热处理装置已广为人知并得到了普遍的使用，其用于多种热处理 方法，包括退火、扩散、氧化和化学气相沉积。利用这种热处理装置 制作的常见工件为半导体晶片。本领域的普通技术人员了解这些热处 理装置，尤其了解过程变量对最终产品的质量和均匀性的影响。
单晶片快速热处理(RTP)已为人所知，其用于在高温下对半导体 晶片进行物理和化学处理以获得所需的半导体装置的电子性能。快速 热处理过程通常采用两种技术来加热晶片。在第一种技术中，使用一 种稳态热壁炉加热晶片，并且通过沿着温度或热辐射的梯度机械传输 晶片来控制晶片的温度。在第二种技术中，通过冷壁室四周的白炽灯 或弧光灯加热晶片，并通过改变每盏灯的光输出控制晶片的温度。
在第二种技术中，由于与灯相关的热质较低，其提供了用于晶片 处理的较低的热累积(即温度对时间的积分)，灯式快速热处理系统 能够以较快的斜增和斜减速率加热和冷却晶片。灯式快速热处理中晶 片温度的控制取决于响应晶片上一处或几处的温度读数所进行的多盏 灯的转换(亮和熄)。该过程必须使用复杂的光学和电子反馈和控制 系统以达到所需的温度精度和均匀性。被处理的晶片和它周围的冷环 境并未处于热平衡。这和灯输出控制的随机特性结合在一起，使得灯 式快速热处理难以获得温度的均匀性和重现性。但是，由于在快速热 处理室中，除了沿晶片法线的旋转，无需晶片的侧向传输，灯式系统 与热壁式快速热处理炉(室容量大约为100升)相比，自然地拥有较 小的室容量(大约等于或小于10升)。在快速热处理周期中可以通过 灯式快速热处理系统实现快速气体转换，使得晶片能够与晶片温度同 步地连续地暴露于不同的环境气体中。但是，已知的热壁使快速热处 理系统不具有快速气体转换的优势。
在授予高温工程公司的美国专利No.4,857,689中描述了一种商 用热壁式RTP炉，其通过增加如美国专利No.6,183,127所述的原位 发射率校准和封闭回路温度控制系统得到了改进。
更进一步介绍热壁式RTP系统，热壁式RTP炉的上部被持续加热， 而下部则被有效地冷却以保持稳态的温度曲线图。环境气体被连续地 引入炉子的上部，并从炉子的下部排出。从而，沿着RTP炉的轴存在 一个单调的温度和热辐射梯度。温度曲线图是轴对称的，其径向分量 被优化以确保均匀加热晶片。沿着温度梯度改变晶片的位置对晶片加 热进行控制。由于在整个炉子内以及炉子和气体环境之间保持了热稳 态，晶片的加热被晶片和它的炉子环境之间的热平衡所控制。因此， 从温度的均匀性、处理的可重现性以及成本的角度来看，热壁式RTP 炉能产生比灯式RTP炉更好的结果，同时，从热累积和处理能力方面 来看，也拥有和灯式RTP炉相当的性能。热壁式RTP炉系统已经成功 地用于注入退火和活化作用；硅化，干态和湿态氧化硅生长，扩散和 金属退火生产中。
但是，与灯式RTP系统相比，热壁式RTP系统保持了更大的炉子 内的容量。这是因为晶片必须行进长达100厘米的跨度，以利用炉温 梯度来改变和控制温度。因此，炉子必须足够大以容纳晶片所扫过的 较大的体积。例如，200和300毫米晶片所扫过的体积是大约分别为31 和71升，对于100厘米的扫描，导致的典型的炉子体积大约为100升。 如果处理需要环境气体的快速转换，其在一个RTP周期之内涉及多种 环境气体的连续使用，这样的快速转换是很困难的。而且，由于在高 温下使用了大量有毒的、腐蚀性的，可燃的或爆炸性的处理气体，较 大的室容量有增加处理气体消耗量和增大安全隐患的趋势。
从RTP加工出现以来，一些进展集中于提高晶片温度斜增和斜减 速率的技术，以使热累计最小。另外的进展集中于晶片温度的精确测 量和控制。通过缺陷退火，再结晶，掺杂活化，以及注入层的扩散， 快速热退火(RTA)步骤的热累积直接决定了CMOS(互补金属氧化物半 导体)装置来源/流出接头深度和薄膜电阻。除了热累积控制，在RTP 过程中，快速气体转换能力变得日益重要，强大的器件计数使得用含 有氧化硅、硅的氧氮化合物(SiOxNy)以及硅的氮化物(Si3N4)的分层 的选通电极电介质堆栈、并在将来用高-K电介质材料替代氧化硅(SO2) 电介质层成为必然。在用于SO2生长的两步RTO加工中(参看J.Nulman， J.P.Krusius，P.Renteln，Mat.Res.Soc.，Symp.Proc.， 52，34(1985))，例如，在氧环境下加热晶片到预定的温度，并进一步 到达更高的温度，以便氧化硅生长。在将环境从氧变为氮之后进行RTA。 RTA步骤提高了Si-SO2界面的电性能。
如另一个例子，通过原位RTP多步加工形成的超薄氮化物选通电 极堆栈(参看S.C.Song，B.Y.Kim，H.F.Luan，D.L.Kwong，M.Gardner， J.Fulford，D.Wristers，J.Gelpey，S.Marcus，Advances in rapid thermal processing，ECS Proceedings of the Symposium，V99-100， p45(1999))需要在四种环境气体中并在不同的温度下连续进行四个步 骤，即：(1)在氧化氮(NO)气体中进行界面钝化；(2)在低压下 用硅烷(SiH4)和氨(NH3)进行氮化硅(Si3N4)快速热化学气相沉积 (RTCVD)；(3)在氨中进行氮化；以及(4)在一氧化二氮(N2O)中 退火。因此，两个连续的RTP步骤之间的净化时间被延长，该净化时 间的延长对于具有大的内部容积的RTP室是必需的，它降低了RTD加 工的生产能力。
立式热处理炉通常在炉内垂直支撑着一根处理管。该热处理炉通 常还采用一种工件船组件，其安装以充当转换机械装置以便将工件船 移入和移出处理管或加热室。一个单独的工件处理组件将工件从储存 介质中转移到工件船组件。工件船组件可容纳一个或更多的工件。该 工件船组件随后选择性地在加热室内将组件升高且定位以便至少部分 调节工件所处的温度。

