CN2842725Y - 用于衬底处理室的热匹配支撑环 - Google Patents

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CN2842725Y CNU2005200010090U CN200520001009U CN2842725Y CN 2842725 Y CN2842725 Y CN 2842725Y CN U2005200010090 U CNU2005200010090 U CN U2005200010090U CN 200520001009 U CN200520001009 U CN 200520001009U CN 2842725 Y CN2842725 Y CN 2842725Y
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阿龙·缪尔·亨特
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孙达拉·拉马穆尔蒂
韦达普伦姆·S·阿楚塔拉曼
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Abstract

一种衬底支撑环包括带，该带具有至少部分围住衬底周边的内周边。该带具有辐射吸收表面。缘从该带的内周边向内沿径向延伸以支撑所述衬底。该带和缘可以由碳化硅形成，并且辐射吸收表面可以是被氧化的碳化硅层。在一种方案中，该带和缘具有组合热质量Tm，辐射吸收表面具有吸收率A和表面面积Sa，以使比值(A×Sa)/Tm为约4×10－5 m2K/J到约9×10－4m2K/J。

Description

用于衬底处理室的热匹配支撑环
技术领域
本实用新型的实施例涉及支撑环，用于支撑处理室中的衬底。
背景技术
在例如半导体晶片和显示器的衬底的处理中，该衬底被放置在处理室中的支撑体上，并且保持处理室处于合适的处理条件下。例如，可以在受控的加热周期中加热衬底，来热处理衬底。例如，可以通过设置在室中衬底上方或下方的一列加热灯加热衬底。例如，热处理可用来退火衬底上已被离子注入的层，在衬底上进行热氧化或氮化工艺，或者进行热化学气相沉积工艺。
但是，衬底上温度变化梯度可能导致对衬底的非均匀处理。例如，由于从衬底与支撑体或其他室部件的接触区域和从衬底未接触支撑体的区域的非均匀对流或导热损失，在不同的衬底区域会出现非均匀温度。当以快速的加热速率加热衬底时，例如在快速热处理(RTP)系统中，衬底上达到温度均匀尤为困难。这样，一般期望在热处理期间保持衬底上均匀的温度，来提供均匀的处理结果。
利用从衬底向外延伸以包围衬底周边的衬底支撑环，衬底上的温度梯度已被减小。该环有效地将衬底上的温度梯度从衬底周边扩大或向外推到该环的外边缘。该支撑体还可以具有由热吸收性能类似于衬底的材料所制得的顶面，以进一步平衡衬底中心和周边之间的温度。例如，均被转让给应用材料的Mayur等人的美国专利No.6,280,183和Jennings的美国专利No.6,200,388中描述了包括涂有硅的碳化硅的支撑环，这里通过引用将二者的全部内容结合于此。
但是，在快速加热速率的工艺中，例如加热速率至少约为200℃/sec的工艺中，甚至这样的支撑环仍不能在衬底上提供足够的温度均匀性。在这些工艺中，支撑环和衬底之间的升温速率的差异产生沿衬底周边的温度梯度，这在加热工艺步骤期间会变得无法接受地高。例如，在快速加热速率的工艺中使用常规的环，可能引起衬底上温度变化至少约15℃，这已太高了。
实用新型内容
因此，本实用新型的目的是提供一种在热处理期间不会在衬底上产生过度温度梯度的支撑环。本实用新型的进一步目的是提供一种以充分接近衬底升温速率的速率升温以减少衬底上温度梯度形成的支撑环。
