CN101847573B - 用于加热设备的温度控制方法 - Google Patents
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Abstract
一种加热设备的温度控制方法，该加热设备包括能够被抽真空并且具有导电部分的腔室、被定位在所述腔室中的灯丝、向所述灯丝提供电流的第一电源、向所述灯丝施加用于向所述腔室加速的电压的第二电源、测量灯丝的电流的电流计、以及测量加速电压的电压计，所述方法包括：第一步骤，将所述腔室的内部抽真空；第二步骤，在第一步骤之后，从第一电源向所述灯丝提供灯丝电流；第三步骤，在第二步骤之后，向所述灯丝施加加速电压；以及第四步骤，在第三步骤之后，在将来自第一电源的所述灯丝电流保持恒定的同时，控制所述加速电压以将所述腔室的表面温度保持为低于所述灯丝的温度。
Description
技术领域
本发明涉及用于利用在半导体器件的制造过程中在真空中将半导体基板加热到高温的电子碰撞(electron impact)加热方法的加热设备的温度控制方法。
背景技术
半导体器件的制造需要快速加热半导体基板的工艺。通常，1600℃或更高的温度在对于以碳化硅(SiC)为代表的宽带隙半导体的激活退火处理中尤其是必要的(见，参考文献1：T.Kimoto，N.Inoue和H.Matsunami：Phys.Stat.Sol.(a)Vol.162(1997)，p.263)。
在激活退火处理中，为了确保高的半导体器件的可靠性，将所掺杂的杂质100％电激活并恢复完美的晶体是非常重要的。为了使激活退火处理可用于行业要求，加热处理必须在短的时间内完成，以增加处理设备的吞吐率。这要求在2000℃或更高的超高温度的处理，该温度超过了实践中通常使用的温度。
作为能够进行这样的处理的设备，已知利用电子碰撞加热***的基板加热设备。该加热设备中的真空腔室包括能够独立抽真空(evacuate)的碳加热腔室。该腔室结合有具有内建灯丝的加热装置(加热器)(例如，参见日本专利No.3866685)。在该基板加热设备中，灯丝被加热并相对于加热腔室带负电，使得热电子向加热腔室加速。被加速的热电子撞击加热腔室，从而将加热板加热。
日本专利No.3866685还公开了一种用于电子碰撞加热器的温度控制方法。根据该温度控制方法，当加热板的温度上升时，发射电流(emission current)调节器测量流过处于灯丝和加热板之间的路径的发射电流。同时，功率调节器控制该发射电流以具有预设的值。在加热板 达到设定的温度之后，在温度调节器测量加热板温度的同时，功率调节器将加热板控制在预设的温度。
下面的表1示出了在采用日本专利No.3866685中所公开的温度控制方法的情况下在使用0.8-mmφ钨灯丝的情况下其稳定在每一加热器设定温度时加热器温度与灯丝电流值之间的关系。表1揭示了随着加热器温度上升，灯丝本身被加热腔室加热并且发射电流值趋向于易于被增加，因此灯丝电流值被减小。
[表1]
| 加热器温度 | 灯丝电流值 |
| 1700℃ | 26.0A |
| 1800℃ | 24.3A |
| 1900℃ | 22.2A |
| 2000℃ | 19.7A |
参考文献2(Irving Langmuir，Phys.Rev.，1916，pp.302-330)公开了表2中所示的对于0.8-mmφ钨灯丝的在灯丝电流值与灯丝温度之间的关系。由表2可知，使灯丝电流值降低导致较低的灯丝温度。
[表2]
| 灯丝电流值 | 灯丝温度 |
| 26.0A | 1830℃ |
| 24.3A | 1746℃ |
| 22.2A | 1642℃ |
| 19.7A | 1520℃ |
基于表1和表2，表3示出了在加热器温度稳定时加热器温度与灯丝温度之间的关系。表3揭示了，例如，在1700℃的加热器温度处灯丝温度为1830℃，并且灯丝温度比加热器温度高。
[表3]
| 加热器温度 | 灯丝温度 |
