TW483070B - Method to thermally process substrate and the device thereof - Google Patents

Description

483070 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製

M B7 五、發明説明（1·) 本發明係關於一種熱處理基板，尤其是半導體晶圓之方 法及裝置，在程序室内具有至少一影響溫度分佈之元件。 此類之裝置可例如由同一申請人之專利申請案 DE-A-197 37 802中得知。在此裝置中有一透光之程序室， 以置放半導體晶圓’進行熱處理，在程序室之外，設有加熱 燈排，以改變在程序室内基板之溫度，為獲致一定之程序結 果，尤其是獲得均勻之基板溫度分佈，在程序室内設有一在 與基板平行之平面上，並包圍基板之補償環，及一與基板有 一距離，並與基板平行延伸之光轉換板，其也被稱為熱襯 墊，此補償環之任務是，防止在熱處理基板時所出現之邊緣 效應’例如，防止邊緣範圍相對晶圓内部在加熱階段有較快 之加熱，另外也防止在冷卻階段有較快之冷卻。習知之為 此補傷疋由多個獨立片段組成’例如在同一申請人之， 未公開之專利申請案DE-A-198 21 007中有所描述。 熱襯蟄的功能為，吸收從加熱燈排所放射出之光輻射， 因而此熱襯墊被加熱，且自身也放出熱輻射，以將晶圓加熱。 此間接加熱之晶圓是用來保護晶圓至少一表面不受到直接 之光輻射’因而保護在晶圓上設計之結構。此類熱襯塾之功 能可參考專利申請案DE_A_443736卜在此只加以引用，以 避免重複。 在所有裝置中，影響溫度分佈之元件，例如補償環及/ 或光轉換板，在熱處理基板時均是固定不動，平行於晶圓之 一平面而設置，只有在專利申請案DE-A-198 21 007中，描 述一運動之補償環，其用處是：在存放及取出晶圓時以之抓 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） -4- (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁)

483070 A7 B7 五、發明説明（2·) 取半導體晶圓。 以上述之裝置為基礎，本發明之任務為，提出一熱處理 基板之方法及裝置，以達到較佳之溫度均勻性。 根據此發明，此任務在一上述種類之方法中，是如此之 解決：在熱處理時，改變影響溫度分佈元件相對於基板及/ 或程序室之㈣設置，如此，可以簡單及有效核，在熱處 理時改變程序室内之溫度分佈，及在基板上絲板内之溫度 分佈，並適應設定之程序條件，尤其是，可以使基板上或基 板内之溫度分佈均質化。 在一優先之發明實施形式中，依熱處理時之溫度變化， 控制-相對運動，以改變設置，以得到與溫度變化配合之溫 度分佈。最好含元件相對基板及/或程序室運動。含元件運 動較含基板運動，基板受損壞之風險較小，因而較受偏好。 此運動最好是傾斜運動，擺動運動及/或升降運動，其中升 降運動並不限定於在高度上之運動，也包括了侧向運動。 在一特別優先之發明實施形式中，元件是一在一與基板 T行之平軸至少部純目練之爾元件，尤其是一補償 裱，補償環被用來影響晶圓受熱處理時之邊緣效應，此時， 元件最好由多個片段，尤其是環形片段組成，其中至少一片 段被驅動。藉設置？個片段，可在程序室内，及在基板上或 基板内得到健之溫度分絲制。為使溫度分佈有較佳之控 制，每個片段之運動，依至少另一片段之位置而進行控制。 另外，使用多個片段的優點是，補償元件之製造較具經濟效 益0 (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 訂' 經 濟 部 智 慧 財 產 局 員 X 消 費 合 作 社 印 製

