外延生长装置的调温方法以及外延生长装置

摘要

本发明涉及半导体技术领域，特别是涉及一种外延生长装置的调温以及外延生长装置。该调温方法包括以下步骤：在衬底上选定离线测温点，在衬底和/或加热基座上选定实时测温点，离线测温点与实时测温点对应；模拟外延生长装置的工作流程，以在衬底空转的情况下获取离线测温点的温度T1以及实时测温点的温度T2；拟合温度T1和温度T2，得到温度T1和温度T2之间的映射关系函数F；获取外延生长装置正常工作流程下的实时测温点的温度T2’；根据映射关系函数F以及温度T2’，计算获得对应的离线测温点的实时温度T1’；根据实时温度T1’调节外延生长装置的加热功率。本申请的优点在于：能够获得衬底表面精确的实时温度T1’，用以精准及时的反馈调节加热功率。

说明书

技术领域

本发明涉及半导体技术领域，特别是涉及一种外延生长装置的调温方法以及外延生长装置。

背景技术

外延是半导体工艺当中的一种，所有的半导体器件全都制作于外延层之上，外延层的质量直接制约着器件的性能。随着工业上对外延片的质量要求越来越高，从而对外延生长装置反应腔内衬底表面温度分布均匀性的要求也日益提高。

目前，在生产外延片上的外延层的工艺过程中，通过实时测温手段实时检测外延生长装置反应腔内的温度，如实时检测衬底用于外延沉积的上表面的温度；常规的测温方式为红外远程测温、在加热基座内埋设热电偶进行测温以及离子注入片测温，然而这三种方式得到的反馈温度与衬底表面的实际温度之间存在较大的偏差：具体为：承载衬底的托盘处于旋转之中，热电偶只能设置于托盘下方的基座中，无法测量衬底表面的温度；采用红外测量虽然可以测量到衬底表面的温度，但是整个腔室的长度和高度之比较大，红外光线倾斜着打在衬底表面，造成测得的温度严重失真；而离子注入片的温度测量范围低于硅的熔点，不适用于较高温度的测量，导致温度较高时测量失效。因此上述测温手段均测温不准，导致无法精确的调节衬底表面的温度，影响外延层的生长质量。

发明内容

有鉴于此，针对上述技术问题，有必要提供一种精准调控外延生长装置内的衬底表面实时温度的调温方法以及采用该方法的外延生长装置；

本发明提供的一种外延生长装置的调温方法，所述外延生长装置包括衬底和加热基座，所述加热基座用于加热所述衬底，所述外延生长装置的调温方法包括以下步骤：在衬底上选定离线测温点，在衬底和/或加热基座上选定实时测温点，所述离线测温点与所述实时测温点对应；模拟外延生长装置的工作流程，以在衬底空转的情况下获取离线测温点的温度T1和实时测温点的温度T2；拟合温度T1和温度T2，并得到温度T1和温度T2之间的映射关系函数F；获取外延生长装置正常工作流程下的实时测温点的温度T2’；根据映射关系函数F和温度T2’，校准并获得对应的离线测温点的实时温度T1’；根据实时温度T1’调节外延生长装置的加热功率。

在其中一个实施例中，所述离线测温点与所述实时测温点重合；或者，沿着垂直于所述加热基座的方向，所述离线测温点在所述加热基座的投影与所述实时测温点重合。

在其中一个实施例中，所述离线测温点的数量为多个，且多个所述离线测温点的位置不重合。

在其中一个实施例中，所述温度T1通过测温环检测获得，且所述测温环安装于所述衬底用于生长外延层的表面上。

在其中一个实施例中，实时测温点的温度通过热电偶检测获得，且所述热电偶埋设于所述加热基座内；或者，实时测温点的温度通过红外高温计检测获得，所述外延生长装置具有反应腔，所述加热基座安装于所述反应腔内，所述红外高温计位于所述反应腔外。

在其中一个实施例中，所述离线测温点的测温范围为[t

在其中一个实施例中，在“拟合温度T1和温度T2，并得到温度T1和温度T2之间的映射关系函数F”步骤中：所述温度T1和所述温度T2采用二次差值法进行曲线拟合。

在其中一个实施例中，在步骤“根据实时温度T1’调节外延生长装置的加热功率”中，反馈调整正常工作流程中所述外延生长装置的加热功率的步骤包括：所述离线测温点的测温范围为[t