(e)在一个实施例中，衬底支撑环包括带，该带包括内周边、外周边以及顶面，所述内周边至少部分围住衬底的周边，所述顶面是一辐射吸收表面。该衬底支撑环还包括环状连接侧壁，其从所述带的内周边向下延伸。该衬底支撑环还包括一个缘，其从所述环状连接侧壁向内沿径向延伸，所述缘位于所述带的顶面下方并形成一凹入部分以支撑在所述带的内周边之内的衬底。该衬底支撑环还包括环状支撑侧壁，其从所述带的外周边向下延伸。该带和缘可以由碳化硅形成，例如由碳化硅的烧结组合物形成，并且辐射吸收表面可以是碳化硅的被氧化层。
在支撑环的另一实施例中，该带和缘具有组合热质量Tm，辐射吸收表面具有吸收率A和表面面积Sa，以使比值(A×Sa)/Tm为约4×10-5m2K/J到约9×10-4m2K/J。
在一个实施例中，制得在处理室中用于支撑衬底的衬底支撑环。该衬底具有热质量Tms，顶面具有吸收率AS和表面面积Sas。该衬底具有值为(AS×Sas)/Tms的衬底升温速率。为制备支撑环，形成具有至少部分围住衬底周边的内周边的带。还形成从该带的内周边向内沿径向延伸的缘。该带和缘具有组合热质量Tmr，支撑环升温速率值(Ar×Sar)/Tmr。在该带上还形成辐射吸收表面。该辐射吸收表面具有吸收率Ar和表面面积Sar，以使支撑环升温速率值与衬底升温速率值的比在预定范围内。
根据本实用新型实施例的支撑环在热处理期间不会在衬底上产生过度温度梯度。根据本实用新型的进一步实施例的支撑环，其升温速率充分接近所支撑的衬底的升温速率，从而可以减少衬底上温度梯度的形成。由此，根据本实用新型实施例的支撑环可以在衬底上提供足够的温度均匀性。
附图说明
结合下面说明本实用新型实例的描述、所附权利要求和附图，本实用新型的这些特征、方面和优点将变得更好理解。但是，应该理解到，每个特征可一般地用在本实用新型中，而并不是仅仅用在特定附图的情况下，并且本实用新型包括这些特征的任意组合，其中附图：
图1是衬底支撑环实施例的截面侧视图；
图2是具有支撑环的热处理室实施例的截面侧视图；以及
图3是所测得的经热处理的衬底表面的温度随用于热处理该衬底的支撑环的相对升温速率的增加而变动的范围曲线。
具体实施方式
本实用新型的实施例涉及处理室206中在处理期间支撑衬底104的支撑环102。支撑环102包括在处理期间协同支撑衬底104的外带105和内缘106，如图1所示。带105和缘106可以包括基本为环形的形状。外带105包括内周边107，其至少部分围绕着衬底104的周边103。带105的作用是有效地延长衬底104的加热直径，以减少衬底104中温度梯度的形成。
环102的内缘106从带105的内周边107向内沿径向延伸，来形成支撑衬底104的支撑台。内缘106的衬底支撑表面109在外带105的顶面110的下方，以形成将衬底104容纳在带105的周边107内的凹入部分116。根据衬底104的大小来确定缘106的尺寸，例如，缘106可以在衬底104的下方延伸足够的距离，例如约0.1cm到约0.5cm。在图1所示的方案中，缘106的内周边118限定出开放区域121，其延伸占据衬底104面积的至少约75％。
支撑环102还可以包括环状支撑侧壁112，其将环102支撑在下覆结构上，例如下覆支撑圆柱体209上。在图1和2所示的方案中，支撑侧壁112在带105的外周边114向下延伸，以将102支撑在圆柱体209上。支撑环102还可以包括从带105的内周边107向下延伸的环状连接侧壁122，以连接带105和缘106。或者，缘106可以被直接安装到带105上。
支撑环102包括辐射吸收表面111，其吸收直接到达支撑环102的表面111上的能量。辐射吸收表面111被提供来减小在衬底104的周边103处由环102和衬底104之间的温度差所引起的温度梯度。吸收表面111包括支撑环102的暴露于辐射源210的一部分顶面。例如，吸收表面111可以是带105的顶面110的一部分，并且甚至可以包括带105的整个顶面110。吸收表面111还可以包括内缘表面109在衬底104的周边103与带105的内周边107之间露出的表面部分117。
吸收表面111的性能是相对于支撑环102的热质量(Tm)而选择的，以改进处理。例如，已发现当吸收表面111的吸收率(A)与吸收表面111的表面面积(Sa)的乘积对热质量(Tm)的比值(R)在预定范围内时，可提供良好的加热结果。比值(R)的公式表示在以下方程式(1)中。
