CN1294617C - 包括热分布板和边缘支撑的组合装置 - Google Patents

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Abstract

一种基片处理组合装置，包括边缘支撑(320)和吸收并传递经自辐射热源(380)的辐射的热能到该边缘支撑上的基片(302)的热分布板(340)。该边缘支撑设有基片支撑位置以在处理期间在该基片的边缘支撑该基片。该装置还包括一般平行于该边缘支撑放置的第一热分布板。多个边缘支撑固定臂(350)与该边缘支撑连接。多个边缘支撑固定臂与该边缘支撑连接。该多个边缘支撑固定臂还与第一热分布板连接，以与该边缘支撑间隔开固定该第一热分布板。在另一个实施例中，该组合装置可包括与边缘支撑间隔开的第二热分布板。仍在另一个实施例中，该基片处理组合装置可用在基片处理设备中，该基片处理设备包括其内设置有该组合装置的处理室和向该处理室提供辐射热的辐射热源。该处理组合装置结构提供了具有低热质量的基片处理组合装置部件，以使该处理室的温度可以迅速地上升到工作温度，因此，显著地缩短了处理基片例如半导体晶片的时间。

Description

包括热分布板和边缘支撑的组合装置
技术领域
本发明一般关于用于例如将薄膜化学气相沉积到基片上的工艺的处理室，尤其是关于用在薄膜沉积和快速热处理室中的低质量基片支撑组合装置。
背景技术
诸如将薄膜沉积到基片上的热工艺有许多应用。这种应用的一个实例就是用于集成电路制造的硅基片的处理。集成电路制造的一个重要部分就是半导体基片的处理，在该处理工艺中，形成了包括集成电路的有源器件(active device)例如晶体管和电容。许多处理步骤中的任意一个都可进行，包括将材料层沉积到该晶片上、刻蚀在该晶片上形成的材料层或在该晶片上形成的材料内引发化学反应或温度增强质量输运(temperature-enhanced mass transport)。在这种处理期间，可以沉积的材料实例包括外延硅或多晶硅、或在硅上的热氧化物或热氮化物层等。
执行这些处理的处理室(processing chamber)一般包括平台，例如基座(susceptor)或边缘环(edge ring)，基片支撑(substrate support)机构、石英外壳或盖，以及向该处理室内部和正被处理的基片提供辐射热能的灯阵(array of lamp)。在化学气相沉积处理室，例如图1A中所示的处理室100中，可进行一个或多个这些处理步骤。通过开口(opening)(未示出)把晶片102插入到该处理室100中，并使该晶片102位于基座104上。上面的加热灯106一般用于通过该处理室100的上圆盖108把红外光辐射到该晶片102上。下面的加热灯107也可用于通过该处理室100的下圆盖109把红外光辐射到该基座104。上圆盖108和下圆盖109一般由石英制成。然后，一种或多种气体被引入该处理室100。如前所述，接着，这些气体进行一个或多个所述处理步骤，而所述晶片102维持在所需的处理温度。
通过控制供给该加热灯106和107的功率，可以把该晶片102维持在所需的处理温度。图1B是可用于处理室100的上面的加热灯106环形阵105的一个实例的俯视图。
图2显示所述基片或晶片安放在边缘环(未示出)上而不是放在基座上的另一个处理室200实例的俯视图。该边缘环在该晶片的边缘圆周上支撑该晶片。该边缘环(图3中所示)设有中央开口以使该基片的下表面经受从位于边缘环之下的加热灯的辐射热。晶片的上表面经受上面的加热灯阵(未示出)的辐射热。在这种处理室中，所述加热灯一般排列成称为“蜂窝”的灯阵。图2显示蜂窝阵(honeycomb array)实例的俯视图。蜂窝灯阵特别适合用边缘环而不是基座作为基片支撑的处理室，因为与环形灯阵(annular array of lamp)相比，在所述晶片的整个表面上由蜂窝阵产生的加热模式(heat pattern)一般较容易控制。但是，蜂窝阵需要较多的灯，为了获得满意的可靠性这可能比较昂贵。环形灯阵一般更适合用在把基座作为晶片支撑的处理室中，因为该基座通过传导向基片提供了更好的热量分布，即使环形阵的加热模式有些不均匀。与蜂窝阵相比，环形阵需要的灯较少。
