CN1420978A - 热壁式快速热处理器 - Google Patents

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杰弗里·M·科瓦尔斯基
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Abstract

公开了一种用于热处理晶片(28)的装置。此装置包括具有热源(20)的加热室(18)。冷却室(32)邻近加热室设置，并包括冷却源(40)。晶片保持器(38)设置成可经过通道(54)在冷却室与加热室之间运动，而一个或多个闸门(52)限定了通道的尺寸。此一个或多个闸门可在其开启和遮挡位置之间运动，在其开启位置时，晶片保持器可通过通道，在其遮挡位置时，限定了一个通道，此通道小于当闸门处于开启位置所限定的通道。

Description

热壁式快速热处理器
                        与尚待审查申请的关系
本申请是1999年8月12日提交的名称为“热壁式快速热处理器”的美国专利申请No.09/373,894和2000年7月7日提交的名称为“热壁式快速热处理器”的美国专利申请No.60/217,321的接续申请，其全部内容都包含于此，以供参考。
                         发明领域
本发明涉及一种用于对晶片提供热的装置，更特别涉及用于快速热处理晶片的装置。
                         发明背景
热处理装置用于包括半导体装置制造在内的多种工业领域。这些热处理装置可用于几种不同的制造过程，例如热回火、热净化、热化学气相沉积、热氧化和热氮化。这些处理通常要求在处理之前和处理过程中，将晶片的温度升高至高达350℃-1300℃。此外，这些处理通常要求将一种或多种流体输送到晶片。
有几种设计要求必须符合热处理装置的热需求。例如，通常希望使被处理晶片快速升温和/或快速降温。在这种快速温度变化过程中，晶片的温度均匀性必须足够均匀以避免损坏晶片。在高温处理过程中，晶片通常不能经受即使小的温度差。例如在1200℃时大于1℃-2℃/cm的温度差就可能导致足够的应力，使某些硅晶体晶片生成滑移(slip)。所生成的滑移平面将破坏任何通过此滑移平面的电子器件。
将流体输送至晶片也可是当前的设计要求。例如，晶片在流体中的曝露应当均匀地横跨晶片以避免不均匀的热效果。此外，在热处理装置中的流体通常必须从热处理装置快速排出。由流体输送而产生的另一个要求，是用另外的流体替换加热室内的流体。这种流体的交换通常必须在使原有流体与替换流体之间的相互作用最小的状态下进行。
                         发明概述
本发明涉及一种热处理装置。此装置包括一个具有热源的加热室。冷却室邻近加热室设置，并包括冷却源。晶片保持器设置成可经过一个通道在冷却室与加热室之间运动。一个或多个闸门限定了此通道的尺寸，并可在开启位置与遮挡位置之间运动，在其开启位置，晶片保持器可以经过此通道，而在其遮挡位置，闸门所限定的通道，比闸门处于开启位置时所限定通道更小。其特别的优点在于，闸门促进了加热室与冷却室之间的热隔离和化学隔离。
本装置的另一个实施例包括邻近冷却室设置的加热室。晶片保持器设置成可定位于冷却室中的装卸料位置，在此位置，晶片可以从晶片保持器上移去。晶片保持器可在冷却室与加热室之间运动。冷却源，例如冷却板，设置在冷却室内，当晶片保持器定位于装卸料位置时，使冷却板接近晶片保持器。
本装置的另一个实施例包括具有封闭上端部的加热室。数个加热元件设置在紧靠加热室封闭的上端部之上。加热室的上端部包括加热板，此加热板是设置以接受从加热元件传递的热能，并将热能以本质上均匀的方式分配在加热板的表面，此加热板设置在加热室内。加热板包括数个流体孔，此流体孔设是置以与流体源连接。晶片保持器制成可定位于加热室内，使由晶片保持器保持的晶片接受通过流体孔输送入加热室的流体。
本装置的另一个实施例包括邻近加热室设置的冷却室。晶片保持器与至少一个转轴连接，此转轴被驱动以使晶片保持器经过通道在冷却室与加热室之间运动。两个或多个闸门邻近通道设置，并可在水平面内运动以限定通道的尺寸。此两个或多个闸门可运动至遮挡位置，在此位置，两个或多个闸门包围至少一个与晶片保持器连接的转轴。
本发明还涉及一种热处理装置，此装置具有加热室和一个或多个用于输送流体进入加热室的流体进入孔。一种元件从加热室的一侧边部，在低于流体进入孔高度的高度延伸进入加热室。此元件边缘的形状，与在热处理装置中被处理晶片外周边部形状互补。晶片保持器可在加热室内运动，并可将晶片运动至邻近此元件，以在加热室内限定一流体流区。
热处理装置的另一个实施例具有加热室和一个或多个用于输送流体进入加热室的流体进入孔，此装置包括流体流分配室，此流体流分配室分配从一个或多个流体进入孔来的流体流。流体流分配室设置成使从流体进入孔来的流体，经过流体流分配室进入加热室。
此装置还包括：流体排出孔，用于从加热室抽出流体；第二流体流分配室，用于分配从加热室至流体排出孔的流体流。第二流体流分配室设置成使从加热室来的流体经过流体流分配室进入流体排出孔。
流体流分配室连同一个流体进入孔可包括一种流体分配元件，此流体分配元件设置成使从流体进入孔的流体经过流体流分配室进入加热室。与此类似，流体分配元件连同一个流体排出孔可包括一种流体分配元件，此流体分配元件设置成使从加热室的流体经过流体流分配室进入流体排出孔。
本发明还涉及一种晶片快速热处理方法。此方法包括提供一种具有加热板的加热室并加热加热板。此方法还包括在晶片保持器中定位晶片，并使晶片保持器向加热板运动，直至晶片定位于足够靠近热源处，使热从加热板传递至晶片。
此方法还包括在晶片上已经达到一种目标状态后，使晶片保持器离开加热板，并输送一种流体从晶片保持器上方进入加热室。
另一方面，本发明提供了一种晶片保持器和热处理装置，该装置是设置以促进晶片的更均匀加热。
又一方面，热处理装置通过在加热室与冷却室之间建立压力差和引入清洗气体，在加热室内提供了经过改进的气体保持。
                    对附图的简要说明
图1A是一种具有加热室的热处理装置的横截面视图，该加热室邻近冷却室；
图1B是一种具有闸门的热处理装置的横截面视图，该闸门处于开启位置；
图1C是一种具有闸门的热处理装置的横截面视图，该闸门处于遮挡位置；
图2A是一种具有加热板的加热室的横截面视图，该加热板设置在处理管外面；
图2B是一种具有加热板的加热室的横截面视图，该加热板设置在处理管里面；
图3是冷却室的横截面视图，该冷却室具有用于输送冷却流体至晶片的冷却流体导管；
图4A是加热室上端部的底视图，数个流体孔在此上端部制出；
图4B是加热室上端部的横截面视图，上端部包括设有数个流体孔的空腔；
图4C是加热室上端部的横截面视图，示出了穿过上端部延伸的数个流体孔；
图5A示出了一种流体输送系统，该系统具有流体进入孔和流体排出孔，该流体进出孔设置成形成一种在加热室内的趋于下降的流体流；
图5B示出了一种流体输送系统，该系统具有流体进入孔和流体排出孔，该流体进出孔设置成形成一种在加热室内的趋于下降的流体流；
图6A示出了一种具有流体流抑制元件(flow containment element)的流体输送系统，该元件从处理管延伸进入加热室；
图6B示出了图6A所示的流体输送系统，其处理管具有圆形横截面；
图6C示出了图6A所示的流体输送系统，其处理管具有矩形横截面；
图6D示出了图6A所示的流体输送系统，其处理管具有数个流体进入孔和数个流体排出孔；
图7A示出了具有流体流分配室的流体输送系统，该流体流分配室设置在邻近流体流区；
图7B是流体流分配室所用流体分配元件的侧视图；
图7C示出了具有圆弧形流体分配元件的流体输送系统；
图7D示出了在圆形处理管中具有平板流体分配元件的流体输送系统；
图7E示出了在矩形处理管中具有平板流体分配元件的流体输送系统；
图8示出了具有流体流抑制元件的流体输送系统，该流体流抑制元件设置有加热板；
图9A-9D示出了一种流体输送系统，该系统具有流体流通道，该流体流通道由流体进入孔的一部分、流体流区和流体排出区的一部分所限定；
图10A是处于开启位置的闸门的横截面视图；
图10B是处于遮挡位置的闸门的横截面视图；
图11A是处于遮挡位置的闸门的顶视图，当晶片保持器定位于加热室中时，此位置是推荐的位置；
图11B是闸门处于一种作为举例的遮挡位置的顶视图；
图11C是闸门的透视图，该闸门具有容纳轴的凹入部；
