TWI846254B

TWI846254B - 溫度控制裝置及方法

Info

Publication number: TWI846254B
Application number: TW111150934A
Authority: TW
Inventors: 賴育忠; 張建中; 何嘉哲; 陳泰甲
Original assignee: 中國砂輪企業股份有限公司
Priority date: 2022-12-30
Filing date: 2022-12-30
Publication date: 2024-06-21
Also published as: TW202426691A; CN118276614A

Abstract

本發明提供一種溫度控制裝置及方法，該溫度控制裝置包括基材載台，其頂部表面用於承載至少一基材；一溫度傳感器，其對應該基材設置；一致冷器，設置於該基板載台內部；一感測單元，對應該基材載台設置；一傳輸單元，設置於基材載台內部；一邏輯控制器，設置於基材載台內部。本發明之溫度控制裝置及方法可以全區域監控溫度，且擁有操作簡單、重複定位精度高且數據正確性高的優點；其能夠提高良率及作為後續大尺寸設備開發之基礎，進而符合最佳化製程之需求。

Description

溫度控制裝置及方法

本發明係關於一種溫度控制裝置及方法，特別係關於一種用在晶體或薄膜生長領域之溫度控制裝置及方法；然而本發明並不以此為限。

隨著半導體產業的蓬勃發展，其產業鏈之各式元件的製作技術亦臻成熟；而其中常見於應用在晶體或薄膜生長的製程主要有：化學氣相沉積(Chemical Vapor Deposition，簡稱CVD)以及物理氣相沉積(Physical Vapor Deposition，簡稱PVD)。詳言之，化學氣相沉積是一種用來合成純度高、效能好的固態材料的化學技術。半導體產業使用此技術來成長薄膜，典型的化學氣相沉積製程是將晶圓(基底)暴露在一種或多種不同的前驅物下，調控各種製程參數在合適的範圍，在基底表面發生化學反應來產生欲沉積的薄膜，依照製程與反應物及前驅物等條件的不同，有低壓化學氣相沉積(Low-Pressure CVD，簡稱LPCVD)、微波電漿輔助化學氣相沉積(Microwave Plasma-Assisted CVD、簡稱MPCVD)、原子層化學氣相沉積(Atomic Layer CVD，簡稱ALCVD)、有機金屬化學氣相沉積(Metal-Organic Chemical Vapor Deposition，簡稱MOCVD)、電漿輔助化學氣相沉積(Plasma-Enhanced Chemical Vapor Deposition，簡稱PECVD)等種類。另，物理氣相沉積主要是透過物理方式加熱或激發材料，使其冷卻沉積在目標基板上形成晶體或薄膜，其中包含有蒸鍍(Evaporative PVD)、濺鍍(Sputtering PVD)與離子鍍(Ion Planting PVD)。昇華法等是基於物理氣相傳輸(Physical Vapor Transportation，簡稱PVT)的昇華技術所達成，主要是透過包含蒸發式的機台將原料(例如SiC粉末)作為固態蒸發源昇華成揮發性分子，再藉由質量傳輸成長於晶種表面。

其中，前述之微波電漿輔助化學氣相沉積(MPCVD)係利用微波誘導的電漿來提升基板表面的化學反應速度，使能夠更快地產生欲沉積的薄膜；然而，其有溫度不均之缺點，其溫度分布為中間部份溫度高而周圍部份溫度低，因溫度不足導致周邊的晶片為次級品。為改善此現象，現有技術會採用單點量測之溫度感測器以監控溫度。

現有技術如中國發明專利公開第111349914A號，公開了一種線上/原位監測的微波等離子體化學氣相沉積設備，其特徵在於，設備包括光譜檢測裝置、質譜檢測裝置以及X射線線上/原位監測系統，能夠對材料的生長過程及生長環境進行線上/原位監測；光譜檢測裝置採用能夠對紫外-可見-紅外波段信號進行採集的多功能光譜儀，能夠對MPCVD生長腔中產生等離子體輝光的發射光譜以及薄膜材料高溫生長所發射的紅外光譜信號進行採集，線上監測等離子體中含碳、氫、氮等組成成分的基團含量以及薄膜材料的生長溫度資訊的變化。

