本發(fā)明涉及一種用于制造硅外延片的單片式外延爐的外延生長(zhǎng)單元及應(yīng)用。

背景技術(shù)：

制造硅器件時(shí)為了降低硅器件的正向壓降或?qū)娮柰ǔＪ褂霉柰庋悠婀钂伖馄?。硅外延片通常是通過(guò)化學(xué)氣相沉積（CVD）在直拉（CZ）硅拋光片的表面生長(zhǎng)一層一定厚度和電阻率的硅單晶層的方法得到的。常用的硅外延生長(zhǎng)氣體包括氫氣、三氯氫硅（SiHCl₃）、摻雜氣體（包括磷烷、硼烷等），反應(yīng)方程式為：SiHCl₃+H₂=Si+3HCl，由于硅外延片制造過(guò)程中反應(yīng)生成的硅既在硅片的拋光表面沉積（變成單晶硅），也在外延爐的石英CVD反應(yīng)腔的內(nèi)表面和石墨基座表面沉積（變成多晶硅）。每加工一片或幾片硅外延片就要用氯化氫氣體將石英CVD反應(yīng)腔的內(nèi)表面和石墨基座表面沉積的多晶硅腐蝕掉，否則會(huì)在硅外延層中產(chǎn)生大量被稱為“包裹物”的缺陷，沉積在石墨基座正上方的石英CVD反應(yīng)腔的內(nèi)表面的多晶硅尤其容易導(dǎo)致“包裹物”缺陷。在加工外延層厚度大于50μm的厚外延片時(shí)，每加工一片外延片就要用氯化氫氣體將石英CVD反應(yīng)腔的內(nèi)表面和石墨基座表面腐蝕一次。加工厚外延片時(shí)，氯化氫腐蝕時(shí)間在總的生產(chǎn)時(shí)間中占比約為30%。石英CVD反應(yīng)腔的內(nèi)表面的溫度越高，多晶硅沉積的速度越快，氯化氫腐蝕時(shí)，去除多晶硅的速度也越快。為了減少多晶硅沉積，在外延層生長(zhǎng)過(guò)程需要盡可能降低石英生長(zhǎng)腔內(nèi)表面的溫度；為了減少氯化氫腐蝕時(shí)間，在氯化氫腐蝕過(guò)程中要盡可能升高石英生長(zhǎng)腔內(nèi)表面的溫度。使用傳統(tǒng)的單片式硅外延爐加工外延片，尤其是加工厚外延片時(shí)，這相互矛盾的條件很難同時(shí)滿足。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為了克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提供了一種用于制造硅外延片的單片式外延爐的外延生長(zhǎng)單元及應(yīng)用。

一種用于制造硅外延片的單片式外延爐的外延生長(zhǎng)單元，其主體從上到下依次設(shè)有冷卻腔，CVD反應(yīng)腔，密封柄；左右分別設(shè)有生長(zhǎng)氣進(jìn)氣口法蘭，生長(zhǎng)氣出氣口法蘭；前后分別設(shè)有壓縮空氣進(jìn)氣口，壓縮空氣出氣口。

所述的CVD反應(yīng)腔的長(zhǎng)度l₁為350-450mm、寬度l₃為240-340mm、高度h₁為40-50mm，冷卻腔的長(zhǎng)度l₄為300-420mm、寬度l₂為320-420mm、高度h2為20-40mm，外延生長(zhǎng)單元的材料為高純石英。

一種采用所述的外延生長(zhǎng)單元的用于制造硅外延片的單片式外延爐，從左到右依次設(shè)有：爐門、硅片盒升降電機(jī)、機(jī)械手、外延生長(zhǎng)氣導(dǎo)入組件、外延生長(zhǎng)單元、外延生長(zhǎng)廢氣收集組件、外延生長(zhǎng)廢氣排氣管、外延生長(zhǎng)氣體閥組；在硅片盒升降電機(jī)的上方放置硅片盒；在機(jī)械手的下方設(shè)有機(jī)械手電機(jī)；在外延生長(zhǎng)單元的上方從上到下依次設(shè)有排風(fēng)管、風(fēng)機(jī)、風(fēng)管、輻射高溫計(jì)、鹵鎢燈組加熱器；在外延生長(zhǎng)單元的下方從上到下依次設(shè)有基座旋轉(zhuǎn)軸、高頻感應(yīng)線圈、冷卻水槽、基座旋轉(zhuǎn)電機(jī)；在外延生長(zhǎng)單元內(nèi)從左到右依次設(shè)有前導(dǎo)流板、石墨基座、后導(dǎo)流板、外延基座的硅片槽放置硅片。

