CN105009260A - 热耦合的石英圆顶热沉 - Google Patents

Abstract

本文描述的实施方式大体关于用于处理基板的设备。该设备大体包括处理腔室，该处理腔室具有在该处理腔室中的基板支撑件。多盏灯经定位以提供穿过光学透明窗而至基板的辐射能，基板定位于基板支撑件上。所述多盏灯定位于灯箱中。冷却通道形成于灯箱中。灯箱的表面与光学透明窗间隔一段距离，以在该表面与该窗之间形成间隙。该间隙起到流体通道的作用，并且适于在所述间隙中容纳流体，以助于冷却光学透明窗。形成于灯箱的表面中的诸如开口之类的多个紊流诱发特征诱发冷却流体的紊流，因而改善光学透明窗与灯箱之间的热传递。

Description

热耦合的石英圆顶热沉

发明背景

技术领域

本发明的实施方式大体关于用于加热诸如半导体基板之类的基板的方法与设备。

背景技术

对半导体基板进行处理以用于各式各样的应用中，这些应用包括集成装置与微型装置(microdevice)的制造。一种处理基板的方法包括沉积例如是外延材料的材料于基板表面上。沉积的膜(deposited film)的质量取决于多种因素，这些因素包括诸如温度之类的处理条件。随着晶体管尺寸减小，在形成高质量膜方面，温度控制变得更加重要。随着产量增加，温度控制变得更加困难，这特别是由于快速基板温度升高与降低(例如基板升温与冷却)的需求所致。基板加热速率可通过调整灯的设置来增大。然而，基板冷却大幅度地取决于周围温度，而周围温度难以降低，或降低周围温度花费昂贵。紧邻基板的周围温度受到受热的腔室部件(特别是受热的下圆顶)的影响，以致进一步加剧了冷却问题。吸收的热在冷却期间辐射至基板，而不良地延长用以充分地冷却基板的时间。

因此，存在对改善的冷却的需要。

发明内容

本文描述的实施方式大体关于用于处理基板的设备。所述设备大体包括处理腔室，所述处理腔室具有在该处理腔室中的基板支撑件。多盏灯经定位以提供穿过光学透明窗(optically transparent window)而至基板的辐射能，所述基板定位于基板支撑件上。所述多盏灯定位于灯箱(lamp housing)中。冷却通道形成于灯箱中。灯箱的表面与光学透明窗间隔一段距离，以在所述表面与所述窗之间形成间隙。所述间隙起到流体通道的作用，并且适于在所述间隙中容纳流体，以助于冷却所述光学透明窗。形成于灯箱的表面中的诸如开口之类的多个紊流诱发特征(turbulence inducing feature)诱发冷却流体的紊流，因而改善光学透明窗与灯箱之间的热传递。

在一个实施方式中，处理腔室包括腔室主体，所述腔室主体包括光学透明窗与灯箱，所述灯箱设置成邻近所述光学透明窗。在所述光学透明窗与所述灯箱之间形成间隙。在灯箱中设置多盏灯与一个或多个冷却通道。处理腔室还包括冷却流体源，所述冷却流体源适于提供冷却流体至介于所述光学透明窗与所述灯箱之间的间隙。

在另一实施方式中，一种冷却方法包括使得在介于光学透明窗与灯箱之间的空间内的冷却流体循环，所述灯箱具有形成在所述灯箱中的至少一个冷却通道。所述灯箱的表面包括一个或多个紊流诱发特征，以引起冷却流体的紊流。所述冷却流体使光学透明圆顶与所述至少一个冷却通道热耦合。

附图说明

以能详细地理解本发明的上述特征的方式，可通过参考实施方式获得上文简要概述的本发明的更详细的说明，所述实施方式中的一些实施方式图示于附图中。然而应注意附图仅图示了本发明的典型实施方式，因此不应将这些附图视为对本发明的范围的限制，因为本发明可容许其他等效实施方式。

