CN108028200B - 用于改善毫秒退火系统中的处理均匀性的方法 - Google Patents

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Abstract

提供了一种用于改善毫秒退火系统中的处理均匀性的系统和方法。在一些实施方式中，用于在毫秒退火系统中热处理衬底的方法可以包括在毫秒退火系统中的处理期间获得指示与一个或更多个衬底相关联的温度分布的数据，该方法可以包括下述各项中的一项或更多项：(1)改变毫秒退火系统的处理室内的压力；(2)借助于毫秒退火系统中的水窗的折射作用来操纵照射分布；(3)调节衬底的角度定位；以及/或者(4)配置用在毫秒退火系统中的反射器的形状。

Description

用于改善毫秒退火系统中的处理均匀性的方法
优先权要求
本申请要求于2015年12月30日提交的标题为“Features for Improving ProcessUniformity in a Millisecond Anneal System(用于改善毫秒退火系统中的处理均匀性的方法)”的美国临时专利申请序列号No.62/272,817的优先权权益，该申请通过参引并入本文中。
技术领域
本公开总体上涉及热处理室，并且更具体地涉及用于处理例如半导体衬底的毫秒退火热处理室。
背景技术
毫秒退火系统可以用于对衬底——比如硅晶片——进行超快速热处理的半导体处理。在半导体处理中，快速热处理可以用作退火步骤来修复注入损伤，改善沉积层的质量，改善层界面的质量，并且激活掺杂剂并实现其他目的，同时控制掺杂剂物质的扩散。
半导体衬底的毫秒或超快速温度处理可以通过使用强烈且短暂的光暴露来以可超过每秒104℃的速率加热衬底的整个顶表面来实现。衬底的仅一个表面的快速加热会在衬底的整个厚度上产生大的温度梯度，而衬底的块体保持光暴露之前的温度。因此衬底的块体用作散热器，从而实现顶表面的快速冷却速率。
发明内容
在以下描述中将部分地阐述或者根据描述可以认识到或者通过对实施方式的实践可以认识到本公开的实施方式的各方面和优点。
本公开的一个示例性方面涉及一种用于在毫秒退火系统中热处理衬底的方法。该方法可以包括在毫秒退火系统中的处理期间获得指示与一个或更多个衬底相关联的温度分布的数据。毫秒退火系统可以具有将处理室分成顶部室和底部室的晶片平板。该方法可以包括调节处理室中的压力以影响跨一个或更多个衬底的温度均匀性。
本公开的另一示例性方面涉及一种用于在毫秒退火系统中热处理衬底的方法。该方法可以包括在毫秒退火系统中的处理期间获得指示与一个或更多个衬底相关联的温度分布的数据。毫秒退火系统可以具有将处理室分成顶部室和底部室的晶片平板。该方法可以包括至少部分地基于温度分布来确定毫秒退火系统中的边缘反射器或楔反射器中的一者或更多者的形状和构型。
本公开的又一示例性方面涉及一种用于在毫秒退火系统中热处理衬底的方法。该方法可以包括在毫秒退火系统中的处理期间获得指示与一个或更多个衬底相关联的温度分布的数据。毫秒退火系统可以具有将处理室分成顶部室和底部室的晶片平板。晶片平板可以包括不旋转的衬底支承件。该方法可以包括确定用于在毫秒退火系统的处理室中放置器件衬底的角度位置。该角度位置可以至少部分地基于指示温度分布的数据来确定。
可以对本公开的这些示例性方面做出变型和改型。本公开的其他示例性方面涉及用于热处理半导体衬底的系统、方法、设备和工艺。
参照以下描述和所附权利要求将会更好地理解各个实施方式的这些及其他特征、方面和优点。被并入并且构成本说明书的一部分的附图图示了本公开的实施方式，并且连同说明书一起用于说明相关原理。
附图说明
通过参照附图在说明书中为本领域普通技术人员提供实施方式的详细描述，在附图中：
图1描绘了根据本公开的示例性实施方式的示例性毫秒退火加热曲线；
图2描绘了根据本公开的示例性实施方式的示例性毫秒退火系统的一部分的示例性立体图；
图3描绘了根据本公开的示例性实施方式的示例性毫秒退火系统的分解图；
图4描绘了根据本公开的示例性实施方式的示例性毫秒退火系统的截面图；
图5描绘了用在根据本公开的示例性实施方式的毫秒退火系统中的示例性灯的立体图；
图6描绘了用在根据本公开的示例性实施方式的毫秒退火系统的晶片平板中的示例性边缘反射器；
图7描绘了可以用在根据本公开的示例性实施方式的毫秒退火系统中的示例性反射器；
图8描绘了可以用在根据本公开的示例性实施方式的毫秒退火系统中的示例性弧灯；
图9至图10描绘了根据本公开的示例性实施方式的示例性弧灯的操作；
图11描绘了根据本公开的示例性实施方式的示例性电极的截面图；
图12描绘了用于将水和气体(例如氩气)供给至用在根据本公开的示例性实施方式的毫秒退火系统中的示例性弧灯的示例性闭环系统；
