CN109881186A - 一种用于cvd设备中对衬底进行高温加热的装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种辐射加热装置，具体涉及一种用于CVD设备中对衬底进行高温加热的装置。包括反应室，反应室内设置有用于支撑待处理衬底的基座；反应室外部正上方设有第一灯组，正下方设有第二灯组；基座的下方设有若干热电偶，热电偶与温度控制系统相连，灯组内的加热灯通过可控硅组件与温度控制系统相连；第一灯组的上方设有第一反射器，第二灯组的下方设有第二反射器。本发明装置提高晶片上温度的均匀性。具有变化的相对绕组密度的多个区域，从而提供了比仅仅控制红外功率输出而言更高的分辨率。

Description

一种用于CVD设备中对衬底进行高温加热的装置

技术领域

本发明涉及一种辐射加热装置，具体涉及一种用于CVD设备中对衬底进行高温加热的装置。

背景技术

化学气相沉积(CVD)是半导体工业中用于在诸如硅晶片的衬底上形成材料薄膜的非常熟知的工艺。其原理是化学气体在衬底表面发生化学反应，从而在其表面生长一层晶体薄膜。通常，CVD工艺在较高的温度下进行以加速化学反应并产生高质量的薄膜。在一些工艺中，例如硅的外延生长，需要在极高温度(>1100℃)下进行。为了达到所需的高温，可以使用电阻加热，感应加热或辐射加热来加热衬底。在这些加热方法中，辐射加热是效率在最高的方法。通常采用辐射加热方法的具体实施方式是将红外灯布置在反应腔室的周围，但是由于使用的是局部辐射能量源，会存在能量的聚焦和干涉，辐射能量具有产生不均匀温度分布的趋势，甚至出现“热斑”。

一般CVD系统通常会包含有以下基本构成：用来承载衬底的反应腔，一个气体控制单元，一个加热装置，以及一个晶圆搬运装置。在CVD工艺过程中，衬底被放置在反应腔内的基座上，衬底和基座会被同时加热到所需温度，当工艺气体流经衬底表面时，在衬底表面发生沉积反应，生长一层所需的薄膜层，若生长出的膜层晶体结构和衬底相同，我们称其为同质外延层，通过后续工艺，这些外延层被制成集成电路，产生数十至数千甚至数百万的集成器件，这取决于衬底的尺寸和电路的复杂性。

在CVD工艺过程中，有很多参数必须被严格控制，以保证外延层的生长质量，其中一项关键参数就是每个步骤的温度值及其稳定性，举例来说，在硅外延生长过程中，衬底硅晶片的温度决定了晶片上材料沉积的速率，如果温度在晶片表面上变化，则会发生膜的不均匀沉积，并且在晶片上物理性质将不均匀，只要出现轻微的温度变化，就有可能造成外延层的晶体出现晶格滑移、位错等缺陷。以通常的单片式硅外延生长反应器为例，克服上述问题的一种方法是使晶片旋转。该反应器包括圆形可旋转基座，其直径略大于晶片，基座使晶片围绕垂直于晶片中心的轴旋转。基座的旋转使得沉积的材料生长速率的平均，减轻了当反应气体流过晶片时沉积材料的浓度降低的问题。基座的旋转还有助于平均晶片表面温度梯度，因为所有点均匀地经历所有温度环境。

为了在晶片上提供更均匀的温度分布，在灯后面安装反射器以间接照射晶片。反射器只对局部区域中一部分灯的能量进行反射，从而在整个腔室中产生更平衡的温度分布。这些反射器通常由基底金属制成，并且通常镀金以增加其反射率。然而，这种反射仍倾向于在被加热的晶片上引起热斑。此外，虽然反射器可以改善温度分布，但是从装配的观点来看，将反射器集成到生产设备中是非常困难的，而且进一步使灯组的设计复杂化。因此，需要一种用于CVD系统中，实现半导体晶片上的均匀温度分布的系统，这种系统应该保留辐射加热的优点，同时降低适当的灯组设计的复杂性。

