JP2016036017A - ガス流分布が改善された熱反応器 - Google Patents

Abstract

【課題】熱処理中のガス分布を改善する装置および方法を提供する。
【解決手段】基板を処理する装置２００（熱処理チャンバ）であって、処理空間を画定するチャンバ本体と、処理空間内に配置され、基板を支持して回転させる基板支持体２３８と、チャンバ本体の入口に結合され、処理空間に第１のガス流を提供するガス入口アセンブリ２４３、２４４と、チャンバ本体の出口に結合された排出アセンブリ２２４とを含む。ガス入口アセンブリおよび排出アセンブリがチャンバ本体の両側に配置され、また排出アセンブリが、処理空間を拡張する排出空間２２５を画定する。
【選択図】図２

Description

本発明は、一般に半導体処理器具に関し、より詳細には、ガス流分布が改善された熱反応器に関する。

一般に「ＲＴＰ」と呼ばれる急速熱処理では、基板を数秒で室温から約１０００℃に達することができる熱で、非常に短時間で一気に加熱する。ＲＴＰ技術は、堆積膜または結晶格子の特性を変化させるために使用される。ＲＴＰは通常、基板表面のアニール、シリサイド化および酸化などの処理を含む。

通常ＲＴＰチャンバは、放射熱源またはランプ、チャンバ本体、基板支持リングおよびプロセスガス供給システムを含む。放射熱源は通常、チャンバ本体の上部表面に取り付けられ、したがって熱源によって生成されるエネルギーは、チャンバ本体内で、基板支持リングによって支持された基板上に放射される。通常、熱源から基板へエネルギーが伝わるのを容易にするように、チャンバ本体の上部表面に石英窓が配置される。通常、基板を不均一に加熱しうる、ランプによって生成される放射エネルギーの変動を補償するために、外部モータを使用して、支持リングおよび基板を回転させる。減圧下で急速熱処理を実行すると、より良好な均一性を得ることができる。

処理ガス、たとえば酸化処理における酸素源は通常、ガス入口からチャンバに供給され、チャンバに接続されたポンプシステムによってチャンバ内での流れが保たれる。従来のチャンバ内のガス分布は、チャンバ全体にわたって均一なわけではない。たとえば、ガス入口付近のガス分布は出口付近のガス分布とは異なり、縁部領域付近のガス分布は中心領域付近のガス分布とは異なる。基板を連続して回転させると、ガス分布の不均一性を低減させることができるが、均一性に対する要件が増大すると、回転だけでは十分ではないことがある。

したがって、ガス流分布が改善された熱反応器が必要とされている。

本発明は、熱処理を実行する方法および装置を提供する。より詳細には、本発明の実施形態は、熱処理中のガス分布を改善する装置および方法を提供する。

本発明の一実施形態は、基板を処理する装置であって、処理容積（空間）を画定するチャンバ本体と、当該処理空間内に配置され、基板を支持して回転させる基板支持体と、チャンバ本体の入口に結合され、処理空間に第１のガス流を提供するガス入口アセンブリと、チャンバ本体の出口に結合された排出アセンブリとを含み、ガス入口アセンブリおよび排出アセンブリがチャンバ本体の両側に配置され、また排出アセンブリが、処理空間を拡張する排出空間を画定する装置を提供する。

本発明の別の実施形態は、基板を熱処理する装置において、円筒形の中心空間を画定する側壁を有する基部リングであって、側壁を貫通して形成された入口ポートおよび出口ポートを有し、入口ポートおよび出口ポートが基部リングの両側に形成され、入口ポートと出口ポートのそれぞれの幅が、円筒形の中心空間の直径とほぼ同じ幅を有する基部リングと、円筒形の中心空間を側壁の上端から封止する基部リングに結合された上壁と、上壁の上方に配置され、円筒形の中心空間に熱エネルギーを提供する熱源と、円筒形の中心空間を側壁の下端から封止する基部リングに結合された底壁と、円筒形の中心空間内に配置され、基板を支持して回転させる基板支持体と、入口ポート内で基部リングに結合され、円筒形の中心空間に第１のガス流を提供する注入カートリッジと、基部リングの出口ポートに結合され、第１のガス流を入口ポートから出口ポートに誘導する排出アセンブリとを含む装置を提供する。

