CN1018111B - 对半导体材料进行热处理的设备及其使用方法 - Google Patents

对半导体材料进行热处理的设备及其使用方法

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Abstract

本发明推荐一种对半导体材料进行处理的工艺方法和设备,它包括一隔热、全封闭加热的作业合,称之为“闭合”工艺,采用一种紧凑的炉体结构,在工艺过程一开始,作业室中就存有限定的工艺保护气氛,并能防止气体反向弥散,还采用带有可调的面间可冲洗的双管系统,即,采用所谓风冷“快速箱”。本发明特别适用于对半导体片进行氧化、扩散、淀积和热处理。

Description

本发明涉及对半导体材料进行热处理的一种设备及其使用方法,特别适用于使用具有双重管壁的扩散炉进行低温、中温和高温热处理。
这种双管壁扩散炉,在开口装卸端,双重管壁之间的环形套筒中备有液体冲洗系统,并具有一支架结构物,用以将待处理的半导体片装进作业管,在作业管的尾部有一工艺气体进给器,进入的气体从装卸端排出。这种用来对半导体材料进行热处理的工艺方法和设备(通称之为扩散炉),是众所周知的。扩散炉几乎都做成卧式炉,用来对半导体片进行氧化、扩散、淀积和热处理。将半导体片置于一专用装置上,这种专用装置被称为支架,并将其插入被称之为作业管的石英管或者Si或SiC管中(这些材料形成扩散炉的内管壁),将其进行热处理。带半导体片的支架与作业管作同轴横向移动,使得半导体片在装入作业管时不会碰到管壁上。
一旦将半导体片送到作业管中,半导体片一开始就会经受很高的温度,即早已是700-800℃的实际工艺温度或恒定温度中。
然而,公知的扩散炉存在一些缺点,其主要原因是扩散炉本身(即设备本身)不能按照工艺要求进行调节。于是使半导体片在非可控情况下迅速加热到上述温度。然后,按照相应的技术,通过冲洗置换,使半导体片处于实际要求的工艺气氛中,因而作业管总不能被完全封闭,即不能达到100%密封。在后续步骤中,除了完全的冲洗置换外,还会发生倒流弥散气体,于是,就现场部位、组份和时间 而论,工艺气氛总还是个无法确定的量。这样就无法实现工艺的重复性,导致了严重的工艺缺陷。结果,使得用这种方法处理了的半导体片功能欠缺,产量低并且工作不可靠。这些公知扩散炉的另一个缺点是,在作业管周围只围绕一组加热元件,致使无法控制工艺室的温度条件。
为消除这些缺陷已进行过一些实验,在作业管的开口端装上惰性气体阀,但是,这种措施只能在工艺中取得不很满意的改善。
同样地,在DE、CI    353981中,由于置换工艺气体耗时太长,以致难以实现一种经济的工艺过程,使上述主题得不到改善。在取得新工艺的教益之前,这种情况一直延续许久。
本发明旨在提供一种补救方法,如权利要求书所述,本发明的特征是解决提供一种适用于这种工艺的扩散炉的问题。这种扩散炉的反应室具有绝热条件,无能量散逸损失,在半导体片处理过程中可避免任何一种重金属污染,在温度低于400℃下,已经能够清楚地限定工艺气氛,可以使用的工艺温度范围也很宽,既能处理单晶或多晶硅,或在非晶基片材料之上的单晶或多晶硅,也能处理其他半导体材料。
本发明可带来许多优点:作业管可以完全密闭,避免了能量的散逸损失,通过安装具有固定的惰性气体冲洗的双重炉管,还能防止重金属污染,既使在400℃下,也能够通过采用“软泵降压步骤”和绝对紧密密封的作业管,使得工艺气氛可以明确地加以限定,并且能够在用与支架装在一起的可移动的加热元件进行预热的同时,从装卸口送入工艺用气体。另一个优点是作业管的开口端很宽,并且采用连接件以不散失能量的方式将其封闭,其工作温度范 围可以从接近室温到1300℃。
借助于附图中所示的设计类型,来更详尽地解释本发明。这里所示。
图1为本发明所述设备的纵剖面图,
图2为一种支架设计类型的剖面图,
图3为图2的剖面图,
图4为图2中所示支架的另一种类型,
图5为图1所示的另一种类型。
图1所示的设备被称为扩散炉,用来对半导体进行热处理。扩散炉主要包括作业管1(它同时也是扩散炉的内管)。与相应的作业管1固定安装的外管2,以及通过尾端连接件7和装卸端连接件8连接成的加热箱9。作业管1在装卸开口处被加宽,而在排气管3方向的左端变窄。作业管1的气体调配系统为:气体或者通过三通阀和泵站5,或者通过一个与N-闸口6相连接的特殊排气系统。管1和管2形成固定的双重管壁结构。内管和外管最好选用石英、Si、SiC、AL2O3、多晶硅或其它适用于半导体的,并在1300℃时还具有自身稳定的材料,但AL2O3不很适用于内管。由于管1和管2间并不是固定的,即不是融接的,所以两个管不必采用相同的材料。
