CN115346894B - 晶圆的热处理装置 - Google Patents

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Abstract

本公开提供了一种晶圆的热处理装置。其中，晶圆的热处理装置包括：腔体、托盘、微波发生器、泵体和加热部。腔体具有沿水平方向相对设置的第一侧壁和第二侧壁，第一侧壁开设第一开口，第二侧壁开设第二开口，第一开口与第二开口沿水平方向相对设置且与腔体内部的腔室连通；托盘设置在腔室内；微波发生器与第一开口连接，用于向腔室输送等离子体；泵体与第二开口连接；加热部与腔体连接，用于加热晶圆。根据本公开的技术，通过微波发生器向腔室内输送等离子体、同时泵体抽取腔室内的等离子体，实现在晶圆的上表面形成沿水平方向流动的气流，与此同时结合加热部对晶圆的加热，可以保证晶圆的热处理工艺的质量和稳定性。

Description

晶圆的热处理装置
技术领域
本公开涉及半导体设备技术领域，尤其涉及一种晶圆的热处理装置。
背景技术
快速热处理(RTP，rapid thermal processing)是晶圆加工时通常会用到的一种加工工艺。快速热处理是一种升温速度非常快的，保温时间很短的热处理方式。升温速率能达到10～100摄氏度每秒，可以用于离子注入后的杂质快速激活、快速热氧化等。此方法能大量节省热处理时间和降低生产成本，是热处理上的一次革新。
发明内容
根据本公开的一方面，提供了一种晶圆的热处理装置，包括：
腔体，具有沿水平方向相对设置的第一侧壁和第二侧壁，第一侧壁上开设有第一开口，第二侧壁上开设有第二开口，第一开口与第二开口沿水平方向相对设置且与腔体内部的腔室连通；
托盘，可转动地设置在腔室内，托盘的第一端面用于支撑晶圆；
微波发生器，与第一开口连接，用于向腔室输送等离子体；
泵体，与第二开口连接；
加热部，与腔体连接，用于加热晶圆。
在一种实施方式中，第一侧壁上还开设有至少一个第三开口，第三开口与第二开口沿水平方向相对设置，第三开口与第二输送管连接，用于向腔室输送气体。
在一种实施方式中，晶圆的热处理装置还包括：
第一匀流板，设置在腔室内靠近第一开口的位置处，第一匀流板的端面与第一开口相对，第一匀流板的端面上开设有多个导流孔。
在一种实施方式中，加热部包括第一加热灯和第二加热灯，腔体具有沿竖直方向相对设置的顶面和底面，第一加热灯与顶面连接，第二加热灯与底面连接；托盘位于第一加热灯和第二加热灯之间。
在一种实施方式中，第一加热灯朝向腔室内部的一侧端面上设置有第一石英板，第二加热灯朝向腔室内部的一侧端面上设置有第二石英板。
在一种实施方式中，加热部还包括第三加热灯，环设在腔体的侧壁上。
在一种实施方式中，晶圆的热处理装置还包括：
气浮旋转机构，设置在腔室内，且与托盘的第二端面对应设置；气浮旋转机构具有多个喷嘴，多个喷嘴与供气管路连接，多个喷嘴用于驱动托盘悬浮并旋转。
在一种实施方式中，晶圆的热处理装置还包括：
加热环，设置在托盘的第一端面的上方，且加热环位于第一开口和第二开口之间形成的气流通道中，加热环用于加热晶圆的外缘。
在一种实施方式中，晶圆的热处理装置还包括：
第二匀流板，设置在第一石英板和托盘的第一端面之间，第二匀流板的端面上开设有多个导流孔。
在一种实施方式中，晶圆的热处理装置还包括：
传感器，与腔体连接，传感器的检测端延伸至腔室；和/或，泵体为真空泵。
根据本公开的技术，通过微波发生器向腔室内输送等离子体、同时泵体抽取腔室内的等离子体，实现在晶圆的上、下表面形成沿水平方向流动的气流，与此同时结合加热部对晶圆的加热，可以保证晶圆的热处理工艺的质量和稳定性。
应当理解，发明内容部分中所描述的内容并非旨在限定本公开的实施例的关键或重要特征，亦非用于限制本公开的范围。本公开的其它特征将通过以下的描述变得容易理解。
附图说明
结合附图并参考以下详细说明，本公开各实施例的上述和其他特征、优点及方面将变得更加明显。在附图中，相同或相似的附图标记表示相同或相似的元素，其中：
