TW202243068A - 具有熱處理系統的工件處理設備 - Google Patents

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亞曆克斯 旺斯德勒
迪特 赫茲勒
喬瑟夫 錫伯雷
羅爾夫 佈雷芒斯多費爾
馬汀 祖克
彼特 萊姆貝西斯
麥克 楊
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Abstract

本公開提出了一種用於工件熱處理的處理設備。所述處理設備包括處理腔室、設置在所述處理腔室內的工件支撐件、被配置為旋轉所述工件支撐件的旋轉系統、被配置為將一種或多種製程氣體從所述處理腔室的第一側流入所述處理腔室的氣體輸送系統、用於從所述處理腔室中去除氣體以能夠保持真空壓力的一個或多個排氣口、設置在所述處理腔室的第二側的一個或多個輻射加熱源、設置在所述工件支撐件與所述一個或多個輻射加熱源之間的一個或多個介電窗、以及被配置為在溫度測量波長範圍內獲得指示所述工件背側溫度的測量值的工件溫度測量系統。

Description

具有熱處理系統的工件處理設備
本公開總體涉及半導體處理設備，例如可操作以對工件進行熱處理的設備。
熱處理在半導體工業中通常用於各種應用，除了包括氧化和氮化的材料表面處理以外，還包括但不限於摻雜劑注入後啟動、導電和介電材料退火。通常，本文所用的熱處理腔室是指加熱工件（例如半導體工件）的裝置。這樣的裝置可包括用於支撐一個或多個工件的支撐板和用於加熱工件的能源，例如加熱燈、雷射器或其他熱源。在熱處理期間，工件可根據處理方案在受控條件下加熱。許多熱處理製程需要在一定溫度範圍內加熱工件，以便在將工件製造成裝置時可以發生多種化學和物理轉變。例如，在快速熱處理過程中，工件可以被燈陣列在通常少於幾分鐘的時間內加熱到約300℃至約1,200℃的溫度。希望改進熱處理裝置以對各種期望的加熱方案有效地測量和控制工件溫度。
本公開實施方式的實施態樣和優點將在以下描述中部分闡述，或者可以從描述中獲悉，或者可以藉由實施方式的實踐獲悉。
本公開的示例實施態樣涉及一種用於處理工件的處理設備，所述工件具有頂側和背側。所述處理設備包括：處理腔室，其具有所述處理腔室的第一側和與所述第一側相對的第二側；設置在所述處理腔室內的工件支撐件，所述工件支撐件被配置為支撐所述工件，其中所述工件的背側面向所述工件支撐件；被配置為將一種或多種製程氣體流入所述處理腔室的氣體輸送系統；用於從所述處理腔室中去除氣體以能夠保持真空壓力的一個或多個排氣口；設置在所述處理腔室的第二側的一個或多個輻射加熱源，所述一個或多個輻射加熱源被配置為從所述工件的背側加熱所述工件；設置在所述工件支撐件和所述一個或多個輻射加熱源之間的一個或多個介電窗；和被配置在溫度測量波長範圍內獲得指示所述工件背側溫度的溫度測量值的工件溫度測量系統。
本公開的另一些示例實施態樣涉及一種用於處理具有頂側和背側的工件的處理設備。所述處理設備包括：處理腔室，其具有所述處理腔室的第一側和與所述第一側相對的第二側；設置在所述處理腔室內的工件支撐件，所述工件支撐件被配置為支撐所述工件，其中所述工件的背側面向所述工件支撐件；被配置為旋轉所述工件支撐件的旋轉系統；被配置為將一種或多種製程氣體流入所述處理腔室的氣體輸送系統；用於從所述處理腔室中去除氣體以能夠保持真空壓力的一個或多個排氣口；設置在所述處理腔室的第一側的一個或多個輻射加熱源，所述一個或多個輻射加熱源被配置為從所述工件的頂側加熱所述工件；設置在所述處理腔室的第二側的一個或多個輻射加熱源，所述一個或多個輻射加熱源被配置為從所述工件的背側加熱所述工件；設置於所述處理腔室的第一側設置的所述一個或多個輻射加熱源與所述工件之間的第一介電窗；設置於所述處理腔室的第二側設置的所述一個或多個輻射加熱源與所述工件支撐件之間的第二介電窗；和被配置在溫度測量波長範圍內獲得指示所述工件背側溫度的溫度測量值的工件溫度測量系統。
參考以下描述和所附請求項，將更好地理解各種實施方式的這些和其他特徵、實施態樣和優點。包含在本說明書中並構成其一部分的附圖示出了本公開的實施方式，並且與說明書一起用於解釋相關原理。
現在將詳細參考實施方式，其一個或多個示例在附圖中示出。每個示例以解釋實施方式的方式提供，並非對本發明的限制。事實上，對於本領域技術人員來說顯而易見的是，在不脫離本公開的範圍或精神的情況下可以對實施方式進行各種修改和變更。例如，作為一個實施方式的一部分示出或描述的特徵可以與另一實施方式一起使用以產生又一實施方式。因此，本公開的實施態樣旨在涵蓋這樣的修改和變更。
多種工件加工處理可能需要在處理腔室中在受控條件下進行熱處理。例如，工件的熱處理可能需要在工件的熱處理期間在處理腔室中保持真空壓力。此外，可能需要在熱處理期間將製程氣體引入處理腔室，以便根據需要改變工件。因此，在將製程氣體引入熱處理裝置的處理腔室的同時保持真空壓力是期望的。
因此，本公開的實施態樣提供了許多技術效果和益處。例如，本文提供的處理設備允許在保持真空壓力並將製程氣體引入腔室中的同時在處理腔室中進行熱處理的能力。有利地，處理設備支持在保持真空壓力的同時使製程氣體在整個處理腔室中流動。此外，處理設備能夠在處理過程中獲得工件的精確溫度測量值。
可以對本公開的這些示例實施方式進行變更和修改。在說明書中使用的單數形式“一”、“一個”和“一種”包括複數所指對象，除非上下文另有明確規定。“第一”、“第二”、“第三”等的使用被用作識別字，並不一定指示、暗示或以其他方式表示任何順序。出於說明和討論的目的，可以參考“基材”、“工件”或“半導體工件”來討論示例實施態樣。使用本文提供的公開的本領域普通技術人員將理解，本公開的示例實施態樣可用於任何合適的工件。與數值結合使用的術語“約”是指在所述數值的20%以內。