1)R＝(A×Sa)/Tm
在一种方案中，比值(R)为约4×10-5m2K/J到约9×10-4m2K/J。例如，对于处理直径约为200mm的衬底104，比值(R)可以为约5.7×10-5m2K/J到约8.8×10-4m2K/J，对于处理直径约为300mm的衬底104，比值(R)可以为约5.2×10-5m2K/J到约8.1×10-4m2K/J。用具有所期望比值的支撑环102处理的衬底表现出衬底104上的温度梯度下降，例如衬底上温度梯度范围小于约2℃，这个范围小到足以通过调制辐射源210进行控制。
为确定支撑环102的比值(R)，要测量支撑环102的吸收表面111的吸收率。该吸收率是入射到表面上的辐射被该表面所吸收、而没被该表面反射或透过该表面的部分所占的分率的度量值。表面的吸收率取决于表面的组成和反射率，这样具有不同组成的表面将通常具有不同的吸收率值。例如，与含有氧化硅的表面相比，含有碳化硅的表面通常吸收不同分率的入射辐射，从而具有不同的吸收率。各种分光光度技术可用来测量吸收率，例如如本领域普通技术人员所已知的局部半球反射率测量、全半球反射率测量、局部半球发射率测量和全半球发射率测量。可以测量对给定波长的入射辐射的吸收率，或者可以测量对例如从约0.2μm到约5μm的一定波长范围上的吸收率。
在一种方案中，通过检测被照射表面的局部半球反射率来测量吸收率，这种反射率是从表面反射的辐射的局部空间平均测量值，在Ikeda转让给Hitachi Kokusai Electric公司的美国专利申请No.2003/0027364中描述了这种测量的实例，通过引用将其内容结合于此。在这种方案中，支撑环102被放置在测量室中，并且辐射指向支撑环102的吸收表面111上。检测从支撑环102或衬底104的表面反射出的辐射的性质。例如，可以检测在一个或多个波长下被反射出的辐射强度，例如在约0.2μm到约5μm波长下的强度。当检测被反射出的辐射时，也可以旋转支撑环102，以提供被反射出的辐射的空间平均测量值。可以使用代表所有方向上从表面111反射出的辐射的空间平均值的全半球反射率测量值，也可以使用仅对一部分被反射出的辐射进行平均的局部半球测量值。例如，在一种方案中，被检测的反射出的辐射是在以与该表面垂直的矢量为中心的90度锥体中从被照射表面反射出的辐射。
根据下面的关系式，由反射率测量可确定吸收率：
2)A+r+t＝1
其中吸收率(A)是被表面吸收的入射辐射分率，反射率(r)是被表面反射出的入射辐射分率，透过率(t)是穿过物体的入射辐射分率，对于支撑环104和衬底102，透过率近似为0。反射率等于(所检测到的从表面反射出的辐射强度)/(入射到该表面的辐射强度)。因此，通过将由检测被反射出的辐射而得到的反射率值代入以上方程(2)，可以确定表面的吸收率。这样，局部半球反射率测量可以确定支撑环102的被照射的吸收表面111的吸收率，由该吸收率可以确定方程(1)中的比值(R)。
方程(1)中支撑环102的热质量Tm是制成物体的材料的热容(C)与环102的质量(m)的乘积，用于给出整个支撑环102的总热容度量值。材料的热容是将单位质量的材料升高单位温度所需的热量。这样，热容是将物体的温度变化与传递给物体或从物体传递出的热量关联起来的比例常数，如方程3所示：
3)q＝mCΔT
其中q是传递给物体或从物体传递出的热量，m是物体的质量，ΔT是由于热量(q)的转移所引起的物体温度的变化。通过查找表或量热测量可确定热容。而且，由于材料的热容可以在一定温度范围内变化，所以方程(1)中所用的热容可以是材料在相关温度范围内的平均热容，所述相关温度范围例如在处理衬底104期间出现的温度范围。在一种方案中，支撑环102的热容是环102在热峰(spike)退火工艺中所用温度范围内的平均热容，例如该温度范围从约100℃到约1350℃，甚至从约550℃到约1050℃。通过称重支撑环102，或者通过确定支撑环102的体积，并将该体积乘以制成支撑环102所用材料的密度，可以确定支撑环102的质量。
