CN101459042B

CN101459042B - 排气系统及晶片热处理装置

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Publication number: CN101459042B
Application number: CN2007100945383A
Authority: CN
Inventors: 李春龙; 赵星; 宋海
Original assignee: Semiconductor Manufacturing International Shanghai Corp
Current assignee: Semiconductor Manufacturing International Beijing Corp
Priority date: 2007-12-13
Filing date: 2007-12-13
Publication date: 2010-08-11
Anticipated expiration: 2027-12-13
Also published as: CN101459042A

Abstract

本发明公开了一种排气系统，该排气系统包括排气通路，在所述排气通路上依次连接有第一气体冷却装置和压力控制装置，其中，在所述第一气体冷却装置与所述压力控制装置之间的所述排气通路上还连接有第二气体冷却装置，且所述第一气体冷却装置与所述第二气体冷却装置之间的排气通路、及压力控制装置还通过排水管与排水装置相连。本发明还公开了一种使用该排气系统的相应的晶片热处理装置。采用本发明的排气系统及晶片热处理装置，可以有效改善了因产生沉淀物而在压力控制装置处发生的堵塞问题，提高了排气系统对排出气体的压力控制力。

Description

排气系统及晶片热处理装置

技术领域

本发明涉及半导体制造技术领域，特别涉及一种排气系统及晶片热处理装置。

背景技术

半导体制造领域中，排气系统常用于从一个处理室(如腔室或炉管)内排出气体。该系统通常具有排气通路及用于控制排气压力的装置(如压力控制装置)，以控制处理室内的压力平衡。一旦排气系统出现故障，会导致处理室内的压力失去平衡，相应地工艺也会出现问题。

以在半导体晶片表面生长膜层或对半导体晶片进行热退火处理的晶片热处理装置为例。目前，较为常用的为立式晶片热处理装置。专利号为US 5562383的美国专利公开了一种晶片热处理装置，其结构如图1所示。

图1为现有的一种晶片热处理装置的剖面示意图。如图1所示，该晶片热处理装置包括热处理工艺腔106、位于该热处理工艺腔106下方的装载腔108以及所述热处理工艺腔106和装载腔108之间的隔离装置107。

在所述热处理工艺腔106中具有炉管(Process Vessel)141，在所述炉管141外围具有加热器142，该加热器142用于对所述炉管141中的半导体晶片进行热处理。

所述热处理工艺腔106还具有供气通路146和排气通路145，供气通路146用于向炉管141中供给气体，例如，供给在半导体晶片表面生长薄膜的工作气体、对半导体晶片进行退火处理的保护气体等，排气通路145用于将炉管141中的气体排出。

在装载腔108中具有塔形的晶舟(Wafer Boat)161和升降装置162。所述晶舟161材质为石英，可沿所述晶舟161的竖直方向按设定的间距水平放置多个半导体晶片，所述升降装置162支撑所述晶舟161，用于在竖直方向升降所述晶舟161。

所述装载腔108还具有供气通路171和排气通路172，所述供气通路171的供气口和排气通路172的排气口位于所述装载腔108的侧壁下方位置；该供气通路171和排气通路172用于替换装载腔108中的气体，例如，通过供气通路171供给氮气，将装载腔108中的空气通过排气通路172赶出。

所述的晶片热处理装置工作时，首先，将半导体晶片装载于晶舟161中；然后，通过排气通路172将所述装载腔108之中的空气排出，同时通过供气通路171向所述装载腔108中供给惰性气体或氮气，将所述装载腔108中的空气赶出，并充入惰性气体或氮气；接着，通过升降装置162将晶舟161升入炉管141中，通过排气通路145将所述炉管141之中的空气排出，同时通过供气通路146向所述炉管141中供给反应气体或保护气体，将所述炉管141中的空气赶出，对所述晶舟161中的半导体晶片进行热处理。