本発明のさらに別の実施形態は、基板を処理する方法において、処理空間を画定する処理チャンバを提供するステップであって、処理チャンバが処理チャンバの両側に形成された入口ポートおよび排出ポートを有し、また入口ポートおよび出口ポートの幅が基板の直径とほぼ同じであり、基板を処理空間内に位置決めするステップと、入口ポートから出口ポートへ第１のガス流を提供するステップであって、第１のガス流が、入口ポートの幅に沿って均等に分布された複数の注入孔から誘導され、出口ポートに結合された排出アセンブリを使用して処理空間内のガスをポンプで吸い出すステップであって、排出アセンブリは、処理空間を第１のガス流の方向に沿って拡張する排出空間を画定する方法を提供する。

本発明の上述の特徴を詳細に理解できるように、上記で簡単に要約した本発明について、以下実施形態を参照して、より具体的に説明する。実施形態のいくつかを添付の図面に図示する。しかし、本発明には他の等しく効果的な実施形態が認められるので、添付の図面は、本発明の典型的な実施形態のみを図示しており、したがってその範囲を限定するものと見なされるべきではないことに留意されたい。

本発明の一実施形態による熱反応器の概略断面側面図である。 本発明の一実施形態による、ガス分布システムを有する熱反応器の概略断面上面図である。 本発明の別の実施形態による、ガス分布システムを有する熱反応器の概略断面上面図である。 本発明の一実施形態による熱反応器の基部リングの概略分解図である。 本発明の一実施形態による注入カートリッジの概略断面側面図である。 本発明の一実施形態による排出アセンブリの概略斜視断面図である。 本発明の一実施形態による側面注入アセンブリの概略斜視断面図である。

理解を容易にするために、可能な場合、複数の図に共通の同一の要素を指すために、同一の参照番号を使用する。一実施形態で開示される要素を、特有の記述なしで他の実施形態でも利用できると有益であることが意図される。

本発明は、半導体基板を熱処理する方法および装置を提供する。本発明の熱処理チャンバは、ガス分布の均一性を改善するために、ガス流の方向に沿って処理空間を拡張するように構成された排出アセンブリを含む。本発明の実施形態は、縁部処理を改善するために、側流を提供するように構成された側面注入アセンブリをさらに含む。さらに、本発明の熱処理チャンバは、注入ポートの長さ全体にわたって、流れの均一性を改善するために、２つ以上の入力を有する注入カートリッジを含む。

図１は、本発明の一実施形態による熱処理チャンバ２００の概略断面側面図である。

熱処理チャンバ２００は通常、ランプアセンブリ２１０と、処理空間２３９を画定するチャンバアセンブリ２３０と、処理空間２３９内に配置された基板支持体２３８とを含む。

ランプアセンブリ２１０は、チャンバアセンブリ２３０の上に位置決めされ、チャンバアセンブリ２３０上に配置された石英窓２１４を介して処理空間２３９に熱を供給するように構成される。ランプアセンブリ２１０は、基板支持体２３８上に配置された基板２０１に、調整された赤外線加熱手段を提供する、複数のタングステンハロゲンランプなどの加熱源を収容する。

ランプアセンブリ２１０は通常、複数の光パイプ２１１を含む。光パイプ２１１は、ステンレス鋼、真鍮、アルミニウム、または他の金属から作ることができる。光パイプ２１１は、それぞれ赤外線放射の形で処理空間２３９に熱を提供するための放射エネルギー源２０８、たとえばタングステンハロゲンランプを収容する。光パイプ２１１の端部は、上部冷却壁２１６および下部冷却壁２１７内の開口に、ろう付けまたは溶接される。

