帶豎立式熱處理腔的半導體快速熱處理設備的製作方法
2023-06-21 03:04:21
專利名稱：帶豎立式熱處理腔的半導體快速熱處理設備的製作方法
技術領域：
帶豎立式熱處理腔的半導體快速熱處理設備屬於超大規模集成電路(ULSI)工藝技術領域，是研製和生產亞微米和深亞微米超大規模集成電路所不可缺少的關鍵工藝設備。
背景技術：
近年來半導體工藝技術迅速發展，超大規模集成電路(ULSI)的特徵線條已發展到0.25～0.13μm範圍，矽片尺寸已從6″(150mm)增大到8″(200mm)、12″(300mm)。隨著矽片尺寸的不斷增大，特徵線條的急驟減小，半導體快速熱處理技術已成為亞微米和深亞微米超大規模集成電路研製和生產所不可缺少的關鍵工藝，並對熱處理的均勻性提出了更加嚴格的要求。半導體快速熱處理現已廣泛用於ULSI的超淺PN結製作、自對準難熔金屬矽化物形成、矽化物快速熱氮化、磷矽硼磷矽玻璃回流等工藝；並在砷化鎵、磷化銦等化合物半導體材料和器件以及低溫矽外延、鍺矽外延的研究和生產等領域中得到廣泛應用。
對於快速熱處理(RTP)設備的輻射熱源，在國外主要是採用多支滷鎢燈的條形光源、近來也有用上百個燈組成蜂窩狀排列的光源來進行燈光輻射加熱。要將條形光源或者蜂窩形排列的光源形成大面積均勻的熱源，尤其對於均勻加熱尺寸更大的矽片，其調整和控制是非常困難的。
清華大學微電子學研究所發明的專利技術(專利號美國專利4794217；中國專利85100131.9，87202679.5，91219291.7)研製的RHT設備，採用射頻感應加熱扁平矩形石墨加熱腔，形成均勻的平面紅外輻射熱源，輻射加熱其間的半導體片，因而在加熱均勻性上具有燈光熱源所無可比擬的優越性。由於扁平矩形石墨加熱腔相距很近的上下兩平行平面石墨板在射頻場加熱下作為輻射熱源，從物理概念來說就如平行板電容器間具有良好的電場均勻性一樣，只要平行石墨板的面積(線度尺寸)足夠大，其間熱場(溫度場)的均勻性就能得到充分保證。因此RHT設備在技術性能上完全能滿足8″～12″矽片的均勻性要求。
但上述專利產品RHT6000，RHT600M半導體快速熱處理設備是平躺式結構，而且其加熱矽片的扁平矩形石墨熱處理腔每次只能設定一個溫度的等溫區。平躺式半導體快速熱處理設備如圖1所示，由以下部分組成熱處理石英腔1、裝片腔2、半導體晶片傳送機構9、石英片架32、半導體晶片34、自動取放片機構10；以及微機控制子系統5、測控溫子系統6、氣路及其控制子系統7、高頻感應加熱源19。熱處理石英腔1如圖2所示，包含有扁平矩形石英腔11、矩形石墨加熱腔12、紅外反射罩16、石英框架321、三態門221、射頻感應線圈18。
平躺式結構半導體快速熱處理設備存在兩個問題一是佔地面積較大；二是石墨熱處理腔只有一個等溫區，不易控制半導體晶片的升降溫過程。
發明內容
本發明提出一種豎立熱處理腔半導體快速熱處理設備，能夠克服上述缺點。由於本發明將熱處理腔、裝片腔、半導體晶片升降機構等豎立安裝，充分利用高度空間，大大縮小設備總體的平面佔地面積。豎立式結構熱處理腔內從上到下水平高度平面內可獲得從高到低逐漸下降的等溫區，控制半導體晶片上升下降的速度可得到晶片不同的升降溫速率。
