CN218730823U - 半导体热处理设备 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种半导体热处理设备，包括内管、外管和进气管，内管设置于外管中，且内管和外管的顶端均是封闭的；内管与外管之间具有间隔，在内管的管壁顶部和底部设置有排气通孔，排气通孔的两端分别与间隔和内管的内部相连通；进气管的出气端位于内管中，且在平行于内管的轴向的方向上的中间位置；进气管的进气端用于与工艺气体的气源连接；外管的管壁中设置有导流通道，导流通道具有进气口和出气口，其中，进气口与间隔相连通，且位于内管的顶部和底部之间；出气口与外管外部的排气管路连接。本实用新型提供的半导体热处理设备，可以提高内管中工艺气体分布的均一性，从而可以提高膜层沉积等工艺结果的一致性。

Description

半导体热处理设备

技术领域

本实用新型涉及半导体制造领域，具体地，涉及一种半导体热处理设备。

背景技术

立式炉作为半导体工艺制程不可缺少的设备，随着半导体技术的发展，对其工艺稳定性、颗粒水平、膜厚均一性的要求也越来越高。目前立式炉主要分为常压管和低压管两大类，常压管主要进行氧化、退火、合金等工艺。低压管主要以低压力化学气相沉积(LowPressureChemical Vapor Deposition，LPCVD)的工艺方式进行SiO、SiN、多晶材料(Poly)等膜层的沉积。

低压管的腔体结构目前主要采用内管、外管双层嵌套结构，内管用于约束工艺气体，内管中的晶舟用于承载晶圆，在进行沉积工艺时，内管中产生的副反应物及残余气体流经内、外管之间的间隙，并通过排气管道被真空泵抽走。目前的供气方式不论是从内管顶部供气扩散到底部，还是从内管底部供气扩散到顶部，还是分段供气最后扩散至顶部或底部，均存在内管轴向上的自由基浓度不均匀的问题，这是因为：以从内管底部供气扩散到顶部为例，在气体传输过程中伴随着气体反应消耗，导致内管底部沉积反应产生的自由基浓度较高，而顶部产生的自由基浓度较低，从而造成内管轴向上的自由基浓度不均匀，影响其沉积的上下均一性及工艺结果。

实用新型内容

本实用新型旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一，提出了一种半导体热处理设备，其可以提高内管中工艺气体分布的均一性，从而可以提高膜层沉积等工艺结果的一致性。

为实现本实用新型的目的而提供一种半导体热处理设备，包括内管、外管和进气管，所述内管设置于所述外管中，且所述内管和所述外管的顶端均是封闭的；所述内管与所述外管之间具有间隔，在所述内管的管壁顶部和底部设置有排气通孔，所述排气通孔的两端分别与所述间隔和所述内管的内部相连通；所述进气管的出气端位于所述内管中，且在平行于所述内管的轴向的方向上的中间位置；所述进气管的进气端用于与工艺气体的气源连接；

所述外管的管壁中设置有导流通道，所述导流通道具有进气口和出气口，其中，所述进气口与所述间隔相连通，且位于所述内管的顶部和底部之间；所述出气口与所述外管外部的排气管路连接。

可选的，所述进气口在所述外管的轴向上的高度与所述中间位置的高度相同。

可选的，所述导流通道为沿所述外管的周向环绕设置的环形通道；所述进气口为沿所述外管的周向环绕设置的环形进气口。

可选的，在所述外管的内周面上，沿所述外管的周向环绕设置有环形凸部，所述环形通道设置于所述环形凸部中。

可选的，位于所述内管管壁顶部的所述排气通孔排布一圈或沿所述内管的轴向间隔排布多圈，每圈中的多个排气通孔沿所述内管的周向均匀排布；

位于所述内管管壁底部的所述排气通孔排布一圈或沿所述内管的轴向间隔排布多圈，每圈中的多个排气通孔沿所述内管的周向均匀排布。

可选的，位于所述内管管壁顶部的所述排气通孔与位于所述内管管壁底部的所述排气通孔对称设置在所述中间位置的两侧。

可选的，所述出气口位于所述外管的管壁底部；所述半导体热处理设备还包括排气歧管，所述排气歧管与所述外管连为一体，且所述排气歧管与所述出气口连通，用以排出所述导流通道中的气体。

可选的，还包括炉体，所述炉体罩设于所述外管的周围，所述炉体中设置有加热装置，用于对所述外管和所述内管进行加热。

可选的，所述半导体热处理设备还包括集管；所述外管的下端与所述集管固定连接；

所述进气管穿设于所述集管上。

可选的，所述半导体热处理设备还包括用于承载晶圆的晶舟、设置在所述晶舟底部的保温装置，以及设置在所述保温装置底部的工艺门；其中，

所述工艺门是可升降的，以能够上升至将所述晶舟运载至所述内管中的第一位置，或者下降至将所述晶舟移出所述内管的第二位置，并且所述工艺门在所述第一位置与所述集管的下端密封连接，用于密封所述外管和所述内管的底部。

