專利名稱：用于快速熱處理的氣體冷卻的夾具的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明總地涉及半導(dǎo)體熱處理系統(tǒng)，并且更具體地涉及用于使基底冷卻的裝置和方法。
背景技術(shù)：
對(duì)于制造現(xiàn)代的微電子設(shè)備，硅晶片的熱處理是重要的?？梢允褂脗鹘y(tǒng)的低溫?zé)崽幚砑夹g(shù)，進(jìn)行這種包括硅化物形成、植入退火、氧化、擴(kuò)散驅(qū)入和化學(xué)汽相沉積(CVD)的過程。相反地，一些摻雜劑的活化過程在大致較高的溫度以相對(duì)短暫的持續(xù)時(shí)間進(jìn)行。這種高溫、短暫持續(xù)的熱過程通常被稱為快速熱過程(RTP)或峰值退火。許多微電子電路需要小于1微米的特征尺寸和小于幾百埃的接合深度。為了限制摻雜劑側(cè)向擴(kuò)散和向下擴(kuò)散及為了在處理期間提供更大程度的控制，所想要的是使高溫處理的持續(xù)時(shí)間最小化。
用于使處理時(shí)間最小化的一種途徑是利用像單一晶片RTP系統(tǒng)那樣的熱處理裝置。半導(dǎo)體晶片的單一晶片快速熱處理提供了用于制作超大規(guī)模集成電路(VLSI)和極大規(guī)模集成電路(ULSI)電子設(shè)備的技術(shù)。然而，要滿足快速熱處理的熱需要是存在若干挑戰(zhàn)的。例如，典型地要求晶片溫度的變化速率是迅速的及在溫度變化期間橫過晶片的溫度是均勻的。
傳統(tǒng)的RTP系統(tǒng)(例如就熱平衡而言或就晶片在大約950℃以上時(shí)花費(fèi)的時(shí)間而言)的一個(gè)顯著的性能局限性是使晶片快速地冷卻。典型地，當(dāng)前的系統(tǒng)幾乎完全依靠輻射冷卻，該輻射冷卻在1000℃時(shí)具有大約僅為22.7mW/cm2℃的最大熱傳導(dǎo)系數(shù)(HTC)。為了改善這種性能，就需要?dú)怏w傳導(dǎo)冷卻。氣體傳導(dǎo)冷卻帶來的挑戰(zhàn)是橫過晶片的冷卻是均勻的。另外，對(duì)于峰值退火，一旦達(dá)到峰值溫度，就需要一個(gè)人非?？焖俚亻_啟冷卻氣體傳導(dǎo)。
這樣，在本領(lǐng)域中就需要在處理期間易于調(diào)整晶片溫度的能力及橫過其提供均勻溫度的能力。

發(fā)明內(nèi)容
為了提供對(duì)本發(fā)明一些方面的基本了解，接下來展現(xiàn)了本發(fā)明的簡(jiǎn)明概要。這份概要并不是本發(fā)明廣泛的總論。它的宗旨既不是標(biāo)識(shí)本發(fā)明的關(guān)鍵所在或重要元件，也不是敘述本發(fā)明的范圍。作為對(duì)稍后展現(xiàn)的更詳細(xì)的描述的序言，它的目的是以簡(jiǎn)化的形式展現(xiàn)本發(fā)明的一些構(gòu)思。
本發(fā)明通過在介于晶片和夾具之間的間隙內(nèi)展示了背側(cè)壓力控制的氣體冷卻的夾具(GCC)克服了現(xiàn)有技術(shù)的挑戰(zhàn)。將間隙制造得很小(例如小于大約1微米)，這使得在間隙內(nèi)的氣體的體積也是小的。小的氣體體積提供了快速的響應(yīng)時(shí)間(例如大約10毫秒的水平)，由此允許晶片冷卻以迅速地啟動(dòng)或停止。例如，通過將壓力從大約1托變化到大約100托，可以將熱傳導(dǎo)系數(shù)(HTC)從小于大約2mW/cm2℃的值控制到大于大約400mW/cm2℃的值。另外，通過構(gòu)建小的間隙，氣體傳導(dǎo)大致是以自由分子模式，在其中熱傳導(dǎo)不依賴于間隙而主要是依賴于壓力，這大致可以使得橫過晶片是均勻的。
除了通過氣體冷卻的夾具提供的快速冷卻外，通過使用氣體傳導(dǎo)的本發(fā)明也可以提高對(duì)熱壁的熱傳導(dǎo)。氣體傳導(dǎo)有助于減小對(duì)由在晶片表面上的設(shè)備結(jié)構(gòu)引起的發(fā)射率變化的敏感性。然而，為了具有顯著的氣體傳導(dǎo)，在熱表面和晶片之間就需要小的間隙(例如小于大約1毫米)。令人遺憾的是，粘性傳導(dǎo)與間隙的倒數(shù)是成比例的，從而使溫度均勻性有賴于橫過晶片維持均勻的間隙。然而，在加熱期間，晶片可能發(fā)生例如0.5毫米或更多的變形和卷曲。通過將晶片夾到夾具表面上，由此在加熱期間確保晶片平整，本發(fā)明解決了這個(gè)問題。
因此，本發(fā)明有利地將背側(cè)自由分子模式氣體傳導(dǎo)的非常迅速的開啟提供給冰冷的卡盤表面。另外，通過構(gòu)建以自由分子模式的傳導(dǎo)，冷卻作用主要是通過壓力進(jìn)行，由此一旦在快速的熱處理中達(dá)到峰值溫度，就能夠使勻變下降的速率是迅速的并且是均勻的。另外，在勻變上升期間，夾持的功能性確保晶片是平整的，由此在熱處理中能夠使溫度的勻變上升是迅速的并且是均勻的。
本發(fā)明有關(guān)于用于以熱的方式使半導(dǎo)體基底冷卻的半導(dǎo)體熱處理裝置和方法。熱處理裝置是可操作的，以有效地夾住基底并且以橫過基底通常是均勻的方式使基底冷卻，由此改善對(duì)過程的控制。根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，披露了提供對(duì)存在于其上的基底的有效并且均勻的夾持和冷卻的氣體冷卻的夾具。例如，氣體冷卻的夾具包括保護(hù)環(huán)和夾持板，在其中夾持板是可操作的，以當(dāng)將真空應(yīng)用到氣體冷卻的夾具的時(shí)候通常支撐并且夾持半導(dǎo)體基底和保護(hù)環(huán)。
在一個(gè)例子中，夾持板包括多個(gè)突出部分，在其中多個(gè)突出部分是可操作的，以維持在基底和保護(hù)環(huán)和夾持板之間的第一距離。例如，多個(gè)突出部分通常限定了在其之間的多個(gè)凹處，在其中冷卻氣體可以流動(dòng)。例如，將冷卻氣體像從過程腔室空氣中那樣從環(huán)境引入到凹處內(nèi)。
根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)示范性的方面，夾持板包括一個(gè)或多個(gè)氣體分配凹槽，在其中一個(gè)或多個(gè)凹槽適于使多個(gè)凹處相互連接，在其中冷卻氣體是可操作的，以更快地流過多個(gè)凹處。例如，確定使基底和保護(hù)環(huán)和夾持板分開的距離的尺寸，從而通常以自由分子模式允許在夾持板和基底和保護(hù)環(huán)之間的熱傳導(dǎo)。然而，凹槽大致是大于間隙的，并且允許氣體以粘性模式流動(dòng)，由此促進(jìn)快速轉(zhuǎn)換到冷卻狀態(tài)。氣體冷卻的夾具還可以包括用于檢測(cè)與基底關(guān)聯(lián)的溫度的溫度傳感器。
根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)示范性的方面，夾持板是可操作的，以漂浮在底板之上，在其中夾持板的平面性以基底的平面性為基準(zhǔn)。例如，夾持板包括中心部分、外圍部分和居間部分，在其中中心部分與基底關(guān)聯(lián)，保護(hù)環(huán)與外圍部分關(guān)聯(lián)，而基底和保護(hù)環(huán)都與居間部分關(guān)聯(lián)。例如，居間部分包括等溫墊片，在其中等溫墊片是可操作的，以在基底和保護(hù)環(huán)之間傳熱，以促進(jìn)在晶片外圍的熱均勻性。
根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)示范性的方面，披露了用于在熱處理系統(tǒng)中使基底冷卻的方法，在其中熱處理系統(tǒng)包括氣體冷卻的夾具。方法包括使基底降低到冷卻位置，在其中將基底通常放置在夾持板上的多個(gè)突出部分上。隨后，通過由多個(gè)突出部分限定的多個(gè)凹處抽真空，在其中將冷卻氣體抽到多個(gè)凹處內(nèi)，并且在其中大致將基底夾到夾持板上。根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)示范性的方面，控制與凹處或間隙關(guān)聯(lián)的背側(cè)壓力，在其中橫過基底表面維持通常是均勻的壓力，并且在其中通過以自由分子模式從基底和保護(hù)環(huán)到夾持板的熱的熱傳導(dǎo)使基底和保護(hù)環(huán)冷卻。
