專利名稱：一種重?fù)诫s硼硅片的再分布方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種重?fù)诫s硼硅片，尤其是涉及一種在微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)中利用射頻感應(yīng)加熱擴(kuò)散法對硅片重?fù)诫s硼后進(jìn)行再分布的方法。
背景技術(shù)：
在微機(jī)電系統(tǒng)加工技術(shù)中，重?fù)诫s工藝與可控性好的自停止腐蝕工藝相結(jié)合，可精確制備出幾微米至幾十微米厚的硼硅膜，作為微器件的結(jié)構(gòu)層(如壓力膜、懸臂梁等)。由于結(jié)構(gòu)層尺寸要求，通常需要采用熱擴(kuò)散的方法進(jìn)行高濃度深摻雜。在熱擴(kuò)散工藝中，為獲得較深的重?fù)诫s層，通常需要進(jìn)行兩步擴(kuò)散——預(yù)擴(kuò)散和再分布。對于再分布，熱擴(kuò)散的通常方法是:取出源片后，將預(yù)擴(kuò)散后的硅片置于擴(kuò)散爐內(nèi)，然后施以等于或略高于預(yù)擴(kuò)散溫度的高溫，在高溫的作用下使摻雜原子利用濃度梯度繼續(xù)向前“推進(jìn)”，從而獲得高濃度、深結(jié)深的重?fù)诫s層。天津大學(xué)的王春梅等人(王春梅，硼擴(kuò)散片制備技術(shù)研究，天津大學(xué)碩士學(xué)位論文.2008年)對硼擴(kuò)散片的制備進(jìn)行了系統(tǒng)研究，最后確定了再分布的最佳工藝條件:采用碳化娃管，電熱絲加熱，擴(kuò)散溫度為1240°C,擴(kuò)散時(shí)間為50h。唐海林等人(唐海林等，高濃度硼深擴(kuò)散自停止腐蝕層硅片工藝研究，電子元件與材料，2007.9)確定再分布在氧氣氛圍中進(jìn)行，流量為600mL/min，電熱絲加熱，溫度為1180°C，當(dāng)再分布時(shí)間與預(yù)淀積時(shí)間比為1.5倍時(shí)(實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)是37.5h/25h)可得到較深的擴(kuò)散層。但這些方法，熱量來源于外部設(shè)備，且升溫慢、耗時(shí)長、能耗大。在整個(gè)重?fù)诫s的高濃度擴(kuò)散過程中，硼原子以間隙式擴(kuò)散和替位式擴(kuò)散并存的擴(kuò)散形式進(jìn)入硅基底。由于硼原子半徑小于硅原子半徑，因此會引起晶格失配，導(dǎo)致重?fù)诫s層內(nèi)存在殘余應(yīng)力。殘余應(yīng)力的大小主要和摻雜硼原子的濃度有關(guān)，但也和濃度梯度的分布有關(guān)。摻雜原子濃度越高，梯度越大，殘余應(yīng)力就越大，降低濃度或減小濃度梯度可以減小殘余應(yīng)力的產(chǎn)生。由于隨后自停止腐蝕工藝的要求，摻雜濃度必須在5 X IO1Vcm3以上，這就使得摻雜濃度不能夠降低，要減小殘余應(yīng)力就只能通過減小濃度梯度這一途徑來實(shí)現(xiàn)。然而對于傳統(tǒng)的再分布方法主要靠硅片中雜質(zhì)硼的濃度梯度來“驅(qū)動”，限制了擴(kuò)散均勻性的提高，使得濃度梯度難以降低，殘余應(yīng)力較大。同時(shí)，在MEMS運(yùn)用領(lǐng)域中，摻雜成分的擴(kuò)散深度至少要達(dá)到幾十微米，傳統(tǒng)方法依靠濃度梯度的驅(qū)動在擴(kuò)散的有效結(jié)深上往往不能保證，且擴(kuò)散速率慢，耗時(shí)長。在再分布過程中，擴(kuò)散溫度越高，擴(kuò)散系數(shù)越大。