CN104779179A - 一种对半导体器件衬底进行热处理的装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种对半导体器件衬底进行热处理的装置，所述装置具有半导体器件衬底、热处理腔体、衬底托盘、支撑单元、第一驱动单元、第二驱动单元、加热单元和冷却单元。本发明提供的对半导体器件衬底进行热处理的装置，利用辐射的方式对所述半导体器件衬底进行加热，并且在加热时控制所述半导体器件衬底靠近所述加热单元，同时所述半导体器件衬底相对所述加热单元转动，提高了升温速率和加热均匀性。所述装置利用热接触传导的方式对所述半导体器件衬底进行冷却，在冷却时控制所述半导体器件衬底远离所述加热单元，并且与所述冷却单元接触，提高了降温速率。本发明提供的对半导体器件衬底进行热处理的装置能同时处理多个所述半导体器件衬底，提高了产能。

Description

一种对半导体器件衬底进行热处理的装置

技术领域

本发明涉及一种对半导体器件衬底进行热处理的装置，具体涉及一种用于对半导体器件衬底上的金属薄膜进行热处理的装置。

背景技术

近年来，随着芯片尺寸越来越小，集成度越来越高，计算机、通讯、汽车电子和其他消费类产品对集成电路芯片封装技术也提出了更高的要求。芯片封装比以前要求更小、更薄、具备高可靠性、多功能、低能耗和低成本。传统的锡铅凸块(solder bump)封装技术已经无法满足先进封装的要求，硅通孔技术(through silicon via，TSV)逐渐成为先进封装技术中的一大热点。

叠层式三维封装技术近几年来已在集成电路制造行业中得到应用。三维封装技术使单个封装体内可以堆叠多个芯片，互连线长度显著降低，信号传输更快，成本更低；将多个不同功能的芯片堆叠在一起，使单个封装体实现更多的功能，并且尺寸和重量可以减小数十倍。硅通孔技术是实现三维封装的核心技术之一。硅通孔技术拥有以下几个潜在的优势：1)连接长度可以短至一个芯片的厚度，通过逻辑模块的纵向堆叠而不是横向展开可以大大的减小逻辑模块互连的导线长度；2)高密度高纵深比互连成为可能，将成功在硅片上实现复杂的多芯片系统，其物理集成密度将大大高于现在的多芯片模块(MCM)；3)由于不同平面上的逻辑模块之间更近的电连接，RC延迟将得到极大的改善。三维芯片堆叠和硅通孔互连需要的关键工艺技术包括：a)形成通孔；b)隔绝层，阻挡层和籽晶层的沉积；c)铜填充，去除和RDL；d)硅片减薄；e)硅片/芯片的定位校准，连线和切割。

在硅通孔中沉积铜需要通过电化学沉积方法来实现。电化学沉积的铜线和铜膜具有较小的晶粒尺寸和较大的电阻率，影响半导体器件的电性能。同时，电化学沉积的铜线和铜膜具有较大的应力，会使铜线和铜膜中产生应力导致的空孔，进而影响半导体器件的可靠性和良率。因此在电化学沉积铜步骤完成后，会对半导体器件衬底进行热处理。经过热处理后，电化学沉积的铜线和铜膜的晶粒尺寸增大，电阻率减小。同时铜线和铜膜中的应力降低，避免了应力导致的空孔的产生，提高了半导体器件的可靠性和良率。

常见的对半导体器件衬底进行热处理的装置有两种。一种是通过热接触传导的方式对半导体器件衬底进行加热和冷却，在进行热处理时，半导体器件衬底与加热单元相对静止，并且一次只能处理一片半导体器件衬底，生产效率较低。另一种一次可以同时处理多片半导体器件衬底，多片半导体器件衬底叠加放置，利用气体对流的方式对半导体器件进行加热和冷却。这种方式升温速率通常较低，并且热处理的均匀性不够好。

