CN116598232A - 用于半导体工件的热处理装置和精确测温方法 - Google Patents
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Abstract
本公开提供了一种用于半导体工件的热处理装置和精确测温方法。所述热处理装置包括一个或多个加热元件；上盖板和下盖板；反应腔室，由上盖板、下盖板和反应腔室主体限定；工件支撑元件；位于上盖板一端的红外发射器；位于上盖板另一端的红外反射传感器，和位于下盖板另一端的红外透射传感器；红外发射器和红外反射传感器位于上盖板面向反应腔室的一侧，红外透射传感器位于下盖板面向反应腔室的一侧；且红外发射器位于反应腔室主体一端的侧壁上，红外反射传感器和红外透射传感器位于反应腔室主体另一端的侧壁上。本发明的热处理装置可精确测量半导体工件表面的温度，并能对半导体工件表面的不同位点进行独立的温度控制，提高控温精度。
Description
技术领域
本公开涉及半导体加工技术领域，尤其涉及半导体工件的热处理领域。
背景技术
半导体工件在热处理工艺中通常要求的加热温度在约400℃-1200℃。在快速热处理工艺中，通常采用灯阵列以双面加热的方式对半导体工件进行热处理。在热处理工艺中，可靠和准确地测量工件的温度至关重要。
发明内容
本公开提供了一种用于半导体工件的热处理装置和精确测温方法。
根据本公开的一方面，提供了一种用于半导体工件的热处理装置，包括：
一个或多个加热元件，用于加热所述半导体工件；
上盖板和下盖板；
反应腔室，由所述上盖板、下盖板和反应腔室主体限定；
工件支撑元件，用于支撑所述半导体工件；
位于所述上盖板的第一端的至少一个红外发射器；
位于所述上盖板的第二端的至少一个红外反射传感器，和位于所述下盖板的第二端的至少一个红外透射传感器，所述第一端与所述第二端相对；
其中，所述至少一个红外发射器和所述至少一个红外反射传感器分别位于所述上盖板面向所述反应腔室的一侧，所述至少一个红外透射传感器位于所述下盖板面向所述反应腔室的一侧；且
所述至少一个红外发射器位于所述反应腔室主体的第一端的侧壁上，所述至少一个红外反射传感器和所述至少一个红外透射传感器位于所述反应腔室主体的第二端的侧壁上。
根据本公开的另一方面，提供了一种用于半导体工件的精确测温方法，包括步骤：
将半导体工件置于热处理装置的反应腔室内的工件支撑元件上；
设置上盖板和下盖板；
由至少一个红外发射器在所述上盖板面向所述半导体工件一侧向所述半导体工件发射红外辐射；
由所述红外反射传感器分别接收并测量被所述半导体工件表面反射的第一部分红外辐射量，由所述红外透射传感器分别接收和测量透射的第二部分红外辐射量；
根据同一位点的第一部分红外辐射量和第二部分红外辐射量确定该位点处所述半导体工件的反射率和透射率，并由所述反射率和透射率计算得到所述半导体工件的发射率；
根据所述发射率计算同一位点处所述半导体工件表面的温度。
应当理解，本部分所描述的内容并非旨在标识本公开的实施例的关键或重要特征，也不用于限制本公开的范围。本公开的其它特征将通过以下的说明书而变得容易理解。
附图说明
附图用于更好地理解本方案，不构成对本公开的限定。其中：
图1是根据本公开一实施例的热处理装置的俯视图；
图2是根据本公开一实施例的热处理装置的剖视图；
图3是根据本公开一实施例的热处理装置中灯组分区的示意图；
图4是根据本公开一实施例的热处理装置中红外发射器、红外反射传感器和红外透射传感器的位置示意图。
具体实施方式
以下结合附图对本公开的示范性实施例做出说明，其中包括本公开实施例的各种细节以助于理解，应当将它们认为仅仅是示范性的。因此，本领域普通技术人员应当认识到，可以对这里描述的实施例做出各种改变和修改，而不会背离本公开的范围。同样，为了清楚和简明，以下的描述中省略了对公知功能和结构的描述。
