专利名称：Uv基片加热和光化学的设备的制作方法
背景技术：
1.发明领域本发明涉及一种用紫外线(UV)源对衬底(包括半导体衬底)作UV加热和光化学处理的装置以及一种利用所述装置对所述衬底进行处理的方法。发现可特别应用于集成电路制造中在约400℃或更低的温度下的蚀刻、清洗、或从半导体衬底的表面剥离大量薄膜和污垢物。
2.现有技术的描述在包括清洗、蚀刻或其它处理的半导体衬底处理中，使用紫外线(UV)活性气体是众所周知的。Hiatt等人的美国专利5,580,421描述一种用UV可激活调节气体来处理衬底的装置，在此引用作为参考。在1996年3月25日提出的未定申请第08/621,538号中揭示一种使用氟化气体从衬底上除去不需要的材料的方法，在此引用作为参考。在1997年3月17日提出的未定申请第08/818,890号中揭示一种使用UV/卤素去除金属的方法，在此引用作为参考。因为化学反应速率一般与温度有关，所以处理的效率有赖于进行处理时的温度。可以要求在较佳的控制状态下将衬底预热到环境温度之上的较佳处理温度以增强处理性能。还可以使用加热对吸附在衬底表面上的挥发性物质进行热解除吸附。
在化学处理的准备中或热解除挥发性物质的吸附的准备中有许多对衬底加热的方法。传统的加热方法，直接把衬底放置在加热元件上，不允许接近衬底的两侧。这可能会提出问题，特别在希望对衬底的两侧都进行处理时。这也不允许带有合理的通过量的多温度程序。
加热衬底的另一个方法是把经加热的气体施加到衬底上。然而，使用经加热的气体来加热衬底是低效率的。
加热衬底的再另一个方法是如同在快速热处理中那样把红外(IR)辐射施加到衬底上。然而，如果既要求加热又要求UV照射，则会引入可观的工程难题，并增加到如此装备的任何处理设备的费用上。这些难题包括控制杂散的箱温度、控制衬底温度和在后勤上结合IR灯泡、UV灯泡以及连同在装置中的其各自控制系统。
半导体衬底处理中的上述加热方法的缺点突出了需要一种花费不大的方法，这种方法可以在单个装置中对衬底均匀地加热到所要求的处理温度并提供UV照射。
发明概要本发明的目的是提供一种对含硅衬底进行加热和光处理的新颖装置，这种装置通过利用UV源的存在对含硅衬底进行光处理也对衬底加热而克服了与上述加热方法相关联的问题。本发明的装置包括容纳和保持衬底的反应箱、配置成直接辐射在衬底上的UV辐射源以及控制UV辐射源的控制系统。UV源能够提供至少两种不同时间平均功率电平的UV输出，一种加热电平对诱发衬底的加热有效，一种光化学电平对诱发所述光处理有效。任意地，本发明进一步包括把化合物释放到反应箱中的化合物释放系统。本发明还可以包括至少一个UV透射窗，可以通过该透射窗把UV辐射发射到箱中。
在本发明的一个实施例中，第一UV光源安装在反应箱的前侧上，而第二UV光源安装在所述反应箱的后侧上，通过同时在衬底的前后两侧的直接UV辐射可以使衬底在两侧上均匀地加热。在另一个实施例中，衬底的一侧经受加热电平的UV，而衬底的另一侧经受光化学电平的UV辐射。在再一个实施例中，对于加热和光化学两者使用单个UV源。
本发明的又一个特征是提供一种处理衬底的方法，所述方法经第一时间平均的功率电平(加热电平)的UV输出在一个或多个加热步骤中使衬底加热到环境温度以上的温度；并在第二时间平均电平(处理电平，它和第一加热电平不同)下存在UV辐射时把衬底暴露于光化学(UV)反应化合物而在一个或多个处理步骤中调节衬底。光化学反应化合物被广义地定义为包括由于诸如在衬底表面上的吸附之类的作用而变成感光的那些化合物。光化学反应化合物还被定义为包括已经吸附在衬底表面上，由于存在入射UV辐射会引起所述衬底光解除吸附的物质。