在本技术中，需要一种热处理装置，其与多种(或许)有害的处 理气体一起使用，以便在提高处理生产能力的同时，以连续的方式处 理工件。本发明及其实施例提供了解决这种需要的方案。方案包括： 在处理中，减少环绕晶片的有效气体环境体积，以便缩短气体净化时 间以实现快速气体转换，同时还保持现有RTP系统的RTP加工性能。
具体而言，本发明提供一种用于处理工件的热处理设备，包括： 加热室；布置在所述工件周围的小体积工件室；以及用于在所述加热 室中移动所述小体积工件室和所述工件的支承所述小体积工件室的定 位组件，其特征在于，所述加热室的体积与所述小体积工件室的体积 的比值大于约2；和所述加热室具有用于热处理所述工件的热辐射强度 梯度和温度梯度中的至少一个。
根据本发明的一方面，处理工件的热处理装置包括加热室。在工 件四周布有小体积的工件室。一套转换机械装置，其具有定位组件的 形式，支撑着小体积工件室，以便在加热室内移动小体积工件室及工 件。加热室可以有热辐射强度梯度或温度梯度，以便对工件进行热处 理。加热室可以在加热室的四周有一个或更多加热元件。加热室可以 是钟形的容器。
根据本发明的另一方面，一气源可与小体积工件室相连，以便将 一种或更多种气体引入小体积工件室的内部。
根据本发明的另一方面，可以在小体积工件室内安装气体扩散道， 以便至少部分调节工件的温度。气体扩散道的表面是反射表面，其将 工件未吸收和发出的热辐射反射回工件，以便至少部分调节工件的温 度。该反射表面还能够补偿由工件室材料吸收和反射所引起的热辐射 损耗。该反射表面可以具有均匀的或不均匀的反射率。此处所用的术 语“气体扩散道”是指热处理装置的一个元件，其作为流入扩散道或 环绕扩散道流动的气体的扩散道，或者作为适于反射气体和热辐射或 发射的反射器，这取决于气体扩散道在热处理装置内的特别排列。气 体扩散道还可以包括一个在气体扩散道内形成的窗口。
根据本发明的另一方面，利用气体缓冲器或扩散道内形成的窗口， 与小体积工件室成比例安装的遥感器，如高温计，能够确定工件的温 度。另一种选择是，与小体积工件室成比例安装的接触式温度传感器 (如热电偶)能够确定工件的温度。
根据本发明的另一方面，至少一个支撑结构与小体积工件室相连， 使得当小体积工件室比热处理装置的底部低时，至少一个支撑结构支 撑着小体积工件室的第一部分。小体积工件室的第二部分最好可与第 一部分分离，以提供到达小体积工件室内部的通道。或者，在水平型 炉结构中，一个结构与小体积工件室的第一部分相连，以便于帮助第 一部分从第二部分分离，以提供到达小体积工件室内部的通道。
根据本发明的另一方面，小体积工件室在其内部提供了至少一条 在壁上形成的缝隙，使得提供给小体积工件室的气体能够最终穿过该 缝隙。热处理装置的加热室还可以包括用于从加热室排出气体的出口。
根据本发明的另一方面，内壁将小体积工件室分成第一或外次隔 室和第二或内次隔室。根据本发明的一方面，该内壁具有至少一条缝 隙。
根据本发明的另一方面，提供了与小体积工件室相通的气体出口， 其便于将小体积工件室内的气体排放到热处理装置外的某处。
根据本发明的一个实施例，加热室和小体积工件室的体积比为约 大于2。
本发明还提供了热处理工件的方法。该方法包括以下一些步骤： 将待加热的工件放入小体积工件室，其可以位于加热室内。加热加热 室和小体积工件室，并将小体积工件室放置在热处理装置的加热室内。 工件在加热室内进行热处理。
根据本发明的另一方面的方法可以包括这样的步骤：即将小体积 工件室放置在热处理装置中控制工件加热所需的一个或更多个位置 上。
根据本发明的另一方面，小体积工件室被供给将与工件相互作用 的气体(包括一系列气体)，并至少部分调节工件的加热。
根据本发明的另一方面，对小体积工件室内的工件进行热处理的 方法包括以下步骤：将气体从小体积工件室排放到热处理装置内。该 方法还包括这样的步骤：为热处理装置提供排放口以便将从小体积工 件室排出的气体或其它任何处理气体排出。或者，该方法可以包括这 样的步骤：通过排放线从小体积工件室排出气体。排放线可以直接延 伸出热处理装置。
根据本发明的另一方面，热处理小体积工件的方法可以包括这样 的步骤：将气体从小体积工件室排放到加热室以便稀释、清除或净化 来自小体积工件室的气体。
根据本发明的另一方面，热处理小体积工件的方法包括这样的步 骤：在气体进入小体积工件室之前，利用等离子体和光子激励装置来 激发处理气体。
根据本发明的另一方面，提供了用于处理工件的热处理装置。该 热处理装置包括：具有热辐射强度梯度和温度梯度中的至少一个的加 热室。小体积工件室位于工件的四周；以及支撑着小体积工件室并移 动小体积工件室和工件到达所需位置的定位组件，其位于加热室内， 以便使工件经历不同的加热水平。该热处理装置能够实现用于金属硅 化物的注入扩散和活化，干态或湿态快速热氧化技术、快速热氮化技 术、快速热退火技术，快速热BPSG回流技术，有金属存在时的Si的 选择性氧化技术，快速热化学气相沉积技术，低压化学气相沉积技术， 金属-有机物化学气相沉积技术，远程-等离子体化学气相沉积技术， 以及多层电介质选通电极堆栈形成技术。
附图说明
以下，通过详细说明并结合附图来更好地理解本发明的前述特征 和优点，以及其它特征和方面，其中：
图1是根据本发明的教导所述的使用小体积工件室的热处理设备 的示意图；
图2是根据本发明的一个方面所述的图1中的热处理设备在非工 作位置时的示意图；
图3是描述根据本发明的多个方面所述的工件装载、处理和卸载 的流程图；
图4是根据本发明的教导所述的另一个热处理设备实施例的示意 图；
图5是根据本发明的教导所述的又一个热处理设备实施例的示意 图；及
图6是根据本发明的教导所述的又一个热处理设备实施例的示意 图。
具体实施形式
