TWI828239B - 一種化學氣相沉積裝置的溫度校準和控制方法 - Google Patents
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Abstract
本發明公開了一種化學氣相沉積裝置的溫度校準和控制方法，該裝置包括：晶圓承載台，測量晶圓承載台溫度的第一溫度傳感器，用於加熱該裝置的加熱器；校準方法包含：將一設置有標準接觸式溫度傳感器的仿晶圓放在晶圓承載台上；啟動加熱器使該裝置溫度升高；將標準接觸式溫度傳感器讀數隨時間的變化記錄為標準溫度變化值；將第一溫度傳感器讀數隨時間的變化記錄為晶圓承載台溫度變化值；將晶圓承載台溫度變化值按時間對應校正為標準溫度變化值。其優點是：通過標準接觸式溫度傳感器、仿晶圓和第一溫度傳感器，獲取晶圓在製程過程中的溫度變化數據，並對第一溫度傳感器進行校準，提高了第一溫度傳感器溫度測量的準確度，保證了晶圓生產的良率。
Description
本發明涉及半導體設備領域，具體涉及一種化學氣相沉積裝置的溫度校準和控制方法。
在半導體晶片生產過程中，需要進行大量的微觀加工，其中常用的方式為採用氣相沉積或等離子體處理製程利用真空反應腔的原理對半導體晶圓進行處理加工。根據沉積過程是否含有化學反應，氣相沉積可分為物理氣相沉積（Physical Vapor Deposition，簡稱PVD）和化學氣相沉積（Chemical Vapor Deposition，簡稱CVD）。其中，CVD目前是半導體工業中應用最為廣泛的用來沉積多種材料的技術，包括大範圍的絕緣材料、大多數金屬材料和金屬合金材料。
化學氣相沉積是指化學氣體或蒸汽在晶圓表面反應合成塗層或奈米材料的方法，通常來說其原理為利用承載氣體攜帶氣相反應物或是前驅物進入裝有晶圓的腔體中，化學氣相沉積裝置以特定的方式提升腔內溫度，加熱晶圓以及接近晶圓的氣體使其溫度升高，然後它們之間在高溫狀態下觸發單一個或是數種氣體間的化學反應，各氣相反應物分解、重新結合生成新的固態物質，再沉積到晶圓表面上以形成所需的薄膜。
在整個過程中，晶圓薄膜的生長環境是非常苛刻的，晶圓材料本身的溫度均勻性、氣流場的均勻性以及反應溫度的準確性等因素都至關重要，它們直接決定了晶圓沉積的薄膜的質量。但是在實際應用時，腔體內的溫度測量常常伴隨著溫度測量不及時或溫度測量誤差較大的問題，這可能是由於腔體內的環境變化、測溫裝置的測量精度或反應時間差等因素造成的，而溫度的校準和控制往往較為複雜，難以調控。
本發明的目的在於提供一種化學氣相沉積裝置的溫度校準和控制方法，其將設置有標準接觸式溫度傳感器的仿晶圓和第一溫度傳感器相結合，通過仿晶圓模擬晶圓在製程過程中的溫度變化，並借助於標準接觸式溫度傳感器對仿晶圓進行溫度測試，獲取晶圓在製程過程中的溫度變化數據，以該溫度變化數據為基準對第一溫度傳感器進行數據校準，提高了第一溫度傳感器對製程過程中晶圓溫度測量的準確度，為控制製程過程中的溫度提供了可靠的數據支撐，有助於精準控制晶圓表面的薄膜沉積過程，保證了晶圓生產的良率。
為了達到上述目的，本發明通過以下技術方案實現：
一種化學氣相沉積裝置的溫度校準方法，所述化學氣相沉積裝置包括：晶圓承載台，其正面用於承載執行化學氣相沉積製程的晶圓；位於所述晶圓承載台背面的第一溫度傳感器，其可以測量所述晶圓承載台的溫度變化；加熱器，用於將所述化學氣相沉積裝置加熱到製程溫度；
所述校準方法包含如下步驟：
將一設置有標準接觸式溫度傳感器的仿晶圓放在所述晶圓承載台上；
啟動加熱器使所述氣相沉積裝置溫度升高；
將標準接觸式溫度傳感器讀數隨時間的變化記錄為標準溫度變化值；
將第一溫度傳感器讀數隨時間的變化記錄為晶圓承載台溫度變化值；
將所述晶圓承載台溫度變化值按時間對應校正為所述標準溫度變化值。
可選的，所述第一溫度傳感器為第一接觸式溫度傳感器或第一非接觸式溫度傳感器。
可選的，所述第一溫度傳感器包括第一接觸式溫度傳感器和第一非接觸式溫度傳感器。
可選的，所述第一接觸式溫度傳感器和第一非接觸式溫度傳感器測量所述晶圓承載台中心下方的溫度變化。
可選的，校準方法還包含如下步驟：
在執行製程過程中，當第一接觸式溫度傳感器和第一非接觸式溫度傳感器的溫度讀數不一致時，清洗化學氣相沉積裝置。
可選的，校準方法還包含如下步驟：
