CN208753266U - 一种半导体湿法氧化装置 - Google Patents
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Abstract
本申请提供一种半导体湿法氧化装置，包括水浴加热装置、与水浴加热装置相连通的反应腔室、位于所述的反应腔室下侧的腔室加热装置、对反应腔室内半导体样品湿法氧化反应过程进行观测的实时监控装置，所述的反应腔室包括反应腔室本体，所述的反应腔室本体为双层结构，具有外壁和内壁，所述的外壁上开设有一外进气孔，所述的内壁上开设有多个内进气孔，外进气孔与一进气管相连通，所述的多个内进气孔由阵列排布的多个小孔组成，所述的内壁上还开设有一出气孔，所述的出气孔连通至一出气管。反应腔室的多孔结构能够均匀地导入N2/H2/H2O混合反应气体，保证混合反应气体与半导体晶圆(材料)充分、均匀地反应。
Description
技术领域
本申请涉及一种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)，
AlAs+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，可以达到限制电场和光场的目的。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，水蒸气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还不能精确的控制氧化反应的温度、气体的浓度和气体分布均匀性，从而不能精确的控制湿法氧化反应过程。另外，现有湿法氧化炉的加热器上面是石墨盘，会出现粉尘颗粒，污染半导体晶圆材料。
发明内容
本申请要解决的技术问题是提供一种半导体湿法氧化装置。
为了解决上述技术问题，本申请提供一种半导体湿法氧化装置，它包括水浴加热装置、与所述的水浴加热装置相连通的反应腔室、位于所述的反应腔室下侧的腔室加热装置、对反应腔室内半导体样品湿法氧化反应过程进行观测的实时监控装置，所述的反应腔室包括石英反应腔室本体，所述的石英反应腔室本体为双层石英结构，具有外壁和内壁，所述的外壁上开设有一外进气孔，所述的内壁上开设有多个内进气孔，外进气孔与一进气管相连通，所述的多个内进气孔由阵列排布的多个小孔组成，所述的内壁上还开设有一出气孔，所述的出气孔连通至一出气管。
优选地，所述的腔室加热装置包括外壳、设置在外壳内的开口朝上的反光装置、位于所述的反光装置内的加热器。
优选地，所述的反光装置的底面为反射平面，侧壁为反射曲面，所述的反光装置为一种平底碗状高反射凹面镜。
优选地，所述的加热器为涡旋状加热器。涡旋状加热灯的加热丝密封在涡旋状(蚊香型)石英管内，避免了灯丝产生颗粒污染物或者被空气氧化，延长灯丝寿命并防止影响超净间的洁净度。在另一种实施方式中，加热器也可以为均匀、平行或交错排列的加热灯管。
优选地，所述的反应腔室还包括氮化硼板，所述的氮化硼板位于加热器上方。
优选地，所述的水浴加热装置，包括水浴装置、缠绕在水浴装置侧壁上的水浴加热丝、通入水浴装置内部的末端浸没在水中的水浴进气管、从水浴装置中将气体排入到反应腔室中的水浴出气管。
优选地，所述的实时监控装置包括CCD成像装置及通过CCD成像实时地观察反应腔室内半导体样品湿法氧化反应过程的图像处理装置。
优选地，所述的水浴加热装置与所述的反应腔室之间通过一气体管道装置相连通，所述的气体管道装置，包括气体管道、设置在所述的气体管道上的用于控制气体流量的流量计、缠绕在气体管道外壁的用于给气体管道加热的加热丝。
优选地，所述的反应腔室、腔室加热装置和实时监控装置均安装在一减震台上。
优选地，所述的反应腔室还包括一覆盖在所述的反应腔室本体上的盖，所述的盖为石英或蓝宝石材料等透明晶体材料制成。
借由以上的技术方案，本申请的有益效果在于：
1.本申请的一种半导体湿法氧化装置，样品放入反应腔室内，惰性气体经过管道通入水浴加热装置，惰性气体携带加热的水蒸气通入反应腔室，经过底部的腔室加热装置给反应腔室加热，样品中的Al组分与水蒸气反生反应，通过实时监控装置观察湿法氧化反应过程，腔室内的气体通过的排气管道排出腔室外。惰性气体作为载气，携带水蒸气进入反应腔体，水蒸气与半导体材料中的Al成分反应生成Al2O3。
