CN102881615B - 半导体晶片热处理设备及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种半导体晶片热处理设备及方法，涉及半导体晶片工艺技术领域，该热处理设备包括：加热器、工艺管、密封板、进气管、排气管、气体采集单元和氧气含量测量单元，工艺管的管口垂直向下，工艺管部分置于加热器中，工艺管的管口外沿处设置有法兰，密封板通过法兰与工艺管连接，排气管的入口设于工艺管的侧壁邻近管口处，进气管的出口设于工艺管上与管口相对的一端，气体采集单元与排气管的出口连接，氧气含量测量单元与气体采集单元连接。本发明通过设置气体采集单元和氧气含量测量单元，精确地测量热处理设备的反应腔室内部氧气含量，直至反应内部氧气含量低于一定阈值后，再进行热处理工艺，以保证硅晶片的生产质量。

Description

半导体晶片热处理设备及方法
技术领域
本发明涉及半导体晶片工艺技术领域，特别涉及一种半导体晶片热处理设备及方法。
背景技术
半导体热处理设备是将晶片传送到反应腔室中，经过高温退火、氧化或者扩散等热处理工序，以达到下一步工序的需求。维持及提高良品率对半导体工业至关重要，在高温热处理工艺中，反应腔室内的气体氛围的好坏直接影响晶片热处理后的质量，因此很多半导体设备都将反应腔室进行良好的密封，以保证反应腔室内部的气体氛围。
通过表面氧化，晶片表面可以产生二氧化硅层，这是在硅半导体器件工艺中是经常利用的热处理工序。
半导体芯片制造工艺中经常使用氧、氩、氢、氮等气体，由于这些气体的纯度对半导体芯片的性能、质量、成品率有极大的影响，因此对这些气体的纯度要求较高。
在处理晶片表面没有氧化层的工序中，具体地说，在对晶片高温退火工艺中，一般不希望晶片表面有氧化层的存在，因此，需要严格控制反应腔室内部氧气的含量。当对反应腔室内部反应气体氧气含量控制在一定的浓度时，才可以进行退火工艺。而在现有技术中，却不能精确地测量反应腔室内部氧气含量，无法保证硅晶片的生产质量。
发明内容
(一)要解决的技术问题
本发明要解决的技术问题是：如何精确地测量热处理设备的反应腔室内部氧气含量，以保证硅晶片的生产质量。
(二)技术方案
为解决上述技术问题，本发明提供了一种半导体晶片热处理设备，所述热处理设备包括：加热器、工艺管、密封板、进气管、排气管、气体采集单元和氧气含量测量单元，所述工艺管的管口垂直向下，所述工艺管部分置于所述加热器中，所述工艺管的管口外沿处设置有法兰，所述密封板通过所述法兰与所述工艺管连接，所述排气管的入口设于所述工艺管的侧壁邻近管口处，所述进气管的出口设于所述工艺管上与管口相对的一端，所述气体采集单元与所述排气管的出口连接，所述氧气含量测量单元与所述气体采集单元连接。
优选地，所述气体采集单元包括：过渡管和采集管，所述过渡管的入口与所述排气管的出口连接，所述采集管的入口自所述排气管的出口伸入，所述采集管的出口与所述氧气含量测量装置连接。
优选地，所述排气管上距所述排气管的出口预设距离处设有球碗，所述过渡管的入口外侧设有与所述球碗相适应的球头。
优选地，所述采集管穿过所述过渡管，且与所述过渡管一体成型。
优选地，所述排气管和采集管均采用石英或碳化硅制成。
优选地，所述氧气含量测量装置包括：依次连接的转换接头、气体冷却装置、第一气动阀、氧气分析仪、第二气动阀和为所述氧气分析仪提供参照气体的气体存储腔体。
优选地，所述气体冷却装置为气体冷却管。
优选地，所述气体冷却管为波纹结构或螺旋结构。
优选地，所述热处理设备还包括：晶片承载装置和晶片承载装置支撑基座，所述晶片承载装置设置于晶片承载装置支撑基座上，所述晶片承载装置支撑基座和晶片承载装置均设置于所述工艺管内。
本发明还公开了一种基于所述的半导体晶片热处理设备的热处理方法，包括以下步骤：
S1：在预定的温度下，将晶片送入工艺管中的晶片承载装置中，将密封门与所述工艺管进行连接，所述工艺管与密封板连接后所形成的空间为反应腔室；
S2：通过进气管向所述反应腔室中通入稳定性气体，以减少所述反应腔室内的氧气含量，所述稳定性气体为不会参与工艺反应，且对人没有危害的气体；