現在將參考圖1-6討論處理設備的示例實施方式。如圖1所示，根據本公開的示例實施態樣，裝置100可以包括氣體輸送系統155，其被配置為例如藉由氣體分配通道151將製程氣體輸送到處理腔室110。氣體輸送系統可以包括多個進料氣體管線159。進料氣體管線159可以使用閥158和/或氣體流量控制器185來控制以將期望量的氣體作為製程氣體輸送到處理腔室中。氣體輸送系統155可用於輸送任何合適的製程氣體。示例性製程氣體包括含氧氣體（例如O 2、O 3、N 2O、H 2O）、含氫氣體（例如H 2、D 2）、含氮氣體（例如N 2、NH 3、N 2O）、含氟氣體（例如CF 4、C 2F 4、CHF 3、CH 2F 2、CH 3F、SF 6、NF 3）、含烴氣體（例如CH 4）或其組合。可以根據需要添加包含其他氣體的其他進料氣體管線。在一些實施方式中，製程氣體可與惰性氣體混合，該惰性氣體可稱為“載氣”，例如He、Ar、Ne、Xe或N 2。控制閥158可用於控制每個進料氣體管線的流速以將製程氣體流入處理腔室110。在實施方式中，氣體輸送系統155可用氣體流量控制器185控制。
如圖1所示，氣體輸送系統可以設置在處理腔室110的第一側（例如處理腔室的頂側）附近。因此，氣體輸送系統155可以向處理腔室的頂側提供製程氣體。因此，由氣體輸送系統155輸送的製程氣體首先暴露於處理腔室110中的工件114的頂側。
在實施方式中，處理設備100可以包括設置在處理腔室110的第一側附近的一個或多個氣體分配板156。一個或多個氣體分配板156可用於將製程氣體更均勻地分散在處理腔室110中。製程氣體可藉由分配通道151輸送並藉由一個或多個氣體分配板156，以進一步一致且均勻地在處理腔室110中分配氣體，從而確保工件114的頂側均勻地暴露於製程氣體。在實施方式中，氣體分配板可以包括多個孔口或通道，這些孔口或通道被配置為促進製程氣體在處理腔室110中的均勻分配。
待處理的工件114由工件支撐件112支撐在處理腔室110中。工件114可以是或包括任何合適的工件，例如半導體工件，例如矽晶片。在一些實施方式中，工件114可以是或包括摻雜矽晶片。例如，可以摻雜矽晶片，使得矽晶片的電阻率大於約0.1 Ω.cm，例如大於約1 Ω.cm。
工件支撐件112可以是或包括被配置為在處理腔室110中支撐工件114的任何合適的支撐結構。例如，工件支撐件112可以是可操作以在熱處理期間支撐工件114的工件支撐件112（例如工件支撐板）。在一些實施方式中，工件支撐件112可被配置為支撐多個工件114以用於藉由熱處理系統同時熱處理。在一些實施方式中，工件支撐件112可以在熱處理之前、期間和/或之後旋轉工件114。在一些實施方式中，工件支撐件112可以是透明的和/或以其他方式配置為允許至少一些輻射至少部分地穿過工件支撐件112。例如，在一些實施方式中，可以選擇工件支撐件112的材料以允許期望的輻射穿過工件支撐件112，例如由工件114和/或發射器150發射的輻射。在一些實施方式中，工件支撐件112可以是或包含石英材料，例如無羥基的石英材料。
工件支撐件112可包括從工件支撐件112延伸的一個或多個支撐銷115，例如至少三個支撐銷。在一些實施方式中，工件支撐件112可與處理腔室110的頂部間隔開。在一些實施方式中，支撐銷115和/或工件支撐件112可以傳遞來自熱源140的熱量和/或從工件114吸收熱量。一些實施方式中，支撐銷115可以由石英製成。
處理設備可進一步包括穿過介電窗108的旋轉軸900，其被配置為支撐處理腔室110中的工件支撐件112。例如，旋轉軸900在一端耦接至工件支撐件112並且在另一端耦接到能夠使旋轉軸900旋轉360°的旋轉裝置920（如圖7所示）。例如，在工件114的處理（例如熱處理）期間，工件114可以連續旋轉，使得由一個或多個熱源140產生的熱量可以均勻地加熱工件114。在一些實施方式中，工件114的旋轉在工件114上形成徑向加熱區，這有助於在加熱迴圈期間提供良好的溫度均勻性控制。
在某些實施方式中，將理解的是，旋轉軸900的一部分設置在處理腔室110中，而旋轉軸900的另一部分設置在處理腔室110的外部，方式為使得可以在所述處理腔室110中保持真空壓力。例如，在處理工件114的期間，可能需要在處理腔室110中保持真空壓力，同時在處理期間旋轉工件114。因此，旋轉軸900被定位為穿過介電窗108並在處理腔室110中，使得旋轉軸900可在處理腔室110中保持真空壓力的同時促進工件114的旋轉。
在其他實施方式中，旋轉軸900可以耦接到能夠以豎直方式上下移動旋轉軸900和工件支撐件112的平移裝置（圖中未示出）。例如，當從處理腔室110裝載或卸載工件114時，可能需要藉由工件支撐件112升高工件114，以便可以使用移除裝置來容易地接近工件114並將其從處理腔室110移除。示例移除裝置可包括機器人基座。在其他實施方式中，工件支撐件112可能需要豎直移動以便對處理腔室110和與處理腔室110相關聯的元件提供日常維護。可以耦接到旋轉軸900的合適的平移裝置包括波紋管或其他能夠在豎直運動中平移旋轉軸900的機械或電氣裝置。
處理設備100可以包括一個或多個熱源140。在一些實施方式中，熱源140可以包括一個或多個加熱燈141。例如，包括一個或多個加熱燈141的熱源140可以發射熱輻射以加熱工件114。在一些實施方式中，例如，熱源140可以是寬頻輻射源，包括弧光燈、白熾燈、鹵素燈、任何其他合適的加熱燈或其組合。在一些實施方式中，熱源140可以是單色輻射源，包括發光二極體、雷射二極體、任何其他合適的加熱燈或其組合。熱源140可以包括加熱燈141的組件，其被定位成例如加熱工件114的不同區域。在加熱工件114的同時可以控制供應給每個加熱區域的能量。此外，還可以以開環方式控制施加到工件114的各個區域的輻射的量和/或類型。在這種配置中，各個加熱區之間的比例可以在手動優化後預先確定。在其他實施方式中，可以基於工件114的溫度以閉環方式控制施加到工件114的各個區域的輻射的量和/或類型。
