CN1768413A - 用于快速热处理的气体冷却的夹具 - Google Patents

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Abstract

本发明有关于半导体热处理装置和方法，用于使半导体基底热冷却。根据本发明的一个方面，披露了通过通常以自由分子模式的热传导提供对基底的冷却作用的气体冷却的夹具和所关联的方法。气体冷却的夹具包括具有多个突出部分的夹持板，该多个突出部分限定了在其之间的间隙，在其中间隙的距离或深度与在其内的冷却气体的平均自由路径关联。气体冷却的夹具还包括压力控制系统，该压力控制系统是可操作的，以对在多个间隙内的冷却气体的背侧压力进行控制，这样以对冷却气体的热传导系数进行控制，在其中冷却气体的热传导系数主要是压力的函数并且大致是不依赖于间隙距离的。

Description

用于快速热处理的气体冷却的夹具
技术领域
本发明总地涉及半导体热处理系统，并且更具体地涉及用于使基底冷却的装置和方法。
背景技术
对于制造现代的微电子设备，硅晶片的热处理是重要的。可以使用传统的低温热处理技术，进行这种包括硅化物形成、植入退火、氧化、扩散驱入和化学汽相沉积(CVD)的过程。相反地，一些掺杂剂的活化过程在大致较高的温度以相对短暂的持续时间进行。这种高温、短暂持续的热过程通常被称为快速热过程(RTP)或峰值退火。许多微电子电路需要小于1微米的特征尺寸和小于几百埃的接合深度。为了限制掺杂剂侧向扩散和向下扩散及为了在处理期间提供更大程度的控制，所想要的是使高温处理的持续时间最小化。
用于使处理时间最小化的一种途径是利用像单一晶片RTP系统那样的热处理装置。半导体晶片的单一晶片快速热处理提供了用于制作超大规模集成电路(VLSI)和极大规模集成电路(ULSI)电子设备的技术。然而，要满足快速热处理的热需要是存在若干挑战的。例如，典型地要求晶片温度的变化速率是迅速的及在温度变化期间横过晶片的温度是均匀的。
传统的RTP系统(例如就热平衡而言或就晶片在大约950℃以上时花费的时间而言)的一个显著的性能局限性是使晶片快速地冷却。典型地，当前的系统几乎完全依靠辐射冷却，该辐射冷却在1000℃时具有大约仅为22.7mW/cm2℃的最大热传导系数(HTC)。为了改善这种性能，就需要气体传导冷却。气体传导冷却带来的挑战是横过晶片的冷却是均匀的。另外，对于峰值退火，一旦达到峰值温度，就需要一个人非常快速地开启冷却气体传导。
这样，在本领域中就需要在处理期间易于调整晶片温度的能力及横过其提供均匀温度的能力。
发明内容
为了提供对本发明一些方面的基本了解，接下来展现了本发明的简明概要。这份概要并不是本发明广泛的总论。它的宗旨既不是标识本发明的关键所在或重要元件，也不是叙述本发明的范围。作为对稍后展现的更详细的描述的序言，它的目的是以简化的形式展现本发明的一些构思。
本发明通过在介于晶片和夹具之间的间隙内展示了背侧压力控制的气体冷却的夹具(GCC)克服了现有技术的挑战。将间隙制造得很小(例如小于大约1微米)，这使得在间隙内的气体的体积也是小的。小的气体体积提供了快速的响应时间(例如大约10毫秒的水平)，由此允许晶片冷却以迅速地启动或停止。例如，通过将压力从大约1托变化到大约100托，可以将热传导系数(HTC)从小于大约2mW/cm2℃的值控制到大于大约400mW/cm2℃的值。另外，通过构建小的间隙，气体传导大致是以自由分子模式，在其中热传导不依赖于间隙而主要是依赖于压力，这大致可以使得横过晶片是均匀的。
除了通过气体冷却的夹具提供的快速冷却外，通过使用气体传导的本发明也可以提高对热壁的热传导。气体传导有助于减小对由在晶片表面上的设备结构引起的发射率变化的敏感性。然而，为了具有显著的气体传导，在热表面和晶片之间就需要小的间隙(例如小于大约1毫米)。令人遗憾的是，粘性传导与间隙的倒数是成比例的，从而使温度均匀性有赖于横过晶片维持均匀的间隙。然而，在加热期间，晶片可能发生例如0.5毫米或更多的变形和卷曲。通过将晶片夹到夹具表面上，由此在加热期间确保晶片平整，本发明解决了这个问题。
因此，本发明有利地将背侧自由分子模式气体传导的非常迅速的开启提供给冰冷的卡盘表面。另外，通过构建以自由分子模式的传导，冷却作用主要是通过压力进行，由此一旦在快速的热处理中达到峰值温度，就能够使匀变下降的速率是迅速的并且是均匀的。另外，在匀变上升期间，夹持的功能性确保晶片是平整的，由此在热处理中能够使温度的匀变上升是迅速的并且是均匀的。
本发明有关于用于以热的方式使半导体基底冷却的半导体热处理装置和方法。热处理装置是可操作的，以有效地夹住基底并且以横过基底通常是均匀的方式使基底冷却，由此改善对过程的控制。根据本发明的一个方面，披露了提供对存在于其上的基底的有效并且均匀的夹持和冷却的气体冷却的夹具。例如，气体冷却的夹具包括保护环和夹持板，在其中夹持板是可操作的，以当将真空应用到气体冷却的夹具的时候通常支撑并且夹持半导体基底和保护环。
在一个例子中，夹持板包括多个突出部分，在其中多个突出部分是可操作的，以维持在基底和保护环和夹持板之间的第一距离。例如，多个突出部分通常限定了在其之间的多个凹处，在其中冷却气体可以流动。例如，将冷却气体像从过程腔室空气中那样从环境引入到凹处内。
根据本发明的另一个示范性的方面，夹持板包括一个或多个气体分配凹槽，在其中一个或多个凹槽适于使多个凹处相互连接，在其中冷却气体是可操作的，以更快地流过多个凹处。例如，确定使基底和保护环和夹持板分开的距离的尺寸，从而通常以自由分子模式允许在夹持板和基底和保护环之间的热传导。然而，凹槽大致是大于间隙的，并且允许气体以粘性模式流动，由此促进快速转换到冷却状态。气体冷却的夹具还可以包括用于检测与基底关联的温度的温度传感器。