經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 483070 Α7 __Β7 五、發明說明（3·) 為間化裝置之構造及簡化控制，至少二片段被同時驅 動。此時，片段最好成對位於基板之直徑方向，此相對設置 之片段對被同時驅動，因而相對基板具有對稱性。 依反應室之幾何形狀，含片段對一不通過基板對稱軸之 軸轉動，如專利申請案DE-A-198 21 007中所述，也非常有 利。 為使基板不直接受到光照射，最好有一光轉換板元件， 其吸收加熱裝置之光輻射，再送出熱輻射，以將基板間接加 熱。 在一發明實施形式中，至少二元件相對於基板及/或程 序罜之空間設置被改變，因而在程序室内，及在基板上或是 基板内得到良好之溫度分佈控制。在另一發明實施形式中， 至少一元件及基板被驅動，以影響在基板上或基板内之溫度 分佈。 本發明任務也有在上述種類之裝置中，以下述方法解 決；設有一裝置，以改變熱處理時影響溫度分佈元件相對於 基板及/或程序室之空間設置。此裝置有上述方法中所述及 之優點。 為影響基板熱處理時之邊緣效應，最好有一元件是在一 内基本上包圍基板補償元件，尤其是一補償環。此補償 環最好與基板平面呈傾斜設置，藉此，在晶圓邊緣造成陰影 效應’其特別是在極高之加熱率下防止邊緣範圍加熱過快。 此任務另外在-上述種類之裝置中，以下述方法解決； 至少-元件是相對基板之一平面傾斜設置，以造成特定之溫 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) ·裝------—訂---------瓤·

483070 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 A7 B7 五、發明說明（4·) 度分佈之影響。此時，此元件最好是一基本上包圍基板之補 償元件，尤其是一補償環，其對一加熱裝置在晶圓邊緣產生 陰影作用，因而防止在邊緣範圍加熱過快，尤其是在極大之 加熱率時。此元件最好是一光轉換板。 以下藉一些圖示更進一步說明此發明。各圖所顯示之内 容如下： 圖一根據本發明第一實施例之熱處理之半導體晶圓裝置， 位於第一位置； 圖二根據圖一之裝置，位於第二位置； 圖三根據第二實施例之熱處理之半導體晶圓裝置，位於第 一位置； 圖四根據圖三之裝置，位於第二位置； 圖五根據本發明之第三實施例之熱處理半導體晶圓裝置之 示意侧視圖； 圖六根據圖五裝置之示意上視圖； 圖七根據本發明裝置之影響溫度分佈之元件，其位置與熱 處理溫度變化關係圖； 圖八另一實施例之溫度變化與對時間關係圖。 圖一顯示一熱處理半導體晶圓2之裝置1之示意侧剖面 圖。此裝置1具有一程序室3，其上侧及下侧有最好是由石 英玻璃製造之壁面5及6。在壁面5上設有燈排或可反射之 室7，且在室内有一多燈8形式之加熱源。在壁面6之下同 樣設有一燈排或室9，與室7類似，在室内設有一燈1〇形 式之加熱源。 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公爱） -----------裝--------訂------- — (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 483070 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 A7 B7 —__ 五、發明說明（5·) 程序室之各侧壁可塗有介電薄膜，以對至少在室内部分 範圍之電磁頻磁得到一定之反射作用，另外，其中一側壁上 有程序室門，以進行半導體晶圓2之輸入及輸出。 在程序室3内設有一第一，在下之光轉換板12，其也 被稱為熱襯墊，平行於下程序室壁面6延伸。在光轉換板 12之上侧設有一距離維持件13，半導體晶圓2被置於其上， 因而半導體晶圓與光轉換板12平行及保持間距。 在半導體晶圓2之上設有另一光轉換板16，其被固定 在圖一中所示之第一位置，其與半導體晶圓平行，並保持有 一距離。光轉換板12、16由一具高光吸收係數之材料組成， 被用來吸收由燈8、10放射出之光，然後發出熱輻射，將半 導體晶圓2加熱。 如圖二所示，上光轉換板16之位置可相對半導體晶圓 2及程序室改變。上光轉換板16在圖二中之位置係相對於 半導體晶圓2傾斜設置，以改變室内及基板上或基板内之溫 度分佈，此上光轉換板16之傾斜位置在晶圓2之熱處理過 程中被碉整，傾斜之角度是依熱處理之溫度變化，及/或在 基板上或基板内之溫度分佈而調整，溫度則是藉由一適當之 里測裝置’例如未示出之高溫計加以量測。 此傾斜設置之板，另外一個好處為，可隨意影響程序氣 體之流動。當程序氣體在熱基板表面解離之解離產生物與晶 圓發生反應，能隨意影響流動總是有好處。可舉出的例子包 括珍與H2〇之氧氮化，此時，H2〇與晶圓平行流動。為得 到極均勻之氧氮薄膜，至目前需要在反應溫度(7〇(Tc至1150 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（21〇 χ 297公釐） — I — I Αν ^ · I----1— -liril----I « (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) Α7

