CN101338414A - 具有可拆式基座的热批处理反应器 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种用于在批处理腔室中均匀加热和气体流动的装置和方法。该装置包括石英腔体、围绕该石英腔体的可拆式加热部件、耦接到该石英腔体一侧的注入组件，以及具有可拆式基座的衬底舟。在一个实施方式中，该舟可以配置为具有多个基座以在批处理期间控制衬底加热。

Description

具有可拆式基座的热批处理反应器

技术领域

本发明的实施方式主要涉及一种批处理腔室。更具体地，本发明的实施方式涉及用于在批处理腔室中均匀加热衬底和气体均匀输送的方法和装置。

背景技术

术语批处理一般指在一个反应器中同时处理两个块或更多衬底。批处理衬底存在多个优势。批处理通过执行与衬底处理顺序的其他工艺菜单步骤相比不相称时长的工艺菜单步骤可增加衬底处理***的产量。对于更长时间的菜单步骤来说，使用批处理有效地减少每块衬底的处理时间。批处理的另一优势可以在使用昂贵的前驱物材料的一些处理步骤诸如ALD(原子层沉积)和CVD(化学气相沉积)中体现，与单块衬底处理相比，显著降低每块衬底的前驱物气体的用量。应用批处理反应器还可导致与包括多个单一衬底处理反应器的多腔室集成设备相比更小的***安装尺寸。

批处理的两个优点，其可总结为增加产量以及降低每块衬底的处理成本，直接影响器件产量和厂商成本(COO)这两个相关且重要因素。这些因素很重要因为它们直接影响生产电子器件的成本，并因此影响器件制造商的市场竞争力。由于批处理可有效地增加器件产量并降低COO，因此其通常是可取的。

对许多衬底的批处理可能引起该批内，以及从一批到另一批的每块衬底的温度和气体流动的变化。温度和气体动力学的所述变化可能造成每块衬底的整个表面上沉积膜的性质变化。工业中对减小半导体器件的尺寸来提高器件处理速度并减少器件发热的推动减小了对于整个衬底表面的薄膜性质变化的容许窗口(tolerance window)。更小的半导体器件还可能需要更低的处理温度和更短的加热时间(低热预算处理)以防止损坏器件特征。因此，通常期望每块衬底的低热预算处理和均匀温度以及均匀气体流动。

对更低热预算和气流动力学及衬底温度的更好控制的要求导致使用辐射加热的单块衬底处理腔室的发展。辐射加热使得可能在衬底表面上产生更均匀的温度分布同时还减少沉积工艺所需的热预算。具有高热传导率、高发射率和低热质量的腔室部件还可用于提供对衬底的更均匀辐射加热同时保持低热预算。然而，单一衬底处理腔室通常具有比批处理腔室更低产量和每块衬底更高的处理成本。

因此，需要一种可提供更均匀衬底加热和更均匀气体流动的批处理腔室。

发明内容

本发明主要提供一种用于在批处理腔室中加热衬底以及注入和除去工艺气体的装置和方法。

一个实施方式提供：外部腔室，其设置为包围石英腔室和至少一个可拆式加热部件，该石英腔室设置为包围处理容积；至少一个可拆式加热部件，设置在石英腔室外部，该加热部件具有一个或多个加热区；注入组件，其附接到石英腔室，用于将一种或多种工艺气体注入到腔室中；排气室，其设置在石英腔室的侧部并与注入组件相对；以及衬底舟，其适用于容纳多块衬底和可拆式基座，使得一块或多块衬底设置在基座对之间。

在另一实施方式中，提供一种方法，用于：将装载有衬底和基座的衬底舟设置在由石英腔室限定的处理容积中；辐射加热衬底和基座；通过具有一个或多个独立垂直管道的注入组件输送工艺气体；以及通过设置在注入组件中的多个孔将工艺气体注入到处理容积中。

一个实施方式提供一种用于批处理腔室的衬底舟。该衬底舟包括两个或更多垂直支架、支撑指状物，以及都连接到该垂直支架的基板和顶板。衬底舟适于容纳多块衬底和可拆式基座，从而利用衬底传送机械手可将舟基座装载到舟中或者从舟卸载。

附图说明

因此为了更详细地理解本发明的以上所述特征，将参照附图中示出的实施例对以上简要所述的本发明进行更具体描述。然而，应该注意，附图中只示出了本发明典型的实施例，因此不能认为是对本发明范围的限定，本发明可以允许其他等同的有效实施例。

