本發明公開用于半導體處理的設備與方法。更特定言之,本發明公開的實施方式涉及半導體基板的熱處理的光導管結構,其可特別用于低壓外延沉積腔室和/或快速熱處理腔室中。
背景
熱處理通常實施于半導體工業中。半導體基板經受上下文中諸多轉換的熱處理,該諸多轉換包括柵極源、漏極與溝道結構的摻雜、活化與退火、硅化、結晶、氧化及類似轉換。多年來,熱處理的技術從簡單的烘焙爐(furnace baking)進步到各種形式逐漸快速的熱處理(RTP)、尖峰退火(spike annealing)及其他熱處理。
隨著半導體裝置特征的臨界尺寸縮小,對于熱處理期間的熱預算有時需要更嚴格的限制。許多前述的熱處理使用燈頭形式的燈加熱,燈頭包含經定位而將輻射能導向基板的多個光源。然而,用于燈頭中的高強度燈在燈頭的材料內產生高溫。于許多處理中該溫度經控制而能夠冷卻基板。例如,在RTP期間,來自燈的熱輻射一般用于在受控環境中快速加熱基板至高達約1,350攝氏度的最大溫度。依據處理過程,此最大溫度維持小于一秒至若干分鐘的特定時間。基板接著冷卻至室溫以用于進一步處理。為了能夠冷卻到室溫,冷卻燈頭。然而,基于諸多因素,燈頭溫度的控制是困難的。
所需的是能夠改善熱處理腔室內燈頭的溫度控制的方法與設備。
概述
本發明公開的實施方式涉及用于半導體基板的熱處理的光導管結構。
在一個實施方式中,提供一種用于熱處理腔室中的光導管窗結構。光導管窗結構包括透明板及多個光導管結構,多個光導管結構以與透明板耦接的透明材料形成,多個光導管結構的各個包含反射表面且具有縱軸,該縱軸以與透明板的表面界定的平面有實質垂直關系的方式設置。
在另一個實施方式中,提供一種用于熱處理腔室中的燈頭組件。燈頭組件包括光導管窗結構及與光導管窗結構耦接的輻射熱源,其中光導管窗結構包括以透明材料形成的多個光導管結構,以及輻射熱源包含多個管,多個管的各個具有設置于其中的能量源且與光導管結構中的一個實質對齊。
在另一個實施方式中,提供一種處理腔室。處理腔室包括具有內部空間的腔室、與腔室耦接的光導管窗結構及輻射熱源,光導管窗結構具有與腔室內部空間連接的透明板,輻射熱源與光導管窗結構的透明板于腔室內部空間外的一位置耦接,其中光導管窗結構包含與透明板耦接的穿孔透明材料。
附圖簡要說明
本發明公開的特征已簡要概述于前,并在以下有更詳盡的討論,可以通過參考所附附圖中繪示的本發明實施方式以作了解。然而,值得注意的是,所附附圖只繪示了本發明的典型實施方式,而由于本發明可允許其他等效的實施方式,所附附圖并不會視為本發明范圍的限制。
圖1是具有光導管窗結構的一個實施方式的處理腔室的簡化等角視圖。
圖2A至圖2D是表示圖1的光導管窗結構的一個實施方式的各式視圖。
圖3是表示光導管窗結構與燈頭組件細節的圖1的處理腔室的部分的側面截面圖。
圖4是示出另一個光導管窗結構實施方式的處理腔室的示意截面圖。
圖5是圖4中橫跨截面線5-5的光導管窗結構的截面圖。
圖6是可與如本說明書所述的光導管窗結構一起使用的光導管結構的一個的側面截面圖。
圖7是可與如本說明書所述的光導管窗結構一起使用的光導管結構的一個的頂部截面圖。
圖8至圖10是表示可與本說明書所述處理腔室一起使用的光導管窗結構的額外實施方式的部分側面截面圖。
為便于理解,在可能的情況下,使用相同的元件符號代表圖標中相同的元件。可以考慮,一個實施方式中公開的元件可有利地用于其它實施方式中而無需贅述。
具體描述
本說明書所述的實施方式涉及用于熱處理腔室的光導管窗結構,如沉積腔室、蝕刻腔室、退火腔室、注入腔室、用于發光二極管形成的腔室以及其他處理腔室。光導管窗結構可用于可自加州圣克拉拉市的應用材料公司(Applied Materials,Inc.,of Santa Clara,California)取得的處理腔室中,所述處理腔室諸如是快速熱處理(RTP)腔室以及減壓外延沉積腔室。本說明書所述的光導管窗結構的實施方式也可用于來自其他制造商的處理腔室。
圖1是根據一個實施方式具有光導管窗結構101的快速熱處理腔室100(RTP腔室)的簡化等角視圖。處理腔室100包括無接觸或磁懸浮的基板支撐件102及腔室主體104,腔室主體104具有側壁108、底部110以及頂部112以界定內部空間120。側壁108通常包括基板出入口148以用于進出基板140(圖1所示的部分)。出入口148可與傳送腔室(未圖示)或負載鎖定腔室(未圖示)耦接并可選擇性地以閥密封,如狹縫閥(未圖示)。在一個實施方式中,基板支撐件102是環狀且經調整尺寸而容納燈頭組件105于基板支撐件102的內部直徑中。燈頭組件105包括光導管窗結構101及輻射熱源106。
