CN112013674A - 立式炉设备 - Google Patents
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Abstract
本申请实施例提供了一种立式炉设备。该立式炉设备用于对晶圆进行热处理工艺,包括:炉体结构、进气结构及排气结构;炉体结构包括壳体及炉管,壳体包覆于炉管的外侧,炉管内部自上至下依次划分为多个加热区域;进气结构设置于壳体的一侧,并且包括多个进气口,多个进气口分别对应多个加热区域设置,用于将冷却气体导入壳体内对炉管进行降温冷却;排气结构相对于进气结构设置于壳体的另一侧,并且包括多个排气口,多个排气口分别对应多个加热区域设置,用于将壳体内的冷却气体导出。本申请实施例,实现了每个加热区域都有冷却气体进入,使得各加热区域降温速率相同,提升了炉体结构整体冷却效率。
Description
技术领域
本申请涉及半导体加工技术领域,具体而言,本申请涉及一种立式炉设备。
背景技术
目前,半导体器件的制作工艺中有许多热处理的工序,如热氧化、化学气相沉积、热扩散、金属合金化、杂质激活、介质膜致密化等。温度是影响半导体器件制备中的关键参数,更是对立式炉设备的重要考量指标,晶圆的成膜均匀性以及生长速度等特性均与温度均匀性有直接的联系。降温速率是考察降温能力的直接指标,目前降温速率要求达到20℃/min(摄氏度/分钟)。如何实现这样的高要求,尤其对热容较大的立式炉设备是一个很大的挑战。
常规的降温方式,通常将晶圆放置在立式炉设备的晶舟内,通过炉体结构的自然降温实现对晶圆进行降温。但是自然降温速率慢造成工艺时间长,从而影响工厂每小时流片数,且成膜质量不容易保证。这种处理方式还增加有害杂质的扩散提高金属污染几率,甚至可能造成半导体器件的结构变形和不必要的边缘效应,很难满足工艺需求,特别是对杂质扩散有严格限制的工艺。
立式炉设备一般将炉体分为五个加热区域,由上至下分别为第一加热区域、第二加热区域、第三加热区域、第四加热区域和底部的第五加热区域。炉体结构一般由加热丝及保温材料组成,其底部设计有开口,使用工艺门与开口配合保持工艺腔室密封,这样的构造使得炉体结构在降温过程中,底部的降温速率明显高于炉体其他部位的降温速率。如何解决立式炉设备在降温过程中各加热区域降温速率不等,导致工艺热处理效果不均匀的现象,是本领域值得研究的一个重要课题。
发明内容
本申请针对现有方式的缺点,提出一种立式炉设备,用以解决现有技术存在的各加热区域降温速率不等,以及炉体结构内部温度均匀性不佳的技术问题。
本申请实施例提供了一种立式炉设备,用于对晶圆进行热处理工艺,包括:炉体结构、进气结构及排气结构;所述炉体结构包括壳体及炉管,所述壳体包覆于所述炉管的外侧,所述炉管内部自上至下依次划分为多个加热区域;所述进气结构设置于所述壳体的一侧,并且包括多个进气口,多个所述进气口分别对应多个所述加热区域设置,用于将冷却气体导入壳体内,以对所述炉管进行降温冷却;所述排气结构相对于所述进气结构设置于所述壳体的另一侧,并且包括多个排气口,多个所述排气口分别对应多个所述加热区域设置,用于将所述壳体内的冷却气体导出。
于本申请的一实施例中,所述进气结构包括进气块,多个所述进气口均形成于所述进气块上;所述排气结构包括排气块,多个所述排气口均形成于所述排气块上;所述进气块及所述排气块均沿所述壳体的轴向延伸设置,并且所述进气块及所述排气块相对的侧面均与所述壳体的外壁贴合且密封设置。
于本申请的一实施例中,所述排气块内还设置有排气通道,所述排气通道沿所述排气块的高度方向延伸设置,并且与多个所述排气口连接,所述排气通道的出气口位于所述排气块的底部,其中,所述排气块的所述高度方向与所述壳体的轴向平行。
于本申请的一实施例中,所述进气块与所述壳体贴合的侧面上形成有多个进气腔,多个所述进气腔分别与多个所述进气口连接;所述壳体上对应于每个所述进气腔的位置贯穿有多个进气匀流孔,用于将所述进气腔内的冷却气体均匀导入所述壳体内。