承先前技術所描述的內容，本發明人發現現階段應用於長晶設備中的溫度感測/控制器有溫度調整不易，位置準確度易受到使用者的操作經驗影響而造成溫度誤判等情形，進而降低整體的生產效率；此外，上開中國發明專利公開第111349914A號，其係偵測腔體內的溫度變化，然而，此種方式不僅無法正確偵測到各區域位置的溫度變異，也容易受到電漿的影響導致所偵測的溫度不準確。據此，本發明人提出一種溫度控制裝置及方法作為解決方案，其可以全區域監控溫度，同時得以避免電漿的影響，能夠取得正確性高的數據，並且擁有操作簡單、重複定位精度高優點，得符合晶體生長製程最佳化之需求。

具體而言，本發明一方面提供一種溫度控制裝置，其包括：一基材載台，其頂部表面用於承載至少一基材；一溫度傳感器，其對應該基材設置；一致冷器，設置於該基材載台內部；一感測單元，對應該基材載台設置；一傳輸單元，設置於基材載台內部；一邏輯控制器，設置於基材載台內部。

於較佳實施例中，該基材載台之材料為金屬材料、碳化矽、陶瓷材料或其組合。

於較佳實施例中，該溫度傳感器係一接觸式溫度傳感器或一非接觸式溫度傳感器。

於較佳實施例中，該溫度傳感器係紅外線溫度傳感器、一音波溫度傳感器、一超音波溫度傳感器、一磁性溫度傳感器、一毫米波溫度感測器、一熱電偶或一電阻溫度感測器。

於較佳實施例中，該溫度傳感器進一步包括複數光纖。

於較佳實施例中，該致冷器內部包含複數致冷晶片，且該複數致冷晶片係以陣列之形式排列。

如請求項1所述之溫度控制裝置，其中該致冷器係一水道致冷結構、複數致冷晶片、一電漿控溫器或其組合。

於較佳實施例中，該傳輸單元係一有線傳輸單元或一無線傳輸單元。

於較佳實施例中，該邏輯控制器係一電腦或可程式邏輯控制器。

於較佳實施例中，該溫度控制裝置中設置有一警報器。

本發明之另一方面提供一種溫度控制方法，其步驟包括：(a)控制該感測單元擷取一判讀區域內之至少一基材的數量、外型、分佈以及尺寸資訊；(b)控制該傳輸單元將該基材數量、外型、分佈以及尺寸資訊傳送至該邏輯控制器進行運算；(c)控制該溫度傳感器於該判讀區域進行感測以取得至少一溫度數據，並將該至少一溫度數據繪製成圖譜；(d)控制該邏輯控制器分析該圖譜，若該判讀區域的至少一溫度數據超過一閾值，則控制該致冷器對該區域進行降溫。

於較佳實施例中，該步驟(c)之該至少一溫度數據對應於該至少一基材。

本發明之功效在於，本發明提供之溫度控制裝置及方法，其可以全區域且高解析地監控溫度，同時得以避免電漿的影響，能夠取得正確性高的數據，並且擁有操作簡單、重複定位精度高的優點；其能夠提高良率及作為後續大尺寸設備開發之基礎，進而符合晶體生長製程最佳化之需求。

此外，根據本發明一較佳的實施例，該溫度控制裝置包含複數個熱電致冷器，因此可以透過溫度感測的數據調控該判讀區域的溫度，進而達到分區調節溫度的效果。

以下實施方式不應視為過度地限制本發明。本發明所述技術領域具有通常知識者可再不背離本發明之精神範疇的情況下對本文所討論之實施例進行修改及變化，而仍屬於本發明之範圍。

為了使本發明的敘述更加詳盡與完備，下文針對了本發明的實施態樣與具體實施利提出了說明性的描述，但這並非實施或運用本發明實施例的唯一形式。在本說明書及後附之申請專利範圍中，除非上下文另外載明，否則「一」及「該」亦可解釋為複數。