本公开描述的半导体工件的热处理工艺例如可为快速热退火工艺。由于半导体工件，例如晶圆上不同材料(如Si、SiO2、SiN等)对光吸收系数不同，采用单面辐射法对半导体工件正面进行加热时，将会产生图形效应(pattern effect)，因此通常采用双面加热的方式来减少图形效应引起的晶圆温度加热不均的问题。
另一方面，在快速热退火工艺中，对半导体工件进行测温采用非接触式测温法，用于对晶圆进行双面加热的加热元件(例如灯组)的设置使得半导体工件完全被加热元件的辐射覆盖，但是由加热元件发射的经由半导体工件反射及透射的光会干扰非接触测温法对半导体工件的温度进行测量，这种影响在晶圆发射率低时影响尤其明显。
半导体工件在正常的工件温度下在红外波段通常是透过性的，不发射显著的黑体辐射，常规的辐射测量方法在低于750℃的温度下由于工件发射可测量的黑体辐射误差较大，为测量半导体工件的温度带来难度。
热处理装置
根据本公开的一方面，提供了一种用于半导体工件的热处理装置，包括：
一个或多个加热元件，用于加热所述半导体工件；
上盖板和下盖板；
反应腔室，由所述上盖板、下盖板和反应腔室主体限定；
工件支撑元件，用于支撑所述半导体工件；
位于所述上盖板的第一端的至少一个红外发射器；
位于所述上盖板的第二端的至少一个红外反射传感器，和位于所述下盖板的第二端的至少一个红外透射传感器，所述第一端与所述第二端相对；
其中，所述至少一个红外发射器和所述至少一个红外反射传感器分别位于所述上盖板面向所述半导体工件的一侧，所述至少一个红外透射传感器位于所述下盖板面向所述半导体工件的一侧；且
所述至少一个红外发射器位于所述反应腔室主体的第一端的侧壁上，所述至少一个红外反射传感器和所述至少一个红外透射传感器位于所述反应腔室主体的第二端的侧壁上。
具体地，参见图1和图2，根据本公开一实施例的热处理装置包括顶板1、底板11、上加热灯组3、下加热灯组12、上盖板4、下盖板13、反应腔室主体5、工件支撑元件(例如石英支撑板9和顶针8)，设置在上盖板4内侧两端的红外发射器6以及红外反射传感器2，设置在下盖板内侧的红外透射传感器10，以及反应腔室门板14。
上述红外发射器6、红外反射传感器2和红外透射传感器10分别可包括一个或多个，例如如图1所示，分别包括红外发射器(601,602,603,604,605)、红外反射传感器(201,202,203,204,205)和红外透射传感器(1001,1002,1003,1004,1005)。
具体地，本发明的上盖板和下盖板都可采用高羟基石英盖板，由此可将加热灯组发出的2.7μm波长的红外光完全滤除，从而减少加热灯组的辐射对半导体工件温度的影响。
本发明的热处理装置在上盖板4面向半导体工件的内侧的一端设置有至少一个红外发射器6，其可向半导体工件发射波长为2.3μm和/或2.7μm的红外光。根据一个具体实施方式，可设置5个红外发射器601,602,603,604,605。
基于以上结构，由于高羟基石英材料的上盖板将加热灯组的波长为2.7μm的红外光滤除，反应腔室内的波长为2.7μm的红外光仅来源于红外发射器和工件的热辐射，更有利于对半导体工件精准控温，特别是能够测量半导体工件发射率低的工况下的半导体工件温度。
目前的热处理装置应用的为利用2个温度探测点，通过程序模拟来控制4个温区控制的配置，温度测量与控制的区域不能满足更先进工艺制程对半导体工件(例如晶圆)温度控制的需求。参见图1和图3，本发明应用了5组温度测量单元(包括红外发射器、红外反射传感器和红外透射传感器)，可以利用程序模拟控制7个温区对晶圆进行加热。
进一步地，如图3所示，顶部灯组和底部灯组分别分成七个小组，将开门侧和晶圆间的反应腔室分成两个相等的空间，并且将靠近晶圆一侧的区域分成5个温度测试位点T1-T5。
进一步参见图4，相对于半导体工件7的纵向轴线(或者反应腔室的纵向轴线)，红外发射器6(α)、红外反射传感器2(β)和红外透射传感器10(γ)分别相对于该纵向轴线的角度分别可为30°-60°，例如可以都为45°。其中，红外发射器6和红外透射传感器10在一条直线上。
