硅晶片基板固定台和硅晶片基板温度测量方法

专利名称：硅晶片基板固定台和硅晶片基板温度测量方法
技术领域：
本发明涉及一种用于固定硅晶片基板的台，该台在其下方包括灯加热器，并能够以非接触方式测量硅晶片基板的温度。
根据本发明的台在不接触硅晶片基板的情况下固定硅晶片基板，因此能够连续测量硅晶片基板上的至少一点的温度。
背景技术：
作为用于测量硅晶片基板温度的技术，已存在使用热电偶的接触测量方法和使用辐射温度计的无接触测量的方法。
在专利文献3中说明了使用热电偶的典型温度测量方法，因此这里省略对其的说明。专利文献1具体地公开了将热电偶设置于台上的方法。
专利文献1说明了一种提供程控温度脱附分析器的方法，该程控温度脱附分析器使样品表面的控制温度等于热电偶的控制温度，其中，至少样品台的顶部是由高导热材料制成的，使热电偶和样品表面接触样品台以通过热传导来加热样品台，从而减小样品台与热电偶之间的温度差。在专利文献1中说明了该方法的实施例，其中样品台的顶部和底部由石英制成并且使用红外线灯来加热该样品台。如专利文献2中说明的，在直接测量硅晶片温度的另一方法中，在硅晶片的以能够垂直移动的方式穿入台的多个引脚中的每一个的尖梢上设置热电偶。
另一方法是使用哑晶片(dummy wafer)，在该哑晶片上与该晶片接触地设置有热电偶(专利文献4和5)。然而，因为很难校正待处理晶片与哑晶片之间的温度差，所以此方法并不实用。
根据常规技术的使用热电偶的这些接触测量方法都不能容易地移动测量点。
使用辐射温度计的被接触测量方法也有问题。因为硅晶片基板是红外线可透射的，所以在设置有用于加热硅晶片基板的加热器的台中使用的常规辐射温度计必须检测特定的红外线。因此，需要由萤石制成的红外线可透射窗口，这不仅昂贵，而且由于萤石在其暴露于高腐蚀性蒸汽的环境下的分解而产生Ca污染。
专利文献1中说明的方法具有以下问题因为监测温度的热电偶感测到透过红外线可透射的石英的红外线辐射，所以该热电偶被透射的红外线辐射加热到高于样品温度的温度。
专利文献2中说明的方法要求热电偶应当始终与硅晶片接触以测量硅晶片基板的温度。由此，当温度升高和降低时，由于热电偶与硅晶片之间的热膨胀的差异，热电偶与硅晶片之间的接触存在摩擦。该摩擦导致可能降低产量的污染和颗粒。
在充有腐蚀性气体的设置有灯加热器的室中测量红外线透射率高的待处理物体是非常困难的。
第一，存在由灯加热器的特性导致的问题。灯加热器具有用从光源发出的光线来照射待处理物体以加热物体的特性。因为用光来加热的特性，所以产生的热可能根据待处理物体的受光特性而不同。例如，半导体晶片和铝板对于相同量的光产生不同量的热，因此它们具有不同温度。具体来说，当从加热灯用光照射置于铝室中的待处理半导体晶片时，半导体晶片的温度与铝室的温度不同。因此，测量铝室的温度并不意味着测量半导体晶片的温度。
第二，存在实际上不可能使用红外线温度计进行测量的问题。可以设想可以使用红外线温度计来直接测量半导体晶片的温度，从而解决如上所述的半导体晶片温度不同于铝室温度的第一个问题。然而，已经发现了不能用红外线温度计来测量半导体晶片的温度，这是因为半导体晶片的红外线透射率高。
第三，存在腐蚀性气体的影响的问题。由于不能使用红外线温度计，因此必须使用热电偶来进行测量。然而，再一次因为上述的第一个问题，用接合于室的热电偶测量的温度并不表示半导体晶片的温度。另一方面，用直接接合于待处理物体的热电偶来测量该物体的温度涉及每次进行处理都要接合并拆卸热电偶，这对于要求高处理速度的现场不合适并且不实际。此外，存在以下问题热电偶暴露于室内的腐蚀性气体环境，因此很早就损坏。此外，热电偶与气体起反应，产生附着于待处理物体并污染待处理物体的颗粒。
