TWI658529B - 提高溫度均勻性之基座加熱器局部溫度控制 - Google Patents

提高溫度均勻性之基座加熱器局部溫度控制 Download PDF

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Abstract

一種加熱組件例如可以使用於薄膜沉積中，一種方法提供作為改善由加熱組件加熱之基座以及基板的溫度均勻性。基板可以是半導體晶片。

Description

提高溫度均勻性之基座加熱器局部溫度控制
本發明係關於一種基板支撐以及加熱組件，其具有加熱器以控制組件以及基板基座溫度均勻性。更具體地，該組件包括基座組件，豎板軸和加熱器適合於實現所述方法。
對於許多半導體製造過程，半導體基板或晶片可以在處理室中進行加熱。在一些情況下，基板或晶片位於固定在豎板軸頂上的加熱基座上。電阻加熱線圈或其它加熱構件通常封閉於基座內，提供傳導熱以提高基座及位於其上面半導體基板的溫度。
其特別難以在處理槽室中對加熱整個基座和基板提供均勻之溫度，特別是對於基座和基板的中央區域。一般埋嵌於基座內之線圈加熱器具有最小彎曲半徑，其限制加熱基座以及基板中心區域的能力。除此，豎板軸通常作為散熱器，其由基座和基板的中央區域移除熱量。雖然一些先前發明例如為美國第744018及7126092號專利類似的文獻中已解決加熱之控制，已經發現仍然需要控制基座以及基板溫度在更嚴格誤差範圍內均勻性的 能力，以提供所需要高品質生產半導體元件的嚴格要求。
在一項中，本發明可以提供一種裝置，其包括具有第一端部豎板軸以及固定到相鄰於第一端部豎板軸之基座組件以及具有基板支撐表面的基板支撐組件；由基座組件承載之第一加熱器；以及向下地延伸相鄰於豎板軸第一端部之第二加熱器。
在另一項中，本發明可以提供一種裝置，其包括具有第一端部豎板軸以及固定到相鄰於第一端部豎板軸之基座組件以及具有基板支撐表面以及中央區域的基板支撐組件；由基座組件承載之第一加熱器；以及向下地延伸相鄰於中央區域之第二加熱器。
在另一項中，本發明可以提供一種裝置，其包括具有第一端部豎板軸以及固定到相鄰於第一端部豎板軸之基座組件以及具有基板支撐表面的基板支撐組件；實質上整個位於沿著平面以及沿著基座組件延伸之平面第一加熱器；以及由相鄰平面以離開平面之方向延伸的第二加熱器。
在另一項中，本發明可以提供一種方法，其包含下列步驟：提供基板支撐組件，其包括具有第一端部之豎板軸以及固定到相鄰於第一端部豎板軸之基座組件以及具有基板支撐表面；利用第一加熱器加熱基座；以及利用第二加熱器加熱相鄰於豎板軸第一端部之基板支撐組件的區域，第二加熱器向下地延伸相鄰於豎板軸第一端部；放置基板於基板支撐組件上；以及將熱量由 基座轉移至基板。
1‧‧‧反應器系統
2‧‧‧處理槽室或反應槽室
3‧‧‧裝載區域
4‧‧‧內部槽室
6‧‧‧加熱組件
8‧‧‧基座組件
10‧‧‧豎板軸
12,14‧‧‧加熱器
16‧‧‧噴頭
17‧‧‧頂部表面
18‧‧‧基板或晶片
19‧‧‧底部表面
20‧‧‧頂部壁板
21‧‧‧外部週邊
22‧‧‧底部壁板
24‧‧‧側邊壁板
26‧‧‧氣體供給端埠
30‧‧‧***及移除端埠
32‧‧‧閥或門
33‧‧‧基座
34‧‧‧頂部表面
35‧‧‧板
36‧‧‧底部表面
37‧‧‧底部表面
38‧‧‧外部周邊
39‧‧‧頂部表面
40‧‧‧基板支撐表面
