TW201826357A

TW201826357A - 反射性襯墊

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Publication number: TW201826357A
Application number: TW106144689A
Authority: TW
Inventors: 拉尼許喬瑟夫Ｍ; 布里哈特保羅; 庫瑪蘇拉吉特
Original assignee: 美商應用材料股份有限公司
Priority date: 2013-03-22
Filing date: 2014-03-20
Publication date: 2018-07-16
Also published as: US20140287170A1; TW201438076A; TWI654673B; KR20150136101A; TWI613715B; CN105009263A; KR102177620B1; CN105009263B; WO2014149369A1; CN109599351A

Abstract

在此說明用於處理半導體基材的設備。該設備係具有透光的上圓頂及下圓頂之處理腔室。該處理腔室於處理時係維持真空的。該上圓頂係藉由使熱控制流體沿著該上圓頂在該處理區之外流動而被熱控制。熱燈具係定位在下圓頂附近，且熱感測器係設置於該等燈具之間。該等燈具係在區域中被供電，且控制器係基於從熱感測器接收的資料而調整該等燈具區域的電力。反射性襯墊可提供用於改善的基材之溫度量測及加熱。

Description

反射性襯墊

在此揭示用於半導體處理的設備。更具體而言，在此揭示的實施例係與用於半導體處理腔室中的反射性襯墊相關。

磊晶(epitaxy)係一種廣泛用於半導體處理中以在半導體基材上形成非常薄的材料層之製程。該等層經常定義某些最小的半導體裝置之特徵，且若結晶材料的電性特質係所需的，則該等層可具有高品質的晶體結構。沉積前驅物(deposition precursor)一般係提供至處理腔室，該處理腔室內設置基材，該基材係加熱至促成具有所需特性的材料層之成長的溫度。

薄膜具有非常均勻的厚度、組成物及結構通常係所需的。由於局部基材溫度、氣體流動，及前驅物濃度之變化，因此要形成具有均勻且可重複之特性的薄膜係相當具挑戰性的。該處理腔室一般係能夠維持高真空(通常低於10 Torr)的容器，且熱一般係由定位於該容器之外的加熱燈提供，以避免引入污染物。高溫計(pyrometers)可被提供以量測該基材的該溫度。基材溫度的控制及量測(且因此局部層形成狀況之控制及量測)係由腔室部件的熱吸收及發射以及感測器及腔室表面暴露於該處理腔室內的薄膜形成狀況而複雜化。現仍需要具有改善溫度控制及溫度量測的磊晶腔室，以及運作這樣的腔室以改善均勻性及可重複性之方法。

在此揭示的實施例係與用於半導體處理腔室中的反射性襯墊相關。該等反射性襯墊可改善處理腔室中的基材之溫度控制及量測。

在此描述的實施例提供了用於半導體處理腔室中的設備。該設備包括正圓柱環狀的反射性襯墊，該反射性襯墊具有外部部件、內部部件，及介於該外部部件及該內部部件之間的體積。反射性構件係可移動地設置於該體積中。

能夠將基材分區溫度控制並同時行使磊晶處理的腔室係具有處理容器，該處理容器具有上部分、側邊部分，及下部分，該上部分、該側邊部分及該下部分全部係由具有能力以在該容器內建立高真空時維持其形狀的材料。至少該下部分對於熱輻射係幾乎通透的，且熱燈具可定位於錐形燈頭結構中，該錐形燈頭結構係於該處理容器之外側而耦合至該處理容器的該下部分。熱感測器係設置於該處理容器內的各種位置，該處理容器具有用於減少熱雜訊進入該等感測器及減少該等感測器上之材料沉積的元件。

第1圖係依據一個實施例的處理腔室100之截面示意圖。處理腔室100可被用以處理一或更多個基材，包含基材108的上表面之上的材料沉積。處理腔室100通常包含腔室主體101及輻射加熱燈具102之陣列，該輻射加熱燈具之陣列係用於加熱，除了其他部件之外，基材支座107之背側104，該基材支座係設置於處理腔室100之內。該基材支座107可為：如所示的，從基材108之邊緣支撐基材108的類環狀基材支座、類碟狀或類盤狀的基材支座，或複數個支撐銷，舉例而言，三個支撐銷或五個支撐銷。基材支座107係位於上圓頂128及下圓頂114之間的處理腔室100內。基材108可透過裝載口103而被帶到處理腔室100中並定位在基材支座107上。

