CN116169071A - 一种半导体晶圆用快速退火设备及其使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种半导体晶圆用快速退火设备及其使用方法，属于半导体晶圆制造处理技术领域，包括：退火炉单元，包含有炉底、炉芯体、炉盖和加热组件，所述炉底的顶部外周侧通过外固定沿固定连接圆炉体的底部，圆炉体的前侧中部开设有炉口，圆炉体的外侧安装有与炉口对应的炉口塞封单元，所述圆炉体的内侧套接有保温隔热套，保温隔热套的内侧套接有储热铁套，所述炉底的顶部中心通过内固定沿固定连接炉芯体底部，所述炉盖的底部固定连接圆炉体的顶部，所述炉盖的底部开设有弧形槽；既可以快速完成退火前的升温加热阶段，又可以使半导体晶圆均匀受热，且可以快速完成退火，退火整个流程的效率高，退火充分。

Description

一种半导体晶圆用快速退火设备及其使用方法

技术领域

本发明涉及半导体晶圆制造处理技术领域，尤其涉及一种半导体晶圆用快速退火设备及其使用方法。

背景技术

晶圆是指硅半导体集成电路制作所用的硅晶片，由于其形状为圆形，故称为晶圆，对于半导体材料，尤其是半导体晶圆材料在制备过程中，常常涉及退火处理操作，通过退火处理过程，有效增加半导体晶圆材料的电学性能；

现有技术中授权公告号为CN209568173U的中国专利公开了一种半导体晶圆用快速退火设备，通过退火炉本体以及与退火炉本体配合的送料装置，退火炉本体向右依次设有第一挡板以及第二挡板，第一挡板以及第二挡板将退火炉本体自左向右依次阻隔为加热空腔、吹风空腔以及喷液空腔，送料装置包括底座、滑槽板以及放料板，加热空腔、吹风空腔以及喷液空腔的底部分别设有滑轨，吹风空腔的顶部设有吹风头，吹风头之间通过横管连通，横管连通有鼓风机，吹风空腔连通有排风管，喷液空腔的顶部设有多个喷液头，喷液头之间通过导管连通，所述导管连通有自动喷水器，通过上述装置实现高效进料以及退火；

其虽然可以解决退火处理效率和退火充分性的问题，但是在退火前的加热阶段采用热风加热，半导体晶圆的升温加热阶段耗时时间长，导致其整个退火处理过程的效率降低，而采用燃气炉配合炉壁热辐射的方法对半导体晶圆的升温加热时又会影响半导体晶圆的退火效率和退火充分性，且退火前的升温阶段只能对半导体晶圆的最外侧快速升温，半导体晶圆升温一致性差，会影响半导体晶圆后续的退火时机选择。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有技术中在实际使用时，半导体晶圆的升温加热阶段耗时时间长，导致其整个退火处理过程的效率降低，而采用燃气炉配合炉壁热辐射的方法对半导体晶圆的升温加热时又会影响半导体晶圆的退火效率和退火充分性，且退火前的升温阶段只能对半导体晶圆的最外侧侧快速升温，半导体晶圆升温一致性差，会影响半导体晶圆后续的退火时机选择的问题，而提出的一种半导体晶圆用快速退火设备及其使用方法。

为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：

一种半导体晶圆用快速退火设备，包括：

退火炉单元，包含有炉底、炉芯体、炉盖和加热组件，所述炉底的顶部外周侧通过外固定沿固定连接圆炉体的底部，圆炉体的前侧中部开设有炉口，圆炉体的外侧安装有与炉口对应的炉口塞封单元，所述圆炉体的内侧套接有保温隔热套，保温隔热套的内侧套接有储热铁套，所述炉底的顶部中心通过内固定沿固定连接炉芯体底部，所述炉盖的底部固定连接圆炉体的顶部，所述炉盖的底部开设有弧形槽，且炉盖的顶部贯穿设置有与弧形槽对应的排烟口，所述储热铁套的底部内侧和炉芯体的底部外侧安装有加热组件；

晶圆转动均热单元，安装在炉底上侧，且晶圆转动均热单元上环形阵列安装有晶圆自转安装单元，所述晶圆自转安装单元的内侧连接晶圆动作切换单元；

晶圆快速退火单元，安装在加热组件上。

炉底通过外固定沿密封连接圆炉体的顶部，配合炉盖构成一个退火炉壳体，保温隔热套用于减少退火炉壳体内热量向外辐射热量，炉芯体采用铁质材料，配合储热铁套对热量进行继续，可以使退火炉内快速升温，加快退火前的加热效率，加热组件可以对退火炉内加热，同时热量会被储热铁套和炉芯体吸收暂储，提高退火炉内热辐射，加快半导体晶圆的升温效率，利于升温至需要温度后进行快速退火处理，晶圆自转安装单元可以快速安装半导体晶圆，同时让半导体晶圆可以翻转，晶圆转动均热单元可以带动半导体晶圆在退火炉内绕炉芯体转动，促进加热的均匀性，且晶圆转动均热单元转动时借助晶圆动作切换单元可以使半导体晶圆翻转，使半导体晶圆被均匀加热，提高加热效率，可以快速完成退火前的加热阶段，需要退火时可以通过晶圆快速退火单元快速遮挡加热组件以及储热铁套和炉芯体的热辐射，既可以对半导体快速加热升温至退火前所需的温度，降低整个退火过程所用的时间，提高退火处理过程的整体效率，又不会由于储热铁套和炉芯体的热辐射影响退火的速度和退火的充分性，且升温阶段可以对半导体晶圆进行均匀充分的加热升温，提高半导体升温时的均一性，方便半导体晶圆后续退火时机的选择。

