TWI766852B - 毫秒退火系統的氣流控制 - Google Patents

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美商得昇科技股份有限公司
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Abstract

一熱處理系統中用於氣流的系統及方法係被提供。一些實施方式中，一毫秒退火系統的處理室內部的一氣流模式可以通過實施以下的一個或多個來改進：(1)改變氣體注射入口噴嘴的方向、尺寸、位置、形狀及配置，或任意組合；(2)使用連接一毫秒退火系統的上室和下室的晶圓平面板中的氣體通道；及/或(3)使用設置於半導體基板上方的一襯板減少該處理室的有效容積。

Description

毫秒退火系統的氣流控制
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62/272，804號的優先權權益，該申請案名稱係“Gas Flow Control for Millisecond Anneal System”，其內容在本文中併入以供參考。
本發明一般關於熱處理室，及更具體地係關於用於處理基板的毫秒退火熱處理室。
毫秒退火系統能夠使用於半導體處理，而進行複數個基板的超快熱處理，例如矽晶圓。半導體處理時，快速熱處理能夠被使用作為一退火步驟以修復佈植損傷，改善複數個沈積層的品質，改善複數個層界面的品質，以活化摻雜物，並達到其他效果，同時，控制複數個摻雜物種類的擴散。
複數個半導體基板的毫秒，或超快溫度處理可以使用一密集而短暫的光的曝照以於超過每秒104℃的速率加熱該基板的整個頂表面來達到。僅在該基板一表面上的快速加熱能夠通過該基板的厚度產生一巨大溫度梯度，同時該基板的主體維持光曝照前的溫度。因此，該基板的該主體作為一散熱體，造成該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取習得。
本發明一示範性觀點，係針對一熱處理系統。該熱處理系統包括藉由一晶圓平面板而與一底室分隔的一頂室。該系統包括複數個熱源，其經組態以提供熱於一基板的熱處理。該系統包括複數個氣體入口，其經組態以注射氣體進入該處理室。該氣體入口的一或更多的方向、尺寸、位置形狀、或配置係經組態以增加橫跨該晶圓平面板的層流。
本發明另一示範性觀點，係針對一毫秒退火系統。該毫秒退火系統包括藉由一晶圓平面板而與一底室分隔的一頂室。該系統包括一或更多的弧燈，其經組態以提供閃光於一基板的熱處理。該系統包括一或更多的氣體入口，其經組態以注射氣體進入該處理室。該晶圓平面板具有至少一個氣體通道。該氣體通道的一長度等於該處理室的寬度。
本發明另一示範性觀點，係針對一毫秒退火系統。該毫秒退火系統包括藉由一晶圓平面板而與一底室分隔的一頂室。該系統包括一或更多的弧燈，其經組態以提供閃光於一基板的熱處理。該系統包括一或更多的氣體入口，其經組態以注射氣體進入該處理室。該系統包括一襯板，其以平行關係設置於該晶圓平面板之上。
本發明其他示範性觀點，係針對被用來熱處理一基板的系統、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。
38:Liner plate 襯板
60:Semiconductor substrate/Substrate 半導體基板、基板
80:Millisecond anneal system 毫秒退火系統
100:Temperature profile 溫度曲線
102:Ramp phase 升降溫相
104:Curve 曲線
110:Window 視窗
112:Curve 曲線
114:Curve 曲線
116: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:Temperature sensor 溫度感測器
160:Processor circuit 處理器電路
200:Process chamber/Lamp/Millisecond anneal system 處理室、燈、毫秒退火系統
202:Top chamber 頂室
204:Bottom chamber 底室
205:Space 空間
210:Wafer plane plate 晶圓平面板
212:Support pins 支架針
214:Wafer support plate 晶圓支架板
220‧‧‧Arc lamps/Top arc lamps/Top lamp array/Lamp array/Upper arc lamps/Lamp 弧燈、頂弧燈、頂燈陣列、燈陣列、上弧燈、燈