在一些實施方式中，引導元件例如反射器800（例如鏡子）可以被配置為將來自熱源140的輻射引導到處理腔室110中。在某些實施方式中，反射器800可以被配置為將來自一個或多個加熱燈141的輻射導向工件114和/或工件支撐件112。例如，一個或多個反射器800可以相對於熱源140設置，如圖2-3和5-6所示。一個或多個冷卻通道802可以設置在反射器800之間或之內。如圖3和6中的箭頭804所示，環境空氣可以藉由一個或多個冷卻通道802以冷卻一個或多個熱源140，例如加熱燈141。
現在參考圖4-6，第一組一個或多個熱源140可設置在處理腔室110的底側，而第二組一個或多個熱源140可設置在處理腔室110的頂側。例如，設置在處理腔室110的底側的熱源140可用於在工件114位於工件支撐件112頂部時加熱工件114的背側。設置在處理腔室110頂側的熱源140可用於在工件114位於工件支撐件112頂部時加熱工件114的頂側。
根據本公開的示例實施態樣，一個或多個介電窗106、108可以設置在熱源140和工件支撐件112之間。根據本公開的示例實施態樣，窗106、108可以設置在工件114和熱源140之間。窗106、108可以被配置為選擇性地阻止由熱源140發射的輻射的至少一部分進入處理腔室110的一部分。例如，窗106、108可以包括不透明區域160和/或透明區域161。如本文所用，“不透明”通常表示對於給定波長具有小於約0.4（40%）的透射率，並且“透明”通常表示對於給定波長具有大於約0.4（40%）的透射率。
不透明區域160和/或透明區域161可以定位成使得不透明區域160阻擋來自熱源140的某些波長的雜散輻射，並且透明區域161允許例如發射器150、熱源140、反射感測器166和/或溫度測量裝置167、168對處理腔室110中被不透明區域160阻擋的波長的輻射沒有阻礙。這樣，窗106、108可以有效地遮罩處理腔室110免受給定波長的熱源140的輻射污染，同時仍然允許來自熱源140的輻射加熱工件114。不透明區域160和透明區域161通常可以分別定義為對特定波長不透明和透明，即，至少對於特定波長的輻射，不透明區域160是不透明的並且透明區域161是透明的。
窗106、108（包括不透明區域160和/或透明區域161）可以由任何合適的材料和/或構造形成。在一些實施方式中，介電窗106、108可以是或包含石英材料。此外，在一些實施方式中，不透明區域160可以是或包含含羥基（OH）的石英，例如羥基（OH-）摻雜的石英，並且透明區域161可以是或包含不含羥基的石英。根據本公開，羥基摻雜的石英可以表現出期望的波長阻擋特性。例如，羥基摻雜的石英可以阻擋具有約2.7微米波長的輻射，其可以對應於處理設備100中的一些感測器（例如反射感測器166和溫度測量裝置167、168）操作的溫度測量波長，而不含羥基的石英對波長約為2.7微米的輻射是透明的。因此，羥基摻雜的石英區域可以遮罩感測器（例如反射感測器166和溫度測量裝置167、168）免受處理腔室110中波長的雜散輻射（例如來自熱源140），並且不含羥基的石英區域可以至少部分地佈置在感測器的視場內以允許感測器獲得熱處理系統內的波長處的測量值。
一個或多個排氣口921可以設置在處理腔室110中，其被配置為將氣體泵送出處理腔室110，使得可以在處理腔室110中保持真空壓力。例如，製程氣體可以根據圖3和圖6所示的箭頭流過處理腔室110。製程氣體暴露於工件114，然後圍繞工件114的任一側流動，並藉由一個或多個排氣口921從處理腔室110中排出。製程氣體的流動由圖3和6中的箭頭806示出。一個或多個泵送板910可以圍繞工件114的外周設置以促進製程氣體流動，這將在下面根據以下附圖中更具體地討論。隔離門180在打開時允許工件114進入處理腔室110，而在關閉時允許處理腔室110密封，使得可以在處理腔室110中保持真空壓力，從而可以對工件114進行熱處理。
在實施方式中，裝置100可包括控制器175。控制器175控制處理腔室110中的多種部件以引導工件114的處理。例如，控制器175可用於控制熱源140。另外和/或替代地，控制器175可用於控制熱源140和/或工件溫度測量系統，包括例如發射器150、反射感測器166和/或溫度測量裝置167、168。控制器175還可以實施一個或多個製程參數，例如控制氣體流量控制器185和改變處理腔室110的條件以便在處理工件114的期間在處理腔室中保持真空壓力。控制器175可以包括例如一個或多個處理器和一個或多個存儲裝置。一個或多個存儲裝置可以存儲電腦可讀指令，當由一個或多個處理器執行時，這些指令使一個或多個處理器執行操作，例如本文描述的任何控制操作。
特別地，圖1和4描繪了在工件溫度測量系統中有用的某些部件，包括一個或多個溫度測量裝置167、168。在實施方式中，溫度測量裝置167相對於溫度測量裝置168位於更居中的位置。例如，溫度測量裝置167可以設置在工件支撐件112的中心線之上或附近，使得當工件114設置在工件支撐件112上，溫度測量裝置167可獲得對應於工件114中心的溫度測量值。測溫裝置168可以設置在工件支撐件112中心線的外側位置，使得測溫測量裝置168可以沿著工件114的外周測量工件114的溫度。因此，溫度測量系統包括能夠在工件114上不同位置處測量工件114溫度的一個或多個溫度測量裝置。溫度測量裝置167、168可以包括高溫計。溫度測量裝置167、168還可包括一個或多個感測器，其能夠感測從工件114發射的輻射和/或能夠感測由發射器發射並由工件反射的輻射的反射部分，這將在下文更詳細地討論。
