CN104718610A - 用于快速热处理的最小接触边缘环 - Google Patents

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Abstract

本文提供用于半导体基板处理腔室的基板支撑件的边缘环的实施方式。在一些实施方式中，用于半导体处理腔室的边缘环可包括：具有中央开口、内缘、外缘、上表面和下表面的环形主体；设置于内缘附近且从上表面向下延伸的内唇；和从内唇向上延伸且沿环形主体的内缘设置的多个突出部，其中多个突出部被布置成在内唇上方和中央开口之上支撑基板，其中内唇被配置成当在多个突出部上设置基板时实质上防止光辐射在设置于边缘环上方的第一容积与设置于边缘环下方的第二容积之间行进。

Description

用于快速热处理的最小接触边缘环
技术领域
本发明的实施方式大体涉及半导体处理。
背景技术
传统的半导体处理腔室(例如，诸如快速热处理(RTP)腔室)通常使用具有一个或更多个环(例如，边缘环)的基板支撑件，所述环设置于基板支撑件顶上并配置成在处理期间将基板紧固在所需位置中。然而，发明者已观察到，传统使用的边缘环与基板支撑件相比可具有不同的热特性(例如，不同的加热和冷却速率)，从而导致基板的边缘附近的温度不均匀性，因而导致对基板不期望的不均匀处理。另外，由于处理腔室的配置，在处理期间可将边缘环加热至比基板支撑件更高的温度，从而导致进一步的温度不均匀性，这可导致热应力、基板翘曲、缺陷、错位、光刻覆盖误差(litho-overlay error)和滑动。
因此，本发明者提供一种用于处理基板的改良设备。
发明内容
本文提供用于半导体基板处理腔室的基板支撑件的边缘环的实施方式。在一些实施方式中，用于半导体处理腔室的边缘环可包括：具有中央开口、内缘、外缘、上表面和下表面的环形主体；设置于内缘附近且从上表面向下延伸的内唇；和从内唇向上延伸且沿环形主体的内缘设置的多个突出部，其中多个突出部被布置成在内唇上方和中央开口之上支撑基板，其中内唇被配置成当在多个突出部上设置基板时实质上防止光辐射在设置于边缘环上方的第一容积与设置于边缘环下方的第二容积之间行进。
在一些实施方式中，一种设备包括：具有基板支撑件的处理腔室，所述基板支撑件包括在基板的周边边缘附近支撑基板的边缘环、设置于边缘环下方的基座和从基座延伸以在基座上方支撑边缘环的一个或更多个构件；设置于基板支撑件上方的灯头，以当在基板支撑件上设置基板时提供能量至基板的顶表面；和与灯头相对且设置于边缘环下方的至少一个温度传感器，以当在基板支撑件上设置基板时测量从基板背侧辐射的热能，其中边缘环包括：具有中央开口、内缘、外缘、上表面和下表面的环形主体；设置于内缘附近且从上表面向下延伸的内唇；和从内唇向上延伸且沿环形主体的内缘设置的多个突出部，其中多个突出部被布置成在内唇上方和中央开口之上支撑基板，其中内唇被配置成当在多个突出部上设置基板时实质上防止光辐射在设置于边缘环上方的第一容积与设置于边缘环下方的第二容积之间行进。
将在下文描述本发明的其他和进一步的实施方式。
附图说明
可参照附图中描述的本发明的说明性实施方式来理解上文已简要概述且在下文将更详尽论述的本发明的实施方式。然而，应注意，附图仅图示出本发明的典型实施方式，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方式。
图1描绘根据本发明一些实施方式的适合与最小接触边缘环一起使用的处理腔室。
图2描绘根据本发明一些实施方式的边缘环的局部侧面示意图。
图3描绘根据本发明一些实施方式的边缘环的局部侧面示意图。
图4描绘根据本发明一些实施方式的边缘环的顶部示意图。
为了便于理解，在可能的情况下，已使用相同的参考数字来标示各图共有的相同元件。各图并未按比例绘制且可能为了清晰而简化。预期一个实施方式的元件和特征结构可有利地并入其他实施方式而无需进一步详述。
具体实施方式
