CN101617190A - 用于快速热处理腔室的灯 - Google Patents
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Abstract
本发明是揭露一种适用于一基板热处理腔室中以将基板加热至高达至少约1100℃的温度的灯组件。在一实施例中，灯组件包括：一灯泡，该灯泡包围住至少一光产生灯丝，且灯丝附接至一对导线；一灯座，是配置以容纳该对导线；以及一套筒，其壁厚度为至少约0.013英寸，且包括热传导系数大于约100W/(K－m)的一封装化合物(potting compound)。
Description
相关申请
本案请求美国专利申请序号第11/675,145号的优先权，在此将其揭露内容整体并入以做为参考。
技术领域
本发明的实施例一般涉及一种半导体处理系统，特别是一种用于在半导体处理系统中预先加热(advanced heating)的灯。
背景技术
快速热处理(RTP)系统是利用于半导体芯片制造中，用以在半导体基板或晶片上产生表面结构，或是化学改变或蚀刻该表面结构。RTP通常依赖一高强度白炽灯(incandescent lamp)阵列，而灯是安装至灯头(lamphead)中并导向基板或晶片。灯可经供电而快速地关闭及开启，并将大部分的光导向该基板。由此，晶片可被快速地加热而不会实质地加热腔室，并且一旦将电力自灯移除之后，晶片可以快速地冷却。
RTP系统的一实例是描述于美国专利第5,155,336号中(其让与给本发明的受让人，并将其并入本文以做为参考)，该RTP系统包括一半导体处理腔室以及设置在半导体处理腔室上的加热源组件或灯头。数个卤素钨丝灯位于灯头中，且该些灯可以以约300℃/sec的速率将腔室中的基板加热至高达1200℃或更高的温度。在处理过程中，来自灯的红外线光是通过上方窗、光信道及下方窗而至处理腔室中的旋转半导体基板。以此方式，晶片可加热至所需的处理温度。
如图1所示，现有的用于半导体处理的卤素灯10(亦称的为卤素钨丝灯)包括灯泡12(亦称的为灯罩)，卤素灯10具有电性耦接于短内导线16及长内导线18之间且呈线圈形式的光产生灯丝14。内导线16、18是通过金属薄片22而连接至外导线26。金属薄片22通常由钼制成。内导线16、18、外导线26及金属薄片22皆定位在灯座20。在制造过程中，灯座20是压制在一起而位于金属薄片区域上方，以形成压制密封而密封住灯泡。灯泡12通常由石英制成，并且典型填充有含卤素气体。
在半导体处理操作过程中，上述灯是以图案化阵列而放置在处理腔室中，以加热设置在腔室中的基板。如上所述，灯是在极高温下操作。一般来说，约半数来自灯的光能是在多次反射后离开相关光管的末端。约半数来自灯的光能则在灯的灯座20以及反射镜(reflector)/灯头结构处被吸收。相较于在开放空间照射的灯，上述可能会导致灯座温度上升至较高温。若灯座温度过高，则会实质降低灯的平均寿命。破坏金属薄片22(其携带电能至灯丝)周围的密封会导致灯的品质降低。通常由钼制成的金属薄片在高于约300℃的处会容易氧化，所造成的氧化钼会使得体积膨胀而使石英破裂或造成开路。因此，必须要提供可冷却灯座20的方法。
此外，已设计复杂的结构来将灯座20的热传导离开。根据现有方法，利用多孔封装化合物(porous potting compound)将灯座20封进精准外径不锈钢管中。高精准不锈钢管是置入另一高精准不锈钢管中，且此另一高精准不锈钢管的外表面(针对其全部长度)是经水冷却。反射镜套筒围绕灯泡的一部分并设置以将光能量反射离开灯泡。此复杂的冷却机构使得灯可以在足够低的温度下操作以延长灯寿命。
