CN208538810U - 一种批量化半导体湿法氧化装置 - Google Patents
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Abstract
本申请提供了一种批量化半导体湿法氧化装置，它包括减震台、设置在减震台上的转盘、用于驱动转盘转动的驱动电机、设置在所述的转盘上的多个反应腔室、设置在减震台上的安装架、设于安装架上的腔室加热装置、设于安装架上的CCD成像装置，所述的腔室加热装置能够沿所述的安装架上下移动，所述的转盘用于在所述的驱动电机的驱动下将多个反应腔室分别移动至湿法氧化位置。本申请的一种批量化半导体湿法氧化装置能够分步进行多片半导体晶圆的放置、氧化和降温取样过程，实现半导体晶圆的高效率、批量化、实时监控下的精准湿法氧化工艺。
Description
技术领域
本申请涉及一种批量化半导体湿法氧化装置。
背景技术
在现有技术中，部分化合物半导体器件在制造过程中需要用到湿法氧化工艺，其原理是在一定温度下使半导体材料与水蒸气发生氧化反应生成氧化物质，从而达到优化器件性能的目的。根据Carol I.等人的研究(Ashby C I H,Bridges M M,Allerman A A,etal.Origin of the time dependence of wet oxidation of AlGaAs[J].Appliedphysics letters,1999,75(1):73-75.)，AlAs作为化合物半导体器件常用的材料，在一定温度下能够与水蒸气反生反应生成氧化铝(Al2O3)，
2AlAs+6H2O(g)→Al2O3+As2O3+6H2(g)
例如在发光器件中，含有Al组分的材料在一定温度下与水蒸气反应生成氧化铝(Al2O3)。由于氧化铝是一种绝缘材料且折射率低于GaAs和AlAs等半导体材料，可以达到限制半导体激光器中的电场和光场的目的。由于含有Al组分的材料与水蒸气反应对温度和水蒸气的浓度特别敏感，温度微小的变化就会改变氧化反应的速率，浓度的变化也会导致氧化反应速率的改变，例如含有Al组分的材料氧化反应不均匀或者不受控制时，就会影响器件最终的性能甚至使器件失效。
现有的湿法氧化装置通常是在单一腔体对1片或少数几片半导体晶圆进行氧化反应，难以快速、高效地对多片半导体晶圆进行批量化湿法氧化工艺。现有的湿法氧化炉不能精确地调节氧化反应的温度和气体的浓度，难以在大范围内严格地控制每一个材料单元的氧化速率和深度及其全面均匀性。
发明内容
本申请要解决的技术问题是提供一种精确控制多片半导体材料氧化过程的批量化半导体湿法氧化装置。
为了解决上述技术问题，本申请提供了一种批量化半导体湿法氧化装置，它包括减震台、设置在减震台上的转盘、用于驱动转盘转动的驱动电机、设置在所述的转盘上的多个反应腔室、设置在减震台上的安装架、设于安装架上的腔室加热装置、设于安装架上的CCD成像装置，所述的腔室加热装置能够沿所述的安装架上下移动，所述的转盘用于在所述的驱动电机的驱动下将多个反应腔室分别移动至腔室加热装置加热的位置。
优选地，所述的反应腔室包括反应腔室外壳、上盖、设置在所述的反应腔室外壳内的多层石英支架，所述的多层石英支架包括多个沿上下方向排列设置的环状置物层，所述的置物层具有向内突出的多个支点，多个支点沿置物层周向均匀排布。
优选地，所述的反应腔室还包括进气管、出气管、与进气管相连通的多个进气支管，多个进气支管的出气口分别对应一个置物层。
优选地，所述的进气管、出气管及进气支管为石英材料制成。
