双立式热处理炉 本发明涉及处理半导体晶片的热处理炉，特别涉及立式热处理炉。
与公知的扩散炉一样，热处理炉也是众所周知的，在完成多种半导体加工处理方面，包括退火、扩数、氧化和化学汽相淀积处理上已使用了多年。因此，对这些处理是十分清楚的，特别清楚涉及有关导致产品质量和均匀性上的处理变化的影响。热处理炉一般采用卧式炉或立式炉。由于立式炉在使用期间较少产生微粒，降低了掺杂发生率和晶片损耗，并且立式炉容易自动化和其覆盖在相对较小，仅需要较少的位置空间，所以在某些应用中优先选择立式炉。
两种常规类型的扩散炉均设计用于将半导体晶片加热至期望的温度，以促进掺杂物扩散到期望的深度，同时保持线宽度小于1微米，或如众所周知，用于完成其它常规处理工艺，比如使晶片上产生氧化层或使晶片上淀积化学汽相层，处理期间晶片的加热要求是公知并十分清楚的，因此可严格地监控。
常规立式热处理炉设计用来在处理炉内按立式布局支承处理管。热处理炉一般还采用晶片舟皿部件，安装该部件，使升降机构可将晶片舟皿移进或移出处理管。晶片输送部件靠近并与晶片舟皿部件平行地配置，以从晶片盒中运送半导体晶片。晶片舟皿部件一般最多保存100片晶片。晶片输送部件一般固定在与装有处理管的腔分离的装载锁闭装置中，而且其环境由适当的监控装置严格地控制。装晶片输送部件的装载锁闭装置还能隔离晶片盒，比如通过把晶片盒安装在一个或更多个装载锁闭装置中，使其与晶片输送部件的装载锁闭装置处于可选择的气态连通状态。因此，装载锁闭装置的串联链在处理期间能把握精确地环境控制要求，减少或消除加热期间在晶片上形成污染的可能性。装载锁闭装置一般利用门阀相互隔开，门阀有选择地开启和关闭，以把晶片从晶片盒中运送到晶片舟皿上，反之亦然。
实际上，在对装有晶片舟皿的装载锁闭装置的腔抽真空之后，可将惰性气体比如氮气引入，以充填装载锁闭装置腔并驱赶其中的空气。装载锁闭装置腔内空气的这种净化可防止半导体晶片表面上生成原氧化膜。如上所述，装载锁闭装置腔与装有半导体晶片盒和晶片输送部件的其它串联的装载锁闭装置相连，因此，可在氮气气氛中完成晶片舟皿的装载和卸载。然后，利用晶片输送部件将晶片盒中的晶片装入晶片舟皿，形成晶片批量。之后，将该批量晶片放入处理炉，晶片在处理炉中升高温度的条件下进行人工选择的处理。美国专利No.5,217,501Fuse et al.和No.5,387,265Kakizaki et al.披露和说明了这些类型的常规立式炉。
现有技术的处理在处理管中设有宽为约20英寸至30英寸之间的隔热区域，该区域中排列着约150至200片晶片之间的晶片批量。由于适合这种晶片批量的热质相当大，所以温度上升速率就相当小，比如在约5℃/min至约10℃/min之间，温度下降速率也相当小，比如在约2.5℃/min至约5℃/min之间。这导致每批量的相当长的热周期，因此每片晶片上的热存积很大。
由于各批量增加了周期时间，这些和其它常规立式热处理炉的另一个缺点就是其产量低。因此，这些常规系统己根据不能适应当今对半导体晶片日益增长的要求。
这些处理炉的另一个缺点是其包括预配置的装载锁闭部件，该部件在将晶片运送到晶片舟皿上时形成无空气的环境。为达到这些状态泄放和清扫装载锁闭所用的时间增加了各批量的整个处理时间，并因此进一步降低了处理炉系统的产量。
这些处理炉的再一个缺点是其有相当大的覆盖在并在超净空中占据了相当大的空间，因此未有效地利用昂贵的超净室空间。
由于现有技术的立式热处理炉的上述和其它不足，所以本发明的目的在于提供相对高产量的立式处理炉。
本发明的另一个目的在于提供可实现改善的温度上升和下降速率的处理炉。