S3：启动第一气动阀和第二气动阀，所述反应腔室内的气体通过采集管进入氧气分析仪，气体存储腔体内的参照气体同时进入氧气分析仪，所述氧气分析仪实时检测所述反应腔室内氧气含量；
S4：当所述反应腔室内氧气含量不高于氧气含量阈值时，关闭第一气动阀和第二气动阀，加热器开始升温，使所述反应腔室内温度升高，当所述反应腔室内温度达到工艺温度时，通过进气管向所述反应腔室通入工艺气体，进行热处理工艺。
(三)有益效果
本发明通过设置气体采集单元和氧气含量测量单元，精确地测量热处理设备的反应腔室内部氧气含量，直至反应内部氧气含量低于一定阈值后，再进行热处理工艺，以保证硅晶片的生产质量。
附图说明
图1是按照本发明一种实施方式的半导体晶片热处理设备的结构示意图；
图2是图1所示的半导体晶片热处理设备中工艺管和密封板连接处放大的结构示意图；
图3是图1所示的半导体晶片热处理设备中排气管和过渡管连接处放大的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
图1是按照本发明一种实施方式的半导体晶片热处理设备的结构示意图，参见图1，所述热处理设备包括：加热器1、工艺管2、密封板3、进气管4、排气管5、气体采集单元6和氧气含量测量单元7，所述工艺管2的管口垂直向下，所述工艺管2部分置于所述加热器1中，所述工艺管2的管口外沿处设置有法兰8(工艺管2与法兰8可以是一体成型，也可以分别加工，本实施方式中，优选地，工艺管2和法兰8是一体成型的)，所述密封板3通过所述法兰8与所述工艺管2连接，所述排气管5的入口设于所述工艺管2的侧壁邻近管口处，所述进气管4的出口设于所述工艺管2上与管口相对的一端，所述气体采集单元6与所述排气管5的出口连接，所述氧气含量测量单元7与所述气体采集单元6连接。
参见图2，所述气体采集单元6包括：过渡管6-1和采集管6-2，所述过渡管6-1的入口与所述排气管5的出口连接，所述采集管6-2的入口自所述排气管5的出口伸入，所述采集管6-2的出口与所述氧气含量测量装置7连接，当过渡管6-1的入口与所述排气管5的出口的连接处密封不良时，外界的空气可能会进入所述排气管5中，由于排气管5中的负压作用，可以将外界进入的空气通过过渡管6-1排出，而不会被吸入采集管6-2内，因此不会影响氧气含量测量装置7的检测结果。
参见图3，所述排气管5上距所述排气管5的出口预设距离(该预定距离一般为60mm～120mm)处设有球碗6-3(球碗6-3与排气管5可以是一体成型，也可以分别加工，本实施方式中，优选地，球碗6-3与排气管5是一体成型的)，所述过渡管6-1的入口外侧设有与所述球碗6-3相适应的球头6-4，所述球碗6-3和球头6-4通过球夹(未示出)进行固定。
优选地，所述采集管6-2穿过所述过渡管6-1，且与所述过渡管6-1一体成型。
为提高排气管5和采集管6-2的耐高温性能，优选地，所述排气管5和采集管6-2均采用石英或碳化硅制成。
参见图2，所述氧气含量测量装置7包括：依次连接的转换接头7-1、气体冷却装置7-2、第一气动阀7-3、氧气分析仪7-4、第二气动阀7-5和为所述氧气分析仪7-4提供参照气体的气体存储腔体7-6，由于反应腔室内的采样气体温度较高，为保护第一气动阀7-3和氧气分析仪7-4，优选地设置了气体冷却装置7-2。
氧气分析仪7-4还连接了排气装置7-7，用于将氧气分析仪7-4内的残余气体排出。
优选地，所述气体冷却装置7-2为气体冷却管。
为增加所述气体冷却管的散热面积，优选地，所述气体冷却管为波纹结构或螺旋结构。
参见图1，所述热处理设备还包括：晶片承载装置9和晶片承载装置支撑基座10，所述晶片承载装置9设置于晶片承载装置支撑基座10上，所述晶片承载装置支撑基座10和晶片承载装置9均设置于所述工艺管2内。
本发明还公开了一种基于所述的半导体晶片热处理设备的热处理方法，包括以下步骤：
S1：在预定的温度(此处的温度一般为600℃～650℃)下，将晶片送入工艺管中的晶片承载装置中，将密封门与所述工艺管进行连接，所述工艺管与密封板连接后所形成的空间为反应腔室；
S2：通过进气管向所述反应腔室中通入稳定性气体，以减少所述反应腔室内的氧气含量，所述稳定性气体为不会参与工艺反应，且对人没有危害的气体，例如：氮气、氩气或氦气等；