例如，在一些實施方式中，溫度測量裝置167、168可以被配置為在溫度測量波長範圍內測量工件114發射的輻射。例如，在一些實施方式中，溫度測量裝置167、168可以是高溫計，其被配置為在溫度測量波長範圍內的波長處測量工件發射的輻射。在不透明區域160包含羥基摻雜的石英的實施方式中，波長可以是或包括透明區域161對其透明和/或不透明區域160對其不透明的波長，例如2.7微米。波長可以另外對應於由工件114發射的黑體輻射的波長。溫度測量波長範圍可以相應地包括2.7微米。
在一些實施方式中，溫度測量系統包括一個或多個發射器150和一個或多個反射感測器166。例如，在實施方式中，工件溫度測量系統還可以包括發射器150，該發射器150被配置為以斜角指向工件114發射輻射。在實施方式中，發射器150可以被配置為發射紅外輻射。發射器150發射的輻射在本文中也可稱為校準輻射。發射器150發射的輻射可以被工件114反射，形成由反射感測器166收集的輻射的反射部分。工件114的反射率可以由入射在反射感測器166上的輻射的反射部分的強度表示。對於不透明的工件114，則可以由工件114的反射率計算工件114的發射率。同時，工件114發射的輻射可以由溫度測量裝置167和168中的感測器測量。在一些實施方式中，由工件114發射並由溫度測量裝置167和168中的感測器測量的這種輻射不構成由發射器150發射並由工件114反射的校準輻射的反射部分。最後，工件114的溫度可以基於工件114發射的輻射結合工件114的發射率來計算。
由發射器（例如發射器150）發射和/或由感測器（例如反射感測器166和/或溫度測量裝置167、168中的感測器）測量的輻射可以具有一個或多個相關波長。例如，在一些實施方式中，發射器可以是或包括窄帶發射器，其發射輻射使得所發射的輻射的波長範圍在數值的公差內，例如在數值的10%內，在這種情況下，該數值參照發射器。在一些實施方式中，這可以藉由發射寬頻光譜（例如普朗克光譜）的寬頻發射器和被配置為僅藉由寬頻光譜內的窄帶的濾光器（例如陷波濾光器）的組合來實現。類似地，感測器可以被配置為測量數值波長處（例如在其公差內）的窄帶輻射強度。例如，在一些實施方式中，感測器（例如高溫計）可以包括一個或多個被配置為測量（例如選擇測量）特定窄帶波長的頭部。
根據本公開的示例實施態樣，一個或多個透明區域161可以至少部分地設置在發射器150和/或反射感測器166的視場中。例如，發射器150和反射感測器166可以在透明區域161是透明的溫度測量波長範圍內操作。例如，在一些實施方式中，發射器150和/或反射感測器166可以在2.7微米處操作。如圖1和4所示，透明區域161可以被定位成使得輻射流（通常由虛線表示）從發射器150開始，穿過透明區域161，被工件114反射，並且被反射感測器166收集，而沒有被窗108（例如，不透明區域160）阻礙。類似地，不透明區域160可以設置在窗108上的區域中，這些區域在發射和反射的輻射流之外，以遮罩工件114尤其是反射感測器166免受來自熱源140的溫度測量波長範圍內的輻射。例如，在一些在實施方式中，可以包括透明區域161用於在2.7微米波長下工作的感測器和/或發射器。
在一些實施方式中，發射器150和/或反射感測器166可以是鎖相的。例如，在一些實施方式中，發射器150和/或反射感測器166可以根據鎖相機制進行操作。例如，雖然不透明區域160可以被配置為阻擋來自熱源140的第一波長處的大部分雜散輻射，但是在一些情況下雜散輻射可以被反射感測器166感知，如上所述。儘管存在雜散輻射，但根據鎖相機制操作發射器150和/或反射感測器166可有助於提高強度測量的準確性。
如圖9所示，就曲線250、260討論示例鎖相機制。曲線250描繪了由發射器150在溫度測量波長範圍內發射的輻射IIR隨時間（例如，在對工件114執行的處理過程的持續時間）的輻射強度。如曲線圖250所示，發射器150發射的輻射強度可以被調製。例如，發射器150可以以強度上進行調製的方式將校准輻射發射到工件114上。例如，發射器150發射的輻射強度可以調製為脈衝251。在一些實施方式中，發射器150可以以脈衝模式發射輻射。在一些其他實施方式中，發射器150的恆定輻射可以被旋轉的斬波輪（圖中未示出）週期性地阻擋。斬波輪可包括一個或多個阻擋部分和/或一個或多個通過部分。斬波輪可以在發射器150的視場中旋轉，使得來自發射器150的恆定輻射流被阻擋部分間歇性地中斷並且通過斬波輪的通過部分。因此，發射器150發射的恆定輻射流可以被調製成脈衝251，脈衝頻率對應於斬波輪旋轉。脈衝頻率可以被選擇為或包括與處理設備100中的其他部件的操作幾乎沒有重疊或沒有重疊的頻率。例如，在一些實施方式中，脈衝頻率可以約130 Hz。在一些實施方式中，130 Hz的脈衝頻率可以是特別有利的，因為熱源140可以被配置為基本上不發射具有130 Hz頻率的輻射。另外和/或替代地，反射感測器166可以基於脈衝頻率被鎖相。例如，處理設備100（例如控制器175）可以基於以脈衝頻率調製並從工件114反射的發射器150的校準輻射，隔離於反射感測器166進行測量（例如工件114的反射率測量）。以此方式，處理設備100可在測量中減少來自反射感測器166的雜散輻射的干擾。在實施方式中，可至少部分地基於脈衝頻率隔離於一個或多個感測器進行至少一個反射率測量。
類似地，曲線260描繪了隨時間由反射感測器166測量的反射輻射強度IR。曲線圖260說明了隨著時間的推移（例如，隨著工件114的溫度升高），腔室中的雜散輻射（由雜散輻射曲線261示出）會增加。這可歸因於例如相對於工件114的溫度增加、熱源140的強度增加和/或與工件114的處理相關的各種其他因素，工件114的發射率增加和相應地工件114的反射率減少。
在發射器150不發射輻射的時間點期間，反射感測器166可以獲得對應於雜散輻射曲線261的測量值（例如雜散輻射測量值）。類似地，在發射器150發射輻射（例如脈衝251）的時間點期間，反射感測器166可以獲得對應於總輻射曲線262的測量值（例如總輻射測量值）。然後可以基於指示雜散輻射曲線261的該資訊來校正反射測量值。
