专利名称：压力控制的热源和将其用于快速热处理的方法
技术领域：
本发明主要涉及半导体热处理系统，尤其是涉及一种用于快速热处理基板的装置和方法。
背景技术：
对于制造现代微电子器件来说，硅基板或晶片的热处理是很重要的。此类工艺，包含硅化物形成、植入退火、氧化、扩散植入和化学气相沉积(CVD)，可使用常规低温热处理技术来执行。相反地，一些掺杂剂活化工艺则需要在相对较高温度下进行一相对较短的时间。此外，许多微电子电路需要小于1微米的特征尺寸和小于数百埃的结深。为了限制掺杂剂侧向和往下的扩散，以及提供工艺当中较大的控制度，其往往需要将高温工艺时间最小化。
一种用于最小化工艺时间的手段中使用了热处理设备，例如快速热处理(RTP)系统。半导体晶片的快速热处理提供了一种制造极大规模集成电路(VLSI)和超大规模集成电路(ULSI)电子器件的技术。然而，为了符合快速热处理的热需求，其间存在了许多挑战。例如，晶片温度快速的改变率是特别地需要，以及在温度改变期间，整体晶片的温度均匀性也是同样地重要。
传统的RTP系统(例如，所谓的″热预算″，或晶片处于超过约950℃以上的时间)的一项重要性能限制为在加热该晶片和冷却该晶片之间的快速切换。现有的RTP系统一般具有一热源，其包含一用于加热晶片的加热灯或电阻元件。加热灯所具有的优点为该加热灯能迅速开关，但是晶片表面上的热曲线将急剧变化。另一方面，电阻元件能在晶片表面上提供较均匀的热曲线，但是，该电阻元件一般不能迅速地开和关。因此，电阻元件型系统需要在加热完成后在晶片与加热器之间放置一机械遮护装置，和/或需要将晶片移近或搬离加热器的动作。
另外，快速热退火(RTA，也被称为″峰值退火″)需要，一旦到达该峰值温度，在加热与冷却之间进行非常迅速的切换。半导体晶片的峰值退火通常包含将该晶片置入一热处理系统当中、迅速地将该晶片加热至高温、然后迅速将该晶片冷却至室温。
根据当前技术需求，一种理想的热源应该具有将晶片迅速加热至1050℃的最高温，然后突然停止将能量加入系统的能力，由此该晶片可迅速地被冷却。因此，超过250℃/s的温度梯度是需要的，而现有的RTP业界预测未来将有高达500℃/s的需求。典型的灯式RTP系统主要依赖热辐射机制。典型的灯式系统一般具有下列两项缺点一、由于该晶片表面有无数灯泡照射，所以无法形成均匀的温度曲线；二、由于该热传的辐射特性，所以晶片图样效果不佳。该图样效果尤其会受到晶片表面上变化的放射率所影响，其中带有图样的多晶硅、氮化物和氧化物，例如将以不同的程度吸收辐射热，由此在装置上产生微量的温度梯度。
图1示出了一典型的电阻加热外罩10，其中借助于一加热块20来加热基板15解决了一般灯式系统常见的图样效应。该外罩10一般包含一电阻加热器25，其被构造以利用热传导来加热该加热块20，其中该加热块在基板15的表面30上获得一大体上均匀的热曲线。该基板15放置在一上举机构35(一般包含多个钉销40)上，其中该上举机构35是可操作的，以便使该基板在一靠近加热块20的加热位置45和一负载位置50之间移动。该基板15一般由来自加热块20的辐射热所辐射加热，以及由来自外罩10内驻留气体(未示出)的热传导或热对流所加热。
但是，在试图获得RTA工艺所需要的快速温度梯度时，现有技术的加热外罩10存在一些困难。例如，甚至当该基板处于负载位置50时，该加热块20持续地将热辐射能量传递给基板15。因此，其需要将负载位置50设定在远离加热块20的地点，以防止其受到辐射热的影响。然而，这类装置并非最优的，因为在该加热位置45与负载位置50之间的移动时间必须被考虑到所谓的″热预算″当中。另一种可选方式是，当不需要此类热辐射的时候，一隔热屏可被放置在该基板15与一加热块20之间。但是同样地，此方案并非最优的，因为它在外罩10中额外地增加一移动件，这将造成污染的问题。另外，将该晶片插入此类热处理系统中可能造成其它问题，例如，由于需要时间来放置该晶片，所以造成该晶片的不均匀加热。晶片的不均匀加热将使基板中产生较大的机械应力，因此负面地冲击到产能，甚至使得该晶片无法使用。
因此，需要一种新的热源技术，其能够在晶片插入的低温与晶片移出的高温之间进行切换，以利该晶片的快速加热，另一方面，同时又能够提供该晶片表面的温度均匀性。
发明内容
下面将简单地说明本发明的概要，以提供对本发明的若干方面的基本理解。本概要内容并非本发明的综述。其目的并不在于确认本发明的重要或关键元件，也不在于界定本发明的范围。其目的在于以类似一序言的简单形式呈现本发明的若干理念，至于更详细的内容将在后文中进行说明。
本发明涉及一种用于处理一基板的热力装置，以及一种用于热处理一基板的方法。该热力装置是可操作的，以提供一快速且均匀的温度改变，从而有效地加热一基板，由此改善工艺控制。根据本发明的一方面，所揭露的容器包含一热源和多个隔热屏。所述多个隔热屏，例如，彼此相互隔开一预设距离，在其间限定出一层或数层间隙。该预设距离进一步与驻留在一层或数层间隙内气体的一平均自由行程相关。