本发明还提供一种外延生长装置，所述外延生长装置采用如以上任意一项所述的外延生长装置的调温方法，用于调节所述外延生长装置的加热功率。

在其中一个实施例中，所述外延生长装置包括控制器和存储单元；其中，所述控制器与所述存储单元通信连接；所述存储单元储存所述温度T1和所述温度T2的映射关系函数F；所述第一测温装置用于测量所述离线测温点的温度，所述第二测温装置用于测量所述实时测温点的温度；所述控制器接收所述第二测温装置的测量到的温度T2’，并调取所述存储单元内存储的对应的所述映射关系函数F，校准并计算得到衬底表面的对应的离线测温点的实时温度T1’，所述控制器依据所述温度T1’反馈调节所述外延生长装置的加热功率。

本发明提供的一种用于外延生长装置的调温方法以及外延生长装置，相比于现有技术的有益效果如下：

本发明通过在衬底表面选定离线测温点，并在衬底和\或加热基座上选定与离线测温点对应的实时测温点，模拟外延生长装置的工作流程，并获取离线测温点处的温度T1和对应的实时测温点处的温度T2，并对温度T1和温度T2进行曲线拟合，得到离线测温点的温度和对应的实时测温点的温度之间的映射关系函数F；在正常的生产过程中，通过映射关系函数F以及实时测温点的温度T2’，从而计算得到精确的衬底表面的实际温度T1’，根据该实际温度T1’逆向反馈调节外延生长装置的加热功率，从而能够精准的控制衬底表面的温度，进而提高外延层的生长质量。

并且，通过本申请提供的调温方法，能够精准的监测每个离线测温点所在局部区域的实时温度，从而根据实时的温度精准的控制衬底表面上离线测温点所在的局部区域的温度，有效提高衬底表面温度分布均匀性，减低衬底表面各个区域的温差。

附图说明

图1为本发明提供的一实施例中的衬底表面温度反馈调控的流程示意图。

图2为本发明提供的一实施例中测温环安装于衬底上的示意图。

图3为本发明提供的一实施例中采用的外延生长装置的结构示意图。

图中，100、外延生长装置；10、加热基座；20、衬底；30、线圈组件；301、子线圈；40、第一测温装置；50、粘接剂。

具体实施方式

下面将结合本发明实施方式中的附图，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式仅仅是本发明一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。

需要说明的是，当组件被称为“装设于”另一个组件，它可以直接装设在另一个组件上或者也可以存在居中的组件。当一个组件被认为是“设置于”另一个组件，它可以是直接设置在另一个组件上或者可能同时存在居中组件。当一个组件被认为是“固定于”另一个组件，它可以是直接固定在另一个组件上或者可能同时存在居中组件。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施方式的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“或/及”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

在外延生长工艺中，通过采用的实时测温手段，对衬底表面或加热基座进行测温，并根据测得的温度反馈调节加热基座的加热功率。所述的实时测温手段通常为红外线远程测温或在加热基座内埋设热电偶的方式进行测温；通过红外线远程测温，其缺点在于，红外高温计安装于外延生长装置的反应腔外，红外高温计发射的红外光线需要隔着石英玻璃透射到衬底表面，且焦距设置不同，所测得的衬底表面的温度与衬底表面实际的温度存在明显误差；而通过热电偶测温，其测量的是加热基座的温度，加热基座的温度与衬底表面实际的温度同样存在较大的误差，导致实时测温手段测量所得的温度与衬底表面实际的温度误差较大，影响温度反馈调节的精准度，从而导致影响衬底上外延层的生长质量。