发明内容

本发明要解决的技术问题是，克服现有技术中的不足，提供一种用于CVD设备中对衬底进行高温加热的装置。

为解决上述技术问题，本发明采用的解决方案是：

提供一种用于CVD设备中对衬底进行高温加热的装置，包括反应室，反应室内设置有用于支撑待处理衬底的基座；反应室外部正上方设有第一灯组，正下方设有第二灯组；基座的下方设有若干热电偶，热电偶与温度控制系统相连，灯组内的加热灯通过可控硅组件与温度控制系统相连；第一灯组的上方设有第一反射器，第二灯组的下方设有第二反射器。

作为一种改进，第一灯组包括9根直线型加热灯，且9根加热灯平行排布，加热灯管与工艺气体流向平行。

作为一种改进，第二灯组由8根加热灯构成，且8根加热灯平行排布，加热灯与工艺气体流向垂直。

作为一种改进，9个加热灯接收5个不同水平的输入功率。

作为一种改进，灯组中各加热灯的功率水平以中心处加热灯最低，从中心向两侧以先升高再降低的规律分布。

作为一种改进，第二灯组的8个加热灯接收6个不同水平的输入功率。

作为一种改进，灯组中的加热灯包括外管，外管两端各设有一个连接器，外管内设有加热灯丝；加热灯丝与连接器连通。

作为一种改进，加热灯丝两端的绕组密度大于中间段的绕组密度。灯组包含至少一个沿其长度具有变化的绕组密度的加热灯。

上述反应室为透明石英材质。

与现有技术相比，本发明的技术效果是：

1、本发明所述加热灯的输出功率都是可控的，通过可控硅整流器(SCR)来做到精确控制。通过对各个加热灯的不同功率水平输入，提高晶片上温度的均匀性。基座下方不同区域设置有若干热电偶，用于实时反馈基座与衬底的各个区域的温度，根据反馈的温度值来调节特定加热灯的功率，使对应区域的温度达到预想值，从而实现温度的均匀分布。

2、本发明加热灯配置有具有变化的相对绕组密度的多个区域，从而提供了比仅仅控制红外功率输出而言更高的分辨率。例如，在灯管两端比中间设置更多的单位长度灯丝绕组，则灯管端部比中间部分输出更多的辐射能量，于是由所述灯管加热的区域内的温度将从灯的一端到另一端发生热-冷-热的变化。分辨率的提高有助于温度均匀性的精细化控制。

附图说明

图1是本发明装置的截面图。

图2是本发明装置部分结构的俯视平面示意图。

图3是单个直线型加热灯的示意图。

图4是具有分段绕组密度的加热灯的结构示意图。

图5是具有分段绕组密度的加热灯的第一灯组的俯视图。

图6是第一灯组使用分段加热灯后的加热装置内部晶片表面的温度分布图。

图7是第一灯组各加热灯的功率分布曲线(显示了每个加热灯的输入功率百分比)。

图8是第二灯组各加热灯的功率分布曲线(显示了每个加热灯的输入功率百分比)。

附图标记：

1-反应室；2-基座；3-第一灯组；30-加热灯；31-连接器；32-外管；33-正常绕组密度的灯丝段；35-较小绕组密度的灯丝段；4-第一反射器；40-第一分段加热灯；41-第二分段加热灯；5-第二灯组；6-第二反射器；7-衬底晶片。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明的具体实施方式进行详细描述。

如图1所示，一种用于CVD设备中对衬底进行高温加热的装置，包括反应室1，反应室1内设置有用于支撑待处理衬底的基座2；反应室1外部正上方设有第一灯组3，正下方设有第二灯组5；第一灯组3包括9根直线型加热灯30，且9根加热灯30平行排布，加热灯30管与工艺气体流向平行。9个直线型的加热灯30由与其相对应的5个SCR控制，如图2所示，不同编号的SCR对加热灯30输入不同水平的功率。

