TWI569346B - 基板處理裝置及加熱器之溫度調整方法 - Google Patents

Description

基板處理裝置及加熱器之溫度調整方法

本說明書中揭示的本發明係關於基板處理裝置，尤其係關於其內一加熱器局部控制溫度，以均勻的溫度加熱一基板，藉此執行關於該基板的處理之基板處理裝置，以及用於調整該加熱器溫度之方法。

在半導體設備製程當中，需要在一基板上以均勻的溫度執行熱處理。該製程處理範例可包括化學氣相沉積以及矽磊晶成長處理，其中在反應器內一承座上放置之一半導體基板上沉積具有氣態的一材料層。該承座通常以電阻、高頻以及紅外線加熱等方式，加熱到大約400℃至大約1,250℃的高溫。在此狀態下，氣體經過化學反應同時通過該反應器，導致該氣相狀態沉積在非常靠近基板表面的位置上。而由於此反應，可在該基板上沉積所要的生成物。

一半導體設備包括矽基板上複數個層，該等層透過沉積處理沉積於該基板上。該沉積處理有許多嚴重問題，該等問題對於評估一沉積層以及選擇一沉積方式來說相當重要。

第一個重要問題就是沉積層的品質。這代表該等沉積層的成份、污染程度、缺陷密度以及機械和電氣屬性。該沉積層的成份可根據沉 積條件而改變，這對於取得一指定成份來說非常重要。

第二個重要問題就是貫穿一晶圓的一致厚度。尤其是，沉積在具有非平面形狀(其中形成階梯部分)的圖案上一層之厚度非常重要。該已沉積層是否具有一致的厚度可透過階梯涵蓋率來決定，該涵蓋率定義為該階梯部分上所沉積一層的最小厚度除以一圖案頂端表面上所沉積一層的厚度之值。

有關沉積的其他問題為一填充空間。這包括一間隙填充，其中包含氧化物層的絕緣層填入金屬線之間。該間隙提供該等金屬線之間的實體與電氣隔離。在上述問題之間，一致性為與該沉積處理有關最重要的問題。不一致層會導致該等金屬線上產生高電阻，增加機械受損的可能性。

本發明的目的在於利用在加熱一基板的一加熱器四周安裝一冷卻環，改善該加熱器的溫度梯度。

參閱下列詳細說明以及附圖將可了解本發明的其他目的。

根據本發明的具體實施例，一基板處理裝置包括：一主腔室，其具有一處理空間，其中執行關於一基板的處理；一加熱器，其位於該處理空間內，用於加熱放置在其一上半部上的該基板；以及一冷卻環，其位於該加熱器四周，該冷卻環具有圍繞該加熱器並且相隔預定距離的複數個氣體通道，允許從外界供應的一冷卻劑選擇性流入其中。

該冷卻環可包括出口孔，其個別連接至該等氣體通道，並且 對該冷卻環的內側或外側開放。

該基板處理裝置可另包括一導引構件，其位於該處理空間內並且包括氣體供應管，將從該外側供應的該冷卻劑供應至每一該等氣體通道，其中該導引構件另包括：一底板，其與該主腔室的一底部表面連接；一側板，其連接至該底板的一側邊部分；以及一支撐構件，其突出至該加熱器並且連接至該側板，以支撐該冷卻環。

該導引構件可包括一突出部分，其立在該側板的上半部上，並且該基板處理裝置可另包括一排氣環，其具有處理氣體排放孔連接至該突出部分的上半部，將透過一噴灑頭供應的處理氣體排放至該外側，以及具有位於對應至該出口孔的位置上之冷卻劑排放孔，以將該冷卻劑排放至該外側。

