專利名稱：用于快速熱處理腔室的燈的制作方法
技術領域：
本發明的實施例一般涉及一種半導體處理系統，特別是一種用于在半導體處理系統中預先加熱(advanced heating)的燈。
背景技術：
快速熱處理(RTP)系統是利用于半導體芯片制造中，用以在半導體基板或晶片上產生表面結構，或是化學改變或蝕刻該表面結構。RTP通常依賴一高強度白熾燈 (incandescent lamp)陣列，而燈是安裝至燈頭(Iamphead)中并導向基板或晶片。燈可經供電而快速地關閉及開啟，并將大部分的光導向該基板。由此，晶片可被快速地加熱而不會實質地加熱腔室，并且一旦將電力自燈移除之后，晶片可以快速地冷卻。RTP系統的一實例是描述于美國專利第5，155，336號中(其讓與給本發明的受讓人，并將其并入本文以做為參考)，該RTP系統包括一半導體處理腔室以及設置在半導體處理腔室上的加熱源組件或燈頭。數個鹵素鎢絲燈位于燈頭中，且該些燈可以以約300°C / sec的速率將腔室中的基板加熱至高達1200°C或更高的溫度。在處理過程中，來自燈的紅外線光是通過上方窗、光信道及下方窗而至處理腔室中的旋轉半導體基板。以此方式，晶片可加熱至所需的處理溫度。如圖1所示，現有的用于半導體處理的鹵素燈10(亦稱的為鹵素鎢絲燈)包括燈泡12 (亦稱的為燈罩)，鹵素燈10具有電性耦接于短內導線16及長內導線18之間且呈線圈形式的光產生燈絲14。內導線16、18是通過金屬薄片22而連接至外導線沈。金屬薄片 22通常由鉬制成。內導線16、18、外導線沈及金屬薄片22皆定位在燈座20。在制造過程中，燈座20是壓制在一起而位于金屬薄片區域上方，以形成壓制密封而密封住燈泡。燈泡 12通常由石英制成，并且典型填充有含鹵素氣體。在半導體處理操作過程中，上述燈是以圖案化陣列而放置在處理腔室中，以加熱設置在腔室中的基板。如上所述，燈是在極高溫下操作。一般來說，約半數來自燈的光能是在多次反射后離開相關光管的末端。約半數來自燈的光能則在燈的燈座20以及反射鏡 (reflector) /燈頭結構處被吸收。相較于在開放空間照射的燈，上述可能會導致燈座溫度上升至較高溫。若燈座溫度過高，則會實質降低燈的平均壽命。破壞金屬薄片22 (其攜帶電能至燈絲)周圍的密封會導致燈的品質降低。通常由鉬制成的金屬薄片在高于約300°C 的處會容易氧化，所造成的氧化鉬會使得體積膨脹而使石英破裂或造成開路。因此，必須要提供可冷卻燈座20的方法。
此外，已設計復雜的結構來將燈座20的熱傳導離開。根據現有方法，利用多孔封裝化合物(porous potting compound)將燈座20封進精準外徑不銹鋼管中。高精準不銹鋼管是置入另一高精準不銹鋼管中，且此另一高精準不銹鋼管的外表面(針對其全部長度) 是經水冷卻。反射鏡套筒圍繞燈泡的一部分并設置以將光能量反射離開燈泡。此復雜的冷卻機構使得燈可以在足夠低的溫度下操作以延長燈壽命。另一用于將熱傳導離開燈的方法是在燈泡內設置熱屏障或反射鏡板，而位于燈絲 (或線圈)以及燈座之間。包括有熱屏障或內部反射鏡板的燈泡的實例是揭露在PCT國際公開號第W002/03418號以及美國專利第6，744，187號中。包括有熱屏障或反射鏡板在其內的燈泡可能有效，但該些方法需要一增設至燈組件的額外部件。盡管已存在上述的燈冷卻方法，仍亦期望提供額外的方法以促進熱自燈、燈座及燈頭/反射鏡套筒而散逸。
