TW201407686A - 具有改良冷卻裝置的腔室 - Google Patents

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Abstract

本發明之實施例提供一種加熱總成，該加熱總成使用熱交換裝置冷卻複數個加熱元件。加熱總成包括：複數個加熱元件；冷卻元件，該冷卻元件具有用於收納冷卻流體於其中之一或更多冷卻通道；及熱交換裝置，該熱交換裝置安置於複數個加熱元件與冷卻元件之間。熱交換裝置包含熱介面及冷介面，該熱介面經安置鄰近複數個加熱元件且與複數個加熱元件熱接觸，該冷介面經安置鄰近冷卻元件且與冷卻元件熱接觸。

Description

具有改良冷卻裝置的腔室
本發明之實施例一般而言係關於用於處理半導體基板之設備及方法。特定言之，本發明之實施例係關於用於冷卻處理腔室中之加熱總成的設備及方法。
一些用於製造半導體裝置的製程(例如快速熱處理、磊晶沉積、化學氣相沉積、物理氣相沉積、電子束固化)在高溫環境下執行。通常待處理之基板係藉由一或更多熱源在處理腔室中加熱至所要溫度。由於溫度控制及安全之原因，處理期間可能需要冷卻熱源及腔室組件。儘管如此，用於半導體處理之傳統冷卻元件對於高溫或高密度熱源可能無效或不相容。
因此，需要用於冷卻處理腔室之設備及方法。
本發明之實施例大體而言提供用於冷卻處理腔室之設備及方法，該處理腔室經設置以在高溫下處理一或更多基板。特定言之，本發明之實施例係關於一種加熱總成，該加熱總成包括用於控制加熱元件之溫度的熱交換裝置及冷卻元 件。
本發明之一個實施例提供一種用於加熱處理腔室之 加熱總成。加熱總成包括：複數個加熱元件；冷卻元件，該冷卻元件具有用於收納冷卻流體於其中之一或更多冷卻通道；及熱交換裝置，該熱交換裝置安置於複數個加熱元件與冷卻元件之間。熱交換裝置包含熱介面及冷介面，該熱介面經安置鄰近複數個加熱元件且與複數個加熱元件熱接觸，該冷介面經安置鄰近冷卻元件且與冷卻元件熱接觸。
本發明之一個實施例提供一種用於處理基板之設 備。設備包括：腔室主體，該腔室主體形成腔室殼；基板支座，該基板支座安置於腔室殼中；及加熱總成，該加熱總成安置於腔室殼外且經設置將熱能導向腔室殼。加熱總成包括：複數個加熱元件；冷卻元件，該冷卻元件具有用於收納冷卻流體於其中之一或更多冷卻通道；及熱交換裝置，該熱交換裝置安置於複數個加熱元件與冷卻元件之間。熱交換裝置包含熱介面及冷介面，該熱介面經安置鄰近複數個加熱元件且與複數個加熱元件熱接觸，該冷介面經安置鄰近冷卻元件且與冷卻元件熱接觸。
本發明之另一實施例提供一種用於處理基板之方 法。方法包括：將來自複數個加熱元件之輻射能導向基板處理腔室之殼，及使用安置在複數個加熱元件與冷卻元件之間的熱交換裝置冷卻複數個加熱元件，其中熱交換裝置包含熱介面及冷介面，該熱介面經安置鄰近複數個加熱元件且與複數個加熱元件熱接觸，該冷介面經安置鄰近冷卻元件且與冷 卻元件熱接觸。
100‧‧‧處理腔室
101‧‧‧基板
110‧‧‧噴頭總成
112‧‧‧氣源
120‧‧‧腔室主體
122‧‧‧流量閥門
130‧‧‧下蓋
140‧‧‧腔室殼
150‧‧‧基板支撐總成
160‧‧‧加熱總成
161‧‧‧加熱單元
162‧‧‧加熱元件
163‧‧‧分隔器
164‧‧‧熱交換裝置
164a‧‧‧外部熱交換裝置
164b‧‧‧內部熱交換裝置
165‧‧‧中心開口
166‧‧‧冷卻元件
166a‧‧‧上環
166b‧‧‧下環
168‧‧‧冷卻通道
168a‧‧‧進口
