CN103928373A - 一种半导体热处理设备 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种半导体热处理设备，其包括炉体、保温层、加热元件以及绝缘固定组件，所述炉体包括内壁、外壁和顶盖，所述保温层设置在加热元件和内壁之间；所述加热元件由若干段纵向分布的加热丝构成，且所述若干段纵向分布的加热丝紧贴着所述炉体保温层的内壁面安装；所述绝缘固定组件将加热丝固定在所述保温层的内壁面上，并同时将所述保温层固定在炉体的内壁上。因此，本发明在晶圆热处理工艺过程中，尤其是在晶圆热处理低温工艺过程中，即使在没有附加辅助降温系统(RCU)的条件下，也可以实现低温下的高控温精度，同时可以获得较大的降温速率。

Description

一种半导体热处理设备

技术领域

本发明涉及集成电路制造技术领域，更具体地说，涉及一种半导体热处理设备。

背景技术

在半导体生产中，晶圆的热处理设备起着重要作用，例如，在半导体热处理设备中，立式扩散/氧化炉，是集成电路生产线前工序的重要工艺设备半导体之一。半导体热处理设备主要包括设置在外侧的炉体外壳、炉体保温层、加热单元、炉体内的反应腔室(tube)、晶舟(boat)+晶圆(wafer)以及保温筒。

在工艺过程中，晶圆放置在热处理设备内的晶圆支撑装置(晶舟)上，通常在晶圆与加热单元之间还设置有石英管，用来将晶圆与热处理反应腔室的壁分开。加热单元主要由加热元件和保温材料构成，加热丝用来给晶圆加热。通常，加热元件安装在保温层的内表面上，给反应腔室内的晶圆加热，以进行硅片工艺中的扩散、退火、合金、氧化、薄膜生长等工艺，加热元件与保温材料安装在一起，通过一定的手段，保温材料将加热元件按一定的布局支撑固定。保温层中的保温材料则起着绝热的作用，将热处理装置内部的热与外部隔绝开，以保证环境温度不过高，同时，对热处理装置的能耗及控温效果都有着不同程度的影响作用。

作为发热体的加热元件通常包括加热丝和将加热丝固定在保温层上的绝缘件组成。最常用的安装形式为，加热丝绕成螺旋状，贴着炉体外壳的保温层内壁面安装，支撑绝缘件嵌入保温层，并按一定的间距，将加热丝安装在保温层的内表面上。

本领域技术人员清楚，上述加热元件在使用过程中，会存在如下缺点：

①、针对晶圆低温工艺，在没有附加辅助降温系统(RCU)的条件下，低温控温精度和降温速率低；

②、加热丝和保温层内壁面固定安装，以及保温层与炉体内壁的固定安装结构复杂。

上述两个缺陷，直接影响到了晶圆的热处理的可靠性、生产率、生产成本以及后期可维护性等问题，成为目前业界急需解决的问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种半导体热处理设备，其针对晶圆工艺的热处理工艺，尤其针对晶圆低温工艺，在没有附加辅助降温系统(RCU)的条件下，实现低温下控温精度高，同时可以获得较大的降温速率。

为实现上述目的，本发明的技术方案如下：

一种半导体热处理设备，包括炉体、保温层、加热元件以及绝缘固定组件；所述炉体包括内壁、外壁和顶盖，所述保温层设置在加热元件和内壁之间；所述加热元件由若干段纵向分布的加热丝构成，且所述若干段纵向分布的加热丝紧贴着所述炉体保温层的内壁面安装；所述绝缘固定组件将加热丝固定在所述保温层的内壁面上，并同时将所述保温层固定在炉体的内壁上。

优选地，所述保温层的内壁为圆环形，每段所述加热丝为带状结构，按所述保温层的圆环形内壁圆周绕成波纹状；每段所述加热丝设置两个引出端，用于与相邻加热丝焊接或从所述保温层的内壁引出连接电缆，所述加热丝弯曲的位置设置绝缘固定组件。

