CN105280518A - 半导体基板的热处理装置 - Google Patents

Abstract

“智能城市，智能生活”的理念深入人心，人们对半导体制品的工艺要求也越来越高。作为半导体加工过程中重要一环的基板热处理装置，一直备受瞩目，而如何确保晶圆在加热过程中受热均匀，一直是从业者们殚精竭虑的难题。本发明提供了一种半导体基板的热处理装置，包括排气装置和加热腔体，所述加热腔室内在加热过程中充入氮气，通过氮气将热量间接地传递至晶圆表面，从而消除了晶圆翘曲造成的加热不均匀问题。

Description

半导体基板的热处理装置

技术领域

本发明涉及半导体器件的加工领域，更具体地说，涉及到一种半导体基板的热处理装置。

背景技术

“智能城市，智能生活”的理念不断地深入人心，人们对精密电子仪器和集成电路的诉求也愈发地热切。强劲的市场需求推动了半导体加工和制造行业的繁荣，也极大的丰富和细化了半导体器件的加工工艺。而在品目繁多的加工工艺当中，对晶圆进行加热处理的装置始终备受瞩目。

晶圆热处理装置的常规设计是：密闭腔室，密闭腔室内设置有加热器，晶圆放置其上进行热处理，即可完成加热过程。利用这种装置对晶圆进行热处理简单直接，但也存在瑕疵，忽视了很多可能严重影响晶圆品质的重要因素。

例如，该领域技术人员理应知道的，晶圆结构非常精密，在加热过程中对温度等环境参数十分敏感，任何微小的偏差都可能影响晶圆内部结构的变化，最终轻则影响生产出的产品质量，重则晶圆直接报废，不能投入使用。因此在热处理过程中，确保晶圆受热均匀将对晶圆结构的保护非常有利。然而，即便肉眼看起来非常平整的晶圆，也不可避免的存在一定程度的形变翘曲，这些翘曲或体现为晶圆表面某一部分的上凸，或体现为某一部分的下凹，或者二者兼有之。无论上述哪种情况，都将造成晶圆在加热过程中的受热不均匀。这种受热不均匀的影响在对超薄晶圆进行热处理时将体现的更为严重！

另外地，晶圆的热处理工艺往往只是众多加工工艺中的某一中间步骤，在此之前晶圆可能已经经历了抛光、显影或刻蚀等工艺中的一种或几种。上述这些工艺当中无一例外的会牵涉到各种有机溶剂或蒸汽，如果去除的不干净，残留的药液和气体会在加热过程中挥发析出，很容易形成气体乱流破坏腔室气流的均匀性，进而对晶圆的受热均匀性造成不利影响。

发明内容

因此，本发明的主要目的在于，提供一种装置，以解决对晶圆进行热处理时，晶圆的受热均匀性问题。

为了达到上述目的，本发明提供了如下技术方案：

一种半导体基板的热处理装置，包括排气装置和加热腔室，所述排气装置至少具有一个排气接口，该排气接口连接外界排气***，所述排气装置至少具有一个排气孔，该排气孔与该加热腔室连通；

