TWI545654B - 用於快速熱處理腔之透明反射板 - Google Patents

Description

用於快速熱處理腔之透明反射板

本發明一般關於半導體處理之領域。較具體地，本發明關於使用於半導體熱處理腔(如，快速熱處理腔)中之反射板。

快速熱處理(Rapid Thermal Processing，RTP)為於半導體製造期間用於退火基材之製程。於此製程期間，使用熱輻射以於控制環境中將基材快速地加熱至超過室溫900度之最大溫度。此最大溫度依據製程而維持於低於一秒到數分鐘。為進一步處理，基材接著冷卻至室溫。半導體製造製程具有數個RTP應用。這些應用包含熱氧化(基材於氧或氧和氫之結合中加熱，這些氣體會導致係基材氧化而形成二氧化矽)；高溫浸泡退火(使用不同的氣體混和物，如氮、氨或氧)；低溫浸泡退火(一般用以將退火沉積有金屬之晶圓)；和尖波退火(主要使用於基材需曝露至高溫於非常短時間之製程)。於尖波退火期間，基材快速地加熱至足以活化摻質的最大溫度，並於摻質實質擴散前加速地冷卻以終止活化製程。

使用高強度鎢或鹵素燈作為熱輻射的來源。當反射板將由晶圓散發之熱輻射朝晶圓反射回去時，反射板(如顯示於第2圖中且於後文進一步敘述)幫助維持溫度均勻。

第1圖顯示現存反射板27之側截面。如第1圖中所示，輻射高溫計燈管42經由於反射板27中之開口而突出，使得輻射高溫計燈管具有晶圓的清晰視界，如於第2圖中之最佳所視。現存反射板係由鋁所製成。高溫計燈管42與鋁反射板27表面齊平，於該鋁反射板27表面上有反射塗層(圖未示)且該鋁反射板27表面面對晶圓。因燈管和反射塗層曝露至腔環境，晶圓副產物材料可沉積於燈管及/或反射塗層上，這種情形導致於溫度測量中之偏差。此偏差可快速且徹底地發生或於長時段小幅增加。此外，施加至鋁反射板之反射塗層係複雜且難以製成(高成本)，且反射塗層具有150之℃最大操作溫度限制，且反射塗層於特定製程條件下有易於剝離之傾向。石英板60係置於晶圓和反射板27間，且石英板48置於固定至反射板27之支架64上，而留下間隙62。石英板48幫助緩和於上所提及之一些問題。然而，仍需要減少於上述所討論、與現存反射板有關之問題。

故，本發明之一或多個實施例係針對一種用於處理一基材之設備，該基材具有一前側和一後側。該設備包括：一製程區，該製程區位於一腔內，該腔係藉由鄰近一輻射加熱來源之一視窗而界定於一側上，該輻射加熱來源位於該製程區之外側；及一反射板，該反射板係相對該 輻射加熱來源而設置，該反射板包括由陶瓷材料所製成之一主體和位於該反射板之一側上的一反射塗層，和延伸經過至少該反射塗層的複數個孔。於一實施例中，該陶瓷材料包括一光學地透明之陶瓷。於一實施例中，該光學地透明的材料係選自氧化鋁、碳化矽、石英和藍寶石。依據一實施例，該反射板之該側具有最接近該輻射加熱來源之一第一表面和最遠離該輻射加熱來源之一第二表面，該第二表面具有該塗層於該第二表面上。

於一或多個實施例中，該等孔係間隔開以容納複數個高溫計探針。於一或多個實施例中，該等孔僅延伸經過該反射塗層。於一或多個實施例中，該反射板係安裝於一基板以提供一反射板組件。於一實施例中，該反射板和該基板係以低於約5mm而間隔。於其他實施例中，該反射板和該基板係直接接觸且未間隔。於一或多個實施例中，該反射板組件包含複數個支架以將該反射板和該基板以一分隔關係而分離。

於一實施例中，該反射塗層包含複數個介電層。於一實施例中，該陶瓷材料包含一摻質以增加由該反射板所吸收之熱量。於一或多個實施例中，該摻質係選自稀土材料、氫氧基和上述材料之結合。於一或多個實施例中，該基板包含複數個開口，該等開口係與於該反射板中之該等孔對齊。

