TWI673396B - 大氣磊晶沈積腔室 - Google Patents

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妙尼歐
米勒艾倫
杭特亞倫穆爾
桑契斯愛羅安東尼歐Ｃ
布里哈特保羅
拉尼許喬瑟夫Ｍ
薛卡提克
狄馬斯丹尼斯Ｌ
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Abstract

本文中所述的實施例揭露了磊晶沈積腔室及其元件。在一個實施例中，一腔室可包括定位於一處理區域中的一基板支架、包括複數個輻射能量源的一輻射能組件、具有一上襯墊及一下襯墊的一襯墊組件及定位於該基板支架及該輻射能組件之間的一圓蓋組件。本文中所述的磊晶沈積腔室允許處理較大的基板，同時維持了產量、降低了成本且提供了可靠地一致的沈積產品。

Description

大氣磊晶沈積腔室
本揭示案的實施例大致關於用於半導體製造處理中的磊晶沈積腔室。
用於製造半導體裝置的現代處理需要精確調整許多處理參數，以達到高等級的裝置效能、產品產量及整體產品品質。對於包括以磊晶(「EPI」)薄膜生長來在基板上形成半導體層之步驟的處理而言，必須小心控制許多處理參數，除了其他處理參數之外，包括基板溫度、壓力及流動率母材材料、形成時間及圍繞基板的加熱構件間的電力分佈。
對於漸增的每基板裝置產量以及裝置數量而言存在持續的需要。將較大表面區域的基板用於裝置形成增加了每基板的裝置數量。然而，增加基板的表面區域產生了許多處理參數問題。例如，僅是擴大腔室元件來適應較大的基板尺寸已被發現並不足以達到理想的結果。
因此，存在對於一改良EPI處理腔室的需要，該腔室提供了在具有較大可用表面區域的基板上一致地沈積半導體層。
本文中所述的實施例關於磊晶沈積腔室及其元件。在一個實施例中，一腔室可包括：一基板支架，定位於一處理區域中；一輻射能組件，包括複數個輻射能量源；一襯墊組件，具有一上襯墊及一下襯墊；一圓蓋組件，定位於該基板支架及該輻射能組件之間，該圓蓋組件包括一上圓蓋及一下圓蓋，該上圓蓋包括具有一寬度的一凸面中心窗口部分；一窗口曲率，該窗口曲率係由該曲率半徑對該寬度的該比率所定義，該比率係至少為10：1；及一周邊凸緣，具有一平面上表面；一平面下表面；及一傾斜凸緣表面，該周邊凸緣於該中心窗口部分的一周緣處接合該中心窗口部分，當測量自該平面上表面時，該傾斜凸緣表面有具一第一角度的一第一表面，該第一角度係小於35度，該圓蓋組件及該襯墊組件形成該處理區域的該等邊界；及一注入插件，係與該襯墊組件流體連接。
在另一實施例中，一腔室可包括具有外接一凹穴之一外周邊邊緣的一基板支架，其中該凹穴具有一凹面，該凹面係從該外周邊邊緣凹陷；及一傾斜支持表面，安置於該外周邊邊緣及該凹穴之間，其中該傾斜支持表面係相對於該外周邊邊緣的一水平表面而傾斜；及一圓蓋組件，定位於該基板支架及該輻射能組件之間，該圓蓋組件包括一上圓蓋及一下圓蓋，該上圓蓋包括具有一寬度的一凸面中心窗口部分；一高度；及一窗口曲率，該窗口曲率係由該寬度對該高度的該比率所定義， 該比率係至少為10：1；及一周邊凸緣，具有一平面上表面；一平面下表面；及一傾斜凸緣表面，該周邊凸緣於該中心窗口部分的一周緣處接合該中心窗口部分，該傾斜凸緣表面具有一第一表面，該第一表面與該平面上表面形成一第一角度，該第一角度係小於35度。
在另一實施例中，一腔室可包括一襯墊組件，包括具有一外表面及一內表面的一圓柱形主體，該外表面具有小於該半導體處理腔室之一周緣的一外周緣，該內表面形成一處理容積的該等壁；及複數個氣體通道，連接該圓柱形主體而形成；一排出接口，相對該複數個氣體通道而定位；一交叉流動接口，非平行於該排出接口而定位；及一熱感應接口，自該交叉流動接口分離而定位；及一注入插件，係與該襯墊組件流體連接，該注入插件包括一單件主體，該單件主體具有用於與該襯墊組件連接的一內連接表面；及一外部表面，用以與一氣體供應裝置連接；複數個注入接口，穿過該單件主體而形成，各注入接口在該內部連接表面及該外部表面中形成一開口，該複數個注入接口至少產生一第一區段、一第二區段及一第三區段，該第一區段具有該複數個注入接口的一第一注入接口數量，該第二區段具有該複數個注入接口的一第二注入接口數量，該第二注入接口數量係不同於該第一注入接口數量，該第三區段具有該複數個注入接口的一第三注入接口數量，該第三注入接口數量係不同於該第一注入接口數量及該第二注入 接口數量；及複數個注入插件，該複數個注入插件中的各者係與至少一個的該複數個注入接口連接。
20‧‧‧中心區域
30‧‧‧中半徑區域
40‧‧‧周邊區域
100‧‧‧腔室
103‧‧‧基板
105‧‧‧基板支架
107‧‧‧上窗口
109‧‧‧下窗口
111‧‧‧基底板
113‧‧‧頸部
115‧‧‧軸
117‧‧‧支軸
119‧‧‧下熱源
121‧‧‧上熱源
127‧‧‧輻射燈
129‧‧‧插槽
145‧‧‧外反射器
147‧‧‧反射表面
160‧‧‧內陣列
170‧‧‧中間陣列
180‧‧‧外陣列
1200‧‧‧加熱處理腔室
1202‧‧‧輻射燈
1204‧‧‧背側
1205‧‧‧升降針
1206‧‧‧基板支架
1208‧‧‧基板
1210‧‧‧前側
1214‧‧‧上圓蓋
1216‧‧‧中心軸
1217‧‧‧裝置側
1218‧‧‧基環
1220‧‧‧處理區域
1222‧‧‧沖洗氣體區域
1224‧‧‧沖洗氣體源
1226‧‧‧沖洗氣體入口
1228‧‧‧流動路徑
1230‧‧‧流動路徑
1234‧‧‧處理體氣供應源
1236‧‧‧處理氣體入口
1238‧‧‧流動路徑
1240‧‧‧流動路徑
1242‧‧‧氣體出口
1244‧‧‧真空泵
1250‧‧‧襯墊組件
1252‧‧‧圓形屏障
1254‧‧‧氣體通道
1300‧‧‧上襯墊
1301‧‧‧上主體
1302‧‧‧內表面
1304‧‧‧外表面
1308‧‧‧上入口
1310‧‧‧排出接口
1312‧‧‧上交叉流動接口
1320‧‧‧上入口凸部
1322‧‧‧排出凸部
1324‧‧‧上連接表面
1340‧‧‧二分線
1350‧‧‧中線
1400‧‧‧下襯墊
1401‧‧‧下主體
1402‧‧‧內表面
1404‧‧‧外表面
1408‧‧‧下入口
1410‧‧‧排出接口
1412‧‧‧下交叉接口
1414‧‧‧熱感應接口
1420‧‧‧下連接表面
1422‧‧‧下表面
1424‧‧‧入口溝槽
1440‧‧‧二分線
1500‧‧‧下襯墊
1501‧‧‧下主體
1502‧‧‧內表面
1504‧‧‧外表面
1508‧‧‧下入口
1510‧‧‧排出接口
1512‧‧‧下交叉接口
1514‧‧‧熱感應接口
1600‧‧‧襯墊組件
1602‧‧‧襯墊主體
1604‧‧‧內表面
1606‧‧‧外表面
1608‧‧‧襯墊入口
1620‧‧‧注入插件
1622‧‧‧上表面
1624‧‧‧下表面
1626‧‧‧注入接口
1628‧‧‧連接表面
1630‧‧‧外部表面
1700‧‧‧注入插件
1701‧‧‧氣體線
1702‧‧‧第一多連接氣體線
1704‧‧‧第二多連接氣體線
1706‧‧‧第三多連接氣體線
1708a‧‧‧注入插件
1708b‧‧‧注入插件
1708c‧‧‧注入插件
1708d‧‧‧注入插件
1708e‧‧‧注入插件
1708f‧‧‧注入插件
1708g‧‧‧注入插件
1710‧‧‧中心線
1712a‧‧‧寬度
1712b‧‧‧寬度
1712c‧‧‧寬度
1726‧‧‧注入接口
1730‧‧‧分支
1800‧‧‧多層注入插件
1822‧‧‧上表面
1824‧‧‧下表面
1826‧‧‧注入接口
1828‧‧‧連接表面
1830‧‧‧外部表面
1900‧‧‧基板支架
1903‧‧‧升降針孔
1905‧‧‧外周邊邊緣
1907‧‧‧頂面
1910‧‧‧凹穴
2000‧‧‧表面
2100‧‧‧凸耳
2102‧‧‧傾斜的支持表面
2200‧‧‧預熱環
2205‧‧‧外周邊邊緣
2207‧‧‧頂面
2209‧‧‧底面
