用于控制传输穿过锥形石英拱形结构的光的光学系统的制作方法

本申请是申请日为2013年3月6日、申请号为201380018920.x、发明名称为“用于控制传输穿过锥形石英拱形结构的光的光学系统”的发明专利申请的分案申请。

本发明的实施例大体涉及用于加热基板的设备，比如半导体基板。

背景技术：

半导体基板被处理以用于各种各样的应用，包括集成器件与微器件的制造。处理基板的一种方法包括沉积材料(比如介电材料或导电金属)于基板的上表面上。可通过使工艺气体平行于位于支撑件上的基板的表面流动且将工艺气体热分解以从所述气体沉积材料于基板表面上来在横向流动腔室(lateralflowchamber)中沉积所述材料。因为已加热的基板会促进工艺气体的热分解，所以为了在基板上产生均匀沉积，期望具有均匀的基板温度。基板温度的不均匀可能导致基板上的不均匀材料沉积，这最终会影响最终所制造的器件的性能。

因此，对用于均匀加热基板的设备有需要。

技术实现要素：

本文所述的实施例大体涉及用于加热基板的设备。所述设备通常包括处理腔室，所述处理腔室具有基板支撑件于所述处理腔室中。多个灯被定位以提供穿过光学透明拱形结构的辐射能量至位于所述基板支撑件上的基板。聚光组件定位于所述腔室内，用以影响所述基板上的加热及温度分布，并且用以促进在基板上形成具有均匀特性的膜，所述特性比如密度。所述聚光组件能包括一或更多个反射器、光管或折射透镜。

在一个实施例中，处理腔室包括腔室主体，所述腔室主体包括光学透明拱形结构。基板支撑件设置于所述腔室主体内。多个灯设置成相邻于所述光学透明拱形结构。聚光组件位于所述腔室主体内在所述多个灯与基板之间，所述基板位于所述基板支撑件上。所述聚光组件适用于影响从所述多个灯发射的辐射能量。

在另一实施例中，处理腔室包括腔室主体，所述腔室主体包括光学透明拱形结构。基板支撑件设置于所述腔室主体内。所述基板支撑件具有从所述基板支撑件延伸的支撑轴，所述支撑轴具有空腔(hollowcavity)于所述支撑轴中。多个灯设置成相邻于所述光学透明拱形结构。聚光组件位于所述腔室主体内在所述光学透明拱形结构与所述基板支撑件之间。所述聚光组件接触所述光学透明拱形结构的上表面，且所述聚光组件适用于影响从所述多个灯发射的辐射能量。

在另一实施例中，光学组件包括多个同心环，所述多个同心环由光学透明材料形成。每一同心环具有空腔于同心环中。反射材料设置于这些同心环的所述空腔内，且多个折射元件耦接相邻的同心环。

附图说明

为了能够详细理解本发明的上述特征，可通过参考实施例获得以上简要概述的本发明的更具体的描述，实施例的一些实施例示于附图中。但是，应注意到，附图只示出本发明的典型实施例且因此不应被视为对本发明范围的限制，因为本发明可允许其他等同效果的实施例。

图1为根据本发明的一个实施例的处理腔室的示意截面图。

图2a与图2b为根据本发明的一个实施例的聚光组件的示意例示图。

图3a-3d为根据本发明的其他实施例的聚光组件的示意例示图。

图4例示根据本发明的另一实施例的聚光组件。

图5例示根据本发明的另一实施例的聚光组件。

图6例示根据本发明的另一实施例的聚光组件。

图7例示根据本发明的另一实施例的聚光组件。

图8a与图8b为根据本发明的一个实施例的环的立体图。

为了帮助理解，已尽可能使用相同的标记数字来表示附图中共有的相同元件。应了解到，一个实施例的元件与特征可有利地并入其他实施例中，而无需进一步详述。

具体实施方式

本文所述的实施例大体涉及用于加热基板的设备。所述设备通常包括处理腔室，所述处理腔室具有基板支撑件于所述处理腔室中。多个灯被定位以提供穿过光学透明拱形结构的辐射能量至位于基板支撑件上的基板。聚光组件位于光学透明拱形结构与基板支撑件之间，用以影响基板上的加热及温度分布，并且用以促进在基板上形成具有均匀特性的膜，所述特性比如密度。聚光组件能包括一或更多个反射器、光管或折射透镜。

