CN103839875B - 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、输气单元和气体处理装置，其中去气腔包括承载半导体衬底且位于腔内的支撑件；输气单元包括用于接收气体的输入口以及与所述去气腔封闭相连的一个或多个输出口；气体处理装置包括加热单元，所述气体处理装置与所述输气单元的输出口连接并位于所述支撑件上方；气体处理装置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所述去气腔内的半导体衬底加热。本发明能够有效改善半导体衬底表面热辐射系数对加热温度的影响，实现不同类型半导体衬底的加热兼容性。

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，需在密闭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。

请参阅图2，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。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。

为了达成上述目的，本发明提供一种衬底处理系统，其包括去气腔、输气单元和气体处理装置，其中：所述去气腔，包括位于腔内的支撑件,所述支撑件用于承载半导体衬底；所述输气单元，包括用于接收气体的输入口以及与所述去气腔封闭相连的一个或多个输出口；所述气体处理装置，包括加热单元；所述气体处理装置与所述输气单元的输出口连接并位于所述支撑件上方；所述气体处理装置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所述去气腔内的半导体衬底加热。

优选的，所述加热单元，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单元与所述气体的接触面积。

优选的，所述气体处理装置，还包括匀气单元，所述匀气单元包括一个或多个匀气板，所述匀气板具有多个通孔；所述加热单元位于所述匀气板的上方、下方或所述匀气板内，用于对通过所述通孔的气体加热。

优选的，所述多个匀气板相互间隔一定的间距且与所述支撑件承载所述半导体衬底的表面平行排列，每个所述匀气板上的通孔呈均匀分布，且靠近所述支撑件的匀气板上通孔的数量大于靠近所述输气单元输出口的匀气板上通孔的数量。

优选的，所述加热单元紧密贴合于所述匀气板的上表面或下表面。

优选的，所述加热单元包括电阻丝。

优选的，所述衬底处理系统还包括底部加热单元，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。

本发明的有益效果在于：通过气体处理装置对气体进行加热和匀化处理，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，从而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，实现不同类型半导体衬底的加热兼容性，并满足实际去气工艺中对半导体衬底加热的均匀性要求。

附图说明

图1为现有技术中铜互连PVD工艺过程的示意图；

图2为现有技术的衬底加热设备的示意图；

图3为本发明衬底处理系统一具体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第一匀气板的俯视图；

图5为本发明一实施例衬底处理系统的第二匀气板的俯视图。

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3-5，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。

请参阅图3，图3为本发明衬底处理系统一具体实施例的结构示意图。如图所示，本发明的衬底处理系统包括去气腔、输气单元10和气体处理装置。去气腔包括位于腔内承载半导体衬底1的支撑件31。

输气单元10包括用于接收气体的输入口以及与去气腔封闭相连的一个或多个输出口。输气单元10可位于去气腔上方或侧面，用于将气体引入去气腔内。

气体处理装置用于对输气单元10引入的气体进行加热，并将加热后的气体引入去气腔，通过气体作为传热介质对去气腔内的半导体衬底1加热。气体处理装置设置于去气腔内，其与输气单元10的输出口连接并位于支撑件31上方，其包括加热单元20和匀气单元21。

匀气单元21包括一个或多个匀气板，较佳的，可通过多个匀气板达到充分匀气的目的。在一些较佳实施例中，匀气板的数量可以为2、3或4个。多个匀气板相互间隔一定的间距且与所述支撑件10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。

每个匀气板具有多个通孔，通过使气体穿过该通孔达到均匀气体的目的。通常情况下，每个匀气板上的通孔呈密集均匀分布，且靠近支撑件31的匀气板上通孔的数量大于靠近输气单元10输出口的匀气板上通孔的数量。也就是说，靠近输气单元10输出口的匀气板上通孔的孔径较大，通孔数较少，通孔分布的密度也较小；而靠近支撑件31的匀气板上通孔的孔径较小，通孔数较多，通孔分布的密度也较大。匀气板的材料理论上可以为耐高温的任何材料，较佳的，可以为不锈钢材料。

加热单元20可以位于匀气板的上方、下方或匀气板内，具体来说，加热单元20可以以一定间距位于匀气板的上方或下方；也可紧密贴合于匀气板的上表面或下表面；也可位于匀气板内与其相结合。加热单元20的作用在于对需经过通孔匀气的气体加热。在一些实施例中，加热单元20根据匀气板的数量，可以为一个或多个。例如，可以每一个匀气板均相应配置一个加热单元20，也可以多个匀气板配置一个加热单元20，或一个匀气板配置多个加热单元20。

其中，加热单元20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。进一步的，由于在进行不同工艺时，对去气腔的加热温度要求也不同，例如，在集成电路制造工艺时，需将半导体衬底加热至250~300℃，而在进行封装工艺时，需将半导体衬底加热至150~180℃，因此，加热单元20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。

其中，加热单元20对接收到的气体加热，加热元件20可包括导流元件，导流元件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，以增加加热单元与气体的接触面积。

由此，经气体处理装置加热匀化后的气体即可作为传热介质通过热传导的方式将热量传递给半导体衬底1，从而使得半导体衬底1达到所需的工艺温度。

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，可与加热单元20配合使用，共同对半导体衬底加热。

去气腔也可包括位于腔体上方的保护外壳及位于保护外壳下方腔壁内的腔壁屏蔽件。保护外壳和腔壁屏蔽件均具有冷却水路，用以防止保护外壳及去气腔壁过热。

此外，在本发明的衬底处理系统中，还可包括真空泵抽气单元40。真空泵抽气单元40的抽气接口与去气腔的下部密封连接，用于将去气腔内加热及匀化后的气体抽出。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40进行真空排气或停止真空排气就可以调节去气腔内的压力，使其中压力保持在7Torr以上。