清洗化學氣相沉積裝置後，第一接觸式溫度傳感器和第一非接觸式溫度傳感器的溫度讀數依然不一致時，重新執行校準方法。
可選的，所述化學氣相沉積裝置還包括位於晶圓承載台上方的第二非接觸式溫度傳感器A，校準方法還包含如下步驟：
將所述晶圓放置在所述晶圓承載台上，執行化學氣相沉積製程；
將校正後的第一溫度傳感器的溫度讀數隨時間的變化記錄為晶圓溫度變化值A；
將第二非接觸式溫度傳感器A的溫度讀數隨時間的變化記錄為晶圓溫度變化值B；
將晶圓溫度變化值B按時間對應校正為晶圓溫度變化值A。
可選的，所述晶圓放置在晶圓承載台上時，第二非接觸式溫度傳感器A測量晶圓上表面中心的溫度變化。
可選的，所述化學氣相沉積裝置還包括第二非接觸式溫度傳感器B，所述第二非接觸式溫度傳感器B測量晶圓上表面邊緣的溫度變化，校準方法還包含如下步驟：
將第二非接觸式溫度傳感器B讀數隨時間的變化記錄為晶圓溫度變化值C；
將晶圓溫度變化值C按時間對應校正為晶圓溫度變化值A。
可選的，還包含：
在執行製程過程中，當第二非接觸式溫度傳感器A和第二非接觸式溫度傳感器B讀數不一致時，清洗化學氣相沉積裝置後重新執行校準方法。
可選的，所述標準接觸式溫度傳感器、第一接觸式溫度傳感器為熱電偶，所述第一非接觸式溫度傳感器為紅外傳感器測溫儀、輻射測溫儀、管溝測溫儀、窄帶測溫儀或寬帶測溫儀。
可選的，還包含：
當製程參數改變時，重新執行校準方法。
可選的，所述標準接觸式溫度傳感器設置在仿晶圓內，以測量仿晶圓的溫度變化。
可選的，所述仿晶圓和用於執行化學氣相沉積製程的晶圓材質相同。
可選的，所述啟動加熱器使所述氣相沉積裝置溫度升高為將溫度升高到製程條件要求的溫度。
可選的，一種化學氣相沉積裝置的溫度控制方法，所述化學氣相沉積裝置包括：晶圓承載台，其正面用於承載執行化學氣相沉積製程的晶圓；位於所述晶圓承載台背面的第一非接觸式溫度傳感器，其可以測量所述晶圓承載台的溫度變化；加熱器，用於將所述化學氣相沉積裝置加熱到製程溫度；
所述控制方法包含如下步驟：
將一設置有標準接觸式溫度傳感器的仿晶圓放在所述晶圓承載台上；
啟動加熱器使所述氣相沉積裝置溫度升高；
將標準接觸式溫度傳感器讀數隨時間的變化記錄為標準溫度變化值；
將第一非接觸式溫度傳感器讀數隨時間的變化記錄為晶圓承載台溫度變化值；
將所述晶圓承載台溫度變化值按時間對應校正為所述標準溫度變化值；
執行化學氣相沉積製程，通過校正後的第一非接觸式溫度傳感器讀數控制加熱器的溫度。
可選的，所述化學氣相沉積裝置還包括：位於晶圓承載台下的第一接觸式溫度傳感器，第一接觸式溫度傳感器和第一非接觸式溫度傳感器測量晶圓承載台中心下方的溫度變化，方法還包含以下步驟：
將所述晶圓放置在所述晶圓承載台上，執行化學氣相沉積製程；
將校正後的第一非接觸式溫度傳感器的溫度讀數隨時間的變化記錄為晶圓溫度變化值D；
將第一接觸式溫度傳感器的溫度讀數隨時間的變化記錄為晶圓溫度變化值E；
將晶圓溫度變化值E按時間對應校正為晶圓溫度變化值D。
可選的，還包含：
在執行製程過程中，當第一接觸式溫度傳感器和第一非接觸式溫度傳感器的溫度讀數不一致時，執行清洗步驟。
可選的，所述化學氣相沉積裝置還包括位於晶圓承載台上方的第二非接觸式溫度傳感器A和第二非接觸式溫度傳感器B，所述第二非接觸式溫度傳感器A用於測量晶圓上表面中心的溫度變化，所述第二非接觸式溫度傳感器B用於測量晶圓上表面邊緣的溫度變化，溫度控制方法還包含如下步驟：
將第二非接觸式溫度傳感器A、第二非接觸式溫度傳感器B讀數隨時間的變化分別記錄為晶圓溫度變化值F、晶圓溫度變化值G；
將晶圓溫度變化值F、晶圓溫度變化值G按時間對應校正為晶圓溫度變化值D。
可選的，當第二非接觸式溫度傳感器A和第二非接觸式溫度傳感器B讀數不一致時，執行清洗步驟。
本發明與現有技術相比具有以下優點：
本發明的一種化學氣相沉積裝置的溫度校準和控制方法中，將設置有標準接觸式溫度傳感器的仿晶圓和第一溫度傳感器相結合，通過仿晶圓模擬晶圓在製程過程中的溫度變化，並借助於標準接觸式溫度傳感器對仿晶圓進行溫度測試，獲取晶圓在製程過程中的溫度變化數據，以該溫度變化數據為基準對第一溫度傳感器進行數據校準，提高了第一溫度傳感器對製程過程中晶圓溫度測量的準確度，為控制製程過程中的溫度提供了可靠的數據支撐，有助於精準控制晶圓表面的薄膜沉積過程，保證了晶圓生產的良率。
