TW200836578A - Quartz encapsulated heater and heater assembly thereof - Google Patents

Description

200836578 九、發明說明 【發明所屬之技術領域】 本發明大體上係有關於一種使用在半導體處理室中之 加熱器及加熱器組件。 【先前技術】 半導體積體電路（1C)係透過一系列的處理，譬如在一 基材（如一矽晶圓）的表面上的薄膜處理，圖案形成，微影 成像’蝕刻與摻雜，等來製造的。這些1C可藉由在處理 與處理之間間歇性地加入清潔處理加以連續地製造。例如 ，在薄膜處理中，該沉積處理裝置形成一金屬與絕緣體薄 膜於該晶圓表面上。首先，該處理裝置被完全被排空且一 加熱機構被安裝在該處理裝置內用以將該矽晶圓加熱至一 預定的溫度。接下來，必要的反應物氣體被引入到此裝置 的反應室內。這些氣體聚集在該晶圓的周圍且由於這些氣 體的化學反應讓一薄膜被形成在該晶圓上。該處理在所想 要的薄膜厚度被形成在該晶圓表面上之後即被完成，然後 它從該裝置中被移出。在此處理中，出現在該裝置中之該 基座（晶圓支撐桌台）在真空的搖件下從約450 °C被加熱至 650°C，且化學反應是在此高溫下被觸發啓動的。 在此處理中，該基座的表面，或該加熱器的表面或供 應電力至該加熱器的線路區已是在高溫下且當它們與反應 氣體直接接觸時，會引起化學反應並產生一些雜質，這些 雜質然後散布在該裝置的反應室內部，最終將造成該半導 -5- 200836578 體晶圓的污染。 克服上述問題的一個方法包含嵌埋具有加熱器電極的 陶瓷（如，氮化鋁（A1N))及線路。這些陶瓷物質對於任何腐 鈾性媒介物或物質具有很高的抵抗性。但陶瓷（譬如， A1N)本質上很脆且經常性地對其加熱及冷卻會造成龜裂。 而且，這些陶瓷的純度無法很完美，因爲它們很典型地在 被燒結時需要使用到結合劑。又，在較高的操作溫度下， 陶瓷材質的電阻會大幅地下降，這將會造成加熱器的絕緣 性變差的結果。 解決此問題的另一個方法是用一高純度石英外殼將加 熱器，基座，線路等等包封起來。這些構件被密封在一氣 密的石英外殼內且用鈍氣加以沖洗。這可減少這些構件被 腐触性氣體（反應物或清潔氣體）腐蝕，因爲石英材質本質 上是反應性極低的。直到最近，用高純度的石英材質製成 且被廣泛使用在矽晶圓薄膜處理中之基座物質主要都是被 限制在450°C至600°C的操作溫度範圍內。然而，最近爲 了透過大型積體電路（LSI)來改善1C的效率所所達到的發 展，讓薄膜沉積處理中之標的晶圓溫度的要求提高至8 〇 0 °C至90 0 °C的範圍。而且，在涉及到更高的溫度的處理中 ，加熱器的操作溫度比目標晶圓的溫度至少高200 °C以上 。這是因爲先前技藝的石英物質係位在該加熱器與該晶圓 表面之間的關係。而且，在高溫應用中，先前技藝的石英 物質本身的溫度就超過10 0(TC。已知的是，石英是一非晶 形玻璃化結構，它的黏滯性隨著溫度升高而降低且其具有 -6- 200836578 一約1 3 50°C的軟化點溫度。 換言之，先前技藝的石英物質的溫度超過1 00 0。(：的程 度愈多該先前技藝的石英物質塑性變形。此外，當該先前 技藝的石英物質被冷卻到1 0 0 0 °C以下時，會存留很強的熱 應變，而這會會在該物質內部產生非常高的內部應力。這 些內部應力會降低該物質的整體強度。在大多數的應用中 ，該裝置的範應室被保持在真空條件下，而容納該加熱器 與其它構件的該石英外殼則充滿一鈍氣。介於由該先前技 藝的石英物質所製成的外殻的內部與外部之間的壓力差通 常是約在一大氣壓。此壓力差足以讓該石英外殼破裂，因 爲在該石英物質內部有內應力產生的關係所以現在的石英 本已將無法承受該設計強度。這一定會導致該石英基座的 機械性變形，造成該晶圓與該基座之間不良的表面接觸， 使得經由熱傳倒進行的晶圓加熱就會變得不足。