TWI815943B - 用於處理腔室的襯裡 - Google Patents

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Abstract

本文的實施方式涉及用於處理腔室中的具有多件式設計的腔室襯裡。該多件式設計可以具有內部部分和外部部分。該外部部分的內表面的一部分可以被設計為在單個接合點處與該內部部分的外表面接觸，這樣在該內部部分與該外部部分之間產生熱阻擋，從而減少來自該內部部分和該外部部分的熱傳遞。該熱阻擋在腔室襯裡內表面處產生較高溫度，因此導致在該腔室內的較短加熱時間。另外，該熱阻擋還在基環以及外環的外表面附近產生較低溫度，從而保護腔室壁並在該腔室壁處需要較少熱調節/耗散。

Description

用於處理腔室的襯裡
本文所述的實施方式一般地涉及用於處理腔室的襯裡，並且尤其是，涉及用於磊晶處理腔室中的具有多件式設計的熱阻擋襯裡。
用於製造半導體裝置和其它電子或顯示裝置的處理腔室，包括磊晶熱處理腔室，對於在基板上沉積介電膜特別有用。在常規熱化學氣相沉積(CVD)製程中，將反應氣體供應到基板表面，在那裡發生熱誘導的化學反應以產生期望的膜。可以通過控制腔室的溫度來控制反應速率。
用於沉積某些膜(諸如介電膜)的處理腔室在處理期間在非常高的溫度下操作，並且在腔室清潔製程期間在甚至更高的溫度下操作。然而，這些高溫可能會對處理腔室的金屬壁有害。
為了遮蔽金屬壁以免受高溫，已經在處理腔室內使用襯裡，諸如熱阻擋襯裡。典型地，襯裡的大小設定為嵌套在從金屬壁延伸的基環內或沉積在基環上。然而，由於腔室襯裡內表面與更冷的基環之間的熱傳遞，在襯裡各處常常會損失熱。這使腔室襯裡內表面處產生較低溫度，並且在腔室的處理和清潔期間導致在腔室內的較長熱斜升時間。它還導致在基環附近的較高溫度，這樣需要更多冷卻水來説明冷卻該區域。較長熱斜升時間和更多冷卻水需要使用更多能量，從而減少產量並增加擁有成本。
因此，需要一種用於處理腔室的最小化熱損失並減少腔室內的熱斜升時間的襯裡。
本文所述的一個或多個實施方式提供用於熱處理腔室、諸如磊晶處理腔室中的具有多件式設計的腔室襯裡。
在一個實施方式中，一種用於處理腔室的襯裡包括：外部部分，所述外部部分具有內表面和外表面；內部部分，所述內部部分具有內表面和外表面；其中所述外部部分的所述內表面的一部分在至少一個接合點處與所述內部部分的所述外表面熱接觸，所述至少一個接合點具有在所述外部部分的所述內表面的所述部分與所述內部部分的所述外表面之間的接觸區域；並且所述內部部分具有第一熱質量，並且所述外部部分具有第二熱質量，所述第一熱質量小於所述第二熱質量。
在另一個實施方式中，一種用於處理腔室的襯裡包括：外部部分，所述外部部分具有內表面和外表面；內部部分，所述內部部分具有內表面和外表面；第一塗層材料，所述第一塗層材料設置在所述內部部分的所述內表面的至少一部分上；第二塗層材料，所述第二塗層材料設置在所述內部部分的所述外表面的至少一部分上和所述外部部分的所述內表面的至少一部分上；其中所述外部部分的所述內表面的一部分在至少一個接合點處與所述內部部分的所述外表面接觸，所述至少一個接合點具有在所述外部部分的所述內表面的所述部分與所述內部部分的所述外表面之間的接觸區域；並且所述第一塗層材料具有比所述第二塗層材料高的吸收係數。
在又一另外的實施方式中，一種處理腔室包括：基板支撐組件，所述基板支撐組件在腔室主體內，被設計為支撐基板；至少一個燈，所述至少一個燈設計用於加熱設置在所述基板支撐件上的基板；冷卻通道，所述冷卻通道被構造為將冷卻流體接收到所述腔室主體中；襯裡，所述襯裡包括：外部部分，所述外部部分具有內表面和外表面；內部部分，所述內部部分具有內表面和外表面；第一塗層材料，所述第一塗層材料設置在所述內部部分的所述內表面的至少一部分上；和第二塗層材料，所述第二塗層材料設置在所述內部部分的所述外表面的至少一部分上和所述外部部分的所述內表面的至少一部分上；其中所述外部部分的所述內表面的一部分在至少一個接合點處與所述內部部分的所述外表面熱接觸，所述至少一個接合點具有在所述外部部分的所述內表面的所述部分與所述內部部分的所述外表面之間的接觸區域；並且所述內部部分具有第一熱質量，並且所述外部部分具有第二熱質量，並且所述第一熱質量小於所述第二熱質量；並且所述第一材料具有比所述第二材料高的吸收係數。