該基板處理裝置可另包括一閥門，其連接至每一該等氣體供應管，以開啟或關閉該氣體供應管。

該冷卻環可包括上方排放孔，其定義在該等氣體通道之上，以便將透過該噴灑頭供應的處理氣體排放至該外側。

該等氣體通道可相對於該加熱器中心的角度放置。

該冷卻環可與該加熱器分隔。

根據本發明的另一個具體實施例，一種用於調整一加熱器溫度的方法包括：安置一冷卻環，其圍繞上面放置一基板的一加熱器，其中該冷卻環包括複數個氣體通道，該等通道圍繞該加熱器彼此相隔；以及決定該加熱器的一高溫區溫度高於根據該加熱器內溫度分布的一預設溫度，以便將一冷卻劑只供應到該等複數個氣體通道之間，位於該高溫區之外的 該氣體通道，藉此調整該加熱器內的溫度分布，其中該加熱器內該溫度分布的調整包括將複數個氣體供應管分別連接至該等氣體通道，並且在該等氣體供應管內安置複數個閥門，將外於該高溫區之外的該氣體通道內該閥門打開，並且關閉剩餘閥門。

該加熱器內該溫度分布的調整可另包括：透過該冷卻環內側或外側內形成，連接至該等氣體通道的複數個出口孔之間，並且連接至位於該高溫區之外的該氣體通道之一出口孔，排放該冷卻劑。

根據本發明的具體實施例，該冷卻環安裝在該加熱器四周，以改善該加熱器的溫度梯度，藉此改善該基板的品質。

1‧‧‧基板處理裝置

3‧‧‧處理空間

10‧‧‧主腔室

13‧‧‧排氣通道

15‧‧‧排氣口

17‧‧‧排氣管線

19‧‧‧排氣泵

20‧‧‧腔室蓋

30‧‧‧加熱器

31‧‧‧貫穿孔

33‧‧‧上方固定構件

35‧‧‧支撐轉軸

38‧‧‧套管

40‧‧‧冷卻環

43‧‧‧入口孔

45‧‧‧氣體通道

47‧‧‧出口孔

48‧‧‧上方排放孔

50‧‧‧排氣環

53‧‧‧處理氣體排放孔

57‧‧‧冷卻劑排放孔

60‧‧‧噴灑頭

65‧‧‧擴散孔

70‧‧‧處理氣體儲氣槽

75‧‧‧氣體供應孔

77‧‧‧處理氣體供應管

80‧‧‧導引構件

82‧‧‧底板

84‧‧‧側板

86‧‧‧支撐構件

88‧‧‧連接構件

89‧‧‧閥門

90‧‧‧冷卻劑佇槽

95‧‧‧連接管

97‧‧‧氣體供應管

C‧‧‧中心

H‧‧‧區域

W‧‧‧基板

第一圖為根據本發明具體實施例的基板處理裝置之圖解圖。

第二圖為例示由於一冷卻劑流過第一圖中一冷卻環，一加熱器的熱交換狀態之圖式。

第三圖為例示第一圖中該冷卻環內定義的氣體通道之配置圖。

第四圖為根據本發明另一具體實施例，第二圖的一冷卻環圖式。

第五圖為第一圖中所例示一氣體通道與一氣體供應管之間連接狀態的圖式。

第六圖為根據本發明另一具體實施例的基板處理裝置之圖解圖。

第七圖為根據本發明又另一個具體實施例的基板處理裝置之圖解圖。

此後，將參照第一圖至第五圖來詳細說明本發明的範例具體 實施例。不過，本發明可以以不同形式來具體呈現，且不受限於此處公佈的具體實施例。而是提供這些具體實施例，如此所揭示範圍更完整且周詳，並且將本發明範疇完整傳輸給精通此技術的人士。在圖式中，為了清晰起見所以誇大了層與區域的厚度。

第一圖為根據本發明具體實施例的基板處理裝置之圖解圖。請參閱第一圖，基板處理裝置1包括一主腔室10以及一腔室蓋20。主腔室10具有一打開的上半部。通過其可接觸到一基板W的一通道(未顯示)定義在主腔室10的一側內。該基板W透過主腔室10一側內定義的該通道，載入主腔室10。一閘道閥(未顯示)位於該通道之外，如此該通道可由該閘道閥開啟或關閉。

