通过以水平旋转运动移动束的点加热的制作方法

通过以水平旋转运动移动束的点加热
1.背景
技术领域
2.本公开内容的实施方式总体涉及用于半导体处理的设备和方法，更特定言之，涉及热工艺腔室和在热工艺腔室中使用的点加热器。


背景技术：

3.半导体基板经处理以用于多种应用，包括集成器件和微型器件的制造。在处理期间，基板定位在工艺腔室内的基板支撑件上。基板支撑件由能围绕中心轴线旋转的支撑轴支撑。对加热源的精确控制允许在极严格的容差(tolerance)内加热基板。基板的温度可影响沉积在基板上的材料的均匀性。
4.尽管对加热基板进行精确控制，但已观察到在基板上的某些地点(location)处形成凹部(较低的沉积)。因此，需要用于改善加热均匀性的设备。


技术实现要素：

5.本公开内容的实施方式总体涉及用于半导体处理的设备和方法，更特定言之，涉及点加热源、包括点加热源的热工艺腔室和使用点加热源的方法。在一个或多个实施方式中，工艺腔室包含第一窗、第二窗、设置在第一窗与第二窗之间的基板支撑件，和设置在第一窗上方且经配置为经由第一窗提供辐射能量的机动可旋转辐射点加热源。
6.在一个或多个实施方式中，点加热源组件包含准直器保持器和设置在第一平面中的旋转台，其中准直器保持器以相对于第一平面的锐角安装至旋转台。
7.在一个或多个实施方式中，一种用于点加热的方法包含将基板设置在工艺腔室中的基板支撑件上，启动安装在旋转台上的点加热源以将辐射能量投射至基板，沿弓形(arcuate)路径移动点加热源以调整所投射的辐射能量在基板上的撞击点，和用所投射的辐射能量加热基板的期望区域。
附图说明
8.为了能够详细理解本公开内容的上述特征，可通过参考实施方式对以上简要概述的本公开内容进行更具体的描述，实施方式中的一些在附图中图示。然而，应当注意，附图仅图示示例性实施方式，且因此不应被认为是对实施方式的范围的限制，且可允许其他同样有效的实施方式。
9.图1a为根据一个或多个实施方式的工艺腔室的示意性横截面侧视图。
10.图1b为根据另一实施方式的工艺腔室的示意性横截面侧视图。
11.图2a为根据一个或多个实施方式的点加热源组件辐射路径的示意性透视侧视图。
12.图2b为根据一个或多个实施方式的图2a的点加热源组件的示意性俯视图。
13.图2c为根据一个或多个实施方式的反射器的示意性俯视图。
14.图3a为根据一个或多个实施方式的图2a的点加热源组件的示意性横截面图。
15.图3b为根据一个或多个实施方式的图2a的点加热源组件的示意性横截面图。
16.图3c为根据一个或多个实施方式的图2a的点加热组件的示意性横截面图。
17.图4为根据一个或多个实施方式的方法的流程图。
18.为了便于理解，在可能的情况下使用相同的参考数字来指定附图共有的相同元件。考虑一个实施方式的元件和特征可有益地并入至其他实施方式中，而无需进一步叙述。
具体实施方式
19.本公开内容的实施方式总体涉及用于半导体处理的设备和方法，更特定言之，涉及热工艺腔室和与热工艺腔室一起使用的点加热组件。热工艺腔室包括基板支撑件、设置在基板支撑件上方的第一复数个加热元件，和设置在第一复数个加热元件上方的一个或多个点加热源组件。一个或多个点加热源组件用于在处理期间向设置在基板支撑件上的基板上的较低温度地区(region)提供局部加热。基板的局部加热改善温度分布，进而改善沉积均匀性。
20.如本文所述，“基板”或“基板表面”通常是指在其上进行处理的任何基板表面。例如，取决于应用，基板表面可包括硅、氧化硅、掺杂的硅、硅锗、锗、砷化镓、玻璃、蓝宝石，和诸如金属、金属氮化物、金属合金和其他导电或半导电材料的任何其他材料。基板或基板表面也可包括介电材料，诸如二氧化硅、氮化硅、有机硅酸盐和碳掺杂氧化硅或氮化硅材料。基板本身不限于任何特定的尺寸或形状。尽管本文所述的实施方式通常参考200mm、300mm或450mm的圆形基板制定，但根据本文所述的实施方式，可利用其他形状，诸如多边形、正方形、矩形、弯曲的(curved)或其他非圆形工件。
