專利名稱：電阻加熱一熱處理系統用的裝置和方法
技術領域：
本發明的諸實施例涉及用于加工半導體基片的裝置和方法。具體說來，本發明的諸實施例涉及用電阻加熱一熱處理系統用的裝置和方法。
背景技術：
在半導體基片上制造集成電路(IC)的過程可包括許多加工步驟，它們在范圍、特性或用途上有很大的變化，但它們有一個共同的事實，即，這些步驟在高溫下進行。具有一加熱步驟的IC制造工藝的實例包括外延附生、絕緣和導電層的薄膜沉積、離子植入、退火、焊點成型等等。熱處理可在一具有輻射熱源的處理室內進行，而輻射熱源有燈泡、熱傳導的RF源，或靠近基片支承的諸如加熱器塊或基座的電阻加熱源。
熱處理室可以采用電阻加熱。這種類型的熱處理器可包括連接到一電源上的諸加熱元件。當電壓施加到加熱元件時，元件對電流的電阻導致功率的消耗，功耗對處理室提供熱流。
電阻加熱一處理室的傳統方法是利用一包括涂復了碳化硅層的石墨芯的加熱元件。由于石墨可能含有雜質，所以，用碳化硅來密封石墨芯。這些存在的雜質(可以是金屬雜質)對于IC制造商來說是不需要的，因為它們可找到出路跑到正在處理的半導體基片上，并干涉器件的性能。碳化硅涂層提供一保護層，該保護層允許一包括帶有雜質和污染物的石墨芯的加熱元件插入到一反應室。
傳統的加熱元件導致多種問題。一個問題是，芯和涂層材料可具有不同的熱膨脹系數，其結果，石墨芯的膨脹率不同于碳化硅的膨脹率，當加熱元件的溫度變化時，加熱元件可發生彎曲或形狀遭受扭曲。
第二個問題起因于構成加熱元件的兩種材料的厚度差。在某些系統中，碳化硅涂層的厚度可僅為約0.004英寸。再者，由于兩種材料之間的熱膨脹系數的差異，根據加熱元件的加熱和冷卻，碳化硅會產生裂縫，所以，處理室的內部和正在處理的基片暴露于石墨中的雜質。石墨中的雜質可通過碳化硅涂層上的裂縫擴散，從電阻加熱元件中出來，擴散到反應室內造成污染。
如果反應室內存在有氧的環境，則該問題會加劇，如果光致抗蝕劑從基片上剝落，或如果熱氧化過程在一快速熱處理(RTP)室進行時，就會發生這種加劇的情形。此外，氧可通過隔絕處理室與外部環境的密封滲入處理室。氧通過碳化硅涂層上的裂縫擴散而與石墨芯反應。石墨與氧的反應生成一氧化碳和二氧化碳氣體(該過程被稱之為“灰化”)，而加熱元件的內芯可很快地消蝕掉。由于加熱元件的電阻在灰化發生的部位顯著地增加，所以，導致熱點的發生。這是侵蝕性很大的反應，加熱元件的內芯可在不到10秒的時間內消耗掉。
傳統電阻加熱元件會遇到的第三個問題是，芯材料的強度通常不是特別大。石墨就是這種情況。由于諸如石墨之類的芯材料的相對弱的機械強度，所以，通常以加熱元件的大的截面來彌補強度的不足。大的加熱元件也可具有較大的熱容，它的溫度相對于功率的改變而變化不大。滯后的溫度變化會導致差的溫度重復性。另一個后果是，當處理室達到理想的加工溫度時，由于遇到滯后性，所以，每單位時間可加工的(“生產量”)基片的數量下降。
傳統的加熱設計通過將加熱元件封裝在一外殼內(如圖1所示)來解決上述的一些問題。在圖1中示出的電阻加熱器100，包括在一外殼內的四個加熱元件101，102，103和104(它們是繞進和繞出圖平面的相同的跡線繞組的一部分)，外殼包括一上護罩106和下護罩108。每個加熱元件具有一石墨芯110和一碳化硅涂層112。外殼包括一石墨部分114和一碳化硅涂層116。加熱元件可通過支承118連接到外殼。在該實例中，加熱元件和外殼部分的厚度為約0.25英寸，而碳化硅涂層的厚度為約0.004英寸。諸如氮、氦或氬之類的惰性氣體可流過空間122。
再者，將加熱元件封裝在一涂復了SiC的石墨殼內的原因在于，由于兩種材料的不同的熱膨脹系數(CTE)，加熱元件的SiC涂層易于產生裂縫。如果涂層開裂，則石墨芯易受灰化的損害，特別的是，如果加熱元件暴露在一個氧化的環境中。石墨的灰化可導致立即“燒毀”以及加熱器的喪失，并導致雜質釋放到處理室內。通過將加熱元件封裝在一殼(或護罩)內，可以使惰性氣體涌入元件周圍的空間，以將這些雜質清除出處理室。惰性氣體還起到阻止反應室內的氧接近石墨芯的作用。
因此，示范的傳統加熱器可考慮有三部分1)包括涂復了碳化硅的石墨的加熱元件，2)包括涂復了碳化硅的石墨的封裝外殼，以及3)用來凈化在加熱元件外但在外殼內的空間的惰性氣體。上和下護罩106和108用來通過分配來自各個加熱元件的熱流，提供更加均勻的加熱環境。盡管護罩成功地擴散各元件發出的熱而使熱輸出更均勻，但它們也增加了加熱器的熱容，使加熱器對功率的變化響應不大。使用傳統加熱器的護罩也導致硬件的龐大。圖2示出一示范的處理室200，它包含分別位于一基座上方和下方的傳統的加熱器202、204以及側加熱器206。該圖示出使用傳統電阻加熱器的處理室內所占據的大的空間量。
