TWI414627B - 控制反應室基板表面溫度之裝置及方法 - Google Patents

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Description

控制反應室基板表面溫度之裝置及方法
本發明係有關一種控制CVD反應器反應室中之基板表面溫度之方法，基板放置在一基板座上，基板座被一基板座載板流出氣流所構成動態氣墊支撐，對基板之熱輸入至少部分利用經過該氣墊之熱傳導。
本發明尚有關一種進行上述方法之裝置，其包括一反應室、一設置於其中之基板座載板、一或數個基板座、一加熱基板座載板之加熱裝置、一測量基板座之基板表面溫度的光學溫度測量裝置及一在基板座載板與基板座之間構成動態氣墊之氣體的輸入管。
此種裝置及方法可參閱專利DE 10056029 A1，其提出一種在第三與五族基板上沈積第三與五族半導體薄膜之CVD反應器。基板被放置在基板座上，該基板座為圓筒形。基板座衛星式排列在一基板座載板上。基板座載板具容置凹槽，以容置基板座。容置凹槽底部流出氣體，使得基板座被氣墊保持在一漂浮狀態。藉使氣體以適當方向流出底部之噴嘴可使基板座旋轉。此種CVD反應器不僅使基板座相對於基板座旋轉，亦使基板座載板繞其自軸旋轉。
基板座載板可與基板座同樣由石墨製成。基板座上之基板整個表面的表面溫度應保持恆定。表面溫度以一高溫計測量。與基板座相對之反應室蓋板具一開口。高溫計與一調節裝置連接，其首先測量基板之平均表面溫度，該溫度應在額定值範圍內。使基板達到表面溫度的熱係由基板座載板下方經基板座載板而輸入。熱利用熱輻射以及經動態氣墊之熱傳導而傳輸至基板座。然後由基板座下側傳導至放置基板的上側。基板只有在理想狀態下才貼覆基板座表面。實際情況是基板只以邊緣或中心貼覆基板座。其乃由基板之熱或結構性拱起所致。
藉改變構成氣墊之氣流的流速可影響氣墊之高度。利用此高度調整可影響氣墊之導熱性。故改變氣流可影響對基板之熱輸送。使用DE 10056029 A1所提出之方法雖然可微調基板之平均表面溫度。但此方法對表面之橫向溫度曲線，即溫度不均勻度，尤其是水平梯度的影響有限。
DE 101 33 914 A1提出一種在基板上沈積薄膜之裝置，其將複數個基板座放置在一基板座載板的容置凹槽中。基板座各被一氣墊支撐。
DE 696 29 980 T2提出一種沈積一材料之溫度調節方法。基板位在一散熱體上方。基板與散熱體之間有一縫隙，該縫隙可輸入具不同導熱性之氣體。
DE 691 17 824 T2提出一種將氬氫混合物輸至一基板背面之方法。
US 5,683,759提出一種在基板上沈積多晶體鑽石之方法，其基板座具不同深度之環形槽。
WO 2005/121417 A1提出一種CVD裝置，其基板被一可旋轉之基板座承載，基板座下方有一氣墊。
本發明之目的在於有效減少一基板表面溫度與一平均值之橫向偏差。
本目的由申請專利範圍所述之本發明達成。每一項申請專利範圍皆可獨立，但亦可與其他各項申請專利範圍組合。
