CN101510512B - 加热设备、加热方法以及半导体装置制造方法 - Google Patents

加热设备、加热方法以及半导体装置制造方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种加热设备，其包括布置在真空加热容器中的丝极，并包括布置在所述真空加热容器中以相对于形成所述真空加热容器的一个表面的传导加热器而将所述丝极固定在预定位置处的基板。所述基板包括具有碳纤维的板体。

Description

加热设备、加热方法以及半导体装置制造方法
技术领域
本发明涉及一种在真空中快速加热衬底的加热设备、采用该加热设备的加热方法以及采用该加热方法的半导体装置制造方法。
背景技术
半导体制造技术经常要求用于快速加热半导体衬底的工艺。尤其，由碳化硅(SiC)所代表的宽带隙半导体的活化退火要求大约2000℃的高温。与此有关，已知一种采用电子撞击加热的衬底加热设备，其中在丝极(filament)和真空容器之间施加加速电压时从丝极产生热电子，并使所述热电子碰撞加热器，因而产生热(参加日本专利No.2912613、2912616和2912913)。
图3是示出在传统加热设备中采用电子撞击加热的真空加热容器的结构的视图。
参照图3，由石墨(碳)制成的、直径120mm的传导加热器1310设置在真空加热容器1030的上部分中以形成该真空加热容器1030的一个表面。在真空加热容器1030中，由钨-铼制成的丝极1320通过由钽制成的第一支撑柱(丝极支撑柱)1330固定到由钼制成的基板1340。基板1340通过第二支撑柱1360固定到由钼制成的中间基板1370。三个由钼制成的热反射板1350沿着与丝极1320相对的方向插入。中间基板1370通过第三支撑柱1390固定到水冷却凸缘1400。绝缘玻璃构件1380布置在中间基板1370的上方和下方。
在传统加热设备中，热反射板1350的发射率可以降低，所以可以容易实现热绝缘，因而提高加热效率。当传导加热器的温度在高温范围内时，即在2000℃时，最靠近丝极处的基板的上表面和下表面之间的温差较大。因此，固定支撑丝极的这些柱的基板翘曲以朝传导加热器突出。支撑柱于是向外伸展并且对丝极施加过大的力，因而使丝极弯曲。
这样，如果该过大的力作用在丝极上使其弯曲，则可能出现短路而产生异常放电。而且，电子发射分布变得不均匀并使衬底表面温度的均匀性降低。
而且，当钼基座的温度是1800℃或更高时，升华的钼可能附着至绝缘玻璃构件，这不久就会引起绝缘故障。
发明内容
因此，本发明的目的是甚至在高温时也抑制基板的热膨胀，从而防止支撑丝极的支撑柱的扭曲。
根据本发明的一个方面，提供一种加热设备，所述加热设备包括丝极和加速电源，所述丝极布置在真空加热容器中并连接至丝极电源以产生热电子，所述加速电源使热电子在所述丝极与传导加热器之间加速，所述传导加热器形成所述真空加热容器的一个表面，并且在所述加热设备中使由所述丝极产生的热电子碰撞所述传导加热器以加热所述传导加热器，所述加热设备包括：布置在所述真空加热容器中以相对于所述传导加热器将所述丝极固定在预定位置处的基板，其中所述基板包括具有碳纤维的板体。根据本发明的另一方面，提供一种加热方法，其包括使用根据本发明一个方面的加热设备来加热衬底的加热处理。根据本发明的仍然另一方面，提供一种制造由单晶半导体和化合物半导体之一制成的半导体装置的方法，其包括使用根据本发明另一方面的加热方法来加热衬底的加热处理。本发明的加热设备能够通过降低基板的热形变来防止支撑丝极的支撑柱的扭曲，由此实现丝极的长期稳定性。
当本发明的加热设备在半导体元件制造设备中使用时，可以大大提高半导体元件的生产力。
本发明的进一步特征将从以下参照附图的示例性实施例说明变得清楚。
附图说明
图1是示出使用根据本发明的基板的真空加热容器的结构的视图；
图2是示出根据本发明的实施例的加热设备的示意性布置的视图；以及
图3是示出传统衬底处理设备中的真空加热容器的结构的视图。