168b‧‧‧出口
169‧‧‧框架
170‧‧‧冷卻流體源
200‧‧‧熱導管
202‧‧‧熱介面
204‧‧‧冷介面
206‧‧‧套管
208‧‧‧空腔
210‧‧‧毛細結構
212‧‧‧工作流體
300‧‧‧熱處理腔室
302‧‧‧腔室主體
304‧‧‧加熱總成
306‧‧‧處理體積
308‧‧‧管狀豎板
310‧‧‧邊緣環
312‧‧‧石英窗
314‧‧‧基板
316‧‧‧電源
318‧‧‧冷卻流體源
320‧‧‧加熱元件
322‧‧‧熱交換裝置
322a‧‧‧熱介面
322b‧‧‧冷介面
324‧‧‧框架
326‧‧‧冷卻通道
328‧‧‧開口
400‧‧‧加熱總成
402‧‧‧加熱元件
404‧‧‧冷卻基座
406‧‧‧冷卻通道
408‧‧‧熱交換裝置
410‧‧‧支撐框架
以上簡短總結的本發明之更詳細的描述可參閱實施例(其中一部分實施例在附加圖式中圖示)描述，以便可詳細瞭解上文所述的本發明之特徵。然而，應注意，附加圖式僅圖示本發明之一般實施例，且因此並非視為限制本發明之範疇，因為本發明可承認其他同等有效之實施例。
第1A圖為根據本發明之一個實施例之處理腔室的截面示意圖。
第1B圖為第1A圖之處理腔室之熱源的截面透視示意圖。
第1C圖為第1B圖之燈總成的俯視示意圖。
第2A圖為根據本發明之一個實施例之熱導管的透視示意圖。
第2B圖為第2A圖之熱導管的截面示意圖。
第3A圖為根據本發明之一個實施例之快速熱處理腔室的截面示意圖。
第3B圖為第3A圖之快速熱處理腔室中之熱源的俯視示意圖。
第3C圖為第3B圖之熱源之部分截面放大示意圖。
第4A圖為根據本發明之另一實施例之熱源的部分截面放大示意圖。
第4B圖為第4A圖之熱源的部分分解示意圖。
已在可能的情況下將相同元件符號用於指定圖式中 共有之相同元件以便於理解。應預期到，一個實施例中所揭示之元件可有益地用於其他實施例而無需特定敘述。
本發明之實施例係關於用於冷卻處理腔室之設備及 方法。更特定言之，本發明之實施例係關於一種具有用於冷卻加熱元件之熱交換裝置的加熱總成。在一個實施例中，熱交換裝置包括用於快速且均勻冷卻之一或更多熱導管。在一個實施例中，熱導管可與加熱元件及冷卻元件整合。使用熱導管可為緊密排列的加熱元件提供快速且均勻之冷卻。根據本發明之實施例之加熱總成提供改良之熱傳遞、減少熱梯度及改良溫度均勻性、減少熱變形及熱應力。
第1A圖為根據本發明之一個實施例之處理腔室100 的截面示意圖。處理腔室100可用於執行諸如磊晶沉積之多種製程。處理腔室100包含腔室主體120、安置於腔室主體120上方的噴頭總成110及安置於腔室主體120下方的下蓋130。噴頭總成110、腔室主體120及下蓋130界定腔室殼140，以用於處理腔室殼140中之一或更多基板。流量閥門122可穿過腔室主體120而形成，以允許基板101通過。
基板支撐總成150可移動地安置於腔室殼140內，以在處理期間支撐基板101。下蓋130通常由熱能穿透或實質上穿透的材料製成。在一個實施例中，下蓋130由石英製成。或者，下蓋130可由石英窗替代。
噴頭總成110可連接至氣源112，以分配一或更多處理氣體至腔室殼140以用於處理基板101。氣源112可包括 用於矽磊晶沉積之矽源。氣源112可包含前驅體源、載體氣體源及淨化氣體源。在一個實施例中，氣源112可包括製程氣體源，以用於沉積多種氮化金屬膜，包括氮化鎵(GaN)、氮化鋁(aluminum nitride,AlN)、氮化銦(indium nitride,InN)及化合物膜，諸如氮化鋁鎵(aluminum gallium nitride,AlGaN)及氮化銦鎵(Indium gallium nitride,InGaN)。氣源112亦可包含非電抗性氣源，諸如氦(He)、氬(Ar)或其他氣體，諸如氫(H2)、氮(N2)及兩者之組合。
