CN1209658A - 生产薄膜的方法及实施该方法的装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种热处理装置,该装置能在基质上形成有均匀厚度的薄膜,该装置包括一炉芯管;一支承大量基质的置于炉芯管内的基质支承船;具有很多吹气孔,以将工业废气吹向基质的工业废气喷射管,支承船有一旋转机构,能绕作为一旋转轴的通过基质的主表面中心的法线而旋转。在装置中惰性气体喷射管有与工业废气的吹气孔的数目相同的惰性气体或氮气吹气孔,惰性气体的喷射管设置在相对旋转轴的中心线大致对称的位置。

Description

生产薄膜的方法及实施该方法的装置
本发明涉及一种生产薄膜的方法和生产该薄膜的装置，例如热处理装置。
已经采用立式扩散炉来生产扩散层膜。普通的立式扩散炉作为一主部有一炉芯圆筒，一基质支承船，有多个孔并放置在炉芯圆筒中的工业废气喷射管，一净化空气供应管，和一热绝缘圆筒。在基质支承船上能安装很多基质，该基质支承船有一机构使船能与热绝缘圆筒一同绕作为转轴的热绝缘圆筒的中心轴或线转动。
在利用这种普通的立式炉来在基质上生产一种扩散层膜的过程中，工业废气由工业废气喷射管上的多个吹风孔朝向旋转轴的中心线供应，这样气流平行于每一基质的表面。
工业废气从工业废气喷射管供应到基质上，并通过垂直于普通立式扩散炉的工业废气的喷射方向传播而朝向基质的中心喷出。由于基质有支承船旋转机构旋转，少量的工业废气会被送到基质的圆周区域，而大量的气体送到基质的中心。
因此由此形成的薄膜有薄膜厚度，该厚度易于呈丘陵状分配，其中厚度从圆周区域至基质的中心逐渐增加，从而具有这样的缺陷，即在基质的中心变得很大。
因此本发明的目的就是提供一种形成薄膜的方法，其中该薄膜能在基质上有均匀的厚度。
本发明的另一个目的是提供一种实施生产上述薄膜的方法的装置。
根据本发明的一方面，提供一种在置于炉芯管内的基质上生产薄膜的方法，该方法包括伴随着第一气体朝向基质喷出，使基质围绕中心轴旋转的步骤。所述中心轴是通过置于炉芯管中的基质的主表面中心的法线。所述第一气体主要包括工业废气。在本发明的方法中，薄膜在基质上形成的同时，允许第二气体通过一中心轴沿着大致面对第一气体的喷出方向喷出。所述第二气体主要包含惰性气体或氮气。
优选第二气体沿着大致相对第一气体喷出方向的方向喷出。
更优选的是，供应第一气体和第二气体的位置大致相对中心轴对称。第一气体与第二气体同时供应。
根据本发明的另一方面，提供一种生产薄膜的装置，其包括一炉芯管，一支承大量基质放置在炉芯管中的基质支承船，和一第一气体喷射管，该喷射管具有很多第一吹气孔，以将包括工业废气的第一气体吹向基质。支承船有一旋转机构以允许船利用一通过基质的主表面中心的法线作为一旋转轴而旋转，第二气体喷射管，该第二气体喷射管有第二喷射孔以喷出第二气体，第二气体喷射管设置在相对的位置，在该位置第二气体与第一气体在基质的表面相碰撞。所述第二气体主要包括惰性气体或氮气。
优选第一气体喷射管设置在相对旋转轴的中心线与第一气体喷射管大致对称的位置。
更优选的是，在本发明中所述第一和第二气体喷射管构成一对管子作为第一对管子，所述装置还包括类似于第一对管子的作为第二对管子的另一对管子，第二对管子中的每一个管子都设置在不同于第一对管子的位置，但相对于中心线与所述第一对管子有相同的位置。
在本发明中，优选第一和第二吹气孔设置在第一和第二气体喷射管中，在该位置第一和第二气体沿彼此相对的方向吹动。更优选的是第一和第二气体同时沿着基质表面供给。