在这一过程中，供气通路146及排气通路145上均需利用压力控制器(图1中未示出)对其内的气体压力进行控制，以维持炉管141内气压的稳定。如，于2007年8月1日公开的中国专利申请CN101008494A就公开了一种利用自动压力控制器对气体流进行控制的排气系统。

图2为现有的一种排气系统，如图2所示，图中201为晶片热处理装置的腔室或炉管，202为与其排气口相连的排气通路，204为用于控制排气系统压力的自动压力控制装置(APC，Auto Pressure Control)。为了冷却由腔室或炉管201内延伸出的排气通路202内的高温气体，在排气通路202处连接了气体冷却装置203。将冷却装置203及自动压力控制装置204的下端与排水装置205相连，将二者内产生的冷凝水直接排至该排水装置205内。

然而，实践中经常会发现排气系统内的压力控制装置因其内部出现堵塞而失效，进而导致整个排气系统内压力失常，丧失对排气系统的压力控制力。

发明内容

本发明提供一种排气系统及晶片热处理装置，以改善现有的排气系统中压力控制装置易失效的现象。

本发明提供的一种排气系统，包括排气通路，在所述排气通路上依次连接有第一气体冷却装置和压力控制装置，其中，在所述第一气体冷却装置与所述压力控制装置之间的所述排气通路上还连接有第二气体冷却装置，且所述第一气体冷却装置与所述第二气体冷却装置之间的排气通路、及压力控制装置还通过排水管与排水装置相连。

可选地，所述压力控制装置利用排水分管单独连接至所述排水装置。

可选地，所述第一气体冷却装置与所述第二气体冷却装置利用排水管共同连接至所述排水装置。

可选地，所述排气系统与低压化学气相沉积设备的炉管相连。

可选地，所述排气系统排出的气体包括1，2-二氯乙烷及水蒸汽。

可选地，所述压力控制器利用活塞实现自动压力控制。

本发明具有相同或相应技术特征的一种晶片热处理装置，包括处理室，供气系统及排气系统，所述排气系统包括与处理室相连的排气通路，在所述排气通路上依次连接有第一气体冷却装置和压力控制装置，其中，在所述第一气体冷却装置与所述压力控制装置之间的所述排气通路上还连接有第二气体冷却装置，且所述第一气体冷却装置与所述第二气体冷却装置之间的排气通路、以及压力控制装置还通过排水管与排水装置相连。

可选地，所述第一气体冷却装置与所述第二气体冷却装置利用排水主管连接至所述排水装置。

可选地，晶片热处理装置为低压化学气相沉积设备。

可选地，所述低压化学气相沉积设备的排气系统排出的气体包括1，2-二氯乙烷及水蒸汽。

可选地，所述压力控制器利用活塞实现自动压力控制。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

本发明的排气系统及晶片热处理装置，在排气通路的第一气体冷却装置与压力控制装置之间增加了第二气体冷却装置，进一步对排出的气体进行冷却，提高了对气体的冷却效果，确保排出气体中可能固化的物质在进入压力控制装置之前已固化完毕。采用本发明的排气系统及晶片热处理装置，可以有效防止排出的气体中部分气体在流经压力控制装置时才出现固化的现象，从而有效改善了因产生沉淀物而在压力控制装置处发生的堵塞问题，提高了排气系统对排出气体的压力控制力。另外，采用本发明的排气系统及晶片热处理装置，还可以减少对压力控制装置进行清洗的次数，延长了价格昂贵的压力控制装置的使用寿命。

本发明的排气系统及晶片热处理装置，还可以利用排水分管将压力控制装置与排水装置单独连接，防止通过第一气体冷却装置的气体通过排水管回流至达压力控制装置，导致其出现失效问题。

本发明的排气系统及晶片热处理装置，还可以将第二气体冷却装置与压力控制装置之间的排气通路加粗，令到达压力控制装置的气体流速降低，进一步减少了排出气体在压力控制装置中产生固化的沉淀物的可能性，避免了因固化的沉淀物而导致的压力控制装置堵塞失效的问题。

