CN103839853A - 一种衬底处理系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种衬底处理系统，包括去气腔和远程加热单元，其中去气腔包括位于腔内的支撑件以及位于腔壁上的气体输入口；远程加热单元包括用于接收气体的输入口以及与去气腔的气体输入口封闭相连的一个或多个输出口；远程加热单元对接收到的气体进行加热，并将加热后的气体引入所述去气腔，通过气体作为传热介质对去气腔内的半导体衬底加热。本发明能够适用于不同类型的半导体衬底的加热，增加了工艺兼容性。

Description

一种衬底处理系统

技术领域

本发明涉及集成电路制造技术领域，尤其涉及一种衬底处理系统。

背景技术

请参阅图1，在半导体铜互连的物理气相沉积(Physical Vapor Deposition，简称PVD)工艺中，主要包括四个主要工艺过程：去气、预清洗、氮化钽Ta(N)沉积和金属铜Cu沉积。在去气工艺中，需在去气腔中将半导体衬底加热至一定温度，以去除衬底上吸附的水蒸气及其它易挥发杂质。在实际去气工艺过程中，对半导体衬底加热的均匀性要求较高，如果加热不均匀，可能会导致半导体衬底上的部分区域易挥发杂质去除不干净，影响后续工艺的进行，尤其是，如果出现严重的半导体衬底上局部温度不均匀，极可能会造成半导体衬底的碎片。

图2为现有技术在半导体衬底去气工艺中去气腔的剖面图。如图2所示，该去气腔包括用于传输半导体衬底1且位于腔壁上的入口2，以及承载所述半导体衬底且位于腔内的支撑件3。半导体衬底1装设在去气腔内且位于衬底支撑件3之上；加热单元为一排固定于支撑件3上方的灯泡4。其中，灯泡4是固定于灯泡安装座上，灯泡安装座安装于灯泡安装板5上；安装板5下方具有反射板6，与其紧贴在一起。此外灯泡安装板5具有冷却水管路，从而可实现反射板6的冷却，防止其温度过高。安装板5和反射板6具有通孔，灯泡4从通孔中穿过。反射板6通常是由铝制成，其下表面经光滑处理以进行光反射，从而能够更有效地利用灯泡4所产生的光能量。去气腔还具有屏蔽件7，其中有冷却水路，用以防止灯泡4使用时腔室壁过热。灯泡4的供电由外部直接供给灯泡安装座，灯泡4下方设有一较厚的石英窗8，用以将腔室与外界隔离。此外，保护罩9设于灯泡安装座上方以保障电气安全。由以上可知，设于大气环境中的灯泡4透过石英窗8进行照射，灯泡4产生的热量通过石英窗8辐射进入腔室中，从而加热半导体衬底1。

然而，由于半导体衬底的加热温度因表面热辐射系数不同而有所不同，因此通过热辐射这种方式加热半导体衬底，在相同工艺条件下无法满足不同类型的衬底需求。

发明内容

本发明的主要目的在于克服现有技术的缺陷，提供一种衬底处理系统以实现不同类型衬底加热的兼容性。

本发明的目的在于提供一种衬底处理系统，包括：去气腔和远程加热单元，其中：所述去气腔包括位于腔内用于承载半导体衬底的支撑件以及位于腔壁上的气体输入口；所述远程加热单元包括用于接收气体的输入口、加热单元以及与所述去气腔的气体输入口封闭相连的一个或多个输出口；所述远程加热单元对接收到的气体进行加热，并将加热后的气体引入所述去气腔，通过气体作为传热介质对去气腔内的半导体衬底加热。

优选的，所述远程加热单元还包括导流元件，所述导流元件形成引导所述气体流动的导流路径，使所述气体沿所述导流路径流动以增加所述加热元件与所述气体的接触面积。

优选的，所述导流元件包括腔体及多个位于所述腔体内相互间隔一定间距且平行交错排列的第一分隔板和第二分隔板，所述加热元件位于所述腔体周围，所述第一分隔板和第二分隔板分别与所述腔体相对的腔壁固定连接，且相邻的所述第一分隔板与所述第二分隔板部分重合，所述第一分隔板和所述第二分隔板将所述腔体分隔为多个连续空间以形成所述导流路径。

优选的，所述导流元件为导流管，所述导流管缠绕连接于所述加热元件外侧，所述导流管一端作为所述远程加热单元的输入口接收所述气体，另一端作为所述远程加热单元的输出口与所述去气腔的气体输入口封闭相连。

