In-SITU clean rapid thermal processing chamber

Abstract

A processing chamber, comprising a chamber body, a reflector plate, a base plate, and a cover. The chamber body comprises an interior volume. The reflector plate is disposed within the interior volume of the chamber body. The base plate is disposed within the interior volume of the chamber body and below the reflector plate. The cover encloses the reflector plate and the base plate and isolates the reflector plate and base plate from a remainder of the interior volume of the chamber body.

Description

IN-SITU CLEAN RAPID THERMAL PROCESSING CHAMBERBACKGROUNDField

[0001] Embodiments of the present disclosure generally relate to a process chamber for processing a substrate.

[0002] Description of the Related Art

[0003] In the processing of substrates, such as semiconducting substrates, the substrate is placed on a support in a processing chamber, and suitable processing conditions are maintained in the processing chamber. For example, the substrate can be placed in a rapid thermal processing (RTP) chamber in preparation for an annealing process.

[0004] During the annealing process, the substrate may outgas impurities that are present in the substrate. These outgassed impurities may include a dopant material, a material derived from the dopant material, or any other material that may escape the substrate during the annealing process. The outgassed impurities may deposit on the walls of the chamber, on the reflector plate of the chamber, and / or on the base of the chamber. This deposition may interfere with temperature readings and with the distribution of radiation on the substrate, which in turn affects the temperature at which the substrate is annealed. Deposition of the outgassed impurities may also cause unwanted particles on the substrate and may generate slip lines on the substrate.

[0005] Depending on the chemical composition of the deposits, the chamber must be taken offline for cleaning process. Some of the cleaning processes require manual intervention to clean the deposited material from the interior of the processing chamber, which may be labor intensive and require the chamber to be offline for about multiple hours. Accordingly, there exists a need for an improved processing chamber for use during in-situ cleaning.SUMMARY

[0006] In one aspect, a processing chamber comprises a chamber body, a reflector plate, a base plate, and a cover. The chamber body comprises an interior volume. The reflector plate is disposed within the interior volume of the chamber body. The base plate is disposed within the interior volume of the chamber body and is disposed below the reflector plate. The cover encloses the reflector plate and the base plate and isolates the reflector plate and base plate from a remainder of the interior volume of the chamber body.

[0007] In another aspect, a processing chamber comprises a chamber body, an access port liner, an exhaust port liner, and a window liner. The chamber body includes an access port defined by an access port inner surface, an exhaust port defined by an exhaust port inner surface, and a window opening defined by a window opening inner surface. The access port liner is disposed about and covers the access port inner surface. The exhaust port liner is disposed about and at least partially covers the exhaust port inner liner. The window liner is disposed about and covers the window opening inner surface.

[0008] In another aspect, a processing chamber comprises a chamber body, a reflector plate, a base plate, a cover, an access port liner, an exhaust port liner, and a window liner. The chamber body includes an interior volume, an access port defined by an access port inner surface, an exhaust port defined by an exhaust port inner surface, and a window opening defined by a window opening inner surface. The reflector plate is disposed within the interior volume of the chamber body. The base plate is disposed within the interior volume of the chamber body and below the reflector plate. The cover encloses the reflector plate and the base plate and isolates the reflector plate and base plate from a remainder of the interior of the chamber body. The access port liner is disposed about and covers the access port inner surface. The exhaust port liner is disposed about and at least partially covers the exhaust port inner surface. The window liner is disposed about and covers the window opening inner surface.BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS

[0009] So that the manner in which the above-recited features of the present disclosure can be understood in detail, a more particular description of the disclosure, briefly summarized above, may be had by reference to embodiments, some of which are illustrated in the appended drawings. It is to be noted, however, that the appended drawings illustrate only exemplary embodiments and are therefore not to be considered limiting of its scope, and may admit to other equally effective embodiments.

[0010] Figure 1 schematically illustrates an exemplary rapid thermal processing chamber, according to one or more embodiments of the disclosure.

[0011] Figure 2 schematically illustrates a detailed view of the shield assembly, base plate, and reflector plate of the rapid thermal processing chamber of Figure 1, according to one or more embodiments of the disclosure.