21.图1a为根据一个实施方式的工艺腔室100a的示意性横截面侧视图。工艺腔室100a为用于进行诸如外延沉积工艺之类的热工艺的工艺腔室。工艺腔室100a包括腔室盖103、腔室主体148、罩盖134和用于加热的辐射加热灯阵列104a、104b，和设置在工艺腔室100a内的基座106。辐射加热灯阵列104a、104b设置在基座106的下方和上方，尽管可省略上部辐射加热灯阵列104a或下部辐射加热灯阵列104b中的一者。辐射加热灯阵列104a、104b提供在约10kw与约60kw之间的总灯功率。辐射加热灯阵列104a、104b将基板102加热至在约500摄氏度与约900摄氏度之间的温度；然而，也考虑其他温度范围。
22.辐射加热灯阵列104a、104b在诸区(zone)中被独立控制，以便在工艺气体经过基板102的各个地区上方时控制基板102的各个地区的温度，从而促进材料沉积到基板102的上表面上。虽然此处未详细讨论，但沉积的材料可包括硅、掺杂的硅、锗、掺杂的锗、硅锗、掺杂的硅锗、砷化镓、氮化镓或氮化铝镓等材料。
23.辐射加热灯阵列104a、104b包括辐射热源，在此处描绘为灯泡141。每个灯泡141耦合至配电板152，诸如印刷电路板(printed circuit board,pcb)之类，经由所述配电板向每个灯泡141供电。位于第二窗110之下的辐射加热灯阵列104a、104b定位于灯头145内，所述灯头可在处理期间或处理之后通过例如冷却流体进行冷却，所述冷却流体被引入到位于辐射加热灯阵列104a、104b之间的通道149中。
24.基座106为如图所示的盘状基板支撑件，但可以替代地包括环状基板支撑件，环状基板支撑件自基板102的边缘支撑基板102，将基板102的背侧暴露于来自辐射加热灯104的
热量。基座106由碳化硅或涂覆有碳化硅的石墨形成，以吸收来自辐射加热灯104的辐射能量且将辐射能量传导至基板102，以促进基板102的加热。
25.基座106在第一窗108与第二窗110之间位于工艺腔室100a内。第一窗108和第二窗110中的每一者成形为拱形结构(dome)。然而，预期第一窗108和第二窗110可具有其他形状，包括平面的。基环112设置在第一窗108与第二窗110之间。第一窗108和第二窗110中的每一个对于由辐射加热灯阵列104a、104b提供的辐射能量为光学透明的。第一窗108设置在腔室盖103与基座106之间。上部辐射加热灯阵列104a设置在第一窗108上方。反射器154有利于引导来自上部辐射加热灯阵列104a的热能。类似地，下部辐射热灯阵列设置在第二窗110下方。
26.基座106包括耦合至运动组件120的轴或杆(stem)118。运动组件120包括提供杆118和/或基座106的移动和/或调整和/或旋转的一个或多个致动器和/或调整装置。基座106可在约5rpm与约100rpm之间(例如在约10rpm与约50rpm之间)旋转。基座106在位于处理位置中时将工艺腔室100a划分成基座106上方的工艺气体地区136和基座106下方的净化气体地区138。在基环112中提供工艺气体入口114、净化气体入口164和气体出口116，以促进基板102在处理期间暴露于工艺气体。工艺气体源151将工艺气体提供到工艺气体入口114，且净化气体源162将净化气体提供到净化气体入口164。工艺气体和净化气体经由气体出口116流动至排放组件157。
27.圆形屏蔽件146围绕基座106设置且耦合至基环112和/或衬垫163，以防止或最小化来自辐射加热灯104的热量泄漏。此外，热屏蔽件175设置在反射器154上方以阻挡不想要的热传输。热屏蔽件175由金属材料制成，例如铝，且涂覆有金。基板温度可由经配置为测量基座106底部处的温度的传感器间接测量。传感器可为设置在形成于灯头145中的通口中的高温计。另外，一个或多个温度传感器153(诸如高温计之类)经引导以测量基板102的器件侧的温度。一个或多个温度传感器153穿过腔室盖103设置，且经配置为经由穿过热屏蔽件175形成的开口检测基板102。