| 1700℃ | 1830℃ |
| 1800℃ | 1746℃ |
| 1900℃ | 1642℃ |
| 2000℃ | 1520℃ |
也就是说，在加热器温度为低(例如，1700℃左右)使得热电子发射量降低，也就是，发射电流值降低时，灯丝电流值降低，并且热量通过辐射从灯丝向加热器散逸，从而降低了灯丝温度并控制发射电流值。
如上所述，随着加热器温度上升，灯丝也被加热腔室加热，并且发射电流值趋向于容易被增加，因而灯丝电流值被降低。在1800℃的加热器温度处，灯丝温度下降到加热器温度之下。
此外，当加热器温度上升到2000℃时，灯丝温度变得比加热器温度低得多。即使试图通过抑制发射电流值来控制加热器温度，灯丝仍被从加热腔室辐射的热量加热，发射电流不再能够被控制，并且发射电流在热学上失控。
如上所述，日本专利No.3866685中的温度控制方法遇到由于在2000℃或更高的加热器温度处发射电流失控而导致的在稳定控制加热器温度方面的故障。
发明内容
已经提出本发明以解决上述问题，并且本发明的目的是提供一种加热设备的温度控制方法，其能够在电子碰撞加热方法中进行稳定的温度控制。
更具体地，本发明的一个目的是提供一种加热设备的温度控制方法，即使在2000℃或更高的高温范围中其也能够避免加热器温度由于发射电流的失控而变得不可控的状态。
为了解决上述问题，本发明提供了一种加热设备的温度控制方法， 该加热设备包括：腔室，其能够被抽真空并且具有导电部分；灯丝，其被定位在所述腔室中；第一电源，其向灯丝提供电流；第二电源，其向灯丝施加用于向所述腔室加速的电压；电流计，其测量灯丝的电流；以及电压计，其测量加速电压，所述方法包括：第一步骤，将所述腔室的内部抽真空；第二步骤，在第一步骤之后，从第一电源向灯丝提供灯丝电流；第三步骤，在第二步骤之后，向所述灯丝施加加速电压；以及第四步骤，在第三步骤之后，在将来自第一电源的灯丝电流保持恒定的同时，控制所述加速电压以将腔室的表面温度保持为低于所述灯丝的温度。
根据本发明，在电子撞击加热***中，灯丝温度被保持得比加热腔室的表面温度高。即使在2000℃或更高的超高温，也能够避免加热器温度由于发射电流的失控而变得不可控的状态。因此，在电子碰撞加热***中能够执行稳定的温度控制。
根据下面参考附图的对示例性实施例的描述，本发明的其他特征将变得清楚。
附图说明
图1是示意性地示出了根据本发明一个实施例的电子碰撞加热设备的总体布置的截面图；
图2是示出了根据该实施例的电子碰撞加热设备的控制***的示意图；
图3是示出了在SiC p阱中激活比率(activation ratio)的温度依赖性的图；
图4是示出了在根据该实施例的温度控制方法中温度控制序列的步骤1的示意图；
图5是示出了在根据该实施例的温度控制方法中温度控制序列的步骤2的示意图；
图6是示出了在根据该实施例的温度控制方法中温度控制序列的步骤3的示意图；
图7是示出了在根据该实施例的温度控制方法中温度控制序列的步骤4的示意图；
图8是示出了当加热器温度在2050℃保持1分钟时的温度上升曲线的图；以及
图9是示出了样品的激活比率和处理温度之间的关系的图。
具体实施方式
现在将参考附图描述本发明的优选实施例。但是本发明并不限于下面的实施例。
现在将参考图1解释根据本发明实施例的利用电子碰撞加热***的基板加热设备(称作“电子碰撞加热设备”)。图1是示意性地示出了根据该实施例的电子碰撞加热设备的总体布置的截面图。
如图1中所示，本实施例的电子碰撞加热设备1包括真空容器3，其分隔并形成用于加热处理基板21的区域，并且可以被抽真空。真空容器3结合有加热器10，该加热器10具有内建的灯丝14。
加热器10包括一端闭合的圆柱形加热腔室11以及放在加热腔室11中的灯丝基座(base)12、柱13以及灯丝14。
