TW201133553A - Dual heating for precise wafer temperature control - Google Patents

Description

201133553 六、發明說明： 【相關申請案】 本申請案主張2009年8月21曰申請之美國臨時專利 申請案第61/235790號之優先權’其揭露内容被以引用的 方式併入本文中。 【發明所屬之技術領域】 本發明是關於溫度控制，且更特定言之，是關於沈積 製程中之溫度控制。 【先前技術】 化學氣相沈積（CVD)為基於前驅體材料之化學反應 的薄膜沈積方法。沈積之層體的形成常藉由在基板表面處 的化學品之熱解（pyrolysis)而發生。在一些其他情況下， 於鄰近高溫基板表面的氣相中起始化學品之解離。 高溫熱化學氣相沈積對於在半導體、光電子或其他工 業中之材料製造是重要的。舉例w =之間，下自諸如 沈财、氧切以及氮μ。可在大 致500 c與1200 C之間的溫度下 有其機金屬前媒體製造諸二、二」: ====^7綱。亦可自 ==有:金屬==== 生。 谓『在較低溫度下或以較高速率發 4 201133553^ 应-積製程中，沈積之屬體的組成及/或沈積速率可 ,^ ^ +,, 丞板表面上之溫度變化可導致在基板表面 μ㈣薄膜組成及/或不均勻的薄膜厚度。因此，在 在對於提供化學氣相沈積（CVD)裝置中之 =二#改良之方法以及裝置之需要。 【發明内容】 揭路-種加熱定位於晶座上之工件之改良的方法。方 /使用初加熱（諸如，藉由電阻性或電感性加熱元件）以 及局部化二次加熱（諸如，藉由加熱燈） 兩者。初加熱系 統用以全面調節日3座之溫度。加熱燈用以基於量測之溫度 ，局，化加熱提供至轉之特錢域。使用晶圓溫度映射 早=量測工件之頂表面的溫度，使得可將適量的熱量施加 至每-局部化區域。在—些實施例中，晶座旋轉，藉此允 許使用較少的局部化加熱元件以及溫度感測器。 【實施方式】 °° 本文中描述與CVD反應器有關之裝置。舉例而言， 裝置可用於包含化學氣相沈積（ehemical vap〇r deposition, CVD)或蟲晶沈積之而溫應用中。然而，裝置可供在半導 體、光電子設備或其他工業中涉及之其他系統以及製程使 用。因此，本發明不限於以下描述之具體實施例。 用於熱沈積之設備通常被分為兩類：熱壁反應器以及 冷壁反應器。熱壁反應器包含反應器内部之溫度均勻的 爐。冷壁反應器包含僅將工件加熱至製程溫度之設備。冷 壁反應器中之溫度均勻性比熱壁反應器難控制。然而，冷 201133553 壁反應器避免了腔室壁塗佈以防止溫度漂移，使前驅體分 解最小化’且避免了在工件之後側的沈積。 存在用於冷壁反應器之若干加熱方法，包含電阻性加 熱、電感性加熱以及輻射加熱。 圖1展示用於電阻性或電感性加熱之腔室ι〇0。在此 實施例中，將一或多個工件113置放於晶座（suscept〇r) 110上。晶座110可位於平台120之頂上。晶座no可相 對於平台120旋轉，諸如，藉由使用軸122。晶座11〇通 常由電阻性或電感性加熱元件112自下面加熱。電阻性或 電感性加熱元件可位於平台120内。可依圓形或輻射狀圖 案佈置此等加熱元件112。圖2展示一個此類圖案2〇〇,但 其他圖案亦在本發明之範疇内。為了確保加熱均勻性，可 藉由變化電阻性加熱元件之各種部分的寬度（基於其徑向 位置）來達成晶座溫度之徑向控制。圖2展示加熱元件112 之最外部分205可比内部分2〇7厚。在一些實施例中，藉 由邊化個別電阻性/電感性加熱元件112與晶座11〇之間的 距離達成晶座溫度之徑向控制。舉例而言，圖丨展示位置 比加熱元件112b位置遠離晶座11G之加熱元件ma。在 其他實施^中，徑肖外部加熱元件112a可比徑向内部加熱 元件112b罪近a曰座no。