CN115244647A - 用于快速热退火灯的锥状线圈 - Google Patents

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Abstract

本文所公开的多个实例涉及构造为提供用于处理腔室的热量的灯。灯包括充满气体的灯罩。灯丝设置于灯罩内。灯丝具有上直径、下直径和长度。一对电极电耦接至灯丝。一对引脚电耦接至该对电极。该对引脚构造为将能量转移至灯丝。上直径或下直径与长度的比是约0.3。上直径不等于下直径。

Description

用于快速热退火灯的锥状线圈
背景
技术领域
本文所公开的多个实例涉及构造为提供用于处理腔室的热量的灯的灯丝。
相关技术描述
在诸如快速热处理腔室的基板处理腔室中，在诸多因素中，沉积于基板上的材料的质量可取决于基板温度的均匀性。控制热源是影响基板上温度的热量分布的一个方式。用于快速热处理的习知热源包括灯和反射体。诸如热源的大小、形状和角度的尺寸是影响基板上热量分布的参数。当处理腔室中使用多个热源时，控制这些参数可对应于热量分布的总质量，并且因此对应于沉积于基板上的材料的质量。
此前对于调整用于控制热量分布的热源的参数的尝试受限于热源的形状、长度和材料。习知的热源产生的基板上热量分布不促进所沉积材料的均匀沉积。由此，为控制基板上沉积材料的中心至边缘的均匀性，操作者已转而控制处理腔室中的其他参数。然而，控制这些其他参数导致例行维护所需的时间增加。因此，由于例行预防性维护程序之间的平均时间增加导致的腔室停机时间，工艺产量不利地下降。
因此，需要改进的热源，改进的热源在减少预防性维护导致的腔室停机时间同时，提高基板上的中心至边缘的沉积均匀性。
发明内容
本文所公开的多个实例涉及构造为加热沉积于处理腔室中的基板的灯。灯构造为提供热量。灯包括充满气体的灯罩。灯丝设置于灯罩内。灯丝具有上直径、下直径和长度。一对电极电耦接至灯丝。一对引脚电耦接至该对电极。该对引脚构造为将能量转移至灯丝。上直径或下直径与长度的比是约0.3。上直径不等于下直径。
在另一个实例中，灯构造为提供热量。灯包括充满气体的灯罩。灯丝设置于灯罩内。灯丝具有下基座和上基座。一对电极电耦接至灯丝。一对引脚电耦接至该对电极。该对引脚构造为将能量转移至灯丝。下基座的直径与上基座的直径的比大于或等于约3:1。
在又一个实例中，灯包括充满气体的灯罩。灯丝设置于灯罩内。灯丝具有下基座和上基座。一对电极电耦接至灯丝。一对引脚电耦接至该对电极。该对引脚构造为将能量转移至灯丝。下基座的直径与上基座的直径的比等于或小于约1:3。
附图说明
为了详细地理解本公开内容的上述特征结构，可参考本文的多个实例更特定地描述上文简要概述的本公开内容，附图中说明本文的一些实例。然而，应注意附图仅说明多个实例，并且因此不应认为附图限制本公开内容的范围。因此，附图可用于其他多个等效的实例。
图1是构造为在基板上沉积材料的例示性处理腔室的示意性截面图。
图2是可用于图1的处理腔室中的例示性灯的正视图。
图3是根据一个实例的可用于图2的灯中的灯丝的放大的截面图。
图4是根据另一个实例的可用于图2的灯中的另一灯丝的放大的截面图。
图5是用于图2至图4的例示性灯中的灯丝的一部分的展开图。
为便于理解，在可能的情况下已使用相同的附图标记来标明共同特征结构的相同元素。设想一个实例的元素和特征结构可在无进一步叙述的情况下有益地包括于其他多个实例中。
具体实施方式
本文所公开的多个实例涉及构造为提供用于设置于处理腔室中的基板的热量的热源，例如一个或多个灯。在处理期间，可使用各种技术将材料沉积于设置在处理腔室中的基板上。被定位邻接处理腔室的内部空间的灯构造为放射辐射能，当沉积材料沉积于基板上时该辐射能加热基板。
