TWI853825B - 燈頭中的多分區燈控制和單獨燈控制 - Google Patents

燈頭中的多分區燈控制和單獨燈控制 Download PDF

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Abstract

描述了一種用於處理半導體基板的方法和設備。公開了一種基板處理設備，包括：處理腔室；基板支撐件，該基板支撐件設置在該處理腔室內；多個燈，該多個燈佈置在燈頭中並靠近該基板支撐件而定位；氣源，該氣源用於在跨越該基板支撐件的側向流動路徑中提供淨化氣體；以及控制器，該控制器基於該流動路徑的方向而差分地調整提供到該多個燈中的單獨燈的功率。

Description

燈頭中的多分區燈控制和單獨燈控制
本文公開用於半導體處理的方法和設備。更具體地，本文公開的實施方式涉及用於控制磊晶製程中的顆粒污染的方法和設備。
磊晶是廣泛地用於半導體處理以在半導體基板上形成非常薄的材料層的製程。這些層通常限定半導體元件的最小特徵中的一些，並且如果期望結晶材料的電特性，那麼它們可以具有高品質的晶體結構。為了形成這些層，將沉積前驅物提供到處理腔室，所述處理腔室具有基座，基板設置在所述基座上，並且基板被加熱到有利於具有期望性質的材料層的生長的溫度。由於在基板上形成的半導體元件的小特徵尺寸，基板上的顆粒量必須保持最小。
然而，顆粒可能在待處理的基板被傳送到處理腔室中期間黏附到待處理的基板上。例如，在處理氣體被提供在基板的一側處以流過基板表面的處理中，在待處理的基板的傳送期間流入腔室的氣體可能產生落在待處理的基板上的顆粒。顆粒可以從腔室壁脫落，然後被夾帶到氣流中。另外，基座的溫度可能是不均勻的，使得基板在與基座的初始接觸時翹曲。在基板上的用於顆粒的保留區域可以更大或更小，這取決於基板的翹曲輪廓相對於氣流方向的取向。如果基板採用在氣體流動路徑內呈現大橫截面的翹曲形狀，那麼在基板上的顆粒沉積大於當基板採用在氣體流動路徑內呈現小橫截面的形狀時的顆粒沉積。
需要防止或最小化待處理的基板的顆粒污染的方法和設備。
描述了一種用於處理半導體基板的方法和設備。在一個實施方式中，公開了一種基板處理設備，包括：處理腔室；基板支撐件，所述基板支撐件設置在所述處理腔室內；多個燈，所述多個燈佈置在燈頭中並靠近所述基板支撐件而定位；氣源，所述氣源用於在跨越所述基板支撐件的側向流動路徑中提供淨化氣體；以及控制器，所述控制器基於所述流動路徑的方向而差分地調整提供到所述多個燈中的單獨燈的功率。
在另一個實施方式中，公開了一種基板處理設備，包括：處理腔室；基板支撐件，所述基板支撐件設置在所述處理腔室內；燈陣列，所述燈陣列佈置在燈頭中並靠近所述基板支撐件而定位，所述燈陣列至少包括內部分區、中心分區和外部分區，所述外部分區對應於所述基板支撐件的周邊；氣源，所述氣源用於在跨越所述基板支撐件的側向流動路徑中提供淨化氣體；以及控制器，所述控制器基於所述流動路徑的方向而調整提供到所述外部分區中的燈的功率。
在另一個實施方式中，公開了一種用於處理基板的方法，包括：使用燈陣列加熱處理腔室中的基座，所述燈陣列包括定位在所述基座下方的多個燈，所述多個燈包括內部分區和外部分區，所述外部分區對應於所述基座的周邊；使淨化氣體在跨越所述基座的側向流動路徑中流動，其中所述加熱包括將功率提供到所述燈陣列的所述外部分區中的所述多個燈中的一個或多個燈，而不將功率提供到所述外部分區中的其它燈，所述一個或多個燈基於所述流動路徑而定位在所述基座的前緣或後緣處；以及在所述加熱步驟之後將基板傳送到所述基座。
提供了一種用於防止或最小化待處理的基板的顆粒污染的方法和設備。在一個實施方式中，公開了一種處理腔室，包括：基座，所述基座鄰近燈頭設置。燈頭包括多個能量源，諸如燈，所述能量源將電磁能引向基座的表面，從而加熱基座。燈頭包括多個同心分區，並且這些分區中的一個或多個包括可被單獨控制的燈。一個或多個燈的單獨控制提供了對基座的增強的溫度控制。