一実施形態では、光パイプ２１１を六角形の構成で配置することができる。入口２０９を通って、ランプアセンブリ２１０に冷却剤を循環させて、処理中にランプアセンブリ２１０を低温で維持することができる。各放射エネルギー源２０８のエネルギーレベルを制御できる制御装置２０７に、それぞれの放射エネルギー源２０８を接続して、処理空間２３９に対して、均一のまたは調整された加熱プロファイルを実現することができる。

チャンバアセンブリ２３０は通常、石英窓２１４および底壁（図示せず）とともに処理空間２３９を画定する基部リング２４０を含む。

基部リング２４０は、１または複数の処理ガスを処理空間２３９に提供するように構成された、ガス源２３５に適合された入口２３１を有することができる。入口２３１から基部リング２４０の反対側に形成された出口２３４は、ポンプシステム２３６と流動的に連通する排出アセンブリ２２４に適合される。排出アセンブリ２２４は排出空間２２５を画定し、排出空間２２５は、出口２３４を介して処理空間２３９と流動的に連通する。排出空間２２５は、処理空間２３９全体にわたって均一のガス流分布を可能にするように設計される。

ロボットが基板２０１を、処理空間２３９内に位置決めされた基板支持体２３８上に投入、あるいは基板支持体２３８から回収するために、基部リング２４０の入口２３１にスリットバルブ２３７を適合させることができる。基板支持体２３８は、垂直方向に動き、中心軸２２３の周りを回転する。

一実施形態では、基部リング２４０は、基部リング２４０の側面の入口２３１と出口２３４の間に形成された、１つまたは複数の側面ポート２２２を有することができる。側面ポート２２２は、基板２０１の縁部領域付近のガス分布の均一性を改善するように構成された、側面ガス源に接続することができる。

図２は、本発明の一実施形態によるガス分布システムを示す、熱処理チャンバ２００の概略断面上面図である。

図２に示すように、入口２３１および出口２３４は、処理空間２３９の両側に、基部リング２４０を貫通する形で形成される。入口２３１と出口２３４が共に、基板支持体２３８の直径とほぼ同じ幅を有する。

一実施形態では、ガス源２３５は、それぞれ処理ガスを提供するように構成された複数のガス源、たとえば第１のガス源２４１および第２のガス源２４２を含むことができる。第１のガス源２４１および第２のガス源２４２からの処理ガスは、混ざり合ってから、入口２３１内に配置された注入カートリッジ２４９に入ることができる。

一実施形態では、注入カートリッジ２４９の中には細長いチャネル２５０が形成され、細長いチャネル２５０の両端に、２つの入口２４３、２４４が形成される。細長いチャネル２５０に沿って、複数の注入孔２５１が均等に分布しており、ガス流２４５を処理空間２３９の方へ注入する。カートリッジ２４９がニつの入口を有する設計により、複数の注入孔２５１のそれぞれからのガス流間の均一性を改善する。

ポンプシステム２３６の真空力により、ガス流２４５は入口２３１から出口２３４の方向へ誘導される。入口２３１から出口２３４まで、処理空間２３９全体にわたってガス流２４５を均一にすることが望ましい。一実施形態では、排出アセンブリ２２４の排出空間２２５は、チャンバ構造がガス流２４５に及ぼす幾何学的形状の影響を低減させるために、処理空間２３９を拡張するように構成される。具体的には、排出空間２２５は、処理空間２３９をガス流２４５の方向に沿って拡大する。

一実施形態では、基部リング２４０に側面注入アセンブリ２４７が結合され、したがって側面ポート２２２を介して、処理空間２３９に側面ガス流２４８が提供される。側面注入アセンブリ２４７は、側面ガス流２４８の流量を制御する流量調整装置２４６を介してガス源２３５に結合される。側面ポート２２２は通常、入口２３１と出口２３４の間に、基部リング２４０を貫通する形で形成される。