所述加热腔室包括：

门，所述门的打开或关闭均可控；

热源；

温度传感器；

绝热基座，所述绝热基座用于承载和固定热源，所述绝热基座的上方留有气体流通的空间，所述绝热基座的下方留有气体流通的空间；

支撑杆，所述支撑杆贯穿所述绝热基座和所述热源，所述支撑杆用于支撑晶圆，所述支撑杆保持晶圆水平；

升降托盘，所述升降托盘连接所述支撑杆的底端，所述升降托盘的上升及下降通过驱动装置调节；

中心进气口，所述中心进气口位于所述绝热基座和热源的中心位置且贯穿所述绝热基座和热源，所述中心进气口连接外界的供气***；

进气通孔；

其中，在所述绝热基座上围绕所述热源开设有进气通道，所述进气通道连通所述绝热基座的下方空间以及上方空间，从所述进气通孔进入的气体流入该进气通道。

进一步地，所述排气装置位于所述加热腔室的上方，所述排气装置包括排气腔体，所述排气孔位于所述排气腔体的下表面且。

优选地，所述门位于所述加热腔室的侧壁，所述门的打开或关闭由气缸控制。

进一步地，所述门在晶圆进入或取出时打开，所述门在加热过程中保持关闭。

优选地，所述热源为电加热板，所述热源的材质为金属或陶瓷，所述电加热板的上表面设置有至少三个防滑销。

优选地，所述热源的内部集成有至少一个温度传感器，所述温度传感器用于监控所述热源的温度，所述温度传感器为热电偶。

优选地，所述热源放置在所述绝热基座的内部，所述热源的侧周与所述绝热基座之间存在间隙。

优选地，所述绝热基座的材质为陶瓷或石棉。

进一步地，所述支撑杆包括防滑钉和撑杆，所述防滑钉位于所述支撑杆的上端，所述支撑杆的底端通过螺栓固定连接在所述升降托盘上。

优选地，所述驱动装置为伺服马达，所述伺服马达通过控制升降托盘的上升与下降，进而控制晶圆距离所述热源的高度。

进一步地，加热过程中所述中心进气口内通入氮气，所述中心进气口内氮气的温度和流量由所述供气***调节。

进一步地，所述排气腔体包括把手、固定螺栓和滑轨，所述滑轨共两个，所述两个滑轨互相平行且分别位于所述排气腔体下方的两条棱上。

总结上述可知，热处理过程中，中心进气口中的热氮气为热量传递的媒介，由于气体的流动性，能够很好的解决由于翘曲所带来晶圆受热不均匀问题。同时，位于绝热基座上且围绕着热源开设的进气通道，作为加热腔室唯一的空气入口，能够消除乱流影响，将挥发析出气体通过排气装置排出。

附图说明

图1是本发明所述热处理装置具体实施例的整体示意图；

图2是本发明所述热处理装置具体实施例的剖视图；

图3是本发明所述热处理装置具体实施例的又一剖视图；

图4是本发明所述热处理装置具体实施例俯视时的透视图；

图5是本发明所述支撑杆的结构示意图；

图6是本发明所述热处理过程中不通入热氮气时晶圆表面温度分布的示意图；

图7是本发明所述热处理过程中通入热氮气时晶圆表面温度分布的示意图。

具体实施方式

为了详细阐述本发明的精神实质，帮助本领域技术人员切实、全面的理解本发明的完整技术方案，下面将结合实施例并配图予以说明：

附图1-4展示了本发明所述热处理装置具体实施例的各个结构特征。

图1-3对本发明所述晶圆热处理装置进行了全局性的展示。该热处理装置包括排气装置和一个加热腔室102。所述排气装置包括一个呈长方体的排气腔体101，由两个相互平行的滑轨103支撑，安放在加热腔室102的上方。所述两条滑轨103分别位于长方体排气腔体101下方的两条棱上，排气腔体101由此可以沿着滑轨103滑动。进一步地，所述排气腔体101的下方开设有一个圆形的排气孔104，该排气孔104连通加热腔室102的内部，允许加热腔室102内的气体通过该排气孔104进入到排气腔体101内，最终通过排气腔体上开设的排气接口105排出。所述排气接口105连接至外界的排气***。所述排气***能够在排气腔体101内产生负压，帮助腔体内的气体进入外界排气***，并彻底排出。该排气腔体101在沿滑轨103方向的一个侧面上还安装有一个把手106和两个固定螺栓201，所述把手106用于拉出或推入排气腔体101，所述固定螺栓201用于固定所述排气腔体101的位置。排气腔体101在加热过程中推入后能够保证装置的气密性，而在需要清洁装置时候，这种由滑轨103支撑的设计将非常有利于设备的清洁和维护。

加热腔室102是一个密闭的腔室，其在一个侧壁上开设有一个长条形的门107，所述门107由气缸控制，在晶圆108被送入或送出腔体时打开，在工艺过程进行时保持关闭，从而确保加热腔室102与外界隔离。所述门107在打开和关闭的过程中可以垂直地上下运动。另外地，所述加热腔室102的各个侧壁以及门107都可以由耐高温的密封材料制作而成，优选地，采用了双层不锈钢材料，在两层不锈钢之间可以夹有石棉。