图12A示出了数个设置成与加热区同心的加热元件；
图12B示出了加热元件，根据本发明另一实施例，该加热元件设置成彼此同心；
图12C和12D示出了根据本发明一个例子设置在加热区之间的隔热屏障；
图13示出了从冷却室延伸的转轴导管；
图14示出了热传递在传导和辐射之间的相对分配情况；
图15A和15B是根据本发明一实施例之晶片保持器的横截面视图；
图16A至16D是根据本发明四个替换实施例之晶片保持器的横截面视图；
图17是横截面视图，该视图示出了根据本发明一实施例之晶片保持器和晶片升降装置的一部分；
图18是透视图，该视图示出了根据本发明另一个实施例的晶片保持器；
图19是横截面视图，该视图示出了根据本发明一个实施例的热处理装置和晶片保持器；
图20是热处理装置的部分横截面视图，该视图示出了热处理装置内气体流和气体流抑制；
图21是根据本发明一个实施例的预热室用的加热区的横截面视图；
图22是根据本发明另一实施例之热处理装置横截面视的透透图；
图23是图22中闸门空腔部横截面的透视图；
图24A至24C分别是本发明晶片支承装置另一实施例的横截面视图、顶视透视图和底视透视图。
                         详细说明
本发明涉及一种热处理装置。此热处理装置包括一种具有加热源的加热室，此加热室设置成邻近具有冷却源的冷却室。此装置还包括一种晶片保持器，该晶片保持器设置成可穿过一个通道在加热室和冷却室之间运动。设置了一个闸门以控制此通道的尺寸。闸门可在一个开启位置和数个遮挡位置之间运动，在闸门的开启位置，通道被限定为足够大，使晶片保持器得以通过，而在闸门的遮挡位置，通道被限定为较小。无论晶片保持器是定位在冷却室内还是定位在加热室内，闸门均可定位在遮挡位置。
闸门可制成一种隔热器。因此，当闸门定位在遮挡位置时，与不设置闸门所能达到的热隔离度相比，闸门可用于提高加热室与冷却室之间的热隔离度。提高热隔离度还允许提高加热室平均温度与冷却室平均温度之间的温度差。例如，对于一给定的加热室平均温度而言，冷却室可具有比不设置闸门时所可能的温度更低的平均温度。降低了冷却室的平均温度，当晶片定位在冷却室内时，允许增大温度下降率。与此类似，提高了加热室内的平均温度，当晶片在加热室内时，允许提高温度上升率。提高温度上升率和温度下降率允许加快晶片处理速度，相应地提高生产率。
热源可包括一种加热板，此加热板从设置在加热板上方的加热元件接受热射线。加热板将所接受的热，从设置在加热室内的加热板表面再次辐射入加热室。加热板是用具有高热传导性的材料制成，因此，所接受的热遍及加热板具有更加均匀的分布。提高加热板内热分布的均匀性也提高辐射入加热室中热射线的均匀性。
在晶片温度上升过程中，晶片保持器可设置在加热室中的任何位置。不过，晶片保持器最好设置成这样，使在晶片保持器内的晶片足够靠近加热板，使热从加热板传导至晶片。例如，晶片最好设置在距加热板两毫米之内。晶片相对于加热板的定位，允许热的传递通过传导和辐射两个途径。由于由两种方式将热传递至晶片，本热处理装置的温度上升率，可以比那些主要依靠热辐射作为热传递机制的装置所能实现的温度上升率提高。
加热板可限定加热室上部的至少一部分，而从晶片到加热板的通路是无障碍的。这种无障碍通路允许晶片更靠近加热板，此外，无障碍通路避免中间介质改变由加热板生成的热分布均匀性。另外，无障碍通路还允许对晶片表面进行更多的控制。例如，加热板状态的改变，例如加热板温度的改变，是直接传递至晶片，而并不通过某种中间介质传递而存在时间延迟。
加热板的温度和晶片表面温度之间的关系，可从加热板至晶片间的具体距离导出。这种关系可用于通过调节加热板的温度来控制晶片的温度。由于加热板具有大的热惯性，它起到一种蓄热器的作用，使温度易于监测与控制。由于加热板的温度容易控制，上述关系允许对晶片的温度控制，比现有技术更容易。此外，本发明保证了温度稳定性得到改进，并改善了温度控制。例如，大大减小了温度超调问题和与热循环相关的种种问题。再有，所需要的峰值功率低得多，总的能量效率更好。
在本发明范围内，包括多种经过改进的流体输送系统。例如，数个流体孔可在加热室的上端部制出。流体可通过这些流体孔输送入加热室。因为这些流体孔设置在加热室的上端部，即使当晶片被设置在紧靠加热室上端部，流体仍可输送至晶片保持器中晶片的上表面。这些流体孔可在上端部均匀分布设置，以便提高流体输送只至晶片表面的均匀性。这种均匀性的提高允许液体以柱形流(plug type flow)从加热室的上端部流向晶片。一种柱形流允许流体更快速地从加热室排出。此外柱形流允许在加热室内的流体，可以在交换气体之间以低水平的相互作用快速交换。
由于加热板可以包容在加热室的上端部，流体孔可包容在加热板中。相应地，加热板可以用于将热和流体两者输送至晶片；不过，这仅仅是一个例子，可用其它的设置。
冷却室中的冷却源可包括一种冷却板。冷却板可设置成这样，当晶片保持器在冷却室内占据一个或多个装料位置时，使冷却板的上表面邻近晶片保持器上的晶片。装料位置是晶片装上晶片保持器或从晶片保持器上卸下晶片时晶片保持器可占据的位置。冷却板最好具有高热传导性，这样，冷却作用分布在冷却板上表面，并具有高的热辐射，因此，冷却效果分布在冷却室。通过冷却板的冷却分布增加了提供给晶片的冷却均匀性，相应地，降低了晶片在冷却过程中所经受的应力。
冷却源也可包括冷却流体导管，此导管用于输送冷却流体进入冷却室。冷却流体导管可以与冷却板结合使用，或者可替换冷却板。
图1A示出了热处理装置10的横截面视图。热处理装置10包括壳体12，此壳体部分地包围热处理装置10的加热部14。加热部14包括一个或多个邻近加热室18设置的隔热器16。数个加热元件20设置在隔热器16上，该加热元件邻近加热室18的一个上端部22。适合的加热元件20包括电阻加热元件，但并不局限于此，该电阻加热元件与计算机(未示出)控制的电源连接。
加热室18部分地被处理管24所限定。加热板26限定了加热室18的上端部22。加热板26具有足够大的周边以覆盖设置在邻近加热板26的晶片28。加热板26可以用与处理管24相同的材料制成，或可以用不同的材料制成。此外，加热板26可以与处理管24的其余部分制成一体，或附着在处理管24的其余部分上。制造处理管24的合适材料包括高纯石英、熔凝氧化硅和碳化硅，但并不局限于此。此外，加热板26最好用具有高热传导性的材料例如碳化硅和覆盖以碳化硅的石墨制成。
加热板26和加热元件20是作为本热处理装置10热源的一个例子。加热板26接受加热元件20辐射的热射线，并辐射出次级热射线进入加热室18。加热板26可具有高热传导性，因此，从加热元件20接受的热通过加热板26分配。
数个辅助加热元件30可以有选择地与邻近处理装置侧边的隔热器16连接。辅助加热元件30可对加热室18提供附加的热，和/或可用于对加热室18内部的温度实现更好的控制，以实现更佳的温度均匀性。在一个例子中，加热元件可以是电阻加热式的。
热处理装置10还包括冷却室32，邻近加热室18设置。图1A示出了一个晶片28放置在数个晶片支承销34上，此支承销从冷却室32的底部向上延伸。冷却室32可通过截止阀36从一个装料/锁紧室进入，以便在晶片支承销34处装上和/或卸下晶片28。可以使用一种机械臂在晶片支承销34处装上和/或卸下晶片28。虽然图1A所示是一个晶片28，一种夹持数个晶片28的盒座可支承在晶片支承销34上。相应地，本发明的热处理装置10可用于同时处理数个晶片28。
图1A还示出了晶片保持器38，该晶片保持器处于装料位置，位于晶片28之下。装料位置是指当晶片28装载在晶片支承销34上，和/或从其上卸下晶片时晶片保持器38所占据的位置。晶片保持器38可以具有包含支承销的圆环形或圆板形/圆盘形。正如在下面将详细说明的那样，晶片保持器38设置成在冷却室32与加热室18之间运动。
冷却源40设置在冷却室32内，为的是当晶片保持器38定位于冷却室32内时，使冷却源接近晶片保持器38。冷却源40最好设置成紧邻冷却室32的底部，且最为推荐当晶片保持器38处于装料位置时，该冷却源设置成接近晶片28。
冷却源40最好包括冷却板42。冷却板42可以设置成邻近一个或多个冷却流体导管44，如图1A所示。作为替换，冷却板42可包括一个或多个通过冷却板42延伸的冷却流体导管44，如图1B所示。冷却流体可经过冷却流体导管44流动。冷却板42起将流体的冷却效果在遍及冷却板的表面进行分布的作用，这样，保持在晶片保持器38上的晶片28，可获得更均匀的冷却效果。适合用于冷却流体导管44内的冷却流体包括冷凝水和液态氮，但并不局限于此。适于作冷却板42的材料包括具有高导热率和/或高热发射的材料，诸如碳化硅，铝，不锈钢和涂敷氮化硅和氮化铝的铜，但并不局限于此。