基板支撐件102經調整而于內部空間120內磁懸浮及旋轉。基板支撐件102在處理期間垂直舉升與下降時能夠旋轉,以及也可在處理前、處理中或處理后舉升或下降而沒有旋轉。此磁懸浮和/或磁旋轉防止或減少粒子產生,此粒子產生是由于沒有或減少部件旋轉和/或部件相對于彼此移動之間的接觸,所述部件通常用于升舉/下降和/或旋轉基板支撐件。
定子組件118外接腔室主體104的側壁108且與一或多個致動器組件122耦接,致動器組件122控制定子組件118沿著腔室主體104外部的上升。在一個實施方式(未圖示)中,處理腔室100包括于腔室主體附近徑向設置的三個致動器組件122,例如,于腔室主體104附近以約120度設置。定子組件118與設置于腔室主體104的內部空間120內的基板支撐件102磁性耦接。基板支撐件102可包括作為轉子119功能的磁性部分,因而產生磁軸承組件(magnetic bearing assembly)以升舉和/或旋轉基板支撐件102。支撐環121與轉子119耦接以支撐基板140的周邊邊緣。支撐環121經調整尺寸以穩定支撐基板140而最低程度地將基板140的背側部分自輻射熱源106發射的能量屏蔽。定子組件118包括堆疊于懸吊線圈組件170上的驅動線圈組件168。驅動線圈組件168經調整而旋轉和/或升舉/下降基板支撐件102,而懸吊線圈組件170可經調整而被動地將基板支撐件102置中于處理腔室100。或者,旋轉與置中的功能可由具有單一線圈組件的定子執行。
在一個實施方式中,致動器組件122的各個一般包括耦接于兩個凸緣134之間的精密導螺桿132,兩個凸緣134自腔室主體104的側壁108延伸。導螺桿132具有螺帽158,當螺桿旋轉時,螺帽158沿著導螺桿132軸向移動。耦接部136置放于定子組件118與螺帽158之間,而將螺帽158耦接至定子組件118,使得當導螺桿132旋轉時,耦接部136沿著導螺桿132移動以控制定子組件118在與耦接部136的界面處的舉升。因此,當致動器組件122的一個的導螺桿132經旋轉而產生其他致動器組件122的螺帽158的各個之間的相對位移時,定子組件118的水平平面相對于腔室主體104的中心軸改變。
在一個實施方式中,馬達138(如步進器或伺服馬達)與導螺桿132耦接以響應控制器124的信號提供可控制的旋轉。或者,可使用其他類型的致動器組件122以控制定子組件118的線性位置,如氣壓缸、液壓缸、滾珠螺桿、螺線管、線性致動器與凸輪隨動器等。
可經調整而受惠于本說明書公開的實施方式的RTP腔室的示范例是及處理系統,其可自加州圣克拉拉市的應用材料公司取得。雖然所述設備與快速熱處理腔室及外延沉積腔室一起使用,但是本說明所述實施方式可用于使用燈加熱裝置來加熱的其他處理系統與裝置中。
光導管窗結構101包括透明板114與透明主體125。本說明書使用的技術用語“透明”是材料傳遞輻射的能力,例如用于加熱其他物品的光波或其他波長,以及特定言之,可見光譜的波長與非可見波長,如在紅外線(IR)光譜。例如,透明板114與透明主體125可由對熱與各種波長的光(其可包含IR光譜的光)透明的材料制成。在某些實施方式中,透明板114與透明主體125系對一波長范圍中的IR輻射透明,該波長范圍自可見光譜的標稱紅光邊緣(如約700納米(nm)至約800nm的波長)延伸至約1毫米(mm)。
光導管窗結構101包括于透明主體125中形成的多個光導管結構160。多個光導管結構160的各個可包括管狀結構或穿孔、柱形式等形狀,且與輻射熱源106的多個能量源162實質軸向對齊。本說明書所用的技術用語“管狀(tubular)”代表具有內部空間包含于其側壁之間的結構。光導管結構160的密堆積排列經調整尺寸并間隔開而與一個實施方式中的輻射熱源106(示于圖1中)的管127的各個實質軸向對齊。然而,管127與光導管160之間的某些不對齊也可用于提供高功率密度與良好空間分辨率。透明板114可具有實質均勻的厚度以及可具有固體(solid)截面。例如,透明板114可沒有穿孔。提供光導管結構160作為光導管,來自輻射熱源106的多個能量源162的光子可在處理期間穿過所述光導管以加熱基板140。在一個實施方式中,光導管結構是中空的。在另一個實施方式中,光導管結構是中空且被覆蓋于帶有反射涂層(如金屬反射器,Ag、Al、Cr、Au、Pt等或介電堆疊反射器)的側面表面上。在另一個實施方式中,光導管結構具有固體透明主體800(示于圖8中),固體透明主體800插入于固體主體提供全部內部反射(TIR)的地方。在另一個實施方式中,光導管結構具有反射器,反射器插入于反射器可與冷卻燈頭熱耦接的地方或反射器可由對流冷卻的地方。