所述加热腔室102中还集合有一个热源和一个绝热基座110，所述热源更具体地说可以是一个圆形的电加热板109。所述电加热板109可以是一个由金属铝构成的薄平板，在加热过程中该电加热板109表面的温度分布非常均匀。所述电加热板109的尺寸可以视情况而定，鉴于目前市面上比较常用的晶圆一般为8英寸晶圆和12英寸晶圆，所以该电加热板109所采用的尺寸规格为直径可以是350mm的圆形平板，所以这也使得该热处理装置能够兼容8英寸/12英寸晶圆基板，对不同尺寸的单片晶圆基板进行热处理。当然地，该电加热板109还可以做得更大，以兼容其他尺寸。

进一步地，所述电加热板109可以放置在绝热基座110的内部，该绝热基座110的中心和电加热板109的中心对齐。电加热板109虽然是完全放置于绝热基座110的内部的，但却并未将绝热基座110完全填实，其侧周也并没有紧密地接触到绝热基座110，而是存在着一定的隔离间隙202，该隔离间隙202的设置是为了避免电加热板109侧面的温度特性受到影响，同时也消除了电加热板109在受热膨胀情况下对绝热基座110造成挤压的影响。所述加热腔室102中还可以集成有温度传感器，对腔室内，尤其是电加热板109的温度进行监测以便调控。所述温度传感器优选为热电偶203，为了使测量能够更准确，通常将热电偶203直接设置在电加热板109的内部，一般不可见。

所述绝热基座110由耐高温的材料制成，优选为陶瓷。在绝热基座110上开设有一圈圆环状的进气通道111，所述进气通道111分布在电加热板109的***，围绕并包围了电加热板109。所述进气通道111连通了绝热基座110的上方空间204和下方空间205。所述上方空间204允许气体流通，所述下方空间205允许气体流通。所述进气通道111是加热腔室102唯一的空气入口。在加热过程中，通过进气通孔207灌输进来的空气流入进气通道111在加热腔体102内流通，并由排气腔体101通过排气孔104排出，整个腔体内部的气流均匀有序的流动，避免了其他有机溶剂等挥发析出气体产生的乱流影响，从而保证了晶圆108的受热均匀性。进气通道111优选与晶圆108形状对应的圆环形排布，这样可以保证气流从晶圆108四周均匀进气，整个气流的路径基本上由进气通道111流向压强较小的排气孔104，不会产生干扰乱流。

另外地，晶圆108进入加热腔室102后将被水平放置在支撑杆112上。由于三点确定一个平面的原理，所述支撑杆112优选为三根，且三根支撑杆112的高度齐平，以保证晶圆108在加热过程中始终被水平放置，均匀受热。所述支撑杆112贯穿电加热板109和绝热基座110。所述支撑杆112的底端通过螺栓208固定在一个升降托盘113上。所述升降托盘113可以在竖直方向上升或下降，相应地带动支撑杆112做上升或下降运动，进而起到控制晶圆108在加热过程中距离电加热板109高度的作用，由此可以调节晶圆108的受热程度，按要求对晶圆108进行热处理。其中图2是晶圆108距离电加热板109较高的情况下加热的示意图，而图3是晶圆109距离电加热板109位置较低的情况下进行加热时的示意图。所述升降托盘113的升降受一驱动装置控制，更具体地说可以是一个位于加热腔室109某一角的伺服马达209。该伺服马达209处还可以集成有其他控制装置和***，按照设置的程序对热处理装置做出相应的控制和调节。

在所述电加热板109和绝热基座110的中心，可以有一个中心进气口210，负责在加热过程中从晶圆108的下方供应热的惰性气体。所述惰性气体优选为氮气。所述中心进气口210贯穿电加热板109和绝热基座110，所述中心进气口210连接至外界的供气***。在加热过程中，中心进气口210内充入热氮气，使热氮气在晶圆108下方均匀、稳定地流动，接受电加热板109的加热，并将热量传递至晶圆108，从而能够消除由于晶圆108翘曲所造成的受热不均匀问题。微量的热氮气填充在晶圆108和电加热板109之间，消除了翘曲晶圆各处的高度差，再加上通入的热氮气的温度通常情况下已由外界供气***调节为与电加热板109的温度一致，所以晶圆108在加热过程中各处的温差几乎可以忽略，得到均匀地加热。该装置不仅适用于标准厚度的晶圆，由于超薄晶圆的翘曲现象通常更为严重，所以在对超薄晶圆进行处理时，其优势将体现的更加明显。所述中心进气口210中的热氮气填充与否、以及热氮气的温度及流速都是可以通过外界供气管路的控制***进行调节和控制的，如果中心进气口210内的热氮气不符合要求，***还会报警以提醒操作者。为了提高效率，一般将中心进气口210中的热氮气温度设置成与电加热板109一致的温度。