当冷却源40是冷却板42时，冷却板42最好具有本质上平行于晶片28平面的实心上表面，以便保证晶片28本质上均匀冷却。不过，冷却板42可包括数个通孔，此通孔足够大，以便容纳晶片支承销34，或者晶片支承销34可直接安装在冷却板42的上表面46上。
冷却板42的上表面46最好具有大于晶片28周边的周边。此外，冷却板42最好设置成大约与晶片28同心，该晶片设置在晶片支承销34上或由晶片保持器38所保持。例如，冷却板42最好具有直径大于晶片28直径的圆形。冷却板42的圆形设置成使冷却板42的中心设置在大约接近晶片28的中心。冷却板的这种同心设置加上冷却板42的直径比晶片28的直径大，使冷却板42的周边在晶片28的周边之外延伸。
晶片保持器38与转轴48连接。转轴48可与一升降装置(未示出)连接，此升降装置可保证转轴48向上和向下运动。转轴48的向上运动将晶片保持器38上升至如图1B所示状态。当晶片保持器38处于图1A所示之装料位置时，晶片保持器38的上升将晶片28从晶片支承销34提升，并可将晶片28从冷却室32提升至加热室18。转轴48还可以向下运动，以使晶片保持器38从加热室18运动至冷却室32，并使晶片28复位于晶片支承销34上。虽然图示的晶片保持器38是与一个转轴连接，晶片保持器38可与包括两个、三个和四个转轴的数个转轴48连接，且并不局限于此。此外，当热处理装置10包括一个冷却板42时，冷却板42可包括通孔，此通孔设置成可容纳与晶片保持器38连接的每一转轴48。
如图1B所示，热处理装置10包括闸门52，此闸门限定了冷却室32与加热室18之间通道54的尺寸。图1B中所示的闸门52是定位于开启位置，在此位置，闸门52所限定的通道54，对于晶片保持器38在加热室18和冷却室32之间通过是足够大。
闸门52可与电机56连接，此电机用于使闸门52在水平面内沿箭头B所示方向运动。相应地，闸门52可运动至遮挡位置，在此位置，闸门52所限定的通道54的通道尺寸小于闸门52处于开启位置时所限定的通道尺寸。例如，图1C示出了处于遮挡位置的闸门，在此位置时，通道54的尺寸接近于与晶片保持器38连接的转轴48的尺寸。相应地，当晶片保持器36定位于加热室18之内时，闸门52可以处于遮挡位置。图1C所示的设置，是处理晶片28时热处理装置10的推荐位置。
晶片28的处理可包括输送一种流体至处于加热室18中的晶片28，例如输送一种气体或蒸汽。图1C所示闸门52的遮挡位置，还可用于减少甚至防止流体从加热室18进入冷却室32。相应地，闸门52可避免这些流体弄脏在冷却室32中或在相应的装载/锁紧室中的装置。
闸门52还可制成起隔热器的作用。当闸门52制成起隔热器的作用，且闸门52处于遮挡位置时，闸门52用于增加加热室18与冷却室32之间的热隔离。热隔离的增加允许提高加热室18内平均温度与冷却室32内平均温度的温度差。特别地，加热室18内平均温度与冷却室32内平均温度的之比可高于没有闸门52时的平均温度之比。结果，晶片28可以比没有闸门52时更快地加热和/或冷却。热隔离的增加还在一定范围内减少保持加热室18和冷却室32内平均温度所需要的能量。
当闸门52用作热隔离器时，闸门52还起到减小闸门52和加热板26之间温度降的作用。相应地，邻近闸门顶部的温度比没有闸门52时更接近热板的温度。结果，加热室18内的温度接近于等温，这种状态导致晶片温度均匀性的提高和每次处理的重复性的改善。此外，加热室18内更接近等温状态使得在加热室18内更少生成冷点，冷点的减少改善了晶片28平面内和晶片28顶面和底面之间的热均匀性。
虽然图1A-1C每一图示出之热处理装置10包括闸门52，本发明的某些实施例将不包括闸门52。
图2A示出了热处理装置10的另一个实施例。加热板26与处理管24彼此独立。加热板26设置在处理管24和加热元件20之间。相应地，加热板26用于提供比单独使用处理管24更为均匀的热分布。
图2B示出了热处理装置10的另一个实施例。加热板26与处理管24彼此独立。加热板26设置在处理管24内侧，所以加热板26就作为加热室18的上端部。相应地，从加热元件20产生的热，在被加热板26分配之前经过处理管24。加热板26可设置成与处理管24无缝贴合，或设置成在处理管24与加热板26之间存在空气间隙。热处理装置10的其它实施例不包括加热板26。类似地，在热处理装置10的某些实施例中可取消冷却源，例如图1C所示热处理装置10的实施例就是这样。
如图3所示，冷却源可包括数个用于输送冷却流体的冷却流体导管。冷却流体导管可被引导成朝向在冷却室32内的晶片28，或者可将冷却流体从远离晶片28的部位输送入冷却室32。
另一方面，冷却流体导管可设置成环形，该环形的外周边超出晶片保持器38外周边之外。环形的冷却流体导管可设置在冷却室32内，因此当晶片保持器38正携带晶片28时，晶片保持器38可穿过冷却流体导管。此外，环形冷却流体导管可具有环绕环形周边部设置的冷却流体孔。冷却流体可同时从数个不同的冷却流体孔输送，可在处于冷却室32内的晶片28上形成冷却流体的淋浴。淋浴作用与用离散的冷却流体导管可实现的效果相比较，对晶片28会生成更均匀的冷却，且允许强制性对流冷却。
虽然图3示出了不用冷却板42的冷却流体导管，一个或多个冷却流体导管可与冷却板结合使用以增加晶片28的温度下降速度。
如上所述，在晶片保持器38中的晶片28的处理，可包括将流体输送至在晶片保持器38中的晶片28的一个表面。下面的说明公开了多个流体输送系统。上述热处理装置10的每一种，均可适于使用下述流体输送系统。此外，上述讨论表明，加热室18的上端部22可由加热板26或由处理管24限定。结果，下述加热室18的上端部22可由加热板26或处理管24限定。
图4A提供了加热室18上端部22的底视图。加热室18的上端部22包括数个流体孔70。这些流体孔在加热板26上或处理管24上制出，这取决于是用处理管24还是用加热板26作为加热室18的上端部22。流体孔70与一个或多个流体源流体连通。这些流体源的流体可通过流体孔70输送至加热室18和/或冷却室32。在晶片28上方的流体孔70的位置允许形成从流体孔70至晶片28的向下流体流。流体排出导管(未示出)既可设置在冷却室32也可设置在加热室18，用于排出输送入加热室18的流体。流体排出导管最好设置在接近加热室18的底部，使其在晶片28的处理过程中低于晶片28。在晶片28的处理过程中，流体排出孔93相对于晶片28的这种位置设置，使从加热板26上的流体孔70输送的流体，向下流至晶片28的表面，再至流体排出孔。
流体孔70可在加热室18上端部22均匀分布成如图4A所示。例如，流体孔70可设置成几种不同的栅格图案或设置成同心的几何形状其中之一。流体孔70的这种均匀分布，促使在晶片28平面上均匀的流体输送，并可促进流体从加热室18上端部22向晶片28形成柱形流。这种均匀性对于诸如化学气象沉积之类的处理过程中是极为重要的，在这种处理过程中，流体在晶片28上的非均匀分布可导致不均匀的沉积结果。加热板26上流体孔70的数量推荐为从0至1000个，更推荐为200-800个，最为推荐为550-650个。相邻流体孔70之间的距离推荐在0.0和0.5英寸之间，更推荐在0.1和0.4英寸之间。
在一个例子中，图4B提供了具有数个流体孔70的加热室18的上端部22的横截面图。流体孔70与在加热板26内制出的导管80连通。导管80在夹紧装置82处终结，该夹紧装置设置成与流体导管连接。流体导管可用于通过流体孔79输送流体进入加热室18，和/或用于通过流体孔70从加热室18抽出流体。
图4C示出了加热室18上端部22的另一个例子。流体孔70通过限定加热室18上端部22的处理管24部分延伸。外空腔84与加热室18的上端部22连接，这样，空腔与每一个流体孔70流体连通。
流体孔可分为第一组流体孔70和第二组流体孔。第一组流体孔70可以与第一流体导管流体连通，而第二组流体孔70可以与独立于第一流体导管的第二流体导管流体连通。不同的流体可通过第一流体导管和第二流体导管输送。结果，可以从第一流体孔70输出与从第二组流体孔70输出的流体不同的流体。另一方面，第一流体导管可用于将流体输入加热室18，而第二流体导管用于从加热室18抽出流体。