在其他實施例中，亦可使用多地 可加熱系統（multi-zone heating system )，在其中，具有不 同佈局及/或幾何形狀之多個加熱線圈經#加於彼此之頂 部上’且調整不同加熱元件之間的電力分佈，㉛展示類 似於圖2a中之加熱元件的具有圖案21〇之加熱元件ιΐ2。 6 201133553 然而’儘管加熱元件112具有形狀類似之圖案210，但各 種部分之寬度不同。在此實施例中，外部分215比内部分 217薄。此兩個加熱圖案200、210可疊加於彼此之上且位 於平台120内。在一些實施例中，可相對於第二圖案旋轉 圖案中之一者。在多地帶加熱之最佳化後，可調整晶座溫 度角分佈。如上所述，晶座11〇可關於軸12〇旋轉。晶座 Π0相對於加熱元件112之旋轉或晶座11〇上的工件113 之行星運動（planetary motion )亦可改良溫度均勻性且幫 助達成溫度均勻性角分佈。行星運動包含在晶座no旋轉 的同時在與晶座U0相同或與晶座110之方向相反的方向 上旋轉工件113。 用以加熱工件之第二普通方法為輻射加熱。圖3展示 用於輪射加熱之腔室300。如在圖1中，腔室包含固持一 或多個工件〗丨3之晶座110。晶座110可經由軸122可旋 轉地附接至平台120。在此實施例中，自晶座n〇上面加 熱工件113，諸如，藉由加熱燈31〇。術語「加熱燈」指習 知加熱燈以及雷射、雷射二極體以及其他合適構件。此等 =熱燈可位於腔室300之外部，使得不受到腔室3〇〇内的 5辰境之影響。透明或半透明窗320位於腔室300之頂表面 的壁内。加熱燈310經置放在窗320附近，使得朝向工件 113照耀下來。加熱燈31〇之個別組件之加熱效應是局部 化的’其中每一者通常僅加熱晶座110或工件113之一小 部分。在許多應用中，可佈置多個加熱燈以覆蓋晶座之整 個頂表面。若晶座110能夠旋轉，則加熱燈310可經置放， 201133553 使得僅加熱晶座l】n . . 〇 113之不同部分一小。P刀。阳座110之旋轉將工件 二J丨刀咿至由燈310加熱之區内。 枓中之每一者具有已知缺點。舉例而言，電阻 1 僅用以加熱晶座110之底部側。藉由僅自曰曰 ==側加熱’工件113溫度易受冷壁反應器内t 二碌：；二舉例而言，工件113的前側（沈積側）上： 在700。(? ^ I· f"熱或輻射反射。隨著沈積溫度增加（諸如， 含氣體傳輪輻狀熱損耗增加。冷壁反應器可包 遞板或連逄頭設計U8 (見圖〇以致能均勻的 对:ά可將此氣體傳翁118冑密靠近工件113置放以 之二二句即使在具有側注入設計的具有層狀氣流 7二反應态中，腔室100之頂部與工件113之間的距離 =可而要最小化以改良氣流均勻性以及前驅體轉換效 率、、、、而’若將氣體傳遞板118緊密靠近經加熱之晶座11〇 、及#^113置放’則氣體傳遞板118上之加熱以及沈積 可發生氣體傳遞板118之任何發射率改變將影響工件U3 温度以及溫度均勻性。換言之，在工件113之與晶座110 相反的側上之條件可影響讀113之最終溫度。 :件I13之溫度均勻性亦可受到工件113與晶座110 =配〇性（c〇mpllance)的影響。晶座表面曲率、設計/製 控制、工件曲率以及在沈積製程期間的工件曲率改變皆 可對此問題有影響。 在一些實施例中，可藉由工件113在晶座11〇上之卡 緊（ucking)來解決工件/晶座配合性問題。真空以及靜 8 201133553.. 電卡盤（Chuck)皆已經開發用於在半導體製造中之沈積腔 室。 、： 在真空卡緊方法中，一或多個真空通道經嵌入於晶座 110中’其中開口在晶座11〇之上表面上。在Cvd製程中 相對高的製程壓力（> 數托（torr))之情況下，歸^於在 工件113之上表面與下表面之間創造的壓力差（pressure delta) ’工件113將附著至晶座11〇。