本发明的再一个目的在于提供容易自动化并占据相对小的占地空间的热处理炉。
在下列说明和附图中，本发明的一般和特殊目的将更明显。
本发明提供的立式半导体晶片处理炉包括各自带有进行热处理半导体晶片的加热腔的第1和第2立式处理炉的单一外壳。各立式炉包括晶片支承部件，该部件包含支承结构，比如晶片舟皿、舟皿升降机、电机和导杆，用于轴向地安装所选数量的半导体晶片。
按照一个方案，移动部件有选择地将支承部件的其中一个沿垂直轴移进和移出处理管，晶片运送部件有选择地将半导体晶片至或移出其中一个支承部件。按照一个优选实例，与各个晶片支承部件有关的移动部件将支承部件沿各自纵向轴移动，并有选择地移入加热腔。
按照另一个方案，处理炉包含响应控制信号的控制部件，例如，操作者产生的控制信号，通过产生位置信号和通过将位置信号传送给移动部件，以沿轴按照位置信号调整、比如用起动、变换或中止其中一个支承机构的运动。因此，控制部件单独或同时控制各支承机构的移动速率。按照一个实例，控制部件包含与产生支承机构位置信号的主计算机共同控制的移动控制器。加在控制部件的控制信号可至少表示其中一个选定的温度上升速率条件和选定的温度下降速率条件。
按照再一个方案，移动部件可产生表示第1和第2支承部件的至少一个的移动速率的移动信号，而且控制部件响应这个移动信号，并沿纵向轴控制其中一个支承部件的移动速率。
按照再一个方案，各立式处理炉，比如第1和第2立式处理炉包含将热传输到各个相应的处理腔的热产生部件。通过调整各热产生部件的热能量输出，控制部件可单独或同时控制第1和第2处理腔的温度。按照一个实例，控制部件可调整产生部件，至少沿腔的位置获得大体均匀的温度，形成基本等温的环境。
按照另一个方案，处理炉包含适于控制围绕支承结构，比如晶片舟皿的液态环境的加热套筒或封套。加热套筒包括有凸缘的底部，它有适于密闭地啮合支承部件的部分，产生气密封闭，形成装载锁闭处理部件。该部件与垂直移动部件相配，有选择地、垂直地将处理部件移入立式处理炉的加热腔。按照优选实施例，加热套筒与各立式处理炉相关。此外，加热套筒可相对于支承结构垂直地移动，以便反复、快捷和自动地啮合和解开相对于支承结构的加热套筒。
当加热套筒配置在整个支承结构上并密闭地啮合支承结构的底部时，该部件构成装载锁闭处理腔，在该腔内可实现选择的处理工艺。该腔可与适当的气体装置相配，以把一种或更多种选定的气体引入腔中和排除一种或更多种气体。
使用双加热封套和单个热处理炉能使处理炉分别和单独完成两种不同的处理工艺，因此增加了处理炉使用的灵活性。处理炉进一步实现了增加升温和降温速率，减少了处理批量晶片所需要的总时间，因此，增加了处理炉的总产量。这都是因通过在有较少尺寸的单外壳处理炉内装配双处理炉，并采用增加晶片间距和处理较小批量的晶片舟皿而实现的。
在下面的说明和附图中，将明确叙述本发明的一般和特殊的目的。
在下列说明和附图中，明确表明了本发明的上述和其它目的、特性和优点，其中在不同的附图中用相同的参考符号代表相同的部件。虽未按比例绘出附图，但附图展示出本发明的原理，表示了相对尺寸关系。
图1是本发明的热处理炉的平面图。
图2是图1所示的热处理炉内部局部横截面透视图。
图3是表示装在图1所示的热处理炉内的晶片运送组件的俯视图，图中进一步说明了按照本发明教导的非对称的炉结构。
图1表示本发明的立式热处理炉10的透视图，用局部剖视图说明按照本发明的一个方案的双立式炉12和14。热处理炉10是设计用来致密并设有相对小的覆盖区。例如，按照本发明的一个实施例，炉的尺寸可为约40英寸宽乘65英寸长，而高约96.5英寸。该炉一般用于完成多种半导体的加工工艺，包括退火、扩展、氧化和高低压的化学汽相淀积。
