CN116334599A - 腔室测温装置及化学气相沉积设备 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种腔室测温装置及化学气相沉积设备，所述化学气相沉积设备的腔壁可以透过红外辐射，所述腔室测温装置安装在所述腔壁的外侧，包括：光学测温计，其通过所述红外辐射测量所述化学气相沉积设备内待测物体的温度；连接件，其具有相对的第一端和第二端，所述光学测温计安装在所述第一端，所述第二端连接所述腔壁，所述连接件内部设有贯穿所述第一端和所述第二端的光路通道，通过在所述光路通道中通入吹扫气体冷却与所述第二端连接处的腔壁。本发明可以在不影响腔壁的机械强度的前提下，提高测温的准确性。
Description
技术领域
本发明涉及半导体设备技术领域，特别涉及一种腔室测温装置及化学气相沉积设备。
背景技术
CVD(Chemical Vapor Deposition，化学气相沉积)外延工艺中，对晶圆温度的精确控制及测量是极其关键的，因其所需的工艺温度高(500～1200摄氏度)，对反应腔内晶圆加热通常采用红外灯组加热的方式。当前通常采用红外非接触式测温器件、特殊热电偶接触式测温以及红外非接触式测温及热电偶接触式测温组合应用的方式，对晶圆的温度进行测量并反馈进行温度控制。但以上测温方式存在以下问题：
(1)红外非接触式测温通常是使用特定温区红外波段高温计，安装在透明石英反应腔外部，接收来自高温计对应下方晶圆或晶圆托盘或预热环发出的红外线，并由高温计转化为温度。但随着工艺的进行，石英腔壁会逐渐沉积反应物，造成高温计特定波段的红外线穿透路径发生变化，造成测量误差；即使腔壁经过维护清理，但始终与高温计初安装时红外线穿透路径的状态存在不同，造成每次的校准基准不同，影响温度测量及控制，进而影响每次工艺稳定性，一致性较差，甚至会出现温度测量失准。
(2)热电偶接触式测温，通常将热电偶安装在旋转的部件中，如预热环或离晶圆最近的其它部件。此时并不能直接测量晶圆的温度，其对晶圆温度控制只能通过大量的试验经验得出，大大降低了温度测量的精确性。同时热电偶安装在高温区域，其使用寿命大大降低，且安装位置考虑的高温热变形的预留间隙也会造成测温准确性降低。特别是更换热电偶时，其安装间隙位置较难与上次保持一致，造成前后测温基准不一致，进而影响工艺一致性。
(3)现有设备中红外测温仪通过外部夹具安装在腔室外部，测温镜头及光路暴露在大气环境中，而大气环境中少量的水气、二氧化碳、臭氧、甲烷、氧化氮、一氧化碳等非对称分子振动引起的电偶极矩变化产生强烈的红外吸收，影响由晶圆传输至红外测温仪镜头的红外光强度，造成测量误差。
针对上述问题，现有技术通过在腔室的上圆顶开设多个圆孔，并焊接蓝宝石或石英材质的竖直圆管作为红外测温仪光路路径，并在竖直圆管顶部设置法兰组成观察窗；红外测温仪通过密封圈安装在圆管顶部法兰，圆管与腔室内部联通，竖直圆管侧壁开孔通入N2气等吹扫气体，并到达腔室内部，以此来达到使红外测温仪直接接收晶圆表面发出的红外光波，同时通入的吹扫气体避免红外测温仪镜头及竖直圆管壁产生沉积物，造成红外光谱的吸收，进而影响测温准确性。通过上述措施来实现红外测温仪直接测量晶圆表面的温度，而不必穿过影响红外光谱的障碍物(石英腔壁)，同时避免每次因腔室清洁维护，而造成红外光路路径状态发生变化，进而重新校准测温仪。
然而，因受红外辐射加热的特性决定，反应腔室上、下顶均为透明石英材质，且反应时在500摄氏以上的高温，同时腔室内部为负压时，在腔室上/下圆顶开孔，会大大减弱腔室的机械强度，此时会大大增加腔室破裂的风险，若加厚腔壁，则又会影响红外等加热效率；同时，增加了多个密封点，且均处在高温工作区域，增加了泄露的风险；此外，通入的吹扫气体，直接与腔室内的工艺气体交叠，会一定程度上影响工艺气体气流的均匀性，并在高温下吹扫气体与其它工艺气体产生化学反应，而生成其它副产物。
