RU2849000C1 - Device for rapid thermal processing of semiconductor wafers - Google Patents
Device for rapid thermal processing of semiconductor wafersInfo
- Publication number
- RU2849000C1 RU2849000C1 RU2025114385A RU2025114385A RU2849000C1 RU 2849000 C1 RU2849000 C1 RU 2849000C1 RU 2025114385 A RU2025114385 A RU 2025114385A RU 2025114385 A RU2025114385 A RU 2025114385A RU 2849000 C1 RU2849000 C1 RU 2849000C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- reaction chamber
- heating
- holder
- flange
- semiconductor wafers
- Prior art date
Links
Abstract
Description
Быстрая термическая обработка - это востребованный метод оптического нагрева, который используется для обработки, а также в качестве общего, хорошо контролируемого метода нагрева полупроводниковых пластин. Во многих процессах нагрева полупроводников требуется нагревать пластину до высоких температур, чтобы при изготовлении устройства из пластины могли происходить различные химические и физические реакции. Во время термической обработки полупроводниковые пластины обычно нагревают до температуры от 200°С до 1000°С, при этом высокая скорость нагрева и охлаждения позволяют реализовывать широкий спектр технологических режимов обработки, в частности при вжигании омических контактов.Rapid thermal processing is a popular optical heating method used for processing and as a general, well-controlled method for heating semiconductor wafers. Many semiconductor heating processes require heating the wafer to high temperatures to enable various chemical and physical reactions during device fabrication. During thermal processing, semiconductor wafers are typically heated to temperatures ranging from 200°C to 1000°C. High heating and cooling rates allow for a wide range of processing modes, particularly during the annealing of ohmic contacts.
Камеры быстрой термической обработки, в которых пластины нагреваются с использованием энергии света, обычно работают в неравновесном состоянии. В частности, стенки, окружающие пластину, остаются холодными, и поэтому камеры обычно называют системами с «холодными стенками». Неравновесная конфигурация относится к тому факту, что температура нити накала внутри источника излучения намного выше, чем температура пластины. Ключевым преимуществом использования систем быстрой термической обработки является возможность быстрого изменения температуры пластин, что обеспечивает очень короткие циклы нагрева.Rapid heat treatment chambers, which heat wafers using light energy, typically operate in a nonequilibrium state. Specifically, the walls surrounding the wafer remain cold, which is why these chambers are commonly referred to as "cold-wall" systems. This nonequilibrium configuration refers to the fact that the filament temperature inside the radiation source is much higher than the wafer temperature. A key advantage of using rapid heat treatment systems is the ability to rapidly change the wafer temperature, enabling very short heating cycles.
Одно из применений данного изобретения относится к области минимизации контактного сопротивления напыленных металлизированных контактов к полупроводниковым структурам путем их быстрого термического отжига и может найти применение, как в полупроводниковых лазерах, так и в любых полупроводниковых приборах, где требуется минимальное контактное сопротивление напыленных контактов: транзисторы, диоды, солнечные элементы.One of the applications of this invention relates to the field of minimizing the contact resistance of deposited metallized contacts to semiconductor structures by means of their rapid thermal annealing and can find application both in semiconductor lasers and in any semiconductor devices where minimal contact resistance of deposited contacts is required: transistors, diodes, solar cells.
Известно устройство для быстрой термической обработки полупроводниковых пластин (US 5710407 A, МПК H01L21/68735, опубл. 18.08.2000). Устройство специально предназначено для обработки пластин в процессе производства или обработки полупроводниковых, или электрических твердотельных устройств или компонентов. Данное изобретение, в целом, относится к обработке полупроводниковых пластин и, в частности, к способу и устройству для быстрой термической обработки нескольких полупроводниковых пластин одновременно и одной большой полупроводниковой пластины. Реактор быстрого термического отжига характеризуется коротким временем технологического цикла по сравнению с тем же временем технологического цикла в обычном реакторе. Быстрый нагрев пластины является одним из факторов, определяющих более короткое время технологического цикла, характерное для этого реактора. Структура для обработки полупроводников по данному изобретению содержит реакционную камеру с вращающимся держателем, установленным внутри реакционной камеры. Вращающийся держатель имеет первую поверхность, предназначенную для установки одной пластины или нескольких пластин, а также вторую поверхность. Источник лучистого тепла установлен снаружи реакционной камеры таким образом, что лучистое тепло от источника тепла напрямую нагревает пластину или пластины, установленные на вращающемся держателе. Источник лучистого тепла повышает температуру пластины или пластин до практически одинаковой температуры обработки, то есть до температуры, достаточно однородной для получения приемлемых результатов обработки, за такой промежуток времени, что структура полупроводниковой обработки характеризуется как реактор быстрого термического процесса. В другом варианте осуществления изобретения структура для обработки полупроводников также включает нагреватель, установленный в реакционной камере рядом со второй поверхностью вращающегося подвеса. Предпочтительно, чтобы нагреватель представлял собой нагревательный элемент сопротивления. В одном из вариантов реализации этого изобретения вращающийся держатель изготовлен из кварца, а первая поверхность обработана пескоструйной обработкой, в то время как вторая поверхность отполирована пламенем. Для подачи технологических газов в реактор по данному изобретению используется либо несколько газовых