專利名稱：具有可移動(dòng)熱擋板的半導(dǎo)體片紅外快速熱處理腔的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于極大規(guī)模集成電路和半導(dǎo)體制造的工藝設(shè)備技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及半導(dǎo)體片 紅外快速熱處理腔的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。
背景技術(shù)：
為了滿足超大規(guī)模集成電路超淺結(jié)、硅化物形成、薄氧生長(zhǎng)和快速熱氮化等工藝技術(shù) 的要求，本申請(qǐng)發(fā)明人發(fā)明了采用射頻感應(yīng)加熱扁平矩形石墨腔作為紅外快速輻射熱源， 使紅外快速熱處理設(shè)備的熱處理石英腔的溫度均勻性滿足8"(①200mm)以下半導(dǎo)體片 的要求(實(shí)用新型專利紅外快速熱處理設(shè)備的熱處理石英腔，專利號(hào)2L93241758.2)。 其結(jié)構(gòu)如圖1所示矩形石英腔1外圍繞著射頻線圈2，石英腔一端有一通氮?dú)釴2的進(jìn) 氣管3，另一端是與中間開有扁平孔的腔蓋4相連，涂有介質(zhì)膜的紅外反射板5用石英框 架7固定在矩形石英腔1內(nèi)，由內(nèi)外表面包封一層碳化硅膜的扁平矩形石墨腔6固定在紅 外反射板5內(nèi)，半導(dǎo)體片9放在石英片架8上被機(jī)械手送入石墨腔6內(nèi)加熱。該專利由于 采用整個(gè)扁平矩形石墨腔6從上下左右四周加熱其間的半導(dǎo)體片，再加上在周圍還設(shè)置了 紅外反射板5，使溫度場(chǎng)非常均勻，從而保證了快速熱處理8" (0200mm)以下半導(dǎo)體片 的溫度均勻性，滿足了超大規(guī)模集成電路工藝技術(shù)的特殊要求。近年來隨著極大規(guī)模集成電路的迅速發(fā)展，半導(dǎo)體片尺寸已發(fā)展到12" (cD300mm) 甚至更大，線條已下降到60nm或者45nm、 32nm甚至更小，因而對(duì)紅外快速熱處理設(shè)備 提出了更高要求首先必須保證①300mm半導(dǎo)體片加熱均勻。其次必須滿足60納米節(jié)點(diǎn) 以下線寬的極大規(guī)模集成電路極快速度升降溫退火的尖峰退火技術(shù)要求。而在上述已有加 熱腔中退火半導(dǎo)體片，無法實(shí)現(xiàn)極快速度的升溫和極快速度的降溫。因?yàn)樵趯雽?dǎo)體片送 進(jìn)加熱腔時(shí)，如果升溫速度太快，會(huì)由于加熱器的熱惰性，大大超過預(yù)設(shè)的加熱溫度，控 溫系統(tǒng)無法精確控制其溫度；而在將半導(dǎo)體片拉出加熱腔時(shí)，半導(dǎo)體片會(huì)繼續(xù)受到石墨加 熱腔的熱輻射，無法迅速降溫。因此，上述結(jié)構(gòu)紅外快速熱處理腔己不能滿足要求。發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的是在于針對(duì)已有技術(shù)存在的問題，提出一種具有可移動(dòng)熱擋板的半導(dǎo)體 片紅外快速熱處理腔，采用具有可快速移動(dòng)的熱擋板結(jié)構(gòu)，當(dāng)半導(dǎo)體片在石墨加熱腔中以 極快速度加熱到預(yù)定的高溫時(shí)，可移動(dòng)熱擋板可快速插入半導(dǎo)體片與石墨加熱腔之間的縫 隙，將退火后的半導(dǎo)體片與石墨腔熱輻射源完全隔離，從而使高溫半導(dǎo)體片迅速降溫，實(shí) 現(xiàn)真正的尖峰退火。