图1是根据本发明的一个实施方式的处理腔室的示意剖面视图。

图2A是根据本发明的一个实施方式的灯箱的上表面的部分剖面示意图。

图2B是根据本发明的一个实施方式的反射器的放大视图。

图3A至图3C图示了根据本发明的实施方式的灯箱的上表面的放大示意图。

为助于理解，已尽可能使用相同的附图标记来标示各图所共有的元件。应预期，一个实施方式的元件与特征可有益地结合在其他实施方式中而无需赘述。

具体实施方式

本文描述的实施方式大体关于用于处理基板的设备。所述设备大体包括处理腔室，所述处理腔室具有在该处理腔室中的基板支撑件。多盏灯经定位以提供穿过光学透明窗而至基板的辐射能，所述基板定位于基板支撑件上。所述多盏灯定位于灯箱中。冷却通道形成于灯箱中。灯箱的表面与光学透明窗间隔一段距离，以在所述表面与所述窗之间形成间隙。所述间隙起到流体通道的作用，并且适于在所述间隙中容纳流体，以助于冷却所述光学透明窗。形成于灯箱的表面中的诸如开口之类的多个紊流诱发特征诱发冷却流体的紊流，因而改善光学透明窗与灯箱之间的热传递。

图1是根据本发明的一个实施方式的处理腔室100的示意剖面视图。处理腔室100可用以处理一个或多个基板，包括在基板的上表面上沉积材料。处理腔室100包括由诸如不锈钢、铝、陶瓷(例如石英)、或被涂覆的金属或陶瓷之类的材料所形成的盖或上圆顶102以及腔室主体101。处理腔室100还包括诸如下圆顶之类的窗104，该窗104由诸如石英之类的光学透明材料形成。光学透明窗104耦接至腔室主体101，或者该光学透明窗104是腔室主体101的构成整体的组成部分(integral part)。基板支座106适于将基板108支撑于基板支撑件106上，所述基板支撑件106设置在处理腔室100内且介于所述上圆顶102与所述光学透明窗104之间。基板支撑件106耦接至支撑板109且在所述基板支撑件106与支撑板109之间形成间隙111。支撑板109由诸如石英之类的光学透明材料形成，以允许来自灯142的辐射能能够照射(impinge)至基板支撑件106上且将该基板支撑件106加热至期望的处理温度。基板支撑件106由碳化硅或涂布有碳化硅的石墨形成，以吸收来自灯142的辐射能且将该辐射能传递至基板108。

图中显示基板支撑件106位于升高的处理位置，但该基板支撑件106可被致动器112竖直地致动至处理位置下方的装载位置，以使升降杆110得以接触所述光学透明窗104且将基板108从基板支撑件106抬升。机械手(未示出)随后可进入处理腔室100以通过诸如狭缝阀之类的开口114与基板108衔接(engage)且从处理腔室100移除基板108。基板支撑件106也适于在处理期间被致动器112旋转，以促进基板108的均匀的处理。

位于处理位置时的基板支撑件106将处理腔室100的内部空间划分成处理气体区域116与净化气体区域118。当基板支撑件106位于处理位置时，处理气体区域116包括介于上圆顶102与基板支撑件106的平面120之间的内部腔室空间。净化气体区域118包括介于光学透明窗104与所述平面120之间的内部腔室空间。

从净化气体源122供应的净化气体通过净化气体入口124被引至净化气体区域118，所述净化气体入口124形成在腔室主体101的侧壁中。净化气体沿着流动路径126横向地流过支撑件106的整个背表面，且通过净化气体出口128从净化气体区域118排出，所述净化气体出口128位于处理腔室100的对侧上(与净化气体入口124相对之侧)。耦接至净化气体出口128的排放泵130有助于将净化气体从净化气体区域118移除。

从处理气体供应源132供应的处理气体通过处理气体入口134被引至处理气体区域116中，所述处理气体入口134形成于腔室主体101的侧壁中。处理气体沿着流动路径136横向地流过基板108的整个上表面。所述处理气体通过处理气体出口138离开处理气体区域116，所述处理气体出口138位于处理腔室100的对侧上(与处理气体入口134相对之侧)。耦接至处理气体出口138的真空泵140有助于将处理气体通过处理气体出口138移除。