所述热处理装置还具有压缩空气接口211和氮气接口212，提供热处理过程中所需的气体。

图4是本发明所述热处理装置俯视时的透视图。图中的两个圆形虚线分别展示了该热处理装置在加热8英寸晶圆402和加热12英寸晶圆403时，8英寸晶圆402和12英寸晶圆403在加热腔室102中的对应位置。另外地，图中还展示了，所述电加热板109的上表面分布有若干防滑销401。优选地，所述防滑销401的个数为三个，且所述相邻两个防滑销401与电加热板109的中心构成的角度均为120°。同时，所述防滑销401可以位于以电加热板109的中心为圆心的同一个圆上。防滑销401的设计是出于防止晶圆108下降到接近电加热板109的位置时发生漂移的考虑，其独特的分布方式有助于保持晶圆108接触到防滑销401时仍然稳定，不发生位移。

俯视热处理装置，可以看到所述支撑杆112的排布也很有规律，三个支撑杆112中，相邻两个支撑杆112与电加热板109的中心构成的角度均为120°，且所述支撑杆112可以位于以电加热板109的中心为圆心的同一个圆上，能够稳定地支撑晶圆108且保持晶圆108始终处于水平状态。

图5揭示了本发明所述支撑杆具体结构，并对支撑杆112的结构做出了进一步的展示。

该热处理装置中所使用的支撑杆112包括防滑钉501和撑杆502。所述防滑钉501位于支撑杆112的顶端，该防滑钉501可以采用螺纹锁定的方式与位于下方的撑杆502连接为一体，能够很方便地拆卸和更换。当然地，所述防滑钉501与撑杆502的连接方式并不只有螺纹拧固一种。防滑钉501具有防滑作用，能够防止晶圆108放置在支撑杆112上随杆作上下运动时晶圆108在水平方向发生滑动偏移。

图6和图7是使用本发明所述热处理装置的具体实施例，中心进气口210内通入/不通入热氮气情况下所做出的晶圆108表面温度梯度的对比。

晶圆，特别是超薄晶圆，一般都存在一定程度的变形翘曲，如图6、7左侧的示意图所示，反映了三种不同形式的翘曲，即：晶圆表面上凸、晶圆表面下凹以及晶圆表面既有上凸又有下凹。无论哪种形式的翘曲，如果通过热源(如电加热板)直接对晶圆进行加热，由于晶圆上各点和电加热板之间的距离(h)不相同，而电加热板表面向上的空间温度的分布存在温度梯度，实际上晶圆表面不同位置的点受热温度t(h)与该点距离电加热板的高度h有关，如图6右侧的示意图所示，从而变形翘曲会影响晶圆整体加热的均匀性，造成晶圆在热处理过程中产生缺陷。图6所示的正是本发明所述热处理装置的具体实施例对晶圆进行加热未通氮气的情况。

图7则正好相反，利用上述装置对晶圆进行加热，通过中心进气口210在晶圆下表面和电加热板之间通入微量热氮气后，由于通入的氮气温度一般与电加热板的温度相同且气体具有流动性，可以保证无论在何种形式的翘曲状态下，电加热板上方一定空间内各点的温度均相同，如图7右侧的示意图所示，不存在温度梯度，从而保证了加热的均匀性，克服了对晶圆热处理时加热不均匀的难题。

对晶圆进行热处理的过程可以归结为：晶圆108加热工艺开始前，电加热板109表面的3个支撑杆112在伺服马达209的控制下上升至预先设定好的指定位置，加热腔室102侧面的门107打开，全自动机械手将需要处理晶圆108传送至电加热板109上方的支撑杆112上，机械手完成传送后从加热腔室102中退出，腔体门107关闭形成封闭的工艺环境；晶圆108热处理过程由预先设定好的加热程序决定。加热过程可以设置多个步骤依次执行，多个加热步骤可以在加热程序中设定。每个步骤可以设置该步骤热处理的时间、加热板的温度、热氮气的温度、热氮气是否使用以及晶圆108的高度；按照加热程序完成晶圆108加热后，电加热板109表面的3个支撑杆112在伺服马达209的控制下上升至预先设定好的指定位置，工艺腔体侧面的门107打开，全自动机械手将热处理完成对晶圆108从腔体中取出，腔体门107关闭。