优选地，所述的减震台的底部安装有气柜、水浴加热装置及气阀，所述的水浴加热装置与多个反应腔室的出气管分别通过气体输送管道可插拔的连接，所述气阀具有第一连通状态和第二连通状态，当气阀处于第一连通状态时，气柜与反应腔室相连通，水浴加热装置与反应腔室之间的气流通道关闭；当气阀处于第二连通状态时，水浴加热装置与反应腔室相连通，气柜与反应腔室之间的气流通道关闭。
优选地，所述的腔室加热装置包括圆筒状的壳体、安装在圆筒状壳体的内壁上的多个发热管，所述的腔室加热装置用于套在反应腔室外并对反应腔室加热。
优选地，所述的发热管为立式石英红外发热管，多个发热管沿圆筒状壳体的周向均匀分布。
优选地，所述的安装架上设置有沿上下方向延伸设置的滑轨，所述的壳体上设置有能够沿滑轨上下滑动的多个导向轮。
优选地，所述的安装架上还设置第一滑轮、第二滑轮及绕卷机，所述的圆筒状壳体的外壁上设置有第三滑轮，所述的绕卷机用于绕卷牵引绳的一端部，所述的牵引绳依次绕过第一滑轮和第二滑轮，所述的牵引绳的另一端部固定在第三滑轮上，当绕卷机绕卷和释放牵引绳时，牵引绳拉动腔室加热装置沿滑轨上下滑动。
优选地，所述的安装架上还设置有一L型支架，所述的L型支架包括分别沿X轴和Y轴方向延伸的两个滑杆，CCD成像装置安装在所述的L型支架上，并能够沿两个滑杆滑动。
借由以上的技术方案，本申请的有益效果在于：
1.本申请的一种批量化半导体湿法氧化装置具有机械转动装置(即转盘及驱动转盘转动的驱动电机)，机械转动装置的作用是实现反应腔室在进样室、反应室和取样室之间转动和切换，分步进行半导体晶圆的放置、氧化和降温取样过程，实现半导体晶圆的高效率、批量化湿法氧化工艺。
2.所述的反应腔室通过多个进气支管均匀地导入N2/H2/H2O混合反应气体，保证N2/H2/H2O混合气体均匀地分布在每一片半导体晶圆表面，保证混合反应气体与半导体晶圆(材料)充分、均匀地反应。
3.所述的腔室加热装置的发热管沿圆筒状壳体的周向均匀分布，保证反应腔室内形成高度稳定的均匀温场，每一片半导体晶圆的温度均匀一致。
4.CCD成像装置，根据半导体材料中Al成分在与H2O反应形成Al2O3前后反射率的变化来实时高效地检测湿法氧化过程，为精确地判断氧化深度并决定终止湿法氧化程序提供实时图像和数据信息。
参照后文的说明和附图，详细公开了本申请的特定实施方式，指明了本申请的原理可以被采用的方式。应该理解，本申请的实施方式在范围上并不因而受到限制。在所附权利要求的精神和条款的范围内，本申请的实施方式包括许多改变、修改和等同。
附图说明
图1是多层石英支架的结构示意图。
图2是反应腔室的结构示意图。
图3是反应腔室位于腔室加热装置内的结构示意图。
图4是腔室加热装置及其安装架的结构示意图。
图5是图4的另一角度的结构示意图。
图6是本申请所述的一种批量化半导体湿法氧化装置的结构示意图。
图7是图6的部分结构示意图。
其中：1、减震台；11、转盘；
21、安装架；22、绕卷机；23、第一滑轮；24、牵引绳；25、第二滑轮；26、滑轨；27、L型支架；28、横梁；29、竖架；
3、CCD成像装置；
4、反应腔室；41、反应腔室外壳；42、上盖；43、进气管；44、进气支管；45、出气管；46、竖杆；47、置物层；471、支点；
5、腔室加热装置；51、第三滑轮；52、发热管；53、导向轮；54、第一缺口；
6、水浴加热装置；7、气柜；8、气体输入管道；9、气体输出管道；10、气阀；100、PC端。
具体实施方式
下面将结合本申请实施方式中的附图，对本申请实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式仅仅是本申请一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本申请中的实施方式，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本申请保护的范围。
