CN101067996A - 半导体批量加热组件 - Google Patents

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Abstract

提供了在批量加热/晶片处理中使用的加热处理设备，其包括接收晶片舟皿的处理腔室；至少一个加热元件，包括衬底主体，配置该衬底主体形成用于至少一个加热区域的电加热电路并用由连续保护涂层包封；热反射体，其包括设置在加热元件上的热反射表面，并且加热元件具有用于以至少1℃每秒的斜率加热晶片舟皿中晶片。

Description

半导体批量加热组件
相关申请的交叉引用
本申请要求于2006年3月17日提出的U.S.60/788,861的优先权，在此合并引用其专利申请全文。
技术领域
本发明涉及主要用于半导体晶片处理设备中的加热器件。
背景技术
对于制造现代微电子器件来说硅晶片的高温处理是重要的。包括硅化物形成、注入退火、氧化、扩散引入(diffusion drive-in)和化学气相沉积(CVD)的此类工艺可以在大约300℃到1200℃的温度范围内在多晶片批量炉或单晶片快速热处理器内进行。这些步骤一般要求非常精确的温度、压力和腔室内气流的控制。在现有技术的一个实施方案中，为了增加产量，在其中以批量方式处理晶片的管式炉中执行处理步骤。
在现有技术的传统批量炉内，一般使用电加热元件。通常用比如烧结氧化铝或氮化铝的陶瓷材料隔离比如金属线圈元件的电加热元件，当进行热循环时其易受产生裂缝和颗粒的装置的固有影响。这些系统的热量很高并且导致低加热率和低冷却率。而且，由于传统线圈元件的不连续表面，穿越待加热区域的功率密度也显著不同。此外，在热量循环期间由于在金属加热元件和陶瓷隔离体之间的不同热膨胀，在现有技术中使用的加热器可以导致产生颗粒或失效。在处理过程期间施加能量时，颗粒一般不产生处理问题，因为它们通常悬浮在半导体衬底的上面。然而，因为在处理循环结束时功率降低，所以耗尽悬浮颗粒的力使他们落到半导体衬底表面而产生污染。下落行为可以是重力和对半导体衬底的静电引力的结果。使用包含烧结陶瓷材料的加热器的传统批量炉时除了颗粒污染问题外，也有可靠性问题和在加热率和冷却率方面的固有限制。当烧结陶瓷经受高温梯度时，易受热冲击的影响并趋于损坏。
为了减少掺杂物扩散或颗粒从加热器落到半导体衬底表面上引起污染的不期望问题，在一些传统半导体批量处理腔室中使用高强度灯。因为它们极低的热质量和由于它们能瞬间关闭而快速冷却，辐射灯能非常快速的加热。然而，使用高强度灯会遇到问题，因为它们是局域性能量源。在加热和冷却瞬间，如在传统批量炉中，不仅出现温度差异，而且在处理期间还有持续的非均一性。基于RTP系统的一般灯的内壁通常是相对凉的并且不加热到如传统批量炉中的均一平衡工艺温度。对于更大直径的晶片，很难保持晶片上的均一温度。对于其他系统，其不能提供均一的晶片到晶片的加热给多晶片舟皿。许多灯使用线形灯丝，这使得它们在向圆形晶片提供均一加热时效率低。在处理期间必须动态地检测温度的不一致性并积极地调整加热。反过来，这也要求复杂的温度测量系统。由于灯及其他部件的老化和退化，一些基于灯的系统中也遇到额外问题。这样，难于保持可重复的性能并且必须频繁地替换部件。
除了污染和均一性问题，在现有技术的批量系统中也有适合度(conformity)限制。半导体晶片处理的批量系统常常具有由圆形晶片驱动的圆柱几何形状。加热系统的几何形状经常试图与衬底的几何形状一致。在现有技术的电阻加热器中，嵌入在陶瓷隔离体中的金属线圈元件不提供连续的加热表面。采用灯阵列的系统一般不能提供圆柱加热表面。
本发明涉及可以提供快速、均一、高能量效率和无污染加热及冷却多个晶片的半导体处理系统，同时允许批量处理设备中希望的适应性设计。
发明内容
