TW201836018A - 熱耦合石英圓頂散熱器 - Google Patents

Abstract

此述的實施例大體上關於用於處理基板的設備。該設備大體上包括處理腔室，該處理腔室中具有基板支座。複數盞燈經定位以提供輻射能穿過透光窗而至定位於基板支座上的基板。該複數盞燈定位於燈容座中。冷卻通道形成於燈容座中。燈容座的表面與透光窗間隔一距離，以在該表面與該窗之間形成間隙。該間隙作為流體通道，並且適於在該間隙中容納流體，以助於冷卻該透光窗。多個紊流誘導特徵形成於燈容座表面中，該等紊流誘導特徵諸如為開口，誘導冷卻流體之紊流，因而改善透光窗與燈容座之間的熱傳。

Description

熱耦合石英圓頂散熱器

本發明之實施例大體上關於加熱基板的方法與設備，該基板例如半導體基板。

半導體基板受處理以用於各式各樣的應用中，該等應用包括積體元件與微元件之製造。一種處理基板的方法包括沉積材料（例如磊晶材料）於基板表面上。沉積的膜的品質取決於多種因子，該等因子包括製程條件，諸如溫度。當電晶體尺寸減少，在形成高品質膜方面，溫度控制變得更加重要。隨著產量增加，溫度控制變得更加困難，這特別是由於快速基板溫度增加與減少（例如基板斜線升溫與冷卻）的需求所致。基板加熱速率可透過調整燈設定而增加。然而，基板冷卻大幅度地取決於周圍溫度，該周圍溫度難以減少，或減少該周圍溫度所費不貲。為了進一步加劇冷卻問題，緊鄰基板的周圍溫度受到受熱的腔室部件（特別是受熱的下圓頂）的影響。吸收的熱在冷卻期間輻射至基板，而不如期望地延長充分冷卻基板的時間。因此，需要改善冷卻。

此述的實施例大體上關於用於處理基板的設備。該設備大體上包括處理腔室，該處理腔室中具有基板支座。複數盞燈經定位以提供輻射能穿過透光窗而至定位於基板支座上的基板。該複數盞燈定位於燈容座（housing）中。冷卻通道形成於燈容座中。燈容座的表面與透光窗間隔一距離，以在該表面與該窗之間形成間隙。該間隙作為流體通道，並且適於在該間隙中容納流體，以助於冷卻該透光窗。多個紊流誘導特徵形成於燈容座表面中，該等紊流誘導特徵諸如為開口，誘導冷卻流體之紊流，因而改善透光窗與燈容座之間的熱傳。

一個實施例中，處理腔室包含腔室主體，該腔室主體包括透光窗與燈容座，該燈容座配置成鄰接該透光窗。間隙形成在該透光窗與該燈容座之間。複數盞燈與一或多個冷卻通道配置在燈容座內。處理腔室也包括冷卻流體源，該冷卻流體源適於提供冷卻流體至該透光窗與該燈容座之間的間隙。

另一實施例中，一種冷卻方法包括在介於透光窗與燈容座之間的空間內循環冷卻流體，該燈容座具有形成在該燈容座中的至少一個冷卻通道。該燈容座的表面包括一或多個紊流誘導特徵，以引發冷卻流體的紊流。該冷卻流體熱耦合該透光圓頂以及該至少一個冷卻通道。

此述的實施例大體上關於用於處理基板的設備。該設備大體上包括處理腔室，該處理腔室中具有基板支座。複數盞燈經定位以提供輻射能穿過透光窗而至定位於基板支座上的基板。該複數盞燈定位於燈容座中。冷卻通道形成於燈容座中。燈容座的表面與透光窗間隔一距離，以在該表面與該窗之間形成間隙。該間隙作為流體通道，並且適於在該間隙中容納流體，以助於冷卻該透光窗。多個紊流誘導特徵形成於燈容座表面中，該等紊流誘導特徵諸如為開口，誘導冷卻流體之紊流，因而改善透光窗與燈容座之間的熱傳。