图1是示出形成薄膜的作为普通装置的立式扩散炉的示意图；
图2是沿图1中线Ⅱ-Ⅱ所取的截面图；
图3是根据本发明生产实例中的薄膜形成装置的结构示意图；
图4A是沿图3中ⅣA-ⅣA线所取的截面图；
图4B是沿图4A的线ⅣB-ⅣB所取的截面图；
图4C是沿图4B的线ⅣC-ⅣC所取的截面图；
图5是沿图1的线Ⅴ-Ⅴ所取的截面图。
为了更容易地理解本发明，下面将参照图1至2描述一种普通立式炉和利用该炉形成扩散层的方法。
参照图1，扩散炉7的主部具有一形成外芯的炉芯管9。基质支承船11设置在炉芯管9的中心轴上。工业废气喷射管13有很多孔，并设置在炉芯管9内的基质支承船11的周围。还设置一净化空气供应管15以加热芯炉内的气体同时保持炉芯管9周围的气体在一恒定的温度。一热绝缘圆筒17设置在基质支承船11的底部。在基质支承船11的给定空间内能放置很多基质19。一旋转机构(未示出)能使基质绕热绝缘圆筒17的中心轴与热绝缘圆筒17一起旋转，并设置在基质支承船11上。
工业废气喷射管13穿入炉内通过炉芯管9的底部，并且通过在喷射管13沿着炉芯管9的内壁延伸至炉的顶部后有一U形回转，而延伸至炉的底部。工业废气喷射管13有很多图中未示出的吹气孔。这些吹气孔这样设置以将工业废气平行于炉19的表面供应，同时朝向旋转轴的中心线供应工业废气。扩散层膜随从这些吹气孔供应的气体形成在基质19上。
参照图2示出图1的截面Ⅱ-Ⅱ，由工业废气喷射管13将工业废气供应在基质19上。工业废气通过垂直于工业废气的喷出方向传播而朝向基质19的中心喷出。由于基质19由船旋转机构旋转，少量的工业废气易于供应至基质19的周围，而大量的工业废气供应在基质19的中心。相应地，由此形成的薄膜的膜厚度易于有丘陵状薄膜厚度分布，其中薄膜厚度从基质19的圆周区域到中心区域逐渐增加。
鉴于上述问题，下面将参照附图3至5描述根据本发明的优选实施例。与图1和图2的例子中有相同名称的部分在图3至图5中用相同的参考标号。
参照图3立式扩散炉23的主部构成形成薄膜的装置。该装置有一炉芯管7，一支承基质的基质支承船11，废气喷射管13，净化空气供应管15，和用于安装基质支承船11的热绝缘圆筒17。在装置中，支承船有一旋转机构(未示出)以使基质随热绝缘圆筒17一起旋转。其旋转轴的方向是通过基质19的中心法线。这些组件与普通例子有相同的结构。
根据本发明形成薄膜的装置与普通装置的不同之处在于，成形体有一惰性气体喷射管25。参照图4A，惰性气体喷射管25设置在相对于旋转轴的中心线与工业废气喷射管13大致对称的位置。以类似于工业废气喷射管13的方式，惰性气体喷射管25从炉芯管9的底部进入炉芯管9，并在沿着炉芯管9的内壁延伸至顶部后形成一U形回转以延伸至底部。这两个喷射管13和25有同样的结构。惰性喷射管25和工业废气喷射管13可以在一同心圆的不同位置上，以同心圆的中心为中心线，在该位置惰性气体和工业废气将会彼此在基质上碰撞。
如图4B所示，喷射管13和25有多个吹气孔27和29。事实上，喷射管13和25的直径、它们的形状、吹气孔27和29的数目都彼此相同。吹气孔27和29这样设置，以将所供应的气体平行于基质19的表面朝向基质19的中心喷出。
喷射管13和25从底部向顶部延伸，并从顶部向底部以一在顶部的U一形回转延伸。每一喷射管13和15用作气体加热件，以与炉芯管9中的温度相同的温度加热由这些管子13和25供应的气体。