根据本发明的另一个示范性的方面，夹持板是可操作的，以漂浮在底板之上，在其中夹持板的平面性以基底的平面性为基准。例如，夹持板包括中心部分、外围部分和居间部分，在其中中心部分与基底关联，保护环与外围部分关联，而基底和保护环都与居间部分关联。例如，居间部分包括等温垫片，在其中等温垫片是可操作的，以在基底和保护环之间传热，以促进在晶片外围的热均匀性。
根据本发明的另一个示范性的方面，披露了用于在热处理系统中使基底冷却的方法，在其中热处理系统包括气体冷却的夹具。方法包括使基底降低到冷却位置，在其中将基底通常放置在夹持板上的多个突出部分上。随后，通过由多个突出部分限定的多个凹处抽真空，在其中将冷却气体抽到多个凹处内，并且在其中大致将基底夹到夹持板上。根据本发明的另一个示范性的方面，控制与凹处或间隙关联的背侧压力，在其中横过基底表面维持通常是均匀的压力，并且在其中通过以自由分子模式从基底和保护环到夹持板的热的热传导使基底和保护环冷却。
根据本发明的另一个示范性的方面，测量与基底关联的温度，并且至少部分地基于测量的温度，控制抽到夹持板的多个凹处内的冷却气体的压力，由此可以加强在基底和夹持板之间的以分子模式的热的热传导。
为了实现前述的和所涉及的目的，本发明包括在下文中充分描述并且在权利要求书中特别指出的特点。接下来的描述和附图详细阐明了本发明的某些说明性的实施例。然而，这些实施例所表示的是可以应用本发明的原理的各种形式的一些。当与附图一起考虑的时候，接下来对本发明的详细描述使本发明的其它目的、优点和新颖的特点变得清楚。
附图说明
图1是显示了根据本发明的一个方面的示范性的气体冷却的夹具的截面图。
图2A是根据本发明的一个方面的图1的示范性的气体冷却的夹具的部分的放大的局部截面图。
图2B是根据本发明的一个方面的图2A的示范性的气体冷却的夹具的部分的放大的局部截面图。
图3是根据本发明的一个方面具有多个突出部分的示范性的夹持板的局部截面图。
图4是根据本发明的一个方面包括多个突出部分的示范性的夹持板的平面图。
图5是显示了根据本发明的一个方面以分子模式和以粘性模式的气体的示范性热传导系数的曲线图。
图6是根据本发明的一个方面包括多个气体分配凹槽的示范性的夹持板的平面图。
图7A是显示了气体分配凹槽的示范性的夹持板的局部截面图。
图7B是根据本发明的一个方面显示了在凹槽深度和突出部分距离之间的示范性关系的示范性的夹持板的简化的局部截面图。
图8A和8B是显示了根据本发明的一个方面通过夹持板和底板的冷却气体的流动的局部截面图。
图9是根据本发明的一个方面的示范性的提升销钉的局部截面图。
图10是根据本发明的一个方面的示范性的温度传感器的局部截面图。
图11A是根据本发明的一个方面的示范性的气体冷却的夹具的系统层面的方块图。
图11B是显示了根据本发明的另一个示范性的方面的图11A的阀门布置的图表。
图12是显示了根据本发明的应用气体冷却的夹具的简化的热处理系统的局部截面图。
图13是显示了根据本发明的用于对半导体基底进行热处理的示范性的方法的流程图。
具体实施方式
本发明有关于包括若干改善快速热处理(RTP)系统的创造性的特点的气体冷却的夹具和相关联的系统和方法。特别地，本发明的气体冷却的夹具增加了例如在峰值退火过程中在达到顶峰温度后使晶片基底快速地并且均匀地冷却的能力。因此，现在参考附图，将描述本发明，贯穿其中使用相似的参考数字指代相似的元件。应该理解的是，对这些方面的描述仅是说明性的，并且不应该以限制的方式采纳它们。在接下来的描述中，出于解释的目的，为了提供对本发明的完全理解，阐明了许多特殊的细节。然而，本领域中的普通技术人员会明白，本发明可以没有这些特殊的细节来实现。
本发明通过在介于晶片和夹具之间的间隙内展示了背侧压力控制的气体冷却的夹具克服了现有技术的挑战。将间隙制造得很小(例如小于大约5微米，像大约1微米或更小)，这使得在间隙内的气体的体积也是小的。小的气体体积提供了快速的响应时间(例如大约10毫秒的水平)，由此允许晶片冷却迅速地启动或停止。例如，通过将压力从大约1托变化到大约100托，可以将热传导系数(HTC)从小于大约2mW/cm2℃控制到大于大约400mW/cm2℃的值。另外，通过构建小的间隙，气体传导不依赖于间隙的距离或尺寸，而主要是依赖于压力，这大致可以使得横过晶片是均匀的。
本发明的图1显示了示范性的气体冷却的夹具100，在其中气体冷却的夹具是可操作的，以支撑存在于其上的基底105并且使之冷却。例如，基底105通常以直径D和顶部表面(第一表面)107为特征，在其中顶部表面具有与其关联的第一表面区域(未显示)。本发明的气体冷却的夹具100包括保护环110，在其中保护环通常以内部直径ID、外部直径OD和顶部表面(第二表面)112为特征，该顶部表面(第二表面)112具有与其关联的第二表面区域(未显示)。保护环110通常是与基底105同轴的。例如，保护环110的内部直径ID通常是大于基底105的直径D的，在其中像在后面将要讨论的那样，保护环是可操作的，以在对基底105进行热处理期间使热边缘效应最小化。应该注意的是，出于简化的原因，宏观显示了图1的气体冷却的夹具100，然而，随后提供了更详细地显示了气体冷却的夹具100的示范性的放大视图的附图(例如图2A、2B和其它图片)。
