热处理系统和可成形的垂直腔 【相关申请的交叉引用】
本发明要求在2002年7月15日申请的题为“热处理系统”的序列号为60/396536，和在2002年11月22日申请的题为“热处理系统和使用该系统的方法”的序列号为60/428526的按普通程序授与的美国临时专利的利益和优先权。这里全文引用这两个专利供参考。
【技术领域】
一般来说，本发明涉及热处理物体(例如基片)的系统和方法。更具体地说，本发明涉及热处理、退火和将材料层沉积在半导体晶片或基片上或从半导体晶片或基片上移去材料层的装置和方法。
背景技术
在制造由半导体基片或晶片构成的集成电路(IC)或半导体器件中，通常使用热处理装置。半导体晶片的热处理包括例如热处理、退火、扩散或驱动搀杂物材料，材料层的沉积或生成，和从基片上蚀刻或移去材料。这些处理要求在该处理之前和之中，将晶片加热至高达1300℃和低至300℃的温度，并且将一种或多种流体(例如处理气体或反应物)输送至晶片。另外，这些处理一般要求，尽管处理气体的温度或该气体导入处理腔地速度有变化，在该处理中，该晶片仍保持在一致的温度下。
通常的热处理装置一般包括放置在加热炉中或被加热炉包围的体积庞大的处理腔。要进行热处理的基片密封在该处理腔中，然后利用加热炉将该处理腔加热至进行处理所希望的温度。对于许多过程(例如化学蒸汽沉积(CVD))，首先将该密封的处理腔抽真空，当该处理腔达到所希望的温度后，通入反应或处理气体，以便在该基片上形成或沉积反应物物质。
过去，热处理装置(特别是立式热处理装置)要求将保护加热器(guardheaters)放置在处理晶片产品的处理区上面和下面、靠近该处理腔的侧壁的地方。这种结构是不希望的，因为它需要较大的腔体积，而该体积必需降压，用处理气体或蒸汽充满并再充填或清洗，结果使处理时间增加。另外，由于从加热器对该晶片的观察因数不好(a poor view factory of thewafers from the heaters)，因此这个结构占据大量的空间和动力。
通常的热处理装置的其他问题包括在处理前，提高该处理腔和要处理的晶片的温度需要很多时间，和在处理后降低温度需要时间。另外，通常还需要额外的时间来保证在处理可以开始以前，该处理腔的温度已经一致地稳定在所希望的温度。尽管处理晶片需要的实际时间可能为半小时或更少，但预处理和后处理的时间一般要1～3小时或更长。这样，快速升高和/或降低处理腔的温度至一个均匀的温度所需的时间大大限制了通常的热处理装置的生产率。
提高和降低温度的时间较长的一个基本原因为在通常的热处理装置中，在有效地加热或冷却晶片前，必需加热或冷却的处理腔和/或加热炉的热质量。
一种通常的减小或补偿对通常的热处理装置生产率的这种限制的方法是增加在一次循环或运转中可以处理的晶片数目。同时处理大量的晶片可以通过减小每一个晶片的有效处理时间而增大该装置的有效生产率。然而，如果在处理过程中出现问题，则这种方法也增大了危险的程度。即，比如如果在一次处理循环过程中，设备或处理出现故障，则可能破坏或损坏大量的晶片。这对于尺寸较大的晶片和较复杂的集成电路更是一个问题，因为根据处理阶段的不同，一个晶片可能价值$1000～$10000美元。
这种解决方法的另一个问题是，增加处理腔的尺寸以容纳大量的晶片会增加处理腔热质量的影响，因而降低晶片加热或冷却的速度。另外，处理较大批量的晶片的较大的处理腔导致或产生“第一个进最后一个出”的故障，这时第一个装入腔中的晶片也是最后取出的晶片，这样造成这些晶片较长时间暴露在高温下，降低整批量晶片的均匀性。
上述方法的再一个问题是，在热处理前后许多处理所使用的系统和装置不适合于同时处理大量的晶片。这样，热处理大批量或大量的晶片，在增加热处理装置的生产率的同时，对改善半导体制造设施的总的生产率贡献很少，并且实际上可能降低总的生产率，因为在该热处理装置之前要积存晶片，或者使这些晶片成为在其下游的其他系统和装置的瓶颈。
作为上述该通常的热处理装置的可替代的装置为开发用于晶片的快速热处理的快速热处理(RTP)系统。一般，通常的RTP系统使用高强度的灯，在一个小的、透明的通常为石英制成的处理腔中，有选择地加热一个晶片或少量的晶片。RTP系统可减少或消除处理腔热质量的影响，并且由于该灯具有非常低的热质量，通过瞬时开或关该灯，可以快速地加热或冷却晶片。
然而，通常的RTP系统具有严重的缺点，这些缺点包括该灯的布置。过去，该灯排列成每一个都包括靠近该处理腔的侧壁的大量的灯的区域或灯组。这个结构是有问题的，因为观察因数不好(poor view factory)，为了使这些灯有效工作，它们占据大量的空间和需要大量的电能，而在最新一代半导体处理设备中，所有这些都是非常宝贵的。
通常的RTP系统的另一个问题是，它不能在一批晶片内的多个晶片上和甚至一个晶片上形成均匀的温度分布。这种温度分布不均匀有几个理由：(i)利用一个或多个灯，对一个或多个晶片的观察因数不好；(ii)灯的输出功率变化。