图1是在处理位置具有衬底舟的批处理腔室的一个实施方式的示意侧视图；

图2是如图1所述的批处理腔室的示意横截面俯视图；

图3A-3C是具有如图1所示的可拆式基座的衬底舟的不同实施方式的放大图；

图4是如图3A所示的衬底舟的横截面俯视图；

图5是如图1所示的衬底舟的一个实施方式的等视图。

为了便于理解，尽可能使用相同的附图标记表示图中共同的相同元件。

具体实施方式

本发明主要提供一种用于批处理腔室的方法和装置，其为设置在石英反应腔室中的多块衬底提供均匀加热和均匀气体流动。

在此描述的批处理腔室还可用于当用于具有低沉积速率的化学气相沉积(CVD)和原子层沉积(ALD)工艺时提高衬底产量。例如，本发明的腔室可用于利用ALD型工艺沉积含硅膜和含铪膜，诸如氧化铪或硅酸铪(即，铪硅氧化物)。由于氧化铪或硅酸铪沉积速率慢，例如，沉积30埃可能需要花约200分钟的时间，因此这种不相称时长的工艺步骤在本发明的批处理腔室中有利地执行。

图1是批处理腔室100的示意侧视图以及图2是沿图1所示的方向2-2的批处理腔室100的示意横截面俯视图。批处理腔室100一般包括限定处理容积137的石英腔室101，该处理容积137设置为容纳在衬底舟114中堆叠的一批衬底121。在一个技术方案中，衬底舟114还可包括可拆式基座168。一个或多个加热部件111一般围绕石英腔室101排列并设置为加热处理容积137内部的衬底121。外部腔室113设置在石英腔室101和一个或多个加热部件111上方。外部腔室113可具有下部开口131。一个或多个热绝缘体112(参见图2)可设置在外部腔室113与一个或多个加热部件111之间，其设置为减少外部腔室113的受热。石英腔室101通过石英支撑板110支撑。外部腔室113连接到腔室堆叠支架109，其具有开口120并通过石英支撑板110支撑。O型环153和154可设置在腔室堆叠支架109与石英支撑板110之间以密封隔离外部容积138与外部容积149，该外部容积149在处理腔室100的外部。

石英腔室101一般包括：具有底部开口118的腔体102、在腔体102的一侧上形成的注入室104、在腔体102上与注入室104的相对侧上形成的排气室104，以及邻近底部开口118形成的法兰117。排气室103和注入室104可以是石英构件，其与石英腔体102焊接或熔融。在另一实施方式中，排气室103和注入室104可铣制在腔体102上。排气室103具有底部孔151并在底部开口。排气块148设置在腔体102和排气室103之间并配置为限制处理容积137和排气室103的排气容积132之间的流体连通。法兰117可以焊接在底部开口118和底部孔151周围并配置以便于腔体102和排气室103两者的真空密封。法兰117一般与具有孔150和139的石英支撑板110接触。底部开口118与孔139对齐，以及底部孔151与孔150对齐。O型环密封119可以设置在法兰117和石英支撑板110之间以从外部容积138密封隔离处理容积137，该外部容积138通过外部腔室113、腔室堆叠支架109、石英支撑板110，以及石英腔室101限定。O型环152围绕底部孔151设置以密封排气容积132和外部容积138。石英支撑板110另外连接到可以装载和卸载衬底舟114的真空交换腔140。衬底舟114可以经由孔139和底部开口118在处理容积137与真空交换腔140之间垂直移动。

参照图2，除靠近注入室104和排气室103外，加热部件111包围在石英腔室101的外周。利用加热部件111通过石英腔室101将衬底121辐射加热到适当温度。在一个技术方案中，由于衬底121和腔体102都是圆形的，因此衬底边缘166与石英腔室101以均匀距离隔开。在另一技术方案中，加热部件111可具有多个可控区域使得所述区域之间的温度变化可以调整，并且所述区域可以垂直设置。垂直区域可以沿衬底舟114的整个长度延伸并且各个区可以独立控制以优化衬底121的受热。在一个实施方式中，加热部件111可以具有部分包围石英腔室101的弯曲表面。

加热部件111可以是真空兼容的电阻加热器。在一个实施方式中，加热部件111可以是陶瓷加热器，其由耐工艺化学侵蚀的诸如铝氮化物的材料构成，其中电阻加热元件密封在所述材料内部。在另一实施方式中，外部容积138可以处于或接近大气压力下操作，以及加热部件111包含非密封的电阻加热器。在一个实施方式中，加热部件111通过在外部腔室113和腔室堆叠支架109上形成的开口是可拆卸的。在2005年9月9日提交的美国专利申请序列号No.11/233,826中进一步描述了批处理中使用的可拆式加热结构，在此引入其全部内容作为参考。