發明內容
本發明的一實施例是關于一種燈組件，該燈組件包括一燈泡，是包圍至少一光產生燈絲，該燈絲附接至一對導線，該燈泡具有一內表面及一外表面；一燈座，是配置以容納該對導線；以及一金屬套筒，是圍繞該燈座，并填充有一封裝化合物(potting compound), 該套筒的壁厚度為至少約0. 020英寸，該封裝化合物的熱傳導系數是超過約100W/(K-m)， 該燈組件是適用于一基板處理腔室中，以將一基板加熱至高達至少約1100°C的溫度。根據一或多個實施例，封裝化合物的熱傳導系數是超過約150W/(K-m)，例如大于約200W/ (K-m)。在一或多個實施例中，套筒的壁厚度超過約0. 040英寸，例如超過約0. 050英寸。 套筒可以由銅或鋁制成。根據一或多個實施例，封裝化合物包括結合磷酸鎂的氮化鋁。在一實施例中，封裝化合物包括一環氧系(印oxy based)封裝化合物，且其更包括銅或銀。根據一或多個實施例，套筒的剖面形狀是實質與燈座的剖面形狀相符。在一實施例中，套筒的剖面形狀為實質矩形。在另一實施例中，提供一種燈組件，該燈組件包括一燈泡，是包圍至少一光產生燈絲，該燈絲附接至一對導線，該燈泡具有一內表面及一外表面；一燈座，是配置以容納該對導線；以及一第一封裝化合物，是圍繞該燈座，且該第一封裝化合物的熱傳導系數超過約 100W/(K-m)，該燈組件是適用于一基板處理腔室中，以將一基板加熱至高達至少約1100°C 的溫度。在一實施例中，第一封裝化合物的熱傳導系數是超過約150W/(K-m)，且可超過約 200W/(K-m)。在一實施例中，該燈組件可包括一第二封裝化合物，該第二封裝化合物是鄰近該燈泡，該第二封裝化合物相對于該第一封裝化合物而具有較低的熱傳導系數及較高的反射性。在部分實施例中，第一封裝化合物包括一環氧系氮化鋁化合物，以及第二封裝化合物包括一氧化鋯系(zirconia based)封裝化合物。根據一實施例，第二封裝化合物是存在于厚度小于約1毫米(mm)的一層中。
為讓本發明的上述特征更明顯易懂，可配合參考實施例說明，其部分乃繪示如附圖式。須注意的是，雖然所附圖式揭露本發明特定實施例，但其并非用以限定本發明的精神與范圍，任何熟習此技藝者，當可作各種的更動與潤飾而得等效實施例。圖1，繪示現有的用于半導體處理中的鹵素燈。圖2，繪示根據本發明的一實施例的燈組件的剖面視圖。圖3，繪示根據本發明的一實施例的燈組件的立體視圖。
具體實施例方式在下方描述中，所提出的特定細節是用于提供對本發明的全盤了解。然而，應了解熟悉該技術領域的人士可在不包括該些特定細節下而實施的。在其它實例中，并不顯示出熟知的組件，以避免對本發明造成不必要的混淆。本發明的實施例一般是提供適用于基板熱處理腔室中以將基板加熱至至少約 Iioo0C (例如高達約1350°C)的燈組件。根據一或多個實施例，可用于半導體基板處理中的快速熱處理設備的燈組件是設計以將沿著管長度的熱流出并穿過封裝化合物，以相對于現存燈泡而能更快速地冷卻燈泡。根據本發明的實施例，可期望燈的壽命會延長，且可預防因為燈泡及燈座的過度加熱所導致的過早燈泡失效。根據本發明的實施例，增加圍繞燈組件的管或套筒的熱傳導系數(thermal conductivity)，及/或增加管或套筒的厚度，用以促使將熱傳導離開燈泡。在現存的燈組件中，圍繞燈組件的套筒一般由不銹鋼制成。