TWI719098B - 用於弧光燈之氮注射 - Google Patents

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Abstract

本發明提供用於降低一或更多弧燈污染的系統及方法。一示範性實例係針對一毫秒退火系統。該毫秒退火系統包括一處理室，在使用一毫秒退火處理時用來熱處理一基板。該系統進一步包括一或更多的弧燈。該一或更多弧燈之每一者係耦合至一水環路，其在該弧燈操作期間用於使水循環流經該弧燈。該系統包含一試劑注射源經組態以引介一試劑，如氮氣，進入在該弧燈操作期間循環流經該弧燈的水。

Description

用於弧光燈之氮注射
本申請案請求2015年12月30日提申之美國專利臨時申請案第62/272,942號的優先權權益，該申請的名稱係”Nitrogen Injection for Lamps in a Millisecond Anneal System”，其內容在本文中併入以供參考。
本發明一般關於能夠被使用於基板(如半導體基板)熱處理用的(例如)毫秒退火系統中的弧燈。
毫秒退火系統能夠用於半導體處理，進行超快基板熱處理，例如晶圓。在半導體處理時，快速熱處理能夠使用作為退火步驟，以修復板內損害，改良沉積層的品質，改良界面層的品質，以活化摻雜物，並取得其他效果，同時，控制該摻雜物物種的擴散。
半導體基板的毫秒(或稱為超快)溫度處理，能夠由以下來取得：使用密集而短暫的曝光，以超過104℃/秒的速率，加熱整個基板的頂表面。僅在基板一表面上的快速加熱，能夠產生一巨大溫度梯度通過該基板的厚度，同時該基板的主體，係維持曝光前溫度。因此，該基板主體係作為散熱體，造 成頂表面的快速冷卻速率。
本發明實施例的觀點及優點，將部份地敍述於下文，或可由該敍述來習得，或可經由實施例之實行來習得。
本發明一示範性觀點，係針對一毫秒退火系統。該毫秒退火系統包含一處理室以使用一毫秒退火處理來熱處理一半導體基板。該系統進一步包括一或更多弧燈。一或更多弧燈之每一者，係被耦合至一水環路，其在該弧燈操作期間，使水循環流經該弧燈。該系統包括一氮氣注射源，或其他試劑源，係經組態而在弧燈操作期間，將氮氣或其他試劑引入循環流經該弧燈的水中。
對本發明示範性觀點，能夠進行變型及修改。本發明其他示範性觀點，係針對被用來熱處理半導體基板的系統、方法、裝置及處理。
這些及其他許多實施例的特色、觀點與優點，在參考後文描述及附圖之下，將更佳地讓人明瞭。合併在本文中並解釋為本說明書一部份的附圖，係用來圖解本發明的實施例，其連同本說明書，用來解釋相關的原理。
60:semiconductor substrate 半導體基板
80:millisecond anneal system 毫秒退火系統
100:temperature profile 溫度曲線
102:ramp phase 傾斜相
104:Curve 曲線
110‧‧‧Window 視窗
112‧‧‧Curve 曲線
114‧‧‧Curve 曲線
150‧‧‧temperature measurement system 溫度測量系統
152‧‧‧Temperature sensor 溫度感測器
154‧‧‧Temperature sensor 溫度感測器
156‧‧‧diagnostic flash 診斷閃光
158‧‧‧reference temperature sensor 參考溫度感測器
160‧‧‧processor circuit 處理器電路
200‧‧‧millisecond anneal system 毫秒退火系統
200‧‧‧process chamber 處理室
202‧‧‧top chamber 頂室
204‧‧‧bottom chamber 底室
210‧‧‧wafer plane plate 晶圓平面板
212‧‧‧support pins 支架針
220‧‧‧arc lamps 弧燈
222‧‧‧cathode 陰極
225‧‧‧quartz tube 石英管
226‧‧‧Plasma 電漿
228‧‧‧Water wall 水壁
229‧‧‧Argon gas column 氬氣柱
230‧‧‧Anode 陽極
232‧‧‧Tip 端
234‧‧‧copper heat sink 銅散熱體
235‧‧‧brass base 黃銅基底
236‧‧‧water cooling channels 水冷卻通道
240‧‧‧arc lamps 弧燈
250‧‧‧process chamber walls 處理室壁
252‧‧‧upper chamber wall 上室壁