為使本發明實施例的目的、技術方案和優點更加清楚，下面將結合本發明實施例中的附圖，對本發明實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例是本發明一部分實施例，而不是全部的實施例。基於本發明中的實施例，本案所屬技術領域中具有通常知識者在沒有做出創造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬於本發明保護的範圍。
需要說明的是，在本文中，術語“包括”、“包含”、“具有”或者其任何其他變體意在涵蓋非排他性的包含，從而使得包括一系列要素的過程、方法、物品或者終端設備不僅包括那些要素，而且還包括沒有明確列出的其他要素，或者是還包括為這種過程、方法、物品或者終端設備所固有的要素。在沒有更多限制的情況下，由語句“包括……”或“包含……”限定的要素，並不排除在包括所述要素的過程、方法、物品或者終端設備中還存在另外的要素。
需說明的是，附圖均採用非常簡化的形式且均使用非精準的比率，僅用以方便、明晰地輔助說明本發明一實施例的目的。
如圖1所示，為本發明的一種化學氣相沉積裝置（CVD）的示意圖，該裝置包含一個水平流動形的反應室100，所述反應室100可用於處理一個或多個晶圓W，包括將材料沉積在晶圓的上表面。所述反應室100具有位於頂端的上腔壁、位於底端的下腔壁以及在上腔壁和下腔壁之間延伸的側壁，可選的，所述上腔壁、下腔壁由對熱能透明的光學透明或半透明材料製備（如對特定紅外波段透明的石英材料）。製程氣體按照箭頭所示的方向從入口101流入反應室100，並從出口102流出。反應室100內設置有晶圓支撐結構110，所述晶圓支撐結構110包含晶圓承載台111和支撐架112，所述晶圓承載台111的正面用於承載執行化學氣相沉積製程的晶圓，所述支撐架112設置於所述晶圓承載台111的下方並用於支撐晶圓承載台111，所述支撐架112可由非金屬材料製成，以降低被污染的風險。
進一步的，該裝置還包含多個為反應室100提供熱能的加熱器120，各個加熱器120分別設置於晶圓承載台111的上方和下方。可選的，所述加熱器120為具有透明石英外殼且含鹵素氣體如碘的高強度鎢絲燈，該高強度鎢絲燈產生的全光譜輻射熱能不會被對熱能透明材料製備的上腔壁或下腔壁明顯吸收，以確保各個加熱器120產生的熱能最大化到達反應室100內。在製程處理過程中，通過各個加熱器120使化學氣相沉積裝置的反應室100達到所需的製程溫度，以便供應到反應室100中的製程氣體進行熱分解，從而在晶圓的上表面沉積薄膜材料。可選的，沉積的薄膜材料可以是III族、IV族和/或V族材料，或包括III族、IV族和/或V族摻雜劑的材料。示例地，沉積的薄膜材料可以是砷化鎵、氮化鎵或氮化鋁鎵中的一種或多種。
在製程過程中，通常採用非接觸式溫度傳感器感測反應室100內晶圓的溫度，以便為加熱器120調控製程反應溫度提供數據支持。一般情況下，非接觸式溫度傳感器測量黑體溫度時，利用公式（1）計算黑體輻射強度：
（1）
其中，W
bλ為黑體輻射強度，C
1和C
2均為常數，λ為輻射波長，T為絕對溫度。
而非黑體的輻射強度為：W
λ=εW
bλ（2），其中，W
λ為非黑體輻射強度，ε為輻射係數。
由上述可知，採用非接觸式溫度傳感器測量非黑體溫度時，需要已知該非黑體物體的輻射係數。然而，在實際的化學氣相沉積製程中，晶圓的表面會隨製程進程不斷地發生薄膜生長等變化，晶圓的輻射係數也會隨製程溫度、製程進程等的推進而變化，從而很難採用非接觸式溫度傳感器直接測得晶圓在製程過程中的真實溫度。另外，在化學氣相沉積製程中，反應室100內壁沉積的材料也會對非接觸式溫度傳感器的測量造成干擾。
另一方面，接觸式溫度傳感器雖然不會受被測物體的輻射係數變化而受影響，但是接觸式溫度傳感器通常與被測物體直接接觸或距離較近才能實現精準測量。受反應室100內的空間大小局限以及製程環境的影響，在製程過程中不便於直接設置一個接觸式溫度傳感器與晶圓直接接觸，因此，無法直接採用接觸式溫度傳感器直接測量製程過程中晶圓的溫度。更為重要的是，不與被測物體緊密接觸的接觸式溫度傳感器通常對被測物體的溫度變化反應較慢，其溫度讀數通常滯後於被測物體的溫度變化，無法及時感知並反饋晶圓的實時溫度變化。依靠接觸式溫度傳感器反饋的測溫數據控制反應室100內的溫度時，容易導致溫度過衝，不利於晶圓的薄膜沉積，影響晶圓生產的良率。
