CN114402426A - 具有冷却系统的快速热处理系统 - Google Patents

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CN114402426A CN202180003808.3A CN202180003808A CN114402426A CN 114402426 A CN114402426 A CN 114402426A CN 202180003808 A CN202180003808 A CN 202180003808A CN 114402426 A CN114402426 A CN 114402426A
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斯克·哈姆
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Abstract

本公开提供了用于处理工件的装置、系统和方法。在一个示例中，这种用于进行尖峰退火快速热处理的方法可以包括控制热源开始加热支撑在处理腔室中的工件支撑件上的工件。该方法还可以包括接收指示所述工件的温度的数据。而且，该方法可以包括监测所述工件相对于温度设定点的温度。而且，该方法可以包括至少部分地基于所述工件达到所述温度设定点而控制热源以停止加热工件。此外，该方法可以包括至少部分地基于所述工件达到所述温度设定点而控制冷却系统开始使冷却气体以约300slm或更大的速率流过所述工件，以减小所述工件的t50峰宽。

Description

具有冷却系统的快速热处理系统
相关申请的交叉引用
本申请要求于2020年8月18日提交的名称为“具有冷却系统的快速热处理系统”的美国临时申请序列号63/066,854的优先权，其通过引用并入本文。
技术领域
本公开总体上涉及热处理系统，并且更具体地涉及具有冷却系统的快速热处理系统。
背景技术
如本文所用，热处理腔室是指加热工件如半导体工件(例如，半导体晶片)的系统。这样的系统可以包括用于支撑一个或多个工件的支撑板和用于加热工件的能源，例如加热灯、激光器或其他热源。在热处理期间，工件可根据处理方案在受控条件下加热。
许多热处理工艺需要在一定温度范围内加热工件，以便在将工件制造成装置时可以发生各种化学和物理转变。例如，在快速热处理过程中，工件可以在通常少于数分钟的持续时间内被灯阵列通过支撑板加热到约300℃至约1,200℃的温度。
发明内容
本公开实施例的方面和优点将在以下描述中部分阐述，或者可以从描述中获悉，或者可以通过实践实施例来获知。
本公开的一个示例方面涉及一种用于进行半导体工件的快速热处理的热处理系统。该系统包括处理腔室和被配置为支撑处理腔室内的工件的工件支撑件。该系统还包括被配置为加热工件的热源和被配置为产生指示工件温度的数据的温度测量系统。此外，该系统包括冷却系统，该冷却系统被配置为使冷却气体流过支撑在工件支撑件上的工件。此外，该系统包括控制器，该控制器被配置为至少部分地基于指示工件温度的数据来控制热源和冷却系统，以约300slm或更大的速率提供冷却气体流进入处理腔室，以减小热处理期间工件的t50峰宽。
本公开的其他示例方面涉及用于进行半导体工件的快速热处理的系统、方法、装置和工艺。
参考以下描述和所附权利要求，将更好地理解各种实施例的这些和其他特征、方面和优点。包含在本说明书中并构成其一部分的附图示出了本公开的实施例，并且与说明书一起用于解释相关原理。
附图说明
在参考附图的说明书中针对本领域普通技术人员阐述了实施例的详细讨论，其中：
图1描绘了根据本公开的示例实施例的快速热处理系统；
图2描绘了根据本公开的示例实施例的热处理系统的示例冷却系统的横截面图。
图3描绘了根据本公开的示例实施例的热处理系统的示例冷却系统的分解透视图；
图4描绘了根据本公开的示例实施例的热处理系统的示例冷却系统的局部透视图，具体示出了冷却系统的气体供应部；
图5描绘了根据本公开的示例实施例的热处理系统的示例冷却系统的分配板的自顶向下图。
图6描绘了根据本公开的示例实施例的热处理系统的示例冷却系统的机械紧固件的透视图；
图7描绘了根据本公开的示例实施例的热处理系统的示例冷却系统的底部透视图，具体示出了联接到冷却系统的盖板的机械紧固件；
图8描绘了根据本公开示例实施例的热处理系统的示例冷却系统的局部透视图，具体示出了冷却系统的盖板的柔性法兰；
图9描绘了根据本公开的示例实施例的热处理系统的示例温度时间曲线；
图10描绘了根据本公开的示例实施例的热处理系统的示例温度时间曲线；
图11描绘了根据本公开的示例实施例的示例方法的流程图；和
图12描绘了根据本公开的示例实施例的另一示例方法的流程图。
具体实施例
现在将详细参考实施例，其一个或多个示例在附图中示出。各示例以解释实施例的方式提供，而不是限制本公开。事实上，对于本领域技术人员来说显而易见的是，在不脱离本公开的范围或精神的情况下，可以对实施例进行各种修改和变化。例如，作为一个实施例的一部分示出或描述的特征可以与另一实施例一起使用以产生又一实施例。因此，本公开的方面旨在涵盖这样的修改和变化。
