JP2008166706A - 副処理平面を使用する急速伝導冷却 - Google Patents

副処理平面を使用する急速伝導冷却 Download PDF

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Abstract

【課題】 基板を熱処理する方法及び装置を提供すること。
【解決手段】 本装置は、磁気駆動により直線移動及び／又は回転移動するように構成された基板支持体を含む。基板支持体は、また、チャンバの部分に加熱領域を与える放射熱源を受け入れるように構成される。冷却プレートを備える能動冷却領域が、加熱領域に対向して配設される。基板は、それら２つの領域の間に移動され、基板の制御された急速加熱及び冷却を行うことができる。
【選択図】 図１

Description

発明の背景
発明の分野
[0001]本発明の実施形態は、一般的に、半導体基板を処理するための方法及び装置に係る。より詳細には、本発明は、半導体基板を熱処理するための方法及び装置に係る。
関連技術の説明
[0002]集積回路は、単一チップ上に何百万個ものトランジスタ、キャパシタ及び抵抗を含む複雑な装置へと発展してきている。チップ設計の発展につれて、より高速な回路及びより大きな回路密度が必要とされてきており、それにつれて、製造プロセスに要求される精密さも増大してきている。よく使用される１つの製造プロセスは、イオン注入である。
[0003]イオン注入は、半導体基板上にトランジスタ構造を形成するのに特に重要であり、チップ製造中に何回も繰り返し行われるものである。イオン注入中に、典型的にはシリコン物質及び／又はシリコン含有膜を備える半導体基板は、普通、ドーパントと呼ばれる荷電イオンのビームによって衝撃される。イオン注入は、電気的特性の特定のレベルを達成するためドーパントが注入される物質の特性を変化させる。ドーパント濃度は、基板に投射されるエネルギービームにおけるイオンの数及び基板がそのビームに通される回数を制御することにより、決定することができる。ドーパントは、それらドーパントがそのシリコン物質に侵入し又はその膜の望ましい深さまで注入できるようにするエネルギーレベルまで加速される。そのビームのエネルギーレベルは、典型的に、それらドーパントが置かれる深さを決定する。
[0004]イオン注入中に、その注入されている膜には、高いレベルの内部応力が発生されることがある。このような応力を軽減し且つその注入膜に得られる特性を制御するため、その膜は、典型的に、アニールの如き熱処理を受ける。イオン注入後アニールは、典型的に、急速熱処理（ＲＴＰ）チャンバにおいて行われ、この急速熱処理チャンバでは、基板は、室温からほぼ４５０℃から約１４００℃まで基板を加熱できるように、非常に短いが高度に制御された熱サイクルを受ける。ＲＴＰは、通常、注入中に生ぜしめられる応力を最小又は軽減し、これは、ドーパント拡散を制御することによる膜の電気的特性を変化させる如く、膜特性を更に変更するのに使用することができる。
[0005]ＲＴＰ加熱法としては、一般的には、ランプ及び／又は抵抗加熱要素の如き放射熱源による加熱がある。従来のＲＴＰシステムにおいては、基板は、望ましい温度まで加熱され、それから、その放射熱源がターンオフされ、その基板の冷却がなされるようにされる。あるシステムにおいては、冷却を高めるため、ガスがその基板上に流される。しかしながら、処理パラメータは変化し続けるので、ＲＴＰ中の温度上昇及び加熱の均一性を保つには、より厳密な監視及び制御が必要とされている。従来のＲＴＰチャンバは基板を望ましい温度まで急速に加熱するため放射熱源に頼っているが、基板が加熱の均一性を改善するような冷却を必要とする時及び／又は基板を急速に冷却することが必要とされる時には、問題が生ずる。例えば、もし、相当の温度勾配が基板に亘って存在する場合には、基板が塑性的に変形又は反ってしまったりすることがあり、これは、その基板に対してその後に行われる処理のためには有害なものとなる。更に又、基板をより速く冷却したり及び／又は基板の温度制御をより高度にすることにより、スループットをより高くしたり、ドーパントの均一性を高めることができる。
[0006]従って、加熱均一性の制御をより高度に行うことができるような、半導体基板の急速加熱及び冷却の装置及び方法が必要とされている。
発明の概要
[0007]本発明は、一般的に、基板を熱処理するための方法及び装置である。本装置は、能動加熱手段及びそこに配設された能動冷却手段を有するチャンバを含む。このチャンバは、また、加熱手段と冷却手段との間で移動できる基板支持体をも含む。一実施形態では、能動冷却手段は、少なくとも１つの流体チャネルを配設した冷却プレートである。別の実施形態では、能動冷却手段は、そのチャンバの内部空間へ冷却ガスを供給するための入口に結合された冷却材源を含む。一実施形態では、加熱手段は、冷却手段に対向して配設される複数の加熱ランプである。
[0008]１つの実施形態としての基板処理装置について説明する。本装置は、チャンバと、上記チャンバに配設され、上部表面上に基板を支持するように構成された環状本体を備える磁気的に駆動される基板支持体と、上記環状本体に結合され、上記基板より下方に配設され且つ光及び熱に対して透過性であるウインドウとを含む。
[0009]別の実施例としての基板処理装置について説明する。本装置は、上方部分及び下方部分を含む内部空間を有するチャンバと、上記内部空間に配設された加熱源及び上記加熱源に対向する冷却プレートと、上記上方部分と上記下方部分との間に上記基板を移動させるように構成された浮揚基板支持体とを含む。
[0010]別の実施形態としての、基板を熱処理するための方法について説明する。本方法は、浮揚基板支持体を配設したチャンバを準備するステップと、上記基板を第１の位置へ移動するステップと、上記第１の位置において上記基板を加熱するステップと、上記基板を能動冷却手段に隣接した第２の位置へ移動するステップと、上記第２の位置において上記基板を冷却するステップと、を含み、上記第１及び第２の位置は、上記チャンバに配設されている。