加熱總成160安置於下蓋130下方，且經設置穿過 下蓋130提供熱能至腔室殼140中。加熱總成160包括複數個加熱元件162、包括一或更多冷卻通道168的冷卻元件166及耦接於冷卻元件與複數個加熱元件162之間的一或更多熱交換裝置164。冷卻流體源170可耦接至冷卻元件166以循環冷卻通道168中之冷卻流體。
複數個加熱元件162可為紫外線(ultra violet,UV) 燈、鹵素燈、雷射二極體、電阻加熱器、微波驅動加熱器、發光二極體(light emitting diodes,LED)或任何合適的熱源。
在一個實施例中，加熱總成160可包括複數個同心 加熱單元161。複數個加熱單元161可配置在不同高度，以形成用於加熱腔室殼140之合適形狀。如第1A圖所示，複數個加熱單元161可安裝於框架169上以形成合適形狀，諸如環繞下蓋130之蓋狀形狀，以加熱腔室殼140。複數個加熱單元161之每一者中的熱交換裝置164及冷卻元件166形成圓形，且加熱元件162圍繞圓形均勻分佈。各加熱單元161中的加 熱元件162之數目可各不相同。
第1B圖為加熱總成160移除下蓋130及腔室主體 120後的俯視示意圖。鄰近加熱單元161之熱交換裝置164可能重疊。可保留中心開口165，以便為基板支撐總成150提供通道。
第1C圖為根據本發明之一個實施例之加熱單元161 的部分透視截面示意圖。加熱單元161包括外部熱交換裝置164a及內部熱交換裝置164b。外部熱交換裝置164a及內部熱交換裝置164b可以同心之方式配置。如第1C圖中之實施例所示，複數個加熱元件162可與外部熱交換裝置164a整合。冷卻元件166可包括上環166a及下環166b。上環166a及下環166b可為實質上平坦的。如第1C圖所示，上環166a及下環166b與內部熱交換裝置164b及外部熱交換裝置164a之下端接合，以界定冷卻通道168。或者，冷卻通道168亦可在沒有內部熱交換裝置164b及外部熱交換裝置164a情況下形成。
各冷卻通道168可為連續迴圈通道，該通道具有定 位在進口168a與出口168b之間以促進冷卻流體之循環的分隔器163。合適的冷卻流體包括水、水基乙二醇混合物、全氟聚醚(例如Galden®流體)、油基傳熱流體、流體金屬(諸如鎵或鎵合金)或類似流體。冷卻流體可在冷卻通道168中循環，以便為熱交換裝置164提供散熱。
熱交換裝置164經設置以為複數個加熱元件162提 供均勻及快速之冷卻。因為加熱元件162以相對密集配置之 形式配置，加熱元件162之間通常沒有足夠的空間作為冷卻通道，來為精確的溫度控制提供有效冷卻。熱交換裝置164可呈薄板之形式，且可裝配至加熱元件162之間的小空間中以促進冷卻。另外，各熱交換裝置164中之熱導管套管亦可用作反射器，以防止加熱期間之熱損失。
根據本發明之實施例，熱交換裝置164可包括一或 更多熱導管。在一個實施例中，熱交換裝置164可為安置於複數個加熱元件162周圍而形成之呈薄板形式的一或更多熱導管。各薄板可由一或更多橫向接合的獨立熱導管組成。第2A圖為根據本發明之一個實施例之熱導管200的部分透視示意圖。熱導管200在薄板中彎曲成弓形以形成第1A圖之熱交換裝置164的一部分。如第2A圖所示，薄的熱交換裝置164由複數個平行且獨立運作之熱導管組成。
