专利名称：用于半导体炉的可旋转可调节的加热器的制作方法
技术领域：
本发明一般地涉及半导体，更具体地涉及用于晶片加工的半导体炉中使用的加热 系统。
背景技术：
现代半导体电子器件封装如集成电路(IC)芯片通过在半导体衬底上构建材料和 组件的多个叠层而形成在晶片上。单晶片将包括多个独立的IC或管芯，其在制造之后将通 过切割工艺而被分开，本领域内称为切割或划线。半导体器件一般包括多个电有源元件，其 形成在电绝缘或电介质材料的多个层中。金属导体互连，在一些实施方式中该金属导体互 连可以由铜制成，通过各种附加的构图和淀积工艺如镶嵌和双镶嵌而形成，以将各个层中 的有源元件连接在一起，并在电介质材料的单层之内创建电路通路或线路。现代半导体制 造需要可重复的一系列步骤，这些步骤包括材料淀积(导电和非导电的电介质材料)，电介 质材料中的电路的光刻构图，以及材料移除如刻蚀和灰化，其逐渐构建叠层的半导体器件 结构。一些在前的用于制造半导体的半导体工艺步骤特别包括氧化、扩散、掺杂、退火和 化学汽相淀积(CVD)。这些工艺一般在加热控制的环境中在提高的温度下进行。CVD为用于 在晶片上生产或淀积材料的薄膜的化学汽相淀积工艺，包括但不限于金属、二氧化硅、钨、 氮化硅、氮氧化硅以及各种电介质。CVD工艺需要在加热反应室中放置一个或多个晶片，并 将一种或多种反应气体引入室中。气体包括各种化学前驱物(如，SiH2C12和NH3或硅烷 和NH3以形成氮化硅薄膜)，该化学前驱物在加热的晶片表面反应以在其上形成需要的半 导体材料和厚度的薄膜。通过调整和尝试优化CVD工艺参数以控制和影响CVD淀积在晶片 上的薄膜的均勻性，CVD工艺参数如晶片温度、反应室压力、反应气体的流动路径和流量以 及淀积时间或持续时间。用于CVD工艺的加热或热反应室的一种类型为垂直半导体炉。这些垂直的炉能在 进行CVD批处理的同时保持多个垂直堆叠的半导体晶片。垂直炉包括热反应容器或室，其 可以装载多个晶片，在一些实施例中将多个晶片保持在垂直可堆叠架中，本领域内称为晶 梯或晶舟。晶舟包括具有多个水平槽的框架，每个水平槽间隔开保持独立的晶片，该晶片与 其他晶片为垂直关系堆叠。晶舟一般保持大约50-125个晶片。晶片之间具有垂直间隔以 使得CVD反应气体在其间流通从而在晶片的顶部淀积形成所需要的材料薄膜。热反应室一 般为圆柱形(也成为反应管)，一般具有封闭的顶部和开放的底部，以便于嵌入保持垂直晶 片叠层的晶舟。可以暴露在热的和腐蚀性气体中的热反应室、晶舟或架以及其他组件一般由石英 或SiC制成，以抵挡在一些应用中范围大约为200-1200摄氏度的CVD加工温度，该温度依 据将要淀积在晶片上的半导体材料薄膜的类型。晶舟可以设置在可开/可关的盖装置上，其形成了封底和用于支撑晶舟的平台。 将盖装置配置为并适于临时附着至反应室的底部并密封反应室的底部，以在CVD工艺期间形成气密的临时连接。盖装置可以安装在垂直升降机或电梯上，其可操作为将晶舟提升到反应室中或将晶舟从反应室中降低。反应室和关联的装置一般包括气体舱，其具有用于从 反应室中引入和排出CVD工艺反应气体的气体入口和气体出口。当舟被置于反应室中时， 可以提供一种用于旋转晶舟和在其中保持的晶片的装置，以促进晶片整个叠层中的气体流 动和加热均勻。传统的垂直半导体炉和相关的配件的一些例子在美国专利6，538，237 ； 6，435，865 ；6, 187，102 ；6, 031，205和7，241，701中示出；通过参考将所有这些整体合并于此。垂直半导体炉包括加热源，其在一些实施例中可以包括电阻型加热器、辐射型加 热器或其组合。电阻型加热器的一些例子包括电阻线圈元件等等。辐射型加热器的一些例 子包括喷灯或石英加热元件。加热器一般置于外部但接近于石英反应室，以加热该室并提 高其内部的温度。为了改进制造效率并减少产品成本，晶片尺寸这些年来稳定地增加。标准的硅晶 片尺寸从大约200mm(直径大约为8英寸)稳定地增加到300mm (直径大约为12英寸)。下 一代的晶片标准已经设置为450mm(直径大约为18英寸)。450mm的下一代晶片尺寸对于 在希望改进在每个晶片表面均勻的材料薄膜淀积的CVD工艺期间维持晶舟中垂直晶片叠 层的温度的均勻性提出了挑战。