TW201727751A - 毫秒退火系統中改進處理均勻性的方法 - Google Patents

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Abstract

本案提出在一毫秒退火系統中改進處理均勻性的系統及方法。在某些實施例中，在一毫秒退火系統中熱處理基板的方法可包含：取得顯示與一或多個基板在一毫秒退火系統處理期間相關聯之溫度分佈的資料。該方法可包括以下一或多個：(1)改變該毫秒退火系統之處理室內部壓力；(2)藉由毫秒退火系統中一水窗之折射效應，操控照射分佈；(3)調整該基板的角度位置；及(或)(4)配置毫秒退火系統中所使用反射器的形狀。

Description

毫秒退火系統中改進處理均勻性的方法
本申請案主張於2015年12月30日申請，標題名稱為「毫秒退火系統中改進處理均勻性的方法」之美國臨時專利申請案序號62/272,817的優先權，此文件納入本文列為參考。
本發明一般而言係關於熱處理室，更明確地說是關於處理如半導體基板的毫秒退火熱處理室。
毫秒退火系統可被用於半導體處理以便用於超快速熱處理基板，例如像是矽晶圓。半導體處理時，快速熱處理可被用來當作一退火步驟以修補佈植損壞，改善沉積層品質，改善層間介面品質，以活化摻雜劑並達成其他目的，而在同一時間控制摻雜物種的擴散。
可使用一強且短的光曝照，以可超過每秒104℃的速率加熱該基板整個頂面，達成半導體基板的毫秒(或超快速)溫度處理。快速加熱基板的僅僅一個表面，可造成貫穿該基板厚度的一大溫度梯度，而同時基板大部分維持光照之前的溫度。因而該基板的大部分充當一散熱器，導致頂面的快速冷 卻速率。
本案之具體實施例的觀點及優點將有部分在以下描述中提出，或可從該敘述習得，或可經由實行該等具體實施例而學會。
本案一示範觀點是關於在一毫秒退火系統中熱處理一基板的方法。該方法可包含在一毫秒退火系統中處理期間，取得顯示與一或多個基板相關聯之溫度分佈的資料。該毫秒退火系統可具有一晶圓平面板，將該處理室區分成一頂處理室以及一底處理室。該方法可包含調整該處理室內的壓力以造成跨一或多個基板的溫度均勻性。
本案另一示例觀點是關於在一毫秒退火系統中熱處理一基板的方法。該方法可包含：在一毫秒退火系統中處理期間，取得顯示與一或多個基板相關聯之溫度分佈的資料。該毫秒退火系統可具有一晶圓平面板，將該處理室區分成一頂處理室以及一底處理室。該方法可包含：至少部分依據該溫度分佈，判定該毫秒退火系統內一邊緣反射器或一楔形反射器其中一或多個的形狀及配置。
本案又一示範觀點是關於在一毫秒退火系統中熱處理一基板的方法。該方法可包含在一毫秒退火系統中處理期間，取得顯示與一或多個基板相關聯之溫度分佈的資料。該毫秒退火系統可具有一晶圓平面板，將該處理室區分成一頂處理 室以及一底處理室。該晶圓平面板可包含一非旋轉式基板支撐。該方法可包含判定一角度位置，用於該毫秒退火系統之處理室內的裝置基板之放置。該角度位置可至少部分依據顯示該溫度分佈的資料加以判定。
本案的示範觀點可有變異以及修改。本案的其他示例觀點是關於用於熱處理一半導體基板的系統、方法、裝置及程序。
參照以下描述以及隨附申請專利範圍，將能更加瞭解各種具體實施例的這些以及其他特徵、觀點及優勢。本說明書所附圖示納入本文並構成本說明書的一部分，說明本揭示的具體實施例，並與詳細描述共同用來解釋相關的原理。
60‧‧‧半導體基板
80‧‧‧毫秒退火系統
[100]‧‧‧矽晶格面
<110>‧‧‧晶格面
150‧‧‧溫度測量系統
152‧‧‧溫度感測器
154‧‧‧溫度感測器
158‧‧‧參照溫度感測器
160‧‧‧處理器電路
200‧‧‧毫秒退火系統
200‧‧‧處理室
202‧‧‧頂處理室
204‧‧‧底處理室
210‧‧‧晶圓平面板
212‧‧‧支撐銷
220‧‧‧頂弧光燈
220‧‧‧頂部燈具陣列
222‧‧‧陰極
225‧‧‧石英管
226‧‧‧電漿
228‧‧‧水壁
229‧‧‧氬氣柱
230‧‧‧陽極
232‧‧‧尖端
234‧‧‧散熱器
235‧‧‧基座
236‧‧‧水冷卻通道
240‧‧‧底弧光燈
247.2‧‧‧直線輪廓
250‧‧‧處理室壁面
252‧‧‧頂處理室壁面
254‧‧‧底處理室壁面
260‧‧‧水窗
262‧‧‧反射器
264‧‧‧邊緣反射器/楔形反射器
270‧‧‧反射鏡
272‧‧‧楔形反射器
274‧‧‧反射元件/楔形反射器
274.4‧‧‧組合輪廓
276‧‧‧刻槽
282‧‧‧內側玻片
284‧‧‧外側玻片
300‧‧‧封閉迴路系統
302‧‧‧水/進氣口
304‧‧‧氬氣/下游管線
306‧‧‧水/氣混合物
310‧‧‧分離器
315‧‧‧壓力感測器
320‧‧‧噴射幫浦/控制器
325‧‧‧閥門
330‧‧‧幫浦
340‧‧‧聚結濾器
340‧‧‧下游廢氣導管
350‧‧‧氬氣源/顆粒濾器
350‧‧‧顆粒濾器
370‧‧‧離子交換濾器
372‧‧‧閥門
380‧‧‧活性碳濾器旁通迴路
390‧‧‧熱交換器
500‧‧‧產品晶圓
502‧‧‧凹口
510‧‧‧代表圖
520‧‧‧冷點
525‧‧‧晶圓邊緣