[0012] To facilitate understanding, identical reference numerals have been used, where possible, to designate identical elements that are common to the figures. It is contemplated that elements and features of one embodiment may be beneficially incorporated in other embodiments without further recitation.DETAILED DESCRIPTION

[0013] Figure 1 schematically illustrates a rapid thermal processing (RTP) chamber 10 for annealing a disk-shaped semiconductor substrate 12. Figure 2 schematically illustrates a detailed view of the shield assembly 36, base plate 17, and the reflector plate 15 of the RTP chamber 10 of Figure 1.

[0014] As used herein, rapid thermal processing (RTP) refers to an apparatus or a process capable of uniformly heating a substrate, such as substrate 12, at rates of about 50℃ / second and higher, for example, at rates of about 100℃ / second to 150℃ / second, and about 200℃ / second to 400℃ / second. The temperature of the substrate may reach a range of about 700 ℃ to about 1,000 ℃, e.g., about 700 ℃, about 800 ℃, about 900 ℃, about 1,000 ℃, or the like. The temperature of the substrate may reach about  800 ℃. Typical ramp-down (cooling) rates in RTP chambers, such as processing chamber 10, are in the range of about 80℃ / second to 150℃ / second. Some processes performed in RTP chambers utilize variations in temperature across the substrate of less than a few degrees Celsius. An RTP chamber, with such a heating control system may anneal a sample in less than 5 seconds, for example, less than 1 second, and in some embodiments, milliseconds.

[0015] The processing chamber 10 includes chamber body 11, a radiant heating apparatus 13, a substrate support 14, a reflector plate 15, a temperature monitoring assembly 16, a base plate 17, and a shield assembly 36.

[0016] The chamber body 11 includes an access port 18 and an exhaust port 19. The access port 18 may be disposed on a first side of the chamber body 11 and may be defined by an access port inner surface 20. The exhaust port 19 may be disposed on a second side of the chamber body 11 and may be defined by an exhaust port inner surface 21. The chamber body 11 further includes an opening 22 in its top defined by an opening inner surface 23. The opening 22 is covered and sealed by a transparent quartz window 24.

[0017] The substrate support 14 is disposed within the chamber body 11. The substrate support 14 includes an annular support ring 25. The annular support ring 25 includes an edge lip 26 extending inwardly from the annular support ring 25. The annular support ring 25 is supported by a rotatable cylinder 27. In some embodiments, a motor (not shown) rotates the rotatable cylinder 27, thus rotating the annular support ring 25 about its central axis 28, which is also the central axis of the generally symmetric processing chamber 10. In some embodiments, the bottom of the rotatable cylinder 27 is a magnetically levitated cylinder held in place.

[0018] The top of the substrate support 14 and the bottom of the quartz window 24 define a process area 29 wherein a substrate, such as substrate 12, may be installed and processed.

[0019] The substrate 12, for example, a semiconductor substrate such as a silicon substrate to be thermally processed, is passed through the access port 18 into the process area 29 of the processing chamber 10. The substrate 12 is supported on its periphery by the annular support ring 25. Specifically, the substrate 12 is supported on its periphery by the edge lip 26. The substrate 12 may include processed features already formed on a top surface facing the quartz window 24 and / or a bottom surface facing away from the quartz window 24 of the substrate 12. The processed features may not project substantial distances beyond the top surface and / or bottom surface of the substrate, but constitute patterning within and near the plane of the top and / or bottom surface of the substrate 12.

[0020] The radiant heating apparatus 13 is disposed above the quartz window 24, the annular support ring 25, and above the substrate 12. The radiant heating apparatus 13 is configured to direct radiant energy toward the substrate 12 through the quartz window 24.