根据本发明的一方面，隔开多个隔热屏的该预设距离，例如，被设计成一尺寸，使得透过该多个隔热屏之间气体的热传导一般是属于自由分子区域。在一实例中，该多个隔热屏包含一个或多个穿透其间的穿孔，其中该一个或多个穿孔隙可操作的，以允许气体自由地流过其间。所述穿孔是，例如，基本上大于该预设距离，其中所述穿孔一般能允许气体在黏滞区内流动，由此，促进该气体在一层或多层间隙内方便流动。该气体，例如，从一气体源或一工艺室环境内的源头被导入该一层或多层间隙内。
根据本发明的另一典型方面，所述多个隔热屏大体上成波浪状，其中该预设距离是选择性可变的。在一实例中，该预设距离，根据该容器的一内部部分和一外部环境之间的一压力差，是选择性可变的。该压力差是可操作的，以使所述多个隔热屏大体上能够彼此相互压缩或膨胀，由此，相应地减少或增加相关于一层或多层间隙的预设距离。增加该预设距离一般将促进该气体在黏滞区的热传导，另外一方面，减少该预设距离一般将限制该气体在黏滞区的热传导。
根据本发明的另一典型方面，披露了一种用于热处理一热力装置内一基板的方法，其中该热处理系统包含一容器，该容器进一步包含一热源和多个隔热屏。所述方法包含在由在多个隔热屏之间的预设距离所限定的一层或多层间隙内形成一气体第一压力，其中驻留在该一层或多层间隙内的该气体属非传导性的。一基板被放置在该热力装置内，以形成一加热位置，其中，该基板靠近于容器的一表面的位置。该气体以一第二压力导入一层或多层间隙内，其中该热传导通常允许在多个隔热屏之间进行，并且该基板暴露于来自热源的自由分子区的热辐射和热传导。另一种可选方式是，当该气体以第二压力被导入时，该预设距离增加，其中该基板暴露于黏滞区的热辐射和传导。该第一压力再一次地形成，其中该热传导基本上被遏阻住，而基板则从该热力装置处移走。
为了实现前述和相关的目的，本发明包含下文将完全说明的特征以及所附权利要求中所特别强调的特征。下文的说明以及附图将用于详细描述本发明的若干具体实施例。然而，这些具体实施例仅代表本发明原理的各种可应用方式的少数几种。结合附图并通过本发明下文详细的说明，将使本发明的其它目的、优点和创新特征更容易被明了。
图1示出了一种现有技术的加热外罩(壳)。
图2是根据本发明的一个典型方面的处于分子区域的典型热处理系统的剖视图。
图3是根据本发明的另一个典型方面的大体上处于热传导状态和滞流区域的典型热处理系统的剖视图。
图4是根据本发明的又一个典型方面的剖视图，图中示出了大体上处于热绝缘状态的图3所示的热处理系统。
图5是根据本发明的又一个典型方面的曲线图，图中示出了传热系数与压力之间的关系。
图6是根据本发明的另一个典型方面的包含多个孔洞的一个典型隔热屏的平面图。
图7是根据本发明的又一个典型方面的用于热处理一基板的典型方法的流程图。
具体实施例方式
本发明涉及一热力装置和一相关的系统与方法，其具有多个创新的特征所述特征改进了快速热处理(RTP)系统、减少了相关于该RTP系统的热曲线的变化并且改善了其中的工艺控制。因此，下面结合附图对本发明进行说明，其中相同的附图标记将在整文当中表示相同的元件。应该了解到这些方面的说明仅是示范性的，它们并不具有限制的含意。在下面的说明中，为了方便解释，许多特定细部被说明，其目的在于提供对本发明的彻底理解。然而，对于本领域的技术人员来说，应该明白在不需要这些详细说明的情况下，本发明仍可被实施。
通过提供用于选择性加热一基板的一压力控制热力装置和一相关方法，本发明克服了现有技术的挑战，其中所述热力装置可操作以迅速地切换于一加热模式和一非加热模式之间，另外，该基板上的整个热能的传递特别地均匀。图2示出了根据本发明的一典型方面的一典型压力控制热力装置100。该热力装置100包含一容器105，其中该容器105进一步限定一用于热处理一基板110的压力控制热源106。该容器105，例如包含一热源115和多个隔热屏120，其中该热源115可操作地提供焦耳热122(例如，热能)给驻留在一基板夹持器124上的基板110。根据本发明的一典型方面，该热源115包含一电阻加热器125，其内嵌在一热块130中。该热块130，例如包含一高扩散率材料(例如，钨、石墨或SiC)，其中来自电阻加热器125的热能均匀地分布于该热源115的一表面135上。
根据本发明的另一典型方面，虽然该热源115的总热容量(HC)为该基板110的热容量的许多倍，但是该热源115的热容量优选保持小量(例如，约为该基板HC的十倍)，其中该热源可操作地以迅速达到一等温状态。该热源115的HC例如一般由该热源的总质量(m热源)与相关于该热源的比热(cP热源)之间的乘积所决定。提供一具有小HC的热源115的一个优点是该小HC热源一般能够使热源的温度根据工艺的需要作出立即的改变(例如，一迅速的切换时间)。另一种可选方式是，该热源115的HC可为中等高，其中切换时间一般在数分钟的等级，而非数毫秒。该热块130例如可进一步包含一各向异性材料，该材料通常限制热能122沿一个方向(例如水平方向)的流动，以便最大化该热流沿另一方向(例如垂直方向)的定向流动。