針對本技藝中具一般能力者的具體實施例之詳細討論將在本說明書中提出，其係參照附屬圖示如下：第一圖係繪出依據本案之示例具體實施例的一示例毫秒退火加熱曲線的示意圖；第二圖係繪出依據本案示例實施例的一示範毫秒退火系統一部分的示例透視圖；第三圖係繪出依據本案之示例具體實施例的一示例毫秒退火系統的一分解圖；第四圖係繪出依據本案之示例具體實施例的一示例毫秒退火系統的一橫剖面圖； 第五圖係繪出依據本案之示例具體實施例的一示例毫秒退火系統中所使用示例燈具的一透視圖；第六圖係繪出依據本案示例實施例的一毫秒退火系統的一晶圓平面板中所用之示例邊緣反射器的示意圖；第七圖係繪出依據本案之示例具體實施例的一毫秒退火系統中可使用的示例反射器的示意圖；第八圖係繪出依據本案之示例具體實施例的一毫秒退火系統中可使用的一示例弧光燈的示意圖；第九至第十圖係繪出依據本案之示例具體實施例的一示例弧光燈的操作示意圖；第十一係繪出依據本案之示例具體實施例的一示例電極的一橫剖面圖；第十二圖是一示例封閉迴路系統的示意圖，其用來供應水和氣體(例如，氬)給依據本案示例具體實施例的一毫秒退火系統中所用的示例弧光燈；第十三圖係繪出依據本案之示例具體實施例的一毫秒退火系統所用的一示例溫度測量系統的示意圖；第十四圖係繪出一示例氣流系統的示意圖，其係用於調整依據本案之示例具體實施例的一示例毫秒退火系統之處理室內的壓力；第十五圖係繪出依據本案之示例具體實施例的一毫秒退火系統中一水窗之變化形狀的示意圖； 第十六係繪出依據本案之示例具體實施例的一毫秒退火系統中一水窗之變化形狀的示意圖；第十七圖係繪出一示例產品晶圓的示意圖，其具有以一陣列安排之多個裝置；第十八圖係繪出毫秒退火系統中一晶圓的一示例殘餘照射不均勻性的示意圖；第十九圖係繪出依據本案示例實施例一產品晶圓採不同角度定向放置在一處理室內部的示意圖；第二十圖係繪出依據本案示例實施例一產品晶圓相對於支撐銷採不同角度定向放置在一處理室內部的示意圖；第二十一圖係繪出一橫剖視圖，顯示依據示例具體實施例之毫秒退火系統中一處理室內的頂部楔形反射器和邊緣反射器的位置；第二十二(a)及二十二(b)圖係繪出依據本案示例具體實施例具有變化楔角的示例頂部楔形的示意圖；第二十三(a)及二十三(b)圖係繪出依據本案示例具體實施例，藉由調整頂部楔形楔角的示例照射分佈改善之示意圖；第二十四圖係繪出用在依據本案示例具體實施例的毫秒退火處理室中的示例邊緣反射器之示意圖；第二十五圖係繪出具有一直線輪廓的一示例邊緣反射器的示意圖； 第二十六(a)、二十六(b)及二十六(c)圖係繪出依據本案示例具體實施例由變化形狀及位置之邊緣反射器在一晶圓上各種受熱區的示意圖。
現在將詳細參照具體實施例，其一或多個示範例在圖式中繪出。所提出各示範例是要解釋該等具體實施例，並非要做為本案的限制。事實上，熟習此項技術者應能看出該等具體實施例可有各種修改及變異而不會偏離本案的範疇及精神。舉例來說，繪出或描述為一具體實施例之某部分的特徵，可配合另一具體實施使用以產出又更進一步的具體實施例。因此，本案的觀點是要涵括此等修改及變異。
概要
本案的示例觀點係關於為改善在一毫秒退火系統中處理期間，橫跨遍及一基板(例如一半導體晶圓)之溫度均勻性的多個特徵。本案之觀點的討論是參照一「晶圓」或半導體晶圓以供圖解及討論目的。本技術領中具一般能力者，使用本文所提供的揭示，應能理解本案的示例觀點可與任何工件、半導體基板或其他適當基板配合使用。「大約」一詞與一數值合用，指的是在所提出數值的10%之內。
可使用一強且短的光照，以可超過約每秒104℃的速率加熱該基板整個頂面，達成半導體基板的毫秒(或超快速)溫度處理。該閃光典型上係實施至一半導體基板，其係以 高達每秒150℃的斜線上升率加熱至一中間溫度Ti。加熱步驟之後，半導體基板被留在處理室內以供降溫。低加溫程序及降溫兩者皆可造成側向溫差，導致橫跨該基板的不均勻溫度分佈。許多例子中，熱處理應用例可對溫度敏感。此外，晶圓應力可受該晶圓材料內的熱梯度驅使。大的側向熱梯度可因而導致晶圓翹曲、滑動，甚至晶圓破裂。
熱處理期間溫度差異的主要原因在於光源對晶圓的不均勻照射。降溫期間溫度差異的主要原因可由晶圓自身的體形所導致。舉例來說，晶圓可為碟狀，且由於其體形之故，該晶圓的邊緣會比晶圓中央降溫更快。溫差的另一原因，可由周遭氣體的對流冷卻導致。
不均勻性可藉由使用高度反射的鏡子來緩和。例如說，照射不均勻性可藉由一具有鏡壁之立方體的整合作用(integrating effect)而得到緩和。降溫不均勻性，可藉由將所發射的光從晶圓中央重導向，去讓晶圓邊緣再吸收而得到緩和。同理，這可藉由一具有鏡壁的立方體之整合作用來達成。
即使毫秒退火系統中的處理室可利用鏡壁的整合作用，但仍然會有一殘餘不均勻性，需要進一步予以補償。補償殘餘不均勻性的主要影響因子，可藉由操縱照射分佈來控制。
依據本案的示例具體實施例，揭示了用於在一毫秒退火系統中改進處理期間半導體基板溫度均勻性的各種特 徵。舉例來說，這些特徵可包含：(1)改變毫秒退火系統之處理室內部的壓力；(2)藉由毫秒退火系統中一水窗之折射效應，操控照射分佈；(3)晶圓的角度位置；以及(或)(4)配置毫秒退火系統中所使用反射器的形狀及(或)位置。
