TWI609981B - 使用順應性材料冷卻圓頂 - Google Patents

Abstract

此述的實施例大體上關於用於處理基板的設備。該設備大體上包括處理腔室，該處理腔室包括燈容座，該燈容座含有多個燈，該等燈定位在鄰近透光窗處。燈容座內的燈提供輻射能至定位於基板支座上的基板。使用燈容座內的冷卻溝道，有助於透光窗的溫度控制。燈容座使用順應性導體熱耦接透光窗。該等順應性導體維持均一的傳導長度，而無關透光窗與燈容座的機械加工公差。均一的傳導長度促進準確的溫度控制。因為順應性導體的長度是均一的而無關腔室部件的機械加工公差，所以對不同的處理腔室而言，傳導長度相同。因此，多個處理腔室之間的溫度控制是均一的，從而減少腔室與腔室間的差異。

Description

使用順應性材料冷卻圓頂

本案揭露發明的實施例大體上關於用於加熱基板(諸如半導體基板)的設備。

半導體基板經處理以用於各式各樣的應用，該等應用包括積體元件與微元件之製造。一種處理基板的方法包括將材料(例如磊晶材料)沉積於基板表面上。所沉積的膜的品質取決於各種因素，包括諸如溫度的處理條件。隨著電晶體尺寸縮小，溫度控制在形成高品質膜方面變得更為重要。以下為額外的方式或替代的方式：在基板上的沉積之後，沉積的材料可經熱處理(例如退火)。沉積或熱處理期間一致的溫度控制造就製程與製程間的再現性。

然而，用於處理基板的每一處理腔室與其他腔室稍有差異，這特別是因每一腔室的個別部件的機械加工(machining)公差(tolerance)所致。因此，每一個別的腔室在熱製程期間具有不同的特徵(例如不同的冷卻速率或腔室熱點)，而造成基板在具不同性質的不同腔室(例如，腔室與腔室間的差異)中受處理。不同腔室上處理的基板之間 的差異隨著電晶體元件縮小而放大。因此，縱使所有的腔室上都使用相同的處理配方，但是第一腔室上處理的基板會具有異於其他腔室上處理的基板的性質。

因此，需要一種減少受處理之基板的腔室與腔室間差異的設備。

此述的實施例大體上關於用於處理基板的設備。該設備大體上包括處理腔室，該處理腔室包括燈容座，該燈容座含有多盞燈，該等燈定位在鄰近透光窗處。燈容座內的燈提供輻射能至定位於基板支座上的基板。使用燈容座內的冷卻溝道，有助於透光窗的溫度控制。燈容座使用順應性(compliant)導體熱耦接透光窗。該等順應性導體維持均一的傳導長度，而無關透光窗與燈容座的機械加工公差。均一的傳導長度促進準確的溫度控制。因為順應性導體的長度是均一的而無關腔室部件的機械加工公差，所以對不同的處理腔室而言，傳導長度相同。因此，多個處理腔室之間的溫度控制是均一的，從而減少腔室與腔室間的差異。

一個實施例中，一種處理腔室包括：腔室主體，包括透光窗與燈容座，該燈容座配置於鄰近該透光窗處。該透光窗與該燈容座之間具有間隙，且一或多個冷卻溝道配置在該燈容座內。複數個順應性導體配置在該燈容座與該透光窗之間的該間隙中。該等順應性導體接觸該燈容座與該透光窗。

另一實施例中，一種處理腔室包括：腔室主體，包括透光窗以及燈容座，該燈容座配置於鄰近該透光窗處。該 透光窗與該燈容座之間具有間隙。一或多個冷卻溝道配置在該燈容座內。該處理腔室也包括複數個順應性導體，該等順應性導體配置在該燈容座與該透光窗之間的該間隙中，且接觸該燈容座與該透光窗。該等順應性導體包括網格(mesh)或絲絨(wool)。

另一實施例中，一種處理腔室包含：腔室主體，包 括透光窗以及燈容座，該燈容座配置於鄰近該透光窗處。該透光窗與該燈容座之間包括一間隙。一或多個冷卻溝道配置在該燈容座內。該處理腔室也包括複數個順應性導體，該等順應性導體配置在該燈容座與該透光窗之間的該間隙中，且接觸該燈容座與該透光窗。該等順應性導體包括塗層，該塗層在該等順應性導體與該透光窗接觸的一端上。

