具有可移动热挡板的半导体片红外快速热处理腔

摘要

本发明涉及具有可移动热挡板半导体片红外快速热处理腔，属于极大规模集成电路和半导体制造的工艺设备技术领域，该热处理腔包括：由扁平矩形双层石英腔，固定在石英内、外腔之间的红外加热腔和红外反射板，该石英内腔的前端伸入石英外腔中，该石英内、外腔的前端面设置有密封腔盖及其密封阀门，还包括固定有石英片托的机械手及驱动机构；在双层石英腔外还设置有可移动热挡板，该热挡板能沿该双层石英腔轴线方向从双层石英腔后端伸入到石英内腔外壁与扁平矩形红外加热腔内壁之间的缝隙内。本发明可使半导体片迅速升降温，实现真正的尖峰退火。该热处理腔加热半导体片温度均匀、范围宽，加热半导体片升温速率和降温速率快，半导体片尺寸任意大小，生产效率高。

权利要求

1.一种具有可移动热挡板半导体片红外快速热处理腔，其特征在于，该热处理腔包括：由石英内腔及套在该内腔外的石英外腔构成的扁平矩形双层石英腔，固定在所述石英内、外腔之间的扁平矩形红外加热腔和红外反射板，在该石英内、外腔的端面各设有通气口；石英内腔的前端伸入石英外腔中，该石英内、外腔的前端面设置有密封腔盖，在该腔盖内腔中间设置有能进出半导体片的密封阀门，还包括装卸半导体片的机械手及机械手驱动机构；在所述的机械手上固定有石英片托；在所述双层石英腔外还设置有可移动热挡装置，该可移动热挡装置的热挡板能沿该双层石英腔轴线方向从双层石英腔后端伸入到石英内腔外壁与扁平矩形红外加热腔内壁之间的缝隙内。

2.如权利要求1所述的具有可移动热挡板半导体片红外快速热处理腔，其特征在于，所述的可移动热挡装置包括由上下相对扣合的两块U型的热挡板，或是由多块热挡板组成的热挡筒，还包括该热挡板或热挡筒的驱动机构，以及支撑该热挡板或热挡筒的导轨。

3.如权利要求1所述的具有可移动热挡板半导体片红外快速热处理腔，其特征在于，所述的可移动热挡装置包括由两组上下相对扣合的两块U型的热挡板，或是两组由多块热挡板组成的热挡筒，还包括该热挡板或热挡筒的驱动机构，以及支撑该热挡板或热挡筒的导轨，所述两组热挡板或热挡筒设置在所述双层石英腔两端。

4.如权利要求2或3所述的具有可移动热挡板半导体片红外快速热处理腔，其特征在于，所述的热挡板或热挡筒为内部具有真空或可通水冷却介质的夹层石英板、陶瓷板或者其它耐高温材料制成，该热挡板或热挡筒面对红外加热腔一侧具有高反射率，面对半导体片一侧具有高吸收率。

5.如权利要求1所述的具有可移动热挡板半导体片红外快速热处理腔，其特征在于，所述的扁平矩形红外加热腔和红外反射板开有测温孔。

6.如权利要求1所述的具有可移动热挡板半导体片红外快速热处理腔，其特征在于，所述的扁平矩形红外加热腔，与其周围的红外反射板均固定在石英外腔内设置的耐高温绝热材料框架上。

7.如权利要求1所述的具有可移动热挡板半导体片红外快速热处理腔，其特征在于，所述扁平矩形红外加热腔采用石墨材料制成，或采用石墨材料外包碳化硅薄膜，或采用耐高温抗氧化合金材料制成。

8.如权利要求7所述的具有可移动热挡板半导体片红外快速热处理腔，其特征在于，所述的扁平矩形石墨加热腔采用高频、直流电或交流电加热。

9.如权利要求1所述的具有可移动热挡板半导体片红外快速热处理腔，其特征在于，还包括与所述密封腔盖相连的半导体片转移腔，所述密封腔盖中间设有矩形密闭阀门，所述的机械手及机械手驱动机构设置在该转移腔内，该转移腔的另一侧设有可开启的阀门。

