CN101490491B - 用以加热半导体处理腔室的设备和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用以加热半导体处理腔室的设备与方法。本发明的一个实施例提供一种用以加热半导体处理腔室(205)的熔炉。所述熔炉包含：加热器(202)，所述加热器(202)围绕所述半导体处理腔室的多个侧壁，其中所述加热器(202)包含多个加热元件(220)，这些加热元件(220)在至少两个独立控制的区域中连接；以及壳体(201)，所述壳体围绕所述加热器。
Description
技术领域
本发明的实施例大体上涉及用以加热半导体处理腔室的设备与方法。尤其，本发明涉及一种熔炉，所述熔炉具有用以加热半导体处理腔室的多区加热器。
背景技术
半导体处理期间的一些处理过程是在熔炉内进行的，其中在熔炉内在高温下处理一个或多个基板。均匀地加热一个或多个基板是重要的，对于批处理尤其重要，其中批处理是普遍使用的处理步骤，所述处理步骤可以在一个区域中同时处理两片或更多片基板。批处理已经被证实对于增加器件产能及减少制造成本是有效的。批处理腔室通常在腔室容积内处理一批垂直堆叠的基板。在批处理腔室内执行的处理步骤，例如原子层沉积(ALD)与化学气相沉积(CVD)，必须均匀地加热基板。因此，批处理腔室大体上会包含用以加热一批基板的加热系统。然而，均匀地加热一批基板富有挑战性，并且这样的加热系统很复杂，致使难以维护且维修昂贵。
图1与图2绘示本领域中所熟知的经加热的批处理腔室。图1绘示处于某一处理条件下的批处理腔室100。在此条件下，被基板舟皿101支撑的一批基板102在一个处理容积103中被处理，其中所述处理容积103是由顶部104、多个侧壁105与底部106所界定。形成在底部106中的穿孔122提供了用于将基板舟皿插入处理容积103中或将它从处理容积103中移除的结构。密封板107在处理期间将穿孔122密封住。
加热结构110一般被装设在每一个侧壁105的外部表面上。每一个加热结构110包含多个卤素灯119，卤素灯119经由石英窗109将能量提供给处理容积103中的基板102，石英窗109被装设在侧壁105上。装设在侧壁105的内部表面上的热屏蔽板108被添加至处理容积103，以使从加热结构110放射的能量扩散，藉此向基板102提供均匀的热能分布。
大体上，形成在侧壁105中的铣制沟槽(milled channel)116(显示在图2中)控制侧壁105与顶部104的温度，以避免不乐见的沉积且还为了安全目的。当石英窗109较热且处理容积103处于真空下时，若石英窗109直接接触经温控的侧壁105，则过度的应力会造成聚爆。所以，O形环式衬垫124(所述衬垫124由合适的材料所制成，例如氟橡胶、硅橡胶、或Cal-rez石墨纤维)与类似材料的长条状衬垫123被设置在石英窗109与侧壁105之间，以确保石英窗109不会直接接触侧壁105。热屏蔽板108一般是通过绝缘条125与固持夹126而被装设在侧壁105上。热屏蔽板108与绝缘条125由合适的高温材料制成，例如石墨或碳化硅。固持夹126由合适的高温材料制成，例如钛。形成在侧壁105中的铣制沟槽116可以利用热交换流体来控制温度，其中所述热交换流体持续地流过铣制沟槽116。
1997年8月11日提交的美国专利案号6,352,593而标题为“Mini-batchProcess Chamber”与2002年8月9日提交的美国专利申请案号10/216,079而标题为“High Rate Deposition At Low Pressure In A Small Batch Reactor”进一步描述了加热结构110，上述专利文献在此被并入本文以作为参考。
现请参照图2，用来在基板102上沉积多个层的处理气体是经由气体注入组件114来提供的。气体注入组件114通过O形环127被真空密封至侧壁105。排出组件115被设置在气体注入组件114的相对侧。典型地，侧壁105、顶部104与底部106是由金属制成的，例如铝。
