JP2011515021A - 半導体処理チャンバーのための銀リフレクタ - Google Patents
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Abstract
半導体処理チャンバー内の、ランプからの放射を反射するための銀リフレクタが開示される。当該リフレクタは、ライトパイプ内に配置される、スリーブまたはランプヘッドの一部分であってもよい。銀は、スリーブまたはランプヘッド上の被膜の形であってもよい。
Description
本発明の１つまたは複数の実施形態は、高温半導体処理チャンバーの内部で基板を処理することに関する。
半導体ウェハーおよび他の材料などの基板の熱処理を伴ういくつかの応用は、基板を急速に加熱および冷却するプロセスステップを伴う。そのような処理の一例は、いくつかの製作プロセスに使用される急速熱処理（ＲＴＰ）である。
急速熱処理（ＲＴＰ）システムは、半導体ウェハー上で表面構造を生成し、化学的に変化させ、またはエッチングするための半導体チップ製作で用いられる。主題出願の譲受人に譲渡され、参照により本明細書に組み込まれる特許文献１で述べられるＲＴＰシステムは、半導体処理チャンバーおよび半導体処理チャンバー上に置かれる熱源アセンブリまたはランプヘッドを含み、複数の赤外線ランプがランプヘッド内に設けられる。半導体処理中のランプによる赤外線の放射は、上側窓、光通路および下側窓を通って、処理チャンバー内で回転される半導体基板上に放射される。このようにしてウェハーは、所要の処理温度まで加熱される。半導体処理動作中に、ランプは極めて高い温度で動作する。ＲＴＰチャンバーのランプヘッドに供給される電気エネルギーのすべてが、実際にウェハーを加熱することになるわけではない。放射エネルギーのいくらかは、チャンバー構成部品、特に放射室内の反射構成部品によって吸収される。
加熱ランプは、例えば、本出願の譲受人に譲渡され、参照によりその全体が本明細書に組み込まれる特許文献２で述べられるような、リフレクタスリーブを有するアセンブリ内に包含されることもある。加熱ランプは、また、主題出願の譲受人に譲渡され、参照によりその全体が本明細書に組み込まれる特許文献３で述べられるような、複数のランプレセプタクルを有する一体型ランプヘッド内に包含されることもある。
一般に、リフレクタスリーブまたは一体型ランプヘッドは、金でできている層または被膜を、包含する反射層を有する。しかしながら、銀と比較して金は最適な反射特性を有さない。加えて、実質的に金は銀よりも高価である。しかしながら、銀はその表面が黒くなり、反射能力を損なうという理由で、すなわち、銀を反射材料として役立たなくする、銀の変色という深刻な問題に起因して、ランプの反射材料として、銀は使用されなかった。従って、放射の反射を改善するための、改善された新規のリフレクタ、リフレクタ材料およびその使用方法が、ＲＴＰおよび半導体処理応用に必要とされる。
米国特許 第５，１５５，３３６号
米国特許 第６，０７２，１６０号
米国特許 第６，８０５，４６６号
本発明の一実施形態に従って、半導体処理チャンバー内に取り付けられた、加熱ランプから生じる放射を反射するために、処理チャンバー内に配置されたリフレクタ基板を備える、半導体処理チャンバー内で使用するためのリフレクタが提供される。当該リフレクタ基板は、その上に配置された、銀を含む反射層を含む。一実施形態では、反射層は９９．９９％より多い銀含有量を持つ、極度に純粋な銀でできている。
１つまたは複数の実施形態では、リフレクタはさらに、反射層を覆う実質的に透明な層を備える。この透明層を利用する実施形態では、実質的に透明な層は、石英、アルミナ、ジルコニア、Ｓｉ３Ｎ４、ＣａＦ２、ＭｇＦ２、ＴｉＯ２、Ｔａ２Ｏ５、ＨｆＯ２、イットリア、およびアルミナ・シリカガラスから選択される材料を含む。
反射層を含む実施形態はさらに、反射層と透明層との間に接着層を備えてもよい。別な方法として、拡散障壁が反射層とリフレクタ基板との間に配置されてもよい。