图1示出根据本公开实施例的晶圆的热处理装置的结构示意图；
图2示出根据本公开另一实施例的晶圆的热处理装置的俯视结构示意图。
具体实施方式
以下结合附图对本公开的示范性实施例做出说明，其中包括本公开实施例的各种细节以助于理解，应当将它们认为仅仅是示范性的。因此，本领域普通技术人员应当认识到，可以对这里描述的实施例做出各种改变和修改，而不会背离本公开的范围和精神。同样，为了清楚和简明，以下的描述中省略了对公知功能和结构的描述。
如图1、图2所示，本公开实施例提供了一种晶圆的热处理装置，包括：腔体7、托盘11、微波发生器6、泵体1和加热部。
腔体7具有沿水平方向相对设置的第一侧壁73和第二侧壁74，第一侧壁73上开设有第一开口71，第二侧壁74上开设有第二开口72，第一开口71与第二开口72沿水平方向相对设置且与腔体7内部的腔室21连通。托盘11可转动地设置在腔室21内，托盘11的第一端面用于支撑晶圆9。微波发生器6与第一开口71连接，用于向腔室21输送等离子体23。泵体1与第二开口72连接，用于将腔室21内部抽至真空状态。加热部与腔体7连接，用于加热晶圆9。
需要说明的是，定义本公开各实施例中所述的水平方向为图1中的晶圆的热处理装置由左到右的方向。所述的竖直方向为图1中由上到下的方向。
腔体7的形状、材质和尺寸，可以根据需要进行选择和调整，在此不做具体限定。只要能够满足待加工晶圆9的热处理需求即可。腔室21的内部构造和尺寸也可以根据待加工晶圆9的需求进行选择和调整，只要能够满足将晶圆9放入并进行热处理即可。
第一开口71和第二开口72的口径大小、形状，可以根据需要进行选择和调整，在此不做具体限定。第一开口71与第二开口72的位置大体上处于同一水平线即可，第一开口71和第二开口72口径大小不一致时，两个的位置可以在水平方向存在一定的偏差。
托盘11支撑晶圆9，可以理解为晶圆9直接放置在托盘11的第一端面上，也可以理解为托盘11上设置有多个顶针，通过多个顶针将晶圆9支撑于托盘11的第一端面的上方。
微波发生器6可以采用现有技术中的任意微波发生装置，在此不做具体限定。微波发生器6只要能够实现将输入其内部的工艺气体电离，产生氧自由基(等离子体23)输入到腔室21中参与热处理工艺反应即可。例如，微波发生器6可以采用远程等离子体(RPS，Remote Plasma Source)发生器。
泵体1可以采用现有技术中的任意泵结构，在此不做具体限定，只要能够实现抽吸腔室21内的气体，以及能够实现将腔室21内部形成低压的真空环境即可。例如，泵体1可以采用干泵或真空泵。
加热部可以采用任意的加热结构，只要能够实现对晶圆9加热即可。为了保证腔室21内的工艺加工过程的稳定性，可以利用加热部控制腔室21内的温度。例如将腔室21内的温度控制在600℃～900℃。
在利用本公开实施例的晶圆的热处理装置对晶圆9进行工艺加工时，微波发生器6、泵体1、加热部、托盘11可以同时工作。具体的，托盘11带动晶圆9转动，加热部对晶圆9进行加热，同时微波发生器6通过第一开口71向腔室21内输送等离子体23、泵体1将腔室21内的气体通过第二开口72抽出。在微波发生器6、泵体1、加热部、托盘11的同时作用下，实现晶圆9的热处理加工工艺。
根据本公开的技术，在低压环境中，通过微波发生器6向腔室21内输送等离子体23、泵体1抽取腔室21内的气体，可以实现在晶圆9的上、下表面形成沿水平方向流动的气流，与此同时结合加热部对晶圆9的加热温度进行控制，可以保证晶圆9的热处理工艺的质量和稳定性，使得晶圆9的孔洞生长高质量的二氧化硅薄膜，以及满足高深宽比孔洞侧壁二氧化硅薄膜的阶梯覆盖率。从而可以满足3D NAND产品工艺对二氧化硅薄膜的需求。
在一个示例中，等离子体23包括氢氧自由基的氧等离子体。
在一种实施方式中，加热部包括第一加热灯2和第二加热灯4。腔体7具有沿竖直方向相对设置的顶面75和底面76，第一加热灯2与顶面75连接，第二加热灯4与底面76连接。托盘11位于第一加热灯2和第二加热灯4之间，第一加热灯2和第二加热灯4用于对晶圆9的上下表面进行加热。
