TWI655706B - 用於基板熱處理之裝置與用於該裝置之支撐架及基板支撐元件 - Google Patents

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Abstract

本發明係關於用於基板熱處理之已知裝置，其包含加熱設施及設有用於該基板之支撐表面之支撐架。為在此基礎上設計可達成高基板通量之裝置，本發明提出欲至少部分地由包含非晶形基質組分及呈半導體材料形式之另一組分之複合材料製造之支撐架，其中將由電阻器材料製得之經印刷導體施加至該複合材料之表面，該電阻器材料具有導電性且在電流流過其時生成熱且形成該加熱設施之一部分。

Description

用於基板熱處理之裝置與用於該裝置之支撐架及基板支撐元件
本發明係關於用於基板熱處理之裝置，其包含加熱設施及設有用於基板之支撐表面之支撐架。 此外，本發明係關於用於基板熱處理之支撐架，其包含至少一個用於基板之支撐表面。 且最後，本發明係關於用於供熱處理基板用之支撐架之基板支撐元件，其包含用於基板之支撐表面。 例如，在本發明之範圍內之裝置可在半導體或光伏打工業中用於熱處理半導體晶圓且最通常被設計成同時輻照多個基板且通常用於不連續製程(分批製程)中。通常將該等裝置中之基板佈置在經設計用於特殊環境條件下之熱處理之密閉處理空間中；較佳地，可將處理空間抽真空或暴露於反應性氣體或保護性氣體。 在本發明之範圍內之支撐架經設計用於容納及安裝一或多個基板及/或可用於基板傳輸；其包含一或多個支撐表面，該一或多個表面各自可經設計用於容納一或多個基板。支撐架可具有一個部分或多個部分之設計。在多個部分之設計之情形下，支撐架通常包含安裝框，在該安裝框中可容納一或多個基板支撐元件。 在本發明之範圍內之基板支撐元件包含至少一個用於基板之支撐表面(例如呈凹陷之形式)。該等支撐表面可用作(例如)一或多個基板之固持器或支撐件。
矽晶圓之產生及處理通常需要熱處理矽晶圓。矽晶圓係包含基板頂部側及基板底部側之薄盤形基板。除基板固持器以外包含通常呈一或多個紅外發射體之加熱設施之裝置係用於處理矽晶圓。 由於矽晶圓之熱處理通常在特殊條件下(例如在真空或其他適宜(例如反應性)氛圍中)進行，故通常將基板固持器佈置在以氣密方式封閉之處理空間中。若使多個晶圓同時在處理空間中經受熱處理，則在晶圓熱處理期間達成高通量。出於此目的，晶圓有利地容納於支撐架中，組態有多個晶圓之該支撐架傳送至熱處理。 此類型之支撐架通常係垂直架；其基本上由頂部限制板及底部限制板組成，該等限制板藉助多個帶狹縫橫桿彼此連接。在利用半導體技術處理晶圓期間，該等支撐架用於爐、塗覆或蝕刻設施中，且亦用於傳輸及儲存晶圓。此類型支撐架係自(例如) DE 20 2005 001 721 U1得知。水平架可替代性及補充性地來使用，其中晶圓係佈置在呈架系統形式之多個層面中。 然而，已知支撐架與如下缺點相關：其中在支撐架所撐托之晶圓之間僅留有極少組裝空間，此導致紅外發射體必須佈置至支撐架側。依照常規，自側輻照晶圓與晶圓邊緣及中間區之不均勻輻照相關。此可延長製程時間，乃因必須繼續輻照直至晶圓之中間區亦達到所選溫度為止。 為在晶圓表面上得到儘可能高的輻照強度，已知裝置具有佈置在處理空間中之紅外發射體。若將多個紅外發射體導引至處理空間中，則達成二維基板之良好及均勻熱處理。在此情況下，紅外發射體最通常經佈置以使得發射體管之縱向軸彼此平行。較佳地，將紅外發射體分配至基板之頂部及底部側。此要求在欲輻照晶圓之上方及/或下方存在相當大的構築空間。 紅外發射體之電接觸通常係在處理空間外部進行。此有利之處在於可防止在處理空間中之接觸位點處放電。然而，在此情形下，紅外發射體需要導引穿過處理空間之壁使得需要饋通體之特殊密封。 舉例而言，可安裝在真空室中且設有用於氣密密封且呈O形環形式之密封元件之紅外發射體係自DE 10 2008 063 677 B4已知。然而，該等密封之缺點在於密封元件經常暴露於高熱應力從而可損壞密封元件。紅外發射體饋通體之永久熱密封只有在很大努力下才可達成。 最後，導引至處理空間中之紅外發射體具有一定空間需求，使得需要在處理空間中有一定組裝空間。用於基板熱處理之裝置之組裝空間通常有限且無法隨意放大。此外，對額外組裝空間之需要可促使延長必需製程時間，例如因為具有更大尺寸之裝置需要更長時間來抽真空。因此，可降低晶圓熱處理期間之通量。
[本發明的技術目的] 因此，本發明之技術目標係設計容許高基板通量之裝置。 此外，本發明之潛在目標係設計容許以高通量簡單熱處理基板之支撐架及用於支撐架之基板支撐元件。
在提及用於基板熱處理之裝置時，上文所指定目標係根據本發明基於上文所指定類型之裝置來滿足，其中支撐架至少部分地由包含非晶形基質組分及呈半導體材料形式之另一組分複合材料製造，其中將由電阻器材料製得之經印刷導體施加至支撐架之表面，該電阻器材料具有導電性且在電流流過其時生成熱且形成加熱設施之一部分。 用於基板熱處理之已知裝置包含支撐架及加熱設施。支撐架及加熱設施係以單獨總成提供於該等裝置中，其中加熱設施最通常經佈置以靠近處理空間中之支撐架(例如在支撐架之上方及/或下方)，或其被分配至支撐架之一側。在此情況下，加熱設施包含熱輻射發射加熱元件及操作加熱元件所需要之電連接件及電路。 本發明係基於若裝置之設計儘可能的緊湊則可達成高基板通量之原理。根據本發明此可藉由摒棄單獨加熱設施並將加熱設施整合至支撐架中來達成。此外，具有經整合加熱設施之支撐架有助於極均勻地輻照置於其上之基板。 因此，本發明提出支撐架之兩種修改形式，其中一者關於支撐架材料且另一者關於支撐件之電接觸類型。 