本案一示範具體實施例是關於在一毫秒退火系統中熱處理一基板的方法。該方法包含：在一毫秒退火系統中處理期間，取得顯示與一或多個基板相關聯之溫度分佈的資料。該毫秒退火系統包含一晶圓平面板，將該處理室區分成一頂處理室以及一底處理室。該方法包含：至少部分依據顯示溫度分佈的資料，調整處理室內部壓力，以造成跨一或多個基板的溫度均勻性。舉例來說，某些具體實施例中，調整壓力包含：在該等一或多個基板至少其中之一的處理期間，調整處理室內的壓力，以調整該等一或多個基板至少其中之一的溫度分佈。舉例來說，壓力可在相對於大氣壓力為+2kPA至-2kPA的值域範圍內加以調整。
某些具體實施例中，調整處理室內壓力包含：調整處理室與一經配置以處理氣體流過該處理室的氣流系統下游管線之間的壓差。下游管線可位於該處理室中一或多個排氣口的下游。調整壓差可包含：調整放置在該下游管線中的閥門。該閥門，可依據一或多個來自一經配置以測量處理室內壓力之壓力感測器的信號，藉由一或多個控制器而加以調整。該壓力可被調整以影響處理室內的處理氣體流動模式。
某些具體實施例中，調整處理室內的壓力包含依據處理室內的壓力來翹曲一水窗。水窗可包含一內板以及一外板，而水在內板與外板之間流動。內板相對於外板係更靠近處理室放置。某些實施例中，水窗可被翹曲，以致於水窗的內板彎離處理室，以提供對於該燈光的散焦效應。某些實施例中，水窗可被翹曲，以致於水窗的內板彎向處理室，以提供對於該燈光的聚焦效應。
本案另一示範具體實施例是關於在一毫秒退火系統中熱處理一基板的方法。該方法包含：在一毫秒退火系統中處理期間，取得顯示與一或多個基板相關聯之溫度分佈的資料。該毫秒退火系統可包含一晶圓平面板，將該處理室區分成一頂處理室以及一底處理室。該方法可包含：至少部分依據該溫度分佈，調整該毫秒退火系統內一邊緣反射器或一楔形反射器其中一或多個的形狀、配置或位置。
某些具體實施例中，楔形反射器可被放置在靠近晶圓平面板的一處理室壁上。調整毫秒退火系統內一邊緣反射器或一楔形反射器其中一或多個的形狀、配置或位置，包含調整一楔角以及(或)該楔形反射器的高度。
某些具體實施例中，邊緣反射器係被放置在晶圓平面板內。調整毫秒退火系統中一邊緣反射器或一楔形反射器其中一或多個的形狀、配置或位置，包含調整用於該邊緣反射器的表面輪廓。某些具體實施例中，調整毫秒退火系統中一邊緣反射器或 一楔形反射器其中一或多個的形狀、配置或位置，包含在處理基板期間調整(以一或多個控制器)楔形反射器相對於基板的位置。
本案另一示範具體實施例是關於在一毫秒退火系統中熱處理一基板的方法。該方法包含：在一毫秒退火系統中處理期間取得顯示與一或多個基板相關聯之溫度分佈的資料。該毫秒退火系統可包含一晶圓平面板，將該處理室區分成一頂處理室以及一底處理室。該方法可包含判定一角度位置，其用於該毫秒退火系統之處理室內的裝置基板的放置。該角度位置可至少部分依據該溫度分佈加以判定。某些具體實施例中，該角度位置可至少部分依據毫秒退火系統中一或多個支撐銷的位置加以判定。
範例毫秒退火系統
一示範毫秒退火系統可經組態，以提供一強而短的光曝照，以用可超過(例如像是)約104℃/s的速率加熱一晶圓的頂面。第一圖所繪一半導體基板的示例溫度曲線(100)，係使用一毫秒退火系統完成。如第一圖所示，一斜線上升階段(102)期間，大部分的該半導體基板(例如，一矽晶圓)，係被加熱至一中間溫度Ti。該中間溫度可在約450℃至約900℃的值域內。當中間溫度Ti已達到時，該半導體基板的頂面可曝照於一極短暫的強烈閃光，導致高達每秒約104℃的加熱速率。視窗(110)繪出該短而強閃光期間的半導體基板溫度 分佈。曲線(112)代表閃光曝照期間半導體基板頂面的急速加熱。曲線(116)繪出閃光曝照期間半導體基板的其餘或大部分之溫度。曲線(114)代表藉由傳導急速降溫的半導體基板頂面冷卻，此係藉由大部分半導體基板作為散熱器所致。半導體基板的大部分作為一散熱器，產生用於該基板的高頂面冷卻速率。曲線(104)代表大部分半導體基板藉由熱輻射及對流的緩慢降溫，以一處理氣體作為冷卻劑。本文中「約(about)」這個字若參照一數值使用，指的是在所提出數值的30%之內。
一示例毫秒退火系統可包含複數個弧光燈(例如，四個氬氣弧光燈)，作為半導體基板頂面之強烈毫秒長曝照(所謂「閃光」)的光源。當基板已被加熱至一中間溫度(例如，約450℃至約900℃)時，閃光可實施至半導體基板。複數個連續模式弧光燈(例如，兩個氬氣弧光燈)，可被用來加熱該半導體基板至該中間溫度。某些具體實施例中，半導體基板加熱至中間溫度，係透過半導體基板底面，以加熱該晶圓整個大部分的斜線上升速率來達成。
第二至第五圖繪出的是，依據本案示例具體實施例的一示例毫秒退火系統(80)各種觀點的圖式。如第二至第四圖所示，一毫秒退火系統(80)可包含一處理室(200)。處理室(200)可被一晶圓平面板(210)分隔成一頂處理室(202)和一底處理室(204)。一半導體基板(60)(例如，矽晶圓)，可由安裝至一晶圓支撐板(214)(例如，插入晶圓平面板(210)的石英玻璃 板)的支撐銷(212)(例如，石英支撐銷)加以支撐。
如第二圖及第四圖所示，毫秒退火系統(80)可包含複數個弧光燈(220)(例如，四個氬氣弧光燈)，其鄰近頂處理室(202)放置，作為用於半導體基板(60)頂面之強烈毫秒長曝照(所謂「閃光」)的光源。當基板已被加熱至一中間溫度(例如，約450℃至約900℃)時，閃光可被實施至半導體基板。
