本發(fā)明涉及半導(dǎo)體處理，以及更具體地，涉及用于在襯底上形成均勻薄膜的襯底加熱。

背景技術(shù)：

在化學(xué)氣相沉積(CVD)反應(yīng)器中，尤其是在用于外延沉積的反應(yīng)器中，紅外(IR)加熱燈被用于加熱半導(dǎo)體襯底。IR加熱燈旨在將半導(dǎo)體襯底加熱至900攝氏度?；衔锇雽?dǎo)體薄膜沉積過(guò)程是對(duì)溫度極度敏感的，常常要求與最佳處理溫度的正或負(fù)五度或更少的偏差。簡(jiǎn)而言之，襯底溫度非均勻性對(duì)薄膜沉積質(zhì)量和反應(yīng)器產(chǎn)量產(chǎn)生不良影響。另外，優(yōu)選地在整個(gè)過(guò)程中維持所期望的均勻性，包含當(dāng)將溫度慢慢加熱到處理溫度并接著冷卻襯底，以便避免在薄膜晶體結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生缺陷。

商業(yè)單晶片CVD反應(yīng)器通過(guò)使用IR加熱燈對(duì)襯底進(jìn)行加熱，IR加熱燈被封裝在復(fù)雜組件中，在復(fù)雜組件中氣體和水冷卻鍍金IR反射器被布置在離散區(qū)域中并由閉環(huán)溫度系統(tǒng)提供動(dòng)力。被設(shè)計(jì)成同時(shí)處理多個(gè)襯底的以大尺寸布置的反應(yīng)器具有限制，該限制增加確保均勻處理溫度的成本。

對(duì)于緊密封裝的IR加熱燈泡，線性IR加熱燈是合適的替換選擇，其具有用于制造大尺寸加熱器的垂直和水平燈絲。而且，使用平行布置以制造覆蓋多個(gè)襯底的大尺寸加熱器的線燈具有優(yōu)勢(shì)。電源端子位于加熱區(qū)域之外，允許方便的訪問(wèn)；小的燈橫截面實(shí)現(xiàn)用于最大功率密度的小間隔；以及其反射涂層被施加于一面聚焦IR輻射并將IR輻射集中于一個(gè)方向上的線性IR加熱燈的商業(yè)實(shí)用性。這些線燈具有沿著燈絲的長(zhǎng)度的已知非均勻加熱廓線。由于從襯底到冷卻室壁和外圍處理部件的熱損失，進(jìn)一步 加重該非均勻加熱廓線。

補(bǔ)償由線燈引起的初期溫度非均勻性的一種方法涉及限制襯底布置在線燈的中間區(qū)段上，以便允許溫度“轉(zhuǎn)降”發(fā)生在襯底覆蓋區(qū)的外面。在一些情況下，只有線燈的50％具有可接受的處理溫度均勻性(小于十?dāng)z氏度范圍)。該特性允許線燈產(chǎn)生對(duì)襯底處理足夠的小區(qū)域的均勻IR輻射。然而，對(duì)于大幅處理，由于系統(tǒng)覆蓋區(qū)和處理量考慮，未將線燈充分利用到這個(gè)程度是不期望的。因此，存在對(duì)于補(bǔ)償在線性IR加熱燈陣列上的溫度非均勻性的一些其他方法的需求。

補(bǔ)償轉(zhuǎn)降的一種方法是增加輔助加熱。例如，可沿著垂直于線燈陣列的冷卻室壁布置線性IR加熱燈。來(lái)自輔助線性IR燈的能量可被調(diào)節(jié)，以補(bǔ)償邊緣損失和燈轉(zhuǎn)降。然而，該方法被線燈的可用長(zhǎng)度限制難以封裝，并甚至可在反應(yīng)器中構(gòu)成熱非均勻性。

轉(zhuǎn)讓給本文的受讓人的公布的申請(qǐng)2010/0209206中描述的另一種方式使用分裂燈絲燈，以通過(guò)改變加熱燈陣列中的不同燈的輸出來(lái)獲得期望的襯托器溫度。然而，由于燈絲損壞或燈的石英起泡，沿著燈的長(zhǎng)度的局部過(guò)熱可能減少其有用壽命。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