灯丝14通过站立在由例如碳纤维增强的复合材料(称作“CC复合物”)制成的灯丝基座12上的2-mmφ钽柱13拉伸(stretch)，从而灯丝14被布置为几乎与加热腔室11的闭合端表面(加热板)11a平行。
灯丝14采用例如直径为0.8mm、长度为900mm的钨铼线。
加热腔室由导体形成。更具体地，基座由作为抗热应力材料的石墨制成。加热腔室11的外表面或内表面包覆有例如热解碳(pyroliticcarbon)，以减少发射气体。在使用反应气体时，碳化钽(TaC)也可代替热解碳用作所述包覆材料。加热腔室11连接到抽真空机构(未示出)，并且其内部可以独立于真空容器3被抽真空。
由CC复合物制成的晶片台20被布置为面对加热腔室11的闭合端表面上的加热板11a。处理基板(晶片)21被设置在晶片台20上，以面对加热器10。本实施例采用了例如碳化硅(SiC)晶片作为处理基板 21。
圆柱形柱4支撑晶片台20，并且两色辐射温度计7经由石英观察端口(viewing port)6连接到柱4的贯通孔5的端部。观察端口6将真空空间闭合以将真空空间与大气分隔开。来自晶片台20的辐射经由观察端口6到达两色辐射温度计7。
两色辐射温度计7包括例如汇集器(condenser)8和检测器9。两色辐射温度计7将通过由CC复合物制成的晶片台20间接地测量加热器10的温度。注意，可以通过直接测量加热器10的温度，或者通过例如在晶片台20中形成孔并间接测量被布置为面对加热器10的晶片21的温度，来测量加热设备1的温度。
支撑板31固着于柱4的下端，并且风箱32***在支撑板31和真空容器3之间。具有***孔(未示出)的延伸件33固着于支撑板31，并且引导杆34***在延伸件33的***孔中。延伸件33可沿着引导杆34移动。
下面将参考图2解释根据本实施例的电子碰撞加热设备中的控制***的布置。图2是示出了根据该实施例的电子碰撞加热设备的控制***的示意图。
如图2所示，本实施例的控制***40包括灯丝电源41、加速电源42、温度调节器43、开关44、以及PLC(可编程逻辑控制器)48。控制***40从两色辐射温度计7接收温度测量值(输入信号2)。
灯丝电源41是提供用于加热灯丝14的电力的AC电源，并且能够可变地施加直至例如50A的电力。灯丝电流计45连接到灯丝14的连接电路，以测量灯丝14的电流值。
加速电源42是在接地的加热腔室11与灯丝14之间施加加速电压的DC电源。加速电源42可以可变地向灯丝14施加例如从0V至-3.0kV的加速电压。加速电源42的连接电路连接到测量加速电压的加速电压计46以及测量发射电流值的发射电流计47。
开关44连接到温度调节器43。温度调节器和开关可以是集成的，例如可从Yamatake Corporation获得的SDC-46A。温度调节器43经由 开关44从发射电流计47接收输入信号1，经由开关44从两色辐射温度计7接收输入信号2，并经由开关44从加速电压计46接收输入信号3。此外，温度调节器43经由灯丝电源晶闸管(thyristor)41a向灯丝电源41输出输出信号1，并经由加速电源晶闸管42a向加速电源42输出输出信号2。
PLC 48输出输出信号3，输出信号3要经由灯丝电源41的晶闸管41a输出到灯丝电源41并且指示了电流值。PLC 48还可以输出输出信号4，输出信号4要经由加速电源42的晶闸管42a输出到加速电源42并且指示了加速电压值。
下面将参考图3至6以及具有前述布置的电子碰撞加热设备1的操作来解释根据本发明实施例的温度控制方法。
为了使电子碰撞加热设备1的加热器10工作，灯丝电源41向灯丝14提供电力。DC加速电源42将灯丝14负偏置。相反，加热腔室11至少部分由例如导体(诸如碳)制成，并且被接地。加热腔室的总体结构可以由所述导体制成。
当灯丝14相对加热腔室11带负电并且施加用于使热电子向加热腔室加速的电压时，灯丝14所产生的热电子向加热腔室11加速。被加速了的热电子撞击加热腔室11，并将其加热。通过从处于被加热的加热腔室11的闭合端的加热板11a辐射的热量将被布置为面对加热板11a的SiC晶片21加热。