254‧‧‧lower chamber wall 下室壁
260‧‧‧water windows 水視窗
262‧‧‧reflector 反射器
264‧‧‧edge reflector 邊緣反射器
270‧‧‧reflective mirrors 反射鏡
272‧‧‧wedge reflectors 楔形反射器
274‧‧‧reflective element 反射元件
300‧‧‧lamp water loop system 燈水環路系統
302‧‧‧high purity water 高純水
304‧‧‧Argon氬
306‧‧‧gas/water mixture 氣/水混合物
310‧‧‧separator 分離器
320‧‧‧jet pump 噴射泵
330‧‧‧high power electric pump 高功率電泵
340‧‧‧coalescing filter 凝聚過濾器
350‧‧‧Argon source 氬源
350‧‧‧particle filters 微粒濾器
370‧‧‧mixed bed ion exchange filters 混合床離子交換濾器
372‧‧‧inlet valve 入口閥
380‧‧‧activated carbon filter bypass loop 活性碳濾器旁環
390‧‧‧heat exchanger 熱交換器
400‧‧‧nitrogen gas injection source 氮氣注射源
404‧‧‧mass flow controller 質流控制器
406‧‧‧nitrogen gas injection valves 氮氣注射閥
420‧‧‧pH sensor pH感測器
430‧‧‧control devices 控制裝置
Ti‧‧‧中間溫度
對於一般熟習本項技藝人士而言係詳細的實施例討論，係參照附圖而敍述於說明書內，其中：第一圖係依照本發明示範性實施例的毫秒退火加 熱曲線例子的示意圖。
第二圖係依照本發明示範性實施例之毫秒退火系統例子的部份的立體示意圖。
第三圖係依照本發明示範性實施例之毫秒退火系統例子的分解視圖。
第四圖係依照本發明示範性實施例之毫秒退火系統例子的橫斷面視圖。
第五圖係依照本發明示範性實施例之毫秒退火系統中所使用的燈例子的立體透視圖。
第六圖係依照本發明示範性實施例之毫秒退火系統之晶圓平面板中所使用的邊緣反射器例子的示意圖。
第七圖係一反射器例子的示意圖，其係能使用於一依照本發明示範性實施例之毫秒退火系統之中。
第八圖係一弧燈例子的示意圖，其係能使用於一依照本發明示範性實施例之弧燈之中。
第九~十圖係依照本發明示範性實施例之弧燈操作例子的示意圖。
第十二圖係依照本發明示範性實施例之電極例子的橫斷面視圖。
第十三圖係依照本發明示範性實施例之毫秒退火系統所用之溫度測量系統例子的示意圖。
第十四圖係依照本發明示範性實施例之設有氮氣 注射以及pH值感測器之燈水環路例子的示意圖。
第十五圖係依照本發明示範性實施例之方法例子的流程圖。
現在詳細地參照實施例，其一或更多的例子係圖解於圖式中。每一個例子係為了解釋實施例而提供，而非本發明之限制。事實上，對於一般熟習本項技藝人士而言很明顯的是，在不離開本發明範圍或精神之下，能夠完成許多實施例的修改及變型。例如，被圖解成或描述成一實施例的一部份特色，能被使用到另一實施例，產生另一實施例。因此，其意在本發明的觀點涵蓋這類的修改及變型。
概論
本發明示範性觀點，係針對控制弧燈內所用的水之pH值，以降低弧燈上的污染沈積。基於解釋及討論的緣故，本發明的觀點係參照結合至毫秒退火系統來使用的弧燈來進行討論。利用在本文中所提供的揭示內容，一般熟習本項技藝人士將明瞭的是，本發明的觀點，能夠與其他應用的弧燈共同使用，例如金屬處理者(如鋼表面熔化)，及其他應用。
此外，基於解釋及討論的緣故，本發明的觀點係參照”晶圓”或半導體晶圓來討論。利用在本文中所提供的揭示內容，一般熟習本項技藝人士將明瞭的是，本發明的示範性觀點，能夠與任何工件、半導體基板、或其他合適的基板，一起 結合使用。結合有數值之字詞”約”的使用，係意指所述數值的10%範圍內。
半導體基板的毫秒(或稱超快)熱處理係能夠如下述來取得：使用密集及短暫曝光(例如”閃光”)，以超過104℃/秒的速率，來加熱基板的全部頂表面。該閃光能被施加到一基板，其係預先以高達150℃/秒的傾斜速率(ramp rate)，被加熱到一中間溫度(Ti)。該閃光能由一或更多位在(例如)處理室頂部的閃光弧燈來施加。到達該中間溫度Ti的較緩慢的熱處理，能藉由一或更多位在(例如)處理室底側上的連續模式弧燈來完成。這些連續模式的燈，經由晶圓底表面，能夠加熱該晶圓全部主體。
