TW201426875A - 用於快速熱處理的最小接觸邊緣環 - Google Patents
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Abstract
本文提供用於半導體基板製程腔室之基板支座的邊緣環之實施例。在一些實施例中,用於半導體製程腔室的邊緣環可包括:具有中央開口、內緣、外緣、上表面及下表面的環形主體;安置於內緣附近且自上表面向下延伸的內唇;及自內唇向上延伸且沿環形主體之內緣安置的複數個突起部分,其中複數個突起部分經排列以在內唇上方及中央開口上方支撐基板,其中內唇經配置以當在複數個突起部分上安置基板時實質上防止光輻射在邊緣環上方安置的第一容積與邊緣環下方安置的第二容積之間行進。
Description
本發明之實施例大體而言係關於半導體處理。
習知半導體製程腔室(例如,諸如快速熱處理(Rapid Thermal Processing;RTP)腔室)通常使用具有一或更多個環(例如,邊緣環)的基板支座,該等環安置於基板支座頂部及經配置以在處理期間將基板緊固在所欲位置中。然而,發明者已觀察到,習用邊緣環與基板支座相比可具有不同的熱特性(例如,不同的加熱及冷卻速率),從而引起基板之邊緣附近溫度不均勻性,因而引起基板不當的不均勻處理。另外,由於製程腔室之配置,在處理期間可將邊緣環加熱至比基板支座更高的溫度,從而導致進一步的溫度不均勻性,該溫度不均勻性可引起熱應力、基板彎曲、缺陷、錯位、微影重疊誤差及滑動。
因此,發明者已提供一種用於處理基板的改良設備。
本文提供用於半導體基板製程腔室之基板支座的邊
緣環之實施例。在一些實施例中,用於半導體製程腔室的邊緣環可包括:具有中央開口、內緣、外緣、上表面及下表面的環形主體;安置於內緣附近且自上表面向下延伸的內唇;及自內唇向上延伸且沿環形主體之內緣安置的複數個突起部分,其中複數個突起部分經排列以在內唇上方及中央開口上方支撐基板,其中內唇經配置以當在複數個突起部分上安置基板時實質上防止光輻射在邊緣環上方安置的第一容積與在邊緣環下方安置的第二容積之間行進。
在一些實施例中,一種設備包括:具有基板支座的處理腔室,該基板支座包括在基板之周邊邊緣附近支撐基板的邊緣環、安置於邊緣環下方的基座及自基座延伸以在基座上方支撐邊緣環的一或更多個構件;安置於基板支座上方的燈頭,以當在基板支座上安置基板時提供能量至基板之頂表面;以及與燈頭對置且安置於邊緣環下方的至少一個溫度感測器以當在基板支座上安置基板時量測自基板之背側輻射的熱能,其中邊緣環包括:具有中央開口、內緣、外緣、上表面及下表面的環形主體;安置於內緣附近且自上表面向下延伸的內唇;及自內唇向上延伸且沿環形主體之內緣安置的複數個突起部分,其中複數個突起部分經排列以在內唇上方及中央開口上方支撐基板,其中內唇經配置以當在複數個突起部分上安置基板時實質上防止光輻射在邊緣環上方安置的第一容積與邊緣環下方安置的第二容積之間行進。
將在下文描述本發明之其他及進一步實施例。
100‧‧‧製程腔室
101‧‧‧燈頭
102‧‧‧反射體板
103‧‧‧基板
104‧‧‧前側
106‧‧‧背側/底表面
108‧‧‧基板支座
114‧‧‧水冷石英窗構件
116‧‧‧基座
118‧‧‧反射空腔
120‧‧‧反射表面塗層
122‧‧‧處理空腔
125‧‧‧可撓性光纖
128‧‧‧高溫計
134‧‧‧邊緣環
136‧‧‧可旋轉管狀圓筒
137‧‧‧球軸承
139‧‧‧下軸承座圈
141‧‧‧上軸承
145‧‧‧淨化環
146‧‧‧基座
147‧‧‧內部環形空腔
149‧‧‧通道
150‧‧‧溫度控制器
152a‧‧‧溫度探測器
152b‧‧‧溫度探測器
152c‧‧‧溫度探測器
155‧‧‧升降機構
202‧‧‧環形主體
204‧‧‧內緣
206‧‧‧外緣