如本文所用，術語「電連接」或「電性連接」係泛指多個電子設備/裝置/元件之間透過導電材料相連接而達成的有線電連接，以及透過無線通訊技術進行無線信號傳輸的無線電連接。並且，本文中所述的「電連接」亦泛指兩個電子設備/裝置/元件之間直接相連而形成的「直接電連接」，及/或兩個電子設備/裝置/元件之間還透過其他電子設備/裝置/元件相連而形成的「間接電連接」。

如本文所用，術語「基材」係指在長晶製程中作為基板、晶種或被鍍膜物；具體而言，於本發明中所謂基材包括基板、晶圓或片狀材料，例如以高品質單晶、多晶、燒結之多晶、微晶或非晶之半導體材料製成之晶圓，例如鑽石(diamond)、藍寶石(sapphire)、氮化鎵(GaN)、砷化鎵(GaAs)、矽晶(Si)、矽之碳化矽(SiC)之任一多形體(包括纖維鋅礦)、氮化鋁(AlN)、磷化銦(InP)或用於半導體之相似材料；所述基材亦可為鍍製的多層材料，例如在藍寶石上鍍金屬銥Sapphire + Iridium，或係混合特殊基板材料，例如商售之QST等。

除此之外，本文圖式所示出的方塊可用於代表功能、步驟或硬體，且並不一定需與物理或邏輯上獨立的實體相對應。並且，圖式中所示出的每一方塊可以透過軟體、硬體或軟硬體之組合的形式來實現，所述的硬體可例如是一或多個彼此有線電連接的硬體模組或積體電路，也可例如是透過網路彼此無線電連接的運算裝置及/或微處理器。

圖1a及1b各呈現本發明一實施例之溫度控制裝置100。請參閱圖1a及1b，該溫度控制裝置100包括一基材載台102，其頂部表面係用以承載複數基材104，如圖1a所示；或單數基材104，如圖1b所示。根據本發明之一些實施例，所述單數基材104(見圖1b)之面積佔超過該基材載台102之二分之一，較佳地，該基材104之面積佔該基材載台102之四分之三；另，該基材104之具體形狀可為圓形或方形，其並不為本案所限定。較佳地，該基材載台102之頂部表面可設置單數或複數容置槽，用以容置及乘載該單數或複數基材104。除此之外，該溫度控制裝置100更包括一感測單元202，其對應於基材載台102設置。材料方面，該基材載台102的材料為金屬或合金；較佳地為鉬金屬。根據本發明一些實施例，該溫度控制裝置100係應用於物理氣相傳輸(Physical Vapor Transportation，簡稱PVT)；所述物理氣相傳輸可為高溫物理氣相傳輸法(High Temperature Physical Vapor Transportation，簡稱HTPVT)。根據本發明一些實施例，該溫度控制裝置100係用於化學氣相沉積製程中；所述化學氣相沉積製程具體地可為低壓化學氣相沉積法(Low Pressure CVD, LPCVD)、常壓化學氣相沉積法(Atmospheric Pressure CVD, APCVD)、超高真空化學氣相沉積法(Ultrahigh Vacuum CVD, UHVCVD)、氣溶膠輔助氣相沉積(Aerosol Assisted CVD，AACVD)、直接液體注入化學氣相沉積(Direct Liquid Injection CVD，DLICVD)、微波電漿化學氣相沉積(Microwave Plasma-assisted CVD，MPCVD)、電漿增強化學氣相沉積法(Plasma Enhanced CVD, PECVD)、遠距電漿增強化學氣相沉積(Remote Plasma-Enhanced CVD，RPECVD)、原子層化學氣相沉積(Atomic Layer CVD，ALCVD)、觸媒化學氣相沉積(Catalytic CVD，Cat-CVD)、有機金屬化學氣相沉積法(Metal Organic CVD, MOCVD)、混和物理化學氣相沉積(Hybrid Physical-chemical CVD，HPCVD)、快速熱化學氣相沉積(Rapid Thermal CVD，RTCVD)；更佳地係用於微波電漿化學氣相沉積製程中。進一步地，該複數基材104其後表面得以經化學氣相沉積而生成鑽石之鑽石晶種。

