專利名稱：半導(dǎo)體圓片快速熱處理裝置及使用方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種半導(dǎo)體器件的生產(chǎn)制造裝置及使用方法，確切地說，涉及一種半導(dǎo)體圓片快速熱處理裝置及其使用方法，屬于通過電阻加熱的電熱裝置
背景技術(shù)：
在半導(dǎo)體圓片生產(chǎn)工藝中，快速熱處理(也稱“熱退火”)是半導(dǎo)體圓片經(jīng)過注入工藝后必不可少的工序之一。半導(dǎo)體圓片快速熱處理設(shè)備是半導(dǎo)體器件生產(chǎn)的關(guān)鍵設(shè)備之一。自從20世紀(jì)60年代初，離子注入技術(shù)作為新的半導(dǎo)體摻雜工藝以來，大大促進(jìn)了半導(dǎo)體集成電路的發(fā)展。而集成電路的迅速發(fā)展，又對離子注入的快速熱處理技術(shù)提出了更高要求。
離子注入技術(shù)的最大優(yōu)點是摻雜量精確和摻雜分布可控。常規(guī)的快速熱處理工藝一般溫度較高、時間較長，需要數(shù)十分鐘。如果在離子注入后仍然采用常規(guī)熱處理工藝，將極大地破壞注入工藝的優(yōu)良結(jié)果，因此，超大規(guī)模集成電路(VLSIIC)生產(chǎn)不能采用常規(guī)熱處理工藝。這樣，半導(dǎo)體圓片快速熱處理設(shè)備應(yīng)運而生。它的最大特點是熱處理的周期極短，可以在數(shù)十秒內(nèi)使半導(dǎo)體圓片完成升溫至指定高溫(如1000℃)、然后又降至常溫的整個熱處理工藝過程。對離子注入后的半導(dǎo)體圓片進(jìn)行快速熱處理，能夠鞏固離子注入工藝的優(yōu)點。此外，超薄氧化層的快速熱生長及磷硅玻璃的回流等工藝中也要用到半導(dǎo)體圓片快速熱處理工藝。隨著工藝技術(shù)的進(jìn)步與設(shè)備的完善，半導(dǎo)體圓片快速熱處理工序被越來越廣泛地應(yīng)用于超大規(guī)模集成電路和半導(dǎo)體器件的生產(chǎn)領(lǐng)域。
但是，目前國內(nèi)外現(xiàn)有的半導(dǎo)體圓片快速熱處理設(shè)備都存在不足之處，下面分別介紹之。
現(xiàn)在，國際上常見的半導(dǎo)體圓片快速退火熱處理設(shè)備基本上是采用燈光輻射型熱源。參見圖1，該設(shè)備的核心是由兩個專用燈管組上燈管組A和下燈管組B構(gòu)成，一般每個燈管組都有數(shù)十根異型燈管(形狀和數(shù)目因廠家而異)，由這兩個燈管組A、B對位于其中間的半導(dǎo)體圓片C進(jìn)行快速加熱和熱處理。
由于該設(shè)備是采用線狀光源構(gòu)成面光源作為熱源，為了達(dá)到均勻的加熱效果，對各個燈管的一致性要求甚高；且當(dāng)燈管的亮度隨時間有所變化時，該設(shè)備必須及時、準(zhǔn)確地定量檢測出差值，并立即進(jìn)行補償。否則生產(chǎn)的產(chǎn)品質(zhì)量將無法保證。因此，首先各個燈管的電源驅(qū)動要獨立，還需分別設(shè)置傳感器，隨時檢測各個燈管的發(fā)光效率，由控制系統(tǒng)根據(jù)傳感器的反饋信號及時調(diào)節(jié)相應(yīng)燈管的驅(qū)動電流，才能實現(xiàn)穩(wěn)定生產(chǎn)。如果上下兩個熱源組中的任何一個燈管一旦出現(xiàn)輸出功率達(dá)不到額定值，且設(shè)備進(jìn)行調(diào)控也不能恢復(fù)的情況時，必須及時告警，停機(jī)維修和更換備件。因此，這種熱源的可靠性指標(biāo)涉及每個燈管的可靠性指標(biāo)和熱源組內(nèi)燈管的總數(shù)量。理論上說，燈管的總數(shù)量越多，熱源整體的可靠性指標(biāo)越低。而且，燈管數(shù)目越多，隨之連帶的傳感器數(shù)目、驅(qū)動電路和控制系統(tǒng)的規(guī)模就會相應(yīng)增加。由此帶來設(shè)備結(jié)構(gòu)的復(fù)雜和制造成本的增加，從而使得該設(shè)備熱源裝置的制造難度增加和銷售價格難以降低，用戶的維護(hù)成本也會居高不下。然而，燈管數(shù)量越少，受光平面的均勻性指標(biāo)越難以提高。