222‧‧‧Negatively charged cathode 正電性陽極、陽極
225‧‧‧Quartz tube 石英管
226‧‧‧Plasma 電漿
228‧‧‧Water wall 水壁
229‧‧‧Argon gas/Argon gas column 氬氣、氬氣體柱
230‧‧‧Positively charged anode 負電性陰極、陰極
232‧‧‧Tip 尖端
234‧‧‧Water cooled copper heat sink/Copper heat sink 水冷式銅散熱體、銅散熱體
235‧‧‧Brass base 黃銅基底
236‧‧‧Water cooling channels 水冷通道
240‧‧‧Continuous mode arc lamps/Bottom arc lamps/Bottom lamp array/Lamp array/Bottom lamps 連續模式弧燈、底弧燈、底燈陣列、燈陣列、底燈
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 reflectors 邊緣反射器
270‧‧‧Reflective mirrors 反射鏡
272‧‧‧Wedge reflector 楔形反射器
274‧‧‧Reflective element 反射元件
300‧‧‧Closed loop system/Gas flow system 封閉環路系統、氣流系統
302‧‧‧High purity water/Gas free water/Gas inlets 高純度水、無氣體水、氣體入口
304‧‧‧Gas outlets 氬、乾燥氬、氣體出口
306‧‧‧Gas/Water mixture 氣體/水混合物
310‧‧‧Separator/Gas channels 分離器、氣體通道
315‧‧‧Vertical center line/Gas flow 垂直中央線、氣流
320‧‧‧Water driven jet pump/Jet pump/O2 sensor 水驅動噴射泵、噴射泵、O2感測器、O2感測器
330‧‧‧High power electric pump 高功率電泵
340‧‧‧Coalescing filter/Inlets 凝聚過濾器、等入口
350‧‧‧Argon source/Particle filters/Control devices/Gate valve 氬源、微粒濾器、控制裝置、閘閥
370‧‧‧Mixed bed ion exchange filters/Ion exchange bypass 混合床離子交換濾器、離子交換濾器
372‧‧‧Inlet valve/Valve 入口閥、閥
380‧‧‧Activated carbon filter bypass loop/Liner plate 活性碳濾器旁路環、襯板
390‧‧‧Heat exchanger 熱交換器
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：第一圖係本發明示範性實施例的一示範性毫秒退火加熱曲線的一示意圖；第二圖係本發明示範性實施例的一示範性毫秒退火系統的部份的一示範性透視圖；第三圖係本發明示範性實施例的一示範性毫秒退火系統的一分解圖；第四圖係本發明示範性實施例的一示範性毫秒退火系統的一橫截面圖；第五圖係本發明示範性實施例的用於一毫秒退火系統的複數個示範性燈的一透視圖；第六圖係本發明示範性實施例的用於一毫秒退火系統的一晶圓平面板中的複數個邊緣反射器的一示意圖；第七圖係本發明示範性實施例的用於一毫秒退火系統的複數個示範性反射器的一示意圖；第八圖係本發明示範性實施例的用於一毫秒退火系統的複數個示範性弧型燈的一示意圖；第九及十圖係本發明示範性實施例的一示範性弧型燈的運作圖； 第十一圖係本發明示範性實施例的一示範性電極的一橫截面圖；第十二圖係本發明示範性實施例的用於一毫秒退火系統的一功能為供應水及氣體(例如：氬氣)至複數個示範性弧燈的示範性封閉環路系統；第十三圖係本發明示範性實施例的用於一毫秒退火系統的一溫度測量系統的一示意圖；第十四圖係本發明示範性實施例的用於一毫秒退火系統的一氣流系統的一示意圖；第十五圖係本發明示範性實施例的用於一毫秒退火系統的一溫度測量系統的一示意圖；第十六圖係本發明示範性實施例的用於一毫秒退火系統的一氣流系統的一示意圖；第十七圖係本發明示範性實施例的用於一毫秒退火系統的一氣流系統的一示意圖；第十八(a)到十八(c)圖係本發明示範性實施例的示範性氣體入口；第十九圖圖解一具有複數個氣體通道的一示範性晶圓平面板；第二十圖係本發明示範性實施例的通過一晶圓平面板中的氣體通道的氣流的一示意圖；第二十一圖圖解通過一毫秒退火系統的模擬氣流； 第二十二圖係本發明示範性實施例的通過一毫秒退火系統中的一晶圓平面板中的氣體通道的模擬氣流的一示意圖；第二十三圖係本發明示範性實施例的用於一氣流系統的一溫度測量系統的一示意圖；及第二十四圖係本發明示範性實施例的具有一示範性襯板的一示範性毫秒退火系統的一示意圖。