本發明的特徵在於，它含有設備外殼；水冷式裝片腔腔體，裝在所述的外殼內的隔板上，上部開口，下部前端面有狹窄水平開口，在開口處安裝有矩形密封閥門，底面安裝有測溫元件且有氮氣進口，可在所述的矩形密封閥門打開時在所述的開口處形成氮氣鎖；豎立式熱處理腔，下部開口，它含有(1)豎立式圓筒石英加熱腔，下部開口，下部的周邊與所述水冷式裝片腔腔體上部的周邊相密封；(2)石墨加熱器，有兩個，安裝在所述豎立式圓筒石英加熱腔內平板石墨加熱器安裝在所述石英加熱腔上端；圓筒石墨加熱器安裝在所述石英加熱腔側面，所述圓筒石墨加熱器的下端和所述石英加熱腔的下端經支架相連，它的上端和所述平板石墨加熱器分別和所述石英加熱腔上端相連接。
(3)紅外反射罩，有兩個，分別安裝在平板石墨加熱器上方和圓筒石墨加熱器外圍；(4)隔熱保溫罩，裝在紅外反射罩外，在側壁上端裝有兩對用以分別對平板石墨加熱器和圓筒石墨加熱器進行直流電加熱的水冷電極，在側壁上端下端開有氮氣出氣口；所述隔熱保溫罩的下底面和所述裝片腔固定連接；半導體晶片升降機構，它含有(1)半導體晶片升降用的驅動控制裝置，它安裝在所述隔板上，位於所述隔板的下方；(2)石英傳送杆，它與所述驅動控制裝置的驅動軸相連，且可沿著所述的隔板和水冷式裝片腔腔體底部的軸孔而上下升降；(3)無滑移線保護環，固定在位於所述石英傳送杆頂端處石英片託上，位於半導體晶片的周圍；片盒到片盒取送片機械手子系統，它含有(1)機械手驅動控制裝置，它安裝在所述隔板上，位於所述隔板的下方；(2)三折臂機械手，它與所述機械手驅動控制裝置的穿過所述隔板的驅動軸轉動連接，在打開所述矩形密封閥門後，所述三折臂機械手的前臂在所述機械手驅動控制裝置驅動下，可經過所述水平開口處伸入所述水冷式裝片腔形成的晶片冷卻區內；(3)晶片取片器固定在所述三折臂機械手前臂的前端；(4)晶片冷卻臺，收片盒，供片盒和預對中晶片臺都順時針按圓周方向安裝在所述的隔板上，所述圓周方向的運動軌跡是由所述取片器在所述機械手驅動控制裝置驅動下所做的圓周運動決定的；(5)一級超淨層流罩，固定在所述外殼的上部，正對著所述的片盒到片盒取送片機械手子系統的上方；(6)SMIF即微超淨環境裝置的對接口，左右各一個，分別安裝在正對著所述的收片盒，供片盒的外殼表面。
此外，還有微機控制子系統、測控溫子系統、氣路裝置、加熱電源。
所述的平板石墨加熱器是直流加熱式平板石墨加熱器，它是一種上面開有隔離槽的包碳化矽的石墨平板。
所述的平板石墨加熱器是射頻加熱式平板石墨加熱器，它是一種包碳化矽的石墨平板。
所述的圓筒石墨加熱器是直流加熱式圓筒石墨加熱器，它是一種上面開有隔離槽的包碳化矽的石墨圓筒。
所述的圓筒石墨加熱器是射頻加熱式圓筒石墨加熱器，它是一種包碳化矽的石墨圓筒。
所述的石墨加熱器是單個石墨加熱器，即從平板石墨加熱器或圓筒石墨加熱器中任取一個。
所述的圓筒石墨加熱器是位於圓筒石英加熱腔和紅外反射罩之間的。
所述的圓筒石英加熱腔是上底封口的圓筒式石英加熱腔，而所述平板石墨加熱器是放在所述石英加熱腔筒底上方的。
該設備佔地面積可縮小三分之一。在熱處理腔內，晶片熱處理區從上到下的水平面可形成從高溫到低溫的等溫區，例如1300-300℃。控制半導體晶片升降機構驅動裝置驅動石英片託上升與下降的速度，可達到控制半導體晶片升降溫速率，例如50-300℃/秒。該設備可應用於半導體片高濃度注入淺PN結快速退火，難熔金屬矽化物形成，薄柵介質膜和矽化物快速熱氮化，(硼)磷矽玻璃回流，短溝MOS工藝，半導體基片熱施主消除以及砷化鎵快速退火等。該設備熱處理溫度範圍為300-1300℃，矽片尺寸為φ150-300mm，生產率可達每小時45-60片。
圖1.平躺式半導體快速熱處理設備示意圖。