图5A示出了流体输送系统，其中，热处理装置10包括：流体进入导管88，此导管终止于流体进入孔90；流体排出导管92，此导管终止于流体排出孔93。流体进入孔90与流体排出孔93可设置在加热室18内任何位置。不过，流体进入孔90与流体排出孔93最好设置在这样的高度，此高度允许它们在晶片28处理过程中处于晶片28的表面之上方。此流体进入孔与流体排出孔的位置允许流体从流体进入孔90经过晶片28的表面到达流体排出孔93。相应地，在晶片处理过程中，流体流区被限定在晶片与加热室上端部之间。
如图5B所示，在晶片28处理过程中，流体进入孔90可定位于晶片28之上，而流体排出孔93可定位于在加热室18中的晶片18之下，或定位在在冷却室32内(的晶片—译注)之下方。这种流体进入孔90相对于流体排出孔的位置，在加热室18内创建了一种向下的流体流。另一方面，流体导管可以反向操作，于是，在晶片28处理过程中，流体排出孔93处于晶片28之上，而流体进入孔90，在晶片28处理过程中，处于晶片28之下。
图6A示出了一个加热室18，此加热室包括流体流抑制元件94，该抑制元件从处理管24向内延伸。如图所示，晶片28可定位于加热室18内，使晶片28与流体流抑制元件94在加热室18内限定一个流体流区96的下侧。适于用作流体流抑制元件94的材料包括高纯石英、熔凝硅和碳化硅，但并不局限于这些。流体流抑制元件94可以与处理管24制成一体，或者制成单独元件后，使用诸如焊接之类的技术将其设置在处理管24上。
图6B是处理管24的横截面视图，此图是在图6A的加热室18中沿标记为A的轴线向下观察的。流体流抑制元件94的内边缘98，具有与晶片外周边部互补的形状。此外，流体流抑制元件94的内周边部98大于与其内周边部互补的晶片外周边部。晶片28的外周边部尺寸与流体抑制板内周边部98尺寸之差，允许晶片28邻近流体流抑制元件94定位，使在晶片28与流体流抑制元件94的内边缘98之间形成间隙100。间隙100提供了一条通路，输入流体流区96的流体可从此通路离开流体流区96。具有辅助流体排出孔104的辅助流体排出导管102，可选择地设置在流体流抑制元件94之下，以便使从加热室18流体流区96逃逸出的流体排出。
流体流抑制元件94的尺寸设置以保证间隙100，此间隙减少流体从流体流区96逃逸入加热室18其余部分。
在流体输入加热室18的过程中，晶片28最好定位于邻近流体流抑制元件94处。流体流区96限制在加热室18内的环境气氛的空间，此环境气氛空间在晶片28的处理过程中必须控制。由于环境状态在小空间比在大空间更容易控制，对流体流区96内环境状态的控制比对整个加热室18所能实现的控制要容易。例如，温度的均匀性在小空间比在大空间更容易控制。相应地，流体流区96允许更容易地控制温度。
流体流区96可以使在加热室18内更换气体的过程简化，同时减小气体之间的干扰。流体流区96最好在流体流区96的底部与加热室18的上端部22之间具有本质上恒定的距离。恒定的距离可促进从流体进入导管至流体排出导管之间形成柱形流型(plug flow pattern)。柱形流型允许一种气体跟随另一种气体时，在两种气体间只产生极小的相互作用。结果，在流体流区96中的流体可以通过穿过流体流区96的流体的流动而改变结束该流体流，同时，开始另一通过流体流区96的流体流。为进一步减小流体之间的相互作用，在截止第一种流体和开始输送第二种流体之间可存在时间延迟。
虽然图6A-6B示出了具有单个流体排出孔93的单个流体排出导管92，和/或具有单个流体进入孔90的单个流体进入导管88，热处理装置10可包括数个流体进入导管88和/或数个流体排出导管92。此外，单个流体进入导管88可具有数个流体进入孔90。此外，热处理装置10可包括数个流体排出导管92，而单个流体排出导管92可包括数个流体排出孔93。增加热处理装置10的流体导管的数目和流体孔的数目，允许在更大程度上控制在整个晶片28表面的流体状态。
图6C是一种矩形处理管24的横截面视图，此视图是沿图6A中标记为A的轴线向下观察加热室18内部。热处理装置10包括数个流体进入孔，该孔设置在流体流抑制元件94的上方。每一个流体进入孔对准设置在流体流区96与其相面对一侧的一个流体排出孔。此数个流体进入孔和流体排出孔可增加在横跨晶片28表面的柱形流特征。
图6D示出了一种热处理装置10，该装置具有数个设置在加热室18相反侧的流体流抑制元件94。每一流体抑制元件94的内边缘98具有与晶片外周边部互补的形状，此外，每一流体抑制元件94的内边缘98大于与其互补的晶片外周边部。结果，每一流体抑制元件94可设置成邻近晶片28，使在晶片28与流体抑制元件94内边缘98之间具有间隙100。
图7A示出了流体分配元件106，该元件设置在流体抑制元件94和处理管24的壁之间。流体分配元件106是专门为氧化和环境压力处理而设置的。一个流体分配元件106与流体进入导管相结合，而一个流体分配元件106与流体排出导管相结合。流体分配元件106可以设置在流体抑制板的内边缘98，或者可以接近处理管24的壁。图7B是流体分配元件106的侧视图。数个孔108制成穿过流体分配元件106。孔108的直径最好在.01-.1英寸之间，更推荐在.15-0.02英寸之间，最为推荐在.02-.03英寸之间。孔108最好相距一段距离，以从流体分配元件实现柱形流。孔108可具有不同尺寸以促进流体流更为均匀。例如，直接处于流体进入孔前的孔108，可以小于处于流体进入孔周边部的孔108。更小的直径促使一流体流流向周边部的孔108。流体分配元件106的其它实施例包括网屏和金属丝栅，但并不局限于此。孔108在与流体进入导管结合的流体分配元件106上的数目、尺寸和设置，与与流体排出导管结合的流体分配元件106上孔108的数目，可以相同，也可以不同。
处理管24的壁和流体分配元件106一起，形成环绕流体进入孔的流体流分配室110。与不设置流体流分配室110相比，流体流分配室110增加了流体进入流体流区96的面积。流体流分配室110还可以制成环绕流体排出孔。环绕流体排出孔的流体流分配室110，可用于使离开流体流区96的流体流散开。结果，此流体流分配室可避免流体流区96中的流体会聚在流体排出孔。环绕流体进入孔构成的流体流分配室110和环绕流体排出口构成的流体流分配室的作用在于增加遍及晶片28表面的柱形流特征。
流体流分配室110还可以以不同的方式构成成。例如，流体流分配室110可充填以多孔介质或诸如金属碎渣之类的扩散状材料。
图7C是具有圆形横截面的处理管24的横截面视图。环绕流体进入孔的流体流分配室110和环绕流体排出口的流体流分配室110具有圆弧形。虽然图示的流体流分配室110的圆弧包容角为180°，流体流分配室110的圆弧也可考虑包容较小的角。
图7D示出了具有圆形截面的处理管24，而流体分配元件106具有直轮廓。这种几何形状具有这样的优点，使流体流分配室110沿其长度上为等距离。结果，与流体分配元件具有曲线轮廓相比，直线轮廓使流体在流体流分配室110之间行进的距离更为一致。这种一致性的提高，可以提高介于两个流体流分配室110之间的晶片28中心处经受的流体流状态，与晶片28边缘所经受的流体状态之间的相似性。
图7E是具有矩形横截面的处理管24的横截面视图。两个流体流分配元件106均具有直轮廓。此几何形状具有流体流分配室110的相应优点，即沿长度上为等距。
虽然在图7A-7E的每一个图中示出的是单个流体进入孔和单个流体排出孔与每一个流体流分配室110相结合，每一个流体流分配室110可以与数个流体进入孔和/或数个流体排出孔相结合。
如图8所示，流体流分配室110可以被第二流体抑制元件94部分限定，此第二流体抑制元件从处理管24侧边向内延伸。流体分配元件106设置在流体抑制元件94和第二流体抑制元件94之间。第二流体抑制元件94可以可选择地包括一凹入部，凹入部的尺寸设置成可容纳加热板26的边缘部。结果，第二流体抑制元件94可以支撑加热板26。加热板26可以设置成无缝贴靠处理管24，或者在处理管24与加热板26之间形成一空气间隙。
单个加热室18可包括几个以不同高度设置的流体流分配室110。结果，晶片28可以在从加热室18顶端开始的不同距离处进行处理。
