CN103526281B - 立式液相外延炉 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种立式液相外延炉，其特征在于它主要包括机架、升降机构、工作杆、取放料腔、过渡腔、工艺腔；其中升降机构固定在机架上，升降机构通过轴承单元与工作杆相连；取放料腔、过渡腔、工艺腔通过真空阀门自上至下顺次密封连接，形成密闭腔体；工作杆密封性通入取放料腔、过渡腔、工艺腔内；取放料腔上设置取放料密封门；过渡腔上设置真空抽口和充气口；其优点在于进行外延膜生长的工艺腔相对为独立空间，晶片进行放入、更换、取出时均在取放料腔内进行，无需对工艺腔内气体做功，从而减少了能源消耗，缩短了产品制造时间，提高了工作效率，降低了生产成本，且可使整个设备仅设置一处真空抽口，简化设备。

Description

立式液相外延炉

技术领域

本发明涉及一种晶片表面外延膜生长的设备，尤其涉及特殊晶片及半导体类晶片表面外延膜生长的设备。

背景技术

对于半导体类晶片或其他特殊晶片，其表面外延膜生长需要在一定真空度及温度的工艺气体环境下进行。因此需要反复将晶片从外界大气状态送入该环境中，待工艺完成后，再从该环境送出外界。因此，晶片外延膜生长的空间便不可避免的需要在工艺状态和大气状态之间不断切换。这样导致的后果是生产效率低、耗能大，从而使产品成本大幅提高。

发明内容

为了解决以上技术问题，本发明提供了一种高效、节能、可降低生产成本、适用于半导体类晶片或其他特殊晶片外延膜生长的立式液相外延炉。

本发明所述立式液相外延炉主要包括机架、升降机构、工作杆、取放料腔、过渡腔、工艺腔；其中升降机构固定在机架上，升降机构通过轴承单元与工作杆相连；取放料腔、过渡腔、工艺腔通过真空阀门自上至下顺次密封连接，形成密闭腔体；工作杆密封性通入取放料腔、过渡腔、工艺腔内；取放料腔上设置取放料密封门；过渡腔上设置真空抽口和充气口。

工作时，本发明所述立式液相外延炉按照以下步骤循环工作，首先保持放料腔、过渡腔、工艺腔连通且密闭，通过真空抽口抽真空到所需真空度，装有晶片的工作杆上升至放料密封门处，关闭工艺腔与过渡腔之间的真空阀门，保持工艺腔的真空度，通过充气口对过渡腔及取放料腔内充保护气体到大气压，打开取放料密封门进行装取料，然后关闭取放料密封门，对取放料腔与过渡腔抽真空到所需真空度，打开过渡腔与工艺腔之间的真空阀门，对整个腔室内部冲入工艺气体，工作杆下降至工艺腔，经过所需的工艺时间后即可实现在晶片表面生长了一层外延膜，最后工作杆连同晶片上升至取放料密封门处，关闭工艺腔与过渡腔之间的真空阀门，保持工作腔内的工艺气氛，通过充气口对过渡腔及取放料腔内充保护气体到大气压，打开取放料密封门进行装取料，关闭取放料密封门，重复上述过程，周而复始的进行下一轮工作。

本发明所述立式液相外延炉，其有益效果在于：进行外延膜生长的工艺腔相对为独立空间，晶片进行放入、更换、取出时均在取放料腔内进行，因而仅需对取放料腔及过渡腔进行抽真空及冲入保护气体至大气压状态，无需对工艺腔内气体做功，从而减少了不必要能源消耗，缩短了产品制造时间，提高了工作效率，降低了生产成本。而且，过渡腔的设计可以使整个设备仅设置一处真空抽口，简化设备。

为了达到更好的技术效果，本发明所述立式液相外延炉还可以采用以下措施：

1、所述取放料腔上还设置一个充气口。这样在进行取放料之前可关闭过渡腔与取放料腔之间的真空阀门，从而仅需对取放料腔单独冲入保护气体至大气压，从而避免了对过渡腔进行充气——抽真空的程序，不仅节省了时间，提高了效果，而且降低了能耗，节约了能源。