本公开的示例方面涉及用于工件，例如半导体工件(例如，硅工件)的热处理系统，例如快速热处理(RTP)系统。具体地，本公开的示例方面涉及在热处理工艺如尖峰退火工艺期间更严格地控制温度曲线。尖峰退火工艺可以是在几秒或更短的时间级内将工件加热到高温的热处理。例如，可以使用尖峰退火工艺来激活工件如硅晶片中的掺杂剂。
在高温下，掺杂剂原子可以高速扩散到工件中，其中大部分扩散发生在激活掺杂剂所需的峰值退火温度下。随着半导体器件制造中性能需求增加和器件尺寸减小，可能需要尽可能精确地严格控制尖峰退火加热曲线，使工件经受用于激活掺杂剂的温度条件，同时限制掺杂剂扩散。
根据本公开的示例方面，冷却系统可以靠近工件(例如，半导体材料或晶片)设置，该工件被配置为通过一个或多个热源(例如，灯热源、激光或任何其他合适的光源)发射的光加热。冷却系统可以被配置为供应冷却气体流过工件以增加工件的冷却速率。在一些实施例中，冷却系统可以以约300slm或更大的速率提供冷却气体流进入处理腔室，以减小热处理工艺期间工件的t50峰宽。
例如，冷却系统可包括轴向邻近工件支撑件定位的分配板，其中分配板可具有平行于工件支撑件且垂直于轴向的表面(例如，垂直于轴向延伸的第一表面和第二表面)和轴向延伸穿过其中的多个孔，其中分配板的多个孔中的每个孔与分配板的中心相距不同的径向距离。冷却系统还可包括轴向邻近分配板并且与工件支撑件相对定位的盖板以及轴向联接在分配板和盖板之间的轴环，使得轴环、分配板和盖板可以一起限定内部腔室。冷却装置的气体供应部可以联接到轴环以将来自气体源的冷却气体提供到内部腔室。提供给内部腔室的冷却气体可通过分配板中的多个孔流出内部腔室并穿过工件表面。
在本公开的一些示例方面，多个孔中的每个孔具有相同的横截面积。然而，在本主题的一些方面，多个孔的形状可以随着径向距离的不同而改变。例如，在本主题的一些方面，多个孔可随着距分配板中心的径向距离减小而沿径向逐渐伸长，同时保持多个孔中的每个孔延伸穿过的方位距离相同。
此外，在本公开的一些方面中，气体供应部可以被配置为改善穿过分配板的气体的分布并因此改善穿过工件表面的分布。例如，在一些方面，气体供应部可以具有入口板，所述入口板联接到轴环并在轴环的间隔开间隙距离的第一端和第二端之间沿方位方向延伸，其中入口板可以包括沿方位方向间隔开的多个入口开口。在一些方面，气体供应部还可以包括多个入口管，其中多个入口管中的每个入口管将多个入口开口中的相应一个连接到气体源。此外，在一些方面，气体供应部可包括挡板，所述挡板沿间隙距离的至少一部分延伸并且自入口板径向向内间隔开，所述挡板具有多个扩散开口。在一些方面，挡板的多个扩散开口和入口板的多个入口开口可沿方位方向间隔开、沿方位方向交替、或两者皆有。
此外，在本公开的一些方面，盖板可被夹到分配板以密封冷却系统的内部腔室或使其气密。例如，一方面，盖板可以包括多个柔性法兰，其中多个柔性法兰中的每个柔性法兰可以沿相应的方位部分延伸并且具有用于接收相应的机械紧固件的开口，所述机械紧固件用于将盖板、轴环和分配板联接在一起。在夹紧过程中，柔性法兰可以向分配板弯曲或移位，以允许机械紧固件将盖板紧固到分配板，将轴环夹紧在它们之间。
此外，在本公开的一些方面，至少分配板、盖板、轴环和气体供应部可以由石英材料构成。因此，可以将冷却系统的可以由石英材料构成的一部分进行火抛光，使得在退火过程中由冷却系统产生的可能污染工件的颗粒的数量减少。
在一些实施例中，可控冷却系统可用于热处理系统中以减小与热处理工艺(例如，尖峰退火工艺)相关的峰宽。峰宽可以描述工件可以处于或高于参考温度的时间间隔，参考温度可通过从温度时间曲线(例如尖峰退火加热曲线)的峰值温度(T峰)中减去温度值(例如，50K等)而获得。例如，50°温度峰宽(t50峰宽)定义为工件表面温度高于(T峰–50°)的时间间隔。使用根据本公开的示例方面的热处理获得的减小的峰宽可以允许热处理在相对高的温度下实现有效的退火循环，同时仍然减少不期望的过程，例如过度的掺杂剂扩散。
在一些实施例中，热处理系统可以包括控制器以在热处理期间控制冷却系统的操作(例如流速)，以减小与热处理工艺相关的峰宽。例如，控制器可以控制冷却系统的操作，以使冷却气体以约每分钟300标准升(slm)或更大的速率流过工件以减小工件的t50峰宽，使得热处理工艺的t50峰宽为约1.8秒或更短。此外，控制器可以被配置为至少在冷却系统使冷却气体流过工件时控制工件支撑件旋转工件。
在一些实施例中，控制器(例如，计算机、微控制器、其他控制装置等)可以包括一个或多个处理器和一个或多个存储装置。一个或多个存储装置可以存储计算机可读指令，当由一个或多个处理器执行时，这些指令使一个或多个处理器执行操作，例如在热处理期间控制冷却系统的操作，或如下文所述的其他合适的操作。
本公开的一个示例方面涉及一种用于控制热处理系统的操作的方法。该方法可包括激活热源发射光以加热用于尖峰退火工艺的工件。该方法可以包括在尖峰退火加热过程中获得指示工件温度的数据。该方法还可包括监测工件相对于温度设定点的温度。此外，该方法可以包括至少部分地基于工件达到温度设定点而控制热源以停止加热工件。另外，该方法可以包括至少部分地基于工件达到温度设定点而控制冷却系统，以开始使冷却气体以约300slm或更大的速率流过工件以减小工件的t50峰宽。