于本申请的一实施例中,所述排气块与所述壳体贴合的侧面上形成有多个排气腔,多个所述排气腔分别与多个所述排气口连接;所述壳体上对应于每个所述排气腔的位置贯穿有多个排气匀流孔,用于将所述壳体内的冷却气体均匀导入所述排气腔内。
于本申请的一实施例中,每个所述进气腔对应的多个所述进气匀流孔呈阵列式分布,每个所述排气腔对应的多个所述排气匀流孔呈阵列式分布。
于本申请的一实施例中,所述立式炉设备还包括有多个进气管及多个流量调节器,多个所述进气管的进气端均与气源连接,多个所述进气管的出气端分别与多个所述进气口连接;多个所述流量调节器分别对应设置于多个所述进气管上,用于调节各所述进气管内的气流量。
于本申请的一实施例中,所述立式炉设备还包括有温度传感器及控制器,所述温度传感器设置于所述炉管内,用于实时检测多个所述加热区域的温度数据;所述控制器用于根据所述温度传感器的温度数据,通过调节所述流量调节器来控制每个进气管内的气流量。
于本申请的一实施例中,所述炉管包括嵌套设置的外炉管及内炉管,所述温度传感器设置于所述外炉管与内炉管之间。
于本申请的一实施例中,所述立式炉设备还包括有热交换器及风机,所述热交换器设置于所述出气口及所述的风机之间,用于对冷却气体进行热交换;所述风机用于加速冷却气体的流动。
于本申请的一实施例中,所述冷却气体类型包括空气或氮气。
本申请实施例提供的技术方案带来的有益技术效果是:
本申请实施例通过在炉体结构的两侧分别设置有进气结构及排气结构,并且多个进气口及排气口分别与多个加热区域对应设置,这样既保证了每个加热区域都有冷却气体进入,使得各加热区域降温速率相同,提升了炉体结构整体冷却效率,又可防止大流量冷却气体对炉管的某一部分造成冲击;由于各加热区域的降温速率相同,从而有效保证炉体结构的整体温度均匀性,进而保证整个炉体结构内部温度一致,满足越来越严苛的温度均匀性需求。
本申请附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出,这些将从下面的描述中变得明显,或通过本申请的实践了解到。
附图说明
本申请上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解,其中:
图1为本申请实施例提供的一种立式炉设备的纵向剖视示意图;
图2为本申请实施例提供的一种壳体部分结构的立体示意图;
图3为本申请实施例提供的一种立式炉设备的横向剖视示意图。
具体实施方式
下面详细描述本申请,本申请的实施例的示例在附图中示出,其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的部件或具有相同或类似功能的部件。此外,如果已知技术的详细描述对于示出的本申请的特征是不必要的,则将其省略。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的,仅用于解释本申请,而不能解释为对本申请的限制。
本技术领域技术人员可以理解,除非另外定义,这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语),具有与本申请所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是,诸如通用字典中定义的那些术语,应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义,并且除非像这里一样被特定定义,否则不会用理想化或过于正式的含义来解释。
下面以具体地实施例对本申请的技术方案以及本申请的技术方案如何解决上述技术问题进行详细说明。