与本发明一致的实施方式提供一种边缘环以在基板处理腔室(例如，诸如快速热处理(RTP)腔室)中支撑基板。边缘环可在基板的周边边缘附近多个接触点处(例如，沿边缘环的内缘的突出部)支撑基板。突出部被配置成以边缘环与基板之间的最小接触面积和最小热传递来支撑基板。可用光阻材料涂覆边缘环的上表面或表面加工(surface finish)以防止热反射和热吸收，而可使用不同的材料涂覆或覆盖突出部以防止与基板接合(bonding)。此外，在与本发明一致的实施方式中，边缘环可实质上有利地阻挡来自基板上方的灯辐射漏光至位于基板下方的高温计。
根据本发明的基板支撑环(例如，边缘环)可有利地用于任何基板处理腔室中，在所述基板处理腔室处需要在最小化支撑基板的接触点的同时，实质上防止从环上所支撑的基板的一侧至基板的相对侧的漏光。合适的处理腔室的实例包括PLUS或处理腔室的任一者或能够执行热处理的任何其他处理腔室(例如，RTP)，这些处理腔室均购自California(加利福尼亚)州Santa Clara(圣克拉拉)市的Applied Materials,Inc.(应用材料公司)。处理腔室可为能够处理200mm、300mm和450mm基板的任何腔室。亦可根据本文所提供的教导使用和/或改进其他合适的处理腔室，包括购自其他制造商的那些处理腔室。
图1描绘根据本发明一些实施方式的被配置成执行RTP工艺并适合与具创造性的最小接触边缘环一起使用的示例性处理腔室100。在一些实施方式中，处理腔室100可为任何合适的处理腔室，例如经配置用于热处理(诸如快速热处理(RTP))的处理腔室。
如图1所示，在处理腔室100内部的基板支撑件108上安装基板103，并通过在与基板支撑件108相对的位置中设置的灯头101加热所述基板。灯头101产生辐射，所述辐射被导向跨越处理腔122至基板103的前侧104。或者(未示出)，灯头101可被配置成加热基板103的背侧106，例如，诸如通过将灯头设置于基板103下方或通过将辐射导向至基板103的背侧。辐射通过水冷石英窗组件114进入处理腔室100。基板103下方为安装于水冷不锈钢基座116上的反射板102。基座116包括循环回路(未示出)，冷却剂通过所述循环回路循环以冷却反射体102。在一些实施方式中，反射板102由铝制成且具有高反射表面涂层120。诸如水之类的冷却剂可通过基座116循环以保持反射板102的温度远低于被加热的基板103的温度。或者，可在相同或不同温度下提供其他冷却剂。举例而言，防冻剂(例如，乙二醇、丙二醇或类似者)或其他热传送流体可通过基座116循环。冷却剂可通过耦接至基座的冷却器(未示出)循环以移除冷却剂中的热量。基板103的下侧或背侧和反射板102的顶部形成反射腔118。反射腔118增强基板103的有效发射率。
通过多个温度探测器(诸如152a、152b和152c)测量基板103的局部区域处的温度。各个温度探测器包括穿过通孔(未示出)的光管(light pipe)124，所述通孔从基座116的背侧延伸通过反射板102的顶部。光管124定位于通孔内，使得光管的最高端与反射板102的上表面齐平或略低于反射板102的上表面。光管124的另一端耦接至柔性光纤125，所述光纤125将取样光从反射腔118传输至高温计128。各个高温计128连接至温度控制器150，所述温度控制器150响应于所测量的温度控制提供给灯头101的功率。可将灯分为多个区域。可通过控制器单独调节这些区域以允许对基板103的不同区域可控的辐射加热。尽管在图1中示出三个温度探测器152a、152b和152c、柔性光纤125和高温计128，但是在其他实施方式中可包括更多或更少的这些温度传感元件。
除如上所述配置成容纳各个光管的通孔之外，基座146和反射板102可包括一个或更多个额外的通孔，这些通孔配置成容纳其他机构(例如，升降销或类似者)以便于处理。
可将基板支撑件108配置成固定的或可使基板103旋转。基板支撑件108包括支撑件或边缘环134，所述支撑件或边缘环134在基板的外周边附近的多个点处接触基板103，从而使得基板103除外周边附近的小环形区域外的整个下侧暴露。
此处将参照图2至图4详细描述边缘环134。边缘环134包括环形主体202，所述环形主体202例如通过可旋转的管状圆筒136被支撑在实质水平位置中。边缘环134包括内缘204、外缘206、上表面208和下表面210。边缘环134具有内唇214，所述内唇214设置于内缘204附近且从上表面208向下垂直延伸。
