CN110736345B - 用于SiC高温氧化工艺的工艺腔室及热处理炉 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种用于SiC高温氧化工艺的工艺腔室及热处理炉，该工艺腔室包括：筒状隔热装置，内部具有封闭的隔热空间；隔热板组件，包括多个沿竖直方向叠置在一起的隔热板；隔热板组件邻接设置在筒状隔热装置的上方；以及工艺舟，用于承载被加工工件；工艺舟邻接设置在隔热板组件的上方。本发明提供的用于SiC高温氧化工艺的工艺腔室，其不仅具有较高的使用温度、较小的炉腔体积，而且可以简化设备整体结构。

Description

用于SiC高温氧化工艺的工艺腔室及热处理炉

技术领域

本发明涉及半导体制造领域，具体地，涉及一种用于SiC高温氧化工艺的工艺腔室及热处理炉。

背景技术

SiC材料具有宽带隙、高饱和漂移速度、高热导率、高临界击穿电场等突出优点，属第三代半导体材料，适合制备高功率、高频、高压、高温、抗辐照电子器件。

SiC材料是唯一可以直接氧化生长SiO₂薄膜的宽禁带半导体，最常用的方法是采用高温干氧或湿氧的热氧化方法来生长SiO₂薄膜，并且热氧化工艺获得SiO₂薄膜和界面特性的质量是最好的。

SiC高温氧化工艺的温度高达1500℃，常规高温设备无法满足工艺要求。目前业内利用高温氧化炉进行SiC片的高温氧化工艺，高温氧化炉是SiC器件集成电路生产线的关键工艺设备。

现有的一种高温退火炉的最高温度为1950℃，使用温度较低，不利于离子激活，器件电学性能不易提高。同时，工艺腔内的隔热挡板数量很多，腔室容积较大，不利于腔室工艺温度均匀性、气密性、洁净度等关键指标控制。此外，对进气管路的冷却的过渡结构冗长，不利于设备整体优化。

发明内容

本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一，提出了一种用于SiC高温氧化工艺的工艺腔室及热处理炉，其不仅具有较高的使用温度、较小的炉腔体积，而且可以简化设备整体结构。

为实现本发明的目的而提供一种用于SiC高温氧化工艺的工艺腔室，包括：

筒状隔热装置，内部具有封闭的隔热空间；

隔热板组件，包括多个沿竖直方向叠置在一起的隔热板；所述隔热板组件邻接设置在所述筒状隔热装置的上方；以及

工艺舟，用于承载被加工工件；所述工艺舟邻接设置在所述隔热板组件的上方。

可选的，所述筒状隔热装置包括：

石英筒，所述石英筒的上端和下端均为封闭端，内部形成封闭的所述隔热空间，且所述石英筒设有贯穿其上端和下端的穿孔；

石英管，所述石英管密封穿设在所述石英筒的所述穿孔内；以及

隔热材料，填充在所述石英管与所述石英筒之间的所述隔热空间内。

可选的，所述工艺腔室还包括舟装卸法兰，所述舟装卸法兰密封抵靠在所述石英筒的下端，用于支撑所述筒状隔热装置、所述隔热板组件和所述工艺舟并能升降移动，进气管密封穿设在所述舟装卸法兰上并与所述石英管的内部连通。