另外，一个灯的输出故障或变化对晶片的温度分布有不利影响。由于这个原因，在大多数以灯为基础的系统中，在处理过程中，要转动一个晶片或多个晶片，以保证由于灯输出的变化造成的温度不均匀性不会转递至晶片。然而，转动晶片所需要的运动零件，尤其是通入处理腔的回转引线，会使系统的成本和复杂性增加，因而降低系统的总的可靠性。
RTP系统的另一个麻烦的地方是保持晶片的外边缘和中心的均匀温度分布。大多数通常的RTP系统没有适当的调节这种形式的温度不均匀性的装置。结果，在晶片表面上产生瞬时的温度波动，除非使用直径比晶片大的黑色的体基座(black body susceptor)，否则这可能形成在高温下晶片内的滑移错位。
通常的以灯为基础的RTP系统还有其他的缺点。例如，除非使用相位角控制，否则没有适当的装置可以提供在瞬态期间过程中(例如灯接通和断开)均匀的功率分布和均匀的温度；而采用相位角控制会产生电气噪声。性能的重复能力也是以灯为基础的系统的一个缺点。因为每一个灯在老化对其性能都不同。更换灯也是成本高和费时间的，特别是当给定的灯系统具有超过180个灯时更是如此。功率需求也可能成本高，因为灯的峰值功率消耗可达大约250kw。
因此，需要在热处理过程中，可快速和均匀地将一批一个或多个基片加热至该批中每一个基片的表面上都达到所希望的温度的装置和方法。
【发明内容】
本发明提供了解决这些和其他问题的方法，并且比先前技术有其他的优点。
本发明提供一种等温加热工件(例如半导体基片或晶片)的装置和方法。可进行诸如退火、扩散或驱动掺杂物材料，材料层的沉积或生长，从晶片上蚀刻或移去材料的处理。
提供一种热处理装置，其可在高温下处理装在一个托架中的基片。该装置包括具有顶壁，侧壁和底壁的一个处理腔，和一个加热源；该加热源具有多个接近该处理壁顶壁、侧壁和底壁的加热元件，可在放置该托架的处理区中形成等温环境，以热处理该基片。根据一个方面，该处理腔的尺寸可选择得能封闭一个大致上不比容纳托架所需的容积大的一个容积，且该处理区大致上在整个处理腔中延伸。优选的该处理腔的尺寸可选择得能封闭一个大致上不比容纳托架所必需的容积的125％大的一个容积。更优选的，该装置还包括一个泵抽系统，以便在达到处理压力前对该处理腔抽真空，另外还包括一个清洗系统，用于在处理完成后回填充处理腔。该处理腔的尺寸应选择成可快速对该处理腔抽真空和快速回填充该处理腔。
根据本发明的另一个方面，该处理腔的底壁包括一个具有至少一个加热元件的可动支座，该可动支座可升降，以便将承载基片的托架插入该处理腔中和从处理腔取出。在一个实施例中，该装置还包括一个可动的热屏蔽件，可以插入支座中的加热元件和托架内所承载的基片之间。该热屏蔽件可将从该支座中的加热元件产生的热能反射回支座，并屏蔽在托架上的基片，不受支座上的加热元件产生的热能的影响。在这个实施例的一种形式中，该装置还包括一个挡板，可以在当该支座在降低位置时，运动至该托架上面位置，将处理腔隔开。该装置还包括一个给处理腔抽真空的泵抽系统，该挡板可与处理腔密封以使得当该支座在降低位置时，该泵抽系统对处理腔抽真空。
在又一个实施例中，该装置还包括一个磁性耦合的重定位系统，它可以在热处理基片的过程中，重新定位托架。更优选的，该磁性耦合的重定位系统为磁性耦合的回转系统，它可在热处理基片过程中，在处理区内转动该托架。
根据本发明的再一个方面，该装置还包括将该托架与处理腔的顶壁和侧壁隔开的一个衬套，和一个分布式或交叉流动喷射系统；该喷射系统用于将流体的流动引导至托架内所承载的每一个基片的表面上。该交叉流动喷射系统一般包括具有多个相对于托架内所承载的基片而布置的喷射口的一个交叉流动喷射器，流体可通过该喷射器送至该多个基片的一面上。相对于托架内所承载的基片而布置的、衬套中的多个排气口使流体在基片的表面上流动。由交叉流动喷射系统引入的流体包括处理气体或蒸汽，和用于清洗或回填充该腔或用于在该腔中冷却基片的惰性清洗气体或蒸汽。
【附图说明】
本发明的这些和不同的其他特点与优点，当阅读以下结合附图的详细说明和所附的权利要求时将会清楚。其中：
图1为根据本发明的一个实施例的，使用通常的向上流结构的具有对容积进行等温控制的带支座的加热器的热处理装置的横截面图；
图2为在图1所示的热处理装置中使用的另一个实施例的底板的透视图；
图3为根据本发明的一个实施例，具有带支座的加热器和热屏蔽件的热处理装置的一部分的横截面图；
图4为根据本发明的一个实施例的图3所示的带支座的加热器和热屏蔽件的示意图；
图5为根据本发明的具有由高吸收能力的材料制成的顶层、和由高反射能力的材料制成的下层的热屏蔽件的一个实施例的示意图；
图6为根据本发明的、具有一个冷却通道的热屏蔽件的另一个实施例的示意图；
图7为根据本发明的热屏蔽件和作动器的透视图；
图8根据本发明的一个实施例，具有挡板的热处理装置的一部分的横截面图；
图9为根据本发明的一实施例的、具有带支座的加热器和磁性耦合的晶片回转系统的一个处理腔的横截面图；
图10为根据本发明的一个实施例，具有交叉流动喷射器系统的热处理装置的横截面图；