在一个实施方案中，本发明涉及批量处理装置，其包括具有放置处理多个晶片的晶片舟皿的内部的腔室；位于外部并与用于在300-800℃的范围内以至少40℃/分钟的加热器斜率(ramp rate)加热包含在其中的多个晶片的腔室外部一致的至少一个辐射加热器，加热器具有至少一个电阻加热元件，其用多条限定至少一个区域可以独立控制所述至少一个区域加热的电路图形化，电阻加热元件表面的至少一部分涂有介电隔离层，该层包括从由B、Al、Si、Ga、难熔硬金属、过渡金属和稀土金属、或其络合物和/或组合组成的组中选出的元素的氮化物、碳化物、氮碳化物或氮氧化物中至少之一，至少一个挡热板设置在加热器外侧上与加热器侧相反，该侧面面向包含晶片舟皿和设置在挡热板外侧的隔离外壳。
在一个方面，辐射加热器包括石墨芯体，其具有形成涂布石墨芯体的基本连续表面的密封剂，密封剂是薄层，该层包括从由B、Al、Si、Ga、难熔硬金属、过渡金属和稀土金属，或其络合物和/或组合组成的组中选出的元素的氮化物、碳化物、氮碳化物或氮氧化物中选出的材料；具有NaZr2(PO4)3的NZP结构的高热稳定性磷酸锆；包含从由元素周期表的2a族、3a族和4a族元素组成的组中选出的至少一种元素的玻璃陶瓷组合物；和SiO2和包含Y、Sc、La、Ce、Gd、Eu、Dy等氧化物的耐等离子体材料的混合物；
本发明的一个方面涉及使用加热器加热批量处理装置内多个晶片的方法，该加热器具有至少一个在多个电路内图形化的电阻加热元件，该电路限定至少一个区域以独立控制所述至少区域的加热，电阻加热元件表面的至少一部分涂有电介质隔离层，其包括从由B、Al、Si、Ga、难熔硬金属、过渡金属和稀土金属，或其络合物和/或组合组成的组中选取的元素的氮化物、碳化物、氮碳化物或氮氧化物中至少之一，以在300-800℃的范围内以至少40℃/分钟的加热器斜率加热晶片衬底直到800℃的温度。
附图说明
图1是本发明的半导体批量处理腔室实施方案的横截面视图，其显示它的结构。
图2(a)是图1的处理腔室中使用的电阻加热器的一个实施方案的顶视图，图2(b)和2(c)是图1的处理腔室中使用的电阻加热器的一个实施方案的横截面视图。
图3是本发明批量加热系统的圆柱体实施方案的一个实施方案的顶部横截面。
图4是本发明批量加热系统的圆柱截面(cylindrical section)的实施方案的第二个实施方案的顶部横截面。
图5是本发明批量加热系统的六边形实施方案的顶部横截面。
图6是使用盘状加热元件的批量加热系统的正方形实施方案的顶部横截面。
图7是使用用于电连接外部端子的本发明的圆柱体截面实施方案的截面图。
图8是说明本发明的截面圆柱(section cylindrical)实施方案的斜率的图表。
图9是说明本发明两截面圆柱实施方案的可重复性的图表。
图10显示了在热循环期间本发明的批量组件的性能。
具体实施方式
如这里所使用，可以使用近似语言修饰任何数量上的表述，其可以在不引起相关基本功能上的改变范围内变化。于是，由比如“大约”和“基本上”的术语修饰的值在某些情况下可以不限制为具体的精确数值。
术语“电阻加热器”可以与“加热器”或“加热元件”相互替换使用并且该术语可以用单数或复数形式指示提出的一项或多项。如这里所使用，“挡热板”可以与“热反射体”或“辐射挡板”相互替换地使用。
这里使用的“晶片衬底”或“衬底”是复数形式，但是该术语用于指出可以使用一个或多个衬底，并且“晶片”可以与衬底相互替换地使用。类似地，“加热板”、“加热元件”、“涂层”、“反射元件”或“反射体”可以用复数形式，但是该术语用于表示可以使用一项或多项。
“批量处理腔室”可以与“批量加热组件”或“批量炉”相互替换地使用，指的是带有真空下封闭腔室并且内部包含多个衬底(晶片)的组件，封闭腔室由一个或多个加热器加热到300-800℃的温度。
本发明涉及一种半导体批量处理腔室，其中使用包括密封固体的电阻加热器。本发明的批量加热系统基于陶瓷包封的石墨加热器的低热质量和纯度的加热器允许快速、均一并相对免于污染的多晶片的热处理。组件包括一个或多个用于均匀加热包含在封闭腔室内晶片舟皿的陶瓷加热器，并且其中陶瓷加热器被比如挡热板的低热质量隔离体包围。