更进一步地，该热处理装置可以作为半导体加工机台，例如显影机台的一个加热单元，与其它腔室或单元集合成为一台完成的设备。

上述权利要求书及说明书对本发明的设计初衷、实现方式以及技术效果都进行了详实、细致的描述，知悉该领域现有技术技术人员依据上述内容领会发明精神所作出的针对于该发明的各类变化及衍生设计，均应被界定为落入本发明保护范围的而承担相应的侵权风险。

Claims (13)

1.一种半导体基板的热处理装置，其特征在于，包括排气装置和加热腔室，所述排气装置至少具有一个排气接口，该排气接口连接外界的排气***，所述排气装置至少具有一个排气孔，该排气孔与该加热腔室连通；

所述加热腔室包括：

门，所述门的打开或关闭均可控；

热源；

温度传感器；

绝热基座，所述绝热基座用于承载和固定热源，所述绝热基座的上方留有气体流通的空间，所述绝热基座的下方留有气体流通的空间；

支撑杆，所述支撑杆贯穿所述绝热基座和所述热源，所述支撑杆用于支撑晶圆，所述支撑杆保持晶圆水平；

升降托盘，所述升降托盘连接所述支撑杆的底端，所述升降托盘的上升及下降通过驱动装置调节；

中心进气口，所述中心进气口位于所述绝热基座和热源的中心位置且贯穿所述绝热基座和热源，所述中心进气口连接外界的供气***；

进气通孔；

其中，在所述绝热基座上围绕所述热源开设有进气通道，所述进气通道连通所述绝热基座的下方空间以及上方空间，从所述进气通孔进入的气体流入该进气通道。

2.根据权利要求1所述的热处理装置，其特征在于，所述排气装置位于所述加热腔室的上方，所述排气装置包括排气腔体，所述排气孔位于所述排气腔体的下表面。

3.根据权利要求1所述的热处理装置，其特征在于，所述门位于所述加热腔室的侧壁，所述门的打开或关闭由气缸控制。

4.根据权利要求3所述的热处理装置，其特征在于，所述门在晶圆进入或取出时打开，所述门在加热过程中保持关闭。

5.根据权利要求1所述的热处理装置，其特征在于，所述热源为电加热板，所述热源的材质为金属或陶瓷，所述电加热板的上表面设置有至少三个防滑销。

6.根据权利要求1所述的热处理装置，其特征在于，所述热源的内部集成有至少一个温度传感器，所述温度传感器用于监控所述热源的温度，所述温度传感器为热电偶。

7.根据权利要求1所述的热处理装置，其特征在于，所述热源放置在所述绝热基座的内部，所述热源的侧周与所述绝热基座之间存在间隙。

8.根据权利要求1所述的热处理装置，其特征在于，所述绝热基座的材质为陶瓷或石棉。

9.根据权利要求1所述的热处理装置，其特征在于，所述支撑杆包括防滑钉和撑杆，所述防滑钉位于所述支撑杆的上端，所述支撑杆的底端通过螺栓固定连接在所述升降托盘上。

10.根据权利要求1所述的热处理装置，其特征在于，所述驱动装置为伺服马达，所述伺服马达通过控制升降托盘的上升与下降，进而控制晶圆距离所述热源的高度。

11.根据权利要求1所述的热处理装置，其特征在于，加热过程中所述中心进气口内通入氮气，所述中心进气口内氮气的温度和流量由所述供气***调节。

12.根据权利要求11所述的热处理装置，其特征在于，所述氮气的温度与所述电加热板的温度一致。

13.根据权利要求2所述的热处理装置，其特征在于，所述排气腔体进一步包括把手、固定螺栓和滑轨，所述滑轨共两个，所述两个滑轨互相平行且分别位于所述排气腔体下方的两条棱上。