[0021] In some embodiments, the radiant heating apparatus may 13 include a large number of lamps 30 positioned in respective reflective tubes 31, sometimes referred to as the “lamphead, ” using resistive heating to ramp up the temperature of the radiant heating apparatus 13. In some embodiments, there may be about 409 lamps 30 in the radiant heating apparatus 13. As used herein, the term lamp 30 is intended to cover lamps 30 including an envelope that surrounds a heat source. The "heat source" of a lamp refers to a material or element that can increase the temperature of the substrate, for example, a filament or gas that can be energized, or a solid region of a material that injects radiation such as a LED or solid-state lasers and laser diodes. In some embodiments, the lamps 30 are high intensity tungsten-halogen lamps 30. In some embodiments, the lamps 30 include mercury vapor lamps having an envelope of glass or silica surrounding a filament. In some embodiments, the lamps 30 include flash lamps comprising an envelope of glass or silica surrounding a gas such as xenon, which provides a heat source when the gas is energized. The lamps 30 may be arranged in a hexagonal, close packed array. In some embodiments, the lamps 30 are divided into  zones arranged generally ring-like around the central axis 28 of the substrate support 14. The voltage delivered to the lamps 30 in different zones may be varied thus varying the distribution of radiant energy.

[0022] The reflector plate 15 aids in controlling the temperature across the substrate 12 to improve process uniformity by efficiently reflecting heat radiation emitted from the substrate 12 back towards the substrate 12 to enhance apparent emissivity of the substrate 12.

[0023] The reflector plate 15 is disposed beneath the substrate support 14, the substrate 12, and is disposed within the rotatable cylinder 27. The reflector plate 15 is separated from the substrate 12 by a reflective cavity 32. The reflector plate 15 may be between about 0.1 inch and about 0.5 inches below the substrate 12. The aspect ratio of the width to the thickness of the reflective cavity 32 is advantageously greater than 20. The reflective cavity 32 enhances the effective emissivity of the substrate 12, thereby improving accuracy of temperature measurement.

[0024] The reflector plate 15 may be made of aluminum and have a highly reflective surface coating or multi-layer dielectric interference mirror. In some embodiments, the reflector plate 15 is nickel-plated and includes a reflective coating. The reflector plate 15 may have an irregular surface or may have a black or other colored surface to more closely resemble a blackbody wall.

[0025] In a system designed for processing 8-inch substrates 12, the reflector plate 15 may have a diameter of about 8.9 inches, the separation between the substrate 12 and the top surface of the reflector plate 15 is about 0.2 inches to about 0.5 inches, and the separation between substrate 12 and the bottom surface of quartz window 24 is about 1 inch.

[0026] By contrast, in a system designed for 12-inch substrates 12, the reflector plate 15 may have a diameter of about 13 inches, the separation between substrate 12 and the top surface of the reflector plate 15 is about 0.7 inches, and the separation between the substrate 12 and the bottom surface of the quartz window 24 is about 1.2 inches.

[0027] Temperatures at localized regions of the substrate 12 are measured by the temperature monitoring assembly 16. The temperature monitoring assembly 16 includes temperature probes 33 positioned to and configured to measure temperatures at different radial locations across the substrate 12. The temperature probes 33 generally measure light intensity in a narrow wavelength bandwidth of, for example, 40 nm in a range between about 700nm to 1000 nm.

[0028] The temperature probes 33 receive light from inside the processing chamber 10 through optical ports 34 extending through the top surface of the reflector plate 15. Each optical port 34 may have a diameter of about . 08 inches. Optical ports 34 deliver the light received by the optical ports to respective optical detectors, which are used to determine the temperatures at the localized regions of the substrate 12. In some embodiments, the optical ports 34 may be formed of various structures including sapphire, metal, and silica fiber.

[0029] Temperature measurements are received from the temperature probes 33 by a controller 35 that dynamically controls the intensity and pattern of the radiative output of the radiant heating apparatus 13 by, for instance, varying and controlling the voltages supplied to the lamps 30. The resulting feedback loop improves the ability of the processing system to uniformly heat substrates 12.

[0030] The base plate 17 is disposed below, is coupled to, and is substantially parallel to the reflector plate 15. The base plate 17 may support the reflector plate 15. The base plate 17 may be made of metal to heat sink excess radiation from the substrate 12, especially during cool down. For instance, the base plate 17 may be cooled, such as by nitrogen or helium. The cooled base plate 17 enhances cool down of the substrate 12.

