立式热处理设备

技术领域

本申请涉及半导体加工技术领域，具体而言，本申请涉及一种立式热处理设备。

背景技术

目前，常规膜层沉积工艺的立式热处理设备，一般采用内、外管形式的腔体结构。为保证腔体结构上下温度的稳定且易控制，腔体结构的内管一般为上下等径的柱形腔管，且工艺气体由内管下端通入内管腔体内；而腔体结构外管为顶端封闭、下端开口的管状结构，排气管路一般设置与外管接通，并且在泵的抽力作用下，工艺尾气持续不断的排出。晶舟装载多片待加工的晶圆，在直线模组的推动下上升进入内管且将炉门关闭。在一定的温度、压力、气体流量等条件下进行工艺，而工艺尾气则沿内管上升并通过内外管顶端的交界处，经由内管外壁与外管内壁形成的通路下行，再经由外管上的排气歧管及排气管路排出。

但是在工艺过程中，由于内外管的管径相当，在泵抽气过程中，由于与泵连接的排气歧管距离内管顶端各处的距离、路径存在差异，使内管上部的工艺气体为各处相异的气流，靠近排气歧管的工艺气体流速快，而远离排气歧管的工艺气体流速慢，导致内管顶端的整体气流场向排气歧管倾斜，从而造成晶舟顶部的晶圆工艺一致性较难控制。

发明内容

本申请针对现有方式的缺点，提出一种立式热处理设备，用以解决现有技术存在晶舟顶部的晶圆工艺一致性较差的技术问题。

第一个方面，本申请实施例提供了一种立式热处理设备，用于对晶圆进行热处理工艺，包括：内炉管、外炉管及炉体结构；所述内炉管包括炉管本体及盖板，所述炉管本体的底端为传输口，用于传输所述晶圆及工艺气体；所述盖板设置于所述炉管本体的顶端，所述盖板开设有与所述内炉管同轴设置的排气口，用于排出所述工艺气体；所述外炉管的顶端为封闭结构，所述外炉管套设于所述内炉管的外周，所述外炉管的内壁与所述内炉管的外壁间隔设置以形成与所述排气口连通的排气通路；所述外炉管的底部一侧还设置有与所述排气通路连通的排气歧管；所述炉体结构包覆于所述外炉管的外周，用于对所述内炉管及所述外炉管进行加热及保温。

于本申请的一实施例中，所述内炉管还包括有稳流管，所述稳流管同轴设置于所述排气口处，并且所述稳流管的内径与所述排气口的内径相同。

于本申请的一实施例中，所述稳流管的高度尺寸等于或小于所述排气口的直径尺寸。

于本申请的一实施例中，所述稳流管为弯管结构，并且所述稳流管的弯曲方向与所述排气歧管同侧设置。

于本申请的一实施例中，所述排气口的内径大于或等于所述排气歧管的内径。

于本申请的一实施例中，所述盖板的内壁与内炉管的内壁之间具有一预设夹角，所述预设夹角为大于等于90度，且小于等于145度。

于本申请的一实施例中，所述预设夹角为90度状态下，所述盖板为平面结构；所述预设夹角大于90度且小于等于145度状态下，所述盖板为圆台结构。

于本申请的一实施例中，所述盖板与所述炉管本体为一体成形结构。

于本申请的一实施例中，所述盖板与所述炉管本体为分体式结构，所述盖板底面上设置环形的密封槽，用于嵌套所述炉管本体的顶端，以使所述盖板与所述炉管本体的顶端密封。

于本申请的一实施例中，所述盖板的底面上还设置有限位槽，所述限位槽与所述内炉管的内壁之间具有一预设间距，所述限位槽用于对测温器的顶部进行限位。

于本申请的一实施例中，所述立式热处理设备还包括晶舟及炉门，所述晶舟用于承载所述晶圆，所述晶舟设置于所述炉门上，用于通过所述炉门移入或者移出所述内炉管。

本申请实施例提供的技术方案带来的有益技术效果是：

本申请实施例通过炉管本体顶端设置有盖板，实现了内炉管与外炉管的分离，并且在盖板上开设有与炉管本体同轴设置的排气口，内炉管的工艺气体会汇聚至中间的排气口，然后再经由排气通路及排气歧管排出，使得内炉管顶端各处与排气歧管的距离、路径相同，避免炉管本体内顶部的工艺气体出现相异的气流，这样保证了内炉管的气流一致性，即避免晶舟顶部的晶圆一致性较差的问题，有利于提高晶圆镀膜等工艺的结果一致性，从而大幅提高了晶圆的工艺良率。