用在CVD热反应室中的现有的加热设备已经进行了改进，以不完全地提供所需要 的温度均勻性，该温度均勻性用于保持在每个独立晶片全部表面上淀积的材料薄膜厚度的 希望的一致性，也要保持被更大的下一代晶片尺寸晶片处理的全部晶片批次或叠层的从晶 片到晶片的希望的一致性。理想地，为了满足在独立的晶片上和晶片与晶片之间基础上的 可接受的工艺厚度变量公差，在热反应室中进行CVD的整批晶片中的每个晶片应当具有一 致的薄膜厚度。一些用于传统上较小的200-300mm直径晶片的现有的加热设备不提供维持 450mm晶片所需要的公差所必需的温度控制和一致性。晶片的边缘和中心的水平温度变量 通常导致淀积在每个晶片上的层的厚度的不可接受的偏差。晶片中心的温度一般低于边缘 的温度。由晶舟所保持的晶片叠层中的垂直温度变量通常导致在叠层中晶片与晶片之间淀 积的层的厚度的不可接受的偏差。需要一种改进的用于垂直半导体炉的加热设备，以满足下一代晶片尺寸的难题。
发明内容
根据一个实施例，适于化学汽相淀积晶片工艺的半导体炉包括垂直热反应室，其 具有限定高度的侧壁、顶部、底部和用于可移动地保持批量晶片的内部腔。半导体炉还包括 设置于反应室内的晶舟，其被配置为并适于保持垂直堆叠关系的多个晶片，以及加热系统， 加热系统包括沿反应室的高度间隔开的多个侧壁加热器，设置并运行多个侧壁加热器以加 热该室。加热系统包括用户可调整的侧壁加热器间隔和侧壁加热器旋转，其具有可变的旋 转速度和对于每个加热器可调整的方向。加热器旋转的功能优选为对于每个加热器独立， 在一些实施例中，加热器间隔的调节或调整独立进行。有益地，通过提供更多灵活性来调节 温度分布以获得温度和/或晶片的均勻性，上述的加热器系统改进了每个晶片上和在半导 体炉中加工的每批的晶片与晶片之间均勻的晶片薄膜淀积厚度。
根据另一个实施例，一种半导体炉包括垂直热反应室，其具有限定高度的侧壁和 用于可移动地保持批量晶片的内部腔。半导体炉还包括晶舟，其可置于反应室中，并被配置 和适于保持垂直堆叠关系的多个晶片。提供了加热系统，其包括沿反应室的高度间隔开的 多个可旋转的侧壁加热器。侧壁加热器可相对于反应室围绕旋转轴旋转。侧壁加热器限定 了反应室中的多个侧壁加热器区，其沿反应室的高度垂直间隔开，每个加热器区的温度通 过对应的侧壁加热器控制。在一个实施例中，侧壁加热器区相对于反应室的垂直位置是可 调整的。
根据又一个实施例，一种半导体炉包括垂直热反应室，其具有限定高度的侧壁和 用于可移动地保持批量晶片的内部腔。半导体炉还包括晶舟，其可置于反应室中，被配置为 并适于保持垂直堆叠关系的多个晶片。提供了加热系统，其包括沿反应室的高度垂直间隔 开的多个侧壁加热器。在该实施例中，侧壁加热器间的间隔可调整，以优化反应室内的温度 分布。本发明提供了一种在半导体晶片上形成材料层的方法。该方法包括提供半导体 炉，其包括垂直热反应室，所述垂直热反应室包括限定高度的侧壁和用于可移动地保持批 量晶片的内部腔。半导体炉还包括加热系统，其包括沿反应室的高度间隔开的多个可旋转 的侧壁加热器。该方法还包括将保持多个垂直堆叠的晶片插入到反应室中，至少相对于反 应室旋转侧壁加热器中的至少一个；和通过化学汽相淀积在每个晶片上形成材料薄膜。在 一些实施例中，该方法还包括相对于反应室提升或降低至少一个侧壁加热器的步骤。
优选的实施例的特征将参考下面的附图进行描述，其中相同的元件被相同地标 注，其中，图1为用于半导体炉的第一现有加热设备的剖面示意图；图2为用于半导体炉的第二现有加热设备的剖面示意图；图3为根据本发明的一个实施例的用于半导体炉的加热设备的剖面示意图；图4为根据图3的半导体炉的实施例的侧壁加热器的透视图；图5为根据图3的半导体炉的实施例的侧壁加热器的透视图；图6为根据图3的半导体炉的实施例的侧壁加热器的示意图。所有的附图都是示意性的，并且没有按比例绘制。
