具有改良的冷卻裝置的腔室的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明的實施方式提供一種加熱組件，所述加熱組件使用熱交換裝置冷卻多個加熱元件。所述加熱組件包括：多個加熱元件；冷卻元件，所述冷卻元件具有用于收納冷卻流體于其中的一或更多冷卻通道；及熱交換裝置，所述熱交換裝置設(shè)置于多個加熱元件與冷卻元件之間。熱交換裝置包含熱界面及冷界面，所述熱界面被設(shè)置成鄰近多個加熱元件且與多個加熱元件熱接觸，所述冷界面被設(shè)置成鄰近冷卻元件且與冷卻元件熱接觸。
【專利說明】具有改良的冷卻裝置的腔室

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明的實施方式大體涉及用于處理半導(dǎo)體基板的設(shè)備及方法。特定而言，本發(fā) 明的實施方式涉及用于冷卻處理腔室中的加熱組件的設(shè)備及方法。

【背景技術(shù)】
[0002] -些用于制造半導(dǎo)體裝置的工藝（例如快速熱處理、外延沉積、化學(xué)氣相沉積、物 理氣相沉積、電子束固化）在高溫下執(zhí)行。通常用一或更多熱源在處理腔室中將被處理的 基板加熱至所需溫度。為了溫度控制及安全的原因，處理期間可能需要冷卻熱源及腔室部 件。然而，用于半導(dǎo)體處理的傳統(tǒng)冷卻元件對于高溫或高密度熱源可能無效或不相容。
[0003] 因此，需要用于冷卻處理腔室的設(shè)備及方法。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明的實施方式大體提供用于冷卻處理腔室的設(shè)備及方法，所述處理腔室被配 置以在高溫下處理一或更多基板。特定而言，本發(fā)明的實施方式涉及一種加熱組件，所述加 熱組件包括用于控制加熱元件的溫度的熱交換裝置及冷卻元件。
[0005] 本發(fā)明的一個實施方式提供一種用于加熱處理腔室的加熱組件。所述加熱組件包 括：多個加熱元件；冷卻元件，所述冷卻元件具有一或更多冷卻通道以用于收納冷卻流體 于所述一或更多冷卻通道中；及熱交換裝置，所述熱交換裝置設(shè)置于多個加熱元件與冷卻 元件之間。熱交換裝置包含熱界面及冷界面，所述熱界面被設(shè)置成鄰近多個加熱元件且與 多個加熱元件熱接觸，所述冷界面被設(shè)置成鄰近冷卻元件且與冷卻元件熱接觸。
[0006] 本發(fā)明的一個實施方式提供一種用于處理基板的設(shè)備。所述設(shè)備包括：腔室主體， 所述腔室主體形成腔室外殼；基板支撐件，所述基板支撐件設(shè)置于腔室外殼中；及加熱組 件，所述加熱組件設(shè)置于腔室外殼外且被配置以將熱能導(dǎo)向腔室外殼。加熱組件包括：多個 加熱元件；冷卻元件，所述冷卻元件具有一或更多冷卻通道以用于收納冷卻流體于所述一 或更多冷卻通道中；及熱交換裝置，所述熱交換裝置設(shè)置于多個加熱元件與冷卻元件之間。 熱交換裝置包含熱界面及冷界面，所述熱界面被設(shè)置成鄰近多個加熱元件且與多個加熱元 件熱接觸，所述冷界面被設(shè)置成鄰近冷卻元件且與冷卻元件熱接觸。
[0007] 本發(fā)明的另一實施方式提供一種用于處理基板的方法。所述方法包括將來自多個 加熱元件的輻射能導(dǎo)向基板處理腔室的外殼，及使用設(shè)置在多個加熱元件與冷卻元件之間 的熱交換裝置冷卻多個加熱元件，其中熱交換裝置包含熱界面及冷界面，所述熱界面被設(shè) 置成鄰近多個加熱元件且與多個加熱元件熱接觸，所述冷界面被設(shè)置成鄰近冷卻元件且與 冷卻元件熱接觸。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0008] 為了能詳細理解本發(fā)明的上述特征，可通過參考實施方式（其中一部分實施方式 在附圖中圖示）獲得以上簡要概述的本發(fā)明的更具體的描述。然而，應(yīng)注意，附圖僅圖示本 發(fā)明的典型實施方式，且因此附圖不應(yīng)被視為對本發(fā)明的范圍的限制，因為本發(fā)明可允許 其他等同有效的實施方式。