图1为根据本发明的一个实施例的处理腔室100的示意截面图。处理腔室100可用于处理一或更多个基板，包括沉积材料于基板的上表面上。处理腔室100包括腔室主体101、上拱形结构102，腔室主体101、上拱形结构102由诸如不锈钢、铝、陶瓷(例如石英)或者被涂覆的金属或陶瓷之类的材料形成。处理腔室100也包括下拱形结构104，下拱形结构104由光学透明材料形成，比如石英。下拱形结构104耦接至腔室主体101，或者下拱形结构104是腔室主体101的组成部分(integralpart)。基板支撑件106适用于支撑其上的基板108，基板支撑件106设置于处理腔室100内在上拱形结构102与下拱形结构104之间。基板支撑件106耦接至支撑板109并且在基板支撑件106与支撑板109之间形成间隙111。支撑板109由光学透明材料形成，比如石英，以允许来自灯142的辐射能量照射到基板支撑件106上且加热基板支撑件106至期望的处理温度。基板支撑件106由碳化硅或涂覆有碳化硅的石墨形成，以吸收来自灯142的辐射能量并且将辐射能量传导至基板108。

基板支撑件106被图示成在升高的处理位置中，但可由致动器112垂直致动至处理位置之下的装载位置，以允许升降销110接触下拱形结构104并且将基板108从基板支撑件106举起。然后机械手(未图示)可进入处理腔室100，以从处理腔室100通过开口114(比如狭缝阀)接合并且移除基板108。基板支撑件106也适于在处理期间通过致动器112来旋转，以促进基板108的均匀处理。

基板支撑件106位于处理位置中时，基板支撑件106将处理腔室100的内部容积分成工艺气体区域116与净化气体区域118。当基板支撑件106位于处理位置中时，工艺气体区域116包括位于上拱形结构102与基板支撑件106的平面120之间的内部腔室容积。净化气体区域118包括位于下拱形结构104与平面120之间的内部腔室容积。

供给自净化气源122的净化气体通过净化气体入口124被引入至净化气体区域118，净化气体入口124形成在腔室主体101的侧壁内。净化气体沿着流动路径126横向流动横越支撑件106的背面，且净化气体从净化气体区域118通过净化气体出口128而被排出，净化气体出口128位于处理腔室100的与净化气体入口124相对的侧上。耦接到净化气体出口128的排气泵130促进净化气体从净化气体区域118移除。

供给自工艺气体供给源132的工艺气体通过工艺气体入口134而引入至工艺气体区域116，工艺气体入口134形成在腔室主体101的侧壁中。工艺气体沿着流动路径136横向流动横越基板108的上表面。工艺气体通过工艺气体出口138而离开工艺气体区域116，工艺气体出口138位于处理腔室100的与工艺气体入口134相对的侧上。通过耦接到工艺气体出口138的真空泵140促进工艺气体通过工艺气体出口138的移除。

多个灯142设置成相邻于下拱形结构104且在下拱形结构104之下，以在工艺气体通过多个灯142上时加热基板108以促进在基板108的上表面上沉积材料。这些灯包括灯泡141，灯泡141被选择性的反射器143围绕。每一个灯142耦接到功率分配板147，通过功率分配板147将功率供给至每一个灯142。灯142被布置成环状群组，以增加的半径围绕基板支撑件106的轴127。轴127由石英形成并且含有中空部分或空腔129于轴127中，空腔129减少基板108中心附近的辐射能量的横向位移，从而促进基板108的均匀辐射。