图11为根据本发明的一个实施例的，表示喷射器小孔相对于衬套的位置和排气槽相对于晶片的位置的图10所示的热处理装置的一部分的横截面侧视图；
图12为根据本发明的一个实施例，沿图10的A-A线所取的图10所示的热处理装置的一部分的平面图，表示从主要和辅助喷射器的小孔喷射在晶片和排气口的气体流动；
图13为根据本发明的另一个实施例，沿图10的A-A线所取的图10所示的热处理装置的一部分的平面图，表示从主要和辅助喷射器的小孔喷射在晶片和排气口的气体流动；
图14为根据本发明的又一个实施例，沿图10的A-A线所取的图10所示的热处理装置的一部分的平面图，表示从主要和辅助喷射器的小孔喷射在晶片和排气口的气体流动；
图15为根据本发明的再一个实施例，沿图10的A-A线所取的图10所示的热处理装置的一部分的平面图，表示从主要和辅助喷射器的小孔喷射在晶片和排气口的气体流动；
图16为根据本发明的一个实施例的，具有另一种向上流喷射器系统的热处理装置的横截面图；
图17为根据本发明的一个实施例的，具有另一种向下流喷射器系统的热处理装置的横截面图；
图18为表示根据本发明的一个实施例的热处理一批晶片的处理的一个实施例的流程图，其中该批晶片中的每一个晶片都快速和均匀地加热至所希望的温度；和
图19为表示根据本发明的一个实施例的热处理一批晶片的处理的另一个实施例的流程图，其中该批晶片中的每一个晶片都快速和均匀地加热至所希望的温度。
【具体实施方式】
本发明提供了一种处理少量的或小批量的一个或多个工件的装置和方法，该工件例如可为承载在一个托架(例如盒子或蒸发器)上的半导体基片或晶片，这样可减小处理的循环时间和改善处理的均匀性。
这里所用的术语“小批量”是指少于一般批量系统中的几百个晶片的多个晶片，优选的为在1～大约53个半导体晶片范围内，或其中有1～50个半导体晶片为成品晶片，而其余为用于监视目的和作为挡板晶片的非成品晶片。
热处理是指将工件或晶片加热至大约350℃～1300℃范围的所希望温度的处理。半导体晶片的热处理可以包括：掺杂物材料的热处理、退火、扩散或驱动，材料层的沉积或生长(例如化学蒸汽沉积或CVD)和从晶片上蚀刻或移去材料。
现参照图1来说明根据一个实施例的热处理装置。为了清楚起见，省略了许多众所周知的和为本领域技术人员所知的热处理装置的细节。这些细节更详细地在按普通程序授与的美国专利4770590号中说明，这里引用该专利供参考。
图1为热处理一批半导体晶片的一种热处理装置的一实施例的横截面图。如图所示，该热处理装置100通常包括一个容器101和一个热源或加热炉110：该容器101封闭一个容积，形成一个处理腔102；该处理腔具有支承104，可放置一个托架或蒸发器106；一批晶片108则装载在该蒸发器106中；该热源或加热炉具有多个加热元件112-1、112-2和112-3(以后统称为加热元件112)，用于将晶片温度升高至热处理的所希望的温度。该热处理装置100还包括一个或多个光学或电气的温度传感元件(例如电阻温度装置(RTD)或热电偶(T/C))，用于监视在处理腔102内的温度和/或控制加热元件112的工作。在所示的实施例中，温度传感元件为作成一定轮廓形状的T/C114。该T/C114具有多个独立的温度检测节点或用于检测在处理腔102内的多个位置的温度的点(没有示出)。该热处理装置100还可包括一个或多个喷射器116(图中只表示了一个喷射器)，用于将流体(例如气体或蒸汽)引入该处理腔102中，进行晶片108的处理和/或冷却；且该热处理装置还包括一个或多个清洗口或排气口118(图中只表示了一个排气口)，用于引入气体，清洗该处理腔和/或冷却晶片。衬套120增加在要处理晶片的区域或处理区128中的晶片108附近的处理气体或蒸汽的浓度，并可减少由可以在处理腔102的内表面上形成的沉积物剥落或剥离造成的晶片污染。处理气体或蒸汽，通过在该处理腔衬套120中的排气口或槽121，从该处理区排出。
喷射器116的一些其他适合的结构，制造技术和材料，更详细地在按普通程序授与的，正在审查中的、序列号为TBD、题为“回填充半导体晶片处理腔的装置和方法”的PCT专利申请中作了说明。该专利申请在同一天由代理编号FP-71750-PC号提出，这里全文引用供参考。
一般，该容器101由一个密封件(例如o型密封圈)122密封在一个平台或底板124上，以形成处理腔102；该处理腔在热处理过程中，将晶片108完全封闭。选择该处理腔102和该底板124的尺寸，以快速地对该处理腔抽真空，快速加热和快速回填充该处理腔。有利的，该容器101和底板124的尺寸作成使该处理腔102的尺寸大致上包围一个不比容纳承载着晶片108的托架106所需的容积大的一个容积。优选的是，该容器101和底板124的尺寸作成使处理腔102的尺寸为容纳承载着晶片108的托架106所必需的容积的大约125～150％，更优选的是，该处理腔的尺寸不大于容纳该托架和晶体所必需的容积的大约125％，以便减少该腔的容积，有利于泵出和回填充所需要的时间。