42‧‧‧空間
44‧‧‧中央區域
46‧‧‧第一端部或頂端
48‧‧‧第二端部或底端
50‧‧‧通道
52‧‧‧側邊壁板
53‧‧‧外側週邊
51,53‧‧‧表面
54,56‧‧‧加熱線圈
55‧‧‧內半徑或周邊
57‧‧‧外半徑或周邊
58‧‧‧電線
59‧‧‧內半徑或周邊
60‧‧‧導線
61‧‧‧外半徑或周邊
62‧‧‧軸環
64‧‧‧加熱線圈
66‧‧‧電線
60,66‧‧‧電線
64‧‧‧加熱元件
本發明示範性實施例揭示於下列說明中，顯示於附圖中以及特別並清楚地指出以及說明於申請專利範圍中。
圖1是由使用基座加熱器組件的反應器系統實施例之側剖視圖。
圖2是曲線圖，其顯示出當豎板軸加熱器並未加熱時離基座中心不同的徑向距離處基座的溫度。
圖3類似於圖2以及顯示出當豎板軸加熱器加熱時基座溫度。
圖1顯示出反應器系統1，其包括界定出內部槽室4之處理槽室或反應槽室2，其中佈置基板支撐以及加熱組件6，其包括基座組件8以及豎板軸10。槽室4包括裝載區域3以及處理區域直接地位於區域3上方以及與其連通。組件6亦表示為基板支撐組件，基板加熱組件，支撐組件，加熱組件等。組件6包括加熱器12及14，其設置在槽室4中作為對基座組件8以及豎板軸10提供熱量。每一加熱器12及14可表示為第一加熱器或第二加熱器。加熱器12也可以表示為基座加熱器12，同時加熱器14可以表示為豎板軸加熱器14，雖然由加熱器12和14所提供的熱量傾向於重疊在一起，使得每個加熱器12和14可以提供熱量至基座組件8和豎板軸10。薄膜沉積噴頭16也可以設置在槽室4中作為沉積薄膜例如一次沉積一個原 子層在基板或晶片18上，其可以在半導體基板或晶片上。基板18通常是薄的以及平坦的以及能夠是碟狀的。基板18可以具有平的圓形頂部表面17，平的圓形底部表面19以及個圓形的週邊21，從頂部表面17延伸至底部表面19。
反應室2可包括頂部壁板20，底部壁板22，以及側邊壁板24。雖然形狀可以變化，頂部壁板以及底部壁板20以及22是典型的，通常是平坦的壁板，從上方來觀察時通常是圓形的。同樣地，雖然形狀可以變化，其通常是圓柱形。氣體供給端埠26設置於頂部壁板20上與槽室4以及外部氣體供應流體連通以從外部槽室2提供所需要氣體至內部槽室4。豎板軸承受通道28於底部壁板22中界定出以在其中承受豎板軸10。基片或晶片的***以及移除端埠30界定出於側邊壁板24中以允許***物通過基板18進入槽室4之承載區域3以及由承載區域3移出基板18，於閥或門32處於打開位置之時，如圖1中實線所示。閥或門32是可移動的(箭頭A)於開啟位置以及以虛線所示的閉合位置之間。處於關閉位置之閥32密封槽室4以防止氣體經由端埠30移入或排出槽室4。
基座組件8通常是平坦，水平之板以及通常具有碟狀結構。基座組件8可包括基座33以及支承板或加熱器板35，其可被牢固地固定到基座33，並使基座33位於板35上。每一基座組件8以及板35通常是平坦的水平板以及通常具有碟狀的配置。基座組件8可具有圓形向上面對頂部表面34，其也作為基座33的頂部表面，圓形朝下面對底部表面36，其也作為板35的底部表面，以及一 個外部周邊38或直徑，其由頂部表面34延伸至底部表面36，以及亦分別地作為基座33以及板35的外側周邊。外部周邊38通常是圓形的或圓柱形的。基座33可具有圓形朝下面對底部表面37，以及板35可以具有圓形朝上面對頂部表面39，其鄰接以及牢固地固定至底部表面37。