TWI778440B - 半導體製程系統以及處理半導體晶圓的方法 - Google Patents

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Abstract

一種半導體製程系統在製程腔室中處理半導體晶圓。製程腔室包括用於在腔室內執行半導體製程之半導體處理設備。製程腔室包括與製程腔室之一或多個部件整合在一起的熱管。熱管有效地將來自腔室內之熱轉移至腔室外部。

Description

半導體製程系統以及處理半導體晶圓的方法
本揭示內容是關於半導體製程系統以及處理半導體晶圓的方法。
半導體晶圓係在半導體處理設備中處理。半導體晶圓經歷大量製程，包括薄膜沉積、光阻劑圖案化、蝕刻製程、摻雜劑佈植製程、退火製程及其他類型的製程。許多此些製程執行在半導體製程腔室中。為了在各種半導體製程中實現均勻的結果，將半導體製程腔室中之溫度維持在選定範圍內是有益的。
然而，半導體製程腔室內之溫度可能是難以控制的。半導體製程時常利用加熱器來升高半導體製程腔室內之溫度。然而，可能難以自半導體製程腔室消散足夠的熱，以確保半導體製程腔室的溫度不會升高至高於選定水平或在選定範圍之外。若無法在半導體製程環境內良好地控制溫度，則有可能半導體晶圓將具有不佳的均勻性、不如預期之效能特性，或可能需要完全報廢。
本揭示內容的實施方式中的一態樣提供一種半導體製程系統，包括：加熱器、定義內部體積之壁、定位在內部體積中，並且配置以固持一或多個半導體晶圓之晶圓支撐件，以及定位在內部體積中之沉積護罩。沉積護罩包括第一表面、第二表面，及定位在第一表面與第二表面之間的熱管蒸汽腔室。
本揭示內容的實施方式中的另一態樣為一種半導體製程系統，包括：半導體製程腔室、晶圓支撐件、加熱器、以及熱管。半導體製程腔室定義內部體積。晶圓支撐件定位在半導體製程腔室內，並且配置以在半導體製程期間固持半導體晶圓。加熱器經定位以加熱內部體積。熱管經定位以接收來自內部體積之熱。
本揭示內容的實施方式中的又一態樣為一種處理半導體晶圓的方法，包括：在半導體製程腔室中支撐半導體晶圓；藉由加熱器將熱輸出至半導體製程腔室中；對定位在半導體製程腔室內之半導體晶圓執行半導體製程；以及藉由熱管轉移來自半導體製程腔室內之熱。
100:半導體製程系統
102:半導體製程腔室
103:內部體積
104:處理設備
106:晶圓
108:加熱器
109a:電線
109b:電線
110:溫度感測器
111a:加熱器襯墊
111b:加熱器襯墊
112:熱管
114:控制系統
116:壁
120:沉積護罩
121:插槽
124:蓋
126:晶圓支撐件
127:底部電極
128:頂部電極
130:氣體源
134:通氣孔
140:第一表面
142:第二表面
143:排氣柵格
144:內表面
145:台階式表面
146:外表面
147:頂表面
149:開口
151:加熱元件
152:毛細材料
154:柱
156:蒸汽通道
160:熱
162:熱
166:箭頭
168:箭頭
170:熱表面
171:第一末端
172:冷卻表面
173:第二末端
500:方法
502:步驟
504:步驟
506:步驟
508:步驟
D1:直徑
D2:直徑
W1:寬度
W2:寬度
W3:寬度
W4:寬度
H1:高度
H2:高度
H3:高度
T1:厚度
T2:厚度
T3:厚度
L:長度
當結合隨附諸圖閱讀時，得以自以下詳細描述最佳地理解本揭示案之態樣。應注意，根據行業上之標準實務，各種特徵未按比例繪製。事實上，為了論述清楚，可任意 地增大或減小各種特徵之尺寸。
第1圖為根據一些實施方式之半導體製程系統的方塊圖。
第2A圖為根據一些實施方式之包括形成為熱管的沉積護罩之半導體製程系統的側視剖面圖。
第2B圖為根據一個實施方式之第2A圖的沉積護罩的俯視圖。
第2C圖為根據一個實施方式之第2A圖的沉積護罩的側視圖。
第2D圖為根據一實施方式之加熱器襯墊的示意圖。
第3A圖及第3B圖為根據一些實施方式之蒸汽腔室式熱管的示意圖。
第4A圖及第4B圖為根據一些實施方式之熱管的示意圖。
第5圖為根據一些實施方式之用於處理半導體晶圓的方法的流程圖。
以下揭示內容提供用於實施所提供標的之不同特徵的許多不同實施方式或實施例。以下描述部件及佈置之特定實施例以簡化本揭示案。當然，此些僅為實施例，並且並不意欲為限制性的。舉例而言，在如下描述中第一特徵在第二特徵之上或在第二特徵上形成可包括其中第一特徵與第二特徵形成為直接接觸之實施方式，並且亦可包括其中額外特徵可在第一特徵與第二特徵之間形成而使得第一特徵與第二特徵可不直接接觸的實施方式。另外，本揭 示案可在各種實施例中重複元件符號及/或字母。此重複係出於簡化及清楚目的，並且其自身並不表示所論述之各種實施方式及/或配置之間的關係。
另外，為了描述簡單，可在本文中使用諸如「在……下面」、「在……下方」、「下部」、「在……上方」、「上部」及其類似術語之空間相對術語，以描述如諸圖中所繪示之一個元件或特徵與另一(另外)元件或特徵的關係。除了諸圖中所描繪之定向以外，此些空間相對術語意欲涵蓋元件在使用中或操作中之不同定向。裝置可以其他方式定向(旋轉90度或以其他定向)，並且可同樣相應地解釋本文中所使用之空間相對描述詞。
