CN105009263B - 反射性衬里 - Google Patents

Abstract

本文公开用于处理半导体基板的装置。所述装置是具有光学透明的上圆顶及下圆顶的处理腔室。所述处理腔室在处理时维持真空。所述上圆顶通过使温度调节流体在所述处理区之外沿着所述上圆顶流动而被调节温度。热灯具被定位在下圆顶附近，且热传感器设置于所述灯具之间。所述灯具在区域中被供电，且控制器基于从热传感器接收的数据而调整所述灯具区域的电力。反射性衬里可提供用于改善的基板的温度测量及加热。

Description

反射性衬里

技术领域

本文公开用于半导体处理的装置。更具体而言，本文公开的实施方式与用于半导体处理腔室中的反射性衬里相关。

背景技术

外延(epitaxy)是一种广泛用于半导体处理中以在半导体基板上形成非常薄的材料层的工艺。所述层经常定义某些最小的半导体装置的特征，且若结晶材料的电学特性是所需的，则所述层可具有高质量的晶体结构。沉积前驱物(deposition precursor)一般提供至处理腔室，所述处理腔室内设置基板，所述基板被加热至促成具有所需特性的材料层的生长的温度。

通常希望薄膜具有非常均匀的厚度、成分及结构。由于局部基板温度、气体流动、及前驱物浓度的变化，因此要形成具有均匀且可重复特性的薄膜是相当具挑战性的。所述处理腔室一般是能够维持高真空(通常低于10Torr)的容器，且热量一般由设置于所述容器的外的加热灯提供，以避免引入污染物。高温计(pyrometers)可被提供以测量所述基板的温度。基板温度的控制及测量(且因此局部层形成状况的控制及测量)因腔室部件的热吸收及发射以及传感器及腔室表面暴露于所述处理腔室内的薄膜形成状况而复杂化。现仍需要具有改善的温度控制、温度测量、以及操作外延腔室的方法的外延腔室，以改善均匀性及可重复性。

发明内容

本文公开的实施方式与用于半导体处理腔室中的反射性衬里相关。所述反射性衬里可改善处理腔室中的基板的温度控制及测量。

本文所述的实施方式提供了用于半导体处理腔室中的装置。所述装置包括正圆柱环状(right circular cylindrical annulus)反射性衬里，所述反射性衬里具有外部部件、内部部件，及介于所述外部部件及所述内部部件之间的空间。反射性构件可移动地设置于所述空间中。

附图说明

通过参考实施方式(一些实施方式在附图中说明)，可获得在上文中简要总结的本发明的更具体的说明，而能详细了解上述的本发明的特征。然而应注意，附图仅说明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，因为本发明可容许其它等效实施方式。

图1是根据本文描述的一个实施方式的处理腔室的截面示意图。

具体实施方式

一种能够将基板分区温度控制同时执行外延工艺的腔室，具有处理容器，所述处理容器具有上部分、侧边部分，及下部分，所述上部分、所述侧边部分及所述下部分全部由具有在所述容器内建立高真空时维持其形状能力的材料制成。至少所述下部分对于热辐射实质上透明的，且热灯具可定位在锥形灯头结构中，所述锥形灯头结构在所述处理容器的外侧耦合到所述处理容器的所述下部分。热传感器设置在所述处理容器内的各个位置，所述处理容器具有用于减少热噪声进入所述传感器及减少所述传感器上的材料沉积的手段。

图1是根据一个实施方式的处理腔室100的截面示意图。处理腔室100可被用以处理一个或更多个基板，包含在基板108的上表面上的材料沉积。处理腔室100通常包含腔室主体101及辐射加热灯具102的阵列，所述辐射加热灯具的阵列用于加热，除了其他部件之外，基板支撑件107的背侧104，所述基板支撑件设置在处理腔室100内。所述基板支撑件107可为：如图所示的，从基板108的边缘支撑基板108的环状基板支撑件、碟状或盘状的基板支撑件，或多个支撑销，例如，三个支撑销或五个支撑销。基板支撑件107位于上圆顶128及下圆顶114之间的处理腔室100内。基板108可通过装载口103而被带到处理腔室100中并定位在基板支撑件107上。

