CN113782481B - 一种多工位不锈钢加热基座表面处理装置及方法 - Google Patents

一种多工位不锈钢加热基座表面处理装置及方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种多工位不锈钢加热基座表面处理装置，每个工位烘烤腔上设有为不锈钢加热基座供电的电源，工位烘烤腔上设有真空度显示装置，高真空挡板阀的进口通过管道与工位烘烤腔密封连接，真空挡板阀的出口与第一抽吸腔密封连接，第一抽吸腔与第二抽吸腔之间设置有门阀，分子泵通过管道与第一抽吸腔密封连接，冷泵通过管道与第二抽吸腔密封连接，工位烘烤腔上设有高纯氧气容器，高纯氧气容器上设有氧气阀门，氧气阀门上的进口通过管路与高纯氧气容器密封连接，氧气阀门上的出口通过管路与工位烘烤腔密封连接。本发明还提供一种不锈钢加热基座表面处理方法。本发明除气效果好，简单易操作。

Description

一种多工位不锈钢加热基座表面处理装置及方法
技术领域
本发明涉及半导体制造领域，具体为一种多工位不锈钢加热基座表面处理装置及方法。
背景技术
不锈钢加热基座是半导体芯片生产工艺中的关键部件，集成电路技术中的半导体芯片工艺时需高温,同时需要超高真空.不锈钢316L由于其机械和真空性能良好、易加工、价格便宜等优点，是制造不锈钢金属加热基座及配套组件最广泛使用的材料。在冶炼过程中，材料内部会溶解一定量的氢气。在真空环境中，由于高温和压差，这些气体会通过扩散的方式缓慢地迁移到材料表面并释放出来严重影响极限真空度,导致需要大幅延长抽真空时间,大大降低了生产效率.现有技术中一般采用真空腔高温烘烤进行除气，在真空腔内升至高温，去除材料内吸咐的气体，使抽真空时的气载大幅度降低，从而满足超高真空的要求。
同时因加热基座是由不锈钢外壳,加热管,电线等组合而成,不允许直接放入真空炉内高温除气,只能在真空腔内400-600度长时间烘烤除气.经过此方法处理后的不锈钢金属加热基座在经过使用后,开腔后又会吸附气体,再次使用还是出现出气率增大，真空度不达标的状况，需要现场长时间烘烤，会占用工艺时间。
发明内容
本发明目的是提供一种多工位不锈钢加热基座表面处理装置及方法，可以显著降低金属加热基座的出气率,有效去除冶炼时溶解在材料内部的各种气体,生产时在开腔后也无需再现场烘烤就可以获得较高的极限真空,大大提高生产效率。
为了实现上述技术目的，达到上述的技术要求，本发明所采用的技术方案是：一种多工位不锈钢加热基座表面处理装置，包括多个用于安装不锈钢加热基座的工位烘烤腔、与工位烘烤腔相通的高真空挡板阀、冷泵、分子泵、第一抽吸腔、第二抽吸腔，每个所述工位烘烤腔上设有为不锈钢加热基座供电的电源，所述工位烘烤腔上设有真空度显示装置，所述高真空挡板阀的进口通过管道与工位烘烤腔密封连接，所述真空挡板阀的出口与第一抽吸腔密封连接，所述第一抽吸腔与第二抽吸腔之间设置有门阀，所述分子泵通过管道与第一抽吸腔密封连接，所述冷泵通过管道与第二抽吸腔密封连接，所述工位烘烤腔上设有高纯氧气容器，所述高纯氧气容器上设有氧气阀门，所述氧气阀门上的进口通过管路与高纯氧气容器密封连接，所述氧气阀门上的出口通过管路与工位烘烤腔密封连接。
作为优选的技术方案：所述工位烘烤腔圆周均布设置，所述高真空挡板阀圆周均布设置。
作为优选的技术方案：所述工位烘烤腔的底端设有工位烘烤腔支架。
作为优选的技术方案：所述第二抽吸腔的底端设有支撑平台。
作为优选的技术方案：所述真空度显示装置为真空规。
本发明还提供一种不锈钢加热基座表面处理方法，包括以下步骤：
S1：打开工位烘烤腔，将不锈钢加热基座安装在工位烘烤腔内，然后关闭工位烘烤腔，确保多工位不锈钢加热基座表面处理装置的密封性，分子泵、冷泵、氧气阀门、高真空挡板阀、门阀处于关闭状态；
S2：打开所有的高真空挡板阀，打开分子泵和冷泵，进行抽真空至真空度显示装置的读数至10-4Pa，给不锈钢加热基座通电，按1-3℃/秒的升温速度升温至450±5℃，打开门阀，450±5℃保温1小时后，关闭门阀和高真空挡板阀；