优选的，所述加热元件包括电阻丝。

优选的，所述远程加热单元还包括绝缘件，位于所述加热元件与所述远程加热单元外壁之间。

优选的，所述衬底处理系统还包括底部加热单元，其设置于所述去气腔底部，用于对所述半导体衬底加热。

优选的，所述衬底处理系统还包括真空泵抽气单元，其抽气接口与所述去气腔连接，用于将所述去气腔内的气体抽出。

优选的，所述衬底处理系统还包括冷却单元，连接于所述去气腔和所述真空泵抽气单元的抽气接口之间，用于将所述去气腔内排出的气体冷却。

优选的，所述冷却单元包括冷却元件及导气管，其中所述导气管的一端连接所述去气腔，另一端连接所述抽气单元的抽气接口，所述导气管缠绕连接于所述冷却元件外侧。

本发明的优点在于通过远程加热单元加热气体，并将气体作为传输热量的介质，以达到加热半导体衬底的目的，可以有效改善现有技术中半导体衬底表面热辐射系数对加热温度的影响，进而实现不同类型半导体衬底的加热兼容性。

附图说明

图1为现有技术中铜互连PVD工艺的过程的示意图；

图2为现有技术的半导体衬底加热设备的示意图；

图3为本发明衬底处理系统一实施例的结构示意图；

图4为本发明一实施例衬底处理系统的远程加热单元的剖视图；

图5为本发明另一实施例衬底处理系统的远程加热单元的剖视图；

图6为本发明一实施例衬底处理系统的冷却单元的剖视图。

具体实施方式

为使本发明的内容更加清楚易懂，以下结合说明书附图3-6，对本发明衬底处理系统的内容作进一步说明。当然本发明并不局限于该具体实施例，本领域内的技术人员所熟知的一般替换也涵盖在本发明的保护范围内。此外，本发明利用示意图进行了详细的表述，在详述本发明实施例时，为了便于说明，示意图不依照一般比例局部放大，不应以此作为对本发明的限定。

由于本发明的衬底处理系统所使用的加热原理与现有的衬底处理系统的原理不同，因此其结构与现有的衬底处理系统结构完全不同。

图3为本发明衬底处理系统一具体实施例的结构示意图。如图3所示，本发明的衬底处理系统包括远程加热单元10以及去气腔20。去气腔20包括承载半导体衬底1且位于腔内的支撑件21，位于腔壁上的气体输入口22和气体输出口23。

远程气体加热单元10用于对接收到的气体加热，并将加热后的气体引入去气腔20，从而通过气体作为传热介质对去气腔内的半导体衬底1加热；其包括用于接收气体的输入口11，以及连接去气腔气体输入口22的一个或多个输出口12，气体输入口22和输出口12的连接方式可为通过转接头连接。远程加热单元10还包括加热元件及导流元件，导流元件在远程加热单元10中形成引导气体流动路径的导流路径，使气体能够沿着导流路径流动，以增加加热元件与气体的接触面积。

其中，加热元件包括电阻丝，其外接交流电源，可通过电源功率来调节加热温度。此外，在进行不同工艺时，对去气腔的加热温度要求也不同。例如进行硅通孔技术封装工艺时，需将半导体衬底加热至150℃，然而考虑到去气腔壁对热量的损失，远程加热单元10应将气体加热至200℃以上，因此，远程加热单元10还可包括温度传感器和压力传感器，如热偶测温装置和硅压力传感器，用以实时监控加热气体的温度和压力变化，从而可以达到实时控制的目的。此外，远程加热单元10还包括绝缘件，设置于远程加热单元10的外壁和加热元件之间，以防止外壁过热，绝缘件的材料例如是陶瓷绝缘片，本发明并不限于此。

在本发明的衬底处理系统中，还包括真空泵抽气单元30。真空泵抽气单元30直接或间接连接于去气腔的气体输出口23，用于将去气腔内加热后的气体排出，真空泵抽气单元30与气体输出口23之间的连接方式也可为通过转接头连接。由于去气腔内的气体在大于7Torr的情况下，去气腔中的热传率较为稳定，能够很快地完成热量传递，因此通过真空泵抽气单元30进行真空排气或停止真空排气就可以调节去气腔20内的压力，使其中压力保持在7Torr以上。

然而，若真空泵抽气单元30直接连接于去气腔20，则从去气腔20排出的高温气体会直接进入到真空泵抽气单元30，对真空泵抽气单元30容易造成损害。因此，如图3所示，衬底处理系统还可包括连接在去气腔20和真空泵抽气单元30之间的冷却单元40，冷却单元40的两端可分别通过转接头连接于去气腔的输出口23以及真空泵抽气单元30。通过冷却单元40先对去气腔20内排出的高温气体进行冷却，再由真空泵抽气单元30抽出，如此一来，能够减少加热气体对真空泵抽气单元30的损害，延长真空泵抽气单元30的使用寿命。

