CN107574420A - 用于光激发处理的设备及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明的实施方式提供用于在基板上沉积层的方法及设备。在一个实施方式中，该方法包括将设置在处理腔室内的基板的表面暴露于流体前驱物；把产生自辐射源的电磁辐射引导至光扫描单元，使得电磁辐射在基板的整个表面上被偏转及被扫描，材料层待形成于该基板的该表面上；及用具有一种波长的电磁辐射来开始沉积处理，该波长被选择为用于流体前驱物的光解解离，以将材料层沉积至基板表面上。辐射源可包括激光源、明亮的发光二极管(LED)源、或热源。在一个实例中，辐射源是光纤激光器，该光纤激光器产生紫外线(UV)波长范围内的输出。

Description

用于光激发处理的设备及方法
本申请是申请号为201480011573.2的发明专利申请的分案申请。
背景
技术领域
本发明的实施方式大体关于热处理基板的方法，更特定而言，关于在基板上沉积层的方法。
背景技术
半导体制造依赖化学处理，这些化学处理用以沉积、去除、清洁、及以其他方式转化形成于基板上的材料。这些处理通常发生在施加热能或电能以加速化学处理的反应器中。在一些情况下，低能光子用以增加热能。在其他情况下，较高能光子用以在分子进入反应器之前解离分子。在其他情况下，较高能光子用以转化基板上的材料。
对于先进集成电路所需要的非常浅的电路特征而言，非常期望在实现所需热处理时减小总热预算。热预算可被视作在高温下完成器件制造所必需的总时间。基板经受高温的总时间越长，越多诸如注入结(implanted junction)之类的特征结构可能由于原子的扩散或迁移而放宽它们的界定。然而，触发用于半导体应用的化学处理的传统方法通常是能量密集型的，因此不适合用于大多数器件制造。例如，用于CMOS器件的基板通常具有在约400℃处的温度阈值。此外，即使在更高温度下，目前的CVD、ALD、或外延处理仍需要长的沉积时间，这不良地减少了产量。
因此，需要改良的用于以更快的处理时间促进低温沉积的基板处理的设备及方法。
发明内容
公开了基于光子的用于诸如外延、CVD、及ALD之类的光激发的处理反应的设备及方法。本发明的构思可有益于可能需要至少一个“LASE”应用的处理，该应用例如是使用诸如激光(“L”)之类的电磁辐射的应用、使用电磁辐射来活化或协助活化(“A”)的应用、使用电磁辐射来执行对于对象(“S”)的选择性处理或对表面的处理的应用、使用电磁辐射来执行外延或蚀刻处理(“E”)的应用。
在一个实施方式中，公开了一种用于在基板上沉积层的方法。该方法包括：将设置在处理腔室内的基板的表面暴露于流体前驱物；把产生自辐射源的电磁辐射引导至光扫描单元，以使得电磁辐射被偏转及在基板的整个表面上被扫描，材料层待形成于基板的该表面上；及利用具有一种波长的电磁辐射来开始沉积处理，该波长被选择为用于流体前驱物的光解解离，以将材料层沉积至基板的该表面上。辐射源可包括激光源、明亮的发光二极管(LED)源、或热源。在一个实例中，辐射源是光纤激光器，该光纤激光器产生紫外线(UV)波长范围内的输出。
在另一实施方式中，该方法包括：使流体前驱物以层状方式径向流过设置在处理腔室内的基板的整个表面，使得基板的该表面被浸没在流体前驱物中；把产生自辐射源的电磁辐射引导至光扫描单元，以使得电磁辐射以预定照射形状被偏转及在整个基板上被扫描且在表面处或表面附近，材料层待形成于该表面上；及利用具有一种波长的电磁辐射来开始沉积处理，该波长被选择为用于流体前驱物的光解解离，以将材料层沉积至基板的该表面上。
在又一实施方式中，提供了基板处理腔室。该处理腔室包括用于支撑在处理腔室内的基板的基板支撑件、将流体前驱物提供至处理腔室内的气源、及发射电磁辐射至在基板表面处或基板表面附近的流体前驱物的辐射源，该电磁辐射具有一种波长及一种功率级，该波长及该功率级被选择为用于流体前驱物的光解解离，以沉积材料层于基板表面上。处理腔室可进一步包括光扫描单元，该光扫描单元被配置成引导来自辐射源的电磁辐射以在基板的整个表面上扫描。下文关于图1A至图1B、图2及图3讨论了本发明的细节。
附图说明
因此，以能详细理解本发明的上述列举特征的方式，通过参照实施方式可获得上文简要概述的本发明的更详细的描述，这些实施方式中的一些实施方式在附图中进行图示。然而，应注意，附图仅图示了本发明的典型实施方式，因此不能被视为对本发明的范围的限制，因为本发明可允许其他等效实施方式。