基於上述問題，本發明的化學氣相沉積裝置還包含第一溫度傳感器和設置有標準接觸式溫度傳感器130的仿晶圓140。所述第一溫度傳感器設置於晶圓承載台111的背面，以測量所述晶圓承載台111的溫度變化，第一溫度傳感器從晶圓承載台111背面測量晶圓承載台111的溫度變化可以避免反應室100中物質變化或晶圓表面組成變化造成的輻射係數變化。將所述仿晶圓140置於執行化學氣相沉積製程的晶圓即真實晶圓所處的製程溫度中，所述仿晶圓140可模擬真實晶圓在製程過程中的溫度變化，採用標準接觸式溫度傳感器130可實現製程進程中仿晶圓140溫度的準確測量，進而獲取真正執行化學氣相沉積製程的晶圓在製程進程中的溫度變化，以實現對製程進程中的晶圓溫度的精確監測。
在本實施例中，通過所述第一溫度傳感器、標準接觸式溫度傳感器130和仿晶圓140即可實現化學氣相沉積裝置內的溫度校準。具體地，如圖2所示，為本發明提供的一種化學氣相沉積裝置的溫度校準方法，其包含如下步驟：將一設置有標準接觸式溫度傳感器130的仿晶圓140放在所述晶圓承載台111上；啟動加熱器120使所述氣相沉積裝置溫度升高；將標準接觸式溫度傳感器130讀數隨時間的變化記錄為標準溫度變化值；將第一溫度傳感器讀數隨時間的變化記錄為晶圓承載台111溫度變化值；將所述晶圓承載台111溫度變化值按時間對應校正為所述標準溫度變化值，以實現溫度的校準。
在實際製程中，校準後通常認為仿晶圓140、真實晶圓和晶圓承載台111的溫度是一致的，本發明利用標準接觸式溫度傳感器130測量仿晶圓140在製程過程中的溫度變化，以獲取真實晶圓在製程過程中的溫度變化精確值，數據可靠性較高。進一步的，利用標準接觸式溫度傳感器130測得的溫度變化精確值校準第一溫度傳感器的溫度變化值，增加了第一傳感器的測溫精度和可靠性，以便為製程進程中的晶圓溫度測試提供可靠的數據基礎，有利於調控反應室100內的製程溫度，進而控制晶圓表面的薄膜沉積，保證晶圓生產的良率。
在本實施例中，上述步驟中的所述啟動加熱器120使所述氣相沉積裝置溫度升高具體為：將溫度升高到製程條件要求的溫度。通常一個製程流程包含多個製程步驟，各個製程步驟所需的溫度不同，本發明通過測量仿晶圓140在各個製程步驟下的溫度變化情況，得到真實晶圓在該製程流程下的一系列溫度變化值，以標準接觸式溫度傳感器130測得的上述數據為基礎校準第一溫度傳感器，進一步保證了第一溫度傳感器在製程進程中的測量精度。
可選的，所述仿晶圓140和用於執行化學氣相沉積製程的晶圓材質相同，以便仿晶圓140模擬真實晶圓在製程過程中的溫度變化。需要說明的是，本發明對所述仿晶圓140的材質不加以限制，所述仿晶圓140還可由與晶圓材質不同的其他材料製備，在校準時，可根據該材料的輻射係數與晶圓材料的輻射係數關係等因素進行溫度參數轉換。進一步的，在本實施例中，所述標準接觸式溫度傳感器130鑲嵌在仿晶圓140內，以便標準接觸式溫度傳感器130最大化面積地接觸仿晶圓140，實現對仿晶圓140溫度變化的精準測量。優選地，所述仿晶圓140和晶圓的規格大小相同，以便精準模仿晶圓140在製程過程中的變化。
基於上述，在本實施例中，所述第一溫度傳感器包括第一非接觸式溫度傳感器151。所述第一非接觸式溫度傳感器151設置於晶圓承載台111下方，不需要緊挨晶圓承載台111設置，其可遠距離感測晶圓承載台111的溫度，有助於晶圓承載台111下方空間佈置的靈活性。另外，第一非接觸式溫度傳感器151對溫度反應靈敏，其可實現對製程進程中晶圓溫度變化的實時反饋。在本申請中，採用標準接觸式溫度傳感器130測量的溫度變化數據校準第一非接觸式溫度傳感器151，使第一非接觸式溫度傳感器151通過測量晶圓承載台111下方溫度即可顯示實際晶圓在製程過程中的溫度，進一步提高了第一非接觸式溫度傳感器151的測量準確度。
進一步的，在製程過程中，以校正後的第一溫度傳感器即第一非接觸式溫度傳感器151測量的溫度數據為基礎進行反應室100內的溫度調控。具體地，採用校準後的第一非接觸式溫度傳感器151調控溫度的方法包含如下步驟（請見圖3）：將一設置有標準接觸式溫度傳感器130的仿晶圓140放在所述晶圓承載台111上；啟動加熱器120使所述氣相沉積裝置溫度升高；將標準接觸式溫度傳感器130讀數隨時間的變化記錄為標準溫度變化值；將第一非接觸式溫度傳感器151讀數隨時間的變化記錄為晶圓承載台111溫度變化值；將所述晶圓承載台111溫度變化值按時間對應校正為所述標準溫度變化值；更換真實晶圓執行化學氣相沉積製程，通過校正後的第一非接觸式溫度傳感器151讀數控制加熱器120的溫度。
