TW201940825A - 用於臥式爐的加熱單元及用於熱處理基板的臥式爐 - Google Patents

Abstract

一種用於臥式爐的加熱單元，該臥式爐具有用於容置多個基板的長條形製程管，其中該加熱單元具有以下：至少兩個構建為分管的彼此面向的元件，其作為上元件及下元件沿豎直方向疊置且適於如此地將該製程管容置在其中，使得該等元件至少部分地徑向包圍該製程管，其中該等上元件及下元件分別如此地具有至少一可個別控制的加熱元件，使得設有沿豎直方向疊置的並且沿該製程管的縱向相鄰的加熱元件；及控制單元，其適於對該等加熱元件進行個別控制及或分組控制。

Description

水平式加熱裝置

本發明是有關於一種用於臥式爐的加熱單元，該臥式爐具有用於容置多個基板以便對其進行熱處理的長條形製程管。下文亦稱加熱箱的加熱單元適於將長條形製程管連同容置於其中的基板（特別是半導體晶圓）加熱至期望溫度。

在半導體技術中已揭露過，對晶圓施加不同的處理步驟，此等步驟通常具有若干製程，其中將晶圓調溫至特定溫度並在預設時間內保持在此溫度水平上。重要之處在於，每個晶圓在其範圍內被均勻調溫。此外在進行批處理時，亦需大致以相同溫度對每個晶圓進行處理。在一個批次的晶圓中，必須在每個晶圓中在最大1300℃的製程溫度條件下確保良好的均勻度。

與預設製程溫度的允許溫度差異在0.5℃範圍內或更小範圍內。視具體製程而定地可對晶圓進行個別處理，但此舉當然較為昂貴且耗時。亦可進行批處理。採用兩種系統進行批處理，其通常被稱作立式爐（Vertikalofen）或臥式爐（Horizontalofen）。立式爐是將晶圓豎直方向相疊地保持在大致水平的定向上。臥式爐通常是將晶圓以直立或略有傾斜地豎立在晶圓舟中的方式容置在大致水平延伸的製程管中，該製程管被通常稱作加熱箱的加熱單元徑向包圍。

本發明係有關於此種臥式爐或用於該臥式爐的加熱單元。為在豎立在晶圓舟中之晶圓的批次中設置均勻溫度，加熱單元的長度通常大於用於晶圓的容置區域，以免在晶圓舟的末端上發生溫度變化。根據另一已知方案，沿晶圓舟的縱向將加熱單元分段，以便例如在製程管的長度上提供不同的加熱功率。從而在沿水平方向延伸之晶圓容置腔中設置均勻溫度。此種系統在以往被視為極為牢固，但隨著晶圓愈來愈大且均勻度要求有所提高，遂產生新的挑戰。晶圓愈大，在晶圓範圍內設置相應均勻度的難度愈大，因為以往無關的豎直方向溫度梯度此時亦可能相關。在同一批次範圍內維持均勻度亦屬難事。基板愈大，在晶圓舟之末端上發生邊緣效應的區域愈大。視情況可在製程管的相應延長部上及加熱單元之相應延長部上對此種情形加以補償，但此點一方面會引起極長的製程管，另一方面會引起過長的加熱單元並相應增大所需提供的功率。此種做法的主要缺點如下：設備的調節面變大，或者待處理晶圓的數目有所減少，其中必須對常見無塵室中的狀況加以注意。隨著管道不斷變長，製程管的斷裂機率及成本皆顯著增加，基於槓桿力，必須不斷加大晶圓舟的運輸結構。

本發明之目的在於提出一種用於臥式爐的加熱單元，其至少部分克服上述缺點中的一或多項。本發明提出如申請專利範圍第1或8項所述的一種加熱單元或者如申請專利範圍第10項所述的一種臥式爐。

該用於臥式爐的加熱單元，該臥式爐具有用於容置多個基板的長條形製程管，根據一種實施方式，該加熱單元具有以下：至少兩個構建為分管的彼此面向的元件，其作為上元件及下元件沿豎直方向疊置且適於如此地將該製程管容置在其中，使得該等元件至少部分地徑向包圍該製程管，其中該等上元件及下元件分別如此地具有至少一可個別控制的加熱元件，使得設有沿豎直方向疊置的並且沿該製程管的縱向相鄰的加熱元件；及控制單元，其適於對該等加熱元件進行個別控制及或分組控制。加熱單元的此種技術方案能夠對特別是在較大基板上可能造成問題的豎直方向溫度梯度，至少部分地進行補償。透過用獨立式加熱元件來隔開此等元件，從而減輕加熱區間的串擾。