補(bǔ)償轉(zhuǎn)降的方法是在線性IR加熱燈的兩端下增加諸如不透明石英片的IR反射器。這些反射器的目標(biāo)是朝著已加熱區(qū)域的邊緣聚焦輻射。之前，加熱燈下的任何反射器在其尺寸和IR反射特性上都是均勻的。因此，本發(fā)明提供補(bǔ)償線性IR加熱燈不均勻性的圖案化IR反射器。具體地，根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方式中，加熱燈下的IR反射器在端部區(qū)段中比在中心寬。在另一個(gè)實(shí)施方式中，可只在端部區(qū)段中設(shè)置IR反射器，而在中心中沒(méi)有。這種IR反射器可由不透明石英(IR輻射的體散射體)構(gòu)造或可選擇地由銅鍍金構(gòu)造。在后面的實(shí)例中，可能的是，例如通過(guò)在期望減少或阻擋IR輻射的那些中心位置中摻入石墨涂層(而不是鍍金)來(lái)改變沿著反射器的長(zhǎng)度的IR反射特性，從而產(chǎn)生期望的空間IR反射圖案。

其次，可通過(guò)使用其發(fā)射率/反射率同樣圖案化的低熱質(zhì)量襯托器組件來(lái)微調(diào)加熱的非均勻性，例如，通過(guò)IR屏蔽反射器的增加，以便控制襯托器吸收或從襯底反射開(kāi)的入射輻射的量，只要注意不增加到將會(huì)使加熱過(guò)程變慢的襯托器的熱質(zhì)量。因此，在根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方式中的IR輻射補(bǔ)償襯托器組件可包括石墨襯托器，石墨襯托器具有被設(shè)計(jì)成在薄的難熔金屬I(mǎi)R屏蔽反射器(例如，鉬的)上容納一個(gè)或多個(gè)半導(dǎo)體襯底的容器。以及，燈下的主IR燈反射器和襯托器容器中的次級(jí)屏蔽反射器共同具有IR反射率，該IR反射率具有補(bǔ)償線性IR加熱燈陣列的非均勻加熱廓線的受控特征廓線?？稍诜磻?yīng)器設(shè)計(jì)中容易采用熱傳遞仿真和高保真熱模型，以便調(diào)整將在特定反應(yīng)器中使用的整個(gè)IR反射器輪廓。

然而，加熱燈還可被構(gòu)造成提供功率輸出，功率輸出被設(shè)計(jì)成對(duì)在襯托器上的晶片襯底產(chǎn)生盡可能均勻的加熱，從而使得IR輻射反射器必須進(jìn)行的補(bǔ)償量最小化。因此，位于襯托器邊緣附近的那些加熱燈與位于更中心的加熱燈相比可提供更大的功率輸出，因?yàn)橥r托器邊緣處具有數(shù)量較少的有助于襯托器加熱的燈。諸如管形燈的燈本身可被構(gòu)造成根據(jù)優(yōu)選圖案沿著燈本身的長(zhǎng)度提供不同量的輸出，同樣在襯托器端部與中間相比具有更大的輸出，從而對(duì)襯托器的燈加熱的整體效果甚至在引入IR輻射反射器之前已經(jīng)盡可能的均勻。

IR輻射反射器。IR輻射反射器具有IR反射率受控特征，該特征補(bǔ)償由線性IR加熱燈陣列產(chǎn)生的非均勻加熱廓線?？蓪⒏鞣N寬度的條帶布置在燈下，以便根據(jù)期望的總體的或逐個(gè)晶片的分布圖案將來(lái)自燈的輻射朝著襯托器反射。初級(jí)IR反射器可由不透明石英(體IR散射體)或鍍金銅制成。可將額外的次級(jí)IR屏蔽反射器放置在襯托器的下側(cè)的容器中的選定結(jié)構(gòu)中，以便將一些IR輻射從襯托器引走(假設(shè)任意這些次級(jí)屏蔽反射器具有足夠的低熱質(zhì)量)。可從薄片(.020厚)難熔金屬(優(yōu)選地被沖壓、化學(xué)蝕刻、激光切割的拋光鉬箔)生產(chǎn)次級(jí)IR輻射反射器；或以其他方式將次級(jí)IR輻射反射器加工成生產(chǎn)精確的側(cè)影輪廓。拋光箔在升高的處理溫度下具有已知的IR反射率。由IR反射器覆蓋的網(wǎng)狀區(qū)域確定來(lái)自燈的、被反射的入射IR輻射的比例。而且，通過(guò)控制反射器中的開(kāi)口 的尺寸和布置，可能的是在襯托器和襯底上產(chǎn)生獨(dú)特的熱特征?？蛇x擇地，反射器的IR反射特性可在空間上變化，例如隨著IR吸收涂層變化。IR輻射反射器可被配置成根據(jù)期望的整體圖案或期望的逐個(gè)晶片的圖案以一種方式分布熱量，使得將成功地補(bǔ)償襯托器和其上的一個(gè)或多個(gè)晶片襯底的任何非均勻加熱。

