CN111128785A - 一种热处理装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种热处理装置，热处理装置包括内围壁和外围壁，内围壁与外围壁间隔设置，且内围壁设置在外围壁围成的空间中，以在外围壁的内表面和内围壁的外表面之间形成夹层风道，夹层风道被划分为沿外围壁的高度方向依次排列的多个子夹层风道，多个子夹层风道互相间隔，内围壁上形成多个喷气孔，内围壁围成的空间用于容纳晶片承载装置，喷气孔连通子夹层风道与内围壁围成的空间，以使得通入子夹层风道内的冷却气体由喷气孔进入到内围壁围成的空间，并对晶片承载装置承载的晶片降温。热处理装置能够实现快速均匀降温、提高基片生产效率以及降低设备成本。
Description
技术领域
本发明涉及半导体设备领域，具体涉及一种热处理装置。
背景技术
在半导体工艺过程中，需要利用热处理设备对晶片(wafer)施行CVD、扩散、氧化、退火等处理，然而传统立式热处理设备，存在降温速率慢，工艺时间长，不具备快速降温的能力等问题。
为此本领域技术人员对所述传统立式热处理设备，但是优化后得到的所述热处理设备存在结构复杂，导入冷却气流过程中经过的缓冲阻碍较多等问题，影响降温效率和降温均匀性，因此，需要通过大功率输送冷却气流设备来增大冷却气流输入量，实现降温目标，但是增大冷却气流输入量的方式同时会增加设备成本。
因此，如何设计一种新的热处理装置以实现快速均匀降温、提高晶片生产效率以及降低设备成本成为亟需解决的问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种热处理装置。所述热处理装置可以实现快速均匀降温、提高晶片生产效率以及降低设备成本。
为了解决上述技术问题，作为本发明一个方面，提供一种热处理装置，其中，所述热处理装置包括内围壁和外围壁，所述内围壁与所述外围壁间隔设置，且所述内围壁设置在所述外围壁围成的空间中，以在所述外围壁的内表面和所述内围壁的外表面之间形成夹层风道，所述夹层风道被划分为沿所述外围壁的高度方向依次排列的多个子夹层风道，多个子夹层风道互相间隔，所述内围壁上形成多个喷气孔，所述内围壁围成的空间用于容纳晶片承载装置，所述喷气孔连通所述子夹层风道与所述内围壁围成的空间，以使得通入所述子夹层风道内的冷却气体由所述喷气孔进入到所述内围壁围成的空间，并对所述晶片承载装置承载的晶片降温。
优选地，所述热处理装置包括多个隔板，所述内围壁包括多个子内围壁，多个所述子内围壁沿所述外围壁的高度方向层叠设置，每个所述子内围壁对应一个所述隔板，且所述隔板围绕所述内围壁的外表面设置，以将所述夹层风道间隔成多个所述子夹层风道。
优选地，所述热处理装置包括多个沿所述热处理装置的高度方向层叠设置的降温单元，所述降温单元包括隔板、子内围壁和子外围壁，所述隔板固定连接在所述子内围壁和所述子外围壁之间，所述子内围壁和所述子外围壁之间的空间形成为所述子夹层风道，以使得所述降温单元形成为一体结构，多个所述降温单元的子内围壁连接形成所述内围壁，多个所述降温单元的子外围壁连接形成所述外围壁。
优选地，所述外围壁上与每个子夹层风道对应的部分均设置有进气口，所述进气口用于引导冷却气体进入所述子夹层风道；
所述热处理装置还包括送风盒，所述送风盒设置于所述外围壁的外表面上，所述送风盒的盒壁上设置有供风口，所述供风口用于向所述送风盒的内部空间通入工艺气体，每个所述进气口均与所述送风盒的内部空间连通。
优选地，所述内围壁围成的空间为管状，所述喷气孔的一端开口形成在所述内围壁的内表面上，所述喷气孔的另一端开口形成在所述内围壁的外表面上，且所述喷气孔的轴线方向与所述内围壁的内表面上形成该喷气孔的开口的位置处的径向方向之间存在夹角，且所述夹角在40°至50°之间，
且不同的所述喷气孔与各自对应的径向之间的相对位置关系一致。
优选地，所述热处理装置包括位于所述外围壁的高度方向一端的安装端和位于所述外围壁的高度方向另一端的排气端，
