TWI552227B - 提升輻射加熱基材之冷卻的設備及方法 - Google Patents
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Description
本發明之實施例係大致上關於半導體處理之領域。更詳細地說，本發明之實施例係導向用以提升基材之冷卻的方法與設備，其中該基材已經透過輻射製程來加熱。
許多應用涉及了半導體與其他材料之熱處理，其需要材料之溫度的精確測量和控制。舉例而言，半導體基材之處理需要在廣範圍溫度之溫度的精確測量和控制。一個這樣處理的實例是用在許多製造過程之快速熱處理(RTP)，包括快速熱退火(RTA)、快速熱清潔(RTC)、快速熱化學氣相沉積(RTCVD)、快速熱氧化(RTO)與快速熱氮化(RTN)。在藉由RTO或RTN形成之CMOS閘極介電質之特定應用中，閘極介電質的厚度、生長溫度與均勻性是會影響整體裝置效能與製造良率的參數。這些製程的一些製程需要使橫跨基材之溫度的變化小於數個攝氏度。
根據半導體之國際技術準則(International Technology Roadmap for Semiconductors)，下一節點需要11 nm之電晶體SDE接合深度。隨著現有技術使溫度處的時間受限於約一秒，快速熱處理尖峰退火達到了限制。毫秒退火是一潛在的解決方式，但難以整合(除非和一些RTP組合)。作為一立即的解決方式，RTP可被延伸，若溫度處的時間可進一步地被減少。
期望在基材之熱處理期間溫度在基材中是盡量可行地均勻。此外，期望減少在完成了特定製程(例如尖峰退火)之後需要冷卻基材之時間的量。實務上，基材之邊緣區域比基材之其他區域更會受到RTP腔室之周邊所影響，導致了存在於邊緣區域中的長期溫度非均勻性。標準控制演算法係被設計來回應於一旦偵測到之快速溫度非均勻性。對於非常短的製程(例如尖峰退火製程)，控制演算法可能無法足夠快速地補償，造成了靠近基材邊緣處的溫度非均勻性。此外，由於現有之RTO腔室設計係著眼在圓形基材上之快速溫度非均勻性，溫度控制的方法無法校正非徑向溫度非均勻性(例如在基材上非對稱地置中的「冷點(cold spot)」)。
所以，仍需要用以控制基材之快速熱處理的方法與設備，其可用於廣範圍之基材且提升基材之冷卻速率。
所以，本發明之一或多個實施例係導向用以處理一基材之設備，該基材具有一前側與一背側。該設備包含一製程區域，其位在一腔室內，且其一側由一鄰近一輻射熱源之窗來界定，該輻射熱源設置在該製程區域外面。一動態熱槽定位在該製程區域中，且對於來自該輻射熱源之光是實質上可穿透的。一基材支撐件位在該製程區域中，以在熱處理期間將該基材固持成鄰近該動態熱槽。該基材支撐件將該基材固持在一位置，以致該基材之該前側與該背側之至少一者面對該輻射熱源且使得該動態熱槽耦接到該基材以從該基材吸收熱。
在詳細實施例中，該動態熱槽是一半透明板，其對於來自該輻射熱源之輻射是實質上可穿透的，且具有一傳導耦接到該基材以吸收熱之預選擇熱吸收，該半透明板在熱處理期間係定位成和該基材相隔一間隙距離，以致在該基材之加熱期間該半透明板維持成比該基材更冷。
在詳細實施例中，在一基材之熱處理期間，在該動態熱槽與該基材之間存在有一間隙。在詳細實施例中，該間隙高達約1 mm寬。本發明之詳細實施例更包含一傳導流體源，其流體連通於該間隙，以致該間隙可被填充以一傳導流體或以一現存流體來取代或和其混合，並且可以被維持成實質上靜止的。在特定實施例中，該流體選自從氮氣、氧氣、氦氣、氬氣、氫氣及其組合構成之群組。
根據本發明之一些實施例，在熱處理期間，該動態熱槽係定位成鄰近該基材而位在和該輻射熱源相對之側上。
在本發明之一些實施例中，在熱處理期間，該動態熱槽係定位成鄰近該基材而位在和該輻射熱源相同之側上且位在該輻射熱源與該基材之間。
在詳細實施例中，該動態熱槽由該基材支撐件所支撐。
根據一些詳細實施例，該動態熱槽由一獨立之熱槽支撐件所支撐，並且該獨立之熱槽支撐件與該基材支撐件係可個別地移動。在特定實施例中，在一基材之熱處理期間，該獨立之熱槽支撐件係可操作以移動該動態熱槽，以致在該動態熱槽與該基材之間存在有一可改變的間隙。
在一些實施例中，該設備更包含一反射器板以反射來自該輻射熱源之光，該反射器板係定位成使得該前側與該背側之一者面對該輻射熱源且該前側與該背側之另一者面對該反射器板。
在詳細實施例中，該動態熱槽係選自從石英、藍寶石與透明YAG構成之群組。
本發明之額外實施例係導向用以處理一基材之設備，該基材具有一前側與一背側。該設備包含一製程區域，其位在一腔室內，且其一側由一鄰近一輻射熱源之窗來界定，該輻射熱源設置在該製程區域外面。一基材支撐組件位在該製程區域內，以在熱處理期間將該基材固持在一位置，以致該基材之該前側與該背側之至少一者面對該輻射熱源。一半透明板位在該製程區域中，該半透明板對於來自該輻射熱源之輻射是實質上可穿透的，且具有一傳導耦接到該基材以吸收熱之預選擇熱吸收。該半透明板在熱處理期間係定位成和該基材相隔一間隙距離，以致在該基材之加熱期間該半透明板維持成比該基材更冷。
