CN105190851B - 使用顺应性材料进行的圆顶冷却 - Google Patents
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Abstract
本文所述的实施方式大体涉及用于处理基板的设备。该设备大体包括处理腔室，该处理腔室包括灯箱，该灯箱包括多个灯，且定位成与光学透明窗邻近。灯箱内的灯提供辐射能至定位于基板支撑件上的基板。使用灯箱中的冷却通道有助于光学透明窗的温度控制。使用顺应性导体将灯箱热耦接至光学透明窗。这些顺应性导体维持均一的传导长度，而与光学透明窗和灯箱的机械加工公差无关。均一的传导长度促进精确的温度控制。因为顺应性导体的长度是均一的而与腔室部件的机械加工公差无关，所以对不同的处理腔室而言，传导长度是相同的。因此，多个处理腔室之间的温度控制是均匀的，从而减少腔室与腔室间的变化。
Description
发明背景
技术领域
本公开内容的实施方式大体涉及用于加热诸如半导体基板之类的基板的设备。
背景技术
半导体基板经处理以用于各式各样的应用，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将材料例如外延材料沉积于基板表面上。所沉积的膜的质量取决于各种因素，这些因素包括诸如温度之类的处理条件。随着晶体管尺寸缩小，在形成高质量膜方面温度控制变得更为重要。另外地或替代地，在基板上进行沉积之后，所沉积的材料可被热处理例如被退火。沉积或热处理期间一致的温度控制形成工艺与工艺间(process-to-process)的再现性。
然而，用以处理基板的每一个处理腔室与其他腔室都有稍微的变化(variation)，这特别是因每一个腔室的单独部件的机械加工(machining)公差(tolerance)所致。因此，每一个单独的腔室在热工艺期间具有不同的特性例如不同的冷却速率或腔室热点(hotspot)，这造成在不同腔室中被处理的基板具有不同的性质(例如腔室与腔室间的(chamber-to-chamber)变化)。不同腔室所处理的基板之间的变化随着晶体管器件缩小而被放大。因此，即使所有的腔室都使用相同的处理配方(recipe)，第一腔室所处理的基板也会与其他腔室所处理的基板具有不同的性质。
因此，存在对于一种减少受处理基板的腔室与腔室间变化的设备的需要。
发明内容
本文所述的实施方式大体涉及用于处理基板的设备。该设备大体包括处理腔室，该处理腔室包括灯箱(lamp housing)，该灯箱包括多盏灯，且定位成与光学透明窗邻近。灯箱内的灯提供辐射能至定位于基板支撑件上的基板。使用灯箱内的冷却通道有助于光学透明窗的温度控制。灯箱使用顺应性(compliant)导体热耦接至光学透明窗。这些顺应性导体保持均一的传导长度，而与光学透明窗和灯箱的机械加工公差无关。均一的传导长度促进精确的温度控制。因为顺应性导体的长度是均一的，而与腔室部件的机械加工公差无关，所以对不同的处理腔室而言，传导长度是相同的。因此，多个处理腔室之间的温度控制是均匀的，从而减少腔室与腔室间的变化。
在一个实施方式中，一种处理腔室包括腔室主体，该腔室主体包括光学透明窗与灯箱，该灯箱设置成与该光学透明窗邻近。该光学透明窗与该灯箱之间有间隙，且一个或多个冷却通道设置在该灯箱中。多个顺应性导体设置在该灯箱与透明窗之间的该间隙中。这些顺应性导体与该灯箱和透明窗接触。
在另一实施方式中，一种处理腔室包括腔室主体，该腔室主体包括光学透明窗以及灯箱，该灯箱设置成与该光学透明窗邻近。该光学透明窗与该灯箱之间有间隙。一个或多个冷却通道设置在该灯箱中。该处理腔室还包括多个顺应性导体，这些顺应性导体设置在该灯箱与透明窗之间的该间隙中，且与该灯箱和透明窗接触。这些顺应性导体可包括网状物(mesh)或羊毛状物(wool)。
在另一实施方式中，一种处理腔室包括腔室主体，该腔室主体包括光学透明窗以及灯箱，该灯箱设置成与该光学透明窗邻近。该光学透明窗与该灯箱之间包括间隙。一个或多个冷却通道设置在该灯箱中。该处理腔室还包括多个顺应性导体，这些顺应性导体设置在该灯箱与透明窗之间的该间隙中，且与该灯箱和透明窗接触。这些顺应性导体包括涂层，该涂层在这些顺应性导体与该透明窗接触的一端上。
附图说明