辐射源所照射的支撑环表面的表面面积是根据方程(1)确定支撑环102的比值(R)所需的最后一个量。支撑环102的被照射的表面面积是吸收表面111的面积，其可以包括支撑环带105的上表面110的面积，并且还可以包括支撑环缘106上在衬底104的周边103处露出的表面部分117的面积。例如，根据式子(π(R2)2-π(R1)2)可以确定支撑环吸收表面111的表面面积，其中R1是衬底104的半径，R2是带105的外周边114的半径。
在一种方案中，通过选择能给出在预定范围内的比值(R)的支撑环的特性，例如辐射吸收表面111，可以设计具有所期望比值(R)的支撑环102。例如，为提供更高的比值(R)，支撑环102可以制成带有吸收表面111，该吸收表面包括吸收更大分率的入射辐射、具有更高吸收率的材料。还可以提供吸收率更高的涂层。例如通过增加表面的几何尺寸，并且还增加表面粗糙度，也可以增加被辐射表面的表面面积，以提供更大的吸收入射辐射的面积。相反，提供吸收率更低的吸收表面，或者减小被照射的表面会降低支撑环102的比值(R)。在另一种减小支撑环102的比值(R)的方法中，例如通过用热容更高的材料制备支撑环，可以增大支撑环102的热质量。通过增加环102的质量，例如通过增加支撑环102的尺寸或者通过用密度更高的材料制备支撑环102，也可以增加支撑环102的热质量。相反，选择热容更低的支撑环材料，通过减小环102的尺寸来减少支撑环102的质量，或者选择不够致密的环材料，将降低支撑环102的热质量，并增加支撑环102的比值。
在一种方案中，具有所期望比值(R)的支撑环102包括碳化硅材料，其具有包含被氧化的碳化硅的完整表面涂层113。完整表面涂层113与环102形成在两者间没有不连续尖锐晶界的、单一连续的结构，如图1中用虚线示意性表示的。吸收表面111包括完整表面涂层113的上表面的一部分。在一种方案中，完整表面涂层113是通过从下覆环102“生长出”完整表面涂层113而由环102的表面原位形成的。相对于与下覆环结构具有不连续界面的常规涂层(例如热溅射涂层)而言，完整表面涂层113可以更紧密地结合到下覆环材料上。含有被氧化粒种的完整表面涂层113可以具有约1nm到约500nm的厚度。作为实例，被氧化的涂层可以是被氧化的碳化硅层。
在一种方案中，支撑环102包括含有碳化硅和氮的组合物的烧结材料，其具有包含被氧化粒种的表面涂层113。通过混合碳化硅粉末、例如聚酰亚胺树脂或胺类化合物的氮源和辅助烧结剂，可以形成经烧结的碳化硅和氮材料。然后将该混合物置于具有所期望形状的模具中，在惰性氛围中、一定压力下，将其加热至合适的烧结温度，以生成烧结产物，所述烧结温度例如在约300到700Kgf/cm2的压强下从约2,000℃到约2,400℃的烧结温度。各种预处理步骤也可以进行，以去除混合物中的杂质，例如在烧结之前预加热该混合物。经烧结材料的密度期望为约2.5到约3.2g/cm3。期望地，经烧结材料还具有足够高的氮含量，以使该材料对入射辐射基本是不能透过的，例如对在约0.2μm到约5μm范围中的辐射。所期望的氮含量可以至少约是1ppm，例如约1ppm到约150,000ppm。经烧结材料可以被加工成所期望的形状，例如图1中所示的支撑环形状。为形成具有被氧化粒种的完整表面涂层113，可以将该经烧结材料放置在炉中，在含氧环境下对其加热，以氧化材料表面的含硅粒种，从而形成含有被氧化的碳化硅层的完整表面涂层113。例如，可以在含氧气的气氛下将经烧结材料加热到至少约1000℃的温度。
期望地，生产包括经烧结的含氮碳化硅材料、并且具有包含被氧化层的完整表面涂层113的支撑环102，以提供在预定范围中的比值(R)。包括经烧结材料的支撑环102具有吸收表面111，如通过局部半球反射率方法测量的，其吸收率值为约0.1到约1.0，甚至为约0.8到约1，例如约0.94。如在约550℃到约1050℃的温度范围中取平均值，该经烧结材料的热容(C)为约900J/Kg/K到约1300J/Kg/K，例如约1130J/Kg/K。被照射的表面面积(S)为约2×10-3m2到约3×10-2m2，例如约1.4×10-2m2。
