Нагревательное устройство для термомиграции жидких зон в пластине кремния Российский патент 2023 года по МПК H05B3/00 H05B3/62 H01L21/324 

Изобретение относится к полупроводниковой технологии и предназначено для реализации метода термомиграции жидких зон для легирования микрообластей в объеме кремния при формировании эпитаксиальных каналов и сквозных замкнутых ячеек в полупроводниковых пластинах. Такие структуры предназначены и используются, для различных силовых приборов, модулей и др.

Известно [Лозовский В.И., Лунин Л.С, Попов В.П. Зонная перекристаллизация градиентом температуры полупроводниковых материалов. М., Металлургия, 1987, 233 с.] и широко используется, в основном, для исследовательских целей, устройство, в котором плоский нагревательный элемент располагают горизонтально, а полупроводниковую пластину помещают параллельно этому элементу над ним или под ним. Нагревательное устройство устанавливают обычно в подходящую вакуумную или газовую камеру. Градиент температуры в пластине создается за счет лучистого нагрева пластины и прокачки теплового потока через нее. Плоский нагревательный элемент может быть резистивного типа и изготовлен в виде плоской спирали из тугоплавкой проволоки или графита.

Известны также попытки сформировать плоский нагревательный элемент из системы галогеновых ламп [Morillon В Etude De La Thermomigration De L'aluminium Dans Le Silicium Pour La Realisation Industrielle De Murs D'isolation Dans Les Composants De Puissance Bidirectionnels. INSA Toulouse, 2002, 222 p.; Bin Lu Realisation De Peripheries Innovantes De TPJAC Par Thermomigration D'aluminium Et Insertion De Silicium Poreux. Univerite Fracois - Rabelais De Tours, 14 June 2017.: Chang Mike and Kennedy Ruchard. The Application of Temperature Gradient Zone Metting to Silicon Wafer Processing. J of the Electrochan. Soc, Vol. 128, №10, 1981, p 2192-2198.] или использовать вспомогательную тугоплавкую токопроводящую пластину и нагревать ее с помощью электронно-лучевой пушки [Cline Н.Е. and Anthony T.R. Highspeed droplet migration in silicon. Journal of Applied Physics, vol. 47, №6, Cline H.E. and Anthony T.R. Thermomigration of aluminumrich liquid wires through silicon. Journal of Applied Physics, vol. 47, №6, June 1976, p. 2332]. При этом с целью повышения однородности поля температурного градиента площадь нагревательного элемента делают значительно большей площади пластины кремния, используемой для термомиграции.

Однако все нагревательные устройства с плоскими горизонтальными нагревательными элементами не обеспечивают приемлемую однородность поля температурного градиента (качество температурного поля) на пластинах диметром более 40 мм, обладают низкой производительностью и высоким энергопотреблением.

В качестве прототипа выбрано нагревательное устройство для термомиграции, содержащее нагревательный резистивный элемент в виде вертикальной шестигранной призмы [Лозовский В.Н., Середин Б.М., Полухин А.С, Солодовник А.И., Оборудование для получения кремниевых структур методом термомиграции. Электронная техника. Серия 2. Полупроводниковые приборы. Выпуск 5(239), 2015. С. 65-76]. Пластины кремния для термомиграции располагают вертикально в ряд параллельно граням призмы. Достаточную однородность поля температурного градиента в пластинах устанавливают опытным путем, подбирая расстояние между пластинами и нагревательными элементами, а также форму и размер экранов, которые компенсируют утечки тепла вблизи ребер призмы нагревательного элемента. Такое нагревательное устройство позволяет обрабатывать пластины диаметром до 76 мм.

К недостаткам нагревательного устройства-прототипа относится сложность юстировки качества температурного поля, что обусловлено сложностью конструкции. Это не позволяет перейти к использованию пластин большего диаметра. Также сложно обеспечить идентичность режима обработки всех пластин, так как они пространственно разнесены на гранях призмы на достаточно большие расстояния и облучаются различными плоскими нагревательными элементами. Кроме того, нагревательное устройство-прототип обладает высоким энергопотреблением, поскольку для термомиграции используется тепловой поток, излучаемый только с одной стороны нагревательного элемента, а с другой - теряется на нежелательный нагрев камеры.

При этом важнейшей проблемой нагревательного устройства для термомиграции является обеспечение однородного поля температурного градиента в пластине, перпендикулярного ее поверхности. Только в этом случае заданная на стартовой поверхности пластины конфигурация зон сохранится и обеспечит требуемую конфигурацию эпитаксиальных каналов, пронизывающих пластину. Нарушение однородности температурного градиента приводит к искажению заданной конфигурации формируемых каналов и делает невозможным применение фотолитографии для последующих операций и групповой технологии изготовления приборных структур. Поэтому нагревательное устройство, обеспечивающее такое температурное поле, необходимо для промышленного применения метода термомиграции. Кроме того, известные нагревательные устройства для термомиграции обладают высоким энергопотреблением, низкой производительностью и неидентичностью тепловой обработки пластин кремния для много позиционных нагревательных устройств.

