Термическое оборудование для процессов окисления и диффузии

Однозонная трехканальная термическая установка (рис.7.3), предназ­наченная для выполнения термических процессов диффузии и окисления в газовом потоке открытого рабочего канала на полупроводниковых пластинах, состоит из четырех мастей: электропечи 3, устройства газораспре­деления 1, камеры 9 загрузки-выгрузки и измерительного стенда 7. Каме­ра загрузки-выгрузки и измерительный стенд являются отдельными изде­лиями и поставляются по желанию заказчика.

Электропечь 3 имеет основание для нагревательных камер 6, систему терморегулирования и теплообменник 5. Основанием электропечи служит металлический сварной каркас, представляющий собой две боковые рамы, которые для жесткости связаны снизу болтовым соединением между собой и с приборным основанием, а вверху - с корпусом теплообменника. Над приборным основанием расположены одна над другой три нагревательные камеры 9. Приборное основание состоит из трех сварных металлических шкафов 4, в каждом из которых размещены системы управления и регулирования температуры, а также блок питания нагревательных камер 6.

В откидных частях шкафов расположены элементы систем управлений и регулирования (регулятор РЕПИД-1М, автоматический выключатель, магнитный пускатель и плавкие вставки), а на задних стенках - по три блока симисторов (симметричных тиристоров), вентилятор для охлаждения и устройства коммутации. Силовые трансформаторы установлены в нижней части шкафов. Сверху приборы управления и терморегулирования Для защиты от нагрева закрыты крышкой с теплоизоляцией. Для обслужи­вания приборов в задней части шкафов имеются съемные крышки.

1 – устройство газораспределения, 2 – сигнальная лампа, 3 – электропечь, 4 – шкафы приборных оснований, 5 – теплообменник, 6 – нагревательные камеры, 7 – измерительный стенд, 8 – механизм перемещения термопары, 9 – камера загрузки-выгрузки.

Рисунок 8.3 – Однозонная трехканальная термическая установка

Пусковое программное устройство выполнено в виде выдвижного шасси, на передней панели которого размещены органы управления (сиг­нальные лампы, кнопочные переключатели, вольтметры), а внутри — реле времени, потенциометры-задатчики с цифровыми счетчиками, предохранитель, коммутационное реле, счетчики времени выработки и элементы коммутации. Нагревательные камеры (рис.8.4) имеют цилиндрическую форму. Нагревательный элемент представляет собой две соосно расположенные спирали 6 из материала высокого удельного сопротивления, соединенные между собой параллельно; но разделенные токоподводами 5 и системой питания на три самостоятельные секции. Снаружи нагревательный элемент теплоизолирован прессованным керамическим волокном 4 и закрыт алюминиевым кожухом 2, на котором по краям и в центре расположены ко­робки для крепления регулирующих и контрольных термопар 7 соответ­ственно с градуировкой ПР30/6 и ПП1.

Охлаждаются нагревательные камеры воздушным потоком, направляе­мым металлическими экранами. Внутри каждой нагревательной камеры расположена служащая тепловым демпфером корундовая труба, уплотненная на выходе теплоизолирующими кольцами. В качестве рабочего канала (реактора или диффузионной трубы) используется труба, которая поме­щается внутри корундовой или непосредственно проходит сквозь нагревательную камеру и уплотняется на выходе.

1 – термопары, 2 – кожух, 3 – алюминиевая крышка, 4 – керамическое волокно, 5 – токопроводы, 6 – внутренняя и наружная спирали, 7 – керамические изоляторы

Рисунок 8.4 – Нагревательная камера термической установки

Теплообменник заключен в сварной металлический короб и представ­ляет собой радиатор, охлаждаемый проточной водой и обдуваемый возду­хом от шести осевых вентиляторов. На входе воды в радиатор установлено гидравлическое реле (реле давления), сигнализирующее о прекращении ее подачи; управляют работой теплообменника с пульта.

В термической установке применена трехканальная независимая сис­тема регулирования температуры (рис.8.5). На примере центральной секции 4 нагренагревателя 3 рассмотрим схему автоматического регулирования. При работе установки в горячих концах термопар 6 возникает термо-ЭДС, которая через блок стабилизации холодных концов (термостат) 7 поступает на регулятор температуры 10 и сравнивается с заданным задатчиком 11 сигналом. Это устройство имеет прецизионный источник постоянного Напряжения и десятиоборотный потенциометр-задатчик 9, позволяющий очень точно устанавливать требуемое напряжение, соответствующее задан­ной температуре рабочего канала. Разность между заданным напряжением и действительным значением термо-ЭДС в виде постоянного напряжения рассогласования (сигнала) по­ступает на высокочувствительный усилитель постоянного тока 14, усили­вается, далее еще раз усиливается функциональным усилителем мощности 15 и дважды преобразуется сначала в сигнал управления по пропорциональ­но-интегральному закону, а затем в