本申请附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，这些将从下面的描述中变得明显，或通过本申请的实践了解到。

附图说明

本申请上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1A为本申请实施例提供的一种立式热处理设备的主视示意图；

图1B为本申请实施例提供的一种立式热处理设备的剖视示意图；

图2A为本申请实施例提供的一种内炉管的主视示意图；

图2B为本申请实施例提供的一种内炉管的立体示意图；

图2C为本申请实施例提供的一种内炉管的仰视示意图；

图3A为本申请实施例提供的另一种内炉管的主视示意图；

图3B为本申请实施例提供的另一种内炉管的剖视示意图；

图4为本申请实施例提供的一种分体式结构的内炉管的结构示意图；

图5A为本申请实施例提供的一种盖板的俯视示意图；

图5B为本申请实施例提供的一种盖板的侧视示意图；

图5C为本申请实施例提供的一种盖板的立体示意图。

具体实施方式

下面详细描述本申请，本申请的实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的部件或具有相同或类似功能的部件。此外，如果已知技术的详细描述对于示出的本申请的特征是不必要的，则将其省略。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本申请，而不能解释为对本申请的限制。

本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)，具有与本申请所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语，应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样被特定定义，否则不会用理想化或过于正式的含义来解释。

下面以具体地实施例对本申请的技术方案以及本申请的技术方案如何解决上述技术问题进行详细说明。

本申请实施例提供了一种立式热处理设备，用于对晶圆进行热处理工艺，该立式热处理设备的结构示意图如图1A及图1B所示，包括：内炉管1、外炉管2及炉体结构3；内炉管1包括炉管本体11及盖板12，炉管本体11的底端为传输口14，用于传输晶圆及工艺气体；盖板12设置于炉管本体11的顶端，盖板12开设有与内炉管1同轴设置的排气口13，用于排出工艺气体；外炉管2的顶端为封闭结构，外炉管2套设于内炉管1的外周，外炉管2的内壁与内炉管1的外壁间隔设置以形成与排气口13连通的排气通路21；外炉管2的底部一侧还设置有与排气通路21连通的排气歧管22；炉体结构3包覆于外炉管2的外周，用于对内炉管1及外炉管2进行加热及保温。

如图1A及图1B所示，炉管本体11可以为采用石英材质制成的圆形管状结构，炉管本体11的底端为传输口14，用于传输晶圆(图中未示出)及通入工艺气体。盖板12同样可以采用石英材质制成的圆形板状结构，盖板12的居中位置开设有排气口13，该排气口13可以采用圆形，但是本申请实施例并不以此为限。盖板12盖合于在炉管本体11的顶端，并且与炉管本体11同轴设置，以使排气口13与炉管本体11同轴设置，排气口13用于排出炉管本体11内的工艺气体。晶舟41用于承载晶圆，并且可以通过炉门(图中未示出)移入或移出炉管本体11内，工艺气体可以由设置于内炉管1底部的进气管通入内炉管1内。外炉管2可以采用石英材质制成的管状结构，并且顶端为封闭结构，外炉管2套设于内炉管1的外周，外炉管2的内壁与内炉管1的外壁间隔设置以形成排气通路21，排气口13排出的工艺气体进入至排气通路21内。外炉管2的底部外侧还可以设置有排气歧管22，排气歧管22与排气通路21连通，用于排出排气通路21内的工艺气体。内炉管1及外炉管2的底端平齐设置，并且均设置于一承载座42上，但是本申请实施例并不以此为限。炉体结构3可以包括有壳体31、加热体32及保温层(图中未示出)，壳体31包覆于加热体32及外炉管2的外周，而保温层位于加热体32与壳体31之间，由于内炉管1及外炉管2需要保持在400～650摄氏度的区间，保温层的作用是保持温度稳定，防止热量向外过快耗散，从而能有效降低加热体32的能耗。