側面ガス流２４８は、処理している基板２０１の縁部プロファイルを調整するように構成される。一実施形態では、側面ガス流２４８は、縁部領域付近での基板２０１のガスとの接触を増大させる。一実施形態では、側面ガス流２４８を、ガス流２４５に実質的に垂直な方向に誘導することができる。一実施形態では、側面ガス流２４８の流量を調整することによって、側面ガス流２４８が縁部に及ぼす影響を調整することができる。

上記で論じたように、基板２０１は処理中にその中心軸の周りを回転する。基板２０１は、反時計回りまたは時計回りのいずれかの方向に回転させることができる。基板２０１の回転により、側面ガス流２４８は出口２３４から引き離され、したがって、側面ガス流２４８が基板２０１に及ぼす影響を増大させることができる。

一実施形態では図２に示すように、側面ガス流２４８は混合したガス源から発生し、ガス流２４５と同じガス成分を含むことができる。別の実施形態では、側面ガス流２４８は、ガス流２４５内のガス成分の一部だけを含むことができ、またはガス流２４５とは異なるガス成分を含むことができる。図３は、側面ガス流２４８により１つの処理ガス成分だけを提供するガス分布システムを有する、熱処理チャンバ２００の概略断面上面図である。

図２〜３は、基板２０１が反時計回りの方向に回転していることを示すが、時計回りの方向に基板２０１を回転させて、同様に側面ガス流２４８からの利益を得ることもできる。

図４は、本発明の一実施形態による、均一なガス流を提供する基部リングアセンブリ３００の概略分解図である。

基部リングアセンブリ３００は、中で基板を処理するように構成された、円筒形の処理空間３１４を画定する基部リング３０１を含む。基部リング３０１は、円筒形の処理空間３１４の両側に形成された、入口ポート３１０および出口ポート３１１を有する。一実施形態では、入口ポート３１０および出口ポート３１１の幅は、入口ポート３１０から出口ポート３１１への均一なガス流を保証するように、円筒形の処理空間３１４の直径と実質的に同一である。

基部リングアセンブリ３００は、入口ポート３１０と接続された注入カートリッジ３０４をさらに含む。注入カートリッジ３０４は、入口ポート３１０から出口ポート３１１へガス流を提供するように構成される。入力ポート３１０の上で基部リング３０１上に、切欠き３１５が形成されており、切欠き３１５の底部に細長い投入孔３１６が形成され、入力ポート３１０に開いている。カートリッジ３０４は、細長い投入孔３１６を通って、入力ポート３１０および円筒形の処理空間３１４へ処理ガスを提供するように構成される。処理中、入力ポート３１０を使用して、処理される基板が通過できるようにする。

図５は、本発明の一実施形態による注入カートリッジ３０４の概略断面側面図である。注入カートリッジ３０４は、フランジ３４１をもつ細長い本体３４７を有する。フランジ３４１により、注入カートリッジ３０４を細長い貫通孔３１６内へ挿入することができる。細長いチャネル３４２を封止するように、細長い本体３４７に蓋部３４６が結合される。

細長い本体３４７の中には、細長いチャネル３４２が形成される。細長い本体３４７の両端から細長いチャネル３４２へ、入口３４３、３４４が形成される。入口３４３、３４４は、ガス源と接続するように構成される。細長いチャネル３４２を外側の空間と接続するように、細長い本体３４７の底部に複数のポート３４５が形成される。

処理中は、プロセスガスが入口３４３、３４４の両方から入って、細長いチャネル３４２を充填し、複数のポート３４５から注入カートリッジ３０４を出て、基部リング３０１の入力ポート３１０へ進む。

出口ポート３１１付近で、基部リング３０１に排出アセンブリ３０２が結合される。排出アセンブリ３０２は、出口ポート３１１と実質的に同様な開口３２１を有し、円筒形の処理空間３１４内での均一なガス流を可能とするための追加の空間を提供する。