S3：打开氧气阀门，充入氧气至真空度显示装置的读数1～2kPa后维持此压力，不锈钢加热基座自身继续保持450±5℃，共3～4小时,然后关闭不锈钢加热基座电源，关闭氧气阀门；
S4：打开高真空挡板阀，抽真空至10-4Pa，让不锈钢加热基座在工位烘烤腔内冷却至60±5℃后，破真空，打开工位烘烤腔，将不锈钢加热基座拆卸下来进行真空保存。
本发明的有益效果是：一种多工位不锈钢加热基座表面处理装置及方法，与传统方案相比：
1)本发明的装置设置多个工位烘烤腔体为多个不锈钢加热基座提供工位，一次可对多个不锈钢加热基座进行处理，并且每个工位烘烤腔体可独立控制，保证不锈钢加热基座的表面处理质量；利用不锈钢加热基座自发热进行烘烤，提高处理效率；分子泵和冷泵结合得到工艺所需的真空度，以使不锈钢加热基座具有更好地除气效果；工位烘烤腔体上的高纯高纯氧气容器能够通入氧气，使得不锈钢加热基座形成氧化膜，降低不锈钢加热基座的出气率；
2)本发明的方法结合本发明的装置，利用分子泵和冷泵配合使得真空度在10-4Pa，并将不锈钢加热基座的温度加热至450±5℃，在此条件下不锈钢加热基座的除气效果好，然后通入高纯氧气，使得不锈钢加热基座的表面形成氧化膜，防止气体再次进入不锈钢加热基座，降低不锈钢加热基座的出气率。
附图说明
图1为本发明的结构图；
在图1中，1、工位烘烤腔；2、分子泵；3、冷泵；4、高真空挡板阀；5、第一抽吸腔；6、第二抽吸腔；7、门阀；8、高纯氧气容器；9、氧气阀门；10、真空度显示装置；11、工位烘烤腔支架；12、支撑平台。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进一步描述。
本发明实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本发明的描述中，需要理解的是，若出现术语“顶”、“底”、“左”、“右”、“前”、“后”、“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，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，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。
请参照图1，本发明提供一种多工位不锈钢加热基座表面处理装置，包括多个用于安装不锈钢加热基座的工位烘烤腔1、与工位烘烤腔1相通的高真空挡板阀4、冷泵3、分子泵2、第一抽吸腔5、第二抽吸腔6，每个所述工位烘烤腔1上设有为不锈钢加热基座供电的电源，所述工位烘烤腔1上设有真空度显示装置10，所述高真空挡板阀4的进口通过管道与工位烘烤腔1密封连接，所述真空挡板阀的出口与第一抽吸腔5密封连接，所述第一抽吸腔5与第二抽吸腔6之间设置有门阀7，所述分子泵2通过管道与第一抽吸腔5密封连接，所述冷泵3通过管道与第二抽吸腔6密封连接，所述工位烘烤腔1上设有高纯氧气容器8，所述高纯氧气容器8上设有氧气阀门9，所述氧气阀门9上的进口通过管路与高纯氧气容器8密封连接，所述氧气阀门9上的出口通过管路与工位烘烤腔1密封连接；在半导体工艺中，对真空度要求很高，因此要求不锈钢原材料要进行高温除气处理，但是在制成不锈钢加热基座用于半导体工艺，仍然会出现真空度不符合要求的情况，因此需要对不锈钢加热基座进行再处理，本发明通过多个工位烘烤腔1体可以同时对多个不锈钢加热基座进行处理，并且利用不锈钢加热基座本身的加热系统进行烘烤，温度在不锈钢加热基座承受范围内，不会损坏不锈钢加热基座上的部件，每个工位烘烤腔1上对应1个高真空挡板阀4，并且自带电源，可以独立控制以保证表面处理质量；分子泵2和冷泵3配合使用，并分别连接第一抽吸腔5、第二抽吸腔6以达到最佳的抽真空效果，并且在分子泵2或冷泵3损坏时，通过打开或关闭门阀7，减轻故障对整个装置的影响；高真空挡板阀4与第一抽吸腔5相连，从而使得分子泵2一次性可以多个工位烘烤腔1进行抽吸，提高处理效率；每个工位烘烤腔1上设置高纯氧气容器8，可以对工位烘烤腔1中的不锈钢加热底座进行氧化处理，以降低不锈钢加热基座的出气率。