该图示的热处理炉10包括密封一对立式炉12和14的主外壳16。外壳16包括包含晶片存放室20多个侧面16A和的正而16B。支承保持选择数量的晶片的8个晶片盒的一对垂直隔开的圆盘传送带28和26装在存放室20中。这些晶片可以是未处理过或己处理过的晶片。门板22密封并盖住存放室20。如图所示，可把监视口30装在外壳16的正面16B上，便于作业者监视选择的工艺控制参数，比如温度、处理时间、气体类型和其它选择的工艺控制参数。
参照图3，晶片盒24装在圆盘传送带28上。带有机械运送臂36A的三维晶片输送组件36把晶片F从选择盒24运送到装配在各个立式炉12、14中的其中一个晶片舟皿盘40上。圆盘传送带28能够有选择地转动，使选择的晶片盒处于机械运送臂36的运送位置，以把晶片移开或放入特定的盒。按这种方式，该图示的热处理炉10在炉工作期间便于选择控制和连续处理晶片。运送部件36最好可垂直移动，以便运送臂36在上圆盘传送带28或下圆盘传送带26上能接触晶片盒24。一般的技术人员将很快明白和理解可用于热处理炉中的各类运送部件，以及晶片加工和处理中晶片运送部件的操作。
图1至图3，特别是图2，说明了本发明的热处理炉10的构件。立式炉14包括有密封端44A和相对的开口端44B的圆柱处理管44。圆柱管44限定了加热腔46。处理管44可用高温材料构成，比如铝、碳化硅和其它陶瓷材料，而最好用石英构成。处理管用而部件或作为初始加热源的RF加热黑体空心基座这样的适于加热的部件48包围住。这种特殊类型的加热源有易于实现的良好特性，并被广泛地作为炉温稳定和均匀控制的可靠技术。按照一个实施例，加热部件48构成垂直取向、三个区域耐热单元的加热器组件的一部分。加热部件可由质量轻、耐高温的金属线制成。围绕加热部件的绝缘体可由有高绝缘值和低热质的陶瓷纤维构成。所有这一切都为快速响应温度变化而设计的。该组件还可以包括帮助冷却加热腔的空气冷却系统。处理管44的直径和立式炉的尺寸无疑与变化尺寸的放置晶片成比例。
加热部件48安装在各处理管44周围，将管的内部加热至预定的温度，比如化学汽相淀积的情况下为400℃至1200℃，而氧化或扩展的情况下为800℃至1200℃。按照处理技术的需要，可用控制单元66调整处理管44的。例如，依据一个实例，温度传感器，比如光测高温计可用于检测腔温度，并能与控制单元66连接。如本领域所公知的，加热单元在加热腔内最好形成隔热区域。
外壳16密封着包括由隔热支柱50支承的晶片盒40的晶片支承部件54。晶片支承部件54的底部54A有整体构成并径向外伸的凸缘板54B。图示的晶片支承组件54与滑动地啮合导杆60的舟皿升降器58相配。因此，晶片支承组件沿导杆的垂直轴有选择地垂直移动，使晶片支承部件有选择地移进或移出炉加热腔46。
立式炉12是按同样方式构成的。
机械运送部件36的机械运送臂36A把装在圆盘传送带26、28的其中之一上的选择盒24中的晶片有选择地移动到两个炉12或14的其中之一的晶片舟皿40上。晶片舟皿有选择地保留许多待处理的晶片，比如在约50块晶片和100块晶片之间，并且最好约75块晶片。因此，晶片舟皿保留了常规晶片舟皿的约一半数量的晶片。批量上的这种减少降低了批的总热质，因此增加了炉的温度梯度。利用增加的梯度，晶片暴露在高温下的总时间会减少。
