CN103943537B - 用于半导体衬底的快速加热和冷却的装置 - Google Patents

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Abstract

本发明描述了一种用于热处理衬底的方法和装置。该装置包括配置为通过磁驱动线性移动和/或旋转移动的衬底支架。该衬底支架还配置为接收辐射热源在腔室的一部分中提供加热区。包括冷却板的有源冷却区与加热区相对设置。衬底可以在该两个区域之间移动以便于衬底的快速可控加热和冷却。

Description

用于半导体衬底的快速加热和冷却的装置
本申请是中国专利申请200710163593.3的分案申请。
技术领域
本发明实施方式主要涉及一种用于处理半导体衬底的方法和装置。更具体地，涉及一种用于热处理半导体衬底的方法和装置。
背景技术
集成电路已发展成可在单个芯片上包含数百万个晶体管、电容器和电阻器的复杂器件。芯片设计的发展不断需要更快的电路和更大的电路密度，这就要求不断增加的精确制造工艺。常采用的一种制造工艺是离子注入。
离子注入对在半导体衬底上形成晶体硅结构尤其重要并且可以在芯片制造期间重复多次。在离子注入期间，典型地包括硅材料和/或含硅膜的半导体衬底通常称为掺杂剂的带电离子束轰击。离子注入改变材料的属性，其中将掺杂剂注入该材料中从而获得特定级别的电学性能。掺杂浓度可以通过控制投射在衬底上的能量束中的离子数量和衬底经过所述能量束的次数来确定。将掺杂剂加速至能使掺杂剂进入硅材料或注入到膜预设深度的能量级别。束的能量级别典型地确定放置掺杂剂的深度。
在离子注入期间，所注入的膜可以形成高级别的内应力。为了消除该应力并进一步控制所注入的膜的生成属性，该膜通常经受诸如退火的热处理。通常在快速热处理(RTP)腔室中实施过离子注入退火，使衬底经受非常短暂的、但高度可控的热循环，该热循环能将衬底从室温加热到大约450℃到约1400℃。RTP通常最小化或消除注入过程中产生的应力，并可以用于进一步修改膜属性，诸如通过控制掺杂扩散而改变该膜的电性。
RTP加热机制一般包括来自诸如灯和/或电阻加热元件的辐射热源的加热。在传统的RTP系统中，将衬底加热至预期温度，并然后关闭该辐射热源，使得衬底冷却。在一些系统中，可以将气体流入到衬底上以加速冷却。然而，由于处理参数持续衍变，RTP期间温度上升和加热均匀性需要更紧密的监控和控制。虽然传统的RTP腔室依赖于热源来将衬底快速地加热至预期温度，但当衬底需要冷却以改善加热均匀性时，和/或当衬底需要快速冷却时，将面临挑战。例如，如果整个衬底存在明显的温度梯度，衬底可能塑性形变或弯曲，这可能不利于在衬底上实施的后续工艺。况且，衬底的更快的冷却和/或改善的温度控制可以得到更高的产量和增强的掺杂剂均匀性。
因此，需要一种具有改善的热均匀性控制的一种用于半导体衬底的快速加热和冷却的装置和方法。
发明内容
本发明主要描述一种用于处理衬底的装置和方法。该装置包括具有有源加热装置的腔室和设置在其中的有源冷却装置。该腔室还包括在加热装置和冷却装置之间可移动的衬底支架。在一个实施方式中，有源冷却装置是具有其中设置有至少一个流体管道的冷却板。在另一实施方式中，有源冷却装置包括与入口连接的冷却剂源，该入口用于将冷却气体提供给腔室的内容积。在一个实施方式中，加热装置是与冷却装置相对设置的多个加热灯。
在一个实施方式中，描述了一种衬底处理装置。该装置包括腔室，设置在腔室中的磁驱动衬底支架，该支架包括配置为在其上表面上支撑衬底的环形体，以及与环形体相连的窗口，其中该窗口设置在衬底下方并透光和透热。
在另一实施方式中，描述了一种衬底处理装置。该装置包括具有内容积的腔室，该内容积包括上部分和下部分，设置在内容积中的冷却板和热源，该冷却板与热源相对，以及配置为使衬底在上部分和下部分之间移动的悬浮衬底支架。
在另一实施方式中，描述了一种用于热处理衬底的方法。该方法包括提供具有其中设置悬浮衬底支架的腔室，朝第一位置移动衬底，加热位于第一位置的衬底，将衬底移动至与有源冷却装置相邻的第二位置，并冷却位于第二位置的衬底，其中第一和第二位置设置在腔室中。