基座組件8/基座33具有朝上面對平坦的水平基板支撐表面40，其在範例性實施例中被向下地從頂部表面34凹陷小的距離。基座組件8/基座33可界定出基板承受空間42，其從支撐表面40向上地延伸短的距離以及具有基片或晶片18的形狀以及尺寸，因而頂部表面17，底部表面19以及外部週邊21亦分別地表示空間42之頂部，底部以及外部週邊21。基座組件8具有中央區域44，其徑向地向外從基座組件8的中心C延伸出，其通常位於垂直縱向軸X上，支持組件6對著該軸為可轉動的。基座33以及板35可由金屬，石墨或其它合適的材料製成。
豎板軸10具有第一端部46或頂端以及相對的第二端部48或底端。豎板軸10通常垂直地延伸以及界定出垂直或垂直延伸通道50，其從第一端部46延伸到第二端部48以及通過X軸。更具體地，豎板軸10具有側邊壁板52，其面對以及界定出通道50，以及外側週邊或表面53，其面對遠離通道50一側。表面51以及53從第一端部46延伸到第二端部48。第一端部46是在內部槽室4中，而第二端部48在外側槽室4外側。基座組件8被固定到豎板軸10鄰近頂端46以及徑向地向外延伸。基座組件8的外側週邊或直徑38基本上大於軸10之外側週邊或直徑53。豎板軸10/側邊壁板52可由金 屬，石墨或其它合適的材料形成。
基座加熱器12具有顯示為加熱線圈54之第一或內部加熱元件54以及顯示為加熱線圈56之第二或外部加熱元件56。加熱元件54以及56可沿著基座組件8延伸以及承載。加熱元件54及56可埋嵌於基座組件8中，例如沿著基座33與板之間的界面而相鄰於底部表面以及頂部表面39。雖然在此顯示為加熱線圈，亦可考慮其他配置。電線58被連接到第一線圈54以及電源以及控制器PS，以提供線圈54以及電源/控制器PS之間的導電連通。電線60同樣地連接到第二線圈56以及電源以及控制器PS，以提供線圈56以及電源/控制器PS之間的導電連通。線圈的電源可以是不同的，以及每一線圈可以獨立地控制。基座加熱器12可以是平面型加熱器，其基本上完全地沿著水平面P，其可以穿過基座組件8。每一線圈54以及56可以具有螺旋形狀，其螺旋地向外遠離X軸，使得每一線圈可以是平面加熱線圈，其實質上完全地沿著水平平面P。內部線圈54具有內半徑或周邊55以及外半徑或周邊57。外部線圈56具有內半徑或周邊59以及外半徑或周邊61。週邊55，57，59以及61從上方觀察基本上是圓形的。外部線圈56的外部週邊61通常是鄰近於以及徑向地向內朝向週邊基座組件8之外部周邊38。內側線圈54的外部週邊57通常是鄰近於以及徑向地向內朝向外部線圈56之內部周邊59。內側線圈54的內部週邊通常相鄰於中央區域44以及可作為中央區域44之外部邊界或周邊。
加熱器14可包括環或環形軸環62，其與側邊壁 板52分隔，如圖1中虛線所示。軸環62可以是圓柱形的以及由金屬，石墨或其它合適的材料形成。軸環62可以是例如，焊接，銅焊或按按壓裝入到側邊壁板52。當使用時，軸環62環繞側邊壁板52。加熱器14包括在此顯示為加熱線圈64之加熱元件，其如同其他加熱元件與電源PS導電連通。特別是，電線66連接到線圈64以及電源或控制器PS。電線58，60以及66延伸進入通道50，以連接到相對應的線圈。加熱元件64向下地延伸相鄰於豎板軸10上端46以及中央區域44以及由相鄰於中央區域44以及內部線圈54內部週邊向下延伸。加熱元件64沿著相鄰於上端46之豎板軸10向下延伸。加熱元件64可為完全徑向地向內線圈54的內部週邊55/中央區域44之外部週邊，或換一種方式，可以完全地更接近於X軸，比內部周邊55/中央區域44的外部週邊更接近。
