用于组合式加热和冷却设备的加热部件以及其加热方法

专利名称：用于组合式加热和冷却设备的加热部件以及其加热方法
技术领域：
本发明涉及加热部件，加热元件，并涉及用来加热和冷却工件的设备，该设备包含这种加热部件和这种加热元件，该设备包括用于制造微电子器件的烘焙/冷却设备和涂敷(prime)/冷却设备。加热部件可以制造成具有相对高的平面度，可以在加工期间提高热传递效率，并改进热传递的均衡性。
背景技术：
在制造很多产品时都需要对温度和温度改变进行精确的控制。例如，在制造微电子器件例如集成电路、平板显示器、薄膜磁头等的时候，需要将一层材料例如光阻材料贴到基底例如半导体晶片的表面(在集成电路的情况下)。具体地说，在加工期间，必须对光阻材料进行烘焙，然后冷却，以凝固或硬化光阻材料的选定部分。烘焙和冷却步骤必须精确控制在严格的温度约束条件中，以确保光阻材料的选定部分完全具有好的分辨率。当今，在特征(features)尺寸日益减小并接近次微米大小的情况下，工件的精确温度和均衡加热就变得非常重要。
其它涉及精确温度约束条件的产品和方法包括医学产品和方法，这些产品和方法包括药品制备，器具杀菌，和生物工程学；加速生物活性的测试法；喷射模塑方法；压电装置；摄影胶片的处理；材料沉积方法例如喷涂和电镀方法；微机械制造；喷墨打印；燃料喷射等。
微电子器件的烘焙和冷却工作通常涉及要使工件在一个理想的温度分布图上进行循环，在该温度分布图中，工件保持在一个较高的平衡温度，再冷却到一个较凉的平衡温度，和/或在平衡温度之间改变速率(以℃/s表示)的温度坡度。为了实现烘焙和冷却，一些现有的烘焙/冷却工作使用分离的烘焙和冷却盘，这些盘需要使用工件输送机构，以将工件从一个盘物理举递到另一个盘。这种方法存在许多缺点，首先，在烘焙和冷却盘之间传递工件时，没有控制工件温度。第二，不能精确控制用来完成烘焙/冷却过程的总体时间，因为将工件移到各个盘和从各个盘移开需要的时间不定。第三，这种移动很费时间，由此减少了制造处理过程的生产量。第四，设备成本包括在将工件从一个盘传递到另一个盘的期间操纵工件的部件的成本。第五，工件从一个盘机械地移动到另一个盘，可能会使工件受到污染。因此，理想的是，能在不必将工件从一个加热部件物理举递到另一个分离的冷却盘的情况下，完成烘焙和冷却，反之亦然。
名称为“包含低热质量导热烘焙盘的组合式烘焙/冷却设备”的美国专利US6,072,163中描述了一种控制温度的方法。该专利描述的方法中使用了一种设备，该设备具有低热质量加热部件，该加热部件在烘焙和冷却工作期间支撑工件。虽然加热部件将工件支撑在一个表面上，但是加热部件的另一个表面可以与一个相对大块的冷却板热接触和脱离热接触，以容易在烘焙和冷却之间进行转换。可以使用一个简单机构来将加热部件和冷却盘进行物理隔离，以实现快速加热，或者可以使用一个简单机构来将加热部件和冷却盘连接起来，以实现快速冷却。这种方法不需要操纵工件以将工件从加热部件举递到分离的冷却板，而且有利的是，使冷却和烘焙可以从工件下面的一个方向上进行。
发明概述在烘焙和冷却工作中，要使用将加热和冷却结合在一起的一种设备，例如一种烘焙/冷却设备或者一种涂敷/冷却设备，据发现，精确的平面度是加热部件的一个重要特征。加热部件支撑表面和加热部件支撑的工件之间的间隙通常可以在千分之几英寸的等级上，例如小于千分之六英寸。重要的是，在加热部件和工件之间的整个区域上的间隙的跨距均匀，以便热量可以在两者之间均匀传导。
举一个导热效果不均匀的例子，将化学反应层例如光阻材料沉积到微电子器件上。如上所述，微电子器件上的特征越来越精细，可以小到0.13微米，并且更小。随着微电子器件的特征尺寸继续减小，用来处理非均匀性的公差减小。随着微电子器件的特征尺寸越来越小，过去对处理工件的最终质量的影响可以忽略的影响现在变得很重要。在用光阻材料制造这种极小的特征时，光阻材料的温度敏感性会影响最终产品的质量。具体说来，如果光阻材料层上温度不均匀，甚至不均匀的程度很微小，也可能导致沉积的光阻材料层厚度不均匀，或者导致显影形成的特征尺寸不均匀，这是由于溶剂蒸发不均匀，或者反应动力学不均匀，例如，显影，化学放大或者光阻材料的光化学反应不均匀。即使这些不均匀过程的程度非常小，也会引起使用这些化学物质制造的物品的某些细节例如特征尺寸不均匀，并产生瑕疵。改进加热工件均匀性的任何方法都可以改善产品质量和减少不合格产品。
能影响反应动力学、特征尺寸和均匀性，最终影响制造产品的质量的其它变量是加热和冷却过程的时间。许多化学反应对温度很敏感，意思是，这些反应需要在特定温度下进行。将温度控制在最适宜温度，可以非常快速地对工件进行加热，可以快速将化学物质(例如光阻材料)加热到理想温度，这样可以使在次适宜温度下反应的时间数量最小化，并使在理想温度下反应的时间最大化。总体来说，这提高了反应的精确性，和反应物质的均匀性。特别理想的是，加热部件的特性允许快速精确的加热和冷却。理想的是，加热和冷却性能灵活，而且这些灵活性可用来提供高生产量和工件质量。
据发现，可以通过选择低热质量加热部件，实现加热工件的高度均匀性，这些部件具有如下的一个或多个特点最大程度的支撑表面平面度；导热层的高导热性；温度控制的独立区域；和具有刚度、硬度和导热特性以获得理想平面度和导热性的导热层。改进的加热工件的均匀性，可以改进工件表面区域上的化学处理(例如溶剂蒸发或者化学反应)的均匀性，这样可以改进特征尺寸的均匀性，最终提高产品质量和产量。
用于构成加热部件的代表性方法是将加热部件材料置于高压环境中。过去，加热部件由使用高压和高温粘结在一起的许多层例如金属层和加热元件制备而成。用来制作加热部件层的许多材料例如金属如铝，具有相当高的柔韧性。构成加热部件时使用的高压趋向于对加热部件的最终平面度产生不利影响。举例来说，据发现，将加热元件粘结到一个薄平铝板上，可以使铝板变形达到百分之一英寸。结果是，减少了加热部件的平面度，或者整体上使加热部件歪曲，在使用期间，这会使加热部件和工件之间产生一个不均匀的间隙。接下来，这会引起加热部件对工件进行不均匀的加热。另一个难题是，金属特性包括相当低的刚度和相当高的柔韧性，这通常很难制造薄而平的金属板。
现在人们发现，低热质量加热部件可以由相对较刚硬的陶瓷材料构成，这种材料不会有相同的尺寸不稳定性，而且可以构造成相对更大的平面度，而且同时可以选择呈具有理想的热性能，例如低热质量，高而均匀的导热性。有用的陶瓷材料杨氏模量测量的硬度，其杨氏模量通常至少有200吉帕(gigapascal)，更加优选的是，大于大约400吉帕，这样可以将工件处理到更好的平面度。更好的平面度可以小于大约0.01英寸，更加优选的是，小于大约0.005英寸，或者甚至小于大约0.002英寸或更少。
优选的加热部件可以包括一个具有精确平面度的陶瓷导热层，该导热层粘结到一个加热部件。例如，加热部件可以由一个刚性陶瓷层构成，该陶瓷层一个表面被精加工成具有非常高的平面度，而另一个表面被粘结到一个加热部件。在另一个实施例中，加热部件可以包括两个陶瓷层，这两个陶瓷层之间夹着一个加热部件。这些加热部件可以使用不会明显不利地减少陶瓷导热层平面度的技术来进行制造和装配，以制造出具有上好平面度的加热部件，比平面度很差的加热部件来讲，在使用过程中，这种加热部件可以有利地提供更加均匀的热传递。这种陶瓷还可以具有其它用于组合式烘焙/冷却设备中的有利特性，例如相对低热容量(因此热质量很低)和高导热性中一个或多个特性。
一种可以提供这些优点中一个或多个优点的优选陶瓷材料包括被称为碳化硅的材料，特别是按重量计算的纯度超过95％的碳化硅，例如重量纯度超过97％的碳化硅，例如重量纯度至少为98％或99％，甚至达到99.999％或者更高。这种高纯度使热传递特性得到改进，并且使热传递更加均匀。导热层也可以由其它材料制成，特别是其它陶瓷例如氮化铝(AlN)，铍铜合金，铍，石墨泡沫和具有优选的刚度和热特性的类似材料。
本发明加热部件的其它优点可以包括下面的一个或多个优点。改进平面度，可以消除抽真空以将工件压到加热部件上的需要，有时还要使用其它加热部件(使用真空仍然有用或者使用真空是理想方法)。这样可以减少加热部件自身和减少使用该加热部件的设备的复杂性。此外，可以减少设置在加热部件表面上以将工件支撑在加热部件表面上的突起的数量，或者甚至可以消除突起的需要，以更加有效地进行热传递。
本发明的优选加热部件可以包括多层加热元件，意思是，加热元件包括加热元件片段，这些片段被分成两层或多层加热元件。(当然，也可以使用单层加热元件。)优选加热部件可以包括下面的结构一个或多个导热层(位于顶上的一个导热层包括一个工件支撑表面，作为选择，一个第二导热层与加热元件相对，加热元件可以设置成与冷却盘进行热接触)；一个加热元件，作为选择而且优选的是，该加热元件包括多层结构，各层结构包含一个或多个加热元件片段；粘结剂；另外还可以包括作为选择的元件例如温度传感器(作为选择而且优选的是作为一层加热元件)，或者本领域普通技术人员容易想到的其它元件。优选使用接地层来将电阻加热元件片段层与温度传感器层分开。
本发明的优选实施例可以包括控制设备和方法，这些设备和方法可以精确而且准确地控制加热部件和加热、冷却步骤中的工件的温度，以确保适合制造工件的严格温度规定得以满足。例如，如果使用的加热或冷却速率快到1℃/s到50℃/s，优选的是5℃/s到15℃/s，那么，控制系统可以灵活到足以控制工件温度与这种快速温度改变相当。
本发明一方面涉及一种低热质量加热部件，该加热部件包括一个导热层，该导热层具有一个支撑表面，其平面度小于0.01英寸。导热层还有一个与加热元件进行热接触的相对表面。
本发明另一个方面涉及一种低热质量加热部件，该加热部件包括一个与导热层进行热接触的加热元件，其中，导热层包括碳化硅，重量上的纯度至少为大约98％。
本发明另一个方面涉及一种低热质量加热部件，该加热部件包括一个与导热层进行热接触的加热元件，而且该导热层是氮化铝。导热层可以由氮化铝组成，或者可以基本上由氮化铝组成。
本发明另一个方面涉及一种低热质量加热部件，该低热质量加热部件包括一个与导热层进行热接触的多层加热元件。该多层加热元件包括多个电阻加热元件片段，和至少两个不同的多层加热元件层，这些层各自包含一个加热元件片段。
本发明另一个方面涉及一种多层加热元件。该多层加热元件包括多个电阻加热元件片段，和至少两个不同的多层加热元件层，这些层各自包含一个加热元件片段。优选的是，该加热元件基本上是扁平的，而且可以用于加热平面基底。
本发明另一个方面涉及一种加热部件，该加热部件包括一个导热碳化硅层，该碳化硅层具有一个支撑表面，其平面度小于0.01英寸，其中，碳化硅的导热性至少为100瓦特/(米开氏度)；和一个与碳化硅层相对表面进行热接触的多层加热元件，其中，该多层加热元件包括多个电阻加热元件片段，而且其中，至少两个不同的多层加热元件层各自包含一个或多个加热元件片段。