多盏灯142被设置成邻近光学透明窗104并且在所述窗104下方，以当处理气体从基板108之上通过时加热该基板108，从而有助于将材料沉积在基板108的上表面上。灯142被定位在例如由铜、铝、或不锈钢形成的灯箱150中。这些灯包括灯泡141，这些灯泡141被视情况任选的反射器142A所环绕。每盏灯142都被耦接至电力分配板147，借助所述电力分配板147将电力供应至每盏灯142。灯142被排列成绕着基板支撑件106的轴杆127半径渐增的环状群组。轴杆127由石英或其他光学透明材料形成。

灯箱150的上表面被定位成与光学透明窗104间隔开的走向(orientation)，以在该上表面与窗之间形成间隙151。在一个实例中，间隙151可以是约0.5mm至约10mm或更大。在一个实例中，间隙151是约6mm。间隙151与温度控制单元154流体连通。温度控制单元154包括至外部流体源的连接件、流体、或流体源，且该温度控制单元154通过管道156提供诸如气体之类的冷却流体至间隙151，如流动路径158所示。温度控制单元154可视情况任选地包括诸如风扇或喷射组件(jet pack)之类的强制送入(forced induction)单元154A以及用以将热从循环冷却流体移除的热交换器154B。当冷却流体位于间隙151中时，冷却流体有助于将热从光学透明窗104传递到灯箱150中的冷却通道149。因此，将热从光学透明窗104移除，此举通过减少从光学透明窗104至基板108的热辐射而进一步增大基板108的冷却速率。冷却流体被回收至温度控制单元154以供再使用，如流动路径158所示。冷却通道149不仅用以从光学透明窗104移除热能，还用以冷却灯142。因为仅采用一组冷却通道149以冷却光学透明窗104与灯142两者，所以减少了处理腔室100的制造成本。

灯142适于将基板加热至预定温度，以助于将处理气体热分解至基板108表面上。在一个实例中，被沉积至基板上的材料可以是Ⅲ族、Ⅳ族和/或Ⅴ族材料，或者可以是包含Ⅲ族、Ⅳ族和/或Ⅴ族掺杂剂的材料。举例而言，被沉积材料可包括砷化镓、氮化镓、或氮化铝镓(aluminum gallium nitride)。灯可适于将基板加热至在约300摄氏度至约1200摄氏度的范围内的温度，诸如约300摄氏度至约950摄氏度。

虽然图1图示了处理腔室的一个实施方式，但也可预期另外的实施方式。例如，在另一实施方式中，预期基板支撑件106可由诸如石英之类的光学透明材料形成，以允许直接加热基板108。在又一实施方式中，预期可将视情况任选的圆形遮蔽件139设置在基板支撑件106周围，且耦接至腔室主体101的侧壁。在另一实施方式中，处理气体供应源132可适于供应多种处理气体，这些处理气体例如是Ⅲ族前驱物气体与Ⅴ族前驱物气体。可通过同一处理气体入口134或通过不同的处理气体入口134将多种处理气体引入腔室中。此外，还预期，气体入口124、134或气体出口128、138的尺寸、宽度、和/或数目可经调整以进一步有助于在基板108上均匀地沉积材料。

在另一实施方式中，基板支撑件106可以是环状环或边缘环，该环状环或边缘环具有穿过该环状环或边缘环的中央开口，并且该基板支撑件106可适于支撑基板108的周边。在这样的实施方式中，基板支撑件106可由碳化硅、涂布有碳化硅的石墨、或涂布有玻璃碳(glassy carbon)的石墨形成。

