CN102668048A - 提升辐射加热基板的冷却的设备及方法 - Google Patents

Abstract

本发明大致上涉及用于处理基板的方法与设备。本发明的实施例包括用于处理基板的设备，该设备包括动态热沉，该动态热沉对于来自辐射热源的光是实质上透明的，该动态热沉定位成靠近该基板而使两者耦接。本发明的额外实施例涉及使用所描述的设备来处理基板的方法。

Description

提升辐射加热基板的冷却的设备及方法

背景

本发明的实施例一般涉及半导体处理的领域。更具体地说，本发明的实施例涉及用于提升基板的冷却的方法与设备，该基板已经通过辐射工艺来加热。

许多应用涉及半导体与其它材料的热处理，它需要材料的温度的精确测量和控制。例如，半导体基板的处理需要在广范围温度的温度的精确测量和控制。一个这样处理的实例是用在许多制造工艺中的快速热处理(RTP)，所述快速热处理包括快速热退火(RTA)、快速热清洁(RTC)、快速热化学气相沉积(RTCVD)、快速热氧化(RTO)与快速热氮化(RTN)。在通过RTO或RTN形成的CMOS栅极电解质的特定应用中，栅极电解质的厚度、生长温度与均匀性是会影响整体装置效能与制造产量的参数。这些工艺的一些工艺需要使基板各处的温度的变化小于几摄氏度。

根据国际半导体技术蓝图(International Technology Roadmap forSemiconductors)，下一节点需要11nm的晶体管SDE结深。随着现有技术使温度处的时间被限于约一秒，快速热处理峰值退火达到了极限。毫秒退火是潜在的解决方式，但难以整合(除非和某些RTP组合)。作为立即的解决方式，如果温度处的时间可进一步地被减少，则RTP可被延伸。

期望在基板的热处理期间温度在基板中是尽量可行地均匀。此外，期望减少在完成了某些工艺(例如，峰值退火)之后需要冷却基板的时间的量。实践中，基板的边缘区域比基板的其它区域更会受到RTP腔室的周边所影响，导致了存在于边缘区域中的长期(chronic)温度非均匀性。标准控制算法被设计为响应于一旦检测到的径向温度非均匀性。对于非常短的工艺(例如峰值退火工艺)，控制算法可能无法足够快速地补偿，造成了靠近基板边缘处的温度非均匀性。此外，由于现有的RTO腔室设计是着眼在圆形基板上的径向温度非均匀性，温度控制的方法无法校正非径向温度非均匀性(例如在基板上非对称地位于中心的“冷点(cold spot)”)。

所以，仍需要用于控制基板的快速热处理的方法与设备，所述方法与设备可用于宽范围的基板且提升基板的冷却速率。

概述

因此，本发明的一个或更多个实施例涉及用于处理基板的设备，所述基板具有前侧与背侧。所述设备包括工艺区域，所述工艺区域位于腔室内，且所述工艺区域的一侧由邻近辐射热源的窗来限定，所述辐射热源设置在所述工艺区域外面。动态热沉定位在所述工艺区域中，且对于来自所述辐射热源的光是实质上透明的。基板支撑件在所述工艺区域中，以在热处理期间将所述基板保持成邻近所述动态热沉。所述基板支撑件将所述基板保持在一个位置，使得所述基板的所述前侧与所述背侧的至少一个面对所述辐射热源且使得所述动态热沉耦接到所述基板以从所述基板吸收热。

在详细实施例中，所述动态热沉是半透明板，所述半透明板对于来自所述辐射热源的辐射是实质上透明的，且具有传导耦接到所述基板以吸收热的预选择热吸收，所述半透明板在热处理期间被定位成和所述基板相隔一段间隙距离，使得在所述基板的加热期间所述半透明板维持成比所述基板更冷。

在详细实施例中，在基板的热处理期间，在所述动态热沉与所述基板之间存在有间隙。在详细实施例中，所述间隙高达约1mm宽。本发明的详细实施例进一步包括传导流体源，所述传导流体源与所述间隙流体连通，使得所述间隙可被传导流体来填充或以现存流体来取代或与其混合，并且可以被维持成实质上静止的。在特定实施例中，所述流体是选自由氮气、氧气、氦气、氩气、氢气及它们的组合构成的组。

根据本发明的某些实施例，在热处理期间，所述动态热沉定位成邻近所述基板而位于与所述辐射热源相对的侧上。

在本发明的某些实施例中，在热处理期间，所述动态热沉被定位成邻近所述基板而位于与所述辐射热源相同的侧上且位于所述辐射热源与所述基板之间。

在详细实施例中，所述动态热沉由所述基板支撑件所支撑。

根据某些详细实施例，所述动态热沉由独立的热沉支撑件所支撑，并且所述独立的热沉支撑件与所述基板支撑件是可分别地移动。在特定实施例中，在基板的热处理期间，所述独立的热沉支撑件是可操作以移动所述动态热沉，使得在所述动态热沉与所述基板之间存在有可改变的间隙。