本发明另一个方面涉及一种适用于控制工件温度的设备。该设备包括(a)一个低热质量导热加热部件，该部件具有一个支撑工件的表面，该表面适合于支撑工件，使工件与加热部件进行热接触，以便热能可以从加热部件传递到工件，加热部件的支撑表面的平面度小于0.01英寸；和(b)一个高热质量冷却部件。该设备以至少第一种结构支撑加热部件和冷却部件，其中，冷却部件与加热部件进行热接触。
本发明另一个方面涉及一种适合于控制工件温度的设备。该设备包括(a)一个低热质量导热加热部件，该部件包括一个陶瓷导热层，该导热层具有一个支撑工件的表面，该表面适合于支撑工件，使工件与加热部件进行热接触，以便于热能可以从加热部件传递到工件，陶瓷层是碳化硅，其重量纯度至少为大约98％；和(b)一个高热质量冷却部件。该设备以至少第一种结构支撑加热部件和冷却部件，其中，冷却部件与加热部件进行热接触。
本发明另一个方面涉及一种适合于控制工件温度的设备。该设备包括(a)一个低热质量导热加热部件，该部件包括一个导热层，该导热层具有一个支撑工件的表面，和一个相对的表面，该支撑工件的表面适合支撑工件，使工件与加热部件进行热接触，以便热能可以从加热部件传递到工件，该相对的表面与多层加热元件热接触，该多层加热元件包括多个电阻加热元件片段，其中，至少两个不同的多层加热元件层各自包含一个加热元件片段；和(b)一个高热质量冷却部件。该设备以第一种结构支撑加热部件和冷却部件，其中，冷却部件与加热部件进行热接触。
本发明另一个方面涉及一种组合式烘焙/冷却设备，该设备包括一个低热质量加热部件，该部件具有一个碳化硅导热层，其中所含碳化硅的重量至少占约98％，而且加热部件表面的平面度小于0.01英寸。
本发明另一个方面涉及一种组合式涂敷/冷却设备，该设备包括一个低热质量加热部件，该加热部件具有一个氮化铝导热层，该导热层包括一个平面度小于0.01英寸的表面。
附图简述附

图1a以侧视图显示了处于“准备”结构的本发明烘焙/冷却设备；附图1b以侧视图显示了处于“烘焙”结构的本发明烘焙/冷却设备；附图1c以侧视图显示了处于“冷却”结构的本发明烘焙/冷却设备；附图1d是本发明加热部件的俯视图，显示了支撑晶片的突起的设置；
附图1e是用于本发明加热元件或加热部件的温度传感器的一个实施例的俯视图；附图2是本发明加热部件实施例的横截面图，该图显示了一种层压结构；附图3是本发明烘焙盘替换实施例的横截面图，该图显示了另一种层压结构；附图4是本发明烘焙盘替换实施例的横截面图，该图显示了另一种层压结构；附图5a是加热部件的多层加热元件片段和导热层元件的分解透视图；附图5b是多层加热元件例如附图5所示多层加热元件的侧视图；附图5c是多层加热元件的加热元件片段的俯视图；附图5d是多层加热元件的加热元件片段的俯视图；附图6是利用冷却盘进行冷却的半导体装置的温度分布图，冷却盘保持在与理想最终冷却静态温度相同的温度；附图7是利用冷却盘进行冷却的半导体装置的温度分布图，冷却盘保持在一个低于最终理想冷却平衡温度的温度；附图8是半导体装置的温度分布图，该半导体装置在没有加快冷却的条件下被加热到平衡温度；附图9是半导体装置的温度分布图，该半导体装置在加快冷却的条件下被加热到平衡温度；附图10是烘焙/冷却站的透视图；附图11是附图10所示烘焙/冷却站的横截面侧视图；附图11a是附图10所示烘焙/冷却站的横截面侧视图；附图12是附图10所示烘焙/冷却站的横截面侧视图；附图13是附图10所示烘焙/冷却站的横截面侧视图；和附图14是用来描述平面度测量方法的视图，并且显示了基底的俯视图，该基底从下面由支柱支撑，该支柱允许从下面进行测量。
详细说明本发明涉及低热质量加热部件，这些加热部件包括一个加热元件，该加热元件与一个导热层保持热接触。该导热层具有一个支撑表面，用来在加工期间支撑工件，和一个相对的第二表面，该表面邻近加热元件。根据本发明，选作导热层结构的材料是一种具有一种或多种特性的材料，这些特性选自于较高硬度，能加工成精确平面度的能力，高导热性，较低热容量，和较低热质量。
据发现，加热部件导热层的支撑表面的精确平面度可以改进对工件的加工过程，因为支撑表面的精确平面度使在加热部件和工件之间的热传递更加均匀。当使用加热部件加工工件时，在加热部件支撑表面和加热部件支撑的工件之间的间隙通常可能在千分之几英寸的等级上，例如小于千分之六英寸。重要的是，在位于加热部件和工件之间的整个区域上，间隙跨距尽可能一致，因此，在加热和冷却期间，热能可以在二者之间均匀地进行传递。例如在加工沉积在工件表面上的化学制品的过程中，在加热部件区域上的均匀热传递提供了最佳加工过程，因为均匀热传递使化学制品特性一致，尤其包括使溶剂蒸发一致，以及使工件表面区域上化学反应率一致。由于现今一些工件类型的特征尺寸很小，所以能避免在加工期间在基底区域横向上产生甚至很微小的热的不一致性，这样便可以显著地改善被加工工件的产品质量。
因此，根据本发明，加热部件可以包括一个支撑表面，该支撑表面的平面度小于0.01英寸。优选的加热部件可以有一个平面度小于0.005英寸的支撑表面，更加优选的是，小于0.002英寸。该平面度可以通过本说明书结束时描述的步骤来测量，而且最合适的是，可以在制造出加热部件之后不久的某个时间进行测量，但是也可以在更后的某个时间进行测量，例如在用来加热和冷却的设备中安装或使用加热部件期间。
为了使导热层具有理想的平面度和有效的导热特性，优选的是，该导热层可以由一种具有相对较高硬度的陶瓷材料制成。为了实现其它理想的热特性，该陶瓷还具有高导热性和低热容量(在此热容量也被称作“热质量”)。
导热层的有关硬度使导热层具有精确的平面度。要测量硬度可以测量杨氏模量，这是已知的测量法，该测量法可以通过各种标准测试和使用各种已知方法和设备得以执行。优选的是，导热层可以具有一个至少大约为200吉帕例如300或400吉帕的杨氏模量。例如，用于本发明导热层的优选碳化硅材料可以具有410吉帕或更多的杨氏模量。氮化铝可以具有至少大约344吉帕的杨氏模量。
优选的是，加热部件也具有一个较低热质量或热容量。低热质量可以是一种热质量，能使由加热部件支撑的工件可以经过加热部件与冷却部件保持热接触，例如冷却部件可以从加热部件下面并经过加热部件来冷却工件，即使加热部件在某种程度上加热工件。具有低热质量的加热部件的例子在美国专利US6,072,163中有描述，该专利的全部内容在此引用作为参考。不同的规定在于，“低热质量”意思是，加热部件的热容量至多大约与被加工工件的热质量的数量级相同。优选的是，加热部件与工件的热质量比率在从大约1∶100到大约5∶1的范围内，优选的是在1∶10到大约2∶1的范围内。
“热质量”指的是升高物体1℃温度所需要的能量数。例如，固体例如工件(如半导体晶片)，加热部件，或者冷却部件的热质量Q，可以用下面的公式表示Q＝MCP(I)其中，M是物体以kg表示的质量，CP是物体在一个理想温度范围内的平均热容量(J/kg-℃)。
陶瓷材料的优选热容量CP可以小于大约1000焦耳每度C-Kg(J/℃-Kg)，更加优选的是小于大约500J/℃-Kg。许多陶瓷材料的热容量是已知的，可以从参考文献获得，或者可以通过已知方法测量出来。
通常，加热部件的质量可以在从大约500克到大约1500克的范围内，例如大约1000克。
公式I显示热质量Q与加热部件的质量有关，加热部件的质量当然与尺寸例如厚度和直径有关。本发明优选的加热部件的热质量可以明显小于常规加热部件导热层的热质量，常规加热部件导热层的热质量通常超过5000焦耳每摄氏度(J/C)(使用300mm直径的基底)。例如，本发明的低热质量加热部件的热质量可以小于2000J/C，优选的是小于1000J/C，更加优选的是小于500J/C。这些值是就直径从大约8到13英寸，厚度优选的是小于0.5英寸，更加优选的是从大约0.06到0.25英寸的加热部件而言。加热部件的热质量通常主要应归因于导热层，加热部件的加热元件部分通常只是导热层总热质量的一小部分，例如小于大约百分之十或五，或者小于甚至百分之一。
在加热部件导热层中有低热质量，最好同时具有高导热性，是理想的，这样有利于有效快速地加热和冷却工件。在冷却步骤中，当热能从工件经过低热质量导热加热部件流到冷却设备时，这对组合式烘烤/冷却或涂敷/冷却设备的工作特别有利。
导热层用作支撑和保护加热部件其它层的结构层，而且还有利于经过加热部件在横向和垂直方向进行热传导，以有利于支撑在加热部件一个表面上的工件的均匀加热。因此，除了上述优选特性以外，优选的是，导热层由一种合适材料或组合材料制成，这些材料在结构上支撑加热部件的其它层，同时经受得住加热和冷却工作的温度改变，而基本上不会发生变形、下陷、起皱、张力损失，或其它不理想的退化。正如在本说明书其它地方要讨论的一样，本发明加热部件中可以包括一个或两个(如果需要的话，或者更多)导热层，例如顶部有一层，作为选择，底部还有一层。
导热层的厚度可以取决于各种因素，例如其构成、热特性、加热部件的其它元件例如加热元件的性质、和加热部件中包括的导热层的数量和构成。就其功能上讲，导热层在其固有硬度基础上应当有足够的厚度，以给加热部件提供理想的结构完整性和硬度和刚度。另一方面，应当足够薄，以使热能可以经过加热部件有效流动，并且保持到一个较低热质量。导热层应当薄到足以具有较低热质量，以快速地经过导热层给被支撑的工件提供冷却和加热效果。但是，如果导热层太薄，加热部件的机械强度和耐用性可能会很差，使加热部件的使用寿命较短。随着厚度减少，横向导热性由此加热均匀性也减少，同时较厚导热层倾向于具有较好的横向导热特性，倾向于更加均匀地加热被支撑的工件。但是，如果导热层太厚，太大，就会构成更大的热质量，这样会减慢被支撑的工件进行加热和冷却的速率。
为了平衡这些关系，优选的是，加热部件包括一个或两个导热层，一个导热层在上工件支撑表面上，作为选择，另一个导热层在相对的表面上，该相对表面能放置成与冷却站进行热接触。这一个或两个导热层的厚度取决于各种因素，包括导热层的构成，和一个或两个(或者可能甚至更多)的导热层是否被包括在加热部件中。优选厚度可以使加热部件的总厚度优选小于0.25英寸，更加优选的是小于0.125英寸。因此，单个导热层的优选厚度可以在大约千分之四十英寸到0.125英寸的范围内。对于具有两个导热层的加热部件而言，优选的是，各个导热层的厚度不大于大约0.10英寸，优选的是，在从大约0.04到大约0.08英寸的范围内，因此，加热部件的总厚度小于0.25英寸，优选的是小于大约0.125英寸。此外，对于工件支撑表面上只有一个导热层的加热部件而言，厚度可以是两倍厚或者更厚，优选的是在从大约0.10英寸到大约0.20英寸的范围内，使加热部件的总厚度小于0.25英寸，优选的是小于大约0.125英寸。
可以用在导热层中的材料包括能处理成具有精确平面度的陶瓷，具有优选热特性的材料，和优选地，能处理成具有精确平面度和优选热特性的材料。
许多陶瓷材料可以被加工成具有精确平面度。一种特种陶瓷是包含碳化硅(SiC)的这种陶瓷材料。本发明的优选导热层可以包括碳化硅，特别优选的导热层由各种纯度的碳化硅制成，也就是说，由各种纯度的碳化硅组成或基本上由各种纯度的碳化硅组成。
