半导体热处理设备的制作方法

1.本实用新型涉及半导体工艺设备领域，具体地，涉及一种半导体热处理设备。


背景技术：

2.半导体热处理设备是集成电路制造的核心装备，适用于集成电路制造过程中各种氧化、退火和薄膜生长等工艺，炉体是半导体热处理设备的核心部件，产品片位于炉体的内部，炉体为产品片提供合适的反应空间和反应温度。
3.各种热处理工艺都是在不断地升温-降温-升温-降温中进行的，升降温次数、升降温速率和具体温度根据不同的工艺有不同的要求。其中炉体可快速降温是产品片工艺过程中必要的条件之一，除工艺要求外，快速降温还可提高生产效率、提升产量并且降低成本。然而，现有的半导体热处理设备沿高度方向各位置的降温效率往往较为固定，对于存在不同降温需求的热处理工艺，无法灵活调节半导体热处理设备各高度位置的温度，导致半导体热处理设备对不同热处理工艺的适应性差，难以保证降温时设备温度沿高度方向的一致性。
4.因此，如何保证半导体热处理设备在各种热处理工艺中进行降温时温度沿高度方向的一致性，成为本领域亟待解决的技术问题。


技术实现要素：

5.本实用新型旨在提供一种半导体热处理设备，该半导体热处理设备能够提高炉体降温时炉体温度沿高度方向的一致性。
6.为实现上述目的，本实用新型提供一种半导体热处理设备，包括炉体、反应腔室、进气总管和多个进气支管，所述反应腔室设置在所述炉体中，所述炉体的侧壁上形成有多个沿高度方向间隔分布且与所述炉体的内部连通的进气孔，所述进气支管的进气端均与所述进气总管连通，所述进气支管的出气端一一对应地与多个所述进气孔连通，且所述进气支管上设置有调节阀，所述调节阀能够调节气体流经所述调节阀的流通截面积。
7.可选地，所述调节阀包括走气筒、旋转机构和挡片，所述走气筒的进气端与所述进气支管连接，所述走气筒的出气端与所述进气孔连接，所述挡片设置在所述走气筒中，且能够绕挡片轴线旋转，所述挡片轴线垂直于所述走气筒中的走气方向，所述旋转机构用于调节所述挡片在所述走气筒中的旋转角度，以改变气体流经所述调节阀的流通截面积。
8.可选地，所述旋转机构包括承接环和旋钮，所述旋钮包括相互连接的调节头和连接柱，所述走气筒的外壁上形成有贯穿至所述走气筒内部的避让孔，所述承接环固定设置在所述走气筒上，所述旋钮的连接柱依次穿过所述承接环的内孔以及所述走气筒上的所述避让孔并与所述挡片固定连接，所述旋钮能够相对于所述承接环以及所述走气筒绕自身轴线旋转，以调节所述挡片在所述走气筒中的旋转角度。
9.可选地，所述旋钮上形成有沿所述旋钮的周向间隔分布的刻度标识，所述承接环上形成有刻度指向标志，用于反映所述旋钮以及所述挡片的旋转角度。
10.可选地，所述旋转机构还包括至少一个固定钉，所述承接环上形成有至少一个固定孔，所述固定孔由所述承接环的外侧壁贯穿至所述承接环的内孔，所述固定钉能够一一对应地旋入所述固定孔中并与所述旋钮接触，以固定所述旋钮以及所述挡片的旋转角度。
11.可选地，所述挡片包括挡片本体和覆盖在所述挡片本体表面上的第一保温层，所述旋钮的所述连接柱与所述挡片本体固定连接。
12.可选地，所述走气筒的内壁上具有第一限位片和第二限位片，所述第一限位片和所述第二限位片均沿垂直于所述走气方向延伸，所述第一限位片和所述第二限位片位于所述挡片轴线的沿所述走气方向的两侧，且所述第一限位片和所述第二限位片位于所述挡片轴线的沿垂直于所述走气方向且垂直于所述挡片轴线的方向的两侧；所述第一限位片和所述第二限位片用于在所述挡片旋转至封闭所述走气筒时与所述挡片的两侧边缘接触。
13.可选地，所述走气筒包括第一子筒和第二子筒，所述第一子筒的第一端形成为所述走气筒的进气端，所述第一子筒的第二端与所述第二子筒的第一端连接，所述第二子筒的第二端形成为所述走气筒的出气端；
14.所述第一子筒的第二端边缘上形成有第一避让缺口，所述第二子筒的第一端边缘上形成有第二避让缺口，所述第一避让缺口与所述第二避让缺口拼接形成所述避让孔；所述第一限位片和所述第二限位片分别位于所述第一子筒和所述第二子筒上。
