CN1545133A - 半导体薄膜后处理系统及样品架 - Google Patents

Abstract

本发明名称为“半导体薄膜后处理系统及样品架”，属于半导体材料与器件的制备设备。其特征在于：将超声喷涂与退火两个过程分开进行，专用样品架在隧道炉中步进式前进，保证被退火工件在温度均匀的恒温区中停留，保护气体经加热后横向通过恒温区，不致造成温度波动。本发明主要用于大面积半导体薄膜制造过程中的连续热处理，能解决大面积上的温度均匀性与稳定性问题。

Description

半导体薄膜后处理系统及样品架

一、技术领域

本发明属于半导体材料与器件的制备设备

二、背景技术

许多半导体薄膜和器件都要进行后处理。后处理中的一个重要技术手段是在薄膜表面沉积上某种物质(源)，再在特定的气氛和温度下退火。

在实施这种后处理中时，有三个技术要素：退火气氛、温度与时间、表面沉积物质(源)的多少。在现有的技术中，将源沉积于样品表面常用两种方法。一是将这种源制成溶液，涂覆于样品表面，这种方法受到一个因素的限制：这种溶液在样品表面是否能浸润。此外，即使能克服这个限制，也难于对大面积样品有均匀的涂覆。另一种办法是将源制成和样品大小相同的板状，然后和样品一道进行退火，在退火过程中源将蒸发或升华在样品表面，达到后处理的效果。这个方法也要受到一个因素的限制：在此特定的退火温度下，源能否蒸发或升华。此外，即使这个限制不存在，源沉积于样品表面的量强烈地依赖于退火温度与时间，使退火过程难于控制，从而使退火的效果难于保持稳定，甚至达不到要求。

其次，对于大面积样品的连续退火，一般采用隧道炉来实施。样品装载于样品架上，沿炉内隧道前移。退火所需的特定气体也沿样品移动的方向流动。这要求整个隧道在任何时候是畅通的，结果气流会影响各个温区的实际温度分布；而且畅通的隧道使各温区易于进行热交换，对各温区的精确控温及温度均匀分佈都不利。

综合上述，现有半导体薄膜的后处理技术对于大面积样品的连续性处理有如下不足：1、源的沉积方式不理想。2、气体流动影响各温区的温度分佈。3、各温度区的温度分佈不能从纵向保证在大面积上的均匀性。

三、发明内容

本发明针对这些不足提出了新的设计。

如图1所示，整个后处理炉由相同体积的单元A1、A2、A3、A4、A5、A6、A7、A8等构成。A1为预热室，样品先装入此室预热。A2为准备室，温度应达到源沉积所需的温度。源溶液经超声波起雾后用氮气携带到均匀压喷口。喷口安装在A2室与A3室之间，形状为长形狭缝。当样品从A2移动到A3的过程中实施喷雾。样品完全进入A3后，表面上已均匀沉积了足够的源物质纳米粉。A4室和A5室为退火室，A6、A7、A8等室为降温区。A3和A4之间，A5和A6之间各有一绝热板，在样品传动时开启，在样品到达预定位置后关闭。D1、D2、D3为退火所用气体的进气口，E1、E2、E3为出气口。出气口为长而扁平的方形管道。退火所用的气体进入D1后，经炉体加热，约达到炉膛内温度后再进入炉膛，这样不会使样品的温度发生波动。为了达到对气体加热的目的，气体在炉膛内所经过的管路要足够长，为此，管道可以做成螺旋形或波浪形，再通过一个扁平三角形喷口与炉膛连结。如图2中的F4。

B1、B2和B3为推杆。B1是将样品从A1位置推到A2位置，B2是将样品从A2位置推向A3位置；B3是将样品从A3逐步推到A4、A5、A6、A7、A8等位置。

此外，样品应安装在样品架上，样品架的形状与尺寸应和炉膛及各温区的尺寸相配合。本发明对样品架的基本要求如图3所示。S为样品，H1和H2为样品架滑块。样品架的主要特点是前后各有一个略低于炉膛高度的绝热板G1和G2，能起到各温区之间的隔热作用，使各温区的温度不互相影响，也有利于各温区之间的温度均匀分佈。

综上所述，本发明有如下优点：(1)、源沉积和退火是两个互相独立的过程。源沉积的量和退火的温度与时间分别按要求控制，从而保证退火的作用满足要求。(2)、退火过程的高温区与其他温区间有能开启和关闭的绝热板，既保证样品在炉内移动，又保证了高温区内温度的均匀性。(3)、退火时所需的气体由横向进入炉膛，且气体进入炉膛前已加热到与炉膛相同的温度。这样，气体流动不会影响样品的温度，也不会影响其他温区的温度。(4)、使用了专用样品架。它的前后各有一个隔热挡板，起到温区之间的隔热作用。上述所有措施使退火炉的温度呈阶梯状分佈。如图5所示。图中虚线表示，没有采用本发明措施时的温度分佈曲线，每个样品的前后所经受的温度是不均匀的。实线表示采用了本发明后的温度分佈曲线。退火过程采用样品步进，在每个温区停留规定时间的方式，样品在各个温区的温度是均匀的。实验证明，连续前进的方式不利于精确控温的退火或烧结，而用本发明的退火炉能保证样品后处理在温度上的精确性。