优选地，固定所述加热丝的绝缘固定组件包括固定轮和紧固安装件；所述固定轮由固定轮挡片和固定轮主体构成，所述固定轮挡片和固定轮主体中心具有同心的通孔，用于供所述紧固安装件穿接所述炉体的内壁，所述固定轮主体由固定轮挡片和加热丝固定轴一体成型，两个所述固定轮挡片之间用于安装并限制所述加热丝。

优选地，所述固定轮挡片和固定轮主体由耐高温绝缘材料制成。

优选地，所述保温层的材料为保温棉，所述的紧固安装件穿过所述保温棉，将所述绝缘固定组件与所述炉体内壁连接固定，同时所述固定轮将保温棉压紧固定在炉体的内壁上，所述固定轮支撑所述加热丝，并将所述加热丝限制在两个所述固定轮挡片之间。

优选地，所述半导体热处理设备还可以包括顶部连接环和底部连接环；所述顶部连接环设置在炉体顶部且位于内壁外侧，所述炉体顶部外壁与所述顶部连接环安装固定；所述底部连接环与所述炉体的底部外壁安装固定。

优选地，所述顶盖与所述顶部连接环连接固定。

优选地，所述顶部连环设置有安装孔，所述顶盖上设置有相应的连接孔，用于与顶部连接环的安装孔安装固定；所述炉体顶部外壁与所述顶部连接环焊接，所述炉体底部外壁与所述底部连接环焊接。

优选地，所述顶盖包括顶盖板和保温棉，所述顶盖板具有中央凹陷的圆形区域，用于设置所述保温棉，所述保温棉与顶盖板固定在一起，所述保温棉设置在朝向所述炉体的内侧。

优选地，所述保温层的内壁为圆环形，在所述炉体的内壁与外壁之间设置有水冷单元，所述水冷单元由水冷管纵向绕成波纹状，并按所述保温层的圆环形内壁围成圆周。

从上述技术方案可以看出，本发明在晶圆热处理工艺过程中，尤其是在晶圆热处理低温工艺过程中，即使在没有附加辅助降温系统(RCU)的条件下，也可以实现低温下的高控温精度，同时可以获得较大的降温速率。因此，本发明在确保加热丝的安全性、可靠性高和生产率高前提下，还具有结构简单、生产成本低和后期可维护性强等优势。

附图说明

图1所示为本发明立式热处理设备的总装结构示意图

图2为图1中所示立式热处理设备中总装剖面图

图3为图2中所示立式热处理设备中包括加热丝单元和固定件的结构图

图4为图2中所示立式热处理设备中加热丝单元的结构示意图

图5为图2中所示立式热处理设备中加热丝固定轮的结构示意图

图6所示为本发明加热丝固定轮的爆炸结构示意图

图7所示为本发明实施例加热丝固定轮剖面结构示意图

图8为图5中所示本发明实施例中加热丝固定轮顶盖爆炸结构示意图

图9为图5中所示本发明实施例中加热丝固定轮顶盖剖面结构示意图

图10所示为所示本发明实施例中顶部连接环的结构示意图

[附图编号说明]：

1：加热丝；12：引线端；2：加热丝绝缘固定部件；

21：固定轮挡片；22：固定轮主体

3：保温层；4：内壁；5：顶部连接环；6：底部安装环；

7：顶盖；71：顶盖板；72：顶盖保温棉；

8：外壁；9：水冷管

具体实施方式

下面结合附图1至9，对本发明的具体实施方式作进一步的详细说明。

请参阅图1，图1所示为本发明立式热处理设备的总装结构示意图；如图所示，半导体热处理设备包括炉体、保温层3、加热元件1以及绝缘固定组件2。炉体包括内壁4、外壁8和顶盖7，保温层3设置在加热元件1和内壁4之间；加热元件1由若干段纵向分布的加热丝构成，且该若干段纵向分布的加热丝紧贴着炉体保温层3的内壁面安装；绝缘固定组件2将加热丝固定在保温层3的内壁面上，并同时将保温层3固定在炉体的内壁4上。

具体地，在本实施例中，加热元件1由若干段独立的加热丝构成，每段加热丝绕圆周逞波纹状成型，在波峰和波谷处设置有加热丝的绝缘固定组件2，通常，绝缘固定组件2耐高温的绝缘材质制作，例如，陶瓷。

