CN103858214A - 快速热处理腔室 - Google Patents

Abstract

本发明的实施方式大体涉及RTP腔室。该腔室通常包括腔室主体和腔室盖。该腔室主体包括基板支撑件，该基板支撑件具有多个电阻式加热器区域，以加热定位在该基板支撑件上的基板。该腔室主体视情况也包括冷却通道和热绝缘衬里，冷却通道用于缓和热应力，热绝缘衬里设置在该腔室主体中以容纳热处理期间产生的热。该腔室盖包括盖主体和反射板，该盖主体具有穿过该盖主体的开口，该反射板设置在该开口内。多个高温计定位在该反射板内，以在遍及该基板的多个位置处测量与基板支撑件的这些区域对应的基板的温度。每一个区域的温度被调整以响应来自多个高温计的信号。

Description

快速热处理腔室

技术领域

本发明的实施方式大体涉及快速热处理（rapid thermal processing,RTP）腔室。

背景技术

RTP是在数秒或更短的时间内将基板（诸如硅晶片）加热至高达1200摄氏度或更高的温度的制造工艺。RTP可用于多种应用，包括掺杂剂活化、热氧化或金属回流。

一类现存的RTP腔室利用灯阵列在处理期间快速加热基板。与设置在腔室内的多个高温计（pyrometer）连接的控制器控制施加至灯的功率量，从而控制由这些灯产生的热量。其他类型的腔室利用加热的基板支撑件，并且可使用电阻测量装置控制温度。现存的RTP腔室意味着在制造设施上相当大的投资，因而增加了生产装置的成本。

因此，需要一种改良的RTP腔室。

发明内容

本发明的实施方式大体涉及RTP腔室。该腔室通常包括腔室主体和腔室盖。该腔室主体包括基板支撑件，该基板支撑件具有多个电阻式加热器区域，以加热定位在该基板支撑件上的基板。该腔室主体视情况（optionally）也包括冷却通道(channel)和热绝缘衬里，冷却通道用于缓和热应力，热绝缘衬里设置在该腔室主体中以容纳热处理期间产生的热。该腔室盖包括盖主体和反射板，该盖主体具有穿过该盖主体的开口，该反射板设置在该开口内。多个高温计定位在该反射板内，以在遍及该基板的多个位置处测量与基板支撑件的这些区域对应的基板的温度。每一个区域的温度被调整以响应来自多个高温计的信号。

一个实施方式中，腔室包含腔室盖和腔室主体。基板支撑件设置在该腔室主体内，并且具有多个区域，这些区域可被独立地加热以加热定位在基板支撑件上的基板。该腔室盖设置在腔室主体上并且具有圆形开口，该圆形开口设置成穿过该腔室盖。该腔室盖也包括反射板，该反射板定位在该圆形开口内并且具有邻近于该基板支撑件的上表面的表面。多个高温计设置成穿过形成于该反射板中的开口，以在遍及基板表面的多个位置处测量该基板的温度。多个高温计中的每一个高温计对应于多个区域中的一个区域。

另一个实施方式中，腔室包含腔室主体和腔室盖，该腔室主体包含铝。基板支撑件设置在该腔室主体内并且具有多个区域，这些区域可被独立地加热以加热定位在基板支撑件上的基板。该腔室盖设置在该腔室主体上并且包括盖主体，该盖主体包含铝。该盖主体具有圆形开口，该圆形开口设置成穿过该盖主体。反射板定位在该圆形开口内，并且具有邻近于该基板支撑件的上表面的表面。多个高温计设置成穿过形成于该反射板中的开口，以在遍及基板表面的多个位置处测量该基板的温度。多个高温计中的每一个高温计对应于多个区域中的一个区域。

另一个实施方式中，腔室包含腔室主体、腔室盖和控制器，该腔室主体包含铝。基板支撑件设置在该腔室主体内。该基板支撑件具有多个区域，这些区域可被独立地加热以加热定位在基板支撑件上的基板。多个区域中的每一个区域包含电阻式加热元件。该腔室盖设置在该腔室主体上并且包括盖主体，该盖主体包含铝。该盖主体具有圆形开口，该圆形开口设置成穿过该盖主体。反射板定位在该圆形开口内并且具有邻近于该基板支撑件的上表面的表面。多个高温计设置成穿过形成于该反射板中的开口，以在遍及基板表面的多个位置处测量该基板的温度。多个高温计中的每一个高温计对应于多个区域中的一个区域。该腔室也包括控制器，该控制器耦接至每一个区域的电阻式加热元件并且耦接至多个高温计。该控制器适于基于来自多个高温计每个的信号，控制施加至每一个区域的电阻式加热元件的功率量。

