CN103038865B - 热处理炉 - Google Patents

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Abstract

这里公开的热处理炉，用于半导体基片的热处理步骤中，其特征在于提供了柱形芯管，该柱形芯管的两端部有开口，该开口的尺寸设置成允许半导体基片插入芯管和从芯管中取出。这在连续的半导体热处理过程中减少了在批次之间的等待时间，从而提高生产率。而且，使用芯管结构的简单柱形降低了气体引入管部分失效的频率，从而降低了热处理方法的运行成本。

Description

热处理炉
技术领域
本发明涉及一种用于在半导体基片(通常为硅基片)的热处理中使用的热处理炉。
背景技术
在现有技术中，半导体的热处理通常在以下设计的炉中进行，以便防止来自周围空气、加热器等的任何污染。如图4中所示，高纯度石英等的炉芯管21(该炉芯管21提供有在一端处的开口22和在另一端处的气体进口导管23)布置在预先安装于炉中的柱形加热器24的内部。高纯度石英等的舟26(具有置于其上的半导体基片25)通过开口22而运动至炉芯管21中并设置就位。高纯度石英等的盖27关闭，以便建立基本紧密密封。高纯度的气体(例如氮气或氩气)从气体进口导管23供给，而气体通过在芯管21和盖27之间的较小间隙排出炉外。尽管炉内大气这样保持清洁，但是仍然进行用于掺杂剂扩散或氧化的热处理。
图7表示了使用包括这种芯管的热处理炉的一个示例热处理流程，图10表示了热处理的一个示例时间顺序。将参考这些附图来介绍现有技术的热处理方法。
(1)预定数目的半导体基片25搁置在舟26上，该舟26在舟站30处保持等待。见图7(a)和图10(i)。
(2)打开芯管21的盖27。使用高纯度石英等的杆(未示出)来迫使上面搁置有半导体基片25的舟26从舟站30运动至炉中心的预定位置。见图7(a)和图10(ii)、(iii)。
(3)关闭盖27。根据预定热型面对半导体基片25进行热处理。见图7(b)和图10(iv)。
(4)在热处理后打开盖27。使用杆等迫使上面搁置有半导体基片25的舟26从炉中的预定位置运动至舟站30，并在那里冷却。见图7(c)和图10(v)至(vii)。
在从舟插入至舟取出的期间，高纯度气体(例如氮气)可以连续地从气体进口导管23供给，以便保持炉中清洁。
在该方法中，在舟取出炉外之后，半导体基片必须在舟站冷却，直到达到可处理温度。当希望连续进行预定热处理时，系统仍然没有准备插入下一批，从而在连续热处理批次之间引入等待时间。
除了上述炉芯管，还例如在JP-AH05-102054(专利文献1，SonyCorp.，扩散炉)中提出了一种在半导体基片热处理方法中使用的热处理炉的结构。热处理炉在这里介绍为包括：炉芯管，该炉芯管在一端开口；闸板，用于可操作地关闭开口端；以及隔板，该隔板布置在芯管中并在开口端内部，以便确定在隔板和芯管的内壁之间的间隙，该闸板提供有通气孔。这种设计据说消除了由于环境空气进入而产生的任何不利影响。
专利文献1：JP-AH05-102054
发明内容
不过，在包括上述结构的芯管的热处理炉中，由于其结构，半导体基片必须只通过芯管的一端来进入和离开该炉。而且，如上所述，半导体基片在取出热处理炉之后必须在舟站处进行冷却，直到达到可处理温度。对于连续实施的热处理，这在连续热处理批次之间引入等待时间。特别是，当受到相对较短热处理持续时间的半导体装置(通常为液晶硅太阳能电池)进行热处理时，等待时间在全部热处理时间中占据较高比例，这成为限制热处理方法的生产率的主要原因。还有，当炉芯管为上述结构时，当更换炉芯管以便定期清洁和搁置储存时，细的管形气体进口导管可能破裂。因为高纯度石英等的芯管很昂贵，因此修理和购买新芯管的费用很高。这是使得热处理方法的运行成本增加的一个因素。
