CN114964533A - 一种测温装置及用于半导体设备的测温方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种应用于半导体设备的测温装置及测温方法，所述半导体设备设有腔体，腔体外设有外侧壁；测温装置包括第一连接接头、第二连接接头、第一密封接头、第二密封接头、测温组件；所述第一连接接头和第二连接接头套接，且二者可以相对位移；所述第一密封接头与第一连接接头固定连接，用于可拆卸地与腔体的外侧壁密封连接；所述第二密封接头与第二连接接头连接，在第一连接接头和第二连接接头的接触面上，第一连接接头或第二连接接头至少一者设置有阻力密封层；所述测温组件与第二密封接头密封连接，通过第二连接接头的位移带动测温组件的位移实现测温组件在腔体内测温位置的调整。本发明可调整测温位置，方便校温和测温。

Description

一种测温装置及用于半导体设备的测温方法

技术领域

本发明涉及半导体外延设备腔体内温度测试领域，具体涉及一种测温装置及用于半导体设备的测温方法。

背景技术

半导体外延设备用于在衬底上进行薄膜沉积，在沉积过程中一般需要对腔体内的待处理衬底进行加热，目前在衬底处理腔体内设置基盘用于支撑衬底。加热方式通常采用加热灯加热基盘和衬底，加热灯通常位于处理腔体的外部，一般加热灯的光波需要穿过透明视窗以热辐射的方式将热能传递至基盘和衬底。

在外延沉积过程中薄膜的特性(例如，膜厚度、密度、掺质密度等)对衬底温度极为敏感，因此控制衬底温度极为重要，由于薄膜的热敏感性，同样对衬底的受热均匀性有一定的要求。

如图1所示，目前的外延设备主要包含由上石英穹顶117、下石英穹顶109以及通过上石英环101和下石英环113密封连接组成的一个反应腔体；位于上、下石英环外部设置有外侧壁118，该腔体的外侧壁118通过上法兰105、下法兰108分别与上石英穹顶117、下石英穹顶109固定设置。

在上、下石英环的连接位置处开设有通孔用于作为测温装置的测温热电偶组件200伸入，测温热电偶组件200与腔体的外侧壁118之间通过密封接头204密封可拆卸连接，腔体的外侧壁118上还开设有尾排接口107，用于排出工艺废气。位于腔体外的上、下两侧设置有若干个红外加热灯102，以及设置有温度传感器103，腔体内设置有石墨基盘106以及支撑该基盘106的旋转升降支撑轴110、支撑架111。石墨基盘106上方放置衬底104，并开设有通孔用于销轴112通过，销轴112通过通孔顶升基盘106上的衬底104。加热灯102的光波穿过上、下石英穹顶对腔体内基盘106进行加热。基盘106周围设置有预热环116。

如图2所示，传统的测温热电偶组件200包括一个内部密封有热电偶的热电偶保护套202，以及由热电偶保护套202第二端伸出的与热电偶连接的热电偶补偿线205，热电偶保护套202上设置有密封接头204，该热电偶保护套202的第一端伸入外延设备的腔体内部后，通过该密封接头204与腔体的外侧壁118之间密封连接，腔体的外侧壁118设置有接头与密封接头204密封连接，密封接头204内设置橡胶密封圈203辅助密封。所述热电偶设置在热电偶保护套202内的第一端形成一个测温点201，当热电偶保护套202进入腔体内后，该测温点201位于石墨基盘106的中心部位附近，用于给温度传感器103校温。

在外延工艺时，需要用温度传感器103监控工艺温度，温度传感器103是光学的，一般采用高温计，其具有非接触的特点，但是使用之前需要热电偶进行校温，校温的传统方法是在腔体内部设置热电偶，在腔体外基盘106的上、下两侧放置温度传感器103，根据热电偶的测试结果以校准温度传感器。目前的热电偶主要是如图1所示，从腔体外侧通过腔体的外侧壁118的开孔伸入腔体内进行测温。在校温时，腔体内处于真空或者特定气体氛围，因此腔体的外侧壁118与热电偶需要密封连接以阻止空气进入腔体内。传统方式是将杆状的测温热电偶组件通过腔体的外侧壁118的开孔伸入腔体内特定位置，然后进行密封固定。这种方式设置的热电偶位置固定，因此只能测得腔体固定位置点的温度(即石墨基盘106的中心部位附近的温度)。为了能够精确的校准温度传感器103，需要将测温点201的位置和温度传感器103照射的位置重合，然而由于热电偶的位置固定，很难保证二者位置的重合，而且仅能测量一个位置的温度。

