用于化学气相沉积反应器的反射器和衬托器组件的制作方法

本发明涉及半导体处理，以及更具体地，涉及用于在衬底上形成均匀薄膜的衬底加热。

背景技术：

在化学气相沉积(CVD)反应器中，尤其是在用于外延沉积的反应器中，红外(IR)加热灯被用于加热半导体衬底。IR加热灯旨在将半导体衬底加热至900摄氏度。化合物半导体薄膜沉积过程是对温度极度敏感的，常常要求与最佳处理温度的正或负五度或更少的偏差。简而言之，衬底温度非均匀性对薄膜沉积质量和反应器产量产生不良影响。另外，优选地在整个过程中维持所期望的均匀性，包含当将温度慢慢加热到处理温度并接着冷却衬底，以便避免在薄膜晶体结构中产生缺陷。

商业单晶片CVD反应器通过使用IR加热灯对衬底进行加热，IR加热灯被封装在复杂组件中，在复杂组件中气体和水冷却镀金IR反射器被布置在离散区域中并由闭环温度系统提供动力。被设计成同时处理多个衬底的以大尺寸布置的反应器具有限制，该限制增加确保均匀处理温度的成本。

对于紧密封装的IR加热灯泡，线性IR加热灯是合适的替换选择，其具有用于制造大尺寸加热器的垂直和水平灯丝。而且，使用平行布置以制造覆盖多个衬底的大尺寸加热器的线灯具有优势。电源端子位于加热区域之外，允许方便的访问；小的灯横截面实现用于最大功率密度的小间隔；以及其反射涂层被施加于一面聚焦IR辐射并将IR辐射集中于一个方向上的线性IR加热灯的商业实用性。这些线灯具有沿着灯丝的长度的已知非均匀加热廓线。由于从衬底到冷却室壁和外围处理部件的热损失，进一步 加重该非均匀加热廓线。

补偿由线灯引起的初期温度非均匀性的一种方法涉及限制衬底布置在线灯的中间区段上，以便允许温度“转降”发生在衬底覆盖区的外面。在一些情况下，只有线灯的50％具有可接受的处理温度均匀性(小于十摄氏度范围)。该特性允许线灯产生对衬底处理足够的小区域的均匀IR辐射。然而，对于大幅处理，由于系统覆盖区和处理量考虑，未将线灯充分利用到这个程度是不期望的。因此，存在对于补偿在线性IR加热灯阵列上的温度非均匀性的一些其他方法的需求。

补偿转降的一种方法是增加辅助加热。例如，可沿着垂直于线灯阵列的冷却室壁布置线性IR加热灯。来自辅助线性IR灯的能量可被调节，以补偿边缘损失和灯转降。然而，该方法被线灯的可用长度限制难以封装，并甚至可在反应器中构成热非均匀性。

转让给本文的受让人的公布的申请2010/0209206中描述的另一种方式使用分裂灯丝灯，以通过改变加热灯阵列中的不同灯的输出来获得期望的衬托器温度。然而，由于灯丝损坏或灯的石英起泡，沿着灯的长度的局部过热可能减少其有用寿命。

技术实现要素：

补偿转降的方法是在线性IR加热灯的两端下增加诸如不透明石英片的IR反射器。这些反射器的目标是朝着已加热区域的边缘聚焦辐射。之前，加热灯下的任何反射器在其尺寸和IR反射特性上都是均匀的。因此，本发明提供补偿线性IR加热灯不均匀性的图案化IR反射器。具体地，根据本发明的实施方式中，加热灯下的IR反射器在端部区段中比在中心宽。在另一个实施方式中，可只在端部区段中设置IR反射器，而在中心中没有。这种IR反射器可由不透明石英(IR辐射的体散射体)构造或可选择地由铜镀金构造。在后面的实例中，可能的是，例如通过在期望减少或阻挡IR辐射的那些中心位置中掺入石墨涂层(而不是镀金)来改变沿着反射器的长度的IR反射特性，从而产生期望的空间IR反射图案。

其次，可通过使用其发射率/反射率同样图案化的低热质量衬托器组件来微调加热的非均匀性，例如，通过IR屏蔽反射器的增加，以便控制衬托器吸收或从衬底反射开的入射辐射的量，只要注意不增加到将会使加热过程变慢的衬托器的热质量。因此，在根据本发明的一个实施方式中的IR辐射补偿衬托器组件可包括石墨衬托器，石墨衬托器具有被设计成在薄的难熔金属IR屏蔽反射器(例如，钼的)上容纳一个或多个半导体衬底的容器。以及，灯下的主IR灯反射器和衬托器容器中的次级屏蔽反射器共同具有IR反射率，该IR反射率具有补偿线性IR加热灯阵列的非均匀加热廓线的受控特征廓线。可在反应器设计中容易采用热传递仿真和高保真热模型，以便调整将在特定反应器中使用的整个IR反射器轮廓。

