CN101399160B - 半导体工件热处理方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种装置和方法，用于两个水平布置的热处理室内迅速并双面地热处理半导体工件，其中每个室包含一第一热处理源和一第二热处理源，两室之间以一可伸缩门隔开。该种双面热处理机制提高了热处理的效率以及均匀性，并减少了因热处理的应力不匹配所导致的半导体工件的变形。同时，加热室和冷却室可以同时对不同的半导体工件进行热处理，这样，整个装置的工作效率大大提高。

Description

半导体工件热处理方法和装置

技术领域

本发明涉及一种半导体工件热处理的装置和方法，更具体地说，该装置包含两个水平相连的热处理室，两室之间以一可伸缩门隔开。该装置和方法使得半导体工件的两面能被多种热传递机制在两个不同的设定温度下进行热处理，并且，加热室和冷却室能够同时处理不同的半导体工件，增加整个热处理装置的工作效率。

背景技术

在半导体工件的生产中，在器件制造的过程中，基底上会有很多薄膜沉积层。这些薄膜沉积层可能具有不同的热膨胀系数并含有污染物、缺陷或者不希望得到的微观结构，它们都对半导体工件的质量有负面的影响。一般说来，在工件被传送到下一工艺步骤前需要一个热处理过程来减少和消除这些负面影响。从而提高沉积层的物理和电学性能。例如铜互连工艺中新鲜沉积的铜膜需要一退火步骤以降低其电阻率，以及在接下来的化学机械抛光步骤前稳定晶粒结构。传统的热处理只使用一个单独的传导、对流或辐射热源。一般来说，该单面热处理过程在垂直于工件表面的方向上沿着其厚度存在一个很大的初始温度梯度。这种温度梯度和各层热膨胀系数的差别，会导致应力的不匹配和工件的变形，这种形变一般被称为“弯曲”。严重的弯曲能导致器件的毁损及产量损失。在实际生产中，半导体工件一般在热处理前会在设定温度下被预热一段时间从而减少“弯曲”的产生。因此热处理的时间延长，同时产量也受到限制。同样的，预冷却步骤的时间也会限制加工量。于是就需要一种具有较小温度梯度和较高效率的半导体热处理的装置和方法。同时，也需要一种能够有效提高半导体工件热处理效率的装置和方法。

发明内容

本发明提供了一种装置和方法，用于两个水平布置的热处理室内迅速并双面地热处理半导体工件，其中每个室包含一第一热处理源和一第二热处理源，两室之间以一可伸缩门隔开。

在一实施例中，所述装置包括了一加热室和一冷却室，两室水平布置并互相相邻，两室之间有一可伸缩门。加热室内除了有一用于加热所述半导体工件背面的第一加热源外，还包括一用于加热半导体正面的第二加热源。所述可伸缩门在加热过程中移入加热室和冷却室之间。当加热过程完成以后，半导体工件被一水平传送设备送入冷却室进行冷却。在冷却室内，除了有一用于冷却半导体工件的背面的第一冷却源外，还有一用于冷却半导体工件正面的第二冷却源。所述可伸缩门在冷却过程中移入加热室和冷却室之间。

在一实施例中，加热室和冷却室同时工作，对不同的半导体工件进行加热和冷却，能同时处理两个半导体工件。

在一实施例中，半导体工件在一加热过程前被同时从正面和背面预热并在一冷却过程前被同时从正面和背面预冷。

在一实施例中，当进行冷却处理时，可伸缩门可用来移除来自加热室的热量。

在一实施例中，热传导机制和热对流机制在半导体工件的双面热处理中都得到使用。

在一实施例中，提供了一种用于半导体工件热处理的方法。所述过程适用于一具有水平相连的加热室和冷却室的热处理装置，并用一可伸缩门将两室分隔开。该方法包括将可伸缩门从加热室和冷却室之间移出，把第一半导体工件送入加热室，同时把第二半导体工件送入冷却室；将可伸缩门移入加热室和冷却室之间并开始加热和冷却过程；冷却过程结束后将第二半导体工件移出冷却室；当加热过程结束后，将可伸缩门移出加热室和冷却室之间，并把第一半导体工件从加热室移入冷却室；将第三半导体工件送入加热室；将可伸缩门移入到加热室和冷却室之间并开始加热和冷却过程；重复上述的步骤。