如下文詳細討論者，該依照本發明示範性觀點之毫秒退火系統中所用的弧燈，能夠是開放流動弧燈，其中，在弧光放電期間，加壓的氬氣被轉變成為高壓氬電漿。該弧光放電係發生於一負電性陰極及一相隔離的(如相隔約300mm)正電性陽極之間。一旦介於電極之間的電壓係到達氬的崩潰電壓(如約30kV)，一穩定的、低傳導的氬電漿將立刻形成，其發射出可見光及光譜UV範圍的光。
閃光弧燈及連續模式弧燈，都能使用相同的基本結構原理。該電漿能收容在一石英管殼之內，其能夠經由內部藉由一水壁進行水冷卻。該水壁能以高流率在燈的陰極端注入，及能於陽極端被排出，反之亦然。對於氬氣亦真實的是， 其也能夠在陰極側進入該燈而能由陽極側排出，反之亦然。該形成水壁的水係垂直於燈軸被注射，以致該離心作用產生一水渦流。因此，沿著燈的中心線形成有一氬氣的通道。該氬氣柱能夠以相同於水壁的方向來旋轉。一旦電漿已形成，該水壁能夠保護石英管，及限制該電漿在中心軸，以致該水壁及/或電極係與該高能電漿直接接觸。由於電極經歷到高熱負載，該端係由鎢製成，及被融合至水冷式銅散熱體中。該銅散熱體係構成該電極內部冷卻系統的一部份，而其他部份係位在電極的黃銅基底中。
如下文詳細討論者，該弧燈，能夠是一種針對水及氬氣的開放流動系統。然而，基於環保理由，此兩種介質都能夠在某些實施例的封閉環路中循環。高純水及氬能被餵入燈中。該高純水係用來作為水壁，及冷卻該電極。離開燈時的是一氣/水混合物。這個氣/水混合物在其重新餵入燈的入口之前，必須被分離成無氣水、及無液態水的氬。為了在燈上產生必要的壓力降，該氣/水混合物能藉由水驅動的噴射泵來泵入。
一高功率電燈能供應水壓以驅動燈內水壁、燈電極所用的冷卻水、及噴射泵所用的運動流。一位在噴射泵下游的分離器容器，能夠從混合物(氬)中抽出液體及氣相。氬在重新進入燈內之前，能進一步地藉由凝聚濾器來乾燥。
水能夠通過一或更多微粒濾器，移除由弧光放電而噴濺在水中的微粒。離子性污染係由離子交換樹脂加以移 除。一部份的水係流過混合床離子交換濾器。該離子交換旁路的入口閥，能由水阻能力加以控制。如果水阻能力下降到低值以下，該閥被開啟。當其到達一高值時，閥關閉。該系統也能包含一活性碳濾器旁環，其中一部份的水係額外地加以過濾，以便移除有機污染。為了維持水溫，水能夠通過一熱交換器。
在弧燈操作期間，該高能、高溫電漿，能物理性地及化學性地與電極材料及水進行交互作用。這能造成燈水的污染，其主要係由銅、鎢及其氧化物形成。水對於污染物種之溶解能力，係由水的pH值來決定。pH值大於7時，燈管的內表面可能會被褐黃色沈積物所覆蓋。隨著沈積物堆積，燈的光輸出下降。其結果係，晶圓係不良地處理，因為無法藉由連續模式弧燈的光輸出來到達中間溫度。由於其外觀，沈積物的形成，被稱為燈褐變(lamp brwoning)。該沈積物主要由銅、銅氧化物及低量鎢來組成，及亦存有鎢氧化物。
依照本發明示範性觀點，用於毫秒退火系統之弧燈內的水的pH值，藉由在存有高能電漿之下的氮與水反應所形成的酸的濃度控制，例如，能夠被控制在約5.5~約8.0範圍內，如6.5~約7.0。過低的pH值能引起弧燈內傳導能力的問題。在某些實施例中，弧燈操作期間能注入一試劑，以控制循環經過該弧燈的水的pH值。在某些實施例中，氮氣被添加到水中，及燈內部的高能電漿中，以產生亞硝酸及硝酸。
例如，依照本發明之一示範性實施例，係針對毫 秒退火系統。該系統包括一處理室，係利用一毫秒退火處理而用於熱處理一半導體基板。該系統能包括一或更多弧燈。該一或更多弧燈之每一者，都能耦合至一水環路，其在該弧燈操作期間係用於循環水流經該弧燈。該系統能包括一氮注射源，其係組態而將氮氣引入在弧燈操作期間該循環經過該弧燈的水中。在本文中所使用的字詞”水”，係指純水或包括水的任何混合物。
在某些實施例中，該氮氣注射源能被安排在水環路之內，以在水進入弧燈之前，將氮氣引入水中。在某些實施例中，該水環路能包括一噴射泵，其經組態而在弧燈上產生壓力降。該氮氣注射源能被組態，以在該噴射泵的吸取埠上，引入氮氣。
在某些實施例中，該水環路能包括一入口，用於提供氬氣進入燈中。該弧燈能排放氬氣/水混合物進入該水環路中。該水環路能包括一分離器，其係經組態在氬氣/水混合物中以分離出氬氣及水。在某些實施例中，該水環路能包括一或更多的微粒濾器，其係經組態以移除電漿弧光放電所噴濺到水中的微粒。
在某些實施例中，該系統能包括一pH值感測器，其被配來測量水環路中水的pH值。該系統能包括一或更多的控制裝置，其經組態而在弧燈操作期間，控制氮氣注射進入該循環流經弧燈之水中。該一或更多控制裝置能經組態以至少部 份地基於該pH值感測器所測得的pH值資料指示、及弧燈操作狀態的資料指示，來控制一氮氣注射閥的操作，進而將氮引入循環流經該弧燈的水中。