本发明涉及用于热处理工件的系统和方法。更具体地，该系统和 方法涉及一种具有快速转换工件周围环境气分的能力的热处理系统。 根据本发明所述的一个实施例，在石英升降管上安装小体积工件石英 工件室。处理气体和其它气体向上流动经过升降管的内部、工件的下 面、通过工件的顶部并从一个或多个设置在工件室顶部或盖子部分的 孔排出小体积工件室。由于小体积工件室的体积相对较小，因此所需 气体量相对较小。可能是有害的处理气体从小体积工件室排出进入较 大的加热室中，在此，在将气体排出热处理设备前，足够量的清洗气 体流(例如惰性气体或非反应性气体)将处理气体进行稀释。该独立 的清洗气体流经加热室，将废气扫出加热室。
在此使用的术语“小体积”包括一个形成所需的尺寸大小的工件 室，以使较大加热室的体积与小体积工件室的体积的比值大于约2。例 如，一个具有10升体积的加热室能够拥有例如0.5升、2升、直至大 约5升的小体积工件室；一个具有90升体积的加热室能够拥有直至大 约45升的小体积工件室。小体积工件室的体积取决于以下因素如：工 件的尺寸、工件室中的各种孔或装置的尺寸、需要用来支持所需气流 的体积等等。
根据本发明所述的其它实施例，在小体积工件室中的潜在有害气 体不排入较大加热室中，而是从小体积工件室经专用的排气联管直接 排出热处理系统。用于将小体积工件室放置在加热室内的工件室定位 组件包括两条管道或管线，一条是用作供气管道，另一条是用作排气 管道。注入气体或其它气体流经升降机中的管道并流入小体积工件室 的外次隔室。该气体继续通过外次隔室上的至少一个，最好一系列孔 进入小体积工件室的内次隔室，在其中气体穿流通过工件。然后，该 气体通过一个或多个排气口离开内次隔室，流经工件室定位组件，并 被排出热处理设备。
在此如图所示的实施例描述了构造用于一次对单个半导体晶片进 行热处理的热处理设备。然而，本发明并不意味着仅限于单个半导体 晶片的热处理，在此所示的实施例以及本发明的相应的精神和范围应 包含需要特定的、预先确定的和直接可控的热处理条件的单个或多个 工件的热处理。
图1-图6示出了根据本发明所述的热处理设备的实施例，其中， 使用相似的标号表示相似的部件。尽管将根据附图中所示的实施例对 本发明进行描述，应这样理解即许多其它可选形式也可以体现本发明。 此外，本领域的普通技术人员理解改变已公开实施例的参数，例如： 尺寸、形状和元素或材料种类的不同方式，而仍使其与本发明的精神 和范围保持一致。
图1示出了根据本发明的教导所述的热处理设备10的一个实施 例。加热套13形成热处理设备10的外部结构，在其中布置有由炉壁12 形成的加热(或处理)室11。加热套13可包含多种不同类型的发热元 件如白炽灯、弧光灯、加热线圈等等。加热套13中还可含有多个具有 不同温度的区域和有效冷却段。。
炉壁12可由用于基于灯的加热结构的热辐射透明材料(例如石英) 或用于基于热壁的加热结构的热辐射非透明材料(例如碳化硅)制成。 除钟罩形外，炉壁1 2还可具有其它不同形状，例如圆柱形、立方形、 球形等等。炉壁12可限定具有由工件运行方向，包括垂直和水平方向， 限定的不同取向的加热室11。
发热元件可直接放置在加热室11内部。为了更简单、清晰地对本 发明进行描述，其它一些结构，例如发热元件和隔离结构等被略去。 加热室11和热处理设备10的加热套13的基本功能是提供一种至少在 一个方向上具有热辐射强度梯度的封闭环境。通过使用真空技术和气 动装置(例如：真空泵、流量控制器、压力控制器等等)，加热室11 中的工作压力可以为从零到几个大气压。热处理设备实例包括在美国 专利No.4,857,689和美国专利No.6,183,127中描述的快速热处 理炉，其内容在此作为参考被引用。
来自气体源16的清洗气体经气体进口14进入加热室11。在此使 用的术语“清洗气体”的含义与本领域普通技术人员对这个用语的一 般理解相一致。清洗气体可包括任何惰性气体(例如：He、Ar)和其 它气体(例如：O2)。气体进口14可被设计用于将清洗气体通过带孔 板、圆环等横越加热室11底部均匀分布或通过圆形缝隙呈环状地均匀 分布。清洗气体流A在加热室11内，而非在工件室32和定位组件22 内上升，混合并稀释从工件室32的出口孔35排出的处理气体流F和G。 在此所使用的术语“处理气体”主要是指一种或多种在热处理设备10 中与工件发生物理接触的气体。处理气体包括等离子体、含有电子、 离子、原子、原子团、受能量激励的种类等的气体。
排风罩46用于将气体从加热室11内经排气管道48沿箭头E的方 向抽出或排出热处理设备10。排气管道48可与多个不同类型的真空阀 和真空泵(未示出)相连接，以使加热室11在从零到几个大气压条件 下运转。为控制压力，可在控制气体从加热室11中的抽出速率时同时 调节清洗气体、处理气体和净化气体的流速。在此所使用的术语“净 化气体”是指一种不干扰温度遥感器或工件处理的气体，它被用于更 换在温度遥感器光学通路中的其它气体。
清洗气体的流速可远大于处理气体的流速，以有效地清洗整个加 热室11。可通过从气体源16向排气管道48供给清洗气体，并从气体 进口14排出气体反转清洗气体的流向。对于一些要求低压或真空的用 途，清洗气体的流速可设置为零。
工件室定位组件22通过加热室11的底部安装，且可在加热室11 中向上延伸和向下缩回。工件室定位组件22可借助气体轴承25或使 用其他已知技术如弹性密封、波纹管、差动泵浦等与加热室11相连接， 以确保加热室11内的气体完整性。工件室定位组件22可以升降机组 件的形式被用在如图1和图2所示的立式热处理设备中。工件室定位 组件22也可被用在卧式或其它类型的热处理设备中。