四、附图说明

图1为本发明后处理炉的基本结构俯视图

图2为高温区炉膛的结构图

图3为本发明所用的样品架结构的侧视与俯视图

图4为进气管及均压喷口的结构图

图5为现有后处理炉和本发明后处理炉的温度分佈曲线

图6为本发明后处理炉的另外两种排列方式

一、具体实施方式

以下结合附图说明本发明的实施方式

实施例1：如图1各温区的炉膛尺寸相同为a＝600mm，b＝500mm膛高为100mm。后处理炉共有11个温区，各温区温度如下：A1为60～80℃，A2为120～150℃，A3为120～150℃，A4和A5为360～420℃，A6为280～340℃，A7为200～240℃，A8为120～160℃，A9为40～80℃。推杆B1、B2和B3均用步进电机，行程如下：B1为550mm，B2为900mm，B3为650mm。进气管在炉内形状如图4a所示，管道弯曲成一盘状。盘的外形尺寸限制为：盘长不超过温区宽度600mm，盘高不超过加热层厚度，约500mm。

专用样品架的尺寸为：連滑块总高度h为95mm，长d为600mm，宽度为450mm。

实施例2：预热室A1的位置调整来与A2成纵向排列，如图6a所示。对于高温区温度比较高的情况，将A4调整为预热区，而高温区只保留一个，即A5。可开启绝热闸板设置在A4/A5区之间和A5/A6区之间。进气管道在炉内的形状和实施例1相同，也可以采用图4中b或c所示的形状。在对温度均匀性要求不太高的情况下，样品架可以只在一端安置绝热板，在本实施例中，它安于前端。

实施例3：在实施例1的基础上有两大改动：(1)、如图6b所示后处理炉的排列成“Y”或“T”形结构。即对称地增加一个预热室、一个准备室和一个超声喷雾口。A’1和A1相同，A’2和A2相同。这样，可以轮流地从A1和A’1放入样品，它们被轮流进行超声喷雾沉积，并交替地进入A3，然后被推入A4及A4以后的各个温区。相应地缩短样品在每个温区的停留时间。对每个样品来说，退火过程所需时间基本不变，但增加了单位时间内退火的样品数。

实施例4：在实施例1中，考虑到在降温段的各个温区即A6、A7、A8、A9等，也严格要求样品有的各处温度是均匀的，这种要求，仅靠样品架前后两端的隔热板不足以保证严格均匀性的要求。为此，各温区之间也要设置可开启的绝热闸板。这些绝热闸板可以用石英玻璃制造，也可以用其他耐温度冲击的玻璃，或陶瓷板制造。对高温区及其他需要保护气体的温区，进气管可以在炉口加热；也可以在炉外，通过緾饶于管外的加热带加热。热电偶直接和管壁紧密接触，通过它对进气管的温度进行控制，使气体温度满足后处理的要求。

此外，为了满足样品的需要，各温区的尺寸可以与实施例1不同，而改用其他尺寸。对长方形样品，它可以沿其纵向前进，也可以沿其横向前进。为此，炉体和各温区尺寸都可以调整。

Claims (7)

1、本发明所述的半导体薄膜的后处理设备，其特征在于能对大面积半导体薄膜或器件进行连续的一片又一片的后处理。

2、权利要求1所述的设备，其特征在于在热处理之前用超声喷雾的方法在样品移动时，将某种物质沉积在样品的表面。

3、权利要求2所述的超声喷雾装置，其特征在于可以是一个，也可以是两个。在只用一个喷雾装置时，后处理炉呈“”或“”形。在用两个喷雾装置时，后处理炉呈“Y”形或“T”形。

4、权利要求1所述的设备，其特征在于处理过程中所需的保护气体或反应气体，是从横向引入高温区或其他温区，并经横向开口让它流出炉膛外。

5、权利要求4所述的引入气体的设计，其特征在于进气管要进行加热。加热有两种方式：一是在炉内弯曲成往复的曲折管路，以利于使气体的温度和退火室内的温度相同；也可以在炉外用緾饶于管壁的加热带加热，用此加热方式时，炉内管道可以直的，或基本是直的。

6、权利要求1所述的设备，其特征在于高温区的两侧或各个温区的两侧设置有可开启的绝热闸板。

7、权利要求1所述的设备，其特征在于与之配用的专用样品架，其前后端有比炉膛略低的绝热挡板，或在其一端有这种绝热挡板。

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