一种炉管的氮气冷却系统及晶圆和晶舟的冷却方法与流程

本发明涉及半导体集成电路加工技术领域，更具体地，涉及一种炉管的氮气冷却系统及使用该系统对晶圆和晶舟进行冷却的方法。

背景技术：

集成电路持续往高密度方向发展，在一块越来越小的芯片上，整合了越来越多的组件，使得芯片对缺陷的容忍度越来越低，更多更小尺寸的缺陷也逐渐成为了良率杀手。

集成电路的缺陷即晶圆上存在的有形污染与瑕疵，主要包括：晶圆上的异物(微尘，工艺残留物，不良反应生成物等)，图形缺陷(光刻或刻蚀造成的异常成像，机械性刮伤变形，厚度不均匀造成的颜色异常等)，化学污染(残留化学药品，有机溶剂等)，材质缺陷(晶圆自身或制造过程中引起的晶格缺陷)。

集成电路制造工艺是在无尘室中进行的，缺陷的主要来源包括：

1)机台设备：零件老化与设备异常在运行中产生的缺陷；

2)工艺方法：工艺最终优化之前在制程反应中所产生的副生成物；

3)生产环境：包含洁净室颗粒水平，温湿度，静电程度，有机物含量；

4)材料本身：包括晶圆材料,工艺气体，工艺纯水，化学药品；

5)操作人员：包含无尘衣，手套。

其中，约80％的缺陷是工艺优化工程中产生的，约15％的缺陷来自机台设备，而这些缺陷大部分会影响晶圆的良率。

炉管用于对晶圆进行高温作业。将多枚晶圆以水平方式装载于晶舟中的舟脚上，晶舟可以从炉管下方的预装载区垂直进入炉管，使晶圆在炉管内接受工艺，并在工艺后将晶圆再传输到预装载区进行冷却。炉管的氮气冷却系统(NBS)设置在炉管下方的预装载区，用于对作业完成但仍处于高温的晶圆和晶舟进行冷却。

请参阅图1，图1是现有的一种炉管的氮气冷却系统结构示意图。如图1所示，炉管的氮气冷却系统20设置在炉管下方的预装载区，并位于下降到预装载区时的晶舟10一侧。氮气冷却系统20设有一个冷却管路23，冷却管路23连接供气系统，并在其末端并列垂直设有两个不同长度的冷却管22、25；沿每个冷却管22、25的管壁分别设有多个出气孔21、26，可通过这些出气孔喷射氮气，对晶圆和晶舟10进行冷却。其中一个较短的冷却管22用于对晶舟10进行冷却；另一个较长的冷却管25用于对晶舟10中放置的各层晶圆进行冷却。冷却管路23设有质量流量控制器(MFC)24，用于控制冷却管路中的氮气总流量。

在上述现有的氮气冷却系统结构中，氮气是经同一个质量流量控制器流向两个不同长度的冷却管、并通过两个冷却管上不同数量的出气孔喷射出的。因此，从较短的冷却管每个出气孔喷射出的氮气流量将明显大于从较长的冷却管每个出气孔喷射出的氮气流量。

晶圆在高温作业中会发生变形。作业完成后，晶舟下降到预装载区，在通过上述氮气冷却系统冷却的过程中，晶圆将恢复原状，并与晶舟舟脚发生摩擦而产生颗粒。

由于从较短的冷却管每个出气孔喷射出的氮气流量大于从较长的冷却管每个出气孔喷射出的氮气流量，因而会将晶舟舟脚部位摩擦产生的颗粒吹到晶圆上，而难以再被从较长的冷却管喷射出的较小流量的氮气吹走，从而影响了晶圆的良率。

因此，需要对现有氮气冷却系统进行改善，以避免将舟脚部位的颗粒吹到晶圆上。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服现有技术存在的上述缺陷，提供一种炉管的氮气冷却系统及晶圆和晶舟的冷却方法，既能够很好地冷却晶舟上的晶圆，又可防止将晶舟舟脚上的颗粒吹到晶圆上。

