CN116575129B - 一种半导体晶圆制备用高效控温批量式立式炉 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种半导体晶圆制备用高效控温批量式立式炉，包括圆柱形的炉体、与炉体底部固定连接的炉底、与炉体顶部固定连接的炉顶，所述炉体处具有装载开口，所述装载开口处具有能够将装载开口封闭的升降门；所述炉体内安装有转动柱，所述转动柱连接有3个呈环形等间距分布的承载架，所述承载架能够承载多个半导体晶圆，所述炉底底部安装有能够驱动所述转动柱转动的转动驱动单元；所述炉体内还安装有升降分隔单元，所述升降分隔单元包括3个呈环形等间距分布的升降隔热板，3个升降隔热板能够将炉体内空间分隔为装载腔、升温腔和冷却腔，所述装载开口与所述装载腔连通。本申请的立式炉适合大批量的晶圆的热处理，且温控效果好。

Description

一种半导体晶圆制备用高效控温批量式立式炉

技术领域

本申请涉及半导体晶圆领域，具体涉及一种半导体晶圆制备用高效控温批量式立式炉。

背景技术

晶圆是指制作硅半导体电路所用的硅晶片，其原始材料是硅。拉晶后，硅晶棒在经过研磨，抛光，切片后，形成硅晶圆片，也就是晶圆。在晶圆上进行复杂的多道工序之后可以在一片晶圆上生产出多个芯片，再经过切割就可以得到电子消费品中所使用的芯片。从晶圆到芯片的制造过程需要经过匀胶、显影、光刻、刻蚀、离子注入等多种步骤，在各个步骤操作时，有些步骤会对晶圆产生晶格损伤，因此需要再芯片的制造步骤之中加入退火步骤，退火步骤主要是对晶圆实现升温和冷却，从而消除晶格损伤，因此对于升温过程的温度控制以及冷却时的温度控制会对退火的质量产生影响，并且由于退火操作需要控制晶圆的升温速率以及冷却速率，最好能够对退火炉内的温度进行监测，并且现有的有些单片式的退火炉虽然可以取得较好的退火效果，但是其单片式的退火效率低，对于大量晶圆的退火，其效率太低时，对于晶圆生产的整个效率会产生降低。另外，有些退火炉虽然可以实现批量退货，但是其整个装载、升温、冷却，对同一批的晶圆耗费时间长，并不能实现多个步骤的协同操作。

发明内容

发明目的：本申请旨在克服现有技术的缺陷，提供一种半导体晶圆制备用高效控温批量式立式炉。

技术方案：一种半导体晶圆立式炉，包括圆柱形的炉体、与炉体底部固定连接的炉底、与炉体顶部固定连接的炉顶，所述炉体处具有装载开口，所述装载开口处具有能够将装载开口封闭的升降门；所述炉体内安装有转动柱，所述转动柱连接有3个呈环形等间距分布的承载架，所述承载架能够承载多个半导体晶圆，所述炉底底部安装有能够驱动所述转动柱转动的转动驱动单元；所述炉体内还安装有升降分隔单元，所述升降分隔单元包括3个呈环形等间距分布的升降隔热板，3个升降隔热板能够将炉体内空间分隔为装载腔、升温腔和冷却腔，所述装载开口与所述装载腔连通；所述炉体内侧壁安装有位于升温腔内的第一加热单元；所述炉体位于冷却腔处的侧壁内安装有第一水冷管。

进一步地，所述升降分隔单元包括圆形升降板以及与圆形升降板固定连接且穿过炉顶的竖杆，所述炉顶通过安装支架安装有升降液压缸，所述升降液压缸的活动端与竖杆的顶端固定连接；3个升降隔热板的顶端均与所述圆形升降板固定连接，所述炉体内侧壁具有3个与升降隔热板配合的第一竖直滑槽，所述转动柱处具有3个与所述升降隔热板配合的第二竖直滑槽；用于形成升温腔的两个升降隔热板面对升温腔的侧面安装有第一包围块，第一包围块具有第一弧面，所述第一包围块处安装有第二加热单元；用于形成冷却腔的两个升降隔热板面对冷却腔的侧面安装有第二包围块，第二包围块具有第二弧面，第二包围块内安装有第二水冷管，第二水冷管的进口和出口均位于圆形升降板的上方。

