一種新式半導(dǎo)體擴(kuò)散爐的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分析

楊志偉

（吉林工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院智能制造學(xué)院，吉林 吉林 132013）

1 引言

由于大量不易降解的材料被釋放到環(huán)境中，不僅對(duì)環(huán)境造成了不可逆轉(zhuǎn)的影響，也使地球環(huán)境不斷惡化，因此降低相關(guān)材料的使用顯得尤為重要[1-2]。傳統(tǒng)擴(kuò)散爐中的石英爐管在使用一段時(shí)間后，受高溫等因素的影響往往導(dǎo)致?tīng)t管變形而無(wú)法使用[3-4]。筆者在經(jīng)過(guò)大量觀察后發(fā)現(xiàn)，變形的方式為石英爐管中心位置延重力方向呈現(xiàn)塌陷狀態(tài)，因此根據(jù)此規(guī)律進(jìn)行一定的補(bǔ)償，將會(huì)適當(dāng)延長(zhǎng)石英爐管的使用壽命[5]。筆者認(rèn)為，具體的補(bǔ)償方式為反向補(bǔ)償法，選擇在石英爐管使用一定時(shí)間后并已經(jīng)呈現(xiàn)一定程度塌陷的情況下，將石英爐管通過(guò)旋轉(zhuǎn)裝置反向放置，從而使其反向垂直塌陷，進(jìn)而完成反向補(bǔ)償，以延長(zhǎng)石英爐管的使用壽命[6-7]。同時(shí)，增設(shè)多個(gè)薄壁電線管（TC管），分別位于石英管的管壁、樣品區(qū)及其他部位，TC 管可以承載多個(gè)分布熱電偶而形成立體多功能熱電偶結(jié)構(gòu)，以便更準(zhǔn)確地探測(cè)并控制擴(kuò)散爐的爐內(nèi)溫度。一方面，該結(jié)構(gòu)的擴(kuò)散爐降低了改裝簡(jiǎn)單成本，提升了設(shè)備的工藝水準(zhǔn)；另一方面，保護(hù)了環(huán)境。

2 半導(dǎo)體擴(kuò)散爐及其結(jié)構(gòu)分析

擴(kuò)散爐是半導(dǎo)體器件擴(kuò)散過(guò)程中所使用的一種設(shè)備，其中熱電偶是傳輸擴(kuò)散爐實(shí)際溫度的傳感器，用于檢測(cè)擴(kuò)散爐中的溫度。熱電偶是通過(guò)如鉑和鉑與銠的合金、鉻與鋁或鐵與康銅等兩種金屬相互連接而制成的。在熱電偶中，兩個(gè)連接的金屬之間存在溫差，電流在其間流動(dòng)，根據(jù)所產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)來(lái)估計(jì)溫差[8]。

擴(kuò)散爐通常分為立式或縱向擴(kuò)散爐，以及臥式或橫向擴(kuò)散爐。橫向擴(kuò)散爐中所使用熱電偶分為尖峰熱電偶或輪廓熱電偶[9]。尖峰熱電偶沿橫向插入擴(kuò)散爐中，以檢測(cè)外部加熱器的溫度；輪廓熱電偶沿縱向插入擴(kuò)散爐中，以便檢測(cè)內(nèi)部石英爐的溫度。固定組件有組裝的第一固定管和第二固定管，一般溫度傳感器插入第一固定管中，延長(zhǎng)線插入第二固定管中。溫度傳感器包括多個(gè)合金線、多個(gè)絕緣體和保護(hù)管，固定組件由耐熱金屬制成，可以防止溫度傳感器短路或損壞[10]。

半導(dǎo)體擴(kuò)散爐主要使用橫向擴(kuò)散爐（圖1），具體包括加熱爐體、供氣系統(tǒng)和爐管，其中石英爐管最為常見(jiàn)。

與圖1中簡(jiǎn)易橫向擴(kuò)散爐相比，實(shí)際半導(dǎo)體產(chǎn)線生產(chǎn)的爐管更大、成本較高，經(jīng)過(guò)高溫后再加之樣品重量而導(dǎo)致?tīng)t管的向下凹，同樣會(huì)導(dǎo)致浪費(fèi)。為了降低成本，借助抵消原理，在橫向擴(kuò)散爐使用一段時(shí)間后，將爐管翻轉(zhuǎn)180°繼續(xù)使用，這樣反向下凹就會(huì)使其互相抵消，從而最大程度提升石英爐管的壽命。