28.工艺腔室100a进一步包括一个或多个点加热源组件170(示出了两个)。每个点加热源组件170为例如激光系统组件。激光系统组件的功率密度范围可自约1w/cm2至约1000w/cm2，例如约1w/cm2至约200w/cm2，例如约200w/cm2至约1000w/cm2。每个点加热源组件170耦合至腔室盖103的上表面且设置在腔室盖103的上表面上。每个点加热源组件170引导辐射能量132穿过反射器154的开口130(开口130可具有在开口130中的光学透明窗)，穿过第一窗108，且朝向基座106。来自每个点加热源组件170的辐射能量132被引导朝向基座106，以冲击在位于基座106上的基板102的一个或多个预定地点上。来自点加热源组件170的辐射能量132选择性地加热基板的预定地点，从而在处理期间产生更均匀的基板温度(且因此更均匀的沉积)。响应于温度传感器153的温度测量和来自控制器150的一个或多个指令，由每个点加热源组件170提供的热能被引导至基板102上的地点。
29.尽管在工艺腔室100a中示出两个点加热源组件170，但预期一个或多个点加热源组件170可安装在工艺腔室100a上，例如两个点加热源组件170，例如三个点加热源组件170，例如四个点加热源组件170。由于每个点加热源组件170的安装系统的体积有利地减小(尤其与轨道安装的点加热源组件相比)，可安装多个点加热源组件170。
30.上述工艺腔室100a由基于处理器的系统控制器控制，所述系统控制器诸如控制器
150之类。例如，控制器150经配置为控制工艺腔室100a内的压力、温度和流率。作为进一步的实例，控制器150经配置为操作点加热源组件170以促进基板102的改善的温度均匀性。控制器150包括可编程中央处理单元(cpu)156，所述中央处理单元能与耦合至工艺腔室100a的各种部件的存储器155、支持电路158和大容量储存装置、输入控制单元和显示单元(未示出)(诸如电源、时钟、高速缓存、输入/输出(i/o)电路和类似者)一起操作，以促进基板处理的控制。控制器150也包括用于经由工艺腔室100a中的传感器监测基板处理的硬件，传感器包括监测前驱物、工艺气体和净化气流的传感器。测量诸如基板温度、腔室环境压力(chamber atmosphere pressure)和类似者的系统参数的其他传感器也可向控制器150提供信息。
31.图1b图示根据一个或多个实施方式的工艺腔室100b的横截面图。工艺腔室100b类似于图1a中所示的工艺腔室100a，但利用不同的盖103b。盖103b耦合至夹环160。复数个辐射加热灯104b安装至贴近反射器154的盖103b。一个或多个温度传感器153耦合至盖103b且经定位以促进基板102的温度测量。一个或多个点加热源组件170(示出一个)也设置在腔室盖103b的上表面上且经定位成将辐射能量引导至基板102。
32.图2a图示点加热源组件170的透视图。点加热源组件170包括辐射点加热源201、旋转台202、旋转板205和冷却板203。辐射点加热源201设置在旋转板205上和在旋转板205上方，所述旋转板进而设置在旋转台202上和在旋转台202上方，所述旋转台进而设置在冷却板203上和在冷却板203上方。旋转台202设置在第一平面284中。旋转板205平行于第一平面284设置且能在旋转台202内或在旋转台202上旋转以使辐射点加热源201旋转。配置为耐受真空(例如，真空密闭)或升高的压力而无泄漏的轴承(诸如滚珠轴承和/或密封轴承)可定位在旋转台202与旋转板205之间，以促进在旋转台202与旋转板205之间的移动。在一个或多个实施方式中，辐射点加热源201以相对于第一平面284的锐角285安装。锐角285可在约75度至约85度的范围内。然而，也考虑其他范围，例如约60度至约90度。辐射点加热源201以锐角285将能量220传输穿过旋转板205、旋转台202和冷却板203。穿过容纳辐射能量的旋转板205、旋转台202和冷却板203形成的开口可具有以与锐角285匹配的角度形成的侧壁。辐射点加热源201为机动的(motorized)(例如，由马达或其他机械致动器驱动)、可旋转的且经配置为经由第一窗108提供辐射能量。
33.安装辐射点加热源201所成的锐角285允许辐射点加热源201以相对于102的平面的锐角向基板102提供能量220，这通常垂直于第一平面284。使旋转板205旋转以使辐射点加热源201旋转，使得由辐射点加热源201提供的能量220能够以基板102上的圆形或半圆形(例如，弧形或弓形)图案230加热基板102。虽然在图2a中示出完整的圆形图案230，但可预期半圆形图案。