可选的，所述石英筒的下端设有过滤孔，所述过滤孔将所述隔热空间与所述石英筒的外部连通，且所述过滤孔内设有过滤器；

所述舟装卸法兰内设有夹层管路，所述夹层管路的一端与所述过滤孔连通，所述夹层管路的另一端与第二抽气装置连通。

可选的，所述石英筒的下端与所述舟装卸法兰之间设置有第四密封圈，所述第四密封圈环绕在所述过滤孔周围。

可选的，所述石英筒的下端与所述舟装卸法兰之间还设置有第五密封圈，并且所述石英管的下端开口、所述过滤孔和所述第四密封圈均位于所述第五密封圈环绕的密封区域内。

可选的，所述隔热板组件设置有贯穿每个所述隔热板厚度的通气孔，且所述通气孔与所述石英管的内部连通，用于将工艺气体输送至所述工艺舟所在区域。

可选的，所述工艺腔室还包括：

工艺管体，所述工艺管体的上端封闭，下端敞开；所述工艺管体的轴向竖直设置；

内筒体，所述内筒体的上端和下端均敞开，且同轴设置在所述工艺管体内部；所述内筒体与所述工艺管体之间形成环形间隙；所述筒状隔热装置、所述隔热板组件和所述工艺舟能升入到所述内筒体内部；以及

工艺管法兰，为环形结构；所述工艺管法兰与所述工艺管体的下端和所述内筒体的下端均密封连接；所述工艺管法兰的顶面设有向下凹陷的环形气槽，所述环形气槽与所述环形间隙对接连通；所述工艺管法兰内设有与所述环形气槽连通的横向气道，所述横向气道与第一抽气装置连通。

可选的，所述工艺管法兰对接安装在炉筒法兰上；所述炉筒法兰为环形结构，固定安装在工艺管体上，所述炉筒法兰位于所述工艺管法兰的上方并围绕在所述工艺管体的外侧周围；

所述工艺管法兰的顶面设有向上突出的环形凸缘，所述环形凸缘环绕在所述工艺管体的外侧周围；并且，在所述炉筒法兰的下表面设置有环形凹槽，所述环形凸缘伸入到所述环形凹槽中；

所述环形凸缘的上表面、所述环形凹槽的与所述环形凸缘的上表面相对的表面以及所述工艺管体的外周壁共同构成环形空间，所述环形空间内设有第一密封圈。

可选的，所述工艺管法兰与所述炉筒法兰内均设有环形冷却水道。

可选的，在所述炉筒法兰中设置有测温套管，所述测温套管的检测端位于所述炉筒法兰的内周壁上，所述测温套管的另一端穿过所述炉筒法兰延伸出去；并且，在所述测温套管中设置有温度传感器。

可选的，所述工艺管体、所述内筒体、所述隔热板组件以及所述筒状隔热装置均为圆柱体状，并且同轴线设置；

所述隔热板组件的外缘与所述内筒体的内壁之间具有间隙，用于将工艺气体输送至所述工艺舟所在区域。

作为另一个技术方案，本发明还提供一种用于SiC高温氧化工艺的热处理炉，所述热处理炉包括本发明提供的上述工艺腔室。

本发明具有以下有益效果：

本发明提供的用于SiC高温氧化工艺的工艺腔室及热处理炉的技术方案中，工艺腔室包括筒状隔热装置，内部具有封闭的隔热空间；隔热板组件，包括多个沿竖直方向叠置在一起的隔热板；以及工艺舟，邻接设置在隔热板组件的上方。通过配合使用筒状隔热装置和隔热板组件，可以更有效地阻隔工艺舟所在区域内的高温辐射，从而可以提高工艺舟所在区域的使用温度达到2000℃以上，以满足高性能器件的工艺要求，而且筒状隔热装置和隔热板组件的体积较小，从而可以减小炉腔体积，简化设备整体结构。

附图说明

图1为本发明实施例提供的用于SiC高温氧化工艺的工艺腔室的剖视图；

图2为本发明实施例采用的筒状隔热装置的剖视图；

图3为图1中I区域的放大图；

图4为本发明实施例采用的测温套管的结构图。

具体实施方式

为使本领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图来对本发明提供的用于SiC高温氧化工艺的工艺腔室及热处理炉进行详细描述。

请参阅图1，本发明实施例提供的用于SiC高温氧化工艺的工艺腔室，其包括筒状隔热装置5、隔热板组件和工艺舟3，其中，筒状隔热装置5的内部具有封闭的隔热空间。隔热板组件包括多个沿竖直方向叠置在一起的隔热板4，该隔热板组件邻接设置在筒状隔热装置5的上方。工艺舟3用于承载被加工工件，该工艺舟3邻接设置在隔热板组件的上方。

