TWI736684B - 具有收集器裝置之熱處理系統 - Google Patents

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Abstract

本發明涉及一種熱處理系統(100)，其包括能夠接受複數個底材(10)之一腔室(2)，在該腔室(2)遠端部分之一氣體入口路徑(5)，以及供熱處理期間所產生氣體及/或揮發物種用之一出口路徑(6)，其位於該腔室(2)近端部分。該熱處理系統(100) 在該腔室(2)近端部分包含一收集器裝置(200)，其界定出與該出口路徑(6)有連通之一隔間，旨在使氣體和揮發物種在其中循環，以促使揮發物種之沉積物(7)沉積在該收集器裝置(200)之內表面。

Description

具有收集器裝置之熱處理系統
本發明涉及一種熱處理系統，其包括能夠接受複數個底材之一腔室。該系統被提供成具有一收集器裝置，透過將部分待排出氣體凝結，以限制腔室內壁上之沉積物，並限制底材卸載步驟期間所引發之特定污染。
矽底材或絕緣體上矽(silicon-on-insulator，SOI)底材一般用於製作微電子元件。眾所周知，此等底材包含設置在一支撐底材上之一矽有用層及一埋置氧化物層。為了讓底材上之電晶體整合性更高，減少組成元件之橫向尺寸及蝕刻薄度，需要底材在結晶品質與層均勻度兩方面，以及特定污染情況等方面皆能提高品質。
為了製作SOI底材，需要施加高溫熱處理，尤其在將鍵合介面壓密化之步驟期間，或是矽有用層與埋置氧化物層的完成階段。能夠同時處理複數個底材的熱處理系統，尤其是垂直爐管，特別適合這類步驟。如圖1a所繪示，一垂直爐管1主要由一腔室2(或管體)構成，在腔室2內部，支撐著複數個底材10之一裝載柱(loading column)3，可進行垂直平移移動(vertical translation movement)，以裝載或卸載該些底材10，並使其保持在腔室2中。圍繞腔室2設置之多個加熱元件4，以及用於新氣體之至少一入口路徑5與用於待排出氣體之一出口路徑6，也構成了這類爐管。
作為一示例，SOI底材可在惰性氣體環境下接受一高溫熱處理 (＞ 1100℃) ，以將矽表面平滑化，及/或溶解全部或部分埋置氧化物(稱為BOX)。在這些熱處理條件下，觀察到BOX厚度因為溶解現象而減少。所述溶解反應之一產物為氣態一氧化矽(SiO)。所述一氧化矽以與溶解速度成比例的量，從該些SOI底材表面散逸，然後被循環於直立爐管1之腔室2內之導熱氣體流(stream of heat-transfer gas)，帶往設置在腔室2底部之爐管出口路徑6(也稱為排氣口)。2010年發表於期刊Solid State Phenomena 第156 – 158卷第69-76頁由O. Kononchuck 等人所著文章「CMOS應用之SOI技術新趨勢」(Novel trends in SOI Technology for CMOS applications)，特別報告了該溶解現象。
在腔室2之底部，當氣體離開接近加熱元件4的區域時會逐漸冷卻，並朝排氣口6循環。因為SiO在導熱氣體中溶解性不高，故SiO低於一臨界溫度便會凝結在爐管1底部的固體部分上：主要在腔室2內壁、出口路徑6之導管，以及底材10之裝載柱3下部(圖1b)。在底材10的整個處理過程中，沉積物7會變厚，其厚度可達數微米。沉積物是由 SiO、矽、SiO2 構成之混合物，其處於相當大的壓力下，且當其變得太厚時，會以薄屑(shavings)形式分層剝離。在爐管1的裝載及卸載階段，裝載柱3會進出腔室2，然後底材10直接進入有SiO沉積物7存在之腔室2底部 (圖 1c)。沉積物7之分層剝離造成底材10之特定污染，對底材的最終品質尤其不利。
石英保護篩網(protective screens)可以貼著腔室2底部放置，以收集大部分的SiO沉積物7，從而確保爐管1之腔室2的完整性。這些篩網具犧牲性(sacrificial)：其可加以更換，以大幅延長腔室2之使用壽命，因腔室2為熱處理系統的極其昂貴部件，更換需要很長時間。
然而，除非保護篩網經常更換(但經濟上並不合算)這些保護篩網並非底材10受到SiO沉積物剝離特定污染問題的解決方法，因為在裝載及卸載步驟期間，底材10之裝載柱3仍會繼續通過受污染的保護篩網附近。