[0011]別の実施形態としての、基板を熱処理するための方法について説明する。本方法は、第１の温度でチャンバへ基板を準備するステップと、第１の時間周期において第２の温度へ上記基板を加熱するステップと、第２の時間周期において第３の温度へ上記基板を加熱するステップと、上記第２の時間周期において上記第２の温度へ上記基板を冷却するステップと、第３の時間周期において上記第１の温度へ上記基板を冷却するステップと、を含み、上記第２の時間周期は、約２秒より短い。
[0012]本発明の前述した特徴についてより詳細に理解できるように、概略的に前述したような本発明を、幾つかを添付図面に例示しているような実施形態について、より特定的に説明する。しかしながら、添付図面は、本発明の典型的な実施形態のみを例示しているものであり、従って、本発明の範囲をこれらに限定しようとしているものではなく、本発明は、その他の同様の効果を発揮する種々な実施形態を含みうるものであることに注意されたい。
詳細な説明
[0017]理解を容易とするため、添付図面において共通な同一の要素を示すために、可能な場合においては、同一の参照符号を使用している。１つの実施形態において開示されている要素は、特に詳述せずとも、他の実施形態においても有効に使用できるものと考えられたい。
[0018]図１は、急速熱処理チャンバ１００の１つの実施形態の簡略斜視図である。本発明を適用して効果のある急速熱処理チャンバの実施例としては、QuantumX plus 及びＣＥＮＴＵＲＡ（登録商標）熱処理システムがあり、これらの両者は、カリフォルニア州サンタクララのアプライドマテリアルズ社から入手できるものである。この装置は急速熱処理チャンバ内にて使用されるものとして説明するが、ここに説明する実施形態は、１つの処理領域内に少なくとも２つの温度ゾーンが必要とされるような、特に、微粒子の生成を最少とすることが望まれるような、とりわけ、ロボットハンドオフに適した基板支持プラットフォーム、オリエンテーションデバイス、堆積チャンバ、エッチングチャンバ、電気化学処理装置及び化学機械研磨装置の如き他の処理システム及び装置にも使用できるものである。
[0019]この処理チャンバ１００は、非接触又は磁気浮揚基板支持体１０４と、内部空間１２０を画成する壁部１０８、底部１１０及び頂部１１２を有するチャンバ本体１０２とを含む。壁部１０８は、典型的には、（図１にはその一部分が示されている）基板１４０の入出力を行えるようにするための少なくとも１つの基板アクセスポート１４８を含む。このアクセスポートは、移送チャンバ（図示せず）又はロードロックチャンバ（図示せず）に結合することができ、また、選択的にスリット弁（図示せず）の如き弁で密閉できる。１つの実施形態では、基板支持体１０４は、環状であり、チャンバ１００は、基板支持体１０４の内側直径内に配設された放射熱源１０６を含む。変更できるＲＴＰチャンバ及び使用できる基板支持体の実施例は、２００２年３月２９日に出願され２００４年１０月５日に付与された米国特許第６，８００，８３３号明細書、２００４年２月２７日に出願され２００５年９月１日に米国特許出願公開第２００５／０１９１０４４号として公開された米国特許出願第１０／７８８，９７９号明細書に開示されており、これら両明細書は、ここにそのまま援用される。
[0020]基板支持体１０４は、内部空間１２０内において磁気的に浮揚され回転するように適応されている。基板支持体１０４は、処理中に垂直に上昇及び下降させられながら回転でき、また、処理前、又は処理中、又は処理後に回転せずに上昇及び下降させることができる。このような磁気浮揚及び／又は磁気回転により、基板支持体の上昇／下降及び／又は回転のために典型的には必要とされる移動部分を無くし又は減少できることにより微粒子の生成を防止でき又は最少とすることができる。
[0021]チャンバ１００は、また、赤外線（ＩＲ）スペクトルにおける光を含む種々な波長の熱及び光に対して透過性の材料で形成されたウインドウ１１４を含み、このウインドウ１１４を通して、放射熱源１０６からの光子により基板１４０を加熱することができる。１つの実施形態では、ウインドウ１１４は、石英材料で形成されるが、サファイアの如き、光に対して透過性の他の材料を使用することもできる。ウインドウ１１４は、また、このウインドウ１１４の上方表面に結合される複数のリフトピン１４４を含むことができ、これらリフトピン１４４は、基板をチャンバ１００へ入れたりチャンバ１００から出したり移送できるように、基板１４０に選択的に接触し支持するように適応されている。これら複数のリフトピン１４４の各々は、放射熱源１０６からのエネルギーの吸収を最少とするように構成され、石英材料の如き、ウインドウ１１４に使用したのと同じ材料で形成することができる。これら複数のリフトピン１４４は、移送ロボット（図示せず）に結合されたエンドエフェクタが通過できるように、互いに間隔を置いて配置することができる。別の仕方として、エンドエフェクタ及び／又はロボットは、基板１４０の移送を行えるように、水平及び垂直に移動できるものとすることができる。
[0022]１つの実施形態では、放射熱源１０６は、冷却材源１８３に結合された冷却材アセンブリ３６０（図３に示される）において複数のハニカムチューブ１６０を含むハウジングで形成されたランプアセンブリを含む。冷却材源１８３は、水、エチレングリコール、窒素（Ｎ２）及びヘリウム（Ｈｅ）のうちの１つ又はそれらの組み合わせであってよい。ハウジングは、冷却材源１８３から冷却材を流すため適当な冷却材チャネルを形成した銅材料又は他の適当な材料で形成することができる。各チューブ１６０は、リフレクター及び高強度ランプアセンブリ又はＩＲエミッターを含むことができ、それらにより、ハニカム状パイプ構成体を形成することができる。このようなパイプの稠密六角形配置とすることにより、高い電力密度及び良好な空間分解能を有した放射エネルギー源を与えることができる。１つの実施形態では、放射熱源１０６は、基板を熱処理する、例えば、基板１４０上に堆積されたシリコン層をアニールするために十分な放射エネルギーを与える。この放射熱源１０６は、更に、コントローラ１２４によって複数のチューブ１６０に供給される電圧がこれらチューブ１６０からのエネルギーの半径方向分布を高めるように変更できるような環状ゾーンを備えることができる。基板１４０の加熱のダイナミック制御は、基板１４０に亘る温度を測定するように適応された１つ以上の温度センサ１１７（以下により詳細に説明される）によって行うことができる。