本申请实施例通过炉管本体顶端设置有盖板，实现了内炉管与外炉管的分离，并且在盖板上开设有与炉管本体同轴设置的排气口，内炉管的工艺气体会汇聚至中间的排气口，然后再经由排气通路及排气歧管排出，使得内炉管顶端各处与排气歧管的距离、路径相同，避免炉管本体内顶部的工艺气体出现相异的气流，这样保证了内炉管的气流一致性，即避免晶舟顶部的晶圆一致性较差的问题，有利于提高晶圆镀膜等工艺的结果一致性，从而大幅提高了晶圆的工艺良率。

于本申请的一实施例中，如图1A至图2B所示，内炉管1还包括有稳流管15，稳流管15同轴设置于排气口13处，并且稳流管15的内径与排气口13的内径相同。稳流管15可以采用石英材质制成的管状结构，稳流管15的底端可以采用焊接方式设置于盖板12上，并且与排气口13同轴设置。在实际应用时，当排气歧管22连接真空泵(图中未示出)对内炉管1进行抽真空时，由于稳流管15具有一定高度，在抽气过程中工艺气体流经盖板12的排气口13及稳流管15时，稳流管15能对气流起到稳流的作用，以进一步提高内炉管1工艺气氛的一致性，从而进一步提高晶圆的工艺良率。

需要说明的是，本申请实施例并不限定稳流管15的具体实施方式，例如稳流管15可以采用一体成形的方式形成于盖板12上。因此本申请实施例并不以此为限，本领域技术人员可以根据实际情况自行调整设置。

于本申请的一实施例中，如图1A至图2B所示，稳流管15的高度尺寸等于或小于排气口13的直径尺寸。稳流管15高度尺寸小等于或小于排气口13的直径尺寸，使得本申请实施例可以根据不同工艺需求调整稳流管15的高度尺寸，从而在提高内炉管1工艺气氛一致性的同时降低加工难度及制造成本，并且还可以防止稳流管15在装配过程与外炉管2发生碰撞而造成损坏，从而进一步降低应用及维护成本。

于本申请的一实施例中，结合参照如图1A至图2B所示，稳流管15为弯管结构，并且稳流管15的弯曲方向与排气歧管22同侧设置。稳流管15具体可以由盖板12垂直向上延伸一定高度后再向一侧弯曲，例如该弯曲方向朝向排气歧管22所在的一侧，具体参照如图1B所示，稳流管15可以向左侧弯曲，但是本申请实施并不限定稳流管的具体结构，本领域技术人员可以根据实际情况自行调整设置。采用上述设计，不仅能进一步提高工艺气体在稳流管15内的流动路径，从而进一步提高内炉管1的气氛均匀性，而且还使得工艺气体的流动更加顺畅，从而提高排气速率。

于本申请的一实施例中，如图1A至图2C所示，排气口13的内径大于或等于排气歧管22的内径。具体来说，排气口13内径可以略大于排气歧管22的内径或者与排气歧管22内径相同，但是本申请实施例并不限定排气口13的具体尺寸，本领域技术人员可以根据实际情况自行调整设置。采用上述设计，能避免排气口13影响内炉管1抽真空的效率，从而显著降低真空泵的抽气对内炉管1及晶舟41顶部承载的晶圆周围工艺气氛的影响，进而提高内炉管1的气氛的一致性，提升膜层沉积等工艺的结果一致性。

于本申请的一实施例中，如图1A至图3B所示，盖板12的内壁与内炉管1的内壁之间具有一预设夹角，预设夹角大于等于90度，且小于等于145度。一般情况下该预设夹角可以设置为90度、100度、120度或140度等。采用上述设计，由于盖板12与内炉管1的内壁之间具有预设夹角，使得排气口13进一步远离内炉管1的顶端，避免影响晶舟41顶部的气氛一致性，从而进一步提高内炉管1顶部气氛的一致性，进而进一步提高晶圆工艺的均匀性。此外，由于盖板12完全设置在内炉管1上方且依靠内炉管1支撑，考虑到弯折处的机械强度，若低于90度则存在断裂的可能性，因此采用上述设计使得盖板12及炉管本体11采用一体成形的设计时，可以大幅降低故障率。