利用密封件(例如O型密封圈)、VCR或CF件，密封喷射器116，T/C114和排气口118的孔口。如图1所示，在处理过程中放出或引入的气体或蒸汽，通过在该处理腔102(没有示出)的壁中或底板124的室127中形成的前级管道或排气口126排出。该处理腔102可以在热处理过程中保持在大气压力下，或通过一个泵抽系统(没有示出)，抽真空至低至5mTorr。该泵抽系统包括一个或多个初步泵抽的泵、鼓风机、高真空泵和初步节流前级管道阀(roughing，throttle and foreline valves)。
在图2所示的另一个实施例中，该底板124还包括一个大致上为环形的流动通道129。该通道129可容纳和支承喷射器116。该喷射器116包括一个环131，多个垂直的喷射器管或喷射器116A从该环垂挂下来。如下所述，该喷射器116的尺寸和形状制成可形成向上流动，向下流动或交叉流动的流动模式。该环131和喷射器116A的位置在将气体喷射入在蒸发器106和容器101之间的处理腔102中。另外，该喷射器116A围绕着该环131彼此隔开，以便均匀地将处理气体或蒸汽送入处理腔102中，并可以如需要，在清洗或回填充过程中，用于将清洗气体通入该处理腔中。该底板124的尺寸制成短的圆筒形式，带有向外伸出的上法兰133，侧壁135，和向内伸出的底座137。该上法兰133适于接受和支承该容器101，并容纳一个将该容器与上法兰密封的O型密封圈122。该底座137在该喷射器116的环131被支承处的外面，接受和支承衬套120。
另外，图2所示的底板124上有各种口，包括回填充/清洗气体进入口139、143，用于使冷却流体在底板124中循环的冷却口145、147，和监测在处理腔102内的压力的压力监测口149。处理气体进入口151、161将气体从供给源(没有示出)送至喷射器116。该回填充/清洗口139、143配置在该底板124的侧壁135上，主要用于将气体从排出/清洗气体供给源(没有示出)送至排气口118。质量流量控制器(没有示出)和任何其他适当的流量控制器放置在气体供给源和口139、143、151与161之间的管路上，用以控制流入处理腔102中的气体流量。
容器101和衬套120可由任何金属、陶瓷，能够承受高温和高真空工作的热和机械应力的和能够耐受在处理过程中使用或放出的气体和蒸汽的腐蚀的晶体或玻璃材料制成。优选的，该容器101和衬套120由不传导的半透明的或透明的石英玻璃制成，石英玻璃具有足够的厚度，以承受机械应力和耐受处理副产品的沉积，因而可减少处理环境的潜在污染。更优选的，该容器101和衬套120由减小或消除从处理晶片108的区域或处理区128传导出的热的石英制成。成批的晶片108通过一个负载锁口或负载口(没有示出)送入热处理装置100中，然后通过可与其形成气密密封的处理腔在底板124上的一个入口或孔送入处理腔102中。在图1所示的结构中，处理腔102为一个垂直的反应器，并且该入口使用一个可动的支座130，该支座在处理过程中升高，与在底板124上的一个密封(例如一个o型密封圈132)密封；并且下降使操作者或自动装卸系统(例如蒸发器装卸装置(BHU)，没有示出)将该托架或蒸发器106放置在固定在该支座上的支承104上。
加热元件112包括放置在接近处理腔102的顶部134(元件112-3)，侧面136(元件112-2)和底部138(元件112-1)的元件。有利的，该加热元件112包围该晶片，以便能很好地看见晶片，对在处理晶片108的处理腔中的容积或处理区128进行等温控制。靠近处理腔102底部138的加热元件112-1可以放在支座130中或其上。如果希望的话，还可将另外的加热元件放在底板124中或其上，以补充从加热元件112-1发出的热。
在图1所示的实施例中，靠近处理腔底部的加热元件112-1优选的是放在可动支座130的凹处。该支座130由绝热和电气绝缘材料或绝缘块体140制成，电阻加热元件112-1埋入其中或固定在其上。支座130还包括一个或多个反馈传感器或T/C141，用于控制加热元件112-1。在所示的结构中，T/C141埋入绝缘块体140的中心。
侧面加热元件112-2和顶部加热元件112-3可以围绕容器101，放在绝缘块体110中或其上。优选的，该侧面加热元件112-2和顶部加热元件112-3放在绝缘块体110的凹处。
加热元件112和绝缘块体110与140可以为各种结构，用各种方法制造，并可用各种材料制成。一些适当的结构，制造技术和材料技术上是众所周知的，其他则在题为“从低至高温范围的可变化的加热器元件”的、序列号为TBD的PCT专利申请中作了说明。该专利申请在同一天以代理编号FP-71795-PC号提出，这里全文引入该专利申请供参考。
优选的，为了得到1150℃以下的期望处理温度，靠近处理腔102的底部138的加热元件112-1具有大约0.1～10KW的最大功率输出，其最高的处理温度至少为1150℃。更优选的，这些底部加热元件112-1的功率输出至少大约为3.8KW，最高的处理温度至少为950℃。在一个实施例中，该侧面加热元件112-2功能上则分为多个区，包括最接近该支座130的下部区和上部区，每一个区都可以不同的功率水平和负载循环互相独立地，与顶部加热元件112-3和与底部加热元件112-1独立地工作。
