TWI776859B - 旋轉器蓋 - Google Patents

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艾姆瑞 庫法奇
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Abstract

本文描述的實施方式大體涉及具有用於預加熱處理氣體的旋轉器蓋的處理設備。所述設備包括腔室主體，所述腔室主體具有界定內部處理區的側壁和底壁。所述腔室還包括設置在所述腔室主體的內部處理區中的基板支撐件、環支撐件和旋轉器蓋。所述旋轉器蓋設置在環支撐件上。所述旋轉器蓋是不透明石英材料。所述旋轉器蓋有利地提供更有效的處理氣體加熱，由能夠承受處理條件同時提供更有效和均勻的處理的材料構成，且具有低CTE從而減少由於處理期間過度膨脹而導致的顆粒污染。

Description

旋轉器蓋
本文描述的實施方式大體涉及基板的熱處理。
基板的熱處理是半導體製造業的重要部分。基板在多種處理和設備中經受熱處理。在一些處理中，基板經受退火熱能，而在其他處理中，基板可能還要經受氧化型其他反應性化學條件。一個接一個的基板被放在設備中、加熱以進行處理、然後冷卻。用於熱處理基板的設備每天可經歷數百個極端加熱和冷卻循環。
除了基板的熱處理，操作設備的許多方面可能需要具有某些電學、光學或熱性質的材料。除複雜度增加外，半導體元件尺寸的不斷縮小依賴於對例如輸送至半導體處理腔室的處理氣體的流動和溫度的更加精確的控制。在橫流（cross-flow）處理腔室中，處理氣體可被輸送至腔室且被引導跨過待處理的基板的表面。對希望延長設備在它們所經受的極端條件下的使用壽命的人員而言，設備的設計存在艱巨的工程挑戰。
因此，存在對能夠在現代半導體處理的極端熱循環下可靠地運行的設備的需要。
本文描述的實施方式大體涉及熱處理設備。在一個實施方式中，揭示一種用於熱處理腔室的旋轉器蓋。所述旋轉器蓋包括具有內部分和外部分的環件（annulus）。所述環件是不透明石英材料。
在另一實施方式中，揭示一種用於處理基板的設備。所述設備包括腔室主體，所述腔室主體具有界定內部處理區的側壁和底壁。腔室還包括設置於所述腔室主體的內部處理區中的基板支撐件、環支撐件（ring support）、和設置於所述環支撐件上的旋轉器蓋。所述旋轉器蓋是不透明石英材料。
在又一實施方式中，揭示一種用於處理基板的設備。所述設備包括腔室主體，所述腔室主體具有界定內部處理區的側壁和底壁。腔室還包括設置於所述腔室主體的內部處理區中的基板支撐件、環支撐件、和設置於所述環支撐件上的旋轉器蓋。所述旋轉器蓋包括外部分和內部分。所述外部分具有與所述內部分大致相同的高度。
本文描述的實施方式大體涉及具有用於預加熱處理氣體的旋轉器蓋的處理設備。旋轉器蓋設置於環支撐件上。旋轉器蓋可具有與處理氣體入口相鄰的分段。所述分段包括頂表面，所述頂表面包括增加表面面積的特徵。旋轉器蓋是不透明石英材料。旋轉器蓋有利地提供處理氣體的更有效加熱，旋轉器蓋由能夠承受處理條件同時提供更有效和均勻的處理的材料構成，並且旋轉器蓋具有低CTE從而減少由於處理期間過度膨脹而導致的顆粒污染。
圖1是根據本文描述的實施方式的處理腔室100的截面圖。在一個實施方式中，處理腔室100是快速熱處理腔室。在此實施方式中，處理腔室100被配置為快速加熱基板以從基板的表面揮發材料。在一個實例中，處理腔室100可以是基於燈的快速熱處理腔室。合適的處理腔室的實例包括可從加利福尼亞州聖克拉拉市的應用材料公司（Applied Materials, Inc., Santa Clara, CA）獲得的VULCANTM 、RADOXTM 和RADIANCE® 工具。應瞭解，來自其他製造商的合適地配置的設備也可根據本文描述的實施方式而有利地實施。
