300mm快速升降溫爐體的研究

孫少東

(北京七星華創(chuàng)電子股份有限公司，北京101312)

300 mm 設(shè)備在今天的全球半導(dǎo)體業(yè)界已漸成主流，幾乎所有新設(shè)備投資都在300 mm 機臺上。300 mm 立式爐熱處理設(shè)備在半導(dǎo)體生產(chǎn)線中占據(jù)著重要的地位，涵蓋了包括低溫退火、LPCVD、中溫氧化、擴散、高溫退火等工藝，當(dāng)市場需求由200 mm 轉(zhuǎn)向300 mm 的時候，國外主流設(shè)備廠商在技術(shù)上已占據(jù)了優(yōu)勢，國內(nèi)在這一領(lǐng)域正處于研發(fā)起步的階段。隨著300 mm 的發(fā)展，代工廠的競爭日益激烈，對設(shè)備的要求越來越高，能夠高效、穩(wěn)定運行并顯著縮短工藝時間的設(shè)備可以最大限度地降低生產(chǎn)成本，創(chuàng)造更大的利潤。300 mm 立式氧化爐在工藝上實現(xiàn)了晶圓的量產(chǎn)，每爐高達(dá)100 片以上。但同時也帶來了升溫及降溫耗時耗能的問題，限制了生產(chǎn)上對成本的壓縮空間，這就需要一種具備快速升降溫的爐體，將芯片技術(shù)推向更高水平，有效縮短晶圓生產(chǎn)周期，降低能耗，提高市場的競爭力，為半導(dǎo)體生產(chǎn)商創(chuàng)造更大的價值。

1 300 mm 立式氧化

1.1 設(shè)備簡介

300 mm 立式氧化設(shè)備在半導(dǎo)體生產(chǎn)線上主要用來完成氧化工藝，即用于晶圓生長氧化膜等。從硬件構(gòu)成上來看，300 mm 立式氧化設(shè)備由主機箱、控制柜、Stocker、電源柜等主要功能部件組成，其中主機箱是設(shè)備實現(xiàn)功能的主要部分，更進(jìn)一步細(xì)分，主機箱的構(gòu)成包括爐體、骨架、反應(yīng)腔室、微環(huán)境等，而爐體又是主機箱的核心部件，也是整機的核心部件?？刂乒窦辛嗽O(shè)備的各個電氣模塊，包括運動控制、溫度控制、氣路控制、水路控制及安全互鎖等。Stocker 是用來臨時存放FOUP 的地方。電源柜集中了設(shè)備的強電控制部分，主要由設(shè)備電力供給及爐體功率控制輸出兩部分構(gòu)成。

1.2 傳統(tǒng)爐體

300 mm 立式氧化爐設(shè)備中，爐體的作用是用來給反應(yīng)腔室從待機溫度加熱到工藝溫度，并維持工藝溫度到晶圓做完工藝。工藝門與反應(yīng)腔室的爐口間具有密封的結(jié)構(gòu)，當(dāng)舟升入反應(yīng)腔室內(nèi)，工藝門關(guān)閉后，可將反應(yīng)腔室內(nèi)部與外部空間密封隔絕，保證工藝的質(zhì)量。

對于傳統(tǒng)的爐體，由圍繞在反應(yīng)腔室外側(cè)的加熱絲和在加熱絲外部的保溫棉兩大部分組成。工藝開始時，擋在爐口的爐門打開，由滾珠絲桿和電機等構(gòu)成的舟升降機構(gòu)開始運動，執(zhí)行升舟的動作，在這個過程中，向反應(yīng)腔室內(nèi)部不斷地通入惰性工藝氣體，如N2或Ar，目的是防止晶圓在升舟的過程中與可能滲入的O2發(fā)生反應(yīng)，最終影響晶圓表面的成膜質(zhì)量。當(dāng)裝載著晶圓的舟完全升入反應(yīng)腔室內(nèi)部，工藝門關(guān)閉后，爐體開始從待機溫度（600～650 ℃）升溫到工藝溫度，之后，氣路系統(tǒng)將工藝氣體由惰性氣體變換為反應(yīng)氣體，同時爐體穩(wěn)定地維持在工藝溫度，當(dāng)晶圓做完工藝，爐體停止加熱，開始降溫，這時工藝氣體又由反應(yīng)氣體變換為惰性氣體。當(dāng)反應(yīng)腔室內(nèi)溫度再次降到待機溫度，工藝門開啟，設(shè)備執(zhí)行出舟的動作，隨后，爐體維持待機溫度直至下一個工藝開始。

