專利名稱：爐側(cè)壁溫度控制系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明一般涉及半導(dǎo)體熱處理系統(tǒng)領(lǐng)域，特別涉及一種垂直快速熱處理爐，該爐利用多個(gè)連續(xù)熱源保持爐內(nèi)所需恒定的溫度梯度。
熱處理系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于半導(dǎo)體制造的各階段?；镜臒崽幚響?yīng)用包括化學(xué)淀積、擴(kuò)散、氧化、退火、硅化、氮化、和焊料回流工藝等。垂直快速熱處理(RTP)系統(tǒng)包括垂直取向的處理室，該處理室由例如電阻加熱元件或高密度光源箱等熱源加熱。熱源可以以約100℃／秒的線性速率將處理室內(nèi)部加熱至450-1400℃。
處理單個(gè)晶片的垂直RTP的一個(gè)實(shí)例見美國專利NO．4857689，該專利授予Lee，轉(zhuǎn)讓給本發(fā)明的受讓人，這里引入作為參考。Lee的專利公開了一種由裝在處理室的上部的電阻加熱元件加熱的處理室。電阻加熱元件加熱該處理室以便得到從室的上部(最熱)到室底部(最不熱)的溫度梯度。室側(cè)壁具有由以下加熱得到的溫度梯度，(1)從室的上部向下到側(cè)壁的傳導(dǎo)的加熱方式，(2)從電阻加熱器通過處理室的對(duì)流輻射方式的加熱。支撐晶片的升降器借助處理控制系統(tǒng)在該溫度梯度范圍內(nèi)上下運(yùn)動(dòng)，以對(duì)晶片進(jìn)行要求的加熱。
如Lee的專利中所述的單加熱器結(jié)構(gòu)對(duì)處理特性有影響，會(huì)對(duì)單晶片的處理及多晶片系統(tǒng)生產(chǎn)能力產(chǎn)生不良影響。因?yàn)榫椭尉幕紦?jù)處理室總垂直剖面面積的相當(dāng)大一部分，所以晶片和基座阻擋了來自上部電阻加熱元件的熱，阻礙了被阻擋的熱到達(dá)和加熱晶片下的那部分處理室。因此，在單晶片處理期間，側(cè)壁溫度梯度的特征可能是溫度相當(dāng)不連續(xù)，這取決于特殊的側(cè)壁位置，和相對(duì)于該位置晶片的位置。這種溫度不連續(xù)性導(dǎo)致了很難精確加熱晶片。
另外，單加熱器結(jié)構(gòu)還有一個(gè)特征是側(cè)壁溫度梯度在開始時(shí)漂移，然后在處理了幾個(gè)晶片后才穩(wěn)定。這種漂移現(xiàn)象降低了開始時(shí)的進(jìn)程，所以降低了系統(tǒng)的生產(chǎn)能力。懷疑是因?yàn)樘幚硎覀?cè)壁是由對(duì)流和傳導(dǎo)加熱的緣故，傳導(dǎo)加熱的程度在處理了幾個(gè)晶片發(fā)展到一定程度，以減少由晶片造成的輻射(對(duì)流)熱阻擋的反作用。連續(xù)處理了多個(gè)晶片后，這種問題消失。在某些情況下，可以通過在開始時(shí)處理假片來解決此問題。但也會(huì)對(duì)系統(tǒng)生產(chǎn)力造成不良影響。但是，甚至是利用假片也不能解決單晶片處理過程中槽受的側(cè)壁溫度梯度不連續(xù)問題，即，在每個(gè)單獨(dú)晶片的處理過程中，晶片仍會(huì)阻擋熱輻射，所以特定位置的側(cè)壁溫度的起伏取決于該位置上或下是否設(shè)置有晶片。
因此，本發(fā)明的目的是提供一種單晶片RTP垂直爐，該爐利用設(shè)于爐的各垂直部位上的多個(gè)連續(xù)熱源，為處理室提供一致目連續(xù)的溫度梯度。