15.可选地，所述旋转机构还包括密封垫，所述密封垫位于所述承接环与所述走气筒的外壁之间，以将所述承接环与所述避让孔密封连接。
16.可选地，所述走气筒的内壁上设置有第三保温层。
17.可选地，所述走气筒的横截面形状为矩形，所述挡片的形状与所述走气筒的横截面形状对应。
18.可选地，所述半导体热处理设备还包括第一保温片和第二保温片；
19.所述走气筒的进气端具有沿垂直于所述走气方向向外延伸的进气连接片，所述进气支管的端部形成有支管连接片，所述进气连接片、所述第一保温片和所述支管连接片层叠设置，且所述进气连接片与所述支管连接片固定连接，以将所述走气筒的进气端与所述进气支管密封连接；
20.所述走气筒的出气端具有向外延伸的出气连接片，所述出气连接片、所述第二保温片和所述炉体的侧壁层叠设置，且所述出气连接片与所述炉体的侧壁固定连接，以将所述走气筒的出气端与所述进气孔密封连接。
21.可选地，所述炉体的侧壁中形成有炉壁间隙，且所述炉壁间隙中具有多个隔层，多个所述隔层将所述炉壁间隙分隔为沿高度方向间隔分布的多个温区间隙，每个所述温区间隙通过至少一个所述进气孔与所述炉体的外部连通，所述炉体的内侧壁上形成有多个导气孔，所述温区间隙通过至少一个所述导气孔与所述炉体的内部连通。
22.可选地，所述炉体包括壳体和设置在所述壳体内壁上的第二保温层，所述温区间隙形成在所述第二保温层中，所述进气孔包括形成在所述壳体上的第一子孔和形成在所述第二保温层上的第二子孔。
23.可选地，所述半导体热处理设备还包括排气通道，所述炉体的顶部形成有排气孔，所述炉体通过所述排气孔与所述排气通道连通。
24.在本实用新型提供的半导体热处理设备中，进气总管通过多个进气支管向炉体的
不同高度处输入冷却气体，且进气支管上设置有调节阀，调节阀能够调节气体流经调节阀的流通截面积，即改变各进气支管中流过的气体流量，从而能够通过调节炉体不同高度(即各个温区)的进风量来控制炉体不同高度(各个温区)的降温速度，满足不同工艺的降温需求，并提高炉体快速降温时炉体温度沿高度方向的一致性，进而提高热处理工艺的工艺效果，保证晶圆产品质量。
附图说明
25.附图是用来提供对本实用新型的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本实用新型，但并不构成对本实用新型的限制。在附图中：
26.图1是一种现有的半导体热处理设备的降温原理示意图；
27.图2是本实用新型实施例提供的半导体热处理设备的结构示意图；
28.图3是本实用新型实施例提供的半导体热处理设备中调节阀的结构示意图；
29.图4是图3所示调节阀的侧视图；
30.图5是图3所示调节阀沿一个剖面的剖视图；
31.图6是图3所示调节阀沿另一剖面的剖视图；
32.图7是本实用新型实施例提供的半导体热处理设备中调节阀中的挡片的结构示意图；
33.图8是本实用新型实施例提供的半导体热处理设备中调节阀中的走气筒的结构示意图；
34.图9是图8所示走气筒中的第一子筒的结构示意图；
35.图10是图8所示走气筒中的第二子筒的结构示意图。
36.附图标记说明：
37.100：炉体
38.101：进气孔
39.110：壳体
40.111：排气孔
41.120：第二保温层
42.121：温区间隙
43.122：导气孔
44.200：反应腔室
45.310：进气总管
46.320：进气支管
47.321：支管连接片
48.400：调节阀
49.410：走气筒
50.411：第一子筒
51.4111：第一限位片
52.412：第二子筒
53.4121：第二限位片
54.413：避让孔
55.414：第三保温层
56.415：进气连接片
57.416：出气连接片
58.420：旋转机构
59.421：承接环
60.422：旋钮
61.423：固定钉
62.424：密封垫
63.430：挡片
64.431：挡片本体