图1A图示了可用以实践本发明的实施方式的示例性热处理腔室的剖面示意图。
图1B图示了沿图1A中的线1B-1B截取的处理腔室的侧面示意图。
图2图示了可用以实践本发明的辐射源的替代性实施方式的平面图。
图3是根据本发明的一个实施方式的用于材料层在基板表面上的外延生长的示例性方法的流程图。
具体实施方式
本发明的实施方式大体使用辐射源，该辐射源将具有期望的相干性(coherency)的光束投射至扫描单元上，该扫描单元将光或电磁辐射偏转为期望的图像形状，该图像形状诸如是足以在纵向或横向方向上覆盖基板表面的一部分或全部部分的正方形或矩形形状。光或电磁辐射具有一种波长及功率，该波长及功率被选择成光解离在基板表面处或在基板表面附近的气态或液态前驱物，以用于材料层在基板表面上的有效沉积。在一个实例中，借助实质光解的非热解离工艺在低于400℃的较低温度下执行沉积，该工艺使用紫外线UV)波长范围内的光纤激光。
示例性硬件
图1A图示可用以实践本发明的实施方式的示例性热处理腔室100的剖面示意图。图1B图示沿图1A中的线1B-1B截取的处理腔室100的侧面示意图。热处理腔室100可用以执行外延沉积处理，例如外延硅沉积处理。然而，本发明的方法及构思也可用在其他用于执行其他处理的处理腔室中，这些其他处理诸如是化学气相沉积(CVD)处理、原子层沉积(ALD)处理、或原子层外延(ALE)处理。
处理腔室100可用以处理一个或更多个基板，包括在基板108的上表面上沉积材料。处理腔室100大体包括辐射加热灯102阵列，该辐射加热灯102阵列用于加热设置在处理腔室100内的基板支撑件106的背面104以及其他部件。基板支撑件106可以是如图所示的盘状(disk-like)基板支撑件106，或可以是如图1B中所图示的没有中心开孔的环状基板支撑件107，该环状基板支撑件从基板边缘支撑基板以促进将基板暴露给灯102的热辐射。
基板支撑件106位于处理腔室100内且介于上圆顶128与下圆顶114之间。上圆顶128及下圆顶114连同设置在上圆顶128与下圆顶114之间的基座环(base ring)136一起大体界定处理腔室100的内部区域。可将基板108(未按比例绘制)引入处理腔室100内，并经由装载口103将基板定位于基板支撑件106上，该装载口在图1A中被基板支撑件106遮挡，但在图1B中可见。图示基板支撑件106处于升高的处理位置，但可借助致动器(未图示)将基板支撑件106竖直移动至处理位置下方的装载位置，以使得升举销105得以穿过中心轴132及基板支撑件106中的孔而接触下圆顶114，并将基板108从基板支撑件106上升举。然后，机械手(未图示)可进入处理腔室100以经由装载口103与基板108衔接并将基板从处理腔室中移除。然后，可将基板支撑件106向上升举至处理位置，以将基板108放置在基板支撑件106的前侧110上，使基板的器件侧116面向上。
在基板支撑件106定位于处理位置时，基板支撑件106将处理腔室100的内部空间划分为在基板上方的处理气体区域156、及在基板支撑件106下方的净化气体区域158。在处理期间，基板支撑件106被中心轴132旋转，以将处理腔室100内的热效应与处理气流空间上的异常最小化。基板支撑件106由中心轴132来支撑，该中心轴132在基板108的装载、卸载及处理期间沿上下方向134移动基板108。基板支撑件106可由碳化硅或涂覆有碳化硅的石墨形成，以吸收来自灯102的辐射能及将该辐射能传导至基板108。
一般而言，上圆顶128及下圆顶114通常由诸如石英之类的光学透明材料形成。上圆顶128及下圆顶114薄成将热记忆(thermal memory)最小化，这两者通常具有在约3mm与约10mm之间例如是约4mm的厚度。上圆顶128的厚度及弯曲度可被配置成提供更平坦的几何形状，以供处理腔室中有均匀流动的均匀度。或者，上圆顶128或下圆顶114可不必是圆顶形状，而是可被制造为平坦的。借助将诸如冷却气体之类的热控制流体经由入口部分126引入热控制空间中及经由出口部分抽取热控制流体，可对上圆顶128进行热控制。在一些实施方式中，循环通过热控制空间的冷却流体可减少上圆顶128的内表面上的沉积。