基材支座107係顯示於提高的處理位置中，但該基材支座可藉由致動器(未顯示)以垂持移動至低於該處理位置的裝載位置，以允許升舉銷105接觸下圓頂114。升舉銷105係穿過基材支座107中的孔洞並將基材108從基材支座107升起。機器人(未顯示)接著可進入處理腔室100以透過裝載口103而從該處理腔室接合並移除基材108。基材支座107接著可向上致動至該處理位置，以將基材108擺設至基材支座107的前側110上(該基材的裝置側116係朝上)。

當基材支座107係位於該處理位置時，該基材支座係將處理腔室100的內部體積分割成處理氣體區156(該基材的上方)及淨化氣體區158(基材支座107的下方)。於處理時，基材支座107係藉由中央軸132而旋轉，以將處理腔室100內的熱及處理氣流之空間不均勻效應最小化，且因此促成了基材108的均勻處理。基材支座107係由中央軸132所支撐，該中央軸係於裝載及卸載時(且某些狀況中，於處理基材108時)，將基材108在上方向及下方向134中移動。基材支座107通常係由具有低熱質量或低熱容量的材料所形成，使得基材支座107所吸收及釋放的能量係最小化。基材支座107可由碳化矽或塗佈碳化矽的石墨所形成，以吸收來自燈具102的輻射能量，並將該輻射能量傳導至基材108。基材支座107在第1圖中係顯示為具有中央開口的圈環，以促進該基材暴露至自來燈具102的熱輻射。基材支座107亦可為沒有中央開口的類盤狀構件。

一般而言，上圓頂128及下圓頂114通常係由例如石英的透光材料所形成。上圓頂128及下圓頂114係薄的，以將熱記憶最小化，該上圓頂及該下圓頂通常具有介於大約3 mm及大約10 mm之間的厚度，舉例而言大約4 mm。上圓頂128可被熱控制，該熱控制係透過輸入口126以將熱控制流體(例如冷卻氣體)引入至熱控制空間136，並透過輸出口130以抽出該熱控制流體。某些實施例中，循環於熱控制空間136的冷卻流體可減少上圓頂128的內部表面上之沉積。

一或更多個燈具，例如燈具102之陣列，可於中央軸132的周圍以所需之方式設置於下圓頂114的鄰近處及下方，以隨著處理氣體經過基材108上方而加熱基材108，從而促成材料沉積至基材108的該上表面。各種範例中，沉積至基材108上的該材料可為三族、四族及/或五族材料，或可為包含三族、四族及/或五族摻雜劑的材料。舉例而言，該沉積材料可包含砷化鎵、氮化鎵，或氮化鋁鎵(aluminum gallium nitride)。

燈具102可被適配以將基材108加熱至範圍大約攝氏200度至大約攝氏1200度的溫度，例如大約攝氏300度至大約攝氏950度。燈具102可包含燈泡141，該等燈泡係被可選的反射體143包圍。每個燈具102係耦合至電力分配板(未顯示)，且電力係透過該電力分配板而供應至每個燈具102。燈具102係定位於燈頭145內，該等燈具由(舉例而言)冷卻流體處理時或處理之後可被冷卻，該冷卻流體係引入至燈具102之間的通道149。燈頭145係傳導地冷卻下圓頂114，部分因為燈頭145係靠近下圓頂114。燈頭145亦可冷卻燈具牆及反射體143的牆。若需要，燈頭145可與下圓頂114接觸。

襯墊組件162可設置於基座環160的內部周圍之內，或該襯墊組件可被該內部周圍包圍。基座環160可形成腔室主體101的一部分。襯墊組件162可由石英材料所形成，且該襯墊組件通常將處理體積(亦即處理氣體區156及淨化氣體區158)遮蔽於處理腔室100的金屬牆。該等金屬牆可與前驅物反應並造成該處理體積中的污染。開口可穿過襯墊組件162而設置並與裝載口103對準，以允許基材108的通道。雖然襯墊組件162係顯示為單一零件，但應考量到襯墊組件162可由多個零件所形成。