快速热处理是一种在处理腔室中沉积材料的技术。处理腔室使用由可变电力(electrical power)控制的灯加热基板。灯可提供自可见光至近红外范围的辐射。基板吸收来自灯的辐射，由此提高基板的温度和对于沉积处理的适用性。每一个灯包括由一种材料制成的灯丝，当电流通过时，此种材料辐射光和热量。灯的灯丝设置于气体环境中，此气体环境被选择以延长灯丝的寿命。
基板上的所沉积材料的厚度均匀性与处理期间基板的表面上的基板温度分布的均匀性相关。由于灯辐射热量，每一个灯的灯的灯丝的几何形状与全体灯的辐射分布相关，这可因此影响基板温度分布。每一个灯的灯的灯丝的几何形状包括灯丝的斜度和灯丝的横截面，影响基板上的每单位平方米的局部辐射(W/m2)。因此，每一个灯的灯丝的几何形状可用于控制由灯提供的辐射分布的均匀性，并且由此可用于控制基板温度分布。通过在处理期间控制基板的基板温度分布，实现材料在基板上的均匀沉积。此外，通过控制每一个灯的灯丝的几何形状，可精确控制沉积材料的中心至边缘厚度。
有利地，使用灯丝的诸如几何形状的控制参数使得处理腔室得以被微调以实现所要的沉积结果。此外，操作者可容易地通过在例行维护程序期间或出于特定处理运行的目的而替换灯来改变辐射分布。另外，不同的灯(亦即具有不同的灯丝)可用于补偿其他腔室处理差异，这些其他腔室处理差异可能不利地影响膜沉积均匀性。
图1是构造为在基板130上沉积材料的例示性处理腔室100的示意性截面图。图1提供在用于加热处理腔室100中的基板130的灯头组件116中使用光源(例如灯136)的上下文。在一个实例中，处理腔室100构造为快速热处理(rapid thermal processing；RTP)腔室。应理解本文出于示意性目的描绘处理腔室100，并且本公开内容的概念可有利于任何使用用于放射辐射能的光源(诸如灯136)来加热基板130以用于处理的热处理腔室。虽然所示的灯136设置于定位为邻接基板130上方的处理腔室100的内部空间112的灯管137中，灯136可替代地位于处理腔室100中，处于基板130下方或上方和下方。在图1的实例中，多个灯管137设置于处理腔室100的内部空间112内。内部空间112一般是由处理腔室100的侧壁和主体(显示但未标号)封入的空间，并且通过窗120与灯管137和灯136分隔。内部空间112可保持于低于大气压强的压强下。
多个灯管137设置于灯头组件116中。灯头组件116与窗120重叠(overlay)。窗120使灯头组件116与处理腔室100的内部空间112分隔。基板传送装置114包括设置于转子通道122内的转子124和安放于转子124上或以其他方式耦接至转子124的支撑圆柱体126。支撑圆柱体126可涂布有硅石英。转子124可以是磁悬浮的。边缘环128安放于支撑圆柱体126上。边缘环128可由硅涂布的碳化硅制成。边缘环128构造为在处理期间支撑基板130。
灯头组件116包括灯管137和灯136。灯136设置于灯管137的一端。灯管137构造为插入至灯罩管140内。替代地，各个灯罩管140中可容纳多于一个灯136。每一个灯罩管140可包括反射内表面，此反射内表面可以是银或金的涂层。灯罩管140可衬有镜面反射体188。在一个实施方式中，灯136是放射辐射的灯泡，诸如钨卤素灯。
