CN1555089A - 半导体圆片快速热处理装置及使用方法 - Google Patents

Abstract

一种半导体圆片快速热处理装置及使用方法，该装置为立式中空电热腔，腔体外侧是用耐火保温材料制成的隔温层、支撑套筒和水冷装片盒状底座，腔体内侧顶端和周边是防污染的屏蔽层，腔体内部上端设有直流电源加热的石墨加热器，在石墨加热器的下方的腔体周壁上设有内反射筒；腔体下端中央位置设有承载半导体圆片的石英片托，该石英片托在其下端片托杆的支承下可沿中空腔体轴线升降运动。本发明藉由石英片托在温度呈稳定梯度分布的立式中空电热腔体内的垂直升降位移，即通过改变石英片托上夹持的半导体圆片与石墨加热器的空间距离远近和停留时间长短来对半导体圆片进行热处理工艺加工。装置结构简单实用，制造成本低，操作方法容易，有应用推广前景。

Description

半导体圆片快速热处理装置及使用方法

技术领域

本发明涉及一种半导体器件的生产制造装置及使用方法，确切地说，涉及一种半导体圆片快速热处理装置及其使用方法，属于通过电阻加热的电热装置

技术领域。

背景技术

在半导体圆片生产工艺中，快速热处理(也称“热退火”)是半导体圆片经过注入工艺后必不可少的工序之一。半导体圆片快速热处理设备是半导体器件生产的关键设备之一。自从20世纪60年代初，离子注入技术作为新的半导体掺杂工艺以来，大大促进了半导体集成电路的发展。而集成电路的迅速发展，又对离子注入的快速热处理技术提出了更高要求。

离子注入技术的最大优点是掺杂量精确和掺杂分布可控。常规的快速热处理工艺一般温度较高、时间较长，需要数十分钟。如果在离子注入后仍然采用常规热处理工艺，将极大地破坏注入工艺的优良结果，因此，超大规模集成电路(VLSIIC)生产不能采用常规热处理工艺。这样，半导体圆片快速热处理设备应运而生。它的最大特点是热处理的周期极短，可以在数十秒内使半导体圆片完成升温至指定高温(如1000℃)、然后又降至常温的整个热处理工艺过程。对离子注入后的半导体圆片进行快速热处理，能够巩固离子注入工艺的优点。此外，超薄氧化层的快速热生长及磷硅玻璃的回流等工艺中也要用到半导体圆片快速热处理工艺。随着工艺技术的进步与设备的完善，半导体圆片快速热处理工序被越来越广泛地应用于超大规模集成电路和半导体器件的生产领域。

但是，目前国内外现有的半导体圆片快速热处理设备都存在不足之处，下面分别介绍之。

现在，国际上常见的半导体圆片快速退火热处理设备基本上是采用灯光辐射型热源。参见图1，该设备的核心是由两个专用灯管组：上灯管组A和下灯管组B构成，一般每个灯管组都有数十根异型灯管(形状和数目因厂家而异)，由这两个灯管组A、B对位于其中间的半导体圆片C进行快速加热和热处理。

由于该设备是采用线状光源构成面光源作为热源，为了达到均匀的加热效果，对各个灯管的一致性要求甚高；且当灯管的亮度随时间有所变化时，该设备必须及时、准确地定量检测出差值，并立即进行补偿。否则生产的产品质量将无法保证。因此，首先各个灯管的电源驱动要独立，还需分别设置传感器，随时检测各个灯管的发光效率，由控制系统根据传感器的反馈信号及时调节相应灯管的驱动电流，才能实现稳定生产。如果上下两个热源组中的任何一个灯管一旦出现输出功率达不到额定值，且设备进行调控也不能恢复的情况时，必须及时告警，停机维修和更换备件。因此，这种热源的可靠性指标涉及每个灯管的可靠性指标和热源组内灯管的总数量。理论上说，灯管的总数量越多，热源整体的可靠性指标越低。而且，灯管数目越多，随之连带的传感器数目、驱动电路和控制系统的规模就会相应增加。由此带来设备结构的复杂和制造成本的增加，从而使得该设备热源装置的制造难度增加和销售价格难以降低，用户的维护成本也会居高不下。然而，灯管数量越少，受光平面的均匀性指标越难以提高。

