控制徑向增量溫度的系統和方法

專利名稱：控制徑向增量溫度的系統和方法
相關申請的的交叉對比本申請要求授予2001年3月8日提交的美國臨時申請60/274,532，以及2002年2月6日提交的未決美國專利申請10/068,127，的優先權，此兩文獻的公開在此整體結合以資對比。
本發明的領域本發明一般涉及盡可能降低與制造過程期間控制變量斜率相關的應力的系統與方法，這種控制變量諸如是基片處理期間半導體基片或晶片溫度。更具體來說，本發明提供了一種加強的系統與方法，通過在處理期間控制溫度的斜率而保持處理期間晶片徑向增量溫度(RDT)低于超標溫度應力曲線。在半導體工業中，希望在基片的溫度循環期間獲得溫度的均勻性。溫度的均勻性提供了基片均勻的工藝輸出，諸如層厚，電阻率，及結深，對于溫度激活步驟包括膜沉積，氧化物生長和雜質的擴散。此外，為了防止熱應力誘發的晶片損壞諸如彎曲、缺陷的產生和晶片結構的“滑致畸變”，基片中溫度的均勻性是必須的。
本發明的背景制造和其它處理系統一般涉及改變一個或多個控制變量的值，包括但不限于溫度、壓力、氣體流率、濃度、張力、電壓、施加的力，及位置。控制變量從開始值到最終值的變化速率是該變量的斜率或一階導數，一般稱為斜率。例如，位置對時間的斜率或一階導數(諸如dx/dt)是速度。常常希望盡可能降低設備和/或產品在工藝過程中受到的應力。超標的應力可能導致工藝過程降低效率及設備或產品過早的失效。在許多系統中，應力是一個或多個控制變量斜率的函數。斜率可被降低以保持應力低于可接受的閾值。然而，不必要的嚴格的斜率限制也是不希望有的，因為這會減慢工藝過程的產量。這一概念的示例性例子來自半導體處理系統。然而應當注意到，與問題相關的斜率不是這里詳細討論的應用專有的。例子只是不過是示例性的，絕不是限制。
在半導體和集成電路制造中重要的方面是在處理期間半導體晶片受到的溫度變化和值。對半導體晶片的加熱和冷卻加有兩個重要的限制1)溫度斜率的加速和減速不能出現比晶片熱慣性所允許的更快，以及2)晶片的中心與邊緣之間的溫差應當保持足夠小以防止熱膨脹損壞晶片。熱慣性描述了物質對從穩態溫度或零斜率狀態向有限非零斜率并再返回到穩態的瞬間跳躍的阻力。實際的對象溫度斜率不可能是瞬間的和無限的“加速”和“減速”的，因而必須在這些理想的要求下加熱和冷卻。溫度的加速度和減速度是溫度的二次導數。正如對于處于靜態的質量的加速度和減速度那樣，溫度的加速度和減速度率也不可能是無限的。
當在爐子內從一個溫度向另一溫度加熱或冷卻時，正如半導體晶片處理系統，在最小的時間量內達到所需的溫度設定點常常重要的。傳統上爐子使用線性控制的傾斜從一個溫度設定點變到另一個溫度設定點。線性傾斜受到兩個缺陷的困擾延遲達到被加熱基片所需的溫度斜率；以及基片的溫度傾向于在達到穩態溫度之前超過所需的設定點并然后在設定點溫度附近振動。在共同未決的美國專利申請S.N.10/068,127中描述了采用物理上可達到的溫度斜率加速度和減速度階段的對這一問題的解決方法，該文在此整體結合以資對比。
限制最大溫度斜率另外的重要性在于，防止由于物體內過度的內部溫度梯度所至對被加熱的物體或多個物體負面的熱效應。這在半導體晶片處理系統中是特別關心的，其中重要的制造方面是半導體晶片在處理期間所經受的溫度的變化和值。具體來說，在快速熱處理爐子或其它類似的設備中處理期間晶片的中心和邊緣之間的溫差有重要的價值，因為晶片的邊緣相對于其中心過度的加熱或冷卻其結果可能造成物理和/或化學上的損壞，這可能使得晶片不能使用或導致由這種晶片制造的半導體芯片早期失效。邊緣-中心溫差被稱為徑向增量溫度，或徑向增量-T(RDT)。該問題特別影響向一堆晶片外邊緣加熱的批量爐子。在以徑向熱源諸如電阻加熱線圈或加熱燈加熱期間，晶片邊緣有時可能比晶片中心高幾度(甚至幾十度)，因為徑向熱轉移在晶片邊緣最大。反之，在冷卻期間，邊緣通過徑向冷卻受到更快的熱損失，因而會比晶片中心明顯的更冷。在高溫時，這種RDT可能誘發晶片中晶體的滑至畸變。