如图1所示，工位烘烤腔1圆周均布设置，高真空挡板阀4圆周均布设置，第一抽吸腔5和第二抽吸腔6为圆柱形，高真空挡板阀4和工位烘烤腔11按第一抽吸腔5的轴线圆周均布，这样抽吸就比较均匀，抽吸效果也会更好。
如图1所示，工位烘烤腔1的底端设有工位烘烤腔支架11，用于调整高度和固定。
如图1所示，第二抽吸腔6的底端设有支撑平台12，调整高度，并且支撑平台12还可以设置支撑脚，能够减震，减小抽吸噪音。
如图1所示，真空度显示装置10为真空规，显示的真空度更佳精准。
本发明还提供一种不锈钢加热基座表面处理方法，包括以下步骤：
S1：打开工位烘烤腔1，将不锈钢加热基座安装在工位烘烤腔1内，然后关闭工位烘烤腔1，确保多工位不锈钢加热基座表面处理装置的密封性，分子泵2、冷泵3、氧气阀门9、高真空挡板阀4、门阀7处于关闭状态；
S2：打开所有的高真空挡板阀4，打开分子泵2和冷泵3，进行抽真空至真空度显示装置10的读数至10-4Pa，给不锈钢加热基座通电，按1-3℃/秒的升温速度升温至450±5℃，打开门阀7，450℃±5℃保温1小时后，关闭门阀7和高真空挡板阀4，利用不锈钢加热基座本身进行加热，无需另外的烘烤设备，并且可独立控制，可控性高，分子泵2对第一抽吸腔5进行抽真空，冷泵3对第二抽吸腔6进行抽真空，在不锈钢加热基座升温至450±5℃，打开阀门，对不锈钢加热基座中逸出的气体进行抽吸，并且通过冷泵3抽吸产生的水蒸气，以达到最佳真空度；
S3：打开氧气阀门9，充入氧气至真空度显示装置10的读数1～2kPa后维持此压力，不锈钢加热基座自身继续保持450±5℃，共3～4小时,然后关闭不锈钢加热基座电源，关闭氧气阀门9，温度为450±5℃，不锈钢加热基座表面会形成均匀的深蓝色氧化膜，时间3～4小时为佳，低于3小时则无法形成致密的氧化膜，而大于4小时，氧化膜密度过大，反而会导致氧化膜不均匀；
S4：打开高真空挡板阀4，抽真空至10-4Pa，让不锈钢加热基座在工位烘烤腔1内冷却至60±5℃后，破真空，打开工位烘烤腔1，将不锈钢加热基座拆卸下来进行真空保存，在真空中冷却，破真空后进行真空保存，使得不锈钢加热基座用于半导体工艺前的出气率为最低值。
不锈钢加热基座对材料的要求较为严格，一般选择不锈钢316L制成不锈钢加热基座，不锈钢316L冶炼时会溶解入一定量的气体，有的不锈钢316L会进行真空高温除气处理，有的则不进行处理，真空高温除气的温度在500～1000℃，因为现有技术方案都是要求温度在500℃才有很好的除气效果，不锈钢316L的出气率会有一定的差异，对出气率要求越高，成本越高。半导体工艺对真空度的要求很高，本发明人发现不锈钢加热基座在实际操作中仍然有氢气逸出，氢气从不锈钢加热基座内部迁移到表面，从而影响真空度，并且还会影响半导体的质量，本发明人反复研究，发现可能有以下两个原因：(1)当不锈钢316L进行真空高温除气后，虽然是降温后取出，但是压差的变化还是会让少量的气体溶解在不锈钢材料中；(2)不锈钢316L需要进行机加工等步骤制成不锈钢加热基座，在制作过程中也会溶解少量的气体。因此，本发明人发现要想解决不锈钢加热基座在半导体工艺中出气影响真空度的问题，必须对不锈钢加热基座再次除气，但是不锈钢加热基座中有接线帽、导线等，如果温度过高会导致电气性能下降，比如因高温导致绝缘失效和导线接头氧化等，在经过反复研究后，本发明人将温度设定为450±5℃，在此温度范围内，不锈钢加热基座电气性能不会下降，但是不锈钢316L的出气率有一定的差别，在实际生产中，也有可能450±5℃无法除尽气体，本发明人发现在真空除气的过程中，在温度为450±5℃时，通入高纯氧气使得不锈钢加热基座表面形成均匀的深蓝色氧化膜，这样不锈钢加热基座内部的气体无法逸出，而且不锈钢加热基座接触空气，气体也无法渗透至不锈钢加热基座的内部，这样不锈钢加热基座的出气率为零，整个半导体工艺就会有超高的真空度。
