TW201729294A - 弧燈的電極端 - Google Patents

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Abstract

使用於弧燈的電極端的，例如，一毫秒退火系統係被提供。一示範性實例中，使用於一弧燈的一電極可以具有一電極端。該電極端的表面可以具有一或更多的槽以減少熔料橫跨該電極端的該表面的傳輸。該電極可以包括一於該電極端及一散熱體間的一界面。該界面可以具有一形狀，其設計成於穿過該電極端的該表面時具有一理想橫向溫度分佈。

Description

弧燈的電極端
本申請案請求2015年12月30日提申之美國專利臨時申請案第62/272,921號的優先權權益，該申請案名稱係”Lamp Electrode Tip for a Millisecond Anneal System”。
本發明一般關於弧燈使用，例如，使用於複數的處理基板的毫秒退火熱處理室。
毫秒退火系統能夠使用於半導體處理，而進行複數的基板的超快熱處理，例如矽晶圓。半導體處理時，快速熱處理能夠被使用作為一退火步驟以修復佈植損傷，改善複數的沈積層的品質，改善複數的層界面的品質，以活化摻雜物，並達到其他效果，同時，控制複數的摻雜物種類的擴散。
複數的半導體基板的毫秒，或超快溫度處理可以使用一密集而短暫的光的曝照以於超過每秒104℃的速率加熱該基板的整個頂表面來達到。僅在該基板一表面上的快速加熱能夠通過該基板的厚度產生一巨大溫度梯度，同時該基板的主體維持光曝照前的溫度。因此，該基板的該主體作為一散熱體，造成該頂表面的快速冷卻速率。
本發明實施例的觀點及優點，將部份地敍述於下文，或可由該敍述來習得，或可經由實施例之實行來取習得。
本發明一示範性觀點，係針對一毫秒退火系統。該系統可以包括一處理室，用於使用一毫秒退火處理來熱處理一半導體基板。該系統可以包括一或更多的弧燈熱源。每一的一或更多弧燈熱源可以包括一複數的電極，其用於在一弧燈中通過一氣體產生一弧光，而產生一電漿。至少該複數的電極的其中之一具有一電極端(例如，由鎢形成)，其具有一表面與至少一槽以減少熔料橫跨該電極端的該表面的橫向傳輸。
本發明另一示範性觀點，係針對一弧燈。該弧燈可以包括一複數的電極及一或更多的入口組態以接收水，而在操作時保持流通通過該弧燈。該一或更多的入口可以被組態以接收一氣體。在該弧燈操作時，該氣體可以於一弧光在該複數的電極間放電時被轉變為一電漿。至少該複數的電極的其中之一可以具有一電極端。該電極端可以具有一表面與至少一槽以減少熔料橫跨該電極端的該表面的橫向傳輸。
本發明另一示範性觀點，係針對一弧燈。該弧燈可以包括一複數的電極及一或更多的入口組態以接收水，而在操作時保持流通通過該弧燈。該一或更多的入口可以被組態以接收一氣體。在該弧燈操作時，該氣體可以於一弧光在該複數的電極間放電時被轉變為一電漿。至少該複數的電極的其中之一可以具有一電極端及一散熱體。該電極可以具有一於該電極端及凹面或凸面的該散熱體間的一界面。
對本發明示範性觀點，能夠進行變型及修改。本發明其他示範性觀點，係針對被用來熱處理半導體基板的系統、方法、裝置及處理。
這些及其他許多實施例的特色、觀點與優點，在參考後文描述及附圖之下，將更佳地讓人明瞭。合併在本文中並解釋為本說明書一部份的附圖，係用來圖解本發明的實施例，其連同本說明書，用來解釋相關的原理。
60‧‧‧Semiconductor substrate 半導體基板
80‧‧‧Millisecond anneal system 毫秒退火系統
100‧‧‧Temperature profile 溫度曲線
102‧‧‧Ramp phase 傾斜相
110‧‧‧Window 視窗
112‧‧‧Curve 曲線
114‧‧‧Curve 曲線
116‧‧‧Curve 曲線
150‧‧‧Temperature measurement system 溫度測量系統
152‧‧‧Temperature sensor 溫度感測器
154‧‧‧Temperature sensor 溫度感測器
156‧‧‧Diagnostic flash 診斷閃光
158‧‧‧Temperature sensor 溫度感測器
160‧‧‧Processor circuit 處理器電路
200‧‧‧Process chamber/Lamp/Millisecond anneal system 處理室、燈、毫秒退火系統