第2B圖為第2A圖之熱導管200的截面示意圖。熱 導管200包括套管206，該套管206封閉空腔208。套管可由諸如銅或鋁之高導熱性材料形成。空腔208為真空的，且充滿以體積計百分之一之工作流體212的一小部分。工作流體212可為水、乙醇、丙酮、鈉或汞。可根據熱導管200之作業溫度選擇工作流體212。因為空腔內部為部分真空的狀態，空腔208中一部分工作流體212為液相，而剩餘部分之工作流體212為氣相。
熱導管200可具有：在第一端處之熱介面202，該 熱介面202經設置以與待冷卻之目標熱接觸；及與熱介面202相反在第二端處之冷介面204，該冷介面204經設置與散熱片 熱接觸。視需要，毛細結構210可排列在套管206內部，且環繞著空腔208。毛細結構210經設置以在冷介面204處向工作流體212之流體表面施加毛細壓力，且將工作流體212吸至熱介面202處。
熱導管200為結合導熱性及相變兩者之原理以有效 地管理熱介面202與冷介面204之間的熱傳遞的熱交換裝置。在熱導管內部之熱介面202處，與導熱套管206接觸的工作流體212之流體藉由吸收與熱介面202熱接觸之熱源的熱量變為蒸氣。在冷介面204處，蒸氣冷凝回流體，從而向與冷介面熱接觸之散熱片釋放潛熱。接著流體經由毛細結構210之毛細作用或者重力作用返回至熱介面202。循環重複。
如以上之討論，加熱總成160中之熱交換裝置164 包括一或更多熱導管，其中熱介面與複數個加熱元件162熱接觸且冷介面與冷卻元件166熱接觸。結果，複數個加熱元件162可藉由冷卻通道168中之冷卻流體而冷卻。熱交換裝置164中之熱導管為複數個加熱元件162提供快速及均勻之冷卻，以便快速、均勻且精確地控制腔室殼140的溫度。
包括熱導管之加熱總成可具有適用於不同處理腔室之不同設計。可使用不同類型的加熱元件。加熱元件可以多種配置之形式配置。熱導管可經成形及配置以在多種配置中冷卻加熱元件。
第3A圖為根據本發明之一個實施例之快速熱處理腔室300的截面示意圖。熱處理腔室300包括加熱總成304，該加熱總成304安置於腔室主體302之下方。腔室主體302 界定處理體積306，以用於處理處理體積306中之基板314。管狀豎板308可安置於處理體積306中以用於支撐及旋轉基板314。基板314可與週邊邊緣接觸，且由安置於管狀豎板308之上的邊緣環310支撐。腔室主體302可包括石英窗312。加熱總成304安置於石英窗312外部，以為處理體積306提供熱能。
加熱總成304包括安裝於框架324上之複數個加熱元件320。複數個加熱元件320可緊密地配置，以生產用於快速熱處理之足夠強烈的熱能。複數個加熱元件320可連接至電源316。複數個加熱元件320可分組為兩個或兩個以上獨立可調節的加熱區以達成所要的熱效應。複數個加熱元件162可為紫外線(UV)燈、鹵素燈、雷射二極體、電阻加熱器、微波驅動加熱器、發光二極體(LED)或任何合適的熱源。
框架324具有冷卻通道326。冷卻通道326可耦接至冷卻流體源318以為複數個加熱元件320提供間接的溫度控制。冷卻流體源318可提供合適的冷卻流體，諸如水、水基乙二醇混合物、全氟聚醚(例如Galden®流體)、油基傳熱流體、流體金屬(諸如鎵或鎵合金)或類似流體。
複數個熱交換裝置322安置在複數個加熱元件320與框架324中的冷卻通道326之間，以提供冷卻通道326中之冷卻流體與複數個加熱元件320之間的熱交換。
