TW525227B - Batch-type heat treatment apparatus and control method for the batch-type heat treatment apparatus - Google Patents

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TW525227B TW090122639A TW90122639A TW525227B TW 525227 B TW525227 B TW 525227B TW 090122639 A TW090122639 A TW 090122639A TW 90122639 A TW90122639 A TW 90122639A TW 525227 B TW525227 B TW 525227B
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Wenling Wang
Koichi Sakamoto
Fujio Suzuki
Moyuru Yasuhara
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Tokyo Electron Ltd
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525227 A7 B7 五、發明説明（j ) 相關專利案資料 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 本案係有關於2 0 0 0年9月1 3日於日本申請之日 本專利案N 〇 · 2 0 0 0 — 2 7 8 5 2 6中的專利標的， 其中本案主該該日本案的優先權，於此倂入作爲參考。 發明背景 發明領域 本案係關於一種分批式熱處理設備，用以對許多待加 工之物體例如半導體晶圓或其他物件，整批進行熱處理。 更明確地說，本案係關於一種適應控制型式的分批式熱處 理設備，其可以根據估算結果估算載入的半導體晶圓之溫 度，接著實施最佳控制。且本案係關於一種分批式熱處理 設備之控制方法。 相關背景技術 經濟部智¾財產局R工消費合作社印製 作爲分批在多數半導體晶圓上執行膜形成處理、氧化 處理或擴散處理之分批式熱處理設備，已知有水平式熱處 理設備及垂直式熱處理設備。近年來，垂直式熱處理裝置 已經成爲主流，因爲垂直式熱處理設備會吸入較少的空氣 〇 圖1是一圖形，顯示出習知熱處理設備。這種熱處理 設備包含一垂直加熱爐1 1，及一個作爲晶圓容器之晶圓 船1 2。加熱爐1 1在垂直反應管周圍設有多個加熱器。 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（2丨〇Χ；297公釐） ' -4- 525227 A7 B7 五、發明説明（2 ) 一進氣管1 1 a與一排氣管1 1 b係連接至加熱爐1 1。 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 晶圓船1 2具有多數支撐桿1 3。待加工之物件，例 如晶圓，其外圍邊緣係支撐在形成於個別支撐桿1 3中的 溝紋內，藉此固持晶圓W且以特定間距如架子方式一個疊 在另一個之上。上面安放有多數晶圓W之晶圓船1 2係經 由一個形成在加熱爐底部之開口而載入加熱爐1 1內，以 便進行想要的熱處理。 在這樣的熱處理設備之控制系統中，例如處理溫度、 處理壓力、空氣流動速率等之處理條件係對應於欲形成之 膜的種類及厚度而決定的。已經具有包含這些處理條件的 多種製作方法。個別的操作者僅需選擇對應於薄膜的種類 與厚度之處理法即可根據預設的處理條件來操作熱處理設 備。 熱處理設備可以產生熱處理且控制處理條件，例如處 理溫度、處理壓力、空氣流動速率等以對應於處理法之目 標値。 經濟部智慈財產局8工消費合作社印製 要成爲適當的處理，則必須測量晶圓溫度、加熱爐之 內壓及氣體流動速率等。 在加熱爐中的內壓及氣體流動速率可以分別藉由壓力 計及流量控制器而正確測量。然而，卻很難測量晶圓溫度 〇 例如，可以在晶圓上安裝一温度感測器然後將晶圓載 入加熱爐中。然而，在溫度感測器所安裝之部位上則無法 形成半導體元件，且會使加熱爐內部受到污染而降低半導 本紙張尺度適用中國國家標準（CMS ) A4規格（210X297公釐） -5- 經濟部智慈財產局員工消費合作社印製 525227 A7 B7 五、發明説明（3 ) 體裝置之產量。 可以測量在晶圓周圍之週遭溫度。然而’這種方法仍 然無法正確測量晶圓溫度。 在美國專利案No·5517594中揭示出一種解 決上述問題之技術。在此技術中，於加熱爐內配置多個溫 度感測器，根據溫度感測器之輸出及饋入加熱器的電力等 ，使用數學模式以便控制加熱器的電力。 此項技術無法相當正確地連續測量（估算）晶圓之溫 度，以藉此在不會導致金屬沾污之情形下控制熱處理設備 〇 然而，即使藉由此項技術，根據數學模式所計算之溫 度仍然不會對應到真正的溫度，因爲在真實系統與數學模 式所提供的系統之間具有差異，且真實熱處理的環境與數 學模式所提供的環境之間的差異，及不同的處理法等因素 。在這樣的情形下，根據錯誤的晶圓溫度，則無法控制加 熱器電力且在晶圓上產生想要的處理。 發明槪述 ' 本發明的一目的是要提供一種熱處理設備，可以藉由 數學模式而計算待加工之物件的溫度，進而根據所計算的 溫度來產生熱處理，且這種設備還可以計算出待加工之物 件的正確溫度。 本發明的另一項目的是要提供一種分批式熱處理設備 ，可以高可靠性及高產量來製造半導體裝置，及提供一種 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X 297公釐） ~ " — -6- ---------0------、訂------· (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 525227 A7 B7 五、發明説明（4 ) 分批式熱處理設備之控制方法。 (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 爲了達成上述目的，本發明的分批式熱處理設備包含 一加熱爐可供待加工之物件載入，此加熱爐包括一加熱器 及一溫度感測器；一第一溫度估算器，用以根據溫度感測 器的輸出而測量在加熱爐中待加工的物件之溫度，且根據 溫度感測器的輸出使用一模式來測量在加熱爐中待加工的 物件之溫度及溫度感測器本身的溫度；一第二溫度估算器 ，用以藉由測量溫度感測器本身的溫度；一校正器，用以 根據溫度感測器的輸出所指示的溫度及第二溫度估算器所 測量的溫度感測器之溫度，來修正第一溫度感測器所測量 之溫度；及一控制器，用以根據校正器所修正的溫度來控 制加熱器。 經濟部智M財產局員工消費合作社印製 根據本發明，可藉由使用此模式而真實測量與計算溫 度感測器的溫度。且可以提供在估算得到的溫度與真實測 量出的溫度之間的關係。藉由共同的模式可以測量待加工 的物件之溫度與溫度感測器的溫度，如此能使在真正測量 得到的溫度與溫度感測器的估算溫度之間的關係可以大致 同樣地應用到待加工的物件之真實溫度與估算溫度之間的 關係上。這樣的關係可以應用到待加工的物件之估算溫度 ，藉此待加工的物件之估算溫度能夠被校正以提供大致正 確的待加工物件之溫度，且藉由使用此正確溫度，則可以 控制加熱器。 校正器包括一項機構，能夠提供在第二溫度估算器所 估算的溫度與溫度感測器的輸出所指示的溫度之間的關係 I紙張尺度適财關家標準（CNS ) A4規格（21GX297公釐) ~ ~~' -7- 525227 A7 B7 五、發明説明（5 ) (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 、、f "，且能夠將此關係'' f 〃應用至第一溫度估算器所 估算的待加工物件的溫度上，藉此以修正由第一溫度估算 器所估算出來的待加工物件之溫度。 除此之外，校正器可以提供溫度感測器的輸出所指示 之溫度與第二溫度估算器所估算出的溫度之比率k 〃 ( k =真正測量出來的溫度/估算溫度），且將第一溫度估 算器所估算的待加工物件之溫度乘上此比率'\ k 〃 ，藉此 修正待加工的估算溫度。 上述的模式包括一加熱器控制模式，用以控制加熱器 而使待加工物件的估算溫度接近目標値。 上述模式係用以根據溫度，亦即，溫度感測器的輸出 及加熱器的控制信號，來估算溫度，亦即在加熱爐中待加 工物件之溫度及溫度感測器本身之溫度。第一溫度估算器 能根據溫度感測器的輸出及加熱器的控制信號來估算在加 熱爐中待加工物件的溫度，且 第二溫度估算器能根據溫度感測器的輸出及加熱器的 控制信號來估算溫度感測器的溫度。 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 上述控制器包括一配方記憶體，用於儲存一配方，且 此控制器能夠控制藉由使由此模式所估算出來的溫度，使 得待加工物件的估算溫度能夠根據在配方記憶體中所儲存 之配方而改變。 上述配方記憶體能儲存許多配方，這些配方係被校正 以對應於加熱爐內部的多數區域，這些區域係在待加工物 件的配置方向上分割而成的，且控制器能夠根據個別區域 本紙張尺度適用中.國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） -8- 525227 A7 ___B7_ 五、發明説明（6 ) 的配方而控制加熱器。 上述控制器能控制加熱器，致使能縮小與多個區域的 配方所指示的幾組溫度與校正器所修正的待加工物件之幾 組估算溫度之間的偏差。 爲達到上述目的，本發明分批式熱處理設備的控制方 法包含一加熱爐，此加熱爐包括一加熱器及一溫度感測器 ，用以載入待加工物件，包含以下步驟：根據溫度感測器 的輸出而估算在加熱爐中待加工物件的溫度及溫度感測器 本身的溫度，藉由使用一模式估算在加熱爐中待加工物件 的溫度與溫度感測器本身的溫度，根據溫度感測器的輸出 ;將溫度感測器的輸出所指示的溫度與使用模式所估算的 溫度感測器之溫度進行比較；根據比較結果校正待加工物 件的估算溫度；及根據待加工物件的估算溫度之校正溫度 來控制加熱器。 圖示簡易說明 圖1是習知熱處理設備的圖形，顯示其結構。 圖2是本發明一實施例的熱處理設備之圖形，顯示其 結構。 圖3是控制器結構的一方塊圖。 圖4是C P U的方塊圖，顯示其功能。 圖5 A是在反應管中的區域之圖形。 圖5 B是顯示個別區域的目標溫度軌跡之圖形。 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X 297公釐） (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 訂 f 經濟部智慈財產局員工消費合作社印製 -9- 525227 A7 B7 經濟部智慈財產局員工消費合作社印製 五、發明説明（ 主要元件對照表 2 2 a 2 b lb 2 4 5 7 8 1 2 3 4 7 反應管 內管 外管 加熱器 加熱爐 進氣管 排氣管 晶圓船 支撐桿 歧管 晶圚船 蓋子 熱絕緣圓柱 排氣管 壓力調整器 加熱器 加熱器 加熱器 加熱器 加熱器 電力控制器 電力控制器 電力控制器 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X 297公釐） -10- 525227 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 A7 B7 五、發明説明（8 ) 3 9 電 力 控 制 器 4 0 電 力 控 制 器 4 1 進 氣 管 4 2 進 氣 管 4 3 進 氣 管 4 4 流 率 調 節 器 4 5 流 率 調 節 器 4 6 流 率 調 節 器 1 0 0 控 制 器 1 1 1 .