圖2係根據本發明實施例之溫度控制裝置100所繪示的功能方塊圖。請共同參閱圖1及圖2，該溫度控制裝置100包括一感測單元202、一傳輸單元204、一邏輯控制器206、、一警報器208、一溫度傳感器22以及一致冷器24；其中該傳輸單元204、該邏輯控制器206、、該警報器208、該溫度傳感器22以及該致冷器24皆設置於該基板載台102內部。

根據本發明之一些實施例，該感測單元202係設置以擷取一選定的判讀區域之複數基材數量、外型、分佈及尺寸資訊，並電性連接至該傳輸單元204及該邏輯控制器206。該傳輸單元204係設置以將感測單元202擷取的資訊傳送至邏輯控制器206，其電性連接至邏輯控制器206；該傳輸單元204具體可為一有線傳輸單元或無線傳輸單元。

該溫度傳感器22係對應該單數或複數基材104設置，且係設置以單點或多點感測該判讀區域的溫度以獲得溫度數據，並將該溫度數據繪製成一圖譜；另，該溫度傳感器22係電性連接至該邏輯控制器206。該溫度傳感器22可設置於該基材載台102之內部或外部，且該溫度傳感器22具體可為接觸式或非接觸式溫度傳感器；根據本發明不同的實施例，該溫度傳感器22係一紅外線溫度傳感器、一音波溫度傳感器、一超音波溫度傳感器、一磁性溫度傳感器、一毫米波溫度感測器、一熱電偶或一電阻溫度感測器；更佳地，該溫度傳感器22包括複數光纖，且該複數光纖可集合成一束，藉以提高感測判讀區域溫度之解析程度。該邏輯控制器206係設置以分析該圖譜並將控制指令載入記憶體內儲存與執行；一旦該判讀區域內有區塊溫度超過閾值，該邏輯控制器206控制該致冷器24對該區域進行降溫，此外，若該區塊溫度持續超過閾值，亦可控制該警報器210發出警報。具體而言，該邏輯控制器206可為電腦或可程式邏輯控制器。致冷器24係設置以依照前述圖譜之結果調控該判讀區域的溫度，進而達到分區調節溫度的效果。根據本發明一些實施例，該致冷器係一水道致冷結構、一熱電致冷器、一電漿控溫器或其組合。較佳地係採用熱電致冷器，係利用電流通入其中的熱電元件時，其熱電元件的其中一面會吸收熱量、而另一面會放出熱量來達到溫度調控的效果；且較佳地，該熱電元件係複數致冷晶片。該致冷器24係電性連接至邏輯控制器206及溫度傳感器22。

圖3a、3b及圖4a至4c係分別根據本發明不同實施例之溫度控制裝置中溫度傳感器及熱電致冷晶片的分布圖。

請參閱圖3a及3b，根據本發明之一些實施例，本發明之致冷器係採用複數熱電致冷晶片24，該複數熱電致冷晶片241以陣列之形式排列，如圖3a所示；或是亦可以將中間9片熱電致冷晶片241，每片再分為4小片，如圖3b所示，可以達到針對中心部位的溫度控制更加精確；而該溫度傳感器22包括複數光纖，對應基板載台上的複數基材所設置；詳言之，該複數光纖係以集合為一束之形式設置，藉以有效地針對個別基材進行溫度感測，進而提高溫度感測之解析程度。根據本發明一較佳之實施例，各該複數光纖係紅外線光纖。

請參閱圖4a至c，根據本發明之一些實施例，該複數熱電致冷晶片241具有規格排列，例如為陣列圖案、環狀圖案、或多邊形圖案等，且該複數溫度傳感器22可具有一規格排列的形式密布於其中，例如為在每個熱電致冷晶片241的四個頂點旁皆設置有一個溫度傳感器22，如圖4a所示；在每個熱電致冷晶片241的四個邊上皆設置有一個溫度傳感器22，如圖4b所示；或在每個熱電致冷晶片241的四個頂點旁及四個邊上皆設置有一個溫度傳感器22，如圖4c所示，已能達到全區域監控溫度。該並且由於溫度傳感器22設置在該基材載台102內部，而得以避免溫度感測時受到電漿影響，進而得到正確性高的溫度數據。