具体实施方式
现在将参照附图详细说明本发明的示例性优选实施例。应注意，在实施例中说明的构成元件仅仅是示例。本发明的技术范围通过权利要求确定而不受以下各实施例限制。
图2是示出根据本发明实施例的衬底加热设备(下文仅仅称为“加热设备”)的示意性布置的视图。参照图2，加热设备1具有位于真空室102中的真空加热容器103。真空加热容器103在中间基板11的下方包括热反射板135(举例说明如图1所示第一热反射板5、第二热反射板7和第三热反射板9)、由钨-铼制成的丝极3、和传导加热器2。真空室102包括水冷却通道109。绝缘玻璃构件136布置在中间基板11的上方和下方。
传导加热器2稳固地布置在真空加热容器103的下部分处。AC丝极电源104使丝极3发射热电子。高压DC电源105施加高负电位至丝极3。丝极3和处于地电位的传导加热器2之间的电位差使热电子加速来碰撞传导加热器2。
衬底支持台108与竖直移动机构111一起布置在与传导加热器2相对的位置处，使得衬底支持台108可以由提升销112竖直驱动。衬底支持台108支撑衬底台107，衬底106待布置在所述衬底台107上。
两色辐射温度计115通过例如透射窗口113和冷凝部分114而被包括在衬底支持台108的下方。
两色辐射温度计115包括波长探测元件a116、波长探测元件b117、和运算电路118，并且该两色辐射温度计115从运算电路118输出温度信号119。两色辐射温度计115测量衬底台107的下表面的温度，并且通过运算电路118控制待施加至丝极3的丝极电流值，使得衬底台107达到期望的温度。
当将待处理的衬底106运输至衬底台107并且将衬底106装载在衬底台107上时，衬底支持台108向下运动。衬底支持台108和衬底台107具有提升销112可以延伸通过的孔。当衬底支持台108在最低部分处时，提升销112的远端从衬底台107突出。用作热绝缘板的水冷却挡板110插入传导加热器2和衬底支持台108之间以使它们热绝缘。运输室(未示出)通过狭缝阀与真空室102分隔并抽成真空。当狭缝阀打开时，衬底106布置在其上的臂(未示出)从运输室伸展并将衬底106布置在衬底支持台108上。然后臂收缩，并且狭缝阀关闭。此后，衬底支持台108向上运动，并且在衬底支持台108上的衬底台107从提升销112提升衬底106。衬底106从提升销112转移到由热解碳制成的衬底台107。衬底支持台108定位成使得传导加热器2和衬底106之间的距离是例如5mm。
根据本发明的实施例的加热设备通过电子撞击加热而在真空中加热半导体衬底。待安装在加热设备中的丝极、基板和热反射板大致如下。
在加热设备中，采用以碳纤维作为材料的板体作为将丝极固定在真空加热容器中的基板，所述材料具有几乎接近零的线性热膨胀系数，例如为CC合成物。这样甚至在2000℃的高温时也可以抑制基板的热膨胀，从而可以防止支撑丝极的支撑柱的扭曲。
一个或多个上热反射板以及一个或多个下热反射板竖直地将基板夹在中间。热反射板由热解碳、用热解碳涂覆的碳、CC合成物、已经经过热解碳处理的CC合成物、或玻璃状碳所代表的高发射率材料制成。这降低了基板的上表面和下表面之间的温差。因此，可以进一步减少由热膨胀引起的基板的扭曲。
此外，由诸如钼的难熔金属制成的一个或多个热反射板插入基板和中间板之间。热反射板的表面被镜面抛光以降低发射率(以增加反射率)。这样提高热绝缘效率。结果，可以实现采用电子撞击加热的加热设备的长期稳定性和长使用寿命，而不会削弱传统的加热效率。
图1是示出采用基板的真空加热容器的结构的视图。当比较图1和图2时，图1放大示出倒置的真空加热容器。
参照图1，在通过电子撞击加热而在真空中加热衬底的加热设备中，涂覆有热解碳的由石墨(碳)制成的传导加热器2形成真空加热容器103的一个表面。彼此相对的传导加热器2和衬底支持台108布置在真空室(图2)中以能沿着彼此接近的方向和彼此分离的方向移动。
