CN106796867A - 用于epi腔室的上圆顶 - Google Patents

Abstract

本文描述的实施方式关于圆顶组件。圆顶组件包括上圆顶与上周边凸缘，所述上圆顶包含凸形弧中央窗，所述上周边凸缘在所述中央窗的周缘处啮合所述中央窗。

Description

用于EPI腔室的上圆顶

技术领域

本公开内容的实施方式一般涉及用于半导体处理设备的上圆顶。

背景技术

半导体基板经处理以用于各式各样的应用，包括集成器件与微器件的制造。处理基板的一种方法包括将材料(如介电材料或导电金属)沉积在基板的上表面上。例如，外延(epitaxy)是一种在基板的表面上生长通常是硅或锗的薄的、超纯的层的沉积工艺。所述材料可通过以下方式在侧向流动腔室中被沉积：使处理气体平行于定位在支撑件上的基板表面流动，并将处理气体热分解而将来自所述气体的材料沉积在基板表面上。

然而，除了基板与处理条件外，反应器设计对于在使用精密气体流动与准确温度控制的组合的外延生长中的膜品质是必要的。流动控制、腔室空间与腔室加热依赖于影响外延沉积均匀性的上与下圆顶的设计。先前技术的上圆顶设计中，基板上方截面区域的大幅变化而限制了工艺均匀性，基板上方截面区域的大幅变化负面影响了流动均匀性、引起紊流(turbulence)并影响了基板上沉积气体浓度的整体均匀性。同样地，先前技术的下圆顶设计中，基板下方截面区域的大幅变化而限制了工艺均匀性，基板下方截面区域的大幅变化负面影响温度均匀性并使灯头远离基板移动，这导致了不良的整体热均匀性和最小区域控制。这进而限制了工艺均匀性和整体腔室的工艺可维持性(tenability)。

因此，对于提供跨越基板的均匀热场的沉积设备是有其需求的。

发明内容

本文所述的实施方式关于用于半导体处理腔室的圆顶组件。圆顶组件包括上圆顶与周边凸缘，上圆顶包含中央窗，周边凸缘啮合中央窗并与中央窗的外周缘连接，其中中央窗相对于基板支撑件是凸起的，且周边凸缘相对于由周边凸缘的平坦上表面界定的平面成约10凸至约30凸的角度。

在一个实施方式中，上圆顶可以包括凸形中央窗部分和周边凸缘；凸形中央窗部分具有宽度、窗口曲率，窗口曲率由至少10:1的曲率半径与宽度的比例所界定；周边凸缘具有平坦上表面、平坦下表面、以及倾斜凸缘表面，周边凸缘在中央窗部分的周缘处啮合中央窗部分，倾斜凸缘表面具有第一表面，第一表面带有从平坦上表面测量的小于35度的第一角度。

在另一个实施方式中，用于热处理腔室中的圆顶组件可以包括上圆顶和与上圆顶相对的下圆顶；上圆顶包含水平表面、具有宽度与窗口曲率的中央窗部分、和具有倾斜凸缘表面的周边凸缘；窗口曲率由曲率半径与宽度的比例所界定，所述比例至少为10:1，周边凸缘在中央窗部分的周缘处啮合中央窗部分，倾斜凸缘表面在第一角度处具有第一表面，第一角度是从水平表面测量的小于35度的角度；下圆顶与上圆顶界定内部区域。

在另一个实施方式中，上圆顶可以包括水平平面、中央窗部分以及周边凸缘；中央窗部分具有窗口曲率和在周缘处的平面边界，窗口曲率由至少50:1的曲率半径与宽度的比例所界定；周边凸缘具有平坦水平上表面、平坦水平下表面和倾斜凸缘表面，倾斜凸缘表面带有第一表面以及介于中央窗周缘与第一表面之间的第二表面，第一表面带有从平坦水平上表面测量的小于35度的第一角度，第二表面具有从平坦水平上表面测量小于15度的第二角度，其中周边凸缘在中央窗部分的周缘处啮合中央窗部分。

