CN1635608A - 带竖立式热处理腔的半导体快速热处理设备 - Google Patents
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Abstract
带竖立式热处理腔的半导体快速热处理设备属于超大规模集成电路(ULSI)工艺技术领域，其特征在于，它主要包含有：竖立安装的热处理腔、装片腔、半导体晶片升降机构；还包含片盒到片盒取送片机械手子系统、微机控制子系统、测控温子系统、气路装置、加热电源。热处理腔主要由竖立式圆筒石英(碳化硅)加热腔，在腔内(或腔外)的上端平板石墨加热器，侧面圆筒石墨加热器等组成。将热处理腔、装片腔、半导体晶片升降机构等竖立安装，充分利用高度空间，缩小设备平面占地面积。竖立式热处理腔内从上到下的不同水平面可获得温度从高到低逐渐下降的等温区，控制半导体晶片上升下降的速度可得到晶片不同的升降温速率。
Description
技术领域：
带竖立式热处理腔的半导体快速热处理设备属于超大规模集成电路(ULSI)工艺技术领域，是研制和生产亚微米和深亚微米超大规模集成电路所不可缺少的关键工艺设备。
背景技术：
近年来半导体工艺技术迅速发展，超大规模集成电路(ULSI)的特征线条已发展到0.25～0.13μm范围，硅片尺寸已从6″(150mm)增大到8″(200mm)、12″(300mm)。随着硅片尺寸的不断增大，特征线条的急骤减小，半导体快速热处理技术已成为亚微米和深亚微米超大规模集成电路研制和生产所不可缺少的关键工艺，并对热处理的均匀性提出了更加严格的要求。半导体快速热处理现已广泛用于ULSI的超浅PN结制作、自对准难熔金属硅化物形成、硅化物快速热氮化、磷硅硼磷硅玻璃回流等工艺；并在砷化镓、磷化铟等化合物半导体材料和器件以及低温硅外延、锗硅外延的研究和生产等领域中得到广泛应用。
对于快速热处理(RTP)设备的辐射热源，在国外主要是采用多支卤钨灯的条形光源、近来也有用上百个灯组成蜂窝状排列的光源来进行灯光辐射加热。要将条形光源或者蜂窝形排列的光源形成大面积均匀的热源，尤其对于均匀加热尺寸更大的硅片，其调整和控制是非常困难的。
清华大学微电子学研究所发明的专利技术(专利号：美国专利4794217；中国专利：85100131.9，87202679.5，91219291.7)研制的RHT设备，采用射频感应加热扁平矩形石墨加热腔，形成均匀的平面红外辐射热源，辐射加热其间的半导体片，因而在加热均匀性上具有灯光热源所无可比拟的优越性。由于扁平矩形石墨加热腔相距很近的上下两平行平面石墨板在射频场加热下作为辐射热源，从物理概念来说就如平行板电容器间具有良好的电场均匀性一样，只要平行石墨板的面积(线度尺寸)足够大，其间热场(温度场)的均匀性就能得到充分保证。因此RHT设备在技术性能上完全能满足8″～12″硅片的均匀性要求。
但上述专利产品RHT6000，RHT600M半导体快速热处理设备是平躺式结构，而且其加热硅片的扁平矩形石墨热处理腔每次只能设定一个温度的等温区。平躺式半导体快速热处理设备如图1所示，由以下部分组成：热处理石英腔1、装片腔2、半导体晶片传送机构9、石英片架32、半导体晶片34、自动取放片机构10；以及微机控制子系统5、测控温子系统6、气路及其控制子系统7、高频感应加热源19。热处理石英腔1如图2所示，包含有：扁平矩形石英腔11、矩形石墨加热腔12、红外反射罩16、石英框架321、三态门221、射频感应线圈18。