根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)示范性的方面，測(cè)量與基底關(guān)聯(lián)的溫度，并且至少部分地基于測(cè)量的溫度，控制抽到夾持板的多個(gè)凹處內(nèi)的冷卻氣體的壓力，由此可以加強(qiáng)在基底和夾持板之間的以分子模式的熱的熱傳導(dǎo)。
為了實(shí)現(xiàn)前述的和所涉及的目的，本發(fā)明包括在下文中充分描述并且在權(quán)利要求書中特別指出的特點(diǎn)。接下來的描述和附圖詳細(xì)闡明了本發(fā)明的某些說明性的實(shí)施例。然而，這些實(shí)施例所表示的是可以應(yīng)用本發(fā)明的原理的各種形式的一些。當(dāng)與附圖一起考慮的時(shí)候，接下來對(duì)本發(fā)明的詳細(xì)描述使本發(fā)明的其它目的、優(yōu)點(diǎn)和新穎的特點(diǎn)變得清楚。


圖1是顯示了根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面的示范性的氣體冷卻的夾具的截面圖。
圖2A是根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面的圖1的示范性的氣體冷卻的夾具的部分的放大的局部截面圖。
圖2B是根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面的圖2A的示范性的氣體冷卻的夾具的部分的放大的局部截面圖。
圖3是根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面具有多個(gè)突出部分的示范性的夾持板的局部截面圖。
圖4是根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面包括多個(gè)突出部分的示范性的夾持板的平面圖。
圖5是顯示了根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面以分子模式和以粘性模式的氣體的示范性熱傳導(dǎo)系數(shù)的曲線圖。
圖6是根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面包括多個(gè)氣體分配凹槽的示范性的夾持板的平面圖。
圖7A是顯示了氣體分配凹槽的示范性的夾持板的局部截面圖。
圖7B是根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面顯示了在凹槽深度和突出部分距離之間的示范性關(guān)系的示范性的夾持板的簡(jiǎn)化的局部截面圖。
圖8A和8B是顯示了根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面通過夾持板和底板的冷卻氣體的流動(dòng)的局部截面圖。
圖9是根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面的示范性的提升銷釘?shù)木植拷孛鎴D。
圖10是根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面的示范性的溫度傳感器的局部截面圖。
圖11A是根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面的示范性的氣體冷卻的夾具的系統(tǒng)層面的方塊圖。
圖11B是顯示了根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)示范性的方面的圖11A的閥門布置的圖表。
圖12是顯示了根據(jù)本發(fā)明的應(yīng)用氣體冷卻的夾具的簡(jiǎn)化的熱處理系統(tǒng)的局部截面圖。
圖13是顯示了根據(jù)本發(fā)明的用于對(duì)半導(dǎo)體基底進(jìn)行熱處理的示范性的方法的流程圖。
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明有關(guān)于包括若干改善快速熱處理(RTP)系統(tǒng)的創(chuàng)造性的特點(diǎn)的氣體冷卻的夾具和相關(guān)聯(lián)的系統(tǒng)和方法。特別地，本發(fā)明的氣體冷卻的夾具增加了例如在峰值退火過程中在達(dá)到頂峰溫度后使晶片基底快速地并且均勻地冷卻的能力。因此，現(xiàn)在參考附圖，將描述本發(fā)明，貫穿其中使用相似的參考數(shù)字指代相似的元件。應(yīng)該理解的是，對(duì)這些方面的描述僅是說明性的，并且不應(yīng)該以限制的方式采納它們。在接下來的描述中，出于解釋的目的，為了提供對(duì)本發(fā)明的完全理解，闡明了許多特殊的細(xì)節(jié)。然而，本領(lǐng)域中的普通技術(shù)人員會(huì)明白，本發(fā)明可以沒有這些特殊的細(xì)節(jié)來實(shí)現(xiàn)。
本發(fā)明通過在介于晶片和夾具之間的間隙內(nèi)展示了背側(cè)壓力控制的氣體冷卻的夾具克服了現(xiàn)有技術(shù)的挑戰(zhàn)。將間隙制造得很小(例如小于大約5微米，像大約1微米或更小)，這使得在間隙內(nèi)的氣體的體積也是小的。小的氣體體積提供了快速的響應(yīng)時(shí)間(例如大約10毫秒的水平)，由此允許晶片冷卻迅速地啟動(dòng)或停止。例如，通過將壓力從大約1托變化到大約100托，可以將熱傳導(dǎo)系數(shù)(HTC)從小于大約2mW/cm2℃控制到大于大約400mW/cm2℃的值。另外，通過構(gòu)建小的間隙，氣體傳導(dǎo)不依賴于間隙的距離或尺寸，而主要是依賴于壓力，這大致可以使得橫過晶片是均勻的。
本發(fā)明的圖1顯示了示范性的氣體冷卻的夾具100，在其中氣體冷卻的夾具是可操作的，以支撐存在于其上的基底105并且使之冷卻。例如，基底105通常以直徑D和頂部表面(第一表面)107為特征，在其中頂部表面具有與其關(guān)聯(lián)的第一表面區(qū)域(未顯示)。本發(fā)明的氣體冷卻的夾具100包括保護(hù)環(huán)110，在其中保護(hù)環(huán)通常以內(nèi)部直徑ID、外部直徑OD和頂部表面(第二表面)112為特征，該頂部表面(第二表面)112具有與其關(guān)聯(lián)的第二表面區(qū)域(未顯示)。保護(hù)環(huán)110通常是與基底105同軸的。例如，保護(hù)環(huán)110的內(nèi)部直徑ID通常是大于基底105的直徑D的，在其中像在后面將要討論的那樣，保護(hù)環(huán)是可操作的，以在對(duì)基底105進(jìn)行熱處理期間使熱邊緣效應(yīng)最小化。應(yīng)該注意的是，出于簡(jiǎn)化的原因，宏觀顯示了圖1的氣體冷卻的夾具100，然而，隨后提供了更詳細(xì)地顯示了氣體冷卻的夾具100的示范性的放大視圖的附圖(例如圖2A、2B和其它圖片)。
