CN105393339A - 用于半导体处理腔室的吸收反射体 - Google Patents

用于半导体处理腔室的吸收反射体 Download PDF

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Abstract

本公开内容的实施方式大致关于一种用于在热处理腔室中使用的反射体。在一个实施方式中，所述热处理腔室大致包含上圆顶；下圆顶，所述下圆顶与上圆顶相对，上圆顶及下圆顶界定处理腔室的内部空间；基板支撑件，所述基板支撑件设置在内部空间内；以及反射体，所述反射体安置在上圆顶上方并邻近所述上圆顶，其中反射体具有吸热涂层，所述吸热涂层沉积在反射体的面向基板支撑件的侧面上。

Description

用于半导体处理腔室的吸收反射体
背景
技术领域
本公开内容的实施方式大致关于一种用于热处理腔室中使用的反射体。
背景技术
快速热处理(rapidthermalprocessing；RTP)及外延沉积(epitaxialdeposition；epi)系统应用于半导体芯片制造中，以产生、化学改变或者蚀刻半导体基板上的表面结构。RTP及epi系统通常依赖装配到灯头中并指向基板的高强度白炽灯阵列。这些灯是电力供能的，并且可以非常快速地开启和关闭，并且这些灯的辐照的相当大部分可导向基板。因此，可以非常快速地加热基板，而无需实质上加热腔室，并且一旦从灯去除电力，基板可以几乎同样快速地冷却。
热处理腔室可包括上部结构、下部结构、将上部结构连接至下部结构的基座环、设置在上部结构及下部结构之间的旋转基板支撑件、邻近下部结构安置的灯头、邻近上部结构安置的反射体，以及其他部件。一些红外灯位于灯头中。灯被划分为多个区域。每一区域由灯驱动器单独地供电，而灯驱动器又由多输入多输出控制器控制。在处理期间，来自灯的辐射穿过下部结构辐照到放置在基板支撑件上的基板上。以此方式，将基板加热至所需的处理温度。
然而，已经注意到来自灯的辐射可以绕过基板及基板支撑件，并辐照到反射体及和与反射体相关的光测高温计上。来自灯的辐射因此造成对基板的高温测定读数中的误差(也称为噪声)，从而导致不准确的温度测量结果。此外，并非所有传递到灯的电能最终都实际用于加热晶圆。辐射能中的一些被腔室组件所吸收，这使得腔室冷却不当地缓慢，且因此造成更长的步骤变化次数及更缓慢的工艺产出率。
因此，在本领域中需要一种能实现更精确的温度测量及更快的腔室冷却的设备。
发明内容
本公开内容的实施方式大致关于一种用于在热处理腔室中使用的反射体。在一个实施方式中，提供一种用于在热处理腔室中使用的反射体。反射体包括主体，所述主体具有顶表面及与顶表面相对的底表面；吸热涂层，所述吸热涂层沉积在底表面的至少一部分上方；以及冷却通道，所述冷却通道形成在主体中，其中冷却通道具有预定图案并且配置用于穿过主体循环冷却流体。
在另一实施方式中，提供热处理腔室。热处理腔室大致包括上圆顶；下圆顶，所述下圆顶与上圆顶相对，上圆顶及下圆顶界定处理腔室的内部空间；基板支撑件，所述基板支撑件设置在内部体积中；以及反射体，所述反射体安置在上圆顶上方并邻近所述上圆顶，其中反射体具有吸热涂层，所述吸热涂层沉积在反射体的面向基板支撑件的侧面上。
在另一实施方式中，提供一种用于在热处理腔室中使用的反射体。反射体包括主体，所述主体具有顶表面及与顶表面相对的底表面；形成在主体中的一个或更多个冷却通道；以及吸热涂层，所述吸热涂层沉积在底表面的至少一部分上方，其中吸热涂层包括涂层，所述涂层包括聚氨基甲酸酯(polyurethane)材料；以及底漆层，所述底漆层设置在涂层及底表面之间，其中底漆层包括环氧树脂材料。
