TWI805287B - 半導體熱處理設備 - Google Patents

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Abstract

一種半導體熱處理設備，半導體熱處理設備的製程腔室中設置有用於容納晶圓支撐元件的製程空間，底部設置有供晶圓支撐元件進出的開口，頂部設置有排氣口，製程腔室側壁的底部設置有進氣口；晶圓支撐元件可升降，晶圓支撐組件升入製程腔室中後密封上述開口；加熱筒套設在製程腔室上，用於加熱製程腔室；進氣管路與進氣口連通，用於向製程空間中輸送氣體；排氣管路穿過加熱筒與排氣口連通，用於排出製程空間中的氣體；氣液分離裝置與排氣管路連通，用於液化並收集從製程空間中排出的氣體中的製程副產物，並排出剩餘的氣體。

Description

半導體熱處理設備
本發明涉及半導體製造領域，具體地，涉及一種半導體熱處理設備。
隨著晶片前道制程不斷縮微，先進封裝設備也在不斷向更小尺寸發展，這就對先進封裝設備在更小線寬處理、顆粒控制、製程精度控制等方面提出了更高的要求。而對於固化製程，目前是採用烘烤箱加熱封裝膠，但是傳統的烘烤箱的溫度控制、氧含量控制、顆粒控制等已經無法滿足先進封裝制程的需求。
請一併參閱圖1至圖3，現有的烘烤箱包括箱體1，該箱體1內部具有由上而下依次設置的上空腔、置物腔11和下空腔，其中，上空腔和下空腔均通過多個第一氣孔111與置物腔11相連通；該置物腔11中設置有立管12及用於承載半導體器件的四個托架13，該立管12的兩端分別與上空腔和下空腔相連通，且立管12上設置有多個第二氣孔121，用以將立管12的內部與置物腔11相連通。如圖2所示，在箱體1的一側設置有用於容納安裝框架18、鼓風機10和氣道結構16的安裝槽17。其中，鼓風機10的輸出口通過出氣管15與氣道結構16相連通，該氣道結構16與上空腔和下空腔相連通；鼓風機10的輸入口與安裝框架18連接。如圖3所示，安裝 框架18內側安裝有若干電熱管19。在進行熱處理製程時，經由電熱管19加熱產生的熱空氣依次經由鼓風機10、出氣管15和氣道結構16進入上空腔和下空腔，再分別經由多個第一氣孔111以及立管12及其上的第二氣孔121進入置物腔11中，從而實現對各個托架13上的半導體器件進行烘烤。
上述烘烤箱在實際應用中不可避免地存在以下問題：
其一，由於上述置物腔11內部的製程區域是非封閉的，這使得該製程區域會受環境及周圍器件的影響而無法滿足製程對潔淨度的要求，無法對半導體器件進行顆粒控制，同時也無法對該製程區域的氧含量進行控制，在進行固化製程時，若製程區域中的氧含量過高會造成封裝膠氧化，從而影響晶片性能。
其二，上述電熱管19產生的熱量損耗較大，而且受外界環境影響較大，導致加熱效率較低，且溫度控制精度較差，同時由於該電熱管19位於置物腔11一側，這會導致置物腔11內的溫度均勻性較差，從而可能發生不完全固化，嚴重時會造成封裝膠起泡、晶片翹曲不平等的問題。
本發明旨在至少解決現有技術中存在的技術問題之一，提出了一種半導體熱處理設備，其不僅可以實現晶圓的顆粒和含氧量控制，而且還可以提高溫度控制精度和溫度均勻性，從而可以保證晶片性能。
為實現本發明的目的而提供一種半導體熱處理設備，包括：藝腔室、加熱筒、晶圓支撐元件、進氣管路、排氣管路和氣液分離裝置，其中，該製程腔室中設置有用於容納該晶圓支撐元件的製程空間，底部設置有供該晶圓支撐組件進出的開口，頂部設置有排氣口，該製程腔室側壁的底部設置有進氣口；該晶圓支撐組件可升降，該晶圓支撐組件升入該製 程腔室中後密封該開口；該加熱筒套設在該製程腔室上，用於加熱該製程腔室；該進氣管路與該進氣口連通，用於向該製程空間中輸送氣體；該排氣管路穿過該加熱筒與該排氣口連通，用於排出該製程空間中的氣體；該氣液分離裝置與該排氣管路連通，用於液化並收集從該製程空間中排出的氣體中的製程副產物，並排出剩餘的氣體。
可選的，該加熱筒包括保溫外殼和多個加熱單元，該保溫外殼套設在該製程腔室上，該多個加熱單元設置在該保溫外殼與該製程腔室相對的內側壁上，分別用於對該製程空間中多個不同的區域進行加熱；該熱處理設備還包括括溫度檢測器和控制單元，其中，該溫度檢測器用於即時檢測該製程空間中與多個該加熱單元相對應的多個該區域的實際溫度值，並將其發送至該控制單元；該控制單元用於根據多個該區域的實際溫度值之間的差異，調節相應的該加熱單元的輸出功率，以使該多個區域的溫度趨於一致。