襯托器組件。襯托器組件包括具有容器的石墨襯托器，容器被設(shè)計(jì)成容納半導(dǎo)體襯底。如期望，一個(gè)或多個(gè)低熱質(zhì)量IR屏蔽反射器可被包含在容器中，以便輔助主IR燈反射器?？蓮氖庸ひr托器并最優(yōu)地由熱麻痹石墨(TPG)制造襯托器，熱麻痹石墨在容器的平面中具有高導(dǎo)熱率。

多個(gè)襯底。反射過(guò)量輻射實(shí)現(xiàn)對(duì)被布置在線性燈陣列上的多個(gè)襯底的溫度控制。而且，低質(zhì)量結(jié)構(gòu)促進(jìn)在緩慢上升并穩(wěn)定狀態(tài)的加熱條件下的熱均勻性。

附圖說(shuō)明

圖1是用于多個(gè)半導(dǎo)體襯底的同時(shí)沉積處理的類(lèi)型的CVD反應(yīng)器的右半部的透視截面圖，其中左半部對(duì)稱(chēng)地相同，并具有根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方式的IR輻射反射器。

圖2A和圖2B分別是在圖1的反應(yīng)器中所使用的襯托器熱分布組件的透視圖和放大的分解視圖。

圖3是圖2A和圖2B的熱分布組件的一部分的詳細(xì)透視圖。

圖4是可替代的熱分布組件部分的詳細(xì)透視圖。

圖5是在圖4中所示類(lèi)型的可替代的熱分布組件的俯視透視圖。

具體實(shí)施方式

本發(fā)明可被應(yīng)用于多種可能的反應(yīng)器，其中，襯底的升溫均勻性是重要的或者被高度期望的，尤其是對(duì)于在這種襯底上產(chǎn)生材料的均勻沉積。盡管本文給出的示例是其中加熱器具有一個(gè)或多個(gè)線燈陣列形式的CVD 冷壁反應(yīng)器，其他相似的反應(yīng)器被視為包含在本發(fā)明之內(nèi)。本文的改進(jìn)提供用于輻射加熱的襯托器的處理成套組件，其中，一個(gè)或多個(gè)IR反射器元件補(bǔ)償來(lái)自反應(yīng)器采用的任何類(lèi)型的加熱器的非均勻加熱廓線。

在圖1中，冷壁反應(yīng)器11的一部分支撐供氣歧管103上方的噴頭擴(kuò)散板101和噴頭組件。附圖的右邊可看到反應(yīng)器11的一個(gè)端部，而附圖的左手側(cè)對(duì)應(yīng)反應(yīng)器11的中心部分，其中反應(yīng)器的相對(duì)端超出附圖的左邊不可見(jiàn)。(因?yàn)榉磻?yīng)器11總體上展現(xiàn)鏡像性，只示出反應(yīng)器的一半不會(huì)丟失重要的東西。)未示出的噴頭將反應(yīng)氣體引向襯托器105，襯托器105安置襯底(未示出)。襯底優(yōu)選地為具有X和Y軸的矩形，在通過(guò)反應(yīng)器行進(jìn)的方向上對(duì)齊其中一個(gè)軸。襯托器105的下方是被支架109支撐的透明載板(carrier)107。線性管形燈111在電氣上產(chǎn)生紅外輻射，線性管形燈111在反射器結(jié)構(gòu)113上的平面中平行并相互間隔開(kāi)，反射器結(jié)構(gòu)113形成本發(fā)明的初級(jí)IR反射器。將燈111的縱向與襯底的X或Y軸對(duì)齊，X或Y軸可能位于行進(jìn)方向上或垂直于行進(jìn)方向。盡管使用IR反射器結(jié)構(gòu)113以便更均勻地分配襯托器和位于其上的晶片襯底的加熱，但是加熱燈111本身可被構(gòu)造成減少由反射器結(jié)構(gòu)113需要提供的熱補(bǔ)償量。例如，襯托器邊緣處的燈111可提供更高的輸出功率級(jí)，因?yàn)榕c襯托器中心相比，在邊緣處具有更少的有助于襯托器加熱的燈。相同地，燈111沿著其長(zhǎng)度可具有非均勻輸出，從而燈中心比燈端部具有更低的能量輸出。盡管如此，本發(fā)明還將對(duì)具有均勻輸出的燈或均具有相同輸出的燈陣列有效，但是這些燈或燈陣列具有比由IR反射器需要提供的更大的熱補(bǔ)償。