34.图2b图示形成在基板102上的半圆形图案230。在一个实例中，图案230可为60与180度之间的弧，诸如约60与120度之间的弧。在图2b中，180度路径示出为实线。然而，若期望，则考虑至多360度的旋转或可能的旋转。在一个实施方式中，一个或多个旋转止动器(rotation stop)设置在旋转台202上，允许旋转板205在旋转台202上旋转如由一个或多个旋转止动器限定的设定量。一个或多个旋转止动器限制旋转板205的旋转以产生期望图案230。在一个实例中，止动器可为自旋转台202的上表面竖直延伸的两个柱。以悬臂方式自旋转板205延伸的延伸部分定位在柱之间且随着旋转板205旋转而在柱之间行进。当旋转板
205旋转时，旋转板的延伸部分接触柱，从而限制旋转板的旋转。预期柱可定位在预定位置处以允许旋转板的预定程度的旋转。
35.辐射点加热源201经配置为加热自基板102的中心至外边缘的任何点。图案230可例如自基板102的中心延伸至基板102的外周边。由于辐射点加热源201的成角度安装，能量220的地点相对于距基板102中心的距离的位置可由预编程的算法确定。在一些实例中，辐射点加热源201的位置在处理期间保持固定。在其他实例中，在施加辐射能量的同时在处理期间移动点加热源。在这样的实例中，随着基板旋转，辐射能量的冲击地点可跨基板表面来回扫掠。
36.旋转台202设置在冷却板203上，所述冷却板设置在腔室盖103上。在一个或多个实施方式中，冷却板203包含铝。在一个或多个实施方式中，旋转台202设置为与冷却板203直接接触，以促进旋转台202与冷却板203之间的热传送。旋转台202和冷却板203可由具有相对高的导热率的材料形成，诸如金属，例如铝或铝合金。冷却板203包含通道240，所述通道使冷却流体(例如水)流动通过冷却板203，以促进点加热源组件170的温度控制。在一个或多个实施方式中，通道240包含一个或多个铝管、不锈钢管和/或铜管。
37.旋转台202经配置为围绕竖直轴线207旋转。在一个或多个实施方式中，旋转台202耦合至致动器(诸如马达之类)，所述致动器经配置为使旋转板205围绕旋转台202旋转。马达可为任何适合的马达，例如针对准确度优化的光学级马达(optical grade motor)，诸如步进马达之类。旋转台202可包括复数个轴承，以促进旋转板205围绕竖直轴线207的旋转。
38.在一个或多个实施方式中，辐射点加热源201包括准直器保持器204。准直器保持器204以相对于第一平面284的锐角安装至旋转台202。辐射点加热源201还包括设置在准直器保持器204内的准直器206，所述准直器能操作以向基座106和/或位于基座106上的基板102的地区提供辐射点加热。准直器保持器204促进对准直器206的支撑。准直器保持器204可在准直器保持器204中容纳一个或多个透镜。同时，准直器206可自诸如激光器之类的光能量源接收光能量或促进对诸如激光器之类的光能量源的支撑。如图2a中所示，光能量源299(诸如激光器之类)与准直器206接合。在一个实例中，准直器保持器204和准直器206中的每一者包括由铝形成的外壳。
39.施加至辐射点加热源的功率可取决于使用情况而变化。例如，功率可小于100w，例如从约10w至约90w，例如从约20w至约80w，例如从约40w至约60w。取决于被加热的点相对于基板102的中心的位置，功率可在单次施加期间变化。在一个或多个实施方式中，功率可在施加或工艺期间保持固定。辐射源输出的波长可为任何适合的值，例如900nm至1000nm之间，例如约970nm。
40.图2c为根据一个或多个实施方式的反射器154的示意性俯视图。如上文所讨论的，反射器154包括一个或多个开口130，辐射能量132经由所述开口被引导至基座106。开口130具有弯曲形状以在点加热源组件170旋转时适应点加热源组件170的旋转。此外，热屏蔽件175(以虚线示出)设置在反射器154上方。热屏蔽件175另外包括形成在热屏蔽件175中的开口295。本文描绘的开口295为弯曲的长方形形状，使得来自点加热源组件170的辐射能量132(在图1a中示出)可以图2b中所示的半圆形图案230行进。开口130和开口295相对于彼此角度地(angularly)偏移(尽管可重叠)。当辐射能量132由于点加热源组件170的旋转和开口130与开口295的竖直偏移而以相对于竖直的角度定向时，开口130与开口295之间的角度