струй, установленных в реакционной камере, либо центральная головка для подачи газа. Реакционная камера ограничена сосудом с боковой стенкой, охлаждаемой водой, нижней стенкой, охлаждаемой водой, и верхней стенкой, охлаждаемой принудительно воздухом. Верхняя стенка, охлаждаемая принудительно воздухом, представляет собой круглую куполообразную кварцевую стенку. Источник лучистой энергии этого изобретения включает в себя несколько блоков ламп, где каждый блок ламп содержит по меньшей мере одну лампу. Лампы представляют собой кварцево-галогенные лампы с вольфрамовой нитью накала.A device for rapid thermal processing of semiconductor wafers is known (US 5,710,407 A, IPC H01L21/68735, published 18.08.2000). The device is specifically designed for processing wafers during the production or processing of semiconductor or electrical solid-state devices or components. This invention generally relates to processing semiconductor wafers and, in particular, to a method and device for rapid thermal processing of several semiconductor wafers simultaneously and one large semiconductor wafer. A rapid thermal annealing reactor is characterized by a short process cycle time compared to the same process cycle time in a conventional reactor. Rapid heating of the wafer is one of the factors determining the shorter process cycle time characteristic of this reactor. A structure for processing semiconductors according to this invention comprises a reaction chamber with a rotating holder mounted inside the reaction chamber. The rotating holder has a first surface designed to accommodate one or more wafers, and a second surface. A radiant heat source is mounted outside the reaction chamber such that radiant heat from the heat source directly heats the wafer or wafers mounted on the rotating holder. The radiant heat source raises the temperature of the wafer or wafers to a substantially uniform processing temperature, i.e., to a temperature uniform enough to achieve acceptable processing results, in such a time that the semiconductor processing structure is characterized as a fast thermal process reactor. In another embodiment of the invention, the semiconductor processing structure also includes a heater mounted in the reaction chamber adjacent to the second surface of the rotating support. Preferably, the heater is a resistance heating element. In one embodiment of this invention, the rotating holder is made of quartz, and the first surface is sandblasted, while the second surface is flame polished. To supply process gases to the reactor according to the invention, either multiple gas jets mounted in the reaction chamber or a central gas supply head are used. The reaction chamber is bounded by a vessel with a water-cooled side wall, a water-cooled bottom wall, and a forced-air-cooled top wall. The forced-air-cooled top wall is a circular, domed quartz wall. The radiant energy source of this invention comprises multiple lamp assemblies, each lamp assembly containing at least one lamp. The lamps are quartz-halogen lamps with a tungsten filament.
Недостаток данного изобретения в избыточной сложности из-за наличия вращающегося держателя пластин. Кроме этого в варианте осуществления изобретения структура для обработки полупроводников также включает нагреватель, установленный в реакционной камере рядом со второй поверхностью вращающегося подвеса, что приводит к чрезмерному увлечению объема камеры. Кроме этого реакционная камера включает водоохлаждаемые элементы, что усложняет ее изготовление и снижает технологичность при производстве.A drawback of this invention is its excessive complexity due to the presence of a rotating wafer holder. Furthermore, in one embodiment, the semiconductor processing structure also includes a heater mounted in the reaction chamber near the second surface of the rotating support, resulting in excessive chamber volume. Furthermore, the reaction chamber includes water-cooled elements, which complicates its fabrication and reduces manufacturability.
Известно устройство, использующее лампы непрерывного действия высокой интенсивности для улучшения термообработки полупроводниковых пластин (US 4680451 A, МПК F27D99/0006, опубл. 14.07.1987). При радиационном нагреве полупроводниковой пластины используется первое и второе множество разнесенных и перекошенных ламп. Лампы в каждом множестве группируются, начиная с самых внутренних ламп и заканчивая самыми внешними лампами. Каждая группа ламп в одном множестве ламп соединена с группой ламп в другом множестве ламп, в результате чего на соединенные группы ламп одновременно и одинаково подается напряжение. Напряжение лампы модулируется в соответствии с заранее установленной таблицей для каждого размера пластины и температурного цикла. В качестве альтернативы можно использовать датчики температуры для обеспечения обратной связи с модулятором, управляемым компьютером. Лампы в разных группах могут 1L21 быть выбраны так, чтобы иметь различную интенсивность мощности в установившемся режиме для данного напряжения, чтобы тем самым установить желаемый температурный градиент.A device is known that uses high-intensity continuous lamps to improve the heat treatment of semiconductor wafers (US 4680451 A, IPC F27D99/0006, published July 14, 1987). A first and second plurality of spaced and skewed lamps are used for radiation heating of a semiconductor wafer. The lamps in each plurality are grouped, starting with the innermost lamps and ending with the outermost lamps. Each group of lamps in one plurality of lamps is connected to a group of lamps in another plurality of lamps, as a result of which the connected groups of lamps are simultaneously and equally voltage-dependent. The lamp voltage is modulated according to a predetermined table for each wafer size and temperature cycle. Alternatively, temperature sensors can be used to provide feedback to a computer-controlled modulator. The lamps in different groups can be selected to have different power intensities in the steady-state mode for a given voltage, thereby establishing the desired temperature gradient.