从而可以对升温腔内的晶圆实现包围式加热，升温均匀且温控效果好。并且可以对冷却腔内的晶圆实现包围式冷却，从而冷却均匀，冷却温控效果好。

进一步地，所述炉顶安装有驱动电机，驱动电机驱动有穿过圆形升降板的转轴，转轴的底端固定有水平杆，水平杆的端部连接有竖直安装板，竖直安装板处安装有多个呈一列等间距分布的升温腔温度传感器，所述竖直安装板位于所述升温腔内。

从而可以在升温过程对整个晶圆承载架周围的温度实现实时的监控。

进一步地，所述炉体内还安装有固定隔热板，所述固定隔热板位于3个承载架上方，且固定隔热板与炉体固定连接，所述固定隔热板具有供转轴穿过的转轴穿孔以及3个供升降隔热板穿过的条形通槽，所述固定隔热板还具有两个供第一包围块穿过第一通槽以及两个供第二包围块穿过的第二通槽，3个条形通槽中，其中一个条形通槽与一个第一通槽连通，另一个条形通槽与一个第二通槽连通，第三个条形通槽与一个第一通槽和一个第二通槽连通。

从而固定隔热板可以使得固定隔热板上方的空间和固定隔热板下方的空间实现很好的隔热。

进一步地，所述承载架包括与转动柱连接的竖直条形连接块、与竖直条形连接块连接的弧面板、与弧面板连接的上圆环部、与弧面板连接的下圆环部以及与下圆环部固定连接的滑动底座，所述滑动底座与炉底上表面地接，所述承载架从上到下等间距分布有多个承载位，每个承载位包括两个与弧面板固定连接的弧形杆，每个弧形杆处固定有多个托块，每个承载位的两个弧形杆之间还具有由托块托住的带有缺口的圆环形的托板，所述托板用于承载所述半导体晶圆。

从而承载架可以承载多个晶圆，且带有缺口的托板方便机械手取放晶圆。

进一步地，所述炉体处具有两个升降门限位杆，所述升降门限位杆处具有与升降门配合的竖直的限位滑槽，所述炉顶处安装有电动升降杆，所述电动升降杆的活动端与所述升降门连接。

进一步地，所述炉体连接有进气管和出气管，所述进气管和出气管均与升温腔连通。

从而可以用于通入氮气等保护气体。

进一步地，所述炉体内侧壁处安装有多个位于冷却腔内的冷却腔温度传感器。

从而实现对冷却腔的温度的精确监控。

进一步地，升降隔热板和圆形升降板均由隔热材料制成。

进一步地，圆形升降板的直径等于炉体的内径。

进一步地，所述转动柱穿过所述炉底。

进一步地，所述转轴穿过所述炉顶。

进一步地，所述第一水冷管的进口和出口均位于炉体外。

进一步地，所述炉底处具有多个支撑腿。

本申请还公开了一种基于上述的半导体晶圆制备用高效控温批量式立式炉的半导体晶圆退火方法，其特征在于，包括装载步骤、升温步骤和冷却步骤，所述装载步骤中，所述半导体晶圆被装载于承载架处，所述升温步骤中，半导体晶圆被加热，所述冷却步骤中，半导体晶圆被冷却；所述升温步骤中，所述驱动电机驱动所述竖直安装板做弧线形的往复运动，且所有的升温腔温度传感器实时检测升温腔内的温度。