参照图1，焊接在腔体102上的注入室104限定与处理容积137相连通的注入容积141。当衬底舟114位于工艺位置时，注入容积141一般覆盖衬底舟114的全部高度，使得在注入室104中设置的注入组件105可将工艺气体的水平流提供到衬底舟114中的各个衬底121。在一个技术方案中，注入组件105具有突出的中心部分142，其设置为配合注入容积141。设置为保持注入室104的壁的凹槽143一般围绕中心部分142形成。注入室104的壁一般在注入组件105的周围包裹。注入开口116在外部腔室113上形成以为注入组件105提供通路。向内延伸的边(rim)106可以围绕注入孔116形成并可配置为保护注入组件105使其不被加热部件111加热。在一个技术方案中，外部容积138，其一般在外部腔室113的内部且在石英腔室101的外部，保持在真空状态。由于处理容积137和注入容积141在处理期间通常保持在真空状态，因此将外部容积138保持在真空下可降低石英腔室101上的压力产生的应力。O型环密封130设置在注入组件105和外部腔室113之间以提供对注入容积141的真空密封。阻挡密封129一般在注入室104的外部设置，防止处理容积137和注入容积141中的工艺化学物逃逸到外部容积138。在另一技术方案中，外部容积138可保持在大气压力下。

参照图2，三个进气管道126水平铣制在注入组件105上。三个进气管道126的每个都配置为给处理容积137独立供给工艺气体。在一个实施方式中，不同的工艺气体可提供给每个进气管道126。进气管道126的每个都连接到靠近中心部分142的端部形成的垂直管道124。垂直管道124进一步连接到多个均匀分布的水平孔125并在注入组件105的中心部分142上形成垂直喷头(如图1所示)。在处理期间，工艺气体首先从其中一个进气管道126流到相应的垂直管道124。然后，工艺气体通过多个水平孔125水平流到处理容积137中。在一个实施方式中，取决于批处理腔室100中执行的工艺要求，更多或更少的进气管道126可以在注入组件105中形成。在另一实施方式中，由于注入组件105可以安装在外部腔室113的外侧并从其移除，因此注入组件105可以互换以满足不同需要。

参照图1，一个或多个加热器128设置在邻近进气管道126的注入组件105的内部。一个或多个加热器128配置为加热注入组件105至设置温度并可由电阻加热器元件、热交换器等组成。冷却管道127在注入组件105中且在一个或多个加热器128的外部形成。在一个技术方案中，冷却管道127提供注入组件105的温度的进一步控制。在另一技术方案中，冷却管道127减少注入组件105的外表面的加热。在一个实施方式中，冷却管道127可包括两个垂直管道，其以以一角度轻微钻孔使得它们在一端相交。水平入口/出口123连接到每个冷却管道127使得热交换流体可通过冷却管道127连续流动。热交换流体可以为，例如，全氟聚醚(例如，

流体)，其被加热到约30℃和约300℃之间的温度。加热换流体还可以是在约15℃到90℃之间的所需温度下输送的水。热交换流体还可以是温度可控气体，诸如，氩或氮气。

排气容积132经由排气块148与处理容积137流体连通。在一个技术方案中，通过在排气块148上形成的多个狭槽136可以实现流体连通。排气容积132通过在排气室103的底部上设置的单个排气孔133与泵装置流体连通。因此，处理容积137中的工艺气体通过多个狭槽136流入到排气容积132，然后通过排气孔133排出。靠近排气孔133设置的狭槽136将具有比远离排气孔133的狭槽136更强的牵曳(draw)。为了产生从上到下的均匀牵曳，可以变化多个狭槽136的尺寸，例如，从下到上增加狭槽136的尺寸。在2005年10月13日提交的美国专利申请序列号No.11/249,555，题为“Reaction Chamberwith Opposing Pockets for Gas Injection and Exhaust”(具有相对的注气室和排气室的反应腔室)中进一步描述了批处理腔室，在此引入其全部内容作为参考。

已经注意到当与只装载衬底121的舟相比时，在衬底舟114内的衬底121之间以规则间距设置基座168可改善衬底的温度均匀性。基座168可以适于具有比衬底121更均匀和更高的发射率，这可致使更均匀辐射加热衬底。另外，增加衬底舟114内的基座168的数量可进一步增加衬底121的温度均匀性。然而，更多的基座可能减少可以装载到衬底舟114中的衬底数量，从而衬底舟114中使用的基座数量将受产量因素限制。