限制溫度斜率以盡可能減小熱脹應力誘發的對半導體基片的晶體滑移損壞的優點是熟知的。希望盡可能減小在處理期間的RDT以盡可能降低在基片內出現過度的熱應力。處理期間的溫度斜率是決定RDT的首要因素。在較高的斜率下，被加熱的基片的熱慣性可能加劇其邊緣與其中心之間的溫度變化，因為向邊緣施加的熱不會立即傳導到基片的中心。在較低的溫度下，在不引起過度的熱應力之下能夠忍受較大的RDT，因為在低溫下硅原子到原子的結合更強并能夠耐受更大的熱應力。這樣，希望提供用于對基片整體控制RDT的一種系統和方法。為了避免超過晶片上最大允許熱應力，先有技術的方法依賴于固定斜率的人工編程順序。這種方法妨礙了過程在整個加熱或冷卻過程中以最大可能的斜率發揮作用，因為如上所述，避免RDT-誘發熱應力損壞的實際最大可允許斜率是隨溫度而變化的。因而以非連續的溫度傾斜方式加熱偏離了理想的最大斜率曲線。
因而需要一種改進的溫控系統和方法，以便能把斜率作為被加熱或冷卻的物體或基片的溫度函數來控制。
本發明的概述本發明的目的是要提供一種改進的系統和方法，用于通過控制處理期間的溫度斜率而限制被加熱時基片徑向增量溫度。具體來說，本發明提供了通過使用動態可變溫度斜率控制整個基片徑向增量溫度(RDT)的系統和方法。一般來說，在物體的溫度增加時溫度斜率降低。更具體來說，本發明提供了控制在制造過程中，例如但不限于半導體晶片處理和設備，基片被加熱時出現的徑向增量溫度的改進的系統與方法。
本發明的一個實施例提供了限制變量被傾斜的速率的方法。計算出在變量的當前設定點值處變量的最大可允許斜率。在達到下一個控制下的變量設定點值之前，變量的傾斜不能大于這一最大可允許斜率。
在本發明的另一實施例中，提供了一種方法，使用一種溫度控制算法從開始溫度到結束溫度改變容納在溫控爐的加熱腔體中的物體溫度。提供了來自加熱腔體中一個或多個溫度檢測裝置的溫度數據和溫度設置點，作為向溫度控制算法的輸入，該控制算法控制向爐子中一個或多個可控加熱元件的功率傳送。作為設定點溫度的函數計算最大可允許溫度斜率。溫度設定點從開始溫度以有限加速率被加速，直到達到對于當前溫度設定點所計算的最大可允許溫度斜率。溫度設定點以有限的減速度被減速，直到達到結束溫度，使得物體的溫度平滑地達到結束設定點的溫度，而基本上不超過結束溫度或在其附近振蕩。
本發明的另一實施例提供了一種爐子，這種爐子根據以上概述的方法改變爐子內物體的溫度。
這些方法可適用于各種需要精確控制過程變量的系統，這些過程變量是諸如溫度設定點，氣體流率，濃度，壓力，張力，電壓，施加的力，和位置等。在一個示例性實施例中，本發明的系統和方法在用于半導體處理的多區域爐子中被實施。
附圖的簡要說明在閱讀了本發明的詳細說明及以下所提供的所附權利要求并參照附圖時，本發明的氣體目的和優點將顯而易見，其中

圖1是半導體制造中所使用的可采用本發明的系統和方法的爐子的一個例子的示意圖。
圖2是對于從方程式1所獲得的硅基片的最大徑向增量溫度對晶片邊緣溫度的曲線圖。
圖3是表示本發明的方法一個實施例的流程圖。
圖4是一圖象，表示(i)傾斜的設定點，及(ii)對于所有區域的晶片溫度的加權平均。