在真空加热容器103中，由钨或钨-铼制成的丝极3固定到由钽制成的第一支撑柱(丝极支撑柱)4，所述第一支撑柱4竖立在由具有碳纤维的板体形成的基板6上。基板6通过由钼制成的第二支撑柱8固定到中间基板11。由碳制成的第一热反射板5和第二热反射板7将基板6夹在中间并且抑制基板6的上表面和下表面之间的温差。此外，多个热反射板9插入基板6下方的第二热反射板7和由钼制成的中间基板11之间，该中间基板11支撑由丝极3形成的整个单元。第三热反射板9的表面经过处理以降低发射率。这提高了加热效率。中间基板11通过由钼制成的第三支撑柱12固定到用作真空室盖的水冷却凸缘13。绝缘玻璃构件10布置在由钼制成的中间基板11的上方和下方。
丝极3设有高压DC电源(图2中的DC电源105)和用于加热的AC电源，该高压DC电源在丝极与石墨传导加热器2之间形成电位差。
由具有碳纤维的板体形成的基板6、由碳制成的第一和第二热反射板5和7、和由钼制成的第三热反射板9设置成具有与丝极3相同的电位。此目的在于通过反射板有效地反射热电子，使得热电子有效地供应到石墨传导加热器2。
下文将参照图1说明加热设备中的真空加热容器103的结构。
参照图1，由钼制成的中间基板11设置在真空加热容器103中，该真空加热容器103包括直径200mm且涂覆有热解碳的石墨传导加热器2。中间基板11通过四个由钼制成的第三支撑柱12固定到真空室的水冷却凸缘13。基板6通过第二支撑柱8固定到中间基板11。第一支撑柱4固定由钨-铼制成的丝极3。
传统地用于形成基板的钼的线性热膨胀系数是7.2×10-6/K。当传导加热器2加热到2000℃时，基板的上表面和下表面之间由于热膨胀产生的伸长差达到0.15mm。这使基板发生扭曲。
根据本实施例的由具有碳纤维的板体形成的基板6的线性热膨胀系数几乎是0。即使在上表面和下表面之间存在温差，由于热膨胀产生的伸长差几乎是0mm。因而，抑制了基板6的扭曲并且能够防止丝极3的弯曲。
此外，根据本实施例，为了降低基板6的上表面和下表面之间的温差，基板6被夹在两个由碳制成的第一热反射板5和两个由碳制成的第二热反射板7之间。第一热反射板5和第二热反射板7阻滞通过加热传导加热器2所引起的热辐射(热发射)。这样抑制基板6的上表面和下表面之间产生的温差。第一热反射板5在基板6的上表面侧上布置在丝极3和基板6之间，并且阻滞通过加热传导加热器2所引起的热辐射。第二热反射板7布置在基板6的下表面侧上，并且阻滞通过加热传导加热器2所引起的热辐射。在第一热反射板5和第二热反射板7布置成将基板6夹在中间时，基板6的上表面和下表面之间的温差能够抑制到22℃或更少，以便能够进一步抑制基板6的扭曲。应注意，第一热反射板5的数量“2”和第二热反射板7的数量“2”仅仅是示例，并且本发明的要旨不限于该实施例。只要第一热反射板5包括至少一个热反射板5并且第二热反射板7包括至少一个热反射板7，则可以降低基板6的上表面和下表面之间的温差。
作为该实施例中说明的由碳制成的第一和第二热反射板5和7，可以采用能经受高温且不产生金属污染物的碳、热解碳、用热解碳涂覆的碳、CC合成物、玻璃状碳、或呈现高发射率的类似物。
如果第一热反射板5和第二热反射板7由诸如CC合成物的具有几乎为0的热膨胀系数的材料制成，则它们可以稳固地固定到基板6或中间基板11。如果热反射板由另外的碳材料或钼制成，则考虑到由高达2000℃的传导加热器温度引起的热膨胀，它们能够可皱缩/可收缩地固定。
多个碳热反射板夹在传导加热器2和镜面抛光以降低发射率的由钼制成的第三热反射板9之间。例如，在图1的布置中，五个碳热反射板(其中之一是由具有诸如CC合成物之类的碳纤维的板体形成的基板)夹在传导加热器2和第三热反射板9之间。更具体地，基板6夹在两个由碳制成的第一反射板5和两个由碳制成的第二反射板7之间。在这种情况下，第三热反射板9在最高温度部分处达到1429℃。当与1832℃的传统温度比较时，这能够将饱和蒸汽压力减少两个量级。因此，可以抑制钼从第三热反射板9升华并附着至绝缘玻璃构件10。加热效率从而能够设置成几乎与传统的情况相同的水平，同时大大减少绝缘故障的风险。