１つまたは複数の実施形態では、リフレクタ基板は、ランプをその中に受け入れるように適合された、複数の空洞を有する一体型ランプヘッドの一部を備える。他の実施形態では、リフレクタ基板は、半導体処理チャンバーのライトパイプ内に配置されるように適合されたスリーブを備える。
リフレクタは、急速熱処理チャンバーおよびエピタキシャル処理チャンバー内での使用に適している。
本発明の別の態様は、基板の処理中に、基板がその上に位置決めされる支持部を有する処理チャンバーと、チャンバー内に配置された、放射エネルギーを放射する加熱ランプと、ランプからの放射を反射するように位置決めされたリフレクタとを備える、半導体処理装置に関連する。当該リフレクタは、リフレクタ基板上に実質的に銀でできている反射層を含む。１つまたは複数の実施形態では、リフレクタは、本明細書で上記および以下に述べられるように構成されてもよい。
本発明の、上記列挙された特徴が詳細に理解できるように、上記簡潔に要約された本発明のより詳しい説明が、実施形態を参照することによってなされてもよく、そのいくつかは、添付の図面で例示される。しかしながら、本発明は、他の同等に有効な実施形態を含むので、添付の図面は、この発明の典型的な実施形態だけを例示し、従って、その範囲を限定すると考えられるべきではないことに留意されたい。
本発明のいくつかの実施形態の例を述べる前に、本発明は、以下詳細に説明される構成またはプロセスステップに限定されないことが理解されるべきである。本発明は、他の実施形態とすることができ、さまざまな方法で実施または実行できる。
図１は、ライトパイプとして周知である、個別のランプアセンブリの図である。図１には、その中にランプ３６が配置された状態の、ライトパイプ４０のアセンブリの実施形態が示されている。ライトパイプ４０は、ランプヘッドアセンブリの一部分であってもよい。ライトパイプ４０の開口端は、窓２０に隣接して設けられている。本発明の実施形態に従うライトパイプ４０は、銀反射スリーブ８８が提供される。
ＲＴＰ処理チャンバー内で基板を加熱する、加熱アセンブリ内でライトパイプを使用する状況が、図２のチャンバー図で示される。図２では、複数のライトパイプ４０が、減圧または真空のＲＴＰチャンバー１２及び窓２０、窓２０の上に配置されるランプヘッド、または熱源アセンブリ１６と共に示される。基板ハンドリング装置１４は、チャネル２２内の磁気浮上ローター２４、磁気浮上ローター上にあるまたは連結されるシリコンで被覆された石英支持シリンダー２６、および支持シリンダー上にあるシリコンで被覆された炭化シリコンエッジリング２８を含む。処理中には、基板またはウェハー３０はエッジリング上にある。ランプヘッドアセンブリ１６は、窓２０の上に配置される。Ｏリング３５は、窓とランプヘッドとの間に設けられて、その界面に真空シールを提供する。ランプヘッドは、ランプ収納管またはライトパイプ４０内に収納される複数のランプ３６を含む。各ライトパイプ４０はその内面に反射面を含むことができ、本発明の実施形態において、その反射面は銀の反射スリーブ８８である。一実施形態では、ランプ３６はタングステン・ハロゲンランプなどの放射電球である。ＲＴＰチャンバーは、またプラスチックパネル、ガラス板またはディスクおよびプラスチックワークピースなどの、他の種類の基板を処理するために使用されてもよい。
チャンバーおよびランプヘッド１６の雰囲気は制御することができる。例えば、図２で示されるように、ランプヘッドと連通するチャネル６９を通じて、ランプヘッド内の圧力を低減できる真空ポンプ６８が提供される。上述したように、ランプヘッドの環境内で銀は変色するので、反射材料として使用されなかった。