由于技術(shù)、財力等多方面條件的限制，至今國內(nèi)沒有一家能夠生產(chǎn)燈管型半導(dǎo)體圓片快速熱處理設(shè)備。多年前，清華大學(xué)微電子研究所發(fā)明了采用高頻感應(yīng)石墨加熱方式對半導(dǎo)體圓片進(jìn)行快速熱處理的技術(shù)方案，研制了高頻感應(yīng)石墨加熱型快速熱處理裝置，并對有關(guān)的加熱方法和設(shè)備分別申報了中國發(fā)明專利和中國實用新型專利(專利號為85100131.9，87202679.5和91219291.7)。
該技術(shù)方案采用高頻感應(yīng)加熱石墨在石英腔體外纏繞線圈，在石英腔體內(nèi)放置平行石墨加熱板。當(dāng)向線圈中通以高頻電流，在線圈周邊就會產(chǎn)生高頻電磁場，位于高頻交變電磁場中的石墨板受到感應(yīng)后發(fā)熱作為熱源。再配合精密控制的機(jī)械取送片裝置，托著硅片進(jìn)/出腔體就可以進(jìn)行熱處理加工。
該采用石墨進(jìn)行高頻感應(yīng)加熱技術(shù)具有面加熱、制造和維護(hù)成本低等優(yōu)點，但是也存在有加熱控制的響應(yīng)速度較慢、高頻電磁輻射可能會對環(huán)境造成污染等缺陷。盡管如此，石墨材料本身具有的容易加工、加熱面均勻、壽命長、購置和維護(hù)成本低廉等優(yōu)點都是國外燈管型快速熱處理設(shè)備所無法比擬的。雖然高頻感應(yīng)石墨加熱方式屬于成熟技術(shù)。但是將其作為半導(dǎo)體熱處理設(shè)備的熱源，并進(jìn)入實用化，在當(dāng)時確實是獨辟蹊徑，具有中國特色的創(chuàng)新思維的結(jié)晶，并取得了一定應(yīng)用效果。
隨著微電子技術(shù)和材料科學(xué)的迅速發(fā)展，直徑8英寸(200mm)以上的半導(dǎo)體圓片加工工藝正在逐步吞并6英寸(150mm)以下的加工生產(chǎn)線。目前，國內(nèi)外已有廠家開始著手研制12英寸(300mm)半導(dǎo)體圓片的加工技術(shù)和設(shè)備。因為半導(dǎo)體圓片的單片直徑越大，單次產(chǎn)量越高，其綜合成本越低。因此，從今后發(fā)展的角度看，大尺寸圓片生產(chǎn)技術(shù)取代小尺寸圓片生產(chǎn)技術(shù)只是時間問題。對此，燈管型半導(dǎo)體圓片快速熱處理設(shè)備只能通過增加燈管數(shù)量和尺寸來應(yīng)對該發(fā)展趨勢，其不足之處依然如故，甚至?xí)訃?yán)重。而高頻感應(yīng)石墨加熱熱處理設(shè)備和工藝則面臨著新的技術(shù)障礙。下面簡要解釋和說明之參見圖2，在該高頻感應(yīng)石墨加熱熱處理設(shè)備中，傳送半導(dǎo)體圓片機(jī)構(gòu)的機(jī)械手是托著半導(dǎo)體圓片C從已經(jīng)加熱到設(shè)定高溫的石墨腔體的左側(cè)裝片腔端口進(jìn)出該石墨腔體而實現(xiàn)熱處理工藝。這種結(jié)構(gòu)使得被加工的半導(dǎo)體圓片的左端首先進(jìn)入加熱腔而最后退出，圓片右端則是最后進(jìn)入加熱腔卻首先退出。這個“先進(jìn)后出，后進(jìn)先出”加工過程的直接結(jié)果是該半導(dǎo)體圓片上各點的加熱時間不同、因而各種性能和質(zhì)量參數(shù)形成差異。而且圓片直徑越大，這個差異就越顯著。實驗測試表明，圖2所示方案在加工直徑6英寸的半導(dǎo)體圓片時，相關(guān)參數(shù)差異的容忍度已經(jīng)達(dá)到極限。也就是說，圖2所示的高頻感應(yīng)石墨加熱型熱處理設(shè)備至多只能滿足6英寸半導(dǎo)體圓片的快速熱處理工藝要求，再也無法應(yīng)對8英寸或更大尺寸的半導(dǎo)體圓片快速熱處理工藝的技術(shù)要求。
為了解決這種“先進(jìn)后出，后進(jìn)先出”加熱時間不均衡的問題，業(yè)內(nèi)人士想了許多方法，其中一個思路是采用類似老式幻燈機(jī)的換片機(jī)構(gòu)。即在加熱腔左端裝片、并從加熱腔左側(cè)進(jìn)片時，經(jīng)過熱處理腔體后，由加熱腔的右側(cè)出片；在加熱腔右端裝片、并從加熱腔右側(cè)進(jìn)片時，經(jīng)過熱處理腔體后，由加熱腔左側(cè)出片；如此往復(fù)循環(huán)操作。也就是說，將“先進(jìn)后出，后進(jìn)先出”改為“先進(jìn)先出，后進(jìn)后出”。這種設(shè)計構(gòu)思在理論上保證了整個半導(dǎo)體圓片加熱時間的均衡，但是，由于半導(dǎo)體行業(yè)對生產(chǎn)環(huán)境的要求極其嚴(yán)格和苛刻，而上述結(jié)構(gòu)設(shè)計需要設(shè)備占用相當(dāng)大的面積，也就是意味著該設(shè)備的制造成本相當(dāng)昂貴，因此實用性不高。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種半導(dǎo)體圓片快速熱處理裝置，該裝置用直流電源對石墨饋電，制成可控的穩(wěn)定的高溫平面熱源，再配置其它部件構(gòu)成凈化的熱處理加工環(huán)境，能夠?qū)Π雽?dǎo)體圓片進(jìn)行可控的陡變受熱和降溫過程；且裝置結(jié)構(gòu)簡單實用，操作維護(hù)容易，制造成本較低，具有很好的應(yīng)用前景。