碳化硅可以具有多种形式。不同的形式各有其特征，例如，其纯度或热传递特性，两者多少有联系。根据本发明，优选的碳化硅材料可以是相对高纯度的碳化硅，相对高导热性的碳化硅，高均匀度的碳化硅组分的碳化硅等，这意味着在导热层的表面区域基本上具有均匀的高导热性。
有一种碳化硅通常被称作反应结合的碳化硅。这种反应结合的碳化硅可以在商业上获得，例如从本顿阿肯色州氧化铝陶瓷股份有限公司和其它地方获得。反应结合的碳化硅通常具有重量高达大约百分之97.5的纯度，碳化硅重量例如在从大约百分之95到大约百分之97的范围内。具有这些纯度值的碳化硅材料的导热性通常小于大约100瓦特每米开氏度(w/(mK))。因此，虽然本发明可以使用这种类型和纯度的反应结合的碳化硅，但是，也可以优选采用具有更高纯度和更高更均匀的导热性的其它类型的碳化硅。
另一种碳化硅是通常被称作烧结碳化硅的那种碳化硅。这种碳化硅也可以在商业上从氧化铝陶瓷股份有限公司和其它地方获得。烧结碳化硅的重量纯度通常至少为百分之98，这种碳化硅具有微量元素，微量元素包括硼、自由碳、镍、钒、铁和其它元素。烧结碳化硅的导热性通常在从大约100到大约150w/(mK)的范围内。
还有另一种碳化硅是通常被称作“CVD”碳化硅或化学汽相沉积碳化硅的那种碳化硅。CVD碳化硅的重量纯度通常至少有百分之90，甚至具有极其高的重量纯度，即高到或超过百分之99.999，该重量纯度可以包括或超过百分之99.9995。CVD碳化硅的导热性通常超过150w/(mK)，例如达到大约300w/(mK)。CVD碳化硅可以在商业上例如从Rohm和Haas和其它地方获得。
用在导热层中的其它材料可以包括其它陶瓷，例如氮化铝(AlN)；铍铜合金(Be占90-95％，Cu占5-10％)；通常涂布有例如镍的铍-铜；铍，可以独立使用只是很危险有毒；石墨泡沫(可以在商业上从德克萨斯州Decateur的Poco Graphites获得)；和类似材料。
通过烘焙盘和材料技术中已知的现有方法，可以将材料如上述那些陶瓷制备成平导热层。例如陶瓷材料可以模压，机械加工，热加工(例如烧结或烘焙)，研磨，抛光和以其它方式加工成均匀的厚而平的导热层，该导热层支撑表面的平面度是0.01英寸、0.005英寸或0.002英寸，或更小。
具体地说，对于碳化硅材料来讲，可以根据例如所选择的碳化硅种类使用多种加工方法中任一种。反应结合的碳化硅开始是固体硅石，碳是扩散到这些硅石中的。这种固体材料可以机械加工成平面盘，作为选择，可以进一步机械抛光或用手工抛光成平滑精细的光洁度。烧结碳化硅开始是粉末，这些粉末可以模压成一个相当平坦均匀的厚盘。那个盘可以进一步机械加工、研磨和手工或机械抛光成一个非常平的表面。CVD碳化硅开始是固体，这种固体可以机械加工、研磨和抛光成一个具有非常平的表面的盘。
加热部件还包括一个加热元件，该加热元件可以是任何已知材料，这些材料通常基于电阻来快速精确地产生热量。用在本发明加热部件中的优选加热元件相当薄，而且最有选的是，具有高导热性和低热质量。在加热部件和烘焙盘的技术中，这些加热元件通常是广为人知的。
优选加热部件可以包括多个加热区域。在这些优选实施例中，一种加热元件包含多个加热元件片段，一个或多个片段与加热部件的不同加热区域一致。最有选的是，各个独立的加热元件片段可以经过各自独立的一套导电线，分开地连接到一个独立的温度控制机构(但是通常连接到一个加工控制装置)。
因此，本发明的一个优选加热部件可以包括下面的结构一个或多个导热层(一个导热层在顶部，该导热层包括一个工件支撑表面，作为选择，与加热元件相对的一个第二导热层可以放置成与冷却盘进行热接触)；一个加热元件，作为选择并优选的是，包括多层结构，各层结构包含一个或多个加热元件片段；粘结剂；而且可能另外还包括作为选择的元件例如温度传感器，这是普通技术人员容易认识到的。
作为选择的元件的一个例子可以包括一个温度监测元件例如RTD，或者电阻温度探测器。作为选择的元件的另一个例子可以包括一个电接地层，当电绝缘陶瓷被用作导热层时，该接地层可以充当加热部件的安全地线的角色。此外，如果接地层放置在加热元件和温度监测元件之间，接地层可以遮蔽温度监测元件，以免其受到来自加热元件层的电磁辐射的影响，该加热元件层可能在温度监测元件中产生噪音和错误数据。接地层可以是任何导电材料，优选的是一种导电性很高的材料例如铜。
另外的作为选择的元件是绝缘体或绝缘层，该绝缘体或绝缘层可以被放置在不同的导电层之间，以提供电绝缘性，而且可以以不同的模式被放置在具有相当不平或粗糙的表面的一层或两层结构之间，以防止那些表面之间的接触。导热的、电绝缘的温度稳定的粘结层通常用来将单个层粘结在一起。
导热层可以与加热元件和加热部件的其它作为任选元件结合，并且可以利用已知方法装配成一个加热部件。根据一种由加热元件和一个或多个导热层形成加热部件的方法，将要层压在一起的分离层对齐堆叠起来，这些分离层包括加热元件层(例如粘结剂和一个或多个包含电阻加热元件片段的层)，作为选择，一个接地盘或接地层，作为选择，一个或多个温度传感器，和一个或多个导热层。定位销可以对齐穿过堆叠的层，以帮助层结构堆叠时获得正确的定位。然后，这堆层结构被放在一个真空袋中，并且用玻璃纤维织物包裹，以防止导热层受到损害。袋内抽成真空，在一个高压釜中，在350psi(24巴)的压力下将这些层结构压在一起，而且在350℃将该组件加热一段时间(通常为2-24小时)，加热的时间要足以有效地将层结构结合在一起。
加热部件可以用在用于加热和冷却工件的设备中，工件包括微电子元件。这些设备包括例如组合式烘焙/冷却设备和组合式涂敷/冷却设备。术语“组合式烘焙/冷却设备”意思是指结合低热质量加热部件的设备，该加热部件在烘焙/和冷却工作期间支撑着一个工件，例如在美国专利US6,072,163中描述的那种设备，标题为“包含低热质量的组合式烘焙/冷却设备，导热烘焙盘。”虽然一个表面上支撑着工件，但是加热部件的其它表面可以与一个相当大的冷却盘进行或脱离热接触，以容易地在烘焙和冷却之间转换。用一个简单机构对加热部件和冷却盘进行物理隔离，以实现快速加热，或者将加热部件和冷却盘连接起来，以实现快速冷却。这种方法消除了搬运工件以将工件从加热部件举递到一个分离的冷却盘的必要，并且有利于允许从在工件下面的一个方向进行冷却和烘焙。
附图1a、1b和1c分别示意性地表现了组合式烘焙和冷却设备10(下文中也被称作“烘焙/冷却设备10”)的一个优选实施例的三种结构，这种设备适合使工件例如半导体装置12循环经过一个温度分布图，该温度分布图包括至少一个烘焙步骤和至少一个冷却步骤。烘焙/冷却设备10包括外壳14，外壳具有底部外壳部件16和顶盖18。底部外壳部件16和顶盖18可以如图1a所示与彼此分离，或者如图1b(烘焙结构)和1c(冷却结构)所示靠拢在一起，以重复打开和关闭外壳14。当外壳14打开时，半导体装置12可以被插入外壳14中，并且被放置在一个固定的支撑销19上，以准备烘焙和冷却。
在将晶片12插入外壳14中后，外壳14可以如图1b和1c进行关闭，以形成一个封闭的、环境上密封的加工腔室，优选的是，该腔室的体积小到足以基本上避免热对流，否则这种对流可能在烘焙和冷却期间出现。正如希望的一样，环境密封也保护加工腔室和其内容物免受污染物的影响，并且允许加工腔室更加有效地利用气体进行净化(如果希望在一个特别的气氛中进行加工)，或者进行抽空(如果希望在真空或部分真空中进行加工)。
外壳14包含一个具有相对低热质量的呈烘焙盘20形式的导热加热部件和一个具有相对高热质量的呈冷却部件26形式的散热装置。正如在此使用的一样，“高热质量”意思是指，冷却部件26的热容量的数量级至少大于烘焙盘20或工件的热容量数量级。优选的是，冷却部件26的热容量与烘焙盘20和/或工件的热容量的比率至少是10∶1，更加优选的是10∶1到100∶1，最有选的是30∶1到50∶1。
烘焙盘20具有一个第一主表面22，用来支撑半导体装置12，因此可以在烘焙期间，将来自烘焙盘20的热量传递给半导体装置12。烘焙盘20还包括第二主表面24，该第二主表面可以放置成与冷却部件26进行热接触。“热接触”意思是指，烘焙盘20和冷却部件26足够靠近，使冷却部件26的冷却效果可以经过烘焙盘20传给半导体装置12。如图1c所示，当第二主表面24与冷却部件26进行直接的物理接触时，可以最快速地进行冷却。但是，甚至在烘焙盘20和冷却部件26之间存在一些物理隔离，例如在优选实施例中隔离达到大约3mm时，也仍然可以有效地进行冷却。
烘焙盘20包括一个或多个加热元件(如果加热元件多于一个的话，其片段可以被称作“加热元件片段”)，优选的是，加热元件呈这种电阻加热元件形式(没有具体显示)，其中，电线36提供给加热元件的电能被转换成相应数量的热能。由于烘焙盘20具有相对低的热质量，而且导热，所以，烘焙盘20中释放的热能很快就传递给半导体装置12。
在表面区域的方面，加热元件的与导热层接触的区域，例如所有加热元件片段的整个区域，优选的是，大于半导体装置12，以确保加热元件片段不只是在晶片12下面而且还延伸到晶片12的边缘13之外。
与半导体装置12和烘焙盘20相比，冷却部件26具有相对高的热质量。因此，冷却部件26用作大散热装置，而且可以保持在有效地进行冷却的任何理想冷却温度，例如通常保持在15℃到23℃。当烘焙盘20被放置成与冷却部件26进行热接触时，借助热的传导，可以使烘焙盘20，由此使晶片12快速地被冷却。作为选择，冷却部件26可以包括穿过冷却部件26内部的冷却通道28。这样通过使冷却介质例如水等循环流过冷却通道28，使冷却部件26可以保持在理想的冷却温度。这种冷却介质可以包括一种防腐蚀剂，以保护冷却部件26不受腐蚀。
在优选实施例中，冷却部件26可以由一种抗腐蚀的导热金属例如铝、不锈钢、铜、这些金属的组合物等形成。如果冷却部件26由铜制成，优选的是，铜包括一个涂层，例如Ni，该涂层可以保护铜不受腐蚀，而且也防止铜离子污染晶片12。如果冷却部件26由铝制成，铝可以利用涂层进行钝化，例如一个包括氧化铝的涂层，氧化铝中浸入聚四氟乙烯等，该涂层可以保护铝不受腐蚀。
当然，冷却部件26的这个实施例只是优选实施例，此外可以使用其它种类的冷却结构和装置。例如，可以使用冷却气体作为冷却介质，而不是使用液体冷却介质例如水。但是，冷却介质的使用决不是必要特征。例如，冷却部件26可以是珀耳帖效应装置。这种装置不依靠冷却介质来进行冷却，而是使用电能进行冷却。