另一用于将热传导离开灯的方法是在灯泡内设置热屏障或反射镜板，而位于灯丝(或线圈)以及灯座之间。包括有热屏障或内部反射镜板的灯泡的实例是揭露在PCT国际公开号第WO02/03418号以及美国专利第6,744,187号中。包括有热屏障或反射镜板在其内的灯泡可能有效，但该些方法需要一增设至灯组件的额外部件。
尽管已存在上述的灯冷却方法，仍亦期望提供额外的方法以促进热自灯、灯座及灯头/反射镜套筒而散逸。
发明内容
本发明的一实施例是关于一种灯组件，该灯组件包括：一灯泡，是包围至少一光产生灯丝，该灯丝附接至一对导线，该灯泡具有一内表面及一外表面；一灯座，是配置以容纳该对导线；以及一金属套筒，是围绕该灯座，并填充有一封装化合物(potting compound)，该套筒的壁厚度为至少约0.020英寸，该封装化合物的热传导系数是超过约100W/(K-m)，该灯组件是适用于一基板处理腔室中，以将一基板加热至高达至少约1100℃的温度。根据一或多个实施例，封装化合物的热传导系数是超过约150W/(K-m)，例如大于约200W/(K-m)。
在一或多个实施例中，套筒的壁厚度超过约0.040英寸，例如超过约0.050英寸。套筒可以由铜或铝制成。根据一或多个实施例，封装化合物包括结合磷酸镁的氮化铝。在一实施例中，封装化合物包括一环氧系(epoxybased)封装化合物，且其更包括铜或银。
根据一或多个实施例，套筒的剖面形状是实质与灯座的剖面形状相符。在一实施例中，套筒的剖面形状为实质矩形。
在另一实施例中，提供一种灯组件，该灯组件包括：一灯泡，是包围至少一光产生灯丝，该灯丝附接至一对导线，该灯泡具有一内表面及一外表面；一灯座，是配置以容纳该对导线；以及一第一封装化合物，是围绕该灯座，且该第一封装化合物的热传导系数超过约100W/(K-m)，该灯组件是适用于一基板处理腔室中，以将一基板加热至高达至少约1100℃的温度。在一实施例中，第一封装化合物的热传导系数是超过约150W/(K-m)，且可超过约200W/(K-m)。
在一实施例中，该灯组件可包括一第二封装化合物，该第二封装化合物是邻近该灯泡，该第二封装化合物相对于该第一封装化合物而具有较低的热传导系数及较高的反射性。在部分实施例中，第一封装化合物包括一环氧系氮化铝化合物，以及第二封装化合物包括一氧化锆系(zirconiabased)封装化合物。根据一实施例，第二封装化合物是存在于厚度小于约1毫米(mm)的一层中。
附图说明
为让本发明的上述特征更明显易懂，可配合参考实施例说明，其部分乃绘示如附图式。须注意的是，虽然所附图式揭露本发明特定实施例，但其并非用以限定本发明的精神与范围，任何熟习此技艺者，当可作各种的更动与润饰而得等效实施例。
图1，绘示现有的用于半导体处理中的卤素灯。
图2，绘示根据本发明的一实施例的灯组件的剖面视图。
图3，绘示根据本发明的一实施例的灯组件的立体视图。
具体实施方式
在下方描述中，所提出的特定细节是用于提供对本发明的全盘了解。然而，应了解熟悉该技术领域的人士可在不包括该些特定细节下而实施的。在其它实例中，并不显示出熟知的组件，以避免对本发明造成不必要的混淆。
本发明的实施例一般是提供适用于基板热处理腔室中以将基板加热至至少约1100℃(例如高达约1350℃)的灯组件。根据一或多个实施例，可用于半导体基板处理中的快速热处理设备的灯组件是设计以将沿着管长度的热流出并穿过封装化合物，以相对于现存灯泡而能更快速地冷却灯泡。根据本发明的实施例，可期望灯的寿命会延长，且可预防因为灯泡及灯座的过度加热所导致的过早灯泡失效。