1.3 存在的缺陷

如前所述，在工藝開始前和工藝結(jié)束后，爐體升溫和降溫的過程中，為了防止晶圓在這個過程中與滲入的氧氣發(fā)生反應(yīng)，產(chǎn)生附加氧化層，反應(yīng)腔室內(nèi)需要不斷地通入惰性氣體，但實際上，并不能有效阻止附加氧化層的產(chǎn)生；而爐體升溫和降溫這個過程時間越長，晶圓產(chǎn)生附加氧化層的機會就越多，對晶圓最終的成膜質(zhì)量影響也就越大。另外，在能耗和資源方面，爐體升溫和降溫時間越長，機臺的能耗就越多，水、氣等資源的消耗也越多，這些都會影響晶圓的成膜質(zhì)量，降低生產(chǎn)效率，最終增加芯片的制造成本。

2 快速升降溫爐體

為了解決上述傳統(tǒng)爐體所存在的一些缺陷，本文提出了一種具有快速升降溫功能的爐體，快速升降溫爐體與傳統(tǒng)爐體相比，保溫層具有風(fēng)道結(jié)構(gòu)，如圖1 所示，在爐體的頂部，設(shè)計有排風(fēng)開關(guān)機構(gòu)，與快速冷單元（RCU）的排風(fēng)機構(gòu)對接，在爐體的底部，設(shè)計有進(jìn)風(fēng)機構(gòu)（圖中未示），通常與RCU 的進(jìn)風(fēng)機構(gòu)相通。

2.1 快速升溫性能研究

2.1.1 功率合理配置的理論研究

爐體出色的快速升溫性能，依賴于匹配合適的功率。功率過小，爐體達(dá)不到預(yù)期的升溫速率；相反，功率過大，爐體雖然能達(dá)到預(yù)期的升溫速率，但是會影響爐體的控溫性能，降低控溫精度進(jìn)而破壞靜態(tài)熱場的均勻性，同時還會增大設(shè)備的體積質(zhì)量、增加設(shè)備的成本。所以，爐體的功率設(shè)計直接影響爐體的升溫及控溫精度性能。

圖1 快速升降溫爐體構(gòu)成示意圖

以某種工藝為例，需要快速升溫的區(qū)間為：600～900 ℃，爐體設(shè)計升溫速率為30 ℃/min，則爐體由600 ℃以30 ℃/min 的升溫速率升到900℃所需的時間為：

當(dāng)爐膛內(nèi)的溫度由600 ℃升到900 ℃的過程中，所有被加熱物質(zhì)所吸收的總熱量為：

其中：△t=900-600=300(℃)

同時，在這個升溫的過程中，爐體外壁通過熱對流(Q3)和熱輻射(Q4)消耗的能量為：

其中：A1為爐體外壁的對流換熱面積，h 為對流換熱系數(shù)，tw為爐體外壁的溫度，tk為空氣的溫度，A2為爐體外表面參與熱輻射的面積，ε 為爐體外表面材料的黑度系數(shù)，σ 為黑體輻射常數(shù)：5.67×108，Tw為爐體外表面的熱力學(xué)溫度，Tk為空氣的熱力學(xué)溫度。

則爐體所需功率的理論計算值為：

最終爐體的設(shè)計功率為：

式5 中的n 為爐體設(shè)計功率的裕度系數(shù)。

2.1.2 加熱絲選材

溫度的劇烈變化對于加熱絲是一種考驗，既要求加熱絲能夠在高溫下穩(wěn)定工作，剛性變化小，又能夠在反復(fù)升降溫工藝后，蠕變量較小，使用壽命長。

有了設(shè)計功率后，還要對其進(jìn)行校核，判斷的原則為加熱絲的表面負(fù)荷在對應(yīng)溫度下要低于對應(yīng)的許用負(fù)荷，即：

由于快速升降溫爐體的功率較大，加熱絲負(fù)載過大，大大削弱了爐體的使用壽命，為了應(yīng)對這一難題，在設(shè)計上，通常會采用各種迂回的結(jié)構(gòu)以達(dá)到增加加熱絲發(fā)熱表面積的目的，進(jìn)而降低加熱絲的負(fù)載。