在以下描述中，闡述了許多具體細節以提供對本公開內容的實施方式的更透徹的理解。然而，將對本領域的技術人員顯而易見的是，可以在沒有這些具體細節中的一個或多個的情況下實踐本公開內容的一個或多個實施方式。在其它情況下，沒有描述所熟知的特徵，以避免模糊化本公開內容的實施方式中的一個或多個。
本文所述的實施方式整體涉及用於處理腔室的腔室襯裡，並且尤其是，涉及用於磊晶處理腔室中的具有多件式設計的熱阻擋襯裡。多件式設計包括內部部分和外部部分，在內部部分和外部部分之間具有最小接觸。內部部分的內表面面向處理區域，而外部部分的外表面設置在基環上。外部襯裡的內表面的一部分被設計為與內部部分的外表面具有最小接觸，諸如在接合點處，這樣在內部部分與外部部分之間產生氣隙。氣隙用作內部部分與外部部分之間的熱阻擋，這樣減少內部部分與外部部分之間的熱傳遞，並且由此減少內部部分的內表面與基環之間的熱傳遞。
熱阻擋使腔室襯裡內表面處產生較高溫度，並且導致在基板處理和腔室清潔期間在腔室內的更短熱斜升時間。另外，熱阻擋還使基環以及外環的外表面附近產生較低溫度，從而保護腔室壁並使腔室壁處需要較少熱調節/耗散。
進一步地，可以應用特殊的塗層材料和/或表面修整以提高內部部分的內表面的發射率，從而增加內部部分的熱吸收，並且還有助於提高內部部分表面溫度。此外，可以應用特殊的塗層材料和/或表面修整以降低內部部分的外表面和外部部分的內表面的發射率，這樣減少外部部分的熱吸收，有助於降低基環附近的表面溫度。這提供了降低在處理和清潔期間所需的能量的相同優點，從而增加產量並降低擁有成本。
圖1是根據本公開內容中所述的實施方式的處理腔室100的截面圖。舉例來說，圖1中的處理腔室100是就磊晶腔室來描述的，但是任何其它處理腔室可受益於本文描述和要求保護的襯裡。處理腔室100一般包括腔室主體102、上部圓頂122、下部圓頂120和控制器104。處理腔室100限定處理區域109，基板支撐組件110設置在處理區域109中。基板支撐組件110包括基座114、基座支撐件112和軸113，以使基座114在腔室內移動。基板116被示出為設置在基座114的上表面上。基座支撐件112在底端處連接到軸113並在頂端處連接到基座114。
處理腔室100還可以包括用於將氣體輸送到處理區域109中的氣體通道106和用於對腔室抽氣並從腔室移除氣體的排氣系統108。可以由閥(未示出)控制進入處理區域109的氣流，使得氣體流過基板116的表面。冷卻水通道107形成在腔室壁中，以將腔室壁保持在期望溫度處。冷卻水通道107連接到冷卻流體供應源以促進腔室冷卻。處理腔室100進一步包括多個熱源，諸如加熱燈118，加熱燈118向定位在處理腔室100內的部件提供熱能，所述部件包括定位在腔室中的基板。在該實施方式中，加熱燈118可以被定位成提供熱能穿過上部圓頂122和下部圓頂120。熱源提供製程氣體的熱啟動，這導致期望的膜沉積在基板116上，例如磊晶層沉積在基板116上。
雖然加熱燈118提供必要的熱以促進氣體的熱啟動，但是熱可能損壞腔室主體102的壁。腔室襯裡124定位在處理腔室中以保護腔室主體102免受熱源所產生的高溫。處理腔室100中可以有多個腔室襯裡124(圖1中示出了兩個)。腔室襯裡124設置在處理腔室中，並且可以至少部分地設置在基環132上。基環132可以直接地耦接到腔室主體102的壁。冷卻水通道107可以行進穿過基環132以提供對該區域的熱調節，諸如冷卻。如將在圖2和3B中更詳細地描述的那樣，腔室襯裡124可以是包括內部部分126和外部部分130的多件式設計。內部部分126和外部部分130被設計為在內部部分126和外部部分130之間提供熱阻擋區域128，諸如氣隙。內部部分126和外部部分130都可以由石英製成，但是也可以使用其它類似的材料。