真空卡盤經較佳地設 °十以避免在真空通道之開口處的工件113上之局部冷點 (cold spot)。 在靜電卡盤方法中，藉由靜電力將工件113固持於晶 座110上。靜電卡盤經較佳地設計以避開在工件113之後 側以及斜面處的傳導或半導材料。 即使藉由晶圓卡緊選項之實施，工件溫度可仍受腔室 環境之改變的影響（如上所說明）。 工 一應注意到，亦可藉由加熱燈替代電阻性或電感性加熱 π件進行自晶座之底部側的工件之加熱。然而，在工件 與晶座110不完全配合之情況下，存在同樣的問題。工件 -晶座配合性問題常發生於局部化區上 ='力。然而，在僅自晶請之底部芯= 蚀、且之純向熱導率（理想為均勻的晶座溫度） 使工件溫度之局部控制以及調整困難。 歸因^此等因素，在僅自晶座之底部側加熱工件之情 ’下’工件113溫度均勻性可比晶座m溫度均勻性差。 因此’均勻的晶座溫度不保證均㈣卫件溫度。此可逐個 9 201133553 晶圓或逐個批次變化。 另一方面，存在與常使用加熱 熱相關聯的問題。至晶圓或工件之前側的直接燈加敎^ 能即時工件溫度均句性控制。如同快速熱加工 th_alp麟ssing，RTP)裝置，燈可經由窗來加熱工件。 局部晶圓溫度控制可由轉克燈佈局以及每—燈之短暫控 制達成。然而’藉由僅加熱工件之前部，可發生在窗上之 沈積以及隨後的製程漂移。對於藉由燈加熱之厚膜沈積， 批次-致性可有問題。燈壽命亦可為關注問題，且用於燈 加熱之功率效率常非常差（<1〇%)。 因此’加熱I件之削目触方㈣到使其有效性降級 (尤其在高溫下）之缺點的困擾。 然而，每一方法提供一些益處。電阻性/電感性加熱元 =能夠提供相對蚊的晶座溫度，其為在設定卫件溫度過 私中之因素°此外，晶座之大小以及組成暗示溫度改變隨 時間增加。因此，歸因於晶座之熱容量…旦晶座處於所 要的溫度’職傾向於雜在此溫度處或㈣。此加熱形 式傾向於亦在晶座上產生相對丨i定的溫度。因此，電阻性/ 電感f生加熱就文影響之區域而言是全面的，立就更改晶座 之溫度之時間常數而言是低頻率的。 相反，加熱燈在其效應上更局部化。在一些實施例 中，加熱燈可加熱僅具有丨_2 mm直徑之區。此外，經由 ，射加熱的加熱之效應持續時間不長。由於熱量由輻射能 提供，因此當移除熱源時，溫度可快速改變。最終，如與 201133553 ====== ===:，是局二= 丄二二:=:: it併有本文中揭露之兩個加熱方法㈣統之剖面 圖°糸.、先400可致能工件413溫度均句性之控制，且 境之變化，諸如，來自在工件413前側附Ϊ 期_逐個：; = =曲償在薄膜沈積 、、呈，置放在平σ 420 $在晶座41〇下之電阻性或電感 性加熱态412提供初加熱（primary以鉗吨）43〇，諸如， 呈使用轴422之圓形圖案。如較早先描述，其他圖案是可 能的。，等加熱元件用以使晶座達到且維持所要的溫度。 在一些實施例中，一或多個溫度感測器44〇 (諸如，=電 偶）可位於晶座410或平台42〇上以允許加熱元件41‘2'之 封閉迴路控制。可使用一個以上的溫度感測器44〇，且其 位置不受到本發明限制。在此實施例中，控制器（未圖示 可自溫度感測器440接收輸入，且基於此等輸入，修改施 加至電阻性/電感性加熱元件之電流或電壓。藉由反覆地執 行此等步驟，可將晶座410維持在恆定溫度下。 此外，一或多個加熱燈450提供二次加熱（sec〇ndary heating)。較佳地將加熱燈安裝在腔室4〇〇外部，諸如，在 201133553 ------- 半透明窗460 (諸如，由石英製造之半透明窗）附近。此 外，可使用晶圓溫度映射單元（mapping uint) 470量測在 工件413之頂表面處的溫度。晶圓溫度映射單元47〇可使 用（例如）一向溫計（pyr〇meter)、高溫計陣列或其他溫 度感測器。