尾端连接件7可以沿轴向伸缩,使其能够允许由于温度引起的作业管1的位移,然而,装卸端连接件8却加以牢牢固定。支架装置18-25可沿轴向插入和取出。连接件最好由石墨包一层BN制成,这样既能达到一定的抗温度应力的能力,又能切实保持室内洁净的目的。
惰性气体进气管10与尾端连接件7上突起的进气咀11相连接,不论在工艺处理阶段或者在备用及清洗时,进气咀11与管1和管2间的区域都是相通的。这样能够避免污染, 特别是避免来自加热箱区域的重金属污染。冲洗气体从另一个尾端连接件8上突出的排气咀12中流出管道系统。
同时,装卸端连接件8还起到安装和支撑在开口处较宽的作业管1的作用。采用这个措施,几乎完全可以防止扩散炉装卸端的热散失。
冷却护套系统13与装卸端连接件8嵌平,形成实际上的管端。这个冷却护套系统包括一个空气冷却系统14和一个水冷却系统15以及工艺用气体进口16,只要支架位于插入的位置,锥形接头17就会将冷却护套系统与支架系统18-25及管1紧密地真空密封在一起。
工艺气体从工艺气体进口横向流出,流经位于作业管的宽阔端与支架系统18-25的石英连接片18之间的环形槽,形成气旋,流入有效的反应室26,其时,气体已由加热元件20预热。
支架系统18-25以常用的方式安装在具有安装平台的可移动的托架上(图1中未示出),如图1所示,它包括一个SiC桨状片19,SiC桨片19也按常用的方式,将待处理的半导体片27放置在LP-舟上(未示出),而且桨片19自身还具有高温和机械稳定性的折边18,来支撑一个特殊的石英连接片。折边18中安有一个可调的加热元件20,并能与系统支座一起移动,还以所示方式充填装卸端处的横截面。余下中空的空间,用石英纤维21填满。借助于金属或陶瓷板22,用卡环将连接片18加以固定。考虑到可能出现的热过载,由镶嵌式连接片24用一个热片将板22连接到圆环25上,同时,板22还被固定到SiC片19上。
另一个可调加热元件28被永久性地固定在尾端连接件7上的石英连接片上,而余下中空的间隔由石英纤维填满。通过使用这样的加热元件28来达到气体排出端的隔热 目的。
按照图1,以及图2-图5示出的其他设计类型,支架系统是由各种不同材料构成的装配式部件组成,它们能够安插在一起,形成操作支架系统。构成支架系统中个别部位的优选材料为石英、多晶硅、SiC;石英与聚四氟乙烯或聚酰胺的均匀混合物;石英与ALO、BN、SiN、多晶硅、SiC的均匀混合物,或者聚四氟乙烯或聚酰胺与ALO、SiN、多晶硅、SiC或类似物的均匀混合物。
按照图2和图3中所示的支架系统的另一种设计是由插接型桨状片33和34组装成的,它们能被容易地更换。这种桨状片具有特殊的优点:在操作中(例如在淀积工艺、扩散工艺中),具有很高的材料应力性能,而简单地抽出桨状片后,就可插入新桨状片。这种措施意味着,扩散炉再一次使用时所需的准备时间很短,约半分钟。
按照图4所示的支架系统的另一种设计是为特殊用途的,例如,沉积或类似工艺,因此,桨状片35要具有相当低的质量值。
按照图5所示的支架系统的另一种设计,特别适用于低温工艺、等离子淀积、离子注入后的加温等。将桨状片36焊接在需要的地方。
按照本发明的扩散炉也适用于对不能使用的旧扩散炉进行改型。
用“栅氧化”作为一个实例来解释工艺过程,而要强调的是,栅氧化仅仅是用本设备进行的多种可能操作之一。
在启动实际工艺过程之前,将加热箱9和加热元件28的温度调至大约300℃,加热元件20保持在室温,惰性气体冲洗系统由有突起的输入咀11的惰性气体进口10和排出咀12组成,高速流动的气体使反应室26迅速冷却。将半导 体27装在支架19上,然后插入反应室26中,直到图1所示的位置。由锥形接头17使其产生真空密封,这时仍然在作业室26中存在的非特定气体被柔和地降压降压泵出(即“软泵降压步骤”抽出),并在工艺气体输入口16向作业室注入限定的工艺气体所替换。这个交替过程可以根据需要反复多次。
接下来,打开可调加热元件20的开关,与加热箱9和加热元件28一起,使作业室中呈现均匀的温度分布,同时,惰性气体冲洗装置的开关被开通,使少量气体流入。现在可着手栅氧化的实际工艺的居中步骤。在完成栅氧化过程之后,首先关断加热元件20的开关,将加热箱9和加热元件的温度降至低于400℃,并且把冲洗用惰性气体调节到大流量。稍待一会儿之后,根据工艺需要,可移动装半导体片的支架系统18-25,这些工艺过程重新启动。