由此，本发明提供的一种外延生长装置100的调温方法，外延生长装置100包括衬底20和加热基座10，加热基座10用于加热衬底20。

参阅图1，用于外延生长装置100的调温方法包括以下步骤：

S1：在衬底20上选定离线测温点，在衬底20和/或加热基座10上选定实时测温点，离线测温点与实时测温点对应；

S2：模拟外延生长装置100的工作流程，以在衬底20空转的情况下获取离线测温点的温度T1以及实时测温点的温度T2；

S3：拟合温度T1和温度T2，并得到温度T1和温度T2之间的映射关系函数F；

S4：获取外延生长装置100正常工作流程下的实时测温点的温度T2’；

S5：根据映射关系函数F和温度T2’，计算并获得对应的离线测温点的实际温度T1’；

S6：根据实时温度T1’调节外延生长装置100的加热功率。

模拟外延生长装置100的工艺流程与正常作业下的工艺流程相比，在模拟的工艺流程中，往反应腔内通入的气体只有载气，不含外延生长所需的反应源气，因此在获取温度T1和温度T2的映射关系函数的步骤中，衬底20空转，在第一测温装置40表面不生成外延层，以保证后期在测量第一测温装置经历的最高温度时，防止生成的外延层影响测温精确度。其他步骤均与正常作业的工艺流程相同，以尽可能的模拟正常作业时的工况，得到精准的映射关系，提高反馈调节外延生长装置100中衬底20表面实时温度的精确度。需要说明的是，在正常作业工况下，载气内的源气含量小于载气含量的千分之一，因此源气对载气的性质以及源气反应时的反应热对热场的影响完全可以忽略，缺少源气，已经模拟了99.99％的工况，因此不含源气不影响进行利用第一测温装置去标定衬底表面的温度的测温步骤。

本发明通过在衬底20表面选定离线测温点，并在衬底20和\或加热基座10上选定与离线测温点对应的实时测温点，通过在不同的工艺温度下模拟进行多次工艺流程，并获取离线测温点处的温度T1和对应的实时测温点处的温度T2，并对温度T1和温度T2进行曲线拟合，得到离线测温点的温度和对应的实时测温点的温度之间的映射关系函数F；在正常的生产过程中，通过实时测量得到实时测温点的实时温度T2’，利用该实时测温点的映射关系函数F计算得到精确的衬底20表面的实际温度T1’。此处可以理解为通过离线测温点的温度对实时测温点的温度进行修正，从而在实际作业过程中，通过该映射关系函数F和实时测量得到的实时温度T2’计算得到实际温度T1’，并根据该实际温度T1’逆向反馈调节外延生长装置100的加热功率，从而能够精准的控制衬底20表面的温度，进而提高外延层的生长质量。

本发明还提供一种外延生长装置100，外延生长装置100采用本发明提供的调温方法，用以调节外延生长装置100的加热功率。

在其中一个实施例中，第一测温装置40用于测量离线测温点的温度，第二测量装置用于测量实时测温点的温度；外延生长装置100包括控制器和存储单元；其中，控制器分别与存储单元、第一测温装置40和第二测温装置通讯连接；存储单元内储存有温度T1和温度T2的映射关系函数F；控制器接收第二测温装置的测量的温度T2’，并调取存储单元内存储的对应的映射关系函数F，校准并计算得到衬底20表面的对应的离线测温点的实时温度T1’，控制器依据温度T1’反馈调节外延生长装置100的加热功率。当然，在其他实施例中，外延生长装置100的结构不局限于以上所述。

在步骤S1中，离线测温点与实时测温点对应，作为优选的，离线测温点与实时测温点重合；或，加热基座10具有用于承载衬底20的承载面，沿垂直于承载面的方向，离线测温点的投影与对应的实时测温点重合。如此，离线测温点与实时测温点的加热环境较为相近，从而离线测温点的温度T1和实时测温点的温度T2之间拟合形成的函数曲线更为精确恰当。当然，在其他实施例中，离线测温点与实时测温点的选定也可以不局限于以上所述的方式，只需确保一个离线测温点对应配备一个实时测温点，以便寻找两者之间的相对应的映射关系函数F。

参阅图3，图3所示为本发明一实施例中采用的一种外延生长装置100，该外延生长装置100包括加热体和多组线圈组件30，线圈组件30围设于加热体外，线圈组件30通过电磁感应对加热体进行加热。其中，加热体包括多个加热基座10，相邻的两个加热基座10之间围设形成反应腔；衬底20设置于加热基座10上；每组线圈组件30具有一基点，每组线圈组件30包括多个独立的子线圈301，多个子线圈301以基点为中心由内向外扩散排布；且两两相邻的两个子线圈301中，其中一个子线圈301包裹另外一个子线圈301。如此，每个独立的子线圈301将托盘上的区域划分为多个独立加热子区域，每个独立的子线圈301对托盘上对应的子区域进行单独加热，从而实现托盘表面温度分区可控。