通过配合使用筒状隔热装置5和隔热板组件，可以使腔室内的温度在竖直方向上呈阶梯分布，即，由下而上逐渐提高，例如，腔室在最下层的隔热板4以下的区域的温度为1300℃。由此，可以更有效地阻隔工艺舟3所在区域内的高温辐射，进而可以工艺舟3所在区域的使用温度提高到2000℃以上，以满足高性能器件的工艺要求，而且筒状隔热装置5和隔热板组件的体积较小，从而可以减小炉腔体积，简化设备整体结构。

此外，由于上述筒状隔热装置5的隔热效果较好，可以在使用温度满足工艺要求的前提下，降低加热功率，从而可以降低工艺成本。

在本实施例中，如图2所示，筒状隔热装置5包括石英筒51、石英管52和隔热材料53，其中，石英筒51的上端和下端均为封闭端，石英筒51内部形成封闭的隔热空间，且石英筒51设有贯穿其上端和下端的穿孔，优选的，该穿孔位于石英筒51的纵向轴线上；石英管52密封穿设在石英筒51的该穿孔内，作为供工艺气体通过的进气管道，该石英管52的进气口与外部的气源管路连接。隔热材料53填充在石英管52与石英筒51之间的隔热空间内。该隔热材料53例如为保温棉。当然，在实际应用中，隔热空间内也可以是真空的。

在本实施例中，隔热板组件设置有贯穿每个隔热板4厚度的通气孔41，且该通气孔41与上述石英管52的内部连通，用于将工艺气体输送至工艺舟3所在区域。

可选的，隔热板4与腔室内壁之间具有环形间隙，这样，工艺气体在经由通气孔41进入工艺舟3所在区域的同时，还能够经由该环形间隙进入工艺舟3所在区域。由此，可以使工艺气体更均匀地进入工艺区，从而可以提高工艺均匀性。

另外，借助筒状隔热装置5和隔热板组件，可以使腔室在工艺区以下的区域的温度在竖直方向上呈阶梯分布，从而使经过石英管52和通气孔41的工艺气体能够在到达工艺区之前被预热，从而可以提高工艺效率。

在本实施例中，工艺舟3邻接设置在隔热板组件5的上方，用于承载被加工工件。具体地，工艺舟3包括支架，在该支架上设置有沿竖直方向间隔排布的固定槽，每个固定槽用于承载一个被加工工件。在实际应用中，固定槽的数量可以达到50个，且工艺舟3可以用于装载多种规格的被加工工件，例如直径为6寸或者4寸的SiC晶圆。

在本实施例中，工艺腔室还包括舟装卸法兰10，该舟装卸法兰10密封抵靠在石英筒51的下端，用于支撑筒状隔热装置5、隔热板组件和工艺舟3并能作升降移动，进气管22密封穿设在舟装卸法兰10上并与石英管52的内部连通。

在本实施例中，如图3所示，石英筒51的下端设有过滤孔，该过滤孔将上述隔热空间与石英筒51的外部连通，且过滤孔内设有过滤器14，用于过滤自隔热结构5排出的气体中的杂质。并且，舟装卸法兰10内设有夹层管路13，该夹层管路13的一端与过滤孔连通，夹层管路13的另一端与第二抽气装置(图中未示出)连通。借助过滤器14和夹层管路13，可以抽取并过滤隔热空间内的气体，保证隔热空间内的材料放出的气体不会对工艺舟3所在区域造成污染，从而可以提高腔室内的洁净度。

在本实施例中，石英筒51的下端与舟装卸法兰10之间设置有第四密封圈18，该第四密封圈18环绕在上述过滤孔周围，用于密封过滤孔，从而保证隔热空间的密封性。可选的，第四密封圈18为V型密封圈。

