Устройство для термической обработки полупроводниковых пластин Советский патент 1992 года по МПК H01L21/68 

Изобретение относится к термической обработке полупроводниковых материалов и может быть использовано для термической обработки при низких, средних и высоких температурах полупроводниковых пластин в микроэлектронике и радиоэлектронике,

Цель изобретения - повышение выхода годных пластин и эффективности обработки.

На фиг. 1 изображено устройство, продольный разрез; на фиг. 2 - вариант установки механизма загрузки пластин в расширении трубы-реактора; на фиг. 3 - разрез А-А на фиг. 2; на фиг. 4 - другой вариант установки механизма загрузки пластин в расширении трубы-реактора; на фиг. 5 - вариант закрепления лопаты механизма загрузки пластин.

Устройство представляет собой диффузионную печь для термической обработки полупроводниковых пластин. Диффузионная печь состоит из трубы-реактора 1 для ведения процесса, являющейся одновременно внутренней стенкой диффузионной печи, из наружной трубы 2, зафиксированной установочными блоками 3 и 4 в своем положении по отношению к трубе-реактору 1 и к нагревателю 5. На открытом конце со стороны загрузки труба-реактор 1 расширена, в то время как на другом конце труба-ре- актор 1 сужена по направлению к газовыпускному патрубку 6. Удаление газа из трубы-реактора 1 осуществляется либо через трехходовый клапан 7 и вакуумный насос 8, либо через специальную вытяжную систему с азотным шлюзом 9. Таким образом, обе трубы 1 и 2 образуют зафиксиро««& Х|

ю

XS

ел

о

СА

ванную трубчатую систему с двойной стенкой. Внутренняя и наружная трубы изготовлены из кварца, кремния, карбида кремния, окиси алюминия, поликристаллического кремния или из других материалов, подхо- дящих для использования в качестве полупроводников и обладающих жесткостью формы до 1300°С. При этом окись алюминия не подходит для изготовления внутренней трубы 1. Поскольку не предусмотрено ника- ких жестких, т.е. сварных, соединений труб

1и 2, последние не надо изготавливать из идентичного материала. Блок 3 выполнен пружинящим в осевом направлении, чтобы он смог имитировать движения трубы-ре- актора 1, обусловленные температурой, в то время как блок 4 выполнен неподвижным. Механизм 10 загрузки пластин перемещается для введения и выведения полупроводниковых пластин 11 в осевом направлении. Блоки 3 и 4 изготовлены преимущественно из графита и имеют покрытие из нитрида бора. Благодаря этому достигается как абсолютная стойкость к большим тепловым нагрузкам, так и прйгод- ность к использованию в качестве абсолютно чистого пространства. Система 12 продувки инертного газа между трубами 1 и

2соединена с венцом газовпускных сопл

13 в блоке 3. Благодаря этому пространство между трубами 1 и 2 непрерывно продувается, т.е. оно продувается как в режиме работы, так и в режиме готовности к работе, чем предотвращается загрязнение в частности тяжелыми металлами из области нагре- вателя 5. Продувочные газы выходят через венец газовыпускных сопл 13 в блоке 4. Блок 4 служит одновременно также в качестве приемника и подпятника расширенной на открытом конце трубы-реактора 1. Это позволяет почти полностью исключить излучение тепла со стороны загрузки.

К блоку 4 плотно прилегает охлаждающая рубашка 14, образующая собственно конец трубы-реактора 1. Охлаждающая ру- башка 14 содержит системы 15 воздушного охлаждения и 16 водяного охлаждения, а также систему 17 для подачи технологического газа. Посредством уплотняющего кольца 18 охлаждающая рубашка 14 вакуум- плотно закрывается как только механизм 10 полностью введет пластины 11 в трубу-реактор 1. Выходящие из системы технологические газы приводятся во вращения, проходя через кольцеобразный зазор меж- ду расширенным концом трубы-реактора 1 и стаканом 19 механизма 10, и входят в рабочую часть трубы-реактора 1. При этом они уже подогреты нагревателем 20. Механизм 10 установлен на каретке с монтажной

платформой (не показаны) и состоит из лопаты 21 бесконтактной загрузки из карбида кремния, которая несет обрабатываемые полупроводниковые пластины 11 и, благодаря большой предельной допускаемой термической и механической нагрузке, специальный кварцевый стакан 19 с фланцем, в котором вмонтирован регулируемый и перемещающийся вместе с ним нагреватель 20, заполняющий патрубок по всему поперечному сечению со стороны загрузки. Остающаяся полость заполнена кварцевой ватой 22. Стакан 19 зафиксирован с помощью металлической или керамической пластины 23 и стопорного кольца 24. Для предотвращения возможной термической перегрузки пластина 23 соединена с помощью установленного с геометрическим замыканием патрубка 25 с уплотняющим элементом с кольцом 26 круглого сечения и одновременно зафиксирована в своем положении на лопате 21. Другой регулируемый нагреватель 27 неподвижно установлен в кварцевом патрубке в блоке 3. При этом остающаяся полость также заполнена кварцевой ватой 22. Посредством нагревателя 27 достигается изотермический режим со стороны выхода газа.