[0009] 圖IA為根據(jù)本發(fā)明的一個實施方式的處理腔室的截面示意圖。
[0010] 圖IB為圖IA的處理腔室的熱源的截面透視示意圖。
[0011] 圖IC為圖IB的燈組件的俯視示意圖。
[0012] 圖2A為根據(jù)本發(fā)明的一個實施方式的熱導(dǎo)管的透視示意圖。
[0013] 圖2B為圖2A的熱導(dǎo)管的截面示意圖。
[0014] 圖3A為根據(jù)本發(fā)明的一個實施方式的快速熱處理腔室的截面示意圖。
[0015] 圖3B為圖3A的快速熱處理腔室中的熱源的俯視示意圖。
[0016] 圖3C為圖3B的熱源的部分截面放大示意圖。
[0017] 圖4A為根據(jù)本發(fā)明的另一實施方式的熱源的部分截面放大示意圖。
[0018] 圖4B為圖4A的熱源的部分分解示意圖。
[0019] 為了幫助理解，已盡可能使用相同標記數(shù)字來表示各圖中共有的相同元件。應(yīng)預(yù) 想到，一個實施方式中所揭示的元件可有益地用于其他實施方式而無需特定詳述。

【具體實施方式】
[0020] 本發(fā)明的實施方式涉及用于冷卻處理腔室的設(shè)備及方法。更特定而言，本發(fā)明的 實施方式涉及一種具有用于冷卻加熱元件的熱交換裝置的加熱組件。在一個實施方式中， 熱交換裝置包括用于快速且均勻冷卻的一或更多熱導(dǎo)管。在一個實施方式中，熱導(dǎo)管可與 加熱元件及冷卻元件整合。使用熱導(dǎo)管可為緊密裝配的加熱元件提供快速且均勻的冷卻。 根據(jù)本發(fā)明的實施方式的加熱組件提供改良的熱傳遞、減小熱梯度及改良溫度均勻性、減 小熱變形及熱應(yīng)力。
[0021] 圖IA為根據(jù)本發(fā)明的一個實施方式的處理腔室100的截面示意圖。處理腔室100 可用于執(zhí)行諸如外延沉積之類的多種工藝。處理腔室100包含腔室主體120、設(shè)置于腔室主 體120之上的噴頭組件110及設(shè)置于腔室主體120之下的下拱形結(jié)構(gòu)130。噴頭組件110、 腔室主體120及下拱形結(jié)構(gòu)130界定腔室外殼140,以用于處理腔室外殼140中的一或更多 基板。狹縫閥門122可穿過腔室主體120而形成，以允許基板101通過。
[0022] 基板支撐組件150能移動地設(shè)置于腔室外殼140內(nèi)，以在處理期間支撐基板101。 下拱形結(jié)構(gòu)130通常由熱能能穿透或?qū)嵸|(zhì)上能穿透的材料制成。在一個實施方式中，下拱 形結(jié)構(gòu)130由石英制成?；蛘撸鹿靶谓Y(jié)構(gòu)130可由石英窗替代。
[0023] 噴頭組件110可連接至氣源112,以分配一或更多種處理氣體至腔室外殼140以用 于處理基板101。氣源112可包括用于硅外延沉積的硅源。氣源112可包含前驅(qū)物源、載氣源 及凈化氣體源。在一個實施方式中，氣源112可包括工藝氣體源，以用于沉積多種金屬氮化 物膜及化合物膜，所述金屬氮化物膜包括氮化鎵（GaN)、氮化錯（aluminum nitride ;A1N)、 氮化銦（indium nitride ;InN),所述化合物膜比如氮化錯鎵（AlGaN)及氮化銦鎵（InGaN)。 氣源112亦可包含不反應(yīng)的（non-reactive)氣源，比如氦（He)、氦（Ar)或其他氣體，比如 氫（H 2)、氮（N2)及兩者的組合。