希望有一種半導體加工的電阻加熱用的裝置和方法，尤其要求這種裝置和方法能提供緊湊且較小的結構，抗氧環境，污染或降質可能較小，在熱膨脹和收縮過程中，可預測形狀變化。
發明內容
本發明的諸方面包括一包含摻雜質的陶瓷加熱元件的電阻加熱器，該陶瓷加熱元件可部分地嵌入或全部地嵌入未摻雜質陶瓷材料的基體(matrix)內。在一示范的實施例中，陶瓷可以是碳化硅，摻雜物可以是氮。對于加熱元件和包圍諸元件的基體材料來說，使用具有大致相同的熱膨脹系數的材料，這樣做法是有利的。因此，當電功率施加到電阻加熱器上時，每個部分(元件和基體)基本上一致地膨脹和收縮。鑒于可預料到板受熱會膨脹，因此允許相對于其它硬件(諸如基片支承銷或晶片提升銷)的緊的公差。在一實施例中，加熱器是整塊的板，該板緊湊，基本上純和無污染，與氧化或腐蝕氣體或材料無反應，強度大，耐用，以及快速響應功率輸入變化的低的熱容。該加熱器可用于許多反應器和處理室，它們廣泛地被用來制造諸如外延附生膜沉積的集成電路、化學蒸發沉積膜(CVD)的集成電路以及實施快速熱處理的集成電路。
參照附圖，從下面的詳細描述中，本技術領域內的技術人員將會更加明白本發明的上述的和其它的特征及優點。在下面的附圖中圖1是傳統的三部分組成的電阻加熱器的剖視圖，包括涂復了碳化硅的石墨加熱元件和護罩部分；圖2是帶有頂部和底部傳統電阻加熱器的熱處理室的剖視圖；圖3A-3E示出根據本發明的一實施例制造加熱器的示范的加工流程；圖3F-3H示出根據本發明的一實施例制造加熱器的第二示范的加工流程；圖3I-3O示出根據本發明的一實施例制造加熱器的第三示范的加工流程；圖4是根據本發明的另一實施例的加熱器的剖視圖；
圖5是根據本發明的一示范的實施例的單塊加熱器板的平面圖；圖6是包括一示范的單塊加熱器板和基片提升/支承銷的處理室的剖視圖；圖7是一簡化示意圖，示出一基片支承銷孔在加熱器跡線(heater trace)設計上的效果；圖8是一簡化示意圖，示出單塊加熱板相對于基片提升/支承銷膨脹的方式；圖9是根據本發明的一實施例的具有單塊板加熱器的示范的處理室的側剖視圖；圖10是通過包含兩個頂平板加熱器的水平平面的雙基片處理室的平面圖；圖11是通過包含兩個底平板加熱器的水平平面的雙基片處理室的平面圖。
具體實施例方式
本發明的諸方面提供加工半導體基片用的裝置和方法。下面所提供的描述使本技術領域內的技術人員能夠制造和利用本發明。所提供的具體應用的描述僅是作為示例。對于本技術領域內的技術人員來說，較佳實施例的各種改型將是顯而易見的，在不脫離本發明的精神和范圍的前提下，這里所限定的總的原理可應用于其它的實施例和應用中。因此，本發明的意圖不是限制在描述的或圖示的實施例，而應統一于與這里所公開的原理和特征相一致的最廣泛的范圍內。
在某些方面，電阻加熱器的加熱元件對碳化硅的特性要求很高。碳化硅機械強度大，當其在半導體處理室內沉積時，它不受污染，從該意義上來說碳化硅是純的。金屬不易通過碳化硅膜擴散。即使在高溫的情況下，金屬通過碳化硅的擴散也很緩慢。其它的陶瓷也可具有理想的特性。
在其它方面，碳化硅對于電阻加熱元件來說不是理想的材料。碳化硅具有高電阻，所以要求在很低電流的高電壓下操作，因其硬度的原因機加工也很困難。為制作實用形狀的加熱器，可能要求使用金剛鉆的切割工具。因此，碳化硅用于商用的加熱元件是不可行的。
本發明的實施例通過提供由摻雜質陶瓷制造的加熱器元件(加熱器跡線)，避免傳統的涂復了碳化硅的石墨加熱器的諸問題，以及由“純”碳化硅制造加熱器的困難。這樣的摻雜陶瓷的實例是摻氮碳化硅。在本發明的一示范的實施例中，加熱跡線(heating trace)是由Performance Material Inc.購得的摻氮碳化硅材料制造。這種材料被稱之為Low Resistivity Performance SiCTM(低電阻率特性SiCTM)。
還有其它的可用來降低陶瓷電阻率的元素。這些元素包括鋯、鈦和/或硼，且它們可單獨使用，或與氮組合使用。其它的元素也可使用，只要它們在高溫下保持穩定，摻雜陶瓷在高溫下是穩定的，只要摻雜物不產生會從摻雜陶瓷中釋放的揮發性化合物，則摻雜物不從低電阻率區域擴散到高電阻率層附近。其它的陶瓷可包括氧化鋁，氮化硼和氮化硅。用于低電阻率材料的其它摻雜物是As，Sb和P。