為使得能夠藉由支撐架發射紅外輻射，支撐架至少部分地由複合材料製造。複合材料之組成經適當選擇使得獲得可呈低能量起始狀態及高能量激發態之熱可激發材料。若此類型材料自激發態返回至起始狀態，則較佳地以紅外輻射之形式釋放能量，該能量然後用於輻照基板。 激發複合材料所需要之能量係由經印刷導體提供，該經印刷導體係施加至支撐架之表面且係由導電性電阻器材料製得，該電阻器材料在電流流過其時生成熱。經印刷導體充當「局部」加熱元件，藉助其可局部加熱支撐架之至少一部分。但經印刷導體不為藉助其加熱基板之裝置之實際加熱元件，而是其主要用於加熱裝置之另一組件(即支撐架)。經印刷導體經適當地定尺寸使得其加熱支撐架中由複合材料製造之部分。自電阻器元件熱傳輸至支撐架可基於熱傳導、對流及/或熱輻射。 另外，整合至支撐架中之加熱設施有助於最小化加熱元件與基板表面之間之平均距離。藉由此方式，可達成尤其有效的升溫製程及短製程時間。 在具有此類型支撐架之裝置中，支撐架中由複合材料製造之一部分係實際紅外輻射發射元件。在此情況下，複合材料含有以下組分： ·非晶形基質組分在重量及體積方面佔複合材料之最大分率。基質組分可決定複合材料之機械及化學性質，例如複合材料之耐溫性、強度及腐蝕性質。由於基質組分為非晶形的，故支撐架較佳地由玻璃組成，與由結晶材料製得之支撐架相比，支撐拖之幾何形狀可更易於適應紅外發射體各別應用之現有要求。此外，基本上由非晶形材料組分組成之複合材料易於適應特殊基板形狀。 基質組分可由未經摻雜或經摻雜石英玻璃組成，且若適用，其除SiO2 以外可含有最大10重量%之量之氧化、氮化或碳化組分。 ·此外，根據本發明，呈半導體材料形式之另一組分係嵌入基質組分中。其形成分散在非晶形基質組分中之固有非晶形相或晶相。 半導體包含價帶及導帶，其彼此可由寬度至多約等於3 eV之ΔE之禁帶分開。禁帶之寬度為(例如)對於Ge 0.72 eV、Si 1.12 eV、InSb 0.26 eV、GaSb 0.8 eV、AlSb 1.6 eV、CdS 2.5 eV。半導體之傳導率取決於有多少電子自價帶跨越禁帶到達導帶。基本上，在室溫下僅少數電子可跨越禁帶並到達導帶使得半導體在室溫下通常僅具有低傳導率。但半導體之傳導率基本上取決於其溫度。若半導體材料之溫度上升，則存在使電子自價帶升高至導帶之足夠能量之機率亦增加。因此，半導體之傳導率隨溫度增加而增加。若溫度適當，則半導體材料顯示良好電導率。 該另一組分以單獨相均勻地或特定地不均勻地分佈。該另一組分決定基板之光學及熱性質；更具體而言，其實現紅外光譜範圍內之吸收，該紅外光譜範圍係介於780 nm與1 mm之間之波長範圍。對於此光譜範圍內之輻射之至少一部分而言，該另一組分顯示高於基質組分之吸收。 基質中該另一組分之相區域充當光學缺陷且導致(例如)複合材料在室溫下藉由肉眼看起來為黑色或灰黑色，此端視層之厚度而定。此外，該等缺陷亦具有吸熱效應。 存在於複合材料中之該另一組分之類型及量較佳地適當以便對於介於2µm與8 µm之間之波長在600℃下在複合材料中實現至少0.6之發射率ε。 若該另一組分作為另一組分相存在且包含具有小於20 µm、但較佳地大於3 µm之最大平均尺寸之非球形形態，則可達成尤其高的發射率。 在此情況下，該另一組分相之非球形形態亦促成複合材料之高機械強度及低裂縫形成傾向。術語「最大尺寸」應指如在顯微照片中可見之該另一組分相之經分離區之最長延伸。上文所提及平均值為顯微照片中所有最長延伸之中值。 根據熱輻射之基爾霍夫定律(Kirchhoff’s law)，熱平衡中之實體之吸收率αλ 及發射率ελ 相等。 αλ = ελ (1) 因此，該另一組分使得可由基板材料發射紅外輻射。若已知光譜半球反射率Rgh 及透射率Tgh ，則可如下計算發射率ελ ： ελ = 1 - Rgh - Tgh (2) 在此情況下，「發射率」應理解為「發射之光譜法向程度」。其係藉助以名稱「黑體邊界條件」 (Black-Body Boundary Conditions，BBC)為人已知且在「DETERMINING THE TRANSMITTANCE AND EMITTANCE OF TRANSPARENT AND SEMITRANSPARENT MATERIALS AT ELEVATED TEMPERATURES」; J. Manara, M. Keller, D. Kraus, M. Arduini-Schuster；第5屆歐洲熱科學會議，The Netherlands (2008)中公開之量測原理來測定。 與不存在另一組分時相比，非晶形基質組分在複合材料(即與另一組分組合)中具有更高的熱輻射吸收。此可改良經印刷導體至基板中之導熱率、加快熱之分佈及提高朝向基板發射之速率。藉由此方式，可行地提供更高輻照功率/單位面積且即便對於薄支撐架壁及/或以相當低的經印刷導體佔有密度亦可生成均質發射及均勻溫度場。具有低壁厚度之支撐架具有低的熱質量且容許快速溫度變化。對於此目的並不需要冷卻。 在本發明裝置之尤佳實施例，所存在之該另一組分之類型及量使得在複合材料中在1000℃之溫度下對於介於2µm與8 µm間之波長實現至少0.75之發射率ε。 因此，對於介於2 µm及8 µm之間(即在紅外輻射之波長範圍內)之熱輻射，複合材料具有高吸收及發射功率。此減少複合材料表面處之反射，使得基於透射為可忽略不計地小之假設，對於介於2 µm與8 µm之間之波長及在高於1000°之溫度下所得反射度為最大0.25，且在高於600℃之溫度下為最大0.4。因此防止藉由所反射熱輻射引起之不可再現加熱，此有助於均勻或期望之非均勻溫度分佈。 