本发明的图1的气体冷却的夹具100还包括通常是平坦的具有顶部表面(第三表面)117和设置在对侧的底部表面(第四表面)118(例如像还在图2B中显示的那样的第三和第四表面)的夹持板115。例如，夹持板115包括中心部分120、外围部分122和设置在其之间的居间部分124，在其中中心部分与基底105关联，外围部分与保护环110关联，而居间部分与基底和保护环关联。例如，如图2B所示，夹持板115包括三个不接触的部分115A-115C，在其中三个部分分别与夹持板的中心部分120、外围部分122和居间部分124关联。例如，夹持板115的中心部分120、外围部分122和居间部分124在物理上可以是截然不同的，而且在其中通过预定的距离(未显示)使中心部分、外围部分和居间部分彼此分开。
图2A显示了图1的气体冷却的夹具100的部分125的放大的截面图，在其中较详细地显示了本发明的几个示范性的方面。根据本发明的一个示范性的方面，图2A显示了夹持板115的中心部分120、外围部分122和居间部分124，在其中中心部分、外围部分和居间部分在物理上是截然不同的并且是夹持板115单独的部分。根据本发明的另一个示范性的方面，图1的夹持板115还包括支撑板130，在其中支撑板通常以与夹持板115的底部表面118关联的顶部表面(第五表面)132和设置在对侧的底部表面(第六表面)134为特征。例如，支撑板130的顶部表面132通常面对夹持板115的底部表面118，在其中使支撑板130和夹持板彼此热连结。通过钎焊，实现了将支撑板130热连结到夹持板115的底部表面118的一个示范性的方法，在其中使夹持板的底部表面118金属化，然后将夹持板的底部表面118真空钎焊到支撑板的顶部表面132。例如，支撑板130包括像金属那样的提供良好热传导性的材料。示范性的支撑板130金属是铝、铜或其它带有良好热传导性的金属合金。
图2A还显示了支撑板130，在其中夹持板的居间部分124还包括等温垫片135。图2B显示了图2A所示的气体冷却的夹具100的部分125的部分137的进一步放大的截面图，在其中更详细地显示了夹持板115的居间部分124。等温垫片135通常以顶部表面(第七表面)138和设置在对侧的底部表面(第八表面)139为特征，在其中等温垫片的顶部表面是可操作的，以热接触基底105的部分和保护环110的部分。而且，等温垫片是可操作的，以在热处理期间在保护环和基底之间传导热，由此像在下文更详细描述的那样使边缘效应最小化。例如，等温垫片135包括具有类似于基底105的热传导性的热传导性的材料，例如硅(Si)或碳化硅(SiC)。
根据本发明的另一个示范性的方面，像在图3中以局部截面显示的那样，夹持板115包括多个通常从图2B的夹持板的顶部表面117向外延伸出来的突出部分140。多个突出部分140与夹持板115的中心部分120、外围部分122和居间部分124关联。再次参考图3，多个突出部分140通常从夹持板的顶部表面117延伸出了第一距离D1。因此，多个突出部分140通常限定了在其之间的多个凹处145，在其中例如多个突出部分彼此隔开第二距离D2，由此限定了多个凹处的宽度。第二距离D2通常小于基底(未显示)的厚度，由此像在下文更详细讨论的那样，在夹持期间显著减小了基底的机械偏斜。同样，由于在上面所强调的示范性的尺寸限制，使突出部分对晶片表面温度的任何影响最小化。例如，第二距离D2小于大约100微米。
根据本发明的又一个示范性的方面，多个突出部分140包括微机电系统(MEMS)结构。例如，夹持板115包括通常在形成MEMS微结构中使用的像硅或陶瓷材料那样的材料。例如，多个突出部分140还包括在其中使在多个突出部分和基底(未显示)之间的热接触传导性最小化的材料。例如，多个突出部分140包括二氧化硅(SiO2)，在其中二氧化硅的比热是相对小的。
MEMS微结构横过夹持板115顶部表面117通常提供了紧密控制的并且一致的尺寸完整性，在其中多个突出部分140从横过夹持板的第三表面延伸出了通常是一致的第一距离D1。例如，图4A显示了多个包括多个已经在夹持板115的顶部表面117上形成的大致是圆柱形或矩形的岛状物147的突出部分140。多个突出部分140通常接触图1、2A和2B的基底105的底部表面107、保护环110的底部表面112和等温垫片135的底部表面139，由此限定了突出部分接触区域。优选地，突出部分接触区域(未显示)小于基底105的底部表面区域和保护环110的底部表面区域的总和的大约5％。例如，图4的多个岛状物147具有大约10微米或更小的直径，在其中直接穿过岛状物到基底105和保护环110的热传导是充分小的。最优选地，突出部分接触区域(未显示)小于基底105的表面区域和保护环110的表面区域的总和的5％。
虽然将多个从夹持板115的顶部表面117延伸出来的突出部分140显示成是一样形状的并且以规则的方式布置，但也设想了多个突出部分的其它布置，并且将突出部分的任何形状或规则或其它这样可选择的东西设想成落在本发明的范围内。例如，可以通过夹持板115的顶部表面117的预定的粗糙程度限定多个突出部分140，在其中多个突出部分横过夹持板的顶部表面向外延伸出了通常是一致的第一距离D1。再次参考图3，多个突出部分140例如还可以包括像氮化硅(Si3N4)层那样的在其上形成的保护性涂层148。例如，保护性涂层148可以具有低发射率，在其中在对基底加热期间从保护性涂层反射由基底(未显示)朝向夹持板115发射的热。根据另一个例子，保护性涂层148在夹持板115和基底(未显示)之间提供了充分硬的并且是惰性的界面149，在其中保护性涂层通常减小了由夹持引起的污染的可能性。根据又一个例子，保护性涂层148是可操作的，以通常允许基底(未显示)在介于夹持板115和基底之间的界面149上侧向滑动，在其中保护性涂层通常符合多个突出部分140，由此使其的一个或多个尖锐的边缘倒圆。
