CN118028985A - 一种快速退火炉系统用双腔结构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种快速退火炉系统用双腔结构，属于晶圆加工装置领域。本发明中的腔体结构在石英腔体的上下层均设置有加热灯，并通过单独的灯功率控制器实现对各个灯管的功率调节及控制，采用热衬垫辐射率独立控制的方法，能够更好的实现晶圆温度均匀性控制；本发明中的石英腔体的侧面设有散热模块，利用循环水冷却和排风管冷却的方式对石英腔体进行及时的散热，维持石英腔体温度的稳定和均匀性；本发明中利用气缸结构将石英门进行自动的开合，实现腔体的进料口的自动开启和闭合，设计更为自动化，使用方便；本发明中的腔体结构可根据使用需求设定不同的个数在退火炉中，操作方便，大大提升了退火炉的工作效率。

Description

一种快速退火炉系统用双腔结构

技术领域

本发明涉及晶圆加工装置技术领域，具体为一种快速退火炉系统用双腔结构。

背景技术

半导体工艺中的退火，是指改善无序为有序，恢复结晶常数和迁移率，利用适当的时间和温度恢复晶格秩序的工艺过程，退火的方法就是把样品放到炉体里，然后设定时间和温度。常见的退火工序包括加热、保温、缓冷、激冷、空冷几种。退火工序在退火炉系统内完成。

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。通过多晶硅制作处单晶硅，硅晶棒在经过研磨，抛光，切片后，形成硅晶圆片，也就是晶圆。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，退火炉系统采用单腔结构，将晶圆放入腔体内进行退火处理，目前的退火炉系统的腔体结构在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。

此外，由于现有腔体的设置，影响了退火炉的整体加工效率。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提供了一种快速退火炉系统用双腔结构。

本发明是通过以下技术方案实现的：

一种快速退火炉系统用双腔结构，包括前后设置的一组前腔和后腔，所述前腔和后腔的左右两端分别固定连接有侧安装板，所述侧安装板、前腔和后腔之间相互连接形成具有容纳腔的框架，所述框架的内部固定有石英腔体，所述石英腔体的内部设有石英托盘，所述石英托盘的上方设有碳化硅热衬垫，所述碳化硅热衬垫的上表面设有晶圆，所述石英腔体的前侧连接有前工艺排气板，所述前工艺排气板的表面设置有进料口，所述石英腔体的后侧连接有后加热排风盖板和后工艺排气板，所述前腔的下部表面固定有若干灯架，所述后腔的下部表面固定有若干灯架，所述侧安装板的外侧面上部连接有若干灯架，位于所述侧安装板侧面的一组灯架之间固定有上灯管，所述上灯管位于石英腔体的上方，位于所述前腔和后腔外表面的一组灯架之间固定有下灯管，所述下灯管位于石英腔体的下方，所述上灯管和下灯管均通过单独的灯功率控制器实现对各个灯管的功率调节及控制，所述石英腔体的外侧还设有若干散热模块。

优选地，所述散热模块包括位于所述上灯管上方的上腔冷却盘、位于所述下灯管下方的下冷却腔、位于侧安装板侧面的侧导热板、位于所述下灯管前侧的前加热排风、位于所述上灯管侧面的侧腔，所述上腔冷却盘固定在所述框架的上方，所述下冷却腔固定在所述框架的下方，所述前加热排风固定在前工艺排气板的下方且设置在下灯架的外部，所述前加热排风的下方连接有排风管，所述侧腔固定在侧安装板外侧面且设置在上灯架的外部，所述侧腔的下方连接有排风管，所述侧导热板与前腔和后腔之间通过冷却水管连接形成冷却回路，冷却回路中通入循环水，对腔体外周进行降温。

优选地，所述侧安装板的外侧两侧固定有气缸，所述气缸位于侧导热板的下方，所述气缸的外端连接有气动推杆，所述气动推杆的外端连接有连杆机构，所述连杆机构的上端连接有翻板，所述翻板之间连接有石英门，所述石英门的上表面与进料口的大小和形状匹配，通过气动方式将石英门进行翻转，气动推杆伸长，石英门闭合，气动推杆缩短，石英门打开。