可控制处理腔室100和灯头组件116的气氛。举例而言，如图1中所示，提供第一真空泵168以通过与灯头组件116流体连通的第一通道169控制(例如降低)灯头组件116中的压强。提供第二真空泵170以通过第二通道171控制(例如降低)灯头组件116中的压强。在一个实施方式中，为防止镜面反射体188失去光泽(tarnishing)，控制灯136周围的气氛以实质上最小化用于镜面反射体188上的银上的硫化物形成或硫化物催化材料的量。防止镜面反射体188失去光泽的一种方式是确保气氛实质上无H2S和水分(H2O)。举例而言，通过使氦流过第一信道169，可实质上防止大气空气进入灯136周围的区域。在另一个实例中，过滤器和/或集气器(getter)可设置于第一通道169中以自灯136周围的气氛中移除H2S和水分。举例而言，包括诸如氧化铁的金属氧化物的硫化物集气器实质上防止大气空气进入灯136周围的区域。
图2是可用于图1的处理腔室100中的例示性灯136的正视图。灯136具有基座204、灯罩208和引脚段212。在一个实例中，灯罩208可以是具有大致圆柱体形状的圆顶，其中圆柱体的一端可具有半球形端。灯136亦可在灯罩208的一端具有端部216。在一些实例中，灯罩208由石英或其他合适的材料制成。
灯136包括设置于灯罩208内的灯丝224。灯丝224具有外径220。灯丝224由线508(图5中所示)形成。灯丝224包括线圈段228，此线圈段在灯罩208的内部内沿y方向270延伸。换言之，灯丝224的线圈段228沿与灯136的长轴对准的y方向270延伸。线圈段228实质上是螺旋形的，但可具有其他形状。灯丝224附接至地线230。
引脚段212包括第一引脚234和第二引脚238。第一引脚234和第二引脚238构造为耦接至设置于灯罩管140内的电极240。基座204可包括电极、电路和将灯丝224和/或地线230耦接至第一引脚234和第二引脚238所需的其他部件。
灯136的长度242界定为端部216的远端至引脚段212的底部(不包括引脚234、238)之间。灯136的长度242在约120mm与135mm之间。在一个实例中，长度242是约125mm。第一引脚234与第二引脚238之间的宽度246在约6mm至约8mm之间。灯罩208具有约11mm至约17mm之间的外部直径250。灯丝224的线圈段228的外径220在约3mm至约7mm之间。设想特定应用可使用其他几何形状。
在操作中，电流施加于灯丝224，使灯丝224辐射光和热量。在本公开内容的一些实例中，灯丝由钨或其他合适的导体制成。钨丝在高至约3,422℃的温度下辐射红外辐射。应理解可在不脱离本公开内容的范围的情况下使用其他金属。灯罩208(例如石英灯泡)充满构造为延长灯丝224的寿命的至少一种气体。气体可具有低位准的反应性，诸如一种或多种稀有气体。灯泡中亦可存在其他气体。气体降低灯丝224的分解速率，并且因此延长灯136的寿命。
图3是说明具有灯丝303的另一个实例的灯136的灯头组件116的放大的部分截面图。如图1中所示，说明灯136设置于灯罩管140中。灯罩管140的开端邻接窗120，并且面向基板130。在一个实施方式中，镜面反射体300设置于灯罩管140内邻接窗120的开端处。参考图1和图3，镜面反射体300可以是与灯罩管140分离的部分。替代地，镜面反射体300可以是灯罩管140的组成部分。镜面反射体300固定于灯罩管400，使得镜面反射体300与灯136对准。如前文所述，镜面反射体300可涂布有金或银。
灯丝303的第一连接器301通过基座204(图2中所示)电耦接至第一引脚234。第二连接器302由地线230的一部分形成。地线230电耦接至灯丝303，沿垂直长度(亦即y方向270)自灯丝303延伸至第二连接器302。在图3的实例中，灯丝303实质上是圆锥的锥台(frustum)的形状。可通过利用垂直于高度(例如长度309)的切口切去锥体的端部以形成下基座304和上基座305，从而自直圆锥形成锥台。z方向350与x方向260和y方向270正交。下基座304和上基座305的沿包括x方向260和z方向350的x-z平面的截面实质上是圆形的，并且相互共面。灯丝303的沿包括x方向260和y方向270的x-y平面的截面实质上是等腰梯形的形状。由此，下基座304和上基座305实质上平行。灯丝303的侧面310的长度实质上等于灯丝303的侧面310对面的长度。如图3中所示，相比于下基座304，上基座305更靠近灯罩208的端部216。灯丝303经定向使得相比于灯丝303的较宽直径，灯丝303的较窄直径更靠近基板130。上基座305表示较窄直径。较宽直径是下基座304。