如图1和图2所示实施例中的工件室定位组件22包括两根同轴管。 内管29的内腔24为位于内管29下端的温度传感器44提供光学通路 或电线通道。可使用来自净化气体源20经净化气体进口18引入的非 旋光气体流B净化内管29的内腔24。该净化气体大大减少了由于一些 处理气体的光学吸收而导致的对高温测量的干扰。在此根据温度测量 使用的光学通路指的是如本领域的普通技术人员所理解的用于被工件 朝向温度遥感器发射或反射的热辐射的物理通道。更具体而言，该光 学通路允许被工件发射的热辐射通过定位组件22而被温度遥感器探测 到。可将净化气体的流速设置为远低于处理气体的流速，以使净化气 体对工件30的处理的影响最小化。
内管29和工件室定位组件22外壁之间的间隙23形成一条来自供 气站26的处理气体的气体通道。处理气体可沿着定位组件22的间隙23 流入小体积工件室32。供气站26可同时和/或顺序地供给一种或多种 气体。也可在工件室定位组件22中并入多条气体通道用于不同的处理 气体。
通过使用与从供气站26延伸过来的处理气体进口21相连接的能 量激励装置27，远程等离子体可被用作小体积工件室32内的处理环 境。该能量激励装置27可以是等离子发生装置，例如微波(MW)空腔、 射频(RF)天线或电极、直流放电电极等。
通过使用不同类型的能量激励装置27，含有电子、离子、原子、 原子团和/或受激励的种类等的气体介质可被用作小体积工件室32内 的处理环境。在另一个实施例中，能量激励装置27可以是在进入工件 室32之前电离和分解处理气体的光激励电池。能量激励装置27的光 子源可以是激光束、同步辐射线、灯(真空紫外线(VUV)、紫外线-可 见光和红外线)或其它。
小体积工件室32安装在工件室定位组件22的顶端。小体积工件 室32具有一个与基座34分离的盖子33。当小体积工件室32处于如图 1所示的加热室11内的升高位置时，盖子33被搁在基座34上。
盖子33和基座34的相交处应具有气密性。在实践中，有能力提 供足够的流阻以限制盖子33和基座34接触面间部分的放气或换气的 百分比。使用在盖子33上的自动对准功能部件37使盖子33对准基座 34。如同本领域普通技术人员的理解：也可使用其他具有相同功能的 结构。在如图所示的实施例中，小体积工件室32基本上是可以透过热 辐射线的且可由一种或多种类型的高温材料如石英、蓝宝石、陶瓷等 材料制成。根据被实施的特定的热处理和成形的工件的种类，小体积 工件室32同样地可具有反射性、可以半透或不能透过热辐射线。
支承装置36如三脚架，从盖子33延伸至基座34底部下方用于装 载和卸载工件30。当工件室定位组件22朝向加热室11基底降低至非 工作位置时，支承装置36放置在加热室11的底部上且支承盖子33。 当工件室定位组件22进一步降低一定量时(参见图2)，盖子33和基 座34相互间分开。因此，通过在加热室11下段的闸门31，工件转移 装置(未示出)可达到小体积工件室32的内部。
支承装置36可采用除三脚架以外的其它形式，例如可被从炉底附 近的垂直壁延伸出的多根杆支承或被从炉壁12底部垂直延伸出的一根 或多根杆支承的装置。小体积工件室32的下部可包括气体扩散器28。 在气体扩散器28上可形成一个窗口40。气体扩散器28被布置在基座 34上方和工件30下方。工件30放置在从工件室32的基座34延伸出 的支承部件47上。支承部件47可以是销钉、锐边、平整表面等。当 盖子33受自身支撑时，可将工件30放入小体积工件室32或从小体积 工件室32中取出，且在盖子33和基座34之间有一个间隙(参见图2)。
气体扩散器28控制小体积工件室32中的气流模式，例如通过将 进入的气流从小体积工件室32的中央转向和发散到边缘处。该进入的 气流通常比工件30和气体扩散器28冷。在与工件30相互作用前，气 体扩散器28可对进入的一种或多种气体预加热。通过调节气体扩散器 28的热辐射吸收功率可对气体预加热进行精细调节。较高的气体扩散 器28的热辐射吸收功率可导致气体扩散器的平均温度较高，这样可以 更有效地对进入的气流进行预加热。气体扩散器28的使用相当大地阻 碍了由于较冷的进入气流造成的工件30的局部冷却。另一种选择是， 进入的气流在进入工件室32前散布到工件室32的边缘。气体扩散器28 可以采用圆环结构等。根据工件30的特定用途，热处理设备10也可 不需要使用气体扩散器28。
为详述作为反射器的气体扩散器28，气体扩散器28可起到热辐射 反射器或补偿器的作用。气体扩散器28可将由工件30发出的和未被 吸收的热辐射线反射回工件30，以补偿由于被盖子33和基座34部分 吸收和反射而产生的热辐射强度损耗。气体扩散器28的热辐射反射以 及热辐射发射可使工件30的温度增高。气体扩散器28还可以将热辐 射线反射离开全部或部分工件，以实现对工件30的温度控制和温度均 一性。
气体扩散器28可由一种或多种类型的高温材料如带有可控涂覆层 的石英、石英纤维、陶瓷、碳化硅、蓝宝石等材料制成。气体扩散器28 可具有许多种不同尺寸和形状，并可布置与工件30有一规定距离，用 于进一步对小体积工件室32中的气流模式进行控制。
气体扩散器28包括具有相同的反射率和随气体扩散器28上的位置 呈函数关系变化的反射率之一的表面，以对工件30的温度均匀性进行 微调。例如，一些快速热处理应用要求晶片到晶片的温度可重复性处 于±1℃(1σ)的数量级，各晶片的不同部分之间的感官温度差异几乎很 小，如处于±1℃(1σ)的数量级。不同的或变化的反射率水平决定了朝 向工件30不同部分的被反射的热辐射线的量，并由此可被用于对工件 30的均匀加热进行微调。
气体扩散器28在物理上可被分为两个实体。第一实体可起到气体 扩散器的作用，对工件室32中的气流模式进行控制；而第二实体可起 到热辐射反射器的作用，对工件30接收的热辐射线进行调节。例如， 热辐射反射器可以采用基座34底部表面上的反射表面的形式，而扩散 器由热辐射线高透过性材料制成。超过一个气体扩散器和热辐射反射 器可被放置在工件室32附近。圆环43也可被放置在工件30的边缘附 近，以有选择地屏蔽工件30边缘处的热辐射线并防止边缘过热。圆环 43安装在突出盖子33内壁的支承指45上。另一种选择是，盖子33某 些部分内的光透射率可被提供以有选择地减少工件30边缘接收的热辐 射量。