该容器105例如进一步包含一密封平板140，其中该密封平板140可操作，以便将该容器105的一内部部分145大体上隔离于一外部环境150。该密封平板140的一表面152大体上限定该容器105的一暴露于基板110的表面155。该密封平板140例如包含一低放射率材料，例如氮化硅(Si3N4)或钼(Mo)。优选地，该密封平板进一步具有较低的HC(也就是，该密封平板的质量与该密封平板的比热的乘积(m密封平板×CP 密封平板))，以便允许一迅速的温度响应。该密封平板140的表面152例如涂覆类似SiC的材料，其中该材料与晶片处理是相容的(例如不会增加污染)。
此外，该容器105可操作以大体上将热能122从热源115引导至基板110，同时大体上限制对外部环境150的热损失。该容器105例如进一步包含一个或多个绝热层160，其中所述一个或多个绝热层160大体上限制该容器105的热损失。所述一个或多个绝热层160可包含例如由Zircar Zirconia，Inc.所制造的氧化锆毡。
根据本发明的另一典型方面，来自热源115的热能122通过所述多个隔热屏120被大体上导引至容器105的表面155。所述多个隔热屏120例如包含一低放射率材料，例如氮化硅(Si3N4)或钼(Mo)。另一种可选方式是，所述多个隔热屏120包含一种或多种具有更高放射率的材料，其中所述一种或多种具有更高放射率的材料可操作，以进一步地调整一相关于该装置100的操作范围。优选地，在本实例中，所述多个隔热屏120紧密地相互堆叠在一起，其中所述多个隔热屏相对于彼此之间的移动大体上受到限制。可以设定该隔热屏120的数目和放射率，以符合快速热退火(RTA)应用中的特定工艺要求。优选地，数目多于十个的隔热屏120设置在该热源115和基板110之间。另外，所述隔热屏120可具有较低的HC，由此大体上允许一快速温度响应，如下文所述。
所述多个隔热屏120大体上彼此相互隔开一预设距离D，由此，在所述多个隔热屏120之间限定出一个或多个间隙165。此外，限定该多个隔热屏165之间的一个或多个间隙165的预设距离D与驻留其间的一传导气体(未示出)的平均自由行程相关。例如，该预设距离D小于或大约等于气体(未示出)的平均自由行程。该驻留于一个或多个间隙165内的传导气体(未示出)优选在一组气体(例如，氢、氮、氩或氦)当中进行选取，所述气体相对于多个隔热屏165来说大体上是惰性的，因此，不会改变与所述多个隔热屏相关的放射率。此外，优选的是该容器105应该具有一容积尺寸，使得位于该容器105内的传导气体(未示出)的体积越小越好，以方便迅速切换气体，详细内容将如下文所述。该传导气体(未示出)，例如，在该容器105的隔热屏120和内部部分145之间自由地流动，使得该容器的体积在任何时间大体上维持相同的压力。
根据本发明的一典型方面，隔开所述多个隔热屏120的预设距离D是由多个隔热屏的表面粗糙度所决定的。例如，介于1和5微米之间的表面粗糙度所产生的预设距离D大体上小于或约等于该驻留在一层或多层间隙165当中的传导气体(未示出)的平均自由行程。另一种可选方式是，一个或多个隔片(未示出)可布置在所述多个隔热屏120之间，其中隔开所述多个隔热屏的预设距离大体上由一个或多个隔片所决定。
根据本发明的另一典型方面，一层或多层间隙165内的该传导气体(未示出)的压力控制提供了该热导率介于通常传导状态和通常绝热状态之间的有效的热切换。例如，通过将压力从约1托(Torr)改变至约100托(Torr)，传热系数(HTC)可被控制在小于约2Mw/cm2C至大于约400mW/cm2C的数值范围之间。此外，通过由该预设距离D所建立的一层或多层间隙165(例如，小于若干微米)，其中在一层或多层间隙内的气体体积是小的，该气体传导大体上且基本上处于自由分子区，其中热传导基本上与一层或多层间隙无关，而是主要地是视压力的大小来决定。此外，此类自由分子区内的气体传导可相当均匀地横跨所述多个隔热屏120。该较小的气体体积，例如可提供一迅速响应时间(例如，约10mS大小)，由此，迅速地启动或关闭对该基板的加热。
一般而言，通过该整个预设距离D的传导气体的传热系数(HTC)的行为可分为三个操作区也就是，黏滞区、分子区和过渡区。在黏滞区中，HTC为预设距离D和传导气体的热导率的函数，但是大体上与一层或多层间隙165内的传导气体压力(后文将称作间隙压力)无关。在自由分子区中，HTC为间隙压力和传导气体分子量的函数，但是与该预设距离D的大小无关。此外，该过渡区的特征在于其是该黏滞区和分子区的一平滑插值。如本发明所限定的，通过一分子区中气体的热传导可受到更迅速地控制，并且比在黏滞区要来得更有效率。
如果该热传导气体的成分不会产生变化，例如，仅使用氮气为该热传导气体，则该传导气体的热导率和分子量一般而言是保持恒定的。在这种状况下，该HTC行为可作如下的归纳在黏滞区中，该预设距离D控制HTC；在分子区中，该间隙压力控制HTC；而在过渡区中，该预设距离D和间隙压力两者共同控制HTC。