Недостаток данного устройства в избыточной сложности нагревательного узла, выражающееся в сложной конфигурации ламп, что отрицательно сказывается на технологичности изготовления и эксплуатационных характеристиках устройства.The disadvantage of this device is the excessive complexity of the heating unit, expressed in the complex configuration of the lamps, which negatively affects the manufacturing technology and operational characteristics of the device.
Известно (TW 315493 B, МПК H01L21/324, опубл. 18.11.2010) устройство для термообработки, которое снабжено рабочей камерой для термообработки пластины. Пластина загружается на загрузочный лоток внутри камеры обработки. Рабочий газ подается в камеру обработки. Основное нагревательное устройство для нагрева пластины расположено в нижней части камеры обработки через окно. Основное нагревательное устройство излучает тепловые лучи на загрузочный лоток и снабжено: множеством источников нагрева для нагрева пластины; и вращающийся носитель, на поверхности которого установлены источники тепла. Устройство термообработки дополнительно снабжено компенсирующим нагревательным устройством для компенсации неравномерности температур на поверхности пластины, возникающей вследствие нагрева пластины основным нагревательным устройством. Источник тепла компенсирующего нагревательного устройства установлен на поверхности вращающегося носителя вместе с источниками тепла основного нагревательного устройства, но имеет выход, которым можно управлять независимо от источников тепла основного нагревательного устройства.A heat treatment device is known (TW 315493 B, IPC H01L21/324, published 18.11.2010), which is provided with a working chamber for heat treatment of a plate. The plate is loaded onto a loading chute inside the processing chamber. Working gas is supplied to the processing chamber. The main heating device for heating the plate is located in the lower part of the processing chamber through a window. The main heating device radiates heat rays onto the loading chute and is provided with: a plurality of heat sources for heating the plate; and a rotating carrier, on the surface of which heat sources are mounted. The heat treatment device is additionally provided with a compensating heating device for compensating for the unevenness of temperatures on the surface of the plate, arising due to heating of the plate by the main heating device. The heat source of the compensating heating device is mounted on the surface of the rotating carrier together with the heat sources of the main heating device, but has an output that can be controlled independently of the heat sources of the main heating device.
Недостатком данного устройства является чрезмерная сложность нагревательного блока, что отрицательно сказывается на эксплуатационных характеристиках.The disadvantage of this device is the excessive complexity of the heating unit, which negatively affects its performance characteristics.
Известен (US 6051512, МПК H01L21/67754 опубл. 10.12.2011) также реактор для термической обработки полупроводниковых пластин в газовой среде или вакууме, содержащий вакуумную камеру, корпус которой выполнен из кварцевого стекла. Источник инфракрасного излучения представляет собой совокупность галогенных ламп накаливания, размещенных с верхней и нижней сторон корпуса вакуумной камеры вне ее. Внутри корпуса расположено средство поддержки полупроводниковой пластины. Ввиду интенсивного нагрева корпуса вследствие расположения ламп инфракрасного излучения с двух сторон вакуумной камеры и отсутствия системы охлаждения, температура и время проведения процесса термической обработки полупроводниковых пластин ограничены. В подобных камерах при максимально возможной температуре 1200°С процесс можно проводить не более 30 секунд, в ином случае происходит деградация материала корпуса вакуумной камеры. Кроме того, в устройстве отсутствуют средства для быстрого охлаждения обработанной пластины, что снижает производительность установки и ограничивает технологические режимы, для которых важно быстрое охлаждение.Also known (US 6051512, IPC H01L21/67754 published 10.12.2011) is a reactor for thermal processing of semiconductor wafers in a gas environment or vacuum, comprising a vacuum chamber, the housing of which is made of quartz glass. The infrared radiation source is a set of halogen incandescent lamps placed on the upper and lower sides of the vacuum chamber housing outside it. A means for supporting the semiconductor wafer is located inside the housing. Due to the intense heating of the housing due to the arrangement of infrared radiation lamps on both sides of the vacuum chamber and the absence of a cooling system, the temperature and time of the thermal processing of semiconductor wafers are limited. In such chambers, at the maximum possible temperature of 1200°C, the process can be carried out for no more than 30 seconds, otherwise degradation of the vacuum chamber housing material occurs. In addition, the device does not have means for rapid cooling of the processed wafer, which reduces the productivity of the installation and limits the process modes for which rapid cooling is important.
Известно (US 5001327 A, МПК H01L21/67751, опубл. 19.03.1991) устройство и способ проведения термообработки полупроводниковых пластин. Нагреватели, расположенные в высокотемпературной печи, образуют в ней по меньшей мере одно пространство для нагрева. Отверстие для вставки и извлечения расположено в нижней части каждого пространства для нагрева, обеспечивая прохождение через него пластин. Каждое из нагревательных пространств приспособлено для приема одной или двух пластин и обеспечения одновременной и равномерной термообработки пластин.A device and method for heat treating semiconductor wafers are known (US 5001327 A, IPC H01L21/67751, published March 19, 1991). Heaters located in a high-temperature furnace form at least one heating space therein. An insertion and extraction opening is located at the bottom of each heating space, allowing the wafers to pass through it. Each heating space is adapted to receive one or two wafers and ensure simultaneous and uniform heat treatment of the wafers.