根據一或多個實施例，銅或鋁是用作為圍繞燈組件的套筒，以增加套筒的熱傳導系數(相較于現有燈組件)。在另一實施例中，可使用具有較高熱傳導系數的封裝化合物，以促進將熱傳導離開燈泡及燈座。在現存燈組件中，于現存燈組件中所使用的封裝化合物的熱傳導系數為l_2W/(K-m)。根據本發明的實施例，燈組件中所使用的封裝化合物的熱傳導系數超過約IOOW/ (K-m)，例如超過150W/ (K-m)，且更特定為超過200W/ (K-m)。通過單獨增加套筒的熱傳導系數或是結合增加套筒的厚度及增加封裝化合物的熱傳導系數，會大幅地促進熱傳導離開燈泡及燈座而至流經不銹鋼外殼(圍繞數個燈組件)的冷卻流體。現請參照圖2，是顯示燈組件120的一實施例，其可用于供應熱能至基板處理腔室中的基板。此處所述的燈組件120的該實施例及其它實施例僅作為示例用，然而，不應用于限制本發明的范疇。在一實施例中，燈組件120包括一套筒或主體對，其是提供結構的基礎以容設燈組件120并將熱傳輸至燈組件120之外。套筒或主體M包括一包圍壁觀以及第一與第二端32、36。包圍壁觀在第一與第二端32、36具有開口 40a、40b。在一實施例中，包圍壁 28包括一金屬，其利于熱傳輸并可提供反射表面。舉例來說，套筒M可包括不銹鋼，其可經過摩擦或拋光而為反射性。熱模型顯示更具傳導性的套筒材料(例如銅或鋁)會更增進熱傳并減少鄰近燈管的熱。再者，增加套筒的壁厚度而不增加管的總外徑可更增進熱傳送遠離燈泡。在非限制性的實例中，用于RTP腔室的燈泡的套筒外徑可以為約0. 619英寸， 內徑為約0. 592英寸，而使套筒壁厚度為約0. 013英寸。熱模型亦顯示增加管的壁厚度至大于約0.020英寸(特別是大于約0.040英寸，且更特別是大于約0.050英寸)會大幅地促進熱流離開燈泡并降低燈泡的溫度。熱模型是用于判定改變套筒材料、封裝化合物的熱傳導系數及套筒厚度對于溫度的效應。在RTP腔室的不同位置分析其溫度。可確定的是，利用一具有較高傳導系數的套筒材料，并結合較大的套筒厚度及/或具有較高傳導系數的封裝化合物，會使得燈管內或鄰近燈管的部分位置處的溫度降低約75°C 約100°C。在一實施例中，管是由高傳導系數的金屬構成，并且管之外殼內含有少量或是不含有封裝化合物。在此實施例中，管為一實質立方體，并具有供電線通過的導管，且在部分實例中，燈泡及插頭是置入管的相對端。在RTP腔室的早期世代中，燈泡是容設在燈頭的冷卻劑浸濕區域(coolant-wetted region)中，并且相信來自燈泡的大多數能量是橫向地(徑向地)傳導離開燈泡，并通過石英部件、氣隙及燈頭鋼管而至冷卻劑。在使用工具的工藝的態樣中， 認為來自燈泡/線圈的少量的熱會透過封裝化合物而通過密封區域，并接著橫向地至冷卻劑。使用可輕易獲得的具有較低熱傳導系數的封裝材料并非是一個問題。在RTP腔室的現今世代中，所需求的是較高的工藝溫度，且燈泡延伸超過燈頭的冷卻劑浸濕區域，故改善的軸向熱傳輸是有利的。在所示的實施例中，套筒M具有圓形的剖面，而其是易于制造。然而，如下將描述者，亦可以為其它的剖面形狀，包括正方形、矩形、三角形及多拱形。在一或多個實施例中， 套筒M的形狀是實質符合燈座的形狀。套筒M的縱軸44是平行于包圍壁觀，并垂直于套筒24的剖面。所示的燈組件120包括安裝在套筒或主體M的第一端32的燈組件48。一般來說，燈組件48包括光穿透燈泡或燈罩52，其含有在燈絲56周圍的內部大氣。