TWI550681B - 熱處理設備及控制該設備之方法 - Google Patents

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TWI550681B
TWI550681B TW102101534A TW102101534A TWI550681B TW I550681 B TWI550681 B TW I550681B TW 102101534 A TW102101534 A TW 102101534A TW 102101534 A TW102101534 A TW 102101534A TW I550681 B TWI550681 B TW I550681B
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吉井弘治
山口達也
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    • H01L21/67248Temperature monitoring

Description

熱處理設備及控制該設備之方法 【相關專利申請案之交互參照】
本申請案主張2012年1月23日在日本專利局所申請的日本專利申請案第2012-011203號之優先權,茲揭露內容以該案全文併入於此以供參考。
本發明關於熱處理設備及控制該設備之方法。
大致而言,直式熱處理設備及水平式熱處理設備係已知為用於執行如半導體晶圓上的膜形成處理、氧化處理、擴散處理之熱處理的設備。在該等設備之中,直式熱處理設備係主要因為直式熱處理設備產生較少的空氣捲吸(例如專利參考文獻1)而使用。
在此等熱處理設備中,大致當設定溫度或勻變(ramping)率改變時,勻變起始溫度開始於先前目標溫度。
在習知的熱處理設備中,當實際的溫度由於如在晶舟運送至熱處理設備中時發生的外部干擾而暫時下降時,在目標溫度及實際溫度之間發生大的差異,且因此熱處理設備的輸出增加。因此,實際溫度過衝,且因此使熱處理設備的內部溫度及半導體晶圓的溫度回復至目標溫度需要長時間。
3.先前技術參考文獻
(專利參考文獻1)日本公開專利申請案第2002-334844號。
根據本發明的實施態樣,熱處理設備包含容納處理物件的處理室;加熱容納於處理室中的處理物件之加熱單元;偵測處理室的內部溫度之溫度偵測單元;及控制器,當溫度偵測單元所測得的溫度由於外部干擾而下降至預定的第一設定溫度之下時,該控制器設定與溫度偵測單元所測得的溫度相同的第二設定溫度;控制加熱單元使得溫度偵測單元所測得的溫度變得與在第二設定溫度及第一設定溫度之間的第三設定溫度相同;且在溫度偵測單元所測得的溫度變得與第三設定溫度相同之後,控制加熱單元使得溫度偵測單元所測得的溫度變得與第一設定溫度相同。
本發明之額外的目的及優點將在下列描述中闡述,且部份將從描述中變得明顯,或可藉由發明的實施而得知。
本發明的目的及優點可藉由下文中特別指出的機構及結合而瞭解及獲得。
2‧‧‧熱處理設備
4‧‧‧處理容器
6‧‧‧外圓柱
8‧‧‧內圓柱
10‧‧‧歧管
12‧‧‧底板
14‧‧‧蓋部
16‧‧‧密封構件
18‧‧‧磁性流體密封件
20‧‧‧旋轉軸
22‧‧‧旋轉機構
24‧‧‧工作台
26‧‧‧保溫容器
28‧‧‧晶舟
30‧‧‧升降機構
32‧‧‧氣體引入單元
34‧‧‧氣體噴嘴
36‧‧‧氣體出口
38‧‧‧排氣系統
40‧‧‧排氣通道
42‧‧‧壓力控制閥
44‧‧‧真空幫浦
48‧‧‧加熱設備
50‧‧‧絕熱層
51‧‧‧保護殼
52‧‧‧加熱元件
60‧‧‧熱偶
70‧‧‧控制器
W‧‧‧半導體晶圓
