CN1695228A - 用于与发射率无关的热处理的背面加热腔室 - Google Patents

用于与发射率无关的热处理的背面加热腔室 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种设备，其包括：一反射镜，该反射镜具有面向下的镜面表面；一位于该反射镜下面的玻璃结构，在该玻璃结构内有一基座，该基座具有面向上的表面，其能够夹持要被处理的部件，且一个或多个辐射热源指向并位于玻璃结构的下面。

Description

用于与发射率无关的热处理的背面加热腔室
技术领域
本发明涉及对半导体晶片进行热处理。更具体的是，本发明涉及在处理过程中与发射率无关的晶片的加热方法和设备。
背景技术
使用化学气相沉积(CVD)或原子层沉积(ALD)这类技术来制造薄膜的设备常用在半导体晶片的制造中。在膜形成设备中，在晶片上的可重复的温度分布对于膜的均匀性来说极其重要。
在现代硅(Si)技术中所使用的最常见的外延(epi)膜沉积反应器从设计上看是相似的。石英反应腔室包含晶片支座，即基座，它是旋转的，为的是改善晶片上的沉积均匀性。一次仅处理一个晶片。工艺气体和载气流过处于薄片状的晶片并平行于晶片表面。晶片由位于反应腔室之下和之上的卤钨灯来加热，辐射穿过石英并直接加热晶片和基座。腔室的灯和石英壁被空气冷却，以保护这些灯并防止Si沉积到反应腔室壁上的危险。晶片是完全自动地加载或卸载的，且反应腔室与环境是由负荷锁(load lock)和晶片传输腔室分隔开的。
基座可以是一个石墨盘，用SiC涂覆以消除由于辐射热源造成的局部温度变化。在500～900℃范围内的温度下，外延Si(硅)和SiGe(锗化硅)的生长对温度特别敏感，且外延生长通常在选择生长模式和空白(blanket)生长模式下对图案化晶片(patterned wafer)有影响。
图案化晶片(具有电路和器件)可具有与空白晶片(blanket wafer)不同的发射率特征。此外，在一个晶片上的图案可具有与另一个晶片上的不同图案不同的发射率特征。从具有第一图案的晶片发射出的热，可以不同于具有不同图案的晶片发射出的热，其中晶片的不同图案和温度分布可以变化，而这会改变沉积速率和沉积在晶片上的膜的特征。因为在晶片上的变化的热分布曲线能够影响反应速率，所以变化的热分布曲线可以确定膜的沉积速率。因此，晶片图案内的改变就会要求工艺的再调整(re-tuning)，以便确定正在完成的是正确的晶片热处理。除了膜沉积工艺，任何涉及热处理如烘烤、退火等的工艺都会受到晶片发射率的影响。
通常在热处理反应器中，如外延CVD设备中，是从器件面(deviceside)和非器件面(non-device side)来加热衬底的。使用这种双面加热方法，在晶片上的温度分布对于其上沉积有膜的表面的发射率是非常敏感的。其结果是，在晶片上的不同位置，沉积速率将会是不同的。在其前表面上具有不同图案的晶片之间，由于这些图案的不同的发射率，也使得沉积速率发生变化。而且，沉积速率可在沉积过程本身中改变，这是因为正在沉积的物质能够改变晶片的发射率。除了沉积速率对发射率的相关性之外，沉积膜的化学成分同样对发射率来说是敏感的，这是因为引入到生长膜中的物质可以是与温度有关的。
发明内容
本发明揭示了一种用于加热和监视晶片的设备，其减小了沿晶片的温度分布对晶片发射率的相关性。该设备提供了一种能够夹持晶片的基座，其被安置在石英圆盖内的处理腔室中。在石英圆盖的外部设置灯的阵列来加热基座的背面。反射镜设置在石英圆盖的外部，以使其镜面表面面向晶片的器件面并将热反射回晶片上。反射镜的形状是优化的，以提供最佳的温度均匀性。上述腔室被设计成限制来自灯的光绕基座泄漏从而直接加热晶片。在反射镜上方可以设置光学温度计，以便经反射镜中的孔来读取晶片器件面的温度。