202‧‧‧Top chamber 頂室
204‧‧‧Bottom chamber 底室
210‧‧‧Wafer plane plate 晶圓平面板
212‧‧‧Support pins 支架針
214‧‧‧Wafer support plate 晶圓支架板
220‧‧‧Arc lamps/Top arc lamps/Top lamp array/Lamp array/Upper arc lamps/Lamp 弧燈、頂弧燈、頂燈陣列、燈陣列、上弧燈、燈
222‧‧‧Negatively charged cathode 負電性陰極、陰極
225‧‧‧Quartz tube 石英管
226‧‧‧Plasma 電漿
228‧‧‧Water wall 水壁
229‧‧‧Argon gas/Argon gas column 氬氣、氬氣體柱
230‧‧‧Positively charged anode 正電性陽極、陽極
232‧‧‧Electrode tip/Tip/Electrode 電極端、尖端、電極
234‧‧‧Water cooled copper heat sink/Copper heat sink/Heat sink 水冷式銅散熱體、銅散熱體、散熱體
235‧‧‧Brass base/Interface 黃銅基底、界面
236‧‧‧Water cooling channels 水冷通道
240‧‧‧Continuous mode arc lamps/Bottom arc lamps/Bottom lamp array/Lamp array/Bottom lamps 連續模式弧燈、底弧燈、底燈陣列、燈陣列、底燈
250‧‧‧Process chamber walls 處理室壁
252‧‧‧Upper chamber wall 上室壁
254‧‧‧Lower chamber wall 下室壁
260‧‧‧Water windows 水視窗
262‧‧‧Reflector 反射器
270‧‧‧Reflective mirrors 反射鏡
272‧‧‧Wedge reflector 楔形反射器
274‧‧‧Reflective element 反射元件
302‧‧‧Center region/Center portion 中央區域、中央部分
304‧‧‧Edge/Lateral portion 邊緣、橫向部分
310‧‧‧Molten material 熔料
312‧‧‧Concentric circular grooves/Circular grooves/Groove/Electrode tip 同軸環狀槽、環狀槽、槽、電極端
314‧‧‧Concentric circular grooves/Circular grooves 同軸環狀槽、環狀槽
320‧‧‧Intersecting linear grooves/Linear grooves 交叉線型槽、線型槽
330‧‧‧Intersecting linear grooves/Linear grooves 交叉線型槽、線型槽
對於一般熟習本項技藝人士而言係詳細的實施例討論，係參照附圖而敍述於說明書內，其中：第一圖係本發明示範性實施例的一示範性毫秒加熱曲線的一示意圖；第二圖係本發明示範性實施例的用於一毫秒退火系統的一溫度測量系統的一示意圖；第三圖係本發明示範性實施例的一示範性毫秒退火系統的部份的一示範性透視圖；第四圖係本發明示範性實施例的一示範性毫秒退火系統的一分解圖；第五圖係本發明示範性實施例的一示範性毫秒退火系統的一橫截面圖；第六圖係本發明示範性實施例的用於一毫秒退火系統的一複數的示範性燈的一示意圖；第七圖係本發明示範性實施例的用於一毫秒退火系統的一晶圓平面板中的複數的邊緣反射器的一示意圖；第八圖係本發明示範性實施例的用於一毫秒退火系統的一 複數的示範性楔形反射器的一示意圖；第九圖係本發明示範性實施例的用於一毫秒退火系統的一複數的示範性弧型燈的一示意圖；第十及十一圖係本發明示範性實施例的一示範性弧型燈的操作圖；第十二圖係本發明示範性實施例的一示範性電極的一橫截面圖；第十三圖係本發明示範性實施例的用於一毫秒退火系統的一功能為供應水及氬氣體至複數的示範性弧燈的示範性封閉環路系統；第十四圖係本發明示範性實施例的於一弧燈中的一示範性電極端的一前視圖；第十五圖係本發明示範性實施例的一電極端的一表面；第十六圖係本發明示範性實施例的一電極端的一表面；第十七圖係本發明示範性實施例的一電極端的一表面；第十八圖係本發明示範性實施例的一電極端的一表面；及第十九(a)-十九(d)圖係本發明示範性實施例的一電極中的鎢銅界面的複數的示範性形狀，其使一弧燈為該電極影響橫向溫度分佈。