为实现上述目的，本发明的技术方案如下：

一种炉管的氮气冷却系统，设置在炉管下方的预装载区，并位于下降到预装载区时的晶舟侧部，所述晶舟通过舟脚水平装载有若干层晶圆，所述氮气冷却系统包括：

第一、第二冷却管路，其分别设有质量流量控制器；

第一、第二冷却管，分别垂直设于第一、第二冷却管路末端，沿第一、第二冷却管的管壁分别设有多个出气孔，用于喷射氮气分别从侧部对晶舟及晶舟中的晶圆进行冷却；

其中，由供气系统导入的氮气，经第一、第二冷却管路各自质量流量控制器的调节，以不同的设定流量流向第一、第二冷却管，使从第一冷却管每个出气孔喷射出的氮气流量小于从第二冷却管每个出气孔喷射出的氮气流量，以在晶舟舟脚部位产生的颗粒被第一冷却管喷射出的较小流量氮气吹落时，通过第二冷却管喷射出的较大流量氮气吹走，从而防止颗粒落到晶圆上。

优选地，所述第一、第二冷却管设于晶舟同侧的不同横向位置。

优选地，所述第一、第二冷却管路分别设置一至若干个，并分别设有质量流量控制器，每个第一冷却管路设有一至若干个第一冷却管，每个第二冷却管路设有一至若干个第二冷却管，所述第一、第二冷却管在晶舟侧部成对设置。

优选地，所述第二冷却管的长度大于第一冷却管，所述第二冷却管上的出气孔与晶舟中晶圆的位置一一对应。

优选地，还包括一控制单元，其连接第一、第二冷却管路上的质量流量控制器，用于通过质量流量控制器设定及调节流经第一、第二冷却管路中的氮气流量。

优选地，还包括第一、第二温度感测单元，用于分别感测晶舟和晶圆的温度，所述第一、第二温度感测单元分别连接控制单元。

一种晶圆和晶舟的冷却方法，使用上述的炉管的氮气冷却系统，包括以下步骤：

步骤S01：设定流经第一、第二冷却管路中的不同氮气流量；

步骤S02：在晶舟下降到预装载区时，打开氮气冷却系统，通过第一、第二冷却管的出气孔分别从侧部向晶舟和晶圆喷射氮气进行冷却，并使从第一冷却管每个出气孔喷射出的氮气流量小于从第二冷却管每个出气孔喷射出的氮气流量，防止晶舟舟脚上的颗粒吹到晶圆上；

步骤S03：将晶舟和晶圆冷却至设定温度后，关闭氮气冷却系统，完成对晶舟和晶圆的冷却。

优选地，步骤S02中，使晶舟处于旋转状态进行冷却。

优选地，步骤S02中，对晶舟和晶圆的温度进行检测，以控制冷却时间。

优选地，根据检测的晶舟和晶圆温度，调整使不同冷却阶段中流经第一、第二冷却管路中的氮气具有不同大小的流量，以增强冷却效果。

从上述技术方案可以看出，本发明通过在氮气冷却系统中设置两路冷却管路，每路冷却管路分别采用质量流量控制器控制氮气流量，并通过在两路冷却管路中设置不同的氮气流量，使从冷却晶舟的第一冷却管每个出气孔中喷射出的氮气流量小于从冷却晶圆的第二冷却管每个出气孔中喷射出的氮气流量，以在晶舟舟脚部位产生的颗粒被第一冷却管喷射出的较小流量氮气吹落时，通过第二冷却管喷射出的较大流量氮气吹走，从而既能够很好地冷却晶舟及晶舟上的晶圆，又可防止将晶舟舟脚上的颗粒吹到晶圆上。

附图说明

图1是现有的一种炉管的氮气冷却系统结构示意图；

图2是本发明一较佳实施例的一种炉管的氮气冷却系统结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明的具体实施方式作进一步的详细说明。

需要说明的是，在下述的具体实施方式中，在详述本发明的实施方式时，为了清楚地表示本发明的结构以便于说明，特对附图中的结构不依照一般比例绘图，并进行了局部放大、变形及简化处理，因此，应避免以此作为对本发明的限定来加以理解。

在以下本发明的具体实施方式中，请参阅图2，图2是本发明一较佳实施例的一种炉管的氮气冷却系统结构示意图。如图2所示，本发明的一种炉管的氮气冷却系统30，设置在炉管(图略)下方的预装载区，并位于下降到预装载区时的晶舟10侧部。所述晶舟通过舟脚水平装载有若干层晶圆(图略，可参考现有技术加以理解)。