因此，以能详细理解本公开内容的上述特征的方式，通过参考实施方式可获得于上文简要概述的本公开内容的更具体的描述，一些实施方式图示于附图中。然而，应注意的是附图仅图示本公开内容的典型实施方式，因而不应将这些附图视为对本公开内容的范围的限制，因为本公开内容可容许其他等效实施方式。
图1是根据本公开内容的一个实施方式的处理腔室的示意剖面视图。
图2是图1的放大的部分视图，该视图图示顺应性导体。
图3是根据本公开内容的一个实施方式的灯箱的部分剖面示意图。
图4A至图4D图示根据本公开内容的其他实施方式的顺应性导体。
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相同元件。应预期，一个实施方式的元件与特征可有益地并入其他实施方式中，而无需进一步叙述。
具体实施方式
本文所述的实施方式大体涉及用于处理基板的设备。该设备大体包括处理腔室，该处理腔室包括灯箱，该灯箱包括多盏灯，且定位成与光学透明窗邻近。灯箱内的灯提供辐射能至定位于基板支撑件上的基板。使用灯箱内的冷却通道有助于光学透明窗的温度控制。使用顺应性导体将灯箱热耦接至光学透明窗。这些顺应性导体保持均一的传导长度，而与光学透明窗和灯箱的机械加工公差无关。均一的传导长度促进精确的温度控制。因为顺应性导体的长度是均一的，而与腔室部件的机械加工公差无关，所以对不同的处理腔室而言，传导长度是相同的。因此，多个处理腔室之间的温度控制是均匀的，从而减少腔室与腔室间的变化。
图1是根据本公开内容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，包括沉积材料于基板的上表面上。该处理腔室100包括腔室主体101、上窗102，该上窗诸如是圆顶，且由诸如不锈钢、铝、陶瓷(例如石英)、或涂布的金属或陶瓷之类的材料所形成。处理腔室100还包括下窗104，该下窗104诸如是圆顶，且由诸如石英之类的光学透明材料所形成。下窗104耦接至腔室主体101，或者是腔室主体101的构成整体的组成部分(integral part)。基板支撑件106适于支撑基板108于该基板支撑件106上，该基板支撑件106设置在该处理腔室100内且介于上窗102与下窗104之间。基板支撑件106耦接至支撑板109且在基板支撑件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，以使来自灯142的辐射能得以照射(impinge)在基板支撑件106上并且将基板支撑件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所形成，以吸收来自灯142的辐射能且将该辐射能传递到基板108。
图中显示基板支撑件106处于升高的处理位置，但该基板支撑件106可被致动器112竖直致动至处理位置下方的装载位置，以使升降杆110得以接触下窗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)且将基板108从处理腔室100移除。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(purge gas)区域118。当基板支撑件106位于处理位置时，该处理气体区域116包括位于上窗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包括位于下窗104与该平面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，该净化气体入口124形成于腔室主体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，且从净化气体区域118通过净化气体出口128排出，该净化气体出口128位于处理腔室100的对侧上(与该净化气体入口124相对之侧)。耦接至净化气体出口128的排气泵130有助于从净化气体区域118移除净化气体。