图13描绘了用于根据本公开的示例性实施方式的毫秒退火系统的示例性温度测量系统；
图14描绘了用于调节根据本公开的示例性实施方式的毫秒退火系统的处理室中的压力的示例气体流动系统；
图15描绘了根据本公开的示例性实施方式的毫秒退火系统中的水窗的变化形状；
图16描绘了根据本公开的示例性实施方式的毫秒退火系统中的水窗的变化形状；
图17描绘了具有呈阵列布置的器件的示例性产品晶片；
图18描绘了毫秒退火系统中的晶片的照射的示例性残余不均匀性；
图19描绘了根据本公开的示例性实施方式的位于处理室内的处于不同角度取向的产品晶片；
图20描绘了根据本公开的示例性实施方式的位于处理室内的相对于支承销处于不同角度取向的产品晶片；
图21描绘了示出根据示例性实施方式的毫秒退火系统中的处理室中的顶部楔反射器和边缘反射器的位置的截面图；
图22A和图22B描绘了根据本公开的示例性实施方式的具有变化的楔角的示例性顶部楔；
图23A和图23B示出了根据本公开的示例性实施方式的通过调整顶部楔的楔角来改善照射分布的示例；
图24描绘了用在根据本公开的示例性实施方式的毫秒退火处理室中的边缘反射器；
图25描绘了具有线性轮廓的示例性边缘反射器；
图26A、图26B和图26C示出了根据本公开的示例性实施方式的通过具有改变的形状和位置的边缘反射器而出现的在晶片上的各个加热区。
具体实施方式
现在将详细地参照实施方式，其中，附图中图示了这些实施方式的一个或更多个示例。每个示例均为对实施方式的说明而非对本公开的限制。事实上，对于本领域技术人员而言将明显的是，在不偏离本公开的范围或精神的情况下可以对实施方式做出各种改型和变型。例如，可以将被图示为或描述为一个实施方式的一部分的特征用于另一实施方式以产生另外的实施方式。因此，意在使本公开的方面涵盖这样的改型和变型。
概述
本公开的示例性方面涉及用于在毫秒退火系统中的处理期间改善跨衬底(例如半导体晶片)的温度均匀性的方法。出于说明和描述的目的，参考“晶片”或半导体晶片来描述本公开的方面。通过本文中提供的公开内容，本领域普通技术人员将理解，本公开的示例性方面可以与任何工件、半导体衬底或其他合适的衬底结合使用。术语“约”与数值一起使用意指所述数值的10％以内的幅度。
半导体衬底的毫秒或超快速温度处理可以通过使用强烈且短暂的光暴露来以可超过约104℃/秒的速率加热半导体衬底的整个顶表面来实现。通常将光线施加至半导体衬底，该半导体衬底被预先以高达150℃/秒的斜坡速率加热到中间温度Ti。在加热处理步骤之后，将半导体衬底留在室内以用于冷却。低温加热处理和冷却都会导致横向温差，从而导致跨衬底的温度分布不均匀。在许多情况下，加热处理应用是对温度敏感的。此外，晶片材料中的热梯度可能会引发晶片应力。因此，大的横向热梯度可能会导致晶片翘曲、滑移甚至晶片破裂。
热处理期间的温差的主要原因在于光源对晶片表面的不均匀照射。冷却阶段期间的温差的主要原因可能是晶片自身的几何结构。例如，晶片可以是盘形的，并且出于几何原因，晶片的边缘会比晶片的中央部冷却得快。导致温差的另一原因可能是气氛的对流冷却作用。
不均匀性可以通过使用高反射镜来减轻。例如，照射不均匀性可以通过具有镜壁的立方体的结合效果来减轻。冷却不均匀性可以通过重新引导从晶片中心发射的光以使从晶片中心发射的光被晶片边缘重新吸收来减轻。同样，这可以通过具有镜壁的立方体的结合效果来实现。
尽管毫秒退火系统中的处理室可以利用镜壁的结合效果，但仍然可能存在残余不均匀性，这需要进一步补偿。补偿残余不均匀性的主要影响因素可以通过操纵照射分布来实现。
根据本公开的示例性实施方式，公开了用于在毫秒退火系统中的处理期间改善半导体衬底的温度均匀性的各种措施。这些措施例如可以包括：(1)改变毫秒退火系统的处理室内的压力；(2)借助于毫秒退火系统中的水窗的折射作用来操纵照射分布；(3)晶片的角度定位；以及/或者(4)配置用在毫秒退火系统中的反射器的形状和/或位置。
本公开的一个示例性实施方式涉及一种用于在毫秒退火系统中热处理衬底的方法。该方法包括在毫秒退火系统中的处理期间获得指示与一个或更多个衬底相关联的温度分布的数据。毫秒退火系统包括将处理室分成顶部室和底部室的晶片平板。该方法包括至少部分地基于指示温度分布的数据来调节处理室中的压力，以影响跨一个或更多个衬底的温度均匀性。例如，在一些实施方式中，调节压力包括在处理一个或更多个衬底中的至少一个衬底期间调节处理室中的压力，以调节所述一个或更多个衬底中的所述至少一个衬底的温度分布。压力例如可以被调节成处于基于大气压力为+2kPA至-2kPA的范围内。