发明内容

本发明提供一种对半导体器件衬底进行热处理的装置，所述装置具有半导体器件衬底、热处理腔体、衬底托盘、支撑单元、第一驱动单元、第二驱动单元、加热单元和冷却单元。所述衬底托盘用于承载至少一个所述半导体器件衬底。所述衬底托盘位于所述加热单元下方。所述衬底托盘位于所述冷却单元上方。所述第一驱动单元用于控制所述衬底托盘与所述加热单元和所述冷却单元间的距离。所述第二驱动单元用于控制所述衬底托盘相对所述加热单元转动。所述衬底托盘在所述第一驱动单元的驱动下，位于所述热处理腔体中的第一位置，所述半导体器件衬底被传送进入或离开所述热处理腔体。所述衬底托盘在所述第一驱动单元的驱动下，位于所述热处理腔体中的第二位置，所述加热单元通过辐射的方式对所述衬底托盘及所述半导体器件衬底进行加热，同时在第二驱动单元的驱动下所述衬底托盘相对所述加热单元转动。所述衬底托盘在所述第一驱动单元的驱动下，位于所述热处理腔体中的第三位置，所述冷却单元通过热接触传导的方式对所述衬底托盘及所述半导体器件衬底进行冷却。

本发明提供的对半导体器件衬底进行热处理的装置，利用辐射的方式对所述半导体器件衬底进行加热，并且在加热时控制所述衬底托盘靠近所述加热单元，提高升温速率。同时所述半导体器件衬底相对所述加热单元转动，提高了热处理均匀性。所述装置利用热接触传导的方式对所述半导体器件衬底进行冷却，并且在冷却时控制所述衬底托盘远离所述加热单元，并与所述冷却单元接触，提高降温速率。本发明提供的装置能同时处理多个所述半导体器件衬底，提高了产能。

附图说明

图1为本发明提供的一种对半导体器件衬底进行热处理的装置的一示意图；

图2为本发明提供的一种对半导体器件衬底进行热处理的装置的另一示意图；

图3为本发明提供的一种对半导体器件衬底进行热处理的装置的底部视图；

图4为本发明提供的一种对半导体器件衬底进行热处理的装置的主视图；

图5为本发明提供的一种对半导体器件衬底进行热处理的装置具有的衬底托盘的示意图；

图6为本发明提供的一种对半导体器件衬底进行热处理的装置具有的加热单元的示意图；

图7为本发明提供的一种对半导体器件衬底进行热处理的装置进行加热时的主视图；

图8为本发明提供的一种对半导体器件衬底进行热处理的装置进行冷却时的主视图；

图9为本发明提供的一种对半导体器件衬底进行热处理的装置的另一示意图；图10为一种利用本发明提供的对半导体器件衬底进行热处理的装置进行热处理的方法的示意图。

具体实施方法

下面将结合附图以及具体实施例来详细说明本发明，在此本发明的示意性实施例以及说明用来解释本发明，但并不作为对本发明的限定。

如图1所示，本发明提供一种对半导体器件衬底进行热处理的装置。所述装置具有一热处理腔体101。所述热处理腔体101具有一闸板阀1011、一腔体盖1012、一电极1013和另一电极1014。在所述腔体盖1012上还具有一温度控制单元110。图2为本发明提供的一种对半导体器件衬底进行热处理的装置的另一示意图。所述装置具有衬底托盘201和半导体器件衬底200。所述半导体器件衬底200为硅片、蓝宝石、碳化硅、氮化镓、砷化镓中的一种，其正面具有金属薄膜，所述金属薄膜为铜、锌、镍、铅、锡、金、银、铁、钴、铟中的一种或者多种的混合物。所述衬底托盘201承载3片所述半导体器件衬底200，位于所述热处理腔体101中。图3为本发明提供的一种对半导体器件衬底进行热处理的装置的底部视图。所述装置具有一冷却单元130。所述冷却单元130内部具有循环冷却水管路1301，冷却水在所述循环冷却水管路1301中流动，使冷却单元130保持在较低温度。所述冷却单元130还具有一出气口1302。所述出气口1302通过气体管路与所述装置具有的气体控制单元连接。所述气体控制单元具有干泵、气体质量流量控制器、蝶阀、压力计和气体喷淋头，用于控制氮气、氦气、氩气、氢气中的一种或者多种的混合物流入和流出所述热处理腔体101，进而控制所述热处理腔体101中的气体分布与压力。所述气体控制单元的工作原理与工作方式与一般真空设备所具有的气体控制单元相同，在此不作赘述。所述冷却单元130为具有循环冷却水管路的金属板，材质为铝或不锈钢中的一种。所述冷却单元130同时也是所述热处理腔体101的底板。