根据本发明的实施例，增加围绕灯组件的管或套筒的热传导系数(thermal conductivity)，及/或增加管或套筒的厚度，用以促使将热传导离开灯泡。在现存的灯组件中，围绕灯组件的套筒一般由不锈钢制成。根据一或多个实施例，铜或铝是用作为围绕灯组件的套筒，以增加套筒的热传导系数(相较于现有灯组件)。在另一实施例中，可使用具有较高热传导系数的封装化合物，以促进将热传导离开灯泡及灯座。在现存灯组件中，于现存灯组件中所使用的封装化合物的热传导系数为1-2W/(K-m)。根据本发明的实施例，灯组件中所使用的封装化合物的热传导系数超过约100W/(K-m)，例如超过150W/(K-m)，且更特定为超过200W/(K-m)。通过单独增加套筒的热传导系数或是结合增加套筒的厚度及增加封装化合物的热传导系数，会大幅地促进热传导离开灯泡及灯座而至流经不锈钢外壳(围绕数个灯组件)的冷却流体。
现请参照图2，是显示灯组件120的一实施例，其可用于供应热能至基板处理腔室中的基板。此处所述的灯组件120的该实施例及其它实施例仅作为示例用，然而，不应用于限制本发明的范畴。
在一实施例中，灯组件120包括一套筒或主体24，其是提供结构的基础以容设灯组件120并将热传输至灯组件120之外。套筒或主体24包括一包围壁28以及第一与第二端32、36。包围壁28在第一与第二端32、36具有开口40a、40b。在一实施例中，包围壁28包括一金属，其利于热传输并可提供反射表面。举例来说，套筒24可包括不锈钢，其可经过摩擦或抛光而为反射性。热模型显示更具传导性的套筒材料(例如铜或铝)会更增进热传并减少邻近灯管的热。再者，增加套筒的壁厚度而不增加管的总外径可更增进热传送远离灯泡。在非限制性的实例中，用于RTP腔室的灯泡的套筒外径可以为约0.619英寸，内径为约0.592英寸，而使套筒壁厚度为约0.013英寸。热模型亦显示增加管的壁厚度至大于约0.020英寸(特别是大于约0.040英寸，且更特别是大于约0.050英寸)会大幅地促进热流离开灯泡并降低灯泡的温度。热模型是用于判定改变套筒材料、封装化合物的热传导系数及套筒厚度对于温度的效应。在RTP腔室的不同位置分析其温度。可确定的是，利用一具有较高传导系数的套筒材料，并结合较大的套筒厚度及/或具有较高传导系数的封装化合物，会使得灯管内或邻近灯管的部分位置处的温度降低约75℃～约100℃。在一实施例中，管是由高传导系数的金属构成，并且管之外壳内含有少量或是不含有封装化合物。在此实施例中，管为一实质立方体，并具有供电线通过的导管，且在部分实例中，灯泡及插头是置入管的相对端。在RTP腔室的早期世代中，灯泡是容设在灯头的冷却剂浸湿区域(coolant-wetted region)中，并且相信来自灯泡的大多数能量是横向地(径向地)传导离开灯泡，并通过石英部件、气隙及灯头钢管而至冷却剂。在使用工具的工艺的态样中，认为来自灯泡/线圈的少量的热会透过封装化合物而通过密封区域，并接着横向地至冷却剂。使用可轻易获得的具有较低热传导系数的封装材料并非是一个问题。在RTP腔室的现今世代中，所需求的是较高的工艺温度，且灯泡延伸超过灯头的冷却剂浸湿区域，故改善的轴向热传输是有利的。
在所示的实施例中，套筒24具有圆形的剖面，而其是易于制造。然而，如下将描述者，亦可以为其它的剖面形状，包括正方形、矩形、三角形及多拱形。在一或多个实施例中，套筒24的形状是实质符合灯座的形状。套筒24的纵轴44是平行于包围壁28，并垂直于套筒24的剖面。
所示的灯组件120包括安装在套筒或主体24的第一端32的灯组件48。一般来说，灯组件48包括光穿透灯泡或灯罩52，其含有在灯丝56周围的内部大气。灯罩52可包括多种形状，例如管状、圆锥状、球状及多拱形。灯泡或灯罩52亦包括一收缩密封端(pinch seal end)或灯座60，其允许电连接器64通过其中，另外，灯泡或灯罩52亦包括一真空管(图中未示)，而其用于在制造过程中自灯罩52移除气体或添加入气体，且灯罩52会接着被密封。灯泡或灯罩52包括石英、硅石玻璃(silica glass)、铝硅酸盐玻璃或其它适合的光穿透材料。包含在灯罩52内的内部大气例如包括含卤素气体。灯罩52及灯座是经制造而可耐受与半导体基板快速热处理腔室相关的高温及快速温度改变。举例来说，灯组件应可耐受源自将晶片处理至高达至少约1100℃的温度、且高达约1350℃的温度以及温度改变为约300℃/sec的局部环境。