附图说明

可参照实施方式（一些实施方式描绘于附图中）来详细理解本发明的上述特征结构以及以上简要概述的有关本发明更特定的描述。然而，应注意附图仅描绘本发明的典型实施方式，因而不应将这些附图视为限制本发明的范围，因为本发明可允许其他等效实施方式。

图1和图2是根据本发明的实施方式的RTP腔室的截面图。

图3是图1和图2所示的腔室盖的等角视图（isometric view）。

图4是图1和图2所示的基板支撑件的顶视平面图。

为了便于理解，已尽可能地使用相同的参考数字来标示各图共有的相同的元件。预期在一个实施方式中所披露的元件可有利地用于其他实施方式，而无需特别详述。

具体实施方式

本发明的实施方式大体涉及RTP腔室。这些腔室通常包括腔室主体和腔室盖。该腔室主体包括基板支撑件，该基板支撑件具有多个电阻式加热器区域，以加热定位在基板支撑件上的基板。腔室主体视情况也包括冷却通道和热绝缘衬里，冷却通道用于缓和热应力，热绝缘衬里设置在腔室主体中以容纳处理期间产生的热。腔室盖包括盖主体和反射板，盖主体具有穿过该盖主体的开口，反射板设置在该开口内。多个高温计定位在该反射板内，以在遍及基板的多个位置处测量与基板支撑件的这些区域对应的基板的温度。每一个区域的温度被调整以响应来自多个高温计的信号。

图1是根据本发明的一个实施方式的RTP腔室100的截面图。RTP腔室100适于热处理定位在该腔室中的基板101。RTP腔室包括腔室主体102和设置在腔室主体102上的腔室盖104。腔室主体102由铝或铝合金形成，并且适于将腔室压力维持在1Torr至约800Torr的范围内，诸如约10Torr至约350Torr。腔室主体102包括形成在该腔室主体中的流体管道(fluid passage)106，以使温度控制流体流过该流体管道，以在处理期间冷却腔室主体102。腔室主体102的冷却减少了腔室主体102劣化的可能性，此劣化是由于基板101加热期间的热应力所致。衬里107是由热绝缘材料（诸如氮化铝）形成的，衬里107设置在腔室主体102的内表面周围，以便于在腔室主体内容纳热并且提高热处理效率。流体管道106与衬里107一起使低成本材料（诸如铝）得以用于形成腔室主体102，同时使腔室主体102仍能够承受热处理期间所施加的热应力。

基板支撑件108定位在腔室主体102内。基板支撑件108可由烧结的氮化铝形成，并且包括多个加热元件110（诸如嵌在该基板支撑件中的电阻式加热元件），以便于在处理期间加热基板101。这些加热元件110可由钼形成，并且通过导线耦接至电源117，所述导线设置成穿过支撑轴(support shaft)112。加热元件110经由传导提供用于加热基板101，并且可将基板加热至约25摄氏度至约900摄氏度的范围内的温度，诸如约25摄氏度至约500摄氏度。在一些情况中，热传导可能会比其他类型的加热（诸如辐射）更理想。举例而言，辐射需要许多昂贵的灯泡以将热提供给基板。然而，灯泡可能会需要频繁地更换，因此增加了操作利用加热灯的腔室的成本。此外，灯可能不均匀地照明，因此使最终所制造的装置的质量劣化。电阻式加热元件（诸如电阻式加热元件110）不需要频繁的更换并且操作上比较便宜。

支撑轴112可由镍形成，该支撑轴耦接至基板支撑件108的下侧并且支撑基板支撑件108。支撑轴112耦接至升降组件114，该升降组件包括致动器116（诸如步进电机），以便于将基板101定位于邻近腔室盖104的处理位置中，如图所示。升降组件114也便于将基板101通过开口118（诸如狭缝阀(slitvalve)）从腔室主体102移出。升降组件114适于以垂直方向致动基板支撑件108，以使升降销120与定位在腔室主体102内的升降板122接触。当基板支撑件108下降时，使升降销120与升降板122接触将基板101从基板支撑件108的表面升起。基板101维持在升降销120上的一定位置处，使基板101得以由机械手（图中未示出）通过开口118从腔室主体102移出。可以相反的方式将基板101定位在腔室主体102内。