本公开的另一个示例方面涉及一种用于控制热处理系统的操作的方法。该方法可包括激活热源发射光以加热用于尖峰退火工艺的工件。该方法可以包括确定在尖峰退火工艺期间激活热源之后的时间间隔的期满。该方法可以包括在时间间隔期满时，控制热源停止加热工件并控制冷却系统，以开始使冷却气体以约300slm或更大的速率流过工件以减小工件的t50峰宽。
出于说明和讨论的目的，参考“工件”、“晶片”或半导体晶片来讨论本公开的方面。本领域普通技术人员使用本文提供的公开内容将理解，本公开内容的示例方面可以与任何半导体衬底或其他合适的衬底关联使用。此外，将术语“约”与数值结合使用旨在指代所述数值的百分之十(10％)以内。
现在参考附图，图1描绘了根据本公开的示例实施例的热处理系统100。如图所示，热处理系统100可以包括处理腔室105。在一些实施方式中，处理腔室105可以至少部分地由热处理系统100的石英窗107限定。例如，石英窗107中的一个石英窗可以至少部分地限定处理腔室105的顶棚，并且石英窗107中的另一个石英窗可以至少部分地限定处理腔室105的底板或底面。在一些实施方式中，石英窗107可以掺杂有氢氧化物OH。应当理解，限定处理腔室105的一个或多个表面可由任何合适的材料形成。例如，在一些实施方式中，限定处理腔室105的一个或多个表面可由石英形成。
如图所示，热处理系统100可以包括可在打开位置(图1)和关闭位置(未示出)之间移动以允许选择性地进入处理腔室105的门110。例如，门110可以移动到打开位置以允许工件120定位在处理腔室105内。在一些实施方式中，工件120可以至少部分地由石英窗107的下方一个石英窗的支撑销130、132支撑。以这种方式，与将光发射到下方石英窗170相关的热量可以通过支撑销130、132传递到工件120。在一些实施例中，工件120可以例如在热处理工艺期间在处理腔室105内旋转。例如，支撑销130、132可以被配置为相对于石英窗107的下方一个石英窗旋转。此外，一旦工件120被布置在下方石英窗107的支撑销130、132上，门110可以被移动到关闭位置。在一些实施方式中，当门110处于关闭位置时，处理腔室105可被从外部环境密封。
在一些实施方式中，限定处理腔室105的一个或多个表面可限定气体入口140。以此方式，从气体源提供的工艺气体可通过气体入口140流入处理腔室105。在一些实施方式中，工艺气体可以包括不与工件120反应的惰性气体。或者，工艺气体可以包括与工件120反应以在工件120的表面上沉积材料层的反应气体。例如，在一些实施方式中，工艺气体可以包括铵NH3气体。然而，应当理解，工艺气体可以包括任何合适的反应气体。例如，在替代实施方式中，反应气体可以包括H2气体。
热处理系统100可以包括设置在处理腔室105外部的一个或多个热源150。例如，热源150可以定位在处理腔室105的上方、处理腔室105的下方或处理腔室105的上方和下方。一个或多个热源150可以被配置为在热处理工艺(例如快速热处理或尖峰退火热处理)期间向工件120发射光。更具体地，在热处理工艺期间，定位在处理腔室105上方的热源150可以被配置为向工件120的上表面或侧面发射光，并且定位在处理腔室105下方的热源150可以被配置为向工件120的下表面或侧面发射光。从一个或多个热源150发射的光可以升高工件120的温度。在一些实施方式中，一个或多个热源150可以在预定时间量(例如，小于2秒)内将工件120的温度升高大于约500℃。
应当理解，一个或多个热源150可以包括任何合适类型的被配置为发射光的热源。例如，在一些实施方式中，一个或多个热源150可包括一个或多个加热灯(例如，线性灯)。在替代实施方式中，一个或多个热源150可以包括一个或多个激光器，该激光器被配置为将激光束发射到工件120上。还应当理解，定位在处理腔室105上方的热源150可以与定位在处理腔室105下方的热源150分开控制或可以一起控制以执行热处理工艺。
在一些实施方式中，热处理系统100可以包括一个或多个反射器152，其定位成使得从一个或多个热源150发射的光被引导至或朝向处理腔室105。更具体地，反射器152可以将从一个或多个热源150发射的光引导至或朝向相应的石英窗107，使得光可以穿过相应的石英窗107并进入处理腔室105。应当理解，至少一部分通过石英窗107进入处理腔室105的光可以发射到工件120上。以此方式，如上所述，从一个或多个热源150发射的光可在热处理工艺例如快速热处理工艺(例如尖峰退火工艺)期间升高工件120的温度。
在一种实施方式中，热处理系统100可以包括温度测量系统178，其被配置为产生和传送指示工件120的温度的数据。温度测量系统178可以包括一个或多个温度传感器180。温度传感器180可以包括高温计、热电偶、热敏电阻或任何其他合适的温度传感器或温度传感器的组合。根据传感器的类型，温度传感器180可以定位在处理腔室105内或可以定位在处理腔室105的外部。例如，如果温度传感器180是高温计，则高温计不需要接触工件120，因此可以位于腔室105的外部。然而，如果温度传感器180是热电偶，则热电偶必须与工件120接触，因此可以定位在腔室105的内部。此外，温度传感器180可以通过有线连接、无线连接或两者通信地联接到控制器190，使得由传感器180产生的指示工件120的温度的数据可以提供给控制器190。