位于灯组件48的灯罩52内的光产生灯丝56(显示为线圈形式)具有二端68a、68b，而该些端68a、68b是电性连接至电连接器64。灯丝56包括电阻金属线，且在一实例中为钨金属线。灯丝56可以为单一线圈或多个线圈，或是包括缠绕数过多的线圈(overwound coils)的缠绕线圈，或者是包括平面带(strip)、波状平面带或是缠绕数过多的平面带，且灯丝56在其中间点或是末端68a、68b连接至灯组件电连接器64。可通过调整灯丝56本身的参数而对灯丝56的电学特性作一调整，该些参数例如为其单位长度的重量、直径及线圈参数。在操作过程中，灯丝56可以产生介于例如高达约1kW的瓦特数范围的光(在约120VAC，rms的操作电压下)。典型地，该光是处于深紫外光、紫外光、可见光、红外线或近红外线范围。
灯组件电连接器64自位于灯组件灯罩52外侧的电源供应电力至灯丝56，以在灯丝56及电源之间形成电性连接。灯组件电连接器64一般包括金属线72或金属薄片76或是其部分组合，而金属线72及金属薄片76具有良好的电传导系数，例如钼金属线。电连接器64亦可包括其它金属，例如钨、镍镀钢或是其它具有低电阻及可靠携带高电流的能力的金属。
灯罩52的收缩密封端或灯座60包括一区域，在该区域中，灯罩52是实质压缩于灯组件48的电连接器64的周围。电连接器64在其进入灯罩52以将外部电源电性连接至灯丝56时，电连接器64会通过收缩密封端或灯座60，并通过收缩密封端或灯座60而定位。收缩密封端或灯座60形成密封，以维持灯罩52内的内部大气的压力及组成。灯组件48是至少部分安装在套筒或主体24的第一端32中。
灯组件120亦包括一或多个传输线80，以将电力由灯组件120的第二端36传送至灯组件48。在一实施例中，灯组件120包括一对传输线80，而每一个传输线80是连接至灯组件48的一对电连接器64的其中一者。传输线80包括电导线，其具有较低的电阻。在一实施例中，传输线80的电阻不会大于约0.1欧姆(ohms)。传输线80通过焊接、熔接、物理性磨蚀(physical abrasion)、音波耦接或是其它可建立较低电阻的电性连接的连接形式而电性连接于灯组件48的电连接器64的一端。传输线80亦具有弹性以允许其本身的动作及弯折。举例来说，在一实例中，传输线80的杨氏模数(Young’s Modulus)为约30GPa～约130GPa。此允许在灯组件的组装及操作过程中，可以弯折及操作传输线80，但亦允许其保有足够的硬度以维持其形状。
灯组件120包括设置于套筒或主体24内的封装化合物84，其促进灯组件120的热产生组件以及套筒或主体24之间的热传输。热产生组件例如包括灯组件48及传输线80。封装化合物84将热能传输至套筒或主体24，而其可接着将热传送至灯组件120外。在一实施例中，封装化合物84是至少位于灯组件48的收缩密封端或灯座60以及套筒或主体24的包围壁28之间。举例来说，封装化合物84可实质位于收缩密封端或灯座60的周围，且一路延伸至包围壁28。封装化合物84亦可延伸超过灯组件48的收缩密封端或灯座60，举例来说，在一实施例中，封装化合物84延伸而朝向套筒或主体24的第二端36。参照上述，根据本发明的实施例，具有高传导系数的封装化合物例如为其热传导系数超过100W/(m-K)，特别超过150W/(m-K)，又特别超过200W/(m-K)的封装化合物。一尤其适合的化合物为主成分是氮化铝的封装化合物。一适当封装化合物的实例为购自Aremco的Ceramacast产品号675。其它适当的封装化合物可包括填充氧化铝的封装化合物或是环氧系封装化合物。