附图说明

作为上述本公开内容的特征可以被详细理解的方式，可以通过参考实施方式而获得上面简要概述的本公开内容的更详细的描述，这些实施方式中的一些在所附附图中绘示。然而，值得注意的是，所附附图只绘示了本发明的典型实施方式，并不应被视为对本发明保护范围的限制，因为本发明可允许其他等效的实施方式。

图1根据一个实施方式绘示了具有衬垫组件的背侧加热处理腔室的示意截面图。

图2A根据一些实施方式绘示了上圆顶的示意图。

图2B是根据一些实施方式的上圆顶的侧视图。

图2C根据一个实施方式绘示了周边凸缘与中央窗部分206之间的连接的近视图。

为便于理解，在可能的情况下，使用相同的数字编号指定附图附图中共同的相同器件。此外，一个实施方式的器件可有利地适用于本说明书所述的其它实施方式中。

具体实施方式

本文公开的实施方式描述用于半导体处理系统中的包括凸形上圆顶的圆顶组件。上圆顶具有中央窗与周边凸缘，周边凸缘啮合中央窗并连接中央窗的外周缘，其中中央窗相对于基板支撑件是凸起的，且周边凸缘在相对于由周边凸缘的上表面界定的平面约10°至约30°的角度处。中央窗朝向基板弯曲，以用于减少处理空间并允许热处理期间快速加热和冷却基板。周边凸缘具有多个曲率，以允许中央窗热膨胀而不破裂或破碎。下面参照附图对本文公开的实施方式进行更清楚地描述。

图1根据一个实施方式绘示带有圆顶组件160的背侧加热处理腔室100的示意截面图。可适于受益于本文所述的实施方式的处理腔室的一个示例为Epi处理腔室，其可从位于加州圣塔克拉拉的应用材料公司取得。可以预期，包含来自其他制造商的其他处理腔室可适于实施本实施方式。

处理腔室100可用于处理一个或多个基板，包含将材料沉积在基板108的上表面上。处理腔室100可以包括处理腔室加热装置，例如辐射加热灯102的阵列，其用于加热设置于处理腔室100内的基板支撑件106的背侧104或基板108的背侧等组件。基板支撑件106可以是如图所示的碟状(disk-like)基板支撑件106，或可以是从基板边缘支撑基板的环状基板支撑件(未图示)，或可以是通过最小的接触支柱或销从底部支撑基板的销型(pin-type)支撑件。

在此实施方式中，基板支撑件106被绘示为位于上圆顶114与下圆顶112之间的处理腔室100内。圆顶组件160包括上圆顶114与下圆顶112。上圆顶114与下圆顶112以及设置于上圆顶114与下圆顶112之间的基环118界定出处理腔室100的内部区域。基板108可以通过装载端口而被带入处理腔室100中并定位在基板支撑件106上，装载端口在图1中不可见。参考图2A-2C更详细的讨论上圆顶114。

基环118一般可以包括装载端口、处理气体入口136与气体出口142。基环118可具有与装载端口103一样长的任意的所需形状，处理气体入口136与气体出口142相对与彼此和装载端口成大约90度角偏置。例如，装载端口103可位于处理气体入口136与气体出口142之间的一侧，而处理气体入口136与气体出口142设置在基环118的相对的两端。在各种实施方式中，装载端口、处理气体入口136与气体出口142彼此对齐且设置在实质相同的水平。

基板支撑件106被表示为处于上升处理位置，但可通过致动器(未图示)而垂直横移至处理位置下的装载位置以允许升举销105穿过基板支撑件106的孔与中央轴116而接触下圆顶112，并将基板108从基板支撑件106举起。机械人(未图示)可接着进入处理腔室100以通过装载端口而啮合基板108并将基板108从处理腔室100移除。基板支撑件106接着可被致动向上至处理位置而将基板108放置于基板支撑件106的前侧110上，其中基板108的装置侧117是朝上的。

当基板支撑件106位于处理位置时，基板支撑件106将处理腔室100的内部空间分割为在基板上方的处理区域120和在基板支撑件106下方的净化气体区域122。基板支撑件106可以在处理期间被中央轴116旋转以最小化处理腔室100中热与处理气体流动空间异常的影响并因此促进基板108的均匀处理。基板支撑件106由中央轴116支撑，在基板108的装载与卸载以及(在某些实例中)处理期间，中央轴116在上下方向上移动基板108。基板支撑件106可由碳化硅或以碳化硅涂层的石墨形成以吸收来自灯的辐射能量并将辐射能量传导至基板108。