说明书

技术领域

本发明属于极大规模集成电路和半导体制造的工艺设备技术领域，特别涉及半导体片红外快速热处理腔的结构设计。

背景技术

为了满足超大规模集成电路超浅结、硅化物形成、薄氧生长和快速热氮化等工艺技术的要求，本申请发明人发明了采用射频感应加热扁平矩形石墨腔作为红外快速辐射热源，使红外快速热处理设备的热处理石英腔的温度均匀性满足8＂(Φ200mm)以下半导体片的要求(实用新型专利：红外快速热处理设备的热处理石英腔，专利号：2L 93241758.2)。其结构如图1所示：矩形石英腔1外围绕着射频线圈2，石英腔一端有一通氮气N2的进气管3，另一端是与中间开有扁平孔的腔盖4相连，涂有介质膜的红外反射板5用石英框架7固定在矩形石英腔1内，由内外表面包封一层碳化硅膜的扁平矩形石墨腔6固定在红外反射板5内，半导体片9放在石英片架8上被机械手送入石墨腔6内加热。该专利由于采用整个扁平矩形石墨腔6从上下左右四周加热其间的半导体片，再加上在周围还设置了红外反射板5，使温度场非常均匀，从而保证了快速热处理8＂(Φ200mm)以下半导体片的温度均匀性，满足了超大规模集成电路工艺技术的特殊要求。
近年来随着极大规模集成电路的迅速发展，半导体片尺寸已发展到12＂(Φ300mm)甚至更大，线条已下降到60nm或者45nm、32nm甚至更小，因而对红外快速热处理设备提出了更高要求：首先必须保证Φ300mm半导体片加热均匀。其次必须满足60纳米节点以下线宽的极大规模集成电路极快速度升降温退火的尖峰退火技术要求。而在上述已有加热腔中退火半导体片，无法实现极快速度的升温和极快速度的降温。因为在将半导体片送进加热腔时，如果升温速度太快，会由于加热器的热惰性，大大超过预设的加热温度，控温系统无法精确控制其温度；而在将半导体片拉出加热腔时，半导体片会继续受到石墨加热腔的热辐射，无法迅速降温。因此，上述结构红外快速热处理腔已不能满足要求。

发明内容

本发明的目的是在于针对已有技术存在的问题，提出一种具有可移动热挡板的半导体片红外快速热处理腔，采用具有可快速移动的热挡板结构，当半导体片在石墨加热腔中以极快速度加热到预定的高温时，可移动热挡板可快速插入半导体片与石墨加热腔之间的缝隙，将退火后的半导体片与石墨腔热辐射源完全隔离，从而使高温半导体片迅速降温，实现真正的尖峰退火。
本发明提出的具有可移动热挡板半导体片红外快速热处理腔，其特征在于，该热处理腔包括：由石英内腔及套在该内腔外的石英外腔构成的扁平矩形双层石英腔，固定在所述石英内、外腔之间的扁平矩形红外加热腔和红外反射板，在该石英内、外腔的端面各设有通气口；石英内腔的前端伸入石英外腔中，该石英内、外腔的前端面设置有密封腔盖，在该腔盖内腔中间设置有能进出半导体片的密封阀门，还包括装卸半导体片的机械手及机械手驱动机构；在所述的机械手上固定有石英片托；在所述双层石英腔外还设置有可移动热挡装置，该可移动热挡装置的热挡板能沿该双层石英腔轴线方向从双层石英腔后端伸入到石英内腔外壁与扁平矩形红外加热腔内壁之间的缝隙内。
本发明的技术特点及效果：
本发明的具有可移动热挡板半导体片红外快速热处理腔，采用可快速移动热挡装置。当半导体片在石墨加热腔中以极快速度加热到预定的高温时，其中的可移动挡板快速插入半导体片与石墨加热腔之间的缝隙。该可移动热挡板不仅将退火后的半导体片与石墨腔热辐射源完全隔离，而且同时吸收高温半导体片辐射的能量，从而使高温半导体片迅速降温，实现真正的尖峰退火。该热处理腔，半导体片加热温度范围宽，半导体片加热升温速率和降温速率快，半导体片尺寸任意大小，生产率高。