本發明之目標在於解決上述全部或部分缺點。本發明之一標的為設有一收集器裝置之一熱處理系統，該收集器裝置可在底材輸送區域(substrate transit areas)中減少或消除熱處理系統腔室中存在的沉積物，以避免不利於底材品質之特定污染。
本發明涉及一種熱處理系統，其包括能夠接受複數個底材之一腔室，在該腔室遠端部分之一氣體入口路徑，其位置與該些底材進入該腔室之區域相對，以及用於熱處理期間產生之氣體及/或揮發物種之一出口路徑，其位於該腔室之近端部分，靠近該些底材進入該腔室之所述區域；該熱處理系統之特徵，在於其在該腔室近端部分包括一收集器裝置，該收集器裝置： • 設有被定向為朝向該腔室遠端部分之一圍阻開口(confinement opening)， • 界定出與該出口路徑有連通之一隔間，該隔間被組構成使氣體及揮發物種，經由該圍阻開口進入該隔間，並穿過該隔間而到達該出口路徑，以促使揮發物種之沉積物沉積在該收集器裝置之內表面。
在該腔室中循環的氣體和揮發物種，在揮發物種可能會凝結並形成沉積物之腔室近端部分，被收集至收集器裝置之隔間內。若有任何沉積物必然形成，該沉積物至少有部分會產生在該收集器裝置之隔間內表面。若發生(沉積物)分層剝離情況，其微粒實質上在該收集器裝置之隔間內產生，而不是在該腔室內：如此，可在運送裝載柱(用於系統裝載及/或卸載)中之底材時，大幅限制特定污染之風險。
不論單獨或組合實施，本發明的有利特點包括： • 該收集器裝置具有一中空圓筒的大致形狀且具有環形截面，所述環形截面形成該隔間之一截面； • 該收集器裝置具有一中空圓筒的大致形狀且具有環形截面，所述環形截面形成該隔間之一截面； • 該隔間之截面具有1至10毫米之寬度，較佳者為5毫米； • 該圍阻開口在該腔室所在位置處之溫度，高於揮發物種之臨界凝結溫度； • 該隔間包含被安排成靠著該腔室一內壁之一第一筒壁，以及設有至少一沖洗孔之一第二筒壁； • 該收集器裝置具有可被插入出口路徑之一梢部，該梢部之一端與該隔間相連通； • 該收集器裝置為可拆式； • 該收集器裝置由選自石英、碳化矽、矽、氮化鋁及氧化鋁之一材料形成。
本發明之圖式為概要描繪，不應被解釋為具有限制作用。圖式中相同參考符號可用於類似元件。
本發明涉及一種熱處理系統100，其能夠處理複數個底材10。如圖2a及2b所示，熱處理系統100包含能夠接受複數個底材10之一腔室2，該些底材10由一裝載柱3所支撐。該系統100也包含一氣體或氣體混合物的入口路徑5，其位於腔室2之一第一部分，稱為遠端部分。遠端部分可理解為就腔室2而言，與底材10進入腔室2之區域相對之一端。此理解在熱處理系統中是常見的，不論在水平或垂直腔室中，氣體注入腔室2的一端通常為遠端部分。系統100也包含供熱處理期間可能產生之氣體及/或揮發物種使用之一出口路徑6。所述出口路徑6位於腔室2之一第二部分，稱為近端部分；近端部分是就腔室2而言，靠近底材10進入腔室2的那部分。
舉例而言，如前所述，在SOI底材平滑化之熱處理期間，在大約1100℃溫度下，由入口路徑5注入之氣體係一惰性氣體(例如氬)時，會發生埋置氧化物之溶解現象，因而產生一揮發性化合物：即氣態一氧化矽(SiO)。該SiO揮發性物種接著被氬氣流帶往出口路徑6。
熱處理系統100也包含一收集器裝置200，其位於腔室2之近端部分。收集器裝置200界定出與出口路徑6有連通之一隔間201，旨在使氣體和揮發物種在其中循環從而被排出。收集器裝置200位置在腔室2之近端部分，因為該處與系統100之加熱元件4有距離，其溫度因而下降。在這部份，氣體及揮發性物種會冷卻：全部或部分氣體及/或揮發性物種因此可能會凝結在所接觸之元件壁面，形成一沉積物7，下文稱為污染沉積物。氣體及揮發性物種在隔間201內部的強制性循環，可促使污染沉積物形成在收集器裝置200之隔間201內表面。因此可限制所述污染沉積物7形成在腔室2之內壁及/或收集器裝置200之外表面上，以及裝載柱3之下部(亦即位於腔室2近端部分者)。若發生分層剝離情況，微粒實質上是在收集器裝置200之隔間201內產生，而不是在腔室2內產生：在系統100裝載及卸載時，這大大地限制了輸送裝載柱3支撐之底材10期間遭受特定污染之風險。