1熱處理石英腔 2裝片腔9傳送半導體片機構 32石英片架 34半導體晶片10自動取放片機構 5微機控制子系統
6測控溫子系統 7氣路及其控制 19射頻感應加熱源圖2.圖1中的熱處理石英腔示意圖。
11扁平矩形石英腔 12矩形石墨加熱腔16紅外反射罩321石英框架 221三態門 18射頻感應線圈圖3.帶豎立式熱處理腔的半導體快速熱處理設備示意圖。
1熱處理腔 13圓筒石英加熱腔14側面圓筒石墨加熱器15上平板石墨加熱器2裝片腔 21水冷裝片腔腔體22矩形密封閥門23氮氣鎖3半導體晶片升降機構 31石英傳送杆35升降片驅動控制裝置8設備外殼 81設備隔板圖4.圖3中的豎立式圓筒熱處理腔結構示意圖。
1熱處理腔 13圓筒石英加熱腔14側面圓筒石墨加熱器15上平板石墨加熱器16 紅外反射罩17隔熱保溫罩 100晶片熱處理區2裝片腔 21水冷裝片腔腔體22矩形密封閥門23氮氣鎖 110晶片冷卻區3半導體晶片升降機構 31石英傳送杆32石英片託33無滑移線保護環 34半導體晶片35升降片驅動控制裝置6測控溫子系統 61外高溫計 62熱電偶19加熱電源191水冷電極1192水冷電極2圖5.圖3中的片盒到片盒取放片機械手子系統示意圖。
4片盒到片盒取放片機械手子系統41晶片取片器42三折臂機械手43機械手驅動控制裝置44預對中晶片臺 45供片盒46收片合 47晶片冷卻臺48SMIF對接口49一級超淨層流罩5微機控制子系統 6測控溫子系統7氣路裝置19加熱電源圖6.直流平板石墨加熱器示意圖。
15直流平板石墨加熱器151包碳化矽石墨板191引線電極153隔離槽圖7. 直流圓筒石墨加熱器示意圖。
14 圓筒石墨加熱器152 包碳化矽石墨筒192引線電極153隔離槽
具體實施例方式圖3是本發明帶豎立式熱處理腔的半導體快速熱處理設備示意圖。圖4是圖3中的豎立式圓筒熱處理腔結構示意圖。圖5是圖3中的片盒到片盒取放片機械手子系統示意圖。圖6是直流平板石墨加熱器示意圖。圖7是直流圓筒石墨加熱器示意圖。
帶豎立式熱處理腔的半導體快速熱處理設備，主要包含有豎立排列的熱處理腔1、裝片腔2、半導體晶片升降機構3；還包含片盒到片盒取送片三折臂機械手子系統4、微機控制子系統5、測控溫子系統6、氣路裝置7、加熱電源19。
所述的熱處理腔，它主要包含豎立式圓筒(石英或碳化矽)加熱腔13，安裝在該腔內(或腔外)的兩個石墨加熱器加熱腔上端安裝的是平板石墨加熱器15，側面安裝的是圓筒石墨加熱器14；根據紅外輻射高溫計61和熱電偶62所測的溫度，分別調節加在兩個石墨加熱器上的電源功率，可控制熱處理腔內晶片熱處理區100的溫度場，以便滿足工藝的溫度要求和均勻性指標；平板石墨加熱器15上方和圓筒石墨加熱器14外都安裝有紅外反射罩16和隔熱保溫罩17。石墨加熱器15、14可以由直流電源加熱或者用射頻電源加熱；加熱腔13可以用石英或者碳化矽材料，紅外反射罩16可以用鍍反射膜的石英板或者耐高溫金屬板。
所述的直流加熱平板石墨加熱器15，它主要包含包碳化矽石墨板151，引線電極191，隔離槽153。
所述的射頻加熱平板石墨加熱器，它主要包含包碳化矽石墨板。
所述的直流加熱圓筒石墨加熱器14，它主要包含包碳化矽石墨圓筒152，引線電極192，隔離槽153。
所述的射頻加熱圓筒石墨加熱器，它主要包含包碳化矽石墨圓筒。
所述的裝片腔2也是圓筒外形，它主要包含下部前端面有狹窄水平開口，機械手取放片時，安裝在開口處的矩形密封閥門22打開，同時起動氮氣鎖23，氣封該開口，避免空氣進入腔內；上部的圓筒與石英加熱腔13下端用密封圈密封連接；下部底面安裝有半導體晶片升降機構3和數個紅外輻射高溫計的探頭61；整個裝片腔腔體21為夾層結構通水冷卻。