圖1 實(shí)驗(yàn)室內(nèi)的橫向擴(kuò)散爐

伴隨著人們對(duì)于半導(dǎo)體芯片性能需求的不斷升級(jí)，對(duì)于擴(kuò)散的要求越來(lái)越高，而作為擴(kuò)散爐重要部分的石英管其更換成本隨之不斷上升，因此提升石英管使用壽命是降低成本的有效的方法[11-13]。同時(shí)，在半導(dǎo)體擴(kuò)散爐的實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，溫度會(huì)受熱電偶的誤差而產(chǎn)生較大影響，并且石英管體積較大難免造成不同位置的溫度存在差異[14]。

為了解決上述問(wèn)題，筆者提出了一個(gè)簡(jiǎn)單的辦法，增設(shè)多個(gè)熱電偶，并使熱電偶位于不同位置。一方面，降低單一熱電偶造成的誤差；另一方面，實(shí)現(xiàn)多端控溫，從而降低不同位置的溫度差異。

2.1 石英管的翻轉(zhuǎn)裝置

所設(shè)計(jì)的新型半導(dǎo)體擴(kuò)散爐的石英管包括以下幾部分：石英舟，用于承載需擴(kuò)散樣品[15]；擴(kuò)散爐，內(nèi)設(shè)置一個(gè)石英管旋轉(zhuǎn)裝置；石英爐門(mén)，安裝在石英擴(kuò)散爐的頭部，對(duì)于石英擴(kuò)散爐起到密封作用；保溫桶，位于石英擴(kuò)散爐內(nèi)靠近石英爐門(mén)一側(cè)，起到隔熱作用；噴淋管，位于石英擴(kuò)散爐內(nèi)上部，擋板用掛鉤的方式設(shè)置在噴淋管和保溫桶之間，用于阻擋石英擴(kuò)散爐內(nèi)部氣流；石英擴(kuò)散爐的進(jìn)氣口，設(shè)置在石英擴(kuò)散爐的尾部，用于通入氣體，排廢管安裝在石英擴(kuò)散爐內(nèi)的底部。該石英爐管可在擴(kuò)散爐內(nèi)進(jìn)行至少180°旋轉(zhuǎn)，并通過(guò)旋轉(zhuǎn)方式進(jìn)行顛倒放置，以弱化石英爐管因高溫等原因而導(dǎo)致的延重力方向塌陷。

為實(shí)現(xiàn)上述技術(shù)要求，繪制如圖2所示的新型擴(kuò)散爐使用壽命延長(zhǎng)原理示意圖。

圖2 新型擴(kuò)散爐使用壽命延長(zhǎng)原理示意圖

圖2中，實(shí)線圓部分為石英管管壁，虛線圓為熱電偶，黑色區(qū)域?yàn)槭褂靡欢螘r(shí)間后產(chǎn)生的塌陷部分。通過(guò)如圖2中箭頭所示的旋轉(zhuǎn)裝置將石英管旋轉(zhuǎn)180°，繼續(xù)使用，其整體工藝具體描述為，當(dāng)石英管使用一段時(shí)間后，產(chǎn)生一定的塌陷，此時(shí)將石英管上下對(duì)調(diào)旋轉(zhuǎn)，繼續(xù)使用該石英管，使該石英管產(chǎn)生反向塌陷，從而完成互補(bǔ)，以提升石英管的使用壽命。

2.2 立體多功能熱電偶

半導(dǎo)體擴(kuò)散爐是半導(dǎo)體材料擴(kuò)散以及其他金屬材料熱處理過(guò)程中的重要生產(chǎn)設(shè)備。一方面，半導(dǎo)體擴(kuò)散爐利用熱擴(kuò)散原理將雜質(zhì)元素按要求的深度摻入硅襯底中[16]，使硅襯底具有特定的濃度分布，從而改變材料的電學(xué)特性而形成半導(dǎo)體器件結(jié)構(gòu)的目的。另一方面，半導(dǎo)體擴(kuò)散爐也可用于金屬材料的退火、正火、淬火和回火等熱處理的相關(guān)生產(chǎn)加工[17-18]。在設(shè)備工作過(guò)程中，準(zhǔn)確及時(shí)地反饋溫度波動(dòng)可以使操作人員更好地記錄并調(diào)整設(shè)備情況，這就涉及到多層控溫，只有在橫向和縱向多點(diǎn)多層次設(shè)置熱電偶，才能提升監(jiān)控生產(chǎn)溫度的實(shí)際效果，達(dá)到精細(xì)化生產(chǎn)的目的。