鄰近底處理室(204)放置的複數個連續模式弧光燈(240)(例如，兩個氬氣孤光燈)，可被用來加熱該半導體基板(60)至該中間溫度。某些具體實施例中，半導體基板(60)加熱至中間溫度，係從底處理室(204)經由半導體基板(60)底面，以加熱該晶圓整個體積的斜線上升速率來達成。
如第三圖所示，來自底弧光燈(240)(例如，用於加熱半導體基板至一中間溫度)、以及頂弧光燈(220)(例如，為了藉由閃光來提供毫秒加熱而使用)之加熱半導體基板(60)的光，可穿透水窗(260)(例如，水冷卻石英玻璃窗)而進入處理室(200)。某些具體實施例中，水窗(260)可包含三明治構造，此係兩石英玻璃片之間有約4mm厚的水層循環以冷卻石英片，並為(舉例來說)約1400nm以上的波長提供一濾光器。
如第三圖進一步繪出，處理室壁面(250)可包含反射鏡(270)，用於反射加熱光。舉例來說，反射鏡(270)可以是水冷卻的、抛光的鋁片。某些具體實施例中，用在毫秒退火系統中之弧光燈的主體，可包含用於燈具輻射的反射器。舉例來 說，第五圖的透視圖同時繪出可用在毫秒退火系統(200)中的頂部燈陣列(220)以及底部燈陣列(240)兩者。如圖中所示，各燈具陣列(220)和(240)的主體，可包含一反射器(262)，用於反射加熱光。這些反射器(262)可形成毫秒退火系統(80)之處理室(200)的一部分反射面。
半導體基板的溫度均勻性，可藉由操縱落在半導體基板不同區域的光強度而受到控制。某些具體實施例中，均勻性調控，可藉由改變小尺寸反射器對主反射器的反射級數、及(或)藉由使用安裝在環繞該晶圖之晶圓支撐板上的邊緣反射器而達成。
舉例來說，邊緣反射器可被用來將光線從底燈具(240)重導向至半導體基板(60)邊緣。舉一例，第六圖繪出形成一部分晶圓平面板(210)的示例邊緣反射器(264)，可被用來引導光線從底部燈具(240)至半導體基板(60)邊緣。邊緣反射器(264)可被安裝至晶圓平面板(210)，並可圍繞或至少部分圍繞該半導體基板(60)。
某些具體實施例中，額外的反射器也可被安裝至靠近晶圓平面板(210)的處理室壁面。舉例來說，第七圖繪出可被安裝至處理室壁面的示例反射器，作為用於加熱光的反射鏡。更明確地說，第七圖顯示安裝至底處理室壁面(254)的一示例楔形反射器(272)。第七圖也繪出安裝至一頂處理室壁面(252)之反射器(270)的一反射元件(274)。半導體基板(60)的處 理均勻性，可藉由改變處理室(200)內的楔形反射器(272)，以及(或)其他反射元件(例如，反射元件(274))的反射級數而加以調節。
第八至十一圖繪出的示例頂弧光燈(220)的各個面向，其可被用來做為該半導體基板(60)頂面之強烈毫秒長曝照的光源(例如，「閃光」)。舉例來說，第八圖繪出一示例弧光燈(220)的一剖面圖。舉例來說，該弧光燈(220)可以是一暢噴弧光燈，其中加壓的氬氣(或其他適當氣體)在一電弧放電期間被轉換成高壓電漿。電弧放電是在一石英管(225)內一帶負電陰極(222)與一間隔放置之帶正電陽極(230)之間發生(例如，相距間距約300mm)。一旦陰極(222)與陽極(230)之間的電壓達到氬氣或其他適當氣體的崩潰電壓(例如，約30kV)，就形成一穩定、低感應的電漿，其發射在電磁頻譜之可見光及紫外線值域內的光線。如第九圖所示，燈具可包含一燈反射器(262)，可被用來反射由該燈具提供的光線，以供半導體基板(60)的處理。
第十及第十一圖繪出依據本案之示例具體實施例的一示例毫秒退火系統(80)之弧光燈(220)示例操作的諸觀點。更明確地說，一電漿(226)係被包含在一石英管(225)內，其由內側藉由一水壁(228)接受水冷卻。水壁(228)是在燈具(200)的陰極端以高流速注入並在陽極端排出。氬氣(229)也是如此，在陰極端進入燈具(220)並從陽極端排出。形成水壁(228) 的水，係垂直燈具軸注入，以致於離心力產生一水渦流。因此，沿著燈具的中線形成一通道供氬氣(229)使用。氬氣柱(229)以和水壁(228)相同的方向旋轉。一旦電漿(226)形成，水壁(228)即保護石英管(225)並拘限電漿(226)至中央軸線。僅水壁(228)和電極(陰極(230)和陽極(222))與高能電漿(226)直接接觸。
第十一圖繪出一與依據本案一示例具體實施例的弧光燈搭配使用的示例電極(例如，陰極(230))之剖視圖。第十一圖繪出一陰極(230)。然而一類似構造可被用於陽極(222)。
某些具體實施例中，由於電極經歷高熱負載，一或多個電極可各自包含一尖端(232)。該尖端可由鎢製成。該尖端可被耦合至及(或)熔燒至一水冷卻銅散熱器(234)。該銅散熱器(234)可包含至少一部分的電極之內部冷卻系統(例如，一或多個水冷卻通道(236))。電極可進一步包含一黃銅基座(235)，其具有水冷卻通道(236)以供水或其他液體循環並冷卻電極。
用在依據本案之觀點的示例毫秒退火系統中的弧光燈，對於水及氬氣可以是一開放流系統。然而，為維護之故，某些具體實施例中兩媒材均可在一封閉迴路中循環。
第十二圖繪出用於供應水及氬氣的一示例封閉迴路系統(300)，此係依據本案示例具體實施例的毫秒退火系統中所使用開放流氬氣弧光燈操作所需。