對于硼而言，溫度每提高10°C，其擴(kuò)散系數(shù)就會增加一倍左右，因此更高的再分布溫度會獲得更深的重?fù)诫s層。傳統(tǒng)方法的擴(kuò)散爐加熱方式通常是電阻絲加熱，在其主加熱段，電熱絲均勻環(huán)繞在石英管上。由于石英管的使用溫度限制，很難施以1200°C以上的長時(shí)間高溫。因此在需要更高再分布溫度時(shí)，只能選用昂貴的碳化硅爐管，制備成本大大增加。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供再分布過程升溫快，節(jié)約時(shí)間、能源和成本，同時(shí)可以減小制備中產(chǎn)生殘余應(yīng)力，并增加制備結(jié)深，縮短整個(gè)過程時(shí)長的一種重?fù)诫s硼硅片的再分布方法。本發(fā)明包括以下步驟:I)將重?fù)诫s硼硅片放在托盤上，然后置于石英腔體中，關(guān)閉屏蔽箱門，旋轉(zhuǎn)壓緊密封機(jī)構(gòu)；2)將石英腔體抽真空，再通過氣體進(jìn)口和氣體出口，對石英腔體內(nèi)通入再分布所需氣體；3)開啟電源，通過電極片在空間中施加電場，然后開通射頻電源，通過自動匹配器實(shí)現(xiàn)負(fù)載匹配，讓感應(yīng)線圈產(chǎn)生高頻變化的磁場；4)打開溫度傳感器，利用溫度傳感器的溫度指示，調(diào)節(jié)輸入功率達(dá)到要求的溫度，對重?fù)诫s硼硅片進(jìn)行加熱，開始再分布過程；5)為確保操作人員安全，電磁感應(yīng)線圈外裝有電磁屏蔽外殼，在整個(gè)再分布過程中要保持干擾場強(qiáng)儀的開啟，以實(shí)時(shí)監(jiān)測場強(qiáng)大小，使其在相關(guān)規(guī)定的范圍內(nèi)。在步驟2)中，所述氣體可采用為增強(qiáng)氧化而需要的氧氣或是為了保護(hù)而需要的氬氣或氮?dú)獾葰怏w。在步驟3)中，所述施加電場可施加106V/cm左右的電場。在步驟4)中，所述調(diào)節(jié)輸入功率達(dá)到要求的溫度可根據(jù)需要的再分布溫度調(diào)節(jié)輸入功率達(dá)到要求的溫度，所述再分布溫度可為1200°C左右；所述再分布過程的時(shí)間長短可根據(jù)實(shí)驗(yàn)要獲得的有效結(jié)深大小而定。本發(fā)明不用外部直接加熱的熱源，將預(yù)擴(kuò)散硅片平放在石英腔體中，對電磁線圈通以交變電流產(chǎn)生交變磁場，利用預(yù)擴(kuò)散硅片上預(yù)擴(kuò)散層的低電阻率，并結(jié)合感應(yīng)加熱的原理加熱硅片到規(guī)定的溫度。同時(shí)，在預(yù)擴(kuò)散硅片的外部空間中施加以垂直硅片的電場，電場正極遠(yuǎn)離摻雜層一側(cè)。根據(jù)需要的有效結(jié)深值確定工作的時(shí)間長短，射頻加熱的功率等參數(shù)，實(shí)現(xiàn)再分布過程。本發(fā)明改變傳統(tǒng)的用外熱源加熱進(jìn)行再擴(kuò)散的方法，采用電磁感應(yīng)原理，通過在摻雜硅片周圍放置線圈，產(chǎn)生高頻感應(yīng)磁場實(shí)現(xiàn)硅片內(nèi)部的感應(yīng)加熱，達(dá)到再分布需求的1200°C左右的溫度，同時(shí)在硅片空間中施加106V/cm左右的電場實(shí)現(xiàn)摻雜硼硅片的有效再分布。本發(fā)明無需外部加熱源，加熱效率高、加熱速率快、節(jié)約能源和成本，并且感應(yīng)加熱的方式和外加電場可以在內(nèi)部特性上降低殘余應(yīng)力，增加制備的有效結(jié)深，減少制備的時(shí)長。