TWI237293B

TWI237293B - Forced convection assisted rapid thermal furnace

Info

Publication number: TWI237293B
Application number: TW092124584A
Authority: TW
Inventors: Woo-Sik Yoo
Original assignee: Wafermasters Inc
Priority date: 2002-11-05
Filing date: 2003-09-05
Publication date: 2005-08-01
Also published as: KR20050083837A; DE60312203T2; EP1559133A1; KR100728408B1; DE60312203D1; US20040083621A1; JP2006505947A; TW200407946A; WO2004044962A1; EP1559133B1; US6952889B2

Description

1237293 器。由於該爐不須要用以加熱或移動元件的大燈泡、爐的尺寸以及處理區的體積，大體上可較其他爐小。由於以下，所述原因，減小的體積及尺寸具有優點。 [0011] 本發明的這些及其他優點將在下文配合圖式之說 5 明而更加清楚。圖式簡單說明 [0012] 第1圖為建立本發明的一代表環境之一半導體晶圓處理系統之一實施例的一概略側視圖。 __ [0013] 第2圖為依據本發明之一實施例的一爐之簡化的 10 橫截面圖。 [0014] 第3圖為依據本發明之一實施例的一包括一處理管的一處理室之簡化圖。 [0015] 第4圖為第3圖之處理管的一部份之簡化圖。 [0016] 第5圖為顯示本發明對於晶圓加熱之效果的圖式。 15 [0017]第6圖為顯示本發明對於晶圓冷卻之效果的圖式。 t實施方式]1 φ 詳細說明 [0018] 第1圖為一半導體晶圓處理系統100的一實施例之侧視圖，該系統建立本發明的一代表性環境。須知本發明， 20 不限用於任何特別的晶圓處理系統。 [0019] 如第1圖所示，處理系統100包括一裝載站102，其備有數個支持及向上移動一晶圓匣106至一裝載鎖108中的平台104。晶圓匣106可為一可拆卸匣，其以手動方式或以自動引導載器（AGV)裝載至一平台104中。晶圓匣106亦可為 7 1237293 〜固定匣，晶圓使用習知大氣機器人或裝載器（未顯示）裝载在其中。一旦晶圓匣106在裝載鎖1〇8内後，裝載鎖1〇8 及傳送室110維持在大氣壓力下，或使用一泵112形成一真空壓力。