于本申请的一实施例中，如图1A至图3B所示，预设夹角为90度状态下，盖板12为平面结构；预设夹角大于90度且小于等于145度状态下，盖板12为圆台结构。具体来说，将盖板12设置为平面结构时，盖板12盖合于内炉管1的顶端，以与内炉管1的内壁之间形成有90度的预设夹角；而将盖板12设置为圆台结构时，盖板12盖合于内炉管1的顶端，以与内炉管1的内壁之间形成有大于90度且小于等于145度的预设夹角。采用上述设计，使得本申请实施例结构简单易于实现，从而大幅降低加工及制造成本。

于本申请的一实施例中，如图1A至图3B所示，盖板12与炉管本体11为一体成形结构。具体来说，盖板12与炉管本体11采用一体成形的方式制成，并且两者连接处可以采用平滑过渡方式连接，从而防止由于盖板12与内炉管1之间弯折处的机械强度较大而造成断裂，从而大幅降低故障率；另外两者采用一体成形的结构还能大幅降低加工及制造成本，从而大幅提高经济效益。

于本申请的一实施例中，如图1A、图1B、图5A至图5C所示，盖板12与炉管本体11为分体式结构，盖板12底面上设置环形的密封槽121，用于嵌套炉管本体11的顶端，以使盖板12与炉管本体11的顶端密封。具体来说，盖板12设置在炉管本体11的上方，盖板12底面上的密封槽121与炉管本体11的顶端(进入密封槽121内)配合形成密封，并整体设置在外炉管2内，排气歧管22设置在外炉管2下端一侧。真空泵与排气歧管22相连，以将内炉管1及外炉管2内部抽成真空状态，真空范围可约束为1～500mTorr(Torr，1托≈133.32帕)，但是本申请实施例并不限定真空范围的具体数值，本领域技术人员可以根据实际情况自行调整设置。

于本申请的一实施例中，如图1A至图5C所示，盖板12的底面上还设置有限位槽122，限位槽122与内炉管1的内壁之间具有一预设间距，限位槽122用于对测温器(图中未示出)的顶部进行限位。具体来说，限位槽122可以为盖板12底面上开设的圆形凹槽，该限位槽122与内炉管1的内壁之间具有一预设间距，该预设间距具体为10～20mm，但是本申请实施例并不以此为限。采用上述设计，由于限位槽122能对测温器的顶端进行限位固定，可以防止测温器与内炉管1及晶舟41发生碰撞，从而大幅降低故障率。在一具体实施例中，测温器具体采用L形的热电偶，其中竖直段较长且与内炉管1的内壁平行设置，顶端伸入限位槽122内进行固定限位；测温器的水平段较短且固定在内炉管1底部的承载座42上。采用该设计，能避免测温器底部固定不牢或因震动松动而出现倾斜碰撞内炉管1及晶舟41的情况。

于本申请的一实施例中，如图1A及图1B所示，立式热处理设备还包括晶舟41及炉门(图中未示出)，晶舟41用于承载晶圆，晶舟41设置于炉门上，用于通过炉门移入或者移出内炉管1。具体来说，炉门可以设置于一升降装置(图中未示出)上，并且炉门上能承载晶舟41，炉门可以在升降装置的带动下将晶舟41移入或者移出内炉管1。

应用本申请实施例，至少能够实现如下有益效果：

本申请实施例通过炉管本体顶端设置有盖板，实现了内炉管与外炉管的分离，并且在盖板上开设有与炉管本体同轴设置的排气口，内炉管的工艺气体会汇聚至中间的排气口，然后再经由排气通路及排气歧管排出，使得内炉管顶端各处与排气歧管的距离、路径相同，避免炉管本体内顶部的工艺气体出现相异的气流，这样保证了内炉管的气流一致性，即避免晶舟顶部的晶圆一致性较差的问题，有利于提高晶圆镀膜等工艺的结果一致性，从而大幅提高了晶圆的工艺良率。

可以理解的是，以上实施方式仅仅是为了说明本发明的原理而采用的示例性实施方式，然而本发明并不局限于此。对于本领域内的普通技术人员而言，在不脱离本发明的精神和实质的情况下，可以做出各种变型和改进，这些变型和改进也视为本发明的保护范围。

在本申请的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

在本申请的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

以上所述仅是本申请的部分实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本申请的保护范围。