第1圖是根據本發明的一個實施例的處理腔室100的示意剖面視圖。處理腔室100可用於處理一或多個基板，包括在基板之上表面上沉積材料。處理腔室100包括腔室主體101以及蓋（或上圓頂）102，該蓋是由諸如不鏽鋼、鋁、陶瓷（例如石英）、或塗佈的金屬或陶瓷之材料所形成。處理腔室100也包括窗104，該窗104諸如為下圓頂，由諸如石英之透光材料形成。透光窗104耦接腔室主體101，或者該透光窗104是腔室主體101的一體的零件（integral part）。基板支座106適於在該基板支座106上支撐基板108，該基板支座106配置在處理腔室100內位於該上圓頂102與該透光窗104之間。基板支座106耦接支撐板109且在該基板支座106與支撐板109之間形成間隙111。支撐板109由透光材料（諸如石英）形成，以容許來自燈142的輻射能沖射至基板支座106上且將該基板支座106加熱至期望的處理溫度。基板支座106是由碳化矽或塗佈有碳化矽的石墨所形成，以吸收來自燈142的輻射能，且將該輻射能傳送到基板108。

圖中顯示基板支座106位於升高的處理位置，但該基板支座106可以由致動器112垂直致動至處理位置下方的裝載位置，而使升舉銷110得以接觸該透光窗104且將基板108從基板支座106抬升。機器人（圖中未示）隨後可進入處理腔室100以透過開口114（諸如狹縫閥）接合基板108且從處理腔室100移除基板108。基板支座106也適於在處理期間由致動器112旋轉，以助於均勻地處理基板108。

基板支座106在位於處理位置的同時將處理腔室100的內部空間劃分成處理氣體區域116與淨化氣體區域118。當基板支座106位在處理位置時，處理氣體區域116包括位在上圓頂102與基板支座106的平面120之間的內部腔室空間。淨化氣體區域118包括位在透光窗104與平面120之間的內部腔室空間。

由淨化氣體源122供應的淨化氣體透過淨化氣體入口124導入淨化氣體區域118，該淨化氣體入口124形成在腔室主體101的側壁內。淨化氣體沿著流徑126橫越支座106的背表面橫向流動，且從淨化氣體區域118透過淨化氣體出口128排出，該淨化氣體出口128位在處理腔室100的對側上（與淨化氣體入口124相對之側）。排氣泵130耦接淨化氣體出口128，該排氣泵130助於將淨化氣體從淨化氣體區域118移除。

由處理氣體供應源132供應的處理氣體透過處理氣體入口134導入處理氣體區域116中，該處理氣體入口134形成於腔室主體101的側壁中。處理氣體沿著流徑136橫越基板108的上表面橫向流動。該處理氣體透過處理氣體出口138離開處理氣體區域116，該處理氣體出口138位在處理腔室100的對側上（與處理氣體入口134相對之側）。耦接處理氣體出口138的真空泵140有助於透過處理氣體出口138的處理氣體之移除。

多盞燈142配置成鄰接透光窗104並且位在該窗104下方，以當處理氣體通過基板108上方時加熱該基板108，而助於將材料沉積在基板108的上表面上。燈142定位在燈容座150中，該燈容座150例如由銅、鋁、或不鏽鋼形成。該等燈包括燈泡141，該燈泡141被視情況任選的反射器142A所環繞。每一燈142耦接電力分配板147，電力透過該電力分配板147供應至每一燈142。燈142繞著基板支座106的軸桿127排列成具半徑漸增的環狀群組。軸桿127由石英或其他透光材料所形成。

燈容座150的上表面定位成與透光窗104間隔開的走向，以在該上表面與窗之間形成間隙151。一個範例中，間隙151可以是約0.5 mm至約10 mm，或更大。一個範例中，間隙151為大約6 mm。間隙151與溫度控制單元154流體連通。溫度控制單元154含有流體、流體源、或至外部流體源的連接件，且該溫度控制單元154透過管路156提供冷卻流體（諸如氣體）至間隙151，如流徑158所示。溫度控制單元154可視情況任選地包括強制送氣（forced induction）單元154A（諸如風扇或噴射包）以及熱交換器154B，以將熱從循環冷卻流體移除。當冷卻流體位在間隙151的同時，冷卻流體助於將熱從透光窗104傳送到燈容座150內的冷卻通道149。因此，熱從透光窗104移除，此舉透過減少熱從透光窗104輻射至基板108而進一步增加冷卻基板108的速率。冷卻流體從溫度控制單元154回收以供再使用，如流徑158所示。冷卻通道149不僅用於從透光窗104移除熱能，也冷卻燈142。因為僅有一組冷卻通道149用於冷卻透光窗104與燈142，所以減少了處理腔室100的製造成本。