温度传感器44被设置在工件室定位组件22的下端，加热室11的 外部。温度传感器44在热处理过程中测量工件的温度。温度传感器44 可以是非接触式的，例如高温计。高温计要求一条如由气体扩散器28 窗口40和内管29的内腔24提供的光学通路。高温计的设置和运行是 得到公认的，在此无需进一步加以讨论。前述美国专利No.6,183,127 中描述了一种适用于测定晶片温度和辐射率的系统。
一些处理气体不利地吸收了非接触式温度传感器所需的热辐射。通 过使用光学非吸收性气体沿箭头B的方向净化远程传感器的光学通路 可解决这一问题。净化气体(例如：Ar或He、N2)可从净化气体源20 通过净化气体进口18和内管29的内腔24引入。处理气体和净化气体 在气体扩散器28下方混合。用于光学通路的净化气体可以是任何不干 扰温度遥感器工作的，且不会导致工件30产生化学或物理变化的气体。
温度传感器44也可以是接触式的，即带有遥感器的温度读数装置 (例如：带有热电偶的电压测量装置)或其它同类。遥感器需要用于 电线(未示出)的从工件室32延伸出、经工件室定位组件22至温度 读数装置的物理通路。热电偶可与工件30相接触或距离工件30一预 定距离，以测量工件30的温度。热电偶的结构和操作细节已被本领域 普通技术人员所了解，在此不再进行讨论。
根据本发明的教导，来自处理气供气站26的处理气或一系列不同 种类的处理气可被引到处理气体进口21。使用电磁场、使用光子的含 有原子团的气体、含有使用不同光源的电子、离子和原子团的气体介 质，处理气体流可被等离子能量激励装置27激励产生等离子体。处理 气体(或等离子体)在定位组件22的间隙23内向上流动至气体扩散 器28处，在此与净化气体流混合并在气体扩散器28和工件室基座34 之间向外传播。处理气体向上流动、绕过气体扩散器28，在工件30上 发生气体-表面相互作用，以致最终通过出口孔35从小体积工件室32 排入加热室11中(气流F和G)。处理气体的流速可被用于通过对流 和传导局部地调节工件30的总体温度和温度均匀性。
当使用潜在的有害气体处理工件30时，使用工件室32限制处理气 体的体积与使用清洗气体流A稀释通过出口孔35的处理气体相结合是 有用的。例如，在某些RTP处理中需要氢。然而，若在较大的(≈100 升)加热室11中充入纯的或高度浓缩的氢同时保持处理温度如500℃ 至1500℃时，爆炸危险极高。相对于其他不使用小体积工件室的相类 似的热处理系统，当使用根据本发明教导的工件室32时，热处理设备 10中的氢的量显著减少。更具体而言，通过一个相当于加热室11与小 体积工件室32的内部体积比因数，处理气体如氢的量减少了，而工件 30仍然暴露在有害处理气体中。来自工件室32的含氢的处理气体流容 易地被清洗气体流稀释至例如低于4％的水平，根据现有工业标准该水 平为安全排放水平。
清洗气体可以是惰性气体或反应性不活泼的气体，例如He、Ne、Ar、 Kr、Xe和N2或其混合物。清洗气体也可以是活性气体，例如O2。根据 具体进行的热处理过程，也可以使用其它反应性不活泼的气体或活性 气体。
处理气体可与清洗气体相同。处理气体另外可包括H2、H2O、O2、O3、 含卤素的气体或蒸汽(例如F2、HF、Cl2、HCl、Br2、HBr、I2)、卤素 间分子(例如ICl、IBr)、含氮的气体或蒸汽(例如NO、N2O、NH3)、 含Si、Ge、B、P、As和Ga的化学气相沉积前驱物、含金属(例如Al、 W、Cu、Ti、Co、Ta)的气体或蒸汽、金属有机化学气相沉积前驱物、 和含电子、离子、原子或原子团的气体。
处理气体还可含有可通过不同激励方法如使用等离子体、电子、光 子、放电、放射性辐射或其它，产生的电子、离子、原子或原子团。 能量激励装置27例如射频(RF)天线/电极、微波(MW)空腔、放电电 极、紫外线光源、放射性材料、激光束、同步辐射和灯(真空紫外线 (VUV)、紫外线-可见光和红外线)，可通过工件室32的处理气体进口 21被加入到处理过程中。
图3示出了描述根据本发明教导所述的图1和图2中所示本发明的 实施例中的一个实例的流程图。可通过在作为工件30的Si(100)晶片 上生长SiO2薄膜的两步RTP处理工艺对在热处理设备10中使用小体积 工件室32进行说明。第一步是在1100℃纯氧环境下生长SiO2薄膜60 秒。第二步是将该SiO2薄膜在1100℃纯氩环境下退火30秒。清洗气 体使用氮气。由于所使用的全部气体不会对温度遥感器44产生干扰， 因此不需要使用净化气体净化工件室定位组件22的内腔24。每一步的 操作条件仅作为例证性的用途被选择，且不是用来描述一种生产具有 最佳电学性能的硅的氧化物薄膜的方法。
为实施如前所述的两步RTP处理工艺，通过围绕加热室11布置的 加热元件在加热室11内产生适当的热辐射和温度梯度，同时，将清洗 氮气流(例如：50 SLM，即每分钟标准升)从气体源16引入气体进口 14(步骤400)。加热室11保持一个大气压。由于在本实例中所使用 的气体(氩气、氮气和氧气)不会对所使用的温度遥感器44如：红外 线高温计产生干扰，因此不需要净化气体流通过内管24。由于工艺气 体仅为氧气和氩气，在该两步RTP处理工艺实例中也不需要激励处理 气体。
工件室定位组件22的非工作位置也是工件30的装载/卸载位置， 在此，工件室32的基座34保持在加热室11的底部附近。该定位组件 22降低工件室32至非工作位置(步骤402)。盖子33被自保持在支 承装置36上，以使在盖子33和基座34之间存在一个间隙，用于将 Si(100)晶片装载到工件室32的支承部件47上(步骤406)。