在某些实施例中，所述设备进一步包括反射器板，所述反射器板反射来自所述辐射热源的光，所述反射器板定位成使得所述前侧与所述背侧的一个面对所述辐射热源且所述前侧与所述背侧的另一个面对所述反射器板。

在详细实施例中，所述动态热沉选自由石英、蓝宝石与透明YAG构成的组。

本发明的额外实施例涉及用于处理基板的设备，所述基板具有前侧与背侧。所述设备包括工艺区域，所述工艺区域位于腔室内，且所述工艺区域的一侧由邻近的辐射热源的窗来限定，所述辐射热源设置在所述工艺区域外面。基板支撑组件位于所述工艺区域内，以在热处理期间将所述基板保持在一个位置，使得所述基板的所述前侧与所述背侧的至少一个面对所述辐射热源。半透明板位于所述工艺区域中，所述半透明板对于来自所述辐射热源的辐射是实质上透明的，且具有传导耦接到所述基板以吸收热的预选择热吸收。所述半透明板在热处理期间被定位成与所述基板相隔一段间隙距离，使得在所述基板的加热期间所述半透明板维持成比所述基板更冷。

在详细实施例中，所述半透明板由热吸收小于所述基板材料的热吸收的材料制成。

在一个或更多个实施例中，所述间隙距离是可调整的，使得所述半透明板的热吸收是动态的。

在特定实施例中，所述基板是硅，并且所述半透明板包含石英。

根据某些实施例，所述设备进一步包括传导流体源，所述传导流体源与所述间隙流体连通，使得所述间隙可被传导流体来填充或以现存流体来取代或与其混合，并且可以被维持成实质上静止的。

本发明的进一步实施例涉及在包括辐射热源的腔室中处理基板的方法，所述基板具有前侧与背侧。将基板支撑在所述腔室的工艺区域内，所述工艺区域的一侧由灯来限定，所述灯将所述辐射热源与所述工艺区域分离。将动态热沉支撑在所述工艺区域内，所述动态热沉对于由所述辐射热源发出的光是实质上透明的。操作所述辐射热源，以将所述基板加热到第一温度。使所述辐射热源不工作，且所述动态热沉定位成而使其可从所述基板吸收热。

在详细实施例中，所述动态热沉定位成邻近所述基板而位于与所述辐射热源相对的侧上。

在某些详细实施例中，所述动态热沉定位成邻近所述基板而位于与所述辐射热源相同的侧上。

根据一个或更多个实施例，在所述动态热沉与所述基板之间存在有间隙。在特定实施例中，所述方法进一步包括将流体添加到所述动态热沉与所述基板之间的所述间隙。

在详细实施例中，一旦使所述辐射热源不工作，所述动态热沉被移动到更靠近所述基板的位置。

附图简单说明

可通过参考本发明的实施例来获得上文简要概述的本发明的更具体描述，这些实施例在附图中示出。但是应注意的是，附图仅表示本发明的典型实施例，因此其不应被视为对本发明范围的限制，因为本发明可允许其它等效实施例。

图1表示常规的快速热处理腔室；

图2表示示范性快速热处理的理想时间-温度轨线；

图3是表示快速热处理的典型的工艺顺序的流程图；

图4表示根据本发明的一个或更多个实施例的处理设备；

图5表示根据本发明的一个或更多个实施例的处理设备；

图6表示根据本发明的一个或更多个实施例的基板和动态热沉支撑件的组合；

图7表示根据本发明的一个或更多个实施例的处理设备；以及

图8是基板温度的图表，所述基板温度是时间的函数。

为促进了解，在可能情况下使用相同标号来表示附图所共有的相同元件。

具体描述

在描述本发明的一些示范性实施例前，应了解，本发明不被限制在以下描述中公开的结构或工艺步骤的细节。本发明可具有其它实施例，并且能够以各种方式来实施或实现。

如上所述，期望在基板的热处理期间在基板中具有温度均匀性。对于温度活化的步骤(诸如膜沉积、氧化物生长与蚀刻)，温度均匀性在基板上提供均匀的工艺变量(例如层厚度、电阻率、蚀刻深度)。此外，基板中的温度均匀性必须能避免由热应力引起的基板损坏(诸如翘曲、缺陷产生与滑动)。例如，在1150℃，四英寸硅晶片上约5℃的中心至边缘温度差异会引起错位形成和滑动。

温度梯度也会由其它来源引起。例如，基板可能因为基板的表面积或体积的空间修改而具有非均匀性发射率。这些修改可包括已经通过光刻来图案化或经局部掺杂区域的膜，诸如用于双极性晶体管的埋层。此外，基板温度梯度会由局部气体冷却或加热效应来引起，所述局部气体冷却或加热效应与处理腔室设计以及在处理期间在基板表面上发生的非均匀吸热或放热反应有关。