在一实施例中，半导体工件在加热步骤开始前被预热并在冷却步骤开始前被预冷。

在一实施例中，热传导机制和热对流机制都被用于半导体工件的双面热处理。

采用的双面热处理机制提高了热处理的效率和均匀性，并且减少了热应力的不匹配所导致的半导体工件的变形，同时，加热室和冷却室对于半导体工件的连续处理能力提高了处理的效率。

附图说明

上述的以及其他本发明的特征、性质和优势将通过下面附图对实施例的描述而变得更加明显，在附图中，相同的附图标记始终表示相同的特征，其中：

图1所示为一热处理装置的等比例分解图，该热处理装置具有两个水平布置的热处理室，两室之间有一可伸缩门；

图2所示为一半导体工件传送设备的示意图；

图3所示为另一热处理装置的等比例分解图，该热处理装置也具有两个水平布置的热处理室，两室之间有一可伸缩门；

图4所示为另一热处理装置的等比例分解图，该热处理装置也具有两个水平布置的热处理室，两室之间有一可伸缩门；

图5所示为加热室、冷却室以及传送设备的布置方式；

图6所示具有两个传送设备的装置和具有一个传送设备的装置其工件处理量的比较。

具体实施方式

根据本发明的一个方面，提供一热处理装置，包括一加热室和一冷却室，两室水平相邻，中间以一可伸缩门隔开。在加热过程中，可伸缩门移入加热室和冷却室之间。加热室内提供一额外的用于加热半导体工件的第二加热源。因此，半导体工件可被第一加热源和第二加热源双面同时加热。所述装置还包含水平传送装置用于加热室和冷却室之间支撑和传送半导体工件。根据本发明，水平传送装置应包含多于一个的半导体传送设备，比如两个传送设备，每个传送设备分别被一个驱动器所控制。图2所示为传送设备的视图，它具有一连接驱动器件的杆201和一具有数个指状元件203的支持环202，所述支持元件用于固定半导体工件。该传送设备被一驱动器控制进行旋转和垂直运动。驱动器包含两个电机，每个电机控制传送设备一种类型的运动。在一实施例中，半导体工件传送装置包含两个传送设备，每个都分别被一驱动器所控制。在另一实施例中，半导体工件传送装置包含更多数量的传送设备。

根据一实施例，一个传送设备包含3个支持指状元件，通过一个传送设备旋转轴的轴线和加热板中心的直线以及另外一个传送设备旋转轴的轴线和加热板中心的直线之间的角度是120°。在另一实施例中，传送设备包含4个支持指状元件，通过一个传送设备旋转轴的轴线和加热板中心的直线以及另外一个传送设备旋转轴的轴线和加热板中心的直线之间的角度是90°。在第三实施例中，传送设备包含5个支持指状元件，通过一个传送设备的旋转轴轴线和加热板中心的直线以及另外一个传送设备旋转轴的轴线和加热板中心的直线之间的角度是144°。在第四实施例中，传送设备包含6个支持指状元件，通过一个传送设备旋转轴的轴线和加热板中心的直线以及另外一个传送设备旋转轴的轴线和加热板中心直线之间的角度是120°。

回到热处理装置。图1所示为一热处理装置的视图，它包括一水平布置的加热室和冷却室，两室之间以一可伸缩门隔开。热处理装置100包括一加热室100a和一冷却室100b，两室相邻并且水平布置。一第一加热源，如一加热板102位于加热室100a内，并保持恒温。加热板102包含一加热线圈。一第一冷却源，如一冷却板103位于冷却室100b内，并保持恒温。所述冷却板103包含一冷流体循环系统。第一个窗口107位于加热室100a的侧壁，用作半导体工件送入加热室100a的通道。一流体分配部件112a位于加热室100a内，用于在加热过程中提供所需要的流体。一组传送设备104和105用于在加热板和冷却板之间支撑和传送半导体工件。如图1所示，104和105代表传送设备而111代表传送设备的支持环。两个传送设备104和105分别被两个驱动器所控制，驱动器用于控制一个传送设备运输和定位半导体工件。根据一实施例，所述传送设备104和105能够旋转和垂直运动。当冷却过程完成后，半导体工件被外部机械传送设备通过冷却室侧壁101上第二个窗口108移出冷却室。