再参考附图1a、1b和1c，烘焙盘20和冷却部件26可以相对彼此相互地移动，因此，烘焙盘20的第二主表面24和冷却部件26的顶表面30可以分离，或者靠拢进行热接触，以可控制地进行烘焙和/或冷却。为了实现半导体装置12的最快烘焙，烘焙盘20和冷却部件26可以分开足够的距离，因此，第二主表面24和顶表面30不进行热接触(参见附图1b)。当烘焙盘20和冷却部件26以这种方式分开时，事实上烘焙盘20或半导体装置12获得的冷却部件26的冷却效果很少，或基本上没有冷却效果。为了实现半导体装置12的最快冷却，烘焙盘20的第二主表面24和冷却部件26的顶表面30可以放置成彼此进行物理接触(参见附图1c)，同时，没有给电阻加热元件提供电能。可以通过调节冷却部件26和烘焙盘20之间的间距，和/或通过改变烘焙盘20的发热量，实现冷却和/或烘焙的中等速度。在一些情况下，烘焙盘20的理想温度分布图可以通过使烘焙盘20和冷却部件26之间保持热接触，同时，在一定程度上同时加热和冷却半导体装置12来获得。实际上，同时加热和冷却特别有利，这样可以将烘焙盘20保持在理想的平衡温度，由此将晶片12保持在理想的平衡温度(根据需要，或是烘焙或是冷却平衡温度)，其中烘焙盘平衡温度被控制到+/-0.01℃。
可以通过使用任何合适的传送机构，获得烘焙盘20和冷却部件26之间的往复的相对运动。根据如图1a、1b和1c所示的代表性技术，烘焙盘20支撑在烘焙盘支柱32上，烘焙盘支柱可以被升高或降低，以实现烘焙盘20的相应独立运动。在一个优选实施例中，烘焙盘支柱32是中空的，用来收藏电线36，该电线可以将电能输入一个电阻加热元件，并从电阻加热元件输出。有利的是，收藏在中空烘焙盘支柱32中的电线36不仅从视觉上得到隐藏，取得了美学效果，而且很好地受到烘焙盘支柱32的壁的保护。同样，冷却部件26被支撑在冷却部件支柱34上，该冷却部件支柱也可以被升高或降低，以获得冷却部件26的相应的独立运动。如果需要的话，支柱32和34也可以同时进行动作，以获得烘焙盘20和冷却部件26的协同动作。
要理解的是，在整个温度斜坡时期，在对烘焙盘20支撑的工件进行加热或冷却期间，晶片12的靠近边缘13的部分倾向“领先”晶片内部。也就是说，在烘焙斜坡期间，边缘13倾向稍热于晶片12内部，而且在冷却斜坡期间，或者在平衡温度时，边缘13倾向稍冷于晶片12内部。为了补偿这种温度边缘效应，有利的是，烘焙盘20可以包括至少两个独立的加热区域，这两个加热区域包括至少一个第一内部加热区域和一个第二外部环形加热区域，该第一内部加热区域至少位于烘焙盘或与晶片12相联的加热部件区域下面，该第二外部环形加热区域位于围绕第一内部加热区域的加热部件的至少部分区域下面，由此包围了由工件覆盖的区域。优选的是，两个加热区域之间的分界线可以接近晶片12的外轮廓线。
优选的是，这种第一和第二加热区域可以独立控制，因此，可以通过独立地调节内部带和外部带的发热量，使穿过半导体装置12直径的温度分布图或分布曲线更加均匀。因此，如果观察到温度边缘效应，就可以调节加热区域的相对温度，来减少这种效应，优选的是消除这种效应。如果需要的话，不同的加热区域可以用不同的控制器进行控制。作为替换，这些加热区域可以共用一个控制加热区域的公共控制器，以便其各自的发热量可以以理想的方式进行控制。
烘焙盘20的支撑晶片的第一主表面22可以包括多个突起56，这些突起帮助确保在烘焙盘20和半导体装置12之间形成尺寸一致的间隙62。根据惯例，突起56高度一致，高度通常在从10微米到300微米的范围内，优选的是从50微米到200微米的范围内。各个单独的突起56通常可以有一个横向的工件支撑面积，范围从0.01mm2到大约6mm2。突起56可以形成多种形状，包括例如一种具有一个平顶表面的直线形状，一种具有一个平顶表面的圆柱形形状，一种球形或椭圆体形状，一种中空管状，其中，管轴通常垂直于表面22所在平面，因此只有管状突起56的壁边缘与半导体装置12接触，或者这些形状的组合，等等。
突起56可以由任何尺寸上稳定的耐用材料形成，优选的是，这种材料不会刮擦晶片12。例如，突起56可以由任何聚合体、金属、陶瓷或其组合物形成。目前优选使用陶瓷例如氧化铝、氧化锆、或其它具有低导热性(例如小于50w/m°K)的陶瓷。突起56可以使用任何适当技术形成，包括物理布置法，蚀刻法，喷射沉积法，化学汽相沉积法，经过适当掩模的喷射法，丝网印刷法，等等。
优选的是，突起56设置有密度分布特性，可以有效地在半导体装置12和烘焙盘20之间提供一个接触面积，该面积是位于半导体装置12下面的第一主表面2的面积的1％，优选的是小于0.1％。图1d显示了一个烘焙盘，其尺寸可以用来加工一个300mm直径的半导体晶片，如图1d所示，根据突起分布的一个特定实施例，在位于三个不同半径处的三个同心圆形图案上，设置了十五个具有150微米高度的管状突起56，突起的外直径是大约1.6mm，突起的内直径是大约0.8mm，例如在2.375”直径处有3个，在6.3”直径处有6个，在10.625”直径处有6个。使用这种方法，半导体装置12和烘焙盘20之间的总接触面积可以很小，小到可以忽略，但这些突起可以充分支撑半导体装置12。
作为选择，烘焙盘20可以设置一个或多个流动通道38，以在烘焙盘20和半导体装置12之间的间隙62中形成流体连通。如果需要提高烘焙盘20和半导体装置12之间的导热性，那么可以给间隙62充满气体例如普通空气或者传导性气体。例如，氦气的导热性大约是空气的7倍。将气体引导到间隙62中也可以帮助减少半导体装置边缘13相对半导体装置12其它部分过热的倾向。作为替换，在半导体装置12和烘焙盘20之间存在适当密封时，间隙62可以用来对晶片12抽吸出少量真空，例如在3000Pa到14,000Pa等级内的真空，以帮助晶片12保持在适当位置上。另一方面，优选的是，通过使用一个加热部件，该加热部件的支撑表面具有精确平面度，可以消除使用真空压力压住工件的必要。
仍然参考附图1a、1b和1c，在烘焙和冷却工作期间，可以根据需要，直接或间接地对半导体装置12的温度进行监测，以便可以使用一个合适的反馈控制方法例如PID控制法，控制烘焙盘20的发热量。根据监测晶片温度的直接方法，可以将一个适当的温度传感器(图中未示)直接连接到半导体装置12。但是，对于大量的生产而言，这种方法实际上很不实际或者很不理想。
作为替换，可以将一个或多个温度传感器连接到加热部件内一个表面或一个内部位置处的一个位置上。在加热部件的一个优选实施例中，理想的是，通过使温度传感器包含在烘焙盘20中，间接地检测半导体装置12的温度。在这种情况下，在烘焙和/或冷却期间的基本上所有时间里，甚至在快速温度斜坡期间，半导体装置12的顶表面实际温度基本上与烘焙盘20的测量温度一致，或者与其相关。实际上，烘焙盘20的测量温度和半导体装置12的顶表面之间在温度上的差异基本上是固定的，实际上更加优选的是在实践中可以忽略。因此，如果需要的话，当使用包含在烘焙盘20中的温度传感器，对半导体装置12顶表面的温度进行间接检测时，可以给测量温度进行一个简单修正，以解决在半导体装置12顶表面和测量温度之间存在的任何温度差异。
本发明中使用的温度传感器可以是能以很快的时间间隔检测温度的任何合适的温度传感器，该传感器在长时期具有稳定性和相容性。已知有多种合适的温度传感装置，其中优选使用的是电阻温度探测器(RTD)的薄膜型实施例。可以从多种商业资源中获得几个合适类型。举一个例子，在商业上，可以从MN明尼阿波利斯Minco制品股份有限公司，按照商品标识517422 PDX40A，获得一种合适的薄膜型RTD传感器。这种传感器包含一个铂丝，该铂丝的直径是大约50微米，该铂丝装入在一个商标为“KAPTON”的聚酰胺树脂层中，该树脂层的厚度在大约100微米(也就是说，装入的铂丝的整体直径为大约250微米)。RTD传感器可以利用一种合适的抗高温粘结剂例如聚酰胺树脂、聚酰亚胺树脂、聚酰亚胺酰胺树脂、硅树脂、环氧树脂、微观结构的聚四氟乙烯、以及这些粘结剂的组合物等，粘结到加热部件的理想位置上。优选的是，如果RTD靠近一层包括电阻加热元件片段的加热元件，那么可以将接地层例如铜接地层设置在RTD和电阻加热元件片段之间。优选的是，该接地层可以遮敝RTD，并且减少噪音数量，否则这些噪音会出现在来自RTD的温度读取信号中。
作为购买RTD温度传感器的替换方式，RTD温度传感器可以在原位置处构成，或者在内部构成，然后使用现有技术中已知的任何适当成形技术例如溅射蚀刻法，由一种带有RTD特性的电阻材料，粘结到适当位置上。例如，为了在原位置上形成RTD传感器，可以将一层合适的电阻金属例如铂，沉积在多层加热元件的一层的理想的位置上，然后蚀刻形成RTD温度传感器。将一层绝缘材料理想地沉积在传感器和要连接传感器的元件之间。这层绝缘材料可以包括适合用在微电子工业中的任何类型的绝缘材料，包括聚四氟乙烯、聚酰胺、聚酰亚胺、聚酰胺酰亚胺、二氧化硅、氮化硅、以及这些绝缘材料的组合物等。
附图1e显示了一个优选的RTD层，该RTD层包括至少三个分离的温度传感器一个用来探测故障和提示自动关闭；第二个用来检测第一区域的温度；第三个用来测量第二区域的温度。
附图1a、1b和1c示意性地显示了设备10的三个结构，这些结构具体说明了该设备是怎样进行烘焙和冷却的。附图1a显示了处于“准备”结构的设备10，在该结构中，外壳14打开，使半导体装置12可以被插入设备10中，并且被放置到固定支撑销19上。搁在冷却部件26顶上的烘焙盘20开始处于优选的“不工作”位置。
附图1b显示了设备10的第二种结构，其中，通过抬起烘焙盘20，使其离开冷却部件20，以使烘焙盘20的第二主表面24与冷却部件26热分离，从而开始烘焙循环。在这种结构中，烘焙盘20的第一主表面22被抬起到至少与支撑销19齐平，或者根据需要，也许抬得还更高，以便于使半导体装置12与烘焙盘20的第一主表面22进行热接触。如果需要的话，半导体装置12可以利用轻微的真空保持在烘焙盘20顶上的适当位置；正如先前所述，由于改进了优选的支撑表面的平面度，所以可以不需要真空。
附图1c显示了设备10的一种结构，该结构可以有效地实现快速冷却。在该结构中，冷却部件26被抬起，直到其与烘焙盘20的第二主表面24进行热接触。现在可以通过烘焙盘20的热传导，将冷却部件26的冷却效果传递给半导体装置12。通过在冷却期间，完全关闭加热区域25，可以实现最快冷却速率，但是，通过只是调节加热区域25的发热量的方法，可以减少急剧的温度下降现象。附图1c的结构也可以用来，通过增加加热区域25的发热量，直到足以克服冷却部件26的冷却效果以便获得理想的烘焙速率，而获得相对低的烘焙速率。当完成冷却过程时，烘焙盘20和半导体装置12可以与冷却部件26进行热分离。最好通过分离烘焙盘20和冷却部件26以获得附图1b的结构来实现热分离。作为替换，烘焙盘20和冷却部件26可以保持结合，同时，给加热区域25提供相对小但是足够的能量，以将晶片12保持在理想的冷却平衡温度。