图1示意性地表示常规的快速热处理腔室10。Peuse等人在美国专利案号5,848,842与6,179,466中进一步描述了此种类型反应器及其仪器的细节。待热处理的基板或晶片12(例如半导体晶片，所述半导体晶片诸如是硅晶片)穿过阀或接触孔13进入到腔室10的工艺区域18内。晶片12由基板支撑件来支撑在所述晶片12的周边上，基板支撑件在此实施例中显示为环状边缘环14，所述环状边缘环14具有接触基板12的角落的环状倾斜隔板15。Balance等人在美国专利案号6,395,363中更完整地描述了边缘环与其支撑功能。晶片被定向成使得已经形成在晶片12的前表面中的经处理特征16向上地(相对于向下的重力场)面对工艺区域18，该工艺区域18由透明石英窗20被限定在其上侧。透明石英窗20位于相距晶片12一段实质距离处，从而使得在处理期间窗对于基板的冷却具有最小效应。典型地，晶片12与窗20之间的距离是20mm的等级。与此示意性表示相反的是，特征16的大部分不会突出超过晶片12的表面实质距离，而是构成表面平面内且靠近表面平面的图案。当晶片由桨状物(paddle)或机械手叶片(未示出，所述桨状物或机械手叶片将晶片传到腔室内且到边缘环14上)控制时，三个升降销22可上升与下降以支撑晶片12的背侧。辐射加热设备24定位在窗20的上方，以引导辐射能量朝向晶片12且因此加热晶片12。在反应室或处理腔室10中，辐射加热设备包括大量(409是示范性的数量)的高强度钨-卤素灯26，所述钨-卤素灯26定位在各自的反射管27中，这些反射管27以六方密堆积阵列的方式被安排在窗20的上方。灯26的阵列有时候称为灯头。然而，其它辐射加热设备可将其取代。通常，这些涉及了电阻式加热，以快速地升高辐射源的温度。适当的灯的实例包括水银蒸汽灯与闪光灯，所述水银蒸汽灯具有围绕灯丝的玻璃或二氧化硅包覆物，所述闪光灯包含围绕气体(诸如氙，其在气体被激发时提供热源)的玻璃或二氧化硅包覆物。如在此所使用的，术语“灯”意图涵盖包括有环绕热源的包覆物的灯。灯的“热源”指可增加基板温度的材料或元件，例如可被激发的灯丝或气体。

如在此所使用的，快速热处理或RTP指能够以约50℃/秒和更高的速率(例如，100℃/秒至150℃/秒，与200℃/秒至400℃/秒)均匀地加热晶片的设备或工艺。在RTP腔室中，典型的下降(冷却)速率为在80-150℃/秒范围中。某些执行在RTP腔室中的工艺需要使基板各处的温度的变化小于几摄氏度。因此，RTP腔室必须包括灯或其它适当的加热系统与加热系统控制，所述加热系统与加热系统控制能够以高达100℃/秒至150℃/秒以及200℃/秒至400℃/秒的速率加热，并且快速热处理腔室有别于不具有以这些速率进行快速加热的加热系统与加热控制系统的其它类型热腔室。

根据本发明的进一步方面，本发明的实施例可应用在快闪退火(flashannealing)。如在此所使用的，快闪退火指以小于5秒来退火样品，详细地说是小于1秒，并且在某些实施例中是毫秒。

控制晶片12各处的温度到密切定义温度(其在晶片12上是均匀的)是重要的。一种改善均匀性的被动手段包括反射体28，所述反射体28平行于且大于晶片12的区域且在其上延伸且面对晶片12的背侧。反射体28有效地将从晶片12发出的热辐射反射回到晶片12。晶片12与反射体28之间的间隔可以在3mm至9mm的范围内，并且空腔的宽度对厚度的宽厚比有利地大于20。反射体28(所述反射体28可由金涂层或多层电介质干涉镜来形成)在晶片12的背后有效地形成黑体空腔，所述黑体空腔倾向于将热从晶片12的较温暖部分散布到较冷部分。在其它实施例中，例如公开在美国专利案号6,839,507与7,041,931中的，反射体28可具有更不规则的表面或具有黑色或其它有色表面。反射体28可沉积在由金属制成的水冷式基座53上，以从晶片热沉(heat sink)过量的辐射(特别是在冷却期间)。因此，处理腔室的工艺区域18具有至少两个实质平行的壁，其中第一个是窗20(所述窗20由诸如石英之类的能够穿透辐射的材料制成)，并且第二壁/基)53实质上平行于第一壁且由金属制成且显著地是不透明的。

一种改善均匀性的方式包括将边缘环14支撑在可旋转圆柱30上，所述可旋转圆柱30磁耦合到定位在腔室外面的可旋转凸缘32。转子(未示出)将凸缘32旋转且因而将晶片绕着其中心34旋转，中心34也是大致上对称腔室的中心线。

另一种改善均匀性的方式是将灯26分隔成数个区，这些区以绕着中心轴34的大致上环形来布置。控制电路改变输送到不同区中的灯26的电压，从而调控辐射能量的径向分布。分区的加热的动态控制会受到一个或更多个高温计40的影响，这些高温计40通过一个或更多个光学光管42来耦合，这些光学光管42定位成穿过反射体28中的穿孔来面对晶片12的背侧，以测量横跨旋转晶片12之的半径的温度。光管42可由各种结构形成，所述结构包括蓝宝石、金属与二氧化硅纤维。计算机化控制器44接收高温计40的输出，并且因此控制了施加给灯26的不同环的电压，从而在处理期间动态地控制了辐射加热强度与图案。高温计通常测量在窄波长频宽中(例如在约700nm至1000nm之间的范围中的40nm)的光强度。控制器44或其它仪器可通过在此温度下从所保持的黑体来辐射的光强度的光谱分布的已知普朗克分布将光强度转换成温度。