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，能被使到另一實施例，產生另一個實施例。因此，本發明的觀點旨在涵蓋這類的修改及變型。
概論
本發明的示範性觀點係針對一毫秒退火系統中的氣流改善。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。
一毫秒退火處理室中的半導體基板的熱處理可以在大氣壓例下的受控氣體環境中進行。主氣體可以係氮氣(N2)，但其他氣體(例如： Ar、O2、NH3或其他氣體)亦與該室兼容。在基板交換期間，處理室可以開放於晶圓操作模組的周圍空氣。因為這個原因，該室必須在熱處理開始之前被清理。
在許多情況下，一毫秒退火系統中的氣流模式可能對半導體基板的熱傳遞有影響，因此亦會影響橫跨該半導體基板的溫度均勻性。局部地，氣流藉由強制對流影響半導體基板的一特定區域的冷卻速率。橫跨並圍繞該半導體基板的一均勻的層流模式可以具有對晶圓溫度均勻性的一降低的影響。
此外，氣流模式可以對顆粒如何移動通過該室及它們如何重新分佈產生影響。典型的顆粒源係晶圓處理機械(例如：一晶圓提昇機械及用於移動放置半導體基板的機器人末端執行器)。熱半導體基板可以由於熱泳效應而排斥顆粒。然而，湍流及滯流區域可導致顆粒的再分佈及積聚，使它們沉積於半導體晶圓上。
此外，該氣流模式可以影響來自晶圓的氣態污染物如何移動通過該室。這些污染物通常係於晶圓及芯柱從表面層熱處理期間釋放，或者係熱處理步驟之前的其它處理步驟的結果。在毫秒退火系統係一冷壁系統(例如：包括複數個流體冷卻反射鏡)的實施例中，這些污染物可以沉積於反射鏡上，降低反射率並因此對晶圓溫度均勻性具有一不利影響。
根據本發明的示範性方面，一毫秒退火系統的處理室內部的一氣流模式，可以通過實施以下的一個或多個來改進：(1)改變氣體注射入口噴嘴的方向，尺寸，位置，形狀及配置，或任意組合；(2)改變連接一毫秒退火系統的上室和下室的晶圓平面板中的氣體通道的尺寸；及/或 (3)使用設置於半導體基板上方的一襯板減少該處理室的有效容積。
例如，一些實施例中，一熱處理系統可以包括藉由一晶圓平面板而與一底室分隔的一頂室。該系統可以包括複數個熱源，其經組態以提供熱於一基板的熱處理。該系統可以包括複數個氣體入口，其經組態以注射氣體進入該處理室。該氣體入口的一或更多的方向、尺寸、位置、形狀、或配置，係相對於該晶圓平面板加以安設，以增加橫跨該晶圓平面板的層流。
一些實施例中，該等氣體入口可以被配置於該頂室的複數個頂角。該等氣體入口可以定向為指向該基板。一些實施例中，該等氣體入口的至少其中之一經定位接近於該晶圓平面板。例如，至少該等氣體入口的其中之一可以定位成距離該頂室的頂部的第一距離及距該晶圓平面板的第二距離。該第一距離係大於該第二距離。這些實施例中，在一些示例中，該系統還可以包括位於該頂室的分離的各頂角中的多個氣體入口。
一些實施例中，該等氣體入口的至少其中之一經定位而與一接近該晶圓平面板的閘閥相對。該氣流系統進一步包括一或更多的通風口定位接近於該閘閥。
一些實施例中，一或更多的複數個氣體入口包括通過一反射鏡穿透至處理室中的一管道。一些實施例中，該管道可以具有一直開口端。一些實施例中，該管道可以具有垂直於一管道軸的一開口。一些實施例中，該管道可以具有相對於一管道軸成非垂直角度的一開口。
本發明另一示範性實施例係針對一毫秒退火系統。該毫秒退火系統包括藉由一晶圓平面板而與一底室分隔的一頂室。該系統包括一或更多的弧燈，其經組態以提供閃光於一基板的熱處理。該系統包括一或更 多的氣體入口，其經組態以注射氣體進入該處理室。該晶圓平面板具有至少一個氣體通道。該氣體通道的一長度係大約等於該處理室的一寬度。
一些實施例中，該晶圓平面板包括複數個氣體通道，其設置於該晶圓平面板的複數個分離側。例如，一些實施例中，該晶圓平面板包括設置於該晶圓平面板的相對側上的第一組氣體通道，以及設置於該晶圓平面板的不同相對側上的第二組氣體通道。該等第一組氣體通道各自具有一第一長度，並該等第二組氣體通道各自具有一第二長度。該第一長度可以係大於該第二長度。例如，該第一長度可以等於大約處理室的寬度，並第二長度可以小於處理室的寬度。
本發明另一示範性實施例係針對一毫秒退火系統。該毫秒退火系統包括藉由一晶圓平面板而與一底室分隔的一頂室。該系統包括一或更多的弧燈，其經組態以提供閃光於一基板的熱處理。該系統包括一或更多的氣體入口，其經組態以注射氣體進入該處理室。該系統包括一襯板，其以平行關係設置於該晶圓平面板之上。
