TWI497627B - 熱處理裝置及熱處理方法 - Google Patents

熱處理裝置及熱處理方法 Download PDF

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TWI497627B
TWI497627B TW101110394A TW101110394A TWI497627B TW I497627 B TWI497627 B TW I497627B TW 101110394 A TW101110394 A TW 101110394A TW 101110394 A TW101110394 A TW 101110394A TW I497627 B TWI497627 B TW I497627B
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temperature sensor
processing container
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sensor
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Koji Yoshii
Tatsuya Yamaguchi
Wenling Wang
Takanori Saito
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Tokyo Electron Ltd
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    • H01L21/67—Apparatus specially adapted for handling semiconductor or electric solid state devices during manufacture or treatment thereof; Apparatus specially adapted for handling wafers during manufacture or treatment of semiconductor or electric solid state devices or components ; Apparatus not specifically provided for elsewhere
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Description

熱處理裝置及熱處理方法
【相關申請案之交互參照】
本申請案主張2011年4月5日申請的日本專利申請案第2011-083637號之優先權，其揭露內容整體係併於此作為參考。
本發明有關於熱處理裝置及熱處理方法，其係用以熱處理待處理物件。
在製造半導體裝置時，各種型式的熱處理裝置係用以執行如半導體晶圓之待處理物件的熱處理，例如氧化、擴散、CVD、退火等。其中，批次式熱處理裝置，尤其是垂直式的係以其可一次熱處理大量半導體晶圓(下文有時簡稱為晶圓)而聞名。此一垂直熱處理裝置包含熱處理熔爐，其包含具有底部開口的處理容器。裝載有大量晶圓的夾持器係自下方載(裝載)入處理容器，且處理容器中的晶圓係利用環設於處理容器的加熱部(加熱器)而熱處理。熱處理裝置一般係設有用以偵測加熱器溫度的溫度感測器、及用以偵測處理容器之內部溫度的溫度感測器。基於來自溫度感測器之各者的訊號，加熱器之功率受到控制，使得一或更多晶圓或處理容器之內部達到所設溫度。就此而論，專利文件2揭露一種方法，其中藉由於混合比例調整部中，將來自溫度感測器的偵測數值及所設數值以一定比例內插，而使後續溫度受到控制。專利文件1教示溫度感測器之設置，其位於晶圓附近並與晶圓共同移動。
<先前技術文件>
專利文件1：日本專利公開案第H7-273057號
專利文件2：日本專利公開案第2002-353153號
現今，由於因半導體裝置之微型化引發對更低之處理溫度(100至400℃)的需求逐漸增加，控制半導體晶圓溫度變得益發困難。