本發(fā)明再一目的是一種具有有效側(cè)壁加熱機(jī)構(gòu)的爐，能夠在側(cè)壁的特定垂直位置讀出一致的溫度，而與爐內(nèi)晶片的位置無關(guān)，與已處理過的晶片數(shù)無關(guān)。
所提供的垂直快速熱處理(RTP)系統(tǒng)包括沿縱軸延伸的垂直處理室，和設(shè)于處理室內(nèi)且具有支撐表面的可動(dòng)平臺(tái)，支撐表面將用于安安放要處理的一多或多個(gè)半導(dǎo)體晶片?？梢杂萌绻鈱W(xué)高溫計(jì)等溫度傳感器探測設(shè)于平臺(tái)上的晶片背側(cè)的溫度。在系統(tǒng)以一封閉的回路控制結(jié)構(gòu)運(yùn)行時(shí)，位置控制器接收光學(xué)溫計(jì)的反饋信號(hào)，給運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)提供相應(yīng)的位置信號(hào)。運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)調(diào)節(jié)垂直處理室內(nèi)可動(dòng)平臺(tái)的垂直位置。
溫度控制了系統(tǒng)在垂直處理室內(nèi)沿縱軸建立了一個(gè)連續(xù)的溫度梯度。溫度控制子系統(tǒng)包括沿縱軸設(shè)于不同垂直部位的多個(gè)處理室側(cè)壁加熱元件。多個(gè)加熱元件中的每一個(gè)獨(dú)立于其其它加熱元件受控。多個(gè)縱向取向的加熱元件提供了有效的側(cè)壁加熱機(jī)構(gòu)，在處理室內(nèi)建立了一致且連續(xù)的溫度梯度，而且并不取決于室內(nèi)晶片的位置和已處理過的晶片數(shù)。上部加熱元件對(duì)晶片中心施加更多的熱，側(cè)壁加熱元件對(duì)晶片邊緣施加更多的熱。獨(dú)立控制多個(gè)加熱元件允許直接控制晶片上輻射溫度分布。


圖1是根據(jù)本發(fā)明原理構(gòu)成的側(cè)壁加熱式垂直快速熱處理系統(tǒng)的剖面圖；圖2是圖1的快速熱處理系統(tǒng)的側(cè)壁加熱控制系統(tǒng)的示意圖；圖3是現(xiàn)有技術(shù)側(cè)壁溫度特性的曲線圖，還示出了利用本發(fā)明后這些特性一致性方面的改善。
現(xiàn)參考各附圖，圖1是熱處理例如半導(dǎo)體晶片w等一個(gè)或多個(gè)襯底的垂直快速熱處理(RTP)系統(tǒng)10。RTP系統(tǒng)10包括處理裝置12，該裝置包括產(chǎn)生垂直溫度梯度區(qū)的加熱機(jī)構(gòu)，和在該區(qū)內(nèi)垂直移動(dòng)晶片的移動(dòng)機(jī)構(gòu)；控制溫度梯度內(nèi)晶片垂直位置的系統(tǒng)控制器14；控制處理裝置的加熱機(jī)構(gòu)的加熱器控制器16?；蛘?，加熱器控制器16可以引入系統(tǒng)控制器14，例如處理控制器38內(nèi)。
處理裝置12包括端部封閉的管18，例如石英鐘罩，其限定處理室20。鐘罩18內(nèi)部由圍繞鐘罩頂部的頂部加熱器組件22和至少一個(gè)圍繞鐘罩側(cè)壁的附加側(cè)壁加熱組件24加熱。在所公開的實(shí)施例中，示出了兩個(gè)側(cè)壁加熱組件24a-b。上部和側(cè)壁加熱組件最好是包括環(huán)繞鐘罩18的圓周設(shè)置的多個(gè)電阻加熱元件，盡管該發(fā)明也可以用其它類型的加熱器、隔熱層26包圍著加熱元件。