许多类型的薄膜沉积处理室或反应器在所述沉积处理期间用涂敷碳化硅的石墨基座固定所述基片或晶片。该基座除了向该晶片提供机械支撑之外，该基座还吸收并分布来自加热灯的能量，以在处理期间，在安放在基座上的晶片的整个表面上获得更均匀的温度分布。这种设计的结果是该反应器必须提供足够的不仅能加热晶片而且能加热基座的能量，而该基座具有比晶片本身热质量(thermal mass)大几倍的热质量。因此，由于连续不断地进行晶片加热并冷却，该反应器花费了整个处理时间的大部分，从而限制了处理室的产量。由于这个原因，还因为基座的直径由被处理晶片的尺寸限定，所以多年来的趋势是将该基座的厚度减小到现有制造技术所能允许的厚度。
但是伴随这种减小基座热质量的方法，至少存在两个主要的问题。首先，随着基座变薄，不可避免地，其机械强度会降低，这将使其易于变形甚至破裂。即使已经证明制造商善于不断地提高他们对更薄基座的制造能力，但已有迹象表明，让他们继续这种趋势已经变得越来越困难。第二个问题是，随着可用于热传导的横截面积的减小，更薄基座对于重新分布灯热量的能力减小，导致由于加热灯阵地所述加热模式引起加热不均匀的可能性，特别是在如图1B所示类型的环形灯阵的情况下。
Anderson等人的美国专利第6113703号描述了一种用于处理晶片的相对的两个表面的装置和方法，其中的晶片支座将晶片保持在第一热源上并位于第二热源下。
发明内容
在一个实施例中，基片处理组合装置(substrate processingassembly)包括设有基片支撑位置(substrate support location)的边缘支撑(edge support)，以在处理期间在基片的边缘支撑该基片。该组合装置还包括一般平行于该边缘支撑放置的第一热分布板(heat distributingplate)。多个边缘支撑固定臂(edge support holding arm)与该边缘支撑连接。该多个边缘支撑固定臂还与第一热分布板连接，以与该边缘支撑间隔开固定该第一热分布板。在另一个实施例中，该组合装置可包括与边缘支撑间隔开的第二热分布板。仍在另一个实施例中，该基片处理组合装置可用在基片处理设备中，该基片处理设备包括其内设置有该组合装置的处理室，以及向该处理室提供辐射热的辐射热源。
附图说明
本发明通过附图中的实例进行说明，而非作为限制。其中：
图1A是现有技术基片处理室的剖视图；
图1B是沿图1A的I-I线得到的现有技术环形灯阵的俯视图；
图2是蜂窝灯阵的俯视图；
图3是边缘环形式的边缘支撑实施例的俯视图；
图4是包括边缘环和热分布板的基片处理室的一个实施例的剖视图；以及
图5是包括第一和第二热分布板的基片处理组合装置的另一个实施例的放大的局部剖视图。
具体实施方式
在这里介绍的基片处理组合装置和设备的各个实施例中，至少邻近边缘支撑放置一个热分布板，以通过热分布板的辐射把来自辐射热源的热能重新分布到该基片，以向被处理的基片提供相对均匀的加热模式。在例如化学气相沉积室等处理室中，该热分布板和该热能辐射的重新分布替代了该基座和热能传导的重新分布。这里介绍的处理组合装置的结构提供了具有低热质量的基片处理组合装置部件，以使该处理室的温度可以迅速上升到工作温度，由此显著缩短了处理基片例如半导体晶片的时间。
在一个实施例中，基片处理组合装置包括设有基片支撑位置的边缘支撑，以在处理期间在基片的边缘支撑该基片。边缘支撑的实例是设有用于限定该基片支撑位置的切口(recess)或套口(pocket)的边缘环。第一热分布板一般与该边缘支撑平行放置。在一个实施例中，该第一热分布板位于该边缘支撑之下，并且处于该边缘支撑和辐射热源例如灯阵之间。在另一个实施例中，第一热分布板位于该边缘支撑之上并用在辐射热源位于该边缘支撑之上的处理室中。可以设想在该边缘支撑之上或之下放置热分布板，或者在该边缘支撑之上和之下放置两个热分布板。多个边缘支撑固定臂与该边缘支撑连接。该边缘支撑固定臂还与该第一热分布板连接。该第一热分布板与该边缘支撑间隔开固定。