发明内容
本发明的目的是提供一种腔室测温装置及化学气相沉积设备，在不影响腔壁的机械强度的前提下，提高测温的准确性。
为了实现以上目的，本发明通过以下技术方案实现：
一种腔室测温装置，应用于化学气相沉积设备，所述化学气相沉积设备的腔壁可以透过红外辐射；
所述腔室测温装置安装在所述腔壁的外侧，包括：
光学测温计，其通过所述红外辐射测量所述化学气相沉积设备内待测物体的温度；
连接件，其具有相对的第一端和第二端，所述光学测温计安装在所述第一端，所述第二端连接所述腔壁，所述连接件内部设有贯穿所述第一端和所述第二端的光路通道，通过在所述光路通道中通入吹扫气体冷却与所述第二端连接处的腔壁。
进一步的，所述连接件设有气体入口与气体出口，所述吹扫气体由所述气体入口流入所述光路通道，并由所述气体出口流出所述光路通道。
进一步的，所述气体入口靠近所述第一端设置，所述气体出口靠近所述第二端设置。
进一步的，所述气体入口与所述气体出口设置在所述光路通道的两侧。
进一步的，所述吹扫气体为温度小于等于70℃的气体。
进一步的，所述吹扫气体对红外辐射吸收率小于0.1。
进一步的，所述吹扫气体为氢气、氮气、氩气或氧气。
进一步的，所述连接件的外侧面设有反射涂层或红外吸收涂层。
进一步的，所述光路通道的孔壁设有反射涂层或红外吸收涂层。
进一步的，所述光路通道与所述腔壁垂直或不垂直。
进一步的，所述连接件采用透明石英材质或不透明石英材质。
进一步的，所述连接件与所述腔壁固定连接。
进一步的，所述连接件与所述腔壁采用焊接的方式连接。
进一步的，所述连接件与所述光学测温计采用密封圈实现密封。
一种化学气相沉积设备，包括反应腔和位于反应腔中的基座，所述基座用于承载基片，所述反应腔的腔壁至少包含部分区域可以透过红外辐射，所述腔壁的外侧安装有腔室测温装置，所述腔室测温装置包括：
光学测温计，其通过所述红外辐射测量所述反应腔内待测物体的温度；
连接件，其具有相对的第一端和第二端，所述光学测温计安装在所述第一端，所述第二端连接所述腔壁，所述连接件内部设有贯穿所述第一端和所述第二端的光路通道，通过在所述光路通道中通入吹扫气体冷却与所述第二端连接处的腔壁。
进一步的，所述待测物体为所述基座，所述腔室测温装置安装在所述反应腔下方。
进一步的，所述待测物体为所述基片，所述腔室测温装置安装在所述反应腔上方。
进一步的，所述腔壁外侧包括加强筋，所述加强筋与所述腔壁一体设置，所述加强筋作为所述连接件。
进一步的，所述腔壁为透明石英材质。
与现有技术相比，本发明具有如下优点：
(1)反应腔内待测物体表面的红外辐射经光路通道传输至光学测温计实现测温，光学通道内还通入吹扫气体，用于冷却与腔室连接处的腔壁，该区域的腔壁温度达不到工艺反应的热解温度，故不会产生沉积物，保持该区域腔室壁的洁净，不会造成测温误差，即使在反应腔维护后，不会产生测温路径上与初始状态不一致的情况，可以长久保持测温基准不变，测温重复性高，控制更加稳定精确；
(2)光路通道内充满吹扫气体，形成与大气隔离的密闭空间，可以消除大气中水气、二氧化碳等气体对红外辐射的吸收，使待测物体表面的红外辐射更加无干扰的传输至光学测温计，测温更加精准；
(3)吹扫气体不会通入到反应腔内，因此不会与腔室内工艺气体交叠，不会影响工艺气体气流的均匀性，也不会产生副产物；
(4)连接件连接在腔壁外侧且不需要在腔壁上开孔，可以保证腔壁在高温下的机械强度，且不增加与腔壁的密封连接，整个系统密封可靠。
附图说明