附图说明

图1为已有技术的热处理石英腔示意图。
图2为本发明的具有可移动热挡板半导体片红外快速热处理腔示意图

具体实施方式

本发明提出的可移动热挡板半导体片红外快速热处理腔结合附图及实施例进一步说明如下：
本发明提出的可移动热挡板半导体片红外快速热处理腔实施例的总体结构如图2所示，主要包括：由石英内腔21及套在该内腔外的石英外腔15构成的扁平矩形双层石英腔，固定在该石英内、外腔15之间的扁平矩形石墨加热腔13(或采用石墨材料外包碳化硅薄膜，或采用耐高温抗氧化合金材料制成的红外加热腔。)和红外反射板14，在石英外腔15外侧绕有射频感应线圈16，石英内腔的外侧周面与石英外腔的后端面相互连接，在所述石英内、外腔的后端面均设有通气口151、25，内腔可以通入各类工艺气体，外腔通入保护气体防止石墨加热腔粘污和氧化；石英内腔的前端部伸入石英外腔中，该石英内、外腔的前端面设置有密封腔盖31，在该腔盖中心设置有密封阀门32(采用三态矩形密闭阀门)可以进出半导体片；还包括机械手35(采用具有旋转三折臂的机械手)及机械手驱动机构36；在所述的机械手上固定有石英片托12，半导体片11处于石英片托中间，半导体片外围有防滑移线保护环，该保护环由硅片圆环制成。该机械手35可通过该阀门32将半导体片11送到石英内腔21内并处于扁平矩形石墨加热腔13中。
在所述双层石英腔体外还设置有可移动热挡装置，该热挡装置的可移动热挡板能沿该双层石英腔轴线方向从双层石英腔外后端伸入到石英内腔21外壁与扁平矩形石墨加热腔13内壁之间的缝隙26内，将退火后的半导体片与石墨腔热辐射源完全隔离，从而使高温半导体片迅速降温，实现真正的尖峰退火。
本实施例的可移动热挡装置包括由上下两个相对扣合的U型热挡板221和222(或是由多块热挡板组成的矩形热挡筒)，与热挡板相连的驱动机构24(采用马达或气缸驱动)，以及支撑热挡板的导轨231、232。当半导体片加热之前，该热挡板处于所述的双层石英腔外侧，当半导体片加热到设定温度时，该热挡板在驱动机构24(马达或气缸)驱动下沿导轨231、232快速滑动、插入石英内腔21与扁平矩形石墨加热腔13之间的缝隙26，将辐射热源石墨加热腔13与半导体片11隔离开。
所述的可移动热挡装置还可采用由两组上下相对扣合的两块U型的热挡板，或是两个热挡筒，以及热挡板或热挡筒的驱动机构，支撑该热挡板或热挡筒的导轨，所述两组热挡板或热挡筒分别设置在所述双层石英腔两端。该两个热挡板在驱动机构(马达或气缸)驱动下沿导轨快速滑动、从双层石英腔两端插入石英内腔与扁平矩形石墨加热腔之间的缝隙，将辐射热源石墨加热腔与半导体片隔离开。使得加热腔与半导体片更快的隔离。
所述的可移动热挡板221、222(或热挡筒)为内部具有真空或可通水等冷却介质的夹层石英板、陶瓷板或者耐高温材料制成，其外侧(面对石墨腔加热源一侧)有高反射率涂层，可以95％以上反射石墨加热腔13的辐射能量，其内侧(面对半导体片一侧)有高吸收涂层，可以95％以上吸收高温半导体片11辐射的能量。或用高反射率与高吸收率的两种材料复合而成。
在扁平矩形石墨加热腔13和红外反射板14上侧平板的中心还可开有测温孔19，高温红外测温计18透过该测温孔19可以直接测量到放在石墨加热腔内的半导体片11温度。
所述的扁平矩形石墨加热腔13，与其周围的红外反射板14均固定在石英外腔内设置的石英框架(或用陶瓷和其它耐高温绝热材料制成)17上，扁平矩形石墨加热腔13内外表面包覆碳化硅薄层。
本实施例还可包括与所述密封腔盖31相连的半导体片转移腔33，所述的机械手35及机械手驱动机构36设置在该转移腔内，转移腔33的另一端设有前侧门34，通过打开前侧门34中间的矩形密闭阀门37，实现被加热半导体片11的送进和取出。所述转移腔33可以通水冷却和通氮气确保其洁净度。
所述固定在机械手35上的防滑移石英片托12，可以通过转移腔后侧门31上的阀门32，将承载的半导体片11送到石墨加热腔13加热，而加热完成后又将半导体片11送回到转移腔33冷却。
所述的可移动热挡板221、222或热档筒也可以分成两部分，分别从扁平矩形石墨加热腔13前端和后端两个方向同时插入石英内腔21与扁平矩形石墨加热腔13之间的缝隙26。
所述的扁平矩形石墨加热腔13也可以用直流电或交流电加热，它是由上下两块带有引线电极的开槽的U型石墨板(或采用石墨材料外包碳化硅薄膜，或采用耐高温抗氧化合金材料)相对扣合而成。
本实施例的各部件均可采用本领域的常规产品或用常规技能制备组装而成。
为了满足300mm/60nm极大规模集成电路工艺技术要求，保证Φ300mm半导体片处于扁平腔中心均匀温度场内，加热温度均匀，本实施例的扁平矩形石墨加热腔的宽度最好大于半导体片直径的1.1倍，石墨加热腔的长度最好大于半导体片直径的1.5倍。
本实施例采用可快速移动热挡装置。当半导体片在石墨加热腔中以极快速度加热到预定的高温时，其可移动挡板快速插入半导体片与石墨加热腔之间的缝隙。若可移动热挡板其内部具有可通水冷却的夹层，其外侧(面对石墨腔加热源一侧)有高反射率涂层，可以95％以上反射石墨加热腔的辐射能量，其内侧(面对半导体片一侧)有高吸收涂层，可以95％以上吸收高温半导体片辐射的能量，所以该可移动热挡板不仅将退火后的半导体片与石墨腔热辐射源完全隔离，而且同时吸收高温半导体片辐射的能量，从而使高温半导体片迅速降温，实现真正的尖峰退火。
本实施例半导体片加热温度范围为300—1300℃，半导体片加热升温速率和降温速率最大可以达到300—400℃，生产率可达每小时60片。用于任意尺寸(如：Φ200mm、Φ300mm、Φ450mm等)半导体片，60nm/45nm/32nm或更小线条的半导体片高浓度注入超浅PN结快速退火，难熔金属硅化物形成，薄栅介质膜和硅化物快速热氮化，(硼)磷硅玻璃回流，短沟MOS工艺，半导体基片热施主消除以及砷化镓快速退火等。