本申请实施例提供了一种立式炉设备,用于对晶圆进行热处理工艺,该立式炉设备的结构示意图如图1所示,包括:炉体结构1、进气结构2及排气结构3;炉体结构1包括壳体11及炉管12,壳体11包覆于炉管12的外侧,炉管12内部自上至下依次划分为多个加热区域;进气结构2设置于壳体11的一侧,并且包括多个进气口21,多个进气口21分别对应多个加热区域设置,用于将冷却气体导入壳体11内,以对炉管12进行降温冷却;排气结构3相对于进气结构2设置于壳体11的另一侧,并且包括多个排气口31,多个排气口31分别对应多个加热区域设置,用于将壳体11内的冷却气体导出。
如图1所示,壳体11具体采用金属材质制成的圆筒形结构,壳体11的内壁还可以设置有加热丝15用于对炉管12进行加热。炉管12具体可以采用石英材质制成的管状结构,壳体11及加热丝15距离炉管12外壁有一定间隙,并且为了便于实现多种工艺,炉管12内自上至下依次划分为多个加热区域,例如本申请实施例中将炉管12内分为五个加热区域,但是本申请实施例并不以此为限。另外由于多个加热区域为虚拟划分,因此多个加热区域在图中未示出。在执行热处理工艺时,将承载有晶圆的晶舟16置入炉管12内部,加热丝15产生热量以对炉管12内的晶圆执行热处理工艺。进气结构2设置于壳体11的一侧,其可以包括五个进气口21,每个进气口21分别对应一个加热区域,用于将冷却气体导入壳体11内以对该加热区域的炉管12进行降温冷却。排气结构3设置于壳体11的另一侧,排气结构3可以与进气结构2相对设置于壳体11的两侧,排气结构3包括有五个排气口31,当壳体11内的冷却气体流经炉管12的外周后,分别由各排气口31将壳体11内冷却气体排出,以完成对炉体结构1的降温冷却。
本申请实施例通过在炉体结构的两侧分别设置有进气结构及排气结构,并且多个进气口及排气口分别与多个加热区域对应设置,这样既保证了每个加热区域都有冷却气体进入,使得各加热区域降温速率相同,提升了炉体结构整体冷却效率,又可防止大流量冷却气体对炉管的某一部分造成冲击;由于各加热区域的降温速率相同,从而有效保证炉体结构的整体温度均匀性,进而保证整个炉体结构内部温度一致,满足越来越严苛的温度均匀性需求。
需要说明的是,本申请实施例并不限定壳体11的具体结构,例如可以采用不锈钢材质制成立方体结构,以及壳体11还可以由保温材料制成以便于执行工艺时快速升温。因此本申请实施例并不以此为限,本领域技术人员可以根据实际情况自行调整设置。
于本申请的一实施例中,如图1至图3所示,进气结构2包括进气块22,多个进气口21均形成于进气块22上;排气结构3包括排气块32,多个排气口31均形成于排气块32上;进气块22及排气块32均沿壳体11的轴向延伸设置,并且进气块22及排气块32相对的侧面均与壳体11的外壁贴合且密封设置。
如图1至图3所示,进气块22及排气块32均可以采用金属材质制成的块状结构,两者均沿壳体11的轴向延伸设置,即进气块22及排气块32的高度均与壳体11的轴向长度相同。进气块22的一侧面与壳体11的外壁贴合且密封设置,多个进气口21均形成于进气块22上,并且沿进气块22的高度方向均匀分布。同样的,排气块32的一侧面与壳体11的外壁贴合且密封设置,多个排气口31均形成于排气块32上,并且沿排气块32的高度方向均匀分布。由于进气块22及排气块32均采用整体结构,能大幅提高拆装及维护效率,并且使得本申请实施例结构简单,从而大幅降低应用及维护成本。
需要说明的是,本申请实施例并不限定进气块22及排气块32的具体结构,例如两者均采用分体式结构,即每个加热区域分别对应一进气块22及排气块32。因此本申请实施例并不以此为限,本领域技术人员可以根据实际情况自行调整设置。
于本申请的一实施例中,如图1所示,排气块32内设置有排气通道33,排气通道33沿排气块32的高度方向延伸设置,并且与多个排气口31连接,排气通道33的出气口331位于排气块32的底部,其中,排气块32的高度方向与壳体11的轴向平行。具体来说,排气通道33沿高度方向延伸设置,多个排气口31均与该排气通道33连接,壳体11内的冷却气体在经过热交换后,经由多个排气口31进入排气通道33内,再由位于排气块32底部的出气口331排出。由于排气通道33的出气口331位于排气块32的底部,底部排气弥补了炉体结构1中上部降温能力差的缺点,因为排出的冷却气体携带着大量的热,若采用顶部排气这些热量会再次传递给炉体结构1中上部,而冷却气体由底部排出更有利于炉体结构1顶部散热,从而缩小各加热区域的降温速率差值,从而进一步提高炉体结构1内的温度均匀性。