於本發明之第二態樣實施例中，關於一種用於一快速熱處理腔之反射板組件設備，該反射板組件設備包括： 一基板，該基板具有穿過該基板之複數個開口以容納一高溫計探針；及一反射板，該反射板包括由陶瓷材料所製成之一主體和位於該反射板之一側上的一反射塗層，和延伸經過至少該反射塗層的複數個孔，該等孔係與經過該基板之該等開口對齊，其中該反射板係組設至該基板，使得於該基板中之該等開口和該反射板中之該等孔對齊。於一實施例中，該基板包含複數個支架以將該反射板和該基板以一分隔關係而維持。於一實施例中，具有該塗層之該側面對該基板。於一或多個實施例中，該陶瓷材料係光學地透明。於一或多個實施例中，該陶瓷材料係選自氧化鋁、碳化矽、石英和藍寶石。於一或多個實施例中，該陶瓷材料包含一摻質以增加由該反射板所吸收之熱量，其中該摻質係選自稀土材料、氫氧基和上述材料之結合。

於說明本發明之幾個示範實施例之前，應理解本發明並未限制於下文說明中之結構或製程步驟的細節。本發明可包含其他實施例，且可以各種方式執行或實現。

第2圖概要地呈現依據本發明之實施例的快速熱處理腔10，該快速熱處理腔10包含反射板設備。Peuse等人於美國專利第5,848,842和6,179,466號中說明此種反應器及此反應器之儀器的更多細節。舉例來說，待熱處理 之基材或晶圓12、半導體晶圓(如，矽晶圓)係通過閥或存取埠13進入腔10的製程區18。晶圓12藉由於此實施例中以環形邊緣環14顯示之基材支撐件而支撐於晶圓周緣上，該環形邊緣環14可具有接觸晶圓之角落的環狀坡架15。Ballance等人於美國專利第6,395,363號中更完整地說明邊緣環和邊緣環之支撐功能。晶圓經定向使得已形成於晶圓12之前表面中的所處理之特徵結構16向上(對照向下的重力場)面朝製程區18，該製程區18係由透明石英視窗20界定於製程區18之上側。透明石英視窗20係位於距晶圓12一實質距離處，使得視窗於製程期間對基材之冷卻具有最小的影響。典型地，於晶圓12和視窗20間的距離為大約20mm。相對概圖而言，大部分的特徵結構16並未突出超過晶圓12之表面的實質距離，但於表面平面內或附近處構成圖案。當晶圓於將晶圓帶入腔內之槳或機器人葉片(圖未示)並放置於邊緣環14間處理時，舉升銷22可上升或下降以支撐晶圓12的後側。輻射加熱設備24係置於視窗20之上以引導輻射能朝向晶圓12並因此加熱晶圓。於反應器或處理腔10中，輻射加熱設備包含位於各反射管27中的大量高強度鎢-鹵素燈26(示範數量為409個)，該等反射管27係以六角封包之方式而配置於視窗20上。

期望將遍布晶圓12之溫度控制成均勻遍布晶圓12之接近定義溫度。依此考量，反射板28以平行且大於晶圓12之區域的方式而延伸，該反射板28並面向晶圓12的 後側。反射板28有效地將從晶圓12散發的熱輻射朝晶圓12反射回去。於晶圓12和反射板28間的間隔可於3至9mm的範圍內，且空腔之寬度對厚度的寬厚比(aspect ratio)係有利地大約20。如上所述之反射板28係由鋁所製成，且包含金塗層或多層介電干擾鏡，於晶圓12之後側有效地形成黑體空腔，該黑體空腔易於從晶圓12的較溫暖部分提供熱量至較冷部分。於其他實施例中，舉例來說，如揭露於美國專利號第6,839,507和7,041,931號中，反射板28可具有較不規則的表面或具有黑色或其他顏色之表面。反射板28可支撐於由金屬製成之水冷卻基底53上以由水散熱多餘的輻射(尤其於冷卻期間時)。故，處理腔之製程區18具有至少兩個實質平行壁，其中第一壁為由透明以供輻射之材料(如，石英)所製成的視窗20，第二壁/基底53實質平行第一壁，該第二壁/基底53係由金屬所製成且明顯為不透明的。