在上述操作中，對第一非接觸式溫度傳感器151進行溫度校準後，將仿晶圓140傳出反應室100，並將用於承載執行化學氣相沉積製程的晶圓傳入反應室100，進而執行化學氣相沉積製程。在製程過程中，基於晶圓承載台111背面的第一非接觸式溫度傳感器151的溫度讀數來調控加熱器120，以實現最優的氣相沉積環境。校準後的第一非接觸式溫度傳感器151可實現對製程進程中的晶圓溫度變化的實時反饋，且其測量精度可靠性較高。
進一步的，所述第一溫度傳感器還包括第一接觸式溫度傳感器152。所述第一接觸式溫度傳感器152設置於所述晶圓承載台111的下方，其與晶圓承載台111接觸或有較小間距，所述第一接觸式溫度傳感器152通過晶圓承載台111的熱傳遞來測量晶圓承載台111的溫度。
按照上述校準方法，借助標準接觸式溫度傳感器130測量的仿晶圓140溫度變化值校準第一接觸式溫度傳感器152，以提高第一接觸式溫度傳感器152的測量精度。當採用校準後的第一非接觸式溫度傳感器151進行溫度調控時，也可借助校準後的第一非接觸式溫度傳感器151校準第一接觸式溫度傳感器152。具體為：將所述晶圓放置在所述晶圓承載台111上，執行化學氣相沉積製程；將校正後的第一非接觸式溫度傳感器151的溫度讀數隨時間的變化記錄為晶圓溫度變化值D；將第一接觸式溫度傳感器152的溫度讀數隨時間的變化記錄為晶圓溫度變化值E；將晶圓溫度變化值E按時間對應校正為晶圓溫度變化值D。
在本實施例中，以校準後的第一非接觸式溫度傳感器151的測溫數據為基礎進行製程過程中的溫度調控，同時，採用校準後的第一接觸式溫度傳感器152對晶圓承載台111進行精確測溫，為第一非接觸式溫度傳感器151的測量結果提供了實時的數據驗證。理論上，在實際製程進程中，晶圓承載台111與晶圓的溫度應該相同，且晶圓承載台111各個方位上的溫度也應相同。可選的，所述第一接觸式溫度傳感器152的測溫區域和第一非接觸式溫度傳感器151的測溫區域相同或不同。在本實施例中，所述第一接觸式溫度傳感器152和第一非接觸式溫度傳感器151均測量晶圓承載台111中心下方的溫度變化，即兩個傳感器測溫區域的測量中心均為晶圓承載台111的中心區域。相同的測量中心避免了晶圓承載台111不同位置處微小的溫度差異造成的兩個傳感器的測溫數據的差異，進一步保證了第一接觸式溫度傳感器152和第一非接觸式溫度傳感器151在後續製程過程中的測溫精準度，也提高了第一接觸式溫度傳感器152對第一非接觸式溫度傳感器151測溫數據驗證的準確性。
由上述可知，正常情況下，校準後的第一接觸式溫度傳感器152和第一非接觸式溫度傳感器151的測溫數據應該相同，若不相同，可能是反應室100內壁、晶圓承載台111的下表面、第一非接觸式溫度傳感器151或第一接觸式溫度傳感器152有沉積物，此時需要進一步調整。因此，本發明的校準方法還包含如下步驟：在執行製程過程中，當第一接觸式溫度傳感器152和第一非接觸式溫度傳感器151的溫度讀數不一致時，清洗化學氣相沉積裝置，並重新執行校準方法。具體為：向反應室100內通入清潔氣體如含氯氣體（HCl、Cl
2等），清潔氣體清洗反應室100側壁、晶圓承載台111下表面、第一非接觸式溫度傳感器151和第一接觸式溫度傳感器152表面的沉積物，直至第一非接觸式溫度傳感器151的溫度讀數與第一接觸式溫度傳感器152的溫度讀數一致，以便後續製程的溫度測量。
進一步的，若清洗反應室100後第一接觸式溫度傳感器152與第一非接觸式溫度傳感器151的溫度讀數始終無法一致，說明兩個傳感器的讀數需要重新校準，則需要傳入包含標準接觸式溫度傳感器130的仿晶圓140按照上述校準方法重新進行溫度校準。
需要說明的是，所述第一溫度傳感器的組成不僅限於上述，示例地，在其他實施例中，所述第一溫度傳感器為單獨的第一接觸式溫度傳感器152或第一非接觸式溫度傳感器151，本發明不對第一溫度傳感器的組成加以限制。