Недостаток данного устройства в высокой инерционности нагревательного устройства, что отрицательно сказывается на скорости нагрева и охлаждения.The disadvantage of this device is the high inertia of the heating element, which negatively affects the speed of heating and cooling.
Известная (SU 443234А1, МПК F26B 25/12 опубл. 15.09.1974) полезная модель относится к области термической обработки полупроводниковых материалов, предназначенных для изготовления приборов, используемых в микроэлектронике. Устройство для термической обработки полупроводниковых пластин, содержащее размещенные в корпусе отражательный экран с водоохлаждающей рубашкой, источник инфракрасного излучения и систему подачи газа; устройство снабжено расположенной над отражательным экраном прозрачной пластиной с выполненными в ней сквозными наклонными отверстиями, служащими для прохода газа, а источник инфракрасного излучения расположен между отражательным экраном и прозрачной пластиной.The known (SU 443234A1, IPC F26B 25/12 published 15.09.1974) utility model relates to the field of heat treatment of semiconductor materials intended for the manufacture of devices used in microelectronics. A device for heat treatment of semiconductor wafers, comprising a reflective screen with a water-cooling jacket, a source of infrared radiation and a gas supply system placed in a housing; the device is equipped with a transparent plate located above the reflective screen with through inclined holes made in it, serving for the passage of gas, and the source of infrared radiation is located between the reflective screen and the transparent plate.
Данное техническое решение имеет ряд недостатков. Наличие сквозных отверстий в прозрачной пластине не позволяет создать вакуум в камере и осуществлять термическую обработку полупроводниковых пластин в вакууме. Кроме того, в устройстве-прототипе отсутствуют средства для быстрого охлаждения обработанной пластины, что снижает производительность установки.This technical solution has several drawbacks. The presence of through holes in the transparent plate prevents the creation of a vacuum in the chamber and the thermal processing of semiconductor wafers under vacuum. Furthermore, the prototype device lacks means for rapid cooling of the processed wafer, reducing the system's throughput.
Известно устройство для быстрой термической обработки (заявка US 5861609 A, МПК Н05В3/0047, опубл. 02.10.2015). Настоящее изобретение относится к устройству и способу быстрой термической обработки чувствительных электронных материалов. Настоящее изобретение уменьшает тепловую неоднородность, возникающую при неоднородной структуре материалов и характеристиках оптического поглощения. Объекты помещаются в камеру, в которой по крайней мере некоторые части стенок прозрачны и пропускают излучение от мощных нагревательных ламп. Прозрачная часть стенок обычно изготавливается из кварца, который пропускает излучение с длиной волны от 3 до 4 микрон. Обычно эти лампы представляют собой вольфрамово-галогенные лампы, но могут использоваться дуговые лампы или любой другой источник видимого и/или ближнего инфракрасного излучения. Излучение от ламп направляется через прозрачные участки стенок на поверхность нагреваемого объекта. Поскольку объекты поглощают свет в ближней инфракрасной или видимой области спектра, пропускаемый прозрачной частью стенок, технологии быстрого нагрева позволяют быстро изменять температуру и технологический газ для различных процессов и условий обработки материалов. Устройство быстрого нагрева позволяет сократить «тепловой бюджет» при обработке различных полупроводников.A device for rapid thermal processing is known (application US 5861609 A, IPC H05B3/0047, published 02.10.2015). The present invention relates to a device and method for rapid thermal processing of sensitive electronic materials. The present invention reduces thermal non-uniformity arising from the non-uniform structure of materials and optical absorption characteristics. Objects are placed in a chamber in which at least some parts of the walls are transparent and transmit radiation from powerful heating lamps. The transparent part of the walls is usually made of quartz, which transmits radiation with a wavelength of 3 to 4 microns. Typically, these lamps are tungsten-halogen lamps, but arc lamps or any other source of visible and/or near infrared radiation can be used. Radiation from the lamps is directed through the transparent sections of the walls onto the surface of the object being heated. Since objects absorb near-infrared or visible light transmitted through the transparent part of the walls, rapid heating technologies allow for rapid temperature and process gas changes for various processes and material processing conditions. A rapid heating device reduces the "heat budget" when processing various semiconductors.
Недостатком данного устройства в отсутствии дополнительных технических решений, обеспечивающих высокую скорость снижения температуры.The disadvantage of this device is the lack of additional technical solutions that ensure a high rate of temperature reduction.