由于技术、财力等多方面条件的限制，至今国内没有一家能够生产灯管型半导体圆片快速热处理设备。多年前，清华大学微电子研究所发明了采用高频感应石墨加热方式对半导体圆片进行快速热处理的技术方案，研制了高频感应石墨加热型快速热处理装置，并对有关的加热方法和设备分别申报了中国发明专利和中国实用新型专利(专利号为：85100131.9，87202679.5和91219291.7)。

该技术方案采用高频感应加热石墨：在石英腔体外缠绕线圈，在石英腔体内放置平行石墨加热板。当向线圈中通以高频电流，在线圈周边就会产生高频电磁场，位于高频交变电磁场中的石墨板受到感应后发热作为热源。再配合精密控制的机械取送片装置，托着硅片进/出腔体就可以进行热处理加工。

该采用石墨进行高频感应加热技术具有面加热、制造和维护成本低等优点，但是也存在有加热控制的响应速度较慢、高频电磁辐射可能会对环境造成污染等缺陷。尽管如此，石墨材料本身具有的容易加工、加热面均匀、寿命长、购置和维护成本低廉等优点都是国外灯管型快速热处理设备所无法比拟的。虽然高频感应石墨加热方式属于成熟技术。但是将其作为半导体热处理设备的热源，并进入实用化，在当时确实是独辟蹊径，具有中国特色的创新思维的结晶，并取得了一定应用效果。

随着微电子技术和材料科学的迅速发展，直径8英寸(200mm)以上的半导体圆片加工工艺正在逐步吞并6英寸(150mm)以下的加工生产线。目前，国内外已有厂家开始着手研制12英寸(300mm)半导体圆片的加工技术和设备。因为半导体圆片的单片直径越大，单次产量越高，其综合成本越低。因此，从今后发展的角度看，大尺寸圆片生产技术取代小尺寸圆片生产技术只是时间问题。对此，灯管型半导体圆片快速热处理设备只能通过增加灯管数量和尺寸来应对该发展趋势，其不足之处依然如故，甚至会更加严重。而高频感应石墨加热热处理设备和工艺则面临着新的技术障碍。下面简要解释和说明之：

参见图2，在该高频感应石墨加热热处理设备中，传送半导体圆片机构的机械手是托着半导体圆片C从已经加热到设定高温的石墨腔体的左侧装片腔端口进出该石墨腔体而实现热处理工艺。这种结构使得被加工的半导体圆片的左端首先进入加热腔而最后退出，圆片右端则是最后进入加热腔却首先退出。这个“先进后出，后进先出”加工过程的直接结果是该半导体圆片上各点的加热时间不同、因而各种性能和质量参数形成差异。而且圆片直径越大，这个差异就越显著。实验测试表明，图2所示方案在加工直径6英寸的半导体圆片时，相关参数差异的容忍度已经达到极限。也就是说，图2所示的高频感应石墨加热型热处理设备至多只能满足6英寸半导体圆片的快速热处理工艺要求，再也无法应对8英寸或更大尺寸的半导体圆片快速热处理工艺的技术要求。

为了解决这种“先进后出，后进先出”加热时间不均衡的问题，业内人士想了许多方法，其中一个思路是采用类似老式幻灯机的换片机构。即在加热腔左端装片、并从加热腔左侧进片时，经过热处理腔体后，由加热腔的右侧出片；在加热腔右端装片、并从加热腔右侧进片时，经过热处理腔体后，由加热腔左侧出片；如此往复循环操作。也就是说，将“先进后出，后进先出”改为“先进先出，后进后出”。这种设计构思在理论上保证了整个半导体圆片加热时间的均衡，但是，由于半导体行业对生产环境的要求极其严格和苛刻，而上述结构设计需要设备占用相当大的面积，也就是意味着该设备的制造成本相当昂贵，因此实用性不高。