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，该处理气体入口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。该处理气体通过处理气体出口138离开处理气体区域116，该处理气体出口138位于处理腔室100的对侧上(与该处理气体入口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被设置成邻近下窗104且在该下窗104下方，以当处理气体从基板108之上通过时加热该基板108，以助于将材料沉积至基板108的上表面上。灯142被定位在灯箱150中，该灯箱150是由例如铜、铝、或不锈钢形成的。这些灯包括灯泡141，这些灯泡141被视情况任选的反射体143所围绕。每一盏灯142都被耦接至电力分配板147，借助该电力分配板147将电力供应至每一盏灯142。这些灯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下窗104间隔开的走向(orientation)，以在该灯箱150的上表面与下窗104之间形成间隙151。在一个实例中，间隙151可以是约0.5毫米至约10毫米或更大。在一个实例中，间隙151是约6毫米。热能从下窗104借助顺应性导体154被传递到灯箱150，这些顺应性导体154定位在间隙151内。虽然图示十个顺应性导体154，但预期可利用超过十个顺应性导体154。顺应性导体154助于将热从下窗104移除，此举通过减少从下窗104到基板108的热辐射、传导、与对流而进一步增加基板108的冷却速率。冷却通道149将热从灯箱150移除，以助于灯箱150与下窗104的冷却。
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的表面上。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。例如，被沉积的材料可包括砷化镓、氮化镓、或氮化铝镓(aluminum gallium nitride)。这些灯可适于将该基板加热至在约300摄氏度至约1200摄氏度范围内的温度，诸如约300摄氏度至约950摄氏度。
尽管图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。举例而言，在另一个实施方式中，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。在又一个实施方式中，预期可将视情况任选的圆形屏蔽件139设置在基板支撑件106周围且耦接至腔室主体101的侧壁。在另一个实施方式中，处理气体供应源132可适于供应多种类型的处理气体，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。
在另一个实施方式中，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，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。在另一个实施方式中，基板支撑件可以是三个或更多个销支撑件，这些销支撑件提供极微的(minimal)传导式冷却。
图2是图1的放大的部分视图，该图图示顺应性导体154。在图2所示的实施方式中，顺应性导体154具有“锯齿形(zig-zag)”或“蛇形(serpentine)”形状。顺应性导体154定位在下窗104的下表面104a与灯箱150的上表面150a之间，并且与下窗104的下表面104a与灯箱150的上表面150a接触。灯箱150由诸如不锈钢或铜之类的金属形成，且可使用现代机械加工技术(诸如计算机数值控制(CNC)机械加工)来形成以达到相对精确的公差。因此，上表面150a相对地平坦。与此相比，下窗104的下表面104a不能被生产达到如灯箱150般精确的公差，这是因为要对建构下窗104的材料进行机械加工有许多困难。在一个实例中，下表面104a可具有1毫米那么多的平整度差异(difference)，从而造成间隙151的高度沿着下窗104的长度有所变化。间隙151高度的差异可影响下窗104与灯箱150之间不同位置处的热传递，这主要是由于横跨间隙151的传导长度路径差异所致。
为了助于更均匀的热传递，顺应性导体154定位在下窗104与灯箱150之间。顺应性导体与下窗104的下表面104a和灯箱150的上表面150a实体接触。顺应性导体154通过与对流或辐射不同的传导把热能从下窗104传递到灯箱150，若不然，该对流或辐射在顺应性导体154不存在的情况下会发生。虽然即使在顺应性导体154存在的情况下仍可能发生一些对流或辐射热传递，但相较于顺应性导体所促进的传导热传递，对流或辐射热传递小了好几个数量级，且因此大体上可忽略。在一个实例中，顺应性导体154由铜形成，且具有约40％的体积密度，且该间隙151是以氦填充(fill)。在这样的实例中，因顺应性导体154缘故所致的热传递大于因对流或辐射缘故所致的热传递的100倍。顺应性导体154的相对大的热传递至少部分地是由于顺应性导体154相较于间隙151中的气体更高的导热率所致。