现在将说明使用衬底加热设备1用于衬底106的加热方法(下文还将称为“处理方法”)。首先，衬底支持台108向上运动，并且衬底支持台108上的衬底台107从提升销112提升衬底106。该衬底106从提升销112转移到衬底台107。竖直移动机构111将衬底支持台108定位成使得传导加热器2和衬底106之间的距离是例如5mm。
在定位衬底支持台108之后，例如，至丝极3的AC电流以1A/秒从0A增加到25A，并且保持25A达30秒，由此预热丝极3。
此后，DC电源105使丝极3和传导加热器2之间的电压以大约50V/秒从0V增加到1500V，使得丝极3发射热电子。然后，发射电流逐渐地发射。在电压增加到大约1500V之后，AC电流值增加到大约29A，并且同时高压DC电源105的电压增加到大约2500V。
在通过两波长式两色辐射温度计115监测衬底台107的温度的同时，运算电路118控制丝极电源104的AC电流值以使其在大约3分钟内增加到作为预设温度的1900℃。该加热保持大约1分钟。在加热保持大约1分钟之后，AC电源和DC电源关闭。
传导加热器2的温度通过辐射快速地下降。当衬底台107的温度在例如大约1分钟内下降到1200℃(第一探测温度)时，衬底台107向下运动。离开传导加热器2达50mm处，用作热绝缘板的水冷却挡板110插入传导加热器2和衬底台107之间，以快速冷却衬底106。
大约2分钟之后，当衬底台107的温度降至例如700℃或更低(第二探测温度)时，衬底支持台108进一步向下运动，并且衬底106转移到提升销112上。当衬底支持台108的向下运动完成时，狭缝阀打开。
臂(未示出)从运输室(未示出)前进到真空室102中，所述运输室通过狭缝阀与真空室102分隔并抽成真空。该臂从提升销112收回衬底106，并将其运输到装载锁定室(未示出)。
当所处理的衬底的温度降至例如150℃或更低(第三探测温度)时，装载锁定室(未示出)通到大气，并且衬底106从所述装载锁定室取出。
一般地，碳化硅(SiC)可具有多种晶体类型，即3C、4H、以及6H。为了执行具有均匀结晶度的均相外延生长，使用晶体相对于C轴平面倾斜4°或8°的碳化硅(SiC)。
除了该衬底以外，可以使用由诸如硅的单晶半导体制成的衬底或由诸如氮化镓的化合物半导体制成的衬底来制造半导体装置。
虽然已经参照示例性实施例说明本发明，但应理解本发明不限制于所公开的示例性实施例。下述权利要求的范围将与最广泛解释一致，从而包含所有这些修改和等同结构以及功能。

Claims (4)

1.一种加热设备，所述加热设备包括丝极和加速电源，所述丝极布置在真空加热容器中并连接至丝极电源以产生热电子，所述加速电源使热电子在所述丝极与传导加热器之间加速，所述传导加热器形成所述真空加热容器的一个表面，并且在所述加热设备中使由所述丝极产生的热电子碰撞所述传导加热器以加热所述传导加热器，所述加热设备包括：
布置在所述真空加热容器中以相对于所述传导加热器将所述丝极固定在预定位置处的基板；
在所述基板的上表面侧上布置在所述丝极和所述基板之间以阻滞通过加热所述传导加热器而产生的热辐射的第一热反射板，和
布置在所述基板的下表面侧上以阻滞通过加热所述传导加热器而产生的热辐射的第二热反射板，
其中所述第一热反射板和所述第二热反射板布置在所述真空加热容器中以将所述基板夹在中间，并且
其中所述基板包括具有碳纤维的板体。
2.根据权利要求1所述的设备，其中所述碳纤维被织造或编织在所述基板中。
3.一种加热方法，包括使用根据权利要求1所述的加热设备来加热衬底的加热处理。
4.一种制造由单晶半导体和化合物半导体之一制成的半导体装置的方法，包括使用根据权利要求3所述的加热方法来加热衬底的加热处理。
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