所述的半導體晶片升降機構3，它主要包含石英傳送杆31，石英片託32，無滑移線保護環33，半導體晶片34，升降機構驅動控制裝置35。
所述的片盒到片盒取送片機械手子系統4，它主要包含取片器41，三折臂機械手42，機械手驅動控制裝置43，預對中晶片臺44，待處理矽片供片盒45，已處理矽片收片盒46，矽片冷卻臺47，SMIF即微超淨環境裝置的對接口48，一級超淨層流罩49。
本發明帶豎立式熱處理腔的半導體快速熱處理設備退火工藝過程如下先將熱處理腔1的圓筒石墨加熱器14和平板石墨加熱器15加熱到要求的溫度，使熱處理腔1內的熱處理區100的某一位置達到設定溫度的等溫區。
1.在晶片進入熱處理腔1熱處理期間，三折臂機械手42要完成兩項操作一是，三折臂機械手42上的取片器41要從供片盒45取出一片待處理矽片34，放到預對中晶片臺44上對中；二是，三折臂機械手42上的取片器41要將晶片冷卻臺47上已處理過的矽片送進收片盒46。
2.當熱處理腔1內的熱處理區100達到設定溫度的等溫區要求後，打開裝片腔2的矩形密封閥門22，三折臂機械手42上的取片器41從預對中晶片臺44上取出矽片34送到裝片腔2內的石英片託32上，關閉矩形密封閥門22。
3.石英傳送杆31按照要求的速度上升，將石英片託32上的矽片34送到晶片熱處理區100中預定的位置。測控溫子系統6根據紅外輻射高溫計61和熱電偶62所測的溫度，分別調節加在兩個石墨加熱器15、14上的電源功率，控制熱處理腔內晶片熱處理區100的溫度場，以便滿足工藝溫度要求和均勻性指標。
4.當熱處理腔1中的矽片34熱處理完後，石英傳送杆31按照要求的速度下降，將石英片託32上的矽片34送到晶片冷卻區110中預定的位置冷卻。打開裝片腔2的矩形密封閥門22，三折臂機械手42的取片器41從石英片託32取出矽片34，放到晶片冷卻臺47上。
每重複一次上述1-4的過程，就熱處理完一片矽片，直到處理完一盒25片矽片後，系統會提示操作人員來更換片盒。或者由SMIF系統(微超淨環境裝置)的機械手通過SMIF對接口(48)更換片盒。
權利要求
1.帶豎立式熱處理腔的半導體快速熱處理設備，含有熱處理腔和裝片腔，其特徵在於，它含有設備外殼；水冷式裝片腔腔體，裝在所述的外殼內的隔板上，上部開口，下部前端面有狹窄水平開口，在開口處安裝有矩形密封閥門，底面安裝有測溫元件且有氮氣進口，可在所述的矩形密封閥門打開時在所述的開口處形成氮氣鎖；豎立式熱處理腔，下部開口，它含有(1)豎立式圓筒石英加熱腔，下部開口，下部的周邊與所述水冷式裝片腔腔體上部的周邊相密封；(2)石墨加熱器，有兩個，安裝在所述豎立式圓筒石英加熱腔內平板石墨加熱器安裝在所述石英加熱腔上端；圓筒石墨加熱器安裝在所述石英加熱腔側面，所述圓筒石墨加熱器的下端和所述石英加熱腔的下端經支架相連，它的上端和所述平板石墨加熱器分別和所述石英加熱腔上端相連接。