在詳細實施例中，該半透明板係由一材料製成，該材料之熱吸收小於該基材材料之熱吸收。
在一或多個實施例中，該間隙距離是可調整的，以致該半透明板之熱吸收是動態的。
在特定實施例中，該基材是矽，並且該半透明板包含石英。
根據一些實施例，該設備更包含一傳導流體源，其流體連通於該間隙，以致該間隙可被填充以一傳導流體或以一現存流體來取代或和其混合，並且可以被維持成實質上靜止的。
本發明之進一步實施例係導向在一包含一輻射熱源之腔室中處理一基材之方法，該基材具有一前側與一背側。一基材被支撐在該腔室之一製程區域內，該製程區域之一側係由一燈來界定，該燈將該輻射熱源與該製程區域分離。一動態熱槽被支撐在該製程區域內，該動態熱槽對於由該輻射熱源放射之光是實質上可穿透的。該輻射熱源係被操作以加熱該基材到一第一溫度，該第一溫度在於1000℃至1200℃的範圍中。該輻射熱源係被去致動，且該動態熱槽係定位成使其可從該基材吸收熱。
在詳細實施例中，該動態熱槽係定位成鄰近該基材而位在和該輻射熱源相對之側上。
在一些詳細實施例中，該動態熱槽係定位成鄰近該基材而位在和該輻射熱源相同之側上。
根據一或多個實施例，在該動態熱槽與該基材之間存在有一間隙。在特定實施例中，該方法更包含添加一流體到該動態熱槽與該基材之間的該間隙。
在詳細實施例中，一旦去致動該輻射熱源，該動態熱槽係移動到一更靠近該基材之位置。
在描述本發明之一些示範性實施例前，應瞭解，本發明不受限在下文公開之結構或製程步驟的細節。本發明可具有其他實施例，並且能夠以各種方式來實施或實現。
如上所述，期望在基材之熱處理期間在基材中具有溫度均勻性。對於溫度致動的步驟(諸如膜沉積、氧化物生長與蝕刻)，溫度均勻性係在基材上提供均勻之製程變數(例如層厚度、電阻率、蝕刻深度)。此外，基材中之溫度均勻性必須能避免熱應力引起的基材損壞(諸如翹曲、缺陷產生與滑動)。例如，在1150℃，四英吋矽晶圓上約5℃之中心至邊緣溫度差異會引起錯位形成和滑動。
溫度梯度也會由其他來源引起。例如，基材可能因為基材之表面積或體積的空間變更而具有非均勻性放射率。這些變更可包括已經藉由光微影來圖案化或經局部摻雜區域的膜，諸如用於雙極性電晶體之埋設層。此外，基材溫度梯度會由局部氣體冷卻或加熱效應來引起，其中該局部氣體冷卻或加熱效應係和處理腔室設計以及在處理期間在基材上發生之非均勻吸熱或放熱反應有關。
第1圖係概略地繪示一傳統之快速熱處理腔室10。Peuse等人在美國專利案號5,848,842與6,179,466中進一步描述了此種類型反應器及其設備的細節。待熱處理之基材或晶圓12(例如半導體晶圓，諸如矽晶圓)係通過閥或接取埠13到腔室10之製程區域18內。晶圓12由基材支撐件來支撐在其周邊上，基材支撐件在此實施例中顯示為一環狀邊緣環14，環狀邊緣環14具有接觸基材12之角落的環狀傾斜支架15。Balance等人在美國專利案號6,395,363中更完整地描述了邊緣環與其支撐功能。晶圓係被定向成使得已經形成在晶圓12之前表面中的經處理特徵16係向上地(相對於向下的重力場)面對製程區域18，其中該製程區域18係由一透明石英窗20被界定在其上側。透明石英窗20位在隔晶圓12一實質距離處，從而使得在處理期間窗對於基材的冷卻具有最小效應。典型地，晶圓12與窗20之間的距離是20 mm的等級。和此圖相反的是，特徵16之大部分不會突出超過晶圓12之表面實質距離，而是構成表面平面內且靠近表面平面的圖案。當晶圓由一槳或機械臂葉片(未示出，其係將晶圓傳到腔室內且到邊緣環14上)處理時，三個升降銷22可上升與下降以支撐晶圓12之背側。一輻射加熱設備24係定位在窗20上方，以引導輻射能量朝向晶圓12且因此加熱晶圓12。在反應室或處理腔室10中，輻射加熱設備係包括大量(409是一示範性的數量)的高強度鎢-鹵素燈26，其定位在各自的反射管27中，其中該些反射管27係以六邊形緊密堆疊陣列的方式被安排在窗20上方。燈26之陣列有時候稱為燈頭。然而，其他輻射加熱設備可將其取代。大致上，這些涉及了電阻式加熱，以快速地升高輻射源之溫度。適當之燈的實例係包括水銀蒸氣燈(其具有圍繞燈絲之玻璃或二氧化矽包覆物)與閃光燈(其包含圍繞一氣體(諸如氙，其在氣體被能量化時提供熱源)之玻璃或二氧化矽包覆物)。如在此所使用者，術語「燈」係意圖涵蓋包括有環繞熱源之包覆物的燈。燈之「熱源」係指可增加基材溫度之材料或構件，例如可被能量化的燈絲或氣體。如在此所使用者，快速熱處理(RTP)係指能夠以約50℃/秒且更高之速率(例如，100℃/秒至150℃/秒，與200℃/秒至400℃/秒)均勻地加熱晶圓之設備或製程。RTP腔室中，典型的下降(冷卻)速率為在80-150℃/秒範圍中。一些執行在RTP腔室中之製程需要使橫跨基材之溫度的變化小於數攝氏度。因此，RTP腔室必須包括燈或其他適當之加熱系統與加熱系統控制，其能夠以高達100℃/秒至150℃/秒與200℃/秒至400℃/秒之速率加熱，並且快速熱處理腔室有別於不具有以這些速率進行快速加熱之加熱系統與加熱控制系統之其他類型熱腔室。