在一些实施方式中，调节处理室中的压力包括调节处理室与配置成使处理气体流动通过处理室的气体流动系统中的下游管线之间的压力差。下游管线可以位于处理室中的一个或更多个排气开口的下游。调节压力差可以包括调节设置在下游管线中的阀。可以通过一个或更多个控制器基于来自配置成测量处理室内的压力的压力传感器的一个或更多个信号来调节阀。压力可以被调节以影响处理室中的处理气体的流动模式。
在一些实施方式中，调节处理室中的压力包括基于处理室中的压力使水窗翘曲。水窗可以包括内板和外板，水在内板与外板之间流动。内板相对于外板更靠近处理室设置。在一些实施方式中，水窗可以被翘曲成使得水窗的内板弯曲远离处理室，以提供对灯光的散焦作用。在一些实施方式中，水窗可以被翘曲成使得水窗的内板朝向处理室弯曲，以提供对灯光的聚焦作用。
本公开的另一示例性实施方式涉及一种用于在毫秒退火系统中热处理衬底的方法。该方法包括在毫秒退火系统中的处理期间获得指示与一个或更多个衬底相关联的温度分布的数据。毫秒退火系统可以包括将处理室分成顶部室和底部室的晶片平板。该方法可以包括至少部分地基于温度分布来调节毫秒退火系统中的边缘反射器或楔反射器中的一者或更多者的形状、构型或位置。
在一些实施方式中，楔反射器可以位于靠近晶片平板的室壁上。调节毫秒退火系统中的边缘反射器或楔反射器中的一者或更多者的形状、构型或位置包括调节楔反射器的楔角和/或高度。
在一些实施方式中，边缘反射器位于晶片平板中。调节毫秒退火系统中的边缘反射器或楔反射器中的一者或更多者的形状、构型或位置包括调节边缘反射器的表面轮廓。在一些实施方式中，调节毫秒退火系统中的边缘反射器或楔反射器中的一者或更多者的形状、构型或位置包括利用一个或更多个控制器在衬底的处理期间调节楔反射器相对于衬底的位置。
本公开的另一示例性实施方式涉及一种用于在毫秒退火系统中热处理衬底的方法。该方法包括在毫秒退火系统中的处理期间获得指示与一个或更多个衬底相关联的温度分布的数据。毫秒退火系统可以包括将处理室分成顶部室和底部室的晶片平板。该方法可以包括确定用于在毫秒退火系统的处理室中放置器件衬底的角度位置。该角度位置可以至少部分地基于温度分布来确定。在一些实施方式中，该角度位置可以至少部分地基于毫秒退火系统中的一个或更多个支承销的位置来确定。
示例性毫秒退火系统
示例性毫秒退火系统可以配置成提供强烈且短暂的光暴露来以可超过例如约104℃/s的速率加热晶片的顶表面。图1描绘了使用毫秒退火系统实现的半导体衬底的示例性温度分布100。如图1中所示，半导体衬底(例如硅晶片)的块体在斜坡阶段102期间被加热到中间温度Ti。中间温度可以在约450℃至约900℃的范围内。当达到中间温度Ti时，可以使半导体衬底的顶侧部暴露于非常短且强烈的闪光，从而实现高达约104℃/s的加热速率。窗口110图示了在短且强烈的闪光期间半导体衬底的温度分布。曲线112表示在闪光暴露期间半导体衬底的顶表面的快速加热。曲线116描绘了在闪光暴露期间半导体衬底的其余部分或块体的温度。曲线114表示通过用作散热器的半导体衬底的块体对半导体衬底的顶表面进行的冷却而引起的快速冷却。半导体衬底的块体用作产生衬底的高的顶部冷却速率的散热器。曲线104表示由热照射和对流引起的半导体衬底的块体的缓慢冷却，其中，处理气体作为冷却剂。如本文所使用的，术语“约”在用于数值时涉及所述数值的30％的幅度以内的数值。
示例性毫秒退火系统可以包括多个弧灯(例如四个氩(Argon)弧灯)来作为用于半导体衬底的顶表面的毫秒时长强暴光的光源——所谓的“闪光”。闪光可以在衬底已被加热到中间温度(例如，约450℃至约900℃)时被施用至半导体衬底。可以使用多个连续模式弧灯(例如两个氩弧灯)来将半导体衬底加热到中间温度。在一些实施方式中，半导体衬底到中间温度的加热通过半导体衬底的底表面以加热晶片的整个块体的斜坡速率完成。
图2至图5描绘了根据本公开的示例性实施方式的示例性毫秒退火系统80的各个方面。如图2至图4中所示，毫秒退火系统80可以包括处理室200。处理室200可以被晶片平板210分成顶部室202和底部室204。半导体衬底60(例如硅晶片)可以由安装至晶片支承板214(例如，插入到晶片平板210中的石英玻璃板)的支承销212(例如石英支承销)支承。
如图2和图4中所示，毫秒退火系统80可以包括布置成靠近顶部室202的多个弧灯220(例如四个氩弧灯)来作为用于半导体衬底60的顶表面的毫秒时长强暴光的光源——所谓的“闪光”。闪光可以在衬底已被加热到中间温度(例如，约450℃至约900℃)时被施用至半导体衬底。
定位成靠近底部室204的多个连续模式弧灯240(例如两个氩弧灯)可以用来将半导体衬底60加热到中间温度。在一些实施方式中，半导体衬底60到中间温度的加热从底部室204通过半导体衬底的底表面以加热半导体衬底60的整个块体的斜坡速率完成。