100‧‧‧處理腔室

101‧‧‧腔室主體

102‧‧‧上窗

104‧‧‧下窗

104a‧‧‧下表面

106‧‧‧基板支座

108‧‧‧基板

109‧‧‧支撐板

110‧‧‧升舉銷

111‧‧‧間隙

112‧‧‧致動器

114‧‧‧開口

116‧‧‧處理氣體區域

118‧‧‧淨化氣體區域

120‧‧‧平面

122‧‧‧淨化氣體源

124‧‧‧氣體入口

126‧‧‧流徑

127‧‧‧軸桿

128‧‧‧氣體出口

130‧‧‧排氣泵

132‧‧‧處理氣體供應源

134‧‧‧氣體入口

136‧‧‧流徑

138‧‧‧氣體出口

139‧‧‧圓形屏蔽件

140‧‧‧真空泵

141‧‧‧燈泡

143‧‧‧反射器

147‧‧‧電力分配板

149‧‧‧冷卻溝道

150‧‧‧燈容座

150a‧‧‧上表面

151‧‧‧間隙

154‧‧‧順應性導體

155‧‧‧塗層

362‧‧‧開口

454a-d‧‧‧順應性導體

藉由參考實施例(一些實施例說明於附圖中)，可獲得於上文中簡要總結的本案揭露之發明的更特定說明，而能詳細瞭解本案揭露之發明的上述特徵。然而應注意附圖僅說明本案揭露之發明的典型實施例，因而不應將該等附圖視為限制本案揭露之發明的範疇，因為本案揭露之發明可容許其他等效實施例。

第1圖是根據本案揭露發明之一個實施例的處理腔室之概略剖面視圖。

第2圖是第1圖的放大部分視圖，該視圖說明順應性導體。

第3圖是根據本案揭露發明之一個實施例的燈容座 的部分剖面概略視圖。

第4A圖至第4D圖說明根據本案揭露內容之其他實施例的順應性導體。

為了助於瞭解，如可能則已使用同一元件符號指定各圖共通的同一元件。應考量一個實施例的元件與特徵可有利地併入其他實施例而無需進一步記敘。

此述的實施例大體上關於用於處理基板的設備。該設備大體上包括處理腔室，該處理腔室包括燈容座，該燈容座含有多盞燈，該等燈定位在鄰近透光窗處。燈容座內的燈提供輻射能至定位於基板支座上的基板。使用燈容座內的冷卻溝道，有助於透光窗的溫度控制。燈容座使用順應性導體熱耦接透光窗。該等順應性導體維持均一的傳導長度，而無關透光窗與燈容座的機械加工公差。均一的傳導長度促進準確的溫度控制。因為順應性導體的長度是均一的而無關腔室部件的機械加工公差，所以對不同的處理腔室而言，傳導長度相同。因此，多個處理腔室之間的溫度控制是均一的，從而減少腔室與腔室間的差異。

第1圖是根據本案揭露發明之一個實施例的處理腔室100的概略剖面視圖。處理腔室100可用於處理一或多個基板，包括沉積材料於基板的上表面上。該處理腔室100包括腔室主體101、上窗102，該上窗諸如為圓頂，由諸如不鏽鋼、鋁、陶瓷(例如石英)、或塗佈的金屬或陶瓷之材料所形成。處理腔室100也包括下窗104，該下窗諸如為圓頂，由 諸如石英之透光材料形成。下窗104耦接腔室主體101，或者為腔室主體101之一體成形的一部分。基板支座106適於在該基板支座106上支撐基板108，且於該處理腔室100內配置在上窗102與下窗104之間。基板支座106耦接支撐板109且在基板支座106與支撐板109之間形成間隙111。支撐板109由諸如石英之透光材料形成，以使來自燈142的輻射能沖射在基板支座106上並且將基板支座106加熱至期望的處理溫度。基板支座106由碳化矽或塗佈有碳化矽的石墨所形成，以吸收來自燈142的輻射能且將該輻射能傳送到基板108。

圖中顯示基板支座106處於升高的處理位置，但可 由致動器112垂直致動至位於處理位置下方的裝載位置，以使升舉銷110接觸下窗104且將基板108從基板支座106抬升。機器人(圖中未示)可隨後透過開口114(諸如狹縫閥)進入處理腔室100以接合基板108且將基板108從處理腔室100移出。基板支座106也適於在處理期間由致動器112旋轉，以助於均一地處理基板108。