根據本發明之進一步態樣，本發明之實施例可應用在快閃退火(flash annealing)。如在此所使用者，快閃退火係指以小於5秒來退火一樣品，詳細地說是小於1秒，並且在一些實施例中是毫秒。
控制橫跨晶圓12之溫度到一密切定義溫度(其在晶圓12上是均勻的)是重要的。一種改善均勻性之被動手段係包括一反射物28，反射物28係平行於大於晶圓12之區域且在其上延伸且面對晶圓12之背側。反射物28有效率地將從晶圓12放射之熱輻射反射回到晶圓12。晶圓12與反射物28之間的間隔可以位在3 mm至9 mm之範圍內，並且空腔之寬度對厚度的寬厚比係有利地大於20。反射物28(其可由金塗層或多層介電質干涉鏡來形成)係在晶圓12的背後有效地形成一黑體空腔，其傾向於將熱從晶圓12之較溫暖部分散佈到較冷部分。在其他實施例中，例如揭示在美國專利案號6,839,507與7,041,931中者，反射物28可具有更不規則之表面或具有黑色或其他冷色系表面。反射物28可沉積在一由金屬製成之水冷式基座53上，以從晶圓熱消散(heat sink)過量的輻射(特別是在冷卻期間)。因此，處理腔室之製程區域18具有至少兩個實質平行之壁，其中第一者是窗20(由諸如石英之能夠穿透輻射之材料製成)，且第二壁(基座)53係實質上平行於第一壁且由金屬製成且顯著地是不可穿透的。
一種改善均勻性之方式係包括將邊緣環14支撐在一可旋轉圓柱30上，可旋轉圓柱30係磁性地耦合到一定位在腔室外面的可旋轉凸緣32。一轉子係將凸緣32旋轉且因而將晶圓繞著其中心34旋轉，中心34亦為大致上對稱腔室之中心線。
另一種改善均勻性之方式係包括將燈26分隔成數個區塊，該些區域係以繞著中心線34之大致上環形來安排。控制電路會改變輸送到不同區塊中之燈的電壓，藉此調控輻射能量的徑向分佈。區塊化加熱之動態控制會受到一或多個高溫計40的影響，其中該些高溫計40係經由一或多個光學光管42來耦合，該些光學光管42係定位成透過反射物28中的穿孔來面對晶圓12之背側，以測量橫跨旋轉晶圓12之半徑的溫度。光管42可由各種結構形成，包括藍寶石、金屬與二氧化矽纖維。一電腦化控制器44係接收高溫計40之輸出，並且因此控制了供應到燈26之不同環的電壓，藉此在處理期間動態地控制了輻射加熱強度與圖案。高溫計大致上測量在窄波長頻寬中(例如約700 nm至1000 nm之間範圍中的40 nm)的光強度。控制器44或其他設備可透過在此溫度下從所固持之黑體來輻射之光強度之光譜分佈的已知蒲朗克分佈將光強度轉換成溫度。
第1圖顯示之腔室係容許晶圓12支撐件可輕易地在腔室內被升高到不同垂直位置處，以容許基材之熱暴露的控制。可瞭解的是，吾等沒有意圖要限制第1圖之組態。尤其，本發明不受限於熱源或燈位在基材之一側或表面且高溫計位在晶圓之相對側的組態。
如上所述，處理腔室之製程區域中的晶圓溫度是共同地由輻射高溫計來測量。儘管輻射高溫計可以是高度精確的，位在輻射高溫計頻寬內且源自熱源的輻射會干擾高溫計訊號的解讀，若此輻射由高溫計偵測到。在應用材料的RTP系統中，這係藉由製程套組且藉由晶圓本身來予以最小化。製程套組係將晶圓與旋轉系統耦合。其可包括一支撐圓柱(其在第1圖中之元件符號為30)。其亦可包括一支撐環，其在圖中未示出，但其可用在特定之處理腔室(組態)中。這樣的支撐環基本上是一輔助的邊緣環，其係支撐邊緣環(其在第1圖中之元件符號為14)。
除了在快速熱處理期間將基材之所有區域之間的溫度非均勻性予以最小化，一基材之實際時間-溫度軌線相對於基材之期望時間-溫度軌線(尤其是尖峰溫度)儘可能變化越少越好也是重要的。下文將以第2圖來描述時間-溫度軌線與尖峰溫度。
因此，本發明之一或多個實施例係有助於在RTP製程中達到一理想之時間-溫度軌線。第2圖係繪示用在一示範性快速熱製程(在此例子中是尖峰退火製程)之理想時間-溫度軌線(在此稱為目標時間-溫度軌線100)。橫座標代表時間，縱座標代表基材溫度，並且目標時間-溫度軌線100代表在尖峰退火製程期間在任何時間處之期望基材溫度。在時間120，基材之熱處理係以基材溫度130(其實質上為室溫)來開始。基材溫度在起初溫度上升201期間增加到溫度132，其在下文以第3圖來描述。基材溫度使用高強度燈來增加。開始於時間122，基材溫度被保持成恆定的溫度132長達穩定時段202的期間。在時間123，基材溫度快速地增加到在時間124處之尖峰溫度133，並且接著立即地降低到到在時間125處之溫度134。若在RTP期間沒有達到基材之尖峰溫度133，可能無法完成基材上之重要製程(諸如後佈植退火)。若在RTP期間超過了尖峰溫度133，製程可能會有害地以其他方式受到影響，例如經佈植之原子不希望地擴散到基材內，或超出了形成在基材上之元件的熱預算。