第1圖為根據一個實施方式之半導體製程系統100的方塊圖。半導體製程系統100包括半導體製程腔室102及控制系統114。半導體製程腔室102具有內部體積103。處理設備104至少部分地定位在半導體製程腔室102內。晶圓106及溫度感測器110定位在內部體積103內。加熱器108定位在半導體製程腔室102之外。處理設備104包括熱管112。半導體製程腔室102包括至少部分地定義內部體積103之壁116。
在一實施方式中，半導體製程腔室102配置以對晶圓106執行一或多個半導體製程。晶圓106為半導體晶圓。通常，半導體晶圓在製造期間經歷大量製程。此些製程可包括薄膜沉積、光阻劑圖案化、蝕刻製程、摻雜劑佈植製程、退火製程及其他類型的製程。在所有處理步驟皆 完成之後，晶圓106將被切割成複數個個別的積體電路。
在一實施方式中，半導體製程腔室102為薄膜沉積腔室。薄膜沉積腔室可包括化學氣相沉積腔室、濺射腔室、物理氣相沉積腔室、原子層沉積腔室、電漿增強氣相沉積腔室、磊晶生長腔室，或其他類型的薄膜沉積腔室。熟習此項技術者將認識到，根據本揭示的一些實施方式，在不脫離本揭示範疇的情況下，半導體製程腔室102可包括不同於上述之薄膜沉積腔室。
在一實施方式中，半導體製程腔室102為蝕刻腔室。蝕刻腔室配置以蝕刻沉積在晶圓106上之薄膜。蝕刻腔室可包括用於濕式蝕刻、乾式蝕刻、電漿蝕刻或其他類型的蝕刻製程之腔室。在不脫離本揭示範疇的情況下，可利用不同於上述之蝕刻腔室。
在一實施方式中，半導體製程腔室102為摻雜劑佈植腔室。摻雜劑佈植腔室可包括藉由摻雜劑離子轟擊晶圓106之離子佈植腔室。根據用於離子佈植製程之選定參數在晶圓106內佈植摻雜劑離子。在不脫離本揭示之範疇的情況下，摻雜劑佈植腔室可包括不同於上述類型的摻雜劑佈植。
半導體製程腔室102包括處理設備104。處理設備104輔助執行半導體製程。處理設備104可包括輔助薄膜沉積製程、蝕刻製程、離子佈植製程、退火製程、光微影製程及其他類型的製程之設備。部分處理設備104可完全定位在半導體製程腔室102內。部分處理設備104可部 分地定位在半導體製程腔室102內，並且部分地在半導體製程腔室102外。部分處理設備104可完全定位在半導體製程腔室102外。
處理設備104可包括用於產生電場、電壓、磁場、電子信號或其他類型的電效應之電部件。因此，處理設備104可包括可在半導體製程中利用之電極、電線、射頻電源、發射器、接收器或其他類型的電設備。
處理設備104可包括用於管理半導體製程腔室102內之氣體或流體之設備。處理設備可包括如下的部件：用於將氣體或流體引入半導體製程腔室102中，用於自半導體製程腔室移除氣體或流體，用於監控並控制半導體製程腔室102內氣體之流動、存在或成分。
處理設備104可包括用於在半導體製程期間遮蔽內部體積103的一部分之保護設備。舉例而言，處理設備104可包括沉積護罩或多類型的保護設備。
在一些半導體製程中，需要將半導體製程腔室102內之溫度維持在選定範圍內。在一些情形下，可採用加熱器108以將半導體製程腔室102或晶圓106加熱至選定溫度。然而，在一些情形下，半導體製程可產生過量的熱，導致溫度高於選定範圍。在此些情況下，可能難以使用傳統技術來維持選定溫度範圍。
在一些實施方式中，為了輔助控制半導體製程腔室102內之溫度，處理設備104包括熱管112。熱管112促進將來自半導體製程腔室102之內部體積的熱傳導至半 導體製程腔室102外部。因此，熱管112提升將來自半導體製程腔室102內之熱轉移至半導體製程腔室102外部的能力。繼而能夠更嚴格地控制半導體製程腔室102內的溫度。溫度感測器110感測半導體製程腔室102內之溫度並將溫度信號傳遞至控制系統114。控制系統114回應來自溫度感測器110之溫度信號，控制加熱器108之操作。特定而言，加熱器108可操作於風險降低下，加熱器108將產生多於自半導體製程腔室102內消散的熱。因此，若半導體製程腔室102內之溫度超過選定溫度範圍或溫度閾值，則加熱器108之輸出可能減小，並且熱管112可迅速地傳送來自半導體製程腔室102之熱，以使得溫度迅速回到選定溫度範圍。以此方式，可在半導體製程期間將半導體製程腔室102內之溫度維持在選定溫度範圍內。
半導體製程腔室內之半導體處理設備時常包括各種金屬部件。選擇金屬部件使其足夠堅固來承受半導體製程腔室內之條件。可選擇金屬部件以承受高溫、真空條件、強電場、強磁場及粒子轟擊。
在一實施方式中，一或多個熱管112耦接至半導體製程腔室102內之金屬部件中的一或多者。熱管112與半導體製程腔室102內之金屬部件中的一或多者實體接觸。熱管112接收來自一或多個金屬部件之熱並將熱自一或多個金屬部件轉移。
在一實施方式中，一或多個熱管112在一或多個金屬部件與半導體製程腔室102外部之間延伸。藉由將在 以下更詳細解釋之製程，熱管112將來自半導體製程腔室102內之一或多個金屬部件的熱轉移至半導體製程腔室102外部。一或多個熱管112可連接至散熱器或在半導體製程腔室102外的另一類型之實體物件。一或多個熱管將來自半導體製程腔室102內之一或多個金屬部件的熱轉移至在半導體製程腔室102外的一或多個實體物件。
在一實施方式中，一或多個熱管112將來自半導體製程腔室102內之一或多個金屬部件的熱轉移至半導體製程腔室102內之另一區域。換言之，熱管112可將來自半導體製程腔室102之一個區域的熱轉移至半導體製程腔室102之另一區域。在此些情況下，可能存在半導體製程腔室102之特定區域或部件，熱需要自此些特定區域或部件被轉移。熱接收區域可為吸收較多熱或連接至其他冷卻系統之區域，此些其他冷卻系統可將熱轉移至半導體製程腔室102外部。