优选地，所述下冷却腔的下表面固定有高温计，所述高温计的外侧设有腔体支撑，所述腔体支撑的上端与下冷却腔的下方固定连接，所述高温计位于碳化硅热衬垫的正下方，所述石英腔体的下表面设有供高温计测量温度的孔，高温计用于测量碳化硅热衬垫的温度，并将温度值反馈至退火炉的控制界面，退火炉的控制系统根据高温计测量的碳化硅热衬垫的温度值，控制各灯管加热直至碳化硅热衬垫的温度达到设定值。

优选地，所述石英托盘为一体成型，中部镂空，镂空处上方连接碳化硅热衬垫。

优选地，所述气缸的侧面连接有速度控制器。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

、本发明中的腔体结构在石英腔体的上下层均设置有加热灯，并通过单独的灯功率控制器实现对各个灯管的功率调节及控制，采用热衬垫辐射率独立控制的方法，能够更好的实现晶圆温度均匀性控制；

、本发明中的石英腔体的侧面设有散热模块，利用循环水冷却和排风管冷却的方式对石英腔体进行及时的散热，维持石英腔体温度的稳定和均匀性；

、本发明中利用气缸结构将石英门进行自动的开合，实现腔体的进料口的自动开启和闭合，设计更为自动化，使用方便；

、本发明中的腔体结构可根据使用需求设定不同的个数在退火炉中，操作方便，大大提升了退火炉的工作效率。

附图说明

图1为本发明的结构示意图一；

图2为本发明的爆炸结构示意图一；

图3为本发明的爆炸结构示意图二；

图4为本发明图3A处的放大结构示意图；

图5为本发明的结构示意图二；

图6为本发明图5B处的放大结构示意图；

图7为本发明石英托盘与晶圆的结构示意图；

图8为本发明晶圆温度控制方式原理图；

图9为本发明晶圆温度校准示意图；

图10为本发明晶圆750℃工艺温度控制结果示意图；

图11为本发明晶圆950℃工艺温度控制结果示意图；

图12为本发明晶圆1150℃工艺温度控制结果示意图。

图中：1、腔体支撑；2、高温计；3、后加热排风盖板；4、后工艺排气板；5、侧导热板；6、冷却水管；7、前腔；8、后腔；9、石英腔体；10、石英托盘；11、侧安装板；12、上腔冷却盘；13、侧腔；14、排风管；15、前加热排风；16、速度控制器；17、石英门；18、气缸；19、排风管；20、前工艺排气板；21、上灯管；22、灯架；23、晶圆；24、下灯管；25、下冷却腔；26、进料口；27、翻板；28、连杆机构；29、气动推杆；30、碳化硅热衬垫。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进一步说明：

实施例

如说明书附图图2至图3所示的爆炸结构示意图，一种快速退火炉系统用双腔结构，包括前后设置的一组前腔7和后腔8，所述前腔7和后腔8的左右两端分别固定连接有侧安装板11，所述侧安装板11、前腔7和后腔8之间相互连接形成具有容纳腔的框架，所述框架的内部固定有石英腔体9，石英腔体9为透明状，所述石英腔体9的内部插入设有石英托盘10，所述石英托盘10的上方设有碳化硅热衬垫30，所述碳化硅热衬垫30的上表面设有晶圆23，所述石英托盘10为一体成型，中部镂空，所述石英腔体9的前侧连接有前工艺排气板20，所述前工艺排气板20的表面设置有进料口26，所述石英腔体9的后侧连接有后加热排风盖板3和后工艺排气板4，所述前腔7的下部表面固定有若干灯架22，所述后腔8的下部表面固定有若干灯架22，所述侧安装板11的外侧面上部连接有若干灯架22，位于所述侧安装板11侧面的一组灯架22之间固定有上灯管21，所述上灯管21位于石英腔体9的上方，位于所述前腔7和后腔8外表面的一组灯架22之间固定有下灯管24，所述下灯管24位于石英腔体9的下方，所述上灯管21和下灯管24均通过单独的灯功率控制器实现对各个灯管的功率调节及控制，上灯管21和下灯管24的数目可根据不同的使用需求进行设定，各个灯管的工作温度由各自对应的控制器进行控制调节，所述石英腔体9的外侧还设有若干散热模块。