具体实施例方式示出的实施例的说明是为了结合附图进行阅读，附图视作整体说明书的一部分。 在此处公开的实施例的描述中，引用的方向或方位仅仅为了描述方便，并不是以任何方式 对本发明的范围的限制。相关的术语如“提高”、“降低”、“水平”、“垂直”、“之上”、“之下”、 “上”、“下”、“顶部”和“底部”及其派生词(如“水平地”、“向下地”、“向上地”等等)应当解 释为是指下面的描述或描述之后的附图所示。这些相关的术语仅仅是为了描述方便，不需 要装置以特定的方向解释或操作。除非另外进行描述，术语例如“附加”、“粘附”、“连接”和 “互连”是指结构被彼此直接或通过居间结构间接地固定或附加，以及活动的或刚性的连接 或关系。另外，本发明的特征和益处参考优选的实施例示出。因此，显然不应当将本发明限制为这些优选的实施例，所述优选的实施例示出了可能的非限制性的特征的组合，这些特 征可以单独存在或存在于特征的其他组合中；本发明的范围由附加的权利要求限定。图1和图2示出了两种用于处理传统的300mm或更小尺寸的晶片的半导体炉的传 统的加热设备的示意图。在图1中，在CVD反应室的侧壁上提供有五个侧壁加热器区。每个 加热器区由加热器限定并包括加热器，其在一些实施例中为电阻型加热器线圈或元件。图2 示出的可选择的传统的加热设备包括提供在反应室侧壁上的三个侧壁加热器区，一个顶部 加热器区以及一个底部加热器区。上述的两种加热设备中都具有传统的电或电子加热控制 器，其允许通过变化从电源输入的能量来调整从每个加热器输出的温度。图1和图2示出的用于现有的加热设备而设置的侧壁加热器区是固定的，因为侧壁加热器是固定的或与反应室的位置关系固定。因此，侧壁加热器之间的垂直间隔不能被 调整。另外，虽然在CVD工艺期间可在半导体炉内旋转晶舟和保持在其上的晶片，但是侧壁 加热器本身通常是固定的，是不能被旋转的。因此，使用这些现有的加热设备，不能精细调 节反应室之内的侧壁温度区和温度分布。当使用用于更大的下一代450mm尺寸晶片的CVD加工的上述任一种设备时，可根 据本发明通过加热器旋转和/或侧壁加热器之间的加热器间隔调整，改善和优化温度分 布。精细调节侧壁加热器旋转速度和加热器的间隔提供了更多参数来调节和获得反应室20 所需要的加工温度分布。图3为根据本发明的半导体加工炉10或包括CVD热反应室20的设备的示意图。 半导体炉10可以包括传统的隔离支架12(图3中示出了部分)，其可被配置为并适于提供 基本围绕全部反应室20的热封闭，以为反应室20创造温度控制的环境。CVD反应室20包 括内部腔21，其限定了用于可移动地接收传统的晶舟22的空间，该晶舟22可被配置为并适 于以传统方式支撑和保持多个垂直堆叠的晶片W。在一个实施例中，反应室20可以具有密 封的顶部23、侧壁24和开放的底部25，以使得晶舟22插入室中和从室中移除，该室用于晶 片W的批处理。在一个实施例中，晶舟22包括传统的开放架构结构如梯型设计，其具有多 个水平槽用于支撑晶片W，并使得反应气体在晶片W的表面之上水平流动，以在其上构造所 需要的材料薄膜。在一些实施例中，晶舟22的尺寸可以设置为保持50-125个或更多的晶 片W ；然而，依赖于所提供的反应室20的高度，晶舟可以保持的任何适合的晶片数目。在一 些代表性的实施例中，晶舟22中的晶片W的典型的垂直间隔可以是大约6-10mm。晶舟22 可以由石英或本领域常用的任何其他适合的材料制成。在一个实施例中，反应室20可以具有传统的圆柱形，并且可以由石英或SiC制成。 反应室20可以包括涂层，如多晶硅，或另外的根据室中进行的工艺的类型所使用的典型的 涂层材料。根据每批加工的晶片的数目，反应室20可以具有任何适合的高度或长度。在一 些示例性的实施例中，反应室20可以具有代表性的100-150cm的高度或长度；然而，也可 以使用任何适合的高度或长度。在一些代表性的实施例中，用于加工450mm晶片的反应室 20的尺寸可以设置为直径大于450mm，根据室中同时加工的晶片的数目，室的长度为大约 50-200cmo提供了可密封和可打开的底部密封盖26，其可以密封反应室20的底部25，以为晶 片W的加工形成气密室密封。在一个实施例中，如图所示，底部25可以具有用于接收盖26 的法兰。底部密封盖26可以包括支撑结构以为晶舟22提供支撑，可以以传统的方式将晶舟22连接到盖上。 可以提供典型地用于与CVD反应室20加工设备相配合的另外一种传统的设备。例 如，可以装备反应气体供应进口接头30和出口接头31，以使得将一种或多种加工气体引入 反应室20和将其从反应室20中排出。气体舱和注入器、炉冷却以允许晶片批次快速变化， 外部的隔离支架密封反应室20，晶舟升降机或电梯和用于定位、提高、降低晶舟22到室20 中/从室20中的自动控制臂等等(未示出)。可以被提供的这些设备中的一些在，例如，美 国专禾Ij 6，538，237 ；6, 435，865 ；6, 031，205 ；以及7，241，701中进行了描述；通过参考将其 全文合并在此。