批量处理腔室：图1说明了用于垂直热处理设备的本发明批量炉的一个实施方案。批量炉包括维持工艺必须的环境条件(压强水平、气流水平等)的封闭腔室1。在一个实施方案中，腔室1由高纯度石英材料制成以降低晶片3的污染。在一个实施方案中(未示出)，处理腔室1采取管或者带有内部导管和外部导管的双结构型的形式。将多个晶片3安装到具有多个支撑或支柱的晶片舟皿2里，用于在处理期间放置晶片。在一个实施方案中，晶片舟皿2由穿过底座5延伸的轴4支撑。轴4可以将晶片舟皿移入和移出处理腔室1用于晶片3的装载/卸载。一般地，轴4绕其中心轴旋转以平衡晶片3上的任意工艺非均匀性。对于涉及气流、进气口和排气口的工艺可以设置在底盘5上或者处理腔室壁1中。
在实际工艺开始前，必须将晶片装载到晶片舟皿上。类似地，在工艺结束后，必须将晶片从舟皿上卸下并且安装新的晶片。一般在远低于工艺温度的温度下执行装载/卸载晶片。这样，一旦将晶片装载到晶片舟皿上，必须将炉从装载/卸载温度加热到工艺温度。为了均匀效果，等待炉内的条件到达稳定状态的需求要求长处理时间。类似地，在工艺结束将晶片卸载前必须冷却炉。加热和冷却炉所需的时间可以表示整个循环时间的重要部分并且必须最小化以提高生产量。在整个时间温度循环中，输入给晶片的能量通常称为热预算。需要的长处理时间才能突破由处理制法的热预算施加的限制。
在批量加热组件的一个实施方案中，由电阻加热元件6a-6c将晶片3加热到工艺温度。这些电阻加热元件是容纳在低热质量绝缘体中的陶瓷包封石墨加热器，该绝缘体的作用是减少热量流失入外界环境并优化系统效率。陶瓷包封石墨加热器6a-6c设置在容纳包含待处理晶片3的晶片舟皿2的石英腔室1周围。
在一个获得晶片3的更佳温度均一性的实施方案中，使用多个加热器产生多个加热带6a-6c，所述自加热带的功率密度可以独立控制。每个加热带可以由一个或多个加热器组成。将多个加热器串联或并联安装并使用单一温度控制器以提供功率给那些加热器可以形成大尺寸加热带。
将挡热板7a-7c设置在临近加热器的周围以减少热流失。在一个实施方案中，挡板与加热器直接接触。在另一个实施方案中，在挡板和加热器之间有5到20mm的缝隙。挡热板有效地提高加热率并减少工艺的热预算，同时它们反射由陶瓷加热器辐射的热量以减小传递到腔室外部的热量。如图1所示，挡热板位于加热器的外部。在另一个实施方案中，可以将挡热板放置在石英腔室之上或之下以减少通过晶片舟皿的上部或底部流失的热量并且有助于保持通过晶片批量的很好的温度均一性。
在一个实施方案中，挡热板包括比如铝、不锈钢、钼、钽等的高反射金属。在第二个实施方案中，挡热板由任何可以反射热量的材料制成，包括比如热解氮化硼、氮化铝等的陶瓷材料。在一个实施方案中，抛光挡热板的表面以提高它们的反射率。反射率越高，就将越多的热量反射到加热器上并且系统热效率越高。在一个实施方案中，挡热板包括厚度为0.001″到0.05″的薄金属箔或层。因为它们非常薄，挡热板本身具有非常低的热质量，其使它们理想化地用于快速加热和冷却是有利的应用。
在一个实施方案中，挡热板7a-7c进一步包括比如工艺抵抗并一般不受比如铜污染的金属板状陶瓷、金属化玻璃等。
用于减少颗粒污染的快速斜率电阻加热器：在已减少颗粒污染的(例如无污染或几乎无污染的)批量加热组件的一个实施方案中，电阻加热器6a-6c包含带有以用电流路径来限定电加热电路的至少一个区域的图形构造的加热表面和带有密封图形体为衬底的电介质隔离涂层的衬底体。
在一个实施方案中，加热元件6a-6c的衬底体包含石墨。在另一个实施方案中，衬底体包含从石英、氮化硼、烧结氮化铝、烧结氮化硅、氮化硼和氮化铝的烧结体中之一选出的材料，和从钼、钨、钽、铼和铌的组中选出的难熔金属。本发明的加热元件6a-6c的表面是基本连续的并且涂有一层或多层保护涂层以气密性密封图形化的热产生的电阻器主体，而不是电连接需要的那些表面，从而阻止短路和与电相关的改变发生，并且确保基本连续的表面不受石墨尘或颗粒的影响。
在一个实施方案中，涂层由从B、Al、Si、Ga、难熔硬金属、过渡金属和稀土金属，或其络合物和/或组合组成的组中选出的元素的氮化物、碳化物、氮化碳或氮化氧中的至少一个组成。