在傳送室110内的一機器人114朝向裝載鎖108轉 5 動，並自晶圓匣106拾取一晶圓116。亦可在大氣壓力或真空壓力下的一爐120由機器人114通過一閘門閥ns接受晶圓 116。 [0020]然後，機器人114撤回，接下來閘門閥118關閉，迷開始晶圓116的處理。在晶圓116處理後，閘門閥118打 1〇開，以允許機器人114拾取並移開晶圓116。 [〇〇21]可選擇地，可加入較多的爐（譬如爐122)於處理系统100中，依據本發明，爐120及122為RTP反應器，如用於熱退火之反應器。在其他實施例中，爐120及122亦可為其他種反應器，如用於擴散、熱氧化、氮化、化學霧化沉積 15 及類似方法中所使用者。爐120及122垂直地置放（即一個疊置在另一個上面），以減少系統1 〇〇所佔的空間。 [0022] 爐102及122釘在傳送室110上，並另以一支持框架 124所支持。可使用界面126而通過反應器之後端。 [0023] 如第2圖所示，爐200可大體上包括一封閉端之界 20 定一内孔穴210的處理室208，配置在内部孔穴210内的是一處理管212。爐200的外部可為一以鋁或類似材料製成的金屬殼體202，其具有備置在金屬殼體202之一面上的一開口，且構形成可容納用以處理的晶圓116。爐200可加入隔熱材料，如隔熱材料204，其大體上圍故處理室208，以減 8 1237293 少或阻止熱此通過殼體202而流出。隔熱材料2Q4可包括任何適合的隔絕材料，如陶曼纖維。 [0024]可選擇地，為保護靠近爐200的使用者以及/或設備，爐可包括一可脫離之水冷卻罩（未顯示）或類似裝置，其可用來以外部圍繞爐2〇〇。水冷卻罩可確保爐2〇〇不會變得太熱’以造成附近之設備或人員的傷害。 10 15 20 [0025] 實施例中，數個加熱元賴㈣來圍繞處理$ 212的頂及底部。在此實施例中，電阻加熱元件22〇可平斗地橫跨處理室且配置在其熱元件22Q相互十幻近。譬如，各加熱元件220可距離大約5随至5〇腿，孽如^ 大約1()咖至大約編之間。因此，加熱元件⑽的十分心的間隔使得處理管212中的熱溫度十分均勻地分佈。则加熱元細可包括以―纖維線圍繞的一電阻力熱元件芯體。該芯體可以㈣材贿成，但亦可以任何p 溫非導電㈣製成。該纖維線可便利地包繞著芯體，以; 許最理想量的H射減自元件散發出。該纖維線可為糾適合的可以電阻加熱電線，該電線以高質量材料（如SiC、 SlC塗敷石mNlCr、A1Ni及其他合金）製成，以月加熱回應性及高溫穩定性。在—會a 克州Stamford之Omega公司的Kantal a 自吴國康乃勒 :?選擇地，電阻加熱元物可:一^ 如，㈣、Z字形、鋼紋等等。該式樣可使溫度分佈較理想，且進-步減少橫跨晶圓表面之溫差。