所述热处理装置还包括排气组件和安装组件，所述排气组件设置于所述排气端，所述安装组件设置于所述安装端，
所述排气组件用于排出所述内围壁围成的空间内的气体；
所述安装组件用于为所述外围壁和所述内围壁提供安装基础；
所述子内围壁上的喷气孔的数量与该子内围壁与所述安装端之间的距离正相关。
优选地，所述排气组件包括保温板、顶部支撑件、隔热板和排气管路，
所述保温板与位于所述排气端的内围壁的端面连接，所述隔热板设置于所述保温板背离所述内围壁的一侧，所述顶部支撑件设置于所述保温板和所述隔热板之间，以支撑所述隔热板使得所述保温板与所述隔热板间隔设置形成排气腔体，
所述保温板上设置有多个内排气孔，所述内排气孔连通所述内围壁围成的空间与所述排气腔体，所述排气腔体包括外排气口，所述排气管路位于所述外围壁的外部，且所述排气管路与所述排气口连通，用于将所述排气腔体内的气体排出。
优选地，所述安装组件包括底部支撑件和底板，
所述底部支撑件的一侧与所述内围壁的安装端的端面连接，所述底部支撑件背向所述内围壁的一侧与所述底板连接。
优选地，所述外围壁包括壁板本体和隔热层，所述隔热层贴合在所述壁板本体朝向所述内围壁的表面，所述夹层风道形成于所述隔热层与所述内围壁的外表面之间。
优选地，所述热处理装置包括加热丝，所述加热丝设置在所述内围壁的内表面。
本发明有益技术效果：
本发明所提供的上述热处理装置，通过设置所述外围壁与所述内围壁直接形成所述夹层风道，不需要在夹层风道中设置额外的支撑体，简化了所述夹层风道的结构，降低了成本，并且能够有效地使冷却气流与所述内围壁围成的腔体进行热交换；进一步地，本发明通过在所述内围壁上设置喷气孔、且沿所述内围壁的高度方向自上而下所述喷气孔的开口总面积逐渐增大，减少了冷却气体的缓冲，提高冷却降温效率；此外，通过设置所述喷气孔的轴向与所述内围壁的的径向呈预定角度，使得冷却气流在所述内围壁围成的腔体内做圆周运动，避免产生紊流，从而提高降温的均匀性；最后，通过在所述排气组件的中均匀设置所述内排气孔，使得冷却气体均匀排出，有利于所述降温结构实现快速均匀降温，保证晶片质量。
附图说明
附图是用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本发明，但并不构成对本发明的限制。在附图中：
图1为本发明所提供的所述热处理装置的纵向剖面结构示意图；
图2为本发明所提供的所述热处理装置的横向剖面结构示意图；
图3为图1中所述外围壁上位置I处的放大结构示意图；
图4为本发明所提供的热处理装置的子内围壁的结构示意图；
图5为本发明所设置于所述子内围壁上的喷气孔的排列示意图；
图6为本发明所提供的热处理装置的降温单元的结构示意图。
附图标记说明
100：热处理设备 101：内围壁
1011：子内围壁 1012：隔板
102：子夹层风道 103：外围壁
1031：隔热层 1032：壁板本体
104：喷气孔 105：送风盒
105'：进气口 106：排气组件
1061：保温板 1062：顶部支撑件
1063：隔热板 1064：顶板
1065：排气管路 1066：内排气孔
107：安装组件 1071：底部支撑件
1072：底板 108：进气管路
具体实施方式
以下结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。
作为本发明一个方面，提供一种热处理装置，其中，如图1所示，热处理装置100包括内围壁101和外围壁103，内围壁101与外围壁103间隔设置，且内围壁101设置在外围壁103围成的空间中，以在外围壁103的内表面和内围壁101的外表面之间形成夹层风道。
所述夹层风道被划分为沿外围壁103的高度方向依次排列的多个子夹层风道102，多个子夹层风道102互相间隔，内围壁101上形成多个喷气孔104，内围壁101围成的空间用于容纳晶片承载装置，喷气孔104连通子夹层风道102与内围壁101围成的空间，以使得通入子夹层风道102内的冷却气体由喷气孔104进入到内围壁101围成的空间，并对所述晶片承载装置承载的晶片降温。