本發明使構成氣墊之氣流由兩種或兩種以上具不同比導熱性之氣體構成。動態氣墊之導熱性藉氣流之組成成分而被改變。亦可(附加地)藉提高流動速度而改變導熱性。提高氣流而使得氣墊增大時，基板座整個直徑的表面溫度均勻下降。但以該方法只略微改變表面，尤其是直徑，上方之溫度定性曲線。本發明發現，構成氣墊之氣體導熱性的改變可影響溫度曲線。亦即氣墊導熱性提高時，基板表面中心部份的溫度增加大於邊緣部份。故可藉改變動態氣墊之導熱性而微調基板表面之溫度曲線。因此本發明之導熱性微調可影響溫度，但不改變氣墊之厚度。兩種具極不同導熱性之氣體亦具極不同之黏性時，如此為特別有利。本發明並使基板座具一適當導熱性，或使基板座與容置凹槽具一適當形狀，而使得只使用兩氣體其中一氣體時，基板座表面溫度出現橫向不均勻，該橫向不均勻可藉改變氣流組成成分而被補償。基板座導熱性可為徑向不均勻。但基板座的導熱性為旋轉對稱。朝向氣墊之基板座下側與凹槽底部表面亦具一旋轉對稱結構。該兩面可為非平面。氣墊可在不同的徑向位置具不同的厚度。故例如使用導熱性低於氫之氮作為載氣時，可使基板中心部份的表面溫度低於邊緣部份。如反之使用氫作為氣墊之氣體，則基板中心部份的表面溫度高於邊緣部份。藉該兩種氣體之混合可調整基板座對角線上的溫度曲線，而最小化各徑向位置之溫度與一平均值的偏差。理想情況是基板座表面之溫度曲線為平坦。基板座所承載基板的表面溫度亦是如此。但基板在製程中拱起時，基板座對基板之局部熱輸送變化可藉適當改變氣體之組成成分而被補償。例如基板中心部份由於熱彎曲而拱離基板座表面時，可改變氣體組成成分，而提高中心部份的熱輸送。基板邊緣部份由於熱彎曲而拱離基板座表面時，亦可改變氣體組成成分，而補償邊緣部份降低之熱輸送。只使用一種高導熱性氣體而使基板座中心部份溫度高於邊緣部份，或只使用一種低導熱性氣體使基板座中心部份溫度低於邊緣部份，可達到最佳之補償。亦可使用在軸向上具局部不同導熱性之基板座，故基板座中心部份與邊緣部份軸向上的導熱性可不相同。其亦適用於以熱輻射進行之熱輸送。不同徑向位置之熱輻射亦可能不同。熱輻射特性基本上即是表面特性。故容置凹槽底部與基板座下側表面可具局部不同之導熱性。在一較佳實施例中基板座在徑向上具不同厚度。例如使基板座中心部份比邊緣部份薄。故可使基板座下側為弧形，其可為凹形或凸形。同樣地，亦可使容置凹槽底部為凸形或凹形。亦可使基板座下側具一階梯狀的凹部。
進行本發明方法之裝置基本上與DE 10056029 A1所提出之裝置相同。本發明方法亦可藉改變氣流而改變氣墊的高度。故本發明包含DE 10056029之所有公告內容。
進行本發明方法之裝置具一設在基板座載板下方之加熱裝置，其可是一電阻式加熱裝置。該加熱裝置加熱基板座載板。基板座則藉熱傳導與熱輻射而被加熱。基板座所承載基板的表面溫度被持續測量。由於基板座被旋轉，故測得一平均溫度。但溫度的徑向關係可被設定。基板座載板繞其軸旋轉時，溫度之測量基本上設一高溫計便已足夠。高溫計之測量值被傳送至一調節裝置。該調節裝置控制質流控制器，以調整構成氣墊之氣流的組成成分。通常使每一時間單位之總氣流保持恆定，故氣墊高度保持不變。但亦可改變氣流而改變氣墊高度。
以下將依據附圖詳細說明本發明之實施例。
本發明方法係用於一CVD反應器之反應室12。該反應室12位在一水平方向的基板座載板1上方。基板座載板1為圓形並可繞其軸14旋轉。平行於基板座載板1的上方設有一反應室蓋板10，反應室位在蓋板10與基板座載板1之間。基板座載板1下方被一電阻式加熱裝置24加熱。基板座載板1上側總共設有五個容置凹槽20。每個容置凹槽20中皆放置圓盤形基板座2。容置凹槽20底部21設有螺旋溝7，其連接一氣體輸入管6。由螺旋溝7流出的氣體抬起基板座2，而構成一動態氣墊8。氣體以一定方向流出螺旋溝7，該方向使得基板座2繞其自軸旋轉。每一基板座2上放置一基板9。整個反應室皆位在一未示出之反應室殼體內部並為氣密，故反應室12可抽成真空。