并且，由于基盘106上各点与加热灯102的位置有远近，可能会导致受热不均匀，为了更准确的测试基盘106上各点的温度值也需要测温装置可移动，通过可移动的测温装置获得基盘106上不同位置的温度值，来监测基盘106受热的温度梯度，从而判断加热的均匀性，从而调整加热灯102的功率和/或位置。基于上述问题，本发明提出了一种测温装置以解决传统测温方式存在的问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种测温装置，可同时测试多个位置点的温度值，并且可移动，能够对外延设备腔体内不同位置点进行测温。

为了达到上述目的，本发明通过以下技术方案实现：

本发明提供了一种测温装置，所述测温装置用于半导体设备，所述半导体设备包括：腔体、基盘，所述腔体包括外侧壁，所述基盘设置在腔体内，其特征在于，包括：

第一连接接头，

第二连接接头，所述第一连接接头和第二连接接头套接，且二者可以相对位移；

第一密封接头，所述第一密封接头与第一连接接头固定连接，用于可拆卸地与腔体的外侧壁密封连接；

第二密封接头，所述第二密封接头与第二连接接头连接，在第一连接接头和第二连接接头的接触面上，第一连接接头、第二连接接头至少一者设置有阻力密封层；

测温组件，所述测温组件与第二密封接头密封连接，且所述测温组件穿过第一连接接头和第二连接接头的内部，通过第二连接接头的位移带动测温组件的位移实现测温组件在腔体内测温位置的调整。

进一步，所述第一连接接头包括套筒，第二连接接头包括套筒，两个套筒的开口相对设置。

进一步，所述阻力密封层包括聚四氟乙烯。

进一步，所述阻力密封层表面设有若干个环形凸起。

进一步，通过抽拉第二连接接头，调整第二连接接头与第一连接接头之间的连接距离，带动测温组件移动，调整测温组件在腔体内的测温位置。

进一步，所述测温装置还包括：伸缩密封件，所述伸缩密封件的第一端与第一密封接头密封连接，伸缩密封件的第二端与第二密封接头密封连接。

进一步，所述第二密封接头包括：第二外接头和第二内接头；所述第二内接头的一端和第二外接头相互密封连接，所述第二外接头与测温组件密封连接；所述第二内接头的另一端与伸缩密封件密封连接；第二连接接头与第二内接头连接。

进一步，第二连接接头与第二内接头通过焊接的方式连接。

进一步，所述第一密封接头包括：第一外接头和第一内接头；所述第一内接头的一端和第一外接头相互固定连接，所述第一外接头可拆卸地与腔体的外侧壁密封连接；所述第一内接头的另一端与伸缩密封件密封连接；第一连接接头与第一内接头固定连接。

进一步，所述伸缩密封件为波纹管。

进一步，第一连接接头或第二连接接头外侧表面设置有刻度。

进一步，所述测温组件为杆状。

进一步，所述第一密封接头与半导体设备的外侧壁之间通过第一密封件密封连接。

进一步，所述测温组件与第二密封接头通过第二密封件密封连接。

进一步，所述测温组件包括热电偶护套，以及密封设置在热电偶护套内的至少一个热电偶。

进一步，所述热电偶数量为至少两个，所述热电偶分别设置在多个测温点。

进一步，所述半导体设备是外延设备。

进一步，所述测温组件伸入半导体设备的腔体内的基盘的测温孔内部。

另一方面，本发明还提供一种半导体设备的测温方法：

提供如上述的测温装置；

位移所述第二连接接头从而带动测温组件的位移，通过测温组件获得腔体内多个测温点的温度。

本发明与现有技术相比，具有以下有益效果：

1、本发明可以精确调节测温装置的位置，从而使热电偶的位置和温度传感器照射的位置重合，保证了校温的精度。

2、可同时检测多个位置，经过位置调整后得到更多的测温点，从而得到基盘径向的温度梯度，判断加热灯加热的均匀性。

附图说明

图1为现有技术中测温热电偶组件测量半导体设备腔体温度的示意图；

图2为现有技术的测温热电偶组件示意图；

图3为本发明的测温装置示意图；

图4为本发明的测温装置又一实施例示意图；

图5为本发明的测温装置又一实施例局部放大图；

图6为本发明的测温装置置于石墨基盘内的局部放大图；

图7为本发明的测温装置置于半导体设备上的示意图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施方式对本发明提出的一种测温装置及方法作进一步详细说明。根据下面说明，本发明的优点和特征将更清楚。需要说明的是，附图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方式的目的。为了使本发明的目的、特征和优点能够更加明显易懂，请参阅附图。须知，本说明书所附图式所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容能涵盖的范围内。