图1示出的腔室允许晶片12支撑件可轻易地在腔室内被升高到不同垂直位置处，以允许基板的热暴露的控制。可理解的是，并不打算要限制图1中示出的组态。特别地，本发明不限于热源或灯位于基板的一侧或表面且高温计位于晶片的相对侧的组态。

如上所述，处理腔室的工艺区域中的晶片温度是共同地由辐射高温计来测量。尽管辐射高温计可以是高度精确的，位于辐射高温计频宽内且源自热源的辐射会干扰高温计信号的解释，如果此辐射由高温计检测到。在应用材料公司的RTP系统中，这通过工艺配件且通过晶片本身来予以最小化。工艺配件将晶片与旋转系统耦合。它可包括支撑圆柱(所述支撑圆柱在图1中的示出为30)。它还可包括支撑环，所述支撑环在图中未示出，但所述支撑环可用在某些处理腔室(组态)中。这样的支撑环基本上是支撑边缘环的辅助的边缘环(所述辅助的边缘环在图1中示出为14)。

除了在快速热处理期间将基板的所有区域之间的温度非均匀性予以最小化，基板的实际时间-温度轨线相对于基板的期望时间-温度轨线(尤其是峰值温度)尽可能变化越少越好也是重要的。下文将结合图2来描述时间-温度轨线与峰值温度。

因此，本发明的一个或更多个实施例有助于在RTP工艺中达到理想的时间-温度轨线。图2表示用在示范性快速热处理(在此例子中是峰值退火处理)的理想时间-温度轨线(在此称为目标时间-温度轨线100)。横坐标代表时间，纵坐标代表基板温度，并且目标时间-温度轨线100代表在峰值退火工艺期间在任何时间处的期望基板温度。在时间120，基板的热处理以基板温度130(所述温度130实质上为室温)来开始。基板温度在起初温度上升201期间增加到温度132，在下文结合图3来描述。基板温度使用高强度灯来增加。开始于时间122，基板温度被保持成恒定的温度132长达稳定时段202的期间。在时间123，基板温度快速地增加到在时间124处的峰值温度133，并且接着立即地降低到在时间125处的温度134。若在RTP期间没有达到基板的峰值温度133，可能无法完成基板上的重要工艺(诸如后注入退火)。如果在RTP期间超过了峰值温度133，工艺可能会有害地以其它方式受到影响，例如经注入的原子不希望地扩散到基板内，或超出了形成在基板上的器件的热预算。

图3是表示快速热处理(诸如上述的结合图2的峰值退火工艺)的典型的工艺顺序200的流程图。通常，这样的工艺以基板的起初温度上升201来开始。在第一节段的起初温度上升201期间执行开路(open-loop)加热，直到基板位于约300℃至约400℃的温度。参照回到图2，开路加热发生在时间120与121之间。在开路加热期间，没有引进基板温度反馈来控制工艺，并且灯功率在预定数值下被施加到基板长达预定期间以为了加热基板到温度范围(其中基板对于大部分施加到基板的灯能量是实质上不穿透的)。低于约300℃，典型的RTP基板(诸如硅晶片)对于由典型的加热灯所产生的辐射能量是可大部分透明的。当如此时，穿过基板的辐射能量可接着被高温计(所述高温计测量基板背侧温度)所检测，产生了不精确的基板温度测量值。对于闭路(closed-loop)加热控制算法，不精确的基板温度测量值会在起初温度上升201期间造成严重的控制问题(诸如不稳定性与/或伤害)。开路加热通常用在RTP的开始以避免此问题。开路加热的设定点通常凭经验来决定。

在基板加热到在约300℃至约400℃之后，通过使用闭路控制算法使基板温度达到在约500℃至约700℃的稳定化温度，起初温度上升201接着大致上完成了。闭路控制将在一个或更多个高温计区中的热工艺中的给定时间步骤处的基板温度测量值引进到控制算法，以为了微调用于后续时间步骤的加热灯的功率输出。时间步骤可以是相当小的，例如0.1秒或0.01秒。最小的时间步骤大小通常会受到用来控制加热工艺的温度传感器的取样速率所限制。闭路控制的使用可将期望与实际基板温度之间的误差最小化。

一旦基板在起初温度上升201的末端达到了稳定化温度，之后稳定化时段202通常开始。通过在开始峰值退火203(所述峰值退火203为热处理的温度敏感节段)之前允许基板能平衡，稳定化时段202意在来消除已经在起初温度上升201期间施加在基板上的热梯度。存在于峰值退火203的开始处的基板温度中非均匀性不太可能在工艺期间被校正。稳定化时段202的长度为约5秒至约30秒，典型地为约10秒至约20秒。基板温度被控制以维持在稳定化温度132，如图2所示，它可以是约500℃至约700℃(取决于特定的热处理)。