摻雜的材料可以是摻雜的硅。在這種情形中，摻雜物還可包括B，As，Sb，N和P。這些材料可采用化學蒸發沉積(CVD)工藝沉積在陶瓷(可以是碳化硅)上。眾所周知，由于外延附生硅膜常規地生長在涂復了SiC的基座上，所以，CVD碳化硅附著在摻雜硅的膜上。
摻雜硅可用CVD方法進行制造。CVD生長的材料提供超過燒結形式的優點，在燒結的形式中，通過先前的方法生長的材料具有較佳的整體性并趨于無孔狀態。可使用燒結的材料(通過將材料的細粒壓在一起而制成一體)，但由于用來涂復顆粒的粘合劑含有會變成產品一部分的雜質，所以，它并不是理想的材料。此外，燒結的產品趨于多孔，且比CVD生長的種類更缺乏均勻性。
由于非摻雜的碳化硅不易機加工且其電阻高，故對于電阻加熱器來說不是理想的材料。然而，許多申請人業已發現，摻雜的碳化硅可用于電阻加熱器而獲得所需的性能。摻雜碳化硅的一個實例是摻氮碳化硅。例如，摻氮碳化硅的結果是材料的電阻可相對于未摻雜或“純”的材料減小4至5個數量級。在示范的實施例中，摻雜陶瓷的電阻率可比未摻雜陶瓷的電阻率大約低2至5個數量級。當然，可使用一個以上的摻雜元素，而且每個元素不必要起相同的作用。在某些實施例中，例如，第一元素可用來減小電阻率，而添加第二元素來提高機械性能。示范的摻雜水平按重量計可大約從150至2000ppm(百萬分之幾)，而在另一實施例中，則大約為1400ppm。
摻雜陶瓷可提供各式各樣理想的電阻加熱器的性能。例如，增加的導電率使摻雜材料比未摻雜材料在更合理的電壓/電流方式下操作。在示范的實施例中，諸如摻氮的SiC的摻雜陶瓷可用來生產具有電阻率低于未摻雜的SiC、但高于石墨的加熱器跡線。要求包括諸如石墨的低電阻率材料的加熱器跡線制造成足夠的長度，以提供足夠的、可合理操作的電阻(其中“合理操作”是尤其指避免對低電壓，高電流電源的要求)。或者，石墨元件可制薄以增加電阻，由于強度上的考慮，通常，對該零件能被制到何等薄，具有一限值。使用摻雜的碳化硅使其能在一合理的電壓和電流的狀態下操作，并在某些應用中能改變加熱器跡線的長度。
摻雜碳化硅作為加熱元件的材料的另一優點在于，摻雜碳化硅可通過稱之為放電機加工(EDM)的工藝容易地進行機加工。這是一種機械加工工藝，其中，用一具有一切割頭的裝置切割一材料塊，該切割頭具有一饋給絲，它繞過一輥子從機器中出來。該輥子恒速地從機器中送出加工絲。將材料塊接地，而電勢施加到加工絲上。當加工絲曳拉穿過材料塊時，材料基本上被蒸發掉。切割縫可小到0.001英寸。可用EDM進行切割的另一種類型是插入切割，其中，電勢施加到一石墨心軸上，心軸被推過材料以鉆出一孔，與EDM切割一樣，在該材料上以精確的尺寸穩定性加工出高精度的孔。
有若干種使用EDM工藝提供成本合理和精度高的機加工方式。EDM機加工的優點可包括能容易地再加工先前已加工過的零件的能力。在根據示范的實施例制造采用摻雜碳化硅的電阻加熱元件中，相當容易地修改已被制造后的加熱器的不同部分的加熱特性。例如，如果加熱器的一部分需要較多的功率，則可使用EDM工藝除去摻雜SiC的一小部分，形成一具有較小截面和較高電阻的區域，因此，使加熱器的該區域提供更多的功率。相反，涂復SiC石墨零件，在SiC層已涂復到石墨后，不易于適應這種修改。
傳統EDM工藝不被用來對純碳化硅進行機加工，因為這種材料具有極高的介電常數(高電阻率)，以致從加工絲到正被加工的零件不存在導電的通道，因此，加工絲不能蒸發純碳化硅。摻雜碳化硅是用于電阻加熱器的良好材料，這不僅由于其相對于純碳化硅具有低的電阻率，而且由于它可使用EDM工藝進行機加工，而純碳化硅可能需要由金剛鉆尖端的工具進行加工。
一示范的傳統石墨元件的截面尺寸，其寬度約從0.2至0.5英寸，高度約從0.5至1.0英寸。這些尺寸由電氣特性和機械強度確定。石墨的電阻率大約從0.00076至0.001歐姆厘米，該值是低的。為了用具有適于電源的合理電壓和電流特性的足夠的電阻的石墨制造一加熱器，加熱器可能要求很長或具有很小的橫截面。然而，由于機械強度的原因，橫截面的尺寸有所限制。通常，加熱器必須足夠長，以使所提供的從端頭到端頭的用于驅動電壓的電阻足夠用。例如，用于RTP應用中的加熱器，操作電壓在30V即可驅動120A的電流。這要求有特殊的電源，不能直接從普通的墻上的交流電(AC)輸出插口中獲得。然而，為了獲得所要求的溫度均勻性，如圖1和2所示，加熱元件可非常靠近地堆疊起來。