本發(fā)明的另一目的是提供一種半導(dǎo)體圓片快速熱處理裝置的使用方法。
本發(fā)明的目的是這樣實現(xiàn)的一種半導(dǎo)體圓片快速熱處理裝置，其特征在于該裝置為立式中空電熱腔，腔體外側(cè)是用耐火保溫材料制成的隔溫層、支撐套筒和水冷裝片盒狀底座，腔體內(nèi)側(cè)頂端和周邊設(shè)有保證凈化環(huán)境、防止外界污染的屏蔽層，腔體內(nèi)部上端設(shè)有用直流電源加熱的石墨加熱器，在石墨加熱器的下方的腔體周壁上設(shè)有內(nèi)反射筒；腔體下端中央位置設(shè)有承載半導(dǎo)體圓片的石英片托，該石英片托在其下端片托桿的支承下能夠沿中空腔體軸線升降運動。
所述腔體外側(cè)的隔溫層由頂端的隔溫罩和其下側(cè)的圓柱形隔溫套筒組成，該隔溫套筒下側(cè)是支撐套筒和水冷裝片盒狀底座，在水冷裝片盒狀底座的一側(cè)面上設(shè)有送片閘門；所述腔體內(nèi)側(cè)頂端和周邊分別設(shè)置的屏蔽層是屏蔽罩和屏蔽套筒，所述屏蔽層和內(nèi)反射筒的材質(zhì)為石英或涂有反射膜的石英。
所述用直流電源加熱的石墨加熱器是用碳化硅包覆的石墨制成的平面薄板，板上接有電極，電極上設(shè)有若干個用于與水冷電極螺接的通孔；整個平面薄板被若干條細(xì)長通槽切割成串聯(lián)石墨電阻，在切槽的兩端設(shè)有用于加固的凸臺，該平面薄板的非電極端部為圓角，以減少熱量輻射。
所述石墨加熱器的外側(cè)圍設(shè)有反射盒，該反射盒的上方放置有反射板，以使石墨加熱器的熱量向腔內(nèi)輻射而不外泄；所述反射盒和反射板的材質(zhì)為石英或涂有反射膜的石英。
所述腔體外側(cè)隔溫層的耐火保溫材料是高溫陶瓷纖維制品，即多晶莫來石；或硅質(zhì)可塑保溫材料、或高鋁質(zhì)可塑保溫材料、或其它耐火澆注材料。
所述水冷裝片盒狀底座是用不銹鋼制成的中空夾層盒狀體，在該中空夾層盒狀體內(nèi)設(shè)有冷卻水管，其外側(cè)設(shè)有進(jìn)水口和出水口。
所述水冷裝片盒狀底座的外壁上分別設(shè)有進(jìn)氣管接頭和出氣管接頭；藉由該兩個管接頭向水冷裝片盒狀底座內(nèi)腔和中空電熱腔內(nèi)注入惰性保護(hù)氣體。
所述石墨加熱器在其表面中間位置放有熱電偶的測溫敏感元件，用于監(jiān)測石墨溫度；在水冷裝片盒狀底座上設(shè)有紅外測溫儀的測溫頭，該測溫頭指向片托上的半導(dǎo)體圓片，用于量測半導(dǎo)體圓片的溫度。
所述承載半導(dǎo)體圓片的石英片托由若干個呈傘骨狀的支撐柱和位于支撐柱頂端、并將其連結(jié)在一起的帶缺口圓環(huán)組成；該圓環(huán)的缺口部分面向送片閘門，以便取送半導(dǎo)體圓片機(jī)構(gòu)送取圓片；在缺口圓環(huán)上有3-4個夾持承載半導(dǎo)體圓片的圓錐狀小托爪，片托下端的片托桿與升降機(jī)構(gòu)相連接，該石英片托的所有部件均用石英材質(zhì)制成。
本發(fā)明的另一目的是這樣實現(xiàn)的一種半導(dǎo)體圓片快速熱處理裝置的使用方法，其特征在于在立式中空電熱腔體內(nèi)形成從石墨加熱器附近的超過1000℃的高溫到水冷裝片盒狀底座內(nèi)的220℃左右的溫度呈穩(wěn)定梯度分布后，藉由石英片托在該溫度呈穩(wěn)定梯度分布的立式中空電熱腔體內(nèi)的垂直升降位移，也就是通過改變石英片托上夾持的半導(dǎo)體圓片與石墨加熱器的空間距離遠(yuǎn)近和停留時間長短來對該半導(dǎo)體圓片進(jìn)行熱處理工藝加工。