現在詳細地參照實施例，其一或更多的例子係圖解於圖式中。每一個例子係為了解釋實施例而提供，而非本發明之限制。事實上，對於一般熟習本項技藝人士而言很明顯的是，在不離開本發明範圍或精神 之下，能夠完成許多實施例的修改及變型。例如，被圖解成或描述成一實施例的一部份特色，能被使到另一實施例，產生另一個實施例。因此，本發明的觀點旨在涵蓋這類的修改及變型。
概論
本發明的示範性觀點係針對延長弧燈的使用期，具體而言，一弧燈的陽極電極使用於，例如，一毫秒退火系統。基於解釋及討論的緣故，本發明的觀點係參照結合至毫秒退火系統來使用的弧燈來進行討論。利用在本文中所提供的揭示內容，一般熟習本項技藝人士將明瞭的是，本發明的複數的觀點，能夠與其他應用的弧燈共同使用，例如金屬處理者(如鋼表面熔化)，及其他應用。
此外，基於解釋及討論的緣故，本發明的觀點係參照”晶圓”或半導體晶圓來討論。利用在本文中所提供的揭示內容，一般熟習本項技藝人士將明瞭的是，本發明的示範性觀點，能夠與任何工件、半導體基板、或其他合適的基板，一起結合使用。結合有數值之字詞”約”的使用，係意指所述數值的10%範圍內。
複數的半導體晶圓的毫秒，或超快熱處理可以使用一密集而短暫的光(例如：一“閃光”)的曝照以於超過每秒104℃的速率加熱該晶圓的整個頂表面來達到。一典型的熱處理循環可以包括：(a)將一冷的半導體基板裝載至一室；(b)以，例如，氮氣體(大氣壓力)潔淨該室；(c)加熱該半導體基板至一中間溫度Ti；(d)當該晶圓的體積仍在Ti時，以光曝照毫秒加熱該半導體基板的該頂表面；(e)通過該半導體基板的該頂表面的傳導冷卻快速冷卻，該半導體基板的主體係導電耦合的散熱體；(f)隨著 該處理氣體在大氣壓力下作為冷卻劑，該半導體基板的該主體藉由熱輻射及對流來緩慢冷卻；及(g)將半導體基板運回晶舟。
如下所述，複數的弧燈可以用於加熱該半導體基板至一中間溫度Ti並以閃光提供毫秒加熱。位於該毫秒退火處理室底側的連續模式弧燈可用於將半導體基板加熱至中間溫度Ti。位於該毫秒退火處理室頂側的閃光弧燈可以提供用於該半導體基板的閃光加熱。
一些實施例中，該複數的連續模式弧燈，如同該複數的閃光弧燈，可以係複數的開放流動式(open flow)弧燈，當該弧光放電時，加壓氬氣體係被轉變至一高壓氬電漿。該弧光放電係發生於一負電性陰極及一相隔離的(例如：相隔約300mm)正電性陽極之間。一旦介於電極之間的電壓到達氬的崩潰電壓(例如：約30kV)，一穩定的、低傳導的氬電漿將立刻形成，其發射出可見光及光譜UV範圍的光。
該燈輻射的光能量的數額係藉由控制通過該弧光的電流來控制。為了維持該弧光，該燈可以被操作於一閒置模式，其於一大約20A電流並匹配大約3.8kW的電功率。為了提供光，該燈的電流可以被增加至大約500A(一大約175kW的電功率)。該電功率的大約50%被轉變成光。在該晶圓的熱處理期間，該燈的電流可以於閒置狀態及高電流狀態間改變。在晶圓的運輸及冷卻時複數的燈係於閒置模式中。
在複數的弧燈中，該電漿可以被容納於一石英管殼內，其係從內部藉由一水壁進行水冷卻。該水壁係以高流率於該燈的陰極端注入，並係於陽極端被排出。對於氬氣體亦然的是，其也係於陰極側進入該燈並由陽極側排出。該形成水壁的水係垂直於燈軸被注射，以致該離心作用產 生一水渦流。因此，沿著燈的中心線形成有一氬氣的通道。該氬氣柱能夠以相同於水壁的方向來旋轉。一旦一電漿已形成，該水壁能夠保護石英管，及限制該電漿於中心軸。僅該水壁及複數的該電極係與該高能量電漿直接接觸。
因為複數的該電極要經歷一高熱負載，複數的該端係由鎢製成，其係熔附至一水冷卻銅散熱體。該銅散熱體構成複數的該電極的一部份的內部冷卻系統，而另一部分被定位於該電極的黃銅基底中。第十二圖係本發明示範性實施例的一示範性冷卻系統，其係為一弧燈冷卻一陽極電極。一些實施例中，用於陽極電極的該冷卻系統中的複數的水冷卻通道在橫截面中可以係環狀或圓形的，以使從該陽極的一表面的蒸氣泡沫的傳輸更加容易。
於高電流時(例如：大於大約300A)，該電極的鎢端的頂層的熔化係難以避免的。該陽極電極的該鎢端可以於一高能量、高溫度、高壓力電漿下曝照。該端到達鎢的熔化溫度(例如：大約3422℃)，然而連接該銅散熱體的該界面係大約150℃。因此，通過該鎢端的厚度可以產生一巨大溫度梯度。