发明内容

本发明的目的是提供一种半导体圆片快速热处理装置，该装置用直流电源对石墨馈电，制成可控的稳定的高温平面热源，再配置其它部件构成净化的热处理加工环境，能够对半导体圆片进行可控的陡变受热和降温过程；且装置结构简单实用，操作维护容易，制造成本较低，具有很好的应用前景。

本发明的另一目的是提供一种半导体圆片快速热处理装置的使用方法。

本发明的目的是这样实现的：一种半导体圆片快速热处理装置，其特征在于：该装置为立式中空电热腔，腔体外侧是用耐火保温材料制成的隔温层、支撑套筒和水冷装片盒状底座，腔体内侧顶端和周边设有保证净化环境、防止外界污染的屏蔽层，腔体内部上端设有用直流电源加热的石墨加热器，在石墨加热器的下方的腔体周壁上设有内反射筒；腔体下端中央位置设有承载半导体圆片的石英片托，该石英片托在其下端片托杆的支承下能够沿中空腔体轴线升降运动。

所述腔体外侧的隔温层由顶端的隔温罩和其下侧的圆柱形隔温套筒组成，该隔温套筒下侧是支撑套筒和水冷装片盒状底座，在水冷装片盒状底座的一侧面上设有送片闸门；所述腔体内侧顶端和周边分别设置的屏蔽层是屏蔽罩和屏蔽套筒，所述屏蔽层和内反射筒的材质为石英或涂有反射膜的石英。

所述用直流电源加热的石墨加热器是用碳化硅包覆的石墨制成的平面薄板，板上接有电极，电极上设有若干个用于与水冷电极螺接的通孔；整个平面薄板被若干条细长通槽切割成串联石墨电阻，在切槽的两端设有用于加固的凸台，该平面薄板的非电极端部为圆角，以减少热量辐射。

所述石墨加热器的外侧围设有反射盒，该反射盒的上方放置有反射板，以使石墨加热器的热量向腔内辐射而不外泄；所述反射盒和反射板的材质为石英或涂有反射膜的石英。

所述腔体外侧隔温层的耐火保温材料是高温陶瓷纤维制品，即多晶莫来石；或硅质可塑保温材料、或高铝质可塑保温材料、或其它耐火浇注材料。

所述水冷装片盒状底座是用不锈钢制成的中空夹层盒状体，在该中空夹层盒状体内设有冷却水管，其外侧设有进水口和出水口。

所述水冷装片盒状底座的外壁上分别设有进气管接头和出气管接头；藉由该两个管接头向水冷装片盒状底座内腔和中空电热腔内注入惰性保护气体。

所述石墨加热器在其表面中间位置放有热电偶的测温敏感元件，用于监测石墨温度；在水冷装片盒状底座上设有红外测温仪的测温头，该测温头指向片托上的半导体圆片，用于量测半导体圆片的温度。

所述承载半导体圆片的石英片托由若干个呈伞骨状的支撑柱和位于支撑柱顶端、并将其连结在一起的带缺口圆环组成；该圆环的缺口部分面向送片闸门，以便取送半导体圆片机构送取圆片；在缺口圆环上有3-4个夹持承载半导体圆片的圆锥状小托爪，片托下端的片托杆与升降机构相连接，该石英片托的所有部件均用石英材质制成。

本发明的另一目的是这样实现的：一种半导体圆片快速热处理装置的使用方法，其特征在于：在立式中空电热腔体内形成从石墨加热器附近的超过1000℃的高温到水冷装片盒状底座内的220℃左右的温度呈稳定梯度分布后，藉由石英片托在该温度呈稳定梯度分布的立式中空电热腔体内的垂直升降位移，也就是通过改变石英片托上夹持的半导体圆片与石墨加热器的空间距离远近和停留时间长短来对该半导体圆片进行热处理工艺加工。