批处理腔室100包含用于加热、真空密封与热隔离的复杂系统。加热结构110难以组装且维护，这是因为需要特别的固定件来移除和更换。再者，使用加热结构110时难以控制加热均匀性。
所以，需要一种简化的加热系统而能在半导体处理腔室中均匀地加热一批基板。
发明内容
本发明大体上提供一种用以加热批处理腔室的设备与方法。
本发明的一实施例提供一种用以加热半导体处理腔室的熔炉。所述熔炉包含：加热器，所述加热器围绕所述半导体处理腔室，其中所述加热器包含多个加热元件，这些加热元件在至少两个独立控制的区域中连接；以及壳体，所述壳体围绕所述加热器，其中所述加热器被固定至所述壳体。
本发明的另一实施例提供一种半导体处理系统。所述系统包含：腔室，用以处理所述腔室内的基板；加热器，用以围绕所述腔室，其中所述加热器具有多个独立控制的区域；壳体，用以覆盖所述加热器；以及第一反射体元件，被设置在所述加热器与所述壳体之间，其中所述加热器、所述第一反射体元件与所述壳体被固定在一起。
本发明的又一实施例提供一种用于半导体处理腔室的熔炉。所述熔炉包含：印刷电路加热器，它具有多个独立控制的区域以加热所述半导体处理腔室；反射体，被设置在所述印刷电路加热器的外面；以及壳体，被设置在所述反射体的外面，其中所述印刷电路加热器、所述反射体与所述壳体被固定在一起。
附图说明
本发明的前述特征可以参照实施例而详细了解，其中一些实施例被绘示在附图中。然而，值得注意的是，附图仅绘示出本发明的典型实施例，且因此不被视为本发明范围的限制，本发明允许其它等效的实施例。
图1绘示现有技术的处理系统的状态的截面图。
图2绘示图1的处理系统的俯视图。
图3是根据本发明的一示例性处理系统的俯视图。
图4是图3的示例性基板处理系统的截面图。
图5A是根据本发明的一加热元件的示意性截面图。
图5B是图5A的加热元件的示意性后视图。
图6是根据本发明的一示例性处理系统的俯视图。
图7是图6的处理系统的立体图。
具体实施方式
本发明大体上提供一种具有多区加热器的半导体处理系统。本发明的加热器可以适用于各种取决于处理温度的控制与瓦特数需求，并且向批处理腔室中的不同区域提供不同的加热功率。参照可从美国加州圣大克劳拉市的应用材料公司获得的FLEXSTARTM系统的变型，在下文将说明本发明。
图3与图4绘示本发明的半导体处理系统200的一个实施例。半导体处理系统200可被配置成在高温下处理一批基板，例如用以执行原子层沉积(ALD)或化学气相沉积(CVD)。
半导体处理系统200包含处理腔室205，处理腔室205用来在所述处理腔室205内的内容积212中处理一个或多个基板。在一个实施例中，处理腔室205是圆柱状石英腔室。处理腔室205可具有排出端口211与入口端口206，排出端口211是在一侧且入口端口206位于排出端口211的相对侧。入口端口206被配置为将一种或多种处理气体提供至处理腔室205的内容积212。排出端口211通常连接至真空源，并且被配置为从内容积212中抽吸出处理气体。在处理期间，正被处理的基板可以垂直堆叠方式设置在基板舟皿中且通常被旋转，以均匀地暴露于热及处理气体。共同待决且于2005年10月13日提交的美国专利申请案号11/249,555而标题为“Reaction Chamber with Opposing Pockets forInjection and Exhaust”详细描述了处理腔室205，上述专利文献在此被并入本文以作为参考。
加热器202被设置在处理腔室205外面，且用来在处理期间加热处理腔室205。加热器202可以是电阻式加热器。在一个实施例中，加热器202可具有与处理腔室205基本上相同的形状，以在处理腔室205的周围提供均匀的热效应。加热器202包含多个独立控制的区域，以实现欲求的加热分布(例如沿着垂直高度的均匀加热)。在一个实施例中，加热器202可包含多个垂直堆叠在一起的独立控制的区域202i(其中i＝1，2，...n)，如图4所示。在批处理期间，靠近基板舟皿的顶部与底部的基板通常比靠近基板舟皿的中心的基板更少受热，于是在一批基板之间造成了不同的处理效应。在处理腔室205的内容积212中，垂直堆叠的配置方式对于减少或消除在不同垂直高度的不一致加热是特别有用的。本发明也可以构想出其它的多区域配置方式，例如多个垂直区域、多个垂直与水平区域的组合、以及对应于处理腔室205的热分布的多个区域。