進一步的，如圖1所示，本發明的化學氣相沉積裝置還包含位於晶圓承載台111上方的第二非接觸式溫度傳感器A 153，所述第二非接觸式溫度傳感器A 153用於在製程過程中從晶圓上方通過晶圓上表面測試晶圓的溫度。
基於同一構思，本發明的校準方法還包含如下步驟：將所述晶圓放置在所述晶圓承載台111上，執行化學氣相沉積製程；將校正後的第一溫度傳感器（第一接觸式溫度傳感器152和/或第一非接觸式溫度傳感器151）的溫度讀數隨時間的變化記錄為晶圓溫度變化值A；將第二非接觸式溫度傳感器A 153的溫度讀數隨時間的變化記錄為晶圓溫度變化值B；將晶圓溫度變化值B按時間對應校正為晶圓溫度變化值A。
由前述可知，校正後的第一溫度傳感器的溫度讀數可認為是晶圓真實的溫度讀數。製程過程中，晶圓上表面不斷沉積薄膜材料，其輻射係數也在不斷變化，在上述校正步驟之前，第二非接觸式溫度傳感器A 153並不能將晶圓上表面薄膜沉積帶來的溫度測量誤差排除，其測溫時採用的輻射係數依然是純晶圓的輻射係數，因此，校準前的第二非接觸式溫度傳感器A 153測量的晶圓溫度讀數並不準確。經過上述步驟校正後，第二非接觸式溫度傳感器A 153的測溫讀數可認為是從晶圓內部測得的晶圓真實的溫度讀數，其排除了因晶圓上表面沉積薄膜造成的輻射係數變化的因素，提高了第二非接觸式溫度傳感器A 153測溫數據的精確度。
進一步的，如圖1所示，本發明的所述化學氣相沉積裝置還包括位於晶圓承載台111上方的第二非接觸式溫度傳感器B 154，所述第二非接觸式溫度傳感器B 154用於在製程過程中通過晶圓上表面測試晶圓的溫度。
基於同一發明構思，本發明的校準方法還包含如下步驟：將第二非接觸式溫度傳感器B 154讀數隨時間的變化記錄為晶圓溫度變化值C；將晶圓溫度變化值C按時間對應校正為晶圓溫度變化值A。經過上述步驟校正後，第二非接觸式溫度傳感器B 154的測溫讀數可認為是從晶圓內部測得的晶圓真實的溫度讀數，其排除了因晶圓上表面沉積薄膜造成的輻射係數變化的因素，提高了第二非接觸式溫度傳感器B 154測溫數據的精確度。
理論上，晶圓各方位上的溫度應該是相同的，可選的，所述第二非接觸式溫度傳感器A 153和第二非接觸式溫度傳感器B 154的測溫區域相同或不同。在本實施例中，所述晶圓放置在晶圓承載台111上時，所述第二非接觸式溫度傳感器A 153測量晶圓上表面中心的溫度，所述第二非接觸式溫度傳感器B 154測量晶圓上表面邊緣的溫度。通常情況下，反應室100內環境是乾淨的，校正後的第二非接觸式溫度傳感器A 153和第二非接觸式溫度傳感器B 154的測溫數據應該相同。在製程過程中，校正後的第二非接觸式溫度傳感器A 153和第二非接觸式溫度傳感器B 154分別監測晶圓不同區域（中心和邊緣）的溫度變化和差異，同時兩個傳感器也可互相數據驗證。
當兩個傳感器的溫度讀數差異較大時，說明反應室100內環境不整潔，此時需要進一步調整。因此，本發明的溫度校準方法還包含：在執行製程過程中，當第二非接觸式溫度傳感器A 153和第二非接觸式溫度傳感器B 154讀數不一致時，清洗化學氣相沉積裝置，並重新執行校準方法。進一步的，若清洗反應室100後第一接觸式溫度傳感器152與第一非接觸式溫度傳感器151的溫度讀數始終無法一致，說明兩個傳感器的讀數需要重新校準，則需要重新傳入包含標準接觸式溫度傳感器130的仿晶圓140進行溫度校準。
可選的，所述標準接觸式溫度傳感器130、第一接觸式溫度傳感器152為熱電偶，所述第一非接觸式溫度傳感器151、第二非接觸式溫度傳感器A 153、第二非接觸式溫度傳感器B 154為紅外傳感器測溫儀、輻射測溫儀、管溝測溫儀、窄帶測溫儀和寬帶測溫儀中的任意一種。需要說明的是，本發明中的溫度傳感器的個數和種類不僅限於上述，其還可以包含其他溫度傳感器以監測反應室100內各區域的溫度變化，例如在上腔壁的上方還包含第二非接觸式溫度傳感器C 155，其用於監測上腔壁的溫度。在製程過程中，可根據上述校準方法根據各個被測物體之間的輻射係數等因素校準其他的溫度傳感器，在此不再加以贅述。
進一步的，本發明提供的一種化學氣相沉積裝置的溫度校準方法還包含：當製程參數改變時，重新執行校準方法。即，每個新的製程流程開始之前，都採用上述校準方法對第一溫度傳感器及其它溫度傳感器進行溫度校準，然後再傳入晶圓繼續新的製程流程，以保證製程過程中溫度的精確測量和控制。
