CN106463450A - 在epi腔室中的基板热控制 - Google Patents

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Abstract

在一个实施方式中，提供用于热处理腔室的底座。该底座包含基座，该基座具有前侧及后侧，该后侧相对于该前侧且由热传导材料制成，其中该基座包含周边区域，该周边区域围绕凹陷区，该凹陷区厚度小于该周边区域的厚度；以及多个突起特征结构，该多个突起特征由该前侧及该后侧中的一者或两者突出。

Description

在EPI腔室中的基板热控制
技术领域
本文所公开的实施方式一般地涉及用于半导体基板的热处理的底座，并且尤其是，涉及具有于处理期间改善跨基板的热均匀性的特征的底座。
背景技术
对半导体基板进行处理以适用于广泛多样的应用，包含集成器件及微型器件的制造。一种处理基板的方法包含，于基板的上表面上沉积材料，例如介电材料或导电金属。外延(epitaxy)为一种用于在处理腔室中的基板表面上生长薄的、超纯的层的沉积工艺，所述层通常为硅或锗。外延工艺能够通过维持处理腔室内高度均匀的工艺条件，诸如温度、压力及流速产生上述品质的层。在基板上表面附近的区域中维持高度均匀的工艺条件对于产生高品质层而言是必要的。
通常在外延工艺中使用底座，以支撑基板及加热基板至高度均匀的温度。底座通常具有用以由下方绕基板边缘支撑基板的浅盘或碟状上表面，同时留下基板剩下的下表面及底座的上表面之间的小空隙。精确控制加热源，例如设置于底座下方的多个加热照射器允许在非常严格的公差(tolerance)范围内加热底座。接着，被加热的底座可主要通过底座所发射的辐射来传送热至基板。
尽管在外延中精确控制加热基板，跨基板上表面的温度不均匀持续，经常使得基板上沉积的层的品质降低。已经观察到靠近基板边缘以及覆于更靠近基板中央的区域的非期望的温度分布(profile)。因此，半导体处理中，存在对于经改良的用于支撑及加热基板的底座的需要。
发明内容
在一个实施方式中，提供用于热处理腔室的底座。该底座包含基座，该基座具有前侧及后侧，该后侧相对于该前侧且由热传导材料制成，其中该基座包含周边区域，该周边区域围绕凹陷区，该凹陷区的厚度小于该周边区域的厚度；以及多个突起特征结构，该多个突起特征结构由该前侧及该后侧中的一者或两者突出。
在另一实施方式中，提供用于热处理腔室的底座。该底座包含基座，该基座由热传导材料制成且具有前侧及相对于该前侧的后侧。该基座进一步包含周边区域，该周边区域围绕凹陷区，该凹陷区厚度小于该周边区域的厚度；以及多个突起特征结构，该多个突起特征结构由该前侧及该后侧中的一者或两者突出。该底座也包含环，该环由热传导材料制成，其中该周边区域具有插入区域，用以接收该环。
在另一实施方式中，提供用于热处理腔室的底座。该底座包含基座，该基座具有前侧及后侧，该后侧相对于该前侧且由热传导材料制成。该基座包含周边区域，该周边区域围绕凹陷区，该凹陷区厚度小于该周边区域的厚度。该底座也包含环，该环由热传导材料制成且具有倾斜表面，在该环的内圆周上形成该倾斜表面以便于将该环上的基板置中，其中该周边区域具有插入区域，用以接收该环。
附图说明
以上简要概述的上述公开的实施方式的详述特征可以被详细理解的方式、以及更具体的描述，可通过参照以下的实施方式来获得，实施方式中的一些实施方式绘示于附图中。然而，应当注意，附图仅绘示出典型的实施方式，因而不应视为对本公开范围的限制，从而排除其它等同有效的实施方式。
图1根据一个实施方式图示处理腔室的示意性截面图。
图2A为根据一个实施方式的可使用于图1的处理腔室中的底座的透视图。
图2B为图2A的底座的俯视图。
图2C为图2B的底座的局部截面图。
图3A及图3B为根据另一实施方式的底座的等距图。
图4A为示出底座及圆形屏蔽件的一个实施方式的俯视截面图。
图4B示出底座及圆形屏蔽件的另一实施方式。
图5为底座的另一实施方式背侧的平面图。
图6A至图6C为底座的另一实施方式的多个图。
图7为底座的另一实施方式的侧截面图。
为了便于理解，尽可能使用了相同数字符号，以标示附图中共通的相同元件。考虑到，一个实施方式中所公开的元件在没有特定描述的情况下可有益地运用于其它实施方式中。
具体实施方式