为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面将对描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一个实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图：
图1为本发明一实施例提供的安装所述腔室测温装置的化学气相沉积设备的一种结构图；
图2为本发明一实施例提供的安装所述腔室测温装置的化学气相沉积设备的另一种结构图；
图3为本发明一实施例提供的所述腔室测温装置的一种结构图；
图4为本发明一实施例提供的所述腔室测温装置的另一种结构图。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施方式对本发明提出的方案作进一步详细说明。根据下面说明，本发明的优点和特征将更清楚。需要说明的是，附图采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施方式的目的。为了使本发明的目的、特征和优点能够更加明显易懂，请参阅附图。须知，本说明书所附图式所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容能涵盖的范围内。
首先结合图1、2，对化学气相沉积设备的结构进行介绍。化学气相沉积设备包括反应腔100和位于反应腔中的基座200，所述基座200用于承载基片(即晶圆W)，所述反应腔100的腔壁至少包含部分区域可以透过红外辐射。如图1所示，所述反应腔100的侧壁110由不锈钢、铝、陶瓷、以及适用于腔室CVD工艺的其它金属材料制成；上壁120和下壁130采用透明石英材质，可以透过红外辐射。反应腔100的上壁120上方和下壁130下方均设有若干红外加热灯组件300，用于发射红外辐射并透过上壁120和下壁130对反应腔100内晶圆W及基座200进行加热，晶圆W外侧还设置有预热环210。反应时，工艺气流M从反应腔100的一侧进入，到达晶圆W表面进行反应，再从另一侧由真空系统排出。
为了实现对反应腔100内的待测物体进行测温，所述化学气相沉积设备还包括腔室测温装置400，腔室测温装置400采用光学测温的方式，直接测量待测物体表面温度，然后再将温度探测信号反馈至控制系统，进行反应腔100的温度控制。待测物体可以是晶圆W、基座200，也可以是反应腔100内的其它零部件。当待测物体是晶圆W时，所述腔室测温装置400安装在所述反应腔100上方，当待测物体是基座200时，所述腔室测温装置400安装在所述反应腔100下方。并且，由于晶圆W或基座200尺寸较大，所述腔室测温装置400可以为多个，均匀分布在所述反应腔100上方或下方，对晶圆W或基座200上多个位置进行测温。
以下结合图1～4，对本发明所述的腔室测温装置400进行详细介绍。
腔室测温装置400应用于化学气相沉积设备，化学气相沉积设备的腔壁可以透过红外辐射；所述腔室测温装置400安装在所述腔壁的外侧，包括：光学测温计410，其通过红外辐射测量所述化学气相沉积设备内待测物体的温度；连接件420，其具有相对的第一端和第二端，所述光学测温计410安装在所述第一端，所述第二端连接所述腔壁，所述连接件420内部设有贯穿所述第一端和所述第二端的光路通道421，通过在所述光路通道421中通入吹扫气体S冷却与所述第二端连接处的腔壁。