在本發明裝置之較佳改進中，裝置包含具有處理空間壁之處理空間，在其中佈置有支撐架，且導引藉助其將第一及第二電位供應至處理空間之單電流饋通體穿過處理空間壁用於經印刷導體之電接觸。 對於本發明之整合支撐架之加熱設施之操作，需要至經印刷導體之電供應器。由於與習用加熱設施相比，經印刷導體之操作僅需要低操作電流，故經印刷導體之電接觸可藉助至處理空間中之單電流饋通體進行。任一類型之電流饋通體之缺點在於其需要加以密封。此類型之密封通常經證實會帶來問題，尤其是因為幾乎不可達成永久密封。在此情況下使用之光元件之使用壽命通常係限制因素，尤其是在該等光元件暴露於高輻射功率或反應性氛圍之情況下。本發明裝置之一優點係其亦容許支撐架之多個經印刷導體由單電流饋通體供應，使得僅需要將兩個電位導引至處理空間中。較佳地，將僅一個具有第一電位之第一單引線及一個具有第二電位之第二單引線導引至處理室中。第一單引線及第二單引線可整合至共享電纜中。與其連接之經印刷導體可並聯或串聯地接成電路。 在提及用於基板熱處理之支撐架時，上文所指定之目標係根據本發明基於上文所指定類型之支撐架來滿足，其中支撐架至少部分地由包含非晶形基質組分及呈半導體材料形式之另一組分之複合材料製造，且其中將由電阻器材料製得之經印刷導體施加至複合材料之表面，該電阻器材料具有導電性且在電流流過其時生成熱。 本發明支撐架經設計具體而言用於熱處理半導體晶圓(矽晶圓)。 用於基板熱處理之已知支撐架通常由耐溫材料製造。此外，在半導體產生中，半導體組分之產率及電性能基本上取決於在半導體產生期間可防止半導體材料被雜質污染之程度。為防止污染物由支撐架引入處理空間中，已知支撐架通常由單一材料製造，該材料另外包含高耐化學性，使得存在極少污染基板之風險。 在本發明範圍內之支撐架可經提供為具有單一部分或多個部分之設計；具體而言，其可為垂直架或水平架。較佳地，支撐架為水平架。水平架之基板之支撐表面平行於處理空間之底部表面延伸。若提供多個固持器，則該等固持器經佈置使得彼此平行。基板之該水平定向之有利之處在於基板由於重力效應而幾乎完全倚靠在其各別支撐表面上。此引起支撐表面至各別基板之良好熱傳遞。在此情況下架樣支撐架之使用經受住時間考驗，乃因加熱基板所需要的能量可藉由兩種機制來提供，即，一方面，藉由直接輻照基板，且另一方面，間接藉由支撐架自身內之熱傳導。 由於本發明支撐架係由複合材料製造，且同時設有由電阻器材料製得之經印刷導體，故支撐架可直接生成紅外輻射。因此，本發明支撐架具有兩個功能：一方面，支撐架可用於傳輸及儲存基板，另一方面，支撐架亦可用作輻射源用於熱處理基板，而無需另一外部輻射源用於此目的。同樣，在適於輻照基板之特殊支撐架中無需可能需要的基板重新定位。 根據本發明，製造支撐架之材料及電接觸之類型經適當選擇使得支撐架材料可藉由將能量引入材料中至少部分地自起始狀態轉移至激發態，且此適當地進行使得自激發態返回至起始狀態之支撐架材料發射意欲輻照基板之紅外輻射。 在具有此類型支撐架之裝置中，支撐架中由複合材料製造之一部分為實際紅外輻射發射元件。在此情況下，複合材料含有非晶形基質組分及呈上文關於本發明裝置詳細闡述之種類之半導體材料形式之另一組分。 由於由具有導電性之電阻器材料製得之經印刷導體被施加至支撐架之表面，故可藉由電流流經電阻器材料生成熱。經印刷導體充當「局部」加熱元件，藉助其可局部加熱支撐架之至少一部分。 在本發明支撐架之較佳改進中，支撐表面經提供以由複合材料製造。 用於基板熱處理之支撐架通常由基本上以良好溫度穩定性及良好耐化學性為特徵之材料製造。具體而言，在半導體產生中，半導體組分之產率及電性能基本上由在半導體產生期間可防止半導體材料被雜質污染之程度來管控。該等污染可由(例如)製程中所使用之裝置造成。 支撐架之全部或一部分可由複合材料製造。若支撐架之全部皆由複合材料製造，則支撐架之製造較溶液且廉價。該支撐架之表面可完全或部分地由經印刷導體覆蓋。已證實可有利地使支撐架表面之僅一部分由經印刷導體覆蓋。在此情形中，支撐架中僅分配至經印刷導體之區段由熱構件直接激發。不經受直接熱激發之部分在40℃之區段溫度下顯示可忽略不計的紅外輻射發射。藉由適當佈置經印刷導體及適當選擇由經印刷導體覆蓋之區段，輻照區域可適應基板形狀使得可達成均勻的基板熱處理。 為確保置於接觸表面上之基板之均勻輻照，已證實有利的是使僅支撐架之支撐表面之區域由複合材料製造，或僅在支撐表面之區域中激發經印刷導體(若將經印刷導體以此方式施加至支撐架)。在任一情形下，僅支撐表面充當紅外輻射之發射體。支撐表面之形狀易於適應基板之形狀。在此情形中，置於支撐表面上之基板具有分配至其之相同形狀之加熱設施，藉此可達成尤其均質之基板輻照。 較佳地，支撐表面係作為層面表面提供。 層面表面可利用極低強度的產生工作來生成；可藉由(例如)拋光使支撐表面具有尤其高的品質。另外，使支撐表面為層面之有利之處在於基板(亦為層面)則包含與支撐表面之最大可能的接觸區域。此有助於尤其均質地熱傳遞至基板。 置於支撐表面上之基板可完全地或部分地倚靠在支撐表面上。較佳地，置於支撐表面上之基板之一側完全倚靠在支撐表面上。此有利之處在於可經由電控制支撐表面之經印刷導體儘可能地調節接觸側之溫度，使得可儘可能均勻地加熱基板。 較佳地，用於基板之支撐表面之大小在10,000 mm2 至160,000 mm2 之範圍內，尤佳在10,000 mm2 至15,000 mm2 之範圍內。 在10,000 mm2 至160,000 mm2 之範圍內之支撐表面對於容納常見基板(例如半導體晶圓)而言足夠的大。此外，難以製造出大於160.000 mm2 之支撐表面。 已證實尤其有利的是支撐表面之大小在10,000 mm2 至15,000 mm2 之範圍內。