腔室盖104定位在腔室主体102上。腔室盖104包括盖主体123和反射板124。反射板124具有圆形的形状并且设置在位于盖主体123内的圆形开口126内。反射板124具有环状唇部132，环状唇部132的直径大于圆形开口126，以将反射板124支撑在盖主体123的顶表面上。环状唇部具有多个贯穿该环状唇部的开口，以容纳紧固件134（诸如螺栓），以将反射板124固定至盖主体123。反射板124定位在圆形开口126内并且延伸通过圆形开口126。反射板124的表面136定位成邻近基板101。反射板124由金、银、镍、铝或铑形成，或涂布有上述金属，以增加设置成穿过反射板124的高温计128的准确度，高温计128用于测量基板101的温度。一个实施方式中，反射板124可具有约0.50或更高的反射率，诸如约0.90或更高。反射板124的直径通常大约等于或稍微大于基板支撑件108的直径，诸如比基板支撑件108的直径大大约百分之一。

通常，一个高温计128适于测量基板101的对应于基板支撑件108的一个区域的温度，基板支撑件108的所述区域中具有单独的加热元件110（图1仅描绘四个高温计）。然而，预期基板支撑件108的每一个区域可具有超过一个对应的高温计，以增加对温度的监控。每一个高温计128与控制器130耦接，控制器130同样与电源117耦接。控制器130便于闭环控制(closed loop control)基板支撑件108的各区域，这是通过控制由电源117施加至每一个加热元件110的功率实现的。必要时，通过从腔室盖104移除紧固件134、并且将反射板124与盖主体123分离以暴露高温计123，可容易并且快速地替换高温计128。

高温计128便于对基板101进行精确并且便宜的温度测量和控制。与常规的嵌于基板支撑件中的电阻式温度测量装置不同，高温计可直接测量基板温度，而非测量上面定位有基板的基板支撑件的温度。直接对基板进行温度测量提供对基板更精确的热处理。此外，高温计128可比嵌在基板支撑件内的电阻式温度测量装置更加容易替换。

图2图示根据本发明的另一个实施方式的RTP腔室200的截面图。RTP腔室200类似于RTP腔室100，不同之处在于RTP腔室200排除了衬里107。因为RTP腔室200不包括衬里，RTP腔室200的温度以不同于RTP腔室100的温度控制的方式而控制。例如，可增加通过流体管道106的冷却剂的流量。可选地或额外地，可使用能够承受更高温度的材料（诸如铝合金或不锈钢）来构建RTP腔室200。此外，预期可将水冷式支架(support bracket)182（该支架中具有流体通道180）耦接至基板支撑件108，以便于冷却RTP腔室200。在这样的实施方式中，视情况可除去流体管道106。

图3是图1和图2所示的腔室盖104的等角视图。反射板124与盖主体123图示为分离，以便更清楚地图示腔室盖104的各部件。盖主体123通常由与腔室主体102（图示于图1中）相同的材料形成，诸如铝合金或铝。反射板124包括多个开口340，这些开口340设置成穿过环状唇部132。这些开口340与形成在盖主体123中的开口342（以虚线(phantom)图示）对准，以在这些开口中插入紧固件。开口342通常形成为不完全通过盖主体123，以防止通过开口342污染腔室主体102。多个高温计128通过反射板124的表面136暴露，以便于测量基板101的温度（图示于图1中）。在图2所示的实施方式中，图示六个高温计，每一个高温计对应于图4所示的基板支撑件108的六个加热区域中的一个区域。预期每个区域可利用超过一个高温计128以增加温度监控的精确度。

图4是图1和图2所示的基板支撑件108的顶视平面图。基板支撑件108可由烧结的氮化铝形成并且包括多个区域，诸如区域451-456。每一个区域451-456包括对应的独立加热元件410a-410f（以虚线图示），这些加热元件嵌在基板支撑件108内并且可被独立控制，以提供对每一个区域451-456的独立温度控制。加热元件410a-410f可由诸如钼之类的材料形成。