通过加热丝绝缘部件即绝缘固定组件2，可以将每段加热丝分别与炉体内壁4安装固定。在加热丝和炉体内壁4之间设置有保温层3，保温层3可以由单层保温棉构成，并安装固定在炉体内壁4上。较佳地，保温层3可以由保温棉制成。

在本发明的一些实施例中，炉体外壁8通过顶部连接环5和底部连接环6安装固定，安装固定的方式可以用焊接的方式。在炉体内壁4和外壁8之间安装有水冷管9，水冷管9可以安装固定在炉体内壁4表面，顶盖7与顶部安装环5连接固定。

同时，根据热处理装置的实际使用温度及使用环境对炉体外壁8的温度要求，可以对内壁4和外壁8之间的空隙尺寸进行调节，当热处理装置的实际使用温度较高，且外壁8温度不能过高时，可以加大内壁4和外壁8之间的空隙，并将水冷管9安装在外壁8的内表面，反之，可减小内外壁之间的空隙尺寸，并将水冷管贴近安装在内壁的外表面上。热处理装置顶盖7通常安装在热处理装置的顶部，对热处理装置顶部的保温性具有一定的作用。

请参阅图2，图2为图1中所示立式热处理设备中总装剖面图。如图所示，保温层3的内壁为圆环形，加热丝在热处理装置即保温层3内壁上纵向分布，每段加热丝为带状结构，按保温层3的圆环形内壁圆周绕成波纹状。每段加热丝设置两个引出端，用于与相邻加热丝焊接或从保温层3的内壁引出连接电缆，加热丝弯曲的位置设置绝缘固定组件2。

需要说明的是，每段加热丝之间的间隔根据热处理装置的实际使用需求确定。每段加热丝的高度尺寸及波长可以不同，根据热理装置的实际使用需求而定。另外，用来安装固定加热丝的绝缘固定组件2对保温层3中的保温棉也具有固定的作用，所以，在本发明的实施例中，保温层3的单独固定件的用量可以降低。

请参阅图3，图3为图2中所示立式热处理设备中包括加热丝单元和固定件的结构图。如图所示，加热元件1由加热丝、引线端12、加热丝绝缘固定组件2构成。每段加热丝包括两个引线端12，引线端12可以是与加热丝相同材质或相近材质的金属片与加热丝端部焊接，也可以是加热丝末端弯曲引出。

请参阅图4，图4为图2中所示立式热处理设备中加热丝单元的结构示意图。如图所示，热处理装置的加热丝绕圆周逞波纹状成型，根据实际需要，每段加热丝的高度及波长可不同。加热丝为带状材料。

请参阅图5和图6，图5为图2中所示立式热处理设备中加热丝固定轮的结构示意图，图6所示为本发明加热丝固定轮的爆炸结构示意图。图中的加热丝的固定轮，是属于加热丝绝缘固定组件2的一部分，由耐高温绝缘材质制成，由两部分构成，分别是固定轮挡片21和固定轮主体22。固定轮挡片21和固定轮主体22之间不存在连接固定。

请参阅图7，图7所示为本发明实施例加热丝固定轮剖面结构示意图。如图所示，在固定轮挡片21和固定轮主体22上设置有同心的通孔，用于通过安装紧固件，如螺钉，将固定轮挡片21和固定轮主体22安装固定在炉体内壁4上，同时将保温棉压在炉体内壁4上。固定轮主体22由固定轮挡片21和加热丝固定轴一体成型，两个固定轮挡片21之间用于安装并限制加热丝。较佳地，加热丝的波峰或波谷限制在固定轮的两轮之间，以达到加热丝的安装和固定。

请参阅图8，图8为图5中所示本发明实施例中顶盖爆炸结构示意图。如图所示，顶盖7包括顶盖板71、顶盖保温棉72，顶盖保温棉72与顶盖板71固定在一起，顶盖保温棉72设置在热处理装置腔室的一侧。顶盖板71的外侧设置有安装环，安装环上设置有安装孔，用于与顶部连接环5安装固定。