在此範圍內之支撐表面尤其適於容納電子組分產生中(例如積體電路產生中)所用類型之晶圓。在此情況下，已證實尤其有利的是支撐表面之形狀為正方形或圓形。在提及正方形支撐表面時，其大小較佳地在100 mm × 100 mm與122 mm × 122 mm之間；圓形支撐表面之支撐表面直徑較佳地在56 mm與120 mm之間。 若非晶形基質組分為石英玻璃，則已證實有利的是半導體材料以元素形式存在，其中半導體材料之重量分率在0.1%至5%之範圍內。 已證實在此情況下有利的是非晶形基質組分及該另一組分在低於600℃之溫度下具有電絕緣性質。 石英玻璃係電絕緣體且不僅具有高的強度，且亦具有良好耐腐蝕性、耐溫性及耐溫度循環性，且及其可以高純度利用。因此，即使在溫度高達1100℃之高溫加熱製程中其亦係可能的基質材料。無需冷卻。 基質中半導體相之細粒區域充當光學缺陷且導致基板材料在室溫下藉由肉眼看起來為黑色或灰黑色，此端視層之厚度而定。另一方面，該等缺陷對複合材料之總體熱吸收亦具有影響。此主要由以下引起：以元素形式存在之半導體之精細分佈相之性質；如下兩方面效應：一方面，介於價帶與導帶之間之能量(能帶間隙能量)隨溫度降低，且另一方面，若活化能量充分的高，則電子自價帶升高至導帶，此與吸收係數之明顯增加相關。熱活化之導帶佔據導致在室溫下對於某些波長(例如自1000 nm)半導體材料在一定程度上透明且在高溫下變得不透明。 因此，吸收及發射率可隨複合材料之溫度增加而突然增加。此效應尤其取決於半導體之結構(非晶形/結晶)及摻雜。 較佳地，該另一組分為元素矽。例如，純矽顯示自約600℃開始發射顯著增加，自約1000℃開始達到飽和。 因此，半導體材料及特定而言較佳使用之元素矽使得玻璃質基質材料變黑且在室溫下發生，且在高溫(例如高於600℃)下亦如此。因此，在高溫下達成關於高寬帶發射之良好發射特徵。在此情況下，半導體材料、較佳地元素矽形成分散於基質中之其自身Si相。該基質可含有多種半金屬或金屬(但金屬至多最多為50 wt.%，最好不超過20 wt.%；每一者均相對於另一組分之重量分率)，其中複合材料顯示無開孔孔隙度，但至多小於0.5%之閉孔孔隙度及至少2.19 g/cm3 之比密度。因此，該複合材料非常適合於支撐架，對於支撐架，用於製造支撐架之材料之純度或氣密性係必不可少的。 複合材料之熱吸收取決於另一組分之分率。因此，該另一組分之重量分率應較佳地為至少0.1 %。另一方面，若該另一組分之體積分率較高，則此可對基質之化學及機械性質具有不良效應。考慮到此，該另一組分之重量分率較佳地在0.1至5%之範圍內。 為降低由基板架引起之污染之任何風險，已證實其中非晶形基質組分為石英玻璃且較佳地具有至少99.99 % SiO2 之化學純度及不大於1%之白矽石含量之基板架之實施例尤其有利。基質之白矽石含量較低(即1%或更少)可確保失玻化傾向較低，且因此在作為支撐架使用期間形成裂縫之風險較低，此滿足在半導體產生製程中通常顯然的關於粒子不存在、純度及惰性之嚴格要求。 已證實有利的是由鉑、耐高溫鋼、鉭、鐵磁體FeCrAl合金、奧氏體(austenitic) CrFeNi合金或鉬基礎合金製造經印刷導體且使橫截面積在0.01 mm2 至2.5 mm2 之範圍內。 經印刷導體係加熱設施中藉助其加熱支撐架之一部分；其係由在電流流過其時生成熱之電阻器材料製造。電阻器材料係藉助其可將電能轉化為熱能量(熱)之電組件；因此其亦可稱為加熱電阻器。電阻器材料之加熱功率取決於該材料之電阻率、該材料之剖面及長度以及施加至其之操作電流或操作電壓。 由於操作電流及操作電壓無法隨意增加，乃因電阻器材料否則可熔化，故加熱功率可容易且快速地藉由改變電阻器材料之長度或剖面來調節。已證實在此情況下有利的是使橫截面積在0.01 mm2 至2.5 mm2 之範圍內。僅低電流(小於1 A之電流)可流過具有小於0.01 mm2 之橫截面積之經印刷導體。具有超過2.5 mm2 之橫截面積之經印刷導體係強電阻器且需要高操作電流(超過8 A)。此外，此類型之經印刷導體具有超過128 A之高啟動電流，使得可能需要啟動電流限制器。 已證實在此情況下尤其有利的是使橫截面積在0.01 mm2 至0.05 mm2 之範圍內。在此範圍內之橫截面積之特徵在於尤其有利的電壓/電流比率；此使得具體而言利用在100 V至400 V範圍內之電壓以1 A至4.5 A之電流操作可行。 可藉由適宜選擇經印刷導體之形狀來改變經印刷導體之長度。就使溫度分佈儘可能均質而言，已證實有利的是以管線形式提供覆蓋基板表面之經印刷導體，使得在經印刷導體之鄰接區段之間留有至少1 mm、較佳地至少2 mm之介入空間。低佔有密度之特徵在於在經印刷導體之鄰接區段之間之最小距離為1 mm或更大，較佳地2 mm或更大。在經印刷導體之區段之間之距離較大防止閃絡，該閃絡具體而言可在真空中在高電壓下操作時發生。較佳地，本發明裝置及本發明支撐架經設計用於低於80 V之低電壓且因此尤其極適於真空操作。在此情況下，經印刷導體較佳地以螺旋形或彎曲管線型式延伸。藉由此方式，藉由單一經印刷導體可達成均勻覆蓋。單一經印刷導體尤其易於連接至電流來源並自電流來源觸發。 已證實有利的是在經印刷導體之末端提供接觸元件。接觸元件用於簡化經印刷導體之電接觸；其較佳地形成呈插入連接件之插入元件。插入連接件係使接觸元件可拆卸地連接至電流供應器之構件。藉由此構件，經印刷導體尤其易於與電引線且尤其與電流/電壓來源不相連及連接。 較佳地，電阻器材料係耐高溫鋼、鉭、鉬基礎合金、奧氏體CrFeNi合金或鐵磁體FeCrAl合金，例如Kanthal® (Kanthal® 係SANDVIK AB.