区域451是圆形形状的并且设置在基板支撑件108中央上。区域451可覆盖基板支撑件108的上表面的约5%至约15%，例如约10%。区域451经由加热元件410a被加热，加热元件410a具有圆形形状。区域452环绕(circumscribe)区域451。区域452可覆盖基板支撑件108的上表面的约55%至约70%，例如约63%。区域452是由圆形形状的加热元件410b加热的。区域453-456设置在区域452的外周边周围，区域453-456每个覆盖区域452的外圆周大约90度。区域453-456每个覆盖基板支撑件108的上表面的约3%至约10%，例如约6.6%。区域453-456便于设置在这些区域上的基板周边区域的精确温度控制。基板的周边区域通常为最可能具有偏离平均基板温度的温度的区域，这是由于基板外边缘附近的热移除的缘故。因此，区域453-456的相对较小的尺寸便于基板外边缘的精确温度控制，而对基板的加热大部分由内区域451和452实现。

每一个高温计128的温度检测(sensing)的位置以虚线图示在基板支撑件108的表面上。温度检测点460a-460f通常定位成实质上在各区域451-456的中央之上，例外是温度检测点460b。区域452是环形的；然而，由于区域452仅含有单一加热元件410b，因此区域452的温度通常是一致的。因此，温度检测点460b通常可定位在沿着区域452的任何位置处，并且仍产生精确的温度测量。预期可利用额外的高温计或额外的加热元件，以进一步改进对基板支撑件108的温度控制，并且也改进对支撑在该基板支撑件上的基板的温度控制。

本发明的实施方式提供利用有效并且便宜的加热和温度检测装置的低成本的RTP腔室。这些腔室利用铝或铝合金部件，使得相对于其他金属（例如，不锈钢）能更便宜地制造腔室部件。铝或铝合金在热处理期间所用的一些处理温度下可能熔化，但通过使用热绝缘衬里以及冷却通道，使得铝或铝合金能够使用。这些腔室利用热绝缘衬里来增加腔室内执行的热处理的效率，因此减少操作腔室的成本，并且也保护腔室部件避免受到非期望的加热。设置在RTP腔室主体内的一个或更多个冷却通道允许RTP腔室的内部容积被快速地加热到超过腔室主体材料的熔点的温度。加热处理期间，所述一个或更多个冷却通道将腔室主体维持在低于腔室主体材料的熔点的温度，因而保持腔室主体的完整性(integrity)。

这些腔室也利用具有加热元件的基板支撑件（这些加热元件嵌在该基板支撑件中），以传导式加热定位在该基板支撑件上的基板。热传导是加热基板的有效方式，并且不需要频繁地更换昂贵的部件（如利用灯泡的系统）。基板温度是经由高温计测量的，并且施加至基板的热量是使用闭环控制的。高温计使基板温度得以被直接测量，而非使用电阻式温度测量装置测量基板支撑件的温度。直接对基板进行温度测量便于对基板进行更精确的热处理。

虽然前述内容涉及本发明的实施方式，然而可不背离本发明基本范围设计其他和进一步的本发明的实施方式，并且本发明的范围由随后的权利要求确定。

Claims (15)

1.一种腔室，包含：

腔室主体；

基板支撑件，所述基板支撑件设置在所述腔室主体内，所述基板支撑件具有多个区域，所述多个区域可被独立地加热以加热定位在所述基板支撑件上的基板；以及

腔室盖，所述腔室盖设置在所述腔室主体上，所述腔室盖包含：

盖主体，所述盖主体包含铝，所述盖主体具有圆形开口，所述圆形开口设置成穿过所述盖主体；

反射板，所述反射板定位在所述圆形开口内，并且所述反射板具有表面，所述表面邻近于所述基板支撑件的上表面；以及

多个高温计，所述多个高温计设置成穿过形成在所述反射板中的开口，以在遍及所述基板表面的多个位置处测量所述基板的温度，其中所述多个高温计中的每一个高温计对应于所述多个区域中的每一个区域。

2.如权利要求1所述的腔室，其中所述基板支撑件包含多个可独立控制的电阻式加热元件，所述多个可独立控制的电阻式加热元件被调整以响应由所述多个高温计测量的温度。

3.如权利要求1所述的腔室，其中所述多个区域包含第一区域和第二区域，所述第一区域具有圆形形状并且设置在所述基板支撑件中央上，所述第二区域环绕所述第一区域。

4.如权利要求3所述的腔室，其中所述多个区域进一步包含第三区域、第四区域、第五区域和第六区域，并且其中所述第三区域、所述第四区域、所述第五区域和所述第六区域设置在所述第二区域的径向向外处。