本發明另一示範性實施例係針對，一毫秒退火系統中用於將水循環經過一弧燈之水環路的操作方法。該方法能包括：藉由一或更多控制裝置，取得該循環經過水環路之水的pH值之資料指示；藉由一或更多控制裝置，取得弧燈操作狀態的資料指示；及至少部份地基於水pH值資料指示，調整該循環經過該弧燈之水的pH值。
在某些實施例中，調整該循環流經弧燈之水的pH值，係包括：藉由一或更多控制裝置，至少部份地基於該循環流經弧燈之水的pH值資料指示、及弧燈操作狀態的資料指示，來決定用於注射氮進入水環路之氮注射閥的操作位置；及藉由一或更多控制裝置，基於所決定的該操作位置，來控制該氮注射閥。
當水的pH值係高於一上限且弧燈操作係啟動狀態(on state)時，該氮注射閥的操作位置能被決定開啟。當弧燈操作狀態係一斷開狀態(off state)時，該氮注射閥的操作位置能被決定關閉。當水的pH值係低於一下限時，該氮注射閥的操作位置能被決定關閉。在某些實施例中，該上限係約7.0及該下限係約6.5。
本發明另一示範性實施例係針對，一弧燈系統。該系統包括多數個電極。該系統能包括一或更多弧燈管入口，其係經組態以從水環路來接收在該弧燈內進行循環的水。該一 或更多入口，係經組態以接收一氣體(例如氬氣)。在弧燈操作期間，該氣體在多數電極之間的弧光放電時，係被轉變成為電漿。該水環路能包括：一閥，係在操作期間用於注射一試劑進入弧燈，以降低弧燈上的污染沈積。在某些實施例中，該試劑能為氮氣。在某些實施例中，該試劑能為一種酸。在某些實施例中，該弧燈系統能利用作為一毫秒退火系統的一部份。
毫秒退火系統例子
一示範性毫秒退火系統係能夠經組態以提供一密集而短暫的曝光，而能夠以超過(例如)約104℃/S的速率，來加熱晶圓的頂表面。第一圖係一使用毫秒退火系統來取得之半導體基板的示範性溫度曲線100的示意圖。如第一圖所示，半導體基板(例如二氧化矽晶圓)的主體，係在傾斜相102期間，被加熱到一中間溫度Ti。該中間溫度係能夠在約450℃~約900℃範圍之內。當到達中間溫度Ti時，半導體基板的頂側邊可以曝照一非常短而密集的閃光，形成高達約104℃/S的加熱速率。視窗110圖解該半導體基板在短而密集閃光期間的溫度曲線。曲線112代表半導體基板頂表面在閃光曝照期間的快速加熱。曲線116圖解該半導體基板在閃光曝照期間的殘餘溫度或主體溫度。曲線114代表快速冷卻，係藉由半導體主體作為散熱體，在半導體基板頂表面的傳導性冷卻。該半導體主體作為一散熱體，針對該基板產生一高頂側邊冷卻速率。曲線114代表半導體基板主體的緩慢冷卻，係藉由熱輻射及對流，使用一處理氣 體作為冷卻劑來進行。
一示範性的毫秒退火系統能夠包括多數弧燈(例如四個氬弧燈)，作為光源，可供半導體基板頂表面的密集性毫秒長曝照-所謂的”閃光”。當基板已經被加熱到中間溫度時(例如約450℃~約900℃)，該閃光能夠被施加到半導體基板。多數個連續模式弧燈(例如兩個氬燈)，能夠用來加熱該半導體基板至該中間溫度。在某些實施例中，半導體基板加熱到中間溫度，係透過半導體底表面，以加熱全部晶圓主體的傾斜速率來完成。
第二~五圖係依照本發明示範性實施例之數種毫秒退火系統80觀點例子的示意圖。如第二~四圖所示，一毫秒退火系統80能包括一處理室200。該處理室200能由一晶圓平面板210加以分隔，成為一頂室202及一底室204。一半導體基板60(例如二氧化矽晶圓)，能夠由固設在晶圓支架板214(例如插入晶圓平面板210的石英玻璃板)上的支架針212(例如石英支架針)加以支撐。
如第二及四圖所示，該毫秒退火系統80能包含括多數個弧燈220(例如四個氬弧燈)，其被排列在頂室202附近，作為光源，用於密集性毫秒長之該半導體基板60的頂表面曝照(所謂”閃光”)。當基板已經被加熱到中間溫度時(例如約450℃~約900℃)，該閃光能夠被施加到半導體基板。
多數個連續模式弧燈240(例如兩個氬弧燈)，係安 置在底室204附近，能夠用來加熱該半導體基板60至中間溫度。在某些實施例中，該半導體基板60加熱到中間溫度，係從底室204透過半導體基板底表面，以加熱該半導體基板60全部主體的傾斜速率，加以完成。
如第三圖所示，來自底弧燈240(例如，用於加熱半導體基板至中間溫度)及來自頂弧燈220(例如，藉由閃光用於提供毫秒加熱)之用於加熱半導體基板60的光，能夠經由水視窗260(如水冷卻石英玻璃窗)，進入該處理室200。在某些實施例中，該水視窗260能包括兩個石英玻璃板的夾層，其間一個約4mm厚的水層，係加以循環，以冷卻該石英板，及提供針對波長(例如，約1400nm以上)的光學過濾。