本發(fā)明提出的具有可移動(dòng)熱擋板半導(dǎo)體片紅外快速熱處理腔，其特征在于，該熱處理 腔包括由石英內(nèi)腔及套在該內(nèi)腔外的石英外腔構(gòu)成的扁平矩形雙層石英腔，固定在所述 石英內(nèi)、外腔之間的扁平矩形紅外加熱腔和紅外反射板，在該石英內(nèi)、外腔的端面各設(shè)有 通氣口；石英內(nèi)腔的前端伸入石英外腔中，該石英內(nèi)、外腔的前端面設(shè)置有密封腔蓋，在 該腔蓋內(nèi)腔中間設(shè)置有能進(jìn)出半導(dǎo)體片的密封閥門，還包括裝卸半導(dǎo)體片的機(jī)械手及機(jī)械 手驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)；在所述的機(jī)械手上固定有石英片托；在所述雙層石英腔外還設(shè)置有可移動(dòng)熱 擋裝置，該可移動(dòng)熱擋裝置的熱擋板能沿該雙層石英腔軸線方向從雙層石英腔后端伸入到 石英內(nèi)腔外壁與扁平矩形紅外加熱腔內(nèi)壁之間的縫隙內(nèi)。
本發(fā)明的技術(shù)特點(diǎn)及效果
本發(fā)明的具有可移動(dòng)熱擋板半導(dǎo)體片紅外快速熱處理腔，采用可快速移動(dòng)熱擋裝置。 當(dāng)半導(dǎo)體片在石墨加熱腔中以極快速度加熱到預(yù)定的高溫時(shí)，其中的可移動(dòng)擋板快速插入 半導(dǎo)體片與石墨加熱腔之間的縫隙。該可移動(dòng)熱擋板不僅將退火后的半導(dǎo)體片與石墨腔熱 輻射源完全隔離，而且同時(shí)吸收高溫半導(dǎo)體片輻射的能量，從而使高溫半導(dǎo)體片迅速降溫， 實(shí)現(xiàn)真正的尖峰退火。該熱處理腔，半導(dǎo)體片加熱溫度范圍寬，半導(dǎo)體片加熱升溫速率和 降溫速率快，半導(dǎo)體片尺寸任意大小，生產(chǎn)率高。


圖1為已有技術(shù)的熱處理石英腔示意圖。
圖2為本發(fā)明的具有可移動(dòng)熱擋板半導(dǎo)體片紅外快速熱處理腔示意圖
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明提出的可移動(dòng)熱擋板半導(dǎo)體片紅外快速熱處理腔結(jié)合附圖及實(shí)施例進(jìn)一步說 明如下
本發(fā)明提出的可移動(dòng)熱擋板半導(dǎo)體片紅外快速熱處理腔實(shí)施例的總體結(jié)構(gòu)如圖2所 示，主要包括由石英內(nèi)腔21及套在該內(nèi)腔外的石英外腔15構(gòu)成的扁平矩形雙層石英腔，
固定在該石英內(nèi)、外腔15之間的扁平矩形石墨加熱腔13 (或采用石墨材料外包碳化硅薄 膜，或采用耐高溫抗氧化合金材料制成的紅外加熱腔。)和紅外反射板14，在石英外腔15 外側(cè)繞有射頻感應(yīng)線圈16, ^英內(nèi)腔的外側(cè)周面與石英外腔的后端面相互連接，在所述 石英內(nèi)、外腔的后端面均設(shè)有通氣口 151、 25，內(nèi)腔可以通入各類工藝氣體，外腔通入保 護(hù)氣體防止石墨加熱腔粘污和氧化；石英內(nèi)腔的前端部伸入石英外腔中，該石英內(nèi)、外腔 的前端面設(shè)置有密封腔蓋31，在該腔蓋中心設(shè)置有密封閥門32(采用三態(tài)矩形密閉閥門) 可以進(jìn)出半導(dǎo)體片；還包括機(jī)械手35 (采用具有旋轉(zhuǎn)三折臂的機(jī)械手)及機(jī)械手驅(qū)動(dòng)機(jī) 構(gòu)36;在所述的機(jī)械手上固定有石英片托12，半導(dǎo)體片ll處于石英片托中間，半導(dǎo)體片 外圍有防滑移線保護(hù)環(huán)，該保護(hù)環(huán)由硅片圓環(huán)制成。該機(jī)械手35可通過該閥門32將半導(dǎo) 體片11送到石英內(nèi)腔21內(nèi)并處于扁平矩形石墨加熱腔13中。在所述雙層石英腔體外還設(shè)置有可移動(dòng)熱擋裝置，該熱擋裝置的可移動(dòng)熱擋板能沿該 雙層石英腔軸線方向從雙層石英腔外后端伸入到石英內(nèi)腔21外壁與扁平矩形石墨加熱腔 13內(nèi)壁之間的縫隙26內(nèi)，將退火后的半導(dǎo)體片與石墨腔熱輻射源完全隔離，從而使高溫 半導(dǎo)體片迅速降溫，實(shí)現(xiàn)真正的尖峰退火。