本發(fā)明是一種采用直流電饋電加熱平面石墨板的半導(dǎo)體圓片快速熱處理裝置和使用方法，該裝置不僅保持了石墨加熱器的所有優(yōu)點，而且與高頻感應(yīng)加熱方式相比較，因為沒有高頻電磁輻射，因而相應(yīng)的電磁屏蔽措施和結(jié)構(gòu)可以簡化，對取送半導(dǎo)體圓片的構(gòu)件材料和結(jié)構(gòu)要求都相應(yīng)降低，不必采用非金屬材料或開環(huán)以避免電磁感應(yīng)造成危害；對石墨加熱器的加工參數(shù)要求也可適當(dāng)降低，而且，在高頻電磁場中，石墨棱角會誘發(fā)放電、受熱不均勻等不良影響，對石墨加熱器的形狀和加工都有特殊要求?，F(xiàn)在使用直流電直接加熱薄板狀石墨電阻，不僅使得該裝置的結(jié)構(gòu)簡化、緊湊，也降低了制造精度，有利于降低生產(chǎn)成本，還能夠提高電能的利用效率和工作可靠性，使得該裝置與清華大學(xué)原來的專利產(chǎn)品相比較，性能價格比有較大幅度明顯的提高。
本發(fā)明裝置中，石墨加熱器熱源呈平板狀，待加工的半導(dǎo)體圓片在其進(jìn)入電熱腔體內(nèi)后就與熱源處于平行狀態(tài)，因此設(shè)定快速熱處理工藝曲線以后，本發(fā)明只需在該立式中空電熱腔體內(nèi)通過改變石英片托上夾持的半導(dǎo)體圓片與石墨加熱器的空間距離遠(yuǎn)近和停留時間長短就可以對該半導(dǎo)體圓片進(jìn)行熱處理工藝加工，也就是該熱處理工藝的實現(xiàn)過程完全取決于半導(dǎo)體圓片與熱源面的相對位置和停留時間。與原來的高頻感應(yīng)石墨加熱方式相比較，本發(fā)明方法的加工參數(shù)范圍更大、操作更加簡單、方便、靈活。
此外，在原先的高頻感應(yīng)石墨加熱裝置專利中，石墨和半導(dǎo)體圓片共用一個測溫元件加熱腔內(nèi)有圓片時所測參數(shù)為圓片溫度，沒有圓片時所測參數(shù)為石墨溫度。由于這兩種材料的熱反射系數(shù)不同，測量裝置的切換容易產(chǎn)生過渡狀態(tài)而形成盲區(qū)。在本發(fā)明裝置中，石墨加熱器和半導(dǎo)體圓片分別在不同位置采用熱電偶和紅外測溫儀測溫；不但便于調(diào)試，能夠分別或同時測出兩個部位的溫度，更有利于整個裝置的工作穩(wěn)定、保證產(chǎn)品質(zhì)量和提高生產(chǎn)率。
總之，本發(fā)明利用石英片托在該溫度呈穩(wěn)定梯度分布的立式中空電熱腔體內(nèi)的垂直升降位移，也就是通過調(diào)節(jié)半導(dǎo)體圓片與石墨加熱器的空間距離和停留時間的方法來達(dá)到燈管型熱處理設(shè)備采用的時間長短分配方法的熱處理工藝效果。本發(fā)明的熱源和冷源的結(jié)構(gòu)新穎、簡單、實用，整個裝置構(gòu)造簡單，加工制造容易，操作使用方便簡單，工作穩(wěn)定可靠，能源利用率高，環(huán)保效果好，具有很好的推廣應(yīng)用前景。


圖1是現(xiàn)有的燈管型半導(dǎo)體快速退火裝置的熱源與半導(dǎo)體圓片的工作原理示意圖。
圖2是現(xiàn)有的用石墨進(jìn)行高頻感應(yīng)加熱快速退火裝置的工作原理示意圖。
圖3是本發(fā)明半導(dǎo)體圓片快速熱處理裝置的結(jié)構(gòu)組成示意圖。
圖4(A)、(B)分別是本發(fā)明半導(dǎo)體圓片快速熱處理裝置的石墨加熱器一實施例的主視圖和俯視圖。
圖5(A)、(B)分別是本發(fā)明半導(dǎo)體圓片快速熱處理裝置的片托結(jié)構(gòu)一實施例的主視圖和俯視圖。
具體實施例方式
參見圖3，本發(fā)明是一種半導(dǎo)體圓片快速熱處理裝置，該裝置是立式中空電熱腔，腔體外側(cè)設(shè)有用耐火保溫材料制成的隔溫層，該隔溫層由頂端的矩形體隔溫罩1和其下側(cè)的圓柱形隔溫套筒1A組成，隔溫套筒1A下側(cè)是不銹鋼制成的支撐套筒10和水冷裝片盒狀底座11，在水冷裝片盒狀底座11的一側(cè)面上設(shè)有可啟閉的送片閘門9；腔體內(nèi)側(cè)頂端和周邊分別設(shè)置保證凈化環(huán)境，防止外界污染的屏蔽罩4和屏蔽套筒4A組成的屏蔽層，腔體內(nèi)部上端設(shè)有用直流電源加熱的石墨加熱器2，該石墨加熱器2的外側(cè)圍設(shè)有反射盒5，該反射盒5的上方放置有反射板3，在石墨加熱器2的下方的腔體周壁上設(shè)有內(nèi)反射筒6，這些反射部件3、5、6都是用于使石墨加熱器2的熱量向腔內(nèi)輻射而不外泄。反射板3、屏蔽罩4、屏蔽套筒4A、反射盒5和內(nèi)反射筒6的材質(zhì)均為石英或涂有反射膜的石英。