併入並構成說明書的一部分之隨附圖式顯示本發明之實施例,並與上述所提出的大致描述及以下所提出的實施方式一起用以解釋本發明的原理。
圖1係顯示根據本發明的實施例之熱處理設備的配置之示意圖; 圖2A及2B分別為用於描述控制熱處理設備的習知方法及根據本發明的實施例之控制熱處理設備的方法之示意圖表;圖3係顯示圖2B的方法之流程圖。
現將參照隨附圖式描述基於上述所提出的發現而達成的本發明之實施例。在下列描述中,具有實質上相同的功能及配置之組成元件係以相同的參考數字表示,且將僅在需要時做重複的描述。
下文中,本發明將參照隨附圖式藉由解釋本發明之例示性的實施例而詳述。
[熱處理設備]
首先,現將描述根據本發明之實施例的熱處理設備之配置。圖1係顯示熱處理設備之配置的示意圖。然而,本發明並不限於圖1中所示的熱處理設備2之配置。本發明可適用於包含用於處理基板的處理室、加熱容納於處理室內的處理物件之加熱單元、偵測處理室溫度之溫度偵測單元、及控制加熱單元之控制器、且能執行將在稍後描述的熱處理方法的任何熱處理設備。儘管圖1顯示處理作為處理物件的半導體晶圓W(以下稱為晶圓W)之熱處理設備2,本發明仍不限於此。
如圖1中所示,熱處理設備2包含具有圓柱形狀且垂直地配置在其縱長方向中之處理容器4。處理容器4包含外圓柱6及同心地配置在外圓柱6內側之內圓柱8(對應至本發明申請專利範圍中之處理室),其中處理容器4係配置成雙腔室。外圓柱6及內圓柱8係由如石英的耐熱材料所形成。外圓柱6及內圓柱8的下端部份係由如不鏽鋼所形成的歧管10來支撐。又,歧管10係固定於底板12。
具有圓盤形狀且由如不鏽鋼所形成的蓋部14係藉由例如O型環或類似物之密封構件16氣密地附接至歧管10下端部份之開口部份。又,旋轉軸20係插入蓋部14的接近中間部份、且旋轉軸20可藉由如磁性流體密封件18在氣密狀態中加以旋轉。旋轉軸20的下端係連接至旋轉機構22、且由如不鏽鋼所形成的工作台24係固定在旋轉軸20的上端。
由如石英所形成的保溫容器26係設置於工作台24上。又,由如石英所形成的晶舟28係作為支撐件安裝在保溫容器26上。晶舟28以如約10 mm的間距之預定間隔容納如50至150片晶圓W之作為處理物件的複數晶圓W。晶舟28、保溫容器26、工作台24及蓋部14係藉由如晶舟升降機的升降機構30在處理容器4中整體地裝載或卸載。
引入氣體至處理容器4中之氣體引入單元32係設置於歧管10的下部中。氣體引入單元32包含氣密地穿過歧管10之氣體噴嘴34。
大致而言,透過氣體噴嘴34引入處理容器4中的氣體之流速係由流速控制機構(未顯示)所控制。又,儘管僅一氣體噴嘴34顯示在圖1中,但可根據使用的氣體類型而設置複數氣體噴嘴34。
氣體出口36係設置於歧管10的上部中,且排氣系統38係連接至氣體出口36。排氣系統38包含連接至氣體出口36的排氣通道40、及依序地連接至排氣通道40中間的壓力控制閥42與真空幫浦44。排氣系統38可排出處理容器4的氣體同時控制處理容器4內的大氣壓力。
替代地,處理容器4可在不設置歧管10的情況下完全地由如石英所形成。
用於加熱如晶圓W的處理物件之加熱設備48係設置於處理容器4的外圍以圍繞處理容器4。加熱設備48包含具有頂部且形成圓柱形狀的絕熱層50。絕熱層50係由如具有低導熱性且柔軟及非晶之二氧化矽及氧化鋁的混合物所形成。大致而言,絕熱層50具有約30至40 mm的厚度。又,絕熱層50的內表面係從處理容器4的外表面以預定的距離隔開。此外,由如不鏽鋼所形成的保護殼51係附接至絕熱層50的外圍表面以完全地覆蓋絕熱層50。