圖2是圖1的腔室襯裡124的截面圖。腔室襯裡124一般包括在接合點208處連接的內部部分126和外部部分130。內部部分126包括面向處理區域的內表面200和面向外部部分130的外表面202。面向處理腔室100的處理區域109的內表面200暴露於由加熱燈118提供的熱輻射。外部部分130具有內表面204和外表面206。外表面206被成形為遵循處理腔室的輪廓，並且在一些實施方式中，至少部分地設置在基環132上。在至少一個實施方式中，外部部分130與基環132具有最小接觸，以將腔室襯裡124支撐在處理腔室100中。外表面206可以沿著處理腔室100的側壁形成環形壁並終止在遵循下部圓頂120和/或基環132的輪廓的成角度的部分中。在外部部分130內，可以存在間隙210，間隙210可以用作氣室和氣體輸送導管，如圖2所示。在間隙210內的氣體的壓力、流率和體積產生可控制的附加熱阻，這樣減少進入處理腔室100的熱。
內部部分126一般是環形的，在內部部分的上端具有凸緣，這樣在內部部分的外表面202上形成接合點208而限定接觸區域JA 。外部部分130具有形成在外部部分的內表面204中的通道，從而限定熱阻擋區域128。熱阻擋區域128提供了「氣隙」，氣隙增加內部部分126與外部部分130之間的熱隔離。氣隙用於減少從內部部分126到外部部分130的熱傳遞H。另外，熱阻擋區域128用於減少腔室襯裡124的總熱質量以及內部部分126和外部部分130兩者的熱質量，這減少了從內部部分126和外部部分130的熱損失，從而減少從加熱燈118加熱內部部分126所需的能量的量。內部部分126的熱質量小於外部部分130的熱質量。以下方程將熱能與熱質量關聯： Q = Cth ▲T
Q是所傳遞的熱能，並且▲T是溫度變化。如由方程所示，如果熱質量越小，那麼需要更少的熱能就能實現相同的溫度變化。類似地，以越小的熱質量傳遞相同量的熱能產生更大的溫度變化。因此，減少腔室襯裡124的熱質量可以在處理期間、特別是在腔室清潔期間導致更快熱斜升，同時使用更少能量。另外，外部部分130的內表面204可以被成形為在腔室襯裡124的底部處形成間隙G，這樣有助於淨化腔室內的處理氣體。間隙定位在腔室襯裡124的底部處，因為來自加熱燈118的輻射典型地將不會到達該點。
內表面204的在接合點208處的接觸區域JA 的尺寸設定為使得其在內部部分126與外部部分130之間產生最小熱接觸。雖然討論了單個接觸，但是設想的是兩個或更多個接觸，只要接觸區域最小化以提供實現本文公開的益處所必需的熱隔離。內表面204的接觸區域可以小於內表面204的非接觸區域的20%、10%或5%。接觸區域的尺寸可以根據接合點208沿著內部部分126和外部部分130的位置而變化。例如，如果內部部分126和外部部分130是環形的，那麼沿著內部部分126的外表面202和外部部分130的內表面204的半徑可以改變，最終根據接合點208的位置來改變接觸區域。
圖3C示出常規襯裡300 (如圖3A所示) 的熱斜升時間與根據本文所述的實施方式的腔室襯裡124 (如圖3B所示) 的熱斜升時間之間的差異。時間在x軸上示出，而溫度在y軸上示出。與本文提供的多件式設計不同，常規襯裡300是單件式設計。常規襯裡300具有比腔室襯裡124的內部部分126大的熱質量，以及比腔室襯裡124的總熱質量大的熱質量。例如，在常規襯裡300的內表面301處和在腔室襯裡124的內表面200處的類似點302處，圖304示出在兩個腔室襯裡之間相關於時間的溫度上升的量的差異。曲線306表示在常規襯裡300中相關於時間的溫度上升，而曲線308表示在腔室襯裡124中相關於時間的溫度上升。如曲線306和308所示，相關於時間的溫度在腔室襯裡124中比在常規襯裡300中上升得快。如上所述，這是由於與常規襯裡300的較高熱質量相比內部部分126的熱質量較低所致。因此，兩件式腔室襯裡124是更能量有效的，在處理和清潔期間需要較少能量用以加熱處理腔室100，從而提高產量並降低擁有成本。
