CN104246993A - 用于基板处理的直流灯驱动器 - Google Patents
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Abstract
本文提供用于在处理腔室内加热基板的方法及设备。在一些实施例中，一种用于在处理腔室内加热基板的设备包括：灯群组，所述灯群组包含一或更多组灯，用于在基板设置于处理腔室内时提供辐射能来加热所述基板，其中每组灯包含多个串联线接的灯，且其中每组灯相对于所述一或更多组灯中的其他组灯并联线接；交流(AC)电源，所述交流电源用于产生交流输入波形；以及灯驱动器，所述灯驱动器用于为灯群组供电，灯驱动器包括整流器，所述整流器耦接至交流电源以将交流输入波形转换成直流电压；以及直流-直流(DC/DC)变换器，所述直流-直流变换器用于降低直流电的电压。
Description
技术领域
本发明的实施例大体涉及用于基板热处理的方法及设备。
背景技术
快速热处理(Rapid Thermal Processing；RTP)是一种半导体制造工艺，用于在较短的时间段内，例如在若干秒或更短的时间内，在高温下加热硅晶片，所述高温常为摄氏1200度或更高。在RTP工具中冷却期间，晶片温度必须均匀地降低，以免晶片经受热冲击(thermal shock)。常使用高强度灯或激光器达成此加热。控制晶片温度是快速热处理中关键性的挑战。通常通过监测晶片的温度及使用测高温术实时控制灯的功率及强度来达成控制晶片温度。高温计阵列可用于测量晶片的温度，且根据所述温度确定用于灯的驱动器的输出电压。因此，用于晶片快速热处理的RTP工具通常包含用于加热晶片的灯阵列、含有晶片的腔室、晶片支撑件及用于测量晶片温度的高温计阵列，这些高温计耦接至晶片或晶片支撑件。
因此，发明者提供一种改良的灯驱动器及包含所述灯驱动器的基板处理工具。
发明内容
本文提供用于在处理腔室内加热基板的方法及设备。在一些实施例中，一种用于在处理腔室内加热基板的设备包括：灯群组，所述灯群组包含一或更多组灯，用于在基板设置于处理腔室中时提供辐射能来加热基板，其中每组灯包含多个串联线接的灯，且其中每组灯相对于一或更多组灯中的其他组灯并联线接；交流(AC)电源，所述交流电源用于产生交流输入波形；以及灯驱动器，所述灯驱动器用于为灯群组供电，灯驱动器包括整流器，所述整流器耦接至交流电源以将交流输入波形转换成直流电压；以及直流-直流(DC/DC)变换器，用于降低直流电的电压。
在一些实施例中，一种用于在处理腔室内加热基板的方法包括以下步骤：将交流(AC)电源电压转换成直流(DC)电源电压；使用直流电压为驱动器供电，所述驱动器作为负载；以及为一或更多个灯群组供电，每一个灯群组包含一或更多组灯以提供辐射能来加热处理腔室内的基板，其中每组灯包含多个串联线接的灯，且其中每组灯相对于所述一或更多组灯中的其他组灯并联线接。
下文描述本发明的其他及进一步的实施例。
附图说明
能通过参照附图中描绘的本发明的说明性实施例来理解上文简要概述的且在下文更加详细论述的本发明的实施例。然而，应注意，附图仅图示出本发明的典型实施例，且因此这些附图不应被视为对本发明范围的限制，因为本发明可允许其他同等有效的实施例。
图1图示根据本发明的一些实施例的基板处理设备的方块图。
图2图示根据本发明的一些实施例的基板处理设备的电路图。
图3图示根据本发明的一些实施例的实施有降压变换器的基板处理设备的电路图。
图4图示根据本发明的一些实施例的基板处理设备的电路图。
图5图示根据本发明的一些实施例的基板处理设备的电路图。
图6图示根据本发明的一些实施例的方法流程图，所述方法用于为灯阵列供电以用于处理基板。
为了帮助理解，已尽可能使用相同标记数字来表示各图共用的相同元件。各附图并未按比例绘制且可为了清楚而简化。应设想到一些实施例的元件及特征可有利地并入其他实施例而无需进一步详述。
具体实施方式
本发明的实施例针对用于为灯阵列供电以在各种热工艺中加热基板的方法及设备，所述热工艺比如快速热处理(RTP)、化学气相沉积(例如外延沉积)或其他使用灯加热的基板工艺。用于热处理的基板处理工具由交流电源供电，在一些实施例中，所述交流电源为480V。整流器用于将交流电源转换成直流(DC)电源。直流-直流变换器用于降低电压，以为灯阵列及灯群组供电。