從裝載夾持工具、容置半導體晶圓、載入處理容器、直到使該晶圓穩定在所設溫度的這段期間，溫度感測器之偵測溫度極度相異於晶圓之實際溫度，尤其在100至400℃溫度範圍中。大幅度溫度差異係肇因於晶圓之吸收波長。再者，需長時間以加熱晶圓直到所設溫度。
本發明係鑒於以上情況而完成。因此，本發明之目標係提供熱處理裝置及熱處理方法，其可迅速並精確加熱待處理物件直到所設溫度。
為了達成此目標，本發明提供熱處理裝置，其包含：處理容器，用以處理待處理物件；加熱部，設置於該處理容器之外，用以從外部加熱該處理容器；夾持部，用以夾持該待處理物件、並將其載入載出該處理容器；夾持部輸送部，用以將該夾持部載入載出該處理容器；第一溫度感測器，設置於該加熱部及該處理容器之間，用以偵測該加熱部之溫度；第二溫度感測器，固設於該處理容器中，用以偵測該處理容器之內部溫度；第三溫度感測器，與該夾持部共同被載入載出該處理容器；控制部，用以控制輸至該加熱部的功率；及溫度推估部，用以選擇該第一溫度感測器、該第二溫度感測器、及該第三溫度感測器其中之二，並基於來自該二溫度感測器的偵測溫度，推估該待處理物件之溫度；且該溫度推估部依據下列方程式判定該待處理物件之溫度T：T=T1 x(1-α)+T2 x α,α>1，其中T1代表該第一溫度感測器、該第二溫度感測器、及該第三溫度感測器其中之一的偵測溫度，T2代表該第一溫度感測器、該第二溫度感測器、及該第三溫度感測器其中另一者的偵測溫度，且α代表混合比例；並且把來自該第一溫度感測器、該第二溫度感測器、及該第三溫度感測器的偵測溫度資料、與夾持於該夾持部中的該待處理物件載入該處理容器中之步驟後的該待處理物件之偵測溫度進行比 較，並選擇比該未擇定之溫度感測器的偵測溫度更接近該處理物件之偵測溫度的該溫度感測器之組合，進而選擇該二溫度感測器並判定該混合比例α。
本發明亦提供一種熱處理方法，其使用該熱處理裝置，該熱處理裝置包含：處理容器，其用以處理待處理物件；加熱部，設置於該處理容器之外，用以從外部加熱該處理容器；夾持部，用以夾持該待處理物件、並將其載入載出該處理容器；夾持部輸送部，用以將該夾持部載入載出該處理容器；第一溫度感測器，設置於該加熱部及該處理容器之間，並用以偵測該加熱部之溫度；第二溫度感測器，固設於該處理容器中，用以偵測該處理容器之內部溫度；第三溫度感測器，與該夾持部共同被載入載出該處理容器；控制部，用以控制輸至該加熱部之功率；及溫度推估部，用以選擇該第一溫度感測器、該第二溫度感測器、及該第三溫度感測器其中之二，並基於來自該二溫度感測器的偵測溫度，推估該待處理物件之溫度；該熱處理方法包含以下步驟：將待處理物件裝載至該夾持部中；將夾持於該夾持部中的該待處理物件載入該處理容器中；於該溫度推估部中，選擇該第一溫度感測器、該第二溫度感測器、及該第三溫度感測器其中之二，並基於來自該二溫度感測器的偵測溫度，推估該待處理物件之溫度；及基於該溫度推估部所推估的該待處理物件之溫度，控制該加熱部之功率；且該溫度推估部依據下列方程式判定該待處理物件之溫度T：T=T1 x(1-α)+T2 x α,α>1，其中T1代表該第一溫度感測器、該第二溫度感測器、及該第三溫度感測器其中之一的偵測溫度，T2代表該第一溫度感測器、該第二溫度感測器、及該第三溫度感測器其中另一者的偵測溫度，且α代表混合比例；並且該熱處理方法更包含以下步驟：將來自該第一溫度感測器、該第二溫度感測器、及該第三溫度感測器的偵測溫度資料與夾持於該夾持部中的該待處理物件載入該處理容器中之步驟後的該待處理物件之偵測溫度進行比較，並選擇比該未擇定之溫度感測器 的偵測溫度更接近該處理物件之偵測溫度的該溫度感測器之組合，進而選擇該二溫度感測器並判定該混合比例α。
即使在如下所述的低溫範圍中，本發明仍可精確地推估待處理物件之溫度，適當地控制加熱部之功率，並迅速且精確地增加及控制待處理物件之溫度。在該低溫範圍中，待處理物件之吸收波長短，且待處理物件之熱反應低，且由於溫度感測器之熱反應高於待處理物件，故其無法跟上待處理物件之溫度。
本發明之較佳實施例現將參照圖式描述。