模 式 記 憶 體 1 1 2 配 方 記 憶 體 1 1 3 R 〇 Μ 1 1 4 R A Μ 1 1 5 I / 〇 埠 1 1 6 C P U 1 1 7 匯 流 排 1 1 8 操 作面 板 較 佳 實施例 之詳細 說 :明 將說明本發明一實施例的分批式熱處理設備，其中本 發明的分批式熱處理設備係可以應用至垂直式的熱處理設 備。 如圖2所示，垂直式熱處理設備包含一雙結構的反應 管2，包括一內管2 a及一外管2b，均由石英製成，及 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210x297公釐） IT· (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) -11 - 525227 A7 __ B7 五、發明説明（9 ) 一金屬製成的圓柱歧管2 1，係放置在反應管2的底部上 〇 內管2 a其頂部中斷而開放，且藉由歧管2 1支撐。 外管2 b其頂部非中斷且封閉，且其下端氣密地黏著於歧 管2 1的上端。 在反應管2中’多數片材（基底），例如1 5 0片待 加工物件（晶圓）係安放在晶圓船2 3上，且以特定間距 水平式地一個璺在一個上面，有如架子的放置方式。晶圓 船2 3係經由熱絕緣圓柱（熱絕緣體）2 5而固定在一蓋 子2 4上。 以電阻方式形成的加熱器3係放置在反應管2的周圍 。加熱器3包含五個階段的加熱器3 1到3 5。個別的加 熱器3 1到3 5係從相關的電力控制器3 6到4 0而彼此 獨立供應電力。反應管2、歧管2 1及加熱器則構成加熱 爐。 加熱器3 1到3 5將反應管2的內部區分成5個區域 ，如圖5 A所示。 歧管2 1具有多數進氣管，用以將氣體送入內管2 a 中。在圖2中，爲了便於了解，顯示三條進氣管4 1， 4 2及4 3。二氯甲矽烷、氨及氮氣分別經由流率調節器 44，45，46而饋入個別的進氣管41，42，43 中。排氣管2 7則經由內管2 a與外管2 b之間的間隙而 連接到歧管2 1以便排氣。排氣管2 7連接到一未顯示的 真空泵上。含有組合閥、蝶形閥及閥驅動器之壓力調整器 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） -- (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 訂 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 -12- 經濟部智慈財產局S工消費合作社印製 525227 A7 B7 五、發明説明（1〇 ) 2 8係插入排氣管2 7中，用以調整在反應管2中的壓力 〇 五個熱偶（溫度感測器）s i η 1 - S i η 5係以彼 此垂直對齊的方式放置在內管2 a的內側上。熱偶 S 1 η 1 — S i η 5係以石英管覆蓋，用以防止半導體晶 圓W遭金屬沾污。配置熱偶s i η 1 — S i η 5以對應圖 5 Α所示之五個區域。 多數熱偶（溫度計）S 〇 u t 1 - S 〇 u t 5係以彼 此垂直對齊的方式放置在外管2 b的外側上。亦同樣配置 熱偶Sou t 1 - Sou t 5以對應圖5A所示之五個區 域。 垂直式的熱處理設備包括一控制器1 〇 〇，可控制熱 處理參數，例如處理氣體之溫度、氣體流動率及在反應管 2中的壓力。控制器1 〇 〇接收熱偶S i η 1 - S i η 5 與S ο u t 1 — S ο u t 5之輸出信號以輸出電力控制器 3 6 — 40、壓力調節器28與流率調節器44 — 46的 控制信號。 圖3顯示控制器1 〇 〇的結構。 如圖3所不，控制器1 〇 〇包含一模式記憶體1 1 1 、一配方記憶體 1 12、一 ROM 1 13、一 RAM 1 14、一 I/O 埠 115、一 CPU 1 16 及一連接 這些元件的匯流排。 模式記憶體1 1 1儲存一模式Μ。 模式Μ是一加熱器控制模式（數學模式··高階多次元 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS )八4規格（210X29*7公釐） IT (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) -13- 525227 A7 B7 五、發明説明（11 ) (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 函數）’設計用以估算在個別區域中安裝在晶圓船2 3上 的晶圓W之溫度，及熱偶S i η 1 - S i n 5之溫度，根 據熱偶 Sinl — Sin5 與 Soutl — s〇ut5 的 輸出信號（測量出來的溫度），且將電力饋入加熱器3工 一 3 5 (係對應於連接到加熱器3 1 - 3 5的電力控制器 3 6 - 4 0之控制信號），以便使估算溫度接近目標値。 模式Μ係用於各個溫度區域。 配方記憶體1 1 2儲存多種配方，用以決定控制順序 以對應於熱處理設備所實施的膜形成處理之種類。每個配 方包括用於圖5 Β所示的個別區域之溫度配方。 R〇Μ 1 1 3包含一 E E P R〇Μ、一快閃記憶體 、一硬碟等’且是一儲存媒體，用以儲存CPU 116 的操作程式。 經濟部智慧財產局—工消費合作社印製 RAM 114其作用爲CPU 116的工作區。 1/ ◦埠1 1 5提供熱偶S i nl — S i n5與 S o u t 1 — S〇u t 5的測量信號，且將C P U 1 1 6所輸出的控制信號輸出到個別元件。i / ◦璋 1 1 5係連接到一操作面板1 1 8上。 匯流排1 1 7傳送在個別構件之間的資訊。 CPU 1 16可以是一DSP或其他元件，且根據 來自操作面板1 1 8的命令而執行儲存在ROM 113 內的控制程式，以根據配方記憶體1 1 2內所儲存之配方 而控制熱處理設備之操作。 