然而，加热灯还可被构造成提供功率输出，功率输出被设计成对在衬托器上的晶片衬底产生尽可能均匀的加热，从而使得IR辐射反射器必须进行的补偿量最小化。因此，位于衬托器边缘附近的那些加热灯与位于更中心的加热灯相比可提供更大的功率输出，因为往往衬托器边缘处具有数量较少的有助于衬托器加热的灯。诸如管形灯的灯本身可被构造成根据优选图案沿着灯本身的长度提供不同量的输出，同样在衬托器端部与中间相比具有更大的输出，从而对衬托器的灯加热的整体效果甚至在引入IR辐射反射器之前已经尽可能的均匀。

IR辐射反射器。IR辐射反射器具有IR反射率受控特征，该特征补偿由线性IR加热灯阵列产生的非均匀加热廓线。可将各种宽度的条带布置在灯下，以便根据期望的总体的或逐个晶片的分布图案将来自灯的辐射朝着衬托器反射。初级IR反射器可由不透明石英(体IR散射体)或镀金铜制成。可将额外的次级IR屏蔽反射器放置在衬托器的下侧的容器中的选定结构中，以便将一些IR辐射从衬托器引走(假设任意这些次级屏蔽反射器具有足够的低热质量)。可从薄片(.020厚)难熔金属(优选地被冲压、化学蚀刻、激光切割的抛光钼箔)生产次级IR辐射反射器；或以其他方式将次级IR辐射反射器加工成生产精确的侧影轮廓。抛光箔在升高的处理温度下具有已知的IR反射率。由IR反射器覆盖的网状区域确定来自灯的、被反射的入射IR辐射的比例。而且，通过控制反射器中的开口 的尺寸和布置，可能的是在衬托器和衬底上产生独特的热特征。可选择地，反射器的IR反射特性可在空间上变化，例如随着IR吸收涂层变化。IR辐射反射器可被配置成根据期望的整体图案或期望的逐个晶片的图案以一种方式分布热量，使得将成功地补偿衬托器和其上的一个或多个晶片衬底的任何非均匀加热。

衬托器组件。衬托器组件包括具有容器的石墨衬托器，容器被设计成容纳半导体衬底。如期望，一个或多个低热质量IR屏蔽反射器可被包含在容器中，以便辅助主IR灯反射器。可从石墨加工衬托器并最优地由热麻痹石墨(TPG)制造衬托器，热麻痹石墨在容器的平面中具有高导热率。

多个衬底。反射过量辐射实现对被布置在线性灯阵列上的多个衬底的温度控制。而且，低质量结构促进在缓慢上升并稳定状态的加热条件下的热均匀性。

附图说明

图1是用于多个半导体衬底的同时沉积处理的类型的CVD反应器的右半部的透视截面图，其中左半部对称地相同，并具有根据本发明的实施方式的IR辐射反射器。

图2A和图2B分别是在图1的反应器中所使用的衬托器热分布组件的透视图和放大的分解视图。

图3是图2A和图2B的热分布组件的一部分的详细透视图。

图4是可替代的热分布组件部分的详细透视图。

图5是在图4中所示类型的可替代的热分布组件的俯视透视图。

具体实施方式

本发明可被应用于多种可能的反应器，其中，衬底的升温均匀性是重要的或者被高度期望的，尤其是对于在这种衬底上产生材料的均匀沉积。尽管本文给出的示例是其中加热器具有一个或多个线灯阵列形式的CVD 冷壁反应器，其他相似的反应器被视为包含在本发明之内。本文的改进提供用于辐射加热的衬托器的处理成套组件，其中，一个或多个IR反射器元件补偿来自反应器采用的任何类型的加热器的非均匀加热廓线。