燈罩52可包括多種形狀，例如管狀、圓錐狀、球狀及多拱形。燈泡或燈罩52亦包括一收縮密封端(pinch seal end)或燈座60，其允許電連接器64通過其中，另外，燈泡或燈罩52亦包括一真空管 (圖中未示)，而其用于在制造過程中自燈罩52移除氣體或添加入氣體，且燈罩52會接著被密封。燈泡或燈罩52包括石英、硅石玻璃(silica glass)、鋁硅酸鹽玻璃或其它適合的光穿透材料。包含在燈罩52內的內部大氣例如包括含鹵素氣體。燈罩52及燈座是經制造而可耐受與半導體基板快速熱處理腔室相關的高溫及快速溫度改變。舉例來說，燈組件應可耐受源自將晶片處理至高達至少約1100°C的溫度、且高達約1350°C的溫度以及溫度改變為約300°C /sec的局部環境。位于燈組件48的燈罩52內的光產生燈絲56 (顯示為線圈形式)具有二端68a、 68b，而該些端68a、68b是電性連接至電連接器64。燈絲56包括電阻金屬線，且在一實例中為鎢金屬線。燈絲56可以為單一線圈或多個線圈，或是包括纏繞數過多的線圈(overwound coils)的纏繞線圈，或者是包括平面帶(strip)、波狀平面帶或是纏繞數過多的平面帶，且燈絲56在其中間點或是末端68a、68b連接至燈組件電連接器64。可通過調整燈絲56本身的參數而對燈絲56的電學特性作一調整，該些參數例如為其單位長度的重量、直徑及線圈參數。在操作過程中，燈絲56可以產生介于例如高達約IkW的瓦特數范圍的光(在約 120VAC,rms的操作電壓下)。典型地，該光是處于深紫外光、紫外光、可見光、紅外線或近紅外線范圍。燈組件電連接器64自位于燈組件燈罩52外側的電源供應電力至燈絲56，以在燈絲56及電源之間形成電性連接。燈組件電連接器64 —般包括金屬線72或金屬薄片76或是其部分組合，而金屬線72及金屬薄片76具有良好的電傳導系數，例如鉬金屬線。電連接器64亦可包括其它金屬，例如鎢、鎳鍍鋼或是其它具有低電阻及可靠攜帶高電流的能力的
燈罩52的收縮密封端或燈座60包括一區域，在該區域中，燈罩52是實質壓縮于燈組件48的電連接器64的周圍。電連接器64在其進入燈罩52以將外部電源電性連接至燈絲56時，電連接器64會通過收縮密封端或燈座60，并通過收縮密封端或燈座60而定位。 收縮密封端或燈座60形成密封，以維持燈罩52內的內部大氣的壓力及組成。燈組件48是至少部分安裝在套筒或主體M的第一端32中。燈組件120亦包括一或多個傳輸線80，以將電力由燈組件120的第二端36傳送至燈組件48。在一實施例中，燈組件120包括一對傳輸線80，而每一個傳輸線80是連接至燈組件48的一對電連接器64的其中一者。傳輸線80包括電導線，其具有較低的電阻。在一實施例中，傳輸線80的電阻不會大于約0. 1歐姆(ohms)。傳輸線80通過焊接、熔接、物理性磨蝕(physical abrasion)、音波耦接或是其它可建立較低電阻的電性連接的連接形式而電性連接于燈組件48的電連接器64的一端。傳輸線80亦具有彈性以允許其本身的動作及彎折。舉例來說，在一實例中，傳輸線80的楊氏模數aoung，s Modulus)為約30GI^ 約130GPa。此允許在燈組件的組裝及操作過程中，可以彎折及操作傳輸線80，但亦允許其保有足夠的硬度以維持其形狀。燈組件120包括設置于套筒或主體M內的封裝化合物84，其促進燈組件120的熱產生組件以及套筒或主體M之間的熱傳輸。