5.如权利要求4所述的腔室，其中所述第三区域、所述第四区域、所述第五区域和所述第六区域每个延伸围绕所述基板支撑件的圆周约90度。

6.如权利要求1所述的腔室，其中所述腔室主体进一步包含热绝缘衬里和流体管道，所述热绝缘衬里设置在所述腔室主体的内表面上，所述流体管道形成在所述腔室主体中以容纳温度控制流体。

7.一种腔室，包含：

腔室主体，所述腔室主体包含铝；

基板支撑件，所述基板支撑件设置在所述腔室主体内，所述基板支撑件具有多个区域，所述多个区域可被独立地加热以加热定位在所述基板支撑件上的基板；以及

腔室盖，所述腔室盖设置在所述腔室主体上，所述腔室盖包含：

盖主体，所述盖主体包含铝，所述盖主体具有圆形开口，所述圆形开口设置成穿过所述盖主体；

反射板，所述反射板定位在所述圆形开口内，并且所述反射板具有表面，所述表面邻近于所述基板支撑件的上表面；以及

多个高温计，所述高温计设置成穿过形成在所述反射板中的开口，以在遍及所述基板表面的多个位置处测量所述基板的温度，其中所述多个高温计中的每一个高温计对应于所述多个区域中的一个所述区域。

8.如权利要求7所述的腔室，其中所述多个区域包含第一区域和第二区域，所述第一区域具有圆形形状并且设置在所述基板支撑件中央上，所述第二区域环绕所述第一区域。

9.如权利要求8所述的腔室，其中所述多个区域进一步包含第三区域、第四区域、第五区域和第六区域，并且其中所述第三区域、所述第四区域、所述第五区域和所述第六区域设置在所述第二区域的径向向外处。

10.如权利要求9所述的腔室，其中所述基板支撑件包含多个可独立控制的电阻式加热元件。

11.如权利要求10所述的腔室，其中所述多个可独立控制的电阻式加热元件被调整以响应由所述多个高温计测量的温度，并且其中所述腔室主体进一步包含热绝缘衬里，所述热绝缘衬里设置在所述腔室主体的内表面上。

12.一种腔室，包含：

腔室主体，所述腔室主体包含铝；

基板支撑件，所述基板支撑件设置在所述腔室主体内，所述基板支撑件具有多个区域，所述多个区域可被独立地加热以加热定位在所述基板支撑件上的基板，其中所述多个区域中的每一个区域包含电阻式加热元件；

腔室盖，所述腔室盖设置在所述腔室主体上，所述腔室盖包含：

盖主体，所述盖主体包含铝，所述盖主体具有圆形开口，所述圆形开口设置成穿过所述盖主体；

反射板，所述反射板定位在所述圆形开口内，并且所述反射板具有表面，所述表面邻近于所述基板支撑件的上表面；以及

多个高温计，所述多个高温计设置成穿过形成在所述反射板中的开口，以在遍及所述基板表面的多个位置处测量所述基板的温度，其中所述多个高温计中的每一个高温计对应于所述多个区域中的一个所述区域；以及

控制器，所述控制器耦接至每一个区域的所述电阻式加热元件并且耦接至所述多个高温计，所述控制器适于基于来自所述多个高温计每个的信号控制施加至每一个区域的所述电阻式加热元件的功率量。

13.如权利要求12所述的腔室，其中所述多个区域包含第一区域和第二区域，所述第一区域具有圆形形状并且设置在所述基板支撑件中央上，所述第二区域环绕所述第一区域。

14.如权利要求13所述的腔室，其中所述多个区域进一步包含第三区域、第四区域、第五区域和第六区域，并且其中所述第三区域、所述第四区域、所述第五区域和所述第六区域设置在所述第二区域的径向向外处。

15.如权利要求14所述的腔室，其中所述第三区域、所述第四区域、所述第五区域和所述第六区域每个延伸围绕所述基板支撑件的圆周约90度，并且其中所述基板支撑件由铝形成，所述电阻式加热元件包含钼。

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