208‧‧‧上表面
210‧‧‧下表面
212‧‧‧突起部分
214‧‧‧內唇
216‧‧‧頂表面
220‧‧‧高度
222‧‧‧寬度
224‧‧‧重疊區域
226‧‧‧距離
228‧‧‧內緣
302‧‧‧輻射
304‧‧‧熱能
410a‧‧‧突起部分
410b‧‧‧突起部分
410c‧‧‧突起部分
412‧‧‧內唇
420‧‧‧中央開口
422ab‧‧‧角度
可參考隨附圖式中描述的本發明之說明性實施例來理解上文已簡要概述且在下文將更詳盡論述之本發明之實施例。然而,應注意,隨附圖式僅圖示出本發明之典型實施例,且因此該等圖式不欲視為本發明範疇之限制,因為本發明可允許其他同等有效之實施例。
第1圖描述根據本發明之一些實施例適合於以最小接觸邊緣環方式使用的製程腔室。
第2圖描述根據本發明之一些實施例的邊緣環之局部側面示意圖。
第3圖描述根據本發明之一些實施例的邊緣環之局部側面示意圖。
第4圖描述根據本發明之一些實施例的邊緣環之頂部示意圖。
為了促進理解,在可能的情況下,相同元件符號已用於代表諸圖共用之相同元件。諸圖並未按比例繪製且可能為了清晰而簡化。應設想,一個實施例之元件及特徵可有利地併入其他實施例而無需贅述。
與本發明一致之實施例提供一種邊緣環以在基板處理腔室(例如,諸如快速熱處理(RTP)腔室)中支撐基板。邊緣環可在基板之周邊邊緣附近多個接觸點處(例如,沿邊緣環之內緣的突起部分)支撐基板。配置突起部分以在邊緣環與基板之間的最小接觸面積及最小熱傳遞下支撐基板。可用光阻材料或表面光潔度塗覆邊緣環之上表面以防止熱反射和
熱吸收,而可用不同材料塗覆或覆蓋突起部分以防止與基板黏結。此外,在與本發明一致之實施例中,邊緣環可實質上有利地阻擋來自基板上方的燈輻射漏光至位於基板下方的高溫計上。
根據本發明之基板支撐環(例如,邊緣環)可有利地用於任何基板製程腔室,在該基板製程腔室處需要在最小化支撐基板的接觸點的同時,實質上防止自環上所支撐的基板之一個側至基板之相對側的漏光。適宜製程腔室之實例包括RADIANCE®、RADIANCE PLUS®或VANTAGE®製程腔室中之任一者或能夠執行熱製程(例如,RTP)的任何其他製程腔室,該等製程腔室均購自Applied Materials,Inc.(Santa Clara,California)。製程腔室可為能夠處理200mm、300mm及450mm基板的任何腔室。亦可根據本文所提供之教示使用及/或修改其他適宜製程腔室,包括購自其他製造商的彼等製程腔室。
第1圖描述根據本發明之一些實施例經配置以執行RTP製程及適合於以本發明最小接觸邊緣環方式使用之示例性製程腔室100。在一些實施例中,製程腔室100可為任何適宜製程腔室,例如經配置用於熱處理(諸如快速熱製程(RTP))的製程腔室。
如第1圖所示,在製程腔室100內部的基板支座108上安裝基板103,及藉由在與基板支座108相對位置上安置的燈頭101加熱該基板。燈頭101產生輻射,導向輻射跨越處理空腔122至基板103之前側104。或者(未圖示),可配置
燈頭101以加熱基板103之背側106,例如,諸如藉由將燈頭安置於基板103下方或藉由將輻射導向至基板103之背側。輻射經由水冷石英窗組件114進入製程腔室100。基板103下方為安裝於水冷不銹鋼基座116上的反射體板102。基座116包括循環迴路(未圖示),冷卻劑經由該循環迴路循環以冷卻反射體102。在一些實施例中,反射體板102由鋁組成且具有高反射表面塗層120。諸如水之冷卻劑可穿過基座116循環以保持反射體板102之溫度遠低於受熱基板103之溫度。或者,可在相同或不同溫度下提供其他冷卻劑。舉例而言,防凍劑(例如,乙二醇、丙二醇或類似者)或其他熱傳送流體可穿過基座116循環。冷卻劑可穿過耦接至基座的冷卻器(未圖示)循環以移除冷卻劑的熱量。基板103之底側或背側與反射體板102之頂部形成反射空腔118。反射空腔118增強基板103之有效發射率。