[0023]ステータアセンブリ１１８は、チャンバ本体１０２の壁部１０８を取り囲んでおり、チャンバ本体１０２の外部に沿ってのこのステータアセンブリ１１８の高さ位置を制御する１つ以上のアクチュエータアセンブリ１２２に結合されている。１つの実施形態（図示せず）では、チャンバ１００は、チャンバ本体の周りの半径位置に、例えば、チャンバ本体１０２の周りに約１２０度の角度の間隔を置いて配設された３つのアクチュエータアセンブリ１２２を含む。このステータアセンブリ１１８は、チャンバ本体１０２の内部空間１２０内に配設された基板支持体１０４に磁気的に結合される。基板支持体１０４は、ローターとして機能し、従って、その基板支持体１０４をリフト及び／又は回転させる磁気ベアリングアセンブリを形成する磁気部分を備え又は含むことができる。１つの実施形態では、基板支持体１０４の少なくとも一部分は、基板支持体のための熱交換媒体として適した水、エチレングリコール、窒素（Ｎ２）、ヘリウム（Ｈｅ）又はそれらの組合せを含みうる流体源１８６に結合されるトラフ４１２（図４に示されている）によって部分的に取り囲まれている。ステータアセンブリ１１８は、また、このステータアセンブリ１１８の種々な部分及び構成部分を包囲するハウジング１９０を含むことができる。１つの実施形態では、ステータアセンブリ１１８は、サスペンションコイルアセンブリ１７０上に重ねられた駆動コイルアセンブリ１６８を含む。この駆動コイルアセンブリ１６８は、基板支持体１０４を回転及び／又は上昇／下降させるように適応されており、一方、サスペンションコイルアセンブリ１７０は、処理チャンバ１００内で基板支持体１０４を受動的にセンタリングするように適応させておくことができる。別の仕方として、このような回転及び／又はセンタリング機能は、単一コイルアセンブリを有するステータによって果たすこともできる。
[0024]気圧制御システム１６４も又、チャンバ本体１０２の内部空間１２０に結合される。この気圧制御システム１６４は、一般的には、チャンバ圧力を制御するためスロットル弁及び真空ポンプを含む。この気圧制御システム１６４は、付加的に、内部空間１２０へ処理ガス又は他のガスを与えるためのガス源を含むことができる。この気圧制御システム１６４は、また、熱堆積プロセスのための処理ガスを分配するように適応させておくこともできる。
[0025]チャンバ１００は、また、一般的に、中央処理装置（ＣＰＵ）１３０、サポート回路１２８及びメモリ１２６を含むコントローラ１２４をも含む。ＣＰＵ１３０は、種々な動作及びサブプロセッサを制御するための工業セッティングに使用することのできる任意の形式のコンピュータプロセッサの１つであってよい。メモリ１２６又はコンピュータ読み取り可能な媒体は、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）、リードオンリーメモリ（ＲＯＭ）、フロッピーディスク、ハードディスク又は任意の他の形式のデジタル記憶、ローカル又はリモートの如き容易に入手できるメモリのうちの１つ以上のものであってよく、典型的には、ＣＰＵ１３０に結合される。サポート回路１２８は、従来の仕方でコントローラ１２４を支援するためＣＰＵ１３０に結合される。これらの回路は、キャッシュ、電力供給源、クロック回路、入力／出力回路、サブシステム等を含む。
[0026]１つの実施形態では、アクチュエータアセンブリ１２２の各々は、一般的には、チャンバ本体１０２の壁部１０８から延長する２つのフランジ１３４の間に結合される精密親ネジ１３２を備える。親ネジ１３２は、このネジが回転されるときにこの親ネジ１３２にそって軸方向に走行するナット１５８を有している。ステータ１１８とナット１５８との間にカップリング１３６が結合されており、この親ネジ１３２が回転されるとき、そのカップリング１３６がその親ネジ１３２にそって移動させられ、そのカップリング１３６との境界でのステータ１１８の高さ位置が制御されるようになっている。こうして、アクチュエータ１２２のうちの１つの親ネジ１３２が他のアクチュエータ１２２のナット１５８の間に相対的変位を生ずるように回転されるとき、ステータ１１８の水平面が、チャンバ本体１０２の中心軸に対して変化させられる。
[0027]１つの実施形態では、ステッパー又はサーボモータの如きモータ１３８が、コントローラ１２４による信号に応答して制御可能な回転を与えるように、親ネジ１３２に結合される。別の仕方として、ステータ１１８の直線位置を制御するため、とりわけ、エアシリンダー、油圧シリンダー、ボールネジ、ソレノイド、リニアアクチュエーター及びカムフォロワの如き他の型のアクチュエータ１２２を使用することができる。
[0028]チャンバ１００は、また、一般的に、チャンバ本体１０２の内部空間１２０内の基板支持体１０４（又は基板１４０）の高さ位置を検出するように適応された１つ以上のセンサ１１６を含む。これらセンサ１１６は、チャンバ本体１０２及び／又は処理チャンバ１００の他の部分に結合することができ、また、基板支持体１０４とチャンバ本体１０２の頂部１１２及び／又は底部１１０との間の距離を示す出力を与えるように適応されており、また、基板支持体１０４及び／又は基板１４０の不整列を検出することもできる。
[0029]これら１つ以上のセンサ１１６は、これらセンサ１１６からの出力メトリックを受け取って且つ基板支持体１０４の少なくとも一部分を上昇又は下降させるため１つの信号又は複数の信号をそれら１つ以上のアクチュエータアセンブリ１２２へ与えるコントローラ１２４に結合される。コントローラ１２４は、センサ１１６から得られる位置メトリックを使用して、各アクチュエータアセンブリ１２４でのステータ１１８の高さ位置を調整して、基板支持体１０４及びその上に載置された基板１４０の高さ位置及び平面性の両者がＲＴＰチャンバ１００及び／又は放射熱源１０６に対して且つそれらの中心軸に対して調整されうるようにすることができる。例えば、コントローラ１２４は、基板支持体１０４の軸不整列を修正するように１つのアクチュエータ１２２の動作により基板支持体を上昇させるための信号を与えることができ、又は、コントローラは、基板支持体１０４の同時に垂直方向に移動させるようにすべてのアクチュエータ１２２へ信号を与えることができる。