在一个实施方案中，电阻加热元件6a-6c的涂层包括具有NaZr2(PO4)3的NZP结构的高热稳定性磷酸锆，以及相关同构的磷酸盐和具有类似晶体结构的硅磷酸盐。在另一个实施方案中，保护涂层25包含玻璃陶瓷成分，其包含从元素周期表的2a族、3a族和4a族的元素组中选出的至少一种元素。在此2a族指的是包括Be、Mg、Ca、Sr和Ba的碱土金属元素。在此3a族指的是Sc、Y或镧系元素。在此4a族指的是Ti、Zr或Hf。作为涂层25使用的适宜的玻璃陶瓷成分的实例包括但不限制于铝硅酸镧(LAS)、铝硅酸镁(MAS)、铝硅酸钙(CAS)、铝硅酸钇(YAS)。在一个实施例中，保护涂层25包含SiO2和包含Y、Sc、La、Ce、Gd、Eu、Dy等的氧化物，或这些金属其中之一的氟化物，或者钇铝石榴石(YAG)的抗等离子体材料的混合物。可以使用此类金属氧化物的混合物，和/或带有氧化铝的金属氧化物的混合物。在另一个实施方案中，保护涂层25是以Y2O3-Al2O3-SiO2(YAS)为基础，带有从25到55wt％不同的钇含量用于低于1600℃的熔点和在884到895℃小范围内的玻璃态转变温度(Tg)。在带有多涂层的电阻加热器的一个实施方案中，外部涂层可以具有相同材料，或者与第一涂层不同的材料。
在带有石墨芯体的电阻加热器6a-6c的一个实施方案中，由石墨体限定的电子图形可以是不同尺寸和形状以限定用于电加热电路的至少一个区域的电流路径，例如螺旋或弯曲、螺旋线圈、锯齿、曲折图形等。石墨体的厚度从比如基于长度、宽度，和弯曲电路径厚度的现有技术中已知的电子计算确定设计到石墨基底10内的电路径的厚度。在一个实施方案中，石墨基底10具有至少0.05英寸的厚度。在第二个实施方案中，至少大约0.10英寸。在一个实施方案中，将电接触设计为穿过涂层以暴露接触区域的石墨用于连接到外部的电源。可选地，在最后涂覆工艺前可以将电连接延伸机加工为进入开端的石墨基底，或先于全部涂层操作前加入。
在电阻加热器6a-6c的一个实施方案中，涂层材料以不掺杂形式或与比如碳、硅或Y2O3原料掺杂的形式是热解氮化硼、氮化铝、氮化钛铝、氮化钛、碳氮化钛铝、碳化钛、碳化硅和氮化硅中之一。pBN和AlN都具有极好的隔离性和导电属性并且可以容易从气相阶段沉积。它们也具有高温稳定性。此外，它们具有与热解石墨基底颜色(黑色)不同的颜色(白色)，这样在形成电图形步骤中，可以将涂层在视觉上轻易地与图形区分开。
可以使用不同的方法将涂层沉积到电阻加热器的基体/衬底上，包括扩展热等离子体(ETP)、离子电镀法、等离子体增强化学气相沉积(PECVD)、金属有机化学气相沉积(MOCVD)(也称为有机金属化学气相沉积(OMCVD))、金属有机气相外延法(metal organic vapor phase epitaxy)(MOVPE)、比如溅射、反应性电子束(e束)沉积、涂后加热(用于相对厚的涂层)、热喷射和等离子体喷射的物理气相沉积工艺。对于加热器衬底上的多个涂层可以结合这些方法，用不同的方法沉积每个层。在一个实施方案中，涂层具有0.005到0.10英寸的厚度。在第二个实施方案中，这个涂层的厚度大约0.01到0.05英寸。在第三个实施方案中，涂层具有大约小于0.02英寸的厚度。在第四个实施方案中，涂层是具有大约0.01-0.03英寸范围内厚度的基本连续表面层。
在US专利号5,343,022中所描述的加热元件的一个实施例中，加热元件包括热解氮化硼(pBN)板作为在其上形成图形化热角石墨层而形成加热元件的衬底，和至少密封图形化板的涂层。在如US专利公开号为US20040074899A1中描述的加热元件的另一个实施例中，加热元件包括形成用于电阻加热器的电流路径图形的、用至少一层包含氮化物、碳化物、碳氮化物或氧氮化物的化合物或其混合物中之一的涂层包封的石墨体。在如US专利公开号为US20040173161A1所公布的加热元件的另一个实施例中，加热元件包括石墨衬底，至少包含氮化物、碳化物、碳氮化物或氮氧化物化合物的第一涂层，形成电阻加热器电流路径的图形化石墨的第二涂层，和在图形化衬底上的表面涂层，该表面涂层也至少包含氮化物、碳化物、碳氮化物或氮氧化物化合物中之一。考虑到pBN固有的高度热传导各向异性在使用pBN作为保护涂层的一个实施方案中，优化层厚度以提升热均一性。在第二个实施方案中，使用多层保护层以提升热均一性。