请参阅图2。所述氮气冷却系统30包括第一、第二冷却管路33、35，分别连接第一、第二冷却管路33、35的第一、第二冷却管32、37，以及第一、第二冷却管路33、35上各自安装的质量流量控制器(MFC)34、36等部分。

第一、第二冷却管路33、35可并列设置，在第一、第二冷却管路33、35上分别安装有质量流量控制器34、36，用于分别控制流经第一、第二冷却管路33、35的氮气流量大小。通常，氮气作为冷却晶舟及晶舟中晶圆的冷却介质，但也可以采用其他适用的冷却介质，本发明不限于此。第一、第二冷却管路33、35的源头可分别连接厂务供气系统，也可在其质量流量控制器34、36之后合并连接厂务供气系统。

在第一冷却管路33的末端(图示的左侧端)垂直装有第一冷却管32，沿第一冷却管32的管壁加工有上下分布的多个出气孔31，出气孔31面向晶舟10方向设置。由供气系统导入的氮气，经第一冷却管路质量流量控制器34的流量调节后，流向第一冷却管32，然后由第一冷却管管壁上的各个出气孔31喷出，可从侧部对晶舟10进行冷却。

同样地，在第二冷却管路35的末端垂直装有第二冷却管37，沿第二冷却管37的管壁同样加工有上下分布的多个出气孔38，各出气孔38面向晶舟10方向设置，并与晶舟中每层晶圆的位置一一对应。也就是一个出气孔38负责吹扫与其对应层的一枚晶圆，并由全部的出气孔形成辐射晶舟上下的均匀的冷却气流层。由供气系统导入的氮气，经第二冷却管路质量流量控制器36的流量调节后，流向第二冷却管37，然后由第二冷却管管壁上的各个出气孔38喷出，可从侧部对晶舟10中的晶圆进行冷却。出气孔31、38的分布密度也可以进一步增加或减小，这可以根据需要的气流量进行配置。

这样，第一冷却管路33及其第一冷却管32和第二冷却管路35及其第二冷却管37就形成了两路独立的冷却管路。

当晶圆在炉管中的高温作业完成时，晶舟下降到预装载区，并需要对晶舟和晶圆进行冷却。此时，可通过设置一个控制单元(图略)，将控制单元连接第一、第二冷却管路上的质量流量控制器对其进行流量控制。这样，通过控制第一、第二冷却管路上的质量流量控制器，即可分别设定及调节流经第一、第二冷却管路中的氮气流量。

进行冷却时，由供气系统导入氮气，经第一、第二冷却管路各自质量流量控制器的调节后，在第一、第二冷却管路中以不同的设定流量分别流向第一、第二冷却管，根据计算设定流量，可以使从第一冷却管每个出气孔喷射出的氮气流量小于从第二冷却管每个出气孔喷射出的氮气流量。这样，当晶圆受到冷却恢复形变时，其与晶舟舟脚部位摩擦所产生的颗粒即使被第一冷却管喷射出的相对于第二冷却管较小流量的氮气吹落时，也可被通过第二冷却管喷射出的相对于第一冷却管较大流量的氮气立即吹走，从而可有效防止颗粒落到晶圆上产生缺陷。

所述第一、第二冷却管可设置在晶舟同侧的不同横向位置，这样可以近似同向喷射氮气，强化吹扫颗粒时的作用效果。

所述第一冷却管路可以设置一至若干个，当其为两个以上时，每路第一冷却管路可分别设有质量流量控制器；同样，所述第二冷却管路也可以设置一至若干个，当其为两个以上时，每路第二冷却管路可分别设有质量流量控制器。并且，每路第一冷却管路还可并列设有一至若干个第一冷却管，每路第二冷却管路也可并列设有一至若干个第二冷却管。每一个第一冷却管和一个第二冷却管组成一对，并可环绕在晶舟侧部成对设置，以便可从晶舟的整个侧面对晶舟及晶圆进行快速冷却。每对第一、第二冷却管之间应环绕晶舟侧部设置成非对称状态，以免冷却气流集中流向晶圆中心。

