CN201038133Y

CN201038133Y - 半导体芯片退火炉

Info

Publication number: CN201038133Y
Application number: CNU2007200381441U
Authority: CN
Inventors: 帅一辰; 范广涵; 周天明
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2007-06-01
Filing date: 2007-06-01
Publication date: 2008-03-19
Anticipated expiration: 2017-06-01

Abstract

本实用新型提供一种有气体保护功能的，具有快速退火功能的半导体芯片管式退火炉。外壁缠绕电阻丝、两端开口的刚玉管穿过加热炉炉体；气源与刚玉管一端相通；宽度略小于刚玉管的内径的石英样品架设置在刚玉管内；连动钢丝一端与石英样品架相连，另一端自刚玉管一端伸出；设置在石英样品架处的传感器与温度显示器相连；设置在炉膛内壁与刚玉管外壁之间的温度传感器接温度控制仪，温度控制仪的输出接固态继电器，固态继电器串联在电阻丝的供电电路中。本实用新型的样品退火温度可设定为室温至1200摄氏度；样品的退火温度可稳定在设定退火温度的正负一摄氏度以内。

Description

半导体芯片退火炉

技术领域

本实用新型涉及一种试验用半导体芯片退火设备，尤其是针对一种半导体芯片特殊退火工艺所设计的试验用退火设备，具体地说是一种有气体保护功能的，实现快速退火的半导体芯片管式退火炉。

背景技术

目前，半导体芯片退火作为一种半导体芯片制备的工艺处理方法已被广泛应用于半导体芯片的试验室制备和批量化生产当中。在各类半导体芯片生产制备过程中，退火工艺是一个重要的工艺流程，经过不同条件下的退火处理，它可以使得高精度生长(例如，MOCVD外延技术、MBE分子束外延等方法)的半导体外延片的位错和缺陷密度降低，从而减少半导体深能级的出现，以获得更好的半导体芯片质量；并且，对于半导体器件的制作而言，金属电极之间及与半导体材料的欧姆接触、不同材料之间的融合与钝化，都要求在一定条件的退火工艺下完成。故而在半导体芯片制备及半导体器件的制作中，退火工艺及技术有重要的地位和作用。尤其，近年来国际上一些针对先进的半导体芯片制备所涌现的相应特殊退火工艺，对半导体退火设备提出了新的要求，使得这种半导体芯片退火炉具有重要的技术价值。

现在使用的绝大部分半导体芯片退火炉，多数无法对样品快速退火的环境温度及退火的时间进行精确的控制，主要由于热量的传导并非即时，退火炉的炉膛较大并具有一定体积和形状，导致热源无法短时间内迅速地使炉膛内整体空间达到或降至要求的温度，对于一些特殊试验要求，某些半导体芯片的精确、快速退火试验无法完成。并且，大多数退火设备，设定的退火温度范围较小，且除特殊定制的设备，无法实现较高温度的退火环境(1000摄氏度以上)，而且，温度的控制精度较低、稳定性不够好，无法达到试验用退火装置的要求。

发明内容

本实用新型的目的是提供一种有气体保护功能的，具有快速(最短1秒钟)退火功能的半导体芯片管式退火炉。

本实用新型的半导体芯片退火炉，包括加热炉炉体、温控电路、气体保护部件、石英样品架、样品温度显示组件；外壁缠绕电阻丝的、两端开口的刚玉管穿过加热炉炉体的炉膛；电阻丝与供电电路串联；气体保护部件中的气源与刚玉管一端相通；石英样品架设置在刚玉管内；石英样品架的宽度小于刚玉管的内径；连动钢丝一端与石英样品架相连，另一端自刚玉管一端伸出；样品温度显示组件包括设置在石英样品架处的传感器以及与传感器输出端相连的温度显示器；温控电路包括设置在刚玉管内的温度传感器，与温度传感器的输出相连的温度控制仪，与温度控制仪的输出相连的固态继电器，固态继电器串联在电阻丝的供电电路中。

使用时，将样品放置在刚玉管内的石英样品架上；气源对刚玉管内通气以保护样品在升温时被氧化；然后接通电源对电阻丝通电，刚玉管不断升温；温控电路中的温度传感器不断检测炉膛的温度，并将该信号传送至温度控制仪；等升温到设定温度，温度控制仪发出信号，使得固态继电器断开供电电路；保温一定时间后，断开供电电路，并迅速拉动连动钢丝，使得石英样品架移动到刚玉管的端部，以使其快速降温，完成退火过程。在此过程中，样品温度显示组件的传感器能够实时显示样品的温度，以根据其温度作出相应的的措施(升温、降温等)。

上述的半导体芯片退火炉，刚玉管最好在外壁缠绕不同间距的电阻丝，即刚玉管两端的电阻丝两端绕制密度大，中间绕制密度小，以在管内壁形成管长度方向上的恒温区，但最密处不能小于一定间距以保证工作中不被熔断。炉膛内最好填充硅酸铝耐火材料及石英棉，以增强保温效果。

上述的半导体芯片退火炉，刚玉管两端最好长出炉膛一定距离，在炉膛外的刚玉管上不缠绕电阻丝，这样，即可在降温时，把石英样品架移动未缠绕电阻丝的刚玉管内部，达到快速降温的目的。

上述的半导体芯片退火炉，温度控制仪最好采用PID温度控制仪。PID温度控制仪是现有的产品，在此作简单说明。自动控制必须遵循某种控制规律，过程控制中常用的是比列，积分，和微分控制规律，简称PID控制。在PID三种作用中，微分作用主要用来减少超调，克服震荡，使系统趋向稳定，加快系统的动作速度，减少超调时间，用来改善系统的动态特性；积分作用主要用来消除静差，改善系统的静态特性；比列作用可对偏差做出及时响应。PID温度控制仪将三种作用的强度配合适当，以使控制器快速，平稳，准确，从而获得满意的控制效果。