加熱元件52(對應至本發明申請專利範圍中的加熱單元)係藉螺旋形纏繞的方式配置在絕緣層50的內圍。加熱元件52係纏繞在如絕熱層50的整體側表面周圍且涵蓋處理容器4的整體高度。換句話說,絕熱層50係設置在加熱元件52的外圍。
又,熱偶60(對應至本發明申請專利範圍中的溫度偵測單元)係插入內圓柱8以量測內圓柱8的溫度,即晶圓W的溫度。
加熱元件52及熱偶60係在高度方向劃分成一或更多區(在圖1中,加熱元件52及熱偶60為便於描述並未劃分成區)。加熱元件52及熱偶60係以加熱元件52及熱偶60之每一區的溫度可獨立地且分別地由控制器70所控制的方式來配置。又,當加熱元件52及熱偶60係在高度方向劃分成複數區時,一控制器70可控制該等區的溫度、或控制器係為每一區而準備以控制該區的溫度。假如複數控制器係為控制個別區的溫度而準備(根據區的數量),則每一控制器可設置以執行將在稍後描述的控制熱處理設備2的方法。
控制器70包含如在圖1中未顯示的操作處理單元、記憶體單元、及顯示單元。操作處理單元可為如包含中央處理單元(CPU)的電腦。 記憶體單元可為電腦可讀記錄媒體,該電腦可讀記錄媒體係以如在其上利用操作處理單元執行不同處理的程式之硬碟來配置。顯示單元以如電腦螢幕配置。操作處理單元讀取記錄在記憶體單元中的程式並根據程式控制加熱單元。
[控制熱處理設備的方法]
接著,將參照圖2A及2B來描述控制顯示於圖1中之熱處理設備2的方法。圖2A係用於描述控制熱處理設備的習知方法之圖表。在圖2A中,垂直軸指示熱處理設備的溫度,且水平軸指示時間。又,在圖2A中,實線指示由例如圖1中所示的熱偶60所偵測之熱處理設備(即在內圓柱8中)的溫度(以下稱為實際溫度),且虛線指示熱處理設備的設定溫度(對應至本發明申請專利範圍中的第一設定溫度)。在圖2A及2B中,儘管描述了控制熱處理設備溫度的例示,其中熱處理設備的溫度係事先設定至700℃然後熱處理設備的溫度由於外部干擾降低至低於700℃,本發明仍不限於此。
如圖2A中所示,在控制熱處理設備的習知方法中,假如發生外部干擾,則實際溫度開始相關於設定溫度下降。假如實際溫度下降到設定溫度之下,則將大功率供應至加熱器以使實際溫度回到設定溫度,且因此在熱處理設備中的溫度下降之後藉由加熱器產生的熱之總量增加,進而使實際溫度過衝。假如實際溫度過衝,則要花長時間使熱處理設備中的溫度穩定至目標溫度,進而減少產量。
又,外部干擾表示使熱處理設備中的實際溫度低於設定溫度的因素。具體而言,外部干擾可表示其中參照圖1由晶舟28撐住的晶圓W係藉由升降機構30裝載至處理容器4(或從其卸載)的情況,或外部干擾可表示如處理條件中的改變。處理條件中的改變可包含如其中由於氣體藉由氣體引入單元32經由氣體噴嘴34引入至處理容器4中而使實際溫度降低的情況、或其中根據由於氣體排出而發生的處理容器4內之壓力改變而使實際溫度降低的情況。
圖2B係描述根據本發明的實施例之控制熱處理設備的方法之圖表。在圖2B中,垂直軸指示熱處理設備的溫度,且水平軸指示時間。 又,在圖2B中,實線指示熱處理設備的實際溫度,且虛線指示熱處理設備的設定溫度或目標溫度。又,圖3係顯示根據本發明的實施例之控制熱處理設備的方法之流程圖。
如圖2B中所示,在根據本發明的實施例之控制熱處理設備的方法中,熱處理設備2的實際溫度係與預定的設定溫度(操作S101)對照,然後,假如熱處理設備的實際溫度係由於外部干擾而降低(操作S102:是),則控制器設定該設定溫度至與實際溫度相同的溫度(對應至根據本發明的申請專利範圍中之第二設定溫度)(操作S103)。