附图说明

图1为现有的一种晶片热处理装置的剖面示意图；

图2为现有的一种排气系统；

图3为采用本发明第一实施例中的排气系统之前，对压力控制装置处的沉淀物进行能谱测试的结果；

图4为本发明第一实施例中的排气系统的示意图；

图5为本发明第二实施例中的晶片热处理装置的示意图。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。

本发明的处理方法可以被广泛地应用于各个领域中，并且可利用许多适当的材料制作，下面是通过具体的实施例来加以说明，当然本发明并不局限于该具体实施例，本领域内的普通技术人员所熟知的一般的替换无疑地涵盖在本发明的保护范围内。

其次，本发明利用示意图进行了详细描述，在详述本发明实施例时，为了便于说明，表示系统结构的示意图会不依一般比例作局部放大，不应以此作为对本发明的限定，此外，在实际的制作中，应包含长度、宽度及深度的三维空间尺寸。

半导体制造过程中，有多种设备需要利用排气系统将其在处理室中产生的气体排出，如薄膜生长工艺、热处理工艺、刻蚀工艺等，且其排气系统所排出的气体成份通常较为复杂，可能包括反应气体、气态生成物、气态中间产物、水蒸汽等。

为了实现对处理室内压力的控制(其会影响工艺的正常进行)，通常需要在排气系统中加入压力控制装置，对于简单的排气系统，其可以通过控制风门的开关大小来对排气系统的压力(或流量)进行控制。目前，随着对半导体制造工艺的要求日益提高，已普遍采用自动压力控制装置(APC)对排气系统的压力进行较为精确的控制。

然而，无论采用何种压力控制装置对排气系统中的压力进行控制，常会出现因排出的气体内在压力控制装置内产生沉淀物而导致其失效的问题。尤其当排气系统所排出的气体温度较高或含有水蒸汽时，这一现象更为严重。

以与低压化学气相沉积设备相连的排气系统为例，当该设备进行的工艺含有水蒸汽时，其排气系统内的压力控制装置出现堵塞的问题尤为严重。如在进行利用水蒸汽与1，2-二氯乙烷(DCE，1，2-dichloroethane)气体在衬底上形成氧化硅的工艺时，排气系统内的压力控制装置大约仅能维持十余次，接着就会出现因其内活塞堵塞而失效的问题，需要对压力控制装置进行清洗或更换。不仅延误了生产的正常进行，而且也减少了价格昂贵的压力控制装置的使用寿命。

对该压力控制装置内活塞上产生的沉淀物进行观察，发现其为棕色潮湿的物质。为分析产生这一沉淀物的原因，对其的组成进行了分析。

图3为采用本发明第一实施例中的排气系统之前，对压力控制装置处的沉淀物进行能谱测试的结果，如图3所示，横坐标为能带的能量，纵坐标为该能带能量下对应激发的电子。图中301为对沉淀物进行能谱测试的结果，其可以表示出该沉淀物所包含的物质。可以看到，该沉淀物是一种含碳的聚合物，所包含的物质较为复杂，应该是由所排出的气体中一些固化温度较低的中间产物的气体(如未完成分解的DCE气体)固化而成。

为解决这一问题，本发明对排气系统进行了改进，令排出的气体在进入压力控制装置之前充分固化，减少了排出的气体在压力控制装置内产生的沉淀物，有效地改善了排气系统中存在的压力控制易失效的问题。

第一实施例：

本发明第一实施例介绍了一种新的排气系统，该排气系统与低压化学气相沉积设备的炉管相连，用于将低压化学气相沉积设备内的气体排出。具体地，本实施例中的低压化学气相沉积设备所进行的工艺为：利用H₂O蒸汽及1，2-二氯乙烷(DCE，1，2-dichloroethane)气体在衬底(substrate)表面的氮化硅层上形成氧化硅层，以提高氮化硅层表面的致密度。该湿法氧化方法中加入的DCE气体可以有效去除形成的氧化硅层内的钠、铁离子等，提高薄膜的形成质量。