边缘环134进一步包括突出部212，这些突出部212从内唇214向上延伸且设置于环形主体202的内缘204附近。在一些实施方式中，如图2中所示，沿内缘204设置突出部212。突出部212被配置成在处理腔室100中沿基板103的底表面106将基板103支撑在实质水平位置中。在一些实施方式中，存在彼此等距间隔的三个突出部212(如图4中所示和在下文更详细地论述)。突出部212以边缘环与基板之间的最小接触面积和最小热传递来支撑基板103。通常，传统的边缘环沿边缘环的整个环形表面支撑基板。因此，传统的边缘环设计具有与基板接触的大约22.44cm2的环形面积。相比而言，在与本发明一致的一些实施方式(例如，存在三个半球形突出部)中，边缘环与基板的接触面积将为<1cm2。如本发明的实施方式中所实现的使边缘环与基板接触的面积最小化，减少了传导传热和减小了基板103的边缘附近的基板103的热梯度(例如，从基板103的中央部分至基板103的边缘的热梯度)。
另外，通过最小化突出部212与基板103之间的接触面积，基板103与边缘环134黏附的可能性被最小化。在一些实施方式中，用材料涂覆突出部212的每一个，以进一步防止与基板103接合，例如用氧化多晶硅涂层涂覆。在其他实施方式中，利用由进一步防止与基板103接合的材料组成的可抛弃式帽覆盖突出部212的每一个。
突出部212可从内唇向上延伸约0.5mm英寸至约5.0mm英寸(220)。在一些实施方式中，各个突出部212的宽度可为约0.5mm。高度220亦可通过检查当将基板放置在边缘环上时高温计是否测量到有任何直射光来确定和/或可取决于内唇214的宽度。在一些实施方式中，各个突出部212的顶部可为球形/半球形，以使得在平面基板与球面突出部212之间实现接触。在一些实施方式中，球形/半球形突出部212的直径可高达3mm。在一些实施方式中，可通过测试和检查基板晶片背侧来确定突出部高度与突出部宽度之比，因为任何损坏/错位将有助于验证最佳比。在其他实施方式中，突出部212的形状可为任何几何形状，所述几何形状能够稳定地支撑基板103而不会在高温处理期间给基板103引入点缺陷或其他类型的缺陷。在一些实施方式中，突出部与边缘环的内唇和环形主体一体形成。在其他实施方式中，突出部耦接至内唇214的顶表面216。
在本发明的一些实施方式中，边缘环134的内唇214的宽度222的尺寸被调整为实质上阻挡从灯头辐射302漏光至位于基板下方的高温计128(经由温度探测器152a至152c和柔性光纤125)。在如本文针对图1所描述的处理腔室中，测量基板103的准确发射率对于处理基板十分重要。在通过灯头101加热基板103时，所述基板从基板的背侧发射热能。所发射的热能304可被反射离开反射板120并再次返回基板的背侧。高温计128测量此热能304。然而，来自灯头101的直射光可造成错误的高温计读数。因此，如图3中所示，在一些实施方式中，有利地增加内唇的唇宽以比传统的边缘环延伸更远。因此，在不存在突出部212的沿内唇214的区域中，唇宽被配置成延伸足够远以使得内唇实质上防止直射光辐射302从设置于边缘环上方的灯头101行进至设置于边缘环下方的高温计测量。在一些实施方式中，内唇的宽度222可在约15mm与约40mm英寸之间。然而，因增加唇宽而导致的额外材料不接触基板，且在处理期间所述额外材料的温度较低(在下文论述理由)，因此最小化或防止对基板的边缘的任何不期望的热传递，所述热传递可能不期望地增加边缘附近的基板温度。
在一些实施方式中，基板103与内唇214的重叠区域224的长度可为约12mm至约39mm。对于200mm基板，重叠区域224可为约12mm至约14mm。对于300mm基板，重叠区域224可为约22mm至约24mm。对于450mm基板，重叠区域224可为约37mm至约39mm。在一些实施方式中，重叠区域224的长度尺寸可被调整以补偿基板的弯曲或考虑基板上的排除区域(exclusion zone)。在一些实施方式中，边缘环从内缘204至外缘206的长度可为约30mm至约100mm。上表面208的长度可为约25mm至约35mm。对于200mm、300mm和450mm基板的每一个，基板103的外缘与上表面208的内缘228之间的距离226(即，光可进入基板与边缘环之间的水平距离)可为约1mm至约3mm。