當基板支座106位於處理位置時，該基板支座106 將處理腔室100的內部空間劃分成處理氣體區域116與淨化氣體(purge gas)區域118。該處理氣體區域116包括位於上窗102與基板支座106位於處理位置時該基板支座106的平面120之間的內部腔室空間。淨化氣體區域118包括位在下窗104與平面120之間的內部腔室空間。

由淨化氣體源122供應的淨化氣體透過淨化氣體入口124導入淨化氣體區域118，該淨化氣體入口124形成於腔 室主體101的側壁內。淨化氣體沿著流徑126側向流動遍及基板106之背表面，且從淨化氣體區域118透過淨化氣體出口128排放，該淨化氣體出口128位在與該淨化氣體入口124相對的該處理腔室100的側面上。排氣泵130耦接淨化氣體出口128，該排氣泵130有助從淨化氣體區域118移除淨化氣體。

由處理氣體供應源132供應的處理氣體透過處理氣 體入口134導入處理氣體區域116，該處理氣體入口134形成於腔室主體101的側壁內。處理氣體沿著流徑136側向流動遍及基板108之上表面。該處理氣體透過處理氣體出口138離開處理氣體區域116，該處理氣體出口138位在與該處理氣體入口134相對的該處理腔室100的側面上。處理氣體透過處理氣體出口138的移除是借助於真空泵140，該真空泵140與該處理氣體出口138耦接。

多盞燈142配置在鄰近下窗104處且於該下窗104 下方，以當處理氣體通過基板108上方時加熱該基板108，以助於將材料沉積至基板108上表面上。燈142定位在燈容座150中，該燈容座150是由例如銅、鋁、或不鏽鋼形成。燈包括燈泡141，該燈泡141由視情況任選的反射器143所圍繞。 每一盞燈142耦接電力分配板147，電力透過該電力分配板147供應至每一盞燈142。該等燈142排列成多個環狀群組，該等環狀群組的半徑繞著基板支座106的軸桿127增加。軸桿127由石英或另一透光材料形成。

燈容座150的上表面定位成與下窗104間隔開的走 向，以在該燈容座150之上表面與下窗104之間形成間隙151。一個範例中，間隙151可以是約0.5毫米至約10毫米，或更大。一個範例中，間隙151是約6毫米。熱能從下窗104經由順應性導體154傳送到燈容座150，該等順應性導體154定位在間隙151內。雖然圖中顯示十個順應性導體154，但本案考量可利用超過十個順應性導體154。順應性導體154助於將熱從下窗104移除，此舉藉由減少從下窗104到基板108的熱輻射、傳導、與對流，而進一步增加基板108的冷卻速率。冷卻溝道149將熱從燈容座150移除，以助於燈容座150與下窗104的冷卻。

燈142適於將基板加熱至預定溫度，以助於處理氣 體熱分解至基板108之表面上。一個範例中，沉積至基板上的材料可以是三族、四族、及/或五族材料，或者可以是包括三族、四族、及/或五族摻雜劑的材料。例如，沉積的材料可包括砷化鎵、氮化鎵、或氮化鋁鎵。該等燈可適於將該基板加熱至範圍在約攝氏300度至約攝氏1200度內的溫度，諸如約攝氏300度至約攝氏950度。

儘管第1圖說明處理腔室的一個實施例，但本案也考量額外的實施例。舉例而言，另一實施例中，考量基板支座106可由透光材料(諸如石英)形成，以容許直接加熱基板108。尚有另一實施例中，考量視情況任選的圓形屏蔽件139可配置在基板支座106周圍且耦接腔室主體101之側壁。另一實施例中，處理氣體供應源132可適於供應多種類型的處理氣體，例如三族前驅物氣體與五族前驅物氣體。可透過 相同的處理氣體入口134或透過不同的處理氣體入口134將多重處理氣體導入腔室中。此外，也考量氣體入口124、134、或氣體出口128、138之尺寸、寬度、及/或數目可經調整以進一步助於基板108上材料均一的沉積。