诸如灯102阵列之类的一个或更多个灯可以确定的最佳期望方式被设置成绕着中心轴132邻近下圆顶114且在下圆顶114的下方，以在处理气体在上方通过时加热基板108，由此促进材料在基板108上表面上的沉积。在各个实例中，被沉积在基板108上的材料可以是第III族、第IV族、和/或第V族材料，或可以是包括第III族、第IV族、和/或第V族掺杂剂的材料。例如，沉积材料可包括砷化镓、氮化镓、或氮化铝镓。在一些实例中，被沉积在基板108上的材料可包括金属或电介质。
圆形遮蔽件167可视情况可选地设置在基板支撑件106周围，且耦接至腔室主体101的侧壁。除了为处理气体提供预热区以外，遮蔽件167还防止从灯102至基板108的器件侧116的热/光噪声的泄漏或将此泄漏最小化。遮蔽件167可由CVD SiC、涂覆有SiC的烧结石墨、生长的SiC、不透明石英、带涂层的石英、或任何类似的适合的且可抵抗由处理气体及净化气体所导致的化学分解的材料。
反射体122可视情况可选地放置在上圆顶128外侧，以把从基板108辐射出的光反射回至基板108上。可使用夹环130将反射体122固定至上圆顶128。由于经反射的光的缘故，通过包括原本可能逸出处理腔室100的热将提高加热效率。反射体122可由诸如铝或不锈钢之类的金属制成。反射体122可具有经机械加工的通道(未图示)，以承载诸如水之类的流体流，以用于冷却反射体122。
把从处理气体供应源172供应的处理气体经由处理气体入口174引入处理气体区域156内，该入口形成于基座环136的侧壁中。处理气体入口174被配置成在大体径向向内的方向上引导处理气体。在膜形成工艺期间，基板支撑件106定位于处理位置，该处理位置邻近于处理气体入口174且在与该入口大约相同的高度处，从而使得处理气体得以在基板108的整个上表面沿着流动路径173向上流动和在周围流动。处理气体穿过气体出口178(沿流动路径175)离开处理气体区域156，该气体出口178位于处理腔室100的与处理气体入口174相对的一侧上。借助耦接至气体出口178的真空泵180可有助于经由气体出口178来移除处理气体。由于处理气体入口174及气体出口178彼此对准且被设置在大约相同的高度处，因此，据信这种平行布置在与较平坦的上圆顶128相结合时，将能实现在整个基板108上的大体平面的、均匀的气流。
把从净化气体源162供应的净化气体经由净化气体入口164引入至净化气体区域158，该净化气体入口164形成于基座环136的侧壁中。净化气体入口164设置在低于处理气体入口174的高度处。如果使用圆形遮蔽件167，则圆形遮蔽件167可被设置在处理气体入口174与净化气体入口164之间。在任一种情况下，净化气体入口164被配置成在大体径向向内的方向上引导净化气体。在膜形成工艺期间，基板支撑件106位于一个位置，使得净化气体在基板支撑件106的整个背侧104沿着流动路径165向下流动和在周围流动。净化气体的流动旨在防止或实质上避免处理气体流进入净化气体区域158，或减少进入净化气体区域158(即基板支撑件106下方的区域)的处理气体的扩散。净化气体离开净化气体区域158(沿流动路径166)，且经由气体出口178被排出处理腔室，该气体出口178位于处理腔室100的与净化气体入口164相对的一侧上。
处理腔室100配备辐射源186，该辐射源186发射具有一种波长及功率的光或电磁辐射，该波长及功率被选择成光解离被引入处理腔室的流体气态或液态前驱物，以用于在基板表面上材料层的沉积，如下文将关于图3所讨论的那样。辐射源186可被定位于处理腔室100内任何适合的位置。例如，辐射源186可被设置在上圆顶128外部，诸如在上圆顶128与反射体122之间。辐射源186可以是激光源、明亮的发光二极管(LED)源、热源、或上述各项的组合，上述辐射源的任何一种都可以脉动模式或连续波模式传输。也可预计其他类型的诸如电子束源、离子束源或微波能量源之类的辐射源。
在一个实施方式中，辐射源186使用激光源。辐射源186可包括多个激光器。激光源可包括光纤激光器、气体激光器、固态激光器、准分子激光器(excimer laser)、半导体激光器等，这些激光器可以是可以阵列方式配置的，以发射单个波长的光或同时发射两个或更多不同波长的光。可使用脉冲激光器。或者，辐射源186可被配置成以高功率输出连续波(continuous wave；CW)激光束或准CW激光束。激光能的范围可从基本单模态能(unimodalenergy)(M2≈1)至具有数百个或数千个空间模式的高模态能(M2>30)。脉冲激光器可具有从飞秒(femtosecond)范围至微秒范围的脉冲持续时间。在一个实施方式中，可使用四个q开关的倍频Nd:YAG(掺钕钇铝石榴石)激光器，这些激光器以脉冲方式发射30MW与50MW之间的532nm激光能，每次脉冲范围从约5nsec至约30nsec，且M2在约500与约1000之间。