進一步如第三圖所示，處理室壁250能包括反射鏡270，用於反射加熱光。該反射鏡270能夠是(例如)水冷卻的、抛光的鋁板。在某些實施例中，使用於毫秒退火系統中的該弧燈主體，能包括針對燈輻射的反射器。例如第五圖圖示一頂燈陣列220及底燈陣列240的立體透視圖，其皆能夠使用於毫秒退火系統200。如圖所示，每一燈陣列220及240的主體，能包括一反射器262，可供反射該加熱光。這些反射器262能夠形成毫秒退火系統80之處理室200的反射表面的一部份。
該半導體基板的溫度均勻性，能夠藉由操縱在不同半導體基板區域內所落下的光密度，來加以控制。在某些實施例中，均勻性調諧係能夠藉由以下來完成：將小尺寸反射等 級的反射器更換成主要反射器，及/或使用被固設在晶圓周圍之晶圓支架平面上的邊緣反射器。
例如，邊緣反射器能夠用來使光從底燈240轉向到半導體基板60的邊緣。例如，第六圖圖示邊緣反射器264的例子，其形成一部份的晶圓平面板210，能夠用來使光從底燈240轉向到半導體基板60的邊緣。該邊緣反射器264能夠安裝在晶圓平面板210上，及可包圍或至少部份地包圍該半導體基板60。
在某些實施例中，額外的反射器也能夠被安裝在室壁上，靠近晶圓平面板210。例如，第七圖圖示反射器的例子，其能夠被安裝在處理室壁上，作為針對加熱光的反射鏡。更具體地，第七圖顯示，一被安裝在下室壁254的楔形反射器272例子。第七圖也圖示，一被安裝在上室壁252之反射器270上的反射元件274。半導體基板60的處理均勻性，能夠藉由以下加以調諧：改變該處理室200內的楔形反射器272、及/或其他反射元件(如反射元件274)的反射梯度。
第八~十一圖圖解上弧燈220的觀點例子，其能夠作為光源，用於密集性毫秒長曝照半導體基板60的頂表面(如”閃光”)。例如，第八圖係一示範性弧燈220的橫斷面視圖。該弧燈220能夠(例如)是一個開放流動式(open flow)弧燈，其中在弧光放電期間，該加壓的氬氣(或其他合適氣體)被轉變成為高壓力電漿。弧光放電的發生，係在石英管225內，介於負電性陰極222與互相隔開之正電性陽極230之間(例如相隔約 300mm)。一旦正電性陽極230及負電性陰極222之間的電壓到達氬的崩潰電壓(例如約30kV)或其他氣體者，一穩定而低傳導性的電漿就立刻形成，發射出可見光、及光譜UV範圍的光。如第九圖所示，該燈能包括燈反射器262，其能用來反射該燈提供來處理半導體基板60的光。
第十及十一圖係依照本發明示範性實施例之毫秒退火系統80內的弧燈220示範性操作的示意圖。更具體地，一電漿226係收容於石英管225內，其內部藉由水壁228加以水冷卻。該水壁228係高流速注射到燈200的陰極端，及於陽極端排放。對於氬氣229亦相同真實的是，其亦於陰極端進入燈220，及從陽極端排出。形成水壁228的水，係垂直於燈軸加以注射，以致於該離心作用產生一水渦流。因此，沿著燈的中心線，形成氬氣229所用的通道。該氬氣柱229以相同於水壁228的方向來旋轉。形成電漿226後，該水壁228保護該石英管225，及限制該電漿226於中心軸。只有水壁228及電極(陰極230及陽極222)係直接接觸該高能電漿226。
第十一圖係依照本發明示範性實施例弧燈所用電極例子(如陰極230)的橫斷面視圖。第十一圖圖示一陰極230。然而，相似的結構亦能使用於陽極222。
在某些實施例中，如經歷高熱負載的電極，一或更多的電極能夠分別包括一端232。該端能夠由鎢製成。該端能耦合到及/或融合至一水冷式銅散熱體234。該銅散熱體234 能夠包括至少一部份的電極內部冷卻系統(如一或更多的水冷通道236)。該電極能進一步包括一具有水冷通道236的黃銅基底235，以提供水循環或其他流體循環，及冷卻電極。
使用於依照本發明觀點之示範性毫秒退火系統的弧燈，能夠是一種針對水及氬氣的開放流動系統。然而，基於環保理由，此兩種介質都能夠在某些實施例的封閉環路系統中加以循環。在某些實施例中，在弧燈操作期間氮氣能被注射進入該弧燈中，以控制該操作期間該循環流過弧燈之水的pH值。一水環路系統的例子，將在參照第十四圖之下，予以詳細討論。
依照本發明示範性實施例之毫秒退火系統，能包括獨立地測量半導體基板兩表面(如頂及底表面)溫度的能力。第十三圖圖示毫秒退火系統200所用之溫度測量系統150範例。
一簡化的毫秒退火系統200的代表，係圖示於第十三圖。該半導體基板60兩側的溫度，能夠獨立地藉由溫度感測器來測量，例如，溫度感測器152及154。該溫度感測器152能測量半導體基板60頂表面的溫度。該溫度感測器154能測量半導體基板60底表面。在某些實施例中，測量波長係約1400nm的窄幅示溫感測器，係能用來作為溫度感測器152及/或154，以測量(例如)半導體基板60中心區的溫度。在某些實施例中，該溫度感測器152、154能為超快幅射計(UFR)，其取樣速率係 足夠地高，以致能夠解析由該閃光加熱造成的毫秒溫度峰值。