支撑环102的尺寸被选择成提供合适的热质量(Tm)。例如，该尺寸被选择成提供约4g到约40g、例如约20g的质量来处理直径为300mm的、衬底吸收率约为0.95的衬底，从而得到约2J/K到约750J/K的热质量(Tm)。例如，对于约2×10-3m2到约3×10-2m2的被照射环表面面积，该热质量可以等于约3J/K到约45J/K，以处理直径约为300mm的、吸收率约为1.0的衬底。作为另一实例，对于约3×10-3m2到约3×10-2m2的被照射环表面面积，该热质量可以等于约30J/K到约450J/K的热质量，以处理直径约为300mm的、吸收率约为0.1的衬底。在一种方案中，支撑环102的热质量为约4J/K到约44J/K，例如约23J/K。该尺寸例如可以通过增加或减少支撑环带105和缘106中一个或多个的厚度来选择。例如，带105的合适厚度(w1)可以是约2.3×10-4m到约2.8×10-4m，例如约2.5×10-4m的厚度相等的厚度，缘106的合适厚度(w2)可以是约1.8×10-4m到约2.3×10-4m，例如约2.0×10-4m的厚度相等的厚度，以处理直径约为300mm的衬底104。带105或缘106的直径、以及支撑侧壁112和连接侧壁122的尺寸也都可以变化，以提供所期望的质量。而且，已发现保持带厚度(w1)与缘厚度(w2)之间的比为约1.14到约1.3，可能是提供支撑环102中良好的质量分布并减小衬底104中的温度梯度所期望的。在一种方案中，选择包括经烧结的含碳化硅和氮的材料、并且具有包含被氧化粒种的完整表面涂层113的支撑环102的特性，以提供约5.2E10-4到约7.6×10-4m2K/J的比值(R)，例如R约为6.4×10-4m2K/J。
据信，比值(R)在预定范围中的支撑环102所得到的衬底处理结果得以改善可能是由于具有该比值的支撑环102与正被处理的衬底104之间的“热匹配”。对于这种“热匹配”的支撑环102，在衬底处理期间，每单位时间支撑环102和衬底104的温度变化量基本相同，从而确保了整个工艺中支撑环102和衬底104的温度基本保持匹配。这种热匹配很重要，因为更热或更冷的支撑环102可能与衬底104的边缘进行热交换，从而沿着衬底104产生温度梯度，这可能会不利地影响处理结果的均一性。对于具有“匹配”升温速率的支撑环102，衬底边缘处的温度梯度效应减小，从而提高了衬底的处理均匀性以及总产率。期望地，支撑环特性被选择成提供在衬底升温速率预定范围内的支撑环102的升温速率，例如支撑环升温速率为衬底升温速率的约105％到约130％。
意外地，已发现通过将支撑环102的比值(R)与衬底104的比值(R)进行比较，可以较好地测量支撑环102和衬底104的相对升温速率。衬底104的比值(R)是根据方程(1)确定的。衬底的比值(R)为(衬底104顶面101的吸收率(A))×(顶面101的表面面积(Sa))/(热质量(Tm))。衬底104的吸收率和热质量可以根据以上为支撑环102所描述的技术来确定，衬底104的表面面积等于π(R1)2，其中R1为衬底104的半径。据信，比值(R)是支撑环102和衬底104的实际升温速率的近似度量值，并且考虑了对环102和衬底104的升温速率有较大影响的因素。这样，支撑环可以被设计成具有相对于要处理的衬底104的良好的相对升温速率。例如，可以提供支撑环102，该环的比值(Rr)在衬底的比值(Rs)的约5％到约30％范围内。而且，因为该比值(R)通常是准确升温速率的近似度量值，所以所期望的支撑环102的升温速率比值(Rr)可以不同于衬底104的升温速率比值(Rs)。在一种方案中，通过求支撑环升温速率比值(Rr)与衬底升温速率比值(Rs)的比，并确定该比率是否在预定范围内，可以确定所期望的支撑环102对衬底104的相对升温速率(Rrs)。例如，所期望的支撑环102相对于衬底104的相对升温速率比(Rrs＝Rr/Rs)可以为约1.05到约1.30，例如约1.10到约1.20，甚至可以为约1.12到约1.15，例如约1.14。