雖然示例實施方式公開了反射感測器166用於收集由發射器150發射的反射輻射，但本公開不限於此。在某些實施方式中，一個或多個加熱燈141可用於發射類似於本文所述的發射器150的輻射。例如，由一個或多個加熱燈141發射的輻射可以包括第一輻射分量和第二輻射分量。發射的第一輻射分量被配置為加熱工件114，而發射的第二輻射分量以脈衝頻率調製。由一個或多個加熱燈141發射的經調製的第二輻射分量的部分可以被工件114反射並且在反射感測器166上收集，從而可以獲得工件114的反射率測量值。
在其他某些實施方式中，溫度測量裝置167、168還可以配置有能夠以與反射感測器166類似的方式起作用的感測器。即，溫度測量裝置167、168還可以收集經調製輻射（例如校準輻射）的反射部分，其可用於確定工件114的反射率測量值。在一些實施方式中，處理設備（例如控制器175）可隔離於反射率感測器166和/或溫度測量裝置167、168、工件114的第一輻射測量和工件114的第二反射率輻射測量。工件114的第二反射率輻射測量基於以脈衝頻率調製的由發射器150或一個或多個加熱燈141發射的輻射的反射部分。
在某些實施方式中，可以使用工件溫度控制系統來控制對熱源140的供電，以便調節工件114的溫度。例如，在某些實施方式中，工件溫度控制系統可以是控制器175的部件。在實施方式中，工件溫度控制系統可以被配置為獨立於由溫度測量系統獲得的溫度測量值來改變對熱源140的供電。然而，在其他實施方式中，工件溫度控制系統可以被配置為至少部分地基於工件114的一個或多個溫度測量值來改變對熱源140的供電。可以應用閉環回饋控制來調節對熱源140的供電，使得來自熱源140的施加到工件114的能量將工件加熱到但不超過期望溫度。因此，工件114的溫度可以藉由熱源140的閉環回饋控制來保持，例如藉由控制到熱源140的功率。
如上所述，熱源140能夠發射加熱波長範圍的輻射，並且溫度測量系統能夠獲得關於溫度測量波長範圍的溫度測量值。因此，在某些實施方式中，加熱波長範圍不同於溫度測量波長範圍。
保護環109可用於減輕來自工件114的一個或多個邊緣的輻射的邊緣效應。保護環109可設置在工件114周圍。此外，在實施方式中，處理設備包括圍繞工件114和/或保護環109設置的泵送板910。例如，圖8圖示了可以在提供的實施方式中使用的示例泵送板910。泵送板910包括一個或多個泵送通道912、913，用於促進氣體流過處理腔室110。例如，泵送板910可包括圍繞工件114配置的連續泵送通道912。連續泵送通道912可以包括環形開口，該環形開口被配置為允許氣體從工件114的第一側（例如頂側）到工件114的第二側（例如背側）。連續泵送通道912可以圍繞保護環109同心地設置。額外的泵送通道913可以設置在泵送板910中以促進氣體在處理腔室10內的移動。泵送板910可以是或包含石英材料。此外，在一些實施方式中，泵送板910可以是或包括含有大量羥基（OH）基團的石英，即羥基摻雜的石英。根據本公開，羥基摻雜的石英可以表現出期望的波長阻擋特性。
在一些實施方式中，處理設備可具有如圖10和11所示的雙工件配置。例如，處理設備1200包括處理腔室110a、110b。在實施方式中，處理腔室110a、110b可由壁1202分隔。然而，在其他實施方式中，預期處理腔室110包括未分隔的處理腔室。如圖所示，工件支撐件112a、112b設置在處理腔室110a、110b中以支撐工件114a、114b。一個或多個熱源140a、140b設置在處理腔室110a、110b的第一側，例如在處理腔室110a、110b的底側，如圖所示。一個或多個介電窗108a、108b設置在熱源140a、140b和工件支撐件112a、112b之間。還可以相對於處理腔室110a、110b設置一個或多個溫度測量裝置167a、167b，其被配置為獲得工件114a、114b的溫度測量值。雖然僅示出了溫度測量裝置167a、167b，但雙工件處理設備1200可以包括如本文所述的溫度測量系統的其他部件，包括發射器150、反射感測器166、溫度測量裝置168等（未在圖10和11中示出）。
旋轉軸900a、900b耦接到工件支撐件112a、112b，用於旋轉處理腔室110a、110b中的工件支撐件112a、112b。旋轉軸900a、900b的一部分可設置於處理腔室110a、110b內，而旋轉軸900a、900b的另一部分設置於處理腔室110a、110b的外部，使得在旋轉軸900a、900b促進工件114a、114b的旋轉的同時在處理腔室110a、110b中保持真空壓力。
裝置1200可包括氣體輸送系統155a、155b，氣體輸送系統155a、155b被配置為例如藉由氣體分配通道151a、151b或其他分配系統（例如噴頭）將製程氣體輸送到處理腔室110a、110b。氣體輸送系統155a、155b可以包括多個進料氣體管線159a、159b。進料氣體管線159a、159b可以使用閥158a、158b和/或氣體流量控制器185a、185b來控制以將期望量的氣體作為製程氣體輸送到處理腔室中。氣體輸送系統155a、155b可用於輸送任何合適的製程氣體。控制閥158a、158b可用於控制每個進料氣體管線的流速以將製程氣體流入處理腔室110a、110b。在一些實施方式中，氣體輸送系統155a、155b可以用氣體流量控制器185a、185b控制。在一些其他實施方式中，氣體分配系統155可以是一元系統，其包括進料氣體管線159，進料氣體管線159耦接到能夠藉由氣體分配通道151將製程氣體輸送到處理腔室110a、110b中的單個氣體分配管線，如圖11所示。