如图7所示，为本发明提供的一种测温装置300应用在半导体设备上的结构示意图。该半导体设备设有腔体，腔体外设有外侧壁118。所述测温装置300的一端可以穿过半导体设备的外侧壁118伸入腔体内，并***设置在腔体内的基盘106的测温孔进行测温。所述测温装置300具有位移功能，可以在腔体外调节其在腔体内的测温位置。如图4、6所示，该测温装置300的头部设置有至少两个测温点，可选的，为三个测温点301、302、303，用于解决测温装置300测温点固定的问题，该测温装置300的尾部连接热电偶补偿线315。

如图3和图4所示，本发明提供的测温装置300包括第一连接接头308、第二连接接头309、第一密封接头305、第二密封接头312、测温组件，所述第一连接接头308和第二连接接头309套接，且二者可以相对位移；所述第一密封接头305与第一连接接头308固定连接，所述第一密封接头305用于可拆卸地与腔体的外侧壁118密封连接，可选的，该第一密封接头305与半导体设备的外侧壁之间通过第一密封件306密封连接；所述第二密封接头312与第二连接接头309连接；所述测温组件与第二密封接头312密封连接，且所述测温组件穿过第一连接接头308和第二连接接头309的内部，通过第二连接接头309的位移带动测温组件的位移实现测温组件在腔体内测温位置的调整。

其中，可选的，本发明中所述第一连接接头308为套筒，第二连接接头309为套筒，两个套筒开口相对设置，可选的，第一连接接头308套接在第二连接头309外表面上，或，第二连接头309套接在第一连接接头308外表面上。

本实施例中，在第一连接接头308和第二连接接头309的接触面上，在第一连接接头308或第二连接接头309至少一者上设置有阻力密封层400，通过阻力密封层400隔绝腔体内部与外部，测温组件在第一连接接头308和第二连接接头309的内部与外部空气隔绝；具体的，当第一连接接头308套接在第二连接头309外表面上时，阻力密封层可以设置在第一连接接头308内表面或第二连接头309外表面至少一者上，当第二连接头309套接在第一连接接头308外表面上时，阻力密封层可以设置在第一连接接头308外表面或第二连接头309内表面至少一者上。

优选地，所述阻力密封层400包括但不限于聚四氟乙烯材料，该材料可以实现密封，且不会产生颗粒物掉落到腔体内影响外延工艺。

本实施例中，第一连接接头308和第二连接接头309之间通过抽拉方式调整相对位移，可以通过抽拉第二连接接头309，调整第二连接接头309与第一连接接头308之间的连接距离S，带动测温组件移动，调整测温组件在腔体内的测温位置，由于阻力密封层400可以起到增加阻力的作用，当第二连接接头309位移调整到设定距离时，可以通过阻力保持第一连接接头308和第二连接接头309的相对位置固定。

可选的，如图5所述，所述阻力密封层400表面设有若干个环形凸起401，两个相邻的环形凸起401之间具有环形凹槽，环形凸起401可以起到密封和增加阻力的作用，特别是，第二连接接头309上阻力密封层400的环形凸起401与第一连接接头308上阻力密封层400的环形凹槽耦合后，密封和增加阻力的效果尤为突出。

可选的，虽然阻力密封层400可以起到密封的作用，为了进一步确保密封效果，所述测温装置300还包括伸缩密封件307，所述伸缩密封件307的第一端与第一密封接头305密封连接，伸缩密封件307的第二端与第二密封接头312密封连接。所述测温组件穿设在所述伸缩密封件307内部并伸入腔体内，伸缩密封件307将测温组件与外部进一步隔绝，同时，伸缩密封件307隔绝了腔体内的负压，减小了阻力密封层400所要设置的阻力，这样移动第二连接接头309时会更加轻松。

进一步地，本实施例中所述第二密封接头312包括第二外接头3121和第二内接头3122，所述第二内接头3122的一端和第二外接头3121密封连接，所述第二外接头与测温组件密封连接，可选的，所述第二外接头与测温组件通过第二密封件314密封连接；所述第二内接头的另一端与伸缩密封件307密封连接；第二连接接头309与第二内接头外表面连接，可选的，第二连接接头309与第二内接头通过焊接的方式连接。当然，可选的，所述第二外接头3121和第二内接头3122为分别制造再连接的，或二者一体成型的。