用于新一代半导体设备上的大功率灯加热器若由208V交流供电，则将要求限制性电流量。灯的实例包括白炽灯，比如卤素或卤钨白炽灯，或类似灯。能根据使用的灯的类型改变灯驱动器的配置。例如，100V卤素灯通常用于半导体设备的灯加热器中。两个串联设置的灯允许使用基于相角控制的灯驱动器及208V交流电源线。然而，使用更高电压的电源线(例如480V交流)由于至少两个理由而对于相同类型的卤素灯并不可行。首先，具有两个串联连接的灯的配置导致相角控制的精确度低及系统的功率因数差，这个情况是不可接受的，因为相角受控的驱动器的工作循环(duty cycle)短。此外，串联连接多于两个灯以增加相角控制的精确度及改良功率因数并不可行，因为此举减少了加热图案的间隔尺寸、因限制熔断电流而使灯保险丝的功能性不可用以及增加了低气压下产生电弧的风险。
尽管如此，此设计中存在的问题是，输出电压不能超过200V，以使得仅仅两个约80-120V或约100V的灯能串联连接。另一问题是，可提供至半导体设备的电流存在限制，所述半导体设备比如是快速热处理(RTP)工具或使用或能使用类似于本文描述的灯的其他热处理工具。在此方案中，增加更多灯至灯阵列以用于热处理并不可行，因为将会超过电流限制。例如，用于RTP工具的电源通常是多相交流(A/C)电源。然而，当跨越三相的电流不平衡时，产生变压器损耗、过量谐波及类似问题。
图1图示根据本发明的实施例的基板处理设备100的方块图。尽管图1中所示基板处理设备100的特定配置适合于RTP，但是应设想到基板处理设备100可被配置成用于外延沉积或其他热基板工艺。如图1中所示，基板处理设备100包含腔室102、用于基板106的支撑件104、支撑系统110、灯阵列112、灯驱动器114、控制器116、交流电源118及视情况包含极性转换器119。例如，基板106为半导体晶片。支撑件104固持基板106，以便基板106可在腔室102内被热处理。支撑系统110控制支撑件并允许支撑件104位置的调整，以及进而调整基板106的位置。
交流电源118将交流电输送至灯驱动器114。交流电可具有一或更多个相，在一些实施例中具有三相。在一些实施例中，交流电源输送480V至灯驱动器114。控制器116控制灯驱动器114的运转。灯驱动器114将交流电转换成直流电，并且降低直流电电压。灯驱动器114将被降压的电分配给灯阵列112。进而，灯阵列112产生热量以热处理腔室102内的基板106。在一些实施例中，灯阵列112包含若干个约80V至约120V(比如约100V)的灯(比如卤素灯)，并且被降低的电压为200V。在其他实施例中，可使用具有不同功率限制的其他类型灯，比如具有其他额定电压的白炽灯或类似灯。
当存在极性转换器119时，极性转换器119耦接至灯驱动器114及灯阵列112，且允许切换电路的极性。根据一些实施例，对于传送至腔室102内的每n个晶片，极性转换器119反转基板处理设备100的极性，其中n＝1至约100个晶片。例如，极性可在每个晶片之后反转，或在单个盒内的若干个晶片(例如约25个)或更多数目个晶片之后反转，比如在处理约100个晶片之后反转。转换电路极性可促进减轻灯丝的直流凹口(DC notching)或刻面(faceting)，所述凹口或刻面会导致灯故障。
图2图示根据本发明的实施例的基板处理设备200的电路图。基板处理设备200包含交流电源202、整流器204、电容器206、直流-直流变换器208及两个灯210与212。交流电源202将交流电输送至整流器204。整流器204将来自交流电源202的交流电压转换成直流电压，即整流器204将交流电压“整流”成直流电压。在一些实施例中，交流电源是480V电源，且整流器204将交流480V整流成直流700V。整流器204、电容器206及直流-直流变换器208共同形成如图1中所示的灯驱动器114。如上所述，在一些实施例中，灯210及212可以是卤素灯，比如卤钨白炽灯。此外，在此实施例中，灯串联耦接。
图3图示根据本发明的实施例的利用降压变换器的基板处理设备300的电路图。基板处理设备300包含交流电压源301、整流器302、控制器303、降压变换器306、电容器307及灯312与灯313。整流器302将来自交流电源202的交流电压转换成直流电压，即整流器302将交流电压“整流”成直流电压。整流器302产生直流信号。根据一些实施例，电容器311充当滤波电容器，用于过滤来自交流电压源301的被整流的电压。在此实施例中，直流-直流变换器208是降压变换器，是降低电压的直流-直流变换器。降压变换器具有高效率且有效地将700V直流转换成灯210及灯212需要的200V直流。