图4为本发明提供的一种对半导体器件衬底进行热处理的装置的主视图。所述装置具有加热单元140，所述加热单元140位于所述热处理腔体101顶部，与所述冷却单元130相对而置。所述电极1013和1014穿过所述腔体盖1012，分别与所述加热单元140的正极和负极连接。同时所述电极1013和1014分别与一外电源的正极和负极相连接，向所述加热单元140供电。所述装置具有一支撑单元403，所述支撑单元403用于支撑所述衬底托盘201。所述装置还具有第一驱动单元401和第二驱动单元402。所述第一驱动单元401与所述支撑单元403连接，驱动所述支撑单元403及所述衬底托盘201上下移动，控制所述衬底托盘201与所述加热单元140和所述冷却单元130之间的距离。所述第二驱动单元402与所述支撑单元403连接，驱动所述支撑单元403及所述衬底托盘201相对所述加热单元140转动。所述衬垫托盘201相对所述加热单元140转动的速率为1至1000转每分钟。所述装置还具有一温度监测单元120。所述温度监测单元120为一红外温度探测器，通过所述冷却单元130上的窗口监测所述衬底托盘201或者所述半导体器件衬底200的温度。如图4所示，所述衬底托盘201位于与所述闸板阀1011开口等高的位置，所述半导体器件衬底200可以被传送进入或者离开所述热处理腔体101。此时所述衬底托盘201在所述热处理腔体101中位于第一位置。

图5为本发明提供的一种对半导体器件衬底进行热处理的装置具有的所述衬底托盘201的示意图。如图5所示，所述衬底托盘可以承载3片所述半导体器件衬底200。所述衬底托盘201由金属(例如铝、不锈钢等)、陶瓷、石墨、石英中的一种材料或多种材料复合构成。

图6为本发明提供的一种对半导体器件衬底进行热处理的装置具有的所述加热单元140的示意图。如图6所示，所述加热单元140具有反射板1401、至少一个红外加热灯1402、正极1403和负极1404。所述正极1403和负极1404为圆弧状的铜块。所述加热单元140的正极1403与至少一个红外加热灯1402的正极连接，所述加热单元140的负极1404与至少一个红外加热灯1402的负极连接。同时所述加热单元140的正极1403与所述电极1013连接，所述加热单元140的负极与所述电极1014连接。通过所述电极1013和1014，所述加热单元140与一外电源形成电导通回路，给所述至少一个红外加热灯1402供电。所述反射板1401为一表面光亮的金属板，其材质为不锈钢、钼或钨中的一种。所述反射板1401将所述红外加热灯1402产生的热量反射回所述热处理腔体101内部，提高加热效率。所述加热单元140的正极1403和负极1404安置于所述反射板1401上，并通过所述加热单元140的正极1403和负极1404与所述反射板1401之间的陶瓷垫片保持绝缘。所述加热单元140也可以具有电阻加热丝1402，作为对红外加热灯的替代。

图7为本发明提供的一种对半导体器件衬底进行热处理的装置对所述半导体器件衬底200进行加热时的示意图。如图7所示，在第一驱动单元401的驱动下，所述衬底托盘201及其承载的所述半导体器件衬底200靠近所述加热单元140，位于第二位置，所述加热单元140通过辐射的方式对所述半导体器件衬底200进行加热。所述第二位置和所述第一位置为同一位置。同时在第二驱动单元402的驱动下，所述衬底托盘201承载所述半导体器件衬底200相对所述加热单元140转动。由于加热时所述衬底托盘201及其承载的所述半导体器件衬底200靠近所述加热单元140，提高了升温速率，进而提高生产效率。同时所述半导体器件衬底200相对所述加热单元140转动，提高了热处理的均匀性。