之商標)。 尤佳地，經印刷導體係由鉑製造，乃因此類型之經印刷導體關於電至熱能量之轉化具有尤其高的效率。此外，由鉑製得之經印刷導體之製造尤其容易且廉價；其可以預燒厚膜層之形式來提供。該等厚膜層係(例如)自電阻器膏糊藉助網版印刷或自含金屬油墨藉助噴墨式印刷機生成，且隨後在高溫下預燒。 本發明支撐架之較佳改進提供支撐架以包含至少一個具有一個頂部側及一個底部側且帶有支撐表面之支撐元件，其中支撐表面係分配至頂部側且經印刷導體係分配至底部側。 支撐架可包含一或多個支撐元件，該一或多個支撐元件又各自可包含一或多個支撐表面。一或多個基板可置於支撐表面上。由於支撐表面係分配至支撐元件之頂部側，故基板易於放置。在此情況下，將基板置於支撐表面上較佳完全藉由基板中接觸支撐表面之一側進行(若可能)。藉由此方式，具體而言藉由熱傳導及熱輻射可達成尤其均質的基板加熱。 由於經印刷導體係分配至支撐元件之底部側，故支撐元件之複合材料可經充分加熱及激發，而經印刷導體不阻塞紅外輻射在置於支撐元件頂部側上之基板之方向上之發射。在另一側上，支撐架之底部側包含介於經印刷導體之毗鄰區段之間之間隙，藉助其可發射紅外輻射。若兩個支撐元件係一個佈置於另一個上，則由上部支撐元件之下側發射之輻射可用於輻照置於下部支撐元件之頂部側上之基板。 本發明支撐架之尤其有利實施例之特徵在於複合材料包含面向經印刷導體之表面且在於該表面之至少一部分係經由多孔石英玻璃製得之覆蓋層覆蓋，其中經印刷導體至少部分地嵌入覆蓋層中。 在此情況下，由不透明石英玻璃製得之覆蓋層充當擴散反射器且同時保護及穩定經印刷導體。藉助覆蓋層，在支撐元件底部側之方向上發射之支撐元件之輻射可經重新引導且可經引導於置於支撐元件頂部側上之基板處。藉由此方式，由支撐元件發射之輻射可用於輻照置於其上之基板。由於覆蓋層充當擴散反射器，故可達成基板之均勻輻照。 由不透明石英玻璃製得之此類型覆蓋層之產生闡述於(例如) WO 2006/021416 A1中。其係自在液體中含有非晶形SiO2 粒子之分散液生成。然後將該分散液施加至面向經印刷導體之支撐元件表面，乾燥以形成生坯層，且將該生坯層在高溫下燒結。生坯層之燒結及經印刷導體之預燒較佳地在完全相同的加熱製程中進行。 已證實尤其有利的是提供多個各自可電控制之經印刷導體。 提供多個經印刷導體使得可用支撐架達成之輻照強度之個別適應可行。一方面，複合材料之輻射功率可藉助適宜選擇經印刷導體之鄰接區段之距離來調節。在此情況下，將複合材料之區段加熱至不同程度使得其以不同輻照強度發射紅外輻射。 或者，可電控制經印刷導體以便藉助不同操作電壓或操作電流操作該等經印刷導體。已顯而易見，具體而言，基板之邊緣較基板之中間區通常被更強烈地加熱。此係由在基板表面小於支撐表面之情況下邊緣更加可及紅外輻射且通常被更強烈地輻照造成。施加至各別經印刷導體之操作電壓及/或操作電流之變化容許容易且快速地調節欲加熱基板上之溫度分佈。 較佳地，本發明支撐架經設計用於容納呈水平定向之由半導體材料製得之盤形基板；其較佳地以架系統之形式形成且用於熱處理半導體晶圓(晶圓)。 在提及基板支撐元件時，上文所指定之目標根據本發明基於上文所指定類型之基板支撐元件來滿足，其中基板支撐元件係由包含非晶形基質組分及呈半導體材料形式之另一組分之複合材料製造，其中將由電阻器材料製得之經印刷導體施加至複合材料之表面，該電阻器材料具有導電性且在電流流過其時生成熱。 用於基板熱處理之支撐架通常具有多個部分之設計。其可包含安裝框，在該安裝框中可放置(例如)多個基板支撐元件。或者，多個基板支撐元件亦可堆疊在彼此頂部上。此有利之處在於支撐架之大小可個別地適應各別輻照製程。在此情況下，每一基板支撐元件較佳地經設計用於容納單一基板。 基板支撐元件之全部或一部分可由複合材料製造。如上文參考支撐架詳細提及，基板支撐元件係由可藉助由電阻器元件製得之經印刷導體自起始狀態轉變為激發態之特殊材料製造，其中該材料以紅外輻射之形式發射輻射。就由基質組分及另一組分製得之複合材料之化學組成而言，係指上文關於裝置及支撐架所提供之解釋。 有利地，本發明之基板支撐元件可用於供半導體晶圓熱處理用之已知支撐架中。較佳地，本發明支撐架包含多個基板支撐元件，其中該等經適當佈置使得其各別基板支撐表面彼此平行延伸。
100‧‧‧支撐架/支撐基座
102a‧‧‧固持框
102b‧‧‧固持框
103a‧‧‧層面
103b‧‧‧層面
103c‧‧‧層面
103d‧‧‧層面
103e‧‧‧層面
103f‧‧‧層面
103g‧‧‧層面
103h‧‧‧層面
103i‧‧‧層面
103j‧‧‧層面
104‧‧‧橫向側
105‧‧‧縱向側/底部側
106‧‧‧突出部
107‧‧‧頂部側
108‧‧‧支撐表面
109‧‧‧底部側
200‧‧‧輻照裝置
201‧‧‧外殼
202‧‧‧處理空間
203‧‧‧支撐架
204a‧‧‧固持架
204b‧‧‧固持架
205‧‧‧基板支撐元件
206‧‧‧橫向側
207‧‧‧突出部
208‧‧‧橫桿
210‧‧‧縱向側
212‧‧‧支撐表面
220‧‧‧單電流饋通體
300‧‧‧基板支撐元件
301a‧‧‧縱向側
301b‧‧‧縱向側
302a‧‧‧橫向側
302b‧‧‧橫向側
303‧‧‧突出部
304‧‧‧支撐表面
305‧‧‧經印刷導體
306‧‧‧觸點
307‧‧‧表面
308‧‧‧方向箭頭
310‧‧‧區
400‧‧‧基板支撐元件
401‧‧‧底部側
402‧‧‧經印刷導體
500‧‧‧基板支撐元件
501‧‧‧經印刷導體
502‧‧‧經印刷導體
600‧‧‧基板支撐元件
601‧‧‧經印刷導體
602‧‧‧經印刷導體