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公开内容的更具体的说明，而能详细了解上述的本公开内容的特征。然而应注意，附图仅说明本公开内容的典型实施方式，因而不应将这些附图视为限制本公开内容的范围，因为本公开内容可容许其它等效实施方式。
图1是根据本公开内容的实施方式的热处理腔室100的示意性剖视图。
图2A是根据本公开内容的实施方式的图1所示的反射体的示意性剖视图。
图2B是根据本公开内容的实施方式的图2A所示的吸热涂层的放大剖视图。
图3A是反射体的底板的透视底视图，图示光测高温计的可能的布置。
图3B是反射体的透视顶视图，图示放置在反射体的底板上的顶板。
为了助于理解，已尽可能使用相同的附图标记指定各图共有的相同元件。应考虑一个实施方式所公开的元件可有利地并入其它实施方式而无需进一步说明。
实施方式
本公开内容的实施方式大致关于一种用于在热处理腔室中使用的反射体。热处理腔室可包括上圆顶结构、下圆顶结构、连接上圆顶结构至下圆顶结构的基座环、设置在上圆顶结构及下圆顶结构之间的旋转基板支撑件、安置在上圆顶结构上方及邻近所述上圆顶结构的反射体，以及其他部件。反射体可具有大致平坦的主体，所述大致平坦的主体具有底表面及与底表面相对的顶表面。面向基板支撑件的底表面具有设置在所述底表面上的吸收性涂层。吸收性涂层配置用于从基板或腔室组件吸收热辐射。
本文公开的实施方式可以在AppliedRPEPI腔室中实践，所述AppliedRPEPI腔室可从加利福尼亚州圣克拉拉市的应用材料公司购得。可设想的是其他热处理腔室(诸如RTP腔室)或者可从其他制造商购得的任何处理腔室也可受益于本文公开的实施方式。
示例性腔室硬件
图1是根据本公开内容的一个实施方式的热处理腔室100的示意性剖视图。处理腔室100可用于处理一个或更多个基板，包括将材料沉积在基板108的上表面上。处理腔室100可包括辐射加热灯102的阵列，所述辐射加热灯102的阵列用于加热，在其他部件中，设置在处理腔室100内的基板支撑件106的背侧104。在一些实施方式中，辐射加热灯的阵列可替代地或者额外地设置在上圆顶128上方。基板支撑件106可以是如图所示的盘状基板支撑件106，或者可以是环状基板支撑件，所述支撑件自基板边缘支撑基板，以促进将基板暴露至灯102的热辐射。
基板支撑件106位于处理腔室100内，在上圆顶128及下圆顶114之间。上圆顶128、下圆顶114及设置在上圆顶128及下圆顶114之间的基座环136大致界定处理腔室100的内部区域。基板108(未按比例绘制)可以被纳入处理腔室100中，及经由装载口安置到基板支撑件106上。装载口相对于工艺气体供应源172有角度地偏移约90°，并且由图1中所示的基板支撑件106遮蔽。
基板支撑件106图示为处于升高的处理位置，但是可以由致动器(未图示)垂直地横动到低于处理位置的装载位置，以允许升降杆105穿过基板支撑件106及中心轴132中的通孔接触下圆顶114，以及自基板支撑件106抬高基板108。随后机器人(未图示)可进入处理腔室100，以经由装载口103接合基板108及从所述处理腔室100移除基板108。基板支撑件106随后可以向上致动到处理位置，以将基板108放置到基板支撑件106的前侧110上，其中基板108的器件侧116面朝上。
当位于处理位置中时，基板支撑件106将处理腔室100的内部体积划分为在基板上方的工艺气体区域156，及在基板支撑件106下方的净化气体区域158。基板支撑件106在处理期间由中心轴132旋转，以最小化处理腔室100内的热效应及工艺气流的空间异常，及从而促进对基板108的均匀处理。基板支撑件106由中心轴132支撑，这使基板108在装载及卸除期间以及在一些情况下在基板108的处理期间，在上下方向134中移动。基板支撑件106可以由碳化硅或者以碳化硅涂敷的石墨形成，以吸收来自灯102的辐射能并将辐射能传导到基板108。