同時，也會產生橫跨該端的該表面的一橫向溫度梯度。鎢的熔化一開始發生在中央區域，然後來到該端的周邊、邊緣區域。氬氣體在該端上的高速作用，對中央的熔化鎢施加一橫向力。熔化鎢作為液滴傳輸至邊緣，而該中央變薄。在邊緣周邊，由於接觸角度的突然增加(例如：大於大約180°)，該液滴被固定。
在閒置模式階段期間，該熔化的鎢凝固並形成複數的珠子。 邊緣的大尺寸珠子的形成通常干擾該陽極周圍的氣體和水流，增加了磨損速率。對於每個熱處理循環，該鎢珠經歷熔化和固化。大液滴以小液滴為代價生長。高氣體流速對大液滴施加更大的力，增加傳輸至該邊緣的材料的數額。因此，該中央變薄及邊緣上大的珠子形成係隨時間而加速。
第十四圖係發生熔化的該電極端232的兩個區域的一圖示。該熔化首先於該中央區域302發生。該高氣體流速對在尖端中心形成的熔化鎢施加一橫向力，如右圖所示，導致熔料被傳輸至邊緣304，如圖14中的箭頭所示。
根據本發明的示範性實施例，該電極端的該表面的幾何結構係被修改以減少熔化的鎢傳輸至複數的橫向邊緣。更具體地，該電極端的該表面可以具有一或更多個溝以防止熔料的橫向傳輸。
例如，一示範性實施例中，一毫秒退火系統可以包括一處理室，用於使用一毫秒退火處理來熱處理一半導體基板。該系統可以包括一或更多的弧燈熱源。每一的一或更多弧燈熱源可以包括一複數的電極，其用於在一弧燈中通過一氣體產生一弧光，而產生一電漿。至少該複數的電極的其中之一具有一電極端(例如，由鎢形成)，其具有一表面與至少一槽以減少熔料橫跨該電極端的該表面的橫向傳輸。
一些實施例中，該至少一槽具有一圈，其被組態以起一障壁作用而減少熔料橫跨該電極端的該表面的該橫向傳輸一些實施例中，該至少一槽包括一環狀槽。一些實施例中，該至少一槽包括一複數的同軸環狀槽。一些實施例中，該至少一槽包括一複數的交叉線型槽。複數的該交叉線型槽可以形成一方形柵格模式。複數的該交叉線型槽可以形成一三角形 柵格模式。
一些實施例中，該電極於該電極端(例如：鎢電極端)與一散熱體(例如：銅散熱體)之間具有一界面。該界面於一些實施例中可以具有一凹面形狀。該界面於一些實施例中可以具有凹面形狀。
本發明另一示範性觀點，係針對一弧燈。該弧燈可以包括一複數的電極及一或更多的入口組態以接收水，而在操作時保持流通通過該弧燈。該一或更多的入口可以被組態以接收一氣體。在該弧燈操作時，該氣體可以於一弧光在該複數的電極間放電時被轉變為一電漿。至少該複數的電極的其中之一可以具有一電極端。該電極端可以具有一表面與至少一槽以減少熔料橫跨該電極端的該表面的橫向傳輸。
一些實施例中，該至少一槽具有一圈，其被組態以起一障壁作用而減少熔料橫跨該電極端的該表面的該橫向傳輸一些實施例中，該至少一槽包括一環狀槽。一些實施例中，該至少一槽包括一複數的同軸環狀槽。一些實施例中，該至少一槽包括一複數的交叉線型槽。複數的該交叉線型槽可以形成一方形柵格模式。複數的該交叉線型槽可以形成一三角形柵格模式。
一些實施例中，該電極於該電極端(例如：鎢電極端)與一散熱體(例如：銅散熱體)之間具有一界面。該界面於一些實施例中可以具有一凹面形狀。該界面於一些實施例中可以具有凹面形狀。
本發明另一示範性觀點，係針對一弧燈。該弧燈可以包括一複數的電極及一或更多的入口組態以接收水，而在操作時保持流通通過該弧燈。該一或更多的入口可以被組態以接收一氣體。在該弧燈操作時，該 氣體可以於一弧光在該複數的電極間放電時被轉變為一電漿。至少該複數的電極的其中之一可以具有一電極端及一散熱體。該電極可以具有一於該電極端及凹面或凸面的該散熱體間的一界面。
一些實施例中，該界面可以係一多面的凹面界面。一些實施例中，該界面可以係一圓形的凹面界面。一些實施例中，該界面可以係一多面的凸面界面。一些實施例中，該界面可以係一多面的凹面界面。一些實施例中，該電極端包括鎢並該三熱氣包括銅。
示範性毫秒退火系統