可選的，該溫度檢測器包括檢測管和設置在該檢測管中的多個熱電偶，其中，該檢測管豎直設置在該製程空間中，且該檢測管的上端靠近該製程腔室的頂部，該檢測管的下端貫穿該製程腔室側壁的底部並延伸至該製程腔室的外部；多個該熱電偶的位置與多個該區域一一對應。
可選的，該保溫外殼包括筒狀側壁、頂蓋和保溫套，其中，該筒狀側壁套設在該製程腔室上；該頂蓋設置在該筒狀側壁的頂部，用於封堵該筒狀側壁頂部的開口，且該頂蓋上設置有用於供該排氣管路穿過的通孔；該保溫套設置在該筒狀側壁與該製程腔室之間，且靠近該筒狀側壁的底部，用於封堵該筒狀側壁與該製程腔室之間的環形間隔。
可選的，該製程腔室的該排氣口處設置有球形連接頭；該排 氣管路進氣端設置有球形法蘭，該球形法蘭與該球形連接頭配合連接，該排氣管路的出氣端與該氣液分離裝置連通。
可選的，該頂蓋上的該通孔中還設置有密封結構，該密封結構包括第一環形密封件、第二環形密封件和固定組件，其中，該通孔為階梯孔，該第一環形密封件位於該階梯孔中，套設在該球形法蘭上，該第一環形密封件的外徑小於該階梯孔位於其臺階面以下的孔徑；該第二環形密封件套設在該排氣管路的進氣端上，且位於該階梯孔的臺階面上，該第二環形密封件的外徑小於該階梯孔位於該臺階面以上的孔徑；該固定組件與該頂蓋固定連接，且向下壓住該第二環形密封件和該第一環形密封件，以使二者產生壓縮變形。
可選的，該排氣管路上沿氣體排出方向依次設置有多個排氣加熱件，分別用於對該排氣管路在該氣體排出方向上的不同區域進行加熱。
可選的，該排氣管路包括沿該氣體排出方向依次連接的第一過渡管和第二過渡管，其中，該第一過渡管包括沿該氣體排出方向依次連接的第一垂直段、傾斜段和第二垂直段，該傾斜段的進氣端高於該傾斜段的出氣端；該第二過渡管豎直設置。
可選的，該製程腔室側壁的底部沿周向設置有多個進氣口；該進氣管路環繞該製程腔室設置，該進氣管路上設置有至少一個進氣端和多個出氣端，該進氣管路的該多個出氣端與該多個進氣口一一對應地連通；該進氣管路上包覆有預熱結構，用於對該進氣管路中的氣體進行預熱。
可選的，該製程腔室包括製程管和歧管，其中，該製程管的 底部敞開，頂部設置有該排氣口；該歧管的頂部敞開，該歧管的底部敞開形成該開口，且該歧管的頂端與該製程管的底端密封連接；該歧管的底端在該晶圓支撐組件升入該製程腔室中後與該晶圓支撐元件密封連接，以密封該歧管底部的開口；並且，該歧管的側壁上設置有該進氣口。
可選的，該晶圓支撐組件包括疊置的晶圓支架、隔熱結構和製程門，該晶圓支撐組件升入該製程腔室中後，該晶圓支架和該隔熱結構位於該製程空間中，該製程門與該製程腔室的底端密封連接，以密封該製程腔室底部的開口；該隔熱結構用於對位於其上方的空間進行保溫。
可選的，該隔熱結構包括隔熱支架和設置在該隔熱支架上的多個隔熱板，且多個該隔熱板沿豎直方向間隔排布。
本發明具有以下有益效果：
本發明實施例提供的半導體熱處理設備，晶圓支撐元件在升入製程腔室中後會密封製程腔室底部的開口，可以保證製程空間的密封性，從而可以滿足製程對潔淨度的要求，並能夠對半導體器件進行顆粒控制；同時，利用進氣管路和排氣管路分別與位於製程腔室側壁的底部的進氣口和位於製程腔室頂部的排氣口連通，來實現進氣和排氣，可以實現對製程空間的氧含量進行控制。並且，通過套設在製程腔室上的加熱筒加熱製程腔室，可以有效提高製程空間周向上的溫度均勻性，同時該加熱筒受外界環境影響較小，從而可以提高加熱效率和溫度控制精度。本發明實施例提供的半導體熱處理設備，通過將上述晶圓支撐元件、進氣管路和排氣管路以及加熱筒結合使用，不僅可以實現晶圓的顆粒和含氧量控制，而且還可以提高溫度控制精度和溫度均勻性，從而可以保證晶片性能，尤其可以滿足先進封裝制程對溫度控制、氧含量控制、顆粒控制等的綜合需求。
1:箱體
2:製程腔室
3:加熱筒
4:排氣管路
5:氣液分離裝置
7:密封結構
11:置物腔
12:立管
13:托架
15:出氣管
17:安裝槽
19:電熱管
21:製程管
21a:排氣口
22:歧管
23:製程門
24:晶圓支架
26:氧氣分析儀
27:晶圓
28:密封圈
29:密封圈
31:加熱單元
32:保溫外殼
33:溫度檢測器
41a:第一過渡管
41b:第二過渡管
51:氣液分離元件
52:集液容器
53:液體管路
54:通斷閥
71:第一環形密封件
72:第二環形密封件
73:固定組件
81:第一排氣加熱件