在一些实施例中，晶舟20可以具有传统的电机驱动机构(未示出)，以使得晶片W 的叠层在CVD工艺期间旋转(参见图3中的旋转箭头)，以提高淀积在晶片上的材料层的厚 度的均勻性。可以通过适合的商业上可用的温度控制器来控制半导体炉10的运行和晶片W的 批处理，如本领域内传统上用于调整炉加热系统的热输出的，包括温度上升率和下降率的 温度控制器。继续参考图3，半导体炉10包括多个加热器，其优选为沿CVD反应室20的侧壁24、 顶部23和底部25分布。在一个实施例中，加热器包括侧壁加热器40A-40F、顶部加热器41 和底部加热器42，如图所示。为了给下一代450mm直径或更大晶片的CVD工艺提供更好的温度控制和均勻化反 应室20中的热分布，在一个实施例中，侧壁加热器40A-40F优选为可相对于反应室20围绕 旋转轴RA旋转，如图3所示和在此进一步描述的。在一个实施例中，旋转轴RA可以轴向对 准反应室20的垂直轴或中心线。在一些实施例中，侧壁加热器40A-40F可以独立地旋转， 在其他的实施例中，可以统一地旋转。侧壁加热器40A-40F可在一个旋转方向以变化的旋 转速度旋转。侧壁加热器40A-40F的旋转速度和方向优选为用户可手动地或通过计算机控制 器调整。因此，在一个实施例中，可以通过旋转电机控制器和来自于电机编码器和闭环控制 的旋转控制信号来控制加热器旋转。旋转电机控制器可以执行适当配置的可编程控制逻辑 或软件，以自动调整侧壁加热器40A-40F的旋转方向和速度。优选地，侧壁加热器40A-40F 是可旋转的，该旋转独立于一些实施例中提供的旋转晶舟22和其中的晶片W的能力。在其他的实施例中，每个侧壁加热器40A-40F之间的垂直间隔或距离D也可以是 可调整的，如在此进一步描述的，以提供进一步精细调节反应室20中温度分布更接近于所 需要的目标温度分布的能力。每个侧壁加热器40A-40F限定了相应的加热器区Z，如图3所 示。因此，在一些实施例中，根据CVD加工温度控制的需求，侧壁加热器40A-40F可以是可 旋转的或垂直距离D可调整的，或其组合。侧壁加热器40A-40F之间的间距优选为用户可手动地或通过计算机控制器调整 的。因此，在一个实施例中，可以通过间距电机控制器和来自于电机编码器和闭环控制的间 距控制信号来控制加热器间距。间距电机控制器可以执行适当配置的可编程控制逻辑或软 件，以自动调整侧壁加热器40A-40F之间的间距，以及每个加热器相对于反应室20的相应
垂直位置。在一个实施例中，可以选择安装的侧壁加热器40A-40F的固定数目，这样每个侧壁加热器控制小于或等于每个加热器不多于十(10)个垂直堆叠的晶片W的温度，以提供更 好的温度均勻性和相应的每个晶片W(如从晶片的中心到其边缘)和从晶舟22所支撑的晶 片W的垂直叠层的晶片与晶片之间的晶片级厚度的均勻性。该设备可以进一步增强控制反 应室中CVD加工温度分布接近于需要的目标分布的能力。在一些实施例中，侧壁加热器40A-40F和加热器区Z可以接近于沿反应室的垂直 高度平均分布，优选为每个加热器控制各自的具有不多于10个垂直堆叠的晶片W的加热器 区内的温度。
继续参考图3，在一个实施例中，侧壁加热器40A-40F可以为电阻型加热器，其具 有可控制的热输出，可以通过调整通过可变的电阻控制如可变电阻器或本领域常用的其他 适合的类似的电控制器件输入到每个加热器的能量来调整热输出。侧壁加热器40A-40F优 选地设置为接近于外部侧壁24，且被排列为沿反应室20的高度垂直关系彼此间隔开。因 此，侧壁加热器40A-40F限定了反应室20内的多个垂直加热器区Z，每个区的温度由加热器 40A-40F 控制。侧壁加热器40A-40F的热输出可以被调整和精细调节，以控制每个加热器区Z的 温度。优选地，可独立于其他的侧壁加热器调整每个侧壁加热器40A-40F的热输出。可以 通过用户手动或通过加热器控制器或计算机自动地调整每个侧壁加热器的热输出设置，力口 热器控制器或计算机结合由设置在半导体炉10中的温度传感器生成的控制信号和/或基 于预定的加热器温度输出设置生成的控制信号，该预定的加热器温度输出设置来自于相关 于被加工的晶片的尺寸和/或淀积在晶片W上的材料薄膜的类型的经验和经验数据。在一个实施例中，侧壁加热器40A-40F每个可以包括一个或多个传统的电阻线圈 或元件，如在此进一步描述的，电阻线圈或元件在反应室20的外圆周，沿反应室20的侧壁 圆周地设置。