2210‧‧‧開口
2215‧‧‧凹口
2500‧‧‧上圓蓋
2502‧‧‧外表面
2504‧‧‧內表面
2506‧‧‧中心窗口部分
2508‧‧‧周邊凸緣
2510‧‧‧支持介面
2512‧‧‧傾斜的凸緣表面
2514‧‧‧水平平面
2516‧‧‧平面上表面
2517‧‧‧第一表面
2518‧‧‧表面線
2519‧‧‧第二表面
2520‧‧‧平面底表面
2521‧‧‧表面線
2522‧‧‧正切表面
2530‧‧‧第二角度
2532‧‧‧第一角度
2534‧‧‧支持角度
2540‧‧‧第一邊界線
2542‧‧‧第二邊界線
D1‧‧‧第一尺度
D2‧‧‧第二尺度
D3‧‧‧第尺度三尺度
D4‧‧‧尺度
D5‧‧‧尺度
D6‧‧‧尺度
D7‧‧‧尺度
H‧‧‧高度
R‧‧‧圓角半徑
R’‧‧‧倒角
R1‧‧‧圓角半徑
W‧‧‧寬度
可藉由參照實施例(其中之某些係繪示於隨附的繪圖中)來擁有本揭露的更特定描述，使得可使用詳細的方式來了解(以上所簡要概述的)以上所載之本揭露特徵。然而，要注意的是，隨附的繪圖僅繪示此揭露的一般實施例且因此並不視為其範圍的限制，因為本揭露可容許其他等效的實施例。
圖1繪示依據本揭示案實施例之磊晶沈積腔室的示意截面圖。
圖2依據另一實施例，繪示具有襯墊組件之線背側加熱處理腔室的示意截面圖。
圖3A依據本文中所述的實施例，繪示上襯墊的頂視圖。
圖3B依據圖3A的實施例，繪示上襯墊的側視圖。
圖4A及4B依據一個實施例，繪示下襯墊的頂視及側視圖。
圖5依據另一實施例，繪示下襯墊的頂視圖。
圖6A繪示依據一個實施例之注入插件的示意圖。
圖6B依據一個實施例，係注入插件的側視圖。
圖7依據一個實施例，係注入插件及氣體線組合的剖開俯視圖。
圖8依據一個實施例，係多層注入插件的側視圖。
圖9依據一個實施例，係基板支架的示意等角視圖。
圖10係圖9之基板支架的橫截面圖。
圖11係圖10之基板支架的放大橫截面圖。
圖12係依據本揭示案之一個實施例之預熱環的示意等角視圖。
圖13係圖12之預熱環的橫截面圖。
圖14係圖13之預熱環的放大橫截面圖。
圖15A繪示依據一個實施例之上圓蓋的示意圖。
圖15B依據一個實施例，係上圓蓋的側視圖。
圖15C依據一個實施例，繪示周邊凸緣及中心窗口部分間之連接的特寫圖。
為了促進了解，已使用了相同參考標號(於可能處)以指定普遍用於該等圖式之相同構件。並非按比例繪示該等圖示且可為了明確起見而簡化該等圖示。可預 期的是，可有益地將一個實施例的構件及特徵併入其他實施例而不進一步的重述。
在以下的說明中，為了解釋的目的，係為了提供本揭示案的徹底了解而闡述許多特定細節。在某些實例中，熟知的結構及裝置係以方塊圖形式來圖示，而非詳細地圖示，以避免模糊本揭示案。係足夠詳細地描述這些實施例，以允許本領域中具技藝的該等人實行本揭示案，且要了解的是，可利用其他實施例，且可作出邏輯的、機械的、電性的及其他的改變，而不脫離本揭示案的範圍。
本揭示案的實施例大致描述大氣磊晶沈積腔室及其元件。本文中所揭露的示例性元件包括(但不限於)了包括燈模組及反射器的熱源、包括上圓蓋及下圓蓋的圓蓋組件、襯墊、注入插件、基板支架及預熱環。
本文中所述的大氣沈積腔室可包括下述實施例中的一或更多個者。在一個示例中，大氣沈積腔室包括了下述之包括燈模組及反射器的熱源及包括上圓蓋及下圓蓋的圓蓋組件。在另一示例中，大氣沈積腔室包括如下述的襯墊、注入插件、基板支架及預熱環。如參照圖1-15C所述的益處可藉由部分地或完全地合併各個所述之實施例中的一或更多者來併入大氣磊晶沈積腔室。本揭示案的各種實施例係於下更詳細地討論。
圖1繪示依據本揭示案實施例之磊晶沈積腔室100的示意截面圖。雖然圖示磊晶沈積腔室，其他腔室(例如化學氣相沈積腔室或快速熱處理腔室)亦可由本揭示案的實施例獲益。基板103(其可為具有200mm、300mm或450mm之直徑的薄矽晶圓，舉例而言)係支持於安裝於腔室100內之腔室內的基板支架105上。基板支架105可例如由石墨、碳化矽或以碳化矽塗覆的石墨來製造，且係為薄碟的形式，使其具有相對低的熱質量。基板支架105可具有大於要處理之基板之直徑的直徑。因此，對於450mm的基板而言，基板支架105會具有大於或等於約450mm的直徑。代表直徑可在460mm到550mm之間。
為了進一步描述於腔室100內所產生之輻射樣式的目的，基板支架105係分割成三個區域，亦即：中心區域20、周邊區域40及中半徑區域30。這些區域在對稱軸115周圍係同心及對稱的。中心區域20描述基板支架105最中心部分的圓形區域。周邊區域40描述沿著基板支架105之外邊緣的環形區域。中半徑區域30描述基板支架105之中心及邊緣間大約中途的環形區域，該環形區域係以中心區域20的最外邊界及周邊區域40的最中心邊界為邊界。雖然關聯於基板支架105來描述，中心區域20、中半徑區域30及周邊區域40例如在腔室100內的處理操作期間可適用於安置於基板支架105上的基板103。
例如，以透明材料(例如石英)製造的上窗口107封閉基板103及基板支架105的頂面，同時下窗口109封閉其底面。以簡化示意形式來繪示的基底板111係用以接合形成氣密接合件的上及下窗口107及109。
操作時，處理及清潔/沖洗氣體係透過在基底板111內形成的接口供入腔室100。氣體透過腔室100一側上的入口接口進入腔室100、以實質層流流過基板支架105及基板103且接著透過相對於入口接口的排出接口而離開。
支軸117沿軸115在下窗口109的頸部113內向上延伸，該支軸117係附接至且支持基板支架105。軸117及基板支架105可藉由馬達(未圖示)在處理操作期間旋轉。
腔室100的反應器加熱器系統包括下熱源119及上熱源121。為了在腔室100內所進行的處理操作期間加熱基板103及基板支架105的目的，上121及下119熱源係分別安置於上窗口107及下窗口109蓋體附近。下熱源119包括輻射燈127的內陣列160、輻射燈127的外陣列180及安置於內陣列160及外陣列180間之輻射燈127的中間陣列170。輻射燈127例如可為2kW的鎢絲紅外燈泡，該等燈泡約四吋長且具有約1.25吋的直徑。替代性地，輻射燈127可為任何合適的加熱構件，能夠將基板103加熱到約攝氏200度到約攝氏1600度之範圍內的溫度。輻射燈127的電性介接係由插 槽129所提供。對於代表性的450mm基板而言，用於圖1之腔室100中之內陣列160之輻射燈127的數量可為約8到約16個(例如12個)，中間陣列170之輻射燈127的數量可為約24至約40個(例如32個)，且外陣列180之輻射燈127的數量可為約32至約52個(例如約44個)。內陣列160、中間陣列170及外陣列180係呈現同心的、環形的佈置，且各者在腔室100的周緣周圍具有同等隔開的輻射燈。
下熱源119亦包括複數個反射器(例如外反射器145)，其提供輻射燈127及反射表面147的機械性附接，以強化由外陣列180內之輻射燈127所產生之輻射的方向性。可對於上熱源121調適反射器。對於圖1的腔室100而言，外反射器145高度上可為約4.5吋至約7.2吋且以剛性的、耐熱的材料(例如鋁、不銹鋼或黃銅)來形成。此外，外反射器145的反射表面可以對於輻射具有良好反射品質的材料(例如金或銅)來塗覆。
內陣列160具有較外陣列180為小的直徑。內陣列160包圍基板支架105或基板103的中心部分。外陣列180包圍基板支架105及基板103的周邊，且如此具有約與基板103及支架105兩者之直徑一樣大或大於基板103及支架105兩者之直徑的直徑。中間陣列170包圍內陣列160的周邊，且具有較外陣列180為小的直徑。輻射燈127的內、中間及外陣列係安置於實質平行於基板103及基板支架105但從基板103及基板支 架105垂直安置的平面內，產生了輻射能組件。在經設計以處理具有450mm直徑之基板的腔室100中，例如，內陣列160可安置在距基板支架105約15-18吋處，且具有約220mm至280mm之間的直徑。中間陣列170可安置於距基板支架105約12-14吋處，且具有約300mm至360mm之間的直徑。外陣列180可安置於距基板支架105約8-11吋處，且具有約380mm至480mm之間的直徑。這些直徑及燈陣列與基板支架之間的距離係示例性的，且可取決於應用而變化。