根据本公开的示例方面，热处理系统100包括冷却系统200，如下文将更详细地描述的，其被配置为选择性在热处理期间使来自气体源214的冷却气体流过工件120。控制器190可以在热处理期间控制热源150和冷却系统200的操作(例如，流过工件120的冷却气体的流速)以减小与热处理工艺相关的峰宽。例如，控制器190可以控制冷却系统200的操作，使得热处理工艺具有约1.8秒或更短，例如约1.5秒或更短的t50峰宽。此外，控制器190可控制工件120的旋转。例如，在热处理期间，例如在操作冷却系统200的时候，控制器190可控制工件支撑件(例如支撑销)，使得工件120旋转。
在一些实施例中，控制器190或控制装置(例如，计算机、微控制器、其他控制装置等)可包括一个或多个处理器和一个或多个存储装置。一个或多个存储装置可以存储计算机可读指令，当由一个或多个处理器执行时，该指令使一个或多个处理器执行操作，例如打开或关闭热源150，在热处理期间控制冷却系统200的操作，或如下文将描述的其他合适的操作。
现在转向图2-8，描绘了热处理系统100的冷却系统200的示例方面。更具体地，图2描绘了冷却系统200的横截面图，而图3描绘了冷却系统200的分解透视图。另外，图4描绘了冷却系统200的局部透视图，具体示出了冷却系统200的气体供应部。此外，图5描绘了冷却系统200的分配板的自顶向下图。另外，图6和图7描绘了冷却系统200的机械紧固件。此外，图8描绘了冷却系统200的局部透视图，具体示出了冷却系统200的盖板的柔性法兰。
如图2所示，冷却系统200包括盖板202、分配板204、轴环206和气体供应部208，其每个都可以由石英构成。盖板202在上表面202A与下表面202B之间沿轴向X1延伸。盖板202是连续的，使得其没有冷却气体可以流过的轴向延伸穿过其中的开口。分配板204类似地在上表面204A和下表面204B之间沿轴向X1延伸，其中下表面204B在轴向上比上表面204A更靠近支撑在处理腔室105(图1)中的工件(例如，图1中的工件120)。分配板204的至少下表面204B垂直于轴向X1延伸，使得其大体上平行于工件表面(图1)或工件支撑件130、132(图1)的支撑平面。与盖板202不同，分配板204具有延伸穿过其中的多个孔210，如下文将更详细地描述。在一个实施例中，孔210沿轴向X1延伸。然而，在其他实施例中，孔210可替代地相对于轴向X1以一定角度延伸。盖板202通常轴向邻近分配板204并且与工件支撑件130相对定位(图1)。
轴环206在外侧206A和内侧206B之间径向延伸。轴环206轴向地定位在盖板202的下表面202B和分配板204的上表面204A之间，使得内部腔室212限定在轴环206的径向内侧206B、盖板202的下表面202B和分配板204的上表面204A之间。气体供应部208被配置为选择性地从气体源214向内部腔室212供应冷却气体。供应到内部腔室212的冷却气体然后可以从内部腔室212通过孔210流动并且穿过支撑在冷却系统200下方的工件。
如图3中的冷却系统200的分解图具体示出的，盖板202能够通过多个机械紧固件216直接联接到分配板204，如下文将更详细地描述。此外，轴环206具有在第一方位端218A和第二方位端218B之间沿方位方向A1延伸的间隙。第一和第二方位端218A、218B沿方位方向A1间隔开间隙距离D1。气体供应部208包括入口板220，该入口板220能够安装或联接在轴环206的第一和第二方位端218A、218B之间。当安装时，入口板220沿方位方向A1延伸整个间隙距离D1以限定内部腔室212的至少一部分。然而，应当理解，入口板220可以替代地在轴环的第一和第二端218A、218B之间线性延伸。在一方面，入口板220包括沿方位方向A1间隔开的多个入口开口222，冷却气体通过其被供应到内部腔室212中，如下文将更详细地描述。在一些实施例中，气体供应部208还包括挡板226。挡板226从入口板220径向向内间隔开并且沿间隙距离D1的至少一部分延伸。例如，在一些方面，挡板226联接到入口板220的径向向内部分以限定内部腔室212的至少一部分。在一些方面，挡板226包括多个扩散开口228，通过入口开口222供应的冷却气体在被接收到内部腔室212之前必须穿过这些扩散开口，如下文将更详细地描述的。
现在转向图4，气体供应部208被配置为使冷却气体均匀地分布穿过分配板204。例如，如上所述，入口板220的入口开口222沿方位方向A1间隔开。例如，在一些实施例中，入口开口222可以沿方位方向A1均匀地间隔开。此外，在一些实施例中，入口开口222可以具有相同的横截面积。每个入口开口222又通过相应的入口管230联接到冷却气体源214。更具体地，每个入口管230在其第一端连接到入口开口222中的相应一个入口开口，并在其第二端连接到适配器232。适配器232被配置为将入口管230的第二端连接到气体源214。然而，应当理解，在一些实施例中，每个入口管230可以(例如，通过相应的适配器或接头)单独地连接到气体源214。入口开口222和管230将来自气体源214的冷却气体流分开，使得气体在多个方位位置进入内部腔室。在一些实施例中，入口开口222和管230将来自气体源214的冷却气体流均匀地分开。然而，在一些实施例中，入口开口22和管230的不同配对可以将不同比例的来自气体源214的冷却气体流提供到内部腔室。虽然示出了五个入口开口222和管230，但是气体供应部208可以包括任何其他合适的数量，例如四个或更少，或者例如六个或更多。
