[实用新型]红外快速热处理设备

说明书

本实用新型属于超大规模集成电路和半导体器件制造技术的工艺设备。

自从六十年代初开始采用离子注入技术作为新的半导体掺杂工艺以来，大大促进了半导体集成电路的发展。正是因为集成电路的迅速发展，反过来又对离子注入的退火技术提出了更高要求。

离子注入的最大优点是掺杂量精确和掺杂分布可控，但这些优点被注入后必须具有的常规热退火所破坏。为了保证得到较高的电激活率和较好的消除注入损伤，常规热退火的温度一般是比较高（900～1100℃），时间也比较长（几十分钟）。因此注入杂质因扩散而再分布严重。这种扩散不仅使MOS电路的源漏结深加深，而且使有效沟道长度变短，这是超大规模集成电路技术所不允许的。因此近十几年来国际上有很多科技工作者研究新的退火技术——快速热处理技术。本发明人发明了采用高频感应加热石英腔内的高纯石墨做为辐射热源，硅片在两平行石墨板之间迅速受热升温，而在加热区外迅速降温的红外快速热处理技术。该技术及其实现设备已获得一项美国专利和二项中国专利（美国专利号：4794217；中国专利号：85100131.9和87202679.5）。

采用该技术，送到两块石墨板之间的半导体片除了接受高温石墨板的热辐射能外，还可通过保护气体（如高纯氮气）的热传导和热对流加快半导体片升温速度，这一点在热处理初始阶段尤其重要，因为开始时半导体片温度低，对红外辐射能吸收小，所以大部分红外辐射能都透过半导体片而损失掉。若开始阶段通过热传导、热对流迅速提高半导体片温度，这样必然会使半导体片更多地吸收辐射能，加快升温速率。此外，升温后的半导体片（半导体片电导率随温度指数式单调上升）在高频电磁场中又会产生涡流，从而又进一步加快升温速率，因此本发明人的设备可在3秒左右加热半导体片到1000℃。其升温速率比其他快速热退火设备快。当达到要求的热处理时间后，半导体片被迅速拉出石墨板加热区，因而能够快速降温，这既保证了热处理时间的准确性，还可保证注入半导体片的超固溶度亚稳态载流子不因缓慢冷却而失活。这对于制造高浓度浅PN结是十分重要的。

实现其技术的设备总体示意图如图1所示，它包括由矩形石英腔（1），高频线圈（2），高频炉（3）构成的热处理石英腔，由主动轮（4），从动轮（5）及细纲丝（6）构成的机械传动系统和时间控制机构，由石英杆（7）及装在钢丝上石英杆固定架（8）组成的送片机构，由高纯保护气瓶（9），气体流量计和调节阀门（10）构成的充气系统以及测温仪（11）等部分所组成。

为了使加热温度更加均匀，该技术采取三项措施：一是使用比硅片直径还要大的石墨板作为辐射热源；二是采用上下两块相距很近的平行石墨板加热位于它们之间的半导体片；三是在石墨板周围都加了高效红外反射板，可将大部分辐射能反射回来。这样，在两石墨板之间的温度场十分均匀，从而保证了热处理后半导体片不产生翘曲变形和晶体滑移。

实现上述措施的石英腔结构如图2所示，矩形石英腔（1）外围绕着高频线圈（2），石英腔一端有一进气管（12），另一端是开扁孔的腔盖（13），涂有介质膜的红外反射板（14）固定在石英腔内，双层石墨板（15）由石英托架（17）固定在红外反射板（14）内，半导体片可沿石英导轨（16）送至或拉出两层石墨板之间的加热区（102），上层石墨板和红外反射板上开测温孔（18）。

上述设备虽比其他类型的快速热处理设备有明显的优点，基本满足对半导体片进行快速热处理的质量要求，但仍存在着下述不足之处：其一，载有半导体片的石英片架是通过在石英导轨上滑动，将片子送入、拉出石英腔，在此传送过程中，会因摩擦产生粉尘，影响半导体片热处理质量；其二，上述石英腔采用单腔结构，而快速热处理过程又是采用先进的连续单片处理方式，载有半导体片的石英片架必然要频繁进出石英腔，这样，不可避免会有空气漏入石英腔内造成沾污；其三，上述设备采用手动取放片方式，影响设备的工作效率。

本实用新型的目的在于克服上述设备的不足之处，对设备的结构进行改进，使半导体片在热处理中和传递过程中更洁净，进一步提高半导体片热处理质量，提高设备可靠性和工作效率，以满足工业化大生产的需要。