9 1237293 [0028] 在另一實施例中，爐200包括散熱元件222，其靠近加熱元件220及處理室2〇8且備置在其間。散熱元件222吸收加熱元件220之輪出能量，並橫跨處理室2肋及管2ι2均勻地分散熱，散熱元件222可為任何適合的具足夠高熱傳導性 5之散熱材料，最好是碳化矽、Al2〇3或石墨。 [0029] 在一實施例中，爐200可包括任何數量的加熱區。在第2圖所示的實施例中，爐2〇〇包括三個平行的加熱區，包括一中間區2 ’兩個毗鄰外區1及3，各加熱元件220可r份鲁配至一特定的加熱區。 10 [0030]如下所詳細說明，各加熱區備有至少一溫度感應器224，其使一控制器226備置回饋。由於在一加熱擅内的溫差被溫度感應器所偵測，即時控制器22β可造成電力供應裔232之電力在必要時增加或減少，以增加或減少來自各加熱元件220的能量（熱）輸出。譬如，若溫度之下降在區1中 15被感測出，分配至加熱元件220的熱能增加，直到區1中的溫度回到所欲程度。以此方法，橫跨晶圓116之表面上的各 · 區之溫度可大體上維持相同。 [0031 ]分配置各區的爐200之數量及區的數量可依據所〜欲的能量輸出而改變。各區之尺寸（即加熱體積）亦可改 · 20變。便利地，各區之尺寸可依所欲加大或縮λΚ。譬如，區2 可加大，以藉由自區1至區3及區2再分配加熱元件22〇而處理較大的晶圓。此意謂著分配至區2的加熱元件22〇之數量增加，而分配至區1及3之加熱元件的數量減少，與已分配至區2的加熱元件相同的方式，加至區2的加熱元件由控制 10 1237293 器226所控制。 [0032] 在一實施例中，溫度感測器（如熱偶）嵌至散熱元件222内。譬如，熱偶224a、224b及224c可策略性地置放，使得其可經由管線230備置有關於散熱元件222的溫度狀況 5 之回饋。譬如，一第一及一第二熱偶224a-224c置於散熱元件222的各端上。一第三熱偶224b置於散熱元件222的中心。在此構形下，一區（譬如區1、2及3)之溢度可以備置至控制器226的回饋而監控。藉由置放熱偶224a-224c於散熱元件222上的已知位置、溫度梯度可參考處理室2〇8内的位 10 置而決定。此資料由控制器226所使用，以較精確地控制各區内的溫度。熱偶224a、224b、224c可為習知的Omega公司生產的R式或K式熱偶。 [0033] 一微處理器或處理控制電腦U8，大體上控制置於 RTP反應為中的半導體晶圓之處理，且可用來監控用以診斷 15之系統的狀況。在一實施例中，處理電腦228可回應接收自溫度感應器224的溫度資料而備置控制信號至控制器226。處理電腦228亦可引導壓力設定點至泵總成112(第丨圖）以及氣體及電漿入口流動信號至在一氣體網路（未顯示）中的物質-流動控制器。在一實施例中，控制器226為〇mega& 20司生產的一即時比例積分導出器（PID)，數個區控制器。控制杰226長:供控制k號至一 scR為主的相位控制電力供應器 232，其備置電力至電阻加熱元件220。便利地，電壓在大約100瓦至大約500瓦之間的一引導管線可用來起動電阻加熱元件220。因此，本發明中不須要用以控制電阻加熱元件 11 1237293 2 2 0之輸出之複雜的電力變壓器。 [0034] 在知作時，多區控制器226經由感應管線230接收溫度感應器輸出，以及自電腦228接收所欲的晶圓溫度設定二占並輸U °亥控制之電力設定點至加熱元件電力供應器 5 232。加熱疋件220回應由電力供應器232供應之電力的增減而增加或減少其能量輸出。 [0035] 第3圖為依據本發明之一實施例的包括處理管212 之處理至208的簡化圖。在一實施例中，處理管2丨2可備置 _ -大體上矩形橫截面，且具有一最小内部容積的圍繞晶圓 1〇 U6。在一實施例中，處理管212的容積通常不大於大約 5000cm3，取好容積小於大約3〇〇〇cm3。小容積的結果為較容易維持均勻的溫度。此外，小管容積允許爐潰（第2圖）較小’因此系統1〇〇亦較小，而所需的清潔室地面空間亦隨之減少。較小的爐尺寸，配合機器人裝載器藉由如幻圖中所 15示地垂直疊置反應器而允許多個爐用於系統中。 [0036] 為實施一方法，處理管212必須可加壓。