一旦完成了稳定化时段202，接着峰值退火203开始。在此实例中，峰值退火203是基板的热处理实际发生的工艺节段。峰值退火工艺的特定应用是在硼注入之后在基板上执行退火。在此情况中，峰值退火203会将经注入的硼从晶体中的随机位置重新安置到硅晶格中的电活性位置，同时将基板的暴露减到最少。如图2所示，峰值退火203发生在时间123与124之间，并且随后进行冷却204。在峰值退火203期间，基板温度的上升速率通常为约150℃/秒至约300℃/秒，并且峰值温度133为约1000℃至约1200℃，意味着峰值退火203大致上仅持续了数秒。所以，在热处理的最温度敏感节段的期间，控制算法几乎没有时间来校正偏离目标时间-温度轨线100的基板温度中的变化。在此快速热处理的节段的期间，任何发生在基板温度中偏离目标温度的变化(例如超出、未达到或宽峰值)将降低基板之间的峰值温度重复性。参照回到图3，峰值退火203之后接着进行冷却204，结束了基板的快速热处理。

图4和图5示出对图1的基板处理设备进行修改的示范性实施例。图4示出处理腔室300的示意图，可用于快速热处理类型工艺(包括但不限于快速热退火)。具有前侧322与背侧324的基板321被支撑在腔室300的工艺区域318内，工艺区域318的一侧由窗320来限定。腔室300包括辐射热源310，所述辐射热源310和工艺区域318由窗320来分离，窗320可以是石英窗(所述石英窗对于由热源310产生的辐射是实质上透明的)。可了解的是，窗320定位在使得其在处理期间对于基板冷却具有最小效应的位置处，并且典型地是与基板相隔至少约15mm至20mm的等级。辐射热源310的组态可根据期望的加热特征而改变，但在特定实施例中，辐射热源310包括多个以六边形组态被布置的高强度灯。这些灯可以是电阻式加热灯，所述电阻式加热灯包括金属加热元件(诸如用在钨卤素灯中的钨)。替代地，辐射热源可以是闪光灯，其中加热元件包含经激发的气体(诸如氙)。

动态热沉(dynamic heat sink)330位于工艺区域318内而邻近基板321。如在此所使用的，术语“动态热沉”与“半透明板”交互地使用。“动态热沉”指元件，所述元件在处理期间位于工艺区域内且邻近基板，使得动态热沉比基板/晶片被直接源辐射能量加热更少。在一个或更多个实施例中，动态热沉可用于通过传导耦接到基板来冷却基板。术语“动态”指在处理期间待加热到不同于基板温度与/或不同速率的热沉的能力。动态热沉的温度与/或加热速率可通过在动态热沉与基板之间引进不同流体(包括真空)来修改，如下文进一步所述。在特定实施例中，动态热沉实质上仅通过传导耦接到基板来冷却基板。如说明书与所附的权利要求书，“实质上仅通过传导耦接”意味着传导耦接占动态热沉的总加热超过约90％。

在图4所示的实施例中，动态热沉330定位成邻近基板321而位于与辐射热源310相同的侧上，并且位于基板321与辐射热源310之间。在图5所示的实施例中，动态热沉330定位成邻近基板321而位于与辐射热源310相对的侧上。在详细实施例中，动态热沉330对于由辐射热源310产生的辐射是实质上透明的。

腔室300包括基板支撑件325，所述基板支撑件325位于工艺区域318中且适于在热处理期间保持住基板321。基板支撑件325保持住基板321，使得基板321的前侧322与背侧324的至少一个面对辐射热源310。在图4和图5中，基板支撑件325被示出为一小部分接触基板321的背侧324的底缘。这仅是为了说明目的用，并且不应被视为暗示了特定类型的基板支撑件325或组态。在详细实施例中，基板支撑件325可以是环状边缘环，所述环状边缘环适于接触基板321的边缘的一部分。

在详细实施例中，动态热沉330由独立的热沉支撑件326所支撑。独立的热沉支撑件326被示出为一小部分接触动态热沉330的底缘。这仅是为了说明目的用，并且不应被视为暗示了特定类型的动态热沉支撑件326。在详细实施例中，动态热沉支撑件326可以是环状边缘环，所述环状边缘环适于接触动态热沉330的边缘的一部分。

在某些实施例中，独立的热沉支撑件326是在热处理期间可操作的，以移动动态热沉330而在动态热沉330与基板321之间存在有间隙335。此类型的实施例具有在处理期间调整间隙335的大小的能力，而能改变间隙335大小。因此，热沉330可以相对于基板321移动。动态热沉330可通过任何适当的方式来移动，例如通过将独立的热沉支撑件326磁性连接到磁铁(可将独立热沉支撑件予以偏压而向上或向下移动)。在其它实施例中，升降销(所述升降销可以是气动式或液压式致动的)可定位以在处理期间上升与下降动态热沉330，以改变动态热沉330与基板321之间的距离。在特定实施例中，动态热沉330由独立的热沉支撑件326所支撑，并且基板支撑件325与独立热沉支撑件326是分别可移动的。