明確地說，C P U 1 1 6擷取儲存在模式記億體 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） -14- 525227 Μ ___ _Β7 五、發明説明（12 ) 1 1 1中的模式Μ，或者選定與擷取在配方記憶體1 1 2 中所儲存的多數配方之一項，且根據此配方執行處理操作 (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 〇 尤其是在本實施例中，CPU 1 1 6具有產生圖4 所示的功能之結構。C P U 1 1 1接收熱偶S 1 η 1 - S i η 5與S 〇 u t 1 - S 〇 u t 5的測量値及輸至電力 控制器3 6 - 4 0的命令値（亦即，對應於饋入加熱器 3 1 - 3 5的電力之控制信號値），且藉由模式Μ，以第 一溫度估算器估算在區域1到區域中的晶圓溫度，及以第 —'溫度估算益估算熱偶S i η 1 — S i n 5的溫度。 而且，比較器將熱偶S i η 1 — S i η 5的估算溫度 TEs i nl— TEs in5 與熱偶 Si nl — S i η5 的真正測量溫度（自身溫度）T R s i η 1 — T R s i n 5相比較以提供在兩者之間的關係。根據所提 供之關係，校正器能修正晶圓的估算溫度丁£11-T E w 5。 經濟部智慧財產局Μ工消費合作社印製 然後校正器將對應於最佳饋送電力的命令値輸出到電 力控制器3 6 — 4 0，致使校正過的晶圓溫度T w 1 — T w 5可以對應溫度配方所控制的數値。 CPU 1 1 6將指令等輸出到流率控制器4 4 一 4 6及壓力調節器2 8上，如同熱處理設備的一般控制。 然後，以下將說明藉由具有上述結構的分批式熱處理 設備所進行之膜形成處理。 待加工的晶圓W係安放在晶圓船2 3上。 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（21〇χ 297公釐) ~ -15- 525227 A7 B7 五、發明説明（13 ) (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 晶圓船2 3被載入反映管2中。操作員透過操作面板 1 1 8而下令開始處理。由於指令的啓動，C Ρ ϋ 1 1 6分別從模式記憶體1 1 1與配方記憶體1 1 2中擷 取一處理模式及一配方。 根據所擷取的配方，供應電流到加熱器3，且加熱器 開始增加其溫度。而且，C P U 1 1 6將熱偶S 1 η 1 —S i η5到Sou t 1 — Sou t 5及加熱器電力（對 應於施加到電力控制器）3 6 - 4 0的控制信號的輸出信 號予以輸出至擷取的模式Μ，以便估算在最上層區（區域 1 )、上層區（區域2 )、中間區（區域3 )、下層區（ 區域4 )及最下層區（區域5 )等五個區域中的晶圓溫度 TEwl— TEw5，以及熱偶 S i nl — S i η5 的溫 度 TEs ini — 丁 Es in5 。 CPU 1 1 6將熱偶S i nl^S i n5的估算溫 度 TEs ini— TEs in5 與熱偶 Sinl — 經濟部智慧財產局8工消費合作社印製 S i n 5的輸出信號所指示之溫度（真正測量的溫度）， 且根據此比$父結果，校正晶圓的估算溫度T E w 1 -T E w 5。 可以使用任何一種校正方法。例如，提供一函數f m 具有以下的關係T R s i n m = f m ( T E s i n m )， 其中m是1，2，3，4或5。T e s i n m在函數f m 中是藉由晶圓估算溫度T e w m所替代，且f m ( T E w m )可以是一校正過的晶圓溫度。 明確地說，在一情形下，其中熱偶S i n 1 — 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) Α4規格（210Χ 297公釐） ' ~ 一 -16- 525227 A7 B7 五、發明説明（14) (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) s i η 5的真正測量溫度T R s i n 1 — T R s i η 5係 耢由將一偏差値Δο f f s e t 1— Δο f f s e t 5加上 估算溫度T E s i η 1 — T E s i n 5而得，且晶圓估算 溫度T Ew 1 — TEw5係校正成爲TEwl + △ of f se t 1— TEw5+A〇f f se t5 〇 而且，在一情形下，其中熱偶S i nl — S i n5的 真正測量溫度T R s i η 1 - T R s i n 5是藉由將估算 溫度TE s i nl— TEs i n5乘上因數（比率因數） k 1 — k 5而獲得，且晶圓估算溫度TEwl — TEw5 係以比率k 1 一 k 5而校正。 而且，在一情形下，其中存在有滿足方程式1的關係 ，可以產生校正以滿足方程式2。 TRsinm = km*TEsinm-A〇ffsetm ......(1)
Twm = km*TEwm-Aoffsetm ......(2) 因數kl— k2、及偏差値厶〇!【361:1 — 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 Δ 〇 f f s e t 5係以任何方法提供的。例如爲了去除雜訊 的影響，可以將TRs i nl— TRs i n5及 TEs i nl— TEs i n5予以積分來提供因數k與偏 差値 Δ o f f s e t 。 然後，CPU 1 16透過電力控制器36 - 40而 控制將電力一秒一秒地饋入加熱器3 1 - 3 5。亦即，根 據校正過的晶圓溫度，而在晶圓溫度上產生適當的控制。