顺应性导体154是由顺应性材料形成，且在间隙151各处具有实质上相同的传导长度，而与下窗104的下表面104a的机械加工公差无关。顺应性导体154的“锯齿形”或“蛇形”形状使顺应性导体154得以扩张(expand)且收缩(contract)，以维持该顺应性导体154与下窗104及灯箱150接触。如图2中所图示，所图示的顺应性导体154两者都具有相同的总传导路径，然而图中显示顺应性导体154处于不同的扩张状态，以便接触下窗104与灯箱150二者。由于顺应性导体154大体上固定地附接至灯箱150且扩张以接触下窗104，所以顺应性导体154的不同扩张状态由下表面104a平整度的缺乏来确定(dictate)。但是，无论顺应性导体154的扩张状态如何，顺应性导体154的传导路径长度维持恒定。因此，从下窗104到灯箱150的热传递遍及间隙151的所有位置处都是一致的，而与间隙151的尺寸变化无关。而且，传导路径在腔室与腔室间都是一致的，而与个别腔室的腔室部件的机械加工差异无关。
顺应性导体154由具有高导热率的材料形成，该材料包括金属与陶瓷，所述金属诸如是不锈钢、镍、铜、铁、因康镍合金(inconel)、铝、或前述各项的组合，而所述陶瓷诸如是氧化铝(alumina)、氧化镁(magnesia)、氮化铝、氧化锆(zirconia)、二氧化硅(silica)、与前述各项的组合。顺应性导体154也视情况任选地包括涂层155，该涂层155至少在邻近下窗104的下表面104a的部分上。涂层155减少由于与顺应性导体154的接触所致的不期望的下窗刮伤(scratching)或损伤(marring)。涂层155可包含玻璃碳、石墨、氮化硼、或云母。预期，在一些实施方式中可省略涂层155。在这样的实施方式中，可施加润滑剂至下窗104或顺应性导体154，以减少下窗104的刮伤或损伤，该润滑剂诸如为石墨、六方(hexagonal)氮化硼、或二硫化钼。顺应性导体154大体上例如通过铜焊(brazing)或焊接(welding)被固定式附接至灯箱150。包含陶瓷的顺应性导体154的粘合可使用粘合剂完成，该粘合剂包括硅酸钠、硅酸铵、磷酸铝、磷酸锌、或其他纳米分散悬浮物。
图3是根据本公开内容的一个实施方式的灯箱150的部分剖面示意图。上表面150a包括形成于该上表面150a中的诸如开口362之类的特征。这些开口362使来自灯142的辐射能得以穿过上表面150a，以照射在基板或基板支撑件上。开口362设置在每一盏灯142上方。在多列开口362之间，顺应性导体154耦接至上表面150a。顺应性导体154定位成使得来自灯142的辐射能不被顺应性导体154阻挡。顺应性导体154排列成多个环状列，但也可预期另外的分布。此外，预期间距与密度(每单位面积的顺应性导体154)也可经调整以助于从下窗至灯箱150有预定量的热传递。在一个实例中，顺应性导体154可覆盖约40％的上表面150a。在另一个实例中，顺应性导体可具有约2毫米至约3毫米的间距。
图4A至图4D图示根据本公开内容的其他实施方式的顺应性导体。图4A图示由羊毛状物形成的顺应性导体454a。该羊毛状物可包含上文讨论的金属或陶瓷材料的任何一种。该顺应性导体454a可视情况任选地包括该顺应性导体454a上的涂层(为清楚起见未图示)，以用于减少下窗的刮伤，该涂层诸如是关于图2所讨论的涂层155。顺应性导体454a可用分立的(discrete)缀片(patch)或条带(strip)耦接至灯箱。
图4B图示顺应性导体454b。该顺应性导体454b是线网状物(wire mesh)。该线网状物可包含上文讨论的金属或陶瓷材料的任何一种。该顺应性导体454b可视情况任选地包括该顺应性导体454b上的涂层(为清楚起见未图示)，以用于减少下窗的刮伤，该涂层诸如是关于图2所讨论的涂层155。顺应性导体454b可用分立的缀片或条带耦接至灯箱。