因此，爲 了要達到相同的晶圓溫度，該加熱器將必需要在一更高的 溫度下操作。 此技藝中所需要的是，一種具有一基座或晶圓支撐桌 台的加熱器組件，當該基座或晶圓支撐桌台被放置在該加 熱器與該晶圓之間時，即使是在高操作溫度下亦不會具有 與可靠性，機械性變形及損傷相關的問題且將可有效率地 將該半導體晶圓加熱至所想要的目標溫度且不會產生任何 污染物。 【發明內容】 200836578 依據本發明的一個實施例，一加熱器組件被提供，其 包含一加熱元件用來將一晶圓加熱到至少700 °C，至少一 端子與電線用來提供電力至該加熱器，一位在該加熱器底 下之隔熱板，至少一供電線用的饋通孔及至少一熱電耦連 接，及一石英外殻用來包封該等構件，該石英外殼具有一 設置在該加熱元件與該晶圓之間的上板，其中該上板包含 一不透光且對於波長比3 .5微米短的紅外線發射具有大於 50%的熱透射性的材質。 【實施方式】 在本文中，近似性用語可被用來修改任何數量上的表 示，它可變動但不會造成基本功能上的改變。因此，在某 些例子中，一個經過”約”及”大致上”等詞修改過的數値並 不侷限於該被特定的數値。 而且，在本文中’ ”加熱設備”可與用來表不一種包含 至少一加熱及/或冷卻元件用以藉由加熱或冷卻一基材來 調節被支撐於其上的該基材的溫度之，，處理設備”，，，加熱 器”，，，靜電夾頭”，”夾頭”或”處理設備，，等詞互換使用。 在本文中，”基材”係指被本發明的處理設備支撐/加熱 之半導體晶圓或玻璃模子。在本文中，，，片（sheet)”一詞可 以與”層（1 a y e r ) ”互換使用。 在本文中，”電路”一詞可以與”電極”互用，及”加熱 元件”一詞可以與”加熱電極”，”電極”，，，電阻器，，，”加熱 電阻器”，或”加熱器”等詞互換使用。”電路”一詞可以單 -8- 200836578 數或複數形式被使用，代表有至少一單元存在。 本發明係有關於一種加熱器組件其具有一用於晶圓基 座之新的石英材質，即霧化玻璃石英，該晶圓基座被放置 在該加熱器與該晶圓之間使得在從該加熱器發射出的輻射 能量的特定波長下，不論是以散射透射或導向透射的模式 ，此石英材質對於來自紅外線區（IR)之熱輻射都是”可熱透 射的（thermally transmissive)”。依據本發明的一實施例， 該霧化玻璃石英對於波長比3.5微米短的紅外線發射有至 少50%的熱透射性。依據本發明的另一實施例，該霧化玻 璃石英對於波長比3.5微米短的紅外線發射有至少80%的 熱透射性。依據本發明的再一實施例，該霧化玻璃石英對 於波長比3.5微米短的紅外線發射有至少90%的熱透射性 〇 霧化的清澈石英在本文中被界定爲一具有粗糙化的表 面之石英材質，該表面粗糙化的程度可以使得它可散射至 少20%，較佳地爲50%，的可見光。因此，該霧化的清澈 石英是不透光的。該霧化的清澈石英可藉由將清澈石英加 以噴砂來製備。 在一態樣中，本發明係有關於一種用在溫度高於700 °C之內含石英的加熱器，當來自該加熱器的紅外線（IR)發 射光譜的波峰開始朝向較短波長移動時，大部分的IR發 射開始完全地透射穿過用霧化的清澈（Clear)石英材質製成 的基座。這是因爲該霧化的清澈石英基座對於波長小於 3.5微米之紅外線發射是可”熱穿透”的，所以絕大部分的 -9- 200836578 發射都可穿過該霧化的清澈石英而直接到達該矽晶圓。因 此，透過該霧化的清澈石英基座來加熱該晶圓等同於沒有 該上板（基座）直接加熱該晶圚，例如，透過該霧化的清澈 石英基座來加熱該晶圓與沒有該上板直接加熱該晶圓兩者 之間只有約1 0 °c的差異。 此外，在本文中，該霧化的清澈石英某個程度上係作 爲一 ”抗反射塗層/表面”，其可降低該IR光線被反射回該 加熱器的量。就此而言，該霧化的清澈石英與清澈的石英 及其它種類的石英材質比較起來可提供更佳的加熱效果。 