燈26被分割成數區，該等區一般繞中央軸34配置成類環狀。控制電路於不同區中改變傳送至燈26之電壓，以藉此調整輻射能的輻射分布。區域加熱的動態控制係由經一或多個光學燈管42耦接之一或多個高溫計40而影響，該一或多個光學燈管42係放置以經由於反射體28中之孔而面對晶圓12的後側，以測量遍布旋轉晶圓12之半徑的溫度。燈管42可由各種結構所形成，包含藍寶石、金屬及石英光纖。電腦化控制器44接收高溫計40的輸出並相應控制供應至不同環之燈26的電壓，以 於製程期間藉此動態控制輻射加熱強度和圖案。高溫計一般於約700至1000nm的範圍中測量於窄波長頻帶(如，40nm)中的光強度。控制器44或其他儀器經由著名的光強度之光譜分析的蒲朗克分布(Plank distribution)而將光強度轉換成溫度，該光強度由維持於該溫度之黑體輻射出。

顯示於第2圖之腔允許晶圓12支撐件被輕易地舉升於腔內側之不同的垂直位置以允許控制基材的熱曝露。應理解顯示於第2圖之結構並不意欲作為限制。特別地，本發明不限於熱源或燈於一側或基材之表面處指向且高溫計於晶圓之相對側處指向的結構。

如上所述，於處理腔之製程區中的晶圓溫度一般藉由輻射高溫測量而測量。儘管輻射高溫測量可相當精確，若此輻射係由高溫計而偵測時，於輻射高溫計頻帶內和從熱源產生之輻射可受到高溫計訊號的判讀而干擾。於應用材料公司之RTP系統中，此情形藉由製程套組和藉由晶圓本身而最小化。製程套組將晶圓與旋轉系統耦接。製程套組可包含如於第2圖中以元件符號30所示的支撐汽缸。製程套組亦可包含未顯示於圖中但可使用於一些處理腔結構中的支撐環。此支撐環基本為支撐邊緣環的輔助邊緣環，如於第2圖中以元件符號14所示之邊緣環。

燈26的陣列有時稱為燈頭。然而，其他輻射加熱設備可作為替換。一般而言，這些設備包含電阻加熱，以快 速的提高輻射來源的溫度。合適燈的例子包含具有環繞燈絲的玻璃或石英外殼之水銀蒸氣燈，和環繞氣體(如，氙)(當氣體被充能時，提供熱源)的玻璃或石英外殼的閃光燈。當於此使用時，用詞“燈”係意欲覆蓋包含有環繞熱源之外殼的燈。燈之“熱源”與可增加基材溫度的材料或元件有關(如，燈絲或可被充能的氣體)。

當於此使用時，快速熱處理或RTP指可以約50℃/秒或更高之速率(如，以100至150℃/秒和200至400℃/秒之速率)均勻地加熱晶圓之設備或製程。於RTP腔中典型的下降(冷卻)速率為於80至150℃/秒之範圍。執行於RTP腔中之一些製程需要遍布基材作低於幾度攝氏溫度的溫度變化。因此，RTP腔必須包含燈或其他合適的加熱系統和可以高達100至150℃/秒，和200至400℃/秒之速率加熱的加熱控制系統，這是造成快速熱處理腔與其他不具有加熱系統和可以這些速率快速加熱之加熱控制系統的熱腔不同處。依據本發明之另一態樣，本發明之實施例亦可應用於快速退火(flash annealing)。當於此使用時，快速退火指將一試樣於低於5秒中退火，具體地，低於一秒且於一些實施例中為低於幾毫秒。

改善溫度均勻度的一種方式包含將邊緣環14支撐於旋轉汽缸30上，該旋轉汽缸30磁性地耦接至位於腔外側的旋轉凸緣32。轉子(圖未示)轉動凸緣32並因此繞轉子之中心34轉動晶圓，中心34亦為一般對稱腔的中心線。

依據本發明之第一態樣，提供有改良之反射板28和反射板組件。第3圖顯示使用於設備(該設備顯示於第2圖中)的反射板28種類的立體圖，該反射板28包含開口以允許舉升銷22經過該反射板28之頂側29而突出。