图4B显示了示范性的突出部分140，在其中保护性涂层148通常已经使一个或多个尖锐的边缘156倒圆，由此限定了突出部分的一个或多个倒圆的边缘157。例如，在基底105相对于夹持板115做热运动(例如热膨胀或热收缩)期间，一个或多个倒圆的边缘157提供了有利的滑动特征。例如，基底105相对于突出部分140的热运动158可以通过突出部分140在基底105上产生力F。力F至少部分地基于突出部分140的几何形状而发生改变。例如像在图3中所显示的那样，尖锐的边缘156更可能产生很大的力F，在其中基底105可能侧向结合在突出部分140的尖锐的边缘上。例如，如果力F超过基底的屈服强度，那么在基底105内可能出现应力破裂，由此导致对基底的潜在污染和/或损害。另一方面，图4B的倒圆的边缘157在基底105上通过在倒圆的边缘之上使力分散而通常限制了力F。在基底105上对力F的限制通常允许基底相对于夹持板115更自由地膨胀或收缩，由此通常限制了在突出部分140上的侧向结合。如图4C所示，根据本发明的另一个示范性的方面，多个突出部分140包括多个低传导性轨道196。例如，多个低传导性轨道196横过夹持板115的顶部表面117径向延伸，并且多个低传导性轨道196是可操作的，以支撑在夹持板115上的基底(未显示)。例如，通过使许多与基底接触的多个突出部分140的边缘197最小化，多个低传导性轨道196通常使刮擦基底(未显示)的可能性最小化。使许多与基底(未显示)接触的边缘197最小化还有利地允许，当在对基底进行热处理期间基底膨胀和收缩的时候，基底(未显示)更容易地相对于多个突出部分140滑动。
根据本发明的另一个示范性的方面，在基底(未显示)和多个突出部分140之间的机械压力至少部分地决定了在基底和夹持板115之间的接触热传导性，在其中在低机械压力情况下接触热传导性通常减小了。而且，在其中多个突出部分140包括多个低传导性轨道196，突出部分接触区域(未显示)优选地大于基底(未显示)的底部表面区域(未显示)的总和的40％。
与图4E协同，可以更充分地理解上面的现象，该图4E显示了接触HTC和晶片应力对于各种接触区域比率的曲线图。例如，在低接触区域比率处(例如大约0.05或更小的AR)，由于在突出部分和晶片之间小的接触区域，接触HTC(曲线图197A)是小的。尽管低接触HTC是想要的(从而使热传导主要通过气体热传导进行)，但对于这样小的区域比率，在晶片上的应力(曲线图197B)是非想要地高的。
当区域接触比率增加的时候(例如所有突出部分的突出接触区域占全部晶片区域较大的比例)，接触HTC开始增加、达到最大值并且再次减少，这反映了由于在突出部分上增加的区域和每单位区域减少的接触压力而发生的折衷。在这个范围内(例如在大约0.05的AR到大约0.3的AR之间)，接触HTC是非想要地高的，这使得由于接触HTC是被动的并且不能像气体传导HTC那样(通过压力变化而关闭)被“关闭”，所以关闭夹具的冷却作用是困难的或不好控制的。然后，在较高的接触区域比率，例如大约0.4或更高的地方，应力是可以忽略的并且接触HTC再次是充分低的，从而使冷却作用的启动/停止主要通过冷却气体背侧压力进行。要注意的是，在上面的例子中，由于建模近似，想要的AR值大约是0.4或更高。然而，由于更详细的测试，已经发现AR值是表面形态的函数并且可以改变。进一步的测试已经发现，接触HTC通常快速地下降，并且发现，想要的AR值大约是0.2或更高。
根据本发明的另一个示范性的方面，图4D显示了示范性的突出部分140，在其中突出部分还包括一个或多个支脚198和一个或多个在其中的空隙199。一个或多个空隙199通过限制用于从基底(未显示)到夹持板115的热传导的路径，通常减少了到夹持板115的热传导路径。像本领域的一个普通技术人员将要理解的那样，通常有利地将经由突出部分的热传导限制为经由一个或多个支脚198的传导。
再次参考图2B，根据本发明的另一个示范性的方面，与夹持板115的中心部分120、外围部分122和居间部分124关联的多个突出部分140是可操作的，以通常维持图3的从夹持板的顶部表面117到基底105的底部表面107和保护环110的底部表面112及等温垫片135的底部表面139的第一距离D1，并且突出部分140还是可操作的，以通常允许气体(未显示)在多个凹处145内流动，在其中气体冷却的夹具是可操作的，以通过以冷却气体(未显示)的自由分子模式的热传导将热从基底和保护环传导到夹持板。例如，为了允许以自由分子模式的热传导，第一距离D1通常在5微米以下。优选地，从夹持板115的顶部表面117分别到基底105和夹持板110的底部表面107和112的第一距离D1大约为1微米或更小。
通常，跨过在两个主体之间的距离的冷却气体的热传导系数(HTC)的行为落在三种模式中的一种内：粘性模式、自由分子模式和转换模式。在粘性模式内，热传导系数(HTC)是间隙距离和冷却气体的热传导性的函数，但通常不依赖于冷却气体的压力(在下文中被称为背侧气体压力)。在自由分子模式内，HTC是背侧气体压力和冷却气体的分子量的函数，但不依赖于间隙距离。大致在小于几微米(例如大约3-5微米)的距离(例如第一距离D1)建立自由分子模式。而且，转换模式以在粘性模式和分子模式之间的平稳插补为特征。
如本发明所限定的那样，经由以自由分子模式的气体的热传导提供了若干独特的优点。例如，通过维持大约为冷却气体的平均自由路径的间隙(例如距离D1)，使横过晶片的冷却大致是对间隙距离不敏感的，取而代之的是，横过晶片的冷却主要是背侧压力的函数，由此使得横过晶片的冷却在空间上是均匀的。另外，由于间隙距离是小的，所以与其关联的体积也是小的，由此允许通过改变背侧压力非常快速地完成对晶片的冷却。这样，本发明允许一旦达到峰值退火温度，就能快速地使晶片冷却。