优选的，所述加热组件包含有炉壁环、燃气点燃装置一、芯体环和燃气点燃装置二，所述储热铁套的底部内侧固定连接有炉壁环，炉壁环上环形阵列安装有燃气点燃装置一，所述炉芯体的底部外侧固定连接有芯体环，芯体环上环形阵列安装有燃气点燃装置二。

通过燃气点燃装置一和燃气点燃装置二可以使退火炉变成燃气炉，方便对储热铁套和炉芯体加热，使储热铁套和炉芯体向外辐射热能对半导体晶圆进行加热，可以解决燃气燃烧时向外辐射热能有限的问题。

优选的，所述晶圆快速退火单元包含有外固定挡温套、外转动挡温套、外扇形透温口、辐杆、内转动挡温套、内固定挡温套、内扇形透温口和退火动力组件，所述炉壁环的内侧固定连接外固定挡温套的底端外侧，所述外固定挡温套内侧转动连接有外转动挡温套，所述外固定挡温套和外转动挡温套上均环形阵列开设有外扇形透温口，外转动挡温套上对应炉口的外扇形透温口的宽度为其他外扇形透温口宽度的二倍，所述芯体环的外侧固定连接内固定挡温套的底部外侧，所述内固定挡温套的外侧转动连接有内转动挡温套，所述内固定挡温套和内转动挡温套上均环形阵列开设有内扇形透温口，外转动挡温套的顶部通过不少于两个的辐杆固定连接内转动挡温套顶部，且辐杆的顶部连接退火动力组件。

正常对半导体晶圆进行加热升温时，外固定挡温套和外转动挡温套上的外扇形透温口对应，内固定挡温套和内转动挡温套上的内扇形透温口对应，燃气燃烧的热量以及储热铁套和炉芯体向外热辐射的热量分别透过外扇形透温口和内扇形透温口对半导体晶圆加热，需要快速退火时，关闭燃烧燃气的燃气点燃装置一和燃气点燃装置二，同时退火动力组件通过辐杆带动外转动挡温套和内转动挡温套转动，使外固定挡温套和外转动挡温套上的外扇形透温口交错，且内固定挡温套和内转动挡温套上的内扇形透温口交错，此时也就快速遮挡住了储热铁套和炉芯体向外热辐射的热量，可以完成快速退火的过程，此时由于外转动挡温套上对应炉口的外扇形透温口的宽度为其他外扇形透温口宽度的二倍，外转动挡温套上对应炉口的外扇形透温口右侧仍与外固定挡温套上的外扇形透温口对应，可以透过炉口将晶圆转动均热单元上的半导体晶圆取出，也可以在此时往晶圆转动均热单元上放置半导体晶圆。

优选的，所述晶圆转动均热单元包含有安装环、下外齿圈、连接柱、转动环、外环和转动动力组件，所述炉底的上侧固定连接有与其同圆心的安装环，安装环的外侧转动连接有下外齿圈，下外齿圈的上侧通过环形阵列的连接柱固定连接转动环的底部，转动环的外侧环形阵列连接有外环，所述下外齿圈连接转动动力组件。

转动动力组件工作可以带动下外齿圈相对于安装环转动，外齿圈通过连接柱可以带动转动环和外环绕着炉芯体转动，从而促进对晶圆自转安装单元上半导体晶圆的均匀加热。

优选的，所述晶圆自转安装单元包含有支座、端轴、自转环、短柱和晶圆卡位组件，所述外环的上表面两侧对称设置有两个支座，所述自转环的顶部两侧分别固定连接有端轴，端轴沿着转动环的径向分布，且两个端轴分别通过轴承转动连接两个支座，所述自转环的上侧通过短柱连接晶圆卡位组件的顶部。

支座用于安装端轴，自转环通过端轴可以相对于外环转动，晶圆卡位组件用于卡接半导体晶圆，从而可以使半导体晶圆通过端轴相对于外环转动；

优选的，所述晶圆卡位组件包含有托环、限位沿、固定块和限位硅胶垫，所述自转环的上侧通过短柱固定连接托环的底部，所述托环的上侧边沿固定连接有限位沿，所述托环和限位沿远离转动环中心的一侧设置有取放缺口，所述限位沿的顶部两侧分别通过螺栓固定连接有固定块，固定块的下侧设置有限位硅胶垫。

托环用于承托半导体晶圆底部，限位沿对半导体晶圆的外周侧进行限位，固定块对限位硅胶垫固定，限位硅胶垫对半导体晶圆的上侧边沿进行限位卡接，使托环在翻转时半导体晶圆不会掉落，取放缺口可以使晶圆取放臂穿过延伸至半导体晶圆底部，方便采用晶圆取放臂电动进行半导体晶圆放置和转移。

优选的，所述晶圆卡位组件还包含有取样凹槽，所述托环的上表面远离取放缺口的一侧开设有取样凹槽。取样凹槽可以供晶圆取放臂末端伸入，方便稳定的取放半导体晶圆；

优选的，所述晶圆动作切换单元包含有联轴器、连接轴、传动齿轮、端面齿环、定位顶块、定位升降环和切换控制组件，靠近转动环中心的端轴通过联轴器固定连接连接轴的一端，连接轴的另一端固定连接有传动齿轮，所述炉底上侧安装有切换控制组件，切换控制组件上分别固定连接有与炉底同圆心的端面齿环和定位升降环，定位升降环的直径大于端面齿环的直径，定位升降环上环形阵列固定有与联轴器底部对应的定位顶块，所述端面齿环与传动齿轮啮合连接。