進行CVD製程時，需要的反應氣體經未示出之輸入管路而被輸入反應室12中。反應氣體可含金屬有機化合物，亦可含氫化物，亦可為氯化金屬。基板9表面需沈積出一層單晶層，此處可為第四族材料或第三與第五族材料或第二與第六族材料。基板9可由任一種適當材料製成，可為一非導體或一半導體。只在理想情況下，才需在基板單晶表面沈積晶格匹配之薄膜。且只在理想情況下，才需使沈積薄膜與基板具相同之熱膨脹係數。薄膜通常並非百分之百晶格匹配。各薄膜亦可具不同之膨脹係數，尤其可具較高或較低之膨脹係數。如此使得基板溫度變化時，薄膜或交界面出現應力，而導致基板拱起。沈積晶格不匹配之薄膜亦會產生應力而導致基板拱起。基板9中心會視晶格常數或溫度膨脹係數之不同而向上或向下拱起。由於沈積過程在反應室12中以不同的溫度進行，故基板9的拱起可為相反，使得一步驟中基板9只以中心部份接觸基板座2表面，另一步驟中則只以邊緣接觸基板座2表面。如此使得基板座2表面流到基板9的熱在方向及時間上皆不同。
反應室12只由下方加熱時，會出現一垂直之溫度梯度，亦即基板9上方氣相之溫度隨著與基板座2的距離而降低。基板9由於在某些地方沒有與基板座2接觸，而使得基板座2對基板9的熱傳導減少。故基板9某部份較其他部份冷。如此為不利，有利的應是使基板9的整個表面皆具相同的溫度，而降低水平方向的溫度梯度。基板9表面的等溫線應儘可能平坦。最理想的是使基板表面位在一等溫線上。
基板座載板1對基板座2的熱輸送基本上是利用動態氣墊8。此處容置凹槽20底部21對基板座2下側的熱輻射及對準氣墊8之經過氣體的熱傳導皆有影響。
藉底部21表面及基板座2下側的不同形狀可影響熱輻射。熱傳導則隨動態氣墊8高度的改變而改變。為此可提高或降低輸入管6的總氣流。但製程中無法應用這些手段來影響基板9上方橫向等溫線或基板9表面橫向溫度梯度。
本發明係藉由構成動態氣墊8之氣體組成成分的改變。其使用兩種具極不同比導熱性的氣體17、18。例如使高導熱性的氫17混合低導熱性的氮18。兩氣體17、18各設有一質流控制器15、16。亦可使用其他氣體混合物，尤其是適當的稀有氣體，如氬、氦等。兩不同氣體17、18經一共同的輸入管6被輸送至容置凹槽20。藉質流控制器15、16改變氣體的組成成分，可改變氣墊8之導熱性。氣墊8高度則保持不變。設有一調節裝置19，用以調整質流控制器15、16之氣流。該調節裝置19之輸入資料來自一高溫計3，其由一開口11測量基板表面溫度，因基板座2旋轉，而得到一平均表面溫度。由於基板座載板1旋轉，各基板座2依序通過開口11下方。因開口與基板座2旋轉軸對旋轉軸14之徑向距離相同，各可測得一對角溫度曲線，如圖4所示。
藉適當之設計或適當之材料選擇，可使基板座2使用低導熱性氣體18時，基板座表面邊緣部份比中心部份熱，如圖4曲線I所示。如改變氣體的混合比例，而增加氫17的含量並降低氮18的含量，則可提高氣體的導熱性，使得基板座載板1表面中心部份增溫，如曲線II所示。繼續提高氣墊8導熱性，如曲線III所示，可使得基板座的整個表面之溫度一致。此種狀況適合基板9整面貼覆基板座2表面時。
