CN112366132A - 一种硅片氧化方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种硅片氧化方法，步骤至少包括：对硅片预加热至设定温度并生成臭氧气体；再在所述设定温度下保温一定时间，所述臭氧在所述设定温度下使所述硅片双侧表面分别形成二氧化硅氧化层。本发明氧化方法，可快速准确地在较短时间内对硅片双侧表面进行氧化，并在硅片双侧表面分别形成一层二氧化硅氧化层，整个操作过程不仅无需采用化学试剂，而且在硅片表面是非破坏性的；氧化层一致性好；氧化时间短且效率高，无污染，能源用量少。

Description

一种硅片氧化方法
技术领域
本发明属于半导体硅片测试技术领域，尤其是涉及一种硅片氧化方法。
背景技术
硅片表面质量直接影响硅片中少数载流子寿命，快速、精准地在硅片表面形成一层氧化层，为后续硅片表面钝化处理打好基础，可有效降低表面复合效应对少数载流子寿命测试的影响。
现有硅片表面的自然氧化层不稳定，存在较多悬挂键，通常需要对硅片表面进行预处理形成稳定、致密性较好氧化层，便于测试。
相比于传统的化学方法，如何快速、精准地在硅片表面形成一层氧化层，且无需使用化学试剂进行处理，不仅保证硅片表面质量，而且减少作业流程，提高测试效率、节约测试时间并降低能耗，是高质量、低成本加工硅片的关键。
发明内容
本发明提供一种硅片氧化方法，尤其是适用于抛光硅片的少数载流子寿命测试，解决了现有技术采用化学试剂对硅片表面进行处理，导致预处理时间长、准确性差且污染环境的技术问题。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：
一种硅片氧化方法，步骤至少包括：对硅片预加热至设定温度并生成臭氧气体；再在所述设定温度下保温一定时间，所述臭氧在所述设定温度下使所述硅片双侧表面分别形成二氧化硅氧化层。
进一步的，所述预加热包括用红外线灯使所述硅片在一定时间内从室温加热至400-500℃的步骤。
进一步的，所述预加热时间为0.4-0.6min。
进一步的，在所述预加热和所述保温过程中均包括持续向所述硅片表面通入真空压缩空气的步骤。
进一步的，在所述预加热和所述保温过程中还包括用紫外线灯发射的紫外线被所述真空压缩空气中的氧气吸收生成所述臭氧的步骤；所述紫外线灯发出的紫外线波长为200-280nm。
进一步的，所述保温包括在400-500℃下保温3-8min。
进一步的，所述真空压缩空气的气流为1.2-1.8L/min。
进一步的，在所述预加热之前还包括将所述硅片悬空放置的步骤，并使所述硅片双侧表面裸露设置。
进一步的，在所述保温之后还包括使氧化后的所述硅片表面降温的步骤，所述降温包括在设定时间内使所述硅片内的温度从所述设定温度降低至室温。
进一步的，所述降温是在2-5min内向所述硅片表面通入氮气。
与现有技术相比，采用本发明提出的氧化方法，仅仅需要向箱体内通入真空压缩空气，即通过加热单元快速地将硅片表面温度升高至易于被氧化的温度400-500℃下；同时，进入箱体内的真空压缩空气中的氧气吸收紫外线灯发射的短波长，生成易于与硅片表面中的硅发生反应的臭氧；且在这 400-500℃的温度下，更易于使臭氧与硅快速发生反应，使硅片正面生成一层二氧化硅的氧化层薄膜；再通过向箱体内通入氮气，以降低硅片表面的温度，在不改变硅片表面质量的情况下，快速降温并使硅片流转至下一检测工序中。
附图说明
图1是本发明一实施例的氧化装置的结构示意图；
图2是本发明一实施例的氧化装置的俯视图；
图3是本发明一实施例的氧化方法的流程图。
图中：
10、箱体 11、箱门 20、放置单元
21、卡托 22、短柱 30、加热单元
31、红外线灯 32、温度传感器 40、氧化单元
41、紫外线灯 42、空气管 50、降温单元
51、氮气管 60、硅片
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