參考圖1，垂直熱處理裝置1包含垂直熱處理熔爐2，其可容置大量待處理物件(如半導體晶圓)並執行待處理物件之熱處理，如氧化、擴散、或減壓CVD。熱處理熔爐2於其內環面上包含產熱電阻器(加熱器)3、並包含用以容置及熱處理晶圓W的處理容器5。處理容器5定義出位於處理容器5及加熱器3之間的空間4。加熱器3作為用以加熱晶圓W的加熱部。
空間4係分成排列成垂直方向的複數個單元區域，例如10個單元區域A1、A2、A3、A4、A5、A6、A7、A8、A9、A10。加熱器3係配置成可個別對10個單元區域A1至A10之各者控制其功率。用以分別量測單元區域A1至A10中的加熱器溫度的加熱器溫度感測器(第一溫度感測器)Ao1至Ao10係設置於空間4中。
熱處理熔爐2係支持於基座板6上，其具有用以自下方插入處理容器5的開口7。
處理容器5係經由歧管8而支持於基座板6上。處理氣體係自歧管8經由連接至圖未示之氣體供應源的噴注器51而供入處理容器5。供入處理容器5的處理氣體或清潔氣體係經由連接至圖未示之排空系統的排出埠52而排出，該排空系統包含可控制地將處理容器5減壓的真空泵。
在歧管8下方係設置一藉由升降機構10垂直移動的蓋體9，以蓋上熔爐開口53。保熱部11係置於蓋體9之上表面上，且 用以在垂直方向上以預定間距夾持大量晶圓W的夾持部(晶舟)12係設置於保熱部11上。利用升降機構10，晶舟12係藉由蓋體9之向下移動而自處理容器5載(卸載)入圖未示的裝載區域，且在代換晶圓W之後，利用升降機構10而藉由蓋體9之向上移動載(裝載)入處理容器5。
蓋體9係設有用以使晶舟12在其軸上旋轉的旋轉機構13。
熱處理熔爐2可設有絕熱器21、用以快速冷卻處理容器5的冷卻氣體之流動通道22、用以自流動通道22將冷卻氣體射入空間4的氣體出口23、及用以自空間4排出冷卻氣體的排出埠24。圖未示的換熱器及圖未示的鼓風機可被設置於排出埠24之下游。再者，亦可設置用以將冷卻氣體供至流動通道22的圖未示之鼓風機。
處理容器5在分別對應至單元區域A1至A10的位置上係設有偵測處理容器5之內部溫度的容器內溫度感測器(第二溫度感測器)Ai1至Ai10。
再者，晶舟12係設有與晶圓W共同裝載/卸載的可動式溫度感測器(第三溫度感測器)Ap1至Ap10。
在習知做法中，訊號係自加熱器溫度感測器Ao1至Ao10及容器內溫度感測器Ai1至Ai10經由偵測訊號線31、32引進控制部35中。控制部35中所執行的PID控制或模型控制之計算結果被傳送至加熱器功率部36。加熱器功率部36經由加熱器電源線37及加熱器終端38控制各加熱器3之功率。
然而，習用方法無法完全追蹤在100至400℃之低溫範圍中的晶圓W之溫度上的變化。依據本發明，溫度推估部34經由偵測訊號線33獲得關於可動式溫度感測器Ap1至Ap10之偵測溫度的資料，且亦分別經由偵測訊號線31及32獲得關於加熱器溫度感測器Ao1至Ao10及容器內溫度感測器Ai1至Ai10之偵測溫度的資料。在晶圓W自裝載區域裝載入處理容器5之前及之後，溫度推估部34乃依據下述方程式進行計算，以推估晶圓W之溫度上的變化。推估結果係傳送至控制部35，且控制部35控制各加 熱器3之功率。
現將參考圖2來說明在裝載晶圓W時的溫度推估部34之操作。
圖2為顯示溫度推估部34之作動的圖表，橫座標表示裝載晶圓W的時間(min)，且縱座標表示溫度。
從在室溫下的晶舟裝載入200℃之穩定內部溫度的處理容器中開始、直到晶圓W達到200℃穩定溫度的整段期間的觀察，本圖表顯示由加熱器溫度感測器(第一溫度感測器)、容器內溫度感測器(第二溫度感測器)、及可動式溫度感測器(第三溫度感測器)所偵測到的溫度之行為表現。如可見於圖2，第一至第三溫度感測器所偵測到之溫度的行為均相當相異於晶圓之實際溫度的行為。再者，感測器之偵測溫度均高於晶圓W之實際溫度。如同自資料可察知，吾人自難以藉由習用方法以0至100%的混合比例推估晶圓W之溫度。
溫度推估部34依據下列計算方程式計算合成訊號：T=T1 x(1-α)+T2 x α,α>1
其中T1代表該第一溫度感測器、該第二溫度感測器、及該第三溫度感測器其中之一的偵測溫度，T2代表該第一溫度感測器、該第二溫度感測器、及該第三溫度感測器其中另一者的偵測溫度，且α代表混合比例。