示例性襯墊組件
以下所討論的實施例描述用於半導體處理系統中的襯墊。襯墊合併了包括至少6個區段之交叉流動的設計，以允許更大的流動地帶性。進一步地，溫度感測裝置係連接襯墊但與該襯墊分離來使用，允許更容易替換襯墊、更具彈性的襯墊及降低的費用。並且，將交叉流動接口自中心線定位於中心外(例如非0度位置的位置)允許在流動區段之間的間隔上增加可變性。
圖2依據另一實施例，繪示具有襯墊組件1250之加熱處理腔室1200的示意截面圖。在一個示例中，這可為背側加熱處理腔室。可經調適以受益於本文中所述實施例之處理腔室的一個示例係Epi處理腔室，其可從位於加利福尼亞州聖克拉拉的應用材料公司取得。關注的是，其他處理腔室(包括來自其他製造商的那些處理腔室)可經調適以實行本實施例。
處理腔室1200可用以處理一或更多個基板，包括將材料沈積在基板1208之上表面上。處理腔室1200可包括處理腔室加熱裝置(例如(除了用於加熱其他元件外)用於加熱安置於處理腔室1200內之基板支架1206的背側1204或基板1208的背側的輻射燈1202陣列)。基板支架1206可為如所示的碟狀基板支架1206，或可為環狀基板支架(其從基板的邊緣支持基板)，或可為針型支架(其藉由最小接觸的柱或針從底部支持基板)。
在此示例中，基板支架1206係繪示為安置於上圓頂1214及下圓頂1212間之處理腔室1200內。上圓蓋1214及下圓蓋1212(連同安置於上圓蓋1214及下圓蓋1212之間的基環1218)可定義處理腔室1200的內部區域。基板1208可通過加載接口被帶進處理腔室1200且安置於基板支架1206上，該加載接口在圖2的視圖中係被基板支架1206隱藏。
基環1218可大致包括加載接口、處理氣體入口1236及氣體出口1242。基環1218可具有大致長橢圓形的形狀，其中長側是在加載接口上，且短側分別是在處理氣體入口1236及氣體出口1242上。基環1218可具有任何所需的形狀，只要加載接口、處理氣體入口1236及氣體出口1242對於彼此成角度地以約90度徧移。例如，加載接口可位於處理氣體入口1236及氣體出口1242之間的側處，其中處理氣體入口1236及氣體出口 1242彼此相對地安置於基環1218上。在各種實施例中，加載接口、處理氣體入口1236及氣體出口1242係彼此對準且對於腔室1200的基平面安置於實質相同的水平處。例如「以上」、「以下」、「頂部」、「底部」、「上」、「下」等等的用字並非指稱絕對方向，而是相對於腔室1200的基平面。
如本文中所使用的用語「相對(opposite)」係以數學用語定義，使得對於在A及B之間延伸的參考平面P而言，A係相對於B。「相對」係欲大致的，且因此並不需要A及B準確地相對，除非明確表明。
基板支架1206係圖示為在升起的處理位置中，但可藉由致動器(未圖示)來垂直位移至處理位置以下的加載位置，以允許升降針1205接觸下圓蓋1212、通過基板支架1206中的孔洞且沿著中心軸1216而延伸且從基板支架1206升起基板1208。自動機(未圖示)可接著進入處理腔室1200以接合基板1208及通過加載接口自處理腔室1200移除基板1208。基板支架1206接著可向上致動至處理位置以將基板1208(其中其裝置側1217朝上)放置在基板支架1206的前側1210上。
基板支架1206(當位於處理位置中時)將處理腔室1200的內部容積分割成在基板以上的處理區域1220及在基板支架1206以下的沖洗氣體區域1222。基板支架1206可藉由中心軸1216在處理期間旋轉以最小化處理腔室1200內之熱及處理氣體流的空間性異常效 應，且因此促進了基板1208的一致處理。基板支架1206係由中心軸1216所支持，該中心軸在加載及卸載期間(在某些實例中是在處理基板1208的期間)以上及下的方向移動基板1208。基板支架1206可以碳化矽或以碳化矽所塗覆之石墨形成，以自燈1202吸收輻射能量及引導輻射能量至基板1208。
一般而言，上圓蓋1214的中心窗口部分及下圓蓋1212的底部係以光透明材料(例如石英)來形成。上圓蓋1214的厚度及曲度可經配置，以操控處理腔室中之流動場的一致性。
燈1202可在中心軸1216的周圍以指定的方式安置在下圓蓋1212附近及下面，以在處理氣體經過時於基板1208的各種區域處獨立控制溫度，藉此促進將材料沈積至基板1208的上表面上。燈1202可用以將基板1208加熱至約攝氏200度至約攝氏1600度之範圍內的溫度。雖然於此處未詳細討論，經沈積的材料可包括矽、摻雜矽、鍺、摻雜鍺、矽鍺、摻雜矽鍺、砷化鎵、氮化鎵或氮化鋁鎵。
從處理氣體供應源1234供應的處理氣體係通過基環1218之側壁中所形成的處理氣體入口1236引進處理區域1220。處理氣體入口1236通過複數個氣體通道1254連接至處理氣體區域，該等氣體通道1254係通過襯墊組件1250而形成。處理氣體入口1236、襯墊組件1250或其組合係經配置以使用徑向向內的方向來引導 處理氣體。在薄膜形成處理期間，基板支架1206係位於處理位置中，該處理位置可在處理氣體入口1236附近且在約與處理氣體入口1236相同的高度處，允許處理氣體跨基板1208的上表面沿流動路徑1238向上且圍繞地流動。處理氣體通過氣體出口1242(沿流動路徑1240)離開處理區域1220，該氣體出口1242如處理氣體入口1236地位於處理腔室1200的相對側上。通過氣體出口1242移除處理氣體的步驟可藉由耦合於其之真空泵1244來促進。
從沖洗氣體源1224所供應的沖洗氣體係通過在基環1218之側壁中所形成的沖洗氣體入口1226來引至沖洗氣體區域1222。沖洗氣體入口1226通過襯墊組件1250來連接至處理氣體區域。沖洗氣體入口1226係安置於處理氣體入口1236以下的高度處。若使用圓形屏障1252，則圓形屏障1252可安置於處理氣體入口1236及沖洗氣體入口1226之間。在任一情況下，沖洗氣體入口1226係經配置以使用大致徑向向內的方向來引導沖洗氣體。若需要，沖洗氣體入口1226可經配置以使用向上方向來引導沖洗氣體。在薄膜形成處置期間，基板支架1206係位於一位置處，使得沖洗氣體跨基板支架1206的背側1204沿流動路徑1228向下且圍繞地流動。在不被任何特定理論約束的情況下，係相信沖洗氣體的流動防止或實質避免處理氣體的流動進入沖洗氣體區域1222，或降低進入沖洗氣體區域1222(也就是基板支架 1206之下的區域)之處理氣體的擴散。沖洗氣體(沿流動路徑1230)離開沖洗氣體區域1222且通過如沖洗氣體入口1226地位於處理腔室1200之相對側上的氣體出口1242被排出處理腔室。
襯墊組件1250可安置於基環1218的內周緣內或由基環1218的內周緣所圍繞。襯墊組件1250可以石英材料來形成，且大致將處理腔室1200的壁屏蔽於處理區域1220及沖洗氣體區域1222中的環境。可為金屬的壁可與母材反應且造成處理容積中的汙染。開口可穿過襯墊組件1250而安置，且與加載接口對準，以允許穿過基板1208。雖然襯墊組件1250係圖示為單件，關注的是，襯墊組件1250可以多件來形成。圖2中所示的襯墊組件1250係由上襯墊200及下襯墊1400組成，該等襯墊係於圖3及4中更詳細地描述。
圖3A依據本文中所述的實施例，繪示上襯墊1300的頂視圖。上襯墊1300包括上主體1301，該上主體1301具有內表面1302及相對內表面1302的外表面1304。複數個上入口1308係穿過主體1301的外表面1304而形成。排出接口1310係相對該複數個上入口1308而形成。上交叉流動接口1312係形成於該複數個上入口1308及排出接口1310之間。