一般地，上圆顶128的中心窗部分及下圆顶114的底部可以由光学透明材料(诸如，石英)形成，以导引来自灯的辐射，而不会有显著的吸收。在一些情形中，上圆顶128的外围凸缘119及下圆顶114的外围凸缘121可以皆由不透明的石英形成，以保护外围凸缘附近的O形环182、184免于直接地暴露于热辐射，所述上圆顶128的外围凸缘119围绕中心窗部分的周边与中心窗部分啮合，所述下圆顶114的外围凸缘121围绕底部部分的周边与底部部分啮合。
一个或更多个灯(诸如灯102的阵列)可以以指定的、最理想的方式围绕所述中心轴132而设置为靠近下圆顶114及在下圆顶114的下方，以当工艺气体通过时独立地控制基板108的各个区域的温度，从而促进将材料沉积到基板108的上表面上。虽然未在本文中详细地论述，但沉积材料可包括砷化镓、氮化镓，或者氮化铝镓。
灯102可以配置成包括灯泡141，及配置用于将基板108加热到约200摄氏度至约1600摄氏度的范围内的温度。每一个灯102耦接至配电板(未图示)，通过所述配电板将功率供应至每一个灯102。灯102安置在灯头145内，所述灯头145可以在由例如被引入到通道149中的冷却流体在处理期间或在处理之后冷却，所述通道149位于灯102之间。灯头145经传导和辐照方式冷却下圆顶114，部分地由于灯头145毗邻下圆顶114。灯头145也可冷却灯壁及围绕灯的反射体(未图示)的壁。或者，可以通过对流方式冷却下圆顶114。灯头145可以与下圆顶114接触，或者可以不与下圆顶114接触。
环形屏蔽物167可以视情况围绕基板支撑件106设置，以及被衬垫组件163围绕。屏蔽物167防止或最小化来自灯102的热量/光噪声泄漏到基板108的装置侧116，同时提供工艺气体的预热区域。屏蔽物167可以由CVDSiC、用SiC涂敷的烧结石墨、生长SiC、不透明的石英、涂层石英，或者对被工艺气体及净化气体化学分解具有抗性的任何类似的、合适的材料构成。
衬垫组件163尺寸为嵌套在基座环136的内周边内或者由所述内周边围绕。衬垫组件163遮蔽所述处理空间(即，所述工艺气体区域156及净化气体区域158)，以与处理腔室100的金属壁隔离。金属壁可以与前驱物反应并在处理空间中产生污染。虽然衬垫组件163图示为单一主体，但是衬垫组件163可包括一个或更多个衬垫。衬垫组件163及/或屏蔽物167可以从处理腔室100省略。
从工艺气体供应源172供应的工艺气体经由形成在基座环136的侧壁中的工艺气体入口174引入到工艺气体区域156中。工艺气体入口174配置为在与基板支撑件的基板支撑表面平行的大致径向向内方向上导引工艺气体。在薄膜形成工艺期间，基板支撑件106可以位于处理位置中，所述处理位置靠近工艺气体入口174并且处于与所述工艺气体入口174大致相同的高度处，允许工艺气体以层流方式沿着横过基板108的上表面的流径173向上及周围流动。工艺气体经由出气口178(沿着流径175)离开工艺气体区域156，所述出气口178位于处理腔室100的与工艺气体入口174相对的侧面上。工艺气体供应源172可以配置用于供应多种类型的工艺气体，例如第III族前驱物气体及第V族前驱物气体。多种工艺气体可以经由相同的工艺气体入口174或者经由分开的进气口(未图示)引入到处理腔室100中。经由出气口178的工艺气体移除可以由耦接至所述出气口178的真空泵180促进。因为工艺气体入口174及出气口178相互对准，并且大致设置在相同的高度处，因此能实现基板108上各处的大致平坦均匀的气流。