82:第二排氣加熱件
83:保溫部件
92:預熱結構
111:第一氣孔
242:隔熱結構
242a:隔熱支架
242b:隔熱板
321:筒狀側壁
322:頂蓋
322a:通孔
323:保溫套
331:檢測管
332:熱電偶
411:第一垂直段
412:傾斜段
413:第二垂直段
421:球形法蘭
421a:凸台
422:球形連接頭
511:凸起結構
911:進氣端
912:出氣端
當結合附圖閱讀時，從以下詳細描述最佳理解本揭露之態樣。應注意，根據產業中之標準實踐，各種構件未按比例繪製。事實上，為了論述的清楚起見可任意增大或減小各種構件之尺寸。
圖1為現有的烘烤箱的內部結構圖；圖2為現有的烘烤箱的安裝槽的內部結構圖；圖3為現有的烘烤箱的安裝框架的結構圖；圖4為本發明實施例提供的半導體熱處理設備的剖面圖；圖5為本發明實施例採用的製程腔室的剖視圖；圖6為本發明實施例採用的保溫外殼的剖視圖；圖7為本發明實施例採用的製程腔室在其排氣口處的局部剖視圖；圖8為本發明實施例採用的排氣管路的剖視圖；圖9為本發明實施例採用的製程腔室在其進氣口處的俯視剖視圖；圖10為本發明實施例採用的進氣管路安裝在腔室模組上的剖視圖；圖11為本發明實施例採用的氣液分離裝置的側視剖視圖。
以下揭露提供用於實施本揭露之不同構件之許多不同實施例或實例。下文描述組件及配置之特定實例以簡化本揭露。當然，此等僅為實例且非意欲限制。舉例而言，在以下描述中之一第一構件形成於一第二構件上方或上可包含其中該第一構件及該第二構件經形成為直接接觸之實施例，且亦可包含其中額外構件可形成在該第一構件與該第二構件之間，使得該第一構件及該第二構件可不直接接觸之實施例。另外，本揭露可在各個實例中重複參考數字及/或字母。此重複出於簡化及清楚之目的 且本身不指示所論述之各個實施例及/或組態之間的關係。
此外，為便於描述，諸如「下面」、「下方」、「下」、「上方」、「上」及類似者之空間相對術語可在本文中用於描述一個元件或構件與另一(些)元件或構件之關係，如圖中圖解說明。空間相對術語意欲涵蓋除在圖中描繪之定向以外之使用或操作中之裝置之不同定向。設備可以其他方式定向(旋轉90度或按其他定向)且因此可同樣解釋本文中使用之空間相對描述詞。
儘管陳述本揭露之寬泛範疇之數值範圍及參數係近似值，然儘可能精確地報告特定實例中陳述之數值。然而，任何數值固有地含有必然由於見於各自測試量測中之標準偏差所致之某些誤差。再者，如本文中使用，術語「大約」通常意謂在一給定值或範圍之10%、5%、1%或0.5%內。替代地，術語「大約」意謂在由此項技術之一般技術者考量時處於平均值之一可接受標準誤差內。除在操作/工作實例中以外，或除非以其他方式明確指定，否則諸如針對本文中揭露之材料之數量、時間之持續時間、溫度、操作條件、數量之比率及其類似者之全部數值範圍、數量、值及百分比應被理解為在全部例項中由術語「大約」修飾。相應地，除非相反地指示，否則本揭露及隨附發明申請專利範圍中陳述之數值參數係可根據需要變化之近似值。至少，應至少鑑於所報告有效數位之數目且藉由應用普通捨入技術解釋各數值參數。範圍可在本文中表達為從一個端點至另一端點或在兩個端點之間。本文中揭露之全部範圍包含端點，除非另有指定。
請參閱圖4，本發明實施例提供一種半導體熱處理設備，該設備例如可以應用在先進封裝設備的製備過程中對封裝膠進行固化製程。 具體地，該半導體熱處理設備包括製程腔室2、加熱筒3、晶圓支撐組件、進氣管路、排氣管路4和氣液分離裝置5。
其中，製程腔室2中設置有用於容納上述晶圓支撐元件的製程空間，且該製程腔室2底部設置有供該晶圓支撐組件進出的開口，製程腔室2頂部設置有排氣口，並且製程腔室2側壁的底部設置有進氣口。上述晶圓支撐組件可升降，該晶圓支撐組件經由製程腔室2底部的開口升入製程腔室2中後密封該開口。上述晶圓支撐元件的結構可以有多種，例如，上述晶圓支撐元件包括晶圓支架24和製程門23，其中，晶圓支架24上設置有多個晶圓凸台，用於支撐多個晶圓27，多個晶圓27沿豎直方向間隔排布；並且在晶圓支架24位於上述製程空間中時，製程門23與製程腔室2的底端密封連接，以密封製程腔室2底部的開口。由此，利用上述晶圓支撐組件經由製程腔室2底部的開口移出或移入製程腔室2中，可以實現將晶圓支架24上的晶圓移出或移入上述製程空間，進而可以實現晶圓的裝卸載。