處理腔室100也可包括一或多個鄰近傳感器116,鄰近傳感器116一般經調整而檢測基板支撐件102(或基板140)于腔室主體104的內部空間120中的舉升。傳感器116可與腔室主體104和/或處理腔室100的其他部分耦接以及經調整而提供指示基板支撐件102與腔室主體104的頂部112和/或底部110之間的距離的輸出,以及也可檢測基板支撐件102和/或基板140的不對齊。
處理腔室100也包括控制器124(一般包括中央處理單元(CPU)130)、支持電路128與存儲器126。CPU 130可以是可以在工業設施中用于控制各式動作與子處理器的任意形式計算機處理器中的一種。存儲器126,或計算機可讀取介質可以是一或多個容易取得的存儲器,如隨機存取存儲器(RAM)、只讀存儲器(ROM)、軟盤、硬盤,或任何其他的數字存儲器,本地端的或是遠程的,并通常與CPU 130耦接。支持電路128與CPU 130耦接而用傳統方式支持控制器124。這些電路包括高速緩沖存儲器、電源供應器、時鐘電路、輸入/輸出電路與子系統,以及類似物。
燈頭組件105可包括輻射熱源106與光導管窗結構101兩者。光導管窗結構101可包括固定器159,所述固定器159至少部分環繞光導管窗結構101。固定器159可以是密封構件,如o型環,或夾持至處理腔室100的側壁108的邊緣。在某些實施方式中,固定器159可包括用于將光導管窗結構101夾持至側壁108的邊緣,且可包括設置于透明板114與透明主體125之間的o型環。輻射熱源106包括由殼體123組成的燈組件,殼體123包括多個緊密間隔的管127。管127可以以蜂巢狀光導管排列形成。殼體123可包括由金屬材料(如銅材料)形成的坯(billet),以及可包括承座,帶有能量源162設置于各承座中。電路板115可與殼體123和控制器124耦接以控制能量源162。能量源162可獨立控制或在區域162中。
各管127可包含反射器與一個能量源162,能量源162可以是高強度燈、激光、激光二極管、發光二極管、IR發射器或以上各者的組合。各管127可與光導管窗結構101的光導管結構160的各者實質軸向對齊。光導管結構160用于傳輸能量源162的各者往基板140所發射的能量。在一個實施方式中,燈頭組件105提供足夠的輻射能以熱處理基板140,例如,將設置于基板140上的硅層退火。燈頭組件105可進一步包括環狀區域,其中可變化由控制器124供應至多個能量源162的電壓以加強來自燈頭組件105的能量的徑向分布。基板140加熱的動態控制可受一或多個溫度傳感器117(于下有更詳盡的描述)影響,溫度傳感器117經調整而測量橫跨基板140的溫度。
在一個實施方式中,透明板114與透明主體125皆由石英材料制成,即便可使用其他對能量透明(如在紅外線光譜的波長)的材料,如藍寶石。透明板114與透明主體125可由具有低內含公差(inclusion tolerances)的透明熔融石英材料制成。透明板114包括與透明板114的上表面耦接的多個升舉銷144以利于基板進出處理腔室100的傳送。例如,定子組件118可經致動而向下移動,導致轉子119往燈頭組件105移動。本說明書使用的任何方向,如“向下”或“下”以及“向上”或“上”是基于所示附圖中的腔室的定向,而可能不是實施中的實際方向。
支撐基板140的支撐環121與轉子119一起移動。在預期的高度,基板140接觸設置于透明板114上的升舉銷144。轉子119(與支撐環121)的向下移動可持續直到轉子119環繞燈頭組件105的固定器159。轉子119(與支撐環121)的向下移動可持續直到支撐環121與基板140間隔一距離,基板140穩定的支撐于升舉銷144上。可選擇升舉銷144的高度以支撐基板140并將基板140沿著一平面對齊,該平面與基板出入口148的平面實質共平面或鄰近于基板出入口148的平面。多個升舉銷144可定位于光導管結構160之間并且彼此徑向隔開以便于終端受動器(end effector)(未示出)通過基板出入口148。或者,終端受動器和/或機械臂可能能夠進行水平和垂直移動,以促進基板140的傳送。多個升降銷144的各者可定位于光導管結構160之間以最小化自輻射熱源106的能量吸收。多個升舉銷144的各者可由用于透明板114的相同材料制成,如石英材料。