如图3中所示，用以加热半导体衬底60的来自底部弧灯240(例如用于将半导体衬底加热到中间温度)和来自顶部弧灯220(例如用于通过闪光提供毫秒加热)的光可以通过水窗260(例如水冷石英玻璃窗)进入处理室200。在一些实施方式中，水窗260可以包括两个石英玻璃板的夹层，在这两个玻璃板之间循环有约4mm厚的水层以冷却石英板并且提供针对例如大于约1400nm的波长的光学滤波器。
还如图3中图示的，处理室壁250可以包括用于反射加热光的反射镜270。反射镜270例如可以是水冷抛光铝面板。在一些实施方式中，用在毫秒退火系统中的弧灯的主体可以包括反射器以用于灯照射。例如，图5描绘了可以用在毫秒退火系统200中的顶部灯阵列220和底部灯阵列240的立体图。如所示出的，每个灯阵列220和240的主体均可以包括用于反射加热光的反射器262。这些反射器262可以形成毫秒退火系统80的处理室200的反射表面的一部分。
可以通过操纵落到半导体衬底的不同区域上的光密度来控制半导体衬底的温度均匀性。在一些实施方式中，可以通过改变小尺寸反射器到主反射器的反射度以及/或者通过使用围绕晶片安装在晶片支承平面上的边缘反射器来实现均匀性调节。
例如，边缘反射器可以用来将来自底部灯240的光重新引导至半导体衬底60的边缘。作为示例，图6描绘了示例性的边缘反射器264，边缘反射器264形成晶片平板210的可以用来将来自底部灯240的光引导至半导体衬底60的边缘的部分。边缘反射器264可以安装至晶片平板210并且可以围绕或至少部分地围绕半导体衬底60。
在一些实施方式中，也可以在晶片平板210附近的室壁上安装附加的反射器。例如，图7描绘了可以安装至处理室壁的可以用作用于加热光的反射镜的示例性反射器。更具体地，图7示出了安装至下室壁254的示例性楔反射器272。图7还图示了安装至上室壁252的反射器270的反射元件274。可以通过改变楔反射器272和/或其他反射元件(例如反射元件274)在处理室200中的反射度来调节对半导体衬底60的处理的均匀性。
图8至图11描绘了可以用作用于半导体衬底60的顶表面的毫秒时长强暴光的光源(例如“闪光”)的示例性上部弧灯220的方面。例如，图8描绘了示例性弧灯220的截面图。弧灯220例如可以是开放流动式(openflow)弧灯，其中被加压的氩气(或其他合适的气体)在电弧放电期间被转换成高压等离子体。电弧放电发生在带负电的阴极222与间隔开的带正电的阳极230(例如间隔开约300mm)之间的石英管225中。一旦阴极222与阳极230之间的电压达到氩的击穿电压(例如约30kV)或其他合适的气体的击穿电压，就形成下述稳定的低感应等离子体：该稳定的低感应等离子体发射的光在电磁频谱的可见光范围和UV范围内。如图9中所示，灯可以包括灯反射器262，灯反射器262可以用来反射由用于处理半导体衬底60的灯提供的光。
图10和图11示出了根据本公开的示例性实施方式的毫秒退火系统80中的弧灯220的示例性操作的方面。更具体地，等离子体226容纳在石英管225内，石英管225由水壁228从内部水冷却。水壁228以高流速注入灯200的阴极端处并在阳极端处排出。对于氩气229也是如此，氩气229同样在阴极端处进入灯220并从阳极端排出。形成水壁228的水垂直于灯轴线注入，使得离心作用产生水涡流。因此，沿着灯的中心线形成用于氩气229的通道。氩气柱229沿与水壁228相同的方向旋转。一旦形成等离子体226，水壁228就保护石英管225并将等离子体226限制至中心轴线。只有水壁228和电极(阴极230和阳极222)与高能等离子体226直接接触。
图11描绘了根据本公开的示例性实施方式的与弧灯结合使用的示例性电极(例如阴极230)的截面图。图11描绘了阴极230。然而，类似的构造可以实施于阳极222。
在一些实施方式中，在电极经受高热载荷时，一个或更多个电极可以各自包括梢部232。梢部可以由钨制成。梢部可以联接至和/或熔合至水冷的铜散热器234。铜散热器234可以包括电极的内部冷却系统(例如，一个或更多个水冷通道236)的至少一部分。电极还可以包括具有水冷通道236的黄铜基部235，以提供水或其他流体的循环以及电极的冷却。
用在根据本公开的方面的示例性毫秒退火系统中的弧灯可以是用于水和氩气的开放流动式系统。然而，出于保护的原因，在一些实施方式中，两种介质都可以在闭环系统中循环。
图12描绘了示例性闭环系统300，示例性闭环系统300用于供给对用在根据本公开的示例性实施方式的毫秒退火系统中的开放流动式氩弧灯进行操作所需的水和氩气。
更特别地，高纯度水302和氩304被供给至灯220。高纯度水302用于水壁并用于电极的冷却。离开灯的是气体/水混合物306。该水/气体混合物306在其可以被重新供给至灯220的入口之前被分离器310分离成无气体水302和干氩304。为了产生所需的跨灯220的压降，气体/水混合物306借助于水驱喷射泵320被泵送。