図６は、本発明の一実施形態による、排出アセンブリ３０２の概略斜視断面図である。排出アセンブリ３０２は、基部リング３０１に接続するように構成されたフランジ３２５と、排出空間３２２を画定する本体３２６と、ポンプシステムと接続するように構成された排出管３２３とを含む。排出アセンブリ３０２内に、複数の冷却チャネル３２４が形成され、冷却液または加熱液を使用して、排出アセンブリ３０２の温度を制御する。

排出アセンブリ３０２の排出空間３２２は、基部リング３０１の円筒形の処理空間３１４を、入口ポート３１０から出口ポート３１４の方向に沿って拡張する。一実施形態では、排出空間３２２はテーパ形状を有することができ、一方の広い端部は開口３２１に接続し、もう一方の狭い端部は排出管３２３に接続する。テーパ形状により、開口３２１の幅全体にわたって広がったガス流を、排出管３２３の狭い入口へ徐々に集め、したがって、円筒形の処理空間３１４内のガス流の乱れを最小限にすることができる。図４および６には三角形形状の排出空間３２２を示すが、ガス流の乱れを低減させる任意の形状が可能である。

基部リングアセンブリ３００は、側面ポート３１３または３１２に結合された、１つまたは２つの側面注入アセンブリ３０３をさらに含む。側面ポート３１３または３１２は、基部リング３０１上に、基部リング３０１を貫通して形成される。側面ポート３１２、３１３は、入口ポート３１０と出口ポート３１１の間に形成され、円筒形の処理空間３１４への側面ガス流を可能にするように構成される。前に論じたように、側面ガス流は、縁部処理プロファイルを調整するように構成される。

図７は、本発明の一実施形態による側面注入アセンブリ３０３の概略斜視断面図である。側面注入アセンブリ３０３は、基部リング３０１と接続するように構成された面板３３１と、ガスチャンバ３３５を画定する本体３３２と、本体３３２と面板３３１の間に挟まれた拡散板３３３と、ガスチャンバ３３５とガス源を接続する入口３３６とを含む。拡散板３３３は、ガスチャンバ３３５から基部リング３０１の円筒形の処理空間３１４へガス流を提供する複数の貫通孔３３４を有する。一実施形態では、拡散板３３３は、セラミックから形成されることができる。

本出願では、熱処理チャンバについて論じているが、本発明の実施形態は、均一なガス流が望ましい、任意の処理チャンバで使用することができる。

上記は本発明の実施形態を対象とするが、本発明の基本的な範囲から逸脱することなく、本発明の他の実施形態およびさらなる実施形態を考案することができ、本発明の範囲は、以下の特許請求の範囲によって決定される。

Claims (15)