图8为本发明提供的一种对半导体器件衬底进行热处理的装置对所述半导体器件衬底200进行冷却时的示意图。如图8所示，在第一驱动单元401的驱动下，所述衬底托盘201与所述冷却单元130接触，位于第三位置，所述冷却单元130通过热接触传导的方式对所述衬底托盘201及其承载的所述半导体器件衬底200进行冷却。由于所述衬底托盘201及其承载的所述半导体器件衬底200远离所述加热单元140，降温速率得到提高，提高了生产效率。

图9为本发明提供的一种对半导体器件衬底进行热处理的装置的另一示意图。如图9所示，所述装置还具有一机械手臂901。所述机械手臂901持有所述半导体器件衬底200，并将所述半导体器件衬底200传送进入或者离开所述热处理腔体101。所述机械手臂901为一人为操作的机械传送装置或自动化机械手中的一种。所述机械手臂901将所述半导体器件衬底200传送进入所述热处理腔体101时，使其正面向上，所述半导体器件衬底200正面具有的金属薄膜面对所述加热单元140。在加热时所述加热单元140具有的所述红外加热灯1402直接照射所述半导体器件衬底200正面的金属薄膜。所述机械手臂901也可以带动所述半导体器件衬底200翻转，使所述半导体器件衬底200进入所述热处理腔体101时背面向上面对所述加热单元140。在加热时所述加热单元140具有的所述红外加热灯1402照射所述半导体器件衬底200的背面。

本发明还提供一种利用所述装置对所述半导体器件衬底200进行热处理的方法，包括：

1.所述衬底托盘201位于所述热处理腔体101中的第一位置，所述半导体器件衬底200被置于所述衬底托盘201上；

2.所述衬底托盘201在所述第一驱动单元401的驱动下，移动到所述热处理腔体101中的第二位置，所述加热单元140开启，通过辐射的方式对所述衬底托盘201及其承载的所述半导体器件衬底200进行加热；同时在所述第二驱动单元402的驱动下，所述衬底托盘201及其承载的所述半导体器件衬底200相对所述加热单元140转动；

3.所述温度控制单元110控制所述加热单元140的温度，并在一设定温度下保持一定时间；

4.加热步骤结束，所述加热单元140关闭，所述衬底托盘201停止转动；

5.所述衬底托盘201在所述第一驱动单元401的驱动下，移动到所述热处理腔体101中的第三位置，所述冷却单元130通过热接触传导的方式对所述衬底托盘201及其承载的所述半导体器件衬底200进行冷却；

6.所述温度监测单元120监测所述衬底托盘201或者所述半导体器件衬底200的温度，达到一设定温度时冷却步骤结束；

7.所述衬底托盘201在所述第一驱动单元401的驱动下，移动到所述热处理腔体101中的第一位置，所述半导体器件衬底200被传送离开所述热处理腔体101。

相比一般的热处理装置，本发明提供的一种对半导体器件衬底进行热处理的装置，通过在加热时控制所述半导体器件衬底200靠近所述加热单元140，提高了升温速率；在冷却时控制所述半导体器件衬底200远离所述加热单元140，提高了降温速率，进而提高了生产效率。在加热时通过控制所述半导体器件衬底200相对所述加热单元140转动，提高了热处理均匀性。本发明提供的一种对半导体器件衬底进行热处理的装置可以同时处理多片所述半导体器件衬底200，进一步提高了生产效率。

以上对本发明实施例所提供的方案进行了详细解释，本发明中应用了具体个例对本发明的原理和实施方式进行了阐述，以上的实施例说明只适用于帮助理解本发明实施例的原理。对于本领域的一般技术人员，依据本发明实施例，在具体实施方式及应用范围上均会有所改变，在不偏离本发明宗旨的基础上，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (10)