本实施例中的排气系统所排出的气体既包括未参与反应的H₂O蒸汽及DCE气体，也包括一些气态中间产物(如，未完全分解的DCE气体)及气态生成物，成份较为复杂。

图4为本发明第一实施例中的排气系统的示意图，如图4所示，本实施例中提供的排气系统，包括排气通路401，在所述排气通路401上依次连接有第一气体冷却装置402和压力控制装置404，其中，在所述第一气体冷却装置402与所述压力控制装置404之间的所述排气通路上还连接有第二气体冷却装置403，且所述第一气体冷却装置402与所述第二气体冷却装置403之间的排气通路、以及压力控制装置404还通过排水管与排水装置405相连。

本实施例中薄膜生长工艺所需的温度较高，通常炉管内的温度都在800℃以上，在到达第一气体冷却装置402之前，气体的温度大约仍会达300至500℃左右。

由于排气系统排出的气体具有一定的流速，仅经过传统的一次冷却处理并不足以将其温度降至确保排出气体内可能固化的物质都固化完毕。本实施例中，在经过第一气体冷却装置402后，排出的气体温度大约会降到100至200℃左右，一些固化温度较高的物质及部分水蒸汽会固化，经由与第一气体冷却装置402下端相连的排气通路排至排水管411，再流至排水装置405内。

本实施例中的压力控制装置404为利用活塞对排气系统的压力进行自动控制的自动压力控制装置，其可控制的压力范围在5至15毫米水柱之间，如10毫米水柱。如果未加入第二气体冷却装置403对排出气体进行再次冷却，在压力控制装置404处仍可能发生部分气体的固化(如未完全分解的DCE气体、砷、磷、部分水蒸汽等)，该部分排出气体的固化会在压力控制装置404的用于控制流量的活塞处形成沉淀物，使得该压力控制装置404因活塞堵塞而失效，造成排气系统的压力调节能力受损，进而导致其相连的化学气相沉积设备的炉管内压力失去平衡，工艺出现异常。

为解决这一问题，本实施例中，在排气系统的压力控制装置404前增加了一个第二气体冷却装置403，对排出的气体进行再次冷却处理，经过再次冷却处理后的排出气体的温度在100℃以下，可以确保进入压力控制装置404之前的气体温度已足够低，包括水蒸汽在内的大部分气体都已固化完毕。

本实施例中的排气系统在增加一个第二气体冷却装置403后，有效防止了排出的气体中部分固化温度较低的气体在流经压力控制装置时才出现固化而在其内产生沉淀物的现象，从而有效改善了因产生沉淀物而在压力控制装置404处发生的堵塞问题，提高了排气系统对排出气体的压力控制力。

采用本发明的排气系统后，即使经过多次工艺，压力控制装置的活塞仍能保持不被堵塞，减少了对压力控制装置进行清洗的次数，延长了价格昂贵的压力控制装置的使用寿命。

本实施例中，还对第一冷却装置402、第二冷却装置403及压力控制装置404与排水装置405之间的排水连接进行了改进。如图4所示，本实施例中，第一冷却装置402与第二冷却装置403间的排气通路经由同一排水管411共同连接至排水装置，该排水管411可以将排出气体在经过二者时产生的冷凝水及固化物质引导至排水装置405内。

但是，对于压力控制装置404与排水装置405之间的连接，则与传统的连接方式有所不同，本实施例中单独采用了一个排水分管412直接将其连接至排水装置405内。原因在于，如图2所示，采用传统的冷却装置与压力控制装置经由同一排水管连接至排水装置的方法，会有部分气体按图2中箭头所示由排水管回流至压力控制装置，该部分气体会绕过本实施例中所加的第二冷却装置403进入压力控制装置404，而这部分气体未经过再次冷却，温度较高，其仍可能会在压力控制装置内固化，令活塞堵塞。

