專利名稱：提高熱氧化均勻度的方法及氧化爐系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種微電子工藝，尤其涉及一種提高微電子工藝中氫氧合成熱氧化均勻性的方法，以及可實(shí)現(xiàn)這種方法的氧化爐系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
氫氧合成氧化以氧化速度快、氧化層質(zhì)量高、沾污水平低、工藝簡(jiǎn)單、可靠等優(yōu)點(diǎn)，在現(xiàn)代VLSI(現(xiàn)代大規(guī)模集成電路)工藝中得到普遍應(yīng)用。一般來(lái)說(shuō)，氫氧合成氧化設(shè)備分為預(yù)燃式和內(nèi)燃式兩種。前者，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，需要專用預(yù)燃室及其控制部件，多用于大尺寸硅片的氧化，其氧化均勻度高；后者，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，是在一般的氧化爐進(jìn)氣端直接插入氫氣噴管，無(wú)需專用部件。雖然，這種內(nèi)燃結(jié)構(gòu)的氧化方式，通用性強(qiáng)。但將其用于大口徑爐管時(shí)，由于氫氣流量大，氫氣火焰功率大，破壞氧化爐內(nèi)的溫度分布，造成氧化均勻性較差片內(nèi)和片間氧化層厚度偏差大于土15％，適當(dāng)?shù)販p小氫氣流量或使溫區(qū)傾斜，可將氧化層厚度偏差減小到土10％，這是現(xiàn)代VLSI工藝所不能接受的。并且，當(dāng)溫度較低(800-1000℃)時(shí)，氧化均勻性會(huì)更差。而這一溫度在現(xiàn)代VLSI工藝中是經(jīng)常用到的。
發(fā)明目的本發(fā)明的目的在于針對(duì)在大口徑爐管進(jìn)行氫氧合成氧化時(shí)氧化均勻性較差的問(wèn)題，提供一種提高熱氧化均勻性的方法。
本發(fā)明的另一目的在于提供一種實(shí)現(xiàn)上述方法的氧化爐系統(tǒng)。
本發(fā)明的提高熱氧化均勻度的方法，其步驟包括1、從氧化爐爐管進(jìn)氣口輸入氫焰和氧氣；2、將上述氣流導(dǎo)向爐管壁，使其充分散熱；3、氧化爐邊段電偶感應(yīng)過(guò)熱氣流，通過(guò)改變邊段加熱功率平衡氣流帶入的熱量；4、阻擋并吸收氫焰發(fā)出的紅外輻射；5、提高爐管內(nèi)的壓力，降低氫氣噴入爐管的速度；6、在爐管的恒溫區(qū)完成熱氧化。
本發(fā)明通過(guò)爐管內(nèi)的分流反射面將氣流導(dǎo)向爐管壁。分流反射面為半球面結(jié)構(gòu)。在分流反射面后設(shè)置一組硅片，使氣流產(chǎn)生擾動(dòng)。在硅片后設(shè)置帶通氣孔的勻流增壓板減小氣流流通面積。本發(fā)明將氧化爐的爐帽進(jìn)鉤孔封閉，在爐門上加彈簧，在爐門關(guān)閉時(shí)頂住爐帽以減小爐管與爐帽之間的縫隙。
本發(fā)明的提高熱氧化均勻度的氧化爐系統(tǒng)，包括氧化爐，氧化爐的爐帽進(jìn)鉤孔封閉，爐門上設(shè)彈簧，彈簧在爐門關(guān)閉時(shí)頂住爐帽；氧化爐內(nèi)設(shè)置勻流隔熱散熱裝置，勻流隔熱散熱裝置包括分流反射面，勻流增壓板，分流反射面和勻流增壓板分別連接于連接架兩端，分流反射面為半球面結(jié)構(gòu)；分流增壓板上開有通氣孔；分流反射面和勻流增壓板之間的連接架上開有片槽，放置硅片。