65.432：第一保温层
66.440：第一保温片
67.450：第二保温片
68.500：炉门
69.600：保温桶
70.700：排气通道
具体实施方式
71.以下结合附图对本实用新型的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本实用新型，并不用于限制本实用新型。
72.进风、排风结构是炉体实现快速降温功能的重要部件，空气从进风结构进入炉体内部，带走炉体内部热量然后经过排风机构排到室外实现快速降温。炉体通常在竖直方向上分布有n个温区，冷却时各个温区的降温一致性也是影响工艺的一个重要指标，为满足各个温区之间降温速率的一致性，需要对各个温区进风量进行调节。
73.如图1所示为一种现有的半导体热处理设备的降温原理示意图，产品片13放置在晶舟7上，6为保温桶对炉体进行底部保温，5为炉门对炉体底部进行封闭，9为保温材料对炉体四周进行保温。1为进风管路，3为进风环，形成一个进风通道。冷却空气从进风口1进入风环3，然后进入竖向风道4经过风洞8进入炉体内部保温材料9和反应腔室14的间隙中，此时冷却气流带走此空间中的热量经由排气孔11、排气管道12通过排风口2排出炉体，实现快速降温。整个降温过程中各个温区进风量通过风洞8的数量和排布进行控制。
74.然而，现有技术中进风量的调节为通过各个温区风洞8的数量进行控制，各个温区对应的风洞数量和排布是炉体设计和制造时确定好的方案，当炉体进行不同工艺时，会有不同的降温需求，该方案不能对炉体进风量进行适应性的调节，导致炉体降温性能单一，难以满足不同工艺的降温需求，炉体降温一致性较差，严重影响了该半导体热处理设备的市场竞争力。
75.为解决上述技术问题，本实用新型提供一种半导体热处理设备，如图2所示，该半导体热处理设备包括炉体100、反应腔室200、进气总管310和多个进气支管320，反应腔室200设置在炉体100中，炉体100的侧壁上形成有多个沿高度方向间隔分布且与炉体100的内
部连通的进气孔101，进气支管320的进气端均与进气总管310连通，进气支管320的出气端一一对应地与多个进气孔101连通，且进气支管320上设置有调节阀400，调节阀400能够调节气体流经调节阀400的流通截面积。
76.在本实用新型提供的半导体热处理设备中，进气总管310通过多个进气支管320向炉体100的不同高度处输入冷却气体，且进气支管320上设置有调节阀400，调节阀400能够调节气体流经调节阀400的流通截面积，即改变各进气支管320中流过的气体流量，从而能够通过调节炉体100不同高度(即各个温区)的进风量来控制炉体100不同高度(各个温区)的降温速度，满足不同工艺的降温需求，并提高炉体100快速降温时炉体100温度沿高度方向的一致性，进而提高热处理工艺的工艺效果，保证晶圆产品质量。
77.需要说明的是，反应腔室200用于提供反应空间，以容纳待加工的产品片(晶圆)。具体地，如图2所示，反应腔室200用于容纳晶舟20及其上承载的晶圆10。
78.作为本实用新型的一种优选实施方式，如图2所示，炉体100的侧壁中形成有炉壁间隙，且炉壁间隙中具有多个隔层，多个隔层将炉壁间隙分隔为沿高度方向间隔分布的多个温区间隙121，每个温区间隙121通过至少一个进气孔101与炉体100的外部连通(即与对应的进气支管320连通)，炉体100的内侧壁上形成有多个导气孔122，温区间隙121通过至少一个导气孔122与炉体100的内部连通。
79.在本实用新型实施例中，炉体100的侧壁中形成有通过隔层分隔的多个温区间隙121，多个温区间隙121对应于炉体内部的不同高度区域，从而确保将每根进气支管320输入的冷却气体导流至炉体内部的气流沿高度方向的均匀性，进而保证反应腔室200的表面全部与冷却气体接触。
80.为进一步保证反应腔室200与冷却气体接触的表面面积，优选地，如图2所示，多个导气孔122沿高度方向均匀分布。