加热室100a和冷却室100b具有一顶部元件110，在其下表面包含流体分配部件112a和112b。热流体分配部件112a为加热室100a提供所需热流体而冷流体分配部件121b对冷却室100b提供所需冷流体。所述加热流体分配部件和冷却流体分配部件在加热或冷却过程中被作为一额外的加热源和冷却源。热流体分配部件112a以热对流方式将热流体传送到工件的正面以加热半导体工件。冷流体分配部件112b以热对流方式将冷流体传送到工件的正面以冷却半导体工件。根据一实施例，冷流体分配部件121b所用流体是从一组流体中筛选出来，该流体组至少包括：惰性流体，惰性流体混合剂或惰性流体与还原性流体的混合剂，其中流体混合剂包含90％-100％的惰性流体和0-10％的还原性流体。并且所述惰性流体从一组流体中被筛选出来，这组流体至少包括：氩气，氦气，氮气或其他惰性流体，而所述还原性流体从一组流体中被筛选出来，这组流体至少包括：氢气或其他还原性流体。

在加热或冷却过程中，可伸缩门109移入加热室和冷却室之间。

根据图1所示实施例，加热室100a和冷却室100b能够同时工作。例如，首先，第一半导体工件在加热室内被加热，加热过程完成后被传送设备送入冷却室内进行冷却过程，同时第二半导体工件能够由另一个传送设备送入加热室进行加热过程。由此，通过加热室和冷却室的同时工作，提高整个热处理装置的工作效率。可伸缩门109仅在半导体工件在两室之间传送时移出热处理室，而在任何其它时刻，可伸缩门109移入两室之间。根据一实施例，可伸缩门109具有一热交换装置，用于移除加热室的热量使之保持与加热室壁相同的温度。该热交换过程通过某个固定温度下水或其他流体的循环来完成。

根据图1所示实施例，在加热室100a和冷却室100b内，加热板102和冷却板103均以热传导方式将热量传递到半导体工件的背面，同时热流体分配装置和冷流体分配装置均以热对流方式将热量传递到半导体工件的正面。以此实现半导体工件的双面同时热处理。在一实施例中，半导体工件在加热或冷却过程开始前被预加热和预冷却。在预加热或预冷却过程中，加热/冷却板和热/冷流体分配装置均以热对流方式对半导体工件进行热处理。

基于上述实施例的描述，热处理装置具有水平布置的两室，至少包括：水平相连的加热室和冷却室；一传送装置，用于加热室和冷却室之间传送半导体工件；一可伸缩门，位于加热室和冷却室之间；可伸缩门在加热过程中移入加热室和冷却室之间；同时加热室在加热过程中提供一额外的加热源；可伸缩门在冷却过程中移入加热室和冷却室之间；同时冷却室在冷却过程中还提供一额外的冷却源。

加热室具有第二加热源，其位于面向加热室内第一加热源的一侧，在加热过程中，第一加热源以热传导方式加热半导体工件的背面，同时第二加热源提供一额外加热源以热对流方式加热工件的正面。冷却室具有第二冷却源，其位于面向冷却室内第一冷却源的一侧，在冷却过程中，第一冷却源以热传导方式冷却半导体工件的背面，同时第二冷却源提供一额外的冷却源以热对流方式冷却半导体工件的正面。

对于上述装置，它包括一加热室窗口和一冷却室窗口，两窗口位于同一方向。在另一实施例中，如图3所示，加热室窗口和冷却室窗口位于相反的方向，并且，两个窗口并不相互对准，即穿过两个窗口的中心线不平行于装置的不装有窗口的侧边。在另一实施例中，如图4所示，加热室窗口和冷却室窗口位于相反的方向，并且，两个窗口相互对准，即穿过两个窗口的中心线平行于该装置的不装有窗口的侧边。值得注意的是，因为图3和图4所示实施例的其他结构与上述的实施例是一样的，因此这里不再赘述。在这些实施例中唯一差别就是窗口的位置不同。