圖1是根據一個實施方式的處理腔室100的示意性剖視圖。處理腔室100可以用於處理一個或多個基板，包括在基板108的上表面上沉積材料的製程。處理腔室100一般包括能量模組102，用於加熱設置在處理腔室100內的基板支撐件或基座107的背面104以及其它部件。基座107可以是如圖所示的圓形盤狀（例如，盤形）基板支撐件。基座107在處理腔室100內，位於腔室100的上部殼體128和下部殼體114之間。基板108（未按比例）可以通過裝載埠103而被帶入處理腔室100並放置在基座107上。
連接到中心軸132的基座107被示出為在升高的處理位置，但是通過耦接到中心軸132的致動器（未示出）而被重新定位到處理位置下方的裝載位置。待處理的基板，諸如基板108，通過裝載埠103傳送到處理腔室100中並放置在升降桿105上。升降桿105耦接到圍繞中心軸132設置的軸並在基座107處於裝載位置時穿過基座107中的通孔。然後，基座107可以在軸向方向134上被向上致動到處理位置，以在基座107的前側110上接觸基板108，其中基板108的裝置側116面向上。
基座107在位於處理位置時將處理腔室100的內部容積分成處理氣體區域156（在基板上方）和淨化氣體區域158（在基座107下方）。基座107在處理期間通過與其連接的中心軸132旋轉，以最小化處理腔室100內的反應前驅物耗盡以及熱和處理氣體流動空間異常的影響，從而促進基板108的均勻處理。基座107由中心軸132支撐，中心軸132在裝載和卸載期間以及在一些情況下在基板108的處理期間也在軸向方向134上移動基板108。基座107典型地由具有低熱質量或低熱容量的材料形成，使得基座將被快速地加熱和冷卻。這裡的基座107由碳化矽或塗有碳化矽的石墨形成，以吸收來自能量模組102的輻射能並加熱基板108。
氣體可以從氣源123提供到氣體入口121。氣源123可以提供流到基板108的裝置側116上的淨化氣體以及前驅物氣體。氣體一般沿著跨越基板108的裝置側116的流動路徑125而被提供到腔室的出口埠127。氣體經由泵129通過出口埠127排出。
然而，沿著流動路徑125流動的氣體可以包含夾帶在其中的顆粒。例如，在待處理的基板的傳送期間流入腔室的淨化氣體可能運輸有落在待處理的基板上的顆粒。顆粒可能從腔室壁脫落，並且脫落的顆粒被夾帶到流動路徑125中。此外，基座的溫度可以使得基板108在與基座的初始接觸時翹曲。取決於翹曲相對於流動路徑125的方向的取向，顆粒的保留區域可能更大或更小。如果基板108採用在流動路徑125內呈現大橫截面的形狀，那麼顆粒沉積大於在基板108採用在流動路徑125內呈現小橫截面的形狀時的顆粒沉積。
一般，上部殼體128和下部殼體114典型地由基本上光學透明的材料（諸如石英）形成。這些材料允許來自能量模組102的電磁能量從中通過而到達處理氣體區域156。
能量模組102包括一個或多個燈141，或設置在外殼145中的其它電磁輻射源，諸如雷射器、LED和VCSEL。能量模組102鄰近下部殼體114並位於下部殼體114下方設置，以在處理氣體從基板105上方通過時加熱基板108，從而促進導致材料沉積到基板108的裝置側116上的反應。在圖1中，一個或多個燈109設置在上部殼體128上方以將電磁能量提供到基板108的裝置側116，但是上部燈是可選的。中心軸132穿過能量模組102並延伸到處理腔室100的外部。
圖1的能量模組102將基板108加熱到約攝氏200度至約攝氏1200度的範圍內的溫度，諸如約攝氏300度至約攝氏950度。能量模組102可以包括圍繞燈141的可選的反射器143。能量模組102包括外殼145，外殼145容納燈141，並且可以在處理期間或之後通過例如引入位於燈141之間的通道149中的冷卻流體而被冷卻。在一些情況下，外殼145可以與下部殼體114接觸。控制器160控制供應到能量模組102的每個燈141的功率。
