CN106222753B - 一种微型快速升降温退火炉 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种微型快速升降温退火炉，主要包括：真空腔体、“三明治”结构加热平台、热电偶温度传感器、PID温度控制器、定时器、直流电源、稳压电源、炉体支架等。真空腔体由四通管道和密封罩构成，并用KF法兰密封，方便取放样品；退火炉整体采用CF法兰密封，腔室内易于达到气压低于10^‑5Pa的高真空水平；“三明治”结构加热平台由石英支撑板、金属加热薄片和石英样品台构成，加热部件体积小，易于实现快速升降温，无需设置价格高昂的红外加热装置、冷却辅助装置，有效降低快速升降温退火炉的整体成本。本发明具有体积小、能耗低、成本低、操作和维修简便等特点。本发明可以用于小样品的常温退火、快速高温退火、热氧化、通气热处理等。

Description

一种微型快速升降温退火炉

技术领域

本发明涉及一种半导体材料热处理设备，尤其涉及一种微型快速升降温退火炉。

背景技术

退火是一种半导体热处理的常用工艺，根据退火不同的作用会设置不同的退火温度、退火时间和升降温速率，在某些特殊退火工艺中还需要通入不同的气体。

退火热工艺根据退火温度的不同可以分为常温退火和高温退火。单晶片的常温退火热处理是消除晶片内应力的低温热处理过程，目的在于消除由于切片、倒角、磨片等加工中对单晶片造成的内应力。单晶片的高温退火热处理是为了消除晶片内部由于离子注入、高能电子辐照等工艺带来的晶格损伤，减小点缺陷密度，激活掺杂离子的电活性。

具体地讲，离子注入是将具有高动能的掺杂离子引入到半导体中的一种工艺，其目的在于改变半导体的载流子浓度和导电类型。离子注入必然会造成半导体内部损伤，部分原子在注入离子的撞击下离开原来的晶格位置，使载流子寿命和迁移率等半导体参数受到严重影响。此外，大部分的离子在被注入时并不位于晶格位置，而是处于间隙位置，一般不具备活性，为激活被注入离子的电活性并修复晶格损伤，必须对半导体进行高温退火处理。

在某些特殊退火工艺中还需要通入不同的气体。常见的退火装置密封性不是很好，为防止样品表面在高温下被氧化，一般会通入非活性气体进行保护，退火工艺中常用氮气(N₂)或氩气(Ar)之类的非活性气体作为保护气体。此外，为了恢复由于等离子体等工艺因素损伤的晶片各部位的电学特性，需要在氢气(H₂)氛条件下退火。有的样品需要对其表面进行热氧化处理，热氧化处理所用的设备与退火装置几乎一样，不同之处在于热氧化处理需要通入氧气或直接利用空气中的氧分子。

退火装置的加热方式，通常有在炉腔中缓慢加热的退火方式，和通过用红外灯照射使晶片温度迅速上升的快速退火方式。为达到较快的降温速率，通常还会设置复杂的冷却辅助系统。传统的炉管工艺由于被加热部件体积较大，升降温速度很慢，升温或降温时间长达几十分钟之久，热能浪费严重；快速热退火(rapid thermal annealing，RTA)系统中一般使用红外光源对晶片进行加热，使用非接触式光学温度计来测温，升降温速度可以很快，热能利用率高，但成本也较高。

另外，现有的退火装置一般体积庞大、能耗高、成本高，尤其不适宜于实验室少量小样品退火处理使用。

发明内容

本发明的目的在于提供一种微型快速升降温退火炉，以解决现有的传统管式退火炉占用体积大、耗时长、能耗高等问题，以解决现有快速退火热处理装置成本高等问题。

本发明是通过如下方式实现的：

一种微型快速升降温退火炉，包括真空腔体、“三明治”结构加热平台、进气阀、出气阀、泄气阀、进气管、出气小孔、真空密封电极法兰、加热铜电极、测温铜电极、热电偶温度传感器、聚四氟乙烯固定板、炉体支架、PID温度控制器、定时器、直流电源和稳压电源；其中，

所述真空腔体由四通管道和密封罩构成，并用KF法兰密封，方便取放样品；

所述真空腔体左侧设置有进气阀和进气管，进气阀用于高真空模式和通气模式间的切换，进气管用于在通气模式下向腔室内输入所需气体；

所述真空腔体右侧设置有出气阀和泄气阀，出气阀作为气体排出通道使用，出气阀采用KF法兰接口，方便与真空泵连接；泄气阀用于真空腔室破气，腔室内外气压一致时才能开启腔体取放样品；