如上所述，利用上述热处理装置对所述晶片承载装置承载的晶片降温时，首先引导冷却气体进入到子夹层风道102，然后在气压差的作用下，冷却气体经喷气孔104进入内围壁101围成的空间，对位于该空间的承载装置承载的晶片降温。
本发明上述多个子夹层风道102沿外围壁的高度方向间隔设置，且在各个子夹层风道102内部不需要设置支撑物，因此减少支撑物对冷却气体的阻碍，更有利于冷却气体的流通，同时简化子夹层风道102的结构，降低设备成本。
需要说明的是，本发明对于上述内围壁101和外围壁103的具体结构不做特殊限定。
例如，作为一种优选地实施方式，如图2所示，内围壁101和外围壁103均可以为管状，其中，内围壁101的外径小于外围壁103的内径，使得外围壁103可以套设在内围壁101外部，并且外围壁103的内壁与所述内围壁101的外壁间隔，从而形成所述夹层风道。在该实施方式中，所述夹层风道为环形夹层结构。
在本发明中，对于形成所述子夹层风道的具体方式不做特殊限定。
例如，作为第一种可选地实施方式，如图1和图4所示，热处理装置100包括多个隔板1012，内围壁101包括多个子内围壁1011，多个子内围壁1011沿外围壁103的高度方向层叠设置，每个子内围壁1011对应一个隔板1012，且隔板1012围绕内围壁101的外表面设置，以将所述夹层风道间隔成多个子夹层风道102。
在该实施方式中，隔板1012、子内围壁1011相对于外围壁103可拆卸，且结构简单，因此可以降低运输成本，且易于安装。
作为另一个可选地实施方式，如图1和图6所示，热处理装置100包括多个沿热处理装置100的高度方向层叠设置的降温单元，所述降温单元包括隔板1012、子内围壁1011和子外围壁，隔板1012固定连接在子内围壁1011和所述子外围壁之间，子内围壁1011和所述子外围壁之间的空间形成为子夹层风道102，以使得所述降温单元形成为一体结构，多个所述降温单元的子内围壁1011连接形成内围壁101，多个所述降温单元的子外围壁连接形成外围壁103。
在该实施方式中，所述降温单元形成为一体结构，在组装热处理装置100时，只需将多个降温单元层叠设置，即可形成多个层叠设置的子夹层风道102，易于安装且便于运输。
在本发明中，作为一种实施方式，如图1和图3所示，其中，图3为图1中外围壁103上位置I处的放大结构示意图，具体地，外围壁103包括壁板本体1032和隔热层1031，隔热层1031贴合在壁板本体1032朝向所述内围壁的表面，所述夹层风道形成于隔热层1031与内围壁101的外表面之间。
需要解释的是，图3中的位置I用于代表性的示意出外围壁103的具体层级结构包括壁板本体1032和隔热层1031，并非限定外围壁103仅在位置I处具有上述结构。
如上所述，隔热层1031用于阻挡热处理装置内部热量散失，避免壁板本体1032的温度上升过快。
基于上述外围壁结构的实施方式，优选地，在图6所示的实施方式中，所述降温单元应包括隔板1012、子内围壁1011与所述子外围壁的对应的隔热层1031，且形成一体结构，壁板本体1032单独设置以对层叠设置的多个所述降温单元提供保护。
在本发明中，如图1和图2所示，外围壁103上与每个子夹层风道102对应的部分均设置有进气口105'，进气口105'用于引导冷却气体进入子夹层风道102。
热处理装置100还包括送风盒105，送风盒105设置于外围壁103的外表面上，送风盒105的盒壁上设置有供风口，所述供风口用于向送风盒105的内部空间通入冷却气体，每个进气口105'均与送风盒105的内部空间连通。