本発明の一実施形態では、銀のリフレクタの変色を防止するために、ランプ周囲の雰囲気は、銀の面への硫化物のまたは硫化物触媒材料の形成される量を実質的に最小限にするように制御される。１つの方法は、雰囲気に実質的にＨ２Ｓおよび水分（Ｈ２Ｏ）が含まれないことを保証することである。そのような雰囲気を提供するもう１つの方法は、例えば、チャネル６９を通じてヘリウムを流すことによって、ランプの周りの領域に空気が入るのを防止することである。さらに別の方法は、ランプを囲む雰囲気からＨ２Ｓおよび水分を除去するために、チャネル６９内でフィルターおよび／または吸着物質を使用することである。硫化物の吸着物質として、例えば酸化鉄などの金属酸化物が周知である。
鏡面リフレクタ８８は、ライトパイプ４０内に配置されるスリーブとして形成されてもよい。別な方法として、鏡面リフレクタ８８は、ライトパイプ４０の一体部分であってもよい。リフレクタ８８の表面がより反射的であるほど、より多くのエネルギーが反射されて、チャンバー１２内の基板３０に到達する。従って、鏡面リフレクタ８８の面は反射率を改善するために研磨される。研磨は、鏡面リフレクタ８８をゆっくり機械加工することによって、または機械加工後の、研磨もしくはバフ仕上げホイールの使用によって達成されてもよい。
代替の実施形態では図３で示されるように、加熱ランプは、ランプヘッド２００を形成する一体型レセプタクル内に配置される。ランプヘッド２００は、ランプ２１２を包含するリフレクタ空洞２０４を持つ複数のレセプタクルを備える。ランプヘッド２００は、図２で示される複数のライトパイプ４０の代わりに用いられることもあり得ることが理解されよう。
図３に示されるように、ランプヘッド内では複数の円形クーラント通路２０６が、リフレクタ空洞２０４に近接して一体型ランプヘッド内に形成される。クーラント通路２０６は水などの冷却流体を運ぶ。冷却流体は注入口を経由して、クーラント通路内に導入され、排出口（図示されず）で排出される。複数の導線通路２０８もまた、ランプヘッド・リフレクタ２０２内に形成される。導線通路２０８は、ランプ２１２の圧縮シール２１０を収納できる大きさである。ランプの収縮シールが使用されることもあり得る。ランプ２１２からの光は、リフレクタ空洞により処理チャンバー内の基板の方へ向けられる。
複数のランプホルダ・レセプタクル２１４は、ランプソケットまたはランプホルダー２１６を収容するために、一体型ランプヘッド・リフレクタ内に形成される。ランプホルダー２１６は、ランプの外側の２つの導線またはピン２２０を受け入れるレセプタクル２１９を有する。ランプ導線は、ランプに電力を提供する配線対２１５のそれぞれのワイヤーに、レセプタクル２１９を介して電気的に接続される。ランプホルダ・レセプタクルは、ランプがランプヘッド内に差し込まれることによりランプを支持する。
各ランプは、ランプからの放射が導線通路２０８に入るのを防止するための放射シールド２１８を含む。放射シールドは、アルミニウム、ステンレス鋼またはクロムめっき鋼でできていてもよい。ランプは、どちらが使用されるかにもよるが、圧縮シールまたは収縮シール以外のベースは有さない。ランプ導線は、上述したように、ランプホルダー内に直接係合して電気回路を完全にする。外側の導線またはランプシールは、ランプホルダー内でバネ荷重ピンに係合する、ランプのしっかりした機械的維持を可能にするための刻み目などの特徴を含むことができる。受け板２０３は、ランプホルダ・レセプタクル２１４内にランプホルダー２１６を保持するために、ランプヘッド・リフレクタ２０２の最上面に固定される。
従来技術によれば、図２で示されるスリーブ８８の表面は、研磨後に表面が酸化されることを防止し、高レベルの反射率を維持するために金めっきされる。鏡面リフレクタスリーブ８８内への金の移動を防止するために、金めっきする前にニッケル拡散障壁が表面上に設けられる。ニッケル拡散障壁は、標準的な無電解ニッケルめっき技術を使用して適用され、その後、高純度の金による金めっきがほどこされる。同様に従来技術によれば、図３で示されるリフレクタ空洞２０４は、反射材料として一般に金を含む反射被膜２０５を有する。本明細書では「リフレクタ基板」の語句は、図２で示されるタイプのリフレクタスリーブ８８および、図３で示されるタイプのリフレクタ空洞２０４を含む。