反射性襯墊164可設置於襯墊組件162的內部周圍內，或該反射性襯墊可被該襯墊組件包圍。反射性襯墊164的形狀可如具有切出部分的正圓柱環狀，該切出部分被適配以允許通過反射性襯墊164的基材傳送。在所示的該實施例中，反射性襯墊164不提供裝載口103上方的部分，然而，應考量到該襯墊可包括設置在裝載口103上方的部分。在所示的該實施例中，反射性襯墊164可被下圓頂114的一部分所支撐。另一個實施例中，反射性襯墊164可由襯墊組件162的一部分(未顯示)所支撐，該襯墊組件之一部分係從襯墊組件162的內部外徑而徑向向內延伸。該部分，或凸部(ledge)，可不連續地包括複數個區段。反射性襯墊164可包括外部部件166、內部部件168及反射性構件170。外部部件166及內部部件168可由例如石英的透光材料所製成。外部部件166可相鄰於襯墊組件162的內部周圍而設置。內部部件168可相鄰於處理氣體區156及淨化氣體區158而設置。特定實施例中，外部部件166及內部部件168可耦合在一起以形成體積165。此實施例中，該耦合可由位於頂部區161及底部區163的石英熔接件而行使，且體積165可在真空下提供。特定實施例中，體積165中的壓力可介於大約1 µTorr至大約10 Torr之間。

特定實施例中，反射性構件170可設置於介於外部部件166及內部部件168之間的體積165中。可設置反射性構件170之介於外部部件166及內部部件168之間的體積165通常具有比反射性構件170之厚度更厚的厚度。特定實施例中，該反射性構件的該厚度可介於大約4 mil至大約40 mil之間。作為結果，第一縫隙172可提供於內部部件168及該反射性構件之間，且第二縫隙174可提供於外部部件166及反射性構件170之間。從而，反射性構件170可為「自由浮動」的，或可移動地設置於外部部件166與內部部件168之間。另一個實施例中，反射性構件170可包裝於外部部件166與內部部件168之間，使得反射性構件170可與外部部件166與內部部件168兩者實體接觸。另一個實施例中，反射性構件170可與外部部件166相鄰並接觸而設置。此實施例中，複數個定位構件(未顯示)，例如支柱或突起物，可從內部部件168延伸並接觸反射性構件170，使得該等定位構件促使反射性構件170靠至外部部件166。此實施例中，除氣劑(未顯示)亦可設置於外部部件166與內部部件168之間以維持真空。該除氣劑可包括鋯(zirconium)化合物或其他合適的除氣劑材料以吸收氣體(例如氫氣)，該氣體可能從處理氣體區156而洩漏至體積165中。

特定實施例中，反射性構件170可包括複數個區段(未顯示)。此實施例中，該複數個區段可被定位以重疊該等區段互相相鄰處。另一個實施例中，該複數個區段可不重疊，但定位的方式可使得當該反射性構件暴露至輻射時，幾乎沒有輻射可穿透該複數個部分之間的縫隙。任一實施例中，反射性構件170的間隔及位置可導致反射性構件170於暴露至輻射時的延展。更具體而言，反射性構件170的定位可被選擇以容納反射性構件170於熱應力下的實體移動。

反射性構件170可為鏡面反射體(specular reflector)，使得提供至反射性構件170的光係具有等於反射角度的入射角度。反射性構件170可為寬帶反射體(broadband reflector)，例如金屬反射體或介電質薄膜堆疊，或其組合。特定實施例中，反射性構件170可被包覆或包裝於透明的阻障層材料中，例如二氧化矽。一個範例中，反射性構件170可由包括二氧化矽(SiO2)、二氧化鈦(TiO2)、五氧化二鉭(Ta2O5)或其組合之介電質堆疊而形成。另一個範例中，反射性構件170可由適合承受處理腔室100中之溫度的金屬而形成，該金屬例如鋁、金、銀、鉑、鎢、鉭，或其組合。

特定實施例中，定義體積165的表面可塗佈反射性材料。舉例而言，定義體積165的每個表面可塗佈反射性材料，該等表面例如面對外部部件166及內部部件168之體積165的表面，及定義體積165的底表面(未顯示)。一個實施例中，定義體積165的該等表面可藉由無電電鍍而塗佈反射性材料，例如無電鍍鎳或無電鍍銀。此實施例中，體積165可充滿水性電鍍溶液，且該無電電鍍處理可進行將鎳或銀鍍上定義體積165的該等表面。已考量到，其他反射性材料，例如金或銅，亦可藉由無電電鍍而設置於定義體積165的該等表面上。在定義體積165的該等表面行使無電電鍍後，該水溶液可從體積165抽離，且可形成頂表面(未顯示)以接合外部部件166及內部部件168。該頂表面可由石英熔接件形成。此實施例中，體積165可相似於前述的實施例而在真空下提供。定義體積165且塗佈該反射性材料的該等表面可作為鏡面反射體。