腔體下端中央位置設(shè)有夾持承載半導(dǎo)體圓片C的石英片托7，該石英片托7由3～4個呈傘骨狀的支撐柱和位于支撐柱頂端、并將其連結(jié)在一起的帶缺口圓環(huán)組成。該圓環(huán)的缺口部分面向送片閘門9，以便取送半導(dǎo)體圓片機(jī)構(gòu)的機(jī)械手送取圓片(參見圖4)。在缺口圓環(huán)上有3-4個承載半導(dǎo)體圓片的圓錐狀小托爪，當(dāng)半導(dǎo)體圓片C放置在片托7上時，圓片C與各個托爪的錐面呈相切的點接觸狀態(tài)，也就是該半導(dǎo)體圓片C被夾持在這3-4個圓錐狀托爪的錐面之間，在保證半導(dǎo)體圓片C夾持牢固，絕對不會發(fā)生圓片跌落損壞事故的前提下，又能夠盡可能地減少因承載而遮擋的圓片受熱面積，使得該半導(dǎo)體圓片C整體接受熱處理工藝加工，以保證產(chǎn)品質(zhì)量。石英片托7下端的片托桿8與升降機(jī)構(gòu)相連接，能夠沿腔體軸線升降運動，本發(fā)明裝置是通過該石英片托7的升降移動，與石墨加熱器2的空間距離遠(yuǎn)近來對片托上的半導(dǎo)體圓片C實現(xiàn)熱處理工藝。其中石英片托7和片托桿8的各個部件均用石英材質(zhì)制成。
本發(fā)明腔體外側(cè)隔溫層1、1A的耐火保溫材料是高溫陶瓷纖維制品，即多晶莫來石；也可以選用硅質(zhì)可塑保溫材料、高鋁質(zhì)可塑保溫材料、或其它耐火澆注材料。水冷裝片盒狀底座11是用不銹鋼制成的中空夾層盒狀體，在該中空夾層盒狀體內(nèi)設(shè)有冷卻水管，其外側(cè)設(shè)有進(jìn)水口16和出水口15。水冷裝片盒狀底座11的外壁上還分別設(shè)有進(jìn)氣管接頭20和出氣管接頭21，藉由該兩個管接頭20、21向水冷裝片盒狀底座11內(nèi)腔和中空電熱腔內(nèi)注入惰性保護(hù)氣體(圖示為氮氣N2)。通過控制冷卻水和惰性氣體的流量，可以使該水冷裝片盒狀底座11成為加熱腔下方的一個可控的穩(wěn)定低溫源。當(dāng)熱源和冷源均達(dá)到穩(wěn)態(tài)時，電熱腔內(nèi)就形成一個自下而上的陡變的穩(wěn)態(tài)梯形升溫分布區(qū)。
本發(fā)明在水冷裝片盒狀底座11上設(shè)有紅外測溫儀的測溫頭14，該測溫頭14指向片托7上的半導(dǎo)體圓片C，用于量測半導(dǎo)體圓片的溫度。而在石墨加熱器2的表面中間位置放有熱電偶的測溫敏感元件13，用于測試加熱器2的溫度。
參見圖4，石墨加熱器2是用直流電源加熱的石墨材質(zhì)的方形平面薄板狀電阻器，該石墨平面薄板外側(cè)表面包覆一層碳化硅，以防石墨可能造成的環(huán)境污染。其一側(cè)的左右兩端為電極，電極上設(shè)有若干個用于與水冷電極12螺接的通孔(圖示每個電極有三個通孔)，另一側(cè)的左右兩端為圓角(圖示R＝45mm)，以減少熱量輻射；整個平面薄板被若干條細(xì)長通槽切割成串聯(lián)石墨電阻，在切槽的兩端設(shè)有用于加固的凸臺。這些凸臺交叉地分布在平面薄板的兩端。圖中17和18分別是水冷電極12的冷卻水進(jìn)水口和出水口，19是將直流電源的饋線與水冷電極12螺固成一體的螺栓。
下面簡要地介紹本發(fā)明裝置和使用方法的工作原理、操作過程和一些部件的特點本發(fā)明裝置是采用立式中空電熱腔，用直流電源對位于腔體內(nèi)頂部的石墨加熱器2饋電加熱，在電熱腔內(nèi)部的上端形成可控的穩(wěn)定高溫平面熱源。整個腔體坐落在一個配有可控開/關(guān)的送片閘門9的密閉的中空水冷裝片盒狀底座11上。該盒狀底座11的夾層內(nèi)裝有冷卻循環(huán)水管道，外壁裝有惰性氣體出入口管道，直接將惰性氣體送入密閉盒狀底座11的內(nèi)腔和電熱腔體內(nèi)。該水冷裝片盒狀底座11是加熱腔下方的一個可控的穩(wěn)定低溫源，從而在立式中空電熱腔體和盒狀底座11內(nèi)腔內(nèi)形成溫度呈穩(wěn)定梯度分布的升溫區(qū)。盒狀底座11下端中央位置設(shè)有承載半導(dǎo)體圓片C的石英片托7，該石英片托7在其下端片托桿8的支承下能夠沿腔體軸線升降運動，通過該石英片托7的升降位移，與平面石墨加熱器2的空間距離遠(yuǎn)近和停留時間來對片托7上的半導(dǎo)體圓片C實現(xiàn)熱處理工藝。
本發(fā)明裝置能夠?qū)?英寸或更大尺寸半導(dǎo)體圓片進(jìn)行陡變加熱，并控制降溫和升溫過程的熱處理，而且實現(xiàn)時裝置結(jié)構(gòu)簡單實用，操作維護(hù)容易，制造成本較低，具有很好的應(yīng)用前景。