灯142适用于加热基板至预设温度，以促进工艺气体在基板108表面上的热分解。在一个实例中，沉积在基板上的材料可以是第iii族、第iv族和/或第v族材料，或者可以是包括第iii族、第iv族和/或第v族掺杂剂的材料。例如，沉积的材料可包括砷化镓、氮化镓或氮化镓铝。这些灯可适用于加热基板至在约摄氏300度至约摄氏1200度范围内的温度，比如约摄氏300度至约摄氏950度。来自灯142的辐射能量通过聚光组件150而被导引至基板支撑件106，以能控制地加热基板108，从而导致基板108上的更均匀沉积。基板108上的均匀沉积可导致较高质量的基板以及更高效率制造的器件。聚光组件150定位于下拱形结构104之上且接触下拱形结构104，并且相邻于净化气体区域118。因此，聚光组件150位于处理腔室100的内部容积内。

一或更多个灯142定位于灯头145内，灯头145在处理期间或处理之后可通过被引入至位于这些灯142之间的通道149中的冷却流体而被冷却。部分因为灯头145很接近下拱形结构104，所以灯头145传导式地冷却下拱形结构104。灯头145也冷却灯壁以及反射器143的壁。

虽然图1例示处理腔室的一个实施例，但也设想到另外的实施例。例如，在另一实施例中，设想到基板支撑件106可由光学透明材料形成，比如石英，以允许基板108的直接加热。在又另一实施例中，设想到选择性的圆形遮蔽件139可设置于基板支撑件106周围并且耦接到腔室主体101的侧壁。在另一实施例中，工艺气体供给源132可适用于供给多种工艺气体，例如第iii族前驱物气体与第v族前驱物气体。多种工艺气体可通过相同的工艺气体入口134或通过不同的工艺气体入口134而被引入至腔室。另外，也设想到可调整气体入口124、134或气体出口128、138的大小、宽度和/或数量以进一步促进在基板108上均匀沉积材料。在又另一实施例中，设想到灯头145不接触下拱形结构104。在另一实施例中，基板支撑件106可以是具有穿过基板支撑件106的中央开口的边缘环或环状环，且基板支撑件106可适用于支撑基板108的周边。在这样的实施例中，基板支撑件106可由碳化硅、涂覆有碳化硅的石墨或涂覆有玻璃碳的石墨来形成。

图2a与图2b为根据本发明的一个实施例的聚光组件250的示意例示图。图2a例示聚光组件250的立体视图。图2b例示聚光组件250的沿着截面线2b-2b的截面图。聚光组件250类似于聚光组件150并且可用以取代聚光组件150。聚光组件250包括直径增加的多个同心环251a-251f。环251a-251f适用于增加光准直(lightcollimation)、均匀化(homogenization)和/或基板照射均匀性。最中心的环251a包括开口252于环251a中，以容纳基板支撑件的支撑轴。间隙253设置在环251a-251f的每一个环的相邻垂直表面之间，以允许来自加热灯的辐射能量在处理期间通过环251a-251f之间并且加热基板。通常，每一间隙253对应于一个环或处理腔室内的灯的一个区。应注意到，根据处理腔室内所使用的灯的大小与数量，能调整间隙253的大小与数量。

环251a-251f是由石英或其他光学透明材料形成的中空环或杜尔管(dewar)，且环251a-251f具有设置在形成于环251a-251f中的空腔的内部表面260上的反射材料。例如，内部表面260可具有铝、银、金或其他反射涂层于内部表面260上，以用预定的方式朝向基板反射辐射能量(比如光)，以促进基板的均匀加热。环251a-251f内的反射材料的设置可以保护反射材料免受在清洁工艺期间所使用的清洁气体的影响。环251a-251f具有两个外部垂直表面254以及一顶部表面255，每一垂直表面254平行于彼此，顶部表面255垂直于垂直表面254。顶部表面255通常定位成平行于处理腔室内的基板。每一环251a-251f的底部表面256以相对于上表面255的一角度定位。底部表面256的角度被选择以匹配处理腔室内的下拱形结构的角度，以促进底部表面256与下拱形结构之间的接触。应注意到，两个最内部环251a与251b的顶部表面255设置在其余环251c-251f的顶部表面255的平面之下。应相信的是，最内部环251a与251b的减小的高度通过提供基板和/或基板支撑件的中央的更均匀辐射来促进基板的更均匀加热。但是，设想到在一些实施例中，环251a与251b的上表面可与环251c-251f的上表面共平面。