而且，当使用具有进口和出口的连续模式的热处理炉时(代表是皮带传送器或步进梁系统)，该炉由于存在皮带或梁而具有较低的气密性，即使在结构中提供有在进口和出口处的闸板，该炉也不能防止周围空气流入，从而产生这样的问题，即半导体基片的承载装置的寿命可能由于热处理而明显减少。皮带传送器或步进梁系统的这种连续模式热处理炉还有这样的问题，即每单位面积包括较少的可同时处理工件，且具有较低的热效率。
在上述情况下，本发明的目的是提供一种热处理炉，该热处理炉用于在半导体基片的连续热处理过程中减少在批次之间的等待时间，从而提高生产率，并降低破坏气体进口导管的频率，从而节省热处理方法的运行成本。
为了实现上述目的进行了大量研究，本发明人已发现，在热处理中使用的炉芯管构成柱形管，该柱形管在相对端处提供有开口，该开口的尺寸足以允许半导体基片进入和离开芯管，盖可拆卸地安装在芯管上，以便阻塞各开口，从而基本密封芯管，芯管或盖提供有细气体进口导管，用于将气体引入芯管中，因此，在热处理过程中在炉内的大气能够保持清洁，且半导体基片可以进入和离开芯管以及在其中热处理，同时在相对端处的盖根据需要打开和关闭，因此，能够减少在连续热处理过程中在批次之间的等待时间，从而提高生产率。因为芯管构成为简单的柱形形状，因此气体进口导管的破坏频率减小，且芯管自身的成本降低。因此能够节省热处理方法的运行成本。本发明以这些发现为基础。
因此，本发明提供了一种如下所述的热处理炉。
(1)一种在半导体基片的热处理中使用的热处理炉，包括：柱形芯管，该柱形芯管在相对端部处提供有开口，该开口的尺寸足以允许半导体基片进入和离开芯管。
(2)根据(1)的热处理炉，还包括：盖，各盖可拆卸地安装在芯管上，以便阻塞开口，从而基本密封芯管。
(3)根据(1)或(2)的热处理炉，还包括：细气体进口导管，该细气体进口导管穿过盖，将气体引入芯管中。
(4)根据(1)至(3)中任意一个的热处理炉，还包括：细气体进口导管，该细气体进口导管布置在芯管的相对端部附近，将气体引入芯管中。
(5)根据(1)至(4)中任意一个的热处理炉，还包括：细气体进口导管，该细气体进口导管布置在芯管的纵向中心附近，将气体引入芯管中。
(6)根据(1)至(5)中任意一个的热处理炉，其中：在芯管中的开口的内径为芯管在中心处的内径的至少95％。
(7)根据(1)至(6)中任意一个的热处理炉，还包括：至少一个舟站，该舟站布置在芯管的外部，并在芯管的开口附近，该舟站在等待时承载上面搁置有半导体基片的舟。
(8)根据(1)至(7)中任意一个的热处理炉，其中：热处理用于使得p-或n-类型掺杂剂扩散至硅基片中。
(9)根据(1)至(7)中任意一个的热处理炉，其中：热处理用于氧化硅基片。
发明的有利效果
本发明在半导体基片的连续热处理过程中减少了在批次之间的等待时间，从而提高了生产率。构成为简单柱形形状的芯管降低了破坏气体进口导管的频率，从而节省了热处理方法的运行成本。
附图说明
图1是包括炉芯管和盖的本发明一个实施例的示意剖视图，该盖有气体进口导管。
图2是包括炉芯管和盖的本发明另一实施例的示意剖视图，该炉芯管有布置在它的相对端部附近并在底侧处的气体进口导管。
图3是包括炉芯管和盖的本发明还一实施例的示意剖视图，该炉芯管有布置在它的中心附近的气体进口导管。
图4是普通炉芯管的一个示例结构的示意剖视图。
图5是使用本发明的一个示例热处理炉的热处理流程的示意剖视图。
图6是使用本发明的另一示例热处理炉的热处理流程的示意剖视图。
图7是使用普通热处理炉的热处理流程的示意剖视图。
图8表示了使用本发明的一个示例热处理炉的热处理的时间顺序。
