CN111816594B - 快速热退火设备 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种快速热退火设备，包括：反应室；预热灯源，设置于所述反应室顶部；晶圆测温器，设置于所述反应室内以实时测量晶圆的温度；腔壁测温器，设置于所述反应室内以实时测量所述反应室的温度；加热线圈，设置于所述反应室的腔壁上；控制模块，设置于所述反应室的腔壁上，用于根据所述腔壁测温器和/或晶圆测温器获取的温度控制所述预热灯源及所述加热线圈的开关或功率大小。本发明解决了现有技术中晶圆受热不均导致品质下降的问题。

Description

快速热退火设备

技术领域

本发明涉及半导体设备技术领域，尤其涉及一种快速热退火设备。

背景技术

快速热退火作为半导体加工工艺之一，其目的是将晶圆在一定时间内置于所需温度与环境条件下，利用热能促使晶圆内的原子进行晶格位置的重排，以降低晶格缺陷，激活掺杂元素。

快速热退火基于热辐射原理，加热用的热源一般采用灯泡组，但是，由于快速热退火的反应室空间较大，承担主要加热任务的灯泡组无暇顾及反应室内所有区域，如反应室内的边缘区域、反应室的进气口和排气口，这些区域温度会相对较低，导致晶圆的受热不均，最终导致晶圆品质下降。因此目前亟需一种精确有效的快速热退火预热与温度补偿系统。

发明内容

本发明的目的在于提供一种快速热退火设备，以解决晶圆受热不均导致品质下降的问题。

为了达到上述目的，本发明提供了一种快速热退火设备，包括：反应室；

预热灯源，设置于所述反应室顶部；

晶圆测温器，设置于所述反应室内以实时测量晶圆的温度；

腔壁测温器，设置于所述反应室内以实时测量所述反应室的温度；

加热线圈，设置于所述反应室的腔壁上；

控制模块，设置于所述反应室的腔壁上，用于根据所述腔壁测温器和/或所述晶圆测温器获取的温度控制所述预热灯源及所述加热线圈的开关及功率。

可选的，当所述腔壁测温器获取的温度小于预热阈值时，所述控制模块开启所述预热灯源及所述加热线圈进行预热；当所述腔壁测温器获取的温度小于预热阈值及所述晶圆测温器获取的温度时，所述控制模块控制所述加热线圈增大功率进行热补偿；当所述腔壁测温器获取的温度大于预热阈值时，所述控制模块控制所述预热灯源及所述加热线圈增大功率进行退火；当所述腔壁测温器获取的温度大于预热阈值且小于所述晶圆测温器获取的温度时，所述控制模块控制所述加热线圈增大功率进行热补偿。

可选的，所述加热线圈为电磁感应加热线圈，所述电磁感应加热线圈嵌设于所述反应室的腔壁内。

可选的，所述电磁感应加热线圈环绕所述反应室的腔体设置。

可选的，所述腔壁测温器包含若干辐射测温器，所述辐射测温器设置于所述反应室的腔壁上。

可选的，所述辐射测温器沿所述反应室的腔壁周向均匀分布。

可选的，还包括用于承载晶圆的承载台，所述承载台设置于所述反应室内，所述晶圆测温器设置于所述承载台下方。

可选的，所述晶圆测温器的数量为若干个，若干晶圆测温器沿所述承载台的径向分布。

可选的，还包括反光板，所述反光板设置于所述反应室内，所述晶圆测温器嵌设于所述反光板内。

可选的，所述预热灯源包含多个加热灯泡。

在本发明提供的一种快速热退火设备中，在反应室的顶部设置预热灯源，对反应室进行预热；通过晶圆测温器获得晶圆的温度，能够得知晶圆的温度，在反应室的腔壁上设置腔壁测温器，能够准确得知反应室边缘区域的温度，通过控制模块将晶圆测温器和腔壁测温器获得的温度控制预热灯源和加热线圈的开关或功率大小；加热线圈可以对未处于预热灯源正下方的区域进行热补偿，调整加热线圈的功率可调整补偿温度，使反应室内整个区域均可以充分预热，以实现反应室的温度均衡，提升了作业环境的均一化；并且还减少了因预热不足带来的首片效应，解决了受热不均导致的晶圆均匀性差的问题，有效降低晶圆翘曲变形等产品品质问题。

附图说明

图1为本发明一实施例提供的正面结构示意图；

图2为本发明一实施例提供的俯视结构示意图；

附图中：11-预热灯源；12-反应室；13-辐射测温器；14-晶圆；15-晶圆测温器；16-反光板；17-承载台；21-腔体壁；22-电磁感应加热线圈。

具体实施方式

下面将结合示意图对本发明的具体实施方式进行更详细的描述。根据下列描述，本发明的优点和特征将更清楚。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。

图1为本实施例提供的正面结构示意图，图2为本实施例提供的俯视结构示意图。请参考图1和图2，本发明提供了一种快速热退火设备，用于反应室的预热和温度补偿，包括反应室12、预热灯源11、加热线圈、晶圆测温器15、腔壁测温器、控制模块和承载台17。