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是:I)加熱速率快，且節(jié)能、成本低。由于預(yù)擴(kuò)散層的硼原子摻雜濃度范圍達(dá)到IO19 1021/cm3，方塊電阻在毫歐級別，具有良好的導(dǎo)電性，因此通過感應(yīng)產(chǎn)生的渦電場，可以首先在硅片重?fù)诫s層內(nèi)產(chǎn)生渦電流，對重?fù)诫s層直接進(jìn)行加熱。同時(shí)，利用硅優(yōu)異的導(dǎo)熱性，將熱量通過熱傳導(dǎo)的方式傳遞到重?fù)诫s層的下方，帶動整個(gè)硅片加熱。隨著溫度的升高，在本征激發(fā)作用下，硅片中本征載流子的濃度會逐漸增加，當(dāng)加熱到500°C以上后，整個(gè)硅片在高的本征載流子濃度下都將產(chǎn)生渦電流。這樣，整個(gè)硅片都將因?yàn)闇u電流而產(chǎn)生熱量，不再依靠熱傳導(dǎo)作用。這種加熱方式不但加熱速度快(可以在30s內(nèi)加熱至1200°C，最高可加熱至1300°C )，而且比一般的外部加熱方式更節(jié)能，效率更高。同時(shí)由于不用電熱絲加熱，免去了用碳化硅爐管所帶來的高成本。
2)可以有效減小殘余應(yīng)力。摻雜硅片中，硼為受主雜質(zhì)，硼原子離化成負(fù)離子，并釋放出空穴。此釋放空穴的擴(kuò)散系數(shù)比硼離子的擴(kuò)散系數(shù)快得多，這就將產(chǎn)生一個(gè)內(nèi)建電場，方向從空穴指向硼離子，并且摻雜濃度越大，此內(nèi)建電場也就越大。當(dāng)電磁感應(yīng)產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢驅(qū)使空穴移動的時(shí)候，在內(nèi)建電場力的作用下，硼負(fù)離子也將獲得一個(gè)驅(qū)動力，最終使得硼負(fù)離子在渦電流的作用下獲得一個(gè)橫向的驅(qū)動力，這種驅(qū)動力的大小和感應(yīng)電動勢以及內(nèi)建電場的大小成正相關(guān)。在硅片水平放置的情況下，由于硅片的厚度通常比較薄，在實(shí)際空間中穿過硅片各層面的磁感應(yīng)強(qiáng)度大致相同，由此感應(yīng)電動勢也大致相同，那么驅(qū)動力的大小就只和內(nèi)建電場也就是和摻雜濃度成正相關(guān)。在實(shí)際預(yù)擴(kuò)散過程后，不同區(qū)域的濃度有所不同，不僅體現(xiàn)在縱向深度方向上，在同一平面也有差別，例如在預(yù)擴(kuò)散使用開式爐的情況下，所通氮?dú)獾牧鲌鰰U(kuò)散均勻性產(chǎn)生一定影響，濃度通常會沿徑向向內(nèi)逐漸降低。當(dāng)采用本發(fā)明的再分布方法后，高濃度區(qū)域的硼離子受強(qiáng)驅(qū)動力的作用有著相對更強(qiáng)的離開該區(qū)域的能力，反之，低濃度區(qū)域的硼離子則相對地更趨向于留在該區(qū)域。高濃度區(qū)域摻雜原子進(jìn)入低濃度區(qū)域，以至最后趨于平衡，濃度趨于均勻，濃度梯度相對于傳統(tǒng)的熱擴(kuò)散法得以大大改善，進(jìn)而減小重?fù)诫s層內(nèi)殘余應(yīng)力的產(chǎn)生。3)增大制備有效結(jié)深，加快制備速度。