图2A是灯箱250A的上表面260的部分剖面示意图。灯箱250A类似于灯箱150，且可用于替代灯箱150。上表面260包括形成于上表面260中的诸如开口262之类的特征。开口262允许来自灯142的辐射能能够穿过上表面260而照射在基板或基板支撑件上。开口262设置在每一盏灯142之上。除了允许辐射能能够通过开口262，当冷却流体从上表面260与下圆顶(所述下圆顶诸如是图1中示出的光学透明窗104)的底部表面之间通过时，开口262诱发冷却流体中的紊流。冷却流体的紊流增强了下圆顶与形成在灯箱250A中的冷却通道149之间的热耦合。因此，特别是相较于当下圆顶由停滞的周围空气冷却的时候，热能可快速地从下圆顶被移除。下圆顶的温度快速降低有助于减少基板冷却时间，这是因为下圆顶对基板的辐射式加热也被减少了。

虽然在灯箱250A与下圆顶之间的冷却流体的层流(laminar flow)也会将热从下圆顶移除，但是紊流因冷却流体的对流增加了热传递。由于借助冷却流体的热传递因冷却流体的紊流的缘故而增加了，所以可利用具有较低导热率的冷却流体，同时仍能提供充分的冷却。当具有较低导热率的冷却流体有成本效益的时候，此类冷却流体可以是所期望的。一种此类具有成本效益的冷却流体可以是大气中的空气(atmospheric air)。

图2A图示了一个实施方式，然而也可预期其他实施方式。例如，预期除了开口262还可使用开口262之外的特征，或用这些特征作为开口262的替代，以诱发冷却流体的紊流。举例而言，可利用诸如脊(ridge)或凸块(bump)之类的特征以对冷却流体诱发紊流。

图2B图示了反射器242A的替代性实施方式。反射器242A类似于反射器142A，差异在于反射器242A包括延伸部分242B，该延伸部分242B突出于灯箱的表面260上方。反射器242A的延伸部分242B有助于增强在该延伸部分242B之上流动的冷却流体的紊流，从而增加从光学透明窗104至灯箱的热传递。预期具有延伸部分242B的反射器242A的数目可经选择以产生期望的冷却流体的紊流，因此并非每一个反射器242A可具有延伸部分242B。但是，应了解，不止一个反射器可包括延伸部分242B，然而为了清楚起见图中仅显示一个。在一个实例中，每盏灯142可包括具有延伸部分242B的反射器242A。在一些实施方式中，预期延伸部分242B可接触光学透明窗104的下表面。在图2B中所示的实施方式中，延伸部分242B包括锥状段，但也可预期其他形状。

图3A至图3C图示了根据本发明的实施方式的灯箱的上表面的放大示意图，该灯箱上有另外的紊流诱发特征。图3A图示了与上表面260类似的上表面360A。上表面360A包括多个脊380，这些脊380从上表面360A延伸，以当冷却流体在上表面360A之上流动时促进冷却流体的紊流。脊380可具有几毫米至几厘米或更长的长度，且可具有被限制在上表面360A与光学透明窗104的下表面之间的间距的范围内的高度。在一个实施方式中，预期脊380可接触光学透明窗104。

图3B图示了上表面360B，上表面360B类似于上表面260。上表面360B包括多个凸块381，这些凸块381从上表面360B延伸，以当冷却流体在上表面360B之上流动时促进冷却流体的紊流。凸块381可具有一毫米至几毫米或更大的直径，且可具有被限制在上表面360B与光学透明窗104的下表面之间的间距的范围内的高度。在一个实施方式中，预期凸块381可接触光学透明窗104。此外，凸块381可通过例如借助暴露至蚀刻剂而将表面360B纹理化来形成。或者，凸块381可以是未研磨或未抛光(unfinished)的表面的固有表面粗糙部分(natural surface roughness)的一部分。

图3C图示了上表面360C，上表面360C类似于上表面260。上表面360C包括形成在上表面360C中的一个或多个通道382，以当冷却流体在上表面360C之上流动时促进冷却流体的紊流。通道382可具有范围从几毫米至几厘米之间变化的或更长的长度。在一个实例中，通道382可围绕上表面360C连续延伸。通道382可具有范围为约0.5毫米至约3毫米或更大的深度。