在控制好第一、第二冷却管每个出气孔的流量对应关系时，将所述第二冷却管的长度设置为大于第一冷却管的长度，以便可对所有层的晶圆同时进行冷却。

还可以设置第一、第二温度感测单元，例如可以采用温度传感器，用于分别感测晶舟和晶圆的表面温度。将所述第一、第二温度感测单元分别连接至控制单元，这样控制单元即可根据温度传感器检测的晶舟和晶圆温度，在不同的冷却阶段，调整流经第一、第二冷却管路中的氮气流量大小，以增强冷却效果。当然，仍应保证第一冷却管路中的氮气流量小于第二冷却管路中的氮气流量。

还可以通过在出气孔处加装活动喷嘴，从而可在冷却过程中变换氮气喷射的角度，增强吹扫效果。以及可将第一、第二冷却管路连接机械臂，从而可在冷却过程中变换氮气喷射的距离，也可增进吹扫效果。

下面结合具体实施方式，对本发明使用上述的炉管的氮气冷却系统的一种晶圆和晶舟的冷却方法进行详细说明。

请参阅图2。本发明的一种晶圆和晶舟的冷却方法，可使用上述的炉管的氮气冷却系统，并可包括以下步骤：

步骤S01：冷却开始前，通过控制单元在两个质量流量控制器34、36上分别设定流经第一、第二冷却管路33、35中的不同氮气流量，并使流经第一冷却管路33中的氮气流量小于流经第二冷却管路35中的氮气流量。具体可通过计算得出各自管路的氮气流量。

步骤S02：在晶圆完成高温作业、晶舟10下降到预装载区时或者在这之前的预设时间，可通过控制单元或者炉管机台的控制菜单打开氮气冷却系统30，并通过第一、第二冷却管32、37的出气孔31、38分别从侧部向晶舟10和晶舟10中装载的晶圆喷射氮气进行冷却；冷却时通过已设定的流量，可以使从第一冷却管32每个出气孔31喷射出的氮气流量小于从第二冷却管37每个出气孔38喷射出的氮气流量，从而在晶舟舟脚部位产生的颗粒被第一冷却管32喷射出的较小流量氮气吹落时，可通过第二冷却管37喷射出的较大流量氮气立即将其吹走，以防止晶舟舟脚上的颗粒吹到晶圆上。

步骤S03：在冷却过程中可通过温度传感器不断检测晶舟和晶圆的表面温度，控制单元获知已将晶舟和晶圆冷却至设定温度后，即可将氮气冷却系统30关闭，完成对晶舟和晶圆的冷却。

在上述的步骤S02中，可使晶舟10处于旋转状态进行冷却，以使其得到均匀冷却，并提高清洁效果。

还可通过对晶舟和晶圆的温度进行检测，以便及时掌握冷却状态，来控制冷却时间，提高作业效率。

特别是控制单元可根据不断检测到的晶舟和晶圆温度，了解其处于冷却的何种阶段，以便根据不同阶段的冷却风量要求，调整使不同冷却阶段中流经第一、第二冷却管路中的氮气具有不同大小的流量。例如可将冷却过程分为高温、中温和低温三个阶段，在高温阶段晶圆形变恢复量不明显，流量过大并不能产生相应的冷却及清洁效果，可适当减小氮气流量；在中温阶段晶圆形变恢复量最大，可加大氮气流量增强对流效果，以便迅速降低晶圆温度并有效吹走颗粒；在低温阶段，晶圆形变已基本恢复且接近设定的冷却温度，这时可减小氮气流量，以节约用气量。通过上述方式可以进一步增强冷却效果，并取得良好的颗粒去除效果。

综上所述，本发明通过在氮气冷却系统中设置两路冷却管路，每路冷却管路分别采用质量流量控制器控制氮气流量，并通过在两路冷却管路中设置不同的氮气流量，使从冷却晶舟的第一冷却管每个出气孔中喷射出的氮气流量小于从冷却晶圆的第二冷却管每个出气孔中喷射出的氮气流量，以在晶舟舟脚部位产生的颗粒被第一冷却管喷射出的较小流量氮气吹落时，通过第二冷却管喷射出的较大流量氮气吹走，从而既能够很好地冷却晶舟及晶舟上的晶圆，又可防止将晶舟舟脚上的颗粒吹到晶圆上。

以上所述的仅为本发明的优选实施例，所述实施例并非用以限制本发明的专利保护范围，因此凡是运用本发明的说明书及附图内容所作的等同结构变化，同理均应包含在本发明的保护范围内。