彌漫式恒壓氣體攜帶雜質源擴散工藝管制造技術

本發明專利技術涉及一種對半導體芯片實施高質量開管摻雜的彌漫式恒壓氣體攜帶雜質源擴散工藝管，包括管身和管口蓋，管身包括外套、內襯和舟撐。本發明專利技術高溫摻雜工藝過程中由舟撐支撐載片舟而無需舟鏟存在于恒溫區，管口蓋保熱性提高、管口管尾分別經流量控制計等流量排氣使管內溫度氣壓均勻，雜質源從內襯管壁上分布的彌漫孔彌漫而出、無阻擋進入恒溫區使所有待摻雜芯片的整個表面同條件地接觸到雜質源。使用本發明專利技術對大直徑半導體芯片進行氣體攜帶液態源摻雜，達到高的均勻性、重復性以保證大直徑分立器件的電特性及特殊應用要求，同時顯著提高生產成品率。

【技術實現步驟摘要】

本專利技術屬于功率半導體加工
，是一種對半導體芯片實施開管摻雜時用以提高均勻性、重復性的彌漫式恒壓氣體攜帶雜質源擴散工藝管。
技術介紹
目前，為滿足特高壓直流輸電工程的需求，半導體分立器件特高壓晶閘管直徑已達6英寸，阻斷電壓高于8500V，通流能力大于5000A，且需要上百只晶閘管串聯組成換流閥臂。換流閥工作時不單要求每只晶閘管重復承受高電壓、通過大電流，而且要求閥臂上的所 有晶閘管幾乎同時開通和關斷。這對每一只晶閘管特性參數水平及換流閥臂所有串聯晶閘管一致性要求很高。其實質是對制造過程中擴散摻雜工藝的均勻性、重復性要求很高。不僅要求每個芯片上要有均勻的雜質濃度和結深分布；而且要求同批次各芯片間、批與批之間雜質濃度和結深分布要有極高的一致性與重復性。其原因是整個芯片上雜質濃度和結深分布中最不利于器件性能的點將劣化該晶閘管的最終特性，特性最劣的晶閘管成為上百只閥臂串聯線路上的薄弱環節導致系統崩潰。分立器件面積越大、串并聯器件數量越多這種效應越明顯。所以大面積高均勻性、重復性摻雜技術是特高壓直流輸電晶閘管及其它大規模串并聯應用大功率分立半導體器件制造的核心工藝技術。長期以來，在功率半導體器件加工行業，作為關鍵工藝的N+發射區摻雜，傳統采用氣體攜帶液態源擴散系統。該系統工作過程如下在舟鏟上放置裝有半導體芯片的載片舟伸入到擴散工藝管的恒溫區內；氣體攜帶的液態雜質源從工藝管尾端進氣管通入，沉積到芯片表面上，經化學反應后雜質原子擴散進入芯片體內，攜帶氣體及其它反應生成氣體由工藝管管蓋上排氣管排出。這樣的擴散系統存在以下幾方面的缺陷I、用舟鏟作為裝有半導體芯片的載片舟的載體，在高溫摻雜過程中始終從里到外橫穿工藝管像一個長條散熱器造成溫度梯度對工藝管內獲取較長、較高精度的恒溫區及其不利。2、工藝管口由于進出半導體芯片的需要，口徑較大，而且管口蓋還要留一定孔徑的排氣管，將攜帶氣體及其它反應生成氣體由此管單方向、無壓阻地排放；此外，由于舟鏟與工藝管蓋之間的縫隙，也會散熱、漏氣。而工藝管尾則只有進氣通道，且開口小、密封嚴、無縫隙保熱性較好。這種管口管尾散熱保熱性大不相同，管尾進氣與管口排氣、氣流單向流動的情形有在工藝管內形成溫度及氣壓梯度的不良趨勢。3、通源氣流趨勢與待摻雜芯片表面垂直，會造成兩方面的不利影響①從管尾到管口存在摻雜源濃度梯度，始終是管尾濃度高，管口濃度低由于芯片對氣流趨勢有累積阻擋作用，每個芯片的中心部位最難接觸到曲折滲透過來的氣相雜質源，因而雜質濃度最低。芯片面積越大，這種不均勻性越明顯。如上所述，傳統的氣體攜帶液態源摻雜系統存在固有缺陷，無法滿足大直徑高電壓分立半導體器件擴散摻雜的技術要求。
技術實現思路
本專利技術為了克服傳統氣體攜帶液態源擴散摻雜系統的不均勻性而提供一種彌漫式恒壓氣體攜帶雜質源擴散工藝管。本專利技術的技術解決方案是一種彌漫式恒壓氣體攜帶雜質源擴散工藝管，包括管身和管口蓋(4)，管身包括外套(I)、內襯(2)和舟撐(3)，外套(I)內設有內襯(2)，外套(I)與內襯(2)之間為夾層(6)，外套(I)尾端設有錐形石英管(18)，錐形石英管(18)頂部設有中央排氣管(9)串接氣體流量計(10)通往排風道，錐形石英管(18)底部兩端設有通源管(5)與外套(I)與內襯(2)之間的夾層(6)連通，通源管(5)連接通源槍(19)，內襯(2)壁上恒溫區段(7)設有彌漫孔(8)連接夾層(6)與內襯(2)內的腔體，內襯(2)內設有舟撐(3)， 舟撐(3)上設有載片舟(14)和芯片(13)，管口蓋(4)中央設有排氣管(11)串接氣體流量計通往排風道，管口蓋(4)中空夾層內設有隔熱棉(16)，管口蓋(4)外設有機械加壓臂(17)，管口蓋(4)密封管身端部。相對舟鏟進入方向舟撐(3)支撐腿間距大于舟鏟寬度，載片舟(14)底部與內襯(2)之間最小距離大于舟鏟厚度。