实施例1
一种多工位不锈钢加热基座表面处理装置，包括多个用于安装不锈钢加热基座的工位烘烤腔1、与工位烘烤腔1相通的高真空挡板阀4、冷泵3、分子泵2、第一抽吸腔5、第二抽吸腔6，每个工位烘烤腔1上设有为不锈钢加热基座供电的电源，工位烘烤腔1上设有真空度显示装置10，高真空挡板阀4的进口通过管道与工位烘烤腔1密封连接，真空挡板阀的出口与第一抽吸腔5密封连接，第一抽吸腔5与第二抽吸腔6之间设置有门阀7，分子泵2通过管道与第一抽吸腔5密封连接，冷泵3通过管道与第二抽吸腔6密封连接，工位烘烤腔1上设有高纯氧气容器8，高纯氧气容器8上设有氧气阀门9，氧气阀门9上的进口通过管路与高纯氧气容器8密封连接，氧气阀门9上的出口通过管路与工位烘烤腔1密封连接，工位烘烤腔1圆周均布设置，高真空挡板阀4圆周均布设置，工位烘烤腔1的底端设有工位烘烤腔支架11，第二抽吸腔6的底端设有支撑平台12，真空度显示装置10为真空规。
一种不锈钢加热基座表面处理方法，包括以下步骤：
S1：打开工位烘烤腔1，将不锈钢加热基座安装在工位烘烤腔1内，然后关闭工位烘烤腔1，确保多工位不锈钢加热基座表面处理装置的密封性，分子泵2、冷泵3、氧气阀门9、高真空挡板阀4、门阀7处于关闭状态；
S2：打开所有的高真空挡板阀4，打开分子泵2和冷泵3，进行抽真空至真空度显示装置10的读数至10-4Pa，给不锈钢加热基座通电，按3℃/秒的升温速度升温至450℃，打开门阀7，450℃保温1小时后，关闭门阀7和高真空挡板阀4；
S3：打开氧气阀门9，充入氧气至真空度显示装置10的读数2kPa后维持此压力，不锈钢加热基座自身继续保持450℃，共3.5小时,然后关闭不锈钢加热基座电源，关闭氧气阀门9；
S4：打开高真空挡板阀4，抽真空至10-4Pa，让不锈钢加热基座在工位烘烤腔1内冷却至60℃后，破真空，打开工位烘烤腔1，将不锈钢加热基座拆卸下来进行真空保存，在真空中冷却。
实施例2
一种多工位不锈钢加热基座表面处理装置，同实施例1。
一种不锈钢加热基座表面处理方法，包括以下步骤：
S1：打开工位烘烤腔1，将不锈钢加热基座安装在工位烘烤腔1内，然后关闭工位烘烤腔1，确保多工位不锈钢加热基座表面处理装置的密封性，分子泵2、冷泵3、氧气阀门9、高真空挡板阀4、门阀7处于关闭状态；
S2：打开所有的高真空挡板阀4，打开分子泵2和冷泵3，进行抽真空至真空度显示装置10的读数至10-4Pa，给不锈钢加热基座通电，按1℃/秒的升温速度升温至445℃，打开门阀7，445℃保温1小时后，关闭门阀7和高真空挡板阀4；
S3：打开氧气阀门9，充入氧气至真空度显示装置10的读数1kPa后维持此压力，不锈钢加热基座自身继续保持445℃，共3小时,然后关闭不锈钢加热基座电源，关闭氧气阀门9；
S4：打开高真空挡板阀4，抽真空至10-4Pa，让不锈钢加热基座在工位烘烤腔1内冷却至55℃后，破真空，打开工位烘烤腔1，将不锈钢加热基座拆卸下来进行真空保存。
实施例3
一种多工位不锈钢加热基座表面处理装置，同实施例1。
一种不锈钢加热基座表面处理方法，包括以下步骤：
S1：打开工位烘烤腔1，将不锈钢加热基座安装在工位烘烤腔1内，然后关闭工位烘烤腔1，确保多工位不锈钢加热基座表面处理装置的密封性，分子泵2、冷泵3、氧气阀门9、高真空挡板阀4、门阀7处于关闭状态；
S2：打开所有的高真空挡板阀4，打开分子泵2和冷泵3，进行抽真空至真空度显示装置10的读数至10-4Pa，给不锈钢加热基座通电，按2℃/秒的升温速度升温至455℃，打开门阀7，450℃±5℃保温1小时后，关闭门阀7和高真空挡板阀4；
S3：打开氧气阀门9，充入氧气至真空度显示装置10的读数2kPa后维持此压力，不锈钢加热基座自身继续保持455℃，共3～4小时,然后关闭不锈钢加热基座电源，关闭氧气阀门9；
S4：打开高真空挡板阀4，抽真空至10-4Pa，让不锈钢加热基座在工位烘烤腔1内冷却至65℃后，破真空，打开工位烘烤腔1，将不锈钢加热基座拆卸下来进行真空保存。