所公开的实施方式一般地涉及用于半导体基板的热处理的底座。所公开的实施方式可通过在处理期间降低底座及基板之间的接触表面面积改善跨基板表面的热均匀性。减少底座及基板之间接触表面面积，这降低在处理期间通过传导由底座传送至基板的热的总量。以下描述可降低基板及底座之间的接触表面面积的一些结构的实施方式。
图1为根据一个实施方式的处理腔室100的示意性截面图。底座106位于处理腔室100内介于上圆顶128及下圆顶114之间。可使用处理腔室100，以处理一个或更多个基板，包含于基板108的上表面上的材料沉积。处理腔室100可包含用于加热的辐射加热照射器102的阵列，在其它一些部件之中，底座106的背侧104设置于处理腔室100内。在一些实施方式中，可设置辐射加热照射器的阵列覆盖于上圆顶128。
上圆顶128、下圆顶114、及设置于上圆顶128及下圆顶114之间的基座环136大体界定出处理腔室100的内区域。可将基板108(未按比例绘制)带入处理腔室100且经由装载口103放置于底座106上。示出底座106由中央轴件132支撑于升高的处理位置处。然而，可由致动器(未图示)垂直地来回移动(traverse)底座106至处理位置下方的装载位置。在一个实施方式中，降低中央轴件132上的底座106，这使得升降销105能够接触下圆顶114。穿过底座106中的孔的升降销105由底座106升高基板108。接着，机械手(未图示)可进入处理腔室100以接合并经由装载口103自处理腔室100移除基板108。接着可以以装置侧116面向上致动底座106往上至处理位置以放置基板108于底座106的前侧110上。可由基板支撑件190支撑底座106。基板支撑件190包含至少三个支撑臂192(仅示出两个)。
在位于处理位置时，底座106将处理腔室100的内体积分割成基板上方的工艺气体区域156及底座106下方的净化气体区域158。底座106在处理期间可由中央轴件132旋转。可使用该旋转以最小化处理腔室100内的热异常效应及工艺气体流动的空间异常效应，且因而促进基板108的均匀处理。底座106由中央轴件132所支撑，中央轴件132如上述在装载及卸载期间将基板108于往上及往下的方向134移动。在一些实施方式中，在处理基板108期间可于往上及往下方向移动底座106。
底座106可由碳化硅或涂碳化硅的石墨形成，以吸收来自照射器102的辐射能量且传导该辐射能量至基板108。一般而言，上圆顶128的中央窗部部分及下圆顶114的底部由光学透明的材料形成，诸如石英。在相关于图2A的下文更详细讨论时，上圆顶128的厚度及曲度可根据本公开内容构造，用以为处理腔室中更平坦的几何形状提供统一的流动均匀性。
照射器102可经构造以包含灯泡141且被构造成阵列。可使用照射器102以加热基板108至约200摄氏度至约1600摄氏度的范围内的温度。光学高温计118可用于对基板108的温度测量/控制。各照射器102耦接至功率分布板(未图示)，功率经由该功率分布板供应至各照射器102。照射器102可被包含于照射器头145内。在处理期间或处理之后，可通过例如导入位于照射器102之间的通道149的冷却流体来冷却照射器头145。照射器头145可传导地及辐射地冷却下圆顶104，部分归因于照射器头145至下圆顶104靠近的接近度。照射器头145也可冷却照射器壁及绕照射器的反射器107壁。可替代地，下圆顶104可以对流方式冷却。依应用而定，照射器102可以与或不与下圆顶114接触。
经由形成于基座环136的侧壁中的工艺气体入口174，将工艺气体供应来源172所供应的工艺气体导入处理气体区域156。工艺气体入口174经构造以在大体径向向内的方向引导工艺气体。在薄膜形成工艺期间，底座106可位于处理位置中，该处理位置相邻于工艺气体入口174且与工艺气体入口174处于约相同升高位置。该位置允许工艺气体以层流方式沿着流动路径173流动跨过基板108的上表面。工艺气体(沿着流动路径175)经由气体出口178离开工艺气体区域156，气体出口178位于处理腔室100的侧面上且相对于工艺气体入口174。可由耦接至气体出口178的真空泵180来促进经由气体出口178工艺气体的去除。在处理期间，可以通过基板108的旋转提供径向沉积均匀性。可以特定、最佳的期望方式绕中央轴件132设置照射器102相邻于下圆顶114且位于下圆顶114的下方，以在工艺气体通过时独立地控制基板108的多个区域处的温度，因而便于在基板108的上表面上沉积材料。虽然未于此详细讨论，但所沉积材料可包含砷化镓、氮化镓或氮化铝镓。