基板支撑件107图示于升高的处理位置中，但所述基板支撑件可通过致动器(未图示)垂直移动到低于所述处理位置的装载位置，以允许升降销105接触下圆顶114。升降销105穿过基板支撑件107中的孔洞并将基板108从基板支撑件107升起。机械手(未图示)接着可进入处理腔室100，通过装载口103从所述处理腔室接合并移除基板108。基板支撑件107接着可向上被致动至所述处理位置，以将基板108放置到基板支撑件107的前侧110上(所述基板的装置侧116朝上)。

当基板支撑件107位于所述处理位置时，所述基板支撑件将处理腔室100的内部空间分成处理气体区156(所述基板的上方)及净化气体区158(基板支撑件107的下方)。在处理时，基板支撑件107通过中央轴132旋转，以将处理腔室100内的热及处理气流的空间不均匀效应最小化，且因此有助于基板108的均匀处理。基板支撑件107由中央轴132所支撑，所述中央轴在装载及卸除时(且某些情况中，在处理基板108时)，将基板108在上下方向134上移动。基板支撑件107通常由具有低热质量或低热容量的材料形成，使得基板支撑件107所吸收及释放的能量最小。基板支撑件107可由碳化硅或涂布碳化硅的石墨所形成，以吸收来自灯具102的辐射能量，并将所述辐射能量传导至基板108。基板支撑件107如图1所示为具有中央开口的圈环，以有助于将所述基板暴露至自来灯具102的热辐射。基板支撑件107也可以是没有中央开口的盘状构件。

一般而言，上圆顶128及下圆顶114通常由诸如石英的光学透明材料形成。上圆顶128及下圆顶114是薄的，以将热记忆最小化，所述上圆顶及所述下圆顶通常具有介于大约3mm及大约10mm之间的厚度，例如大约4mm。上圆顶128可被调节温度，所述温度调节(thermal control)通过输入口126将温度调节流体(例如冷却气体)引入到温度调节空间136，并通过输出口130抽出所述温度调节流体。某些实施方式中，通过温度调节空间136的冷却流体循环可减少上圆顶128的内部表面上的沉积。

一个或更多个灯具，诸如灯具102的阵列，可在中央轴132的周围以所需的方式设置在下圆顶114的邻近处及下方，以随着处理气体经过基板108上方而加热基板108，从而有助于材料沉积到基板108的所述上表面。在不同的例子中，沉积至基板108上的所述材料可以是三族、四族和/或五族材料，或可以是包含三族、四族和/或五族掺杂剂的材料。例如，所述沉积材料可包含砷化镓、氮化镓，或氮化铝镓(aluminum gallium nitride)。

灯具102可被适配以将基板108加热到大约摄氏200度至大约摄氏1200度的温度范围，诸如大约摄氏300度至大约摄氏950度。灯具102可包含灯泡141，所述灯泡被可选的反射体143包围。每个灯具102耦合至电力分配板(未图示)，且电力通过所述电力分配板供应到每个灯具102。灯具102配置在灯头145内，在处理时或处理后，所述灯头可通过例如将所述冷却流体引入至灯具102之间的通道149而被冷却。灯头145传导式地冷却下圆顶114，部分因为灯头145靠近下圆顶114。灯头145也可冷却灯具壁及反射体143的壁。若有需要，灯头145可与下圆顶114接触。

衬里组件162可设置于基座环160的内部周围之内，或所述衬里组件可被所述内部周围包围。基座环160可形成腔室主体101的一部分。衬里组件162可由石英材料所形成，且所述衬里组件通常将处理空间(即处理气体区156及净化气体区158)屏蔽于处理腔室100的金属壁。所述金属壁可与前驱物反应并造成所述处理空间中的污染。开口可穿过衬里组件162而设置并与装载口103对准，以允许基板108通过。虽然衬里组件162显示为单一零件，但应考虑到衬里组件162可由多个零件形成。