ＲＴＰチャンバーのランプヘッドに供給されるすべての電気エネルギーが、実際にウェハーを加熱することになるわけではない。放射エネルギーのいくらかは、チャンバー構成部品、特に放射室内の反射構成部品によって吸収される。本発明の一実施形態では、上述した金反射材料は、銀によって置き換えられ、ランプリフレクタ・アセンブリから、処理される基板への放射エネルギー放射の効率を高める。銀を反射材料として使用することは、吸収されない「第１の跳ね返り放射」のより多くをウェハーへ戻すことによって、処理される基板によって吸収される放射量を増加させる。それはまた、ランプヘッドへの熱負荷も低減し、システム効率も高める。単位当たりの銀材料のコストは現在、金のそれの約２％であるので、反射材料としての銀の使用は現在の技術よりもはるかに安価となる可能性がある。しかしながら、コスト削減の可能性にもかかわらず、銀が変色するという問題は、ランプヘッドでのリフレクタ材料としての銀の使用を妨げてきた。
本発明の一実施形態では、金被覆リフレクタスリーブを用いたＲＴＰチャンバーは、銀被覆リフレクタスリーブで置き換えられる。金に対する銀のより高い反射率およびはるかに低いコストは、全体のシステム効率を高め、エネルギーおよび材料の価格の両方の面で、より低いコスト及びより高い性能を可能にする。
しかしながら、金被膜を銀被膜で置き換えることに、問題および課題がないわけではない。銀を被膜として適用する際の１つの懸念および問題は、ＲＴＰチャンバー内部での銀の変色の可能性である。酸化剤による退色それ自体は、含有率約９９．９％を越える純銀を使用することによって大半は避けることができることができる。硫化物からの変色は、上述したように、ランプヘッド内に硫化物のない雰囲気を提供することによって、または銀を透明保護被膜でコーティングすることによって低減できる。水分は変色反応を促進するので、ランプヘッド雰囲気内の水分を低減することによっても変色を最小限にできる。銀被膜の実施で生じる別の問題は、ランプヘッドまたはスリーブへの接着性の低下であった。基板と銀の接着性は、接着層を使用することによって促進されてもよい。ある基板材料の温度増速拡散による銀汚染は、窒化Ｎ−Ｃｒ合金を含むＮｉおよびＮｉ−Ｃｒ合金などの拡散障壁を適用すること、ならびに基板材料の賢明な選択によって低減されまたは実際的に排除されてもよい。
Ａｐｐｌｉｅｄ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ社の減圧プロセスＲＴＰチャンバーなど、現在のＲＴＰ処理チャンバーはすでに、ランプヘッド内に制御された雰囲気を有し、リフレクタスリーブは、硫化物への露出から保護されている。または、もしランプヘッド構成部品のいくつかが硫黄を含有するということになるならば保護することができる。製造時は別として、冷たいランプを交換するために開けられるときの限られた時間中に、リフレクタは周囲の雰囲気にさらされる可能性があるだけとなる。ランプヘッドの動作中の雰囲気の空気品質にもよるが、この露出時間では、あまり変色をもたらさない可能性があり、ある実施形態によれば、保護されない銀が使用されてもよい。実際の空気への露出可能時間は、硫化物を除去する化学薬品が添加された、薄い銀箔または銀紙でランプヘッドを覆うことによって増加できることもあり得る。
ランプヘッドまたはスリーブ上の、被覆されない銀被膜が変色した場合には、回復または修復することができる。変色した銀は、例えば水素原子処理によって、ならびに溶液洗浄技術を応用することによって回復または修復されてもよい。
本発明のさらなる実施形態において、銀ベースのリフレクタは、エピタキシャルチャンバーで使用されてもよい。もし銀ベースのリフレクタが、エピチャンバーで使用されるとき、冷却空気流内の硫化物もしくは水分の除去装置あるいは吸収体、または硫化物のない冷却ガスの使用が、保護されていない銀の使用を可能にするために含まれてもよい。さもなければ、銀ベースのリフレクタのための保護被膜または定期的な洗浄が、必要とされることになる。