Механизм 10, а также его варианты, состоит из деталей, установленных с геометрическим замыканием и изготовленных из различных материалов. Эти детали вставляются друг в друга и тем самым создается работоспособная система. Предпочтительными материалами отдельных деталей механизма 10 являются кварц, поликристаллический кремний, карбид кремния, гомогенные смеси из кварца, тефлона или полиамидов, гомогенные смеси из кварца и окиси алюминия, нитрида бора, нитрида кремния, поликристаллического кремния, или гомогенные смеси из тефлона или полиамидов и окиси алюминия, нитрида кремния, поликристаллического кремния, карбида кремния.

Вариант выполнения механизма 10, согласно фиг. 2 и 3 снабжен вставной лопатой 28, которую можно простым образом заменить другой. Такая вставная лопата 28 является особенно выгодной для осуществления процессов, отличающихся большой нагрузкой на материал, например для сепарации, диффузии и т.д. При этом после простого выведения одной лопаты 28 происходит простое введение другой новой лопаты. Благодаря этому диффузионная печь в течение очень короткого времени, приблизительно через 1-2 мин, опять готова к работе.

Вариант выполнения механизма 10 согласно фиг. 4 предназначен для частных

случаев применения, например, для сепарации. Лопата 21 в этом случае имеет особенно низкий вес.

Вариант выполнения механизма 10 согласно фиг. 5 пригоден особенно для низ- котемпературных процессов, плазменных сепарации, имплантаций и т.п. При этом лопата 21 жестко приварена к стакану 19.

Данное устройство также подходит для встраивания в имеющиеся уже в распоря- жении диффузионные печи без использования большого числа переходных приспособлений.

Устройство работает следующим образом.

Работа .устройства поясняется на примере процесса окисления. До начала самого процесса нагреватели 5 и 27 доводят до температур около 300°С, а нагреватель 20 - до комнатной температуры. Одновременно систему 12 продувки инертным газом регулируют на больший расход в целях обеспечения дополнительного быстрого охлаждения рабочей части трубы-реактора. Затем помещенные на механизм 10 полу- проводниковые пластины 1 вводят в рабочую часть трубы-реактора 1. При этом с помощью уплотняющего кольца 18 достигается вакуумплотное закрытие трубы-реактора 1. Находящуюся еще в трубе-реакторе 1 не- определенную газовую среду отсасывают за счет плавного откачивания насосом 8, заменяя ее определенной технологической газовой средой за счет вдувания через систему 17 определенной газовой смеси. В слу- чае надобности этот газообмен можно несколько раз повторить. Далее подключают регулируемый нагреватель 20, который вместе с нагревателями 5 и 27 создает в рабочей части трубы-реактора 1 равномер- ный температурный режим. Одновременно систему 12 продувки инертным газом регулируют на меньший расход. Затем протекает сам процесс окисления со всеми промежуточными стадиями. После оконча- ния процесса сначала отключают нагреватель 20. Затем нагреватели 5 и 27 доводят до температур ниже 400°С, а систему 12 продувки инертным газом регулируют на больший расход. Через короткое время вы-

держки, обусловленное предыдущим процессом,механизм 10 с полупроводниковыми пластинами 11 выводят из трубы- реактйра 1. После этого процесс можно повторять.

Данное устройство позволяет увеличить выход годных изделий и повысить эффективность обработки за счет изотермического нагрева обрабатываемых изделий по всей длине загрузки и площади каждого изделия.

Формула изобретен ия

1.Устройство для термической обработки полупроводниковых пластин, содержащее трубу-реактор с одним открытым концом, а другим - в виде патрубка, наружную трубу, расположенную коаксиально трубе-реактору, кольцевой нагреватель, расположенный с внешней стороны наружной трубы коаксиально ей, механизм загрузки с лопатой бесконтактной подачи пластин, систему подачи рабочих газов в трубу-реактор, систему продувки газов между наружной трубой и трубой-реактором и систему удаления продуктов реакции и газов, соединенную с патрубком трубы-реактора, отличающееся тем, что, с целью повышения процента выхода годных пластин и эффективности обработки, оно снабжено двумя дополнительными нагревателями, один из которых установлен на механизме загрузки, а второй -со стороны закрытого конца трубы-реактора, при этом на открытом конце трубы-реактора выполнено расширение, механизм загрузки снабжен стаканом, выполненным с возможностью установки с кольцевым зазором внутри расширения, система подачи рабочих газов выполнена с возможностью подачи газов через кольцевой зазор, а система продувки - в виде двух венцов сопл, расположенных на противоположных концах наружной трубы.

2.Устройство поп, 1,отличающее- с я тем, что система подачи рабочих газов выполнена с возможностью вращения подаваемых газов в зазоре между стаканом и расширенным концом трубы-реактора.

3.Устройство поп. 1,отличающее- с я тем, что система удаления продуктов реакции выполнена в виде трехходового клапана и вакуумного насоса.

Изобретение может быть использовано для термической обработки полупроводниковых материалов. Цель- повышение выхода годных пластин и эффективности обработки. Устройство содержит полностью закрытый со всех сторон изотермический реактор для ведения процесса в печи компактной конструкции, причем в пространстве для ведения процесса находится с самого начала процесса определенная технологическая газовая среда и исключена обратная диффузия. Используется система с двойной стенкой и с регулируемой продувкой пространства между стенками. 2 з.п. ф-лы, 5 ил.