可以经由可选的净化气体入口164(或者经由工艺气体入口174)从净化气源162供应净化气体到净化气体区域158，所述可选的净化气体入口164形成在基座环136的侧壁中。净化气体入口164设置在低于工艺气体入口174的高度处。若使用环形遮蔽物167或预热环(未图示)，则环形遮蔽物或预热环可以设置在工艺气体入口174及净化气体入口164之间。在所述两种情况的任意一种中，净化气体入口164配置用于在大致径向向内方向上导引净化气体。在薄膜形成工艺期间，基板支撑件106可以位于使得净化气流以层流方式沿着横过基板支撑件106的背侧104的流径165向下及周围流动的位置处。不受限于任何特定理论，认为所述净化气体的流动用于防止或者实质上避免工艺气体流进入净化气体区域158，或者用于减少工艺气体扩散进入净化气体区域158(即，基板支撑件106下方的区域)。净化气体(沿着流径166)离开净化气体区域158并且经由出气口178排出处理腔室，所述出气口178位于处理腔室100的与净化气体入口164相对的侧面上。
在净化过程期间，基板支撑件106可以位于升高位置中，以允许净化气体横过基板支撑件106的背侧104横向地流动。图示工艺气体入口、净化气体入口及出气口用于说明性目的。可以调整进气口或出气口等的位置、尺寸或数量，以促进材料在基板108上的均匀沉积。
具有吸收性涂层的反射体
在各种实施方式中，反射体122安置在上圆顶128上方并且邻近上圆顶128。反射体122大致是具有顶表面117及与顶表面117相对的底表面118的板体。如下文将参照图2A论述的，反射体122可以由两个部分组成：顶板216及底板218。或者，两个部分可以整合成一体式主体。反射体122的周缘可以由夹环130支撑，所述夹环130配置用于将上圆顶128固定至基座环136。夹环130相对地设置在基座环136的上方并且通过围绕夹环130设置的紧固插孔(未图示)紧固至处理腔室100。反射体122可以由金属(诸如，铝或不锈钢)构成。
为了改进从灯到待处理的基板的辐射能输送效率，安置反射体以使得从基板108放射出的热辐射中的一些可以被反射回基板108上。在过去，此类反射是通过用高反射性涂层材料(诸如，金)涂敷反射体区域而实现的。然而，已经观察到反射涂层材料将会导致冷却困难，因为在冷却期间释放的热辐射会返回至处理腔室，导致降低产出率。为了提高腔室冷却效率，本发明人已建议用吸热材料涂敷反射体122。吸热材料经选择用于从基板及/或腔室组件吸收所关注的特定波长的热辐射的大部分，同时将辐射的小部分或者可忽略部分重导引回基板108上。通过使反射体122的反射面具吸收性，在冷却期间传递的热辐射可以被反射体122吸收并且因此可以更高效地从处理腔室传递。本文所公开的此公开内容的实施方式将在下文参照图2A更清晰地描述。
图2A是根据本公开内容的实施方式的图1所示的反射体122的示意性剖视图。反射体122可以具有大致圆柱形主体，所述主体具有从主体的外圆周扩张的部分204。反射体122具有沉积在反射体122的整个底表面118上的吸热涂层202。若需要，则吸热涂层202可以仅覆盖底表面118的一部分。例如，吸热涂层202可以覆盖底表面118的约20％到约95％的表面积。在各个实例中，吸热涂层202可以覆盖反射体122的底表面118的约25％、约30％、约40％、约50％、约60％、约70％、约80％、约90％的表面积。吸热涂层202可以具有任何期望的图案，以通过从腔室及/或基板的一个或更多个部件吸收辐射来帮助处理腔室散热。在一些实例中，可以用吸热涂层202涂敷反射体122的整个暴露表面。
吸热涂层202可以是任何能够吸收热辐射的材料。吸热涂层202可以表现出低释气特性(例如，总质量损失小于2％)，同时提供高吸热率性质。吸热涂层202可以是单层或层叠结构(layerstack)。在任意一种情况中，吸热涂层的材料经选择以吸收1微米至4微米波长的热辐射。图2B是根据本公开内容的实施方式的图2A所示的吸热涂层202的放大剖视图。在图2B中所示的一个实施方式中，吸热涂层202是包括底部底漆层203及顶部涂层205的层叠结构。底部底漆层203可以是双组分环氧树脂材料，适用于在底板218的适当制备的铝或不锈钢表面上使用，以提供所需的腐蚀防护。在本公开内容中用作底部底漆层的一种示例性环氧树脂材料是可自位于北卡罗来纳州Cary的洛德公司(LordCorporation)商业购得的9929环氧底漆。