当切换控制组件带动定位升降环和定位顶块下降，带动端面齿环上升，可以使端面齿环与传动齿轮啮合，当转动环转动时，传动齿轮和端面齿环啮合作用可以带动联轴器和连接轴转动，此时可以通过端轴使外环翻转，可以带动半导体晶圆翻转，利于对半导体晶圆进行全面的加热；

当切换控制组件定位升降环和定位顶块升起，带动端面齿环下降，此时端面齿环与传动齿轮脱离接触，定位顶块抵住联轴器的底部，可以使自转环不能再翻转，保持托环正面朝上，此时利于在晶圆卡位组件上取放半导体晶圆；

当切换控制组件控制定位顶块和端面齿环等高，此时端面齿环与传动齿轮不啮合，且定位顶块与联轴器的底部也不接触，此时自转环和托环可以自己保持正面朝向的稳定状态。

优选的，所述切换控制组件包含有限位套、升降控制柱、活动座、切换连杆、活动轴、切换盘、切换电机、电机座二，炉底上镶嵌有两个相互靠近的限位套，两个限位套内分别竖向滑动连接有两个升降控制柱，其中一个升降控制柱的顶部固定连接端面齿环，另一个升降控制柱的顶部固定连接定位升降环，两个升降控制柱的底端分别固定连接有活动座，两个活动座分别通过短柱活动连接两个切换连杆的顶部，两个切换连杆的底端分别通过活动轴活动连接切换盘的前侧左右两端，切换盘的中部固定连接切换电机的输出轴，切换电机通过电机座二固定在炉底的底部。

当定位顶块和端面齿环等高时，切换电机转动使两个活动轴在同一水平面，当需要定位升降环和定位顶块升起且端面齿环下降，切换电机带动切换盘顺时针转动，此时左侧的升降控制柱被左侧的切换连杆推动升起，右侧的升降控制柱被右侧的切换连杆下拉下降，当需要定位升降环和定位顶块下降且端面齿环升起，切换电机带动切换盘逆时针转动即可。

优选的，一种半导体晶圆用快速退火设备的使用方法，具体包括以下步骤：

S1：通过炉口塞封单元打开炉口，退火动力组件工作带动辐杆、外转动挡温套和内转动挡温套转动，使外固定挡温套和外转动挡温套上的外扇形透温口对应，且内转动挡温套和内固定挡温套上的内扇形透温口对应；

S2：通过转动动力组件带动转动环转动，使晶圆自转安装单元对应炉口，通过晶圆动作切换单元中的切换控制组件工作，使定位顶块抵住联轴器，使自转环不能转动，然后在晶圆卡位组件上卡接半导体晶圆，接着切换控制组件工作使定位顶块脱离联轴器，转动动力组件带动转动环再次转动，重复以上步骤直到所有自转环上的晶圆卡位组件卡接有半导体晶圆，然后通过炉口塞封单元关闭炉口；

S3：加热组件中的燃气点燃装置一和燃气点燃装置二工作，对半导体晶圆进行加热升温，储热铁套和炉芯体蓄热后也向外进行热辐射，对半导体晶圆持续加热；

S4： 切换控制组件工作，使定位顶块脱离联轴器，且带动端面齿环上升，端面齿环与传动齿轮啮合，转动动力组件带动转动环转动，使半导体晶圆在退火炉单元内做环形运动，且由于端面齿环与传动齿轮的啮合，半导体晶圆也通过托环以端轴为轴心转动，对半导体晶圆进行全面升温加热；

S5：需要对快速退火时，停止燃气点燃装置一和燃气点燃装置二的工作，退火动力组件工作带动辐杆、外转动挡温套和内转动挡温套转动，使外固定挡温套和外转动挡温套上的外扇形透温口交错，且内转动挡温套和内固定挡温套上的内扇形透温口交错，挡住储热铁套和炉芯体向外的热辐射，完成快速退火。

与现有技术相比，本发明提供了一种半导体晶圆用快速退火设备及其使用方法，具备以下有益效果：

1、该半导体晶圆用快速退火设备，炉底通过外固定沿密封连接圆炉体的顶部，配合炉盖构成一个退火炉壳体，保温隔热套用于减少退火炉壳体内热量向外辐射热量，炉芯体采用铁质材料，配合储热铁套对热量进行继续，可以使退火炉内快速升温，加快退火前的加热效率，加热组件可以对退火炉内加热，同时热量会被储热铁套和炉芯体吸收暂储，提高退火炉内热辐射，加快半导体晶圆的升温效率，利于升温至需要温度后进行快速退火处理；

2、该半导体晶圆用快速退火设备，晶圆自转安装单元能够快速安装半导体晶圆，同时让半导体晶圆能够翻转，晶圆转动均热单元能够带动半导体晶圆在退火炉内绕炉芯体转动，促进加热的均匀性，且晶圆转动均热单元转动时借助晶圆动作切换单元能够使半导体晶圆翻转，使半导体晶圆被均匀加热，提高加热效率，能够快速完成退火前的加热阶段；

3、该半导体晶圆用快速退火设备，需要退火时可以通过晶圆快速退火单元快速遮挡加热组件以及储热铁套和炉芯体的热辐射，既可以对半导体快速加热升温至退火前所需的温度，降低整个退火过程所用的时间，提高退火处理过程的整体效率，又不会由于储热铁套和炉芯体的热辐射影响退火的速度和退火的充分性，且升温阶段可以对半导体晶圆进行均匀充分的加热升温，提高半导体升温时的均一性，方便半导体晶圆后续退火时机的选择。