在另一实施方式中，辐射源186发射紫外线(UV)波长范围内的光或电磁辐射，这些波长在约10nm与约500nm之间，例如在约190nm与365nm之间，诸如是193nm，例如是248nm，例如是266nm，例如是355nm，例如是365nm，或实例420nm。在一个实例中，辐射源186可使用一束UV光纤激光器，这些光纤激光器产生多模输出，这些输出在整个所产生的照射束中在空间上变化，以协助减少在目标表面(例如光扫描单元188，如将于下文讨论的)上的与相干性相关的斑点。
在各个实例中，可以至少1毫瓦(milliWatt；mW)的功率级传输光或电磁辐射，该功率级诸如是约10mW至约100千瓦(kiloWatt；kW)，例如是约10kW至约80kW。可以介于约0.1J/cm2与约1.0J/cm2之间的能量密度传输光或电磁辐射，该能量密度例如是约0.2J/cm2至约0.5J/cm2。可在从约50微秒(microsecond；μsec)至约1秒的短的持续时间内传输光或电磁辐射。激光可被放大以形成所期望的功率级。然而，能量密度应被选择为不超过沿光路放置的光学部件和/或沉积在光学部件上的光学涂层的损害阈值。应用于电磁辐射中的能量场应具有空间强度标准偏差(spatial standard deviation of intensity),该空间强度标准偏差不高于平均强度的约4％，诸如小于平均强度的约3.5％，例如小于平均强度的约3.0％。在任何情况下，以一种功率级及脉冲重复来传输光或电磁辐射，该功率级及脉冲重复率充分得足以光解解离在基板表面处或基板表面附近的前驱物流体，同时阻止被解离前驱物的光碎片(photofragment)在任何给定压力下进行重新结合。预计可使用固态激光器，该固态激光器诸如是Nd:YAG、Nd:glass(掺钕玻璃)、钛蓝宝石、或掺杂其他稀土的晶体激光器。在这种情况下，根据处理方案，可以例如由q开关(无源的(passive)或有源的(active))、增益开关、或模式锁定(mode locking)可来开关激光器。
处理腔室100配备有光扫描单元188，该光扫描单元188可定位在上圆顶128外部。辐射源186将实质相干或不相干的光束或电磁辐射以期望的图像形状投射至光扫描单元188上，该图像形状诸如是足以在纵向或横向方向(x方向或y方向)上覆盖基板的主要部分的正方形或矩形形状，或具有足以在被光扫描单元188偏转时覆盖整个基板的期望形状的图像。在光纤激光器被用作辐射源的一个实施方式中，可将光纤激光器聚集在具有线性定向的头部中，且可使来自光纤激光器的光穿过诸如本领域中已知的聚焦光学器件(focusing optics)和/或微透镜阵列之类的光学部件，以将光均质化(homogenize)为光扫描单元188上的均匀图像。该图像可以例如宽约1-5mm，长约320mm，该宽度及长度可根据光扫描单元188的尺寸而变化。然后，光扫描单元188将图像朝向基板108的器件侧116偏转。
光扫描单元188可以是由马达(未图示)驱动的旋转式多角镜(polygon mirror)。旋转式多角镜具有多个能够以期望的速度(诸如在约100rpm与10000rpm之间的速度)旋转的反射小面(facet)，以扫描线束于整个基板上且在表面处或表面附近。旋转速度应快得足以赋予快速刷新辐射(refresh radiation)于前驱物上，使得被解离前驱物的光碎片在弛豫时间段(duration of relaxation time)内得到任何特定位置的实际照射。因此，避免被解离前驱物的重新结合。多角镜的每一小面相对于另一小面是大体成角度的，且可具有平的或弯曲的表面。在一个实例中，光扫描单元188是长的圆柱形旋转多角镜，该镜具有约10个至约50个平的反射小面。尽管图示为六角镜，但也可预计具有更多或更少侧面的多角镜。光扫描单元188可具有约250mm至约450mm的长度，例如长度为约320mm，该长度可根据基板尺寸而变化。