使用本發(fā)明裝置時，首先通過水冷電極12將外供直流電源饋入碳化硅包層直流石墨加熱器2，在腔體內(nèi)的石英屏蔽罩4內(nèi)形成平面熱源。通過調(diào)節(jié)流過石墨加熱器2的電流可以控制該熱源溫度，電流越大，溫度越高，實施例的額定值為DC 50V/400A。碳化硅包覆的直流石墨加熱器2中間插有熱電偶測溫儀的測溫敏感元件13，能夠測量該熱源的實時溫度，以便控制電路根據(jù)反饋相應(yīng)調(diào)整加熱電流。同時，從水冷裝片盒狀底座11的冷卻水入口16供入冷卻循環(huán)水，再從出口15引出冷卻水，以便在腔體內(nèi)石英屏蔽套筒4A的下端形成平面冷源。同時可以藉由進(jìn)氣管接頭20和出氣管接頭21向水冷裝片盒狀底座11內(nèi)腔和中空電熱腔內(nèi)注入惰性保護(hù)氣體(例如氮氣N2)。通過控制冷卻水和保護(hù)氣體的流量和流速，可以使該水冷裝片盒狀底座11成為加熱腔下方的一個可控的穩(wěn)定低溫源。冷卻水和惰性氣體的流速越高，流量越大，溫度越低。
當(dāng)石墨加熱器2經(jīng)過一段時間的加熱和溫升，使得石英反射板3、反射盒5和內(nèi)反射筒6中上、下的熱、冷源達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)時，就在該石英屏蔽罩4和屏蔽套筒4A內(nèi)形成爐內(nèi)加熱腔體的穩(wěn)定的溫度分布梯度。這里的反射板3、反射盒5和內(nèi)反射筒6均置于石英屏蔽罩4和屏蔽套筒4A的內(nèi)壁以反射熱量，使石英屏蔽罩6內(nèi)的溫度徑向均勻。整個爐內(nèi)從上至下形成高溫加熱區(qū)、保溫區(qū)、散熱區(qū)和裝片區(qū)(參見圖3)。
這時可以將半導(dǎo)體圓片C經(jīng)隔離閘門9送至片托7上，該片托7初始位置在底部。再在升降機(jī)構(gòu)的作用下，片托桿8升起，使得片托7上升；此時，關(guān)閉送片閘門9。片托7繼續(xù)上升，將半導(dǎo)體圓片C平穩(wěn)送至指定溫度區(qū)域進(jìn)行加熱。并在加熱完成后，片托7下降，將半導(dǎo)體圓片C回送至水冷裝片盒狀底座11的冷卻區(qū)內(nèi)；或者按照設(shè)定的熱處理曲線升降片托7，以對其上的半導(dǎo)體圓片進(jìn)行快速熱處理工藝加工。半導(dǎo)體圓片C冷卻至一定溫度后，送片閘門9開啟，就可以從該閘門將半導(dǎo)體圓片C取出。整個熱處理工藝過程全部完成，并且，在該整個熱處理工藝過程中，設(shè)置在水冷裝片盒狀底座11上的紅外測溫儀的測溫頭14始終指向片托7上的半導(dǎo)體圓片C，能夠連續(xù)不斷地量測、記錄和監(jiān)視該半導(dǎo)體圓片C在整個熱處理工藝處理過程中的溫度狀況。
現(xiàn)有的高頻感應(yīng)石墨加熱型快速熱處理裝置的加熱構(gòu)件是臥式，其“先入后出，后入先出”的熱處理過程造成半導(dǎo)體圓片受熱時間不均勻。本發(fā)明為立式石墨加熱腔，只要半導(dǎo)體圓片放置在石英片托上，則始終保持圓片平面與頂端石墨加熱器的平面處于平行狀態(tài)。從根本上解決了“先入后出，后入先出”帶來的指標(biāo)差異問題。另外，立式加熱腔占地面積小，制造成本低，實用性強。
現(xiàn)有的石墨加熱器為平行對板狀。本發(fā)明石墨加熱器2則為結(jié)構(gòu)簡單的平板狀，是在薄平板狀的石墨上切割通槽，使之成為串聯(lián)電阻，再包覆碳化硅以防止石墨析出污染加熱腔內(nèi)部而構(gòu)成的。該石墨加熱器2可根據(jù)材料材質(zhì)和加工工藝條件制成各種形狀(如方形或圓形等)，只要能夠形成均勻平面(尤其是面向半導(dǎo)體圓片的一側(cè)底面)熱源即可。其尺寸應(yīng)大于半導(dǎo)體圓片升降所在的加熱腔(保溫區(qū))的截面積，石墨加熱器2覆蓋在立式加熱腔頂端后，再輔以其它保溫和反射器件，就可得到加熱腔內(nèi)壁自平面加熱器上截取出來的圓形徑向均勻熱源。其圓柱狀保溫區(qū)與升降片托桿同軸。
本發(fā)明使用了一些隔熱保溫材料制成的隔溫部件和石英材料制成的屏蔽部件與反射部件，其中隔溫部件的使用目的是最大限度地縮小該裝置的占地面積和體積，降低設(shè)備的生產(chǎn)和使用成本。屏蔽部件是防止外界污染，保證環(huán)境凈化。反射部件可使石墨加熱器的熱量向腔內(nèi)輻射而不外泄，以及在腔內(nèi)徑向溫度分布均勻。