該加熱單元較佳具有多個上元件及多個下元件，其中該等上元件與下元件彼此面向且分別具有至少一加熱元件，其中該等上元件以及該等下元件皆如此地並排佈置，使得在該等上元件與下元件之間容置有製程管的情況下，該等上元件及該等下元件皆沿該製程管的縱向相鄰佈置。如此，除分為上加熱區及下加熱區外，更進一步分為若干沿縱向相鄰的加熱區，以便在製程管中之容置區域的範圍內產生均勻溫度。分為若干元件亦可減輕加熱區間的串擾。

作為多個上元件及下元件的替代方案，亦可設有至少一上元件及至少一下元件，其分別具有至少兩個沿相應元件的縱向並排佈置且可被獨立控制的加熱元件。此舉亦能實現沿縱向不同的加熱區。

為降低製造成本，該等下元件及上元件可大致結構相同。特定言之，該等元件可構建為半管，該等半管適於以至少320°，較佳至少340°的角度範圍徑向包圍容置在其中的製程管。

在一種實施方式中，該加熱單元還具有至少一垂直於該等上元件及下元件之縱向延伸度的末端元件，該末端元件具有熱反射表面及/或加熱元件，其中該末端元件佈置在上元件與下元件之彼此面對的結構的末端上或者與該末端相鄰。此種末端元件能夠在製程管的長度範圍內實現均勻的溫度設定而避免邊緣效應。通常情況下主要透過延長製程管來補償此種邊緣效應，但此舉會使得製程管過長。較佳地，在彼此面對之元件的結構的每個末端上或者與該末端相鄰之處皆具有末端元件，其具有熱反射表面及/或加熱元件。

在一種替代實施方式中，該用於臥式爐的加熱單元，該臥式爐具有用於容置多個基板的長條形製程管，該加熱單元具有以下：至少多個可獨立控制之第一加熱元件，其形成一管狀容置腔，以便在其長度的至少一部分的範圍內容置該製程管並且至少部分地徑向包圍該製程管；具有熱反射表面及/或至少一第二加熱元件的至少一末端元件，其大致垂直於該管狀容置腔的縱向延伸度，及用於對該等加熱元件進行個別控制及或分組控制的控制單元。

該等末端元件亦可以不將徑向包圍的加熱元件分為上加熱區及下加熱區的方式有助於腔室之縱向上的均勻溫度分佈。根據該實施方式中的另一較佳方案，在該管狀容置腔的每個末端上的相鄰之處皆設有一具有熱反射表面及/或第二加熱元件的末端元件。

一種用於熱處理基板的臥式爐，特別是具有：長條形大致水平佈置之用於容置多個晶圓的製程管；位於該製程管的一端上之用於開啟及閉合該末端的門單元；及前述類型之加熱單元。較佳地，前述類型的一末端元件安裝在該門單元的內側上，另一末端元件安裝在該製程管之相對該門機構的末端上。

本說明書中的術語上、下、右及左以及類似說明涉及的是附圖所示定向或佈置方案且主要用於描述實施例。此等術語可示出較佳佈置方案，但不起限制作用，除非明確說明。此外，術語「大致」、「大約」、「約」及類似術語表明：與所列數值存在+/-10%或+/-10°，較佳+/-5%或+/-5°，是允許的。

圖1為用於圖2及3所示臥式爐5之製程管3的加熱單元1的一種實施方式的示意性透視圖。加熱單元1大致由多個分管狀上元件8、多個分管狀下元件10，以及可選之末端元件12構成，上述元件可環繞臥式爐之製程管3佈置。該等上元件8、下元件10較佳在相應元件的內側上分別具有至少一未詳細繪示之電阻加熱元件，或者元件8、元件10本身便形成電阻加熱元件。元件8、元件10特別是成型為相同的半管，其適於在其間形成一用於製程管3的管狀容置腔。在組裝完畢後，元件8、元件10彼此面向且如此地豎直方向疊置，使其在預設長度範圍內沿徑向以至少320°，較佳至少340°的角度範圍將製程管3徑向包圍。上元件8與下元件10可彼此間隔一定距離且被位於其間的熱絕緣裝置保持住。較佳地，該等元件大致結構相同且尺寸相同。如此便能產生一個由相同部件構成之任意長度之加熱單元的模組式結構，從而大幅簡化製造程序。圖中示出五對上元件8及下元件10。從而沿縱向形成五個不同的加熱區，其亦可被分為上加熱區及下加熱區。如此便產生十個加熱區。