例如，在時間t五個區域中的校正晶圓溫度被計算爲 TWtl ，TWt2，TWt3，TWt4，TWt5S 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） -17- 525227 A7 B7 五、發明説明（15) 配方所指示的溫度爲T t 1，T t 2，T t 3，T t 4：， T t 5之情形下，會產生控制，致使校正過的晶圓溫度與 目標晶圓溫度（配方所指示的溫度）之間的差異可爲最小 値。例如，可控制欲饋送到個別加熱器3 1 - 3 5的個別 電力以具有最小値，而該最小値係由最小平方法而獲得。 (Twt 1— Tt 1) 2 + (Twt2— Tt2) 2 + (Twt 3-T t 3) 2 + (Twt4-Tt4) 2 + (Twt5— Tt5)2。 換句話說，在個別區域中的晶圓溫度一秒一秒地作估 算，係根據熱偶S i nl — S i n5與Sou t Ι-βο u t 5 及 加熱器 3 1 — 3 5 的電 力的輸 出信號 ，且在 個別五個加熱器3 1 - 3 5上產生適當的控制，致使校正 過的晶圓溫度T w 1 - T w 5可以等於配方所指示的溫度 〇 當溫度增加完全時，則會產生適當控制以維持個別區 域的溫度（最上層區、上層區、中間區、下層區及最下層 區）。‘當一溫度配方具有圖5 B所示的軌跡時，C P U 1 1 6會產生控制以便使校正晶圓溫度T w 1 - T w 5分 別在最上層區（區域1 )是8 5 2 °C、在上層區（區域2 )是8 5 0 °C、在中間層區（區域3 )是8 4 9 °C、在下 層區（區域4)是848 °C、在最下層區（區域5)是 8 4 6。。。 在經過一段時間使得在反應管2中的溫度已經足夠穩 定時，處理氣體被饋送到反應管2中’且開始膜形成處理 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X 297公釐） ^衣-- (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 訂 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 -18- 525227 A7 B7 五、發明説明（16) 。即使在膜形成處理期間，仍然會設定溫度控制以便使在 (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 個別區域中的晶圚溫度能夠最接近溫度配方中的設定溫度 〇 因此’在個別區域中的晶圓分別以不同溫度受到膜形 成處理。然而，該模式及配方具有調整過用以形成均勻膜 的數値（藉由將處理氣體濃度變化予以轉換所提供之數値 、及欲被加熱的晶圓之數目與配置），致使可以在許多晶 圓的不同平面或一個晶圓的平面上形成具有相當均勻厚度 的多層膜。 當膜完全長成時，則停止饋送膜形成氣體，且反應管 2的內部將會冷卻。在冷卻期間，可以估算晶圓的溫度， 且可以校正此估算溫度。當處理結束時，則卸載處理過的 晶圓船2 3。 經濟部智慧財產局員工消費合作钍印製 在分批式熱處理設備中，控制器1 0 0具有準備好的 模式與配方，用以估算晶圓溫度與溫度感測器S i η 1 -S i η 5的溫度。即使因爲某些原因，使控制器1 Ο 0所 估算的晶圓溫度與真正溫度有所偏差，但是此偏差仍可以 校正，且藉由適當控制可以使用此校正過的溫度來執行適 當的膜形成處理（熱處理）。此適當的控制可以適度控制 加熱器3。 而且，設定溫度配方以用於個別區域，致使在平面之 間與平面內的膜厚度是均勻的，藉此可以抑制由於氣體流 率、氣體濃度分布、溫度梯度所導致的膜厚度差異。 假如提供△ 〇 f f s e t 1 — Δ 〇 f f s e t 5的平均 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） -19- 525227 A7 B7 五、發明説明（17 ) 値Δ T a v e及因數k 1 — k 5的平均値k a v e，則可 以修正估算晶圓溫度T E w m成爲k a v e * T E w m -Δ T a v e 〇 以下，將說明用以設計模式及配方的方法。 此模式可以爲任何一種模式（多變數、多階、多輸出 函數等），只要此模式是一數學模式，且可以根據熱偶 S i nl — Si n5 與 Sout 1 — Sou t 5 的輸出（ 測量値）及饋送到加熱器3 1 - 3 5的電力來估算在個別 區域中晶圓的溫度，且還可以辨識饋送到加熱器3 1 -3 5的電力以使五個估算溫度能夠接近目標溫度。 美國專利案No · 5517594所公開的說明書中 有揭示出這樣的模式。 藉由上述美國專利案No _ 5517594說明中所 揭示的模式可以用來說明設計模式與配方的方法。 首先，在圖2所示的熱處理設備中，準備5片測試晶 圓，其中各晶圓在中心及距離中心6 m m處均設有熱偶 S w c，S w e。然後，將此5片測試晶圓連同正常晶圓 一起安裝到晶圓船2 3上面，且使該5片測試晶圓放置在 圖5 A所示的個別區域中。晶圓船2 3則載入反應管2中 。施加高頻帶信號及低頻帶信號到加熱器3 1 - 3 5上， 且以1 - 5秒的取樣週期來獲得相關資料，例如熱偶 S i nl — S i n5 與 Sou t l — s〇u t 5 的輸出、 在測試晶圓上熱偶S w c，S w e的輸出（晶圓溫度）、 及饋送到加熱器之電流等。 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） ----------- (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 訂 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 -20- 525227 A7 B7 五、發明説明（18 然後，在400—11〇 1 ο 〇 °c設置一溫度區域，因 度區會使估算不正確。 根據所獲得的資料，在個 3 )所表示的A R X (自動循 yt + AAlyt-l + AA2yt-2+·· ·· = BBlut-l + BB2ut-2+...... y t .:在時間t時具有以 〇 t:的溫度範圍內以每 爲一個模式若涵蓋太大的溫 別的溫度區域中設定函數（ 运）模式。 • · + A Α η y t - η + Β Β n u t - η + e t 下內容分量的ρ行1列向量 內容：從熱偶Sinl—Si 的輸出的均衡溫度 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) y b i a s之改變量、從熱偶 輸出的均衡溫度y b i a s之 熱偶S w c之改變量及在測試 變量。於是，在此範例中，y