反射性衬里164可设置于衬里组件162的内部周围内，或所述反射性衬里可被所述衬里组件包围。反射性衬里164的形状可为具有切口部分的正圆柱环状，所述切口部分被适配以允许通过反射性衬里164的基板传送。在图示的所述实施方式中，反射性衬里164不提供装载口103上方的部分，然而，应考虑到所述衬里可包括设置在装载口103上方的部分。在所示的所述实施方式中，反射性衬里164可被下圆顶114的一部分所支撑。另一个实施方式中，反射性衬里164可由衬里组件162的一部分(未图示)所支撑，所述衬里组件的一部分从衬里组件162的内部半径而径向向内延伸。所述部分，或凸部(ledge)，可不连续地包括多个段。反射性衬里164可包括外部部件166、内部部件168及反射性构件170。外部部件166及内部部件168可由诸如石英的透光材料所制成。外部部件166可相邻于衬里组件162的内部周围而设置。内部部件168可相邻于处理气体区156及净化气体区158而设置。某些实施方式中，外部部件166及内部部件168可耦合在一起以形成空间165。此实施方式中，所述耦合可由位于顶部区161及底部区163的石英焊接(quartz weld)而执行，且空间165可在真空下提供。某些实施方式中，体积165中的压力可介于大约1μTorr至大约10Torr之间。

某些实施方式中，反射性构件170可设置在介于外部部件166及内部部件168之间的空间165中。可设置反射性构件170的介于外部部件166及内部部件168之间的空间165通常具有比反射性构件170的厚度更厚的厚度。某些实施方式中，所述反射性构件的所述厚度可介于大约4mil至大约40mil之间。作为结果，第一缝隙172可提供在内部部件168及所述反射性构件之间，且第二缝隙174可提供在外部部件166及反射性构件170之间。从而，反射性构件170可为“自由浮动”的，或可移动地设置于外部部件166与内部部件168之间。另一个实施方式中，反射性构件170可包裹(encased)在外部部件166与内部部件168之间，使得反射性构件170可与外部部件166与内部部件168两者直接接触。另一个实施方式中，反射性构件170可与外部部件166相邻并接触而设置。此实施方式中，多个定位构件(未图示)，例如支柱或突起物，可从内部部件168延伸并接触反射性构件170，使得所述定位构件促使反射性构件170靠至外部部件166。此实施方式中，吸气剂(未图示)也可设置于外部部件166与内部部件168之间以维持真空。所述吸气剂可包括锆(zirconium)化合物或其他合适的吸气剂材料以吸收气体(诸如氢气)，所述气体可能从处理气体区156泄漏到空间165中。

某些实施方式中，反射性构件170可包括多个段(未图示)。此实施方式中，所述多个区段可被设置成将所述段互相相邻处重叠。另一个实施方式中，所述多个段可不重叠，但设置的方式可使得当所述反射性构件暴露至辐射时，实质上没有辐射可穿透所述多个部分之间的缝隙。任一实施方式中，反射性构件170的间隔及位置可导致反射性构件170在暴露于辐射时的膨胀。更具体而言，反射性构件170的设置可被选择以容纳反射性构件170在热应力下的实体移动。

反射性构件170可为镜面反射体(specular reflector)，使得提供至反射性构件170的光具有等于反射角度的入射角度。反射性构件170可为宽带反射体(broadbandreflector)，例如金属反射体或介电薄膜堆(dielectric film stack)，或它们的组合。某些实施方式中，反射性构件170可被包覆或包裹于透明的阻挡层材料中，诸如二氧化硅。一个例子中，反射性构件170可由包括二氧化硅(SiO₂)、二氧化钛(TiO₂)、五氧化二钽(Ta₂O₅)或它们的组合的介电堆而形成。另一个例子中，反射性构件170可由适合承受处理腔室100中的温度的金属(诸如铝、金、银、铂、钨、钽，或它们的组合)形成。