該複數個上入口1308可被描述為是形成於上主體1301中的凹口或溝槽。於此處所示，該複數個上入口1308係實質矩形的且彼此平行。基於使用者的需要、 流體力學或其他參數，該複數個上入口1308可在數量、尺寸及形狀上變化。於此處所示，十三(13)個上入口1308係形成於上主體1301中。該複數個上入口1308可經配置以在處理區域1220中產生複數個流動區段。
圖3B依據圖3A的實施例，繪示上襯墊1300的側視圖。該複數個上入口1308從處理體氣供應源1234將氣體流供應至處理區域1220。圖3B更圖示複數個上凸部，例如上入口凸部1320及排出凸部1322。上入口凸部1320及排出凸部1322可由形成於上襯墊之任何位置處的進一步凸部所伴隨。進一步地，上入口凸部1320、排出凸部1322或兩者可被排除或以上主體1301之不同位置處的上凸部來替換。上入口凸部1320及排出凸部1322協助了連接下襯墊1400適當地定位上襯墊1300(描述於下)。
圖4A及4B依據一個實施例，繪示下襯墊1400。下襯墊1400包括下主體1401，該下主體1401具有內表面1402及外表面1404。內表面1402結合內表面1302而形成處理區域1220及沖洗氣體區域1222的邊界。複數個下入口1408係穿過主體1401的外表面1404而形成。從處理氣體供應源1234所供應的氣體係通過該複數個下入口1408引進處理區域1220。
該複數個下入口1408係穿過下主體1401的外部而徑向定位。該複數個下入口1408可供應一或更多個個別的氣體流。於此處所示，十三(13)個下入口 1408係形成於下主體1401中。然而，在一或更多個實施例中可使用更多的或更少的入口。下入口可經定位及定向以產生多個流動區段。流動區段係在通過下入口1408及上入口1308而供應時之不同氣體流的區域。藉由產生更多的區段，在基板上進行的氣體供應相較於更少的流動區段而言是更可調諧的。
該複數個下入口1408可經配置，以提供具有經變化之參數(例如速度、密度或成分)的個別氣體流。該複數個下入口1408係經配置，以使用大致徑向向內的方向來引導處理氣體，其中該氣體被供應至處理區域的中心區域。該複數個下入口1408中的各者可用以調整來自處理氣體供應源1234之氣體的一或更多個參數(例如速度、密度、方向及位置)。該複數個下入口1408係相對排出接口1410而定位，且至少以25度相對交叉流動接口1412而定位。在一個實施例中，交叉流動接口從二分線1340測量時係定位於0度位置處。該複數個下入口1408在中線1350及二分線1340之間測量時可以定位於90度。排出接口1410在中線1350及二分線1340之間測量時可定位於270度。
圖示於圖4B中的是下襯墊1400的下連接表面1420。下連接表面1420為上連接表面1324提供了接收表面。如此，下連接表面1420可具有溝槽、扁平區域或其他區域，使得下連接表面1420可適當地與上連接表面1324配對。於此處所示，入口溝槽1424係於該複數 個下入口1408處穿過下連接表面1420而形成。進一步圖示的是下表面1422，其接觸腔室且支持下襯墊1400。
下襯墊1400及上襯墊1300係經結合以產生襯墊組件1250。在一個實施例中，上連接表面1324係連接下連接表面1420而放置。上連接表面1324形成了至少具有下連接表面1420之一部分的封口。當上連接表面1324係連接下連接表面1420而放置時，該複數個下入口1408向上延伸以通過上襯墊1300的該複數個上入口1308來供應氣體流。因此，氣體流係重新定向至處理區域1220。雖然以相等數量的下入口1408及上入口1308來圖示，下入口1408的數量及定位可不同於所示的或相對地不同於上入口1308。
上交叉流動接口1312與下交叉接口1412結合以產生交叉流動接口。交叉流動接口可供應一氣體流，該氣體流係實質垂直於來自該複數個氣體通道1254的氣體流。交叉流動接口的位置可與該複數個上入口1308、上交叉流動接口1312、下交叉流動接口1412、上排出接口1310、下交叉接口1412或其組合共面。交叉流動接口的定向可實質垂直於來自該複數個氣體通道1254的流動且與來自該複數個氣體通道1254的流動相交(例如在x及y平面中垂直且在z平面中相交)。在另一實施例中，交叉流動接口係經定向，以從來自該複數個 氣體通道1254的氣體將氣體供應出平面外(例如在x及y平面中垂直而在z平面中不相交)。
熱感應接口1414可定位於下主體1401中。熱感應接口1414可收容處理腔室1200的熱感應裝置，例如熱電偶。熱感應接口1414允許在處理期間進行溫度測量，使得基板的溫度及從處理氣體進行的沈積可被良好地調諧。熱感應接口1414可定位於下交叉接口1412附近。在一個實施例中，熱感應接口1414於外周緣處在從二分線1440(圖示於圖4B中)測量時係定位於5度位置處。相信的是，熱感應接口1414及交叉流動接口1412的組合可產生異常的磨耗。藉由從交叉流動接口1412分離熱感應接口1414，可避免關於該組合的異常磨耗。
在處理期間，基板支架1204可安置在處理位置(該處理位置係相鄰於該複數個氣體通道且在與該複數個氣體通道大約相同的高度處)中，允許氣體跨基板支架的上表面沿流動路徑向上且圍繞地流動。交叉接口1412跨該複數個氣體通道的流動供應第二氣體流，使得第二氣體流與由該複數個氣體通道所產生之流動區域中的至少一者相交。處理氣體通過排出接口1410離開處理區域，該排出接口1410係穿過主體1401而形成。通過排出接口1410移除處理氣體的步驟可藉由耦合於其之真空泵(未圖示)來促進。在該複數個氣體通道及排出接口1410彼此對準且大約安置於相同高度時，相信的是，這 樣的平行佈置將跨基板允許大致平面的、一致的氣體流。進一步地，徑向一致性可藉由通過基板支架旋轉基板來提供。
圖5繪示依據另一實施例的下襯墊1500。下襯墊1500包括下主體1501，該下主體1501具有內表面1502及外表面1504。如上所述，內表面1502結合內表面1302而形成處理區域1220及沖洗氣體區域1222的邊界。複數個下入口1508係穿過下主體1501的外表面1504而形成。下襯墊1500更包括排出接口1510、下交叉接口1512及熱感應接口1514。熱感應接口1514可定位於下交叉接口1512附近。
在此實施例中，該複數個下入口1508具有兩個分離的列。兩個分離的氣體流(如通過該複數個下入口1508來供應的)允許在供應至處理區域1220之前結合兩個分離的氣體流。在此實施例中，第一列及第二列饋進相同的通道，該通道是結合上襯墊來產生的。藉由通過襯墊組件1250的氣體通道1254來結合兩個氣體流，可在供應至處理腔室之前調節氣體溫度、可在不負面影響基板的情況下啟動及供應複雜的化學反應且可避免處理腔室中之流體力學上的改變。
本文中所述的襯墊組件對於當前的基板尺寸(例如300mm直徑)及更大的基板尺寸(例如450mm直徑)皆允許了更良好地控制沈積一致性。流動區段允許了在基板的特定區域中更良好地控制沈積。
示例性注入插件
以下所揭露的實施例描述用於半導體處理系統中的注入插件。注入插件與至少6個區段連接且結合該等區段。新產生的區段可為單一的或多層的。由注入插件所產生的區段允許在處理腔室內進行更大的流動控制。藉由增加流動控制，可達成更一致的磊晶生長，同時降低處理氣體浪費且減少生產時間。
圖6A及6B繪示具有依據本文中所述實施例之注入插件1620的襯墊組件1600。圖6A連接襯墊組件1600而繪示注入插件1620的頂視圖。圖6B繪示注入插件1620的側視圖。襯墊組件1600包括襯墊主體1602，該襯墊主體1602具有內表面1604及外表面1606。內表面1604形成處理區域(例如參照圖2所述的處理區域1220)的邊界。複數個襯墊入口1608(其係繪示為虛線圓形)係穿過襯墊主體1602的內表面1604及外表面1606而形成。注入插件1620(於此處圖示為具有兩個注入插件1620)係與該複數個襯墊入口1608流體連接。通過注入插件1620及接著通過該複數個襯墊入口1608，從氣體供應源所供應的氣體係引進處理區域，藉此該複數個襯墊入口1608可供應一或更多個個別的氣體流。注入插件1620、該複數個襯墊入口1608或兩者可經配置，以提供具有經變化之參數(例如速度、密度或成分)的個別氣體流。該複數個襯墊入口1608係經配置，以使用大致徑向向內的方向來引導處理氣體，其中該氣體被 供應至處理區域的中心區域。可個別地或結合地使用該複數個襯墊入口1608及注入插件1620中的各者，以調整一或更多個參數，例如來自氣體供應源之氣體的速度、密度、方向及位置。