收集器裝置200之隔間201設有被定向為朝向腔室2遠端部分之一圍阻開口202。隔間201透過所述圍阻開口202與腔室2有連通。在腔室2內部循環之氣體及揮發性物種，其循環從入口路徑5朝出口路徑6，會經由圍阻開口202進入隔間201，並穿過隔間201而到達出口路徑6，而路徑6與隔間201有連通。為了到達出口路徑6，所述氣體及揮發性物種因此被迫循環穿過收集器裝置200之隔間201。
圍阻開口202位在腔室2中央區域下方，中央區域即裝載柱3裝有底材之區域。
本發明有利的是，圍阻開口202在腔室2中所在位置處之氣體與揮發性物種的溫度，高於全部或部分揮發物種之臨界凝結溫度。就凝結部分而言，當氣體經由圍阻開口202進入後，污染沉積物會沉積在隔間201之內壁上，因此可防止沉積物在底材裝載或卸載期間生成在可能釋出微粒到底材之壁面上，或生成在裝載柱3的底部上，這些地方的更換或清潔既困難也昂貴。
在所述之垂直熱處理系統100中，圍阻開口202所在位置之高度，會界定出揮發性物種進入隔間201時的溫度。該高度通常對應於底材10之入口(垂直爐管底部)與圍阻開口202之間的距離。為了避免腔室2內壁上的污染沉積物7，收集器裝置200的高度被選定成使揮發性物種進入隔間201時之溫度，高於其臨界凝結溫度(Tc ) 。
以SiO揮發性物種為例，其進入隔間201之圍阻開口202時的溫度大約1100℃，而其臨界凝結溫度大約為1050℃。舉例而言，在垂直爐管100中，若腔室2具有長度 170公分，以及直徑35公分之截面，圍阻開口202之高度大約30公分，而裝載柱3支撐底材10之中央區域，其高度由45公分處延伸到150公分處。
取決於熱處理系統100中所實施之方法，其由溫度曲線、氣體與揮發性物種之類型所界定，腔室2內收集器裝置200之圍阻開口202的高度可能會不同，以適應該些物種在臨界凝結溫度下之高度。因此，取決於所實施之方法，可以有具特定尺寸之不同收集器裝置200。
顯然，收集器裝置200之圍阻開口202之高度，有利地低於最接近腔室2入口區域之底材所在高度。
同樣地，就相同方法而言，收集器裝置200之圍阻開口202高度，可根據熱處理系統100之類型(其尺寸、其溫度控制等)而調整，因為不同系統之腔室2內的溫度曲線可能不同。
根據一第一實施例，收集器裝置200具有一中空圓筒部分的大致形狀，且具有環形截面(圖3a及3b)。所述環形截面形成隔間201之截面。圍阻開口202具有環形截面一部分的形狀。本發明有利的是，收集器裝置200包含可被插入出口路徑6之一梢部203，以保護出口路徑6之至少部分導管內壁免於污染沉積物7。梢部之一端與隔間201有連通。
圖3b繪示根據所述第一實施例之系統100之腔室近端部分之局部視圖。隔間201之一第一筒壁被安排成靠著腔室2內壁，筒壁此處可理解為指的是形成完整或一部分圓筒之壁面。一第二筒壁與第一筒壁相對，朝向腔室2之內部，該第二筒壁具有之高度實質上等於第一筒壁之高度。圖中的梢部203已被插入出口路徑6。
根據另一替代方案，被安排成靠著腔室2內壁之第一筒壁，可延伸整個內壁而不僅是一部分，但第二筒壁可僅在一圓筒部分界定出該隔間。
根據一第二實施例，如圖4a及4b所示，收集器裝置200具有一中空圓筒的大致形狀且具有環形截面，所述環形截面形成隔間201之截面。圍阻開口202具有環形截面的形狀。本發明有利的是，收集器裝置200包含可被插入該出口路徑6之一梢部203(因為在背後位置，無法在圖式中直接看到)。
在第一及第二實施例所述任一組構中，氣體流會進入隔間201。位於腔室2近端部分(圍阻開口202及腔室2入口間)之氣體量因此係一無效體積(dead volume)，不會產生沉積物7。 但基於系統100之爐門開啟的過熱保護(thermal protection)考量，在所述近端部分維持小量氣流是有利的。因此，根據一替代方案，隔間201之第二筒壁具有至少一沖洗孔204。這可確保清除隔間201之圍阻開口202與腔室2入口間的氣體量。然而，必須確保沖洗孔204的總截面相較於圍阻開口202之截面是可忽略不計的，以盡可能地限制污染沉積物7在腔室2內部或隔間201之第二筒壁外表面上 (即腔室2裡面)的形成。