可以可选地围绕底座106设置环形屏蔽件167或预先加热环。底座106也可由衬垫组件163围绕。屏蔽件167防止或最小化由照射器102至基板108的装置侧116的热/光干扰的漏损，同时为工艺气体提供预先加热区域。衬垫组件163屏蔽处理区域(即，工艺气体区域156及净化气体区域158)而阻隔处理腔室100的金属壁。金属壁可与前驱物反应并且引起处理体积中的污染。屏蔽件167和/或衬垫组件163可由以下材料制成：CVD SiC、涂SiC的烧结石墨、长成的SiC、不透明石英、涂覆石英、或对工艺及净化气体的化学分解有抵抗的任何相似的、合适的材料。
可选地可放置反射器122于上圆顶128外部，以反射辐射离开基板108的红外光回到基板108上。可使用夹环130将反射器122固定至上圆顶128。反射器122可由金属制成，例如铝或不锈钢。可通过采用高反射性涂料涂覆反射区来提高反射器的效率。反射器122可具有一个或更多个通道126，用以连接至冷却来源(未图示)。通道126连接至形成于反射器122的侧面上的通路(未图示)。该通路被构造以载送诸如水之类的流体的流动，且可沿着反射器122的侧面以覆盖反射器122的部分或整个表面的任何期望图案水平地运载(run)，以冷却反射器122。
根据一个实施方式，图2A为可如图1所示的底座106那样使用的底座200的透视图。图2B为图2A的底座200的俯视图，且图2C为图2B的底座200的部分截面图。
底座200包含基座205及安置于基座205上的环210。升降销孔215也在基座中形成。基座205及环210可由相似或不同的材料制成。该材料包含沉积SiC、涂SiC的烧结石墨、长成的SiC、不透明石英、涂覆石英、或对工艺及净化气体的化学分解有抵抗的任何相似的、合适的材料。环210也包含可用以支撑基板(未图示)边缘的倾斜表面230。基座205包含围绕凹陷区212的周边区域208。如图2C中所示，周边区域208的厚度大于凹陷区212的厚度。
在操作中，与基板接触仅产生于环210的一些部分与基座205之间，这提供环210与基座205之间最小的热传导。环210降低基板及底座200的基座205之间的接触表面面积，而降低由底座200进入基板边缘的热传导。也可在基座205及环210之间形成间隙220以最小化基座205及环210之间的接触。若环210为与基座205不同的材料，也可使用间隙220以补偿不同材料之间的热膨胀差异。可于环210的内圆周上形成倾斜表面230，以便于将基板置中。此外，可在环210与基座205之间提供可选的间隙240(在图2C中展示)。可选地或附加地，基座205可具有形成于基座205中的通风孔235(图2C中仅示出一个)。基座205也可包含阶梯形区域245。阶梯形区域245可包含倾斜表面250及肩部区域255中的一者或两者。阶梯形区域245于周边区域208的表面260及凹陷区212之间转换。环210也可包含阶梯形区域265。阶梯形区域265可包含沿周边边缘区域272的凹陷表面270，周边边缘区域272转换至内环区域275。周边边缘区域272的厚度小于内环区域275的厚度。环210也包含与基座205的周边区域208的表面260实质共面的表面280。
图3A和图3B为根据另一实施方式的底座300的等距图。图3A示出基座305的前侧312(基板接收侧)，而图3B示出基座305的背侧314。可如图1中所示的底座106那样使用底座300。底座300包含基座305及在基座305之中央区的凹陷区308。基座305可由沉积SiC、涂SiC的烧结石墨、长成的SiC、不透明石英、涂覆石英、或对工艺及净化气体的化学分解有抵抗的任何相似的、合适的材料制成。
前侧312可包含多个突起特征结构，示出为由基座305延伸的径向定向的突出物310，突出物310可为肋条。突出物310的上表面为基板(未图示)提供支撑表面，使得该基板被放置而与凹陷留出突出物310的厚度的间隔。突出物310减小基板与底座300之间的接触表面面积。突出物310可增加用于热损耗(辐射)的表面面积，且可降低由底座300进入基板边缘的热传导。