该加热元件112可用任何适当的方式控制，可利用本领域众所周知的控制技术方式控制，或用在题为“前馈温度控制器”的、序列号为TBD的PCT专利申请中所述的控制方法控制。该专利申请在同一天，以代理编号FP-71754-PC号提出，这里全文引入该专利申请供参考。
通过将该加热元件和绝缘块体放在一个倒转的石英坩埚142中，则可以减少(如果不是消除的话)由该绝缘块体140和底部加热元件112-1造成的污染。该石英坩埚可作为加热元件和绝缘块体与处理腔102之间的屏障。该坩埚142还和负载口和BHU环境密封，以进一步减小或消除处理环境的污染。一般，该坩埚142的内部为标准的大气压力，因此，该坩埚142应足够结实，可以承受处理腔102和支座130之间，横跨坩埚142的高达1个大气压的压力差。
当装或卸晶片108时，即当支座130在下降位置(图3)时，给该底部加热元件112-1通电，以保持比所希望的处理温度低的空转温度。例如，对于底部加热元件的理想处理温度为950℃的处理，空转温度可为50～150℃。对于某些处理，可将空转温度设定得较高，(例如希望处理温度较高和/或升高速度较高，或要减少底部加热元件112-1热循环影响的处理)，以延长元件寿命。
为了进一步减少预处理的时间，即准备该热处理装置100进行处理所需的时间，可在推或装的过程中，即当带有装有晶片108的蒸发器106的支座130升高时，可使该底部加热元件112-1升温至所希望的处理温度或在该温度以下。然而，为了减少在晶片108上和热处理装置100的零件上的热应力，优选的，该底部加热元件112-1与分别靠近处理腔102的顶部134和侧面136的加热元件112-3和112-2同时达到所希望的处理温度。因此，对于某些处理(例如，要求所希望的处理温度较高的处理)，可在当装批量中的最后晶片108时，支座130开始升高前，使该底部加热元件112-1的温度开始升高。
同样，在处理后和在拉或卸循环过程中，即当支座128降低时，为了准备冷却晶片108和用BHU卸下晶片，可以减小对底部加热元件112-1的供电，或完全除去电力，以开始使支座130的温度降低至空转温度。
为了在拉或卸循环之前，帮助将支座130冷却至拉的温度，通过该绝缘块体140安装一根空气或惰性清洗气体(例如氮)的清洗管路。优选的，氮通过穿过绝缘块体140中心的一个通道144喷出，并从绝缘块体140的顶部和坩埚142的内部之间流出至坩埚的周边。然后，热的氮通过“高效颗粒空气(HEPA)过滤器”(没有示出)排出至环境中，或至设备的排出口(没有示出)。这种中心喷射的结构可使晶片108的中心较快冷却，因此，对于减小底部晶片或晶片的中心/边缘温度差是理想的，否则晶片会由于晶格结构的滑移错位而损坏。
如上所述，为了增加或延长底部加热元件112-1的寿命，可将空转温度设定得较高，较接近所希望的处理温度，以减少热循环的影响。另外，还希望周期性地在富含氧的环境中烘焙加热元件112-1，以促进保护性氧化物表面涂层的形成。例如，由含铝的合金(例如，Kanthal)制成电阻加热元件时，在富含氧的环境中焙烘加热元件112-1可促使氧化铝表面生长。这样，该绝缘块体140还可包括一条氧管道(没有示出)，以促使在焙烘加热元件112-1过程中，形成保护性氧化物表面涂层。另一种方法是，焙烤用的氧可以通过处理过程中，用于通过一个三通阀供给冷却氮的清洗管道送入。
图3为热处理装置100的一部分的横截面图。图3表示当装或卸晶片108时，即当该支座130在降低位置时的热处理装置100。在这种工作模式中，热处理装置100还包括一个热屏蔽件146，它可以转动或滑动至在该支座130和蒸发器106中的下部晶片108上面的位置。为了改善该热屏蔽件146的性能，一般，在面向加热元件12-1的一侧上，该热屏蔽件是反射性的，而在面向晶片108的一侧上则为吸收性的。该热屏蔽件146的目的包括增加在蒸发器106中的晶片108的冷却速度的降低，和协助保持该支座130和底部加热元件112-1的空转温度，以减少将处理腔102升温至所希望的处理温度所需的时间。现参照图3～6更详细地说明具有一个热屏蔽件的热处理装置的一个实施例。
图3还表示具有支座加热元件112-1和热屏蔽件146的热处理装置100的一个实施例。在所示的实施例中，该热屏蔽件146通过臂148附着在回转轴150上，该回转轴由电气，气动或液压作动器转动，可将该热屏蔽件146在拉或卸循环过程中，转动至在加热的支座130和蒸发器106中最下面的晶片之间的第一个位置；并且，还可恰好在蒸发器106的底部进入腔102之前，移去该热屏蔽件146，或转动至在至少是推或装循环的最后部分或末端过程中、不在该支座和晶片之间的第二个位置。优选的，该回转轴150安装或固定在升高和降低支座130用的机构(没有示出)上，从而在该支座顶部通过该处理腔102时，使该热屏蔽件146转动到位。在装循环过程中，该屏蔽件146在规定位置可使加热元件112-1比其它方式更快速地加热至所期望的温度。同样，在卸的循环过程中，通过反射从该支座加热元件112-1辐射的热，该屏蔽件146可使晶片(特别是更接近该支座的晶片)冷却。