圖5係根據本發明實施例之微波誘導電漿作用於基材表面的示意圖。

請參閱圖5，根據本發明之一些實施例，當採用微波誘導電漿3作用於該複數基材104表面時，位於中間部分之基材104溫度高而位於周圍部分者溫度則較低；進而造成溫度分布不均之情形。此時即可進一步透過本發明提供之溫度感測方法監測並調控溫度。

圖6係根據本發明實施例之溫度感測方法的步驟流程圖。請共同參閱圖2及圖5，在S12步驟中，控制該感測單元202擷取一判讀區域的基材數量、外型、分佈及尺寸資訊。在S14步驟中，控制該傳輸單元204將該基材數量、外型、分佈及尺寸資訊傳送至該邏輯控制器206進行運算。在S16步驟中，控制該溫度傳感器22於判讀區域單點或多點感測以取得複數溫度數據，並將該複數溫度數據繪製成一圖譜；較佳地，所述溫度數據係對應上述基材。在S18步驟中，控制該邏輯控制器206分析該圖譜，若該判讀區域的複數溫度超過一閾值，控制該致冷器24進行溫度調控，該致冷器24會依據該溫度傳感器22所偵測到的溫度來調整該判讀區域的溫度；根據本發明一較佳實施例，當該溫度傳感器22偵測到該判讀區域溫度過高時，該致冷器24可對熱電元件(致冷晶片)通入電流以吸收熱能來達到散熱效果；根據本發明一較佳實施例，該閾值可透過人為設定而得。接著，在S20步驟中，若該區塊溫度持續超過閾值，則可依據設定針對電漿進行溫度控制或控制該警報器210發出警報以利通知操作人員注意該溫度不均之現象。最後，在S22步驟中，控制該邏輯控制器206記憶執行參數作為下次操作時的參考依據。

本發明之溫度感測方法透過步驟S12至S16取得多點的個別溫度資訊，再透過步驟S18調整該些溫度，來實現多點個別溫度控制，進而達到高解析度的溫度監控的效果。

綜上所述，本發明提供之溫度感測裝置及方法的優勢在於：可以全區域且高解析地監控溫度，同時得以避免電漿的影響，能夠取得正確性高的數據，並且擁有操作簡單、重複定位精度高的優點；其能夠提高良率及作為後續大尺寸設備開發之基礎，進而符合晶體生長製程最佳化之需求。除此之外，根據本發明較佳的實施例，該溫度控制裝置包含複數個致冷器，而使本發明透過溫度感測的數據調控該判讀區域的溫度，進而達到分區調節溫度的效果。

以上已將本發明做一詳細說明，惟以上所述者，僅惟本發明之較佳實施例而已，當不能以此限定本發明實施之範圍，即凡依本發明申請專利範圍所作之均等變化與修飾，皆應仍屬本發明之專利涵蓋範圍內。

100:溫度控制裝置

102:基材載台

104:基材

202:感測單元

204:傳輸單元

206:邏輯控制器

208:警報器

22:溫度傳感器

24:致冷器

241:熱電致冷晶片

3:微波誘導電漿

S12~S22:步驟

圖1a及1b係依據本發明實施例的溫度控制裝置外觀示意圖。

圖2係依據本發明實施例的溫度控制裝置功能方塊圖。

圖3a、3b及圖4a至4c分別係依據本發明實施例的溫度感測裝置中溫度傳感器及熱電致冷晶片的分布圖。

圖5係依據本發明實施例的微波誘導電漿作用於基材表面的示意圖。

圖6係依據本發明實施例的溫度控制方法的步驟流程圖。

根據慣常的作業方式，圖中各種特徵與元件並未依實際比例繪製，其繪製方式是為了以最佳方式呈現與本發明相關的具體特徵與元件。此外，在不同圖式間，以相同或相似的元件符號指稱相似的元件及部件。

無。