本發(fā)明的圖1的氣體冷卻的夾具100還包括通常是平坦的具有頂部表面(第三表面)117和設(shè)置在對(duì)側(cè)的底部表面(第四表面)118(例如像還在圖2B中顯示的那樣的第三和第四表面)的夾持板115。例如，夾持板115包括中心部分120、外圍部分122和設(shè)置在其之間的居間部分124，在其中中心部分與基底105關(guān)聯(lián)，外圍部分與保護(hù)環(huán)110關(guān)聯(lián)，而居間部分與基底和保護(hù)環(huán)關(guān)聯(lián)。例如，如圖2B所示，夾持板115包括三個(gè)不接觸的部分115A-115C，在其中三個(gè)部分分別與夾持板的中心部分120、外圍部分122和居間部分124關(guān)聯(lián)。例如，夾持板115的中心部分120、外圍部分122和居間部分124在物理上可以是截然不同的，而且在其中通過預(yù)定的距離(未顯示)使中心部分、外圍部分和居間部分彼此分開。
圖2A顯示了圖1的氣體冷卻的夾具100的部分125的放大的截面圖，在其中較詳細(xì)地顯示了本發(fā)明的幾個(gè)示范性的方面。根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)示范性的方面，圖2A顯示了夾持板115的中心部分120、外圍部分122和居間部分124，在其中中心部分、外圍部分和居間部分在物理上是截然不同的并且是夾持板115單獨(dú)的部分。根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)示范性的方面，圖1的夾持板115還包括支撐板130，在其中支撐板通常以與夾持板115的底部表面118關(guān)聯(lián)的頂部表面(第五表面)132和設(shè)置在對(duì)側(cè)的底部表面(第六表面)134為特征。例如，支撐板130的頂部表面132通常面對(duì)夾持板115的底部表面118，在其中使支撐板130和夾持板彼此熱連結(jié)。通過釬焊，實(shí)現(xiàn)了將支撐板130熱連結(jié)到夾持板115的底部表面118的一個(gè)示范性的方法，在其中使夾持板的底部表面118金屬化，然后將夾持板的底部表面118真空釬焊到支撐板的頂部表面132。例如，支撐板130包括像金屬那樣的提供良好熱傳導(dǎo)性的材料。示范性的支撐板130金屬是鋁、銅或其它帶有良好熱傳導(dǎo)性的金屬合金。
圖2A還顯示了支撐板130，在其中夾持板的居間部分124還包括等溫墊片135。圖2B顯示了圖2A所示的氣體冷卻的夾具100的部分125的部分137的進(jìn)一步放大的截面圖，在其中更詳細(xì)地顯示了夾持板115的居間部分124。等溫墊片135通常以頂部表面(第七表面)138和設(shè)置在對(duì)側(cè)的底部表面(第八表面)139為特征，在其中等溫墊片的頂部表面是可操作的，以熱接觸基底105的部分和保護(hù)環(huán)110的部分。而且，等溫墊片是可操作的，以在熱處理期間在保護(hù)環(huán)和基底之間傳導(dǎo)熱，由此像在下文更詳細(xì)描述的那樣使邊緣效應(yīng)最小化。例如，等溫墊片135包括具有類似于基底105的熱傳導(dǎo)性的熱傳導(dǎo)性的材料，例如硅(Si)或碳化硅(SiC)。
根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)示范性的方面，像在圖3中以局部截面顯示的那樣，夾持板115包括多個(gè)通常從圖2B的夾持板的頂部表面117向外延伸出來的突出部分140。多個(gè)突出部分140與夾持板115的中心部分120、外圍部分122和居間部分124關(guān)聯(lián)。再次參考圖3，多個(gè)突出部分140通常從夾持板的頂部表面117延伸出了第一距離D1。因此，多個(gè)突出部分140通常限定了在其之間的多個(gè)凹處145，在其中例如多個(gè)突出部分彼此隔開第二距離D2，由此限定了多個(gè)凹處的寬度。第二距離D2通常小于基底(未顯示)的厚度，由此像在下文更詳細(xì)討論的那樣，在夾持期間顯著減小了基底的機(jī)械偏斜。同樣，由于在上面所強(qiáng)調(diào)的示范性的尺寸限制，使突出部分對(duì)晶片表面溫度的任何影響最小化。例如，第二距離D2小于大約100微米。
根據(jù)本發(fā)明的又一個(gè)示范性的方面，多個(gè)突出部分140包括微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)結(jié)構(gòu)。例如，夾持板115包括通常在形成MEMS微結(jié)構(gòu)中使用的像硅或陶瓷材料那樣的材料。例如，多個(gè)突出部分140還包括在其中使在多個(gè)突出部分和基底(未顯示)之間的熱接觸傳導(dǎo)性最小化的材料。例如，多個(gè)突出部分140包括二氧化硅(SiO2)，在其中二氧化硅的比熱是相對(duì)小的。
MEMS微結(jié)構(gòu)橫過夾持板115頂部表面117通常提供了緊密控制的并且一致的尺寸完整性，在其中多個(gè)突出部分140從橫過夾持板的第三表面延伸出了通常是一致的第一距離D1。例如，圖4A顯示了多個(gè)包括多個(gè)已經(jīng)在夾持板115的頂部表面117上形成的大致是圓柱形或矩形的島狀物147的突出部分140。多個(gè)突出部分140通常接觸圖1、2A和2B的基底105的底部表面107、保護(hù)環(huán)110的底部表面112和等溫墊片135的底部表面139，由此限定了突出部分接觸區(qū)域。優(yōu)選地，突出部分接觸區(qū)域(未顯示)小于基底105的底部表面區(qū)域和保護(hù)環(huán)110的底部表面區(qū)域的總和的大約5％。例如，圖4的多個(gè)島狀物147具有大約10微米或更小的直徑，在其中直接穿過島狀物到基底105和保護(hù)環(huán)110的熱傳導(dǎo)是充分小的。最優(yōu)選地，突出部分接觸區(qū)域(未顯示)小于基底105的表面區(qū)域和保護(hù)環(huán)110的表面區(qū)域的總和的5％。
雖然將多個(gè)從夾持板115的頂部表面117延伸出來的突出部分140顯示成是一樣形狀的并且以規(guī)則的方式布置，但也設(shè)想了多個(gè)突出部分的其它布置，并且將突出部分的任何形狀或規(guī)則或其它這樣可選擇的東西設(shè)想成落在本發(fā)明的范圍內(nèi)。例如，可以通過夾持板115的頂部表面117的預(yù)定的粗糙程度限定多個(gè)突出部分140，在其中多個(gè)突出部分橫過夾持板的頂部表面向外延伸出了通常是一致的第一距離D1。再次參考圖3，多個(gè)突出部分140例如還可以包括像氮化硅(Si3N4)層那樣的在其上形成的保護(hù)性涂層148。例如，保護(hù)性涂層148可以具有低發(fā)射率，在其中在對(duì)基底加熱期間從保護(hù)性涂層反射由基底(未顯示)朝向夾持板115發(fā)射的熱。根據(jù)另一個(gè)例子，保護(hù)性涂層148在夾持板115和基底(未顯示)之間提供了充分硬的并且是惰性的界面149，在其中保護(hù)性涂層通常減小了由夾持引起的污染的可能性。根據(jù)又一個(gè)例子，保護(hù)性涂層148是可操作的，以通常允許基底(未顯示)在介于夾持板115和基底之間的界面149上側(cè)向滑動(dòng)，在其中保護(hù)性涂層通常符合多個(gè)突出部分140，由此使其的一個(gè)或多個(gè)尖銳的邊緣倒圓。