本发明的又一个特征是提供一种处理衬底的方法，所述方法在不存在光化学反应气体时在通过UV输出在一个或多个加热步骤中使衬底加热到环境温度以上的温度并通过把衬底暴露于光化学(UV)反应化合物而在一个或多个处理步骤中调节衬底。
本发明进一步涉及一种在半导体衬底上执行UV光化学处理的方法有关，所述方法包括至少一个加热步骤，在该步骤中把UV辐射提供到至少一部分衬底，从0.1累计到1.0微米波长的其总辐射功率密度0.3瓦/厘2或更大；和至少一个反应步骤，在该步骤中以不同于加热功率电平的功率电平提供UV辐射，UV辐射与至少一个光化学反应化合物相互作用，引起化学反应，实现衬底的处理，其中，在加热步骤中的功率密度超过在反应步骤中的功率密度。
本发明允许在处理衬底中增加灵活性，其中可以独立地把UV光处理和UV加热对着衬底的一侧或两侧。例如，如果只要求汽相激活的话，可以保护衬底前侧免于直接UV照射。此外，因为用UV加热系统而使与IR加热相关联的处理箱的杂散加热在很大程度上有所降低，所以在能够保持高通过量的同时，可以消除对复杂且昂贵的箱冷却系统的需求。
附图简述
图1示出在温度为25℃时在紫外线区中的Si的吸收光谱；图2示出本发明的一个实施例的示意图；图3示出在本发明的一个实施例中的箱的示意图。
发明详述在处理诸如半导体基片之类的衬底中，在处理之前或处理期间，经常需要把衬底加热到所要求的处理温度。本发明的装置提供UV辐射源既用于加热衬底又促进衬底处理所需要的光化学的双重用途。
本发明的又一个方面提供一种处理衬底的方法，所述方法通过以第一时间平均功率电平暴露于UV辐射在一个或多个步骤中将衬底的一侧或两侧加热到环境温度以上的温度；以及在第二时间平均的功率电平的UV辐射存在时，通过把衬底的一侧或两侧暴露于光化学(UV)反应化合物而在一个或多个处理步骤中调节衬底，所述第二时间平均功率电平比第一时间平均功率电平有所降低。光化学反应化合物包括由于诸如在衬底表面上的吸附之类的作用而变成感光的那些化合物，或已经在衬底表面上并由于照射UV辐射的存在而引起光解除吸附的物质。
可以用本发明的装置处理的衬底材料一般可以是能与所释放光子有效地耦合并吸收UV辐射源所释放的大量能量的任何类型材料。这些材料的例子包括含硅衬底、含砷化镓衬底、其它半导体衬底、或具有适当吸收横截面的其它材料的衬底。该定义还包括一些衬底，所述衬底对所释放的辐射是透明的，但是在其表面上沉积了适当的吸收薄膜或把适当的吸收薄膜嵌入其中。图1描绘在紫外线区中的硅的吸收光谱。强UV吸收指示硅和在本发明中描述的典型源所释放的光子之间的有效耦合。因此，含硅材料对于本发明的适合性是显而易见的。
本发明对于执行各种处理是有用的，这些处理诸如使用UV和卤代反应物的氧化蚀刻、UV激励的金属去除处理，或任何其它包含光化学和要求把衬底预加热到环境温度以上但是小于400℃左右的温度的处理。400℃以上的热激励因为有更多的自由载体存在而使基于IR的加热方法更有效，如同在快速热处理技术中所观察到的。
光化学反应化合物可以是已知用于衬底表面的蚀刻、清洗、大量剥离或调节的任何类型光化学反应气体，但是在较佳实施例中将包括诸如氮气、氩气或另一惰性气体之类的第一气体与一种或多种光化学反应气体的混合。光化学反应气体可以是一种复合物，它在气相中反应以形成诸如原子团之类的反应物质。这种光化学反应气体的例子包括(但是不限于)ClF3、F2、O2、N2O、H2、NF3、Cl2、其它卤代气体、或这些气体的混合物。光化学反应化合物还可以是任何化合物，不管是气体还是别的，只要能够与复合物反应或吸附在衬底表面上以形成光化学反应物质。再有的其它光化学反应化合物包括卤代金属(如CuCl2)和其它的如在以上所述1997年3月17日提出的未定申请第08/818,890号中所描述的。在这种情况中，光化学反应化合物是一种吸附复合物，在存在照射UV辐射时可以使它光解除吸附。
