TW201521151A - 碳纖維環形基座 - Google Patents

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Paul Brillhart
Mehmet Tugrul Samir
Shu-Kwan Lau
Surajit Kumar
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Abstract

本文所述的實施例大體上關於用於加熱基板的設備。一個實施例中，一種基座包括環形主體，該環形主體具有中央開口以及唇部，該唇部從該主體之邊緣延伸且環繞該中央開口。該基座包括碳纖維或石墨烯。另一實施例中，一種用於形成基座的方法包括利用有機黏結劑將碳纖維模造成環基座之形狀，且燃燒該有機黏結劑。尚有另一實施例中，一種用於形成基座的方法包括將石墨烯薄片層疊成環基座之形狀。

Description

碳纖維環形基座
本案揭露內容的實施例大體上關於碳纖維基座(susceptor)，且更詳言之，關於碳纖維環基座。
半導體基板經處理而用於廣泛的各式各樣應用，這些應用包括積體元件與微元件的製造。處理基板的一個方法包括將材料沉積在基板的上表面上。舉例而言，磊晶是在基板表面上生長薄的超純層的沉積製程，該層通常是矽或鍺層。該材料可於側向流腔室中沉積，此舉是藉由下述步驟達成：將處理氣體平行於基座上定位的基板之表面流動，以及熱分解該處理氣體以從該氣體沉積材料至基板表面上。
當前矽技術中所用的最常見的磊晶(epi)膜沉積反應器提供類似的製程條件。但是，為了增進磊晶沉積均勻度，反應器設計對膜品質而言是基本的，因為磊晶生長仰賴氣流之準確度。先前的基座設計因引發對基板的不均熱傳(這會負面地影響基板上的沉積均勻度)，而限制了製程均勻度。
磊晶膜沉積製程期間的基板加熱是在最高達(up to)攝氏1300度的高溫下執行。傳統的基座通常是由碳化矽(SiC) 或塗佈有碳化矽的燒結石墨製成，且該傳統的基座具有高的熱質量。在基座是環基座的例子中，基座的高熱質量造成對基板背側與邊緣的熱傳不充分且不均勻，在該基板背側與邊緣處有最大的基板對基座的接觸。從基座到基板的較緩慢熱傳轉而誘發遍及基板上(特別是基板邊緣處)的膜材料品質不均勻。
因此，需要一種改良的基座。
本文所述的實施例大體上關於用於加熱基板的設備。一個實施例中，一種基座包括環形主體，該環形主體具有中央開口以及唇部，該唇部從該主體之邊緣延伸且環繞該中央開口。該基座包括熱質量比傳統基座低的碳纖維或石墨烯。
另一實施例中，一種用於形成基座的方法包括利用有機黏結劑將碳纖維模造成環基座之形狀，且燃燒該有機黏結劑。尚有另一實施例中，一種用於形成基座的方法包括將石墨烯薄片層疊成環基座之形狀。
100‧‧‧腔室
101‧‧‧壁
102‧‧‧燈
104‧‧‧背側
108‧‧‧基板
110‧‧‧上圓頂
112‧‧‧下圓頂
114‧‧‧基底環
118‧‧‧支座
120‧‧‧基座
121‧‧‧唇部
122‧‧‧升舉銷
124‧‧‧外徑
126‧‧‧袋部
128‧‧‧處理氣體區域
130‧‧‧淨化氣體區域
132‧‧‧中央軸
134‧‧‧方向
136‧‧‧燈泡
138‧‧‧燈頭
142‧‧‧光高溫計
144‧‧‧反射體
146‧‧‧溝道
148‧‧‧處理氣體供應源
150‧‧‧處理氣體入口
152‧‧‧溝道
155‧‧‧氣體出口
156‧‧‧真空泵
158‧‧‧淨化氣體源
160‧‧‧淨化氣體入口
252‧‧‧內徑
254‧‧‧長度
256‧‧‧縫隙
258‧‧‧中央開口
260‧‧‧厚度
268‧‧‧中央開口
300‧‧‧處理序列
302-308‧‧‧方塊
404‧‧‧底表面
410‧‧‧主體
420‧‧‧基座
421‧‧‧唇部
422‧‧‧升舉銷孔
423‧‧‧外徑
425‧‧‧內徑
426‧‧‧頂部表面
430‧‧‧漸縮部