所述光学测温计为红外测温仪，反应腔100内待测物体表面的红外辐射透过腔壁后经所述光路通道421传输至所述光学测温计410实现测温，即如图1所示的红外测温路径H。所述光学通道421内还通入吹扫气体S，用于冷却与所述第二端连接处的腔壁，形成一壁低温区A，由此该区域的腔壁温度达不到工艺反应的热解温度，故不会产生沉积物，保持该区域腔壁的洁净，不会造成测温误差，即使在反应腔维护后，也不会发生测温路径H与初始状态不一致的情况，可以长久保持测温基准不变，测温重复性高，控制更加稳定精确。光路通道421内充满吹扫气体S，形成与大气隔离的密闭空间，可以消除大气中水气、二氧化碳等气体对红外辐射的吸收，使待测物体表面的红外辐射更加无干扰的传输至光学测温计410，测温更加精准。吹扫气体S不是通入到反应腔100内，因此不会与腔室内工艺气体交叠，不会影响工艺气体气流的均匀性，也不会产生副产物。此外，所述连接件420连接在所述腔壁外侧且不在腔壁上打孔，可以保证腔壁在高温下的机械强度，且不增加与腔壁的密封连接，整个系统密封可靠。
本实施例中，所述连接件420设有气体入口422与气体出口423，所述吹扫气体S由所述气体入口422流入所述光路通道421，并由所述气体出口423流出所述光路通道421。通过设置所述气体入口422和气体出口423，可以在所述光路通道421内形成气体回路，对连接处的腔壁进行持续冷却。进一步的，所述气体入口422靠近所述第一端设置，所述气体出口423靠近所述第二端设置，即所述气体入口422靠近所述光学测温计410，所述气体出口423靠近腔壁，因吹扫气体S刚通入光路通道421时温度低，可以起到先冷却光学测温计410镜头的作用，更好地冷却光学测温计410镜头有助于延长光学测温计410寿命。进一步的，所述气体入口422与所述气体出口423设置在所述光路通道421的两侧，有利于吹扫气体S在所述光路通道421内均匀分布。
所述吹扫气体S采用常温或低温气体，例如是温度小于等于70℃的气体。采用常温或低温气体可以更好地实现冷却连接处腔壁、连接件420本身以及光学测温计410镜头的作用，以及消除光路通道421中影响红外吸收气体分子的影响。此外，所述吹扫气体S应当对红外辐射的吸收率较低，从而不会影响所述光学测温计410的测温精度，例如吹扫气体S对红外辐射吸收率小于0.1，所述吹扫气体可选择氢气、氮气、氩气或氧气。因氮气、氧气、氩气等气体分子式是对称的，它们振动不会引起电偶矩的变化，故这些气体分子不吸收红外辐射，故不影响待测物体传至光学测温计410的红外辐射。
如图3、4所示，为避免连接件420的温度升高影响光学测温计410测温准确性，本实施例还在所述连接件420的外侧面设有反射涂层或红外吸收涂层424，或者所述连接件420的所述光路通道421的孔壁设有反射涂层或红外吸收涂层424。反射涂层例如是涂镀的金、铝等金属层。由此，可以将来自红外加热灯组件、待测物体表面、腔壁及其它高温部位辐射至连接件420外侧的辐射能F反射或吸收掉，降低整个连接件420的温度，排出红外辐射的噪声，并通过通入光路通道421内部大量的低温吹扫气体S来冷却连接件420，消除连接件420自身的辐射能对光学测温计410测温精度的影响。
所述连接件420与所述光学测温计410采用密封圈实现密封。所述连接件420可以采用透明石英材质，也可以是不透明石英材质。所述光路通道421与所述腔壁可以垂直，也可以不垂直，只要待测物体的红外辐射能够通过所述光路通道421传至光学测温计410即可。
所述连接件420与所述腔壁为固定连接。一种连接方式是，所述连接件420与所述腔壁采用焊接的方式连接，如图2中安装于上壁120且位于左侧的腔室测温装置400所示。另一种连接方式是，所述连接件与腔壁外侧的加强筋一体设置，如图1中安装于上壁120和安装于下壁130的两个腔室测温装置400所示，以及如图2中安装于上壁120且位于中部的腔室测温装置400和安装于下壁130的腔室测温装置400所示。加强筋是用来保证在腔室内低压的情况下，腔壁仍然有足够的机械强度，加强筋通常也是石英材质，和腔壁是一体设置，因此可以将加强筋作为连接件420，在加强筋上开设光路通道421，加强筋远离腔壁的一端连接光学测温计410，同时在加强筋的两侧开设气体入口422和气体出口423，用于形成吹扫气体S的通路。由此，只需要在腔壁外侧的加强筋中开孔作为光路通道、气体入口和气体出口，不影响腔壁结构，故不会破坏腔壁的机械强度。