，本實(shí)施例的可移動(dòng)熱擋裝置包括由上下兩個(gè)相對(duì)扣合的U型熱擋板221和222 (或是 由多塊熱擋板組成的矩形熱擋筒)，與熱擋板相連的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)24 (采用馬達(dá)或氣缸驅(qū)動(dòng))， 以及支撐熱擋板的導(dǎo)軌231、 232。當(dāng)半導(dǎo)體片加熱之前，該熱擋板處于所述的雙層石英 腔外側(cè)，當(dāng)半導(dǎo)體片加熱到設(shè)定溫度時(shí)，該熱擋板在驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)24 (馬達(dá)或氣缸)驅(qū)動(dòng)下 沿導(dǎo)軌231、 232快速滑動(dòng)、插入石英內(nèi)腔21與扁平矩形石墨加熱腔13之間的縫隙26， 將輻射熱源石墨加熱腔13與半導(dǎo)體片11隔離開。所述的可移動(dòng)熱擋裝置還可采用由兩組上下相對(duì)扣合的兩塊U型的熱擋板，或是兩個(gè) 熱擋筒，以及熱擋板或熱擋筒的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，支撐該熱擋板或熱擋筒的導(dǎo)軌，所述兩組熱擋 板或熱擋筒分別設(shè)置在所述雙層石英腔兩端。該兩個(gè)熱擋板在驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)(馬達(dá)或氣缸)驅(qū) 動(dòng)下沿導(dǎo)軌快速滑動(dòng)、從雙層石英腔兩端插入石英內(nèi)腔與扁平矩形石墨加熱腔之間的縫 隙，將輻射熱源石墨加熱腔與半導(dǎo)體片隔離開。使得加熱腔與半導(dǎo)體片更快的隔離。所述的可移動(dòng)熱擋板221、 222 (或熱擋筒)為內(nèi)部具有真空或可通水等冷卻介質(zhì)的 夾層石英板、陶瓷板或者耐高溫材料制成，其外側(cè)(面對(duì)石墨腔加熱源一側(cè))有高反射率 涂層，可以95%以上反射石墨加熱腔13的輻射能量，其內(nèi)側(cè)(面對(duì)半導(dǎo)體片一側(cè))有高 吸收涂層，可以95%以上吸收高溫半導(dǎo)體片11輻射的能量?；蛴酶叻瓷渎逝c高吸收率的 兩種材料復(fù)合而成。在扁平矩形石墨加熱腔13和紅外反射板14上側(cè)平板的中心還可開有測(cè)溫孔19，高 溫紅外測(cè)溫計(jì)18透過該測(cè)溫孔19可以直接測(cè)量到放在石墨加熱腔內(nèi)的半導(dǎo)體片11溫度。所述的扁平矩形石墨加熱腔13,與其周圍的紅外反射板14均固定在石英外腔內(nèi)設(shè)置 的石英框架(或用陶瓷和其它耐高溫絕熱材料制成)17上，扁平矩形石墨加熱腔13內(nèi)外 表面包覆碳化硅薄層。本實(shí)施例還可包括與所述密封腔蓋31相連的半導(dǎo)體片轉(zhuǎn)移腔33，所述的機(jī)械手35 及機(jī)械手驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)36設(shè)置在該轉(zhuǎn)移腔內(nèi)，轉(zhuǎn)移腔33的另一端設(shè)有前側(cè)門34，通過打開 前側(cè)門34中間的矩形密閉閥門37，實(shí)現(xiàn)被加熱半導(dǎo)體片11的送進(jìn)和取出。所述轉(zhuǎn)移腔 33可以通水冷卻和通氮?dú)獯_保其潔凈度。所述固定在機(jī)械手35上的防滑移石英片托12，可以通過轉(zhuǎn)移腔后側(cè)門31上的閥門 32，將承載的半導(dǎo)體片11送到石墨加熱腔13加熱，而加熱完成后又將半導(dǎo)體片11送回 到轉(zhuǎn)移腔33冷卻。所述的可移動(dòng)熱擋板221、 222或熱檔筒也可以分成兩部分，分別從扁平矩形石墨加 熱腔13前端和后端兩個(gè)方向同時(shí)插入石英內(nèi)腔21與扁平矩形石墨加熱腔13之間的縫隙 26。所述的扁平矩形石墨加熱腔13也可以用直流電或交流電加熱，它是由上下兩塊帶有 引線電極的開槽的U型石墨板(或采用石墨材料外包碳化硅薄膜，或采用耐高溫抗氧化合 金材料)相對(duì)扣合而成。