示出于图3B中的基座305的背侧可包含突起部分315，突起部分315可为散热片(fins)。突起部分315可为弧形、突起结构，并且被同心地放置于基座305上。在一个实施方式中，突起部分315包括同心弧形段。突起部分315增加基座305的表面面积，这样可用来增加至基座305的热能量的吸收。可在基座305的背侧中形成支撑界面结构320，支撑界面结构320与图1中所示的基板支撑件190的支撑臂192接合(interface)。可选地或附加地，可修饰基座305的表面，例如，周边表面325及突起部分315内部的中央表面330，以改变热能量的吸收。例如，可个别地粗糙化或平滑化表面325及330，用以增加表面面积或减少表面面积。在一个实施方式中，可粗糙化中央表面330至一程度，该程度高于周边表面325的粗糙度，以增加相对于基座305边缘的基座305中央的热能量吸收。
图3C示出底座300的背侧314的另一实施方式。在该实施方式中，背侧314包含由基座305的表面330延伸的径向散热片335。表面325、330粗糙化也可增加来自置于底座300上的基板(未图示)的热传导。
图4A为示出底座400A及设置于基座环136内的圆形屏蔽件167A的一个实施方式的俯视平面图。底座400A可与图3A及图3B中所示的底座300相似，但是也可使用其它底座，例如于图2A至图2C中所示的底座200。底座400A包含直径405，可以稍微大于基板(未图示)的直径来定直径415的大小。圆形屏蔽件167A可包含稍微大于直径405的宽度410。
图4B为示出底座400B及设置于基座环136内的圆形屏蔽件167B的另一实施方式的俯视平面图。底座400B可与图3A及图3B中所示的底座300相似，但是也可使用其它底座，例如于图2A至图2C所示中的底座200。在该实施方式中，底座400B表面面积大于图4A中所示的底座400A的表面面积。底座400B包含直径415，可以稍微大于基板(未图示)的直径来定直径415的大小。然而，直径415大于图4A的底座400A的直径405。圆形屏蔽件167B可包含稍微大于直径415的宽度420。然而，宽度420小于图4A的圆形屏蔽件167A的宽度410。底座400B提供更多表面面积，更多表面面积可经由传导增加热损耗，因而降低置于底座400B上的基板(未图示)边缘处的温度。
图5为底座500的另一实施方式的背侧314的平面图。可如图1中所示的底座106那样使用底座500。底座500可由沉积SiC、涂SiC的烧结石墨、长成的SiC、不透明石英、涂覆石英、或对工艺及净化气体的化学分解有抵抗的任何相似的、合适的材料制成。根据该实施方式，在底座500中形成多个弧形通道505。弧形通道505可包含形成于底座500的表面515中的凹陷(depression)510，这样最小化底座500边缘处的质量。弧形通道505可改善底座500边缘处的热损耗。如所示，可在底座500的背侧314中形成弧形通道505。可替代地，可在底座500的前侧中形成弧形通道505(即，面对或接触基板的底座(未图示)的侧面)。
图6A至图6C为底座600的前侧的另一实施方式的多个图。底座600包含基座615及与基座615接合的环605。基座615也包含多个孔610。基座615及环605可由相似或不同的材料制成，例如沉积SiC、涂SiC的烧结石墨、长成的SiC、不透明石英、涂覆石英、或对工艺及净化气体的化学分解有抵抗的任何相似的、合适的材料。孔610的数量可为约3及约120之间，且可在基座615上均匀地间隔。环605可包含被构造以支撑基板(未图示)的内周边唇部620。环605也可包含与基座615的插入区域630接合的外周边边缘625。基座615包含围绕凹陷区640的周边区域635。如图6C中所示，周边区域635的厚度大于凹陷区640的厚度。
可将孔610用于通气，这样可以降低在快速压力斜线下降期间由“气穴(airpocket)”效应所引发的基板(未图示)滑动。当在底座600上处理基板时，孔610在基座615的背侧314上暴露于处理环境下而未遭遇工艺气体，这样防止了基板背侧上的沉积。如所示，孔610可垂直于基座615的表面，或相对于基座615的表面成一角度。环605通过将基板放置于远离基座615的较高质量面积处(于周边区域635处)来减小基板的边缘温度梯度。基座615可具有如图6C中所示的阶梯形区域645以降低环605的不对齐。阶梯形区域645可包含插入区域630、形成角度的表面650、及平坦表面655中一者或组合。可设置平坦表面655于一平面，该平面实质垂直于凹陷区640的平面。环605也可包含阶梯形区域670。阶梯形区域670可包含内周边唇部620及壁675，壁675连接外延伸肩部680与内周边唇部620。壁675的平面可实质垂直于向外延伸的肩部680的平面。可替换地，壁675可相对于向外延伸的肩部680平面成一角度。