Claims (11)

1、一种对半导体材料进行热处理的设备,该设备包含一个装卸端开口的作业管;一个能将待处理的半导体片装入作业管的伸臂装置;一个工艺气体进给装置;一个工艺气体排出装置;一个各面由加热元件包围的作业室,该作业室包含有一个环形围绕作业室外面的加热箱,一个装在装卸端的,与伸臂装置连在一起的,且可移动的加热元件,另一个装在与装卸端相对的尾端的加热元件;一设置在作业管的双管壁之间的环形卡具上的液体冲洗系统;作业管的尾端有排气口,装卸端有进气口,其特征在于,隔热作业室(26)由加热元件(9、20、28)完全包围,其中,园柱形的加热箱(9)环绕外管(1),而装在装卸端(20)上的加热元件与支架系统(18-25)连在一起,又是可以移动的,将加热元件(28)安置在尾部的固定的尾端连接件(7)上,这个尾端连接件(7)、气体输入管(3),以及带有突起的气体输入咀(11)的惰性气体冲洗系统(10)都安置在内作业管(1)与外管(2)之间的间隔上,装卸端连接件(8)与可移动的支架系统(18-25),冲洗气体系统(10-12)和有突起的气体排出咀(12)连在一起。
2、按照权利要求1所述的设备,其特征在于,在管(1)和管(2)之间备有可调的气体冲洗系统。
3、按照权利要求1或2的设备,其特征在于,作业管(1)在装卸端连接件(8)的部位较宽,在尾端连接件(7)的部位较窄,工艺气体排出管(3)穿过尾端连接件(7)。
4、按照权利要求1或2的设备,其特征在于,在作业管(1)的开口端较宽,在作业管(1)的尾部较窄。
5、按照权利要求1或2的设备,其特征在于,装卸端的工艺气体入口(16)被横向安置在作业管(1)的宽端的石英连接片(18)之间的环形槽中,其排气通道倾斜地插向环形槽。
6、按照权利要求1或2的设备,其特征在于,面对作业室(26)的支架系统(18-25)的一端,有一盒形加热元件(20),而加热元件的一部份邻近于作业管(1)和石英连接片(18)之间的环形槽,且与相同的加热元件(28)的前面部位彼此相对。
7、按照权利要求1或2的设备,其特征在于,其中支架系统由插接型桨状片33和34组成,其中盒形加热装置(20)与其相连。
8、按照权利要求1或2的设备,其特征在于,抽气系统(4、6)具有冲洗气体进给器。
9、按照权利要求1或2的设备,其特征在于,抽气系统包括一气体排出连接管(3),三通阀(4)和泵(5)。
10、按照权利要求1或2的设备,其特征在于,各种桨状片(19、35、36)成镶嵌式,能插入到支架(18-25)中。
11、权利要求1所述设备的使用方法,其特征是,该方法包含如下步骤:
a)按照工艺步骤,将作业室的固定的加热装置升温至室温到350℃之间,依工艺顺序,使可调的加热装置保持在室温;
b)以大流量惰性气体使作业室冷却;
c)将半导体片装在支架系统上,将其插入作业管,并将其紧密地真空密封;
d)用“软泵降压步骤”抽出作业室中的非限定气体,换以同类的限定的工艺气体混合物;
e)接通可移动的加热装置,使作业室中形成均匀的温度分布,同时把冲洗用惰性气体流量调整到较低流量;
f)在迅速地进行限定的气体替换后,开始执行工艺程序,并且这种气体交换一直持续到工艺结束;
g)在工艺过程完成后,切断可移动加热装置的电源,将固定加热装置的温度降至400℃,到室温的任意范围,同时,把冲洗用惰性气体流量调整到大流量;
h)在视工艺而定的等待时间之后,取出处理了的半导体片。
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