CN114481314A - 一种外延设备冷却系统和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明实施例公开了一种外延设备冷却系统和方法，该系统包括：加热模块，所述加热模块经配置为能够以不同的加热功率向外延片进行热辐射；控制模块，用于当所述外延片的上表面测量温度和下表面测量温度之间的温度差大于预设阈值时，向所述加热模块发送控制信号以控制所述加热模块的功率使得所述温度差小于所述预设阈值。通过控制模块和加热模块保障外延片的上表面测量温度与下表面测量温度的温度差在合理范围内，有效减小了外延片的边缘应力，获得符合工艺要求的外延片。

Description

一种外延设备冷却系统和方法
技术领域
本发明实施例涉及半导体制造领域，尤其涉及一种外延设备冷却系统和方法。
背景技术
在半导体领域，硅片一般是集成电路的原料。其中，外延片因其表面缺陷少和电阻率可控等特性，被广泛用于高集成化的IC元件和MOS制程。电路与电子元件需要在外延片上制作完成，不同的应用如MOS型中PMOS、NMOS、CMOS和双极型中饱和型和非饱和型。随着集成电路设计朝向轻、薄、短、小及省电化的发展趋势，行动通讯、信息家电等产品无不力求节约能源消耗，对于外延片类产品的要求也不断提高。
在外延生长过程中，外延层上会出现许多缺陷，有位错、堆垛层错、沉积物异物和氧化引起的缺陷等。从广义上讲，缺陷也包括氧、碳、重金属等杂质以及原子空位和填隙原子等点缺陷。这些缺陷的存在有的会直接影响半导体的性能。外延层中的各种缺陷不但与衬底质量、衬底表面情况有关，而且与外延生长过程本身也有着密切关系，例如，在外延生长过程结束后的冷却过程中，要避免急剧冷却，否则会由于大的温度梯度在外延层中产生滑移位错。
发明内容
有鉴于此，本发明实施例期望提供用于外延设备冷却系统装置和方法；能够在外延片的冷却过程中，动态调节加热模块的加热功率，以保证外延片的上表面温度与下表面温度的温度差在合理范围内，避免滑移缺陷的产生。
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外延设备冷却系统，所述系统包括：
加热模块，所述加热模块经配置为能够以不同的加热功率向外延片进行热辐射；控制模块，用于当所述外延片的上表面测量温度和下表面测量温度之间的温度差大于预设阈值时，向所述加热模块发送控制信号以控制所述加热模块的功率使得所述温度差小于所述预设阈值。
第二方面，本发明实施例提供了一种外延设备冷却方法，所述冷却方法包括：
在外延片完成外延沉积后，根据所述外延片的上表面测量温度和下表面测量温度设定加热功率以降低所述外延片的温度；当所述上表面测量温度与所述下表面测量温度之间的温度差大于预设阈值时控制模块向加热模块发送控制信号；所述加热模块改变加热功率以使得所述温度差小于所述预设阈值；重复上述冷却过程，直至所述外延片完成冷却过程。
本发明实施例提供了一种外延设备冷却系统和方法；通过温度检测模块获取位于外延片的上表面测量温度和下表面测量温度，控制模块根据外延片的上表面测量温度和下表面测量温度的温度差向加热模块发送控制信号，加热模块改变加热功率以降低温度差，降低外延片边缘的内应力，降低滑移缺陷产生的风险，增强外延片品质。
附图说明
图1为现有技术中常压外延沉积法制备外延硅片的装置的示意图；
图2为使用附图1中的装置对外延片进行冷却的温度曲线图；
图3为具有本发明实施例提供的一种冷却系统的常压外延沉积法制备外延硅片的装置的示意图；
图4为使用附图3中的装置对外延片进行冷却的温度曲线图；
图5为本发明实施例提供的一种冷却方法的流程示意图。
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。
在SiHCI3(SiCI4)氢(H2)还原法外延一般在1100-1250℃的高温下进行，在冷却过程中，由于热场分布不均匀、基座与硅片接触不良等原因都会不同程度地产生热应力。热应力可以是材料发生范性形变。如果晶体中处于某一晶面两侧的部分发生相对滑移时，滑移晶面中，滑移部分与未滑移部分的交界处就形成位错，可能在表面生成1-10nm数量级的台阶。现有技术中，常压外延沉积法制备外延硅片的装置示意图如附图1所示，在外延硅片生长腔室内放置一个高纯石墨座1，该生长腔室的上下壁为透明且耐高温的石英材质，将之称为上下石英穹顶2，在石墨座1上放置外延片，利用红外灯3和红外灯4快速加热以提供外延反应所需要的热量。在完成外延生长后的降温过程中，为红外灯3和红外灯4设定一个较低的固定功率开始降低外延片的温度，参见附图1，位于外延片上方的红外灯3直接照射在外延片的上表面对外延片加热，然而位于石墨座1下方的红外灯4照射在石墨座1的下表面，热量通过石墨座1的传导才能抵达外延片的下表面，这使得在在降温过程中，由于外延片上表面与下表面接收热量的效率不同，产生较大的温度差异，如附图2所示，由于外延片上下受热方式不同导致在降温过程中，绝大部分时间外延片下表面温度相对于上表面温度较低，导致受热分布不均匀，增大外延片边缘的内应力，从而硅单晶结构在内应力下遭到破坏，产生滑移缺陷。