附图说明
在各个附图中，本发明是通过例子来说明而不是被限定的，其中相似的附图标记表示相似的元件，且其中：
图1是用于与发射率无关的处理的一个背面加热腔室的视图。
图2是具有扁平上部圆盖的背面加热腔室的视图。
图3A是具有纹波状扁平上部圆盖的背面加热腔室的视图。
图3B是纹波状扁平上部圆盖的俯视图。
图4是一个聚集工具(cluster tool)系统的视图。
具体实施方式
以下描述一种用于热处理晶片的设备。该设备对晶片的背面提供加热，其中以一镜面表面来反射从晶片的相对侧逸出的热。晶片背面(非器件面)的加热仅减小晶片器件面的发射率对晶片加热的影响。和直接辐射加热晶片两面的设备相比，上述设备减小了晶片发射率对膜沉积的相关性。这种热处理可以是多种涂层如硅、锗化硅、和硅-锗-碳膜的外延沉积。沉积可以通过一种或多种用于膜沉积的方法如化学气相沉积或原子层沉积来完成。可以应用本发明的其它工艺包括但不局限于氧化硅、氮化硅、多晶硅的沉积，且更广泛地包括任何依赖温度的处理或工艺。
在下面的描述中，为了解释目的，给出了多种特定的细节，为的是提供对本发明的透彻理解。然而，对本领域技术人员来说，显然本发明可无须这些特定细节来实施。在某些示例中，公知的结构和装置是以方框图的形式示出的，而未给出细节，为的是避免使本发明变得模糊。这些实施例是以足够详细的方式说明的，以便使本领域技术人员能够实施本发明，且可以理解其它的实施例也是可以利用的，并且可做出合理的机械、电气、及其它的改变而不偏离本发明的范畴。
本发明通过一种用于执行其中各个操作的设备来实施。这种设备可以是为所要求的目的而特别制造的，或者它也可以包括一个通用的处理腔室，选择性地激活或重新配置的以实现所要求的目的。
可以理解，多种术语和方式被本领域的技术人员用来描述通信、协议、应用、实施、机理等。
图1说明一种用于与发射率无关的热处理的背面加热腔室，其中可应用所描述的技术。在一个实施例中，用于与发射率无关的热处理的背面加热腔室(即处理腔室)100包括一个辐射加热灯102的阵列，用于加热基座106的背面104。可将一个晶片108(未按比例)放入处理腔室100，并通过加载端口103而置于基座106上。提升杆105穿过基座106中的孔，可提升以接受晶片108，并随后向下移动以将晶片108的器件面上部116置于基座106的正面110上。基座106可安置在处理腔室100的内部以及上部圆盖128及下部圆盖114之内，其中圆盖128和114可用透明玻璃如石英来制造。一个或多个灯，如灯102的一个阵列，可安置在外部且处于下部圆盖114的下方。加载端口103可包括一个或多个环或局部环(partial rings)作为衬垫112，衬垫112可以衬托基座106的边缘，以最小化或防止热从灯102泄漏至晶片的正面(器件面)116。衬垫112可用非光导材料如不透明的石英制成。通过使用不透明石英制成的衬垫112，大部分加热能量是通过基座106传导到达晶片108的，而不是通过从灯102绕基座106泄漏至晶片正面116的。因为从基座106到晶片108的传热是传导性的且因此而与发射率无关，所以晶片108上的膜沉积与发射率无关。
作为从基座106背面加热晶片102的一个结果，可实现用光学温度计118来测量晶片正面(器件面)116的温度。用光学温度计118执行的温度测量可在晶片器件面116上进行，该晶片器件面116具有未知的发射率，因为以这种方式加热晶片正面116是与发射率无关的。结果是，光学温度计118能够感测来自热晶片108的辐射，该辐射来自基座106的传导，且具有从灯102直接到晶片正面116或光学温度计118的最小背景辐射。
反射镜122可安置在上部圆盖128的外部以反射红外光，该红外光是从晶片108辐射出来的，又返回到晶片108。由于被反射的红外光，通过使否则的话会逸出系统100的热被包含住，加热的效率便会得到改善。另一方面是随着热量辐射离开晶片，然后反射回晶片，该热量的频率分布将接近于晶片108的近黑体辐射(near black bodyradiation)。结果是，任何来自晶片下面而反射到晶片正面116的直接光泄漏仅贡献到达晶片的总热量的一小部分，且因此而由泄漏所导致的发射率对正面116的影响将被减小。
通过减小晶片加热对晶片发射率的相关性，用光学温度计118读取晶片器件面116的表面温度便因此而变得有效。因为由于灯而降低了的光的百分比，所导致的光学温度计118的效果减少了光学温度计中“寄生”信号的百分比。此外，当一个晶片的电路设计(图案)改变时，光学温度计118可不必再校正，因为晶片加热是与发射率无关的，由泄漏所导致的误差很少。
在一个实施例中，反射镜122可由金属如铝或不锈钢来制造。铝中可具有加工出的沟道124，用于携带流体流126如水以便冷却反射镜122。此外，反射效率可通过用高度反射性涂层如金来涂覆反射镜区域而得到提高。反射镜122可具有穿过一个位置如反射镜122的中心的孔120，通过它用光学温度计118感测晶片108的温度。在一个实施例中，基座106可由某种材料如石墨和涂覆有碳化硅的石墨来制造。基座106可由支柱130和中心轴132加以支撑，在晶片108加载和卸载时，中心轴132可在向上和向下的方向134上移动晶片108。
在一个实施例(图1)中，处理腔室110的上部圆盖128是弯曲的。上部圆盖128的石英玻璃材料的弯曲程度和厚度可取决于作用在上部圆盖128两侧的压力差。在这一实施例中，外部压力是一个大气压，而在加工时，上部圆盖128和下部圆盖114之内的压力约为0.1～700托。结果是，上部圆盖128的石英玻璃厚度可大约为0.12英寸，而曲率半径大约为15.0英寸。
在示于图2的一个可选择的实施例中，石英圆盖230和232两侧的压力可保持近似相等。不考虑结构，上部圆盖228可以是扁平的，且反射镜222可安置得更靠近晶片208以便提高效率。为确保作用在上部圆盖228两侧的压力相等，在上部圆盖228的任一侧上的体积230和232可以是彼此连通的。如果在上部圆盖228的任一侧上的体积230和232是不连通的，则一个压力控制系统(未示出)可在适当位置确保这两个体积230和232中的压力接近，从而不破坏上部圆盖228。
在示于图3A和3B的另一个可选择的实施例中，处理腔室300的上部圆盖328是用肋条330来加强的。在有显著压力差作用于上部圆盖328上的位置，通过使用这些刚硬的肋条330，上部圆盖328能够变得更强固。作为使用肋条330的结果，上部圆盖328在面对晶片308的位置上能够仍然是相当平整的。图3A进一步示出一个无中心的基座306，这意味着在基座306中有一个孔334，而且晶片308可在孔334的边缘与基座306接触。无中心基座306可以让来自灯302的辐射得以直接碰撞晶片308的背面332，并且热可通过晶片308的厚度传播，从而加热晶片正面316。仅示出一种形式的肋条330，然而，可以理解多种肋条设计都可能满足压力差方面的考虑。而且，除了图1～3中所示的环状几何构型，多种腔室形状都是可能的。为提高上部圆盖328经受压力差的能力，矩形或椭圆形的腔室形状也是可能的。