根据本发明，通过热传导和热对流方式实现了对半导体工件的双面同时热处理。在一实施例中，还包括一预加热或预冷却过程，在预加热或预冷却过程中，第一加热源/第二加热源或第一冷却源/第二冷却源均以热对流方式对半导体工件进行热处理。

具有水平相连的两室的装置适用于：单层或多层薄膜的加热和冷却；半导体互连结构中金属或绝缘层薄膜的退火；焊料的回流；聚合涂层的固化和/或烘烤。

水平布置的加热室和冷却室的热处理过程

对于具有水平布置的处理室的热处理装置，加热室和冷却室能够同时处理两个半导体工件，由此，通过加热室和冷却室的连续工作来提高热处理的效率。

例如下述过程基于一个假设：即加热的时间比冷却的时间长。其热处理过程为：

1)位于加热室内的流体分配装置112a打开，可伸缩门移入加热室和冷却室之间。加热室窗口打开，半导体工件A被送入加热室且被一半导体工件传送设备A所接收(传送设备104或105均可为上述传送设备A)。

2)半导体工件A被传送设备A传送到一预加热位置进行预加热，如上所述，根据本发明，半导体工件A被第一加热源和第二加热源以热对流方式进行双面同时预加热。在这个步骤中，可伸缩门保持在加热室和冷却室之间。

3)当预加热过程完成后，半导体工件A被传送到加热板上(例如，图1中的加热板102)进行双面同时加热。加热板(第一加热源)以热传导方式而热流体分配部件(第二加热源)以热对流方式同时从背面和正面对半导体工件A进行双面同时加热。在步骤3)中，可伸缩门保持在两室之间。

4)当加热过程完成后，位于冷却室内的流体分配部件112b打开，可伸缩门退出热处理室外。加热室和冷却室互相连接使得半导体工件能够被转移。然后半导体工件A被传送设备A传送到冷却室。同时因为加热室是空的，所以半导体工件B被另一个转移器件B送入加热室内。在步骤4)中，可伸缩门保持在室外。在一实施例中，半导体工件在从加热室运送到冷却室的过程中被预冷却。

5)可伸缩门再次移入加热室和冷却室。现在半导体工件A在冷却室内而半导体工件B在加热室内，它们能够同时进行热处理过程。半导体工件B所经历的加热过程与上述所提到的一样因此不再赘述。对于半导体工件A所经历的冷却过程，传送设备A把半导体工件A置于冷却板上(例如，在图1中的冷却板103)。冷却板(第一冷却源)以热传导方式而冷流体分配系统(第二冷却源)以热对流方式分别同时从背面和正面对半导体工件A进行双面同时冷却。在步骤5)中，可伸缩门保持在两室之间。

6)如果加热时间比冷却时间长，半导体工件A首先完成冷却步骤然后被移出冷却室。由于加热时间比冷却时间长，当半导体工件A被转移出冷却室的时候，半导体工件B仍然处于加热中，这样冷却室就空了。在步骤6)中，可伸缩门保持在两室之间。

7)当半导体工件B完成加热时，可伸缩门移出室外便于将半导体工件B送入冷却室，同时，半导体工件C被送入加热室并被传送设备所接收。接下来的过程与上述相同。

在半导体工件传送过程中，为了确保两个传送设备互不干扰，两个传送设备被安置在特定的位置，并具有不同的长度。如图5所示，P1代表加热板的中心而P2代表冷却板的中心。O1和O2是传送设备的旋转轴。在O1P2和O2P2以及在O1P1和O2P1之间的角度与传送设备上指状物的数目相关。图5示出一种布置方式，其中配有加热室，冷却室和传送装置。在O1P2和O2P2以及在O1P1和O2P1之间的角度都是90度。

基于上述装置实施例和过程实施例的概述，具有两个传送设备的装置能同时对两个半导体工件进行热处理。因此与仅具有一个传送设备的装置相比，处理效率大大地提高了。图6所示为给定热处理工艺条件下所处理半导体工件的数目与热处理时间的关系。与只有一个传送设备的装置相比，具有两个传送设备的装置其单位时间内的产量提高了73.6％。