图9A示出了热处理装置10的横截面，此热处理装置具有一个加大的流体进入孔和一个加大的流体排出口。在处理晶片的过程中，晶片最好定位在邻近流体进入孔的最低点。流体进入导管的一部分、流体流区和流体排出导管的一部分相结合，形成了流体通道112，此流体通道具有本质上恒定横截面的几何形状，经过流体进入导管的一部分、流体流区和流体排出导管的一部分延伸。这种本质上恒定的横截面几何形状意味着，流体通道112的一部分中的流体流型，在经过流体通道112时，本质上得以保持。这就允许在流体进入孔的流体流流型，在遍及流体流区得以保持。结果，当柱形流型在流体进入孔内建立起时，经过流体流区时本质上可保持柱形流型。
图9B是处理管24的横截面图，该图沿标记A向下观察处理管，而图9C是处理管24的横截面图，该图是沿标记B向下观察处理管24。流体流区96是部分地由设置在流体流区相反两侧的流体流区限定壁114所限定。流体流区限定壁114相对于流体进入导管和流体排出导管可具有多种位置。例如，图9D是处理管的24的横截面，在这里，流体流区限定壁114的尺寸设置成将流体进入导管与流体排出导管相分隔。
流体分配元件106设置在流体进入导管内。与此类似，流体分配元件106设置在流体排出导管内。结果，流体流分配室110在流体进入导管和流体排出导管内形成。流体分配元件106可设置在流体进入孔或沿流体排出口的长度设置。流体分配元件106用于使流体流在流体进入导管和/或流体排出导管的宽度方向分散开。结果，流体分配元件106促进在流体通道内柱形流型的形成。
流体进入导管和流体排出导管具有与流体流区96形状相匹配的形状。如图所示，流体流区96具有大约等于晶片28宽度的宽度。结果，流体进入导管和流体排出导管具有数值相当于晶片直径的宽度W。与此类似，流体流区96具有大约等于流体进入孔厚度的厚度。结果，流体进入导管和流体排出导管具有厚度T，此厚度大约为流体进入孔的厚度。流体进入导管、流体流区96和流体排出导管的恒定形状允许流体在每一流体进入导管、流体流区96和流体排出导管内保持相似的流型。结果，在晶片表面上的流体流型可以通过控制流体进入导管内的流体流型进行控制。
虽然如图所示是与处理管制成一体，流体进入导管和流体排出导管可具有与流体流区96形状相匹配的形状，并可独立于处理管24。
单个处理管24可包括上述流体输送系统的综合。例如，单独的热处理装置10可包括设置在加热板26上的流体孔70，和设置在流体流区96相反两侧的流体进入导管88和流体排出导管92。
图10A示出了设计成用于隔热的闸门52的侧视图。闸门52由数个元件116构成。构成这些元件116的合适材料包括覆盖隔热物(insulator)的石英、碳化硅、不透明石英和熔凝硅，但并不局限于此。元件116设置成至少部分地限定邻近元件116处的开口空气间隙118。由于空气的热传导性低，此开口空气间隙118对闸门52附加以热隔离特性。
开口空气间隙118所具有的高度，最好略大于每一元件116的厚度。空气间隙118的开口状态允许闸门52如图10B所示衔接在一起。特别地，一个闸门52的一部分可滑动地容纳在另一个闸门52的一部分内。当一个闸门52可滑动地容纳在另一个闸门52中时，相面对的闸门52元件彼此并不接触，以避免在加热室18内产生散粒。
图11A示出了闸门52的顶视图，这时是将闸门定位于图1C所示遮挡位置。闸门52包括凹入部120，此凹入部具有与设置成与晶片保持器连接的转轴48互补的尺寸和形状。相应地，当晶片保持器38定位于加热室18内时，闸门52可运动至一起，于是形成一个接近转轴48形状的通道54。由于通道54具有与转轴48形状互补的形状，转轴48合适地设置在通道54内，以减小加热室18与冷却室32之间的气体交换，并减少从加热室18向冷却室42传递的辐射热。这种形状还可用于减少从加热室18向冷却室42传递的辐射热。
图11B示出了闸门52的顶视图，这时是将闸门52占据遮挡位置例如图1A所示闸门52的位置。闸门52一起滑动至足够远以有效地关闭通道54。当晶片保持器38定位于冷却室32内时，通道54可以关闭，以增加冷却室32与加热室18之间的热隔离。相应地，当晶片保持器38定位于冷却室时，图11B所示的闸门设置是所希望的。
图11C示出了单个的闸门52，此闸门可用于限定开口的尺寸。此单个闸门52包括深凹入部120，当闸门52定位于一遮挡位置，且晶片保持器38定位于加热室18之内时，此深凹入部120容纳闸门52。凹入部120最好足够深，当晶片保持器38定位于加热室18之内时，使得闸门52可以跨过冷却室32和加热室18之间的通道54延伸。
图11A-11C所示闸门52包括单个凹入部120，用于容纳与晶片保持器38连接的转轴48；不过，闸门52可包括数个凹入部120，用于容纳数个与晶片保持器38连接的转轴48。
虽然上述图示的闸门52是由数个元件116构成，每一个闸门52可以由单个元件116构成。此外，上述图示的每一个通道54是由两个闸门52构成，不过，热处理装置10可包括三个或多个闸门52，这些闸门限定单一通道54。在另一个实施例中，使用了运动进入一个凹入部的七个闸门52。
图12A-12D示出了上述热处理装置10所用加热元件20的可能设置方案。加热元件20之每一个元件均设置成与加热区122同心。在具体加热区122中的加热元件20，可设置成图12A所示的同心圆。另一方面，具有圆形几何形状的单个加热元件20，可占据图12B所示的加热区122。在不同加热区122的加热元件20最好独立控制。当多个加热元件20设置在一特定的加热区122时，加热元件20的电气连接可以串联或并联，或者可以独立控制。可在每一个加热区的中心设置热电偶以提供温度反馈。
隔热屏124可设置在加热区122之间，如图12C所示。如图12D所示，可以从隔热器16向处理管24延伸，并可与处理管24连接。在另一个实施例中，隔热屏124从绝缘体向加热板26延伸并可与加热板26连接。
隔热屏124可减少由不同加热区122中加热元件20产生的热交叉干扰。结果，具体一个加热区122产生的热，直接传向加热板26或处理管24。相应地，对一个具体加热元件20的调节，主要影响加热板26或处理管24上邻近被连接加热元件20的那一部分。结果，隔热屏124用于在加热室18内对整个热状态提高控制度。虽然图12A-12D示出了具有圆截面的处理管24，加热元件20和隔热屏124可采用具有矩形截面的处理管24。
图13示出了一种热处理装置10，此装置具有从冷却室32延伸的转轴导管126。转轴导管126将转轴48延伸在冷却室32之下的部分包围起来。转轴导管126可以与冷却室32的构架制成一体，也可以制成附着在冷却室32构架上的独立件。另一方面，转轴导管126可以是一种具有“可折叠”形波纹管(未示出)。上述任何一种热处理装置10均适于采用转轴导管126。
密封装置128设置在转轴导管126与转轴48之间远离冷却室32的位置。密封装置128用于减少流体从冷却室32逸出，和/或减少流体从大气进入冷却室32。结果，密封装置128帮助提高冷却室32与大气的热隔离和物理隔离。这种隔离增强了冷却室32内环境气氛的可控性。
密封装置128的远离位置，减少了密封装置128所遭受的热。例如，当晶片28定位在加热室18内时，转轴48处于加热室18内的部分被加热。但是，转轴48的下部仍保持更冷的温度，因为这部分接近冷却室32，和/或因为这些部分在加热室18内的时间较短。密封装置128的位置远离冷却室32，比起密封装置128设置在冷却室32内或邻近冷却室来，导致密封装置128处于转轴48的较下部位置。结果，密封装置128远离冷却室32可以起到防止密封装置128受到热损坏，因此可保护密封装置128。密封装置128离开冷却室32的距离，最好大约等于转轴48进入加热室18的延伸距离。
密封装置128可设置在冷却室32与转轴48的结合部。这种密封装置128可作为转轴48与转轴导管126之间密封装置128的替换物，或可以与之一同使用。
本发明还涉及热处理装置10的运行。当热处理装置10运行时，在晶片28升温过程中，晶片保持器38可定位于加热室18内任何位置。但是，晶片28最好如此靠近加热板26，使得热通过加热板26与晶片28之间的空气传导至晶片28。由于晶片28还接受从加热板26辐射的热射线，晶片28与加热板26靠近的接近度使晶片28被辐射和传导同时加热。这两种热传递机制保证了温度上升的加速。不过，本发明并不局限于此，热处理装置可以在非传导模式下运行，在这种情况下，晶片离开热板。