A‧‧‧頂部側
B‧‧‧底部側
在下文中基於實例性實施例及附圖更詳細地闡釋本發明。在示意圖中，圖 1 顯示用於基板熱處理之本發明支撐架之實施例，其經設計用於容納呈水平定向之半導體晶圓(晶圓)；圖 2 顯示用於基板熱處理之本發明輻照裝置之實施例之剖面圖，其中經印刷導體之電接觸係藉助至處理空間中之單電流饋通體進行；圖 3 顯示用於供基板熱處理用之支撐架之本發明基板支撐元件之第一實施例之頂部側及底部側的透視圖；圖 4 顯示用於供基板熱處理用之支撐架之本發明基板支撐元件之第二實施例之俯視圖；圖 5 顯示已施加可個別地電控制之兩個經印刷導體之本發明基板支撐元件之第三實施例之底部側的俯視圖；且圖 6 顯示已施加可個別地電控制之兩個經印刷導體之本發明基板支撐元件之第四實施例之底部側的俯視圖。圖 1 顯示本發明支撐架之實施例之透視圖，該支撐架全都具有指派給其之參考編號100。支撐架100經設計用於熱處理矽晶圓且用於(例如)半導體或光伏打工業中。此類型支撐架在講英語地區亦稱為「堆疊 」。 支撐架100具有經設計用於容納呈水平定向之矽晶圓之架樣結構。以實例性方式顯示於圖1中之支撐架100包含兩個固持框102a、102b，其分別包含五個層面103a-e及/或103f-j，用於各自容納一個矽晶圓。支撐架100之總固持容量為為10個矽晶圓。基本上，支撐基座100及/或固持框102a、102b可經適當定尺寸以固持任一數量之晶圓。 支撐架100中之固持框102a、102b各自具有一個部分之設計。其完全由包含非晶形基質組分及另一組分之複合材料製得。 非晶形基質組分係由具有99.99%之化學純度之石英玻璃製得之基質，其中非晶形基質組分之白矽石含量為為0.25%。 元素矽之相以非球形區域之形式均質地分佈在該基質中。該另一組分之重量分率為2% (m/m)。Si相區域之最大平均尺寸(中值)在約1 µm至10 µm之範圍內。 複合材料係氣密的，其具有2.19 g/cm3 之密度且其在高達約1,150℃之溫度之空氣中係穩定的。 支撐架100在肉眼看起來為半透明至透明。在顯微鏡檢查時，其顯示無開孔及至多具有小於10 µm之最大平均尺寸之閉孔。嵌入Si相不僅促成複合材料之總體不透明性，且亦對複合材料之光學及熱性質具有影響。該複合材料在高溫下顯示高的熱輻射吸收及高發射率。 在替代改進(未顯示)中，整個支撐架具有一個部分之設計；在支撐架100之另一替代改進(亦未顯示)中，支撐架係由多個基板支撐元件形成。在此情況下，基板支撐元件可堆疊於彼此之頂部上或可提供安裝框，在該安裝框中容納基板支撐元件。此有利之處在於之大小及固持容量可例如藉助適宜選擇安裝框之大小或堆疊於彼此頂部上之基板支撐元件之數量來自由選擇。 層面103a-e及/或103f-j經設計為相同；因此以實例性方式更詳細闡述於下文中之層面103a代表層面103 b-e及103f-j： 層面103a具有200 mm之長度(對應於包括具有30 mm之突出部長度之突出部106之縱向側105)。層面103a之寬度為150 mm (對應於橫向側104)。層面103a之厚度為2 mm。 層面103a包含頂部側107及經定位與頂部側107相對之底部側109。頂部側107設有用作用於層面基板之支撐表面108之凹陷。支撐表面108之形狀為矩形且具有101 mm之長度及101 mm之寬度。 經印刷導體(未顯示)係藉由施加及預燒鉑電阻器膏糊在底部側105上生成。經印刷導體僅分配至底部側105之一部分；其跨越底部側109之表面中與支撐表面108直接相對且表面區域對應於支撐表面108之表面區域之部分延伸。經印刷導體以螺旋形管線型式延伸。在經印刷導體之末端上提供端子(未顯示)且使得經印刷導體至電流供應器(未顯示)之電連接可行。 若將電位施加至經印刷導體，則經印刷導體加熱。同時，支撐架100亦在支撐表面108之區域中加熱。自某一溫度，支撐表面101之發射率明顯增加。此可能係由以下引起：嵌入基質之元素矽相為半導體；及介於半導體價帶與導帶之間之能量(能帶間隙能量)隨溫度降低，使得在足夠高的溫度及活化能量下電子自價帶升高至導帶，使得在該等電子返回至價帶時以熱輻射之形式釋放能量且熱活化之導帶佔據導致半導體材料在室溫下對於某些波長以一定程度發射熱輻射。此效應在高支撐架溫度、具體而言高於600℃之支撐架溫度之情況下增加。由於支撐表面108之經印刷導體係相對佈置的，故支撐表面108可用作板形發射表面用於熱輻射。在此情況下將所發射熱輻射之一部分偶合至支撐架100中，使得支撐架整體地發射熱輻射。在此情況下熱輻射主要在支撐表面108之區域中發射。 為能夠將所發射熱輻射引導至可能已置於支撐表面108上之基板，將另一反射器層(未顯示)施加至施加至底部側105之經印刷導體。反射器層由不透明石英玻璃組成且具有約1.7 mm之平均層厚度。其特徵在於不存在裂縫且具有約2.15 g/cm3 之高密度且在高達及高於1100℃之溫度下熱穩定。圖 2 顯示用於輻照半導體晶圓之本發明輻照裝置之剖面圖，該輻照裝置全都具有指派給其之參考編號200。輻照裝置200包含外殼201，其包封處理空間202。具有兩個固持架204a、204b之支撐架203係佈置於處理空間202中。單電流饋通體220經提供用於電接觸固持架204a、204b且導引穿過外殼201且用於將固持架204a、204b連接至電壓源(未顯示)。 在圖2中使用與圖1相同之參考編號之情況下，該等編號應以上文藉助圖1所闡釋之方式表示支撐架之相同或等效組件。 支撐架203與自圖1已知之支撐架100之不同之處在於其具有多個部分之設計。為容納半導體晶圓，提供藉助位於橫向側206上之突出部207滑至圓柱形橫桿208中之基板支撐元件205。