图5是显示了对于在1和2微米的第一距离D1处的氮气的HTC对背侧气体压力的行为的曲线图。对于在本例子中当第一距离D1为1微米的时候，或当第一距离D1小于冷却气体的平均自由路径(MFP)的时候，在0到大约250托的范围内的气体压力，查看自由分子模式，在该自由分子模式内HTC主要是背侧气体压力的函数。对于大于大约250托的背侧气体压力，或当第一距离D1大于冷却气体的平均自由路径(MFP)的时候(在本图中未显示)，查看粘性模式，在该粘性模式内HTC主要是第一距离D1的函数。在这两个模式之间，查看转换模式。
图5还显示了主要通过调整背侧气体压力对以自由分子模式冷却气体的HTC进行控制，然而，在较高压力情况下第一距离D1仍然对HTC发挥作用。例如，与1微米的第一距离D1相比，对于2微米的第一距离D1，冷却气体的热传导性在大约250-275托处开始从自由分子模式转换到粘性模式。因此，当将压力从大气压改变到大致是真空压力(例如小于20托)的时候，第一距离D1的均匀性仍然是关键所在。然而，通过将压力控制在大致真空和大约250托之间，可以主要通过背侧压力对HTC进行控制，而不依赖于间隙距离的轻微变化。因此，维持了横过晶片的冷却均匀性。
如图6所示，根据本发明的又一个示范性的方面，夹持板115包括一个或多个气体分配凹槽150，在其中气体分配凹槽适于允许冷却气体(未显示)经由其流动，并且在其中可以快速地获得对冷却气体的压力(背侧压力)的调整。如图7A所示，气体分配凹槽150通常延伸了第三距离D3到夹持板115内，在其中每个气体分配凹槽与至少与夹持板的中心部分120关联的图3的多个凹处145中的至少一个交叉。例如，第三距离D3小于大约100微米，在其中在气体分配凹槽150内的冷却气体的流动落在粘性模式内。而且，气体分配凹槽显著较大的第三距离D3(与凹处145相比)通常允许用于从夹持板115抽走冷却气体的快速的响应时间。
气体分配凹槽150还以通常与夹持板115的顶部表面117共平面的宽度W为特征。气体分配凹槽150的宽度W优选地小于100微米或小于存在于夹持板115上的基底105的厚度(未显示)，由于类似于在上面所讨论的那些原因的原因，从而使横过基底底部表面107的热传导大致是均匀的。根据另一个示范性的方面，每个气体分配凹槽150的宽度大约等于第三距离D3。
通过具有充分大的(例如与在突出部分140之间的凹处145相比)气体分配凹槽150，经由其的气体流动处在粘性模式内，对于给定的压力该粘性模式较以自由分子模式的流动速率大大约50倍。经由气体分配凹槽150的冷却气体的快速流动速率有助于用于基底冷却的快速开始。然而，与气体在凹处145内接触到晶片的区域相比，凹槽的总表面区域很小的。在这个方面，没有按比例绘制图7A(但取而代之的是出于说明的目的提供了图7A)，而在凹槽150之间的凹处145的数量是非常大的。例如，对于小于大约1厘米的凹槽距离151，并且对于具有大约10微米或更小的直径的突出部分140，大约有90个或更多的突出部分可以存在于凹槽之间。根据另一个例子，图4D所示的空隙199通常允许冷却气体流经突出部分140，由此还有助于基底(未显示)冷却的快速开始。
因此，提供了多个气体分配凹槽150，在其中多个气体分配凹槽是可操作的，以显著减少用于从夹持板115抽走冷却气体的响应时间。例如，如图6所示，多个气体分配凹槽150通常可以从夹持板115的中心152向外径向发散，在其中多个气体分配凹槽形成图案，从而使在夹持板的顶部表面117上的任何位置距多个气体分配凹槽中的至少一个在大约5毫米内。优选地，在凹槽之间的距离151小于大约1厘米。虽然将多个气体分配凹槽150显示为径向延伸的凹槽，但应该理解的是，可以用多种方式并且以改变的数目使凹槽成形，并且将这样的改变构想成落在本发明的范围内。另外，像在图7B的例子中所显示的那样，凹槽150的深度D3大约与在各种突出部分140之间的距离D2相同。
翻到图8A和8B，显示了经由夹具的冷却气体的流动的例子。例如，图8A和8B的冷却气体153包括一种或多种像氧气、氢气、氦气、氩气和氮气那样的充分具有热传导性的气体，在其中通常将冷却气体供应给像包含图1的气体冷却的夹具100的过程腔室(未显示)那样的环境155。因此，经由气体冷却的夹具100从环境155(例如从过程腔室(未显示)内)抽走冷却气体153，并且将冷却气体153抽出来到适当的泵(未显示)。
根据本发明的另一个示范性的方面，图1的气体冷却的夹具100还包括具有顶部表面(第九表面)162和设置在对侧的底部表面(第十表面)164的底板160，在其中底板的顶部表面通常面对支撑板130的底部表面134。根据本发明的又一个示范性的方面，夹持板115的中心部分120、外围部分122和居间部分124是可操作的，以相对于底板160独立地垂直地平移，从而使夹持板是可操作的，以符合基底105的平整。例如，如图2A所示，使一个或多个o形环165与夹持板115的中心部分120、外围部分122和居间部分124中的每个都关联。一个或多个o形环165还与支撑板130的底部表面134和底板160的顶部表面162关联。例如，一个或多个o形环165通常是顺性的，由此使夹持板115的中心部分120、外围部分122和居间部分124是可操作的，以根据一个或多个o形环165的顺性单独地垂直地平移。像本领域的一个普通技术人员将要理解的那样，允许夹持板115的中心部分120、外围部分122和居间部分124垂直地单独地平移通常允许夹持板以基底105的表面平整(未显示)为基准。