本实用新型具有以下有益效果：

本实用新型提供的半导体热处理设备，其通过在顶端封闭的内管的管壁顶部和底部设置排气通孔，且进气管的进气端位于内管中在平行于内管的轴向的方向上的中间位置，可以通过使工艺气体从内管的中间位置进入，并向内管的顶部和底部扩散，这与现有技术中从内管顶部或底部进气相比，可以使工艺气体的扩散路径减小一半；在基础上，结合使用在外管的管壁中设置导流通道，且使该导流通道的进气口位于内管的顶部和底部之间，可以更均匀地抽取通过排气通孔排入间隔中的副反应物及残余气体，从而可以提高内管中工艺气体分布的均一性，进而可以提高膜层沉积等工艺结果的一致性。此外，通过使工艺气体从内管的中间位置向两端扩散，同时又使进入间隔中的副反应物及残余气体向中间位置流动，可以使气流经过两次90°方向的转变，这种转变会使得副反应物被截留沉积在导流通道的底部，从而可以在一定程度上减少排气管路沉积的副反应物倒灌，进而可以减少在外管和内管中产生颗粒污染。

附图说明

图1为现有的立式炉的结构图；

图2为本实用新型实施例提供的半导体热处理设备的外管和内管的轴向剖面立体图；

图3为本实用新型实施例采用的内管的结构图；

图4为本实用新型实施例采用的外管的轴向剖面立体图；

图5为本实用新型实施例提供的半导体热处理设备的结构图。

具体实施方式

为使本领域的技术人员更好地理解本实用新型的技术方案，下面结合附图来对本实用新型提供的半导体热处理设备进行详细描述。

请参阅图1，现有的立式炉包括炉体11和设置在该炉体11中的腔体结构，炉体11中设置有加热装置，用于对该腔体结构进行加热。腔室结构包括相互嵌套的外管12和内管13，以及两个进气管(15a，15b)，其中，外管12的顶部是封闭的，内管13的顶部是敞开的；两个进气管(15a，15b)对称设置在内管13的底部，用于向内管13输送工艺气体。该内管13用于约束工艺气体，该内管13中的晶舟14用于承载晶圆。并且，在外管12底部还设置有排气管16，该排气管16的进气端与外管12与内管13之间的间隔连通。在进行沉积工艺时，两个进气管(15a，15b)从内管13的底部供气，工艺气体从内管底部供气扩散到顶部，内管13中产生的副反应物及残余气体经由内管13的顶部开口扩散至外管12与内管13之间的间隔中，然后向下流动至外管12的底部，并经由排气管16被真空泵抽走。由于在气体传输过程中伴随着气体反应消耗，导致内管底部沉积反应产生的自由基浓度较高，而顶部产生的自由基浓度较低，从而造成内管轴向上的自由基浓度不均匀，影响其沉积的上下均一性及工艺结果。

为了解决上述问题，请一并参阅图2至图5，本实用新型实施例提供一种半导体热处理设备200，其包括内管22、外管21和进气管26，其中，内管22和外管21组成腔体结构100，内管22设置于外管21中，用于约束工艺气体；内管22的顶端22a和外管21的顶端21a均是封闭的，且内管22和外管21的底端均是敞开的，即具有开口。内管22与外管21之间具有间隔23，且在内管22的管壁顶部和底部设置有排气通孔221，该排气通孔221的两端分别与间隔23和内管22的内部相连通，内管22中的副反应物及残余气体可以通过排气通道221排入内管22与外管21之间的间隔23中。如图5所示，进气管26的进气端位于内管22中，且在平行于内管22的轴向的方向上的中间位置，即，进气管26的出气端的高度与平行于内管22的轴向的方向上的中间位置的高度(即，图2中的高度A)相同；进气管26的进气端延伸至外管21的外部，用于与工艺气体的气源连接。外管21的管壁中设置有导流通道24，该导流通道24具有进气口241和出气口242，其中，进气口241与内管22与外管21之间的间隔23相连通，且位于内管22的顶部和底部之间；出气口242用于与外管21外部的排气管路连接。

在进行膜层沉积等工艺时，由气源提供的工艺气体经由进气管26从内管22的中间位置进入内管22，并同时向内管22的顶部和底部扩散，在内管22中产生的副反应物及残余气体分别经由位于内管22管壁顶部和底部的排气通孔221排入内管22与外管21之间的间隔23中，然后向位于内管22的顶部和底部之间的导流通道24的进气口241流动，并经由该进气口241进入导流通道24，最后经由出气口242排入排气管路中。工艺气体和副反应物及残余气体的流动路径如图2中的箭头所示。