在本发明的其它实施例中，第一冷却装置402与第二冷却装置403也可以经由两个排水管分别单独地连接至排水装置，在本发明实施例的启示下，这一应用的延伸对于本领域普通技术人员而言是易于理解和实现的，在此不再赘述。

另外，在本实施例中，还可以将第二气体冷却装置403与压力控制装置404之间的排气通路改为加粗管，令到达压力控制装置的气体流速降低，一方面减少了带入压力控制器内的固化物，另一方面也减少了气体在压力控制装置中发生固化的可能性，进一步避免了因气体固化而导致的压力控制装置堵塞失效的问题。

本实施例中所用的第一冷却装置402及第二冷却装置403内所用的冷却剂可以是水，也可以是其它冷却气体，如二氧化碳、氦气等。

第二实施例：

本发明的第二实施例介绍了一种晶片热处理装置，如，低压化学气相沉积设备。具体地，本实施例中的低压化学气相沉积设备所进行的工艺为利用H₂O蒸汽及1，2-二氯乙烷(DCE，1，2-dichloroethane)气体在衬底(substrate)表面的氮化硅层上形成氧化硅层。

本实施例中晶片热处理装置的排气系统所排出的气体既包括未参与反应的H₂O蒸汽及DCE气体，也包括一些气态中间产物(如，未完全分解的DCE气体)及气态生成物，成份较为复杂。

图5为本发明第二实施例中的晶片热处理装置的示意图，如图5所示，本实施例中提供的晶片热处理装置，包括处理室500，供气系统520及排气系统，所述排气系统包括与处理室相连的排气通路501，在所述排气通路501上依次连接有第一气体冷却装置502和压力控制装置504，其中，在所述第一气体冷却装置502与所述压力控制装置504之间的所述排气通路上还连接有第二气体冷却装置503，且所述第一气体冷却装置502与所述第二气体冷却装置503之间的排气通路、以及压力控制装置504还通过排水管与排水装置505相连。

在薄膜生长过程中，本实施例中的处理室500(本实施例中具体为立式的炉管)的温度较高，通常都在800℃以上，其所排出的气体在到达第一气体冷却装置502之前的温度大约仍会达300至500℃左右。

由处理室500内排出的气体具有一定的流速，且具有较高的温度，仅经过传统的一次冷却处理并不足以将其温度降至确保排出气体内可能固化的物质都固化完毕。本实施例中，在经过第一气体冷却装置502后，排出的气体温度大约会降到100至200℃左右，排出气体中的部分气体会固化，经由与第一气体冷却装置502与第二气体冷却装置503之间的排气通路进入其下端的排水管511内，再流至排水装置505内。

本实施例中的压力控制装置504为利用活塞对排气系统的压力进行自动控制的自动压力控制装置。如果未加入第二气体冷却装置503对排出气体进行再次冷却，在压力控制装置504处仍可能发生部分气体的固化(如未完全分解的DCE气体、砷、磷、部分水蒸汽等)，该部分排出气体的固化会在压力控制装置504的用于控制流量的活塞处形成沉淀物，使得该压力控制装置504因活塞堵塞而失效，造成排气系统的压力调节能力受损，进而导致其相连的化学气相沉积设备的处理室500内压力失去平衡，工艺出现异常。

为解决这一问题，本实施例中，在晶片热处理装置的排气系统的压力控制装置504前增加了一个第二气体冷却装置503，对排出的气体进行再次冷却处理，经过再次冷却处理后的排出气体的温度在100℃以下，可以确保进入压力控制装置504之前的气体温度已足够低，包括水蒸汽在内的大部分气体都已固化完毕。

本实施例中的晶片热处理装置在排气系统中增加一个第二气体冷却装置后，有效防止了排出的气体中部分固化温度较低的气体在流经压力控制装置时才出现固化而在其内产生沉淀物的现象，从而有效改善了因产生沉淀物而在压力控制装置处发生的堵塞问题，提高了晶片热处理装置的排气系统对排出气体的压力(或流量)控制力。