一示範性毫秒退火系統可以被組態以提供一密集而短暫的光的曝照而於，例如，超過每秒104℃的速率加熱一晶圓的整個頂表面來達到。第一圖圖解出一半導體基板使用一毫秒退火系統而達到的一示範性溫度曲線100。如第一圖所示，該半導體基板(例如：一矽晶圓)的主體係於一傾斜相102時被加熱至一中間溫度Ti。該中間溫度可以係於大約450℃至大約900℃的範圍中。當達到該中間溫度Ti時，該半導體基板的該頂側可以被曝照於一加熱速率相當於大約每秒104℃的非常短促、密集的閃光下。視窗110圖解該半導體基板在短而密集閃光期間的溫度曲線。曲線112代表半導體基板頂表面在閃光曝照期間的快速加熱。曲線116圖解該半導體基板在閃光曝照期間的殘餘溫度或主體溫度。曲線114代表快速冷卻，係藉由該半導體的該主體作為一散熱體，在半導體基板頂表面的傳導性冷卻。該半導體體積作為一散熱體，針對該基板產生一高頂側邊冷卻速率。曲線104代表半該導體基板主體的緩慢冷卻，係藉由熱輻射及對流，使用一處理氣體作為冷卻劑來進行。
一示範性的毫秒退火系統能夠包含一複數的弧燈(例如：四個氬弧燈)作為光源，可作為半導體基板頂表面的密集性毫秒長曝照-即所謂的”閃光”。當該基板已經被加熱至中間溫度時(例如：大約450℃~約900℃)，該閃光能夠被施加至該半導體基板。一複數的連續模式弧燈(例如：兩個氬燈)，可以用於加熱該半導體基板至該中間溫度。一些實施例中，該半導體基板加熱至中間溫度，可以透過於半導體底表面以加熱整個晶圓體主體的一傾斜速率來完成。
第二~五圖係依照本發明示範性實施例之數種毫秒退火系統80觀點例子的示意圖。如第二~四圖所示，一毫秒退火系統80可以包含一處理室200。該處理室200可以由一晶圓平面板210來分隔，成為一頂室202及一底室204。一半導體基板60(例如：一矽晶圓)，能夠由固設於一晶圓支架板214(例如：插入晶圓平面板210的石英玻璃板)上的支架針212(例如：石英支架針)來支撐。
如第二及四圖所示，該毫秒退火系統80可以包括一複數的弧燈220(例如：四個氬弧燈)，其被排列在頂室202附近，作為光源，用於密集性毫秒長之該半導體基板60的頂表面曝照(所謂”閃光”)。當該基板已經被加熱至中間溫度時(例如：大約450℃~約900℃)，該閃光能夠被施加至該半導體基板。
一複數的連續模式弧燈240(例如兩個氬弧燈)，係安置於底室204附近，可以用來加熱該半導體基板60至中間溫度。一些實施例中，該半導體基板60加熱至中間溫度，係由底室204透過該半導體基板的該底表面，以加熱該半導體基板60整個主體的一傾斜速率來完成。
如第三圖所示，來自底弧燈240(例如：用於加熱該半導體基板至一中間溫度)及來自頂弧燈220(例如：用於藉由閃光來提供毫秒加熱)的用於加熱該半導體基板60的光，能夠經由水視窗260(例如：複數的水冷卻石英玻璃窗)，進入該處理室200。一些實施例中，複數的該水視窗260可以包括兩個石英玻璃板的夾層，其間一個約4mm厚的水層，係由循環來冷卻該石英板，並提供一波長的光學過濾，例如，大約1400nm以上。
進一步如第三圖所示，處理室壁250可以包括複數的反射鏡270以反射加熱光。該反射鏡270可以係，例如，水冷卻的、抛光的複數的鋁板。一些實施例中，使用於該毫秒退火系統中的該弧燈主體可以包括用於燈輻射的反射器。例如第五圖圖示一頂燈陣列220及一底燈陣列240的立體透視圖，其皆可以使用於毫秒退火系統200。如圖所示，每一燈陣列220及240的主體可以包括一反射器262以用於反射該加熱光。複數的反射器262可以形成該毫秒退火系統80的該處理室200的反射表面的一部份。
該半導體基板的溫度均勻性，能夠藉由操縱在不同半導體基板區域內所落下的光密度來控制。一些實施例中，均勻性調諧係能夠藉由將小尺寸反射等級的反射器更換成主要反射器，及/或藉由使用被固設在晶圓周圍之晶圓支架平面上的邊緣反射器來完成。
例如，複數的邊緣反射器可以用來使光從複數的該底燈240轉向至該半導體基板60的邊緣。例如，第六圖圖示邊緣反射器264的例子，其形成一部份的晶圓平面板210，可以用來使光從底燈240轉向至該半導體基板60的該邊緣。該邊緣反射器264可以被安裝於晶圓平面板210上，並可包圍或至少部份地包圍該半導體基板60。
一些實施例中，複數的額外的反射器亦可以被安裝於靠近晶圓平面板210的室壁上。例如，第七圖圖示反射器的例子，其能夠被安裝於處理室壁上，作為用於加熱光的反射鏡。更具體地，第七圖顯示一被安裝於下室壁254的一楔形反射器272例子。第七圖亦圖示被安裝於一上室壁252之反射器270上的一反射元件274。該半導體基板60的處理均勻性，可以藉由改變該處理室200內的楔形反射器272、及/或其他反射元件(例如：反射元件274)的反射梯度來調諧。