各熱交換裝置322可包括一或更多熱導管，諸如第2A圖至第2B圖之熱導管200。各熱交換裝置322中之一或更多熱導管配置有經定位鄰近一或更多加熱元件320的熱介面 及定位於框架324內鄰近一或更多冷卻通道326的冷介面。熱交換裝置322允許藉由未與加熱元件320間接接觸之冷卻流體而使加熱元件320快速冷卻。
第3B圖為第3A圖之快速熱處理腔室300內之加熱總成304的部分俯視示意圖。複數個加熱元件320緊密地配置於一個平面內。熱交換裝置322在各加熱元件320之熱量生成部分之周圍形成垂直壁以用於冷卻。第3B圖圖示配置成六邊形圖案的複數個加熱元件。熱交換裝置322形成圍繞複數個加熱元件320之六邊形胞腔，以提供熱交換。
第3C圖為第3A圖之加熱總成304的部分截面放大示意圖。複數個加熱元件320中之每一者均穿過開口328安裝於框架324上。開口328可為通孔以允許佈線穿過。熱交換裝置322可具有安置於框架324內、鄰近冷卻通道326之冷介面322b及緊挨著加熱元件320之熱介面322a。
藉由使用由熱導管形成之熱交換裝置322，加熱總成304中緊密排列的加熱元件320可均勻且快速地冷卻，因此，使得快速熱處理腔室300之精確的溫度控製成為可能。
第4A圖為根據本發明之另一實施例之加熱總成400的部分截面放大示意圖。加熱總成400與加熱總成304類似，但加熱總成400包括具有彎曲剖面之熱交換裝置408。加熱總成400包括複數個加熱元件402，及具有冷卻通道406之冷卻基座404，及安置在複數個加熱元件402與冷卻基座404之間的複數個熱交換裝置408。複數個加熱元件402可緊密地配置。熱交換裝置408可由一或更多熱導管形成。熱交換裝置 408可經彎曲以容納加熱元件402之緊密配置及給予冷卻通道406更大空間。視需要，可在兩個鄰近的熱交換裝置408之間使用支撐框架410。
第4B圖為第4A圖之加熱總成400的部分分解示意圖。複數個加熱元件402配置成六邊形圖案。或者，可使用其他合適圖案。
即使所描述之加熱總成用於磊晶沉積腔室及快速熱處理腔室，但根據本發明之實施例之加熱總成可用於需要冷卻緊密排列之加熱元件的任何合適之處理腔室。
儘管上述內容針對本發明之實施例，但在不脫離本發明之基本範疇之情況下，可設計本發明之其他及另外之實施例，且本發明之範疇由以下申請專利範圍之範疇決定。
161‧‧‧加熱單元
162‧‧‧加熱元件
164a‧‧‧外部熱交換裝置
164b‧‧‧內部熱交換裝置
166‧‧‧冷卻元件
168‧‧‧冷卻通道

Claims (20)

  1. 一種用於加熱一處理腔室之加熱總成，該加熱總成包含：複數個加熱元件；一冷卻元件，該冷卻元件具有用於收納冷卻流體於其中的一或更多冷卻通道；及安置在該等複數個加熱元件與該冷卻元件之間的一熱交換裝置，其中該熱交換裝置包含一熱介面及一冷介面，該熱介面經安置鄰近該等複數個加熱元件且與該等複數個加熱元件熱接觸，該冷介面經安置鄰近該冷卻元件且與該冷卻元件熱接觸。
  2. 如請求項1所述之加熱總成，其中該熱交換裝置包含一或更多熱導管，且每一熱導管包含：一導熱外殼，該導熱外殼形成一密封腔室；及一工作流體，該工作流體安置在該密封腔室內，其中該工作流體處於低壓且經設置藉由相變傳熱。
  3. 如請求項2所述之加熱總成，其中該一或更多熱導管與該冷卻元件整合以形成用於收納該冷卻流體之一或更多冷卻通道。