可使用將在沈積期間之晶圓發射率改變或其他 因素考慮在内之即時溫度映射。 若晶座410可圍繞平台42〇旋轉，則晶圓溫度映射單 元470僅需要能夠沿著晶座41〇徑向量測溫度。圖兄至圖 5b展不具有多個工件413的晶座41〇之俯視圖。窗46〇經 疋位使得加熱燈可經由窗將能量輻射至晶座41〇之局部化 部分上。工件413佔據晶座41〇之一部分，其中工件 之最内部分最靠近晶座41〇之中心，且工件413之最外部 分最罪近晶座410之外邊緣。窗46〇經較佳地組態使得其 具有足夠的大小以及位置使得加熱燈可自工件413之最内 以及最外部分局部地輻射工件413。在一些實施例中，可 使窗460與晶座410之半徑對準。 在一些貫施例中（諸如，圖5a中所示），使用高溫計 陣列沿著晶座410之半徑同時量測工件溫度。在其他實施 例中（諸如，圖5b中所示），使用一個高溫計47卜其能 夠至少^[^也在徑向方向上移動，使得藉由晶座彻^旋 轉以及高溫計471之移動，可量測工件413之表面上之任 點，些實施例中，高溫計471徑向移動，如由路徑 472展示。在一些其他實施例中，使用能夠至少部分在徑 向方向上移動之少數高溫計。在其他實施例中，一個高溫 12 201133553. 可為靜止的，但信號可由—組光學器件或 糟由/、他方法自工件413之不同徑向位置收集。 一 .、，呈由使用旋轉晶座41Q，可量測晶座41Q上之每 置，f依需要將輻射熱提供至此等局部化位置中之每— 者。實務上，控制器（未圖示）接收來自晶圓溫度映射罝 f4士70之輸人。在—些情況下，諸如，當使用移動的= 计％，控制斋亦接收與高溫計相關聯之位置資訊使得判定 ，座之正量測的部分。基於晶座之旋轉速度，控制器可判 定晶座410 #量測之局部化部分將處於加熱區域中（諸 如，460的下方）之時間。基於量測之工件溫度資料， 控制器可接著判定應制適#之燈以及強度來補償在 413上之溫度變化。 利用旋轉晶座410，局部化加熱燈45〇可具有短暫的 功率調整能力以達成在工件413上的具體局部化區處之溫 度控制。在-個例中，可在局部化加熱區内外旋轉工件 413。如上所述，局部化加熱燈45〇可能需要依環形圖案操 作以匹配晶座410旋轉速度或頻率。在一具體實施例中， 局部化加熱燈450以與晶座410旋轉速度同步之脈衝模式 操作，而初加熱元件412使用單-地帶❹地帶加熱操作 (與晶座410之旋轉速度無關）。 在一些貫施例中，晶座41〇以及工件413之溫度均勻 性首先由初加熱43G最佳化。如上所述，初加熱可為電阻 陡或電感性。此外，可使用開迴路或封閉迴路技術執行初 加熱。在封閉迴路控制之情況下，可使用任一合適演算法， 13 201133553 諸如，P、P-Ι 或 Ρ-Ι-D。 隨後，二次加熱（諸如，自加熱燈45〇)可經接通以 及關閉以及轉至不同功率位準以確保均勻的工件溫度均勻 性（如上所述）。再次，可使用開迴路或封閉迴路技術執行 一次或局部化加熱。在封閉迴路控制之情況下，可使用任 一合適演算法，諸如，P ' P-Ι或P-I_D。 因此，初加熱提供低頻率調變以及控制，而局部化加 熱元件提供高頻率溫度調變。 可針對製程中所涉及之特定溫度使包括加熱元件之 材^最佳化。電阻性加熱器可在高溫下操作，而電感性加 熱器可在面RF頻率下操作。 本發明在範疇上不受到本文中描述之具體實施例的 限制事貫上，除了本文中描述之實施例外，自前述描述 以及Ik附圖式，本發明之其他各種實施例以及對本發明之 ，改將對-般熟習此項技術者顯而易見。因此，此等其他 只施例以及修改意欲屬於本發明之範嘴。此外，雖然已在 處於用於特&目的之特定環境下之特定實施之情況下描述 了本發明，但一般熟習此項技術者應認識到，其有用性不 限於此，且可仙於諸乡目的之諸乡環境下有益地實施本 發明。