81.作为本实用新型的一种可选实施方式，隔层与炉体100形成为一体。或者，作为本实用新型的另一种可选实施方式，隔层与炉体100相互独立，隔层与炉体100之间通过固体高温胶粘结。
82.为保证半导体热处理工艺的加热效率，作为本实用新型的一种优选实施方式，如图2所示，炉体100包括壳体110和设置在壳体110内壁上的第二保温层120，温区间隙121形成在第二保温层120中，进气孔101包括形成在壳体110上的第一子孔和形成在第二保温层120上的第二子孔。
83.在本实用新型实施例中，炉体100包括壳体110和设置在壳体110内壁上的第二保温层120，从而通过第二保温层120降低了炉内气体向外界散热的效率，节约了维持炉温所需的能源，提高了半导体热处理设备的环保性能及经济效益。
84.为进一步保证半导体热处理工艺的加热效率，作为本实用新型的一种优选实施方式，如图2所示，炉体100的底部形成有炉口，半导体热处理设备还包括炉门500和保温桶600，炉门500用于封闭炉体100底部的炉口，保温桶600用于设置在炉门500上方并支撑晶舟20。即，通过保温桶600降低晶舟20及其上承载的晶圆10所在区域的热量向下传播的效率，从而进一步保证了半导体热处理工艺的加热效率。
85.作为本实用新型的一种可选实施方式，如图2所示，半导体热处理设备还包括排气通道700，炉体100的顶部形成有排气孔111，炉体100通过排气孔111与排气通道700连通。
86.在冷却工艺中，冷却气体的流向如图2中箭头方向所示，冷却气体由进气总管310流入多个进气支管320中，然后经多个调节阀400流入多个温区间隙121内并流入炉体100内部，在与反应腔室200换热升温后上升至排气孔111附近，并依次通过排气孔111和排气通道700排出炉体100外。
87.作为本实用新型的一种可选实施方式，如图3至图6所示，调节阀400包括走气筒410、旋转机构420和挡片430，走气筒410的进气端与进气支管320连接，走气筒410的出气端与进气孔101连接，挡片430设置在走气筒410中，且能够绕挡片轴线旋转，挡片轴线垂直于走气筒410中的走气方向，旋转机构420用于调节挡片430在走气筒410中的旋转角度，以改变气体流经调节阀400的流通截面积(即调节阀400的开度)。
88.在本实用新型实施例中，通过旋转机构420调节挡片430在走气筒410中的旋转角度的方式实现对调节阀400开度的调节，即，随着挡片430由垂直于走气方向旋转至平行于走气方向的过程中调节阀400的开度逐渐增大，挡片430垂直于走气方向时，调节阀400完全关闭，使其对应的进气支管320与炉体100断开，挡片430平行于走气方向时，调节阀400开启至最大开度，使其对应的进气支管320以最大流量向炉体100中通入冷却气体。
89.作为本实用新型的一种可选实施方式，如图3至图5所示，旋转机构420包括承接环421和旋钮422，旋钮422包括相互连接的调节头和连接柱，走气筒410的外壁上形成有贯穿至走气筒410内部的避让孔413，承接环421固定设置在走气筒410上，旋钮422的连接柱依次穿过承接环421的内孔以及走气筒410上的避让孔413并与挡片430固定连接，旋钮422能够相对于承接环421以及走气筒410绕自身轴线旋转，以调节挡片430在走气筒410中的旋转角度。
90.为便于技术人员手动对调节阀400的开度进行调节以及观测，作为本实用新型的一种优选实施方式，旋钮422上形成有沿旋钮422的周向间隔分布的刻度标识，承接环421上形成有刻度指向标志，用于反映旋钮422以及挡片430的旋转角度。
91.即，在本实用新型实施例中，技术人员手动对各进气支管320的进风量进行调节时，仅需通过调节阀400中旋钮422上的与刻度指向标志的对应的刻度值，即可知晓调节阀400当前的开度，提高了技术人员手动对调节阀400的开度进行调节以及观测的便捷性。
