一種爐管的氮氣冷卻系統及晶圓和晶舟的冷卻方法與流程

2023-11-08 07:54:16 1

本發明涉及半導體集成電路加工技術領域，更具體地，涉及一種爐管的氮氣冷卻系統及使用該系統對晶圓和晶舟進行冷卻的方法。

背景技術：

集成電路持續往高密度方向發展，在一塊越來越小的晶片上，整合了越來越多的組件，使得晶片對缺陷的容忍度越來越低，更多更小尺寸的缺陷也逐漸成為了良率殺手。

集成電路的缺陷即晶圓上存在的有形汙染與瑕疵，主要包括：晶圓上的異物(微塵，工藝殘留物，不良反應生成物等)，圖形缺陷(光刻或刻蝕造成的異常成像，機械性刮傷變形，厚度不均勻造成的顏色異常等)，化學汙染(殘留化學藥品，有機溶劑等)，材質缺陷(晶圓自身或製造過程中引起的晶格缺陷)。

集成電路製造工藝是在無塵室中進行的，缺陷的主要來源包括：

1)機臺設備：零件老化與設備異常在運行中產生的缺陷；

2)工藝方法：工藝最終優化之前在製程反應中所產生的副生成物；

3)生產環境：包含潔淨室顆粒水平，溫溼度，靜電程度，有機物含量；

4)材料本身：包括晶圓材料,工藝氣體，工藝純水，化學藥品；

5)操作人員：包含無塵衣，手套。

其中，約80％的缺陷是工藝優化工程中產生的，約15％的缺陷來自機臺設備，而這些缺陷大部分會影響晶圓的良率。

爐管用於對晶圓進行高溫作業。將多枚晶圓以水平方式裝載於晶舟中的舟腳上，晶舟可以從爐管下方的預裝載區垂直進入爐管，使晶圓在爐管內接受工藝，並在工藝後將晶圓再傳輸到預裝載區進行冷卻。爐管的氮氣冷卻系統(NBS)設置在爐管下方的預裝載區，用於對作業完成但仍處於高溫的晶圓和晶舟進行冷卻。

請參閱圖1，圖1是現有的一種爐管的氮氣冷卻系統結構示意圖。如圖1所示，爐管的氮氣冷卻系統20設置在爐管下方的預裝載區，並位於下降到預裝載區時的晶舟10一側。氮氣冷卻系統20設有一個冷卻管路23，冷卻管路23連接供氣系統，並在其末端並列垂直設有兩個不同長度的冷卻管22、25；沿每個冷卻管22、25的管壁分別設有多個出氣孔21、26，可通過這些出氣孔噴射氮氣，對晶圓和晶舟10進行冷卻。其中一個較短的冷卻管22用於對晶舟10進行冷卻；另一個較長的冷卻管25用於對晶舟10中放置的各層晶圓進行冷卻。冷卻管路23設有質量流量控制器(MFC)24，用於控制冷卻管路中的氮氣總流量。

在上述現有的氮氣冷卻系統結構中，氮氣是經同一個質量流量控制器流向兩個不同長度的冷卻管、並通過兩個冷卻管上不同數量的出氣孔噴射出的。因此，從較短的冷卻管每個出氣孔噴射出的氮氣流量將明顯大於從較長的冷卻管每個出氣孔噴射出的氮氣流量。

晶圓在高溫作業中會發生變形。作業完成後，晶舟下降到預裝載區，在通過上述氮氣冷卻系統冷卻的過程中，晶圓將恢復原狀，並與晶舟舟腳發生摩擦而產生顆粒。

由於從較短的冷卻管每個出氣孔噴射出的氮氣流量大於從較長的冷卻管每個出氣孔噴射出的氮氣流量，因而會將晶舟舟腳部位摩擦產生的顆粒吹到晶圓上，而難以再被從較長的冷卻管噴射出的較小流量的氮氣吹走，從而影響了晶圓的良率。

因此，需要對現有氮氣冷卻系統進行改善，以避免將舟腳部位的顆粒吹到晶圓上。

技術實現要素：

本發明的目的在於克服現有技術存在的上述缺陷，提供一種爐管的氮氣冷卻系統及晶圓和晶舟的冷卻方法，既能夠很好地冷卻晶舟上的晶圓，又可防止將晶舟舟腳上的顆粒吹到晶圓上。