附图2显示了在本发明烘焙盘70的一个实施例。烘焙盘70包括位于中心的多层加热元件72，该加热元件从顶到底包括RTD层75，接地层71，绝缘层74，第一加热元件层79，绝缘层74，和第二加热元件层81，这些层通过粘结剂(图中未示)固定在一起。多层加热元件72一个表面被粘结到一个聚酰亚胺层74，该聚酰亚胺层被粘结到一个导热层76，多层加热元件72另一个表面(第二加热元件层81)直接粘接到第二导热层76。突起77设置在支撑表面78上，用来支撑晶片80。突起77可以与附图1a、1b和1c中的突起56一致。在该附图和其它附图中，为了达到说明的目的，构成烘焙盘70的单个层压层72、74、76和77的厚度没有按比例绘制，而进行了夸大显示。
在烘焙盘70中，各个导热层76可以由碳化硅形成，其厚度在重叠前是大约60密耳，各个绝缘层74由聚酰胺形成，其厚度大约是50微米，各个加热元件层79和81优选的是蚀刻而成的铜金属或者INCONEL，各自的厚度是大约0.008英寸。
附图5a显示了多层加热元件的一个实施例。现在参考附图5a，第一加热元件层504和第二加热元件层520包括导电路径(也被称作“加热元件片段”)512、514、516、522、524和526，这些路径各自依次形成加热区域(加热部件区域)501(环形)和502(圆形)。(附图5a显示出，各个加热区域包括三个导电路径或加热元件片段。这只是例子，各个加热区域可以包括任何数量的不同的加热元件片段，根据需要或实际情况，数量可以是一个到许多个，另外要记住，加热元件片段覆盖的区域影响了片段的长度和电阻，这接下来影响线路宽度、间距和电阻片段等的选择。)通过电线(“引线”)506、508、510、528、530和532，可以在导电路径512、514、516、522、524和526导入和导出电。沿着导电路径传导的电流被转换成热能，用来加热晶片(图中未示)，热能的数量与提供给各个片段的电能电压有关。各个导电路径以足够的路径密度穿过各个加热区域，以便于各个加热元件层504和520可以均匀地加热晶片一个区域或地带。
设计多区域加热元件的目的是，在每个穿过加热元件表面的区域中获得均匀热量，并且在不同片段和不同区域之间获得均匀热量。通常，各个加热元件片段的电压大概相同。在那种情况下，每个区域的片段的热量都取决于加热线路的尺寸(宽度)和密度(间距)以及加热元件材料的电阻。根据各个加热元件片段相等的电压，并设定由各个片段覆盖的特定区域的尺寸，选择线路粗细、间距和用来制造加热元件片段的材料，以在加热区域或加热部件表面上的每个区域上产生均匀的热。每个区域通常的发热量可以是大约30瓦特每平方英寸。
加热元件线路的尺寸可以结合导热层的厚度进行选择。较厚的导热层使热量在接近表面的途中，可以经过导热层厚度进行更多的横向扩散，因此可以使用更细的线路。
在通常意义上来说，优选的是，与加热元件片段相联的每个总区域的电阻加热元件的线路覆盖量达到50-75％。
在本发明多层加热元件的一个优选实施例中，内部加热区域(例如附图5a和5d中所示)的(3个)加热元件片段的加热元件的优选材料可以是CuNi(电阻为60欧姆)。适用于外部加热区域(例如附图5a和5c中所示)的三个加热元件片段的优选材料可以是INCONEL。正如从附图5c和5d中可以看到的一样，该实施例中外部片段的面积小于内部片段。
在实际应用中，导电路径的线路宽度通常从大约0.2mm到2mm宽。在如图5a和5d中所示的优选实施例中，导电路径522、524和526呈内部饼形片段的形式，这些片段共同形成一个圆，尺寸近似等于工件的代表性半径(≌300m或200m)，这个圆(如图5a和5c所示)被外部片段512、514和516包围，外部片段共同形成一个环。也可以使用其它结构。例如，可以使用更少或更多的片段，根据需要，这些片段可以呈整圆或直线的形式。
再参考附图5a，该图显示了接近导热层的多层加热元件的分解图。导热层500被分离成两个加热区域 内部圆形区域502，和外部环形带501。各个区域包括三个区，这些区与三个分开的加热元件片段对应形成内部加热区域的三个饼形内部片段与加热元件层520中相同区域的三个饼形加热元件片段对应，形成环形加热区域的三个部分环形外部片段与加热元件层504中相同区域的三个类似形状的加热元件片段对应。多层加热元件和导热层的分解图中没有显示加热部件的其它元件，这些元件在该说明书其它地方进行讨论。
位于导热层500下面并且与其进行热接触的是加热元件层504。(也参见附图5c。)该加热元件层包括一个或多个加热元件片段，用来加热环形加热区域501。附图实施例显示了三个分离的加热元件片段512、514、和516，这些片段具有相等的面积。各个加热元件片段都有一套引线506、508和510连接到加热元件片段。
位于导热层500下面并且与其进行热接触，而且位于加热元件504下面的是加热元件层520。(也参见附图5d。)该元件层包括一个或多个加热元件片段，用来加热圆形加热区域502。附图实施例显示了三个分开的加热元件片段522、524和526，这些片段具有相等的面积。各个加热元件片段都有一套引线528、530、532连接到加热元件片段。根据本发明实施例，加热元件层520的加热元件片段520、522和524的引线528、530和532靠近并位于加热元件层504的加热元件片段下面。
多层加热元件的加热元件片段可以设置成如图5a所示的一样，或者，作为替换，如附图5b中具体显示的一样，可以设置成具有内部加热区域层，比起外部加热区域层来讲，该层更靠近上部导热层。附图5b显示了加热部件70的另一个实施例，该加热部件具有一个导热层76的上表面78，上表面具有突起77。位于导热层下面的层是一个接地层71(在此所示为铜)；一个内部区域加热元件层520，例如，如同附图5d所示；一个RTD传感器层；一个外部区域加热元件层504，例如，如同附图5c所示；另一个接地层71(所示为铜)；和一个作为选择的低导热层；其中，没有提及粘结剂或绝缘层。
适合于加热区域或加热元件片段的导电路径可以用多种方法形成。根据一个方法，导电路径可以由导电材料形成，该材料开始是以连续的层存在。与特定加热区域或加热元件片段相关的导电路径可以使用任何常规蚀刻技术，通过精确蚀刻连续层而形成。合适的导电材料包括金属例如铜；含有Ni-Cr的合金例如Ni-Cr-Co合金，这些合金可以从加拿大Inco合金国际有限公司按贸易名称“INCONEL”获得；或者“KOVAR”Ni-Cr-Co合金，该合金可以从新泽西州的Franklin Lakes的Ed Fagan公司获得；铂；镍铜(NiCu)合金；以及这些金属的组合物等。特别优选的导电加热元件片段包括那些由CuNi和INCONEL制成的材料，因为这些材料具有非常低的温度电阻系数。导电加热元件片段可以有任何适当的厚度，以实现本发明设想的电阻加热。例如，据发现，由CuNi/INCONEL加热元件片段形成的加热区域85具有0.0008”(0.8密耳)的厚度是很合适的。
再主要参考附图2，绝缘层74被包含在加热层79和81之间，包含在RTD层75和导热层76之间，和包含在接地层71和加热层79之间。绝缘层使不同导电层彼此电绝缘，另外在相邻层的粗糙或带纹理表面之间提供隔离。绝缘层74还与用来粘结不同层的粘合剂配合。优选的是，各个绝缘层74的厚度在从大约10微米到大约30微米的范围内，而且可以由用在微电子工业中的任何绝缘材料形成。适当的绝缘材料的代表性例子包括无机绝缘材料例如二氧化硅、氮化硅、云母和基本上非碱性的玻璃化瓷玻璃料；抗高温聚合物例如聚四氟乙烯、聚酰胺、聚酰亚胺、聚酰胺酰亚胺；在与烘焙和冷却有关的温度范围内能保持电绝缘特性的任何其它电绝缘材料；以及这些材料的组合物等。优选绝缘层74被选择成可以与选定的粘合剂配合。
为了在高于大约300℃的温度下工作，优选绝缘层74可以包括电绝缘材料例如二氧化硅、氮化硅、基本上非碱性的玻璃化瓷玻璃料，等。聚酰胺树脂是形成绝缘层的更优选的材料，这种绝缘层适合用于在大约300℃以下的温度时工作。有利的是，聚酰胺树脂不仅通常具有极好的粘结性和绝缘性，而且获取所耗的成本低，而且容易包含到层压结构中。另外，聚酰胺树脂通常很柔韧，因此如果需要的话，含有这种聚酰胺材料的烘焙盘70可以具有适应特性。据发现可以用在本发明中的聚酰胺特定实施例可以以薄片形式获得，例如来自于E.I.du Pont de Nemour & Co的EKJ聚酰胺热固树脂粘合剂。
附图3显示了本发明烘焙盘70的另一个替换实施例。通常，附图3的烘焙盘70与附图2烘焙盘70类似，只是附图3烘焙盘70只有一个导热层76，该导热层位于用来支撑晶片80的烘焙盘70顶上，而且没有包括第二导热层。具体地说，附图3的烘焙盘70是一个层压结构，该结构由一序列叠层形成，这些层从底部开始依次包括一个第一加热元件层81，绝缘层74，第二加热元件层79，绝缘层74，接地层71，RTD层75，绝缘层74，和导热层76，该导热层在支撑表面78上具有突起77。除了缺少第二导热层之外，附图3烘焙盘与附图2烘焙盘的另一个明显的区别在于，在缺少第二导热层的情况下，优选的是，附图3烘焙盘70的导热层76的厚度更大，以便使单个导热层可以给烘焙盘70提供足够的结构完整性。否则，附图3烘焙盘的各个不同层可能与附图2的相应层类似或相同。烘焙盘具有附图3所示的一个导热层设计，其另外还可能的优点在于，结构通常更加简单，热传导可能更加均匀，而且结构可能更加硬，加热部件可能更加平直。
附图4显示了本发明烘焙盘70的另一个替换实施例。通常，附图4的烘焙盘70与附图2a的烘焙盘70类似，只是附图4的烘焙盘70不包括RTD层75或者接地层71。附图4烘焙盘70使用放置在加热部件一个表面上的温度传感器作为RTD层的替换；附图4显示出，温度传感器83粘接到加热部件顶面。温度传感器83可以是任何适当的温度传感器。因此，附图4烘焙盘70是一个叠层结构，该叠层结构依次由一序列叠层形成，这些叠层包括绝缘层74，加热元件层81，绝缘层74，加热元件层79，绝缘层74，和导热层76，该导热层在一个支撑表面78上具有突起77，而且温度传感器83粘接到导热层76的表面78。除了缺少接地层71和RTD层75，以及第二导热层76(图中没有显示但是作为选择，可以包括)以外，附图4烘焙盘的各个不同层与附图2或附图3烘焙盘70的相应层类似或相同。
当然，也可以对烘焙盘70叠层的材料或次序作出其它修改和改变。例如，根据需要，烘焙盘可以包括更多或更少的加热层，或者可以消除一个或更多绝缘层。
现在要进一步描述附图1a、1b和1c中所示设备10的冷却特性，其特性与附图6和7中温度分布图有关。在冷却工件的一种方法中，冷却部件26可以保持在半导体装置12要被冷却到的一个温度Tc。附图6显示了使用这种方法的典型半导体装置12在冷却期间的一个温度分布图96。最初，半导体装置12在一个初始温度T0，然后以渐近线接近并且经过一个时间tf后基本上达到最终温度Tc。如图6中所示，当半导体装置温度和Ts之间的差异相当大时，该常规方法可以快速开始对半导体装置12进行冷却，冷却曲线如区域98。但是，如区域100所示，当装置温度达到Tc时，冷却速率呈指数形式下降。实际上，利用附图6中所示的方法，会有超过50％的冷却时间耗费在排出半导体装置12最后2％到3％的热量上。
