擴(kuò)散爐

所謂“快速(Rapid )”一詞首次出現(xiàn)在1968年Mammels的專利文件“工件熱處理的方法(Method of Heat Treatment of Workpieces )”中[65]，后來有多種術(shù)語如等溫退火(Isothermal Annealing )，熱脈沖退火(Heat Pulse Annealing)等，現(xiàn)在快速熱退火(Rapid Thermal Annealing)和快速熱處理(Rapid ThermalProcessing)具有同樣的內(nèi)涵。

實(shí)際上，RTP是半導(dǎo)體制造業(yè)中最復(fù)雜部分之一，它包含相關(guān)知識有:量子力學(xué)，固體物理，光學(xué)，工程學(xué)。然而，RTP系統(tǒng)的基本原理非常簡單。過去人們對RTP系統(tǒng)接受很慢，主要是因?yàn)樽⑷胪嘶鸷蜔崽幚硇枰獌?yōu)良的溫控制系統(tǒng)和測溫系統(tǒng)，而且，它只是單片處理。但是，現(xiàn)在隨著超亞微米器件的發(fā)展，使人們重新認(rèn)識到RTP系統(tǒng)在半導(dǎo)體制造(特別是微電子行業(yè))中的重要作用。 RTP系統(tǒng)剛出現(xiàn)時，通常采用激光連續(xù)光源，但出于對輻射光譜的作用和操作方便的考慮，RTP系統(tǒng)朝著基于非連續(xù)光源的方向發(fā)展，然而在RTP發(fā)展歷史上，這一設(shè)想沒有得到市場的認(rèn)可，這部分導(dǎo)致RTP系統(tǒng)發(fā)展的停滯和科學(xué)合理的發(fā)展。

因此，過去RTP系統(tǒng)沒有吸引大公司去研發(fā)解決關(guān)鍵的技術(shù)難題。然而傳統(tǒng)的批量爐被證實(shí)是可靠、低成本的一技術(shù)，所以RTP系統(tǒng)的推廣應(yīng)用一直受到限制。現(xiàn)在，RTP在微電子器件生產(chǎn)中得到了一定的應(yīng)用。許多人在設(shè)計(jì)燈的結(jié)構(gòu)和加熱燈的布置、控制均勻性上作了大量的研究[60, 66-b8J。但是基于鹵素?zé)艏訜岬腞TP系統(tǒng)在制造環(huán)境中仍有好多問題。

擴(kuò)散爐用于大規(guī)模集成電路、分立器件、電力電子、光電器件和光導(dǎo)纖維等行業(yè)的擴(kuò)散、氧化、退火、合金及燒結(jié)等工藝。

擴(kuò)散工藝的主要用途是在高溫條件下對半導(dǎo)體晶圓進(jìn)行摻雜，即將元素磷、硼擴(kuò)散入硅片，從而改變和控制半導(dǎo)體內(nèi)雜質(zhì)的類型、濃度和分布，以便建立起不同的電特性區(qū)域。

最新的低壓磷擴(kuò)散利用低壓氛圍可以得到更好的方塊電阻均勻性和更大的生產(chǎn)批量，同時對環(huán)境的影響最小。

氧化工藝是使硅片表面在高溫下與氧化劑發(fā)生反應(yīng)，生長一層二氧化硅膜。

氧化方法有干氧和濕氧，濕氧包括水汽氧化和氫氧合成兩種。

擴(kuò)散爐有垂直擴(kuò)散爐（vertical）和水平擴(kuò)散爐（horizontal）兩種類型。

垂直擴(kuò)散爐是石英舟垂直于水平面，更加有利于機(jī)械手傳送硅片，片內(nèi)工藝參數(shù)一致性更好。

水平擴(kuò)散爐是石英舟平行于水平面，一臺可以4個或4個以上的工藝爐管，平均爐管的占地面積更小，片間的工藝參數(shù)較垂直擴(kuò)散爐更好。

擴(kuò)散爐由控制系統(tǒng)、進(jìn)出舟系統(tǒng)、爐體加熱系統(tǒng)和氣體控制系統(tǒng)等組成。

擴(kuò)散爐控制系統(tǒng)