下基座304的直径可以是约11mm至约16mm。上基座305的直径可以是约1mm至约6mm。下基座304的直径与上基座305的直径的比可以是约7比1。然而，直径比不限于约7比1，且可包括约3比1至约7比1的比率。灯丝303的长度309可以是约18mm至约22mm。灯丝303的侧面310可具有约19mm至约23mm的长度。侧面310倾斜的角307是约10度至约20度。因此，下基座304与侧面310之间的余角是约60度至约80度。灯丝303的侧面310沿朝灯丝303的中心线(未图示)的方向渐缩(taper)。根据此定向，灯丝303的侧面310向灯罩208的端部216渐缩。
为提升灯的光效率，灯罩管140可包括插入管306。插入管306将来自灯136的辐射能向基板130反射并且准直(collimate)，以辐射基板130的区域(图1中所示)。在镜面反射体300与灯136之间提供插入管306。插入管306可经由粘附层(未图示)附接至镜面反射体300。替代地，插入管306和/或镜面反射体300可包括合适的滞留(retention)/接合(engaging)特征结构以使插入管306与镜面反射体300可移除地接合或脱离。举例而言，合适的滞留/接合特征结构可包括弹簧加压球、弹簧触点/引脚、滑件、凹口、沟槽和类似特征结构。
插入管306设置为包围灯136。在插入管306的整个长度上，插入管306可具有不变的内径。插入管306的外表面可具有遵循镜面反射体300的形状的轮廓。在一个实施方式中，插入管306具有上部312和下部316。上部312可以是圆锥形的，且下部316可以是圆柱形的。插入管306可包括圆柱形下部320和锥形上部324，其中圆柱形下部320具有遵循镜面反射体300的下部316的轮廓，而锥形上部324具有遵循镜面反射体的圆锥形上部312的轮廓。锥形上部324可与圆柱形下部320整合为一个主体。在一个实施方式中，锥形上部324一般沿圆柱形下部320的纵向自圆柱形下部320向上或向外延伸。
插入管306的锥形上部324由可以是约1度至约45度的锥角336界定。举例而言，锥角336可以是约3度至约20度。在另一个实例中，锥角336可以是约6度至约10度。本文所描述的锥角336指锥形上部324的第二外表面332的纵向与圆柱形下部320的第三外表面334的纵向之间的角。应注意本文所描述的锥角336的解释应同样适用于本公开内容的其他多个实施方式。
随着锥角336增大，自灯罩管140反射或逸出的能量的量增加，由此提高灯136的光效率。光效率可由目标上能量除以源能量来表示。可用经验优化锥角336以提供均匀的照明、任何期望的空间强度分布或期望的灯效率。
插入管306的内表面308可形成为管状或圆柱形。在一个实施方式中，插入管306的截面是圆形。插入管306可具有不同的截面形状，诸如长方形、正方形、三角形或任何合适的多边形。内表面308的直径应足以容纳灯136，内表面308与灯的基座204的第一外表面328之间具有间隙340。在一个实例中，间隙340是约0.5mm至约3mm。内表面308的直径与间隙340可根据灯136的尺寸变化。镜面反射体300、插入管306和灯136一经组装或定位于灯罩管140中，即是一般同心或同轴的。