該溫度感測器152、154的讀數，能夠係補償發射率(emissivity compensated)。如第十四圖所示，發射率補償計劃能包括診斷閃光156、一參考溫度感測器158、及該溫度感測器152、154，其係經組態以測量該半導體基板的頂及底表面。診斷性加熱及測量，係能夠使用診斷閃光156(例如測試閃光)來進行。取自參考溫度感測器158的測值，能用來作為溫度感測器152及154之發射率補償。
在某些實施例中，毫秒退火系統200能包括水視窗。該水視窗能提供光學濾器，壓抑該溫度感測器152、154測量幅度內的燈輻射，以致該溫度感測器152、154僅測得來自半導體基板的輻射。
溫度感測器152、154的讀數，能被提供到一處理器電路160。該處理器電路160係位在該毫秒退火系統200之外罩之內，可替換地，儘管該處理器電路160可遙遠地距離該毫秒退火系統200。如果想要的話，本文所述的許多功能係可由單一處理器電路來執行，或藉由其他的局部及/或遠端處理器電路組合來執行。
用於毫秒退火系統之燈的氮注射例子
依照本發明示範性觀點例子，一用於毫秒退火系統中所用弧燈內之水的pH值，藉由控制在存有高能電漿之下氮或其他試劑與水反應形成的酸的濃度，係能夠被控制在一個 範圍之內，例如約6.5~約7。在某些實施例中，氮氣或其他試劑，在操作期間，係能添加到水及高能電漿中，以控制亞硝酸或硝酸的濃度。
更具體地，一化學反應串級能夠藉由一氧化氮形成來啟動，其係在溫度超過3000K之電漿放電內所發生的基本反應，N2+O2→2NO。反應的同伴O2，係在弧燈本身內由水解反應產生，並不需要添加。
一氧化氮立即與氧反應，形成二氧化氮，2NO+O2→2NO2。存在水的情況下，二氧化氮形成亞硝酸及硝酸，2NO2+H2O→HNO2+HNO3。硝酸係強酸，及降低pH值，如下式反應：HNO3+H2O→H3O++NO3 -。亞硝酸係弱酸，及降低pH值，如以下平衡反應所示：HNO2+H2O
Figure 105142462-A0202-12-0017-20
H3O++NO2 -。在最後兩個反應式中形成的離子，也降低水阻能力(water resistivity)，及能由離子交換濾器來移除。其他適合調整pH的反應也能加以使用，而不偏離本發明範圍。
第十三圖係示範性的燈水環路300的示意圖，其設有氮氣注射，用於供應在依照本發明示範性實施例之毫秒退火系統中所使用的開放流動式氬弧燈操作時，所需的水及氬氣。
更具體地，高純水302及氬304被餵入燈220。該高純水302係用於提供水壁，及冷卻電極。遺留在燈內的是氣/水混合物306。該氣/水混合物306，在其被重新餵入燈220入口之前，係藉由分離器310被分離成為無氣水302及乾氬304。為了 在燈220上產生所需的壓力降，該氣/水混合物306係藉由水驅動噴射泵320來泵出。
一高功率電泵330，供應水壓來驅動燈220內的水壁、燈電極的冷卻水、及噴射泵320的運動流。噴射泵320下游的分離器310，係能夠從混合物(氬)，來抽出液及氣相。在重新進入燈220之前，氬進一步地在凝聚過濾器340中加以乾燥。如果需要，額外的氬能從氬源350加以供應。
水通過一或更多微粒濾器350，移除由弧光放電而噴濺在水中的微粒。離子性污染係由離子交換樹脂加以移除。一部份的水係流過混合床離子交換濾器370。該離子交換濾器370的入口閥372，能由水阻能力加以控制。如果水阻能力下降到低值以下，該閥372被開啟，當其到達一高值時，閥372關閉。該系統能包括一活性碳濾器旁環380，其中一部份的水係額外地加以過濾，以移除有機污染。為了維持水溫，水能夠通過熱交換器390。
依照示範性實施例，氮氣能從一氮氣注射源400，例如在水環路的低壓點，予以注射。例如，如第十三圖所示，氮氣(N2)能從噴射泵320的吸取埠上的氮氣注射源400來注射。因為所需要的氮氣量係非常地小，所以該氣體能藉由質流控制器404來計量。氮氣的流動，能夠藉由一或更多的氮氣注射閥406來開啟或關閉。在某些實施例中，該一或更多氮氣注射閥，包括一控制閥，例如磁力閥(solenoid valve)。在某些實 施例中，氮氣的供應壓能夠超過吸取埠上的壓力約2%。
在某些實施例中，該系統能包括一pH感測器420，及一或更多的控制裝置430，以控制氮氣從該氮氣源400的注射。該pH感測器420能經組態以測量在水環路中循環的水之其於一或更多水環路中的位置上的pH值。該pH感測器420能包括任何合適的控制裝置，用於控制該氮氣源400。例如，該控制裝置420能夠經組態以控制訊號到閥406，進而開啟或關閉該閥406。