在对半导体基板的激活退火中，为了确保高的半导体器件可靠性，将所注入的杂质100％电激活并恢复完美的晶体是非常重要的。根据行业要求，缩短激活退火的处理时间也是重要的。
如图3中所示，本发明的发明人已经发现：在2000℃的高温退火10分钟能够将注入的杂质100％电激活并完全消除晶体缺陷。图3是示出了在退火10分钟后SiC p阱中激活比率的温度依赖性的图。在图3中，在该电子碰撞加热方法中，使用注入了铝的样品来形成SiCMOSFET(金属氧化物半导体场效应晶体管)p阱。
对通过将氮注入到SiC中形成n+接触区的退火的常规研究已经揭 示了：通过在较高温度加热较短的时间可以在SiC激活退火中获得较高的激活比率(见参考文献：M.Shibagaki，Y.Kurematsu，F.Watanabe，S.Haga，K.Miura，T.Suzuki以及M.Satoh，Sci ForumVol.483-485，p.609(2005))。
据此，根据本实施例的温度控制方法，半导体基板经受在2000℃或更高的超高温的激活退火。在此情况下，控制***40控制DC加速电源42的加速电压以及灯丝电流值，以使得灯丝温度超出加热腔室11的表面温度(也被称作“加热器温度”)。
更具体地，控制***40以四个步骤执行温度控制，在附图4至7中分别示出了这四个步骤。图4是示出了在根据该实施例的温度控制方法中温度控制序列的步骤1的示意图。图5是示出了在根据该实施例的温度控制方法中温度控制序列的步骤2的示意图。图6是示出了在根据该实施例的温度控制方法中温度控制序列的步骤3的示意图。图7是示出了在根据该实施例的温度控制方法中温度控制序列的步骤4的示意图。
控制***40经由两色辐射温度计7间接监视加热器温度。此外，控制***40还经由灯丝电流计45监视灯丝电流值，经由发射电流计47监视发射电流值，以及经由加速电压计46监视加速电压。
下面将参考图4至7详细解释通过应用本发明的温度控制方法来将加热器加热以获得2050℃的加热器温度的实施例。加热器温度、切换温度、发射电流值、加速电压等的设定值是可任意改变的，并且不限于所述实施例。
在图4的步骤1中，灯丝14被加热而没有施加加速电压，以便从灯丝14去除吸附气体并防止异常放电。灯丝电流每5秒增加1安培，并且在上升到25A之后，保持5sec。此时，PLC 48直接控制以输出输出信号3，输出信号3要经由灯丝电源41的晶闸管41a输出到灯丝14并且指示了电流值。灯丝电源41经由灯丝电源41的晶闸管41a输出具有该电流值的电流。这里描述的步骤1与图8中的步骤1对应。
在图5的步骤2中，与步骤1类似，逐渐施加用于抽取发射电流的加速电压，以防止异常放电。尽管灯丝电流值被保持在25A，但是加速电压每5秒增加-400V，直至-2.7kV。此时，PLC 48控制以直接输出输出信号3到灯丝电源41的晶闸管41a，以使得灯丝电流值具有25A的预定值。灯丝电源41的晶闸管41a输出与输出信号3对应的输出信号到灯丝电源，从而输出并控制灯丝电流值。同时，PLC 48直接输出具有所述加速电压值的输出信号4到加速电源42的晶闸管42a。加速电源42将该加速电压输出到灯丝14。这里描述的步骤2与图8中的步骤2对应。
在图6的步骤3中，在将发射电流设置在8A的预定值的同时，使温度增加速率增加。于是加热器10被快速加热。在加热的初始阶段，加热器10是凉的，因此难以抽取发射电流。因此，控制***40执行控制以逐渐增加灯丝电流值，直至加热器温度达到1750℃(图8中的点A)并且发射电流值达到8A。在发射电流值已经达到8A并且加热器10变暖时，可以容易地抽取发射电流。因此，控制***40执行控制以在使灯丝电流值逐渐降低并且在加热器温度倾斜上升(ramping up)的同时，将发射电流值维持在8A。PLC 48输出输出信号4到加速电源42的晶闸管42a，以使得加速电压具有-2.7kV的预定值。加速电源42的晶闸管42a输出与输出信号4对应的电压到加速电源42，将加速电压维持在-2.7kV的预定值。