大氣控制系統164也與腔室主體104的內部空間120耦接。大氣控制系統164一般包括用于控制腔室壓力的節流閥與真空泵。大氣控制系統164可額外地包括用于將處理或其他氣體提供至內部空間120的氣體源。大氣控制系統164也可經調整而傳送用于熱沉積處理的處理氣體。在處理期間,內部空間120一般維持在真空壓力。本發明的態樣包括燈頭組件105至少部分設置于內部空間120(且受負壓于其中)而燈頭組件105的部分在內部空間120(即周圍大氣)外的實施方式。此排列提供有效地能量傳輸到基板140,而增強控制輻射熱源106的溫度的能力。
處理腔室100還包括一或多個溫度傳感器117,溫度傳感器117可經調整而于處理前、處理中與處理后感測基板140的溫度。在圖1所示的實施方式中,溫度傳感器117設置通過頂部112,即便可使用位于腔室主體104內以及附近的其他位置。溫度傳感器117可以是光學高溫計,如具有光纖探針的高溫計。傳感器117可經調整而以一配置耦合至頂部112以感測基板的整個直徑或基板的部分。傳感器117可包括界定與基板直徑實質相等的感測區域或與基板半徑實質相等的感測區域的圖案。例如,多個傳感器117可以徑向或線性配置而耦接至頂部112而使感測區域能夠橫跨基板的半徑或直徑。在一個實施方式中(未圖示),多個傳感器117可設置于自頂部112的約略中心處往頂部112的周邊部分徑向延伸的一在線。以此方式,可由傳感器117監控基板的半徑,而能夠在旋轉期間感測基板的半徑。
處理腔室100還包括鄰近于頂部112、耦接于頂部112或于頂部112中形成的冷卻塊180。一般來說,冷卻塊180與燈頭組件105分隔與對立。冷卻塊180包括與入口181A和出口181B耦接的一或多個冷卻通道184。冷卻塊180可由抗處理材料制成,如不銹鋼、鋁、聚合物或陶瓷材料。冷卻通道184可包括螺旋圖案、矩形圖案、圓形圖案或以上的組合且通道184可于冷卻塊180內整體形成,例如通過鑄造冷卻塊180和/或自兩個或兩個以上的塊件及接合塊件制造冷卻塊180。另外或或者,冷卻通道184可鉆入冷卻塊180。入口181A與出口181B可由閥及適當的管路而與冷卻劑源182耦接且冷卻劑源182與控制器124連接以利于控制設置于其中的流體的壓力和/或流動。流體可以是水、乙二醇、氮(N2)、氦(He)或用作熱交換介質的其他流體。
如本說明書所述,處理腔室100經調整而接收“正面上(face-up)”定向的基板,其中基板的沉積接收側或面朝向冷卻塊180定向且基板的“背側”面向燈頭組件105。因為基板的背側可較基板的正面有較差的反射性,所以“正面上”定向可允許來自燈頭組件105的能量被基板140更快速的吸收。
用于某些熱腔室的傳統燈頭組件可以是圓頂狀(即自邊緣往中心傾斜或彎曲)以將結構完整性提供至燈頭組件以抵抗腔室中的低壓。當燈頭組件是圓頂狀時(如在外延腔室中),個別燈與基板之間的距離不同的,其對于基板的加熱和/或加熱時間有不良影響。然而,本發明所述的光導管窗結構101提供燈頭組件105,其中能量源162距離基板140的距離是實質相同的。本發明所述的光導管窗結構101的實施方式可減少能量源162與基板140之間的距離約27%至44%(27%可以是相較于離傳統圓頂狀燈頭組件中的基板最近的燈,而44%可以是相較于離傳統圓頂狀燈頭組件中的基板最遠的燈)。在某些實施方式中,各能量源162最上面部分距離基板140在最下面處理位置時的距離為約距離基板140約75mm。
圖2A至圖2C是表示可用于圖1的處理腔室100中的光導管窗結構101的一個實施方式的各個視圖。圖2A是光導管窗結構101的等角、部分分解視圖。圖2B是橫跨圖2A的線2B-2B的光導管窗結構101的截面圖。圖2C是橫跨圖2B的線2C-2C的光導管窗結構101的截面圖。圖1所示的升舉銷144未示于圖2A至圖2C中。
在一個實施方式中,光導管窗結構101包括固定器159、透明板114與透明主體125。如圖所示,透明板114可以是與固定器159耦接的固體、平坦構件。透明板114與透明主體125皆可由透明材料制成,如石英或藍寶石。同樣地,固定器159可由透明材料制成,如石英。透明板114與透明主體125皆可通過擴散焊接處理或其他合適的連接方法連接。光導管結構160的各個可以是中空管。