侧壁加热器40A-40F优选地沿反应室20的整个圆周延伸。图3示意性地示 出了每个侧壁加热器40A-40F的左和右部分。电阻线圈通过传统的导体电连接到电源， 其可以通过行业内典型使用的适合的传统的可变电阻电控制来布线，以调整每个加热器 40A-40F的热输出(如Btuh)。图4和图5示出了根据本发明的侧壁加热器40A-40F的一种可能的实施例。在该 图中，示出了具有三个侧壁加热器40A、40B和40C的半导体炉10的部分。每个侧壁加热器 40A-40F包括环形的或圆柱形的旋转的加热器基底50，其可以包括一个或多个电阻加热线 圈或元件51，优选地安装在面向旋转基底的内侧的内部。每个侧壁加热器40A-40F限定了 各自的加热器区Z (参见图3)。根据本发明的另一个方面，如此处进一步所描述的，旋转的加热基底50可以可旋 转地安装在外部支撑基底60中，该外部支撑基底60在位置上为垂直可调整的，以允许调整 每个旋转的基底50之间的间距或距离D。在优选的实施例中，优选为从半导体炉10的任何 部分如支架12支持支撑基底60。优选地，支撑基底60相对于反应室20或支架12是不可 旋转的，但是相对于室20其垂直位置是可调的。现在参考图4，侧壁加热器40A、40B和40C每个可以包括独立的环形线圈或元件 51，环形线圈或元件51水平朝向垂直的反应室20。只要提供充分的热分布和温度控制，就 可以使用电加热器线圈51的任何适合的配置、数目和排列。因此，电加热器线圈51的配 置、数目和排列将通过反应室20的工艺加热需求和尺寸而确定。因此，在一些其他可能的实施例中(未示出)，电加热器线圈51可以被配置为单个的螺旋形元件，其在旋转加热器基底50的内侧上从加热器基底的底部螺旋形地向上延伸到顶部。在另一种可能的实施例中 (未示出)，加热器线圈51可以包括多个设置在旋转加热器基底50的内侧上的垂直排列的 独立的元件。可以通过任何适合的传统的连接方法将电加热器线圈51安装在旋转加热器基底 50上。优选地，将旋转加热器基底50非刚性地安装在炉支架10上，以使得基底相对于反应 室20和半导体炉支架10旋转，如此处进一步描述的。参考图4和图5，在一个实施例中，旋转加热器基底50优选为圆柱形，且其具有大 于反应室20的直径以使得加热器基底围绕反应室圆周地延伸。在优选的实施例中，旋转加 热器基底50包括设置在其外表面上的外部齿圈72，用于旋转加热器基底。齿圈72是环形 的，其围绕旋转加热器基底50的圆周延伸，垂直朝向旋转轴RA(参见图3)。在一个可能的实施例中，可以直接在旋转加热器基底50的外表面上形成齿圈72。 在另一个实施例中，可以在独立的轴环上形成齿圈72，所述轴环可以通过本领域常用的任 何方式如机械扣件、粘和剂、焊接、收缩或压力装置等等连接到旋转加热器基底50的外表 面。齿圈72可以包括传统的轮齿的任何适合的形式或类型，在一些示例性的实施例 中可以为例如直齿轮或斜齿轮。齿圈72被配置为并适于通过互补配置的电机驱动齿轮传 动装置73来驱动。齿轮传动装置73包括电机71和连接到电机轴的齿轮70。齿轮70被配 置为并适于在旋转加热器基底50上与齿圈72啮合。这样在优选的实施例中，齿轮70和齿 圈72具有匹配的轮齿形式(如直齿轮或斜齿轮)。齿轮传动73可以使用任何商业上可用 的具有适合的马力和输出扭矩的驱动单元以旋转侧壁加热器40A-40F。 在一个可能的实施例中，可以将齿轮传动装置73安装在外部支撑基底60上，如图 4和图5所示。在另一个可能的实施例中，可以将齿轮传动装置73安装在半导体炉10的任 何部分。在任一种实施例中，提供的窗口 61完全延伸穿过支撑基底60，以使得齿轮70在旋 转加热器基底50上与齿圈72啮合，如图5所示。窗口 61的垂直长度依赖于齿轮传动装置 73是否安装到支撑基底60或炉10的部分上。在第一实施例中，参考图5，其中将齿轮传动装置73直接安装到支撑基底60上，窗 口 61仅仅需要具有足够使齿轮70的厚度Tl延伸穿过窗口与齿圈72啮合的高度。当垂直 向上或向下移动支撑基底以调整侧壁加热器40A-40F之间的间距或距离D的时候，旋转加 热器基底50和齿轮传动装置73都保持在相同的相对垂直位置。在这种情况下，齿圈72仅 仅需要具有约等于齿轮传动73的齿轮70的垂直厚度T2的垂直厚度Tl。