图4C图示顺应性导体454c。该顺应性导体454c形成为螺旋形状，且可以是例如由上文讨论的金属所形成的弹簧。涂层155设置在该顺应性导体454c适于接触下窗的一端上。图4D图示具有S形状的顺应性导体454d。该顺应性导体454d也包括涂层155，该涂层155设置在该顺应性导体454d适于接触下窗的一端上。
图4A至图4D图示根据本公开内容的一些实施方式的顺应性导体，然而也可预期用于顺应性导体的另外的形状。另外的形状也包括金属锁子甲(chainmail)或絮状物(batting)、发泡金属箔、折叠的金属箔叶片、以及相连的金属箔管。在另一个实施方式中，预期顺应性导体可由任何足以耐受所期望的处理温度的材料形成，该所期望的处理温度诸如为约300摄氏度至约400摄氏度或更高。在另一个实施方式中，涂层155可包含硅氧烷聚合物、聚酰亚胺、或聚四氟乙烯。
在另一个实施方式中，预期可用一种或多种流体或类流体(near-fluid)浸渍或涂布诸如顺应性导体454a与454b之类的顺应性导体，以助于增加热传递，该类流体诸如是蜡、油脂、和/或顺应性聚合物。在这样的实施方式中，预期顺应性导体的孔隙度与表面张力可助于将流体或类流体限制在处理腔室的非期望区域中。顺应性聚合物的一个实例可包括硅酮(silicone)橡胶或填充的硅酮。填充的硅酮例如可包含诸如金属片(flake)之类的热传导材料的颗粒，以增加热传递。在一个实施方式中，硅橡胶可具有约1.3W/mΩk的导热率。
本文所述的实施方式的益处包括均匀地冷却腔室部件，而与腔室部件的机械加工公差无关。因此，腔室与腔室间的温度控制更为均匀，结果是在不同腔室中处理的基板的更均一的性质。
虽然前述内容针对本公开内容的实施方式，但在不背离本发明的基本范围的情况下可设计本公开内容的其他与进一步的实施方式，这些实施方式的范围由随后的权利要求书确定。
Claims (16)
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，且一个或多个冷却通道设置在所述灯箱中；及
多个顺应性导体，所述多个顺应性导体设置在所述灯箱与透明窗之间的所述间隙中，且与所述灯箱和透明窗接触。
2.如权利要求1所述的处理腔室，其中每一个所述顺应性导体都具有实质上相等的长度。
3.如权利要求1所述的处理腔室，其中每一个所述顺应性导体都包括每一个所述顺应性导体上的涂层。
4.如权利要求3所述的处理腔室，其中所述涂层包含玻璃碳、石墨、氮化硼、或云母。
5.如权利要求1所述的处理腔室，其中所述顺应性导体包含陶瓷。
6.如权利要求5所述的处理腔室，其中所述陶瓷包含氧化铝、氧化镁、氮化铝、氧化锆、二氧化硅、或上述各项的组合。
7.如权利要求1所述的处理腔室，其中所述顺应性导体包含金属，其中所述金属包含不锈钢、镍、铜、铁、因康镍合金、铝、或上述各项的组合，且其中所述顺应性导体被焊接至所述灯箱。
8.如权利要求7所述的处理腔室，其中所述顺应性导体被铜焊至所述灯箱。
9.如权利要求1所述的处理腔室，其中所述顺应性导体是包含金属或陶瓷的网状物或羊毛状物。
10.如权利要求1所述的处理腔室，其中所述顺应性导体具有蛇形形状。
11.如权利要求1所述的处理腔室，其中所述顺应性导体形成为螺旋线圈形状。
12.一种处理腔室，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，且一个或多个冷却通道设置在所述灯箱中；及
多个顺应性导体，所述多个顺应性导体设置在所述灯箱与透明窗之间的所述间隙中，且与所述灯箱和透明窗接触，所述顺应性导体包括网状物或羊毛状物。
13.如权利要求12所述的处理腔室，其中用材料浸渍所述网状物或羊毛状物以增加热传递。
14.如权利要求13所述的处理腔室，其中所述浸渍材料包括蜡、油脂、或顺应性聚合物。
15.如权利要求14所述的处理腔室，其中所述浸渍材料是硅酮，其中所述硅酮包含嵌在所述硅酮中的颗粒，其中所述颗粒包括金属片(flake)，且其中所述网状物或羊毛状物包含金属或陶瓷。
16.一种处理腔室，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，且一个或多个冷却通道设置在所述灯箱中；及
多个顺应性导体，所述多个顺应性导体设置在所述灯箱与透明窗之间的所述间隙中，且与所述灯箱和透明窗接触，其中所述顺应性导体包括涂层，所述涂层在所述顺应性导体与所述透明窗接触的一端上。
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