一般来说，上圆顶114的中央窗部分与下圆顶112的底部由光学透明材料形成，如石英。上圆顶114的厚度与弯曲程度可被构造以在处理腔室中操纵流场的均匀性。参考图2A与图2B对上圆顶114进行更详尽的描述。

灯102可围绕中央轴116以指定方式邻近下圆顶112并在下圆顶112的下方设置，以当处理气体通过时，独立控制基板108各个区域的温度，从而促进了材料沉积在基板108的上表面上。灯102可经构造而将基板108加热到约摄氏200度至约摄氏1600度的范围内的温度。虽然本文没有详尽讨论，但是沉积的材料可包括硅、掺杂的硅、锗、掺杂的锗、硅锗、掺杂的硅锗、砷化镓、氮化镓或氮化铝镓。

从处理气体供应源134供应的处理气体通过在基环118的侧壁中形成的处理气体入口136而被引入处理区域120。处理气体入口136通过多个穿过衬垫组件150而形成的气体通道154连接至处理气体区域。处理气体入口136、衬垫组件150或上述的组合经构造而可以在大致径向向内的方向上引导处理气体。在膜形成工艺期间，基板支撑件106位于处理位置，处理位置可以邻近处理气体入口136且在与处理气体入口136大约相同的高度处，而允许处理气体向上流动且沿着流动路径138旋转流动，流动路径138跨越基板108的上表面。处理气体通过气体出口142离开处理区域120(沿着流动路径140)，气体出口142位于处理腔室100的与处理气体入口136相对的一侧。可通过与气体出口142耦接的真空泵144来促进处理气体通过气体出口142的移除。

从净化气体源124供应的净化气体通过在基环118的侧壁中形成的净化气体入口126而被引至净化气体区域122。净化气体入口126通过衬垫组件150连接至处理气体区域。净化气体入口126设置于处理气体入口136下方的高度。如果使用圆形屏蔽152，圆形屏蔽152可设置在处理气体入口136与净化气体入口126之间。在这两种情况中，净化气体入口126经构造而在大致径向向内的方向上引导净化气体。如果需要的话，净化气体入口126可经构造而在向上的方向上引导净化气体。

在膜形成工艺期间，基板支撑件106位于使得净化气体向下流动并沿着路径128旋转流动的位置上，流动路径128跨基板支撑件106的背侧104。不受限于任何特定理论，相信净化气体的流动会防止或实质避免处理气体流进入净化气体区域122，或减少进入净化气体区域122(即基板支撑件106下方的区域)的处理气体的扩散。净化气体离开净化气体区域122(沿流动路径130)并经由气体出口142而从处理腔室排出，气体出口142位于处理腔室100的与相对净化气体入口126的一侧上。

图2A与图2B图是根据本公开内容的实施方式的可用于热处理腔室中的上圆顶200的示意图。图2A绘示了上圆顶200的顶面透视图。图2B绘示了上圆顶200的截面图。上圆顶200具有实质圆形形状(图2A)以及具有略凹的外侧表面202与略凸的内侧表面204(图2B)。如将在下面详细讨论的，凹形外侧表面202足够弯曲以在基板处理期间抵抗外部大气压力对处理腔室中减少的内部压力的压缩力，同时也足够平坦以促进处理气体的有序流动以及反应材料的均匀沉积。

上圆顶200一般包括对红外线辐射实质透明的中央窗部分206，以及用于支撑中央窗部分206的周边凸缘208。中央窗部分206被表示为具有一般的圆形周边。周边凸缘208沿着支撑界面210在中央窗部分206的周缘处且绕着所述周缘啮合中央窗部分206。中央窗部分206可具有相对于周边凸缘的水平平面214的凸曲率。

上圆顶200的中央窗部分206可由诸如透明石英的材料形成，所述材料对来自灯的直接辐射通常是光学透明的，且不显著吸收所需波长的辐射。或者，中央窗部分206可由具有窄带滤波能力的材料形成。一些从加热的基板与基板支撑件再辐射(re-radiate)的热辐射的可穿过进入中央窗部分206，并被中央窗部分206大幅吸收。这些再辐射(re-radiation)在中央窗部分206内产生热，而产生热膨胀力。

