CN1545137A - 充气退火炉 - Google Patents

Abstract

本发明名称为“充气退火炉”，属于半导体材料与器件的制备设备。其特征在于，用一个真空室，使样品在特定的保护气体中退火；保护气体在另一炉体中被加热，作为传热介质引入真空室中，气体热传导成为对样品加热的唯一方式。真空室内有风扇，样品架可以转动，以确保保护气体温度的均匀性，从而保证样品温度的均匀性。通过抽出热气体，引入冷气体，使样品快速、准确地降温。本发明主要用于多片大面积半导体薄膜与器件的退火。

Description

充气退火炉

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便是使薄膜或器件在一种特定的气氛和温度下退火。

这些实施退火的设备对样品的加热手段是热辐射和传导。在这些设备中，热源若在加热室外，那么热辐射是加热样品的主要手段，加热室内的气体也能将热量传导给样品。若热源在加热室内，如果热源和样品是分离的，辐射也将是加热样品的重要途径，不过，热传导的作用加强了。在一些设备中，加热器和样品直接接触，或通过均热板(用金属和石墨制成)与样品直接接触，热传导则成为加热样品的主要途径。

为了保证样品温度的精确性和均匀性，加热器、传热元件相对于样品位置都有一些专门设计。这些设计对一个或两个样品都较容易解决。但当要同时对多片样品加热时，热辐射要受到样品互相的屏蔽，使样品受热不可能均匀。即使每个样品加上一个均匀热板，但因均热板自身受热不均匀，也难于使样品的温度均匀。如果对每一块样品有一个温度均匀的加热器，会使设备变得很复杂、造价很高；而且，加热器太多也带来升温、降温不易控制等缺点。

三、发明内容

本发明的目的是针对多个大面积样品一次性退火中如何获得均匀的、精确的加热而提出的新的退火技术和相应的设备。这个新技术的关键在于完全避免辐射加热，也避免使用固态均热块作传热介质。为此，本发明实施的基本技术手段是用气体作传热介质，用灼热气体对样品加热。因此，本发明对气体的加热、退火室的结构、退火室内气体的流动都采取了技术措施。

图1给出了本发明的基本结构。A1是加热温度可以控制的加热炉。炉内的螺旋形管道B1是被加热的主体，它可以用金属管，如不锈钢管、紫铜管、钛管，也可以用玻璃管、石英玻璃管。气体从管中流过，并被加热到预定温度。H1为温度计或热电偶，监测加热炉出口处的管道温度。工作气体(由退火工艺确定，可以是氧气、氮气、氢气、氩气等，或上述一些气体的混合气)经过流量计进入炉内。工作气体也可以经过流量计到另一气路。这一路气有冷阱A2，其内的螺旋形管道为B2。H2为冷阱出口的热电偶。C1和C2分别是这两路管道上的阀门，然后合成一路后进入退火室。

D为退火室的壁，外面有保温层。除了保温的作用外，还有热防护的作用，避免工作人员被烫伤。G为可旋转的样品台，转速由退火室外的电机控制。S为样品。F1和F2为风扇。样品旋转和风扇共同保证工作气体温度的均匀性。H3和H4为热电偶，分别检测退火室中心和边缘的温度。K为真空规或压力表，以检测退火室的真空度或气压。I为抽气口，通过冷阱J与真空泵相连接。

退火技术与过程：使用本发明退火装置的操作程序推荐如下：打开真空室，放入样品(样品事先放置在专门的样品架上)，关闭真空室，开始抽真空。抽空退火室后(真空度根据被退火的样品来确定)，打开C1，放入工作气体，按升温曲线的要求，使真空室内的压力为P₁，温度为T₁；再放入灼热的工作气体，真空室内的压力为P₂，温度为T₂；此后，断续地或连续地放入灼热气体，使真空室内的压力和温度按升温曲线的要求升高，并最终达到所需要的退火温度，关闭C1。降温时，先将退火室内的气体抽出一部份，再补入冷的工作气体，按降温曲线的要求，反复进行这样的操作或连续地放入冷的工作气体，使退火室的温度降下来。当然，也可采取自然冷却的方式降温。另外，气体加热炉A可以预先升到所需要的温度，这个温度应比退火温度高；也可以在退火过程中，逐渐升温。

与现有技术相比，本发明有如下优点：

(1)能同时进行多片样品的热处理。例如：退火室腔体尺寸为：高500mm，直径600mm，可退火面积为300×400mm的样品20片以上。

(2)升、降温过程能通过调整引入退火室的工作气体的温度、流量、气压进行精确的控制。

(3)能保证所有被退火样品的温度均匀性和一致性。

(4)节能。避免了对庞大的退火室加热。

四、附图说明

本发明退火炉的结构图

五、具体实施方式

根据图1所示的充气退火炉，可以按如下方式实施本发明：

实施例1：气体加热炉A为普通箱式电炉。被加热气管呈螺旋形，也可以呈波浪形，也可以是连续的U形弯曲。冷阱A2为一个普通的自来水槽。阀门C1和C2，为蝶阀。流量计为浮子流量计。工作气体通过管道M进入退火室。退火室为圆柱形。样品台G可以是圆形，但以方形为宜。其外沿的最大直径应小于退火室内径。它的转轴可以与真空室外的变速马达直接相联。退火室顶部安装密封套，测温热电偶穿过密封套进入退火炉。H3的测温头固定在退火炉的轴线上，H4的测量端固定在样品架和炉壁之间。搅拌风扇F1固定在顶部的中央，F2固定在侧壁，高度在样品架的中部。抽气口I在底部，C3为蝶阀。冷阱J所用的冷却介质为自来水，它的作用是降低工作气体的温度，避免高温气体直接作用于真空泵。

实施例2：图1中气体加热炉A，可以改成为緾绕于气管上的加热带，阀门C1和C2改成为可以控制流量的多圈截止阀或针形阀。流量计可改用质量流量控制器。样品台G通过齿轮与真空室外的调速马达相联结。齿轮可放在真空室外，也可放在真空室内。或者变速马达以拨动方式使G旋转。炉内的热电偶可以不止两个，以监测更多位置的温度。风扇也可以不止两个，可以有风扇安装在底部和侧壁。冷阱A2和J可以是氟利昴制冷装置，也可以是液氮冷阱，以加强冷却效果。

Claims (4)

1、一种用于材料与器件热处理的充气退火炉，其特征是用高温气体作传热介质输入炉中，可以对多个片式样品进行热处理或退火。

2、如权利要求1所述的充气退火炉，其特征在于样品可以旋转，转速可以调控；退火室内有一个风扇或多个风扇搅拌工作气体，促使它流动。

3、如权利要求1所述的充气退火炉，其特征在于炉外设置了两种温度的气源：一种是室温或低温、一种是高温。低温气源是用一个液氮冷阱、或用制冷机、或用自来水致冷。高温气源是用电炉对气路加热，或用緾绕于管道上的加热带对气路加热。

4、如权利要求1所述的充气退火炉，其特征在于能对退火室抽真空，而真空泵和退火室之间有冷水或制冷机对抽出气体进行冷却。