所述真空腔体上侧设置有“三明治”结构加热平台和聚四氟乙烯固定板，“三明治”结构加热平台用于承载样品和对样品加热；聚四氟乙烯固定板用于固定进气管、加热铜电极和热电偶温度传感器；聚四氟乙烯固定板中间设置有出气小孔，用于将腔室内流经样品的气体顺利排出到腔室外；

所述“三明治”结构加热平台底部设置有热电偶温度传感器，温度传感器信号线与腔室内的两根测温铜电极相连，温度传感器用于对样品台温度实时监测，以便PID温度控制器及时做出反馈；

所述真空腔体下侧设置有真空密封电极法兰，所述加热铜电极和测温铜电极由真空密封电极法兰上的铜柱导出到真空腔室外，并在腔室外分别与直流电源和PID温度控制器相连；

所述真空腔体固定在炉体支架上。

更进一步的，所述退火炉整体结构除四通管道与密封罩之间、出气阀与真空泵之间采用KF法兰密封之外，都采用CF法兰密封，腔室密封性能较好，腔室内气压很容易达到低于10^-5Pa的高真空水平。

更进一步的，所述“三明治”结构加热平台是由石英支撑板、加热金属薄片或加热金属丝和石英样品台构成，并用螺栓固定在两根加热铜电极上；加热部件体积小，升降温速率快。

更进一步的，所述聚四氟乙烯固定板固定在四通管道上侧，中间所设置的出气小孔直径很小，聚四氟乙烯固定板上固定元件部位的开孔与元件相嵌紧密，其余部分为实体结构，有效防止样品掉入腔体深处。

更进一步的，该装置可以用于少量小样品的常温退火、快速高温退火、热氧化或通气热处理；可以在高真空模式、通气负压模式和通气正压模式下使用。

本发明与现有技术相比的优点在于：

本发明采用金属薄片或金属丝作为加热元件，并结合石英支撑板和石英样品台组成小体积的加热平台，易于实现快速升降温，无需设置价格高昂的红外加热装置、冷却辅助装置，有效降低快速升降温退火炉的整体成本。本发明具有体积小、能耗低、成本低、成本低、操作和维修简便等特点。本发明可以用于少量小样品的常温退火、快速高温退火、热氧化、通气热处理等。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见，下面描述的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它附图。

图1为本发明一实施例提供的加热腔室立体示意图；

图2为本发明一实施例提供的“三明治”结构加热平台示意图；

图3为本发明一实施例提供的加热金属薄片展开平面示意图；

图4为本发明一实施例提供的是温度控制模块的工作流程图。

具体实施方式

下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明的保护范围。

根据附图1-4所示，对本发明进一步说明：

图1为本发明一实施例提供的加热腔室立体示意图。如图1所示，包括“三明治”结构加热平台1、进气阀2、进气管3、石英密封罩4、出气阀5、泄气阀6、真空密封电极法兰7、绝缘陶瓷8、出气小孔9、聚四氟乙烯固定板10、热电偶温度传感器11、测温铜电极负极12、测温铜电极正极13、加热铜电极负极14、加热铜电极正极15、腔体KF法兰16、四通管道17、出气端KF法兰18和炉体支架19。其中：

四通管道17与石英密封罩4构成真空腔体，所述四通管道与石英密封罩之间用KF法兰密封，便于取放样品；进气阀2位于四通管道17左侧，高真空模式下进气阀处于关闭状态，通气模式下进气阀处于打开状态；进气管3位于四通管道17左侧，并焊接在左侧的CF法兰上，进气管口位于“三明治”结构加热平台1左上方，接近石英密封罩4顶端，进气管用于通气模式下向样品输送所需气体；出气阀5位于四通管道17右侧，出气阀采用KF法兰18接口，方便与真空泵组连接，出气阀分别与金属过滤网、波纹管、机械泵、分子泵相连；泄气阀6位于四通管道17右侧，高真空模式和通气负压模式下，泄气阀处于关闭状态，通气正压模式下，泄气阀处于打开状态；“三明治”结构加热平台1位于四通管道17上侧，其特征在于包括石英样品台、加热金属薄片、石英支撑板，其目的是用于承载样品和对样品加热；聚四氟乙烯固定板10位于四通管道17上侧，所述聚四氟乙烯固定板用于固定进气管3、热电偶温度传感器11、加热铜电极负极14和加热铜电极正极15；聚四氟乙烯固定板中间设置有出气小孔9，所述出气小孔9用于将腔室内流经样品的气体顺利排出到腔室外；热电偶温度传感器11位于“三明治”结构加热平台1底部，其特征在于热电偶温度传感器11固定在聚四氟乙烯固定板10上，温度传感器的两根信号线分别与腔室内的测温铜电极负极12和测温铜电极负极13相连；真空密封电极法兰7位于四通管道17下侧，所述真空密封电极法兰7由四根圆柱形铜电极、绝缘陶瓷8和CF法兰构成，四根铜电极间分别用圆筒状陶瓷8绝缘，并焊接在CF法兰上，用以连接腔室内外电极；测温铜电极负极12、测温铜电极正极13、加热铜电极负极14和加热铜电极正极15分别由真空密封电极法兰7上的四根铜柱导出到真空腔室外，并在腔室外分别与PID温度控制器和直流电源相连；所述真空腔体固定在炉体支架19上。