在某些实施方式中，诸如透镜(例如束扩展器/聚焦器或圆柱形凹透镜)、滤光片、镜及类似物之类的一个或更多个光学部件190可选地沿着光扫描单元188与基板108之间的光学路径而定位，以增大或增强照射覆盖度或调整线束的方向，这些光学部件被配置成使电磁能成形及投射出期望形状的线束，该形状足以覆盖设置在基板支撑件上的基板的一部分或整个基板。为清楚起见，已从图1B中省略可选择的光学部件190。
在操作中，多角镜的旋转致使来自辐射源186的准直光束或电磁辐射被镜面的一个小面所偏转，且由此致使图像以期望的照射形状从基板108的一侧至另一侧扫描于整个基板上，该形状足以在基板的纵向或横向方向上覆盖基板表面。随着多角镜进一步被旋转，束线将入射于不同的反射小面上，且沿基板的纵向或横向方向的新扫描开始，直至整个基板或期望的基板区域得以照射。以此方式，处理腔室内的气态前驱物，尤其是在基板108表面处或表面附近的那些气态前驱物将吸收来自入射束线在选择的波长及功率级下的光子能，以用于气态前驱物的组分的有效光分解或光解，从而沉积材料层于基板表面上。
图2图示可用以实践本发明的辐射源的替代性实施方式的平面图。在此实施方式中，如在图1A及图1B中所示的光扫描单元188并非必需的。辐射源204定位在热处理设备200内且耦接至电源202。辐射源204包括诸如光源之类的能量产生器206及光学部件208。能量产生器206被配置成产生电磁能及将该电磁能引导至光学部件208中。光学部件208可包括透镜、滤光片、镜、及类似物，这些光学部件被配置成使电磁能成形并投射出期望形状的束213，该形状诸如是足以覆盖设置在基板支撑件211上的整个基板210的正方形或矩形，该基板支撑件211定位在热处理腔室230内。热处理腔室230可以是如图1A及图1B中所示的热处理腔室100、或任何适合用于处理基板的沉积腔室。尽管图示出热处理设备200在热处理腔室230顶上，但预计热处理设备200可定位在任何期望的用以实现基板210的照射的位置。例如，热处理设备200可定位在热处理腔室230侧壁的邻近处。诸如透镜或镜之类的适合的光学器件可用以帮助朝向基板210导引及投射图像。
能量产生器206可以脉动模式或连续波模式传输电磁能。在一个实施方式中，能量产生器206包括脉冲激光源，该脉动激光源是可配置的，以发射单个波长的光或同时发射两个或更多波长的光。能量产生器206可以是Nd:YAG激光器，该激光器具有一个或更多内部变频器。然而，预计且可使用其他类型的激光器。能量产生器206可被配置成同时发射三个或更多的波长，或进一步地，被配置成提供波长可调谐的输出。有用的波长可包括约10nm与约500nm之间的波长，该波长例如在约190nm与420nm之间，诸如是193nm，例如是248nm，例如是266nm，例如是355nm，例如是365nm。在一个实例中，用于能量产生器206中的激光头是Q开关的Nd:YAG激光器，该激光器发射355nm的短的强脉冲光，脉冲持续时间范围例如从0.01微秒(μsec)至约100纳秒(nsec)，例如是约10纳秒。在一个实例中，激光头发射10kHz激光脉冲，该激光脉冲有30纳秒脉冲持续时间。
为了传输脉冲激光输出，热处理设备200可包括开关212。开关212可以是能在1μsec或更短时间内开启或关闭的快速快门(shutter)。或者，开关212可以是诸如不透明晶体之类的光学开关，当具有阈值强度的光撞击在该不透明晶体上时，该不透明晶体在少于1μsec(诸如少于1纳秒)的时间内变得透明。开关212借助把被引导向基板210的连续电磁能束中断来产生脉冲。开关212由控制器214来操控，且可定位在能量产生器206内部或外部。控制器214大体被设计成促进本文所述的处理技术的自动化及控制，且通常可包括中央处理单元、存储器及支持电路。可由控制器214读取的程序(或计算机指令)决定了何种任务是可在基板上执行的。例如，程序可被储存在控制器214上以执行本文所述的方法。
在替代性实施方式中，借助电气手段，能量产生器206可被开关。例如，控制器214可被配置成按需要开启及关闭电源202。或者，可提供电容器，使得电容器由电源202来进行充电，并凭借由控制器214进行通电的电路而放电至能量产生器206中。在开关212是电气开关的实施方式中，电气开关可被配置成在少于约1纳秒的时间内开启或关闭电源。