需要说明的是，第一加热灯2和第二加热灯4可以采用现有技术中任意的加热灯结构，在此不做具体限定。第一加热灯2和第二加热灯4的数量，以及各第一加热灯2和各第二加热灯4的布置方式，均可以根据需要进行选择和调整，在此不做具体限定。
根据本公开实施例的方案，由于托盘11设置在第一加热灯2和第二加热灯4之间，因此，通过第一加热灯2和第二加热灯4可以实现同时对晶圆9的上下表面进行辐射加热。双面辐射加热的方式可以有效解决单面辐射加热无法避免的图形效应问题，双面辐射加热可以优化晶圆9应力，提升晶圆9升温速度和设备工艺效率。
在一个示例中，为了给第一加热灯2和第二加热灯4预留出足够的安装空间，微波发生器6可以设置在腔体7的第一侧壁73的外侧，从而使得第一加热灯2和第二加热灯4可以设置在腔体7的顶部和底部，实现对晶圆9上下表面的同时加热。
在一种实施方式中，微波发生器6还与第一输送管22连接。第一输送管22用于向微波发生器6内输送工艺气体，以使微波发生器6基于工艺气体产生等离子体23并输送至腔室21内。
在一种实施方式中，第一侧壁73上还开设有至少一个第三开口24，第三开口24与第二开口72沿水平方向相对设置，第三开口24与第二输送管连接，第三开口24用于将第二输送管输送的工艺气体输送至腔室21内。以供在热处理时，参与工艺反应的过程。
需要说明的是，第二输送管输入的工艺气体和第一输送管输入的工艺气体不同。
在一个示例中，第三开口24为多个，各第三开口24间隔设置在第一侧壁73上，且各第三开口24输入到腔室21内的工艺气体可以不同。
在一种实施方式中，微波发生器6与第一开口71连接的出气端还开设有进气旁路25，进气旁路25用于向微波发生器6的出气端位置输送工艺气体，并随微波发生器内的等离子体23一同输入到腔室21内。进气旁路25向微波发生器6的出气端输入工艺气体的流速可以大于微波发生器6向腔室21内输入等离子体23的流速，以使在微波发生器6的出气端聚集的等离子体23能够快速的被带入到腔室21内。
在一个示例中，为了使微波发生器6输送等离子体23的流量满足工艺加工需要，可以使得第二开口72的口径尺寸小于第一开口71和第三开口24的口径尺寸，保证第二开口72利用泵体1将气体从腔室21内抽出的速率适配第一开口71输入等离子体23的速率以及适配第三开口24输入工艺气体的速率。
在一个示例中，托盘11设置在第一开口71和第二开口72的中心线所夹的空间位置，保证第一开口71输入的等离子体23和其他工艺气体在被第二开口72抽走时，等离子体23和工艺气体可以同时流经晶圆9的上下表面。
在一种实施方式中，晶圆9的热处理装置还包括第一匀流板12，第一匀流板12设置在腔室21内靠近第一开口71的位置处，第一匀流板12的端面与第一开口71相对，第一匀流板12的端面上开设有多个导流孔。微波发生器6输送的等离子体23和第三开口24输送的工艺气体流经多个导流孔后，被输送到晶圆9周围的环境中，实现对输入的等离子体23和工艺气体的匀流，使得等离子体23和工艺气体可以均布在晶圆9的上下表面，使得等离子体23和工艺气体能够充分的参加反应过程，提升晶圆9工艺的均匀性。
在一种实施方式中，第一加热灯2朝向腔室21内部的一侧端面上设置有第一石英板3，第二加热灯4朝向腔室21内部的一侧端面上设置有第二石英板5。第一加热灯2产生的热量可以通过第一石英板3辐射到晶圆9的上表面，第二加热灯4产生的热量可以通过第二石英板5辐射到晶圆9的下表面。同时，第一石英板3和第二石英板5可以进一步密封腔室21的内部空间，提供低压腔体7所需的密封环境。
在一种实施方式中，加热部还包括第三加热灯，环设在腔体7的侧壁上。第三加热灯用于对晶圆9的周向区域进行加热。第三加热灯可以采用现有技术中任意的加热灯结构，在此不做具体限定。
根据本公开实施例，通过设置的第一加热灯2、第二加热灯4和第三加热灯，可以实现对晶圆9进行全方位的加热，保证晶圆9的每个区域都能够均匀受热，提高晶圆9的热处理质量。