此处中央窗部分206被表示为在长度与宽度方向上是圆形的，并带有用于形成中央窗部分206与周边凸缘208之间的边界的周缘。然而，中央窗部分可具有使用者所需的其他形状。

周边凸缘208可由不透明石英或其他不透明材料制成。可以被制成不透明的周边凸缘208保持比中央窗部分206相对更冷，从而导致中央窗部分206超过其在初始室温下的弧度(bow)向外弯曲。如此一来，中央窗部分206内的热膨胀表示为热补偿弯曲。当处理腔室的温度增加时，中央窗部分206的热补偿弯曲增加。中央窗部分206作得薄且具有充分柔性以适应此弯曲，而周边凸缘208是厚的且具有足够刚性(rigidness)以限制中央窗部分206。

在一个实施方式中，上圆顶200以以下方式构建：中央窗部分206是带有比例的弧，该比例是中央窗部分206的曲率半径对宽度“W”的比例，且至少为5:1。在一个示例中，曲率半径对宽度“W”的比例大于10:1，例如介于约10:1至50:1之间。在另一个实施方式中，曲率半径对宽度“W”的比例大于50:1，例如介于约50:1至约100:1之间。宽度“W”是通过中央窗部分206的中心所测量的由周边凸缘208设定的边界之间的中央窗部分206的宽度。以上比例在文中的大于或小于指增加或减少前者(即曲率半径)比上后者(即宽度“W”)的值。

在图2B中所示的另一个实施方式中，上圆顶200以以下方式构建：中央窗部分206是带有比例的弧，该比例是中央窗部分206的宽度“W”与高度“H”的比例，且至少为5:1。在一个示例中，宽度“W”与高度“H”的比例大于10:1，例如介于约10:1至50:1之间。在另一个实施方式中，宽度“W”对高度“H”的比例大于50:1，例如介于约50:1至约100:1之间。高度“H”是由第一边界线240与第二边界线242设定的边界之间的中央窗部分206的高度。第一边界线240与中央窗部分206中的面向处理区域120的弯曲部分的峰值点(peak point)相切。第二边界线242与支撑界面210的距离处理区域120最远的点相交。

上圆顶200可具有约200mm至约500mm的总外径，如约240mm至约330mm，例如约295mm。中央窗部分206可具有约2mm至约10mm的固定厚度，例如约2mm至约4mm，约4mm至约6mm，约6mm至约8mm，约8mm至约10mm。在某些示例中，中央窗部分206为约3.5mm至6.0mm厚。在一个示例中，中央窗部分206为约4mm厚。

更薄的中央窗部分206提供较小的热质量，而使上圆顶200能够快速加热与冷却。中央窗部分206可具有约130mm至约250mm的外径，例如约160mm至约210mm。在一个示例中，中央窗部分206的直径为约190mm。

周边凸缘208可具有约25mm至约125mm的厚度，例如约45mm至约90mm。周边凸缘208的厚度通常定义为平坦上表面216与平坦底表面220之间的厚度。在一个示例中，周边凸缘208为约70mm厚。周边凸缘208可具有约5mm至90mm的宽度，例如约12mm至约60mm，宽度可与半径一起改变。在一个示例中，周边凸缘208为约30mm厚。如果衬垫组件未使用在处理腔室中，则周边凸缘208的宽度可增加约50mm至约60mm且中央窗部分206的宽度可减少相同的量。

中央窗部分206具有5mm至8mm之间的厚度，例如6mm厚。上圆顶200的中央窗部分206的厚度在如上讨论的范围内选择以确保解决周边凸缘208与中央窗部分206之间的界面处产生的剪切应力。在一个实施方式中，更薄的石英壁(即中央窗部分206)是更有效率的热传递媒介使得更少的能量被石英吸收。所以上圆顶保持相对更冷。更薄的壁圆顶亦会更快地稳定温度且更快地相应对流冷却，这是因为更少能量被储存且到外侧表面的传导路径更短。因此，上圆顶200的温度可以更紧密地保持在所需的设定点以提供跨越中央窗部分206更好的热均匀性。此外，当中央窗部分206径向传导至周边凸缘208时，更薄的圆顶壁导致基板上的改良的温度均匀性。也有以下好处，不会在径向方向上过度冷却中央窗部分206，而使得导致不必要的温度梯度，该不必要的温度梯度会反应在正被处理的基板表面上且使得膜均匀性受损。