圓形遮蔽件167可以可選地設置在基座107周圍並耦接到腔室主體101的側壁。遮蔽件167防止或最小化熱和/或光從能量模組102洩漏到基板108的裝置側116。另外，遮蔽件167吸收來自能量模組102的電磁能量，該電磁能量加熱遮蔽件167並預熱從遮蔽件167上方通過的處理氣體。遮蔽件167可以由CVD SiC塗覆的燒結石墨、SiC或類似的不透明材料製成，這種材料耐受處理氣體和清潔氣體的化學分解。
反射器122可以可選地放置在上部殼體128的外部，以將從基板108輻射的紅外光反射回基板108。基於反射的紅外光，通過反射本來將不用於加熱基板108的電磁能量將提高基板108的加熱效率。可作為高溫計的多個熱輻射感測器140設置在處理腔室100中，以用於監測基板108的溫度。感測器140通常設置在處理腔室100中的不同位置處。一些感測器可以設置在外殼145中，以監測基座107的熱狀態，而其它感測器可以設置在反射器122中，以直接地監測基板108的熱狀態。設置在外殼145中的感測器通常位於燈之間，並且可受益於施加到外殼145的冷卻。熱感測器將資料發送到控制器160，控制器160又可以基於資料而調制燈的功率以控制處理。
能量模組102用於在將基板放置在基座107上之前加熱基座107。例如，能量模組102在待處理的基板被定位在基座107上之前向基座107的背面104提供熱能。本發明人已經發現，在將待處理的基板傳送到基板107之前利用能量模組102加熱基座107導致基板在與基座107接觸時翹曲。
翹曲主要是由於不均勻的加熱以及因此導致的在基板上的不均勻的熱膨脹引起的。來自燈功率管理的差分或優先局部加熱可以調整基板內的熱膨脹並使基板呈現某些翹曲形狀，使得基板更容易受到顆粒添加和其它問題的影響。
如上面所討論，翹曲導致基板的顆粒污染，這取決於翹曲相對於流動路徑125的取向。例如，顆粒的保留區域可以更大或更小，這取決於翹曲相對於流動路徑125的方向的取向。如果基板108採用在流動路徑125內呈現大橫截面的形狀，那麼顆粒沉積大於在基板108採用在流動路徑125內呈現小橫截面的形狀時的顆粒沉積。基座107的差分加熱可以抵消基座107中的引起不希望的翹曲的熱梯度，從而最小化或控制待處理的基板的變形。
能量模組102的燈141可以分成徑向分區，諸如外部分區170、中心分區172和內部分區174。儘管可以分成三個分區170、172和174，但是能量模組102也可以僅包括兩個分區，諸如內部分區174和外部分區170。在外部分區170、中心分區172和/或內部分區174中的每個內的一個或多個單獨燈141是被單獨控制的。
在一個實施方式中，第一電源162控制向內部分區174和中心分區172中的每個的功率施加。例如，內部分區174和中心分區172的所有燈141由第一電源162控制，而第二電源164用於獨立地控制外部分區170的燈141中的每個。這裡，第二電源164包括多個晶閘管（thyristor）176，諸如可控矽整流器（silicon controlled rectifier, SCR）。每個晶閘管176專用於燈141，以獨立地控制提供到外部分區170的每個燈141的功率，以便控制基座107的周邊178的加熱。同樣，第三電源166可以用於控制向燈109的功率施加。