該控制裝置430能包括任何合適的能傳送控制訊號的以調節該毫秒退火系統觀點的控制裝置。在某些實施例中，該控制裝置430能包括一或更多處理器及一或更多記憶體裝置。該一或更多處理器能執行被儲存在一或更多記憶體中的電腦可讀指令，以執行本文中所揭示的控制功能。該控制裝置430能夠是獨立式控制裝置，或是相關聯於毫秒退火系統之全部控制系統的一部份。
在某些實施例中，來自氮氣源400的氮氣注射，至少部份地基於所得的水pH值資料指示(例如經由pH感測器406)、及該燈操作狀態(如燈的開啟或關閉)，而藉由一或更多的控制裝置430加以控制。例如，如果pH值係高於一上限(如pH值係約7.0)及該燈操作狀態係開啟，則注射閥係開啟。如果該pH係下降至一下限以下(如pH值6.5)，或燈操作狀態係關閉，則該注射閥被關閉。
使氮氣注射依賴於燈操作的理由係如下述：降低反應的pH值係需要弧光放電，這意謂該弧燈必須開啟。沒有弧光放電之下，氮氣只溶解於水中。如果添加到溶解度上限以上，其將以氣體形式累積。如果在較遲的時刻啟動該燈及該反應最終發生，則硝酸/亞硝酸爆炸性地釋放，這急速地降低pH值及阻抗，導致控制上的困難。表1提供依照本發明示範性實施例之氮氣注射閥操作的概述。
Figure 105142462-A0202-12-0020-1
第十四圖係依照本發明示範性實施例的方法例子(500)的流程圖。該方法(500)能夠使用毫秒退火系統中的一或更多控制裝置來實行，例如控制裝置430。此外，基於說明及討論的理由，第十四圖圖解了以特定順序來執行的步驟。一般熟習本項技藝人士，在使用本文所提供的揭示內容之下，將瞭解的是，本文中所描述之任何方法或處理的各種步驟，係能夠被改編、修改、再安排、省略、擴張、同時執行、或在不偏離本發明範圍之下進行其他改編。
在(502)，該方法包括取得：在循環流經一毫秒退 火系統之弧燈之水所用的封閉環路中的水pH值的資料指示。例如，第十三圖的控制裝置430能夠由pH值感測器420來取得在系統300中循環的水的pH值資料指示。
在(540)，該方法包括取得弧燈的操作狀態的資料指示。例如，該控制裝置430能夠取得：指示出該弧燈係處於操作狀態開啟或操作狀態關閉的資料。
在(506)，該方法能包括：至少部份地基於pH值資料指示及操作狀態資料指示，來決定用於注射氮氣進入水環路之氮氣注射閥的操作位置。例如，該控制裝置430能夠決定：當該水pH值係高於一上限及該弧燈操作係啟動狀態時，該氮氣注射閥係被開啟。當該弧燈操作係處於斷開狀態時，該氮氣注射閥的操作位置係被決定為關閉。當水pH值係低於一下限時，該氮氣注射閥的操作位置，能被決定為關閉。
在(508)，該方法能包括：至少部份地基於該被決定的操作位置，來控制該氮氣注射閥。例如，基於該被決定的操作位置，該控制閥430能夠傳送控制訊號至閥406(如磁力閥)，以開啟或關閉該氮氣注射閥406。
對於這些在本文中揭示之示範性實施例，能完成許多變型及修改。例如在某些實施例中，該注射閥能由時間控制其開及關，或藉由水阻力控制。在某些實施例中，氮氣係由計量泵來供應。在某些實施例中，氣體的流動，能至少部份地以供應壓與吸取埠壓之間的壓力差，來做為基礎。
使用氮氣來降低/控制水pH值的優點係勝過液態或固態化學劑者，其係根基於以下事實：氮氣係易於取得的作為半導體基板熱處理用的處理氣體，因此其係非常清潔而且非可消耗的pH值降低劑的來源。此外，氮氣能夠由質流控制器來非常精確地計量。再者，在水環路充填淡水之後，氮係天然存在於水中。然而在燈操作的第一個小時期間，氮參與反應，隨後由離子交換樹脂移除反應產物，造成氮耗盡。因此，氮氣注射能被視為維持或回復水中”天然”氮氣水準的一個途徑。
雖然本發明主題係詳細地相關於其具體實施例來描述，但一般熟習本項技藝人士在瞭解前文之下，將會讚同的是，這類實施例的許多改變、變型及等價者係能夠輕易完成。因此，本發明說明書揭示範圍僅係作為示範，而非作為限制，及該主要揭示內容並未排除而包括：對於一般熟習本項技藝人士而言係可輕易完成的本發明主題的這類修改、變型及/或添加。
220‧‧‧arc lamps 弧燈
300‧‧‧lamp water loop system 燈水環路系統
302‧‧‧high purity water 高純水
304‧‧‧Argon 氬
306‧‧‧gas/water mixture 氣/水混合物
310‧‧‧separator 分離器
320‧‧‧jet pump 噴射泵
330‧‧‧high power electric pump 高功率電泵