如本发明所限定的，通过自由分子区的气体进行的传热具有多个独特的优点。例如，通过将一层或多层间隙165(例如，由该预设距离D所限定)保持处于该传导气体的平均自由行程的等级，那么整个基板110的加热大体上对该预设距离D不敏感，而主要是该传导气体压力的函数，由此，造成该整个基板空间加热的均匀性。此外，因为该预设距离D较小，所以与其相关的体积也很小，由此，只要简单地改变该传导气体压力，就能够迅速地实施对该基板110的加热。因而，一旦达到一峰值退火温度，本发明能够，借助于改变压力，迅速地停止对该基板110的加热。
图5为一曲线图，图中示出了预设距离D为1和2微米的情况下，氮气的HTC行为与间隙压力的关系。当该预设距离D的大小为1微米或者当该预设距离D小于传导气体的平均自由行程(MFP)时，该分子区中，其中HTC主要为间隙压力的函数，可看到气体压力范围大约在0至250托之间。当该预设距离D的大小为1微米或者当该预设距离D大于传导气体的平均自由行程(MFP)时，该黏滞区中，其中HTC主要为预设距离D的函数，可看到间隙压力大于大约550托。在这两个区域之间，可以看到过渡区。
图5进一步示出该传导气体HTC可通过调整间隙压力而进行控制，然而，该预设距离D在HTC处于较高压力的情况下仍起到作用。例如，与上述1微米实例相比较，对于2微米的预设距离D来说，该传导气体的热导率在大约250-275托时开始从分子区转换至黏滞区。因此，当将压力从大气压力变化至基本上真空压力(例如，小于20托)时，该预设距离D的均匀度仍然是一关切点。然而，通过将传导气体压力控制在基本上真空与约250托之间，该HTC可主要地受到传导气体压力的控制，而与一层或多层间隙165的预设距离D的微小变化无关。因此，可提供整个基板110的加热均匀性。
因此，图2所示的受压力控制的热力装置100可用以迅速地在将大量的热能或者少量的热能传给基板110之间进行切换。例如，一与传向该基板110的低热通量相关的低HTC可通过向该容器105施加一高真空的第一压力P1(例如，小于20托)而获得，其中所述多个隔热屏之间的传导气体在该第一压力P1下大体上限制多个隔热屏120之间的热传导，其中该容器105的表面155处的温度明显小于该热源115的表面135处的温度。因此，在第一压力P1下，从热源115至基板110的热传导将主要通过热辐射而进行。
同样地，一与流向该基板110的高热流通量相关的较高HTC可通过向该容器105施加一个略微真空的第二压力P2(例如，大约100-200托)而获得，其中该传导气体能够在该第二压力P2下在多个隔热屏120之间的一层或多层间隙165内流动。在该第二压力P2下，该传导气体大体上具有热传导性，其中来自该热源115的热能被传导通过多个隔热屏120，其中在容器105表面155处的温度大约等于该热源115表面135处的温度。
在该一层或多层间隙165内的气体压力处于一低值(例如，低于20托的一第一压力P1)时，其中从该热源115表面135向容器105表面155的传热是主要由热辐射所主导，大量的低放射率隔热屏120例如将产生一相当低的HTC。因此，该热源115与容器105表面155之间的大温差在一层或多层间隙165内低压状况下可被观察到。增加该传导气体的压力将在热辐射的上再加上一传导成分，其中例如，该HTC将增加三个数量级或更多，由此，在该热源115和容器105表面155之间允许存在大的热通量和小的温度差。举例而言，十个隔热屏120被放置在温度为1500℃的热源115表面155和容器105的表面155之间，其中十个隔热屏120中的每一个隔热屏120具有一约为0.2的放射率。该容器105的表面155处所形成的温度在该第一压力P1下所计算出的数值约为500℃，同时，该容器的表面在第二压力P2下的温度则略小于1500℃。因此，可简单地通过改变该间隙压力(例如，大约在0至300托的范围内)而获得HTC的显著改变，以及因而获得该基板110温度的显著改变。
根据本发明的另一典型方面，所述一个或更多个隔热屏120被穿孔，其中驻留在一层或多层间隙165内的传导气体是一般都能够迅速地达到一均匀压力。图6示出了一典型的隔热屏120a，其在隔热屏的一表面175上具有一个或多个穿孔170。与该隔热屏120a的总表面积相比较，该一个或多个穿孔170的尺寸是小的，其中该一个或多个穿孔并不会明显干扰一层或多层间隙(未示出)内的热能的自由分子区传导。虽然该一个或多个穿孔170以均匀的形状示出且以有序的方式进行布置，但是也同样可考虑该一个或多个穿孔的其它布置，所述穿孔的任何形状或次序或其它的可选实施方式均落入本发明的范围内。
所述穿孔170是小的，然而，在一实例中，它们的尺寸大到足以让气体在黏滞区中通过所述穿孔。在一给定压力下，在黏滞区内的气体流量比自由分子区的气体流量的大约50倍。通过适当设计所述穿孔170的尺寸，在该黏滞区的气体流动能让冷却气体迅速地流过，以有利于快速热切换。