圖2A-2D是基座107和待處理的基板的爆炸圖，其示出了待處理的基板的各種翹曲輪廓。圖2A和2B是基座107和待處理的基板的爆炸等距視圖，圖2C和2D分別是旋轉90度的圖2A和2B的基座107和待處理的基板的側視圖。待處理的基板在圖2A和2C中被示出為翹曲的基板200A，並且在圖2B和2D中被示出為翹曲的基板200B。氣流方向205在圖2A和2B中用箭頭指示，並且與圖1中示出和描述的流動路徑125相同。圖2C和2D中未示出氣流方向，因為氣流方向因視圖旋轉而指向於紙面中。氣流可以是在基板傳送處理期間流動的淨化氣體。圖2A和2B中的待處理的基板的翹曲是由基座107的溫度分佈的變化量導致。另外，傳送處理的變化（包括待處理的基板的切換和基座107的傾斜），以及燈141的位置和/或燈141的品質能夠導致待處理的基板翹曲成任意形狀或取向。如下文更詳細地解釋的，這種翹曲呈現相對於氣流方向205的輪廓，該輪廓可提供夾帶在氣流中的顆粒可以黏附到待處理的基板的更大的表面區域。翹曲的形狀和/或取向可以導致更大或更小的表面區域，以讓顆粒黏附到待處理的基板，這取決於待處理的基板相對於氣流方向205的取向。
在圖2A和2B中，待處理的基板（例如翹曲的基板200A或翹曲的基板200B）翹曲，使得形成曲率中點（其指示為虛線207）。在圖2A中，基板200A在處理腔室100中取向，使得曲率中點207取向在基本上垂直於氣流方向205的方向上。在圖2B中，曲率中點207取向在基本上平行於氣流方向205的方向上。
雖然不期望翹曲，但是翹曲的基板200B的取向呈現相對於氣流方向205的輪廓，該輪廓不太可能被夾帶在氣流中的顆粒污染。例如，在翹曲的基板200A的情況下，面向氣流方向205的輪廓210因相對於氣流方向205的翹曲的取向而大於翹曲的基板200B的面向氣流方向205的輪廓215。這樣，提供如本文所公開的那樣的基座107的差分加熱，以最小化翹曲，使得待處理的基板不翹曲（或大大地減少翹曲）。或者，提供如本文所公開的那樣的基座107的差分加熱，以控制翹曲來呈現輪廓215（與翹曲基板200A的輪廓210相反）。
圖3A是基座107的等距視圖，基座107具有定位在基座107下方的能量模組102。示出了前緣燈300和後緣燈305（相對於氣流方向205）以及在外部分區170中的其它燈310。為了清楚起見，未示出內部分區174和中心分區172。在該實施方式中，前緣燈300和後緣燈305由第二電源164供電，而其它燈310以較低能量位凖供電。替代地或另外地，內部分區174和中心分區172的燈310得到均勻地供電（例如，以相同的功率位凖）。因此，基座107被非均勻地加熱，這將基座107的周邊178的相對於氣流方向205的前緣315以及後緣320加熱到大於基座107的周邊178的其它部分的溫度。這種差分加熱減少、最小化或控制定位在基座107上的待處理的基板的翹曲。
圖3B是基座107的等距視圖，基座107具有定位在基座107下方的能量模組102。示出了一個或多個前緣燈300（相對於氣流方向205）以及在燈頭145的外部分區170中的其它燈310。為了清楚起見，未示出內部分區174和中心分區172。在該實施方式中，一個或多個前緣燈300由第二電源164供電，而其它燈310在較低能量位凖下不被供電。替代地或另外地，內部分區174和中心分區172的燈310得到均勻地供電（例如，以相同的功率位凖）。因此，基座107被非均勻地加熱，這將基座107的周邊178的前緣315加熱到大於周邊178的其它部分的溫度。這種差分加熱減少、最小化或控制定位在基座107上的待處理的基板的翹曲。
上述實施方式涉及控制在加熱待處理的基板中的各向異性，以最小化、防止或控制待處理的基板的翹曲。在一些實施方式中，由本文公開的方法和設備提供的受控翹曲在待處理的基板中提供一致形狀、輪廓和/或翹曲取向，此舉最小化顆粒黏附到待處理的基板。基座107的差分加熱的上述實施方式可以僅在待處理的基板接觸基座107之前至多約10秒至約40秒提供，之後待處理的基板變平和/或均勻地接觸基座107。
雖然前述內容針對本發明的實施方式，但是在不脫離本發明的基本範圍的情況下可以設想本發明的其它和進一步實施方式，並且本發明的範圍由所附申請專利範圍決定。