优选地，所述散热模块包括位于所述上灯管21上方的上腔冷却盘12、位于所述下灯管24下方的下冷却腔25、位于侧安装板11侧面的侧导热板5、位于所述下灯管24前侧的前加热排风15、位于所述上灯管21侧面的侧腔13，所述上腔冷却盘12固定在所述框架的上方，所述下冷却腔25固定在所述框架的下方，所述前加热排风15固定在前工艺排气板20的下方且设置在下灯架22的外部，所述前加热排风15的下方连接有排风管19，所述侧腔13固定在侧安装板11外侧面且设置在上灯架22的外部，所述侧腔13的下方连接有排风管14，所述侧导热板5与前腔7和后腔8之间通过冷却水管6连接形成冷却回路，冷却回路中通入循环水，对腔体外周进行降温。

优选地，所述侧安装板11的外侧两侧固定有气缸18，所述气缸18位于侧导热板5的下方，所述气缸18的外端连接有气动推杆29，所述气动推杆29的外端连接有连杆机构28，所述连杆机构28的上端连接有翻板27，所述翻板27之间连接有石英门17，所述石英门17的上表面与进料口26的匹配，通过气动方式将石英门进行翻转，气动推杆伸长，石英门闭合，气动推杆缩短，石英门打开。

优选地，所述下冷却腔25的下表面固定有高温计2，所述高温计2的外侧设有腔体支撑1，所述腔体支撑1的上端与下冷却腔25的下方固定连接，所述高温计2位于碳化硅热衬垫30的正下方，所述石英腔体9的下表面设有供高温计2测量温度的孔，高温计用于测量碳化硅热衬垫的温度。

优选地，所述气缸18的侧面连接有速度控制器16，用于控制气缸18的开启速度。

如说明书附图图1所示，此时石英门17处于打开状态，从进料口26抽出石英托盘10，将晶圆23放置在石英托盘10表面，之后将石英托盘10放入石英腔体9的内部，此时，如说明书附图图5所示，开启气缸18，利用气缸18带动气动推杆29收缩，将石英门17关闭在进料口26的外部，开启上灯管21和下灯管24对石英腔体9进行加热，从而对晶圆23进行加热处理，处理完成之后，将石英门17打开，抽出石英托盘10，取出晶圆23进入冷却处理工艺段。

如说明书附图图6所示，通过气动方式将石英门进行翻转实现开启与闭合的过程如下，通过气缸18带动气动推杆29伸长和收缩，气动推杆29伸长后推动连杆机构28，位于连杆机构28上的翻板27转动，将石英门17闭合在进料口26的外部；气动推杆29缩短后推动连杆机构28，位于连杆机构28上的翻板27转动，将石英门17打开，离开进料口26。

如说明书附图图8所示，从原理图中看出，高温计位于碳化硅热衬垫的正下方，所述石英腔体的下表面设有供高温计测量温度的孔，高温计用于测量碳化硅热衬垫的温度，并将温度值反馈至退火炉的控制界面，退火炉的控制系统根据高温计测量的碳化硅热衬垫的温度值，通过控制各灯管加热直至碳化硅热衬垫的温度达到设定值。本发明采用高温计测量碳化硅热衬垫的温度，测试精准。

如说明书附图10至图12所示，高温计测量的碳化硅热衬垫的温度与晶圆的实际温度偏差小，本发明采用的测温方式能够准确测出晶圆的真实受热温度。

本实施例中，石英腔体9的外侧还设有若干散热模块，散热模块包括位于所述上灯管21上方的上腔冷却盘12、位于所述下灯管24下方的下冷却腔25、位于侧安装板11侧面的侧导热板5、位于所述下灯管24前侧的前加热排风15、位于所述上灯管21侧面的侧腔13，所述上腔冷却盘12固定在所述框架的上方，所述下冷却腔25固定在所述框架的下方，所述前加热排风15固定在前工艺排气板20的下方且设置在下灯架22的外部，所述前加热排风15的下方连接有排风管19，所述侧腔13固定在侧安装板11外侧面且设置在上灯架22的外部，所述侧腔13的下方连接有排风管14，排风管19和排风管14将前加热排风15和侧腔13的热量排出，对石英腔体外周起到降温作用；所述侧导热板5与前腔7和后腔8之间通过冷却水管6连接形成冷却回路，冷却回路中通入循环水，对石英腔体外周进行降温。

本发明中的腔体结构在石英腔体的上下层均设置有加热灯，并通过单独的灯功率控制器实现对各个灯管的功率调节及控制，采用热衬垫辐射率独立控制的方法，能够更好的实现晶圆温度均匀性控制；条形灯管可加设金色反射器，提高热控制效率。