所述的管尾排氣管(9)串接的氣體流量計(10)與管口排氣管(11)串接的氣體流量計(12)在擴散過程中二者流量相等，且二者流量之和等于進氣流量。彌漫孔(8)由管尾方向向管口方向排列，其孔徑為I. O I. 75mm，中心距70 40mm，其間孔徑和孔中心距均勻分布過度。本專利技術的有益效果是，高溫摻雜工藝過程中由舟撐支撐載片舟而無需舟鏟存在于恒溫區，管口蓋保熱性提高、管口管尾分別經流量控制計等流量排氣使管內溫度氣壓均勻，雜質源從內襯管壁上分布的彌漫孔彌漫而出、無阻擋進入恒溫區使所有待摻雜芯片的整個表面同條件地接觸到雜質源。使用本專利技術對大直徑半導體芯片進行氣體攜帶液態源摻雜，達到高的均勻性、重復性以保證大直徑分立器件的電特性及特殊應用要求，同時顯著提高生產成品率。被摻雜的6英寸芯片薄層電阻標準偏差σ由以前7%下降到2%;不同芯片間的平均薄層電阻標準偏差由以前10%下降到3. 5%。可見，無論是同一芯片內部，還是不同芯片間，摻雜的均勻性都有大幅度的提高，使6英寸5000A/8500V特高壓晶閘管成品率由30%上升到70%，同時系統絕熱性、熱均勻性提高，導致耗電量減小20%。模擬表明本專利技術可滿足8英寸分立器件開管擴散摻雜技術要求，為分立半導體器件大直徑高電壓化攻克關鍵技術堡壘。附圖說明圖I本專利技術結構示意圖。具體實施例方式如圖I所示，本專利技術由工藝管身和管口蓋4兩大部分組成。管身包括外套I、內襯2和舟撐3，外套I內設有內襯2，外套I與內襯2之間為夾層6，外套I尾端設有錐形石英管(18)，錐形石英管(18)頂部設有中央排氣管9串接氣體流量計10通往排風道，錐形石英管(18)底部兩端設有通源管5與外套I與內襯2之間的夾層6連通，通源管5連接通源槍(19)，內襯2壁上恒溫區段7設有彌漫孔8連接夾層6與內襯2內的腔體，內襯2內設有舟撐3，舟撐3上設有載片舟14和芯片13，管口蓋4中央設有排氣管11串接氣體流量計10通往排風道，管口蓋4中空夾層內設有隔熱棉16，管口蓋4外設有機械加壓臂17，管口蓋4密封管身端部。所述的管尾排氣管9串接的氣體流量計10與管口排氣管11串接的氣體流量計12由電腦控制，在擴散過程中二者流量相等、二者流量之和等于進氣流量，使工藝管內氣壓趨于恒定。管身制造所有材料為99. 99%高純石英。選取一個外徑為280mm、壁厚6mm、長度為2100mm的石英管，管口橫斷面磨砂做成工藝管外套I。選用外徑為238mm、壁厚為4mm、長度為2080mm的石英管作為內襯2,在距離其中一端口為680mm處焊接兩個長60mm、厚20mm、寬30mm舟撐，在距離該舟撐710mm處再焊接兩個同尺寸的舟撐，每兩個面對面的舟撐弦長為210mm，并將所有4個舟撐焊接在同一水平切面上完成舟撐3制作；相對舟鏟進入方向舟撐3支撐腿間距大于舟鏟寬度，載片舟14底部與內襯2之間最小距離大于舟鏟厚度。舟鏟能將載片舟14載入、安放在舟撐3上后退出工藝管，反之亦能插入載片舟14與工藝管內襯2之間間 歇托起載片舟14并運出工藝管。然后在內襯2管壁上用激光打彌散孔8，彌散孔8分布在大于恒溫區長度的740mm范圍內。彌散孔8直徑與孔間距分為四組，各組孔徑、間距分別為I.75mm、40mm, I. 5mm、50mm, I. 25mm、60mm, I. 0mm、70mm。第一組從距離端口 650mm 本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種彌漫式恒壓氣體攜帶雜質源擴散工藝管，包括管身和管口蓋（4），其特征在于：管身包括外套（1）、內襯（2）和舟撐（3），外套（1）內設有內襯（2），外套（1）與內襯（2）之間為夾層（6），外套（1）尾端設有錐形石英管（18），錐形石英管（18）頂部設有中央排氣管（9）串接氣體流量計（10）通往排風道，錐形石英管（18）底部兩端設有通源管（5）與外套（1）與內襯（2）之間的夾層（6）連通，通源管（5）連接通源槍（19），內襯（2）壁上恒溫區段（7）設有彌漫孔（8）連接夾層（6）與內襯（2）內的腔體，內襯（2）內設有舟撐（3），舟撐（3）上設有載片舟（14）和芯片（13），管口蓋（4）中央設有排氣管（11）串接氣體流量計（10）通往排風道，管口蓋（4）中空夾層內設有隔熱棉（16），管口蓋（4）外設有機械加壓臂（17），管口蓋（4）密封管身端部。

【技術特征摘要】

【專利技術屬性】
技術研發人員：王正鳴，劉東，
申請(專利權)人：西安電力電子技術研究所，
類型：發明
國別省市：