本实施例提出一种硅片氧化装置，如图1和图2所示，包括密闭的箱体 10以及置于箱体10内侧的：用于放置硅片60并使硅片60双侧表面裸露的放置单元20、用于对硅片60表面进行加热的加热单元30、用于对硅片60 正面进行氧化的氧化单元40和用于对硅片60表面冷却的降温单元50，其中，放置单元20被设置于箱体10的底部，加热单元30、氧化单元40和降温单元50均位于放置单元20的上方。
具体地，放置单元20包括若干均匀分布且悬空设置的卡托21和置于卡托21下方且用于支撑卡托21的短柱22，短柱22与卡托21的数量相同；相邻短柱22均相互独立设置且稳定不动，卡托21为L型结构，开口朝向硅片 60一侧设置，若干卡托21围成一个与硅片60的外缘相适配的圆环，也即是硅片60的外边缘周围与卡托21相配合，使得硅片60悬空水平放置且双侧两个表面均裸露设置，便于硅片60双侧表面被氧化。优选地，卡托21为橡胶托，数量至少为三个。在整个过程中，硅片60被静止地放置在卡托21上。采用机械手抓取硅片60的方式将硅片60放置在卡托21上，待硅片60放置平稳后，等待预加热。
进一步的，加热单元30包括至少一个用于加热的红外线灯31和用于监控硅片60表面温度的温度传感器32，红外线灯31设置在箱体10顶部，温度传感器32被设置在硅片60的正上方。在本实施例中，红外线灯31为两个，分设于温度传感器32的两侧且相对于温度传感器32对称设置。在预加热过程中，当硅片60静置稳定地放置在预设的位置处时，系统控制两个红外线灯31开启加热，红外线灯31直接照射在硅片60的表面，由于硅片60 较薄，受热温度均匀，当硅片60表面温度在0.4-0.6min内从室温加热至 400-500℃，将硅片60加热至易于被氧化生成二氧化硅氧化层的温度。当温度被加热至400-500℃时，系统受到温度传感器32测试的温度数值，控制红外线灯31保持这一温度。同时，在预加热过程中，氧化单元40中紫外线灯 41和空气管42也开始工作，向箱体10内通入真空压缩空气，真空压缩空气中含有氧气，氧气吸收紫外线灯42发射的短波紫外线生成臭氧。提前预通入真空压缩空气主要目的是为了保证足够的氧气被生成易于与硅片60表面中的硅发生反应的臭氧；相应地，降温单元50中停止真空压缩空气的通入。
进一步的，氧化单元40至少包括一个可发射短波长紫外线的紫外线灯 41和用于向箱体10通入真空压缩空气的空气管42，其中，紫外线灯41被设于箱体10顶部，空气管42被置于箱体10的侧面，且空气管42高于卡托 21的最高位置。优选地，紫外线灯41的数量为两个，相对于硅片60的圆心轴线位置对称设置，且垂直于于红外线灯31设置；紫外线灯31发射出的紫外线波长为200-280nm的短波，可完全保证空气管42通入的真空压缩空气中的氧气被生成臭氧。臭氧在400-500℃的温度下易于与硅片60表面的硅反应，臭氧在箱体10内可自由地与硅片60的上下两侧表面上的硅氧化，使硅片60的双侧表面形成一层厚度为3-5mm的二氧化硅氧化层，氧化层的厚度测试可通过其它检测仪器检验，此为本申请非重点，在此省略。二氧化硅氧化层更有利于后续电荷沉积钝化，无需现有技术中对环境污染较大的化学钝化，不仅节约钝化时间而且钝化效果好，均匀一致性好。
在预加热时，紫外线灯41与红外线灯31同步打开，同时空气管42也向箱体10通入真空压缩空气；，预加热完成后，需要对温度进行保温，即使硅片60的表面温度稳定在400-500℃的温度范围内3-8min；在预加热和温度阶段内，通过空气管42向箱体10内通入真空压缩空气，其中，通入真空压缩空气的流量与其在预加热过程中一样，一直为1.2-1.8L/min，因真空压缩空气中含有氧气，真空压缩空气中的氧气极易吸收紫外线灯42发出的波长为200-280nm的短波紫外线生成臭氧；臭氧在400-500℃的温度下可快速与硅片60双侧表面的硅发生反应，生成厚度为3-5nm的二氧化硅氧化层。