CN2770286Y - 带集成散热器的卤素灯组件 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种用于衬底处理室的卤素灯组件，其具有卤素灯和单块陶瓷散热器。所述卤素灯包括密封在具有夹紧密封端的密封罩中的灯丝和一对电连接器。所述单块陶瓷散热器包括块和从所述块向外突出的间隔开的柱子的阵列。所述块包括腔和开口，所述腔具有形状与所述灯的所述夹紧密封端匹配的凹入内表面，所述开口允许所述卤素灯的所述电连接器穿过。
Description
技术领域
本实用新型涉及用于衬底处理室的卤素灯组件。
背景技术
处理诸如半导体晶片或显示器的衬底处理室通常使用卤素灯来加热衬底或室壁。卤素灯是白炽灯，其通常具有位于密封在石英玻璃密封罩中的卤素气氛中的钨丝。在灯的底部收缩密封罩以绕着使电流通到钨丝的金属连接器来形成夹紧密封端。这些灯所发出的热用来进行如下处理：例如在快速热处理(RTP)室中使衬底上的一层材料退火；或者例如在外延室中分解气体以在衬底上形成层。卤素灯能够快速、可控并且均匀覆盖地产生红外热能，因此对快速加热衬底是有用的。
但是，卤素灯发出的热可能导致灯的重要区域的失效并由此降低灯的使用寿命。灯中尤其易于失效的一个区域是夹紧密封端。由于电流通过穿过该区域的连接器而产生的额外的电阻热，夹紧密封端经受甚至更高的温度。高的工作温度可能导致此玻璃到金属的密封由于玻璃、金属以及玻璃到金属的密封材料的热膨胀系数的不匹配所产生的应力而失效。热还能够导致金属连接器的部分氧化或其他劣化。于是，对于夹紧密封端处的最高工作温度300℃来说具有预期灯寿命约2000小时或更长的卤素灯，在夹紧密封端中的工作温度为350℃时具有短得多的约1000小时的寿命，而在工作温度为400℃时只有约250小时的寿命。
因此，希望有一种带散热器的卤素灯组件，该散热器能够降低灯的工作温度。还希望将夹紧密封区域的温度保持在临界水平之下，以减少灯的过早失效。还希望不用复杂的冷却装置就除去灯在其工作期间所产生的热。
实用新型内容
一种用于衬底处理室的卤素灯组件，包括卤素灯和单块陶瓷散热器。所述卤素灯具有：基本透明的密封罩，所述密封罩具有夹紧密封端；在所述密封罩中的灯丝；和连接到所述灯丝并穿过所述夹紧密封端的一对电连接器。所述单块陶瓷散热器包括具有凹入内表面和开口的块，所述凹入内表面的形状与所述卤素灯的所述夹紧密封端匹配，所述开口允许所述卤素灯的所述电连接器穿过。所述单块陶瓷散热器还包括从所述块向外突出的间隔开的柱子的阵列。
在一种方案中，单块陶瓷散热器还与衬底处理室中的插座匹配。在另一种方案中，散热器块是矩形的，并且一圆板从所述块延伸出去，所述圆板具有与所述块中的所述开口对齐的孔。在此方案中，一双柱子阵列从所述块的相对的外表面向外突出。
衬底处理室使用多个所述卤素灯组件。所述衬底处理室还包括封闭壁、衬底支撑、气体分配器和排气装置。
附图说明
基于以下说明本实用新型的示例的描述、所附权利要求和附图，本实用新型的这些特征、方面和优点将变得更好理解。但是，应该理解到可以在本实用新型中一般地使用这些特征中的每一个，而不仅仅是在具体附图的上下文中，并且本实用新型包括这些特征的任何组合，所述附图中：
图1是根据本实用新型的卤素灯组件的一个实施例的分解透视图；
图2是示于图1中的卤素灯组件实施例的侧视图；和
图3是包含多个卤素灯组件的衬底处理室的一个实施例的示意图。
具体实施方式
图1和2中示出了卤素灯组件20的一个实施例，其可以被用来为在衬底处理室中处理衬底供应热能。卤素灯组件20包括卤素灯22和单块陶瓷散热器24。这里所描述的卤素灯22和单块陶瓷散热器24是解释性的示例性实施例，它们不应被用来限制本实用新型的范围。