另一實施例中，基板支座106可以是環狀環或邊緣環，該環狀環或邊緣環具有穿過該環狀環或邊緣環的中央開口，且該基板支座106可適於支撐基板108的周邊。在這樣的實施例中，基板支座106可由碳化矽、塗佈有碳化矽的石墨、塗佈有玻璃碳的石墨形成。另一實施例中，基板支座可以是三個或更多個銷支座，該等銷支座提供極微的傳導式冷卻。

第2圖是第1圖的放大部分視圖，該圖說明順應性導體154。第2圖所示的實施例中，順應性導體154具有「鋸齒狀(zig-zag)」或「蛇紋(serpentine)」之形狀。順應性導體154定位在下窗104之下表面104a與燈容座150之上表面150a之間，並且接觸下窗104之下表面104a與燈容座150之上表面150a。燈容座150由諸如不鏽鋼或銅之金屬形成，且可透過使用現代機械加工技術(諸如電腦數值控制(CNC)機械加工)形成至相對精確的公差。因此，上表面150a相對地平坦。與此成對比，下窗104的下表面104a無法被生產得具有如燈容座150般精確的公差，這是因為要對建構下窗104的材料施以機械加工有許多困難。一個範例中，下表面104a可具有多至1毫米的平整度相異度，從而造成間隙151的高度沿著下窗104的長度有所差異。間隙151高度的相異可影 響下窗104與燈容座150之間不同位置的熱傳，這主要是由於橫跨間隙151的傳導長度路徑相異所致。

為了助於更均一的熱傳，順應性導體154定位在下 窗104與燈容座150之間。順應性導體實體接觸下窗104之下表面104a與燈容座150之上表面150a。順應性導體154將熱能經由傳導從下窗104傳送到燈容座150，而非使用對流或輻射；若不然，該對流或輻射會在缺乏順應性導體154時發生。雖然甚至在順應性導體154存在時仍可能發生一些對流或輻射熱傳，但相較於順應性導體所助益的傳導熱傳，對流或輻射熱傳小了好幾個數量級，且因此大體上可忽略。一個範例中，順應性導體154由銅形成，且具有約40%的體積密度，且該間隙151是以氦氣填充。在這樣的範例中，順應性導體154所致的熱傳比對流或輻射所致的熱傳大100倍。順應性導體154的相對大的熱傳至少部分是由於順應性導體154相較於間隙151中之氣體有更高導熱率所致。

順應性導體154是由順應性材料形成且遍及間隙 151具實質上相同的傳導長度，而無關下窗104的下表面104a的機械加工公差。順應性導體154的「鋸齒」或蛇紋形狀使順應性導體154得以擴張且收縮，以維持該順應性導體154接觸下窗104及燈容座150。如第2圖所說明，圖中所示的順應性導體154之兩者具有相同的總傳導路徑，然而圖中顯示順應性導體154為不同的擴張狀態，以接觸下窗104與燈容座150二者。由於順應性導體154大體上固定地附接燈容座150且擴張而接觸下窗104，所以因下表面104a缺乏平整度 而規定順應性導體154有不同擴張狀態。但是，無論順應性導體154的擴張狀態為何，順應性導體154的傳導路徑長度維持恆定。因此，從下窗104到燈容座150的熱傳遍及間隙151之所有位置皆為一致，而無關間隙151之尺寸差異。再者，傳導路徑在腔室與腔室間皆為一致，而與個別腔室之腔室部件的機械加工相異度無涉。

順應性導體154由具高導熱率的材料形成，該材料 包括金屬與陶瓷，所述金屬諸如不鏽鋼、鎳、銅、鐵、英高鎳(inconel)、鋁、或前述金屬之組合，而所述陶瓷諸如氧化鋁、氧化鎂、氮化鋁、氧化鋯、氧化矽、與前述陶瓷之組合。順應性導體154也視情況任選地包括塗層155，該塗層155至少位於鄰近下窗104之下表面104a的一部分上。塗層155減少由於下窗104接觸順應性導體154所致的非期望刮傷或損傷。塗層155可包括玻璃碳、石墨、氮化硼、或雲母。 本案考量在某些實施例中可省略塗層155。在這樣的實施例中，可施加潤滑劑至下窗104或順應性導體154，以減少下窗104之刮傷或損傷，該潤滑劑諸如為石墨、六方氮化硼、或二硫化鉬。順應性導體154大體上例如藉由銅焊(brazing)或焊接(welding)固定式附接燈容座150。包括陶瓷的順應性導體154之黏結可透過使用黏結劑完成，該黏結劑包括矽酸鈉、矽酸銨、磷酸鋁、磷酸鋅、或其他奈米分散懸浮液。