[0024] 加熱組件160設(shè)置于下拱形結(jié)構(gòu)130下方，且被配置以提供穿過下拱形結(jié)構(gòu)130 的熱能至腔室外殼140中。加熱組件160包括多個加熱元件162、包括一或更多冷卻通道 168的冷卻元件166及耦接于冷卻元件與多個加熱元件162之間的一或更多熱交換裝置 164。冷卻流體源170可耦接至冷卻元件166以使冷卻流體在冷卻通道168中循環(huán)。
[0025] 多個加熱元件162可為紫外線（ultra violet，UV)燈、鹵素燈、激光二極管、電阻 加熱器、微波驅(qū)動加熱器、發(fā)光二極管（LED)或任何合適的熱源。
[0026] 在一個實施方式中，加熱組件160可包括多個同軸加熱單元161。多個加熱單元 161可布置在不同高度，以形成用于加熱腔室外殼140的合適形狀。如圖IA所示，多個加熱 單元161可安裝于框架169上以形成合適形狀，比如圍繞下拱形結(jié)構(gòu)130的圓拱形狀，以加 熱腔室外殼140。多個加熱單元161的每一加熱單元中的熱交換裝置164和冷卻元件166 形成圓，且加熱元件162圍繞所述圓均勻分布。各加熱單元161中的加熱元件162的數(shù)目 可不相同。
[0027] 圖IB為移除下拱形結(jié)構(gòu)130及腔室主體120后加熱組件160的俯視示意圖。相 鄰加熱單元161中的熱交換裝置164可能重疊?？杀Ａ糁行拈_口 165,以便為基板支撐組件 150提供通道。
[0028] 圖IC為根據(jù)本發(fā)明的一個實施方式的加熱單元161的部分透視截面示意圖。加 熱單元161包括外熱交換裝置164a及內(nèi)熱交換裝置164b。外熱交換裝置164a與內(nèi)熱交換 裝置164b可以同軸地布置。如圖IC的實施方式所示，多個加熱元件162可與外熱交換裝 置164a整合。冷卻兀件166可包括上環(huán)166a及下環(huán)166b。上環(huán)166a和下環(huán)166b可為實 質(zhì)上平坦的。如圖IC所示，上環(huán)166a和下環(huán)166b與內(nèi)熱交換裝置164b和外熱交換裝置 164a的下端接合，以界定冷卻通道168?；蛘撸鋮s通道168可在沒有內(nèi)熱交換裝置164b 和外熱交換裝置164a的情況下形成。
[0029] 每個冷卻通道168可為連續(xù)環(huán)形通道，所述通道具有定位在進口 168a與出口 168b 之間的分隔器163以促進冷卻流體的循環(huán)。合適的冷卻流體包括水、水基乙二醇混合物、全 氟聚醚（例如Galden?流體）、油基傳熱流體、流體金屬（比如鎵或鎵合金）或類似流體。 冷卻流體可通過冷卻通道168循環(huán)，以便為熱交換裝置164提供散熱（heat sink)。
[0030] 熱交換裝置164被配置以為多個加熱元件162提供均勻且快速的冷卻。因為加熱 元件162以相對密集的布置形式布置，所以加熱元件162之間通常沒有足夠的空間使冷卻 通道為精確的溫度控制提供有效冷卻。熱交換裝置164可呈薄板的形式，且可裝配在加熱 元件162之間的小空間中以促進冷卻。另外，每個熱交換裝置164中的熱導(dǎo)管的套管亦可 用作反射器，以防止加熱期間的熱損失。
[0031] 根據(jù)本發(fā)明的實施方式，熱交換裝置164可包括一或更多熱導(dǎo)管。在一個實施方 式中，熱交換裝置164可以是形成為圍繞多個加熱元件162設(shè)置的呈薄板形式的一或更多 熱導(dǎo)管。每個薄板可由一或更多橫向接合的獨立熱導(dǎo)管組成。圖2A為根據(jù)本發(fā)明的一個 實施方式的熱導(dǎo)管200的部分透視示意圖。熱導(dǎo)管200是彎曲成弓形的薄板以形成圖IA 的熱交換裝置164的一部分。如圖2A所示，薄熱交換裝置164由多個平行且獨立起作用的 熱導(dǎo)管組成。