然而，若真空泵抽气单元40直接连接于去气腔，则从去气腔排出的高温气体会直接进入到真空泵抽气单元40，对真空泵抽气单元40容易造成损害。因此，在本发明的另一实施例中，衬底处理系统还可包括连接在去气腔和真空泵抽气单元40的之间的冷却单元，冷却单元的两端可分别通过转接头密闭连接于去气腔以及真空泵抽气单元40的抽气接口。通过冷却单元先对去气腔内排出的高温气体进行冷却，再由真空泵抽气单元40抽出，如此一来，能够减少加热气体对真空泵抽气单元40的损害，延长真空泵抽气单元40的使用寿命。

较佳的，冷却单元包括冷却元件及导气管，导气管的一端与去气腔的下部密闭连接，另一端连接抽气单元40，导气管在冷却元件外侧紧密缠绕至少一圈。冷却元件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中流动时，其通过导气管与冷却元件充分进行热量交换以被冷却。

接下来将进一步结合图3至图5对本发明的衬底处理系统，其气体处理装置的匀气单元具有2个匀气板的情形加以描述。

如前所述，衬底处理系统包括去气腔、输气单元10和气体处理装置。去气腔包括位于腔内的用于承载所述半导体衬底1的支撑件31。去气腔还可包括具有冷却水路的保护外壳及腔壁屏蔽件。

输气单元10包括用以接收气体的输入口以及与去气腔封闭相连的输出口。

气体处理装置设置于去气腔内，其与输气单元10的输出口连接并位于支撑件31上方。气体处理装置包括加热单元20和匀气单元21。匀气单元21包括两个匀气板210，211，匀气板210，211间隔一定的间距且与支撑件31承载半导体衬底1的表面平行排列，且通过固定件22与去气腔的腔室侧壁固定连接，匀气板的材料均为不锈钢材料。其中，靠近输气单元10输出口的第一匀气板210均匀分布有直径为2mm，间距为50mm的通孔，而靠近支撑件10的第二匀气板211均匀分布有直径为0.5mm，间距为12mm的通孔。第二匀气板211通孔的孔径要小于第一匀气板210，通孔数量则要大于第一匀气板210，也即是第二匀气板211的通孔分布的密度要大于第一匀气板210。当需匀化处理的气体经过第一匀气板210匀化之后，再经过第二匀气板211进行二次匀化，能够使气体分布更为均匀。

另一方面，加热单元20的数量为一个，其位于匀气板210，211的上方，紧靠并环绕输气单元10的输出口。当输气单元10的输出口将气体引入后，由于匀气板210和211上的通孔较小，存在气体流通阻力，气体会首先填充并停留在加热单元20和匀气板210以及匀气板210和匀气板211所构成的空间，而不会立即向下分布至半导体衬底1。因此，位于气体处理装置内的气体能够被加热单元20充分加热。加热后的气体再经过匀气板210和匀气板211两次匀气之后，更为均匀地分布到半导体衬底1。如此一来，加热匀化后的气体就能够作为传热介质通过热传导的方式将热量传递给半导体衬底1，最终达到半导体衬底1的工艺温度。加热单元20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。较佳的，加热单元20还可包括导流元件，导流元件形成引导气体流动的导流路径，使气体沿导流路径流动以增加加热单元20与气体的接触面积。此外，加热单元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。

值得注意的是，在本实施例中输气单元10的输出口仅为1个，而在其他实施例中，输气单元10可有多个输出口，气体能够从上方分散地进入气体处理装置。此时，加热单元20环绕在输气单元10的多个输出口并与其相连，使气体能够更均匀地受热。

此外，衬底处理系统还可包括真空泵抽气单元40。真空泵抽气单元40的抽气接口与去气腔的下部密封连接，用于将去气腔内加热及匀化的气体抽出。

本发明所述的气体可以为惰性气体，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，通过气体处理装置对气体进行加热，从而将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。此外，通过气体处理装置对气体的匀化处理，能够满足实际去气工艺过程中对半导体衬底加热的均匀性要求。

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、输气单元和气体处理装置，其中：

所述去气腔，包括位于腔内的支撑件,所述支撑件用于承载半导体衬底；

所述输气单元，包括用于接收气体的输入口以及与所述去气腔封闭相连的一个或多个输出口；

所述气体处理装置，设置于所述去气腔内与所述输气单元的输出口连接并位于所述支撑件上方；

所述气体处理装置包括加热单元和匀气单元，所述匀气单元包括与所述半导体衬底表面平行排列的相互间隔一定间距的多个匀气板，所述匀气板具有多个通孔；所述加热单元位于所述匀气板的上方、下方或所述匀气板内，用于对通过所述通孔的气体加热；

所述多个匀气板中靠近所述支撑件的匀气板上通孔的数量大于靠近所述输气单元输出口的匀气板上通孔的数量，靠近所述输气单元输出口的匀气板上通孔的孔径大于靠近所述支撑件的匀气板上通孔的孔径；

所述多个匀气板之间形成使气体停留被加热的空间。

2.根据权利要求1所述的衬底处理系统，其特征在于，所述加热单元，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单元与所述气体的接触面积。

3.根据权利要求1所述的衬底处理系统，其特征在于，所述匀气板与所述去气腔的腔室侧壁固定连接。

4.根据权利要求1所述的衬底处理系统，其特征在于，每个所述匀气板上的通孔呈均匀分布。

5.根据权利要求1所述的衬底处理系统，其特征在于，所述加热单元紧密贴合于所述匀气板的上表面或下表面。

6.根据权利要求1所述的衬底处理系统，其特征在于，所述加热单元包括电阻丝。

7.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，还包括底部加热单元，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。