為實現上述目的，本發明的技術方案如下：

一種爐管的氮氣冷卻系統，設置在爐管下方的預裝載區，並位於下降到預裝載區時的晶舟側部，所述晶舟通過舟腳水平裝載有若干層晶圓，所述氮氣冷卻系統包括：

第一、第二冷卻管路，其分別設有質量流量控制器；

第一、第二冷卻管，分別垂直設於第一、第二冷卻管路末端，沿第一、第二冷卻管的管壁分別設有多個出氣孔，用於噴射氮氣分別從側部對晶舟及晶舟中的晶圓進行冷卻；

其中，由供氣系統導入的氮氣，經第一、第二冷卻管路各自質量流量控制器的調節，以不同的設定流量流向第一、第二冷卻管，使從第一冷卻管每個出氣孔噴射出的氮氣流量小於從第二冷卻管每個出氣孔噴射出的氮氣流量，以在晶舟舟腳部位產生的顆粒被第一冷卻管噴射出的較小流量氮氣吹落時，通過第二冷卻管噴射出的較大流量氮氣吹走，從而防止顆粒落到晶圓上。

優選地，所述第一、第二冷卻管設於晶舟同側的不同橫向位置。

優選地，所述第一、第二冷卻管路分別設置一至若干個，並分別設有質量流量控制器，每個第一冷卻管路設有一至若干個第一冷卻管，每個第二冷卻管路設有一至若干個第二冷卻管，所述第一、第二冷卻管在晶舟側部成對設置。

優選地，所述第二冷卻管的長度大於第一冷卻管，所述第二冷卻管上的出氣孔與晶舟中晶圓的位置一一對應。

優選地，還包括一控制單元，其連接第一、第二冷卻管路上的質量流量控制器，用於通過質量流量控制器設定及調節流經第一、第二冷卻管路中的氮氣流量。

優選地，還包括第一、第二溫度感測單元，用於分別感測晶舟和晶圓的溫度，所述第一、第二溫度感測單元分別連接控制單元。

一種晶圓和晶舟的冷卻方法，使用上述的爐管的氮氣冷卻系統，包括以下步驟：

步驟S01：設定流經第一、第二冷卻管路中的不同氮氣流量；

步驟S02：在晶舟下降到預裝載區時，打開氮氣冷卻系統，通過第一、第二冷卻管的出氣孔分別從側部向晶舟和晶圓噴射氮氣進行冷卻，並使從第一冷卻管每個出氣孔噴射出的氮氣流量小於從第二冷卻管每個出氣孔噴射出的氮氣流量，防止晶舟舟腳上的顆粒吹到晶圓上；

步驟S03：將晶舟和晶圓冷卻至設定溫度後，關閉氮氣冷卻系統，完成對晶舟和晶圓的冷卻。

優選地，步驟S02中，使晶舟處於旋轉狀態進行冷卻。

優選地，步驟S02中，對晶舟和晶圓的溫度進行檢測，以控制冷卻時間。

優選地，根據檢測的晶舟和晶圓溫度，調整使不同冷卻階段中流經第一、第二冷卻管路中的氮氣具有不同大小的流量，以增強冷卻效果。

從上述技術方案可以看出，本發明通過在氮氣冷卻系統中設置兩路冷卻管路，每路冷卻管路分別採用質量流量控制器控制氮氣流量，並通過在兩路冷卻管路中設置不同的氮氣流量，使從冷卻晶舟的第一冷卻管每個出氣孔中噴射出的氮氣流量小於從冷卻晶圓的第二冷卻管每個出氣孔中噴射出的氮氣流量，以在晶舟舟腳部位產生的顆粒被第一冷卻管噴射出的較小流量氮氣吹落時，通過第二冷卻管噴射出的較大流量氮氣吹走，從而既能夠很好地冷卻晶舟及晶舟上的晶圓，又可防止將晶舟舟腳上的顆粒吹到晶圓上。

附圖說明

圖1是現有的一種爐管的氮氣冷卻系統結構示意圖；

圖2是本發明一較佳實施例的一種爐管的氮氣冷卻系統結構示意圖。

具體實施方式

下面結合附圖，對本發明的具體實施方式作進一步的詳細說明。

需要說明的是，在下述的具體實施方式中，在詳述本發明的實施方式時，為了清楚地表示本發明的結構以便於說明，特對附圖中的結構不依照一般比例繪圖，並進行了局部放大、變形及簡化處理，因此，應避免以此作為對本發明的限定來加以理解。

在以下本發明的具體實施方式中，請參閱圖2，圖2是本發明一較佳實施例的一種爐管的氮氣冷卻系統結構示意圖。如圖2所示，本發明的一種爐管的氮氣冷卻系統30，設置在爐管(圖略)下方的預裝載區，並位於下降到預裝載區時的晶舟10側部。所述晶舟通過舟腳水平裝載有若干層晶圓(圖略，可參考現有技術加以理解)。

