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(jī)臺(tái)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(kuò)散、高溫退火等工藝，當(dāng)市場(chǎng)需求由200 mm 轉(zhuǎn)向300 mm 的時(shí)候，國(guó)外主流設(shè)備廠商在技術(shù)上已占據(jù)了優(yōu)勢(shì)，國(guó)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(jìng)爭(zhēng)日益激烈，對(duì)設(shè)備的要求越來(lái)越高，能夠高效、穩(wěn)定運(yùn)行并顯著縮短工藝時(shí)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(rùn)。300 mm 立式氧化爐在工藝上實(shí)現(xiàn)了晶圓的量產(chǎn)，每爐高達(dá)100 片以上。但同時(shí)也帶來(lái)了升溫及降溫耗時(shí)耗能的問(wèn)題，限制了生產(chǎn)上對(duì)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(chǎng)的競(jìng)爭(zhēng)力，為半導(dǎo)體生產(chǎn)商創(chuàng)造更大的價(jià)值。

1 300 mm 立式氧化

1.1 設(shè)備簡(jiǎn)介

300 mm 立式氧化設(shè)備在半導(dǎo)體生產(chǎn)線上主要用來(lái)完成氧化工藝，即用于晶圓生長(zhǎng)氧化膜等。從硬件構(gòu)成上來(lái)看，300 mm 立式氧化設(shè)備由主機(jī)箱、控制柜、Stocker、電源柜等主要功能部件組成，其中主機(jī)箱是設(shè)備實(shí)現(xiàn)功能的主要部分，更進(jìn)一步細(xì)分，主機(jī)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(jī)箱的核心部件，也是整機(jī)的核心部件?？刂乒窦辛嗽O(shè)備的各個(gè)電氣模塊，包括運(yùn)動(dòng)控制、溫度控制、氣路控制、水路控制及安全互鎖等。Stocker 是用來(lái)臨時(shí)存放FOUP 的地方。電源柜集中了設(shè)備的強(qiáng)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(lái)給反應(yīng)腔室從待機(jī)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(mén)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(mén)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(duì)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(kāi)始時(shí)，擋在爐口的爐門(mén)打開(kāi)，由滾珠絲桿和電機(jī)等構(gòu)成的舟升降機(jī)構(gòu)開(kāi)始運(yùn)動(dòng)，執(zhí)行升舟的動(dòng)作，在這個(gè)過(guò)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(guò)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(mén)關(guān)閉后，爐體開(kāi)始從待機(jī)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(shí)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(kāi)始降溫，這時(shí)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(jī)溫度，工藝門(mén)開(kāi)啟，設(shè)備執(zhí)行出舟的動(dòng)作，隨后，爐體維持待機(jī)溫度直至下一個(gè)工藝開(kāi)始。

1.3 存在的缺陷

如前所述，在工藝開(kāi)始前和工藝結(jié)束后，爐體升溫和降溫的過(guò)程中，為了防止晶圓在這個(gè)過(guò)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(shí)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(gè)過(guò)程時(shí)間越長(zhǎng)，晶圓產(chǎn)生附加氧化層的機(jī)會(huì)就越多，對(duì)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(shí)間越長(zhǎng)，機(jī)臺(tái)的能耗就越多，水、氣等資源的消耗也越多，這些都會(huì)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(jì)有排風(fēng)開(kāi)關(guān)機(jī)構(gòu)，與快速冷單元（RCU）的排風(fēng)機(jī)構(gòu)對(duì)接，在爐體的底部，設(shè)計(jì)有進(jìn)風(fēng)機(jī)構(gòu)（圖中未示），通常與RCU 的進(jìn)風(fēng)機(jī)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(guò)小，爐體達(dá)不到預(yù)期的升溫速率；相反，功率過(guò)大，爐體雖然能達(dá)到預(yù)期的升溫速率，但是會(huì)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(chǎng)的均勻性，同時(shí)還會(huì)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(jì)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(jì)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(shí)間為：

當(dāng)爐膛內(nèi)的溫度由600 ℃升到900 ℃的過(guò)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(shí)，在這個(gè)升溫的過(guò)程中，爐體外壁通過(guò)熱對(duì)流(Q3)和熱輻射(Q4)消耗的能量為：

其中：A1為爐體外壁的對(duì)流換熱面積，h 為對(duì)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(jì)算值為：

最終爐體的設(shè)計(jì)功率為：

式5 中的n 為爐體設(shè)計(jì)功率的裕度系數(shù)。

2.1.2 加熱絲選材

溫度的劇烈變化對(duì)于加熱絲是一種考驗(yàn)，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(zhǎng)。

有了設(shè)計(jì)功率后，還要對(duì)其進(jìn)行校核，判斷的原則為加熱絲的表面負(fù)荷在對(duì)應(yīng)溫度下要低于對(duì)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(guò)大，大大削弱了爐體的使用壽命，為了應(yīng)對(duì)這一難題，在設(shè)計(jì)上，通常會(huì)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(duì)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(shí)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(jì)來(lái)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(guò)真空成型制成坯料，再經(jīng)過(guò)機(jī)加工，做成具有所需風(fēng)道結(jié)構(gòu)的保溫層，最后對(duì)風(fēng)道表面進(jìn)行硬化處理。