在批量组件中使用的辐射加热器以具有极好斜率(ramp rate)为特征，即在100和300℃之间＞40℃每分钟。在100和300℃之间的温度范围的一个实施方案中，加热器具有＞60℃/分钟，在另一个实施方案中，每秒＞80℃的斜率。在另一个实施方案中，斜率是＞100℃每分钟。在第五个实施方案中，斜率是＞150℃每分钟。也可以使用其他加热器，该类加热器在极端条件下具有极好抗热冲击性和快速热响应速率，例如100-300℃的温度范围具有加热率＞5℃每秒。
加热器可以是适宜在批量加热设备中使用的尺寸的圆柱形(cylinder)、扁圆盘形、压盘形(platen)及类似形状。在一个实施方案中，每个加热器在其最长尺寸(例如半径、长度等)上是2到20英寸和0.05″到0.5″英寸厚。在一个实施方案中，加热器可以是具有2”长×2”宽×0.01”mm厚尺寸的圆盘。在第三个圆柱体(或部分截面，形成圆柱)实施方案中，圆柱加热器具有内直径在2”到20”、0.10”到0.50”壁，和2”到40”长的尺寸。
图2A表示具有圆柱形状的加热器6a-6c的一个实施方案的顶部视图。图2B说明了沿图2A的线A-A选取的横截面部分的圆柱形加热器，图2C表示在图2B中示出的包围区域的分解图。石墨体或基底10可以是任何适宜半导体处理应用的期望厚度。外部涂层12包封石墨基底体10的两个表面。在另一个实施方案中，涂层12仅覆盖石墨基底10的顶部表面以抗腐蚀和结构支撑。图形13是螺旋或弯曲构造图形，带有适应连接到外部能量供给(未示出)的开口端。
批量加热组件的不同实施方案：在一个实施方案中，批量加热系统与圆晶片的几何形状一致以在石英腔室周围提供连续的圆柱体加热表面。图3是加热器6a-6c圆柱体实施方案的顶部横截面视图。在另一个实施方案中，由于加热器不能完全包围石英腔室和不得不允许在某些半径区域有开口，加热器包括由挡热板包围的加热元件的圆柱形截面(见图4)。为了加工或测量目的，隔开圆柱形截面以留出通向石英腔室的通路并从制造的观点来看更容易制造它们。此外，这些截面提供设计灵活性以适应带有由几何形状、气流，或任何其他非对称干扰引起的辐射不均一性。
适应在例如平板显示处理的半导体处理中遇到的晶片几何形状的实施方案中，包括正方形、长方形，或更普通的多边形，加热器6a-6c具有如图5所示的多边形。在另一个实施方案中，加热系统由设置在石英腔室周围的板加热元件组成，如图6所示。一般容易制造盘加热元件，其也适应于实际上的任何晶片几何图形。它们也可以提供带有辐射温度控制的额外灵活性。
在一个实施方案中，挡热板包括如图6中所示的一个单一连续片。使用比如用压敏粘合剂、陶瓷结合、胶水及类似物粘结挡热板，或者用比如螺杆、螺钉、回形针和类似耐加工并通常不含杂质例如铜的扣件的多种方法连接挡热板。在一个实施方案中，挡热板由固定在板加热器周围的分离片组成。在第二个实施方案中，挡热板是固定于板加热器后部的平板，便于安装和移除。在另一个实施方案中，使用比如绝缘的螺杆、螺钉、回形针和类似物的隔离扣件将挡热板与加热器隔离，在其间形成缝隙。
可以用不同的方式制成加热器的电接触。在一个板或多边形加热器的实施方案中，移除涂层以暴露指定区域的石墨，然后用螺母和石墨垫圈将传导杆锁到暴露的石墨上以改进连接。杆和螺母可以用比如铝、不锈钢、钼、钽等任何导电材料制成。在不允许暴露石墨或不期望用加热器限定内表面的突出内部的应用中，可以通过使用涂陶瓷的石墨柱制作电连接。
在一个实施方案中，可以将石墨柱固定到石墨螺杆，或者直接穿过加热元件的石墨基底。这些技术允许待设置的电连接更远离加热表面，例如在温度低得多的挡热板外部上。由于电连接位于较低温度区域，它们更少受不同热膨胀的影响，从而便于灵活设计。
在一个应用用于如图7所示电连接的外部柱的批量系统的实施方案中，局部圆柱形加热器6提供有多个位于外部的7a-7b挡热板。经过涂有PBN的石墨柱8和9供电。这些柱穿过挡热板以连接加热系统外部，电连接处于低得多的温度。在一个这样的实施方案中，加热器的中心温度经测量为700℃，同时柱末端温度经测量为低得多的500℃。也可以使用其他方法将石墨柱连接到电力电缆，包括但不限制于穿入石墨柱的金属杆、柱外直径上的夹钳、平坦状拧紧到柱端的榫状端子等。