2.2 快速降溫性能研究

2.2.1 保溫層的選材

保溫層對于快帶升降溫爐體的意義遠(yuǎn)大于傳統(tǒng)爐體，它即影響爐體的升溫性能、控溫性能，同時也關(guān)系著爐體的降溫性能，而這幾種性能是矛盾的異向性能，這就需要合理的選材以及合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計來達(dá)到上述幾種性能最佳優(yōu)化。

以導(dǎo)熱系數(shù)較低的硅酸鋁鹽作為保溫層的材料，通過真空成型制成坯料，再經(jīng)過機加工，做成具有所需風(fēng)道結(jié)構(gòu)的保溫層，最后對風(fēng)道表面進(jìn)行硬化處理。

然而，對于300 mm 立式爐體這樣的大型設(shè)備，目前國內(nèi)的相應(yīng)配套加工相對滯后，成型尺寸在1 m 以上的硅酸鋁鹽保溫產(chǎn)品還很困難，因此，爐體的保溫層要設(shè)計成多段的形式，與加熱絲固定后組裝在一起，這樣就解決了制作上的困難，并降低了生產(chǎn)成本。

2.2.2 風(fēng)道的結(jié)構(gòu)特點

風(fēng)道分為橫向風(fēng)道、縱向風(fēng)道、進(jìn)風(fēng)口風(fēng)道、排風(fēng)口風(fēng)道。

橫向風(fēng)道連通爐體內(nèi)膛與縱向風(fēng)道，布置在爐體保溫層的最內(nèi)側(cè)，用于降溫的冷空氣最終通過橫向風(fēng)道進(jìn)入爐體內(nèi)膛。

縱向風(fēng)道連通進(jìn)風(fēng)口風(fēng)道與橫向風(fēng)道，布置在爐體保溫層的中間，方向與橫向風(fēng)道垂直，圓周均勻分布?？v向風(fēng)道的合理布置能夠同時提高爐體的保溫性能和降溫性能。

進(jìn)風(fēng)口風(fēng)道連通縱向風(fēng)道與爐體快速冷卻單元（RCU），設(shè)置在爐體底部，通常呈環(huán)狀供風(fēng)，通過爐體外部的數(shù)個進(jìn)風(fēng)口與爐體快速冷卻單元（RCU）相連。

排風(fēng)口風(fēng)道獨立地設(shè)置在爐體的頂部，連通爐體的內(nèi)膛與快速冷卻單元（RCU）。排風(fēng)風(fēng)道的截面形狀近似旋轉(zhuǎn)的“Z”字形，這樣設(shè)計的好處是，可以有效阻止?fàn)t膛內(nèi)熱輻射通過排風(fēng)口風(fēng)道向外擴散。

2.2.3 閥門的結(jié)構(gòu)特點

進(jìn)風(fēng)閥門設(shè)置在爐體外部的進(jìn)風(fēng)口上，進(jìn)風(fēng)閥門的主要作用是在爐體升溫和恒溫的過程中，即RCU 的非工作狀態(tài)，隔斷爐體的進(jìn)風(fēng)口風(fēng)道與RCU 供風(fēng)管道，阻止?fàn)t體內(nèi)部熱量從進(jìn)風(fēng)口向外擴散；在RCU 工作狀態(tài)，閥門開啟，接通RCU 供風(fēng)管道與爐體的進(jìn)風(fēng)口風(fēng)道。

進(jìn)風(fēng)閥門的閥片通過連軸器由氣缸控制，可轉(zhuǎn)動90°，對應(yīng)閥門的開啟和關(guān)閥兩種狀態(tài)，動作簡單，可靠性高。氣缸上設(shè)置磁性開關(guān)，可以將閥門的狀態(tài)反饋到用戶界面，便于控制系統(tǒng)以及設(shè)備操作者對設(shè)備狀態(tài)的時時監(jiān)控。

排風(fēng)閥門的結(jié)構(gòu)如圖2 所示，為了使閥門能夠在高溫下可靠地工作，閥門板采用硅酸鋁鹽耐火材料，由氣缸驅(qū)動，并配置耐熱開關(guān)，實現(xiàn)閥門開關(guān)狀態(tài)的反饋。

為了防止活塞桿在動作的過程中發(fā)生不期望的旋轉(zhuǎn)，在閥門兩側(cè)設(shè)置有導(dǎo)向結(jié)構(gòu)，由導(dǎo)向座和導(dǎo)向桿構(gòu)成，導(dǎo)向座與爐體頂板固定安裝，導(dǎo)向桿與閥門板固定。而導(dǎo)向桿選為陶瓷材料制作，可以降低運動過程中的摩擦，使閥門機構(gòu)運動流暢。