在一实施例中，相对于高热传导系数的封装化合物而具有较高反射性的低热传导系数的封装化合物薄层是用于包围住灯泡，以促使热反射远离灯泡。举例来说，厚度为至少约1mm且热传导系数为1-2W/(m-K)的锆石系(zircon based)封装化合物可用于包围邻近灯座60的灯泡，且管的其它部位可填充有较高传导系数的化合物。
如该技术领域所熟知，针对水凝性封装化合物，在灯组件120的制造过程中，封装化合物84是经加热以移除或减少其水含量。举例来说，在一实施例中，封装化合物84经加热后的水含量不超过0.1％(以重量计)。残留的水含量在灯的操作过程中可释出。封装化合物84亦可充分展延，以利于其在热连续区域结合至灯组件120中。
灯组件120包括位于套筒或主体24的第二端36的插头88。插头88是与外部电源产生连接，且可调节灯头与外部电连接器之间的未对准情形。插头88可以由硬质材料或弹性体材料制成。再者，插头88可以相对于套筒或主体24的第二端36而固定，或是如图所示而插入主体24的第二端36中，亦或是其可相对于套筒或主体24的第二端36而弹性定位。当插头88为弹性定位时，插头88可以朝垂直于纵轴44的方向而相对于套筒或主体24的第二端36移动。虽然弹性定位插头88具有部分优点，例如，易于制造，但是仍期望弹性体插头88固定至套筒或主体24的第二端36。插头88具有电连接器92，其将电能传送至传输线80。插头88包括可耐受将水分自封装化合物84移除所需的温度的材料。在一实施例中，封装材料可耐受暴露于至少约165℃下至少约15小时。插头88可以由硬质材料或弹性材料制成。硬质材料通常相对于弹性材料而可使插头88暴露在较高温度下较长的时间。弹性材料(例如弹性体)一般无法暴露于如同硬质材料所耐受的较高温度，此乃因为弹性是需要较弱的内部键结，而其亦通常会造成较低的热稳定性，但是它们仍可用于本发明的实施例中。举例来说，用于弹性插头的弹性体材料Santoprene 201-64可耐受约150℃的温度约15小时(在其弹性及其它特性开始降低之前)。可用于弹性插头的其它弹性体为铂催化硅，其可耐受超过180℃的温度约15小时，例如GE LIM9070。
插头88亦可包括一对电连接器92，其经成形而与基板处理室中的容设插座为紧配，并且电性连接至传输线80。电连接器92将来自插座的电力传送至传输线80，其会接着将电力传送至灯组件48。插头88的电连接器92包括一电传导材料，例如金属。举例来说，在一实例中，电连接器92包括铁合金、镍或铜或其混合物。在一态样中，电连接器92可包括材料的组合，其中一材料是电镀或沉积在另一材料上。
插头88包括第一插头组件104，该第一插头组件104是提供结构基础以承接电连接器92及容设灯组件传输线80。所示的第一插头组件104并未直接附接至灯组件120的主体24，但是在一或多个实施例中，插头88可附接至套筒或主体24。第一插头组件104具有一主体108以容纳及至少包围电连接器92及传输线80。插头组件104亦可具有延伸部112，其具有相对较大的尺寸而可进一步支撑电连接器92，且可以针对高压操作而提供额外绝缘。第一插头组件104的形状及尺寸的其它变化亦为可能。
参照图3，其示出灯组件220的立体视图，其中套筒224的剖面为实质矩形，而其与灯座260及插头208的剖面形状相符，插头208具有自其延伸的连接器292。灯泡或灯罩252的剖面为实质圆形。如该技术领域所知，灯组件220可置入水或其它流体冷却的不锈钢外壳中，而该外壳是用于冷却灯组件。如上所讨论者，通过调整套筒壁厚度、套筒的热传导系数及封装化合物的热传导系数的一或多者，则可改善热传输至冷却流体，因而增进灯泡寿命。