某些实施方式中，定义空间165的表面可涂布反射性材料。例如，定义空间165的每个表面(诸如面对外部部件166及内部部件168的空间165的表面，及定义空间165的底表面(未图示))可涂布反射性材料。在一个实施方式中，定义空间165的所述表面可通过化学镀而涂布反射性材料，例如化学镀镍或化学镀银。此实施方式中，空间165可充满水性化学镀溶液，且所述化学镀处理可进行以将镍或银镀至定义空间165的所述表面。已考虑到，其他反射性材料，例如金或铜，也可通过化学镀而设置于定义空间165的所述表面上。在定义空间165的所述表面执行化学镀后，所述水性溶液可从空间165抽离，且可形成顶表面(未图示)以接合外部部件166及内部部件168。所述顶表面可由石英焊接形成。此实施方式中，空间165可相似于前述的实施方式而在真空下提供。定义空间165且涂布所述反射性材料的所述表面可作为镜面反射体。

从基板支撑件107配合反射性衬里164将基板108背侧加热的结果，使得可利用光学高温计118执行所述基板支撑件上的温度测量/控制。反射性衬里164减少或消除用光学高温计118在基板108温度的测量上的不希望有的杂散辐射效应。反射性衬里164也可将辐射导向基板108的外部部件，以改善基板108的径向温度分布的控制。进一步而言，反射性衬里164通过将辐射反射离开衬里组件164并朝向基板108的所述外部部分，而减少了衬里组件162的辐射加热。

光学高温计118可设置于上圆顶128上方的区域。光学高温计118的此温度测量也可以在具有未知发射率的基板装置侧116上完成，因为以此方式加热基板支撑件前侧110是与发射率无关的。作为结果，光学高温计118仅可检测来自热基板108的辐射，所述辐射从基板支撑件107传导或从灯具102辐射，且所述光学高温计具有从灯具102直接到达光学高温计118的最小背景辐射。某些实施方式中可使用多个高温计，且所述高温计可设置于上圆顶128上方的各个位置。

反射体122可选择性地放置于上圆顶128的外侧，以将从基板108辐射或从基板108传送的红外光反射回基板108。由于所述反射红外光，加热效率将通过包含其他情况下逃离处理腔室100的热而改善。反射体122可由诸如铝或不锈钢的金属而制成。反射体122可具有加工的通道(未图示)，以输运用于冷却反射体122的流动流体，诸如水。若有需要，反射的效率可通过在反射体区域上涂布高反射性涂层(诸如金涂层)而改善。

多个热辐射传感器140(可为高温计或光导管，诸如蓝宝石光导管)可设置于灯头145中以用于测量基板108的热发射。传感器140通常设置于灯头145中的不同位置，以有助于处理时查看基板108的不同位置。利用光导管的实施方式中，传感器140可设置于灯头145下方的腔室主体101的一部分上。检测来自基板108的不同位置的热辐射有助于在基板108的不同位置上的热能含量(thermal energy content)(例如所述温度)的比较，以判断是否存在温度异常或不均匀。这种不均匀性可能造成薄膜结构(诸如厚度及成分)的不均匀性。至少两个传感器140被使用，但可使用两个以上的传感器。不同的实施方式可使用三个、四个、五个、六个、七个，或更多个传感器140。

每个传感器140查看基板108的一个区域，并检测所述基板区域的热状态。所述区域在某些实施方式中可为径向定向。例如，在基板108转动的实施方式中，传感器140可查看，或限定，在基板108中央部分的中央区域，所述中央区域所具有的中心大体上相同于基板108的中心，且一个或更多个区域环绕着所述中央区域，并与所述中央区域同心(concentric)。然而，并不要求所述区域同心且为径向定向。某些实施方式中，区域可以非径向的方式而排列在基板108的不同位置。

传感器140通常设置于灯具102之间，例如在通道149中，且所述传感器通常与基板108大体上垂直地定位。某些实施方式中，传感器140与基板108垂直定位，而在其他实施方式中，传感器140可稍微偏离垂直而定向。离垂直大约5度内的定向角度最常被使用。