本发明既可以快速完成退火前的升温加热阶段，又可以使半导体晶圆均匀受热，且可以快速完成退火，退火整个流程的效率高，退火充分。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明图1中A处局部放大结构示意图；

图3为本发明储热铁套内部结构示意图；

图4为本发明炉口塞封单元结构示意图；

图5为本发明炉盖底部结构示意图；

图6为本发明储热铁套内部仰视结构示意图；

图7为本发明炉底底部结构示意图；

图8为本发明图7中B处局部放大结构示意图；

图9为本发明储热铁套内部后侧结构示意图；

图10为本发明半导体晶圆安装在晶圆卡位组件上的结构示意图；

图中：1炉腿、2退火炉单元、21炉底、22外固定沿、23内固定沿、24圆炉体、25保温隔热套、26储热铁套、27炉芯体、28炉盖、29排烟口、210炉壁环、211燃气点燃装置一、212芯体环、213燃气点燃装置二、214弧形槽、215炉口、3炉口塞封单元、31弧形滑轨、32弧形滑座、33摆杆、34活动柱、35弧形盖、36弧形保温隔热板、4晶圆转动均热单元、41安装环、42下外齿圈、43连接柱、44转动环、45外环、46转动齿轮、47转动电机、48电机座一、5晶圆自转安装单元、51支座、52端轴、53自转环、54短柱、55托环、56限位沿、57取样凹槽、58固定块、59限位硅胶垫、6晶圆动作切换单元、61联轴器、62连接轴、63传动齿轮、64端面齿环、65定位顶块、66定位升降环、67限位套、68升降控制柱、69活动座、610切换连杆、611活动轴、612切换盘、613切换电机、614电机座二、7晶圆快速退火单元、71外固定挡温套、72外转动挡温套、73外扇形透温口、74辐杆、75内转动挡温套、76内固定挡温套、77内扇形透温口、78上外齿圈、79轴承、710动力轴、711控制齿轮、712控制电机、713电机座三、8半导体晶圆。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。

实施例

实施例一，请参照图1-10，一种半导体晶圆用快速退火设备，包括：

退火炉单元2，包含有炉底21、炉芯体27、炉盖28和加热组件，炉底21的顶部外周侧通过外固定沿22固定连接圆炉体24的底部，圆炉体24的前侧中部开设有炉口215，圆炉体24的外侧安装有与炉口215对应的炉口塞封单元3，圆炉体24的内侧套接有保温隔热套25，保温隔热套25的内侧套接有储热铁套26，保温隔热套25和储热铁套26对应炉口215的位置均镂空设置，炉底21的顶部中心通过内固定沿23固定连接炉芯体27底部，炉盖28的底部固定连接圆炉体24的顶部，炉盖28的底部开设有弧形槽214，且炉盖28的顶部贯穿设置有与弧形槽214对应的排烟口29，方便使烟气汇集在此处更好的从排烟口29排出，用于排出烟气和热气，储热铁套26的底部内侧和炉芯体27的底部外侧安装有加热组件；

炉底21的底部边沿环形阵列固定连接有六个炉腿1，将退火炉单元2支撑起来，使炉底21离地；

加热组件包含有炉壁环210、燃气点燃装置一211、芯体环212和燃气点燃装置二213，储热铁套26的底部内侧固定连接有炉壁环210，炉壁环210上环形阵列安装有燃气点燃装置一211，炉芯体27的底部外侧固定连接有芯体环212，芯体环212上环形阵列安装有燃气点燃装置二213。

燃气点燃装置一211和燃气点燃装置二213采用现有技术，可以使燃气稳定燃烧；

通过燃气点燃装置一211和燃气点燃装置二213可以使退火炉变成燃气炉，方便对储热铁套26和炉芯体27加热，使储热铁套26和炉芯体27向外辐射热能对半导体晶圆进行加热，可以解决燃气燃烧时向外辐射热能有限的问题。

晶圆转动均热单元4，安装在炉底21上侧，且晶圆转动均热单元4上环形阵列安装有晶圆自转安装单元5，晶圆自转安装单元5的内侧连接晶圆动作切换单元6；

晶圆快速退火单元7，安装在加热组件上。

晶圆快速退火单元7包含有外固定挡温套71、外转动挡温套72、外扇形透温口73、辐杆74、内转动挡温套75、内固定挡温套76、内扇形透温口77和退火动力组件，炉壁环210的内侧固定连接外固定挡温套71的底端外侧，外固定挡温套71内侧转动连接有外转动挡温套72，外固定挡温套71和外转动挡温套72上均环形阵列开设有外扇形透温口73，外转动挡温套72上对应炉口215的外扇形透温口73的宽度为其他外扇形透温口73宽度的二倍，芯体环212的外侧固定连接内固定挡温套76的底部外侧，内固定挡温套76的外侧转动连接有内转动挡温套75，内固定挡温套76和内转动挡温套75上均环形阵列开设有内扇形透温口77，外转动挡温套72的顶部通过不少于两个的辐杆74固定连接内转动挡温套75顶部，且辐杆74的顶部连接退火动力组件。