本实用新型实施例提供的半导体热处理设备，其通过在顶端封闭的内管22的管壁顶部和底部设置排气通孔221，且进气管26的进气端位于内管22中在平行于内管22的轴向的方向上的中间位置，可以通过使工艺气体从内管22的中间位置进入，并向内管22的顶部和底部扩散，这与现有技术中从内管顶部或底部进气相比，可以使工艺气体的扩散路径减小一半；在基础上，结合使用在外管21的管壁中设置导流通道24，且使该导流通道24的进气口241位于内管22的顶部和底部之间，可以更均匀地抽取通过排气通孔221排入间隔23中的副反应物及残余气体，从而可以提高内管22中工艺气体分布的均一性，进而可以提高膜层沉积等工艺结果的一致性。此外，通过使工艺气体从内管22的中间位置向两端扩散，同时又使进入间隔23中的副反应物及残余气体向中间位置流动，可以使气流经过两次90°方向的转变，这种转变会使得副反应物被截留沉积在导流通道24的底部，从而可以在一定程度上减少排气管路沉积的副反应物倒灌，进而可以减少在内管22和外管21构成的腔体结构100中产生颗粒污染。

在一些可选的实施例中，如图2所示，进气口241在外管21的轴向上的高度与上述中间位置(即，内管22中在平行于内管22的轴向的方向上的中间位置)的高度相同，即位于图2中的高度A。这样，可以使进气口241从中间位置均匀地抽取从内管22顶部及底部扩散出的副反应物及残余气体，从而进一步提高内管22中工艺气体分布的均一性。当然，在实际应用中，进气口241在外管21的轴向上的高度也可以是接近上述中间位置的高度。

在一些可选的实施例中，如图4所示，导流通道24为沿外管21的周向环绕设置的环形通道；进气口241为沿外管21的周向环绕设置的环形进气口。这样，可以在外管21的周向上均匀地抽取副反应物及残余气体，从而可以提高副反应物及残余气体在内管22和外管21的周向上分布的均一性。当然，本实用新型实施例并不局限于此，在实际应用中，进气口也可以为多个，且沿外管的周向均匀分布。导流通道也可以由多个诸如直通道、弧形通道等的多个子通道组成，且多个子通道沿外管的周向均匀分布，这也可以保证副反应物及残余气体在内管和外管的周向上分布的均一性。

在一些可选的实施例中，如图4所示，在外管21的内周面上，沿外管21的周向环绕设置有环形凸部，环形通道24设置于该环形凸部中。这样，可以降低外管21的加工难度，同时还可以保证外管21在环形通道处具有足够的强度。

在一些可选的实施例中，如图3所示，位于内管22管壁顶部的排气通孔221排布一圈或沿内管22的轴向间隔排布多圈，每圈中的多个排气通孔221沿内管22的周向均匀排布，例如，图3中示出了位于内管22管壁顶部的多个排气通孔221沿内管22的轴向间隔排布两圈；位于内管22管壁底部的排气通孔221排布一圈或沿内管22的轴向间隔排布多圈，每圈中的多个排气通孔221沿内管22的周向均匀排布，例如，图3中示出了位于内管22管壁底部的多个排气通孔221沿内管22的轴向间隔排布两圈。这样，可以使内管22中的副反应物及残余气体可以均匀地排出，从而可以提高副反应物及残余气体在内管和外管的周向上分布的均一性。

在一些可选的实施例中，如图3所示，位于内管22管壁顶部的排气通孔221与位于内管22管壁底部的排气通孔221对称设置在上述中间位置(即，内管22中在平行于内管22的轴向的方向上的中间位置)的两侧。这样，可以使从内管22的中间位置进入内管22的工艺气体，同时向内管22的顶部和底部扩散的路径相同，从而可以进一步提高内管中工艺气体分布的均一性。

在一些可选的实施例中，如图2所示，半导体热处理设备还包括排气歧管25，排气歧管25与外管21连为一体，且排气歧管25与出气口242连通，用以排出上述导流通道中的气体，具体地，排气歧管25的进气端与出气口242连通，排气歧管25的出气端用于与外管21外部的排气管路连通。可选的，出气口242可以位于外管21的管壁底部。

请参阅图5，半导体热处理设备200还包括炉体31，该炉体31罩设于外管21的周围，具体地，炉体31呈筒状，且顶部是封闭的，底部是敞开的，炉体31中设置有加热装置，用于对外管21和内管22进行加热。

在一些可选的实施例中，半导体热处理设备200还包括集管34；外管21的下端与集管34固定连接；进气管26穿设于集管34上。

在一些可选的实施例中，半导体热处理设备200还包括用于承载晶圆的晶舟32、设置在晶舟32底部的保温装置33，以及设置在保温装置33底部的工艺门35；其中，工艺门35是可升降的，以能够上升至将晶舟32运载至内管22中的第一位置，或者下降至将晶舟32移出内管22的第二位置，并且工艺门35在第一位置与集管34的下端密封连接，用于密封外管21和内管22的底部。