可选的，进气阀2通过真空管道依次连接浮子流量计、减压阀和高压气瓶。

所述的石英密封罩4为透明的石英材质，用于实时观察样品和石英加热平台的状态。

可选的，石英密封罩4也可以用仅顶部为石英观察窗口的圆筒形金属密封罩代替。

进一步的，测温铜电极负极12连接PID温度控制器信号输入端负极，测温铜电极正极13连接PID温度控制器信号输入端正极。

可选的，加热铜电极负极14通过大功率导线连接直流电源输出端负极，加热铜电极正极15通过大功率导线连接继电器的一端，继电器的另一端通过大功率导线连接直流电源输出端正极。

进一步的，与密封罩4焊接成一体的腔体KF法兰16和四通管道17通过卡箍和O圈密封。

所述的四通管道17实际上是不锈钢材质，示意图中将其画成透明形式只是为了更方便地展示腔室内的细节。

进一步的，出气端KF法兰18依次连接金属过滤网、波纹管、机械泵和分子泵。

图2为本发明一实施例提供的“三明治”结构加热平台示意图。如图2所示，包括加热金属薄片101、石英支撑板102、石英样品台103、螺栓104、垫片105和加热铜电极106。

所述加热金属薄片101、石英支撑板102和石英样品台103一起构成如图1所示的“三明治”结构加热平台1，并用螺栓104和垫片105将其固定在两根加热铜电极106上。

图3为本发明一实施例提供的加热金属薄片展开平面示意图。如图3所示，是由图2中加热金属薄片101展开所得到的平面示意图。

可选的，加热元件为金属单质钼箔、不锈钢片等，厚度0.01mm-0.05mm。

可选的，加热元件为细丝状的掺钼铁铬铝合金、钨丝等。

图4为本发明一实施例提供的是温度控制模块的工作流程图。如图4所示，包括直流电源201、继电器202、加热模块203、定时器204、“与”逻辑门205、温度传感器206、稳压电源207和PID温度控制器208。

可选的，直流电源201为加热模块203提供电能，稳压电源207为继电器202、定时器204、“与”逻辑门205、PID温度控制器208等提供工作电压和参考电压。

可选的，定时器时间终止时输出低电平，PID温度控制器在温度过低时输出高电平，在温度过高时输出低电平。

可选的，定时器204和PID温度控制器通过“与”门205同继电器202控制端相连接。在继电器202控制端输入低电平时，继电器202处于断开状态，在继电器202控制端输入高电平时，继电器202产生动作，变成闭合状态。

可选的，温度传感器206、PID温度控制器208、继电器202，以及加热模块203构成温度控制反馈回路。

下面结合附图对本发明介绍三种使用模式：高真空模式、通气负压模式和通气正压模式。

(1)实施例1.

本发明的一种使用模式为高真空模式：

打开泄气阀6，待加热腔室内的气压与外界大气压一致，打开密封罩4，将实验样品置于“三明治”结构加热平台1上，关闭密封罩4，关闭进气阀2和泄气阀6，打开出气阀5，开启机械泵和分子泵，打开直流电源201和稳压电源207，设置PID温度控制器208的目标温度值，设置定时器204倒计时时间以控制目标温度的保持时间，待加热腔室内气压低于5x10^-4Pa，外部触发定时器204工作，定时器204输出高电平于继电器202控制端，继电器202处于闭合状态，直流电源201和加热模块203形成回路，加热模块开始工作，“三明治”结构加热平台1很快升温到PID温度控制器208设定的目标值，并在PID温度控制器208的作用下稳定在该温度值附近，温度控制的精度决定于P、I、D参数，PID温度控制器208的反应速度和温度传感器206的灵敏度、精度等。当定时器204的倒计时时间终止时，输出低电平于继电器202的控制端，继电器断开，加热立即自动停止，随后样品台自然降温到室温。关闭机械泵和分子泵，等待涡轮分子泵停转的时间较长，可选择先关闭放气阀5以隔断加热腔室和真空泵腔室，打开泄气阀6，待加热腔室内的气压与外界大气压一致时，便可打开密封罩，取出热处理后的样品。

(2)实施例2.