本實(shí)施例的各部件均可采用本領(lǐng)域的常規(guī)產(chǎn)品或用常規(guī)技能制備組裝而成。
為了滿足300mm/60nm極大規(guī)模集成電路工藝技術(shù)要求，保證①300mm半導(dǎo)體片處 于扁平腔中心均勻溫度場(chǎng)內(nèi)，加熱溫度均勻，本實(shí)施例的扁平矩形石墨加熱腔的寬度最好 大于半導(dǎo)體片直徑的1.1倍，石墨加熱腔的長(zhǎng)度最好大于半導(dǎo)體片直徑的1.5倍。
本實(shí)施例采用可快速移動(dòng)熱擋裝置。當(dāng)半導(dǎo)體片在石墨加熱腔中以極快速度加熱到預(yù) 定的高溫時(shí)，其可移動(dòng)擋板快速插入半導(dǎo)體片與石墨加熱腔之間的縫隙。若可移動(dòng)熱擋板 其內(nèi)部具有可通水冷卻的夾層，其外側(cè)(面對(duì)石墨腔加熱源一側(cè))有高反射率涂層，可以 95%以上反射石墨加熱腔的輻射能量，其內(nèi)側(cè)(面對(duì)半導(dǎo)體片一側(cè))有高吸收涂層，可以 95%以上吸收高溫半導(dǎo)體片輻射的能量，所以該可移動(dòng)熱擋板不僅將退火后的半導(dǎo)體片與 石墨腔熱輻射源完全隔離，而且同時(shí)吸收高溫半導(dǎo)體片輻射的能量，從而使高溫半導(dǎo)體片 迅速降溫，實(shí)現(xiàn)真正的尖峰退火。
本實(shí)施例半導(dǎo)體片加熱溫度范圍為300—1300'C，半導(dǎo)體片加熱升溫速率和降溫速率 最大可以達(dá)到300—400'C，生產(chǎn)率可達(dá)每小時(shí)60片。用于任意尺寸(如0200mm、 0> 300mm、①450mm等)半導(dǎo)體片，60nm/45nm/32nm或更小線條的半導(dǎo)體片高濃度注入 超淺PN結(jié)快速退火，難熔金屬硅化物形成，薄柵介質(zhì)膜和硅化物快速熱氮化，(硼)磷硅 玻璃回流，短溝MOS工藝，半導(dǎo)體基片熱施主消除以及砷化鎵快速退火等。
權(quán)利要求
1、一種具有可移動(dòng)熱擋板半導(dǎo)體片紅外快速熱處理腔，其特征在于，該熱處理腔包括由石英內(nèi)腔及套在該內(nèi)腔外的石英外腔構(gòu)成的扁平矩形雙層石英腔，固定在所述石英內(nèi)、外腔之間的扁平矩形紅外加熱腔和紅外反射板，在該石英內(nèi)、外腔的端面各設(shè)有通氣口；石英內(nèi)腔的前端伸入石英外腔中，該石英內(nèi)、外腔的前端面設(shè)置有密封腔蓋，在該腔蓋內(nèi)腔中間設(shè)置有能進(jìn)出半導(dǎo)體片的密封閥門，還包括裝卸半導(dǎo)體片的機(jī)械手及機(jī)械手驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)；在所述的機(jī)械手上固定有石英片托；在所述雙層石英腔外還設(shè)置有可移動(dòng)熱擋裝置，該可移動(dòng)熱擋裝置的熱擋板能沿該雙層石英腔軸線方向從雙層石英腔后端伸入到石英內(nèi)腔外壁與扁平矩形紅外加熱腔內(nèi)壁之間的縫隙內(nèi)。
2、 如權(quán)利要求1所述的具有可移動(dòng)熱擋板半導(dǎo)體片紅外快速熱處理腔，其特征在于， 所述的可移動(dòng)熱擋裝置包括由上下相對(duì)扣合的兩塊U型的熱擋板，或是由多塊熱擋板組成 的熱擋筒，還包括該熱擋板或熱擋筒的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，以及支撐該熱擋板或熱擋筒的導(dǎo)軌。