燈142適於將基板加熱至預定溫度，以助於將處理氣體熱分解至基板108表面上。一個範例中，沉積至基板上的材料可以是三族、四族、及/或五族材料，或可以是包括三族、四族、及/或五族摻雜劑的材料。舉例而言，沉積材料可包括砷化鎵、氮化鎵、或氮化鋁鎵。燈可適於將基板加熱至範圍在約攝氏300度至約攝氏1200度的溫度，諸如約攝氏300度至約攝氏950度。

雖然第1圖繪示處理腔室的一個實施例，但也可考量額外的實施例。例如，在另一實施例中，應考量基板支座106可由透光材料（諸如石英）形成，以容許直接加熱基板108。尚有另一實施例中，考量可將視情況任選的圓形遮蔽件139配置在基板支座106周圍，且耦接腔室主體101的側壁。另一實施例中，處理氣體供應源132可適於供應多種處理氣體，例如，三族前驅物氣體與五族前驅物氣體。可透過相同的處理氣體入口134或透過不同的處理氣體入口134將多種處理氣體導入腔室中。此外，應考量氣體入口124、134或氣體出口128、138之尺寸、寬度、及/或數目可經調整而進一步助於在基板108上均勻地沉積材料。

另一實施例中，基板支座106可以是環狀環或邊緣環，該環狀環或邊緣環具有穿過該環狀環或邊緣環的中央開口，並且該基板支座106可適於支撐基板108的周邊。這樣的實施例中，基板支座106可由碳化矽、塗佈有碳化矽的石墨、或塗佈有玻璃碳的石墨形成。

第2A圖是燈容座250A的上表面260的部分剖面示意視圖。燈容座250A類似燈容座150，且可用於取代該燈容座150。上表面260包括形成於該上表面260中的特徵，諸如開口262。開口262容許輻射能從燈142通過上表面260而沖射在基板或基板支座上。開口262配置在每一盞燈142上方。除了容許輻射能通過開口262，當冷卻流體通過上表面260與下圓頂之底部表面（諸如第1圖所示之透光窗104）之間時，該開口262誘導冷卻流體內的紊流。冷卻流體的紊流增加下圓頂與形成在燈容座250A內之冷卻通道149之間的熱耦合。因此，特別是相較於當下圓頂由停滯的周圍空氣冷卻的時候，熱能可快速地從下圓頂移除。下圓頂之溫度的快速減少有助於減少基板冷卻時間，這是因為下圓頂對基板的輻射式加熱也被減少了。

雖然燈容座250A與下圓頂之間的冷卻流體之層流也會將熱從下圓頂移除，但紊流增加了冷卻流體之對流所致的熱傳。由於透過冷卻流體的熱傳因冷卻流體的紊流而增加，所以可利用具較低導熱率的冷卻流體同時仍提供充分冷卻。具較低導熱率的冷卻流體在當此類冷卻流體有成本效益時是受到期望的。一種此類具成本效益的冷卻流體可以是大氣中的空氣（atmospheric air）。

第2A圖繪示一個實施例，但也可考量其他實施例。例如，可考量除了開口262還使用開口262之外的特徵，或以該等特徵替代開口262，以誘導冷卻流體的紊流。舉例而言，可利用諸如脊或凸塊之特徵以對冷卻流體誘導紊流。

第2B圖繪示反射器242A的替代性實施例。反射器242A類似反射器142A，差異在於反射器242A包括延伸部分242B，該延伸部分242B突出於燈容座的表面260上方。反射器242A的延伸部分242B助於增加在該延伸部分242B上方流動的冷卻流體之紊流，從而增加從透光窗104至燈容座的熱傳。應考量具有延伸部分242B的反射器242A之數目可經選擇以產生冷卻流體的期望紊流，因此並非每一反射器242A可具有延伸部分242B。但是，應瞭解超過一個反射器可包括延伸部分242B，然而為了明確起見圖中僅顯示一個。一個範例中，每一燈142可包括具有延伸部分242B的反射器242A。一些實施例中，應考量延伸部分242B可接觸透光窗104的下表面。在第2B圖中所示的實施例中，延伸部分242B包括錐狀區段，但也可考慮其他形狀。