腔室蓋20連接至主腔室10的該已開放上半部，將主腔室10的內外隔開，藉此在主腔室10內形成一處理空間3。一密封構件(未顯示)可位於主腔室10與腔室蓋20之間以完全密封處理空間3。一氣體供應孔75穿過腔室蓋20的頂壁。另外，通過一處理氣體供應管77供應處理氣體進入主腔室10。該處理氣體供應管77連接至一處理氣體儲氣槽70，來開啟或關閉一閥門89，藉此調整處理氣體注入量。

具有複數個擴散孔65的噴灑頭60置於腔室蓋20的下端表面上。噴灑頭60可透過定義在相同高度上的複數個擴散孔65，將該處理氣體均勻供應到該基板W上。該處理氣體可包括氫氣(H₂)、氮氣(N2)或一預定惰性氣體。此外，該處理氣體可包括一先前反應氣體，例如silane(SiH₄)矽甲烷或二氯矽烷(SiH₂Cl₂)。另外，該處理氣體可包括一摻雜物氣體，例如硼乙烷(B₂H₆)或磷化氫(PH₃)。噴灑頭60將透過氣體供應孔75供應的該處理氣體 擴散至該基板W上，如此該處理氣體流到該基板W上。通過噴灑頭60供應的該處理氣體在一預定處理完成之後可移動進入一排氣空間，然後透過主腔室10另一側內定義與該排氣空間連通的一排氣通道13排出。

一加熱器30位於該基板處理裝置1的處理空間3內。加熱器30接收來自外部電源(未顯示)的電流，以產生熱量。其上乘載並安置該基板W的一坐落溝槽(未顯示)定義在加熱器30的頂端表面內。加熱器30具有對應至該基板W形狀的一圓碟形，以均勻加熱該基板W。另外，加熱器30的面積可大於該基板W的面積。一貫穿孔31定義在該加熱器30的中央下半部內。一支撐轉軸35連接至加熱器30的下半部，來支撐加熱器30。支撐轉軸35可連接至一驅動單元(未顯示)，與加熱器30一起轉動。

另外，基板處理裝置1另可包括位於內部空間3之內的一套管38，以便將內部氣壓維持在真空狀態，並且在該基板W處理時阻擋基板處理裝置1的外部氣壓。套管38可連接至位於主腔室10的貫穿孔31內一上方固定構件33的下半部側邊。套管38可壓縮與拉長，並且具有環形。另外，套管38位於上方固定構件33與下方固定構件(未顯示)之間，在套管38圍繞一支撐轉軸35的狀態下。

導引構件80沿著主腔室10的底部表面與側邊表面放置。導引構件80包括位於主腔室10底部表面上的一底板82、具有圓柱形並且沿著主腔室10的側邊表面放置之一側板84、沿著側板84的內圓周表面連接以突出至加熱器30的一支撐構件86。複數個氣體供應管97位於導引構件80的內表面內。氣體供應管97分別連接至連接管95。連接管95可通過上方固定構件33，並且插入上方固定構件33。連接管95通過上方固定構件33，沿著貫穿 孔31的側壁與位於底板82內的氣體供應管97連通。如此，來自冷卻劑佇槽90並且通過冷卻環40中氣體通道45之冷卻劑(稍後將說明)通過彼此連接的連接管95以及氣體供應管97。