此外，在一些实施例中，挡板226被定位在入口板220的径向内侧并且包括其自身的如上所述的扩散开口228。在一些方面，扩散开口228的横截面积小于且数量多于入口开口222，使得流过入口开口222的气体被扩散开口228进一步分开。一方面，扩散开口228可定位在与入口开口222的不同方位位置处。例如，图4中入口开口222的突出部222P示出了入口开口222相对于扩散开口228的相应方位位置。入口开口222的突出部222P沿方位方向A1与扩散开口228间隔开。此外，入口开口222的突出部222P沿方位方向A1与扩散开口228交替，使得扩散开口228中的至少一个扩散开口沿方位方向A1定位在每对相邻的突出部222P之间。通过沿方位方向A1偏移入口开口222和扩散开口228，在入口板220和挡板226之间产生更多湍流，这通过扩散开口228提供了更均匀分布的冷却气体。
如图4进一步所示，一方面，入口板220和轴环206具有联接在一起以形成气密密封的锁定特征。更具体地，入口板220具有用于接收轴环206的第一方位端218A的第一通道234A和用于接收轴环206的第二方位端218B的类似的第二通道234B。一方面，入口板220还包括第一唇缘或突出部分236A，其可接收在轴环206中靠近第一方位端218A形成的第一凹部238A内，以及类似的第二唇缘或突出部分236B，其可接收在轴环206中靠近第二方位端218B形成的第二凹部238B内。这样的锁定特征234、236、238形成气密密封，使得当盖板202以其间具有轴环206和入口板220与分配板204联接时，冷却气体只能通过入口板220进入内部腔室212并通过分配板204中的孔210离开内部腔室212。
此外，在一个实施例中，挡板226被配置为联接到入口板220，如上文所指出和图4所示。例如，入口板220包括用于接收挡板226的第一方位端242A的第一通道240A和用于接收挡板226的第二方位端242B的类似的第二通道240B。当盖板202以其间具有轴环206、入口板220和挡板226与分配板204联接时，这样的通道240A、240B可以与挡板226形成气密密封，使得冷却气体只能通过扩散开口228进入内部腔室212，并通过分配板204中的孔210离开内部腔室212。
现在转向图5，分配板204被单独配置成将流过其的冷却气体均匀地分散在工件上。例如，分配板204中的每个孔210与分配板204的中心C1间隔不同的径向距离。例如，分配板204中的孔210的径向最内侧的第一孔210A与中心C1间隔开第一距离R1，并且分配板204中的孔210的径向最外侧的第二孔210B与中心C1间隔开第二距离R2。在一个实施例中，分配板204中的孔210以越来越大的径向距离从第一孔210A向外螺旋到第二孔210B。
在一些方面，分配板204中的孔210具有相同的横截面积。此外，一方面，孔210延伸跨越相同的方位距离。为了使孔210具有相同的横截面积并延伸跨越相同的方位距离，孔210具有不同的形状。更具体地，随着距离分配板204的中心C1的径向距离减小，孔210变得沿径向逐渐伸长。例如，随着孔210向外螺旋远离第一孔210A，每个连续孔210延伸跨越的径向距离变得越来越短，直到到达延伸跨越最短径向距离的第二孔210B。例如，第一孔210A沿第一径向距离L1延伸并且第二孔210B沿第二径向距离L2延伸，其中第一径向距离L1大于第二径向距离L2。
此外，分配板204具有多个安装孔250，用于接收机械紧固件216(图3)以将盖板202(图3)安装到分配板204。安装孔250与分配板204的中心C1间隔开径向距离RM1，其中径向距离RM1大于径向最外孔210B所在的第二径向距离L2。在一个实施例中，轴环206、入口板220和挡板226(图4)被配置为定位在第二径向距离L2和径向距离RM1之间的径向距离处。在一些实施例中，安装孔250沿方位方向A1均匀地间隔开。
如参考图6-8所描述的，在一个实施例中，每个机械紧固件216被配置为卡口销(以下称为“卡口216”)。卡口216在其第一端处的第一部分216A和其第二端处的第二部分216B之间延伸。如图6和7中具体示出的，卡口216还包括第三部分216C和任选的第四部分216D，第三部分216C定位在第一部分216A和第四部分216D之间，并且第四部分216D定位在第三部分216C和第二部分216B之间。如图6所示，第一部分216A具有第一直径或宽度DB1，第二部分216B具有第二直径或宽度DB2，第三部分216C具有第三直径或宽度DB3，并且第四部分具有第四直径或宽度DB4。第一直径DB1大于第二直径DB2，第二直径DB2大于第三直径DB3，而第三直径DB3大于第四直径DB4。