第3A圖至第3C圖繪示根據本發明之實施例的燈容座之上表面的放大示意視圖，該燈容座上具有額外的紊流誘導特徵。第3A圖繪示上表面360A，該上表面360A類似上表面260。上表面360A包括複數個脊380，該等脊380從該上表面360A延伸，以當冷卻流體流過該上表面360A上方時助於冷卻流體之紊流。脊380可具有數毫米至數公分（或更大）的長度且可具有一高度，該高度被限制在上表面360A與透光窗104之下表面之間的間隔。一個實施例中，考量到脊380可接觸透光窗104。

第3B圖繪示上表面360B，該上表面360B類似上表面260。上表面360B包括複數個凸塊381，該複數個凸塊381從該上表面360B延伸，以當冷卻流體流過該上表面360B上方時助於冷卻流體之紊流。凸塊381可具有一毫米至數毫米（或更大）的直徑且可具有一高度，該高度被限制在上表面360B與透光窗104之下表面之間的間隔。一個實施例中，應考量凸塊381可接觸透光窗104。此外，凸塊381可藉由紋理化表面360B形成，例如透過暴露至蝕刻劑。或者，凸塊381可以是未研磨或未修整（unfinished）的表面的原始表面粗糙度。

第3C圖繪示上表面360C，該上表面360C類似上表面260。上表面360C包括形成在該上表面360C中的一或多個通道382，以當冷卻流體流過該上表面360C上方時助於冷卻流體之紊流。該通道382可具有範圍為數毫米至數公分（或更大）的長度。一個範例中，通道382可連續延伸圍繞上表面360C。通道382可具有範圍為約0.5 mm至約3 mm（或更大）的深度。

第3A圖至第3C圖繪示紊流誘導特徵的實施例，然而，也可考量額外的或替代的紊流誘導特徵。同樣，紊流誘導特徵的尺寸、以及透光窗104與燈頭之間的間隔可經選擇以建立局部化的再循環，而使透光窗104與燈頭之間的熱傳最大化。

適合於此使用的冷卻流體大體上包括一或多個高傳導性氣體，包括氦氣、氫氣、與氮氣。然而，可考慮額外之氣體。例如，可考慮也可利用周圍空氣、過濾過的周圍空氣、與乾淨乾燥的空氣（CDA）。再者，可考量一些實施例中可利用一或多個液體冷卻劑，諸如水或油。

此述的實施例之優點包括增加腔室部件與基板的冷卻。增加的冷卻是受惠於使用冷卻流體將下圓頂熱耦合配置在燈容座內的冷卻通道。燈容座包括對冷卻流體誘導紊流的特徵，因而增加下圓頂與燈容座內冷卻通道之間的熱傳。由於紊流所致的增加熱傳容許在處理期間利用具較低熱傳係數的較不昂貴的冷卻流體。