图2C根据一个实施方式绘示了周边凸缘208与中央窗部分206之间的连接的近视示意图。周边凸缘208具有倾斜凸缘表面212，倾斜凸缘表面212具有由表面线(surfaceline)218指示的至少第一表面217。第一表面217是在相对于由周边凸缘208的平坦上表面216界定的平面约20的至约30的的角度处。第一表面217的角度可以与平坦上表面216或水平平面214一起被界定。平坦上表面216是水平的。水平平面214平行于周边凸缘208的平坦上表面216。

第一角度232可以更特定地界定为周边凸缘208(或水平平面214)的平坦上表面216与表面线218之间的角度，表面线218是在穿过中央窗部分206与周边凸缘208的交叉点的中央窗部分206的凸形内侧表面204上。在各种实施方式中，水平平面214与水平面218之间的第一角度232通常小于352。在一个实施方式中，第一角度232是约6约至约202，例如介于约6介至约8约之间，约8间至约10，之间，约10，至约12，之间，约12，至约14，之间，约14，至约16，之间，约16，至约18，之间，约18，至约20，之间。在一个示例中，第一角度232为约102。在另一个示例中，第一角度232为约302。带有约20有的第一角度232的倾斜凸缘表面212为由周边凸缘208支撑的中央窗部分206提供结构支撑。

在另一个实施方式中，倾斜凸缘表面212可以具有一个或多个额外角度，如此处被绘示为从第二表面219形成的第二角度230，如表面线221所示。倾斜凸缘表面212的第二角度230是周边凸缘208的支撑角度234与第一角度232之间的角度。支撑角度234是切线表面222与水平平面214之间的角度，切线表面222是从在支撑界面210处的凸形内侧表面214形成。例如，如果支撑角度234是33且第一角度232是302，则第二角度230介于3于至300之间。第二角度230通过利用两个连续重定向(sequential redirections)而将力重新定向以提供额外的应力减少，而不是用于进一步扩散膨胀与压力产生的力的单一重定向。

支撑角度234、第一角度232与第二角度230可具有产生端表面之间流体过渡(fluid transition)的角度，这些端表面介于第一表面217、第二表面219与切线表面222之间。在一个示例中，切线表面222具有与第二表面219的端表面具由流体过渡的端表面。在另一个示例中，第二表面219具有与第一表面217的端表面具有流体过渡的端表面。本文所用的端表面是形成于第一表面217、第二表面219或切线表面222的任意之间的假想间隔处。端表面之间的流体过渡是不形成可见边缘而连接的表面之间的过渡。

可以相信，倾斜凸缘表面212的角度允许上圆顶200的热膨胀，同时减少处理区域120中的处理空间。不受限于理论，用于热处理的现有上圆顶的缩放(scaling)将增加处理空间，因此浪费反应气体、减少产量、减少沉积均匀性和增加成本。倾斜凸缘表面212允许膨胀应力被吸收而不改变以上所述的比例。通过增加倾斜凸缘表面212，可以增加前述中央窗部分206曲率半径与宽度的比例。通过增加前述比例，中央窗部分206的曲率变得更为平坦而允许较小的腔室空间。

本文公开了上圆顶的实施方式。上圆顶包括至少凸形中央窗和具有多个角度的周边凸缘。凸形中央窗减少处理区域中的空间且基板可以在热处理期间被更有效率地加热和冷却。周边凸缘具有与中央窗连接并远离处理区域而形成的多个角度。所述多个角度在加热与冷却步骤期间为中央窗提供应力释放。此外，周边凸缘的角度允许更薄的凸缘与更薄的中央窗以进一步减少空间。通过减少处理空间与器件大小，可以减少生产与处理成本而不损害成品的品质或圆顶组件的生命周期。