本発明の別の実施形態では、銀リフレクタ材料を保護するために、銀被膜を覆う透明保護膜が、ランプヘッド整備中だけ提供される。この保護膜の長寿命の要件は、太陽熱収集器または宇宙望遠鏡などの、他の応用ほど厳しくはない。銀含有反射材料のための透明保護被膜に適した材料は、シリカ、石英、アルミナ、ジルコニア、Ｓｉ３Ｎ４、ＣａＦ２、ＭｇＦ２、ＴｉＯ２、Ｔａ２Ｏ５、ＨｆＯ２、イットリア、およびアルミナ・シリカガラスである。
シリカベースの被膜は、ゾルゲル材料から導き出されてもよい。そのようなシリカベースの被膜は、太陽光およびレーザー光の両方の応用で有望であった。より低い温度のプロセスについては、透明なポリマーベースの被膜が有用なこともある。これらの、より高い温度のバージョンは、好ましくは、シリコンおよび／またはフッ素ポリマーベースである。ニクロムまたは窒化ニクロム接着層を持つ１００オングストロームの窒化シリコンは、大気による変色から銀を何年間も十分に保護することが示されている。これらのタイプの被膜により、ランプヘッド内に保護できる雰囲気がなくても、銀をリフレクタとして使用することが可能なこともある。しかしながら、大部分の窒化シリコン被膜技術は、視程範囲内の技術であり、リフレクタスリーブの内径を被覆するにはあまり適していない可能性がある。それにもかかわらず、特に、もし保護される雰囲気が、リフレクタの寿命の大部分にわたって提供され、最小限の変色保護が必要とされるならば、そのような技術を応用することは価値がある。処理チャンバー内での応用については、銀が変色するのを防止するために、金、白金、ロジウム、およびパラジウムなどの金属のフラッシュ被膜、または銀合金のフラッシュ被膜など、非常に薄い層で銀を含む被膜を覆うことが望ましいこともある。別な方法として、ＳｉまたはＧｅなどの合金が、純銀の反射率を著しく損ねない程度に十分小さいが、保護酸化物層を形成するのには十分大きな量が銀に加えられてもよい。
リフレクタ表面の異なる構成は、図４、５および６で示される。図４では、リフレクタスリーブ４０１全体は、非常に純粋な銀および／または高度に研磨された銀で作られてもよい。例えば、入射光線４００および反射光線４０２が示される。覆われていない銀の構成は、銀が変色しないような状況で使用されてもよい。図５は、スリーブ４０１が、本明細書で述べられるように、保護材料５０２で被覆された銀であってもよい別の構成を示す。図６は、銀の被膜６０２で覆われる、銀ではないリフレクタスリーブまたはランプヘッド表面６０１を示す。図７は、リフレクタスリーブまたはランプヘッド７０１が、本明細書で述べられるように、保護層７０３によって保護される銀層７０２で覆われる別の構成の図を示す。層は単一ブロックとして示されるが、それらは実際には、それ自体多層構造であってもよいことが理解されるべきである。
さらに、もし銀がリフレクタスリーブまたはランプヘッドなどの基板に適正に接着される必要があれば、銀と基板との間に接着層を有してもよい。拡散障壁層もまた適用されてもよい。
代替実施形態では、リフレクタスリーブは、薄い石英または他のＵＶ、ＶＩＳ、ＮＩＲ、もしくはＩＲ透明材料基板を備えてもよい。また、スリーブの内面に銀被膜を適用する代わりに、透明基板上に背面銀リフレクタを提供するように外面が被覆されてもよい。その場合には、銀の反射面は基板によって保護される。銀の背面は保護されないままでもよく、銀の厚さおよび遅い硫黄拡散が、銀を十分に保護してもよい。別な方法として、被膜がスリーブの外面上にあることから、この保護被膜は透明である必要はないので、被膜は何らかの、より安価な塗料で保護されてもよい。ランプヘッド動作中、ランプヘッド材料からの汚染物拡散から背面が保護される必要があるが、この被膜は透明である必要はなく、ランプヘッドとリフレクタとの間に小さなギャップを設ければ十分であり得る。