S3：启动第一气动阀和第二气动阀，所述反应腔室内的气体通过采集管进入氧气分析仪，气体存储腔体内的参照气体同时进入氧气分析仪，所述氧气分析仪实时检测所述反应腔室内氧气含量；
S4：当所述反应腔室内氧气含量不高于氧气含量阈值(本实施方式中，该氧气含量阈值优选为5ppm)时，关闭第一气动阀和第二气动阀，加热器开始升温，使所述反应腔室内温度升高，当所述反应腔室内温度达到工艺温度(工艺温度一般为1100℃或1200℃，但不限于该温度)时，通过进气管向所述反应腔室通入工艺气体，进行热处理工艺。
若通入较长时间的稳定性气体后，所述氧气分析仪检测到的氧气含量仍然高于氧气含量阈值，说明外界的空气可能进入了反应腔体，需要对反应腔室进行检查。
以上实施方式仅用于说明本发明，而并非对本发明的限制，有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型，因此所有等同的技术方案也属于本发明的范畴，本发明的专利保护范围应由权利要求限定。

Claims (8)

1.一种半导体晶片热处理设备，其特征在于，所述热处理设备包括：加热器(1)、工艺管(2)、密封板(3)、进气管(4)、排气管(5)、气体采集单元(6)和氧气含量测量单元(7)，所述工艺管(2)的管口垂直向下，所述工艺管(2)部分置于所述加热器(1)中，所述工艺管(2)的管口外沿处设置有法兰(8)，所述密封板(3)通过所述法兰(8)与所述工艺管(2)连接，所述排气管(5)的入口设于所述工艺管的侧壁(2)邻近管口处，所述进气管(4)的出口设于所述工艺管(2)上与管口相对的一端，所述气体采集单元(6)与所述排气管(5)的出口连接，所述氧气含量测量单元(7)与所述气体采集单元连接(6)；
所述气体采集单元(6)包括：过渡管(6-1)和采集管(6-2)，所述过渡管(6-1)的入口与所述排气管(5)的出口连接，所述采集管(6-2)的入口自所述排气管(5)的出口伸入，所述采集管(6-2)的出口与所述氧气含量测量装置(7)连接；
所述排气管(5)上距所述排气管(5)的出口预设距离处设有球碗(6-3)，所述过渡管(6-1)的入口外侧设有与所述球碗(6-3)相适应的球头(6-4)。
2.如权利要求1所述的半导体晶片热处理设备，其特征在于，所述采集管(6-2)穿过所述过渡管(6-1)，且与所述过渡管(6-1)一体成型。
3.如权利要求1所述的半导体晶片热处理设备，其特征在于，所述排气管(5)和采集管(6-2)均采用石英或碳化硅制成。
4.如权利要求1所述的半导体晶片热处理设备，其特征在于，所述氧气含量测量装置(7)包括：依次连接的转换接头(7-1)、气体冷却装置(7-2)、第一气动阀(7-3)、氧气分析仪(7-4)、第二气动阀(7-5)和为所述氧气分析仪(7-4)提供参照气体的气体存储腔体(7-6)。
5.如权利要求4所述的半导体晶片热处理设备，其特征在于，所述气体冷却装置(7-2)为气体冷却管。
6.如权利要求5所述的半导体晶片热处理设备，其特征在于，所述气体冷却管为波纹结构或螺旋结构。
7.如权利要求1～6任一项所述的半导体晶片热处理设备，其特征在于，所述热处理设备还包括：晶片承载装置(9)和晶片承载装置支撑基座(10)，所述晶片承载装置(9)设置于晶片承载装置支撑基座(10)上，所述晶片承载装置支撑基座(10)和晶片承载装置(9)均设置于所述工艺管内。
8.一种基于权利要求1～7任一项所述的半导体晶片热处理设备的热处理方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：在预定的温度下，将晶片送入工艺管中的晶片承载装置中，将密封门与所述工艺管进行连接，所述工艺管与密封板连接后所形成的空间为反应腔室；
S2：通过进气管向所述反应腔室中通入稳定性气体，以减少所述反应腔室内的氧气含量，所述稳定性气体为不会参与工艺反应，且对人没有危害的气体；
S3：启动第一气动阀和第二气动阀，所述反应腔室内的气体通过采集管进入氧气分析仪，气体存储腔体内的参照气体同时进入氧气分析仪，所述氧气分析仪实时检测所述反应腔室内氧气含量；
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