批量加热组件的特性：在加热组件的一个实施方案中，加热器6a-6c包括作为低电阻的加热元件的石墨，这样要求使用低电压、高电流的电源。在制造期间可以严格控制陶瓷包封的石墨加热器的最终电阻。在一个实施方案中，加热器具有少于0.5％部分到部分的变化是很典型的，在第二个实施方案中，少于0.1％。例如，用相同的导电图形制造带有8”的内直径、130度辐射范围，和6.3”高度的两个圆柱形截面加热器6a-6c。第一部分具有6.655欧姆的最终电阻，而第二部分具有6.639欧姆的最终电阻，在第一部分0.24％的电阻内。因此在一个实施方案中，将多个加热器串联安置并且作为一个独立的加热区使用。串联安装的益处是可以增加整个加热带的电阻。通过选择正确数量的串联安装的加热器，可以使用传统高电流、低电压电源(例如200V，20A)来提供电力给加热器。
极好抗热冲击属性的陶瓷包封加热器和低热质量的挡热板隔离的结合使得本发明具有非常高的斜率。在使用pBN包封石墨加热器的一个实施方案中，以超过600℃/分钟的斜率加热批量加热组件，没有观察到对加热器不利的影响。此外，使用挡热板和反射由加热器自身发出的热量的金属化隔离层，可以获得更高斜率。由于它们的低热质量，挡热板本身固有地极快速地变热。
在使用包封的带有非常快热响应的加热器6a-6c的批量加热组件的一个实施方案中，以1℃/秒的速度可以非常快速地加热晶片到300-1000℃级的处理温度。在本发明的一个实施方案中，以至少10℃每分钟(“斜率”)的速度将加热器从室温加热到1000℃。在第二个实施方案中，斜率至少是40℃/分钟。在第三个实施方案中，斜率在60-300℃/分钟之间。
在一个实施方案中，批量加热组件的另一个特征是具有少于现有技术中的批量加热组件1/10热质量的总热质量。这意味着，对于相同的电源，本发明的批量加热组件加热是现有技术的批量加热组件快9倍还多。石墨具有比其他陶瓷材料低的密度，是极抗热冲击的，并且可以制得非常薄以制作陶瓷包封的加热器。一般可以用厚度为0.001”到0.05”的金属薄片制造挡热板，其得到非常低质量的部件。
如下说明热质量计算。对于带有内直径为400mm(一般300mm的晶片处理)的1米高圆柱形加热系统，用氧化铝制造的40mm厚的传统陶瓷加热系统在25℃具有184kJ/K的的总热质量。相比来说，本发明的批量加热组件的实施方案，包括被加热器外部上间距为10mm的两个不锈钢挡热板包围的非常薄(8mm)的圆柱形陶瓷包封石墨加热器，加热器的热质量是14.5kJ/K和反射体的热质量大约是1.3kJ/K。总热质量是17.1kJ/K。此低热质量来自于陶瓷包封石墨加热器的低热质量和挡热板的低热质量的组合。
使用包封加热器的批量加热组件的另一个特征是在加热器内部表面上的极好的温度均一性，因为通过制造石墨图形调整功率密度分布以得到均一性。此外，将陶瓷涂在加热元件而形成的连续表面产生了非常高度的热均一性。在使用pBN或AlN涂层的一个实施方案中，陶瓷涂层的高电导热性，例如对于pBN为60W/mK或对于AlN为200W/mK，与使用类似氧化铝的低导电性材料的现有技术的批量炉相比，有助于更均一地散播热量。在使用具有截面圆柱(8”ID)几何图形加热器的一个实施方案中，由最大和最小温度之间的差别限定热均一性，距离加热器边缘6”远的中心区域经测量为5℃。加热器表面极好的热均一性反映了包含晶片的腔室内相应的热均一性，随后加热晶片。在一个实施方案中，包含晶片的腔室外部表面上的最大和最小温度之间的温度差小于10℃。
在现有技术和除了加热元件相互紧邻设置或使用恰当地设计热隔离体外的批量加热组件中，边缘效应使在更靠近加热元件边缘的区域的热均一性变得更差，这样影响了待加热的晶片质量。