进一步地，每个升温步骤中，所述往复运动至少执行了2个周期；所述一个周期中，所述竖直安装板从起始位置转动至终点位置，再从终点位置移动至起始位置。

进一步地，所述竖直安装板从起始位置转动至终点位置，所述转轴至少转动了270度以上。

有益效果：本申请的立式炉，实现对于炉体内功能区域的分隔，从而可以实现不同批次的晶圆的装载、升温、冷却的同时执行，从而退火操作效率高。

本申请的立式炉，有效实现对于晶圆退货过程的更加精确的温度监控，且对升温过程和冷却过程温度控制更好。

附图说明

图1为立式炉升降门封闭时示意图；

图2为立式炉升降门打开时示意图；

图3为升降分隔单元上升时，立式炉示意图；

图4为A区域放大图；

图5为立式炉部件第一视角分离示意图；

图6为B区域放大图；

图7为立式炉部件第二视角分离示意图；

图8为C区域放大图；

图9为立式炉部件第三视角分离示意图；

图10为D区域放大图；

图11为炉体内示意图；

图12为隐藏固定隔热板时，炉体内示意图；

图13为炉体内承载架分布示意图。

具体实施方式

附图标记：1.1炉底；1.2支撑腿；1.3炉体；1.3.1第一竖直滑槽；1.3.2第一加热单元；1.3.3出气管；1.3.4进气管；1.3.5第一水冷管出口；1.3.6第一水冷管进口；1.4升降门限位杆；1.5升降门；1.6转动驱动单元；

2.1转动柱；2.2第二竖直滑槽；2.3竖直条形连接块；2.4上圆环部；2.5下圆环部；2.6弧形杆；2.7托块；2.8托板；2.9滑动底座；2.10弧面板；

3.1炉顶；3.2电动升降杆；3.3驱动电机；3.4转轴；3.5水平杆；3.6竖直安装板；3.7升温腔温度传感器；

4.1升降液压缸；4.2安装支架；4.3竖杆；4.4圆形升降板；4.5升降隔热板；4.6第二包围块；4.6.1第二水冷管进口；4.6.2第二水冷管出口；4.7第一包围块；4.7.1第二加热单元；4.8固定隔热板；4.8.1转轴穿孔；4.8.2条形通槽；4.8.3第一通槽；4.8.4第二通槽。

如图所示：一种半导体晶圆制备用高效控温批量式立式炉，包括圆柱形的炉体1.3、与炉体1.3底部固定连接的炉底1.1、与炉体1.3顶部固定连接的炉顶3.1，所述炉体1.3处具有装载开口，所述装载开口处具有能够将装载开口封闭的升降门1.5；所述炉体1.3内安装有转动柱2.1，所述转动柱2.1连接有3个呈环形等间距分布的承载架，所述承载架能够承载多个半导体晶圆(半导体晶圆未画出)，所述炉底1.1底部安装有能够驱动所述转动柱转动的转动驱动单元1.6；所述炉体1.3内还安装有升降分隔单元，所述升降分隔单元包括3个呈环形等间距分布的升降隔热板4.5，3个升降隔热板4.5能够将炉体1.3内空间分隔为装载腔、升温腔和冷却腔，所述装载开口与所述装载腔连通；所述炉体1.3内侧壁安装有位于升温腔内的第一加热单元1.3.2；所述炉体1.3位于冷却腔处的侧壁内安装有第一水冷管。所述升降分隔单元包括圆形升降板4.4以及与圆形升降板4.4固定连接且穿过炉顶的竖杆4.3，所述炉顶3.1通过安装支架4.2安装有升降液压缸4.1，所述升降液压缸4.1的活动端与竖杆4.3的顶端固定连接；3个升降隔热板4.5的顶端均与所述圆形升降板4.4固定连接，所述炉体1.3内侧壁具有3个与升降隔热板4.5配合的第一竖直滑槽1.3.1，所述转动柱2.1处具有3个与所述升降隔热板4.5配合的第二竖直滑槽2.2；用于形成升温腔的两个升降隔热板4.5面对升温腔的侧面安装有第一包围块4.7，第一包围块4.7具有第一弧面，所述第一包围块4.7处安装有第二加热单元4.7.1；用于形成冷却腔的两个升降隔热板4.5面对冷却腔的侧面安装有第二包围块4.6，第二包围块4.6具有第二弧面，第二包围块4.6内安装有第二水冷管，第二水冷管的进口和出口均位于圆形升降板的上方。所述炉顶安装有驱动电机3.3，驱动电机3.3驱动有穿过圆形升降板的转轴3.4，转轴3.4的底端固定有水平杆3.5，水平杆3.5的端部连接有竖直安装板3.6，竖直安装板3.6处安装有多个呈一列等间距分布的升温腔温度传感器3.7，所述竖直安装板3.6位于所述升温腔内。

