CN100378912C - 快速热处理机台 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种快速热处理机台，其包括一机壳，一设置于该机壳内用以容置晶片的反应室，一设置于该机壳前端的舱门，一用以输入和输出该晶片至该反应室内的传送装置，一设置于该机壳前端并邻近该舱门的前抽气阀门，一设置于该反应室的底部用以送入净空气体至该反应室内的送气阀门，以及一设置于该机壳后端的后抽气阀门。

Description

快速热处理机台
技术领域
本发明涉及一种快速热处理机台，尤其涉及一种具有一个前抽气阀门的快速热处理机台。
背景技术
近年来，因为半导体工艺朝大面积、高密度及单晶片处理(single-waferprocessing)的趋势发展，使得其中的快速热处理(rapid thermal processing，RTP)的相关设备日形重要。这一趋势的形成主要是因应弹性生产及工艺稳定度的需求而来。而传统的高温炉(furnace)由于其热质量大(thermal mass)、工艺均匀性较差，故已不适合高密度的单晶片工艺，取而代之的是具有低热预算(thermal budget)的快速热处理机台。
例如，应用于生长薄绝缘层(thin-dielectric growth)的快速热氧化(RapidThermal Oxidation，RTO)工艺，应用于处理非晶硅(amorphous silicon)、多晶硅化钨(polysilicon tungsten)、二氧化硅(silicon dioxide)以及氮化硅(silicon nitride)等的快速热化学气相沉积(Rapid Thermal CVD，RTCVD)工艺，应用于离子注入(ion implantation)及硅酸盐化(silicidation)后、重组晶格并消除应力集中(stress concentration)、硼磷硅酸盐玻璃(Borophospho-silicate Glass，BPSG)的热回流(reflow)以及氮化(Nitridation)等的快速热退火(Rapid Thermal Annealing，RTA)工艺等等，便是利用前述的快速热处理机台来加以完成。
然而就目前大多数的快速热处理机台来说，因为舱门和抽气阀门位置相隔甚远，且其主要是靠着进气阀门导入氮气等气体来净空(purge)反应室内的氧气，所以既耗时又浪费净空用的气体。请参阅图1，图1为现有快速热处理机台的结构示意图。快速热处理机台100藉由机壳124将内部的反应室118等结构包覆起来，其具有一舱门102。当晶片116要送入快速热处理机台100进行热处理时，可经由打开舱门102来放入晶片116。一般而言，在开启舱门102时，必须将抽气阀门106关闭。因为假若在舱门102打开的同时，抽气阀门106是呈开启的状态，则将吸入大量的空气进入反应室118内。这些气体将会影响晶片116之后所进行的反应，形成不必要的杂质或导致生成良率下降，所以舱门102打开的时候，抽气阀门106必须是关闭的。待晶片116被送入反应室118之后，才会打开抽气阀门106。
而当晶片116被放在晶片支撑架114上后，引导环112会将晶片116运输到适当位置，此时快速热处理机台100将自送气阀门104注入大量的氩气、氮气等，用以净空反应室118内及晶片116上所附着的氧气等杂质。其中，被注入的氩气和氮气等是皆由一控制阀(未显示)来控制注入的流量，并藉由抽气阀门106来维持反应室118内的压力恒定。此外，反应室118内还设有一氧气浓度感测器122，用以精密测量反应室118内的氧气浓度，必须等到氧气浓度下降至可接受程度，送气阀门104才会停止注入氩气和氮气并关闭抽气阀门106。接下来，晶片116将藉由热源108快速加热，进行诸如快速热氧化(RTO)、快速热化学气相沉积(RT CVD)和快速热退火(RTA)等半导体工艺，并利用反应室118内的温度计120来监控工艺中的温度变化。待工艺完成后，便可将晶片116经由舱门102再输出至反应室118外。
请参考图2，图2为现有技术中舱门102打开后反应室118内氧气含量的变化示意图。当舱门102打开时，反应室118内的氧气含量会在T1时间内急速上升至D1的浓度，而随着晶片116被放在晶片支撑架114上并藉由引导环112进入反应室118的T2期间，氧气几乎都停留在极高的D1浓度。随后快速热处理机台100会再利用进气阀门104所导入的气体来净化反应室118中的氧气，并经由抽气阀门106加以抽出。所以反应室118必须在经过T3时间后，才能下降至可接受的氧气浓度，再开始进行工艺。
换句话说，现有技术中的快速热处理机台100在气体管理系统上，一直存在着非工艺气体在反应室118内浓度过高、停留时间过长等变异因子，造成晶片116在进行工艺前，需浪费大量氩气和氮气等来净空反应室118内的氧气，以降低反应室118内的氧气含量。对工艺来说，既浪费时间也浪费原料，甚至会导致工艺品质的不稳定，严重影响产能及良率。因此，如何研发出一种快速热处理机台，以解决上述问题，实为该领域的重要课题。