第二灯组5由8根加热灯30构成，且8根加热灯30平行排布，加热灯30与工艺气体流向垂直。第二灯组5设置于晶片下方，由8个加热灯30组成，各个加热灯30与其相对应的6个SCR控制，同理，不同编号的SCR对加热灯30输入不同水平的功率。在呈栅格分布的布置中，加热灯30是直线型的，且第一灯组3的加热灯30与工艺气体流向平行，第二灯组5的加热灯30与气流方向垂直。

灯组中各加热灯30的功率水平以中心处加热灯30最低，从中心向两侧以先升高再降低的规律分布。

通常，每个加热灯30按照所对应的不同编号的SCR接收不同的输入功率，使得晶片上的温度梯度可以在晶片表面的所有区域上基本均匀，每个区域可以基于来自热电偶的反馈与温度控制模块相关联。第一灯组3的加热灯30#1位置处于晶片中心上空，当两侧气体流速相同时，加热灯30#1两侧的环境条件是呈对称分布的，所以第一灯组3的9个加热灯30沿加热灯#1呈对称分布，互相对称的两个加热灯30由同一个SCR控制以保证功率相同，这样就减少了SCR的数量，简化了控制程序。

如图3所示，灯组中的加热灯30包括外管32，外管32两端各设有一个连接器31，外管32内设有加热灯丝；加热灯丝与连接器31连通。

基座2的下方设有若干热电偶(未示出)，热电偶与温度控制系统相连，灯组内的加热灯通过可控硅组件与温度控制系统相连；第一灯组3的上方设有表面镀金的第一反射器4，第二灯组5的下方设有第二反射器6。

本发明的原理为：在这种采用直线型均匀加热灯的加热装置的使用中可以发现，反应室1内对于晶片的热辐射的不同分配还是会有反应室1内出现不均匀的温度分布的现象出现，例如出现热区(温度相对较高的区域)和“冷区”(温度相对较低的区域)，尤其是在晶片的表面上。在一个应用中，当在如上所述的反应室1中处理200mm晶片时，由于反应室1为方形结构而基座2是圆形，为了保证气流的稳定，通常在基座2的外部设置方形的基座环，来填补基座2和反应室1之间的缝隙；而方形基座环上必然会出现冷区，因为基座环的四个角由于它们的表面积大，散热快，温度就会相对较低。于是基座2与基座环相邻近的区域温度也会随之降低，即晶片的边缘区域温度会降低，导致冷区的出现。相对的，晶片中心的区域温度会相对较高，即所谓的热区。这与参与CVD处理的工艺气体的流量和流速有关，通常会用H2作为工艺气体的载气，这里拿H2作为例子。当H2流速较快时，晶片的边缘会被气流带起，轻微的与基座2分离，不能和基座2接触传导获得热量，这将导致晶片边缘热量更快地流失。

根据以上现象，提出一种第一分段加热灯40，来补偿晶片边缘的相对热量损失。如

图4所示，所述第一分段加热灯40区别于加热灯30的地方在于其加热灯丝包含有不同绕组密度的灯丝段，通常由两端正常绕组密度的灯丝段33和中间较小绕组密度的灯丝段35构成。当对第一分段加热灯40通电时，灯丝段33会输出比灯丝段35更多的热量，即在第一分段加热灯40辐射加热的区域出现热-冷-热的温度分布。

在图4所示的布置中，更多的辐射能量由第一分段加热灯40的两个端部区域33输出，但是中间部分35也将输出一定程度的辐射能量。通过改变包含在中间区域内的绕组密度，可以控制该区域辐射能量的水平。当然，如果需要，可以使中间区域35基本上无效，几乎没有辐射能量输出。