在一實施方式中，半導體製程腔室102之一或多個傳統金屬部件包括熱管112。因此，可用熱管112來替換半導體製程腔室102之傳統金屬部件的一部分。此外，或替代地，可用熱管112來替換整個金屬部件。熱管112可具有執行熱管112所替換之傳統金屬部件的功能之形狀及結構。熱管112亦足夠堅固，以便承受半導體製程腔室102內可能存在之高溫、真空條件、強電場、強磁場、離子轟擊及其他條件。熱管112可提供促進自半導體製程腔室102之內部至半導體製程腔室102外部之熱轉移的額外 益處。
在一實施方式中，熱管112為半導體製程腔室102之壁116的部分。壁116可至少部分地定義半導體製程腔室102之內部體積103。壁116可包括一或多個熱管112。一或多個熱管112將來自半導體製程腔室102內部的熱傳導至半導體製程腔室102外部。
在一實施方式中，壁116為熱管112，或熱管112之群組。壁116之內表面對應於一或多個熱管之熱接收區域。壁116之外表面對應於一或多個熱管112之散熱區域。因此，熱管112將在壁116之內表面處接收到的熱轉移至壁116之外表面。以此方式，熱管112將來自半導體製程腔室102之內部的熱消散至半導體製程腔室102外部。
在一實施方式中，熱管112為熱轉移元件，其組合了熱傳導及相變之原理以有效地在兩個界面間轉移熱。熱管112包括容納工作流體之內部體積。熱管112操作，係藉由在熱接收區域處將熱轉移至工作流體，並且在散熱區域處消散來自工作流體之熱。工作流體將來自熱接收區域之熱轉移至散熱區域。因此，熱管112包括熱界面及冷卻界面。熱界面對應於熱接收區域或待冷卻的區域。冷卻界面對應於散熱區域或將熱自熱界面經由工作流體所轉移到的區域。
在一實施方式中，熱管112操作，係藉由將熱轉移至工作流體，而使工作流體在熱界面由液體轉換為氣體或蒸汽。熱管112操作，進一步藉由在冷卻界面轉移來自 工作流體之熱，而使工作流體由氣體或蒸汽轉換為液體。更特定而言，當工作流體經過內部通道循環時，工作流體呈液態進入熱接收區域或接近熱界面。熱接著在熱接收區域或熱界面被轉移至工作流體，並且工作流體沸騰或汽化。氣態工作流體接著流經朝向散熱區域或冷卻界面之通道。在散熱區域或冷卻界面，氣態工作流體散熱，直至工作流體凝結為液體形式為止。液體工作流體接著經由毛細作用，被熱管內之毛細材料吸收。液體工作流體流經背向熱界面或熱接收區域之毛細材料。液體工作流體接著經過朝向接收區域之通道，繼續再次循環。以此方式，熱管112將來自接收區域之熱轉移至散熱區域。熱管112之此操作可有效地將來自半導體製程腔室102之內部體積的熱轉移至半導體製程腔室102外部。此外或取代地，熱管可有效地將來自半導體製程腔室102內部之一個區域的熱轉移至半導體製程腔室102內部的另一區域。
第2A圖為根據一實施方式之半導體製程系統100的圖示。半導體製程系統100包括半導體製程腔室102。半導體製程腔室102包括內部體積103。半導體製程腔室102進一步包括配置以固持晶圓106之晶圓支撐件126。
在第2A圖之實施例中，半導體製程系統100為電漿增強化學氣相沉積(plasma enhanced chemical vapor deposition；PECVD)系統。可利用電漿增強化學氣相沉積系統在晶圓106上沉積介電層。介電層可包括 氧化矽、氮化矽，或其他類型的介電層。在不脫離本揭示範疇的情況下，可利用半導體製程系統100來沉積其他類型的層或執行不同於上述之其他類型的半導體製程。
在一實施方式中，半導體製程系統100包括底部電極127、頂部電極128及氣體源130。在第2A圖之實施例中，頂部電極128為噴頭型電極，包括複數個通氣孔134，使得氣體能夠自氣體源130流至內部體積103中。底部電極127及頂部電極128耦接至射頻電源。射頻電源可耦接至控制系統114或可為控制系統114的一部分。
在PECVD製程期間，沉積氣體自氣體源130經由頂部電極128之通氣孔134傳遞至內部體積103中。射頻電源藉由在底部電極127與頂部電極128之間施加電壓，而由內部體積103內之沉積氣體產生電漿。電漿增強薄膜在晶圓106上之沉積。在一個實施方式中，半導體製程腔室102為沉積護罩120。沉積護罩120係放置在內部體積103內，環繞晶圓支撐件126及晶圓106。沉積護罩120靠在腔室壁116上。當蓋124升高或被移除時，沉積護罩120可下降至內部體積103中。如以下進一步詳細描述，可根據第2B圖及第2C圖進一步理解沉積護罩120之形狀。沉積護罩120可包括排氣柵格143。排氣柵格143可包括孔隙或孔洞，其使得來自沉積製程之排放氣體能夠自沉積腔室之內部體積103中經過。排氣柵格143可為沉積護罩120之一體式部分，或可為連接至沉積護罩120之單獨部分。
在一實施方式中，沉積護罩120防止材料積累在半導體製程腔室102之壁116上。舉例而言，在蝕刻或沉積製程期間，蝕刻材料或供應至內部體積103中之材料有可能會積累在壁116之內表面上。為了防止積累，半導體製程腔室102包括沉積護罩120。可在每一半導體製程之後容易地移除並替換、或移除並清潔沉積護罩120。