在另一实施方式中，描述了一种用于热处理衬底的方法。该方法包括在第一温度下将衬底提供给腔室，在第一时间周期将衬底加热至第二温度，在第二时间周期将衬底加热至第三温度，在第二时间周期将衬底冷却至第二温度，以及在第三时间周期将衬底冷却至第一温度，其中第二时间周期小于约2秒。
附图说明
为了可以详细地理解本发明的上述特征，将参照附图中示出的实施例对以上简述的本发明进行更具体描述。然而，应该注意，附图中只示出了本发明典型的实施例，因此不能认为是对本发明范围的限定，本发明可以允许其他等同的有效实施例。
图1是快速热处理(RTP)腔室的一个实施方式的简化等角视图；
图2是衬底支架的一个实施方式的等角视图；
图3是RTP腔室的另一实施方式的示意性等角视图；和
图4是RTP腔室的另一实施方式的部分示意性侧视图。
为了便于理解，尽可能采用相同的附图标记表示附图中共同的相同元件。预期在一个实施方式中公开的元件可以有利地在其他实施方式采用，而不做具体的叙述。
具体实施方式
图1是快速热处理(RTP)腔室100的一个实施方式的简化等角视图。可以适于从本发明受益的快速热处理腔室的实施例是Quantum X plus和CENTURA热处理系统，都可以从Santa Clara,California(加利福尼亚州，圣克拉拉)的Applied Materials,Inc.(应用材料股份有限公司)购买得到。虽然该装置描述为应用在快速热处理腔室中，但在此描述的实施方式可用于在一个处理区域内需要至少两个温度区的其他处理系统和装置中，诸如衬底支架平台，适于机械手切换、定位装置、沉积腔室、刻蚀腔室，电化学处理装置和化学机械抛光装置等，尤其在需要颗粒生成最小化情形下。
处理腔室100包括无接触或磁悬浮衬底支架104、腔体102，具有壁108、底部110和限定内容积102的顶部112。壁108通常包括至少一个衬底进出口148以便于衬底140(在图1中示出其中一部分)的进出。进出口可以耦合至传送腔室(未示出)或真空交换腔(未示出)并可以选择性用诸如狭口阀(未示出)的阀门密封。在一个实施方式中，衬底支架104是环形以及腔室100包括设置在衬底支架104的内径中的辐射热源106。在2002年3月29日递交的并在2004年10月5日授予的美国专利No.6,800,833，在2004年2月27日递交的美国专利申请序列号No.10/788,979并在2005年9月1日公布为美国专利出版号No.2005/0191044中描述了可以修改的RTP腔室和可以采用的衬底支架的实施例，在此引入其全部内容作为参考。
衬底支架104适于在内容积120内磁悬浮和旋转。衬底支架104能在处理期间旋转同时垂直上升并降低，并且还可以在处理之前、期间或之后上升或降低而不旋转。由于为提升/降低和/或旋转衬底支架通常所需的移动零件的缺失或减少，因此所述磁悬浮和/或磁旋转防止或最小化颗粒生成。
腔室100还包括由对不同波长光，包括红外(IR)光谱的光，和热透明的材料形成的窗口114，通过该窗口来自辐射热源106的光子可以加热衬底140。在一个实施方式中，窗口114由石英材料形成，虽然可以使用其他透光材料，诸如蓝宝石。窗口114还可包括多个耦合至窗口114的上表面的升降杆144，该升降杆144适于选择性接触和支撑衬底140，以便于传送衬底进出腔室100。多个升降杆144每个配置为使来自辐射热源106的能量吸收最小化，以及可以由与用于窗口114的相同材料，诸如石英材料形成。可以定位多个升降杆144并彼此径向分隔以有利于与传送机械手(未示出)耦接的端受动器的通行。可选地，端受动器和/或机械手可以水平和垂直移动以便于衬底140的传送。
在一个实施方式中，辐射热源106包括灯组件，该灯组件由包括在冷却剂组件360(图3中示出)中与冷却剂源183耦接的多个蜂窝管160的罩形成。冷却剂源183可以是水、乙二醇、氮(N2)和氦(He)其中之一或组合。罩可以由铜材料或其他合适材料形成，并具有在其中形成的适合冷却剂管道，用于来自冷却剂源183的冷却剂的流动。每个管160可以包含发生器和高强度灯组件或IR发射器，由其形成蜂窝形管排列。管的所述紧密六角形排列提供具有高能量密度和优良空间分辨率的辐射能源。在一个实施方式中，辐射热源106提供充足的辐射能来热处理衬底，例如，退火沉积在衬底140上的硅层。辐射热源106可进一步包括环形区，其中通过控制器124提供给多个管160的电压可以变化以改善来自管160的能量的径向分布。衬底140的加热动态控制可以受适于测量衬底140表面温度的一个或多个温度传感器117(下文更详细描述)的影响。