当然，如果需要的话，附图6的冷却方法可以应用本发明中。但是，为了避免附图6方法的无效情况，优选的是，本发明使用一种更优选的对半导体装置12进行冷却的“加速冷却”方法。根据附图7中所示的加速冷却方法，冷却部件26被保持在一个小于Tc的温度Ts，而且在冷却期间动态地监控装置温度，以便于当装置12被冷却到Tc时可以停止冷却。附图7显示了半导体装置12从最初相对热的温度To冷却到理想的最终温度Tc的一个温度分布曲线104。但是，冷却部件26的定点温度Ts理想地保持在Tc以下的一个温度。这样使半导体装置12可以这样一种方法冷却到Tc，在某种意义上来说，基本上所有冷却过程的速率都与区域106的快速冷却速率一致。因此，完全避免了区域108的呈渐近线并且非常低的冷却速率。通常，据发现，将Ts设定在Tc以下大约2℃-3℃温度适合用来实现理想的加速冷却效果。该加速冷却方法是用来实现冷却的非常快而且非常精确的方法。该加速冷却方法完成冷却的速度比使用缺少加速冷却效果的常规方法快三倍，主要因为完全避免了区域108的呈指数形式的非常低的冷却速率。
一旦装置12被冷却到Tc，通常理想的是，将装置12均衡保持在Tc一定时间，如轮廓区域109所示。使用附图1a、1b和1c的设备10就很容易实现这一点。如图1c所示，为了开始冷却，十分简单地将烘焙盘20关闭，并使烘焙盘与冷却部件26进行热接触。结果，装置12被冷却，装置温度开始朝着Tc下降。当装置12达到Tc时，保持附图1c的结构，同时重新打开烘焙盘20，烘焙盘的功率只足以将晶片12保持在Tc。可以使用一种合适的过程控制方法，来控制烘焙盘20的发热量，以将装置12保持在理想的平衡温度Tc。
结合使用烘焙盘20的发热量和冷却部件26的冷却效果来保持平衡温度和/或控制温度分布曲线的能力提供了许多重要优点。首先，可以在长时期内将平衡温度保持在非常高水平的精确度。例如，特别当使用一种优选过程控制系统时，该方法很精确，可以用来将晶片12保持在Tc，精确度大约为+/-0.03℃，该控制系统基于脉冲式宽度调制、比例/积分/导数(PID)控制技术，具有一个数字信号处理器(DSP)。其次，这种控制方法响应速度非常快，因为来自烘焙盘20的热量可以很快用来停止进一步的冷却。第三，冷却部件26的温度不需要控制得非常紧密。只要冷却部件26在Tc以下的温度，就可以通过控制烘焙盘20发热量实现对工件温度的非常精确的控制。第四，由于不必非常紧密地控制冷却部件26的温度，所以，可以消除通常用来在精确温度给冷却部件26提供冷却介质的机构。
作为一种停止冷却的替换方法，当不需要将晶片12保持在Tc任何长时间时，一旦达到Tc，只通过在适当时间将烘焙盘20与冷却部件26分离，就可以停止冷却过程。当使用这种方法时，有利的是，可以预期在冷却过程中的这个点(“冷却端点”)，在这个点时，应当能产生一个控制信号，用来停止冷却过程。这样确保装置12冷却到尽可能接近最终冷却温度Tc。实际上，优选的是，这种预期应当考虑到一旦产生这样一个信号时，设备10响应于这种信号所需要的有限量的迟延时间。
例如，关于附图1a、1b和1c中所示的设备10，在开始产生一个停止冷却的控制信号之后，可能要花费少量但却是不可忽略的时间来将烘焙盘20与冷却部件26进行物理分离。因此，在预期存在这种迟延时间的情况下，应当稍微在半导体装置12实际上达到最终冷却温度Tc的时间之前，将用来停止冷却过程的控制信号传递给设备10。举例来说，在迟延时间为大约500毫秒的情况下，可以在半导体装置12预期达到Tc之前500毫秒时就发送出一个分离信号。
可以使用任何适当的开环或闭环过程控制技术来确定在考虑迟延时间的情况下的正确的冷却终点。例如，可以使用一种适当的控制系统，例如一种使用PID技术的控制系统，来动态地确定冷却端点，在该冷却端点时，应当将一个控制信号发送给设备10，以在正确时间停止冷却。作为替换，可以定制与冷却端点有关的参数(例如晶片温度，已过去的冷却时间，迟延时间等)，那么可以监控这些参数，以在适当时间停止冷却。
现在将参考附图8和9进一步描述附图1a、1b和1c中所示设备10的烘焙特性。附图8显示了在烘焙工作中，烘焙盘20和半导体装置12的各自的代表性温度分布曲线130和132，在烘焙工作中，装置12经过一个时期tf从温度T0(例如室温)加热到一个温度TB(例如130℃)。在这种加热期间，烘焙盘温度分布曲线130通常领先于装置温度分布曲线132。换句话说，在加热期间的所有时间里，烘焙盘20倾向于稍微热于装置12，直到烘焙盘20和装置12达到一个基本上相应于TB的平衡温度，优选的是在TB+/-0.03℃范围内。因此，烘焙盘20的温度必须越过TB，以确保装置12达到TB。因此，在加热过程中的某点上，烘焙盘20的发热量减少到可以使装置12和烘焙盘20以渐近线形式接近和基本上达到TB。这通常发生在一个时间ti之后，在ti时，烘焙盘20处于高于TB上方的最大温度Tm，但同时装置12处于一个低于TB的温度Ti。减少烘焙盘20发热量的精确时间ti取决于系统的时间常数，而且是常规PID控制器的典型输出量。
在烘焙盘20的发热量被减少之前，附图8的加热方法使温度分布区域134和136中的加热速率相当快。但是，一旦烘焙盘20的功率在时间ti处被降低，加热速率在温度分布区域138和140中以指数形式下降。实际上，将装置12从T0加热到TB需要的时间中至少大约70％的时间都被用来将装置12以渐近线形式从Ti加热到TB，即使TB和Ti之间的温度差异通常是T0到TB整个温度范围的很小一部分。换句话说，大量加热时间都浪费在给装置12加热最后几度。为了将装置12升温到TB，而在温度上获得一个适度的改变，投入了大量的加热时间。
当然，如果需要的话，在本发明中可以使用附图8的加热方法来产生有益的效果。实际上，附图8的方法使装置12可以很快在40至50秒的时间里从T0加热到TB。但是，通过使用来自于冷却部件26的“加速冷却”法，基本上可以减少与温度分布区域138和140有关的时间无效情况。通常，根据适用于烘焙的加速冷却法，烘焙盘20可以达到一个甚至高于Tm的温度，以使装置12可以在减少烘焙盘20的功率之前，加热上升到一个非常接近TB的温度。然后，冷却部件26用来快速从烘焙盘20排出多余的热量，以帮助确保装置12的温度基本上达到但是不越过TB。
附图9中显示了加热的“加速冷却”方法的好处。附图9大体上与附图8相似，只是当烘焙盘20的发热量在时间ti2减少时，烘焙盘20达到一个更高的最大温度Tm2(与Tm比较)，装置12达到一个更高的温度Ti2(与Ti比较)。在缺少矫正动作的情况下，如果在此使用附图8的加热方案，而没有加速冷却，那么在烘焙盘20和装置12中的多余热量通常就可能引起装置12的温度越过TB。换句话说，烘焙盘20和装置12会以渐近线形式接近高于TB的某个平衡温度。但是，在这种情况下，冷却部件26与烘焙盘20进行热接触，可以有效确保多余热量导入冷却部件26。结果，烘焙盘20和装置12在tf2时基本上达到TB，该tf2大大小于tf。虽然在烘焙盘20的功率被减小后，装置12的温度仍然呈渐近线形式逐渐接近TB，但是这种呈渐近线形式的加热过程的时间相对附图8的时间得以充分地减少。例如，虽然附图8加热方法可能花40至50秒才能完成，但是使用附图9的“加速冷却”方法花的时间可以减少到大约25至35秒。
优选的是，烘焙盘使用一种加热元件控制方法，该方法给加热部件的温度提供快速精确的控制。一种可以用于本发明加热部件的优选的加热控制系统是在美国专利US6,072,163中大致描述的那种控制系统，该系统使用一种高频(例如优选的是，频率高于大约1000Hz)脉冲宽度调制控制信号来调制提供给RLC(电阻/感应器/电容器)电路包含的加热元件片段的DC电能，在电路中，单个电阻加热元件或多个电阻加热元件片段是电阻，感应器和电容器帮助使穿过加热元件的DC电压平滑。使用这种方法，可控制地经过加热元件建立的电压数量可以快速而且连续地在一个从0至100％的功率范围内改变。在实际效果中，经过加热元件形成的DC电压实际上具有无限小的间隔。这就使加热元件的温度可以在一个宽动态范围内灵敏精确地受到控制。
因此，在用于加热部件的温度控制系统的一个优选实施例中，DC功率使用高频PWM控制信号来进行调制，以控制来自加热部件的一个加热元件中的一个或多个加热元件片段的热量。总的看来，控制器响应于温度传感器例如上述RTD温度传感器产生的温度信号，产生一个高频脉冲宽度调制控制信号。PWM控制信号用来操作一个开关，这个开关用来打开控制信号各个脉冲的工作循环部分。这样可以在电阻加热元件上来建立一个相应的电压，这个电压与PWM控制信号的工作循环成比例。然后，加热元件的功率输出与这种电压的平方成比例。
例如，如果提供的DC电压是300伏，那么一个具有10％工作循环的20,000HzPWM控制信号可以在电阻加热元件上产生30伏(300伏的10％)，而且热输出量相应为1％。如果提供的DC电压是300伏，那么一个具有60％工作循环的20,000HzPWM控制信号可以在电阻加热元件上产生180伏(300伏的60％)，而且热输出量相应为36％。类似地，如果提供的DC电压是300伏，那么一个具有5％工作循环的20,000HzPWM控制信号可以在电阻加热元件上产生15伏(300伏的5％)，而且由此提供的热输出量相应为0.25％。
加热部件的温度传感器将包括温度信号的信息传递给控制器。理想的是，该控制器包括一个常规驱动电路和噪声滤波器，以在从温度传感器获得的温度数据达到控制器之前，处理这些数据。驱动电路用来调节探测到的温度信号的振幅，如果需要的话，和/或将探测到的数据转换成更加适合于进一步处理的一种替换形式。噪声滤波器可以用来减少温度传感器信号的噪声含量，也就是说，增加信号对噪声比率，以通过控制器提高其处理性能。
控制器可以包括任何硬件、软件等的组合，这些组合能有效使控制器从温度传感器输入信号产生一个PWM控制信号。在从这些信息产生PWM输出信号过程中，虽然比例/积分/导数(PID)控制技术是优选的技术，但是也可以使用任何适当的过程控制方法和元件。PID控制技术和过程控制原理都概括地在Coughanowr和Koppel，过程系统分析与控制，McGraw-Hill Book公司(1965)；和F.G.Shinskey，过程控制系统(1988)中得以描述。
控制器可以由硬件、软件或其组合形成，可以是数字的和/或模拟的。可以在商业上获得适合用作控制器的多种系统，这些系统可以包含在一种呈插开(plug-and-play)式的温度控制系统中并可以购买。例如，在一个实施例中，可以使用一种PC控制和分析系统，该系统可以在商业上按照贸易名称“LABVIEW”从德克萨斯州的Austin的National Instruments获得。作为替换，更加优选的是，控制器可以呈嵌入式控制器的形式，该控制器包含一个或多个微处理器和/或数字信号处理器(DSPs)。DSPs快速可靠，而且便宜。DSPs例如被描述在Curran，L.，机械设计，“DSPs在电机控制下查找位置第95-102页(1997年11月6日)。适当的DSP装置的代表性例子在商业上可以从模拟装置Inc.获得，该装置包括(i)AD7715(16位∑ΔADC)装置或者AD7711(带有RTD励磁电流的信号状态ADC)装置，和(ii)ADSP-2100(数字处理器)装置。