S u
1 - S u 5的 改變量、在測試晶圓中心的 晶圓周圍的熱偶Sw e之改 t是一 2 0行及1列的向量 經濟部智慈財產局員工消費合作社印製 u t :具有分量的一 m行及1列矩陣，在時間t與加 熱器電力均衡値U b i a s的變化量（在此範例中，加熱 器具有5個區域，5行及1列）。 e t : — m排與1攔矩陣，具有白色雜訊作爲分量 11 ·•延遲（d e 1 a y )，例如 8 A A 1 - A A η : — p行及p列的矩陣（在此範例中 爲2 0行及2 0列） B B 1 - Β Β η : — p行及m列的矩陣（在此範例中 爲2 0行及5列） 這些個別因數AA1— AAn，BB1— BBn，係 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X 297公釐） ~ -21 - 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 525227 A7 ____B7_____ 五、發明説明（19 ) 藉由最小平方法或其他方法而決定的。 A R X模式是以方程式（4 )中所示的空間函數來表 示。 -ΑΑι Ιρ···〇_ - ΑΑη 0 …Ο BBf B= · BBn •-AAf Kf = · ΓΑΑη C = [Ip …0] ......(4 ) AA 1…BB n是方程式（3)的因數，且可以由最 小平方法獲得。 因此，可提供一種模式用以根據熱偶（s i n 1 ~ S i η 5 ’ S o u t 1 — S o u t 5 )的溫度 T t h e r m 〇 及加 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） ---------0------IT------·· (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) -22 - 525227 A7 B7 五、發明説明（20) 熱器電力來估算晶圓溫度。 在方程式（3 )中的輸出y t係可區分爲一可測量部 (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 5 t ( P 1行，1列）及一晶圓溫度w t ( P 2行、1列 )。C於是被區分爲C s及C w，且y b i a s被區分爲 Sbias 及 Wbias。 可以函數（5 )計算晶圓溫度。
Xt + i — AXt + BUt + kf 6 t
St=zCsXt + [ Ip > 〇〕e t...... (5) 利用一適當的李卡提函數來解方程式（5 )而獲得一 反饋增益L，且然後以方程式（6 )來表示經溫度模式。 Xt+l = AXt + B(Ut + Ubias) + L(Ttberm〇'*CsXt + Sbias)
Tmodelt^CwXtH- W bias...... (θ) 在此，T m。d e i，t是一預期的晶圓溫度。 然後，在測試晶圓上再次測量晶圓溫度。將方程式（ 6 )所預期晶圓溫度T m 〇 d e 1與所測量出來之真正溫 度T w a f e r相比較，藉此調整該模式。可依照需要， 重複幾遍此調整操作。 經濟部智慈財產局員工消費合作社印製 爲了增進真正膜形成時的處理速度，所以將模式的維 數（d i m e n s i ο η )減少1 〇，且將此模式儲存在 熱處理設備中。 另一方面，設定C P U 1 1 6的操作程式，致使 CPU 1 1 6能根據設定的溫度値來縮小估算晶圓溫度 之變化的平均時間。 而且，準備一目標溫度軌跡T t r a j ( t )，能夠 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（21〇Χ：297公釐） -23- 525227 A7 B7 五、發明説明（21) 在個別區域中形成均勻厚度的膜，亦即準備一溫度配方。 (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 接著，產生控制，使得所有5個區域均遵循此目標溫 度軌跡，且執行此測試膜形成處理。在測試膜形成處理之 後，測量所形成的膜之厚度以檢查膜厚度之變化。 例如，當在上面架子中的晶圓膜厚度小於在下面架子 中的晶圓膜厚度時，即使不知道直接原因，上面架子的溫 度會上升的相當快，藉此可以使膜厚度變得大致相等。然 後，藉由最小平方法或其他方法可以修正目標溫度軌跡 T t r a j ( t )，致使此變化是最小値。 這是用於圖5 B所示的個別區域之溫度配方。此配方 也可以進一步調整。 用於定義估算晶圓溫度的模式及配方，及用於使晶圓 溫度等於目標溫度的輸出均可以設定以對應於多數欲處理 的晶圓及其配置，且兩者均儲存在模式記憶體1 1 1與配 方儲存機構112中。 在真正的膜形成時，可以適當地選擇與擷取模式與配 方以用於控制。 經濟部智慈財產局Μ工消費合作社印製 已經說明本發明一實施例之分批式熱處理設備，及其 適當控制，及用於設計控制用的模式及配方之方法。然而 本發明並未被侷限於上述實施例而已，且可以涵蓋其他各 種修改與應用。 