定子组件118围绕腔体102的壁108并与一个或多个致动器组件122连接，该致动器控制定子组件118沿着腔体102的外部上升。在一个实施方式中(未示出)，腔室100包括围绕腔体径向设置的三个致动器组件122，例如围绕腔体102成约120°角。定子组件118与设置在腔体102的内容积120内的衬底支架104磁耦合。衬底支架104可以包含或包括起到转子功能的磁性部分，从而构成磁悬浮轴承组件以提升和/或旋转衬底支架104。在一个实施方式中，至少部分衬底支架104由槽412(图4示出)部分包围，该槽连接到可以包括水、乙二醇、氮(N2)和氦(He)其中之一或组合的流体源186，适于作为用于衬底支架的热交换媒介。定子组件118还可包括包围定子组件118的多个零件和部件的罩190。在一个实施方式中，定子组件118包括层叠在悬挂线圈组件170上的驱动线圈组件168。驱动线圈组件168适于旋转和/或提升/降低衬底支架104，而悬挂线圈组件170可以适于在处理腔室100内将衬底支架104被动地居中。可选地，旋转和居中功能可以通过具有单个线圈组件的定子实施。
空气控制系统164还与腔体102的内容积120耦接。空气控制系统164一般包括用于控制腔室压力的节流阀和真空泵。空气控制系统164可额外地包括用于向内容积120提供工艺气体或其他气体的气体源。空气控制系统164还可适于输送气体用于热沉积工艺。
腔室100还包括控制器124，该控制器124一般包括中央处理器(CPU)130、辅助电路128和内存126。CPU 130可以是一种任意形式的计算机处理器，可在工业设置中使用，用于控制多种操作和子处理。存储器126，或计算机可读媒介，可以是一种或多种可读存储器，诸如随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、软盘、硬盘或任意其他形式的数字存储器、本地或远程的，并且通常与CPU 130连接。辅助电路128与CPU 130耦接用于以传统方式辅助控制器124。这些电路包括缓存、电源、时钟电路、输入/输出电路、子系统等。
在一个实施方式中，每一个致动器组件122一般包括从腔体102的壁108延伸的两个凸缘134之间耦接的高精度导螺杆132。导螺杆132具有随着螺杆旋转沿着导螺杆132轴向运动的螺母158。联轴器(coupling)136耦合在定子118和螺母158之间，从而当导螺杆132旋转时，联轴器136沿着导螺杆132移动以控制与联轴器136接触处定子118的上升。因此，当旋转其中一个致动器122的导螺杆132在其他致动器122的螺母158之间产生相对位移时，定子118的水平面相对腔体102的中心轴改变。
在一个实施方式中，电机138诸如步进电机或伺服电机，与导螺杆132连接以通过控制器124提供响应于信号的可控旋转。可选地，其他类型的致动器122可用于控制定子118的线性位置，诸如气压缸、液压缸、滚珠螺旋、螺线管、线性致动器和凸轮随动件等。
腔室100还包括一个或多个传感器116，所述传感器116一般适于检测腔体102的内容积120内衬底支架104(或衬底140)的上升。传感器116可耦接至腔体102和/或处理腔室100的其他部分并适于提供衬底支架104和腔体102的顶部112和/或底部110之间的距离的输出指示，以及还可检测衬底支架104和/或衬底140的错位。
所述一个或多个传感器116耦接至控制器124，该控制器接收来自传感器116的输出度量并为一个或多个致动器组件122提供信号以提升或降低至少部分衬底支架104。控制器124可利用从传感器116获得的位置度量来调节每个致动器组件122处的定子118的上升从而衬底支架104和固定在其上的衬底140的上升和平面都可以相对于RTP腔室100的中心轴和/或辐射源106进行调节。例如，控制器124可提供信号以通过一个致动器122的操作提升衬底支架来校正衬底支架104的轴错位，或控制器可以为所有致动器122提供信号以便于衬底支架104的同步垂直移动。