发现将支撑环102的比值Rr和衬底104的比值Rs进行比较，可以较好地估计相对升温速率，这是出乎意料的，因为过去认为为了提供有用的升温速率测量，必须评价衬底、支撑环和室环境之间许多复杂的传热机理，。例如，完整的传热模型不仅要求对本身已非常复杂的、支撑环102与衬底104之间的传导热交换建模，而且要求对支撑环102与室的其他部分(例如下覆支撑圆柱体)之间的传导热交换建模。这种完整的模型将还要求确定衬底或支撑环与周围部件(例如室壁)之间的热耦合程度，甚至要求对发生在衬底和衬底下方开放区域中的反射盘之间的辐射热交换、以及任意其他的热交换源建模。而且，将必须对到室环境的传导热损失建模，而这对于例如图2的热处理室中所用的可旋转支撑体可能是特别难以计算的。但是，尽管传热过程本身较复杂，申请人却已发现为制备热匹配的支撑环102和衬底104起见，将升温速率比值Rr和Rs进行比较，可较好地测量支撑环102对衬底104的相对升温速率，而不需要深入复杂的计算。
具有预定比值(R)的支撑环102可以设置在处理室206中，例如快速热处理室206中，这是图2中所示的实施例。快速热处理室206能够为例如热退火、热清洗、热化学气相沉积、热氧化和热氮化之类的工艺提供加热衬底104的受控热循环，例如在Jennings的美国专利No.6,200,388和Deaton等人的美国专利No.6,048,403中所描述的，这两项专利都被转让给应用材料公司，并且通过引用将它们的全部内容结合于此。处理室206包括围住处理区205的室壁204。带有支撑环102的衬底支撑体208在处理区205中进行处理期间支持衬底104。该衬底支撑体208可以包括可旋转结构，其在处理期间使支撑环102和衬底104旋转。例如，支撑体208可以包括支持环102的石英支撑圆柱体209，通过磁力使该圆柱体悬浮并旋转从而旋转支撑环102，例如在Gregor等人共同转让给应用材料公司的美国专利申请No.2003/0183611中所描述的，并且通过引用将其内容结合于此。支撑体208还可以包括位于衬底104下方的反射盘211，其形成反射腔217。也可以设置一个或多个温度传感器219，例如带有纤维光学探针的高温计，来检测处理期间衬底104的温度。
辐射源210将辐射指向衬底104和支撑环102的表面，并且其可以被设置在衬底104的上方，例如在室206的顶板213中。辐射源210产生其波长能用于加热衬底104和支撑环102的辐射，例如波长为约0.2μm到约5μm的辐射。在一种方案中，辐射源210包括在流体冷却夹套中的钨-卤素灯214的蜂窝状阵列212。该阵列212可以包括一个或多个可被单独调节以控制衬底104上温度的径向加热区。该辐射源210能够快速地加热衬底104以进行热处理，例如速率为约50℃/s到约300℃/s，甚至至少到约为200℃/s。辐射可透过窗218，例如石英窗，方便了辐射从辐射源210向衬底104的转移。
气体供应源221可以将处理气供应到处理区205内，并/或控制处理室中的气氛。气体供应源221包括处理气源和带有流量控制阀的、将气源连接到处理室206的气体入口以将气体供应到室206中的管道。排气装置216控制着处理室206中的气体压强，并将处理气从室206抽出。排气装置216可以包括一个或多个排气口，其接收用过的处理气并将该用过的气体传送到排气管道，作为一个或多个排气泵的进料。排气管道中的节流阀控制着室206中的气体压强。
室206被包括具有指令集的程序代码的控制器300控制着，这些指令集用于操纵室206的部件，以将室维持在适于处理衬底104的条件下。例如，控制器300可以包括衬底定位指令集，用于操纵一个或多个衬底支撑体208和衬底传送体(未示出)，以定位并旋转室206中的衬底104；温度控制指令集，用于操纵辐射源210以控制衬底104的升温，并操纵温度传感器219以监测衬底104的温度；气体流量控制指令集，用于操纵流量控制阀以设定进入室206中的气体流量；和气体压强控制指令集，用于操纵排气节流阀以维持室206中的压强。