基本上，讀_ 處理管212必須可以承受大約〇〇〇1][町至1瞻町（而最好在大約〇· ITorr至大約76〇Torr之間）的内壓力。在一實崞例中，處理管212可以水晶製成，亦可以碳化石夕，Ah〇3或# 20 他類似的適合材料製成。 [0037] -晶圓支持裝置3〇2可用來支持一單一晶圓於處理營212中。支持裝置302可以任何高壓電阻材料製成，如石英。支持裝置302可具有任何所須的高度，譬如，大約在 5〇心至大約20_之間的高度。在一實施例中，支持裝置3〇2 12 1237293 包括定位在處理管212内的支撐物。該支撐物。該支撐物大體上的高度在大約5〇至大約2〇mm之間。支撐物及晶圓 116之間的總接觸面積可小於大約35〇mm2，最好是小於大約 300mm2。支持裝置302可以石英或類似材料製成。 5 [0038] —開口孔304界定在處理管212的一端上，其為處理區310的入口，用以在操作之前及之後裝卸晶圓116。開口孔304可為一相當小的開口孔，但其高度及寬度足以容納在大約0· 5_至大約2mm厚度，且直徑高達大約3〇〇mm(〜12英吋）的一晶圓，以及通過其中的一機器人手臂（第1圖）。開 10 口孔304之高度不大約大約18mm至大約50mm之間，且最好不大於大約30mm。相當小的開口孔有助於處理管212喪失的輕射熱。此外，小開口孔保持進入處理管212之處理區31〇的顆粒數，並較容易維持均勻的溫度環境。 [0039] 第4圖顯示依據本發明之一實施例的處理管212之 15 一放大部份。如圖所示，處理管212可具有一中空壁。譬如，處理管212可具有一外壁402，以及一内壁404，其包封一内中空孔穴或通路4〇6。外壁402及内壁404之厚度可為任何允許在不同壓力狀況下晶圓之高溫度處理。譬如，壁厚度可在大約1mm及大約5mm之間。中空孔穴406亦可界定成具有可 20促成晶圓處理的任何容量，譬如，中空孔穴406的厚度可在大約0. 5麵至大約5mm之間。 [0040] 中空孔穴406具有一入〜口孔311(第3圖），其允許氣體自一氣體儲存槽（未顯示）饋入中空孔穴406中，氣體可包括，譬如，任何適合的載體氣體，如He、H2、〇2、Ar、％等， 1237293 以及任何處理氣體，如丽3、〇3、SiH4、Si2H6、B2H6及其他適於CVD應用之其他氣體，或兩種氣體之混合。以下，載體氣體、處理氣體以兩種氣體混合，大體上總稱為 '氣體〃。 [0041 ] 在一實施例中，數個孔或出口孔408通過内壁404 5 而形成，以允許在中空孔穴406及處理區310之間相通（第3 圖）。各出口孔408的尺寸可允許不同種類的氣體在中空孔穴406及處理區310之間移動。在一實例中，出口孔408的直徑可在大約0.1_至大約2mm之間。 [0042] 出口孔408可大體上自在開口孔304上的處理管 10 212之端301延伸至與處理管212的氣體進入端有一固定距離305的一點303。距離305設計成可允許流動氣體在離開出口孔408之前以一既定的流動率到達最低溫度。 [0043] 處理管212可使用許多習知製造技術製成，譬如，處理管212可熔接、焊接、組合或鑄造而成。 15 [0044] 傳送至流動氣體的熱為加熱器之熱質量，氣體流動率及出口孔之尺寸，氣體種類，在中空孔穴406中氣體之停留時間以及中空孔穴406内的溫度之函數。各參數可調整，直到氣體溫度適於一特定方法為止。 [0045] 一般而言，熱質量以及加熱元件之熱能輸出及能 20 力是習知的。因此，在一既定熱能輸出下，氣體可以任何所欲速率流動通過中空孔穴406的氣體，譬如大約10seem至 lOOslm。可選擇氣體之流動率，以確保晶圓在支撐物上維持穩定，且處理管内外之大氣環境差相當小。 [0046] 中空孔穴406備置熱交換，使得氣體可在自入口孔 14 1237293 311移動至出口孔408的出口點時加熱。進入入口孔311的氣體可在進入中空孔穴406之前可為大氣溫度，或可預先加熱。在氣體離開出口孔408之前，氣體可流動而通過中空孔穴406之一距離305。距離305的長度亦可改變，但其至少長 5 到足以使氣體停留的時間可在離開出口孔408進入處理區 310之前到達一所欲的最低溫度。