要在腔室100中處理的基板112透過閥或進出口（未示出）提供至腔室100的處理區118中。基板112的周邊被環形基板支撐件114支撐，基板支撐件114具有接觸基板112的角部的環形架。環形架可具有平的、彎曲的或傾斜的表面以用於支撐基板。當基板112被運送至和運送出基板移送設備（諸如將基板112提供至腔室100內的機械手葉片（未示出））和基板支撐件114時，三個升降銷122可被升舉和降低以支撐基板112的背面。處理區118的上側由透明石英窗120限定，處理區118的下側由基板112或由基板支撐件114所限定的基板平面限定。
為了加熱基板112，輻射加熱元件110安置在窗120上方以將輻射能導向基板112。在腔室100中，輻射加熱元件110可包括大量的安置在各個反射管中的高強度鹵鎢燈，反射管以六邊形緊密封裝陣列佈置在窗120上方。如本文中提供的，快速熱處理（RTP）指能夠以約50℃/秒和更高的速率，例如以約100℃/秒至約150℃/秒，和約200℃/秒至約400℃/秒的速率均勻地加熱基板的處理設備。RTP腔室中典型的降溫（冷卻）速率在約80℃/秒至約150℃/秒的範圍內。RTP腔室中執行的一些處理要求跨基板的溫度變化小於幾攝氏度。因此，RTP腔室可包括能夠以高達約100℃/秒至約150℃/秒和約200℃/秒至約400℃/秒的速率加熱的燈或其他合適的加熱系統和加熱系統控制。
然而，可替代使用其他輻射加熱設備以提供輻射熱能至腔室100。通常，燈涉及電阻加熱以快速地提高輻射源的能量輸出。合適的燈的實例包括白熾燈、鎢鹵白熾燈以及閃光燈，白熾燈和鎢鹵白熾燈具有包圍燈絲的玻璃或矽石外殼，閃光燈包括包圍氣體的玻璃或矽石外殼，閃光燈諸如氙氣燈和弧光燈，氙氣燈和弧光燈可包括包圍氣體或蒸汽的玻璃、陶瓷或矽石外殼。這些燈通常在氣體被激發時提供輻射熱。如本文提供的，術語燈意欲包括具有包圍熱源的外殼的燈。燈的「熱源」指能夠增加基板的溫度的材料或元件，例如，能被激發的燈絲或氣體。
本發明的某些實施方式也可應用於閃光退火。如本文所使用的，閃光退火指在5秒內，諸如小於1秒，且在某些實施方式中數毫秒內使基板退火。
處理腔室100可包括平行於基板112的背面延伸且面向基板112的背面的反射器128。反射器128將從基板112發射的熱輻射反射回基板112以嚴密地控制跨基板112的均勻溫度。分區加熱的動態控制被透過一或多個光學光管142而耦接的一或多個高溫計146影響，一或多個光學光管142被安置成穿過反射器128中的孔而面向基板112的背面。一或多個高溫計146量測跨靜止或旋轉基板112的半徑的溫度。光學光管142可由包括藍寶石、金屬和矽纖維的多種結構形成。在處理期間，電腦化控制器144接收高溫計146的輸出並相應地控制提供至加熱元件110的電壓以由此動態地控制輻射加熱強度和圖案。
處理腔室100包括旋轉器136。藉由將旋轉器136磁耦合至安置在腔室100外部的磁致動器130，旋轉器136允許基板112繞基板中心138旋轉。旋轉器136包括諸如含鐵材料之類的導磁材料。旋轉器蓋132可移除地設置在環支撐件134上，環支撐件134耦接至腔室主體108。旋轉器蓋132設置在旋轉器136之上以保護旋轉器136免受處理區118中產生的極端處理環境的影響。在一個實施方式中，環支撐件134是下襯裡且由石英製成。當基板支撐件114處於處理位置時，旋轉器蓋132限制基板支撐件114。旋轉器蓋132由黑石英形成，但應理解，旋轉器蓋132可由其他材料，諸如塗覆碳化矽的石墨形成。旋轉器蓋132包括與處理氣體入口140相鄰設置的分段129。分段129具有頂表面131，在操作期間處理氣體從處理氣體入口140流經頂表面131。頂表面131可包括增大頂表面131的熱導的特徵。在具有增大的熱導時，處理氣體的預加熱被改善，從而導致提高的處理氣體活化。下面詳細描述旋轉器蓋132。
加熱元件110可適於提供熱能至基板和旋轉器蓋132。在操作期間旋轉器蓋132的溫度比基板112的 溫度低約100攝氏度至約200攝氏度。在一個實施方式中，基板支撐件114被加熱至1000攝氏度且旋轉器蓋132被加熱至800攝氏度。在操作期間旋轉器蓋132通常具有約300攝氏度與約800攝氏度之間的溫度。當處理氣體經過處理氣體入口140流到處理腔室100中時，被加熱的旋轉器蓋132活化處理氣體。處理氣體透過處理氣體出口148離開處理腔室100。因此，處理氣體沿大體平行於基板的上表面的方向流動。加熱元件110促進處理氣體熱分解至基板上以在基板上形成一或多個層。