本发明是一种采用直流电馈电加热平面石墨板的半导体圆片快速热处理装置和使用方法，该装置不仅保持了石墨加热器的所有优点，而且与高频感应加热方式相比较，因为没有高频电磁辐射，因而相应的电磁屏蔽措施和结构可以简化，对取送半导体圆片的构件材料和结构要求都相应降低，不必采用非金属材料或开环以避免电磁感应造成危害；对石墨加热器的加工参数要求也可适当降低，而且，在高频电磁场中，石墨棱角会诱发放电、受热不均匀等不良影响，对石墨加热器的形状和加工都有特殊要求。现在使用直流电直接加热薄板状石墨电阻，不仅使得该装置的结构简化、紧凑，也降低了制造精度，有利于降低生产成本，还能够提高电能的利用效率和工作可靠性，使得该装置与清华大学原来的专利产品相比较，性能价格比有较大幅度明显的提高。

本发明装置中，石墨加热器热源呈平板状，待加工的半导体圆片在其进入电热腔体内后就与热源处于平行状态，因此设定快速热处理工艺曲线以后，本发明只需在该立式中空电热腔体内通过改变石英片托上夹持的半导体圆片与石墨加热器的空间距离远近和停留时间长短就可以对该半导体圆片进行热处理工艺加工，也就是该热处理工艺的实现过程完全取决于半导体圆片与热源面的相对位置和停留时间。与原来的高频感应石墨加热方式相比较，本发明方法的加工参数范围更大、操作更加简单、方便、灵活。

此外，在原先的高频感应石墨加热装置专利中，石墨和半导体圆片共用一个测温元件：加热腔内有圆片时所测参数为圆片温度，没有圆片时所测参数为石墨温度。由于这两种材料的热反射系数不同，测量装置的切换容易产生过渡状态而形成盲区。在本发明装置中，石墨加热器和半导体圆片分别在不同位置采用热电偶和红外测温仪测温；不但便于调试，能够分别或同时测出两个部位的温度，更有利于整个装置的工作稳定、保证产品质量和提高生产率。

总之，本发明利用石英片托在该温度呈稳定梯度分布的立式中空电热腔体内的垂直升降位移，也就是通过调节半导体圆片与石墨加热器的空间距离和停留时间的方法来达到灯管型热处理设备采用的时间长短分配方法的热处理工艺效果。本发明的热源和冷源的结构新颖、简单、实用，整个装置构造简单，加工制造容易，操作使用方便简单，工作稳定可靠，能源利用率高，环保效果好，具有很好的推广应用前景。