注入插件1620可以單件的金屬、陶瓷來形成或在其他情況下以惰性成分(例如鋁或石英)來形成。注入插件1620可具有實質平面的上表面1622及實質平面的下表面1624。注入插件1620可具有形成於其中的許多注入接口1626。於此處係圖示注入插件1620的末端部分，其中為了簡化而忽略中間部分。在此實施例中，注入插件1620係繪示為具有七(7)個注入接口1626。注入接口1626可為任何形狀或尺寸，使得流動率、流動速度及其他流動參數可被控制。進一步地，多個注入接口1626可與任何數量的該複數個襯墊入口1608連接。在一個實施例中，該複數個襯墊入口1608的單一接口係由多於一個的注入接口1626來供應。在另一實施例中，該複數個襯墊入口1608的多個接口係由注入接口1626的單一接口來供應。注入插件1620具有連接表面1628。連接表面1628可具有表面曲率，使得穿透過注入插件1620的注入接口1626係流體密封至該複數個襯墊入口1608。注入插件1620可具有外部表面1630。外部表面1630可經配置，以連接至一或更多個氣體線1701或其他氣體供應裝置。
注入接口1626及襯墊入口1608產生至少第一區段、第二區段及第三區段。第一區段具有第一通道數量。第二區段具有第二通道數量，第二通道數量係不同於第一通道數量。第三區段具有第三通道數量，第三通道數量係不同於第一通道數量及第二通道數量。更大的基板(由於它們增加的表面區域)需要更嚴格地控制處理參數。因此，藉由增加區段數量，由單一區段所控制的區域被減少了，允許了更良好地調諧處理參數。
圖7依據一個實施例，繪示注入插件1700的剖開俯視圖。注入插件1700可具有相同於或類似於參照圖6A及6B所述之注入插件1620的成分。注入插件1700具有形成於其中的複數個注入接口1726，例如七個注入接口1726。如相關於注入插件1620所示的，於此處係圖示注入插件1700的末端部分，其中為了簡化而忽略中間部分。注入插件1700可具有一或更多個多連接氣體線，於此處係圖示為第一多連接氣體線1702、第二多連接氣體線1704及第三多連接氣體線1706。多連接氣體線1702、1704及1706係與多於一個的該複數個注入接口1726(亦稱為經連接接口)連接。
多連接氣體線1702、1704及1706可供應不同的氣體或在不同條件下供應氣體。在一個實施例中，第一多連接氣體線1702向經連接接口供應第一氣體，第二多連接氣體線1704向經連接接口供應第二氣體，且第三多連接氣體線1706向經連接接口供應第三氣 體。第一氣體、第二氣體及第三氣體可為與彼此不同的氣體。在另一實施例中，第一多連接氣體線1702以第一壓力及/或第一溫度向經連接接口供應氣體，第二多連接氣體線1704以第二壓力及/或第二溫度向經連接接口供應氣體，且第三多連接氣體線1702以第三壓力及/或第三溫度向經連接接口供應氣體。第一壓力、第二壓力及第三壓力可為與彼此不同的壓力。同時，第一溫度、第二溫度及第三溫度可為與彼此不同的溫度。進一步地，任何數量的注入接口1726可連接至任何數量的多連接氣體線。在進一步的實施例中，該一或更多個氣體線1701及/或多連接氣體線1702、1704及1706可與相同的注入接口1726連接。
雖然注入接口1726中的一或更多者係圖示為通過該一或更多個氣體線1701及多連接氣體線1702、1704及1706來連接，注入接口1726可在注入插件1700內互連，使得多連接氣體線1702、1704及1706中的一或更多者是非必要的。在此情況下，注入接口1726的群組可在注入插件1700內部進行分支(由分支1730所示)，使得注入接口1726的群組從單一氣體線1701接收氣體。
注入插件1700可進一步包括複數個注入插件，於此處係圖示為注入插件1708a-1708g。注入插件1708a-1708g可大約同等地間隔且定位於注入插件1700中。注入插件1708a-1708g可具有變化的寬度， 使得注入入口1708a-1708g以成比例改變的速度來供應不同的氣體體積。當以標準壓力通過兩個注入接口1726來供應氣體時，係期望增加的寬度以減少的速度向處理區域供應氣體但相較於標準寬度供應較高的體積。在如上所述的相同條件下，係期望減少的寬度以增加的速度向處理區域供應氣體但相較於標準寬度供應較低的體積。
於此處所示，注入插件1708a具有寬度1712a，該寬度1712a相較於注入接口1726的寬度1712c而言是被增加的。進一步地，注入接口1708a具有漸變的增加，產生錐形的外觀。於此處所示，注入插件1708a之寬度1712a的增加係肇因於從中心線1710之5度的漸變增加，如由從相關的注入接口1726向外延伸的虛線所標示。漸變增加可多於或少於5度。進一步地，漸變增加對於形成增加的寬度1712a而言是非必要的。在一個實施例中，寬度1712a僅在一點處增加，該點係在注入插件1708a在注入接口1726中形成稍微較大的圓柱之前。
雖然僅參照注入接口1726而描述中心線1710，要了解的是，如本文中所述的所有雙對稱物件或形成皆具有中心線。進一步地，雖然中心線1710僅圖示為具有對於注入插件1708a的關係，要了解的是，注入插件1708a-1708g中的各者具有相關的中心線1710，該中心線1710二分各別之注入接口1726中的各者。
在另一示例中，注入插件1708b具有寬度1712b，該寬度1712b相較於注入接口1726的寬度1712c而言是被減少的。如上所述，注入接口1708b具有漸變的減少，產生倒錐形的外觀。於此處所示，注入插件1708b之寬度1712b的減少係肇因於從中心線1710之5度的漸變減少，如由從相關的注入接口1726向內延伸的虛線所標示。漸變減少可多於或少於5度。
雖然增加的寬度1712a、減少的寬度1712b及相關的漸變增加及減少係圖示為對稱於中心線1710，這並不意欲為本文中所述實施例的限制。可以完全自由的定位及旋轉來產生尺寸及形狀上的改變，使得可依末端使用者所需以任何方向且以任何角度供應氣體。進一步地，圖6A的襯墊入口1608可具有一設計，該設計迎受(compliment)或複製參照注入入口1708a-1708g所述的設計。
圖8依據一個實施例，繪示多層注入插件1800的側視圖。多層注入插件1800(於此處圖示為具有兩個注入接口1826的列)可具有多於一個注入接口1826的列，使得氣體可更一致地供應至處理區域。如相關於注入插件1620所示的，於此處係圖示注入插件1800的末端部分，其中為了簡化而忽略中間部分。多層注入插件1800可具有實質平面的上表面1822及實質平面的下表面1824。多層注入插件1800每列可具有形成於其中的許多注入接口1826。在此實施例中，多層注入插件 1800係繪示為具有十四(14)個注入接口1826。在此實施例中，相對應列中之各者中所使用的注入接口1826中之各者的數量或形狀可為變化的形狀、尺寸及位置。
進一步地，多個注入接口1826可與任何數量的該複數個注入入口連接。參照圖8所述的注入插件係實質類似於參照圖7所述的注入插件1708。多層注入插件1800具有連接表面1828。連接表面1828可具有表面曲率，使得穿透過多層注入插件1800的注入接口1826係流體密封至上襯墊及下襯墊(描述於下)。多層注入插件1800具有外部表面1830，其可經配置以連接至如圖7中所述的氣體線。