--------^--------- (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 483070 A7 -----— _B7_____ 五、發明說明（7·) 補償環20基本上與半導體晶圓2在同一平面，但也可設置 在晶圓上或下些微距離處。 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 如圖四所示，補償環20被相對於半導體晶圓2向上舉 升。此類之舉升在例如所謂之快閃程序中進行，此時，為製 造薄膜，需要高至每秒40(TC之加熱速率，然後，在到達最 大溫度後隨即下降，以避免不希望之擴散效應。此類程序可 參見例如在同一天，及由同一申請人提出之專利申請案 DE-A......標題為“熱處理物件之方法”，其被引用以避免重 複。補償環之運動可依上述專利申請案中所描述之溫度及/ 或私序大氣變化進行控制。尤其是，可以調整一定之階段關 係。藉由在舉升之前及/或在加熱之時移動補償環2〇，並將 環固定在此位置，可在晶圓邊緣，針對從外斜向射入之光輻 射，造成陰影，因而防止邊緣範圍加熱過速。在隨後之冷卻 階段，環20又再下降至圖三所示之位置，以防止邊緣範圍 冷卻過速，由此，可大幅改善晶圓表面溫度分佈之均勻性。 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 雖然在圖三及圖四中之補償環2〇是以可移動方式示 出，此環也可是固定設置，在熱處理時，晶圓2可相對補償 環20運動，例如藉由可調整之距離維持件13，另外，也可 讓光轉換板運動’以造成晶圓2及補償環20間之相對運動。 在圖五及圖六中顯示另一半熱處理導體晶圓2之裝置i 之實施例。在圖五及圖六中，只要是相同或相似之元件，使 用與第一實施例相同之標號。 此裝置1亦具有一程序室3，其由上及下可透光之壁面 元件5、6組成。另外，在反射室内也有上及下燈排，與區 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS)A4規格（21G X 297公釐)' ---- 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 、發明説明（8·) 隔程序室之壁面5、6相鄭，與前述實施例相比，在圖五之 實施例中，在程序室内未設有光轉換板。晶圓2藉由距離維 持件13，被固定在程序室3中，與上及下壁面$、6平行， 距離維持件Π從下麵光之壁面5糾，如圖六所示之補 償環25是由4娜段25a_d触，伽騎方式固定 在程序室3 $。從圖五可看ώ，補償環25之位置與晶圓2 有傾斜’以在晶圓邊緣細，尤其是在晶壯靖造成陰影 作用。補償環可固定在此位置。 如同前述之實施例，補償環25也可以設計成可運動方 式，以在熱處理時改變其位置。此時，各環片段25a_d可獨 自，共同一致或成對運動，尤其是，例如在直徑方向對立之 二環形片段25a及25c可一同運動，以相對晶圓2造成一定 程序之對稱性，同樣，在直徑方向對立之環形片段25b及 25d也可同時運動。除了如圖五所示，補償環為傾斜，補償 環或疋各片段也可被舉升或下降，如圖四所示。當然，片段 之數量並不限制於4個，也可有更多或更少的片段。 圖七顯示一熱處理半導體晶圓之溫度-時間變化圖，及 以之控制之補償環運動，如在圖五内所示。在熱處理開始 時，補償環25與晶圓2在同一平面上。在溫度上升後，補 償環相對晶圓平面傾斜，且傾斜角度與溫度變化有關聯，例 如依上升之加熱速率而增加，到達最大溫度後溫度被迅速降 低。在降溫時，補償環被轉回。晶圓溫度降至T時冷卻停 土’晶圓被維持在此溫度，此時補償環再又回到與晶圓平行 之位置，因而防止了晶圓邊緣範圍之溫度冷卻過度。 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) M規格（210X297公釐） -11- 請 聞 之 項 再 耳 訂