雖然前述內容涉及本發明之實施例，但可不背離本發明之基本範疇而設計本發明之其他與進一步之實施例，且本發明之範疇是由隨後的申請專利範圍所界定。

100‧‧‧處理腔室

101‧‧‧腔室主體

102‧‧‧蓋或上圓頂

104‧‧‧透光窗

106‧‧‧基板支座

108‧‧‧基板

109‧‧‧支撐板

110‧‧‧升舉銷

111‧‧‧間隙

112‧‧‧致動器

114‧‧‧開口

116‧‧‧處理氣體區域

118‧‧‧淨化氣體區域

120‧‧‧平面

122‧‧‧淨化氣體源

124‧‧‧淨化氣體入口

127‧‧‧軸桿

126‧‧‧流徑

128‧‧‧淨化氣體出口

130‧‧‧排氣泵

132‧‧‧處理氣體供應源

134‧‧‧處理氣體入口

136‧‧‧流徑

138‧‧‧處理氣體出口

139‧‧‧遮蔽件

140‧‧‧真空泵

141‧‧‧燈泡

142‧‧‧燈

142A‧‧‧反射器

147‧‧‧電力分配板

149‧‧‧冷卻通道

150‧‧‧燈容座

151‧‧‧間隙

154‧‧‧溫度控制單元

154A‧‧‧強制送氣單元

154B‧‧‧熱交換器

156‧‧‧管路

158‧‧‧流徑

242A‧‧‧反射器

242B‧‧‧延伸部分

250A‧‧‧燈容座

260‧‧‧上表面

262‧‧‧開口

360A‧‧‧上表面

360B‧‧‧上表面

360C‧‧‧上表面

380‧‧‧脊

381‧‧‧凸塊

382‧‧‧通道

藉由參考實施例（一些實施例說明於附圖中），可獲得於上文中簡要總結的本發明之更特定的說明，而能詳細瞭解上述的本發明之特徵。然而應注意附圖僅說明此發明的典型實施例，因而不應將該等附圖視為限制本發明之範疇，因為本發明可容許其他等效實施例。

第1圖是根據本發明的一個實施例的處理腔室之示意剖面視圖。

第2A圖是根據本發明的一個實施例的燈容座之上表面的部分剖面示意視圖。

第2B圖是根據本發明的一個實施例的反射器的放大視圖。

第3A圖至第3C圖繪示根據本發明之實施例的燈容座之上表面的放大示意視圖。

為了助於瞭解，如可能則已使用同一元件符號指定各圖共通的同一元件。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。

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 (16)

1. 一種處理腔室，包括： 一腔室主體，具有一下圓頂；一容座，配置成鄰接該下圓頂，該容座包括一或多個輻射能量源，該輻射能量源配置在該容座中的多個開口中，其中該等開口具有多個紊流誘導特徵；及一溫度控制單元，適於提供一冷卻流體至形成於該下圓頂與該容座之間的一間隙，其中該等開口誘導該冷卻流體中的一紊流，以增加該下圓頂的冷卻。
2. 如請求項1所述之處理腔室，其中該容座包括界定於該等輻射能量源之間的一或多個冷卻通道。
3. 如請求項1所述之處理腔室，其中該等開口形成於該容座的一上表面中。
4. 如請求項3所述之處理腔室，其中該容座的該上表面配置在形成於該下圓頂與該容座之間的該間隙與形成於該容座中的複數個冷卻通道之間。
5. 如請求項1所述之處理腔室，其中該燈容座包括銅或鋁。
6. 如請求項1所述之處理腔室，其中該溫度控制單元包括一熱交換器。
7. 如請求項1所述之處理腔室，其中該溫度控制單元包括一強制送氣（forced induction）單元。
8. 如請求項1所述之處理腔室，其中該下圓頂是透光的。
9. 如請求項8所述之處理腔室，其中該下圓頂包括石英。
10. 如請求項3所述之處理腔室，其中該容座的該上表面包括額外的多個紊流誘導特徵，該等紊流誘導特徵是多個凸塊或脊。
11. 一種處理腔室，包括： 一腔室主體，耦接至一透光圓頂；一容座，配置成鄰接該透光圓頂且與該透光圓頂隔開，其中一間隙形成於該容座之一上表面與該透光圓頂之間；及一溫度控制單元，適於提供一冷卻流體至該間隙，其中多個紊流誘導特徵形成於該容座的該上表面上，該上表面面向該透光圓頂。
12. 如請求項11所述之處理腔室，其中該等紊流誘導特徵包括形成於該容座的該上表面中的多個開口。
13. 如請求項11所述之處理腔室，其中該等紊流誘導特徵包括多個凸塊或脊。
14. 如請求項13所述之處理腔室，其中該等紊流誘導特徵接觸該透光圓頂之一下表面，該下表面面向該容座。
15. 如請求項11所述之處理腔室，其中該容座包括複數個冷卻通道，其中該上表面配置在該等冷卻通道與該間隙之間。
16. 如請求項11所述之處理腔室，其中該容座具有多個輻射能量源，該等輻射能量源配置在形成於該容座的該上表面中的多個開口中，每一開口襯有一反射性襯墊，且該等紊流誘導特徵包括該反射性襯墊的其中至少一些反射性襯墊的多個延伸部分，該等延伸部分延伸於該容座的該上表面上方。