盡管摻雜碳化硅的電阻率比未摻雜碳化硅低4至5個數量級，但該電阻率仍高于石墨。這是有利的，因為它允許使用被加工的加熱元件，如圖3和4所示，加熱元件的橫截面處于平的狀態。根據本發明的一示范的實施例的摻雜碳化硅加熱元件(跡線)的尺寸，其高度約從0.1至0.3英寸，寬度為約0.5英寸。摻雜陶瓷對石墨的電氣性能的差異，顧及到加熱跡線的更緊湊的加熱設計和定向，以導致更佳的溫度均勻性的結果。
根據本發明的實施例可使用各種各樣的工藝流程來制造加熱器。三種示范的程序分別示于圖3A-3E，3F-3H和3I-3O。
圖3A-3E示出一根據本發明的實施例可用來制造一加熱板的示范的工藝流程。加熱元件通過對一摻雜碳化硅的原料薄片301(下文中稱之為“摻雜SiC”)插入加工切割出空間304而進行機加工。插入切割步驟從薄片的區域304除去材料(如圖3B所示)。該步驟形成一加熱跡線的隔離元件，它們的橫截面呈現為加熱元件302。插入切割步驟可用附著在一支承塊306上的摻雜SiC原料薄片來實施，在示范的實施例中，支承塊306為石墨。應該認識到，加熱元件302可包括連續的加熱跡線，這樣，圖3B中所示的各元件是相同跡線的部分，或者，有若干個跡線，這樣，任何一個具體的加熱元件302不必是作為其鄰居的相同電路的部分。
在示范的制造過程的下一個步驟中，通過將石墨支承塊306放進一能沉積膜的處理室(諸如化學蒸發沉積(CVD)室)中，一未摻雜的SiC層(具有其正常的電阻)可沉積在元件上。未摻雜的、正常電阻的SiC層308示于圖3C中，其中，已完成沉積。此時，通過機加工或將結構放置在高溫下的一氧環境中，以灰化石墨，可除去石墨支承塊306。在任一種情形中，留下的是合成的層312。未摻雜陶瓷層(圖3D中由310表示)的厚度，在本示范的實施例中為約0.05英寸，上述未摻雜陶瓷層帶有局部嵌入其中的加熱元件302，形成合成物312。
石墨塊從圖3D的結構中除去之后，制造工藝的這個階段具有形成的合成物312，該合成物包括帶有部分嵌入其內部的加熱元件302的未摻雜SiC的板。由于在摻雜SiC的加熱元件材料中的摻雜物的濃度很低，所以，形成的合成物312包括一實心的單一板，從機械上來說，該板基本上似乎起作一個材料的作用。因此，即使在該階段，該板很結實，在熱膨脹的過程中的性能良好。
已加工到此階段的加熱板的一實例示于圖4，其中，板在相對于其被加工的方式為倒置的方位上被使用。應該指出的是，加熱元件302的暴露表面在本示范的實施例中不與表面404齊平，因為，加熱跡線僅部分地嵌入層308內。跡線和電源之間的電氣連接可在終端402上形成。
參照圖3D，在石墨基片塊306被除去之后，合成物312的底面可用第二未摻雜SiC層314進行涂覆。在該實施例中，加熱元件302現完全地被封裝在未摻雜的SiC基質中(層308和314)。盡管某些實施例可能不使用第二未摻雜SiC層314，但由于厚度的增加(圖3E中由316表示)，板的機械強度略微強些。
圖3F-3H示出制造單一加熱板的一第二示范工藝流程。在圖3F中，一低電阻、摻雜陶瓷320(其可為SiC)的層，沉積在正常(高的)電阻的、未摻雜的陶瓷322(其還可為SiC)上。低電阻的、摻雜的陶瓷層320然后被機加工，例如，使用上述的EDM工藝通過除去圖3G中的區域324處的材料，形成加熱元件326。如果要求全封裝加熱元件，則可將正常電阻的、未摻雜陶瓷(諸如SiC)層沉積在該結構上(如圖3H所示)。
圖3I-3O示出制造單一加熱板的一第三示范工藝流程。在圖3I中，一摻雜多晶硅層330(“多晶硅”)沉積在正常電阻陶瓷層(諸如SiC)332上。接下來，一掩蔽層334沉積在多晶硅層330的頂上(圖3J)，并繪圖形以形成有圖案的掩蔽膜336(圖3K)。在示范的實施例中，掩蔽材料可以是二氧化硅，且二氧化硅可通過氧與多晶硅的熱反應而制成，而不采用沉積法。應該認識到，也可使用其它的掩蔽材料，例如，氮化硅。
然后通過蝕刻掉暴露的區域以形成具圖案的掩蔽膜338(圖3L)而使具圖案的掩蔽膜336轉換成掩蔽層334，其后，圖案轉換成摻雜的多晶硅層330，以形成具圖案的掩蔽膜340(圖3M)。在光致蝕刻和多晶硅的掩蔽膜剝落后(圖3N)，就形成了包括元件342的加熱跡線。如果要求全封裝，則可將正常電阻的陶瓷 (諸如SiC)層344沉積在加熱元件342上，這樣，加熱元件被層332和344完全封裝。