(3)紅外反射罩，有兩個，分別安裝在平板石墨加熱器上方和圓筒石墨加熱器外圍；(4) 隔熱保溫罩，裝在紅外反射罩外，在側壁上端裝有兩對用以分別對平板石墨加熱器和圓筒石墨加熱器進行直流電加熱的水冷電極，在側壁上端下端開有氮氣出氣口；所述隔熱保溫罩的下底面和所述裝片腔固定連接；半導體晶片升降機構，它含有(1)半導體晶片升降用的驅動控制裝置，它安裝在所述隔板上，位於所述隔板的下方；(2)石英傳送杆，它與所述驅動控制裝置的驅動軸相連，且可沿著所述的隔板和水冷式裝片腔腔體底部的軸孔而上下升降；(3)無滑移線保護環，固定在位於所述石英傳送杆頂端處石英片託上，位於半導體晶片的周圍；片盒到片盒取送片機械手子系統，它含有(1)機械手驅動控制裝置，它安裝在所述隔板上，位於所述隔板的下方；(2)三折臂機械手，它與所述機械手驅動控制裝置的穿過所述隔板的驅動軸轉動連接，在打開所述矩形密封閥門後，所述三折臂機械手的前臂在所述機械手驅動控制裝置驅動下，可經過所述水平開口處伸入所述水冷式裝片腔形成的晶片冷卻區內；(3)晶片取片器固定在所述三折臂機械手前臂的前端；(4)晶片冷卻臺，收片盒，供片盒和預對中晶片臺都順時針按圓周方向安裝在所述的隔板上，所述圓周方向的運動軌跡是由所述取片器在所述機械手驅動控制裝置驅動下所做的圓周運動決定的；(5)一級超淨層流罩，固定在所述外殼的上部，正對著所述的片盒到片盒取送片機械手子系統的上方；(6)SMIF即微超淨環境裝置的對接口，左右各一個，分別安裝在正對著所述的收片盒，供片盒的外殼表面。此外，還有微機控制子系統、測控溫子系統、氣路裝置、加熱電源。
2.根據權利要求1所述的帶豎立式熱處理腔的半導體快速熱處理設備，其特徵在於所述的平板石墨加熱器是直流加熱式平板石墨加熱器，它是一種上面開有隔離槽的包碳化矽的石墨平板。
3.根據權利要求1所述的帶豎立式熱處理腔的半導體快速熱處理設備，其特徵在於所述的平板石墨加熱器是射頻加熱式平板石墨加熱器，它是一種包碳化矽的石墨平板。
4.根據權利要求1所述的帶豎立式熱處理腔的半導體快速熱處理設備，其特徵在於所述的圓筒石墨加熱器是直流加熱式圓筒石墨加熱器，它是一種上面開有隔離槽的包碳化矽的石墨圓筒。
5.根據權利要求1所述的帶豎立式熱處理腔的半導體快速熱處理設備，其特徵在於所述的圓筒石墨加熱器是射頻加熱式圓筒石墨加熱器，它是一種包碳化矽的石墨圓筒。
6.根據權利要求1所述的帶豎立式熱處理腔的半導體快速熱處理設備，其特徵在於所述的石墨加熱器是單個石墨加熱器，即從平板石墨加熱器或圓筒石墨加熱器中任取一個。
7.根據權利要求1所述的帶豎立式熱處理腔的半導體快速熱處理設備，其特徵在於所述的圓筒石墨加熱器是位於圓筒石英加熱腔和紅外反射罩之間的。
8.根據權利要求1所述的帶豎立式熱處理腔的半導體快速熱處理設備，其特徵在於所述的圓筒石英加熱腔是上底封口的圓筒式石英加熱腔，而所述平板石墨加熱器是放在所述石英加熱腔筒底上方的。
全文摘要
帶豎立式熱處理腔的半導體快速熱處理設備屬於超大規模集成電路(ULSI)工藝技術領域，其特徵在於，它主要包含有豎立安裝的熱處理腔、裝片腔、半導體晶片升降機構；還包含片盒到片盒取送片機械手子系統、微機控制子系統、測控溫子系統、氣路裝置、加熱電源。熱處理腔主要由豎立式圓筒石英(碳化矽)加熱腔，在腔內(或腔外)的上端平板石墨加熱器，側面圓筒石墨加熱器等組成。將熱處理腔、裝片腔、半導體晶片升降機構等豎立安裝，充分利用高度空間，縮小設備平面佔地面積。豎立式熱處理腔內從上到下的不同水平面可獲得溫度從高到低逐漸下降的等溫區，控制半導體晶片上升下降的速度可得到晶片不同的升降溫速率。
文檔編號H01L21/02GK1635608SQ20031011292
公開日2005年7月6日 申請日期2003年12月26日 優先權日2003年12月26日
發明者林惠旺, 陳必賢, 王舜遠, 白玉琦 申請人:清華大學