本發明有關於一種加熱器組件其具有一用於晶圓基座 之霧化的清澈石英材質，該晶圓基座是被放置在該加熱器 與該晶圓之間，使得該霧化的清澈石英材質在該加熱器發 射出的輻射能量的特定波長下，對於來自該紅外線區域的 熱輻射是”可熱穿透的”。所想要的晶圓溫度現在可在與加 熱器的溫度幾乎相同的溫度下被達成，就如同用加熱器直 接加熱一樣。此外，該霧化的清澈石英上板的存在可防止 加熱器的污染物且不犧牲輻射加熱效率。而且，該霧化的 清澈石英材質具有傳統的清澈石英材質更佳的公差與機械 性強度。 圖la與lb顯示被加熱的物件的黑體光譜與該霧化的 清澈石英在500°K與1 500°K的透射性之間的關係。此一 對於熱輻射有如此透射性之石英材質通常被稱爲”可熱透 射的”石英。從圖中吾人可得知，溫度愈高，黑體輻射能 量的光譜會朝向短波長區域移動。在50〇°Κ時，此”可熱 -10- 200836578 透射的”石英並沒有讓大多數的熱輻射透射穿過，因而被 加熱。然而，在更高的溫度下，譬如1 5 0 0。K，絕大部分 的熱輻射都被透射穿過該”可熱透射的，，石英。高晶圓溫 度’即，晶圓溫度高於700它，現可在與加熱器的溫度幾 乎相同的溫度下被達成，就如同用加熱器直接加熱一樣。 很重要地’該霧化的清澈石英上板的存在可防止加熱器的 污染物且不犧牲輻射加熱效率。因此，從該加熱器的到該 砂晶圓之改進的輻射能量效率可在用來支撐該晶圓之該上 石英板或基座是用對於波長比3 · 5微米短的紅外線發射有 至少50%，較佳地大於90%，的熱透射性的材質製成時被 獲得。 依據本發明的一實施例，該加熱器組件是用一用本發 明的霧化的清澈石英材質製成之上板石英或基座包封起來 。而’該石英外殼的下部是用清澈的石英製成，譬如對可 見光具有大於80%的透光性之石英材質，且整個外殼用習 知的技術加以氣密地製成。 在本發明的一如圖2所示的特定實施例中，該加熱器 組件包含一加熱器8，輻射擋板9，加熱器電源供應1 1及 1 2與熱電耦1 3，所有這些構件都用一由霧化的清澈石英 材質製成的上板或基座6加包封起來。該石英外殼10的 下部是用清澈的石英製成且整個外殼用習知的技術，譬如 接合（bonding)，加以氣密地製成。 用個種石英板（即，實例〗及對照例2與3)製成的加 熱器組件的例被製備用以評估它們的輻射加熱效率。該加 200836578 熱器組5件是由三個主要構件組成：輻射熱源（加熱分解之 氮化硼（PBN)陶瓷加熱器），接受器（倒置的石墨蓋），及一 置於該熱源與該接受器之間的石英板。 在實例1中被置於該輻射加熱器與該石墨接受器之間 的是霧化的清澈石英在對照例2中的石英板爲清澈的石英 ，及在對照例3中該石英板爲高密度不透光（HDO)石英， 即，對可見光的透射性低於50%的石英材質。該加熱器組 件亦包括4個溫度測量熱電耦。這些熱電耦被埋設在特定 的位置，使得它們可測量：該輻射加熱器，該石英板，該 倒置的石墨蓋中心，邊緣與側壁，的溫度。該加熱器組件 以及各構件與熱電耦位置的描述被示於圖3中。 表1顯示實例1與對照例2與對照例3的資料。對於 一固定的加熱器溫對而言，當置於該輻射加熱器與該石墨 接受器之間的石英板是用霧化的清澈石英製成的時，在該 倒置的石墨蓋的中心的溫度是最高的。如在表1中所列之 資料所代表的，輻射加熱效率（從最高到最低）係如下所歹[J : 霧化的清澈石英、清澈的石英、HDO石英。 圖4是實例1(霧化的清澈石英）、對照例2(清澈的石 英）及對照例3 (高密度不透光（H D Ο)石英）的輻射加熱效率 的圖形表示。根據圖4所示的資料，爲了達到一固定的晶 圓溫度，當該上板是用霧化的清澈石英或清澈的石英製成 時，其所需要的加熱器溫度比上板是HDO石英製造的加 熱器溫度低。此外，該霧化的清澈石英的較佳公差與機械 性強度讓它更適合用作爲石英外殼的材料。 -12- 200836578 表1列出實例1與對照例2與3的實驗資料。表中溫 度的單位是攝氏度數（TC)。 