在生产外延层的加工工艺流程中，衬底20表面各个子区域的温度存在不均匀的问题，而衬底20表面温度不均匀将严重影响到外延层在衬底20上分布的均匀性，影响外延层的质量。由此，在本发明的一个实施例中，在步骤S1中，离线测温点的数量为多个，且多个离线测温点的位置不重合。可以理解的是，在衬底20上选定多个离线测温点，每个离线测温点对应着衬底上不同的局部区域。通过本申请提供的调温方法，能够精准的监测每个离线测温点所在局部区域的实时温度，从而根据实时的温度精准的反馈调节每个离线测温点所在的局部区域的温度，即精准的反馈调节与每个离线测温点所在区域对应的子线圈301的加热功率，以使衬底20上各个子区域的温度趋于均匀，有利于提高外延层的质量。有效提高衬底20表面温度分布均匀性，减低衬底20表面各个区域的温差。

通常衬底中心区域和边缘区域存在温差，为均衡衬底中心区域和边缘区域的温度，进一步，在本实施例中，其中一个离线测温点位于衬底20表面的中心位置，其余离线测温点沿衬底20的中线周向布设在衬底20的边缘区域，从而分别对中心区域和边缘区域的温度进行精准调控，减少温差，有利于提高外延层的质量。当然，在其他实施例中，多个离线测温点的选定的位置不局限与以上所述，例如，多个离线测温点也可以沿衬底直径呈直线排列。

在步骤S2中，第一测温装置40设为测温环，温度T1通过测温环检测获得，且测温环安装于衬底20用于生长外延层的表面上。具体的，例如测温环可以是陶瓷测温环，根据预设的工艺温度选择合适量程的测温环，以使预设的工艺温度位于测温环的量程区间内，提高测温精度。可以理解的是，测温环具有耐高温且测量精度高的特性，通过采用测温环进行测温，其最高可测量1700℃的高温，且测温误差小于1℃，外延生长工艺的温度通常为1600℃，因此测温环的测温范围能够满足应用要求。当然在其他实施例中，也可以采用其他耐高温的测量设备对离线测温点所在的衬底20表面温度进行测量。

需注意的是，本申请在模拟外延生长装置100的工艺流程中，往反应腔内通入的气体只有载气，不含外延生长所需的反应源气，确保在测温环的表面不生成外延层，以保证后期在对测温环进行尺寸测量时，可以准确获取测温环因温度而变化之后的尺寸值，以便于推导出该次测温环测得的最高温度。

作为优选的，预设的工艺温度范围应位于测温环量程的中间区域内，以提高测温精度。

将测温环设置在衬底20表面上的离线测温点处，为避免衬底20在转动时测温环产生位移，优选的，通过耐高温的粘接剂50将测温环粘贴与衬底20的表面，在保证测温环位置固定强度的前提下，应尽可能减少测温环的粘接面积，避免对测温环的收缩产生较大影响。如此，防止测温环移位，并且，测温环直接粘贴在衬底20表面，能够直接并准确的测量衬底20表面的温度；另外相比于现有技术中在加热基座10内埋设热电偶的方式，而本申请无需通过破坏性的手段安置测温环，通过采用粘贴的方式能够避免损伤衬底20或加热基座10，且耐高温的粘接剂50也易于清除，安装方式简单，有利于提高工作效率。

需要说明的是，陶瓷测温环的测温原理是：测温环在使用的温度范围内根据所受温度的不同而产生线性收缩，测温环的外径尺寸即可表征温度信息。由此，采用测温环进行测温的具体步骤为：

S21：根据应用的外延生长装置100通常生产时设定的工艺温度范围，选取合适量程的测温环，并将测温环安装在衬底20上的离线测温点处，将衬底20放置于反应腔内；

S22：增大感应线圈的加热功率，以使加热基座10升温，此时第二测温装置实时测量对应的实时测温点的温度T2，直至实时测温点的温度T2达到预设的工艺温度；

S23：此时反应腔内需维持该工艺温度并保温一段时间，确保测温环充分收缩；由于测温环自身的测温特性，测温环只能记录外延生长工艺过程中衬底20表面的最高温度，温度降低时测温环不产生形变，且需测量测温环的形变量来获取测温环表征的温度信息。由此，通过保温以使测温环充分收缩形变后，对反应腔进行降温，取出测温环，采用千分尺多次测量测温环的外径尺寸后取平均值，与测温环参数表对照，即可获得测温环表征的离线测温点的温度T1；其中保温的时间为30-60分钟。