按预定垂直间隔、公知的晶片间距把晶片放在晶片舟皿上，应优先按5mm至20mm的间隔分隔开，最好按约10mm至20mm的间隔分隔开。这种确定的晶片间隔在垂直邻近晶片之间提供相当大的空间，其结果使晶片和晶片与晶片内的均匀性更好。比较而言，对于标准炉处理，有些现有技术的设计一般采用的晶片间距在约3mm至5mm之间。
这种较大晶片间距的明显优点在于在不使晶片均匀性下降的务件下允许晶片的倾斜相当高。由于运送臂在其工作中有较大的空间，因而这种较大的空间还放宽了晶片舟皿的有载和无载期间机械运送臂36A的机械公差。晶片舟皿的更小晶片批次量在其热处理期间产生更小的半导体批次。因此，半导体晶片能够在温度上更容易上升和下降，增加系统的整个生产量。
再次参看图2，伺服电机64控制着舟皿升降器58沿导杆60的运动。伺服电机64最好由控制单元66控制，该单元可包含沿电线70传输选择信号的移动控制器68。图示的移动控制器68还与主计算机74电连通，正如数据流通通路76所示。此外，计算机74还与数据获得双向连通，数据获得层累计与说明过的炉的热处理工作有关的确定处理数据。数据可在主计算机74和数据收集级之间沿数据流通道78传输。
自动机控制器82通过信号通道80也计算机74双向连通，还把确定的控制信号沿电线86传送给晶片运送组件36。因此，自动机控制器控制运送臂36A的确定位置和相对的运动，以把晶片移至或装在圆盘传送带26、28的其中之一的确定盘24上。
因此，计算机74、运动控制器68、数据获得单元72和自动机控制器82构成闭环反馈控制级，不但有选择地升高和降低晶片支承组件，而且还控制机械运送臂36A的相对运动。一般技术人员会理解可用硬件和/软件实现一个或多个运动控制器、数据获得单元和自动机控制层，并因此构成计算机74的一部分，而不设置分离级。
所述的炉10还包括安装在处理管44内的尺寸加工的加热套筒100。与处理管有同样结构的加热套筒100也用耐高温材料构成，比如用石英材料构成，带有第1封闭端100A和相对的开口端100B。套筒的开口端100B还包括向外展宽的凸缘部分100C。加热管100与直接啮合导杆60或其它适当导向结构的套筒升降器104匹配。加热套筒100可单独地移动晶片支承组件54。
加热套筒100的相对垂直部分可由控制单元66的移动控制器级68反馈控制。例如，可用移动控制器68有选择地驱动伺服电机升高或降低加热套筒100、晶片支承组件54、或两者同步地升降。加热套筒的凸缘100C适于密封地啮合晶片支承组件54的凸缘部分54B，形成气密和真空致密的密封。因此，当加热套筒100装上晶片舟皿和支柱50并密闭地啮合晶片支承组件54的凸缘部分54B时，套筒100就形成加载锁定处理腔108。加热套筒100与晶片支承部件相配，形成环境控制结构，控制装在晶片蒸发盒40上的晶片的周围环境，但不包括处理管4A的加热腔46的环境。因此，套筒控制在一个确定位置，比如当凸缘100C密闭地啮合凸缘54B时，就作为有选择地装在加热腔46中的垂直可移动的装载锁定腔。加热套筒100可在加热腔46中沿晶片支承组件54升高或下降，以使晶片在温度上倾(加热)或下倾(冷却)状态期间处于严格受控的周围环境中。
气体支管装置结构可与晶片运送组件54和加热套筒100相配，控制图2所示的炉14的装载锁定处理腔108的气态环境。例如，按照一个实施例，小的石英管通与气体箱112和晶片运送组件54的凸缘板相配，把储存在气体箱内的确定处理气体送到处理腔108的顶部。处理气体通过适当的排气口，比如固定在处理腔底部的排气口穿过晶片舟皿，并通过排气管道工作排入气体箱排气口。气体箱与合适的气体显示板、比如气体显示板112A相配，并还能与控制单元66相配。另一个气体箱116和相应的气体显示板116A与另一个立式炉12相对应。一般的技术人员会判明用单个的气体箱取代两个气体箱。