较佳的，如图6所示，冷却单元40包括冷却元件41及导气管42，导气管42的一端连接去气腔的输出口23，另一端连接抽气单元30，导气管42在冷却元件41外侧紧密缠绕至少一圈。冷却元件41的材料可为导热性较好的金属，例如铜，且其内部通有冷却水；导气管42的材料可为具有较高导热系数的材料，例如不锈钢，从而可将气体的热量传至冷却元件。当较热的气体在导气管42中流动时，其通过导气管42与冷却元件41充分进行热量交换以被冷却。

此外，为了达到更好的半导体衬底去气加热的效果，衬底处理系统还可包括设置于去气腔底部的底部加热单元，与远程加热单元10配合使用，共同对半导体衬底加热。

在实际去气工艺过程中，对半导体衬底加热的均匀性要求很高，为此，衬底处理系统可在去气腔内设置一个或多个匀气板，用于对引入去气腔内经过加热的气体进行匀化处理。较佳的，匀气板紧邻于气体输入口22并位于支撑件21的上方，每个匀气板采用例如不锈钢的耐高温材料加工而成，且具有多个通孔，通过使气体穿过通孔能够达到匀气的目的。较佳的，可通过多个匀气板达到充分匀气的目的，多个匀气板相互间隔一定的间距且与所述支撑件21承载半导体衬底1的表面平行排列，且与去气腔的腔室侧壁固定连接。通常情况下，匀气板上的通孔呈均匀分布，且靠近支撑件21的匀气板的通孔数量大于靠近气体输入口22的匀气板的通孔数量。通过匀气板的匀化处理，能够使得经远程加热单元10加热后的气体分布更为均匀。

接下来将进一步对本发明衬底处理系统第一实施例加以描述。

如前所述，衬底处理系统包括远程加热单元10以及去气腔20。去气腔20包括承载半导体衬底1且位于腔内的支撑件21，位于去腔壁上的气体输入口22和气体输出口23。此外，去气腔还可包括具有冷却水路的屏蔽件，用以防止去气腔壁过热。

远程气体加热单元10用于对接收到的气体加热，并将加热后的气体引入去气腔，从而将气体作为传热介质对去气腔内的半导体衬底加热。请参见图4，远程加热单元10包括用于接收气体的输入口11，连接去气腔气体输入口22的输出口12，加热元件13，导流元件14。导流元件14包括腔体及多个位于腔体内相互间隔一定间距且平行交错排列的第一分隔板和第二分隔板，第一分隔板和第二分隔板分别与腔体相对的腔壁固定连接，且相邻的第一分隔板和第二分隔板部分重合，这些分隔板14将腔体分隔为多个相连的空间，从而形成了一条导流路径；加热元件13位于腔体周围，具体的，加热元件13为靠近或置于远程加热单元10侧壁内的电阻丝，电阻丝13外接交流电源，可通过电源功率来调节加热温度。远程加热单元10还可包括内置于侧壁的绝缘件，绝缘件位于电阻丝13和远程加热单元的外壁之间，电阻丝13通过绝缘件与外壁隔离以防止外壁过热，较佳的，绝缘材料为陶瓷绝缘片。

当气体从输入口11进入远程加热单元10后，将沿着第一分隔板和第二分隔板在形成的导流路径流动，导流路径增加了气体在远程加热单元中流动的空间和时间，使得气体在经过充分的热交换后最后从输出口12排出。因此，通过导流元件14，增加了远程加热单元10与气体的接触面积，从而能更好地对气体进行加热。较佳的，远程加热单元10还可包括温度传感器和压力传感器，用以实时监控加热气体的温度和压力变化。

此外，衬底处理系统还包括抽气单元30和真空泵冷却单元40，冷却单元40连接在去气腔和真空泵抽气单元30之间。冷却单元40包括冷却元件41及导气管42。导气管42一端连接去气腔的输出口24，另一端连接抽气单元30，导气管42在冷却元件41外侧紧密缠绕至少一圈。因此，较热的气体在导气管42中流动并通过导气管42与冷却元件41充分进行热量交换后被冷却。之后，再由抽气单元30抽出，以能够减少加热气体对抽气单元30的损害。