通過在豎直方向上施加電場(電場強(qiáng)度約為 106V/cm(Schjolberg-Henriksen K, Hanneborg A B.Jensen G U.Anodicbonding and the integration with electronics[J].Electrochemical Societyroceedings, 2003, 19:278-288))，使其對硅片中離化的硼雜質(zhì)產(chǎn)生縱向的驅(qū)動力，推動其向下運(yùn)動，從而加快擴(kuò)散的速度，提高擴(kuò)散的最大結(jié)深。另外在渦電場作用下，硼原子以間隙式擴(kuò)散和替位式擴(kuò)散等擴(kuò)散形式的運(yùn)動更加頻繁和迅速，熱運(yùn)動的擴(kuò)散作用在這種粒子處于高活躍狀態(tài)下也變得更加明顯，有利于增加擴(kuò)散深度和速度。


圖1為本發(fā)明所采用的實(shí)驗(yàn)裝置實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意圖。圖2為本發(fā)明所采用的實(shí)驗(yàn)裝置實(shí)施例的擴(kuò)散箱立體結(jié)構(gòu)示意圖。圖3為本發(fā)明所采用的實(shí)驗(yàn)裝置實(shí)施例的擴(kuò)散箱平面結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施例方式參見圖1 3，本發(fā)明采用的實(shí)驗(yàn)裝置實(shí)施例設(shè)有擴(kuò)散箱、自動匹配器6和電源7，所述擴(kuò)散箱設(shè)有屏蔽箱外殼1、屏蔽箱門2、壓緊密封機(jī)構(gòu)3、氣體出口 4、電源接口 5、屏蔽門隔熱層8、石英門9、密封條10、保溫箱體11、感應(yīng)線圈12、石英腔體13、氣體進(jìn)口 14、重?fù)诫s硼硅片15、托盤16、電極片17和干擾場強(qiáng)儀(圖中未畫出)，所述電源7包括射頻電源和電場電源。其中，屏蔽箱外殼I和屏蔽箱門2按圖示形狀可由銅材制造。氣體出口4和出口14具體在箱體中的擺放位置需要根據(jù)通入氣體的種類而定，若氣體的分子質(zhì)量大于29，應(yīng)將氣體進(jìn)口放在箱體較高的位置，將氣體出口放在較低的位置；相反若氣體的相對分子質(zhì)量小于29，則應(yīng)該將進(jìn)口放在箱體較低的位置，出口放在較高的位置。自動匹配器6、射頻電源及電場電源可按情況使用通用型號選配即可。感應(yīng)線圈12由銅線繞制而成，在箱體的上部和下部呈S形排布。托盤16采用外圓三點(diǎn)，中間一點(diǎn)的四點(diǎn)支撐方式。以下給出具體操作步驟:
1、首先將重?fù)诫s硼硅片15放在托盤16上，然后置于石英腔體13中，關(guān)閉屏蔽箱門2，旋轉(zhuǎn)壓緊密封機(jī)構(gòu)3，使得在石英門9和密封條10的共同作用下，石英腔體13處于密閉狀態(tài)，同時(shí)屏蔽門隔熱層8和保溫箱體11將重?fù)诫s環(huán)境包圍，減小熱量的損失。2、用真空抽氣泵將石英腔體13中的空氣抽走，之后通過氣體進(jìn)口 14和氣體出口4，按照需要對石英腔體內(nèi)通入再分布所需氣體。這里的氣體可以是為增強(qiáng)氧化而需要的氧氣或是為了保護(hù)而需要的氬氣或氮?dú)獾葰怏w。3、電源接口 5接上電源，并將電源開啟，通過電極片17在空間中施加106V/cm左右的電場，然后開通射頻電源，通過自動匹配器6實(shí)現(xiàn)負(fù)載匹配，讓感應(yīng)線圈12產(chǎn)生高頻變化的磁場。4、打開溫度傳感器，利用溫度傳感器的溫度指示，根據(jù)需要的再分布溫度(一般在1200°C左右)調(diào)節(jié)輸入功率達(dá)到要求的溫度，對重?fù)诫s硼硅片15進(jìn)行加熱，開始再分布過程。