第3圖是根據本案揭露發明的一個實施例的燈容座150的部分剖面概略視圖。上表面150a包括形成於該上表面150a中的特徵，諸如開口362。該等開口362容許來自燈142 的輻射能通過上表面150a沖射在基板或基板支座上。開口362配置在每一盞燈142上方。在數列開口362之間，順應性導體154耦接上表面150a。順應性導體154定位成使得來自燈142的輻射能不被順應性導體154阻擋。順應性導體154排列成多個環狀列，但本案也考量額外的分佈方式。此外，本案考量間距與密度(每單位面積的順應性導體154數)也可經調整以助於從下窗至燈容座150有預定量的熱傳。一個範例中，順應性導體154可覆蓋約40%的上表面150a。另一範例中，順應性導體可具有約2毫米至約3毫米的間距。

第4A圖至第4D圖說明根據本案揭露發明的其他實 施例的順應性導體。第4A圖說明由絲絨形成的順應性導體454a。該絲絨可包括上述討論的金屬或陶瓷材料之任何一者。該順應性導體454a可視情況任選地包括在該順應性導體454a上的塗層(為了明確起見並未於圖中示出)，以用於減少下窗的刮傷，該塗層諸如針對第2圖所討論的塗層155。順應性導體454a可用分立的綴片(patch)或條帶(strip)耦接燈容座。

第4B圖說明順應性導體454b。該順應性導體454b 是線網格(wire mesh)。該線網格可包括上述討論的金屬或陶瓷材料之任何一者。該順應性導體454b可視情況任選地包括在該順應性導體454b上的塗層(為了明確起見並未於圖中示出)，以用於減少下窗的刮傷，該塗層諸如針對第2圖所討論的塗層155。順應性導體454b可用分立的綴片或條帶耦接燈容座。

第4C圖說明順應性導體454c。該順應性導體454c形成為螺旋形狀，且可以是例如由上述討論的金屬所形成的彈簧。塗層155配置在該順應性導體454c適以接觸下窗的一端上。第4D圖說明具有S形狀的順應性導體454d。該順應性導體454d也包括塗層155，該塗層155配置在該順應性導體454d適以接觸下窗的一端上

第4A圖至第4D圖說明根據本案揭露發明的一些實施例的順應性導體，然而本案也考量用於順應性導體的額外形狀。額外的形狀也包括金屬鎖子甲(chainmail)或絮狀物(batting)、發泡金屬箔、折疊的金屬箔葉片、以及相連的金屬箔管。另一實施例中，本案考量順應性導體可由任何足以耐受期望處理溫度的材料形成，該期望處理溫度諸如為約攝氏300度至約攝氏400度，或更高。另一實施例中，塗層155可包括矽氧烷聚合物、聚亞醯胺、或聚四氟乙烯。

另一實施例中，本案考量順應性導體(諸如順應性導體454a與454b)可用一或多種流體或類流體(near-fluid)浸漬或塗佈，以助於增加熱傳，該類流體諸如蠟、油脂、及/或順應性聚合物。在此實施例中，本案考量順應性導體的孔隙度與表面張力可助於將流體或類流體限制於處理腔室的非期望區域中。順應性聚合物的一個範例可包括聚矽氧橡膠或填充的聚矽氧。填充的聚矽氧例如可包括導熱材料之顆粒以增加熱傳。該導熱材料諸如為金屬薄片(flake)。一個實施例中，矽橡膠可具有約1.3W/mΩk的導熱率。