圖2A示出根據本文描述的一個實施方式的旋轉器蓋132的俯視圖。在操作期間，處理氣體流過旋轉器蓋132，如圖2A所示。在一個實施方式中，旋轉器蓋132在「L1」處包括切口或間隙以減輕可在處理期間出現的熱膨脹問題。旋轉器蓋132是在旋轉器136之上的環件，或者在旋轉器蓋具有間隙的情況中是大致環形主體，旋轉器蓋132具有朝向基板支撐件114延伸的內部分202和緊密接觸環支撐件134或與環支撐件134非常近的外部分204。在一個實施方式中，旋轉器蓋132是具有凹形表面的環件，所述凹形表面在內部分202與外部分204之間延伸。在一些實施方式中，旋轉器蓋132具有成角度的頂表面131，使得外部分204附近的高度大於內部分202的高度，如圖2B和圖3中可見。在一些情形中，外部分204可與氣體入口140在同一平面上或與氣體入口140對齊，而內部分202在氣體入口140之下的高度處。頂表面 131可以是凹形的。在另一實施方式中，內部分202的高度在基板112之下。在一個實施方式中，旋轉器蓋的全部邊緣是彎曲的，以致旋轉器蓋不具有尖銳邊緣。在一個實施方式中，旋轉器蓋132的外部分204可以是彎曲的。
旋轉器蓋132可包括從旋轉器蓋132的主體部分209向內徑向凸出的內唇206。內唇206可設置成與基板支撐件114相鄰。內唇206可在旋轉器蓋132的內部分202中。內唇206的厚度可小於主體部分209的厚度。在一個情形中，頂表面131向內徑向延伸得比底表面208遠。在這種情形中，內唇使頂表面131延伸至內部分202，而底表面208藉由彎曲的凹形部分207連接至內部分202。
內部分202可允許空氣在相鄰於旋轉器136的旋轉器蓋132之下流動和冷卻。當旋轉器蓋132被安裝在處理腔室，諸如腔室100中時，底表面208可與環支撐件134接觸。在一個實施方式中，底表面208與頂表面131相對。底表面208可包括彎曲邊緣。在一個實施方式中，內唇206比底表面208徑向向內延伸得遠。在一個實施方式中，內唇206藉由彎曲的凹形部分207連接至底表面208，彎曲的凹形部分207藉由彎曲的凸形部分205與底表面208連接。
內部分202可以是垂直內壁，如圖2B所示。在其他實施方式中，內部分202可以是朝向頂表面131或朝向底表面208傾斜的傾斜或彎曲的內壁。因此，在一些情形中，內部分202藉由成角度的表面與頂表面131連接，所述成角度的表面從內部分202向上傾斜至頂表面131。在其他情形中，內部分202藉由成角度的表面與底表面208連接，所述成角度的表面從內部分202向下傾斜至底表面208。
圖2C示出根據本文描述的另一實施方式的旋轉器蓋132的透視圖。旋轉器蓋132具有大致平坦頂表面131、內部分202和外部分204。內部分202和外部分204都是透過彎曲的邊緣而與頂表面131連接的大致垂直壁。旋轉器蓋132在外部分204附近的高度與在內部分202附近的高度大致相同，如圖2C和圖4所見。換句話說，頂表面131從內部分202至氣體入口140可為大致水平的。大致平坦頂表面131可幫助保持從氣體入口140至基板112的跨旋轉器蓋132的層流，並防止氣體和反應物在腔室外部附近轉向。此外，當氣體流經頂表面131時，旋轉器蓋132提供與氣體接觸的較大表面面積。隨著表面面積增加，改善了處理氣體的預加熱，從而導致提高的處理氣體活化。此實施方式還改變了旋轉器蓋與其他腔室部件之間的相互作用。旋轉器蓋上的平坦底角提供與腔室主體有限的接觸，並且允許旋轉器蓋維持高溫，從而潛在地增加反應氣體預加熱。與腔室主體減小的接觸還能減少顆粒產生，所述顆粒產生源自由熱循環導致的摩擦。此外，實質降低了製造旋轉器蓋132的成本，因為伴隨簡化的設計，後加工處理被更快地執行。