S24：在同一设定温度下，对于同一离线测温点，需要重复进行多次模拟的工艺流程，得到多个温度值，取多个温度值的平均值，作为该点在该工艺温度下的温度T1；

S25：更改设定的工艺温度，重复上述步骤，得到在该工艺温度下离线测温点的温度T1；

根据等差选取多个工艺温度进行实验，获得一组离线测温点的温度T1和一组由第二测温装置测量所得的温度T2，以便于在步骤S3中拟合多个温度T2和多个温度T1，得到该离线测温点和对应的实时测温点之间的映射关系函数F。

在步骤S2中，实时测温点的温度通过热电偶检测获得，且热电偶埋设于所述加热基座10内；或者，实时测温点的温度通过红外高温计检测获得，外延生长装置100具有反应腔，加热基座10安装于所述反应腔内，红外高温计位于所述反应腔外。换言之，在其中一个实施例中，第二测温装置设为红外高温计，对应的选定的实时测温点位于衬底20表面上；红外高温计安装在反应腔外，通过红外线实时照射到衬底20表面，用以实时测量衬底20表面的温度。从而通过红外高温计，可在衬底20空转的工况下实时测量衬底20表面实时测温点的温度T2，以及在作业工况下测量衬底20表面实时测温点的温度T2’。

在其他实施例中，实时测量温度的手段不局限于以上所述的红外测量手段。例如，第二测温装置为热电偶，预先将热电偶埋设于加热基座10内，且热电偶与外延生长装置100的控制器连接，以使热电偶将温度信息实时传递至控制器。

在步骤S3中，曲线拟合的方法多种多样。在本申请的一个实施例中，选用多项式插值法进行曲线拟合，具体的为二次插值法，在其他实施李忠也可以选用三次插值法。在多个预设的设定温度下，采用二次插值法，将每个离线测温点处的多个温度T1和对应的实时测温点的多个温度T2进行拟合。二次插值法的计算公式为：

f(x)＝a+bx+cx

其中a、b、c为该函数的多项式系数，多项式系数为常数；且其中f(x)表示离线测温点的温度，x表示实时测温点的温度，通过已知的多个温度T1和对应的多个温度T2的值，计算得到多项式系数a、b、c值，从而得到离线测温点的温度f(x)和对应的实时测温点的温度x的映射关系,即得到温度T1和温度T2之间的映射关系。在其他实施例中，曲线拟合的方法不局限于以上所述多项式次差值法，例如也可以采用对数拟合法或高斯拟合法等。

在实际应用时，换言之，在实际生产工艺流程中，根据实时测量手段监测到实时测温点的温度T2’，温度T2’已知，即f(x)已知，根据f(x)的函数关系式，能够计算出对应的离线测温点的温度T1’的值，从而得到对应的离线测温点的实时温度T1’，通过实时温度反馈调节与离线测温点所在的衬底20子区域相对应的子线圈301的加热功率，实现离线测温点所在的衬底20子区域的温度精准控制以及调节。

进一步地，为提高温度T1和温度T2之间的映射关系函数的准确度，尤其是当离线测温点的温度数据和实时测温点的温度数据之间存在较明显的非线性时，优选的，将第一测温装置40的测温范围划分为多个温度区间S，单独拟合每个温度区间S内的温度T1和与温度T1对应的温度T2，以形成与该温度区间S对应的拟合曲线，每一条拟合曲线对应一映射关系函数F，提高修正的精确度。

具体的，以碳化硅外延生长为例，设定碳化硅外延的工艺温度为t，对应的选取包含温度t的温度范围，将该温度范围划分为多个温度子区间，例如划分为[t

其中a

在步骤S6中，正常的工作流程下，反馈调节外延生长装置100的加热功率的具体步骤为：

S51：离线测温点的测温范围为[t

S52：若温度T2’小于t

S53：反馈温度逐步接近预设的工艺温度，直至温度T2’大于或等于t

此外，需要说明的是，使用“第一”、“第二”等词语来限定零部件，仅仅是为了便于对相应零部件进行区别，如没有另行声明，上述词语并没有特殊含义，因此不能理解为对本发明保护范围的限制。

以上实施方式的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施方式中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

本技术领域的普通技术人员应当认识到，以上的实施方式仅是用来说明本发明，而并非用作为对本发明的限定，只要在本发明的实质精神范围内，对以上实施方式所作的适当改变和变化都落在本发明要求保护的范围内。