3、 如權(quán)利要求1所述的具有可移動(dòng)熱擋板半導(dǎo)體片紅外快速熱處理腔，其特征在于， 所述的可移動(dòng)熱擋裝置包括由兩組上下相對(duì)扣合的兩塊U型的熱擋板，或是兩組由多塊熱 擋板組成的熱擋筒，還包括該熱擋板或熱擋筒的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，以及支撐該熱擋板或熱擋筒的 導(dǎo)軌，所述兩組熱擋板或熱擋筒設(shè)置在所述雙層石英腔兩端。
4、 如權(quán)利要求2或3所述的具有可移動(dòng)熱擋板半導(dǎo)體片紅外快速熱處理腔，其特征 在于，所述的熱擋板或熱擋筒為內(nèi)部具有真空或可通水等冷卻介質(zhì)的夾層石英板、陶瓷板 或者耐高溫材料制成，該熱擋板或熱擋筒面對(duì)紅外加熱腔一側(cè)具有高反射率，面對(duì)半導(dǎo)體 片一側(cè)具有高吸收率。
5、 如權(quán)利要求1所述的具有可移動(dòng)熱擋板半導(dǎo)體片紅外快速熱處理腔，其特征在于， 所述的扁平矩形紅外加熱腔和紅外反射板開有測(cè)溫孔。
6、 如權(quán)利要求1所述的具有可移動(dòng)熱擋板半導(dǎo)體片紅外快速熱處理腔，其特征在于， 所述的扁平矩形紅外加熱腔，與其周圍的紅外反射板均固定在石英外腔內(nèi)設(shè)置的耐高溫絕 熱材料框架上。
7、 如權(quán)利要求1所述的具有可移動(dòng)熱擋板半導(dǎo)體片紅外快速熱處理腔，其特征在于， 所述扁平矩形紅外加熱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 高溫抗氧化合金材料制成。
8、 如權(quán)利要求7所述的具有可移動(dòng)熱擋板半導(dǎo)體片紅外快速熱處理腔，其特征在于， 所述的扁平矩形石墨加熱腔采用高頻、直流電或交流電加熱。
9、 如權(quán)利要求l所述的具有可移動(dòng)熱擋板半導(dǎo)體片紅外快速熱處理腔，其特征在于， 還包括與所述密封腔蓋相連的半導(dǎo)體片轉(zhuǎn)移腔，所述密封腔蓋中間設(shè)有矩形密閉閥門，所 述的機(jī)械手及機(jī)械手驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)置在該轉(zhuǎn)移腔內(nèi)，該轉(zhuǎn)移腔的另一側(cè)設(shè)有可開啟的閥門。
全文摘要
本發(fā)明涉及具有可移動(dòng)熱擋板半導(dǎo)體片紅外快速熱處理腔，屬于極大規(guī)模集成電路和半導(dǎo)體制造的工藝設(shè)備技術(shù)領(lǐng)域，該熱處理腔包括由扁平矩形雙層石英腔，固定在石英內(nèi)、外腔之間的紅外加熱腔和紅外反射板，該石英內(nèi)腔的前端伸入石英外腔中，該石英內(nèi)、外腔的前端面設(shè)置有密封腔蓋及其密封閥門，還包括固定有石英片托的機(jī)械手及驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)；在雙層石英腔外還設(shè)置有可移動(dòng)熱擋板，該熱擋板能沿該雙層石英腔軸線方向從雙層石英腔后端伸入到石英內(nèi)腔外壁與扁平矩形紅外加熱腔內(nèi)壁之間的縫隙內(nèi)。本發(fā)明可使半導(dǎo)體片迅速升降溫，實(shí)現(xiàn)真正的尖峰退火。該熱處理腔加熱半導(dǎo)體片溫度均勻、范圍寬，加熱半導(dǎo)體片升溫速率和降溫速率快，半導(dǎo)體片尺寸任意大小，生產(chǎn)效率高。
文檔編號(hào)H01L21/00GK101409228SQ200810227378
公開日2009年4月15日 申請(qǐng)日期2008年11月28日 優(yōu)先權(quán)日2008年11月28日
發(fā)明者朋 劉, 劉志弘, 劉榮華, 林惠旺, 錢佩信 申請(qǐng)人:中電華清微電子工程中心有限公司;清華大學(xué)