在升温过程中，且当晶片28足够靠近加热板26而发生热传导时，通过热传导传递至晶片28的热所占百分比，最好是20-90％，更推荐在20-70％之间。当升温时，晶片28最好定位于距加热板26在2mm之内，更推荐距加热板26在1mm以内。不过，晶片28与加热板26之间的距离，是加热板26温度的函数，这个距离是通过热传导传递达到特定热度所需要的。例如，当加热板26的温度大约900℃时，晶片28最好定位于距加热板26在2mm之内。但是，当加热板的温度大约500℃时，晶片28最好定位于距加热板26在0.8mm之内。在晶片处理过程中，晶片28距加热板26的距离可以改变，以便控制加热速度。例如，通过使晶片28运动以更靠近加热板26而提高升温速度。
图14示出了在晶片距加热板26的两个不同位置，由辐射产生的热通量与由热传导产生的热通量的比较。热传递的发生主要通过辐射，但是，如图所示，随着晶片更接近加热板26，由热传导的热通量的百分比增加。例如，在900℃，且晶片与加热板26间的距离为0.2mm时，通过热传导的热通量大约是总热通量的三分之二。但是，在900℃，且晶片与加热板26间的距离为1mm时，通过热传导的热通量大约减少至总热通量的三分之一。结果，晶片必须设置成紧靠加热板26处，以便获得热传导产生的热通量的好处。
晶片28一旦已经达到目标状态，晶片28可以进行处理。例如，晶片28一旦达到一种目标温度，可以将流体输送进入加热室18。另一方面，一旦在晶片28已经达到目标状态，可将晶片28从加热板26后退。使晶片28从加热板后退，可用于使晶片28运动至与流体进入导管88连接的流体进入孔90之下，或通过增加晶片28与加热板26之间的间隙，可在晶片28上方保证经过改善的流体流特性。
在晶片28处理过程中，晶片28可借助于晶片保持器38的旋转而旋转。当晶片28旋转时，晶片28的旋转速度最好为0-600r.p.m.，更推荐为5至15r.p.m.。晶片28的旋转可使晶片28在流体中的曝露更为均匀，这些流体是在晶片28处理过程中输送入加热室18中的。晶片28的旋转还可保证更均匀的热聚集。
晶片28一旦在加热室18中已经处理完毕，闸门52可以打开，晶片保持器38可以下降进入冷却室32。在晶片28被从晶片保持器38移去之前，在晶片28上可达到某一目标状态。例如，在晶片28从晶片保持器38移去之前，晶片28个温度可下降至某一目标温度范围。
在本发明另一个实施例中，提供了一种热处理装置和晶片保持器，该装置设置成可促使支承在晶片保持器上的晶片更均匀地加热。更特别地，热处理装置和晶片保持器设置成可保证晶片在此热处理装置内加热和冷却过程中的热应力最小。晶片在加热室内加热的过程中，晶片的外周边比晶片的中心部将更快地加热。与此类似，在冷却过程中，晶片的外周边比晶片的中心部将更快地冷却。晶片外周边部与中心部的这些温度差异，在晶片内产生热应力。这种热应力是成问题的，特别在高温情况下，这种热应力可导致由这种晶片制成的半导体器件失效。
为解决此问题，本发明的晶片保持器和相关的装置设置成可降低晶片周边部的加热速度。这是通过采用一种设有边缘作用元件的晶片保持器实现的，此边缘作用元件设置在接近晶片外周边部的至少一部分处。根据本发明，设有一种边缘作用元件的晶片保持器的一个实施例如图15所示。晶片保持器138通常包括一个或多个晶片支承元件140和边缘作用元件142。此一个或多个晶片支承元件140保持晶片保持器138中的晶片28，并将晶片支承成本质上处于在同一平面内的状态。晶片支承元件140可以是任何合适的支承元件，并不受任何特定设计的限制。合适的支承元件140的例子可以包括数个向上延伸的销、平直的基板、带凹入部的基板、圆形环、防护环以及类似的元件，但并不局限于这些。最好，晶片支承元件140将保证在晶片支承旋转的过程中可靠地支承与保持晶片。晶片保持器138与转轴48连接，此转轴在热处理装置10内使晶片保持器上升和下降。
其具体优点在于，晶片保持器138包括一种边缘作用元件142。正如将在下面进一步说明的那样，在对热处理装置内的晶片进行加热和冷却的过程中，边缘作用元件142用于使晶片边缘与晶片中心部产生的温度差最小。再参看图15，此图示出了根据本发明一个实施例的具有边缘作用元件142的晶片保持器138。晶片保持器138包括：支承元件140，该支承元件包括一种平直基板141，此平直基板沿晶片的整个直径延伸；向上延伸的边缘作用元件142，设置在接近基板141的外边缘。边缘作用元件142距晶片28的外周边一段距离。边缘作用元件142包括垂直向上(即晶片的法线方向)的圆形带，从基板141向上延伸，并包围或环绕晶片28外周边的至少一部分。最好边缘作用元件142本质上包围晶片外周边，最为推荐边缘作用元件142包围晶片的整个外周边。边缘作用元件142可以与基板141制成一体，或者可以是单独的制件，此制件可通过诸如焊接之类的现有技术将其附着在基板141上。在此实施例中，边缘作用元件142在晶片位置的上方延伸，因此环绕晶片的外周边形成一种热屏障。于是，除在接近晶片的边缘提供一种热质量外，边缘作用元件142还阻挡从加热室侧壁发射的任何辐射。
边缘作用元件142在接近晶片的外周边提供了热质量。在加热过程中，如果热质量的温度滞后于晶片的温度，这种热质量将从在加热过程中晶片的边缘吸走热。为了促进这种特性，具有边缘作用元件的晶片保持器，设计成具有一种热质量，其能量吸收率大于晶片的能量吸收率(或者用其它替代材料)。晶片保持器及其边缘作用元件所具有的厚度如图15中所示的t1和t2。能保证合适热质量的晶片保持器的材料，包括石英、碳化硅、Al2O3、溶凝硅、硅或陶瓷，但并不局限于此。晶片保持器和边缘作用元件通常用相同材料制成。不过，它们可以用不同材料制成。将提供适当热质量的晶片保持器的厚度(t1和/或t2)大约在0至10mm范围内，更推荐在0.5至4mm范围内，最为推荐在大约0.75至2mm范围内。对于本领域的普通技术人员而言，显而易见，上述参数，例如容积和厚度的设计条件，以及材料的密度、比热、辐射率、发射率等的特征，可以进行选择，以产生具有所希望的能量吸收率的热质量，从而可对横跨晶片的温度分布进行调节。自然，不同型式的热处理装置和不同类型的晶片可能要求边缘作用元件具有不同的尺寸和不同的设置。对于硅晶片所希望的目标，通常是使在晶片范围内的温度偏差(即在边缘部与中心部之间的温度差)最小，这样，边缘作用元件是用于促进在横跨晶片的方向上，本质上均匀地加热和冷却。
在推荐实施例中，根据本发明的边缘作用元件用不透明或部分透明材料制成。这就提供了有选择地阻挡从热源向晶片边缘传递热辐射的附加优点。边缘作用元件相对于晶片可设置成多种方位，以调节对辐射热传递的阻挡。例如，正如下面将更详细说明的，边缘作用元件可以设置在晶片外周边部的上方，从而阻挡从加热室上端部内的加热源向晶片边缘部发射的辐射热。提供不透明或部分透明的推荐材料包括石英、硅、碳化硅或溶凝硅。
对于在此所述的全部实施例，边缘作用元件距晶片外周边一段距离d，如图15和图16A至16D所示。为保证所希望的热效果，边缘作用元件应当设置在距晶片28外周边的距离“d”高达大约一英寸处。最好边缘作用元件设置在距晶片28的外周边的距离d大约为0.5至10mm处。
尽管在图15示出了边缘作用元件142的一个实施例，边缘作用元件142的形状可采用多种形式。图16A至168示出了边缘作用元件的替换实施例。在图16A中，具有与图15所示类似的晶片保持器，如图所示，具有垂直方向的边缘作用元件，该边缘作用元件包围晶片的外周边；除了在此实施例中之外，支承元件140包括两个向外延伸、方向相反的板144和145，此板沿其与平直基板141相反的边缘支承晶片，此基板在晶片的整个直径上延伸。另一方面，支承元件140包括圆形支承盘或支承环(图17)，此支承环沿周边部支承晶片。
晶片保持器的两个实施例在图16B和图16C中示出。晶片保持器138包括支承元件146和边缘作用元件148。在此实施例中，边缘作用元件148距晶片28的周边部一段距离，并包括水平方向(即平行于晶片的方向)的圆形带，此圆形带至少包围晶片周边部的一部分。最好边缘作用元件148本质上包围晶片的周边部，最为推荐边缘作用元件包围晶片的整个周边部。边缘作用元件148既可以设置在晶片周边部的下面如图16B所示，也可以设置在晶片周边部的上方如图16C所示。当边缘作用元件设置在晶片周边部的上方时，晶片保持器提供了防止从加热室上端部中的加热源向晶片边缘辐射热传递的附加作用。这除了起边缘作用元件的热作用之外，还帮助减缓晶片边缘加热，这样，使晶片边缘温度上升速度接近晶片中心部温度的上升速度，从而减少在晶片28内的温度不均匀性。