熱產生組件例如包括燈組件48及傳輸線80。 封裝化合物84將熱能傳輸至套筒或主體M，而其可接著將熱傳送至燈組件120外。在一實施例中，封裝化合物84是至少位于燈組件48的收縮密封端或燈座60以及套筒或主體對的包圍壁觀之間。舉例來說，封裝化合物84可實質位于收縮密封端或燈座60的周圍，且一路延伸至包圍壁28。封裝化合物84亦可延伸超過燈組件48的收縮密封端或燈座60，舉例來說，在一實施例中，封裝化合物84延伸而朝向套筒或主體M的第二端36。參照上述，根據本發明的實施例，具有高傳導系數的封裝化合物例如為其熱傳導系數超過IOOW/(m-K)， 特別超過150W/ (m-K)，又特別超過200W/ (m-K)的封裝化合物。一尤其適合的化合物為主成分是氮化鋁的封裝化合物。一適當封裝化合物的實例為購自Aremco的Ceramacast產品號 675。其它適當的封裝化合物可包括填充氧化鋁的封裝化合物或是環氧系封裝化合物。在一實施例中，相對于高熱傳導系數的封裝化合物而具有較高反射性的低熱傳導系數的封裝化合物薄層是用于包圍住燈泡，以促使熱反射遠離燈泡。舉例來說，厚度為至少約Imm且熱傳導系數為l-2W/(m-K)的鋯石系(zircon based)封裝化合物可用于包圍鄰近燈座60的燈泡，且管的其它部位可填充有較高傳導系數的化合物。如該技術領域所熟知，針對水凝性封裝化合物，在燈組件120的制造過程中，封裝化合物84是經加熱以移除或減少其水含量。舉例來說，在一實施例中，封裝化合物84經加熱后的水含量不超過0.1% (以重量計)。殘留的水含量在燈的操作過程中可釋出。封裝化合物84亦可充分展延，以利于其在熱連續區域結合至燈組件120中。燈組件120包括位于套筒或主體M的第二端36的插頭88。插頭88是與外部電源產生連接，且可調節燈頭與外部電連接器之間的未對準情形。插頭88可以由硬質材料或彈性體材料制成。再者，插頭88可以相對于套筒或主體M的第二端36而固定，或是如圖所示而插入主體M的第二端36中，亦或是其可相對于套筒或主體M的第二端36而彈性定位。當插頭88為彈性定位時，插頭88可以朝垂直于縱軸44的方向而相對于套筒或主體 24的第二端36移動。雖然彈性定位插頭88具有部分優點，例如，易于制造，但是仍期望彈
7性體插頭88固定至套筒或主體M的第二端36。插頭88具有電連接器92，其將電能傳送至傳輸線80。插頭88包括可耐受將水分自封裝化合物84移除所需的溫度的材料。在一實施例中，封裝材料可耐受暴露于至少約165°C下至少約15小時。插頭88可以由硬質材料或彈性材料制成。硬質材料通常相對于彈性材料而可使插頭88暴露在較高溫度下較長的時間。彈性材料(例如彈性體)一般無法暴露于如同硬質材料所耐受的較高溫度，此乃因為彈性是需要較弱的內部鍵結，而其亦通常會造成較低的熱穩定性，但是它們仍可用于本發明的實施例中。舉例來說，用于彈性插頭的彈性體材料Santoprene 201-64可耐受約 150°C的溫度約15小時(在其彈性及其它特性開始降低之前)。可用于彈性插頭的其它彈性體為鉬催化硅，其可耐受超過180°C的溫度約15小時，例如GE LIM9070。插頭88亦可包括一對電連接器92，其經成形而與基板處理室中的容設插座為緊配，并且電性連接至傳輸線80。電連接器92將來自插座的電力傳送至傳輸線80，其會接著將電力傳送至燈組件48。