在第二实施例中，将齿轮传动装置73安装到炉10 (未示出)上，窗口 61需要足够 大的高度以容纳用于调整支撑基底60的垂直位置所提供的最大距离。在这种情况下，因为 齿轮传动不随着支撑基底60和旋转加热器基底50的向上/向下而移动，因此齿圈72必须 具有大于齿轮传动73的齿轮70的厚度T2的厚度Tl。因此，齿轮70将在齿圈72上向上/ 向下滑动，齿圈72连接到旋转加热器基底50并相对于旋转加热器基底50保持固定。支撑基底60优选为可旋转地支撑旋转加热器基底50，这样可以相对于支撑基底 60和反应室20旋转基底50。参考图4-6，支撑基底60可以为圆柱形，其具有环绕旋转加热 器基底50的类似套筒的结构。支撑基底60优选为与设置在其中的旋转加热器基底50和设置在基底50内部的室20同心排列。足够尺寸的环形间隙将支撑基底60、旋转加热器基 底50和反应室20分隔开，以使得基底50自由旋转，不约束支撑基底50或反应室20。在一 个可能的实施例中，旋转加热器基底50安装有外部支撑基底60，且基底50和60之间的界 面为金属流体密封(环形密封)；能够通过电机驱动73自身独立地旋转基底50。
参考图3-5，为了提供精细调节或调整侧壁加热器40A-40F之间的间距或距离D的 能力，在一个实施例中，支撑基底60的外表面可以包括设置在其上的直齿轮或斜齿轮螺纹 或齿82。斜齿82以全360度角围绕支撑基底60的外圆周的倾斜形式延伸，并沿外部支撑 套筒60的高度的至少部分纵向延伸。斜齿82的垂直长度将决定对于每个支撑基底60和相 应的每个侧壁加热器40A-40F的垂直调整的最大范围。斜齿82组成围绕支撑基底60外圆 周的蜗轮，并与图4-5所示的第二齿轮传动装置83上的齿轮80互补配置的轮齿啮合。根 据提供的斜齿82的尺寸和倾斜度，齿轮传动装置83的齿轮80可以是任何类型的齿轮，例 如包括但不限于，斜齿轮或直齿轮。优选地，当斜齿轮用于齿轮80时，齿轮80上的齿与外 部支撑基底60上的斜齿82具有相同的手或朝向(即，右手或左手齿)。在一个优选的实施例中，可将齿轮传动装置83支撑并安装于半导体炉10，更优选 地，可将齿轮传动装置83支撑并安装于支架12或炉的另一部分或其相关的设备和结构。外 部支撑基底60优选为非刚性安装到半导体炉10上，以使得支撑基底60 (具有设置在其中 的旋转加热器基底50)相对于炉上升或下降移动。在一个可能的实施例中，可将斜齿82直接形成在支撑基底60的外表面上。在其 他的实施例中，斜齿82可以形成在独立的轴环上，其可以以本领域内常用的任何适合的方 式，如机械扣件、粘和剂、焊接、收缩或压力装配等等，将其连接至支撑基底60的外表面。在其他可能的可选择的实施例(未示出)中，支撑基底60可以包括齿条和副齿轮 机构代替使用斜轮齿82。因此，可将拉长的齿条垂直排列在支撑基底的外表面上，其与旋 转轴RA并行延伸(参见图3)，并其与齿轮传动83提供的适当配置的齿轮80啮合。在一 个可能的实施例中，齿轮80可以是直齿轮。齿轮传动83提供上升和下降移动，以支持套筒 60允许调整和定位侧壁加热器40A-40F之间的距离D，从而精细调节反应室20内部的温度 分布。外部支撑基底60优选为由炉或设备支架12支撑，并通过此处所述的外部旋转电机 齿轮传动装置83旋转。旋转加热器基底50可以由能够抵挡连接到其上的加热器线圈产生的温度的任何 适合的材料。在一些代表性的实施例中，加热器基底50可以优选为由不锈钢制成。外部支 撑基底60可以由能够抵挡半导体炉10内部产生的温度的任何适合的材料制成。在一些代 表性的实施例中，支撑基底60可以优选为由不锈钢制成。现在将提供运行半导体炉10和侧壁加热器40A-40F的一种示例性的方法。参考 图3-6，该方法的一种可能是包括将支撑多个晶片W的晶舟22插入到反应室20中(参见图 3)，和关闭底部密封盖26以密封反应室。继续参考图3-6，可以以任何适合的顺序进行后面的步骤。侧壁加热器40A-40F与 功率电线圈或元件51接通，产生热量并加热反应室20。齿轮传动装置73可以接通旋转侧 壁加热器40A-40F，更具体地，旋转加热器基底50与齿轮传动装置73的齿轮70啮合。优选 地，对于每个侧壁加热器40A-40F，可独立调整旋转速度和/或旋转方向。