再次参考图1，例如，底板160还包括一个或多个第一流体导管168，在其中一个或多个第一流体导管是可操作的，以通常允许像水那样的冷却的流体(未显示)在底板的底部表面164和支撑板130的底部表面134之间流动。由此，冷却流体(未显示)热连结底板160和支撑板130。例如，底板160还包括像金属那样的提供了良好的热传导性的材料。用于底板160的优选金属包括铝、铜或其它带有良好的热传导性的金属合金。像本领域的一个普通技术人员将要理解的那样，根据本发明的另一个示范性的方面，一个或多个o形165通常使冷却流体(未显示)免于与冷却气体(未显示)接触。
图1还显示了本发明的另一个示范性的方面，在其中气体冷却的夹具100还包括扩散板170。扩散板170包括顶部表面(第十一表面)172和设置在对侧的底部表面(第十二表面)173，在其中扩散板的顶部表面与底板160的底部表面164隔开第四距离D4。例如，扩散板170还包括一个或多个第二流体导管175，在其中一个或多个第二流体导管是可操作的，以通常引导冷却流体(未显示)流向底板160的底部表面164，由此像本领域的一个普通技术人员将要理解的那样，冷却流体(未显示)撞击在其上并且使底板160冷却。
现在再次参考图8A和8B，显示了本发明的另一个示范性的方面，在其中提供了气体导管178，在其中气体导管可操作地连结到多个凹处145中的至少一个。例如，气体导管178连结到像外围气体分配凹槽154那样的气体分配凹槽150中的一个，在其中气体导管可操作地连结到真空泵(未显示)以允许将真空应用到多个凹处145。确定气体导管178的尺寸，从而经由气体导管可以实现高流动速率。例如，图8B显示了可以与夹持板115的中心部分120、外围部分122和居间部分124相互连接的径向气体导管179，在其中冷却气体可以流过支撑板130，并且在其中多个径向气体导管通常允许冷却气体的高流动。
再次参考图1，根据本发明的另一个示范性的方面，可操作地将多个提升销钉180连结到夹持板115，在其中多个提升销钉180是可操作的，以使基底10.5在邻近夹持板115的处理位置181和通常在夹持板115上(例如在夹持板上大约1-2毫米)的加载位置(未显示)之间垂直地平移。例如，可操作地将三个提升销钉180连结到夹持板115，以使基底105在加载位置(未显示)和处理位置181之间平移。图9显示了图1的气体冷却的夹具100的放大部分182，在其中显示了示范性的提升销钉180的局部截面图。例如，多个提升销钉180包括多个气动式销钉184，在其中多个气动式销钉是可操作的，以当在与多个提升销钉180关联的启动器186内产生启动压力(未显示)的时候相对于夹持板115线性平移。例如，销钉184是可操作的，以当放置在加载位置(未显示)内的时候从夹持板115垂直延伸出来，在其中销钉的顶端188是可操作的，以接触并且支撑基底105。销钉184还是可操作的，以像在图1中所显示的那样将基底105放置成与夹持板115的第三表面117接触，在其中销钉184的每个的顶端188都在夹持板115的第三表面117之下平移。
例如，销钉184包括石英、碳化硅或陶瓷材料，在其中使在热处理期间销钉对基底105的污染最小化。而且，销钉184具有通常小的直径(例如1或2毫米)，当销钉处在处理位置内的时候这将显著地限制销钉在气体冷却的夹具100内所占有的体积V1。当在处理位置内的时候使销钉184所占有的体积V1最小化，这是有利的，在其中像本领域的一个普通技术人员将要理解的那样，可以迅速地更改背侧压力。
如图1所示，根据本发明的又一个示范性的方面，气体冷却的夹具100还包括温度传感器190，该温度传感器190是可操作的以测量一个或多个在与基底105关联的位置192处的温度T。图10显示了图1的气体冷却的夹具100的放大部分193，在其中显示了示范性的温度传感器190的局部截面图。例如，温度传感器190包括高温计，在其中高温计经由在夹持板115的第三表面117内的开口194测量基底105的温度T。例如，温度传感器190可以包括具有最小体积的腔隙195的高温计，在其中高温计经由其测量基底105的温度T的开口194是小的。使开口的体积最小化，这是有利的，在其中像本领域的一个普通技术人员将要理解的那样，可以迅速地更改背侧压力。可选择地，温度传感器190可以包括光学高温计，该光学高温计可以进一步利用插到夹持板115内的光纤杆(未显示)，使光纤杆占据最小体积的腔隙。
现在参考图11A，显示了气体冷却的夹具100和相关系统200的方块图，在其中气体冷却的夹具还包括一个或多个阀门205。一个或多个阀门205选择性地允许一个或多个真空泵210以各种方式经由气体冷却的夹具100抽冷却气体215。例如，一个或多个阀门205包括一个或多个像快速动作螺线管阀门或提升阀门那样的自动阀门(例如阀门205A)，在其中在一个例子中，一个或多个自动阀门具有少于大约20毫秒的响应时间。由于可以快速地应用施加到气体冷却的夹具100的真空，所以这样的快速响应时间是有利的。
根据本发明的另一个示范性的方面，用于对气体冷却的夹具进行控制的系统200包括可操作地连结到一个或多个真空泵210A-210B、气体供应装置225和一个或多个阀门205A-205C的控制器220。对应用到气体冷却的夹具100的真空进行控制有利地控制了经由冷却气体的热传导的量。例如，在小于大约250托的低压并且小于大约5微米的间隙距离的地方，HTC主要由压力决定。因此，对背侧压力进行控制的阀门205A允许气体冷却的夹具快速地改变状况(例如改变到冷却状态)。因此，控制器220是可操作的，以像在图11B的图表中所显示的那样通过控制一个或多个自动阀门205对在基底105和气体冷却的夹具100之间的压力进行控制。