图9表示了使用本发明的另一示例热处理炉的热处理的时间顺序。
图10表示了使用普通热处理炉的热处理的时间顺序。
具体实施方式
下面将参考附图详细介绍本发明的实施例，但是本发明并不局限于此。全部附图用于表示实施例，具有相同功能的部件由相同的参考标号表示，并省略它们的重复说明。
图1表示了包含在本发明的热处理炉中的一个示例芯管的结构。在图1中，柱形芯管1具有在轴向或纵向相对端部处的开口2a、2b，并由安装在热处理炉(未示出)中的柱形加热器4同心地包围。舟6(半导体基片5搁置在该舟6上)可以通过任意一个开口2a、2b而进入和离开芯管。开口2a、2b可以分别由盖7a、7b来基本阻塞和密封。盖7a、7b成一体地提供有细气体进口导管8a、8b，该细气体进口导管8a、8b以气密方式穿过盖7a、7b，用于将气体引入芯管内。在盖7a、7b关闭的情况下，气体能够从选定的一个气体进口导管8a、8b供给。气体进口导管8a、8b并不必须与盖7a、7b成一体或者从盖7a、7b凸出。分离的结构也可接受，该分离结构包括在盖7a、7b中的孔以及气体进口导管，这样，该导管可以通过紧贴配合而牢固接合到孔中。
图2表示了包含在本发明的热处理炉中的另一示例芯管的结构。在图2中，柱形芯管1’具有在轴向或纵向相对端处的开口2a、2b以及布置在相对端部附近并在底侧的细气体进口导管9a、9b。芯管1’由安装在热处理炉(未示出)中的柱形加热器4同心地包围。舟6(半导体基片5搁置在该舟6上)可以通过任意一个开口2a、2b而进入和离开芯管。开口2a、2b可以分别由盖7a、7b来基本阻塞和密封。在盖7a、7b关闭的情况下，气体能够从选定的一个气体进口导管9a、9b供给。气体进口导管9a、9b并不必须与芯管1’成一体或者从芯管1’凸出。分离的结构也可接受，该分离结构包括孔以及气体进口导管，这样，该导管可以通过紧贴配合而牢固接合到孔中。
图3表示了包含在本发明的热处理炉中的还一示例芯管的结构。在图3中，柱形芯管1”具有在轴向或纵向相对端处的开口2a、2b以及布置在纵向中心附近并在上侧的气体进口导管8c。芯管1”由安装在热处理炉(未示出)中的柱形加热器4同心地包围。舟6(半导体基片5搁置在该舟6上)可以通过任意一个开口2a、2b而进入和离开芯管。开口2a、2b可以分别由盖7a、7b来基本阻塞和密封。盖7a、7b成一体地提供有细气体进口导管8a、8b，该细气体进口导管8a、8b以气密方式穿过盖7a、7b，用于将气体引入芯管内。在盖7a、7b关闭的情况下，气体能够从选定的一个气体进口导管8a、8b、8c供给。当气体从气体进口导管8c供给芯管中，且盖7a、7b保持打开时，气体可以流向开口2a、2b。气体进口导管8a、8b、8c并不必须与盖7a、7b或芯管1”成一体或者从其上凸出。分离的结构也可接受，该分离结构包括孔以及气体进口导管，这样，该导管可以通过紧贴配合而牢固接合到孔中。
这里使用的芯管、盖和气体进口导管通常由高纯度石英、高纯度碳化硅(SiC)或类似材料制造，以便使得部件抗热处理的高温，并能够保持炉内部清洁。
芯管的尺寸并不特别限制。在芯管的相对端部处的开口的内径尺寸可以设置成允许承载半导体基片的舟进入和离开芯管，且优选是芯管在中心处的内径的至少95％，通常等于芯管在中心处的内径。
气体进口导管的外径优选是5至25mm，更优选是10至20mm，内径优选是3至20mm，更优选是5至15mm，凸出长度优选是50至200mm，更优选是100至150mm。当气体进口导管提供于相对端部附近并在芯管的底侧时，如图2中所示，气体进口导管优选是向内间隔开10至200mm的距离，更优选是离开口20至150mm。