1 – силовой трансформатор, 2 – симисторы, 3 – нагреватель, 4,5 – центральная и краевая секции, 6, 7 – термопары и блок стабилизации их холодных концов, 8, 9 – потенциометры-задатчики, 10 – регулятор температуры, 13 – реле времени, 14 – усилитель постоянного тока, 15 – функциональный усилитель мощности, 16 – цепь задержек, 19 – сигнальная лампа

Рисунок 8.5– Функциональная схема автоматической системы регулирования температуры термической установки

фазоимпульсный сигнал управления. В зависимости от этого сигнала изменяется приоткрытие кремниевых управляемых симметричных вентилей (симисторов) 2, включенных во вторичную обмотку силового трансформатора 7, и в результате уменьшается или увеличивается мощность, подаваемая в центральную секцию 4 нагревателя 3.

Для защиты нагревателя от перегрева в схему управления введен блок 18 ограничения температуры, срабатывающий от суммарного сигнала двух термопар с градуировкой ПР30/6, установленных в краевых секциях 5 нагревателя 3. При превышении предельной температуры коммутирующее устройство 17 отключает подачу сигнала управления симисторами и вклю­чает лампу 19, сигнализирующую о сложившейся ситуации.

В каждой нагревательной камере установлено по восемь термопар. В центральной секции используются четыре термопары, две из которых — средние с градуировкой ПР30/6 — соединены последовательно, а две край­ние с градуировкой ПП1 — встречно с двумя термопарами крайних секций нагревателя. «Холодные» концы двух крайних термопар этих секций, как и других, подключены через блоки стабилизации холодных концов к регулятору температуры.

Такое соединение повышает чувствительность сигнала термо-ЭДС и, кроме того, каждая пара термопар показывает отклонение температуры в любой крайней секции нагревателя по отношению к действительной тем­пературе в центральной секции. В системе автоматического регулирования температуры крайние секции подчинены центральной, и все возможные температурные возмущения компенсируются изменением их нагрева.

Электропечь имеет блок 12 программного управления автоматическим регулированием температуры и динамическим управлением нагрева лодоч­ки с пластинами. Сигнал программного регулирования формируется регу­лятором температуры 10 при отклонении термо-ЭДС датчика температуры центрального канала регулирования от заданного потенциометром-задатчиком 9. С помощью трех других потенциометров-задатчиков 8, установ­ленных в каждом канале, изменяются параметры регулирования в зави­симости от предварительной температуры нагрева, длины и массы лодочки с пластинами. Программирование выполняется реле времени 13, которое коммутирует цепи на входе в основную систему регулирования и цепи задержек 16, переключающие выходной сигнал регулятора температуры 10 на включение силового блока питания в соответствующий режим.

При работе установки в зону с постоянной температурой вводят кварцевую подставку-лодочку с полупроводниковыми пластинами, прогревают ее и подают в рабочий канал парогазовую смесь, которая, перемещаясь, омывает полупроводниковые пластины, частично осаждаясь на них. Когда заданное время термообработки истечет, подачу парогазовой смеси прекращают и извлекают лодочку с пластинами из рабочего канала электропечи. Такую термообработку применяют, если лодочки с пластинами находятся в рабочем канале в течение нескольких часов (длительный про­цесс). В этом случае время переходных процессов мало и не отражается на качестве термообработки пластин.

При кратковременной термообработке (несколько минут) применяют двухступенчатый нагрев. Вначале лодочку с пластинами нагревают в рабо­чем канале при температуре на 100–150°С ниже заданной, а затем быстро поднимают температуру. При таком режиме переходные процессы очень коротки и также не отражаются на качестве термообработки.

Устройство газораспределения (рис.8.6) имеет основание в виде стального металлического каркаса, на котором размещены три шкафа по одному на каждый канал электропечи и может подключаться к вытяжной системе. Внутри каркаса находятся по два вентиля, фильтра, реле давления и распределительных коллектора, которые предназначены для подачи кислорода и аргона в электропечь. Каждый шкаф разделен на два отсека, в одном из которых установлен термостат с увлажнителем или микрохоло­дильник со смесителем, а в другом — контрольно-запорная газовая арма­тура и система автоматического регулирования температуры и питания. Все элементы устройства газораспределения изготовлены из фторопласта, полиэтилена и нержавеющей стали, т.е. материалов, не подверженных
коррозии.

Рисунок 8.6 – Схема устройства газораспределения термической установки

Устройство газораспределения служит для получения парогазовой смеси заданных параметров при проведении термических процессов изготовления электронно-дырочных переходов и имеет автоматическую (прог­раммную) систему управления образованием парогазовой смеси с термостатированием диффузанта в смесителе при проведении первой стадии диффузии или воды в увлажнителе при проведении процессов окисления. Автоматическая система обеспечивает поддержание температуры на заданном уровне с точностью ±0,5°С и построена аналогично автоматической системе терморегулирования электропечи.