光導管結構160的截面可包括圓形形狀、矩形形狀、三角形形狀、方塊形狀、六邊形形狀或以上的組合,或其他多邊形和/或不規則形狀。一種形成光導管窗結構101的方法包括將一塊透明材料鉆孔以產生光導管結構160。在一個實施方式中,透明主體125可包括穿孔透明材料,其中所述穿孔的各個形成光導管結構160。透明板114可通過接合處理而與透明主體125(即維持于光導管結構160之間的材料)連接,如陶瓷焊接技術、密封玻璃連結、擴散焊接處理或其他合適的接合方法。光導管結構160所示具有圓形截面,但在某些實施方式中,光導管結構160的至少部分的截面形狀可以是六邊形。在替代的形成方法中,光導管窗結構101可由燒結石英形成,而使用消耗性材料的成型柱形成光導管結構160。例如,消耗性材料(如碳)的柱可以緊密堆疊排列分隔而石英于碳附近燒結以形成透明主體125。其后,消耗性材料可燒出形成光導管結構160。柱可包括圓形截面以產生環狀光導管結構160,或多邊形狀以產生具有多邊形截面的光導管結構160。
如圖2B所示,光導管結構160的各個包括縱軸A,縱軸A與透明板114的主要表面界定的平面實質垂直。本說明書所用的技術用語“實質垂直”指相對于透明板114的主要表面的平面略大于或小于90度的角度,如約80度至約100度,如約85度至約95度。在一個實施方式中,當透明板114耦接至固定器159與燈頭組件105的殼體123時,密封內部空間200可包含于固定器159的內側壁內,以及于光導管結構160、透明板114與透明主體125間的孔洞207中。在某些實施方式中,固定器159可包括入口205與出口210。入口205與出口210可與冷卻劑源215耦接,冷卻劑源215將流體循環通過密封內部空間200以及光導管結構160間的孔洞207以冷卻光導管窗結構101。流體可以是水、乙二醇、氮(N2)、氦(He)或用作熱交換介質的其他流體。小間隙220(如圖2C所示)提供光導管結構160附近的流體的流動以利于光導管結構160各個的冷卻。此外,或作為替代,為了將冷卻流體流動通過入口205與出口210,入口205與出口210中的一或兩者可與真空泵(示于圖2B中)耦接以提供低壓至密封內部空間200以及光導管結構160之間的孔洞207與間隙220。真空泵可用于減少密封內部空間200與孔洞207中的壓力,以及減少內部空間120與密封內部空間200之間的壓力梯度。
再參考圖1,透明板114可暴露于腔室主體104的內部空間120中的低壓。透明板114所暴露的壓力可以是約80Torr,或更高的真空,如約5Torr至約10Torr。透明主體125至透明板114與殼體123兩者連接提供額外的結構剛性給透明板114,因而允許透明板114沒有失敗地抵抗壓差。在一個實施方式中,透明板114的厚度可以是約3mm至約10mm。在某些實施方式中,透明板114是約6mm。光導管窗結構101的透明主體125的厚度在一個實施方式中可以是約39mm至約44mm,如約40mm。光導管結構160的尺寸可包括與輻射熱源106的管127的主要尺寸(如直徑)實質相等的主要尺寸(可以是直徑)。光導管結構160的長度可與透明主體125的厚度相同。
再參考圖2B,光導管結構160可包括反射表面225。反射表面225可包括由反射材料(如銀(Ag)或金(Au))制成的襯套、涂層或以上的組合。在某些實施方式中,反射表面225包括作光導管結構160的各個的內表面為襯(line)的管狀襯套230。在某些實施方式中,管狀襯套230的各個與燈頭組件105的殼體123耦接并經配置而與光導管結構160的內表面嚙合而能夠被動或對流冷卻。
圖2D是圖2B所示的光導管窗結構101與燈頭組件105的部分的放大示意圖,表示用于冷卻光導管窗結構101與燈頭組件105的殼體123的一或兩者的冷卻劑流動路徑的另一個實施方式。在此實施方式中,未使用入口205(示于圖2B)與出口210。反之,冷卻劑源215與形成于殼體123中的流體導管250耦接。流體導管250可用于將上述的冷卻劑流動通過殼體123并流動進入光導管結構160和/或于光導管結構160附近流動。在某些實施方式中,冷卻劑可流動通過流體導管250以冷卻管狀襯套230以及能量源162。
在一個實施方式中,冷卻劑自冷卻劑源215流動至流體導管250并通過管狀襯套230與透明主體125之間形成的第一通道255。管狀襯套230可經調整尺寸而具有略小于透明主體125厚度的一長度,使得冷卻劑流體流動進入氣室256,氣室256于管狀襯套230的上表面與透明板114的下表面之間形成。冷卻劑可接著向下流動往輻射熱源106的管127并進入鄰近于能量源162的一或多個第二通道260。第二通道260的至少部分可將輻射熱源106的管127與鄰近的第一通道255流體耦接。在此方法,冷卻流體可用于冷卻管狀襯套230、能量源162與燈頭組件105的殼體123的部分。