平躺式结构半导体快速热处理设备存在两个问题：一是占地面积较大；二是石墨热处理腔只有一个等温区，不易控制半导体晶片的升降温过程。
发明内容：
本发明提出一种竖立热处理腔半导体快速热处理设备，能够克服上述缺点。由于本发明将热处理腔、装片腔、半导体晶片升降机构等竖立安装，充分利用高度空间，大大缩小设备总体的平面占地面积。竖立式结构热处理腔内从上到下水平高度平面内可获得从高到低逐渐下降的等温区，控制半导体晶片上升下降的速度可得到晶片不同的升降温速率。
本发明的特征在于，它含有：
设备外壳；
水冷式装片腔腔体，装在所述的外壳内的隔板上，上部开口，下部前端面有狭窄水平开口，在开口处安装有矩形密封阀门，底面安装有测温元件且有氮气进口，可在所述的矩形密封阀门打开时在所述的开口处形成氮气锁；
竖立式热处理腔，下部开口，它含有：
(1)竖立式圆筒石英加热腔，下部开口，下部的周边与所述水冷式装片腔腔体上部的周边相密封；
(2)石墨加热器，有两个，安装在所述竖立式圆筒石英加热腔内：平板石墨加热器安装在所述石英加热腔上端；圆筒石墨加热器安装在所述石英加热腔侧面，所述圆筒石墨加热器的下端和所述石英加热腔的下端经支架相连，它的上端和所述平板石墨加热器分别和所述石英加热腔上端相连接。
(3)红外反射罩，有两个，分别安装在平板石墨加热器上方和圆筒石墨加热器外围；
(4)隔热保温罩，装在红外反射罩外，在侧壁上端装有两对用以分别对平板石墨加热器和圆筒石墨加热器进行直流电加热的水冷电极，在侧壁上端下端开有氮气出气口；所述隔热保温罩的下底面和所述装片腔固定连接；
半导体晶片升降机构，它含有：
(1)半导体晶片升降用的驱动控制装置，它安装在所述隔板上，位于所述隔板的下方；
(2)石英传送杆，它与所述驱动控制装置的驱动轴相连，且可沿着所述的隔板和水冷式装片腔腔体底部的轴孔而上下升降；
(3)无滑移线保护环，固定在位于所述石英传送杆顶端处石英片托上，位于半导体晶片的周围；
片盒到片盒取送片机械手子系统，它含有：
(1)机械手驱动控制装置，它安装在所述隔板上，位于所述隔板的下方；
(2)三折臂机械手，它与所述机械手驱动控制装置的穿过所述隔板的驱动轴转动连接，在打开所述矩形密封阀门后，所述三折臂机械手的前臂在所述机械手驱动控制装置驱动下，可经过所述水平开口处伸入所述水冷式装片腔形成的晶片冷却区内；
(3)晶片取片器固定在所述三折臂机械手前臂的前端；
(4)晶片冷却台，收片盒，供片盒和预对中晶片台都顺时针按圆周方向安装在所述的隔板上，所述圆周方向的运动轨迹是由所述取片器在所述机械手驱动控制装置驱动下所做的圆周运动决定的；
(5)一级超净层流罩，固定在所述外壳的上部，正对着所述的片盒到片盒取送片机械手子系统的上方；
(6)SMIF即微超净环境装置的对接口，左右各一个，分别安装在正对着所述的收片盒，供片盒的外壳表面。
此外，还有微机控制子系统、测控温子系统、气路装置、加热电源。
所述的平板石墨加热器是直流加热式平板石墨加热器，它是一种上面开有隔离槽的包碳化硅的石墨平板。
所述的平板石墨加热器是射频加热式平板石墨加热器，它是一种包碳化硅的石墨平板。
所述的圆筒石墨加热器是直流加热式圆筒石墨加热器，它是一种上面开有隔离槽的包碳化硅的石墨圆筒。
所述的圆筒石墨加热器是射频加热式圆筒石墨加热器，它是一种包碳化硅的石墨圆筒。
所述的石墨加热器是单个石墨加热器，即从平板石墨加热器或圆筒石墨加热器中任取一个。
所述的圆筒石墨加热器是位于圆筒石英加热腔和红外反射罩之间的。
所述的圆筒石英加热腔是上底封口的圆筒式石英加热腔，而所述平板石墨加热器是放在所述石英加热腔筒底上方的。