圖4A是本文所述的腔室襯裡124的另一個實施方式的截面圖。該實施方式包括圖1的腔室襯裡124，其中添加塗層材料。例如，第一塗層材料400可以設置在內部部分126的內表面200上。另外，第二塗層材料402可以設置在內部部分126的外表面202上和外部部分130的內表面204上。第一塗層材料400可以是增加內表面200的發射率的材料。該材料可以具有高吸收係數，這將有助於內部部分126吸收更多熱，這樣內部部分126上產生更高表面溫度，導致處理腔室100內的更高溫度，從而減少清潔時間和能量效率。可使用的第一塗層材料的示例是具有碳化矽(SiC)塗層的石墨，或其它類似的材料。相反，第二塗層材料402可以是吸收較少熱的高反射材料(因此具有低吸收係數)。這有助於外部部分130吸收較少熱，這樣降低到基環132的溫度。因此，可以減少冷卻水被施加通過冷卻水通道107(如圖1所示)以冷卻基環132的量。這也提供了節能優點，從而降低擁有成本。可使用的第二塗層材料的示例是火焰拋光的石英、賀利氏(Heraeus)反射塗層（HRC®）或其它類似的材料。圖4B提供示出了在圖4A中所示的實施方式中溫度如何跨腔室襯裡124的距離而變化的圖404。如圖所示，點406對應於在內部部分126的內表面200附近的溫度，而點408對應於在外部部分130的外表面206附近的溫度。溫度在點406與點408之間顯著地下降，這表明了由內部部分126吸收的大量的熱和由外部部分130反射的大量的熱。
雖然前述內容針對本公開內容的實施方式，但是在不脫離本公開內容的基本範圍的情況下可設計本公開內容的其它和進一步實施方式，並且本公開內容的範圍由隨附的申請專利範圍來決定。
100:處理腔室 102:腔室主體 104:控制器 106:氣體通道 107:冷卻水通道 108:排氣系統 109:處理區域 110:基板支撐組件 112:基座支撐件 113:軸 114:基座 116:基板 118:加熱燈 120:下部圓頂 122:上部圓頂 124:腔室襯裡 126:內部部分 128:熱阻擋區域 130:外部部分 132:基環 200:內表面 202:外表面 204:內表面 206:外表面 208:接合點 210:間隙 300:常規襯裡 301:內表面 302:類似點 304:圖 306:曲線 308:曲線 400:第一塗層材料 402:第二塗層材料 404:圖 406:圖 408:圖 G:間隙 H:熱傳遞 JA:接觸區域
以上簡要概述本公開內容的上述詳述特徵可以被詳細理解的方式、以及本公開內容的更特定描述，可通過參照實施方式來獲得，其中一些實施方式繪示於附圖中。然而，應當注意，附圖僅繪示本公開內容的典型實施方式，並且因此不應認為是對本公開內容的範圍的限制，因為本公開內容可以允許其它等同有效的實施方式。
圖1是根據本公開內容中所述的實施方式的處理腔室的截面圖；
圖2是圖1的襯裡的截面圖；
圖3A是如先前技術中提供的襯裡的透視圖；
圖3B是圖1的襯裡的透視圖；
圖3C是與圖3A和圖3B的襯裡相關的示意圖；
圖4A是圖1的襯裡的截面圖；以及
圖4B是與圖4A中的襯裡相關的示意圖。
為了便於理解，儘可能地，使用了相同的附圖標記來標示各圖中共通的相同元件。考慮到，在沒有進一步地描述下一個實施方式的元件和特徵可以有利地併入其它實施方式。
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
118:加熱燈
124:腔室襯裡
126:內部部分
128:熱阻擋區域
130:外部部分
132:基環
200:內表面
202:外表面
204:內表面
206:外表面
208:接合點
210:間隙
G:間隙
H:熱傳遞
JA:接觸區域

Claims (20)