当卡口216处于安装或紧固位置时，卡口216的第一部分216A被配置为保持在盖板202中直径基本对应于第一直径DB1的开口或凹部260(图8)内，使得卡口216的第一部分216A不能完全穿过盖板202。此外，卡口216的第三部分216C被配置为至少部分地延伸穿过盖板202(例如在图8中穿过盖板202的凹部260下方的部分)并且至少部分地穿过如图7中所示的分配板204中的安装孔250。此外，卡口216的第四部分216D在存在时至少部分地延伸穿过如图7所示的分配板204中的安装孔250。另外，第二部分216B被配置为邻靠或抵靠分配板204的下表面204B。
更具体地，安装孔250具有第一轮廓部250A和第二轮廓部250B。第一轮廓部250A通常是圆形的并且具有通常对应于卡口的第三部分216C的第三直径DB3的直径或宽度W1。第二轮廓部250B通常是矩形并与第一轮廓部250A相交，其中第二轮廓部250B在第一方向上具有通常对应于卡口216的第二部分216B的宽度WB1的宽度W2，且在第二方向上具有通常对应于卡口216的第二部分216B的第二直径DB2的宽度W3。卡口216被配置为在处于第一旋转位置时(图8)插入穿过安装孔250，使得卡口216的第二部分216B的至少一部分以及卡口216的第三和第四部分216C、216D被配置为穿过第一轮廓部250A并且卡口216的第二部分216B的其余部分穿过第二轮廓部250B。一旦卡口216完全插入穿过安装孔250，使得卡口216的第二部分216B延伸穿过安装孔250，卡口216可以从第一旋转位置(图8)旋转到第二旋转位置(图7)，使得卡口216在没有首先旋转回第一旋转位置的情况下不能穿过安装孔250或从安装孔250移除。
具体如图8所示，当盖板202位于套环206上但未紧固或联接到分配板204时，卡口216不能延伸穿过安装孔250。因此，盖板202包括沿其外周延伸的多个柔性法兰262。每个法兰262沿盖板202的相应方位部分延伸。每个法兰262包括用于接收卡口216的相应的一个开口260。当期望将盖板202联接到分配板204时，可以将卡口216插入相应的开口260中并且可以在轴向X1上施加外力以将法兰弯曲或折曲到安装位置(以虚线表示)。当卡口216旋转到第二旋转位置(图7)时，可以随后由相应的卡口216提供将法兰弯曲或折曲到安装位置所需的力。这种持续的力有助于密封内部腔室212(图2)，以防止冷却气体除了通过开口210(图2)之外离开腔室212。
应当理解，机械紧固件216可以被配置为任何其他合适的机械紧固件或紧固件的组合，包括但不限于螺钉、螺栓、铆钉和/或类似物。
还应当理解，冷却系统200主要或完全由石英材料构成。例如，在一个实施例中，至少盖板202、分配板204、轴环206、入口板220、挡板226和入口管230各自包括石英材料。此外，在一些实施例中，紧固件216由石英材料构成。冷却系统200的由石英构成的部件可以进行火抛光，使得在退火过程中冷却系统200产生的可能污染工件的颗粒的数量减少。
图9描绘了根据本公开的示例实施例的热处理系统100的示例温度时间曲线300。从图9可以看到，在第一时间段310之后，在第二时间段320期间发生尖峰退火工艺。加热曲线330(实线曲线)可以通过常规尖峰退火产生。在常规尖峰退火中，控制一个或多个热源(例如，热源150)发射光来加热工件，同时监测工件相对于温度设定点334的温度。一方面，温度设定点334在热处理系统100的加热曲线340的峰值温度的约20％内。热源可以被配置为一旦工件的温度达到或超过温度设定点334就停止发射光。常规尖峰退火可以具有加热曲线330的50°温度(例如，50K)峰宽(t50峰宽)332。加热曲线340(虚线曲线)可以通过至少基于工件的温度达到或超过温度设定点334而控制冷却系统200以开始使冷却气体以300slm或更大的速率流过工件而由热处理系统100产生。例如，当工件120的温度达到温度设定点334时，可以控制冷却系统200以开始使冷却气体流过工件。或者，当第二温度设定点(未示出)期满时，可以控制冷却系统200以开始使冷却气体流过工件，其中第二温度设定点可以在第一温度设定点334和峰值期望温度之间，或者可以低于第一温度设定点334。使用冷却系统200的热处理系统100的加热曲线340的t50峰宽342小于常规尖峰退火工艺的加热曲线330的t50峰宽332。
图10描绘了根据本公开的示例实施例的热处理系统100的示例温度时间曲线400。从图10可以看到，在第一时间段410之后，在第二时间段420期间发生尖峰退火工艺。加热曲线430(实线曲线)可以通过常规尖峰退火产生。在常规尖峰退火中，控制一个或多个热源(例如，热源150)发射光来加热工件，持续对应于工件能够达到峰值温度的第二时间段420A的预定时间间隔420A。一方面，预定时间间隔420A在约5毫秒至约100毫秒的范围内。常规尖峰退火可具有加热曲线430的50°温度(例如，50K)峰宽(t50峰宽)432。加热曲线440(虚线曲线)可通过至少基于操作热源的预定时间间隔420A期满而控制冷却系统200以开始使冷却气体以300slm或更大的速率流过工件而由热处理系统100产生。例如，当时间间隔420A期满时，可以控制冷却系统200以开始使冷却气体流过工件。或者，当第二时间间隔(未示出)期满时，可以控制冷却系统200以开始使冷却气体流过工件，其中第二时间间隔可在第一时间间隔420A期满时开始并且在约5毫秒至约100毫秒的范围内。使用冷却系统200的热处理系统100的加热曲线340的t50峰宽442小于常规尖峰退火工艺的加热曲线430的t50峰宽432。