需要说明的是，当元件被称为“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本申请的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本申请的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施方式的目的，不是旨在于限制本申请。
如图1和2所示，本申请的反应腔室4包括反应腔室外壳41、上盖42、设置在所述的反应腔室外壳41内的多层石英支架，所述的多层石英支架包括一竖杆46、沿上下方向排列设置在竖杆46上的多个环状的置物层47，所述的置物层47具有向内突出的多个支点471，多个支点471沿置物层47的环向均匀排布，被加热的半导体晶圆被放置在置物层47上。所述的反应腔室4还包括进气管43、出气管45、与进气管43相连通的多个进气支管44，多个进气支管44的出气口分别对应一个置物层47设置，进气管43、出气管45及进气支管44为石英材料制成。反应腔室外壳41上还设置有多个每个置物层47分别对应设置的多个热电偶。所述的反应腔室4的工作原理为，通过多个进气支管44均匀地导入N2/H2/H2O混合反应气体，保证N2/H2/H2O混合气体均匀地分布在每一片半导体晶圆表面。
如图3、4和5所示，所述的腔室加热装置5包括圆筒状壳体、安装在圆筒状壳体的内壁上的多个发热管52，所述的发热管52为立式石英红外发热管52，所述的腔室加热装置5套在反应腔室4外，并对反应腔室4加热。多个发热管52沿圆筒状壳体的周向均匀分布，保证反应腔室4内形成高度稳定的均匀温场，每一片半导体晶圆的温度均匀一致。所述的圆筒状壳体的侧壁上还设置有开口向下的分别用于避让进气支管44和出气管45的第一缺口54和第二缺口。
所述的安装架21上设置有一沿上下方向延伸设置的滑轨26，所述的壳体上设置有能够沿滑轨26上下滑动的多个导向轮53。
所述的安装架21上还设置一横梁28，所述的横梁28上设置有竖架29，所述的滑轨26也安装在所述的横梁28上。所述的安装架21上设置有第一滑轮23，所述的竖架29上设置有第二滑轮25，所述的圆筒状壳体的外壁上设置有第三滑轮51，所述的安装架21上还设置有一绕卷机22，绕卷机22用于绕卷牵引绳24的一端部，所述的牵引绳24依次绕过第一滑轮23和第二滑轮25，所述的牵引绳24的另一端部固定在第三滑轮51上。当绕卷机22绕卷和释放牵引绳24时，牵引绳24拉动腔室加热装置5沿滑轨26上下移动。
所述的安装架21上还设置有一L型支架27，所述的L型支架27包括分别沿X轴和Y轴方向延伸的两个滑杆，所述的L型支架27上安装有CCD成像装置3，所述的CCD成像装置3能够沿两个滑杆滑动。CCD成像装置3使用的光源特定波段(如600-1100nm)的LED光，根据半导体材料发生湿法氧化前后(即氧化界面两侧)反射率的差异判断氧化速率和深度，实时地观察腔室内半导体样品湿法氧化反应过程。本申请的CCD成像装置3是基于半导体材料(AlGaAs)与H2O反应生成Al2O3前后对某一波段的光谱反射率变化而检测这种湿法氧化过程，为精确地判断氧化深度并决定终止湿法氧化程序提供实时图像和数据信息。CCD成像装置3的观测画面传送至PC端100。在氧化深度达到设定值时，停止通入水蒸气并通入高纯氮气，开始对半导体样品降温。
如图6和7所示，为本申请的一种批量化半导体湿法氧化装置，其包括减震台1、设置在减震台1上的转盘11，所述的转盘11上设置有多个反应腔室4，所述的安装架21安装在减震台1上，所述的减震台1的底部安装有气柜7、水浴加热装置6及气阀10。所述的减震台1的作用是减少振动，使CCD成像装置3能够精确地观测微米级尺寸的样品的湿法氧化过程。