在特定实施例中，动态热沉330由基板支撑件325所支撑。图6示出示范性基板支撑件325的截面图，所述基板支撑件325能够保持住基板321与动态热沉330两者。基板支撑件325可包括接触孔327，接触孔327允许进出基板321与动态热沉330之间的间隙335。可依需要来决定接触孔327的数量、形状与尺寸，并且接触孔327的数量、形状与尺寸不被限于所示出的设计。

晶片到动态热沉间隙可从相当大的间隙改变到接近零间隙。然而，在实际状况中，由于动态热沉与/或基板的粗糙度与平坦性，间隙应该稍微大于零。在一个实施例中，间隙距离直接正比于基板与动态热沉之间的热传导。距离的变化允许操作者可控制在工艺的任何给定时间处的热传递。尽管间隙可以是进行基板冷却的任何适当距离，在特定实施例中，基板与动态热沉之间的间隙为至少约10mm。在详细实施例中，间隙335高达约5mm宽。在其它详细实施例中，间隙335高达约3mm、2mm、1mm或0.5mm宽。在详细实施例中，间隙335小于约5mm宽。在其它详细实施例中，间隙335小于约3mm、2mm、1mm、0.5mm、0.2mm或0.1mm宽。在各种详细实施例中，间隙335在处理期间可在约0.05mm至约5mm宽的范围中改变。在特定实施例中，间隙335小于约0.1mm宽。

基板与动态热沉之间的介质可从非常低传导性改变或交换到高传导性。在一个或更多个实施例中，可设想出在基板与动态热沉之间使用不同的气体作为介质。例如，可使用氧或氦，所述氧或氦具有不同的热容且允许在基板与动态热沉之间有不同的传导耦接。在特定实施例中，加热速率可通过大间隙宽度与低传导性低热容的介质来最大化，并且冷却速率可通过小间隙与高传导性高热容的介质来最大化。因此，在某些实施例中，腔室300进一步包括传导流体源370，传导流体源370与间隙335流体连通，使得传导流体能够以可变的速率或量流动到间隙335中。在详细实施例中，间隙335可被传导流体来填充或以现存流体来取代或与其混合，并且可以被维持成实质上静止的。如同说明书与所附的权利要求书，“实质上静止的”意味着流体不是主动地流动到间隙335内，而是对流混合和残余运动(residual motion)会发生。在详细实施例中，流体是选自由氮气、氧气、氦气、氩气、氢气及它们的组合所组成的组。

在另一变化中，动态热沉330可包括以实质上平行关系来布置的两个透明板，它的实施例示出在图7中。这些板可由内部的低热传导性支撑结构(未示出)来支撑。各种实施例的板间隔372是在约0.1mm至约5mm的范围中。在基板的加热期间，可在所述两个透明板之间建立高真空；并且在冷却期间，可使高导电性流体(诸如氦)流动于该些板之间。尽管图7示出了单一传导流体源370，特定实施例引进超过一个传导流体源370。在短暂的氦进入时间期间，额外的流体源可改善温度均匀性。在详细实施例中，在处理期间实质上不存在有流体流动。

在一个或更多个实施例中，腔室300进一步包括反射器板340，所述反射器板340用以将光350从辐射热源310反射。反射器板340可定位成使得基板321的前侧322与背侧324的一个面对辐射热源310且基板321的前侧322与背侧324的另一个面对反射器板340。

在特定实施例中，动态热沉330是由选自从石英、蓝宝石与透明YAG所组成的组的材料制成。

当辐射能量源被不工作(deactivate)时，基板321处于比动态热沉330更高的温度。因为动态热沉330比基板321更冷，这使得基板321的温度比如果动态热沉330不存在于腔室中时更快速地下降。

不被限于任何特定的操作理论，在使用动态热沉330(所述动态热沉330对于来自辐射热源310的光是实质上透明的)的特定实施例中，动态热沉330将实质上仅通过传导耦接到基板321来加热。由于传导耦接是比辐射加热更没效率的加热动态热沉330的方式，动态热沉330将具有比基板321更低的温度。如果辐射热源310开启太长，基板321与动态热沉330的温度将达到在约相等温度的平衡。

在一个或更多个特定实施例中，动态热沉330是通过辐射能量与传导耦接到基板321的组合来加热。可改变辐射能量与传导耦接对于动态热沉330的总加热的相对贡献，只要动态热沉330的温度维持低于基板321的温度。在详细实施例中，净加热使得加热期间动态热沉330温度低于基板321温度。不被限于任何操作理论，据信基于热质量/区域，动态热沉330比基板321吸收了更少的辐射能量。

在详细实施例中，半透明板330(也称为动态热沉)是由材料制成，所述材料的热吸收小于基板321材料的热吸收。这有助于一旦加热之后能确保动态热沉330的温度低于基板321的温度。

在某些详细实施例中，半透明板与基板之间的间隙是可调整的，使得半透明板330的热吸收是动态的。在特定实施例中，间隙335距离小于约1mm。在其它详细实施例中，间隙335距离小于约3mm、2mm、1mm或0.5mm。