第八~十一圖圖解上弧燈220的觀點例子，其能夠作為光源，用於密集性毫秒長曝照該半導體基板60的該頂表面(如”閃光”)。例如，第八圖係一示範性弧燈220的橫截面圖。該弧燈220可以，例如，係一開放流動式(open flow)弧燈，其中在弧光放電期間，該加壓的氬氣(或其他合適氣體)被轉變為高壓力電漿。弧光放電的發生，係於石英管225內，介於一負電性陰極230與一互相隔開之正電性陽極222之間(例如：相隔大約300mm)。一旦該正電性陽極222及該負電性陰極230之間的電壓到達氬的崩潰電壓(例如：大約30kV)或其他氣體者，一穩定而低傳導性的電漿就立刻形成，發射出可見光、及光譜UV範圍的光。如第九圖所示，該燈可以包括一燈反射器262，其能用來反射該燈提供來處理該半導體基板60的光。
第十及十一圖係依照本發明示範性實施例的毫秒退火系統80內的一弧燈220的示範性操作的示意圖。更具體地，一電漿226係收容於一石英管225內，其係藉由水壁228由內部來水冷卻。該水壁228係高流速注射至該燈200的陰極端，並於陽極端排放。對於氬氣229亦然相同的是，其亦於該陰極端進入該燈220，並從該陽極端排出。形成該水壁228的水，係垂直於 燈軸加以注射，以致於該離心作用產生一水渦流。因此，沿著燈的中央線係形成氬氣229所用的通道。該氬氣體柱229以相同於該水壁228的方向來旋轉。形成電漿226後，該水壁228保護該石英管225，並限制該電漿226於中央軸。只有該水壁228及複數的電極(陰極230及陽極222)係直接接觸該高能量電漿226。
第十一圖係依照本發明示範性實施例弧燈所用一示範性電極(例如：陰極230)的橫截面圖。第十一圖圖示一陰極230。然而，相似的結構亦能使用於該陽極222。
一些實施例中，如同經歷高熱負載的電極，一或更多的電極能夠分別包含一尖端232。該尖端能夠由鎢製成。該尖端能耦合到並/或融合至一水冷式銅散熱體234。該銅散熱體234可以包括至少一部份的電極內部冷卻系統(例如：一或更多的水冷通道236)。複數的該電極能進一步包括一具有水冷通道236的黃銅基底235，以提供水循環或其他流體循環，並冷卻電極。
使用於依照本發明觀點之示範性毫秒退火系統的弧燈，可以係一種針對水及氬氣的開放流動系統。然而，基於環保理由，此兩種介質都能夠在一些實施例的封閉環路系統中循環。一些實施例中，在該弧燈操作期間氮氣可以被注射進入該弧燈中，以控制該操作期間該循環流過弧燈之水的pH值。一水環路系統的例子，將在參照第十四圖之下，予以詳細討論。
依照本發明示範性實施例的毫秒退火系統，能包含獨立地測量半導體基板兩表面(例如：頂及底表面)溫度的能力。第十三圖圖示該 毫秒退火系統200所用的一示範性溫度測量系統150。
一毫秒退火系統200的簡化的代表，係圖示於第十三圖。該半導體基板60兩側的溫度，能夠獨立地藉由溫度感測器來測量，例如溫度感測器152及154。該溫度感測器152能測量該半導體基板60的一頂表面的一溫度。該溫度感測器154能測量半導體基板60的一底表面。一些實施例中，測量波長係約1400nm的窄幅示溫感測器，係能用來作為溫度感測器152及/或154測量，例如，該半導體基板60的一中央區的溫度。一些實施例中，該溫度感測器152、154可以係超快幅射計(UFR)，其取樣速率足夠高而可以解析由該閃光加熱造成的毫秒溫度峰值。
該溫度感測器152、154的讀數，可以係補償發射率(emissivity compensated)。如第十四圖所示，發射率補償計劃可以包括一診斷閃光156、參考溫度感測器158、及溫度感測器152、154，其係被組態以測量該半導體基板的該頂及底表面。診斷性加熱及測量，係可以使用診斷閃光156(例如：測試閃光)來進行。取自參考溫度感測器158的測值可以用來作為溫度感測器152及154之發射率補償。
一些實施例中，該毫秒退火系統200能可以包括複數的水視窗。複數的該水視窗可以提供一光學過濾，壓抑該溫度感測器152、154測量幅度內的燈輻射，以致該溫度感測器152、154僅測得來自該半導體基板的輻射。
溫度感測器152、154的讀數，可以被提供至一處理器電路160。該處理器電路160係位於該毫秒退火系統200的外罩內，雖然作為一種選擇，該處理器電路160可定位於距離該毫秒退火系統200遙遠的地方。如果 需要的話，本文所述的許多功能係可由單一處理器電路來執行，或藉由其他的局部及/或遠端處理器電路組合來執行。
一毫秒退火系統中的示範性燈電極端