在一示範性合成訊號之情況中，乃使用可動式感測器的偵測溫度當作T1、使用容器內溫度感測器的偵測溫度當作T2、及α使用「1.8」來進行計算，結果合成訊號之行為與晶圓溫度之行為同步化良好。溫度感測器之選擇受到裝置中的感測器之位置所影響。再者，溫度感測器之建構取決於裝置之建構。因此，必須預備如圖2中所示之溫度資料，並預先找出最佳數值。
如圖2中所示，在將晶圓裝載入處理容器後，需如90分鐘的極長時間以將晶圓溫度穩定在200℃。但其原來卻是可藉由基於如上述方式所計算的推估晶圓溫度來控制加熱器溫度，而使得在晶圓裝載時溫度之穩定化的所需時間可縮短30%至50%。因此， 本發明可有效地加以使用，尤其當設置在裝置中的溫度感測器之偵測溫度及待處理物件之實際溫度之間具有大幅度差異時，本發明可精確且迅速控制並增加在低溫範圍(100至400℃)中的矽晶圓之溫度，其中在該低溫範圍中矽晶圓之吸收波長短。
雖然在本實施例中空間4係分成十個單元區域A1至A10，但空間4可被分成任何數量的單元區域。再者，空間4之劃分並未侷限於如本實施例中的均等劃分。例言之，可將受到大幅度溫度變化之熔爐開口區域分成較窄的單元區域。可於冷卻氣體排出埠中或於圍繞保熱部的區域中提供額外溫度感測器。
1‧‧‧熱處理裝置
2‧‧‧熱處理熔爐
3‧‧‧加熱器
4‧‧‧空間
5‧‧‧處理容器
6‧‧‧基座板
7‧‧‧開口
8‧‧‧歧管
9‧‧‧蓋體
10‧‧‧升降機構
11‧‧‧保熱部
12‧‧‧晶舟
13‧‧‧旋轉機構
21‧‧‧絕熱器
22‧‧‧流動通道
23‧‧‧氣體出口
24‧‧‧排出埠
31‧‧‧偵測訊號線
32‧‧‧偵測訊號線
33‧‧‧偵測訊號線
34‧‧‧溫度推估部
35‧‧‧控制部
36‧‧‧加熱器功率部
37‧‧‧加熱器電源線
38‧‧‧加熱器終端
51‧‧‧噴注器
52‧‧‧排出埠
53‧‧‧熔爐開口
A1‧‧‧單元區域
A2‧‧‧單元區域
A3‧‧‧單元區域
A4‧‧‧單元區域
A5‧‧‧單元區域
A6‧‧‧單元區域
A7‧‧‧單元區域
A8‧‧‧單元區域
A9‧‧‧單元區域
A10‧‧‧單元區域
Ai1‧‧‧容器內溫度感測器
Ai2‧‧‧容器內溫度感測器
Ai3‧‧‧容器內溫度感測器
Ai4‧‧‧容器內溫度感測器
Ai5‧‧‧容器內溫度感測器
Ai6‧‧‧容器內溫度感測器
Ai7‧‧‧容器內溫度感測器
Ai8‧‧‧容器內溫度感測器
Ai9‧‧‧容器內溫度感測器
Ai10‧‧‧容器內溫度感測器
Ao1‧‧‧加熱器溫度感測器
Ao2‧‧‧加熱器溫度感測器
Ao3‧‧‧加熱器溫度感測器
Ao4‧‧‧加熱器溫度感測器
Ao5‧‧‧加熱器溫度感測器
Ao6‧‧‧加熱器溫度感測器
Ao7‧‧‧加熱器溫度感測器
Ao8‧‧‧加熱器溫度感測器
Ao9‧‧‧加熱器溫度感測器
Ao10‧‧‧加熱器溫度感測器
Ap1‧‧‧可動式溫度感測器
Ap2‧‧‧可動式溫度感測器
Ap3‧‧‧可動式溫度感測器
Ap4‧‧‧可動式溫度感測器
Ap5‧‧‧可動式溫度感測器
Ap6‧‧‧可動式溫度感測器
Ap7‧‧‧可動式溫度感測器
Ap8‧‧‧可動式溫度感測器
Ap9‧‧‧可動式溫度感測器
Ap10‧‧‧可動式溫度感測器
W‧‧‧晶圓
圖1為依據本發明之一實施例示意地顯示熱處理裝置的垂直剖面圖；圖2為顯示溫度推估部之作動的示意圖。
1‧‧‧熱處理裝置
2‧‧‧熱處理熔爐
3‧‧‧加熱器
4‧‧‧空間
5‧‧‧處理容器
6‧‧‧基座板
7‧‧‧開口
8‧‧‧歧管
9‧‧‧蓋體
10‧‧‧升降機構
11‧‧‧保熱部
12‧‧‧晶舟
13‧‧‧旋轉機構
21‧‧‧絕熱器
22‧‧‧流動通道
23‧‧‧氣體出口
24‧‧‧排出埠
31‧‧‧偵測訊號線
32‧‧‧偵測訊號線
33‧‧‧偵測訊號線
34‧‧‧溫度推估部
35‧‧‧控制部
36‧‧‧加熱器功率部
37‧‧‧加熱器電源線
38‧‧‧加熱器終端
51‧‧‧噴注器
52‧‧‧排出埠
53‧‧‧熔爐開口
A1‧‧‧單元區域
A2‧‧‧單元區域
A3‧‧‧單元區域
A4‧‧‧單元區域
A5‧‧‧單元區域
A6‧‧‧單元區域
A7‧‧‧單元區域
A8‧‧‧單元區域
A9‧‧‧單元區域
A10‧‧‧單元區域
Ai1‧‧‧容器內溫度感測器
Ai2‧‧‧容器內溫度感測器
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Ai4‧‧‧容器內溫度感測器