圖5是一圖象，表示(i)對于所有區域的實際的中心和邊緣溫度；(ii)對于所有區域的RDT值；及(iii)根據本發明的一個實施例對于每一區域爐子的功率對時間的關系。
圖6是一圖象，表示(i)半導體基片晶片上中心和邊緣(2/3邊緣+1/3中心)溫度的加權平均，這通常用作為表示整個晶片的溫度；(ii)所有區域的RDT值；及(iii)根據本發明的一個實施例對于每一區域爐子的功率對時間的關系。
圖7是一圖象(i)表示圖5所示晶片溫度曲線的頂部閉合，及(ii)根據本發明的一個實施例顯示對所有區域的加權平均。
圖8是一圖象，表示(i)對于所有區域對于5，10，15，7和20度Cmin-1溫度斜率實際晶片中心與邊緣溫度；(ii)對于每一區域對于每一斜率的RDT值；(iii)對于沒有本發明的RDT控制方法的傾斜對于每一區域每一斜率爐子功率對實際的關系。
本發明的詳細說明如上所述，所希望的是盡可能降低例如半導體基片或晶片整個物體的徑向增量溫度或RDT，以避免物體上出現過度的熱應力或晶體“滑致畸變”。本發明的方法還可一般用于需要限制控制變量的最大斜率以盡可能減小系統中的應力的任何過程。根據本發明的一個實施例，通過控制溫度斜率而保持RDT處于過度熱應力曲線之下。這一最大可允許熱應力曲線是溫度的函數。本發明規定最大溫度斜率隨溫度變化而保持過度熱應力曲線低于對于被加熱的物體當前溫度的最大可允許值。
諸如半導體晶片等物體在較低溫度下比其在較高溫度下，較少受到RDT誘發的過度熱應力的損壞。由于爐子(諸如圖中所示)中的溫度斜率是決定RDT的主要驅動因素，因而通過作為爐子中當前溫度的函數而限制最大可允許溫度斜率，控制爐子中正被加熱或冷卻的物體上的RDT。在較低溫度下允許斜率較大。隨溫度的上升而逐漸降低該斜率。溫度斜率的這種逐漸降低產生了作為時間函數的基本上平滑的，連續的的溫度曲線。這樣，本發明對于變量提供了最大允許溫度斜率。通過這樣控制斜率和RDT，本發明盡可能減小了使物體從一個溫度向另一溫度傾斜變化而不會引起基片過度應力或損壞的時間量。
在本發明的一個實施例中，提供了一種方法，用于限制控制變量-本實施例中是溫度-的增加或減少的最大斜率。本發明還在如圖1所示的半導體爐子上實施。圖1中的爐子包括具有五個分開的區域14的加熱器元件12，容納一個或多個半導體基片晶片20的加熱腔體16。功率命令或信號22分別在每一區域14被控制。加熱器元件12的目的是加熱晶片20到所需的溫度24。具有溫度控制軟件30和過程控制軟件32的溫度控制器26向爐子加熱器元件12發送功率命令信號22。雖然所示的是具有五個區域14的特定的半導體爐子10，但業內專業人員應當理解，本發明的系統和方法能夠在其它類型的爐子中采用，并進而可在其它類型的半導體設備，或設計用來從一個設定點溫度向另一個設定點溫度可控制地改變物體或對象溫度的其它設備中實施。本發明不限于所示的特定例子。例如，本發明可用于帶有不同數目區域的爐子。類似地，本發明可用于其它的過程或系統，其中可通過限制控制變量的斜率作為該變量的函數而控制應力。此外，該方法可用來通過限制一個或多個變量的斜率作為這些一個或多個變量的函數而控制應力。