接下来将进一步对本发明衬底处理系统第二实施例加以详述。

衬底处理系统包括远程加热单元10以及去气腔20。去气腔20的结构与第一实施例相同，在此不作赘述。如图5所示，远程加热单元10包括加热元件13’以及导流元件14’。加热单元13’为内置电阻丝的加热器，电阻丝外接交流电源，可通过电源功率来调节加热温度。导流元件14’为导热管，在加热器13’的外围紧密缠绕至少一圈以与加热器13’相连接。导热管14’的材料可以为任何导电系数较高的材料以更好地进行热量传递，较佳的，为不锈钢材料。导热管14’的一端作为远程加热单元10的输入口11用于接收气体，导热管14’的另一端作为远程加热单元10的输出口12与去气腔的气体输入口22封闭相连。因此，导热管14’本身即形成了一条导流路径，其一端所引入的气体沿着这一导流路径流动，由于导热管在加热器13’的外围紧密缠绕多圈，导流路径较长，使得气体在远程加热单元10内经过充分的热交换后最后从另一端排出。因此，通过导流元件14’，可以增加加热元件13’与气体的接触面积，从而更好地对气体进行加热。远程加热单元10还可包括位于加热元件13’和远程加热单元的外壁之间的陶瓷绝缘片，用以将加热元件13’与外壁隔离以防止外壁过热。远程加热单元10还可包括温度传感器和压力传感器，用以实时监控加热气体的温度和压力变化。

此外，衬底处理系统还包括真空泵抽气单元30和冷却单元40，冷却单元40的结构以及冷却单元40和真空泵抽气单元30的连接关系与第一实施例中的描述相同，在此不作赘述。

本发明所述的气体可为惰性气体，例如氦气、氩气等；半导体衬底可为待加热去气的任何适当的半导体衬底，例如表面为二氧化硅，氮化硅或金属的半导体衬底等，本发明并不限于此。

综上所述，本发明的衬底处理系统，是把气体作为一种传热介质，通过热传导的方式将热量传递给半导体衬底，最终达到指定的工艺温度。因此，半导体衬底的加热温度与其表面的热辐射系数无关，本发明的衬底处理系统可适应不同类型衬底，实现不同类型衬底加热的兼容性。

以上对本发明的具体实施例进行了详细描述，但其只是作为范例，本发明并不限制于以上描述的具体实施例。对于本领域技术人员而言，任何对本发明进行的等同修改和替代也都在本发明的范畴之中。因此，在不脱离本发明的精神和范围下所作的均等变换和修改，都应涵盖在本发明的范围内。

Claims (10)

1.一种衬底处理系统，其特征在于，包括：去气腔和远程加热单元，其中：

所述去气腔，包括：位于腔内用于承载半导体衬底的支撑件以及位于腔壁上的气体输入口；

所述远程加热单元，包括：用于接收气体的输入口、加热单元以及与所述去气腔的气体输入口封闭相连的一个或多个输出口；

所述远程加热单元对接收到的气体进行加热，并将加热后的气体引入所述去气腔，通过气体作为传热介质对去气腔内的半导体衬底加热。

2.根据权利要求1所述的衬底处理系统，其特征在于，

所述远程加热单元，还包括：

导流元件，所述导流元件形成引导所述气体流动的导流路径，使所述气体沿所述导流路径流动以增加所述加热元件与所述气体的接触面积。

3.根据权利要求2所述的衬底处理系统，其特征在于，所述导流元件，包括：

腔体及多个位于所述腔体内相互间隔一定间距且平行交错排列的第一分隔板和第二分隔板，所述加热元件位于所述腔体周围，所述第一分隔板和第二分隔板分别与所述腔体相对的腔壁固定连接，且相邻的所述第一分隔板与所述第二分隔板部分重合，所述第一分隔板和所述第二分隔板将所述腔体分隔为多个连续空间以形成所述导流路径。

4.根据权利要求2所述的衬底处理系统，其特征在于，所述导流元件为导流管，所述导流管缠绕连接于所述加热元件外侧，所述导流管一端作为所述远程加热单元的输入口接收所述气体，另一端作为所述远程加热单元的输出口与所述去气腔的气体输入口封闭相连。

5.根据权利要求1所述的衬底处理系统，其特征在于，所述加热元件包括电阻丝。

6.根据权利要求1所述的衬底处理系统，其特征在于，所述远程加热单元还包括绝缘件，其位于所述加热元件与所述远程加热单元外壁之间。

7.根据权利要求1所述的衬底处理系统，其特征在于，还包括底部加热单元，其设置于所述去气腔底部，用于对所述半导体衬底加热。

8.根据权利要求1所述的衬底处理系统，其特征在于，所述衬底处理系统，还包括：

真空泵抽气单元，其抽气接口与所述去气腔连接，用于将所述去气腔内的气体抽出。

9.根据权利要求8所述的衬底处理系统，其特征在于，所述衬底处理系统，还包括：

冷却单元，连接于所述去气腔和所述真空泵抽气单元的抽气接口之间，用于将所述去气腔内排出的气体冷却。

10.根据权利要求9所述的衬底处理系统，其特征在于，所述冷却单元，包括：冷却元件及导气管，其中：

所述导气管的一端连接所述去气腔，另一端连接所述抽气单元的抽气接口，所述导气管缠绕连接于所述冷却元件外侧。

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