將摻雜陶瓷加熱元件嵌入未摻雜型的相同(或相容)的陶瓷的基體內，還具有另外的優點。此文中的“相容的”是指具有基本相同的CTEs，硬度或強度的陶瓷材料。包圍摻雜陶瓷加熱跡線的未摻雜陶瓷材料的基體，跡線的各個部分固化成為一固定形狀。再者，盡管圖3A-30中的加熱元件的截面被表示為離散的矩形，但加熱跡線本身可以是跨圖平面的導電材料的連續條帶。加熱跡線可以構造成各種形狀，且在某些實施例中，甚至可不位于單一平面內。在某些實施例中，跡線的形狀(當從上方觀察時)可呈圓形線圈，方形螺旋，蜿蜒蛇形，迷宮，或提供加熱特性的各種任何結構。
圖5為示出這樣的一個結構的平面圖，其中，三個獨立的加熱跡線定位在單個平面內。每個帶的端頭可電氣地連接于一電源上。外部的跡線具有互相靠攏設置的兩個端頭502和504。從502開始，加熱跡線圈順時針方向繞在外周上。外周完成之后，返回，沿逆時針繞在較小半徑的相鄰圈上，完成在504上。從端頭508開始，中間的加熱跡線圈順時針方向繞在一半徑的圈上，返回，沿逆時針方向繞在較小半徑的圈上，再返回，順時針方向繞在一更小半徑的圈上，完成在端頭506上。這樣，中間加熱元件包括一系列同心的圈，它們在圓上的每一匝交替改變方向。通過越過圓區域的直線地前后彎曲，其移動路徑從圓形區域的一側上的端頭510到圓形區域的另一側上的端頭512，內加熱跡線填充平面的中心圓區域。
使用多個跡線使加熱器被構造成具有不同的溫度區，它根據跡線連接到電源的方式而變化。例如，端頭502和504可連接到第一電源，端頭506和508可連接到第二電源，而端頭510和512連接到第三電源。本示范的加熱器則具有三個獨立功率區。
多區加熱器的使用解決某些半導體處理室的設計中一直遇到的一個問題。在處理過程中，由于處理室的側壁吸收熱量，所以，熱量可在一基片的邊緣處損失。在本發明的示范的實施例中，這種熱量的損失可通過提供一周緣加熱器而加以補償。在某些使用多跡線的實施例中，較大的功率提供給外加熱器區。
由于溫度的增加材料包括有加熱器膨脹，所以，當功率施加到加熱元件上時，難于對齊傳統加熱器中的跡線的諸端頭。由于諸端頭可能連接在一固定結構的電源上，而其不能補償加熱器的膨脹，所以，在某些示范的實施例中，要求這些端頭相互之間保持一固定的間隔距離和定向。例如，呈線圈形的加熱器具有因熱膨脹而松開的趨向，如一鐘表盤簧在釋放時松卷那樣，諸端頭彼此互相移動。加熱器的諸部分及其元件可上升，轉向，彎曲，或要不就相對于其它部分變形。將加熱器元件嵌入在基本上具有相同熱膨脹系數的基體材料中，顯著地減小這種將元件的端頭固定在一個位置上引起的結果。
在熱膨脹或收縮時能預期地改變形狀的一單一加熱器板另外具有允許較緊的尺寸公差的好處。如果板安裝在處理室內的一緊湊的區域，和/或靠近另一易碎硬件，這就顯得十分重要。例如，半導體處理室可使用通過一基座的提升銷，加熱器板，或加熱器塊，在基片裝載/卸載的過程中，來提高和降低半導體基片。圖6提供了圖示這種情況的簡化的視圖。一示范的處理室600包括一安裝在加熱器板604上方并與板平行的基座602，加熱器板604又安裝在一提升銷支承板606的上方。提升銷支承板606借助軸608上升和下降。一半導體基片612借助于一機械臂(未示出)通過開口610引入處理室和從處理室取出。軸608上升直到提升/支承銷614與待處理的半導體基片接觸，從下面提升基片，并支承基片高于機械臂，以使機械臂能被拉出。然后，軸可降低以允許基片612擱在或鄰接基座602，以備加工。根據本發明的實施例，加熱板604也可用作基座，不必用兩個獨立的硬件塊來支承和加熱基片。在本方法的一個示范的實施例中，基座602將從反應器中除去，而提升/支承銷614將基片定位在加熱器板604上或靠近加熱器板，以備加工。這個優點可由圖3C中的加熱器和本發明的其它實施例來實現。
提升/支承銷614通過加熱器604和基座602以與基片612接觸。要求支承銷通過加熱器中的孔616可自由運動。當電力施加到板上，且包括該板的材料受熱而經受熱膨脹時，加熱器板可相對于處理室內的其它的硬件部分移動。提升/支承銷614可由諸如晶體或碳化硅之類的材料制成，因為這些材料與一般的半導體處理程序相容，但小尺寸的普通支承柱可使提升銷易碎。應該認識到，如果加熱器板的一部分抵抗支承銷膨脹，或另外改變銷對其孔的對齊，限制銷通過孔的運動，則造成從銷和加熱器板上的顆粒釋放到處理室中，這會引起不理想的情況。如果板膨脹，使板中的孔不能與銷對齊，則甚至可剪傷銷。在某些實例中，支承銷和孔邊緣之間的間隙可以為0.05英寸，而板相當小的移動會出問題。
