CN1033193C - 一种高压晶闸管制造方法及装置 - Google Patents

Abstract

一种高压晶闸管制造方法及装置，属于晶闸管生产中的一种双质掺杂方法及扩散系统装置。本发明为铝乳胶源涂布与气相镓杂质相结合的一种分步扩散法，是先在N型硅片上均布二氧化硅铝乳胶源进行铝扩散，后扩铝硅片经单面抛光、热氧化、开管扩镓，最后完成铝镓再分布。扩散装置的石英管短，无内扩散管，只用一个磨口。采用该方法及装置，扩散均匀性和重复性好，扩散参数可控性和可调性强。

Description

本发明属于电力半导体器件--一种高压晶闸管制造方法及装置。

目前，在电力半导体器件一晶闸管制造工艺中，P型扩散(受主杂质掺杂)有闭管扩镓(或铝镓)或开管扩镓和硼铝涂层扩散法。闭管扩镓因受硅片数量、源量和石英管容积大小等因素影响，扩散参数重复性差。参数不易调整、周期长、操作复杂、成本高；硼铝涂层工艺，扩散均匀性和重复性差，由于杂质分布陡峭而造成产品电参数离散性大，动态参数不理想，产品合格率和优品率较低。开管扩镓，镓杂质分布前沿部分较陡，不利于提高电压。制造高压器件很困难。故以上扩散方法已不适应于高压大电流器件，特别是快速晶闸管的生产。

扩散系统包括扩散炉和扩散装置。扩散炉是通用设备，它是由加热炉和炉温控制部分组成。扩散装置是由石英管、气路和气体净化等部分组成。在构成的扩镓系统中。按照一定的条件(如片温、源温、H₂流量、时间等)进行镓掺杂。原扩散装置中的石英管长230--250cm，有两个磨口、一支内扩散管(长35--40cm)，还有控制部分，只有一个气路，即扩镓和再分布时H₂或N₂只朝一个方向流动。原装置操作复杂、成本高，而且石英管加工、拖动和清洗很不方便。

本发明为高压晶闸管生产提供了一种P型掺杂工艺方法及扩散装置。

该方法是先在N型硅片上涂布铝乳胶源扩散，然后扩铝，硅片经单面抛光、热氧化、开管扩镓。最后完成铝镓再分布，镓掺杂和铝镓再分布的全过程是在热氧化膜和氮气保护下在同一扩散炉内完成双质P型扩散。

改进的扩散装置的石英管长为180--200cm，只一端有磨口，无内扩散管，也不需要控制部分；它有两个气路，即当扩镓时，H₂沿管道朝右方向流动(参见附图)，参与镓源的反应与源的携带，当预扩镓结束转入再分布时，改为N₂，N₂沿着管道朝向反方向(向左)流动。

本发明的优点如下：

1、本发明为铝乳胶源涂布和气相镓杂质相结合的分步扩散法，可获得理想的杂质分布，有利于制造高压大电流器件，更有利于快速晶闸管的生产。

2、根据不同器件设计要求，通过调节扩散条件，可达到所要求的表面浓度，又通过陪片监测来确定再分布时间，较准确地控制扩散结深，即本发明可控性和可调性高。

3、扩铝硅片经抛光、热氧化后，再进行开管扩镓保证了扩散质量，即消除了合金点、扩散均匀性和重复性好，并且晶格缺陷少，有利于提高少子寿命、降低通态压降等。

4、采用该扩散方法，产品的电参数一致性、高温特性和动态特性好，优于硼铝涂层扩散。

5、产品合格率和优品率较高，与闭管扩散和涂层扩散工艺相比，合格率提高15—20％，优品率提高18—25％，经济效益和社会效益显著。

6、该扩散装置与原开管镓或铝镓一步扩散工艺相比，石英管短40—50厘米，减少一个磨口和一支内扩散管，成本低，显著的节约了石英材料，每根石英管可节省1000—1500元，并且操作简便，给石英管加工、拖运、清洗处理等带来极大方便。

本发明的实施方法：

1、铝源的配制：把1克高纯硝酸铝，掺入8—20毫升的6—11％的二氧化硅乳胶或无水乙醇中，用超声波超40—60分钟，使硝酸铝全部溶解，然后在冰箱(4℃)中静放24小时后再使用为宜。

2、铝源的涂布：把清洗干净的干燥硅片置于甩源机的圆盘上，用吸液管将铝乳胶源滴在硅片上，一般2—6滴(根据硅片表面积大小而定)，转速2500—3500转/分，时间15—30秒，在红外灯下或真空干燥箱中烘干，然后用同样方法，再在硅片另一面涂布铝乳胶源。

3、硅片装舟：涂布好的铝源硅片在石英舟(或多晶硅舟)上排列方式有两种，即立放和平放。为提高扩铝浓度和投片量，以硅片重叠在一起扩散为好。采用石英箱或多晶硅箱扩散，效果更好。

4、铝乳胶源的预烘：将装有铝乳胶源硅片的石英舟或箱，推入扩散炉的恒温区中，通氮气500—800毫升/分，升温10—15分钟，炉温达到200℃时停炉，在200—250℃、大氮气氛下，对铝乳胶源预烘20—30分钟。

5、铝扩散：扩散炉恒温后，计时进行铝扩散，片温为1240—1260℃，扩散时间为2—15小时，氮气流量为50—100毫升/分，扩铝结束，要以1.5—2℃/分的速度进行慢降温，降到700—750℃时，改为自然降温。Vsp为100—300mv，Xj为20—80um。