顶部涂层205可以是聚氨基甲酸酯材料以提供所需的吸热率性质。在本公开内容中用作顶部涂层的一种示例性聚氨基甲酸酯材料是可自位于北卡罗来纳州Cary的洛德公司商业购得的Z306涂料。设想也可使用其它的吸热材料，诸如碳黑涂料或含石墨的复合物。本文公开的实施方式并非意在作为本文公开的公开内容的可能实施方式的限制。
吸热涂层202的总厚度“D1”可以在约0.03mm及约0.1mm之间，例如约0.05mm至约0.07mm。吸热涂层202的表面直径“D2”可以在约200mm及约500mm之间，例如约300mm至约400mm。在一个实例中，吸热涂层202具有约350mm的表面直径。吸热涂层202的厚度及表面直径可以取决于反射体122及应用的尺寸而变化。
通过用吸热涂层202涂敷反射体122的底表面118(或者任何暴露于热辐射的表面)，来自基板及/或腔室组件的辐射可以被吸收，而非被反射。而且认为在反射体122处的辐射吸收减少设置在反射体122内的光测高温计206所接收到的噪声。此外，在反射体122上形成吸热涂层将会增加辐射损失及帮助实现处理腔室100的更快的冷却。
反射体122可包括多个光测高温计206。光测高温计206可以嵌入反射体122中及配置用于发射方向向下的聚焦光束207穿过上圆顶(未图示，诸如图1的上圆顶128)及到达基板及基板支撑件的期望区域上。光测高温计206的聚焦光束207适用于通过感测从基板支撑件106或基板108的背侧发射的辐射而测量基板支撑件106及/或基板108的温度。随后基于基板支撑件或基板的表面辐射系数(surfaceemissivity)将高温计读数转换成温度。光测高温计206可以设置在接管(adaptertube)210内。光测高温计206的位置可以设置为具有最小的来自灯102、直接到达光测高温计206的背景辐射。
图3A是反射体122的底板218的透视底视图，图示光测高温计206的可能布置。反射体122的底表面118是面向基板的侧面。开口穿过底板218及沉积在底板218上的吸热涂层202的一部分而形成。开口302表示光测高温计206的示例性位置，并且尺寸为允许聚焦光束穿过开口302。在一个实例中，开口302的直径可以是约5mm至约20mm，例如直径为约10mm至约15mm。图3B是反射体122的透视顶视图，图示放置在反射体122的底板218上的顶板216。底板218可以具有相对大于顶板216的直径。底板218的直径可以是约350mm至约450mm。在一个实例中，底板218的直径为约360mm至约380mm。底板218可以具有大致杯形，以允许顶板216设置在底板218的内周边217上及在内周边217内。当相互组合时，顶板216及底板218界定用于容纳光测高温计206及冷却特征结构(诸如，在图2A中更好地看到的冷却通道208)的空间。本领域技术人员应了解，光测高温计206位置仅用于说明性目的，并且可以取决于光测高温计206及基板/基板支撑件的结构关系而变化。此外，虽然图示四个光测高温计206，但是也可设想更多或更少的光测高温计206。