从处理气体供气站26引入氮气流(如10 SLM)作为默认气体流， 通过处理气体通道23以净化被打开的工件室中在盖子33和基座34之 间存在的空间(步骤404，参见图2)。当不需要使用其它处理气体时， 默认气体可被提供用于在工件30进行热处理之前、之中和之后流过热 处理设备10。以Si(100)晶片形式存在的工件30被通过闸门31的机 械臂装载到定位针47上(步骤406)。定位组件22升起基座34以接 触并抬起盖子33，而盖子33将小体积工件室关闭。在盖子33被基座 34抬起后，默认氮气流过气体扩散器28和基座34之间、围绕气体扩 散器28和Si(100)晶片工件30的边缘流到在Si(100)晶片工件30 的顶面上，并通过出口孔35排出工件室32。
在使用小体积工件室32时，环绕Si(100)晶片工件30的处理气体 的有效体积(也可表示为气体环境)被大大减少至由工件室32的盖子 33和基座34所含有的内部体积。由此实现围绕工件的处理气体的快速 转换。
此外，从工件室32的出口孔35排出的气体(在本实例中的氩气、 氮气和氧气)与清洗氮气在加热室11中混合。该混合气体流进入排风 罩46中并从整个热处理设备10中通过排气管道48排出。
该两步RTO+RTA处理周期是在在主计算机(未示出)的自动控制条 件下开始进行。处理参数如，定位组件22的高度H(毫米)、工件30 (晶片)的温度T(℃)以及氮气、氧气和氩气进入处理气体进口21 的流速(SLM)被调节、同步和实时纪录。当工件30被预加热至一预 先设置好的温度时(例如700℃)，处理气体供气站26将默认氮气流 转换成具有适当流速(例如10 SLM)的第一处理气体，例如氧气(步 骤410)。进一步升高和调节加热室11中工件室32的位置以将工件30 保持在所需温度1000℃ 60秒(步骤412)以氧化Si(100)工件，即快 速热氧化(RTO)步骤。
然后降低工件室32冷却Si(100)晶片。同时，处理气体供气站26 中断氧气流并开始以适当流速(例如10 SLM)输入作为第二处理气体 的氮气(步骤414)。
再次升起工件室32以将Si(100)晶片工件30加热至1100℃。调节 定位组件22的位置以将Si(100)晶片30保持在所需温度1100℃ 30 秒用于在氩气环境中的快速热退火(RTA)步骤(步骤416)。
当工件室32被降低时，处理气体供气站中断氩气并开始以适当流 速(例如10 SLM)输入默认氮气流(步骤418)。工件室的盖子33与 工件室的基座34分离并打开了盖子33和基座34的间隙(步骤420)。 在定位组件22的非工作位置，Si(100)晶片被通过闸门31的机械臂 卸载(步骤422)，完成了含有两个连续步骤的整个热处理周期。可对 下一个工件进行处理(步骤424)。
如果连续使用不能共存的处理气体，处理气体从工件室排入加热室 就会存在问题。例如，在形成超薄氮化物叠片层的过程中，在进行硅 烷/氨下一步骤之前，可不使用清洗气体流将一氧化氮(NO)完全从加 热室11中净化掉。因此，残留的一氧化氮(NO)可与从小体积工件室 32排出的氨(NH3)发生反应在加热室11内产生水蒸气(H2O)和氮气 (N2)。湿度增加可导致含硅工件在装载和卸载过程中发生不利的氧化。 尽管可通过在两连续步骤之间使用反应性不活泼的气体净化整个加热 室11和工件室32解决这一问题，但是净化会显著降低热处理的产量。
图4、图5和图6提供了根据本发明教导所述的其它可选实施例。 在这些实施例中，来自工件室的废气直接流出整个热处理设备。
图4示出了根据本发明的教导所述的一个热处理设备100实施例。 加热套113形成了热处理设备100的内部结构，在其中布置有由炉壁112 形成的加热室111。加热套113可包含多种不同的发热元件如白炽灯、 弧光灯、加热线圈等等。加热套113中还可含有多个具有不同温度的 区域和有效冷却段。
来自气体源116的清洗气体经气体进口114进入加热室111。气体 进口114可被设计用于将清洗气体通过带孔板、圆环等横越加热室111 底部均匀分布或通过圆形缝隙等呈环状地均匀分布。清洗气体流J在 加热室111内侧、工件室132和定位组件122外侧上升，并进入排风 罩146中(气流Q)。
排风罩146用于将气体从加热室111内经排气管道148沿箭头R的 方向抽出或排出热处理设备100。排气管道148可与多个不同的真空阀 和真空泵(未示出)相连接，以使加热室111在从零到几个大气压条 件下运转。为控制压力，可在控制气体从加热室111中的抽出速率时 同时调节清洗气体和处理气体的流速。
可通过从气体源116向排气管道148供给清洗气体，并从气体进口 114排出气体反转清洗气体的流向(这将不得不重新进行构造以处理废 气)。对于一些要求低压或真空的用途，清洗气体的流速可设置为零。
工件室定位组件122通过加热室111的底部安装，且可在加热室111 中向上延伸和向下缩回。工件室定位组件122可借助气体轴承125或 使用其他已知密封技术如弹性密封、波纹管、差动泵浦等与加热室111 相连接，以确保加热室111内的气体完整性。工件室定位组件122可 以升降机组件的形式被用在如图4所示的立式热处理设备中。工件室 定位组件122也可被用在卧式或其它类型的热处理设备中。
如图4所示实施例中的工件室定位组件122包括一个为位于定位 组件122下端的温度传感器144提供光学通路或电线通道的内腔124。 定位组件122的内腔124用作通过定位组件122的处理排放通道。
布置在定位组件122内的细管123起到处理气体的气体通道的作 用，用于处理气体沿着定位组件122流入小体积工件室132。处理气体 通过处理气体进口121从供气站126被引入。位于工件室基底134下 方的细管166将处理气体从定位组件122中导出至工件室132的盖子 133和基底134之间的界面处。然后，处理气体通过盖子133底部上的 孔168进入盖子133的一个次隔室(气流S)。该供气站126可同时和 /或顺序地供给一种或多种气体。也可在工件室定位组件122中并入多 条气体通道用于不同的处理气体。