所述气阀10具有第一连通状态和第二连通状态，当气阀10处于第一连通状态时，气柜7与反应腔室4相连通，水浴加热装置6与反应腔室4之间的气流通道关闭，气柜7通过气体输送管道8将惰性气体输送至反应腔室4；
当气阀10处于第二连通状态时，水浴加热装置6与反应腔室4相连通，气柜与反应腔室4之间的气流通道关闭，惰性气体经过气柜7，进入水浴加热装置6，经过加热后，惰性气体携带加热的水蒸气通过气体输送管道8通入反应腔室4。
下面以图6为例，详细阐述该半导体湿法氧化装置的工作原理，在图6中，转盘11上设置有3个反应腔室4，分别为第一反应腔室、第二反应腔室和第三反应腔室。3个反应腔室绕转盘11的转动轴环向均匀排布，转盘11在一驱动电机的驱动下在减震台1上转动，减震台1安装有3个气体输送管道8，3个气体输送管道8分别与3个反应腔室的进气管43可插拔的连接。
该半导体湿法氧化装置的工作步骤：将多个需要进行湿法氧化的半导体晶圆片放置在第一反应腔室的多层石英支架上；气阀10调节至第一连通状态，惰性气体经过气柜7，然后通过气阀10的分配，进入第一反应腔室，使第一反应腔室内充满惰性气体。驱动电机驱动转盘11转动，使第一反应腔室移动至腔室加热装置5下侧的被加热位置，绕卷机22释放牵引绳24，腔室加热装置5沿滑轨26向下移动后套在第一反应腔室外，腔室加热装置5通电后对第一反应腔室加热。气阀10调节至第二连通状态，惰性气体经过气柜7，进入水浴加热装置6，经过加热后，惰性气体携带加热的水蒸气通入第一反应腔室，样品中的Al组分与水蒸气反生反应生成Al2O3，腔室内的气体通过的出气管45排出腔室外，通过CCD成像装置3观察湿法氧化反应过程，CCD成像装置3的观测画面传送至PC端100，在此过程中，可沿L型支架27调节CCD成像装置3，以将CCD成像装置3调节到最佳观测位置。在氧化深度达到设定值时，停止向第一反应腔室通入水蒸气，并通入高纯氮气，开始对半导体样品降温，绕卷机22绕卷牵引绳24，腔室加热装置5沿滑轨26向上移动离开第一反应腔室。
将需要进行湿法氧化的半导体晶圆片放置在第二反应腔室的多层石英支架上，驱动电机驱动转盘11转动，使第一反应腔室离开加热位置，同时将第二反应腔室移动至腔室加热装置5下侧的加热位置。向第一反应腔室中通入高纯氮气，待第一反应腔室冷却后，将氧化完成的半导体晶圆取出。按上述步骤依次完成第二反应腔室和第三反应腔室内半导体晶圆的湿法氧化。
本申请的一种批量化半导体湿法氧化装置能够分步进行半导体晶圆的放置、氧化和降温取样过程，实现半导体晶圆的高效率、批量化湿法氧化工艺。
需要说明的是，在本申请的描述中，在本申请的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
使用术语“包含”或“包括”来描述这里的元件、成分、部件或步骤的组合也想到了基本由这些元件、成分、部件或步骤构成的实施方式。这里通过使用术语“可以”，旨在说明“可以”包括的所描述的任何属性都是可选的。
应该理解，以上描述是为了进行图示说明而不是为了进行限制。通过阅读上述描述，在所提供的示例之外的许多实施方式和许多应用对本领域技术人员来说都将是显而易见的。因此，本教导的范围不应该参照上述描述来确定，而是应该参照前述权利要求以及这些权利要求所拥有的等价物的全部范围来确定。出于全面之目的，所有文章和参考包括专利申请和公告的公开都通过参考结合在本文中。在前述权利要求中省略这里公开的主题的任何方面并不是为了放弃该主体内容，也不应该认为申请人没有将该主题考虑为所公开的申请主题的一部分。
Claims (10)