图7为底座700的另一实施方式的侧截图。可如图1中所示的底座106那样使用底座700。底座700包含基座705，基座705由沉积SiC、涂SiC的烧结石墨、长成的SiC、不透明石英、涂覆石英、或对工艺及净化气体的化学分解有抵抗的任何相似的、合适的材料制成。基座705也包含形成于基座705中的沟槽710以提供热中断。例如，在处理期间，基座705包含相邻于基座705中央的热区域715。热区域715在冷区域720的周边区域725处被相对的冷区域720围绕。相对冷的部分包含更大质量的周边区域725，这可能无法促进由中央至边缘的平衡的热传输。这样可促使基板108上的接触点730相对于基板108中央更热。由于相对于中央增加的温度，接触点730可促使相较于基板108中央更厚的薄膜沉积。沟槽710可部分地隔绝由热区域715至冷区域720的热传输。这样可降低接触点730处的温度且促使基板108上更均匀的沉积。沟槽710可为连续的或被构造为图5的弧形通道505。
虽然前述示例性底座的实施方式使用将用于半导体“晶片”的圆形几何形状做出描述，，但所公开的实施方式可经调适以符合不同的几何形状。
尽管前述是典型的实施方式，但在不脱离本公开内容的范围的前提下，可设计其它的及进一步的实施方式，且本公开内容的范围由随附的权利要求书决定。

Claims (15)

1.一种用于热处理腔室的底座，所述底座包括：
基座，所述基座具有前侧及后侧，所述后侧相对于所述前侧且由热传导材料制成，其中所述基座包含：
周边区域，所述周边区域围绕凹陷区，所述凹陷区厚度小于所述周边区域的厚度；以及
多个突起特征结构，所述多个突起特征结构由所述前侧及所述后侧中的一者或两者突出。
2.如权利要求1所述的底座，其中所述前侧包含由所述凹陷区延伸的所述多个突起特征结构。
3.如权利要求2所述的底座，其中所述突起特征结构径向地定向。
4.如权利要求2所述的底座，其中所述突起特征结构为同心的弧形段。
5.如权利要求1所述的底座，其中所述背侧包含形成于所述背侧中的通道。
6.如权利要求1所述的底座，其中所述背侧包含由所述背侧延伸的所述多个突起特征结构。
7.如权利要求6所述的底座，其中所述多个突起特征结构为同心的。
8.如权利要求6所述的底座，其中所述突起特征结构径向地定向。
9.如权利要求1所述的底座，其中所述基座包含多个孔，在所述基座中所述周边区域内形成所述多个孔。
10.如权利要求9所述的底座，其中所述前侧包含由所述凹陷区延伸的所述多个突起特征结构。
11.如权利要求10所述的底座，其中所述突起特征结构径向地定向。
12.如权利要求10所述的底座，其中所述突起特征结构为在所述基座上同心定向的弧形段。
13.如权利要求1所述的底座，进一步包括由热传导材料制成的环，其中所述基座的所述周边区域具有插入区域，用以接收所述环。
14.一种用于热处理腔室的底座，所述底座包括：
基座，所述基座由热传导材料制成且具有前侧及相对于所述前侧的后侧，其中所述基座进一步包含：
周边区域，所述周边区域围绕凹陷区，所述凹陷区厚度小于所述周边区域的厚度；和
多个突起特征结构，所述多个突起特征结构由所述前侧及所述后侧中的一者或两者突出；以及
环，所述环由热传导材料制成，其中所述周边区域具有插入区域，用以接收所述环。
15.一种用于热处理腔室的底座，所述底座包括：
基座，所述基座具有前侧及后侧，所述后侧相对于所述前侧且由热传导材料制成，其中所述基座包含周边区域，所述周边区域围绕凹陷区，所述凹陷区厚度小于所述周边区域的厚度；以及
环，所述环由热传导材料制成且具有倾斜表面，在所述环的内圆周上形成所述倾斜表面以便于将所述环上的基板置中，其中所述周边区域具有插入区域，用以接收所述环。
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