一些實施例中，該襯板可以係石英的。一些實施例中，該晶圓平面板與該襯板的一距離係大約在30mm到大約60mm的距離。
示範性毫秒退火系統
一示範性毫秒退火系統可以被組態以提供一密集而短暫的光的曝照而於，例如，超過每秒104℃的速率加熱一晶圓的整個頂表面來達到。第一圖圖解出一半導體基板使用一毫秒退火系統而達到的一示範性溫度曲線100。如第一圖所示，該半導體基板(例如：一矽晶圓)的主體係於一升降溫相102時被加熱至一中間溫度Ti。該中間溫度可以係於大約450℃ 至大約900℃的範圍中。當達到該中間溫度Ti時，該半導體基板的該頂側可以被曝照於一加熱速率相當於大約每秒104℃的非常短促、密集的閃光下。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，係藉由該半導體的該主體作為一散熱體，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104代表半該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。如在此使用的，關於數值之字詞“大約”的使用意指所述數值的30%範圍內。
一示範性的毫秒退火系統能夠包含複數個弧燈(例如：四個氬弧燈)作為光源，可作為半導體基板頂表面的密集性毫秒長曝照-即所謂的“閃光”。當該基板已經被加熱至中間溫度時(例如：大約450℃~約900℃)，該閃光能夠被施加至該半導體基板。複數個連續模式弧燈(例如：兩個氬燈)，可以用於加熱該半導體基板至該中間溫度。一些實施例中，該半導體基板加熱至中間溫度，係通過於半導體底表面以加熱整個晶圓體主體的一升降溫速率來完成。
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可以包含一處理室200。該處理室200可以由一晶圓平面板210來分隔，成為一頂室202及一底室204。一半導體基板60(例如：一矽晶圓)，能夠由固設於一晶圓支架板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)來支撐。
如第二及四圖所示，該毫秒退火系統80可以包括複數個弧燈220(例如：四個氬弧燈)，其被排列接近於頂室202，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”)。當該基板已經被加熱至中間溫度時(例如：大約450℃~約900℃)，該閃光能夠被施加至該半導體基板。
複數個連續模式弧燈240(例如兩個氬弧燈)，係安置接近於底室204，可以用來加熱該半導體基板60至中間溫度。一些實施例中，該半導體基板60加熱至中間溫度，係由底室204透過該半導體基板的該底表面，以加熱該半導體基板60整個主體的一升降溫速率來完成。
如第三圖所示，來自底弧燈240(例如：用於加熱該半導體基板至一中間溫度)及來自頂弧燈220(例如：用於藉由閃光來提供毫秒加熱)的用於加熱該半導體基板60的光，能夠經由水視窗260(例如：複數個水冷卻石英玻璃窗)，進入該處理室200。一些實施例中，複數個該水視窗260可以包括兩個石英玻璃板的夾層，其間一個約4mm厚的水層，係由循環來冷卻該石英板，並提供一波長的光學過濾，例如，大約1400nm以上。
進一步如第三圖所示，處理室壁250可以包括複數個反射鏡270以反射加熱光。該反射鏡270可以係，例如，水冷卻的、抛光的複數個鋁板。一些實施例中，使用於該毫秒退火系統中的該弧燈主體可以包括用於燈輻射的反射器。例如第五圖圖示一頂燈陣列220及一底燈陣列240的立體透視圖，其皆可以使用於毫秒退火系統200。如圖所示，每一燈陣列220及240的主體可以包括一反射器262以用於反射該加熱光。這些反射器262可 以形成該毫秒退火系統80的該處理室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控制。一些實施例中，均勻性調諧係能夠藉由將小尺寸反射等級的反射器更換成主要反射器，及/或藉由使用被固設在晶圓周圍之晶圓支架平面上的邊緣反射器來完成。
例如，複數個邊緣反射器可以用來使光從複數個該底燈240轉向至該半導體基板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，可以用來使光從底燈240轉向至該半導體基板60的該邊緣。該邊緣反射器264可以被安裝於晶圓平面板210上，並可包圍或至少部份地包圍該半導體基板60。