在一些情形下，需要在沉積製程期間將晶圓106之溫度維持在選定溫度範圍內。可操作加熱器108以將熱提供至內部體積103。特定而言，加熱器襯墊111a、加熱器襯墊111b可耦接至沉積護罩120。加熱器襯墊111a、加熱器襯墊111b可包括電阻性元件。電流可經由電線109a、109b傳遞至加熱器襯墊111a、加熱器襯墊111b。當電流經過加熱器襯墊111a及加熱器襯墊111b之電阻性元件時，電阻性元件產熱，熱經由沉積護罩120傳遞至內部體積103。因此，可將加熱器襯墊111a及加熱器襯墊111b視為加熱器108的一部分。在不脫離本揭示之範疇的情況下，可利用許多其他類型的加熱器。
在用於在晶圓106上沉積氧化矽層之低溫PECVD製程的實施例中，可能需要將內部體積103之溫度維持在50℃與70℃之間。因此，控制系統114可間歇地或連續地操作加熱器108以加熱晶圓106。然而，在一些情形下，PECVD製程可導致產生過量的熱，將內部體積加熱至超過期望溫度範圍之溫度。導致氧化矽層之錯誤沉積。
為了促進來自內部體積103之熱的迅速消散，沉積護罩120包括熱管結構。熱管結構將來自被沉積護罩120環繞之內部體積的熱轉移至沉積護罩120外部。因此，沉積護罩120為熱管112。沉積護罩120包括第一表面140及第二表面142。可將第一表面140視為內表面。可將第二表面142視為外表面。
在一個實施方式中，沉積護罩為平板熱管。平板熱管包括在第一表面140與第二表面142之間的蒸汽腔室。如後續關於第3A圖及第3B圖更詳細的描述，蒸汽腔室將來自第一表面140之熱轉移至第二表面142。
沉積護罩120可包括頂表面147及台階式表面145。沉積護罩120具有使得沉積護罩120能夠下降至製程腔室102中並由腔室壁116穩定支撐之形狀。可自半導體製程腔室102移除，並在沉積製程之間或在某些特定沉積製程之後清潔沉積護罩120。在不脫離本揭示範疇的情況下，沉積護罩120可具有不同於上述之形狀及部件。
蓋124靠在沉積護罩120之頂表面147上。在第2A圖中，將蓋124示為單個部件。然而，實務上，蓋124可包括耦接在一起、耦接至沉積護罩120及耦接至頂部電極128之各種部件。
在一實施方式中，壁116包括內表面144及外表面146。壁116可為圓柱形的。圓柱形腔室壁可環繞沉積護罩120，並且可部分地定義內部體積103。
在一實施方式中，壁116包括熱管結構。熱管結 構將來自被壁116環繞之內部體積103的熱轉移至壁116外部。因此，壁116可為熱管112。熱管112可包括在內表面144與外表面146之間的蒸汽腔室。蒸汽腔室將來自內壁144之熱轉移至外表面146。
儘管未在第2A圖中示出，但半導體製程腔室102可包括不同於上述之其他類型的熱管112。如以下將更詳細地描述，其他類型的熱管112可包括不同於平板蒸汽腔管類型的熱管。
第2B圖為根據一實施方式之第2A圖的沉積護罩120之俯視圖。第2B圖之俯視圖繪示出大體環形的沉積護罩120。在沉積護罩120之底部處的排氣柵格143定義開口149。當沉積護罩120下降至沉積腔室中時，開口149環繞晶圓支撐件126。
沉積護罩120具有外徑(直徑D1)。外徑(直徑D1)對應於沉積護罩120之頂表面147的直徑。直徑D1可具有介於340mm與400mm之間的範圍。在不脫離本揭示範疇的情況下，沉積護罩120之直徑D1可具有其他數值。一些實施方式中，沉積護罩120在頂表面147處具有小於400mm或小於340mm的內徑。在不脫離本揭示範疇的情況下，沉積護罩120在頂表面147之內徑可具有其他數值。沉積護罩120在台階式表面的外徑，小於外徑D1(直徑D1)，並且大於沉積護罩120在頂表面147之內徑。沉積護罩120在台階式表面(亦即，內表面(第一表面140)處具有內徑，小於沉積護罩120在頂表面 147處之內徑，並且小於沉積護罩120在第二表面142之外徑。在一些實施方式中，沉積護罩120在內表面(第一表面140)之內徑小於330mm或小於310mm。在不脫離本揭示範疇的情況下，沉積護罩120在內表面(第一表面140)之內徑可具有其他數值。
開口149具有直徑D2。直徑D2係由排氣柵格143之內部邊緣定義。直徑D2可具有介於310mm與330mm之間的範圍。在不脫離本揭示範疇的情況下，直徑D2可具有其他數值。排氣柵格143可具有寬度W1。寬度W1可具有介於20mm與50mm之間的數值。在不脫離本揭示範疇的情況下，寬度W1可具有其他數值。
第2C圖為根據一個實施方式之第2A圖的沉積護罩120之側視圖。第2C圖之側視圖繪示沉積護罩120中之插槽121。當沉積護罩120定位在沉積腔室中時，可藉由使晶圓106通過插槽121而將晶圓106放置在晶圓支撐件126上。沉積腔室之壁116亦可包括開口或埠，晶圓可藉由開口或埠自沉積腔室外部通過插槽121。在不脫離本揭示範疇的情況下，沉積護罩120可具有其他形狀及配置。
沉積護罩120具有總高度H1。高度H1對應於頂表面147與排氣柵格143的底部之間的距離。在一些實施方式中，高度H1可具有介於200mm與300mm之間的值。在不脫離本揭示案之範疇的情況下，高度H1可具有其他數值。
第2D圖為根據一實施方式之加熱器襯墊111a及加熱器襯墊111b的示意圖。為清楚表述，在第2D圖中，未將加熱器襯墊111a及加熱器襯墊111b示為耦接至沉積護罩120。當使用時，如第2A圖所示，加熱器襯墊111a及加熱器襯墊111b耦接至沉積護罩120之外表面(第二表面142)的相對側。在其他實施方式中，兩個以上加熱器襯墊耦接至沉積護罩120。