对于正在进行的给定的CVD工艺，根据反应室20中通过温度传感器或运行半导体炉10的过去的经验而监控的实际加工温度，该方法可以包括调整一些或全部的侧壁加热器40A-40F之间的垂直间距或距离D，以精细调节和优化反应室20内的温度分布。这可 以通过接通齿轮传动83，以及提升或降低一个或多个侧壁加热器40A-40F的外部支撑基底 60 (在其中支撑和固定旋转加热器基底50)来实现；支撑基底60与这些齿轮传动的齿轮80 啮合。优选地，因为不是在每种情况下都需要调整所有的侧壁加热器以优化反应室20中的 温度分布，因此设置半导体炉10和齿轮传动，使得每个相对于一个侧壁加热器40A-40F的 加热器基底50的垂直位置与其他的加热器基底50相比是可独立调整的。然后，可以通过 将适合的反应气体注入到反应室20中而对晶片W进行所需要的CVD工艺。在一些实施例 中，可通过本领域技术人员所公知的传统的舟驱动旋转晶舟22，以进一步增强晶片温度分 布和淀积在晶片上的材料薄膜的均勻性。有益地，上述的方法和侧壁加热器机构改进了反应室20内的温度分布控制，且提 高了淀积在每个晶片上薄膜的均勻性和在CVD工艺期间批处理的晶片与晶片之间的薄膜 的均勻性。在重复使用一段时间之后，每个加热器线圈或元件51的电阻位置之间会发生变 化，从而造成每个线圈的功率和热量输出不均勻，可能造成对反应室20加工环境的加热不 均勻。旋转加热器基底50用于改进反应室20中的温度均勻性，和要求淀积在晶片上均勻 薄膜的每个晶片上的温度均勻性。因为每个加热器线圈51可以表现不同水平的电阻变化， 所以本发明有益地提供了对于每个侧壁加热器40A-40F独立调整旋转速度和/或方向的能 力。参考图3，顶部加热器41可以为块形电阻线圈或元件，加热器形状可以基于温度 需求而变化。优选地，提供至少两个顶部加热器，更优选的提供至少三个顶部加热器，以均 勻化反应室20的顶部的CVD加工温度。底部加热器42可以是块形电阻线圈或元件，加热 器形状基于温度需求而变化。优选地，提供至少两个底部加热器42，更优选地至少三个底部 加热器，以均勻化反应室20的底部的CVD加工温度。在一些实施例中，顶部和底部加热器 不能旋转。每个顶部和底部加热器41、42中的热量输出优选为以类似于此处对侧壁加热器 40A-40F的描述的传统的方式独立可控的，以使得反应室20的顶部和底部加热器区的温度 被精细调节，以优化CVD工艺和晶片上的薄膜厚度的最小变化。晶片薄膜厚度淀积率与CVD加工温度和反应气体比率成正比。因此，最大可能限 度的精确控制反应室20内的加工温度是对于最小化由CVD淀积在单个晶片上和晶片与晶 片之间基底上的薄膜厚度的变化所需要的。优选地，需要均勻化薄膜厚度，这样每个晶片上 制造的所有管芯和批次中晶片与晶片之间的所有管芯处理相同的机械特性、电特性和可靠 性。如果薄膜厚度的变化太大，随后的半导体加工步骤会受到不良影响，如管芯通过一系列 进一步的材料淀积和移除步骤的逐层制造，以及最后的管芯集成度也会受到不良影响。另 夕卜，管芯失效率在后续的晶片级别和已知的好管芯检测中可能增加。典型的CVD加工温度可以根据淀积在晶片W上的材料的类型而在大约200-800摄 氏度之间变化。在CVD工艺期间，将反应气体通过气体进口接头30引入到反应室20中，循 环穿过反应室和多个晶片的叠层，通过气体出口接头31离开反应室，如图3所示。可能需要在进入反应室之前预加热一些气体。在一些实施例中，可以通过使用气 体进口管道上的带加热器而提供传统的气体预加热。带加热器的热量输入优选为可控的。 这些实践是本领域技术人员所公知的。
本发明的侧壁加热器的实施例不同于传统的加热器，传统的加热器一般位置固 定，不能相对于反应室旋转或调整垂直位置。因此本发明有益地提供了旋转和间距调整功 能，以获取更多的可以进行调整以将温度调节到所需要的加工分布的参数。
虽然以上的描述和附图描述了本发明的优选的或示例的实施例，但是可以理解的 是，在不偏离附加的权利要求的精神和等同范围的情况下，其中可以做出各种附加、改进和 替换。特别地，本领域技术人员将清楚，在不偏离其中的精神和实质特征的情况下，本发明 可以以其他形式、结构、排列、比例、尺寸，以及使用其他的元件、材料和组件而实施。另外， 在不偏离本发明的精神的情况下，可以做出此处所描述的可应用的方法/工艺和/或控制 逻辑的多种变化。本领域技术人员将进一步理解，本发明可以使用在不偏离本发明的原理 的情况下特别适于特定的环境和操作需求的结构、排列、比例、尺寸、材料和组件等等的很 多改进，用于本发明的实践。因此，目前所公开的实施例应当在示出和未限制的所有方面进 行考虑，本发明的范围通过附加的权利要求及其等同限定，不限于以上的描绘或实施例。当 然，附加的权利要求应当较宽的解释，包括本领域技术人员在不偏离本发明的范围和等同 范围的情况下做出的本发明的其他变体和实施例。