在一个实施例中，上述基片处理组合装置用在基片处理设备中，该基片处理设备包括处理室和向该处理室提供辐射热的辐射热源。在一个实施例中，该辐射热源是环形灯阵。在另一个实施例中，该辐射热源是设置成蜂窝状的灯阵。
在工作中，该辐射热源向该热分布板提供辐射热，该热分布板吸收该辐射热能并向所述基片重新分布该热能。这样，辐射热源，例如具有相对不均匀加热模式的灯阵可以和边缘支撑一起使用，然而，通常这种灯阵必须使用基座，通过热传导来重新分布热能以使正被处理的该基片在其整个表面上接收到相对均匀的加热模式。
图4显示在本发明的一个实施例中的处理室300。在该处理室300中显示有基片302。基片处理组合装置310在该处理室300中。该基片处理组合装置310包括边缘支撑320、第一热分布板340和多个边缘支撑固定臂360。
边缘支撑320设有基片支撑位置322以在其边缘支撑基片302。为此处描述的需要，边缘支撑320被描述成边缘环，其被设计成圆形形状以支撑通常用在集成电路制造中的一般为圆形的晶片。可以设想具有非圆形形状的边缘支撑也可以实现本发明。
再参照图3，边缘支撑320是设有基片支撑位置322的环形体。在一个实施例中，基片支撑位置322是环形切口或套口。在该边缘支撑320的内圆周附近等圆周间隔设有开口324。提供开口324以便提升臂(lift arm)312(图4)可以穿过该开口324，将该基片从所述边缘支撑320搬走。在另一个实施例中，边缘支撑320不需要供提升臂运动的开口。例如，对于200mm晶片的提升臂可以位于晶片边缘内侧大约10mm的位置。对于更大的晶片，例如300mm的晶片，该边缘支撑可以具有较大的直径以使提升臂不能通过基片支撑位置延伸，而是位于边缘支撑内侧。由此，边缘支撑将不需要如图3所示的这种开口。
再参照图4，边缘支撑320还包括向下延伸的外缘(skirt)326。在图4所示的实施例中，外缘326在边缘支撑320的圆周周围延伸，但是，也可以从边缘支撑320的最外圆周向内设置外缘326。提供外缘326是防止抽入到处理室内部(如箭头304所示)的处理气体到达该基片302的背面。如箭头305所示，净化气体例如氢气被导入该基片302的整个背面(back side)。净化气体可以被引导通过该外缘326和第一反对板340之间的间隙。在图4所示的实施例中，在整个基片302的顶面(top side)提供处理气体以把材料沉积在该基片的该上表面上。
在一个实施例中，该边缘支撑320可以由经加工的碳化硅制成，已经发现可以成功地制造厚度小于传统石墨基座厚度10倍的用于某种应用的这种边缘支撑。还可以使用掺杂氮的碳化硅合金。在这种合金中添加氮可以使材料对红外光是不透明的。因此，在其变成透明之前材料可以制得更薄。
在一个实施例中，边缘支撑320具有大约0.025英寸的壁厚，并且该厚度范围可以在约0.010英寸到约0.035英寸的范围内。当该边缘支撑320为边缘环形式时，可以将该边缘支撑设计成能容纳任意尺寸的半导体基片或晶片，例如直径为200mm或300mm的晶片。
如图4所示，该第一热分布板340一般平行于该边缘支撑320放置，即一般平行于由该边缘支撑320的上或下表面限定的平面来放置。在一个实施例中，边缘支撑320具有顶面327和底面328，第一热分布板340邻近底面328放置。
该第一热分布板可以由经加工的碳化硅或掺杂氮的碳化硅合金制成。该第一热分布板340具有的厚度范围可从大约0.254mm(0.010英寸)到大约0.635mm(0.025英寸)。如以下更详细的描述，该热分布板用作热辐射表面以重新分布由辐射热源向处理室提供的热能。这样，可以在该基片上获得更均匀的温度分布。而且，该热分布板还可用作控制系统温度的测量器件的目标。这在处理室清洗处理期间，该处理室内没有基片时尤其有用。
如图4所示，该第一热分布板340和该边缘支撑320由该边缘支撑固定臂350间隔开固定。该多个边缘支撑固定臂与该边缘支撑320和该第一热分布板340连接。在一个实施例中，该边缘支撑固定臂350每个都包括端部352。每个端部352可以是各个边缘支撑固定臂350整体的组成部分或者整体部分，或者该端部352可制成安装到该边缘支撑固定臂350上的单独部件。