进一步地，所述第一密封接头305包括第一外接头3051和第一内接头3052；所述第一内接头3052的一端和第一外接头3051相互固定连接，所述第一外接头可拆卸地与腔体的外侧壁118密封连接；所述第一内接头的另一端与伸缩密封件307密封连接；第一连接接头308与第一内接头固定连接。当然，可选的，所述第一外接头3051和第一内接头3052为分别制造再连接的，或二者一体成型的。

优选地，伸缩密封件307为波纹管，可选的，为不锈钢波纹管；所述测温组件为杆状。

优选地，在第一连接接头308或第二连接接头309外侧表面设置有刻度，根据刻度可直观精确控制连接距离S；例如，以图3-4所述实施方式(第二连接头309套接在第一连接接头308外表面上)，此实施方式时，仅在第一连接接头308外表面设置刻度，当第二连接头309位移一距离时，第二连接头309会遮盖部分刻度，第二连接头309的边缘便可以指示移动距离；同理，当第一连接接头308套接在第二连接头309外表面上时，仅在第二连接接头309外表面设置刻度。

优选地，所述第一密封接头305与半导体设备的外侧壁118之间通过第一密封件306密封连接。

优选地，所述测温组件与第二密封接头312通过第二密封件314密封连接。

本发明的实施例中的所述测温组件包括热电偶护套304，以及密封设置在热电偶护套304内至少一个热电偶，可选的，至少两个热电偶，进一步可选的，热电偶的数量为三个，三个热电偶分别设置在三个测温点301、302、303。其他优选例中热电偶数量可以按照需求设置多个，且相邻热电偶之间的间隔可以按照需求设置。其优点在于：以图4为例，三个测温点分别设置在三个位置，当移动第二连接头309一次，那么就可以得到6个位置的温度数据；不仅如此，其中测温点301是设置在基盘中心位置，测温点301和测温点302、测温点302和测温点303之间的距离以及第二连接头309的移动距离均是固定的、且已知的，因此可以得到基盘径向(从中心到边缘)的温度分布梯度，从而可以调节温度分布的均匀性。

上述实施例中的所述半导体设备优选地为外延设备。如图7所示，所述外延设备主要包含由上石英穹顶117、下石英穹顶109以及通过上石英环101和下石英环113密封连接组成的一个反应腔体；位于上、下石英环外部设置有外侧壁118，该腔体的外侧壁118通过上法兰105、下法兰108分别与上石英穹顶117、下石英穹顶109固定设置。

在上、下石英环的连接位置处开设有通孔用于所述测温装置300伸入，测温装置300与腔体的外侧壁118密封可拆卸连接，腔体的外侧壁118上还开设有尾排接口107，用于排出工艺废气。位于腔体外的上、下两侧设置有若干个红外加热灯102，以及设置有温度传感器103，腔体内设置有石墨基盘106以及支撑该基盘106的旋转升降支撑轴110、支撑架111。石墨基盘106上方放置衬底104，并开设有通孔用于销轴112通过，销轴112通过通孔顶升基盘106上的衬底104。加热灯102的光波穿过上、下石英环对腔体内基盘106进行加热。基盘106周围设置有预热环116。

上述实施例中所述测温装置用于在正式进行外延工艺之前对外延设备的温度传感器103进行校准。具体的，在进行测温校准时，外延设备内设置带有测温孔的基盘106。将所述测温装置的测温组件伸入外延设备的腔体内的基盘106的测温孔内部，并将第一密封接头305与外延设备的外侧壁118之间通过第一密封件306密封连接。使用该测温装置300时，测温组件上端部的测温点301位于基盘106的中心位置，可以微调测温点301的位置对温度传感器103进行校准，进而使得校准更精确。

采用上述的测温装置300的测温方法包括以下内容：位移所述第二连接接头309，从而带动与之连接的测温组件的位移，进而改变测温组件头部测温点的位置，并且通过测温组件获得腔体内多个测温点的温度，并通过测温点301校准温度传感器103。上述实施例是通过位移所述第二连接接头309的方式调整测温组件的位置，具体调整方式如下：