正常对半导体晶圆进行加热升温时，外固定挡温套71和外转动挡温套72上的外扇形透温口73对应，内固定挡温套76和内转动挡温套75上的内扇形透温口77对应，燃气燃烧的热量以及储热铁套26和炉芯体27向外热辐射的热量分别透过外扇形透温口73和内扇形透温口77对半导体晶圆加热，需要快速退火时，关闭燃烧燃气的燃气点燃装置一211和燃气点燃装置二213，同时退火动力组件通过辐杆74带动外转动挡温套72和内转动挡温套75转动，使外固定挡温套71和外转动挡温套72上的外扇形透温口73交错，且内固定挡温套76和内转动挡温套75上的内扇形透温口77交错，此时也就快速遮挡住了储热铁套26和炉芯体27向外热辐射的热量，可以完成快速退火的过程，此时由于外转动挡温套72上对应炉口215的外扇形透温口73的宽度为其他外扇形透温口73宽度的二倍（具体见图9中的外扇形透温口73），外转动挡温套72上对应炉口215的外扇形透温口73右侧仍与外固定挡温套71上的外扇形透温口73对应，可以透过炉口215将晶圆转动均热单元4上的半导体晶圆取出，也可以在此时往晶圆转动均热单元4上放置半导体晶圆。

退火动力组件包含有上外齿圈78、轴承79、动力轴710、控制齿轮711、控制电机712、电机座三713，辐杆74的顶部固定连接有与内转动挡温套75同圆心的上外齿圈78，炉盖28上通过轴承79转动连接动力轴710，动力轴710的底端固定连接控制齿轮711，控制齿轮711与上外齿圈78的外侧啮合连接，动力轴710的顶端固定连接控制电机712，控制电机712通过电机座三713固定在炉盖28的顶部，控制电机712工作带动动力轴710和控制齿轮711转动，控制齿轮711可以带动上外齿圈78、辐杆74、外转动挡温套72和内转动挡温套75同步转动。

在使用时，炉底21通过外固定沿22密封连接圆炉体24的顶部，配合炉盖28构成一个退火炉壳体；

保温隔热套25用于减少退火炉壳体内热量向外辐射热量，炉芯体27采用铁质材料，配合储热铁套26对热量进行继续，可以使退火炉内快速升温，加快退火前的加热效率；

加热组件可以对退火炉内加热，同时热量会被储热铁套26和炉芯体27吸收暂储，提高退火炉内热辐射，加快半导体晶圆的升温效率，利于升温至需要温度后进行快速退火处理；

晶圆自转安装单元5可以快速安装半导体晶圆，同时让半导体晶圆可以翻转；

晶圆转动均热单元4可以带动半导体晶圆在退火炉内绕炉芯体27转动，促进加热的均匀性，且晶圆转动均热单元4转动时借助晶圆动作切换单元6可以使半导体晶圆翻转，使半导体晶圆被均匀加热，提高加热效率，可以快速完成退火前的加热阶段；

需要退火时可以通过晶圆快速退火单元7快速遮挡加热组件以及储热铁套26和炉芯体27的热辐射，既可以对半导体快速加热升温至退火前所需的温度，降低整个退火过程所用的时间，提高退火处理过程的整体效率，又不会由于储热铁套26和炉芯体27的热辐射影响退火的速度和退火的充分性；

且升温阶段可以对半导体晶圆进行均匀充分的加热升温，提高半导体升温时的均一性，方便半导体晶圆后续退火时机的选择。

实施例二，请参照图1-10，一种半导体晶圆用快速退火设备，本实施例是对实施例一的进一步说明；

晶圆转动均热单元4包含有安装环41、下外齿圈42、连接柱43、转动环44、外环45和转动动力组件，炉底21的上侧固定连接有与其同圆心的安装环41，安装环41的外侧转动连接有下外齿圈42，下外齿圈42的上侧通过环形阵列的连接柱43固定连接转动环44的底部，转动环44的外侧环形阵列连接有外环45，下外齿圈42连接转动动力组件。

转动动力组件工作可以带动下外齿圈42相对于安装环41转动，外齿圈42通过连接柱43可以带动转动环44和外环45绕着炉芯体27转动，从而促进对晶圆自转安装单元5上半导体晶圆的均匀加热。

转动动力组件包含有转动齿轮46、转动电机47、电机座一48，炉底21的底部通过电机座一48安装有转动电机47，转动电机47顶部输出轴穿过炉底21延伸至炉底21的上侧并且固定连接转动齿轮46，转动齿轮46与下外齿圈42啮合连接，转动电机47工作通过转动齿轮46的传动可以带动下外齿圈42相对于安装环41转动。

晶圆自转安装单元5包含有支座51、端轴52、自转环53、短柱54和晶圆卡位组件，外环45的上表面两侧对称设置有两个支座51，自转环53的顶部两侧分别固定连接有端轴52，端轴52沿着转动环44的径向分布，且两个端轴52分别通过轴承转动连接两个支座51，自转环53的上侧通过短柱54连接晶圆卡位组件的顶部。

支座51用于安装端轴52，自转环53通过端轴52可以相对于外环45转动，晶圆卡位组件用于卡接半导体晶圆，从而可以使半导体晶圆通过端轴52相对于外环45转动；

晶圆卡位组件包含有托环55、限位沿56、固定块58和限位硅胶垫59，自转环53的上侧通过短柱54固定连接托环55的底部，托环55的上侧边沿固定连接有限位沿56，托环55和限位沿56远离转动环44中心的一侧设置有取放缺口，限位沿56的顶部两侧分别通过螺栓固定连接有固定块58，固定块58的下侧设置有限位硅胶垫59，限位硅胶垫59采用耐高温硅胶材质或其他耐高度的柔性材质。