另一种方案是，该回转轴150可安装或固定在热处理装置100的另一部分上，并在轴向与支座130同步运动或只当该支座完全下降时，将该热屏蔽件146转动至规定位置。
图4为图3所示的支座加热元件112-1和热屏蔽件146的示意图。它表示将从底部加热元件散发的热能或热辐射反射回支座130，和吸收从一批或一堆晶片的下部晶片108辐射的热能或热辐射。已经确定，单独或综合使用多种不同的材料(例如，金属、陶瓷、玻璃或聚合物涂层)，可以得到所希望的特性，高的反射率和高的吸收率。作为一个例子，下表列出了各种合适的材料和相应的参数。
表1 材料 吸收率 反射率 不锈钢 0.2 0.8 不传导石英 0.5 0.5 抛光铝 0.03 0.97 碳化硅 0.9 0.1
根据一个实施例，该热屏蔽件146可由一种材料(例如，碳化硅(SiC)、不传导石英或不锈钢)制成，该材料的一个侧表面抛光，而另一个表面划出痕迹、磨损或使其粗糙。使热屏蔽件146的一个表面粗糙可以显著改变其传热性质，特别是其反射率。
在另一个实施例中，该热屏蔽件146可由两个不同的材料层制成。图5为具有由高吸收率的材料(例如SiC或不传导的石英)制成的顶层152和由高反射率的材料或金属(例如抛光的不锈钢或抛光铝)制成的下层154的热屏蔽件146的示意图。虽然所示的是厚度大致相等，但根据热屏蔽件146的具体要求(例如，减少由于热膨胀系数不同造成的层之间的热应力)，顶层152或下层154可以具有相对大的厚度。例如，在某些实施例中，下层154可以为极薄的层或薄膜，它由在构成该顶层152的石英板上沉积，形成或覆盖的抛光的金属薄膜制成。这些材料可以整体构成，或利用通常的装置(例如粘接剂或紧固件)互锁或连接起来。
在又一个实施例中，该热屏蔽件146还包括一个内部冷却通道156，用于进一步使该晶片108与底部加热元件112-1隔绝。在图6所示的这个实施例的一种形式中，冷却通道156在两个不同的材料层152和154之间形成。例如，冷却通道156可以通过铣削或任何其他适当的方法，在高吸收性的不传导石英层152中形成，然后再用金属层154或涂层(例如钛或铝涂层)覆盖。另一种方法是，冷却通道156可以在金属层154或金属层与石英层152二者中形成。
图7为包括热屏蔽件146，臂148，回转轴150和作动器155的一个热屏蔽组件153的一个实施例的透视图。
如图8所示，热处理装置100还包括一个挡板158，它可以转动或滑动或用其他方法运动至该蒸发器106上面的位置，以便当该支座130在完全降低的位置时，使该处理腔102与外面或装载口环境隔开。例如，当该支座130在降低位置时，该挡板158可以滑动至在托架106上面的位置，并升高，以隔开该处理腔102。另一种方案是，当该支座130在降低位置时，可以转动或旋转该挡板158至在该托架106上面的位置，接着升高，以隔开处理腔102。另外，当挡板158旋转至在托架108上面的位置时，可以围绕或相对于螺钉或杆转动该挡板158，以便同时升高该挡板，将处理腔102隔开。
对于在真空下正常工作的处理腔102(例如在CVD系统中)，该挡板158可在底板124上形成一个真空密封，由该处理腔102降压至处理压力或真空。例如，希望在依次的各批晶片之间使处理腔102降压，以减少或消除处理环境污染的潜在危险。优选的，利用一个大直径的密封(例如o型密封圈)来形成真空密封。并且该挡板158包括多个水通道160，以冷却该密封。在图8所示的实施例中，该挡板158利用当该支座130在升高位置时用来密封坩埚142的相同的O型密封圈132密封。
对于处理腔102在大气压力下正常工作的热处理装置130，挡板158简单地为一个绝缘塞，它可减小处理腔底部的热损失。实现这点的一个实施例包括使用不传导的石英板，在该板的下面或内部可以或不包括多个冷却通道。
当该支座130在完全降低的位置时，挡板158运动至在处理腔102下面的位置，然后升高以利用一个或多个电气，液压或气动作动器(没有示出)使处理腔隔开。优选的，该作动器为使用大约15～60磅/平方英寸计量(PSIG)的空气的气动作动器。这种空气通常在热处理装置100中具有，用于使气动阀工作。例如在本实施例的一种形式中，挡板158可以包括具有通过短臂或悬臂梁与其两个侧面连接的多个轮子的板。在工作中，该板或挡板158，在二根平行导轨上，在处理腔102下面滚动至规定位置。导轨上的挡块使该悬臂梁枢转，将挡板158的运动转换为向上方向以密封处理腔102。
如图9所示，热处理装置100还包括一个用磁性耦合的晶片转动系统162。在处理过程中，该晶片转动系统转动支承104和带有支承在其上的晶片108的蒸发器106。在处理过程中转动晶片108，可通过使在加热元件112和处理气体流中的任何不均匀性平均化，形成均匀的晶片上温度和物质反应轮廓(species reaction profile)，而改善晶片内(WIW)的均匀性。一般，该晶片转动系统162可以大约0.1～10转/分(RPM)的速度转动晶片108。