图2是系统的主要元件部分的示意图，所述系统构成我们装置的实施例。反应箱一般以10表示。UV辐射源包括安装在反应箱10外面的灯罩14。箱10的前面包括UV透射窗22，它允许UV光从灯罩14传送到箱内部到达衬底上。以26示出化合物释放系统，而以28示出控制UV辐射的控制系统。把真空泵30连接到箱10。在操作中，通过入口35把化合物释放到箱10，并通过出口36排出。
虽然只需要一个UV灯，但是在箱的前侧上的第一灯罩和在后侧上的第二灯罩的存在允许同时处理衬底的两侧。另一方面，可以按需要分别照射基片的任何一侧。在本实施例中，箱的后侧还包括一个UV透射窗。当使用两个UV灯罩时，最好把第二UV灯罩对于第一UV灯罩转过90度，以促进对衬底两侧的均匀加热。为了方便起见，我们把箱和衬底两者都表示为具有前侧和后侧。然而，衬底的前侧不必面对箱的前侧。
图3描绘在一个包含前侧和后侧两种光源的实施例中的箱和灯罩。现在箱10有两个透射窗22，前侧和后侧各一个。两个灯罩14，一个在前侧，一个在后侧，允许照射基片的两侧。底下的灯罩相对于前侧灯罩旋转90度。
在另一个实施例中，可以把灯安装在箱内。在本实施例中，就不需要UV透射窗。
合适的UV灯是9英寸(7毫米内径)线性、充氙气的石英闪光灯(由Xenon公司制造)。在我们的较佳实施例中，在一个灯罩中放置两个这样的灯。在该实施例中，给灯罩提供1500瓦以对灯加电。还可以使用诸如水银灯之类的其它辐射源，只要光源在0.1到1.0微米波长范围产生足够的功率，而且输出光子与感兴趣的特定化合物系起反应。可以使用功率更大或功率较小的UV源。当然，灯的功率确定对衬底的加热可以进行得多少快。用两个1500瓦的灯罩，一个在前侧和一个在后侧，约在30秒中，150mm的硅基片的温度从室温便上升到200℃。
闪光灯电源包括一个能够把高达1500瓦的输入功率以固定输入脉冲释放到灯罩的电源。任意地，电源还可以包括脉冲形成网络，把所述脉冲形成网络设计成在所要求的光化学最佳的区域中有最大功率输出。
虽然灯罩可以简单地是一个用于安装UV源的装置，灯罩还可以包括一个或多个圆柱抛物面或椭圆面反射器。
本发明的装置以两种模式操作，即加热模式和光化学模式。在加热模式中，UV源在比光化学模式中要高的功率电平操作，或通过例如使用惰性气体或在真空中释放UV而使气态环境成为非光敏的。在光化学模式中，使功率输出降低到足够进行所要求的光化学的电平，或引入光化学反应化合物。
UV控制器可以是任何电路，当把这种电路连接到UV源时，可以允许UV源以UV加热电平释放时间平均的功率的所要求量和以光化学反应电平释放时间平均的功率的所要求量。一种控制时间平均的功率的方法是通过使用可变电源。Xenon公司的两种Xenon 740是这种电源的一个例子，这种电源允许对光源释放的每秒脉冲个数进行控制。另一方面，操作者可以人工地控制UV。
本发明可以在加热步骤期间在没有任何温度反馈的开环中运行。如果UV源是闪光灯，则低的热质允许脉冲能量定标，从而允许在开环系统中对衬底进行可重复的温度控制。另一方面，可以提供连同可编程控制系统的温度控制系统来修改UV源的输出，以致得到和任选地保持所要求的衬底温度。可以通过与反馈回路和阻热器相关联的反馈机构来控制箱温度，以致在初始UV加热步骤后使箱保持在所要求的温度。