因此，针对上述所面临的技术问题，基于减小冷却过程中外延片上下表面的温度差异，使得外延片的边缘的内应力减小，能够避免滑移缺陷得到晶格结构完美的单晶硅外延片的构思，本发明提出了一种能够用于常压外延沉积法制备外延硅片的装置的冷却系统100，参见附图3，该冷却系统包括加热模块10、控制模块(未示出)、石墨基座1和温度检测模块(未示出)。通过温度检测模块获取位于石墨基座1上的外延片的上表面测量温度和下表面测量温度，控制模块根据外延片的上表面测量温度和下表面测量温度的温度差向加热模块发送控制信号，加热模块10改变加热功率以降低温度差，降低外延片边缘的内应力，降低滑移缺陷产生的风险，增强外延片品质。
加热模块10用于以不同的加热功率的方式向外延反应提供热量，参见附图3，加热模块包括第一加热单元5和第二加热单元6，第一加热单元5设置在外延片的上方通过热辐射的方式向外延片的上表面直接进行热量传递，第二加热单元6设置在外延片的下方也通过热辐射的方式向外延片的下表面进行热量传递。进一步地，第一加热单元5和第二加热单元6由两个或更多个卤素灯组成，以向外延片更均匀地进行热量传递。第一加热单元5和第二加热单元6能够改变自身功率，减少外延片接收到的热量以实现降低外延片温度的效果，在完成外延生长后的冷却过程中，相比较于满足外延生长时加热模块的设定功率，同时降低第一加热单元5和第二加热单元6的功率，以分别降低外延片上表面温度和下表面温度。
参见附图3，外延片在整个生成外延的过程中均被水平放置在石墨基座1上，石墨基座1由高纯石墨制成，具有较好的导热性能。位于石墨基座1上的外延片的上表面通过第一加热单元5直接照射，第二加热单元6用于向外延片下表面传递热量，即第二加热单元直接照射石墨基座1的下表面，石墨基座1在接收到热量后将热传通过与外延片直接接触的方式传递给外延片，因此石墨基座1的下表面温度能够很好地表征外延片的下表面温度。
上述不同的热量传递方式导致在冷却过程中外延片上下表面的温度不一致，容易产生温度差，引起滑移缺陷，该冷却系统还包括控制模块，控制模块能够根据外延片的上表面测量温度和下表面测量温度计算出外延片上下表面的温度差，该控制模块内具有一个关于该温度差的预设阈值，该预设阈值通过实际生产需求设置并且可以根据不同的生产工艺和产品要求进行更改。控制模块将温度差与预设阈值比较，当温度差小于预设阈值时，表明外延片的上表面测量温度和下表面测量温度相差在合理范围内，在该温度下的冷却过程不会导致外延片内部的应力过大；当温度差大于预设阈值时，表明外延片的上表面测量温度和下表面测量温度相差超出合理范围，在该温度下的冷却过程会导致外延片内部的应力过大，产生滑移缺陷。因此，当温度差大于预设阈值时，控制模块向第一加热单元5发出第一控制信号和/或向第二控制单元发出第二控制信号，加热模块中的第一加热单元5和第二加热单元6开始控制自身的加热功率，由于热量传递方式方式不同，外延片的上表面测量温度常大于下表面测量温度，因此第一加热单元5降低自身加热功率以降低外延片上表面温度，第二加热单元6提高自身加热功率以提高外延片下表面温度，相应的外延片的上表面测量温度和下表面测量温度的温度差减小，使得外延片冷却过程的温度符合工艺需求。
该冷却系统还包括温度检测模块，温度检测模块经配置为测量外延片的上表面温度以获得上表面测量温度，并且测量外延片的下表面温度以获得下表面测量温度。温度检测模块能够通过红外温度测量仪、温度传感器等装置实现。
通过附图3所示的具有该冷却系统的常压外延沉积法制备外延硅片的装置进行对外延片的冷却的过程，可以包括降低第一加热单元和第二加热单元的功率；随后通过温度检测模块测量获得上表面测量温度和下表面测量温度；控制模块通过上表面测量温度和下表面测量温度计算出外延片上下表面的温度差，并将温度差与预设阈值比较；当温度差大于预设阈值时，控制模块第一加热单元和第二加热单元发送控制信号，第一加热单元和/或第二加热单元作出相应的功率调整，从而改变外延片的上表面温度和/或下表民温度，以降低外延片上下表面的温度差，使得外延片的冷却过程满足工艺需求，最终温度曲线如附图4所示。参见附图5，其示出了本发明实施例提供的一种外延设备冷却方法，该冷却方法能够应用于附图3所示的具有该冷却系统的常压外延沉积法制备外延硅片的装置，该冷却方法包括以下步骤：
