摘 要

半导体材料被广泛应用于集成电路、消费电子、通信系统、光伏发电等领域，大部分电子产品中的核心器件都与半导体有着极为密切的关联，因此半导体的重要性不言而喻，而退火工艺则是半导体制作中的一个重要的环节，所以本文设计了一种可以适用1000℃以内的半导体高温退火炉。

本次设计完成了对高温退火炉的加热系统、可移动载物台、反应腔、冷却系统、送气系统等部件的设计，高温退火炉的机械装置是由SolidWorks三维绘图软件进行绘制的。本次设计实现了电脑检测和显示气体流量和温度的变化，还实现了电脑控制气体的输送以及加热系统的加热，提高了装置的自动控制水平，也使装置的操作变得简单，让操作人员变得轻松。而这些功能的实现则是通过LabView虚拟仪器设计的，通过LabView完成了人机交互界面和相应程序的编程，而机械装置和虚拟仪器的连接则是通过数据采集装备来完成的。

关键词：半导体；退火工艺；自动控制

Abstract

Semiconductor materials are widely used in integrated circuits, consumer electronics, communication systems, photovoltaic power generation and other fields，The core devices in most electronic products are very closely related to semiconductors, so the importance of semiconductors is self-evident, and the annealing process is an important part of semiconductor manufacturing. Therefore, this paper designs a semiconductor high-temperature annealing furnace that can be used within 1000 ℃.

This design completes the design of the heating system, movable stage, reaction chamber, cooling system, air supply system and other components of the high temperature annealing furnace. The mechanical device of the high temperature annealing furnace is drawn by SolidWorks 3D drawing software. This design realizes the computer to detect and display the changes of gas flow and temperature, and also realizes the computer-controlled gas delivery and heating of the heating system. The automatic control level of the device is improved, and the operation of the device is simple, which makes the operator easy. The realization of these functions is designed by LabView virtual instrument, and the human-computer interaction interface and corresponding program programming are completed by LabView, The connection of mechanical devices and virtual instruments is done through data acquisition equipment.

Keywords: semiconductor; annealing process; automatic control

目录

第一章 绪论 1

1.1 课题的研究背景和意义 1

1.2 国内外研究现状 1

1.3课题研究内容及预期目标 2

第二章 退火炉方案设计 3

2.1热源方案分析和确定 3

2.2 温度测量方案分析和确定 3

2.3系统总体方案设计 4

第三章 退火炉结构设计 5

3.1 加热系统设计 5

3.1.1 加热灯管的确定 5

3.1.2 温度控制器的确定 5

3.2 测温元件选择 6

3.3 高温反应腔设计 6

3.4 氛围气体进出口设计 8

3.4.1 氛围气体进口设计 8

3.4.2 氛围气体出口设计 9

3.5 冷却系统设计 9

3.6 退火炉总体结构及工作过程介绍 10

第四章 计算机软件的选择和设计 11

4.1 机械结构设计软件的选择 11

4.2退火炉人机交互软件的选择 11

4.3 显示窗口设计 12

4.3.1 退火炉温度显示窗口设计 12

4.3.2 氛围气体流量显示窗口设计 13

第五章 总结与展望 14

5.1 全文总结 14

5.2 不足与展望 14

参考文献 16

致谢 17

第一章 绪论

1.1 课题的研究背景和意义

半导体材料被广泛应用于集成电路、消费电子、通信系统、光伏发电等领域，大部分电子产品中的核心器件都与半导体有着极为密切的关联，因此半导体的重要性不言而喻，而退火工艺则是半导体制作中的一个重要的环节。

离子注入是半导体制作工艺中的一个重要的环节，而半导体退火则是离子注入后的一个必要的步骤。如今，半导体的研究发展越来越快，对于半导体的制造要求也越来越高，所以，一个先进的半导体高温退火炉就显得尤为重要。

退火炉是一个结构复杂的热处理设备，由于它的高温工作环境也让它的危险系数大大增加，所以，退火炉温度以及各个部位的流量、压力的监测与调节则是保证退火炉安全工作的重点工作。而这些年来，慢慢在工业生产中发挥作用的计算机控制技术则成为了退火炉发展的重点，计算机的精准控制以及操作的简易使其很受欢迎，所以计算机控制技术在退火炉中的应用对提高退火炉自动控制水平、提高成品质量和劳动生产率、以及改善操作环境都有着重要的意义。

本课题设计的主要目标是设计一个应用于半导体器件退火工艺的高温退火炉，主要包括加热系统的设计，可移动载物台设计、反应腔设计，退火氛围气体进口和出口设计等，所设计的高温退火炉的最高工作温度为1000℃，并且能够满足数种半导体器件的退火工艺，同时需要保证退火炉的安全稳定，使得设计出来的退火炉能够被厂家放心的使用。

1.2 国内外研究现状

现如今，计算机技术和自动控制理论不断发展，其工业应用也在日益推广，计算机在加热方面的应用慢慢受到各国的重视，并逐步得到开发。美国、日本、德国等国家在计算机控制系统的研究、开发和应用上投入了大量的人力和财力，让他们的技术水平不断提高，也获得了较为明显的经济效益。而我国则在80年代以来开展了研究工作，虽然取得了一定的成果，但是在与国外的先进技术相对比起来，国内的计算机控制水平还是不够，还需要进行进一步的研究和开发，努力追赶。

半导体技术的发展速度很快，经常出现一代技术才刚刚开始普及，另一项新的技术就研究出来的情况，所以，半导体热处理工艺对设备的要求就会越来越高，那么半导体热处理设备就要随之发展了。由于国外的半导体产业和技术发展比较迅速，所以对于半导体退火炉系统的研究也较早。美国最大的半导体制造商Varian公司在1981年推出了世界上第一台能够满足半导体退火工艺要求的快速退火炉系统。对于快速退火炉的生产和研究，国外主要有美国的MPT、应用材料、Mattson和AG等公司；以及法国的JIPJEC和德国的AST等。而在国内，则有清华大学微电子所、中国电子科技集团公司第四十八研究所等在相关领域进行技术研究工作。而目前国内外所采用的加热技术方案大多为灯光辐射型加热，只有少部分采用的是高频感应加热方式。虽然说国内的研究机构在半导体快速退火炉系统的研究上有些落后于国外的研究机构，但是国内的研究进展和速度还是很快的。由于半导体材料在国内的广泛普及与应用，以及中国的科学研究水平的高速发展，中国对半导体退火工艺的研究已经越来越深入了。

1.3课题研究内容及预期目标

根据设计的要求可知本次设计的内容主要是设计一个能应用于半导体退火工艺的高温退火炉，其中包括了加热系统的设计、可移动载物台的设计以及氛围气体进口和排出口的设计。