在本發明的一個實施例中，溫度控制器26包含溫度控制軟件30諸如，例如被配置為保持爐子10的控制的RDT控制軟件。設定點的傾斜變化依賴于溫度和最終設定點，并在傾斜期間是彎曲的。更具體來說，斜率是設定點溫度的傾斜。由于半導體基片在較低的溫度下(一般低于600℃)比升高的溫度(諸如大約600℃到1200℃)下可耐受較高的RDT而不會有熱膨脹損壞，本發明被配置為在溫度相對低時開始使設定點較快地傾斜。在溫度上升時，最大可耐受RDT降低，這樣在溫度增加時斜率放慢。基片或晶片的溫度越高，所使用的斜率越緩。本發明作為當前設定點溫度動態地改變最大斜率。這一最大斜率可從作為溫度的函數的最大允許RDT的查閱表，或從某些其它提供了最大斜率作為溫度函數的被編程的函數推導出。在表1中提供了這種查閱表的一個例子。在制成表的值之間的溫度，對最大允許RDT進行插值，以便平滑變化作為溫度的函數的最大允許RDT。實驗確定的分度因子用來把最大允許RDT轉換為最大溫度斜率。這種分度因子可能是常數或其本身也可能是溫度的函數。低于300mm的晶片，分度因子最好為RDTD每℃每分鐘0.5℃。可以使用不同的斜率表，因而實現本發明的軟件最好被配置為允許這些斜率表在過程編配中可選擇。另外，溫度和最大斜率之間的關系可被編程為一系列一個或多個溫度的數學函數。最大可允許斜率對溫度函數是通過實驗預先確定的，這種實驗對于最大ΔT作為溫度函數產生以下方程式ΔT=2.4928αECfϵ1nfte(UnkT)---(1)]]>其中fε/ft應變率，E是楊式模量(E＝1.9×1011Nm-2)，α是基片(這種情形下是硅)的熱膨脹系數，C和n是數值常數(C＝4.5×104Nm-2以及n＝2.9)，k是玻爾茲曼常數(k＝1.38×10-23JK-1)，T是基片邊緣的絕對溫度，假設這里熱梯度最高。該方程式與半徑無關，故可用于任何尺寸的基片。這一計算的最大值ΔT的結果示于圖2。
表1最大斜率查閱表
更具體來說，本發明的方法的一個實施例示于圖3。圖3是表示本發明的方法的一個實施例的流程圖。該方法的步驟40開始并在步驟42進行傾斜查詢。如果判定為否，則在步驟44使用先前的設定點。如果判定為是，則在步驟46進行查詢看是否是開始對斜率減速的時間。如果在步驟46的判定為是，則該方法在步驟48計算減速率。如果在步驟46的判定為否，則該算法檢驗斜率當前是否正在減速。如果在步驟50斜率正在減速，則在步驟32基于該減速率計算設定點，且該方法完成(步驟54)。如果在步驟50發現斜率沒有減速，則在步驟56通過表查閱并必要時的插值而確定當前溫度的最大RDT。而且在步驟56，從表查閱返回的最大RDT值使用分度因子被轉換為最大斜率。
然后，在步驟58進行查詢看斜率是否低于最大斜率。如果否，則在步驟60使用最大斜率計算新的設定點。如果是，則在步驟62加速斜率趨向于最大斜率。
圖4中圖示出結果曲線設定點的一個示例性實現。實際上本發明的這一實施例可通過以下概念性步驟實現對于當前設定點溫度如上所述計算最大可允許溫度斜率，并使設定點溫度以不超過這一最大可允許斜率的傾斜度傾斜。
根據本發明進一步的實施例，諸溫度設定點呈彎曲狀，使得當在開始的溫度從零增加或加速斜率到最大斜率，并然后在結束的溫度從最大斜率降低或減速斜率返回到零時，在加熱或冷卻過程的穩態(零斜率)與傾斜階段之間提供了平滑的過渡。以有限的物理上可達到的速率斜率被加速到最大，并向下減速到最終設定點，以便盡可能減小實際物體溫度相對于設定點溫度的振蕩。在本發明的一優選實施例中，以線性加速和減速率(溫度設定點關于時間的二階導數為常數)加速和減速溫度傾斜。然而，在某些條件下最好是發線性減速。
饋送給溫度控制器的設定點斜率遵循以下較小者a)從對于當前設定點溫度的RDT對溫度的表格和分度因子動態獲得的最大可允許斜率溫度曲線，b)由設定點曲線提供的斜率，以及c)直到設定點溫度接近最終設定點通過爐子可達到的最大斜率。然后設定點斜率被平滑減速以滿足最終結束溫度。本發明的該方法以可保持RDT低于滑致畸變曲線的最快可能的速率將晶片過渡到所需的溫度。