第四，待测量物体的表面在处理期间可能发生变化，半导体晶片的表面热辐射率可能伴随此变化而变化，因此，如果使用固定的热辐射率进行温度换算，则可能导致错误。在极端情况下，热发射率可以大约从0.2剧烈变化到0.8。结果，在1000℃可能导致大至10％的错误。
日本特愿2000-045838号公报[专利文献2]日本特愿平8-172392号公报[专利文献3]日本特许3468300[专利文献4]日本特许3663035...点有凹部的哑晶片[专利文献5]日本特许2984060...基板在内部具有细长的腔体发明内容本发明的目的是提出一种温度测量方法，其克服常规的使用热电偶的接触测量方法和使用辐射温度计的被接触测量方法的缺陷。
本发明提出一种有效使用热电偶的温度测量方法，并提出一种实施该测量方法的台。如下说明根据本发明的台。
在用于固定接合在灯加热器顶部的硅晶片基板的台中按以下方式嵌入有用于感测温度的至少一个热电偶所述至少一个热电偶不与硅晶片基板接触，所述至少一个热电偶在其与硅晶片基板相对的背面接合有小片硅。测量所述小片硅的温度，预先获得由于硅晶片基板与所述小片硅之间的热质量差而导致的硅晶片基板与所述小片硅之间的时变温度差。使用获得的差来校正硅晶片基板与所述小片硅之间的时变温度差，并且测量硅晶片基板的温度。
根据本发明，可以提供一种硅晶片基板台，其能够固定硅晶片，并且能够在不受灯加热器的影响并且不与硅晶片基板和臭氧气体接触的情况下感测硅晶片基板的温度。
通过在腔体中在与硅晶片基板相对的方向上直线状地设置配备有成分与要测量其温度的硅晶片基板的成分相同的小片硅晶片的多个热电偶，可以直接并同时获得关于硅晶片的一维温度的信息。根据此数据，可以估计硅晶片表面上的温度分布，并且可以排除关于加热器的信息以用低成本获得更精确的反应场的温度。
本发明方法可以用于使用不腐蚀石英的气体和化学品的反应系统的温度测量，因此可以找到广泛的应用。
使用本发明，可以在不导致污染的情况下检测温度。
此外，在用于固定接合在灯加热器顶部的硅晶片基板的台或者设置于灯加热器的发光开口部侧的由石英等制成的外壳中设置凹槽，从而使要嵌入的热电偶不与腐蚀性气体接触。为了解决上述第一问题，将待处理物体的等同物接合于热电偶。如果待处理物体是半导体晶片，则将热电偶接合于小片的半导体晶片。
以此方式将具有接合于待处理物体等同物的切片的热电偶的装置嵌入灯光可透射的材料，例如由石英制成的台，从而热电偶接收与待处理物体接收的光相同量的光，并产生与物体温度相同的温度。这样，可以通过接合于热电偶的引线来测量物体的温度。
此外，嵌入式装置结构防止了装置受腐蚀性气体的影响或在处理室中溅射出颗粒。


图1是根据本发明实施例的能够监视温度的硅晶片基板台的顶面图。
图2是与穿过腔体2的中心的线垂直切取的、根据本发明实施例的能够监视温度的硅晶片基板台的剖面图。
图3是根据本发明实施例的能够监视温度的硅晶片基板台的顶面图和腔体的放大图，示出了用于保护热电偶的PFA(注册商标)管与Teflon(注册商标)接头之间的连接的概况。
图4是与穿过硅晶片基板台的腔体2的中心的线垂直切取的、根据本发明第一实施例的能够监视温度的硅晶片基板台上的包括温度监视能力的保持硅晶片以使得可以进行温度校正的结构的剖面图。
图5是根据本发明第二实施例的具有一维温度监视能力的硅晶片基板台的顶面图。
图6是按热电偶的一半深度切开的、根据本发明第三实施例的具有二维温度监视能力的硅晶片基板台的顶面图。
图7是沿着长线A-A’切取的、根据本发明第三实施例的具有二维温度监视能力的硅晶片基板台的剖面图。
图8表示根据本发明实施例的硅晶片基板和小片硅晶片的温度的实际测量结果的示例。
图9表示根据本发明实施例的硅晶片基板的温度的实际测量结果的示例。