根据本发明的另一典型方面，图2中的所述多个隔热屏120垂直排列，使得不同隔热屏120上的所述穿孔(如图6所示)大体上彼此相互交错布置。该多个隔热屏120的所述穿孔(未示出)的交错布置一般会均衡主要由所述穿孔(未示出)所造成的热非均匀性，其中通过自由分子区的该传导气体的热传导不会受到穿孔的显著阻碍。
除了由所述多个隔热屏120所提供的快速热切换之外，可利用气体传导增强从该容器105表面155向该基板110的热传导。气体传导有助于减小热力装置100对由在基板110表面180上的装置结构(未示出)造成的放射率效应变化的敏感度。例如，该容器105的表面155和该基板100之间的热能122传递通常可通过驻留其间的一处理气体(未示出)而实现。其中该密封平板140在容器105的表面155处没有留下丝毫明显的外在变形，当传导气体压力被施加时，一数值为1的辐射观察因数由一实例中的容器的表面所提供。该数值为1的辐射观察因数一般能够产生均匀的辐射加热，除了由晶片装置型态所造成的放射率效应外。为了在该容器105的表面155和该基板110之间具有显著的气体传导，然而，在该容器表面和基板之间需要一小之间隙185(例如，约在0.1mm和2cm之间)。该容器105的表面155对该基板110的相近位置将有利于对流和/或传导以一明显的量通过该处理气体(未示出)。该传导和/或对流模式的增加将另外地增大基板110处所观察到的温度变化率。
本发明有利地在该多个隔热屏120之间提供自由分子区气体传导的快速切换。另外，通过自由分子区内气体传导的形成，该基板110的加热将主要由压力所操控，由此，促成了用于峰值退火的快速和均匀的斜面率。根据本发明的另一典型方面，图2中的热力装置100进一步包含一真空源190和一气体源195。该真空源190，例如，是可操作的以大体上将该容器105(也就是说，该多个隔热屏120之间的一层或多层间隙165)中的传导气体(未示出)排空以形成一第一压力P1(例如，小于1托)。该气体源195是可操作的以将传导气体(未示出)以第二压力P2(例如，超出从大气压力至小于1托之间的压力范围)供应给容器105(也就是说，该多个隔热屏120之间的一层或多层间隙165)。一般而言，该传导气体(未示出)相对于容器105、热源115和多个隔热屏120是惰性的。由该传导气体所占据的容器105体积例如优选保持低值，并且利用该低容积供应管路197和自动阀门198来提供传导气体在第一压力和第二压力之间的快速切换。
根据本发明的另一典型方面，该热力装置100可进一步被用于冷却基板110(或任何需要冷却的物体)，其中该热源115保持处于比基板(或任何其它需要冷却的物体)还要低的温度。另外，在不使用的期间，当节能是重要的时候，该容器105内的传导气体压力，例如，可保持处于一低压以将能量消耗最小化。
根据本发明的另一典型方面，图3示出了另一典型热力装置200，其中该容器205内的多个隔热屏220之间的预设距离D是选择性可变化的。例如，该多个隔热屏220是可操作的以沿一大体上垂直于容器205的表面155的方向彼此相对地选择性移动，由此选择性改变该预设距离D。一伸缩袋235，例如，设置在该密封平板140和热源130之间的位置，其中该伸缩袋235是可操作的，以便在该热源和密封平板的表面152之间大体上产生一可变化的选择性距离237。该伸缩袋，例如进一步大致将该容器205的内部部分145与外部环境150相隔离。根据本发明的另一实例，该密封平板140由一柔性薄膜(未示出)所构成，其中该密封平板大体上是柔性的。
根据本发明的另一实例，该多个隔热屏220一般是成波浪状的，其中该多个隔热屏中的每一个隔热屏包括多个顶端224，其间限定着波长λ。此外，该波长λ相关于一与多个隔热屏220相关的弹簧常数k。该多个隔热屏220，例如，以通常的正弦函数形状呈波浪状，其中每一个隔热屏的该波长λ一般小于隔热屏的宽度(未示出)。每一个隔热屏的该波长λ，例如，大约为2.5cm。当从该表面155上进行观察时，该多个隔热屏220，例如，彼此呈角度上的偏离(例如，大约90度)，其中该多个隔热屏中的两个或更多个隔热屏是可操作的仅以其间相关的多个顶端224彼此相互接触，其间限定多个相关于两个或更多个隔热屏的接触点226。因此，该一层或多层间隙165(也就是说，该预设距离D)大体上被限定在多个接触点226之间。考虑到相关于该多个隔热屏220的接触点226，例如，一般将限制穿过该多个隔热屏的热传导量。所述接触点226可进一步大体上且均匀地分布在多个隔热屏220上，其中通过所述接触点的热传导基本上均匀地分布。
例如可选择该多个隔热屏220的组成，使得该多个隔热屏在预设距离D的变化上提供较大的弹性。此外，可选择该多个隔热屏220的组成，使得该弹性一般在高温下，例如在约1500℃的工艺温度下仍可被保持住。例如，在大约1500℃工艺温度的预设距离D的大约100微米的变化不应该显著地影响到该多个隔热屏220的弹性。优选地，该多个隔热屏220，例如，包含钼等材料，其中所述材料在高的工艺温度(例如，约1500℃)下仍提供良好的抗拉强度特性(例如，一相关于该弹簧常数k的参数)。