于本申请的一实施例中,如图1至图3所示,进气块22与壳体11贴合的侧面上形成有多个进气腔23,多个进气腔23分别与多个进气口21连接;壳体11上对应于每个进气腔23的位置贯穿有多个进气匀流孔13,用于将进气腔23内的冷却气体均匀导入壳体11内。
如图1至图3所示,进气块22的内侧面上开设有多个进气腔23,即进气块22与壳体11贴合的侧面上开设有多个进气腔23,并且多个进气腔23分别与多个进气口21连接,即每个进气腔23均与一个进气口21连接,冷却气体先经由进气口21进入进气腔23内,然后再进入壳体11内。壳体11上对应每个进气腔23的位置贯穿有多个进气匀流孔13,冷却气体经过多个进气匀流孔13匀流后,再进入壳体11内对炉管12进行降温冷却。多个进气匀流孔13可起到分散气流的作用,能防止大流量冷却气体对炉管12的冲击,从而有效避免炉管12由于冷热交替产生破损。另外多个进气匀流孔13还可以增加气流量,从而大幅提高冷却速率。进一步的,由于壳体11内设置加热丝15,因此加热丝15与进气匀流孔13对应的位置同样具有多孔结构,以避免加热丝15对气流造成干扰。
于本申请的一实施例中,如图1至图3所示,排气块32与壳体11贴合侧面上形成有多个排气腔34,多个排气腔34分别与多个排气口31连接;壳体11上对应于每个排气腔34的位置贯穿有多个排气匀流孔14,用于将壳体11内的冷却气体均匀导入排气腔34内。
如图1至图3所示,排气块32的内侧面上开设有多个排气腔34,即排气块32与壳体11贴合的侧面上开设有多个排气腔34,并且多个排气腔34分别与多个排气口31连接,即每个排气腔34均与一个排气口31连接,壳体11内的冷却气体先进入排气腔34内,然后再经由排气口31及排气通道33排出。壳体11上对应每个排气腔34的位置贯穿有多个排气匀流孔14,冷却气体经过多个排气匀流孔14匀流后进入排气腔34内排出。多个排气匀流孔14能可起到分散气流的作用,能防止大流量经过换热后的冷却气体在炉管12的某一位置集中排出,有效避免排气口31对应于炉管12的位置温度过高,从而提高炉管12的温度均匀性。另外多个排气匀流孔14还可以增加气流量,从而大幅提高冷却速率。进一步的,由于壳体11内设置加热丝15,因此加热丝15与排气匀流孔14对应的位置同样具有多孔结构,以避免加热丝15对气流造成干扰。
于本申请的一实施例中,如图2及图3所示,每个进气腔23对应的多个进气匀流孔13呈阵列式分布,每个排气腔34对应的多个排气匀流孔14呈阵列式分布。具体来说,每个进气腔23对应的多个进气匀流孔13可以采用矩形阵列排布,而每个排气腔34对应的多个排气匀流孔14也采用矩形阵列排布。两者均采用上述排布有利于进气腔23及排气腔34的加工制造,从而有效降低加工及制造成本。需要说明的是,本申请实施例并不限定多个进气匀流孔13及排气匀流孔14的排布形状,例如两者均可以采用圆形阵列排布或者其它形状。因此本申请实施例并不以此为限,本领域技术人员可以根据实际情况自行调整设置。
于本申请的一实施例中,如图1所示,立式炉设备还包括多个进气管4及多个流量调节器5,多个进气管4的进气端均与气源连接,多个进气管4的出气端分别与多个进气口21连接;多个流量调节器5分别对应设置于多个进气管4上,用于调节各进气管4内的气流量。可选地,冷却气体类型包括空气或氮气。