圖4B顯示了示范性的突出部分140，在其中保護(hù)性涂層148通常已經(jīng)使一個(gè)或多個(gè)尖銳的邊緣156倒圓，由此限定了突出部分的一個(gè)或多個(gè)倒圓的邊緣157。例如，在基底105相對(duì)于夾持板115做熱運(yùn)動(dòng)(例如熱膨脹或熱收縮)期間，一個(gè)或多個(gè)倒圓的邊緣157提供了有利的滑動(dòng)特征。例如，基底105相對(duì)于突出部分140的熱運(yùn)動(dòng)158可以通過突出部分140在基底105上產(chǎn)生力F。力F至少部分地基于突出部分140的幾何形狀而發(fā)生改變。例如像在圖3中所顯示的那樣，尖銳的邊緣156更可能產(chǎn)生很大的力F，在其中基底105可能側(cè)向結(jié)合在突出部分140的尖銳的邊緣上。例如，如果力F超過基底的屈服強(qiáng)度，那么在基底105內(nèi)可能出現(xiàn)應(yīng)力破裂，由此導(dǎo)致對(duì)基底的潛在污染和/或損害。另一方面，圖4B的倒圓的邊緣157在基底105上通過在倒圓的邊緣之上使力分散而通常限制了力F。在基底105上對(duì)力F的限制通常允許基底相對(duì)于夾持板115更自由地膨脹或收縮，由此通常限制了在突出部分140上的側(cè)向結(jié)合。如圖4C所示，根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)示范性的方面，多個(gè)突出部分140包括多個(gè)低傳導(dǎo)性軌道196。例如，多個(gè)低傳導(dǎo)性軌道196橫過夾持板115的頂部表面117徑向延伸，并且多個(gè)低傳導(dǎo)性軌道196是可操作的，以支撐在夾持板115上的基底(未顯示)。例如，通過使許多與基底接觸的多個(gè)突出部分140的邊緣197最小化，多個(gè)低傳導(dǎo)性軌道196通常使刮擦基底(未顯示)的可能性最小化。使許多與基底(未顯示)接觸的邊緣197最小化還有利地允許，當(dāng)在對(duì)基底進(jìn)行熱處理期間基底膨脹和收縮的時(shí)候，基底(未顯示)更容易地相對(duì)于多個(gè)突出部分140滑動(dòng)。
根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)示范性的方面，在基底(未顯示)和多個(gè)突出部分140之間的機(jī)械壓力至少部分地決定了在基底和夾持板115之間的接觸熱傳導(dǎo)性，在其中在低機(jī)械壓力情況下接觸熱傳導(dǎo)性通常減小了。而且，在其中多個(gè)突出部分140包括多個(gè)低傳導(dǎo)性軌道196，突出部分接觸區(qū)域(未顯示)優(yōu)選地大于基底(未顯示)的底部表面區(qū)域(未顯示)的總和的40％。
與圖4E協(xié)同，可以更充分地理解上面的現(xiàn)象，該圖4E顯示了接觸HTC和晶片應(yīng)力對(duì)于各種接觸區(qū)域比率的曲線圖。例如，在低接觸區(qū)域比率處(例如大約0.05或更小的AR)，由于在突出部分和晶片之間小的接觸區(qū)域，接觸HTC(曲線圖197A)是小的。盡管低接觸HTC是想要的(從而使熱傳導(dǎo)主要通過氣體熱傳導(dǎo)進(jìn)行)，但對(duì)于這樣小的區(qū)域比率，在晶片上的應(yīng)力(曲線圖197B)是非想要地高的。
當(dāng)區(qū)域接觸比率增加的時(shí)候(例如所有突出部分的突出接觸區(qū)域占全部晶片區(qū)域較大的比例)，接觸HTC開始增加、達(dá)到最大值并且再次減少，這反映了由于在突出部分上增加的區(qū)域和每單位區(qū)域減少的接觸壓力而發(fā)生的折衷。在這個(gè)范圍內(nèi)(例如在大約0.05的AR到大約0.3的AR之間)，接觸HTC是非想要地高的，這使得由于接觸HTC是被動(dòng)的并且不能像氣體傳導(dǎo)HTC那樣(通過壓力變化而關(guān)閉)被“關(guān)閉”，所以關(guān)閉夾具的冷卻作用是困難的或不好控制的。然后，在較高的接觸區(qū)域比率，例如大約0.4或更高的地方，應(yīng)力是可以忽略的并且接觸HTC再次是充分低的，從而使冷卻作用的啟動(dòng)/停止主要通過冷卻氣體背側(cè)壓力進(jìn)行。要注意的是，在上面的例子中，由于建模近似，想要的AR值大約是0.4或更高。然而，由于更詳細(xì)的測(cè)試，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)AR值是表面形態(tài)的函數(shù)并且可以改變。進(jìn)一步的測(cè)試已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，接觸HTC通常快速地下降，并且發(fā)現(xiàn)，想要的AR值大約是0.2或更高。
根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)示范性的方面，圖4D顯示了示范性的突出部分140，在其中突出部分還包括一個(gè)或多個(gè)支腳198和一個(gè)或多個(gè)在其中的空隙199。一個(gè)或多個(gè)空隙199通過限制用于從基底(未顯示)到夾持板115的熱傳導(dǎo)的路徑，通常減少了到夾持板115的熱傳導(dǎo)路徑。像本領(lǐng)域的一個(gè)普通技術(shù)人員將要理解的那樣，通常有利地將經(jīng)由突出部分的熱傳導(dǎo)限制為經(jīng)由一個(gè)或多個(gè)支腳198的傳導(dǎo)。
再次參考圖2B，根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)示范性的方面，與夾持板115的中心部分120、外圍部分122和居間部分124關(guān)聯(lián)的多個(gè)突出部分140是可操作的，以通常維持圖3的從夾持板的頂部表面117到基底105的底部表面107和保護(hù)環(huán)110的底部表面112及等溫墊片135的底部表面139的第一距離D1，并且突出部分140還是可操作的，以通常允許氣體(未顯示)在多個(gè)凹處145內(nèi)流動(dòng)，在其中氣體冷卻的夾具是可操作的，以通過以冷卻氣體(未顯示)的自由分子模式的熱傳導(dǎo)將熱從基底和保護(hù)環(huán)傳導(dǎo)到夾持板。例如，為了允許以自由分子模式的熱傳導(dǎo)，第一距離D1通常在5微米以下。優(yōu)選地，從夾持板115的頂部表面117分別到基底105和夾持板110的底部表面107和112的第一距離D1大約為1微米或更小。
通常，跨過在兩個(gè)主體之間的距離的冷卻氣體的熱傳導(dǎo)系數(shù)(HTC)的行為落在三種模式中的一種內(nèi)粘性模式、自由分子模式和轉(zhuǎn)換模式。在粘性模式內(nèi)，熱傳導(dǎo)系數(shù)(HTC)是間隙距離和冷卻氣體的熱傳導(dǎo)性的函數(shù)，但通常不依賴于冷卻氣體的壓力(在下文中被稱為背側(cè)氣體壓力)。在自由分子模式內(nèi)，HTC是背側(cè)氣體壓力和冷卻氣體的分子量的函數(shù)，但不依賴于間隙距離。大致在小于幾微米(例如大約3-5微米)的距離(例如第一距離D1)建立自由分子模式。而且，轉(zhuǎn)換模式以在粘性模式和分子模式之間的平穩(wěn)插補(bǔ)為特征。
如本發(fā)明所限定的那樣，經(jīng)由以自由分子模式的氣體的熱傳導(dǎo)提供了若干獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)。例如，通過維持大約為冷卻氣體的平均自由路徑的間隙(例如距離D1)，使橫過晶片的冷卻大致是對(duì)間隙距離不敏感的，取而代之的是，橫過晶片的冷卻主要是背側(cè)壓力的函數(shù)，由此使得橫過晶片的冷卻在空間上是均勻的。另外，由于間隙距離是小的，所以與其關(guān)聯(lián)的體積也是小的，由此允許通過改變背側(cè)壓力非?？焖俚赝瓿蓪?duì)晶片的冷卻。這樣，本發(fā)明允許一旦達(dá)到峰值退火溫度，就能快速地使晶片冷卻。
圖5是顯示了對(duì)于在1和2微米的第一距離D1處的氮?dú)獾腍TC對(duì)背側(cè)氣體壓力的行為的曲線圖。對(duì)于在本例子中當(dāng)?shù)谝痪嚯xD1為1微米的時(shí)候，或當(dāng)?shù)谝痪嚯xD1小于冷卻氣體的平均自由路徑(MFP)的時(shí)候，在0到大約250托的范圍內(nèi)的氣體壓力，查看自由分子模式，在該自由分子模式內(nèi)HTC主要是背側(cè)氣體壓力的函數(shù)。對(duì)于大于大約250托的背側(cè)氣體壓力，或當(dāng)?shù)谝痪嚯xD1大于冷卻氣體的平均自由路徑(MFP)的時(shí)候(在本圖中未顯示)，查看粘性模式，在該粘性模式內(nèi)HTC主要是第一距離D1的函數(shù)。在這兩個(gè)模式之間，查看轉(zhuǎn)換模式。