初級(jí)IR反射器113是IR燈下的反射器，其可由諸如不透明石英的常規(guī)IR反射材料形成，但是非常規(guī)地提供空間IR反射圖案，該圖案補(bǔ)償來(lái)自例如具有更寬的端部114的燈111本身對(duì)襯托器105的非均勻照射。IR反射器113的中心部分116可能如此處可見(jiàn)地較細(xì)或根本不存在?？赏ㄟ^(guò)提供可移動(dòng)區(qū)段118視情況逐個(gè)調(diào)整較寬端部部分114和較細(xì)(或不存在的)中心部分116的相對(duì)長(zhǎng)度。較寬端部部分114將來(lái)自燈113的更多IR輻射朝著反應(yīng)器11的端部處的襯托器105反射，從而補(bǔ)償在反應(yīng)器的那些端部區(qū)域中來(lái)自燈的整體較低的IR輻射。較窄中心部分116反射IR輻射。 同時(shí)，這為IR反射器結(jié)構(gòu)113提供指定的IR反射輪廓，該輪廓補(bǔ)償共同的燈輸出，導(dǎo)致對(duì)襯托器105和其上的襯底的更均勻加熱。

除了(或者補(bǔ)充)通過(guò)改變寬度，提供IR反射圖案的可替代方法是改變反射器結(jié)構(gòu)113的IR反射特征。例如，如果反射器113的反射材料是銅鍍金結(jié)構(gòu)，在反射器的中心區(qū)域116中用石墨涂層替代鍍金會(huì)降低這些區(qū)域中的IR反射率。鍍金的端部區(qū)域114將具有更高的IR反射率。

可選擇地，可將次級(jí)IR反射器(圖5中更好地可見(jiàn))朝向IR燈111安裝在襯托器105下方的容器中的載板107上，以便將熱輻射從襯托器105反射開(kāi)，使得進(jìn)一步地更均勻分布熱量并避免熱區(qū)。次級(jí)IR反射器結(jié)構(gòu)可以是薄的難熔金屬箔，該金屬箔可被沖壓、化學(xué)蝕刻、激光切割或以其他方式加工以產(chǎn)生精確的側(cè)影輪廓。優(yōu)選地由鉬組成的拋光箔在升高的溫度下具有已知的紅外反射率，其可被數(shù)學(xué)建模。任何這種次級(jí)反射器應(yīng)具有低熱質(zhì)量，以最小化襯底加熱的減速。它們?nèi)缬糜趯?duì)IR輪廓進(jìn)行微調(diào)的嵌入件一樣有用，根據(jù)需要例如，按照燈使用年限。

從燈111到襯托器105的主要的熱傳遞是通過(guò)IR輻射(直接輻射和由初級(jí)反射器結(jié)構(gòu)反射的輻射)。反射輪廓是將輻射從殼體壁引走并使其朝著襯托器105通過(guò)透明載板107的輪廓。