[0032] 圖2B為圖2A的熱導(dǎo)管200的截面示意圖。熱導(dǎo)管200包括套管206,套管206封 閉腔體208。套管可由諸如銅或鋁之類的具有高熱導(dǎo)率的材料形成。腔體208為真空的，且 填充有一部分一定體積百分比的工作流體212。工作流體212可為水、乙醇、丙酮、鈉或汞。 可根據(jù)熱導(dǎo)管200的作業(yè)溫度選擇工作流體212。因為腔體內(nèi)部為部分真空的狀態(tài)，所以腔 體208中的工作流體212的一部分為液相，而工作流體212的剩余部分為氣相。
[0033] 熱導(dǎo)管200可具有：在第一端處的熱界面202,所述熱界面202被設(shè)置以與待冷卻 的目標熱接觸；及在與熱界面202相對的第二端處的冷界面204,所述冷界面204被設(shè)置以 與散熱件熱接觸。選擇性地，吸芯結(jié)構(gòu)（wick structure)210可襯在套管206內(nèi)部，且圍繞 腔體208。吸芯結(jié)構(gòu)210被設(shè)置以在冷界面204處向工作流體212的流體表面施加毛細壓 力，并將工作流體212吸至熱界面202。
[0034] 熱導(dǎo)管200是結(jié)合導(dǎo)熱性和相變兩者的原理以有效地管理熱界面202與冷界面 204之間的熱轉(zhuǎn)移的熱交換裝置。在熱導(dǎo)管內(nèi)的熱界面202處，與導(dǎo)熱套管206接觸的工作 流體212的流體通過吸收來自與熱界面202熱接觸的熱源的熱量變?yōu)檎魵?。蒸氣在冷界?204處冷凝回流體，從而向與冷界面熱接觸的散熱件釋放潛熱（latent heat)。接著流體通 過吸芯結(jié)構(gòu)210的毛細作用或者重力作用返回至熱界面202。重復(fù)該循環(huán)。
[0035] 如以上所論述的，加熱組件160中的熱交換裝置164包括一或更多熱導(dǎo)管，其中 熱界面與多個加熱元件162熱接觸且冷界面與冷卻元件166熱接觸。因此，多個加熱元件 162可通過冷卻通道168中的冷卻流體而冷卻。熱交換裝置164中的熱導(dǎo)管為多個加熱元 件162提供快速且均勻的冷卻，以便可快速、均勻且精確地控制腔室外殼140的溫度。
[0036] 包括熱導(dǎo)管的加熱組件可具有適用于不同處理腔室的不同設(shè)計?？墒褂貌煌愋?的加熱元件。加熱元件可以多種布置形式布置。熱導(dǎo)管可被成形及布置成以多種布置形式 冷卻加熱元件。
[0037] 圖3A為根據(jù)本發(fā)明的一個實施方式的快速熱處理腔室300的截面示意圖。熱處理 腔室300包括加熱組件304,加熱組件304設(shè)置于腔室主體302之下。腔室主體302界定處 理空間306,以用于處理處理空間306中的基板314。管狀提舉器（tubular riser) 308可 設(shè)置于處理空間306中以用于支撐及旋轉(zhuǎn)基板314?；?14可由設(shè)置于管狀提舉器308 上的邊緣環(huán)310支撐，且在周邊邊緣處接觸邊緣環(huán)310。腔室主體302可包括石英窗312。 加熱組件304設(shè)置于石英窗312外部，以提供熱能至處理空間306。
[0038] 加熱組件304包括安裝于框架324上的多個加熱元件320。多個加熱元件320可 緊密地布置，以產(chǎn)生用于快速熱處理的足夠強烈的熱能。多個加熱元件320可連接至電源 316。多個加熱元件320可分組為兩個或更多能獨立調(diào)節(jié)的加熱區(qū)以達到所需的加熱效果。 多個加熱元件162可為紫外線（UV)燈、鹵素燈、激光二極管、電阻加熱器、微波驅(qū)動加熱器、 發(fā)光二極管（LED)或任何合適的熱源。