[0030]これら１つ以上のセンサ１１６は、チャンバ本体１０２内の基板支持体１０４の近接を検出することのできる超音波型、レーザー型、誘導型、容量型又はその他の型のセンサであってよい。これらセンサ１１６は、頂部１１２に近接してチャンバ本体１０２に結合されてもよいし、又は、壁部１０８に結合されてもよいが、チャンバ１００の外側のステータ１１８に結合されるが如く、チャンバ本体１０２内及びチャンバ本体１０２のまわりの他の場所に結合するのも適当である。１つの実施形態では、１つ以上のセンサ１１６は、ステータ１１８に結合されて、壁部１０８を通して基板支持体１０４（又は基板１４０）の高さ及び／又は位置を感知するように適応されることができる。この実施形態では、壁部１０８は、これら壁部１０８を通して位置感知を行えるようにより薄い断面を含むことができる。
[0031]チャンバ１００は、また、処理前又は処理中又は処理後に基板１４０の温度を感知するように適応される１つ以上の温度センサ１１７をも含む。図１に示した実施形態では、この温度センサ１１７は、頂部１１２を通して配設されているが、チャンバ本体１０２内及びチャンバ本体１０２のまわりの他の場所に配設することもできる。温度センサ１１７は、光高温計であってよく、一実施例としては、光ファイバプローブを有する高温計であってよい。これらセンサ１１７は、基板の全直径又は基板の一部分を感知する構成として頂部１１２に結合するように適応される。これらセンサ１１７は、基板の直径に実質的に等しい感知領域又は基板の半径に実質的に等しい感知領域を画成するパターンを備えることができる。例えば、複数のセンサ１１７が、基板の半径又は直径に亘る感知領域を可能とするような半径方向又は直線構成にて頂部１１２に結合される。１つの実施形態（図示せず）では、複数のセンサ１１７は、頂部１１２の中心のまわりから頂部１１２の周辺部分まで半径方向に延長するラインに配設される。このようにして、基板の半径がセンサ１１７により監視され、回転中に基板の直径を感知することができるようになる。
[0032]ＲＴＰチャンバ１００は、また、頂部１１２に隣接して、その頂部１１２に結合又は形成された冷却ブロック１８０を含む。一般的に、冷却ブロック１８０は、放射熱源１０６に対向して、そこから間隔を置いて配置されている。この冷却ブロック１８０は、入口１８１Ａ及び出口１８１Ｂに結合された１つ以上の冷却材チャネル１８４を備える。この冷却ブロック１８０は、ステンレス鋼、アルミニウム、ポリマー又はセラミック材料の如き耐プロセス性材料で形成することができる。冷却材チャネル１８４は、スパイラルパターン、方形パターン、円形パターン又はそれらの組合せを含むことができ、それらチャネル１８４は、例えば、冷却ブロックを鋳造することにより及び／又は２つ以上の部片を接合することで冷却ブロック１８０を製造することにより、冷却ブロック１８０内に一体的に形成することができる。付加的に又は別の仕方として、冷却材チャネル１８４は、冷却ブロック１８０に孔あけすることができる。
[0033]ここに説明するように、チャンバ１００は、「フェースアップ」配向において基板を受け入れるように適応されている。このフェースアップ配向では、基板の堆積を受ける側又は面が冷却ブロック１８０の方に向いており、基板の「背面側」が放射熱源１０６に面するようになる。このような「フェースアップ」配向によれば、放射熱源１０６からのエネルギーが基板１４０によってより急速に吸収されるようになる。何故ならば、基板の背面側は、典型的には、基板の堆積面よりも反射性が低いからである。
[0034]冷却ブロック１８０及び放射熱源１０６は、それぞれ、内部空間１２０の上方及び下方部分に配置するように説明したのであるが、これら冷却ブロック１８０及び放射熱源１０６の位置を逆にすることもできる。例えば、冷却ブロック１８０を基板支持体１０４の内側直径内に配置できるサイズ及び構成とし、放射熱源１０６を頂部１１２に結合することができる。このような配置では、石英ウインドウ１１４は、チャンバ１００の上方部分において放射熱源１０６に隣接するが如くして、放射熱源１０６と基板支持体１０４との間に配設することができる。基板１４０は、その背面側が放射熱源１０６に面しているときに、より容易に熱を吸収できるのであるが、基板１４０は、いずれの構成においてもフェースアップ配向又はフェースダウン配向にて配置することができる。
[0035]入口１８１Ａ及び出口１８１Ｂは、弁及び適当な配管により冷却材源１８２に結合することができ、冷却材源１８２は、そこに使用される流体の圧力及び／又は流量の制御を行えるようにするためコントローラ１２４に導通している。この流体は、水、エチレングリコール、窒素（Ｎ２）、ヘリウム（Ｈｅ）又は熱交換媒体として使用されるその他の流体であってよい。
[0036]１つの実施形態では、チャンバ１００は、基板１４０の熱処理を行うように適応されている。本方法は、放射熱源１０６に隣接した第１の位置において基板１４０を加熱するためその第１の位置へ基板１４０を移動することを含む。それから、加熱された基板１４０をその上にのせた基板支持体１０４は、冷却ブロック１８０の如き能動冷却手段に隣接した第２の位置において基板を冷却するため、その第２の位置へと移動される。
[0037]図２は、基板支持体１０４の１つの実施形態の斜視図である。この基板支持体１０４は、放射熱源及びその他のハードウエア（この図には示していない）を受け入れるようなサイズとされた内側直径を有する環状本体２２０を含む。この基板支持体１０４は、少なくとも部分的に、磁気リング部分２０８及び支持部分２１２からなっている。磁気リング部分２０８は、基板支持体１０４をステータ１１８へ磁気的に結合させるため、少なくとも部分的に、鉄含有材料の如き磁気材料からなっている。この鉄含有材料としては、低炭素鋼、ステンレス鋼があり、これらは、ニッケルめっきの如きめっきを含むことができる。１つの実施形態では、磁気リング部分２０８は、中心軸のまわりの極性アレイとして配設された複数の永久磁石から構成される。この磁気リング部分２０８は、付加的に、１つ以上のチャネル２２３を形成した外側表面を含むことができる。１つの実施形態では、この磁気リング部分２０８は、１つ以上のチャネル２２３を形成した「Ｅ」形又は「Ｃ」形の如き成形プロファイルを含む。