В качестве прототипа выбрано устройство быстрой термической обработки полупроводниковых пластин (US 6051512 A, МПК H01L21/67754, опубл. 13.03.2002), содержащее тонкую прямоугольную кварцевую реакционную камеру с открытым одним концом (при работе системы обработки пластин реакторная камера открывается и закрывается с помощью пневматической дверцы), нагреватель, держатель пластин, сопряженный с первым приводом, перегрузочную камеру и модуль откачки, при этом вакуумный комплекс содержит также систему охлаждения, расположенную в перегрузочной камере, и выполнен в виде корпуса с полостью, сопряженной с источником хладагента, на этапе введения полупроводниковых пластин в камеру полупроводниковые пластины вводятся в камеру линейным движением манипулятора робота.A device for rapid thermal processing of semiconductor wafers (US 6051512 A, IPC H01L21/67754, published 13.03.2002) was selected as a prototype, containing a thin rectangular quartz reaction chamber with one end open (during operation of the wafer processing system, the reactor chamber is opened and closed using a pneumatic door), a heater, a wafer holder coupled with a first drive, a transfer chamber and a pumping module, while the vacuum complex also contains a cooling system located in the transfer chamber and is made in the form of a housing with a cavity coupled with a coolant source; at the stage of introducing semiconductor wafers into the chamber, the semiconductor wafers are introduced into the chamber by a linear movement of the robot manipulator.
Недостатком данного изобретения можно считать наличие перегрузочной камеры и робота манипулятора, что приводит к удорожанию установки и сложности ее эксплуатации.The disadvantage of this invention is the presence of a loading chamber and a robotic manipulator, which increases the cost of the installation and makes it more difficult to operate.
Задачей настоящего изобретения является упрощение конструкции при сохранении основных возможностей, связанных с повышением максимальной скорости нагрева и охлаждения, повышением температуры термической обработки полупроводниковых пластин в условиях газовой среды, повышением производительности установки за счет упрощения процесса отжига.The objective of the present invention is to simplify the design while maintaining the basic capabilities associated with increasing the maximum heating and cooling rate, increasing the temperature of thermal treatment of semiconductor wafers in a gas environment, and increasing the productivity of the installation by simplifying the annealing process.
Поставленная задача решается тем, что устройство быстрой термической обработки полупроводниковых пластин содержит тонкую прямоугольную кварцевую реакционную камеру с первым открытым концом, сопряженным с фланцем из нержавеющей стали с загрузочным окном фланца для загрузки пластин, нагреватель и держатель пластин. Новым является тот факт, что в устройство введены два закрепленных на загрузочном окне фланца стержня, на которых крепится держатель для пластин, подвижный держатель реакционный камеры, который может передвигаться из зоны нагрева в зону охлаждения, термопара для измерения температуры и управления процессом отжига, патрубок для ввода газа, электронный контроллер температуры и вентиляторы воздушного охлаждения, при этом второй конец реакционной камеры имеет патрубок для вывода газа.The problem is solved by a device for rapid thermal processing of semiconductor wafers. It comprises a thin rectangular quartz reaction chamber with an open end mated with a stainless steel flange with a loading port for loading wafers, a heater, and a wafer holder. A novel feature of the device is the inclusion of two rods attached to the loading port, which support the wafer holder. A movable reaction chamber holder, which can be moved from the heating zone to the cooling zone, a thermocouple for measuring temperature and controlling the annealing process, a gas inlet, an electronic temperature controller, and air cooling fans. The other end of the reaction chamber has a gas outlet.
Держатель пластин может быть выполнен из графита.The plate holder can be made of graphite.
По периметру держателя пластин может быть ограничивающий бортик сечением 1×1 мм2.Along the perimeter of the plate holder there may be a limiting flange with a cross-section of 1×1 mm2 .
Нагреватель может быть выполнен в виде блока галогеновых ламп, расположенных сверху и снизу реакционной камеры со смещением друг относительно друга. Нижние лампы расположены между верхними для повышения однородности нагрева по площади держателяThe heater can be designed as a bank of halogen lamps positioned at the top and bottom of the reaction chamber, offset from each other. The lower lamps are positioned between the upper ones to improve heating uniformity across the holder area.
Стержни могут быть выполнены из молибдена.The rods can be made of molybdenum.
Введенные в устройство два закрепленных на загрузочном окне фланца стержня, на которых крепится держатель для пластин имеют простую конструкцию и обеспечивают быструю загрузку и выгрузку пластин из камеры.The two rods introduced into the device and fixed to the loading window flange, on which the plate holder is attached, have a simple design and ensure quick loading and unloading of plates from the chamber.
Подвижный держатель реакционный камеры, который может передвигаться из зоны нагрева в зону охлаждения, обеспечивает упрощение конструкции при ее изготовлении при сохранении функциональных характеристик, обеспечивающих высокую скорость охлаждения.A movable reaction chamber holder, which can move from the heating zone to the cooling zone, simplifies the design during its manufacture while maintaining the functional characteristics that ensure high cooling rates.
Термопара для измерения температуры и управления процессом отжига, упрощает конструкцию за счет отсутствия сложных элементов обработки, например, необходимых при использовании пирометров, а также повышает точность за счет фиксированного места расположения.A thermocouple for measuring temperature and controlling the annealing process simplifies the design by eliminating complex processing elements, such as those required when using pyrometers, and also improves accuracy due to the fixed location.