2、本发明所述立式液相外延炉还包括加热炉体、坩埚及液相材料，其中加热炉体固定在机架上，其位于工艺腔的正下方；坩埚安装于工艺腔内，液相材料装于坩埚内。加热炉体加热、恒温，当坩埚内的液相液体加热到所需要的温度后，带有晶片的工作杆也下降至工艺腔内，工作杆下降至晶片完全浸入坩埚内的液相液体中，然后工作杆上升将晶片脱离开液面、离开坩埚，再经过所需要工艺时间的停留后，即实现了在晶片表面生长了一层外延膜。

3、所述取放料腔、过渡腔、工艺腔相互之间及其与真空阀门、取放料密封门、各充气口和真空抽口之间均设有密封及水冷防护。从而使整个腔室保持密封状态，且密封效果不因温度升高而产生影响。

4、所述升降机构包括升降驱动电机、减速器、驱动丝杠、丝杠母、滑块、导轨、安装平板、刚性支撑件；其中固定在机架上的驱动电机与减速器连接，减速器与驱动丝杠连接；驱动丝杠与丝杠母配合，丝杠母及滑块均固定在安装平板上；滑块同时与导轨滑动配合，导轨固定在机架上，导轨方向与驱动丝杠平行；刚性支撑件一端固定在安装平板上，另一端通过轴承组成与工作杆相连。工作杆的升降动作由升降驱动电机及减速器驱动，驱动丝杠通过丝杠母、经导轨导向将电机旋转运动转化为直线位移，从而使安装平板上的刚性支撑件带动工作杆动作，正向驱动电机实现上升，反向驱动电机实现下降。

5、本发明所述立式液相外延炉还包括工作杆旋转机构，所述工作杆旋转机构包括旋转电机、减速器、轴承单元、齿形带、齿形带轮；其中轴承单元包括轴承盒与轴承，轴承位于轴承盒内部与之固定连接；旋转电机与轴承盒均固定在刚性支撑件上；旋转电机与减速器连接，减速器与工作杆通过齿形带相连；齿形带轮与齿形带配合；轴承与工作杆配合。旋转电机启动，通过减速器在齿形带的传动下带动工作杆旋转。

6、所述工作杆为底端密闭的空心杆，其内部安装有热电偶。当晶片运行到坩埚上端时，停止下降，在加热炉内对晶片进行预热；到达预热温度后，利用工作杆内部的热电偶测温，工作杆则继续下降，直至晶片全部浸入坩埚内部的液相材料中。

7、本发明所述立式液相外延炉还包括一个转换滑环，所述转换滑环固定在工作杆顶部，并与工作杆内部的热电偶通过导线连接。转换滑环随工作杆进行旋转，实现热电偶接线的转换。

8、所述加热炉体可单段或多段控温。

9、所述加热炉体的顶端炉口处还设置保温层。这样可防止热量的损失及炉体内部热产生对流而对工艺过程造成影响。

附图说明

图1为本发明所述立式液相外延炉实施例一的结构示意图。

图中编号说明:

1-机架；2-驱动电机及减速器；3-滑块；4-刚性支撑件；5-旋转电机；6-轴承单元；7-工作杆；8-密封盒；9-取放料腔；10-取放料密封门；11-过渡腔；12-真空阀门A；13-丝杠母；14-真空阀门B；15-保温层；16-工艺腔体；17-晶片；18-炉体；19-液相材料；20-坩埚；21-下行程开关；22-上形成开关；23-齿形带；24-真空抽口；25-充气口；26-驱动丝杠、27-导轨；28-安装平板；29-转换滑环。