圖1相關線圈64使用實線以及虛線表示。線圈64可同時包括實線以及虛線，或僅實線，或者僅虛線。線圈64可被埋嵌在軸環62中，在使用軸環情況下，或可以被埋嵌在相鄰於上端46部份側邊壁板52。在每一情況下，線圈64是徑向向外的以及圍繞著相鄰於上端46之部份內部表面51，相鄰於上端46之部份通道50，以及相鄰於上端46之部份側邊壁板52。其中線圈64埋嵌於軸環62中，線圈64徑向地向外以及圍繞著包含外側表面53之側邊壁板52。線圈64亦部份地或整個地埋嵌於板35中，如虛線所示，或者線圈64可部分地或完全地埋嵌在豎板軸10/側邊壁板52中，如實線所示。線圈64可以是垂直延長加熱線圈以及可為同心地圍繞X軸。 線圈64可為螺旋形，儘管可考慮其它的形狀。線圈64可以是非平面加熱器或加熱線圈，其不像線圈54以及56，並不實質上整個位於沿著平面。然而，加熱元件64可包括一個或多個線圈或其他加熱元件，其可以是平面的，使得其基本上完全地位於沿著並非平行於平面P的平面，而是相對於平面P為一個角度。線圈64可基本上完全地位於沿著圓柱體C1，其以X軸為同心的或沿著以X軸為同心的錐體。線圈64可由相鄰平面P延伸出，其中平面線圈54以及56位於離開平面P方向(在此向下地)。在範例性實施例中，線圈64位於沿著與平面P垂直之圓柱體C1。加熱元件64可以在一側平面P上。
在操作中，線圈54，56以及64進行加熱以及獨立地或共同地藉由控制器PS按照需要情況加以控制以經由傳導提供熱量到基板或晶片18。線圈54以及56主要提供電阻加熱，其藉由傳導至基座組件8(基座33以及板35)轉移熱量。線圈64同樣地主要提供電阻加熱，其傳導至軸環62(其中使用)以及相鄰軸環62之側邊壁板52，或至軸10的可埋嵌線圈64之部份側邊壁板52，及/或至可埋嵌線圈64之板35的中央部份，因而一些熱量也轉移到基座組件8之中央區域44以及基板18的中央部份。來自基座33源於線圈54，56，以及64的熱量依次地藉由傳導轉移至基板18。
使用基座加熱器12以及豎板軸加熱器14能夠較為嚴格地控制加熱處理過程如圖2及3所示，其中曲線圖係關於300mm直徑基座之加熱。即圖2顯示出當控制器PS控制加熱使得加熱器14之線圈54及56打開以提供基座組件8加熱以及加熱器14線 圈64並未打開(關閉位置)使得線圈64並未提供基座組件任何加熱時在離中心C不同徑向距離處基座組件8/基座33之溫度。另外一方面，圖3顯示出利用豎板軸加熱對基座組件加熱，以及因而顯示出當控制器PS控制加熱使得全部線圈54,56及58打開以提供基座組件8以及相鄰於上端46豎板軸10加熱時在離中心C不同徑向距離處基座組件8/基座33之溫度。如圖2所示，只藉由線圈54及56對基座提供加熱對整個基座組件8產生溫度誤差為不超過2.0℃。更特別地，溫度誤差或變化與沿著水平區域或空間42以及沿著基板支撐表面40，亦即空間42之外部週邊21，或由中心C徑向地朝外至外部週邊21，之基座溫度相關。另外一方面，圖3顯示出整個基座組件8相對應溫度誤差或變化為不超過1.0℃以及甚至於不超過0.5℃。