更明確地說，高純度水(302)和氬氣(304)被注入燈具(220)。高純度水(302)係用於水壁以及電極冷卻。離開燈具的是氣/水混合物(306)。在可被重新注入燈具(220)的進氣口之前，此水/氣混合物(306)是藉由分離器(310)分成不含氣體的水(302)以及乾燥的氬氣(304)。為產生所需的跨燈具(220)壓力降，氣/水混合物(306)係藉由水驅動噴射幫浦(320)來加壓。
一高功率電幫浦(330)供應水壓以驅動燈具(220)內的水壁、用於燈具電極的冷卻水，以及用於噴射幫浦(320)的驅動流。噴射幫浦(320)下游的分離器(310)可被用來從混合物抽出液相及氣相(氬)。重新進入燈具(220)之前，氬氣係在一聚結濾器(340)當中經過進一步乾燥。若有所需，額外的氬氣可從氬氣源(350)供應。
水係穿過一或多個顆粒濾器(350)以移除由電弧濺入水中的顆粒。離子污染物是藉由離子交換樹脂移除。一部分的水流過混合床離子交換濾器(370)。通到離子交換旁通(370)的入水口閥門(372)，可藉由水的電阻率受到控制。若水的電阻率降到低於一較低數值，閥門(372)被開啟，若它達到一較高數值則閥門(372)被關閉。系統可包含一活性碳濾器旁通迴路(380)，在此處一部分的水可被額外過濾以移除有機污染物。為維持水溫，水可通過一熱交換器(390)。
依據本案示例具體實施例的毫秒退火系統，可包含獨立測量兩表面(例如，頂面及底面)溫度的能力。第十三 圖繪出用於毫秒退火系統(200)的一示例溫度測量系統(150)。
第十三圖中顯示的是毫秒退火系統(200)的一簡化代表圖。半導體基板(60)兩表面的溫度，皆可藉由溫度感測器獨立地測量，例如像是溫度感測器(152)和溫度感測器(154)。溫度感測器(152)可測量半導體基板(60)一頂面的溫度。溫度感測器(154)可測量半導體基板(60)一底面的溫度。某些具體實施例中，測量波長約1400nm的窄幅高溫計感測器，能夠作為溫度感測器(152)及(或)(154)，以測量(例如像是)半導體基板(60)中心區域的溫度。某些具體實施例中，溫度感測器(152)和(154)可以是超快速輻射計(UFR)，其具有足夠快速的取樣速率，以解析由閃光加熱所造成的毫秒溫度峰值。
溫度感測器(152)和(154)的讀數可經放射率補償。如第十三圖所示，放射率補償架構可包含一偵錯閃光燈(156)、一參照溫度感測器(158)，以及經配置以測量半導體晶圓的頂面和底面的溫度感測器(152)和(154)。偵錯加熱和測量可配合偵錯閃光燈(156)(例如，一測試閃光燈)使用。從參照溫度感測器(158)而來的測量值，可被用來作為溫度感測器(152)和(154)的放射率補償。
某些具體實施例中，毫秒退火系統(200)可包含水窗。水窗可提供一濾光器，其抑制溫度感測器(152)和(154)之測量頻帶當中的燈具輻射，以至於溫度感測器(152)和(154)僅測量從半導體基板而來的輻射。
溫度感測器(152)和(154)的讀數可被提供至一處理器電路(160)。處理器電路(160)可被放置在該毫秒退火系統(200)的外殼內，雖然可替換地該處理器電路(160)可遠離毫秒退火系統(200)放置。若有所需，本文所描述的各種功能可藉由一單獨處理器電路實施，或藉由本機及(或)遠端處理器電路的其他組合實施。
溫度感測器(152)和(154)的讀數，可被處理器電路(160)用來判定橫跨基板的溫度分佈。該溫度分佈可提供基板在橫跨基板表面各個位置的溫度測量。溫度分佈可提供基板在處理期間之熱均勻性的測量。如後文詳述，顯示溫度分佈的資料可被用來改善熱均勻性，此係藉由：(1)改變毫秒退火系統之處理室內部的壓力；(2)藉由毫秒退火系統中一水窗之折射效應，操控照射分佈；(3)晶圓的角度位置；及(或)(4)配置毫秒退火系統中所使用反射器的形狀及(或)位置。
透過處理室壓力控制之示例均勻性改善
依據本案的示例觀點，在一毫秒退火系統中處理期間，一半導體基板的溫度均勻性，可藉由改變處理室內的壓力得到改善。處理室內的壓力，可影響處理室內的處理氣體流動模式，改變晶圓上不同區域的對流冷卻分佈。
毫秒退火系統內的處理室可在大氣壓力下操作。處理室可對環境大氣密封，以實現該處理室內的一超純淨氣體周圍。處理室內的壓力可在由該水窗之石英片的機械穩定度所 限定的範圍內加以修正。例如說，容許壓力值域可以是以大氣壓為基準的約+2kPa至約-2kPa。
舉例來說，在某些具體實施例中，在一毫秒退火系統中熱處理基板的一方法可包含：取得顯示與一或多個基板在一毫秒退火系統處理期間相關聯之溫度分佈的資料。溫度分佈可提供基板在處理期間之熱均勻性的測量。溫度分佈可提供基板上各點的溫度。顯示出一或多個基板之溫度分佈的資料，可經分析，以判定處理期間之溫度分佈的任何不均勻性。為解決不均勻性，處理室內的壓力可經調整，以導致跨一或多個基板的溫度均勻性。
某些具體實施例中，可取得顯示一基板在處理期間之溫度分佈的資料。溫度分佈圖中所識別出來的不均勻，可觸發在該半導體基板處理期間的壓力調整。如此一來，依據測得溫度分佈的一封閉迴路壓力控制，可用來調整一晶圓在處理期間的溫度均勻性。