托环55用于承托半导体晶圆底部，限位沿56对半导体晶圆的外周侧进行限位，固定块58对限位硅胶垫59固定，限位硅胶垫59对半导体晶圆的上侧边沿进行限位卡接，使托环55在翻转时半导体晶圆不会掉落，取放缺口可以使晶圆取放臂穿过延伸至半导体晶圆底部，方便采用晶圆取放臂电动进行半导体晶圆放置和转移。

晶圆卡位组件还包含有取样凹槽57，托环55的上表面远离取放缺口的一侧开设有取样凹槽57。取样凹槽57可以供晶圆取放臂末端伸入，方便稳定的取放半导体晶圆；

晶圆动作切换单元6包含有联轴器61、连接轴62、传动齿轮63、端面齿环64、定位顶块65、定位升降环66和切换控制组件，靠近转动环44中心的端轴52通过联轴器61固定连接连接轴62的一端，连接轴62的另一端固定连接有传动齿轮63，炉底21上侧安装有切换控制组件，切换控制组件上分别固定连接有与炉底21同圆心的端面齿环64和定位升降环66，定位升降环66的直径大于端面齿环64的直径，定位升降环66上环形阵列固定有与联轴器61底部对应的定位顶块65，端面齿环64与传动齿轮63啮合连接。

端面齿环64、定位升降环66和内固定挡温套76同圆心设置；

当切换控制组件带动定位升降环66和定位顶块65下降，带动端面齿环64上升，可以使端面齿环64与传动齿轮63啮合，当转动环44转动时，传动齿轮63和端面齿环64啮合作用可以带动联轴器61和连接轴62转动，此时可以通过端轴52使外环45翻转，可以带动半导体晶圆翻转，利于对半导体晶圆进行全面的加热；

当切换控制组件定位升降环66和定位顶块65升起，带动端面齿环64下降，此时端面齿环64与传动齿轮63脱离接触，定位顶块65抵住联轴器61的底部，可以使自转环53不能再翻转，保持托环55正面朝上，此时利于在晶圆卡位组件上取放半导体晶圆；

当切换控制组件控制定位顶块65和端面齿环64等高，此时端面齿环64与传动齿轮63不啮合，且定位顶块65与联轴器61的底部也不接触，此时自转环53和托环55可以自己保持正面朝向的稳定状态。

切换控制组件包含有限位套67、升降控制柱68、活动座69、切换连杆610、活动轴611、切换盘612、切换电机613、电机座二614，炉底21上镶嵌有两个相互靠近的限位套67，两个限位套67内分别竖向滑动连接有两个升降控制柱68，其中一个升降控制柱68的顶部固定连接端面齿环64，另一个升降控制柱68的顶部固定连接定位升降环66，两个升降控制柱68的底端分别固定连接有活动座69，两个活动座69分别通过短柱活动连接两个切换连杆610的顶部，两个切换连杆610的底端分别通过活动轴611活动连接切换盘612的前侧左右两端，切换盘612的中部固定连接切换电机613的输出轴，切换电机613通过电机座二614固定在炉底21的底部。

当定位顶块65和端面齿环64等高时，切换电机613转动使两个活动轴611在同一水平面，当需要定位升降环66和定位顶块65升起且端面齿环64下降，切换电机613带动切换盘612顺时针转动，此时左侧的升降控制柱68被左侧的切换连杆610推动升起，右侧的升降控制柱68被右侧的切换连杆610下拉下降，当需要定位升降环66和定位顶块65下降且端面齿环64升起，切换电机613带动切换盘612逆时针转动即可。

实施例三，请参照图1-10，一种半导体晶圆用快速退火设备，本实施例是对实施例二的进一步说明；

炉口塞封单元3包含有弧形滑轨31、弧形滑座32、摆杆33、活动柱34、弧形盖35和弧形保温隔热板36，

圆炉体24位于炉口215上下侧的位置分别固定连接有弧形滑轨31，两个弧形滑轨31上分别滑动连接有弧形滑座32，炉口215的前侧设置有弧形盖35，弧形盖35上下侧的左右两端分别通过活动柱34活动连接摆杆33的一端，四个摆杆33的另一端分别与对应的弧形滑座32内侧活动连接，且四个摆杆33相互平行设置，弧形盖35的后侧设置有与炉口215配合的弧形保温隔热板36，弧形盖35前侧可以设置把手(图中未画出)；

需要打开炉口215时，向外拉动弧形盖35，摆杆33摆动与弧形滑座32的夹角变大，此时弧形保温隔热板36从炉口215内拔出，然后侧向拉动弧形盖35，弧形滑座32沿着弧形滑轨31移动，弧形盖35和弧形保温隔热板36不再遮挡炉口215；

需要关闭炉口215时，侧向拉动弧形盖35，使弧形滑座32沿着弧形滑轨31移动直到弧形盖35靠近炉口215，向后推弧形盖35，摆杆33摆动使弧形保温隔热板36塞入炉口215内，完成炉口215的关闭，通过摆杆33增大了弧形盖35和弧形保温隔热板36的自由度，方便更好的封堵炉口215，通过塞入式结构封闭炉口215，解决了遮挡式封闭缝隙大的问题。

一种半导体晶圆用快速退火设备的使用方法，具体包括以下步骤：

S1：通过炉口塞封单元3打开炉口215，退火动力组件工作带动辐杆74、外转动挡温套72和内转动挡温套75转动，使外固定挡温套71和外转动挡温套72上的外扇形透温口73对应，且内转动挡温套75和内固定挡温套76上的内扇形透温口77对应；