在图1中，冷壁反应器11的一部分支撑供气歧管103上方的喷头扩散板101和喷头组件。附图的右边可看到反应器11的一个端部，而附图的左手侧对应反应器11的中心部分，其中反应器的相对端超出附图的左边不可见。(因为反应器11总体上展现镜像性，只示出反应器的一半不会丢失重要的东西。)未示出的喷头将反应气体引向衬托器105，衬托器105安置衬底(未示出)。衬底优选地为具有X和Y轴的矩形，在通过反应器行进的方向上对齐其中一个轴。衬托器105的下方是被支架109支撑的透明载板(carrier)107。线性管形灯111在电气上产生红外辐射，线性管形灯111在反射器结构113上的平面中平行并相互间隔开，反射器结构113形成本发明的初级IR反射器。将灯111的纵向与衬底的X或Y轴对齐，X或Y轴可能位于行进方向上或垂直于行进方向。尽管使用IR反射器结构113以便更均匀地分配衬托器和位于其上的晶片衬底的加热，但是加热灯111本身可被构造成减少由反射器结构113需要提供的热补偿量。例如，衬托器边缘处的灯111可提供更高的输出功率级，因为与衬托器中心相比，在边缘处具有更少的有助于衬托器加热的灯。相同地，灯111沿着其长度可具有非均匀输出，从而灯中心比灯端部具有更低的能量输出。尽管如此，本发明还将对具有均匀输出的灯或均具有相同输出的灯阵列有效，但是这些灯或灯阵列具有比由IR反射器需要提供的更大的热补偿。

初级IR反射器113是IR灯下的反射器，其可由诸如不透明石英的常规IR反射材料形成，但是非常规地提供空间IR反射图案，该图案补偿来自例如具有更宽的端部114的灯111本身对衬托器105的非均匀照射。IR反射器113的中心部分116可能如此处可见地较细或根本不存在。可通过提供可移动区段118视情况逐个调整较宽端部部分114和较细(或不存在的)中心部分116的相对长度。较宽端部部分114将来自灯113的更多IR辐射朝着反应器11的端部处的衬托器105反射，从而补偿在反应器的那些端部区域中来自灯的整体较低的IR辐射。较窄中心部分116反射IR辐射。 同时，这为IR反射器结构113提供指定的IR反射轮廓，该轮廓补偿共同的灯输出，导致对衬托器105和其上的衬底的更均匀加热。

除了(或者补充)通过改变宽度，提供IR反射图案的可替代方法是改变反射器结构113的IR反射特征。例如，如果反射器113的反射材料是铜镀金结构，在反射器的中心区域116中用石墨涂层替代镀金会降低这些区域中的IR反射率。镀金的端部区域114将具有更高的IR反射率。

可选择地，可将次级IR反射器(图5中更好地可见)朝向IR灯111安装在衬托器105下方的容器中的载板107上，以便将热辐射从衬托器105反射开，使得进一步地更均匀分布热量并避免热区。次级IR反射器结构可以是薄的难熔金属箔，该金属箔可被冲压、化学蚀刻、激光切割或以其他方式加工以产生精确的侧影轮廓。优选地由钼组成的抛光箔在升高的温度下具有已知的红外反射率，其可被数学建模。任何这种次级反射器应具有低热质量，以最小化衬底加热的减速。它们如用于对IR轮廓进行微调的嵌入件一样有用，根据需要例如，按照灯使用年限。

从灯111到衬托器105的主要的热传递是通过IR辐射(直接辐射和由初级反射器结构反射的辐射)。反射轮廓是将辐射从壳体壁引走并使其朝着衬托器105通过透明载板107的轮廓。

初级反射器结构113的下方可能是内室衬层115，内室衬层115可以是石墨的或陶瓷的，用于由支架119支撑反射器结构113，从而使得反射器结构距离灯111只有几毫米，导致反射器结构113的温度在1100摄氏度附近。外室壁117是冷壁反应器结构11的一部分并为在其相对端部处的反射器结构提供支撑，从而由支架支撑在相对外侧端处的反射器结构。

参考图2A和图2B，衬托器加热分配组件127具有石墨衬托器105，石墨衬托器105是陶瓷固定器中的2×2阵列中的4个相似衬托器的其中一个。每一个衬托器此处承载用于反应器中的反应气体沉积的浅的凹陷部中的衬底(未示出)。四个衬托器的2×2阵列位于也未被示出的喷头的2×2阵列之下。4个衬托器的每一个阵列是由透明石英片129支撑的。4个衬托器被石墨框125包围，石墨框125也被石英片129支撑。石英载板允许红外辐射穿过载板通到衬托器，衬托器中红外辐射易于被吸收。石墨框125 与衬托器结构相比更能吸收红外辐射，因为反射器结构被图案化，以便用更优选方式将热量从衬托器引走，到边界125具有减少的热量，在朝着壁具有甚至更少的热量。可在衬托器105的整个阵列的全局基础或在逐个衬托器的基础上对由反射器结构提供的辐射分布图案建模。

在图3中可见围绕衬托器105和106的石墨框125。每一个衬托器具有承载未示出的晶片衬底的容器或凹陷部，在其上实现了高温MOCVD反应。通过来自相关衬托器的传导对衬底加热，且衬底旨在处于CVD反应所需的并与围绕的结构比较的高温下。石英片129为两个衬托器105和106以及为石墨边界125提供支撑。应注意，石英片129的只有一小部分和石墨边界125与陶瓷固定器127接触。