本发明也有关于用于热处理半导体基底的方法。尽管在此将示范性的方法显示并且描述成一系列的动作或事件，但将要理解的是，根据本发明，由于一些步骤可以按不同的次序并且/或与除在此所显示并且描述的步骤之外的其它步骤同时地发生，所以本发明不受所显示的这样的动作或事件的次序的限制。另外，对于实施根据本发明的方法，所显示的所有步骤不都是必须的。而且，将要理解的是，方法可以与在此所显示并且描述的系统联合及与其它未显示的系统联合而得以实施。
最初，与图12的示范性的系统400协同，可以讨论本发明的方法300。系统400包括选择性地存在于气体冷却的夹具404上的基底402，该气体冷却的夹具404类似于在此所描述的气体冷却的夹具。基底402也是接近热源406的。在基底402和夹具404之间的距离408是小的(例如大约1微米)，对于适当的压力(例如0.1托＜P＜100托)该距离408允许以自由分子模式的气体传导。在热源406和基底402之间的距离410是相对大的(例如大约1毫米或更大)，并且对基底的加热发生在压力相对较高的情况下(例如大约1大气压)。这样，通过控制背侧压力(像在上面与图11A和11B协同所讨论的那样)，系统400可以按有利的方式快速地从加热转换到冷却。
图13显示了使半导体基底冷却的示范性的方法300。在动作305中，当提升销钉处在加载位置内的时候，将基底放置在多个提升销钉上。例如，当多个销钉处在加载位置内的时候，多个销钉通常从夹持板的表面延伸出来。根据本发明的一个示范性的方面，当保持器处在加载位置内的时候，多个销钉从夹持板的顶部表面延伸出了最小的距离(例如小于1毫米)。然后，在动作310中，使销钉降低，在其中允许基底存在于从夹持板的顶部表面延伸出来的多个突出部分上，并且在其中保护环通常位于围绕在夹持板上的基底的外围。根据本发明的一个示范性的方面，多个突出部分从夹持板的表面延伸出了像小于10微米(例如大约1微米)的距离那样的第一距离。
在动作315中，将真空或非常低的背侧压力(例如大约0.1托)应用到夹持板，在其中得到在基底和保护环和夹持板之间的背侧压力，使得大致将基底和保护环夹到夹持板上。而且，在动作315中应用的真空将冷却气体带到由多个突出部分限定的多个凹处内，在其中使冷却气体通常维持在第一压力。在动作320中，对基底进行加热，在其中来自基底的热不会经由处在第一压力的冷却气体而显著地传导。在动作325中，例如通过在与夹持板关联的支撑板之上流动冷却流体，使夹持板冷却。在动作330中，泵或多个泵通常应用第二背侧压力(例如大约100托)，在其中第二压力通常使冷却气体维持在分子模式内。例如，通过关闭图11A的阀门205A，可以获得这样的压力。在动作335中，通过以分子模式将热传导到夹持板，使基底冷却。
根据本发明的一个示范性的方面，在动作340中，测量了与一个或多个在基底上的位置关联的温度。例如，如果在动作345中做出的判定是过程没有在想要的时间范围内进行冷却，那么可以根据测量的温度更改第二压力。过程延续到动作350，在其中真空停止或另外使真空减弱，在其中解除了真空，由此大致就停止了基底的冷却。方法以动作355结束，在其中使提升销钉升高到加载位置内，在其中将基底从夹持板的第三表面提升起来。
虽然已经就某个优选实施例或某些优选实施例显示并且描述了本发明，但显而易见的的是，对于本领域的其它技术人员，当阅读并且理解说明书和附图时，等效的变更和更改将发生。尤其是就通过在上面所描述的构件(组件、设备、电路等)实现的各种功能而言，用于描述这样的构件的术语(包括对“方式”的指代)旨在对应任何实现所描述的构件的特殊功能的构件(即该构件在功能上是等效的)，即使该构件在结构上与所披露的实现在此所显示的本发明的示范性的实施例中的功能的结构是不等效的，除非该术语另有所指。另外，尽管已经仅就若干实施例中的一个披露了本发明特别的特点，但可以使这样的特点与如对于任何给定的或特殊的应用可能是想要的并且可能是有利的其它实施例的一个或多个其它特点结合。

Claims (33)

1.一种用于使存在于其上的基底冷却的气体冷却的夹具，其包括：
夹持板，其具有多个在其顶部表面上的突出部分并且当基底存在于其上的时候限定多个在其之间的间隙和间隙距离，间隙距离与存在于其中的冷却气体的平均自由路径关联；和
压力控制系统，其是可操作的，以将在多个间隙内的冷却气体的背侧压力控制在第一压力和第二压力之间，在其中冷却气体的热传导系数主要是在第一和第二压力之间的压力的函数。
2.如权利要求1所述的气体冷却的夹具，其中，间隙距离小于或大约等于冷却气体的平均自由路径。
3.如权利要求1所述的气体冷却的夹具，其中，冷却气体的背侧压力维持在预定的范围内，以在基底和夹持板之间经由以自由分子模式的冷却气体产生热传导，在其中冷却气体的热传导系数主要是压力的函数并且大致是不依赖于间隙距离的。
4.如权利要求1所述的气体冷却的夹具，其中，夹持板还包括一个或多个在其顶部表面上形成的气体分配凹槽，并且每个气体分配凹槽都与多个间隙中的一个或多个交叉，一个或多个气体分配凹槽大致是大于间隙的，从而使经由其的冷却气体流以粘性模式发生，由此允许对基底的冷却快速地开始。
5.如权利要求1所述的气体冷却的夹具，其中，多个突出部分的接触区域与晶片表面区域的比率大约是0.2或更大。
6.如权利要求1所述的气体冷却的夹具，其中，多个突出部分包括多个轨道，在其中轨道成形为限定多个经由其的空隙和多个支撑轨道的支脚结构。
7.如权利要求1所述的气体冷却的夹具，其中，夹持板还包括：
基底存在于其上的中心部分；
外围部分；和
设置在中心部分和外围部分之间的居间部分，居间部分与基底的部分关联。
8.如权利要求7所述的气体冷却的夹具，还包括当基底存在于夹持板的中心部分上的时候围绕基底并且通常与基底共平面的保护环，并且保护环位于夹持板的外围部分上，保护环成形为使在基底内由边缘效应引起的热不均匀性最小化。