激勵(lì)加熱元件22和24a-b產(chǎn)生沿鐘罩中心縱軸X的垂直溫度梯度，該梯度從鐘罩上部(最熱)延伸到鐘罩底部(最不熱)。晶片w在溫度梯度范圍內(nèi)垂直運(yùn)動(dòng)以進(jìn)行所需的熱處理。被處理晶片的溫度的線性上升和線性下降由處理室20內(nèi)晶片的垂直位置控制，而不是靠改變處理室的溫度控制的。晶片的垂直運(yùn)動(dòng)靠升降組件30實(shí)現(xiàn)，該組件包括與支撐管34連接的基座32。要處理的晶片通過傳送室36裝載到基座32上和從基座上卸載。
系統(tǒng)控制器14控制基座32的垂直位置，以使晶片W處于處理室20內(nèi)建立的溫度梯度范圍內(nèi)。處理控制器38如微處理器根據(jù)存儲(chǔ)的所需熱處理工藝給電機(jī)控制器40提供信號(hào)，并在封閉環(huán)路控制下工作時(shí)，由高溫計(jì)42提供晶片溫度反饋。高溫計(jì)44指向晶片底側(cè)，以得到溫度反饋，該高溫計(jì)通過光纖46與高溫計(jì)42連接。電機(jī)控制器的輸出驅(qū)動(dòng)放大器48，放大器48又驅(qū)動(dòng)伺服馬達(dá)50，以升高或降低支撐管34。位置編碼器52給電機(jī)控制器提供位置反饋。這種由系統(tǒng)控制器14提供的封閉環(huán)路位置控制系統(tǒng)現(xiàn)有技術(shù)是已知的?；蛘?，系統(tǒng)可以在開路結(jié)構(gòu)下不用從高溫計(jì)42的反饋運(yùn)行。
如圖1所示，在一個(gè)實(shí)施例中，加熱器控制器16包括控制上部加熱組件22工作的上部加熱器控制器56，和控制側(cè)壁加熱器組件24a-b的區(qū)域控制器58a-b。主控制器60用于控制各控制器56和58a-b的操作，有效地協(xié)調(diào)RTP系統(tǒng)10的工作。另一實(shí)施例中，單獨(dú)的基于軟件的PED控制環(huán)路可以提供給系統(tǒng)中的每個(gè)加熱元件，該控制環(huán)路的調(diào)節(jié)由處理控制器38實(shí)現(xiàn)，而非由主控器60實(shí)現(xiàn)。
盡管圖1中示出了兩個(gè)側(cè)壁區(qū)域控制器，以控制兩個(gè)側(cè)壁加熱組件(除由上部加熱器控制器56控制的上部加熱器組件22外)，這種結(jié)構(gòu)僅僅是一個(gè)實(shí)例。本發(fā)明旨在任何滿足以下條件的加熱器構(gòu)形，即其中沿處理室的垂直軸X在不同位置設(shè)置有多個(gè)獨(dú)立控制的加熱器，以在處理室內(nèi)建立無級(jí)的溫度梯度。這里所用的“無極”一詞是指在處理室內(nèi)建立連續(xù)的溫度梯度，而不是由中間過渡區(qū)連接的一系列不同溫度的不連續(xù)區(qū)。盡管可以假定加熱器為任何數(shù)目的已知電阻或燈類構(gòu)形，但所示實(shí)施例中，每個(gè)加熱器包括環(huán)繞地位于鐘罩18外部的電阻加熱元件，以便由它們界定鐘罩側(cè)壁。
圖2示出了本發(fā)明提供的側(cè)壁加熱控制系統(tǒng)。如圖2所示，主控器60存儲(chǔ)或從存儲(chǔ)器接收處理室20內(nèi)多個(gè)(n個(gè))垂直位置處的需要溫度，由此在處理室中建立所需的連續(xù)溫度梯度。垂直位置的個(gè)數(shù)n表示鐘罩18內(nèi)用于加熱處理室20的加熱組件個(gè)數(shù)(如，一個(gè)上部加熱組件，和一個(gè)或多個(gè)側(cè)壁加熱組件，或兩個(gè)以上側(cè)壁加熱組件)。