权利要求
一种半导体炉，包括垂直热反应室，其具有限定高度的侧壁和用于移动地保持批量晶片的内部腔；晶舟，其置于所述反应室中，并被配置以并适于保持垂直堆叠关系的多个晶片；以及加热系统，其包括沿所述反应室的高度间隔开的多个可旋转的侧壁加热器，所述侧壁加热器可相对于所述反应室围绕旋转轴旋转。
2.根据权利要求1所述的半导体炉，其中所述侧壁加热器限定了所述反应室中的多个 侧壁加热器区，所述多个侧壁加热器区沿所述反应室的高度垂直间隔开，每个加热器区的 温度通过对应的侧壁加热器控制，所述侧壁加热器区相对于所述反应室的垂直位置是可调 整的。
3.根据权利要求2所述的半导体炉，其中每个侧壁加热器具有与其他侧壁加热器相独 立的可调整的旋转速度。
4.根据权利要求1所述的半导体炉，其中每个侧壁加热器具有与其他侧壁加热器相独 立的可调整的热量输出。
5.根据权利要求1所述的半导体炉，还包括至少一个顶部加热器和至少一个底部加热
6.根据权利要求1所述的半导体炉，其中所述侧壁加热器之间的间距为用户可调的。
7.根据权利要求1所述的半导体炉，其中每个侧壁加热器包括安装在环形旋转加热器 基底中的电阻型元件，其中通过外部环形支撑基底旋转支撑所述旋转加热器基底，所述外 部环形支撑基底相对于所述反应室在垂直位置上是可调的。
8.根据权利要求1所述的半导体炉，其中每个侧壁加热器包括环形可旋转的加热器基 底，其具有设置在其上的齿圈，所述齿圈与互补配置的用于旋转所述加热器基底的齿轮传 动装置啮合。
9.一种半导体炉，包括垂直热反应室，其具有限定高度的侧壁和用于可移动地保持批量晶片的内部腔；晶舟，其可置于所述反应室中，被配置为并适于保持垂直堆叠关系的多个晶片；以及加热系统，其包括沿所述反应室的高度垂直间隔开的多个侧壁加热器，所述侧壁加热 器之间的间距是可调整的以优化所述反应室内的温度分布。
10.根据权利要求9所述的半导体炉，还包括，每个侧壁加热器具有置于所述加热器的 外表面上的斜齿轮，通过齿轮传动装置啮合所述轮齿，所述齿轮传动装置运行为所述侧壁 加热器提供上升和下降移动。
11.根据权利要求9所述的半导体炉，其中每个侧壁加热器包括圆柱旋转加热器基底，其同心地对准所述反应室，且具有安装在其上的电阻线圈；和圆柱支撑基底，其容纳在其中的旋转加热器基底，支撑用于相对于所述支撑基底和反 应室旋转移动的旋转加热器基底。
12.根据权利要求11所述的半导体炉，还包括第一齿轮传动装置，其运行以旋转所述 旋转加热器基底，其中所述旋转加热器基底包括设置在其上的齿圈，所述齿圈与所述第一 齿轮传动装置啮合。
13.根据权利要求12所述的半导体炉，还包括第二齿轮传动装置，可运行为所述支撑 基底提供上升和下降移动，其中所述圆柱支撑基底包括置于其外表面上的斜轮齿，其与所述第二齿轮传动装置啮合。
14.一种在半导体晶片上形成材料层的方法，包括提供半导体炉，所述半导体炉包括垂直热反应室，其具有限定高度的侧壁和用于可移 动地保持批量晶片的内部腔，所述半导体炉还包括加热系统，其包括多个沿所述反应室的 高度间隔开的可旋转的侧壁加热器；将保持多个垂直堆叠的晶片的晶舟插入到所述反应室中； 相对于所述反应室旋转至少一个所述侧壁加热器；以及 在每个晶片上形成材料薄膜。
15.根据权利要求14所述的方法，还包括相对于所述反应室提升或降低至少一个所述 侧壁加热器的步骤。
全文摘要
一种适于晶片的化学汽相淀积工艺的半导体炉。该炉包括热反应室，其具有顶部、底部、侧壁和用于可移动地保持批量垂直堆叠的晶片的内部腔。提供了加热系统，包括多个可旋转的加热器，其设置并运行以加热该室。在一个实施例中，侧壁加热器之间的间距是可调整的。加热系统控制该室内的温度变化，并改进均匀的晶片上的薄膜淀积厚度。
文档编号F27B17/00GK101846451SQ20101013340
公开日2010年9月29日 申请日期2010年3月10日 优先权日2009年3月24日
发明者吴欣贤, 张钧琳, 魏正泉 申请人:台湾积体电路制造股份有限公司