控制部分包括：溫控器、功率部件、超溫保護(hù)部件、系統(tǒng)控制。

系統(tǒng)控制部分有四個獨(dú)立的計(jì)算機(jī)控制單元，分別控制每層爐管的推舟、爐溫及氣路部分，是擴(kuò)散/氧化系統(tǒng)的控制中心。

輔助控制系統(tǒng)，包括推舟控制裝置、保護(hù)電路、電路轉(zhuǎn)接控制、三相電源指示燈、照明、凈化及抽風(fēng)開關(guān)等。

較先進(jìn)的擴(kuò)散爐控制系統(tǒng)均已更新或升級到微機(jī)控制，管機(jī)與主機(jī)間通過串口RS232或網(wǎng)線進(jìn)行通信?？刂葡到y(tǒng)軟件大多基于Windows系統(tǒng)，實(shí)用性和可操作性大大提高，能夠?qū)崿F(xiàn)日志記錄，曲線記錄，程序編輯，遠(yuǎn)程控制等多種功能。

擴(kuò)散爐進(jìn)出舟系統(tǒng)

水平擴(kuò)散爐進(jìn)出舟系統(tǒng)有兩種方式：1）懸臂槳系統(tǒng)；2）軟著陸系統(tǒng)。

懸臂槳系統(tǒng)結(jié)構(gòu)比較簡單，SiC槳攜帶舟和硅片進(jìn)入石英爐管后，就停留在石英爐管內(nèi)，直到工藝程序結(jié)束，SiC槳就攜帶舟和硅片慢慢回到原位，懸臂槳系統(tǒng)缺點(diǎn)是槳對爐管溫度的均勻性有一定的影響，另外，工藝氣體也會對槳沉積，影響顆粒。

軟著陸系統(tǒng)較懸臂槳系統(tǒng)更加先進(jìn)，SiC槳進(jìn)入石英工藝爐管后，槳自動下沉放下石英舟和硅片，然后慢慢運(yùn)行回原點(diǎn)，最后石英爐管的門自動關(guān)閉。軟著陸系統(tǒng)優(yōu)點(diǎn)是沒有SiC槳對腔體的影響，使得溫度均勻性更好，減少了工藝氣體在SiC槳上的沉積，從而顆粒更少。

推舟凈化柜的頂部裝有照明燈；正面是水平層流的高效過濾器及四層推舟的絲杠、導(dǎo)軌副傳動系統(tǒng)及SiC懸臂槳座，絲杠的右端安裝有驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)，導(dǎo)軌的兩端是限位開關(guān)。柜子的下部裝有控制電路轉(zhuǎn)接板及凈化用風(fēng)機(jī)。

擴(kuò)散爐爐體加熱系統(tǒng)

爐體加熱系統(tǒng)共有六層。頂層配置有水冷散熱器及排熱風(fēng)扇，每層加熱爐體間也配置一層水冷系統(tǒng)，隔絕每層爐管的溫度相互影響，廢氣室頂部設(shè)有抽風(fēng)口，與外接負(fù)壓抽風(fēng)管道連接后， 可將工藝過程殘 余的廢氣帶走,中間部分分四層放置四個加熱爐體， 每層由四個坡面支架托起并固定住加熱爐體，其位置在安裝時已經(jīng)與推拉舟系統(tǒng)——絲杠、導(dǎo)軌副傳動系統(tǒng)及SiC懸臂槳系統(tǒng)或軟著落系統(tǒng)等對準(zhǔn)中心。

擴(kuò)散爐氣體控制系統(tǒng)