本发明中可从衬底舟114移除或添加到其中的基座168的使用提供一种关于基座数量、材料和几何结构的选择的适应性的方法，其中每个可以调整以实现温度均匀性、气体动力学和衬底产量的所需平衡。另外，当对于在衬底处理期间沉积的材料原位清洁困难或不适用时，可拆式基座168还可便于清洁。在该情形下，可以从衬底舟114移除基座168以湿法清洁并用干净的基座168替换以使***停工时间最小化。另外，如果基座168损坏并需要替换，基座168可以在不替换整个衬底舟的情形下进行替换。

图3A-3C是具有如图1B所示的可拆式基座的衬底舟114的不同实施方式的放大视图。通过衬底传送机械手(未示出)基座168可以在衬底舟114中放置，或从其移除。图3A表示包括多个垂直支架301A的一个实施方式，所述垂直支架301A适于在两个基座168之间支撑三块衬底121。该图案可以沿衬底舟114的长度重复使得相邻的每对基座168之间设置三块衬底121。每个垂直支架301A的一端可以耦接到基板302，以及另一端可以耦接到顶板303(参见图5)。在一个实施方式中，垂直支架301A、基板302和顶板303可以由熔融石英组成并焊接在一起以形成衬底舟114。在其他实施方式中，对于舟组件的中的每一个，以及用于连接所述组件的不同构件，可使用不同的材料(例如，碳化硅)。

垂直支架301A包括支撑衬底121和基座168的支撑指状物304。垂直支架301A可包括足够数量的支撑指状物304，使得衬底舟114可具有装置大约80到115块衬底121和基座168的组合装载能力。在没有基座的情形下，衬底舟114可具有装载80-115块衬底121的能力。在其他实施方式中，垂直支架可适于包括其他数量的支撑指状物304，其可增加或减少衬底舟114在以上提到的范围外的承载能力。

基座168可以是具有基座厚度305的圆形板，该基座厚度305可以大于衬底厚度306以提高温度均匀性。在另一实施方式中，基座厚度305可以大约等于衬底厚度306。在一个实施方式中，基座厚度305可以在约0.5毫米到约0.7毫米的范围。在另一实施方式中，基座厚度可以大于0.7毫米。由于通过预热工艺气体并减少热边缘效应，更大的直径可改善衬底121的热均匀性，因此基座168的直径可以大于基座121的直径。在其他实施方式中，基座168和衬底121的直径尺寸可以大约相同。在一些实施方式中，基座168的直径可以是约200毫米或约300毫米。在另一实施方式中，基座168的直径可以超过300毫米。基座168可由固体碳化硅(SiC)组成。在另一实施方式中，用SiC覆盖的石墨可用于基座168。在又一实施方式中，其它材料可用于基座168。材料的选择也可受基座168的所需热传导率影响。在本发明的一个实施方式中，当衬底处理需要更快的加热和冷却循环时，对于基座168，可以选择高热传导率材料和减少的厚度。在其他实施方式中，基座168可以由具有更低热传导率的材料组成。

支撑指状物304之间的一些基座指状物间距307可以大于衬底指状物间距308，使得衬底舟114可容纳厚度大于衬底121的基座168。在其他实施方式中，基座和衬底指状物间距307、308可以相同。可以选择基座到衬底间距309和衬底到衬底间距310以提高衬底温度均匀性、气流动力学以及衬底舟114容纳能力。在一个实施方式中，基座到衬底间距309和衬底到衬底间距310可以相同。在其他实施方式中，这些间距可以不同。基座到衬底间距309可以在从5mm到15mm的范围内。在其他实施方式中，基座到衬底间距309可以在该范围之外。

图3B和图3C是具有图1B所示的可拆式基座168的衬底舟114的其他实施方式的放大视图。图3B示出适宜用于支撑基座168之间的两块衬底121的垂直支架301B。如前所述，该图案可以沿衬底舟114重复，使得每对相邻基座168之间设置两块衬底121。在图3C中，垂直支架301C适于支撑每对相邻基座168之间的一块衬底121。其他实施方式包括任意多块衬底121，其可在相邻的基座168对之间设置。在另外实施方式中，衬底舟114可以适用于仅包括衬底121且无基座168。