但在一種實施方式中，作為獨立式上元件及下元件的替代方案，亦可設置一連貫式管元件，其能夠容置製程管3。此種管元件可具有沿縱向及/或周向相鄰且可獨立控制的加熱元件。

圖1中亦示出末端元件12，其佈置在上元件8及下元件10的管狀容置腔上或者與該容置腔相鄰。末端元件12在朝向容置腔的方向上具有對熱輻射高反射的表面和/或具有加熱元件。該對熱輻射高反射的表面例如由經拋光的鋁或鋼或者由另一適宜材料構成。在具有加熱元件的實施方案中，該加熱元件例如可由單獨一個加熱元件構成或者構建為若干可獨立控制之加熱元件的一例如同心式佈置方案。

圖2示出具有製程管3及前述類型之加熱單元1的臥式爐5。元件8、元件10徑向包圍製程管3且沿縱向相鄰。元件8、元件10按常見技術中的方式被適宜之絕緣裝置15及殼體元件16包圍。製程管3具有彎曲狀第一閉合末端17及氣體管路接頭18。在製程管1的末端17上安裝有加熱單元1的末端元件12，其中末端元件12具有緊鄰製程管之末端17的主動加熱元件19及絕緣裝置20。

製程管3的另一末端24曝露，但可透過門單元26而開啟及閉合。門單元26的內端上設有末端元件12，其在門單元26的閉合位置中伸入製程管3。末端元件12亦具朝向製程管3的主動加熱元件29，以及位於加熱元件29的背側上的絕緣裝置30。

在製程管3內部示出有具有多個晶圓33的晶圓舟32，該晶圓舟沿製程管3的縱向大致居中佈置。晶圓舟32與製程管3的末端17、末端24間隔一定距離。在下文中，製程管之佔據其長度約50-60%的中間區域亦稱晶圓容置區域。該區域大致在上元件8及下元件10所構成之五個沿縱向相鄰之加熱區中的三個中間加熱區的縱向延伸度上延伸。如此便能在工作過程中實現均勻的溫度分佈。以及，

圖3為某個加熱區的截面圖，在該加熱區內，上元件8與下元件10形成一（縱向）加熱區，其亦可被分為上加熱區及下加熱區。圖3中亦示出兩個溫度感測器36、37，其中溫度感測器36佈置在製程管內，溫度感測器37佈置在製程管以外。特定言之，溫度感測器37佈置在上元件8及下元件10之彼此面向的端區之間的區域內。

在工作過程中，將具有晶圓33的晶圓舟32裝載至晶圓容置區域。隨後透過門單元26將製程管3閉合。透過加熱單元1將製程管3連同容置於其中的基板加熱至期望溫度，並且在製程管3中設定期望氣氛，以便按常見技術中的方式對晶圓33進行處理。

透過將加熱單元1分為上加熱區及下加熱區並結合沿縱向相鄰之加熱區，便能在晶圓容置區域的範圍內非常均勻地設定溫度。即使在較大晶圓，如30吋晶圓（76.2 cm）的情況下，亦能透過分為上加熱區及下加熱區來對豎直方向溫度梯度加以補償。此外，透過附加的末端元件12還能抑制沿製程管的縱向出現的末端效應，因此，末端元件12有助於晶圓容置區域內的均勻溫度分佈。

可選地，為在晶圓容置區域內實現均勻溫度分佈，亦可在製程管內與晶圓舟相鄰之處以及/或者在晶圓舟上/其中設置至少一未予繪示之被動的反射板或致偏板。此種反射板或致偏板能夠對可能出現在製程管之門側及進氣側上的末端效應加以補償。該反射板或致偏板較佳應設置在晶圓舟上/其中，以便與其一起插入及取下。舉例而言，此種反射板或致偏板可在晶圓舟的相應末端上容置在與待處理晶圓相鄰的容置部中，其中反射板或致偏板的周邊視需要可大於待處理晶圓，以便獲得更大的屏蔽效果。採用此類行動式反射板或致偏板時，其特別是可在晶圓舟並未被晶圓完全占滿的情況下與最外面的晶圓存在預設距離。

上文結合較佳實施方案對本發明進行了描述，其中此等實施方案的各項特徵在相容的情況下可被自由彼此組合及/或更換。此等實施方案的各項特徵在並非絕對必要的情況下亦可被去掉。特別是可以未被分為沿徑向環繞製程管佈置之上元件及下元件的方式使用末端元件12。對相關領域通常知識者而言顯然存在大量變體及技術方案，而不會脫離發明理念。