本实用新型的有益效果：实现半导体芯片快速退火功能，最短退火时间可达1秒钟；退火装置温度控制精度和稳定性较高，对退火温度、时间、过程控制更精确；成本较低，各部件更换方便。

附图说明

图1是本实用新型的整体结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型作进一步的说明。

实施例1

如图1所示半导体芯片退火炉，包括加热炉炉体、温控电路、气体保护部件、石英样品架、样品温度显示组件。

加热炉炉体1的炉膛用硅酸铝耐火材料及石英棉填充，不锈钢板12包裹作外壳；加热炉炉体成圆柱形，其直径400mm，炉体长600mm；中心打孔的不锈钢片11略大于炉体直径，设置在炉体两端。

加热炉炉体1中插入两端开口的刚玉管4，刚玉管两端长出炉膛的长度基本一致；保证炉膛外部分的刚玉管内有相当区域的常温区。刚玉管4外壁缠绕电阻丝2，电阻丝2两端绕制密度大，中间绕制密度小。

刚玉管一端连接刚玉管帽7，另一端接有橡皮管18，橡皮管18通入盛有液体的量杯19的液面下。

气体保护部件6中包括串联的高压液态气体瓶(气源)61、气体阀门开关62、气体流量计63，打孔橡皮塞64。打孔橡皮塞64设置在刚玉管帽7侧面的通气孔中。工作时，高压液态气体瓶中的保护气体通过气体流量计自刚玉管帽端流入刚玉管，从刚玉管另一端流出。

样品温度显示组件8包括设置在石英样品架处的传感器81以及与传感器输出端相连的温度显示器82。

温控电路9包括设置在刚玉管内的温度传感器91，与温度传感器91的输出相连的PID温度控制仪92，与温度控制仪的输出相连的固态继电器93。固态继电器93、电阻丝2、空气开关94串联在220伏的供电电路中。PID温度控制仪的控制输出同时带动两路输出信号，通过固态继电器控制电阻丝的加热回路，温度控制精度高、稳定性好，提供环境温度到1200摄氏度的温度设定范围。

石英样品架3为设置在刚玉管内的长方形薄板31，其宽度略小于刚玉管4内径，以在刚玉管4中自由滑动。长方形薄板31的正面开有放置半导体芯片(样品)10的凹槽，背面设置有传感器81热探端插入其内的插孔，以使得传感器81精确显示样品的实际退火温度，并通过各温度点上的温度校正，达到精确设定半导体样品退火温度的目的。连动钢丝32一端与石英样品架相连，另一端从刚玉管帽7中穿出。当拉动连动钢丝32，石英样品架3活动于炉膛内部恒温区和外部常温区时，可达到快速升降温的目的。

实施例2

图2所示的半导体芯片退火炉与实施例1不同的是：它还包括穿过刚玉管的石英管13；石英管13两端开口。刚玉管4与炉膛的长度基本一致。石英管13两端长出刚玉管，以保证炉膛外部分的石英管内有相当区域的常温区。温度传感器91设置在刚玉管与石英管之间。刚玉管一端连接刚玉管帽7，另一端接有橡皮管18。石英样品架3设置在石英管内，其宽度略小于石英管13内径，以在石英管13中自由滑动。连动钢丝32一端与石英样品架相连，另一端从刚玉管帽7中穿出。工作时，高压液态气体瓶中的保护气体通过气体流量计自刚玉管帽端流入石英管，从石英管另一端流出。

本实用新型的电阻丝，最高耐火温度要达到1400摄氏度。刚玉管采用耐高温石英料烧制，最高耐火温度要达到1250摄氏度。

使用本实用新型时，样品退火温度可设定为室温至1200摄氏度。样品的退火温度控制，可稳定在设定退火温度的正负一摄氏度以内，特定温度范围(可调)内温度指示精度可达0.1％，全程温度指示精度达0.5％。

Claims

1.半导体芯片退火炉，包括加热炉炉体、温控电路、气体保护部件、石英样品架、样品温度显示组件；其特征是：

外壁缠绕电阻丝的、两端开口的刚玉管穿过加热炉炉体的炉膛；电阻丝与供电电路串联；

气体保护部件中的气源与刚玉管一端相通；

石英样品架设置在刚玉管内；石英样品架的宽度小于刚玉管的内径；连动钢丝一端与石英样品架相连，另一端自刚玉管一端伸出；

样品温度显示组件包括设置在石英样品架处的传感器以及与传感器输出端相连的温度显示器；

温控电路包括设置在刚玉管内的温度传感器，与温度传感器的输出相连的温度控制仪，与温度控制仪的输出相连的固态继电器，固态继电器串联在电阻丝的供电电路中。

2.根据权利要求1所述的半导体芯片退火炉，其特征是：刚玉管两端长出炉膛一定距离。

3.根据权利要求1所述的半导体芯片退火炉，其特征是：它还包括穿过刚玉管的石英管；石英管两端开口；气体保护部件中的气源与石英管一端相通；石英样品架设置在石英管内；石英样品架的宽度小于石英管的内径；连动钢丝另一端自石英管一端伸出；温度传感器设置在刚玉管与石英管之间。

4.根据权利要求1、2或3所述的半导体芯片退火炉，其特征是：绕于刚玉管外壁的电阻丝两端绕制密度大，中间绕制密度小。

5.根据权利要求1、2或3所述的半导体芯片退火炉，其特征是：温度控制仪采用PID温度控制仪。