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一篇文章读懂卧式扩散炉
发布时间:2017-03-04

1.扩散现象

扩散现象(diffusion)是指物质分子从高浓度区域向低浓度区域转移直到均匀分布的现象,速率与物质的浓度梯度成正比。扩散是由于分子热运动而产生的质量迁移现象,主要是由于密度差引起的。分子热运动目前认为在绝对零度不会发生。扩散现象等大量事实表明,一切物质的分子都在不停地做无规则的运动。

举个最简单的例子,拿墨水或红糖放入水杯,墨水或红糖就会被水逐渐稀释和扩散,摇晃水杯,则会加速这个扩散混合速度。

2.扩散在半导体行业中的应用

扩散技术是一种基本而重要的半导体技术。扩散工艺用于形成双极器件中的基发射区和集电区、MOS器件中的源区与漏区、多晶硅掺杂等。扩散工艺又被成为掺杂,意即将一种物质掺入另一种物质,从而形成p-n结。

在半导体行业,扩散工艺的目的主要是以下3种:在晶圆表面产生一定掺杂原子的浓度、在晶圆表面下的特定位置形成p-n结或n-p结结构、在晶圆表面层形成特定的掺杂原子浓度和分布。

扩散工艺的核心步骤则是淀积和推进,淀积时将掺杂剂引入晶圆表面,推进时将掺杂剂推进到期望的深度,推进时还可以进行氧化。


晶圆掺杂示例

比如在大规模生产的晶体硅太阳能电池制造工艺中,主要采用扩散法制作电池片的p-n结,利用p-n结的光生伏特效应产生电动势,再通过后道丝网印刷和烧结工艺引入正负电极栅线(通常是银浆或铝浆),将电动势引出来。将电池片加热到800℃以上,使用氮气携带三氯氧磷(化学分子式POCl3,无色透明发烟液体,分子量约153.33)或三溴化硼扩散掺杂,通常的工艺过程包括进料、升温、通源、推进、降温、取料等步骤。。

3.卧式扩散炉

由于离子注入设备购入和维护成本高昂,并且适用于更小特征图形尺寸与更近电路器件间距的场合,能接受中低成本和热扩散限制的电子电子、集成电路、晶体硅太阳电池制造行业等主要使用卧式扩散炉进行扩散掺杂。卧式扩散炉是这些细分行业掺杂工艺的核心设备,从而改变和控制晶圆内杂质的类型、浓度和分布,以便建立起不同的电特性区域。卧式扩散炉主要由加热炉体、石英管、气路系统,取送料装置等组成。市场上主流的卧式扩散炉结构如下所示:


2007年开始,国内外最先进的晶体硅电池设备制造商(如德国某品牌和中国北京NAURA等)研发出全自动软着陆闭管扩散系统,单管产能达到400/管,方块电阻最高达到90 Ohm,方块电阻均匀性达到了 6%5%4%,而且实现了生产过程自动化。


NAURA卧式扩散炉

4.卧式扩散核心技术及特点

结合当前半导体行业8英寸以下的市场来看,性能优异的卧式扩散炉通常具备以下配置。

4.1炉管压力平衡系统

为保证反应管内压力平衡,卧式扩散炉的反应腔室配有压差传感器检测炉内外压差,并有专门的控制装置和气路流量计与之配套实时控制,通过充气调压的方式保证炉内外压差为定值,且可根据工艺需求改变压差设定值,从而提高工艺均匀性及工艺扩展性,正压570Pa可调,精度±3Pa。得益于炉管压力平衡系统的引入,实现了压力负反馈调节,这有助于稳定反应室内的气流。在获得方块电阻使用场合,这种炉管压力平衡系统可使卧式扩散炉可确保在40~90 Ohm/sq区间的5点方阻均匀性达到5% 4%4%


卧式扩散炉反应室压力平衡系统

4.2半导体级气路系统

高性能卧式扩散炉的气路系统均采用高标准的半导体级别制造技术。


典型的卧式扩散炉气路系统

这些技术主要包括:

1) 与液态源接触的管路均采用PFA管件,并配有源温控制系统。

2) 排风口装有空气流量监视器,实现风压不足时报警,从而得到安全保护。

3) 不锈钢管路选材、焊接、清洗、吹扫、测试(保压、颗粒)等程序按半导体电子级高纯管路要求进行。

4) 气路过滤器满足相应压力、流量及0.003um过滤精度要求。

5) 携带源的小N2气路采用源瓶低压(工作压力小于15PSi)保护,具有防止工作压力高引起爆瓶的装置。

6) 源进入方式采用满足工艺均匀性要求的Injector方式。

7) 源温控制器在控制系统页显示温度并实时记录,在历史记录中可保存记录。

8) 尾气采用定向收集排放,排放管道采用固定防腐管路。

9) 设备预留TCA吹扫功能。

4.3更精准的反应室温度控制

高性能卧式扩散炉的加热炉体均采用五段控温,每段配备独立的可控硅模块实现精准电力控制,控温系统均配备炉内高精度热电偶和炉体管壁热电偶,均采用控制精度高于0.1%的进口温控模块,高端扩散炉制造商甚至使用控制精度为0.05%的温度控制模块,并由工控机进行温度采集与设定。

扩散炉用的Profile热电偶和温度控制模块

由于复杂快速的控温要求,卧式扩散炉的控温系统要求如下:

1) 具有可编程的升、降温,温度梯度控制功能。

2) 具有PID自整定功能,并可以根据不同的温度区域设定不同的PID值和温度补偿值。

3) 具有超温报警、工艺结束报警功能。

4) 具有极限超温报警功能,同时能自动切断炉丝加热电源。

5) 可同时显示控制热偶温度及PROFILE热偶温度。

6) PROFILE热偶可以在工控机系统页上真实显示工艺管内进行工艺时的动态温度;并可实现温区自动分布,避免必须每次手动拉温区校准控温热偶。

7) 可实现工艺过程中PROFILE热偶控温,保证硅片温度的精确,还可实现恒温区或恒温区有温度梯度的实时PROFILE温度控制。

5.卧式扩散炉的其他用途

随着半导体技术的不断发展,半导体行业逐渐细分,在集成电路、功率半导体、光信息器件、化合物半导体等细分行业,技术成熟可靠的NAURA卧式扩散炉还可以用于干氧氧化、湿氧氧化、氢氧合成氧化、扩散、退火/推进和合金等多种工艺,真可谓一机在手,功能全有。


北方华创微电子 卧式炉BU




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