气体引入管可把确定的处理气体入口引入处理腔108。可把各种处理气体引入处理腔，以在半导体晶片上淀积确定的膜。例如，将氧气引入腔形成氧化膜。将入SiH4引入形成多晶硅膜，及将NH4和SiH2Cl2引入形成氮化硅膜。此外，清洗气体比如氮气可有选择地引入处理腔108，以驱赶其中的气体。众所周知，半导体晶片的高温处理和退火期间处理腔中空气的存在会影响半导体晶片上的相对厚度并产生低质量的氧化膜。因此，可将去除晶片原有氧化膜的清洗气体引入处理腔108。例如，清洗气体可以是比如较少等离子体腐蚀气体NF3和HCl、还原气体比如氢气或其它合适的气体。引入气体的管道可形成在加热套筒100的上或者下位置，或可以同样地装在晶片运送组件54上。排气管道同样构成在加热套筒或晶片运送组件上，以便有选择地清除处理腔108的引入气体。所以，加热套筒内积存的气体可经排气管道排出，从而使加热套筒的内部达到预定的真空等级，或除去通过气体引入管道己先前引入的气体。
加热期间引入处理腔的气体最好用高温环境分解，并在半导体晶片的暴露表面上淀积。因此，将气体按预定量引入处理腔，以便在晶片上淀积有确定厚度的膜。
工作中，机械运送组件36的机械运送臂36A由自动机控制器82反馈控制，有选择地将晶片放入或移开晶片盒24或晶片舟皿40。根据一个实例，改变晶片支承组件的垂直位置时，机械运送臂36A就按晶片批量把包括确定数量的待处理晶片装入晶片舟皿40。如上所述，批量的大小一般约为普通晶片批量的一半。运送臂36A通过把晶片移开确定的晶片盒24装入晶片舟皿40。一旦装入了晶片舟皿40，控制单元66的移动控级68就将确定信号输出给伺服电机64，沿导杆60降低加热套筒100，直到定在套筒100开口端100B的凸缘100C密闭地啮合，并与晶片运送组件54的凸缘板54B配合上为止。相反地，伺服电机可升高晶片组件单元的凸缘板，密闭地啮合加热套筒凸缘100C。如果需要，可将确定气体引入由加热套筒100和晶片支承组件构成的装载锁定处理腔108中。然后，有选择地升高加热套筒100和/或晶片支承部件54，并将其引入到处理管44的加热腔46中。依靠要完成的特殊处理工艺，并按相应提高的温度上升斜率，用加热部件将批量晶片加热至确定的处理温度。提供处理气体，以便在晶片上形成膜。
在使用者选择了在炉14的隔热区域中的持续时间之后，套筒和运送部件54就降低和移开加热腔46。晶片位于装载锁定处理腔108的左边，在那里将晶片按相当快的温度下降率进行冷却。晶片温度通过径向冷却下降(也可采用直接冷却工艺)，直到晶片温度达到期望值为止，比如50℃或更低。晶片冷却后，计算机74驱动伺服电机64相对晶片支承组件54升高加热套筒100，断开或解除它们之间的密闭啮合。然后，将存放在舟皿40上的处理过的晶片由晶片运送组件顺序地移动并转移到晶片盒上。
由于较小批量的晶片舟皿不但增加了晶片间隔，而且使温度上升和下降速率明显地增大。例如，温度升高速率上的明显增加可以达到接近或超过每分钟1000℃。此外，温度下降速率进一步增大，趋近或超过每分钟50℃。可是，对于实际应用来说，升温速率在每分钟约30℃至75℃之间，降温速率在每分钟约15℃至40℃之间就足够了。通过明显地减少整个批量的处理时间，这些提高的温度上升和下降速率明显曾加了热处理炉10的产量。通过引入流动在横跨晶片表面消除其热量的冷却射流，可进一步影响温度下倾速率。例如，可把非氧化的不活泼气体比如氮气引入到腔108中，或在套筒100己解除与晶片运送部件54的啮合情况下，把氮气直接横跨在晶片上，以进一步缩短晶片冷却时间。因此，图2表示了在炉的加热腔46内确定易处置的晶片支承组件54和加热套筒100。虽然未用图来说明，但上述这些均适合立式炉12，并有同样的加热和处理结构。例如，立式炉12包括由确定加热部件围住的处理管44。其中还配有有选择地垂直移动的加热套筒100，并在处理管内可选择地自由使用。