在本发明中，用一玻璃盘代替硅晶片作为基质19。基质不限于此，只要薄膜能在基质上形成。
为利用薄膜形成装置形成根据本发明例子中的薄膜，净化气体，通常是氮气通过净化气体供应管15供应给炉芯管9一净化炉芯管9。然后将工业废气通过工业废气喷射管13供应至基质19。惰性气体或氮气通过惰性气体喷射管25与工业废气同时供应至基质19，同时允许基质19由基质支承船11的旋转机构以1至5rpm的转速旋转。惰性气体或氮气由一质量流量控制器(未示出)控制流率。质量流量控制器包括一气体供应控制件，其设置在气体喷射管13和25的入口处。气体喷射管13和25位于炉芯管9的出口处。
优选，惰性气体或氮气以与温度为700至1000℃的工业废气同样的流率供应。吹气孔27的吹气率调节至100至6000cc/min。待控制的气体供应率实质上由工艺温度和特性方程式决定，过程的细节此处省略。
参照图5，惰性气体喷射管25和工业废气喷射管13有同样的结构，并相对基质19的中心设置在工业废气喷射管13的对侧。工业废气和惰性气体或氮气优选利用工业废气管13和惰性气体喷射管25以与处于工艺温度的工业废气的流率相同的流率供应。
在基质19的中心，工业废气通过上述的工艺由惰性气体或氮气稀释。工业废气流沿基质19的圆周由箭头31表示的方向扩散，利用由箭头33表示的惰性气体或氮气流引起的阻力而增加。惰性气体或氮气的成形功能用于减小在基质19的中心的薄膜厚度。惰性气体或氮气在另一方面又用于增加基质19圆周的薄膜厚度。基质上薄膜厚度的不均匀能利用惰性气体或氮气的这两个功能可以改进。
下面将参照实施例描述利用薄膜形成装置形成根据本发明实例的薄膜的实施例。
在例1中利用一立式扩散炉在基质19上形成作为扩散层的磷硅酸盐玻璃。形成薄膜的装置以与图3和图4所示的结构相同。喷射管11和25的内径是5mm。吹气孔27和29假想成直径为0.1mm的圆。吹气孔的数目是100，此数目与基质19的板数相同。基质支承船11以6rpm的转速旋转。虽然在此例中吹气孔27和29的数目与基质的板数相同，但并不一定要彼此相同。炉内的压力保持一个大气压。
一8英寸的硅晶片用作基质19，含磷复合物(POCL3)氧气和氮气用作工业废气。通过惰性气体喷射管25喷射的气体是氮气。
所述气体在扩散过程中以850℃的工艺温度，300cc/min的喂入率供应40分钟。
结果显示在硅晶片上形成的磷硅酸盐玻璃的平均薄膜厚度为20UM，薄膜厚度有良好的均匀性。在基质上每隔9点测一薄膜厚度，有薄膜厚度的最大和最小值的差值与平均薄膜厚度的比率来判断薄膜的均匀性。在例1中获得的磷硅酸盐玻璃有1.5％的均匀性，而在普通技术中没有供应氮气时均匀性为3％。
利用与例1中相同的装置，但氧化气体代替含磷复合物形成硅氧化薄膜。一8英寸的硅晶片用作基质19，蒸汽用作氧化气体。氮气用作从惰性气体喷射管25供给的气体。气体以950°的工艺温度和3000cc/min的流率供应8分钟。炉的内部经常保持一个大气压力。相应地可获得有良好均匀性、厚度为20nm的硅氧化膜。
虽然此处详细描述了用立式扩散炉作为形成薄膜的装置来形成扩散层膜或氧化膜，但热处理装置和薄膜绝不限于此处所描述的。
如此处所述，能喷出惰性气体或氮气的惰性气体喷出管这样设置使得气体与根据本发明的薄膜形成装置中的普通工业废气喷射管中喷出的工业废气对撞。同时使用两种气体，就可能在基质上形成有均匀厚度的薄膜。