符号说明1 硅晶片基板台2 长方体腔体3 硅晶片小片4 热电偶5 聚酰亚胺粘合剂6 热电偶引线7 硅晶片支承部8 硅晶片固定槽口9 硅晶片10 Teflon(注册商标)接头11 PFA(注册商标)管12 O型环13 石英棉14 笔式记录器15 端子16 灯加热器
具体实施例方式
虽然以下说明本发明的实施例，但是本发明不限于这些实施例。
为了接合本发明的热电偶，设置有长方体腔体(155mm长×5mm宽×5mm高)，其从由石英制成的直径为310mm且厚度为8mm的盘形台的侧面上的一点与该盘形台平行地直线延伸。使用0.5cc的聚酰亚胺粘合剂，将来自株式会社TECH-JAM的k-热电偶K104接合在长3mm、宽3mm且厚0.76mm并且成分和厚度与待测量硅晶片基板的成分和厚度相同的硅晶片基板片的正面。在使聚酰亚胺粘合剂热固之后，按照使得硅晶片基板片正面的热电偶面对灯加热器的相反侧的方式将热电偶置于腔体中心。热电偶的引线连接到置于预定位置的来自横河电气公司的302323笔式记录器的预定端子。
所述腔体内的没有被具有硅晶片基板片的热电偶占据的空间填充有石英棉。为了引导具有硅晶片基板片的热电偶的引线，通过碳氟橡胶O型环将Teflon(注册商标)接头紧紧接合于腔体出口。为了保护具有硅晶片基板片的热电偶的引线，将内径为2mm的PFA(注册商标)管插入Teflon(注册商标)接头中。将具有硅晶片基板片的热电偶的引线插入PFA(注册商标)管中，并将其连接到置于预定位置的来自横河电气公司的302323笔式记录器的预定端子。这样，可以减小腔体内空气的影响，并且可以保护具有硅晶片基板片的热电偶的引线免受外部冲击和周围空气的影响。通过经由PFA(注册商标)管将腔体连接到周围空气，可以避免在温度改变时腔体内的压力发生变化，提高安全性。
如果石英台的腔体具有贯通结构，则可以将多个这种具有硅晶片基板片的热电偶设置在硅晶片基板的任何位置，从而可以进行一维测量。
参照附图来说明本发明的实施例。
图1是根据本发明一个实施例的能够测量温度的硅晶片基板台的顶面图。用于测量温度的热电偶4按照其面对硅晶片9背面的方式设置在形成于硅晶片基板台1中的长方体腔体2的内部。通过聚酰亚胺粘合剂5在热电偶4的背面设置有硅晶片的小片3。从热电偶4延伸的一对热电偶引线6伸出硅晶片基板台1。在台的表面上设置有用于支承硅晶片9的硅晶片支承部7和用于固定硅晶片的硅晶片固定槽口8。
图2是与穿过长方体腔体2的中心的线垂直切取的、根据本发明实施例的能够测量温度的硅晶片基板台1的剖面图，示出了作为支承硅晶片9的凸起部的硅晶片支承部7、硅晶片固定槽口8、硅晶片9和灯加热器16之间的关系。可以看到，热电偶4与硅晶片小片3接触地设置于其上的硅晶片小片3的正面面对着与灯加热器16相反的一侧。根据此布置，即使存在以下的差异，也可以模拟硅晶片9的设置状态，所述差异为虽然硅晶片小片3的成分和厚度与硅晶片9的成分和厚度相同、由此热传播系数也大致相同，但是由于硅晶片小片3的面积大约是硅晶片9的面积的五十分之一，所以硅晶片小片3的热容量小于硅晶片9的热容量，并且，由于硅晶片小片3比硅晶片9更靠近加热器16，所以照射硅晶片小片3的热量略大于到达硅晶片9的热量。
图3是根据本发明实施例的能够感测温度的硅晶片基板台1的顶面图，并且是长方体腔体2的放大图，示出了用于保护热电偶引线6的PFA(注册商标)管11与Teflon(注册商标)接头10之间的连接概况。将通过聚酰亚胺粘合剂5接合在热电偶4背面上的硅晶片小片3设置于腔体中，用石英棉13填充长方体腔体2。将从热电偶4延伸的一对热电偶引线6通过PFA(注册商标)管11引导到硅晶片基板台1之外，并将其连接到设置在预定位置的笔式记录器14的预定端子15，所述PFA(注册商标)管11插入通过O型环12紧紧接合于长方体腔体2的Teflon(注册商标)接头10中。
