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

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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