用实施例1-3的表面处理装置对不锈钢加热基座进行处理，并且将不锈钢加热基座的其他不耐高温的部件拆除后用传统的真空高温除气进行处理，测量不锈钢加热基座的氢气出气率，如表1所示。表格中1天代表1个标准工时，为8个小时。
表1
处理方法 所需时间 氢气放气率(10-13Torr.L/s.cm2)
真空腔500℃除气 12天 3.5
真空腔1000℃除气 1天 2.8
实施例1 1天 0
实施例2 1天 0
实施例3 1天 0
从表1看出，直接用真空高温除气，500℃需要进行12天的处理，才能有较低的出气率，1000℃处理一天，出气率仍然有2.8，而实施例1-3均没有氢气逸出，出气率为0，因此，有极佳的除气效果。
上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的描述，而并非对实施方式的限定，对于所属领域的技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动，这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举，而由此所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之中。

Claims (5)

1.一种多工位不锈钢加热基座表面处理装置，其特征在于：包括多个用于安装不锈钢加热基座的工位烘烤腔(1)、与工位烘烤腔(1)相通的高真空挡板阀(4)、冷泵(3)、分子泵(2)、第一抽吸腔(5)、第二抽吸腔(6)，每个所述工位烘烤腔(1)上设有为不锈钢加热基座供电的电源，所述工位烘烤腔(1)上设有真空度显示装置(10)，所述高真空挡板阀(4)的进口通过管道与工位烘烤腔(1)密封连接，所述真空挡板阀的出口与第一抽吸腔(5)密封连接，所述第一抽吸腔(5)与第二抽吸腔(6)之间设置有门阀(7)，所述分子泵(2)通过管道与第一抽吸腔(5)密封连接，所述冷泵(3)通过管道与第二抽吸腔(6)密封连接，所述工位烘烤腔(1)上设有高纯氧气容器(8)，所述高纯氧气容器(8)上设有氧气阀门(9)，所述氧气阀门(9)上的进口通过管路与高纯氧气容器(8)密封连接，所述氧气阀门(9)上的出口通过管路与工位烘烤腔(1)密封连接，所述工位烘烤腔(1)圆周均布设置，所述高真空挡板阀(4)圆周均布设置。
2.根据权利要求1所述的一种多工位不锈钢加热基座表面处理装置，其特征在于：所述工位烘烤腔(1)的底端设有工位烘烤腔(1)支架。
3.根据权利要求1所述的一种多工位不锈钢加热基座表面处理装置，其特征在于：所述第二抽吸腔(6)的底端设有支撑平台(12)。
4.根据权利要求1所述的一种多工位不锈钢加热基座表面处理装置，其特征在于：所述真空度显示装置(10)为真空规。
5.一种多工位不锈钢加热基座表面处理方法，其特征在于：包括以下步骤：
S1：打开工位烘烤腔(1)，将不锈钢加热基座安装在工位烘烤腔(1)内，然后关闭工位烘烤腔(1)，确保多工位不锈钢加热基座表面处理装置的密封性，分子泵(2)、冷泵(3)、氧气阀门(9)、高真空挡板阀(4)、门阀(7)处于关闭状态；
S2：打开所有的高真空挡板阀(4)，打开分子泵(2)和冷泵(3)，进行抽真空至真空度显示装置(10)的读数至10-4Pa，给不锈钢加热基座通电，按1～3℃/秒的升温速度升温至450±5℃，打开门阀(7)，450±5℃保温1小时后，关闭门阀(7)和高真空挡板阀(4)；
S3：打开氧气阀门(9)，充入氧气至真空度显示装置(10)的读数1～2kPa后维持此压力，不锈钢加热基座自身继续保持450±5℃，共3～4小时,然后关闭不锈钢加热基座电源，关闭氧气阀门(9)；
S4：打开高真空挡板阀(4)，抽真空至10-4Pa，让不锈钢加热基座在工位烘烤腔(1)内冷却至60±5℃后，破真空，打开工位烘烤腔(1)，将不锈钢加热基座拆卸下来进行真空保存。
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