100:處理腔室 101:腔室主體 102:能量模組 103:裝載埠 104:背面 105:升降桿 107:基座 108:基板 109:燈 114:下部殼體 121:氣體入口 122:反射器 123:氣源 125:流動路徑 127:出口埠 128:上部殼體 129:泵 132:中心軸 134:軸向方向 140:熱輻射感測器 141:燈 143:反射器 145:外殼 149:通道 156:處理氣體區域 158:淨化氣體區域 160:控制器 162:第一電源 164:第二電源 166:第三電源 167:圓形遮蔽件 170:外部分區 172:中心分區 174:內部分區 176:晶閘管 178:周邊 200A:基板 200B:基板 205:氣流方向 210:輪廓 215:輪廓 300:前緣燈 305:後緣燈 310:燈 315:前緣 320:後緣
因此，為了能夠詳細地理解本公開內容的上述特徵的方式，可以通過參考實施方式獲得上面簡要概述的本公開內容的更具體的描述，其中一些實施方式在附圖中示出。然而，應當注意，附圖僅示出了本公開的典型實施方式，並且因此不應認為是對本公開內容的範圍的限制，因為本公開內容可以允許其它同等有效的實施方式。
圖1是根據一個實施方式的處理腔室的示意性剖視圖。
圖2A和2B是基座和待處理的基板的爆炸等距視圖，其示出了待處理的基板的翹曲。
圖2C和2D分別是旋轉90度的圖2A和2B的基座和待處理的基板的側視圖。
圖3A是基座和燈頭的等距視圖，其示出了基座的差分加熱的一個實施方式。
圖3B是基座和燈頭的等距視圖，其示出了基座的差分加熱的另一個實施方式。
為了便於理解，在可能情況下，使用相同的附圖標記來表示各圖共有的相同元件。設想的是，一個實施方式的要素和特徵可以有利地併入其它實施方式，而無需進一步敘述。
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102:能量模組
104:背面
107:基座
164:第二電源
170:外部分區
178:周邊
205:氣流方向
300:前緣燈
310:燈
315:前緣
320:後緣

Claims (20)

  1. 一種基板處理設備，包括：一處理腔室；一基板支撐件，該基板支撐件設置在該處理腔室內；多個燈，該多個燈佈置在一燈頭中並靠近該基板支撐件而定位，該多個燈形成多個燈分區；一入口氣體埠，該入口氣體埠用以在跨越該基板支撐件的一側向流動路徑中將一氣體引導至一出口氣體埠，該側向流動路徑限定該基板支撐件的一前緣和該基板支撐件的一後緣；以及一控制器，該控制器配置成在一基板定位在該基板支撐件上之前，以一非均勻的方式差分地調整提供到該多個燈分區的功率並加熱該基板支撐件，以產生跨越該基板支撐件的一溫差，且該溫差最小化或防止由該基板支撐件支撐的待處理的該基板翹曲，或者該溫差控制待處理的該基板的翹曲以呈現具有基本上平行於該側向流動路徑的該翹曲的一曲率中點的一輪廓。
  2. 如請求項1所述的基板處理設備，其中該多個燈分區中的該燈分區的每一個包括兩個或更多個燈。
  3. 如請求項2所述的基板處理設備，其中該多 個燈分區是同心的，並且包括一內部分區、一中心分區和一外部分區，該外部分區對應於該基板支撐件的一周邊。
  4. 如請求項2所述的基板處理設備，其中該控制器配置成控制提供到定位在該前緣或該後緣處的該多個燈分區的一個或多個選擇燈分區中的任一個的功率。
  5. 如請求項4所述的基板處理設備，其中定位在該前緣或該後緣處的該一個或多個選擇燈分區是一同心佈置的一部分。
  6. 如請求項4所述的基板處理設備，其中該控制器配置成向該前緣處的任何選擇燈分區提供比其它任何地方更高或更低的功率。
  7. 如請求項4所述的基板處理設備，其中該控制器配置成向該前緣和該後緣處的任何選擇燈分區提供比其它任何地方更高或更低的功率。