分流增壓板為圓形板，板面上均勻開設(shè)通氣孔。分流增壓板的直徑大于所述分流反射面的球面半徑。分流反射面、勻流增壓板和連接架采用石英或碳化硅材料制作。
本發(fā)明針對(duì)在大口徑爐管進(jìn)行氫氧合成氧化時(shí)氧化均勻性較差的問(wèn)題，從流體力學(xué)和傳熱學(xué)的角度，分析了在大口徑氧化爐中，采用內(nèi)燃結(jié)構(gòu)進(jìn)行氫氧合成氧化，造成硅片氧化層厚度不均勻的原因，從以下四方面著手。
1、把過(guò)熱氣流導(dǎo)向爐管壁，使其充分散熱。因?yàn)椋c爐管壁交換熱量是過(guò)熱氣流唯一的散熱途徑；2、讓氧化爐邊段電偶正確地反應(yīng)出爐內(nèi)過(guò)熱的情況，通過(guò)改變邊段加熱功率來(lái)平衡氣流帶入的熱量；3、擋住并吸收氫焰發(fā)出的紅外輻射，使其不能射入恒溫區(qū)；4、適當(dāng)提高爐管內(nèi)的壓力，降低氫氣噴入爐管的速度。
依據(jù)流體力學(xué)和傳熱學(xué)的原理，本發(fā)明提出了以半封閉式爐管結(jié)構(gòu)配合勻流隔熱散熱裝置來(lái)改善氫氧合成氧化均勻性的方法。
本發(fā)明有很好的可行性，在一般氧化爐上使用時(shí)幾乎不用對(duì)設(shè)備進(jìn)行改造。勻流隔熱散熱的裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、使用方便，直接放入爐管內(nèi)的特定位置既可；由于較全面地分析了問(wèn)題產(chǎn)生的原因，并且，在設(shè)計(jì)時(shí)對(duì)各因素均有所考慮，因此，較好地解決了內(nèi)燃結(jié)構(gòu)用于大管徑氧化爐進(jìn)行氫氧合成氧化，造成氧化層厚度不均勻的問(wèn)題，使用后的效果非常明顯，實(shí)驗(yàn)表明，本發(fā)明方法能夠使內(nèi)燃結(jié)構(gòu)氫氧合成氧化的均勻度從大于±15％提高到小于±2.5的水平，為提高氫氧合成氧化工藝的質(zhì)量提供了一種簡(jiǎn)便、有效、低成本的解決方案。


圖1本發(fā)明的勻流隔熱散熱裝置結(jié)構(gòu)示意圖
(a)測(cè)視圖(b)剖面圖1—?jiǎng)蛄髟鰤喊?直徑120毫米)；2—硅片組(硅片直徑100毫米)；3—?jiǎng)蛄髟鰤喊迳系拈_孔圓孔；4—連接架(長(zhǎng)120毫米，上開有片槽，可以放置硅片)；5—分流反射面(為一直徑為110毫米的半球面擋板)；圖2本發(fā)明方法示意圖6—氧化爐的石英爐管(內(nèi)直徑140毫米)；7—氧化爐加熱體；8—被氧化硅片(直徑100毫米)；9—氧化爐邊段測(cè)溫?zé)犭娕迹?0—?jiǎng)蛄鞲魺嵘嵫b置(球面擋板距噴口約15-20厘米，勻流增壓板距邊段電偶月5厘米)；11—?dú)錃馊紵鹧妫?2—?dú)錃鈽專?3—爐帽；14—爐帽與爐管口的結(jié)合部；15—彈簧；16—爐門實(shí)施方案本發(fā)明勻流隔熱散熱裝置采用石英或碳化硅材料制作，朝向氫氣火焰的一端為半球面擋板一分流反射面；另一端為直徑較大的、均勻分布著多個(gè)圓孔的圓形板一勻流增壓板；連接分流反射面與勻流增壓板的兩條支架上開有片槽，用于放置硅片。