使用包封加热器的批量加热组件的另一个优势是减少颗粒形成/沉积在半导体晶片上。在典型批量组件中，晶片处理在石英腔室内部进行，但是颗粒产生和包围石英腔室的加热系统的清洁度是影响晶片表面的关键因素。不管采取多少预防措施来防止由包围石英腔室(密封、不同正压差等)的气体和颗粒产生的石英腔室内部工艺环境的污染，颗粒仍然可以进入到石英腔室并污染工艺。这样，具有不受污染的加热系统是很关键的。在本发明的一个实施方案中，批量加热组件使用涂有通过比如化学气相沉积的工艺沉积的保护层的加热器。因此该涂层是纯、完全致密，和抗热冲击的。例如，在超过3000℃/分钟的加热率下使热解氮化硼(pBN)循环，没有颗粒产生、破裂或失效的迹象。由于它们的制造工艺，使用这些层的加热器不易于在烧结材料内产生破裂和颗粒的机理。因此，它们更适合于包括热循环的应用。
批量加热组件另一个特征是与现有技术的批量组件相比具有延长的/更长的工作寿命。使用比如AlN和/或pBN涂层的加热器已经证明高度的抗氧化性和极好的气体密封性。本实施例中的加热部件、石墨将由pBN涂层良好保护。因为固有的氧化问题，和在处理工具和吹扫气体纯度上意义重大的较低密封性要求，批量设备可以用在不评价传统金属线圈加热器的晶片工艺中。
通过下面的非限制性实施例进一步说明本发明。
实施例1.进行实验以说明使用陶瓷包封加热器批量组件的斜率性能，该加热器采取内直径200mm、厚8mm的通用电气公司(“GE”)的Boralectric加热器圆柱截面的形式，具有石墨芯体和热解氮化硼涂层。使用氧化铝间隔将圆柱形截面与不锈钢挡热板隔离10mm。将辐射挡板/包封的加热器组件固定于支撑结构，然后用于直接将石英圆柱体从100℃加热到700℃。应该注意，在将其温度稳定在700℃前必须快速地将加热器加热到700℃。
图8是说明将加热器的斜率控制在不同值的不同情况的图。在实验中，加热器的温度以15、30和60℃/分钟的速度增加。而且在实验中，不控制加热器斜率而是将全部功率输给加热器(在R减小和I增加时增加功率)。在100到300℃之间的斜率是300℃/分钟。在300到600℃之间，斜率经测定是120℃/分钟。在600到700℃之间，在温度保持不变在700℃前其减小到42℃/分钟。加热器用少于9分钟的时间达到700℃的恒定温度。在内部加热器面上实现了8.5W/cm2的功率密度。相比之下，在现有技术的批量加热组件中通过烧结陶瓷材料获得的最大加热率为大约20℃/分钟，其明显增加了处理时间。
实施例2：图9是说明使用8mm厚陶瓷包封加热器的批量组件的另一个实施方案的加速寿命测试的图表，该加热器与用作辐射挡板的不锈钢反射体相隔10mm。在这个实验中，测试了两个串联安装的半圆柱形截面。截面加热器(带有如图7所说明的每半个圆柱体)都是通用电气公司的，具有石墨芯体和热解氮化硼涂层的Boralectric加热器。
组件在200到500℃之间以45℃/分钟的斜率循环100次以上。结果显示本系统带有极好的热均一性重复。在左加热器和右加热器之间的温度变动少于6.5℃。这是由于严格控制在本发明的批量加热组件中使用的石墨加热器的发热器电阻。
实施例3：在这个实验中在热循环期间评估批量组件的性能，将两个半圆柱形截面放到一起形成用于组件的圆柱体加热器。将一致的不锈钢反射体固定到使用氧化铝隔离留有10mm缝隙的加热器截面的背部。将组件固定到支撑结构，然后经受从200到600℃的158次热循环斜率测试。在晶片衬底处理系统中这是批量加热组件加热石英腔室所普遍经历的。对于每个循环，将加热器爬升到(rampup)600℃，在600℃保持7分钟，允许冷却到200℃，在200℃保持10分钟。如图10所说明，组件显示出了达600℃超过50℃/分钟的斜率。
虽然已参照优选实施方案描述了本发明，但本领域的技术人员应该明白，可进行任何改变及用其元件的等价物替换，而不脱离本发明的范围。此外，对于本发明的教导用特定方位或材料进行许多修改，而不脱离它的基本范围。
在此引用的所有文献明确引入本文作为参考。

Claims (12)

1.一种用在加热多个晶片衬底到300-800℃的工艺温度中的批量处理设备，包括：
具有内部的腔室，用于放置包含支撑晶片衬底的多个隔板的晶片舟皿；
至少一个位于腔室外部的加热器，加热器具有内侧和外侧，内侧面向腔室并传输热能给腔室以加热包含在其中的晶片；