在这一氧化过程中，未使用任何化学试剂，采用向箱体10内通入最为普通的且易于操作的真空压缩空气，并使真空压缩空气中的氧气被短波的紫外线灯31照射后，生成易于与硅片60表面硅发生反应的臭氧，从而可快速将硅片60双侧表面中的硅分别被氧化生成二氧化硅氧化层；同时在密闭的箱体 10内，臭氧完全与硅反应，亦不会被泄露，保证环境不被污染，且臭氧的用量可控；还有在氧化完毕后，即断开空气管42向箱体10内通入真空压缩空气，也就无法产生多余的臭氧，从而可避免臭氧排出，保证环保无污染。整个氧化过程仅需要向箱体10内通入真空压缩空气，即可在快速准确地在较短的时间内完成对硅片60双侧表面的氧化工作，未使用任何化学试剂，不污染空气，且能源使用量少。
进一步的，降温单元50包括用于向箱体10通入氮气的氮气管51，氮气管51被设置于箱体10的侧面，且与空气管42并排设置。
氧化完成后，即停止加热单元30中的红外线灯31及氧化单元40中的紫外线灯41的工作，同时停止向箱体10内通入真空压缩空气。为了降低硅片60表面温度，需要通过氮气管51向箱体10内通入氮气，氮气通入时间为2-5min，温度传感器32继续工作，监控硅片60表面的温度。在这一过程中，逐步通过向箱体10内通入氮气，以降低硅片60表面的温度，使硅片60 表面的温度从400-500℃降低至室温，在不改变硅片60表面质量的情况下，快速降温并使硅片流转至下一检测工序中，便于后续在硅片60的表面进行电荷沉积和微观载流子寿命测试。
一种硅片氧化方法，采用如上所述的氧化装置，如图3所示，步骤包括：
S1：放置硅片60于箱体10内并使硅片60悬空水平放置并使其双侧表面裸漏设置。
具体地，采用机械手抓取硅片60的方式将硅片60放置在卡托21上，并使硅片60悬空水平放置并使其双侧表面裸漏设置，待硅片60放置平稳后，等待预加热。
S2：对硅片60进行预加热至设定温度。
具体地，当硅片60静置稳定地放置在预设的位置处时，系统控制两个红外线灯31开启加热，红外线灯31直接照射在硅片60的表面，逐步将硅片60表面上的温度在0.4-0.6min内从室温加热至400-500℃，将硅片60 加热至易于被氧化生成氧化层二氧化硅的温度，当温度被加热至400-500℃时，系统收到温度传感器32测试出的温度数值，控制红外线灯31保持这一温度不再加热并保温一段时间。在预加热过程中，氧化单元40中的紫外线灯41和空气管42也开始工作，空气管42向箱体10内通入真空压缩空气，真空压缩空气中含有氧气，在这一过程中，真空压缩空气中的氧气就吸收紫外线灯41发出的紫外线短波，生成易于与硅反应的臭氧。提前预通入真空压缩空气主要目的是为了保证足够的氧气被生成易于与硅片60表面中的硅发生反应的臭氧。相应地，降温单元50中停止空气管42的工作。
S3：在设定温度下生成臭氧，并使硅片60双侧表面生成一层二氧化硅氧化层。
具体地，预加热完成后，硅片60的表面温度稳定在400-500℃的温度范围内3-8min，在这一段时间内，仍然通过空气管42向箱体10内通入真空压缩空气，其中，通入真空压缩空气的流量与其在预加热过程中一样，一直为1.2-1.8L/min，因真空压缩空气中含有氧气，而当紫外线灯31发射的紫外线波长为200-280nm时，可完全被真空压缩空气中的氧气吸收，从而发生反应生成臭氧。臭氧在400-500℃的温度下可快速与硅片60表面的硅发生反应，生成二氧化硅，从而使硅片60双侧表面均生成一层氧化层，且氧化层的厚度为3-5nm。
在这一氧化过程中，未使用任何化学试剂，采用向箱体10内通入最为普通的且易于操作的真空压缩空气，并使真空压缩空气中的氧气被短波的紫外线灯31照射后，生成易于与硅片60表面硅发生反应的臭氧，从而可快速将硅片60双侧表面中的硅分别被氧化生成一层二氧化硅氧化层。在密闭的箱体10内，臭氧完全与硅反应，亦不会被泄露，保证环境不被污染，且臭氧的用量可控，在氧化完毕后，即断开空气管42向箱体10内通入真空压缩空气，也就无法产生多余的臭氧，从而可避免臭氧排出，保证环保无污染。整个氧化过程仅需要向箱体10内通入真空压缩空气，即可在快速准确地在较短的时间内完成对硅片60表面的氧化工作，未使用任何化学试剂，不污染空气，且能源使用量少。