在本实施例中，石英筒51的下端与舟装卸法兰10之间还设置有第五密封圈19，并且石英管51的下端开口、过滤孔和第四密封圈19均位于第五密封圈18环绕的密封区域内。可选的，第五密封圈19为星型密封圈。

在本实施例中，工艺腔室还包括工艺管体1、内筒体2和工艺管法兰9。其中，工艺管体1的上端封闭，下端敞开；并且，工艺管体1的轴向竖直设置。内筒体2的上端和下端均敞开，且同轴设置在工艺管体1内部；内筒体2与工艺管体1之间形成环形间隙11。并且，筒状隔热装置5、隔热板组件和工艺舟3能够相对于内筒体2作升降运动，以能升入到内筒体2内部，或者自内筒体2移出。这样，可以更方便地对工艺舟3进行更换，以及对筒状隔热装置5、隔热板组件和工艺舟3等的零件进行维护。

可选的，工艺管体1和内筒体2均采用超纯石墨制作，且在二者的内、外表面形成热解碳涂层，以保证腔室内部的气密性。

如图1和图3所示，工艺管法兰9为环形结构，该工艺管法兰9与工艺管体1的下端和内筒体2的下端均密封连接；并且，工艺管法兰9的顶面设有向下凹陷的环形气槽91，该环形气槽91与环形间隙11对接连通；工艺管法兰9内设有与环形气槽91连通的横向气道92，该横向气道92与第一抽气装置8连通。环形间隙11、环形气槽91和横向气道92，构成与内筒体2内部连通的排气通道，完成反应的气体经由该排气通道排出。

在本实施例中，工艺管法兰9对接安装在炉筒法兰7上，该炉筒法兰7为环形结构，固定安装在工艺管体1上，并且炉筒法兰7位于工艺管法兰9的上方并围绕在工艺管体1的外侧周围。

可选的，在舟装卸法兰10与工艺管法兰9之间设置有第二密封圈16，用于对二者之间的间隙进行密封，从而保证工艺管体1与内筒体2之间的环形间隙以及内筒体2内部的封闭性。

在本实施例中，夹层管路13的出气端131位于舟装卸法兰10与工艺管法兰9之间；并且，第二密封圈16位于夹层管路13的出气端131的内侧；并且，在舟装卸法兰10与工艺管法兰9之间设置有第三密封圈17，该第三密封圈17位于夹层管路13的出气端131的外侧。借助上述第二密封圈16和第三密封圈17，可以对舟装卸法兰10与工艺管法兰9之间的间隙进行双重密封，同时对夹层管路13的出气端131进行密封。

可选的，第三密封圈17为V型密封圈。这种密封圈的变形量较大，密封效果较好。第二密封圈16可以为O型密封圈。

并且，工艺管法兰9的顶面设有向上突出的环形凸缘94，该环形凸缘94环绕在工艺管体1的外侧周围；并且，在炉筒法兰7的下表面设置有环形凹槽，环形凸缘94伸入到该环形凹槽中。环形凸缘94的上表面、环形凹槽的与环形凸缘94的上表面相对的表面以及工艺管体1的外周壁共同构成环形空间，该环形空间内设有第一密封圈6，用于对工艺管法兰9与工艺管体1之间的间隙进行密封，从而保证工艺管体1内的封闭性。可选的，该第一密封圈6为全氟橡胶圈。

综上所述，借助由上述第一只第五密封圈构成的密封系统，可以提高腔室的气密性，有效降低整个系统的气体泄漏量。

在本实施例中，工艺管法兰9内设置有环形的第一冷却通道93，通过向该第一冷却通道93中通入冷却媒介(例如冷却水)来冷却工艺管法兰9，进而间接冷却工艺管法兰9附近的零件。同样的，炉筒法兰7内设有环形的第二冷却通道71。通过向第二冷却通道71中通入冷却媒介来冷却炉筒法兰7，从而间接冷却炉筒法兰7附近的零件。