圖5還顯示了主要通過調(diào)整背側(cè)氣體壓力對(duì)以自由分子模式冷卻氣體的HTC進(jìn)行控制，然而，在較高壓力情況下第一距離D1仍然對(duì)HTC發(fā)揮作用。例如，與1微米的第一距離D1相比，對(duì)于2微米的第一距離D1，冷卻氣體的熱傳導(dǎo)性在大約250-275托處開始從自由分子模式轉(zhuǎn)換到粘性模式。因此，當(dāng)將壓力從大氣壓改變到大致是真空壓力(例如小于20托)的時(shí)候，第一距離D1的均勻性仍然是關(guān)鍵所在。然而，通過將壓力控制在大致真空和大約250托之間，可以主要通過背側(cè)壓力對(duì)HTC進(jìn)行控制，而不依賴于間隙距離的輕微變化。因此，維持了橫過晶片的冷卻均勻性。
如圖6所示，根據(jù)本發(fā)明的又一個(gè)示范性的方面，夾持板115包括一個(gè)或多個(gè)氣體分配凹槽150，在其中氣體分配凹槽適于允許冷卻氣體(未顯示)經(jīng)由其流動(dòng)，并且在其中可以快速地獲得對(duì)冷卻氣體的壓力(背側(cè)壓力)的調(diào)整。如圖7A所示，氣體分配凹槽150通常延伸了第三距離D3到夾持板115內(nèi)，在其中每個(gè)氣體分配凹槽與至少與夾持板的中心部分120關(guān)聯(lián)的圖3的多個(gè)凹處145中的至少一個(gè)交叉。例如，第三距離D3小于大約100微米，在其中在氣體分配凹槽150內(nèi)的冷卻氣體的流動(dòng)落在粘性模式內(nèi)。而且，氣體分配凹槽顯著較大的第三距離D3(與凹處145相比)通常允許用于從夾持板115抽走冷卻氣體的快速的響應(yīng)時(shí)間。
氣體分配凹槽150還以通常與夾持板115的頂部表面117共平面的寬度W為特征。氣體分配凹槽150的寬度W優(yōu)選地小于100微米或小于存在于夾持板115上的基底105的厚度(未顯示)，由于類似于在上面所討論的那些原因的原因，從而使橫過基底底部表面107的熱傳導(dǎo)大致是均勻的。根據(jù)另一個(gè)示范性的方面，每個(gè)氣體分配凹槽150的寬度大約等于第三距離D3。
通過具有充分大的(例如與在突出部分140之間的凹處145相比)氣體分配凹槽150，經(jīng)由其的氣體流動(dòng)處在粘性模式內(nèi)，對(duì)于給定的壓力該粘性模式較以自由分子模式的流動(dòng)速率大大約50倍。經(jīng)由氣體分配凹槽150的冷卻氣體的快速流動(dòng)速率有助于用于基底冷卻的快速開始。然而，與氣體在凹處145內(nèi)接觸到晶片的區(qū)域相比，凹槽的總表面區(qū)域很小的。在這個(gè)方面，沒有按比例繪制圖7A(但取而代之的是出于說明的目的提供了圖7A)，而在凹槽150之間的凹處145的數(shù)量是非常大的。例如，對(duì)于小于大約1厘米的凹槽距離151，并且對(duì)于具有大約10微米或更小的直徑的突出部分140，大約有90個(gè)或更多的突出部分可以存在于凹槽之間。根據(jù)另一個(gè)例子，圖4D所示的空隙199通常允許冷卻氣體流經(jīng)突出部分140，由此還有助于基底(未顯示)冷卻的快速開始。
因此，提供了多個(gè)氣體分配凹槽150，在其中多個(gè)氣體分配凹槽是可操作的，以顯著減少用于從夾持板115抽走冷卻氣體的響應(yīng)時(shí)間。例如，如圖6所示，多個(gè)氣體分配凹槽150通?？梢詮膴A持板115的中心152向外徑向發(fā)散，在其中多個(gè)氣體分配凹槽形成圖案，從而使在夾持板的頂部表面117上的任何位置距多個(gè)氣體分配凹槽中的至少一個(gè)在大約5毫米內(nèi)。優(yōu)選地，在凹槽之間的距離151小于大約1厘米。雖然將多個(gè)氣體分配凹槽150顯示為徑向延伸的凹槽，但應(yīng)該理解的是，可以用多種方式并且以改變的數(shù)目使凹槽成形，并且將這樣的改變構(gòu)想成落在本發(fā)明的范圍內(nèi)。另外，像在圖7B的例子中所顯示的那樣，凹槽150的深度D3大約與在各種突出部分140之間的距離D2相同。
翻到圖8A和8B，顯示了經(jīng)由夾具的冷卻氣體的流動(dòng)的例子。例如，圖8A和8B的冷卻氣體153包括一種或多種像氧氣、氫氣、氦氣、氬氣和氮?dú)饽菢拥某浞志哂袩醾鲗?dǎo)性的氣體，在其中通常將冷卻氣體供應(yīng)給像包含圖1的氣體冷卻的夾具100的過程腔室(未顯示)那樣的環(huán)境155。因此，經(jīng)由氣體冷卻的夾具100從環(huán)境155(例如從過程腔室(未顯示)內(nèi))抽走冷卻氣體153，并且將冷卻氣體153抽出來到適當(dāng)?shù)谋?未顯示)。
根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)示范性的方面，圖1的氣體冷卻的夾具100還包括具有頂部表面(第九表面)162和設(shè)置在對(duì)側(cè)的底部表面(第十表面)164的底板160，在其中底板的頂部表面通常面對(duì)支撐板130的底部表面134。根據(jù)本發(fā)明的又一個(gè)示范性的方面，夾持板115的中心部分120、外圍部分122和居間部分124是可操作的，以相對(duì)于底板160獨(dú)立地垂直地平移，從而使夾持板是可操作的，以符合基底105的平整。例如，如圖2A所示，使一個(gè)或多個(gè)o形環(huán)165與夾持板115的中心部分120、外圍部分122和居間部分124中的每個(gè)都關(guān)聯(lián)。一個(gè)或多個(gè)o形環(huán)165還與支撐板130的底部表面134和底板160的頂部表面162關(guān)聯(lián)。例如，一個(gè)或多個(gè)o形環(huán)165通常是順性的，由此使夾持板115的中心部分120、外圍部分122和居間部分124是可操作的，以根據(jù)一個(gè)或多個(gè)o形環(huán)165的順性單獨(dú)地垂直地平移。像本領(lǐng)域的一個(gè)普通技術(shù)人員將要理解的那樣，允許夾持板115的中心部分120、外圍部分122和居間部分124垂直地單獨(dú)地平移通常允許夾持板以基底105的表面平整(未顯示)為基準(zhǔn)。
再次參考圖1，例如，底板160還包括一個(gè)或多個(gè)第一流體導(dǎo)管168，在其中一個(gè)或多個(gè)第一流體導(dǎo)管是可操作的，以通常允許像水那樣的冷卻的流體(未顯示)在底板的底部表面164和支撐板130的底部表面134之間流動(dòng)。由此，冷卻流體(未顯示)熱連結(jié)底板160和支撐板130。例如，底板160還包括像金屬那樣的提供了良好的熱傳導(dǎo)性的材料。用于底板160的優(yōu)選金屬包括鋁、銅或其它帶有良好的熱傳導(dǎo)性的金屬合金。像本領(lǐng)域的一個(gè)普通技術(shù)人員將要理解的那樣，根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)示范性的方面，一個(gè)或多個(gè)o形165通常使冷卻流體(未顯示)免于與冷卻氣體(未顯示)接觸。
圖1還顯示了本發(fā)明的另一個(gè)示范性的方面，在其中氣體冷卻的夾具100還包括擴(kuò)散板170。擴(kuò)散板170包括頂部表面(第十一表面)172和設(shè)置在對(duì)側(cè)的底部表面(第十二表面)173，在其中擴(kuò)散板的頂部表面與底板160的底部表面164隔開第四距離D4。例如，擴(kuò)散板170還包括一個(gè)或多個(gè)第二流體導(dǎo)管175，在其中一個(gè)或多個(gè)第二流體導(dǎo)管是可操作的，以通常引導(dǎo)冷卻流體(未顯示)流向底板160的底部表面164，由此像本領(lǐng)域的一個(gè)普通技術(shù)人員將要理解的那樣，冷卻流體(未顯示)撞擊在其上并且使底板160冷卻。