通过使用与处理气体进口121相连接的能量激励装置127，远程等 离子体可被用作小体积工件室132内的处理环境。该能量激励装置127 可以是等离子发生装置，例如微波(MW)空腔、射频(RF)天线或电 极、直流放电电极等。该能量激励装置127还可以是在进入工件室132 之前电离和分解处理气体的光激励电池。其光子源可以是激光束、同 步辐射线、灯(真空紫外线(VUV)、紫外线-可见光和红外线)及其它。
小体积工件室132安装在工件室定位组件122的顶端。小体积工件 室132具有一个与基座134分离的盖子133。当小体积工件室132处于 如图4所示的加热室111内的升高位置时，盖子133被搁在基座134 上。
盖子133具有双层壁结构，包括在盖子133底部相连接的一层外壁 160和一层内壁161以在盖子133内形成第一(外)次隔室162。至少一 个孔168被布置在盖子133中并与基底134的处理气细管166对齐。 内壁161具有多个孔135，使得在第一(外)次隔室162中的处理气体传 送至由盖子133的内壁161和基底134形成的第二(内)次隔室164。
在处理气体通过莲蓬式喷头135进入第二(内)次隔室164与工件130 发生相互作用前，第一(外)次隔室162预热处理气体流S。通过调节在 盖子不同部分的热吸收功率可对处理气体的预热进行微调。
盖子133和基座134之间的密封装置应具有气密性。在实践中， 有能力提供足够的流阻以限制盖子133和基座134接触面间的间隙放 气或换气的百分比。使用在基座134上的自动对准功能部件137或具 有相同功能的其他结构确保盖子133对准基座134。
支承装置136如三脚架，从盖子133延伸至基座134底部下方用于 装载和卸载工件130。当工件室定位组件122朝向加热室112基座降低 至非工作位置时，支承装置136保持在加热室112的底部上且支承盖 子133。当工件室定位组件122进一步降低一定量时，盖子133和基座 134相互间分开。因此，通过在加热室112下段的闸门131，工件转移 装置(未示出)可达到小体积工件室132的内部。
小体积工件室132的第二(内)次隔室可包括气体扩散器128。在气 体扩散器128上可形成一个窗口140。气体扩散器128被布置在基座134 上方和工件130下方。工件130可以是半导体晶片或其它种类的工件。 工件130放置在工件室132的基座134上的支承部件147上。支承部 件47可以是销钉、锐边、平整表面等其它。当盖子133受自身支撑时， 可将工件130放入小体积工件室132或从小体积工件室132中取出， 且基座134在其非工作位置开一个在盖子133和基座134之间的间隙。
气体扩散器128控制小体积工件室132中的气流模式，例如通过 将在第二(内)次隔室164中的处理气体流U从边缘会聚中央，并进入 定位组件122的内腔124(气流V)。
气体扩散器128可起到热辐射反射器或补偿器的作用。气体扩散 器128可将由工件130发出的和未被吸收的热辐射线反射回工件130， 以补偿由于被盖子33和基座34吸收和反射而产生的热辐射强度损耗。 气体扩散器128的反射特性可使工件130的温度增高。气体扩散器128 还可以将热辐射线反射离开全部或部分工件130，以实现对工件130的 温度控制和温度均一性。
气体扩散器128包括具有相同的反射率和随气体扩散器128上的位 置呈函数关系变化的反射率之一的表面，以对工件130的温度均匀性 进行微调。气体扩散器128的不同的或变化的反射率水平决定了朝向 工件130不同部分的被反射的热辐射线的量，以实现对工件130的均 匀加热。
如前述实施例，气体扩散器128在物理上可被分为两个实体。第一 实体可起到气体扩散器的作用，对工件室132中的气流模式进行控制； 而第二实体可起到热辐射反射器的作用，对工件130接收的热辐射线 进行调节。再有，热辐射反射器可以采用基座134底部表面上的反射 表面的形式，而扩散器由热辐射线高透过性材料制成。超过一个气体 扩散器和热辐射反射器也可被放置在工件室132附近。
圆环(未示出)可被放置在工件130的边缘附近，以有选择地屏蔽 工件130边缘处的热辐射线并防止边缘过热。圆环安装在突出盖子133 内壁161的支承指上。另一种选择是，盖子133某些部分内的光透射 率可被提供以有选择地减少工件130边缘接收的热辐射量。
温度传感器144位于在工件室定位组件122的下端，加热室111的 外部。温度传感器144在热处理过程中测量工件130的温度。温度传 感器144可以是非接触式的，例如高温计。高温计要求一条如由气体 扩散器128窗口140和定位管122的内腔124提供的光学通路。
温度传感器144也可以是接触式的，即带有温度读数装置的遥感器 或带有电压测量装置的热电偶。遥感器或热电偶需要用于电线(未示 出)的从工件室130延伸出、经工件室定位组件122至温度读数装置 或电压感应装置的物理通路，如前述实施例所述。遥感器或热电偶可 与工件130相接触或距离工件130一预定距离，以测量工件130的温 度。
根据本发明的教导，来自处理气供气站126的处理气或一系列不同 种类的处理气可被引到处理气体进口121。使用电磁场或含有使用不同 光子源的电子、离子和原子团的气体介质，处理气体流可被能量激励 装置127激励产生等离子体。处理气体(或等离子体)沿供气管道123 和细管166向上流动至盖子133和基底134之间的界面处。处理气体 通过孔168进入第一(外)次隔室162(气流S)。
处理气体在第一(外)次隔室162中预热并通过多个莲蓬式构造的孔 135进入第二(内)次隔室164。处理气体流散布开并与工件130(气流 T)的表面发生相互作用，并向下流动，绕过气体扩散器128(气流U)。 处理气体前进通过气体扩散器128和基底134之间的间隙，集中在定 位组件122的内腔124中(气流V)。处理气体通过定位组件122(气 流W)并经处理气体出口170排出整个加热室111(气流X和Y)。处 理气体的流速可被用于通过对流和传导局部地调节工件130的总体温 度和温度均匀性。
