提高热氧化均匀度的方法及氧化炉系统技术方案

一种提高热氧化均匀度的方法，其步骤包括 １）从氧化炉炉管进气口输入氢焰和氧气； ２）将上述气流导向炉管壁，使其充分散热； ３）氧化炉边段电偶感应过热气流，通过改变边段加热功率平衡气流带入的热量； ４）阻挡并吸收氢焰发出的红外辐射； ５）提高炉管内的压力，降低氢气喷入炉管的速度； ６）在炉管的恒温区完成热氧化。（*该技术在2023年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及一种微电子工艺，尤其涉及一种提高微电子工艺中氢氧合成热氧化均匀性的方法，以及可实现这种方法的氧化炉系统。
技术介绍
氢氧合成氧化以氧化速度快、氧化层质量高、沾污水平低、工艺简单、可靠等优点，在现代VLSI(现代大规模集成电路)工艺中得到普遍应用。一般来说，氢氧合成氧化设备分为预燃式和内燃式两种。前者，结构复杂，需要专用预燃室及其控制部件，多用于大尺寸硅片的氧化，其氧化均匀度高；后者，结构简单，是在一般的氧化炉进气端直接插入氢气喷管，无需专用部件。虽然，这种内燃结构的氧化方式，通用性强。但将其用于大口径炉管时，由于氢气流量大，氢气火焰功率大，破坏氧化炉内的温度分布，造成氧化均匀性较差片内和片间氧化层厚度偏差大于土15％，适当地减小氢气流量或使温区倾斜，可将氧化层厚度偏差减小到土10％，这是现代VLSI工艺所不能接受的。并且，当温度较低(800-1000℃)时，氧化均匀性会更差。而这一温度在现代VLSI工艺中是经常用到的。专利技术目的本专利技术的目的在于针对在大口径炉管进行氢氧合成氧化时氧化均匀性较差的问题，提供一种提高热氧化均匀性的方法。本专利技术的另一目的在于提供一种实现上述方法的氧化炉系统。本专利技术的提高热氧化均匀度的方法，其步骤包括1、从氧化炉炉管进气口输入氢焰和氧气；2、将上述气流导向炉管壁，使其充分散热；3、氧化炉边段电偶感应过热气流，通过改变边段加热功率平衡气流带入的热量；4、阻挡并吸收氢焰发出的红外辐射；5、提高炉管内的压力，降低氢气喷入炉管的速度；6、在炉管的恒温区完成热氧化。本专利技术通过炉管内的分流反射面将气流导向炉管壁。分流反射面为半球面结构。在分流反射面后设置一组硅片，使气流产生扰动。在硅片后设置带通气孔的匀流增压板减小气流流通面积。本专利技术将氧化炉的炉帽进钩孔封闭，在炉门上加弹簧，在炉门关闭时顶住炉帽以减小炉管与炉帽之间的缝隙。本专利技术的提高热氧化均匀度的氧化炉系统，包括氧化炉，氧化炉的炉帽进钩孔封闭，炉门上设弹簧，弹簧在炉门关闭时顶住炉帽；氧化炉内设置匀流隔热散热装置，匀流隔热散热装置包括分流反射面，匀流增压板，分流反射面和匀流增压板分别连接于连接架两端，分流反射面为半球面结构；分流增压板上开有通气孔；分流反射面和匀流增压板之间的连接架上开有片槽，放置硅片。分流增压板为圆形板，板面上均匀开设通气孔。分流增压板的直径大于所述分流反射面的球面半径。分流反射面、匀流增压板和连接架采用石英或碳化硅材料制作。本专利技术针对在大口径炉管进行氢氧合成氧化时氧化均匀性较差的问题，从流体力学和传热学的角度，分析了在大口径氧化炉中，采用内燃结构进行氢氧合成氧化，造成硅片氧化层厚度不均匀的原因，从以下四方面着手。1、把过热气流导向炉管壁，使其充分散热。因为，与炉管壁交换热量是过热气流唯一的散热途径；2、让氧化炉边段电偶正确地反应出炉内过热的情况，通过改变边段加热功率来平衡气流带入的热量；3、挡住并吸收氢焰发出的红外辐射，使其不能射入恒温区；4、适当提高炉管内的压力，降低氢气喷入炉管的速度。依据流体力学和传热学的原理，本专利技术提出了以半封闭式炉管结构配合匀流隔热散热装置来改善氢氧合成氧化均匀性的方法。本专利技术有很好的可行性，在一般氧化炉上使用时几乎不用对设备进行改造。匀流隔热散热的装置结构简单、使用方便，直接放入炉管内的特定位置既可；由于较全面地分析了问题产生的原因，并且，在设计时对各因素均有所考虑，因此，较好地解决了内燃结构用于大管径氧化炉进行氢氧合成氧化，造成氧化层厚度不均匀的问题，使用后的效果非常明显，实验表明，本专利技术方法能够使内燃结构氢氧合成氧化的均匀度从大于±15％提高到小于±2.5的水平，为提高氢氧合成氧化工艺的质量提供了一种简便、有效、低成本的解决方案。