降压变换器306由开关308、电感器310、二极管309及电容器311组成。控制器303接收设定点信号304，控制器303将设定点信号304与实际输出电压305相比，以形成送至降压变换器306的控制信号。通过改变根据时序图314的T导通时间与T断开时间之间的比率，控制器303控制降压变换器306的输出上的输出电压。当开关308闭合(处于导通状态)时，电感器310两端的电压等于来自301的电压与灯312和灯313两端的电压之间的差。穿过电感器310的电流线性地增大。当二极管309被电压源301反向加偏压时，没有电流流过二极管309。当开关308打开(处于断开状态)时，二极管309被正向加偏压。电感器两端的电压等于灯312和灯313两端的电压的负值(忽略二极管压降)。穿过电感器310的电流减小。
图4图示根据本发明的一些实施例的基板处理设备400的电路图。与图2对比，基板处理设备400包含多个灯驱动器4021至402n，以驱动多个灯群组(例如具有多通道)。单个交流电源401耦接至每个灯驱动器。灯驱动器4021包含整流器4041，整流器4041将交流电转换成直流电，如上文关于整流器204所述。在所示的实施例中，整流器4041是三相整流器，用于将交流电转换成直流电。在所示的实施例中，整流器4041包含耦接在一起的二极管4051至二极管4056。分别来看，二极管4051与二极管4054彼此串联连接，二极管4052与二极管4055彼此串联连接，二极管4053与二极管4056彼此串联连接。串联连接的二极管对然后相对于各个其他二极管对并联耦接，且与用于过滤直流电压的电容器406并联耦接，所述直流电压被整流器4041整流。
通过直流-直流变换器408，被整流的直流电压降低至直流电压的必要水平。被降低的直流电压为耦接的灯群组410供电，在所示的实施例中，灯群组410包含两个串联耦接的灯。在其他配置中，灯群组能包括多对灯，每对灯均串联连接，并且多对灯彼此并联连接，如同在灯驱动器402n中。在灯群组402n中，由于灯群组内增加了灯数量，所以负载需求有所增加，但是跨越相位的电流仍保持平衡。因此，在此配置中，电流保持平衡，与具有不同的负载的灯驱动器接线无关，且电压按需求被调整。
在一些实施例中，各灯驱动器4021...402n可共享某些部件，比如整流器及滤波电容器。各通道保持对同样的或不同的灯群组负载的支持。多个通道中的每个通道保持控制独立的电压输出至灯群组。
例如，图5图示根据本发明的实施例的基板处理设备500的电路图，基板处理设备500具有灯驱动器通道，所述灯驱动器通道具有共享部件。基板处理设备500包含电源501、整流器502、滤波电容器503、第一直流-直流变换器504a与第二直流-直流变换器504b及灯505a、灯505b、灯506a与灯506c。在此实施例中，源501提供三相(图5中的A/B/C)电压至整流器502的不同部分。整流器502及滤波器503耦接至独立受控的灯群组，其中第一灯群组包括灯505a及灯506a，且第二灯群组包括505b及506b。因此，在此实施例中，于若干灯群组中共享一个整流器502及一个滤波电容器503。在其他实施例中，支持多于两个灯群组。
图6图示根据本发明的实施例的方法600的流程图，方法600用于为灯阵列供电以用于基板处理。所述方法从602开始，进行至604。在604处，电路从交流电源(例如如图4所示的交流电源401)接收交流电。如上所论述的，在一些实施例中，交流电源是480V源。
在606处，将交流电转换成直流电。例如，图4的整流器4041将交流电转换成直流电。例如，上述480V电可转换成650V直流。在608处，可调节或平滑化直流电，使得电输送至灯群组时不存在电压尖脉冲或短暂停顿(hiccup)。例如，滤波电容器406可使得直流电平滑。
在610处，直流-直流变换器将电压降低至灯群组所需要的电压。例如，电压可降低至200V，为如图4所示的灯群组410供电。如上所述，在一些实施例中，降低电压的变换器是降压变换器。在612处，输送被降压的电压来为灯供电。灯可以是若干灯群组，比如具有各种灯配置及各种电压需求的灯群组410。在614处，来自灯的热量加热基板，例如，半导体晶片。