藉由複數個溫度探測器(諸如152a、152b及152c)量測基板103之局部區域處的溫度。各個溫度探測器包括穿過通孔(未圖示)的光導管124,該通孔自基座116之背側穿過反射體板102之頂部延伸。將光導管124定位於通孔內部,使得光導管的最高端與反射體板102之上表面齊平或略低於該上表面。將光導管124之另一端耦接至可撓性光纖125,該光纖125自反射空腔118傳輸取樣光至高溫計128。將各個高溫計128連接至溫度控制器150,該溫度控制器150回應於所量測之溫度控制提供給燈頭101的功率。可將燈泡分為多個區域。可藉由控制器個別地調整該等區域以允許基板103之
不同區域之受控輻射加熱。儘管在第1圖中圖示三個溫度探測器152a、152b及152c、可撓性光纖125及高溫計128,但是在其他實施例中可包括更多或更少的該等溫度感測元件。
除如上所述經配置以容納各個光導管的通孔之外,基座146及反射體板102可包含一或更多個額外通孔,該等通孔經配置以容納其他機構(例如,起模頂桿或類似者)來促進處理。
可將基板支座108配置成固定狀態或可旋轉基板103。基板支座108包括支座或邊緣環134,該支座或邊緣環134在基板之外部周邊附近的複數個點處接觸基板103,從而使得基板103除外部周邊附近的小環形區域外之整個底側暴露。
此處將參看第2圖至第4圖詳細描述邊緣環134。邊緣環134包括環形主體202,(例如)藉由可旋轉管狀圓筒136在實質水平位置中支撐該環形主體。邊緣環134包括內緣204、外緣206、上表面208及下表面210。邊緣環134具有內唇214,該內唇214安置於內緣204附近且自上表面208向下垂直延伸。
邊緣環134進一步包括突起部分212,該等突起部分212自內唇214向上延伸且安置於環形主體202之內緣204附近。在一些實施例中,沿如第2圖中所示的內緣204安置突起部分212。配置突起部分212以在實質水平位置中在製程腔室100中沿基板103之底表面106支撐基板103。在一些實施例中,存在彼此等距間隔的三個突起部分212(如第4圖中
所示及在下文更詳細地論述)。突起部分212在邊緣環與基板之間的最小接觸面積及最小熱傳遞下支撐基板103。通常,習知邊緣環沿邊緣環之整個環形表面支撐基板。因此,習知邊緣環設計具有與基板接觸的大約22.44cm2之環形面積。相比而言,在與本發明一致的一些實施例(例如,存在三個半球形突起部分)中,邊緣環與基板之接觸面積將為<1cm2。如本發明之實施例中所實施的最小化邊緣環與基板接觸面積減少了傳導傳熱及減小了基板103之邊緣附近的基板103之熱梯度(例如,自基板103之中央部分至基板103之邊緣的熱梯度)。
另外,藉由最小化突起部分212與基板103之間的接觸面積,最小化基板103與邊緣環134的黏附概率。在一些實施例中,用一材料塗覆突起部分212中之各者以進一步防止與基板103黏結,例如用氧化多晶矽塗層塗覆。在其他實施例中,利用由一材料組成的拋棄式帽蓋覆蓋突起部分212中之各者以進一步防止與基板103黏結。
突起部分212可自內唇向上延伸約0.5mm吋至5.0mm吋(220)。在一些實施例中,各個突起部分212之寬度可為約0.5mm。高度220亦可藉由檢查當在邊緣環上放置基板時高溫計是否量測到有任何直接光來決定及/或可取決於內唇214的寬度。在一些實施例中,各個突起部分212之頂部可為球形/半球形以使得在平面基板及球面突起部分212之間實現接觸。在一些實施例中,球形/半球形突起部分212之直徑可高達3mm。在一些實施例中,可藉由測試及檢查基板晶圓背