Изобретение направлено на создание нагревательного устройства для термомиграции жидких зон в пластине кремния, задачей которого является:

- обеспечение однородности поля температурного градиента на всей площади пластины кремния, диаметром не менее 100 мм, за счет компенсации тепловых потерь с периферии пластин кремния;

- повышение эффективности использования электрической энергии для реализации процесса термомиграции за счет минимизации паразитного теплового потока, проходящего не через пластины кремния;

- повышение производительности нагревательного устройства за счет одновременного проведения процесса термомиграции на двух пластинах кремния большого диаметра, например, при использовании пластин кремния диаметром 150 мм производительность возрастает в 1,4 раза по сравнению с прототипом;

- достижение идентичности температурно-временного режима термомиграции за счет симметричного расположения обеих пластин кремния относительно одного и того же нагревательного элемента.

Поставленная задача решается благодаря тому, что нагревательное устройство для термомиграции жидких зон в пластине кремния под действием градиента температуры, содержащее корпус, пластины кремния, расположенные вертикально в отверстиях кассет параллельно плоскому резистивному нагревательному элементу, торцевые поверхности корпуса выполнены в виде жесткой рамки, включающей торцевые экраны, внутри корпуса в средней его части размещен плоский резистивный нагревательный элемент, с симметрично расположенными с обеих его сторон пластинами кремния, на корпусе размещены фронтальные экраны с отверстиями, соосными пластинам кремния и диаметром на 10-40 мм превышающими диаметр пластин кремния.

На Фиг. 1 представлено нагревательное устройство со стороны одной из фронтальных поверхностей.

На Фиг. 2 представлено поперечное сечение нагревательного устройства со стороны верхней торцевой поверхности.

На Фиг. 3 представлена фотография финишной поверхности пластины кремния после термомиграции и выхода системы дискретных зон квадратной формы на финишную поверхность пластины кремния.

На Фиг. 4 представлена фотография нагревательного устройства со снятой кассетой и фронтальным экраном.

Конструктивно плоский резистивный нагревательный элемент 4 в виде зигзагообразной спирали из графита устанавливают в средней части корпуса 1 нагревательного устройства, представляющего собой жесткую рамку, включающую торцевые экраны 10. Пластины кремния 6 располагают вертикально и симметрично с обеих сторон плоского резистивного нагревательного элемента 4 в отверстиях 8 кассет 5, параллельно плоскому резистивному нагревательному элементу 4 (Фиг. 2). Пластина кремния 6 в отверстии 8 кассеты 5 удерживается тремя точечными держателями (на фигурах держатели не показаны). На корпусе 1 размещены фронтальные экраны 7 с отверстиями 9, соосными пластинам кремния 6 с диаметром на 10-40 мм большим диаметра используемой пластины кремния 6. Минимальная указанная разность диаметров в размере 10 мм приводит к возникновению относительного перегрева периферии пластины кремния 6, а максимальная в размере 40 мм становится неэффективной для управления конфигурацией температурного поля. Эмпирическим путем подбирают этот параметр в указанных пределах для достижения однородности поля градиента температуры. Торцевые экраны 10 и фронтальные экраны 8 уменьшают паразитные утечки теплового потока с периферии плоского резистивного нагревательного элемента 4, что повышает эффективность использования электроэнергии. Известны тепловые экраны, используемые в нагревательных устройствах для уменьшения потерь лучистой энергии, роль которых выполняют торцевые экраны 10, уменьшающие потери лучистой энергии, излучаемой плоским резистивным нагревательным элементом 4, при этом повышается эффективность использования электрической энергии. Чем больше количество торцевых экранов 10, тем лучше тепловая защита, однако с увеличением количества торцевых экранов 10 эффективность экранирования лучистой энергии каждого последующего торцевого экрана 10 значительно уменьшается. Отверстия 9 во фронтальных экранах 7 не ограничивают тепловой поток через пластины кремния и позволяют получать максимальные значения градиента температуры, нормального пластине кремния 6 (50-100 К/см при средней температуре термомиграции 1250-1400 К) за счет излучения в вакуумную камеру (на фигурах не показано) с холодными стенками. Фронтальные экраны 7 ограничивают тепловой поток, излучаемый плоским резистивным нагревательным элементом 4 за пределами пластины кремния 6, что повышает температуру кассеты 5 и плоского резистивного нагревательного элемента 4 вокруг пластины кремния 6 и способствует устранению радиальных утечек тепла в пластине кремния 6 и подавлению радиальных составляющих градиента температуры.