所述一个或多个传感器116可以是超声波、激光、电感、电容或可检测腔体102内的衬底支架104的接近度的其他类型的传感器。传感器116，可以靠近顶部112与腔体102耦接或与壁108耦接，虽然腔体102内和围绕腔体的其他位置可以是合适的，诸如连接到腔室100外部的定子118。在一个实施方式中，一个或多个传感器116可以耦接至定子118并适于通过壁108感测衬底支架104(或衬底140)的上升和/或位置。在该实施方式中，壁108可包括较薄的截面以便于通过壁108的位置感测。
腔室100还包括一个或多个温度传感器117，所述温度传感器117可适于在处理之前、期间和之后感测衬底140温度。在图1所示的实施方式中，温度传感器117穿过顶部112设置，虽然可以使用腔体102内和围绕腔体102的其他位置。温度传感器117可以是光学高温计，作为示例，具有光学探头的高温计。传感器117可适于成与顶部112耦接的结构以感测衬底的整个直径或部分衬底。传感器117可以包括限定基本上等于衬底直径的感测区域或者基本上等于衬底半径的感应区域的图案。例如，多个传感器117可以与顶部112成径向或直线结构耦接以形成贯穿衬底的半径或直径的感应区域。在一个实施方式中(未示出)，多个传感器117可以设置在从围绕顶部112的中心到顶部112的外围部分延伸的直线上。以该方式，衬底的半径可以通过能够在旋转期间感测衬底的直径的传感器117监控。
RTP腔室100还包括与顶部112相邻、连接或在顶部112中形成的冷却区180。一般地，冷却区180与辐射热源106隔开并相对。冷却区180包括一个或多个与入口181A和出口181B连接的冷却剂管道184。冷却区180可以由诸如不锈钢、铝、聚合物或陶瓷材料的工艺耐腐蚀材料形成。冷却剂管道184可包括螺旋形图案、矩形图案、圆形图案或其组合以及管道184可以集成地形成在冷却区180内，例如，通过浇铸冷却区180和/或由两件或多件制造冷却区180并将这些件接合。另外地或可选地，冷却剂管道184可以埋入冷却区180中。
如本文所述，腔室100适于接收“面朝上”定位的衬底，其中衬底的沉积物接收侧面或表面朝冷却区180定位并且衬底的“背面”面向辐射热源106。“面朝上”定位可以使得来自辐射热源106的能量更快地被衬底140吸收，原因在于衬底的背面通常比衬底的正面具有较低的反射性。
虽然冷却区180和辐射热源106如所描述的分别位于内容积120的上部和下部，但冷却区180和辐射热源106的位置可以倒置。例如，冷却区180可以设计尺寸并配置为位于衬底支架104的内径中，以及辐射热源106可以与顶部112耦接。以该设置，石英窗口114可以设置在辐射热源106和衬底支架104之间，诸如与腔室100的上部中的辐射热源106相邻。虽然当衬底背面朝向辐射热源106时，衬底140可更快地吸收热量，但衬底140可以面朝上方向或面朝下方向定位的任一结构。
入口181A和出口181B可以通过阀和适合的管子与冷却剂源182耦接以及冷却剂源182与控制器124相通以便于控制位于其中的流体的压力和/或流动。该流体可以是水、乙二醇、氮(N2)、氦(He)或其他用作热交换媒介的流体。
在一个实施方式中，腔室100适于实施衬底140的热处理。该方法包括将衬底140移动至与辐射热源106相邻的第一位置以加热位于第一位置的衬底140。其上具有加热的衬底140的衬底支架104随后移动至与有源冷却装置相邻的第二位置，诸如冷却区180，以冷却位于第二位置的衬底。
图2是衬底支架104的一个实施方式的等角视图。衬底支架104包括环形体220，该环形体220具有尺寸上接收辐射热源和其他硬件(未在该视图中示出)的内径209。衬底支架104至少部分由磁环部分208和支撑部分212组成。磁环部分208可以是至少部分由磁性材料，诸如含铁材料组成以利于衬底支架104与定子118磁耦合。含铁材料包括低碳钢、不锈钢，其可包括诸如镍电镀的电镀金属。在一个实施方式中，磁环部分208由多个围绕中心轴成极性阵列设置的永久磁铁组成。磁环部分208可额外包括具有形成在其中的一个或多个管道223的外表面。在一个实施方式中，磁环部分208包括诸如具有一个或多个形成在其中的管道223的“E”形或“C”形的成形形状。