[0039] 框架324具有冷卻通道326。冷卻通道326可耦接至冷卻流體源318以為多個加 熱元件320提供間接的溫度控制。冷卻流體源318可提供合適的冷卻流體，比如水、水基乙 二醇混合物、全氟聚醚（例如Ga丨den?流體）、油基傳熱流體、流體金屬（比如鎵或鎵合金） 或類似流體。
[0040] 多個熱交換裝置322設(shè)置在多個加熱元件320與框架324中的冷卻通道326之間， 以提供冷卻通道326中的冷卻流體與多個加熱元件320之間的熱交換。
[0041] 每個熱交換裝置322可包括一或更多熱導(dǎo)管，比如圖2A至圖2B的熱導(dǎo)管200。每 個熱交換裝置322中的一或更多熱導(dǎo)管被布置有定位為鄰近一或更多加熱元件320的熱界 面及定位于框架324內(nèi)鄰近一或更多冷卻通道326的冷界面。熱交換裝置322允許通過未 與加熱元件320間接接觸的冷卻流體而使加熱元件320快速冷卻。
[0042] 圖3B為圖3A的快速熱處理腔室300內(nèi)的加熱組件304的部分俯視示意圖。多個 加熱元件320緊密地布置于一個平面內(nèi)。熱交換裝置322在每個加熱元件320的熱量生成 部分的周圍形成垂直壁以用于冷卻。圖3B圖示布置成六邊形圖案的多個加熱元件。熱交 換裝置322圍繞多個加熱元件320形成六邊形元腔（cell)，以用于熱交換。
[0043] 圖3C為圖3A的加熱組件304的部分截面放大示意圖。多個加熱元件320中的每 一加熱元件均穿過開口 328安裝于框架324上。開口 328可為通孔以允許布線穿過。熱交 換裝置322可具有設(shè)置于框架324內(nèi)、鄰近冷卻通道326的冷界面322b及緊鄰加熱元件 320的熱界面322a。
[0044] 通過使用由熱導(dǎo)管形成的熱交換裝置322,加熱組件304中緊密排列的加熱元件 320可均勻且快速地冷卻，因此，使得快速熱處理腔室300的精確的溫度控制成為可能。
[0045] 圖4A為根據(jù)本發(fā)明的另一實施方式的加熱組件400的部分截面放大示意圖。加 熱組件400與加熱組件304類似，除了加熱組件400包括具有彎曲輪廓的熱交換裝置408。 加熱組件400包括多個加熱元件402及具有冷卻通道406的冷卻基座404及設(shè)置在多個加 熱元件402與冷卻基座404之間的多個熱交換裝置408。多個加熱元件402可緊密地布置。 熱交換裝置408可由一或更多熱導(dǎo)管形成。熱交換裝置408可以是彎曲的以適應(yīng)加熱元件 402的緊密布置及給予冷卻通道406更大空間。選擇性地，可在鄰近的熱交換裝置408之間 使用支撐框架410。
[0046] 圖4B為圖4A的加熱組件400的部分截面示意圖。多個加熱元件402布置成六邊 形圖案?；蛘?，可使用其他合適圖案。
[0047] 雖然加熱組件被描述成用于外延沉積腔室、快速熱處理腔室，但根據(jù)本發(fā)明的實 施方式的加熱組件可用于需要冷卻緊密排列的加熱元件的任何合適的處理腔室。
[0048] 盡管前述內(nèi)容針對本發(fā)明的實施方式，但在不背離本發(fā)明的基本范圍的情況下， 可設(shè)計本發(fā)明的其他及進一步的實施方式，且本發(fā)明的范圍由以下權(quán)利要求書的范圍確 定。
【權(quán)利要求】
1. 一種用于加熱處理腔室的加熱組件，所述加熱組件包含： 多個加熱元件； 冷卻元件，所述冷卻元件具有一或更多冷卻通道W用于收納冷卻流體于所述冷卻通道 中；及 設(shè)置在所述多個加熱元件與所述冷卻元件之間的熱交換裝置，其中所述熱交換裝置包 含熱界面及冷界面，所述熱界面被設(shè)置成鄰近所述多個加熱元件且與所述多個加熱元件熱 接觸，所述冷界面被設(shè)置成鄰近所述冷卻元件且與所述冷卻元件熱接觸。