請參閱圖2。所述氮氣冷卻系統30包括第一、第二冷卻管路33、35，分別連接第一、第二冷卻管路33、35的第一、第二冷卻管32、37，以及第一、第二冷卻管路33、35上各自安裝的質量流量控制器(MFC)34、36等部分。

第一、第二冷卻管路33、35可並列設置，在第一、第二冷卻管路33、35上分別安裝有質量流量控制器34、36，用於分別控制流經第一、第二冷卻管路33、35的氮氣流量大小。通常，氮氣作為冷卻晶舟及晶舟中晶圓的冷卻介質，但也可以採用其他適用的冷卻介質，本發明不限於此。第一、第二冷卻管路33、35的源頭可分別連接廠務供氣系統，也可在其質量流量控制器34、36之後合併連接廠務供氣系統。

在第一冷卻管路33的末端(圖示的左側端)垂直裝有第一冷卻管32，沿第一冷卻管32的管壁加工有上下分布的多個出氣孔31，出氣孔31面向晶舟10方向設置。由供氣系統導入的氮氣，經第一冷卻管路質量流量控制器34的流量調節後，流向第一冷卻管32，然後由第一冷卻管管壁上的各個出氣孔31噴出，可從側部對晶舟10進行冷卻。

同樣地，在第二冷卻管路35的末端垂直裝有第二冷卻管37，沿第二冷卻管37的管壁同樣加工有上下分布的多個出氣孔38，各出氣孔38面向晶舟10方向設置，並與晶舟中每層晶圓的位置一一對應。也就是一個出氣孔38負責吹掃與其對應層的一枚晶圓，並由全部的出氣孔形成輻射晶舟上下的均勻的冷卻氣流層。由供氣系統導入的氮氣，經第二冷卻管路質量流量控制器36的流量調節後，流向第二冷卻管37，然後由第二冷卻管管壁上的各個出氣孔38噴出，可從側部對晶舟10中的晶圓進行冷卻。出氣孔31、38的分布密度也可以進一步增加或減小，這可以根據需要的氣流量進行配置。

這樣，第一冷卻管路33及其第一冷卻管32和第二冷卻管路35及其第二冷卻管37就形成了兩路獨立的冷卻管路。

當晶圓在爐管中的高溫作業完成時，晶舟下降到預裝載區，並需要對晶舟和晶圓進行冷卻。此時，可通過設置一個控制單元(圖略)，將控制單元連接第一、第二冷卻管路上的質量流量控制器對其進行流量控制。這樣，通過控制第一、第二冷卻管路上的質量流量控制器，即可分別設定及調節流經第一、第二冷卻管路中的氮氣流量。

進行冷卻時，由供氣系統導入氮氣，經第一、第二冷卻管路各自質量流量控制器的調節後，在第一、第二冷卻管路中以不同的設定流量分別流向第一、第二冷卻管，根據計算設定流量，可以使從第一冷卻管每個出氣孔噴射出的氮氣流量小於從第二冷卻管每個出氣孔噴射出的氮氣流量。這樣，當晶圓受到冷卻恢復形變時，其與晶舟舟腳部位摩擦所產生的顆粒即使被第一冷卻管噴射出的相對於第二冷卻管較小流量的氮氣吹落時，也可被通過第二冷卻管噴射出的相對於第一冷卻管較大流量的氮氣立即吹走，從而可有效防止顆粒落到晶圓上產生缺陷。

所述第一、第二冷卻管可設置在晶舟同側的不同橫向位置，這樣可以近似同向噴射氮氣，強化吹掃顆粒時的作用效果。

所述第一冷卻管路可以設置一至若干個，當其為兩個以上時，每路第一冷卻管路可分別設有質量流量控制器；同樣，所述第二冷卻管路也可以設置一至若干個，當其為兩個以上時，每路第二冷卻管路可分別設有質量流量控制器。並且，每路第一冷卻管路還可並列設有一至若干個第一冷卻管，每路第二冷卻管路也可並列設有一至若干個第二冷卻管。每一個第一冷卻管和一個第二冷卻管組成一對，並可環繞在晶舟側部成對設置，以便可從晶舟的整個側面對晶舟及晶圓進行快速冷卻。每對第一、第二冷卻管之間應環繞晶舟側部設置成非對稱狀態，以免冷卻氣流集中流向晶圓中心。

