒)。在图3的时间t1-t7之前，该时间帧由10-20秒间隔表示。由于从上部加热器22来的向下的热对流，在图3的该纵向位置处(该位置目前位于晶片之上)的侧壁温度局部上升。
这种初始吸附位置后，由于将处理室20内的基座32升高到图3的该纵向侧壁位置表示的位置之上，晶片被升高到较高温度。在时间t1-t7后，该时间帧由20-30秒间隔表示。在此期间，系统控制器14精细调节晶片的位置，以便对晶片进行所要求的热处理。
在设有侧壁加热的情况下，只要晶片经过图3的纵向位置(目前该位置低于晶片)，该位置的侧壁温度便会显著下降，因为由图3所示的纵向位置和上部加热器之间的晶片阻挡了向下的热对流。因此，在没有侧壁加热的情况下，仅在晶片通过该位置之前(即在时间t1-t7，表示t片晶片的顺序处理)才可以得到图3纵向位置处的峰值温度。所以，在不用侧壁加热的情况下，在处理室内的特定纵向位置处的温度部分取决于处理中的晶片位置时，很难精确控制处理室20内的温度梯度。图3示出了在不管处理室内的晶片位置的情况下如何利用本发明侧壁加热机构克服这种温度不一致性问题。
除单个晶片的处理过程中发生的侧壁温度变化外，在没有侧壁加热的情况下，在连续的晶片一晶片处理时仍会遇到侧壁温度变化，正如在连续晶片处理之间所测量的。图3中由从第一晶片(时间t1前和后)到第t晶片(时间t7前和后)侧壁温度曲线的通常向下移动或漂移表示此现象。这种通常向下的温度滑动也是由处理中的各晶片阻挡了来自上部加热器的热辐射引起的。对于处理的第一片新晶片来说这种效应尤其明显，但随着沿处理室侧壁的向下热传导对这种效应的反作用，这种效应变得较不明显。图3还示出了如何利用本发明的侧壁加热机构克服晶片间温度的不一致性问题。
这样，利用沿垂直处理室设置于相应数量的纵向位置处的一个以上独立控制的加热组件，可以显著改善系统的性能。可以显著减弱发生于单个晶片处理过程中及连续各晶片间的侧壁温度变化。通过图2所示控制系统的细微调节，可以消除图3所示微小的温度变化。
因此，描述了改进的侧壁加热垂直RTP系统的优选实施例。然而，通过上述的说明，应该理解，本说明只是举例，本发明不限于这里所述的特定实施例，参考上述说明，在不背离由以下权利要求及其等同物限定的范围的情况下，可以做出各种再设计、改形和替换。

Claims (7)

1.一种热处理系统(10)，包括：
沿纵轴(X)延伸的垂直处理室(20)；
设置于所述处理室内并具有通常水平的支撑表面的可动平台(32)，所述支撑表面基本上垂直于所述纵轴(X)布置，并且其上可以水平安放一个或多个衬底(W)，用来在沿所述轴(X)的垂直位置上进行处理；
沿所述纵轴在所述垂直处理室内建立连续无级的温度梯度的温度控制子系统(56，58，60)，所述温度控制子系统包括沿所述纵轴设置于不同垂直位置的多个加热元件(24)，每个所述多个加热元件皆有相关的加热器控制器(16)，用于独立于多个加热元件中其它元件加热其有关的加热元件；
监测所述可动平台(32)位置处或附近温度的温度传感器(42)；
使所述可动平台垂直移动的运动机构(50)；及
位置控制器(40)，用于从所述温度传感器(42)接收反馈信号，并给所述运动机构(50)提供相应的位置信号，调节所述垂直处理室内所述可动平台的垂直位置，以便对所述衬底进行所需的加热。
2.如权利要求1的热处理系统(10)，其中每个所述加热元件(24)包括环绕所述垂直处理室(20)的圆周设置的电阻加热元件。
3.如权利要求2的热处理系统(10)，其中每个所述加热器控制器(16)还包括测量特定垂直位置处所述垂直处理室的温度的热偶(64)。
4.如权利要求3的热处理系统(10)，其中所述热偶(64)置于所垂直处理室的壁(18)上。
5.如权利要求1的热处理系统(10)，其中所述温度传感器是一光学高温计(42)。
6.如权利要求3的热处理系统(10)，其中所述热偶每个输出实际温度反馈信号，每个所述加热器控制器(16)比较所述的实际温度反馈信号和所需温度参考输入信号，根据所需温度与实际温度信号间的差异选择地激励和关闭其相应的加热元件(24)。
7.一种垂直热处理系统(10)，包括：
沿纵轴(X)延伸并由侧壁容器结构(18)界定的垂直处理室(20)；
设置于所述处理室内并具有通常水平的支撑表面的可动平台(32)，所述支撑表面基本上垂直于所述纵轴(X)布置，并且其上可以安放一个或多个衬底(W)，用来在沿所述轴(X)的垂直位置上进行处理；
在所述垂直处理室内沿所述纵轴建立连续温度梯度的温度控制子系统(56，58，60)，所述温度控制子系统包括一上部加热元件(22)和至少一个围绕所述侧壁容器结构的侧壁加热元件(24)，所述上部加热元件和至少一个侧壁加热元件具有与之相关的加热器控制器(16)，用于独立于其它加热元件单独加热与之有关的加热元件；
监测所述可动平台(32)位置处或其附的温度的温度传感器(42)；
使所述可动平台垂直移动的移动机构(50)；及
位置控制器(40)，用于从所述温度传感器(42)接收反馈信号，并给所移动机构(50)提供相应的位置信号，以调节所述垂直处理室内所述可动平台的垂直位置，以便对所述衬底进行所需的加热。
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