其中反应室12为晶圆14快速热退火提供反应场所，本实施例中，反应室12为圆柱形，反应室12的腔体壁上设有进气口和出气口，进气口和出气口以反应室12的水平中心轴线相对设置，便于进气口通入气体后能够快速流动通过出气口排出，图1中的水平箭头方向为气体的流动方向。通入的气体可为惰性气体，通过惰性气体用于排出反应室12内的氧气，防止在晶圆14快速热退火时进一步氧化，也可为其他所需的气体。

承载台17设置于反应室12底部，承载台17为圆环形，用于放置和固定晶圆14，保证在晶圆14预热和退火中不会出现移动。

晶圆测温器15设置于反应室12内，用于实时测量晶圆14的温度。具体设置于承载台17正下方，当晶圆14放置于承载台17时，晶圆测温器15离晶圆14距离很近，能够准确测得温度。晶圆测温器15的数量为若干个，若干晶圆测温器15沿所述承载台17的中心到边缘径向分布，若干晶圆测温器15可以分别测得晶圆14中心到边缘的温度。本实施例中举例晶圆测温器15的数量为8个，8个晶圆测温器15的测温范围为晶圆14中心到晶圆边缘，8个晶圆测温器15能够测得对应位置的温度，得知晶圆14不同位置的温度差异。

腔壁测温器设置于反应室内，用于实时测量反应室的温度，具体是测量反应室内部承载台17边缘的温度。由于晶圆测温器15可以较准确的测到晶圆的温度，而难以准确得知承载台17边缘的温度，为了得知承载台17边缘的温度，所以设置腔壁测温器，将腔壁测温器测得的温度与晶圆测温器15测得的温度进行对比，进一步得知晶圆14边缘附近的温度与晶圆14中心温度的差异。在本实施例中，腔壁测温器包含若干辐射测温器13，若干辐射测温器13设置于反应室的腔壁上，若干辐射测温器13沿反应室的腔壁周向均匀分布，每个辐射测温器13到承载台17的距离相同，通过每个辐射测温器13测到承载台17边缘和晶圆14边缘温度，能够准确得知承载台17边缘和晶圆14边缘的温度。在本实施例中，辐射测温器13的数量为4个，4个辐射测温器13环绕承载台布置，能够从4面检测到相应边缘的温度，从而得到边缘的准确温度，辐射测温器13的个数还可为5个、6个等。

预热灯源11设置于反应室12顶部，预热灯源11和反应室12通过透光玻璃密闭隔开，通过控制模块控制预热灯源11的开关或功率大小。在本实施例中，预热灯源11包含多个加热灯泡，多个加热灯泡整齐排列设置于反应室12顶部中心，多个加热灯泡辐射的光通过透光玻璃辐射到承载台17上，用于给反应室12加热。

由于预热灯源11为主加热源，预热灯源11位于反应室12的顶部中心位置，即承载台17的正上方位置，预热灯源11加热的正下方区域能够充分预热，图1中预热灯源11竖向箭头方向为预热灯源11的光辐射方向，而未处于预热灯源11正下方的其它特殊区域不能得到充分预热，未处于预热灯源11正下方的其它特殊区域包括承载台17的圆周边缘处、进气口位置和出气口位置，如果反应室12预热不均会导致晶圆14受热不均匀，从而造成工艺参数不合格，甚至晶圆14翘曲变形等产品品质问题。

为了解决这个问题，进一步地，将加热线圈设置于反应室12的腔壁上，用于给未处于预热灯源11正下方的特殊区域进行热补偿，从而使反应室12预热均匀。在本实施例中，加热线圈为电磁感应加热线圈22，电磁感应加热线圈22的工作原理是给电磁感应加热线圈22通上交流电时，在电磁感应加热线圈22周围产生交变磁场，交变磁场使电磁感应加热线圈22产生感应电流，导致电磁感应加热线圈内部的原子高速无规则运动，原子互相碰撞、摩擦而产生热能，从而起到加热的效果。

在本实施例中，电磁感应加热线圈22嵌设于反应室12的腔壁上，也可设置于反应室12的内壁上。且电磁感应加热线圈22环绕反应室的腔体设置，优选电磁感应加热线圈22对准承载台17圆周边缘360度环绕设置，可以使承载台17圆周边缘受热更多，热补偿更加有效。电磁感应加热线圈22的热能通过反应室12的腔壁向反应室12内部散发，靠近电磁感应加热线圈22的承载台17边缘能够接收到更多热能，从而起到补偿未处于预热灯源11正下方的其它特殊区域热能的作用，使反应室12内预热均匀。反应室12的外部机台上具有输出功率可调的交流电源，给电磁感应加热线圈22提供交流电，使电磁感应加热线圈22处于加热状态，电磁感应加热线圈22的加热温度和提供交流电的功率有关，改变加热温度即改变交流电源的输出功率。

进一步地，本发明还包括反光板，反光板设置于承载台17下方，反光板用于将灯泡照射来透过晶圆14的光反射到晶圆14上，让晶圆14能够更完全的受热。本实施例中将若干晶圆测温器15嵌设于反光板中，便于若干晶圆测温器15的固定和测温。