通过抽拉第二连接接头309调整测温组件的位置。具体地，抽拉第二连接接头309以调整与第一连接接头308之间的相对位移，由于第二连接接头309与第二密封接头312固定连接，抽拉第二连接接头309时可带动第二密封接头312移动，从而带动与第二密封接头312密封固定连接的测温组件在第一连接接头308、第二连接接头309内同步移动，进而调整测温组件上的各个测温点位于基盘106内的位置，进而可对于基盘106上的不同位置进行测温并通过测温点301校准温度传感器103。

综上所述，本发明提供的测温装置及测温方法具有以下有益效果：

1.本发明可以精确调节测温装置的位置，从而使热电偶的位置和温度传感器照射的位置重合，保证了校温的精度。

2.可同时检测多个位置，经过位置调整后得到更多的测温点，从而得到基盘径向的温度梯度，判断加热灯加热的均匀性。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。

Claims (19)

1.一种测温装置，所述测温装置用于半导体设备，所述半导体设备包括：腔体、基盘，所述腔体包括外侧壁，所述基盘设置在腔体内，其特征在于，包括：

第一连接接头，

第二连接接头，所述第一连接接头和第二连接接头套接，且二者可以相对位移；

第一密封接头，所述第一密封接头与第一连接接头固定连接，用于可拆卸地与腔体的外侧壁密封连接；

第二密封接头，所述第二密封接头与第二连接接头连接，在第一连接接头和第二连接接头的接触面上，第一连接接头、第二连接接头至少一者设置有阻力密封层；

测温组件，所述测温组件与第二密封接头密封连接，且所述测温组件穿过第一连接接头和第二连接接头的内部，通过第二连接接头的位移带动测温组件的位移实现测温组件在腔体内测温位置的调整。

2.如权利要求1所述的测温装置，其特征在于，所述第一连接接头包括套筒，第二连接接头包括套筒，两个套筒的开口相对设置。

3.如权利要求1所述的测温装置，其特征在于，所述阻力密封层包括聚四氟乙烯。

4.如权利要求3所述的测温装置，其特征在于，所述阻力密封层表面设有若干个环形凸起。

5.如权利要求3所述的测温装置，其特征在于，通过抽拉第二连接接头，调整第二连接接头与第一连接接头之间的连接距离，带动测温组件移动，调整测温组件在腔体内的测温位置。

6.如权利要求2所述的测温装置，其特征在于，所述测温装置还包括：伸缩密封件，所述伸缩密封件的第一端与第一密封接头密封连接，伸缩密封件的第二端与第二密封接头密封连接。

7.如权利要求6所述的测温装置，其特征在于，所述第二密封接头包括：第二外接头和第二内接头；所述第二内接头的一端和第二外接头相互密封连接，所述第二外接头与测温组件密封连接；所述第二内接头的另一端与伸缩密封件密封连接；第二连接接头与第二内接头连接。

8.如权利要求7所述的测温装置，其特征在于，第二连接接头与第二内接头通过焊接的方式连接。

9.如权利要求6所述的测温装置，其特征在于，所述第一密封接头包括：第一外接头和第一内接头；所述第一内接头的一端和第一外接头相互固定连接，所述第一外接头可拆卸地与腔体的外侧壁密封连接；所述第一内接头的另一端与伸缩密封件密封连接；第一连接接头与第一内接头固定连接。

10.如权利要求6-9任一所述的测温装置，其特征在于，所述伸缩密封件为波纹管。

11.如权利要求1-9任一所述的测温装置，其特征在于，第一连接接头或第二连接接头外侧表面设置有刻度。

12.如权利要求1-9任一所述的测温装置，其特征在于，所述测温组件为杆状。

13.如权利要求1-9任一所述的测温装置，其特征在于，所述第一密封接头与半导体设备的外侧壁之间通过第一密封件密封连接。

14.如权利要求1-9任一所述的测温装置，其特征在于，所述测温组件与第二密封接头通过第二密封件密封连接。

15.如权利要求1-9任一所述的测温装置，其特征在于，所述测温组件包括热电偶护套，以及密封设置在热电偶护套内的至少一个热电偶。

16.如权利要求15所述的测温装置，其特征在于，所述热电偶数量为至少两个，所述热电偶分别设置在多个测温点。

17.如权利要求1-9任一所述的测温装置，其特征在于，所述半导体设备是外延设备。

18.如权利要求1-9任一所述的测温装置，其特征在于，所述测温组件伸入半导体设备的腔体内的基盘的测温孔内部。

19.一种半导体设备的测温方法，其特征在于，

提供如权利要求1-18任一所述的测温装置；

位移所述第二连接接头从而带动测温组件的位移，通过测温组件获得腔体内多个测温点的温度。

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