若在實際溫度由於外部干擾而相關於設定溫度降低之後,則改變第一設定溫度至第二設定溫度的決定標準並不特別受限。較佳的決定標準可根據外部干擾的因素而改變。例如,第二設定溫度係在以下情況中設定:當實際溫度相關於時間的變化率超過預定的臨界值時;當實際溫度在第一設定溫度之下持續地下降的時間超過預定的臨界值時;當實際溫度與第一設定溫度之間的差異超過預定的臨界值時;或藉由結合上述的決定標準,但本發明並不限制於此。
在設定溫度從第一設定溫度改變至第二設定溫度之後,控制器設定第一設定溫度及第二設定溫度之間的第三設定溫度,並控制加熱器(對應至本發明申請專利範圍中的加熱單元)使得第三設定溫度與實際溫度變得彼此相同(操作S104)。
若第三設定溫度係設定在第一設定溫度及第二設定溫度之間,該第三設定溫度並未特別限制。例如,該第三設定溫度有以下情況:可為在第一設定溫度及第二設定溫度之間的中間溫度;可為以x:y的比例劃分第一設定溫度及第二設定溫度之間的溫度範圍之溫度,除了其中x及y係彼此相同的情況之外,x及y係獨立的自然數;或當實際溫度及第一設定溫度之間的差異超過預定的臨界值時,可為比第一設定溫度低預定臨界值之溫度。
儘管控制加熱器使得實際溫度與第三設定溫度變得相同的方法並未特別地限制,加熱器可大致地藉由勻變率而控制。在此情況中,勻變率可設定為預定值,例如2℃/min、10℃/min或類似者。替代地,勻變 率可藉由使用第三設定溫度(或第一設定溫度及預定的臨界值)、實際溫度、及預定時間而設定,使得從第二設定溫度回復到第三設定溫度的時間變成如10分鐘的預定時間。
在實際溫度變得與第三設定溫度相同之後,控制器重設第一設定溫度且控制加熱器使得實際溫度變得與第一設定溫度相同(操作S105)。
儘管控制加熱器使得實際溫度與第一設定溫度變得相同的方法並未特別地限制,加熱器可如上所述地大致藉由改變勻變率而控制。在此情況中,勻變率可設定為預定值,例如2℃/min、10℃/min或類似者。替代地,勻變率可藉由使用第一設定溫度、實際溫度、及預定時間而設定,使得從第三設定溫度回復到第一設定溫度的時間變成如10分鐘的預定時間。
在本發明中,已描述一例示,其中當熱處理設備的溫度由於外部干擾而下降至第一設定溫度之下時,設定第二設定溫度然後設定第一設定溫度及第二設定溫度之間的第三設定溫度以在未過衝(或受限的過衝)的情況下快速地從下降的溫度回復到第一設定溫度。然而,本發明並未限於此,且因此根據本發明的實施例之控制熱處理設備的方法可根據多步驟處理來執行,包含:設定在第一設定溫度及第二設定溫度之間的第三設定溫度且控制加熱單元使得實際溫度變得與第三設定溫度相同、設定在第三設定溫度及第一設定溫度之間的第四設定溫度(更甚者,第n設定溫度,其中n為大於或等於5的自然數)且控制加熱單元使得實際溫度變得與第四設定溫度相同,然後回復實際溫度至第一設定溫度。
又,在其中控制器包含記憶體單元的實施例中,該記憶體單元可儲存根據處理條件或晶圓W的裝載速度而控制熱處理設備的上述方法。因此,當使用控制熱處理設備2的相同方法或其期望值高時,及/或當藉由晶舟28支撐的晶圓W之裝載速度係相同或其期望值係高時,儲存於記憶體單元中的先前控制方法可被讀出並執行。
根據本發明,在包含用於處理基板的處理室、用於加熱容納於處理室中的處理物件之加熱單元、用於偵測處理室中的溫度之溫度偵測單元、及用於控制加熱單元使得預定的設定溫度變得與藉由溫度偵測單元 所測得的溫度相同的控制器之熱處理設備中,該熱處理設備可藉由以下方式加以控制:當溫度偵測單元所測得的溫度由於外部干擾而下降至預定的第一設定溫度之下時、設定與溫度偵測單元所測得的溫度相同之第二設定溫度,控制加熱單元使得在第二設定溫度及第一設定溫度之間的第三設定溫度變得與所測得的溫度相同,然後在第三溫度變得與溫度偵測單元所測得的溫度相同之後、控制加熱單元使得第一設定溫度變得與溫度偵測單元所測得的溫度相同。因此,即使當熱處理設備的內溫度係由於外部干擾而降低時,仍可預防在熱處理設備的輸出中顯著的增加,且因此可預防(或移除)過衝。因此,熱處理設備的內溫度可自動地且快速地回復。