在一种实施方式中，晶圆9的热处理装置还包括气浮旋转机构，设置在腔室21内，且与托盘11的第二端面对应设置。气浮旋转机构具有多个喷嘴，多个喷嘴与供气管路连接，多个喷嘴能够同时或分别向托盘11的第二端面喷射气体，从而驱动托盘11悬浮并旋转。多个喷嘴可以调整托盘11的旋转速度和旋转方向，从而配合晶圆9的不同阶段的热处理需求。气浮旋转机构控制托盘11带动晶圆9旋转，可以保证热处理加工时的晶圆9工艺的均匀性。
在一种实施方式中，晶圆9的热处理装置还包括加热环8，加热环8设置在托盘11的第一端面的上方。加热环8套设在晶圆9的外缘的外部。加热环8用于为晶圆9的外缘加热，可使晶圆9不同区域受热均匀。
在一个示例中，加热环8可以设置在第一开口71和第二开口72之间形成的气流通道中。在第一开口71向腔室21输送等离子体23，同时第二开口72利用泵体1抽出腔室21内的气体时，随着气流的流动，加热环8产生的热量可以在加热晶圆9的外缘的基础上，流经晶圆9的上下表面，辅助第一加热灯2和第二加热灯4对晶圆9的上下表面进行加热，保证晶圆9整体受热均匀，提高晶圆9的加工质量。
在一种实施方式中，晶圆9的热处理装置还包括第二匀流板10，设置在第一石英板3和托盘11的第一端面之间，第二匀流板10的端面上开设有多个导流孔。微波发生器6输送的等离子体23和第三开口24输送的工艺气体流经多个导流孔后，被输送到晶圆9周围的环境中，实现对输入的等离子体23和工艺气体的匀流，使得等离子体23和工艺气体可以均布在晶圆9的上下表面，使得等离子体23和工艺气体能够充分的参加反应过程，提升晶圆9工艺的均匀性。
在一种实施方式中，晶圆9的热处理装置还包括一个或多个传感器，与腔体7连接，传感器的检测端延伸至腔室21。传感器用于在晶圆9进行热处理的过程中，监测晶圆9的温度、转速、气浮姿态(例如，气浮高度)、旋转姿态(例如，偏心状态)等。
在一个示例中，传感器为多个，通过分布在不同位置的传感器测量晶圆9的反射率和透射率，从而推导出晶圆9不同区域的温度变化，实现工艺中对温度的控制和检测。
在一个示例中，多个传感器包括边缘发射器13、中心接收器14、反射接收器15、IR(Infrared Radiation，红外线)发射器16、边缘接收器17、中心发射器18和折射接收器19。中心接收器14和中心发射器18相对设置，且中心接收器14设置在腔室21的底部中心位置，中心发射器18设置在腔室21的顶部中心位置。边缘发射器13和边缘接收器17相对设置，且边缘发射器13设置在腔室21的顶部靠近晶圆9边缘的位置，边缘接收器17设置在腔室21的底部靠近晶圆9边缘的位置。IR发射器16倾斜设置在腔室21的底部，反射接收器15倾斜设置在腔室21的底部，折射接收器19倾斜设置在腔室21的顶部。
在一种实施方式中，本公开实施例的晶圆的热处理装置，可以理解为是晶圆的退火设备。
在本说明书的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”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公开和简化描述，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公开的限制。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者多个该特征。在本公开的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
在本公开中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接，还可以是通信；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或两个元件的相互作用关系。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在本公开中的具体含义。