如上所述，送风盒105沿着外围壁103的高度方向设置，由于设置在外围壁103上的进风口105’也是沿着外围壁103的高度方向自上而下设置在每个子夹层风道102对应位置处，因此，如图2所示，送风盒105恰好覆盖进风口105’，并与每个进风口105’连通，以使得冷却气体可以将经由送风盒105沿高度方向自上而下进入到每个子夹层风道102内部；
进一步地，如上所述，送风盒105的盒壁上设置有供风口，所述供风口用于向送风盒105的内部空间通入冷却气体；
作为本发明一种可选地实施方式，为便于经过所述供风口向送风盒105的内部空间通入冷却气体，本发明所提供的热处理装置100还包括进气管路108，该进气管路108的一端设置在所述供风口内，该进气管路108的另一端与制冷设备连接，以通过进气管路108向送风盒105的内部空间提供冷却气体。
如图1所示，进气管路108位于靠近所述排气端的一侧，目的在于利用冷却气体自身重力，使其沿送风盒105自上而下流动，以便于进一步提升冷却气体分布均匀性。
如图2和图5所示，在内围壁101的结构为管的实施方式中，内围壁101围成的空间为管状，喷气孔104的一端开口形成在内围壁101的内表面上，喷气孔104的另一端开口形成在内围壁101的外表面上，且喷气孔104的轴线方向与内围壁101的内表面上形成该喷气孔104的开口的位置处的径向方向之间存在夹角β，且夹角β的范围在40°至50°之间，且不同的喷气孔104与各自对应的径向之间的相对位置关系一致。
喷气孔104的轴线方向与内围壁101的内表面上形成该喷气孔104的开口的位置处的径向方向之间存在夹角β，可以增加对应喷气孔104形成在内围壁101管壁上的管路长度，内围壁101内部的热量更难以通过喷气孔104辐射耗散。优选地，夹角β的值为45°。
不同的喷气孔104与各自对应的径向之间的相对位置关系一致，使得子夹层风道102内的冷却气体经过多个喷气孔104进入到内围壁101的内部空间时产生圆周运动，从而实现均匀降温的效果。
本发明对上述喷气孔104的轴向偏转设置方式不做限定，例如，如图5所示，保证多个喷气孔104的轴向均沿着顺时针方向偏转。
需要说明的是，由于通过喷气孔104的冷却气流具有一定的压强和流速，因此，本发明中，喷气孔104经过硬化处理，保证了气流经过时的结构强度。
在本发明中，如图1所示，热处理装置100包括位于外围壁103的高度方向一端的安装端和位于外围壁103的高度方向另一端的排气端，热处理装置100还包括排气组件106和安装组件107，排气组件106设置于所述排气端，安装组件107设置于所述安装端。
其中，排气组件106用于排出内围壁101围成的空间内的气体。具体地，排气组件106包括保温板1061、顶部支撑件1062、隔热板1063、排气管路1065和顶板1064。
保温板1061与位于所述排气端的内围壁101的端面连接，隔热板1063设置于保温板1061背离内围壁101的一侧，顶部支撑件1062设置于保温板1061和隔热板1063之间，以支撑隔热板1063使得保温板1061与隔热板1063间隔设置形成排气腔体，顶板1064覆盖在隔热板1063上。
需要说明的是，保温板1061能够保证内围壁101围成的腔体内部热量不会因为热辐射而耗散过快，进一步保证对内围壁101内部待处理晶片实现均匀降温；隔热板1063能够阻挡内围壁101内部热量经由所述排气腔体散失，避免顶板1064的温度升高过快，对周围环境中的其它设备元件造成不利影响。
保温板1061上设置有多个内排气孔1066，内排气孔1066连通内围壁101围成的空间与所述排气腔体，所述排气腔体包括外排气口，排气管路108位于外围壁103的外部，且排气管路108与所述排气口连通，用于将所述排气腔体内的气体排出。
需要说明的是，内排气孔1066均匀分布在保温板1061上，以使得内围壁101内的气体均匀排出，进而保证对内围壁101内部待处理晶片实现均匀降温；由于通过内排气孔1066的气流具有一定的压强和流速，因此，本发明中，内排气孔1066经过硬化处理，具有一定结构强度，不会在气流经过时变形或者损坏。