至少一个设置在加热器外侧面上的挡热层，和
至少一层设置在挡热层外侧的金属化隔离层；
其中加热器具有至少一个在多个电路内图形化的电阻加热元件，该电路限定至少一个区域以独立控制上述至少一个区域的加热，图形化电阻加热元件的至少一部分涂有包括从由B、Al、Si、Ga、难熔硬金属、过渡金属和稀土金属、或其络合物和/或组合组成的组中选取的元素的氮化物、碳化物、氮碳化物或氮氧化物中至少之一的至少一层；具有NaZr2(PO4)3的NZP结构的高热稳定性磷酸锆；包含从由2a族、3a族和4a族元素组成的组中选出的至少一种元素的玻璃陶瓷组合物；BaO-Al2O3-B2O3-SiO2玻璃；和SiO2和Y、Sc、La、Ce、Gd、Eu或Dy氧化物的混合物；
其中用膨胀热等离子体(ETP)、化学气相沉积(CVD)、等离子体增强化学气相沉积、离子等离子体沉积、金属有机化学气相沉积、金属有机气相外延法、溅射、电子束和等离子体喷射中的至少之一将涂层设置在图形化电阻加热元件上：
其中以至少40℃/分钟的斜率将腔室加热到工艺温度。
2.权利要求1所述的批量处理设备，其中在300-800℃的温度范围内加热器具有至少60℃/分钟的斜率。
3.权利要求1-2中任何一个所述的批量处理设备，其中在300-800℃的温度范围内加热器具有至少100℃/分钟的斜率。
4.权利要求1-3中任何一个所述的批量处理设备，其中图形化电阻加热元件包括石墨并涂有包括热解氮化硼和氮化铝之一的电介质隔离层。
5.权利要求1-4中任何一个所述的批量处理设备，其中挡热板包括热反射表面，该表面包括从由玻璃、陶瓷、铝、镍、铁、钨、钽、钼及其合金组成的组中选出的至少一种材料。
6.权利要求1-5中任何一个所述的批量处理设备，其中在加热器和挡热板之间有非接触的缝隙。
7.权利要求1-6中任何一个所述的批量处理设备，其中加热器的形状与腔室的形状一致，具有从：圆柱形、长方形、正方形和多边形之一选出的截面形状。
8.权利要求1-7中任何一个所述的批量处理设备，其中加热器是盘形、圆柱形、圆柱截面、半圆柱截面、多边形截面、球形截面、圆盘和压盘的至少一个。
9.权利要求1-8中任何一个所述的批量处理设备，其中用多个电路图形化具有至少一个电阻加热元件的加热器，以限定多个加热区域并且其中每个区域都独立控制。
10.权利要求1-9中任何一个所述的批量处理设备，包括多个相互连接的加热器形成至少一个加热区域。
11.权利要求1-10中任何一个所述的批量处理设备，包括多个串联或并联相互连接的加热器以限定多个加热区域。
12.一种用在加热多个晶片衬底到300-800℃的工艺温度中的批量处理设备，包括：
具有内部的腔室，用于放置包含多个支撑晶片衬底的挡板的晶片舟皿；
位于腔室外侧的多个加热器，每个加热器具有内侧和外侧，内侧面向腔室并传递热能给腔室以加热包含其中的晶片；
设置在加热器外侧的多个挡热层，和
至少多个设置在挡热层外侧的金属化隔离层；
其中每个加热器具有至少一个在多个电路内图形化的电阻加热元件，该电路限定至少一个区域用于独立控制上述至少一个区域加热，图形化电阻加热元件的至少一部分涂布有至少一层，该层包括从由B、Al、Si、Ga、难熔硬金属、过渡金属和稀土金属、或其络合物和/或组合组成的组中选出的元素的氮化物、碳化物、氮碳化物或氮氧化物中至少之一；具有NaZr2(PO4)3的NZP结构的高热稳定性磷酸锆；包含从由2a族、3a族和4a族元素组成的组中选出的至少一种元素的玻璃陶瓷组合物；BaO-Al2O3-B2O3-SiO2玻璃；和SiO2和Y、Sc、La、Ce、Gd、Eu或Dy氧化物的混合物；
其中用膨胀热等离子体(ETP)、化学气相沉积(CVD)、等离子体增强化学气相沉积、离子等离子体沉积、金属有机化学气相沉积、金属有机气相外延法、溅射、电子束和等离子体喷射中的至少之一将涂层设置在图形化电阻加热元件上；
其中以至少40℃/分钟的斜率将腔室加热到工艺温度；
其中加热器以串联或并联相互连接。
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