旋轉器蓋132包括能夠承受熱腔室的處理條件而不經歷諸如氧化之類的化學變化的材料。因此，旋轉器蓋132的材料減弱與化學變化相關聯的製程調整趨勢（conditioning trend）或製程條件偏移時間（drift time）。換句話說，旋轉器蓋132維持從第一次使用至第n次使用的實質相同穩態，這有利地提供更均勻的基板處理。因此旋轉器蓋132可包括不透明石英，諸如矽黑石英。矽黑石英可透過生長矽並結合矽至熔化石英、模製或鑄造所述材料、然後將冷卻的鑄塊後加工成所需形狀來製成。
有利地，當反應物朝基板112移動經過旋轉器蓋132時，不透明石英比其他材料提供較低的複合係數。當反應物移動經過旋轉器蓋時，一定量的反應物將因與旋轉器蓋的材料反應而損失。然而，不透明石英旋轉器蓋132有利地抵抗與處理氣體的反應而使較大量的反應物到達基板112。在另一實施方式中，旋轉器蓋132是封裝的陶瓷材料或封裝的不銹鋼。封裝材料可以是石英，以使得旋轉器蓋132是具有石英的不透明材料。由於在處理期間在加熱和冷卻時旋轉器蓋膨脹和收縮，在處理期間，旋轉器蓋132與環支撐件134的相互作用可導致出現顆粒污染。旋轉器蓋132的黑石英材料有利地具有低熱膨脹係數（CTE），從而減少與環支撐件134的相互作用並最終減少基板112上的顆粒污染。
圖3示出根據本文描述的一個實施方式的在腔室300內的旋轉器蓋132的截面圖。旋轉器蓋132設置在環支撐件134上。底表面208與環支撐件134接觸。頂表面131成角度地向下。與氣體入口140相鄰的旋轉器蓋132的外部分比與基板支撐件114相鄰的旋轉器蓋132的內部分具有更高高度。
圖4示出根據本文描述的一個實施方式的在腔室400內的旋轉器蓋132的截面圖。旋轉器蓋132設置在環支撐件134上。底表面208與環支撐件134接觸。旋轉器蓋132具有大致平坦頂表面131。外部分204附近的高度與內部分202的高度大致相同，如圖2C和圖4所見。換句話說，外部分204可與內部分202以及氣體入口140在同一平面上或對準。當來自氣體入口140的層流朝向基板112流動時，大致平坦頂表面131有利地保持該層流。此外，當氣體流經頂表面131時，旋轉器蓋132提供與氣體接觸的更大表面面積。伴隨增加的表面面積，處理氣體的預加熱處理被改善，導致提高處理氣體活化。此外，實質降低了製造旋轉器蓋132的成本，因為伴隨簡化的設計，後加工處理被更快地執行。
總之，揭示了一種具有旋轉器蓋的處理設備。旋轉器蓋可提供更好的處理氣體加熱。旋轉器蓋可提供更一致的處理，因為旋轉器蓋的材料實質減弱與化學處理（諸如氧化）相關聯的製程調整趨勢。預加熱的材料具有低複合係數，以致更多/聚處理氣體到達基板，因而提供更有效和均勻的處理。當氣體朝向基板流動時，處理氣體與旋轉器蓋之間的相互作用被實質減少，從而保持層流。此外，旋轉器蓋材料具有低CTE，從而減少由於處理期間的過度膨脹而導致的顆粒污染。
雖然前述內容針對本發明的實施方式，但在不背離本發明的基本範圍的情況下，可設計出本發明的其他和進一步的實施方式，並且本發明的範圍由隨後的權利要求書確定。
100‧‧‧腔室108‧‧‧腔室主體110‧‧‧加熱元件112‧‧‧基板114‧‧‧基本支撐件118‧‧‧處理區120‧‧‧窗122‧‧‧升降銷128‧‧‧反射器129‧‧‧分段130‧‧‧磁致動器131‧‧‧頂表面132‧‧‧旋轉器蓋134‧‧‧環支撐件136‧‧‧旋轉器138‧‧‧中心140‧‧‧氣體入口142‧‧‧光學光管144‧‧‧控制器146‧‧‧高溫計148‧‧‧處理氣體出口202‧‧‧內部分204‧‧‧外部分206‧‧‧內唇208‧‧‧底表面300‧‧‧腔室400‧‧‧腔室
為了能詳細瞭解本發明的上述特徵，可藉由參考實施方式獲得以上簡要概述的本發明的更特定的描述，一些實施方式示於附圖中。然而，應注意的是，附圖僅示出本發明的典型實施方式且因此不應視為對本發明範圍的限制，因為本發明可允許其他等效的實施方式。
圖1示出根據一個實施方式的處理腔室的截面圖。