大功率电动泵330提供用以驱动灯220中的水壁、灯电极的冷却水以及喷射泵320的动力流的水压。喷射泵320下游的分离器310可以用来从混合物(氩)提取液相和气相。氩在其再次进入灯220之前在聚结过滤器340中被进一步干燥。如果需要，可以从氩源350供给附加的氩。
水通过一个或更多个颗粒过滤器350以去除由电弧溅射到水中的颗粒。离子污染物被离子交换树脂去除。一部分水流过混合床离子交换过滤器370。通向离子交换旁路370的入口阀372可以通过水电阻率来控制。如果水电阻率下降成低于下限值，则阀372打开，当水电阻率达到上限值时，阀372关闭。系统可以包括活性炭过滤器旁路回路380，在活性炭过滤器旁路回路380中可以附加地过滤一部分水以去除有机污染物。为了保持水温，可以使水通过热交换器390。
根据本公开的示例性实施方式的毫秒退火系统可以包括独立地测量半导体衬底的两个表面(例如顶表面和底表面)的温度的能力。图13描绘了用于毫秒退火系统200的示例性温度测量系统150。
图13中示出了毫秒退火系统200的简化表示。可以通过温度传感器、比如温度传感器152和温度传感器154独立地测量半导体衬底60的两个侧部的温度。温度传感器152可以测量半导体衬底60的顶表面的温度。温度传感器154可以测量半导体衬底60的底表面。在一些实施方式中，可以使用具有约1400nm的测量波长的窄带高温测量传感器作为温度传感器152和/或温度传感器154来测量例如半导体衬底60的中心区域的温度。在一些实施方式中，温度传感器152和154可以是具有高到足以解决由闪光加热引起的毫秒温度尖峰的采样率的超快速辐射计(UFR(ultra-fastradiometers))。
温度传感器152和154的读数可以是发射率补偿的。如图13中所示，发射率补偿方案可以包括诊断闪光156、参考温度传感器158以及配置成测量半导体晶片的顶表面和底表面的温度传感器152和154。诊断加热和测量可以与诊断闪光156(例如测试闪光)一起使用。来自参考温度传感器158的测量值可以用于温度传感器152和154的发射率补偿。
在一些实施方式中，毫秒退火系统200可以包括水窗。水窗可以提供抑制温度传感器152和154的测量带中的灯照射的光学滤波器，使得温度传感器152和154仅测量来自半导体衬底的照射。
温度传感器152和154的读数可以被提供给处理器电路160。处理器电路160可以定位在毫秒退火系统200的壳体内，但是替代性地，处理器电路160可以定位成远离毫秒退火系统200。如果需要，本文中描述的各种功能可以由单个处理器电路执行，或者由本地处理器电路和/或远程处理器电路的其他组合执行。
处理器电路160可以使用温度传感器152和154的读数来确定跨衬底的温度分布。温度分布可以提供跨衬底表面的各个位置处的衬底温度的度量。温度分布可以提供在处理期间衬底的热均匀性的度量。如下面详细描述的，表示温度分布的数据可以用于通过下述各项改善热均匀性：(1)改变毫秒退火系统的处理室内的压力；(2)借助于毫秒退火系统中的水窗的折射作用来操纵照射分布；(3)晶片的角度定位；以及/或者(4)配置用在毫秒退火系统中的反射器的形状。
通过室压力控制进行的示例性均匀性改善
根据本公开的示例性方面，可以通过改变处理室内的压力来在毫秒退火系统中的处理期间改善半导体衬底的温度均匀性。处理室内的压力会影响室内的处理气体的流动模式，从而改变晶片的不同区域上的对流冷却贡献。
毫秒退火系统中的处理室可以在大气压力下操作。处理室可以相对于周围的空气密封以实现室内的超纯气氛。室内的压力可以在由水窗的石英板的机械稳定性给出的限制内进行改变。例如，容许压力范围例如可以是在大气压力下为约+2kPa至约-2kPa的压力。
例如，在一些实施方式中，用于在毫秒退火系统中热处理衬底的方法可以包括在毫秒退火系统中的处理期间获得指示与一个或更多个衬底相关联的温度分布的数据。温度分布可以提供处理期间衬底的热均匀性的度量。温度分布可以提供衬底上的不同点处的温度。可以对指示一个或更多个衬底的温度分布的数据进行分析，以确定在处理期间温度分布中的任何不均匀性。为了解决不均匀性，可以调节处理室中的压力以影响跨一个或更多个衬底的温度均匀性。
在一些实施方式中，可以在处理期间获得指示关于衬底的温度分布的数据。在温度分布中识别的不均匀性可以触发半导体衬底的处理期间的压力调节。以这种方式，可以使用基于所测量的温度分布的闭环压力控制来调节处理期间晶片的温度均匀性。