第3圖是一流程圖，其繪示了一快速熱製程(諸如上述之第2圖的尖峰退火製程)之典型的製程順序200。大致上，這樣的製程係以基材之起初溫度上升201來開始。在第一節段之起初溫度上升201期間執行開路(open-loop)加熱，直到基材位在約300℃至約400℃之溫度。參照回到第2圖，開路加熱係發生在時間120與121之間。在開路加熱期間，沒有引進基材溫度回饋來控制製程，並且燈功率在預定數值下被施加到基材長達預定期間以為了加熱基材到一溫度範圍(其中基材對於大部分施加到基材之燈能量是實質上不穿透的)。低於約300℃，典型的RTP基材(諸如矽晶圓)對於由典型的加熱燈所產生之輻射能量是可大部分可穿透的。當如此時，通過基材之輻射能量可接著被高溫計(其測量基材背側溫度)所偵測，產生了不精確之基材溫度測量值。對於一閉路(closed-loop)加熱控制演算法，不精確之基材溫度測量值會在起初溫度上升201期間造成嚴重的控制問題(諸如不穩定性與(或)傷害)。開路加熱係通常用在RTP的開始以避免此問題。開路加熱之設定點係大致上憑經驗來決定。
在基材加熱到約300℃至約400℃之後，藉由使用閉路控制演算法使基材溫度達到約500℃至約700℃的穩定化溫度，起初溫度上升201接著大致上完成了。閉路控制係將在一或多個高溫計區塊中之熱製程中之一給定時間步驟處的基材溫度測量值引進到控制演算法，以為了微調用於後續時間步驟之加熱燈的功率輸出。時間步驟可以是相當小的，例如0.1或0.01秒。最小之時間步驟大小大致上會受到用來控制加熱製程之溫度感測器之取樣速率所限制。閉路控制之使用可將期望與實際基材溫度之間的誤差最小化。
一旦基材在起初溫度上升201之尾端達到了穩定化溫度，一穩定化時段202大致上開始。藉由在開始尖峰退火203(其為熱製程之溫度敏感節段)之前容許基材能平衡，穩定化時段202係意圖來消除已經在起初溫度上升201期間施加在基材上的熱梯度。存在於尖峰退火203之開始處的基材溫度中非均勻性不太可能在製程期間被校正。穩定化時段202之長度為約5秒至約30秒，典型地為約10秒至約20秒。基材溫度係被控制以維持在穩定化溫度132，如第2圖所示，其可以是約500℃至約700℃(取決於特定的熱製程)。
一旦完成了穩定化時段202，接著尖峰退火203開始。在此實例中，尖峰退火203是基材之熱處理實際發生的製程節段。尖峰退火製程之一特定應用是在硼佈植之後在基材上執行退火。在此情況中，尖峰退火203會將經佈植之硼從晶體中的隨機位置重新安置到矽晶格中的電性活潑位置，同時將基材之暴露減到最少。如第2圖所示，尖峰退火203係發生在時間123與124之間，並且隨後進行冷卻204。在尖峰退火203期間，基材溫度之上升速率係大致上為約150℃/秒至約300℃/秒，並且尖峰溫度133為約1000℃至約1200℃，其意謂著尖峰退火203大致上僅持續了數秒。所以，在熱製程之最溫度敏感節段的期間，控制演算法幾乎沒有時間來校正偏離目標時間-溫度軌線100之基材溫度中的變化。在此快速熱製程之節段的期間，任何發生在基材溫度中偏離目標溫度的變化(例如超出、未達到或寬尖峰)將降低基材之間的尖峰溫度重複性。參照回到第3圖，尖峰退火203之後接著進行冷卻204，結束了基材之快速熱處理。
第4和5圖係顯示對第1圖之基材處理設備進行變更的示範性實施例。第4圖顯示處理腔室300之示意圖，其可用於快速熱處理類型製程(包括但不限於快速熱退火)。一具有前側322與背側324之基材321係被支撐在腔室300之製程區域318內，製程區域318之一側係由窗320來界定。腔室300包括一輻射熱源310，輻射熱源310和製程區域318藉由窗320來分離，窗320可以是石英窗(其對於由熱源310產生的輻射是實質上可穿透的)。可瞭解的是，窗320係定位在使得其在處理期間對於基材冷卻具有最小效應的位置處，並且典型地是和基材相隔至少約15 mm至20 mm之等級。輻射熱源310之組態可根據期望的加熱特徵而改變，但在一特定實施例中，輻射熱源310包含複數個以六邊形組態被安排的高強度燈。該些燈可以是電阻式加熱燈，其包括金屬加熱構件(諸如用在鎢鹵素燈中的鎢)。替代地，輻射熱源可以是閃光燈，其中加熱構件包含一經能量化的氣體(諸如氙)。
一動態熱槽(dynamic heat sink)330設置在製程腔室318內而鄰近基材321。如在此所使用者，術語「動態熱槽」與「半透明板」係交互地使用。「動態熱槽」係指一構件，其在處理期間位在製程區域內且鄰近基材，以致動態熱槽比基材/晶圓被直接源輻射能量加熱更少。在一或多個實施例中，動態熱槽可用以藉由傳導耦接到基材來冷卻基材。術語「動態」係指在處理期間待加熱到不同於基材之溫度與(或)不同速率之熱槽的能力。動態熱槽之溫度與(或)加熱速率可藉由在動態熱槽與基材之間引進不同流體(包括真空)來變更，如下文進一步所述。在特定實施例中，動態熱槽係實質上僅藉由傳導耦接到基材來冷卻基材。如說明書與隨附之申請專利範圍所使用者，「實質上僅藉由傳導耦接」係意謂傳導耦接佔動態熱槽之總加熱超過約90%。