現(xiàn)在再次參考圖8A和8B，顯示了本發(fā)明的另一個(gè)示范性的方面，在其中提供了氣體導(dǎo)管178，在其中氣體導(dǎo)管可操作地連結(jié)到多個(gè)凹處145中的至少一個(gè)。例如，氣體導(dǎo)管178連結(jié)到像外圍氣體分配凹槽154那樣的氣體分配凹槽150中的一個(gè)，在其中氣體導(dǎo)管可操作地連結(jié)到真空泵(未顯示)以允許將真空應(yīng)用到多個(gè)凹處145。確定氣體導(dǎo)管178的尺寸，從而經(jīng)由氣體導(dǎo)管可以實(shí)現(xiàn)高流動(dòng)速率。例如，圖8B顯示了可以與夾持板115的中心部分120、外圍部分122和居間部分124相互連接的徑向氣體導(dǎo)管179，在其中冷卻氣體可以流過支撐板130，并且在其中多個(gè)徑向氣體導(dǎo)管通常允許冷卻氣體的高流動(dòng)。
再次參考圖1，根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)示范性的方面，可操作地將多個(gè)提升銷釘180連結(jié)到夾持板115，在其中多個(gè)提升銷釘180是可操作的，以使基底10.5在鄰近夾持板115的處理位置181和通常在夾持板115上(例如在夾持板上大約1-2毫米)的加載位置(未顯示)之間垂直地平移。例如，可操作地將三個(gè)提升銷釘180連結(jié)到夾持板115，以使基底105在加載位置(未顯示)和處理位置181之間平移。圖9顯示了圖1的氣體冷卻的夾具100的放大部分182，在其中顯示了示范性的提升銷釘180的局部截面圖。例如，多個(gè)提升銷釘180包括多個(gè)氣動(dòng)式銷釘184，在其中多個(gè)氣動(dòng)式銷釘是可操作的，以當(dāng)在與多個(gè)提升銷釘180關(guān)聯(lián)的啟動(dòng)器186內(nèi)產(chǎn)生啟動(dòng)壓力(未顯示)的時(shí)候相對(duì)于夾持板115線性平移。例如，銷釘184是可操作的，以當(dāng)放置在加載位置(未顯示)內(nèi)的時(shí)候從夾持板115垂直延伸出來，在其中銷釘?shù)捻敹?88是可操作的，以接觸并且支撐基底105。銷釘184還是可操作的，以像在圖1中所顯示的那樣將基底105放置成與夾持板115的第三表面117接觸，在其中銷釘184的每個(gè)的頂端188都在夾持板115的第三表面117之下平移。
例如，銷釘184包括石英、碳化硅或陶瓷材料，在其中使在熱處理期間銷釘對(duì)基底105的污染最小化。而且，銷釘184具有通常小的直徑(例如1或2毫米)，當(dāng)銷釘處在處理位置內(nèi)的時(shí)候這將顯著地限制銷釘在氣體冷卻的夾具100內(nèi)所占有的體積V1。當(dāng)在處理位置內(nèi)的時(shí)候使銷釘184所占有的體積V1最小化，這是有利的，在其中像本領(lǐng)域的一個(gè)普通技術(shù)人員將要理解的那樣，可以迅速地更改背側(cè)壓力。
如圖1所示，根據(jù)本發(fā)明的又一個(gè)示范性的方面，氣體冷卻的夾具100還包括溫度傳感器190，該溫度傳感器190是可操作的以測(cè)量一個(gè)或多個(gè)在與基底105關(guān)聯(lián)的位置192處的溫度T。圖10顯示了圖1的氣體冷卻的夾具100的放大部分193，在其中顯示了示范性的溫度傳感器190的局部截面圖。例如，溫度傳感器190包括高溫計(jì)，在其中高溫計(jì)經(jīng)由在夾持板115的第三表面117內(nèi)的開口194測(cè)量基底105的溫度T。例如，溫度傳感器190可以包括具有最小體積的腔隙195的高溫計(jì)，在其中高溫計(jì)經(jīng)由其測(cè)量基底105的溫度T的開口194是小的。使開口的體積最小化，這是有利的，在其中像本領(lǐng)域的一個(gè)普通技術(shù)人員將要理解的那樣，可以迅速地更改背側(cè)壓力?？蛇x擇地，溫度傳感器190可以包括光學(xué)高溫計(jì)，該光學(xué)高溫計(jì)可以進(jìn)一步利用插到夾持板115內(nèi)的光纖桿(未顯示)，使光纖桿占據(jù)最小體積的腔隙。
現(xiàn)在參考圖11A，顯示了氣體冷卻的夾具100和相關(guān)系統(tǒng)200的方塊圖，在其中氣體冷卻的夾具還包括一個(gè)或多個(gè)閥門205。一個(gè)或多個(gè)閥門205選擇性地允許一個(gè)或多個(gè)真空泵210以各種方式經(jīng)由氣體冷卻的夾具100抽冷卻氣體215。例如，一個(gè)或多個(gè)閥門205包括一個(gè)或多個(gè)像快速動(dòng)作螺線管閥門或提升閥門那樣的自動(dòng)閥門(例如閥門205A)，在其中在一個(gè)例子中，一個(gè)或多個(gè)自動(dòng)閥門具有少于大約20毫秒的響應(yīng)時(shí)間。由于可以快速地應(yīng)用施加到氣體冷卻的夾具100的真空，所以這樣的快速響應(yīng)時(shí)間是有利的。
根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)示范性的方面，用于對(duì)氣體冷卻的夾具進(jìn)行控制的系統(tǒng)200包括可操作地連結(jié)到一個(gè)或多個(gè)真空泵210A-210B、氣體供應(yīng)裝置225和一個(gè)或多個(gè)閥門205A-205C的控制器220。對(duì)應(yīng)用到氣體冷卻的夾具100的真空進(jìn)行控制有利地控制了經(jīng)由冷卻氣體的熱傳導(dǎo)的量。例如，在小于大約250托的低壓并且小于大約5微米的間隙距離的地方，HTC主要由壓力決定。因此，對(duì)背側(cè)壓力進(jìn)行控制的閥門205A允許氣體冷卻的夾具快速地改變狀況(例如改變到冷卻狀態(tài))。因此，控制器220是可操作的，以像在圖11B的圖表中所顯示的那樣通過控制一個(gè)或多個(gè)自動(dòng)閥門205對(duì)在基底105和氣體冷卻的夾具100之間的壓力進(jìn)行控制。
本發(fā)明也有關(guān)于用于熱處理半導(dǎo)體基底的方法。盡管在此將示范性的方法顯示并且描述成一系列的動(dòng)作或事件，但將要理解的是，根據(jù)本發(fā)明，由于一些步驟可以按不同的次序并且/或與除在此所顯示并且描述的步驟之外的其它步驟同時(shí)地發(fā)生，所以本發(fā)明不受所顯示的這樣的動(dòng)作或事件的次序的限制。另外，對(duì)于實(shí)施根據(jù)本發(fā)明的方法，所顯示的所有步驟不都是必須的。而且，將要理解的是，方法可以與在此所顯示并且描述的系統(tǒng)聯(lián)合及與其它未顯示的系統(tǒng)聯(lián)合而得以實(shí)施。
最初，與圖12的示范性的系統(tǒng)400協(xié)同，可以討論本發(fā)明的方法300。系統(tǒng)400包括選擇性地存在于氣體冷卻的夾具404上的基底402，該氣體冷卻的夾具404類似于在此所描述的氣體冷卻的夾具。基底402也是接近熱源406的。在基底402和夾具404之間的距離408是小的(例如大約1微米)，對(duì)于適當(dāng)?shù)膲毫?例如0.1托＜P＜100托)該距離408允許以自由分子模式的氣體傳導(dǎo)。在熱源406和基底402之間的距離410是相對(duì)大的(例如大約1毫米或更大)，并且對(duì)基底的加熱發(fā)生在壓力相對(duì)較高的情況下(例如大約1大氣壓)。這樣，通過控制背側(cè)壓力(像在上面與圖11A和11B協(xié)同所討論的那樣)，系統(tǒng)400可以按有利的方式快速地從加熱轉(zhuǎn)換到冷卻。