图3A至图3C图示了紊流诱发特征的实施方式，然而，也可预期另外的或替代的紊流诱发特征。同样，紊流诱发特征的尺寸、以及光学透明窗104与灯头之间的间距可经选择以建立局部化的再循环(localized recirculation)，以使光学透明窗104与灯头之间的热传递最大化。

适合于此使用的冷却流体大体上包括一种或多种高导热性气体(highlyconductive gas)，这些气体包括氦气、氢气、与氮气。然而，应预期另外的气体。例如，预期也可利用周围空气、经过滤的周围空气、与清洁干燥的空气(CDA)。而且，预期在一些实施方式中，可利用一种或多种诸如水或油之类的液体冷却剂。

本文描述的实施方式的益处包括腔室部件与基板的增加的冷却。增加的冷却受惠于使用冷却流体将下圆顶热耦合至设置在灯箱中的冷却通道。灯箱包括对冷却流体诱发紊流的特征，因而增加了下圆顶与灯箱中的冷却通道之间的热传递。因紊流的缘故而增加的热传递使得能够在处理期间利用具较低热传递系数(heat transfer coefficient)且较不昂贵的冷却流体。

虽然前述内容针对本发明的实施方式，但可在不背离本发明的基本范围的前提下，设计本发明的其他实施方式与进一步的实施方式，且本发明的范围是由随后的权利要求书所限定的。

Claims (15)

1.一种处理腔室，所述处理腔室包括：

腔室主体，所述腔室主体包括光学透明窗；

灯箱，所述灯箱设置成与所述光学透明窗邻近，所述光学透明窗与所述灯箱之间有间隙；

多盏灯，所述多盏灯设置在所述灯箱中；

一个或多个冷却通道，所述一个或多个冷却通道设置在所述灯箱中；及

温度控制单元，所述温度控制单元适于提供冷却流体至所述光学透明圆顶与所述灯箱之间的所述间隙。

2.如权利要求1所述的处理腔室，其中灯箱包括上表面，所述上表面具有多个紊流诱发特征。

3.如权利要求2所述的处理腔室，其中这些紊流诱发特征包括多个开口，这些开口形成为穿过所述灯箱的表面。

4.如权利要求2所述的处理腔室，其中这些紊流诱发特征包括多个凸块或脊，这些凸块或脊形成在所述灯箱的所述上表面上。

5.如权利要求2所述的处理腔室，其中这些紊流诱发特征包括一个或多个通道，这些通道形成在所述灯箱的所述上表面中。

6.如权利要求2所述的处理腔室，其中这些紊流诱发特征包括反射器的多个延伸部分，这些延伸部分延伸于所述灯箱的所述上表面上方。

7.如权利要求1所述的处理腔室，其中所述灯箱包含铜或铝。

8.如权利要求1所述的处理腔室，其中所述温度控制单元包括热交换器。

9.如权利要求1所述的处理腔室，其中所述温度控制单元包括强制送入单元。

10.如权利要求1所述的处理腔室，其中所述光学透明窗是下圆顶。

11.如权利要求1所述的处理腔室，其中所述光学透明圆顶包含石英。

12.一种冷却方法，所述方法包括以下步骤：

使冷却流体循环至介于光学透明窗与灯箱之间的空间内，所述灯箱具有形成在所述灯箱中的至少一个冷却通道，其中所述灯箱的表面包括一个或多个紊流诱发特征，以引起所述冷却流体的紊流，且其中所述冷却流体将所述光学透明窗与所述至少一个冷却通道热耦合。

13.如权利要求12所述的方法，其中所述冷却流体包括氮气、氦气、氢气或大气中的空气上述各项中的一种或多种。

14.如权利要求12所述的方法，其中：

所述冷却流体是液体；

介于所述光学透明窗与所述灯箱之间的所述空间的尺寸受到选择以产生所述冷却流体的局部化的再循环；以及

强制送入有助于介于所述光学透明窗与所述灯箱之间的所述冷却流体的流动。

15.如权利要求12所述的方法，进一步包括以下步骤：使所述冷却流体循环通过热交换器。