2.本申请所述的氮化硼板具有良好的导热性，能够使表面的温度均匀地分布，2-6英寸范围内的温差小于1℃，而且不会产生粉尘，避免污染样品。
3.本申请所述的反应腔室的内壁的多孔结构能够均匀地导入N2/H2/H2O混合反应气体，不需要转动加热器或者被加热物体，即可保证混合反应气体与半导体晶圆(材料)充分、均匀地反应。
4.为本申请的实时监控装置包括CCD成像装置及图像处理装置，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。
5.本申请的气体管道装置，能够精确调节反应腔室内气体流量和温度，严格控制半导体晶圆与H2O的湿法氧化速率和均匀性。
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
在此描述的附图仅用于解释目的，而不意图以任何方式来限制本申请公开的范围。另外，图中的各部件的形状和比例尺寸等仅为示意性的，用于帮助对本申请的理解，并不是具体限定本申请各部件的形状和比例尺寸。本领域的技术人员在本申请的教导下，可以根据具体情况选择各种可能的形状和比例尺寸来实施本申请。在附图中：
图1是本申请所述的湿法氧化装置的结构示意图。
图2是本申请的一种腔室加热装置的结构示意图。
图3是本申请的一种反应腔室的结构示意图。
图4是本申请的水浴加热装置的结构示意图。
图5是本申请的实时监控装置的结构示意图。
图6是气体管道装置的结构示意图。
其中：1、腔室加热装置；2、反应腔室；3、水浴加热装置；4、实时监控装置；6、气柜；7、气阀；8、PC端；9、减震台；11、涡旋状加热器；12、外壳；21、进气管；22、内进气孔；23、外进气孔；24、出气管；25、出气孔；26、氮化硼板；27、内壁；28、外壁；31、水浴装置；32、水浴出气管；33、水浴进气管；34、水浴加热丝；41、图像处理装置；42、CCD成像装置；51、气体管道；52、加热丝；53、流量计。
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所示，为本申请所述的一种半导体湿法氧化装置，它包括水浴加热装置3、与所述的水浴加热装置3相连通的反应腔室2、位于所述的反应腔室2下侧的腔室加热装置1、对反应腔室2内半导体样品湿法氧化反应过程进行观测的实时监控装置4。
反应腔室2、腔室加热装置1和实时监控装置4安装在减震台9上，所述的减震台9的作用是减少振动，使实时监控装置4能够精确地观测微米级尺寸的样品的湿法氧化过程。
所述的半导体湿法氧化装置还包括气柜6和气阀7，气阀7具有第一连通状态和第二连通状态，当气阀7处于第一连通状态时，气柜6与反应腔室2相连通，水浴加热装置3与反应腔室2之间的气流通道关闭；当气阀7处于第二连通状态时，水浴加热装置3与反应腔室2相连通，气柜6与反应腔室2之间的气流通道关闭。
该半导体湿法氧化装置的工作原理为，气阀7调节至第一连通状态，惰性气体经过气柜6，然后通过气阀的分配，进入反应腔室2，使反应腔室2内充满惰性气体；
半导体样品放入反应腔室2内的氮化硼板上，经过底部的腔室加热装置1给反应腔室2和氮化硼板加热，使半导体样品均匀地达到设定的温度；
气阀7调节至第二连通状态，惰性气体经过气柜6，进入水浴加热装置3，经过加热后，惰性气体携带加热的水蒸气通入反应腔室2，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排气管道排出腔室外；通过实时监控装置4观察湿法氧化反应过程，实时监控装置4的观测画面传送至PC端8。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2所示，为本申请的腔室加热装置包括外壳12、设置在外壳12内的开口朝上的反光装置、位于所述的反光装置内的加热器11。所述的反光装置为一种平底碗状高反射凹面镜装置。所述的加热器为涡旋状加热器11。