圖13顯示了使半導(dǎo)體基底冷卻的示范性的方法300。在動(dòng)作305中，當(dāng)提升銷釘處在加載位置內(nèi)的時(shí)候，將基底放置在多個(gè)提升銷釘上。例如，當(dāng)多個(gè)銷釘處在加載位置內(nèi)的時(shí)候，多個(gè)銷釘通常從夾持板的表面延伸出來。根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)示范性的方面，當(dāng)保持器處在加載位置內(nèi)的時(shí)候，多個(gè)銷釘從夾持板的頂部表面延伸出了最小的距離(例如小于1毫米)。然后，在動(dòng)作310中，使銷釘降低，在其中允許基底存在于從夾持板的頂部表面延伸出來的多個(gè)突出部分上，并且在其中保護(hù)環(huán)通常位于圍繞在夾持板上的基底的外圍。根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)示范性的方面，多個(gè)突出部分從夾持板的表面延伸出了像小于10微米(例如大約1微米)的距離那樣的第一距離。
在動(dòng)作315中，將真空或非常低的背側(cè)壓力(例如大約0.1托)應(yīng)用到夾持板，在其中得到在基底和保護(hù)環(huán)和夾持板之間的背側(cè)壓力，使得大致將基底和保護(hù)環(huán)夾到夾持板上。而且，在動(dòng)作315中應(yīng)用的真空將冷卻氣體帶到由多個(gè)突出部分限定的多個(gè)凹處內(nèi)，在其中使冷卻氣體通常維持在第一壓力。在動(dòng)作320中，對(duì)基底進(jìn)行加熱，在其中來自基底的熱不會(huì)經(jīng)由處在第一壓力的冷卻氣體而顯著地傳導(dǎo)。在動(dòng)作325中，例如通過在與夾持板關(guān)聯(lián)的支撐板之上流動(dòng)冷卻流體，使夾持板冷卻。在動(dòng)作330中，泵或多個(gè)泵通常應(yīng)用第二背側(cè)壓力(例如大約100托)，在其中第二壓力通常使冷卻氣體維持在分子模式內(nèi)。例如，通過關(guān)閉圖11A的閥門205A，可以獲得這樣的壓力。在動(dòng)作335中，通過以分子模式將熱傳導(dǎo)到夾持板，使基底冷卻。
根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)示范性的方面，在動(dòng)作340中，測(cè)量了與一個(gè)或多個(gè)在基底上的位置關(guān)聯(lián)的溫度。例如，如果在動(dòng)作345中做出的判定是過程沒有在想要的時(shí)間范圍內(nèi)進(jìn)行冷卻，那么可以根據(jù)測(cè)量的溫度更改第二壓力。過程延續(xù)到動(dòng)作350，在其中真空停止或另外使真空減弱，在其中解除了真空，由此大致就停止了基底的冷卻。方法以動(dòng)作355結(jié)束，在其中使提升銷釘升高到加載位置內(nèi)，在其中將基底從夾持板的第三表面提升起來。
雖然已經(jīng)就某個(gè)優(yōu)選實(shí)施例或某些優(yōu)選實(shí)施例顯示并且描述了本發(fā)明，但顯而易見的的是，對(duì)于本領(lǐng)域的其它技術(shù)人員，當(dāng)閱讀并且理解說明書和附圖時(shí)，等效的變更和更改將發(fā)生。尤其是就通過在上面所描述的構(gòu)件(組件、設(shè)備、電路等)實(shí)現(xiàn)的各種功能而言，用于描述這樣的構(gòu)件的術(shù)語(包括對(duì)“方式”的指代)旨在對(duì)應(yīng)任何實(shí)現(xiàn)所描述的構(gòu)件的特殊功能的構(gòu)件(即該構(gòu)件在功能上是等效的)，即使該構(gòu)件在結(jié)構(gòu)上與所披露的實(shí)現(xiàn)在此所顯示的本發(fā)明的示范性的實(shí)施例中的功能的結(jié)構(gòu)是不等效的，除非該術(shù)語另有所指。另外，盡管已經(jīng)僅就若干實(shí)施例中的一個(gè)披露了本發(fā)明特別的特點(diǎn)，但可以使這樣的特點(diǎn)與如對(duì)于任何給定的或特殊的應(yīng)用可能是想要的并且可能是有利的其它實(shí)施例的一個(gè)或多個(gè)其它特點(diǎn)結(jié)合。
權(quán)利要求
1.一種用于使存在于其上的基底冷卻的氣體冷卻的夾具，其包括夾持板，其具有多個(gè)在其頂部表面上的突出部分并且當(dāng)基底存在于其上的時(shí)候限定多個(gè)在其之間的間隙和間隙距離，間隙距離與存在于其中的冷卻氣體的平均自由路徑關(guān)聯(lián)；和壓力控制系統(tǒng)，其是可操作的，以將在多個(gè)間隙內(nèi)的冷卻氣體的背側(cè)壓力控制在第一壓力和第二壓力之間，在其中冷卻氣體的熱傳導(dǎo)系數(shù)主要是在第一和第二壓力之間的壓力的函數(shù)。
2.如權(quán)利要求1所述的氣體冷卻的夾具，其中，間隙距離小于或大約等于冷卻氣體的平均自由路徑。
3.如權(quán)利要求1所述的氣體冷卻的夾具，其中，冷卻氣體的背側(cè)壓力維持在預(yù)定的范圍內(nèi)，以在基底和夾持板之間經(jīng)由以自由分子模式的冷卻氣體產(chǎn)生熱傳導(dǎo)，在其中冷卻氣體的熱傳導(dǎo)系數(shù)主要是壓力的函數(shù)并且大致是不依賴于間隙距離的。
4.如權(quán)利要求1所述的氣體冷卻的夾具，其中，夾持板還包括一個(gè)或多個(gè)在其頂部表面上形成的氣體分配凹槽，并且每個(gè)氣體分配凹槽都與多個(gè)間隙中的一個(gè)或多個(gè)交叉，一個(gè)或多個(gè)氣體分配凹槽大致是大于間隙的，從而使經(jīng)由其的冷卻氣體流以粘性模式發(fā)生，由此允許對(duì)基底的冷卻快速地開始。
5.如權(quán)利要求1所述的氣體冷卻的夾具，其中，多個(gè)突出部分的接觸區(qū)域與晶片表面區(qū)域的比率大約是0.2或更大。
6.如權(quán)利要求1所述的氣體冷卻的夾具，其中，多個(gè)突出部分包括多個(gè)軌道，在其中軌道成形為限定多個(gè)經(jīng)由其的空隙和多個(gè)支撐軌道的支腳結(jié)構(gòu)。
7.如權(quán)利要求1所述的氣體冷卻的夾具，其中，夾持板還包括基底存在于其上的中心部分；外圍部分；和設(shè)置在中心部分和外圍部分之間的居間部分，居間部分與基底的部分關(guān)聯(lián)。
8.如權(quán)利要求7所述的氣體冷卻的夾具，還包括當(dāng)基底存在于夾持板的中心部分上的時(shí)候圍繞基底并且通常與基底共平面的保護(hù)環(huán)，并且保護(hù)環(huán)位于夾持板的外圍部分上，保護(hù)環(huán)成形為使在基底內(nèi)由邊緣效應(yīng)引起的熱不均勻性最小化。
9.如權(quán)利要求8所述的氣體冷卻的夾具，還包括位于夾持板的居間部分上的等溫墊片，該等溫墊片是可操作的，以有助于在保護(hù)環(huán)和基底之間均勻的熱傳導(dǎo)。
10.如權(quán)利要求1所述的氣體冷卻的夾具，還包括位于夾持板下并且熱連結(jié)到夾持板的支撐板。
11.如權(quán)利要求10所述的氣體冷卻的夾具，還包括位于支撐板下的底板，在其中底板還包括一個(gè)或多個(gè)第一流體導(dǎo)管，其是可操作的，以通常允許冷卻流體在底板和支撐板之間流動(dòng)。
12.如權(quán)利要求11所述的氣體冷卻的夾具，還包括位于底板下并且與底板隔開的擴(kuò)散板，在其中擴(kuò)散板還包括一個(gè)或多個(gè)第二流體導(dǎo)管，其是可操作的，以通常引導(dǎo)冷卻流體流向底板。
13.如權(quán)利要求1所述的氣體冷卻的夾具，其中，夾持板還包括一個(gè)或多個(gè)與其面對(duì)支撐板的底部表面關(guān)聯(lián)的o形環(huán)，在其中o形環(huán)是可操作的，以允許夾持板垂直平移。