适合于本发明的温度控制系统可以包括温度传感器和反馈温度控制器以调节UV辐射源的输出。UV辐射源的输出的特征通过脉冲串来表示，脉冲串的特征通过UV辐射的每秒的脉冲个数和每个脉冲的能量来表示。温度反馈控制器调节每秒脉冲个数和/或每个脉冲的能量。来自Thermionic的RDS 1000型温度传感器是可以大批量得到的非接触光传感器，在本发明中可以使用这种传感器，不过也可以使用其它传感器。
化合物供给系统可以包括一个或多个化合物源，与管道系统进行流体交流，再与反应箱进行交流。可以这样配置化合物供给系统，以致允许混合一种或多种气体以及允许通过本技术领域中众知的任何方法提供在气相中的化合物。
真空泵可以使箱抽真空到低于10mTorr(毫乇)。如果要求更低的气压，则可以使用较高的真空泵。
由于消除杂散加热的一个结果，本发明允许在设计和构造上具有更大的简单性一因为UV光子不是有效地耦合到箱中，所以可以不需要箱的液体冷却。此外，本发明进一步允许在半导体衬底处理中有较大的灵活性和控制性。在适当配置下的装置允许从后侧、前侧、或两侧对衬底进行加热。在必须对衬底加热而不能把前侧暴露在高能量UV光子下时，从后侧对衬底加热有特别的优点。在衬底的前侧包括不能与UV光子有效地耦合的大量材料时，这也是有利的，所述材料诸如(但是不限于)铝或铜之类。另一方面，同时对两侧进行加热允许使温度上升得比单独从后侧加热时更快。相似地，所述装置允许从前侧、后侧或两侧对衬底进行光处理。
本发明进一步涉及一种用于在半导体衬底上执行UV光化学处理的方法，所述方法包括至少一个加热步骤，在该步骤中，把在第一时间平均的功率电平-加热电平的UV辐射提供到衬底使衬底加热；以及至少一个反应步骤，在该步骤中，提供第二时间平均的功率电平-反应电平的UV辐射，加热电平超过反应电平。在反应步骤期间，UV辐射与至少一个光化学反应化合物相互作用，引起化学反应而实现衬底的处理。加热步骤可以在光化学反应化合物存在时或不存在时发生。光化学反应化合物可以存在于衬底表面和/或在衬底所放置的气态环境中。可以通过化合物释放系统直接把光化学反应化合物提供给反应箱，或间接地作为化合物在气态环境中与衬底表面反应以形成光化学反应化合物的反应结果。可以在气相中通过只对后侧进行光化学处理而不把衬底前侧暴露于UV光子而产生光化学反应化合物。
在本发明的一个实施例中，同时在衬底的两侧对衬底进行加热，接着，在衬底的一侧或两侧进行光处理。这允许最大加热。在另一个只包括一个灯的实施例中，只对衬底的一侧-后侧加热，以避免在加热步骤期间在前侧上促进任何光化学，接着，进行后侧光处理，以致在反应箱中产生原子团，然后在前侧上起反应而不从衬底的前侧对任何物质进行解除吸附。在另一个包括两个灯的实施例中，在后侧加热之后，使衬底的前侧经过直接UV光处理。在再一个实施例中，在加热步骤之前进行光处理步骤。在再一个实施例中，可以应用多个加热和光处理步骤。在另一个实施例中，通过把加热处理电平的UV引入衬底的一侧，而同时把光处理电平的UV引入衬底的其它侧而使加热和光处理同时发生。
在再一个实施例中，本发明涉及在半导体衬底上执行UV光化学处理的方法，所述衬底具有前侧和后侧，所述方法包括至少一个加热步骤，在该步骤中，把波长从0.1到1.0微米的总积分功率密度至少为0.3瓦/厘米2或更高的UV辐射提供到至少一部分衬底；以及至少一个反应步骤，在该步骤中，UV辐射与至少一种光化学反应化合物相互作用，引起化学反应而实现衬底的处理，其中，在加热步骤中的功率密度超过在反应步骤中的功率密度。任意地，光化学反应化合物可以存在于加热步骤期间。