於一或多個實施例中，反射板28主體係由光學地透明之材料(如，石英、藍寶石或透明釔鋁石榴石)所製成。反射板亦包含用以如第1圖中所示容納高溫計燈管42的複數個燈管孔。

反射板組件25顯示於依據本發明之一實施例的第4圖中。應注意者，用以容納顯示於第3圖中之舉升銷的開口未顯示於第4圖中。反射板組件包括基板19，基板19於一實施例中係由合適的金屬(如，不鏽鋼)所製成。基板19可固定至腔底部，舉例來說，藉由螺栓、螺絲或其他合適的緊固件而固定至如第2圖中所示之腔底53。基底19具有開口，高溫計燈管42可通過開口。於基板中之開口與反射板中之孔對齊以容納高溫計燈管。反射板組件25更包括反射板28，反射板之主體係由陶瓷所製成，陶瓷包含(但不限於)氧化鋁、碳化矽、石英、藍寶石。此陶瓷依據所選擇之實施例而可為或不可為光學地透明的。隨著穿孔允許高溫計燈管通過陶瓷，塗層可沉積於第一表面上，且陶瓷不需為光學地透明的。依據一實施例，若塗層沉積於第二表面上時，則陶瓷應為光學地透明的。第一表面反射體將導致較冷的反射板，而這種情形可能為所期望的或非所期望的。第二表面反射體 將導致較溫暖的反射板，且塗層亦藉由變成埋入或沉積於塗層頂部之產物而從任何製程較佳地屏蔽。

反射板28具有與基板19直徑相似的直徑。反射板28係安裝於基板19上。安裝反射板28之一種合適方法係放置反射板28於支架33上，使得反射板28和基板19係分隔而提供少於約5mm之間隙45。於一或多個實施例中，反射板28和基板19係藉由少於約1mm而分隔，且於其他實施例中，並無間隔於反射板28和基板19間。於所示的結構中，支架33係藉由基板而定位且容納，但置放和支撐反射板28。反射板28可更包含施加於反射體28之任一側或兩側的反射塗層35。故，反射板組件25包含反射板28，該反射板28係置於支架33上，該支架33係由基板19所拘束，高溫計燈管42通過該支架33，該高溫計燈管42被螺固至腔底部53。於一些實施例中，舉升銷46通過支架33。藉由以光學地透明之陶瓷(如，石英或藍寶石)而製造反射板28之主體，反射塗層可置於反射板的後側37上(遠離晶圓12)。於此方向中，塗佈之後側37未直接地曝露至晶圓處理副產物，且因此塗層較不易受到剝離。此外，顯示延伸入塗層但可與塗層35齊平之高溫計探針或燈管42亦未直接曝露至副產物。因此，光學地透明之反射板將吸收多的輻射能且將變得更熱。

於所示之實施例中，於反射板28之後側37上有未施加塗層之區域，使得高溫計透過光學地透明之反射板28 仍具有至晶圓的清晰視野。這些未塗佈之區域可與塗佈表面齊平或和塗佈表面相距1mm內。於所示之實施中，這些未塗佈之區域形成盲孔或盲口。於替代實施例中，高溫計開口可為孔41或穿孔148(如第5圖中所示)之形式。於第6圖所示之一或多個實施例中，提供盲孔248，使得高溫計燈管42可經設計而大致上與反射塗層齊平，但因於組件中堆疊之公差而允許垂直變化。此外，盲孔提供一種便利的方式以準確地定位光罩，此方式可使用於塗佈製程期間以確保這些區域保持未塗佈。於一或多個實施例中，於塗層中之空隙可於塗層沉積前藉由光罩或塗層移除製程(如，雷射剝蝕)而產生，這些製程選擇地僅移除一些區域中的塗層，這些區域係高溫計需要進入處理環境之視線的區域。於一或多個實施例中，塗層可施加至第一表面的頂側29，開口或孔可部分地或完全地延伸經過於頂側29上之塗層。