该晶片转动系统162包括一个驱动组件或回转机构164，该机构具有一个回转电机166(例如电机或气动马达)和一个封闭在抗化学腐蚀的容器(例如，退火的聚四氟乙烯或不锈钢制的容器)中的磁体168。位于支座130的绝缘块体140下面的钢环170和带有绝缘块体的驱动轴172，将回转能量传送至位于支座顶部的绝缘块体上面的另一个磁体174。该钢环170，驱动轴172和第二个磁体174也封闭在一个耐化学腐蚀的容器复合体中。位于支座130侧面的磁体174，通过坩埚142与埋入或固定在处理腔102中的支承104上的钢环或磁体176磁性耦合。
通过支座130利用磁性耦合该回转机构164，不需要在将该机构放在处理环境中或不需要机械的引线，从而消除了泄漏和污染的潜在源泉。另外，将该回转机构164放在外面，和离处理腔一定距离，可以减小该机构暴露在其中的最高温度，因此可提高晶片转动系统162的可靠性和工作寿命。
除了上述以外，该晶片转动系统162还可包括一个或多个传感器(没有示出)，以保证蒸发器106的正确位置和在处理腔102中的钢环或磁体176与支座130的磁体174之间的适当的磁性耦合。确定蒸发器106的相对位置的传感器或蒸发器位置验证传感器特别有用。在一个实施例中，该蒸发器位置验证传感器包括在该蒸发器106上的一个传感器突出部分(没有示出)，和位于该底板124下面的一个光学或激光传感器。在工作中，在处理晶片108后，将该支座130降低大约3英寸，至该底板124的下面。此处该晶片转动系统162接受指令，转动该蒸发器106，直至可以看见该蒸发器传感器的突出部分为止。然后，晶片转动系统162操作使蒸发器对准，可以卸下晶片108。在这以后，将该蒸发器降低至装/卸高度。在初始检查后，只可以从标记传感器验证蒸发器的位置。
如图10所示，优选的在热处理装置100中使用改进的喷射器216。该喷射器216为分布式或交叉(X)流动喷射器216-1，其中，处理气体或蒸汽通过晶片108的一个侧面上的喷射器孔或小孔180以层流形式流过晶片的表面，再从相反侧上的处理腔管路120中的排气口或槽182中排出。X-流喷射器216-1通过改善处理气体或蒸汽在早先的向上流或向下流结构上的分布，可以改善一批晶片108内的晶片108至晶片均匀性。
另外，X-流喷射器216还可有其他目的，包括喷射用于在晶片108之间进行强制对流冷却的冷却用气体(例如氦、氮、氢)。不论晶片108放在一堆或一批的底部或顶部，和放置在中间的晶片，与早先的向上流或向下流结构比较，使用X-流喷射器216可使晶片108之间的冷却更均匀。优选的，该喷射器216的小孔180的尺寸、形状和位置能形成喷雾形式，这将促进晶片108之间的强制的对流冷却而不会在晶片上产生大的温度梯度。
图11为图10所示的热处理装置100的一部分的横截面侧视图，它表示喷射器小孔180相对于该腔衬套120的部分，和排气槽182相对于晶片108的部分。
图12为沿着图10的A-A线所取的图10所示的热处理装置100的一部分的平面图，它表示根据一个实施例的从主要和辅助喷射器184、186的小孔180-1和180-2出来的层流气体流，在一个示意的晶片108上流动，并流向排气槽182-1和182-2。应当注意，为了在热处理装置的一个横截面图中表示排气槽和喷射器216-1，图10所示的排气槽182的位置已偏离图12所示的排气槽182-1和182-2的位置。还应注意，为了更清楚地表示气体从喷射器流向排气槽，喷射器184、186和排气槽182-1与182-2相对于晶片108和腔衬套120的尺寸被夸大。
又如图12所示，为了在达到晶片前，使处理气体或蒸汽混合，开始，将处理气体或蒸发引离晶片108和引向衬套120。例如为了形成多成分薄膜或层，小孔180-1和180-2的这种结构对于从主要和辅助喷射器184、186中的每一个引入不同反应物的处理或处方是特别有用的。
图13为沿着图10的A-A线所取的图10所示的热处理装置100的一部分的另一个平面图，它表示根据另一个实施例的从主要和辅助喷射器184、186的小孔180出来，在一个示意的晶片108上至排气槽182的另一条气体流动通道。
图14为沿着图10的A-A线所取的图10所示的热处理装置100的一部分的另一个平面图，它表示根据又一个实施例的从主要和辅助喷射器184、186的小孔180出来，在一个示意的晶片108上至排气槽182的另一条气体流动通道。
图15为沿着图10的A-A线所取的图10所示的热处理装置100的一部分的另一个平面图，它表示根据再一个实施例的从主要和辅助喷射器184、186的小孔180出来，在一个示意的晶片108上至排气槽182的另一条气体流动通道。