每一加熱器襯墊111a及加熱器襯墊111b具有高度H2及寬度W2。在一些實施方式中，高度H2可藉介於80mm與150mm之間，並且寬度W2可介於80mm與150mm之間。在不脫離本揭示範疇的情況下，高度H2及寬度W2可使用其他值。
每一加熱器襯墊111a、加熱器襯墊111b具有加熱元件151。在一實施例中，加熱元件151為電阻性線圈。當電流經過電阻性線圈時，電阻性線圈產熱。電阻性線圈耦接至相應的電線109a及109b。在一實施例中，每一加熱器襯墊111a、加熱器襯墊111b在產熱時消耗400W與600W之間的功率。在不脫離本揭示範疇的情況下，加熱器襯墊111a及111b可利用其他類型的加熱元件以及其他數值的功率消耗。第3A圖為根據一實施方式之第2A圖至第2C圖之沉積護罩120的一部分之橫截面圖。特定而言，第3A圖繪示沉積護罩120的內表面(第一表面140)與外表面(第二表面142)之間的內部結構放大橫截面圖。特定而言，在一個實施方式中，沉積護罩120在內表面(第 一表面140)與外表面(第二表面142)之間的內部結構為熱管結構。根據一實施方式，沉積護罩120可形成為蒸汽腔室式的熱管112。此外或替代地，第3A圖之熱管112可對應於包括在半導體製程腔室102中之其他類型的處理設備104。
在一實施方式中，沉積護罩120包括定位在第一表面140與第二表面142之間的毛細材料152。特定而言，毛細材料152係沿第一表面140定位。毛細材料配置以經由毛細作用吸入液體。以下將更詳細地描述，一旦進入毛細材料152，液體便可穿過毛細材料152。毛細材料152亦可沿第二表面142定位。
在一實施方式中，毛細材料152之柱154延伸於第一表面140與第二表面142之間。毛細材料152之柱154亦可耦接至延伸於第一表面140與第二表面142之間的支撐桿或支柱。毛細材料152之柱154可環繞支撐桿或支柱。因此，支撐柱或支柱係定位在毛細材料152之柱154內，並且未見於第3A圖的視野中。支撐柱或支柱可幫助防止在第一表面140與第二表面142之間的蒸汽腔室塌陷。
在一實施方式中，蒸汽通道156定位在毛細材料152之柱154之間。以下將更詳細地描述，蒸汽通道156支持第一表面140與第二表面142之間的蒸汽流。在一實施方式中，蒸汽通道156形成環繞毛細材料152的柱154之單個連續的蒸汽通道。
在一實施方式中，毛細材料152為燒結材料。燒結材料可為燒結金屬。燒結金屬可包括鈦、鋁、鐵、銅或其他類型的金屬。燒結金屬包括孔洞，可經由毛細作用吸入液體。液體可經由孔洞之網路沿燒結金屬行進。可藉由產生金屬的粉末，並在低於金屬熔點之溫度下，金屬粉末壓在一起，生產燒結金屬。所得之多孔金屬，可經由毛細作用吸入液體。在不脫離本揭示範疇的情況下，可將其他材料及製程用於燒結材料。
在一實施方式中，毛細材料152為溝槽材料。舉例而言，柱154可包括在第二表面142與第一表面140之間的方向上延著柱的長度延伸的溝槽。溝槽可藉由毛細作用吸入液體。液體可接著沿溝槽之長度在第二表面142與第一表面140之間行進。溝槽材料可包括金屬，諸如，鈦、鋁、銅、鐵或其他類型的金屬。在不脫離本揭示範疇的情況下，溝槽材料可包括其他類型的金屬或不同於金屬之材料。溝槽材料亦可為燒結材料。
在一實施方式中，毛細材料152包括被包裹之篩網。在此情形下，毛細材料152包括具有大量孔洞之篩網。篩網接著被包裹起來。篩網可經由毛細作用吸入液體。一旦進入毛細材料152，液體可穿過介於第二表面142與第一表面140之間的柱154中之孔洞或孔隙的網路。在不脫離本揭示案之範疇的情況下，毛細材料152可包括不同於篩網、燒結材料或溝槽材料之其他類型的毛細材料。
在一實施方式中，熱管112之厚度介於2mm與 50mm之間。因此，沉積護罩120，配置以包裹在圓柱中之平板蒸汽腔式管，可具有與傳統沉積護罩類似之厚度。另外，在不脫離本揭示範疇的情況下，平板蒸汽腔式熱管可用於半導體製程腔室102之其他部件。
在一實施方式中，熱管112包括在第一表面140與第二表面142之間的蒸汽腔室中的工作流體。在熱管112之操作期間，工作流體在氣態與液態之間反覆轉變，而同時經過第一表面140與第二表面142之間的蒸汽腔室循環。可基於放置熱管112之環境中的預期溫度範圍，來選擇工作流體。在一實施方式中，為取得溫度範圍介在-70℃與200℃之間，工作流體可包括水、氟利昂、NH3、CH3COCH3、CH3OH、C2H5OH及C7H16。在一實施方式中，為取得溫度範圍介在200℃與500℃之間，工作流體可包括萘、道氏熱載體(Downtherm)、Thermex、硫及汞。在一實施方式中，為取得溫度範圍介於500℃與1000℃之間，工作流體可包括銫、銣、鉀及鈉。在不脫離本揭示範疇的情況下，可針對各種溫度範圍利用不同於上述之其他工作流體。
沉積護罩120具有厚度T1。厚度T1對應於沉積護罩120之外表面(第二表面142)與內表面(第一表面140)之間的距離。厚度T1可具有在5mm與15mm之間的值。在不脫離本揭示範疇的情況下，其他厚度是可能的。
柱154具有厚度T2。厚度T2可具有在2mm與 10mm之間的值，儘管在不脫離本揭示範疇的情況下，其他數值係可能的。