该设备占地面积可缩小三分之一。在热处理腔内，晶片热处理区从上到下的水平面可形成从高温到低温的等温区，例如1300-300℃。控制半导体晶片升降机构驱动装置驱动石英片托上升与下降的速度，可达到控制半导体晶片升降温速率，例如50-300℃/秒。该设备可应用于半导体片高浓度注入浅PN结快速退火，难熔金属硅化物形成，薄栅介质膜和硅化物快速热氮化，(硼)磷硅玻璃回流，短沟MOS工艺，半导体基片热施主消除以及砷化镓快速退火等。该设备热处理温度范围为300-1300℃，硅片尺寸为φ150-300mm，生产率可达每小时45-60片。
附图说明：
图1.平躺式半导体快速热处理设备示意图。
1热处理石英腔 2装片腔
9传送半导体片机构 32石英片架 34半导体晶片
10自动取放片机构 5微机控制子系统
6测控温子系统 7气路及其控制 19射频感应加热源
图2.图1中的热处理石英腔示意图。
11扁平矩形石英腔 12矩形石墨加热腔 16红外反射罩
321石英框架 221三态门 18射频感应线圈
图3.带竖立式热处理腔的半导体快速热处理设备示意图。
1热处理腔 13圆筒石英加热腔 14侧面圆筒石墨加热器
15上平板石墨加热器
2装片腔 21水冷装片腔腔体 22矩形密封阀门
23氮气锁
3半导体晶片升降机构 31石英传送杆 35升降片驱动控制装置
8设备外壳 81设备隔板
图4.图3中的竖立式圆筒热处理腔结构示意图。
1热处理腔 13圆筒石英加热腔 14侧面圆筒石墨加热器
15上平板石墨加热器 16 红外反射罩
17隔热保温罩 100晶片热处理区
2装片腔 21水冷装片腔腔体 22矩形密封阀门
23氮气锁 110晶片冷却区
3半导体晶片升降机构 31石英传送杆 32石英片托
33无滑移线保护环 34半导体晶片
35升降片驱动控制装置
6测控温子系统 61外高温计 62热电偶
19加热电源 191水冷电极1 192水冷电极2
图5.图3中的片盒到片盒取放片机械手子系统示意图。
4片盒到片盒取放片机械手子系统 41晶片取片器 42三折臂机械手
43机械手驱动控制装置
44预对中晶片台 45供片盒
46收片合 47晶片冷却台 48SMIF对接口
49一级超净层流罩
5微机控制子系统 6测控温子系统
7气路装置 19加热电源
图6.直流平板石墨加热器示意图。
15直流平板石墨加热器
151包碳化硅石墨板 191引线电极 153隔离槽
图7. 直流圆筒石墨加热器示意图。
14 圆筒石墨加热器
152 包碳化硅石墨筒 192引线电极 153隔离槽
具体实施方式：
图3是本发明带竖立式热处理腔的半导体快速热处理设备示意图。图4是图3中的竖立式圆筒热处理腔结构示意图。图5是图3中的片盒到片盒取放片机械手子系统示意图。图6是直流平板石墨加热器示意图。图7是直流圆筒石墨加热器示意图。
带竖立式热处理腔的半导体快速热处理设备，主要包含有：竖立排列的热处理腔1、装片腔2、半导体晶片升降机构3；还包含片盒到片盒取送片三折臂机械手子系统4、微机控制子系统5、测控温子系统6、气路装置7、加热电源19。
所述的热处理腔，它主要包含：竖立式圆筒(石英或碳化硅)加热腔13，安装在该腔内(或腔外)的两个石墨加热器：加热腔上端安装的是平板石墨加热器15，侧面安装的是圆筒石墨加热器14；根据红外辐射高温计61和热电偶62所测的温度，分别调节加在两个石墨加热器上的电源功率，可控制热处理腔内晶片热处理区100的温度场，以便满足工艺的温度要求和均匀性指标；平板石墨加热器15上方和圆筒石墨加热器14外都安装有红外反射罩16和隔热保温罩17。石墨加热器15、14可以由直流电源加热或者用射频电源加热；加热腔13可以用石英或者碳化硅材料，红外反射罩16可以用镀反射膜的石英板或者耐高温金属板。