借助上述第一冷却通道93和第二冷却通道71，可以有效降低高温对密封圈的影响，从而可以避免密封圈在高温条件下失效。通过实验发现，上述第一冷却通道93和第二冷却通道71可以将密封圈的温度变化控制在200℃以下。

在本实施例中，如图4所示，在炉筒法兰7中设置有测温套管20，该测温套管20的检测端位于炉筒法兰7的内周壁上，以能够靠近工艺管体1。测温套管20的另一端穿过炉筒法兰7延伸出去；并且，在测温套管20中设置有温度传感器21。

可选的，测温套管20为波纹管。优选的，该波纹管的外径很小，以满足超高温环境的使用。

在本实施例中，工艺管体1、内筒体2、隔热板组件以及筒状隔热装置5均为圆柱体状，并且同轴线设置；并且，隔热板组件的外缘与内筒体2的内壁之间具有间隙，用于将工艺气体输送至工艺舟3所在区域。这样，工艺气体在经由隔热板4的通气孔41进入工艺舟3所在区域的同时，还能够经由隔热板组件的外缘与内筒体2的内壁之间的间隙进入工艺舟3所在区域。由此，可以使工艺气体更均匀地进入工艺区，从而可以提高工艺均匀性。

通过实验发现，本发明提供的工艺腔室，其最高温度达到2000℃以上；腔室的气体泄漏率小于1E-7mbar.l/s；腔室的金属污染率小于1E+11atoms/cm²。

需要说明的是，本发明提供的工艺腔室可以应用在例如SiC晶圆的高温真空热处理工艺中。或者，通过更换热处理炉的相应零件(例如工艺管体)的材料，而无需改变结构，本发明提供的工艺腔室还可以应用在温度较低的诸如硅片的热处理工艺中。

综上所述，本发明提供的工艺腔室，其包括筒状隔热装置，内部具有封闭的隔热空间；隔热板组件，包括多个沿竖直方向叠置在一起的隔热板；以及工艺舟，邻接设置在隔热板组件的上方。通过配合使用筒状隔热装置和隔热板组件，可以更有效地阻隔工艺舟所在区域内的高温辐射，从而可以提高工艺舟所在区域的使用温度达到2000℃以上，以满足高性能器件的工艺要求，而且筒状隔热装置和隔热板组件的体积较小，从而可以减小腔室体积，简化设备整体结构。

作为另一个技术方案，本发明还提供一种热处理炉，其包括本发明提供的上述工艺腔室。

本发明提供的热处理炉，其通过采用本发明提供的上述工艺腔室，不仅具有较高的使用温度、较小的腔室体积，而且可以简化设备整体结构。

可以理解的是，以上实施方式仅仅是为了说明本发明的原理而采用的示例性实施方式，然而本发明并不局限于此。对于本领域内的普通技术人员而言，在不脱离本发明的精神和实质的情况下，可以做出各种变型和改进，这些变型和改进也视为本发明的保护范围。

Claims (13)

1.一种用于SiC高温氧化工艺的工艺腔室，其特征在于，包括：

筒状隔热装置，内部具有封闭的隔热空间；

隔热板组件，包括多个沿竖直方向叠置在一起的隔热板；所述隔热板组件邻接设置在所述筒状隔热装置的上方；所述筒状隔热装置和所述隔热板组件通过配合使用而使所述工艺腔室内的温度在竖直方向上呈阶梯分布；以及

工艺舟，用于承载被加工工件；所述工艺舟邻接设置在所述隔热板组件的上方。

2.根据权利要求1所述的工艺腔室，其特征在于，所述筒状隔热装置包括：

石英筒，所述石英筒的上端和下端均为封闭端，内部形成封闭的所述隔热空间，且所述石英筒设有贯穿其上端和下端的穿孔；

石英管，所述石英管密封穿设在所述石英筒的所述穿孔内；以及

隔热材料，填充在所述石英管与所述石英筒之间的所述隔热空间内。

3.根据权利要求2所述的工艺腔室，其特征在于，所述工艺腔室还包括舟装卸法兰，所述舟装卸法兰密封抵靠在所述石英筒的下端，用于支撑所述筒状隔热装置、所述隔热板组件和所述工艺舟并能升降移动，进气管密封穿设在所述舟装卸法兰上并与所述石英管的内部连通。