环251a-251f可具有在从约2.5毫米至约35毫米的范围内的厚度，例如约2.5毫米至约5毫米，或者约25毫米至约35毫米。在一个实例中，环251a-251f可具有壁，每个壁具有约1毫米的厚度。在这样的实例中，环251a-251f可具有腔于环251a-251f中，所述腔具有约0.5毫米至约33毫米的宽度，所述宽度比如约0.5毫米至约3毫米，或者约23毫米至约33毫米。在所述腔具有大于约5毫米的宽度的实施例中，腔的上表面也可涂覆有反射材料。腔的上表面上的反射材料将未被基板支撑件106吸收的任何辐射能量反射回到基板支撑件106，因此提高工艺效率。另外，当环251a-251f的每一个环的宽度增加时，环251a-251f之间的间隙253减小。减小的间隙大小通过减小光被允许进入间隙253的角度来减少能够重新进入间隙253(例如，通过从基板或基板支撑件朝下反射，或者通过从基板或基板支撑件直接热辐射重新进入间隙253)的辐射能量的量。进入间隙253的此种辐射能量会降低处理效率。

如图2b所示，聚光组件250通常具有锥形横截面，当环的半径减小时，每一环的高度增加。但是，如上所述，在一些实施例中，最内部的环251a以及选择性的251b可具有减小的高度，以为了促进基板支撑件的中心附近的均匀辐射。在另一实施例中，设想到环251a-251f的顶部表面可以都共平面。在这样的实施例中，最内部的环251a会具有最大的高度。

图2a与图2b例示了聚光组件的一个实施例，但是，也设想到其他的实施例。在另一实施例中，设想到环251a-251f可以是实心的，且反射材料可设置在环251a-251f的外侧上。在这样的实施例中，可用保护性介电涂层，例如二氧化硅，覆盖反射材料以保护反射材料免受腐蚀性清洁气体的影响。在又另一实施例中，设想到环251a-251f的内部表面260可不用反射材料来覆盖。替代地，反射元件(比如铝箔)可定位于环251a-251f的每一环内所形成的腔内。在又另一实施例中，设想到内部表面260或垂直表面254之一或两者可相对于z轴以角度θ设置。角度θ可在从约-20度至约20度的范围内，且角度θ对于内部表面260或垂直表面254的每一表面不需要相同。

图3a-3d为根据本发明的其他实施例的聚光组件的示意例示图。图3a例示聚光组件350的顶视立体图。聚光组件350类似于聚光组件250，除了聚光组件350包括耦接到环251a-251f的下部部分的折射元件360。折射元件360是凸透镜、凹透镜、线形透镜、菲涅尔(fresnel)透镜或其他透镜，折射元件360由诸如石英之类的光学透明材料形成。折射元件360与环251a-251f的反射特性相结合适用于增加光准直、均匀化和/或基板照射均匀性。折射元件360的每一折射元件的下表面是线形的且与环251a-251f的下表面256共平面，从而促进聚光组件350匹配于处理腔室中的下拱形结构。

图3b例示聚光组件350沿着截面线3b-3b的截面图。折射元件360耦接到环251a-251f的下垂直边缘，且将环251a-251f耦接于彼此，从而增加聚光组件350的刚性。在另一实施例中，设想到折射元件360可形成大小与形状类似于处理腔室的下拱形结构的锥形单一件。在这样的实施例中，这些环耦接到单一件的上表面，单一件然后能够定位于处理腔室的下拱形结构上或之上。在又另一实施例中，设想到折射元件可直接耦接到处理腔室内的下拱形结构，或者折射元件可形成作为下拱形结构的组成部分。在另一实施例中，设想到折射元件360可以是分离的且可单独置换。

图3c例示根据一个实施例的聚光组件350的一部分的放大示意视图。图3c例示折射元件360a，折射元件360a定位于环251a与251b之间且接触环251a与251b。折射元件360a是凸透镜，折射元件360a促进从被定位成靠近折射元件360a的灯发射的辐射能量的准直与均匀化。折射元件360a被显示为具有凸形，但是，也设想到其他形状，包括凹形或线形。