在控制好第一、第二冷卻管每個出氣孔的流量對應關係時，將所述第二冷卻管的長度設置為大於第一冷卻管的長度，以便可對所有層的晶圓同時進行冷卻。

還可以設置第一、第二溫度感測單元，例如可以採用溫度傳感器，用於分別感測晶舟和晶圓的表面溫度。將所述第一、第二溫度感測單元分別連接至控制單元，這樣控制單元即可根據溫度傳感器檢測的晶舟和晶圓溫度，在不同的冷卻階段，調整流經第一、第二冷卻管路中的氮氣流量大小，以增強冷卻效果。當然，仍應保證第一冷卻管路中的氮氣流量小於第二冷卻管路中的氮氣流量。

還可以通過在出氣孔處加裝活動噴嘴，從而可在冷卻過程中變換氮氣噴射的角度，增強吹掃效果。以及可將第一、第二冷卻管路連接機械臂，從而可在冷卻過程中變換氮氣噴射的距離，也可增進吹掃效果。

下面結合具體實施方式，對本發明使用上述的爐管的氮氣冷卻系統的一種晶圓和晶舟的冷卻方法進行詳細說明。

請參閱圖2。本發明的一種晶圓和晶舟的冷卻方法，可使用上述的爐管的氮氣冷卻系統，並可包括以下步驟：

步驟S01：冷卻開始前，通過控制單元在兩個質量流量控制器34、36上分別設定流經第一、第二冷卻管路33、35中的不同氮氣流量，並使流經第一冷卻管路33中的氮氣流量小於流經第二冷卻管路35中的氮氣流量。具體可通過計算得出各自管路的氮氣流量。

步驟S02：在晶圓完成高溫作業、晶舟10下降到預裝載區時或者在這之前的預設時間，可通過控制單元或者爐管機臺的控制菜單打開氮氣冷卻系統30，並通過第一、第二冷卻管32、37的出氣孔31、38分別從側部向晶舟10和晶舟10中裝載的晶圓噴射氮氣進行冷卻；冷卻時通過已設定的流量，可以使從第一冷卻管32每個出氣孔31噴射出的氮氣流量小於從第二冷卻管37每個出氣孔38噴射出的氮氣流量，從而在晶舟舟腳部位產生的顆粒被第一冷卻管32噴射出的較小流量氮氣吹落時，可通過第二冷卻管37噴射出的較大流量氮氣立即將其吹走，以防止晶舟舟腳上的顆粒吹到晶圓上。

步驟S03：在冷卻過程中可通過溫度傳感器不斷檢測晶舟和晶圓的表面溫度，控制單元獲知已將晶舟和晶圓冷卻至設定溫度後，即可將氮氣冷卻系統30關閉，完成對晶舟和晶圓的冷卻。

在上述的步驟S02中，可使晶舟10處於旋轉狀態進行冷卻，以使其得到均勻冷卻，並提高清潔效果。

還可通過對晶舟和晶圓的溫度進行檢測，以便及時掌握冷卻狀態，來控制冷卻時間，提高作業效率。

特別是控制單元可根據不斷檢測到的晶舟和晶圓溫度，了解其處於冷卻的何種階段，以便根據不同階段的冷卻風量要求，調整使不同冷卻階段中流經第一、第二冷卻管路中的氮氣具有不同大小的流量。例如可將冷卻過程分為高溫、中溫和低溫三個階段，在高溫階段晶圓形變恢復量不明顯，流量過大並不能產生相應的冷卻及清潔效果，可適當減小氮氣流量；在中溫階段晶圓形變恢復量最大，可加大氮氣流量增強對流效果，以便迅速降低晶圓溫度並有效吹走顆粒；在低溫階段，晶圓形變已基本恢復且接近設定的冷卻溫度，這時可減小氮氣流量，以節約用氣量。通過上述方式可以進一步增強冷卻效果，並取得良好的顆粒去除效果。

綜上所述，本發明通過在氮氣冷卻系統中設置兩路冷卻管路，每路冷卻管路分別採用質量流量控制器控制氮氣流量，並通過在兩路冷卻管路中設置不同的氮氣流量，使從冷卻晶舟的第一冷卻管每個出氣孔中噴射出的氮氣流量小於從冷卻晶圓的第二冷卻管每個出氣孔中噴射出的氮氣流量，以在晶舟舟腳部位產生的顆粒被第一冷卻管噴射出的較小流量氮氣吹落時，通過第二冷卻管噴射出的較大流量氮氣吹走，從而既能夠很好地冷卻晶舟及晶舟上的晶圓，又可防止將晶舟舟腳上的顆粒吹到晶圓上。

以上所述的僅為本發明的優選實施例，所述實施例並非用以限制本發明的專利保護範圍，因此凡是運用本發明的說明書及附圖內容所作的等同結構變化，同理均應包含在本發明的保護範圍內。