一些實施例中，複數個額外的反射器亦可以被安裝於靠近晶圓平面板210的室壁上。例如，第七圖圖示反射器的例子，其能夠被安裝於處理室壁上，作為用於加熱光的反射鏡。更具體地，第七圖顯示一被安裝於下室壁254的一楔形反射器272例子。第七圖亦圖示被安裝於一上室壁252之反射器270上的一反射元件274。該半導體基板60的處理均勻性，可以藉由改變該處理室200內的楔形反射器272、及/或其他反射元件(例如：反射元件274)的反射梯度來調諧。
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該半導體基板60的該頂表面(如“閃光”)。例如，第八圖係一示範性弧燈220的橫截面圖。該弧燈220可以，例如，係一開放流動式(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)被轉變為高壓力電漿。弧光放電的發生，係於石英管225內， 介於一負電性陰極(cathode)230與一互相隔開之正電性陽極(anode)222之間(例如：相隔大約300mm)。一旦該正電性陽極222及該負電性陰極230之間的電壓到達氬的崩潰電壓(例如：大約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，該燈可以包括一燈反射器262，其能用來反射該燈提供來處理該半導體基板60的光。
第十及十一圖係依照本發明示範性實施例的毫秒退火系統80內的一弧燈220的示範性操作的示意圖。更具體地，一電漿226係收容於一石英管225內，其係藉由水壁228由內部來水冷卻。該水壁228係高流速注射至該燈200的陰極端，並於陽極端排放。對於氬氣229亦然相同的是，其亦於該陰極端進入該燈220，並從該陽極端排出。形成該水壁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，沿著燈的中央線係形成氬氣229所用的通道。該氬氣體柱229以相同於該水壁228的方向來旋轉。形成電漿226後，該水壁228保護該石英管225，並限制該電漿226於中央軸。只有該水壁228及複數個電極(陰極230及陽極222)係直接接觸該高能量電漿226。
第十一圖係依照本發明示範性實施例弧燈所用一示範性電極(例如：陰極230)的橫截面圖。第十一圖圖示一陰極230。然而，相似的結構亦能使用於該陽極222。
一些實施例中，如同經歷高熱負載的電極，一或更多的電極能夠分別包含一尖端232。該尖端能夠由鎢製成。該尖端能耦合到並/或融合至一水冷式銅散熱體234。該銅散熱體234可以包括至少一部份的電極內 部冷卻系統(例如：一或更多的水冷通道236)。該複數個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，並冷卻電極。
使用於依照本發明觀點之示範性毫秒退火系統的弧燈，可以係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一些實施例的封閉環路系統中循環。
第十二圖係本發明示範性實施例的用於一毫秒退火系統的一功能為供應運作毫秒退火系統中的該開放流動式(open flow)弧燈的水及氬氣體的一示範性封閉環路系統300。
更具體地，高純度水302及氬304被供給至燈220。該高純度水302係用於該水壁及該複數個電極的冷卻。離開該燈係一氣體/水混合物306。該水/氣體混合物306在其可被重新供給至該燈220的複數個入口之前係由分離器310分離成無氣體水302及乾燥氬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，係能夠加以使用，從混合物(氬)抽出液體及氣相。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。
水通過一或更多的微粒濾器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 來控制。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，該閥372關閉。該系統能包含一活性碳濾器旁路環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，該水能夠通過一熱交換器390。
依照本發明示範性實施例的毫秒退火系統，能包含獨立地測量半導體基板兩表面(例如：頂及底表面)溫度的能力。第十三圖圖示該毫秒退火系統200所用的一示範性溫度測量系統150。