传感器140可调至相同的波长或光谱，或调至不同的波长或光谱。例如，用于腔室100中的基板在组成物上可为均质的(homogeneous)，或所述基板可具有不同的组成物区域。利用调至不同波长的传感器140，可允许监控具有不同的组成物及对于热能量不同的发射反应的基板区域。通常，传感器140调至红外波长，例如大约4μm。

控制器180从传感器140接收数据，并基于所述数据而分别调整传递至每个灯具102或独立灯具组或灯具区域的电力。控制器180可包含电源182，所述电源独立地供电给各个灯具或灯具区域。控制器180可由所需的温度分布而配置，且基于比较从传感器140接收的所述数据，控制器180调整灯具和/或灯具区域的电力，以使所观察到的热数据符合所需的温度分布。在腔室性能随着时间而飘移的现象中，控制器180也可调整灯具和/或灯具区域的电力，以使一个基板的热处理与另一个基板的热处理相一致。

尽管以上针对本发明的实施方式，但可在并未背离本发明的基本范畴的情况下设计本发明的其它及进一步的实施方式，且本发明的范围由以下专利申请范围确定。

Claims (18)

1.一种用于半导体处理腔室中的装置，所述装置包括：

正圆柱环状反射性衬里，所述正圆柱环状反射性衬里包括：

外部部件、内部部件，及介于所述外部部件及所述内部部件之间的空间；及

反射性构件，所述反射性构件可移动地设置于所述空间中；

其中第一缝隙设置在介于所述内部部件及所述反射性构件之间，并且第二缝隙设置在介于所述外部部件及所述反射性构件之间。

2.如权利要求1所述的装置，其中所述外部部件及所述内部部件的每一个包括光学透明材料。

3.如权利要求2所述的装置，其中所述光学透明材料是石英。

4.如权利要求1所述的装置，其中所述反射性构件包括二氧化硅、二氧化钛、五氧化二钽，或它们的组合。

5.如权利要求1所述的装置，其中所述反射性构件包括铝、金、银、铂、钨、钽，或它们的组合。

6.如权利要求1所述的装置，其中所述反射性构件是镜面反射体。

7.如权利要求1所述的装置，其中所述反射性构件的厚度介于0.1016mm及1.016mm之间。

8.如权利要求1所述的装置，其中反射性材料设置在定义所述空间的多个表面上。

9.如权利要求8所述的装置，其中所述反射性材料由化学镀工艺形成。

10.如权利要求9所述的装置，其中所述反射性材料为镍材料或银材料。

11.如权利要求1所述的装置，所述装置进一步包括：设置在所述空间中的吸气剂。

12.如权利要求3所述的装置，其中所述外部部分和所述内部部分通过石英焊接耦合。

13.如权利要求1所述的装置，其中反射性构件的切口部分的大小为能够允许基板经由所述切口部分通过。

14.一种处理腔室装置，所述装置包括：

柱状环形反射性衬里组件，所述柱状环形反射性衬里包括：

外部部件和内部部件，其中所述外部部件和所述内部部件是光学透明石英材料；

空间，所述空间介于所述外部部件及所述内部部件之间形成；及

镜面反射性构件，所述镜面反射性构件可移动地设置于所述空间中；其中第一缝隙设置在介于所述内部部件及所述反射性构件之间，并且第二缝隙设置在介于所述外部部件及所述反射性构件之间。

15.如权利要求14所述的装置，其中第一缝隙设置在介于所述内部部件及所述反射性构件之间，及第二缝隙设置在介于所述外部部件及所述反射性构件之间。

16.如权利要求14所述的装置，其中所述反射性构件的厚度介于0.1016mm及1.016mm之间。

17.如权利要求14所述的装置，其中所述反射性构件包括二氧化硅、二氧化钛、五氧化二钽，或它们的组合。

18.如权利要求14所述的装置，其中所述反射性构件包括铝、金、银、铂、钨、钽，或它们的组合。