支撑部分212一般适于最小化来自辐射热源106的能量诸如，热和/或光的损失，从而来自辐射热源106的主要部分的能量包含在衬底140的下表面和辐射热源106的上端之间的区域内(未在该图中示出)。支撑部分212可以是从磁环部分208的上表面延伸的环形延伸214。支撑部分212还可包括支撑环210，在一个实施方式中，该支撑环210有利于对准并为衬底140提供密封表面202。在一个实施方式中，至少部分支撑环210由对来自辐射热源106的能量透明的材料诸如石英材料形成。在另一实施方式中，支撑环210包括可熔结的碳化硅材料。支撑环210可进一步包括氧化物涂层或氧化层，其可包括氮。在2004年2月5日递交的并在2005年5月3日授予的美国专利No.6,888,104描述了可以使用的支撑环210的示例，在此引入其全部内容作为参考。
支撑环210一般包括内壁222和从内壁222向内延伸的支撑唇(support lip)219。内壁222可以分级的或倾斜的形式在尺寸上略大于衬底以及当衬底支架104提升时便于衬底140的对准和/或居中。衬底随后可以固定在支架唇219上以及在衬底支架104提升和/或旋转期间维持衬底居中。支撑环210还可包括与内壁222相对的从支撑环210的上表面向下延伸的外壁223。外壁223和内壁222之间的区域形成便于环形延伸214上的支撑环210对准的管道224。支撑部分212可通过紧固、粘接或重力连接至磁环部分208，并适于在处理期间支撑衬底140。在一个实施方式中，支撑环210起到边缘环功能以及为了方便移除和置换可以重力附接于环形部分214。
支撑部分212可以由减少潜在刮擦、化学或物理污染、和/或衬底的损伤的材料形成，例如，诸如碳化硅、不锈钢、铝、陶瓷的材料，或者可使用高温聚合物。可选地，支撑部分212可以由磁环部分208的材料制造为整体构件。至少部分支撑部分212可以用反射性材料制造或涂覆，或根据工艺参数由黑色材料形成或涂覆类似于黑体吸收热量。应当注意在此使用的黑色材料可包括诸如黑颜色的暗色，但不限于暗色材料或涂层。更具体地，黑色材料、黑色抛光面或黑色涂层指类似于黑体无反射率或缺乏吸收能量，诸如热和/或光的能力的材料、涂饰或涂层。
图3是包括腔体102，并具有限定如图1所示的内容积120的壁108、底部110和顶部112的RTP腔室300的另一实施方式的侧视图的示意图。腔室300还包括如图1所示的无接触或磁悬浮衬底支架104，但为简单起见未示出腔室200外部的定子和其他部件。在该实施方式中，衬底支架104显示为位于交换的位置，其中多个升降杆144支撑衬底140以便于衬底的传送。
在该实施方式中，部分衬底支架104和/或磁环部分208可搁在或接近腔体102的底部110的上表面。以及窗口114通过其中一个磁环部分208的上表面和/或耦接的延伸312来支撑或否则通过底部110的上表面支撑。延伸312可以是围绕设置在衬底支架104的内径中的部分辐射热源106的冷却剂组件360的侧壁，或者延伸312可以是与衬底支架104的内径中和冷却剂组件360的外部的底部的上表面连接接的支撑构件。适配器板315还可耦接至腔室底部110以便于用于辐射热源106和/或冷却剂组件360的电线和其他支撑装置的连接。
支撑部分212可以是从衬底支架104或磁环部分208延伸的环形延伸214。支撑部分还可包括为衬底140提供对准和密封表面的支撑环210。支撑环210包括内壁222和从内壁222向内延伸的支撑唇219。内壁222可以尺寸上略大于衬底以及当衬底支架104提升时便于衬底140的对准和/或居中。衬底140可随后固定在支撑唇219上以及在衬底支架104的提升和/或旋转期间维持衬底居中。