92.作为本实用新型的一种优选实施方式，旋钮422可通过电动方式进行驱动，以便于技术人员通过机台系统对调节阀400的开度进行远程实时调控，提高调节半导体热处理设备不同高度进风量的便捷性。
93.为保证半导体热处理工艺中冷却工艺的稳定性，作为本实用新型的一种优选实施方式，如图3至图5所示，旋转机构420还包括至少一个固定钉423，承接环421上形成有至少一个固定孔，固定孔由承接环421的外侧壁贯穿至承接环421的内孔，固定钉423能够一一对应地旋入固定孔中并与旋钮422接触，以固定旋钮422以及挡片430的旋转角度。
94.在本实用新型实施例中，旋转机构420还包括至少一个固定钉423，且固定钉423能够旋入承接环421的固定孔中，从而在完成调节调节阀400的开度后，可通过固定钉423锁定旋钮422以及挡片430的旋转角度，避免挡片430再次旋转造成调节阀400的开度偏移，保证了半导体热处理工艺中冷却工艺各进气支管320中风量的稳定性，进而保证了冷却工艺的稳定性。
95.作为本实用新型的一种可选实施方式，固定钉423的数量为2个。可选地，如图4、图
5所示，两个固定钉423在旋钮422的两侧对称设置。
96.为保证冷却工艺的冷却效率，作为本实用新型的一种优选实施方式，如图5、图7所示，挡片430包括挡片本体431和覆盖在挡片本体431表面上的第一保温层432，旋钮422的连接柱与挡片本体431固定连接。
97.在本实用新型实施例中，挡片430包括挡片本体431和覆盖在挡片本体431表面上的第一保温层432，从而降低了流经走气筒410的冷却气体通过挡片430与外界换热并升温的效率，进而保证了冷却工艺中输入炉体100的冷却气体的低温，提高了冷却工艺的冷却效率。
98.作为本实用新型的一种可选实施方式，挡片430与挡片本体431之间可以通过固体高温胶粘结。或者，作为本实用新型的另一种可选实施方式，隔层与炉体100相互独立，挡片430与挡片本体431之间也可以通过高温胶带粘结。
99.为提高调节阀400关闭时对冷却气体的阻隔效果，进一步提高对冷却气体流量的控制效果，作为本实用新型的一种优选实施方式，如图6、图9、图10所示，走气筒410的内壁上具有第一限位片4111和第二限位片4121，第一限位片4111和第二限位片4121均沿垂直于走气方向延伸，第一限位片4111和第二限位片4121位于挡片轴线的沿走气方向的两侧，且第一限位片4111和第二限位片4121位于挡片轴线的沿垂直于走气方向且垂直于挡片轴线的方向的两侧；第一限位片4111和第二限位片4121用于在挡片430旋转至封闭走气筒410时与挡片430的两侧边缘接触。
100.在本实用新型实施例中，走气筒410的内壁上具有第一限位片4111和第二限位片4121，且第一限位片4111和第二限位片4121无论在沿走气方向还是在沿垂直于走气方向均位于挡片430的挡片轴线的两侧，从而如图6所示，当挡片430旋转至平行于走气方向时，第一限位片4111和第二限位片4121均垂直于挡片430，且能够对挡片430的两侧进行限位，以避免挡片430过度旋转导致开度再次减小，当挡片430旋转至垂直于走气方向时，第一限位片4111和第二限位片4121均与挡片430平行，且与挡片430在挡片轴线两侧的部分的边缘分别接触，从而提高了调节阀400关闭时对冷却气体的阻隔效果，在将挡片430的旋转角度限定在0～90
°
的同时，进一步提高了调节阀400对冷却气体流量的控制效果。
101.在本实用新型的一些实施例中，走气筒410为一体形成结构，旋钮422与挡片430(具体为挡片本体431)之间可以为组装连接关系。
102.或者，作为本实用新型的一种可选实施方式，走气筒410可以为分体式结构，具体地，如图3、图8至图10所示，走气筒410包括第一子筒411和第二子筒412，第一子筒411的第一端形成为走气筒410的进气端，第一子筒411的第二端与第二子筒412的第一端连接，第二子筒412的第二端形成为走气筒410的出气端；