Патрубок для ввода газа размещенный в загрузочном окне фланца, обеспечивает упрощение конструкции при решении задачи обеспечения инертной атмосферы, а также упрощает конструкцию при решении задачи повышения скорости охлаждения.The gas inlet pipe located in the loading window of the flange simplifies the design when solving the problem of providing an inert atmosphere, and also simplifies the design when solving the problem of increasing the cooling rate.
Электронный контроллер температуры обеспечивает контроль за изменением температуры.Electronic temperature controller provides control over temperature changes.
Вентиляторы воздушного охлаждения, обеспечивают высокую скорость охлаждения, что проще и технологичнее, чем при использовании водных систем.Air cooling fans provide high cooling rates, which is simpler and more technologically advanced than using water systems.
Нагреватели из галогеновых ламп находятся снизу и сверху тонкой кварцевой камеры со смещением друг относительно друга, что обеспечивает упрощение конструкции при обеспечении однородности распределения температуры и повышение скорости нагрева.The halogen lamp heaters are positioned at the top and bottom of a thin quartz chamber, offset from each other, which simplifies the design while ensuring uniform temperature distribution and increased heating speed.
Сверху отжигаемые пластины прикрываются графитовой пластиной толщиной такой же, как толщина держателя, что обеспечивает упрощение конструкции для выравнивания температурного поля.From above, the annealed plates are covered with a graphite plate of the same thickness as the thickness of the holder, which simplifies the design for equalizing the temperature field.
Сущность изобретения поясняется чертежом, на котором показан продольный разрез устройства.The essence of the invention is explained by a drawing showing a longitudinal section of the device.
Устройство быстрого термического отжига включает реакционную камеру 1, загрузочное окно фланца 2, графитовый держатель 3, молибденовые стержни 4 для крепления графитового держателя, термопару 5, блок 6 галогеновых ламп накаливания, полированные отражатели 7 из нержавеющей стали, подвижный держатель 8 реакционной камеры, двигающийся по направляющим 9, электронный контроллер 10 температуры, блок 11 вентиляторов охлаждения, патрубок ввода газа 12 для ввода в реакционную камеру инертного газа, который размещен в загрузочном окне фланца, патрубок вывода газа 13 для вывода из реакционной камеры инертного газа, который размещен со стороны глухого конца реакционной камеры, фланец из нержавеющей стали 14 для сопряжения загрузочного окна фланца и реакционной камеры.The rapid thermal annealing device includes a reaction chamber 1, a loading flange window 2, a graphite holder 3, molybdenum rods 4 for fastening the graphite holder, a thermocouple 5, a block 6 of halogen incandescent lamps, polished reflectors 7 made of stainless steel, a movable holder 8 of the reaction chamber moving along guides 9, an electronic temperature controller 10, a block 11 of cooling fans, a gas inlet pipe 12 for introducing an inert gas into the reaction chamber, which is located in the loading flange window, a gas outlet pipe 13 for removing an inert gas from the reaction chamber, which is located on the side of the blind end of the reaction chamber, a stainless steel flange 14 for connecting the loading flange window and the reaction chamber.
Устройство работает следующим образом.The device works as follows.
Полупроводниковые пластины загружают на графитовый держатель 3 и прикрывают графитовой пластиной по размеру идентичной держателю. Далее конструкция графитового держателя 3, закрепленного на молибденовых стержнях 4, задвигается в реакционную камеру 1 и уплотняется загрузочным окном фланца 2. Реакционная камера 1, закрепленная на подвижном держателе 8, по направляющим 9 задвигается в зону нагрева, включается продувка реактора азотом, который подается через патрубок ввода газа 12 и выводится из реакторной камеры через патрубок вывода газа 13. Далее электронный контроллер 10 температуры по сигналу термопары 5 управляет процессом отжига в соответствии с установленной программой за счет подачи электрической мощности на галогеновые лампы. После завершения отжига блок 6 галогеновых ламп накаливания выключаются, и реакционная камера 1 передвигается в зону охлаждения, где происходит ее обдув вентиляторами 11.The semiconductor wafers are loaded onto graphite holder 3 and covered with a graphite plate of identical size to the holder. The structure of graphite holder 3, secured to molybdenum rods 4, is then pushed into reaction chamber 1 and sealed by the loading window of flange 2. Reaction chamber 1, secured to movable holder 8, is pushed into the heating zone along guides 9, and the reactor is purged with nitrogen, supplied through gas inlet pipe 12 and removed from the reactor chamber through gas outlet pipe 13. Electronic temperature controller 10, using a signal from thermocouple 5, then controls the annealing process in accordance with the set program by supplying electrical power to halogen lamps. Upon completion of the annealing, block 6 of halogen incandescent lamps is switched off, and reaction chamber 1 is moved to the cooling zone, where it is cooled by fans 11.