第十四圖係繪出一示例氣流系統的圖式，其係用於調整一依據本案之示例具體實施例的示例毫秒退火系統之處理室(200)內的壓力。處理室(200)可以是一暢流系統，其中處理氣體係經由位在處理室(200)頂部角落的進氣口埠，持續地從進氣口(302)進入處理室。處理氣體可經由位在處理室底部角落的排氣口埠離開處理室(200)。排氣口埠下游，四條排氣管可結合成一單獨的下游管線(304)。下游管線(304)可被連 接至一下游廢氣導管(340)。下游廢氣導管(340)可提供要從處理室排放處理氣體所必需的相對於該處理室的一壓差P△。藉由改變壓差P△，處理室內的壓力可受調整。
某些具體實施例中，壓差P△可藉由一控制器(320)來調整。控制器(320)可以是任何適當的控制裝置，例如像是一或多個處理器電路，執行儲存於一或多個記憶體裝置內的電腦可讀取指令。用於該控制器(320)的一控制變數，可以是安裝至該處理室的一壓力感測器(315)。壓力感測器(315)可測量處理室(200)內的壓力，並可透過一適當通信媒介，將顯示該壓力的信號傳送至控制器(320)。
控制器(320)的驅動器可以是位在排氣歧管內的一閥門(325)(例如，一蝶形閥)，其改變氣流阻力，且因此改變下游管線(304)的壓差。低氣流阻力可降低處理室壓力。高氣流阻力可增加處理室壓力。用於控制器(320)的壓力設定點，可藉由一使用者加以定義，舉例來說，依據橫跨該基板的一溫度分佈。控制器(320)可經配置，以便依據從壓力感測器而來的信號而控制壓力，進而達到壓力設定點。某些具體實施例中，壓差可藉由被動機械式限制(例如，限流孔、氣閘或阻流板)，或藉由設定外部廢氣管線的壓力而受到調整。
處理室內的壓力，可影響處理室內處理氣體的流動模式。因此，藉由依據本案之示例具體實施例調整處理室內的壓力，晶圓上不同區域的對流冷卻分佈可得到調整。
調整壓力也會影響毫秒退火系統中穿過水窗所提供燈光的照射分佈。舉例來說，某些具體實施例中，毫秒退火系統中處理期間一半導體基板的溫度均勻性，可依據毫秒退火系統中所用水窗的折射效應，藉由調整照射分佈而得到改善。一水窗在其正常狀態下是一平面-平行的玻片，具有如下堆疊順序：(1)石英；(2)水；(3)石英。水可流經兩石英片的夾層。翹曲該堆疊，可造成水窗如同一透鏡發揮作用，讓燈光穿過水窗，調整通過水窗的照射分佈。
某些具體實施例中，水窗的翹曲，可藉由增加或減少處理室內的壓力而達成。如前文所討論，處理室內的壓力，可在由該水窗之石英片的機械穩定度所限定的範圍內加以修正。例如說，容許壓力值域可以是以大氣壓為基準的約+2kPa至約-2kPa。由於水窗內流動的冷卻水是處於十分接近大氣壓力的穩定壓力，處理室內的壓力變化會影響水窗的內側石英片。這會造成水層中央至邊緣的厚度變化。
更明確地說，第十五及十六圖繪出一水窗(260)，其具有一內側玻片(282)及一外側玻片(284)。內側玻片(282)和外側玻片(284)可由(例如)石英製成。水可在內側玻片(282)與外側玻片(284)之間流動。內側玻片(282)可相對於外側玻片(284)放置得更靠近毫秒退火系統的處理室。
如第十五圖所示，以相對大氣壓的正處理室壓，水窗(260)的內側玻片(282)向外彎(例如，遠離處理室)，造成 對光具有散焦效果的一凸面水層。如第十六圖所示，以相對大氣壓的負處理室壓，水窗(260)的內側玻片(282)向內彎(例如，朝著處理室)，造成對光具有聚焦效果的一凸面水層。
藉由晶圓角度位置達成之示例均勻性改善
依據本案的示例觀點，一具有佈局圖案裝置晶圓(例如，一產品晶圓)在毫秒退火系統中處理期間的溫度均勻性，可藉由角度晶圓定位得到改善。一產品晶圓有時可包含數百晶粒以一陣列的形式安排於該晶圓的前表面上。
舉例來說，第十七圖係繪出一示例產品晶圓(500)的圖式，其具有以一陣列安排的多個裝置。由於矽是一晶體，晶粒可順著晶格的主要軸線加以定向。最常見的就是，晶圓表面係沿著矽晶格面[110]來切割。晶圓具有一凹口(502)，標示晶格<110>定向。晶粒排列導致側向變化的光線吸收能力。因此，晶粒陣列將不均勻光吸收特性加至晶圓表面。
第十八圖繪出一代表圖(510)，其係毫秒退火系統中一晶圓之照射的示例殘餘不均勻性的圖式。如第十八圖所示，處理室可具有一殘餘的、固有的照射不均勻性，導致一側向晶圓溫度不均勻性。此固有的照射不均勻性，可(舉例來說)由於燈具定向、反射器位置以及毫秒退火系統的其他組件所致。
依據本案示例觀點的毫秒退火系統，可使用一固定、非旋轉式的晶圓支撐配置。因此，角度晶圓定向可被用來 最佳化或改善溫度均勻性，此係藉由至少部分依據處理室固有的照射模式對齊所致。
更明確的說，在某些具體實施例中，在一毫秒退火系統中熱處理基板的方法，可包含取得顯示與一或多個基板在一毫秒退火系統處理期間相關聯之溫度分佈的資料。顯示一或多個基板之溫度分佈的資料，可經分析，以判定處理期間的任何溫度分佈不均勻性。為解決不均勻性，處理室內一或多個晶圓的角度定位，可經調整，以達成跨該等一或多個基板的溫度均勻性。
第十九圖係繪出位在一處理室(200)內的一產品晶圓(500)的圖式。如圖中所示，晶圓(500)可被放置在相對於處理室且相對於燈具不同的角度定向。第十九圖的示例中，晶圓(500)係如此地放置致使其凹口(502)位在凹口對齊角θ。因此，吸收圖案和照射圖案之間的相互作用，可藉由調整晶圓(500)的角度定向而加以強化。