根據本發明的示範性觀點，一陽極、陰極或其他使用於複數的弧燈的電極的壽命可以藉由減緩熔化鎢的材料損失來延長。該電極的使用期可以直接與該電極端的該中央的熔化鎢相關聯。根據本發明的示範性觀點，該電極的幾何結構係被組態以局部地將鎢保持在該端的該中央並防止從該中央至該端邊緣的傳輸。一附加效果可以係防止在該端的該邊緣周邊形成大的珠子，從而保持該陽極周圍的一不受干擾的流動模式。
本發明的一示範性實施例中，藉由修改該鎢端的表面的幾何形狀來減少熔化鎢的傳輸，使得表面包括一或更多的環狀槽。複數的環形凹槽的一目的可以係保持形成局部化的該珠子並用作熔料的橫向傳輸的一障壁。因此，材料的該輸送受到表面結構的限制。該傳輸係被減少直到熔化的液滴達到臨界尺寸，此時空氣動力支配粘附力，並該液滴流過該障壁。珠子尺寸可以通過流動的動作自動降低，並此過程可以在下一個障壁重複。結果，該熔料的停留時間可以在具有平坦表面結構的標稱情況下延長。
第十五圖圖示依照本發明示範性實施例的使用於一弧燈中的一電極端232的一表面如圖所示，該電極端的該表面包括一複數的同軸環狀槽312及314。該環狀槽312及312的邊緣可以用作對於橫跨該電極232的該表面，例如，從一中央部分302至一橫向部分304的熔料310(例如：熔化鎢)的流動的障壁。
第十六圖圖示複數的該槽的該邊緣作為熔料流的一障壁的 效果。更具體地，在多個熱循環之後，可以將臨界尺寸的鎢液滴傳輸至邊緣。第十六圖中的液滴號碼一、二、三、四可以指示在熔化鎢的傳輸期間產生固化的液滴。
第十六圖的實施例中，在電極端312的該表面中形成一單個槽312。傳輸限制係通過來自先前熱循環的液滴的凝固而產生的(例如：該端的該中央被先前的珠子產生的一壁包圍)。第十六圖圖示該槽312的該邊緣作為熔料流的一障壁的效果。更具體地，在多個熱循環之後，一臨界尺寸的鎢液滴係被傳輸至該邊緣。該號碼一、二、三及四指示複數的固化液滴的產生。
根據本發明的示範性觀點，一電極端的表面可以具有各種不同的凹槽模式，以削弱熔料從該電極端的一中央部分到該電極端的一邊緣部分的橫向流動。例如，一些實施例中，該電極端可以包括複數的同軸環狀槽。一些實施例中，複數的該同軸環狀槽不與該電極端的該中央等距。
一些實施例中，該槽模式可以包括橫跨該電極端的該表面設置的一複數的交叉線型槽。該複數的交叉線型槽可以形成一複數的線的柵格。複數的槽之間的交叉角度可以係，例如，於大約10°至180°的範圍中。
第十七圖圖示一示範性電極端232具有一複數的交叉線型槽320。該線型槽320以一大約90º的相交角彼此相交。複數的該線型槽320可以形成一方形柵格模式。
第十八圖圖示一示範性電極端232具有一複數的交叉線型槽330。該線型槽330以一大約60º的相交角彼此相交。複數的該線型槽330可以形成一三角形形柵格模式。
一些實施例中，用於一弧燈的一電極端及一電極的一散熱體之間的鎢-銅界面的形狀係經設計以影響橫跨該電極端的橫向溫度分佈。橫跨一電極端的表面的橫向熱分佈可以通過減少熔料在該表面上的流動以及通過降低熱負荷密度而影響陽極的壽命。
為了減少熔料橫跨該電極端的該表面上的流動，可能需要巨大橫向溫度梯度，其中該端的邊緣需比該端的該中央冷得多。在該端的該邊緣保持低於鎢的熔點的情況下，可以抑制熔料的橫向傳輸，並複數的液滴和珠子可以保持局部在該中央。
為了降低熱負荷密度，可以期望一低的橫向溫度梯度。利用一低的溫度梯度，該熱負荷均勻地橫跨於該端表面上，並減輕局部過熱。
橫跨該電極端的該表面的橫向溫度分佈可以係通過電極端傳導的熱量的函數。該熱傳導率可以係該電極端的該表面與該電極端和散熱體之間的界面耦合至該電極端之間的距離的函數。對於一平坦界面，由於幾何原因，用於熱傳導的距離從中央到邊緣增加。對於一凹面形狀界面，從中央到邊緣距離的增加較少，因此溫度梯度較低。反之對於凸面形狀界面亦然。
根據本發明的示範性觀點，電極端(例如：鎢電極端)及散熱體(例如，銅散熱體)之間的界面係多面的或圓形的。
第十九圖係鎢銅界面的複數的示範性形狀，其根據本發明的示範性觀點影響橫向溫度分佈。第十九(a)圖圖示介於該電極端232及該散熱體234之間的一多面、凹面的界面235。第十九(a)圖的該界面235可以被組態以減少橫跨該電極端232的一表面的一溫度梯度。第十九(b)圖圖示介 於該電極端232及該散熱體234之間的一圓形、凹面的界面235。第十九(b)圖的該界面235可以被組態以減少橫跨該電極端232的一表面的一溫度梯度。第十九(c)圖圖示介於該電極端232及該散熱體234之間的一多面、凸面的界面235。第十九(c)圖的該界面235可以被組態以增加橫跨該電極端232的一表面的一溫度梯度，其邊緣溫度較低，中央溫度較高。第十九(d)圖圖示介於該電極端232及該散熱體234之間的一圓形、凸面的界面235。第十九(d)圖的該界面235可以被組態以增加橫跨該電極端232的一表面的一溫度梯度，其邊緣溫度較低，中央溫度較高。