一般而言，灯22包括透光密封罩26，该密封罩26包含围绕灯丝28的内部气氛并允许电连接器30从其穿过。在所示出的方案中，呈管状的密封罩26包括夹紧密封端34和排气管36。密封罩26的形状还可以是非管状的，包括锥形、球形或多弓形。密封罩26包括石英、硅玻璃、铝硅酸盐玻璃或其他适合于透光的材料。密封罩26中所包含的内部气氛包括含卤素的气体。排气管36用于在制造过程中从密封罩26排出气体或对其加入气体，并随后被密封。
密封罩26内的灯丝28包括电耦合到电连接器30的两端。灯丝28包括电阻性金属丝并在一种方案中为钨丝。灯丝28可以是单个或多个线圈或者平面的条。灯丝28在其中点或端点处被耦合到电连接器30。可以通过其单位长度的重量、直径或线圈节距(线圈的周长除以导线的直径)来调节灯丝28的电特性。在工作时，灯丝28在约120VAC的工作电压下可以产生直到约2千瓦的功率范围的发光。通常，发光在远紫外、紫外、可见或红外范围内。
连接器30通常包括具有良导电性的金属丝或薄片，例如钼丝。连接器30还可以包括其他金属，例如钨、镀镍的钢、或任何其他具有低的电阻并能够可靠地传输高电流的金属。在一种方案中，连接器30包括从灯丝引导进入夹紧密封端34的第一金属丝、密封在被连接到第一金属丝的夹紧密封34内的金属薄片、以及被连接到该金属薄片并从夹紧密封34延伸出去的第二金属丝。第一和第二金属丝可以被直接连接到金属薄片，或者通过被焊接到金属薄片以及第一和第二导线上的附加的导线引线而连接到金属薄片。在另一种方案中，连接器30可以包括被连接到灯丝28并穿过夹紧密封端34的单股或多股金属丝。
夹紧密封端34包括密封罩26的这样一个区域，即当电连接器30进入密封罩26来将外部电源电耦合到灯丝28时，该区域围绕电连接器30被从物理上收缩。连接器30穿过夹紧密封端34并被其固定到合适位置。夹紧密封端34形成气密密封来维持密封罩26内部气氛的压力和成分。在另一种方案中，灯22可以在密封罩26的基本相对的两端具有两个夹紧密封端34，其中单个连接器30穿过每个夹紧密封端34。在另外一种方案中，可以有三个连接器30穿过单个夹紧密封端34。
卤素灯组件20还包括单块陶瓷散热器24，如图1所示。单块陶瓷散热器24包括直接耦合到灯22的夹紧密封端34上的块38。块38通过对流和辐射从夹紧密封端34吸收热能并将该能量直接散发到环境中。块38包括在其体积内没有接口或接头的整体单块，这些接口或接头将产生除大块块状材料的热阻之外的附加热阻。传统的灯组件散热器通常包含在存在有扭曲、粗糙度或间隙的接口处接触的多个部件。部件接口之间差的接触产生了比大块材料的同质导热路径(solid conduction path)的热阻高得多的热阻。因此，整体单块38由于在其体积内没有这种接口而提供了较传统的散热器组件更高的导热性。
块38还具有容纳灯22的夹紧密封端34的腔42。腔42形成形状与灯22的夹紧密封端34的外表面35匹配的凹入表面44。夹紧密封端34的外表面35和凹入内表面44之间的匹配提供了灯22和散热器24之间基本共形的接口，这使得其间的传热率最大化。传统的灯组件散热器由于散热器和产生热的灯之间的非共形匹配，或者由于接触表面之间具有高热阻的间隙或粗糙度，而提供低效的热传递。任何存在于外表面35和凹入内表面44之间的间隙都填充有包括陶瓷的填充材料，以在夹紧密封端34的外表面35和单块陶瓷散热器24的凹入内表面44之间提供连续的热接口。