[0038]支持部分２１２は、一般的には、放射熱源１０６からのエネルギーの実質的部分が基板１４０の下方表面と放射熱源１０６（この図には示されていない）の上方端との間の領域内に含まれるようにして、放射熱源１０６からの熱及び／又は光の如きエネルギーの損失を最少とするように適応されている。この支持部分２１２は、磁気リング部分２０８の上方表面から延長する環状延長部２１４であってよい。この支持部分２１２は、支持リング２１０を含むこともでき、この支持リング２１０は、１つの実施形態では、基板１４０に対する整列を行えるようにし、且つ基板１４０のための座面２０２を与えるものである。１つの実施形態では、支持リング２１０の少なくとも一部分は、石英材料の如き、放射熱源１０６からのエネルギーを透過させるような材料で形成される。別の実施形態では、支持リング２１０は、焼結できる炭化ケイ素材料を含む。更に又、支持リング２１０は、窒素を含むことのできる酸化物被膜又は層を含むことができる。ここに使用できる支持リング２１０の実施例は、２００４年２月５日に出願され２００５年５月３日に付与された米国特許第６，８８８，１０４号明細書に開示されており、この明細書の記載は、そのままここに援用される。
[0039]支持リング２１０は、一般的には、内側壁部２２２と、この内側壁部２２２から内方へ延長する支持リップ２１９とを含む。内側壁部２２２は、階段状又は傾斜形状とされ基板よりもわずかに大きなサイズとしておくことができ、基板支持体１０４が上昇されるときに、基板１４０の整列及び／又はセンタリングを行う。そのとき、基板を支持リップ２１９上に載せることができ、基板のセンタリングは、基板支持体１０４のリフティング及び／又は回転中に維持される。支持リング２１０は、内側壁部２２２に対向して支持リング２１０の上方表面から下方に延長する外側壁部２２３をも含むことができる。外側壁部２２３と内側壁部２２２との間の領域は、環状延長部２１４に対する支持リング２１０の整列を行わせるチャネル２２４を形成する。支持部分２１２は、締結、ボンディング又は重力作用により磁気リング部分２０８に結合することができ、処理中に基板１４０を支持するように適応されている。１つの実施形態では、支持リング２１０は、エッジリングとして機能し、取り外し及び交換を容易とするため、環状延長部２１４に重力作用にて取り付けるようにしておくことができる。
[0040]支持部分２１２は、基板の引っ掻き、化学的又は物理的汚染及び／又は擦傷の可能性を減少させる材料で形成することができ、例えば、その材料としては、炭化ケイ素、ステンレス鋼、アルミニウム、セラミック又は高温ポリマーの如き材料を使用することができる。別の仕方として、支持部分２１２は、磁気リング部分２０８と一体的な部材として製造することができる。支持部分２１２の少なくとも一部分は、処理パラメータに依存して、反射性材料で形成又は被覆することができ、又は、黒体と同様の熱を吸収する黒色材料で形成又は被覆することができる。ここで使用される黒色材料としては、カラーブラックの如きダークカラーがあるが、これらダークカラーの材料又は被覆に限定されるものではないことに注意されたい。より一般的には、黒色材料、黒色表面仕上げ材又は黒色被覆とは、反射性の無いことを意味しており、又は、黒体と同様に熱及び／又は光の如きエネルギーを吸収する材料、表面仕上げ材又は被覆の能力を意味しているものである。
[0041]図３は、図１におけるように、壁部１０８、底部１１０及び頂部１１２を有し内部空間１２０を画成するチャンバ本体１０２を含むＲＴＰチャンバ３００の別の実施形態の概略側面図である。このチャンバ３００は、また、図１におけるように、非接触又は磁気浮揚基板支持体１０４をも含むが、チャンバ３００の外側のステータ及びその他の構成部分は、簡明とするため図示していない。この実施形態では、基板支持体１０４は、複数のリフトピン１４４が基板の移送を行うため基板１４０を支持している交換位置に示されている。
[0042]この実施形態では、磁気リング部分２０８及び／又は基板支持体１０４の一部分は、チャンバ本体１０２の底部１１０の上方表面にあるか又はその上方表面の近くにあることができ、ウインドウ１１４は、磁気リング部分２０８の上方表面及び／又は底部１１０の上方表面に結合されているか又は別の仕方で支持されている延長部３１２のうちの１つによって支持されている。延長部３１２は、基板支持体１０４の内側直径内に配設された放射熱源１０６の一部分のまわりの冷却材アセンブリ３６０の側壁部であってよく、又は、この延長部３１２は、基板支持体１０４の内側直径内で冷却材アセンブリ３６０の外側で底部１１０の上方表面に結合される支持部材であってもよい。また、アダプタープレート３１５が、放射熱源１０６及び／又は冷却材アセンブリ３６０のためのワイヤ及び他の支持装置の接続を行うため、チャンバ底部１１０に結合されてもよい。
[0043]支持部分２１２は、基板支持体１０４及び／又は磁気リング部分２０８の上方表面から延長する環状延長部２１４であってよい。この支持部分２１２は、また、基板１４０に対する整列及び座面を与える支持リング２１０を含むことができる。この支持リング２１０は、内側壁部２２２と、この内側壁部２２２から内方に延長する支持リップ２１９とを含む。内側壁部２２２は、基板よりわずかに大きなサイズとされ、基板支持体１０４が上昇されるとき、基板１４０の整列及び／又はセンタリングを行う。このとき、基板１４０は、支持リップ２１９の上に載せられ、基板のセンタリングは、基板支持体１０４のリフティング及び／又は回転中に維持される。
[0044]１つの実施形態では、冷却ブロック１８０は、前述したように冷却流体を循環させるための複数の冷却材チャネル３４８Ａ−３４８Ｃを含む。これら冷却材チャネルは、別々のチャネル又は分離した流路であってよく、又は、これら冷却材チャネルは、冷却材源１８２に結合される複数の閉流路を備えるものでもよい。１つの実施形態では、冷却ブロック１８０は、冷却材チャネル３４８Ａによって概ね画成された外側ゾーン、冷却材チャネル３４８Ｃによって概ね画成された内側ゾーン及び冷却材チャネル３４８Ｂによって概ね画成された中間ゾーンの如き、複数の冷却ゾーンを備える。外側ゾーンは、基板１４０の周辺に対応し、一方、内側及び中間ゾーンは、基板１４０の中央部分に対応させることができる。冷却材温度及び／又は冷却材流量は、例えば、基板１４０の周辺を基板の中央部よりも冷却するように、これらのゾーンにおいて制御される。このようにして、冷却ブロック１８０は、冷却が必要とされ又は望まれる基板の各領域における冷却の程度を高くしたり低くしたりすることにより、基板１４０のより高度の温度制御を行うことができる。