[0031] The shield assembly 36 includes a chamber wall shield 37 and a reflector plate shield 38 (also referred to herein as “cover” ) . The shield assembly 36 is configured to protect the interior walls of the chamber body 11, the reflector plate 15, the temperature monitoring assembly 16, and the base plate 17 from annealing gasses, deposition (e.g. due to wafer outgassing or silicone sublimation) , and etch gasses used during in-situ  cleaning. In some embodiments, the chamber wall shield 37 may be made of quartz and / or ceramic materials.

[0032] The chamber wall shield 37 is disposed on, and at least partially covers, the access port inner surface 20, the exhaust port inner surface 21, and the opening inner surface 23.

[0033] In various embodiments, the reflector plate shield 38 is a generally cylindrical body with a circular top surface 39 and an outer surface 40 that extends down from the outer edge of the circular top surface 39. In some embodiments, the reflector plate shield 38 is another shape including, but not limited to, a rectangular prism, a pentagonal prism, a hexagonal prism, or any other shape capable of enclosing the reflector plate 15 and the base plate 17. The reflector plate shield 38 creates an interior volume underneath the circular top surface 39 that is isolated from above the circular top surface 39 and isolated from outside of the outer surface 40. In some embodiments, the reflector plate shield 38 is positioned on a bottom surface of the processing chamber 10 to cover the reflector plate 15 and the base plate 17 such that the reflector plate 15 and the base plate 17 are fully enclosed and isolated from the remainder of the inside of the processing chamber 10. That is, the reflector plate shield 38 is disposed about the reflector plate 15 and the base plate 17 such that the top surface 39 of the reflector plate shield 38 is disposed above the reflector plate 15 and the base plate 17 and the outer surface 40 of the reflector plate shield 38 is disposed about the outer circumference of the reflector plate 15 and the outer circumference of the base plate 17. Thus, the reflector plate shield 38 isolates and protects the base plate 17 and the reflector plate 15 from contamination by materials (e.g. annealing gases, etch gases, and / or purge gases) that are implemented during various processing steps. The reflector plate shield 38 is made of a transparent material allowing light to pass through (e.g. quartz) .

[0034] In one or more embodiments, there are gaps between the substrate support 14, the reflector plate 15, the base plate 17, and the reflector plate shield 38. In one or more embodiments, the reflector plate shield 38 is monolithic. In one or more embodiments, the reflector plate shield 38 is removable from the processing chamber 10.  In other embodiments, the reflector plate shield 38 is fixedly coupled to the interior of the processing chamber 10.

[0035] During the annealing process, annealing gases are prevented from contacting the interior walls of the chamber body 11, the reflector plate 15, the temperature monitoring assembly 16, and the base plate 17 by the shield assembly 36. Similarly, during the annealing process, deposition, such as from wafer outgassing, from silicon sublimation, or otherwise, is prevented from coating the interior walls of the chamber body 11, the reflector plate 15, the temperature monitoring assembly 16, and the base plate 17 by the shield assembly 36. Such deposition may lead to non-uniform annealing processing and temperature control within the processing chamber 10. Furthermore, during in-situ cleaning, the etch gases are prevented from interacting with the interior walls of the chamber body 11, the reflector plate 15, the temperature monitoring assembly 16, and the base plate 17 by the shield assembly 36.

[0036] Therefore, the shield assembly 36 increases the efficiency and effectiveness of in-situ cleaning by reducing the need to disassemble the processing chamber 10 for cleaning. The shield assembly 36 also beneficially increases the life of the processing chamber 10 and the internal components of the processing chamber 10.

[0037] During an exemplary annealing process, a substrate, such as substrate 12, is introduced into the processing chamber 10. The substrate 12 may be doped with p-type dopants, such as boron (B) , aluminum (Al) , gallium (Ga) , beryllium (Be) , magnesium (Mg) , and zinc (Zn) , or n-type dopants, such as phosphorus (P) , arsenic (As) , antimony (Sb) , bismuth (Bi) , selenium (Se) , and tellurium (Te) .