在详细实施例中，基板321是硅，并且半透明板330包含石英。

在某些详细实施例中，腔室300进一步包括传导流体源370，传导流体源370与间隙335流体连通，从而使传导流体能够以可变速率或量流动在间隙335中。如说明书与所附的权利要求书，术语“传导流体”用来意指能够影响基板321与动态热沉330之间传导耦接的任何流体。所以，这包括了会增加或降低传导耦接程度的流体。

在特定实施例中，动态热沉330维持在与基板321相隔到足以显著地降低它们之间传导耦接的距离。这使得动态热沉330具有比基板321更低得多的温度。然后，流体可流动到基板321与动态热沉330之间的间隙，以增加两者之间的传导耦接。结果是，基板321将比不具有传导流体时冷却更快，这是因为基板321与动态热沉330之间的温度差对于基板321将具有更大的冲击。

在另一特定实施例中，动态热沉330维持成与基板321相隔固定距离，并且间隙335中具有可降低这两者之间传导耦接的传导流体。在加热之后，传导流体能够以另一能降低传导耦接的流体来冲洗。这使得一旦加热之后动态热沉330具有比不具有传导流体干涉更低的温度，以及在改变了传导流体之后动态热沉330具有比不具有传导流体干涉对基板321的更大冲击。在一个或更多个详细实施例中，加热可发生在低压低热传导率气体中，并且冷却可发生在更高压更高温热传导率的气体中。不被限于任何特定之操作理论，据信如果压力比例太高，气体组成改变的期间会存在有更少的热传导率的空间变化。(压力平衡比气体交换/取代发生更快。)

本发明的进一步实施例涉及在包含辐射热源310的处理腔室300中处理基板321的方法，其中该基板321具有前侧322与背侧324。此方法包括在处理腔室300内支撑基板321。动态热沉330被支撑在处理腔室300内，动态热沉330对于由辐射热源310发出的是实质上透明的。辐射热源310可操作以将基板321加热到第一温度。动态热沉330实质上仅通过传导耦接到基板321而被加热到第二温度。第二温度小于第一温度。然后，辐射热源310被不工作(deactivate)。

在详细实施例中，一旦使该辐射热源310不工作之后，动态热沉330移动到更靠近基板321的位置。通过改变基板321与动态热沉330之间间隙的大小，可修改传导耦接的程度。通过在加热期间降低传导耦接，动态热沉330的温度将低于基板321。一旦辐射热源310关闭之后，动态热沉330可接着移动到更靠近基板321的位置处，以增加传导耦接。这使得，相较于如果传导耦接在整个工艺中维持恒定，基板321冷却更快。

在非常特定的实施例中，基板321与动态热沉330以间隙335为约1mm且在间隙335中使用氧气作为传导流体来加热。在加热之后，间隙335减少到约0.5mm，并且传导流体被氦气取代，以增加基板321的冷却速率。

在详细实施例中，此方法进一步包括将流体添加到动态热沉330与基板321之间的间隙335。

本发明的额外实施例涉及处理基板321的方法，所述方法包括使用辐射能量将基板321加热到第一温度。辐射能量可从辐射热源310发出。使用辐射能量将基板321加热到第一温度。动态热沉330实质上仅通过与基板321的传导耦接而被加热到第二温度，第二温度小于第一温度。使用与动态热沉330的传导耦接将基板321冷却。

根据在此描述的一个或更多个实施例，冷却速率可显著地增加。在特定实施例中，当动态热沉与基板之间的间隙小于约0.1mm，可提供这样快速的冷却速率，允许冷却速率大于200°K/秒。

因此，根据一个或更多个实施例，提供动态热沉(也称为半透明修改板(semitransparent modifier plate；SMP))，所述动态热沉由材料制成，该材料比待处理的基板吸收更少的来自加热灯的辐射。对于硅基板，石英可用在动态热沉。在使用钨卤素灯的腔室中，在加热期间与在菜单(recipe)的恒定温度部分期间，石英比晶片吸收更少的较短波长部分的钨卤素灯光谱且保持更冷。动态热沉与基板之间的间隙允许基板的温度保持比动态热沉更高。

本发明的实施例对于增加基板的冷却速率是有用的。图8示出对于三个基板的温度的图表，所述温度是时间的函数。各个基板是裸硅，且手动地被放置在腔室中。这些基板被加热到约530℃且被允许冷却。图表中的实线示出了腔室中的被加热且被冷却的基板，其中该腔室不具有石英板(动态热沉)。两条虚线示出了基板的温度曲线，其中这些基板在邻近石英板(动态热沉)处被加热且被允许冷却。石英板定位成与基板的表面相隔约0.75mm且与基板的表面相隔约1.5mm。从图8，可看出基板的冷却速率在邻近动态热沉时比不具有动态热沉更大。在特定实施例中，对于在小于8秒的期间中被加热到约530℃的基板，所述基板在关闭热之后约10秒的温度至少比不具有动态热沉的腔室中的相似基板低约25℃。在详细实施例中，被加热到约1323K(1050℃)的基板在第一第二冷却中的冷却速率位于约70至约150K/秒(℃/秒)的范围中。在其它特定实施例中，被加热到约1323K(1050℃)的基板在第一第二冷却中的平均冷却速率大于约70K/秒、80K/秒、90K/秒、100K/秒、110K/秒、120K/秒、130K/秒或140K/秒(℃/秒)。