每个端部352具有第一轴肩354和第二轴肩356。在图4所示的实施例中，该第一热分布板340与每个第一轴肩354连接，而该边缘支撑与每个第二轴肩356连接。该第一热分布板340和该边缘支撑320通过放在该轴肩上或以物理方式安装到该轴肩上与该各个第一和第二轴肩连接。每个边缘支撑固定臂350的该端部352还包括间隔件(spacer)358。为了在该第一热分布板340和该边缘支撑320之间维持特定距离，该间隔件358可设计成选定的高度。
在一个实施例中，该第一热分布板340距该边缘支撑320的间距约小于4mm。在另一个实施例中，该第一热分布板距该边缘支撑的间距约大于1mm。设计的范围是约1mm到约4mm(优选从约2mm到约3mm的范围)以提供足够的间隔，使主要通过辐射而不是通过该基片和该第一热分布板之间清洗气体的对流或通过基座情况中的传导来向该基片传递热能。作为辐射传递的热量越多，该组合装置对于横向热传导损耗和对于例如边缘支撑和热分布板的较薄部分缺乏理想平整度就越不敏感。
如图4所示，该基片处理设备的实施例还可以包括处理室300和至少一个向该处理室300提供热能的辐射热源380。如图4所示的每个辐射热源380是环形灯阵382。在一个实施例中，辐射热源380位于该处理室300之下，以使该第一热分布板340位于该辐射热源380和该边缘支撑320的该下面328之间。
图5显示具有基片处理组合装置510的处理室500。基片处理组合装置510包括边缘支撑520、第一热分布板540、多个边缘支撑固定臂550、第二热分布板560、预热平台570和支撑销(support pin)580。该边缘支撑520、第一热分布板540和边缘支撑固定臂550可以与前面描述的实施例相似。除了这些部件之外，图5所示的实施例包括一般与边缘支撑520平行并且间隔开，并且邻近该边缘支撑520上面的第二热分布板560。该第二热分布板560可以放置在距边缘支撑520约1mm和约4mm之间的位置，并且优选在约2mm和约3mm之间。
所述预热平台580一般与所述边缘支撑520共面并环绕该边缘支撑520。该第二热分布板560通过支撑销580与预热平台570连接。该支撑销580具有中央部分，该中央部分的尺寸大小可以提供在该边缘支撑520上该第二热分布板560与该基片502之间的间隔。在箭头504的方向，把工艺气体抽入到该第二热分布板560和该基片502之间的空间。在硅沉积的示例性工艺中，提高气体速度提高了高温下硅膜的生长速度。通过调节该晶片或基片与该第二热分布板560之间的距离可以为获得这种效果而最优化此结构。这种结构还可以缩短在硅沉积之后蚀刻或清洗该处理室所需的时间，因为该第二热分布板560可以加热到超过1150摄氏度的温度。把处理气体限制在该第二热分布板560和该基片502之间的空间中，还使硅薄膜沉积到该处理室的上石英圆盖上(未示出)的效应最小化。

Claims (30)

1.一种基片处理组合装置，包括：
设有基片支撑位置的边缘支撑，以在处理期间在基片的边缘支撑该基片，所述边缘支撑具有在其圆周周围向下延伸的外缘；
一般平行于该边缘支撑而放置的第一热分布板；以及
与该边缘支撑连接的多个边缘支撑固定臂，该多个边缘支撑固定臂还与该第一热分布板连接，以与该边缘支撑间隔开固定该第一热分布板。
2.如权利要求1所述的基片处理组合装置，其中每个该边缘支撑固定臂包括具有第一轴肩和第二轴肩的端部，并且其中该第一热分布板与该第一轴肩连接，而该边缘支撑与该第二轴肩连接。
3.如权利要求1所述的基片处理组合装置，其中该第一热分布板距该边缘支撑间隔开约小于4毫米的距离。
4.如权利要求3所述的基片处理组合装置，其中该第一热分布板距该边缘支撑间隔开约大于1毫米的距离。
5.如权利要求1所述的基片处理组合装置，其中该边缘支撑具有顶面和底面，并且邻近该底面放置第一热分布板。
6.如权利要求5所述的基片处理组合装置，其中第二热分布板一般与该边缘支撑平行并间隔开，并且邻近该边缘支撑的该顶面放置。