由边缘环的内缘204产生的中央开口的直径将取决于待处理的基板的尺寸(即，200mm、300mm和450mm)。举例而言，在一些实施方式中，对于200mm基板，由边缘环的内缘204产生的中央开口的直径可为约170mm。对于配置成支撑200mm基板的边缘环，内缘228至内缘228的直径可为约202mm至206mm；对于配置成支撑300mm基板的边缘环，内缘228至内缘228的直径可为约302mm至306mm；对于配置成支撑450mm基板的边缘环，内缘228至内缘228的直径可为约452mm至456mm。突出部212可支撑基板103以使得基板103的顶表面与上表面208实质上是平面的。在其他实施方式中，突出部212可支撑基板103以使得基板103的顶表面设置在上表面208下方约0.1mm至约2.0mm处。
可用光阻材料涂覆边缘环的上表面或表面加工以实质上减少或防止光反射和热吸收，而可用不同的材料涂覆或覆盖突出部以防止与基板接合。在一些实施方式中，可用具有低发射率和吸收率的非氧化多晶硅(Poly-Si)涂覆边缘环134的全部表面(除突出部212外)。在一些实施方式中，可用具有约0.4ε与0.7ε之间的发射率的材料涂覆边缘环134的全部表面(除突出部212外)。在传统的边缘环设计中，若使用多晶硅涂层，则需要氧化多晶硅以防止高温下的Si-Si接合，所述Si-Si接合可导致高温下(例如，>1000摄氏度)基板与边缘环的可能的黏附。由具创造性的边缘环134所提供的减小的接触面积有利地使得能够使用非氧化多晶硅涂层，进而由于非氧化多晶硅的低发射率和吸收率而降低了边缘环的温度并从而减少处理期间从边缘环至基板边缘的辐射。另外，在一些实施方式中，可处理或调节内唇的顶表面的表面光洁度(例如，粗糙化)以实质上阻挡光从内唇的顶表面反射。在一些示例性实施方式中，可将内唇的顶表面粗糙化至约0.1μm与6μm之间的表面粗糙度。
图4描绘根据本发明一些实施方式的边缘环134的顶部示意图。在图4中所示的实施方式中，边缘环134包括用于支撑基板的三个突出部410a、410b和410c、内唇412和中央开口420。尽管示出三个突出部410a、410b和410c，但是可包括更多个突出部。在其他实施方式中，突出部可为一个环形半球形脊以支撑基板。突出部410a至410c可以角度422彼此间隔。在一些实施方式中，突出部410a、410b和410c可以120°角彼此等距间隔。
返回至图1，在一些实施方式中，边缘环134可放置于可旋转的管状圆筒136上，所述圆筒136涂覆有硅以使得在高温计128的频率范围内不传热(opaque)。圆筒136上的涂层起挡板的作用，以阻挡可能污染强度测量的来自外部源的辐射。通过放置于多个球轴承137上的环形上轴承141保持圆筒136的底部，进而这些球轴承137被保持在固定的环形下轴承座圈139内。在一些实施方式中，球轴承137由钢制成并且涂覆有氮化硅以在操作期间减少颗粒形成。上轴承141磁性地耦接至致动器(未示出)，所述致动器在热处理期间使圆筒136、边缘环134和基板103旋转。
被装配到腔室主体中的净化环145围绕圆筒136。在一些实施方式中，净化环145具有对上轴承141上方的区域开放的内部环形腔147。内部腔147通过通道149连接至气体供应器(未示出)。在处理期间，净化气体通过净化环145流入腔室中。
在一些实施方式中，边缘环134具有外径，所述外径比圆筒136的半径更大使得边缘环134延伸超出圆筒136。边缘环134超出圆筒136的环形延伸部与位于它下方的净化环145配合起挡板作用，防止漫射光进入基板103的背侧处的反射腔118。为了进一步减小漫射光进入反射腔118的可能性，亦可使用吸收灯头101所产生的辐射的材料(例如，黑色材料或灰色材料)涂覆边缘环134和净化环145。
基板支撑件108可耦接至能够相对于灯头101提升和降低基板的升降机构155。举例而言，基板支撑件108可耦接至升降机构155，以使得在升降运动期间基板103与反射体102之间的距离恒定。