在第4圖所示之實施例中，動態熱槽330係定位成鄰近基材321而位在和輻射熱源310相同之側上，並且位於基材321與輻射熱源310之間。在第5圖所示之實施例中，動態熱槽330係定位成鄰近基材321而位在和輻射熱源310相對的側上。在詳細實施例中，動態熱槽330對於由輻射熱源310產生之輻射是實質上可穿透的。
腔室300包括一基材支撐件325，基材支撐件325位在製程區域318中且適於在熱處理期間固持住基材321。基材支撐件325固持住基材321，以致基材321之前側322與背側324的至少一者面對輻射熱源310。在第4和5圖中，基材支撐件325係被顯示成一小部分接觸基材321之背側324之底緣。這僅是為了說明目的用，並且不應被視為暗示了特定類型的基材支撐件325或組態。在詳細實施例中，基材支撐件325可以是一環狀邊緣環，其適於接觸基材321之邊緣之一部分。
在一詳細實施例中，動態熱槽330係由一獨立之熱槽支撐件326所支撐。獨立之熱槽支撐件326係被顯示成一小部分接觸動態熱槽330之底緣。這僅是為了說明目的用，並且不應被視為暗示了特定類型的動態熱槽支撐件326。在詳細實施例中，動態熱槽支撐件326可以是一環狀邊緣環，其適於接觸動態熱槽330之邊緣之一部分。
在一些實施例中，獨立之熱槽支撐件326是在熱處理期間可操作的，以移動動態熱槽330而在動態熱槽330與基材321之間存在有一間隙335。此類型之實施例具有在處理期間調整間隙335之大小的能力，而能改變間隙335大小。因此，熱槽330可以相對於基材321移動。動態熱槽330可藉由任何適當的方式來移動，例如藉由將獨立之熱槽支撐件326磁性連接到磁鐵(其可將獨立熱槽支撐件予以偏壓而向上或向下移動)。在其他實施例中，升降銷(其可以是氣動式或液壓式致動的)可定位以在處理期間上升與下降動態熱槽330，以改變動態熱槽330與基材321之間的距離。在特定實施例中，動態熱槽330係由一獨立之熱槽支撐件326所支撐，並且基材支撐件325與獨立熱槽支撐件326是個別可移動的。
在一特定實施例中，動態熱槽330係由基材支撐件325所支撐。第6圖顯示一示範性基材支撐件325的剖視圖，其能夠固持住基材321與動態熱槽330兩者。基材支撐件325可包括接取埠327，接取埠327係容許進出基材321與動態熱槽330之間的間隙335。可依需要來決定接取埠327之數量、形狀與尺寸，並且接取埠327之數量、形狀與尺寸不受限於所顯示之設計。
晶圓到動態熱槽之間隙可從相當大的間隙改變到接近零間隙。然而，在實際狀況中，由於動態熱槽與(或)基材之粗糙度與平坦性，間隙應該稍微大於零。在一實施例中，間隙距離係直接正比於基材與動態熱槽之間的熱傳導。距離的變化係容許一操作者可控制在製程之任何給定時間處之熱傳量。儘管間隙可以是進行基材冷卻之任何適當距離，在一特定實施例中，基材與動態熱槽之間的間隙係為至少約10 mm。在詳細實施例中，間隙335係高達約5 mm寬。在其他詳細實施例中，間隙335係高達約3 mm、2 mm、1 mm或0.5 mm寬。在詳細實施例中，間隙335係小於約3 mm、2 mm、1 mm、0.5 mm、0.2 mm或0.1 mm寬。在各種詳細實施例中，間隙335在處理期間可在約0.05 mm至約5 mm寬的範圍中改變。在一特定實施例中，間隙335係小於約0.1 mm寬。
基材與動態熱槽之間的媒質可從非常低傳導性改變或交換到高傳導性。在一或多個實施例中，可設想出在基材與動態熱槽之間使用不同的氣體作為媒質。舉例而言，可使用氧或氦，其具有不同的熱容且容許在基材與動態熱槽之間有不同的傳導耦接。在特定實施例中，加熱速率可藉由一大間隙寬度與一低傳導性低熱容之媒質來最大化，並且冷卻速率可藉由一小間隙與一高傳導性高熱容之媒質來最大化。因此，在一些實施例中，腔室300進一步包含一傳導流體源370，傳導流體源370流體連通於間隙335，以致傳導流體能夠以可變的速率或量流動到間隙335中。在詳細實施例中，間隙335可被填充以一傳導流體或以一現存流體來取代或和其混合，並且可以被維持成實質上靜止的。如同說明書與隨附之申請專利範圍所使用者，「實質上靜止的」係意謂流體不是主動地流動到間隙335內，而是對流混合和殘餘運動會發生。在詳細實施例中，流體係選自從氮氣、氧氣、氦氣、氬氣、氫氣及其組合所構成之群組。
在另一變化中，動態熱槽330可包含兩個以實質上平行關係來安排之透明板，其一實施例係顯示在第7圖中。該些板可由內部之低熱傳導性支撐結構(未示出)來支持。各種實施例之板間隔372是位在約0.1 mm至約5 mm之範圍中。在基材之加熱期間，可建立高真空於該兩透明板之間；並且在冷卻期間，可使高導電性流體(諸如氦)流動於該些板之間。儘管第7圖顯示了單一傳導流體源370，特定實施例係引進超過一個傳導流體源370。在短暫的氦進入時間期間，額外的流體源可改善溫度均勻性。在詳細實施例中，在處理期間實質上不存在有流體流動。