采用本发明的晶片热处理装置，即使经过多次工艺，压力控制装置的活塞仍能保持不被堵塞，减少了对压力控制装置进行清洗的次数，延长了压力控制装置的使用寿命。

本实施例中，还将第一冷却装置502与第二冷却装置503经由同一排水管511共同连接至排水装置，该排水管511可以将排出气体在经过二者时产生的冷凝水及固化物质引导至排水装置505内。

本实施例中还单独采用了一个排水分管512在压力控制装置504与排水装置505之间进行连接，以防止部分气体按图2中箭头所示由排水管回流至压力控制装置(该部分气体未经过再次冷却，温度较高，仍可能会在压力控制装置504内固化，令活塞堵塞)。

在本发明的其它实施例中，第一冷却装置502与第二冷却装置503也可以经由两个排水管分别单独连接至排水装置，在本发明实施例的启示下，这一应用的延伸对于本领域普通技术人员而言是易于理解和实现的，在此不再赘述。

另外，在本实施例中，还可以将第二气体冷却装置503与压力控制装置504之间的排气通路加粗，令到达压力控制装置504的气体流速降低，一方面减少了带入压力控制器内的固化物，另一方面也减少了气体在压力控制装置中发生固化的可能性，进一步避免了因气体固化而导致的压力控制装置504堵塞失效的问题。

本实施例中所用的第一冷却装置502及第二冷却装置503内所用的冷却剂可以是水，也可以是其它冷却气体，如二氧化碳、氦气等。

本发明虽然以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以做出可能的变动和修改，因此本发明的保护范围应当以本发明权利要求所界定的范围为准。

Claims

1.一种排气系统，包括排气通路，在所述排气通路上依次连接有第一气体冷却装置和压力控制装置，其特征在于：在所述第一气体冷却装置与所述压力控制装置之间的所述排气通路上还连接有第二气体冷却装置，且所述第一气体冷却装置与所述第二气体冷却装置之间的排气通路、及压力控制装置还通过排水管与排水装置相连。

2.如权利要求1所述的排气系统，其特征在于：所述压力控制装置利用排水分管单独连接至所述排水装置。

3.如权利要求1或2所述的排气系统，其特征在于：所述第一气体冷却装置与所述第二气体冷却装置利用排水管共同连接至所述排水装置。

4.如权利要求1或2所述的排气系统，其特征在于：所述排气系统与低压化学气相沉积设备的炉管相连。

5.如权利要求4所述的排气系统，其特征在于：所述排气系统排出的气体包括1，2-二氯乙烷及水蒸汽。

6.如权利要求5所述的排气系统，其特征在于：所述压力控制器利用活塞实现自动压力控制。

7.一种晶片热处理装置，包括处理室，供气系统及排气系统，所述排气系统包括与处理室相连的排气通路，在所述排气通路上依次连接有第一气体冷却装置和压力控制装置，其特征在于：在所述第一气体冷却装置与所述压力控制装置之间的所述排气通路上还连接有第二气体冷却装置，且所述第一气体冷却装置与所述第二气体冷却装置之间的排气通路、以及压力控制装置还通过排水管与排水装置相连。

8.如权利要求7所述的晶片热处理装置，其特征在于：所述压力控制装置利用排水分管单独连接至所述排水装置。

9.如权利要求7或8所述的晶片热处理装置，其特征在于：所述第一气体冷却装置与所述第二气体冷却装置利用排水主管连接至所述排水装置。

10.如权利要求7或8所述的晶片热处理装置，其特征在于：晶片热处理装置为低压化学气相沉积设备。

11.如权利要求10所述的晶片热处理装置，其特征在于：所述低压化学气相沉积设备的排气系统排出的气体包括1，2-二氯乙烷及水蒸汽。

12.如权利要求11所述的晶片热处理装置，其特征在于：所述压力控制器利用活塞实现自动压力控制。