圖3是圖1的處理腔室100的部分的側面截面圖。在此圖中,基板140由升舉銷144與支撐環121支撐。在基板140傳送入處理腔室100后,基板140的定位可用于開始基板140上的熱處理,在處理腔室100中,基板140可由輻射熱源106加熱。如果支撐環121比基板140熱,則輻射熱源106的開環加熱可用于升高基板(由升舉銷144支撐)的溫度至接近支撐環121的溫度以防止基板140的熱應力。當充分加熱基板140,基板140可傳送至支撐環121并自升舉銷144抬離而允許基板140在處理期間旋轉。
為了加熱基板140,輻射熱源106的能量源162提供有來自電源(power source)300的功率(power)。電源300可以是多區域電源而將能量提供至一或多組輻射熱源106的能量源162。例如,第一或外部區域305A可包括殼體123周邊上的一外部組能量源162或一子組(subset)能量源162。同樣地,第二或內部區域305B可包括外部區域305A內的一組或子組的能量源162。在一個實施方式中,能量源162可分為約十個可以閉環加熱方法獨立控制的同心區域。
當加熱基板140時,燈頭組件105(特別是輻射熱源106)受到溫度上升,且輻射熱源106的溫度可根據本說明書所述的實施方式適當控制。例如,燈頭組件105的至少部分設置于處理腔室100(即在周圍壓力中)的內部空間120之外,其提供輻射熱源106增強的溫度控制。輻射熱源106的改良溫度控制促進更有效率的處理腔室100。
在一個實施方式中,輻射熱源106與冷卻劑源315耦接以利于輻射熱源106的殼體123的冷卻。冷卻劑源315可以是水、乙二醇、氮(N2)、氦(He)或用作熱交換介質的其他流體的冷卻劑。冷卻劑可流動遍布殼體123以及于輻射熱源106的能量源162之間流動。
圖4繪示具有設置于處理腔室400中的光導管窗結構101的另一個實施方式的處理腔室400的示意截面圖。處理腔室400可用于處理一或多個基板,包括將材料沉積于基板140的上表面上。雖然未于本說明書詳加討論,但是沉積的材料可包括砷化鎵、氮化鎵或氮化鋁鎵。處理腔室400可包括本發明所述的燈頭組件105(其包括用于加熱的能量源162的陣列),除此之外,還有設置于處理腔室400內的基板支撐件404的背側402。基板支撐件404可以是如圖所示的碟狀基板支撐件404或相似于圖1與圖3所示的支撐環121的環狀基板支撐件,其將基板自基板的邊緣支撐以利于將基板暴露于光導管窗結構101的熱輻射。在圖4中,與圖1至圖3中所述的部件相似的部件將使用相同的元件符號,且除非特別注記,為求簡短,相似的操作與描述將不會重復。此外,圖4所述的光導管窗結構101的實施方式可用于圖1與圖3的處理腔室100中,反之亦然。
基板支撐件404位于處理腔室400內的上圓頂406與光導管窗結構101的透明板114之間。上圓頂406、透明板114的上表面與底環408(設置于上圓頂406與光導管窗結構101的裝載凸緣或邊緣410之間)一般界定處理腔室400的內部區域。基板支撐件404一般將處理腔室400的內部空間分為基板之上的處理區域412與基板支撐件404之下的凈化區域414。基板支撐件404在處理期間可由中央軸415旋轉,以最小化處理腔室400內的熱與處理氣體流動空間異常的影響,以及因此利于基板140的均勻處理。基板支撐件404由中央軸415支撐,在基板傳送處理期間以及(在某些例子中)基板140處理中,中央軸415可在垂直方向(以箭頭圖示)移動基板140。基板支撐件404可由碳化硅或具有碳化硅涂層的石墨形成以吸收來自能量源162的能量并將輻射能傳導至基板140。多個升舉銷405可自中央軸415往外設置于處理腔室400中。升舉銷405可耦接至致動器(未圖示)以將升舉銷405于處理腔室400中相對于且獨立于基板支撐件404垂直移動。基板140可以傳送進入處理腔室400并透過裝載端口(未圖示)而定位于基板支撐件404上。所示基板支撐件404于圖4的上升處理位置,且經致動器(未圖示)而垂直橫過至處理位置下的裝載位置以允許升舉銷405接觸基板140并將基板140自基板支撐件404分隔開。機械臂(未圖示)可接著進入處理腔室400通過裝載口而嚙合基板140并將基板140自處理腔室400移除。
一般來說,上圓頂406與透明板114以及透明主體125由透明材料形成,如以上所述的石英材料或藍寶石材料。在此實施方式中,光導管窗結構101的透明板114包括凹陷部分416,其可提供額外的結構剛性給光導管窗結構101。然而,在其他實施方式中,透明板114可以是如圖1所示的平的或平坦的。凹陷部分416提供凹形或圓頂形給光導管窗結構101并能夠使透明板114的截面尺寸變薄而在低壓操作時提供結構剛性。