為降低大規(guī)模芯片生產(chǎn)過(guò)程中的成本，半導(dǎo)體擴(kuò)散爐往往需要較長(zhǎng)的結(jié)構(gòu)，這就對(duì)石英管的長(zhǎng)度提出了同樣的要求，但是根據(jù)上述關(guān)于石英管實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程的介紹可知，這必然會(huì)帶來(lái)各位置溫度難以控制的問(wèn)題。為解決該問(wèn)題，可以在一個(gè)TC 管內(nèi)增加多個(gè)熱電偶，并使每個(gè)熱電偶位于石英管內(nèi)部的不同位置，具體如圖3所示。

圖3中的熱電偶都均勻分布在管內(nèi)橫向的多個(gè)位置，這就在加熱過(guò)程中增加擴(kuò)散爐的爐內(nèi)、爐中和爐口等多段的溫度監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)爐管的分段控制，從而形成多個(gè)段位的溫度控制區(qū)。這也可以簡(jiǎn)單理解為將爐管分段，使每段都成為一個(gè)獨(dú)立的擴(kuò)散爐控制系統(tǒng)，從而有效提升擴(kuò)散熱處理的精確度。

傳統(tǒng)的半導(dǎo)體擴(kuò)散爐主要采用單項(xiàng)或雙項(xiàng)控溫，因此一旦當(dāng)工藝進(jìn)行中某一主要控溫系統(tǒng)出現(xiàn)問(wèn)題，往往整個(gè)工藝無(wú)法正常進(jìn)行。為此，筆者提出并實(shí)施了一種多層次控溫系統(tǒng)，即超過(guò)三個(gè)層次的控溫系統(tǒng)。當(dāng)某一個(gè)控溫系統(tǒng)出現(xiàn)異常時(shí)，即該系統(tǒng)與其他兩個(gè)系統(tǒng)溫度差異較大時(shí)，總系統(tǒng)將屏蔽該控溫系統(tǒng)，并以另兩個(gè)控溫系統(tǒng)為標(biāo)準(zhǔn)繼續(xù)作業(yè)。這樣就可以防止在某單一控溫系統(tǒng)出現(xiàn)問(wèn)題時(shí)，造成總系統(tǒng)誤差而導(dǎo)致實(shí)際溫度偏差或者因無(wú)法辨別溫度準(zhǔn)確性而導(dǎo)致工藝被迫中斷等現(xiàn)象的發(fā)生。

另外，即使通過(guò)分段控制提升了溫度精確度，但是如果生產(chǎn)過(guò)程中某段熱電偶異常，也將導(dǎo)致某段系統(tǒng)無(wú)法繼續(xù)工作，進(jìn)而導(dǎo)致整個(gè)工藝中斷；同時(shí)，整個(gè)擴(kuò)散爐管中爐壁和載片區(qū)受到爐體大小的影響，其溫度也存在一定的差距，僅監(jiān)控爐壁是無(wú)法準(zhǔn)確反應(yīng)載片區(qū)溫度的因而不能很好控制加熱。圖4為新式擴(kuò)散爐截面熱電偶分布情況。

圖4 新式擴(kuò)散爐截面熱電偶分布情況

圖4中的熱電偶不僅能夠同時(shí)監(jiān)控爐壁、載片區(qū)及其中間位置，還能根據(jù)不同爐的情況調(diào)整溫差。這樣一方面可以增加了精準(zhǔn)度，另一方面可以降低擴(kuò)散過(guò)程中的中斷風(fēng)險(xiǎn)。

3 結(jié)語(yǔ)

未來(lái)的擴(kuò)散爐將向高精度、高質(zhì)量和高壽命方向發(fā)展，并提升整個(gè)芯片半導(dǎo)體加工水平。因此，從降低半導(dǎo)體擴(kuò)散爐爐管塌陷產(chǎn)生高昂費(fèi)用的實(shí)際問(wèn)題出發(fā)，筆者通過(guò)旋轉(zhuǎn)方式對(duì)沖掉塌陷問(wèn)題，提升了半導(dǎo)體擴(kuò)散爐爐管的壽命，并針對(duì)工藝過(guò)程中溫度不準(zhǔn)確的問(wèn)題設(shè)計(jì)了通過(guò)分段+多層次的控溫方式，提升了工藝精準(zhǔn)度。