近來由於該基板W的尺寸放大，所以加熱器30的尺寸也增大。如此，會難以在該基板W上實現均勻的溫度分佈。也就是說，以預設處理溫度加熱該基板W時，該加熱器可能損壞或效能降低。此外，該加熱器W的輻射熱會局部不平衡。所以，為了解決這些問題，在該基板W四周可放置冷卻環40，將該基板W上由於該加熱器局部溫度變化造成的溫度變化降至最低。冷卻環40位於支撐構件86的上端。冷卻環40可與該加熱器W的四周相隔預定距離。較佳的是，冷卻環40可與加熱器30相隔大約10mm的距離。另外，冷卻環40可由耐火材料所製成，對於該加熱器W的高溫有足夠耐用性。另外，冷卻環40可塗上Al₂O₃和Y₂O₃，以降低熱膨脹係數並且增加熱傳導係數。

冷卻環40具有複數個氣體通道45。在此，複數個氣體通道45分別連接至對應的氣體供應管97。氣體通道45透過入口管(請參閱第二圖的參考編號43)與氣體供應管97連通，以將該冷卻劑導向氣體通道45。然後，該冷卻劑透過出口孔(請參閱第二圖的參考編號47)排放。連接構件88直立在側板84的上半部上，並且排氣環50連接至連接構件88的上端。較佳的是，噴灑頭60的側邊下端以及連接構件88的上端彼此相連，並且與主腔室10的側壁分隔，將主腔室10的內部分割成該內部排氣空間以及一外部處理空間3。

排氣環50具有處理氣體排放孔53以及冷卻劑排放孔57，這兩 者分別以預定距離定義在該環的上半部與下半部。透過噴灑頭60分散的該處理氣體在該基板W上執行預定處理之後，透過處理氣體排放孔53排入一排氣口。供應進入冷卻環40中氣體通道45的該冷卻劑，會透過對應至該出口孔(請參閱第二圖的參考編號47)的位置內定義之該冷卻劑排放孔57，排放進入排氣口15。一排氣管線17連接至排氣口15。如此，透過處理氣體排放口53排出的未反應氣體或副產物，以及透過冷卻劑排放孔57排出的冷卻劑氣體，都透過排氣管線17排放。氣體可透過連接至排氣管線17的排氣泵19，強迫排放到外界。

第二圖為例示由於一冷卻劑流過第一圖中一冷卻環，一加熱器的熱交換狀態之圖式。如上述，冷卻環40具有複數個氣體通道45。請參閱第二圖，氣體通道45分別與氣體供應管97連通，以接收該冷卻劑。每一氣體通道45都具有入口孔43以及出口孔47。透過入口孔43供應的該冷卻劑通過每一氣體通道45，然後排放進入出口孔47。如此，可降低其內供應該冷卻劑的加熱器30預設區域之溫度。如此，利用供應該冷卻劑通過氣體通道45，可避免加熱器30的局部溫度偏差，造成加熱器30的整個區域之上均勻的溫度梯度。

第三圖為例示第一圖中該冷卻環內定義的氣體通道45之配置圖。如第三圖內所例示，冷卻環40具有複數個氣體通道45。氣體通道45位在相對於加熱器30中心C的相等角度上，並且每一氣體通道45都具有大約0.5mm至大約5mm的直徑。雖然在本具體實施例內示範具有二十四個氣體通道45的冷卻環40，不過根據通道之間的預設距離，氣體通道45數量可增加或減少。

例如，若提供具有二十四個氣體通道45的冷卻環40，則加熱器30也可分割成二十四個區域。在這些區域之間，若連接至氣體通道45，其對應至具有相當高溫的一區域H的一閥門(未顯示)已經開啟，以允許該冷卻劑流入，則對應至冷卻環40的該區域H之部分會冷卻。如此，該區域H會間接冷卻，以均勻調整每一區域的溫度。

雖然在目前的具體實施例內，流入氣體通道45的該冷卻劑透過出口孔47排放到冷卻環40的外部，不過本發明並不受限於此。例如，如第四圖內所例示，該冷卻劑可排放至冷卻環40的內部，然後直接注入加熱器30內。在此，出口孔47可朝向冷卻環40的內部打開。加熱器30可透過從冷卻環40注入的該冷卻劑直接冷卻。