氣源柜分為五層。頂部設(shè)置有排毒口， 用以排除在換源 過程中泄漏的有害氣體。 柜頂設(shè)置有三路工藝氣體及一路壓縮空氣的進(jìn)氣接口， 接口以下安裝有減壓閥、截止閥， 用以對進(jìn)氣壓力進(jìn)行控制及調(diào)節(jié)。對應(yīng)于氣路，各層分別裝有相應(yīng)的電磁閥、 氣動閥、過濾器、單向閥、質(zhì)量流量控制器、 及DCE源瓶和冷阱等。柜子的底部裝有質(zhì)量流量（MFC）控制器電源、控制開關(guān)、保險(xiǎn)等電路轉(zhuǎn)接板以及設(shè)備總電源進(jìn)線轉(zhuǎn)接板。

擴(kuò)散爐發(fā)展歷程

我國光伏電池技術(shù)是從上世紀(jì)60年代發(fā)展空間太陽電池起步的，低成本生產(chǎn)技術(shù)及生產(chǎn)能力在80年代中期逐步建立。上個世紀(jì)60年代由于國產(chǎn)裝備技術(shù)落后，無法滿足電池工藝生產(chǎn)，先后從國外引進(jìn)了鏈?zhǔn)綌U(kuò)散設(shè)備。進(jìn)入80年代我國電子工業(yè)專用裝備取得長足進(jìn)展，電池生產(chǎn)用擴(kuò)散設(shè)備回到管式擴(kuò)散。短短的6年時間，我國光伏專用擴(kuò)散設(shè)備經(jīng)歷了從處理125mm x125mm,156mm x 156mn。方硅片向210mm x 210mm方硅片躍進(jìn);擴(kuò)散的質(zhì)量從原來的單片和整管擴(kuò)散均勻性在7%以內(nèi)的水平，提高到目前單片和整管擴(kuò)散均勻性在4%以內(nèi)的國際先進(jìn)水毛擴(kuò)散方式從原來的開管擴(kuò)散到現(xiàn)在的環(huán)保、潔凈、節(jié)能、安全的閉管擴(kuò)散;單批次產(chǎn)能從原來的150片、200片、300片發(fā)展到目前的400片;控制方式從原來的手動、PLC半自動控制到目前的微機(jī)全自動控制。

擴(kuò)散爐現(xiàn)狀

近幾年我國擴(kuò)散設(shè)備的升級換代迅速發(fā)展，技術(shù)進(jìn)步速度空前，但總體來說是先進(jìn)與落后并存，總體技術(shù)水平與國際先進(jìn)水平相比還存在一些差距，特別是設(shè)備自動化與局部細(xì)節(jié)方面。目前我國光伏電池裝備市場上共有各類擴(kuò)散設(shè)備800多管，其中85%左右以處理125mm x 125~電池片為主兼容156mm x 156mm電池片，這其中又有90%以上為微機(jī)自動控制設(shè)備，只有不到10%為手動或PLC半自動產(chǎn)品。

受國外光伏生產(chǎn)企業(yè)影響，目前國內(nèi)有些光伏電池制造企業(yè)擬引進(jìn)鏈?zhǔn)綌U(kuò)散生產(chǎn)設(shè)備，主要目的是適應(yīng)大尺寸、薄硅片工藝，便于前后關(guān)聯(lián)設(shè)備聯(lián)接以形成流水線生產(chǎn)作業(yè)方式，減少在線操作員工，提高整線自動化水平。但由于技術(shù)原因，目前在國外該種配置也未形成規(guī)模，相應(yīng)的工藝仍有待進(jìn)一步摸索，進(jìn)一步提升技術(shù)水平。

憑借國產(chǎn)擴(kuò)散設(shè)備良好的可靠性、工藝先進(jìn)性和高性價比優(yōu)勢，國內(nèi)實(shí)力雄厚的設(shè)備研制企業(yè)的擴(kuò)散設(shè)備已實(shí)現(xiàn)出口，受到東南亞及歐美客戶的青睞，一旦技術(shù)服務(wù)網(wǎng)絡(luò)建立，批量規(guī)模出口指日可待。

加熱溫度范圍：25℃---870℃。

p型硅片表面擴(kuò)散磷元素，形成結(jié)深0.3－0.5μm的p－n結(jié)。