如图3所示，为本申请的反应腔室，该反应腔室包括石英反应腔室本体，所述的石英反应腔室本体为双层结构，具有外壁28和内壁27，所述的外壁28上开设有一外进气孔23，所述的内壁27上开设有多个内进气孔22，外进气孔23与一进气管21相连通，带有水蒸气的气体从进气管21进入外壁28与内壁27之间，再通过多个内进气孔22进入内壁27内部，所述的多个内进气孔22是由阵列排布的多个小孔组成，使通入的气体能够均匀地在腔室内分布。所述的内壁27上还开设有一出气孔25，所述的出气孔25连通至一出气管24，在内壁内的气体通过出气管24排出反应腔室。所述的反应腔室本体内还设置有一氮化硼板26，所述的氮化硼板26具有良好的导热性，能够使表面的温度均匀地分布。所述的反应腔室2还包括一覆盖在所述的反应腔室本体上的盖，所述的盖为石英或蓝宝石材料等透明晶体材料制成。所述的反应腔室的工作原理为，通过环形多孔石英管均匀地导入N2/H2/H2O混合反应气体，保证混合反应气体与半导体晶圆(材料)充分、均匀地反应。本申请所述的反应腔室利用热解氮化硼(PBN)基板的高效率、高均匀性导热特征，PBN基板放在蚊香型涡旋状圆盘加热器上方，在2-6英寸直径的范围内实现温度偏差≤1℃的均匀温场，保证PBN基板上放置的半导体晶圆处于均匀、一致的温度值。
如图4所示，为本申请的水浴加热装置，包括水浴装置31、缠绕在水浴装置31侧壁上的水浴加热丝34、通入水浴装置31内部的末端浸没在水中的水浴进气管33、从水浴装置31中将气体排入到反应腔室中的水浴出气管32。
如图5所示，为本申请的实时监控装置，包括CCD成像装置42及图像处理装置41。CCD成像装置42使用的光源特定波长的LED光，图像处理装置41是通过CCD成像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相机是基于半导体材料(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。
如图6所示，为本申请的气体管道装置，包括气体管道51、设置在所述的气体管道51上的流量计53、缠绕在气体管道51外壁的加热丝52。所述的流量计53控制气体的流量，加热丝52用于给气体管道51加热。该气体管道装置51能够精确控制气体流量和温度，使反应腔室内的反应过程更加精确。
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)
1.一种半导体湿法氧化装置，其特征在于，它包括水浴加热装置、与所述的水浴加热装置相连通的反应腔室、位于所述的反应腔室下侧的腔室加热装置、对反应腔室内半导体样品湿法氧化反应过程进行观测的实时监控装置，所述的反应腔室包括反应腔室本体，所述的反应腔室本体为双层结构，具有外壁和内壁，所述的外壁上开设有一外进气孔，所述的内壁上开设有多个内进气孔，外进气孔与一进气管相连通，所述的多个内进气孔由阵列排布的多个小孔组成，所述的内壁上还开设有一出气孔，所述的出气孔连通至一出气管。
2.如权利要求1所述的一种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外壳、设置在外壳内的开口朝上的反光装置、位于所述的反光装置内的加热器。
3.如权利要求2所述的一种半导体湿法氧化装置，其特征在于，所述的反光装置的底面为反射平面，侧壁为反射曲面。
4.如权利要求3所述的一种半导体湿法氧化装置，其特征在于，所述的加热器为涡旋状加热器或均匀交错排列的加热器。
5.如权利要求3所述的一种半导体湿法氧化装置，其特征在于，所述的反应腔室还包括氮化硼板，所述的氮化硼板位于加热器上方。
6.如权利要求1所述的一种半导体湿法氧化装置，其特征在于，所述的水浴加热装置，包括水浴装置、缠绕在水浴装置侧壁上的水浴加热丝、通入水浴装置内部的末端浸没在水中的水浴进气管、从水浴装置中将气体排入到反应腔室中的水浴出气管。
7.如权利要求1所述的一种半导体湿法氧化装置，其特征在于，所述的实时监控装置包括CCD成像装置及通过CCD成像实时观察反应腔室内半导体样品湿法氧化反应过程的图像处理装置。
8.如权利要求1所述的一种半导体湿法氧化装置，其特征在于，所述的反应腔室还包括一覆盖在所述的反应腔室本体上的盖，所述的盖为石英或蓝宝石材料制成。
9.如权利要求1所述的一种半导体湿法氧化装置，其特征在于，所述的水浴加热装置与所述的反应腔室之间通过一气体管道装置相连通，所述的气体管道装置，包括气体管道、设置在所述的气体管道上的用于控制气体流量的流量计、缠绕在气体管道外壁的用于给气体管道加热的加热丝。
10.如权利要求1所述的一种半导体湿法氧化装置，其特征在于，所述的反应腔室、腔室加热装置和实时监控装置均安装在一减震台上。
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