現在參考圖11，一個或多個熱源140a、140b設置在處理腔室110a、110b的頂側和底側。設置在處理腔室110a、110b的頂側的熱源140a、140b能夠在工件支撐件112a、112b上設置的工件114a、114b的頂側發射輻射。設置在處理腔室110a、110b的底側的熱源140a、140b能夠在工件支撐件112a、112b上設置的工件114a、114b的背側發射輻射。在一些實施方式中，介電窗106a、106b設置於處理腔室110a、110b的頂側設置的熱源140a、140b與工件114a、114b之間。
這樣的雙工件配置允許處理多個工件。例如，可以在處理腔室110a中轉移和處理一個工件，而同時在處理腔室110b中處理另一個工件。例如，第一處理腔室110a中的工件可以藉由合適的熱處理進行處理，而第二處理腔室110b中的另一個工件可以藉由合適的熱處理進行處理。
圖12描繪了根據本公開的示例實施態樣的一種示例方法（700）的流程圖。將藉由示例的方式參考圖1或4的處理設備100或600來討論方法（700）。方法（700）可以在任何合適的處理設備中實施。圖12描繪了為了說明和討論的目的以特定順序執行的步驟。本領域普通技術人員使用本文提供的公開內容將理解，本文描述的任何方法的各個步驟可以以各種方式省略、擴展、同時執行、重新佈置和/或修改而不偏離本公開的範圍。此外，可以在不脫離本公開的範圍的情況下執行各種步驟（未示出）。
在（702）處，該方法可以包括將工件114放置在處理設備100的處理腔室110中。例如，該方法可以包括將工件114放置到圖1的處理腔室110中的工件支撐件112上。工件114可以包括一個或多個層，該一個或多個層包括矽、二氧化矽、碳化矽、一種或多種金屬、一種或多種介電材料、或其組合。
在（704）處，可選地，該方法包括將製程氣體引入處理腔室110。例如，製程氣體可以藉由包括氣體分配通道151的氣體輸送系統155引入處理腔室110。例如，製程氣體可以包括含氧氣體（例如O 2、O 3、N 2O、H 2O）、含氫氣體（例如H 2、D 2）、含氮氣體（例如N 2、NH 3、N 2O）、含氟氣體（例如CF 4、C 2F 4、CHF 3、CH 2F 2、CH 3F、SF 6、NF 3）、含烴氣體（例如CH4）或其組合。在一些實施方式中，製程氣體可與惰性氣體例如載氣如He、Ar、Ne、Xe或N 2混合。控制閥158可用於控制每個進料氣體管線的流速以將製程氣體流入處理腔室110。氣體流量控制器185可用於控制製程氣體的流量。
在（706）處，該方法包括控制處理腔室110中的真空壓力。例如，一種或多種氣體可以藉由一個或多個排氣口921從處理腔室110中排出。此外，控制器175還可以實施一個或多個製程參數，改變處理腔室110的條件以便在處理工件114的期間在處理腔室110中保持真空壓力。例如，當製程氣體被引入處理腔室110中時，控制器175可以執行指令以從處理腔室110移除製程氣體，使得可在處理腔室110中保持期望的真空壓力。控制器175可以包括例如一個或多個處理器和一個或多個存儲裝置。一個或多個存儲裝置可以存儲電腦可讀指令，當由一個或多個處理器執行時，這些指令使一個或多個處理器執行操作，例如本文描述的任何控制操作。
在（708），該方法包括發射指向工件的一個或多個表面（例如工件的背側）的輻射以加熱工件。例如，包括一個或多個加熱燈141的熱源140可以發射熱輻射以加熱工件114。在一些實施方式中，例如，熱源140可以是寬頻熱輻射源，包括弧光燈、白熾燈、鹵素燈、任何其他合適的加熱燈或其組合。在一些實施方式中，熱源140可以是單色輻射源，包括發光二極體、雷射二極體、任何其他合適的加熱燈或其組合。在某些實施方式中，引導元件例如反射器（例如鏡子）可以被配置為將來自一個或多個加熱燈141的熱輻射導向工件114和/或工件支撐件112。一個或多個熱源140可以設置在處理腔室110的底側，以便當工件114位於工件支撐件112的頂部時在工件114的背側發射輻射。
在（710）處，可選地，該方法包括發射指向工件114的一個或多個表面（例如工件114的頂側）的輻射以加熱工件114。例如，如圖4所示，處理設備600可以包括設置在處理腔室110的頂側的一個或多個熱源140，以便當工件114在工件支撐件112頂上時在工件114的頂側發射輻射。一個或多個熱源140可包括一個或多個加熱燈141。示例熱源140可包括本文先前描述的那些。在某些實施方式中，引導元件例如反射器（例如鏡子）可以被配置為將來自一個或多個加熱燈141的輻射導向工件114和/或工件支撐件112。
在某些實施方式中，工件114可以在工件114的加熱期間在處理腔室110中旋轉。例如，耦接到工件支撐件112的旋轉軸900可用於在處理腔室110中旋轉工件114。
在（712）處，可選地，該方法包括獲得指示工件114溫度的溫度測量值。例如，可以使用一個或多個溫度測量裝置167、168、感測器166和/或發射器150來獲得指示工件114溫度的溫度測量值。例如，在實施方式中，溫度測量值可以藉由以下方式獲得：由一個或多個發射器在工件的一個或多個表面發射校準輻射；藉由一個或多個感測器測量由一個或多個發射器發射並由工件的一個或多個表面反射的校準輻射的反射部分；以及至少部分地基於反射部分確定工件114的反射率。在一些實施方式中，可以如下獲得工件反射率測量值：以脈衝頻率調製一個或多個發射器中的至少一個發射器；以及至少部分地基於脈衝頻率隔離於一個或多個感測器進行至少一次測量。工件141的發射率可以由工件141的反射率確定。在一些其他實施方式中，可以使用一個或多個感測器來獲得來自工件114的直接輻射測量值。可以使用一個或多個窗來阻擋由一個或多個加熱燈141發射的寬頻輻射的至少一部分入射在溫度測量裝置167、168和反射感測器166上。工件114的溫度可以從工件114的輻射和發射率確定。
在（714）處，停止製程氣體流入處理腔室並且停止熱源140的輻射發射，從而結束工件處理。
在（716）處，該方法包括從處理腔室110移出工件114。例如，可以從處理腔室110中的工件支撐件112移出工件114。然後可以調節處理設備以用於將來處理其他工件。