本发明的一种使用模式为通气负压模式：

取放样品和温度控制过程同上。关闭泄气阀6，打开进气阀2和出气阀5，开启机械泵，打开高压气瓶总阀和减压阀，调节减压阀以得到合适的气压输出，打开浮子流量计并调节气体流速。待气路正常工作后，便可进行样品热处理操作。样品台的升温和降温过程与实施例1相同，由于实施例2中有少量气体流经样品台，会带走小部分热量，与实施例1相比，实施例2的升温速率稍微变小，而降温速率变大。

(3)实施例3.

本发明的一种使用模式为通气正压模式：

取放样品和温度控制过程同上。关闭出气阀5，打开进气阀2和泄气阀6，打开高压气瓶总阀和减压阀，调节减压阀以得到合适的气压输出，打开浮子流量计并调节气体流速，正压模式下，腔室内的气压不能过高，通常要求相对大气压不得高于0.02MPa，以防止在加热过程中产生危险。待气路正常工作后，便可进行样品热处理操作。样品台的升温和降温过程与实施例1或实施例2相同，由于实施例3中气体密度大，带走热量多，与实施例1或实施例2相比，实施例3的升温速率更小，而降温速率更大。

Claims (4)

1.一种微型快速升降温退火炉，其特征在于：该装置包括真空腔体、“三明治”结构加热平台、进气阀、出气阀、泄气阀、进气管、出气小孔、真空密封电极法兰、加热铜电极、测温铜电极、热电偶温度传感器、聚四氟乙烯固定板、炉体支架、PID温度控制器、定时器、直流电源和稳压电源；其中，

所述真空腔体由四通管道和密封罩构成，并用KF法兰密封，方便取放样品；

所述真空腔体左侧设置有进气阀和进气管，进气阀用于高真空模式和通气模式间的切换，进气管用于在通气模式下向腔室内输入所需气体；

所述真空腔体右侧设置有出气阀和泄气阀，出气阀作为气体排出通道使用，出气阀采用KF法兰接口，方便与真空泵连接；泄气阀用于真空腔室破气，腔室内外气压一致时才能开启腔体取放样品；

所述真空腔体上侧设置有“三明治”结构加热平台和聚四氟乙烯固定板，“三明治”结构加热平台用于承载样品和对样品加热；聚四氟乙烯固定板用于固定进气管、加热铜电极和热电偶温度传感器；聚四氟乙烯固定板中间设置有出气小孔，用于将腔室内流经样品的气体顺利排出到腔室外；

所述“三明治”结构加热平台底部设置有热电偶温度传感器，温度传感器信号线与腔室内的两根测温铜电极相连，温度传感器用于对样品台温度实时监测，以便PID温度控制器及时做出反馈；

所述真空腔体下侧设置有真空密封电极法兰，所述加热铜电极和测温铜电极由真空密封电极法兰上的铜柱导出到真空腔室外，并在腔室外分别与直流电源和PID温度控制器相连；

所述真空腔体固定在炉体支架上；

所述“三明治”结构加热平台是由石英支撑板、加热金属薄片或加热金属丝和石英样品台构成，并用螺栓固定在两根加热铜电极上；加热部件体积小，升降温速率快。

2.根据权利要求1所述的一种微型快速升降温退火炉，其特征在于：所述退火炉整体结构除四通管道与密封罩之间、出气阀与真空泵之间采用KF法兰密封之外，都采用CF法兰密封，腔室密封性能较好，腔室内气压很容易达到低于10^-5Pa的高真空水平。

3.根据权利要求1所述的一种微型快速升降温退火炉，其特征在于：所述聚四氟乙烯固定板固定在四通管道上侧，中间所设置的出气小孔直径很小，聚四氟乙烯固定板上固定元件部位的开孔与元件相嵌紧密，其余部分为实体结构，有效防止样品掉入腔体深处。

4.根据权利要求1或2所述的一种微型快速升降温退火炉，其特征在于：该装置可以用于少量小样品的常温退火、快速高温退火、热氧化或通气热处理；可以在高真空模式、通气负压模式和通气正压模式下使用。