在说明书中所述参照“一实施例”、“部分实施例”、“一或多个实施例”是指参照实施例所描述的特定特征、结构、材料或特色可包括在本发明的至少一实施例中。因此，本说明书中的各处所出现的用语，例如“在一或多个实施例中”、“在部分实施例中”、“在一实施例中”，其并非一定要参照本发明的相同实施例。再者，在一或多个实施例中，特定的特征、结构、材料或特色可以采任何适当的方式结合。
应了解上方说明是欲作为说明性而非限制性。在阅读本说明书之后，许多其它的实施例对于熟习此技术的人员是明显的。因此，本发明的范畴是参照所附申请专利范围以及申请专利范围所界定的等效范围而决定。
Claims (20)
1.一种灯组件，包括：
灯泡，包围至少一光产生灯丝，该灯丝附接至一对导线，该灯泡具有内表面及外表面；
灯座，配置以容纳该对导线；以及
金属套筒，围绕该灯座，并填充有封装化合物(potting compound)，该套筒的壁厚度为至少约0.013英寸，该封装化合物的热传导系数超过约100W/(K-m)，该灯组件适用于一基板处理腔室中，以将一基板加热至高达至少约1100℃的温度。
2.如权利要求1所述的灯组件，其中该封装化合物的热传导系数超过约150W/(K-m)。
3.如权利要求1所述的灯组件，其中该封装化合物的热传导系数超过约200W/(K-m)。
4.如权利要求2所述的灯组件，其中该套筒的壁厚度超过约0.040英寸。
5.如权利要求3所述的灯组件，其中该套筒的壁厚度超过约0.050英寸。
6.如权利要求1所述的灯组件，其中该套筒由铜或铝制成。
7.如权利要求1所述的灯组件，其中该封装化合物包括结合磷酸镁的氮化铝。
8.如权利要求1所述的灯组件，其中该封装化合物包括一环氧系(epoxy based)封装化合物。
9.如权利要求8所述的灯组件，其中该环氧系封装化合物更包括铜或银。
10.如权利要求1所述的灯组件，其中该套筒的剖面形状是实质与该灯座的剖面形状相符。
11.如权利要求10所述的灯组件，其中该套筒的剖面形状为实质矩形。
12.一种灯组件，包括：
灯泡，包围至少一光产生灯丝，该灯丝附接至一对导线，该灯泡具有内表面及外表面；
灯座，配置以容纳该对导线；以及
第一封装化合物，围绕该灯座，且该第一封装化合物的热传导系数超过约100W/(K-m)，该灯组件适用于一基板处理腔室中，以将一基板加热至高达至少约1100℃的温度。
13.如权利要求12所述的灯组件，其中该封装化合物的热传导系数超过约150W/(K-m)。
14.如权利要求12所述的灯组件，其中该封装化合物的热传导系数超过约200W/(K-m)。
15.如权利要求12所述的灯组件，其更包括一围绕该封装化合物的铜或铝套筒。
16.如权利要求15所述的灯组件，其更包括一第二封装化合物，该第二封装化合物邻近该灯泡，相对于该第一封装化合物而言，该第二封装化合物具有较低的热传导系数及较高的反射性。
17.如权利要求16所述的灯组件，其中该第一封装化合物包括一环氧系氮化铝化合物，以及该第二封装化合物包括一氧化锆系(zirconiabased)封装化合物。
18.如权利要求16所述的灯组件，其中该第二封装化合物存在于厚度小于约1毫米(mm)的一层中。
19.如权利要求15所述的灯组件，其中该金属套筒的壁厚度至少为约0.020英寸。
20.如权利要求16所述的灯组件，其中该金属套筒的壁厚度至少为约0.040英寸。
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