並且，如圖5所示，上述晶圓支撐元件還包括隔熱結構242，該隔熱結構242位於晶圓支架24與製程門23之間，用於承載晶圓支架24，並與上述製程門23連接，在晶圓支架24和隔熱結構242均位於上述製程空間中時，製程門23與製程腔室2的底端密封連接，以密封製程腔室2底部的開口。上述隔熱結構242用於對位於其上方的空間進行保溫，從而可以進一步減少製程空間的底部的熱量損耗，有利於提高製程空間的溫度均勻性。
隔熱結構242可以有多種結構，例如，如圖5所示，隔熱結構242包括隔熱支架242a和設置在該隔熱支架242a上的多個隔熱板242b， 且多個隔熱板242b沿豎直方向間隔排布。另外，上述隔熱支架242a與製程門23連接，並支撐多個晶圓支架24。
在本實施例中，上述進氣管路與上述進氣口連通，用於向上述製程空間內輸送氣體，例如在固化製程中向製程空間中輸送保護氣體(例如氮氣)。排氣管路4穿過上述加熱筒3與上述排氣口連通，用於排出上述製程空間中的氣體(例如包含製程副產物的保護氣體)。氣液分離裝置5與上述排氣管路4連通，用於液化並收集從製程空間中排出的氣體中的製程副產物，並排出剩餘的氣體。借助氣液分離裝置5，可以從排出的氣體中將製程副產物分離出來，保證排出的氣體的潔淨度。
上述製程腔室2的結構可以有多種，例如，在本實施例中，如圖5所示，製程腔室2包括製程管21和歧管22，其中，該製程管21的底部敞開，頂部設置有上述排氣口21a；歧管22的頂部敞開，且歧管22的底部敞開形成用於供晶圓支撐組件移出或移入的上述開口；歧管22的頂端與製程管21的底端密封連接，密封連接的方式例如為：在製程管21的底端和歧管22的頂端分別設置有相互對接的法蘭，且在這兩個法蘭之間設置有密封圈29，用以對二者之間的間隙進行密封。歧管22的底端在上述晶圓支撐組件升入製程腔室2中後，與晶圓支撐元件(例如製程門23)密封連接，密封連接的方式例如為：在歧管22的底端設置有密封圈28，用以對歧管22與製程門23之間的間隙進行密封。並且，歧管22的側壁上設置有上述進氣口。
晶圓支撐元件在升入製程腔室中後密封製程腔室底部的開口，可以保證製程空間的密封性，從而可以滿足製程對潔淨度的要求，並能夠對半導體器件進行顆粒控制；同時，通過進氣管路和排氣管路分別與 位於製程腔室側壁的底部的進氣口和位於製程腔室頂部的排氣口連通，來實現進氣和排氣，可以實現對製程空間的氧含量進行控制。進一步來說，由於上述製程空間是密封的，可以通過控制進氣管路通入製程空間內的氣體流量，以及通過控制排氣管路4排出製程空間內的氣體流量，來控制製程空間內的氣壓，使之為正壓，在此壓力環境下，外部環境中的氧氣無法進入製程空間中，而且還可以在製程開始之前利用進氣管路向製程空間中通入氣體(例如氮氣)，並開啟排氣管路4，以對製程空間中的氧氣進行置換，從而可以實現對製程空間的氧含量進行控制。
可選的，本發明實施例提供的半導體熱處理設備還可以包括氧氣分析儀26，其用於檢測製程空間中的氧氣含量，以在完成氧氣置換之後，確認製程空間中的氧氣含量是否滿足製程要求。
本發明實施例提供的半導體熱處理設備，在實現對製程空間的氧含量進行控制的基礎上，可以實現對半導體器件進行顆粒控制，這是因為在低氧環境下，可以減少因氧化而產生的顆粒，同時上述排氣管路4還能夠將製程空間中在製程產生的副產物排出。由此可知，通過將上述晶圓支撐元件以及進氣管路和排氣管路結合使用，可以實現晶圓的顆粒和含氧量控制，尤其可以滿足先進封裝制程對氧含量控制、顆粒控制等的綜合需求。
如圖4所示，加熱筒3套設在製程腔室2上，即，環繞設置在該製程管21的周圍，用於加熱製程腔室2。通過套設在製程腔室2上的加熱筒3加熱製程腔室2，可以有效提高製程空間2周向上的溫度均勻性，同時該加熱筒3受外界環境影響較小，從而可以提高加熱效率和溫度控制精度。
可選的，該加熱筒3包括保溫外殼32和多個加熱單元31，其中，保溫外殼32套設在製程腔室2上；多個加熱單元31設置在保溫外殼32與製程腔室2相對的內側壁上，分別用於對製程空間中多個不同的區域進行加熱。例如，圖4中示出了四個區域(A-D)，且四個區域(A-D)沿豎直方向分佈，與之相對應的，加熱單元31為四個，且與四個區域(A-D)一一對應，用以獨立地對四個區域(A-D)進行加熱。這樣，可以有效提高製程空間內在其周向和軸向上的溫度均勻性。同時，借助保溫外殼32，可以減少加熱單元31的熱量損耗，且避免其受外界環境影響，從而可以提高加熱效率和溫度控制精度。