例如，雖然藉由形成氮膜的熱C V D系統來作爲實施 例以說明本發明，半是本發明可以用於任何種類的處理， 且可以應用於各種分批式熱處理設施，例如形成其他種類 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) Α4規格（210X297公釐） -24- 525227 A7 ____B7 五、發明説明（22 ) 膜的C V D系統、氧化系統、蝕刻系統等。然而，模式與 配方是設計用於欲形成的各種膜。 而且，機器與設備及操作方式也並未侷限至上述實施 例。例如，在上述實施例中，設有5個加熱器，且反應管 2的內部具有5個區域。加熱器及溫度區域的數目均可任 意選定。加熱器也並一定要電阻式的。測量溫度的機構也 不一定是熱偶，而可以是任意的溫度感測器。 模式及用於設計模式的方法也並未侷限至如美國專利 案No ·5517594中所揭示之模式與方法，可以使 用任何的模式與設計模式之方法。 根據上述，本發明的熱處理設備可對於在熱處理爐中 不同數目與配置方式的待加工物件上產生適當的處理。 ^衣-- (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 訂 經濟部智慧財產局Μ工消費合作社印製 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) Α4規格（210Χ297公釐） -25-

Claims (1)

  1. 525227 A8 B8 C8 D8 六、申請專利範圍 1 1 · 一種分批式熱處理設備，包含： (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 加熱爐，包括一加熱器及一溫度感測器，可使一待加 工物件載入； 第一溫度估算器，係根據該溫度感測器的輸出，使用 一用以估算在加熱爐中之待加工物件的溫度之模式，來估 算在加熱爐中待加工物件的溫度； 第二溫度估算器，用以藉由使用該模式以估算該溫度 感測器本身之溫度； 校正器，係根據該溫度感測器的輸出顯示的溫度，·及 由第二溫度估算器所估算的溫度感測器之溫度，來校正由 第一溫度估算器所估算的溫度感測器之溫度； 控制器，用以根據該校正器所校正之溫度以控制該加 熱器。 2 ·根據申請專利範圍第1項之分批式熱處理設備， 其中 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 該校正器包括一機構，用以提供介於由第二溫度估算 器所估算的溫度與溫度感測器的輸出所顯示的溫度之間的 關係，且用於將此關係應用至由第一溫度估算器所估算之 待加工物件的溫度，藉此校正由第一溫度估算器所估算之 待加工物件的溫度。 3 .根據申請專利範圍第1項之分批式熱處理設備’ 其中 該校正器根據由第二溫度估算器所估算之溫度而提供 由溫度感測器輸出所顯示之溫度偏差，且將此偏差添加到 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） -26 - 525227 A8 B8 C8 D8 六、申請專利範圍 2 由第一溫度估算器所估算之溫度上，藉此以修正由第一溫 度估算器所估算之待加工物件的溫度。 (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 4 ·根據申請專利範圍第1項之分批式熱處理設備， 其中 該校正器提供一比率，係將溫度感測器輸出所顯示的 溫度比上第二溫度估算器所估算的溫度感測器之溫度，且 將第一溫度估算器所估算之待加工物件的溫度乘上該比率 ，藉此以校正待加工物件的估算溫度。 5 ·根據申請專利範圍第1項之分批式熱處理設備， 其中 該模式是用於根據溫度感測器的輸出及加熱器的控制 信號而估算在加熱爐中待加工物件之溫度， 第一溫度估算器係根據溫度感測器的輸出及加熱器的 控制信號而估算在加熱爐中待加工物件之溫度，且 第二溫度估算器係根據溫度感測器的輸出及加熱器的 控制信號而估算在加熱爐中待加工物件之溫度。 6 ·根據申請專利範圍第1項之分批式熱處理設備， 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 其中 該模式包括一加熱器控制模式，用於控制加熱器以使 待加工物件的估算溫度能夠接近目標値。 7 ·根據申請專利範圍第6項之分批式熱處理設備， 其中 該控制器包括一配方記憶體，用於儲存一配方，該配 方係對應時間變化且可應用於待加工物件上，且 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） -27- 525227 A8 B8 C8 _ D8 六、申請專利範圍 3 控制益控制藉由使用模式而估算的溫度，致使待加工 物件的估算溫度會根據配方記憶體中所儲存的配方作變化 〇 8 · —種分批式熱處理設備，包含： 加熱爐，包括多數加熱器及多數溫度感測器，可使待 加工物件載入； 第一溫度估算器，係根據該溫度感測器的輸出，使用 一用以估算在加熱爐中之待加工物件的溫度之模式，來估 算在加熱爐中待加工物件的溫度； · 第二溫度估算器，用以藉由使用該模式以估算該溫度 感測器本身之溫度； 校正器，係根據該溫度感測器的輸出顯示的溫度及由 第二溫度估算器所估算的溫度感測器之溫，來校正由第一 溫度估算器所估算的溫度感測器之溫度； 控制器，用以根據該校正器所校正之溫度以控制該加 熱器。 9 .根據申請專利範圍第8項之分批式熱處理設備， 其中 校正器包括一機構，用以提供介於由第二溫度估算器 所估算的溫度與溫度感測器的輸出所顯示的溫度之間的關 係，且用於將此關係應用至由第一溫度估算器所估算之待 加工物件的溫度，藉此校正由第一溫度估算器所估算之待 加工物件的溫度。 1 0 .