初級(jí)反射器結(jié)構(gòu)113的下方可能是內(nèi)室襯層115，內(nèi)室襯層115可以是石墨的或陶瓷的，用于由支架119支撐反射器結(jié)構(gòu)113，從而使得反射器結(jié)構(gòu)距離燈111只有幾毫米，導(dǎo)致反射器結(jié)構(gòu)113的溫度在1100攝氏度附近。外室壁117是冷壁反應(yīng)器結(jié)構(gòu)11的一部分并為在其相對(duì)端部處的反射器結(jié)構(gòu)提供支撐，從而由支架支撐在相對(duì)外側(cè)端處的反射器結(jié)構(gòu)。

參考圖2A和圖2B，襯托器加熱分配組件127具有石墨襯托器105，石墨襯托器105是陶瓷固定器中的2×2陣列中的4個(gè)相似襯托器的其中一個(gè)。每一個(gè)襯托器此處承載用于反應(yīng)器中的反應(yīng)氣體沉積的淺的凹陷部中的襯底(未示出)。四個(gè)襯托器的2×2陣列位于也未被示出的噴頭的2×2陣列之下。4個(gè)襯托器的每一個(gè)陣列是由透明石英片129支撐的。4個(gè)襯托器被石墨框125包圍，石墨框125也被石英片129支撐。石英載板允許紅外輻射穿過(guò)載板通到襯托器，襯托器中紅外輻射易于被吸收。石墨框125 與襯托器結(jié)構(gòu)相比更能吸收紅外輻射，因?yàn)榉瓷淦鹘Y(jié)構(gòu)被圖案化，以便用更優(yōu)選方式將熱量從襯托器引走，到邊界125具有減少的熱量，在朝著壁具有甚至更少的熱量?？稍谝r托器105的整個(gè)陣列的全局基礎(chǔ)或在逐個(gè)襯托器的基礎(chǔ)上對(duì)由反射器結(jié)構(gòu)提供的輻射分布圖案建模。

在圖3中可見(jiàn)圍繞襯托器105和106的石墨框125。每一個(gè)襯托器具有承載未示出的晶片襯底的容器或凹陷部，在其上實(shí)現(xiàn)了高溫MOCVD反應(yīng)。通過(guò)來(lái)自相關(guān)襯托器的傳導(dǎo)對(duì)襯底加熱，且襯底旨在處于CVD反應(yīng)所需的并與圍繞的結(jié)構(gòu)比較的高溫下。石英片129為兩個(gè)襯托器105和106以及為石墨邊界125提供支撐。應(yīng)注意，石英片129的只有一小部分和石墨邊界125與陶瓷固定器127接觸。

圖4中，石墨襯托器105被示出為在相對(duì)于石英片129的較低表面中具有填隙容器，襯托器位于石英片129上。容器具有用于可選地安置次級(jí)IR反射器結(jié)構(gòu)的反射性細(xì)長(zhǎng)金屬條112、114的尺寸，其可具有平行于管形加熱燈的軸的縱向。若干個(gè)平行、間隔開(kāi)的條帶被設(shè)置于襯托器的下側(cè)上，以便反射并從而屏蔽來(lái)自加熱燈的紅外光，從而使得一組襯托器中的期望均勻加熱圖案可被微調(diào)。襯托器被燈強(qiáng)烈地加熱，其在周?chē)氖吔缰锌删哂幸恍徂D(zhuǎn)降并在固定器的方向上朝著反應(yīng)器壁具有進(jìn)一步轉(zhuǎn)降，固定器與壁鄰接到這種程度以致燈下的初級(jí)IR反射器或許不能夠使用其自身的空間反射圖案充分補(bǔ)償。因此，為了輔助初級(jí)反射器并為了將IR照射微調(diào)到更充分地確保襯托器的均勻加熱，襯托器陣列的中心處的反射條將稍微寬一點(diǎn)，即更大區(qū)域式反射率，因?yàn)闊崃吭谒蟹较蛏蠈⒈粋鬟f開(kāi)，并且進(jìn)一步遠(yuǎn)離襯托器陣列的中心的反射條稍微窄一點(diǎn)，即更小的反射率，因?yàn)槭艿浇佑|絕緣固定器的石墨邊界的限制，熱量在更少的方向上被傳遞開(kāi)。