发明内容
本发明的主要目的在于提供一种具有一个前抽气阀门的快速热处理机台，以解现有快速热处理机台的问题。
根据本发明，揭露一种快速热处理机台，其包括有一机壳，一设置于该机壳内部用以容置晶片的反应室，一设置于该机壳前端的舱门，一设置于该反应室内的传送装置，用以经由该舱门输入和输出该晶片至该反应室，一设置于该机壳前端并邻近该舱门的前抽气阀门，一设置于该反应室的底部用以送入净空气体至该反应室内的送气阀门，以及一设置于该机壳后端的后抽气阀门。
由于本发明的快速热处理机台是于舱门旁设置有一前抽气阀门，用以配合送气阀门所通入氩气或者氮气等净空气体，来迅速地抽走自舱门所进入的空气，故能有效改善现有技术的缺点。
附图说明
图1为现有快速热处理机台的结构示意图；
图2为现有技术中舱门打开后反应室内氧气含量的变化示意图；
图3是本发明的快速热处理机台的结构示意图；
图4为本发明中舱门打开后反应室内氧气含量的变化示意图；
图5为一阻障层的工艺示意图。
主要元件符号说明
100、200快速热处理机台        102、202舱门
104、204送气阀门              106抽气阀门
108、208热源                  112、212引导环
114、214晶片支撑架
116、216、500晶片
118、218反应室                120、220温度计
122、222氧气浓度感测计        124、224机壳
206后抽气阀门                 230前抽气阀门
502氧化硅                     504阻障层
506钨金属
具体实施方式
请参阅图3，图3是本发明的快速热处理机台的结构示意图。本发明的快速热处理机台200是藉由机壳224将内部的反应室218等结构包覆起来，其具有一舱门202设置于机壳224的前端，且舱门202旁还设置有一前抽气阀门230。当半导体晶片216要送入快速热处理机台200进行热处理时，首先必须开启前抽气阀门230，并同时打开设置于反应室218中央底部的送气阀门204，然后经由送气阀门204灌入氩气或者氮气，其目的是平衡反应室218内的压力。接下来再打开舱门202来输入晶片216至反应室218内。
由于本发明的快速热处理机台200是于舱门202旁相对设置有前抽气阀门230，所以当舱门202打开时，现有机台因为空气进入反应室218所产生的扰流的状况，便会受到前抽气阀门230的作用而大量的将空气抽离反应室218，而使得扰流情况减缓，也由于进入反应室218内的空气几乎都被设置于舱门202旁的前抽气阀门230给抽走，再加上反应室218中央的送气阀门204所送入大量的氩气或者氮气进入反应室218内所形成的平衡压力，使得经由舱门202打开时进入反应室218内的空气无法深入反应室218内，而会随着前抽气阀门230处的抽气动作，离开反应室218内，使得本发明反应室218内的氧气含量变化小。
待晶片216进入反应室218内，随即关闭舱门202。此时本发明的快速热处理机台200会接着关闭前抽气阀门230并打开位于机壳224后端的后抽气阀门206，在此同时，送气阀门204仍持续大量的注入氩气或者是氮气，而放在晶片支撑架214上的晶片216则会随着引导环212被运输到反应室218内的适当位置。然后，本发明可藉由设置于反应室218内的氧气浓度感测器222来精密测量反应室218内的氧气浓度。当氧气浓度感测器222侦测出快速热处理机台200中的氧气浓度低于控制的标准时，即可停止注入氩气或者氮气等净空气体，并同时关闭后抽气阀门206。由于一开头所能进入反应室218内的空气就已经被前抽气阀门230给抽走，所以此阶段虽然也如同现有技术同时打开送气阀门204和后抽气阀门206，但是效果仍比现有技术更好，同时也能更快降低反应室218内的氧气含量。接下来，晶片216将藉由热源208快速加热，进行快速热氧化(RTO)、快速热化学气相沉积(RT CVD)和快速热退火(RTA)等半导体工艺，并利用反应室218内所装设的温度计220来监控工艺中的温度变化。待工艺完成后，便可将晶片216经由舱门202再输出至反应室218外。
值得一提的是，快速热处理机台200，其反应室218不尽然是一密闭空间，也可能是由上下两层墙(wall)所组成，而墙间具有缝隙，而前抽气阀门230、后抽气阀门206和送气阀门214其开口可不直接设置于墙上，而是经由缝隙将气体送入反应室218内，或者送出反应室218内，其结构也为本发明所保护。另外机台所使用的热源208可为卤素钨灯(tungsten halogenlamp)、电弧灯(arc lamp)和传统电阻式热源(resistive heater)等任一种或者其组合，且热源208的组成结构可为上、下端皆有或者仅一端有，视半导体工艺需求而定，其所需的温度及注入的气体等，也可由半导体工艺需求而调整，其变化形式皆为现有技术所熟知，亦皆不脱离本发明的保护范围。