插頭88的電連接器92包括一電傳導材料，例如金屬。舉例來說， 在一實例中，電連接器92包括鐵合金、鎳或銅或其混合物。在一態樣中，電連接器92可包括材料的組合，其中一材料是電鍍或沉積在另一材料上。插頭88包括第一插頭組件104，該第一插頭組件104是提供結構基礎以承接電連接器92及容設燈組件傳輸線80。所示的第一插頭組件104并未直接附接至燈組件120的主體對，但是在一或多個實施例中，插頭88可附接至套筒或主體M。第一插頭組件104具有一主體108以容納及至少包圍電連接器92及傳輸線80。插頭組件104亦可具有延伸部 112，其具有相對較大的尺寸而可進一步支撐電連接器92，且可以針對高壓操作而提供額外絕緣。第一插頭組件104的形狀及尺寸的其它變化亦為可能。參照圖3，其示出燈組件220的立體視圖，其中套筒224的剖面為實質矩形，而其與燈座260及插頭208的剖面形狀相符，插頭208具有自其延伸的連接器四2。燈泡或燈罩252的剖面為實質圓形。如該技術領域所知，燈組件220可置入水或其它流體冷卻的不銹鋼外殼中，而該外殼是用于冷卻燈組件。如上所討論者，通過調整套筒壁厚度、套筒的熱傳導系數及封裝化合物的熱傳導系數的一或多者，則可改善熱傳輸至冷卻流體，因而增進燈泡壽命。在說明書中所述參照“一實施例”、“部分實施例”、“ 一或多個實施例，，是指參照實施例所描述的特定特征、結構、材料或特色可包括在本發明的至少一實施例中。因此，本說明書中的各處所出現的用語，例如“在一或多個實施例中”、“在部分實施例中”、“在一實施例中”，其并非一定要參照本發明的相同實施例。再者，在一或多個實施例中，特定的特征、 結構、材料或特色可以采任何適當的方式結合。應了解上方說明是欲作為說明性而非限制性。在閱讀本說明書之后，許多其它的實施例對于熟習此技術的人員是明顯的。因此，本發明的范疇是參照所附申請專利范圍以及申請專利范圍所界定的等效范圍而決定。
權利要求
1.一種燈組件，包括燈泡，包圍至少一光產生燈絲，該燈絲附接至一對導線，該燈泡具有內表面及外表面； 燈座，配置以容納該對導線；以及銅或者鋁套筒，圍繞該燈座，并填充有封裝化合物(potting compound)，該銅套筒的壁厚度為至少約0. 020英寸，該燈組件適用于一基板處理腔室中，以將一基板加熱至高達至少約1100°C的溫度。
2.如權利要求1所述的燈組件，其中該套筒是銅的。
3.如權利要求1所述的燈組件，其中該套筒是鋁的并且具有至少約0.040英寸的壁厚度。
4.如權利要求1所述的燈組件，其中該套筒包含管，在管內含有少量或是不含有封裝化合物。
5.如權利要求4所述的燈組件，其中該管為實質立方體，具有供電線通過的導管。
全文摘要
本發明是揭露一種適用于一基板熱處理腔室中以將基板加熱至高達至少約1100℃的溫度的燈組件。在一實施例中，燈組件包括一燈泡，該燈泡包圍住至少一光產生燈絲，且燈絲附接至一對導線；一燈座，是配置以容納該對導線；以及一套筒，其壁厚度為至少約0.013英寸，且包括熱傳導系數大于約100W/(K-m)的一封裝化合物(potting compound)。
文檔編號H01K1/58GK102306619SQ20111012522
公開日2012年1月4日 申請日期2008年2月14日 優先權日2007年2月15日
發明者J·M·瑞尼西, K·索拉吉 申請人:應用材料公司