[0045]冷却ブロック１８０は、アルミニウム、ステンレス鋼、ニッケル又は耐プロセスポリマーの如き材料で形成することができる。冷却ブロック１８０は、反射性材料を含むことができ、又は、基板表面上へ熱を反射するように構成された反射性被覆を含むことができる。別の仕方として、冷却ブロック１８０は、黒色材料（黒体と実質的に同様にエネルギーを吸収するように構成された黒色材料の如き）を含むことができ、又は、さもなければ基板及び／又は内部空間１２０からの熱を吸収するように構成された黒色材料又は表面で被覆又は表面仕上げされたものでもよい。また、冷却ブロック１８０は、熱及び／又は光の形の放射エネルギーの反射又は吸収を促進するように粗面化又は研磨される面又は外側表面３３２を含むことができる。その外側表面３３２は、処理パラメータに依存して、反射又は吸収を促進するような被覆又は表面仕上げを含むこともできる。１つの実施形態では、冷却ブロック１８０は、約０．７０と約０．９５との間の放射率の如き、１に近い放射率又は放射性を有するように、黒色材料又は黒色材料に似た材料であってよく、さもなければ黒色材料又は黒色材料に似た材料で被覆され又は表面仕上げされたものであってもよい。
[0046]図３に示されるように、内部空間１２０は、距離Ｄ３として示された温度遷移ゾーン又は処理ゾーンを備えており、この温度遷移ゾーン３０５は、処理中に基板１４０がさらされる加熱領域３０６Ａ及び冷却ゾーン３０６Ｂを含む。これら領域３０６Ａ、３０６Ｂは、内部空間１２０における処理中に基板１４０の急速加熱及び急速冷却を可能とする。実施例として、加熱領域３０６Ａは、処理パラメータに依存して、処理中に基板１４０の面の温度を約４５０℃と約１４００℃との間にすることができ、冷却ゾーン３０６Ｂは、処理パラメータに依存して、処理中に基板１４０の面をほぼ室温又はそれより低い温度まで冷却することができる。
[0047]例えば、基板１４０は、室温、又はロードロックチャンバ、又は他の周辺チャンバ又は移送装置において加熱手段によって与えられる室温より高いある温度にて、ＲＴＰチャンバへ移送される。ＲＴＰチャンバへの基板の移送前、移送中又は移送後の基板１４０の温度は、ＲＴＰプロセスが開始される第１又は導入温度と称することができる。１つの実施形態では、その第１又は導入温度は、ほぼ室温から約６００℃までの間である。基板１４０がチャンバへ導入されるとき、その基板は、急速に加熱され、基板の温度は、その導入温度から約８００℃から約１２００℃までの間の第２の温度へと上昇させられる。１つの実施形態では、放射熱源への電力は、加熱ステップ又は第１の加熱周期において基板に亘る第２の温度が約９００℃から約１１５０℃までの温度となるように、センサ１１７からのフィードバックを使用して、変更され監視される。
[0048]１つの実施形態では、第１の加熱周期は、約５０秒と約９０秒との間の、例えば、約５５秒と約７５秒との間の如き、約２分以下において、基板に亘る基板の温度をその導入温度から約９００℃から約１１５０℃までに上昇させるように構成される。基板が、この加熱周期において第２の温度に達した後、第２の加熱周期を含むスパイク又は遷移周期を開始することができる。第２の加熱周期は、第２の温度よりも約２５℃から約１００℃高い第３の温度へと基板を加熱することを含むことができる。遷移周期は、また、第３の温度より約２５℃から約１００℃低い第４の温度へと基板の温度を下げることを含む。１つの実施形態では、第３の温度及び第４の温度は、互いに約５℃から約２０℃までの範囲内にあり、また、別の実施形態では、第３の温度及び第４の温度は、実質的に等しい。遷移周期は、約０．１秒から約２秒までの、例えば、約０．３秒から約１．８秒までの間の如き、約３秒以下の第３の周期を含むことができる。
[0049]遷移周期の後、基板は、冷却ブロック１８０に隣接した位置に置かれ、冷却ブロック１８０及び冷却材源３１５（以下により詳細に説明する）のうちの一方又は両者によって急速に冷却される。基板は、約２秒から約５秒までの如き、１０秒より短い第４の周期において第１又は導入温度に実質的に等しい温度まで冷却される。基板は、室温又は室温に近い温度を含む望ましい温度まで急速に冷却されてもよいし、又は、移送を可能とする室温より高い温度まで冷却されてもよく、これにより、スループットを高めることができる。
[0050]１つの応用例として、ここに説明したようなＲＴＰチャンバによって可能とされる基板の熱処理方法がある。この方法は、室温又は室温より高いある温度での如き、第１の温度で基板１４０をチャンバへ与え、約２分以下の如き第１の時間周期において、基板を、約９００℃から約１１５０℃までの温度へと加熱することを含む。また、この方法は、約２秒より短い第２の時間周期において第２の温度より約２５℃から約１００℃高いというような第３の温度へと基板１４０を加熱することを含む。この方法は、第２の時間周期において基板１４０を第２の温度まで冷却し、約３秒より短くてよい第３の時間周期において基板を第１の温度まで冷却することも含む。
[0051]前述したような基板の急速加熱及び冷却は、多くの利点を有している。基板の温度は、センサ１１７からのフィードバックにより絶えず監視されており、基板温度は、冷却ブロック１８０及び／又は放射熱源１０６に対して基板を移動することにより、高度に制御することができる。ドーパント拡散制御は、基板の急速且つ制御された加熱及び冷却により高度に行うことができ、デバイス性能を改善することができる。付加的に、加熱及び冷却時間を短くすることにより、スループットを増大させることができる。