在一加熱器板內的加熱元件可取通過板的盤旋的路徑，使基片支承孔設置的設計變得復雜。圖7示出一實例。參照圖7，開口710位于在另一種可能情況下成為元件720的通道的位置，迫使元件沿徑向730位移。注意到，標注為“740”的加熱元件的那部分(其可以是同一元件或不同的元件)也受到影響，視加熱元件的外形而定。由于加熱元件和臨近的材料經受不相同的特性，諸如兩種材料的不匹配的熱膨脹系數，在諸如760處的不規則位置引起應力水平的增高，所以，傳統的加熱器可遭受分層、裂縫或其它類型的實體損傷。當元件720和基體750的材料基本上具有相同的熱膨脹系數時，本發明的示范的實施例中的SiC和摻氮的SiC就是這種情形，就可防止這些問題的發生。
在本發明的示范的實施例中，加熱元件可被封裝或嵌入在類似的材料內，以形成一結實的單一板。這提供了熱和機械兩方面的優點。從熱學方面來說，更加可預見板根據膨脹和收縮的運動，對于處理室內的零件的實體的和尺寸的關系，能有更有效的和復雜的設計。從下面有關基片支承銷的實例中，可提高對單塊加熱板的運動的可預見性。
一加熱板可與處理室的中心對齊，例如沿圖8中的軸線618。當電力施加到加熱元件上時，板經受熱膨脹，板中的材料可預見地沿徑向離開對齊的中心線向外移動。本發明的實施例包括在板內的一橢圓形孔514，以使支承銷通過。孔為橢圓形是考慮板中的材料受熱后可預見的、向外的徑向膨脹。
參照圖8，當加熱器冷卻時，銷802可位于橢圓形銷孔806中的位置804。當電力施加到加熱器上時，板從軸線618沿徑向向外膨脹，相對于孔806銷802可變換位置，從位置804變換到位置808。銷孔的形狀適于這種膨脹。由于加熱元件和基體材料基本上具有相同的熱膨脹系數，板的這種運動是很可預測的。因此，板支承銷孔和支承銷之間的關系可以緊公差來設計，以具有較緊湊的設計和更可靠的性能。
單一的加熱器板還有與熱特性相關的其它的優點。傳統加熱器的溫度分布(如圖1所示)在靠近元件的熱點處和元件之間的冷區域處是不均勻的。可以回想在圖1的傳統實例中使用上護罩106和108的原因，其原因在于幫助熱量的擴散以達到更均勻的分布。相形之下，基體材料則與元件302緊密接觸，更加容易使熱量從元件擴散/傳導到諸元件之間的區域。例如，利用碳化硅的熱傳導性，熱力模型的結果業已表明在板的元件達到約1150℃時，該板將在通過基體材料任何兩個相鄰的元件之間遭受一僅為約3℃的溫度下降。因此，本發明的實施例可用來提供具有改進的溫度均勻性的單一板。
單一加熱器板的另一優點與其熱動態特性有關。圖1所示的傳統的加熱器是“大塊的”，這不僅因為(由于石墨的強度弱，故為達到足夠大的機械強度而應使)石墨加熱元件的尺寸(橫截面)大，而且因為組裝在加熱元件周圍的附加的護罩(106/108)。因此，外殼被用來擴散從加熱元件發出的熱量，并包圍一空間，以使凈化氣體在元件周圍流動。本發明的示范的單一板具有的總厚度僅為約0.15至0.3英寸(圖3E中的316)，與傳統的實例相比，光外殼本身就達此厚度(圖1中的120)。例如，傳統加熱器的高度(124)總共可達1.5英寸左右。因此，單一板加熱器可被用來提供更為緊湊的設計可達到傳統設計尺寸的1/10。在某些實施例中，如上所述，根據本發明實施例的加熱器還可不要求分離的基座。
與傳統加熱器的質量相比，單一板加熱器的質量的減小具有這樣的含意，即，涉及到加熱器達到和保持處理溫度的速率。在溫度上升的過程中，加熱器的質量越小，則材料越不需多加熱，因此，加熱器將更快地達到處理溫度。各種半導體處理工具設計的目標是快速地達到處理溫度，并且即使當半導體基片正在裝載和卸載時，仍能保持該溫度。如果處于室溫的基片裝載入處理室，而此時的處理室處于或接近于處理溫度時，則處于室溫的基片將從處理室取走熱量。然而，對于某些應用，會要求處理室的溫度盡可能保持恒定。
一方面，可設計一能保持恒定溫度的處理室，這樣，當基片循環進出處理室時，處理室不會經受大的熱波動。具有低的熱力質量的加熱器在這方面具有優點，因為它熱得快同時也冷得快。