所述的高頻感應(yīng)線圈，形狀為螺旋形，直徑d₁為220-320mm。

所述的鹵鎢燈組加熱器，直徑d₂為280-380mm，燈泡為鹵鎢燈泡，每個(gè)燈泡的功率為1500-2500kw，燈泡數(shù)量為20-30只。

本發(fā)明的有益效果：

通過(guò)獨(dú)特的外延生長(zhǎng)單元設(shè)計(jì)，在外延層生長(zhǎng)過(guò)程中可以盡可能降低石英生長(zhǎng)腔內(nèi)表面的溫度以減少多晶硅沉積，在氯化氫腐蝕過(guò)程中要盡可能升高石英CVD反應(yīng)腔內(nèi)表面的溫度以提高氯化氫腐蝕的反應(yīng)速度、減少氯化氫腐蝕工序的時(shí)間。氯化氫腐蝕的反應(yīng)速度可以提高約30%，加工厚外延片時(shí)，氯化氫腐蝕時(shí)間在總的生產(chǎn)時(shí)間中的占比從傳統(tǒng)外延爐約為30%.降為4%-6%，另外氯化氫消耗量降低60%-80%，生產(chǎn)效率提高20%-25%。

附圖說(shuō)明

圖1是本發(fā)明的用于制造硅外延片的單片式生長(zhǎng)爐；

圖2是外延生長(zhǎng)單元主視圖；

圖3是外延生長(zhǎng)單元俯視圖；

圖4是外延生長(zhǎng)單元左視圖；

圖5是外延基座及前導(dǎo)流板和后導(dǎo)流板主視圖；

圖6是外延基座及前導(dǎo)流板和后導(dǎo)流板俯視圖；

圖7是感應(yīng)線圈俯視示意圖（一）；

圖8是感應(yīng)線圈主視示意圖（二）；

圖9是鹵鎢燈組加熱器示意圖；

圖10是傳統(tǒng)硅外延爐的外延生長(zhǎng)單元及主要附屬設(shè)備示意圖；

圖中，硅片盒升降電機(jī)1、硅片盒2、爐門3、機(jī)械手電機(jī)4、機(jī)械手5、外延生長(zhǎng)氣導(dǎo)入組件6、前導(dǎo)流板7、排風(fēng)管8、風(fēng)機(jī)9、風(fēng)管10、輻射高溫計(jì)11、外延生長(zhǎng)廢氣排氣管12、外延生長(zhǎng)氣體閥組13、鹵鎢燈組加熱器14、外延生長(zhǎng)單元15、硅片16、石墨基座17、外延生長(zhǎng)廢氣收集組件18、高頻感應(yīng)線圈19、進(jìn)水管20、密封圈21、基座旋轉(zhuǎn)軸22、基座旋轉(zhuǎn)電機(jī)23、冷卻水槽24、生長(zhǎng)氣進(jìn)氣口法蘭25、冷卻腔26、生長(zhǎng)氣出氣口法蘭27、CVD反應(yīng)腔28、密封柄29、壓縮空氣進(jìn)氣口30、壓縮空氣出氣口31、硅片槽32、后導(dǎo)流板33、支撐槽34、固定柄35、冷卻風(fēng)進(jìn)口36、上鹵鎢燈組加熱器37、CVD反應(yīng)腔38、硅片39、石墨基座40、基座轉(zhuǎn)軸41、下鹵鎢燈組加熱器42、基座旋轉(zhuǎn)電機(jī)43、鹵鎢燈泡44。

具體實(shí)施方式

如圖1、5、6所示，一種用于制造硅外延片的單片式外延爐，從左到右依次設(shè)有：爐門3，硅片盒升降電機(jī)1，機(jī)械手5，外延生長(zhǎng)氣導(dǎo)入組件6，外延生長(zhǎng)單元15，外延生長(zhǎng)廢氣收集組件18，外延生長(zhǎng)廢氣排氣管12，外延生長(zhǎng)氣體閥組13；在硅片盒升降電機(jī)1的上方放置硅片盒2；在機(jī)械手5的下方設(shè)有機(jī)械手電機(jī)4；在外延生長(zhǎng)單元15的上方從上到下依次設(shè)有排風(fēng)管8，風(fēng)機(jī)9，風(fēng)管10，輻射高溫計(jì)11，鹵鎢燈組加熱器14；在外延生長(zhǎng)單元15的下方從上到下依次設(shè)有基座旋轉(zhuǎn)軸22，高頻感應(yīng)線圈19，冷卻水槽24，基座旋轉(zhuǎn)電機(jī)23；在外延生長(zhǎng)單元15內(nèi)從左到右依次設(shè)有前導(dǎo)流板7，石墨基座17，后導(dǎo)流板33，外延基座17的硅片槽32放置硅片16。

如圖2所示，所述的外延生長(zhǎng)單元15，其主體從上到下依次設(shè)有冷卻腔26，CVD反應(yīng)腔28，密封柄29；左右分別設(shè)有生長(zhǎng)氣進(jìn)氣口法蘭25，生長(zhǎng)氣出氣口法蘭27；前后分別設(shè)有壓縮空氣進(jìn)氣口30，壓縮空氣出氣口31。