При создании оксидной пленки на полупроводниковых пластинах, например в канале I электропечи, кислород из магистрали проходит через вентиль В1, фильтр Ф1, реле давления РД1, коллектор К1, ротаметр Р1, электромагнитные клапаны Э1, Э3, Э4, увлажнитель У1, электромагнитный клапан 35 и далее парогазовая смесь подается в канал электропечи. Анало­гичен путь аргона, но вместо увлажнителя он должен пройти смеситель С1 с диффузантом, например бромистым бором (ВВr₃) или фосфорным ангидридом (Р₂О₅).

Камера загрузки–выгрузки, как уже отмечалось, являясь дополнительным оборудованием, изготовляемым по специальному заказу применительно к конкретному типу термической установки, предназначена для созда­ния обеспыленной атмосферы при проведении термических процессов. Применяются три схемы камер загрузки - выгрузки с горизонтальным и вертикальным и сверху вниз и снизу вверх ламинарным пото­ком воздуха (рис.8.7).

1 – рабочий канал, 2 –лампы освещения, 3 – фильтр,

4 – воздухозаборная решетка, 5 – вентилятор, 6 – шторка из

оргстекла, 7 – патрубок для удаления воздуха

Рисунок 8.7 – Камеры загрузки-выгрузки с ламинарным потоком

воздуха: а– горизонтальным, б, в–вертикальным сверху вниз и снизу

вверх

Принцип создания обеспыленной атмосферы во всех камерах одинаков, но камера с вертикальным ламинарным потоком воздуха сверху-вниз предназначена для проведения термических процессов с выделением вредных для здоровья работающих продуктов реакции, кото­рые обязательно должны удаляться вытяжной вентиляцией.

Измерительный стенд, предназначенный для контроля температуры и определения места нахождения и длины зоны с заданной постоянной температурой в каналах электропечи, состоит из потенциометра постоянно­го тока, контрольной платино-платинородиевой термопары градуировки ПП1 и сосуда Дьюара для жидкого азота.

На смену автономному термическому оборудованию пришли поточные линии АПЛ-Д-18-100 и АПЛ-Д-24-100, предназначенные для комплексного выполнения процессов окисления и диффузии с высокой точностью поддержания режимов и автоматизацией основных операций. Эти линии имеют соответственно 18 и 24 реактора (канала), служащих для одновре­менной термической обработки помещенных в кассету 100 полупровод­никовых пластин диаметром до 100 мм. Линии монтируются в пылезащит­ном коридоре с содержанием менее 3500 пылинок размером 0,5 мкм в 1 м³ воздуха. Загрузка полупроводниковых пластин в термические реак­торы и выгрузка из них производятся в этом коридоре. Реакторы могут располагаться относительно центрального пульта управления справа или слева.

Линии АПЛ-Д представляют собой гибкие производственные системы (ГПС) и могут перестраиваться на выполнение операций окисления и диф­фузии при изготовлении различных полупроводниковых приборов и микро­схем. Оборудование, входящее в эти линии, компонуется по четырем вари­антам. Линии АПЛ-Д состоят из агрегатированной установки автоматиче­ской загрузки, трехканальных однозонных диффузионных термических установок, модуля пылезащиты (трех модификаций), накопителя длитель­ного хранения (двух модификаций), устройства газораспределения (двух модификаций), пульта оперативной информации и центрального пульта (пяти модификаций).

Две трехканальные диффузионные однозонные термические установки 02ДОМ-75-001 оборудованы устройством газораспределения УГ-2 и в ком­плекте с системой пылезащиты представляют собой агрегат АДС-6-100. Таких агрегатов в линии может быть несколько, и каждый из них имеет свою систему управления, связанную с ЭВМ, что позволяет корректировать технологические режимы диффузии и окисления в зависимости от отклонения их параметров. Устройство газораспределения служит для подготовки газовой cмеси и ее автоматической подачи по заданной прог­рамме в реактор при окислении и диффузии (загонке и разгонке).

Управляют линией АПЛ-Д с центрального пульта. Перекладка полу­проводниковых пластин из транспортных кассет в кварцевые и, наоборот, загрузка кассет в реактор и выгрузка из него, подача кассет с трассы тран­спортирования к механизму перекладки и обратно выполняются автоматически. Информация о ходе технологического процесса и техническом состоянии оборудования поступает на дисплеи с цветным изображением.

Линии АПЛ-Д могут быть укомплектованы установками "Изотрон-1" и "Изотрон-2" для осаждения слоев поликристаллического кремния, нитрида кремния и фосфоросиликатных стекол, а также установкой ПХО-150 для плазмохимической обработки пластин. Кроме того, на них могут быть смонтированы агрегаты термокомпрессионного окисления "Термоком".