I

"+OJU/U A7 B7 五 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 、發明説明（9·) 少藉由補償環在上端運動，於加麵段，在晶W邊緣產生 陰於，以防止邊緣範圍加熱過度。如此，可以改善在晶圓表 面度刀佈之均勻性。更進一步的改善均勻性可藉由额外之 晶圓轉動得到，及/或藉由控制加熱燈之輕射強度。 此改善之均勻性方法，對尤其是所謂之快閃程序非常重 要，在此私序有極高之加熱速率。在此程序中，裝置之燈排 通常是在全功率工作，因而常常造成不均勻性，尤其是在邊 緣範圍。其中，晶圓被快速加熱至約900°C至1150°C，晶圓 之加熱速率在15(TC/S至50(rc/s之間。在加熱後，晶圓隨 即被急速冷卻。在圖八中顯示了此快閃程序。在此一快閃程 序中藉由補償元件之運動，晶圓上溫度平均值之標準差可從 3°/〇降至 1%。 這類程序尤其是應用於摻質晶圓之活化，在活化程序 中，尤其是在只有極淺深度之摻質，需要極高之溫度均勻性。 在上述所提之均勻性，可藉由晶圓轉動，及額外之措施 例如燈之控制而更進一步得以改善。在圖一至圖五中，顯示 出裝有例如棒形燈之上燈排8及下燈排9。燈區之燈軸緣最 好是相互平行，在各圖中，平行設置之棒形燈是垂直進入紙 平面内。這些燈區之燈可以使用例如鹵素燈。在圖五中，補 償環25之轉軸與棒燈平行。以此設計，補償環在晶圓上之 陰影投射，在轉軸附近非常小，而在與此軸在直徑方向對立 之晶圓邊緣則是最大。當燈排之中央燈之輻射強度相對外部 燈被適當的減弱時，即得在晶圓上形成均勻溫度分佈，所需 之輻射曲線特性。 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐 ----------MW-------tr------ (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) -12- 483070 五、發明説明（10,) 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 在另-實侧中，用轉_償元件之雜，不是雜 排讀軸平彳了，而是與之有_角度，最好是9G。，當晶圓固 持裝置及獅耕是以可猶核實_，爾元件之轉轴 及燈轴間之肖度，可麵序巾，絲序触加以控制。 另外，上及下燈區之鹵素燈燈軸，可相互平行，或以任 一角度相交設置。 具棒燈之燈區與具點燈之燈區也可加以組合。此處所謂 之點燈，與棒燈相比，是指燈絲長度較燈泡直徑為短之燈。 當然，二燈區可完全是設置點燈或是點燈及棒燈之組合。依 特殊之需要，可控制各個燈而得到特殊之輻射場，此幅射場 可與目前晶圓之相對空間位置，及相對燈排之機械辅助元 件，而將晶圓溫度均勻性最佳化。 雖然依圖七所示之程序過程，補償環是以整體方式轉 動’但另外除了轉動運動外，環也可以在任意方向移動。補 償環各片段也可以相似方式運動。除了補償環之運動外，晶 圓也可相對補償環運動。 當在程序室3内設有多個影響溫度分佈之元件，例如一 個補償環及一個熱襯墊，如圖四之實施例，二元件亦即補償 環及光轉換板均運動，以影響程序室内之熱分佈、各實施例 之特徵可與其他實施例之特徵自由組合。 讀 意 訂 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210Χ297公釐） 、 -13 483070

A7 B7 五、發明說明（ιι·) 1 裝置 2 半導體晶圓 3 程序室 5、6 壁面 7 室 8 燈 9 室 10 燈 12 光轉換板 13 距離維持件 16 光轉換板 20 補償環 25 補償環 25a-d環形片段 元件符號說明 ί請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） -14-

Claims (1)