此述的實施例之優點包括均一地冷卻腔室部件而無 關腔室部件的機械加工公差。因此，腔室與腔室間的溫度控制更為均一，造成不同腔室中處理的基板有更均一的性質。

雖然前述內容涉及本案揭露之發明的實施例，但可不背離本發明之基本範疇而設計本案揭露之發明的其他與進一步的實施例，該等實施例範疇由隨後的申請專利範圍界定。

100‧‧‧處理腔室

101‧‧‧腔室主體

102‧‧‧上窗

104‧‧‧下窗

106‧‧‧基板支座

108‧‧‧基板

109‧‧‧支撐板

110‧‧‧升舉銷

111‧‧‧間隙

112‧‧‧致動器

114‧‧‧開口

116‧‧‧處理氣體區域

118‧‧‧淨化氣體區域

120‧‧‧平面

122‧‧‧淨化氣體源

124‧‧‧氣體入口

126‧‧‧流徑

127‧‧‧軸桿

128‧‧‧氣體出口

130‧‧‧排氣泵

132‧‧‧處理氣體供應源

134‧‧‧氣體入口

136‧‧‧流徑

138‧‧‧氣體出口

139‧‧‧圓形屏蔽件

140‧‧‧真空泵

141‧‧‧燈泡

143‧‧‧反射器

147‧‧‧電力分配板

149‧‧‧冷卻溝道

150‧‧‧燈容座

151‧‧‧間隙

154‧‧‧順應性導體

Claims (21)

1. 一種處理腔室，包括：一腔室主體，包括一透光窗；一燈容座，配置於鄰近該透光窗處，該透光窗與該燈容座之間具有一間隙，且一或多個冷卻溝道配置在該燈容座內；及複數個順應性(compliant)導體，配置在該燈容座與該透光窗之間的該間隙中，且接觸該燈容座與該透光窗。
2. 如請求項1所述之處理腔室，其中該等順應性導體之每一者具有一實質上相等的長度。
3. 如請求項1所述之處理腔室，其中該等順應性導體之每一者包括一塗層，該塗層位於該等順應性導體之每一者上。
4. 如請求項3所述之處理腔室，其中該塗層包含玻璃碳、石墨、氮化硼、或雲母。
5. 如請求項1所述之處理腔室，其中該等順應性導體包含一陶瓷。
6. 如請求項5所述之處理腔室，其中該陶瓷包含氧化鋁、氧化鎂、氮化鋁、氧化鋯、氧化矽、或前述陶瓷之組合。
7. 如請求項1所述之處理腔室，其中該等順應性導體包含一金屬。
8. 如請求項7所述之處理腔室，其中該金屬包含不鏽鋼、鎳、銅、鐵、英高鎳(inconel)、鋁、或前述金屬之組合。
9. 如請求項8所述之處理腔室，其中該等順應性導體焊接(weld)至該燈容座。
10. 如請求項8所述之處理腔室，其中該等順應性導體銅焊(braze)至該燈容座。
11. 如請求項1所述之處理腔室，其中該等順應性導體是包含金屬或陶瓷的網格(mesh)或絲絨(wool)。
12. 如請求項1所述之處理腔室，其中該等順應性導體具有一蛇紋(serpentine)形狀。
13. 如請求項1所述之處理腔室，其中該等順應性導體形狀塑造成一螺旋線圈。
14. 一種處理腔室，包含：一腔室主體，包括一透光窗；一燈容座，配置於鄰近該透光窗處，該透光窗與該燈容 座之間具有一間隙，且一或多個冷卻溝道配置在該燈容座內；及複數個順應性導體，配置在該燈容座與該透光窗之間的該間隙中，且接觸該燈容座與該透光窗，該等順應性導體包括網格或絲絨。
15. 如請求項14所述之處理腔室，其中該網格或絲絨是以一材料浸漬以增加熱傳。
16. 如請求項15所述之處理腔室，其中該浸漬材料包括蠟、油脂、或順應性聚合物。
17. 如請求項16所述之處理腔室，其中該浸漬材料是聚矽氧(silicone)。
18. 如請求項17所述之處理腔室，其中該聚矽氧包括嵌在該聚矽氧中的顆粒。
19. 如請求項18所述之處理腔室，其中該等顆粒包括金屬薄片(flake)。
20. 如請求項19所述之處理腔室，其中該網格或絲絨包含一金屬或一陶瓷。
21. 一種處理腔室，包含：一腔室主體，包括一透光窗；一燈容座，配置於鄰近該透光窗處，該透光窗與該燈容座之間具有一間隙，且一或多個冷卻溝道配置在該燈容座內；及複數個順應性導體，配置在該燈容座與該透光窗之間的該間隙中，且接觸該燈容座與該透光窗，其中該等順應性導體包括一塗層，該塗層在該等順應性導體與該透光窗接觸的一端上。