雖然本發明主題係詳細地相關於其具體實施例來描述，但一般熟習本項技藝人士在瞭解前文之下，將會贊同的是，這類實施例的許多改變、變型及等價者係能夠輕易完成。因此，本發明說明書揭示範圍僅係作為示範，而非作為限制，及該主要揭示內容並未排除而包含：對於一般熟習本項技藝人士而言係可輕易完成的本發明主題的這類修改、變型及/或添加。
230‧‧‧Positively charged anode 正電性陽極、陽極
232‧‧‧Electrode tip/Tip/Electrode 電極端、尖端、電極
234‧‧‧Water cooled copper heat sink/Copper heat sink/Heat sink 水冷式銅散熱體、銅散熱體、散熱體
235‧‧‧Brass base/Interface 黃銅基底、界面
236‧‧‧Water cooling channels 水冷通道

Claims (20)

  1. 一種毫秒退火系統，其包含：一處理室，用於使用一毫秒退火程序來熱處理一半導體基板；一或更多的弧燈熱源，一或更多的弧燈熱源的每一個包含複數個電極，其用於在該弧燈中產生一弧光通過一氣體而產生一電漿；其中該複數個電極的至少其中之一具有一電極端，該電極端具有附有至少一槽的一表面以減少橫跨該電極端的該表面的熔料的一橫向傳輸。
  2. 如專利申請範圍第1項的毫秒退火系統，其中該至少一槽具有一圈，其經組態而起一障壁作用以減少橫跨該電極端的該表面的熔料的該橫向傳輸。
  3. 如專利申請範圍第1項的毫秒退火系統，其中該至少一槽包含一環狀槽。
  4. 如專利申請範圍第1項的毫秒退火系統，其中該至少一槽包含複數個同軸環狀槽。
  5. 如專利申請範圍第1項的毫秒退火系統，其中該至少一槽係複數個交叉線型槽的其中之一。
  6. 如專利申請範圍第5項的毫秒退火系統，其中該等交叉線型槽形成一方形柵格模式。
  7. 如專利申請範圍第5項的毫秒退火系統，其中該等交叉線型槽形成一三角形柵格模式。
  8. 如專利申請範圍第1項的毫秒退火系統，其中該電極端係由鎢形成。
  9. 如專利申請範圍第1項的毫秒退火系統，其中該電極具有一界面介於該電極端與一散熱體之間，該界面具有一凹面形狀。
  10. 如專利申請範圍第1項的毫秒退火系統，其中該電極具有一界面介於該電極端與一散熱體之間，該界面具有一凸面形狀。
  11. 一種弧燈，其包含：複數個電極；以及一或更多的入口，其經組態接收水而在操作期間水經循環通過該弧燈，該一或更多的入口經組態接收一氣體，其中在該弧燈操作期間，該氣體於一弧光在該複數個電極之間放電期間被轉變為一電漿；其中該複數個電極的至少其中之一具有一電極端，該電極端具有一表面附有至少一槽以減少橫跨該電極端的該表面的熔料的一橫向傳輸。
  12. 如專利申請範圍第11項的弧燈，其中該至少一槽包含一環狀槽。
  13. 如專利申請範圍第11項的弧燈，其中該至少一槽包含複數個同軸環狀槽。
  14. 如專利申請範圍第11項的弧燈，其中該至少一槽係複數個交叉線型槽的其中之一。
  15. 一種弧燈，其包含：複數個電極；以及一或更多的入口，其經組態接收水而在操作期間水經循環通過該弧燈，該一或更多的入口經組態接收一氣體，其中在該弧燈操作期間，該氣體於一弧光在該複數個電極之間放電期間被轉變為一電漿； 其中該複數個電極的至少其中之一具有一電極端和一散熱體，其中該電極具有一界面介於該電極端與該散熱體之間，該界面係凹面或凸面。
  16. 如專利申請範圍第15項的弧燈，其中該界面係一圓形的凹面界面。
  17. 如專利申請範圍第15項的弧燈，其中該界面係一多面的凹面界面。
  18. 如專利申請範圍第15項的弧燈，其中該界面係一圓形的凸面界面。
  19. 如專利申請範圍第15項的弧燈，其中該界面係一多面的凸面界面。
  20. 如專利申請範圍第15項的弧燈，其中該電極端包含鎢及該散熱體包含銅。
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