附图说明

图1是现有的灯管型半导体快速退火装置的热源与半导体圆片的工作原理示意图。

图2是现有的用石墨进行高频感应加热快速退火装置的工作原理示意图。

图3是本发明半导体圆片快速热处理装置的结构组成示意图。

图4(A)、(B)分别是本发明半导体圆片快速热处理装置的石墨加热器一实施例的主视图和俯视图。

图5(A)、(B)分别是本发明半导体圆片快速热处理装置的片托结构一实施例的主视图和俯视图。

具体实施方式

参见图3，本发明是一种半导体圆片快速热处理装置，该装置是立式中空电热腔，腔体外侧设有用耐火保温材料制成的隔温层，该隔温层由顶端的矩形体隔温罩1和其下侧的圆柱形隔温套筒1A组成，隔温套筒1A下侧是不锈钢制成的支撑套筒10和水冷装片盒状底座11，在水冷装片盒状底座11的一侧面上设有可启闭的送片闸门9；腔体内侧顶端和周边分别设置保证净化环境，防止外界污染的屏蔽罩4和屏蔽套筒4A组成的屏蔽层，腔体内部上端设有用直流电源加热的石墨加热器2，该石墨加热器2的外侧围设有反射盒5，该反射盒5的上方放置有反射板3，在石墨加热器2的下方的腔体周壁上设有内反射筒6，这些反射部件3、5、6都是用于使石墨加热器2的热量向腔内辐射而不外泄。反射板3、屏蔽罩4、屏蔽套筒4A、反射盒5和内反射筒6的材质均为石英或涂有反射膜的石英。腔体下端中央位置设有夹持承载半导体圆片C的石英片托7，该石英片托7由3～4个呈伞骨状的支撑柱和位于支撑柱顶端、并将其连结在一起的带缺口圆环组成。该圆环的缺口部分面向送片闸门9，以便取送半导体圆片机构的机械手送取圆片(参见图4)。在缺口圆环上有3-4个承载半导体圆片的圆锥状小托爪，当半导体圆片C放置在片托7上时，圆片C与各个托爪的锥面呈相切的点接触状态，也就是该半导体圆片C被夹持在这3-4个圆锥状托爪的锥面之间，在保证半导体圆片C夹持牢固，绝对不会发生圆片跌落损坏事故的前提下，又能够尽可能地减少因承载而遮挡的圆片受热面积，使得该半导体圆片C整体接受热处理工艺加工，以保证产品质量。石英片托7下端的片托杆8与升降机构相连接，能够沿腔体轴线升降运动，本发明装置是通过该石英片托7的升降移动，与石墨加热器2的空间距离远近来对片托上的半导体圆片C实现热处理工艺。其中石英片托7和片托杆8的各个部件均用石英材质制成。

本发明腔体外侧隔温层1、1A的耐火保温材料是高温陶瓷纤维制品，即多晶莫来石；也可以选用硅质可塑保温材料、高铝质可塑保温材料、或其它耐火浇注材料。水冷装片盒状底座11是用不锈钢制成的中空夹层盒状体，在该中空夹层盒状体内设有冷却水管，其外侧设有进水口16和出水口15。水冷装片盒状底座11的外壁上还分别设有进气管接头20和出气管接头21，藉由该两个管接头20、21向水冷装片盒状底座11内腔和中空电热腔内注入惰性保护气体(图示为氮气N₂)。通过控制冷却水和惰性气体的流量，可以使该水冷装片盒状底座11成为加热腔下方的一个可控的稳定低温源。当热源和冷源均达到稳态时，电热腔内就形成一个自下而上的陡变的稳态梯形升温分布区。

本发明在水冷装片盒状底座11上设有红外测温仪的测温头14，该测温头14指向片托7上的半导体圆片C，用于量测半导体圆片的温度。而在石墨加热器2的表面中间位置放有热电偶的测温敏感元件13，用于测试加热器2的温度。

参见图4，石墨加热器2是用直流电源加热的石墨材质的方形平面薄板状电阻器，该石墨平面薄板外侧表面包覆一层碳化硅，以防石墨可能造成的环境污染。其一侧的左右两端为电极，电极上设有若干个用于与水冷电极12螺接的通孔(图示每个电极有三个通孔)，另一侧的左右两端为圆角(图示R＝45mm)，以减少热量辐射；整个平面薄板被若干条细长通槽切割成串联石墨电阻，在切槽的两端设有用于加固的凸台。这些凸台交叉地分布在平面薄板的两端。图中17和18分别是水冷电极12的冷却水进水口和出水口，19是将直流电源的馈线与水冷电极12螺固成一体的螺栓。

