CN103928367A - 降低炉管工艺中Cu污染的炉管装置及其方法 - Google Patents

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戴树刚
孙天拓
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Abstract

本发明公开了一种降低炉管工艺中Cu污染的炉管装置及其方法，其中，所述的炉管装置包括炉管主体、燃烧腔、水汽进气管；其中，所述燃烧腔通过所述水汽进气管与所述炉管主体连接，所述的水汽进气管进入炉管主体内部的顶部；所述的方法步骤包括对含有杂质的炉管进行预清洗后，将一定体积比的H2和O2点火燃烧，生成水汽，采用水汽去除炉管内的Cu元素，所述的预清洗采用Trans-LC工艺。本发明所述的装置及其方法，采用预清洗与高纯水汽结合清除炉管主体内部的Cu元素及其他杂质，从而降低炉管工艺中铜杂质的含量，降低金属污染，最终提高产品的良产率。

Description

降低炉管工艺中Cu污染的炉管装置及其方法
技术领域
本发明涉及一种半导体工艺，尤其涉及一种降低高温长时间炉管工艺中Cu污染的炉管装置及其方法。
背景技术
在芯片生产过程中金属杂质的引入，特别是Cu的引入，会引起芯片良率的降低。比如在CMOS Image Sensors（CIS）中Cu杂质的引入会引起Dark Current，导致图像中形成白点。降低炉管工艺中铜杂质的含量是降低金属污染的最终要一环。
炉管高温退火是芯片生产过程中必不可少的步骤。高温退火可以修复对硅片进行刻蚀过程中的硅损伤，改善二氧化硅和硅的界面特性等。碳化硅的晶舟具有抗热性能好和热膨胀系数低等优点，在高温退火工艺常常采用碳化硅的晶舟，而在低温退火工艺时常采用石英的晶舟。
炉管高温退火环境下腔体内的金属离子主要有两个来源：
1）前面工艺带入的金属污染；
2）当前工艺引起的污染（主要在石英或碳化硅的部件中）。
附图1为硅片的表面和浅层的金属污染简图，其中，10为硅片，11为分布在硅片上的金属杂质。如附图2中所示，硅片的表面和浅层的金属污染经过热处理后，会迅速扩散到深处，成为硅片的缺陷。扩散到硅片深处的金属污染很难再被去除，随着不同工艺的进行亦会形成金属的累积。金属污染的存在会影响到芯片的性能，造成产品良率的降低。
由于硅片尺寸越来越大，炉管直径也相应的增加，在进行多次成膜后，炉管内的残留物的金属离子和高分子聚合物残余物越来越多，如果不定期去除，可能形成金属污染和颗粒来源，从而影响工艺良率和产品稳定性。
现有的技术中常常采用1,1,1-三氯乙烷（TCA）或HCl来去除残留的金属离子，由于1,1,1-三氯乙烷（TCA）或HCl会给环境带来极大的危害，且在操作的过程中，TCA或HCl容易造成操作事故，出于环境保护和安全性考虑，采用1,1,1-三氯乙烷（TCA）或HCl来去除残留的金属离子的方法已无法满足现有的工艺的要求。
发明内容
本发明公开了一种降低炉管工艺中Cu污染的炉管装置及其方法，用以降低炉管工艺中铜杂质的含量，从而降低金属污染，最终提高产品的良产率。
本发明的第一方面提供了一种降低炉管工艺中Cu污染的炉管装置，具体包括：
炉管主体、燃烧腔、水汽进气管；其中，所述燃烧腔通过所述水汽进气管与所述炉管主体连接。
其中，所述的水汽进气管进入炉管主体内部的顶部。
如上述的降低炉管工艺中Cu污染的炉管装置，所述的水汽进气管用于将燃烧腔内生成的水汽送入炉管主体中。
如上述的降低炉管工艺中Cu污染的炉管装置，所述的燃烧腔中还包括H2进气口、O2进气口、以及燃烧内腔。所述的H2进气口、O2进气口分别与燃烧内腔连接，其中，H2通过H2进气口进入燃烧内腔中，O2通过O2进气口进入燃烧内腔中；
优选地，上述的H2进气口、O2进气口中均具有独立的开关，可用于控制H2进气口、O2进气口的开闭。
本发明的第二方面提供了一种降低炉管工艺中Cu污染的方法，具体包括：
对所述炉管主体内部进行预清洗；
将一定体积比的H2和O2点火燃烧，生成水汽，将所述水汽通入所述炉管主体内部。
上述的水汽用于去除炉管内的Cu元素。
如上述的降低炉管工艺中Cu污染的方法中，所述的预清洗采用C2H2Cl2溶液对炉管主体内部进行预清洗，Trans-LC工艺，即采用C2H2Cl2，其可以在高温下与发生氧气反应生成HCl，HCl可以对炉管进行净化，其反应方程式如下：
C2H2Cl2+O2→2HCl+2CO2
如上述的降低炉管工艺中Cu污染的方法中，所述的预清洗用于去除炉管内的残留物碱金属离子和高分子聚合物的残余，如Na+、K+或PR残余等。
如上述的降低炉管工艺中Cu污染的方法中，所述的H2和O2点火燃烧，H2和O2的体积比优选为（1～3）：（3～1），更优选为（1～2）：（2～1），如1：2、1：1.5、1：1、2：1，最优选为1：1，其中，所述的H2和O2在燃烧腔内燃烧的反应式为：
H2+O2→H2O
上述的H2和O2在燃烧腔内燃烧所得到的水汽为高纯水汽，所述的高纯水汽符合电力半导体器件工艺用高纯水的标准，所得的高纯水汽通过水汽进气管进入炉管的主体内部中。
优选地，为了防止氢气过量而发生爆炸，通入一定体积比的H2和O2的过程中，需在氢气关闭后，继续通入氧气，关闭氢气并通入氧气的时间需大于5min；
为了达到更好的去除效果，本发明所述的方法中，所得的水汽的温度范围优选为大于800℃的高温水汽，以对炉管主体内部的金属杂质进行更进一步的清洗；
其中，将所述水汽通入所述炉管主体内部的时间需大于30min。
综上所述，本发明降低炉管工艺中Cu污染的炉管装置及其方法，通过在进行预清洗后再加入经过按照一定比例的H2和O2混合燃烧得到的高纯水汽，采用所得的高纯水汽清除炉管主体内部的Cu元素，从而通过降低炉管工艺中铜杂质的含量，以降低金属污染，最终提高产品的良产率。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明及其特征、外形和优点将会变得更明显。
图1是现有技术所得的硅片的表面和浅层的金属污染示意图；
图2是现有技术中硅片的表面和浅层经过热处理后的金属污染扩散示意图；