请参阅图4，图4为本发明中舱门打开后反应室内氧气含量的变化示意图。当舱门202打开且晶片216随着引导环212进入反应室218时，反应室218内的氧气含量在T’1时间内会急速上升至D’1的浓度，但因为本发明的快速热处理机台200随即利用前抽气阀门230来大量的将空气抽离反应室218，并配合送气阀门204所通入的净空气体来而减缓扰流情况，所以进入反应室218的氧气也在极短的T’2时间内就被排出反应室218，故本发明净空反应室218氧气浓度所需的时间(T’1+T’2)不但比现有技术所需时间(T1+T2+T3)短，而且反应室218内的初期的氧气浓度D’1也小于现有技术的D1浓度。
由于本发明的快速热处理机台能迅速地排除进入反应室中的氧气，因此非常适合应用于无氧环境的薄膜沉积等的半导体工艺。请参考图5，图5为一阻障层的工艺示意图。在制作阻障层504的过程中，晶片500表面的氧化硅502介电层已经预先于钨插塞(W plug)506的位置蚀刻出接触孔(contact hole)之后，欲形成阻障层504于氧化硅502上，可先溅镀一层钛金属再将晶片500置于含氮气的环境中，藉由高温将钛金属氮化成氮化钛(TiN)形成阻障层504，也可利用反应性溅镀工艺将阻障层504氮化钛沉积在晶片500表面。完成阻障层504的晶片500需输入本发明的快速热处理机台200进行快速热退火工艺。同样地，先开启前抽气阀门230，并同时打开送气阀门204，以通入氩气或者氮气来维持反应室218内的压力平衡，接着再打开舱门202，并将晶片500藉由引导环212输入至反应室218内。
如前所述，因舱门202打开所产生的扰流已经被前抽气阀门230抽走，再加上送气阀门204已开启，所以空气亦无法深入反应室218内。在关闭舱门202之后，接着关闭前抽气阀门230并打开位于机壳224后端的后抽气阀门206。当氧气浓度感测器222侦测出快速热处理器200中的氧气浓度低于可容忍标准时，即可打开热源208进行快速热处理工艺。后续的钨沉积、化学机械抛光至完成钨插塞506等工艺为本领域技术人员所熟知，故在此不多加赘述。
相比于现有技术，本发明的快速热处理机台是于舱门旁设置有一前抽气阀门，用以配合送气阀门所通入氩气或者氮气等净空气体，来迅速地抽走自舱门所进入的气体，因此在气体管理系统上有效改善了现有技术的缺点，不再需要过长的时间等待氧气下降，且也不需要浪费大量氩气和氮气等来净空反应室内的氧气。
以上所述仅为本发明的优选实施例，凡依本发明权利要求所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。

Claims (12)

1.一种快速热处理机台，包括：
一机壳；
一反应室，设置于该机壳内部，用以容置至少一物件进行一快速热处理工艺；
一舱门，设置于该机壳的前端；
一传送装置，设置于该反应室内，用以经由该舱门输入和输出该物件至该反应室；
一前抽气阀门，设置于该机壳的前端并邻近该舱门；
一送气阀门，设置于该反应室的底部，用以送入一气体至该反应室内；以及
一后抽气阀门，设置于该机壳的后端。
2.如权利要求1所述的快速热处理机台，其中该快速热处理工艺包括快速热氧化、快速热化学气相沉积或快速热退火。
3.如权利要求1所述的快速热处理机台，其中该物件为一晶片。
4.如权利要求3所述的快速热处理机台，其中该传送装置包括有一晶片支撑架以及一引导环。
5.如权利要求1所述的快速热处理机台，其中该舱门是开启于输入和输出该物件入、出该反应室的时刻。
6.如权利要求5所述的快速热处理机台，其中于该物件欲输入该反应室且当该舱门欲开启前，该送气阀门送入该气体至该反应室内，此时该前抽气阀门是呈开启状态以抽出该反应室内的气体，且该后抽气阀门是呈关闭状态。
7.如权利要求6所述的快速热处理机台，其中当该舱门开启及该物件输入该反应室时，该送气阀门送入该气体至该反应室内，该后抽气阀门是呈关闭状态，且该前抽气阀门是呈开启状态以抽出该反应室内的气体以及由该舱门进入该反应室的空气。
8.如权利要求6所述的快速热处理机台，其中该气体包括氮气或氩气。
9.如权利要求8所述的快速热处理机台，其中当该物件输入该反应室且该舱门关闭后，该送气阀门送入该气体至该反应室内，该前抽气阀门是呈关闭状态，且该后抽气阀门是呈开启状态以抽出该反应室内的气体。
10.如权利要求1所述的快速热处理机台，其中该快速热处理机台还包括一热源，用来改变该反应室内温度以进行该快速热处理工艺。
11.如权利要求1所述的快速热处理机台，其中该快速热处理机台还包括一温度计，用来测量该反应室内温度。
12.如权利要求1所述的快速热处理机台，其中该快速热处理机台还包括一氧气浓度感测器，用来测量该反应室内的氧气浓度。
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