[0047] 在一實施例中，氣體可以允許氣體加熱至在大約1 °C/s及大約1000°C/s至大約100°C至1400°C之間的速率加熱。 10 [0048] 如第3圖所示，在一操作實施例中，晶圓116置於

支持裝置302的處理管212内。一氣體，如與處理氣體混合的一載體氣體被允許流動通過中空孔穴406。在一實施例中，進入中空孔穴406之氣體可預先加熱，或可選擇地，可在大氣溫度下，在此實例中，氣體在大約室溫（〜25°C)下以 15 箭頭312方向進入中空孔穴406。然而，在兩個實施例中，氣體均以自加熱元件220傳送至散熱元件222並至處理室 208，最後通過外壁402及内壁404的熱加熱至一處理溫度。首先，氣體在中空孔穴406内流動一段距離305，以到達一最低所欲的處理溫度。然後，流動氣體到達出口孔408，進 20 入處理區310。流動氣體接觸在處理區310中的晶圓116，以使用強迫的對流效果加熱晶圓116。 [0049] 以一加熱氣體控制之速率流至中空孔穴406中。因此，用以加熱晶圓116之反應速率的控制可與氣體流動速率控制具有關連性。如下所述，氣流在晶圓116整個處理過程 15 1237293

中可為連續的，其可僅在溫度向上爬升時脈衝及跳動，或僅在溫度下降時跳動，或兩者在溫度上升及下降時均跳動。 [0050] 如第5圖之圖表500所示，置於爐200中及加熱的晶圓在晶圓的一中間部及一邊緣部之間具有不同的加熱方式 5 及加熱速率。譬如，無通過處理管212的中空孔穴406流動之氣體，晶圓中間502要求大約3. 5倍的單元到達大約1000 °C之處理溫度。晶圓之邊緣須要大約2. 5倍單元到達相同的溫度。 [0051 ] 使用依據本發明之藉由通過中空孔穴406並進入 ίο 處理區310而產生的強迫對流而協助加熱的晶圓在晶圓的邊緣部份及中間部份上幾乎一致的加熱方式加熱。譬如，在小於一倍的單元内，晶圓中間506及晶圓邊緣508同時到達大約1000°C的處理溫度。 [0052] 本發明的主要優點在於其可以較小的放射率依賴 15 度及較少圖樣誘出的局部加熱效果執行大體上石夕晶圓之無

滑動RTP。 [0053] 第6圖顯示本發明之另一實施例的效果，其中強迫對流使得晶圓之被迫冷卻在處理管212内。如圖表600所示，當通過中空孔穴406之氣體的流動率（第4圖）增加時， 20 可增加晶圓溫度上升率。然而，在一既定熱輸出以及一特定氣體流動率下，如標號602所示，晶圓溫度上升率開始下降。此時，強迫對流之效果移除晶圓中的能量，以造成晶圓冷卻。強迫冷卻下降後處理晶圓至臨界滑動形成溫度之下的一溫度，而不須冷卻處理室208或一分開的冷卻室。 16 1237293 [0054] 須知上述晶圓可以習知材料製成，如石夕、神化物、或其他類似化合物，或晶圓可為以石英或玻璃半導體晶圓。 k [0055] 以上已說明了本發明之較佳實施例。熟悉此技藝人士須瞭解到本發明可在不脫離其精神及範圍下作改變。 5 因此，本發明僅以申請專利範圍所界定。 L圖式簡單說明3 第1圖為建立本發明的一代表環境之一半導體晶圓處理系統之一實施例的一概略側視圖； φ 第2圖為依據本發明之一實施例的一爐之簡化的橫截 10 面圖；第3圖為依據本發明之一實施例的一包括一處理管的一處理室之簡化圖；第4圖為第3圖之處理管的一部份之簡化圖；第5圖為顯示本發明對於晶圓加熱之效果的圖式；以及 15 第6圖為顯示本發明對於晶圓冷卻之效果的圖式。【圖式之主要元件代表符號表】 0 100 處理系統 116 晶圓 102 裝載站 118 閘門閥 104 平台 120 爐 106 晶圓E 122 爐 108 裝載鎖 124 支持框架 110 傳送室 126 界面 112 泵 200 爐 114 機器人 202 金屬殼體 17 1237293 204 隔熱材料 303 點 208 處理室 304 開口孔 210 内孔穴 305 距離 212 處理管 310 處理區 220 加熱元件 311 入口孑L 222 散熱元件 312 箭頭 224a 熱偶 402 外壁 224b 熱偶 404 内壁 224c 熱偶 406 内中空孔穴或通路 226 控制器 408 孔或出口孔 228 微處理器或處理控制電腦 500 圖表 230 管線 502 晶圓中間 232 電力供應器 506 晶圓中間 301 端 508 晶圓邊緣 302 支持裝置 600 圖表