在一個實施方式中,具有平坦透明板114的光導管窗結構101的厚度可為約40mm,而具有凹形(如圖4所示的凹陷部分416)透明板114的光導管窗結構101的厚度可為約35mm。光導管窗結構101的邊緣410可耦接于側壁108與底環408之間。密封件418(如o型環)可用于將邊緣410密封至側壁108與底環408。上圓頂406可使用設置于底環408與夾持環420之間用于密封的密封件418而耦接至底環408與夾持環420。
能量源162可經配置而將基板140加熱至約200攝氏度至約1600攝氏度范圍內的溫度。各能量源162可耦接至電源300與控制器(如圖3所示)。在處理期間或處理后,燈頭組件105可由圖3所示與所述的冷卻劑源315冷卻。或者或另外,燈頭組件105可由對流冷卻來冷卻。
在一個實施方式中,光導管結構160與能量源162的一或兩者的至少部分可往處理腔室400的中心軸向內傾斜。例如,靠近中央軸415的光導管結構160和/或能量源162可相對于透明板114的平面向內傾斜約30度至約45度而將輻射能量導向基板支撐件404的中心區域(即在中央軸415之上)。在一個示范例中,來自能量源162的至少部分的輻射能以相對于透明板114平面的非正常角度穿過透明板114。
圓形屏蔽件422可選擇性地設置于基板支撐件404附近。底環408也可由襯墊組件424圍繞。屏蔽件422防止或最小化熱/光噪自能量源162泄漏至基板140的裝置側428,而為處理氣體提供預熱區域。屏蔽件422可由CVD SiC、以SiC涂層的燒結石墨、長成的SiC、不透明的石英、涂層石英或任何抵抗處理與凈化氣體的化學分解(chemical breakdown)的相似、適合的材料制成。襯墊組件424經調整尺寸而嵌入于底環408的內周內或被底環408的內周環繞。襯墊組件424將處理空間(即處理區域412與凈化區域414)自處理腔室400的金屬壁屏蔽。金屬壁可與前驅物反應并造成處理空間中的污染。雖然襯墊組件424所示為單一主體,但是襯墊組件424可包括一或多個襯墊。
處理腔室400也可包括用于基板140上溫度測量/控制的光學高溫計426。光學高溫計426所作的溫度測量可執行于基板140的裝置側428上。因此,光學高溫計426只可感應來自熱基板140的輻射,以及來自能量源162而直接到達光學高溫計426的最小背景輻射。反射器430可選擇性地放置于上圓頂406外以反射基板140輻射出到基板140上的光。反射器430可緊固于夾持環420。反射器430可以由如鋁或不銹鋼的金屬制成。反射的效率可以通過提供高反射涂層(如金(Au))改善。反射器430可以具有與冷卻源(未圖示)連接的一或多個端口432。端口432可連接至于反射器430中或反射器430上形成的通道434。通道434經配置而流動流體,如水或氣體,如氦、氮或其他冷卻反射器430的氣體。
可自處理氣體源436供應的處理氣體通過處理氣體入口438引入處理區域412,處理氣體入口438形成于底環408的側壁中。處理氣體入口438經配置而將處理氣體引導在一般徑向向內的方向。在薄膜形成處理期間,基板支撐件404可位于處理位置(鄰近于處理氣體入口438以及在約與處理氣體入口438相同高度處)中,而允許處理氣體以層流狀態沿著橫跨基板140的上表面的流動路徑440向上與環繞流動。處理氣體通過氣體出口444離開處理區域412(沿著流動路徑442),氣體出口444位于與處理氣體入口438相對地處理腔室400的側上。可由與氣體出口444耦接的真空泵446來促進處理氣體通過氣體出口444的移除。隨著處理氣體入口438與氣體出口444彼此對齊且幾乎設置于同一高度,相信當此平行排列與上圓頂406結合時,此平行排列將能夠有橫跨基板140的一般平坦、均勻氣體流動。進一步的徑向均勻性可經由通過基板支撐件404的基板140旋轉而提供。
凈化氣體可自凈化氣體源448通過選擇性凈化氣體入口450而供應至凈化區域414,凈化氣體入口450于底環408的側壁中形成。凈化氣體入口450設置在處理氣體入口438下的高度。如果使用圓形屏蔽件422或預熱環(未圖示),圓形屏蔽件或預熱環可設置于處理氣體入口438與凈化氣體入口450之間。在其他情況下,凈化氣體入口450經配置而將凈化氣體引導于一般徑向向內方向中。在薄膜形成處理期間,基板支撐件404可位于一位置,使得凈化氣體以層流狀態沿著橫跨基板支撐件404的背側402的流動路徑452向下與環繞流動。不受限于任何特定理論,相信凈化氣體的流動能防止或實質避免處理氣體流動進入凈化區域414或減少處理氣體擴散進入凈化區域414(即基板支撐件404下的區域)。凈化氣體(沿著流動路徑454)離開凈化區域414并通過氣體出口444而從處理腔室排氣出去,氣體出口444位于相對于凈化氣體入口450的處理腔室400的側上。