在图4所示的这一实施例中，处理气体流动路线(通过处理气体进 口121、供气管道123至细管166和气流S、T、U、V、X到Y)完全与 清洗气体(气流J、Q和R)的流动分开。与前面实施例中将处理气体 排入加热室11中不同(图1和图2)，处理气体直接被排出这一实施 例中的加热室111。这使得可以在多步RTP处理周期过程中以连续方式 使用不能共存的处理气体。
处理气体沿箭头V、W和X的方向流入定位组件122的内腔124中， 其与温度遥感器144的光学通道重叠。多种处理气体吸收温度遥感器 144所使用的波长的热辐射线，对工件130的温度测量产生严重干扰。 这一问题可通过如图5所示的本发明的另一实施例得以解决，其中将 温度遥感器的光学通道与处理气体流动路线分开。
参见图5，工件室232的盖子233与前述工件室132的盖子133相 似。处理气体流通过盖子233底部上的孔268进入第一(外)次隔室262 (由外壁260和内壁261形成)。在基底234中的处理气体输入口对 齐在盖子233底部的孔268。处理气体输入管道由输入管223和桥式管 266组成。还存在支承部件236以便盖子233与基底234的分离，用 于装载和卸载工件230。
工件室232的基底234与前述实施例中的工件室132的基底234有 很大不同。工件230自己形成了第二(内)次隔室264一段壁。换句话 说，第二(内)次隔室264由盖子233的内壁261、基底234和工件230 形成。有一垂直圆形壁246支承着工件230，提供足够的流阻以限制第 二(内)次隔室264和加热室111之间的气体交换。当工件室232的两 部分相接触时，自动对准功能部件237确保盖子和基底234之间对准。
处理气体从第一(外)次隔室262经成形为莲蓬式气体喷头的孔235 进入第二(内)次隔室264。围绕工件230安装一个边缘圆环243。边缘 圆环243、垂直圆形壁246和基底234的底部形成一个圆形通道，以在 与工件230的顶面相互接触后接收处理气体。处理气体由一个或多个 孔254排出第二(内)次隔室264并通过一个或多个排气管256进行传 输。
结合使用工件230作为内次隔室264的一部分壁，反射器228(或 气体扩散器)和光学窗口240安装在内次隔室264的外边、定位组件222 的顶上。输入管223和气体输出管258的垂直部分布置在定位组件222 内。输入管223和气体输出管258可连接或并入工件室定位组件222。 用于光学通道的净化气体沿定位组件222的内腔224的轴线向上流动 至光学窗口240。一些净化气体通过光学窗口240和反射器228之间的 间隙以净化工件230和反射器228之间的区域。这一构造大大减少了 沿在工件230的底部的非接触式温度传感器的光学通道存在的处理气 体的量。
由于存在另外一层壁材料导致进一步减少了热辐射传输，图4和图 5中的两个工件室实施例132和232中的两个盖子133和233分别使用 的双层壁结构可限制工件的最高可达温度。图6示出了具有单壁盖子 333和在处理(内)次隔室364外部的反射器328的工件室332的另一 实施例。处理气体在定位组件322内的气体入口管323的垂直部分上 升。处理气体通过一个水平的桥式管366排出定位组件322，进入工件 室基底334的圆形气体通道368中。圆形通道368围绕着工件330的 周边均匀分散处理气体流。处理气体通过在底板334中的一个或多个 孔或狭缝370进入处理(内)次隔室364。
与前述实施例相似，工件室盖子333、基底334和工件330形成了 处理(内)次隔室364。工件330沿其周边受到垂直圆形壁346的支承， 提供足够的流阻以限制第二(内)次隔室364和工件室322所在的加热 室之间的气体交换。处理气体在边缘圆环343上面朝向工件330的中 央流动，以与工件330的顶面发生相互作用。
处理气体会集到U形排气细管357的排风罩376中。排风罩376被 布置在工件330的中央上方，盖子333的下面。U形细管357可通过基 底334进行焊接。通过排风罩376排出的气体进入定位组件322内的 排气管道357中。处理气体流过定位组件322并经工件室定位组件322 排出整个系统。
为防止处理气体干扰非接触式温度传感器的工作，非吸收性的净化 气体流被用于净化通过定位组件322内腔324的光学通道。U形排气管 道357的直径尽可能小，以用于所需体积和气体流速，且其在工件330 上的高度要足够高，以使其对工件均匀加热的影响作用最小化。光学 窗口340提供了一条用于得到如前所述的工件330温度读数的光学通 道。
还存在支承部件336以便盖子333与基底334的分离，用于装载 和卸载工件230。当工件室332的两部分相接触时，自动对准功能部件 337利于盖子333和基底334之间对准。
相对于加热室体积的小体积工件室的小体积大大减少了围绕工件流 动的处理气体的量。由此，与不使用工件室相比，工件周围的处理气 体环境可更快速地(例如快几秒钟)进行净化和转换。这大大提高了 热处理产量。工件室的小体积显著减少了热处理系统内的有害处理气 体的量并大大降低了安全风险。小体积工件室的使用提供了对工件进 行多步热处理的能力，该多步热处理涉及与工件的处理温度特征同步 使用多种处理气体，而同时还要保留现有热处理系统的性能优势。
根据前面的详细描述，本领域的普通技术人员将很清楚本发明的多 个变型和可选实施例。因此，本说明仅应被视为说明性的，且被用于 教导本领域的普通技术人员实施本发明的最佳方式之目的。在不偏离 本发明精神的前提下，可对结构细节进行重大改变且保留在附属权利 要求的范围内各种改动的专用权。本发明仅受限于附属权利要求和适 用法律的要求。