  4. 如請求項2所述之加熱總成，其中該等複數個加熱元件緊密地配置於一平面內，且該一或更多熱導管以環繞該等複數個加熱元件中之每一者的薄板形式橫向接合。
  5. 如請求項4所述之加熱總成，其中該等複數個加熱元件經分組以形成複數個加熱區。
  6. 如請求項4所述之加熱總成，其中該等複數個加熱元件配置成一六邊形堆砌。
  7. 如請求項2所述之加熱總成，其中該冷卻元件形成一或更多圓形，且該等複數個加熱元件沿該一或更多圓形均勻分佈。
  8. 如請求項2所述之加熱總成，其中該一或更多熱導管經橫向接合以形成一薄板。
  9. 一種用於處理一基板之設備，該設備包含：一腔室主體，該腔室主體形成一腔室殼；一基板支座，該基板支座安置在該腔室殼中；及一加熱總成，該加熱總成安置於該腔室殼外部，且經設置以將熱能導向該腔室殼，其中該加熱總成包含：複數個加熱元件；一冷卻元件，該冷卻元件具有用於收納冷卻流體於其中的一或更多冷卻通道；及一熱交換裝置，該熱交換裝置安置在該等複數個加熱元件與該冷卻元件之間，其中該熱交換裝置包含一熱介面 及一冷介面，該熱介面經安置鄰近該等複數個加熱元件且與該等複數個加熱元件熱接觸，該冷介面經安置鄰近該冷卻元件且與該冷卻元件熱接觸。
  10. 如請求項9所述之設備，其中該熱交換裝置包含一或更多熱導管，且該一或更多熱導管中之每一者包含：一導熱外殼，該導熱外殼形成一密封腔室；及一工作流體，該工作流體安置於該密封腔室內，其中該工作流體處於低壓且經設置藉由相變傳熱。
  11. 如請求項10所述之設備，其中該腔室主體包含一石英窗，且該加熱總成安置於該石英窗外部。
  12. 如請求項11所述之設備，該設備進一步包含一分佈於該基板支座上方的氣體分配噴頭，且該石英窗安置於該基板支座下方。
  13. 如請求項12所述之設備，其中該石英窗成形為類似一錐形，且該加熱總成之該冷卻元件形成同心圓且該等複數個加熱元件沿該等同心圓均勻分佈。
  14. 如請求項11所述之設備，其中該等複數個加熱元件緊密地配置於一平面內，且該一或更多熱導管經橫向接合以形成環繞該等複數個加熱元件中之每一者的一薄板。
  15. 如請求項14所述之設備，其中該等複數個加熱元件分組為多個加熱區。
  16. 如請求項11所述之設備，其中該設備為一快速熱處理腔室、磊晶沉積腔室、化學氣相沉積腔室、物理氣相沉積腔室或電子束固化腔室中之一者。
  17. 如請求項11所述之設備，其中該等複數個加熱元件為紫外線(UV)燈、鹵素燈、雷射二極體、電阻加熱器、微波驅動加熱器或發光二極體(LED)中之一者。
  18. 一種用於處理一基板之方法，該方法包含以下步驟：將來自複數個加熱元件之輻射能導向一基板處理腔室之一殼；及使用安置在該等複數個加熱元件與一冷卻元件之間的一熱交換裝置冷卻該等複數個加熱元件，其中，該熱交換裝置包含一熱介面及一冷介面，該熱介面經安置鄰近該等複數個加熱元件且與該等複數個加熱元件熱接觸，該冷介面經安置鄰近該冷卻元件且與該冷卻元件熱接觸。
  19. 如請求項18所述之方法，其中該熱交換裝置包含一或更多熱導管，且該一或更多熱導管中之每一者包含：一導熱外殼，該導熱外殼形成一密封腔室；及 一工作流體，該工作流體安置於該密封腔室內，其中該工作流體處於低壓且經設置藉由相變傳熱。
  20. 如請求項19所述之方法，其中冷卻該等複數個加熱元件之步驟包含以下步驟：使一冷卻流體流動穿過該等冷卻元件內形成的冷卻通道。
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