系統(tǒng)中的每個(gè)加熱組件24皆有閉路控制系統(tǒng)。盡管圖2只示出了側(cè)壁加熱組件24a-24n和相應(yīng)的側(cè)壁區(qū)域控制器58a-58n，在系統(tǒng)10中只有一個(gè)上部加熱組件時(shí)，該上部加熱組件也可以利用類似的控制系統(tǒng)。每個(gè)區(qū)域控制器58包括用于從主控器60接收所需溫度參考輸入信號(hào)和從設(shè)于鐘罩側(cè)壁18上的熱偶64接收實(shí)際溫度反饋信號(hào)的加法接點(diǎn)(如恒溫器)62。每個(gè)控制器58a-n用一個(gè)開關(guān)SW，以根據(jù)所需和實(shí)際的側(cè)壁溫度間的差異，獨(dú)立于系統(tǒng)中的其它加熱器組件激勵(lì)和關(guān)閉加熱器組件24a-n，從而得到恒定的所需溫度梯度。由于由主控器控制的每個(gè)區(qū)域控制器58的緣故，可以在鐘罩處理室20內(nèi)得到所需恒定的無級(jí)溫度梯度。
圖3示出了本發(fā)明側(cè)壁加熱機(jī)構(gòu)帶來的工作改進(jìn)情況。如該圖所示，與未利用獨(dú)立側(cè)加熱的RTP系統(tǒng)比較。利用本發(fā)明后，側(cè)壁上特定位置的側(cè)壁溫度一致性得到改善。圖3示出了在處理t片晶片的情況下，用和不用本發(fā)明的側(cè)壁加熱機(jī)構(gòu)時(shí)，在沿鐘罩18的軸X大約中間的縱向位置處側(cè)壁溫度的曲線圖。側(cè)壁溫度是參照時(shí)間繪制的。
在RTP系統(tǒng)的典型工作期間，晶片通過傳送室36放置于基座32上，并被移動(dòng)到由圖3所示的縱向位置之下的軸X上的某位置。晶片被瞬時(shí)固定吸在該位置(如10-20秒)。在圖3的時(shí)間t1-t7之前，該時(shí)間幀由10-20秒間隔表示。由于從上部加熱器22來的向下的熱對(duì)流，在圖3的該縱向位置處(該位置目前位于晶片之上)的側(cè)壁溫度局部上升。
這種初始吸附位置后，由于將處理室20內(nèi)的基座32升高到圖3的該縱向側(cè)壁位置表示的位置之上，晶片被升高到較高溫度。在時(shí)間t1-t7后，該時(shí)間幀由20-30秒間隔表示。在此期間，系統(tǒng)控制器14精細(xì)調(diào)節(jié)晶片的位置，以便對(duì)晶片進(jìn)行所要求的熱處理。
在設(shè)有側(cè)壁加熱的情況下，只要晶片經(jīng)過圖3的縱向位置(目前該位置低于晶片)，該位置的側(cè)壁溫度便會(huì)顯著下降，因?yàn)橛蓤D3所示的縱向位置和上部加熱器之間的晶片阻擋了向下的熱對(duì)流。因此，在沒有側(cè)壁加熱的情況下，僅在晶片通過該位置之前(即在時(shí)間t1-t7，表示t片晶片的順序處理)才可以得到圖3縱向位置處的峰值溫度。所以，在不用側(cè)壁加熱的情況下，在處理室內(nèi)的特定縱向位置處的溫度部分取決于處理中的晶片位置時(shí)，很難精確控制處理室20內(nèi)的溫度梯度。圖3示出了在不管處理室內(nèi)的晶片位置的情況下如何利用本發(fā)明側(cè)壁加熱機(jī)構(gòu)克服這種溫度不一致性問題。