1.一种批量化半导体湿法氧化装置，其特征在于，它包括减震台、设置在减震台上的转盘、用于驱动转盘转动的驱动电机、设置在所述的转盘上的多个反应腔室、设置在减震台上的安装架、设于安装架上的腔室加热装置、设于安装架上的CCD成像装置，所述的腔室加热装置能够沿所述的安装架上下移动，所述的转盘用于在所述的驱动电机的驱动下将多个反应腔室分别移动至腔室加热装置加热的位置。
2.如权利要求1所述的一种批量化半导体湿法氧化装置，其特征在于，所述的反应腔室包括反应腔室外壳、上盖、设置在所述的反应腔室外壳内的多层石英支架，所述的多层石英支架包括多个沿上下方向排列设置的环状置物层，所述的置物层具有向内突出的多个支点，多个支点沿置物层周向均匀排布。
3.如权利要求2所述的一种批量化半导体湿法氧化装置，其特征在于，所述的反应腔室还包括进气管、出气管、与进气管相连通的多个进气支管，多个进气支管的出气口分别对应一个置物层。
4.如权利要求3所述的一种批量化半导体湿法氧化装置，其特征在于，所述的进气管、出气管及进气支管为石英材料制成。
5.如权利要求3所述的一种批量化半导体湿法氧化装置，其特征在于，所述的减震台的底部安装有气柜、水浴加热装置及气阀，
所述的水浴加热装置与多个反应腔室的出气管分别通过气体输送管道可插拔的连接，
所述气阀具有第一连通状态和第二连通状态，
当气阀处于第一连通状态时，气柜与反应腔室相连通，水浴加热装置与反应腔室之间的气流通道关闭；
当气阀处于第二连通状态时，水浴加热装置与反应腔室相连通，气柜与反应腔室之间的气流通道关闭。
6.如权利要求1所述的一种批量化半导体湿法氧化装置，其特征在于，所述的腔室加热装置包括圆筒状的壳体、安装在圆筒状壳体的内壁上的多个发热管，所述的腔室加热装置用于套在反应腔室外并对反应腔室加热。
7.如权利要求6所述的一种批量化半导体湿法氧化装置，其特征在于，所述的发热管为立式石英红外发热管，多个发热管沿圆筒状壳体的周向均匀分布。
8.如权利要求6所述的一种批量化半导体湿法氧化装置，其特征在于，所述的安装架上设置有沿上下方向延伸设置的滑轨，所述的壳体上设置有能够沿滑轨上下滑动的多个导向轮。
9.如权利要求8所述的一种批量化半导体湿法氧化装置，其特征在于，所述的安装架上还设置第一滑轮、第二滑轮及绕卷机，所述的圆筒状壳体的外壁上设置有第三滑轮，所述的绕卷机用于绕卷牵引绳的一端部，所述的牵引绳依次绕过第一滑轮和第二滑轮，所述的牵引绳的另一端部固定在第三滑轮上，当绕卷机绕卷和释放牵引绳时，牵引绳拉动腔室加热装置沿滑轨上下滑动。
10.如权利要求9所述的一种批量化半导体湿法氧化装置，其特征在于，所述的安装架上还设置有一L型支架，所述的L型支架包括分别沿X轴和Y轴方向延伸的两个滑杆，CCD成像装置安装在所述的L型支架上，并能够沿两个滑杆滑动。
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| CN201821344375.XU CN208538810U (zh) | 2018-08-20 | 2018-08-20 | 一种批量化半导体湿法氧化装置 |
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|---|---|---|---|---|
| CN108878331A (zh) * | 2018-08-20 | 2018-11-23 | 度亘激光技术（苏州）有限公司 | 一种批量化半导体湿法氧化装置 |
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2018
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