對於當前及下一代半導體裝置而言需要嚴格控制化學反應及氣體流兩者。使用以上所述的實施例，將氣體供應至注入接口及通過注入插件之來自注入接口的氣體流兩者的控制可被增加，導致對於大部分的基板而言增加了處理參數的控制。增加的處理參數控制(包括供應至腔室之氣體速度及後續區段形成的控制)除了其他益處外將導致改良的磊晶沈積及降低的產品浪費。
示例性基板支架及預熱環
圖9係依據本文中所述實施例之基板支架1900的示意等角視圖。基板支架1900包括外接凹穴1910的外周邊邊緣1905，基板可被支持於該凹穴1910處。基板支架1900可被定位於半導體處理腔室(例如化學氣相沈積腔室或磊晶沈積腔室)中。可用以實行本揭示 案之實施例的一個示例性處理腔室係繪示於圖1中。凹穴1910係經調整尺寸，以接收基板的大部分。凹穴1910可包括表面2000，該表面2000係凹陷自外周邊邊緣1905。凹穴1910因此防止基板在處理期間滑出。基板支架1900可為以陶瓷材料或石墨材料(例如可能以碳化矽來塗覆的石墨)製造的環形板。升降針孔1903係圖示於凹穴1910中。
圖10係圖9之基板支架1900的側視橫截面圖。基板支架1900包括從基板支架1900之外直徑測量的第一尺度D1。基板支架1900的外直徑係小於半導體處理腔室(例如圖1的處理腔室)的內周緣。第一尺度D1係大於凹穴1910的第二尺度D2，該第二尺度D2係測量自外周邊邊緣1905的內直徑。基板支架1900可包括安置於表面2000的外直徑及外周邊邊緣1905的內直徑之間的凸耳2100(見圖11)。凹穴1910亦包括測量自凸耳2100之內直徑的第三尺度D3。第三尺度D3係小於第二尺度D2。尺度D1、D2及D3中的各者可為基板支架1900的直徑。在一個實施例中，第三尺度D3係第二尺度D2的約90%至約97%。第二尺度D2係第一尺度D1的約75%至約90%。對於450mm基板而言，第一尺度D1可為約500mm至約560mm，例如約520mm至約540mm，例如約535mm。在一個實施例中，凹穴1910(也就是尺度D2及/或尺度D3)可經調整尺寸，以接收450mm基板。
表面2000的深度D4從外周邊邊緣1905的頂面1907可為約1mm至約2mm。在某些實施例中，表面2000係稍凹的，以防止下垂基板的底面部分在處理期間接觸基板支架。表面2000可包括約34,000mm至約35,000mm的凹穴表面半徑(球半徑)，例如約34,200mm至約34,300mm。凹穴表面半徑可用以在處理期間防止基板表面及至少一部分的表面2000之間的接觸，即使是在基板曲折時。凹穴1910的高度及/或凹穴表面半徑可基於由基板支架1900所支持之表面的厚度而變化。
圖11係一放大橫截面圖，圖示圖10之基板支架的一部分。外周邊邊緣1905從基板支架的上表面凸出。在某些實施例中，傾斜的支持表面2102(其對於基板充當支持表面的部分)係安置於凹穴1910及外周邊邊緣1905之間。特定而言，傾斜的支持表面2102係在外周邊邊緣1905的內直徑(也就是尺度D2)及凸耳2100的內直徑(也就是尺度D3)之間。當基板邊緣由傾斜的支持表面2102所支持時，傾斜的支持表面2102可降低基板及基板支架1900之間的接觸表面區域。在一個實施例中，外周邊邊緣1905的頂面1907係以尺度D5高於傾斜的支持表面2102，該尺度D5可小於約3mm，例如約0.6mm至約1.2mm，例如約0.8mm。
在一個實施例中，圓角半徑「R1」係形成於外周邊邊緣1905及傾斜的支持表面2102接合的介面 處。圓角半徑R1可為連續彎曲的凹部。在各種實施例中，圓角半徑「R1」的範圍係在約0.1吋及約0.5吋之間，例如約0.15吋及約0.2吋。
傾斜的支持表面2102可相對於水平表面(例如外周邊邊緣1905的頂面1907)而傾斜。傾斜的支持表面2102可在約1度至約10度之間傾斜，例如約2度至約6度之間。變化傾斜支持表面2102的斜率或尺度可控制基板底部及凹穴1910的表面2000之間的間隙尺寸，或相對於凹穴1910的基板底部高度。在圖示於圖11中的實施例中，橫截面圖圖示傾斜支持表面2102以圖示為尺度D6的高度(其可小於約1mm)朝向表面2000從圓角半徑R1向內徑向延伸。傾斜的支持表面2102止於表面2000的外直徑處。表面2000可以圖示為尺度D7的高度從凸耳2100的底部凹陷。尺度D7可大於尺度D6。在一個實施例中，尺度D6係尺度D7的約65%至約85%，例如尺度D7的約77%。在其他實施例中，尺度D7係從尺度D6增加約30%。在一個示例中，尺度D6係約0.05mm至約0.15mm，例如約0.1mm。在某些實施例中，頂面1907可經糙化至約5Ra至約7Ra。
具有本文中所述之特徵(例如傾斜的支持表面及凹穴表面半徑)的基板支架1900已被測試，且在沒有基板及表面2000間之接觸的情況下，結果顯示基板及表面2000之間的良好熱傳導。凸耳2100的利用提供了藉 由基板及傾斜支持表面2102之間的最小接觸來進行熱傳導。
圖12係依據本文中所述實施例之預熱環2200的示意等角視圖。預熱環2200可被定位於半導體處理腔室(例如化學氣相沈積腔室或磊晶沈積腔室)中。特定而言，預熱環2200係經配置，以安置於基板支架(例如圖9-11的基板支架1900)的周邊周圍，同時基板支架係在處理位置中。可用以實行本揭示案之實施例的一個示例性處理腔室係繪示於圖1中。預熱環2200包括外接開口2210的外周邊邊緣2205，基板支架(例如圖9-11的基板支架1900)可定位於該開口2210處。預熱環2200包括以陶瓷材料或碳材料(例如可能以碳化矽塗覆的石墨)製造的圓形主體。
圖13係圖12之預熱環2200的側視橫截面圖。預熱環2200包括測量自外周邊邊緣2205之外直徑的第一尺度D1及測量自外周邊邊緣2205之內直徑的第二尺度D2。外周邊邊緣的外直徑具有小於半導體處理腔室(例如圖1的處理腔室)之周緣的周緣。第二尺度D2可實質等於開口2210的直徑。第一尺度D1係小於半導體處理腔室(例如圖1的處理腔室)的內周緣。預熱環2200亦包括形成於外周邊邊緣2205之底面(例如底面2209)中的凹口2215。凹口2215亦包括測量自凹口1945之外直徑的第三尺度D3。第三尺度D3係小於第一尺度D1但大於第二尺度D2。尺度D1、D2及D3中的各 者可為預熱環2200的直徑。凹口2215可用以接觸使用中的基板支架(例如如參照圖9所述的基板支架1900)，且第三尺度D3可實質等於或稍大於基板支架的外直徑(例如圖10的尺度D1)。
在一個實施例中，尺度D3係第一尺度D1的約90%至約98%(例如第一尺度D1的約94%至約96%)，且第二尺度D2係第一尺度D1的約80%至約90%(例如第一尺度D1的約84%至約87%)。對於450mm基板而言，第一尺度D1可為約605mm至約630mm，例如約615mm至約625mm，例如620mm。在一個實施例中，預熱環2200可經調整尺寸以在處理450mm基板時利用。
圖14係圖13之預熱環2200的放大橫截面圖。預熱環2200(其為圓形主體)可包括圖示為尺度D4的第一厚度(也就是外厚度)及圖示為尺度D5的第二厚度(也就是內厚度)。尺度D4可大於尺度D5。在一個實施例中，尺度D5係尺度D4的約75%至約86%，例如尺度D4的約81%。預熱環2200的外周邊邊緣2205包括實質平行(也就是平行性小於約1.0mm)的頂面2207及底面2209。頂面2207從預熱環2200的邊緣向開口2210向內延伸第一徑向寬度，同時底面2209從預熱環2200的邊緣向凹口2215向內延伸第二徑向寬度。第一徑向寬度係大於第二徑向寬度。在一個實施例中，第一徑向寬度係約5mm至約20mm，例如約8mm至約 16mm，例如約10mm。在某些實施例中，至少底面2209包括小於約1.0mm的平坦度。圓角半徑「R」係形成於凹口2215的角落處。倒角「R’」亦可形成於預熱環2200的角落(例如開口2210之外邊緣及外周邊邊緣2205之內邊緣接合的介面處)上。在一個實施例中，「R」及「R’」中的一者或兩者可為約小於0.5mm。在一個實施例中，尺度D5係約6.00mm。