如前所述，当该气体的压力一般约在大气压力(例如，760托)或更高时，通过一层或多层间隙165内的气体(未示出)的热传导一般处于黏滞区的状态。因此，从热源130经过气体(未示出)到基板110的热传导在该黏滞区一般与预设距离D相关，并且，一般与黏滞区的压力无关，如上文所述和图5所示。然而，图3中的多个隔热屏220不同于图2中的多个隔热屏120，一般是可相对彼此相互地移动，由此，一般是允许图3中的多个隔热屏220之间的预设距离D发生变化。这种预设距离D的变化因而是可操作地以变化该气体在一般高于400托压力下的热传导。
再次参考图3，该装置200包含该气体源195；和相关于该容器205的真空源190，其中，该气体源和真空源是可操作的，以在第一压力P1和第二压力P2下，使该气体(未示出)在一层或多层间隙165中选择性流动。根据本发明的另一典型方面，该装置200的多个隔热屏220是可操作的，以便彼此相互地压缩或膨胀，其中该多个隔热屏220的压缩和膨胀，例如，至少部分地基于该容器205内的压力(例如，该第一压力P1和第二压力P2)和一相关于外部环境150的第三压力P3(例如，大气压力)两者之间的压力差。例如，该第一压力P1略微小于第三压力P3，其中该第一压力P1和第三压力P3之间的压力差是可操作的，以便大体上将该多个隔热屏220彼此相互地压缩在一起，由此，如图4所示地，减少该预设距离D。同样地，该第二压力P2，例如略微地大于该第三压力P3，其中该第二压力P2与第三压力P3之间的压力差是可操作的，以便大体上将该多个隔热屏220彼此相对地膨胀，由此，如图3所示地，增大该预设距离D。
例如该第一压力P1和第二压力P2是至少部分地基于该多个隔热屏220的弹簧系数k进行选择的，其中该第一压力P1和第二压力P2是可操作的，以便提供一与该第三压力P3相合适的压力差，其目的在于克服该多个隔热屏的弹力。除此之外，选择该第一压力P1和第二压力P2，使得该预设距离D可以选择性变化一显著的量(例如，从约1微米至约100微米)。
根据本发明的另一典型方面，该驻留于一层或多层间隙165内的气体(未示出)是，通过该预设距离D的改变，选择性变化于一相对低的热传导状态和一相对高的热传导状态之间。例如，一实质上小的预设距离D(例如，一大约1微米的距离)，如图4所示地，一般在黏滞区的气体(未示出)里提供不佳的热传导，相反地，一实质上大的预设距离D(例如，一大于100微米的距离)，如图3所示地，一般在黏滞区的气体里将提供较高的热传导。因此，在第一压力P1下，其中该第三压力P3一般将强迫多个隔热屏彼此相互压缩，该预设距离D是相当地小，其中驻留在一层或多层间隙165内的气体通常限制这么小预设距离间的热传导。因此，在第一压力P1下，从该热源135传至基板110的热传导是充分地被限制。相反地，该多个隔热屏220是可操作的，以便在压力P2下彼此相互膨胀，其中与该多个隔热屏的弹力相关联的该第二压力P2和第三压力P3之间的压力差一般将增加一层或多层间隙165，由此，大体上产生从该热源135传至基板110的热传导。
通过改变该容器205的内部部分145内压力，提供所述多个可操作以选择性变化预设距离D(并因而改变一层或多层间隙165内驻留气体的热导率)的隔热屏220具有一项优点即在黏滞区内可使用十分高的压力(例如，在大气压力附近)。因此，图3和图4所示的装置200一般不需要高真空密封和压力容器。
本发明还涉及一种用于热处理一基板的方法。当典型方法在此处当作一系列行动与事项来表示与说明的时候，其应该了解到本发明并不为此类行动或事项所表示的顺序所限制，因为，根据本发明，若干步骤可发生于不同的顺序和/或与其它不同于此处所表示与说明的步骤同时发生。此外，根据本发明，并非所有表示的步骤能被要求执行一方法论。同时，其应该了解到所述方法可相关于此处所表示和说明的系统以及可相关于其它未说明的系统来被实施。
峰值退火图7示出了一种用于热处理一热力装置中的基板的典型方法200。该方法200开始是在一容器中形成热传导气体的一第一压力，该容器包含一热源和多个隔热屏(步骤205)。该热传导气体的第一压力例如对应于该容器内的低HTC和低热通量。该多个隔热屏彼此隔开一预设距离，其中该预设距离是相关于一驻留于一层或多层间隙当中的传导气体的平均自由行程，而该一层或多层间隙是由预设距离所限定的。另一种可选方式是，该预设距离是可变化的(例如，在约1微米与约100微米之间)。在步骤210中，该基板被插入该热力装置中。例如，该基板被放在该热力装置的一基板夹持器(例如，多个钉销)上。在步骤215中，该基板被放置于靠近容器的一表面的位置处。另一种可选方式是，该步骤215包含将该容器放置到基板的附近，然而，任何将该基板以靠近于容器的方式被插入与放置都可视为落入本发明的范畴内的一种构思。