下面简要地介绍本发明装置和使用方法的工作原理、操作过程和一些部件的特点：

本发明装置是采用立式中空电热腔，用直流电源对位于腔体内顶部的石墨加热器2馈电加热，在电热腔内部的上端形成可控的稳定高温平面热源。整个腔体坐落在一个配有可控开/关的送片闸门9的密闭的中空水冷装片盒状底座11上。该盒状底座11的夹层内装有冷却循环水管道，外壁装有惰性气体出入口管道，直接将惰性气体送入密闭盒状底座11的内腔和电热腔体内。该水冷装片盒状底座11是加热腔下方的一个可控的稳定低温源，从而在立式中空电热腔体和盒状底座11内腔内形成温度呈稳定梯度分布的升温区。盒状底座11下端中央位置设有承载半导体圆片C的石英片托7，该石英片托7在其下端片托杆8的支承下能够沿腔体轴线升降运动，通过该石英片托7的升降位移，与平面石墨加热器2的空间距离远近和停留时间来对片托7上的半导体圆片C实现热处理工艺。

本发明装置能够对8英寸或更大尺寸半导体圆片进行陡变加热，并控制降温和升温过程的热处理，而且实现时装置结构简单实用，操作维护容易，制造成本较低，具有很好的应用前景。

使用本发明装置时，首先通过水冷电极12将外供直流电源馈入碳化硅包层直流石墨加热器2，在腔体内的石英屏蔽罩4内形成平面热源。通过调节流过石墨加热器2的电流可以控制该热源温度，电流越大，温度越高，实施例的额定值为DC 50V/400A。碳化硅包覆的直流石墨加热器2中间插有热电偶测温仪的测温敏感元件13，能够测量该热源的实时温度，以便控制电路根据反馈相应调整加热电流。同时，从水冷装片盒状底座11的冷却水入口16供入冷却循环水，再从出口15引出冷却水，以便在腔体内石英屏蔽套筒4A的下端形成平面冷源。同时可以藉由进气管接头20和出气管接头21向水冷装片盒状底座11内腔和中空电热腔内注入惰性保护气体(例如氮气N₂)。通过控制冷却水和保护气体的流量和流速，可以使该水冷装片盒状底座11成为加热腔下方的一个可控的稳定低温源。冷却水和惰性气体的流速越高，流量越大，温度越低。

当石墨加热器2经过一段时间的加热和温升，使得石英反射板3、反射盒5和内反射筒6中上、下的热、冷源达到稳定状态时，就在该石英屏蔽罩4和屏蔽套筒4A内形成炉内加热腔体的稳定的温度分布梯度。这里的反射板3、反射盒5和内反射筒6均置于石英屏蔽罩4和屏蔽套筒4A的内壁以反射热量，使石英屏蔽罩6内的温度径向均匀。整个炉内从上至下形成高温加热区、保温区、散热区和装片区(参见图3)。

这时可以将半导体圆片C经隔离闸门9送至片托7上，该片托7初始位置在底部。再在升降机构的作用下，片托杆8升起，使得片托7上升；此时，关闭送片闸门9。片托7继续上升，将半导体圆片C平稳送至指定温度区域进行加热。并在加热完成后，片托7下降，将半导体圆片C回送至水冷装片盒状底座11的冷却区内；或者按照设定的热处理曲线升降片托7，以对其上的半导体圆片进行快速热处理工艺加工。半导体圆片C冷却至一定温度后，送片闸门9开启，就可以从该闸门将半导体圆片C取出。整个热处理工艺过程全部完成，并且，在该整个热处理工艺过程中，设置在水冷装片盒状底座11上的红外测温仪的测温头14始终指向片托7上的半导体圆片C，能够连续不断地量测、记录和监视该半导体圆片C在整个热处理工艺处理过程中的温度状况。

现有的高频感应石墨加热型快速热处理装置的加热构件是卧式，其“先入后出，后入先出”的热处理过程造成半导体圆片受热时间不均匀。本发明为立式石墨加热腔，只要半导体圆片放置在石英片托上，则始终保持圆片平面与顶端石墨加热器的平面处于平行状态。从根本上解决了“先入后出，后入先出”带来的指标差异问题。另外，立式加热腔占地面积小，制造成本低，实用性强。