图4是根据本发明第一实施例的能够检测温度的硅晶片基板台1的剖面图。在硅晶片基板台1中设置有用于容纳热电偶4的长方体腔体2。长方体腔体2的特征在于其长度到达中心部分，并且可以位于硅晶片基板台1中的任何位置。将其上接触地设置有热电偶4的硅晶片小片3设置在长方体腔体2的中心附近。热电偶引线6从长方体腔体2延伸到硅晶片基板台1之外，并连接到位于预定位置的笔式记录器14的端子15。在硅晶片基板台1上，在硅晶片支承部7上并且在硅晶片固定部8的内侧设置有硅晶片9，在硅晶片9上与硅晶片小片3上的热电偶4同心地并且用聚酰亚胺粘合剂5固定地设置有一热电偶4。将从硅晶片9上的热电偶4延伸的引线6引导到硅晶片基板台1之外，并将其连接到位于预定位置的笔式记录器14的端子15。这样，可以校正硅晶片9与具有与硅晶片9的成分和厚度相同成分和厚度的硅晶片小片3之间在温度测量上的差异。
图5表示根据本发明第二实施例的能够检测温度的硅晶片基板台1的顶面图。在硅晶片基板台1上设置有用于容纳热电偶4的长方体腔体2。长方体腔体2的特征在于贯穿所述台，并且可以设置在硅晶片基板台1上的任何位置。三个热电偶4按照其中一个热电偶4位于长方体腔体2中心的方式间隔均匀地设置在长方体腔体2中。热电偶引线6延伸到硅晶片基板台1之外并连接到位于预定位置的笔式记录器14的端子15。这样，可以一次获得在任何数量的点的一维温度信息。
图6是根据本发明第三实施例的能够检测温度的硅晶片基片台的顶面图。
将用于测量温度的五个热电偶4嵌入8英寸的硅晶片9中，然后以聚酰亚胺粘合剂5将其密封。形成凹部以与硅晶片基板台1接触地设置具有热电偶4的硅晶片9。在使具有热电偶4的硅晶片9紧密接触硅晶片基板台1之后，向凹部中的空白空间充满聚酰亚胺粘合剂5以完成该台。可以一次获得任何数量的点处的二维温度信息。
图7是沿图5的线A-A’切取的、其中在硅晶片9中嵌入有很多热电偶4以进行两维温度测量的图6所示的硅晶片基板台1的剖面图。可以看到其中嵌入有热电偶4的硅晶片9与硅晶片基板台1的主体之间的关系。
关于示例来进一步详细说明本发明。
第一示例图8示出了如下的曲线图连续标绘硅晶片基板9在紧随将硅晶片基板9置于硅晶片基板台之后的70秒内的温度变化，从而测量硅晶片9与面积为硅晶片9的面积的大约五十分之一并且成分和厚度与硅晶片9的成分和厚度相同的硅晶片小片3之间的温度分布差异。将面积为硅晶片9的面积的大约五十分之一、成分和厚度与硅晶片9的成分和厚度相同、并且在其正面与其接触地设置有热电偶的硅晶片小片3，按照使得热电偶面对灯加热器16的相反侧的方式设置在图4所示的硅晶片基板台1的中心处的腔体2内，向直径为8英寸的p型001表面朝向的一面涂布正抗蚀剂至1微米的厚度，并使其干燥以固化。然后，将隔着聚酰亚胺粘合剂5接触硅晶片9的设置于硅晶片9中心的热电偶4设置在硅晶片基板台1上，将温度升高到300℃，然后降低温度。在图8的图中，标记为3的虚曲线代表硅晶片小片3的温度分布；图8的图中的标记为9的实线代表硅晶片9的温度分布。进行了16次相同的测量，这显示出相似的趋势。示出了硅晶片9与硅晶片小片3(其成分和厚度与硅晶片9的成分和厚度相同，面积为硅晶片9的面积的大约五十分之一)之间存在温度分布的相关性，因此，通过测量成分和厚度与硅晶片9的成分和厚度相同并且面积为硅晶片9的面积的大约五十分之一的硅晶片小片3的温度，可以知道硅晶片9的温度。
第二示例图9是如下的曲线图在紧随将硅晶片9置于图3所示的硅晶片基板台1之后的一段时间内，通过将温度增加到300℃然后降低温度，连续标绘硅晶片基板9的温度变化。硅晶片基板9是通过将正抗蚀剂涂布于8英寸直径的p型001表面朝向硅晶片9的一面至1微米的厚度而提供的样品。可以看到，可以在从温度上升到温度下降的整个时间段内监测温度。对七个样品进行检验以确认检测硅晶片基板的温度的能力，在每次检验中都获得很好的结果。