340‧‧‧coalescing filter 凝聚過濾器
350‧‧‧Argon source 氬源
350‧‧‧particle filters 微粒濾器
370‧‧‧mixed bed ion exchange filters 混合床離子交換濾器
372‧‧‧inlet valve 入口閥
380‧‧‧activated carbon filter bypass loop 活性碳濾器旁環
390‧‧‧heat exchanger 熱交換器
404‧‧‧mass flow controller 質流控制器
406‧‧‧nitrogen gas injection valves 氮氣注射閥
420‧‧‧pH sensor pH感測器
430‧‧‧control devices 控制裝置

Claims (18)

  1. 一種毫秒退火系統，其包含：一處理室，其用於使用一毫秒退火程序來熱處理一基板；一或更多弧燈，該一或更多弧燈的每一個耦合至一水環路用於在該弧燈操作期間循環水流過該弧燈；以及其中該系統包含一氮氣注射源，其經組態而在該弧燈的操作期間引氮氣進入循環流過該弧燈的水；及其中該水循環包含一用於提供一電漿生成氣體至該弧燈的注射，該電漿生成氣體不同於該氮氣。
  2. 如申請專利範圍第1項的毫秒退火系統，其中該氮氣注射源配置於該水環路中以在水進入該弧燈之前引氮進入水。
  3. 如申請專利範圍第1項的毫秒退火系統，其中該水環路包含一噴射泵，其經組態產生一橫跨該弧燈的壓力降。
  4. 如申請專利範圍第3項的毫秒退火系統，其中該氮氣注射源係經組態以在該噴射泵的一吸取埠處引氮氣。
  5. 如申請專利範圍第1項的毫秒退火系統，其中該水環路進一步包含一入口用於提供氬氣至該燈。
  6. 如申請專利範圍第1項的毫秒退火系統，其中該弧燈係經組態而將一氬氣/水混合物排入該水環路。
  7. 如申請專利範圍第6項的毫秒退火系統，其中該水環路包含一分離器，其係經組態而在該氬氣/混合物中將氬氣與水分離。
  8. 如申請專利範圍第1項的毫秒退火系統，其中該水環路包含一或更多的微粒濾器，其經組態以移除由一電漿弧 光噴濺進入水的多個微粒。
  9. 如申請專利範圍第1項的毫秒退火系統，其中該系統進一步包含一pH感測器，其經組態以測量在該水環路中的水的一pH值。
  10. 如申請專利範圍9項的毫秒退火系統，其中該系統進一步包含一或更多控制裝置，其經組態以在該弧燈的操作期間控制氮氣注射進入循環流過該弧燈的水。
  11. 如申請專利範圍第10項的毫秒退火系統，其中該一或更多控制裝置係經組態至少部份地基於代表由該pH感測器所測得的該pH值的資料和代表該弧燈的狀態的資料而控制一氮氣注射閥的操作而將氮氣引入循環流過該水環路的水。
  12. 一種操作一水環路的方法用於在一毫秒退火系統中循環水流過一弧燈，該方法包含：藉由一或更多控制裝置，取得代表循環流過該水環路的水的一pH值的資料；藉由該一或更多控制裝置，取得代表弧燈操作的狀態的資料；至少部份地基於代表水的該pH值的資料調整循環流過該弧燈的水的該pH值；其中調整循環流過該弧燈的水的該pH值包含：藉由該一或更多控制裝置，至少部份地基於代表循環流過該弧燈的水的該pH值的資料和代表弧燈操作的狀態的資料，判定一用以將氮氣注射進入該水環路的氮注射閥的一操作位置；以及藉由該一或更多控制裝置，基於經判定的該操 作位置來控制該氮注射閥；其中當水的該pH值係在一上限以上，且弧燈操作的狀態係一啟動狀態時，該氮注射閥的該操作位置係經判定而被開啟。
  13. 如申請專利範圍第12項的方法，其中，當弧燈操作的狀態係一斷開狀態時，該氮注射閥的該操作位置係經判定而被關閉。
  14. 如申請專利範圍第13項的方法，其中，當水的該pH值係在一下限以下時，該氮注射閥的該操作位置係經判定而被關閉。
  15. 如申請專利範圍第14項的方法，其中該上限係約7.0及該下限係約6.5。
  16. 一種弧燈系統，其包含：複數個電極；一弧燈管的一或更多入口經組態在操作期間自一水環路接收水而使水循環流過該弧燈，該一或更多入口經組態接收一氣體，其中，在該弧燈的操作期間，該氣體在複數個電極之間的一弧光放電期間被轉換成為一電漿；以及其中，該水環路包含一閥用於該弧燈在操作期間注射一試劑以降低該弧燈上的一污染沈積；其中該水循環包含一用於提供一電漿生成氣體至該弧燈的注射，該電漿生成氣體不同於該氮氣。
  17. 如申請專利範圍第16項的弧燈系統，其中該試劑係氮氣。
  18. 如申請專利範圍第16項的弧燈系統，其中該試劑係一酸。
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