在一或多個實施例中，腔室300更包含一反射器板340，其用以將光350從輻射熱源310反射。反射器板340可定位成使得基材321之前側322與背側324之一者面對輻射熱源310且基材321之前側322與背側324之另一者面對反射器板340。
在特定實施例中，動態熱槽330係由一材料製成，該材料係選自從石英、藍寶石與透明YAG構成之群組。
當輻射能量源被去致動(deactivate)時，基材321處於比動態熱槽330更高的溫度。因為動態熱槽330比基材321更冷，這使得基材321之溫度比若動態熱槽330不存在於腔室中時更快速地下降。
不受限於任何特定之操作理論，在一使用動態熱槽330(其對於來自輻射熱源310之光是實質上可穿透的)之特定實施例中，動態熱槽330將實質上僅藉由傳導耦接到基材321來加熱。由於傳導耦接是比輻射加熱更沒效率的加熱方式，動態熱槽330將具有比基材321更低之溫度。若輻射熱源310開啟太長，基材321與動態熱槽330之溫度將達到在約相等溫度的平衡。
在一或多個特定實施例中，動態熱槽330係藉由輻射能量與傳導耦接到基材321之組合來加熱。可改變輻射能量與傳導耦接對於動態熱槽330之總加熱的相對貢獻，只要動態熱槽330之溫度維持低於基材321之溫度。在詳細實施例中，淨加熱係使得加熱期間動態熱槽330溫度低於基材321溫度。不受限於任何操作理論，吾等咸信，基於熱質量/區域，動態熱槽330比基材321吸收了更少的輻射能量。
在詳細實施例中，半透明板330(亦稱為動態熱槽)是由一材料製成，該材料之熱吸收小於基材321材料之熱吸收。這有助於一旦加熱之後能確保動態熱槽330之溫度低於基材321之溫度。
在一些詳細實施例中，半透明板與基材之間的間隙是可調整的，以致半透明板330之熱吸收是動態的。在一特定實施例中，間隙335距離小於約1 mm。在其他詳細實施例中，間隙335距離小於約3 mm、2 mm、1 mm或0.5 mm。
在詳細實施例中，基材321是矽，並且半透明板330包含石英。
在一些詳細實施例中，腔室300更包含一傳導流體源370，傳導流體源370係流體連通於間隙335，從而使傳導流體能夠以可變速率或量流動在間隙335中。如說明書與隨附之申請專利範圍所使用者，術語「傳導流體」係用來意指能夠影響基材321與動態熱槽330之間傳導耦接的任何流體。所以，這包括了會增加或降低傳導耦接程度的流體。
在一特定實施例中，動態熱槽330維持在和基材321相隔到足以顯著地降低其之間傳導耦接的距離。這使得動態熱槽330具有比基材321更低得多之溫度。然後，一流體可流動到基材321與動態熱槽330之間的間隙，以增加者兩者之間的傳導耦接。結果是，基材321將比不具有傳導流體時冷卻更快，這是因為基材321與動態熱槽330之間的溫度差對於基材321將具有更大的衝擊。
在另一特定實施例中，動態熱槽330係維持成和基材321相隔固定距離，並且間隙335中具有可降低這兩者之間傳導耦接的傳導流體。在加熱之後，傳導流體能夠以另一能降低傳導耦接的流體來沖洗。這使得一旦加熱之後動態熱槽330具有比不具有傳導流體干涉更低之溫度，以及在改變了傳導流體之後動態熱槽330具有比不具有傳導流體干涉對基材321的更大衝擊。在一或多個詳細實施例中，加熱可發生在一低溫低熱傳導率氣體中，並且冷卻可發生在一更高壓更高溫熱傳導率之氣體中。不受限於任何特定之操作理論，吾等咸信若壓力比例太高，氣體組成改變的期間會存在有更少之熱傳導率的空間變化。(壓力平衡係比氣體交換/取代發生更快。)
本發明之進一步實施例係導向在一包含輻射熱源310之處理腔室300中處理一基材321之方法，其中該基材321具有一前側322與一背側324。此方法包含在處理腔室300內支撐一基材321。一動態熱槽330被支撐在處理腔室300內，動態熱槽330對於由輻射熱源310放射之光是實質上可穿透的。輻射熱源310可操作以加熱基材321到一第一溫度。動態熱槽330係實質上僅藉由傳導耦接到基材321而被加熱到一第二溫度。第二溫度小於第一溫度。然後，輻射熱源310被去致動(deactivate)。
在詳細實施例中，一旦去致動該輻射熱源310之後，動態熱槽330移動到更靠近基材321之位置。藉由改變基材321與動態熱槽330之間間隙的大小，可變更傳導耦接的程度。藉由在加熱期間降低傳導耦接，動態熱槽330之溫度將低於基材321。一旦輻射熱源310關閉之後，動態熱槽330可接著移動到更靠近基材321之位置處，以增加傳導耦接。這使得，相較於若傳導耦接在整個製程中維持恆定，基材321冷卻更快。
在一非常特定之實施例中，基材321與動態熱槽330係以間隙335為約1 mm且在間隙335中使用氧氣作為傳導流體來加熱。在加熱之後，間隙335減少到約0.5 mm，並且傳導流體被氦氣取代，以增加基材321之冷卻速率。
在詳細實施例中，此方法更包含添加一流體到動態熱槽330與基材321之間的間隙335。