在實施方式中，如圖12中的各個箭頭所示，該方法可以包括以各種順序或組合列出的步驟。例如，在某些實施方式中，工件114被放置在處理腔室110中並且在允許製程氣體進入處理腔室110之前暴露於輻射。此外，可以以交替方式在工件114的背側和工件114的頂側發射輻射，或者可以在處理腔室110中的工件114的頂側和背側同時發射輻射。在工件114的頂側或背側發射輻射的同時，可將製程氣體引入處理腔室110。此外，在製程氣體引入處理腔室110、在工件114的頂側或背側發射輻射和/或獲得溫度測量值時，可以在處理腔室110中保持真空壓力。
本發明的進一步實施態樣由以下條款的主題提供：
一種用於在處理設備中處理工件的方法，所述工件包括頂側和背側，所述方法包括：將工件放置在處理腔室中設置的工件支撐件上；將一種或多種製程氣體引入處理腔室；在處理腔室中保持真空壓力；藉由一個或多個輻射熱源發射指向工件的一個或多個表面的輻射以加熱工件表面的至少一部分；利用至少部分地設置於處理腔室中的旋轉軸來旋轉處理腔室中的工件；以及獲得指示工件溫度的溫度測量值。
根據任一前述條款的方法，其中藉由一個或多個輻射熱源發射指向工件的一個或多個表面的輻射包括在工件的頂側發射輻射。
根據任一前述條款的方法，其中藉由一個或多個輻射熱源發射指向工件的一個或多個表面的輻射包括在工件的背側發射輻射。
根據任一前述條款的方法，使用一個或多個排氣口從處理腔室移除氣體。
根據任一前述條款的方法，還包括圍繞工件設置泵送板，所述泵送板提供一個或多個通道用於引導製程氣體流過處理腔室。
根據任一前述條款的方法，其中所述製程氣體包括含氧氣體、含氫氣體、含氮氣體、含烴氣體、含氟氣體或其組合。
根據任一前述條款的方法，其中獲得指示工件反射率的測量值包括：由一個或多個發射器在工件的一個或多個表面發射校準輻射；藉由一個或多個感測器測量由一個或多個發射器發射並由工件的一個或多個表面反射的校準輻射的反射部分；以及至少部分地基於反射部分確定工件的反射率。
根據任一前述條款的方法，其中所述方法還包括：以脈衝頻率調製由一個或多個發射器發射的校準輻射；以及至少部分地基於脈衝頻率隔離於一個或多個感測器進行至少一次測量。
根據任一前述條款的方法，還包括：藉由一個或多個窗阻止由被配置為加熱工件的一個或多個加熱燈發射的寬頻輻射的至少一部分入射到一個或多個感測器上。
根據任一前述條款的方法，還包括停止製程氣體的流動或發射輻射。
根據任一前述條款的方法，還包括從所述處理腔室移出所述工件。
雖然已經關於其特定示例實施方式詳細描述了本主題，但是應當理解，本領域技術人員在獲得對前述內容的理解後可以容易地對這些實施方式產生變更、變化和等同物。因此，本公開的範圍是作為示例而不是作為限制，並且本主題公開不排除包括對本主題的此類修改、變更和/或添加，這對於本領域的普通技術人員來說是顯而易見的。 [相關申請的援引加入]
本申請要求於2020年12月14日提交的名稱為“具有熱處理系統的工件處理設備（Workpiece Processing Apparatus with Thermal Processing Systems）”的美國臨時申請序列號63/124,962的優先權，該申請藉由引用併入本文。
100:裝置、設備 108、106:窗、介電窗 109:保護環 110:處理腔室 112:工件支撐件 114:工件 115:支撐銷 140:熱源 141:加熱燈 150:發射器 151:分配通道、氣體分配通道 155:氣體輸送系統 156:氣體分配板 158:閥、控制閥 159:進料氣體管線 160:不透明區域 161:透明區域 166:反射感測器 167、168:溫度測量裝置 175:控制器 180:隔離門 185:氣體流量控制器 250、260:曲線 251:脈衝 261:雜散輻射曲線 262:總輻射曲線 600:設備 700-716:方法 800:反射器 802:冷卻通道 804、806:箭頭 900:旋轉軸 910:泵送板 912、913:泵送通道 920:旋轉裝置 921:排氣口 106a、106b:介電窗 110a、110b:處理腔室 112a、112b:工件支撐件 114a、114b:工件 140a、140b:熱源 151a、151b:氣體分配通道 155a、155b:氣體輸送系統 159a、159b:進料氣體管線 167a、167b:溫度測量裝置 185a、185b:氣體流量控制器 900a、900b:旋轉軸 1200:處理設備 1202:壁
說明書中參考附圖闡述了面向本領域普通技術人員的實施方式的詳細討論，其中：
圖1描繪了根據本公開的示例實施態樣的示例處理系統；
圖2描繪了根據本公開的示例實施態樣的示例處理系統；
圖3描繪了根據本公開的示例實施態樣的示例處理系統；
圖4描繪了根據本公開的示例實施態樣的示例處理系統；
圖5描繪了根據本公開的示例實施態樣的示例處理系統；
圖6描繪了根據本公開的示例實施態樣的示例處理系統；
圖7描繪了根據本公開的示例實施態樣的示例處理系統的一部分；
圖8描繪了根據本公開的示例實施態樣的示例泵送板；
圖9描繪了根據本公開的示例實施態樣的示例溫度測量系統；
圖10描繪了根據本公開的示例實施方式的示例處理系統；
圖11描繪了根據本公開的示例實施方式的示例處理系統；和
圖12描繪了根據本公開的示例實施態樣的方法的示例流程圖。
100:裝置、設備
108:窗、介電窗
109:保護環
110:處理腔室
112:工件支撐件
114:工件
115:支撐銷
140:熱源
150:發射器
151:分配通道、氣體分配通道
155:氣體輸送系統
156:氣體分配板
158:閥、控制閥
159:進料氣體管線
160:不透明區域
161:透明區域
166:反射感測器
167、168:溫度測量裝置
175:控制器
180:隔離門
185:氣體流量控制器
900:旋轉軸
910:泵送板