图14描绘了用于调节根据本公开的示例性实施方式的毫秒退火系统的处理室200中的压力的示例性气体流动系统。处理室200可以是开放式流动系统，在该开放式流动系统中，处理气体不断地从气体入口302通过位于处理室200的顶部拐角中的气体入口端口进入室中。处理气体可以通过位于处理室的底部拐角中的排气端口离开处理室200。在排气端口的下游，四个排气管线可以结合至单个下游管线304。下游管线304可以连接至下游排放管道340。下游管道340可以提供从处理室200排出处理气体所需的相对于处理室200的压力差PΔ。通过改变该压力差PΔ，可以调节处理室中的压力。
在一些实施方式中，压力差PΔ可以由控制器320调节。控制器320可以是任何合适的控制装置，比如执行存储在一个或更多个存储器装置中的计算机可读指令的一个或更多个处理器电路。控制器320的控制变量可以是安装至室的压力传感器315。压力传感器315可以测量室200内的压力并且可以通过合适的通信介质将表示压力的信号发送至控制器320。
控制器320的致动器可以是排气歧管中的阀325(例如蝶形阀)，从而改变流动阻力并且因此改变下游管线304的压力差。低流动阻力可以降低室压力。高流动阻力可以增大室压力。控制器320的压力设定点可以由使用者例如基于跨衬底的温度分布来定义。控制器320可以配置成基于来自压力传感器的信号来控制压力达到压力设定点。在一些实施方式中，压力差可以通过排气管线内的被动性机械限制件(例如孔口、风门或挡板)或通过设定外部排放管道压力来调节。
处理室内的压力会影响室内的处理气体的流动模式。因此，可以通过调节根据本公开的示例性实施方式的处理室内的压力来调节晶片的不同区域上的对流冷却贡献。
调节压力还会影响通过毫秒退火系统中的水窗提供的灯光的照射分布。例如，在一些实施方式中，可以通过基于用在毫秒退火系统中的水窗的折射作用来调节照射分布而在毫秒退火系统中的处理期间改善半导体衬底的温度均匀性。处于正常状态的水窗是以下述顺序叠置的平面平行的板：(1)石英；(2)水；(3)石英。水可以流动穿过两个石英板的夹层。将叠置件翘曲可以使水窗用作穿过窗的灯光的透镜，从而调整通过水窗得到的照射分布。
在一些实施方式中，水窗的翘曲可以通过增大或减小室内的压力来完成。如上面所论述的，室内的压力可以在由水窗的石英板的机械稳定性给出的限制内进行改变。例如，容许压力范围例如可以是在大气压力下为约+2kPa至约-2kPa的压力。当在水窗内流动的冷却水处于非常接近大气压力的恒定压力时，室内的压力变化会影响水窗的内石英板。这会导致水层中心到边缘的厚度变化。
更具体地，图15和图16图示了具有内板282和外板284的水窗260。内板282和外板284可以由例如石英形成。水可以在内板282与外板284之间流动。内板282可以相对于外板284更靠近毫秒退火系统的处理室设置。
如图15中所示，通过相对于大气为正的室压力，水窗260的内板282向外弯曲(例如远离处理室)，从而产生对光具有散焦作用的凸出的水层。如图16中所示，通过相对于大气为负的室压力，水窗260的内板282向内弯曲(例如朝向处理室)，从而产生对光具有聚焦作用的凸出的水层。
通过晶片的角度定位进行的示例性均匀性改善
根据本公开的示例性方面，可以通过成一定角度的晶片定位来改善在毫秒退火系统中的处理期间的图案化器件晶片(例如产品晶片)的温度均匀性。产品晶片有时可以包括在晶片的前表面上布置成阵列形式的数百个晶粒。
例如，图17描绘了具有呈阵列布置的器件的示例性产品晶片500。由于硅是晶体，因此晶粒可以沿着晶格的主轴线定向。最常见的是，晶片表面沿着硅晶格的[100]平面被切割。晶片具有对<110>晶格取向作出标记的标记502。这样的晶粒布置导致光的横向变化的吸收能力。因此，晶粒的阵列在晶片表面上赋予不均匀的光吸收性能。
图18描绘了毫秒退火系统中的晶片的照射的示例性残余不均匀性的示意510。如图18中所示，室可能具有残余的固有照射不均匀性，从而导致横向晶片温度不均匀性。这种固有照射不均匀性例如可能源于灯的取向、反射器的位置以及毫秒退火系统的其他部件。
根据本公开的示例性方面的毫秒退火系统可以使用静止的、不旋转的晶片支承装置。因此，角度晶片取向可以用来通过至少部分地基于室的固有的照射模式进行对准来优化或改善温度均匀性。
更特别地，在一些实施方式中，用于在毫秒退火系统中热处理衬底的方法可以包括在毫秒退火系统中的处理期间获得指示与一个或更多个衬底相关联的温度分布的数据。可以对指示一个或更多个衬底的温度分布的数据进行分析，以确定在处理期间温度分布中的任何不均匀性。为了解决不均匀性，可以调节处理室中的一个或更多个晶片的角度定位以影响跨一个或更多个衬底的温度均匀性。
图19描绘了位于处理室200内的产品晶片500。如所示出的，晶片500可以以相对于室和灯不同的角度取向放置。在图19的示例中，晶片500被放置成使得标记502处于标记对准角θ。因此，可以通过调整晶片500的角度取向来增强吸收图案与照射图案之间的相互作用。