本发明中的石英腔体的侧面设有散热模块，利用循环水冷却和排风管冷却的方式对石英腔体进行及时的散热，维持石英腔体温度的稳定和均匀性。

本发明中利用气缸结构将石英门进行自动的开合，实现腔体的进料口的自动开启和闭合，设计更为自动化，使用方便。

本发明中的腔体结构可根据使用需求设定不同的个数在退火炉中，操作方便，大大提升了退火炉的工作效率。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“设置”、“连接”、“固定”、“旋接”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；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，除非另有明确的限定，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发明中的具体含义。

综上所述，仅为本发明的较佳实施例而已，并非用来限定本发明实施的范围，凡依本发明权利要求范围所述的形状、构造、特征及精神所为的均等变化与修饰，均应包括于本发明的权利要求范围内。

Claims (6)

1.一种快速退火炉系统用双腔结构，其特征在于：包括前后设置的一组前腔（7）和后腔（8），所述前腔（7）和后腔（8）的左右两端分别固定连接有侧安装板（11），所述侧安装板（11）、前腔（7）和后腔（8）之间相互连接形成具有容纳腔的框架，所述框架的内部固定有石英腔体（9），所述石英腔体（9）的内部设有石英托盘（10），所述石英托盘（10）的上方设有碳化硅热衬垫（30），所述碳化硅热衬垫（30）的上表面设有晶圆（23），所述石英腔体（9）的前侧连接有前工艺排气板（20），所述前工艺排气板（20）的表面设置有进料口（26），所述石英腔体（9）的后侧连接有后加热排风盖板（3）和后工艺排气板（4），所述前腔（7）的下部表面固定有若干灯架（22），所述后腔（8）的下部表面固定有若干灯架（22），所述侧安装板（11）的外侧面上部连接有若干灯架（22），位于所述侧安装板（11）侧面的一组灯架（22）之间固定有上灯管（21），所述上灯管（21）位于石英腔体（9）的上方，位于所述前腔（7）和后腔（8）外表面的一组灯架（22）之间固定有下灯管（24），所述下灯管（24）位于石英腔体（9）的下方，所述石英腔体（9）的外侧还设有若干散热模块。

2.根据权利要求1所述的一种快速退火炉系统用双腔结构，其特征在于：所述散热模块包括位于所述上灯管（21）上方的上腔冷却盘（12）、位于所述下灯管（24）下方的下冷却腔（25）、位于侧安装板（11）侧面的侧导热板（5）、位于所述下灯管（24）前侧的前加热排风（15）、位于所述上灯管（21）侧面的侧腔（13），所述上腔冷却盘（12）固定在所述框架的上方，所述下冷却腔（25）固定在所述框架的下方，所述前加热排风（15）固定在前工艺排气板（20）的下方且设置在下灯架（22）的外部，所述前加热排风（15）的下方连接有排风管（19），所述侧腔（13）固定在侧安装板（11）外侧面且设置在上灯架（22）的外部，所述侧腔（13）的下方连接有排风管（14），所述侧导热板（5）与前腔（7）和后腔（8）之间通过冷却水管（6）连接形成冷却回路。

3.根据权利要求2所述的一种快速退火炉系统用双腔结构，其特征在于：所述侧安装板（11）的外侧两侧固定有气缸（18），所述气缸（18）位于侧导热板（5）的下方，所述气缸（18）的外端连接有气动推杆（29），所述气动推杆（29）的外端连接有连杆机构（28），所述连杆机构（28）的上端连接有翻板（27），所述翻板（27）之间连接有石英门（17），所述石英门（17）的上表面与进料口（26）的匹配。

4.根据权利要求3所述的一种快速退火炉系统用双腔结构，其特征在于：所述下冷却腔（25）的下表面固定有高温计（2），所述高温计（2）的外侧设有腔体支撑（1），所述腔体支撑（1）的上端与下冷却腔（25）的下方固定连接，所述高温计（2）位于碳化硅热衬垫（30）的正下方，所述石英腔体（9）的下表面设有供高温计（2）测量温度的孔。

5.根据权利要求1所述的一种快速退火炉系统用双腔结构，其特征在于：所述石英托盘（10）为一体成型，中部镂空。

6.根据权利要求3所述的一种快速退火炉系统用双腔结构，其特征在于：所述气缸（18）的侧面连接有速度控制器（16）。