有利地，灯丝几何形状、定向、锥角336和其他灯参数降低阴影效应和镜面反射体300内的光和热量的内反射。由此，可通过调整下基座304的直径与上基座305的直径的比而微调基板130上的热量分布。聚焦由灯丝303产生的光和热量的辐射提高基板130上的中心至边缘的热量分布均匀性。灯丝303的辐射分布可具有约0.75与约5之间的变化。辐射分布可由高斯分布表示。随着下基座304与上基座305的比增大，辐射分布的变化增加。随着辐射分布的变化增加，相比于习知灯(未图示)产生的辐射分布，辐射分布“变平(flatten)”。使用灯丝303，辐射分布实质上是凸的。相比于灯丝303的外径220，辐射强度沿灯丝303的中心线更大。上基座305的直径可以是约1mm至约6mm。下基座304的直径可以是约11mm至约16mm。下基座304的直径与上基座305的直径的比可以是约7比1。然而，比率不限于所述的比例，且可包括自约3比1至约7比1的比率。灯丝303的长度309可小于或等于22mm。灯丝303的侧面310可具有小于或等于约23mm的长度。习知灯准直沿习知灯的中心线的辐射。辐射分布的强度沿中心线最大，并且随着灯丝的半径增加，辐射强度减小。习知灯的辐射分布使得被沉积的材料沿习知灯的中心线积聚，造成基板130上的材料的非均匀沉积。举例而言，在习知灯中，辐射分布的变化可小于0.5。
图4是可用于图1的灯136中的另一个灯丝403的放大的截面图。灯丝403类似于图3中说明的灯丝303。然而，灯丝403的定向与灯丝303的定向实质上相反。
第一连接器301由灯丝403的线形成。第一连接器301电耦接至第一引脚234(图2中所示)。第二连接器302由地线230的一部分形成。地线230电耦接至灯丝224，沿垂直长度(亦即y方向270)延伸。灯丝403实质上是倒转圆锥锥台的形状。灯丝403具有下基座404和上基座405。下基座404和上基座405的沿x方向260的截面实质上是圆形的，并且相互共面。灯丝403的沿z方向350的截面实质上是等腰梯形的形状。由此，下基座404和上基座405实质上平行。灯丝403的侧面409的长度实质上等于灯丝403的侧面409对面的长度。如图4中所示，相比于下基座404，上基座405更靠近灯罩208的端部216。灯丝403被定向使得相比于灯丝403的较窄直径，灯丝403的较宽直径更靠近基板130。下基座404表示较窄直径。较宽直径是上基座405。
灯丝403提高基板130上的中心至边缘的热量分布均匀性。灯丝403的辐射分布可具有约0.75与约5之间的变化。然而，灯丝403的辐射分布实质上是凹的。相比于灯丝403的中心线，辐射强度沿灯丝403的外径220更大。类似于上述多个实例，随着下基座404的直径与上基座405的直径之间的比增大，辐射分布的变化增加。随着辐射分布的变化增加，相比于习知灯产生的辐射分布，辐射分布变平并且倒转。因此，相比于灯丝303产生的辐射分布，灯丝403产生的辐射分布实质上倒转。
下基座404的直径可以是约1mm至约6mm。上基座405的直径可以是约11mm至约16mm。下基座404的直径与上基座405的直径的比可以是约1比7。然而，比率不限于此比例，可包括自约1比3至约1比7的比率。如上文所述，灯丝403的长度309可小于或等于约21.0mm。灯丝403的侧面409可具有小于或等于约22.5mm的长度。侧面409处的角407倾斜约100度至约110度。因此，下基座404与侧面409之间的余角是约70度至约80度。灯丝403的侧面409沿远离灯丝403的中心线(未图示)的方向渐缩。由此，灯丝403的侧面409沿远离灯罩208的端部216的方向渐缩。