综上所述，本实用新型实施例提供的半导体热处理设备，其通过在顶端封闭的内管的管壁顶部和底部设置排气通孔，且进气管的进气端位于内管中在内管的轴向上的中间位置，可以通过使工艺气体从内管的中间位置进入，并向内管的顶部和底部扩散，这与现有技术中从内管顶部或底部进气相比，可以使工艺气体的扩散路径减小一半；在基础上，结合使用在外管中设置导流通道，且使该导流通道的进气口位于内管的顶部和底部之间，可以更均匀地抽取通过排气通孔排入间隔中的副反应物及残余气体，从而可以提高内管中工艺气体分布的均一性，进而可以提高膜层沉积等工艺结果的一致性。此外，通过使工艺气体从内管的中间位置向两端扩散，同时又使进入间隔中的副反应物及残余气体向中间位置流动，可以使气流经过两次90°方向的转变，这种转变会使得副反应物被截留沉积在导流通道的底部，从而可以在一定程度上减少排气管路沉积的副反应物倒灌，进而可以减少在内管和外管中产生颗粒污染。

可以理解的是，以上实施方式仅仅是为了说明本实用新型的原理而采用的示例性实施方式，然而本实用新型并不局限于此。对于本领域内的普通技术人员而言，在不脱离本实用新型的精神和实质的情况下，可以做出各种变型和改进，这些变型和改进也视为本实用新型的保护范围。

Claims (10)

1.一种半导体热处理设备，其特征在于，包括内管、外管和进气管，所述内管设置于所述外管中，且所述内管和所述外管的顶端均是封闭的；所述内管与所述外管之间具有间隔，在所述内管的管壁顶部和底部设置有排气通孔，所述排气通孔的两端分别与所述间隔和所述内管的内部相连通；所述进气管的出气端位于所述内管中，且在平行于所述内管的轴向的方向上的中间位置；所述进气管的进气端用于与工艺气体的气源连接；

所述外管的管壁中设置有导流通道，所述导流通道具有进气口和出气口，其中，所述进气口与所述间隔相连通，且位于所述内管的顶部和底部之间；所述出气口与所述外管外部的排气管路连接。

2.根据权利要求1所述的半导体热处理设备，其特征在于，所述进气口在所述外管的轴向上的高度与所述中间位置的高度相同。

3.根据权利要求1所述的半导体热处理设备，其特征在于，所述导流通道为沿所述外管的周向环绕设置的环形通道；所述进气口为沿所述外管的周向环绕设置的环形进气口。

4.根据权利要求3所述的半导体热处理设备，其特征在于，在所述外管的内周面上，沿所述外管的周向环绕设置有环形凸部，所述环形通道设置于所述环形凸部中。

5.根据权利要求1所述的半导体热处理设备，其特征在于，位于所述内管管壁顶部的所述排气通孔排布一圈或沿所述内管的轴向间隔排布多圈，每圈中的多个排气通孔沿所述内管的周向均匀排布；

位于所述内管管壁底部的所述排气通孔排布一圈或沿所述内管的轴向间隔排布多圈，每圈中的多个排气通孔沿所述内管的周向均匀排布。

6.根据权利要求5所述的半导体热处理设备，其特征在于，位于所述内管管壁顶部的所述排气通孔与位于所述内管管壁底部的所述排气通孔对称设置在所述中间位置的两侧。

7.根据权利要求1所述的半导体热处理设备，其特征在于，所述出气口位于所述外管的管壁底部；所述半导体热处理设备还包括排气歧管，所述排气歧管与所述外管连为一体，且所述排气歧管与所述出气口连通，用以排出所述导流通道中的气体。

8.根据权利要求1-7中任意一项所述的半导体热处理设备，其特征在于，还包括炉体，所述炉体罩设于所述外管的周围，所述炉体中设置有加热装置，用于对所述外管和所述内管进行加热。

9.根据权利要求8所述的半导体热处理设备，其特征在于，所述半导体热处理设备还包括集管；所述外管的下端与所述集管固定连接；

所述进气管穿设于所述集管上。

10.根据权利要求9所述的半导体热处理设备，其特征在于，所述半导体热处理设备还包括用于承载晶圆的晶舟、设置在所述晶舟底部的保温装置，以及设置在所述保温装置底部的工艺门；其中，

所述工艺门是可升降的，以能够上升至将所述晶舟运载至所述内管中的第一位置，或者下降至将所述晶舟移出所述内管的第二位置，并且所述工艺门在所述第一位置与所述集管的下端密封连接，用于密封所述外管和所述内管的底部。

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