因而例如基座加熱器組件6能夠維持界定出空間42之整個支撐表面40上基座組件8的溫度誤差或變化不超過0.5,0.6,0.7,0.8,0.9或1.0℃之內，同時加熱基座至400至450℃溫度範圍內。保持該溫度誤差同時加熱基座組件8以及基板18至不同溫度範圍內，例如200至1000,1500,2000,2500，或3000℃或更高之溫度範圍內。同樣地，加熱器組件在該溫度範圍內能夠保持整個基板或晶片18在相同的溫度誤差範圍內。如業界所知，基座組件8以及豎板軸10可上下地如箭頭B所示在如實線表示的提高或進行處理位置與如虛線所示降低或負載位置之間移動(平行於X軸線性垂直移動)。此能夠使基板18提高及降低以及使基板18***以及移除如箭頭C所示於閥32為打開位置之時。因而，豎板軸以及基座組件8移動至較低位 置，使得基座組件8在裝載區域3中以及晶片18***經由開孔30於閥32打開之時以放置晶片18於基座組件8頂部上位於空間42內支撐表面40上。閥32可再關閉以及基座組件8以及豎板軸10上昇回到提昇位置使基板18位於表面40上以在區域5中進行處理步驟。加熱器組件6藉由控制器PS加以控制基座組件8以及基板18之加熱在如上述所說明各種精密誤差範圍內。基座以及基板在提高位置處同時操作基座組件8以保持溫度在先前所說明嚴格誤差範圍內(以及通常加熱器同時對著X軸旋轉)，薄膜沉積藉由經過端埠26以及噴頭16加入適當的氣體以一次沉積出一原子層之薄膜於基板18頂部上，如同業界所知，除了控制基座以及基板溫度誤差如先前所說明。氣體在進入槽室4之前加熱溫度儘可能地接近基座組件8以及基板18所需要之處理溫度以在處理過程中協助維持整個基板18之溫度均勻性。雖然所顯示反應器系統1基於該目的使用薄膜沉積噴頭16，本發明加熱器組件可使用於其他反應器中，例如交叉流反應器系統，其亦可用系統1表示。該交叉流反應器系統一項範例為ASM America Inc.所製造Pulsar反應器槽室。
本加熱系統從而提供更嚴格控制基座以及基板溫度之能力以及特別地有助於控制晶片中央處溫度差值。該能力能夠實質上減少處理晶片不被接受之比率。
在先前說明中，為了簡潔，明了以及易於理解使用特定術語。沒有非必要性的限制隱含於其中而超越先前技術之規定因為這些術語使用作為說明性用途以及預期作為廣泛性解 釋。
此外，本發明優先實施例之說明以及列舉為範例性以及本發明並不受限於所顯示或所說明確切的細節。

Claims (20)

  1. 一種裝置，包括：基板支撐組件，包括具有第一端部之豎板軸以及固定到相鄰於第一端部豎板軸之基座組件以及具有基板支撐表面；由基座組件承載之第一電阻加熱元件；以及第二電阻性加熱元件，其圍繞著軸線四周地以及向下地由相鄰於豎板軸之第一端部延伸出；其中第二電阻加熱元件是垂直伸長的電阻線圈，其具有螺旋形狀；及其中，豎板軸包括側邊壁板，該側邊壁板具有限定豎板軸通道的內表面；第二電阻加熱元件設置在內表面的徑向外側，沿著豎板軸通道向下延伸並與其相鄰；及其中第二電阻加熱元件完全在第一電阻加熱元件的徑向內側。
  2. 如申請專利範圍第1項之裝置，其中基板支撐組件對著一個軸為可旋轉的；以及第二電阻加熱元件對著軸為同心的，及第一電阻加熱元件對著軸為同心的。
  3. 如申請專利範圍第1項之裝置，其中基板支撐組件對著一個軸為可旋轉的；以及電阻加熱線圈對著軸為同心的。
  4. 如申請專利範圍第1項之裝置，其中第一電阻加熱元件整個位於沿著水平平面。