单块陶瓷散热器24还包括从块38向外突出的间隔开的柱子40的阵列39。该阵列39包括在两个阵列方向上周期性间隔开的柱子40的二维栅格。例如，在一种方案中，单个阵列39可以包括布置成5行的60个柱子40，而每行有12个柱子。但是，阵列39可以包括不同总数的柱子40。具体的行数和每行中柱子40的具体数目可以不同。柱子40从其开始的平面基本垂直地向外突出。柱子40接收在灯22的夹紧密封端34处产生并通过块38的凹入内表面传导的热。延伸的柱子40通过辐射和对流将热散发到周围的环境中。优选地，柱子40形成块38的整体单块的延伸并且在其间没有不同材料或部件的接口或接头。柱子40是单块陶瓷散热器24的一部分。
在一种方案中，间隔开的柱子40的一对阵列39从块38相对的外表面56a、b向外突出。阵列39在由侧表面57a、b接合的相对表面56a、b上。具有仅仅从两个相对的表面56a、b突出的柱子40的阵列39，允许多个卤素灯组件20在侧表面57a、b彼此邻接的情况下被紧凑布置在与室中的衬底同心的环上。这种布置在不牺牲散热的情况下提供了高密度的灯来产生更均匀的热或更大量的热。
在一种方案中，每个柱子40在从块38的表面56突出的柱长上具有近似矩形的横截面。矩形横截面的尺寸可以在柱子40的长度上变化。在一种方案中，柱子40随着从块38突出而逐渐变细，其中柱子40的横截面积随离块38的表面56的距离而减小。锥形柱子40由于与块38接触并一体化的更大的横截面积而增加了靠近块38处的导热性，同时沿着进一步远离块38的突起提供更多的气体来用于高效对流以及更多的从柱子40的辐射。在一种方案中，柱子40具有约8mm2到约15mm2的平均横截面积、约8mm到约12mm的平均长度、以及大到约3度的角度的锥度。在另一种方案中，柱子40的平均横截面积对长度的比值为约0.5mm到约2.0mm。
通过调整块38的大小、柱子40的横截面尺寸和长度、以及块38的陶瓷材料的导热率来调节从夹紧密封端34的热传递。例如，通过基于单块散热器24的几何尺寸以及诸如所期望的环境和夹紧密封端温度之类的边界值信息来构造数学模型，可以选择块38的大小以及柱子40的横截面尺寸和长度。数学符号处理软件可以帮助得到这样的公式，这些公式以块38的大小以及柱子40的横截面尺寸和长度来表述从夹紧密封端34的热传递。选择块38的大小以及柱子40的横截面尺寸和长度的另一种方法是使用有限元分析(FEA)模型。单块散热器24的FEA模型包括其中的每一个模拟有限区域内的热传导、对流和辐射的多个无限小的元。然后使用计算装置来基于多个小的元的已知相互作用来对作为整体的单块散热器24的行为进行模拟。FEA模拟软件商业上可从例如总部在Canonsburg，PA.的Ansys公司的DesignSpace软件包之类的来源得到。
单块散热器24还提供与衬底处理室中的插座匹配的表面51，该插座接纳灯组件20。在一种方案中，单块陶瓷散热器24包括从块38延伸出的圆板50，圆板50具有与块中的开口对齐的孔53，所述开口允许连接器30从灯穿过块38。优选地，圆板50形成块38的整体单块的延伸并且在其间没有不同材料或部件的接口或接头。圆板50是单块陶瓷散热器24的一部分。圆板50允许容易地将灯组件20对齐到衬底处理室中的插座。例如，圆板50的大小可以被设定成与室中插座的匹配凹陷配合。圆板50还提供了可以以稳定的方式与插座表面邻接的规则的平坦表面。此第二共形匹配表面通过穿过共形接口并进入室插座的传导可以进一步提高热传递。
在一种方案中，块38和柱子40由例如氧化铝的陶瓷构成。单块陶瓷散热器24耐热降解，并被选择来提供好的导热性。例如，氧化铝在陶瓷中具有相对较好的导热性，在约25W/m·K到约35W/m·K的量级上。氧化铝陶瓷耐氧化，并能够承受高达约1800℃的温度。可以作为替代的陶瓷包括氮化铝、碳化硅或氮化硅。氮化铝具有特别好的导热性，可能也是令人满意的。