可選的，為了實現溫度均勻性的自動控制以及提高溫度控制精度，半導體熱處理設備還包括溫度檢測器33和控制單元(圖中未示出)，其中，上述溫度檢測器33用於即時檢測上述製程空間中與多個加熱單元31相對應的多個區域的實際溫度值，並將其發送至控制單元；該控制單元用於根據多個區域的實際溫度值之間的差異，調節相應的加熱單元31的輸出功率，以使多個區域的溫度趨於一致。以圖4中示出的四個區域(A-D)為例，控制單元根據溫度檢測器33檢測的四個區域(A-D)的實際溫度值，採用指定的演算法計算獲得各個加熱單元31的輸出功率，例如對於靠近製程空間的頂部和底部的區域A和D，由於其因更易受環境影響而產生較多的熱量損耗，故而其輸出功率應大於區域B和C，從而可以將區域A和D與區域B和C之間的溫度差異控制在允許的溫差範圍內。
上述溫度檢測器33的結構可以有多種，例如，如圖4所示，溫度檢測器33包括檢測管331和設置在該檢測管331中的多個熱電偶332，其中，檢測管331豎直設置在上述製程空間中，且檢測管331的上端靠近 製程空間的頂部，檢測管331的下端貫穿製程腔室2(例如歧管22)側壁的底部，並延伸至製程腔室2的外部；多個熱電偶332的位置與多個區域一一對應，且多個熱電偶332的接線均自檢測管的下端引出。
上述保溫外殼32可以有多種結構，例如，如圖6所示，保溫外殼32包括筒狀側壁321、頂蓋322和保溫套323，其中，筒狀側壁321套設在製程腔室2上。例如，每個加熱單元31包括加熱絲，該加熱絲內嵌在筒狀側壁321的內側壁上，且圍繞筒狀側壁321的軸向纏繞。需要說明的是，不同的加熱單元31，加熱絲是相互獨立的，以能夠對其電流或電壓的大小進行單獨控制。當然，在實際應用中，加熱單元31還可以採用其他任意能夠產生熱量的加熱元件。而且，加熱單元31也並不局限於採用內嵌在筒狀側壁321的內側壁上的方式，只要筒狀側壁321能夠對加熱單元31起到保溫的作用即可。
上述頂蓋322設置在筒狀側壁321的頂部，用於封堵該筒狀側壁321頂部的開口，且該頂蓋322上設置有用於供上述排氣管路4穿過的通孔322a。這樣，既可以保證排氣管路4能夠與製程腔室2的排氣口21a連接，又可以避免加熱單元31產生的熱量在環境氣流的傳導下自頂部開口大量流失，從而保證控溫效果。
上述保溫套323設置在上述筒狀側壁321與製程腔室2(即，歧管22)之間，且靠近筒狀側壁321的底部，用於封堵筒狀側壁321與製程腔室2之間的環形間隔，從而可以避免加熱單元31產生的熱量自該環形間隔流失，從而保證控溫效果。
上述排氣管路4與製程腔室2的排氣口21a連接的結構可以有多種，例如，如圖7所示，製程腔室2的排氣口處設置有球形連接頭422； 排氣管路4的進氣端設置有球形法蘭421，該球形法蘭421與球形連接頭422配合連接，例如，球形法蘭421的內球面與球形連接頭422的外球面相配合。通過球形法蘭421與球形連接頭422配合連接，球形法蘭421的內球面能夠相對于球形連接頭422的外球面，圍繞該外球面的球心轉動，從而能夠改變排氣管路4相對於製程腔室2的角度，即，實現排氣管路4的角度可調，從而有利於安裝便利，同時實現了柔性連接。可選的，球形法蘭421與排氣管路4的連接方式例如為一體成型或者焊接等等；上述球形連接頭422與製程腔室2(即，製程管21)的連接方式例如為一體成型或者焊接等等。當然，在實際應用中，排氣管路4的進氣端與製程腔室2的排氣口之間還可以採用其他柔性連接或者萬向連接的方式，只要能夠實現排氣管路4的角度可調即可。此外，排氣管路4的出氣端與氣液分離裝置5連通。
可選的，在保證上述排氣管路4的進氣端與製程腔室2的排氣口保持連接的基礎上，為了密封通孔322a，避免加熱單元31產生的熱量在環境氣流的傳導下自頂部開口大量流失，頂蓋322上的通孔322a中還設置有密封結構7，該密封結構7包括第一環形密封件71、第二環形密封件72和固定組件73，其中，上述頂蓋322中的上述通孔322a為階梯孔，第一環形密封件71位於該階梯孔中，且套設在球形法蘭421上，例如，可以在球形法蘭421上設置凸台421a，該凸台421a例如位於球形法蘭421遠離排氣管路4的一端，且相對于球形法蘭421的外球面凸出，第一環形密封件71疊置在該凸台421a上，並且第一環形密封件71的外徑小於該階梯孔位於其臺階面以下的孔徑(即，最小直徑)，以避免孔壁因與第一環形密封件71接觸而磨損；上述第二環形密封件72套設在排氣管路4的進氣端上， 且位於上述階梯孔的臺階面上，且第二環形密封件72的外徑小於該階梯孔位於臺階面以上的孔徑(即，最大直徑)，以避免孔壁因與第二環形密封件72接觸而磨損。