值得注意的是上述对于水平布置的两室的热处理步骤仅仅是本发明所提供的一个例子。对于熟悉本领域的技术人员来说，能够毫无疑问地从本发明的描述中获得下面的范围。因此，本发明应该不限于实施例，应当以权利要求的范围为准。

基于装置和过程实施例的描述，一种半导体工件的热处理方法应该至少包含：提供了一加热室和一冷却室，两室水平相邻布置；提供了一可伸缩门以隔开加热室和冷却室；在加热室的底部提供了一第一加热源，在加热室的顶部提供一第二加热源；在冷却室的底部提供了一第一冷却源，并在冷却室的顶部提供一第二冷却源；将可伸缩门移出加热室和冷却室之间，将第一半导体工件送入加热室，将第二半导体工件送入冷却室；将可伸缩门移入加热室和冷却室之间并开始加热和冷却过程；在冷却过程完成后把第二半导体工件送出冷却室；把可伸缩门移出加热室和冷却室并在加热步骤完成后，把第一半导体工件从加热室送入冷却室；将第三半导体工件送入加热室；将可伸缩门移入加热室和冷却室内并开始加热和冷却过程；重复上述步骤。

加热室内面向第一加热源的方向具有一额外的加热源，例如，一热流体或一流体分配系统，加热过程中，第二加热源和第一加热源同时为半导体工件提供热源。冷却室内面向第一冷却源的方向具有一第二冷却源，例如，一冷流体或一流体分配系统，冷却过程中，第二冷却源和第一冷却源同时为半导体工件提供冷却源。

根据本发明，通过热传导方式和热对流方式实现了对半导体工件的双面同时热处理。

在一实施例中，半导体工件在加热过程开始前被预加热，在冷却过程开始前被预冷却。

假设在冷却室内的冷却时间为T1，在加热室内的加热时间为T2，如果T1≥T2，那么传送第一半导体工件进入加热室的时间至少要比传送第二半导体工件进入冷却室的时间晚T1-T2，如果T1＜T2，那么传送第一半导体工件进入加热室的时间至多比传送第二半导体工件进入冷却室的时间早T2-T1。对于本领域的技术人员来说，很容易通过上面的描述知晓当加热时间小于或者等于冷却时间时的处理流程。

双面热处理方法能够运用到下述的范例中，单层或多层薄膜的加热和冷却；半导体互连结构中金属或绝缘层薄膜的退火；焊料的回流；聚合涂层的固化和/或烘烤。

本发明中采用了双面同时热处理方法，提高了热处理的效率和工件处理量以及均匀性，并减少了因热处理的应力不匹配所导致的半导体工件的变形。同时，加热室和冷却室可以同时对两个半导体工件进行热处理，从而连续地处理数个半导体工件，这样，整个装置的工作效率大大提高。

上述实施例是提供给熟悉本领域内的人员来实现或使用本发明的，熟悉本领域的人员可在不脱离本发明的发明思想的情况下，对上述实施例做出种种修改或变化，因而本发明的保护范围并不被上述实施例所限制，而应该是符合权利要求书提到的创新性特征的最大范围。

Claims (26)