在一个实施方式中，冷却区180包括用于如上所述循环冷却液的多个冷却剂管道348A-348C。冷却剂管道可以是分立的管道或离散的流径，或者冷却剂管道包括多个与冷却剂源182耦接的闭合的流径。在一个实施方式中，冷却区180包括多个冷却区域，诸如一般通过冷却剂管道348A限定的外区，一般通过冷却剂管道348C限定的内区，以及通过冷却剂管道348B限定的中间区。外区可对应于衬底140的外围，而内区和中间区可对应于衬底140的中央部分。冷却剂温度和/或冷却剂流动可以在这些区域中进行控制，例如，相对于衬底的中央，在衬底140的外围上提供更多的冷却。以该方式，冷却区180可通过在需要或预期冷却的衬底的区域中提供更多或更少的冷却来提供改善的衬底140的温度控制。
冷却区180可以由诸如铝、不锈钢、镍、陶瓷或工艺耐腐蚀聚合物的材料形成。冷却区180可包括反射性材料，或包括配置为将热量反射至衬底表面上的反射涂层。可选地，冷却区180可包括黑色材料(诸如配置为基本类似于黑体吸收能量的黑色材料)或另外用黑色材料涂覆或抛光或表面配置为吸收来自衬底和/或内容积120的热量。冷却区180还可包括表面或外表面332，所述表面或外表面332可粗糙化或抛光以增加以热和/或光形式的辐射能量的反射率或吸收。外表面332还可包括涂层或光洁面根据工艺参数增加反射率或吸收。一个实施方式中，冷却区180可以是黑色材料或类似于黑色材料的材料，或另外用黑色材料或类似于黑色材料涂覆或抛光，以具有接近1的发射率或发射度，诸如约0.70到约0.95之间的发射率。
如图3所示，内容积120包括温度转变区305，或者描述为距离D3的处理区，其包括加热区306A和冷却区306B，从而在处理期间可以暴露衬底。区域306A、306B能使衬底140在处理期间在内容积120中快速加热和快速冷却。作为示例，加热区306A可以使得处理期间衬底140的表面上的温度在约450℃到约1400℃之间，以及冷却区306B根据工艺参数在处理期间可以使衬底140的表面冷却至室温或更低。
例如，可以在室温或真空交换腔或其他外围腔室或传送装置中的加热装置提供的高于室温的某个温度将衬底140传送到RTP腔室。衬底140的温度在衬底传送至RTP腔室之前、期间或之后可称为第一或导入温度，可以从所述温度开始RTP工艺。在一个实施方式中第一或导入温度可以在约室温到约600℃之间。一旦衬底140导入至腔室，衬底可以快速加热，使衬底的温度从导入的温度至约800℃到约1200℃之间，诸如900℃到约1150℃的第二温度。在一个实施方式中，使用来自传感器117的反馈改变和监控辐射热源的功率，以在加热步骤或第一加热周期使衬底表面能在约900℃到约1150℃的第二温度。
在一个实施方式中，第一加热周期设置为使衬底的温度在约2分钟或更少时间，诸如从50秒和约90秒，例如约55秒和约75秒之间在整个衬底上从导入温度提高到约900℃到约1150℃。在衬底在加热周期已达到第二温度之后，尖峰或转变阶段可能开始，其中包括第二加热周期。该第二加热周期可包括将衬底加热比第二温度高约25℃到约100℃的第三温度。转变阶段还包括将衬底温度降低至比第三温度低约25℃到约100℃的第四温度。在一个实施方式中，第三温度和第四温度彼此在约5℃到约20℃内，以及在一个实施方式中，第三温度和第四温度基本上相同。转变阶段可包括约3秒或更少的第三周期，诸如约0.1秒到约2秒，例如，约0.3秒到约1.8秒之间。
在转变阶段之后，衬底可放置在邻近冷却区180区并通过冷却区180和冷却剂源315其中之一或两者进行快速冷却(以下将更详细描述)。在第四周期中衬底可冷却至基本上等于第一或导入温度的温度，第四周期可以小于10秒，诸如约2秒到约6秒。衬底可快速冷却至预期的温度，包括在或近似室温的温度，或冷却至能进行传送的高于室温的温度，从而可提高产量。
在一个应用中，一种用于通过如本文所述的RTP腔室进行热处理衬底的方法。该方法包括以第一温度向腔室提供衬底140，诸如室温，或高于室温的某个温度，以及在第一时间周期诸如约2分钟或更少加热衬底至第二温度，该第二温度是约900℃到约1150℃。该方法还包括在可能少于约2秒的第二时间周期将衬底140加热至比第二温度高诸如约25℃到约100℃的第三温度。该方法还包括在第二时间周期将衬底140冷却至第二温度，以及在可能少于约3秒的第三时间周期将衬底冷却至第一温度。