本發明有利的是，隔間201及圍阻開口202之截面寬度在1至10毫米範圍內，較佳者為5毫米。此寬度界定出收集器裝置200之厚度，且此寬度受到裝載柱3進入腔室2需要之限制。
本發明有利的是，收集器裝置200由選自石英、碳化矽、矽、氮化鋁及氧化鋁之一材料製成。
本發明有利的是，收集器裝置200被組構為可拆式。收集器裝置200從系統100拆下後，可加以清潔而清除污染沉積物7。然後收集器裝置200可以再安裝到熱處理系統100重新使用。
本發明在SOI底材平滑化之熱處理期間特別有用，該熱處理期間會造成埋置氧化物溶解，並產生待排出之氣態SiO物種，其會因冷卻而在壁面上凝結並形成沉積物7。
本發明明顯可用於其他類型熱處理，例如當腔室2中所提供氣態物種之一部分在低於一定溫度時很可能會凝結並形成沉積物7，而之後的沉積物分層剝離不利於所處理底材之品質時，本發明亦可適用。
本發明是參考具有垂直結構(即其腔室之主要空間為垂直定置)之熱處理系統加以說明。本發明也可以製作具有水平結構之熱處理系統。
除此之外，本發明不限於所述實施例，並且可在不超過本發明專利申請範圍的情況下提供變化例。
1‧‧‧垂直爐管2‧‧‧腔室3‧‧‧裝載柱4‧‧‧加熱元件5‧‧‧入口路徑6‧‧‧出口路徑7‧‧‧沉積物10‧‧‧底材100‧‧‧熱處理系統200‧‧‧收集器裝置201‧‧‧隔間202‧‧‧圍阻開口203‧‧‧梢部204‧‧‧沖洗孔
本發明之其他特點及優點將在以下參考所附圖式之詳細說明中清楚彰顯，其中： - 圖1a、1b及1c繪示一習知垂直爐管之組構； - 圖2a及2b繪示根據本發明所提供之設有一收集器裝置之熱處理系統； - 圖3a及3b繪示根據本發明之一收集器裝置之一實施例； - 圖4a及4b繪示根據本發明之一收集器裝置之另一實施例。
2‧‧‧腔室
3‧‧‧裝載柱
4‧‧‧加熱元件
5‧‧‧入口路徑
6‧‧‧出口路徑
7‧‧‧沉積物
100‧‧‧熱處理系統
200‧‧‧收集器裝置

Claims (9)

  1. 一種熱處理系統(100)，其包括能夠接受支撐著複數個底材(10)之一裝載柱(3)之一腔室(2)，在該腔室(2)遠端部分之一氣體入口路徑(5)，其位置與該些底材進入該腔室之區域相對，以及供熱處理期間所產生氣體及/或揮發物種用之一出口路徑(6)，其位於該腔室(2)近端部分，靠近該些底材進入該腔室之區域；該熱處理系統(100)之特徵在於其在該腔室(2)近端部分包括一收集器裝置(200)，該收集器裝置：設有被定向為朝向該腔室(2)遠端部分之一圍阻開口(202)，且界定出與該出口路徑(6)有連通之一隔間(201)，該隔間被組構成使氣體及揮發物種經由該圍阻開口(202)進入該隔間(201)並穿過該隔間而到達該出口路徑(6)。
  2. 如申請專利範圍第1項之熱處理系統(100)，其中該收集器裝置(200)具有一中空圓筒部分的大致形狀且具有環形截面，所述環形截面形成該隔間(201)之一截面。
  3. 如申請專利範圍第1項之熱處理系統(100)，其中該收集器裝置(200)具有一中空圓筒的大致形狀且具有環形截面，所述環形截面形成該隔間(201)之一截面。
  4. 如申請專利範圍第2或3項之熱處理系統(100)，其中該隔間(201)之截面具有1至10毫米之寬度。
  5. 如申請專利範圍第1項之熱處理系統(100)，其中該圍阻開口(202)於該腔室(2)中所在位置處之溫度，高於揮發物種之臨界凝結溫度。
  6. 如申請專利範圍第1項之熱處理系統(100)，其中該隔間(201)包含一第一筒壁，其被安排成靠著該腔室(2)之一內壁，以及一第二筒壁，該第二筒壁設有至少一沖洗孔(204)。
  7. 如申請專利範圍第1項之熱處理系統(100)，其中該收集器裝置(200)包含可被插入該出口路徑(6)之一梢部(203)，該梢部(203)之一端與該隔間(201)有連通。
  8. 如申請專利範圍第1項之熱處理系統(100)，其中該收集器裝置(200)為可拆式。
  9. 如申請專利範圍第1項之熱處理系統(100)，其中該收集器裝置(200)由選自石英、碳化矽、矽、氮化鋁及氧化鋁之一材料形成。
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