1. 4*3070 4*3070 m歷9 補充π

   經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 本紙張尺度適财_

   •-種熱處理基板之方法，尤其是半導體晶圓，在程序室 内具有至少-影響溫度分佈之元件，其特徵為，在熱處 理時，改變元件相對於基板及/或程序室之空間設置。 2·根據申請專利範圍第i爾述之方法，其特徵為，依熱 處理時之溫度變化控制一相對運動，以改變設置。 3·根射4專利細第1爾述之方法，其特徵為，元件 相對'於基板及/或程序室運動。 4·根據㈣翻細第3撕述之方法，其特徵為，該運 動係為傾斜運動，擺動運動及/或升降運動。 5. 根據帽相第1爾述之方法，其特徵為，元件 係一至少部分包圍基板，在與基板平行平面上之補償元 件，尤其是補償環。 6. ，據中請專利細第丨爾述之方法，其特徵為，元件 由夕個片#又，尤其是環形片段組成，且至少一片段被 驅動。 7. ί據巾請翻細第6項所述之方法，其特徵為，各片 段〈運動係依至少另一片段之設置加以控制。 8. 根據㈣翻細第6爾述之方法，其特徵為，至少 一片段同時被驅動。 ^ ^據切專嫌^第8爾述之方法，其特徵為，片段 ^對方式’位於基板直徑方向之兩端，且此片段對同 x 297公釐） -15- n n I I I (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁)

   _裝--------訂---- i.

   、申請專利範圍 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 10·根據申請專利範圍第1項所述之方法，其特徵為，元件· 係光轉換板。 11. 根據申請專利範圍第1項所述之方法，其特徵為，至少 一元件相對於基板及/或程序室之空間設置被改變。 12. 根據申請專利範圍第丨項所述之方法，其特徵為，至少 一元件及基板被驅動。 13· 了種熱處理基板之裝置，尤其是半導體晶圓⑵，在程 序室（3)内具有至少一影響溫度分佈之元件（1、16、 20、25) ’其特徵為，在熱處理時有一裝置被用以改變元 件相對於基板⑵及/或程序室⑴之空間設置。 R根據申請專利範圍第13項所述之裝置，其特徵為，該設 置可依熱處理之溫度變化加以控制。 15.,據_請專__ u猶述之裝置，其特徵為，元件 =、16、20、25)可相對於基板⑵及/或程序室⑴ 硬動。 ^申睛專利範第Μ項所述之裝置，其特徵為，該運 17係傾斜運動，擺動運動及/或升降運動。 =康申料利範m第1；3爾述之裝置，其特徵為，元件 乏、Li25)係在與基板平行之平面上之基本上包圍基板 補犢凡件，尤其是補償環。 18.=申請專利範圍第1?項所述之震置，其特徵為，補償 a衣U0、25)是與基板平面傾斜設置。 =申凊專她圍第13項所述之裝置，其特徵為，元件 係由多個片段（25a_d)，尤其是環形片段組成，且 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) ----訂------ §. 娜尺細 297公釐） -16 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 "+〇JU/U --------一 —_D8 六、申請專#^ 至少一片段可運動。 20·根據申清專利範圍第^項所述之裝置，其特徵為，各片 段（25a-d)之運動可依至少另—片段之設置進行控制。 21.根據中請專利範圍第13項所述之裝置，其特徵為，元件 (12、16)係光轉換板。 22·根據申請專利範圍第13項所述之裝置.，其特徵為，至少 —元件相對於基板（2)及/或程序室（3)之空間設置可 改變。 23·根據申請專利範圍第13項所述之裝置，其特徵為，至少 一元件及基板可運動。 24· -種熱處理基板⑵之裝置，尤其是半導體晶圓，在程 序室（3)内具有至少一影響溫度分佈之元件（12、16、 20、25)，其特徵為，至少一元件是相對於基板（2)之 平面傾斜設置。 25. 根據申請專利範圍第24項所述之裝置，其特徵為，元件 是在與基板平行之平面上之基本上包圍基板之補償元件 (20、25)，尤其是補償環。 26. 根據申請專利範圍第24項所述之裝置，其特徵為，元件 係光轉換板（12、16)。 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） -17- I 11 I ----I-----------訂-—丨！丨丨！^13|^|^· (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁)