CN117906789A - 一种晶圆温度传感器的温度校准设备及校准方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供晶圆温度传感器温度校准设备，用于对晶圆温度传感器进行校准，包括外壳(2)，其特征在于，所述外壳(2)内设置有保温容器(3)、加热丝(4)以及温度探头(5)，其中，所述保温容器(3)用于实现均匀的稳定温度场；所述加热丝(4)用于对所述保温容器(3)进行加热；所述温度探头(5)用于测量所述保温容器(3)的外部温度和/或内部温度。还提供基于所述晶圆温度传感器温度校准设备进行温度校准的校准方法。本发明相比现有的温度烘箱相比较，能提供更稳定更均匀的温度场，利用材料相变点是材料的固有物理特性，可以获得非常准确的温度校准点。同时，本发明可以适用于晶圆温度传感器的温度校准，成本低，具有极大经济价值。
Description
技术领域
本发明属于半导体晶圆检测和温度计量技术领域，涉及一种晶圆温度传感器的温度校准设备以及对应的校准方法。
背景技术
晶圆温度传感器是半导体芯片加工制造过程中，用来在实际的工作环境中，包括光刻，刻蚀，热处理，薄膜沉积等过程中，对温度进行定时、定量和精确地测量的工具，是半导体设备制造和半导体生产过程中不可或缺的系统标定工具。
温度校准对温度传感器至关重要，在使用温度传感器之前必须先对温度传感器本身进行校准，即先要测量温度传感器本身的温度偏差，从而才可以将温度传感器用于准确的温度测量、计算温度值等。上述温度校准的过程通常使用可溯源的标准温度探头作为参考，与被校温度传感器放在同一均匀温度场内进行校准，被校温度传感器经过温度校准后即可以用于应用环境的温度测量。
但在半导体制程过程中，温度传感器是安装于晶圆片之上，就是我们所说的晶圆温度传感器，然而晶圆温度传感器因其传感器安装在12寸晶圆上，就使得晶圆温度传感器的体积较大，无法放置在常规校准炉内校准。常规的温度校准炉或校准器的体积都远远小于12寸，且入口比较狭小，无法应用于晶圆温度传感器的校准。
基于上述技术问题，目前只有在晶圆温度传感器安装前进行校准，即温度传感器安装于晶圆片之前进行校准，在这样的解决方案中只能假定安装温度传感器被安装到晶圆上之后温度传感器的性能并没有发生较大变化，但这样的假设本身就不科学，而且从实践中也缺少必要的测试和校准手段。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对背景技术中指出的现有晶圆温度传感器的校准难点，提出了一种针对大面积晶圆类温度传感器的校准设备和校准方法。
本发明的校准设备的工作原理是利用保温材料自身的物理相变特性，在其凝固点(F)或熔点(M)或三相点(T)温度需要吸收或放出大量热量才能转换状态，如金属镓的熔点在29.7646℃，镓从固体转变为液体需要吸收大量热量，在此温度以下往上加热，温度会在熔点停留很长一段时间直至固体镓完全熔化。利用保温材料相变点的特性，可以在很长时间内获得一个稳定准确的温度场。本发明的扁平保温容器内部填充高纯保温材料，可以在大面积实现均匀的稳定温度场，为校准12寸晶圆温度传感器提供良好的条件。
本发明的校准方法是，先设置加热温度高于保温材料校准点温度约10℃，使保温材料完全熔化。再将加热温度设置到高于校准点约1℃，直至温度完全稳定。缓慢降低温度，同时监控测温温度探头至其温度回升时快速插入冷却板，约1分钟后取出。设置加热温度低于校准点约1℃，当温度达到校准点后放入晶圆温度传感器开始进行温度校准。通过计算晶圆温度传感器各探测点温度与校准温度点的差值，得到晶圆温度传感器的温度校准值。测完一片晶圆温度传感器后取出可再放入第二片继续进行校准，保温容器的温度稳定时间通常在几个小时。
本发明相比现有的温度烘箱相比较，能提供更稳定更均匀的温度场，利用材料相变点是材料的固有物理特性，可以获得非常准确的温度校准点。同时，本发明可以适用于晶圆温度传感器的温度校准，成本低，具有极大的经济价值。
附图说明
图1是晶圆温度传感器温度校准设备的结构示意图；
图2示出根据两个不同实施例的晶圆温度传感器温度校准设备的侧视截面图，具体地图2(a)为一个扁平长方一端开口结构，图2(b)为两个同样的扁平长方容器结构；
图3是冷却板插入校准设备的示意图；
图4是晶圆温度传感器放入温度校准设备的侧视截面图；
图5是校准设备的升温、恒温、降温曲线示意图；以及
图6是晶圆温度传感器温度校准设备的工作流程图。
标号说明
1.晶圆温度传感器； 2.外壳；
3.保温容器；
31.保温材料； 32.坩埚；
33.保护壳； 34.插入口；
4.加热丝；
5.温度探头； 6.连接器；
7.冷却板； 8.隔热盖。
具体实施方式
以下将结合附图对本发明的具体结构，实施方式作进一步说明。
图1是晶圆温度传感器温度校准设备的结构示意图。校准设备内放置有保温容器3，在其外侧有加热丝4对其进行加热，同时有温度探头5测量加热温度。晶圆温度传感器1放置在保温容器3内，晶圆温度传感器有无线和有线两种形式，有线晶圆温度传感器如图1所示在圆形晶圆上集成有温度传感器，并通过引线方式连到腔体外侧，通过连接器6与采集器和上位机相连并传递温度信号。无线晶圆温度传感器没有引线引出，通过内置无线通信模块与上位机相连并传递温度信号。
保温容器3可以有几种形式，如图2(a)所示的一种扁平长方且一端开口结构，图2(b)所示的两个平行放置的同样扁平长方容器结构。保温容器3内有保温材料31，坩埚32，可选的有保护壳33。晶圆温度传感器1通过插入口34放置在图2(a)所示的保温容器3内，也可以放置在图2(b)所示的保温容器之间。具体地，图3还以立体图的方式示出了本发明提供的晶圆温度传感器温度校准设备的示意图。
图2(b)所示的结构相比图2(a)制作更简单，但边缘温度均匀性较差，需要比晶圆更大的尺寸来保证晶圆温度传感器所在的温度均匀性。
保温容器3内坩埚32材料可根据保温材料31选择相应的材料，比如校准温度点低于200℃的保温材料可选用聚四氟乙烯作为坩埚材料，温度较高的可以选用石英或石墨作为坩埚材料。保护壳材料可选用不锈钢，石英。比如选用金属铜作为保温材料，坩埚材料可以用石墨，保护壳材料可用石英；选用金属锌作为保温材料，坩埚材料可以用石英，保护壳材料可用不锈钢；选用金属镓作为保温材料，坩埚材料可以用聚四氟乙烯，保护壳材料可用不锈钢；
保温容器3在填充保温材料31时还需同时充入保护惰性气体，如氩气，并控制气体压强在1个大气压。
保温容器3的插入口34宽度在1-20mm，长度>300mm。
图3是冷却板7插入校准设备的示意图。冷却板7插入的位置与晶圆温度传感器1插入的位置相同，都在保温容器3的插入口34处。
图4是晶圆温度传感器1放入温度校准设备的侧视截面图。晶圆温度传感器1从图1和图2所示的插入口34放入到校准设备中的保温容器3内。隔热盖8盖在保温容器的开口端，隔绝热量保证内部温度恒定。晶圆温度传感器1的引线从隔热盖8中的小孔或隔热盖与腔壁间缝隙中穿出，并通过连接器6与上位机相连传输温度信号。
校准设备的升温、恒温、降温示意曲线如图5所示，其中AB段为从室温加热到保温材料熔化温度点，此时加热温度设置高于熔点约10℃。BC段为保温材料熔化阶段，当其完全熔化后温度继续上升，如CD段所示。然后将加热温度设置在高于校准点1℃左右，温度下降如DE段所示。EF段为保持温度直至完全稳定，这样使保温容器内的保温材料温度达到均匀一致，让后续凝固时结晶较为均匀。FG段为缓慢降低温度，温度探头的温度值在G点发生偏转向上，此时插入冷却板，诱使保温容器内壁凝固，放置约1分钟后取出。GH段为保温材料凝固温度回升阶段，之后进入恒定温度HI段。当校准结束，温度冷却至室温为IJ段。
图6是晶圆温度传感器温度校准设备的工作流程图。
首先进入步骤S1，设置加热温度高于保温材料校准点温度约10℃，使保温材料完全熔化。
然后进入步骤S2，将加热温度设置到高于校准点约1℃，直至温度完全稳定。
然后进入步骤S3，缓慢降低温度，同时监控测温温度探头至其温度回升时快速插入冷却板，约1分钟后取出。
然后进入步骤S4，设置加热温度低于校准点约1℃，当温度达到校准点后放入晶圆温度传感器开始进行温度校准。通过计算晶圆温度传感器各探测点温度与校准温度点的差值，得到晶圆温度传感器的温度校准值。测完一片晶圆温度传感器后取出可再放入第二片继续进行校准，保温容器的温度稳定时间通常在几个小时。
然后进入步骤S5，校准完毕后降温冷却至室温。
进一步地，参考上述图5以及图6，本领域技术人员理解，图5中所示F、G阶段为冷却阶段，例如上述保温材料从液态降温到凝固温度点以下。尽管温度已经低于凝固点，但并不会马上发生固态转变，处于过冷阶段。到达G点位置时发生液固相变，因为温度已经低于凝固点，且材料内存在固液混合相，材料继续从液相转化为固相，同时放出热量，故温度会回升至凝固点，达到H点阶段。之后HI阶段均处在缓慢凝固阶段，处在固液混合状态，温度保持不变。因此在一个优选实施例中，上述步骤S3中会监控测温温度探头至其温度回升。
对应地，在一个优选实施例中，在步骤S3中使用冷却板可以有效处理，因为缓慢降温过程中，保温容器的外壁温度要比容器内温度低，所以液固相变最先发生在外壁，外壁上先凝结成固体。插入冷却板可以让内壁快速冷却，使内壁也发生液固相变，这样内壁和外壁上都有固态，中间容器内是液态，可以形成比较均匀和稳定的温度分布。在另一个变化例中，可以不使用冷却板，则内壁仍是液态，与外壁固态间会存在一个温度梯度，其冷却的过程相对长，均匀性和稳定性会略逊于使用冷却板的情况，但仍然可以使用。
更进一步地，本领域技术人员理解，在一个优选变化例中，本发明所提供的校准设备通过如下方式实现。
本发明的校准设备由外壳，保温容器，加热丝，温度探头构成。
保温容器可为一扁平长方侧面一端开口容器，也可为两个同样的扁平长方容器。保温容器包括保温材料和坩埚。保温材料可为高纯金属镓，铟，锡，锌，铝，银，金，铜等，也可为高纯甲酸(Formic acid)，无水乙酸(Acetic Acid)，二苯醚(Diphenyl ether)，苯酚(Phenol)，碳酸乙烯酯(Ethylene carbonate)，琥珀腈(Succinonitrile)，苯甲酸(Benzoicacid)，氯化钠等。不同保温材料分别选取他们的凝固点(F)或熔点(M)或三相点(T)温度作为校准的温度，对应的温度和状态如下表所示：
保温材料的纯度大于99.9％，高纯金属材料优选99.9999％(6N)以上。
保温容器在填充保温材料时还需同时充入保护惰性气体，如氩气，并控制气体压强在1个大气压。
所述坩埚为保温材料的承载盒，材料可为聚四氟乙烯，石英，石墨。
所述坩埚外还可有一保护壳，材料可为不锈钢，石英。
所述温度探头用于测量保温容器内外温度，可为标准铂电阻温度计，标准热电偶温度计。
本发明的校准设备还可有一冷却板，用于在接近温度校准点时插入包容容器内，对其内壁快速冷却，促使保温材料快速均匀凝结成核。冷却板材料可为聚四氟乙烯，石英。
校准设备还可有一隔热盖，用于隔热保温。
以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。
Claims (18)
1.一种晶圆温度传感器温度校准设备，用于对晶圆温度传感器进行校准，至少包括外壳(2)，其特征在于，所述外壳(2)内设置有保温容器(3)、加热丝(4)以及温度探头(5)，其中，
所述保温容器(3)用于实现均匀的稳定温度场；
所述加热丝(4)用于对所述保温容器(3)进行加热；
所述温度探头(5)用于测量所述保温容器(3)的外壁温度和/或内壁温度。
2.根据权利要求1所述的晶圆温度传感器温度校准设备，其特征在于，所述加热丝(4)贴附或接近所述保温容器(3)。
3.根据权利要求1或2所述的晶圆温度传感器温度校准设备，其特征在于，所述保温容器(3)为开口容器，所述开口为插入口(34)，晶圆温度传感器(1)从所述插入口(34)插入所述晶圆温度传感器温度校准设备。