图3是本发明降低炉管工艺中Cu污染的炉管装置示意图；
图4是本发明进行Trans-LC预清洗后炉管顶部、中部和底部的测试片的Cu含量对比示意图；
图5是本发明进行Trans-LC预清洗再经高纯水汽清洗后炉管顶部、中部和底部的测试片的Cu含量对比示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的说明：
图3是本发明降低炉管工艺中Cu污染的炉管装置示意图，从图3中可知，一种降低炉管工艺中Cu污染的炉管装置，具体包括：
炉管主体1、燃烧腔2、以及水汽进气管3；其中，所述燃烧腔2通过所述水汽进气管3与所述炉管主体1连接，所述的水汽进气管进入炉管主体1内部11的顶部，所述的水汽进气管3用于将燃烧腔2内生成的水汽送入炉管主体1的内部中。
上述的燃烧腔2中还包括H2进气口21、O2进气口22、以及燃烧内腔23。所述的H2进气口21、O2进气口22分别与燃烧内腔23连接，其中，H2通过H2进气口21进入燃烧内腔中，O2通过O2进气口22分别进入燃烧内腔23中；
上述的H2进气口21、O2进气口22中均具有开关，可用于控制H2进气口21以及O2进气口22的开启或闭合。
具体地，结合图3中所述的装置，降低炉管工艺中Cu污染的方法可以包括：
采用Trans-LC工艺对含有杂质的炉管进行预清洗后，将一定体积比的H2和O2点火燃烧，生成水汽，水汽去除炉管内的Cu元素。
其中，H2和O2的体积比可以为（1～3）：（3～1），也可以为（1～2）：（2～1），如1：2、2：1、1：1、1.5：1、1：1.5等，最佳为1：1。
所述的水汽为高纯水汽，其中，所述的高纯水汽符合电力半导体器件工艺用高纯水的标准。
所得的高纯水汽通过水汽进气管3进入炉管主体1的内部11中。
本发明所述的Trans-LC(C2H2Cl2)是一种液体，可以在高温下和氧气反应生成HCl，HCl起到净化炉管的作用。反应方程式如下：
C2H2Cl2+O2→2HCl+2CO2
本发明中采用N2携带Trans-LC液体进入炉管主体1的内部11中，对炉管主体1的内部11进行清洗。本发明所述的Trans-LC(C2H2Cl2)预清洗方法对碱金属离子，如钠，钾等有较好的去除能力。但是对于不能取出Cu元素，且在高温下HCL容易把炉管的部件中含有的微量Cu元素带入炉管主体1的内部11中，形成淀积。
本发明所述的Trans-LC预清洗工艺中，在将Trans-LC送入炉管前要将Trans-LC保持在氧化气氛中，并防止由于O2不足而在高温下产生碳颗粒。结束后在保持30min左右的氧气气氛中，消除多余的Trans-LC。
此外，为了防止氢气过量而发生爆炸，通入一定体积比的H2和O2的过程中，需在氢气关闭后，继续通入氧气，关闭氢气并通入氧气的时间需大于5min，如6min，8min，10min，15min等等；
为了达到更好的去除效果，本发明所述的方法中，所得的水汽的温度范围优选为大于800℃的高温水汽，以对炉管主体内部的金属杂质进行更进一步的清洗，如温度可为850℃、860℃、900℃、950℃等等；
其中，将所述水汽通入所述炉管主体内部的时间需大于30min，如35min、48min、50min、52min等等。
所述的预清洗可有效去除炉管内的残留物碱金属离子和高分子聚合物的残余，如Na+、K+或PR残余等。
本发明所述的Trans-LC预清洗工艺后，炉管主体1的内部11中的Cu含量可以通过下述的方式进行测试：
首先，在炉管上中下（即顶部、中部和下部）分别放置测试片（monitor）。
如图4所示，图4中横坐标为采用所述Trans-LC清洗后炉管主体内部的顶部、中部以及底部测试片标记，纵坐标表示测试片Cu的含量，其单位为atoms/cm2。进行Trans-LC预清洗后炉管主体1的内部11的顶部、中部和底部的测试片Cu含量较高，其含量为9E+9atoms/cm2～2.6E+10atoms/cm2，特别是中部和底部，较高的Cu含量会对炉管内所得的硅片产品的性能带来重大影响。
进一步的，对采用Trans-LC工艺预清洗后的炉管，在不使用高纯水汽清洗或使用高纯水汽清洗的情况下，Cu含量同样也存在明显的变化，请参见附图5，其中，图5中横坐标为采用所述Trans-LC清洗后炉管主体内部分为A、B两个区域，两个区域内均含有顶部、中部以及底部测试片标记，纵坐标表示测试片Cu的含量，其单位为atoms/cm2，具体如下：
当在不使用高纯水汽清洗的炉管时，如图5中A区间内所示，炉管内顶部、中部和底部的Cu的含量较高，含量为9E+9atoms/cm2～2.6E+10atoms/cm2；
当在用高纯水汽清洗时，如图5中B区间内所示，炉管内顶部、中部和底部的Cu含量明显降低，含量降至6E+9atoms/cm2～7.4E+9atoms/cm2；
采用Trans-LC对炉管主体内部进行预清洗后，再采用水汽进行清洗，可以有效地降低炉管主体内部高温退火后Cu的含量。
综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明降低炉管工艺中Cu污染的炉管装置及其方法，通过在进行预清洗后再加入经过按照一定比例的H2和O2混合燃烧得到的高纯水汽，采用所得的高纯水汽清除炉管主体内部的Cu元素，从而通过降低炉管工艺中铜杂质的含量，降低金属污染，最终提高产品的良产率。
本领域技术人员应该理解，本领域技术人员结合现有技术以及上述实施例可以实现所述变化例，在此不予赘述。这样的变化例并不影响本发明的实质内容，在此不予赘述。
以上对本发明的较佳实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，其中未尽详细描述的设备和结构应该理解为用本领域中的普通方式予以实施；任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案作出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例，这并不影响本发明的实质内容。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。