側來決定突起部分高度與突起部分寬度之比,因為任何損壞/錯位將有助於驗證最佳比。在其他實施例中,突起部分212之形狀可為任何幾何形狀,該形狀可穩定地支撐基板103,而不會在高溫處理期間給基板103引入點缺陷或其他類型缺陷。在一些實施例中,突起部分與邊緣環之內唇及環形主體形成整體。在其他實施例中,將突起部分耦接至內唇214之頂表面216。
在本發明之一些實施例中,為邊緣環134之內唇214之寬度222定尺寸以實質上阻擋自燈頭輻射302漏光至位於基板下方的高溫計128(經由溫度探測器152a至152c及可撓性光學纖維125)。在關於第1圖如此處所描述之製程腔室中,量測基板103之準確發射率對於處理基板十分重要。在燈頭101加熱基板103時,該基板自基板之背側發射熱能。發射的熱能304可被反射體板120反射離開及再次返回基板之背側上。高溫計128量測此熱能304。然而,來自燈頭101的直接光可造成錯誤的高溫計讀數。因此,如第3圖中所示,在一些實施例中,有利地增加內唇之唇寬以比習知邊緣環延伸更遠。因此,在不存在突起部分212的沿內唇214之區域中,配置唇寬延伸足夠遠以使得該內唇實質上防止直接光輻射302自安置於邊緣環上方的燈頭101行進至安置於邊緣環下方的高溫計量測。在一些實施例中,內唇之寬度222可在約15mm與約40mm吋之間。然而,因增加唇寬而導致的額外材料不接觸基板,且在處理期間該額外材料溫度較低(在下文論述理由),因此最小化或防止對基板之邊緣的任何不
當熱傳遞,該熱傳遞可能不當地增加邊緣附近的基板溫度。
在一些實施例中,基板103與內唇214之重疊區域224之長度可為約12mm至約39mm。對於200mm基板,重疊區域224可為約12mm至約14mm。對於300mm基板,重疊區域224可為約22mm至約24mm。對於450mm基板,重疊區域224可為約37mm至約39mm。在一些實施例中,可為重疊區域224之長度定尺寸以補償基板之彎曲或考慮基板上的排除區域。在一些實施例中,邊緣環自內緣204至外緣206之長度可為約30mm至約100mm。上表面208之長度可為約25mm至約35mm。對於200mm、300mm及450mm基板中之各者,基板103之外緣與上表面208之內緣228之間的距離226(亦即,光可在基板與邊緣環之間進入的水平距離)可為約1mm至約3mm。由邊緣環之內緣204產生的中央開口之直徑將取決於正經處理之基板的尺寸(亦即,200mm、300mm及450mm)。舉例而言,對於200mm基板,由邊緣環之內緣204產生的中央開口之直徑在一些實施例中可為約170mm。對於經配置以支撐200mm基板的邊緣環,內緣228至內緣228之直徑可為約202mm至206mm;對於經配置以支撐300mm基板的邊緣環,內緣228至內緣228之直徑可為約302mm至306mm;對於經配置以支撐450mm基板的邊緣環,內緣228至內緣228之直徑可為約452mm至456mm。突起部分212可支撐基板103以使得基板103之頂表面與上表面208實質上處於同一平面。在其他實施例中,突起部分212可支撐基板103以使得在上表面208下方約0.1
mm至約2.0mm處安置基板103之頂表面。
可用光阻材料或表面光潔度塗覆邊緣環之上表面以實質上減小或防止光反射及熱吸收,而可用不同材料塗覆或覆蓋突起部分以防止與基板黏結。在一些實施例中,可用具有低發射率及吸收率的非氧化多晶矽(Poly-Si)塗覆邊緣環134之全部表面(除突起部分212外)。在一些實施例中,可用具有約0.4ε與0.7ε之間發射率的材料塗覆邊緣環134之全部表面(除突起部分212外)。在習知邊緣環設計中,若使用多晶矽塗層,則需要氧化多晶矽以防止高溫下的矽間黏結,該黏結可導致高溫下(例如,>攝氏1000度)基板與邊緣環的潛在黏附。由本發明的邊緣環134所提供之減小的接觸面積有利地使得能夠使用非氧化多晶矽塗層,此舉又由於非氧化多晶矽之低發射率及吸收率而降低邊緣環之溫度及從而減少處理期間自邊緣環至基板邊緣的輻射。另外,在一些實施例中,可處理或調節內唇之頂表面之表面光潔度(例如,粗糙化)以實質上阻擋光自內唇之頂表面反射。在一些示例性實施例中,可將內唇之頂表面粗糙化至約0.1μm與6μm之間的表面粗糙度。