在向石英片托上放置或取走半導(dǎo)體圓片C的取送片機(jī)構(gòu)上，與該圓片C相接觸的部分構(gòu)件，由于要防止外界污染等因素，只能使用有限的幾種材料，例如聚四氟，因為這些材料的耐高溫指標(biāo)不高(一般在240℃以下)。如果立式中空電熱腔僅有上端的熱源而沒有下端的冷源，熱輻射和熱傳導(dǎo)會使加熱腔下端的溫度升高。實驗結(jié)果是當(dāng)熱源達(dá)到1000℃以上時，距離每拉遠(yuǎn)100毫米，溫度下降100℃左右。如此推算，只有距離1000℃以上的熱源超過750毫米，才有可能使其底端達(dá)到不高于240℃的工作環(huán)境溫度。這樣的距離以機(jī)電傳動機(jī)構(gòu)實現(xiàn)升降移動時，綜合工作穩(wěn)定性、可靠性、以及制造成本等因素，會有相當(dāng)大的實用障礙。此外，即使解決了上述傳動障礙，隨著片托帶著半導(dǎo)體圓片上下移動次數(shù)的增加，必然會將更多熱量帶至電熱腔下端，致使下端溫度繼續(xù)升高。甚至失控。
本發(fā)明首創(chuàng)設(shè)計制造了穩(wěn)定的冷源，較好地解決了該難題。本發(fā)明將水冷裝片盒狀底座11作為電熱腔下方的一個可控的穩(wěn)定低溫源后，保證了電熱腔下端有一個可以控制調(diào)節(jié)的適宜溫度環(huán)境。更重要的是可以大幅度縮短電熱腔的高度(初步實驗結(jié)果表明熱源達(dá)到1000℃以上、下端保持240℃以下，電熱腔高度可以縮短400毫米以上)。如此，對于提高該裝置的各項主要指標(biāo)均大有裨益；可以說，該可控的穩(wěn)定冷源是本發(fā)明能夠進(jìn)入實用化的關(guān)鍵部件之一。
本發(fā)明的整個電熱腔體內(nèi)要求無污染，其內(nèi)壁皆以石英或涂有反射膜的石英制成。承載半導(dǎo)體圓片的片托直接接觸被加工的半導(dǎo)體圓片，并在電熱腔體內(nèi)部反復(fù)升降位移。因此，承載半導(dǎo)體圓片的片托不僅對材質(zhì)有嚴(yán)格要求，對其形狀也有同樣的嚴(yán)格要求。本發(fā)明采用石英制作片托，既耐高溫不會變形，又不會在高低溫循環(huán)環(huán)境下釋放污染氣體。石英材質(zhì)剛性強，可以加工成較細(xì)直徑的部件，容易加工成圓柱狀、圓錐狀而與半導(dǎo)體圓片接觸時呈相切的點接觸夾持狀態(tài)。另外，石英的熱容量小，當(dāng)其承載著半導(dǎo)體圓片上下移動于高低溫源之間時不會對環(huán)境有較大影響。由于結(jié)構(gòu)越簡單，所用的材料越少，其重量和熱容量就越小。因此本發(fā)明的片托設(shè)計為由若干個呈傘骨狀的支撐柱和位于支撐柱頂端、并將其連結(jié)在一起的帶缺口圓環(huán)組成。考慮到與取送片機(jī)械裝置的銜接方便，在圓環(huán)上開一個缺口，以便利其進(jìn)出。
本發(fā)明已經(jīng)試制出性能樣機(jī)，并進(jìn)行了實施試驗，各項技術(shù)指標(biāo)達(dá)到了設(shè)計要求，實現(xiàn)了發(fā)明目的。
權(quán)利要求
1.一種半導(dǎo)體圓片快速熱處理裝置，其特征在于該裝置為立式中空電熱腔，腔體外側(cè)是用耐火保溫材料制成的隔溫層、支撐套筒和水冷裝片盒狀底座，腔體內(nèi)側(cè)頂端和周邊設(shè)有保證凈化環(huán)境、防止外界污染的屏蔽層，腔體內(nèi)部上端設(shè)有用直流電源加熱的石墨加熱器，在石墨加熱器的下方的腔體周壁上設(shè)有內(nèi)反射筒；腔體下端中央位置設(shè)有承載半導(dǎo)體圓片的石英片托，該石英片托在其下端片托桿的支承下能夠沿中空腔體軸線升降運動。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體圓片快速熱處理裝置，其特征在于所述腔體外側(cè)的隔溫層由頂端的隔溫罩和其下側(cè)的圓柱形隔溫套筒組成，該隔溫套筒下側(cè)是支撐套筒和水冷裝片盒狀底座，在水冷裝片盒狀底座的一側(cè)面上設(shè)有送片閘門；所述腔體內(nèi)側(cè)頂端和周邊分別設(shè)置的屏蔽層是屏蔽罩和屏蔽套筒，所述屏蔽層和內(nèi)反射筒的材質(zhì)為石英或涂有反射膜的石英。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體圓片快速熱處理裝置，其特征在于所述用直流電源加熱的石墨加熱器是用碳化硅包覆的石墨制成的平面薄板，板上接有電極，電極上設(shè)有若干個用于與水冷電極螺接的通孔；整個平面薄板被若干條細(xì)長通槽切割成串聯(lián)石墨電阻，在切槽的兩端設(shè)有用于加固的凸臺，該平面薄板的非電極端部為圓角，以減少熱量輻射。