4.根据权利要求3所述的工艺腔室，其特征在于，所述石英筒的下端设有过滤孔，所述过滤孔将所述隔热空间与所述石英筒的外部连通，且所述过滤孔内设有过滤器；

所述舟装卸法兰内设有夹层管路，所述夹层管路的一端与所述过滤孔连通，所述夹层管路的另一端与第二抽气装置连通。

5.根据权利要求4所述的工艺腔室，其特征在于，所述石英筒的下端与所述舟装卸法兰之间设置有第四密封圈，所述第四密封圈环绕在所述过滤孔周围。

6.根据权利要求5所述的工艺腔室，其特征在于，所述石英筒的下端与所述舟装卸法兰之间还设置有第五密封圈，并且所述石英管的下端开口、所述过滤孔和所述第四密封圈均位于所述第五密封圈环绕的密封区域内。

7.根据权利要求2所述的工艺腔室，其特征在于，所述隔热板组件设置有贯穿每个所述隔热板厚度的通气孔，且所述通气孔与所述石英管的内部连通，用于将工艺气体输送至所述工艺舟所在区域。

8.根据权利要求3所述的工艺腔室，其特征在于，所述工艺腔室还包括：

工艺管体，所述工艺管体的上端封闭，下端敞开；所述工艺管体的轴向竖直设置；

内筒体，所述内筒体的上端和下端均敞开，且同轴设置在所述工艺管体内部；所述内筒体与所述工艺管体之间形成环形间隙；所述筒状隔热装置、所述隔热板组件和所述工艺舟能升入到所述内筒体内部；以及

工艺管法兰，为环形结构；所述工艺管法兰与所述工艺管体的下端和所述内筒体的下端均密封连接；所述工艺管法兰的顶面设有向下凹陷的环形气槽，所述环形气槽与所述环形间隙对接连通；所述工艺管法兰内设有与所述环形气槽连通的横向气道，所述横向气道与第一抽气装置连通。

9.根据权利要求8所述的工艺腔室，其特征在于，所述工艺管法兰对接安装在炉筒法兰上；所述炉筒法兰为环形结构，固定安装在工艺管体上，所述炉筒法兰位于所述工艺管法兰的上方并围绕在所述工艺管体的外侧周围；

所述工艺管法兰的顶面设有向上突出的环形凸缘，所述环形凸缘环绕在所述工艺管体的外侧周围；并且，在所述炉筒法兰的下表面设置有环形凹槽，所述环形凸缘伸入到所述环形凹槽中；

所述环形凸缘的上表面、所述环形凹槽的与所述环形凸缘的上表面相对的表面以及所述工艺管体的外周壁共同构成环形空间，所述环形空间内设有第一密封圈。

10.根据权利要求9所述的工艺腔室，其特征在于，所述工艺管法兰与所述炉筒法兰内均设有环形冷却水道。

11.根据权利要求9所述的工艺腔室，其特征在于，在所述炉筒法兰中设置有测温套管，所述测温套管的检测端位于所述炉筒法兰的内周壁上，所述测温套管的另一端穿过所述炉筒法兰延伸出去；并且，在所述测温套管中设置有温度传感器。

12.根据权利要求8至11任一项所述的工艺腔室，其特征在于，所述工艺管体、所述内筒体、所述隔热板组件以及所述筒状隔热装置均为圆柱体状，并且同轴线设置；

所述隔热板组件的外缘与所述内筒体的内壁之间具有间隙，用于将工艺气体输送至所述工艺舟所在区域。

13.一种用于SiC高温氧化工艺的热处理炉，其特征在于，所述热处理炉包括权利要求1至12任一项所述的工艺腔室。

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