ПримерExample
Изготовлено устройство быстрой термической обработки полупроводниковых пластин. Устройство включает тонкую прямоугольную кварцевую реакционную камеру с первым открытым концом. Тонкая прямоугольная кварцевая реакционная камера переходит в круглую с открытым концом, сопряженным с фланцем из нержавеющей стали. Фланец снабжен загрузочным окном фланца для уплотнения реакционной камеры и изоляции ее от внешней атмосферы. К фланцу крепится подвижный держатель, который может передвигать камеру из зоны нагрева в зону охлаждения. К загрузочному окну фланца крепятся два молибденовых стержня, на которых закреплен графитовый держатель для пластин, через него же выведена термопара для измерения температуры и управления процессом отжига, а также патрубок для подачи газа. Стержни выполнены из молибдена диаметром 4 мм. Держатель для пластин выполнен из графита площадью 80×80 мм2 толщиной 2 мм, по периметру держателя имеется бортик сечением 1×1 мм2; сверху образцы прикрываются пластиной из графита размером 80×80 мм2 толщиной 2 мм для исключения отражения от металлизированной поверхности образцов и достижения более однородного нагрева. Второй конец реакционной камеры имеет патрубок для вывода газа. В зоне нагрева расположены цилиндрические галогеновые лампы (5 сверху и 6 снизу со смещением по отношению к верхним). Мощность ламп составляет 500 Вт каждая. Управление процессом отжига осуществляется электронным контролером температуры. После процесса нагрева подвижный держатель реакционный камеры перемещается в зону охлаждения, где осуществляется обдув реакционный камеры 4 вентиляторами.A device for rapid thermal processing of semiconductor wafers has been manufactured. The device includes a thin rectangular quartz reaction chamber with a first open end. The thin rectangular quartz reaction chamber transitions into a round one with an open end mated with a stainless steel flange. The flange is equipped with a flange loading window for sealing the reaction chamber and isolating it from the external atmosphere. A movable holder is attached to the flange, which can move the chamber from the heating zone to the cooling zone. Two molybdenum rods are attached to the flange loading window, on which a graphite wafer holder is fixed. A thermocouple for measuring the temperature and controlling the annealing process, as well as a gas supply pipe, are also brought out through it. The rods are made of molybdenum with a diameter of 4 mm. The wafer holder is made of graphite with an area of 80x80 mm2 and a thickness of 2 mm; along the perimeter of the holder there is a rim with a cross-section of 1x1 mm2 ; The samples are covered from above with a 2 mm thick, 80 x 80 mm graphite plate to prevent reflection from the metallized surface of the samples and to achieve more uniform heating. The other end of the reaction chamber has a gas outlet. Cylindrical halogen lamps (5 at the top and 6 at the bottom, offset from the top) are located in the heating zone. Each lamp has a power of 500 W. The annealing process is controlled by an electronic temperature controller. After heating, the movable holder of the reaction chamber moves to the cooling zone, where four fans cool the reaction chamber.
Применение одиннадцати галогеновых ламп повышенной мощности позволяет увеличить скорость нагрева отжигаемых пластин до 500°С/мин и проводить отжиг до 1000°С. Конструкция графитового держателя образцов позволяет размещать несколько отжигаемых пластин общей площадью до 20 см2; бортик по периметру держателя предохраняет от смещения образцов и служит опорой для верхней прикрышки держателя образцов из графита; геометрия размещения нагревательных галогеновых ламп, конструкция держателя образцов а также исполнение реакционной камеры из плоского оптического кварца позволяет достичь однородности нагрева образцов по площади держателя 2-3°С. Электронный котроллер, управляющий процессом отжига, позволяет поддерживать заданную температуру ортжига с точностью 2-3°С. Конструкция фланца из нержавейщей стали и загрузочного окна фланца из нержавеющей стали с закрепленным на нем держателем образцов позволяет производить загрузку-выгрузку образцов в течение нескольких минут, что существенно снижает временные затраты при эксплуатации установки. Возможность быстро перемещать реакционную камеру из зоны нагрева в зону охлаждения, а также при необходимости использовать охлажденный жидким азотом технологический газ позволяет увеличить скорость охлаждения до 200°С/мин.The use of eleven high-power halogen lamps allows for an increase in the heating rate of the annealed wafers to 500°C/min and for annealing to temperatures up to 1000°C. The design of the graphite sample holder allows for the placement of several annealed wafers with a total area of up to 20 cm2 ; a rim along the perimeter of the holder prevents the samples from shifting and serves as a support for the upper cover of the graphite sample holder; the geometry of the placement of the heating halogen lamps, the design of the sample holder, and the design of the reaction chamber made of flat optical quartz allow for achieving a uniform heating of the samples over the holder area of 2-3°C. An electronic controller managing the annealing process maintains the set annealing temperature with an accuracy of 2-3°C. The design of the stainless steel flange and the loading window of the stainless steel flange with the sample holder fixed to it allows for loading and unloading of samples within a few minutes, which significantly reduces the time costs during operation of the facility. The ability to quickly move the reaction chamber from the heating zone to the cooling zone, and, if necessary, to use process gas cooled with liquid nitrogen, allows for an increase in the cooling rate to 200°C/min.