图11描绘了根据本公开的示例实施例的示例方法(500)的流程图。将通过示例的方式参考图1的热处理系统100来讨论方法(500)。方法(500)可以在任何合适的等离子体处理装置中实施。图11描绘了出于说明和讨论的目的以特定顺序执行的步骤。本领域普通技术人员使用本文提供的公开内容将理解，本文描述的任何方法的各个步骤可以以各种方式省略、扩展、同时执行、重新布置和/或修改而不偏离本公开的范围。此外，可以在不脱离本公开的范围的情况下执行多个步骤(未示出)。
在(502)处，方法500可以包括控制热源开始加热支撑在处理腔室中的工件支撑件上的工件。例如，热处理系统100的控制器190可以控制热源150开始对支撑在处理腔室105中的工件支撑件130、132上的工件120进行加热(即，向其发射光)。
在(504)处，方法500还可以包括在尖峰退火工艺期间接收来自温度测量系统的指示工件温度的数据。例如，热处理系统100可以包括一个或多个温度传感器180，其可以产生和传送指示工件120的温度的数据。
此外，在(506)处，方法500可以包括监测工件相对于温度设定点的温度。例如，热处理系统100的控制器190可以访问指示温度设定点(例如，图9中描述的温度设定点334)的数据。温度设定点可以在与尖峰退火加热曲线相关的加热曲线的峰值温度的约20％以内。
此外，在(508)处，方法500可以包括至少部分地基于工件温度达到温度设定点来控制热源以停止加热工件。例如，当工件120的温度达到或超过温度设定点时，控制器190可以控制热源150停止对工件120进行加热(即，向其发射光)。
另外，在(510)处，该方法可以包括至少部分地基于工件温度达到温度设定点而控制冷却系统，以开始使冷却气体以约300slm或更大的速率流过工件。例如，当工件120的温度达到或超过温度设定点时，控制器190可以控制热处理系统的冷却系统200以开始使冷却气体以约300slm或更大的速率流过工件120，以减小工件的t50峰宽。
图12描绘了根据本公开的示例实施例的示例方法(600)的流程图。将通过示例的方式参考图1的热处理系统100来讨论方法(600)。方法(600)可以在任何合适的等离子体处理装置中实施。图12描绘了出于说明和讨论的目的以特定顺序执行的步骤。本领域普通技术人员使用本文提供的公开内容将理解，本文描述的任何方法的各个步骤可以以各种方式省略、扩展、同时执行、重新布置和/或修改而不偏离本公开的范围。此外，可以在不脱离本公开的范围的情况下执行多个步骤(未示出)。
在(602)处，方法600可以包括控制热源以开始加热支撑在处理腔室中的工件支撑件上的工件。例如，热处理系统100的控制器190可以控制热源150以开始对支撑在处理腔室105中的工件支撑件130、132上的工件120进行加热(即，向其发射光)。
此外，在(604)处，方法600可以包括确定在控制热源开始加热工件之后的时间间隔的期满。例如，热处理系统100的控制器190可以确定时间间隔(例如，参考图10描述的时间间隔420A)，例如在约5毫秒至约100毫秒范围内的时间间隔的期满。
此外，在(606)处，方法600可包括在时间间隔期满时，控制热源以停止加热工件。例如，当时间间隔期满时，热处理系统100的控制器190可以控制热源150以停止加热(即，向其发射光)。
此外，在(608)处，方法600可以包括至少部分地基于时间间隔期满而控制冷却系统，以开始使冷却气体以约300slm或更大的速率流过工件。例如，当时间间隔期满时，控制器190可以控制热处理系统的冷却系统200以开始使冷却气体以约300slm或更大的速率流过工件120，以减小工件的t50峰宽。
虽然已经参照其特定示例实施例详细描述了本主题，但是应当理解，本领域技术人员在获得对前述内容的理解后可以容易地作出这些实施例的改变、变化和等同物。因此，本公开的范围是作为示例而不是作为限制，并且本主题公开不排除包括对本主题的此类修改、变化和/或添加，这对于本领域的普通技术人员来说是显而易见的。

Claims (20)

1.一种热处理系统，用于进行半导体工件的快速热处理，包括：
处理腔室；
工件支撑件，配置为支撑所述处理腔室内的工件；
热源，配置为加热所述工件；
温度测量系统，配置为产生指示所述工件的温度的数据；
冷却系统，配置为使冷却气体流过支撑在所述工件支撑件上的所述工件；和
控制器，配置为至少部分地基于指示所述工件的温度的所述数据来控制所述热源和所述冷却系统，以约300slm或更大的速率提供冷却气体流进入所述处理腔室，以减小热处理期间工件的t50峰宽。
2.如权利要求1所述的系统，其中，所述冷却系统包括：