432‧‧‧頂部唇部表面
452‧‧‧長度
456‧‧‧厚度
457‧‧‧縫隙
透過參考實施例(一些實施例繪示於附圖中)，可得到上文簡要總結的本發明之更特定的描述，而可詳細瞭解本案揭露內容之前述特徵。然而，應注意附圖僅繪示本案揭露內容之典型實施例，因此不應被視為限制本案揭露內容之範疇，因為本案揭露內容可容許其他等效實施例。
第1圖是處理腔室的概略視圖。
第2圖繪示基座的放大剖面視圖。
第3圖繪示處理基板的流程圖。
第4圖繪示適合用於第1圖之處理腔室中的基座的另一實施例的剖面視圖。
為了助於瞭解，如可能則已使用相同的元件符號指定各圖共通的相同元件。應考量一個實施例的元件與特徵可有利地併入其他實施例而無需進一步記敘。
在下文的敘述中，為了解釋，提出許多特定細節以提供對本案揭露內容的透徹瞭解。一些例子中，以方塊圖的形式(而非細節)顯示已知的結構與裝置，以避免混淆本案揭露內容。以充分細節描述這些實施例，使熟習此技藝之人士能夠操作本案揭露內容，且應瞭解可利用其他實施例，且可不背離本案揭露內容之範疇而製作邏輯、機械、電力、與其他方面的改變。
第1圖繪示根據一個實施例的處理腔室100的概略視圖。處理腔室100可用於處理一或多個基板108，包括於基板108上表面上沉積材料。基板108可包括(但不限於)200mm、300mm、或更大型的單晶矽(Si)、多結晶體(multi-crystalline)矽、多晶(polycrystalline)矽、鍺(Ge)、碳化矽(SiC)、玻璃、砷化鎵(GaAs)、碲化鎘(CdTe)、硫化鎘(CdS)、銅銦鎵之硒化物(CIGS)、銅銦之硒化物(CuInSe2)、鎵銦之磷化物(GaInP2)、以及異接面基板，諸如GaInP/GaAs/Ge或ZnSe/GaAs/Ge基板。處理腔室100可 包括輻射加熱燈102陣列，該輻射加熱燈102陣列除了用於加熱其他部件之外，特別加熱於處理腔室100之壁101內配置的基座120的背側104以及基板108。第1圖與第2圖所示的實施例中，基座120具有環形主體，該環形主體具中央開口103與唇部121，該唇部從該基座120之邊緣延伸且環繞該中央開口103。唇部121與基座120之前側102建立袋部(pocket)126，該袋部126從基板邊緣支撐基板108，而助於基板108對燈102之熱輻射的暴露。基座120由支座118支撐。基座120的細節將於下文中參考第2圖進一步探討。 基座120位於處理腔室100內在上圓頂110與下圓頂112之間。上圓頂110、下圓頂112、與基底環114大體上界定處理腔室100的內部區域，該基底環114配置在上圓頂110與下圓頂112之間。一些實施例中，輻射加熱燈102之陣列可配置於上圓頂110上方。基座108可通過裝載通口(圖中未示)帶至處理腔室100內且定位至基座120上。
圖中顯示基座120位於升高的處理位置，但基座120 可由致動器(圖中未示)垂直移動到處理位置下方的裝載位置，以容許升舉銷122通過基座支座118中的孔洞，且將基板108從基座120抬升。機器人(圖中未示)可隨後進入處理腔室100以接合基板108且通過裝載通口將基板108從處理腔室100移出。基座120隨後可被致動上升到處理位置以將基板108(元件側124面向上)放置於基座120之前側102上。
基座120與基座支座118位於處理位置時將處理腔 室100的內部空間劃分成處理氣體區域128與淨化氣體區域130，該處理氣體區域128位在基板108上方，該淨化氣體區域130位在基座120與基座支座118下方。基座120與基座支座118於處理期間由支撐圓柱中央軸132旋轉，以盡量減少處理腔室100內的熱效應以及處理氣流空間不規則效應且從而助於均勻地處理基板108。中央軸132於裝載與卸載期間將基板108以上與下的方向134移動，且在一些例子中，處理基板108。
大體而言，上圓頂110之中央窗部分以及下圓頂112 的底部是由光透明材料形成，該光透明材料諸如石英。一或多盞燈(諸如燈102陣列)可以特定最適期望方式繞著中央軸132而配置於鄰近下圓頂112且位於下圓頂112下方，以當處理氣體通過上方時獨立地控制基板108的各位置的溫度，從而助於材料沉積至基板108的上表面上。雖然未在此詳細探討，但一個實施例中，沉積的材料可包括矽(Si)、鍺(Ge)、或摻雜劑，以於基板上建立單一結晶層。
燈102可裝設成包括燈泡136，且可裝設成將基板 108加熱至範圍在約攝氏200度至約攝氏1600度內的溫度，例如約攝氏300度至約攝氏1200度，或約攝氏500度至約攝氏580度。每一盞燈102耦接電力分配板(圖中未示)，電力透過電力分配板供應至每一盞燈102。燈102定位於燈頭138內，該燈頭138可於處理期間或之後透過例如冷卻流體而冷卻，該冷卻流體導入位在燈102之間的溝道152。燈頭138以傳導式及輻射式冷卻下圓頂112，這部分是因為燈頭138 極為接近下圓頂112所致。燈頭138也可冷卻燈壁與燈周圍的反射體(圖中未示)之壁。或者，下圓頂112可藉由業界已知的對流式方法冷卻。取決於應用，燈頭138可(或可不)與下圓頂112接觸。由於背側式加熱基板108，故也可執行利用光高溫計142對基板108及基座120上進行溫度測量/控制。
反射體144也視情況放置在上圓頂110外側，以將 從基板108輻射而出的紅外光反射回到基板108上。反射體144可由諸如鋁或不鏽鋼之金屬製造。反射的效能可藉由以高度反射性塗層(諸如以金)塗佈反射體區域而改善。反射體144可具有一或多個機械切削(machined)溝道146，該溝道146連接冷卻源(圖中未示)。溝道146連接形成於反射體144之側上的通道(圖中未示)。通道裝設成攜帶流體(諸如水)之流動，且可沿著反射體144之側以任何期望的樣式水平行進，而覆蓋反射體144之部分或整個表面，以冷卻反射體144。
由處理氣體供應源148供應的處理氣體通過處理氣 體入口150被導入處理氣體區域128，該處理氣體入口150形成於基底環114之側壁中。處理氣體入口150裝設成將處理氣體以大體上徑向向內的方向引導。膜形成製程期間，基座120可位於處理位置，該處理位置鄰近與處理氣體入口150相同的高度且位於大約該高度，而容許處理氣體以層流之樣式沿著流徑橫越基板108之上表面向上且到處流動。處理氣體通過氣體出口155離開處理氣體區域128，該氣體出口155位於處理腔室100之與處理氣體入口150相對之側上。將處 理氣體通過氣體出口155移除可由真空泵156所助，該真空泵156耦接該氣體出口155。因處理氣體入口150與氣體出口155對準且配置於大約相同高度處，相信這樣的平行排列方式在與平面鎚狀(flatter)上圓頂110相結合時會提供跨越基板108的大體上平面均勻的氣流。進一步的徑向均勻度可由透過基座120旋轉基板108而提供。
淨化氣體可由淨化氣體源158通過視情況任選的淨化氣體入口160(或通過處理氣體入口150)供應至淨化氣體區域130，該淨化氣體入口160形成於基底環114之側壁中。淨化氣體入口160配置於處理氣體入口150下方的高度。淨化氣體入口160裝設成以大體上徑向向內的方向引導淨化氣體。膜形成製程期間，基座120可位在一位置使得淨化氣體以層流之樣式沿著流徑橫越基座120之背側104向下且到處流動。不受限於任何特定理論之前提下，相信淨化氣體之流動防止或實質上避免處理氣體之流動進入淨化氣體區域130，或減少進入淨化氣體區域130(即，基座120下方的區域)之處理氣體的擴散。淨化氣體離開淨化氣體區域130且透過氣體出口155排放出處理腔室100，該氣體出口155位在處理腔室100之與淨化氣體入口160相對之側上。
第2圖繪示根據一個實施例的基座120的放大剖面視圖。雖然圖中顯示基座120位於處理腔室100中，但應考量基座120適合用於磊晶、快速熱處理、化學氣相沉積、原子層沉積、或要求均勻氣流或溫度的任何其他真空製程。此外，雖基座120是環基座，但應考量其他基座(即，非環基 座)可受惠於前述揭露內容。
基座120是環形，具有內徑252與外徑124。內徑 252界定基座120之中央開口258，且小於基板108之直徑，使得基板108可安置於基座120的袋部126上。袋部126形成於中央開口258與唇部121之間，該袋部126可具有大約介於約1mm至約7mm之間(諸如約4mm)的長度254。一個實施例中，唇部121可具有介於約2mm至約20mm之間的厚度260，諸如約16mm。唇部121的厚度260可從袋部126至外徑124均勻。或者，唇部121之厚度260可於唇部121的至少一部分上從袋部126朝向外徑124增加(見第4圖)。唇部121接近外徑124的厚度260的增加有利地提供強度與抗翹曲力。
基座120可裝設成使得約0.5mm的縫隙256形成於 基板108及唇部121之間。一個實施例中，中央開口258為比基座120經裝設而所能接受的基板108小約1mm。舉例而言，基座120的中央開口258可為約449mm且裝設成接受至少450mm直徑的基板。第二範例中，基座120的中央開口258可為約299mm且裝設成接受至少300mm直徑的基板。 尚有另一範例中，基座120的中央開口258可為約199mm且裝設成接受至少200mm直徑的基板。縫隙256將基板108隔開唇部121所相關的材料之熱質量，從而促進基板108的溫度均勻度。
一個實施例中，基座120包括碳纖維。碳纖維的輕量以及低熱質量產生熱敏捷(thermally agile)基座120，這 樣的基座可比傳統碳化矽基座還要更快回應溫度變化。一個實施例中，基座120比傳統基座薄，且具有低於約5mm的均勻厚度，例如低於3mm。基座120的輕薄有利地將基板108與基座120之間的實體接觸的量減至最低。
一個實施例中，基座120是藉由以有機黏結劑模造 碳纖維而形成。該有機黏結劑可於燃燒製程期間經碳化或石墨化。一個實施例中，基座120中的碳纖維徑向對準以提供最適熱傳給基板108。另一實施例中，基座120包括石墨烯，石墨烯為碳的同素異形體。基座120藉由使用多層石墨稀薄片(諸如熱解碳薄片)而形成。石墨稀薄片可為約10微米至約100微米厚。另一實施例中，基座120可由以碳纖維碳複合物層黏結的多層熱解薄片所形成。尚有另一實施例中，石墨烯或碳纖維基座120可藉由於高溫爐(furnace)或烤爐(oven)(或任何其他適合的用於塗佈的機構)中燒結而塗佈有碳化矽。
一個範例中，基座120可由以聚丙烯腈(PAN)為 基礎的碳纖維形成，其中碳原子更為隨機地折疊在一起。另一範例中，碳纖維基座120可更為石墨性，諸如源自碳纖維的經熱處理之中間相瀝青(mesophase pitch)。尚有另一範例中，碳纖維基座120也可由PAN(或源自碳纖維之瀝青)伴隨其他適合材料的複合物所構成。石墨性碳纖維基座120可具有比以PAN為基礎之碳纖維基座120更高的導熱率，從而熱傳速率可據此調節。例如，石墨性碳纖維基座120具有遍及材料的更快速熱傳，且於徑向方向上更均勻地加熱該基座 120上之基板108。因此，碳纖維基座120上的基板108將具有極微的熱梯度，且碳纖維基座120有利地促進基座120上均勻地處理基板108。
第3圖繪示加熱基板的處理序列300。一個實施例 中，序列300對應處理腔室100中執行的製程。然而，應考量序列300可於需要均勻氣流的任何真空處理腔室中執行。 處理序列300起始於方塊302，該步驟為提供基板(諸如描繪於第1圖與第2圖中的基板108)至處理腔室中，該處理腔室諸如第1圖中所描繪的腔室100。於方塊302，基板108有利地透過環基座120之開口103而於基板108之背側吸收來自燈102的輻射能量。一個實施例中，序列300是快速熱處理序列，且基板108在介於約1050nm至約1100nm之間的波長為透明。燈102產生輻射能量，且將基板108加熱到約攝氏500度或約攝氏580度，其中基板108變得不透明。於方塊306，處理氣體流進處理氣體區域128中。方塊306可於加熱基板108之前或之後執行。在方塊308，基板108之溫度可取決於處理序列300而受到控制(例如，增加、減少、或維持)。一個實施例中，處理序列300是快速熱處理序列，且溫度以每秒約攝氏300度斜線上升，抵達約攝氏1200度。給予燈102的電力隨後關掉，以使基板108的溫度得以冷卻。
第4圖繪示用於基座420之另一實施例的剖面視 圖，該基座420特別適合用於第1圖的處理腔室中。基座420具有主體410、底表面404、頂表面426、與外周邊423。基座420的主體410可具有複數個升舉銷孔422，該等升舉銷孔 422配置成從底表面404穿過該主體410至頂表面426。基座420在形狀上可為圓形，且具有唇部421，該唇部421從底表面404沿著基座420之外周邊423延伸至頂表面426上方。
唇部421是環形，具有內徑425。類似上文所探討 的唇部121，唇部421可具有均勻厚度或具有漸縮部430。該漸縮部430從頂表面426向上延伸至外周邊423處或接近該外周邊423。即，漸縮部430可延伸至頂部唇部表面432，或者在沒有界定的頂部唇部表面的實施例中，該漸縮部430可延伸至外周邊423。
內周邊425裝設成接收基座420之頂表面426上所 配置的基板108。頂表面426可具有與內周邊425對應的長度452。長度452可大於基板108(諸如450mm、或300mm、或200mm之基板)之直徑，使得縫隙457均勻地形成在基板108與唇部421之間。縫隙457可為約0.1mm至約1mm，諸如約0.5mm。舉例而言，對裝設成用於450mm之基板的基座420而言，長度452可為約451mm。
基座420(排除唇部421)在頂表面426與底表面 404之間具有實質上均勻的厚度456。基座420的厚度456可介於約1mm至約5mm之間，諸如約3mm。厚度456可經選擇而使基座420薄然而不透明。藉此，由放置在基座420上的基板108下方提供的IR熱能可均勻地且快速地改變基板108的溫度分佈曲線，且對腔室中高溫計的不利影響微乎其微。
一個範例中，基座420可由沿著長度452有更高導 熱率的材料(相較於沿著厚度456)所形成。基座420的熱質量可由用於形成該基座420的材料所裝設。基座420可為非等向性，在纖維方向比橫越纖維方向還要強韌。基座420可由PAN碳纖維形成，其中沿著纖維的導熱率高，促進實質上均勻的熱負載，且從中央到邊緣的梯度微乎其微。於頂表面426平面中對準碳纖維產生用於基座420的可客製化的導熱分佈曲線。例如，基座420的導熱率可為：從底表面404至頂表面426行進跨越纖維紋理(grain)的導熱率低於沿著與纖維紋理一起行進的長度452上的導熱率。因此，基座420具有良好的平面導熱率，以促進快速的溫度分佈曲線，該溫度分佈曲線從置於基座420上的基板108之中央至邊緣皆為均勻。在一個實施例中，頂表面426的平面中的導熱率介於約10W/(m*K)至約1000W/(m*K)之間，諸如大約介於60W/(m*K)至約600W/(m*K)之間，諸如約220W/(m*K)。垂直於頂表面426之平面，基座420的導熱率可為約10W/(m*K)至約120W/(m*K)。一些實施例中，諸如於複合物，對於基座420而言，垂直於平面的導熱率可為平面中的導熱率的約1/4至約1/10。
有利的是，如前文所述之碳纖維或石墨烯基座120、 420快速地反應增加與減少的溫度改變，且在從基座120、420至基板108的熱傳上有短暫的延遲時間。因此，基座120、420對溫度改變的較快反應時間使得達到期望處理溫度更為容易。由於基座120、420的低熱質量及輕薄之故，基座120、420將不會從基板108邊緣汲引熱，且可耐受高溫的斜線上升 及快速冷卻，而不會翹曲或撓曲。因此，基座120、420容許更均勻的至基板108的邊緣的熱傳，且進而造成基板108上更均勻的膜沉積。
雖前文所述涉及本案揭露內容之實施例，但可不背離本案揭露內容之基本範疇而設計其他與進一步的實施例，且本案揭露內容之範疇由隨後的申請專利範圍所決定。
100‧‧‧腔室
101‧‧‧壁
102‧‧‧燈
104‧‧‧背側
108‧‧‧基板
110‧‧‧上圓頂
112‧‧‧下圓頂
114‧‧‧基底環
118‧‧‧支座
120‧‧‧基座
121‧‧‧唇部
122‧‧‧升舉銷
124‧‧‧外徑
126‧‧‧袋部
128‧‧‧處理氣體區域
130‧‧‧淨化氣體區域
132‧‧‧中央軸
134‧‧‧方向
136‧‧‧燈泡
138‧‧‧燈頭
142‧‧‧光高溫計
144‧‧‧反射體
146‧‧‧溝道
148‧‧‧處理氣體供應源
150‧‧‧處理氣體入口
152‧‧‧溝道
155‧‧‧氣體出口
156‧‧‧真空泵
158‧‧‧淨化氣體源
160‧‧‧淨化氣體入口

Claims (22)

  1. 一種基座，包括：一環形主體，具有一前側與一中央開口；一唇部，從該主體之一邊緣延伸，且環繞該中央開口，其中該基座包括碳纖維或石墨烯。
  2. 如請求項1所述之基座，其中該環形主體具有少於約5mm的均勻厚度。
  3. 如請求項1所述之基座，其中該環形主體具有少於約3mm的均勻厚度。
  4. 如請求項1所述之基座，其中該基座的該唇部與該前側產生一袋部(pocket)，該袋部裝設成支撐一基板。
  5. 如請求項1所述之基座，其中該基座包括模造的(molded)碳纖維。
  6. 如請求項5所述之基座，其中該碳纖維基座是由在一燃燒(firing)製程中驅走一有機黏結劑而形成。
  7. 如請求項1所述之基座，其中該基座中的該碳纖維為徑向對準。
  8. 如請求項1所述之基座，其中該基座塗佈有碳化矽。
  9. 如請求項1所述之基座，其中石墨烯所構成的該基座是以薄片層疊。
  10. 如請求項1所述之基座，其中該中央開口具有約299mm的直徑。
  11. 一種基座，包括：一主體，具有一頂表面與一底表面，以及一外周邊；一唇部，從該底側延伸至該頂側上方，且鄰近該外周邊，其中該基座包括碳纖維或石墨烯。
  12. 如請求項11所述之基座，其中該唇部從該頂表面至該外周邊向上漸縮。
  13. 如請求項12所述之基座，其中漸縮的該唇部從該頂表面向上延伸至該外周邊處或接近該外周邊。
  14. 如請求項11所述之基座，其中該基座為約3mm厚且由碳纖維形成。
  15. 如請求項14所述之基座，其中該碳纖維於該頂表面之一平面中對準。
  16. 如請求項15所述之基座，其中該頂表面之該平面中的導熱率為約200W/(m*K)。
  17. 一種用於形成基座的方法，包括以下步驟：利用一有機黏結劑將碳纖維模造成一環基座之形狀；以及於一燃燒製程中碳化或石墨化該有機黏結劑。
  18. 一種用於形成基座的方法，包括以下步驟：將多個石墨烯薄片層疊成一環基座之形狀。
  19. 一種沉積腔室，包括：一上石英圓頂與一下石英圓頂；一基底環，將該上石英圓頂與該下石英圓頂分開；以及一基座，具有一環形主體，該環形主體具一中央開口，其中該基座被環繞在該基底環內且包括碳纖維或石墨烯。
  20. 如請求項19所述之沉積腔室，其中該環形主體具有少於5mm的均勻厚度。
  21. 如請求項19所述之沉積腔室，進一步包括：一燈，該燈配置於該下石英圓頂與該基座之間，其中該燈定向成提供輻射能量通過該基座中的該中央開口。
  22. 如請求項19所述之沉積腔室，其中該基座塗佈有碳化矽。
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