上述红外发射器、红外反射传感器和红外透射传感器共同组成了无加热灯管影响的半导体工件发射率测量系统，进而促进准确测量半导体工件的温度，特别是400℃-750℃中温温度的准确测量。
精确测温方法
根据本发明的另一方面，提供一种用于半导体工件的精确测温方法，包括步骤：
将半导体工件置于热处理装置的反应腔室内的工件支撑元件上；
设置上盖板和下盖板；
由至少一个红外发射器在所述上盖板面向所述半导体工件一侧向所述半导体工件发射红外辐射；
由所述红外反射传感器分别接收并测量被所述半导体工件表面反射的第一部分红外辐射量，由所述红外透射传感器分别接收和测量透射的第二部分红外辐射量；
根据同一位点的第一部分红外辐射量和第二部分红外辐射量确定该位点处所述半导体工件的反射率和透射率，并由所述反射率和透射率计算得到所述半导体工件的发射率；
根据所述发射率计算同一位点处所述半导体工件表面的温度。
根据一个具体实施例，本发明的精确测温方法包括设置高羟基石英材料的上盖板4和下盖板14，将加热灯组发出的波长为2.7μm的红外光滤除；进一步在高羟基石英材料的上盖板内侧设置波长为2.7μm的红外发射器6，向晶圆7辐射波长为2.7μm的红外光；在该红外光的对应的反射和透射方向设置波长为2.7μm的红外反射传感器2和波长为2.7μm的红外透射传感器10。红外反射传感器2可测得晶圆对波长为2.7μm的红外光的反射率，红外透射传感器10可测得晶圆对波长为2.7μm的红外光的透射率。红外发射器6、红外反射传感器2和红外透射传感器10共同组成了无加热灯组影响的晶圆发射率测量系统，据此可计算获得晶圆正面的温度。
进一步地，在下盖板13远离晶圆的外侧反应腔室底部设置的两个红外透射传感器(高温计)10可以继续在2.3μm波长下工作，用于测量非晶圆发射率低的工况下的晶圆背面温度。
具体地，红外发射器6发射出的波长为2.7μm的红外光可通过斩波器调制成脉冲光，波长为2.7μm的脉冲光照射到半导体工件(晶圆)7上，反射的部分被2.7μm红外反射传感器2接收，透射的部分被2.7μm红外透射传感器9接收。根据以下式(1)计算：
ε(λ)+ρ(λ)+τ(λ)＝1 (1)
物体的发射率、反射率、透射率之和为1，通过2.7μm红外反射传感器2和2.7μm红外透射传感器10来确定晶圆实时的反射率ρ和透射率τ，通过计算得到晶圆的发射率ε。反射率ρ为红外反射传感器检测到的反射光的强度与红外发射器发出的红外光的强度之比，透射率τ为红外透射传感器检测到的透射光的强度与红外发射器发出的红外光的强度之比。
同时，上述红外反射传感器2和红外反射传感器10还可以接收到晶圆上表面和下表面热辐射的红外光，幅射光可在频率上与红外发射器6发射的光区分开。根据以下黑体辐射公式(2)：
计算晶圆正面与背面的温度。其中，Iwafer为接收到的晶圆的红外热辐射，h为普朗克常数，c为光速，k为玻尔兹曼常数，λ为辐射波长，ε为晶圆的发射率。
在晶圆进入快速热处理腔室开始加热后，2.7μm红外发射器6、2.7μm红外反射传感器2、2.7μm红外透射传感器9持续测量晶圆的反射率、发射率和透射率。该测试获得的温度测试结果在晶圆250-400℃温度范围内可给出参考温度，此时可实时监控晶圆温度上升状态。当工艺温度为400-750℃时，2.7μm红外发射器6、2.7μm红外反射传感器2、2.7μm红外透射传感器9可精确计算出晶圆温度，便于对晶圆温度进行闭环控制。在晶圆工艺温度高于750℃时，上述2.7μm红外发射器6、2.7μm红外反射传感器2、2.7μm红外透射传感器可采用传统方法对晶圆温度进行测量。
根据本发明的上述方法可提高热处理装置在半导体工件发射率低(<0.3)、半导体工件发射率突变(如晶圆上有多晶硅层，在加热过程中发生相变)等工况下温度测量与控制的稳定性。同时可扩展半导体工件温度的测量范围低至250℃。