Прецизионную регулировку конфигурации температурного поля осуществляют выбором диаметра отверстий 9 в указанных пределах фронтальных экранов 7. Контроль качества температурного поля проводят по металлографическому изучению траекторий движения системы точечных или линейных зон, прошедших при термомиграции через пластину кремния 6. Качество температурного поля считается удовлетворительным, если на всей площади пластины (диаметром не менее 100 мм) отклонение траекторий движения локальных зон от нормали не превышает 10°. Количество одновременно обрабатываемых пластин кремния 6 в таком нагревательном устройстве кратно двум и может быть равно 2, 4 или 6 в зависимости от высоты нагревательного устройства. Все пластины кремния 6 проходят идентичную термообработку, что важно для воспроизводимости метода термомиграции и высокого процента выхода годных структур. Весь тепловой поток, излучаемый плоским резистивным нагревательным элементом 4 устройства (за исключением теплового потока, проходящего не через пластины кремния 6), используется полезно для термомиграции, что обусловливает высокую энергетическую эффективность нагревательного устройства.

Нагревательное устройство изготовлено из графита (МПГ-7). Плоский нагревательный резистивный элемент 4 имеет форму зигзагообразной плоской спирали. Проходные изоляторы и поддерживающие детали 2 и 3 для нагревательного устройства выполнены из алундовой керамики. Нагревательное устройство обеспечивает температуру пластин до 1550 К при потребляемой мощности 8,8 кВт (при использовании нагревательного устройства для двух пластин диаметром 100 мм.

Нагревательное устройство успешно испытано для термомиграции алюминиевых зон в пластинах кремния при мелкосерийном производстве структур тиристоров. Для этого использовали стандартные пластины кремния КЭФ-4,5 диаметром 100 мм, толщиной 0,55 мм, ориентированных по кристаллографической плоскости типа {100}. На одну из поверхностей (стартовая поверхность) пластины кремния 6 наносили систему дискретных зон (868 штук) квадратной формы с помощью магнетронного напыления в вакууме и техники фотолитографии. Затем пластины кремния 6 с зонами устанавливали на три точечных держателя в виде графитовых вилочек в отверстия кассет 5 с обеих сторон симметрично относительно плоского резистивного нагревательного элемента 4. Это позволило реализовать идентичный температурно-временной режим одновременной обработки двух пластин кремния 6. Процесс термомиграции проводили в вакуумной камере с остаточным давлением 3-10^-2 Па. Температурно-временной режим задавали с помощью высокоточного регулятора температуры «Термодат-16Е6-Н-F», который поддерживал автоматически температуру и плавный выход за 60 мин на рабочий режим термомиграции (температуры пластин кремния 1370 К в течение 60 мин) и плавное снижение температуры до комнатной за 120 мин. В рабочем режиме через нагревательный элемент протекал постоянный ток 110 А при напряжении 80 В.

На Фиг. 3 приведена фотография финишной поверхности пластины кремния с выходом использованных зон. Видно, что все квадратные зоны вышли на поверхность без существенного искажения формы с сохранением заданной топологии, что свидетельствует о достигнутой однородности поля температурного градиента в пластине кремния при термомиграции в предложенном нагревательном устройстве. Внутри каждой ячейки затем сформировали структуры тиристоров на токи до 100 А и напряжения пробоя 400 В. Также видна высокая эффективность использования площади пластин кремния для формирования сквозных замкнутых ячеек р-типа проводимости.

Изобретение относится к области электротехники, а именно к нагревательному устройству, в котором может быть реализован метод термомиграции жидких зон для легирования микрообластей в объеме кремния в полупроводниковых пластинах. Повышение эффективности нагрева и обеспечение однородности температурного градиента на всей площади пластины кремния является техническим результатом изобретения, который достигается тем, что в нагревательном устройстве торцевые поверхности корпуса выполнены в виде жесткой рамки, включающей торцевые экраны, при этом пластины кремния располагают вертикально и симметрично с обеих сторон плоского резистивного нагревательного элемента в отверстиях кассет, установленных параллельно плоскому резистивному элементу, расположенному внутри корпуса в его средней части, при этом на корпусе размещены фронтальные экраны с отверстиями, соосными пластинам кремния, с диаметром, на 10-40 мм превышающим диаметр пластины кремния. 4 ил.

Нагревательное устройство для термомиграции жидких зон в пластине кремния под действием градиента температуры, содержащее корпус, пластины кремния, расположенные вертикально в отверстиях кассет параллельно плоскому резистивному нагревательному элементу, отличающееся тем, что торцевые поверхности корпуса выполнены в виде жёсткой рамки, включающей торцевые экраны, внутри корпуса в средней его части размещён плоский резистивный нагревательный элемент, с симметрично расположенными с обеих его сторон пластинами кремния, на корпусе размещены фронтальные экраны с отверстиями, соосными пластинам кремния и диаметром на 10-40 мм превышающими диаметр пластин кремния.