为了对晶片边缘提供所希望的热质量影响，当边缘作用元件148平行于晶片定位时，无论是在晶片之上还是在晶片之下，边缘作用元件148应当超过晶片边缘延伸。边缘作用元件148超过晶片边缘上面(或下面，当设置情况可以时)大约0-10mm。支承元件140可包括任何合适的支承。例如，在图16B中，边缘作用元件148设置在晶片之下，支承元件140包括数个直销150，该直销被水平的边缘作用元件148携带并向上延伸，以与晶片28的下侧面接触。另一方面，直销可用另一元件携带，该元件从室壁延伸，与由边缘作用元件携带的方向相反。还可以使用保持环。
在图16C所示替换实施例中，边缘作用元件148设置在晶片上方，支承元件140包括由边缘作用元件148携带的L形元件152，该L形元件从边缘作用元件悬伸，并具有突出于晶片下、从晶片向外的突出部153。向外突出部153包括数个销154，以与晶片28的下表面接触。正如本领域普通技术人员所了解的，支承元件140可采用多种形状，并不局限于在此所示的实施例。唯一的限制是支承元件要保证对晶片的可靠支承。
本发明的另一个实施例如图16D所示。在此实施例中，边缘作用元件148包括两部分：上部156a和下部156b，该元件类似于一个倒置的L形带，至少围绕晶片的一部分。上部156a平行于晶片的水平平面，设置在晶片上方、距晶片一段距离。上部156a超过晶片边缘延伸，因此提供了至少遮挡一部分辐射热的附加作用，此辐射热是从位于加热室上端部的热源向晶片边缘传递的。下部156b与上部156a连接。下部156b设置在垂直方向，与晶片水平面正交，设置成距晶片一段距离。上部和下部可以制成一个整体元件，或者，作为替换，两部分可制成分离件，然后通过现有技术例如焊接彼此连接。特定的优点在于，晶片保持器的这种实施例提供了下述双重效果，(1)通过设置在晶片边缘附近的热质量，使晶片边缘加热和冷却的不均匀性减小，和(2)遮挡至少一部分从加热室上端部传递至晶片边缘的辐射热。
本发明的另一个实施例如图17和18所示。在此实施例中晶片保持器包括晶片伸降装置170。晶片升降装置170通常包括通过升降杆174连接的数个升降销172。最好升降杆包括三个与升降销172连接的辐条。升降销通过支承元件140内的开口伸缩以升降晶片28。例如，为了接受一个晶片进行处理，升降销伸出，由机械手指(未示出)携带的的晶片28被定位在升降销上方，然后放在伸出的升降销上。在伸出位置，升降销伸出于边缘作用元件高度之上一段距离。
为了处理晶片，升降销通过支承元件140的开口缩回，从而使晶片置放在支承元件上如图17所示。处理完成后，升降销再次伸出，并将晶片升起于边缘作用元件上方，晶片被移出。
应当理解，可以使用任何形状支承元件，而且图示任一种不同的支承元件可与图示不同边缘作用元件实施例结合。图19示出了设置在根据本发明一个实施例之热处理装置内的晶片保持器的一个实施例。晶片保持器138包括晶片支承元件140和边缘作用元件142。边缘作用元件142靠近流体流抑制元件94并与其相距一段距离，在晶片保持器138外直径与流体流抑制元件94内直径之间具有间隙。
在本发明的另一方面，热处理装置在处理管内，特别在加热室18内，提供经过改进的气体抑制。参看图20，当处理气体通过流体输送系统输送到晶片28的表面时，希望将这些气体包含在环绕晶片的区域内，且在热处理装置的热部(即加热室)之内。特别地，除提供热抑制外，闸门52用于使处理气体包容在加热室18内。在一个实施例中，这是这样实现的：首先在处理管内，在处理室18和闸门52顶面之间提供间隙“g1”，然后从冷却室32经过间隙g1向加热室18通入清洗气体。在加热室18与冷却室32之间保持一压力差，使冷却室32内的压力大于加热室内的压力。于是，在闸门52的下面，在冷却室或闸门室的空间形成正压，这就导致清洗气体流入加热室。在相面对的闸门52之间可提供第二间隙g2，但最好间隙的长度应当最小。间隙g1和g2最好小，这样，保证抑制所需要的清洗气体流量小，推荐g1和g2在0.040至0.15英寸范围。
在另一个实施例中，流体的抑制是通过主要抑制和辅助抑制来保证。辅助抑制与上一段所述相同，这是通过在加热室底部与闸门顶部之间提供间隙g1，并在闸门之下保证正压实现的。处理气体的主要抑制是通过在跨流体流抑制元件94保证压力差实现的。在此实施例中，流体流抑制元件94下的压力大于流体流抑制元件上的压力，这使得清洗气体流经间隙100，并进入流体流抑制元件94之上的区域，该间隙在晶片28和流体流抑制元件的内边缘98之间形成。此区域是处理气体输送至晶片的区域，而所述抑制原理促进处理气体在此区域内的隔离和抑制。
为了使对处理气体的干扰最小，推荐压力差小，例如大约几英寸水柱。此外，推荐清洗气体为惰性高纯气体以使对处理气体的冲击最小。
在本发明的又一个实施例中，热处理装置可采用附加冷却站。附加冷却站可用于更快地冷却晶片，和/或在晶片从热处理装置移出之前，将晶片冷却至更低的温度(例如低至大约23℃的室温)。最好将冷却站设置成邻近冷却室32，但推荐与冷却室32热隔离。与冷却室32热隔离有助于隔离加热室对冷却站的影响。冷却站包括使晶片进一步冷却的冷却装置。任何合适的冷却装置，诸如一个或多个水冷板、电热冷却板、平行水冷板及类似装置均可使用。此外，也可以采用诸如氮气淋浴之类的辅助冷却。
在本发明的另外实施例中，热处理装置包括预热站。在某些应用中，对于某温度窗具有极均匀的温度分布是重要的。在注入之后处理硅特别是这样。在约600℃之上，温度必须极为均匀，以避免有害的影响。相应地，在一个实施例中，设置了预热室或预调节室。预热室/预调节室可以两种方式使用。第一种，当晶片要被加热至一稳定温度时，预热室可以用作简单的预热器。此稳定的温度应低于热均匀性变得至关重要的温度。在达到此稳定温度后，将晶片送入热处理装置更热的部分，例如加热室18，并以本质上均匀的方式加热至所希望的温度。这种方法有助于在极为重要的更高的温度改善晶片内的热均匀性。
第二，另一种方法是使用预热室/预调节室在晶片上建立一种温度分布，以补偿在晶片上的边缘加热效应。此系统设置成在加热过程中对晶片保证温度分布。对晶片的加热分布可使晶片中心部比晶片边缘部更热，温度变化可高达50℃。其特别的优点在于，晶片内的温度变化，在最令人感兴趣的温度窗，从约600至1000℃之间最小。
预热室/预调节室180如图21所示。预热室180包括一个或多个加热区182，这些加热区最好设置在晶片之下，并呈轴对称设置。每一个加热区具有独立的温度控制，这样，每一个加热区可以有选择地加热至不同的温度。不同的温度区将晶片的不同部位加热至不同的温度。每一个区的温度反馈可以通过使用热电偶实现。
本发明的另一个实施例如图22和23所示。为清楚起见，只示出了加热元件，而某些内部组成部分没有示出。其特别的优点在于，在此实施例中，闸门包括在闸门一部分制出的空腔192。特别地，如图23所更清楚示出的那样(为清楚起见，顶闸门已经移去)，一个或多个内闸门190包括大的凹入部191。凹入部191最好是半圆形，这样，当相面对的闸门190关闭时，闸门空腔192在这里形成。此闸门空腔192具有适合于接受晶片保持器138的尺寸和直径。闸门空腔允许晶片保持器在其中定位，并适合于在晶片保持器定位于用于处理的加热室18中之前进行预热。
此实施例特别适合于回火处理。例如，在回火过程中，温度可能到达大约900至1200℃，这取决于被处理晶片晶片的类型。闸门空腔192提供一个封闭的区域，晶片在进入加热室18之前，可在这里预热。这就允许晶片在其曝露在充分回火温度中之前，晶片的中心部可以预热，这就在如此高的温度改善了晶片内的温度均匀性。
凹入的闸门190和闸门空腔可制成可容纳在此所述实施例之各种晶片保持器之任一种。晶片保持器的另一种实施例如图24A-24C所示。在此实施例中，边缘作用元件142是平板的一部分，此平板延伸出晶片边缘之外。此外，可使用不同形状的销173。销173比较大，与销172相比，具有圆头表面以与晶片接触。在此实施例中，晶片保持器提供一个比其它实施例某些晶片保持器更窄的轮廓，为的是设置在闸门空腔内。但是，应当理解，任何晶片保持器可以定位于闸门空腔192内。
虽然结合推荐实施例和例子对本发明详细公开如上，可以理解，这些例子是用于说明而不包含限制的意义，可以设想，对于本领域的技术人员而言，容易进行更改和综合，这些更改与综合在所提权利要求范围内，并属于本发明范围。

Claims (57)

1.一种热处理装置，该装置包括：
加热室，具有加热源；
冷却室，邻近加热室设置，并包括冷却源；
晶片保持器，设置成通过设置在加热源和冷却源之间的一个通道，可在冷却室与加热室之间运动；