同樣地,在凈化處理期間,基板支撐件404可位于上升的位置以允許凈化氣體橫跨基板支撐件404的背側402側向流動。本領域技術人員可以理解,因為氣體入口或出口等的位置、尺寸或數量可經調整而進一步促成基板140上的均勻材料沉積,所以處理氣體入口、凈化氣體入口與氣體出口用于說明用途。另一個選擇可以是通過處理氣體入口438提供凈化氣體。在某些實施方式中,凈化氣體入口450可經配置而將凈化氣體引導在向上方向以將處理氣體限制在處理區域412中。
圖5是橫跨圖4的截面線5-5的光導管窗結構101的截面圖。光導管窗結構101與圖2C所示的實施方式實質相同,除了邊緣410(取代固定器159)與中央通道505之外。中央通道505可包括圓形側壁510,圓形側壁510具有內直徑以容納中央軸415以及允許中央軸415(示于圖4)的移動。在此實施方式中,邊緣410、圓形側壁510以及透明板114(未圖示于截面圖中)與透明主體125可由以上所述的材料形成并可由上述的示范方法接合。雖然中央通道505和/或中央軸415一般相對于處理腔室400的縱軸置中,但是其他通道可設置于除了中心之外的光導管窗結構101位置處。例如,一或多個通道(未圖示)可提供于容納軸,該軸相對于處理腔室400的縱軸偏離中心。
圖6是可與本說明書所述的光導管窗結構101一起使用的光導管結構160中的一個的側面截面圖。光導管結構160可以是圓形且包括涂層600。涂層600可以是反射材料,如銀(Ag)或金(Au)。
圖7是可與本說明書所述的光導管窗結構101一起使用的光導管結構160中的一個的頂部截面圖。光導管結構160可以是六邊形截面且包括涂層600。
圖8至圖10是表示光導管窗結構101的額外實施方式的側面截面圖。在圖8中,光導管結構160的空間包括本說明所述的透明材料制成的光導管柱800。光導管柱800可以是提供TIR的固體透明主體。雖然此附圖中只有一個光導管結構160,但是本說明書所述的光導管窗結構中的其他光導管結構160可包括光導管柱800。在一個實施方式中,具有光導管柱800設置于其中的光導管結構160的至少部分可往處理腔室400(圖4)的中央軸向內傾斜而引導輻射能以相對于透明板114平面的非正常角度穿過透明板114。圖9表示具有襯套230設置于其中的光導管結構160與燈頭組件105的殼體123熱耦接。在此實施方式中,燈頭組件105包括與冷卻劑源215耦接的通道900。冷卻劑源215在一個實施方式中可包括水。
圖10表示較小的光導管1005形成于或設置于透明材料125中。光導管1005可包括透明桿1010或用于插入透明桿1010。透明桿1010可由本說明書所述的藍寶石或其他透明材料制成。在一個實施方式中,透明桿1010經由選擇性的光纖纜線1020而用于與傳感器1015耦接,如光學高溫計。透明桿1010可具有約1mm至2mm的直徑。透明桿1010可具有自透明板114的表面延伸至透明桿1010的端部的長度,透明桿1010的端部設置于燈頭組件105的殼體123以及電路板115(示于圖4)之下。在透明板114下的透明材料125內的特定徑向位置或區域處具有一或多個小的光導管(如光導管1005)允許溫度傳感器(如傳感器1015)顯著更靠近基板支撐件104和/或基板140(示于圖4)的平面。透明桿1010靠近基板支撐件104和/或基板140允許較小的測量點,其能夠有更精密的溫度控制。雖然未圖示出透明桿的陣列(如透明桿1010),但是透明桿的陣列可用于本說明書所述的處理腔室中以在處理期間控制基板140的溫度。
使用本說明書所述的光導管窗結構101允許燈頭組件105(示于圖3與圖4中)設置于腔室內部空間之外。在某些實施方式中,本說明書所述的光導管窗結構101的透明板114提供處理腔室邊界(如發生處理的內部空間的邊界)。密封件(如o型環或類似物)可用于密封腔室的內部空間120以及允許燈頭組件105定位于內部空間之外。使用本發明所述的光導管窗結構101提供燈頭組件105與基板之間更接近的間隔,同時保留能量源162(示于圖1與圖4中)的強度和/或輻射圖案(radiance pattern)。
雖然前面所述涉及特定實施方式,但在不違背本發明的基本范圍下,可設計其他與進一步的實施方式,而本發明的范圍由隨附權利要求書的范圍決定。