如图1所示,多个进气管4的进气端均与一气源(图中未示出)连接,气源内的冷却气体类型具体为空气或者氮气,又或者采用其它惰性气体,本申请实施例并不以此为限。多个进气管4的出气端分别与多个进气口21连接,用于分别向各进气口21导入冷却气体。多个流量调节器5分别设置于多个进气管4上,用于调节各进气管4内的气流量。在实际应用时,根据炉体结构1本身的特点对应调节各进气管4的气流量,例如位于炉体结构1顶部的加热区域降温速率相对较低,因此可以调节该加热区域对应的流量调节器5增加气流量,以使得各加热区域的降温速率相同,从而进一步提高各加热区域的温度均匀性。
于本申请的一实施例中,如图1所示,立式炉设备还包括有温度传感器6及控制器,温度传感器6设置于炉管12内,用于实时检测多个加热区域的温度数据;控制器用于根据温度传感器6的温度数据,通过调节流量调节器来控制每个进气管4内的气流量。
如图1所示,温度传感器6可以包括多个热偶,用于分别实时检测各个加热区域的温度数据。温度传感器6设置于炉体结构1内部,并且与控制器(图中未示出)连接,控制器具体可以是立式炉设备的下位机或者单片机,本申请实施例并不以此为限。具体来说,在五个进气管4上分别设置有流量调节器5,从而可以控制各进气管4内冷却气体的气流量。温度传感器6的多个热偶在各个加热区域实时监测炉体结构1的温度,当需要对炉体结构1进行降温时,温度传感器6将各个加热区域的实时温度数据反馈给控制器,若实时温度数据与目标温度不一致,则说明存在误差,此时控制器可以通过PID(比例积分微分)算法计算误差信号,并且根据该误差信号调节流量调节器5,以控制各进气管4内冷却气体的气流量。具体控制方法为,对降温速率快的加热区域调小气流量,而对降温速率慢的加热区域调大气流量,以此实现各加热区域降温速率相同。通过对各加热区域的降温速率进行控制,能有效解决各加热区域降温速率不等的问题,从而保证了整个炉体结构1内的温度均匀性。
于本申请的一实施例中,如图1所示,炉管12包括嵌套设置的外炉管121及内炉管122,温度传感器6设置于外炉管121与内炉管122之间。外炉管121及内炉管122均采用石英材质制成的管状结构,内炉管122套设于外炉管121内侧,并且两者之间具有一定间隙,温度传感器6则设置于该间隙内。由于内炉管122是对晶圆执行热处理工艺的工艺腔室,因此温度传感器6采用上述设计,不仅能准确测量各加热区域的温度变化,从而为控制降温速度提供准确依据,而且使得本申请实施例结构简单,从而提高拆装维护效率。
于申请的一实施例中,如图1所示,立式炉设备还包括有热交换器7及风机8,热交换器7设置于出气口331及风机8之间,用于对壳体11内流出的冷却气体进行热交换;风机8用于加速冷却气体的流动。热交换器7用于对出气口331排出的冷却气体进行冷却,并且在风机8的作用下快速排出,从而大幅提高冷却效率。由于经过壳体11的冷却气体携带有大量的热,经过热交换器7冷却能避免其对操作人员或者其它设备造成伤害,而风机8则可以大幅提高立式炉设备整体的冷却效率,从而提高工作效率。进一步的,风机8的排风口还可以与多个进气管4连接,使得冷却气体可以循环为立式炉设备降温冷却,从而大幅减少冷却气体的浪费。
应用本申请实施例,至少能够实现如下有益效果:
本申请实施例通过在炉体结构的两侧分别设置有进气结构及排气结构,并且多个进气口及排气口分别与多个加热区域对应设置,这样既保证了每个加热区域都有冷却气体进入,使得各加热区域降温速率相同,提升了炉体结构整体冷却效率,又可防止大流量冷却气体对炉管的某一部分造成冲击;由于各加热区域的降温速率相同,从而有效保证炉体结构的整体温度均匀性,进而保证整个炉体结构内部温度一致,满足越来越严苛的温度均匀性需求。
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。
在本申请的描述中,需要理解的是,术语“中心”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系,仅是为了便于描述本发明和简化描述,而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作,因此不能理解为对本发明的限制。