一个或多个闸门，此闸门限定了通道的尺寸，并可在开启位置与遮挡位置之间运动，在其开启位置，晶片保持器可穿过通道，而在其遮挡位置，限定了比闸门在开启位置所限定的通道小的通道。
2.如权利要求1所述的装置，其中，加热源是一种加热板，邻近数个加热元件设置，加热板设置成接受加热源来的热，并将热再辐射入加热室。
3.如权利要求2所述的装置，其中，一种处理管限定了加热室，而加热板设置在处理管之外。
4.如权利要求2所述的装置，其中，加热室被包括加热板的处理管所限定。
5.如权利要求4所述的装置，其中，从加热板至晶片保持器的同路被遮挡。
6.如权利要求1所述的装置，其中，一种处理管限定了加热室，处理管的上端部包括数个流体孔，该流体孔设置成将流体输送入加热室。
7.如权利要求6所述的装置，其中，流体孔在封闭的上端部均匀分布。
8.如权利要求6所述的装置，其中，流体孔设置成这样，使由流体孔输送的流体，从晶片上方输送至晶片保持器保持的晶片上。
9.如权利要求6所述的装置，其中，第一组数个流体孔与第一流体导管连接，而第二组数个流体孔与第二流体导管连接。
10.如权利要求1所述的装置，其中，冷却源邻近冷却室底部设置。
11.如权利要求1所述的装置，其中，冷却源邻近最低位置设置，使晶片保持器可在冷却室内占据位置。
12.如权利要求1所述的装置，其中，冷却源包括冷却流体导管，或者输送冷却流体进入冷却室。
13.如权利要求1所述的装置，其中，冷却源是一种冷却板，该冷却板具有一个或多个导管，用于通过冷却板输送冷却流体。
14.如权利要求1所述的装置，其中，冷却源是一种冷却板，该冷却板邻近一个或多个导管设置，该导管设置以携带冷却流体。
15.如权利要求1所述的装置，其中，冷却源是一种冷却板，此冷却板包括一个或多个通孔，每一个通孔设置成可滑动地容纳一个支承晶片保持器的转轴。
16.如权利要求1所述的装置，其中，冷却源是一种冷却板，设置成与晶片保持器所保持的晶片大体同心。
17.如权利要求1所述的装置，其中，冷却源是具有上表面的冷却板，此上表面具有一表面区域，该表面区超过被晶片保持器保持的典型晶片底表面的表面区域。
18.如权利要求1所述的装置，其中，晶片保持器设置成保持晶片，为的是使晶片可以定位于接近加热源的范围内。
19.如权利要求1所述的装置，其中，晶片保持器没有延伸至被保持晶片之上的部分。
20.如权利要求1所述的装置，其中，一个或多个闸门设置成在本质上水平的平面滑动。
21.如权利要求1所述的装置，其中，一个或多个闸门用热屏蔽材料制成。
22.如权利要求1所述的装置，其中，一个或多个闸门设置成当晶片保持器定位于加热室内时占据遮挡位置。
23.如权利要求1所述的装置，其中，转轴支承晶片保持器，且至少一个或多个闸门其中之一具有带凹入部的侧边，此凹入部具有与转轴横截面轮廓互补的形状。
24.如权利要求23所述的装置，其中，一个或多个闸门设置成运动至一遮挡位置，在此位置时，转轴被容纳在至少一个凹入部中。
25.如权利要求1所述的装置，其中，至少一个或多个闸门包括两个或多个元件，此元件设置以限定相邻元件之间的空气间隙的至少一部分。
26.如权利要求25所述的装置，其中，两个或多个元件是用覆盖隔热材料的石英或普通不透明石英制成。
27.如权利要求1所述的装置，其中，一个或多个闸门包括两个设置在通道相反两侧的闸门，此两个闸门彼此可以彼此相向运动和彼此离开运动。
28.如权利要求1所述的装置，其中，至少一个或多个闸门可以被可滑动地容纳在另外一个或多个闸门内。
29.如权利要求1所述的装置，其中，从一个或多个闸门中选择的第一闸门，可以可滑动地容纳在一个或多个闸门的第二闸门中，这样，第一闸门和第二闸门限定一空气间隙的至少一部分。
30.如权利要求1所述的装置，其中，一个或多个闸门可占据一个将通道完全关闭的位置。
31.如权利要求1所述的装置，还包括：
一个或多个流体进入孔，设置以输送流体进入加热室。
32.如权利要求31所述的装置，其中，一种元件，在低于流体进入孔高度的高度，从加热室的一侧部延伸入加热室。
33.如权利要求31所述的装置，其中，一种元件，在高于流体进入孔高度的高度，从加热室的一侧部延伸入加热室。
34.如权利要求1所述的装置，其中，一种元件，从加热室的一侧部延伸入加热室，并与加热板连接。
35.如权利要求34所述的装置，其中，此元件支承加热板。
36.如权利要求1所述的装置，其中，一种元件，从加热室的一侧部延伸入加热室，此元件具有形状与在热处理装置中处理的晶片周边部互补的边缘。
37.如权利要求36所述的装置，其中，边缘的长度大于其所互补的边缘周边部的长度。
38.如权利要求31所述的装置，还包括流体流分配室，此分配室分配从一个或多个流体进入孔进入的流体流，流体流分配室设置成使流体进入孔进入的流体，经过流体流分配室进入加热室。
39.如权利要求1所述的装置，还包括流体流分配室，用于分配从一个或多个流体进入孔进入的流体流，此流体流分配室设置成使从流体进入孔进入的流体，经过流体流分配室进入加热室。
40.如权利要求1所述的装置，还包括：
流体排出孔，用于从加热室排出流体；和
流体流分配室，用于分配从加热室至流体排出孔的流体流，此流体流分配室设置成使流体从加热室经过流体流分配室进入流体排出孔。
41.如权利要求39所述的装置，其中，流体流分配室包括一种流体分配元件，设置在加热室的壁和从加热室一侧部延伸进入加热室的元件之间。
42.如权利要求39所述的装置，其中，流体流分配室包括一种流体分配元件，设置在从加热室一侧部延伸进入加热室的第一元件与从加热室侧部延伸进入加热室的第二元件之间。
43.如权利要求1所述的装置，还包括：
一个或多个流体进入孔，设置以输送流体进入加热室；和
一个或多个流体排出孔，设置以向加热室抽入流体，此一个或多个流体排出孔设置成使从一个或多个流体进入孔流入的流体，经过加热室至流体排出孔。
44.一种热处理装置，其包括：
加热室，具有加热源；
冷却室，邻近加热室设置，并包括冷却源；
晶片保持器，设置成通过设置在加热源和冷却源之间的一个通道，可在冷却室与加热室之间运动；
一个或多个闸门，此闸门限定了通道的尺寸，并可在开启位置与遮挡位置之间运动，在其开启位置，晶片保持器可穿过通道，而在其遮挡位置，限定了比闸门在开启位置所限定的通道小的通道；
一个或多个流体进入孔，设置以输送流体进入加热室；
一个或多个流体排出孔，设置以从加热室抽出流体；
流体流分配室，设置成使流体进入孔进入的流体被分配至加热室，而加热室中的流体，经过流体流分配室被分配至流体排出孔；和
一个或多个流体流抑制元件，从加热室的一侧部延伸进入加热室，此元件具有与被晶片保持器支承的晶片外周边部形状互补的边缘。
45.一种热处理晶片的方法，包括下列步骤：
将晶片定位于接近热源处；和
同时通过辐射和传导加热晶片，其中，通过传导传递的热的百分比大约在30至90％范围。
46.如权利要求45所述的方法，其中，通过传导传递的热的百分比大约在40至80％范围。
47.如权利要求45所述的方法，其中，通过传导传递的热的百分比大约在50至70％范围。
48.如权利要求45所述的方法，还包括在晶片加热过程中改变晶片接近热源的距离。
49.如权利要求45所述的方法，其中，晶片定位于距热源30mm之内。
50.如权利要求45所述的方法，其中，晶片距热源的距离在2mm至0.2mm范围改变。
51.如权利要求48所述的方法，其中，晶片距热源的距离在2mm至0.2mm范围改变。
52.如权利要求45所述的方法，还包括下列步骤：
输送流体至晶片；和
使晶片旋转。
53.如权利要求45所述的方法，其中，晶片旋转速度在5至15r.p.m.范围。
54.一种晶片保持器，用于在热处理装置中支承晶片，该晶片保持器包括：
支承元件，具有表面以支承晶片；
边缘作用元件，设置成接近晶片外周边部的至少一部分，并与其相距一段距离；
其中，边缘作用元件设置以使晶片外周边部的加热速度减缓。
55.如权利要求1所述的热处理装置，其中，冷却室保持高于加热室的压力；和
清洗气体从冷却室流入加热室，以保证对加热室中处理气体的抑制。
56.如权利要求1所述的热处理装置，还包括：
冷却站，邻近冷却室设置，并与冷却室热隔离。
57.如权利要求1所述的热处理装置，还包括：
预热站/预调节站，具有一个或多个加热区，设置在晶片之下，并与晶片热相关；
其中，每一个加热区与一个独立的温度控制连接，这样，每一个加热区可有选择地加热至不同温度。
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