                           实例
下面实例证实了具有所期望预定比值(R)的支撑环102的处理性能得以改善。在该实例中，具有不同特性(例如不同组成和尺寸)的支撑环102被用来在热处理室(例如图2中所示的处理室206)中进行的热峰退火工艺中处理衬底。在用支撑环102处理衬底104期间，测量沿每个衬底104的不同半径处的温度。将每个支撑环102的比值(Rr)与每个衬底104的比值(Rs)进行比较，以确定相对升温速率比Rrs＝R环/R衬底。表1给出了对于每个支撑环102获得的结果。
用支撑环102处理的衬底104包括在常规离子注入工艺中被离子注入的、直径为300mm的硅晶片。该衬底包括顶面101，其吸收率为0.67，并且具有单位被照射表面面积的热质量为1715J/Km2。为处理衬底104，进行快速热峰退火工艺，这包括快速地加热衬底104，以对衬底104的离子注入部分进行退火。在该工艺中，每个衬底104被置于处理室206中在以下表1中列出的其中一个支撑环102上。然后，衬底104的温度在温度峰值图(temperature spike)中以约250℃/s的速率上升，直至达到约1050℃的最终温度。
为确定处理期间在每个衬底104的表面101上出现的温度差异，在四点电阻等高图中沿衬底104的表面101测量被退火衬底104的电阻。根据先前确定的处理灵敏度关系，该测量电阻被转换为温度。从每个衬底104的中心100半径为137mm处的平均温度中减去半径为147mm处的平均温度的差值，来确定每个衬底的温度变动范围(ΔT)。表1中报告了所测量的每个衬底的温度变动范围。温度变动范围为正值，表明衬底104的周边103处的温度更高。
在该实例中被测试的支撑环102包括具有不同组成和尺寸的支撑环。支撑环1号包括常规支撑环102，包括基本不含氮的碳化硅材料，其通过化学气相沉积工艺形成，然后被涂覆具有被氧化表面的硅层。支撑环2号包括含氮且涂覆有不带被氧化表面的硅层的碳化硅材料。支撑环3号和9号包括含氮且具有未被氧化表面的烧结碳化硅材料。支撑环4至8号包括含氮且具有含氧化粒种的完整表面涂层113的烧结碳化硅材料。这些支撑环的尺寸彼此不同来提供不同的质量，从而提供不同的升温速率比值(R)。在支撑环5号中，相对于支撑环4号，其尺寸有变化，通过将额外质量均匀地分配到带105和缘106上，从而提供了更均匀的径向尺寸变化。在支撑环6至9号中，相对于支撑环4号，仅通过改变带105的厚度、同时保持缘106的厚度来变化尺寸。
表1列出了每个被测试支撑环的值和结果，包括带105和缘106的厚度、吸收表面111的吸收率(A)、每个支撑环102单位被照射面积的热质量(Tm/Sa)、支撑环102相对于衬底104的相对升温速率(Rrs)和用每个支撑环102处理后测得的衬底104上的温度变动范围。支撑环102和衬底104的吸收率由局部半球反射率测量法确定，每个环的热容是在550℃到1050℃处理范围内所取的平均值。
                                    表1
  支撑环   带厚(mil)   缘厚(mil)   A   Tm/Sa(J/K/m2)   R环/R衬底   ΔT(K)
  1   13+8   10   0.93   2360   1.01   -5.0
  2   13   10   0.79   1756   1.14   -1.2
  3   13   10   0.87   1756   1.27   5.0
  4   13   10   0.94   1756   1.38   8.4
  5   15.8   14   0.94   2068   1.16   1.5
  6   15.7   10   0.94   1967   1.22   7.5