因此，應鑒於如本文巾描述的本發明之完全廣度以 及精神來解釋以下闡明之申請專利範圍。 【圖式簡單說明】 為了本發明之更好理解，參看隨附圖式，其被以引用 的方式併入本文中且其中： 14 201133553, 圖1為併有電阻性/電感性加熱之系統之剖面圖。 圖2a至圖2b為電阻性/電感性加熱元件之視圖。 圖3為併有輕射加熱之系統之剖面圖。 圖4為併有本文中揭露之實施例的系統之剖面圖。 圖5a至圖5b為併有本文中揭露之實施例的系統之俯 視圖。 【主要元件符號說明】 100 :腔室 110 .晶座 112a :徑向外部加熱元件 112b :徑向内部加熱元件 113 :工件 118 :氣體傳遞板或蓮蓬頭設計 120 :平台 122 :軸 200 :圖案 205 :加熱元件之最外部分 207 :加熱元件之内部分 210 :圖案 215 :外部分 217 :内部分 300 :腔室 310:加熱燈 320 :透明或半透明窗 15 201133553 400 :系統/腔室 410 :晶座 412a :加熱元件 412b :加熱元件 413 :工件 420 :平台 422 :軸 430 :初加熱 440 :溫度感測器 450 :加熱燈 460 :半透明窗 470 :晶圓溫度映射單元 471 :高溫計 472 :路徑 16

Claims (1)

1. 201133553 七、申請專利範圍： 1· 一種沈積腔室，其包括： 晶座，其具有下表面以及上表面，其中至少一工件經 定位於所述上表面上； 電阻性或電感性加熱元件，其用於將所述晶座加熱至 所要的溫度，位置接近所述晶座之所述下表面，·以及 加熱燈’其位於所述上表面上面，用於加熱所述工件。 2.如申請專利範圍第1項所述之沈積腔室，其中所述 電阻性或電感性加熱元件提供低解溫度㈣，且所述加 熱燈提供南頻率溫度控制。 3·如申W專利圍第1項所述之沈積腔室，其中所述 晶座可旋轉地附接至平台。 4·如中請專利範圍第3項所述之沈積腔室，其中所述 ^且性或钱性加熱元件提供低鮮溫度控制， =提供高解溫度控制，其巾魏加熱難制頻率 述晶座之旋轉速度相同。 5.如申請專利範_3項所述之沈積腔室， 述頂表*之-部分，且所述晶座^ ί tltl所有部分由所述加熱燈加熱。 6·如申明專利範圍第1項所述之沈積妒宮， 加熱燈為雷射。 顺狀/域“，其中所述 7如申請專利範圍第i項所述之沈積腔室 加熱燈為雷射二極體。 、 ’、甲所迷 8·如申請專概圍第1項所述之沈積腔室，更包括在 17 201133553 所述晶座中之真空或靜電卡盤。 9. 如申請專利範圍第1項所述之沈積腔室，更包括經 組態以判定所述工件之一部分之溫度的晶圓溫度映射單 元。 10. 如申請專利範圍第9項所述之沈積腔室，其中所 述晶座以預定旋轉速度旋轉，更包括與所述晶圓溫度映射 單元以及所述加熱燈通信之控制器，其中所述控制器回應 於來自所述晶圓溫度映射單元之輸入以及所述旋轉速度致 動所述加熱燈。 11. 如申請專利範圍第9項所述之沈積腔室’其中所 述晶圓溫度映射單元包括可移動高溫計。 12·如申請專利範圍第9項所述之沈積腔室，其中所述 晶圓溫度映射單元包括具有一組光學器件之靜止高溫計， 以收集來自所述工件上之任一徑向位置的資訊。 13. —種沈積腔室，其包括： 晶座，其經組態以固持一或多個工件； 第加熱元件’其以第一速率加熱所述工件；以及 第二加熱元件，其以與所述第一速率不同之第二速率 加熱所述工件。 14. 如申請專利範圍第13項所述之沈積腔室，其中所 述第一加熱元件藉由加熱所述晶座間接加熱所述工件。 、15.如申請專利範圍第13項所述之沈積腔室，其中所 述第二加熱元件直接加熱所述工件。 16.如申請專利範圍第13項所述之沈積腔室，其中所 18 201133553 述第二加熱元件補償自所述第一加熱元件產生之溫度不均 勻性。 19