1.一种对半导体器件衬底进行热处理的装置，所述装置具有：

半导体器件衬底，所述半导体器件衬底正面具有金属薄膜；

热处理腔体；

衬底托盘，所述衬底托盘用于承载所述半导体器件衬底；

支撑单元，所述支撑单元用于支撑所述衬底托盘；

第一驱动单元，所述第一驱动单元与所述支撑单元相连；

第二驱动单元，所述第二驱动单元与所述支撑单元相连；

加热单元；

冷却单元，所述冷却单元与所述加热单元相对而置；

其特征在于：

所述衬底托盘用于承载至少一个所述半导体器件衬底；

所述衬底托盘位于所述加热单元下方；

所述衬底托盘位于所述冷却单元上方；

所述第一驱动单元用于控制所述衬底托盘与所述加热单元和所述冷却单元间的距离；

所述第二驱动单元用于控制所述衬底托盘相对所述加热单元转动；

所述衬底托盘在所述第一驱动单元的驱动下，位于所述热处理腔体中的第一位置，所述半导体器件衬底被传送进入或离开所述热处理腔体；

所述衬底托盘在所述第一驱动单元的驱动下，位于所述热处理腔体中的第二位置，所述加热单元通过辐射的方式对所述衬底托盘及所述半导体器件衬底进行加热，同时在所述第二驱动单元的驱动下所述衬底托盘相对所述加热单元转动；

所述衬底托盘在所述第一驱动单元的驱动下，位于所述热处理腔体中的第三位置，所述冷却单元通过热接触传导的方式对所述衬底托盘及所述半导体器件衬底进行冷却；

所述装置还包括气体控制单元，用于控制所述热处理腔体中的气体分布与压力；

所述装置还包括温度控制单元，用于控制所述加热单元的温度；

所述装置还包括温度监测单元，用于监测所述半导体器件衬底或所述衬底托盘的温度。

2.权利要求1所述的装置，其特征在于，所述加热单元具有红外加热灯或电阻加热丝中的一种。

3.权利要求1所述的装置，其特征在于，所述冷却单元为内部具有循环冷却水的金属冷却板。

4.权利要求1所述的装置，其特征在于，所述第一驱动单元包括步进马达、伺服马达、多位置气缸中的一种。

5.权利要求1所述的装置，其特征在于，所述第二驱动单元包括步进马达或伺服马达中的一种。

6.权利要求1所述的装置，其特征在于，所述第一位置和第二位置为同一位置。

7.权利要求1所述的装置，其特征在于，所述气体控制单元包括干泵、气体质量流量控制器、蝶阀、压力计、气体喷淋头。

8.权利要求7所述的装置，其特征在于，所述气体控制单元控制氮气、氦气、氩气、氢气中的一种或者多种的混合物。

9.权利要求1所述的装置，其特征在于，所述装置还具有机械手臂，所述机械手臂用于将所述半导体器件衬底传送至或传送离开所述第一位置。

10.一种利用权利要求1至9中任一项所述的装置对所述半导体器件衬底进行热处理的方法，包括：

所述衬底托盘位于所述热处理腔体中的第一位置，所述半导体器件衬底被置于所述衬底托盘上；

所述衬底托盘在所述第一驱动单元的驱动下，移动到所述热处理腔体中的第二位置，所述加热单元开启，通过辐射的方式对所述衬底托盘及其承载的所述半导体器件衬底进行加热，同时在所述第二驱动单元的驱动下，所述衬底托盘及其承载的所述半导体器件衬底相对所述加热单元转动；

所述温度控制单元控制所述加热单元的温度，并在一定温度下保持一段时间；加热步骤结束，所述加热单元关闭，所述衬底托盘停止转动；

所述衬底托盘在所述第一驱动单元的驱动下，移动到所述热处理腔体中的第三位置，所述衬底托盘与所述冷却单元接触，所述冷却单元通过热接触传导的方式对所述衬底托盘及其承载的所述半导体器件衬底进行冷却；

所述温度监测单元监测所述衬底托盘或者所述半导体器件衬底的温度，达到一定温度时冷却步骤结束；

所述衬底托盘在所述第一驱动单元的驱动下，移动到所述热处理腔体中的第一位置，所述半导体器件衬底被传送离开所述热处理腔体。