在一些实施方式中，基板支撑件108可被调适成在处理腔室100内磁性悬浮和旋转(未示出)。在处理期间，基板支撑件108在垂直上升和下降的同时能够旋转，且在处理之前、处理期间或处理之后，所述基板支撑件108亦可在不旋转的情况下上升或下降。由于不存在或减少了使基板支撑件上升/下降和/或旋转通常所需的移动部件，此磁性悬浮和/或磁性旋转防止了或最少化颗粒产生。
尽管上文所述是针对本发明的实施方式，但是可在不脱离本发明的基本范围的情况下设计出本发明的其他和进一步的实施方式。

Claims (15)

1.一种用于基板处理腔室的边缘环，所述边缘环包括：
环形主体，所述环形主体具有中央开口、内缘、外缘、上表面和下表面；
内唇，所述内唇设置于所述内缘附近且从所述上表面向下延伸；和
多个突出部，所述多个突出部从所述内唇向上延伸且沿所述环形主体的所述内缘设置，其中所述多个突出部被布置成在所述内唇上方和所述中央开口之上支撑基板；和
其中所述内唇被配置成当在所述多个突出部上设置基板时实质上防止光辐射在设置于所述边缘环上方的第一容积与设置于所述边缘环下方的第二容积之间行进。
2.如权利要求1所述的边缘环，其中选择所述内唇的宽度以实质上防止光辐射在设置于所述边缘环上方的第一容积与设置于所述边缘环下方的第二容积之间行进。
3.如权利要求2所述的边缘环，其中所述内唇的宽度处于15mm与约40mm英寸之间。
4.如权利要求1所述的边缘环，其中所述多个突出部被配置成当基板设置于处理腔室中时在所述基板的周边边缘附近支撑所述基板。
5.如权利要求4所述的边缘环，其中用材料涂覆所述多个突出部的每一个以实质上防止与所述基板接合。
6.如权利要求4所述的边缘环，其中所述多个突出部全体与所述基板之间的总接触面积为小于1cm2。
7.如权利要求4所述的边缘环，其中用由实质上防止与所述基板接合的材料组成的可抛弃式帽覆盖所述多个突出部的每一个。
8.如权利要求1至7中任一项所述的边缘环，其中所述多个突出部的每一个从所述内唇向上延伸约0.5mm至约5.0mm。
9.如权利要求1至7中任一项所述的边缘环，其中用具有约0.4ε与0.7ε之间的发射率的材料涂覆所述边缘环的所述环形主体和所述内唇。
10.如权利要求1至7中任一项所述的边缘环，其中用非氧化多晶硅材料涂覆所述边缘环的所述环形主体和内唇，并且其中用氧化多晶硅涂层涂覆所述多个突出部的每一个。
11.一种用于处理基板的设备，所述设备包括：
处理腔室，所述处理腔室具有基板支撑件，所述基板支撑件包括在所述基板的周边边缘附近支撑基板的边缘环、设置于所述边缘环下方的基座和从所述基座延伸以在所述基座上方支撑所述边缘环的一个或更多个构件；
灯头，所述灯头设置于所述基板支撑件上方以当在所述基板支撑件上设置基板时提供能量至基板的顶表面；和
至少一个温度传感器，所述至少一个温度传感器与所述灯头相对且设置于所述边缘环下方以当在所述基板支撑件上设置所述基板时测量从所述基板的背侧辐射的热能，
其中所述边缘环包括：
环形主体，所述环形主体具有中央开口、内缘、外缘、上表面和下表面；
内唇，所述内唇设置于所述内缘附近且从所述上表面向下延伸；和
多个突出部，所述多个突出部从所述内唇向上延伸且沿所述环形主体的所述内缘设置，其中所述多个突出部被布置成在所述内唇上方和所述中央开口之上支撑基板，
其中所述内唇被配置成当在所述多个突出部上设置基板时实质上防止光辐射在设置于所述边缘环上方的第一容积与设置于所述边缘环下方的第二容积之间行进。
12.如权利要求11所述的设备，其中所述灯头提供光能，当基板设置于所述基板支撑件上时所述光能传递热量所述基板，并且其中所述至少一个温度传感器被配置成测量从所述基板的背侧发射的热能。
13.如权利要求11所述的设备，其中选择所述内唇的宽度以实质上防止来自所述灯头的光辐射到达所述至少一个温度传感器。
14.如权利要求11至13中任一项所述的设备，其中所述多个突出部被配置成以在所述边缘环与所述基板之间的最小接触面积和最小热传递来支撑所述基板。
15.如权利要求11至13中任一项所述的设备，其中用具有约0.4ε与0.7ε之间的低发射率的材料涂覆所述边缘环的所述环形主体和所述内唇，并且其中用材料涂覆所述多个突出部的每一个以实质上防止与所述基板接合。
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