再分布過程的時(shí)間長短根據(jù)實(shí)驗(yàn)要獲得的有效結(jié)深大小而定。5、為確保操作人員安全，電磁感應(yīng)線圈外裝有電磁屏蔽外殼1，并且整個(gè)再分布過程中要保持干擾場強(qiáng)儀的開啟，以實(shí)時(shí)監(jiān)測場強(qiáng)大小，使其在相關(guān)規(guī)定的范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種重?fù)诫s硼硅片的再分布方法，其特征在于包括以下步驟: 1)將重?fù)诫s硼硅片放在托盤上，然后置于石英腔體中，關(guān)閉屏蔽箱門，旋轉(zhuǎn)壓緊密封機(jī)構(gòu)； 2)將石英腔體抽真空,再通過氣體進(jìn)口和氣體出口，對石英腔體內(nèi)通入再分布所需氣體； 3)開啟電源，通過電極片在空間中施加電場，然后開通射頻電源，通過自動匹配器實(shí)現(xiàn)負(fù)載匹配，讓感應(yīng)線圈產(chǎn)生高頻變化的磁場； 4)打開溫度傳感器，利用溫度傳感器的溫度指示，調(diào)節(jié)輸入功率達(dá)到要求的溫度，對重?fù)诫s硼硅片進(jìn)行加熱，開始再分布過程； 5)為確保操作人員安全，電磁感應(yīng)線圈外裝有電磁屏蔽外殼，在整個(gè)再分布過程中要保持干擾場強(qiáng)儀的開啟，以實(shí)時(shí)監(jiān)測場強(qiáng)大小，使其在相關(guān)規(guī)定的范圍內(nèi)。
2.如權(quán)利要求1所述一種重?fù)诫s硼硅片的再分布方法，其特征在于在步驟2)中，所述氣體采用為增強(qiáng)氧化而需要的氧氣，或?yàn)榱吮Ｗo(hù)而需要的氬氣或氮?dú)狻?br> 3.如權(quán)利要求1所述一種重?fù)诫s硼硅片的再分布方法，其特征在于在步驟3)中，所述施加電場是施加106V/cm的電場。
4.如權(quán)利要求1所述一種重?fù)诫s硼硅片的再分布方法，其特征在于在步驟4)中，所述調(diào)節(jié)輸入功率達(dá)到要求的溫度是根據(jù)需要的再分布溫度調(diào)節(jié)輸入功率達(dá)到要求的溫度，所述再分布溫度為1200°C。
全文摘要
一種重?fù)诫s硼硅片的再分布方法，涉及一種重?fù)诫s硼硅片。將重?fù)诫s硼硅片放在托盤上，然后置于石英腔體中，關(guān)閉屏蔽箱門，旋轉(zhuǎn)壓緊密封機(jī)構(gòu)；將石英腔體抽真空，通過氣體進(jìn)口和氣體出口，對石英腔體內(nèi)通入再分布所需氣體；開啟電源，通過電極片在空間中施加電場，然后開通射頻電源，通過自動匹配器實(shí)現(xiàn)負(fù)載匹配，讓感應(yīng)線圈產(chǎn)生高頻變化的磁場；打開溫度傳感器，利用溫度傳感器的溫度指示，調(diào)節(jié)輸入功率達(dá)到要求的溫度，對重?fù)诫s硼硅片進(jìn)行加熱，開始再分布過程；為確保操作人員安全，電磁感應(yīng)線圈外裝有電磁屏蔽外殼，在整個(gè)再分布過程中要保持干擾場強(qiáng)儀的開啟，以實(shí)時(shí)監(jiān)測場強(qiáng)大小，使其在相關(guān)規(guī)定的范圍內(nèi)。加熱速率快，成本低，有效減小殘余應(yīng)力。
文檔編號B81C1/00GK103193195SQ20131007421
公開日2013年7月10日 申請日期2013年3月8日 優(yōu)先權(quán)日2013年3月8日
發(fā)明者王凌云, 王申, 張豪爾, 杜曉輝, 蔡建法, 占瞻, 孫道恒 申請人:廈門大學(xué)