921:排氣口

Claims (20)

  1. 一種用於處理工件的處理設備，所述工件具有一頂側和與所述頂側相反的一背側，所述處理設備包括： 一處理腔室，包含一第一側和與所述第一側相對的一第二側； 一工件支撐件，設置在所述處理腔室內，所述工件支撐件被配置為支撐所述工件，其中，所述工件的所述背側面向所述工件支撐件； 一旋轉系統，被配置為旋轉所述工件支撐件； 一氣體輸送系統，被配置為將一種或多種製程氣體從所述處理腔室的所述第一側流入所述處理腔室； 一個或多個排氣口，用於從所述處理腔室中去除氣體，以保持所述處理腔室包含一真空壓力； 一個或多個輻射加熱源，設置在所述處理腔室的所述第二側，所述一個或多個輻射加熱源被配置為從所述工件的所述背側加熱所述工件； 一個或多個介電窗，設置在所述工件支撐件與所述一個或多個輻射加熱源之間；和 一工件溫度測量系統，被配置在溫度測量波長範圍內獲得指示所述工件的所述背側的溫度的溫度測量值。
  2. 根據請求項1所述的處理設備，其中，所述處理設備包括在所述處理腔室的所述第一側設置的一個或多個氣體分配板，其中，所述一個或多個氣體分配板被設置成使得一種或多種製程氣體均勻地暴露於所述處理腔室中的所述工件的所述頂側。
  3. 根據請求項1所述的處理設備，其中，所述旋轉系統包括被配置為在所述處理腔室中旋轉所述工件支撐件的旋轉軸。
  4. 根據請求項3所述的處理設備，其中，所述旋轉軸的第一部分設置在所述處理腔室中，並且所述旋轉軸的第二部分以所述處理腔室中保持真空壓力的方式設置在所述處理腔室的外部。
  5. 根據請求項1所述的處理設備，其中，所述一個或多個介電窗包含石英，並且所述工件支撐件包含石英。
  6. 根據請求項1所述的處理設備，其中，所述一個或多個輻射加熱源被配置為發射寬頻輻射以加熱所述工件。
  7. 根據請求項6所述的處理設備，其中，所述一個或多個介電窗包括對所述溫度測量波長範圍內的輻射的至少一部分是透明的一個或多個透明區域以及對所述溫度測量波長範圍內的輻射是不透明的一個或多個不透明區域，其中，所述一個或多個不透明區域被配置為阻擋在所述溫度測量波長範圍內由所述輻射加熱源發射的所述寬頻輻射的至少一部分。
  8. 根據請求項7所述的處理設備，其中，所述一個或多個介電窗包含石英，並且所述一個或多個不透明區域相比所述一個或多個透明區域包含更高含量的羥基（OH）基團。
  9. 根據請求項1所述的處理設備，其中，所述一個或多個輻射加熱源被配置為在加熱波長範圍內發射單色輻射，其中，所述加熱波長範圍不同於所述溫度測量波長範圍。
  10. 根據請求項1所述的處理設備，其中，所述工件溫度測量系統被配置為獲得所述工件的反射率測量值。
  11. 根據請求項10所述的處理設備，其中，所述溫度測量系統包括： 一個或多個發射器，被配置為在所述溫度測量波長範圍內發射校準輻射；和 一個或多個感測器，其中，從所述一個或多個發射器發射的校準輻射的至少一部分被所述工件反射並被所述一個或多個感測器收集。
  12. 根據請求項11所述的處理設備，其中，所述發射器以強度調製的方式將所述校準輻射發射到所述工件上。
  13. 一種用於處理工件的處理設備，所述工件具有頂側和與所述頂側相反的背側，所述處理設備包括： 一處理腔室，包含一第一側和與所述第一側相對的一第二側； 一工件支撐件，設置在所述處理腔室內，所述工件支撐件被配置為支撐所述工件，其中，所述工件的所述背側面向所述工件支撐件； 一旋轉系統，被配置為旋轉所述工件支撐件； 一氣體輸送系統，被配置為將一種或多種製程氣體流入所述處理腔室； 一個或多個排氣口，用於從所述處理腔室中去除氣體，以保持所述處理腔室包含一真空壓力； 第一組一個或多個輻射加熱源，設置在所述處理腔室的所述第一側，所述第一組一個或多個輻射加熱源被配置為從所述工件的所述頂側加熱所述工件； 第二組一個或多個輻射加熱源，設置在所述處理腔室的所述第二側，所述第二組一個或多個輻射加熱源被配置為從所述工件的所述背側加熱所述工件； 一第一介電窗，設置於所述處理腔室的所述第一側設置的所述第一組一個或多個輻射加熱源與所述工件之間； 一第二介電窗，設置於所述處理腔室的所述第二側設置的所述第二組一個或多個輻射加熱源與所述工件支撐件之間；和 一工件溫度測量系統，被配置在溫度測量波長範圍內獲得指示所述工件的所述背側的溫度的溫度測量值。
  14. 根據請求項13所述的處理設備，其中，所述旋轉系統包括被配置為在所述處理腔室中旋轉所述工件支撐件的旋轉軸。
  15. 根據請求項14所述的處理設備，其中，所述旋轉軸的第一部分設置在所述處理腔室中，並且所述旋轉軸的第二部分以所述處理腔室中保持真空壓力的方式設置在所述處理腔室的外部。
  16. 根據請求項13所述的處理設備，其中，所述第一介電窗和所述第二介電窗包含石英，並且所述工件支撐件包含石英。
  17. 根據請求項13所述的處理設備，其中，所述一個或多個輻射加熱源被配置為發射寬頻輻射以加熱所述工件。
  18. 根據請求項17所述的處理設備，其中，所述第一介電窗和所述第二介電窗包括對所述溫度測量波長範圍內的輻射的至少一部分是透明的一個或多個透明區域以及對所述溫度測量波長範圍內的輻射是不透明的一個或多個不透明區域，其中，所述一個或多個不透明區域被配置為阻擋在所述溫度測量波長範圍內由所述輻射加熱源發射的所述寬頻輻射的至少一部分。
  19. 根據請求項18所述的處理設備，其中，所述第一介電窗和所述第二介電窗包含石英，並且所述一個或多個不透明區域相比所述一個或多個透明區域包含更高含量的羥基（OH）基團。
  20. 根據請求項13所述的處理設備，其中，所述一個或多個輻射加熱源被配置為在加熱波長範圍內發射單色輻射，其中，所述加熱波長範圍不同於所述溫度測量波長範圍。
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