[0052]基板の急速加熱及び冷却を可能とするため、基板を、温度遷移ゾーン３０５において走行させることができる。内部空間１２０及び領域３０６Ａ、３０６Ｂにおいて基板１４０を走行させることにより、基板の加熱と冷却との間の移行をより急峻なものとし及び／又は基板の加熱と冷却との間の滞留時間をより短いものとすることができる。１つの実施例では、基板１４０が処理位置に置かれるとき、温度遷移ゾーン３０５の加熱領域３０６Ａは、例えば、約０．５インチから約１．５インチまでの間の基板１４０（又は基板支持体１０４）に対する走行距離Ｄ１を含むことができる。温度遷移ゾーンの冷却領域３０６Ｂは、約０．５インチから約１．５インチまでの間の基板１４０（又は基板支持体１０４）に対する走行距離Ｄ２を含むことができる。１つの実施形態では、放射熱源１０６と冷却ブロック１８０との間の如き、内部空間内の基板１４０（又は基板支持体１０４）の全走行距離は、約０．７５インチと約３．２５インチとの間、例えば、約２インチの如き約１．０インチと約２．７５インチとの間である。１つの実施形態では、距離Ｄ１は、距離Ｄ３の約半分を含み、距離Ｄ２は、距離Ｄ３の約半分を含む。基板支持体１４０は、基板の平坦度及び基板のその他の物理的特性、並びに基板支持体の機械的特性に依存して、基板１４０に近接した位置へ基板を上昇させるように構成することができる。基板が適当な平坦度を有しており且つ基板支持体１０４及びそこに配設された基板が冷却ブロックに実質的に平行であるとすると、基板は、冷却ブロック１８０の下方表面から約０．００５インチから約０．０２５インチまでの範囲内まで上昇させることができる。基板を冷却ブロックの下方表面へ近接させることにより、基板の急速熱伝送が可能となり、基板のより高度の冷却が可能となる。
[0053]１つの実施形態では、チャンバ３００は、冷却材源３１５に結合されたガスポートを含む。このガスポート３１０は、チャンバ壁部１０８の上方部分に形成され又はさもなければその上方部分に結合され且つ、例えば、冷却ブロック１８０の外側表面３３２に隣接して冷却領域３０６Ｂを通して層流を流すノズルとして形成され又はさもなければそのようなノズルに結合するように適応されたマニホールド又は複数の開口であってよい。より増強された流路とするため、チャンバは、典型的には、ガスポート３１０に対向して、チャンバ壁部１０８に形成された出口ポート３２０を含む。この出口ポート３２０は、気圧制御システム１６４（図１）を支援し且つガスポート３１０によって与えられた過剰ガスを除去するように構成された排気源に結合することができる。冷却材源３１５は、ヘリウム（Ｈｅ）、窒素（Ｎ２）又はその他の適当な冷却流体の如き冷却流体を含み、且つ、冷却領域３０６Ｂ内に向けられ又は流すように構成されている。基板が冷却領域３０６Ｂに位置しているとき、ガスポート３１０からの冷却流体により、基板１４０のより急速な冷却が可能とされる。
[0054]図１に関して説明したように、放射熱源１０６は、適当な温度を維持し及び／又は放射熱源１０６のハニカムチューブ１６０を冷却するように適当された冷却材アセンブリ３６０に結合される。この冷却材アセンブリ３６０は、流体を収容するように適応された底部３１４及び側壁部３１２を含む。この底部３１４は、水、エチレングリコール又はその他の適当な冷却流体であってよい冷却材源１８３からの冷却流体を供給し排除するように構成されたポート３２２及び３２４を含む。この冷却材アセンブリ３６０は、また、冷却流体及び放射熱源１０６からの熱伝送を増強するため（図４に関して説明されるように）複数の流体チャネルをそこに含めることができる。
[0055]図４は、処理位置にあるＲＴＰチャンバ４００の別の実施形態の部分側面図であり、以下に冷却材アセンブリ３６０の詳細について説明する。冷却材アセンブリ３６０は、他の図に示されるように、底部３２２及び側壁部３１２を含み、また、複数のハニカムチューブ１６０を分離する複数の隔壁４２６を備える本体４２７も含む。この本体４２７は、また、底部３２２に対向してそれらの間に空洞４４６を形成するプレート４２３をも備えており、この空洞４４６は、第１の冷却材源４８５Ａからの冷却材を収容するように構成されており、このプレート４２３は、複数のハニカムチューブ１６０から空洞４４６を分離している。空洞４４６は、底部３２２に結合されたポート３２４によって冷却材源４８５Ａと連通しており、ポート３２４は、プレナムポート４１５によって空洞４４６と流体連通しているプレナム４４５と連通している。プレート４２３は、冷却流体に触れる表面積を増大して、放射熱源１０６からの熱の放散を高めるため、複数のチャネル又は溝４２８を形成しておくことができる。
[0056]動作において、冷却流体は、第１の源４８５Ａからポート３２２を通して空洞４４６へ供給され、その冷却材は、少なくとも部分的にその空洞４４６を満たす。冷却材は、その空洞へ連続して流れ込み、熱を放散させ、そして、プレナムポート４１５を通してプレナム４４５へとその空洞を出て行く。冷却材は、ポート３２４を通してプレナム４４５から出されて、第１の源４８５Ａへと戻すことができる。冷却材は、空洞４４６を通して循環させる前に、補充され及び／又は冷却することができる。このようにして、放射熱源１０６の温度は、制御される。
[0057]冷却材アセンブリ３６０は、また、複数の隔壁４２６の少なくとも一部分に複数の流体チャネル４２５を形成しておくこともできる。これら流体チャネル４２５は、第２の流体源４８５Ｂからの水、エチレングリコール、窒素（Ｎ２）、ヘリウム（Ｈｅ）又は熱交換媒体として使用される他の流体の如き冷却流体を流すように構成されている。これら流体チャネル４２５は、少なくとも１つの入口及び出口（図示せず）を通して第２の流体源４８５Ｂへ結合される。第１及び第２の源４８５Ａ、４８５Ｂからの冷却材の流れにより、放射熱源１０６の高度の温度制御を行うことができる。
[0058]チャンバ１００は、また、支持部材２１０及びチャネル又はトラフ４１２に配設される環状本体２２０に結合された環状延長部２１２を有する磁気浮揚又は非接触基板支持体１０４を含む。トラフ４１２は、冷却材をこのトラフ４１２へ供給して、処理中に、放射熱源１０６から伝送される熱及び／又は環状本体２２０の回転によって生ずる熱を放散させるようにするため、ポート４２０を通して流体源１８６に結合される。流体源１８６は、水、エチレングリコール、窒素（Ｎ２）、ヘリウム（Ｈｅ）又は熱交換媒体として使用される他の流体の如き冷却流体を含むことができる。基板支持体１０４の環状本体２２０と放射熱源１０６との間の絶縁を行うため、冷却材アセンブリ３６０の側壁部３１２とトラフ４１２の側壁部との間にギャップ４１８を形成することもできる。
[0059]本発明の実施形態について前述したのであるが、本発明の基本的範囲から逸脱せずに、本発明の他の別の実施形態を考えることができるものであり、従って、本発明の範囲は、特許請求の範囲によって決定される。