第4圖描述根據本發明之一些實施例的邊緣環134之頂部示意圖。在第4圖中所示之實施例中,邊緣環134包括用於支撐基板的三個突起部分410a、410b及410c、內唇412及中央開口420。儘管圖示三個突起部分410a、410b及410c,但是可包括更多突起部分。在其他實施例中,突起部分可為一個環形半球脊以支撐基板。突起部分410a至410c
可以角度422彼此間隔。在一些實施例中,突起部分410a、410b及410c可以120°角彼此等距間隔。
返回至第1圖,在一些實施例中,邊緣環134可放置於可旋轉管狀圓筒136上,該圓筒136塗覆有矽以使得在高溫計128之頻率範圍內不傳熱。圓筒136上的塗層充當擋板以阻擋可能污染強度測量的來自外部源頭的輻射。藉由放置於複數個球軸承137上的環形上軸承141固持圓筒136之底部,又在固定環形下軸承座圈139內部固持該等球軸承137。在一些實施例中,球軸承137由鋼製成並且塗覆有氮化矽以在操作期間減少微粒形成。將上軸承141磁性地耦接至致動器(未圖示),該致動器在熱處理期間旋轉圓筒136、邊緣環134及基板103。
裝入腔室主體內的淨化環145圍繞圓筒136。在一些實施例中,淨化環145具有對上軸承141上方區域開放的內部環形空腔147。將內部空腔147經由通道149連接至氣體供應器(未圖示)。在處理期間,淨化氣體經由淨化環145流入腔室中。
在一些實施例中,邊緣環134具有一外半徑,該外半徑比圓筒136之半徑更大使得邊緣環134延伸超出圓筒136。邊緣環134之環形延伸超出圓筒136與位於邊緣環134下方的淨化環145合作起擋板作用,該擋板防止漫射光進入基板103之背側處的反射空腔118。為了進一步減小漫射光進入反射空腔118的可能性,亦可使用吸收燈頭101所產生輻射的材料(例如,黑色材料或灰色材料)塗覆邊緣環134及
淨化環145。
可將基板支座108耦接至能夠相對於燈頭101上升/下降基板的升降機構155。舉例而言,可將基板支座108耦接至升降機構155,以使得基板103與反射體102之間的距離在升降運動期間恆定。
在一些實施例中,可調適基板支座108以在製程腔室100內部磁性懸浮及旋轉(未圖示)。在處理期間,基板支座108在垂直上升及下降的同時能夠旋轉,且在處理之前、處理期間或處理之後,該基板支座108亦可在不旋轉的情況下上升或下降。由於不存在或減少了上升/下降及/或旋轉基板支座通常所需的運動部分,此磁性懸浮及/或磁性旋轉將防止或最小化粒子產生。
儘管上文所述係針對本發明之實施例,但是可在不脫離本發明之基本範疇的情況下設計出本發明之其他及進一步實施例。
103‧‧‧基板
104‧‧‧前側
106‧‧‧背側/底表面
202‧‧‧環形主體
204‧‧‧內緣
206‧‧‧外緣
208‧‧‧上表面
210‧‧‧下表面
212‧‧‧突起部分
214‧‧‧內唇
216‧‧‧頂表面
220‧‧‧高度
222‧‧‧寬度
224‧‧‧重疊區域
226‧‧‧距離
228‧‧‧內緣
Claims (20)
- 一種用於一基板製程腔室的邊緣環,該邊緣環包含:一環形主體,該環形主體具有一中央開口、一內緣、一外緣、一上表面及一下表面;一內唇,該內唇安置於該內緣附近且自該上表面向下延伸;以及複數個突起部分,該等複數個突起部分自該內唇向上延伸且沿該環形主體之該內緣安置,其中該等複數個突起部分經排列以在該內唇上方及該中央開口上方支撐一基板;以及其中該內唇經配置以當在該等複數個突起部分上安置一基板時實質上防止光輻射在該邊緣環上方安置的一第一容積與該邊緣環下方安置的一第二容積之間行進。