  1. 一種用於一處理腔室的襯裡，包括：一外部部分，該外部部分具有一內表面和一外表面；和一內部部分，該內部部分具有一內表面和一外表面；其中，該外部部分的該內表面的一部分在至少一個接合點處與該內部部分的該外表面熱接觸，該至少一個接合點具有在該外部部分的該內表面的該部分與該內部部分的該外表面之間的一接觸區域；並且該內部部分具有一第一熱質量，並且該外部部分具有一第二熱質量，且該第一熱質量小於該第二熱質量。
  2. 如請求項1所述的襯裡，其中該接觸區域小於該外部部分的該內表面與該內部部分的該外表面之間的一非接觸區域。
  3. 如請求項2所述的襯裡，其中該接觸區域小於該非接觸區域的10%。
  4. 如請求項1所述的襯裡，其中該內部部分和該外部部分至少部分地由一間隙分開。
  5. 如請求項1所述的襯裡，其中該內部部分和該外部部分由石英製成。
  6. 一種用於一處理腔室的襯裡，包括：一外部部分，該外部部分具有一內表面和一外表面；一內部部分，該內部部分具有一內表面和一外表面；一第一塗層材料，該第一塗層材料設置在該內部部分的該內表面的至少一部分上；和一第二塗層材料，該第二塗層材料設置在該內部部分的該外表面的至少一部分上和該外部部分的該內表面的至少一部分上；其中該外部部分的該內表面的一部分在至少一個接合點處與該內部部分的該外表面接觸，該至少一個接合點具有在該外部部分的該內表面的該部分與該內部部分的該外表面之間的一接觸區域；並且該第一塗層材料具有比該第二塗層材料高的一吸收係數。
  7. 如請求項6所述的襯裡，其中該第一塗層材料是塗有SiC的石墨。
  8. 如請求項6所述的襯裡，其中該第二塗層材料是火焰拋光的石英。
  9. 如請求項6所述的襯裡，其中該第一塗層材料是塗有SiC的石墨，並且該第二塗層材料是火焰拋 光的石英。
  10. 如請求項6所述的襯裡，其中該接觸區域小於該外部部分的該內表面與該內部部分的該外表面之間的一非接觸區域。
  11. 如請求項10所述的襯裡，其中該接觸區域小於該非接觸區域的10%。
  12. 如請求項6所述的襯裡，其中該內部部分和該外部部分至少部分地由一間隙分開。
  13. 如請求項6所述的襯裡，其中該內部部分和該外部部分由石英製成。
  14. 一種處理腔室，包括：一基板支撐組件，該基板支撐組件在一腔室主體內，被設計為支撐一基板；至少一個燈，該至少一個燈被設計為加熱設置在基板支撐件上的基板；一冷卻通道，該冷卻通道被構造為將一冷卻流體接收到該腔室主體中；一襯裡，該襯裡包括：一外部部分，該外部部分具有一內表面和一外表面；一內部部分，該內部部分具有一內表面和一外表面； 一第一塗層材料，該第一塗層材料設置在該內部部分的該內表面的至少一部分上；和一第二塗層材料，該第二塗層材料設置在該內部部分的該外表面的至少一部分上和該外部部分的該內表面的至少一部分上；其中該外部部分的該內表面的一部分在至少一個接合點處與該內部部分的該外表面熱接觸，該至少一個接合點具有在該外部部分的該內表面的該部分與該內部部分的該外表面之間的一接觸區域；該內部部分具有一第一熱質量，並且該外部部分具有一第二熱質量，並且該第一熱質量小於該第二熱質量；並且該第一塗層材料具有比該第二塗層材料高的一吸收係數。
  15. 如請求項14所述的處理腔室，其中該接觸區域小於該外部部分的該內表面與該內部部分的該外表面之間的一非接觸區域。
  16. 如請求項15所述的處理腔室，其中該接觸區域小於該非接觸區域的10%。
  17. 如請求項14所述的處理腔室，其中該第一塗層材料是塗有SiC的石墨，並且該第二塗層材料是火焰拋光的石英。
  18. 如請求項14所述的處理腔室，其中該內部部分和該外部部分至少部分地由一間隙分開。
  19. 如請求項14所述的處理腔室，其中該外部部分的該外表面沉積在一基環的一部分上。
  20. 如請求項14所述的處理腔室，其中該處理腔室是一磊晶腔室。
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