权利要求
1.一种盘形的晶片基板固定台，该台由石英制成，具有大体平坦的表面，并且在包括辐射加热灯加热器的硅晶片加热系统中具有用于测量晶片基板的温度的热电偶，所述台包括多个槽口，其用于固定所述台表面上的单个晶片基板，所述多个槽口与所述台由相同材料制成；多个支承部，其用于将所述单个晶片基板保持在距所述台表面预定高度处，所述多个支承部与所述固定台由相同材料制成；以及至少一个腔体，其从所述台的侧面上的至少一点起与所述台表面平行地直线延伸；其中，在所述腔体中设置有小片晶片，所述小片晶片设置有与其正面接触的热电偶、具有与所述晶片基板的成分和厚度相同的成分和厚度、并且与所述晶片基板成预定的体积比即面积比，所述小片晶片在所述腔体中被设置为使得所述热电偶不面对所述辐射加热灯加热器。
2.根据权利要求1所述的台，其中，设置有PFA(R)管，作为用于保护从设置于所述腔体中的所述热电偶延伸的一对引线的保护管，并且，通过由碳氟橡胶制成的O型环，在所述腔体中与所述腔体接触地设置有Teflon(R)接头以接合所述PFA(R)管。
3.根据权利要求1所述的台，其中，所述小片晶片与待测量晶片基板的面积比不超过五十分之二。
4.根据权利要求1所述的台，其中，在将所述热电偶设置于所述腔体中的预定位置之后，用石英棉、Teflon(R)棉、聚酰亚胺棉和热固性树脂中的任一种填充所述腔体中的剩余空间。
5.一种盘形的晶片基板固定台，该台由石英制成，具有大体平坦的表面，并且在包括辐射加热灯加热器的硅晶片加热系统中具有用于测量晶片基板的温度的热电偶，所述台包括多个槽口，其用于固定所述台表面上的单个晶片基板，所述多个槽口与所述台由相同材料制成；多个支承部，其用于将所述单个晶片基板保持在距所述台表面预定高度处，所述多个支承部与所述固定台由相同材料制成；其中，在形成所述台表面的石英的背面中形成有从所述台的背面起具有预定深度并具有预定尺寸的凹部，在该凹部中与该凹部接触地设置有其中嵌入有至少一个温度测量热电偶并且用聚酰亚胺树脂密封的硅晶片，所述凹部与所述硅晶片之间的空隙填充有聚酰亚胺树脂。
6.一种使用根据权利要求1所述的台来测量硅晶片基板的温度的方法，该方法包括以下步骤在设置在所述台表面上的待测量硅晶片基板的哑晶片上按以下方式设置热电偶使得所述热电偶接触所述哑晶片；预备步骤，预先获得关于所述热电偶的测量温度与接触地设置在小片晶片上的一热电偶的测量温度之间的差异的数据；以及根据关于所述差异的数据以及接触地设置在小片晶片上的热电偶的测量温度，估计待测量硅晶片基板的温度。
全文摘要
本发明提供硅晶片基板固定台和硅晶片基板温度测量方法。通过用腐蚀性气体填充设置有灯加热器的腔体，在腐蚀性气体中测量红外线透射率高的处理物体的温度。在用于固定安装在灯加热器上部的一片硅晶片基板的台或者位于灯加热器的发光开口部侧的由石英等制成的外壳上设置有凹槽，以提供其中使要嵌入的热电偶不与腐蚀性气体接触的结构。将处理物体的等同物即硅晶片基板小片接合在热电偶上。在测量温度时，预先测量设置在台表面上的待测量硅晶片基板的测量温度值与所述硅晶片基板小片的测量温度值之间的差，并且校正硅晶片基板与硅晶片基板小片之间的热容量差。使用该装置和方法，可以测量硅晶片基板的温度。
文档编号H01L21/66GK1989596SQ20058002460
公开日2007年6月27日 申请日期2005年7月25日 优先权日2004年7月23日
发明者村上幸広, 浅野一男, 冈本龙二 申请人:株式会社Ipb, Tps系统株式会社, Icf株式会社