- 如請求項1所述之邊緣環,其中選擇該內唇之一寬度以實質上防止光輻射在該邊緣環上方安置的一第一容積與該邊緣環下方安置的一第二容積之間行進。
- 如請求項2所述之邊緣環,其中該內唇之一寬度處於15mm與約40mm吋之間。
- 如請求項1所述之邊緣環,其中配置該等複數個突起部分以當一基板安置於該製程腔室中時在該基板之一周邊邊緣附近支撐該基板。
- 如請求項4所述之邊緣環,其中用一材料塗覆該等複數個突起部分中之各者以實質上防止與該基板黏結。
- 如請求項4所述之邊緣環,其中該等複數個突起部分全體與該基板之間的一總接觸面積為小於1cm2。
- 如請求項4所述之邊緣環,其中用由一材料製成的一拋棄式帽蓋覆蓋該等複數個突起部分中之各者,該拋棄式帽蓋實質上防止與該基板黏結。
- 如請求項1至7中任一項所述之邊緣環,其中該等複數個突起部分中之各者自該內唇向上延伸約0.5mm至約5.0mm。
- 如請求項1至7中任一項所述之邊緣環,其中用具有約0.4ε與0.7ε之間一發射率的一材料塗覆該邊緣環之環形主體及內唇。
- 如請求項1至7中任一項所述之邊緣環,其中用一非氧化多晶矽材料塗覆該邊緣環之該環形主體及內唇,及其中用氧化多晶矽塗層塗覆該等複數個突起部分中之各者。
- 如請求項1至7中任一項所述之邊緣環,其中該等複數個突起部分為彼此等距間隔的三個突起部分。
- 如請求項1至7中任一項所述之邊緣環,其中該等複數個突起部分為半球形狀。
- 如請求項1至7中任一項所述之邊緣環,其中該等複數個突起部分與該邊緣環之該內唇及環形主體形成整體。
- 如請求項1至7中任一項所述之邊緣環,其中將該等複數個突起部分耦接至該內唇之一頂表面。
- 如請求項1至7中任一項所述之邊緣環,其中調節該內唇之一頂表面以實質上阻擋光自該內唇之該頂表面反射。
- 一種用於處理一基板之設備,該設備包含:一處理腔室,該處理腔室具有一基板支座,該基板支座包含在一基板之一周邊邊緣附近支撐該基板的一邊緣環、安置於該邊緣環下方的一基座及自該基座延伸以在該基座上方支撐該邊緣環的一或更多個構件;一燈頭,該燈頭安置於該基板支座上方以當在該基板支座上安置一基板時提供能量至該基板之一頂表面;以及至少一個溫度感測器,該至少一個溫度感測器與該燈頭對置且安置於該邊緣環下方以當在該基板支座上安置該基板時量測自該基板之一背側輻射的熱能,其中該邊緣環包括: 一環形主體,該環形主體具有一中央開口、一內緣、一外緣、一上表面及一下表面;一內唇,該內唇安置於該內緣附近且自該上表面向下延伸;以及複數個突起部分,該等複數個突起部分自該內唇向上延伸且沿該環形主體之該內緣安置,其中該等複數個突起部分經排列以在該內唇上方及該中央開口上方支撐一基板,其中該內唇經配置以當在該等複數個突起部分上安置一基板時實質上防止光輻射在該邊緣環上方安置的一第一容積與該邊緣環下方安置的一第二容積之間行進。
- 如請求項16所述之設備,其中該燈頭提供光能,當一基板安置於該基板支座上時該光能傳遞熱量至該基板,及其中配置該至少一個溫度感測器以量測自該基板之一背側發射的一熱能。
- 如請求項16所述之設備,其中選擇該內唇之一寬度以實質上防止來自該燈頭的光輻射到達該至少一個溫度感測器。
- 如請求項16至18中任一項所述之設備,其中配置該等複數個突起部分以在該邊緣環與該基板之間的最小接觸面積及最小熱傳遞下支撐該基板。
- 如請求項16至18中任一項所述之設備,其中用具有約0.4ε與0.7ε之間低發射率的一材料塗覆該邊緣環之該環形主體及內唇,及其中用一材料塗覆該等複數個突起部分中之各者以實質上防止與該基板黏結。
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