橫桿208係由具有99.99%之純度之石英玻璃製造。橫桿208之石英玻璃未將另一組分添加至其中。 橫桿208設有狹縫(未顯示)，支撐元件之突出部207中之一者可插入該等狹縫中。狹縫深度為7 mm，狹縫寬度為4 mm且狹縫距離為15 mm。橫桿208具有環形放射狀剖面，橫桿208之直徑為20 mm。 滑入橫桿208中之基板支撐元件205具有200 mm之長度(對應於包括具有30 mm之突出部長度之突出部207之縱向側210)及150 mm之寬度(對應於橫向側206)。支撐架203在20個層面中包含40個佈置於彼此頂部上之基板支撐元件205，其中兩個基板支撐元件205各自彼此緊挨著佈置在層面中。 基板支撐元件205之設計相同。基板支撐元件中之每一者在其頂部側上包含支撐表面212用於容納半導體晶圓。支撐表面212具有101 mm之寬度、101 mm之長度及2 mm之基板支撐元件高度。基板支撐元件205係由複合玻璃製造。複合玻璃包含兩個複合元件，即形成支撐表面212之第一複合元件及圍繞支撐表面212之第二複合元件。第一複合元件由具有99.99%之純度之石英玻璃組成。第二複合元件由基於石英玻璃基質且向其中以3%之重量分率添加元素形式矽作為另一組分之複合材料組成。將在電流流過其時生成熱之鉑塗層施加至支撐表面212之底部側。 由於僅支撐表面212係由第二複合元件(即複合材料)製造，故僅支撐表面212可直接發射熱輻射。然而，基板支撐元件之其他區域亦可發射熱輻射，例如耦合至基板支撐元件之輻射部分。但相對於基板支撐元件之總輻照功率，此類型輻射部分通常可忽略不計。在此情況下，有利的是基板支撐元件在自第一複合元件轉變至第二複合元件處包含(例如)呈拼合表面形式之未耦合區。拼合表面充當擴散器且與輻射之未引導且因此均勻的輸出耦合相關。用於減少基板支撐元件內之輻射傳導之替代方式係將第一複合組分與熱輻射吸收摻雜劑摻雜。圖 3 顯示本發明之基板支撐元件300之兩個視圖(I, II)。 視圖I顯示基板支撐元件300之頂部側(A)之透視圖；視圖II繪示基板支撐元件300之底部側(B)。 基板支撐元件300係由兩種材料製造，即在圍繞支撐表面304之區310中係由石英玻璃製造，且在支撐表面304之區中係由複合材料製造。複合材料包含由石英玻璃製得之基質。基質在肉眼看起來為半透明至透明。在顯微鏡檢查時，其顯示無開孔及至多具有小於10 µm之最大平均尺寸之閉孔。元素矽之相以非球形區域之形式均質地分佈在基質中。元素矽之相之重量分率為5%。Si相區域之最大平均尺寸(中值)在約1 µm至10 µm之範圍內。複合材料係氣密的，其具有2.19 g/cm3 之密度且其在高達約1200℃之溫度之空氣中係穩定的。 嵌入Si相不僅促成複合材料之總體不透明，且亦對複合材料之光學及熱性質具有影響。該複合材料在高溫下顯示高的熱輻射吸收及高發射率。 在室溫下，複合材料之發射率係使用積分球測得。此容許量測光譜半球反射率Rgh 及光譜半球透射率Tgh ，根據此可計算法向發射率。高溫下之發射率係應用上述BBC量測原理藉助另一光學系統耦合有BBC試樣室之FTIR光譜儀(Bruker IFS 66v Fourier Transformation Infrared (FTIR))在2µm至18 µm之波長範圍內測得。在此情況下，試樣室設有在試樣架之前側及後側之呈半球形之帶恒溫器黑體環境且設有光束流出開口以及檢測器。將試樣在單獨爐中加熱至預定溫度，且為進行量測，將其轉移至設為預定溫度且具有黑體環境之試樣室之光束路徑中。藉由檢測器檢測之強度係由發射部分、反射部分及透射部分組成，即由試樣本身發射之強度、自前半球入射於試樣上且由試樣反射之強度，及自後半球入射於試樣上且由試樣透射之強度。需要實施三種量測來測定個別參數，即發射度、反射度及透射度。 在複合材料上在2 µm至約4 µm之波長範圍內量測之發射度隨溫度變化。溫度愈高，發射愈高。在600℃下，在2 µm至4 µm波長範圍內之法向發射度大於0.6。在1000℃下，在2 µm至8 µm之整個波長範圍內之法向發射度大於0.75。 基板支撐元件300包含兩個縱向側301a、301b及兩個橫向側302a、302b。橫向側302a、302b具有兩個突出部303，其各自位於該等橫向側上，藉助其基板支撐元件300可附接至安裝框之橫桿(未顯示)。 基板支撐元件300具有300 mm之長度(對應於包括具有30 mm之突出部長度之各別突出部303之縱向側301a及/或301b)及200 mm之寬度(對應於橫向側302a、302b)。基板支撐元件300之厚度為4 mm。 用於半導體晶圓之支撐表面304係以矩形凹陷之形式提供於基板支撐元件300之頂部側(A)上。支撐表面304之形狀為矩形且具有121 mm之長度及121 mm之寬度。支撐表面304同時用作用於基板之容納表面及用於熱輻射之發射表面。發射之方向係由方向箭頭308來指示。 將自鉑電阻器膏糊生成之經印刷導體305施加至底部側(B)之表面。經印刷導體305具有彎曲輪廓。經印刷導體305之兩個末端均具有觸點306用於焊接至其之電能供應器。經印刷導體305在對應於支撐表面304之表面307上延伸。介於經印刷導體之鄰接區段之間之距離為2 mm。經印刷導體305具有至少0.02 mm2 之剖面表面積及1 mm之寬度及20 µm之厚度。由於小的厚度，由昂貴經印刷導體材料所佔之材料分率與其效率相比較低。經印刷導體305與基板支撐元件300之底部側直接接觸，使得達成至基板支撐元件300中之最大熱傳遞。 表面307及經印刷導體305二者均被由不透明石英玻璃製得之反射器層(未顯示)覆蓋。