14.如權(quán)利要求7所述的氣體冷卻的夾具，其中，中心部分、外圍部分和居間部分是夾持板的獨(dú)立的部分，在其中中心部分、外圍部分和居間部分是可操作的，以獨(dú)立地垂直平移。
15.一種用于使在其上的基底選擇性地冷卻的氣體冷卻的夾具，其包括具有大于基底直徑的內(nèi)側(cè)直徑的保護(hù)環(huán)；具有用于支撐在其上的基底的頂部表面的夾持板，夾持板還包括支撐基底的中心部分；支撐保護(hù)環(huán)的外圍部分；設(shè)置在中心部分和外圍部分之間的居間部分，居間部分支撐基底的外圍邊緣部分和保護(hù)環(huán)的內(nèi)側(cè)直徑部分；和至少與夾持板中心部分的頂部表面關(guān)聯(lián)的多個(gè)突出部分，當(dāng)存在于其上的時(shí)候多個(gè)突出部分限定了在其之間的多個(gè)間隙和間隙距離，間隙距離與存在于其中的冷卻氣體的平均自由路徑關(guān)聯(lián)；和壓力控制系統(tǒng)，其是可操作的，以將在多個(gè)間隙內(nèi)的冷卻氣體的背側(cè)壓力控制在第一壓力和第二壓力之間，在其中冷卻氣體的熱傳導(dǎo)系數(shù)主要是在第一和第二壓力之間的壓力的函數(shù)。
16.如權(quán)利要求15所述的氣體冷卻的夾具，其中，間隙距離小于或大約等于冷卻氣體的平均自由路徑。
17.如權(quán)利要求15所述的氣體冷卻的夾具，其中，冷卻氣體的背側(cè)壓力維持在預(yù)定的范圍內(nèi)，以在基底和夾持板之間經(jīng)由以自由分子模式的冷卻氣體產(chǎn)生熱傳導(dǎo)，在其中冷卻氣體的熱傳導(dǎo)系數(shù)主要是壓力的函數(shù)并且大致是不依賴于間隙距離的。
18.如權(quán)利要求15所述的氣體冷卻的夾具，其中，夾持板還包括一個(gè)或多個(gè)在其頂部表面上形成的氣體分配凹槽，并且每個(gè)氣體分配凹槽都與多個(gè)間隙中的一個(gè)或多個(gè)交叉，一個(gè)或多個(gè)氣體分配凹槽大致是大于間隙的，從而使經(jīng)由其的冷卻氣體流以粘性模式發(fā)生，由此允許對(duì)基底的冷卻快速地開始。
19.如權(quán)利要求15所述的氣體冷卻的夾具，其中，多個(gè)突出部分的接觸區(qū)域與晶片表面區(qū)域的比率大約是0.2或更大。
20.如權(quán)利要求15所述的氣體冷卻的夾具，其中，多個(gè)突出部分包括多個(gè)軌道，在其中軌道成形為限定多個(gè)經(jīng)由其的空隙和多個(gè)支撐軌道的支腳結(jié)構(gòu)。
21.如權(quán)利要求15所述的氣體冷卻的夾具，還包括位于夾持板的居間部分上的等溫墊片，該等溫墊片是可操作的，以有助于在保護(hù)環(huán)和基底之間均勻的熱傳導(dǎo)。
22.如權(quán)利要求15所述的氣體冷卻的夾具，還包括位于夾持板下并且熱連結(jié)到夾持板的支撐板。
23.如權(quán)利要求22所述的氣體冷卻的夾具，還包括位于支撐板下的底板，在其中底板還包括一個(gè)或多個(gè)第一流體導(dǎo)管，其是可操作的，以通常允許冷卻流體在底板和支撐板之間流動(dòng)。
24.如權(quán)利要求23所述的氣體冷卻的夾具，還包括位于底板下并且與底板隔開的擴(kuò)散板，在其中擴(kuò)散板還包括一個(gè)或多個(gè)第二流體導(dǎo)管，其是可操作的，以通常引導(dǎo)冷卻流體流向底板。
25.如權(quán)利要求15所述的氣體冷卻的夾具，其中，夾持板還包括一個(gè)或多個(gè)與其面對(duì)支撐板的底部表面關(guān)聯(lián)的o形環(huán)，在其中o形環(huán)是可操作的，以允許夾持板垂直平移。
26.如權(quán)利要求15所述的氣體冷卻的夾具，其中，中心部分、外圍部分和居間部分是夾持板的獨(dú)立的部分，在其中中心部分、外圍部分和居間部分是可操作的，以獨(dú)立地垂直平移。
27.如權(quán)利要求15所述的氣體冷卻的夾具，其中，多個(gè)突出部分還包括微型機(jī)電加工結(jié)構(gòu)的陣列，該微型機(jī)電加工結(jié)構(gòu)具有在其上形成的保護(hù)層，在其中保護(hù)層使與結(jié)構(gòu)關(guān)聯(lián)的拐角倒圓。
28.如權(quán)利要求15所述的氣體冷卻的夾具，還包括流體地連結(jié)在壓力控制系統(tǒng)和多個(gè)間隙中的至少一個(gè)之間的氣體導(dǎo)管，在其中氣體導(dǎo)管是可操作的，以允許在多個(gè)間隙內(nèi)的冷卻氣體的背側(cè)壓力響應(yīng)于壓力控制系統(tǒng)的范圍。
29.一種使基底冷卻的方法，其包括將基底放置在具有與其關(guān)聯(lián)的突出部分的表面上，突出部分限定了在其之間的間隙并且突出部分在基底和表面之間具有與在間隙內(nèi)的冷卻氣體的平均自由路徑關(guān)聯(lián)的間隙距離；和對(duì)在間隙內(nèi)的冷卻氣體的壓力進(jìn)行控制，在其中在間隙內(nèi)的冷卻氣體的熱傳導(dǎo)系數(shù)主要是壓力的函數(shù)并且大致是不依賴于間隙距離的。
30.如權(quán)利要求29所述的方法，其中，對(duì)壓力進(jìn)行控制包括實(shí)現(xiàn)在間隙內(nèi)的冷卻氣體的第一壓力，以實(shí)現(xiàn)第一熱傳導(dǎo)系數(shù)；和實(shí)現(xiàn)比在間隙內(nèi)的第一壓力大的冷卻氣體的第二壓力，以實(shí)現(xiàn)比第一熱傳導(dǎo)系數(shù)大的第二熱傳導(dǎo)系數(shù)。
31.如權(quán)利要求30所述的方法，其中，第一壓力大約是0托并且第一熱傳導(dǎo)系數(shù)大約是0，并且在其中第二壓力在大約100托到大約250托之間。
32.如權(quán)利要求29所述的方法，其中，基底存在于其上的表面還包括一個(gè)或多個(gè)氣體分配凹槽，每個(gè)該氣體分配凹槽都與多個(gè)間隙中的一個(gè)或多個(gè)交叉，一個(gè)或多個(gè)氣體分配凹槽大致是大于間隙的，從而使經(jīng)由其的冷卻氣體流以粘性模式發(fā)生，由此允許對(duì)基底的冷卻快速地開始。
33.如權(quán)利要求32所述的方法，其中，對(duì)在間隙內(nèi)的壓力進(jìn)行控制包括使冷卻氣體通過一個(gè)或多個(gè)氣體分配凹槽流經(jīng)間隙。
全文摘要
本發(fā)明有關(guān)于半導(dǎo)體熱處理裝置和方法，用于使半導(dǎo)體基底熱冷卻。根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，披露了通過通常以自由分子模式的熱傳導(dǎo)提供對(duì)基底的冷卻作用的氣體冷卻的夾具和所關(guān)聯(lián)的方法。氣體冷卻的夾具包括具有多個(gè)突出部分的夾持板，該多個(gè)突出部分限定了在其之間的間隙，在其中間隙的距離或深度與在其內(nèi)的冷卻氣體的平均自由路徑關(guān)聯(lián)。氣體冷卻的夾具還包括壓力控制系統(tǒng)，該壓力控制系統(tǒng)是可操作的，以對(duì)在多個(gè)間隙內(nèi)的冷卻氣體的背側(cè)壓力進(jìn)行控制，這樣以對(duì)冷卻氣體的熱傳導(dǎo)系數(shù)進(jìn)行控制，在其中冷卻氣體的熱傳導(dǎo)系數(shù)主要是壓力的函數(shù)并且大致是不依賴于間隙距離的。
文檔編號(hào)H01L21/68GK1768413SQ200480008589
公開日2006年5月3日 申請(qǐng)日期2004年3月29日 優(yōu)先權(quán)日2003年3月28日
發(fā)明者P·克雷曼, V·班維尼斯特, F·卡爾森 申請(qǐng)人:艾克塞利斯技術(shù)公司