  7   17.1   10   0.94   2083   1.16   6.0
  8   27.8   10   0.94   2846   0.85   -11.6
  9   13.9   10   0.88   1830   1.23   5.1
根据表1，支撑环2号和5号的衬底温度变动范围最小，分别为-1.2K和1.5K。但是，在一般应用中，包括未被氧化硅涂层的支撑环2号由于该涂层的表面将随时间而缓慢氧化，从而改变了环102的吸收率和升温速率，预计无法连续地提供良好的处理结果。这限制了其在无氧化剂工艺中的使用。虽然支撑环4号与支撑环2号的尺寸相同，但环4号的被氧化表面具有更大的吸收率，从而提供更高的相对升温速率，温度变动范围结果也较差。支撑环6至8号没有提供良好的温度变动范围结果，其温度变动范围分别为6、7.5和-11.6K。支撑环5号包括含氮且具有被氧化表面的烧结碳化硅材料，尺寸如所列出的，其提供的相对于衬底104的相对升温速率提供了改善的处理结果，包括衬底104上的温度变动范围减小到仅约为1.5K。
图3示出了随相对升温速率(Rrs＝R环/R衬底)的增加，衬底温度变动范围(ΔT)的曲线，其是利用以上表1的数据而绘制的。这些数据被分成两个独立的数据集绘制。第一数据集由线400表示，包括径向质量分布类似的支撑环102，即质量被相对均匀地分配给支撑环的带105和缘106。第二数据集由线402表示，包括径向分布不够均匀的支撑环102，即质量仅分配给带105。该图示出了在相对升温速率(Rrs)在1.12到约1.15的范围中时，例如约为1.14时，衬底上的温度变动范围近似为0。因此，通过选择相对升温速率在该范围内的环102，支撑环102可以被设计成与衬底104热匹配，并且衬底104中的温度梯度减小。
虽然示出并描述了本实用新型的示例性实施例，但是本领域的普通技术人员可以设计包括本实用新型且仍在本实用新型范围内的其他实施例。例如，除了以上具体提到的材料以外，其他支撑环材料也可用来设计具有所期望相对升温速率的支撑环。而且，针对示例性实施例所示的相对或位置项是可以互换的。因此，所附权利要求不应受限于这里为说明本实用新型而描述的对优选方案、材料或空间布置的描述。

Claims (6)

1.一种用于衬底处理室的热匹配支撑环，其特征是所述环包括：
(a)带，该带包括内周边、外周边以及顶面，所述内周边至少部分围住衬底的周边，所述顶面是一辐射吸收表面；
(b)环状连接侧壁，其从所述带的内周边向下延伸；
(c)缘，其从所述环状连接侧壁向内沿径向延伸，所述缘位于所述带的顶面下方并形成一凹入部分以支撑在所述带的内周边之内的衬底；
(d)环状支撑侧壁，其从所述带的外周边向下延伸；
其中所述带和缘包括碳化硅的烧结组合物，并且
其中所述辐射吸收表面包括被氧化的碳化硅层。
2.如权利要求1所述的环，其特征是所述缘在衬底下方延伸的距离为0.1cm到0.5cm。
3.如权利要求1所述的环，其特征是所述缘形成的凹入部分包括一开放区域，该开放区域延伸占据衬底面积的至少75％。
4.一种用于衬底处理室的热匹配支撑环，其特征是所述环包括：
(a)带，该带包括内周边、外周边以及顶面，所述内周边至少部分围住衬底的周边，所述顶面是一辐射吸收表面；
(b)环状连接侧壁，其从所述带的内周边向下延伸；
(c)缘，其从所述环状连接侧壁向内沿径向延伸，所述缘位于所述带的顶面下方并形成一凹入部分以支撑在所述带的内周边之内的衬底；
(d)环状支撑侧壁，其从所述带的外周边向下延伸；
其中所述带和缘包括组合热质量Tm，并且
其中所述辐射吸收表面包括吸收率A和表面面积Sa，以使比值A×Sa/Tm为4×10-5m2K/J到9×10-4m2K/J。
5.如权利要求4所述的环，其特征是所述缘在衬底下方延伸的距离为0.1cm到0.5cm。
6.如权利要求4所述的环，其特征是所述缘形成的凹入部分包括一开放区域，该开放区域延伸占据衬底面积的至少75％。
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