除單個(gè)晶片的處理過程中發(fā)生的側(cè)壁溫度變化外，在沒有側(cè)壁加熱的情況下，在連續(xù)的晶片一晶片處理時(shí)仍會(huì)遇到側(cè)壁溫度變化，正如在連續(xù)晶片處理之間所測量的。圖3中由從第一晶片(時(shí)間t1前和后)到第t晶片(時(shí)間t7前和后)側(cè)壁溫度曲線的通常向下移動(dòng)或漂移表示此現(xiàn)象。這種通常向下的溫度滑動(dòng)也是由處理中的各晶片阻擋了來自上部加熱器的熱輻射引起的。對(duì)于處理的第一片新晶片來說這種效應(yīng)尤其明顯，但隨著沿處理室側(cè)壁的向下熱傳導(dǎo)對(duì)這種效應(yīng)的反作用，這種效應(yīng)變得較不明顯。圖3還示出了如何利用本發(fā)明的側(cè)壁加熱機(jī)構(gòu)克服晶片間溫度的不一致性問題。
這樣，利用沿垂直處理室設(shè)置于相應(yīng)數(shù)量的縱向位置處的一個(gè)以上獨(dú)立控制的加熱組件，可以顯著改善系統(tǒng)的性能?？梢燥@著減弱發(fā)生于單個(gè)晶片處理過程中及連續(xù)各晶片間的側(cè)壁溫度變化。通過圖2所示控制系統(tǒng)的細(xì)微調(diào)節(jié)，可以消除圖3所示微小的溫度變化。
因此，描述了改進(jìn)的側(cè)壁加熱垂直RTP系統(tǒng)的優(yōu)選實(shí)施例。然而，通過上述的說明，應(yīng)該理解，本說明只是舉例，本發(fā)明不限于這里所述的特定實(shí)施例，參考上述說明，在不背離由以下權(quán)利要求及其等同物限定的范圍的情況下，可以做出各種再設(shè)計(jì)、改形和替換。
權(quán)利要求
1．一種熱處理系統(tǒng)(10)，包括沿縱軸(X)延伸的垂直處理室(20)；設(shè)置于所述處理室內(nèi)并具有支撐表面的可動(dòng)平臺(tái)(32)，所述支撐表面上可以安放要進(jìn)行處理的一個(gè)或多個(gè)襯底(W)；及沿所述縱軸在所述垂直處理室內(nèi)建立連續(xù)溫度梯度的溫度控制子系統(tǒng)(56，58，60)，所述溫度控制子系統(tǒng)包括沿所述縱軸設(shè)置于不同垂直位置的多個(gè)加熱元件(24)，每個(gè)所述多個(gè)加熱元件皆有相關(guān)的加熱器控制器(16)，用于獨(dú)立于多個(gè)加熱元件中其它元件加熱其有關(guān)的加熱元件。
2．如權(quán)利要求1的熱處理系統(tǒng)(10)，其中每個(gè)所述加熱元件(24)包括環(huán)繞所述垂直處理室(20)的圓周設(shè)置的電阻加熱元件。
3．如權(quán)利要求1的熱處理系統(tǒng)(10)，還包括臨測所述可動(dòng)平臺(tái)(32)位置處或附近溫度的溫度傳感器(42)；使所述可動(dòng)平臺(tái)垂直移動(dòng)的運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)(50)；位置控制器(40)，用于從所述溫度傳感器(42)接收反饋信號(hào)，并給所述運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)(50)提供相應(yīng)的位置信號(hào)，調(diào)節(jié)所述垂直處理室內(nèi)所述可動(dòng)平臺(tái)的垂直位置。
4．如權(quán)利要求2的熱處理系統(tǒng)(10)，其中每個(gè)所述加熱器控制器(16)還包括測量特定垂直位置處所述垂直處理室的溫度的熱偶(64)。