图4中，石墨衬托器105被示出为在相对于石英片129的较低表面中具有填隙容器，衬托器位于石英片129上。容器具有用于可选地安置次级IR反射器结构的反射性细长金属条112、114的尺寸，其可具有平行于管形加热灯的轴的纵向。若干个平行、间隔开的条带被设置于衬托器的下侧上，以便反射并从而屏蔽来自加热灯的红外光，从而使得一组衬托器中的期望均匀加热图案可被微调。衬托器被灯强烈地加热，其在周围的石墨边界中可具有一些热转降并在固定器的方向上朝着反应器壁具有进一步转降，固定器与壁邻接到这种程度以致灯下的初级IR反射器或许不能够使用其自身的空间反射图案充分补偿。因此，为了辅助初级反射器并为了将IR照射微调到更充分地确保衬托器的均匀加热，衬托器阵列的中心处的反射条将稍微宽一点，即更大区域式反射率，因为热量在所有方向上将被传递开，并且进一步远离衬托器阵列的中心的反射条稍微窄一点，即更小的反射率，因为受到接触绝缘固定器的石墨边界的限制，热量在更少的方向上被传递开。

参考图5，四个衬托器211、213、215和217的每一个阵列具有就在衬托器之下和石英片223之上的多个平行次级反射条221，石英片223在平行红外管形加热灯的阵列之上，其未被示出，垂直于平行反射条对齐。反射条被配置成在衬托器中产生均匀加热，并在边界处产生较少的加热，其未被示出，以及在绝缘陶瓷固定器225中产生更少的热量。参考图1先 前讨论的但此处未见到的初级反射器被设置于加热灯下方，以便将辐射向上引向衬托器，而次级反映条221被设置成向下背离衬托器反射辐射。产生了辐射的多次反弹效应，在衬托器中提供均匀热分布。

为了在衬托器105中获得期望的加热图案，次级反射器金属条或盘107可位于衬托器105正下方，如下文中所描述的，其光亮的反射表面朝向IR灯111，以将辐射朝向灯111引回并离开衬托器105的部分，从而将热量集中在期望区域中，例如，在衬底下方。再次，这种次级反射条在衬托器105中产生期望的加热廓线，易于使得热量离开反应器11的壁和衬托器支撑结构的没有衬托器位于其中的部分。

次级IR反射器结构107的侧影轮廓的特征在于开口的数量和尺寸，其中，将开口最优化，以控制辐射热传递。没有开口的反射器几乎反射所有入射辐射，从而最小化从IR灯到衬托器的辐射热传递。相比之下，具有大的总开口区域和小的反射材料的剩余区域的反射器，允许几乎所有的入射辐射从IR灯传送到衬托器。

开口的数量和尺寸被调整成产生IR反射率受控特征或分布图案，该特征或分布图案有效地补偿由线性IR加热灯阵列产生的非均匀加热廓线。具有小的总开口区域的IR反射器被安装在暴露于高于平均水平的来自线性IR加热灯阵列(例如，在灯中部附近)的辐射的衬底下方。具有大的总开口区域的IR反射器被安装在暴露于低于平均水平的来自线性IR加热灯阵列的辐射的衬底下面，例如，在灯端部附近。使用薄的难熔金属箔最佳地产生具有小的总开口区域的IF反射器。可通过将开口的阵列图案化(例如，圆形、方形、长方形或其他几何形状)来降低这些反射器的反射率，以便增加总开口区域。可使开口有规律地间隔，以便将辐射均匀反射走，或者使开口线性顺次排列以便使得辐射偏到衬底的一侧。另一个可替代的实施方式涉及将具有相同或不同宽度的各个难熔箔条安排在衬托器下方，而不是将缝隙加工到不可分的箔片中。使用被编制成细网格的难熔金属丝(通常0.005英寸直径丝线或直径更大的丝线)最优地生产具有大的总开口区域IR反射器。可通过使用更大直径的丝线和通过编制更紧的网格减少丝线间距增加这些反射器的反射率。加热灯输出分布、底面IR 反射器分布的组合在全局基础上或逐个晶片基础上共同产生期望的均匀热轮廓。

反射性金属箔在0.015到0.030英寸(大约380到760μm)厚的范围之内，具有0.020英寸(500μm)的优选厚度。这种光亮的薄的箔具有低热质量，低热质量阻止从次级反射器结构107到衬底和衬托器组件105的传导性热传递。