根據申請專利範圍第8項之分批式熱處理設備 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） " " " -28- (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 項再填办 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 525227 8 8 8 8 ABCD 六、申請專利範圍 4 ，其中 該校正器根據由第二溫度估算器所估算之溫度而提供 由溫度感測器輸出所顯示之溫度偏差，且將此偏差添加到 由第一溫度估算器所估算之溫度上，藉此以修正由第一溫 度估算器所估算之待加工物件的溫度。 1 1 ·根據申請專利範圍第8項之分批式熱處理設備 ，其中 該校正器提供一比率，係將溫度感測器輸出所顯示的 溫度比上第二溫度估算器所估算的溫度感測器之溫度，·且 將第一溫度估算器所估算之待加工物件的溫度乘上該比率 ，藉此以校正待加工物件的估算溫度。 1 2 ·根據申請專利範圍第8項之分批式熱處理設備 ，其中 該模式是根據溫度感測器的輸出及加熱器的控制信號 而用以估算在加熱爐中待加工物件之溫度， 第一溫度估算器係根據溫度感測器的輸出及加熱器的 控制信號而估算在加熱爐中待加工物件之溫度，且 第二溫度估算器係根據溫度感測器的輸出及加熱器的 控制信號而估算在加熱爐中待加工物件之溫度。 1 3 ·根據申請專利範圍第8項之分批式熱處理設備 ，其中I 該模式包括一加熱器控制模式，用於控制加熱器以使 待加工物件的估算溫度能夠接近目標値。 1 4 ·根據申請專利範圍第1 3項之分批式熱處理設 玉紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4祕（21〇χ297公釐) (請先閱讀背面之注意事 項再填I :寫本頁) 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 -29- 525227 A8 Βδ C8 D8 々、申請專利範圍 5 備，其中 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本I) 該控制器包括一配方記憶體，用於儲存一配方，該配 方係對應時間變化且可應用於待加工物件上，且控制器控 制藉由使用模式而估算的溫度，致使待加工物件的估算溫 度會根據配方記憶體中所儲存的配方作變化。 1 5 .根據申請專利範圍第1 4項之分批式熱處理設 備，其中 配方記憶體儲存許多配方，這些配方係經校正以對應 於加熱爐內部的多個區域，而加熱爐係在待加工物件之配 置方向分割成這些區域，且 控制器根據個別區域的配方而控制加熱器。 1 6 .根據申請專利範圍第1 5項之分批式熱處理設 備，其中 該控制器能控制加熱器，致使可以縮小偏差，該偏差 係位於待加工物件經校正器所校正之幾組估算溫度與用於 多數區域的配方所指出之幾組溫度之間。 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 1 7 . —種分批式熱處理設備之控制方法，此熱處理 設備包含一加熱爐，該加熱爐又包括一加熱器及一溫度感 測器，用於使一待加工物件可以載入，該控制方法包含以 下步驟： 估算在加熱爐中待加工物件的溫度及溫度感測器本身 之溫度，此估算係根據該溫度感測器的輸出，且藉由使用 一用以估算在加熱爐中待加工物件的溫度及溫度感測器本 身溫度的模式； 本&張尺度適财關家辟（CNS ) A刪μ ( 210X297公釐) ' -30- 525227 A8 B8 C8 D8 六、申請專利範圍 6 將溫度感測器的輸出所顯示之溫度與使用模式所估算 的溫度感測器之溫度相比較； (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 拫據此比較的結果，以校正待加工物件的估算溫度； 且 根據待加工物件的估算溫度之校正過的溫度來控制加 熱器。 1 8 ·根據申請專利範圍第1 7項之分批式熱處理設 備之控制方法，其中 該模式係根據該溫度感測器的輸出及加熱器的控制信 號’而用於估算在加熱爐中待加工物件的溫度及溫度感測 器本身的溫度，且 在加熱爐中待加工物件的溫度及溫度感測器本身的溫 度係根據溫度感測器的輸出及加熱器的控制信號而估算的 〇 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 1 9 . 一種分批式熱處理設備之控制方法，該熱處理 設備包含一加熱爐，該加熱爐又包括多個加熱器及多個溫 度感測器，用於使待加工物件可以載入，該控制方法包含 以下步驟： 估算在加熱爐中待加工物件的溫度及溫度感測器本身 之溫度’此估算係根據該溫度感測器的輸出，且藉由使用 一用以估算在加熱爐中待加工物件的溫度及溫度感測器本 身溫度的模式； 將溫度感測器的輸出所顯示之溫度與使用模式所估算 的溫度感測器之溫度相比較； 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210 X 297公釐） -31 - 525227 A8 B8 C8 D8 力、申請專利範圍 7 根據該比較的結果，以校正待加工物件的估算溫度； 且 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 根據待加工物件的估算溫度之校正過的溫度來控制加 熱器。 2 0 ·根據申請專利範圍第1 9項之分批式熱處理設 備之控制方法，其中 該模式係根據溫度感測器的輸出及加熱器的控制信號 ’而用於估算在加熱爐中待加工物件的溫度及溫度感測器 本身的溫度，且 · 在加熱爐中待加工物件的溫度及溫度感測器本身的溫 度係根據溫度感測器的輸出及加熱器的控制信號而估算的 0 2 1 ·根據申請專利範圍第1 9項之分批式熱處理設 備之控制方法，其中 控制該加熱器，致使能縮小偏差，該偏差係位於待加 工物件幾組校正過的估算溫度與配方所指示待加工物件的 幾組溫度之間。 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） - 32-
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