9.如权利要求8所述的气体冷却的夹具，还包括位于夹持板的居间部分上的等温垫片，该等温垫片是可操作的，以有助于在保护环和基底之间均匀的热传导。
10.如权利要求1所述的气体冷却的夹具，还包括位于夹持板下并且热连结到夹持板的支撑板。
11.如权利要求10所述的气体冷却的夹具，还包括位于支撑板下的底板，在其中底板还包括一个或多个第一流体导管，其是可操作的，以通常允许冷却流体在底板和支撑板之间流动。
12.如权利要求11所述的气体冷却的夹具，还包括位于底板下并且与底板隔开的扩散板，在其中扩散板还包括一个或多个第二流体导管，其是可操作的，以通常引导冷却流体流向底板。
13.如权利要求1所述的气体冷却的夹具，其中，夹持板还包括一个或多个与其面对支撑板的底部表面关联的o形环，在其中o形环是可操作的，以允许夹持板垂直平移。
14.如权利要求7所述的气体冷却的夹具，其中，中心部分、外围部分和居间部分是夹持板的独立的部分，在其中中心部分、外围部分和居间部分是可操作的，以独立地垂直平移。
15.一种用于使在其上的基底选择性地冷却的气体冷却的夹具，其包括：
具有大于基底直径的内侧直径的保护环；
具有用于支撑在其上的基底的顶部表面的夹持板，夹持板还包括：
支撑基底的中心部分；
支撑保护环的外围部分；
设置在中心部分和外围部分之间的居间部分，居间部分支撑基底的外围边缘部分和保护环的内侧直径部分；和
至少与夹持板中心部分的顶部表面关联的多个突出部分，当存在于其上的时候多个突出部分限定了在其之间的多个间隙和间隙距离，间隙距离与存在于其中的冷却气体的平均自由路径关联；和
压力控制系统，其是可操作的，以将在多个间隙内的冷却气体的背侧压力控制在第一压力和第二压力之间，在其中冷却气体的热传导系数主要是在第一和第二压力之间的压力的函数。
16.如权利要求15所述的气体冷却的夹具，其中，间隙距离小于或大约等于冷却气体的平均自由路径。
17.如权利要求15所述的气体冷却的夹具，其中，冷却气体的背侧压力维持在预定的范围内，以在基底和夹持板之间经由以自由分子模式的冷却气体产生热传导，在其中冷却气体的热传导系数主要是压力的函数并且大致是不依赖于间隙距离的。
18.如权利要求15所述的气体冷却的夹具，其中，夹持板还包括一个或多个在其顶部表面上形成的气体分配凹槽，并且每个气体分配凹槽都与多个间隙中的一个或多个交叉，一个或多个气体分配凹槽大致是大于间隙的，从而使经由其的冷却气体流以粘性模式发生，由此允许对基底的冷却快速地开始。
19.如权利要求15所述的气体冷却的夹具，其中，多个突出部分的接触区域与晶片表面区域的比率大约是0.2或更大。
20.如权利要求15所述的气体冷却的夹具，其中，多个突出部分包括多个轨道，在其中轨道成形为限定多个经由其的空隙和多个支撑轨道的支脚结构。
21.如权利要求15所述的气体冷却的夹具，还包括位于夹持板的居间部分上的等温垫片，该等温垫片是可操作的，以有助于在保护环和基底之间均匀的热传导。
22.如权利要求15所述的气体冷却的夹具，还包括位于夹持板下并且热连结到夹持板的支撑板。
23.如权利要求22所述的气体冷却的夹具，还包括位于支撑板下的底板，在其中底板还包括一个或多个第一流体导管，其是可操作的，以通常允许冷却流体在底板和支撑板之间流动。
24.如权利要求23所述的气体冷却的夹具，还包括位于底板下并且与底板隔开的扩散板，在其中扩散板还包括一个或多个第二流体导管，其是可操作的，以通常引导冷却流体流向底板。
25.如权利要求15所述的气体冷却的夹具，其中，夹持板还包括一个或多个与其面对支撑板的底部表面关联的o形环，在其中o形环是可操作的，以允许夹持板垂直平移。
26.如权利要求15所述的气体冷却的夹具，其中，中心部分、外围部分和居间部分是夹持板的独立的部分，在其中中心部分、外围部分和居间部分是可操作的，以独立地垂直平移。
27.如权利要求15所述的气体冷却的夹具，其中，多个突出部分还包括微型机电加工结构的阵列，该微型机电加工结构具有在其上形成的保护层，在其中保护层使与结构关联的拐角倒圆。
28.如权利要求15所述的气体冷却的夹具，还包括流体地连结在压力控制系统和多个间隙中的至少一个之间的气体导管，在其中气体导管是可操作的，以允许在多个间隙内的冷却气体的背侧压力响应于压力控制系统的范围。
29.一种使基底冷却的方法，其包括：
将基底放置在具有与其关联的突出部分的表面上，突出部分限定了在其之间的间隙并且突出部分在基底和表面之间具有与在间隙内的冷却气体的平均自由路径关联的间隙距离；和
对在间隙内的冷却气体的压力进行控制，在其中在间隙内的冷却气体的热传导系数主要是压力的函数并且大致是不依赖于间隙距离的。
30.如权利要求29所述的方法，其中，对压力进行控制包括：
实现在间隙内的冷却气体的第一压力，以实现第一热传导系数；和
实现比在间隙内的第一压力大的冷却气体的第二压力，以实现比第一热传导系数大的第二热传导系数。
31.如权利要求30所述的方法，其中，第一压力大约是0托并且第一热传导系数大约是0，并且在其中第二压力在大约100托到大约250托之间。
32.如权利要求29所述的方法，其中，基底存在于其上的表面还包括一个或多个气体分配凹槽，每个该气体分配凹槽都与多个间隙中的一个或多个交叉，一个或多个气体分配凹槽大致是大于间隙的，从而使经由其的冷却气体流以粘性模式发生，由此允许对基底的冷却快速地开始。
33.如权利要求32所述的方法，其中，对在间隙内的压力进行控制包括使冷却气体通过一个或多个气体分配凹槽流经间隙。
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