4.根据权利要求3所述的晶圆温度传感器温度校准设备，其特征在于，所述开口容器为如下结构中的任一种：
-一扁平长方容器；
-两个相同的扁平长方容器；
-一扁平椭圆容器；
-两个相同的扁平椭圆容器；
-一扁平圆形容器；
-两个相同的扁平圆形容器。
5.根据权利要求4所述的晶圆温度传感器温度校准设备，其特征在于，所述保温容器(3)至少包括保温材料(31)和坩埚(32)，所述坩埚(32)承载所述保温材料(31)。
6.根据权利要求5所述的晶圆温度传感器温度校准设备，其特征在于，所述保温材料(31)为如下材料中的任一种或任多种：
-高纯金属镓；
-铟；
-锌；
-铝；
-银；
-金；
-铜；
-高纯甲酸(Formic acid)；
-无水乙酸(AceticAcid)；
-二苯醚(Diphenyl ether)；
-苯酚(Phenol)；
-碳酸乙烯酯(Ethylene carbonate)；
-琥珀腈(Succinonitrile)；
-苯甲酸(Benzoic acid)；
-氯化钠。
7.根据权利要求6所述的晶圆温度传感器温度校准设备，其特征在于，所述保温材料(31)的凝固点(F)或熔点(M)或三相点(T)温度作为用于校准所述晶圆温度传感器的温度。
8.根据权利要求6或7所述的晶圆温度传感器温度校准设备，其特征在于，所述保温材料(31)的纯度大于99.9％；若所述保温材料(31)为高纯金属材料，则所述高纯金属材料的纯度为99.9999％(6N)以上。
9.根据权利要求6或7所述的晶圆温度传感器温度校准设备，其特征在于，所述保温容器(3)内还充入保护惰性气体。
10.根据权利要求9所述的晶圆温度传感器温度校准设备，其特征在于，所述保护惰性气体的气体压强为1个大气压。
11.根据权利要求5至7中任一项所述的晶圆温度传感器温度校准设备，其特征在于，所述坩埚(32)为如下材料中的任一种或任多种：
-聚四氟乙烯；
-石英；
-石墨。
12.根据权利要求11所述的晶圆温度传感器温度校准设备，其特征在于，所述坩埚(32)外还可有一保护壳(33)，所述保护壳(33)为如下材料中的任一种：
-不锈钢；
-石英。
13.根据权利要求4所述的晶圆温度传感器温度校准设备，其特征在于，所述温度探头(5)为标准铂电阻温度计或标准热电偶温度计。
14.根据权利要求4所述的晶圆温度传感器温度校准设备，其特征在于，还至少包括一冷却板(7)，用于在接近温度校准点时插入所述保温容器(3)内，对所述保温容器(3)的内壁进行冷却，促使保温材料(31)快速均匀凝结。
15.根据权利要求14所述的晶圆温度传感器温度校准设备，其特征在于，所述冷却板(7)为如下材料中的任一种：
-聚四氟乙烯；
-石英。
16.根据权利要求4所述的晶圆温度传感器温度校准设备，其特征在于，所述晶圆温度传感器温度校准设备还可有一隔热盖(8)，用于将所述校准设备与外部进行隔热保温，所述隔热盖(8)设置一开口以使得所述晶圆温度传感器的导线穿过所述开口。
17.一种基于权利要求1至16中任一项所述晶圆温度传感器温度校准设备进行温度校准的校准方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤S1，设置加热温度高于保温材料校准点温度约10℃，通过加热丝对保温材料进行加热使保温材料完全熔化。
步骤S2，将加热温度设置到高于校准点约1℃，直至所述晶圆温度传感器温度校准设备温度稳定；
步骤S3，缓慢降低温度
步骤S4，设置加热温度低于校准点约1℃，当温度达到与所述保温材料对应的校准点后将所述晶圆温度传感器插入所述晶圆温度传感器温度校准设备并开始进行温度校准。
18.根据权利要去17所述的校准方法，其特征在于，在所述步骤S3中，包括如下步骤：缓慢降低温度，同时监控测温温度探头至其温度回升时快速插入冷却板，计时1分钟后将所述冷却板取出。
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