而且，开关44切换温度调节器43中的控制环(control loop)，以通过控制灯丝电流来执行温度控制以将发射电流保持恒定。PLC 48向温度调节器43输出具有设定值的输出信号，在该设定值，发射电流呈现出8A的预定值。温度调节器43比较发射电流计47所测量的发射电流值。经由灯丝电源41的晶闸管41a控制灯丝电流值，以便将发射电流维持在期望的值。灯丝电源41的晶闸管41a使灯丝电源输出与上述的灯丝电流对应的电流，从而控制发射电流值。通过在使发射电流值保持恒定的同时使加速电压保持恒定，来加热加热器。
这里的步骤3与图8中的步骤3对应。
注意，步骤3对于解决本发明的技术问题并非是必不可少的。处理过程可以跳过步骤3，在上述步骤2之后移到下面的步骤4。
在图7的步骤4中，当加热器温度达到1750℃(图8中的点A)时，开关44切换温度调节器43中的控制环，以利用加速电压(发射电压)执行温度控制。PLC 48存储在切换到温度控制时的灯丝电流值。PLC 48利用所存储的值作为输出信号3来直接控制灯丝电源41的晶闸管41a，以使得灯丝电流具有28A的预定值。温度调节器43从已经检测了加热器温度的检测器9接收温度测量值(输入信号2)。温度调节器43将该温度测量值与2050℃的加热器温度设定值比较。温度调节器43将输出信号2输出到加速电源42的晶闸管42a，以使得加热器温度上升到2050℃的设定值而没有过冲(overshot)或下冲(undershot)。加速电源42经由加速电源42的晶闸管42a输出实现该设定值的加速电压。基于预设的PID(P：比例的，I：积分的，D：微分的)值来控制加速电压。在该实施例中，在加速电压控制中供应到灯丝14的电流的值是28A。根据文献2，经计算在温度最终稳定时的灯丝温度为大约2200℃。因此，即使加热器温度上升至2050℃，灯丝温度也仍高于包含加热器10的环境温度。能够抑制发射电流的热失控以实现稳定的温度控制。
最终，在加热器温度达到2050℃之后，加热器被保持加热1分钟，然后通过停止供给灯丝电流和加速电压来使之冷却。
步骤4与图8中的步骤4对应。
至于用于保持灯丝电流值恒定的设定值，通过流过灯丝14的电流来将灯丝本身加热到的温度需要大于或等于加热器温度。在该实施例中，灯丝温度和加热器温度在上述的表3中所列出的并且在图8中的点A所示的1750℃处彼此一致。至于该设定值，期望预先获取与表3对应的数据，获得灯丝温度和加热器温度彼此一致的温度，并确定与该温度对应的灯丝电流值。
该温度控制方法的温度控制序列的算法被安装为例如控制***40中的存储装置(诸如硬盘或ROM(未示出))中的温度控制程序。CPU(未示出)将该算法读出到RAM中，并执行它。
记录介质是计算机可读的便携类型的，并且记录在该记录介质上的温度控制程序被安装在存储装置中。记录介质是闪存(flashmemory)，包括：compact 
smart 
memory 多媒体卡、以及SD存储卡。该记录介质的其他实例是可移除的硬盘(诸如 
)以及磁记录介质(诸如， 
盘)。另外的其他实例是磁光记录介质，包括MO以及诸如CD-R、DVD-R、DVD+R、CD-R、DVD-RAM、DVD+ 
以及蓝光(Blueray)的光盘。
根据本发明，在上述的控制下，可以提升加热器温度同时总是将灯丝温度保持得高于加热器温度。即使在2000℃或更高的超高温区域中，本发明也可以防止发射电流的热失控并且以良好的可再现性控制加热器温度。
也即，根据该实施例，控制灯丝电流值和加速电压，使得总是维持灯丝温度以便高于加热腔室11的表面温度，以及使得热量总是从灯丝14散逸到加热腔室11。通过改变撞击加热腔室11的热电子的能量来控制加热器温度。在用于离子注入的SiC半导体基板的激活退火中，即使在2000℃或更高的超高温区域中也能够实现稳定的温度控制。在SiC半导体基板的制造中，可以在工业上实现100％地电激活离子注入的杂质以及完全消除晶体缺陷。因而，可以以高的产率制造具有高可靠性的半导体器件。