在這一實施例中，如圖1所示最好使用兩組熱電偶進行溫度測量一個或多個脈沖信號熱電偶34及一個或多個輪廓熱電偶36。脈沖信號熱電偶34較靠近加熱器元件繞組(未示出)，并較快速響應控制輸入。輪廓熱電偶36較靠近晶片20，這樣可更好地表示其溫度。具有溫度控制軟件30的溫度控制器26從具有過程控制軟件的過程控制器32接收所需的溫度24設定點，并讀取熱電偶被測量溫度38。被測溫度38數學上被組合以產生控制溫度(未示出)，這提供了對晶片20溫度的一種估計。控制溫度最好是由脈沖信號熱電偶34與輪廓熱電偶36測量的溫度的加權平均。加權最好作為溫度的函數而變化，使得在高溫時脈沖信號熱電偶34溫度權重較強。在另一優選實施例中，被測溫度38的數學組合還包含一個或多個溫度偏移量。這些偏移量可以是靜態的或動態的。在一個例子中，對于被加熱的晶片或其它物體的溫度與熱電偶溫度之間的差，采用靜態偏移量校正控制溫度。可使用裝有熱電偶的晶片以實驗的方式確定這些偏移量。基于控制算法和輸入的控制的及設定點溫度，溫度控制器26確定向爐子加熱器元件12的每一區域施加的功率量。
當規定了斜率時，設定點將以所選擇的速率傾斜。在優選實施例中，設定點平滑彎曲到設定點傾斜階段的結束附近的最終設定點。在設定點向最終設定點彎曲期間，斜率線性減速。被編程的溫度設定點的這一彎曲最好在傾斜的結束處采用。然而，這還有利地用于傾斜的開始以避免功率需求大的振蕩。
當在本發明的方法下在最大溫度斜率處傾斜時，瞬時溫度設定點不是象通常采用的諸如PID系統等溫度控制器那樣立即跳躍到最終設定點。而是以有限的物理上可達到的速率加速設定點，直到或者達到對于該區域和設定點的最大可達到的斜率，或者達到對于當前溫度從來自表1對于當前設定點溫度最大可允許RDT與分度因子的乘積而獲得的最大可允許斜率。從徑向增量-T對溫度函數與分度因子的乘積，實時地獲得作為當前設定點溫度的函數的最大可允許溫度斜率。RDT對溫度的函數是作為數學關系或在前一實施例中所述的查閱表中提供的。如果使用查閱表，軟件被配置為對于查表值沒有提供的溫度處最大可允許RDT進行插值。用來把在給定的溫度處最大可允許RDT轉換為作為溫度函數的最大可允許斜率的分度因子可以是常數，或本身也可以是溫度的函數。
在另一實施例中還提供了一種系統，其中本發明的方法用來控制溫控爐子中設定點溫度的斜率。
在另一實施例中提供了一種系統，其中本發明的方法與共同未決美國專利申請10/068,127中所述的溫度控制方法組合，該打開在此整體結合以資對比。
實驗實驗類似于圖1所示的爐子并采用裝有熱電偶的晶片(帶有對晶片不同的區域提供溫度數據的嵌入的熱電偶半導體晶片)，就本發明的系統和方法進行了幾個測試。圖4到7示出對于示例性實驗裝有熱電偶的晶片溫度數據和爐子功率提供，其中溫度斜率被線性加速和減速，且最大斜率被控制以保持RDT處于最大可允許熱應力曲線之下。在這些條件下裝有熱電偶的晶片從600℃被加熱到950℃。圖5是在這一實驗中收集的數據的曲線圖，表示(i)對于所有區域的實際的中心和邊緣溫度；(ii)對于所有區域的RDT值；以及(iii)對于每一區域爐子功率對時間的關系。圖6(i)示出這一實驗中裝有熱電偶的晶片上中心和邊緣溫度的加權(2/3邊緣+1/3中心)平均，而圖7示出圖5中傾斜的頂部的閉合，及對于所有區域的加權平均。
在另一實驗中，本發明的系統和方法在如圖1所示具有五個區域的快速垂直處理(RVP)型爐子中進行。圖4示出傾斜的設定點，加對于所有區域被測的晶片溫度加權平均。這一曲線圖展示了實際的晶片溫度如何很好地與溫度設定點傾斜一致。