在一个实施例中，加热器202是由多个电阻式加热元件所形成的。图5A绘示加热元件220的截面图，其中所述加热元件220被用来形成图3与图4的加热器202。图5B绘示加热元件220的背侧(通常是远离加热目标的一侧)视图。在一个实施例中，加热元件220是由石墨碟盘或其它形状的石墨材料来制造。首先，一层热解氮化硼(pyrolytic boron nitride，PBN)被涂覆在石墨碟盘上。接着，经涂覆的石墨碟盘从背侧被加工成希望的图案。如图5A与图5B所示，沟槽224形成在石墨碟盘上，所述沟槽224定义了加热元件220的电阻式元件221。一层热解氮化硼涂层223用作加热元件220的绝缘材料。热解氮化硼是具有高电阻与良好的热传导性的各向异性的高温陶瓷。加热元件220可以经由多个石墨杆柱222连接至功率源。加热元件220不与大部分气体及液体发生化学反应，是机械且热均匀的、抗震的，而具有超快速响应。电阻式元件221的不同设计对于加热元件220提供了不同的加热效应。所以，由一个或多个加热元件220构成的加热器202也可具有形成一个或多个具有不同加热效应的区域的灵活性。应当注意的是，其它合适类型的加热元件(例如其它陶瓷加热器)也可以用来形成加热器202。
参照图4，每一个独立控制的区域202i可以包含至少一个加热元件(例如图5的加热元件220)。每一个独立控制的区域202i可以经由一对石墨杆柱207连接至单独控制的功率源。
参照图3，半导体处理系统200还包含围绕加热器202的外壳体201。外壳体201可以是金属壳体。在一个实施例中，外壳体201可以由不锈钢制成，且可具有约1.5毫米的厚度。在一个实施例中，外壳体201可具有多个足部210，足部210用来将半导体处理系统200固定至基座或负载锁固腔(load lock)。加热器202可以被固定至外壳体201。在一个实施例中，加热器202可以通过多个螺栓与螺帽208而被固定至外壳体201。在另一实施例中，加热器202可以被直接固定至基座，其中半导体处理系统200被附接至所述基座。
反射体203可以被设置在加热器202与外壳体201之间。反射体203用来将辐射热能往回反射给加热器202，并且保持外壳体201不要变热。反射体203可以由金属制成，例如哈氏合金(hastelloy)或不锈钢。在一个实施例中，第二反射体204可以被设置在靠近排出端口211之处。
在一个实施例中，加热器202可以包含两个用于围绕着处理腔室205的弧形区段，并且没有覆盖住排出端口及入口端口。在一个实施例中，这两个弧形区段具有相同的区域配置方式，并且对应部件区域可以彼此连接从而形成全环绕式的控制区域。
图6与图7绘示了根据本发明的半导体处理系统300的另一实施例。半导体处理系统300包含处理腔室305，处理腔室305界定一个内容积312以用来处理置于所述处理腔室305内的一个或多个基板。处理腔室305具有排出端口311与注入端口306，排出端口311是在一侧且注入端口306位于排出端口311的相对侧。半导体处理系统300还包含围绕着处理腔室305的外壳体301。注入端口306可以顶着开口314而进行密封，其中所述开口314形成于外壳体301中。
加热器302被设置在外壳体301之内和处理腔室305之外。加热器302用来加热处理腔室305。在一个实施例中，加热器302具有与处理腔室305基本上类似的形状，用于包住处理腔室305。在一个实施例中，加热器302可包含两个加热器区段302a与302b，从而不覆盖住排出端口311与注入端口306。
图7绘示不具有外壳体301的半导体处理系统300。这两个加热器区段302a与302b通过一个或多个托架304来连接。一个或多个石墨杆柱313被设置在托架304中，且用来电连接加热器区段302a与302b。加热器区段302a与302b中的每一个还可以包含一个或多个单独控制的区域302i。在一个实施例中，单独控制的区域302i是垂直地堆叠的。加热器区段302a与302b可以具有相同的配置方式，因此在处理腔室305的不同垂直高度形成了单独控制的区域。