在本申请的描述中,需要说明的是,除非另有明确的规定和限定,术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解,例如,可以是固定连接,也可以是可拆卸连接,或一体地连接;可以是直接相连,也可以通过中间媒介间接相连,可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言,可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
以上所述仅是本申请的部分实施方式,应当指出,对于本技术领域的普通技术人员来说,在不脱离本申请原理的前提下,还可以做出若干改进和润饰,这些改进和润饰也应视为本申请的保护范围。
Claims (11)
1.一种立式炉设备,用于对晶圆进行热处理工艺,其特征在于,包括:炉体结构、进气结构及排气结构;
所述炉体结构包括壳体及炉管,所述壳体包覆于所述炉管的外侧,所述炉管内部自上至下依次划分为多个加热区域;
所述进气结构设置于所述壳体的一侧,并且包括多个进气口,多个所述进气口分别对应多个所述加热区域设置,用于将冷却气体导入壳体内,以对所述炉管进行降温冷却;
所述排气结构相对于所述进气结构设置于所述壳体的另一侧,并且包括多个排气口,多个所述排气口分别对应多个所述加热区域设置,用于将所述壳体内的冷却气体导出。
2.如权利要求1所述的立式炉设备,其特征在于,所述进气结构包括进气块,多个所述进气口均形成于所述进气块上;所述排气结构包括排气块,多个所述排气口均形成于所述排气块上;所述进气块及所述排气块均沿所述壳体的轴向延伸设置,并且所述进气块及所述排气块相对的侧面均与所述壳体的外壁贴合且密封设置。
3.如权利要求2所述的立式炉设备,其特征在于,所述排气块内设置有排气通道,所述排气通道沿所述排气块的高度方向延伸设置,并且与多个所述排气口连接,所述排气通道的出气口位于所述排气块的底部,其中,所述排气块的所述高度方向与所述壳体的轴向平行。
4.如权利要求2所述的立式炉设备,其特征在于,所述进气块与所述壳体贴合的侧面上形成有多个进气腔,多个所述进气腔分别与多个所述进气口连接;所述壳体上对应于每个所述进气腔的位置贯穿有多个进气匀流孔,用于将所述进气腔内的冷却气体均匀导入所述壳体内。
5.如权利要求4所述的立式炉设备,其特征在于,所述排气块与所述壳体贴合的侧面上形成有多个排气腔,多个所述排气腔分别与多个所述排气口连接;所述壳体上对应于每个所述排气腔的位置贯穿有多个排气匀流孔,用于将所述壳体内的冷却气体均匀导入所述排气腔内。
6.如权利要求5所述的立式炉设备,其特征在于,每个所述进气腔对应的多个所述进气匀流孔呈阵列式分布,每个所述排气腔对应的多个所述排气匀流孔呈阵列式分布。
7.如权利要求1所述的立式炉设备,其特征在于,所述立式炉设备还包括多个进气管及多个流量调节器,多个所述进气管的进气端均与气源连接,多个所述进气管的出气端分别与多个所述进气口连接;多个所述流量调节器分别对应设置于多个所述进气管上,用于调节各所述进气管内的气流量。
8.如权利要求7所述的立式炉设备,其特征在于,所述立式炉设备还包括有温度传感器及控制器,所述温度传感器设置于所述炉管内,用于实时检测多个所述加热区域的温度数据;所述控制器用于根据所述温度传感器的温度数据,通过调节所述流量调节器来控制每个所述进气管内的气流量。
9.如权利要求8所述的立式炉设备,其特征在于,所述炉管包括嵌套设置的外炉管及内炉管,所述温度传感器设置于所述外炉管与内炉管之间。
10.如权利要求3所述的立式炉设备,其特征在于,所述立式炉设备还包括有热交换器及风机,所述热交换器设置于所述出气口及所述的风机之间,用于对冷却气体进行热交换;所述风机用于加速冷却气体的流动。
11.如权利要求1至10的任一所述的立式炉设备,其特征在于,所述冷却气体类型包括空气或氮气。
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