實例1 對照例2 對照例3 (實例1)(對照例2)(對照例3) 加熱器TC 霧化石英TC 透明石英TC HDO石英TC 石墨著 TC (霧化） 石墨蓋 TC (透明） 石墨蓋 TC (HDO) 400.0 340.8 335.8 343.4 204.5 191.3 192.1 600.0 530.0 525.8 52S.7 371.4 351.4 339.6 800.0 715.9 712.5 707.0 536.6 521.0 492.9 1000.0 912.0 905.9 889.7 701.1 692.7 643.7 1200.0 1112.9 1088.2 1091.2 835.3 825.4 791.7

此書寫式描述使用例子來揭露本發明，包括最佳模式 ，以及讓任何熟習此技藝者能夠製造並使用本發明。本發 明之可專利的範圍是由下面的申請專利範圍來界定，且可 包括熟習此技藝者可想到的其它例子在內。這些其它的例 子如果它們具有的結構件沒有不同於申請專利範圍文意的 界定，或如果它們包括非實質上不同於申請專利範圍文意 的界定的頂效結構件的話，則它們都是在本案申請專利範 圍的範圍內。本文中所有援引的文獻都藉由參照而被包含 爲本文的一部分。 【圖式簡單說明】 圖1 a-1 b顯示用於黑體熱輻射之霧化的清澈石英材質 在500°K與1 500°K下”透熱性”的透射度。 -13- 200836578 圖2顯示一內含石英的加熱器組件，其中該基座是用 霧化的清澈石英材質製成的。 圖3顯示用來評估各種石英材質的輻射加熱效率的加 熱器組件。 圖4爲一圖表其顯示實例1，即霧化的清澈石英，的 輻射加熱效率；實例2，即清澈的石英，的輻射加熱效率 ;及實例3，即高密度不透光（HDO)石英，的輻射加熱效 率。 【主要元件符號說明】 8 :加熱器 9 :輻射擋板 I 〇 :石英外殼 II :加熱器電源供應 12 :加熱器電源供應 13 :熱電耦 6 :基座 -14-

Claims (1)

1. 200836578 十、申請專利範園 1. 一種加熱器組件，其包含一加熱元件用來將一晶圓 加熱到至少700 °C，至少一端子與電線用來提供電力至該 加熱器，一位在該加熱器底下之隔熱板，至少一供電線用 的饋通孔及至少一熱電耦連接，及一石英外殼用來包封該 等構件，該石英外殻具有一設置在該加熱元件與該晶圓之 間的上板，其中該上板包含一不透光且對於波長比3.5微 φ 米短的紅外線發射具有大於50%的熱透射性的材質。 2. 如申請專利範圍第1項之加熱器組件，其中該上板 包含霧化的清澈石英。 3. 如申請專利範圍第2項之加熱器組件，其中該霧化 的清澈石英具有至少80%的熱透射性。 4. 如申請專利範圍第2項之加熱器組件，其中該霧化 的清澈石英具有至少90%的熱透射性。 5. 如申請專利範圍第1項之加熱器組件，其中在該石 φ 英外殼內的所有構件都藉由以接合（bonding)來密封該上板 與該石英外殼來與該室環境完全地隔絕。 6. 如申請專利範圍第1項之加熱器組件，其中該上板 是用該霧化的清澈石英製成的且被熔合接合至該石英外殼 〇 7. 如申請專利範圍第1項之加熱器組件，其中該石英 外殼之除了該上板之外的部分是用清澈的石英製備的。 8. 如申請專利範圍第丨項之加熱器組件，其中該上板 對於波長短於3.2微米的紅外線發射有高於50%的熱透射 -15- 200836578 性。 9 .如申請專利範圍第1項之加熱器組件，其中該上板 對於波長短於3.2微米的紅外線發射有高於80%的熱透射 性。 1 0·如申請專利範圍第1項之加熱器組件，其中該上 板對於波長短於3 · 2微米的紅外線發射有高於9 〇 %的熱透 射性。 1 1 · 一種半導體處理室，其包含如申請專利範圍第1 項的加熱器組件。

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