[0038] Annealing gases are introduced into the processing chamber 10 through the access port 18. The annealing gases flow across the top surface of the substrate 12 and may react with the substrate 12, which may be heated by the radiant heating apparatus 13. Excess annealing gases, as well as any reaction by-products, are exhausted from the processing chamber 10 through the exhaust port 19 by a pump 41.

[0039] The annealing process may last from about 2 seconds to about 20 seconds, preferably from about 5 seconds to about 10 seconds. During the process, the substrate 12 is heated to a temperature from about 800℃ to about 1,400℃, preferably from about 1,000℃ to about 1,200℃. For example, the substrate 12 is heated to about 1,000℃ for about 5 seconds. During the annealing process, the reflector plate 15 is maintained at between about 150℃ and about 200℃ by, for example, the base plate 17.

[0040] After the annealing process, the annealed substrate 12 is removed from the processing chamber 10. A new substrate 12 may be introduced into the processing chamber 10 and the annealing process may be repeated. In some embodiments, the annealing process is repeated between about 10 times and about 100 times. After each anneal, impurities, such as dopants or sublimed silicon, may deposit onto the walls or surfaces of the processing chamber 10.

[0041] Occasionally, the process chamber 10 requires cleaning after one or more annealing processes. As such, an in-situ cleaning is conducted. During the in-situ cleaning process, one or more etch gases are introduced into the processing chamber 10. The one or more etch gases may be any gas that can volatilize the compounds deposited on the walls or surfaces of a processing chamber, such as processing chamber 10. The one or more etch gases may include HCl, HF, Cl2, F2, NF3, or a remote H2 or O2 plasma.

[0042] Further, during the in-situ cleaning process, heat is provided to the processing chamber 10. The heat may be provided from the radiant heating apparatus 13, or from any other source, such as from a heat exchanger. The processing chamber 10 may be heated to a temperature from about 800℃ to about 1,400℃.

[0043] The reflector plate 15 may be maintained at between about 150℃ and about 200℃. The etch gases, in combination with the heat, react with the deposits on the interior of the processing chamber 10 to form volatile products. The volatilization of the deposits may proceed for between about 1 minute to about 10 minutes

[0044] The volatilized impurities are exhausted from the processing chamber 10 via the exhaust port 19. In some embodiments, the one or more etch gases may be introduced into processing chamber 10 in a continuous manner, with the one or more etch gases being exhausted as one or more etch gases are flowed into the processing chamber 10. In some embodiments, the processing chamber 10 may be filled with the one or more etch gases, the gas source turned off, and the processing chamber 10 exhausted upon completion of the volatilization of the impurities.

[0045] In some embodiments, a purging gas may be flowed into the processing chamber 10 from a purge gas source (not shown) to promote the exhaustion of the volatilized impurities from the chamber. Any gas compatible with the substrate 12 during the annealing process may be used as a purging gas, such as inert gases. Depending on the substrate 12 being annealed, suitable purging gases may be nitrogen, argon, carbon dioxide, helium, or combinations thereof. Heat may be provided during the purge process to prevent the volatilized impurities from redepositing onto the internal components of the processing chamber 10. In some embodiments, the purging of the processing chamber 10 may proceed for between about 1 minute and about 10 minutes.

[0046] While the annealing and cleaning processes are occurring, the internal components of the processing chamber 10 are protected and isolated from deposition (e.g., due to wafer outgassing or silicon sublimation) and gases by the shield assembly 36.

[0047] Any one or more components of processing chamber 10 may be integrally formed together, directly coupled together, and / or indirectly coupled together and are not limited to the specific arrangement of components illustrated in Figure 1. Any one or more of the embodiments of the processing chamber 10 may be combined in whole or part with any one or more of the embodiments of the processing chamber 10.

[0048] While the present disclosure has been described with respect to a number of embodiments and examples, those skilled in the art, having benefit of this disclosure, will  appreciate that other embodiments can be devised which do not depart from the scope and spirit of the present disclosure.