在步骤220中，该传导气体的一第二压力被形成，其中该第二压力对应于容器内多个隔热屏之间的高HTC和高热通量。借助于该热源所产生的热传导和热辐射，该基板在步骤225中被加热。例如，该基板被加热，直至达到最大的基板处理温度。在步骤230中，该第一压力再一次地被形成，其中从该热源到该基板的传热基本上受到限制。在步骤235中，该基板被放置在一负载位置，并且在步骤240中，该基板从该热力装置处被移走。
虽然本发明通过一特定的优选具体实施例和多个具体实施例来予以表示与说明，但是很显然地本领域的技术人员在阅读并理解该说明书和附图后，则将会想到等效的改变与变型。特别是涉及上述元件(组件、装置、电路等)所执行的各种性能，使用于说明此类等元件的语词(包含一″装置″的参考)的目的在于对应于，除非另有指示，执行所述元件的特定功能的任何元件(也就是，在功能上是等效的)，既使在结构上不等效于所揭露的结构，而该结构在于执行本发明此处所表示的典型具体实施例。此外，当本发明的一特定特征可相对应于多个具体实施例的其中之一来被披露时，此类特征可，根据用于任何给定或特殊应用的所需和优点，而与其它具体实施例的一个或多个其它特征相结合。
权利要求
1.一种用于选择性加热一基板的热力装置，包含一容器，其具有一暴露于该基板的表面，该容器进一步包含一热源；和多个隔热屏，其被设置在该暴露于基板的表面和热源之间，所述隔热屏彼此相互隔开一预设距离，而该预设距离在所述隔热屏之间限定一层或多层间隙，其中一气体通常驻留在该一层或多层间隙内，同时，该气体压力的控制将主要地决定从热源可抵达基板的热能的大小。
2.根据权利要求1所述的热力装置，进一步包含一气体源和一可操作地耦合于该容器的真空源，其中该气体源和该真空源是可操作的，分别地以一第一压力和一第二压力选择性流动该一层或多层间隙内的气体。
3.根据权利要求2所述的热力装置，其中该预设距离通常是固定的，并且该预设距离小于或约等于气体的一平均自由行程。
4.根据权利要求3所述的热力装置，其中该气体包含一热传导气体，该热传导气体是可操作的，以便在该第一压力下大体上防止由热源透过多个隔热屏抵达基板的热传导，同时，该气体是可操作的，以便在该第二压力下大体上允许由热源透过多个隔热屏抵达基板的热传导。
5.根据权利要求3所述的热力装置，其中该真空源是可操作的，以便在该第一压力下选择性将驻留于一层或多层间隙内的气体排空。
6.根据权利要求3所述的热力装置，其中该第一压力的范围介于约0托与50托之间。
7.根据权利要求3所述的热力装置，其中该第二压力的范围介于约50托与700托之间。
8.根据权利要求3所述的热力装置，进一步包含一控制器，其可操作以便通过一个或多个真空源和气体源来控制该第一压力与第二压力。
9.根据权利要求3所述的热力装置，其中隔开所述多个隔热屏的预设距离是由多个隔热屏的表面粗糙度所决定的。
10.根据权利要求9所述的热力装置，其中所述多个隔热屏的表面粗糙度介于约1微米和5微米之间。
11.根据权利要求3所述的热力装置，进一步包含分布在多个隔热屏之间的一个或多个隔离器，其中隔开所述多个隔热屏的预设距离是由所述一个或多个隔离器所决定的。
12.根据权利要求1所述的热力装置，进一步包含一密封平板，其中该密封平板大体上将容器一内部部分与一外部环境相隔离，其中该内部部分包含热源和多个隔热屏，并且暴露于基板的该容器的表面包含该密封平板的一表面。
13.根据权利要求12所述的热力装置，其中该密封平板包含一低放射率材料。
14.根据权利要求13所述的热力装置，其中该低放射率材料包含Si3N4或钼中的一种或多种。
15.根据权利要求1所述的热力装置，其中介于多个隔热屏中的每一个之间的该预设距离是选择性可变的。
16.根据权利要求15所述的热力装置，进一步包含一密封平板，其中该密封平板大体上将容器一内部部分与一外部环境相隔离，其中该内部部分包含热源和多个隔热屏，并且暴露于基板的该容器的表面包含该密封平板的一表面。
17.根据权利要求16所述的热力装置，其中该密封平板包含一低放射率材料。
18.根据权利要求17所述的热力装置，其中该低放射率材料包含Si3N4或钼中的一种或多种。
19.根据权利要求16所述的热力装置，其中该容器进一步包含一伸缩袋，其位于该密封平板与热源之间，其中该伸缩袋是可操作的，以便大体上允许该热源与密封平板表面之间的一距离的选择性变化。
20.根据权利要求15所述的热力装置，其中所述多个隔热屏大体上是成波浪状的，其中多个隔热屏中的每一个包含多个顶端，其中一波长被限定在所述多个顶端之间，并且，该波长与相关于多个隔热屏的一弹簧常数相关。
21.根据权利要求20所述的热力装置，其中该波浪构型一般是正弦函数波形。
22.根据权利要求20所述的热力装置，其中该波长大约为2.5厘米。