  5. 如申請專利範圍第4項之裝置，其中第一電阻加熱元件包含螺旋形狀之第一加熱線圈。
  6. 如申請專利範圍第1項之裝置，其中第二電阻加熱元件圍繞著內部表面。
  7. 如申請專利範圍第1項之裝置，其中第二電阻加熱元件埋嵌於側邊壁板中。
  8. 如申請專利範圍第1項之裝置，其中更進一步包含連接至第一電阻加熱元件或第二電阻加熱元件之通道內。
  9. 如申請專利範圍8項之裝置，其中更進一步包含連接至電線之電源。
  10. 如申請專利範圍第1項之裝置，其中第二電阻加熱元件圍繞著鄰近於豎板軸第一端部之豎板軸。
  11. 如申請專利範圍10項之裝置，其中更進一步包含軸環，其圍繞著鄰近於豎板軸第一端部之豎板軸；其中第二電阻加熱元件埋嵌於軸環中。
  12. 如申請專利範圍1項之裝置，其中更進一步包含內部槽室；其中基座在內部槽室中。
  13. 如申請專利範圍12項之裝置，其中第二電阻加熱元件在內部槽室中。
  14. 如申請專利範圍12項之裝置，其中更進一步包含噴頭於內部槽室中。
  15. 如申請專利範圍12項之裝置，其中更進一步包含氣體供應端埠與內部槽室流體連通。
  16. 如申請專利範圍12項之裝置，其中更進一步包含鄰近於基座之噴頭。
  17. 如申請專利範圍1項之裝置，其中第一電阻加熱元件為平面性加熱器，其實質上整個位於沿著一個平面；以及第二電阻加熱元件由相鄰平面以離開平面之方向延伸出。
  18. 一種裝置，包括：基板支撐組件，包括具有第一端部之豎板軸以及固定到相鄰於第一端部豎板軸之基座組件以及具有基板支撐表面以及中央區域；由基座組件承載之第一電阻加熱元件；以及第二電阻加熱元件，其包含垂直地延長的電阻線圈，其具有螺旋形狀，其四周地圍繞著軸線以及由相鄰於中央區域向下地延伸出，其中豎板軸包括側邊壁板，該側邊壁板具有限定豎板軸通道的內表面，以及第二電阻加熱元件設置在內表面的徑向外側，沿著豎板軸通道向下延伸並與其相鄰；及其中第二電阻加熱元件完全在第一電阻加熱元件的徑向內側。
  19. 一種裝置，包括：基板支撐組件，包括具有第一端部之豎板軸以及固定到相鄰於第一端部豎板軸之基座組件以及具有基板支撐表面；整個位於沿著平面以及沿著基座組件延伸之平面第一電阻加熱元件；以及第二加熱器，其由相鄰第一平面沿著第二平面以離開第一平面之方向延伸，其中其中豎板軸限定中空通道以及第二電阻加熱元件設置在中空通道的徑向外側，沿著中空通道向下延伸並與其相鄰；及其中第二電阻加熱元件完全在第一電阻加熱元件的徑向內側。
  20. 一種方法，其包含下列步驟：提供基板支撐組件，其包括具有第一端部之豎板軸以及固定到相鄰於第一端部豎板軸之基座組件以及具有基板支撐表面；利用第一電阻加熱元件加熱基座組件；以及利用第二電阻加熱元件加熱相鄰於豎板軸第一端部之基板支撐組件的區域，第二電阻加熱元件向下地及四周地由相鄰於豎板軸第一端部延伸出；放置基板於基板支撐組件上；以及將熱量由基座轉移至基板；其中第二電阻加熱元件為垂直地延長的電阻線圈，其具有螺旋形狀，以及其中豎板軸包括側邊壁板，該側邊壁板具有限定豎板軸通道的內表面，以及第二電阻加熱元件設置在內表面的徑向外側，沿著豎板軸通道向下延伸並與其相鄰；及其中第二電阻加熱元件完全在第一電阻加熱元件的徑向內側。
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