用于制造硅外延片的單片式外延爐的外延生長單元及應用的制作方法

本實用新型涉及一種用于制造硅外延片的單片式外延爐的外延生長單元及應用。

背景技術：

制造硅器件時為了降低硅器件的正向壓降或導通電阻通常使用硅外延片代替硅拋光片。硅外延片通常是通過化學氣相沉積（CVD）在直拉（CZ）硅拋光片的表面生長一層一定厚度和電阻率的硅單晶層的方法得到的。常用的硅外延生長氣體包括氫氣、三氯氫硅（SiHCl₃）、摻雜氣體（包括磷烷、硼烷等），反應方程式為：SiHCl₃+H₂=Si+3HCl，由于硅外延片制造過程中反應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反應腔的內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反應腔的內表面和石墨基座表面沉積的多晶硅腐蝕掉，否則會在硅外延層中產生大量被稱為“包裹物”的缺陷，沉積在石墨基座正上方的石英CVD反應腔的內表面的多晶硅尤其容易導致“包裹物”缺陷。在加工外延層厚度大于50μm的厚外延片時，每加工一片外延片就要用氯化氫氣體將石英CVD反應腔的內表面和石墨基座表面腐蝕一次。加工厚外延片時，氯化氫腐蝕時間在總的生產時間中占比約為30%。石英CVD反應腔的內表面的溫度越高，多晶硅沉積的速度越快，氯化氫腐蝕時，去除多晶硅的速度也越快。為了減少多晶硅沉積，在外延層生長過程需要盡可能降低石英生長腔內表面的溫度；為了減少氯化氫腐蝕時間，在氯化氫腐蝕過程中要盡可能升高石英生長腔內表面的溫度。使用傳統的單片式硅外延爐加工外延片，尤其是加工厚外延片時，這相互矛盾的條件很難同時滿足。

技術實現要素：

為了克服現有技術的不足，本實用新型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單元及應用。

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

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

一種采用所述的外延生長單元的用于制造硅外延片的單片式外延爐，從左到右依次設有：爐門、硅片盒升降電機、機械手、外延生長氣導入組件、外延生長單元、外延生長廢氣收集組件、外延生長廢氣排氣管、外延生長氣體閥組；在硅片盒升降電機的上方放置硅片盒；在機械手的下方設有機械手電機；在外延生長單元的上方從上到下依次設有排風管、風機、風管、輻射高溫計、鹵鎢燈組加熱器；在外延生長單元的下方從上到下依次設有基座旋轉軸、高頻感應線圈、冷卻水槽、基座旋轉電機；在外延生長單元內從左到右依次設有前導流板、石墨基座、后導流板、外延基座的硅片槽放置硅片。

所述的高頻感應線圈，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，每個燈泡的功率為1500-2500kw，燈泡數量為20-30只。

本實用新型的有益效果：

通過獨特的外延生長單元設計，在外延層生長過程中可以盡可能降低石英生長腔內表面的溫度以減少多晶硅沉積，在氯化氫腐蝕過程中要盡可能升高石英CVD反應腔內表面的溫度以提高氯化氫腐蝕的反應速度、減少氯化氫腐蝕工序的時間。氯化氫腐蝕的反應速度可以提高約30%，加工厚外延片時，氯化氫腐蝕時間在總的生產時間中的占比從傳統外延爐約為30%.降為4%-6%，另外氯化氫消耗量降低60%-80%，生產效率提高20%-25%。