图4是一个聚集工具系统的视图。聚集工具400，如Epi Centura，可包含多种背面加热腔室402和402′，其中晶片403从晶片筒401和401′自动地输送407至腔室402和402′或从腔室402和402′取出。表面加热腔室402和402′可完全执行一个相似的功能，如外延沉积，或各自执行一种不同的功能。示于图4中的是用于低温外延沉积的系统配置，其具有一个用于外延前预清洗的EpiClean腔室404和三个沉积腔室402和402′。腔室402、402′和404可各自具有一个光学温度计406或406′。温度计406和406′可以是独立控制的，或者是一起通过具有多个信道的一个信号控制单元408来控制的。因为晶片上的直接的灯辐射是最小化的，光学温度计中的寄生信号也将被最小化。光学温度计406和406′不必针对晶片尺寸和/或电路图案的每一次改变进行再校准，因此减少了工艺周期的时间。
背面加热仅在对温度依赖的工艺中实现了免受发射率的影响。这样就使热处理的能够重复，而与晶片电路的设计(图案)或固有的膜的发射率无关。为调整工艺所耗费的时间可因为这一特征而缩短。反应器(处理腔室)可以因为不存在上部灯阵列而更加紧凑。最后，这种设备将允许在不知道发射率的条件下直接探测图案化晶片的晶片温度。
因此，本说明书描述了一种用于加热晶片的设备，该设备通过晶片背面加热、将晶片辐射热反射回到晶片上、及使灯热量泄漏的影响达到最小，而与发射率无关。虽然本发明已经参考特定的示例性实施例来说明，但显然可对这些实施例作多种修改和变化而不偏离本发明权利要求中所限定的本发明的更广泛的精神和范畴。因此，本说明书和附图应被认为是说明性的而非限制性的。

Claims (17)

1.一种设备，包括：
一反射镜，其具有一面向下的镜面表面；
一玻璃结构，其位于所述反射镜之下；
一基座，其处于所述玻璃结构之内，具有一面向上的表面，能够夹持要被处理的部件；和
一个或多个辐射热源，其指向所述玻璃结构并位于所述玻璃结构之下。
2.如权利要求1所述的设备，其中位于所述的基座和反射镜之间的一部分所述玻璃结构是弯曲的，以在结构上抵抗压力差。
3.如权利要求1所述的设备，其中位于所述的基座和反射镜之间的一部分所述玻璃结构是加有肋条的，以在结构上抵抗压力差。
4.如权利要求1所述的设备，其中所述反射镜具有反射性材料形成的一外部层。
5.如权利要求1所述的设备，其中所述反射镜具有一孔，通过该孔来确定温度。
6.如权利要求5所述的设备，其中所述孔的直径近似为0.50～1.50英寸。
7.如权利要求1所述的设备，其中所述反射镜基本是平面的。
8.如权利要求1所述的设备，其中所述反射镜是弯曲的，以均匀地将热聚焦回所述部件上。
9.如权利要求1所述的设备，其中所述反射镜是水冷的。
10.如权利要求1所述的设备，其中所述部件是半导体晶片。
11.如权利要求10所述的设备，其中所述半导体晶片是器件面向上的。
12.如权利要求1所述的设备，其中所述基座是无中心的，其中辐射直接加热所述晶片的背面。
13.一种晶片处理设备，包括：
一平面反射镜，其具有一面向下的镜面表面；
一石英处理腔室，其位于所述反射镜之下；
一基座，其处于所述石英处理腔室之内，具有一面向上的表面，能够夹持晶片；
所述石英处理腔室的一部分位于所述的基座和反射镜之间，具有均匀的厚度；
一个或多个辐射热源，其指向所述基座，并位于所述石英处理腔室之下；和
一温度感测装置，其被设置用以通过所述平面反射镜中的孔来读取晶片表面温度。
14.如权利要求13所述的设备，进一步包括一通道，该通道连接所述石英处理腔室内的体积以及围绕所述反射镜的体积，以使压力差得以相等。
15.如权利要求13所述的设备，进一步包括：
作用在所述石英处理腔室中的第一压力；
作用在所述石英处理腔室和所述反射镜之间的第二压力；和
一压力控制系统，其能够匹配所述这两个压力。
16.如权利要求13所述的设备，其中所述反射镜具有反射性材料形成的一外部层。
17.如权利要求16所述的设备，其中所述反射性材料是金。
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