根據本發明之熱處理設備,當熱處理設備的內溫度係由於外部干擾而改變時,熱處理設備可快速地回復熱處理設備的內溫度。
儘管此發明已尤其參照其例示性的實施例顯示及描述,熟習此技術者將理解,在不離開由隨附的請求項所定義的本發明之精神與範疇的情況下,仍可在其形式及細節中做成不同的改變。
2‧‧‧熱處理設備
4‧‧‧處理容器
6‧‧‧外圓柱
8‧‧‧內圓柱
10‧‧‧歧管
12‧‧‧底板
14‧‧‧蓋部
16‧‧‧密封構件
18‧‧‧磁性流體密封件
20‧‧‧旋轉軸
22‧‧‧旋轉機構
24‧‧‧工作台
26‧‧‧保溫容器
28‧‧‧晶舟
30‧‧‧升降機構
32‧‧‧氣體引入單元
34‧‧‧氣體噴嘴
36‧‧‧氣體出口
38‧‧‧排氣系統
40‧‧‧排氣通道
42‧‧‧壓力控制閥
44‧‧‧真空幫浦
48‧‧‧加熱設備
50‧‧‧絕熱層
51‧‧‧保護殼
52‧‧‧加熱元件
60‧‧‧熱偶
70‧‧‧控制器
W‧‧‧半導體晶圓

Claims (7)

  1. 一種熱處理設備,包含:一處理室,容納一處理物件;一加熱單元,加熱容納於該處理室中的該處理物件;一溫度偵測單元,偵測該處理室的內部溫度;及一控制器,當由該溫度偵測單元所測得的一溫度由於一外部干擾而下降至預定的一第一設定溫度之下時,設定與由該溫度偵測單元所測得的該溫度相同的一第二設定溫度;控制該加熱單元使得由該溫度偵測單元所測得的該溫度變得與在該第二設定溫度及該第一設定溫度之間的一第三設定溫度相同;然後在由該溫度偵測單元所測得的該溫度變得與該第三設定溫度相同之後,控制該加熱單元使得由該溫度偵測單元所測得的該溫度變得與該第一設定溫度相同;且當由該溫度偵測單元所測得的該溫度由於該外部干擾而下降至該預定的第一設定溫度之下時,該控制器在由該溫度偵測單元所測得的該溫度相對於時間之變化率超過預定的臨界值時設定該第二設定溫度。
  2. 一種熱處理設備,包含:一處理室,容納一處理物件;一加熱單元,加熱容納於該處理室中的該處理物件;一溫度偵測單元,偵測該處理室的內部溫度;及一控制器,當由該溫度偵測單元所測得的一溫度由於一外部干擾而下降至預定的一第一設定溫度之下時,設定與由該溫度偵測單元所測得的該溫度相同的一第二設定溫度;控制該加熱單元使得由該溫度偵測單元所測得的該溫度變得與在該第二設定溫度及該第一設定溫度之間的一第三設定溫度相同;然後在由該溫度偵測單元所測得的該溫度變得與該第三設定溫度相同之後,控制該加熱單元使得由該溫度偵測單元所測得的該溫度變得與該第一設定溫度相同;且當該溫度偵測單元所測得的該溫度由於該外部干擾而下降至預定的該第一設定溫度之下時,該控制器在由該溫度偵測單元所測得的該溫度由於該外部干擾而持續地下降至該第一設定溫度之下的時間超過預定的臨界 值時設定該第二設定溫度。
  3. 一種熱處理設備,包含:一處理室,容納一處理物件;一加熱單元,加熱容納於該處理室中的該處理物件;一溫度偵測單元,偵測該處理室的內部溫度;及一控制器,當由該溫度偵測單元所測得的一溫度由於一外部干擾而下降至預定的一第一設定溫度之下時,設定與由該溫度偵測單元所測得的該溫度相同的一第二設定溫度;控制該加熱單元使得由該溫度偵測單元所測得的該溫度變得與在該第二設定溫度及該第一設定溫度之間的一第三設定溫度相同;然後在由該溫度偵測單元所測得的該溫度變得與該第三設定溫度相同之後,控制該加熱單元使得由該溫度偵測單元所測得的該溫度變得與該第一設定溫度相同;且當該溫度偵測單元所測得的該溫度由於該外部干擾而下降至預定的該第一設定溫度之下時,該控制器在由該溫度偵測單元所測得的該溫度及該第一設定溫度之間的差異超過預定的臨界值時設定該第二設定溫度。