參考圖5，四個(gè)襯托器211、213、215和217的每一個(gè)陣列具有就在襯托器之下和石英片223之上的多個(gè)平行次級(jí)反射條221，石英片223在平行紅外管形加熱燈的陣列之上，其未被示出，垂直于平行反射條對(duì)齊。反射條被配置成在襯托器中產(chǎn)生均勻加熱，并在邊界處產(chǎn)生較少的加熱，其未被示出，以及在絕緣陶瓷固定器225中產(chǎn)生更少的熱量。參考圖1先 前討論的但此處未見(jiàn)到的初級(jí)反射器被設(shè)置于加熱燈下方，以便將輻射向上引向襯托器，而次級(jí)反映條221被設(shè)置成向下背離襯托器反射輻射。產(chǎn)生了輻射的多次反彈效應(yīng)，在襯托器中提供均勻熱分布。

為了在襯托器105中獲得期望的加熱圖案，次級(jí)反射器金屬條或盤(pán)107可位于襯托器105正下方，如下文中所描述的，其光亮的反射表面朝向IR燈111，以將輻射朝向燈111引回并離開(kāi)襯托器105的部分，從而將熱量集中在期望區(qū)域中，例如，在襯底下方。再次，這種次級(jí)反射條在襯托器105中產(chǎn)生期望的加熱廓線，易于使得熱量離開(kāi)反應(yīng)器11的壁和襯托器支撐結(jié)構(gòu)的沒(méi)有襯托器位于其中的部分。

次級(jí)IR反射器結(jié)構(gòu)107的側(cè)影輪廓的特征在于開(kāi)口的數(shù)量和尺寸，其中，將開(kāi)口最優(yōu)化，以控制輻射熱傳遞。沒(méi)有開(kāi)口的反射器幾乎反射所有入射輻射，從而最小化從IR燈到襯托器的輻射熱傳遞。相比之下，具有大的總開(kāi)口區(qū)域和小的反射材料的剩余區(qū)域的反射器，允許幾乎所有的入射輻射從IR燈傳送到襯托器。

開(kāi)口的數(shù)量和尺寸被調(diào)整成產(chǎn)生IR反射率受控特征或分布圖案，該特征或分布圖案有效地補(bǔ)償由線性IR加熱燈陣列產(chǎn)生的非均勻加熱廓線。具有小的總開(kāi)口區(qū)域的IR反射器被安裝在暴露于高于平均水平的來(lái)自線性IR加熱燈陣列(例如，在燈中部附近)的輻射的襯底下方。具有大的總開(kāi)口區(qū)域的IR反射器被安裝在暴露于低于平均水平的來(lái)自線性IR加熱燈陣列的輻射的襯底下面，例如，在燈端部附近。使用薄的難熔金屬箔最佳地產(chǎn)生具有小的總開(kāi)口區(qū)域的IF反射器?？赏ㄟ^(guò)將開(kāi)口的陣列圖案化(例如，圓形、方形、長(zhǎng)方形或其他幾何形狀)來(lái)降低這些反射器的反射率，以便增加總開(kāi)口區(qū)域?？墒归_(kāi)口有規(guī)律地間隔，以便將輻射均勻反射走，或者使開(kāi)口線性順次排列以便使得輻射偏到襯底的一側(cè)。另一個(gè)可替代的實(shí)施方式涉及將具有相同或不同寬度的各個(gè)難熔箔條安排在襯托器下方，而不是將縫隙加工到不可分的箔片中。使用被編制成細(xì)網(wǎng)格的難熔金屬絲(通常0.005英寸直徑絲線或直徑更大的絲線)最優(yōu)地生產(chǎn)具有大的總開(kāi)口區(qū)域IR反射器?？赏ㄟ^(guò)使用更大直徑的絲線和通過(guò)編制更緊的網(wǎng)格減少絲線間距增加這些反射器的反射率。加熱燈輸出分布、底面IR 反射器分布的組合在全局基礎(chǔ)上或逐個(gè)晶片基礎(chǔ)上共同產(chǎn)生期望的均勻熱輪廓。

反射性金屬箔在0.015到0.030英寸(大約380到760μm)厚的范圍之內(nèi)，具有0.020英寸(500μm)的優(yōu)選厚度。這種光亮的薄的箔具有低熱質(zhì)量，低熱質(zhì)量阻止從次級(jí)反射器結(jié)構(gòu)107到襯底和襯托器組件105的傳導(dǎo)性熱傳遞。