如上所述，加热部件的一个优选实施例可以包括多个加热区域，各个加热区域与加热元件的一个或多个加热元件片段对应。优选的是，这个特征可以包含在温度控制系统中，该温度控制系统和加热部件中使用的是不同电阻加热元件片段的标准。具体说来，优选的是，通过将一个理想工件放置在加热部件的合适位置上，并且进行加热或冷却，可以校准加热部件。接下来，执行工件的温度分布曲线并且调节加热控制系统，以提供最均衡的温度分布曲线。这种适应性可以补偿加热部件热特性中的微小差异。
附图10-13显示了本发明烘焙/冷却设备400的一种特别优选的实施例。为了便于描述，本发明实施例的设备400适合用来处理呈晶片540形式的工件。总的看来，设备400包括多个子配件，用来实现烘焙和冷却工作。这些子配件可以包括盖组件401，烘焙盘组件403，冷却部件404，和一个驱动联动组件。这些组件支撑、和/装配在一个主基座上。该驱动联动组件包括多个元件，这些元件使烘焙盘和冷却部件可以上下移动，以将设备400放置成三个任选工作结构中的一个结构，这三个结构包括一个负载/卸载结构，一个冷却结构和一个烘焙结构。
现在主要参考附图11和11a，盖组件401包括叠层组件，该叠层组件由一个基本上呈环形的侧壁部件和一个顶板构成。这些叠层元件形成盖组件401，盖组件在烘焙和冷却工作期间，适合用来容纳加热组件的部分。
盖组件401以一个固定方式由盖支撑拄422支撑，因此，盖组件401在烘焙和冷却工作期间不会移动(参见附图10)。各个盖支撑柱422被连接到一个相应的肩部419或420。除非本文中另有说法，否则，虽然盖组件401和支柱422的元件也可以使用其它材料例如铝、高温塑料例如聚酰胺、聚酰亚胺、聚酰胺酰亚胺、等等形成，但是优选的是，盖组件401和支柱422的元件由不锈钢形成。
烘焙/冷却设备400包括一个晶片支撑组件，如图11-13所示。参考附图11，提升销基座426支撑着三个一组的提升销轴427，这三个提升销轴在提升销基座426周围以120°间隔设置成三角形。提升销428从提升销轴427延伸到一个适合支撑晶片540的高度。各个轴427和提升销428具有相互配合的结构，以便使弹簧430可以将提升销428牢固地保持在其位置上。作为选择，如果需要的话，提升销轴427和提升销428可以是中空的，以便可以对着支撑在提升销428上的晶片540抽真空。该设备的优选实施例可以不需要真空。
如图11所示，冷却部件404位于设备400的最低位置上。设备400打开，晶片540可以很容易插入其中，以进行处理。在烘焙和冷却工作期间，冷却部件404的元件可以向上移动，直到冷却部件404与盖组件401接合。这种接合可以抑制冷却部件404任何进一步的向上移动。这个向上移动的动作可以关闭设备400，并且使晶片540可以在一个周围密封的腔室中受到烘焙和冷却。当完成烘焙和冷却时，冷却部件404可以降低，从而打开设备400，这样便可以取出经过处理的晶片，和插入另一个晶片。
更具体地说来，冷却部件404包括上冷却板436，下冷却板437和侧壁部件438。上冷却板436的底表面439设有沟槽，当上下冷却板436和437被装配起来时，这些沟槽可以形成冷却介质通道440。理想的是，上下冷却板436和437由一种导热材料例如金属，合金或金属间组合物形成，其中，合金例如不锈钢、铝合金或经过钝化(例如镀镍层)的铜是优选的材料。
作为选择，侧壁部件438的顶部可以设有沟槽(图中未示)，以容纳O形环(图中未示)，以便侧壁部件438可以密封接合到盖组件401。如图所示，侧壁部件438可以与上冷却板436或下冷却板437整体形成，或者可以形成为一个分离部件。当侧壁部件438分离形成时，侧壁部件可以由一种导热材料例如不锈钢或铝形成，或者可以由一种绝缘材料例如聚酰亚胺、聚酰胺、聚酰胺酰亚胺、超高分子量的聚乙烯等形成。
在装配方面，冷却板436、437和侧壁部件438(当以分离部件形成时)可以使用任何理想手段例如螺钉、螺栓、胶水、焊接法等装配形成冷却部件404。优选的是，上下冷却板436、437的结构形成为可以安装在提升销轴427和提升销428上面，以便在冷却部件404上下移动期间，冷却部件404不会滑动地与提升销轴427或提升销428接合。
设备400通常包括环形加热元件支撑环460，该加热元件支撑环用作一个底座，以将烘焙盘子配件403支撑在三个为一组的加热元件支撑轴464上，这些支撑轴固定装配到一个环形加热元件支撑环460。优选的是，至少一个加热元件支撑轴可以是中空的，以形成一个通道，电线等可以被引导穿过该通道，连接到烘焙盘。
在各个加热元件支撑轴464顶端，烘焙盘403使用任何适当紧固技术进行固定。一个方法是使用加热元件安装螺钉，该螺钉以螺旋方式容纳在各个轴顶部的相应螺纹孔中。因此，当加热元件支撑环460被抬起时，烘焙盘也被抬起。类似地，当加热元件支撑环460被降低时，烘焙盘也被降低。这种移动有利于在负载/卸载，烘焙和冷却构型之间改变设备400的结构。
冷却部件子配件404滑动安装在加热元件支撑轴上，而且被支撑在位于烘焙盘和加热元件支撑环460之间的这些轴上。在烘焙和冷却工作期间，这种结构使烘焙盘和冷却部件可以一起被抬起，另外还可以使烘焙盘分离降低到冷却部件404上，或上升到冷却部件上方。弹簧478安装在加热元件支撑轴464上，而且设置在加热元件支撑环460和冷却部件404之间。如图11和11a所示，当设备400处于装载/卸载结构中时，弹簧478将冷却部件404和烘焙盘子配件403偏压在一起。使用弹簧478特别有利，因为这样便可以使用一个简单的提升机构，就能很容易将设备400移位到不同的工作结构中。
附图11和11a中显示了烘焙盘子配件403的特征。在上环形夹持件486和下环形夹持件488之间夹持有低热质量平面型烘焙盘403(为了清楚起见，图示的烘焙盘具有两层层压结构)。上环形夹持件486和下环形夹持件488的结构形成为可以与彼此咬合配合，而且还可以进一步通过螺纹固定起来。上环形夹持件486和下环形夹持件488可以包括许多支座绝缘子(stand off)，烘焙盘403被支撑在这些支座绝缘子之间，以使直接与烘焙盘403接触的面积最小化。使用支座绝缘子可以使烘焙和冷却工作更加均衡、更加容易控制。
上下环形夹持件486和488可以由任何适当的刚硬的抗高温材料形成。特别优选的材料也可以是好的绝热材料。适合用来形成夹持件486和488的这种材料的代表性例子包括聚酰亚胺、聚酰胺、氧化铝、合成石英或者其它非碱性陶瓷材料、和这些材料的组合物等。一种优选的聚合夹持材料是来自德克萨斯州的Austin的Bodecker塑料公司聚乙荃甲乙酮(poly ethyl ethyl ketone)。
作为上下环形夹持件486和488的替换，也可以使用其它紧固机构来固定烘焙盘403。一个替换例子是一系列C形夹持件或弹簧夹持件，这些夹持件设置在烘焙盘周围的三个位置上，也就是说，设置在支撑柱422的顶部。但是，优选使用一种环形夹持件，因为这种环形夹持件可以使加热更加均衡。
烘焙盘403包括三个为一组的通孔504，这些通孔使烘焙盘可以滑动地安装在提升销428上。(例如参见附图5d。)现在将参考附图11-13描述设备400工作的优选模式。在附图11和11a中，设备400处于装载/卸载结构中，其中，设备400打开，使晶片540可以被插入到设备400内，或者从设备400中取出。在这种结构中，烘焙盘403通过弹簧478的作用靠着上冷却板436顶部，而且提升销428充分地突出到烘焙盘子配件403上面。这样使晶片540可以被放入提升销428中，以进行处理。
附图12显示了处于冷却结构中的设备400。在将设备400从装载/卸载结构改变到冷却结构的过程中，烘焙盘组件403和冷却部件404以相互协同的方式向上移动。在产生的冷却结构中，晶片540被支撑在烘焙盘403上，接下来，烘焙盘403靠着上冷却板436。在实际应用中，上冷却板436与晶片540进行热接触(图12中没有显示)，以便马上可以进行冷却工作。
附图13显示了处于烘焙结构中的设备400。在这种结构中，烘焙盘403被提升脱离与上冷却板436的热接触，以便马上可以进行烘焙工作。
正如本领域普通技术人员知道而且很理解的一样，这种烘焙/冷却设备可以用来经过不同的处理步骤处理各种物质例如微电子器件，这些步骤可以诱导或促进化学反应，或者驱使涂层材料中的溶剂出来。例如，该烘焙/冷却设备可以用来涂布和显影光阻材料。在那种应用中，许多步骤都涉及工件的温度循环，包括通常被称作“软烘焙”步骤，“后曝光”烘焙步骤，和“硬烘焙”步骤的这些步骤。在这些处理步骤中使用所述加热元件可以提供很多优点，可以使加热元件、冷却板和工件之间的热传递相对更加均匀。
虽然，该说明书大部分集中于介绍本发明加热部件在组合式烘焙/冷却设备中的使用，但是，本发明并不是要限制到加热部件的那种应用中，要理解的是，该加热部件可以用于涉及加热和冷却工件的其它各种用途和设备中，特别可以用于很需要热精确性和灵敏性的地方。作为另一个例子，加热部件可以用于涂敷/冷却设备中，该涂敷/冷却设备在结构和用途上与烘焙/冷却设备相似，但是在工件的化学性质、成分(特别其表面)以及可能涉及的温度方面存在几个不同之处。简而言之，涂敷/冷却设备的结构与烘焙/冷却设备类似，只是设计成可以对半导体晶片的表面进行涂敷，以进行进一步处理。涂敷步骤通常涉及将一个纯半导体晶片和一个干净的未涂层表面一起导入设备腔室中。抽空该腔室，并导入已烷甲基二硅烷(HMDS)，同时由设备和烘焙盘精确控制改变温度。HMDS消除来自晶片表面的少量的水，使表面不沾水，这样有利于接下来的处理过程。
对于本领域普通技术人员来讲，很显然的是，在该说明书基础上或者从在此公开的本发明的实施过程中，可以得出本发明的其它实施例。本领域普通技术人员可以在不脱离以下权利要求书表明的本发明基本范围和精神的前提下，对在此公开的原理和实施例进行各种删除、修改、和改变。
平面度测量步骤可以使用下面的材料和步骤来测量基底的平面度。
需要的材料花岗岩工作台(校准到高于0.0001”平面度)高精度支座(可以调节)刻度盘指示器(精确度高于0.0005”)步骤分开120度放置高精度可调节支座，以便可以将基底外边缘支撑在其上面。根据附图14放置支座。使基底朝着与支座对齐的提升销孔。支撑点应该距离基底周边0.5”内。使用刻度盘指示器，在正好位于基底顶部而且靠近第一支座的位置处在基底表面上清零。将刻度盘指示器移动到靠近第二支座的表面，而且调节支座的高度，直到刻度盘指示器读为零。在支座顶部重复第三点步骤。再次移动刻度盘指示器到靠近所有三个支座的所有基底顶部，而且确定该零读数没有被改变。