反射器層具有1.7 mm之平均層厚度。其特徵在於其不存在裂縫及約2.15 g/cm3 之高密度。此外，其耐溫性高達1100℃以上之溫度。反射器層完全覆蓋經印刷導體305且因此保護其免受環境化學或機械影響。此外，其使得由基板支撐元件在底部側之方向上發射之輻射被反射並在可置於支撐表面304上之基板之方向上被反射回來。圖 4 係基板支撐元件400之替代實施例之底部側401之俯視圖。 基板支撐元件400完全由複合材料製造，其基質組分為石英玻璃，其中石英玻璃具有元素矽之相，該元素矽係以3%之濃度添加至該石英玻璃中。 將由銀膏糊製得之經印刷導體402印刷至底部側401上且進行預燒。經印刷導體402具有彎曲輪廓，其中曲線區域經提供以具有突出形狀。此有利之處在於與圓形曲線輪廓相比，基板支撐元件之邊緣包含更低之經印刷導體佔有密度。此確保與基板支撐元件400之中間區相比在操作期間不會過度加熱邊緣。因此，經印刷導體之形狀有助於更均勻的輻照可置於頂部側上之基板。此外，未將反射器施加至底部側401、具體而言至經印刷導體402，使得自底部側401發射之輻射可用於輻照鄰接下伏基板。圖 5 顯示本發明基板支撐元件之底部側之俯視圖，其全都具有指派給其之參考編號500。對應於支撐表面，兩個由鉑製得之經印刷導體501、502施加至底部側且可各自個別地將電壓施加至其。由於經印刷導體501、502可個別地進行電控制，即可在不同的操作電壓或操作電流下來操作，故操作電壓及/或操作電流之適宜選擇容許容易且快速地設定欲加熱基板上之期望溫度分佈。圖 6 係本發明基板支撐元件600之第四實施例之底部側之俯視圖。基板支撐元件600包含兩個經印刷導體601、602，其各自可個別地進行電控制。 已顯而易見，在熱基板處理期間基板之邊緣較其中間區通常被更強烈地加熱。欲加熱基板上儘可能均勻的溫度分佈係藉由將單獨經印刷導體分配至邊緣及中間區來達成，其中單獨經印刷導體可在不同的操作電流及/或操作電壓下彼此獨立地來操作。在圖6中，經印刷導體602及經印刷導體601分別分配至基板之邊緣及基板之中間區。藉由改變施加至經印刷導體601、602之操作電流及/或操作電壓，可達成基板之均勻輻照。

Claims (10)

  1. 一種用於基板熱處理之裝置(200)，其包含加熱設施及設有用於該基板之支撐表面(108；212；304)之支撐架(100；203)，其特徵在於該支撐架(100；203)至少部分地由包含非晶形基質組分及呈半導體材料形式之另一組分之複合材料製造，其中將由電阻器材料製得之經印刷導體(305；402；501；502；601；602)施加至該支撐架(100；203)之表面，該電阻器材料具有導電性且在電流流過其時生成熱且形成該加熱設施之一部分。
  2. 如請求項1之裝置(200)，其中其包含具有處理空間壁之處理空間(202)，在其中佈置有該支撐架(100；203)且導引藉助其將第一及第二電位供應至該處理空間(202)中之單電流饋通體穿過該處理空間壁用於經印刷導體(305；402；501；502；601；602)之電接觸。
  3. 一種用於基板熱處理之支撐架(100；203)，其包含至少一個用於基板之支撐表面(108；212；304)，其特徵在於該支撐架(100；203)至少部分地由包含非晶形基質組分及呈半導體材料形式之另一組分之複合材料製造，且在於將由電阻器材料製得之經印刷導體(305；402；501；502；601；602)施加至該複合材料之表面，該電阻器材料具有導電性且在電流流過其時生成熱。
  4. 如請求項3之支撐架(100；203)，其中其在該支撐表面(108；212；304)之區中係由該複合材料製造。
  5. 如請求項3或4之支撐架(100；203)，其中該非晶形基質組分係石英玻璃，且其中該半導體材料係以元素形式存在，其中該半導體材料之重量分率在0.1%至5%之範圍內。
  6. 如請求項3之支撐架(100；203)，其中該經印刷導體(305；402；501；502；601；602)係由鉑、耐高溫鋼、鉭、鐵磁體FeCrAl合金、奧氏體(austenitic) CrFeNi合金或鉬基礎合金製造且具有在0.01 mm2 至2.5 mm2 範圍內之橫截面積。
  7. 如請求項3之支撐架(100；203)，其中該支撐架包含至少一個包含頂部側及底部側(401)且具有支撐表面(108；212；304)之支撐元件(205；300；400；500；600)，其中該支撐表面(108；212；304)係分配至該頂部側且該經印刷導體(305；402；501；502；601；602)係分配至該底部側(401)。
  8. 如請求項3之支撐架(100；203)，其中提供多個經印刷導體(305；402；501；502；601；602)且其可個別地進行電控制。
  9. 如請求項3之支撐架(100；203)，其中該支撐架係經設計用於容納呈水平定向之由半導體材料製得之盤形基板。
  10. 一種用於供基板熱處理用之支撐架(100；203)之基板支撐元件(205；300；400；500；600)，其包含用於該基板之支撐表面(108；212；304)，其特徵在於該支撐元件(205；300；400；500；600)係由包含非晶形基質組分及呈半導體材料形式之另一組分之複合材料製造，其中將由電阻器材料製得之經印刷導體(305；402；501；502；601；602)施加至該複合材料之表面，該電阻器材料具有導電性及在電流流過其時生成熱。
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