某些具體實施例中，產品晶圓在被放在毫秒退火系統的裝卸系統之前，可經凹口對齊。凹口對齊角θ可決定處理室內的角度定向。晶圓定向可依據相對於處理室主軸(例如，由壁面所給定)的凹口位置來測出。其他具體實施例中，凹口對齊可在處理室內實施，例如說，藉由凹口對齊站或藉由整合至一自動機的一凹口對齊器。
某些實施例中，晶圓可由安裝至一晶圓支撐板的 石英銷加以支撐。用於支撐晶圓之支撐銷的數目，可在三個至六個或更多個之間變化。一常見的晶圓支撐架構，使用四個支撐銷，安排成一等距於晶圓中央的正方形。通常來說，支撐銷可造成一局部冷點。而且支撐銷可誘發一機械性的應力模式。藉由晶圓相對於支撐銷的角度定向，支撐銷的負向衝擊可被移至更有益於該晶圓的區域。而且，藉由將接觸點偏移主要晶格軸線，晶圓應力可被緩和。
舉例來說，第二十圖係繪出處理室(200)內一晶圓(500)的圖式，其中示出支撐銷(212)相對於晶圓(500)的位置。晶圓(500)相對於支撐銷(212)的角度定向，可藉由將支撐銷(212)放在相對於晶圓(500)不同的位置而減低支撐銷(212)的影響。
藉由反射器之形狀及位置達成均勻性改進
依據本案的示例具體實施例，一半導體基板在一毫秒退火系統中處理期間的溫度均勻性，可部分依據該毫秒退火系統處理室內一或多個反射器的形狀得到改善。舉例來說，一頂部楔形反射器及(或)一或多個邊緣反射器，可具有一形狀及(或)配置，其係經設計以改進熱均勻性。小尺寸的反射器可被用來減低毫秒退火系統中處理室的殘餘不均勻性。
在某些具體實施例中，在一毫秒退火系統中熱處理基板的一方法可包含：取得顯示與一或多個基板在一毫秒退火系統處理期間相關聯之溫度分佈的資料。顯示一或多個基板 之溫度分佈的資料可經分析，以判定處理期間的任何溫度分佈不均勻性。為解決不均勻性，處理室內一或多個晶圓的形狀、配置以及(或)位置可經調整，以達成跨該等一或多個基板的溫度均勻性。
第二十一圖係繪出一毫秒退火系統的橫切面剖視圖，顯示出毫秒退火系統內的處理室中，頂部楔形反射器(274)及邊緣反射器(264)的位置。頂部楔形反射器(274)可在處理室壁面上靠近晶圓平面板放置。頂部楔形反射器(274)可以是楔形。邊緣反射器(264)可被放置在晶圓平面板上並可在處理期間圍繞一基板。
某些具體實施例中，可有兩個頂部楔形反射器(264)被放置在毫秒退火系統一處理室的頂處理室中的處理室壁面上。頂部邊緣反射器(264)可被用來控制垂直於燈具主軸的照射分佈。某些具體實施例中，楔形反射器(264)可被安裝在處理室上半部，沿著面對門並面對處理室後端之鏡片底緣。
通常來說，晶圓溫度分佈在晶圓邊緣垂直於燈具定向處具有冷區。這些冷點的尺寸及強度可受楔形反射器(264)影響。毫秒退火系統可具有個別激發各個頂部燈具閃光釋放的能力。此能力主要應用於形塑閃光事件的時間-溫度分佈圖。此能力有一副作用，即照射圖案係隨時間而局部改變，這起因於頂部燈具是在相對於晶圓的不同位置。如此可對晶圓邊緣之冷點的尺寸有所作用，此係依靠燈具的激發順序而定。 使用具最佳化角度的楔形可補償這些效應。
第二十二圖係繪出具有變化楔角的示例頂部楔形反射器(264)的圖式。更明確地說，第二十二(a)圖繪出具有0°楔角的一頂部楔形反射器(264)。第二十二(b)圖繪出具有10°楔角的一頂部楔形反射器。藉由改變楔角，射至邊緣區域的光量可受控制。某些具體實施例中，楔形反射器(264)可被安裝至一馬達或其他機械裝置，其可經組態用以調整楔形反射器(264)的楔角及(或)位置。舉例來說，控制器可實時回應基板的溫度測量值，調整楔形反射器楔角以提供更均勻處理。
某些具體實施例中，楔角可藉由切削各零件而預先設定。均勻性的最佳化可藉由將一具有所選楔角的適當楔形安裝到該處理室而加以實施。其他具體實施例中，楔角可藉由以墊片偏斜楔形，或藉由固定螺釘而設定。某些具體實施例中，照射分佈係藉由額外地改變楔形高度及楔形反射率加以操控。
第二十三圖係繪出示例照射分佈改進的圖式，此係藉由調整頂部楔形的楔角從5°楔角成為1°楔角。更明確地說，第二十三(a)圖係繪出在一處理室內處理之晶圓的溫度分佈，該處理室有數個具5°楔角的頂部楔形反射器。如圖中所示，由於減量的照射，晶圓可在該晶圓邊緣具有冷點(520)。第二十三(b)圖係繪出在一處理室中處理之晶圓的溫度分佈之圖式，該處理室有數個具1°楔角的頂部楔形反射器。如圖中 所示，晶圓邊緣(525)的溫度更均勻，且冷點的出現已被減量。
操控晶圓邊緣之照射量的另一方法是藉由邊緣反射器(274)的位置、形狀以及反射率。第二十四圖係繪出用在處理室中四個邊緣反射器(274)的透視圖。邊緣反射器(274)可將光線從底部燈具重新引導至晶圓邊緣。邊緣反射器(274)的反射率，可藉由把刻槽(276)切入反射平面而加以修飾。刻槽面積對上剩餘反射器面積的比值，決定反射率的量。
第二十五圖係繪出使用在毫秒退火系統中一標準邊緣反射器(274)的直線輪廓之圖式。依據本案之示例具體實施例，一晶圓的溫度均勻性可藉由將輪廓形狀從線性轉換成抛物線或其組合，以及(或)藉由晶圓的相對位置加以修正。如此做法決定了晶圓邊緣受熱區的尺寸及位置。