一毫秒退火系統200的簡化的代表，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能測量該半導體基板60的一頂表面的一溫度。該溫度感測器154能測量半導體基板60的一底表面。一些實施例中，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測量，例如，該半導體基板60的一中央區的溫度。一些實施例中，該溫度感測器152、154可以係超快幅射計(UFR)，其取樣速率足夠高而可以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，可以係補償發射率(emissivity compensated)。如第十三圖所示，發射率補償計劃可以包括一診斷閃光156、參考溫度感測器158、及溫度感測器152、154，其係被組態以測量該半導體晶圓的該頂及底表面。診斷性加熱及測量，係可以使用診斷閃光156(例如：測試閃光)來進行。取自參考溫度感測器158的測值可以用來作為溫度感測器152及154之發射率補償。
一些實施例中，該毫秒退火系統200能可以包括複數個水視 窗。該複數個水視窗可以提供一光學過濾，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僅測得來自該半導體基板的輻射。
溫度感測器152、154的讀數可以被提供至一處理器電路160。該處理器電路160係位於該毫秒退火系統200的外罩內，雖然作為一種選擇，該處理器電路160可定位於距離該毫秒退火系統200遙遠的地方。如果需要的話，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。
溫度感測器152、154的該讀數可以被處理器電路160用來確定橫跨該基板的溫度分佈。該溫度分佈可提供該基板在橫跨該基板的該表面的各個位置處的溫度的一測量。該溫度分佈可於處理時提供熱均勻性的一測量。
毫秒退火系統的示範性氣流系統
第十四圖係本發明示範性實施例的用於一毫秒退火系統的一示範性氣流系統的一示意圖；一毫秒退火處理室中的半導體基板的熱處理可以在大氣壓例下的受控氣體環境中進行。主氣體可以係氮氣(N2)，但其他氣體(例如：Ar、O2、NH3或其他氣體)亦與該室兼容。在基板交換期間，處理室可以開放於晶圓操作模組的周圍空氣。因為這個原因，該室必須在熱處理開始之前被清理。
第十四圖係本發明示範性實施例的一氣流系統300的一簡化表示；該氣流系統300可以包括位於該毫秒退火系統中的該頂室202的四個頂角中的氣體入口302。氣體可以被注射進入該等氣體入口302。該氣流系 統300可以包括位於該毫秒退火系統中的該底室204的四個底角中的氣體出口304。氣體出口304可以用於從該處理室潔淨該氣體。一晶圓平面板210可以將該處理室分為該頂室202及該底室204。氣體可以通過限定在該晶圓平面板210中的複數個氣體通道310從該頂室202流至該底室204。
潔淨可以通過使高純度處理氮氣以高速率(100l/min)流過該室而完成。剩餘的污染水平可以由一O2感測器320測量。該O2感測器320可以向一或更多的控制裝置350發送指示處理室中的O2水平的信號。該等控制裝置350可以係任何合適的控制裝置，諸如一控制器，微控制器，專用積體電路，組態成執行計算機可讀指令的處理器等。當達到期望的O2水平(例如：20ppm)時可以達到該潔淨步驟的結束。此時，該等控制裝置350可以降低N2的流量率。該O2感測器320可以位於處理室的該晶圓平面板210水平處，如第十四圖所示。
藉由改變氣體注射的示範性氣流模式改善
根據本發明的示範性實施例，一毫秒退火系統中的一處理室中的該氣流模式可以藉由改變與用於注射氣體進入該處理室的氣體入口有關的入口噴嘴的方向，尺寸，位置，形狀及/或配置(或任意組合)來改善。
一些實施例中，氣體入口所定向的角度係被改變。藉由改變定向角度，可以影響該室中心的氣流分佈。第十五圖係本發明示範性實施例的一氣流系統300的一示範性實施例；第十五圖的範例中，與位於該頂室202的頂角中的所有四個氣體入口302相關的注射噴嘴可被定向成指向該室的一垂直中央線315，並且可以指向下方至該半導體基板60。在本示範性實 施例中，在該室的中央流動的氣體的數額可以相對於該室的邊緣及複數個角區域而增加。
在一些實施例中，該氣體入口噴嘴的直徑係被改變。這可以被執行以調節來自一入口噴嘴的氣體射流的出口速度。較小的直徑可以增加速度並可以延展氣體射流的範圍。此外，較小的直徑可導致在高容積流量下更多的湍流氣流，這可有益於潔淨及稀釋雜質氣體。在相同的容積流量下，較大的直徑可以減慢氣體射流。這可以有助於在熱處理期間保持該半導體基板周圍的一層流體系。這可以有益於溫度均勻性。一些實施例中，該等氣體入口的形狀可以被改變為矩狀或橢圓狀，而非環狀。一些實施例中，入口的數量可以增加以提供梳狀氣體入口配置。