從基材支座107將基材108背側加熱，配合反射性襯墊164的結果，使得可利用光學高溫計118以行使該基材支座的溫度量測/控制。反射性襯墊164係利用光學高溫計118以減少或消除在基材108溫度之量測上所不需要的雜散輻射效應。反射性襯墊164亦可將輻射導向基材108的外部部件，以改善基材108的徑向溫度分佈之控制。進一步而言，反射性襯墊164藉由將輻射反射離開襯墊組件164並朝向基材108的該外部部件，而減少了襯墊組件162的輻射加熱。

光學高溫計118可設置於上圓頂128上方的地區。光學高溫計118的此溫度量測亦可在具有未知放射率的基材裝置側116上完成，因為以此方式加熱基材支座前側110係與放射率無關的。作為結果，光學高溫計118僅可讀出來自熱基材108的輻射，該輻射係從基材支座107傳導或從燈具102輻射，且該光學高溫計具有從燈具102直接到達光學高溫計118的最小背景輻射。特定實施例中可使用多個高溫計，且該等高溫計可設置於上圓頂128上方的各種位置。

反射體122可選擇性地擺設於上圓頂128之外，以將從基材108輻射或從基材108傳送的紅外光反射回基材108。由於該反射的紅外光，該加熱效率將藉由包含其他情況下逃離處理腔室100的熱而改善。反射體122可由例如鋁或不鏽鋼的金屬而製成。反射體122可具有加工的通道(未顯示)，以承載用於冷卻反射體122的流動流體，例如水。若有需要，該反射體的該效率可藉由在反射體面積上塗佈高反射性塗層而改善，該高反射性塗層例如金塗層。

複數個熱輻射感測器140(可為高溫計或光導管，例如藍寶石光導管)可設置於燈頭145中以用於量測基材108的熱發射。感測器140通常係設置於燈頭145中的不同位置，以促成處理時查看基材108之不同位置。利用光導管的實施例中，感測器140可設置於燈頭145下方的腔室主體101之一部分上。讀出來自基材108之不同位置的熱輻射係促成了在基材108之不同位置上的熱能量內容(舉例而言該溫度)之比較，以判斷溫度異常或不均勻是否存在。這樣的非均勻性可能造成薄膜構造(例如厚度及組成)的非均勻性。至少兩個感測器140被使用，但可使用兩個以上的感測器。不同的實施例可使用三個、四個、五個、六個、七個，或更多個感測器140。

每個感測器140查看基材108的區域，並讀出該基材之區域的熱狀態。該等區域在某些實施例中可為徑向定向。舉例而言，在基材108係轉動的實施例中，感測器140可查看，或定義，在基材108之中央部分的中央區域，該中央區域所具有的中心係幾乎相同於基材108的該中心，且一或更多個區域係環繞著該中央區域，並與該中央區域同心(concentric)。然而，並不要求該等區域係同心且為徑向定向。某些實施例中，區域可以非徑向的方式而安排在基材108的不同位置。

感測器140通常係設置於燈具102之間，舉例而言於通道149中，且該等感測器通常係與基材108幾乎垂直地定位。某些實施例中，感測器140係與基材108垂直定位，而在其他實施例中，感測器140可稍微偏離垂直而定向。離垂直大約5度內的定向角度係最常被使用的。

感測器140可調和至相同的波長或光譜，或調和至不同的波長或光譜。舉例而言，用於腔室100中的基材在組成物上可為均質的(homogeneous)，或該等基材可具有不同的組成物領域。利用調和至不同波長的感測器140，可允許監控具有不同的組成物及對於熱能量不同的發射反應之基材領域。通常，感測器140係調和至紅外波長，舉例而言大約4 µm。

控制器180係從感測器140接收資料，並基於該資料而分別調整傳遞至每個燈具102或獨立燈具群組或燈具區域的電力。控制器180可包含電源182，該電源係獨立地供電給各種燈具或燈具區域。控制器180可由所需的溫度分佈而配置，且基於比較從感測器140接收的該資料，控制器180係調整燈具及/或燈具區域的電力，以使所觀察到的熱資料符合所需的溫度分佈。在腔室效能隨著時間而飄動的現象中，控制器180亦可調整燈具及/或燈具區域的電力，以使一個基材的熱處理符合另一個基材的熱處理。

雖然前述係針對本發明的實施例，但其他及進一步的發明之實施例可在不背離本發明基本範疇的情況下而被設計，且本發明的範疇係取決於以下的專利申請範圍。

100‧‧‧處理腔室

101‧‧‧腔室主體

102‧‧‧燈具

103‧‧‧裝載口

104‧‧‧背側

105‧‧‧升舉銷

107‧‧‧基材支座

108‧‧‧基材

110‧‧‧前側

114‧‧‧下圓頂

116‧‧‧裝置側

118‧‧‧光學高溫計

122‧‧‧反射體

126‧‧‧輸入口

128‧‧‧上圓頂

130‧‧‧輸出口

132‧‧‧中央軸

134‧‧‧下方向

136‧‧‧熱控制空間

140‧‧‧感測器

141‧‧‧燈泡

143‧‧‧反射體

145‧‧‧燈頭

149‧‧‧通道

156‧‧‧處理氣體區

158‧‧‧淨化氣體區

160‧‧‧基座環

161‧‧‧頂部區

162‧‧‧襯墊組件

163‧‧‧底部區

164‧‧‧反射性襯墊/襯墊組件

165‧‧‧體積

166‧‧‧外部部件

168‧‧‧內部部件

170‧‧‧反射性構件

172‧‧‧第一縫隙

174‧‧‧第二縫隙

180‧‧‧控制器

182‧‧‧電源

為了使上述的本發明之特徵能詳細地被理解，在以上簡要總結的發明之更具體的描述可參照實施例，某些該等實施例係在附圖中繪示。然而，應注意到該等附圖僅繪示本發明典型的實施例，且因此不應被認定係限制本發明之範疇，因為本發明可能承認其他等效的實施例。

第1圖係依據在此描述之一個實施例的處理腔室之截面示意圖。

國內寄存資訊 (請依寄存機構、日期、號碼順序註記) 無

國外寄存資訊 (請依寄存國家、機構、日期、號碼順序註記) 無

Claims

一種用於一半導體處理腔室中的設備，該設備包括：一正圓柱環狀反射性襯墊，該正圓柱環狀反射性襯墊包括：一外部部件及一內部部件，該外部部件及該內部部件定義介於該外部部件及該內部部件之間的一體積，其中在該體積內維持的一壓力介於1 µTorr及10 Torr之間；及一反射性塗層，該反射性塗層設置於定義該體積的該外部部件及該內部部件的表面上。
如請求項1所述之設備，其中該外部部件及該內部部件的每一個係一光透明材料。
如請求項2所述之設備，其中該光透明材料係石英。
如請求項1所述之設備，其中該反射性塗層係由一無電電鍍處理而形成。
如請求項1所述之設備，其中該反射性塗層係一鎳材料或一銀材料。
如請求項4所述之設備，其中該反射性塗層係一鎳材料或一銀材料。
如請求項1所述之設備，其中該反射性塗層係一金材料或一銅材料。
如請求項4所述之設備，其中該反射性塗層係一金材料或一銅材料。
如請求項5所述之設備，其中該反射性塗層係一鏡面反射體(specular reflector)。
如請求項7所述之設備，其中該反射性塗層係一鏡面反射體。
如請求項1所述之設備，進一步包括：含鋯(zirconium)的一除氣劑(getter)材料，該除氣劑材料設置在該體積中。
一種處理腔室設備，包括：一腔室襯墊，該腔室襯墊包括：一內部部件及一外部部件，該外部部件經設置以圍繞該內部部件，該外部部件及該內部部件定義介於該外部部件及該內部部件之間的一體積；及一反射性塗層，該反射性塗層設置於定義該體積的該外部部件及該內部部件的表面上。
如請求項12所述之設備，其中在該體積內維持的一壓力係介於1 µTorr及10 Torr之間。
如請求項12所述之設備，進一步包括：含鋯(zirconium)的一除氣劑(getter)材料，該除氣劑材料設置在該體積中。
如請求項12所述之設備，其中該外部部件及該內部部件係由一石英材料所形成。
如請求項12所述之設備，其中該反射性塗層係選自一群組，該群組由一鎳材料、一銀材料、一金材料及一銅材料組成。
如請求項16所述之設備，其中該反射性塗層係由一無電電鍍處理而形成。
一種腔室襯墊設備，該腔室襯墊設備包括：一石英外部部件及一石英內部部件，該石英外部部件及該石英內部部件在一第一區域及相對於該第一區域的一第二區域處石英熔接，該外部部件及該內部部件定義介於該外部部件及該內部部件之間的一體積，其中該體積維持一低於大氣的壓力；及一鏡面反射體(specular reflector)，該鏡面反射體電鍍在定義該體積的該外部部件及該內部部件的表面上。
如請求項18所述之設備，其中該鏡面反射體係選自一群組，該群組由一鎳材料、一銀材料、一金材料及一銅材料組成。
如請求項18所述之設備，其中在該體積內維持的該低於大氣的壓力係介於1 µTorr及10 Torr之間，且一除氣劑(getter)材料設置在該體積內。