上述固定組件73與頂蓋322固定連接，且向下壓住第二環形密封件72和第一環形密封件71，以使二者產生壓縮變形。也就是說，固定組件73與上述凸台421a之間的豎直間距小於第二環形密封件72和第一環形密封件71在處於原始狀態時的厚度之和，從而使第二環形密封件72和第一環形密封件71產生壓縮變形，從而可以起到密封作用。由於製程腔室2的頂部溫度較高，為了保證保溫效果，可選的，第二環形密封件72和第一環形密封件71均使用耐火纖維材料等的耐高溫柔性材料製作。
可選的，第一環形密封件71的壓縮量大於第二環形密封件72的壓縮量。由於第一環形密封件71的壓縮量較大，其作用於凸台421a上的壓緊力較大，這使得球形法蘭421和球形連接頭422之間的密封更加可靠。同時，由於第二環形密封件72的壓縮量較小(例如0-3mm)，這可以防止階梯孔的臺階面因壓力過大而受損。
可選的，為了使製程副產物保持氣態，防止非氣態的製程副產物堵塞排氣管路4，如圖8所示，排氣管路4上沿氣體排出方向依次設置有多個排氣加熱件，分別用於對排氣管路4在上述氣體排出方向上的不同區域進行加熱。通過採用分段控溫的方式對排氣管路4進行加熱，既可以使製程副產物保持氣態，防止非氣態的製程副產物堵塞排氣管路4，又可以使自排氣管路4流入氣液分離裝置5中的氣體的溫度更有利於快速液化，從而提高液化效率。
可選的，為了進一步提高排氣管路4的氣體流動性，如圖8所 示，上述排氣管路4包括沿氣體排出方向依次連接的第一過渡管41a和第二過渡管41b，其中，該第一過渡管41a包括沿氣體排出方向依次連接的第一垂直段411、傾斜段412和第二垂直段413，該傾斜段412的進氣端高於傾斜段412的出氣端，傾斜段412相對於水平面的傾斜角度例如為5°。借助傾斜段412，可以有效提高排氣管路4的氣體流動性。上述第二過渡管41b豎直設置，以便於與氣液分離裝置5連接。另外，上述第一垂直段411和第二垂直段413分別用於實現與製程腔室2和第二過渡管41b的連接。
可選的，由於第一過渡管41a更靠近腔體組件2，其優選為諸如石英管等的耐高溫管；而第二過渡管41b則可以為成本較低的金屬管。
在上述排氣管路4採用如圖8所示的結構的基礎上，上述排氣加熱件為兩個，分別為第一排氣加熱件81和第二排氣加熱件82，其中，第一排氣加熱件81包覆在第一過渡管41a上，用以對該第一過渡管41a進行加熱；第二排氣加熱件82包覆在第二過渡管41b上，用以對該第二過渡管41b進行加熱。例如，第一排氣加熱件81的加熱溫度大於第二排氣加熱件82的加熱溫度，且使第一排氣加熱件81的加熱溫度高於製程副產物的氣化溫度較多(如350℃)，而第二排氣加熱件82的加熱溫度高於製程副產物的氣化溫度較少(如250℃)，這樣，既可以保證在第一過渡管41a為橫向管的情況下仍然能夠使其中的製程副產物具有足夠流動性，又可以使自第二過渡管41b流入氣液分離裝置5中的廢氣的溫度更有利於快速液化，從而提高液化效率。
另外，可選的，在第一過渡管41a和第二過渡管41b之間的連接處還設置有保溫部件83，用以避免該連接處產生熱量損失。並且，在 第一過渡管41a和第二過渡管41b之間還設置有密封件，該密封件的耐溫溫度例如在300℃以下。上述第二排氣加熱件82的加熱溫度應低於該耐溫溫度，以避免密封件失效。
在本實施例中，製程腔室2(例如歧管22)的側壁的底部沿周向設置有多個進氣口；並且，進氣管路環繞製程腔室2設置，該進氣管路上設置有至少一個進氣端和多個出氣端，該進氣管路的多個出氣端與多個進氣口一一對應地連通。例如，如圖9和圖10所示，進氣管路9上設置有一個進氣端911，用於與氣源連接，且進氣管路9上還設置有兩個出氣端912，二者分別與設置在製程腔室2(例如歧管22)的側壁底部的兩個進氣口連通。可選的，進氣管路9為半圓形管路，且進氣端911位於進氣管路9的中間位置，而兩個出氣端912位於進氣管路9的兩端處，這樣，自進氣端911進入進氣管路9中的氣體會分成兩路分別朝向兩個出氣端912流動，並同時經由兩個出氣端912進入製程腔室2中，從而可以提高進氣均勻性。