偏移允许辐射能量132横过开口130和开口295。
41.图3a图示图2a的点加热源组件170的示意性横截面图，其中准直器保持器204不具有安装在准直器保持器204中的透镜。点加热源组件170包括旋转台202、旋转板205、准直器保持器204和准直器206。图3b图示图2a的点加热源组件170的示意性横截面图，其中准直器保持器包括安装在准直器保持器中的一个透镜300。图3c图示图2a的点加热源组件170的示意性横截面图，其中准直器保持器包含安装在准直器保持器中的复数个透镜300。一个或多个透镜300由任何适合的材料形成，例如石英，且可涂覆有抗反射涂层。设置在准直器保持器204内的一个或多个透镜300允许变化的焦距，这使得由点加热源组件170提供的热量能够接触基板102上的各种点尺寸。预期透镜300可包括凹透镜、凸透镜、菲涅耳透镜(fresnel lens)或其他透镜设计。
42.图4示意性地图示用于处理基板的方法400的操作。在一些实施方式中，方法400可在外延沉积腔室中局部加热基板。
43.在操作410处，基板设置在工艺腔室的基板支撑件上。在一些实施方式中，工艺腔室可为外延沉积腔室，例如图1a中所示的工艺腔室100a、100b。然而，可预期其他工艺腔室。
44.在操作420处，安装在旋转台上的点加热源启动以将辐射能量投射至基板。启动可包括为诸如二极管激光源之类的激光源供电。启动可加热基板102的区域、部分或特定地区。启动可持续达任何时间长度，且在某些实施方式中可为恒定发射(firing)和/或脉冲发射。在脉冲发射中，激光源可具有小于50％(例如25％、例如5％、例如1％)的占空比。脉冲发射中脉冲之间的时间可在约10微秒(μs)至约10毫秒(ms)之间，例如在约0.5ms至约5ms之间。启动可加热基板的期望区域、部分或地区以减少基板上的冷点，以提供跨基板的更均匀的温度。进一步可预期，可利用其他类型的激光器或辐射能量源。在一个实施方式中，点加热源沿弓形路径移动以调整所投射的辐射能量在基板上的撞击点。
45.在操作430处，在启动安装在旋转台上的辐射点加热源之后，加热基板的期望区域。在一个或多个实施方式中，在加热基板的期望区域的同时使基板支撑件旋转。在一个或多个实施方式中，在加热基板的期望区域的同时使旋转台旋转。在一个或多个实施方式中，在加热基板的期望区域的同时使基板支撑件和旋转台旋转。也可预期，可在启动辐射点加热器之前使旋转台旋转，以将辐射能量引导至预定位置。
46.可以预期，虽然本文示出和描述用于外延沉积的工艺腔室，但本公开内容的主题也适用于能够提供受控热循环的其他工艺腔室，所述受控热循环加热基板以用于诸如例如热退火、热清洁、热化学气相沉积、热氧化和热氮化的工艺，无论是在工艺腔室的顶部、底部还是顶部与底部两者处提供加热元件。
47.本公开内容的益处包括减小基板上的温度不均匀性，从而产生在基板上具有更均匀材料沉积的基板。由于基板品质的提高，且从而减少了废料，也实现成本降低。其他优点包括基板的精确局部加热，以用于温度均匀性的超微调。本公开内容的进一步优点包括与传统方法相比减小的体积。减小的体积提高组件的整体寿命，这是因为系统部件的磨损更少。此外，所公开的点加热器减轻线性和竖直开槽安装机构存在的密封问题，从而促进维持高压环境。维持的压力进一步促进灯模块的冷却，从而延长工艺腔室及其部件的寿命和有效性。
48.总而言之，本文所述的实施方式提供一种外延沉积腔室，所述外延沉积腔室包括
用于在处理期间提供对基板的加热的点加热源组件。能量可集中以局部加热和调谐基板的特定位置。点加热源组件包含设置在旋转台上的准直器保持器，所述准直器保持器能操作以加热基板的部分而不允许光和空气逸出基板处理地区。此组件防止与基板处理地区外的不想要的光和空气流相关的危险，且提供具有最小体积和成本的持久组件。
49.虽然前述内容针对本公开内容的实施方式，但在不脱离本公开内容的基本范围的情况下可设计本公开内容的其他和进一步的实施方式，且本公开内容的范围由所附的权利要求书确定。