辐射源204大体适于传输电磁能，该电磁能用以按下文关于图3讨论的方式来光解解离在基板210表面处或表面附近的流体前驱物，以用于在基板表面上沉积材料层。典型的电磁能来源包括但不限定于光学辐射源(例如激光器或闪光灯)、电子束源、离子束源、和/或微波能来源。当利用激光时，辐射源204可适于传输紫外线(UV)波长内的电磁辐射，所述波长介于约10nm与约420nm之间，诸如介于约190nm与365nm之间，例如是355nm。能量来源204的波长可被调谐成使得所发射的电磁辐射的大部分被热处理腔室230内的前驱物流体所吸收。在该实施方式的多个实例中，电磁辐射可以约0.2J/cm2与约1.0J/cm2之间的平均强度在短的脉冲持续时间内被传输，该脉冲持续时间介于约0.01微秒(μsec)与约100纳秒(nsec)之间，诸如介于约5μsec与约100毫秒(msec)之间，例如是约10μsec至约3msec。能量脉冲的重复率可在约1kHz与约1MHz之间，诸如在约10kHz与约200kHz之间，例如是约30kHz至约60kHz。在任何情况下，电磁辐射的重复率、功率级及辐照量(exposure)应能够光解解离基板表面处或基板表面附近的前驱物流体，同时阻止被解离前驱物的光碎片进行重新结合。
示例性处理
图3是根据本发明的一个实施方式的用于锗基板表面上外延生长的示例性方法的流程图300。预计本发明可同样地适用于通过不同沉积处理进行沉积的其他类型材料或化合物，该沉积处理诸如是化学气相沉积(chemical vapor deposition；CVD)处理、原子层沉积(atomic layer deposition；ALD)处理、或原子层外延(atomic layer epitaxy；ALE)处理。本文所述的流程图300可结合上文关于图1A至图1B及图2所讨论的各个实施方式得以执行。应注意，图3中所图示的操作数目及次序并非旨在对本文所述的本发明的范围进行限制，因为在不背离本发明的基本范围的前提下可增添、删除一个或更多个操作、和/或对一个或更多个操作进行重新排序。
一般而言，本文中所使用的术语“基板”指的是可由任何具有一些天然导电能力的材料或可被改性成提供导电能力的材料所形成的物体。典型基板材料包括但不限于半导体，这些半导体诸如是硅(Si)及锗(Ge)及这两者的混合物、以及其他呈现半导体性质的化合物。此类半导体化合物大体包括第III-V族及第II-VI族化合物。代表性的第III-V族半导体化合物包括但不限定于镓、铝、及铟的砷化物、磷化物(GaP)、及氮化物、及上述各项的混合物。一般而言，术语“半导体基板”包括整块半导体基板及上面形成有层的基板。本文所使用的“基板表面”指的是任何可在上面执行材料处理或能量处理的基板表面。预计基板表面可包括诸如晶体管结(transistor junction)、过孔、触点、线、或任何其他互连接面(例如竖直或水平互连接件)的特征结构。
流程图300开始于操作302，该操作提供基板于设置在处理腔室内的基板支撑件上，该处理腔室例如是图1A至图1B的处理腔室100或图2的处理腔室230。
在操作304处，将流体前驱物引入处理腔室中。流体前驱物可以是气态前驱物或液态前驱物。与使用固态前驱物相比，使用气态或液态前驱物在前驱物的相对容易处理、快速反应、化学组分的调适方面具有优势，且气态或液态前驱物可大量应用。在任一情况下，可使适合的诸如氩气、氦气、氢气、或氮气等之类的载气视情况可选地与气态或液态前驱物一起流动。在使用气态前驱物的情况下，使气态前驱物可以层状方式径向流过基板的整个表面，例如从处理气体入口174沿流动路径173流过基板108的整个上表面，如上文关于图1A所讨论。预计可以任何适合的方式引入流体前驱物，只要基板表面被浸没在流体前驱物中即可。
在该实施方式中，将含锗前驱物引入处理腔室以使锗材料外延生长于基板表面上。含锗前驱物可以是诸如锗烷(germane；GeH4)、二锗烷(digermane；Ge2H6)、或更高级锗烷类或锗烷低聚物之类的化合物，可将该化合物与锗前驱物混合物中的稀释气体或载气一起提供。载气或稀释气体通常是诸如氩气、氦气、氮气、氢气、或上述各项的组合之类的惰性气体。可以任何在锗前驱物混合物中的浓度来提供含锗前驱物，且比率通常被选择为提供期望的通过处理腔室的气体流动速率。对于300mm基板而言，锗前驱物混合物的流动速率可在约0.1sLm与2.0sLm之间，该混合物中的含锗前驱物按体积计从20％至90％，例如是70％。