现有的石墨加热器为平行对板状。本发明石墨加热器2则为结构简单的平板状，是在薄平板状的石墨上切割通槽，使之成为串联电阻，再包覆碳化硅以防止石墨析出污染加热腔内部而构成的。该石墨加热器2可根据材料材质和加工工艺条件制成各种形状(如方形或圆形等)，只要能够形成均匀平面(尤其是面向半导体圆片的一侧底面)热源即可。其尺寸应大于半导体圆片升降所在的加热腔(保温区)的截面积，石墨加热器2覆盖在立式加热腔顶端后，再辅以其它保温和反射器件，就可得到加热腔内壁自平面加热器上截取出来的圆形径向均匀热源。其圆柱状保温区与升降片托杆同轴。

本发明使用了一些隔热保温材料制成的隔温部件和石英材料制成的屏蔽部件与反射部件，其中隔温部件的使用目的是最大限度地缩小该装置的占地面积和体积，降低设备的生产和使用成本。屏蔽部件是防止外界污染，保证环境净化。反射部件可使石墨加热器的热量向腔内辐射而不外泄，以及在腔内径向温度分布均匀。

在向石英片托上放置或取走半导体圆片C的取送片机构上，与该圆片C相接触的部分构件，由于要防止外界污染等因素，只能使用有限的几种材料，例如聚四氟，因为这些材料的耐高温指标不高(一般在240℃以下)。如果立式中空电热腔仅有上端的热源而没有下端的冷源，热辐射和热传导会使加热腔下端的温度升高。实验结果是：当热源达到1000℃以上时，距离每拉远100毫米，温度下降100℃左右。如此推算，只有距离1000℃以上的热源超过750毫米，才有可能使其底端达到不高于240℃的工作环境温度。这样的距离以机电传动机构实现升降移动时，综合工作稳定性、可靠性、以及制造成本等因素，会有相当大的实用障碍。此外，即使解决了上述传动障碍，随着片托带着半导体圆片上下移动次数的增加，必然会将更多热量带至电热腔下端，致使下端温度继续升高。甚至失控。

本发明首创设计制造了稳定的冷源，较好地解决了该难题。本发明将水冷装片盒状底座11作为电热腔下方的一个可控的稳定低温源后，保证了电热腔下端有一个可以控制调节的适宜温度环境。更重要的是可以大幅度缩短电热腔的高度(初步实验结果表明：热源达到1000℃以上、下端保持240℃以下，电热腔高度可以缩短400毫米以上)。如此，对于提高该装置的各项主要指标均大有裨益；可以说，该可控的稳定冷源是本发明能够进入实用化的关键部件之一。

本发明的整个电热腔体内要求无污染，其内壁皆以石英或涂有反射膜的石英制成。承载半导体圆片的片托直接接触被加工的半导体圆片，并在电热腔体内部反复升降位移。因此，承载半导体圆片的片托不仅对材质有严格要求，对其形状也有同样的严格要求。本发明采用石英制作片托，既耐高温不会变形，又不会在高低温循环环境下释放污染气体。石英材质刚性强，可以加工成较细直径的部件，容易加工成圆柱状、圆锥状而与半导体圆片接触时呈相切的点接触夹持状态。另外，石英的热容量小，当其承载着半导体圆片上下移动于高低温源之间时不会对环境有较大影响。由于结构越简单，所用的材料越少，其重量和热容量就越小。因此本发明的片托设计为由若干个呈伞骨状的支撑柱和位于支撑柱顶端、并将其连结在一起的带缺口圆环组成。考虑到与取送片机械装置的衔接方便，在圆环上开一个缺口，以便利其进出。

本发明已经试制出性能样机，并进行了实施试验，各项技术指标达到了设计要求，实现了发明目的。

Claims (10)