另一方面，有的應用場合要求有快的溫度的變化。例如，最好在比其后進行沉積操作的溫度高50℃的溫度下烘焙基片。在該實例中，在烘焙之后實施沉積，溫度被下降50℃，烘焙和沉積過程步驟均在同一處理室內進行。因此，當為了維護而要求進入處理室時，要求有快速冷卻的能力。
一響應慢的處理室對某些應用會減少生產量，例如，每小時約40至15個基片。當然，這樣的生產數量取決于工藝過程的特性、基片的大小、被制造的集成電路的技術以及許多其它因素。根據本發明的一實施例的、具有單一加熱器板的處理室可構造成能響應這樣的溫度變化要求(加熱和冷卻)，這其中部分的原因在于單一板的加熱器相對于傳統的加熱器具有較少的熱力質量。
單一板加熱器的另一優點涉及確定各個加熱元件路線的能力，它可包括分離的加熱區，這樣，跡線的端頭可定位成最大程度上減小處理室內的電氣穿通線(electrical feedthrough)的數量。再者，這之所以可能，是因為單一板加熱器的緊湊的特性和設計加熱器內加熱跡線的有效通道的能力。
圖9示出包含根據本發明的一示范實施例的單一板加熱器的一示范的半導體處理室。該處理室一般表示為900。處理室包括一頂部加熱器902、一底部加熱器904以及側(周邊)加熱器906。這些加熱器可具有多區，例如，上側加熱器908和下側加熱器910。比較圖9和圖2，將會認識到具有根據本發明實施例的單一板加熱器的處理室的緊湊特性。
處理室900還包括一基座912、基片支承914、基片支承板916和處理室壁918。處理室可包括一諸如光測高溫計之類的用來測量基片溫度的系統920。一電氣穿通線示于922，在此情況時連接在上側加熱器908。反應氣體可在氣體供應端口924注入，以流過導管926，并從位置928開始，覆蓋在基片上。基片(未示出)將放置在基座表面930的頂上。氣體可通過端口960排出。一電源系統連接在電氣穿通線(其中一個示于922)，以操作各個頂部加熱器區、底加熱器區和側加熱器區。一控制系統可連接在電源系統、氣體供應端口924、氣體排放口960、溫度測量系統920以及基片上升和下降板916。
能夠處理兩個基片的一示范的處理室的平面圖示于圖10和11。圖10示出了通過處理室大約圖9中的位置940處的水平部分，但應認識到，圖9示出的是單一基片處理室。圖11中的加熱器是在圖9中的示為950的大約垂直位置截取的水平截面。圖10和11示出在單一板加熱器中加熱器跡線可具有許多可能的不同結構和圖案的例證。在示范的實施例中，圖10中的加熱器1010圖案可被用于頂部加熱器，而圖11中的加熱器1110的圖案可被用于底部加熱器。兩個圖示出側加熱器的截面，用1012表示。
盡管本發明參照示范的實施例進行了介紹，但對于本技術領域內的技術人員來說，顯然，本發明并不限制在所公開的實施例，相反，本發明意在覆蓋包括在附后的權利要求書的精神和范圍內的眾多的其它改型和廣泛的等同結構。
權利要求
1.一種在高溫條件下處理半導體基片用的系統，該系統包括一處理半導體基片用的處理室；一氣體供應裝置，構造成將氣體注入到處理室；一加熱單元，構造成在處理過程中向半導體基片提供熱量，該加熱單元包括一摻雜的陶瓷加熱元件，該元件至少部分嵌入一未摻雜的陶瓷材料中；以及其中，摻雜的陶瓷加熱元件的熱膨脹系數基本上與未摻雜的陶瓷材料的熱膨脹系數相同。
2.如權利要求1所述的系統，其特征在于，摻雜的陶瓷加熱元件和未摻雜的陶瓷材料包括碳化硅。
3.如權利要求1所述的系統，其特征在于，摻雜的陶瓷加熱元件的摻雜物包括氮。
4.如權利要求3所述的系統，其特征在于，摻雜的陶瓷加熱元件內的氮摻雜物的水平大約在150和2000ppm之間。
5.如權利要求2所述的系統，其特征在于，摻雜的陶瓷加熱元件至少部分地嵌入未摻雜的陶瓷材料內，以形成一單一板。
6.如權利要求5所述的系統，其特征在于，板包括在處理的過程中用來支承半導體基片的基座。
7.如權利要求5所述的系統，其特征在于，板包括至少一個形成在板上的基本上為橢圓形的孔，以使基片支承銷通過，該基本上橢圓形的孔具有一基本上平行于板的半徑的主軸，其尺寸適于板的熱膨脹。
8.如權利要求1所述的系統，其特征在于，摻雜的陶瓷加熱元件形成一連續的電氣通道，其中，未摻雜的陶瓷材料將摻雜的陶瓷加熱元件保持成一固定的形狀。
9.如權利要求8所述的系統，其特征在于，連續的電氣通道包括多個同心的交替改變方向的圈。
10.如權利要求1所述的系統，其特征在于，摻雜的陶瓷加熱元件完全嵌入在未摻雜的陶瓷材料內。
11.如權利要求10所述的系統，其特征在于，未摻雜的陶瓷材料在摻雜的陶瓷加熱元件的相鄰部分之間提供一傳導熱的路徑。