虽然前述内容是针对公开的装置、方法与系统的实施方式，但在不背离本发明的基本保护范围的前提下，可设计所公开装置、方法与系统的其他与进一步的实施方式，且本发明的范围由以下的权利要求书决定。

Claims (15)

1.一种上圆顶，包括：

凸形中央窗部分，所述凸形中央窗部分具有：

宽度；

高度；和

窗口曲率，所述窗口曲率由至少10:1的所述宽度与所述高度的所述比例所界定；和

周边凸缘，所述周边凸缘具有：

平坦上表面；

平坦下表面；和

倾斜凸缘表面，所述周边凸缘在所述中央窗部分的周缘处啮合所述中央窗部分，所述倾斜凸缘表面具有第一表面，所述第一表面带有从所述平坦上表面测量的小于35度的第一角度。

2.如权利要求1所述的上圆顶，其中所述倾斜凸缘表面进一步包括第二表面，所述第二表面形成于所述中央窗部分的所述周缘与所述第一表面之间，所述第二表面具有第二角度。

3.如权利要求2所述的上圆顶，其中所述切线表面具有端表面，所述切线表面的所述端表面具有与所述第二表面的端表面的流体过渡，以及其中所述第二表面具有端表面，所述第二表面的所述端表面具有与所述第一表面的端表面的流体过渡。

4.如权利要求3所述的上圆顶，其中所述支撑角度小于所述第二角度，且所述第二角度小于所述第一角度。

5.如权利要求1所述的上圆顶，其中所述窗口曲率进一步由至少10:1的曲率半径与所述宽度的所述比例所界定。

6.如权利要求5所述的上圆顶，其中所述曲率半径与所述宽度的所述比例大于50:1。

7.如权利要求2所述的上圆顶，其中所述第一角度的所述大小与所述第二角度的所述大小的所述比例为大约3:1。

8.一种用于热处理腔室中的圆顶组件，包括：

上圆顶，包含：

水平表面；

中央窗部分，所述中央窗部分具有高度、宽度和窗口曲率，所述窗口曲率由至少10:1的所述宽度与所述高度的所述比例所界定；和

周边凸缘，所述周边凸缘具有倾斜凸缘表面，所述周边凸缘在所述中央窗部分的周缘处啮合所述中央窗部分，所述倾斜凸缘表面在第一角度处具有第一表面，所述第一角度为从所述水平表面测量的小于35度的角度；和

下圆顶，所述下圆顶与所述上圆顶相对，所述下圆顶与所述上圆顶界定出内部区域。

9.如权利要求8所述的圆顶组件，其中所述倾斜凸缘表面进一步包括介于所述中央窗部分的所述周缘与所述第一表面之间的第二表面，所述第二表面具有第二角度。

10.如权利要求9所述的圆顶组件，其中所述中央窗部分具有形成切线表面的周缘，所述切线表面具有支撑角度，所述支撑角度小于10度。

11.如权利要求10所述的圆顶组件，其中所述切线表面具有端点，所述切线表面的所述端点与所述第二表面的端点共线，以及其中所述第二表面具有端点，所述第二表面的所述端点与所述第一表面的端点共线。

12.如权利要求8所述的圆顶组件，其中所述周边凸缘具有小于50mm的厚度。

13.如权利要求8所述的圆顶组件，其中所述曲率半径与所述宽度的所述比例介于约50:1至约100:1之间。

14.如权利要求9所述的圆顶组件，其中所述第一角度的所述大小与所述第二角度的所述大小的比例为约3:1。

15.一种上圆顶，包括：

水平平面；

中央窗部分，所述中央窗部分具有：

窗口曲率，所述窗口曲率由至少50:1的所述宽度与所述高度的所述比例所界定；和

平面边界，所述平面边界在所述周缘处；和

周边凸缘，所述周边凸缘具有：

平坦水平上表面；

平坦水平下表面；和

倾斜凸缘表面，所述倾斜凸缘表面带有

第一表面，所述第一表面带有从所述平坦水平上表面测量的小于35度的第一角度；和

第二表面，所述第二表面介于所述中央窗部分的周缘与所述第一表面之间，所述第二表面具有从所述平坦水平上表面测量的小于15度的第二角度，

其中所述周边凸缘在所述中央窗部分的周缘处啮合所述中央窗部分。