在整个表面移动刻度盘指示器，记录最小和最大的零偏移。偏移的总范围就是与三个支座表面上形成的平面有关的基底表面的平面度。
权利要求
1.一种低热质量加热部件，包括一个导热层，该导热层具有一个平面度小于0.01英寸的支撑表面，该导热层具有一个与加热元件进行热接触的相对表面。
2.根据权利要求1所述的加热部件，其特征在于，支撑表面的平面度小于0.005英寸。
3.根据权利要求1所述的加热部件，其特征在于，支撑表面的平面度小于0.002英寸。
4.根据权利要求1所述的加热部件，其特征在于，导热层包括一种陶瓷，这种陶瓷的杨氏模量至少为400吉帕。
5.根据权利要求1所述的加热部件，其特征在于，导热层包括一种陶瓷，这种陶瓷的导热性至少为100瓦特/(米开氏度)。
6.根据权利要求5所述的加热部件，其特征在于，该陶瓷是碳化硅，该碳化硅的重量纯度为97％或者更大。
7.根据权利要求1所述的加热部件，其特征在于，该陶瓷是碳化硅，该碳化硅的重量纯度至少为98％。
8.根据权利要求1所述的加热部件，其特征在于，该陶瓷是烧结的碳化硅。
9.根据权利要求1所述的加热部件，其特征在于，该陶瓷是氮化铝。
10.一种低热质量加热部件，包括一个加热元件，该加热元件与一个导热层进行热接触，该导热层包括碳化硅，该碳化硅的重量纯度至少为大约98％。
11.根据权利要求10所述的加热部件，其特征在于，该碳化硅的导热性在从大约100到大约150瓦特/(米开氏度)的范围内。
12.根据权利要求10所述的加热部件，其特征在于，该碳化硅是烧结的碳化硅。
13.根据权利要求10所述的加热部件，其特征在于，该碳化硅的重量纯度大于99％。
14.根据权利要求13所述的加热部件，其特征在于，该碳化硅的导热性至少为150瓦特/(米开氏度)。
15.根据权利要求14所述的加热部件，其特征在于，该碳化硅是化学汽相沉积碳化硅。
16.一种低热质量加热部件，包括一个与导热层热接触的加热元件，该导热层包括氮化铝。
17.根据权利要求16所述的加热部件，其特征在于，该导热层基本上由氮化铝组成。
18.一种低热质量加热部件，包括与导热层热接触的多层加热元件，该多层加热元件包括多个电阻加热元件片段，其特征在于，至少两个不同的多层加热元件层各自包含一个加热元件片段。
19.根据权利要求18所述的加热部件，其特征在于，各个加热元件片段的温度可以独立控制。
20.根据权利要求18所述的加热部件，其特征在于，该多层加热元件包括多个层结构，一层结构包括三个馅饼状加热元件片段，这些片段形成一个圆形内部加热区域，第二层结构包括三个加热元件片段，这些片段形成一个环形加热区域。
21.根据权利要求18所述的加热部件，包括与一个或多个加热元件片段有关的一个圆形内部加热区域，和与一个或多个加热元件片段有关的一个环形外部区域，环形外部加热区域包围内部加热区域。
22.根据权利要求21所述的加热部件，其特征在于，该内部加热区域接近200mm或300mm微电子工件的面积。
23.根据权利要求21所述的加热部件，其特征在于，该加热部件包括一层结构，该层结构包括一个或多个加热元件片段，用于内部加热区域，和另一层结构，该另一层结构包括一个或多个加热元件片段，用于外部加热区域。
24.根据权利要求23所述的加热部件，其特征在于，该加热元件片段被连接到导电引线，包含一个或多个加热元件片段用于内部加热区域的层结构位于包含一个或多个加热元件片段用于外部加热区域的层结构和导热层之间。
25.根据权利要求18所述的加热部件，包括一个层结构，该层结构包括一个电阻薄膜型温度传感器。
26.根据权利要求25所述的加热部件，其特征在于，该层结构包括不止一个传感器。
27.根据权利要求25所述的加热部件，其特征在于，该多层加热元件包括一个层结构，该层结构包括一个加热元件，该加热元件与包含一个电阻薄膜温度传感器的层结构由一个接地层分开。
28.根据权利要求27所述的加热部件，其特征在于，该接地层是一个铜层。
29.一种多层加热元件，该加热元件包括多个电阻加热元件片段，其特征在于，至少两个不同的多层加热元件片段各自包含一个加热元件片段。
30.根据权利要求29所述的加热部件，包括一个电阻薄膜温度传感器。
31.根据权利要求30所述的加热部件，包括一个接地层。
32.一种加热部件，包括一个导热碳化硅层，该层具有一个平面度小于0.01英寸的支撑表面，其特征在于，该碳化硅的导热性至少为100瓦特/(米开氏度)，和一个多层加热元件，与该碳化硅层的相对表面热接触，其特征在于，该多层加热元件包括多个电阻加热元件片段，其特征在于，至少两个不同的多层加热元件层各自包含一个或多个加热元件片段。
33.根据权利要求32所述的加热部件，其特征在于，该导热层是一个碳化硅层，该层包含重量至少占98％的碳化硅，而且该层的导热性至少为大约100瓦特/(米开氏度)。
34.根据权利要求32所述的加热部件，其特征在于，该支撑表面的平面度小于0.005英寸。
35.根据权利要求32所述的加热部件，其特征在于，该加热元件包括一个第一层，该第一层包含一个或多个加热元件片段，用于圆形内部加热区域，和一个第二层，该第二层包含一个或多个加热元件片段，用于环形外部加热区域，该环形外部区域包围该内部加热区域，其特征在于，第二层位于该导热碳化硅层和第一层之间。
36.一种适合用来控制工件温度的设备，该设备包括(a)一个低热质量导热加热部件，具有一个支撑工件的表面，该表面适合支撑工件，使工件与加热部件进行热接触，以便热能可以从加热部件传递到工件，加热部件的支撑表面的平面度小于0.01英寸；和(b)一个高热质量冷却部件；其特征在于，该设备以至少第一种结构支撑加热部件和冷却部件，冷却部件以这种结构与加热部件进行热接触。
37.根据权利要求36所述的设备，其特征在于，该设备还包括第二种结构，该加热部件和冷却部件以这种结构进行热分离。
38.根据权利要求37所述的设备，其特征在于，低热质量导热加热部件包括一个碳化硅层，该加热部件的热质量小于大约500J/℃，直径在从大约8英寸到大约13英寸的范围内，总厚度小于大约0.25英寸。
39.根据权利要求37所述的设备，其特征在于，该工件包括一个微电子器件。
40.根据权利要求39所述的设备，其特征在于，该工件包括一个硅晶片，该硅晶片的直径在从大约200到大约300毫米的范围内。
41.根据权利要求37所述的设备，其特征在于，该设备包括组合式烘焙/冷却设备。
42.根据权利要求37所述的设备，其特征在于，该设备包括涂敷/冷却设备。
43.根据权利要求37所述的设备，其特征在于，该导热层包括氮化铝。
44.一种适合用来控制工件温度的设备，该设备包括(a)一个低热质量导热加热部件，包括一个陶瓷导热层，该导热层具有一个支撑工件的表面，该表面适合支撑工件，使工件与加热部件进行热接触，以便热能可以从加热部件传递到工件，该陶瓷层是重量纯度至少为大约98％的碳化硅层；和(b)一个高热质量冷却部件；其特征在于，该设备以至少第一种结构支撑加热部件和冷却部件，该冷却部件以这种结构与加热部件进行热接触。
45.根据权利要求44所述的设备，其特征在于，该碳化硅的导热性至少为100瓦特/(米开氏度)。
46.根据权利要求44所述的设备，其特征在于，该碳化硅是烧结的碳化硅。
47.根据权利要求44所述的设备，其特征在于，该碳化硅的重量纯度高于99％。
48.根据权利要求44所述的设备，其特征在于，该碳化硅是化学汽相沉积碳化硅。
49.一种适合用来控制工件温度的设备，该设备包括(a)一个低热质量导热加热部件，包括一个导热层，该导热层具有一个支撑工件的表面和一个相对的表面，该支撑工件的表面适合支撑工件，使工件与加热部件进行热接触，以便热能可以从加热部件传递到工件，该相对的表面与多层加热元件热接触，该多层加热元件包括多个电阻加热元件片段，其特征在于，至少两个不同的多层加热元件层各自包含一个加热元件片段；和(b)一个高热质量冷却部件；其特征在于，该设备以至少第一种结构支撑加热部件和冷却部件，该冷却部件以这种结构与加热部件进行热接触。
50.根据权利要求49所述的设备，其特征在于，各个加热元件片段的温度可以独立控制。
51.根据权利要求49所述的设备，包括两个或多个加热元件片段，这些片段包含在至少两个不同的多层加热元件层中，各个加热元件片段包括引线，其特征在于，不同层的加热元件片段和引线设置成可以使一层的加热元件片段更加靠近导热层，而不是更加靠近另一层的引线。
52.根据权利要求49所述的设备，其特征在于，该加热部件包括一个内部加热区域，和一个包围内部加热区域的外部加热区域。
53.根据权利要求52所述的设备，其特征在于，该内部加热区域接近200mm或300mm工件的尺寸。
54.根据权利要求52所述的设备，其特征在于，该加热部件包括一层结构，该层结构包含一个或多个加热元件片段，用于内部加热区域，和另一层结构，该另一层结构包含一个或多个加热元件片段，用于外部加热区域。
55.根据权利要求54所述的设备，其特征在于，该内部加热区域是圆形的，外部加热区域是环形的，其特征在于，包含外部加热区域加热元件片段的层结构位于导热层和包含内部加热区域加热元件片段的层之间。
56一种组合式烘焙/冷却设备，包括一个低热质量加热部件，该部件包括一个碳化硅导热层，该导热层中碳化硅的重量至少占大约98％，该导热层包括一个平面度小于0.01英寸的表面度。
57.根据权利要求56所述的设备，其特征在于，该碳化硅导热层包括一个支撑工件的表面和一个相对的表面，该支撑工件的表面适合支撑工件，使工件与加热部件进行热接触，以便热能可以从加热部件传递到工件，该相对的表面与一个多层加热元件进行热接触，该多层加热元件包括多个电阻加热元件片段，其特征在于，至少两个不同的多层加热元件层各自包含一个加热元件片段。
58.一种组合式涂敷/冷却设备，包括一个低热质量加热部件，该加热部件包括一个氮化铝导热层，该导热层包括一个平面度小于0.01英寸的表面。
59.根据权利要求58所述的设备，其特征在于，该氮化铝导热层包括一个支撑工件的表面和一个相对的表面，该支撑工件的表面适合支撑工件，使工件与加热部件进行热接触，以便热能可以从加热部件传递到工件，该相对的表面与多层加热元件进行热接触，该多层加热元件包括多个电阻加热元件片段，其特征在于，至少两个不同的多层加热元件层各自包含一个加热元件片段。
全文摘要
加热部件和有关方法，用来处理基底(13)例如微电子器件，加热部件包括一个导热层(20)，导热层制备成具有上好平面度，而且还具有有利于快速、灵活而且均衡地进行热传递的热传递特性，该导热层优选采用陶瓷材料构成。该加热部件包括一个多层加热元件。
文档编号H05B3/10GK1513107SQ02811405
公开日2004年7月14日 申请日期2002年5月7日 优先权日2001年6月6日
发明者纳塔拉詹·拉马南, 詹姆斯·B·西姆斯, B 西姆斯, 纳塔拉詹 拉马南 申请人:Fsi国际公司