一些實施例中，一或更多的氣體入口(例如：複數個額外氣體入口)位於或接近於該晶圓平面板的水平面。例如，如第十六圖所示，該氣流系統可以包括定位於靠近晶圓平面板210的氣體入口302。更具體地，該等氣體入口302位於距形成該頂室202的頂部的一水視窗260一距離d1處及距晶圓平面板的一距離d2處。該距離d1大於d2，例如比d2大至少五倍。在一些實施例中，第十六圖所示的該等氣體入口302可以係位於頂室202的頂角中的氣體入口之外的入口。這可以在其最重要的位置處直接控制環境氣體條件。
第十七圖係本發明另一示範性實施例的一氣流系統300。該氣流系統可以包括位於該頂室202的該等頂角中的氣體入口302。另外及/或在替代方案中，該氣流系統300可包括一或更多的氣體入口340，其被定位以允許氣體由位在該半導體基板60的水平上、接近晶圓平面板而與一閘 閥350(例如：室門)相對之處進入該晶圓平面板，如此使得氣體朝向閘閥350流動通過基板60，並且經由接近閘閥(例如：在閘閥凸緣上)的通氣口352、或經由位在該底室中的氣體出口304離開該室。
一些示範性實施方式中，可以通過切換閥以對處理技巧的不同階段調整流動模式。例如，在潔淨期間，所有氣體入口-包括頂部氣體入口302-係開放以用於快速和有效的清潔。在熱處理期間，該等頂部氣體入口302係被關閉，並僅接近於晶圓平面210的該等入口340開啟，於該基板60上產生一層流體系。一些實施例中，該處理室可以包括沿著與該閘閥相對的側面及沿著具有閘閥的側面延伸的氣體入口的線型陣列。
另一個實施例係藉由穿透複數個室壁反射鏡的管道將複數個氣體入口延伸至該室中。該等管道端可以具有一直開口端，一垂直於管道軸的開口，或其它合適的形狀。例如，第十八圖係本發明示範性實施例的示範性氣體入口302，其具有穿透室壁反射鏡270的複數個管道端。第十八(a)圖圖解一氣體入口302，其具有帶有一直開口端的一管道。第十八(b)圖圖解一氣體入口302，其具有帶有垂直於管道軸的一開口的一管道。第十八(c)圖圖解一氣體入口302，其具有帶有不垂直於管道軸角度的一開口的一管道。
藉由改變晶圓平面板中氣流的示範性氣流模式改善
根據本發明的示範性實施例，一毫秒退火系統的處理室內部的氣流模式可以通過改變在該毫秒退火系統中連接頂室及底室的晶圓平面板中限定的複數個氣流通道來改善。一示範性毫秒退火系統的一處理室可以藉由晶圓平面板分成一頂室及一底室。為了促進氣體在該頂室(氣體進 入該室的地方)及底氣體從該室排出的地方)中的流動，該晶圓平面板的每一側可包括複數個氣流通道(例如：槽)。
第十九圖係本發明示範性實施例的具有氣體通道310以促進氣體在一毫秒退火系統的一頂室及一底室間流動的一示範性晶圓平面板210。該等氣體通道310中的每一個具有長度L，根據本發明的示範性實施例，該等氣體通道310的長度橫跨延展該處理室的整個寬度W，如第十四圖所示。
第二十圖圖解該室一部分的橫截面圖，其示出該晶圓平面板210中的氣體通道310。複數個箭頭指示通過該等氣體通道310的氣流315的方向。如圖所示，在該處理室中的反射鏡270後面的空間205中也存在氣流315。
根據本發明的示範性方面，一毫秒退火系統的該氣流模式可以通過操縱氣體通道的尺寸和幾何結構來改善。例如，通過改變長度，可以影響該室的該角中的該流動模式。對於較短的通道，模擬顯示在該室的該角存在向上流。向上流被認為是造成該室中的顆粒的不良潔淨及一再分佈的原因。然而，根據本發明的示範性方面，將通道長度延伸至大約該室的整個寬度會提供該角中向下流的增加。
例如，第二十一圖圖解在具有一標准通道長度的晶圓平面板的處理室中，與一閘閥相對的反射鏡後面的空氣流的模擬。在通道上，該氣體朝向面板的中央移動，然後經由通道向下進入該底室，如箭頭(1)所示。在通道的外部，該氣體移動至該室的該角並如箭頭(2)所示向上延展。
第二十二圖描繪根據本發明示範性實施例於一處理室中與一閘閥相對的該反射鏡後面的氣流，其中晶圓平面板具有增加至該室寬度的一通道長度。如圖所示，通道區域中的空氣流通常如箭頭(1)所示向下。此外，該等角中的氣流從主要向上現在變為向下，如箭頭(2)所示。
一些實施例中，該晶圓平面板中與該閘閥相對的該通道的一長度，係延伸至大約該室的整個寬度。該室的該閘閥側上的該通道長度亦可以係整個寬度。該室的該等其他側上的該等通道可保持短於該室寬度，以允許將該板安裝至該室的框架。藉由前後左右通道的流動阻力的成對匹配，可以使該流動模式對稱，同時在所有角提供向下流。
例如，第二十三圖係本發明示範性實施例的一示範性氣流系統300的一示意圖。該氣流系統300包括形成於該晶圓平面板210中的通道310.2、310.4、310.6及310.8。彼此相對設置的通道310.2和310.4具有長度L1。彼此相對設置的通道310.6和310.8具有長度L2。該長度L1可以係長於該長度L2。例如，一些實施例中，該長度L1可以等於大約該處理室的寬度，並長度L2可以係小於該處理室的一寬度。