與沉積護罩120之內表面(第一表面140)相鄰的毛細材料152可在相鄰柱154之間的位置具有寬度W3。寬度W3可具有介於2mm與5mm之間的數值，儘管在不脫離本揭示範疇的情況下，可利用其他數值。
蒸汽通道156具有高度H3。高度H3對應於相鄰柱154之間的距離。高度H3可具有介於5mm與10mm之間的數值，儘管在不脫離本揭示範疇的情況下，可利用高度H3之其他數值。
第3B圖為根據一實施方式之第3A圖的沉積護罩120的注解圖，繪示熱管的操作。在第3B圖中，第一表面140為熱表面或熱管112之熱接收側。第二表面142為冷卻表面或熱管112之散熱側。
在一實施方式中，將熱管112所接收到之熱160繪示為入射熱管112之第一表面140上的波形線。熱管112吸收熱160。將由熱管112消散之熱162繪示為離開第二表面142之波形線。儘管未在第3B圖中示出，但熱管112可與表面(第一表面140、第二表面142)中之一者或兩者上的固體材料實體接觸。
在一實施方式中，藉由箭頭166及箭頭168繪示熱管112內工作流體之流動及熱轉移機制。指向第二表面142之箭頭166繪示呈蒸汽或氣態的工作流體，在蒸汽通道156中朝向第二表面142行進。指向第一表面140之 箭頭168繪示呈液態的工作流體，在毛細材料152之柱154內朝向第一表面140行進。
當熱160在第一表面140被接收時，工作流體吸收熱160，並且自液態轉變為蒸汽或氣態。根據物理相變原理，材料自液態至氣態之轉變需要相對大量的熱。因此，工作流體在對應於第一表面140之接收區域或熱表面處，當液態與氣態之間轉變時，吸收大量的熱。
在一實施方式中，在工作流體已轉變為氣態後，工作流體流經蒸氣通道156朝向第二表面142流動。氣態工作流體的流動方向為蒸氣腔室內壓力差的結果。壓力在接收區域較高。壓力在散熱區域較低。以下將更詳細地描述，部分地基於工作流體在散熱區域變成液體之事實。
在一實施方式中，當氣體工作流體接近蒸汽通道156內之第二表面142時，氣體工作流體開始將熱轉移至第二表面142。當工作流體已轉移足量的熱之後，工作流體自蒸汽或氣態轉變為液態。自氣態轉變為液態需要大量散熱。因此，工作流體轉變為液態時轉移了大量的熱能。熱162是自第二表面142消散的熱。
在一實施方式中，當工作流體在第二表面142處轉變為液態時，工作流體被柱154中之毛細材料152吸收。液態工作流體經由毛細作用被毛細材料152吸收。液態工作流體接著流經柱154之毛細材料，朝向第一表面140流動。當液態工作流體到達第一表面140時，液體工作材料吸收熱160，並轉變為蒸汽或氣態，並且重複吸熱散熱之 循環。以此方式，平板蒸汽腔式熱管(熱管112)可將熱自熱管112之一側轉移至另一側。
如上所述，在一實施方式中，壁116可包括如第3A圖及第3B圖所示之熱管112。特定而言，壁116可包括平板蒸汽腔式熱管(熱管112)，可將大量的熱自半導體製程腔室102之內部體積103轉移至半導體製程腔室102外部。在不脫離本揭示範疇的情況下，可利用不同於上述之其他類型的熱管。另外，在不脫離本揭示範疇的情況下，半導體製程腔室之其他部件可包括熱管。
第4A圖為根據一實施方式之離散式熱管(熱管112)的橫截面圖。根據一實施方式，熱管112形成為單管式熱管112。第4A圖之熱管112可包括作為半導體製程腔室102之處理設備104的一部分。熱管112可定位至與半導體製程腔室102之處理設備104相鄰，並且可自半導體製程腔室102之處理設備104轉移熱。在一實施方式中，熱管112在實體支撐半導體製程腔室102內之處理設備104的定位。熟習此項技術者將認識到，在不脫離本揭示範疇的情況下，根據本揭示案，可以許多方式並結合半導體製程腔室102內之許多部件來利用熱管112。可將熱管112放置在如下環境中：熱管在熱接收區域或熱表面170接收熱，並且熱管112在散熱區域或冷卻表面172散熱。
在一實施方式中，熱管112可定位在沉積護罩120與壁116之間。在此實施例中，熱接收區域或熱表面 170為沉積護罩120之第二表面142。散熱區域或冷卻表面172為壁116之內表面。在此實施例中，熱管112可定位在沉積護罩120與壁116之間的加熱器襯墊111a下方。熱管112接收來自沉積護罩120之第二表面142的熱，並向壁116散熱。以此方式，熱管112可促進自處理腔室之內部至處理腔室外部的散熱。在一實施方式中，可將複數個離散式熱管(熱管112)放置在沉積護罩120與壁116之間。可將熱管112放置在其他位置處，以促進自處理腔室之內部至處理腔室外部的散熱。
在一實施方式中，熱管112分隔內部的蒸汽通道156，並且包括沿熱管112之內表面定位的毛細材料152。毛細材料152配置以經由毛細作用吸入液體。以下將更詳細地描述，一旦液體進入毛細材料152，便可穿過毛細材料152。
在一實施方式中，毛細材料152為燒結材料。燒結材料可為燒結金屬。燒結金屬可包括鈦、鋁、鐵、銅或其他類型的金屬。燒結金屬包括孔洞，可經由毛細作用吸入液體。液體可經由孔洞之網路沿燒結金屬行進。可藉由產生金屬的粉末，並在低於金屬熔點之溫度下，將金屬粉末壓在一起，生產燒結金屬。所得之多孔金屬，其可經由毛細作用吸入液體。在不脫離本揭示範疇的情況下，可將其他材料及製程用於燒結材料。
在一實施方式中，毛細材料152為溝槽材料。溝槽可藉由毛細作用吸入液體。液體可接著沿溝槽之長度行 進。溝槽材料可包括金屬，諸如，鈦、鋁、銅、鐵或其他類型的金屬。在不脫離本揭示範疇的情況下，溝槽材料可包括其他類型的金屬或不同於金屬之材料。溝槽材料亦可為燒結材料。