103.第一子筒411的第二端边缘上形成有第一避让缺口，第二子筒412的第一端边缘上形成有第二避让缺口，第一避让缺口与第二避让缺口拼接形成避让孔413；第一限位片4111和第二限位片4121分别位于第一子筒411和第二子筒412上。
104.在本实用新型实施例中，走气筒410可以由避让孔413位置分开为两部分，从而旋钮422与挡片430可采用一体成型，或将旋钮422与挡片430焊接连接为一体后，再将第一子筒411和第二子筒412由两侧套上并固定连接成走气筒410，以保证旋钮422与挡片430之间连接处的结构强度。
105.作为本实用新型的一种优选实施方式，如图9、图10所示，第一限位片4111与第一子筒411的内壁边缘焊接连接，第二限位片4121与第二子筒412的内壁边缘焊接连接。
106.作为本实用新型的一种优选实施方式，如图5所示，旋转机构420还包括密封垫424，密封垫424位于承接环421与走气筒410的外壁之间，以将承接环421与避让孔413密封连接。
107.为进一步保证冷却工艺的冷却效率，作为本实用新型的一种优选实施方式，如图4、图6所示，走气筒410的内壁上设置有第三保温层414。
108.在本实用新型实施例中，走气筒410的内壁上设置有第三保温层414，从而降低了流经走气筒410的冷却气体通过走气筒410的侧壁与外界换热并升温的效率，进而保证了冷却工艺中输入炉体100的冷却气体的低温，提高了冷却工艺的冷却效率。并且，在本实用新型实施例中，第三保温层414还可以减少热量对走气筒410和进气支管320的影响，防止其变形。
109.作为本实用新型的一种可选实施方式，如图4至图6、图8所示，走气筒410的横截面形状为矩形，挡片430的形状与走气筒410的横截面形状对应。
110.为进一步保证冷却工艺的冷却效率，作为本实用新型的一种优选实施方式，如图3、图6所示，半导体热处理设备还包括第一保温片440和第二保温片450；
111.走气筒410的进气端具有沿垂直于走气方向向外延伸的进气连接片415，进气支管320的端部形成有支管连接片321，进气连接片415、第一保温片440和支管连接片321层叠设置，且进气连接片415与支管连接片321固定连接，以将走气筒410的进气端与进气支管320密封连接；
112.走气筒410的出气端具有向外延伸的出气连接片416，出气连接片416、第二保温片450和炉体100的侧壁层叠设置，且出气连接片416与炉体100的侧壁固定连接，以将走气筒410的出气端与进气孔101密封连接。
113.在本实用新型实施例中，走气筒410的进气端与进气支管320之间通过进气连接片415与支管连接片321对接连接，且对接面之间通过第一保温片440密封，走气筒410的出气端与炉体100的侧壁之间通过出气连接片416对接连接，且对接面之间通过第二保温片450密封，从而在利用保温片提高对接处的密封性能保证结构气密性的同时，降低了流经走气筒410的冷却气体通过走气筒410的侧壁与进气支管320以及炉体100换热并升温的效率，进而保证了冷却工艺中输入炉体100的冷却气体的低温，提高了冷却工艺的冷却效率。
114.作为本实用新型的一种可选实施方式，进气连接片415与走气筒410(或第一子筒411)之间焊接连接，或者可以为一体成型。
115.作为本实用新型的一种可选实施方式，出气连接片416与走气筒410(或第二子筒412)之间焊接连接，或者可以为一体成型。
116.作为本实用新型的一种可选实施方式，进气连接片415与支管连接片321以及出气连接片416与炉体100的侧壁之间可通过螺钉、铆钉等紧固件固定连接。
117.可以理解的是，以上实施方式仅仅是为了说明本实用新型的原理而采用的示例性实施方式，然而本实用新型并不局限于此。对于本领域内的普通技术人员而言，在不脱离本实用新型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实用新型的保护范围。