  4. 如申請專利範圍第1至3項中任一項之熱處理設備,其中該控制器控制該加熱單元以改變加熱該處理物件的勻變率。
  5. 一種控制熱處理設備的方法,該熱處理設備包含:一處理室,處理一基板;一加熱單元,加熱容納於該處理室中的處理物件;一溫度偵測單元,偵測該處理室的內溫度;及一控制器,控制該加熱單元使得與預定的設定溫度變得相同之由該溫度偵測單元所測得的溫度變得與預定的設定溫度相同,該方法包含:設定一第二設定溫度,當該溫度偵測單元所測得的該溫度由於一外部干擾而下降至預定的第一設定溫度之下時,該第二設定溫度係與由該溫度偵測單元所測得的該溫度相同;控制該加熱單元,使得由該溫度偵測單元所測得的該溫度變得與在該 第二設定溫度及該第一設定溫度之間的一第三設定溫度相同;且控制該加熱單元,在由該溫度偵測單元所測得的溫度與該第三設定溫度變得相同之後,使得由該溫度偵測單元所測得的該溫度變得與該第一設定溫度相同;且當由該溫度偵測單元所測得的該溫度由於該外部干擾而下降至預定的該第一設定溫度之下時,該設定該第三設定溫度包含當由該溫度偵測單元所測得的該溫度相關於時間之變化率超過預定的臨界值時設定該第二設定溫度。
  6. 一種控制熱處理設備的方法,該熱處理設備包含:一處理室,處理一基板;一加熱單元,加熱容納於該處理室中的處理物件;一溫度偵測單元,偵測該處理室的內溫度;及一控制器,控制該加熱單元使得與預定的設定溫度變得相同之由該溫度偵測單元所測得的溫度變得與預定的設定溫度相同,該方法包含:設定一第二設定溫度,當該溫度偵測單元所測得的該溫度由於一外部干擾而下降至預定的第一設定溫度之下時,該第二設定溫度係與由該溫度偵測單元所測得的該溫度相同;控制該加熱單元,使得由該溫度偵測單元所測得的該溫度變得與在該第二設定溫度及該第一設定溫度之間的一第三設定溫度相同;且控制該加熱單元,在由該溫度偵測單元所測得的溫度與該第三設定溫度變得相同之後,使得由該溫度偵測單元所測得的該溫度變得與該第一設定溫度相同;且當由該溫度偵測單元所測得的該溫度由於該外部干擾而下降至預定的該第一設定溫度之下時,該設定該第二設定溫度包含當由該溫度偵測單元所測得的該溫度由於該外部干擾而持續地下降至該第一設定溫度之下的時間超過預定的臨界值時設定該第二設定溫度。
  7. 一種控制熱處理設備的方法,該熱處理設備包含:一處理室,處理一基板; 一加熱單元,加熱容納於該處理室中的處理物件;一溫度偵測單元,偵測該處理室的內溫度;及一控制器,控制該加熱單元使得與預定的設定溫度變得相同之由該溫度偵測單元所測得的溫度變得與預定的設定溫度相同,該方法包含:設定一第二設定溫度,當該溫度偵測單元所測得的該溫度由於一外部干擾而下降至預定的第一設定溫度之下時,該第二設定溫度係與由該溫度偵測單元所測得的該溫度相同;控制該加熱單元,使得由該溫度偵測單元所測得的該溫度變得與在該第二設定溫度及該第一設定溫度之間的一第三設定溫度相同;且控制該加熱單元,在由該溫度偵測單元所測得的溫度與該第三設定溫度變得相同之後,使得由該溫度偵測單元所測得的該溫度變得與該第一設定溫度相同;且當由該溫度偵測單元所測得的該溫度由於該外部干擾而下降至預定的該第一設定溫度之下時,該設定該第二設定溫度包含當由該溫度偵測單元所測得的該溫度及該第一設定溫度之間的差異超過預定的臨界值時設定該第二設定溫度。
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