[0049] It will be appreciated by those skilled in the art that the preceding embodiments are exemplary and not limiting. It is intended that all modifications, permutations, enhancements, equivalents, and improvements thereto that are apparent to those skilled in the art upon a reading of the specification and a study of the drawings are included within the scope of the disclosure. It is therefore intended that the following appended claims may include all such modifications, permutations, enhancements, equivalents, and improvements. The disclosure also contemplates that one or more aspects of the embodiments described herein may be substituted in for one or more of the other aspects described. The scope of the disclosure is determined by the claims that follow.

Claims

1.A processing chamber, comprising:a chamber body comprising an interior volume;a reflector plate disposed within the interior volume of the chamber body;a base plate disposed within the interior volume of the chamber body and below the reflector plate; anda cover enclosing the reflector plate and the base plate and isolating the reflector plate and base plate from a remainder of the interior volume of the chamber body.2.The processing chamber of claim 1, wherein the cover comprises a cylindrical cover including a circular top surface and a radial outer surface extending from a circumference of the circular top surface.3.The processing chamber of claim 2, wherein the radial outer surface is disposed about a perimeter of the reflector plate.4.The processing chamber of claim 1, wherein the cover includes an outer surface disposed about a perimeter of the reflector plate.5.The processing chamber of claim 1, wherein the cover includes a first surface and one or more surfaces extending transverse to the first surface, and wherein the one or more surfaces surround a perimeter of the reflector plate and a perimeter of the base plate.6.The processing chamber of claim 1, wherein the cover comprises a transparent material that allows light to pass through the cover.7.The processing chamber of claim 1, wherein the cover comprises quartz.8.The processing chamber of claim 1, wherein the chamber body further comprises:an access port defined by an access port inner surface; andan exhaust port defined by an exhaust port inner surface.9.The processing chamber of claim 6, wherein an access port liner is disposed on the access port inner surface, and an exhaust port liner is disposed on the exhaust port inner surface.10.The processing chamber of claim 9, wherein the access port liner and the exhaust port liner comprises one or more of quartz and a ceramic material.11.The processing chamber of claim 1, wherein the chamber body further comprises a window opening disposed above the reflector plate defined by a window opening inner surface.12.The processing chamber of claim 11, wherein a window liner is disposed on the window opening inner surface.13.The processing chamber of claim 12, wherein the window liner comprises one or more of quartz and a ceramic material.14.A processing chamber, comprising:a chamber body including:an access port defined by an access port inner surface;an exhaust port defined by an exhaust port inner surface; anda window opening defined by a window opening inner surface;an access port liner disposed about and covering the access port inner surface;an exhaust port liner disposed about and at least partially covering the exhaust port inner surface; anda window liner disposed about and covering the window opening inner surface.15.The processing chamber of claim 14, further comprising:a reflector plate disposed within an interior volume of the chamber body;a base plate disposed within the interior volume of the chamber body and below the reflector plate; anda cover enclosing the reflector plate and the base plate and isolating the reflector plate and base plate from a remainder of the interior volume of the chamber body.16.The processing chamber of claim 15, wherein the cover comprises a cylindrical cover.17.A processing chamber, comprising:a chamber body including:an interior volume;an access port defined by an access port inner surface;an exhaust port defined by an exhaust port inner surface; anda window opening defined by a window opening inner surface;a reflector plate disposed within the interior volume of the chamber body;a base plate disposed within the interior volume of the chamber body and below the reflector plate;a cover enclosing the reflector plate and the base plate and isolating the reflector plate and base plate from a remainder of the interior volume of the chamber body;an access port liner disposed about and covering the access port inner surface;an exhaust port liner disposed about and at least partially covering the exhaust port inner surface; anda window liner disposed about and covering the window opening inner surface.18.The processing chamber of claim 17, wherein the cover is cylindrical.19.The processing chamber of claim 17, wherein the cover comprises quartz.20.The processing chamber of claim 17, wherein the access port liner, the exhaust port liner, and the window liner comprise a ceramic material.

Images