请参阅图9，图9为图5中所示本发明实施例中顶盖剖面结构示意图。如图所示，顶盖板71设置成几字形，在中央凹陷的区域设置有顶部保温棉72。

请参阅图10，图10所示为所示本发明实施例中顶部连接环的结构示意图。如题所示，顶部连接环5分为纵向环和横向环，在横向环上设置有安装孔，用于与顶盖7连接固定。纵向环套在炉体的内壁4外侧，并与内壁4焊接固定，横向环与外壁8焊接。

综上所述，本发明实施例中结构，可以在晶圆热处理工艺过程中，尤其是在晶圆热处理低温工艺过程中，即使在没有附加辅助降温系统(RCU)的条件下，能实现低温下的高控温精度，同时还可以获得较大的降温速率。

以上所述的仅为本发明的优选实施例，所述实施例并非用以限制本发明的专利保护范围，因此凡是运用本发明的说明书及附图内容所作的等同结构变化，同理均应包含在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种半导体热处理设备，包括炉体、保温层、加热元件以及绝缘固定组件，其特征在于,所述炉体包括内壁、外壁和顶盖，所述保温层设置在加热元件和内壁之间；所述加热元件由若干段纵向分布的加热丝构成，且所述若干段纵向分布的加热丝紧贴着所述炉体保温层的内壁面安装；所述绝缘固定组件将加热丝固定在所述保温层的内壁面上，并同时将所述保温层固定在炉体的内壁上。

2.如权利要求1所述的半导体热处理设备，其特征在于，所述保温层的内壁为圆环形，每段所述加热丝为带状结构，按所述保温层的圆环形内壁圆周绕成波纹状；每段所述加热丝设置两个引出端，用于与相邻加热丝焊接或从所述保温层的内壁引出连接电缆，所述加热丝弯曲的位置设置绝缘固定组件。

3.如权利要求1所述的半导体热处理设备，其特征在于，固定所述加热丝的绝缘固定组件包括固定轮和紧固安装件；所述固定轮由固定轮挡片和固定轮主体构成，所述固定轮挡片和固定轮主体中心具有同心的通孔，用于供所述紧固安装件穿接所述炉体的内壁，所述固定轮主体由固定轮挡片和加热丝固定轴一体成型，两个所述固定轮挡片之间用于安装并限制所述加热丝。

4.如权利要求3所述的半导体热处理设备，其特征在于，所述固定轮挡片和固定轮主体由耐高温绝缘材料制成。

5.如权利要求3所述的半导体热处理设备，其特征在于，所述保温层的材料为保温棉，所述的紧固安装件穿过所述保温棉，将所述绝缘固定组件与所述炉体内壁连接固定，同时所述固定轮将保温棉压紧固定在炉体的内壁上，所述固定轮支撑所述加热丝，并将所述加热丝限制在两个所述固定轮挡片之间。

6.如权利要求1所述的半导体热处理设备，其特征在于，还包括顶部连接环和底部连接环；所述顶部连接环设置在炉体顶部且位于内壁外侧，所述炉体顶部外壁与所述顶部连接环安装固定；所述底部连接环与所述炉体的底部外壁安装固定。

7.如权利要求1所述的半导体热处理设备，其特征在于，所述顶盖与所述顶部连接环连接固定。

8.如权利要求7所述的半导体热处理设备，其特征在于，所述顶部连环设置有安装孔，所述顶盖上设置有相应的连接孔，用于与顶部连接环的安装孔安装固定；所述炉体顶部外壁与所述顶部连接环焊接，所述炉体底部外壁与所述底部连接环焊接。

9.如权利要求1所述的半导体热处理设备，其特征在于，所述顶盖包括顶盖板和保温棉，所述顶盖板具有中央凹陷的圆形区域，用于设置所述保温棉，所述保温棉与顶盖板固定在一起，所述保温棉设置在朝向所述炉体的内侧。

10.如权利要求1所述的半导体热处理设备，其特征在于，所述保温层的内壁为圆环形，在所述炉体的内壁与外壁之间设置有水冷单元，所述水冷单元由水冷管纵向绕成波纹状，并按所述保温层的圆环形内壁围成圆周。