S2：通过转动动力组件带动转动环44转动，使晶圆自转安装单元5对应炉口215，通过晶圆动作切换单元6中的切换控制组件工作，使定位顶块65抵住联轴器61，使自转环53不能转动，然后在晶圆卡位组件上卡接半导体晶圆8，接着切换控制组件工作使定位顶块65脱离联轴器61，转动动力组件带动转动环44再次转动，重复以上步骤直到所有自转环53上的晶圆卡位组件卡接有半导体晶圆8，然后通过炉口塞封单元3关闭炉口215；

S3：加热组件中的燃气点燃装置一211和燃气点燃装置二213工作，对半导体晶圆8进行加热升温，储热铁套26和炉芯体27蓄热后也向外进行热辐射，对半导体晶圆持续加热；

S4： 切换控制组件工作，使定位顶块65脱离联轴器61，且带动端面齿环64上升，端面齿环64与传动齿轮63啮合，转动动力组件带动转动环44转动，使半导体晶圆8在退火炉单元2内做环形运动，且由于端面齿环64与传动齿轮63的啮合，半导体晶圆也通过托环55以端轴52为轴心转动，对半导体晶圆进行全面升温加热；

S5：需要对快速退火时，停止燃气点燃装置一211和燃气点燃装置二213的工作，退火动力组件工作带动辐杆74、外转动挡温套72和内转动挡温套75转动，使外固定挡温套71和外转动挡温套72上的外扇形透温口73交错，且内转动挡温套75和内固定挡温套76上的内扇形透温口77交错，挡住储热铁套26和炉芯体27向外的热辐射，完成快速退火。

S6：此时由于外转动挡温套72上对应炉口215的外扇形透温口73的宽度为其他外扇形透温口73宽度的二倍，外转动挡温套72上对应炉口215的外扇形透温口73右侧仍与外固定挡温套71上的外扇形透温口73对应，可以透过炉口215将晶圆转动均热单元4上的半导体晶圆8取出，也可以在此时往晶圆转动均热单元4上放置半导体晶圆8。

值得注意的，以上实施例中，保温隔热套25和弧形保温隔热板36均可以采用玻璃棉材质，控制电机712、转动电机47、切换电机613均采用伺服电机，具体的型号和功率可以根据实际情况选用，控制电机712、转动电机47、切换电机613输入端分别通过外部PLC控制器电连接外部电源的输出端，外部PLC控制器控制控制电机712、转动电机47、切换电机613工作采用现有技术中常用的方法。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种半导体晶圆用快速退火设备，其特征在于，包括：

退火炉单元（2），包含有炉底（21）、炉芯体（27）、炉盖（28）和加热组件，所述炉底（21）的顶部外周侧通过外固定沿（22）固定连接圆炉体（24）的底部，圆炉体（24）的前侧中部开设有炉口（215），圆炉体（24）的外侧安装有与炉口（215）对应的炉口塞封单元（3），所述圆炉体（24）的内侧套接有保温隔热套（25），保温隔热套（25）的内侧套接有储热铁套（26），所述炉底（21）的顶部中心通过内固定沿（23）固定连接炉芯体（27）底部，所述炉盖（28）的底部固定连接圆炉体（24）的顶部，所述炉盖（28）的底部开设有弧形槽（214），且炉盖（28）的顶部贯穿设置有与弧形槽（214）对应的排烟口（29），所述储热铁套（26）的底部内侧和炉芯体（27）的底部外侧安装有加热组件；

晶圆转动均热单元（4），安装在炉底（21）上侧，且晶圆转动均热单元（4）上环形阵列安装有晶圆自转安装单元（5），所述晶圆自转安装单元（5）的内侧连接晶圆动作切换单元（6）；

晶圆快速退火单元（7），安装在加热组件上。

2.根据权利要求1所述的一种半导体晶圆用快速退火设备，其特征在于，所述加热组件包含有燃气点燃装置一（211）和燃气点燃装置二（213），所述储热铁套（26）的底部内侧固定连接有炉壁环（210），炉壁环（210）上环形阵列安装有燃气点燃装置一（211），所述炉芯体（27）的底部外侧固定连接有芯体环（212），芯体环（212）上环形阵列安装有燃气点燃装置二（213）。

3.根据权利要求2所述的一种半导体晶圆用快速退火设备，其特征在于，所述晶圆快速退火单元（7）包含有外固定挡温套（71）和退火动力组件，所述炉壁环（210）的内侧固定连接外固定挡温套（71）的底端外侧，所述外固定挡温套（71）内侧转动连接有外转动挡温套（72），所述外固定挡温套（71）和外转动挡温套（72）上均环形阵列开设有外扇形透温口（73），外转动挡温套（72）上对应炉口（215）的外扇形透温口（73）的宽度为其他外扇形透温口（73）宽度的二倍，所述芯体环（212）的外侧固定连接内固定挡温套（76）的底部外侧，所述内固定挡温套（76）的外侧转动连接有内转动挡温套（75），所述内固定挡温套（76）和内转动挡温套（75）上均环形阵列开设有内扇形透温口（77），外转动挡温套（72）的顶部通过不少于两个的辐杆（74）固定连接内转动挡温套（75）顶部，且辐杆（74）的顶部连接退火动力组件。