本発明の上記に述べられた実施形態は、半導体基板などの材料の処理のための処理チャンバーに関連している。薄膜および太陽膜処理チャンバー内での、本発明の実施形態の応用もまた企図される。さらにより堅固なリフレクタが有用である、光反射応用、光配送システム、太陽熱収集器、レーザーシステムなどの他の応用もまた企図される。
「一実施形態」、「ある実施形態」、「１つまたは複数の実施形態」または「実施形態」についてのこの明細書全体にわたる言及は、実施形態に関連して述べられる特定の特徴、構造、材料、または特性が、本発明の少なくとも一実施形態に含まれることを意味する。それ故に、この明細書全体にわたるさまざまな場所での「１つまたは複数の実施形態では」、「ある実施形態では」、「一実施形態では」または「実施形態では」などの語句の出現は、必ずしも本発明の同じ実施形態について言及してはいない。さらに、特定の特徴、構造、材料、または特性は、１つまたは複数の実施形態で任意の適切な仕方で組み合わされてもよい。
本発明が本明細書で、特定の実施形態を参照して述べられたけれども、これらの実施形態は、本発明の原理および応用の単に実施例であることが理解されるべきである。さまざまな変更および変形が、本発明の精神および範囲から逸脱することなく、本発明の方法および装置において行われてもよいことは、当業者には明らかであろう。それ故に、本発明は、添付の特許請求の範囲およびそれらの同等なものの範囲内である変更および変形を含むことが意図される。
Claims (14)
- 半導体処理チャンバー内での使用のためのリフレクタであって、
前記半導体処理チャンバー内に取り付けられた加熱ランプから生じる放射を反射するために、前記処理チャンバー内に配置されたリフレクタ基板を備え、前記リフレクタ基板は、その上に配置された、銀を含む反射層を含むリフレクタ。 - 前記反射層は、９９．９９％を越える銀含有量を持つ極度に純粋な銀を含む、請求項１に記載のリフレクタ。
- 前記反射層を覆う実質的に透明な層をさらに備える、請求項１に記載のリフレクタ。
- 前記実質的に透明な層は、シリカ、石英、アルミナ、ジルコニア、Ｓｉ３Ｎ４、ＣａＦ２、ＭｇＦ２、ＴｉＯ２、Ｔａ２Ｏ５、ＨｆＯ２、イットリア、およびアルミナ・シリカガラスから選択される材料を含む、請求項３に記載のリフレクタ。
- 前記反射層と透明層との間に接着層をさらに備える、請求項１に記載のリフレクタ。
- 前記反射層と前記リフレクタ基板との間に拡散障壁をさらに備える、請求項１に記載のリフレクタ。
- 前記リフレクタ基板は、その中にランプを受け入れるように適合された、複数の空洞を有する一体型ランプヘッドの一部を備える、請求項１に記載のリフレクタ。
- 前記リフレクタ基板は、半導体処理チャンバーのライトパイプ内に配置されるように適合されたスリーブを備える、請求項１に記載のリフレクタ。
- 前記半導体処理チャンバーは、急速熱処理チャンバーである、請求項１に記載のリフレクタ。
- 前記半導体処理チャンバーは、エピタキシャル処理チャンバーである、請求項１に記載のリフレクタ。
- 基板の処理中にその上に位置決めされてもよい支持部を有する処理チャンバーと、
放射エネルギーを放射する加熱ランプと、
前記ランプからの放射を反射するように位置決めされた請求項１ないし１０のいずれか一項に記載のリフレクタとを備える、半導体処理装置。 - 前記リフレクタ基板は、その中にランプを受け入れるように適合された、複数の空洞を有する一体型ランプヘッドの一部を備える、請求項１１に記載の半導体処理装置。
- 前記層は銀箔を含む請求項１１に記載の半導体処理装置。
- 前記ランプヘッドと流体が連通するチャネルをさらに備え、前記ランプヘッドは、硫化物形成または硫化物触媒材料の量を最小限にするように制御される雰囲気によって囲まれる、請求項１１に記載の半導体処理装置。
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