图4是如图3A中所示的衬底舟的横截面俯视图。衬底121通过从四个垂直支架301A伸出的四个支撑指状物304支撑，其中四个垂直支架301A与基板302耦合(或焊接)。基座168直接位于衬底121下方。在该图中，由于基座168的直径大于衬底121，因此基座168可以从图中示出。在一个实施方式中，垂直支架301A可以适用于容纳直径大于衬底121的基座168。在另一实施方式中，垂直支架301A可以适用于容纳直径大约等于衬底121的直径的基座168。衬底舟114可包括用于支撑衬底121和基座168的两个或更多垂直支架301A，以及垂直支架301A可适当地围绕基板302设置以便于通过衬底传送机械手(未示出)装载和卸载衬底121及基座168。

图5是图1B所示的衬底舟114的一个实施方式的等视图。衬底舟114包括四个垂直支架301A、基板302和顶板3030。每个垂直支架301A包括多个支撑指状物304，其可支撑衬底121和基座168。基板302、顶板303、垂直支架301A和支撑指状物304都可由熔融石英组成并焊接或熔融在一起以形成整体单元。在其他实施方式中，不同材料(例如，固体碳化硅)可用于形成衬底舟114及其元件，以及用于连接元件的不同构件。基板302还可包括一个或多个通孔500以便于衬底舟114与衬底传送机械手对准。

虽然前述针对本发明的实施方式，但在不偏离由本发明的基本范围下可设计本发明的其他和另外实施方式，并且本发明的范围由以下权利要求限定。

Claims (15)

1.一种批处理腔室，包括：

石英腔室，配置为包围处理容积；

至少一个可拆式加热器，设置在所述石英腔室外部，所述加热器具有一个或多个加热区；

外部腔室，配置为包围所述石英腔室和所述至少一个可拆式加热器；

注入组件，附接到所述石英腔室，用于将一种或多种工艺气体注入到所述腔室中；

排气室，设置在所述石英腔室侧部并与所述注入组件相对；以及

衬底舟，设置在所述处理容积中，其中所述衬底舟包括多个可拆式基座并适于支撑在相邻基座之间的一块或多块衬底。

2.根据权利要求1所述的批处理腔室，其特征在于，所述衬底舟另外包括多个支撑指状物，该多个支撑指状物适于支撑在所述相邻基座之间的三块衬底。

3.根据权利要求1所述的批处理腔室，其特征在于，另外包括为装载和卸载所述衬底舟设置的衬底传送机械手。

4.根据权利要求1所述的批处理腔室，其特征在于，所述一个或多个热绝缘体在所述加热部件和所述外部腔室之间设置。

5.根据权利要求1所述的批处理腔室，其特征在于，所述石英腔室包括：

在顶部关闭以及在底部打开的腔体；

在柱状体的一侧上形成的注入室；以及

排气室，其在顶部关闭且在底部打开，其连接到腔体与所述注入室相对的一侧。

6.一种用于处理一批衬底的方法，该方法包括：

将在至少一对相邻基座之间设置有一块或多块衬底的衬底舟设置在由石英腔室限定的处理容积中；

辐射加热所述一块或多块衬底以及所述至少一对相邻基座；

通过具有一个或多个独立垂直管道的注入组件输送工艺气体；以及

通过在所述注入组件中设置的多个孔将所述工艺气体注入到工艺容积中。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，三块衬底设置在所述衬底舟内的至少一对相邻基座之间。

8.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，通过在所述石英腔室外部设置的至少一个可拆式加热部件和具有独立可控的至少一个垂直加热区域的所述加热部件获得所述辐射加热。

9.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述至少一对相邻基座的每个包括碳化硅。

10.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述至少一对相邻基座包括用碳化硅涂覆的石墨。

11.一种用于批处理腔室的衬底舟，包括：

两个或更多垂直支架；

多个支撑指状物；以及

耦接到所述垂直支架的基板和顶板；

其中所述多个支撑指状物中的两个或更多适于支撑衬底以及所述多个支撑指状物中的两个或更多适于支撑可拆式基座。

12.根据权利要求11所述的舟，其特征在于，所述多个支撑指状物适于支撑在相邻基座之间设置的三块衬底。

13.根据权利要求11所述的舟，其特征在于，所述舟适于利用衬底传送机械手将所述基座和衬底装载到所述舟中以及从所述舟卸载。

14.根据权利要求11所述的舟，其特征在于，所述基板包括一个或多个通孔以便于所述舟与衬底传送机械手的对准。

15.根据权利要求11所述的舟，其特征在于，所述舟适于容纳每个具有至少0.7毫米厚度的基座。

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