使用時(shí)分流反射面朝向氫焰，見圖2。分流反射面的主要作用是把過(guò)熱氣流導(dǎo)向爐管壁，采用球面結(jié)構(gòu)可以使高溫氣流均勻散開，避免分流反射面局部過(guò)熱而被燒熔。另外，球面也可以將部分紅外輻射散射掉。分流反射面后放置一組硅片，來(lái)形成影響氣流運(yùn)動(dòng)的“阻擋墻”；熱氣流經(jīng)過(guò)時(shí)，會(huì)因受到突然約束而產(chǎn)生旋渦擾動(dòng)，擾動(dòng)越強(qiáng)放熱就越強(qiáng)烈。由于硅片對(duì)紅外吸收率比較高，氫焰的輻射在此處被吸收轉(zhuǎn)換為熱，通過(guò)氣流進(jìn)行熱交換；因此，這組硅片具有雙重作用。硅片組后的勻流增壓板有三個(gè)作用，一是減小氣流的流通面積，增強(qiáng)局部壓力，以提高換熱效率，并延長(zhǎng)氣流的換熱時(shí)間；二是使部分仍過(guò)熱的氣流散開沿爐管壁運(yùn)動(dòng)，以引起氧化爐邊段電偶的反應(yīng)，控制邊端加熱功率，對(duì)過(guò)熱氣流的熱量進(jìn)行實(shí)時(shí)“補(bǔ)償”；三是板上均勻分布的圓孔可以使氣流較均勻地進(jìn)入恒溫區(qū)。勻流隔熱散熱裝置的作用總結(jié)如下(1)把氫焰產(chǎn)生的過(guò)熱氣流導(dǎo)向爐管壁，并加以擾動(dòng)，使其充分放熱；(2)引起邊控電偶對(duì)熱氣流的反應(yīng)，通過(guò)實(shí)時(shí)功率調(diào)整“補(bǔ)償”多余熱量；(3)對(duì)氫焰輻射進(jìn)行反射和吸收。
半封閉式爐管結(jié)構(gòu)的作用是減小爐口的出氣面積，使?fàn)t管內(nèi)壓力增加，降低氫氣噴入爐管的速度，讓過(guò)熱的氣流在爐管的邊段停流時(shí)間增加，提高換熱量。半封閉式爐管結(jié)構(gòu)是在原氧化爐系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，將爐帽上進(jìn)鉤孔封起來(lái)；在爐門上加一彈簧，爐門關(guān)閉時(shí)將爐帽頂住使?fàn)t管與爐帽間的縫隙減至最小，達(dá)到阻礙氣體流動(dòng)，提高爐管內(nèi)壓力的作用。
本發(fā)明適合在爐管直徑90～180毫米氧化爐中進(jìn)行內(nèi)燃式氫氧合成氧化。以下是在爐管直徑為140毫米的氧化爐中對(duì)150個(gè)硅片進(jìn)行厚度分別為80納米和800納米的氧化時(shí)，采用本發(fā)明的方法前后，氧化厚度的五點(diǎn)測(cè)量結(jié)果。(3號(hào)位置靠爐口，148號(hào)位置靠氫氣火焰端)

下表是適用于不同直徑爐管的勻流隔熱散熱裝置結(jié)構(gòu)尺寸

權(quán)利要求
1.一種提高熱氧化均勻度的方法，其步驟包括1)從氧化爐爐管進(jìn)氣口輸入氫焰和氧氣；2)將上述氣流導(dǎo)向爐管壁，使其充分散熱；3)氧化爐邊段電偶感應(yīng)過(guò)熱氣流，通過(guò)改變邊段加熱功率平衡氣流帶入的熱量；4)阻擋并吸收氫焰發(fā)出的紅外輻射；5)提高爐管內(nèi)的壓力，降低氫氣噴入爐管的速度；6)在爐管的恒溫區(qū)完成熱氧化。