图5是用于图2至图4的例示性灯136的灯丝224的线圈段248的一部分的展开图。在图5中，说明灯丝224的片段504。应理解片段504的讨论一定代表灯丝224、303和403，并且关于灯丝224、303和403的讨论亦归于片段504。灯丝的片段504由线508制成。在一些实例中，围绕中心轴501以实质上不变的半径512缠绕线508。中心轴501实质上是螺旋形的，使得当片段504沿灯丝224的长度延伸时，通过围绕沿y方向270(图2中所示)延伸的灯136的长轴缠绕线508的中心轴501而形成灯丝224的线圈段228。线508可具有约0.03与约0.07mm之间的厚度(亦即直径)。
本文公开具有灯丝的灯，此灯丝构造为调整在处理腔室中加热的基板上导致的温度分布。虽然上文针对多个特定实例，可在不脱离本文的基本范围的情况下设计多个其他实例，并且多个其他实例的范围由所附权利要求范围确定。

Claims (20)

1.一种灯，构造为提供热量，所述灯包含：
灯罩，充满气体；
灯丝，设置于所述灯罩内，且具有上直径、下直径和长度；
一对电极，电耦接至所述灯丝；和
一对引脚，电耦接至所述一对电极，所述一对引脚构造为将能量转移至所述灯丝，其中：
所述上直径或所述下直径与所述长度的比率是约0.3，且所述上直径不等于所述下直径。
2.如权利要求1所述的灯，其中所述灯丝包含：线圈线，所述线圈线具有小于或等于约0.07mm的直径。
3.如权利要求1所述的灯，其中所述灯具有约125mm与约135mm之间的长度。
4.如权利要求1所述的灯，其中所述灯丝具有约3mm至约7mm之间的外径。
5.如权利要求1所述的灯，其中所述灯罩具有约11mm至约17mm之间的外径。
6.如权利要求1所述的灯，其中所述长度小于15mm且大于10mm，且其中所述上直径或所述下直径小于约7mm且大于约3mm。
7.一种灯，构造为提供热量，所述灯包含：
灯罩，充满气体；
灯丝，设置于所述灯罩内，且具有下基座和上基座；
一对电极，电耦接至所述灯丝；和
一对引脚，电耦接至所述一对电极，其中：
所述一对引脚构造为将能量转移至所述灯丝，
所述下基座的直径与所述上基座的直径的比率大于或等于约3:1。
8.如权利要求7所述的灯，其中所述灯丝包含具有小于或等于约0.05mm的直径的线圈线。
9.如权利要求7所述的灯，其中所述灯具有约125mm与约135mm之间的长度。
10.如权利要求7所述的灯，其中所述灯丝具有约3mm至约7mm之间的外径。
11.如权利要求7所述的灯，其中所述灯罩具有约11mm至约17mm之间的外径。
12.如权利要求7所述的灯，其中所述灯丝实质上是定向为锥体的锥台。
13.如权利要求12所述的灯，其中所述灯丝具有侧面，所述侧面相对于所述下基座倾斜约10度与约20度之间的角。
14.一种灯，其包含：
灯罩，充满气体；
灯丝，设置于所述灯罩内，且具有下基座和上基座；
一对电极，电耦接至所述灯丝；和
一对引脚，电耦接至所述一对电极，其中：
所述一对引脚构造为将能量转移至所述灯丝，且
所述下基座的直径与所述上基座的直径的比率等于或小于约1:3。
15.如权利要求14所述的灯，其中所述灯丝包含具有小于或等于约0.07mm的直径的线圈线。
16.如权利要求14所述的灯，其中所述灯具有约125mm与约135mm之间的长度。
17.如权利要求14所述的灯，其中所述灯丝具有约3mm至约7mm之间的外径。
18.如权利要求14所述的灯，其中所述灯罩具有约11mm至约17mm的外径。
19.如权利要求14所述的灯，其中所述灯丝实质上是定向为锥体的锥台。
20.如权利要求19所述的灯，其中所述灯丝具有侧面，所述侧面相对于所述下基座倾斜小于约80度且大于约60度的角。
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