藉由額外襯板的示範性氣流模式改善
根據本發明的示範性實施例，可以通過使用該半導體基板上方的一襯板減小該室的有效容積來改進一毫秒退火系統的該處理室內部的一氣流模式。例如，一實施例中，一襯板可以放置於該晶圓平面板上方，用於以間隔平行關係保持該半導體基板。
第二十四圖係本發明示範性實施例的結合於毫秒退火系統的一示範性襯板380的一示意圖。該襯板380以間隔平行關係設置於該晶圓 平面板210之上。一些實施例中，該襯板380可以係一石英襯板。
一些實施例中，該晶圓平面板210及該襯板380之間的距離可以在大約30mm至大約60mm的範圍內。一些實施例中，襯板不密封室壁，因此允許處理氣體流入基板60上方、該板下方的容積中。該襯板380可通過抑制對流捲並且改變流向量以主要平行於基板底60的表面而在該基板60周圍產生層流體系。在一些實施例中，額外的氣體入口385可以位於該基板60及襯板380間的區域中的該室壁上。
該襯板380的額外效果係其可以屏蔽該室壁免於該基板60釋放的污染物。該襯板38-可以被該半導體基板及燈輻射被動地加熱，與冷的該室壁相比有效地減少了沉積的可能性。
該襯板380的另一個效果係其可以減少有效的潔淨容積。由該基板60及該襯板380形成的一屏蔽容積之外的雜質氣體可以被屏蔽。該屏蔽容積外的氣體的洩漏速率可以由該襯板周邊及該室壁間的間隙設定。
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，將會贊同的是，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含：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。
202‧‧‧Top chamber 頂室
204‧‧‧Bottom chamber 底室
210‧‧‧Wafer plane plate 晶圓平面板
300‧‧‧Closed loop system/Gas flow system 封閉環路系統、氣流系統
302‧‧‧High purity water/Gas free water/Gas inlets 高純度水、無氣體水、氣體入口
304‧‧‧Gas outlets 氬、乾燥氬、氣體出口
310‧‧‧Separator/Gas channels 分離器、氣體通道
320‧‧‧Water driven jet pump/Jet pump/O2 sensor 水驅動噴射泵、噴射泵、O2感測器、O2感測器
350‧‧‧Argon source/Particle filters/Control devices/Gate valve 氬源、微粒濾器、控制裝置、閘閥

Claims (5)

  1. 一種毫秒退火系統，其包含：一處理室，其包含藉由一晶圓平面板而與一底室分隔的一頂室；一或更多的弧燈，其經組態以提供閃光予一基板的熱處理；一或更多的氣體入口，其經組態以注射氣體進入該處理室；其中該晶圓平面板包含複數個氣體通道，其設置於該晶圓平面板的多個分離側上，該氣體通道各自具有一線性延伸的連續長度，其中該複數個氣體通道包含一第一組氣體通道，該第一組氣體通道各自設置於該晶圓平面板的相對側上，以及一第二組氣體通道，該第二組氣體通道各自設置於該晶圓平面板不同的相對側上；且其中該第一組氣體通道各自具有一第一長度，該第二組氣體通道各自具有一小於該第一長度的第二長度。
  2. 如專利申請範圍第1項的毫秒退火系統，其中該第一長度係大約等於該處理室的寬度及該第二長度係小於該處理室的寬度。
  3. 一種毫秒退火系統，其包含：一處理室，其包含藉由一晶圓平面板而與一底室分隔的一頂室；一或更多的弧燈，其經組態以提供閃光予一基板的熱處理；一或更多的氣體入口，其經組態以注射氣體進入該處理室；以及一襯板，設置於該基板上方且在該一或更多的氣體入口下方處，該襯板以平行關係被設置於該晶圓平面板上方，該襯板係經配置以便在該基板上方與該襯板下方產生一層流體系； 其中該襯板位於該處理室內部，該襯板不密封至該處理室的一室壁上，該襯板係設置為允許氣體流入該襯板下方的空間；其中該襯板具有一圍繞該襯板的周邊，於該處理室內部該周邊自該處理室壁間隔開一空隙。
  4. 如專利申請範圍第3項的毫秒退火系統，其中該襯板包含石英。
  5. 如專利申請範圍第4項的毫秒退火系統，其中該晶圓平面板與該襯板之間的一距離係在大約30mm到大約60mm的範圍。
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