需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。
Claims (19)
1.一种腔室测温装置，其特征在于，应用于化学气相沉积设备，所述化学气相沉积设备的腔壁可以透过红外辐射；
所述腔室测温装置安装在所述腔壁的外侧，包括：
光学测温计，其通过所述红外辐射测量所述化学气相沉积设备内待测物体的温度；
连接件，其具有相对的第一端和第二端，所述光学测温计安装在所述第一端，所述第二端连接所述腔壁，所述连接件内部设有贯穿所述第一端和所述第二端的光路通道，通过在所述光路通道中通入吹扫气体冷却与所述第二端连接处的腔壁。
2.如权利要求1所述的腔室测温装置，其特征在于，所述连接件设有气体入口与气体出口，所述吹扫气体由所述气体入口流入所述光路通道，并由所述气体出口流出所述光路通道。
3.如权利要求2所述的腔室测温装置，其特征在于，所述气体入口靠近所述第一端设置，所述气体出口靠近所述第二端设置。
4.如权利要求2所述的腔室测温装置，其特征在于，所述气体入口与所述气体出口设置在所述光路通道的两侧。
5.如权利要求1所述的腔室测温装置，其特征在于，所述吹扫气体为温度小于等于70℃的气体。
6.如权利要求1所述的腔室测温装置，其特征在于，所述吹扫气体对红外辐射吸收率小于0.1。
7.如权利要求6所述的腔室测温装置，其特征在于，所述吹扫气体为氢气、氮气、氩气或氧气。
8.如权利要求1所述的腔室测温装置，其特征在于，所述连接件的外侧面设有反射涂层或红外吸收涂层。
9.如权利要求1所述的腔室测温装置，其特征在于，所述光路通道的孔壁设有反射涂层或红外吸收涂层。
10.如权利要求1所述的腔室测温装置，其特征在于，所述光路通道与所述腔壁垂直或不垂直。
11.如权利要求1所述的腔室测温装置，其特征在于，所述连接件采用透明石英材质或不透明石英材质。
12.如权利要求1所述的腔室测温装置，其特征在于，所述连接件与所述腔壁固定连接。
13.如权利要求12所述的腔室测温装置，其特征在于，所述连接件与所述腔壁采用焊接的方式连接。
14.如权利要求1所述的腔室测温装置，其特征在于，所述连接件与所述光学测温计采用密封圈实现密封。
15.一种化学气相沉积设备，包括反应腔和位于反应腔中的基座，所述基座用于承载基片，其特征在于，所述反应腔的腔壁至少包含部分区域可以透过红外辐射，所述腔壁的外侧安装有腔室测温装置，所述腔室测温装置包括：
光学测温计，其通过所述红外辐射测量所述反应腔内待测物体的温度；
连接件，其具有相对的第一端和第二端，所述光学测温计安装在所述第一端，所述第二端连接所述腔壁，所述连接件内部设有贯穿所述第一端和所述第二端的光路通道，通过在所述光路通道中通入吹扫气体冷却与所述第二端连接处的腔壁。
16.如权利要求15所述的化学气相沉积设备，其特征在于，所述待测物体为所述基座，所述腔室测温装置安装在所述反应腔下方。
17.如权利要求15所述的化学气相沉积设备，其特征在于，所述待测物体为所述基片，所述腔室测温装置安装在所述反应腔上方。
18.如权利要求15所述的化学气相沉积设备，其特征在于，所述腔壁外侧包括加强筋，所述加强筋与所述腔壁一体设置，所述加强筋作为所述连接件。
19.如权利要求15所述的化学气相沉积设备，其特征在于，所述腔壁为透明石英材质。
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