附圖說明

圖1是本實用新型的用于制造硅外延片的單片式生長爐；

圖2是外延生長單元主視圖；

圖3是外延生長單元俯視圖；

圖4是外延生長單元左視圖；

圖5是外延基座及前導流板和后導流板主視圖；

圖6是外延基座及前導流板和后導流板俯視圖；

圖7是感應線圈俯視示意圖（一）；

圖8是感應線圈主視示意圖（二）；

圖9是鹵鎢燈組加熱器示意圖；

圖10是傳統硅外延爐的外延生長單元及主要附屬設備示意圖；

圖中，硅片盒升降電機1、硅片盒2、爐門3、機械手電機4、機械手5、外延生長氣導入組件6、前導流板7、排風管8、風機9、風管10、輻射高溫計11、外延生長廢氣排氣管12、外延生長氣體閥組13、鹵鎢燈組加熱器14、外延生長單元15、硅片16、石墨基座17、外延生長廢氣收集組件18、高頻感應線圈19、進水管20、密封圈21、基座旋轉軸22、基座旋轉電機23、冷卻水槽24、生長氣進氣口法蘭25、冷卻腔26、生長氣出氣口法蘭27、CVD反應腔28、密封柄29、壓縮空氣進氣口30、壓縮空氣出氣口31、硅片槽32、后導流板33、支撐槽34、固定柄35、冷卻風進口36、上鹵鎢燈組加熱器37、CVD反應腔38、硅片39、石墨基座40、基座轉軸41、下鹵鎢燈組加熱器42、基座旋轉電機43、鹵鎢燈泡44。

具體實施方式

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

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

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

如圖7-8所示，所述的高頻感應線圈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，每個燈泡的功率為1500-2500kw，燈泡數量為20-30只。

實施例

現在常用的單片式硅外延爐的外延生長單元及主要附屬設備如圖10所示，從上到下依次設有冷卻風進口36，上鹵鎢燈組加熱器37，CVD反應腔38，硅片39，石墨基座40，基座轉軸41，下鹵鎢燈組加熱器42，基座旋轉電機43。上鹵鎢燈組加熱器37和下鹵鎢燈組加熱器42分別包括多個鹵鎢燈泡44。在硅外延層生長過程中由冷卻風進口36向位于石墨基座40正上方的CVD反應腔38的上外表面吹冷卻風，由于冷卻風的反射作用，這種風冷方式，不能有效降低石墨基座40正上方的CVD反應腔38的內表面的溫度，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，每加工一片外延片就要用氯化氫氣體將石英CVD反應腔38的內表面和石墨基座表面腐蝕一次，以使外延層中產生的“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，在通氯化氫腐蝕CVD反應腔38內表面時，不能有效地提高其內表面的溫度以減少氯化氫腐蝕的時間，難以提高單片外延爐的生產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雜程度，增加了維護的困難和更換鹵鎢燈的成本。

如圖1所示，本實用新型一種用于制造硅外延片的單片式外延爐相對于傳統的單片式硅外延爐設計了如圖2-4所示的外延生長單元15，在石墨基座正上方設有冷卻腔26，冷卻腔26的兩端分別設有壓縮空氣進氣口30和壓縮空氣出氣口31。在外延層的生長過程中壓縮空氣從壓縮空氣進氣口30進，從壓縮空氣出氣口31出，進入冷卻腔26后轉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反應腔28內壁被有效地冷卻，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，每加工3-5片外延片才需要用氯化氫氣體將石英CVD反應腔的內表面和石墨基座表面腐蝕一次。由于風機9有通風冷卻鹵鎢燈組加熱器14，在通氯化氫腐蝕CVD反應腔28內表面時，冷卻腔26中可以停止通壓縮空氣以提高CVD反應腔28內表面的溫度，進而提高氯化氫腐蝕的速度，顯著減少氯化氫腐蝕的時間和氯化氫的用量。氯化氫腐蝕的反應速度可以提高約30%，加工厚外延片時，氯化氫腐蝕時間在總的生產時間中的占比約為4%-6%，氯化氫消耗量降低60%-80%，生產效率提高20%-25%。

外延生長單元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線圈19加熱，高頻感應線圈19和外延生長單元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15的下半部分內表面多晶硅沉積的問題。本實用新型設計結構簡單，大大降低了外延爐的復雜程度，降低了設備維護的難度，節省了更換鹵鎢燈的成本。