5．如權(quán)利要求4的熱處理系統(tǒng)(10)，其中所述熱偶(64)置于所垂直處理室的壁(18)上。
6．如權(quán)利要求3的熱處理系統(tǒng)(10)，其中所述溫度傳感器是一光學(xué)高溫計(jì)(42)。
7．如權(quán)利要求4的熱處理系統(tǒng)(10)，其中所述熱偶每個(gè)輸出實(shí)際溫度反饋信號(hào)，每個(gè)所述加熱器控制器(16)比較所述的實(shí)際溫度反饋信號(hào)和所需溫度參考輸入信號(hào)，根據(jù)所需溫度與實(shí)際溫度信號(hào)間的差異選擇地激勵(lì)和關(guān)閉其相應(yīng)的加熱元件(24)。
8．如權(quán)利要求4的熱處理系統(tǒng)(10)，其中所述可動(dòng)平臺(tái)上的支撐表面為一設(shè)置成基本垂直于所述縱軸(X)的平面。
9．一種垂直熱處理系統(tǒng)(10)，包括沿縱軸(X)延伸并由側(cè)壁容器結(jié)構(gòu)(18)界定的垂直處理室(20)；設(shè)置于所述處理室內(nèi)并具有支撐表面的可動(dòng)平臺(tái)(32)，所支撐表面上可以安放要進(jìn)行處理的一個(gè)或多個(gè)襯底(W)；在所述垂直處理室內(nèi)沿所述縱軸建立連續(xù)溫度梯度的溫度控制子系統(tǒng)(56，58，60)，所述溫度控制子系統(tǒng)包括一上部加熱元件(22)和至少一個(gè)圍繞所述側(cè)壁容器結(jié)構(gòu)的側(cè)壁加熱元件(24)，所述上部加熱元件和至少一個(gè)側(cè)壁加熱元件具有與之相關(guān)的加熱器控制器(16)，用于獨(dú)立于其它加熱元件單獨(dú)加熱與之有關(guān)的加熱元件。
10．如權(quán)利要求9的熱處理系統(tǒng)(10)，還包括臨測所述可動(dòng)平臺(tái)(32)位置處或其附近溫度的溫度傳感器(42)；使所述可動(dòng)平臺(tái)垂直移動(dòng)的移動(dòng)機(jī)構(gòu)(50)；位置控制器(40)，用于從所述溫度傳感器(42)接收反饋信號(hào)，并給所移動(dòng)機(jī)構(gòu)(50)提供相應(yīng)的位置信號(hào)，以調(diào)節(jié)所述垂直處理室內(nèi)所述可動(dòng)平臺(tái)的垂直位置。
全文摘要
提供一種垂直快速熱處理(RTP)系統(tǒng)(10),包括沿縱軸(X)延伸的垂直處理室(20)和置于處理室內(nèi)且具有支撐表面的可動(dòng)平臺(tái)(32),所述支撐表面上可安放要進(jìn)行處理的如半導(dǎo)體晶片(W)等一個(gè)或多個(gè)襯底。溫度控制子系統(tǒng)(56,58,60)在垂直處理室內(nèi)沿縱軸建立連續(xù)溫度梯度。溫度控制子系統(tǒng)包括沿縱軸設(shè)置于不同垂直位置的多個(gè)室側(cè)壁加熱元件(24)。多個(gè)加熱元件中每一個(gè)皆獨(dú)立于多個(gè)加熱元件中的其它加熱元件受控。多個(gè)縱向取向的加熱元件提供有效的側(cè)壁加熱機(jī)構(gòu)。
文檔編號(hào)H01L21/22GK1204938SQ98102788
公開日1999年1月13日 申請(qǐng)日期1998年6月11日 優(yōu)先權(quán)日1997年6月11日
發(fā)明者G·T·勒考拉斯, D·P·羅迪爾 申請(qǐng)人:易通公司