所述炉体1.3内还安装有固定隔热板4.8，所述固定隔热板4.8位于3个承载架上方，且固定隔热板4.8与炉体1.3固定连接，所述固定隔热板4.8具有供转轴3.4穿过的转轴穿孔4.8.1以及3个供升降隔热板穿过的条形通槽4.8.2，所述固定隔热板4.8还具有两个供第一包围块4.7穿过第一通槽以及两个供第二包围块4.6穿过的第二通槽4.8.4，3个条形通槽4.8.2中，其中一个条形通槽4.8.2与一个第一通槽4.8.3连通，另一个条形通槽4.8.2与一个第二通槽4.8.4连通，第三个条形通槽4.8.2与一个第一通槽4.8.3和一个第二通槽4.8.4连通。所述承载架包括与转动柱2.1连接的竖直条形连接块2.3、与竖直条形连接块2.3连接的弧面板2.10、与弧面板2.10连接的上圆环部2.4、与弧面板2.10连接的下圆环部2.5以及与下圆环部2.5固定连接的滑动底座2.9，所述滑动底座2.9与炉底上表面地接，所述承载架从上到下等间距分布有多个承载位，每个承载位包括两个与弧面板固定连接的弧形杆2.6，每个弧形杆2.6处固定有多个托块2.7，每个承载位的两个弧形杆2.6之间还具有由托块2.7托住的带有缺口的圆环形的托板2.8，所述托板2.8用于承载所述半导体晶圆。所述炉体1.3处具有两个升降门限位杆1.4，所述升降门限位杆1.4处具有与升降门1.5配合的竖直的限位滑槽，所述炉顶3.1处安装有电动升降杆3.2，所述电动升降杆3.2的活动端与所述升降门1.5连接；所述炉体1.3连接有进气管1.3.4和出气管1.3.3，所述进气管1.3.4和出气管1.3.3均与升温腔连通。

如上所述，本申请的立式炉，在升降分隔单元下降时，将炉体内空间分隔为装载腔、升温腔和冷却腔，从而3个腔内的晶圆承载架分别可以进行装载、升温和冷却的操作，从而可以实现每一批次的晶圆的依次执行的操作，从而整体上提升了退火的效率。并且升降分隔单元上升时，转动驱动单元可以驱动转动柱转动，从而转动柱带动3个承载架转动120度，从而移动至下一个腔内，从而实现下一个步骤的操作。升温的控制和冷却的控制可以通过控制第一、二加热单元以及第一、二水冷管实现，从而控制升温和降温。

具体地操作方法如下：一种半导体晶圆退火方法，包括装载步骤、升温步骤和冷却步骤，所述装载步骤中，所述半导体晶圆被装载于承载架处，所述升温步骤中，半导体晶圆被加热，所述冷却步骤中，半导体晶圆被冷却；所述升温步骤中，所述驱动电机驱动所述竖直安装板做弧线形的往复运动，且所有的升温腔温度传感器实时检测升温腔内的温度。每个升温步骤中，所述往复运动至少执行了2个周期；所述一个周期中，所述竖直安装板从起始位置转动至终点位置，再从终点位置移动至起始位置。

本申请的设置了一列的升温腔温度传感器，并且安装了这一列温度传感器的竖直安装板的位置是可以转动的，从而一方面可以避让需要转动的晶圆承载架，另一方面，在升温过程中，竖直安装板可以围绕着该承载架实现转动，从而从圆周方向上对承载架进行测温，从而对于整个升温过程在一列晶圆的整个圆周方向实现测温，从而实现更好的温控。

尽管本发明就优选实施方式进行了示意和描述，但本领域的技术人员应当理解，只要不超出本发明的权利要求所限定的范围，可以对本发明进行各种变化和修改。

Claims (7)