尽管图1至3中未示出，除了芯管，优选还有至少一个舟站提供于芯管的外部并在开口近侧，上面搁置有基片5的舟6在该舟站处等待。更优选是，至少一个舟站提供于离各开口预定距离处。舟站可以由与芯管、盖和气体进口导管相同的材料来制造。舟站的尺寸并不特别限制，只要它允许舟等待。例如，可以使用这样的舟站，它的壁厚为4mm，长度为1000mm，宽度为200mm，并确定了具有100mm半径和60°角度的弓形弯曲表面。
下面介绍使用本发明的热处理炉的热处理方法。半导体基片在包括如图1至3中所示结构的芯管的热处理炉中进行热处理。优选是，高纯度气体例如氩气、氮气或氧气从气体进口导管引入，同时高纯度气体可以通过在盖和芯管之间的较小间隙从炉中逸出。气体流防止周围空气进入该炉，并在热处理过程中保持炉内大气清洁。然后，在位于芯管中心处的舟上的一组半导体基片能够进行热处理，而不会使得半导体基片的承载装置的寿命有较大的损失。
下面将介绍特定热处理方法。图5表示了使用包括根据本发明的芯管的热处理炉的示例热处理流程，图8表示了该热处理的时间顺序。图5中的芯管与图1中的相同。
(1)预定数目的半导体基片5搁置在舟6上，该舟在舟站10a处等待(图5(a)和图8(i))。这里使用的基片可以是p-或n-型硅基片等。
(2)在芯管1的盖7a打开的情况下，迫使上面搁置有半导体基片5的舟6从舟站10a到达在炉中心的预定位置(图5(a)和图8(ii))。
(3)在盖7a关闭的情况下，半导体基片5根据预定热型面来进行热处理(图5(b)和图8(iii))。例如在掺杂剂扩散处理中，大气可以是惰性气体，例如氮气或氩气，或者是氧气、三氯氧化磷、乙硼烷等。处理温度和时间并不特别限制，因为它们随着需要的扩散型面、氧化膜厚度和其它因素而变化。在简短的热处理型面的情况下，本发明更有效。
在舟插入和热处理的过程中，高纯度气体例如氮气、氩气或氧气可以从气体进口导管8b供给，以便保持炉内部清洁。
(4)在热处理之后，盖7d打开，上面搁置有半导体基片5的舟6从炉内的预定位置运动至舟站10b并冷却10至30分钟(图5(c)和图8(iv)-(v))。
在舟进入和离开芯管的过程中，高纯度气体例如氮气、氩气或氧气可以从气体进口导管8a以5至50L/min的流速来供给，以便保持炉内部清洁。
包括两个舟站的本实施例具有减少等待时间的优点，其中，当舟从芯管取出和在一个舟站10b冷却时，下一批次的舟可以从另一舟站10a进入芯管。这些舟可以同时进入和离开芯管。应当知道，高纯度石英杆(未示出)可以用于使得舟进入和离开芯管。
图6表示了根据本发明使用包括芯管的热处理炉的另一示例热处理流程，图9表示了该热处理的时间顺序。图6中的芯管与图3中的芯管相同。
(1)预定数目的半导体基片5搁置在舟6上，该舟6在舟站10a处等待(图6(a)和图9(i))。
(2)在芯管1”的盖7a打开的情况下，上面搁置有半导体基片5的舟6被迫从舟站10a运动至在炉中心的预定位置(图6(a)和图9(iii))。
(3)在盖7a关闭的情况下，半导体基片5根据预定热型面来进行热处理(图6(b)和图9(iii))。处理条件可以与上述相同。
(4)在热处理之后，盖7a、7b同时打开。上面搁置有半导体基片5的舟6从炉中的预定位置运动至舟站10b，同时上面搁置有新基片的另一舟从舟站10a运动至在炉中的预定位置。在盖7a、7b关闭的情况下，如上所述进行热处理。见图6(a)和图9(iv)和(i)-(iii)。上述操作可以重复，以便处理更多基片。
在舟进入和离开芯管的过程中，炉内部通过在芯管1”的纵向中心附近从气体进口导管8c供给高纯度气体(例如氮气、氩气或氧气)以及通过在芯管的相对端部处在盖7a、7b和开口2a、2b之间的小间隙来排出气体。在本实施例中也可以通过使得热处理舟离开芯管和同时使得下一舟进入芯管而进一步减少等待时间。