外周邊邊緣2205的徑向寬度係用以從能量源(例如圖1中所示的輻射燈127)吸收熱。母材氣體一般經配置以使用實質平行於頂面2207的方式跨外周邊邊緣2205流動，且氣體係在到達定位於處理腔室中之基板支架(例如圖9-11的基板支架1900)上的基板之前預熱。預熱環2200已被測試，且結果顯示的是，母材氣體的流動可在預熱環2200的頂面2207上且跨預熱環2200的頂面2207建立層狀流動邊界層。特定而言，邊界層(其改良從預熱環2200到母材氣體進行的熱傳導)係在母材氣體到達基板之前完全發展。其結果是，母材氣體在進入處理腔室之前獲得足夠的熱，這反過來增加了基板產量及沈積一致性。
本揭示案的優點包括改良的預熱環，其具有外接開口的外周邊邊緣。外周邊邊緣具有徑向寬度，該徑向寬度允許母材氣體的流動在母材氣體到達基板之前在預熱環的頂面上完全發展成層狀流動邊界層。邊界層改良了從預熱環到母材氣體進行的熱傳導。其結果是， 母材氣體在進入處理腔室之前獲得足夠的熱，這反過來增加了基板產量及沈積一致性。預熱環的開口亦允許改良的基板支架被定位於其中。基板支架具有由傾斜支持表面所圍繞的凹穴，該傾斜支持表面降低了基板及基板支架之間的接觸表面區域。凹穴具有稍凹的表面，以防止基板及凹穴之間的接觸，即使是在基板曲折時。
示例性圓蓋組件
以下所述係圓蓋組件的示例性實施例。圓蓋組件包括彎曲的上圓蓋，係用於半導體處理系統中。上圓蓋具有中心窗口及接合中心窗口且與中心窗口的外周緣連接的周邊凸緣，其中中心窗口相對於基板支架而言是凸面的，且周邊凸緣相對於由周邊凸緣的上表面所定義的平面的角度是約10°至約30°。中心窗口係朝向基板而彎曲，這皆用以降低處理容積且允許在熱處理期間快速加熱及冷卻基板。周邊凸緣具有多個曲率，這允許中心窗口的熱膨脹而不會破裂或斷裂。
圖15A及15B係上圓蓋2500的示意說明，該上圓蓋2500可用於依據本文中所述之實施例的熱處理腔室中。在一個實施例中，可經調適以同上圓蓋的實施例使用的熱處理腔室係圖2的處理腔室100。圖15A繪示上圓蓋2500的頂部透視圖。圖15B繪示上圓蓋2500的橫截面圖。上圓蓋2500具有實質圓形的形狀(圖15A)，且具有稍凹的外表面2502及稍凸的內表面2504(圖15B)。如將於下更詳細地討論的，凹的外表面2502係 充分彎曲以在基板處理期間針對處理腔室中降低的內部壓力抵抗外部大氣壓力的壓縮力，同時足夠扁平以促進處理氣體的有序流動及反應性材料的一致沈積。
上圓蓋2500大致包括實質透明於紅外輻射的中心窗口部分2506及用於支持中心窗口部分2506的周邊凸緣2508。中心窗口部分2506係圖示為具有大致圓形的周邊。周邊凸緣2508沿支持介面2510於中心窗口部分2506的周緣處及在中心窗口部分2506的周緣周圍接合中心窗口部分2506。中心窗口部分2506相對於周邊凸緣的水平平面2514可具有凸的曲率。
上圓蓋2500的中心窗口部分2506可以例如為透明石英的材料來形成，其大致光學性地透明於來自燈的直接輻射而不顯著吸收所需的輻射波長。替代性地，中心窗口部分2506可以具有窄帶濾波性能的材料來形成。從經加熱基板及基板支架重新輻射的熱輻射中的某些部分可在被中心窗口部分2506顯著吸收的情況下穿進中心窗口部分2506。這些重新進行的輻射在中心窗口部分2506內產生熱，產生熱膨脹力。
中心窗口部分2506係於此處圖示為在長度及寬度的方向上是圓形的，其中周緣在中心窗口部分2506及周邊凸緣2508之間形成邊界。然而，依使用者的需要，中心窗口部分2506可具有其他形狀。
周邊凸緣2508可以不透明石英或其他不透明材料來製造。周邊凸緣2508(其可製造成不透明的)相 較於中心窗口部分2506而言維持相對較冷的，藉此使得中心窗口部分2506在初始室溫的弓弧之外向外曲折。其結果是，中心窗口部分2506內的熱膨脹係表現為熱補償曲折。在處理腔室的溫度增加時，中心窗口部分2506的熱補償曲折增加。中心窗口部分2506係製造成薄的且具有充足的彈性以適應曲折，同時周邊凸緣2508是厚的且具有充足的剛性以約束中心窗口部分2506。
在一個實施例中，上圓蓋2500係以一方式來建構，該方式為：中心窗口部分2506係一圓弧，該圓弧具有曲率半徑對中心窗口部分2506之寬度「W」的比率，該比率至少為5：1。在一個示例中，曲率半徑比寬度「W」係大於10：1，例如在約10：1及約50：1之間。在另一實施例中，曲率半徑比寬度「W」係大於50：1，例如在約50：1及約100：1之間。在通過中心窗口部分2506的中心測量時，寬度「W」係由周邊凸緣2508所設定之邊界間之中心窗口部分2506的寬度。在上述比率背景下，大於或小於指的是成比例地對於後項(也就是寬度「W」)增加或減少前項(也就是曲率半徑)的值。
在圖15B中所示的另一實施例中，上圓蓋2500係以一方式來建構，該方式為：中心窗口部分2506係一圓弧，該圓弧具有中心窗口部分2506之寬度「W」對高度「H」的比率，該比率至少為5：1。在一個示例中，寬度「W」對高度「H」的比率係大於10：1，例如在約10：1及約50：1之間。在另一實施例中，寬度「W」對高 度「H」的比率係大於50：1，例如在約50：1及約100：1之間。高度「H」係由第一邊界線2540及第二邊界線2542所設定之邊界間之中心窗口部分2506的高度。第一邊界線2540係正切於面對處理區域1220之中心窗口部分2506中之曲線部分的尖峰點。第二邊界線2542相交於距處理區域1220最遠之支持介面2510的點。
上圓蓋2500可具有約200mm至約500mm的總外直徑，例如約240mm至約330mm，例如約295mm。中心窗口部分2506可具有約2mm至約10mm的恆定厚度，例如約2mm至約4mm、約4mm至約6mm、約6mm至約8mm、約8mm至約10mm。在某些示例中，中心窗口部分2506在厚度上係約3.5mm至約6.0mm。在一個示例中，中心窗口部分2506在厚度上係約4mm。
中心窗口部分2506的厚度提供了較小的熱質量，允許上圓蓋2500快速加熱及冷卻。中心窗口部分2506可具有約130mm至約250mm的外直徑，例如約160mm至約210mm。在一個示例中，中心窗口部分2506在直徑上係約190mm。
周邊凸緣2508可具有約25mm至約125mm的厚度，例如約45mm至約90mm。周邊凸緣2508的厚度係大致定義為平面上表面2516及平面底表面2520之間的厚度。在一個示例中，周邊凸緣2508在厚度上係約70mm。周邊凸緣2508可具有約5mm至約90mm的寬度，例如約12mm至約60mm，其可隨半徑而變化。在一 個示例中，周邊凸緣2508在寬度上係約30mm。若襯墊組件未用於處理腔室中，周邊凸緣2508的寬度可增加約50mm至約60mm，且中心窗口部分2506的寬度係減少相同的量。
中心窗口部分2506具有5mm及8mm之間的厚度，例如6mm厚。上圓蓋2500之中心窗口部分2506的厚度係選於如上所討論的範圍，以確保於周邊凸緣2508及中心窗口部分2506間之介面處發展的剪應力被處理。在一個實施例中，較薄的石英壁(也就是中心窗口部分2506)係更有效率的熱傳導媒介，使得較少的能量被石英吸收。上圓蓋因此維持相對較冷的。較薄的壁圓蓋亦將在溫度上較快地穩定且較快地反應於對流冷卻，因為較少的能量被儲存且到外表面的傳導路徑是較短的。因此，上圓蓋2500的溫度可被更密切地保持在所需的設定點，以跨中心窗口部分2506提供較佳的熱一致性。此外，在中心窗口部分2506徑向傳導至周邊凸緣2508時，較薄的圓蓋壁在基板上造成改良的溫度一致性。不過於以徑向方向冷卻中心窗口部分2506亦是有益的，因為這會造成不想要的溫度梯度，該不想要的溫度梯度將反應至正被處理的基板表面上且使得遭受薄膜不一致性。