如圖2-4所示，所述的CVD反應(yīng)腔28的長(zhǎng)度l₁為350-450mm、寬度l₃為240-340mm、高度h₁為40-50mm，冷卻腔26的長(zhǎng)度l₄為300-420mm、寬度l₂為320-420mm、高度h2為20-40mm，外延生長(zhǎng)單元15的材料為高純石英。

如圖7-8所示，所述的高頻感應(yīng)線圈19，形狀為螺旋形，直徑d₁為220-320mm。

如圖9所示，所述的鹵鎢燈組加熱器14，直徑d₂為280-380mm，燈泡為鹵鎢燈泡44，每個(gè)燈泡的功率為1500-2500kw，燈泡數(shù)量為20-30只。

實(shí)施例

現(xiàn)在常用的單片式硅外延爐的外延生長(zhǎng)單元及主要附屬設(shè)備如圖10所示，從上到下依次設(shè)有冷卻風(fēng)進(jìn)口36，上鹵鎢燈組加熱器37，CVD反應(yīng)腔38，硅片39，石墨基座40，基座轉(zhuǎn)軸41，下鹵鎢燈組加熱器42，基座旋轉(zhuǎn)電機(jī)43。上鹵鎢燈組加熱器37和下鹵鎢燈組加熱器42分別包括多個(gè)鹵鎢燈泡44。在硅外延層生長(zhǎng)過(guò)程中由冷卻風(fēng)進(jìn)口36向位于石墨基座40正上方的CVD反應(yīng)腔38的上外表面吹冷卻風(fēng)，由于冷卻風(fēng)的反射作用，這種風(fēng)冷方式，不能有效降低石墨基座40正上方的CVD反應(yīng)腔38的內(nèi)表面的溫度，多晶硅的沉積速度較快。在加工外延層厚度大于50μm的厚外延片時(shí)，每加工一片外延片就要用氯化氫氣體將石英CVD反應(yīng)腔38的內(nèi)表面和石墨基座表面腐蝕一次，以使外延層中產(chǎn)生的“包裹物”缺陷的密度消除或減少到滿足用戶的要求。由于上鹵鎢燈組加熱器37需要不停地吹冷卻風(fēng)，在通氯化氫腐蝕CVD反應(yīng)腔38內(nèi)表面時(shí)，不能有效地提高其內(nèi)表面的溫度以減少氯化氫腐蝕的時(shí)間，難以提高單片外延爐的生產(chǎn)效率和減少氯化氫的消耗。下鹵鎢燈組加熱器42的使用也增加了外延爐的復(fù)雜程度，增加了維護(hù)的困難和更換鹵鎢燈的成本。

如圖1所示，本發(fā)明一種用于制造硅外延片的單片式外延爐相對(duì)于傳統(tǒng)的單片式硅外延爐設(shè)計(jì)了如圖2-4所示的外延生長(zhǎng)單元15，在石墨基座正上方設(shè)有冷卻腔26，冷卻腔26的兩端分別設(shè)有壓縮空氣進(jìn)氣口30和壓縮空氣出氣口31。在外延層的生長(zhǎng)過(guò)程中壓縮空氣從壓縮空氣進(jìn)氣口30進(jìn)，從壓縮空氣出氣口31出，進(jìn)入冷卻腔26后轉(zhuǎn)為壓力接近于常壓的高速空氣流，從而石墨基座正上方的CVD反應(yīng)腔28內(nèi)壁被有效地冷卻，多晶硅的沉積速度大大降低，在加工外延層厚度大于50μm的厚外延片時(shí)，每加工3-5片外延片才需要用氯化氫氣體將石英CVD反應(yīng)腔的內(nèi)表面和石墨基座表面腐蝕一次。由于風(fēng)機(jī)9有通風(fēng)冷卻鹵鎢燈組加熱器14，在通氯化氫腐蝕CVD反應(yīng)腔28內(nèi)表面時(shí)，冷卻腔26中可以停止通壓縮空氣以提高CVD反應(yīng)腔28內(nèi)表面的溫度，進(jìn)而提高氯化氫腐蝕的速度，顯著減少氯化氫腐蝕的時(shí)間和氯化氫的用量。氯化氫腐蝕的反應(yīng)速度可以提高約30%，加工厚外延片時(shí)，氯化氫腐蝕時(shí)間在總的生產(chǎn)時(shí)間中的占比約為4%-6%，氯化氫消耗量降低60%-80%，生產(chǎn)效率提高20%-25%。

外延生長(zhǎng)單元15下部的加熱方式采用如圖7、圖8所示的螺旋形高頻感應(yīng)線圈19加熱，高頻感應(yīng)線圈19和外延生長(zhǎng)單元15的下半部分浸泡在冷卻水槽24中的冷卻水中，徹底解決了外延生長(zhǎng)15的下半部分內(nèi)表面多晶硅沉積的問(wèn)題。本發(fā)明設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，大大降低了外延爐的復(fù)雜程度，降低了設(shè)備維護(hù)的難度，節(jié)省了更換鹵鎢燈的成本。