在外延片完成外延沉积后，根据外延片的上表面测量温度和下表面测量温度设定加热功率以降低外延片的温度；
当上表面测量温度与下表面测量温度之间的温度差大于预设阈值时控制模块向加热模块发送控制信号；
加热模块改变加热功率以使述温度差小于所述预设阈值；
重复上述冷却过程，直至所述外延片完成冷却过程。
通过附图5所示的技术方案，本发明能够通过控制模块监管外延片上下表面的温度差，从而时刻调整加热模块的加热功率，使得外延片在冷却过程中不产生滑移缺陷。进一步地，加热模块改变功率以使得温度差小于预设阈值具体包括：
增强第二加热单元的加热功率以减缓硅片下表面的温度降低速率，和/或，降低第一加热单元的加热功率以加快硅片上表面的温度降低速率，直至所述温度差小于预设阈值。
为了将现有技术中的一步降温优化为本发明所提出的根据温度差进行分段式降温，操作人员可以根据实际加工需求对预设阈值进行调整，通过改变预设预知的大小，使得触发控制模块向加热模块发送控制信号的次数产生改变，以多次重复上述冷却过程，优选地，上述冷却过程能够至少重复两次。
为了解决本发明所提出的技术问题，本发明基于减小冷却过程中外延片上下表面的温度差异，使得外延片的边缘的内应力减小，能够避免滑移缺陷得到晶格结构完美的单晶硅外延片的构思，提出了通过温度检测模块和控制模块控制加热模块，以使得外延片上下表面温度差值在能接受的合理范围内，获得符合工艺要求的外延片。
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 (9)

1.一种外延设备冷却系统，其特征在于，所述系统包括：
加热模块，所述加热模块经配置为能够以不同的加热功率向外延片进行热辐射；
控制模块，用于当所述外延片的上表面测量温度和下表面测量温度之间的温度差大于预设阈值时，向所述加热模块发送控制信号以控制所述加热模块的功率使得所述温度差小于所述预设阈值。
2.根据权利要求1所述的冷却系统，其特征在于，所述冷却系统还包括用于承载所述外延片的石墨基座，所述石墨基座的下表面温度用于表征所述外延片的下表面温度。
3.根据权利要求2所述的冷却系统，其特征在于，所述冷却系统还包括温度检测模块，经配置为通过测量所述外延片的上表面温度以获得所述上表面测量温度；并通过测量所述石墨基座的下表面温度以获得所述下表面测量温度。
4.根据权利要求2所述的冷却系统，其特征在于，所述加热模块包括布置在所述石墨基座上方的第一加热单元和布置在所述石墨基座下方的第二加热单元。
5.根据权利要求4所述的冷却系统，其特征在于，所述第一加热单元和所述第二加热单元均由两个或者更多个卤素灯组成。
6.根据权利要求4所述的冷却系统，其特征在于，所述控制模块，经配置为向所述第一加热单元发送用于降低功率的第一控制信号以降低所述外延片的上表面温度，和/或，向所述第二加热单元发送用于增强功率的第二控制信号以提高所述外延片的下表面温度。
7.一种外延设备冷却方法，所述冷却方法应用于根据权利要求1-5任一所述的外延设备冷却系统，其特征在于，所述冷却方法包括：
在外延片完成外延沉积后，根据所述外延片的上表面测量温度和下表面测量温度设定加热功率以降低所述外延片的温度；
当所述上表面测量温度与所述下表面测量温度之间的温度差大于预设阈值时控制模块向加热模块发送控制信号；
所述加热模块改变加热功率以使得所述温度差小于所述预设阈值；
重复上述冷却过程，直至所述外延片完成冷却过程。
8.根据权利要求7所述的外延设备冷却方法，其特征在于，所述加热模块改变功率以使得所述温度差小于所述预设阈值具体包括：
降低所述第一加热单元的加热功率以加快硅片上表面的温度降低速率，和/或，增强所述第二加热单元的加热功率以减缓硅片下表面的温度降低速率，直至所述温度差小于所述预设阈值。
9.根据权利要求7所述的外延设备冷却方法，其特征在于，所述方法还包括：
根据工艺需求设定所述预设阈值，以使得上述冷却过程能够至少重复两次。
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Applicant before: XI'AN ESWIN SILICON WAFER TECHNOLOGY Co.,Ltd.

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