7.如权利要求6所述的基片处理组合装置，其中该第二热分布板距该边缘支撑间隔开约小于4毫米的距离。
8.如权利要求7所述的基片处理组合装置，其中该第二热分布板距该边缘支撑间隔开约大于1毫米的距离。
9.如权利要求5所述的基片处理组合装置，还包括一般与该边缘支撑共面并环绕该边缘支撑的预热平台，其中该第二热分布板与该预热平台连接。
10.如权利要求1所述的基片处理组合装置，其中该边缘支撑是具有设有该基片支撑位置的环形切口的边缘环。
11.一种基片处理设备，包括：
处理室；
向该处理室提供热能的辐射热源；
该处理室中的边缘支撑，该边缘支撑设有基片支撑位置，以在处理期间在基片的边缘支撑该基片，所述边缘支撑具有在其圆周周围向下延伸的外缘；
在该边缘支撑和该辐射热源之间的第一热分布板，该第一热分布板吸收来自辐射热源的热能，并通过向该边缘支撑辐射传递该热能；以及
与该边缘支撑连接的多个边缘支撑固定臂，该多个边缘支撑固定臂还与该第一热分布板连接，以与该边缘支撑间隔开固定该第一热分布板。
12.如权利要求11所述的基片处理设备，其中每个该边缘支撑固定臂包括具有第一轴肩和第二轴肩的端部，并且，其中该第一热分布板与该第一轴肩连接，而该边缘支撑与该第二轴肩连接。
13.如权利要求11所述的基片处理设备，其中该第一热分布板距该边缘支撑间隔开约小于4毫米的距离。
14.如权利要求13所述的基片处理设备，其中该第一热分布板距该边缘支撑间隔开约大于1毫米的距离。
15.如权利要求11所述的基片处理设备，其中该边缘支撑具有顶面和底面，且邻近该底面放置该第一热分布板。
16.如权利要求15所述的基片处理设备，其中第二热分布板一般与该边缘支撑平行并且间隔开，并且邻近该边缘支撑的该顶面放置。
17.如权利要求16所述的基片处理设备，其中该第二热分布板距该边缘支撑间隔开约小于4毫米的距离。
18.如权利要求17所述的基片处理设备，其中该第二热分布板距该边缘支撑间隔开约大于1毫米的距离。
19.如权利要求15所述的基片处理设备，还包括一般与该边缘支撑共面并且环绕该边缘支撑的预热平台，其中该第二热分布板与该预热平台连接。
20.如权利要求11所述的基片处理设备，其中该边缘支撑是具有设有该基片支撑位置的环形切口的边缘环。
21.如权利要求11所述的基片处理设备，其中该辐射热源是环形灯阵。
22.一种基片处理设备，包括：
处理室；
在该处理室中的边缘环，该边缘环设有基片支撑位置，以在处理期间在基片的边缘支撑该基片，该边缘环具有顶面和底面，该基片支撑位置放置在该顶面上，所述边缘支撑具有在其圆周周围向下延伸的外缘；
向该处理室提供热能的环形灯阵，该灯阵位于该边缘环之下；
邻近该边缘环的该底面，并且在该边缘环和该环形灯阵之间放置的第一热分布板；以及
与该边缘环连接，以在该处理室内支撑该边缘环的多个边缘环支撑臂，该多个边缘环支撑臂还与该第一热分布板连接，以与该边缘环间隔开支撑该第一热分布板。
23.如权利要求22所述的基片处理设备，其中每个该边缘环支撑臂包括具有第一轴肩和第二轴肩的端部，且该第一热分布板与该第一轴肩连接，该边缘环与该第二轴肩连接。
24.如权利要求22所述的基片处理设备，其中该第一热分布板距该边缘环间隔开约小于4毫米的距离。
25.如权利要求24所述的基片处理设备，其中该第一热分布板距该边缘环间隔开约大于1毫米的距离。
26.如权利要求22所述的基片处理设备，其中第二热分布板一般与该边缘环平行并且间隔开，并且邻近该边缘环的该顶面放置。
27.如权利要求26所述的基片处理设备，其中该第二热分布板距该边缘环间隔开约小于4毫米的距离。
28.如权利要求27所述的基片处理设备，其中该第二热分布板距该边缘环间隔开约大于1毫米的距离。
29.如权利要求22所述的基片处理设备，还包括环绕该边缘环的预热环，其中该第二热分布板与该预热环连接。
30.如权利要求22所述的基片处理设备，其中该边缘环设有用于限定该基片支撑位置的环形切口。
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