在一實施方式中，毛細材料152包括被包裹之篩網。在此情形下，毛細材料包括具有大量孔洞之篩網。篩網接著被包裹起來。篩網可經由毛細作用吸入液體。一旦液體進入毛細材料152，液體可穿過孔洞或孔隙之網路。在不脫離本揭示案之範疇的情況下，毛細材料152可包括不同於篩網、燒結材料或溝槽材料之其他類型的毛細材料。
在一實施方式中，熱管112包括在第一表面140與第二表面142之間的蒸汽腔室中的工作流體。在熱管112之操作期間，工作流體在氣態與液態之間重覆轉換，而同時經過熱接收區域(熱表面170)與散熱區域(冷卻表面172)之間的內部循環。可基於放置熱管112之環境中的預期溫度範圍，來選擇工作流體。在一實施方式中，為取得溫度範圍介在-70℃與200℃之間，工作流體可包括水、氟利昂、NH3、CH3COCH3、CH3OH、C2H5OH及C7H16。在一實施方式中，為取得溫度範圍介在200℃與500℃之間，工作流體可包括萘、道氏熱載體(Downtherm)、Thermex、硫及汞。在一實施方式中，為取得溫度範圍介於在500℃與1000℃之間，工作流體可包括銫、銣、鉀及鈉。在不脫離本揭示案之範疇的情況 下，可針對各種溫度範圍利用不同於上述之其他工作流體。
在一實施方式中，熱管112具有長度L。長度L對應於第一末端171與第二末端173之間的距離。第一末端171定位在熱接收區域或熱表面170。第二末端173定位在散熱區域或冷卻表面172處。長度L可介於10mm與30mm之間，儘管在不脫離本揭示範疇的情況下，其他長度是可能的。毛細材料可具有厚度T3。厚度T3可具有介於1mm與5mm之間的數值，儘管在不脫離本揭示範疇的情況下，其他厚度是可能的。內部的蒸汽通道156可具有寬度W4。寬度W4可具有在3mm與10mm之間的數值，儘管在不脫離本揭示範疇的情況下，可利用其他數值。
第4B圖為根據一實施方式之第4A圖的熱管112的注解圖，繪示熱管的操作。在一實施方式中，將熱管112所接收到之熱160繪示為入射熱管112之第一表面140上的波形線。熱管112吸收熱160。將由熱管112消散之熱162繪示為離開第二表面142之波形線。
在一實施方式中，藉由箭頭166及箭頭168繪示熱管112內工作流體之流動及熱轉移機制。指向散熱區域(冷卻表面172)之箭頭166繪示呈蒸汽或氣態的工作流體，在蒸汽通道156中朝向散熱區域(冷卻表面172)行進之工作流體。指向熱接收區域(熱表面170)之箭頭168繪示呈液態的工作流體，在毛細材料152內朝向熱接收區域(熱 表面170)行進。
當熱160在熱接收區域處被接收時，工作流體吸收熱160，並且自液態轉變為蒸汽或氣態。根據物理相變原理，材料自液態至氣態之轉變需要相對大量的熱。因此，工作流體在熱表面170之接收區域處，當液態與氣態之間轉變時，吸收大量的熱。
在一實施方式中，在工作流體已轉變為氣態之後，工作流體流經蒸汽通道156朝向散熱區域(冷卻表面172)流動。氣態工作流體的流動方向為蒸氣腔室內壓力差的結果。壓力在熱接收區域(熱表面170)處較高。壓力在散熱區域(冷卻表面172)較低。以下將更詳細地描述，部分地基於工作流體在散熱區域變成液體之事實。
在一實施方式中，當氣體工作流體接近蒸汽通道156內之散熱區域(冷卻表面172)時，氣體工作流體開始將熱轉移至第二表面172。當工作流體已轉移足量的熱之後，工作流體自蒸汽或氣態轉變為液態。自氣態轉變為液態需要大量散熱。因此，工作流體轉變為液態時轉移了大量的熱能。熱162是在散熱區域(冷卻表面172)處消散掉的熱。
在一實施方式中，當工作流體在散熱區域(冷卻表面172)處轉變為液態時，工作流體被毛細材料152吸收。液態工作流體經由毛細作用被毛細材料152吸收。液態工作流體接著經過毛細材料152朝向熱接收區域流動。當液態工作流體到達熱接收區域時，液態工作材料吸收熱160， 並轉變為蒸汽或氣態，並且重複吸熱散熱之循環。以此方式，平板蒸汽腔式熱管(熱管112)可將熱自熱管112之一側轉移至另一側。
第5圖為根據一實施方式之方法500的流程圖。在步驟502處，方法500包括在半導體製程腔室中支撐半導體晶圓。半導體製程腔室之一實施例為第1圖之半導體製程腔室102。在步驟504處，方法500包括藉由加熱器將熱輸出至半導體製程腔室中。加熱器之一實施例為第1圖之加熱器108。在步驟506處，方法500包括對定位在半導體製程腔室內之半導體晶圓執行半導體製程。在步驟508處，方法500包括藉由熱管轉移來自半導體製程腔室內之熱。熱管之一實施例為第3A圖之熱管112。
在一實施方式中，一種半導體製程腔室包括加熱器、定義內部體積之壁、定位在內部體積中，並且配置以固持一或多個半導體晶圓之晶圓支撐件，以及定位在內部體積中之沉積護罩。沉積護罩包括第一表面、第二表面，及定位在第一表面與第二表面之間的熱管蒸汽腔室。
在一實施例中，熱管蒸汽腔室包括毛細材料、一或多個通道，以及工作流體。在一實施例中，熱管蒸汽腔室包括在第一表面與第二表面之間延伸的一或多個支柱。在一實施例中，毛細材料耦接至一或多個支柱。在一實施例中，毛細材料為燒結毛細材料。在一實施例中，毛細材料為溝槽毛細材料。在一實施例中，毛細材料包括一或多個篩網。在一實施例中，毛細材料為金屬。在一實施例中， 沉積護罩環繞晶圓支撐件，其中沉積護罩之第一表面比沉積護罩之第二表面更接近晶圓支撐件。