1‧‧‧加熱單元

3‧‧‧製程管

5‧‧‧臥式爐

8‧‧‧上元件\元件

10‧‧‧下元件\元件

12‧‧‧末端元件

15、20、30‧‧‧絕緣裝置

16‧‧‧殼體元件

17、24‧‧‧末端

18‧‧‧氣體管路接頭

19、29‧‧‧加熱元件

26‧‧‧門單元

32‧‧‧晶圓舟

33‧‧‧晶圓

36、37‧‧‧溫度感測器

下面結合圖式對本發明進行詳細說明。圖中：

圖1為本發明之加熱單元的一種實施方式的示意性透視圖；

圖2為具有本發明之實施方式中的加熱單元的臥式爐的示意性縱截面圖；

圖3為圖2所示臥式爐的某個分區的示意性橫截面透視圖。

Claims (11)

1. 一種用於臥式爐的加熱單元，臥式爐具有用於容置多個基板的長條形的製程管，其中該用於臥式爐的加熱單元包括： 至少兩個構建為分管的彼此面向的元件，其作為上元件及下元件沿豎直方向疊置且適於將該製程管容置在其中，使得該等元件至少部分地徑向包圍該製程管，其中該等上元件及該等下元件分別具有至少一可個別控制的加熱元件，使得設有沿豎直方向疊置的並且沿該製程管的縱向相鄰的該等加熱元件；及 控制單元，適於對該等加熱元件進行個別控制及或分組控制。
2. 如申請專利範圍第1項所述的用於臥式爐的加熱單元，該加熱單元具有多個上元件及多個下元件，其中該等上元件與該等下元件彼此面向且分別包括至少一加熱元件，其中該等上元件以及該等下元件皆如此地並排佈置，使得在該等上元件與該等下元件之間容置有該製程管的情況下，該等上元件及該等下元件皆沿該製程管的縱向相鄰佈置。
3. 如申請專利範圍第1項所述的用於臥式爐的加熱單元，該加熱單元包括至少一上元件及至少一下元件，其分別包括至少兩個沿相應元件的縱向並排佈置且可被獨立控制的加熱元件。
4. 如申請專利範圍第2或3項所述的用於臥式爐的加熱單元，其中該等下元件及該等上元件的結構皆大致相同。
5. 如前述申請專利範圍中任一項所述的用於臥式爐的加熱單元，其中該等上元件及該等下元件構建為半管，該等半管適於以至少320°，較佳至少340°的角度範圍徑向包圍容置在其中的該製程管。
6. 如前述申請專利範圍中任一項所述的用於臥式爐的加熱單元，更包括至少一垂直於該等上元件及該等下元件之縱向延伸度的末端元件，該末端元件具有熱反射表面及/或至少一加熱元件，其中該末端元件佈置在該等上元件與該等下元件之彼此面對的結構的末端上或者與該末端相鄰。
7. 如申請專利範圍第6項所述的用於臥式爐的加熱單元，在彼此面對之該等上元件及該等下元件的結構的每個末端上或者與該末端相鄰之處皆包括末端元件，該末端元件包括熱反射表面及/或加熱元件。
8. 一種用於臥式爐的加熱單元，該臥式爐具有用於容置多個基板的長條形的製程管，其中該用於臥式爐的加熱單元包括： 至少多個可獨立控制之第一加熱元件，其形成一管狀容置腔，以便在該管狀容置腔長度的至少一部分的範圍內容置該製程管並且至少部分地徑向包圍該製程管； 具有熱反射表面及/或至少一第二加熱元件的至少一末端元件，大致垂直於該管狀容置腔的縱向延伸度，及 用於對該等加熱元件進行個別控制及或分組控制的控制單元。
9. 如申請專利範圍第8項所述的用於臥式爐的加熱單元，在該管狀容置腔的每個末端上或者與該末端相鄰之處皆具有一帶有熱反射表面及/或第二加熱元件的末端元件。
10. 一種用於熱處理基板的臥式爐，該臥式爐包括： 長條形大致水平佈置之用於容置多個晶圓的製程管； 位於該製程管的一端上之用於開啟及閉合在末端的門機構；及 如前述申請專利範圍中任一項所述的用於臥式爐的加熱單元。
11. 如申請專利範圍第10項所述的用於熱處理基板的臥式爐，其包括如申請專利範圍第6項至第9項中任一項所述的用於臥式爐的加熱單元，其中一末端元件安裝在該門機構的內側上，可選地另一末端元件安裝在該製程管之相對該門機構的末端上。