本發明之額外實施例係導向處理一基材321之方法，其包含使用輻射能量加熱基材321到一第一溫度。輻射能量可從一輻射能量源放射。使用輻射能量將基材321加熱到第一溫度。動態熱槽330係實質上僅藉由和基材321的傳導耦接而被加熱到一第二溫度，第二溫度小於第一溫度。使用和動態熱槽330之傳導耦接將基材321冷卻。
根據在此描述之一或多個實施例，冷卻速率可顯著地增加。在特定實施例中，當動態熱槽與基材之間的間隙小於約0.1 mm，可提供這樣快速的冷卻速率，容許冷卻速率大於200°K/秒。
因此，根據一或多個實施例，提供一動態熱槽(亦稱為半透明變更板(semitransparent modifier plate;SMP))，其係由一材料製成，該材料比待處理之基材吸收更少之來自加熱燈之輻射。對於矽基材，石英可用在動態熱槽。在使用鎢鹵素燈之腔室中，在加熱期間與在程式之恆定溫度部分期間，石英係比晶圓吸收更少之較短波長部分的鎢鹵素燈光譜且保持更冷。動態熱槽與基材之間的間隙係容許基材之溫度保持比動態熱槽更高。
本發明之實施例對於增加基材之冷卻速率是有用的。第8圖顯示對於三個基材之溫度之一圖表，其中溫度是時間的函數。各個基材是裸矽，且手動地被放置在腔室中。該些基材被加熱到約530℃且被容許冷卻。圖表中的實線顯示了腔室中之一被加熱且被冷卻之基材，其中該腔室不具有石英板(動態熱槽)。兩虛線顯示了基材之溫度曲線，其中該些基材係在鄰近石英板(動態熱槽)處被加熱且被容許冷卻。石英板係定位成和基材之表面相隔約0.75 mm且和基材之表面相隔約1.5 mm。從第8圖，可看出基材之冷卻速率在鄰近動態熱槽時比不具有動態熱槽更大。在特定實施例中，對於在小於8秒之期間中被加熱到約530℃之基材，其在關閉熱之後約10秒的溫度係至少比不具有動態熱槽之腔室中的相似基材低約25℃。在一詳細實施例中，被加熱到約1323K(1050℃)之基材在第一第二冷卻中之冷卻速率係位在約70至約150K/秒(℃/秒)之範圍中。在其他特定實施例中，被加熱到約1323K(1050℃)之基材在第一第二冷卻中之平均冷卻速率係大於約70K/秒、80K/秒、90K/秒、100K/秒、110K/秒、120K/秒、130K/秒或140K/秒(℃/秒)。
本說明書中之「一實施例」、「特定實施例」、「一或多個實施例」或「一個實施例」係意謂著所描述涉及該實施例之一特定特徵、結構、材料或特性被包括在本發明之至少一實施例中。因此，本發明書中各處之諸如「在一或多個實施例中」、「在特定實施例中」、「在一實施例中」或「在一個實施例中」之措辭不必然意指相同的發明實施例。又，特定特徵、結構、材料或特性能夠以任何適當的方式來結合在一或多個實施例中。
儘管本發明已經參照特定實施例來描述，應瞭解，這些實施例僅為了說明本發明之原理和應用。熟習此技藝之人士可瞭解的是，在不悖離本發明之精神與範疇下，可對本發明之方法與設備進行各種變更和變化。舉例而言，雖然本發明已經以特定類型之加熱燈來描述，其他變化是可行的。本發明之實施例可用在基材由UV到IR輻射來加熱以增加基材冷卻速率的任何領域中。因此，吾等意圖使本發明包括落入隨附申請專利範圍之範疇及其均等物內的變更和變化。
10．．．腔室
12．．．晶圓
13．．．接取埠
14．．．邊緣環
15．．．支架
16．．．特徵
18．．．製程區域
20．．．窗
22．．．銷
24．．．輻射加熱設備
26．．．燈
27．．．反射管
28．．．反射器
30．．．圓柱
32．．．凸緣
34．．．中心
40．．．高溫計
42．．．光管
44．．．控制器
53．．．壁
100．．．溫度軌線
121．．．時間
120．．．時間
122．．．時間
123．．．時間
124．．．時間
125．．．時間
130．．．溫度
132．．．溫度
133．．．尖峰溫度
134．．．溫度
200．．．典型的製程順序
201-204．．．步驟
300．．．腔室
310．．．輻射熱源
318．．．製程區域
320．．．窗
321．．．基材
322．．．前側
324．．．背側
325．．．基材支撐件
326．．．動態熱槽支撐件
327．．．接取埠
330．．．熱槽
335．．．間隙
340．．．反射器板
350．．．光
370．．．傳導流體源
372．．．板間隔
可藉由參考本發明之實施例來詳細暸解本發明之說明，其簡短地在前面概述過，其中該些實施例在附圖中示出。但是應注意的是，附圖僅示出本發明之典型實施例，因此其不應被視為對本發明範疇之限制，因為本發明可允許其他等效實施例。
第1圖係繪示一傳統之快速熱處理腔室10。
第2圖係繪示一示範性快速熱製程之理想時間-溫度軌線。
第3圖是一流程圖，其繪示了一快速熱製程之典型的製程順序。
第4圖係繪示根據本發明之一或多個實施例的一處理設備。
第5圖係繪示根據本發明之一或多個實施例的一處理設備。
第6圖係繪示根據本發明之一或多個實施例的基材和動態熱槽支撐件的組合。
第7圖係繪示根據本發明之一或多個實施例的一處理設備。