Claims

丨j㉟二$月ί.8 1237293 拾、申請專利範圍：第92124584號專利申請案申請專利範圍修正本94年2月18曰 1 · 一種在處理過程中用以加熱晶圓的裝置’該裝置包括· 一處理室； 10 15 界定配置在該處理室中的一處理區之一處理管，該處理管具有在其間界定一中空孔穴的一第一壁及一第二壁，該第二壁包括形成在其上的數個孔，其等允許該中空孔穴及該處理區之間環境相通，其中該晶圓係被配置在相對的第二壁之間，該經構形的孔穴致使各個該等複數孔穴的中心線垂直地校準，且入射至一配置在該晶圓處理區中之晶圓的刖、後 >一側，以及定位成毗鄰該處理管的數個電阻加熱元件，其中該處理管係於該加熱元件與該處理區之間，由該電阻加熱元件之一熱能輸出係建構來加熱流經該中空孔穴的該氣體，流經該中空孔六的該氣體係經由該數個孔而流出該中空孔穴，以對流地改變配置在該處理管中的晶圓之溫度。 2. 如申請專利範圍第1項的裝置，其中通過該中空孔穴而流動並通過該數個孔而流出中空孔穴的氣體對流地增加配置在處理管中的晶圓之溫度。 3. 如申請專利範圍第1項的裝置，其中通過該中空孔穴而流動並通過該數個孔而流出中空孔穴的氣體對流地下降配置在處理管中的晶圓之溫度。 4. 如申請專利範圍第1項的裝置，其中該處理管包括選擇自 20 1237293 \h，. ::: n . IM 土—Ά 由石英、Α〗2〇3及碳化碎構成之組群的材料。 5. 如申請專利範圍第1項的裝置，其中該處理管構形成無内部移動元件。 6. 如申請專利範圍第1項的裝置，其中該氣體選擇自由He、 5 H2、02、Ar、N2、NH3、03、SiH4、Si2H6、B2H6及其他適於CVD應用之氣體及其混合物構成的群組。 7. 如申請專利範圍第1項的裝置，其中各電阻加熱元件的熱能輸出可使用一控制器而控制。 8. 如申請專利範圍第1項的裝置，其中通過該中空孔穴而流 10 動之氣體的流率在大約lOsccm至大約lOOslm之間。 9. 如申請專利範圍第1項的裝置，其中該溫度的改變發生在大約l°C/s及大約1000°C/s之間的速率下。 10. 如申請專利範圍第1項的裝置，其中晶圓之溫度可在大約 100°C及大約1400°c之間改變。 15 11.如申請專利範圍第1項的裝置，其中在該處理管内的壓力在大約O.OlTorr及lOOOTorr之間。 12.如申請專利範圍第1項的裝置，其中該處理室界定數個加熱區，其中各該數個加熱區包括至少數個電阻加熱元件中的一個元件。 20 13.如申請專利範圍第12項的裝置，其中各該數個加熱區包括構形成可送出回饋資料至一微處理器的一溫度測量裝置。 14.如申請專利範圍第1項的裝置，其另包括靠近該數個加熱電阻元件的一熱擴散材料，該熱擴散材料造成該各電阻 1237293 λ φι 〉丨 8 . ；.t - - —-- - 加熱元件之熱能輸出加熱在中空孔穴中流動的氣體。 15. —種用以處理一半導體晶圓的方法，其包括：使氣體通過由一處理管之中空壁界定的一孔穴而流動； 5 自數個電阻加熱元件產生一熱能輸出，以在氣體停留在孔穴中且於該加熱元件及一晶圓處理區之間時，改變氣體的溫度；以及加熱氣體以一實質上垂直的方向，自孔穴中流出至該晶圓處理區中，且入射至一配置在該晶圓處理區中之 10 晶圓的前、後二側，以改變該晶圓之溫度。 16. 如申請專利範圍第15項的方法，其中自該中空孔穴流出至一晶圓處理區以改變配置在其中的晶圓溫度的加熱氣體增加配置在處理管中的晶圓溫度。 17. 如申請專利範圍第15項的方法，其中自該中空孔穴流出 15 至一晶圓處理區以改變配置在其中的晶圓溫度的加熱氣體下降配置在處理管中的晶圓溫度。 18. 如申請專利範圍第15項的方法，其中該處理管包括選擇自由金屬、石英、ai2o3及碳化矽構成之組群的材料。