更明確地說，第二十六(a)圖繪出藉由一具有直線輪廓(274.2)之邊緣反射器(274)而照到一基板(60)的光線反射。第二十六(b)圖繪出藉由具有抛物線和直線輪廓組合(274.4)之邊緣反射器(274)，照到一基板(60)的光線反射。第二十六(c)圖繪出藉由一具有抛物線和直線輪廓組合(274.4)之邊緣反射器(274)，照到一基板(60)的光線反射，但其具有相對於基板調整過的位置。
某些具體實施例中，邊緣反射器(274)可被安裝至一馬達或其他機械裝置，其可經組態用以調整邊緣反射器的位置及(或)表面輪廓。舉例來說，控制器可實時回應基板的溫 度測量值，調整一或多個邊緣反射器的位置以提供更均勻處理。
雖然本發明標的係相關於其特定示範性具體實施例作詳細描述，應可理解的是，那些熟悉此技術領域者一旦瞭解前文的解說，可輕易地對這些具體實施例進行改造、變化以及製造產生等效物。因此，本案的揭露範圍僅係舉例而非對其設限，且主題揭示並不排除將那些對於此技術領域具通常知識者而言可輕易得見之本發明標的此等修飾、變化與/或增添等納入其中。
200‧‧‧處理室
300‧‧‧封閉迴路系統
302‧‧‧進氣口
304‧‧‧下游管線
315‧‧‧壓力感測器
320‧‧‧控制器
325‧‧‧閥門
340‧‧‧下游廢氣導管

Claims (20)

  1. 一種在一毫秒退火系統中熱處理一基板的方法，其包含：取得顯示與一或多個基板在一毫秒退火系統處理期間相關聯之溫度分佈的資料，該毫秒退火系統具有一晶圓平面板，將該處理室區分成一頂處理室和一底處理室；以及至少部分依據顯示溫度分佈的資料，調整處理室內部壓力，以造成跨一或多個基板的溫度均勻性。
  2. 如申請專利範圍第1項的方法，其中調整壓力包含在該等一或多個基板至少其中之一的處理期間，調整處理室內的壓力，以調整該等一或多個基板至少其中之一的溫度分佈。
  3. 如申請專利範圍第1項的方法，其中該壓力係在相對於大氣壓力為約+2kPA至約-2kPA的值域範圍內加以調整。
  4. 如申請專利範圍第1項的方法，其中調整該處理室內的壓力包含，調整該處理室與一經配置而使處理氣體流過該處理室的氣流系統下游管線之間的壓差，該下游管線位在該處理室內的一或多個排氣口之下游。
  5. 如申請專利範圍第4項的方法，其中調整壓差包含調整被放置在該下游管線的一閥門。
  6. 如申請專利範圍第5項的方法，其中該閥門係依據從一經配置以測量處理室內壓力的壓力感測器而來的一或多個信號，藉由一或多個控制器而加以調整。
  7. 如申請專利範圍第1項的方法，其中該壓力係經調整，以影響該處理室內一處理氣體的流動模式。
  8. 如申請專利範圍第1項的方法，其中調整該處理室內的壓力包含，依據該處理室內的壓力翹曲一水窗。
  9. 如申請專利範圍第8項的方法，其中該水窗包含一內側玻片以及一外側玻片，其具有水在該內側玻片與該外側玻片之間流動，該內側玻片係相對於該外側玻片更接近該處理室放置。
  10. 如申請專利範圍第9項的方法，其中該水窗係經翹曲，以致於水窗的內側玻片彎離處理室，以提供對於燈光的散焦效應。
  11. 如申請專利範圍第9項的方法，其中該水窗係經翹曲，以致於水窗的內側玻片彎向處理室，以提供對於燈光的聚焦效應。
  12. 一種在一毫秒退火系統中熱處理一基板的方法，其包含：取得顯示與一或多個基板在一毫秒退火系統處理期間相關聯之溫度分佈的資料，該毫秒退火系統具有一晶圓平面板，將該處理室區分成一頂處理室和一底處理室；至少部分依據該溫度分佈，調整該毫秒退火系統內一邊緣反射器或一楔形反射器其中一或多個的形狀、配置或位置。
  13. 如申請專利範圍第12項的方法，其中該楔形反射器係放置在靠近該晶圓平面板的一處理室壁面上。
  14. 如申請專利範圍第13項的方法，其中調整該毫秒退火系統中一邊緣反射器或一楔形反射器其中一或多個的形狀、配置或位置，包含調整用於該楔形反射器的一楔角。
  15. 如申請專利範圍第13項的方法，其中調整該毫秒退火系統中一邊緣反射器或一楔形反射器其中一或多個的形狀、配置或位置，包含調整用於該楔形反射器的一高度。
  16. 如申請專利範圍第13項的方法，其中該邊緣反射器係放置在該晶圓平面板內。
  17. 如申請專利範圍第12項的方法，其中調整該毫秒退火系統中一邊緣反射器或一楔形反射器其中一或多個的形狀、配置或位置，包含調整用於該邊緣反射器的一表面輪廓。
  18. 如申請專利範圍第12項的方法，其中調整該毫秒退火系統中一邊緣反射器或一楔形反射器其中一或多個的形狀、配置或位置，包含在處理基板期間，以一或多個控制器，調整該楔形反射器相對於該基板的位置。
  19. 一種在一毫秒退火系統中熱處理一基板的方法，其包含：取得顯示與一或多個基板在一毫秒退火系統處理期間相關聯之溫度分佈的資料，該毫秒退火系統具有一晶圓平面板，將該處理室區分成一頂處理室和一底處理室，該晶圓平面板包含一非旋轉式基板支撐；判定一角度位置，用於一裝置基板在該毫秒退火系統之一處理室內的放置，該角度位置係至少部分依據該溫度分佈來判定。
  20. 如申請專利範圍第19項的方法，其中該角度位置，係至少部分依據該毫秒退火系統中一或多個支撐銷的位置來判定。
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