反射体122也可具有一个或更多个冷却特征结构(诸如冷却通道208)以用于冷却腔室组件。冷却通道208使冷却流体(诸如，水)穿过及围绕反射体122的内体循环。冷却流体可以经由入口210引入到冷却通道208，并且在通道208中循环以经由出口212排出。冷却通道208可以通过斜面(ramp)214连接，所述斜面214允许冷却流体从冷却通道中的一个流动到其他冷却通道。冷却通道208可以沿着反射体122的侧面以任何期望的图案水平地布置，所述图案覆盖反射体122的一部分或整个表面。例如，冷却通道208可以具有大致弯曲的几何形状，诸如蛇形图案等。
冷却流体从反射体122吸收热量，以冷却反射体122或其他腔室组件(诸如，上圆顶128或夹环130)。冷却流体可以对流方式流经反射体122。冷却通道208可以形成为具有约10mm至约30mm的高度“H1”(图2A)，例如约15mm至约20mm。设想冷却通道208的图案和入口210及出口212的布置是用于说明性目的，并且可以取决于热处理腔室的配置而变化。
综上所述，本公开内容的实施方式通过用吸热层涂敷顶部反射体来实现热处理腔室的更快速冷却时间。因此，来自基板及/或腔室组件的热辐射的大部分可以被反射体吸收，而非被反射回基板或腔室组件上。在顶部反射体处的辐射吸收也减少设置在反射体内的光测高温计所接收到的噪声。
尽管以上针对本公开内容的实施方式，但可在并未背离本公开内容的基本范畴的情况下设计本公开内容的其它及进一步的实施方式。且本公开内容的范围由以下专利申请范围确定。

Claims (15)

1.一种用于在热处理腔室中使用的反射体，包括：
主体，所述主体具有顶表面、与所述顶表面相对的底表面、形成在所述主体中的冷却通道；及
吸热涂层，所述吸热涂层沉积在所述底表面的至少一部分上方，其中所述吸热涂层包括涂层，所述涂层包括聚氨基甲酸酯(polyurethane)材料。
2.如权利要求1所述的反射体，其中所述吸热涂层吸收具有1微米至4微米的波长的热辐射。
3.如权利要求1所述的反射体，其中所述吸热涂层进一步包括：
底漆层，所述底漆层设置在所述涂层和所述底表面之间，其中所述底漆层包括环氧树脂材料。
4.如权利要求1所述的反射体，其中所述吸热涂层包括碳或石墨。
5.如权利要求1所述的反射体，其中一个或更多个冷却通道设置成大致弯曲的几何形状，所述几何形状覆盖所述主体的至少一部分。
6.如权利要求1所述的反射体，进一步包括：
光测高温计，所述光测高温计配置用于发射聚焦光束穿过所述吸热涂层。
7.一种热处理腔室，包括：
上圆顶；
下圆顶，所述下圆顶与所述上圆顶相对，所述上圆顶及所述下圆顶界定所述处理腔室的内部空间；
基板支撑件，所述基板支撑件设置在所述内部空间内；及
反射体，所述反射体安置在所述上圆顶上方并邻近所述上圆顶，其中所述反射体具有吸热涂层，所述吸热涂层沉积在所述反射体的面向所述基板支撑件的侧面上。
8.如权利要求7所述的热处理腔室，其中所述吸热涂层吸收具有1微米至4微米的波长的热辐射。
9.如权利要求7所述的热处理腔室，其中所述吸热涂层包括：
底漆层，所述底漆层设置在所述涂层和所述底表面之间，其中所述底漆层包括环氧树脂材料。
10.如权利要求7所述的热处理腔室，其中所述吸热涂层包括碳或石墨。
11.如权利要求7所述的热处理腔室，其中所述吸热涂层具有约0.03mm及约0.1mm的厚度。
12.如权利要求7所述的热处理腔室，其中所述反射体包括顶板及底板，并且所述底板的周缘由夹环支撑，所述夹环固定所述上圆顶。
13.如权利要求12所述的热处理腔室，其中所述反射体进一步具有一个或更多个冷却通道，所述等冷却通道界定在所述顶板及所述底板之间。
14.如权利要求12所述的热处理腔室，其中所述底板的直径是约350mm至约450mm。
15.如权利要求14所述的热处理腔室，进一步包括：
工艺气体入口，所述工艺气体入口配置为在与基板支撑件的基板支撑表面平行的大致径向向内方向上导引工艺气体横过所述基板支撑件的上表面。
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