本说明书中的“一个实施例”、“特定实施例”、“一个或更多个实施例”或“实施例”意味着所描述涉及该实施例的特定特征、结构、材料或特性被包括在本发明的至少一个实施例中。因此，本发明书中各处的诸如“在一个或更多个实施例中”、“在特定实施例中”、“在一个实施例中”或“在实施例中”之类的短语不必然指代相同的发明实施例。此外，特定特征、结构、材料或特性能够以任何适当的方式来结合在一个或更多个实施例中。

尽管本发明已经参照特定实施例来描述，应了解，这些实施例仅为了说明本发明的原理和应用。本领域技术人员可了解的是，在不背离本发明的精神与范围下，可对本发明的方法与设备进行各种修改和变型。例如，虽然本发明已经以特定类型的加热灯来描述，其它变化是可行的。本发明的实施例可用在基板由UV到IR辐射来加热以增加基板冷却速率的任何领域中。因此，意在使本发明包括落入所附权利要求书的范围及其等同物内的修改和变型。

Claims (15)

1.一种用于处理基板的设备，所述基板具有前侧与背侧，所述设备包括：

工艺区域，所述工艺区域位于腔室内，且所述工艺区域的一侧由邻近辐射热源的窗来限定，所述辐射热源设置在所述工艺区域外面；

动态热沉，所述动态热沉定位在所述工艺区域中，且对于来自所述辐射热源的光是实质上透明的；以及

基板支撑件，所述基板支撑件在所述工艺区域中，以在热处理期间将所述基板保持成邻近所述动态热沉在一个位置，使得所述基板的所述前侧与所述背侧的至少一个面对所述辐射热源且使得所述动态热沉耦接到所述基板以从所述基板吸收热。

2.如权利要求1所述的设备，其中所述动态热沉是半透明板，所述半透明板对于来自所述辐射热源的辐射是实质上透明的，且具有传导耦接到所述基板以吸收热的预选择热吸收，所述半透明板在热处理期间被定位成与所述基板相隔一段间隙距离，使得在所述基板的加热期间所述半透明板维持成比所述基板更冷。

3.如权利要求1或2所述的设备，其中在热处理期间，所述动态热沉定位成邻近所述基板而位于与所述辐射热源相对的侧上，或者定位成邻近所述基板而位于与所述辐射热源相同的侧上且位于所述辐射热源与所述基板之间。

4.如权利要求1至3所述的设备，其中所述动态热沉由所述基板支撑件或由独立的热沉支撑件所支撑，并且所述独立的热沉支撑件与所述基板支撑件是可分别地移动。

5.如权利要求4所述的设备，其中在基板的热处理期间，所述独立的热沉支撑件是可操作以移动所述动态热沉，使得在所述动态热沉与所述基板之间存在有可改变的间隙。

6.如前述权利要求中任一项所述的设备，进一步包括传导流体源，所述传导流体源与所述间隙流体连通，使得所述间隙可被传导流体来填充或以现存流体来取代或与其混合，并且可以被维持成实质上静止的。

7.如权利要求6所述的设备，其中所述流体是选自由氮气、氧气、氦气、氩气、氢气及它们的组合构成的组。

8.如前述权利要求中任一项所述的设备，进一步包括反射器板，所述放射器板反射来自所述辐射热源的光，所述反射器板定位成使得所述前侧与所述背侧的一个面对所述辐射热源且所述前侧与所述背侧的另一个面对所述反射器板。

9.如前述权利要求中任一项所述的设备，其中所述动态热沉是选自由石英、蓝宝石与透明YAG构成的组。

10.如权利要求2或5所述的设备，其中所述间隙距离是可调整的，使得所述半透明板的热吸收是动态的。

11.一种在包括辐射热源的腔室中处理基板的方法，所述基板具有前侧与背侧，所述方法包括以下步骤：

将基板支撑在所述腔室的工艺区域内，所述工艺区域的一侧由灯来限定，所述灯将所述辐射热源与所述工艺区域分离；

将动态热沉支撑在所述工艺区域内，所述动态热沉对于由所述辐射热源发出的光是实质上透明的；

操作所述辐射热源，以将所述基板加热到第一温度；以及

使所述辐射热源不工作，且将所述动态热沉定位而使其可从所述基板吸收热。

12.如权利要求11所述的方法，其中所述动态热沉定位成邻近所述基板而位于与所述辐射热源相对的侧上，或者定位成邻近所述基板而位于与所述辐射热源相同的侧上。

13.如权利要求11至12所述的方法，其中在所述动态热沉与所述基板之间存在有间隙。

14.如权利要求11至13所述的方法，其中一旦使所述辐射热源不工作，所述动态热沉被移动到更靠近所述基板的位置。

15.如权利要求13所述的方法，进一步包括以下步骤：

将流体添加到所述动态热沉与所述基板之间的所述间隙。

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