1、一种半导体圆片快速热处理装置，其特征在于：该装置为立式中空电热腔，腔体外侧是用耐火保温材料制成的隔温层、支撑套筒和水冷装片盒状底座，腔体内侧顶端和周边设有保证净化环境、防止外界污染的屏蔽层，腔体内部上端设有用直流电源加热的石墨加热器，在石墨加热器的下方的腔体周壁上设有内反射筒；腔体下端中央位置设有承载半导体圆片的石英片托，该石英片托在其下端片托杆的支承下能够沿中空腔体轴线升降运动。

2、根据权利要求1所述的半导体圆片快速热处理装置，其特征在于：所述腔体外侧的隔温层由顶端的隔温罩和其下侧的圆柱形隔温套筒组成，该隔温套筒下侧是支撑套筒和水冷装片盒状底座，在水冷装片盒状底座的一侧面上设有送片闸门；所述腔体内侧顶端和周边分别设置的屏蔽层是屏蔽罩和屏蔽套筒，所述屏蔽层和内反射筒的材质为石英或涂有反射膜的石英。

3、根据权利要求1所述的半导体圆片快速热处理装置，其特征在于：所述用直流电源加热的石墨加热器是用碳化硅包覆的石墨制成的平面薄板，板上接有电极，电极上设有若干个用于与水冷电极螺接的通孔；整个平面薄板被若干条细长通槽切割成串联石墨电阻，在切槽的两端设有用于加固的凸台，该平面薄板的非电极端部为圆角，以减少热量辐射。

4、根据权利要求1或3所述的半导体圆片快速热处理装置，其特征在于：所述石墨加热器的外侧围设有反射盒，该反射盒的上方放置有反射板，以使石墨加热器的热量向炉内辐射而不外泄；所述反射盒和反射板的材质为石英或涂有反射膜的石英。

5、根据权利要求1所述的半导体圆片快速热处理装置，其特征在于：所述腔体外侧隔温层的耐火保温材料是高温陶瓷纤维制品，即多晶莫来石；或硅质可塑保温材料、或高铝质可塑保温材料、或其它耐火浇注材料。

6、根据权利要求1所述的半导体圆片快速热处理装置，其特征在于：所述水冷装片盒状底座是用不锈钢制成的中空夹层盒状体，在该中空夹层盒状体内设有冷却水管，其外侧设有进水口和出水口。

7、根据权利要求1所述的半导体圆片快速热处理装置，其特征在于：所述水冷装片盒状底座的外壁上分别设有进气管接头和出气管接头；藉由该两个管接头向水冷装片盒状底座内腔和中空电热腔内注入惰性保护气体。

8、根据权利要求1所述的半导体圆片快速热处理装置，其特征在于：所述石墨加热器在其表面中间位置放有热电偶的测温敏感元件，用于监测石墨温度；在水冷装片盒状底座上设有红外测温仪的测温头，该测温头指向片托上的半导体圆片，用于量测半导体圆片的温度。

9、根据权利要求1所述的半导体圆片快速热处理装置，其特征在于：所述承载半导体圆片的石英片托由若干个呈伞骨状的支撑柱和位于支撑柱顶端、并将其连结在一起的带缺口圆环组成；该圆环的缺口部分面向送片闸门，以便取送半导体圆片机构送取圆片；在缺口圆环上有3-4个夹持承载半导体圆片的圆锥状小托爪，片托下端的片托杆与升降机构相连接，该石英片托的所有部件均用石英材质制成。

10、一种半导体圆片快速热处理装置的使用方法，其特征在于：在立式中空电热腔体内形成从石墨加热器附近的超过1000℃的高温到水冷装片盒状底座内的220℃左右的温度呈稳定梯度分布后，藉由石英片托在该温度呈稳定梯度分布的立式中空电热腔体内的垂直升降位移，也就是通过改变石英片托上夹持的半导体圆片与石墨加热器的空间距离远近和停留时间长短来对该半导体圆片进行热处理工艺加工。

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