Простота конструкции обеспечивает технологичность и доступность при изготовлении, а также удобство в работе устройства. Кроме этого, предложенная конструкция устройства позволяет существенно снизить временные затраты при его эксплуатации за счет выведения реакционной камеры из зоны нагрева, а также реализовывать технологии быстрого термического отжига и охлаждения.The simplicity of the design ensures technological feasibility, ease of manufacture, and ease of operation. Furthermore, the proposed design significantly reduces operating time by removing the reaction chamber from the heating zone and enables rapid thermal annealing and cooling technologies.
Claims (5)
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2849000C1 true RU2849000C1 (en) | 2025-10-22 |
Family
ID=
Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| SU443234A1 (en) * | 1973-02-26 | 1974-09-15 | Предприятие П/Я В-8495 | Device for heat treatment of semiconductor wafers |
| SU1587083A1 (en) * | 1988-05-10 | 1990-08-23 | Предприятие П/Я В-8495 | Apparatus for thermal treating of semiconductor wafers |
| US6051512A (en) * | 1997-04-11 | 2000-04-18 | Steag Rtp Systems | Apparatus and method for rapid thermal processing (RTP) of a plurality of semiconductor wafers |
| WO2008124477A1 (en) * | 2007-04-06 | 2008-10-16 | Mattson Technology, Inc. | Method and system for thermally processing a plurality of wafer-shaped objects |
| RU110828U1 (en) * | 2011-04-18 | 2011-11-27 | Закрытое акционерное общество "Научное и технологическое оборудование" | DEVICE FOR LOADING AND REMOVING SEMICONDUCTOR PLATES INTO A REACTOR AND FROM A REACTOR FOR THERMAL PROCESSING |
| RU2764877C1 (en) * | 2021-05-17 | 2022-01-21 | Акционерное общество "Научно-исследовательский институт точного машиностроения" | Vacuum complex for thermal annealing of semiconductor wafers |
Patent Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| SU443234A1 (en) * | 1973-02-26 | 1974-09-15 | Предприятие П/Я В-8495 | Device for heat treatment of semiconductor wafers |
| SU1587083A1 (en) * | 1988-05-10 | 1990-08-23 | Предприятие П/Я В-8495 | Apparatus for thermal treating of semiconductor wafers |
| US6051512A (en) * | 1997-04-11 | 2000-04-18 | Steag Rtp Systems | Apparatus and method for rapid thermal processing (RTP) of a plurality of semiconductor wafers |
| WO2008124477A1 (en) * | 2007-04-06 | 2008-10-16 | Mattson Technology, Inc. | Method and system for thermally processing a plurality of wafer-shaped objects |
| RU110828U1 (en) * | 2011-04-18 | 2011-11-27 | Закрытое акционерное общество "Научное и технологическое оборудование" | DEVICE FOR LOADING AND REMOVING SEMICONDUCTOR PLATES INTO A REACTOR AND FROM A REACTOR FOR THERMAL PROCESSING |
| RU2764877C1 (en) * | 2021-05-17 | 2022-01-21 | Акционерное общество "Научно-исследовательский институт точного машиностроения" | Vacuum complex for thermal annealing of semiconductor wafers |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| JP3241401B2 (en) | Rapid heat treatment equipment | |
| US6919271B2 (en) | Method for rapidly heating and cooling semiconductor wafers | |
| KR100274753B1 (en) | Heat treatment device | |
| US5252807A (en) | Heated plate rapid thermal processor | |
| US5892886A (en) | Apparatus for uniform gas and radiant heat dispersion for solid state fabrication processes | |
| JP4537200B2 (en) | Wafer batch processing system and method | |
| JPH0214514A (en) | Quick heating furnace for semiconductor treatment | |
| US5239614A (en) | Substrate heating method utilizing heating element control to achieve horizontal temperature gradient | |
| US11164761B2 (en) | Heat treatment method and heat treatment apparatus of light irradiation type | |
| WO2022010571A1 (en) | Spot heating by moving a beam with horizontal rotary motion | |
| US11289344B2 (en) | Heat treatment method and heat treatment apparatus for managing dummy wafer | |
| US10998207B2 (en) | Heat treatment method and heat treatment apparatus for managing heat treatment of dummy wafer | |
| US8796160B2 (en) | Optical cavity furnace for semiconductor wafer processing | |
| RU2849000C1 (en) | Device for rapid thermal processing of semiconductor wafers | |
| JP2003133248A (en) | Method for heat-treating substrate | |
| CN117238815B (en) | A wafer preheating and cooling device and a wafer transfer method | |
| US20200126807A1 (en) | Light irradiation type heat treatment method and heat treatment apparatus | |
| KR100553256B1 (en) | Local heat treatment apparatus of semiconductor wafer | |
| KR100620444B1 (en) | Heat treatment method | |
| JP3660254B2 (en) | Substrate heat treatment equipment | |
| RU2843085C1 (en) | Vacuum complex for thermal annealing of semiconductor wafers | |
| JP3709359B2 (en) | Substrate heat treatment equipment | |
| JP3510329B2 (en) | Heat treatment equipment | |
| JP3869655B2 (en) | Lamp annealing equipment | |
| JP2007242850A (en) | Semiconductor manufacturing apparatus and semiconductor manufacturing method |