控制模块设置于反应室12的腔壁上，用于根据腔壁测温器获取的温度控制预热灯源11及加热线圈的开关，用于根据腔壁测温器和晶圆测温器15获取的温度控制预热灯源11及加热线圈的功率大小。

在本实施中，当出现不连续作业等情况，反应室12处于冷腔状态，腔壁测温器实时测量反应室12内的温度，将测得的温度给控制模块，控制模块按照设定的阈值对比，当腔壁测温器获取的温度小于设定的预热阈值时，控制模块发送控制信号给预热灯源11及加热线圈，以开启预热灯源11及加热线圈进行预热，此时预热灯源11以低功率运行进行预热。

在预热过程中，晶圆测温器15和腔壁测温器处于实时测量状态，以获得晶圆14和承载台17边缘区域的温度，将测得的温度给控制模块，控制模块将晶圆14的温度与承载台17边缘的温度对比，当腔壁测温器获取的温度小于晶圆测温器15获取的温度，控制模块控制加热线圈增大功率，以实现承载台17边缘区域的热补偿。

当腔壁测温器获取的温度大于预热阈值时，此时预热结束，进入主退火阶段，控制模块发送控制信号给预热灯源11及加热线圈，以控制预热灯源及加热线圈增大功率进行退火。

在退火过程中，晶圆测温器15和腔壁测温器获得晶圆14和承载台17边缘区域的温度，将测得的温度给控制模块，控制模块将晶圆14的温度与承载台17边缘的温度对比，当腔壁测温器获取的温度小于晶圆测温器15获取的温度，控制模块控制加热线圈增大功率，以实现承载台17边缘区域的热补偿。

综上，在本发明提供的一种快速热退火设备中，在反应室12的顶部设置预热灯源11，对反应室12进行预热；通过晶圆测温器15获得晶圆14不同位置的温度，能够准确得知晶圆14中心位置与承载台15边缘位置的温度差，在反应室12的腔壁上设置腔壁测温器，能够准确得知承载台17边缘的温度，通过控制模块将晶圆测温器15和腔壁测温器获得的温度进行对比，去控制预热灯源11和加热线圈的开关或功率大小；通过在反应室12的腔壁内嵌设加热线圈，加热线圈对未处于预热灯源11正下方的区域进行热补偿，调整加热线圈的功率可调整补偿温度，使预热灯源11加热的正下方区域，以及未处于预热灯源11正下方的区域均能得到充分预热，以实现反应室的温度均衡，提升了作业环境的均一化；并且还减少了因预热不足带来的首片效应，解决了受热不均导致的晶圆14均匀性差的问题，有效降低晶圆14翘曲变形等产品品质问题。

上述仅为本发明的优选实施例而已，并不对本发明起到任何限制作用。任何所属技术领域的技术人员，在不脱离本发明的技术方案的范围内，对本发明揭露的技术方案和技术内容做任何形式的等同替换或修改等变动，均属未脱离本发明的技术方案的内容，仍属于本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种快速热退火设备，其特征在于，包括：

反应室；

预热灯源，设置于所述反应室顶部中心且位于所述反应室内的晶圆的正上方；

用于承载晶圆的承载台，所述承载台设置于所述反应室内；

晶圆测温器，设置于所述承载台下方以实时测量晶圆的温度，所述晶圆测温器的数量为若干个，若干晶圆测温器沿所述承载台的径向分布；

腔壁测温器，包含若干辐射测温器，所述辐射测温器设置于所述反应室的腔壁上，以实时测量所述反应室的温度；

加热线圈，设置于所述反应室的腔壁上且环绕所述反应室的腔体；

控制模块，设置于所述反应室的腔壁上，用于根据所述腔壁测温器和/或所述晶圆测温器获取的温度控制所述预热灯源及所述加热线圈的开关及功率。

2.如权利要求1所述的快速热退火设备，其特征在于，当所述腔壁测温器获取的温度小于预热阈值时，所述控制模块开启所述预热灯源及所述加热线圈进行预热；当所述腔壁测温器获取的温度小于预热阈值及所述晶圆测温器获取的温度时，所述控制模块控制所述加热线圈增大功率进行热补偿；当所述腔壁测温器获取的温度大于预热阈值时，所述控制模块控制所述预热灯源及所述加热线圈增大功率进行退火；当所述腔壁测温器获取的温度大于预热阈值且小于所述晶圆测温器获取的温度时，所述控制模块控制所述加热线圈增大功率进行热补偿。

3.如权利要求1所述的快速热退火设备，其特征在于，所述加热线圈为电磁感应加热线圈，所述电磁感应加热线圈嵌设于所述反应室的腔壁内。

4.如权利要求1所述的快速热退火设备，其特征在于，所述辐射测温器沿所述反应室的腔壁周向均匀分布。

5.如权利要求1所述的快速热退火设备，其特征在于，还包括反光板，所述反光板设置于所述反应室内，所述晶圆测温器嵌设于所述反光板内。

6.如权利要求1所述的快速热退火设备，其特征在于，所述预热灯源包含多个加热灯泡。

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