Claims (10)

1.一种降低炉管工艺中Cu污染的炉管装置，其特征在于，包括：炉管主体、燃烧腔、水汽进气管；其中，所述燃烧腔通过所述水汽进气管与所述炉管主体连接。
2.根据权利要求1所述的降低炉管工艺中Cu污染的炉管装置，其特征在于，所述的水汽进气管用于将燃烧腔内生成的水汽送入炉管主体中。
3.根据权利要求1所述的降低炉管工艺中Cu污染的炉管装置，其特征在于，所述的燃烧腔中还包括H2进气口、O2进气口、以及燃烧内腔。
4.根据权利要求3所述的降低炉管工艺中Cu污染的炉管装置，其特征在于，所述的H2进气口、O2进气口分别与燃烧内腔连接。
5.根据权利要求4所述的降低炉管工艺中Cu污染的炉管装置，其特征在于，H2通过所述的H2进气口进入所述的燃烧内腔中，O2通过所述的O2进气口进入所述的燃烧内腔中。
6.一种降低炉管工艺中Cu污染的方法，其特征在于，采用如权利要求1中所述的炉管装置，所述方法包括：
对所述炉管主体内部进行预清洗；
将一定体积比的H2和O2点火燃烧，生成水汽，将所述水汽通入所述炉管主体内部。
7.根据权利要求6所述的降低炉管工艺中Cu污染的方法，其特征在于，采用C2H2Cl2溶液对炉管主体内部进行预清洗。
8.根据权利要求6所述的降低炉管工艺中Cu污染的方法，其特征在于，H2和O2的体积比为（1～3）：（3～1）。
9.根据权利要求6所述的降低炉管工艺中Cu污染的方法，其特征在于，所述的水汽的温度范围为大于800℃。
10.根据权利要求9所述的降低炉管工艺中Cu污染的方法，其特征在于，将所述水汽通入所述炉管主体内部的时间为大于30min。
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