4.根据权利要求1所述的一种半导体晶圆用快速退火设备，其特征在于，所述晶圆转动均热单元（4）包含有转动动力组件，所述炉底（21）的上侧固定连接有与其同圆心的安装环（41），安装环（41）的外侧转动连接有下外齿圈（42），下外齿圈（42）的上侧通过环形阵列的连接柱（43）固定连接转动环（44）的底部，转动环（44）的外侧环形阵列连接有外环（45），所述下外齿圈（42）连接转动动力组件。

5.根据权利要求4所述的一种半导体晶圆用快速退火设备，其特征在于，所述晶圆自转安装单元（5）包含有自转环（53）和晶圆卡位组件，所述外环（45）的上表面两侧对称设置有两个支座（51），所述自转环（53）的顶部两侧分别固定连接有端轴（52），端轴（52）沿着转动环（44）的径向分布，且两个端轴（52）分别通过轴承转动连接两个支座（51），所述自转环（53）的上侧通过短柱（54）连接晶圆卡位组件的顶部。

6.根据权利要求5所述的一种半导体晶圆用快速退火设备，其特征在于，所述晶圆卡位组件包含有托环（55），所述自转环（53）的上侧通过短柱（54）固定连接托环（55）的底部，所述托环（55）的上侧边沿固定连接有限位沿（56），所述托环（55）和限位沿（56）远离转动环（44）中心的一侧设置有取放缺口，所述限位沿（56）的顶部两侧分别通过螺栓固定连接有固定块（58），固定块（58）的下侧设置有限位硅胶垫（59）。

7.根据权利要求6所述的一种半导体晶圆用快速退火设备，其特征在于，所述晶圆卡位组件还包含有取样凹槽（57），所述托环（55）的上表面远离取放缺口的一侧开设有取样凹槽（57）。

8.根据权利要求5所述的一种半导体晶圆用快速退火设备，其特征在于，所述晶圆动作切换单元（6）包含有端面齿环（64）、定位顶块（65）、定位升降环（66）和切换控制组件，靠近转动环（44）中心的端轴（52）通过联轴器（61）连接连接轴（62）的一端，连接轴（62）的另一端固定连接有传动齿轮（63），所述炉底（21）上侧安装有切换控制组件，切换控制组件上分别固定连接有与炉底（21）同圆心的端面齿环（64）和定位升降环（66），定位升降环（66）的直径大于端面齿环（64）的直径，定位升降环（66）上环形阵列固定有与联轴器（61）底部对应的定位顶块（65），所述端面齿环（64）与传动齿轮（63）啮合。

9.根据权利要求8所述的一种半导体晶圆用快速退火设备，其特征在于，所述切换控制组件包含有切换盘（612），炉底（21）上镶嵌有两个相互靠近的限位套（67），两个限位套（67）内分别竖向滑动连接有两个升降控制柱（68），其中一个升降控制柱（68）的顶部固定连接端面齿环（64），另一个升降控制柱（68）的顶部固定连接定位升降环（66），两个升降控制柱（68）的底端分别固定连接有活动座（69），两个活动座（69）分别通过短柱活动连接两个切换连杆（610）的顶部，两个切换连杆（610）的底端分别通过活动轴（611）活动连接切换盘（612）的前侧左右两端，切换盘（612）的中部固定连接切换电机（613）的输出轴，切换电机（613）通过电机座二（614）固定在炉底（21）的底部。

10.根据权利要求1-9任一项所述的一种半导体晶圆用快速退火设备的使用方法，其特征在于，具体包括以下步骤：

S1：通过炉口塞封单元（3）打开炉口（215），退火动力组件工作带动辐杆（74）、外转动挡温套（72）和内转动挡温套（75）转动，使外固定挡温套（71）和外转动挡温套（72）上的外扇形透温口（73）对应，且内转动挡温套（75）和内固定挡温套（76）上的内扇形透温口（77）对应；

S2：通过转动动力组件带动转动环（44）转动，使晶圆自转安装单元（5）对应炉口（215），通过晶圆动作切换单元（6）中的切换控制组件工作，使定位顶块（65）抵住联轴器（61），使自转环（53）不能转动，然后在晶圆卡位组件上卡接半导体晶圆（8），接着切换控制组件工作使定位顶块（65）脱离联轴器（61），转动动力组件带动转动环（44）再次转动，重复以上步骤直到所有自转环（53）上的晶圆卡位组件卡接有半导体晶圆（8），然后通过炉口塞封单元（3）关闭炉口（215）；

S3：加热组件中的燃气点燃装置一（211）和燃气点燃装置二（213）工作，对半导体晶圆（8）进行加热升温，储热铁套（26）和炉芯体（27）蓄热后也向外进行热辐射，对半导体晶圆（8）持续加热；

S4： 切换控制组件工作，使定位顶块（65）脱离联轴器（61），且带动端面齿环（64）上升，端面齿环（64）与传动齿轮（63）啮合，转动动力组件带动转动环（44）转动，使半导体晶圆在退火炉单元（2）内做环形运动，且由于端面齿环（64）与传动齿轮（63）的啮合，半导体晶圆也通过托环（55）以端轴（52）为轴心转动，对半导体晶圆（8）进行全面升温加热；

S5：需要对快速退火时，停止燃气点燃装置一（211）和燃气点燃装置二（213）的工作，退火动力组件工作带动辐杆（74）、外转动挡温套（72）和内转动挡温套（75）转动，使外固定挡温套（71）和外转动挡温套（72）上的外扇形透温口（73）交错，且内转动挡温套（75）和内固定挡温套（76）上的内扇形透温口（77）交错，挡住储热铁套（26）和炉芯体（27）向外的热辐射，完成快速退火。

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