另一種改變混合比例而提高氣體導熱性的手段得到溫度曲線IV。如只使氫17通過輸入管6，則可得到曲線V之溫度曲線。基板9中心部份貼覆基板座2表面時，需要曲線I及II之基板表面溫度曲線。基板座2邊緣部份的溫度需較高，以補償該處對基板9的較低熱輸送。基板9只以邊緣部份貼覆基板座2表面時，則需要曲線IV及V之基板表面溫度曲線。基板座2中心部份的溫度需較高，以補償該處的較低熱輸送。
圖2所示基板座2下側具一凹部13，該凹部13為一對中之凹槽，而使得氣墊8高度增大，導致底部21對基板座2的熱傳導減少。如此，造成的表面溫度不均勻可以適當的氣體組成成分補償。
圖3所示實施例中之凹部13為弧形，其底部與基板座2下側的環形面不構成階梯。
同時應用組成成分的改變與氣墊高度的提高不僅可影響表面溫度曲線，亦可影響表面溫度的絕對值。如此可將邊緣溫度相對於中心溫度降低或增高一恆定的平均值，故基板座2邊緣溫度可高於及低於基板座中心溫度。基板座表面溫度曲線可由調節裝置19經質流控制器15、16而調整，使得基板表面各處皆具相同溫度。
所有揭示特徵本身皆具有發明性質。本發明揭示之特徵完全包含於本案之申請專利範圍中。
1‧‧‧基板座載板
2‧‧‧基板座
3‧‧‧高溫計；(光學式)溫度測量裝置
6‧‧‧(氣體)輸入管
7‧‧‧螺旋溝
8‧‧‧(動態)氣墊
9‧‧‧基板
10‧‧‧反應室蓋板
11‧‧‧(反應室蓋板)開口
12‧‧‧反應室
13‧‧‧(基板座下側)凹部
14‧‧‧旋轉軸
15‧‧‧質流控制器；氣體混合裝置
16‧‧‧質流控制器；氣體混合裝置
17‧‧‧(高導熱性)氣體
18‧‧‧(低導熱性)氣體
19‧‧‧調節裝置
20‧‧‧容置凹槽
21‧‧‧(容置凹槽)底部
22‧‧‧(基板座上側)凹部
23‧‧‧(基板座上側)凸邊
24‧‧‧加熱裝置
圖1係一基板座載板之俯視圖，其共有五個容置凹槽，該容置凹槽各容置一基板座，基板座上各放置一基板。
圖2係圖1線II-II之截面圖。
圖3係基板座另一實施形態如圖2之圖。
圖4係基板座對角線上的溫度曲線，其構成動態氣墊之氣流的組成成分不同。
圖5係反應器周邊裝置之圖。
6‧‧‧(氣體)輸入管
7‧‧‧螺旋溝
8‧‧‧(動態)氣墊
9‧‧‧基板
13‧‧‧(基板座下側)凹部
20‧‧‧容置凹槽
21‧‧‧(容置凹槽)底部
22‧‧‧(基板座上側)凹部
23‧‧‧(基板座上側)凸邊

Claims (18)

  1. 一種控制CVD反應器反應室(12)中至少一個基板(9)之表面溫度的方法，其基板(9)係放置在一基板座(2)上，該基板座(2)則被容置於一基板座載板(1)之容置凹槽(20)中、且被氣流所構成的動態氣墊(8)所支撐；位在容置凹槽(20)之底面與基板座(2)之下側之間的氣墊(8)，係由兩種或兩種以上具不同比導熱性的氣體(17,18)所構成；對基板(9)之熱輸入至少部分地藉由經過該氣墊的熱傳導而實現；而且，在基板表面上測量基板之表面溫度，並藉由氣體組成成分之改變而影響氣墊之導熱性，其特徵在於：在複數個位置測量基板之表面溫度，並且，根據所測量的表面溫度，藉由氣體組成成分之改變而縮短該等溫度與一平均值之距離；以及選擇基板座(2)之導熱性，且設計基板座(2)之下側和容置凹槽(20)之底面之形狀，使得，當只使用兩種氣體(17,18)其中之一時，基板之表面溫度出現旋轉對稱的橫向不均勻，而此橫向不均勻可藉由改變氣流之組成成分而被補償或超補償。