如图1所示，安装组件107用于为外围壁103和内围壁101提供安装基础。
具体地，安装组件107包括底部支撑件1071和底板1072，底部支撑件1071的一侧与内围壁101的安装端的端面连接，底部支撑件1071背向内围壁101的一侧与底板1072连接。
该底部支撑件1071为外围壁103和内围壁101提供安装基础，同时还能够实现隔热保温的功能，防止内围壁101内部的热量散失。
管壁本体1032与顶板1064在所述排气端连接、与底板1072在安装端连接以形成热处理装置100最外层结构，用于保护热处理装置100的内部结构。
在本发明中，子内围壁1011上的喷气孔104的数量与该子内围壁1011与所述安装端之间的距离正相关。
如上所述，越靠近所述安装端(也就是沿内围壁101的高度方向的底部)，喷气孔104的个数越多，即，喷气孔104的总开口面积逐渐增大，这样设置的目的是使得内围壁101内的待处理晶片能够实现均匀降温，防止晶片因为冷却降温不均匀而出现质量问题。
具体地，由于冷却气流是沿热处理装置100高度方向自上而下的经过进气口105’进入到每个子夹层风道102，考虑到冷却气流在流动过程中的压力损失，当冷却气流沿热处理装置100高度方向自上而下的流动时，其压力逐渐减小，假设内围壁101上形成的喷气孔104的数量沿高度方向没有变化，那么，在这种情况下，沿着热处理装置100的高度方向自上而下，各个子夹层风道102中的冷却气流进入到内围壁101内部的气体流量就会逐渐减少，从而导致内围壁101的内部空间的温度变化梯度较大，进而导致所述晶片出现质量问题。
因此，为避免晶片出现上述质量问题，本发明采用上述喷气孔104的设置方式。
此处需要说明的是，为了保证所述均匀降温，对应于每一个子夹层风道102的子内围壁1011上形成的喷气孔均匀分布。
在本发明中，所述热处理装置包括加热丝，所述加热丝设置在所述内围壁的内表面。
在热处理装置的加热工艺阶段，加热丝用于对容纳晶片承载装置加热，间接地对位于容纳晶片承载装置内的晶片加热。
下面结合图1至图6对本发明的热处理装置100的冷却降温工作原理进行描述：
如图所示，冷却气体经由进气管路108进入送风盒105，进入送风盒105内的冷却气体包括多个流向，具体地，一部冷却气体进入子夹层风道102，另一部分冷却气体沿着送风盒105轴向自上向下流动，其中，该自上而下流动的冷却气体中的一部分会进入下一层的子夹层风道102，另一部分冷却气体会继续沿着送风盒105轴向自上向下流动，以此类推，直至最终冷却气体充满热处理装置100的每一个子夹层风道102以及整个送风盒。
进一步地，到达各个子夹层风道102的冷却气体会经过喷气孔104进入到内围壁101腔体内部以执行降温冷却工艺，执行完降温工艺的废气通过排风组件106排出，至此一个冷却降温工艺中的冷却气体循环过程结束。
本发明有益技术效果：
本发明所提供的上述热处理装置，通过设置所述外围壁与所述内围壁直接形成所述夹层风道，不需要在夹层风道中设置额外的支撑体，简化了所述夹层风道的结构，降低了成本，并且能够有效地使冷却气流与所述内围壁围成的腔体进行热交换；进一步地，本发明通过在所述内围壁上设置喷气孔、且沿所述内围壁的高度方向自上而下所述喷气孔的开口总面积逐渐增大，减少了冷却气体的缓冲，提高冷却降温效率；此外，通过设置所述喷气孔的轴向与所述内围壁的的径向呈预定角度，使得冷却气流在所述内围壁围成的腔体内做圆周运动，避免产生紊流，从而提高降温的均匀性；最后，通过在所述排气组件的中均匀设置所述内排气孔，使得冷却气体均匀排出，有利于所述降温结构实现快速均匀降温，保证晶片质量。
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 (10)