1.一用于半导体工件热处理的装置，包括：

水平相邻的加热室和冷却室；

一传送装置，用于在加热室和冷却室之间传送半导体工件，其中所述的传送装置包含两个传送设备，该两个传送设备具有支撑臂，并且两个传送设备的支撑臂的长度是不同的；以及

一可伸缩门，用于分隔加热室和冷却室；

其中当加热过程或冷却过程开始的时候，可伸缩门移入加热室和冷却室之间。

2.如权利要求1所述的装置，其中所述加热室包含一位于加热室底部的第一加热源，以及一位于加热室的顶部第二加热源。

3.如权利要求2所述的装置，其中加热过程中第一加热源实施热传导传递机制而第二加热源实施热对流传递机制对半导体工件两面同时加热。

4.如权利要求2所述的装置，其中半导体工件在加热过程开始前被预加热。

5.如权利要求2所述的装置，其中当半导体工件被预加热的时候，第一加热源和第二加热源均通过热对流传递机制对半导体工件进行预加热。

6.如权利要求1所述的装置，其中冷却室包含一位于冷却室底部的第一冷却源，以及一位于冷却室的顶部的第二冷却源。

7.如权利要求6所述的装置，其中第一冷却源包含一冷流体循环装置。

8.如权利要求7所述的装置，其中在冷流体分配装置中所使用的流体从一组流体中筛选出来，至少包含：

一惰性流体，一惰性流体的混合物或一惰性流体和还原性流体的混合物，其中所述惰性流体混合物包含90-100％的惰性流体和0-10％的还原性流体。

9.如权利要求8所述的装置，其中

惰性流体从一组流体中筛选出来，至少包含：

氩，氙，氮或其他惰性流体；以及

还原性流体包含氢。

10.如权利要求6所述的装置，其中在冷却过程中第一冷却源通过热传导传递机制而第二冷却源通过热对流传递机制对半导体工件两面同时进行冷却。

11.如权利要求6所述的装置，其中半导体工件在冷却过程开始前被预冷却。

12.如权利要求11所述的装置，其中当半导体工件被预冷却的时候，第一冷却源和第二冷却源均实施热对流传递机制。

13.如权利要求1所述的装置，其中该加热室和冷却室同时对不同的半导体工件实施加热过程和冷却过程，实现数个半导体工件的连续热处理。

14.如权利要求1所述的装置，其中所述传送设备包含3个支持指状物，并且通过一个传送设备的旋转轴和加热板中心的直线和通过另一个传送设备的旋转轴和加热板中心的直线之间的角度是120°。

15.如权利要求1所述的装置，其中所述传送设备包含4个支持指状物，并且通过一个传送设备的旋转轴和加热板中心的直线和通过另一个传送设备的旋转轴和加热板中心的直线之间的角度是90°。

16.如权利要求1所述的装置，其中所述传送设备包含5个支持指状物，并且通过一个传送设备的旋转轴和加热板中心的直线和通过另一个传送设备的旋转轴和加热板中心的直线之间的角度是144°。

17.如权利要求1所述的装置，其中所述传送设备包含6个支持指状物，并且通过一个传送设备的旋转轴和加热板中心的直线和通过另一个传送设备的旋转轴和加热板中心的直线之间的角度是120°。

18.如权利要求1所述的装置，其中加热室还包括一个用于将半导体工件送入加热室的窗口，而冷却室还包括一个将半导体工件运出冷却室的窗口。

19.如权利要求1所述的装置，其中所述装置用于：

单层或多层薄膜的加热和冷却。

20.如权利要求1所述的装置，其中所述装置用于：

半导体互连结构中金属或绝缘层薄膜的退火。

21.如权利要求1所述的装置，其中所述装置用于：

焊料的回流。

22.如权利要求1所述的装置，其中所述的装置用于：

聚合绝缘层的固化和/或烘烤。

23.一种用于半导体工件热处理的方法，包括：

水平布置加热室和冷却室；

使用一可伸缩门分隔所述加热室和冷却室；

在加热室的底部提供第一加热源并在加热室顶部提供第二加热源；

在冷却室底部提供第一冷却源并在冷却室的顶部提供第二冷却源；

将可伸缩门移出热处理室，由第二传送设备将第一半导体工件送入加热室内，并由第一传送设备将第二半导体工件送入冷却室内；

将可伸缩门移入加热室和冷却室之间，并开始加热和冷却过程；

在冷却过程完成后由第一传送设备把第二半导体工件送出冷却室；

在加热过程完成后，把可伸缩门移出热处理室并由第二传送设备将第一半导体工件从加热室送入冷却室；

由第一传送设备将第三半导体工件送入加热室内；

将可伸缩门移入加热室和冷却室之间开始加热和冷却过程；

重复上述步骤。

24.如权利要求23所述的方法，进一步包含：

在加热过程开始前预加热半导体工件。

25.如权利要求23所述的方法，进一步包含：

在冷却过程开始前预冷却半导体工件。

26.如权利要求23所述的方法，假设在冷却室内冷却时间为T1，在加热室内的加热时间为T2，

如果T1≥T2，那么传送第一半导体工件进入加热室的时间至少要比传送第二半导体工件进入冷却室的时间晚T1-T2；以及

如果T1＜T2，那么传送第一半导体工件进入加热室的时间至多比传送第二半导体工件进入冷却室的时间早T2-T1。

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