附图说明图1本专利技术的匀流隔热散热装置结构示意图 (a)测视图(b)剖面图1—匀流增压板(直径120毫米)；2—硅片组(硅片直径100毫米)；3—匀流增压板上的开孔圆孔；4—连接架(长120毫米，上开有片槽，可以放置硅片)；5—分流反射面(为一直径为110毫米的半球面挡板)；图2本专利技术方法示意图6—氧化炉的石英炉管(内直径140毫米)；7—氧化炉加热体；8—被氧化硅片(直径100毫米)；9—氧化炉边段测温热电偶；10—匀流隔热散热装置(球面挡板距喷口约15-20厘米，匀流增压板距边段电偶月5厘米)；11—氢气燃烧火焰；12—氢气枪；13—炉帽；14—炉帽与炉管口的结合部；15—弹簧；16—炉门实施方案本专利技术匀流隔热散热装置采用石英或碳化硅材料制作，朝向氢气火焰的一端为半球面挡板一分流反射面；另一端为直径较大的、均匀分布着多个圆孔的圆形板一匀流增压板；连接分流反射面与匀流增压板的两条支架上开有片槽，用于放置硅片。使用时分流反射面朝向氢焰，见图2。分流反射面的主要作用是把过热气流导向炉管壁，采用球面结构可以使高温气流均匀散开，避免分流反射面局部过热而被烧熔。另外，球面也可以将部分红外辐射散射掉。分流反射面后放置一组硅片，来形成影响气流运动的“阻挡墙”；热气流经过时，会因受到突然约束而产生旋涡扰动，扰动越强放热就越强烈。由于硅片对红外吸收率比较高，氢焰的辐射在此处被吸收转换为热，通过气流进行热交换；因此，这组硅片具有双重作用。硅片组后的匀流增压板有三个作用，一是减小气流的流通面积，增强局部压力，以提高换热效率，并延长气流的换热时间；二是使部分仍过热的气流散开沿炉管壁运动，以引起氧化炉边段电偶的反应，控制边端加热功率，对过热气流的热量进行实时“补偿”；三是板上均匀分布的圆孔可以使气流较均匀地进入恒温区。匀流隔热散热装置的作用总结如下(1)把氢焰产生的过热气流导向炉管壁，并加以扰动，使其充分放热；(2)引起边控电偶对热气流的反应，通过实时功率调整“补偿”多余热量；(3)对氢焰辐射进行反射和吸收。半封闭式炉管结构的作用是减小炉口的出气面积，使炉管内压力增加，降低氢气喷入炉管的速度，让过热的气流在炉管的边段停流时间增加，提高换热量。半封闭式炉管结构是在原氧化炉系统的基础上，将炉帽上进钩孔封起来；在炉门上加一弹簧，炉门关闭时将炉帽顶住使炉管与炉帽间的缝隙减至最小，达到阻碍气体流动，提高炉管内压力的作用。本专利技术适合在炉管直径90～180毫米氧化炉中进行内燃式氢氧合成氧化。以下是在炉管直径为140毫米的氧化炉中对150个硅片进行厚度分别为80纳米和800纳米的氧化时，采用本专利技术的方法前后，氧化厚度的五点测量结果。(3号位置靠炉口，148号位置靠氢气火焰端) 下表是适用于不同直径炉管的匀流隔热散热装置结构尺寸本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种提高热氧化均匀度的方法，其步骤包括1)从氧化炉炉管进气口输入氢焰和氧气；2)将上述气流导向炉管壁，使其充分散热；3)氧化炉边段电偶感应过热气流，通过改变边段加热功率平衡气流带入的热量；4)阻挡并吸收氢焰发出的红外辐射；5)提高炉管内的压力，降低氢气喷入炉管的速度；6)在炉管的恒温区完成热氧化。2.如权利要求1所述的提高热氧化均匀度的方法，其特征在于通过炉管内的分流反射面将气流导向炉管壁，分流反射面为半球面结构；在分流反射面后设置一组硅片，使气流产生扰动；在硅片后设置带通气孔的匀流增压板减小气流流通面积；同时将氧化炉的炉帽进钩孔封闭，在炉门上加弹簧，在炉门关闭进行氧化时顶住炉帽以减小炉管与炉帽之间的缝隙。3.如权利要求2所述的提高热氧化均匀度的方法，其特征在于所述分流增压板为圆形板，板面上均匀开设通气孔；分流增压板的直径大于所述分流反射面的球面半径；分流反射面、匀流增压板和连接架采用石...

【专利技术属性】
技术研发人员：张霞，
申请(专利权)人：北京广播学院，
类型：发明
国别省市：