2.如權(quán)利要求1所述的提高熱氧化均勻度的方法，其特征在于通過(guò)爐管內(nèi)的分流反射面將氣流導(dǎo)向爐管壁，分流反射面為半球面結(jié)構(gòu)；在分流反射面后設(shè)置一組硅片，使氣流產(chǎn)生擾動(dòng)；在硅片后設(shè)置帶通氣孔的勻流增壓板減小氣流流通面積；同時(shí)將氧化爐的爐帽進(jìn)鉤孔封閉，在爐門上加彈簧，在爐門關(guān)閉進(jìn)行氧化時(shí)頂住爐帽以減小爐管與爐帽之間的縫隙。
3.如權(quán)利要求2所述的提高熱氧化均勻度的方法，其特征在于所述分流增壓板為圓形板，板面上均勻開設(shè)通氣孔；分流增壓板的直徑大于所述分流反射面的球面半徑；分流反射面、勻流增壓板和連接架采用石英或碳化硅材料制作。
4.如權(quán)利要求2或3所述的提高熱氧化均勻度的方法，其特征在于所述爐管直徑為90-180毫米；勻流增壓板直徑80-150毫米；分流反射面球面直徑75-125毫米；連接架上設(shè)的硅片組硅片直徑60-105毫米；氫氣流量為5-9升/分鐘；氧氣流量為3.5-7升/分鐘。
5.一種提高熱氧化均勻度的氧化爐系統(tǒng)，包括氧化爐，其特征在于氧化爐的爐帽進(jìn)鉤孔封閉，爐門上設(shè)彈簧，彈簧在爐門關(guān)閉時(shí)頂住爐帽；氧化爐內(nèi)設(shè)置勻流隔熱散熱裝置，勻流隔熱散熱裝置包括分流反射面，勻流增壓板，分流反射面和勻流增壓板分別連接于連接架兩端，分流反射面為半球面結(jié)構(gòu)；分流增壓板上開有通氣孔；連接架上開有片槽，放置硅片。
6.如權(quán)利要求5所述的提高熱氧化均勻度的氧化爐系統(tǒng)，其特征在于分流增壓板為圓形板，板面上均勻開設(shè)通氣孔；分流增壓板的直徑大于所述分流反射面的球面半徑；分流反射面、勻流增壓板和連接架采用石英或碳化硅材料制作。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種提高微電子工藝中氫氧合成熱氧化均勻性的方法，從氧化爐爐管進(jìn)氣口輸入氫焰和氧氣；將上述氣流導(dǎo)向爐管壁，使其充分散熱；氧化爐邊段電偶感應(yīng)過(guò)熱氣流，通過(guò)改變邊段加熱功率平衡氣流帶入的熱量；阻擋并吸收氫焰發(fā)出的紅外輻射；提高爐管內(nèi)的壓力，降低氫氣噴入爐管的速度；在爐管的恒溫區(qū)完成熱氧化。以及一種氧化爐系統(tǒng)，裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、使用方便，無(wú)需對(duì)氧化爐進(jìn)行任何改造。使用本發(fā)明后氧化均勻度從大于±15％提高到小于±2.5％。解決了內(nèi)燃結(jié)構(gòu)用于大管徑氧化爐進(jìn)行氫氧合成氧化，造成氧化層厚度不均勻的問(wèn)題，為提高氫氧合成氧化工藝的質(zhì)量提供了一種簡(jiǎn)便、有效、低成本的解決方案。可廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代大規(guī)模集成電路工藝中。
文檔編號(hào)B01J12/00GK1470800SQ0314808
公開日2004年1月28日 申請(qǐng)日期2003年6月30日 優(yōu)先權(quán)日2003年6月30日
發(fā)明者張霞, 張 霞 申請(qǐng)人:北京廣播學(xué)院