綜上所述，本發明的一種化學氣相沉積裝置的溫度校準和控制方法中，將設置有標準接觸式溫度傳感器130的仿晶圓140和第一溫度傳感器相結合，通過仿晶圓140模擬晶圓在製程過程中的溫度變化，並借助標準接觸式溫度傳感器130對仿晶圓140進行溫度測試，獲取真實晶圓在製程過程中的溫度變化數據，以該溫度變化數據為基準對第一溫度傳感器進行數據校準，提高了第一溫度傳感器對製程過程中晶圓溫度測量的準確性，為調控製程過程中的溫度提供了可靠的數據支撐，有助於精準控制晶圓表面的薄膜沉積過程，保證了晶圓生產的良率。
進一步的，本發明的第一溫度傳感器包含第一非接觸式溫度傳感器151，其設置於晶圓承載台111下方，不需要緊挨晶圓承載台111，提高了晶圓承載台111下方空間佈置的靈活性。另外，第一非接觸式溫度傳感器151對溫度反應靈敏，可實現對製程進程中晶圓溫度變化的實時反饋。
進一步的，本發明的第一溫度傳感器還包含第一接觸式溫度傳感器152，其通過晶圓承載台111的熱傳遞來測量晶圓承載台111的溫度，借助標準接觸式溫度傳感器130測量的仿晶圓140溫度變化值校準第一接觸式溫度傳感器152，提高了第一接觸式溫度傳感器152的測量精度。同時，第一接觸式溫度傳感器152也為第一非接觸式溫度傳感器151的測溫數據提供了同步驗證的數據基礎，保證了第一非接觸式溫度傳感器151的測溫準確度。
儘管本發明的內容已經通過上述優選實施例作了詳細介紹，但應當認識到上述的描述不應被認為是對本發明的限制。在本案所屬技術領域中具有通常知識者閱讀了上述內容後，對於本發明的多種修改和替代都將是顯而易見的。因此，本發明的保護範圍應由所附的申請專利範圍來限定。
100:反應室
101:入口
102:出口
110:晶圓支撐結構
111:晶圓承載台
112:支撐架
120:加熱器
130:標準接觸式溫度傳感器
140:仿晶圓
151:第一非接觸式溫度傳感器
152:第一接觸式溫度傳感器
153:第二非接觸式溫度傳感器A
154:第二非接觸式溫度傳感器B
155:第二非接觸式溫度傳感器C
圖1為本發明的一種化學氣相沉積裝置示意圖；
圖2為本發明的一種化學氣相沉積裝置的溫度校準方法示意圖；
圖3為本發明的一種化學氣相沉積裝置的溫度控制方法示意圖。
Claims (20)
- 一種化學氣相沉積裝置的溫度校準方法，其中，適用於一化學氣相沉積裝置，包括：一晶圓承載台，其正面用於承載執行化學氣相沉積製程的一晶圓；位於該晶圓承載台背面的一第一溫度傳感器，其可以測量該晶圓承載台的溫度變化；一加熱器，用於將該化學氣相沉積裝置加熱到製程溫度； 該校準方法包含如下步驟： 將設置有一標準接觸式溫度傳感器的一仿晶圓放在該晶圓承載台上； 啟動該加熱器使該氣相沉積裝置溫度升高； 將該標準接觸式溫度傳感器的讀數隨時間的變化記錄為一標準溫度變化值； 將該第一溫度傳感器的讀數隨時間的變化記錄為一晶圓承載台溫度變化值； 將該晶圓承載台溫度變化值按時間對應校正為該標準溫度變化值。
- 如請求項1所述的化學氣相沉積裝置的溫度校準方法，其中， 該第一溫度傳感器為一第一接觸式溫度傳感器或一第一非接觸式溫度傳感器。
- 如請求項1所述的化學氣相沉積裝置的溫度校準方法，其中， 該第一溫度傳感器包括一第一接觸式溫度傳感器和一第一非接觸式溫度傳感器。
- 如請求項3所述的化學氣相沉積裝置的溫度校準方法，其中， 該第一接觸式溫度傳感器和該第一非接觸式溫度傳感器測量該晶圓承載台中心下方的溫度變化。
- 如請求項4所述的化學氣相沉積裝置的溫度校準方法，其中，校準方法還包含如下步驟： 在執行製程過程中，當該第一接觸式溫度傳感器和該第一非接觸式溫度傳感器的溫度讀數不一致時，清洗該化學氣相沉積裝置。
- 如請求項5所述的化學氣相沉積裝置的溫度校準方法，其中，校準方法還包含如下步驟： 清洗該化學氣相沉積裝置後，該第一接觸式溫度傳感器和該第一非接觸式溫度傳感器的溫度讀數依然不一致時，重新執行校準方法。
- 如請求項1所述的化學氣相沉積裝置的溫度校準方法，其中， 該化學氣相沉積裝置還包括位於該晶圓承載台上方的一第二非接觸式溫度傳感器A，校準方法還包含如下步驟： 將該晶圓放置在該晶圓承載台上，執行化學氣相沉積製程； 將校正後的該第一溫度傳感器的溫度讀數隨時間的變化記錄為一晶圓溫度變化值A； 將該第二非接觸式溫度傳感器A的溫度讀數隨時間的變化記錄為一晶圓溫度變化值B； 將該晶圓溫度變化值B按時間對應校正為該晶圓溫度變化值A。