因此，本发明采用了单一主计算机(或多个集成化的控制单元，见图2)和可选择地装载一对晶片舟皿的晶片运送部件，舟皿可单独和任意地移进和移出相应的立式炉12、14。因此，本发明的热处理炉10装有一对处理管、一对加热套筒和一对晶片支承组件54。如图1和3所示，立式炉12、14也可按互相不对称的结构排列，以使炉10的整体尺寸最小，并因此设置相当小的覆盖区。
本发明的热处理炉在不减少产量用带有相当小的覆盖区的相应小的外壳能够实现增大的温度上升和下降速率。由于本发明的炉实现了晶片的快速加热和冷却，所以各批量需要的热存积明显降低。这可变成明显的成本下降和增加产量。
本发明的其它优点包括使用了能够运行的双立式炉，如果需要，可用相互无关的每个炉对单独的晶片批量进行两种隔开的半导体处理工艺。例如，可在其中一个炉中使一个批量的晶片上形成氧化膜，同时在另一个炉中使另一个批量的晶片上形成多晶硅膜。这种以单个外壳装配的多种处理复式炉设置有相当灵活的热处理炉，它比以前公知的热处理炉有明显的优点。此外，使用按单个外壳装配的双立式炉减少了晶片的整个处理时间，因而提高了系统的产量。例如，处理一个晶片批量时，可同时对另一个炉中配置的其它晶片批量进行冷却、卸载和加装另一个晶片批量。因而，这种双立式炉的配置可减少晶片批量总处理时间的25％，或更多些，同时相应减少操作员接口的要求。
合并成一个组合部件并使占地空间最小的双立式炉允许两个炉共用单一的晶片机械运送组件。这导致更有效地使用运送部件，因为在常规系统中，它一般比总处理时间少使用约25％。
图3还表示本发明的炉12、14的非对称装配。如果在外壳16内进行对称地放置，那么双立式炉12、14就会在点划线47和沿轴49同线的周围对称。这种配置会提供较大的外壳覆盖区。例如，通过把其中一个炉移开轴49的位置，并在外壳内非对称地配置该炉，那么该炉在点划线47周围就不再是对称的，外壳覆盖区就相应减少两个炉12、14的重叠部分A。由于该炉一般装在超净室中，其每平方英寸都是昂贵的，所以这种较小的覆盖区具有明显的优点。因此，减小热处理装置的尺寸意味着它占据较小的超净室空间，能够在超净室内安装更多的热处理炉。这将改善工厂的效率和产量，同时降低成本。
根据一个实例，立式炉的宽约为40英寸。如果沿轴49安装该炉，炉自身沿外壳16的宽度至少占据80英寸。当炉12、14非对称地装配时，如图所示，重叠部分约为8英寸，因而沿外壳宽度炉体所占据的空间可减少10％，按其它装配方式可减少更多些。一般的技术人员会理解存在炉的其它非对称的装配，并构成本发明说明书的一部分。
利用使线件装在两个立式炉均能使用的方便位置上，炉12、14的非对称装配还使单个晶片运送组件36的使用最优化。
因此，可以看出，本发明有效地实现了上述四个目的，这从前面的叙述中是十分明显的。由于在不脱离本发明范围的情况下可对上述结构进行某些变化，所以它意味着上述说明或附图中所表示的所有一切均是说明性的，从限定意义上说它不是唯一的。
还要指出，下面的权利要求书覆盖了这里所述的本发明的一般和特殊的特征，而且本发明范围的所有陈述，作为语言表达，可说是介于两者之间。
己说明了本发明，接下来是叙述本发明的权利要求书。