图3d图示根据另一实施例的聚光组件350的一部分的放大示意视图。图3d所示的折射元件360b是菲涅尔透镜，相较于传统透镜，比如图3c所示的折射元件360a，菲涅尔透镜减少形成透镜需要的材料的量。折射元件360b的使用减少聚光组件350的重量。折射元件360b包括围绕凸透镜362的多个同心环状区361或菲涅尔区。应注意到，折射元件360b的设计是示例性的，且设想到其他透镜设计，比如扩散光学系统(diffusiveoptics)。

在另一实施例中，设想到折射元件360a和/或360b可耦接到图1的支撑板109，且因此与基板支撑件106一起致动。在这样的实施例中，可不包括聚光组件350，由此简化处理腔室100的设计并且减少处理腔室100的生产成本。另外，因为能够不包括聚光组件350，所以能减小下拱形结构104的厚度，因为下拱形结构104将不再需要为聚光组件350提供支撑。下拱形结构104的厚度减小进一步减少制造成本。在又另一实施例中，设想到折射元件360a和/或360b可定位于下拱形结构104上，且可不包括同心环251a-251f。在这样的实施例中，缺少同心环导致减少的生产成本。

图4例示根据本发明的另一实施例的聚光组件450。聚光组件450包括同心环451a-451f，同心环451a-451f设置在光学透明下板404与光学透明上板474之间并且耦接到光学透明下板404与光学透明上板474。光学透明下板404被依一定尺寸制造并成形而定位在下拱形结构上，比如图1所示的下拱形结构104。光学透明下板404可通过粘着剂或通过互锁件而被耦接到下拱形结构104。光学透明上板474耦接到同心环451a-451f与光学透明下板404相对。同心环451a-451f、光学透明下板404与光学透明上板474可从单一块的材料来机械加工，所述材料比如石英，或者可分别建构且然后组装。同心环451a-451f、下拱形结构104、与光学透明上板474被定位以在同心环451a-451f的每一同心环之间形成间隙475。间隙475定位于处理腔室内的灯之上，所述处理腔室比如图1所示的处理腔室100。间隙475通常被抽空以在间隙475中形成真空。

每一间隙475的内部表面460(例如同心环451a-451f的表面)都涂覆有反射材料，以增强照射控制。因此，不需要形成和涂覆每一同心环451a-451f内的空腔。此种实施例简化了反射性涂覆表面的产生与修复。因为每一间隙475是密封的围体(enclosure)，所以间隙475中的反射材料受到保护而免受工艺与清洁气体的影响。

可通过在光学透明下板404或光学透明上板474内形成开口且将反射材料(比如之后会干掉的液体)引入每一间隙475内来涂覆同心环451a-451f的表面460。可例如通过蚀刻来移除非期望的反射材料。额外或替代地，能通过对不想沉积的表面加以掩模来减少或避免反射材料的非期望沉积。在又另一实施例中，例如，当由单独的部件建构聚光组件450时，可在组装之前就将反射材料沉积在表面460上。在这样的实施例中，沉积、掩模和/或蚀刻可被简化。应注意到，可用类似的方式来执行将反射材料施用至同心环251a-251f(图示在图2a、2b、3a与3b中)。

图4例示聚光组件450的一个实施例，但是也设想到其他的实施例。例如，设想到同心环451a-451f可由金属或其他反射材料来形成，而非涂覆有反射材料的光学透明材料。例如，同心环451a-451f可由银、金、铜、铝或这些材料的组合来形成。在一些实例中，由金属而非石英来制造同心环451a-451f会需要较少的制造步骤并且可减少制造成本。另外，同心环451a-451f的修复与置换可被简化。