在实施本发明时，容纳这里所述的芯管的热处理炉的结构并不特别限制，只要它是具有包围芯管的柱形加热器的水平炉。
本发明的热处理炉有利于进行半导体基片的热处理，且特别是当半导体基片是将用于制造太阳能电池的硅基片时很有利，具体地说用于p-或n-型掺杂剂扩散至硅基片中的扩散处理以及硅基片的氧化处理。除了掺杂剂扩散处理和基片氧化处理，该炉还可以有利地用于在水平炉中进行的任意热处理。
实例
下面的实例和对比实例用于进一步示例说明本发明，但是本发明并不局限于此。
实例1
提供通过CZ方法制备的重叠硼掺杂p-类型硅晶片(电阻率为1-3Ω-cm)，该硅晶片的直径为100mm，厚度为200μm，并有面方位(100)。
10个重叠晶片人工布置在高纯度石英的舟上，该舟的长度为540mm，宽度为100mm，高度为30mm，并有节距为2.5mm的100个槽道。
本发明的热处理炉包括(如图1中所示)：石英芯管1，该石英芯管1的外径为150mm，内径为142mm，长度为3000mm，在相对端部处提供有内径为142mm的开口；盖7a、7b，各盖7a、7b包括直径为170mm、厚度为4mm的石英盘和外径为141.5mm、宽度为50mm的柱形石英盒，该柱形石英盒熔合粘接在盘上；以及气体进口导管8a或8b，该气体进口导管8a或8b的内径为5mm，穿过盘和盒。
当舟在热处理之前和之后处于等待位置时，提供有高纯度石英的舟站，各舟站有4mm的壁厚、1000mm的长度和200mm的宽度，并确定了半径为100mm和角度为60°的弓形弯曲表面。各舟站与芯管中的开口间隔开250mm。从在舟站中心处的舟等待位置至在芯管中心处的热处理位置的距离是2250mm。
对于各热处理批次，用于将舟设置在舟站上花费的插入准备时间(等待时间)为大约1分钟每批次，且在热处理的舟取出后的冷却时间为15分钟每批次。
石英杆用于使得舟进入和离开芯管，该石英杆的长度为2000mm，外径为15mm，并有30mm高度的凸出部，该凸出部垂直于纵向方向凸出。杆安装在完全自动的舟装载器上，因此舟以200mm/min的恒定速度进入和离开芯管。
热处理炉正常设置在830℃，舟进入其中。磷沉积40分钟，然后在830℃下扩散17分钟，用于进行更深的磷扩散。然后取出舟。
在磷沉积过程中，用于热处理的气体组分是20L/min氮气、0.3L/min氧气和0.45L/min三氯氧化磷(POCl3)的气体混合物，在其它步骤中(包括等待、盖打开/关闭、舟的插入和取出以及扩散进入)是20L/min氮气和0.3L/min氧气的气体混合物。在这些条件下，根据图5的热处理流程和图8的时间顺序进行扩散热处理。
实例2
提供石英芯管，该石英芯管的外径为150mm，内径为142mm，长度为3000mm，具有在相对端部处的、内径为142mm的开口以及在与芯管的纵向相对端部间隔开1500mm距离的位置处的、内径为5mm的气体进口导管，如图3中所示。
使用与实例1中相同的半导体基片和热处理炉(除了上述结构的芯管)根据图6的热处理流程和图9的时间顺序进行扩散热处理。
对比实例1
如图4中所示，提供普通石英芯管，该普通石英芯管的外径为150mm，内径为142mm，长度为3000mm，具有在一端处的、内径为142mm的开口以及在另一端处的、内径为5mm的气体进口导管，还提供盖，该盖包括直径为170mm、厚度为4mm的石英盘和外径为141.5mm、宽度为50mm的柱形石英盒，该柱形石英盒熔化粘接在盘上。
使用与实例1中相同的半导体基片和热处理炉(除了上述结构的芯管和盖)来根据图7的热处理流程和图10的时间顺序进行扩散热处理。
在实例1和2以及对比实例1中获得的基片通过以下测试进行评估。
1)片材电阻测量