而且，進氣管路9上包覆有預熱結構92，該預熱結構92用於對進氣管路9中的氣體進行加熱，從而可以在製程氣體進入製程空間之前，對其進行預熱。由於氣源提供的氣體溫度一般在20℃且流量較大，該溫度遠遠低於製程空間的溫度，這使得氣體若直接進入製程空間，會帶走製程空間底部的大量熱量，從而影響溫度均勻性，為此，借助上述預熱結構92在氣體進入製程空間之前，對其進行預熱，可以改善氣流溫差對製程空間的底部溫區產生的影響，從而可以提高溫度均勻性。
預熱結構92的結構可以有多種，例如包括包覆在進氣管路9上的進氣加熱件，以及用於檢測進氣管路9中的氣體溫度的溫度檢測件 (圖中未示出)。根據該溫度檢測件檢測進氣管路9中的氣體溫度，可以實現對進氣溫度進行精確控制，以滿足製程需要。例如，使進氣管路9中的氣體的溫度與製程空間內的製程溫度一致。可選的，上述進氣加熱件的周圍還包覆有保溫件，以減少熱量損失，提高預熱效率，該保溫件例如採用矽膠或耐火纖維等的保溫材料製作。
如圖4所示，上述氣液分離裝置5例如包括氣液分離元件51、集液容器52和分別與二者連接的液體管路53以及設置在該液體管路53上的通斷閥54。其中，氣液分離元件51與上述排氣管路4連接，用於對製程空間中排出的氣體中的製程副產物進行冷卻，以使之液化，並從排出的氣體中分離出來後流入集液容器52，從而實現上述製程副產物的液化和收集。分離後的潔淨氣體會排入抽氣裝置，該抽氣裝置可以為廠務排氣管道等。
上述氣液分離元件51的結構有多種，例如，如圖11所示，氣液分離元件51為用於輸送廢氣的冷凝管道，在該冷凝管道輸送廢氣的過程中，冷凝管道的管壁能夠對廢氣進行冷凝，而且由於冷凝管道是豎直的，這使得冷凝液體在自身重力作用下從廢氣中分離出來。另外，冷凝管道的內壁上具有凸起結構511，該凸起結構511包括與冷凝管道中的廢氣輸送方向相對、且相對於冷凝管道的軸線傾斜的斜面，用於增大冷凝管道與廢氣的接觸面積，從而增強冷凝管道的冷凝效果。通過使斜面與冷凝管道中的廢氣輸送方向相對，可以保證該斜面能夠與廢氣相接觸，以實現對廢氣的冷卻。同時通過使斜面相對於冷凝管道的軸線傾斜，可以避免擾亂氣流，同時避免阻礙冷凝液體的流動。
上述凸起結構511的結構可以有多種，例如，凸起結構包括 在冷凝管道的內壁上呈陣列排布的多個片狀凸起，每個片狀凸起(所在平面)相對於冷凝管道的內壁向下傾斜，即，多個片狀凸起的頂面形成前述斜面。
綜上所述，本發明實施例提供的半導體熱處理設備，晶圓支撐元件在升入製程腔室中後會密封製程腔室底部的開口，可以保證製程空間的密封性，從而可以滿足製程對潔淨度的要求，並能夠對半導體器件進行顆粒控制；同時，利用進氣管路和排氣管路分別與位於製程腔室側壁的底部的進氣口和位於製程腔室頂部的排氣口連通，來實現進氣和排氣，可以實現對製程空間的氧含量進行控制。並且，通過套設在製程腔室上的加熱筒加熱製程腔室，可以有效提高製程空間內在其周向上的溫度均勻性，同時該加熱筒受外界環境影響較小，從而可以提高加熱效率和溫度控制精度。本發明實施例提供的半導體熱處理設備，通過將上述晶圓支撐元件、進氣管路和排氣管路以及加熱筒結合使用，不僅可以實現晶圓的顆粒和含氧量控制，而且還可以提高溫度控制精度和溫度均勻性，從而可以保證晶片性能，尤其可以滿足先進封裝制程對溫度控制、氧含量控制、顆粒控制等的綜合需求。
前述內容概括數項實施例之特徵，使得熟習此項技術者可更佳地理解本揭露之態樣。熟習此項技術者應瞭解，其等可容易地使用本揭露作為用於設計或修改用於實行本文仲介紹之實施例之相同目的及/或達成相同優點之其他製程及結構之一基礎。熟習此項技術者亦應瞭解，此等等效構造不背離本揭露之精神及範疇，且其等可在不背離本揭露之精神及範疇之情況下在本文中作出各種改變、置換及更改。
2:製程腔室
3:加熱筒
4:排氣管路
5:氣液分離裝置
21:製程管
22:歧管
23:製程門
24:晶圓支架
26:氧氣分析儀
27:晶圓
31:加熱單元
32:保溫外殼
33:溫度檢測器
51:氣液分離元件
52:集液容器
53:液體管路
54:通斷閥
331:檢測管
332:熱電偶

Claims (11)