在一些实施方式中，产品晶片可以在被装载到毫秒退火系统的处理系统上之前与标记对准。标记对准角θ可以确定室内的角度取向。可以基于相对于室主轴线(例如由壁给出)的标记位置来测量晶片取向。在其他实施方式中，标记对准可以在处理室内执行，例如通过标记对准工位或通过结合至机器人的标记对准器在处理室内执行。
在一些实施方式中，晶片可以由安装至晶片支承板的石英销支承。用于支承晶片的销的数目可以在三个至六个或更多个之间变化。一种常用的晶片支承方案使用与晶片中心距离相等地布置为正方形的四个销。通常，销可能会导致局部冷区。另外，销可能会诱发机械应力模式。通过晶片相对于销的角度取向，销的负面影响可以移动至晶片的更适当的区域。另外，通过使接触点偏离主晶格轴线，可以减小晶片应力。
例如，图20描绘了处理室200内的晶片500，并且示出了支承销212相对于晶片500的位置。通过将销212定位在相对于晶片500的不同位置处，晶片500相对于销212的角度取向可以减小销212的影响。
通过反射器的形状和位置进行的均匀性改善
根据本公开的示例性实施方式，可以至少部分地基于毫秒退火系统的处理室中的一个或更多个反射器的形状来在毫秒退火系统中的处理期间改善半导体衬底的温度均匀性。例如，顶部楔反射器和/或一个或更多个边缘反射器可以具有设计成改善热均匀性的形状和/或构型。可以使用小尺寸反射器来减少毫秒退火系统中的处理室的残余不均匀性。
在一些实施方式中，用于在毫秒退火系统中热处理衬底的方法可以包括在毫秒退火系统中的处理期间获得指示与一个或更多个衬底相关联的温度分布的数据。可以对指示一个或更多个衬底的温度分布的数据进行分析，以确定在处理期间温度分布中的任何不均匀性。为了解决不均匀性，可以调整处理室中的一个或更多个反射器的形状、构型和/或位置以影响跨一个或更多个衬底的温度均匀性。
图21描绘了毫秒退火系统的截面图，示出了毫秒退火系统中的处理室中的顶部楔反射器274和边缘反射器264的位置。顶部楔反射器274可以位于靠近晶片平板的处理室壁上。顶部楔反射器264可以是楔形的。边缘反射器264可以位于晶片平板上并且可以在处理期间围绕衬底。
在一些实施方式中，可以有位于毫秒退火系统的处理室的顶部室部分中的室壁上的两个顶部楔反射器264。顶部边缘反射器264可以用来控制与灯的主轴线垂直的照射分布。在一些实施方式中，楔反射器264可以沿着面向门和面向室后部的镜面板的底边缘安装在室的上半部中。
通常，晶片温度分布在晶片的垂直于灯取向的边缘处具有冷区。这些冷区的尺寸和量级会被楔反射器264影响。毫秒退火系统可以具有单独触发每个顶部灯的闪光放电的能力。这种能力的主要应用是形成闪光事件的时间-温度分布。这种能力的副作用是照射模式随时间而局部地变化，这是由于顶部灯相对于晶片处于不同的位置。这可能会取决于灯的触发顺序而影响晶片边缘上的冷区的尺寸。使用具有优化角度的楔可以补偿这些影响。
图22描绘了具有变化的楔角的示例性顶部楔反射器264。更具体地，图22(a)描绘了具有0°楔角的顶部楔反射器264。图22(b)描绘了具有10°楔角的顶部楔反射器。通过改变楔角，可以控制入射到边缘区域的光的量。在一些实施方式中，楔反射器264可以安装至马达或可以配置成调节楔反射器264的位置和/或楔角的其他机械装置。例如，控制器可以响应于衬底的温度测量而实时地调节楔反射器的楔角，以提供更均匀的处理。
在一些实施方式中，可以通过加工部件来预先设定楔角。对均匀性的优化可以通过将具有选定楔角的合适的楔安装至处理室来执行。在另一实施方式中，可以通过用垫片或通过固定螺钉使楔倾斜来设定楔角。在一些实施方式中，通过另外改变楔高度和楔反射率来操纵照射分布。
图23描绘了通过将顶部楔的楔角从5°楔角调整到1°楔角进行的对照射分布的示例性改善。更具体地，图23(a)描绘了在具有楔角为5°的顶部楔反射器的处理室中处理的晶片的温度分布。如所示出的，晶片由于减小的照射而会在晶片边缘处具有冷区520。图23(b)描绘了在具有楔角为1°的顶部楔反射器的处理室中处理的晶片的温度分布。如所示出的，晶片边缘525处的温度更均匀并且冷区的存在已经减少。
操纵晶片边缘处的照射量的另一种方式是通过边缘反射器274的位置、形状和反射率来进行。图24描绘了用在处理室中的四个边缘反射器274的立体图。边缘反射器274可以将来自底部灯的光重新引导至晶片的边缘。边缘反射器274的反射率可以通过将槽276切割成反射表面来改变。槽的面积与剩余反射器面积的比率决定了反射率的大小。
图25描绘了用在毫秒退火系统中的标准边缘反射器274的线性轮廓。根据本公开的示例性实施方式，晶片的温度均匀性可以通过将轮廓形状从线性转换为抛物线或线性和抛物线的组合以及/或者通过相对于晶片的相对位置来改变。这决定了晶片边缘上的加热区的尺寸和位置。