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Ai10‧‧‧容器內溫度感測器
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Ao2‧‧‧加熱器溫度感測器
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Ap6‧‧‧可動式溫度感測器
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Ap9‧‧‧可動式溫度感測器
Ap10‧‧‧可動式溫度感測器
W‧‧‧晶圓

Claims (2)

  1. 一種熱處理裝置，包含：處理容器，其係配置成處理待處理物件；加熱部，設置於該處理容器之外，其係配置成從外部加熱該處理容器；夾持部，其係配置成夾持該待處理物件、並將其載入載出該處理容器；夾持部輸送部，其係配置成將該夾持部載入載出該處理容器；第一溫度感測器，設置於該加熱部及該處理容器之間，並配置成偵測該加熱部之溫度；第二溫度感測器，固設於該處理容器中，配置成偵測該處理容器之內部溫度；第三溫度感測器，與該夾持部共同被載入載出該處理容器；控制部，用以對該加熱部控制功率；及溫度推估部，其係配置成選擇該第一溫度感測器、該第二溫度感測器、及該第三溫度感測器其中之二，並基於來自該二溫度感測器的偵測溫度，推估該待處理物件之溫度；其中該溫度推估部依據下列方程式判定該待處理物件之溫度T：T=T1 x(1-α)+T2 x α,α>1，且T1代表該第一溫度感測器、該第二溫度感測器、及該第三溫度感測器其中之一的偵測溫度，T2代表該第一溫度感測器、該第二溫度感測器、及該第三溫度感測器其中另一者的偵測溫度，α代表混合比例；並且把來自該第一溫度感測器、該第二溫度感測器、及該第三溫度感測器的偵測溫度資料、與夾持於該夾持部中的該待處理物件在載入該處理容器中之步驟後的一偵測溫度進行比較，並選擇比非擇定之該溫度感測器的偵測溫度更接近該待處理物件之該偵測溫度的該等溫度感測器之組合，進而選擇該二溫度感測器並判定該混合比例α。
  2. 一種熱處理方法，其使用一熱處理裝置，該熱處理裝置包含：處理容器，其係配置成處理待處理物件；加熱部，設置於該處理容器之外，其係配置成從外部加熱該處理容器；夾持部，其係配置成夾持該待處理物件、並將其載入載出該處理容器；夾持部輸送部，其係配置成將該夾持部載入載出該處理容器；第一溫度感測器，設置於該加熱部及該處理容器之間，並配置成偵測該加熱部之溫度；第二溫度感測器，固設於該處理容器中，配置成偵測該處理容器之內部溫度；第三溫度感測器，與該夾持部共同被載入載出該處理容器；控制部，用以對該加熱部控制功率；及溫度推估部，其係配置成選擇該第一溫度感測器、該第二溫度感測器、及該第三溫度感測器其中之二，並基於來自該二溫度感測器的偵測溫度，推估該待處理物件之溫度；該熱處理方法包含下列步驟：將一待處理物件裝載至該夾持部中；將夾持於該夾持部中的該待處理物件載入該處理容器中；於該溫度推估部中，選擇該第一溫度感測器、該第二溫度感測器、及該第三溫度感測器其中之二，並基於來自該二溫度感測器的偵測溫度，推估該待處理物件之溫度；及基於該溫度推估部所推估的該待處理物件之溫度，控制該加熱部之功率；其中該溫度推估部依據下列方程式判定該待處理物件之溫度T：T=T1 x(1-α)+T2 x α,α>1，且T1代表該第一溫度感測器、該第二溫度感測器、及該第三溫度感測器其中之一的偵測溫度，T2代表該第一溫度感測器、該第二溫度感測器、及該第三溫度感測器其中另一者的偵測溫度，α代表混合比例；並且 該熱處理方法更包含下述步驟：把來自該第一溫度感測器、該第二溫度感測器、及該第三溫度感測器的偵測溫度資料、與夾持於該夾持部中的該待處理物件在載入該處理容器中之步驟後的一偵測溫度進行比較，並選擇比非擇定之該溫度感測器的偵測溫度更接近該待處理物件之該偵測溫度的該等溫度感測器之組合，進而選擇該二溫度感測器並判定該混合比例α。
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