可选地，在沉积期间可提供诸如HCl、HF、或HBr之类的选择性控制试剂至处理腔室。选择性控制试剂促进基板表面上的选择性膜沉积，所述基板表面例如是具有被诸如氧化物或氮化物之类的介电材料所覆盖的特征结构的单晶硅表面。通常以一种体积流动速率来提供选择性控制试剂，且选择性控制试剂的体积流动速率与含锗前驱物的体积流动速率之比在约0.0与0.5之间，诸如在约0.02与约0.06之间，例如是约0.04。可通过不同于含锗前驱物路径的路径将选择性控制试剂提供至处理腔室，以防止发生任何过早的反应或副反应。选择性控制试剂也可与稀释气体或载气一起被提供。
若需要，则也可随含锗前驱物而包括一种量的掺杂剂前驱物，这种量被选择为提供形成于基板表面上的膜中期望的掺杂剂浓度。可提供诸如硼烷(borane)、膦(phosphine)、或胂(arsine)、和/或二聚物、低聚物及衍生物(诸如卤化物)之类的掺杂剂。
在操作306处，把从辐射源发射的光束能量引导至光扫描单元，以便以期望的照射形状扫描该光束能量，该形状足以在纵向或横向方向(x方向或y方向)上覆盖整个基板中且在希望进行沉积的表面处或表面附近的基板主要部分，如上文关于图1A及图1B所讨论。或者，光束能量可以具有期望形状的线束形式被投射出，该期望形状诸如是足以覆盖设置在基板支撑件上的整个基板的正方形或矩形，如上文关于图2所讨论。在任一情况下，光束能量可被选择成提供如上文所讨论的那些光的光特性，以用于进行锗前驱物混合物的有效光解或光分解。
在一个实施方式中，能量来源是一束光纤激光器，该束光纤激光器发射UV波长范围内的激光，该波长范围诸如在190nm与420nm之间，例如是355nm。可以至少0.1毫瓦(mW)的功率级传输光束能量，该功率级诸如是约10mW至约100千瓦(kW)，例如是约20W至约80W。在一个实例中，以一种能量密度且在短的持续时间内传输功率级，该能量密度在约0.1J/cm2与约1.0J/cm2之间，例如是约0.2J/cm2至约0.5J/cm2，该短的持续时间从约0.01微秒(μsec)至约1秒。在脉冲式激光能量适合的另一实施方式中，光束能量可以是一种Nd:YAG激光，该激光以一种能量密度在短的脉冲持续时间内被传输，该能量密度在约0.2J/cm2与约1.0J/cm2之间，该脉冲持续时间介于约0.01微秒(μsec)与约100纳秒(nsec)之间，诸如在约5μsec与约100毫秒(msec)之间，例如是约10μsec至约3msec。能量脉冲的重复率可在约1kHz与约1MHz之间，诸如在约10kHz与约200kHz之间，例如是约50kHz至约100kHz。或者，根据待解离的前驱物气体，可在约20W至约80W(例如50W)的功率级下以连续模式传输如本文所述的同样的Nd:YAG激光或UV光纤激光。
在操作308处，通过用具有经选择的波长的(被光扫描单元偏转的)光束能量使含锗前驱物中至少一种组分的光解解离，来开始光激发的沉积。在锗材料待生长于基板上的情况下，可使用锗烷(GeH4)作为含锗前驱物。归因于如下所示的两个主要解离机理，在GeH4的光解期间生成的初始光碎片可包括GeH2、Ge及H2：
GeH4→GeH2+H2------(1)
GeH2→Ge+H2------(2)
已经测定反应(1)及反应(2)的键解离能分别是约52kcal/mol(对应于2.25eV)及约35kcal/mol(对应于1.52eV)。因此，在355nm的波长下的3.5eV的光子能、或诸如在365nm(3.4eV)下的那些光子之类的更低能量(3.4eV)的光子可以是有益的，这是因为这些光子的能量足以破坏含锗前驱物中的Ge-H键。在一个实例中，GeH4的光解解离可由在190nm与365nm之间的UV波长范围内的脉冲式或CW激光来激发。在另一个实例中，可使用发射355nm的波长下的脉冲式激光或CW的光纤激光器或一束光纤激光器。光束能量的波长可根据前驱物介质中待解离的键而变化。GeH4的光解解离可在高Ge源分压下且在低于约400℃的低温下执行，该温度例如低于约200℃或更低。
尽管本文中将光解解离处理描述为原位处理，但预计只要被解离前驱物的光碎片具有足够长的生命周期且在引入发生沉积的沉积腔室之前不过快地进行重新结合，前驱物的光解解离可在沉积腔室远程处执行。