6、硅片抛光：扩铝硅片出炉后，在氢氟酸中泡60—90分钟，再按常规工艺，对硅片进行单面抛光，抛去表面缺陷层。

7、硅片热氧化：硅片清洗干净后进行氧化，片温为1180—1210℃，氧气流量为500—800毫升/分，氧化时间为8—9小时，采取干氧和湿氧交替法。氧化膜厚度10000—12000埃。

8、预扩镓：镓源为固态三氧化二镓，氢气(氢气钢瓶或氢气发生器)为镓源的反应气体，又是源的输运气体。片温为1200—1250℃，源温860—1050℃，氢气流量为100—200毫升/分，通源时间25—100分钟。预扩镓结束，关氢通氮。氮气为500—700毫升/分。Vsp为5—25mv。

9、铝镓的再分布：片温为1250—1270℃，扩散时间10—30小时，氮气为50—100毫升/分，Vsp为10—50mv，Xj为60—120um。

10、慢降温：为提高少子寿命，要进行慢降温，以1—1.5℃/分速度下降，温度降到600—650℃时，再自然降温，在200℃以下取片。

11、被扩硅片表面因有一定厚度的氧化膜，可在抛光氧化面上直接进行光刻，然后进行磷扩散，其他均为常规工艺。

扩散装置：

1、扩散装置图：参见附图

1.尾瓶2.磨口3.镓源4.扩散炉5.硅片6.石英管7.尾瓶8.夹子9.玻璃三通10.乳胶管11.净化系统12.净化系统13.玻璃三通14.夹子

2、气体流程路线：

N₂→净化系统11→玻璃三通9₍₁₎→9₍₃₎(9₍₂₎夹住)→石英管6→玻璃三通13₍₂₎→13₍₃₎(13₍₁₎夹住)→尾瓶1→外排。

H₂→净化系统12→玻璃三通13₍₁₎→13₍₂₎(13₍₃₎夹住)→石英管6→玻璃三通9₍₃₎→9₍₂₎→尾瓶7→外排。

3、说明：

(1)在扩散炉中将石英管的位置固定好，不准再移动；

(2)源温区的确定，先用热电偶装置在扩散炉的副控位置测出所需要的源温，一般测出2—3个不同的源温即可。并将源区位置在炉体适当处标记好。

(3)在扩镓前一小时，把源送入所选择的源区位置，要固牢管帽，通大流量氮气充分的排除管道内的空气，一般固定片温，源温，氢气流量，只改变通源时间即可。

(4)扩镓结束，关断氢气，立即通入氮气，将余源和余氢反方向排出。在通大氮下，至少30分钟才能打开管帽。

(5)玻璃三通9和玻璃三通13，用三通玻璃活塞代替也可。

Claims (8)

1、一种高压晶闸管制造方法，采用铝乳胶源涂布与气相镓杂质相结合的掺杂方法，其特征在于：扩散工艺是分步进行的，

1).先在N型硅片上涂布铝源进行铝扩散，

2).然后扩铝硅片经单面抛光、热氧化，

3).预扩镓，

4).最后完成铝镓再分布，

镓掺杂和铝镓再分布的全过程是在热氧化膜和氮气氛保护下在同一扩散炉内完成。

2、根据权利要求1所述的一种高压晶闸管制造方法，其特征为，所说的铝源是硝酸铝掺入二氧化硅乳胶(6-11％)或无水乙醇中，比例为1克：8—20毫升，在清洁干燥的N型硅片的两面均匀的涂布上铝乳胶源。

3、根据权利要求1所述的一种高压晶闸制造方法，其特征为，所说的铝扩散，涂布铝乳胶源硅片先在200—250℃、大氮(500—800毫升/分)气氛下预烘20—30分钟，扩散炉恒温后，计时进行铝扩散，片温为1240—1260℃，扩散时间2一15小时，氮气为50—100毫升/分，扩铝结束，以1.5—2℃/分的速度进行慢降温，降到700—750℃时，改为自然降温，Vsp＝100—300mv，Xj＝20—80um。

4、根据权利要求1所述的一种高压晶闸管制造方法，其特征为，扩铝硅片先在氢氟酸中泡60—90分钟，再按常规工艺，对硅片进行单面抛光，抛去表面缺陷层。

5、根据权利要求1所述的一种高压晶闸管制造方法，其特征为，进行热氧化时，片温1180—1210℃，氧气流量500—800毫升/分，氧化时间8—9小时，干氧和湿氧交替法，在表面生长一层10000—12000埃的SiO₂膜。

6、根据权利要求1所述的一种高压晶闸管制造方法，其特征为，所说的预扩镓，片温1200—1250℃。源温为860—1050℃，氢气流量为100—200毫升/分，通源时间为25—100分钟。V_sp＝5—25mv。

7、根据权利要求1所述的一种高压晶闸管制造方法，其特征为，所说的铝镓再分布，片温为1250—1270℃，再分布时间为10—30小时，氮气为50—100毫升/分，再分布结束，要以1一1.5℃/分的速度慢降温，温度降到600—650时，改为自然降温，在200℃以下取片，Vsp＝10—50mv，Xj＝60—120um。

8、一种适于权利要求1所述方法的扩散装置，由加热炉体、炉温控制部分、扩散装置构成，其特征在于。扩散装置的石英管6长180—200cm，无内扩散管。有两个气路，只有一个磨口2。