具体实施方式

实施例一。

结合图1对本发明所述立式液相外延炉进行详细说明。

本实施例所述立式液相外延炉包括：

升降机构，包括驱动电机及减速器2、驱动丝杠26、导轨27、滑块3、丝杠母13、安装平板28、刚性支撑件4；其中丝杠母13和滑块3固定在安装平板28上。升降动作由驱动电机及减速器2驱动，驱动丝杠26通过丝杠母13进而带动安装平板28、经过导轨27的导向，将电机旋转转化为直线位移，连接于安装平板28上的刚性支撑件4带动工作杆旋转实现上升；反向驱动电机实现下降。

工作杆旋转机构，包括旋转电机及减速机5、轴承单元6、工作杆7（空心-可带热电偶）、齿形带（含齿形带轮）23；其中轴承单元6包括轴承盒与轴承，轴承位于轴承盒内部与之固定连接。安装于刚性支撑件4上的旋转电机及减速机5和轴承单元6之间经过齿形带（含齿形带轮）23带动工作杆7（通过轴承单元6中的轴承）实现旋转动作，同时带动安装于工作杆7下端的晶片17与工作杆7同时移动和转动。

腔体总成，包括密封盒8、取放料腔9、取放料密封门10（带观察口）、过渡腔11、真空阀门A12、真空阀门B14、真空抽口24、充气口25、工艺腔16、坩埚20（带支腿）、液相材料19。其中，取放料腔9、过渡腔11、工艺腔16通过真空阀门A12及真空阀门B14自上至下顺次密封连接，取放料腔9上端为密封盒8，用于对工作杆7实现密封；取放料腔9设置取放料密封门10并通过真空阀门A12与过渡腔11密封连接，再通过真空阀门B14与工艺腔16密封连接；工艺腔16内安装坩埚20，坩埚20内添加液相材料19；过渡腔11上设置真空抽口24实现与真空系统的连接，过渡腔11及取放料腔9上分别设置充气口25实现与工艺气体的连接；腔体总成所有连接均为密封连接，实现腔体内为密闭腔体；各密封接口处将配置有水冷，保护密封圈不受热量的影响。根据工艺要求进行真空阀门A12、真空阀门B14的顺序关闭和打开，实现工艺过程中对局部小环境内实现抽真空或充工业气体的需求。

加热炉体总成，包括加热炉体18和保温层15。加热炉体18通过外部控制部分提供的电流和电压的输入，实施加热功能，实现对工艺腔室内放置的坩埚20内添加的液相材料19进行加热和温度恒定的功能；保温层15对炉口进行保温，防止热量的损失和炉体内部热对流的产生，对工艺过程造成影响。

机架1，为上述升降机构、工作杆旋转机构、腔体总成、加热炉体18等提供刚性支承和稳固安装的功能，实现精确安装的要求。机架1上还设置有下行程开关21与上形成开关22，以实现对工作杆7上下极限行程的控制。

此外，转换滑环29固定在工作杆7顶部，与工作杆7内的热电偶接线，并随工作杆7一起旋转，实现热电偶的接线的转换。

进行工作时，通过以下步骤实现：

1、腔体总成密闭，抽真空到所需要的真空度。

2、装、取料：开启设备，将驱动电机及减速器2通电，驱动丝杠26通过安装平板28、经过导轨27导向、将电机旋转转化为直线位移，连接于安装平板28上的刚性支撑件4带动工作杆旋转机构总成实现上升（反向驱动电机实现下降动作），当工作杆7下端的晶片17到达取放料密封门10的位置时停止上升，用上行程开关22实现定位。

3、关闭真空阀门B14，保持加热区内的工艺腔16的真空度（或工艺气氛）。

4、关闭真空阀门A12，保持过渡腔11内部为真空状态（或工艺气氛）。

5、对取放料腔9内充保护气体到大气压，使取放料密封门10内外压力平衡。

6、打开取放料密封门10，进行装、取料，即对晶片17上的晶片进行取、放、更换。

7、关闭取放料密封门10，打开真空阀门A12，对过渡腔11和取放料腔9进行抽真空到要求。

8、打开真空阀门B14，对腔体总成内部冲入工艺气体到要求。

9、对加热炉体18通电，坩埚20内部的液相材料19到所需的温度要求。

10、开启设备，将驱动电机及减速器2反转，驱动丝杠26通过安装平板28、经过导轨27导向、将电机旋转转化为直线位移，连接于安装平板28上的刚性支撑件4带动工作杆旋转机构总成实现下降动作，当运行到坩埚20上端时，停止下降，在加热炉内对晶片17进行预热。