1. 基板を処理する装置であって、
   処理空間を画定するチャンバ本体と、
   当該処理空間内に配置され、前記基板を支持して回転させる基板支持体と、
   前記チャンバ本体の入口に結合され、前記処理空間に第１のガス流を提供するガス入口アセンブリと、
   前記チャンバ本体の出口に結合された排出アセンブリとを含み、
   前記ガス入口アセンブリおよび前記排出アセンブリが、前記チャンバ本体の両側に配置され、前記排出アセンブリが、前記処理空間を拡張するように構成された排出空間を画定する熱反応器。
2. 前記チャンバ本体に結合された、側面注入アセンブリをさらに含み、当該側面注入アセンブリが、前記処理空間に第２のガス流を供給し、前記側面注入アセンブリには流量調整装置が接続され、前記第２のガス流の流量を調整する、請求項１に記載の熱反応器。
3. 前記側面注入アセンブリが、プロセスガスを前記処理空間の方向へ誘導する複数の注入孔を有するバフル板を含む、請求項２に記載の熱反応器。
4. 前記チャンバ本体の前記入口と出口が共に、前記基板支持体の直径とほぼ同じ幅を有する、請求項１に記載の熱反応器。
5. 前記排出空間が前記処理空間を、前記第１のガス流の方向に拡張する、請求項４に記載の熱反応器。
6. 前記排出空間がテーパ形状を有し、広い方の端部が前記出口に結合され、狭い方の端部が真空ポンプに結合される、請求項５に記載の熱反応器。
7. 前記処理空間に熱エネルギーを提供する加熱アセンブリをさらに含む、請求項１に記載の熱反応器。
8. 基板を熱処理する装置において、
   円筒形の中心空間を画定する側壁を有する基部リングであって、当該側壁を貫通する形で形成された、入口ポートおよび出口ポートを有し、当該入口ポートおよび出口ポートが前記基部リングの両側に形成され、前記入口ポートと出口ポートのそれぞれが、前記円筒形の中心空間の直径とほぼ同じ幅を有する基部リングと、
   前記円筒形の中心空間を当該基部リングの側壁の上端から封止する当該基部リングに結合された上壁と、
   当該上壁の上方に配置され、前記円筒形の中心空間に熱エネルギーを提供する熱源と、
   前記円筒形の中心空間を前記基部リングの側壁の下端から封止する当該基部リングに結合された底壁と、
   前記円筒形の中心空間内に配置され、前記基板を支持して回転させる基板支持体と、
   前記入口ポートで前記基部リングに結合され、前記円筒形の中心空間に第１のガス流を提供する注入カートリッジと、
   前記基部リングの出口ポートに結合され、前記第１のガス流を前記入口ポートから出口ポートに導く排出アセンブリと
   を含む熱反応器。
9. 前記基部リングの側面ポートに結合された、側面注入アセンブリをさらに含み、当該側面注入アセンブリが、前記円筒形の中心空間に第２のガス流を提供し、前記側面注入アセンブリには流量制御装置が結合される、請求項８に記載の熱反応器。
10. 前記排出アセンブリが前記円筒形の中心空間を、前記第１のガス流の方向に拡張する排出空間を画定する、請求項８に記載の熱反応器。
11. 基板を処理する方法において、
    処理空間を画定する処理チャンバを提供するステップであって、前記処理チャンバが前記処理チャンバの両側に形成された入口ポートおよび排出ポートを有し、また前記入口ポートおよび出口ポートの幅が前記基板の直径とほぼ同じであるステップと、
    前記基板を処理空間内に位置決めするステップと、
    前記入口ポートから前記出口ポートへ第１のガス流を提供するステップであって、前記第１のガス流が、前記入口ポートの幅に均等に分布された複数の注入孔から誘導されるステップと、
    前記出口ポートに結合された排出アセンブリを使用して、前記処理空間からガス流をポンプで吸い出すステップであって、前記排出アセンブリが、前記処理空間を前記第１のガス流の方向に拡張する排出空間を画定するステップとを含む方法。
12. 前記処理チャンバの側面ポートから前記処理空間へ、第２のガス流を提供するステップをさらに含み、前記第２のガス流の方向が前記第１のガス流の方向に実質的に垂直である、請求項１１に記載の方法。
13. 前記側面ポート付近の前記基板の縁部の回転方向が、前記第１のガス流の方向と反対となるように、前記基板の中心軸の周りで、前記基板を連続して回転させるステップをさらに含む、請求項１２に記載の方法。
14. 前記第１のガス流が、前記入口ポート内に配置された入口カートリッジによって提供され、前記入口カートリッジが細長い流れチャネルを有し、前記細長い流れチャネルが、前記細長い流れチャネルの両端に形成された２つの入力ポートに接続され、前記細長い流れチャネルに沿って、複数の出力孔が均等に分布する、請求項１１に記載の方法。
15. 前記処理空間の上方に配置された熱源を使用して、前記基板を加熱するステップをさらに含む、請求項１１に記載の方法。

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