- 如請求項7所述的化學氣相沉積裝置的溫度校準方法，其中， 該晶圓放置在該晶圓承載台上時，以該第二非接觸式溫度傳感器A測量該晶圓上表面中心的溫度變化。
- 如請求項7或8所述的化學氣相沉積裝置的溫度校準方法，其中， 該化學氣相沉積裝置還包括一第二非接觸式溫度傳感器B，該第二非接觸式溫度傳感器B測量該晶圓上表面邊緣的溫度變化，校準方法還包含如下步驟： 將該第二非接觸式溫度傳感器B的讀數隨時間的變化記錄為一晶圓溫度變化值C； 將該晶圓溫度變化值C按時間對應校正為該晶圓溫度變化值A。
- 如請求項9所述的化學氣相沉積裝置的溫度校準方法，其中，還包含： 在執行製程過程中，當該第二非接觸式溫度傳感器A和該第二非接觸式溫度傳感器B的讀數不一致時，清洗該化學氣相沉積裝置後重新執行校準方法。
- 如請求項2或3所述的化學氣相沉積裝置的溫度校準方法，其中， 該標準接觸式溫度傳感器、該第一接觸式溫度傳感器為熱電偶，該第一非接觸式溫度傳感器為紅外傳感器測溫儀、輻射測溫儀、管溝測溫儀、窄帶測溫儀或寬帶測溫儀。
- 如請求項1所述的化學氣相沉積裝置的溫度校準方法，其中，還包含： 當製程參數改變時，重新執行校準方法。
- 如請求項1所述的化學氣相沉積裝置的溫度校準方法，其中， 該標準接觸式溫度傳感器設置在該仿晶圓內，以測量該仿晶圓的溫度變化。
- 如請求項1所述的化學氣相沉積裝置的溫度校準方法，其中， 該仿晶圓和用於執行化學氣相沉積製程的該晶圓的材質相同。
- 如請求項1所述的化學氣相沉積裝置的溫度校準方法，其中， 啟動該加熱器係使該氣相沉積裝置的溫度升高到製程條件要求的溫度。
- 一種化學氣相沉積裝置的溫度控制方法，適用於一化學氣相沉積裝置，包括：一晶圓承載台，其正面用於承載執行化學氣相沉積製程的一晶圓；位於該晶圓承載台背面的一第一非接觸式溫度傳感器，其可以測量該晶圓承載台的溫度變化；一加熱器，用於將該化學氣相沉積裝置加熱到製程溫度； 該控制方法包含如下步驟： 將設置有一標準接觸式溫度傳感器的一仿晶圓放在該晶圓承載台上； 啟動該加熱器使該氣相沉積裝置溫度升高； 將該標準接觸式溫度傳感器的讀數隨時間的變化記錄為一標準溫度變化值； 將該第一非接觸式溫度傳感器的讀數隨時間的變化記錄為一晶圓承載台溫度變化值； 將該晶圓承載台溫度變化值按時間對應校正為該標準溫度變化值； 執行化學氣相沉積製程，通過校正後的該第一非接觸式溫度傳感器的讀數控制該加熱器的溫度。
- 如請求項16所述的化學氣相沉積裝置的溫度控制方法，其中， 該化學氣相沉積裝置還包括：位於該晶圓承載台下的一第一接觸式溫度傳感器，該第一接觸式溫度傳感器和該第一非接觸式溫度傳感器測量該晶圓承載台中心下方的溫度變化，方法還包含以下步驟： 將該晶圓放置在該晶圓承載台上，執行化學氣相沉積製程； 將校正後的該第一非接觸式溫度傳感器的溫度讀數隨時間的變化記錄為一晶圓溫度變化值D； 將該第一接觸式溫度傳感器的溫度讀數隨時間的變化記錄為一晶圓溫度變化值E； 將該晶圓溫度變化值E按時間對應校正為該晶圓溫度變化值D。
- 如請求項17所述的化學氣相沉積裝置的溫度控制方法，其中，還包含： 在執行製程過程中，當該第一接觸式溫度傳感器和該第一非接觸式溫度傳感器的溫度讀數不一致時，執行清洗步驟。
- 如請求項17所述的化學氣相沉積裝置的溫度控制方法，其中， 該化學氣相沉積裝置還包括位於該晶圓承載台上方的一第二非接觸式溫度傳感器A和一第二非接觸式溫度傳感器B，該第二非接觸式溫度傳感器A用於測量該晶圓上表面中心的溫度變化，該第二非接觸式溫度傳感器B用於測量該晶圓上表面邊緣的溫度變化，該溫度控制方法還包含如下步驟： 將該第二非接觸式溫度傳感器A、該第二非接觸式溫度傳感器B的讀數隨時間的變化分別記錄為一晶圓溫度變化值F、一晶圓溫度變化值G； 將該晶圓溫度變化值F、該晶圓溫度變化值G按時間對應校正為該晶圓溫度變化值D。
- 如請求項19所述的化學氣相沉積裝置的溫度控制方法，其中， 當該第二非接觸式溫度傳感器A和該第二非接觸式溫度傳感器B的讀數不一致時，執行清洗步驟。
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