图5例示根据本发明的另一实施例的聚光组件550。聚光组件550类似于聚光组件450，但是，因为空间570，光学透明上板474不接触所有同心环451a-451f。因此，间隙575是流体连通的。此种实施例简化了间隙575的抽空以及反射材料的施用。另外，空间570提供光学透明下板404与光学透明上板474之间的热传导路径中的断开，由此减少从上板474至下板404以及因此至下腔室拱形结构104(图示在图1中)的传导热流。因为通过如上所述的设置于灯头145(图示在图1中)中的冷却通道而从光学透明下板404和下腔室拱形结构104移除过量的热，所以传导热流的减少导致降低的下拱形结构温度，或者如果下拱形结构温度需要具有最低值，则传导热流的减少导致灯头中减少的冷却剂流。

图5例示聚光组件550的一个实施例，但是也设想到其他的实施例。例如，设想到通过同心环551a-551e的延伸，光学透明上板474可在分开的点处接触同心环551a-551e的一些或全部同心环551a-551e。同心环551a-551e与光学透明上板474之间的接触增加聚光组件550的结构刚性。在这样的实施例中，维持一些空间570，以便维持间隙575的流体连通。在另一实施例中，设想到由光学透明材料形成的交叉杆可定位于相邻的同心环551a-551f之间，以增加聚光组件550的结构刚性。

图6例示根据本发明的另一实施例的聚光组件650。聚光组件650包括多个同心环651a-651c。虽然图示三个同心环，但设想到可包括更多或更少的同心环，例如，处理腔室中的每个灯环有一个同心环。同心环651a-651c由光学透明材料形成，比如石英，且同心环651a-651c定位于灯142之上。在这样的实施例中，同心环651a-651c作用为折射元件，以影响来自灯142的辐射且促进基板的均匀处理。同心环651a-651c减少来自灯142的光的扩散，由此减少来自灯142的辐射在基板上的交叉耦合，特别是在灯的径向阵列之间的交叉耦合。

图7例示根据本发明的另一实施例的聚光组件750。聚光组件750类似于聚光组件650，除了聚光组件包括同心环751b与751c之外，同心环751b与751c是同心环的多边形近似物。同心环751b与751c由分离的多边形779组成，多边形779被依一定尺寸制造、成形且组装成近似于环。每一同心环751b与751c由多个多边形779组成，且设想到每一环中的多边形779的数量可多于或少于所图示的数量。多边形779(而非完全的环)的使用增加来自灯142的光的混合，通过使所产生的辐射轮廓较不取决于单独的灯的特性，而导致更可重复的辐射轮廓。在一些实例中，多边形779的使用会改善灯142的分布轮廓。

每个环不需要包括相同数量的多边形779，且因此不需要包括相同数量的小面(facet)。另外，虽然多边形779被例示为设置在一或两个灯142之上，但设想到每个多边形779可定位于任何数量的灯142之上。设想到相邻的多边形779可相接触，或者间隙可位于相邻的多边形779之间以通过产生额外的表面来增加总内部反射。相邻多边形779的相邻表面可以是透明的，或可涂覆有反射材料。

图8a与图8b例示根据本发明的一个实施例的环851的立体视图。环851可使用在本文所述的任何实施例中，例如作为环251a、451a、651a或751a。环851包括圆形的第一面890以及多边形的第二面891。环851包括被设置成中心地穿过环851的开口。多边形小面的数量可被调整以促进光混合的所需量。设想到第一面890与第二面891中的每个面的表面可成形以在所述表面上包括特定的折射元件，所述折射元件比如凹透镜或凸透镜。连接第一面890与第二面891的环851的侧壁通常是平行的，但是也设想到不平行的实施例。环851可位于处理腔室内，而第一面890或第二面891定位成朝向一或更多个灯。

虽然本文描述了多种反射与折射元件，但设想到任何的反射或折射元件可单独使用或互相组合来使用。

本发明的益处包括处理腔室内的辐射能量的增加的准直与均匀化。增加的准直与均匀化导致基板的更受控加热，这接着导致基板上更均匀的沉积轮廓与材料特性。基板上的均匀沉积轮廓导致高质量且更高效率制造的器件。

虽然前述内容针对本发明的实施例，但在不背离本发明的基本范围的情况下可设计出本发明的其他与进一步的实施例，且本发明的范围由下面的要求保护的范围来决定。