基片浸没在25wt％的HF中4分钟，以便除去玻璃涂层，用去离子水来清洗并干燥。在晶片中心处通过四探针分析测量片材的电阻。
2)本体寿命测量
基片在70℃下在25wt％的KOH中浸没10分钟，用于除去扩散层，并用去离子水来清洗，在1wt％的HF中浸没1分钟以便防水，且通过碘甲醇方法来进行化学钝化。本体寿命通过微PCD方法来测量。
3)当连续进行扩散热处理时，测量每批次热处理花费的时间。
表1
实例1和2显示了片材电阻和本体寿命的测量结果，这些测量结果与对比实例1的测量结果相当，然而大大节省了每批次扩散所花费的时间。
参考标号表
1、1’、1”、21：芯管
2a、2b、22：开口
4、24：加热器
5、25：半导体基片
6、26：舟
7a、7b、27：盖
8a、8b、8c、9a、9b、23：气体进口导管
10a、10b、30：舟站

Claims (8)

1.一种在半导体基片的热处理中使用的热处理炉，包括：
柱形芯管，该柱形芯管在相对端部处提供有开口，该开口具有足够的尺寸以允许具有半导体基片的舟移动进入和离开芯管，等待时该半导体基片搁置在舟上；
加热器，该加热器用于加热芯管；
盖，各盖可拆卸地安装在芯管上，以便阻塞开口，从而密封芯管；
细气体进口导管A，该细气体进口导管A布置在芯管的纵向中心附近，用于将高纯度的气体引入芯管中，以便在舟移动进入和离开芯管期间保持热处理炉内部清洁，以及
细气体进口导管B，该细气体进口导管B穿过多个盖中的一个，用于在半导体基片的热处理过程中将用于热处理的生产气体引入芯管中；
其中，在连续实施的热处理批次的过程中，包括使具有半导体基片的舟移动进入芯管，进行半导体基片的热处理并使具有半导体基片的舟移动离开芯管，在从细气体进口导管A至芯管引入高纯度气体以便保持热处理炉内部清洁的同时进行以下操作：使具有热处理的半导体基片的第一舟移动离开芯管的多个开口中的一个，和使具有下一个半导体基片的第二舟移动进入芯管的多个开口中的另一个中。
2.根据权利要求1所述的热处理炉，其中使具有热处理的半导体基片的第一舟移动离开芯管的操作包括打开多个盖中的一个，使第一舟移动离开芯管的多个开口中的一个并关闭多个盖中的一个，以及使具有下一个半导体基片的第二舟移动进入芯管的操作包括打开多个盖中的另一个，使第二舟移动进入芯管的多个开口中的另一个并关闭多个盖中的另一个。
3.根据权利要求1所述的热处理炉，在第一舟和第二舟移动进入芯管和移动离开芯管的过程中，细气体进口导管A打开且细气体进口导管B关闭，而在半导体基片的热处理过程中，细气体进口导管A关闭且细气体进口导管B打开。
4.根据权利要求1所述的热处理炉，其中：在芯管中的开口具有内径，该内径为芯管在中心处的内径的至少95％。
5.根据权利要求1所述的热处理炉，还包括：至少一个舟站，该舟站布置在芯管的外部，并在芯管的开口附近，舟站在等待时承载上面搁置有半导体基片的舟。
6.一种使用根据权利要求1-5中任意一项所述的热处理炉的半导体基片的热处理方法，包括使舟移动进入芯管和移动离开芯管的步骤，其中，在从细气体进口导管A至芯管中引入高纯度气体以便保持热处理炉内部清洁的同时进行以下操作：使具有热处理的半导体基片的第一舟移动离开芯管的多个开口中的一个，和使具有下一个半导体基片的第二舟移动进入芯管的多个开口中的另一个中，还包括在从细气体进口导管B至芯管中引入生产气体用于半导体基片的热处理的同时加热在芯管中的半导体基片的步骤。
7.根据权利要求6所述的方法，其中：热处理用于使得p-或n-类型掺杂剂扩散至硅基片中。
8.根据权利要求6所述的方法，其中：热处理用于氧化硅基片。
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