2. 如權(quán)利要求1所述的加熱組件，其中所述熱交換裝置包含一或更多熱導(dǎo)管，且所述 熱導(dǎo)管的每一熱導(dǎo)管包含： 導(dǎo)熱套管，所述導(dǎo)熱套管形成密封腔；及 工作流體，所述工作流體設(shè)置在所述密封腔內(nèi)，其中所述工作流體處于低壓且被設(shè)置 成通過相變傳熱。
3. 如權(quán)利要求2所述的加熱組件，其中所述一或更多熱導(dǎo)管與所述冷卻元件整合W形 成用于收納所述冷卻流體的一或更多冷卻通道。
4. 如權(quán)利要求2所述的加熱組件，其中所述多個加熱元件緊密地布置于平面內(nèi)，且所 述一或更多熱導(dǎo)管圍繞所述多個加熱元件中的每一加熱元件W薄板形式橫向接合。
5. 如權(quán)利要求4所述的加熱組件，其中所述多個加熱元件被分組W形成多個加熱區(qū)。
6. 如權(quán)利要求4所述的加熱組件，其中所述多個加熱元件被布置在六邊形組裝件中。
7. 如權(quán)利要求2所述的加熱組件，其中所述冷卻元件形成一或更多圓，且所述多個加 熱元件沿所述一或更多圓均勻分布。
8. 如權(quán)利要求2所述的加熱組件，其中所述一或更多熱導(dǎo)管橫向接合W形成薄板。
9. 一種用于處理基板的設(shè)備，所述設(shè)備包含： 腔室主體，所述腔室主體形成腔室外殼； 基板支撐件，所述基板支撐件設(shè)置在所述腔室外殼中；及 如權(quán)利要求1至8的任一項所述的加熱組件，所述加熱組件設(shè)置于所述腔室外殼外部， 且被配置W將熱能導(dǎo)向所述腔室外殼。
10. 如權(quán)利要求9所述的設(shè)備，其中所述腔室主體包含石英窗，且所述加熱組件設(shè)置于 所述石英窗外部。
11. 如權(quán)利要求10所述的設(shè)備，所述設(shè)備進一步包含分布于所述基板支撐件上方的氣 體分配噴頭，且所述石英窗設(shè)置于所述基板支撐件下方。
12. 如權(quán)利要求10所述的設(shè)備，其中所述多個加熱元件為紫外線（UV)燈、團素燈、激光 二極管、電阻加熱器、微波驅(qū)動加熱器或發(fā)光二極管（LED)中的一種。
13. -種用于處理基板的方法，所述方法包含W下步驟： 將來自多個加熱元件的福射能導(dǎo)向基板處理腔室的外殼；及 使用設(shè)置在所述多個加熱元件與冷卻元件之間的熱交換裝置冷卻所述多個加熱元件， 其中所述熱交換裝置包含熱界面及冷界面，所述熱界面被設(shè)置成鄰近所述多個加熱元件且 與所述多個加熱元件熱接觸，所述冷界面被設(shè)置成鄰近所述冷卻元件且與所述冷卻元件熱 接觸。
14. 如權(quán)利要求13所述的方法，其中所述熱交換裝置包含一或更多熱導(dǎo)管，且所述一 或更多熱導(dǎo)管中的每一熱導(dǎo)管包含： 導(dǎo)熱套管，所述導(dǎo)熱套管形成密封腔；及 工作流體，所述工作流體設(shè)置于所述密封腔內(nèi)，其中所述工作流體處于低壓且被設(shè)置 成通過相變傳熱。
15.如權(quán)利要求14所述的方法，其中冷卻所述多個加熱元件的步驟包含W下步驟：使 冷卻流體流經(jīng)所述冷卻元件內(nèi)形成的冷卻通道。
【文檔編號】H05K7/20GK104471673SQ201380038307
【公開日】2015年3月25日 申請日期:2013年6月26日 優(yōu)先權(quán)日:2012年7月26日
【發(fā)明者】約瑟夫·M·拉內(nèi)什, 阿倫·繆爾·亨特 申請人:應(yīng)用材料公司