更具体地，图26(a)描绘了通过具有线性轮廓274.2的边缘反射器274而到达衬底60上的光的反射。图26(b)描绘了通过具有抛物线轮廓和线性轮廓的组合轮廓274.4的边缘反射器274而到达衬底60上的光的反射。图26(c)描绘了通过具有抛物线轮廓和线性轮廓的组合轮廓274.4但具有相对于衬底的调整位置的边缘反射器274而到达衬底60上的光的反射。
在一些实施方式中，边缘反射器274可以安装至马达或可以配置成调整边缘反射器的位置和/或表面轮廓的其他机械装置。例如，控制器可以响应于衬底的温度测量而实时地调整一个或更多个边缘反射器的位置，以提供更均匀的处理。
尽管已经关于本主题的特定示例性实施方式详细描述了本主题，但将理解的是，本领域技术人员在达到对上述内容的理解时可以容易地得出针对这样的实施方式的修改、变型和等同方案。因此，本公开的范围是作为示例而非限制性的，并且本主题公开内容并不排除包括对于本领域普通技术人员而言显而易见的对本主题的这样的改型、变型和/或添加。

Claims (19)

1.一种用于在毫秒退火系统中热处理衬底的方法，包括：
在毫秒退火系统中的处理期间获得指示与一个或更多个衬底相关联的温度分布的数据，所述毫秒退火系统具有将处理室分成顶部室和底部室的晶片平板；以及
至少部分地基于指示所述温度分布的所述数据来调节所述处理室中的压力，以影响在整个所述一个或更多个衬底上的温度均匀性；
其中，调节所述处理室中的压力包括基于所述处理室中的压力使水窗翘曲。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，调节所述压力包括在处理所述一个或更多个衬底中的至少一个衬底期间调节所述处理室中的压力，以调节所述一个或更多个衬底中的所述至少一个衬底的温度分布。
3.根据权利要求1所述的方法，其中，所述压力被调节成处于相对于大气压力为+2kPa至-2kPa的范围内。
4.根据权利要求1所述的方法，其中，调节所述处理室中的压力包括调节所述处理室与配置成使处理气体流动通过所述处理室的气体流动系统中的下游管线之间的压力差，所述下游管线位于所述处理室中的一个或更多个排气开口的下游。
5.根据权利要求4所述的方法，其中，调节所述压力差包括调节设置在所述下游管线中的阀。
6.根据权利要求5所述的方法，其中，所述阀通过一个或更多个控制器基于来自配置成测量所述处理室内的压力的压力传感器的一个或更多个信号来调节。
7.根据权利要求1所述的方法，其中，所述压力被调节以影响所述处理室中的处理气体的流动模式。
8.根据权利要求1所述的方法，其中，所述水窗包括内板和外板，水在所述内板与所述外板之间流动，所述内板相对于所述外板更靠近所述处理室设置。
9.根据权利要求8所述的方法，其中，所述水窗被翘曲成使得所述水窗的所述内板背向所述处理室弯曲，以提供对灯光的散焦作用。
10.根据权利要求8所述的方法，其中，所述水窗被翘曲成使得所述水窗的所述外板朝向所述处理室弯曲，以提供对灯光的聚焦作用。
11.根据权利要求1所述的方法，所述方法进一步包括：
至少部分地基于所述温度分布来调节所述毫秒退火系统中的边缘反射器或楔反射器中的一者或更多者的形状、构型或位置。
12.根据权利要求11所述的方法，其中，所述楔反射器位于靠近所述晶片平板的室壁上。
13.根据权利要求12所述的方法，其中，调节所述毫秒退火系统中的边缘反射器或楔反射器中的一者或更多者的形状、构型或位置包括调节所述楔反射器的楔角。
14.根据权利要求12所述的方法，其中，调节所述毫秒退火系统中的边缘反射器或楔反射器中的一者或更多者的形状、构型或位置包括调节所述楔反射器的高度。
15.根据权利要求12所述的方法，其中，所述边缘反射器位于所述晶片平板中。
16.根据权利要求11所述的方法，其中，调节所述毫秒退火系统中的边缘反射器或楔反射器中的一者或更多者的形状、构型或位置包括调节所述边缘反射器的表面轮廓。
17.根据权利要求11所述的方法，其中，调节所述毫秒退火系统中的边缘反射器或楔反射器中的一者或更多者的形状、构型或位置包括利用一个或更多个控制器在所述衬底的处理期间调节所述楔反射器相对于所述衬底的位置。
18.根据权利要求1所述的方法，所述方法进一步包括：
确定用于在所述毫秒退火系统的处理室中放置器件衬底的角度位置，所述角度位置至少部分地基于所述温度分布来确定。
19.根据权利要求18所述的方法，其中，所述角度位置至少部分地基于所述毫秒退火系统中的一个或更多个支承销的位置来确定。
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