11、到达预热温度后，用工作杆7内部的热电偶测温，升降机构继续下降，将晶片17全部浸入坩埚20内部的液相材料19，由下行程开关21控制位置。

12、升降机构上升，使晶片17脱离开坩埚20停止，停留所需的工艺时间。

13、将升降驱动电机及2通电，驱动丝杠26通过安装平板28、经过导轨27导向、将电机旋转转化为直线位移，连接于安装平板28上的刚性支撑件4带动工作杆旋转机构总成继续上升，当工作杆7下端的晶片17到达取放料密封门10的位置时停止上升，用上行程开关22实现定位。

14、关闭真空阀门B14，保持加热区内的工艺腔室的气氛。

15、关闭真空阀门A12，保持过渡腔11内部的工艺气氛。

16、对取放料腔9内充保护气体到大气压，打开取放料腔9的取放料密封门10，进行取料，然后重新放新料，关闭取放料密封门10，重复上述过程进行下一轮工作。

Claims (10)

1.一种立式液相外延炉，其特征在于它主要包括机架、升降机构、工作杆、取放料腔、过渡腔、工艺腔；其中升降机构固定在机架上，升降机构通过轴承单元与工作杆相连；取放料腔、过渡腔、工艺腔通过真空阀门自上至下顺次密封连接，形成密闭腔体；工作杆密封性通入取放料腔、过渡腔、工艺腔内；取放料腔上设置取放料密封门；过渡腔上设置真空抽口和充气口。

2.根据权利要求1所述立式液相外延炉，其特征在于所述取放料腔上还设置一个充气口。

3.根据权利要求1或2所述立式液相外延炉，其特征在于所述立式液相外延炉还包括加热炉体、坩埚及液相材料，其中加热炉体固定在机架上，其位于工艺腔的正下方；坩埚安装于工艺腔内，液相材料装于坩埚内。

4.根据权利要求3所述立式液相外延炉，其特征在于所述取放料腔、过渡腔、工艺腔相互之间及其与真空阀门、取放料密封门、各充气口和真空抽口之间均设有密封及水冷防护。

5.根据权利要求4所述立式液相外延炉，其特征在于所述升降机构包括升降驱动电机、减速器、驱动丝杠、丝杠母、滑块、导轨、安装平板、刚性支撑件；其中固定在机架上的驱动电机与减速器连接，减速器与驱动丝杠连接；驱动丝杠与丝杠母配合，丝杠母及滑块均固定在安装平板上；滑块同时与导轨滑动配合，导轨固定在机架上，导轨方向与驱动丝杠平行；刚性支撑件一端固定在安装平板上，另一端通过轴承组成与工作杆相连。

6.根据权利要求5所述立式液相外延炉，其特征在于所述工作杆旋转机构包括旋转电机、减速器、轴承单元、齿形带、齿形带轮；其中轴承单元包括轴承盒与轴承，轴承位于轴承盒内部与之固定连接；旋转电机与轴承盒均固定在刚性支撑件上；旋转电机与减速器连接，减速器与工作杆通过齿形带相连；齿形带轮与齿形带配合；轴承与工作杆配合。

7.根据权利要求6所述立式液相外延炉，其特征在于所述工作杆为底端密闭的空心杆，其内部安装有热电偶。

8.根据权利要求7所述立式液相外延炉，其特征在于所述立式液相外延炉还包括一个转换滑环，所述转换滑环固定在工作杆顶部，并与工作杆内部的热电偶通过导线连接。

9.根据权利要求8所述立式液相外延炉，其特征在于所述加热炉体可单段或多段控温。

10.根据权利要求9所述立式液相外延炉，其特征在于所述加热炉体的顶端炉口处还设置保温层。