圖8示出斜率沒有通過本發明控制的線性傾斜測試的結果。除了在傾斜的頂部被彎曲之外，設定點被線性傾斜。圖8示出對于以下斜率所有區域實際的晶片中心與邊緣的溫度5，10，15和20度C min-1。圖8的部分(ii)對于晶片示出RDT，且部分(iii)示出作為時間函數所施加的功率。如圖8所示，在沒有基于RDT斜率控制的情形下，增加斜率導致比在采用本發明的方法的圖4和5中所觀察到的情形劇烈地大于RDT值。
本發明的系統和方法提供了所需的性能。以上本發明特定實施例和例子的描述僅是供示例和說明之目的，雖然已經通過以上一定的例子對本發明進行了示例說明，但這不應被解釋為被限制于此。它們不是要窮盡或限制本發明為所公開的精確形式，并按照以上所述明顯可以有許多改型，實施例和變形。本發明的范圍是如這里所公開并由所附權利要求及其等價物包含的一般領域。
權利要求
1.限制變量傾斜率的一種方法，包括以下步驟計算所述變量在當前值所述變量的最大可允許斜率；以及限制所述變量被傾斜的斜率，使其不超過所述最大允許斜率。
2.權利要求1的方法，其中所述變量是正被加熱的物體的設定點溫度。
3.權利要求2的方法，其中所述正被加熱的物體是一個或多個半導體基片。
4.權利要求3的方法，其中所述最大可允許斜率是晶片上當前溫度最大徑向增量溫度的函數。
5.使用溫控算法從開始溫度到結束溫度改變容納在溫控爐子加熱腔體內物體溫度的一種方法，包括以下步驟從在所述加熱腔體中一個或多個溫度檢測裝置和一個溫度設定點提供溫度數據，作為向所述溫度控制算法的輸入，該算法控制向所述爐子中一個或多個可控制加熱元件的功率供給；計算作為溫度函數的最大可允許溫度斜率；以有限加速率從所述開始溫度加速所述溫度設定點，直到對于當前溫度設定點值達到所述最大可允許溫度斜率為止；以及以有限減速率減速所述溫度設定點，直到達到所述結束溫度，使得所述物體的溫度平滑達到所述結束設定點溫度，而基本上不超過所述結束溫度或在其附近振蕩。
6.根據權利要求5的方法，其中所述可控制加熱元件從由輻射加熱燈和加熱線圈組成的組選擇。
7.根據權利要求5的方法，其中所述溫度檢測裝置是一個或多個熱電偶，對所述一個或多個可控制加熱元件提供一個或多個溫度。
8.根據權利要求7的方法，其中作為所述一個或多個熱電偶溫度的數學組合的控制溫度是向所述溫度控制算法的輸入。
9.根據權利要求8的方法，其中對所述控制溫度還規定了具有從所述熱電偶溫度已知的偏移。
10.根據權利要求9的方法，其中所述溫度偏移是靜態偏移，其對于所述物體的溫度與所述熱電偶溫度之間的差校正所述控制溫度。
11.根據權利要求5的方法，其中所述物體是半導體基片。
12.一種用于改變物體溫度的溫控爐子，包括容納一個或多個可控制加熱元件，以及一個或多個溫度檢測裝置的加熱腔體；及配置為執行權利要求1的方法的溫度控制器。
13.一種用于改變物體溫度的溫控爐子，包括容納一個或多個可控制加熱元件，以及一個或多個溫度檢測裝置的加熱腔體；及配置為執行權利要求5的方法的溫度控制器。
全文摘要
提供了通過限制作為變量的當前值函數的斜率而盡可能降低與變量斜率相關的應力的一種系統和方法。更具體來說，本發明提供了通過在處理期間動態控制溫度斜率，把半導體基片或其它被加熱物體的徑向增量溫度保持在晶體滑動曲線以下的系統和方法。
文檔編號H01L21/00GK1459017SQ02800595
公開日2003年11月26日 申請日期2002年3月8日 優先權日2001年3月8日
發明者科爾·波特, 艾倫·斯塔納 申請人:Asml美國公司