优选地，上述半导体工件的可精确测定的温度在400℃-750℃的范围内。
参见图3，本发明的热处理装置中包括上下两组加热灯阵列，即顶部灯组和底部灯组，每个加热灯阵列分成4组(灰色由浅至深示出)，同时将反应腔室从开门侧到晶圆的空间分成对称的两部分，中心与晶圆中间区域分成5个测温区域T1-T5。
示例地，根据本发明的方法，可设置多个红外发射器，同时设置多个红外反射传感器和多个红外透射传感器，从而可以增加温度测量位点，扩宽测试的温度范围，进而提高温度测试精度。根据测得的半导体工件不同位点的温度，可对该位点对应的灯组进行独立控制，实现精确调控温度，使得温度控制偏差在±1℃以内。
应该理解，可以使用上面所示的各种形式的流程，重新排序、增加或删除步骤。例如，本公开中记载的各步骤可以并行地执行也可以顺序地执行也可以不同的次序执行，只要能够实现本公开公开的技术方案所期望的结果，本文在此不进行限制。
上述具体实施方式，并不构成对本公开保护范围的限制。本领域技术人员应该明白的是，根据设计要求和其他因素，可以进行各种修改、组合、子组合和替代。任何在本公开的原则之内所作的修改、等同替换和改进等，均应包含在本公开保护范围之内。
Claims (9)
1.一种用于半导体工件的热处理装置，其特征在于，包括：
一个或多个加热元件，用于加热所述半导体工件；
上盖板和下盖板；
反应腔室，由所述上盖板、下盖板和反应腔室主体限定；
工件支撑元件，用于支撑所述半导体工件；
位于所述上盖板的第一端的至少一个红外发射器；
位于所述上盖板的第二端的至少一个红外反射传感器，和位于所述下盖板的第二端的至少一个红外透射传感器，所述第一端与所述第二端相对；
其中，所述至少一个红外发射器和所述至少一个红外反射传感器分别位于所述上盖板面向所述反应腔室的一侧，所述至少一个红外透射传感器位于所述下盖板面向所述反应腔室的一侧；且
所述至少一个红外发射器位于所述反应腔室主体的第一端的侧壁上，所述至少一个红外反射传感器和所述至少一个红外透射传感器位于所述反应腔室主体的第二端的侧壁上。
2.根据权利要求1所述的热处理装置，其中，所述至少一个红外发射器发射波长为2.3微米和2.7微米中的一种或两种的红外辐射。
3.根据权利要求1或2所述的热处理装置，其中，所述至少一个红外发射器、所述至少一个红外反射传感器和所述至少一个红外透射传感器的数量相同。
4.根据权利要求1或2所述的热处理装置，其中，所述红外发射器与相应的红外透射传感器位于同一条直线上。
5.根据权利要求1或2所述的热处理装置，其中，所述上盖板和下盖板分别为高羟基石英盖板。
6.根据权利要求1或2所述的热处理装置，其中，所述红外发射器、所述红外反射传感器和所述红外透射传感器分别与反应腔室主体的纵向轴线之间的夹角都相等，优选地，所述夹角为30-60°，最优选为45°。
7.根据权利要求1或2所述的热处理装置，其中，所述热处理装置能够准确测量400-750℃范围内的半导体工件温度。
8.一种用于半导体工件的精确测温方法，其特征在于，包括步骤：
将半导体工件置于热处理装置的反应腔室内的工件支撑元件上；
设置上盖板和下盖板；
由至少一个红外发射器在所述上盖板面向所述反应腔室一侧向所述半导体工件发射红外辐射；
由所述红外反射传感器分别接收并测量被所述半导体工件表面反射的第一部分红外辐射量，由所述红外透射传感器分别接收和测量透射的第二部分红外辐射量；
根据同一位点的第一部分红外辐射量和第二部分红外辐射量确定该位点处所述半导体工件的反射率和透射率，并由所述反射率和透射率计算得到所述半导体工件的发射率；
根据所述发射率计算同一位点处所述半导体工件表面的温度。
9.根据权利要求8所述的精确测温方法，其中，所述半导体工件的温度在400℃-750℃的范围内。
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