  1. 一種半導體熱處理設備，其中包括：一製程腔室、一加熱筒、一晶圓支撐元件、一進氣管路、一排氣管路和一氣液分離裝置，其中，該製程腔室中設置有用於容納該晶圓支撐元件的一製程空間，該製程腔室底部設置有供該晶圓支撐組件進出的一開口，該製程腔室頂部設置有一排氣口，該製程腔室側壁的底部設置有一進氣口；該晶圓支撐組件可升降，該晶圓支撐組件用於升入該製程腔室中後密封該開口；該加熱筒套設在該製程腔室上，用於加熱該製程腔室；該進氣管路與該進氣口連通，用於向該製程空間中輸送氣體；該排氣管路穿過該加熱筒與該排氣口連通，用於排出該製程空間中的氣體，該排氣管路進氣端設置有一球形法蘭；該氣液分離裝置與該排氣管路連通，用於液化並收集從該製程空間中排出的氣體中的製程副產物，並排出剩餘的氣體；該加熱筒包括一保溫外殼，該保溫外殼套設在該製程腔室上，該保溫外殼包括一頂蓋，該頂蓋上設置有用於供該排氣管路穿過的一通孔；該頂蓋上的該通孔中還設置有一密封結構，該密封結構包括一第一環形密封件、一第二環形密封件和一固定組件，其中，該通孔為一階梯孔，該第一環形密封件位於該階梯孔中，套設在該球形法蘭上，該第一環形密封件的外徑小於該階梯孔位於其臺階面以下的孔徑；該第二環形密封件套設在該排氣管路的進氣端上，且位於該階梯孔的臺階面上，該第二環形密封件的外徑小於該階梯孔位於該臺階面以上的孔徑； 該固定組件與該頂蓋固定連接，且向下壓住該第二環形密封件和該第一環形密封件，以使二者產生壓縮變形。
  2. 如請求項1所述的半導體熱處理設備，其中該加熱筒還包括多個加熱單元，該多個加熱單元設置在該保溫外殼與該製程腔室相對的內側壁上，分別用於對該製程空間中多個不同的區域進行加熱；該半導體熱處理設備還包括一溫度檢測器和一控制單元，其中，該溫度檢測器用於即時檢測該製程空間中與多個該加熱單元相對應的多個該區域的實際溫度值，並將其發送至該控制單元；該控制單元用於根據多個該區域的實際溫度值之間的差異，調節相應的該加熱單元的輸出功率，以使該多個區域的溫度趨於一致。
  3. 如請求項2所述的半導體熱處理設備，其中該溫度檢測器包括一檢測管和設置在該檢測管中的多個熱電偶，其中，該檢測管豎直設置在該製程空間中，且該檢測管的上端靠近該製程腔室的頂部，該檢測管的下端貫穿該製程腔室側壁的底部並延伸至該製程腔室的外部；多個該熱電偶的位置與多個該區域一一對應。
  4. 如請求項2所述的半導體熱處理設備，其中該保溫外殼包括一筒狀側壁和一保溫套，其中，該筒狀側壁套設在該製程腔室上；該頂蓋設置在該筒狀側壁的頂部，用於封堵該筒狀側壁頂部的開 口；該保溫套設置在該筒狀側壁與該製程腔室之間，且靠近該筒狀側壁的底部，用於封堵該筒狀側壁與該製程腔室之間的一環形間隔。
  5. 如請求項4所述的半導體熱處理設備，其中該製程腔室的該排氣口處設置有一球形連接頭；該球形法蘭與該球形連接頭配合連接，該排氣管路的出氣端與該氣液分離裝置連通。
  6. 如請求項1所述的半導體熱處理設備，其中該排氣管路上沿氣體排出方向依次設置有多個排氣加熱件，分別用於對該排氣管路在該氣體排出方向上的不同區域進行加熱。
  7. 如請求項6所述的半導體熱處理設備，其中該排氣管路包括沿該氣體排出方向依次連接的一第一過渡管和一第二過渡管，其中，該第一過渡管包括沿該氣體排出方向依次連接的一第一垂直段、一傾斜段和一第二垂直段，該傾斜段的進氣端高於該傾斜段的出氣端；該第二過渡管豎直設置。
  8. 如請求項1至7任意一項所述的半導體熱處理設備，其中該製程腔室側壁的底部沿周向設置有多個進氣口；該進氣管路環繞該製程腔室設置，該進氣管路上設置有至少一個進氣端和多個出氣端，該進氣管路的該多個出氣端與該多個進氣口一一對應 地連通；該進氣管路上包覆有預熱結構，用於對該進氣管路中的氣體進行預熱。
  9. 如請求項1至7任意一項所述的半導體熱處理設備，其中該製程腔室包括製程管和歧管，其中，該製程管的底部敞開，頂部設置有該排氣口；該歧管的頂部敞開，該歧管的底部敞開形成該開口，且該歧管的頂端與該製程管的底端密封連接；該歧管的底端在該晶圓支撐組件升入該製程腔室中後與該晶圓支撐元件密封連接，以密封該歧管底部的開口；並且，該歧管的側壁上設置有該進氣口。
  10. 如請求項1至7任意一項所述的半導體熱處理設備，其中該晶圓支撐組件包括疊置的一晶圓支架、一隔熱結構和一製程門，該晶圓支撐組件升入該製程腔室中後，該晶圓支架和該隔熱結構位於該製程空間中，該製程門與該製程腔室的底端密封連接，以密封該製程腔室底部的開口；該隔熱結構用於對位於該隔熱結構上方的空間進行保溫。
  11. 如請求項10所述的半導體熱處理設備，其中該隔熱結構包括隔熱支架和設置在該隔熱支架上的多個隔熱板，且多個該隔熱板沿豎直方向間隔排布。
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