急速熱処理（ＲＴＰ）チャンバの１つの実施形態の簡略斜視図である。 基板支持体の１つの実施形態の斜視図である。 ＲＴＰチャンバの別の実施形態の概略側面図である。 ＲＴＰチャンバの別の実施形態の部分概略側面図である。
符号の説明
１００…チャンバ、１０２…チャンバ本体、１０４…基板支持体、１０６…加熱源、１０８…壁部、１１０…底部、１１２…頂部、１１４…ウインドウ、１１６…センサ、１１７…センサ、１１８…ステータ、１２０…内部空間、１２２…アクチュエータアセンブリ、１２４…コントローラ、１２６…メモリ、１２８…サポート回路、１３０…ＣＰＵ、１３２…親ネジ、１３４…フランジ、１３６…カップリング、１３８…モータ、１４０…基板、１４４…リフトピン、１４８…アクセスポート、１５８…ナット、１６０…チューブ、１６４…制御システム、１６８…コイルアセンブリ、１７０…コイルアセンブリ、１８０…冷却ブロック、１８１Ａ…入口、１８１Ｂ…出口、１８２…冷却材源、１８３…冷却材源、１８４…チャネル、１８４…流体源、１９０…ハウジング、２０２…座面、２０８…リング部分、２０９…直径、２１０…支持リング、２１２…支持部分、２１４…環状延長部、２１９…支持リップ、２２０…本体、２２２…内側壁部、２２３…チャネル、２２４…チャネル、３００…チャンバ、３０５…ゾーン、３０６Ａ…加熱領域、３０６Ｂ…冷却領域、３１０…ガスポート、３１２…延長部、３１４…底部、３１５…プレート、３２０…出口ポート、３２２…ポート、３２４…ポート、３３２…外側表面、３４８Ａ…冷却材チャネル、３４８Ｂ…冷却材チャネル、３４８Ｃ…冷却材チャネル、３６０…冷却材アセンブリ、４００…チャンバ、４１２…トラフ、４１５…ポート、４１８…ギャップ、４２０…ポート、４２３…プレート、４２５…流体チャネル、４２６…隔壁、４２７…本体、４２８…溝、４４５…プレナム、４４６…空洞、４８５Ａ…冷却材源、４８５Ｂ…流体源

Claims (24)

  1. チャンバと、
    上記チャンバに配設され、上方表面にて基板を支持するように構成された環状本体を備える磁気的に駆動される基板支持体と、
    上記環状本体に結合された環状延長部と、
    上記環状本体に結合されていて、上記基板の下方に配設され、光及び熱を透過するウインドウと、
    を備える基板処理装置。
  2. 上記チャンバに配設された加熱源を更に備える、請求項１に記載の装置。
  3. 上記熱源は、上記ウインドウの下方に配設される、請求項２に記載の装置。
  4. 上記環状延長部に取り外し可能に結合される環状リングを更に備える、請求項１に記載の装置。
  5. 上記環状本体は、ステータアセンブリに磁気的に結合するように構成される、請求項１に記載の装置。
  6. 上記ウインドウの上方表面から延長する複数のリフトピンを更に備える、請求項１に記載の装置。
  7. 上方部分及び下方部分を含む内部空間を有するチャンバと、
    上記内部空間に配設された冷却プレート及び加熱源であって、上記冷却プレートが上記熱源に対向しているような冷却プレート及び加熱源と、
    上記上方部分と上記下方部分との間に上記基板を移動させるように構成された浮揚基板支持体と、
    を備える基板処理装置。
  8. 上記冷却源は、上記内部空間の上方部分に配設され、上記加熱源は、上記内部空間の下方部分に配設される、請求項７に記載の装置。
  9. 上記冷却プレートは、黒色材料を含む、請求項７に記載の装置。
  10. 上記冷却プレートは、冷却材を流すための少なくとも１つの流体チャネルを備える、請求項７に記載の装置。
  11. 上記基板支持体は、上記加熱源を受け入れるようなサイズとされた内側直径を有する、請求項７に記載の装置。
  12. 上記基板支持体は、上記基板を受け入れ支持するよう構成された支持リングを有する、請求項７に記載の装置。
  13. 上記加熱源と上記基板との間に隣接して配設され、紫外光を透過するウインドウを更に備える、請求項７に記載の装置。
  14. 浮揚基板支持体を配設したチャンバを準備するステップと、
    第１の位置へ基板を移動するステップと、
    上記第１の位置において上記基板を加熱するステップと、
    能動冷却手段に隣接した第２の位置へ上記基板を移動するステップと、
    上記第２の位置において上記基板を冷却するステップと、
    を含み、上記第１の位置及び上記第２の位置は、上記チャンバ内にある、
    基板を熱処理する方法。
  15. 上記加熱するステップは、約２分以下の時間周期を含む、請求項１４に記載の方法。
  16. 上記冷却するステップは、約１０秒以下の間の時間周期を含む、請求項１４に記載の方法。
  17. 上記第１の位置及び上記第２の位置の各々は、上記第１の位置と上記第２の位置との和の約半分に等しい距離を含む、請求項１４に記載の方法。
  18. 上記冷却する手段は、上記チャンバに配設される少なくとも１つの冷却ゾーンを備える、請求項１４に記載の方法。
  19. 第１の温度にてチャンバへ基板を準備するステップと、
    第１の時間周期において第２の温度まで上記基板を加熱するステップと、
    第２の時間周期において第３の温度まで上記基板を加熱するステップと、
    上記第２の時間周期において上記第２の温度まで上記基板を冷却するステップと、
    第３の時間周期において上記第１の温度まで上記基板を冷却するステップと、
    を含み、上記第２の時間周期は、約２秒より短い、
    基板を熱処理する方法。
  20. 上記冷却するステップは、上記チャンバ内の冷却ゾーンに隣接させるように上記基板を移動することを含む、請求項１９に記載の方法。
  21. 上記第２の時間周期は、約０．３秒から約１．８秒までの間である、請求項１９に記載の方法。
  22. 上記第２の温度は、約８００℃から約１２００℃までの間である、請求項１９に記載の方法。
  23. 上記第２の温度は、約９００℃から約１１５０℃までの間である、請求項１９に記載の方法。
  24. 上記第３の温度は、上記第２の温度より約２５℃から約１００℃高い、請求項１９に記載の方法。
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