一个或多个单独控制的区域302i中的每一个都可以具有一个或多个加热元件(例如图5显示的加热元件220)。
上述一个或多个托架304可以通过杆柱315连接在一起。一个或多个杆柱308也可以附接至加热器区段302a与302b。杆柱315与308可以进一步地被固定至基座，因而固定住加热器302。
虽然前述说明是着重在本发明的实施例，在不脱离本发明的基本范围下，可以构想出本发明的其它与进一步实施例，并且本发明的范围是由随附权利要求书所决定。
Claims (20)
1.一种用以加热半导体处理腔室的熔炉，包含：
加热器，所述加热器围绕所述半导体处理腔室的多个侧壁，其中所述加热器包含多个加热元件，这些加热元件被连接在至少两个独立控制的区域中，其中所述多个加热元件中的每一个都包含石墨电阻式元件，所述石墨电阻式元件处在热解氮化硼中而绝缘；以及
壳体，所述壳体围绕所述加热器，其中所述加热器被固定至所述壳体。
2.如权利要求1所述的熔炉，其中所述多个加热元件是印刷电路加热器，所述印刷电路加热器使用热解氮化硼作为绝缘基板并且使用石墨作为电阻式元件。
3.如权利要求2所述的熔炉，其中所述多个加热元件中的每一个都经由石墨杆柱而连接至各自的功率源，所述石墨杆柱被涂覆有热解氮化硼。
4.如权利要求1所述的熔炉，还包含第一反射体元件，所述第一反射体元件被设置在所述壳体与所述加热器之间。
5.如权利要求4所述的熔炉，其中所述第一反射体元件是由哈氏合金所制成。
6.如权利要求4所述的熔炉，还包含第二反射体元件，所述第二反射体元件围绕所述半导体处理腔室的排出端口区域。
7.如权利要求1所述的熔炉，其中所述至少两个独立控制的区域是垂直地堆叠的。
8.如权利要求1所述的熔炉，其中所述至少两个独立控制的区域中的每一个都包含所述多个加热元件中的至少两个。
9.如权利要求1所述的熔炉，其中所述加热器具有基本上圆柱形的形状，以加热圆柱状的石英腔室。
10.如权利要求9所述的熔炉，其中所述圆柱状的石英腔室具有垂直排出端口，且所述加热器具有与所述垂直排出端口相对的开口。
11.如权利要求1所述的熔炉，其中所述壳体是由不锈钢所制成。
12.一种半导体处理系统，包含：
腔室，用以处理所述腔室内的基板；
加热器，用以围绕所述腔室的多个侧壁，其中所述加热器具有多个独立控制的区域；
壳体，用以覆盖所述加热器；以及
第一反射体元件，被设置在所述加热器与所述壳体之间，其中所述加热器、所述第一反射体元件与所述壳体被固定在一起。
13.如权利要求12所述的系统，其中所述加热器的多个独立控制的区域中的每一个都包含至少一个印刷电路加热元件，所述至少一个印刷电路加热元件使用热解氮化硼作为绝缘基板并且使用石墨作为电阻式元件。
14.如权利要求13所述的系统，其中所述多个独立控制的区域是垂直地堆叠的。
15.如权利要求13所述的系统，其中所述腔室是圆柱状石英腔室，所述圆柱状石英腔室具有通过所述加热器而暴露的垂直排出端口。
16.如权利要求15所述的系统，还包含第二反射体元件，所述第二反射体元件靠近所述垂直排出端口且被固定在所述加热器与所述壳体之间。
17.一种用于半导体处理腔室的熔炉，包含：
印刷电路加热器，所述印刷电路加热器具有多个独立控制的区域以加热所述半导体处理腔室；
反射体，被设置在所述印刷电路加热器的外面；以及
壳体，被设置在所述反射体的外面，其中所述印刷电路加热器、所述反射体与所述壳体被固定在一起。
18.如权利要求17所述的熔炉，其中所述多个独立控制的区域是垂直地堆叠的。
19.如权利要求17所述的熔炉，其中所述印刷电路加热器包含多个加热元件，所述多个加热元件使用热解氮化硼作为绝缘基板并且使用石墨作为电阻式元件。
20.如权利要求19所述的熔炉，其中所述多个加热元件中的每一个都经由一个或多个石墨杆柱而连接至各自的功率源，所述石墨杆柱被涂覆有热解氮化硼。
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