  2. 如申請專利範圍第1項之方法，其中，改變氣體組成成分可影響基板座(2)表面之橫向溫度曲線，而使基板整個表面的表面溫度保持恆定。
  3. 如申請專利範圍第1項之方法，其中，只使用一種高導熱性氣體(17)時，基板座(2)中心部分溫度高於邊緣部 份。
  4. 如申請專利範圍第1項之方法，其中，只使用一種低導熱性氣體(18)時，基板座(2)中心部分溫度低於邊緣部分。
  5. 如申請專利範圍第1項之方法，其中，改變基板座載板(1)所承載複數個基板座(2)構成氣墊(8)之氣流而調整氣墊(8)高度，使得測量平均值在一預設溫度範圍內。
  6. 如申請專利範圍第1項之方法，其中，基板座被氣流驅動旋轉。
  7. 如申請專利範圍第6項之方法，其中，基板座載板(1)繞一中心軸旋轉。
  8. 如申請專利範圍第1項之方法，其中，由反應室蓋板(10)中之開口(11)測量溫度。
  9. 如申請專利範圍第1項之方法，其中，在整個製程中持續測量基板表面溫度，且在製程中改變構成動態氣墊(8)之氣流的組成成分，以影響基板徑向溫度曲線。
  10. 如申請專利範圍第1項之方法，其中，使用導熱性在軸向上及/或不同徑向位置上為不同的基板座(2)。
  11. 如申請專利範圍第1項之方法，其中，使用邊緣部分之高度大於中心部分之氣墊(8)。
  12. 如申請專利範圍第1項之方法，其中，基板座(2)之下側呈現使基板座(2)之中心部分比其邊緣部分為薄的下凹弧形。
  13. 一種進行前述各項申請專利範圍中任一項之方法的 裝置，包含：反應室(12)；設置於其中的基板座載板(1)；至少一個基板座(2)；加熱裝置，用於加熱基板座載板(1)；光學式溫度測量裝置(3)，用於測量位於基板座(2)上的至少一個基板(9)之表面溫度；氣體輸入管(6)，用於供給氣流，以便在基板座(2)之下側與基板座載板(1)之容置凹槽(20)之底面之間構成動態氣墊(8)；氣體混合裝置(15,16)，連接於氣體輸入管(6)，而其中可設定由低導熱性氣體(18)及高導熱性氣體(17)所構成的氣流之組成成分，其特徵在於：藉由溫度測量裝置(3)，可在基板表面上之彼此不同的多個點處測量其表面溫度；以及基板座(2)所具有之導熱性、及基板座(2)之下側和容置凹槽(20)之底面所具有之形狀，係使得：當只使用兩種氣體(17,18)其中之一時，位於基板座(2)上的基板(9)之表面溫度出現旋轉對稱的橫向不均勻，而此橫向不均勻可藉由改變氣流之組成成分而被補償和超補償。
  14. 如申請專利範圍第13項之裝置，其中，容置凹槽(20)之底部(21)具有旋轉對稱的不平坦結構，尤其是弧形。
  15. 如申請專利範圍第13項之裝置，其中，基板座(2) 之與容置凹槽(20)之底部(21)相對的下側，具有旋轉對稱的不平坦結構，尤其是弧形。
  16. 如申請專利範圍第13項之裝置，其中，基板座(2)中心部分比邊緣部分薄。
  17. 如申請專利範圍第13項之裝置，其中，基板(9)係被置入於基板座(2)之上側處由凸邊(23)所圍成的凹部(22)內。
  18. 如申請專利範圍第13項之裝置，其中，基板座(2)之下側呈現使基板座(2)之中心部分比其邊緣部分為薄的下凹弧形。
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