卤素灯组件20提供了优异的导热性和更长的寿命。通过降低灯22的夹紧密封端34的温度来提供更长的寿命。这减少了金属连接器30在工作期间的氧化。还降低了密封罩26和导电连接器30之间热膨胀的不匹配所产生的应力，该应力可能导致灯22的夹紧密封端34中的裂纹和裂缝。此外，如果特定的处理应用需要，那么卤素灯组件20可以接受更大的电载荷来产生额外的热。
可以通过传统的石英或玻璃制造方法来制造卤素灯22及其密封罩26和相关的在夹紧密封端34内对灯丝28和连接器30的密封，这些方法可以包括模制、吹泡和机加工。陶瓷散热器被安装到灯22上，以形成块38到夹紧密封端34的共形接合。通过制造陶瓷浆料并将陶瓷浆料倒入定形来形成块38和柱子40的模具中，可以制造单块陶瓷散热器24。或者，可以将矩形块的陶瓷机加工来形成柱子和块表面。利用包括陶瓷的填充材料在其间形成卤素灯22到单块陶瓷散热器24的牢固接合，可以使卤素灯22的夹紧密封端34与单块陶瓷散热器24的块38的腔42匹配。例如，合适的填充材料可以是与例如硅酸钠或磷酸铝的粘合材料组合的例如氧化铝、硅石、莫来石(mulite)或粉煤灰(flyash)的陶瓷粉末。
在正进行的过程期间或者作为单独的过程，可以在衬底处理室中使用卤素灯组件20来加热衬底。图3包含了包括多个卤素灯组件20的衬底处理室100的示例性实施例的示意图示，但是，卤素灯组件20可以被用于其他室并且解释性的室实施例不应用来限制本实用新型。
室100包括封闭壁102、气体分配器104和排气装置106，如图3所示。上下封盖124、126包含了处理环境。气体分配器包括气体供应器108、气体阀110和气体入口112。气体分配器104可以将处理气体分配到衬底128之上的处理区122，或者将净化气体分配到衬底128之下的区域。排气装置106包括气体出口114、排气阀116和泵118。室100还包括在处理区122中支持衬底128的衬底支撑120。衬底支撑120包括支撑臂121，以支持其上放置衬底128的支撑平台123。室100还可以包括轴132和轴电机134，以在处理周期中旋转衬底支撑120来提高处理均匀性。
室100还包括从上方来测量衬底128上的温度的上部光学温度检测器130a、b和从下方来测量衬底支撑128上的温度的下部光学温度检测器130c。例如，检测器130可以是红外高温计。上下封盖124、126对光和红外辐射透明，以允许光学温度检测器130a、b、c的工作以及将热能以红外辐射的形式引入到衬底128和处理区122中。可以用例如石英的材料来制造封盖124、126。
衬底处理室100具有多个插座146，用于接纳可以位于衬底128之上和之下的卤素灯组件20。例如，如图3所示，多个上部灯组件20a位于衬底128之上来产生红外辐射。上部灯组件20a可以被布置成与衬底128同心的环。还有多个下部灯组件20b、c位于衬底128之下。在图3所示的方案中，有两组下部灯组件：外侧下部灯组件20b和内侧下部灯组件20c。下部灯组件20b、c也可以被布置成与衬底128同心的环。此外，室还可以具有反射器136、138、140，以将灯组件20所产生的红外辐射向着衬底和衬底支撑反射。上部灯反射器136将上部灯组件20a所产生的红外辐射向下反射到衬底128。外侧下部反射器138和内侧下部反射器140将下部灯组件20b、c所产生的红外辐射向上反射到衬底支撑120和衬底128。
上部、外侧下部和内侧下部灯组件20a、b、c可被单独控制，以提供在控制衬底128和衬底支撑120上温度的均匀性和精度时的较大程度的灵活性。例如，外侧和内侧下部灯组件20b、c可以在不同变化的功率电平下被操作，以定制被传送到衬底128和衬底支撑120的各个部分的热能。