23.根据权利要求20所述的热力装置，其中当从该表面上进行观察时，所述多个隔热屏彼此相互地角偏离，其中所述多个隔热屏中的两个或更多个是可操作的，以便主要地彼此以多个顶端相互接触，此处限定出与多个隔热屏中的每一个相关的多个接触点，并且，一层或多层间隙进一步由所述接触点之间的一距离所限定。
24.根据权利要求20所述的热力装置，进一步包含一气体源和一可操作地耦合于容器的真空源，其中该气体源和真空源是可操作的，以便在一第一压力和一第二压力下选择性流动一层或多层间隙内的气体，其中该多个隔热屏是可操作的，以便通常减少该第一压力下的预设距离，同样地，该多个隔热屏是可操作的，以便通常增加该第二压力下的预设距离。
25.根据权利要求24所述的热力装置，其中该外部环境相关于一第三压力。
26.根据权利要求25所述的热力装置，其中该第一压力略微小于第三压力，并且，该第二压力略微大于第三压力。
27.根据权利要求25所述的热力装置，其中该第一压力小于第三压力约1-5psi，并且，该第二压力大于第三压力约1-5psi。
28.根据权利要求25所述的热力装置，其中该第三压力大约等于大气压力。
29.根据权利要求15所述的热力装置，其中多个隔热屏中的每一个所具有的厚度大约为50微米。
30.根据权利要求15所述的热力装置，其中该预设距离的范围在大约1微米与100微米之间。
31.根据权利要求1所述的热力装置，其中该气体包含氦、氢、氩或氮中的一种或更多种成分。
32.根据权利要求1所述的热力装置，其中该热源包含一电阻加热器。
33.根据权利要求1所述的热力装置，其中该热源内嵌一高扩散率材料。
34.根据权利要求33所述的热力装置，其中该高扩散率材料包含一各向异性材料，该种材料大体上能够将热传导于暴露于基板的表面上。
35.根据权利要求33所述的热力装置，其中该高扩散率材料包含钨、石墨或SiC中的一种或多种成分。
36.根据权利要求1所述的热力装置，其中所述多个隔热屏包含一低放射率材料。
37.根据权利要求36所述的热力装置，其中该低放射率材料包含Si3N4或钼中的一种或多种。
38.根据权利要求1所述的热力装置，其中当该热容量一般能够在大约数毫秒的时间内进行热切换时，该热源具有一与其相关的热容量。
39.根据权利要求1所述的热力装置，其中该容器进一步包含一个或多个绝热层，所述一个或多个绝热层限制容器的热损失。
40.根据权利要求1所述的热力装置，其中多个隔热屏中的每一个包含穿过其间的多个穿孔，该气体是可操作的以便流过多个穿孔。
41.根据权利要求40所述的热力装置，其中在所述多个隔热屏中的一个隔热屏中的多个穿孔与所述多个隔热屏中的至少另一个隔热屏中的多个穿孔相偏离。
42.一种用于热处理一基板的方法，所述方法包含下列步骤提供一容器，其具有一暴露于该基板的表面，该容器包含一热源和多个隔热屏，所述隔热屏位于热源与暴露于基板的表面之间，其中所述多个隔热屏彼此相互隔开一预设距离，该预设距离在多个隔热屏之间限定出一层或多层间隙；以及控制驻留于该一层或多层间隙内的气体压力，其中该气体的传热系数主要为一层或多层间隙内压力的函数。
43.根据权利要求42所述的方法，其中该气体受控制处于一第一压力与一第二压力之间，该气体在第一压力下大体上限制从热源透过多个隔热屏的热能传导，并且，该气体在第二压力下大体上使热能从热源传导通过多个隔热屏。
44.根据权利要求43所述的方法，其中该气体压力的控制包括在第一压力下将位于一层或多层间隙内的气体大体上抽空，并且，在第二压力下，使气体大体上流入该一层或多层间隙内。
45.根据权利要求43所述的方法，其中该预设距离通常是固定的并且与气体的一平均自由行程相关，同时，该气体的传热系数基本上与预设距离无关。
46.根据权利要求45所述的方法，其中该第一压力约50托或更小，该第二压力为约100托或更大。
47.根据权利要求43所述的方法，其中该预设距离是可变的，所述预设距离的变化通常为气体压力的函数，并且该气体的传热系数进一步是预设距离的函数。
48.根据权利要求47所述的方法，其中该第一压力低于基板处的压力，并且该第二压力高于基板处的压力。
49.根据权利要求48所述的方法，其中该基板处的压力大约为大气压力。
50.根据权利要求42所述的方法，进一步包括将该热源保持处于一大体上恒温的状态。
全文摘要
本发明涉及一种用于热处理基板的热力装置和方法。该热力装置包含一具有暴露于该基板的表面的容器，其中该容器进一步包含一热源和多个位于该暴露于基板的表面与该热源之间的隔热屏。该隔热屏以预设的距离彼此相互隔开，使得该预设距离在隔热屏之间限定出一个或多个间隙，其中该预设距离与驻留其中的气体的平均自由行程相关。另一种可选方式是，该预设距离是可变的。一个或多个间隙内的驻留气体的压力受到控制，其中该气体的压力在通常传导和通常绝热之间切换气体的热导率。
文档编号H01L21/00GK1799121SQ200480014839
公开日2006年7月5日 申请日期2004年5月28日 优先权日2003年5月29日
发明者P·克雷曼, F·卡尔森 申请人:艾克塞利斯技术公司