第五圖為第一圖中所例示氣體通道45與氣體供應管97之間連接狀態的圖式。如上述，氣體通道45分別連接至氣體供應管97。第一氣體通道連接至第一氣體供應管，並且第二氣體通道連接至第二氣體供應管。在每一氣體供應管97內都安裝用於控制該冷卻氣供應的一閥門。該閥門可調整氣體供應管97的開啟程度或該冷卻劑的流量，以便控制供應進入氣體通道45的該冷卻劑。如此，該冷卻劑可供應進入氣體通道45，將加熱器30內的局部溫差降至最低。在此狀態下，該基板W可加熱，以改善該基板W的處理一致性。每一該等複數個閥門以及一質流計(MFC，mass flow meter)都連接至一控制器。該控制器可透過位於加熱器30內的電耦合測量加熱器30內的溫度分布，然後透過該等複數個閥門與上述的該質流計，回饋控制該冷卻劑，將加熱器30的溫度偏差降至最低。

雖然本發明以參考範例具體實施例來詳細說明，不過本發明 可在不同的形式內具體實施。如此，底下所公佈的技術理念與申請專利範圍的範疇都不受限於該等較佳具體實施例。

另一實施方式

此後，將參照第六圖至第七圖來詳細說明本發明的範例具體實施例。不過，本發明可以有不同形式來具體呈現，並且不受限於此處公佈的具體實施例。而是提供這些具體實施例，如此所揭示範圍更完整與徹底，並且將本發明範疇完整傳輸給精通此技術的人士。在圖式中，為了清晰起見所以誇大了層與區域的厚度。

第六圖為根據本發明另一具體實施例的基板處理裝置之圖解圖。與參考第一圖至第五圖所述大體上相同的組件都賦予相同的參考編號，如此可用前述具體實施例的說明來取代這些的詳細說明。為了方便說明，底下主要說明與第一圖中基板處理裝置1不同的地方。

如第六圖內所例示，冷卻環40位於支撐構件86與噴灑頭60之間，將處理空間3隔離。在冷卻環40的底部表面內預定距離上定義複數個氣體通道45，並且在冷卻環40的上方表面內定義複數個上方排放孔48。冷卻環40內定義的氣體通道45與氣體供應管97連通，以接收冷卻劑。因為該冷卻劑透過氣體通道45供應，所以可控制加熱器30內局部溫度偏差。處理之後產生的副產品以及未反應氣體都可透過冷卻環40頂端表面內定義的上方排放孔48以及一排氣口15，排放到外界。如此，與第一圖不同，不用提供個別排氣環，就可透過冷卻環40啟動加熱器30的溫度一致性以及該處理氣體的排放。如此，透過將該冷卻劑供應進入氣體通道45，將加熱器30內局部溫度偏差降至最低。在此狀態下，該基板W可加熱，以改善該基板W 的品質。

第七圖為根據本發明又另一個具體實施例的基板處理裝置之圖解圖。如第七圖內所例示，一連接管95可通過噴灑頭60和腔室蓋20的一凸緣單元。連接管95可連接至冷卻劑佇槽90。

如上述，因為冷卻環40位在加熱器30四周，並且該冷卻劑根據冷卻環40的位置，選擇性供應進入冷卻環40，因此可冷卻一部分冷卻環40。因此，一部分加熱器30可冷卻，來控制加熱器30內的溫度不一致性。尤其是，該冷卻劑可為內部氣體。因為該惰性氣體在過程中無直接影響，所以可在該處理期間控制加熱器30的溫度不一致性，以改善處理一致性。