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或3所述的半導(dǎo)體圓片快速熱處理裝置，其特征在于所述石墨加熱器的外側(cè)圍設(shè)有反射盒，該反射盒的上方放置有反射板，以使石墨加熱器的熱量向爐內(nèi)輻射而不外泄；所述反射盒和反射板的材質(zhì)為石英或涂有反射膜的石英。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體圓片快速熱處理裝置，其特征在于所述腔體外側(cè)隔溫層的耐火保溫材料是高溫陶瓷纖維制品，即多晶莫來石；或硅質(zhì)可塑保溫材料、或高鋁質(zhì)可塑保溫材料、或其它耐火澆注材料。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體圓片快速熱處理裝置，其特征在于所述水冷裝片盒狀底座是用不銹鋼制成的中空夾層盒狀體，在該中空夾層盒狀體內(nèi)設(shè)有冷卻水管，其外側(cè)設(shè)有進(jìn)水口和出水口。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體圓片快速熱處理裝置，其特征在于所述水冷裝片盒狀底座的外壁上分別設(shè)有進(jìn)氣管接頭和出氣管接頭；藉由該兩個管接頭向水冷裝片盒狀底座內(nèi)腔和中空電熱腔內(nèi)注入惰性保護(hù)氣體。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體圓片快速熱處理裝置，其特征在于所述石墨加熱器在其表面中間位置放有熱電偶的測溫敏感元件，用于監(jiān)測石墨溫度；在水冷裝片盒狀底座上設(shè)有紅外測溫儀的測溫頭，該測溫頭指向片托上的半導(dǎo)體圓片，用于量測半導(dǎo)體圓片的溫度。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體圓片快速熱處理裝置，其特征在于所述承載半導(dǎo)體圓片的石英片托由若干個呈傘骨狀的支撐柱和位于支撐柱頂端、并將其連結(jié)在一起的帶缺口圓環(huán)組成；該圓環(huán)的缺口部分面向送片閘門，以便取送半導(dǎo)體圓片機(jī)構(gòu)送取圓片；在缺口圓環(huán)上有3-4個夾持承載半導(dǎo)體圓片的圓錐狀小托爪，片托下端的片托桿與升降機(jī)構(gòu)相連接，該石英片托的所有部件均用石英材質(zhì)制成。
10.一種半導(dǎo)體圓片快速熱處理裝置的使用方法，其特征在于在立式中空電熱腔體內(nèi)形成從石墨加熱器附近的超過1000℃的高溫到水冷裝片盒狀底座內(nèi)的220℃左右的溫度呈穩(wěn)定梯度分布后，藉由石英片托在該溫度呈穩(wěn)定梯度分布的立式中空電熱腔體內(nèi)的垂直升降位移，也就是通過改變石英片托上夾持的半導(dǎo)體圓片與石墨加熱器的空間距離遠(yuǎn)近和停留時間長短來對該半導(dǎo)體圓片進(jìn)行熱處理工藝加工。
全文摘要
一種半導(dǎo)體圓片快速熱處理裝置及使用方法，該裝置為立式中空電熱腔，腔體外側(cè)是用耐火保溫材料制成的隔溫層、支撐套筒和水冷裝片盒狀底座，腔體內(nèi)側(cè)頂端和周邊是防污染的屏蔽層，腔體內(nèi)部上端設(shè)有直流電源加熱的石墨加熱器，在石墨加熱器的下方的腔體周壁上設(shè)有內(nèi)反射筒；腔體下端中央位置設(shè)有承載半導(dǎo)體圓片的石英片托，該石英片托在其下端片托桿的支承下可沿中空腔體軸線升降運動。本發(fā)明藉由石英片托在溫度呈穩(wěn)定梯度分布的立式中空電熱腔體內(nèi)的垂直升降位移，即通過改變石英片托上夾持的半導(dǎo)體圓片與石墨加熱器的空間距離遠(yuǎn)近和停留時間長短來對半導(dǎo)體圓片進(jìn)行熱處理工藝加工。裝置結(jié)構(gòu)簡單實用，制造成本低，操作方法容易，有應(yīng)用推廣前景。
文檔編號H01L21/02GK1555089SQ200310121600
公開日2004年12月15日 申請日期2003年12月29日 優(yōu)先權(quán)日2003年12月29日
發(fā)明者侯東彥, 章謙, 陳必賢, 王舜遠(yuǎn) 申請人:北京華興微電子有限公司