图16为根据另一个实施例的具有两个或多个向上流喷射器116-1和116-2的热处理装置100的横截面图。在这个实施例中，从具有相应的在处理腔102下部的输出小孔的处理喷射器116-1和116-2进入的处理气体或蒸汽，向上流动并通过晶片108，用过的气体从衬套120顶部的排气槽182排出。图1中还表示一个向上流动的喷射器系统。
图17为根据另一个实施例的具有向下流喷射器系统的热处理装置100的横截面图。在这个实施例中，从具有在处理腔102上部的相应小孔的处理喷射器116-1和116-2流入的处理气体或蒸汽，向下流动，并通过晶片108，用过的气体从衬套120的下部的排气槽182排出。
有利的，喷射器116、216和/或衬套120可以迅速和容易地与其他喷射器和衬套更换或交换，其具有喷射和从处理区128排出处理气体的不同的点。本领域技术人员知道，通过在处理腔102内，迅速和容易地使流动模式从图10所示的交叉流动形式改变至图1和图16所示的向上流形式，或图17所示的向下流形式，则图10所示的X-流动喷射器216的实施例可增加处理的柔性程度。通过使用容易安装的喷射器组件216和衬套120，将流动的几何形状从交叉流动转换至向上流或向下流，可以做到这点。
喷射器116、216和衬套120可以为分开的零件，或者该喷射器可以与衬套整体作成一个单件。后一个实施例在希望经常改变处理腔102结构的应用场合，是特别有用的。
参照图18来说明热处理装置100的工作方法或过程。图18为表示热处理一批晶片108的方法的步骤的流程图，其中，该批晶片中的每一个晶片可以快速和均匀地加热至所希望的温度。在该方法中，支座130降低，并且当支座130降低时移动热屏蔽件142使得将热从底部加热元件112-1反射回支座130，以保持其温度，并且使处理完毕的晶片108隔绝(步骤190)。另外，使挡板158移动至密封或隔开处理腔102(步骤192)，并将电力加在加热元件112-2、112-3上，开始将处理腔102预热至或保持在一个中间或空转温度上(步骤194)。将装有新晶片108的托架或蒸发器106放置在支座130上(步骤196)。将该支座130升高至该蒸发器在处理区128中，同时移去挡板158和热屏蔽件142，并将底部加热元件112-1升温以使晶片预热至一个中间温度(步骤197)。优选的在蒸发器106放置在处理区128中之前，移去该热屏蔽件142。流体(例如处理气体或蒸汽)通过多个喷射口180送入晶片108的一个侧面上(步骤198)。流体从喷射口180，经过晶片108的表面流至位于相对于喷射口的晶片的相反一侧上的衬套120上的排出口182(步骤199)。另外，可选的，通过该支座将机械能以磁性耦合方式耦合到该托架或蒸发器106，在晶片热处理过程(步骤200)中重定位该托架，可以在热处理一批晶片108过程中，使蒸发器106在处理区128内转动，以进一步提高热处理的均匀性。
现参照图19来说明根据另一个实施例的热处理装置100的工作方法或过程。图19为表示热处理在托架中的一批晶片108的方法的一个实施例的步骤的流程图。在这个方法中，提供一个具有处理腔102的装置100，该处理腔的尺寸和容积大致上不比容纳保持着晶片108的托架106所必需的大(没有保护加热器)。使支座130下降，并且将保持着晶片108的蒸发器106放置在支座上(步骤202)。升高支座130，将蒸发器插入处理腔102中，同时预热晶片108至一个中间温度(步骤204)。将电力加在每一个都靠近处理腔102的顶壁134，侧壁136和底壁138中的至少一个的加热元件112-1、112-2、112-3上，开始加热处理腔(步骤206)。另外，可选的，独立地调节至少一个加热元件上的功率，以便在处理腔102中的处理区128中，形成在所希望温度的大致上等温的环境(步骤208)。当已经热处理了晶片108和保持处理区128的所希望温度时，降低支座130，并将热屏蔽件142运动至隔离加工完的晶片108，并将热从底部加热元件112-1反射回支座130，保持其温度的位置(步骤210)。另外，可选的，将挡板158移动至密封或隔开处理腔102的位置，并将电力加在加热元件112-2、112-3上，以保持处理腔的温度(步骤212)。再从支座130上移去蒸发器106(步骤214)，和将装有新的一批要处理的晶片的另一个蒸发器放置在支座上(步骤216)。重定位或移去挡板158(步骤218)，并抽出或重定位热屏蔽件，以预热在蒸发器106中的晶片108至一个中间温度，同时升高支座130，将蒸发器插入处理腔102中，对新的一批晶片进行热处理(步骤220)。
与通常系统比较，上述的热处理装置100可将处理或循环时间减小大约75％。例如，通常的大批量热处理装置可以在大约232分钟(包括预处理和后处理时间在内)处理100个成品晶片。本发明的热处理装置可在大约58分钟内同样处理小批量的25个成品晶片108。
上述的具体实施例的说明只是为了说明，不是对本发明的限制。考虑到上述说明在本发明的范围内可作许多改造、改进和变化而不是将本发明局限在上述的形式中。本发明的范围由所附的权利要求书及其等价文件确定。