然而，對(duì)于300 mm 立式爐體這樣的大型設(shè)備，目前國(guó)內(nèi)的相應(yīng)配套加工相對(duì)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(jì)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(diǎn)

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(guò)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。縱向風(fēng)道的合理布置能夠同時(shí)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(guò)爐體外部的數(shù)個(gè)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(dú)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(jì)的好處是，可以有效阻止?fàn)t膛內(nèi)熱輻射通過(guò)排風(fēng)口風(fēng)道向外擴(kuò)散。

2.2.3 閥門(mén)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

進(jìn)風(fēng)閥門(mén)設(shè)置在爐體外部的進(jìn)風(fēng)口上，進(jìn)風(fēng)閥門(mén)的主要作用是在爐體升溫和恒溫的過(guò)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(kuò)散；在RCU 工作狀態(tài)，閥門(mén)開(kāi)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(mén)的閥片通過(guò)連軸器由氣缸控制，可轉(zhuǎn)動(dòng)90°，對(duì)應(yīng)閥門(mén)的開(kāi)啟和關(guān)閥兩種狀態(tài)，動(dòng)作簡(jiǎn)單，可靠性高。氣缸上設(shè)置磁性開(kāi)關(guān)，可以將閥門(mén)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(duì)設(shè)備狀態(tài)的時(shí)時(shí)監(jiān)控。

排風(fēng)閥門(mén)的結(jié)構(gòu)如圖2 所示，為了使閥門(mén)能夠在高溫下可靠地工作，閥門(mén)板采用硅酸鋁鹽耐火材料，由氣缸驅(qū)動(dòng)，并配置耐熱開(kāi)關(guān)，實(shí)現(xiàn)閥門(mén)開(kāi)關(guān)狀態(tài)的反饋。

為了防止活塞桿在動(dòng)作的過(guò)程中發(fā)生不期望的旋轉(zhuǎn)，在閥門(mén)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(mén)板固定。而導(dǎo)向桿選為陶瓷材料制作，可以降低運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的摩擦，使閥門(mén)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)流暢。

圖2 排風(fēng)閥門(mén)結(jié)構(gòu)

2.2.4 進(jìn)排風(fēng)控制設(shè)計(jì)

氣缸作為進(jìn)排風(fēng)閥門(mén)動(dòng)作的執(zhí)行元件，實(shí)現(xiàn)閥門(mén)的開(kāi)啟和關(guān)閉。由于進(jìn)風(fēng)口設(shè)置在爐體的周?chē)?，?shù)量通常為兩個(gè)以上，每一個(gè)進(jìn)風(fēng)口對(duì)應(yīng)一個(gè)閥門(mén)，所以，進(jìn)風(fēng)機(jī)構(gòu)通常包含多個(gè)同時(shí)動(dòng)作的氣缸。在控制氣路的設(shè)計(jì)上，進(jìn)排風(fēng)閥門(mén)分別由兩個(gè)兩位五通電磁閥控制，統(tǒng)一由一路氣體經(jīng)過(guò)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(mén)氣缸，其中分配到進(jìn)風(fēng)氣缸的氣路在經(jīng)過(guò)電磁閥后進(jìn)入分流管路再被均勻分為多個(gè)支路，供給各個(gè)進(jìn)風(fēng)氣缸，這樣，就可以有效地保證各個(gè)進(jìn)風(fēng)閥門(mén)的動(dòng)作一致，同時(shí)也簡(jiǎn)化了結(jié)構(gòu)，降低成本，提升設(shè)備運(yùn)行的可靠性。

為了實(shí)現(xiàn)閥門(mén)機(jī)構(gòu)動(dòng)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(jì)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(yùn)行動(dòng)作設(shè)定在合理的范圍內(nèi)。

3 性能測(cè)試

3.1 升溫性能測(cè)試

快速升溫測(cè)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(cè)試結(jié)果及平均升溫速率見(jiàn)表1。

經(jīng)過(guò)升溫性能測(cè)試的驗(yàn)證，爐體升溫性能達(dá)到了30 ℃/min。

表1 升溫性能測(cè)試

3.2 降溫性能測(cè)試

爐體在900 ℃恒溫2 個(gè)小時(shí)之后，開(kāi)啟RCU，對(duì)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(cè)試

通過(guò)對(duì)快速升降溫爐體進(jìn)行恒溫區(qū)效果測(cè)試，恒溫在800 ℃，恒溫區(qū)的長(zhǎng)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(guó)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(shí)下行業(yè)發(fā)展的主導(dǎo)趨勢(shì)，目前我國(guó)通過(guò)自主創(chuàng)新自主研發(fā)，力圖彌補(bǔ)國(guó)內(nèi)技術(shù)上的空白，掌握核心競(jìng)爭(zhēng)技術(shù)。隨著芯片尺寸不斷的縮小，集成度指數(shù)級(jí)增大，芯片的制作工藝對(duì)設(shè)備提出了更加嚴(yán)格的要求，本文在針對(duì)傳統(tǒng)爐體無(wú)法突破這一技術(shù)瓶頸的前提下，提出一種全新的設(shè)計(jì)方案，并結(jié)合實(shí)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(jì)研究，與讀者分享。在新的5年計(jì)劃中，國(guó)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(duì)進(jìn)口的依賴，然而，這個(gè)產(chǎn)業(yè)還有很長(zhǎng)的路要走，還需要更多的科技工作者的付出與努力。

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