雖然本發明以參考範例具體實施例來詳細說明，不過本發明可在不同的形式內具體實施。如此，底下所公佈的技術理念與申請專利範圍的範疇都不受限於該等較佳具體實施例。

工業上的應用性

本發明可應用在許多半導體製造廠與方法。

1‧‧‧基板處理裝置

3‧‧‧處理空間

13‧‧‧排氣通道

15‧‧‧排氣口

17‧‧‧排氣管線

20‧‧‧腔室蓋

30‧‧‧加熱器

31‧‧‧貫穿孔

33‧‧‧上方固定構件

35‧‧‧支撐轉軸

38‧‧‧套管

45‧‧‧氣體通道

53‧‧‧處理氣體排放孔

60‧‧‧噴灑頭

65‧‧‧擴散孔

70‧‧‧處理氣體儲氣槽

75‧‧‧氣體供應孔

77‧‧‧處理氣體供應管

80‧‧‧導引構件

82‧‧‧底板

84‧‧‧側板

86‧‧‧支撐構件

95‧‧‧連接管

97‧‧‧氣體供應管

Claims (10)

1. 一種基板處理裝置，包含：一主腔室，其具有一處理空間，其中執行關於一基板的處理；一加熱器，其位於該處理空間內，用於加熱放置在其一上半部上的該基板；以及一冷卻環，其位於該加熱器四周，該冷卻環具有圍繞該加熱器並且相隔預定距離的複數個氣體通道，允許從外界供應的一冷卻劑流入其中。
2. 如申請專利範圍第1項之基板處理裝置，其中該冷卻環包含出口孔，其個別連接至該等氣體通道，並且對該冷卻環的內側或外側開放。
3. 如申請專利範圍第2項之基板處理裝置，另包含一導引構件，其位於該處理空間內並且包含氣體供應管，將從該外側供應的該冷卻劑供應至每一該等氣體通道，其中該導引構件另包含：一底板，其沿著該主腔室的一底部表面連接；一側板，其連接至該底板的一側邊部分；以及一支撐構件，其突出至該加熱器並且連接至該側板，以支撐該冷卻環。
4. 如申請專利範圍第3項之基板處理裝置，其中該導引構件包含一突出，其直立在該側板的一上半部上，以及該基板處理裝置另包含一排氣環，其具有處理氣體排放孔連接至該突出的一上半部，將透過一噴灑頭供應的一處理氣體排放至該外側， 以及定義在對應至該出口孔的位置上之冷卻劑排放孔，以將該冷卻劑排放至外界。
5. 如申請專利範圍第3項之基板處理裝置，另包含一閥門，其連接至每一該等氣體供應管，以開啟或關閉該氣體供應管。
6. 如申請專利範圍第3項之基板處理裝置，其中該冷卻環包含上方排放孔，其定義在該等氣體通道之上，以便將透過該噴灑頭供應的處理氣體排放至外界。
7. 如申請專利範圍第1項之基板處理裝置，其中該等氣體通道相對於該加熱器中心等角度放置。
8. 如申請專利範圍第1項之基板處理裝置，其中該冷卻環與該加熱器分開。
9. 一種加熱器之溫度調整方法，該方法包含：安置一冷卻環，其圍繞上面放置一基板的一加熱器，其中該冷卻環包含複數個氣體通道，該等通道圍繞該加熱器且彼此相隔；以及判斷該加熱器的一高溫區溫度高於根據該加熱器內溫度分布的一預設溫度，以便將一冷卻劑只供應到該等複數個氣體通道之間，位於該高溫區之外的該氣體通道，藉此調整該加熱器內的溫度分布，其中該加熱器內該溫度分布的調整包含將複數個氣體供應管分別連接至該等氣體通道，並且在該等氣體供應管內安置複數個閥門，將位於該高溫區之外的該氣體通道內該閥門打開，並且關閉剩餘閥門。
10. 如申請專利範圍第9項之方法，其中該加熱器內該溫度分布的調整另包含透過該冷卻環內側或外側內形成，連接至該等氣體通道的複數個 出口孔之間，並且連接至位於該高溫區之外的該氣體通道之一出口孔，排放該冷卻劑。