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
技術領域：
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，以及可實現(xiàn)這種方法的氧化爐系統(tǒng)。
背景技術：
氫氧合成氧化以氧化速度快、氧化層質量高、沾污水平低、工藝簡單、可靠等優(yōu)點，在現(xiàn)代VLSI(現(xiàn)代大規(guī)模集成電路)工藝中得到普遍應用。一般來說，氫氧合成氧化設備分為預燃式和內燃式兩種。前者，結構復雜，需要專用預燃室及其控制部件，多用于大尺寸硅片的氧化，其氧化均勻度高；后者，結構簡單，是在一般的氧化爐進氣端直接插入氫氣噴管，無需專用部件。雖然，這種內燃結構的氧化方式，通用性強。但將其用于大口徑爐管時，由于氫氣流量大，氫氣火焰功率大，破壞氧化爐內的溫度分布，造成氧化均勻性較差片內和片間氧化層厚度偏差大于土15％，適當?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，當溫度較低(800-1000℃)時，氧化均勻性會更差。而這一溫度在現(xiàn)代VLSI工藝中是經常用到的。
發(fā)明目的本發(fā)明的目的在于針對在大口徑爐管進行氫氧合成氧化時氧化均勻性較差的問題，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、從氧化爐爐管進氣口輸入氫焰和氧氣；2、將上述氣流導向爐管壁，使其充分散熱；3、氧化爐邊段電偶感應過熱氣流，通過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)明通過爐管內的分流反射面將氣流導向爐管壁。分流反射面為半球面結構。在分流反射面后設置一組硅片，使氣流產生擾動。在硅片后設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鉤孔封閉，在爐門上加彈簧，在爐門關閉時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，氧化爐的爐帽進鉤孔封閉，爐門上設彈簧，彈簧在爐門關閉時頂住爐帽；氧化爐內設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構；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)明針對在大口徑爐管進行氫氧合成氧化時氧化均勻性較差的問題，從流體力學和傳熱學的角度，分析了在大口徑氧化爐中，采用內燃結構進行氫氧合成氧化，造成硅片氧化層厚度不均勻的原因，從以下四方面著手。
1、把過熱氣流導向爐管壁，使其充分散熱。因為，與爐管壁交換熱量是過熱氣流唯一的散熱途徑；2、讓氧化爐邊段電偶正確地反應出爐內過熱的情況，通過改變邊段加熱功率來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、適當提高爐管內的壓力，降低氫氣噴入爐管的速度。
依據(jù)流體力學和傳熱學的原理，本發(fā)明提出了以半封閉式爐管結構配合勻流隔熱散熱裝置來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幾乎不用對設備進行改造。勻流隔熱散熱的裝置結構簡單、使用方便，直接放入爐管內的特定位置既可；由于較全面地分析了問題產生的原因，并且，在設計時對各因素均有所考慮，因此，較好地解決了內燃結構用于大管徑氧化爐進行氫氧合成氧化，造成氧化層厚度不均勻的問題，使用后的效果非常明顯，實驗表明，本發(fā)明方法能夠使內燃結構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量提供了一種簡便、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構示意圖
(a)測視圖(b)剖面圖1—勻流增壓板(直徑120毫米)；2—硅片組(硅片直徑100毫米)；3—勻流增壓板上的開孔圓孔；4—連接架(長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—氧化爐邊段測溫熱電偶；10—勻流隔熱散熱裝置(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—氫氣燃燒火焰；12—氫氣槍；13—爐帽；14—爐帽與爐管口的結合部；15—彈簧；16—爐門實施方案本發(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熱氣流導向爐管壁，采用球面結構可以使高溫氣流均勻散開，避免分流反射面局部過熱而被燒熔。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，來形成影響氣流運動的“阻擋墻”；熱氣流經過時，會因受到突然約束而產生旋渦擾動，擾動越強放熱就越強烈。由于硅片對紅外吸收率比較高，氫焰的輻射在此處被吸收轉換為熱，通過氣流進行熱交換；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作用，一是減小氣流的流通面積，增強局部壓力，以提高換熱效率，并延長氣流的換熱時間；二是使部分仍過熱的氣流散開沿爐管壁運動，以引起氧化爐邊段電偶的反應，控制邊端加熱功率，對過熱氣流的熱量進行實時“補償”；三是板上均勻分布的圓孔可以使氣流較均勻地進入恒溫區(qū)。勻流隔熱散熱裝置的作用總結如下(1)把氫焰產生的過熱氣流導向爐管壁，并加以擾動，使其充分放熱；(2)引起邊控電偶對熱氣流的反應，通過實時功率調整“補償”多余熱量；(3)對氫焰輻射進行反射和吸收。
半封閉式爐管結構的作用是減小爐口的出氣面積，使爐管內壓力增加，降低氫氣噴入爐管的速度，讓過熱的氣流在爐管的邊段停流時間增加，提高換熱量。半封閉式爐管結構是在原氧化爐系統(tǒng)的基礎上，將爐帽上進鉤孔封起來；在爐門上加一彈簧，爐門關閉時將爐帽頂住使爐管與爐帽間的縫隙減至最小，達到阻礙氣體流動，提高爐管內壓力的作用。
本發(fā)明適合在爐管直徑90～180毫米氧化爐中進行內燃式氫氧合成氧化。以下是在爐管直徑為140毫米的氧化爐中對150個硅片進行厚度分別為80納米和800納米的氧化時，采用本發(fā)明的方法前后，氧化厚度的五點測量結果。(3號位置靠爐口，148號位置靠氫氣火焰端)

下表是適用于不同直徑爐管的勻流隔熱散熱裝置結構尺寸

權利要求
1.一種提高熱氧化均勻度的方法，其步驟包括1)從氧化爐爐管進氣口輸入氫焰和氧氣；2)將上述氣流導向爐管壁，使其充分散熱；3)氧化爐邊段電偶感應過熱氣流，通過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，其特征在于通過爐管內的分流反射面將氣流導向爐管壁，分流反射面為半球面結構；在分流反射面后設置一組硅片，使氣流產生擾動；在硅片后設置帶通氣孔的勻流增壓板減小氣流流通面積；同時將氧化爐的爐帽進鉤孔封閉，在爐門上加彈簧，在爐門關閉進行氧化時頂住爐帽以減小爐管與爐帽之間的縫隙。
3.如權利要求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鉤孔封閉，爐門上設彈簧，彈簧在爐門關閉時頂住爐帽；氧化爐內設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構；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，從氧化爐爐管進氣口輸入氫焰和氧氣；將上述氣流導向爐管壁，使其充分散熱；氧化爐邊段電偶感應過熱氣流，通過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)，裝置結構簡單、使用方便，無需對氧化爐進行任何改造。使用本發(fā)明后氧化均勻度從大于±15％提高到小于±2.5％。解決了內燃結構用于大管徑氧化爐進行氫氧合成氧化，造成氧化層厚度不均勻的問題，為提高氫氧合成氧化工藝的質量提供了一種簡便、有效、低成本的解決方案?？蓮V泛應用于現(xiàn)代大規(guī)模集成電路工藝中。
文檔編號B01J12/00GK1470800SQ0314808
公開日2004年1月28日 申請日期2003年6月30日 優(yōu)先權日2003年6月30日
發(fā)明者張霞, 張 霞 申請人:北京廣播學院