S4：降低硅片60表面温度至室温。
具体地，氧化完成后，即停止加热单元30中的红外线灯31及氧化单元 40中的紫外线灯41的工作，同时停止向箱体10内通入真空压缩空气；为了降低硅片60表面温度，需要通过氮气管51向箱体10内通入氮气，氮气通入时间为2-5min，温度传感器32继续工作，监控硅片60表面的温度。在这一过程中，逐步通过向箱体10内通入氮气，以降低硅片60表面的温度，使硅片60表面的温度从400-500℃降低至室温，在不改变硅片60表面质量的情况下，快速降温并使硅片流转至下一检测工序中，便于后续在硅片60的表面进行电荷沉积和微观载流子寿命测试。
进一步的，在整个过程中，硅片60一直静置于箱体10内的卡托21上。
可知整个操作过程大概需要5.4-13.6min，较现有技术中在30min以上的氧化方法，不仅氧化时间缩短，而且也减少了整个作业流程，效率高，获得的氧化层一致性好；整个操作过程不仅无需采用化学试剂，而且在硅片表面是非破坏性的，无污染，能源用量少。
1、采用本发明设计的氧化装置，结构设计合理，且易于控制，可快速准确地在较短时间内对硅片双侧表面进行氧化，并在硅片双侧表面分别形成一层二氧化硅氧化层，整个操作过程不仅无需采用化学试剂，而且在硅片表面是非破坏性的；氧化层一致性好；氧化时间短且效率高，无污染，能源用量少。
2、采用本发明提出的氧化方法，仅仅需要向箱体内通入真空压缩空气，即通过加热单元快速地将硅片表面温度升高至易于被氧化的温度400-500℃下；同时，进入箱体内的真空压缩空气中的氧气吸收紫外线灯发射的短波长，生成易于与硅片表面中的硅发生反应的臭氧；且在这400-500℃的温度下，更易于使臭氧与硅快速发生反应，使硅片正面生成一层二氧化硅的氧化层薄膜；再通过向箱体内通入氮气，以降低硅片表面的温度，在不改变硅片表面质量的情况下，快速降温并使硅片流转至下一检测工序中。
以上对本发明的实施例进行了详细说明，所述内容仅为本发明的较佳实施例，不能被认为用于限定本发明的实施范围。凡依本发明申请范围所作的均等变化与改进等，均应仍归属于本发明的专利涵盖范围之内。

Claims (10)

1.一种硅片氧化方法，其特征在于，步骤至少包括：对硅片预加热至设定温度并生成臭氧气体；再在所述设定温度下保温一定时间，所述臭氧在所述设定温度下使所述硅片双侧表面分别形成二氧化硅氧化层。
2.根据权利要求1所述的一种硅片氧化方法，其特征在于，所述预加热包括用红外线灯使所述硅片在一定时间内从室温加热至400-500℃的步骤。
3.根据权利要求2所述的一种硅片氧化方法，其特征在于，所述预加热时间为0.4-0.6min。
4.根据权利要求2或3所述的一种硅片氧化方法，其特征在于，在所述预加热和所述保温过程中均包括持续向所述硅片表面通入真空压缩空气的步骤。
5.根据权利要求4所述的一种硅片氧化方法，其特征在于，在所述预加热和所述保温过程中还包括用紫外线灯发射的紫外线被所述真空压缩空气中的氧气吸收生成所述臭氧的步骤；所述紫外线灯发出的紫外线波长为200-280nm。
6.根据权利要求5所述的一种硅片氧化方法，其特征在于，所述保温包括在400-500℃下保温3-8min。
7.根据权利要求6所述的一种硅片氧化方法，其特征在于，所述真空压缩空气的气流为1.2-1.8L/min。
8.根据权利要求1-3、5-7任一项所述的一种硅片氧化方法，其特征在于，在所述预加热之前还包括将所述硅片悬空放置的步骤，并使所述硅片双侧表面裸露设置。
9.根据权利要求8所述的一种硅片氧化方法，其特征在于，在所述保温之后还包括使氧化后的所述硅片表面降温的步骤，所述降温包括在设定时间内使所述硅片内的温度从所述设定温度降低至室温。
10.根据权利要求9所述的一种硅片氧化方法，其特征在于，所述降温是在2-5min内向所述硅片表面通入氮气。
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