在本公开中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
上文的公开提供了许多不同的实施方式或例子用来实现本公开的不同结构。为了简化本公开的公开，上文中对特定例子的部件和设置进行描述。当然，它们仅仅为示例，并且目的不在于限制本公开。此外，本公开可以在不同例子中重复参考数字和/或参考字母，这种重复是为了简化和清楚的目的，其本身不指示所讨论各种实施方式和/或设置之间的关系。
上述具体实施方式，并不构成对本公开保护范围的限制。本领域技术人员应该明白的是，根据设计要求和其他因素，可以进行各种修改、组合、子组合和替代。任何在本公开的精神和原则之内所作的修改、等同替换和改进等，均应包含在本公开保护范围之内。

Claims (9)

1.一种晶圆的热处理装置，其特征在于，包括：
腔体，具有沿水平方向相对设置的第一侧壁和第二侧壁，所述第一侧壁上开设有第一开口，所述第二侧壁上开设有第二开口，所述第一开口与所述第二开口沿水平方向相对设置且与所述腔体内部的腔室连通；
托盘，可转动地设置在所述腔室内，所述托盘的第一端面用于支撑晶圆；
微波发生器，包括与所述第一开口连接的出气端，用于向所述腔室输送等离子体；
进气旁路，开设于所述出气端，所述进气旁路用于向所述出气端输送工艺气体，其中，所述进气旁路的气体流速大于所述微波发生器的气体流速；
泵体，与所述第二开口连接；
加热部，至少与所述腔体沿竖直方向相对设置的顶面和底面连接，用于加热所述晶圆；
加热环，设置在所述第一端面的上方，且位于所述第一开口和所述第二开口之间形成的气流通道中，所述加热环用于加热所述晶圆的外缘。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述第一侧壁上还开设有至少一个第三开口，所述第三开口与所述第二开口沿水平方向相对设置，所述第三开口与第二输送管连接，用于向所述腔室输送气体。
3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，还包括：
第一匀流板，设置在所述腔室内靠近所述第一开口的位置处，所述第一匀流板的端面与所述第一开口相对，所述第一匀流板的端面上开设有多个导流孔。
4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述加热部包括第一加热灯和第二加热灯，所述腔体具有沿竖直方向相对设置的顶面和底面，所述第一加热灯与所述顶面连接，所述第二加热灯与所述底面连接；所述托盘位于所述第一加热灯和所述第二加热灯之间。
5.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，所述第一加热灯朝向所述腔室内部的一侧端面上设置有第一石英板，所述第二加热灯朝向所述腔室内部的一侧端面上设置有第二石英板。
6.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述加热部还包括第三加热灯，环设在所述腔体的侧壁上。
7.根据权利要求1至6任一项所述的装置，其特征在于，还包括：
气浮旋转机构，设置在所述腔室内，且与所述托盘的第二端面对应设置；所述气浮旋转机构具有多个喷嘴，所述多个喷嘴与供气管路连接，所述多个喷嘴用于驱动所述托盘悬浮并旋转。
8.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，还包括：
第二匀流板，设置在所述第一石英板和所述托盘的第一端面之间，所述第二匀流板的端面上开设有多个导流孔。
9.根据权利要求1至6任一项所述的装置，其特征在于，还包括：
传感器，与所述腔体连接，所述传感器的检测端延伸至所述腔室；
和/或，所述泵体为真空泵。
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