方法600可视情况在处理期间重复一或更多次，以控制由灯提供的能量以获得所期望的处理结果。例如，方法600可在610与614之间重复，以便将电压降低至所期望或设定的电压，以输送所期望或设定的电压来为灯供电，以及利用由灯提供的能量加热基板。此重复可持续一或更多次以获得所期望的处理结果。方法600通常在616处结束。
尽管上述内容针对本发明的实施例，但是可在不背离本发明的基本范围的情况下设计本发明的其他及进一步的实施例。
Claims (15)
1.一种用于在处理腔室内加热基板的设备，包含：
灯群组，所述灯群组包含一或更多组灯以提供辐射能以当基板设置于所述处理腔室内时加热所述基板，其中每组灯包含多个串联线接的灯，且其中每组灯相对于所述一或更多组灯中的其他组灯并联线接；
交流(AC)电源，所述交流电源用于产生交流输入波形；以及
灯驱动器，所述灯驱动器用于为所述灯群组供电，所述灯驱动器包含：
整流器，所述整流器耦接至所述交流电源，用于将所述交流输入波形转换成直流电压；以及
直流-直流(DC/DC)变换器，用于降低直流电的电压。
2.如权利要求1所述的设备，其中所述交流电源是三相电源，其中所述整流器具有三相输入且跨越各相的电流是平衡的。
3.如权利要求1所述的设备，其中所述交流电源是三相电源，且其中所述整流器包含：
三个二极管对，二极管对中的每个二极管串联连接，且每个二极管对彼此并联连接，以产生所述直流电压；以及
电容器，所述电容器并联连接至所述二极管对，以使所述直流电压变平滑。
4.如权利要求1所述的设备，其中所述整流器进一步包含：
第一二极管对和第二二极管对的二极管电桥，其中在所述二极管对中的第一二极管和第二二极管串联连接，且所述第一二极管对和所述第二二极管对并联连接，以产生所述直流电压；以及
电容器，所述电容器并联连接至所述第一二极管对和所述第二二极管对，以使所述直流电压变平滑。
5.如权利要求1至4中任何一项所述的设备，进一步包含：
多个灯群组，所述多个灯群组包含一或更多组灯，其中每组灯包含多个串联线接的灯，且其中每组灯相对于所述一或更多组灯中的其他组灯并联线接；以及
多个灯驱动器，所述多个灯驱动器连接至所述交流电源，其中每个灯驱动器分别与所述多个灯群组中的相应灯群组耦接。
6.如权利要求7所述的设备，其中所述多个灯驱动器共享所述整流器，且其中每个灯驱动器包括相应的直流-直流变换器。
7.如权利要求1至4中任何一项所述的设备，其中所述直流-直流变换器是降压变换器。
8.如权利要求1至4中任何一项所述的设备，其中所述整流器是无源桥式整流器或开关模式的有源整流器。
9.如权利要求1至4中任何一项所述的设备，进一步包含极性转换器，所述极性转换器耦接至所述灯驱动器以反转所述灯驱动器的极性。
10.如权利要求1至4中任何一项所述的设备，其中所述组灯包含第一灯和第二灯，所述第一灯和所述第二灯约80伏特至约120伏特且彼此串联连接。
11.如权利要求1至4中任何一项所述的设备，进一步包含：
基板支撑件，所述基板支撑件设置于所述处理腔室内，其中所述灯群组被配置以提供辐射能至所述基板支撑件的支撑表面。
12.一种用于在处理腔室内加热基板的方法，包含以下步骤：
将交流(AC)电源电压转换成直流(DC)电源电压；
使用所述直流电压为驱动器供电，所述驱动器作为负载；以及
为一或更多个灯群组供电来提供辐射能以加热所述处理腔室内的所述基板，每一灯群组包含一或更多组灯，其中每组灯包含多个串联线接的灯，且其中每组灯相对于所述一或更多组灯中的其他组灯并联线接。
13.如权利要求12所述的方法，其中所述一或更多个灯群组包含多个灯群组且所述方法进一步包含以下步骤：
为所述灯驱动器提供多个通道，其中每个通道耦接至所述多个灯群组中的各自的灯群组。
14.如权利要求12至13中任何一项所述的方法，进一步包含以下步骤：
提供三相电源作为所述交流电源。
15.如权利要求14所述的方法，其中所述转换的步骤进一步包含以下步骤之一或更多：
利用电容器使所述直流电压变平滑；或
平衡跨越所述交流电源各相的电流。
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