1.一种半导体晶圆制备用高效控温批量式立式炉，其特征在于，包括圆柱形的炉体、与炉体底部固定连接的炉底、与炉体顶部固定连接的炉顶，所述炉体处具有装载开口，所述装载开口处具有能够将装载开口封闭的升降门；所述炉体内安装有转动柱，所述转动柱连接有3个呈环形等间距分布的承载架，所述承载架能够承载多个半导体晶圆，所述炉底底部安装有能够驱动所述转动柱转动的转动驱动单元；所述炉体内还安装有升降分隔单元，所述升降分隔单元包括3个呈环形等间距分布的升降隔热板，3个升降隔热板能够将炉体内空间分隔为装载腔、升温腔和冷却腔，所述装载开口与所述装载腔连通；所述炉体内侧壁安装有位于升温腔内的第一加热单元；所述炉体位于冷却腔处的侧壁内安装有第一水冷管；所述升降分隔单元包括圆形升降板以及与圆形升降板固定连接且穿过炉顶的竖杆，所述炉顶通过安装支架安装有升降液压缸，所述升降液压缸的活动端与竖杆的顶端固定连接；3个升降隔热板的顶端均与所述圆形升降板固定连接，所述炉体内侧壁具有3个与升降隔热板配合的第一竖直滑槽，所述转动柱处具有3个与所述升降隔热板配合的第二竖直滑槽；用于形成升温腔的两个升降隔热板面对升温腔的侧面安装有第一包围块，第一包围块具有第一弧面，所述第一包围块处安装有第二加热单元；用于形成冷却腔的两个升降隔热板面对冷却腔的侧面安装有第二包围块，第二包围块具有第二弧面，第二包围块内安装有第二水冷管，第二水冷管的进口和出口均位于圆形升降板的上方。

2.根据权利要求1所述的半导体晶圆制备用高效控温批量式立式炉，其特征在于，所述炉顶安装有驱动电机，驱动电机驱动有穿过圆形升降板的转轴，转轴的底端固定有水平杆，水平杆的端部连接有竖直安装板，竖直安装板处安装有多个呈一列等间距分布的升温腔温度传感器，所述竖直安装板位于所述升温腔内。

3.根据权利要求2所述的半导体晶圆制备用高效控温批量式立式炉，其特征在于，所述炉体内还安装有固定隔热板，所述固定隔热板位于3个承载架上方，且固定隔热板与炉体固定连接，所述固定隔热板具有供转轴穿过的转轴穿孔以及3个供升降隔热板穿过的条形通槽，所述固定隔热板还具有两个供第一包围块穿过第一通槽以及两个供第二包围块穿过的第二通槽，3个条形通槽中，其中一个条形通槽与一个第一通槽连通，另一个条形通槽与一个第二通槽连通，第三个条形通槽与一个第一通槽和一个第二通槽连通。

4.根据权利要求1所述的半导体晶圆制备用高效控温批量式立式炉，其特征在于，所述承载架包括与转动柱连接的竖直条形连接块、与竖直条形连接块连接的弧面板、与弧面板连接的上圆环部、与弧面板连接的下圆环部以及与下圆环部固定连接的滑动底座，所述滑动底座与炉底上表面地接，所述承载架从上到下等间距分布有多个承载位，每个承载位包括两个与弧面板固定连接的弧形杆，每个弧形杆处固定有多个托块，每个承载位的两个弧形杆之间还具有由托块托住的带有缺口的圆环形的托板，所述托板用于承载所述半导体晶圆。

5.根据权利要求1所述的半导体晶圆制备用高效控温批量式立式炉，其特征在于，所述炉体处具有两个升降门限位杆，所述升降门限位杆处具有与升降门配合的竖直的限位滑槽，所述炉顶处安装有电动升降杆，所述电动升降杆的活动端与所述升降门连接；所述炉体连接有进气管和出气管，所述进气管和出气管均与升温腔连通。

6.一种基于权利要求2或3所述的半导体晶圆制备用高效控温批量式立式炉的半导体晶圆退火方法，其特征在于，包括装载步骤、升温步骤和冷却步骤，所述装载步骤中，所述半导体晶圆被装载于承载架处，所述升温步骤中，半导体晶圆被加热，所述冷却步骤中，半导体晶圆被冷却；所述升温步骤中，所述驱动电机驱动所述竖直安装板做弧线形的往复运动，且所有的升温腔温度传感器实时检测升温腔内的温度。

7.根据权利要求6所述的半导体晶圆退火方法，其特征在于，每个升温步骤中，所述往复运动至少执行了2个周期；所述一个周期中，所述竖直安装板从起始位置转动至终点位置，再从终点位置移动至起始位置。