控制器142控制电源144、检测器130、轴电机134和多个灯组件20a-c。控制器142通常包括合适配置的硬件和软件来操作衬底处理室100的部件。例如，控制器142可以包括连接到存储器和其他部件的中央处理单元(CPU)。CPU包括能够执行计算机可读程序的微处理器。存储器可以包括计算机可读介质，例如硬盘、光盘、软盘、随机访问存储器和/或其他类型的存储器。操作人和控制器之间的接口可以例如通过诸如监视器之类的显示器，以及诸如键盘之类的输入设备。控制器142还可以包括驱动电子设备，例如模拟和数字输入/输出板、直线电机驱动板或步进电机控制器板。
虽然基于其优选方案相当详细地描述了本实用新型，但是其他方案是可能的。因此，所附权利要求不应限于这里所包含的对优选方案的说明。
Claims (10)
1.一种用于衬底处理室的卤素灯组件，所述卤素灯组件包括：
(a)卤素灯，包括：
(i)基本透明的密封罩，所述密封罩具有夹紧密封端；
(ii)在所述密封罩中的灯丝；和
(iii)连接到所述灯丝并穿过所述夹紧密封端的一对电连接器；和
(b)单块陶瓷散热器，包括：(i)具有凹入内表面和开口的块，所述凹入内表面的形状与所述卤素灯的所述夹紧密封端匹配，所述开口允许所述卤素灯的所述电连接器穿过，和(ii)从所述块向外突出的间隔开的柱子的阵列。
2.如权利要求1所述的卤素灯组件，其中所述柱子包括以下特性中的至少之一：
(i)柱子的平均横截面积对柱子的长度的比值至少为约0.5mm到约2.0mm；
(ii)所述柱子是锥形的；或者
(iii)所述柱子具有大到约3度的角度的锥度。
3.如权利要求1所述的卤素灯组件，包括在所述块的相对外表面上的间隔开的柱子的一双阵列。
4.如权利要求1所述的卤素灯组件，其中所述密封罩由石英构成，所述单块陶瓷散热器由氧化铝、氮化铝、碳化硅或氮化硅构成。
5.一种衬底处理室，包括多个如权利要求1所述的卤素灯组件，并且还包括：(i)多个封闭壁，(ii)衬底支撑，(iii)气体分配器，和(iv)排气装置。
6.一种用于衬底处理室的卤素灯组件，所述衬底处理室具有接纳所述卤素灯组件的插座，并且所述卤素灯组件包括：
(a)卤素灯，包括：
(i)基本透明的密封罩，所述密封罩具有夹紧密封端；
(ii)在所述密封罩中的灯丝；和
(iii)连接到所述灯丝并穿过所述夹紧密封端的一对电连接器；和
(b)与所述衬底处理室中的所述插座匹配的单块陶瓷散热器，所述单块陶瓷散热器包括：(i)具有相对的外表面、腔和开口的矩形块，所述腔具有与所述灯的所述夹紧密封端的外表面匹配的凹入表面，所述开口允许所述电连接器穿过，(ii)从所述块延伸出去并具有与所述块中的所述开口对齐的孔的圆板，和(iii)从所述块的所述相对的外表面向外突出的柱子的一双相对的阵列。
7.如权利要求6所述的卤素灯组件，其中所述柱子包括以下特性中的至少之一：
(i)柱子的平均横截面积对柱子的长度的比值至少为约0.5mm到约2.0mm；
(ii)所述柱子是锥形的；或者
(iii)所述柱子具有大到约3度的角度的锥度。
8.如权利要求6所述的卤素灯组件，其中所述密封罩由石英构成，所述单块陶瓷散热器由氧化铝、氮化铝、碳化硅或氮化硅构成。
9.一种衬底处理室，包括位于所述衬底上方的多个如权利要求6所述的上部卤素灯组件、位于所述衬底下方的多个如权利要求6所述的下部卤素灯组件，并且还包括：(i)多个封闭壁，(ii)衬底支撑，(iii)气体分配器，和(iv)排气装置。
10.如权利要求9所述的室，其中所述卤素灯组件被布置成与所述衬底同心的环状。
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