於所示具有塗層35於反射板28之後側35上的反射板組件25之結構中，晶圓副產物沉積於反射板28上的速率降低，因此延伸出可稱之為清潔間之平均晶圓(Mean Wafer Between Clean，MWBC)。MWBC係指必須於反射板28上執行清潔以減少或移除副產物沉積於反射板28上前所處理晶圓之平均數。因為光必須通過光學地透明反射板主體而至反射塗層且接著沿光線發射出去的路徑經由光學地透明反射板主體而反射回去，具有面對基板表面(亦即，後側37或第二表面)之反射塗層的光學地透 明之反射板28繼續變熱。於操作期間保持之熱量可藉由於反射塗層35中具有摻質(如稀土元素)或具有較高的氫氧基濃度來調整。若光學地透明之反射板28具有較高的氫氧基含量，反射板28將吸收更多的輻射能。

於一替代實施例中，反射板28之主體由不透明陶瓷所製成。於此實施例中，若反射塗層35係置於反射板28之頂側29上，光將從塗層反射。此可藉由避免於早先的加熱製程中不平均加熱晶圓，而有助於允許反射板28保持較冷。陶瓷(如，石英或藍寶石)於大溫度範圍(如於約22℃至約800℃之範圍中)具有低的熱膨脹係數。故，相較於鋁反射板，反射塗層可較輕易地施加。相較於鋁或不銹鋼，塗層傾向較易於黏著至陶瓷材料(如，石英)。依據一或多個實施例，反射塗層具有約400℃之最大操作溫度(相較於在鋁反射板上之反射塗層而言，為約200℃)。再次地，因為較高的操作溫度能力，晶圓副產物沉積可減少或接近消除。

反射塗層35可為任何種類之材料。提供具有反射層之薄層之視窗用以於特定範圍的波長中反射之製程和服務的提供者為已知。此塗佈服務之一提供者係如JDS Uniphase。一般而言，可使用於反射塗層35中之材料可為高指數或低指數之介電材料的任何結合之替代層，這些介電材料係對大部分從熱源散發之輻射為實質透明，如，二氧化鈦-二氧化矽或五氧化二鉭-二氧化矽。於一實施例中，反射層係由SiO₂和Ta₂O₅所製成。於另一實 施例中，反射層係由SiO₂和TiO₂所製成。於一特定實施例中，最外層包含SiO₂。

於一實施例中，層包含具有複數(薄)層不同折射指數之光學地透明材料，折射指數有時稱為介電鏡。多層介電鏡可如反射過濾器而運作，其中輻射被反射。輻射可於其他元件上依據於輻射波長、輻射的入射角、所施加介電材料的特質(包含所施加介電材料之折射指數)、每層的厚度、具有不同厚度之層數及層的配置而選擇地反射。

此說明書從頭到尾所指的“一個實施例”、“一或多個實施例”或“一實施例”意指結合該實施例所述之特定特徵、結構、材料或特質係包含於本發明之至少一個實施例中。因此，此說明書從頭到尾出現在各個位置之片語如“於一或多個實施例中”、“於一些實施例中”、“於一個實施例中”或“於一實施例中”係不必然指本發明的相同實施例。此外，特定的特徵、結構、材料或特質可於一或多個實施例中以合適的方式作結合。

儘管本發明於此已參照特定實施例作說明，應理解者，這些實施例僅作為解釋本發明之原理和應用。對該些熟悉該項技術領域者而言，可對本發明之方法及設備所作之各種修改及變化係顯而易見，且不背離本發明之精神和範圍。舉例來說，儘管本發明已關於一特定種類之加熱燈，其他的變化例亦為可行。因此，本發明意欲包含於隨附請求項和請求項之等效元件的範圍內修改和 變化。

10‧‧‧快速熱處理腔

12‧‧‧晶圓

13‧‧‧存取埠

14‧‧‧邊緣環

15‧‧‧環狀坡架

16‧‧‧特徵結構

18‧‧‧製程區

19‧‧‧基板

20‧‧‧視窗

22‧‧‧銷

24‧‧‧輻射加熱設備

25‧‧‧反射板組件

26‧‧‧燈

27‧‧‧反射管

28‧‧‧反射板

29‧‧‧頂側

30‧‧‧汽缸

32‧‧‧凸緣

33‧‧‧支架

34‧‧‧中央軸

35‧‧‧反射塗層

37‧‧‧後側

40‧‧‧高溫計

41‧‧‧孔

42‧‧‧燈管

44‧‧‧控制器

45‧‧‧間隙

46‧‧‧銷

53‧‧‧腔底

60‧‧‧石英板

62‧‧‧支架

64‧‧‧間隙

148‧‧‧孔

248‧‧‧盲孔

本發明之更特別的說明(簡短摘要於發明內容中)可參照本發明之實施例(這些實施例描繪於隨附的圖式中)而獲得。應注意者，隨附的圖式僅說明本發明的典型實施例，且不因此被視為對本發明範圍之限制，因本發明可允許其他等效之實施例。