圖2 排風(fēng)閥門結(jié)構(gòu)

2.2.4 進(jìn)排風(fēng)控制設(shè)計

氣缸作為進(jìn)排風(fēng)閥門動作的執(zhí)行元件，實現(xiàn)閥門的開啟和關(guān)閉。由于進(jìn)風(fēng)口設(shè)置在爐體的周圍，數(shù)量通常為兩個以上，每一個進(jìn)風(fēng)口對應(yīng)一個閥門，所以，進(jìn)風(fēng)機構(gòu)通常包含多個同時動作的氣缸。在控制氣路的設(shè)計上，進(jìn)排風(fēng)閥門分別由兩個兩位五通電磁閥控制，統(tǒng)一由一路氣體經(jīng)過電磁閥底座分為兩路，一路分配到進(jìn)風(fēng)氣缸，另一路分配到排風(fēng)閥門氣缸，其中分配到進(jìn)風(fēng)氣缸的氣路在經(jīng)過電磁閥后進(jìn)入分流管路再被均勻分為多個支路，供給各個進(jìn)風(fēng)氣缸，這樣，就可以有效地保證各個進(jìn)風(fēng)閥門的動作一致，同時也簡化了結(jié)構(gòu)，降低成本，提升設(shè)備運行的可靠性。

為了實現(xiàn)閥門機構(gòu)動作平穩(wěn)可靠，減小沖擊，在氣缸的兩路配氣管路上都設(shè)計有調(diào)速節(jié)流閥。這樣，可根據(jù)設(shè)備氣路系統(tǒng)的具體供氣壓力及工況，將氣缸的運行動作設(shè)定在合理的范圍內(nèi)。

3 性能測試

3.1 升溫性能測試

快速升溫測試區(qū)間選為600～800 ℃，輸出功率設(shè)為80%，爐體分五段控溫，各段溫區(qū)測試結(jié)果及平均升溫速率見表1。

經(jīng)過升溫性能測試的驗證，爐體升溫性能達(dá)到了30 ℃/min。

表1 升溫性能測試

3.2 降溫性能測試

爐體在900 ℃恒溫2 個小時之后，開啟RCU，對爐體進(jìn)行快速降溫，從900 ℃到600 ℃降溫區(qū)間，性能與傳統(tǒng)的自然降溫性能相比，快速降溫平均速率達(dá)到了15 ℃/min。這一平均降溫速率可以滿足多種主流工藝的需求。

3.3 恒溫區(qū)效果測試

通過對快速升降溫爐體進(jìn)行恒溫區(qū)效果測試，恒溫在800 ℃，恒溫區(qū)的長度在950 mm 以上，可以滿足每爐100 片以上的產(chǎn)能（產(chǎn)品片），恒溫區(qū)的精度誤差小于±0.2 ℃，達(dá)到了國際先進(jìn)設(shè)備的較高水平。

4 結(jié) 論

快速升降溫爐體作為300 mm 立式熱處理設(shè)備的核心部件，成為時下行業(yè)發(fā)展的主導(dǎo)趨勢，目前我國通過自主創(chuàng)新自主研發(fā)，力圖彌補國內(nèi)技術(shù)上的空白，掌握核心競爭技術(shù)。隨著芯片尺寸不斷的縮小，集成度指數(shù)級增大，芯片的制作工藝對設(shè)備提出了更加嚴(yán)格的要求，本文在針對傳統(tǒng)爐體無法突破這一技術(shù)瓶頸的前提下，提出一種全新的設(shè)計方案，并結(jié)合實際中工藝的需求，深入淺出地介紹了300 mm 快速升降溫爐體的設(shè)計研究，與讀者分享。在新的5年計劃中，國家有意加大了在半導(dǎo)體發(fā)展上的投入，力求早日擺脫高性能電子產(chǎn)品對進(jìn)口的依賴，然而，這個產(chǎn)業(yè)還有很長的路要走，還需要更多的科技工作者的付出與努力。

[1] 比安什（Bianchi，A.）（羅），福泰勒（Fautrelle，Y.）（法），埃黛（Etay，J.）（法）著.傳熱學(xué)[M]. 大連：大連理工大學(xué)出版社，2008.

[2] （美）Michael.Quirk.著，韓鄭生譯.半導(dǎo)體制造技術(shù)[M].北京：電子工業(yè)出版社，2004.

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