12.如權利要求1所述的系統，其特征在于，摻雜的陶瓷加熱元件和未摻雜的陶瓷材料包括氧化鋁，氮化硼和氮化硅中的至少一個。
13.如權利要求1所述的系統，其特征在于，摻雜的陶瓷加熱元件的摻雜物包括硼，砷，銻和磷中的至少一個。
14.如權利要求1所述的系統，其特征在于，摻雜的陶瓷加熱元件具有的電阻率比未摻雜的陶瓷材料的電阻率低大約2至5個數量級。
15.一種加熱半導體處理室用的電阻加熱器，該電阻加熱器包括一摻雜的陶瓷加熱元件的形狀適于形成至少一個連續的電氣通道；一未摻雜的陶瓷材料封裝摻雜的陶瓷加熱元件的至少一部分，以形成一單一板；以及其中，摻雜的陶瓷加熱元件的熱膨脹系數基本上與未摻雜的陶瓷材料的熱膨脹系數相同。
16.如權利要求15所述的電阻加熱器，其特征在于，摻雜的陶瓷加熱元件和未摻雜的陶瓷材料包括碳化硅。
17.如權利要求16所述的電阻加熱器，其特征在于，摻雜的陶瓷加熱元件的摻雜物包括氮。
18.如權利要求17所述的電阻加熱器，其特征在于，摻雜的陶瓷加熱元件內的氮摻雜物的水平在150和2000ppm之間。
19.如權利要求15所述的電阻加熱器，其特征在于，板包括構造成在處理的過程中支承半導體基片的基座。
20.如權利要求15所述的電阻加熱器，其特征在于，板包括至少一個形成在板上的基本上為橢圓形的孔，以使基片支承銷通過，該基本上橢圓形的孔具有一基本上平行于板的半徑的主軸，其尺寸適于板的熱膨脹。
21.如權利要求15所述的電阻加熱器，其特征在于，連續的電氣通道包括多個同心的交替改變方向的圈。
22.如權利要求15所述的電阻加熱器，其特征在于，摻雜的陶瓷加熱元件完全封裝在未摻雜的陶瓷材料內。
23.如權利要求15所述的電阻加熱器，其特征在于，摻雜的陶瓷加熱元件和未摻雜的陶瓷材料包括氧化鋁，氮化硼和氮化硅中的至少一個。
24.如權利要求15所述的電阻加熱器，其特征在于，摻雜的陶瓷加熱元件的摻雜物包括硼，砷，銻和磷中的至少一個。
25.如權利要求15所述的電阻加熱器，其特征在于，電阻加熱器的厚度約在0.1至0.3英寸范圍內。
26.如權利要求15所述的電阻加熱器，其特征在于，摻雜的陶瓷加熱元件具有的電阻率比未摻雜的陶瓷材料的電阻率低大約2至5個數量級。
27.如權利要求15所述的電阻加熱器，其特征在于，摻雜的陶瓷加熱元件形成至少兩個分離的電氣通道，以提供至少兩個分離的加熱區。
28.一種制造用于在高溫下制造集成電路的電阻加熱器的方法，該方法包括除去摻雜的碳化硅層的一部分，以形成至少一個連續導電的跡線；以及在除去步驟之后，形成在至少一個跡線的至少一個部分上的未摻雜的碳化硅層，以形成一單一板。
29.如權利要求28所述的方法，其特征在于，除去步驟包括插入切割摻雜的碳化硅層的部分。
30.如權利要求28所述的方法，其特征在于，除去步驟包括放電機加工摻雜的碳化硅層的部分。
31.如權利要求28所述的方法，其特征在于，除去步驟包括蝕刻摻雜的碳化硅層的部分。
32.如權利要求28所述的方法，其特征在于，還包括在未摻雜的碳化硅的第一層上沉積碳化硅和摻雜物，以形成摻雜的碳化硅層。
33.如權利要求32所述的方法，其特征在于，摻雜物包括氮。
34如權利要求28所述的方法，其特征在于，還包括在石墨支承上沉積碳化硅和摻雜物，以形成摻雜的碳化硅層；以及在形成未摻雜的碳化硅層之后，除去石墨支承。
35.如權利要求34所述的方法，其特征在于，還包括在至少一個跡線上形成第二未摻雜的碳化硅層，以完全封裝至少一個跡線。
全文摘要
一種電阻加熱器，它包括部分地或全部地嵌入在一未摻雜的陶瓷材料的基體內的摻雜的陶瓷加熱元件。該陶瓷可以是碳化硅，而摻雜物可以是氮。本加熱器的許多優點源于這樣的事實包括加熱元件的材料和包圍那些加熱元件的基體材料具有基本上相同的熱膨脹系數。在一實施例中，加熱器是一單一板，它表現為緊湊、強度大、耐用和低的熱力質量，以能快速響應輸入功率的變化。電阻加熱器可被用于許多反應器和處理室，這些反應器和處理室用來制造集成電路，例如，沉積外延附生膜的集成電路，并實現快速熱處理。
文檔編號H01L21/02GK1475026SQ01819073
公開日2004年2月11日 申請日期2001年11月7日 優先權日2000年11月16日
發明者K·E·約翰斯加爾德, D·L·梅西尼奧, D·E·薩洛斯, K E 約翰斯加爾德, 梅西尼奧, 薩洛斯 申請人:麥特遜技術股份有限公司