1.一种热处理装置，其特征在于，所述热处理装置包括内围壁和外围壁，所述内围壁与所述外围壁间隔设置，且所述内围壁设置在所述外围壁围成的空间中，以在所述外围壁的内表面和所述内围壁的外表面之间形成夹层风道，所述夹层风道被划分为沿所述外围壁的高度方向依次排列的多个子夹层风道，多个子夹层风道互相间隔，所述内围壁上形成多个喷气孔，所述内围壁围成的空间用于容纳晶片承载装置，所述喷气孔连通所述子夹层风道与所述内围壁围成的空间，以使得通入所述子夹层风道内的冷却气体由所述喷气孔进入到所述内围壁围成的空间，并对所述晶片承载装置承载的晶片降温。
2.根据权利要求1所述的热处理装置，其特征在于，所述热处理装置包括多个隔板，所述内围壁包括多个子内围壁，多个所述子内围壁沿所述外围壁的高度方向层叠设置，每个所述子内围壁对应一个所述隔板，且所述隔板围绕所述内围壁的外表面设置，以将所述夹层风道间隔成多个所述子夹层风道。
3.根据权利要求1所述的热处理装置，其特征在于，所述热处理装置包括多个沿所述热处理装置的高度方向层叠设置的降温单元，所述降温单元包括隔板、子内围壁和子外围壁，所述隔板固定连接在所述子内围壁和所述子外围壁之间，所述子内围壁和所述子外围壁之间的空间形成为所述子夹层风道，以使得所述降温单元形成为一体结构，多个所述降温单元的子内围壁连接形成所述内围壁，多个所述降温单元的子外围壁连接形成所述外围壁。
4.根据权利要求1至3中任意一项所述的热处理装置，其特征在于，
所述外围壁上与每个子夹层风道对应的部分均设置有进气口，所述进气口用于引导冷却气体进入所述子夹层风道；
所述热处理装置还包括送风盒，所述送风盒设置于所述外围壁的外表面上，所述送风盒的盒壁上设置有供风口，所述供风口用于向所述送风盒的内部空间通入工艺气体，每个所述进气口均与所述送风盒的内部空间连通。
5.根据权利要求1至3中任意一项所述的热处理装置，其特征在于，所述内围壁围成的空间为管状，所述喷气孔的一端开口形成在所述内围壁的内表面上，所述喷气孔的另一端开口形成在所述内围壁的外表面上，且所述喷气孔的轴线方向与所述内围壁的内表面上形成该喷气孔的开口的位置处的径向方向之间存在夹角，且所述夹角在40°至50°之间，
且不同的所述喷气孔与各自对应的径向之间的相对位置关系一致。
6.根据权利要求2或3所述的热处理装置，其特征在于，所述热处理装置包括位于所述外围壁的高度方向一端的安装端和位于所述外围壁的高度方向另一端的排气端，
所述热处理装置还包括排气组件和安装组件，所述排气组件设置于所述排气端，所述安装组件设置于所述安装端，
所述排气组件用于排出所述内围壁围成的空间内的气体；
所述安装组件用于为所述外围壁和所述内围壁提供安装基础；
所述子内围壁上的喷气孔的数量与该子内围壁与所述安装端之间的距离正相关。
7.根据权利要求6所述的热处理装置，其特征在于，所述排气组件包括保温板、顶部支撑件、隔热板和排气管路，
所述保温板与位于所述排气端的内围壁的端面连接，所述隔热板设置于所述保温板背离所述内围壁的一侧，所述顶部支撑件设置于所述保温板和所述隔热板之间，以支撑所述隔热板使得所述保温板与所述隔热板间隔设置形成排气腔体，
所述保温板上设置有多个内排气孔，所述内排气孔连通所述内围壁围成的空间与所述排气腔体，所述排气腔体包括外排气口，所述排气管路位于所述外围壁的外部，且所述排气管路与所述排气口连通，用于将所述排气腔体内的气体排出。
8.根据权利要求6所述的热处理装置，其特征在于，所述安装组件包括底部支撑件和底板，
所述底部支撑件的一侧与所述内围壁的安装端的端面连接，所述底部支撑件背向所述内围壁的一侧与所述底板连接。
9.根据权利要求6所述的热处理装置，其特征在于，所述外围壁包括壁板本体和隔热层，所述隔热层贴合在所述壁板本体朝向所述内围壁的表面，所述夹层风道形成于所述隔热层与所述内围壁的外表面之间。
10.根据权利要求6所述的热处理装置，其特征在于，所述热处理装置包括加热丝，所述加热丝设置在所述内围壁的内表面。
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