衬底的快速加热和冷却，如上所述，具有许多优点。通过来自传感器117的反馈持续监控衬底的温度，以及可以通过相对于冷却区180和/或加热源106移动衬底便于衬底温度的改进控制。掺杂剂扩散控制可以通过衬底的快速并可控的加热和冷却来改善，并且可以改善器件性能。另外地，减少的加热和冷却时间可以增加产量。
为了使得衬底能够快速加热和冷却，衬底可以在温度转变区305中移动。内容积120和区域306A、306B中衬底140的移动促使在衬底加热和冷却之间的锐转变和/或较少的停留时间。在一个示例中，一旦衬底140放置在处理位置，温度转变区305的加热区306A可包括对于衬底140(或衬底支架104)的移动距离D1，例如，约0.5英寸到约1.5英寸之间。温度转变区的冷却区306B可包括对于衬底140(或衬底支架104)的移动距离D2，约0.5英寸到约1.5英寸之间。在一个实施方式中，内容积内的衬底140(或衬底支架104)的总移动，诸如在辐射热源106和冷却区180之间，是约0.75英寸到约3.25英寸之间，例如，约1.0英寸和约2.75英寸之间，诸如约2英寸。在一个实施方式中，距离D1包括距离D3的约二分之一，以及距离D2包括距离D3的约二分之一。根据衬底的平整度和衬底的其他物理特征，以及衬底支架的机械性质，衬底支架104可配置为将衬底提升至紧邻衬底140的位置。假设衬底具有适合的平整度，以及衬底支架104和设置在其上的衬底基本平行于冷却区180，衬底可以从冷却区180的下表面在约0.005英寸到约0.025英寸内提升。将衬底放到紧邻冷却区能够使得衬底的快速热传递和改善冷却。
在一个实施方式中，腔室300包括与冷却剂源315相连的气孔310。气孔310可以是歧管或形成的多个开口，或另外与腔室壁108的上部分连接，以及可以形成为，或适于连接至能够使得层流经过冷却区306B的喷嘴，例如，邻近冷却区180的外表面332。为了能形成增强的流动通道，腔室还包括在腔室壁108形成的出口320，通常与气孔310相对。出口320可连接到配置为辅助空气控制系统164(图1)的真空源以及通过气孔310去除过量气体。冷却剂源315包括冷却液，诸如氦(He)、氮(N2)或其他适合冷却液，并定向或配置为在冷却区306B内流动。当衬底处于冷却区306B中时，来自气孔310的冷却液能够快速冷却衬底140。
如参照图1所示，辐射热源106耦接至冷却剂组件360，该冷却剂组件适于维持适合温度和/或冷却辐射热源106的蜂窝管160。冷却剂组件360包括侧壁312和底部314，适于包含流体。底部314包括孔322和324，所述孔322和324配置为提供及去除来自冷却剂源183的冷却剂流体，所述冷却液可以是水、乙二醇或其他适合冷却液。冷却剂组件360还可包括多个在其中形成的多个流体管道(参照图4所示)，用于改善来自冷却液和辐射热源106的热传递。
图4是处理位置中的RTP腔室400另一实施方式的部分侧视图以及并将对冷却剂组件360的详细内容进行描述。冷却剂组件360包括底部322和侧壁312，如图其他附图中所示，以及还包括主体427，其包括分隔多个蜂窝管160的多个隔离物426。该主体还可包括与底部322相对的平板423使得在二者之间形成空隙(void)446，该平板设计为包含来自第一冷却剂源485A的冷却剂以及将空隙446与多个蜂窝管160隔离。空隙446通过与底部322连接的孔324与冷却剂源485A相通，并且孔324与气室445相通，该气室445通过气室孔415与空隙446流体相通。平板423可包括在其中形成的多个管道或凹槽428以增加可用于冷却液的表面积，从而增强来自辐射热源106的散热。
在操作中，通过孔322将来自第一源485A的冷却液提供给空隙446，以及冷却剂至少部分地填充空隙446。冷却剂可持续流入空隙以散热并通过气室孔415排放至气室445。冷却剂可通过孔324从气室445去除并返回至第一源485A。冷却剂可以在经过空隙446循环之前补充和/或冷却。以该方式，辐射热源106的温度得到控制。
冷却剂组件360还可包括多个在多个隔离物426中的至少一部分形成的多个流体管道425。配置流体管道425使得来自第二流体源485A的冷却液，诸如水、乙二醇、氮(N2)、氦(He)或其他作为热交换媒介的流体流动。流体管道425通过至少一个入口和出口(未示出)耦接至第二流体源485B。来自第一和第二源485A、485B的冷却剂的流动便于改善辐射热源106的温度控制。
