[发明专利]用于旋转基板的非径向温度控制系统

说明书

技术领域

本发明的实施例大致涉及处理半导体基板的设备与方法。具体而言，本发明的实施例与快速热处理腔室中的基板处理有关。

背景技术

快速热处(RTP)是半导体处理中的一种基板退火程序。在RTP期间，基板一般是由靠近边缘区域的支撑装置予以支撑，并在受一个或更多个热源加热时由其加以旋转。在RTP期间，一般是使用热辐射将受控制环境中的基板快速加热至最大温度(高达约1350℃)，根据处理所需而使此最大温度保持一段特定时间(从一秒以下至数分钟)；接着将基板冷却至室温以进行其它处理。一般会使用高强度钨卤素灯作为热辐射源，也可由传导耦接至基板的加热台来提供额外热能给基板。

半导体制程中有多种RTP的应用，这些应用包括热氧化、高温浸泡退火、低温浸泡退火、以及尖峰退火。在热氧化中，基板在氧、臭氧、或氧与氢的组合中进行加热，其使硅基板氧化而形成氧化硅；在高温浸泡退火中，基板被暴露至不同的气体混合物(例如氮、氨、或氧)；低温浸泡退火一般是用来退火沉积有金属的基板；尖峰退火用于当基板需要在非常短时间中暴露于高温时，在尖峰退火期间，基板会被快速加热至足以活化掺质的最大温度，并快速冷却，在掺质实质扩散之前结束活化程序。

RTP通常需要整个基板上实质均匀的温度轮廓。在现有技术中，温度均匀性可通过控制热源(例如激光、灯泡阵列)而提升，其中热源经配置以在前侧加热基板，而在背侧的反射表面则将热反射回基板。也已使用发射率测量与补偿方法来改善整个基板上的温度梯度。

由于半导体工业的发展，对于RTP中温度均匀性的要求也随之增加。在某些处理中，从基板边缘内2mm处开始具有实质上小之温度梯度是重要的；特别是，可能需要以温度变化约1℃至1.5℃的条件来加热基板达到介于约200℃至约1350℃。公知RTP系统的情形是结合了可径向控制区以改善沿着处理基板的半径的均匀性；然而，不均匀性会因各种理由而以各种态样产生，不均匀性比较像是非径向的不均匀性，其中在相同半径上不同位置处的温度会有所变化。非径向的不均匀性无法通过根据其半径位置调整加热源而解决。

图1A-1D示意性说明了示例非径向的不均匀性。在RTP系统中，通常使用边缘环在周围附近支撑基板。边缘环与基板重叠而在靠近基板边缘处产生复杂的加热情形。一方面，基板在靠近边缘处会具有不同的热性质，这大部分是指经图案化的基板、或绝缘层上覆硅(SOI)基板。在另一方面，基板与边缘环在边缘附近重叠，因此难以通过单独测量与调整基板的温度而在靠近边缘处达到均匀的温度轮廓；根据边缘环的热性质相对于基板的热与光学性质，基板的温度轮廓一般在边缘为高或在边缘为低。

图1A示意性说明了在RTP腔室中处理的基板的一般温度轮廓的两种类型；垂直轴代表在基板上所测量的温度，水平轴代表离基板边缘的距离。轮廓1是边缘为高的轮廓，其中基板的边缘具有最高的温度测量值；轮廓1是边缘为低的轮廓，其中基板的边缘具有最低的温度测量值。要去除公知RTP系统状态中的基板边缘附近的温度差异是很困难的。

图1A是置于支撑环101上的基板102的示意性俯视图。支撑环101沿中心(一般与整个系统的中心一致)旋转，基板102的中心需与支撑环101的中心对齐，然而，基板102可能会基于各种理由而未与支撑环101对齐。当热处理的需求增加时，基板102与支撑环101之间微小的不对齐都会产生如图1B所示的不均匀性。在尖峰处理中，1mm的移位会产生约30℃的温度变化。公知热处理系统的状态是具有约0.18mm的基板放置精确度，因此其因对齐限制所导致的温度变化约为5℃。

图1B是该基板102于热处理期间的示意温度图，其中基板102未与支撑环101对齐。基板102通常沿着边缘区105具有高温区103与低温区104两者。

图1C是基板107在快速热处理期间的示意温度图。基板107具有沿着水平方向106的温度梯度。图1C所示的温度梯度会因各种理由而产生，例如离子植入、腔室不对称性、固有基板特性以及制程组的变化性。

图1D是经图案化的基板108的示意温度图，该基板108具有由与基板108不同的材料所形成的表面结构109。线111是基板108在整个直径上的温度轮廓。温度会产生变化是因为表面结构109的特性与基板108不同。由于热处理中的大部分基板都具有形成于其上的结构，因此由局部图案所产生的温度变化是常见的现象。

故，需要一种用在RTP中以减少非径向的温度不均匀性的设备与方法。

发明内容