[实例]
下面将通过给出实例来更加详细地描述本发明。然而本发明并不限于下面的实例。
在该实例中，利用电子碰撞加热设备1根据本发明的温度控制方法实际进行加热器温度控制实验。
图8是示出了当加热器温度在2050℃(1900℃的晶片台温度)保持1分钟时的温度分布曲线的图。
将解释通过执行到SiC中的离子注入而制备的基板的激活退火。
通过将氮作为掺杂剂掺杂到具有4°偏移角的n型4H-SiC(0001)基板中并利用化学气相淀积方法(CVD方法)生长n+型碳化硅(SiC)外延层10μm，来制备处理基板21。
处理基板21经受RCA清洗、牺牲氧化以及氢氟酸处理，并生长钝化氧化物膜至10nm以用于离子注入。利用所得到的处理基板21作为样品。能够提高基板温度的离子注入机将样品加热到500℃，并且以箱式分布在多个步骤注入能量范围在40keV至700keV的铝，注入浓度为2.0×1018/cm3，深度为0.8μm。
在通过氢氟酸处理去除钝化氧化物膜之后，根据本发明的电子碰撞加热设备1激活该样品。通过将在CV测量中测量到的载流子浓度除以注入的浓度得到激活比率的温度/时间依赖性。
图9是示出了样品的激活比率和处理温度之间的关系的图。如图9中所示，在2000℃的激活退火温度处激活比率花了10分钟达到100％。在2050℃的激活退火温度处，激活比率能够在1分钟内达到100％。
根据本发明，即使在超出2000℃的超高温也能够稳定地控制温度，并且能够在短时间内完成退火。更具体地，可以100％地将注入到碳化硅(SiC)中的杂质电激活，完全消除残留的晶体缺陷。-结果，能够高可靠性地制造利用碳化硅(SiC)的半导体基板。
如上描述了本发明的优选实施例。然而，该实施例仅是用于解释本发明的一个示例，而本发明的范围并不仅限于该实施例。可以以与上述实施例不同的多种形式来实现本发明，而不脱离本发明的范围。
实施例已经描述了在将诸如Al的杂质掺杂到SiC中时用于半导体基板的退火。然而，本发明还可以应用于对包含其他杂质的半导体基板的退火。
本发明不限于上述实施例，并且在本发明精神和范围内可以进行多种改变和修改。因此，为了向公众告知本发明的范围，特提出以下权利要求。
Claims (4)
1.一种加热设备的温度控制方法，该加热设备包括：腔室，其能够被抽真空并且具有导电部分；灯丝，其被定位在所述腔室中；第一电源，其向所述灯丝提供电流；第二电源，其向所述灯丝施加用于向所述腔室加速的电压；电流计，其测量灯丝的电流；以及电压计，其测量加速电压，
所述方法包括：
第一步骤，将所述腔室的内部抽真空；
第二步骤，在第一步骤之后，从第一电源向所述灯丝提供灯丝电流；
第三步骤，在第二步骤之后，向所述灯丝施加加速电压；以及
第四步骤，在第三步骤之后，在将来自第一电源的所述灯丝电流保持恒定的同时，控制所述加速电压以将所述腔室的表面温度保持为低于所述灯丝的温度。
2.根据权利要求1所述的方法，进一步包括：
第五步骤，在第三步骤之后且在第四步骤之前，在将来自所述第二电源的所述加速电压保持恒定的同时，控制来自所述第一电源的所述灯丝电流，以将流过所述灯丝和所述腔室之间的路径的发射电流保持恒定。
3.根据权利要求1所述的方法，其中所述腔室由石墨基座和包覆有热解碳和碳化钽之一的外表面形成。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，进一步包括：
将加热器布置在所述腔室中，并且
通过下列之一测量所述腔室的表面温度：直接测量所述加热器的温度；以及间接测量被布置为面对所述加热器的基板的温度和支撑所述基板的基板台的温度之一。
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