所述的直流加热平板石墨加热器15，它主要包含：包碳化硅石墨板151，引线电极191，隔离槽153。
所述的射频加热平板石墨加热器，它主要包含：包碳化硅石墨板。
所述的直流加热圆筒石墨加热器14，它主要包含：包碳化硅石墨圆筒152，引线电极192，隔离槽153。
所述的射频加热圆筒石墨加热器，它主要包含：包碳化硅石墨圆筒。
所述的装片腔2也是圆筒外形，它主要包含：下部前端面有狭窄水平开口，机械手取放片时，安装在开口处的矩形密封阀门22打开，同时起动氮气锁23，气封该开口，避免空气进入腔内；上部的圆筒与石英加热腔13下端用密封圈密封连接；下部底面安装有半导体晶片升降机构3和数个红外辐射高温计的探头61；整个装片腔腔体21为夹层结构通水冷却。
所述的半导体晶片升降机构3，它主要包含：石英传送杆31，石英片托32，无滑移线保护环33，半导体晶片34，升降机构驱动控制装置35。
所述的片盒到片盒取送片机械手子系统4，它主要包含：取片器41，三折臂机械手42，机械手驱动控制装置43，预对中晶片台44，待处理硅片供片盒45，已处理硅片收片盒46，硅片冷却台47，SMIF即微超净环境装置的对接口48，一级超净层流罩49。
本发明带竖立式热处理腔的半导体快速热处理设备退火工艺过程如下：
先将热处理腔1的圆筒石墨加热器14和平板石墨加热器15加热到要求的温度，使热处理腔1内的热处理区100的某一位置达到设定温度的等温区。
1.在晶片进入热处理腔1热处理期间，三折臂机械手42要完成两项操作：一是，三折臂机械手42上的取片器41要从供片盒45取出一片待处理硅片34，放到预对中晶片台44上对中；二是，三折臂机械手42上的取片器41要将晶片冷却台47上已处理过的硅片送进收片盒46。
2.当热处理腔1内的热处理区100达到设定温度的等温区要求后，打开装片腔2的矩形密封阀门22，三折臂机械手42上的取片器41从预对中晶片台44上取出硅片34送到装片腔2内的石英片托32上，关闭矩形密封阀门22。
3.石英传送杆31按照要求的速度上升，将石英片托32上的硅片34送到晶片热处理区100中预定的位置。测控温子系统6根据红外辐射高温计61和热电偶62所测的温度，分别调节加在两个石墨加热器15、14上的电源功率，控制热处理腔内晶片热处理区100的温度场，以便满足工艺温度要求和均匀性指标。
4.当热处理腔1中的硅片34热处理完后，石英传送杆31按照要求的速度下降，将石英片托32上的硅片34送到晶片冷却区110中预定的位置冷却。打开装片腔2的矩形密封阀门22，三折臂机械手42的取片器41从石英片托32取出硅片34，放到晶片冷却台47上。
每重复一次上述1-4的过程，就热处理完一片硅片，直到处理完一盒25片硅片后，系统会提示操作人员来更换片盒。或者由SMIF系统(微超净环境装置)的机械手通过SMIF对接口(48)更换片盒。
Claims (8)
1.带竖立式热处理腔的半导体快速热处理设备，含有热处理腔和装片腔，其特征在于，它含有：
设备外壳；
水冷式装片腔腔体，装在所述的外壳内的隔板上，上部开口，下部前端面有狭窄水平开口，在开口处安装有矩形密封阀门，底面安装有测温元件且有氮气进口，可在所述的矩形密封阀门打开时在所述的开口处形成氮气锁；
竖立式热处理腔，下部开口，它含有：