在上述任何一个实施例中，在光化学步骤期间，可以操作UV源使之处于这样的电平，以维持或增加衬底的温度。
下述例子说明双侧UV系统的充分灵活性例1在ORION干式气相基片处理设备中，使带有要抛弃SiO2层的硅基片经受UV加热和处理。所述设备由FSI国际公司(Chaska，明尼苏达)提供，并根据上面揭示的较佳实施例进行配置。
两个灯罩，备有两个9"充氙气的闪光灯泡(Xenon公司制造)和两个抛物面反射器，各由一个可变电源供电。使用这两个电源系统使总电输入能量维持在400焦耳每个脉冲，调节每秒的脉冲个数(pps)使时间平均的功率从0到3000瓦变化。在本实施例中，3000瓦电输入功率相应于衬底上约1.5瓦/cm2的光功率(在100到1000nm之间)。把一个灯罩放置在处理箱的前面，把另一个灯罩放置在处理箱的后面。
在把基片放入箱中之后，使用第一加热步骤使基片从室温(约23℃)升到60℃的处理温度，在该段时间期间，把氮气充入箱中到5torr(乇)。使两个灯罩工作于各自的最大闪光率下，即每秒7个脉冲，以使温度上升速率最大。在这些条件下，基片在5秒内达到60℃的温度。注意，在开环模式中进行加热，温度的增加与在一个独立步骤中进行定标的每个UV闪光相关联。
然后关掉后侧灯罩，而前侧脉冲速率降低到每秒2个脉冲。然后对基片进行5秒、5torr(乇)的UC/Cl2光化学过程的处理，除去任何碳氢化合物，并使基片的表面成为较好的规定状态。
接着关掉前侧灯罩，使得基片温度被箱所调整，箱本身处于反馈控制之下并维持在60℃上。这时，利用40秒、75乇汽相、基于HF处理将SiO2蚀刻掉，使硅表面留在氢终止状态中。
当完成HF蚀刻之后，再以每秒7个脉冲接通后侧灯罩，并使箱打开到真空。使灯罩保持接通30秒，在这段时间期间，基片温度达到约150℃。使用这个只有后侧步骤使在60℃下不足以挥发以解除吸附(在氧蚀刻期间)的任何含氧物质进行热解除吸附，而没有在基片前侧上所需氢最终产物的任何光解除吸附。
例2a在第二个例子中，以例1中描述的相同方式来处理带有要抛弃的SiO2层的硅基片，直到最后步骤。在完成HF氧蚀刻之后，使两个灯罩以最大功率(每秒7个脉冲)接通25秒，以使基片温度上升到约200℃。
然后把Cl2充入箱中到5torr(乇)，并关掉后侧灯。保持该状态30秒，以除去不需要的金属杂质。
例2b在例2a的变型中，所有条件保持相同而重复例2a，不同的是在温度上升步骤期间(在该期间使基片加热到200℃)而不是在接着的光化学期间把Cl2充入箱中到5torr(乇)，以允许在加热步骤期间发生某些光化学。
权利要求
1.一种用于在具有前侧和后侧的衬底上执行UV加热和光处理步骤的装置，所述装置包括用于容纳和保持衬底的反应箱，该反应箱包括前侧和后侧；被配置成直接辐射在衬底处的UV辐射源，这里所述辐射源将波长从0.1到1.0微米的至少为0.3瓦/厘米2的总辐射功率释放到所述衬底的至少一部分上；以及控制系统，用于控制UV辐射源以提供至少两种不同时间平均的能量电平的UV输出，一个加热电平对诱发衬底的加热有效以及一个光化学电平对诱发所述光处理有效。
2.如权利要求1所述的装置，进一步包括把化合物释放到反应箱的化合物释放系统。
3.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述UV辐射源包括安装在所述反应箱的前侧上的至少一个前侧UV灯罩或安装在所述反应箱的后侧上的至少一个后侧UV灯罩。