利用UV光纤激光来照射在基板表面处或基板表面附近的含锗前驱物，这使得单层结晶锗得以以较高的沉积速率外延地(同质外延地或异质外延地)生长于基板表面上。由于通过使用UV光纤激光的实质光解的非热解离处理能有效地实现沉积，因此可在低于400℃的较低温度下(例如低于200℃或甚至在室温下)执行沉积处理以用于进行外延处理，这与传统的外延腔室设计相反，传统的外延腔室设计需要更高的处理温度(例如高于500℃)才能执行外延处理。通过使用UV光纤激光来光解离流体前驱物，由于实现了低处理温度的缘故，有可能消除当前外延腔室中用以增强基板热处理的灯和/或反射体，同时仍提供经济可行的膜生长速率。
预计本发明的构思可同样适用于其他材料或半导体化合物的沉积，这些材料或半导体化合物诸如是硅、电介质、第III-V族化合物半导体或第II-VI族化合物半导体(包括这些材料的二元、三元、及四元合金)、或其他包括有机半导体及磁性半导体的半导体。为了光解解离处理前驱物中的组分，光束能量的波长、功率级、暴露时间或脉冲特性可被调整。
尽管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情况下设计本发明的其他实施方式及进一步的实施方式，且本发明的范围由下文的权利要求书来确定。

Claims (16)

1.一种基板处理腔室，所述基板处理腔室包括：
上圆顶、与所述上圆顶相对的下圆顶、和设置在所述上圆顶与所述下圆顶之间的基座环，所述上圆顶、所述下圆顶和所述基座环界定所述基板处理腔室中的处理区域；
基板支撑件，所述基板支撑件设置在所述处理区域内，所述基板支撑件具有基板支撑表面；
辐射源，所述辐射源定位于所述上圆顶外部，所述辐射源可操作用以发射电磁辐射；和
旋转式扫描单元，所述旋转式扫描单元沿所述辐射源和所述基板支撑表面之间的光学路径设置，所述旋转式扫描单元具有多个反射小面。
2.如权利要求1所述的基板处理腔室，其中所述辐射源包括激光源、明亮的发光二极管(LED)源、或热源。
3.如权利要求1所述的基板处理腔室，进一步包括：
光学部件，所述光学部件沿着所述辐射源与所述基板支撑表面之间的光学路径设置。
4.如权利要求1所述的基板处理腔室，其中所述旋转式扫描单元可操作用以引导来自所述辐射源的所述电磁辐射以在整个所述基板支撑表面上扫描。
5.如权利要求1所述的基板处理腔室，进一步包括：
前驱物供应，所述前驱物供应流体耦接至所述基座环的侧壁，其中所述前驱物供应可操作用以提供流体前驱物到所述处理区域中，所述辐射源可操作用以发射电磁辐射到基板表面处或基板表面附近的所述流体前驱物，所述电磁辐射具有一波长和一功率级，所述波长和所述功率级经选择用于所述流体前驱物的光解解离，以将材料层沉积至所述基板表面上。
6.如权利要求1所述的基板处理腔室，其中所述基板支撑件是可旋转的。
7.如权利要求6所述的基板处理腔室，其中所述基板支撑件可在上下方向上移动。
8.如权利要求1所述的基板处理腔室，其中所述辐射源可操作用以发射脉冲模式或连续模式的电磁辐射。
9.如权利要求1所述的基板处理腔室，其中所述辐射源可操作用以发射波长介于约10nm与约500nm之间的紫外线(UV)范围内的电磁辐射。
10.如权利要求1所述的基板处理腔室，其中所述辐射源可操作用以发射脉冲持续时间介于约0.01微秒(μsec)至约100纳秒(nsec)之间的电磁辐射。
11.如权利要求10所述的基板处理腔室，其中所述电磁辐射的每一脉冲具有介于约1kHz至约1MHz之间的重复率。
12.如权利要求1所述的基板处理腔室，其中所述辐射源可操作用以发射能量密度介于约0.1J/cm2至约1.0J/cm2之间的电磁辐射。
13.一种基板处理腔室，所述基板处理腔室包括：
基板支撑件；和
辐射源，所述辐射源可操作用以发射电磁辐射到基板表面处或基板表面附近的流体前驱物，所述电磁辐射具有一波长和一功率级，所述波长和所述功率级经选择用于所述流体前驱物的光解解离，以将材料层沉积至所述基板表面上。
14.如权利要求13所述的基板处理腔室，其中所述辐射源包括激光源、明亮的发光二极管(LED)源、或热源。
15.如权利要求13所述的基板处理腔室，进一步包括：
光扫描单元，所述光扫描单元可操作用以引导来自所述辐射源的所述电磁辐射以在整个所述基板表面上扫描。
16.如权利要求13所述的基板处理腔室，进一步包括：
光学部件，所述光学部件沿着所述辐射源与基板之间的光学路径设置，所述光学部件可操作用以使电磁能成形及投射出期望形状的线束，所述期望形状足以覆盖所述基板的一部分或整个表面。
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