圖2A示出根據本文描述的一個實施方式的旋轉器蓋的俯視圖。
圖2B示出根據本文描述的一個實施方式的旋轉器蓋的透視圖。
圖2C示出根據本文描述的另一實施方式的旋轉器蓋的透視圖。
圖3示出根據本文描述的一個實施方式的旋轉器蓋的截面圖。
圖4示出根據本文描述的一個實施方式的旋轉器蓋的截面圖。
國內寄存資訊 (請依寄存機構、日期、號碼順序註記) 無
國外寄存資訊 (請依寄存國家、機構、日期、號碼順序註記) 無
131‧‧‧頂表面
132‧‧‧旋轉器蓋
202‧‧‧內部分
204‧‧‧外部分
206‧‧‧內唇
208‧‧‧底表面

Claims (20)

  1. 一種用於一熱處理腔室的蓋，包括：一不透明石英環件，該不透明石英環件包括：一內邊緣，該內邊緣具有一第一厚度；和一外邊緣，該外邊緣具有大於該第一厚度的一第二厚度；其中該熱處理腔室包括一旋轉器，該旋轉器藉由將該旋轉器磁耦合至安置在該熱處理腔室外部的一磁致動器而允許一基板旋轉，且其中該蓋係設置在該旋轉器上方以保護該旋轉器。
  2. 如請求項1所述的蓋，其中該不透明石英環件由矽黑石英製成。
  3. 如請求項1所述的蓋，其中該不透明石英環件進一步具有一凹形表面，該凹形表面在該內邊緣與該外邊緣之間。
  4. 如請求項3所述的蓋，其中該環件進一步包括一內唇，該內唇從該凹形表面徑向向內延伸至該內邊緣。
  5. 如請求項3所述的蓋，其中該凹形表面在該環件的該內唇與一底部之間。
  6. 如請求項1所述的蓋，其中該環件具有一頂表面，並且其中該環件的該頂表面成凹形。
  7. 一種用於處理一基板的設備，包括：一腔室主體，該腔室主體具有界定一內部處理區的一側壁和一底壁；一基板支撐件，該基板支撐件設置在該腔室主體的該內部處理區中；一環支撐件，該環支撐件從該側壁向內延伸；和一蓋，該蓋設置在該環支撐件上，其中該蓋包括一不透明石英材料，且其中該腔室主體包括一旋轉器，該旋轉器藉由將該旋轉器磁耦合至安置在該腔室主體外部的一磁致動器而允許一基板旋轉，且其中該蓋係設置在該旋轉器上方以保護該旋轉器。
  8. 如請求項7所述的設備，其中該不透明石英材料是矽黑石英。
  9. 如請求項7所述的設備，其中該蓋具有一環形主體和一內唇，該環形主體具有一第三厚度，該內唇具有小於該第三厚度的一第四厚度，其中該內唇從該環形主體徑向向內延伸。
  10. 如請求項7所述的設備，其中該蓋具有一外部分和一內部分，並且其中該外部分的一厚度大於該內部分的一厚度。
  11. 如請求項7所述的設備，其中該內部分的一頂部與該基板支撐件的一頂部在同一平面上。
  12. 如請求項11所述的設備，其中該外部分的一頂部與該基板支撐件的一頂部在同一平面上。
  13. 如請求項7所述的設備，進一步包括一間隙，該間隙在該蓋與該基板支撐件之間。
  14. 一種用於處理一基板的設備，包括：一腔室主體，該腔室主體具有界定一內部處理區的一側壁和一底壁；一基板支撐件，該基板支撐件設置在該腔室主體的該內部處理區中；一環支撐件，該環支撐件從該側壁向內延伸；和一蓋，該蓋設置在該環支撐件上，其中該蓋包括一外部分和一內部分，其中該外部分的一頂部與該基板支撐件的一頂部在同一平面上，並且其中該內部分的一頂部與該基板支撐件的頂部在不同平面上，且其中該腔室主體包括一旋轉器，該旋轉器藉由將該旋轉器磁耦合至安置在該腔室主體外部的一磁致動器而允許一基板旋轉，且其中該蓋係設置在該旋轉器上方以保護該旋轉器。
  15. 如請求項14所述的設備，其中該外部分具有一與該內部分大致相同的厚度。
  16. 如請求項14所述的設備，其中該蓋是一環件。
  17. 如請求項16所述的設備，其中該環件是一不透明石英材料。
  18. 如請求項17所述的設備，其中該不透明石英材料是矽黑石英。
  19. 如請求項14所述的設備，其中該蓋是一不透明石英材料。
  20. 如請求項19所述的設備，其中該不透明石英材料是矽黑石英。
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