4.如权利要求1所述的装置，其特征在于，UV辐射源包括安装在所述反应箱的前侧上的至少一个前侧UV灯罩和安装在所述反应箱的后侧上的至少一个后侧UV灯罩。
5.如权利要求4所述的装置，其特征在于，所述前侧和后侧UV灯罩安装在所述箱的外面，并且所述箱进一步包括UV透射窗，所述UV辐射通过所述透射窗透射到所述箱中。
6.如权利要求4所述的装置，其特征在于，所述至少一个前侧UV灯罩包括至少一个线性氙气闪光灯泡，所述至少一个后侧UV灯罩包括至少一个线性氙气闪光灯泡。
7.如权利要求4所述的装置，其特征在于，所述至少一个前侧和后侧灯罩各包括至少一个圆柱抛物面或椭圆面反射器。
8.如权利要求4所述的装置，其特征在于，所述至少一个后侧UV灯罩对于所述至少一个前侧UV灯罩转动90度。
9.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述UV辐射源的输出的特征通过脉冲串来表示，所述脉冲串的特征通过UV辐射的每秒脉冲个数和每个脉冲的能量来表示。
10.如权利要求9所述的装置，其特征在于，通过调节脉冲串中的每秒脉冲个数和/或每个脉冲的能量，控制装置产生所述至少两个时间平均的功率电平。
11.一种用于在具有前侧和后侧的半导体衬底上执行UV光化学处理的方法，所述方法包括下列步骤至少一个加热步骤，在该步骤中，把加热功率的UV辐射提供到衬底以使衬底加热；以及至少一个反应步骤，在该步骤中，提供反应功率的UV辐射，所述UV辐射与至少一个光化学反应化合物相互作用，引起化学反应而实现对衬底处理。
12.如权利要求11所述的方法，其特征在于，在至少一个加热步骤期间，所述UV辐射源对衬底的至少一部分表面释放波长从0.1到1.0微米的至少为0.3瓦/厘米2的总辐射功率密度，并且在至少一个加热步骤期间释放到衬底的功率超过在至少一个反应步骤中释放到衬底的功率。
13.如权利要求11所述的方法，其特征在于，衬底表面上存在至少一种光化学反应化合物。
14.如权利要求11所述的方法，其特征在于，所述至少一种光化学反应化合物存在于气态环境中。
15.如权利要求14所述的方法，其特征在于，至少一种光化学反应化合物是卤代气体。
16.如权利要求11所述的方法，其特征在于，通过按所要求的速率产生UV辐射脉冲而控制对衬底的加热。
17.如权利要求11所述的方法，其特征在于，在光化学步骤期间，UV辐射源可以在如此的功率电平操作，即维持或增加衬底的温度。
18.如权利要求11所述的方法，其特征在于，把UV辐射提供到衬底的前侧和后侧。
19.如权利要求11所述的方法，其特征在于，把UV辐射只提供到衬底的一侧。
20.如权利要求11所述的方法，其特征在于，在所述至少一个加热步骤期间至少一个光化学反应化合物存在于气态环境中或在衬底的表面上。
全文摘要
本发明的装置提供UV源既加热衬底和促进衬底处理所必需的光化学的两种用途。本发明还提供一种处理衬底的方法,通过第一功率电平的UV辐射使衬底加热到环境温度以上的温度,并在出现第二功率电平的UV辐射时,通过把衬底暴露在光化学(UV)反应化合物或能够与衬底表面上复合物起作用的反应化合物中而形成光化学反应复合物。
文档编号H01L21/3065GK1337062SQ98814315
公开日2002年2月20日 申请日期1998年11月16日 优先权日1998年11月16日
发明者R·T·费菲尔德, B·施瓦布 申请人:Fsi国际股份有限公司