  8. 如請求項3所述的基板處理設備，其中該控制器配置成控制提供到定位在該前緣和該後緣處的外部分區中該等燈的功率。
  9. 如請求項2所述的基板處理設備，其中與提供到其它燈的功率相比，該控制器配置成將更高的功率提供到該前緣處的燈。
  10. 如請求項2所述的基板處理設備，其中與提供到其它燈的功率相比，該控制器配置成將更高的功率提供到該前緣和該後緣處的燈。
  11. 一種基板處理設備，包括：一處理腔室；一基板支撐件，該基板支撐件設置在該處理腔室內；一燈陣列，該燈陣列佈置在一燈頭中並靠近基板支撐件而定位，該燈陣列包括多個燈分區，該多個燈分區包括至少一內部分區和一外部分區，該外部分區對應於該基板支撐件的一周邊；一入口氣體埠，該入口氣體埠用以在跨越該基板支撐件的一側向流動路徑中將一淨化氣體引導至一氣體出口埠；以及一控制器，該控制器配置成在一基板定位在該基板支撐件上之前，以一非均勻的方式差分地調整提供到該外部分區中的該等燈的功率以加熱該基板支撐件，以產生跨越該基板支撐件的一溫差，且該溫差最小化或防止由該基板支撐件支撐的待處理的該基板翹曲，或者該溫差控制待處理的該基板的翹曲以呈現具有基本上平行於該側向流動路徑的該翹曲的一曲率中點的一輪廓。
  12. 如請求項11所述的基板處理設備，其中該側向流動路徑限定該基板支撐件的一前緣和一後緣，並且該控制器配置成控制提供到定位在該前緣或該後緣處的該外部分區中的該等燈的功率。
  13. 如請求項12所述的基板處理設備，其中該控制器配置成將功率提供到該等燈的位於該前緣處的一部分，而將一更低功率位凖提供到該外部分區中的其它燈。
  14. 如請求項12所述的基板處理設備，其中該控制器配置成將功率提供到該等燈的位於該前緣和該後緣處的一部分，而將更低功率位凖提供到該外部分區中的其它燈。
  15. 如請求項11所述的基板處理設備，其中該側向流動路徑限定該基板支撐件的一前緣和一後緣，並且該控制器配置成控制提供到定位在該前緣和該後緣處的該外部分區中的該等燈的功率。
  16. 如請求項12所述的基板處理設備，其中與提供到其它燈的功率相比，該控制器配置成將更高的功率提供到該前緣處的燈。
  17. 如請求項12所述的基板處理設備，其中與提供到其它燈的功率相比，該控制器配置成將更高的功率提供到該前緣和該後緣處的燈。
  18. 一種用於處理一基板的方法，該方法包括以下步驟：使用佈置在一燈頭中的一燈陣列加熱設置在一處理腔室中的一基座，該燈陣列包括定位在該基座下方的第一多個燈和定位在該基座上方的第二多個燈，該第一多個燈包括多個燈分區，該多個燈分區包括一內部分區、一中心分區和一外部分區，該外部分區對應於該基座的一周邊；使一淨化氣體在跨越該基座的一側向流動路徑中從一入口氣體埠流動到一氣體出口埠，其中加熱該基座的該步驟藉由一控制器控制並包括以下步驟：以一非均勻的方式差分地調整提供到在該燈陣列的該外部分區中的該第一多個燈中的一個或多個燈的功率，而不將功率提供到該外部分區中的其它燈，以加熱該基座，以產生跨越該基座的一溫差，該一個或多個燈基於該側向流動路徑而定位在該基座的一前緣或一後緣處，且該溫差最小化或防止由該基板支撐件支撐的待處理的該基板翹曲，或者該溫差控制待處理的該基板的翹曲以呈現具有基本上平行於該側向流動路徑的該翹曲的一曲率中點的一輪廓；以及在加熱該基座之該步驟之後將一基板傳送到該基 座。
  19. 如請求項18所述的方法，其中該控制器將功率提供到該第一多個燈中的位於該前緣處的一個燈和該第一多個燈中的位於該後緣處的一個燈。
  20. 如請求項18所述的方法，其中該控制器將功率提供到該第一多個燈中的位於該前緣處的兩個或更多個燈。
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