在一實施方式中，一種半導體製程系統包括定義內部體積之半導體製程腔室，以及晶圓支撐件，晶圓支撐件定位在半導體製程腔室內，並且配置以在半導體製程期間固持半導體晶圓。此系統包括經定位以加熱內部體積之加熱器，以及經定位以接收來自內部體積之熱的熱管。
在一實施例中，半導體製程系統進一步包括溫度感測器以及控制系統。溫度感測器配置以感測內部體積內之溫度。控制系統耦接至溫度感測器及加熱器，並且配置以回應於溫度感測器來控制加熱器。在一實施例中，熱管定位在內部體積內。在一實施例中，半導體製程系統進一步包括處理設備，定位在內部體積內，並且耦接至熱管。在一實施例中，半導體製程腔室包括至少部分地定義內部體積之壁，其中熱管與壁整合。在一實施例中，熱管為平板蒸汽腔式熱管。在一實施例中，半導體製程腔室包括薄膜沉積腔室、薄膜蝕刻腔室以及離子佈植腔室中的之一或多者。在一實施例中，熱管包括密封的內部腔室、定位在內部腔室中的毛細材料、以及定位在內部腔室中的工作流體。
在一實施方式中，一種方法包括在半導體製程腔室中支撐半導體晶圓，以及藉由加熱器將熱輸出至半導體製程腔室中。此方法包括對定位在半導體製程腔室內之半導體晶圓執行半導體製程，以及藉由熱管轉移來自半導體製 程腔室內之熱。
在一實施例中，熱管與定位在半導體製程腔室內之沉積護罩整合。在一實施例中，熱管包括內部體積、定位在內部體積中的毛細材料、以及工作流體。
本揭示之一些實施方式之原理提供對半導體處理環境加強的溫度控制。對半導體處理環境溫度的可靠控制，造就符合設計規範特性的半導體晶圓。另外，可靠的溫度控制造就半導體晶圓切割出之積體電路的均勻特性。因此，積體電路具有可靠效能，並且很少晶圓及積體電路因不良的溫度控制而報廢。如本文中所描述，實施在半導體處理環境中之熱管，能夠加強消散來自半導體處理環境的熱。較佳地控制半導體處理環境內之溫度。
前文概述了若干實施方式之特徵，使得熟習此項技術者可較佳地理解本揭示案之態樣。熟習此項技術者應瞭解，他們可容易地使用本揭示案作為設計或修改用於實現相同目的及/或達成本文中所介紹之實施方式之相同優勢的其他製程及結構的基礎。熟習此項技術者亦應認識到，此些等效構造不脫離本揭示案之精神及範疇，並且他們可在不脫離本揭示案之精神及範疇的情況下在本文作出各種改變、代替及替換。
100:半導體製程系統
103:內部體積
106:晶圓
108:加熱器
109a:電線
109b:電線
111a:加熱器襯墊
111b:加熱器襯墊
112:熱管
116:壁
120:沉積護罩
124:蓋
126:晶圓支撐件
127:底部電極
128:頂部電極
130:氣體源
134:通氣孔
140:第一表面
142:第二表面
143:排氣柵格
144:內表面
145:台階式表面
146:外表面
147:頂表面

Claims (10)

  1. 一種半導體製程系統，包括：一加熱器；一壁，定義一內部體積；一晶圓支撐件，定位在該內部體積中，並且配置以固持一或多個半導體晶圓；以及一沉積護罩，定位在該內部體積中，並且包括：一第一表面；一第二表面；以及一熱管蒸汽腔室，定位在該第一表面與該第二表面之間，其中該熱管蒸汽腔室包括在該第一表面與該第二表面之間延伸的一或多個支柱。
  2. 如請求項1所述之半導體製程系統，其中該熱管蒸汽腔室包括：一毛細材料；一或多個通道；以及一工作流體。
  3. 如請求項2所述之半導體製程系統，其中該毛細材料耦接至該一或多個支柱。
  4. 如請求項1所述之半導體製程系統，其中該沉積護罩環繞該晶圓支撐件，其中該沉積護罩之該第一表 面比該沉積護罩之該第二表面更接近該晶圓支撐件。
  5. 一種半導體製程系統，包括：一半導體製程腔室，定義一內部體積；一晶圓支撐件，定位在該半導體製程腔室內，並且配置以在一半導體製程期間固持一半導體晶圓；一加熱器，經定位以加熱該內部體積；以及一熱管，經定位以接收來自該內部體積之熱，其中該熱管包括：一第一表面；一第二表面；以及一熱管蒸汽腔室，定位在該第一表面與該第二表面之間，其中該熱管蒸汽腔室包括在該第一表面與該第二表面之間延伸的一或多個支柱。
  6. 如請求項5所述之半導體製程系統，進一步包括：一溫度感測器，配置以感測該內部體積內之一溫度；以及一控制系統，耦接至該溫度感測器及該加熱器，並且配置以回應於該溫度感測器來控制該加熱器。
  7. 如請求項5所述之半導體製程系統，進一步包括一處理設備，定位在該內部體積內，並且耦接至該熱 管。
  8. 如請求項5所述之半導體製程系統，其中該半導體製程腔室包括至少部分地定義該內部體積之一壁，其中該熱管與該壁整合。
  9. 一種處理半導體晶圓的方法，包括：在一半導體製程腔室中支撐一半導體晶圓；藉由一加熱器將熱輸出至該半導體製程腔室中；對定位在該半導體製程腔室內之該半導體晶圓執行一半導體製程；以及藉由一熱管轉移來自該半導體製程腔室內之熱，其中該熱管包括：一第一表面；一第二表面；以及一熱管蒸汽腔室，定位在該第一表面與該第二表面之間，其中該熱管蒸汽腔室包括在該第一表面與該第二表面之間延伸的一或多個支柱。
  10. 如請求項9所述之方法，其中該熱管與定位在該半導體製程腔室內之一沉積護罩整合。
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