在本发明的优选实施例中在炉芯管9上仅仅设置一对惰性气体喷射管25和工业废气喷射管13。然而在炉芯管9内的一个同心圆的不同位置可以设置多对惰性气体喷射管25和工业废气喷射管13，工业废气可以在基质例如硅晶片的表面上均匀。

Claims (20)

1．一种在位于炉芯管内的基质上生产薄膜的方法，包括使基质绕着中心轴线随着第一气体朝向基质喷出而旋转的步骤，所述中心轴是一通过基质的主表面中心的法线，所述第一气体主要包括工业废气，其中薄膜在基质上形成，同时允许第二气体通过一中心轴沿对着第一气体的喷出方向喷出，所述第二气体主要包含惰性气体或氮气。
2．如权利要求1所述的方法，其中所述第二气体沿着大致相对第一气体喷出方向的方向喷出。
3．如权利要求2所述的方法，其中供应第一气体和第二气体的位置大致相对中心轴对称，第一气体与第二气体同时供应。
4．如权利要求3所述的方法，其中第一气体和第二气体的供应量大致相等。
5．如权利要求4所述的方法，其中所述第一气体和所述第二气体以大致相同的温度供应。
6．如权利要求4所述的方法，其中所述第一气体和所述第二气体大致以相同的流率供应。
7．如权利要求4所述的方法，其中所述第一气体包括一种成分，该成分能形成一种作为反应产物的硅磷酸盐玻璃膜。
8．如权利要求4所述的方法，其中所述第一气体包括一种成分，该成份在反应后形成硅氧化物膜。
9．如权利要求4所述的方法，其中所述基质大致包括玻璃基质或硅晶片，该基质并有一表面，在其上形成的薄膜包括一玻璃表面。
10．一种生产薄膜的装置，包括
一炉芯管；
一支承大量基质的置于炉芯管内的基质支承船；
一第一气体喷射管，该喷射管具有很多第一吹气孔，以将包括工业废气的第一气体吹向基质，支承船有一旋转机构以允许船利用一通过基质的主表面中心的法线作为一旋转轴而旋转
第二气体喷射管，第二气体喷射管有第二喷射孔以喷出第二气体，并设置在相对的位置，在该位置第二气体与第一气体
在基质的表面碰撞，所述第二气体主要包括惰性气体或氮气。
11．如权利要求10所述的装置，其中所述第一气体喷射管相对旋转轴的中心线设置在与第二气体喷射管大致对称的位置。
12．如权利要求11所述的装置，所述第一和第二气体喷射管构成一对管子作为第一对管子，所述装置还包括类似于第一对管子的作为第二对管子的另一对管子，第二对管子中的每一个管子都设置在不同于第一对管子的位置，但相对于中心线与所述第一对管子有相同的位置。
13．如权利要求11所述的装置，其中在第一和第二气体喷射管上相应的位置设置第一和第二吹气孔，在所述位置第一和第二气体沿着彼此相对的方向吹出第一和第二气体。
14．如权利要求13所述的装置，其中所述第一和第二气体沿着基质表面同时供应。
15．如权利要求14所述的装置，其中所述第一和第二气体大致以相同的量供应。
16．如权利要求15所述的装置，还包括以大致相同的温度分别供应第一和第二气体的气体加热装置。
17．如权利要求15所述的装置，还包括大致以相同流速供应所述第一和第二气体的气体供应控制装置。
18．如权利要求15所述的装置，其中所述第一气体包括一种成分，该成份在反应后形成磷硅酸盐玻璃。
19．如权利要求15所述的装置，其中所述第一气体包含一种成分，该成分在反应后形成一种作为反应产物的硅氧化物。
20．如权利要求15所述的装置，其中所述基质大致包括玻璃基质或硅晶片，该基质并有一表面，在其上形成的薄膜包括一玻璃表面。
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