分配板，轴向邻近所述工件支撑件定位，所述分配板具有平行于所述工件支撑件且垂直于所述轴向的表面，所述分配板具有轴向延伸穿过所述分配板的多个孔，所述分配板的所述多个孔中的每个孔与所述分配板的中心相距不同的径向距离；
盖板，轴向邻近所述分配板并且与所述工件支撑件相对定位；
轴环，轴向联接在所述分配板和所述盖板之间，所述轴环、所述分配板和所述盖板一起限定了内部腔室；和
气体供应部，联接到所述轴环以将来自气体源的所述冷却气体提供到所述内部腔室，
其中，所述控制器配置为在尖峰退火热处理期间控制所述冷却系统的所述气体供应部。
3.如权利要求2所述的系统，其中，所述多个孔中的每个孔具有相同的横截面积。
4.如权利要求3所述的系统，其中，所述多个孔随着距所述分配板的所述中心的径向距离减小而沿径向逐渐伸长，使得所述多个孔中的每个孔都沿相同的方位距离延伸。
5.如权利要求2所述的系统，其中，所述气体供应部包括入口板，所述入口板联接到所述轴环并在所述轴环的间隔开间隙距离的第一端和第二端之间沿方位方向延伸，所述入口板包括沿所述方位方向间隔开的多个入口开口。
6.如权利要求5所述的系统，其中，所述气体供应部还包括多个入口管，所述多个入口管中的每个入口管将所述多个入口开口中的相应一个入口开口连接到所述气体源。
7.如权利要求5所述的系统，其中，所述气体供应部还包括挡板，所述挡板沿所述间隙距离的至少一部分延伸并且与所述入口板径向向内间隔开，所述挡板具有多个扩散开口。
8.如权利要求7所述的系统，其中，所述挡板的所述多个扩散开口和所述入口板的所述多个入口开口沿所述方位方向间隔开，并且
其中，所述挡板的所述多个扩散开口与所述入口板的所述多个入口开口沿所述方位方向交替。
9.如权利要求2所述的系统，其中，所述盖板、所述分配板、所述轴环和所述气体供应部由石英材料构成。
10.一种用于进行尖峰退火快速热处理的方法，包括：
由一个或多个控制装置控制热源开始加热支撑在处理腔室中的工件支撑件上的工件；
由所述一个或多个控制装置接收来自温度测量系统的指示所述工件的温度的数据；
由所述一个或多个控制装置监测所述工件相对于温度设定点的温度；
由所述一个或多个控制装置至少部分地基于所述工件达到所述温度设定点而控制所述热源以停止加热所述工件；和
由所述一个或多个控制装置至少部分地基于所述工件达到所述温度设定点而控制冷却系统开始使冷却气体以约300slm或更大的速率流过所述工件，以减小所述工件的t50峰宽。
11.如权利要求10所述的方法，其中，所述冷却系统包括：
分配板，轴向邻近所述工件支撑件定位，所述分配板具有轴向延伸穿过所述分配板的多个孔，所述分配板的所述多个孔中的每个孔与所述分配板的中心相距不同的径向距离；
盖板，轴向邻近所述分配板并且与所述工件支撑件相对定位；
轴环，轴向联接在所述分配板和所述盖板之间，所述轴环、所述分配板和所述盖板一起限定了内部腔室；和
气体供应部，联接到所述轴环以将来自气体源的所述冷却气体提供到所述内部腔室，所述气体供应部是可控的，以改变所述冷却气体的供应速率。
12.一种冷却系统，用于快速热处理装置，包括：
盖板；
分配板，在第一表面和第二表面之间轴向延伸，所述第一表面和所述第二表面垂直于所述轴向延伸，所述分配板具有轴向延伸穿过所述分配板的多个孔；
轴环，轴向联接在所述盖板和所述分配板之间，所述轴环、所述盖板和所述分配板一起限定了内部腔室；和
气体供应部，联接到所述轴环以将来自气体源的冷却气体提供到所述内部腔室，
其中，所述分配板的所述多个孔中的每个孔与所述分配板的中心相距不同的径向距离。
13.如权利要求12所述的冷却系统，其中，所述多个孔中的每个孔具有相同的横截面积。
14.如权利要求13所述的冷却系统，其中，所述多个孔随着距所述分配板的所述中心的径向距离减小而沿径向逐渐伸长，使得所述多个孔中的每个孔都沿相同的方位距离延伸。
15.如权利要求12所述的冷却系统，其中，所述气体供应部包括入口板，所述入口板联接到所述轴环并在所述轴环的间隔开间隙距离的第一端和第二端之间沿方位方向延伸，所述入口板包括沿所述方位方向间隔开的多个入口开口。
16.如权利要求15所述的冷却系统，其中，所述气体供应部还包括多个入口管，所述多个入口管中的每个入口管将所述多个入口开口中的相应一个入口开口连接到所述气体源。
17.如权利要求15所述的冷却系统，其中，所述气体供应部还包括挡板，所述挡板沿所述间隙距离的至少一部分延伸并且与所述入口板径向向内间隔开，所述挡板具有多个扩散开口。
18.如权利要求17所述的冷却系统，其中，所述挡板的所述多个扩散开口和所述入口板的所述多个入口开口沿所述方位方向间隔开，并且
其中，所述挡板的所述多个扩散开口与所述入口板的所述多个入口开口沿所述方位方向交替。
19.如权利要求12所述的冷却系统，其中，所述盖板包括多个柔性法兰，所述多个柔性法兰中的每个柔性法兰沿相应的方位部分延伸并且具有用于接收相应的机械紧固件的开口，所述机械紧固件用于将所述盖板和所述分配板联接在一起。
20.如权利要求12所述的冷却系统，其中，所述盖板、所述分配板、所述轴环和所述气体供应部由石英材料构成。
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