腔室100还包括具有支撑构件210的磁悬浮或无接触衬底支架104和与设置在管道或槽412中的环形体220耦接的环形延伸212。槽412通过用于将冷却剂提供给槽的孔420连接至流体源186，从而可将从辐射热源106传递的热量和/或处理期间由于环形体220的旋转产生的热量散失。流体源186可包括冷却液，诸如水、乙二醇、氮(N2)、氦(He)或其他用作热交换媒介的流体。间隙418还可在冷却剂组件360的侧壁312和槽412的侧壁之间形成以便于衬底支架104的环形体220和辐射热源106之间的绝热。
虽然前述涉及本发明的实施方式，但在不偏离本发明的基本精神范围内可以涉及本发明其他和进一步的实施方式，并且其范围通过以下权利要求书确定。

Claims (17)

1.一种衬底处理装置，包括：
具有内容积的腔室，
以相对的关系设置在内容积中的热源和冷却板；所述冷却板包括独立控制的多个冷却区，所述多个冷却区对应于衬底的外区、中间区和内区；
设置在内容积中的磁驱动衬底支架，所述衬底支架具有环形体，该环形体在其上表面上支撑衬底；以及
在内容积中设置在热源与衬底之间的透明窗口，
其中所述热源设置在所述窗口之下和设置在所述环形体的内径中，
其中所述环形体设置在与所述热源分隔开的槽中，所述槽连接至流体源。
2.根据权利要求1所述的装置，进一步包括：
与所述环形体耦接的环形延伸；和
与所述环形延伸可拆卸地耦合的支撑环。
3.根据权利要求1所述的装置，其中，所述环形体与定子组件磁耦合。
4.根据权利要求1所述的装置，进一步包括：
从所述窗口的上表面延伸的多个升降杆。
5.根据权利要求1所述的装置，其中，所述冷却板含有黑色材料。
6.根据权利要求1所述的装置，其中，所述冷却板具有0.70到0.95之间的发射率。
7.根据权利要求1所述的装置，其中，所述冷却板具有至少一个流体管道，所述流体管道用于冷却剂在其中流动。
8.一种衬底处理装置，包括：
腔室，具有包括上部分和下部分的内容积；
设置在内容积中的冷却板和热源；所述冷却板具有多个冷却区并与所述热源相对，所述多个冷却区独立控制并对应于衬底的外区、中间区和内区；
悬浮的可旋转衬底支架，在所述上部分和所述下部分之间移动所述衬底，所述衬底支架具有环形体；以及
设置在热源和衬底之间的窗口，其中所述窗口能透过红外光谱，
其中所述热源设置在所述窗口之下和设置在所述环形体的内径中，
其中所述环形体设置在与所述热源分隔开的槽中，所述槽连接至流体源。
9.根据权利要求8所述的装置，其中，所述冷却板设置在所述内容积的上部分，而所述热源设置在所述内容积的下部分。
10.根据权利要求8所述的装置，其中，所述冷却板含有黑色材料。
11.根据权利要求8所述的装置，其中，所述冷却板包括至少一个流体管道，所述流体管道用于冷却剂在其中流动。
12.根据权利要求8所述的装置，其中，所述衬底支架具有接收并支撑所述衬底的支撑环。
13.一种衬底处理装置，包括：
腔室，具有包括上部分和下部分的内容积；
设置在所述下部分中的热源；
设置在所述上部分中的冷却板；所述冷却板具有多个冷却区，所述多个冷却区独立控制并对应于衬底的外区、中间区和内区；
设置在内容积中的磁驱动衬底支架，所述衬底支架具有环形体，该环形体在其上表面上支撑衬底；以及
设置在所述热源和衬底之间的窗口，其中该窗口能透过红外光谱，
其中所述热源设置在所述窗口之下和设置在所述环形体的内径中，
其中所述环形体设置在与所述热源分隔开的槽中，所述槽连接至流体源。
14.根据权利要求13所述的装置，其中，所述窗口包括从其上表面延伸的多个升降杆。
15.根据权利要求13所述的装置，其中，所述冷却板含有黑色材料。
16.根据权利要求13所述的装置，其中，所述冷却板具有0.70到0.95之间的发射率。
17.根据权利要求13所述的装置，其中，所述冷却板包括至少一个流体管道，所述流体管道用于冷却剂在其中流动。
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