图5是采用了分段加热灯40的第一灯组3示意图，灯组包括2根中间有40mm长度低密度灯丝段的第一分段加热灯40和2根中间有80mm长度低密度灯丝段的第二分段加热灯41，其余均为均匀绕组密度的加热灯30。晶片上的四个区域Zone1、Zone2、Zone3、Zone4分别为接近基座环四个角的区域，在图5所示的布置中，这四个边缘区域会得到相对于中间区域更多的辐射能量，以补偿其失去的热量，实现温度的均匀分布。

由于反应室1结构和工艺气体带走热量的原因，为了保证晶片上温度的均匀分布，还要对加热灯分配不同的功率，图6示出了一个实例中各加热灯的功率分布，输入功率以每个加热灯最大功率的百分比显示，每个加热灯的最大功率相同。该实例已采用第一分段加热灯40，在H2流量为60SLM的条件下，欲使晶片表面温度达到1100℃，通过热电偶测量得到的最终温度分布已在图6中示出，最大温差仅为4℃，说明所述加热方式能达到预期效果。

图7示出了第一灯组3各加热灯的功率百分比分布曲线，呈现沿中心对称的情况。功率水平从边缘到反应室1中心呈再上升在下降的趋势，在反应室1中心功率最低，因为能照射到中心处的加热灯最多，然后到另一边缘又是先上升再下降的。该功率分配规律适用于其他采用类似加热灯布置的加热方式，即使采用不同数量或不同分段长度的加热灯，因为该分配规律参考了边缘效应和已知的会影响单个晶片上的温度梯度的其他因素。

图8是第二灯组5各加热灯的功率百分比分布曲线，与第一灯组3相比，第二灯组5中的分布不太对称。具体地说，功率在灯组前部(先接触气流的位置)区域较高，并且向灯组中心逐渐降低，在中心前面一些降到最低，然后在中心处和后面功率逐渐增加，到最后面又呈下降趋势。这样分布的原因是：在最前部，接触到的气流温度最低，带走的热量最多，所以需要用最高的功率水平。后面的功率水平分配趋势类似于第一灯组3，只是在气流温度逐渐升高从而导致其带走热量逐渐降低的情况下，功率水平变化的幅度与第一灯组3不同。同样的，该功率分配规律适用于其他采用类似加热灯布置的加热方式。

通过加热灯的类型变化和灯组各加热灯的功率变化(如图所示)的组合，实现了晶片上更均匀的温度分布。

最后需要注意的是，以上列举的仅是本发明的具体实施例。显然，本发明不限于以上实施例，还可有很多变形。本领域的普通技术人员能从本发明公开的内容中直接导出或联想到的所有变形，均应认为是本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种用于CVD设备中对衬底进行高温加热的装置，包括反应室，所述反应室内设置有用于支撑待处理衬底的基座；其特征在于，反应室外部正上方设有第一灯组，正下方设有第二灯组；基座的下方设有若干热电偶，热电偶与温度控制系统相连，灯组内的加热灯通过可控硅组件与温度控制系统相连；所述第一灯组的上方设有第一反射器，所述第二灯组的下方设有第二反射器。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述第一灯组包括9根直线型加热灯，且9根加热灯平行排布。

3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述第二灯组由8根加热灯构成，且8根加热灯平行排布且与第一灯组内的加热灯垂直。

4.根据权利要求1或2所述的装置，其特征在于，所述9个加热灯接收5个不同水平的输入功率。

5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述灯组中各加热灯的功率水平以中心处加热灯最低，从中心向两侧以先升高再降低的规律分布。

6.根据权利要求1或3所述的装置，其特征在于，所述第二灯组的所述8个加热灯接收6个不同水平的输入功率。

7.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述灯组中的加热灯包括外管，外管两端各设有一个连接器，外管内设有加热灯丝；加热灯丝与连接器连通。

8.根据权利要求1或7所述的装置，其特征在于，所述加热灯丝两端的绕组密度大于中间段的绕组密度。