第8圖是基材溫度之圖表，基材溫度是時間的函數。
為促進了解，在可能時使用相同的元件符號來表示該等圖式共有的相同元件。
300．．．腔室
310．．．輻射熱源
318．．．製程區域
320．．．窗
321．．．基材
322．．．前側
324．．．背側
325．．．基材支撐件
326．．．動態熱槽支撐件
330．．．熱槽
335．．．間隙
340．．．反射器板
350．．．光
370．．．傳導流體源
Claims (18)
- 一種用以處理一基材之設備，該基材具有一前側與一背側，該設備包含：一製程區域，位在一腔室內，且該製程區域的一側由一鄰近一輻射熱源之窗來界定，該輻射熱源設置在該製程區域外面；一動態熱槽，定位在該製程區域中，且對於來自該輻射熱源之光是實質上可穿透的；以及一基材支撐件，位在該製程區域中，以在熱處理期間將該基材固持成鄰近該動態熱槽在一位置，以致該基材之該前側與該背側之至少一者面對該輻射熱源且使得光是實質上可穿透的該動態熱槽耦接到該基材以從該基材吸收熱，致使該動態熱槽實質上僅藉由傳導耦接到該基材來加熱，其中該動態熱槽由一獨立之熱槽支撐件所支撐，並且該獨立之熱槽支撐件與該基材支撐件係可個別地移動，其中在一基材之熱處理期間，該獨立之熱槽支撐件係可操作以移動該動態熱槽，以致在該動態熱槽與該基材之間存在有一可改變的間隙。
- 如申請專利範圍第1項所述之設備，其中在熱處理期間，該動態熱槽係定位成鄰近該基材而位在和該輻射 熱源相對之側上。
- 如申請專利範圍第1項所述之設備，其中在熱處理期間，該動態熱槽係定位成鄰近該基材而位在和該輻射熱源相同之側上且位在該輻射熱源與該基材之間。
- 如申請專利範圍第1項所述之設備，其中該間隙高達1mm寬。
- 如申請專利範圍第1項所述之設備，更包含一傳導流體源，該傳導流體源流體連通於該間隙，以致該間隙可被一傳導流體填充或可被一現存流體取代或混合，且該間隙可被維持成實質上靜止的。
- 如申請專利範圍第5項所述之設備，其中該流體選自由下列所組成的群組：氮氣、氧氣、氦氣、氬氣、氫氣及前述流體的組合。
- 如申請專利範圍第1項所述之設備，更包含一反射器板以反射來自該輻射熱源之光，該反射器板係定位成使得該前側與該背側之一者面對該輻射熱源且該前側與該背側之另一者面對該反射器板。
- 如申請專利範圍第1項所述之設備，其中該動態熱槽 係選自由下列所組成的群組：石英、藍寶石與透明YAG。
- 一種用以處理一基材之設備，該基材具有一前側與一背側，該設備包含：一製程區域，位在一腔室內，且該製程區域的一側由一鄰近一輻射熱源之窗來界定，該輻射熱源設置在該製程區域外面；一基材支撐組件，位在該製程區域內，以在熱處理期間將該基材固持在一位置，以致該基材之該前側與該背側之至少一者面對該輻射熱源；以及一半透明板，該半透明板對於來自該輻射熱源之輻射是實質上可穿透的，且具有一傳導耦接到該基材之預選擇熱吸收以從該基材吸收熱，致使該半透明板實質上僅藉由傳導耦接到該基材來加熱，該半透明板在熱處理期間係定位成和該基材相隔一間隙距離，以致在該基材之加熱期間該半透明板維持成比該基材更冷，其中該間隙距離是可調整的，以致該半透明板之熱吸收是動態的。
- 如申請專利範圍第9項所述之設備，其中該半透明板係由一材料製成，該材料之熱吸收小於基材材料之熱吸收。
- 如申請專利範圍第9項所述之設備，其中該間隙距離小於1mm。
- 如申請專利範圍第9項所述之設備，其中該基材是矽，並且該半透明板包含石英。
- 如申請專利範圍第9項所述之設備，更包含一傳導流體源，該傳導流體源流體連通於該間隙，以致該間隙可被一傳導流體填充或可被一現存流體取代或混合，且該間隙可被維持成實質上靜止的。
- 一種在一包含一輻射熱源之腔室中處理一基材之方法，該基材具有一前側與一背側，該方法包含下列步驟：將一基材支撐在該腔室之一製程區域內，該製程區域之一側係由一燈來界定，該燈將該輻射熱源與該製程區域分離；將一動態熱槽支撐在該製程區域內，該動態熱槽對於由該輻射熱源放射之光是實質上可穿透的；操作該輻射熱源，以加熱該基材到一第一溫度，該第一溫度在於1000℃至1200℃的範圍中；以及去致動該輻射熱源，且定位該動態熱槽而使光是實質上可穿透的該動態熱槽耦接到該基材以從該基材 吸收熱，致使該動態熱槽實質上僅藉由傳導耦接到該基材來加熱，其中一旦去致動該輻射熱源，該動態熱槽係移動到一更靠近該基材之位置。
- 如申請專利範圍第14項所述之方法，其中該動態熱槽係定位成鄰近該基材而位在和該輻射熱源相對之側上。
- 如申請專利範圍第14項所述之方法，其中該動態熱槽係定位成鄰近該基材而位在和該輻射熱源相同之側上。
- 如申請專利範圍第14項所述之方法，其中在該動態熱槽與該基材之間存在有一間隙。
- 如申請專利範圍第17項所述之方法，更包含下列步驟：添加一流體到該動態熱槽與該基材之間的該間隙。
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