圖15C依據一個實施例，繪示周邊凸緣2508及中心窗口部分2506間之連接的特寫圖。周邊凸緣2508具有傾斜的凸緣表面2512，其具有至少第一表面2517(由表面線2518所指示)。第一表面2517與平面上表面 2516形成約20°至約30°的第一角度2532。第一表面2517的角度可使用平面上表面2516或水平平面2514來定義。平面上表面2516是水平的。水平平面2514係平行於周邊凸緣2508的平面上表面2516。
第一角度2532可更具體地定義為周邊凸緣2508之平面上表面2516(或水平平面2514)及中心窗口部分2506之凸面內表面2504上之表面線2518之間的角度，該表面線2518穿過中心窗口部分2506及周邊凸緣2508的交點。在各種實施例中，水平平面2514及表面線2518之間的第一角度2532係大致小於35°。因此，第一表面2517與平面上表面2516形成大致小於35°的角度。在一個實施例中，第一角度2532係約6°至約20°，例如在約6°及約8°、約8°及約10°、約10°及約12°、約12°及約14°、約14°及約16°、約16°及約18°、約18°及約20°之間。在一個示例中，第一角度2532係約10°。在另一示例中，第一角度2532係約30°。具有約20°之第一角度2532的傾斜凸緣表面2512在由周邊凸緣2508所支持時對於中心窗口部分2506提供了結構性支持。
在另一實施例中，傾斜的凸緣表面2512可具有一或更多個額外的角度，於此處係繪示為形成自第二表面2519(如由表面線2521所繪示)的第二角度2530。傾斜凸緣表面2512的第二角度2530係周邊凸緣2508的支持角度2534及第一角度2532之間的角度。支持角度2534係正切表面2522(其係形成自支持介面2510處的 凸面內表面2504)之間的角度例如，若支持角度2534係3°且第一角度2532係30°，則第二角度2530係在3°及30°之間。第二角度2530提供了額外的應力降低，其藉由以兩個連續的重新定向來重新定向力量來進行，而不是藉由單一的重新定向來進行，該單一重新定向進一步分散由膨脹及壓力所產生的力量。
支持角度2534、第一角度2532及第二角度2530可具有角度，該等角度在第一表面2517、第二表面2519及正切表面2522間的末端表面之間產生流體轉移(fluid transition)。在一個示例中，正切表面2522具有一末端表面，該末端表面與第二表面2519的末端表面具有流體轉移。在另一示例中，第二表面2519具有一末端表面，該末端表面與第一表面2517的末端表面具有流體轉移。如本文中所使用的末端表面係以第一表面2517、第二表面2519或正切表面2522中之任何者之間的假想間隔來形成。末端表面之間的流體轉移係在不形成可見邊緣的情況下連接之表面間的轉移。
相信的是，傾斜凸緣表面2512的角度允許上圓蓋2500熱膨脹同時降低處理區域1220中的處理容積。在不欲被理論所限的情況下，對於熱處理縮放現存的上圓蓋將增加處理容積，因此浪費了反應氣體、減少了產量、減少了沈積一致性且增加了成本。傾斜凸緣表面2512允許膨脹應力被吸收而不改變上述的比率。藉由增加傾斜凸緣表面2512，曲率半徑對中心窗口部分2506之寬度的 比率前項可被增加。藉由增加比率的前項，中心窗口部分2506的曲率變得更扁平，允許較小的腔室容積。
上圓蓋的優點在應力補償及最小化侵入進處理腔室的處理區域這兩者上提供許多優點。上圓蓋至少包括彎曲的中心窗口及具有複數個角度的周邊凸緣。彎曲的中心窗口降低了處理區域中的空間，且基板可被更有效率地在熱處理期間加熱及冷卻。周邊凸緣具有複數個角度，該等角度結合中心窗口而形成且遠離處理區域。該複數個角度在加熱及冷卻步驟期間對於中心窗口提供了應力釋放。進一步地，周邊凸緣的角度允許較薄的凸緣及較薄的中心窗口以進一步降低處理容積。藉由降低處理容積及元件尺寸，生產及處理成本可被降低，而不折衷末端產品中的品質或圓蓋組件的生命週期。
本文中所述的實施例揭露大氣磊晶腔室。大氣磊晶腔室可結合圓蓋組件、襯墊組件、預熱環、基板支架、注入插件、包括反射器的燈組件或其組合中的一或更多者。因此，通過以上所描述及結合之元件的益處，本文中所述的磊晶沈積腔室允許處理較大的基板，同時維持了產量、降低了成本且提供了可靠地一致的沈積產品。
雖以上所述係針對所揭露之裝置、方法及系統的實施例，可自行設計所揭露之裝置、方法及系統的其他及進一步實施例，而不脫離其基本範圍，且其範圍是由隨後的請求項所決定的。

Claims (13)

  1. 一種腔室，包括：一基板支架，定位於一處理區域中；一輻射能組件，包括複數個輻射能量源；一襯墊組件；一圓蓋組件，其至少一部分係定位於該基板支架及該輻射能組件之間，該圓蓋組件包括一上圓蓋及一下圓蓋，該上圓蓋包括：一彎曲中心窗口部分，具有：一寬度；及一高度，係由一第一邊界線及一第二邊界線界定，該第一邊界線係正切於面對該處理區域的該彎曲中心窗口部分中的一尖峰點，以及該第二邊界線相交於距該處理區域最遠的該彎曲中心窗口部分的一周緣處的點；其中該彎曲中心窗口部分具有一窗口曲率，該窗口曲率係由寬度對高度的一比率所定義，該比率至少為10：1；及一周邊凸緣，具有：一平面上表面；一平面下表面；及一傾斜凸緣表面，其中該周邊凸緣於該彎曲中心窗口部分的該周緣處接合該彎曲中心窗口部分，且該傾斜凸緣表面具有一第一表面，該第一表面的一第一表面線與平行於該平面上表面的一水平平面形成一第一角度，該第一角度係小於35度；及一注入插件，耦合至該襯墊組件。
  2. 如請求項1所述之腔室，其中該傾斜凸緣表面更包括該彎曲中心窗口部分之該周緣及該第一表面之間的一第二表面。
  3. 如請求項2所述之腔室，其中該第二表面的一第二表面線與平行於該平面上表面的該水平平面形成一第二角度，該第二角度係小於15度。
  4. 如請求項2所述之腔室，其中該彎曲中心窗口部分具有一支持角度的一正切表面，該支持角度係小於10度。
  5. 如請求項4所述之腔室，其中該正切表面具有一末端表面，該末端表面與該第二表面的一第一末端表面具有一流體轉移，且其中該第二表面具有一第二末端表面，該第二末端表面與該第一表面的一末端表面具有一流體轉移。
  6. 如請求項1所述之腔室，其中該周邊凸緣具有小於50mm的一厚度。
  7. 如請求項1所述之腔室，其中該寬度對高度的該比率係大於50：1。
  8. 如請求項3所述之腔室，其中該第一角度的一尺寸對該第二角度的一尺寸的一比率係約3：1。
  9. 一種腔室，包括：一基板支架，定位於一處理區域中，該基板支架具有：一外周邊邊緣，外接一凹穴，其中該凹穴具有一凹面，該凹面係從該外周邊邊緣凹陷；及一傾斜支持表面，安置於該外周邊邊緣及該凹穴之間，其中該傾斜支持表面係相對於該外周邊邊緣的一水平表面而傾斜；及一圓蓋組件，係定位於該基板支架及一輻射能組件之間，該圓蓋組件包括一上圓蓋及一下圓蓋，該上圓蓋包括：一凸面中心窗口部分，具有：一寬度；及一高度，係由一第一邊界線及一第二邊界線界定，該第一邊界線係正切於面對該處理區域的該凸面中心窗口部分中的一尖峰點，以及該第二邊界線相交於距該處理區域最遠的該凸面中心窗口部分的一周緣處的點；其中該凸面中心窗口部分具有一窗口曲率，該窗口曲率係由該寬度對該高度的一比率所定義，該比率至少為10：1；及一周邊凸緣，具有：一平面上表面；一平面下表面；及一傾斜凸緣表面，該周邊凸緣於該凸面中心窗口部分的該周緣處接合該凸面中心窗口部分，該傾斜凸緣表面具有一第一表面，該第一表面的一第一表面線與平行於該平面上表面的一水平平面形成一第一角度，該第一角度係小於35度。
  10. 如請求項9所述之腔室，更包括：一凸耳，安置於該凹面的一外直徑及該外周邊邊緣的一內直徑之間。
  11. 如請求項10所述之腔室，其中該凸耳的一內直徑係該外周邊邊緣之一內直徑的約90%至約97%。
  12. 如請求項11所述之腔室，其中該外周邊邊緣的該內直徑係該外周邊邊緣之一外直徑的約75%至約90%。
  13. 如請求項9所述之腔室，更包括一圓角半徑，係形成於該外周邊邊緣及該傾斜支持表面間的一介面處。
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