第1圖為傳統快速熱處理腔反射板組件之側視截面圖；第2圖顯示快速熱處理腔；第3圖為依據本發明一實施例之反射板的立體圖；第4圖為依據本發明一實施例之反射板組件的側視截面圖；第5圖為依據本發明一實施例之反射板組件的側視截面圖；第6圖為依據本發明一實施例之反射板組件的側視截面圖。為促進了解，儘可能使用相同的參考符號以指定共用於圖式之相同元件。

19‧‧‧基板

25‧‧‧反射板組件

28‧‧‧反射板

29‧‧‧頂側

33‧‧‧支架

35‧‧‧反射塗層

37‧‧‧後側

42‧‧‧燈管

44‧‧‧控制器

45‧‧‧間隙

46‧‧‧銷

Claims (20)

1. 一種用於處理一基材之設備，該基材具有一前側和一後側，該設備包括：一製程區，該製程區位於一腔內，該腔係藉由鄰近一輻射加熱來源之一視窗而界定於一側上，該輻射加熱來源位於該製程區之外側；及一反射板，該反射板係相對該輻射加熱來源而設置，該反射板包括由陶瓷材料所製成之一主體和位於該反射板之一側上的一反射塗層，和延伸經過至少該反射塗層的複數個孔。
2. 如請求項1所述之設備，其中該陶瓷材料包括一光學地透明之陶瓷。
3. 如請求項2所述之設備，其中該光學地透明的材料係選自氧化鋁、碳化矽、石英和藍寶石。
4. 如請求項3所述之設備，其中該反射板之該側具有最接近該輻射加熱來源之一第一表面和最遠離該輻射加熱來源之一第二表面，該第二表面具有該塗層於該第二表面上。
5. 如請求項4所述之設備，其中該等孔係間隔開以容納 複數個高溫計探針。
6. 如請求項5所述之設備，其中該等孔僅延伸經過該反射塗層。
7. 如請求項5所述之設備，其中該反射板係安裝於一基板以提供一反射板組件。
8. 如請求項7所述之設備，其中該反射板和該基板係以低於約5mm而間隔。
9. 如請求項7所述之設備，其中該反射板和該基板係直接接觸且未間隔。
10. 如請求項8所述之設備，其中該反射板組件包含複數個支架以將該反射板和該基板以一分隔關係而分離。
11. 如請求項1所述之設備，其中該反射塗層包含複數個介電層。
12. 如請求項1所述之設備，其中該陶瓷材料包含一摻質以增加由該反射板所吸收之熱量。
13. 如請求項12所述之設備，其中該摻質係選自稀土材 料、氫氧基和上述材料之結合。
14. 如請求項9所述之設備，其中該基板包含複數個開口，該等開口係與於該反射板中之該等孔對齊。
15. 一種用於一快速熱處理腔之反射板組件設備，該反射板組件設備包括：一基板，該基板具有穿過該基板之複數個開口以容納一高溫計探針；及一反射板，該反射板包括由陶瓷材料所製成之一主體和位於該反射板之一側上的一反射塗層，和延伸經過至少該反射塗層的複數個孔，該等孔係與經過該基板之該等開口對齊，其中該反射板係組設至該基板，使得於該基板中之該等開口和該反射板中之該等孔對齊。
16. 如請求項15所述之設備，其中該基板包含複數個支架以將該反射板和該基板以一分隔關係而維持。
17. 如請求項15所述之設備，其中具有該塗層之該側面對該基板。
18. 如請求項17所述之設備，其中該陶瓷材料係光學地透明。
19. 如請求項18所述之設備，其中該陶瓷材料係選自氧化鋁、碳化矽、石英和藍寶石。
20. 如請求項18所述之設備，其中該陶瓷材料包含一摻質以增加由該反射板所吸收之熱量，其中該摻質係選自稀土材料、氫氧基和上述材料之結合。