(1)竖立式圆筒石英加热腔，下部开口，下部的周边与所述水冷式装片腔腔体上部的周边相密封；
(2)石墨加热器，有两个，安装在所述竖立式圆筒石英加热腔内：平板石墨加热器安装在所述石英加热腔上端；圆筒石墨加热器安装在所述石英加热腔侧面，所述圆筒石墨加热器的下端和所述石英加热腔的下端经支架相连，它的上端和所述平板石墨加热器分别和所述石英加热腔上端相连接。
(3)红外反射罩，有两个，分别安装在平板石墨加热器上方和圆筒石墨加热器外围；
(4) 隔热保温罩，装在红外反射罩外，在侧壁上端装有两对用以分别对平板石墨加热器和圆筒石墨加热器进行直流电加热的水冷电极，在侧壁上端下端开有氮气出气口；所述隔热保温罩的下底面和所述装片腔固定连接；
半导体晶片升降机构，它含有：
(1)半导体晶片升降用的驱动控制装置，它安装在所述隔板上，位于所述隔板的下方；
(2)石英传送杆，它与所述驱动控制装置的驱动轴相连，且可沿着所述的隔板和水冷式装片腔腔体底部的轴孔而上下升降；
(3)无滑移线保护环，固定在位于所述石英传送杆顶端处石英片托上，位于半导体晶片的周围；
片盒到片盒取送片机械手子系统，它含有：
(1)机械手驱动控制装置，它安装在所述隔板上，位于所述隔板的下方；
(2)三折臂机械手，它与所述机械手驱动控制装置的穿过所述隔板的驱动轴转动连接，在打开所述矩形密封阀门后，所述三折臂机械手的前臂在所述机械手驱动控制装置驱动下，可经过所述水平开口处伸入所述水冷式装片腔形成的晶片冷却区内；
(3)晶片取片器固定在所述三折臂机械手前臂的前端；
(4)晶片冷却台，收片盒，供片盒和预对中晶片台都顺时针按圆周方向安装在所述的隔板上，所述圆周方向的运动轨迹是由所述取片器在所述机械手驱动控制装置驱动下所做的圆周运动决定的；
(5)一级超净层流罩，固定在所述外壳的上部，正对着所述的片盒到片盒取送片机械手子系统的上方；
(6)SMIF即微超净环境装置的对接口，左右各一个，分别安装在正对着所述的收片盒，供片盒的外壳表面。
此外，还有微机控制子系统、测控温子系统、气路装置、加热电源。
2.根据权利要求1所述的带竖立式热处理腔的半导体快速热处理设备，其特征在于：所述的平板石墨加热器是直流加热式平板石墨加热器，它是一种上面开有隔离槽的包碳化硅的石墨平板。
3.根据权利要求1所述的带竖立式热处理腔的半导体快速热处理设备，其特征在于：所述的平板石墨加热器是射频加热式平板石墨加热器，它是一种包碳化硅的石墨平板。
4.根据权利要求1所述的带竖立式热处理腔的半导体快速热处理设备，其特征在于：所述的圆筒石墨加热器是直流加热式圆筒石墨加热器，它是一种上面开有隔离槽的包碳化硅的石墨圆筒。
5.根据权利要求1所述的带竖立式热处理腔的半导体快速热处理设备，其特征在于：所述的圆筒石墨加热器是射频加热式圆筒石墨加热器，它是一种包碳化硅的石墨圆筒。
6.根据权利要求1所述的带竖立式热处理腔的半导体快速热处理设备，其特征在于：所述的石墨加热器是单个石墨加热器，即从平板石墨加热器或圆筒石墨加热器中任取一个。
7.根据权利要求1所述的带竖立式热处理腔的半导体快速热处理设备，其特征在于：所述的圆筒石墨加热器是位于圆筒石英加热腔和红外反射罩之间的。
8.根据权利要求1所述的带竖立式热处理腔的半导体快速热处理设备，其特征在于：所述的圆筒石英加热腔是上底封口的圆筒式石英加热腔，而所述平板石墨加热器是放在所述石英加热腔筒底上方的。
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