張繼光，賈 鑫

(中國電子科技集團(tuán)公司第二研究所，山西太原030024)

單晶硅是硅的單晶體，是晶體材料的重要組成部分，處于新材料發(fā)展的前緣，其主要用途是用作半導(dǎo)體材料和利用太陽能光伏發(fā)電、供熱等。以單晶硅為代表的高科技附加值材料及其相關(guān)高技術(shù)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，成為當(dāng)代信息技術(shù)產(chǎn)業(yè)的支柱，并使信息產(chǎn)業(yè)成為全球經(jīng)濟(jì)發(fā)展中增長最快的先導(dǎo)產(chǎn)業(yè)。但在自然界不存在單體硅，多呈氧化物或硅酸鹽狀態(tài)。高純度硅在石英中提取，以單晶硅為例，提煉要經(jīng)過以下過程：石英砂-冶金級(jí)硅-提純和精煉-沉積多晶硅錠-單晶硅-硅片切割。硅片中含有氧，在450℃左右，硅中的氧會(huì)轉(zhuǎn)化為氧施主，對電阻率的正確測量產(chǎn)生影響。退火可以將硅片表面附近的氧，從其表面揮發(fā)脫除，使表面附近的雜質(zhì)數(shù)量減少，缺陷也減少，對制造半導(dǎo)體器件具有致關(guān)重要的積極影響。由于硅片處理對溫度均勻性及外部環(huán)境潔凈度要求非常高，普通退火處理或氣氛保護(hù)條件下的退火處理已經(jīng)不能滿足其工藝要求，因此，為了滿足及改善硅片退火工藝對溫度及外部環(huán)境的較高要求，提高生產(chǎn)率，我們開發(fā)研制了移動(dòng)式硅片退火設(shè)備。

1 設(shè)備要解決的問題及關(guān)鍵技術(shù)

移動(dòng)式硅片退火設(shè)備要解決的主要問題：

（1）對硅片無污染；

（2）加熱區(qū)溫度均勻性要好，要求在≤±5℃范圍內(nèi)，這樣處理后的硅片性能具有一致性和連續(xù)性；

（3）工作真空度要高，達(dá)到1×10-3Pa級(jí)，這樣可以很大程度上減少空氣中殘留的氧對硅片的影響；

（4）有一定的冷卻速度；

（5）一次性可處理硅片多，可滿足多種規(guī)格硅片工藝處理要求。

我所為中國電科某研究所研制的移動(dòng)式硅片退火設(shè)備著重進(jìn)行了箱體結(jié)構(gòu)、加熱系統(tǒng)及冷卻方式的優(yōu)化設(shè)計(jì)研究，利用這些關(guān)鍵技術(shù)，很大程度地降低了外部環(huán)境對硅片處理所帶來的影響，保證了加熱區(qū)間的溫度穩(wěn)定性及均勻性，提高了硅片退火處理的穩(wěn)定性及一致性。

2 關(guān)鍵技術(shù)的解決及實(shí)施方案

移動(dòng)式硅片退火設(shè)備為外加熱臥式結(jié)構(gòu)，采用外加熱方式優(yōu)點(diǎn)：

（1）使硅片避免在加熱過程中由于加熱元件的揮發(fā)造成的污染；

（2）通過石英管間接加熱使溫度更均勻，波動(dòng)減小。

設(shè)備結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要由設(shè)備主體、支撐臺(tái)架、主體移動(dòng)機(jī)構(gòu)、真空系統(tǒng)、充氣系統(tǒng)及控制系統(tǒng)組成。

2.1 設(shè)備主體

設(shè)備主體主要包括箱門、石英管和加熱系統(tǒng)等部分，采用前開門結(jié)構(gòu)，方便工件裝取。與金屬管相比，石英管具有耐高溫、耐腐蝕、熱穩(wěn)定性好、電絕緣性能好、光透過性好等優(yōu)點(diǎn)，可以滿足硅片處理時(shí)對環(huán)境真空度和溫度以及防止污染的要求。石英管采用特殊的密封結(jié)構(gòu)，保證管體內(nèi)與外界嚴(yán)格隔離。其密封結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖1 設(shè)備結(jié)構(gòu)圖

圖2 石英管密封圖

加熱系統(tǒng)包括保溫材料、加熱體、保持架和保持架水冷裝置等四部分。保溫材料采用保溫性能較好的莫來石材料，加熱體為鐵鉻鋁絲材，沿石英管圓周均勻布置，分三區(qū)加熱，每區(qū)獨(dú)立控制，確保真空室內(nèi)部的溫度均勻性。

保持架水冷裝置可確保設(shè)備主體表面溫度溫升在25℃范圍內(nèi)。

2.2 主體移動(dòng)機(jī)構(gòu)

硅片處理工藝完成后，主體移動(dòng)機(jī)構(gòu)可以將加熱及保溫部分從加熱區(qū)移開，從而加快硅片冷卻速度。主體移動(dòng)機(jī)構(gòu)由滾珠螺桿、導(dǎo)軌、減速機(jī)和伺服電機(jī)等組成，傳動(dòng)可靠、運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)、噪音小。移動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)有前、后兩個(gè)限位位置，分別對應(yīng)加熱位置和冷卻位置，限位方式采用機(jī)械限位和行程開關(guān)限位兩種方式，保證限位可靠。

通過對該設(shè)備進(jìn)行三維建模，伺服電機(jī)負(fù)載質(zhì)量（即設(shè)備移動(dòng)部分）M=250 kg，選用滾珠螺桿螺距PB=5 mm，螺桿直徑DB=20 mm，螺桿質(zhì)量MB=3 kg，負(fù)載移動(dòng)速度V=0.6 m/min，全程移動(dòng)時(shí)間t=60 s，加減速時(shí)間t1=t2=0.5 s，取摩擦系數(shù)μ=0.12，機(jī)械效率η=0.9。

2.2.1 計(jì)算折算到電機(jī)軸上的負(fù)載慣量

重物折算到電機(jī)軸上的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量JW=M×(PB/2π)2=1.59 kg·cm2

螺桿轉(zhuǎn)動(dòng)慣量JB=MB×DB2/8=1.5 kg·cm2

總負(fù)載慣量JL=JW+JB=3.09 kg·cm2

2.2.2 計(jì)算電機(jī)轉(zhuǎn)速

電機(jī)所需轉(zhuǎn)速N=V/PB=120 r/min

2.2.3 計(jì)算電機(jī)驅(qū)動(dòng)負(fù)載所需要的扭矩

克服摩擦力所需轉(zhuǎn)矩Tf=M×g×μ×PB/2π/η=0.261 N·m

重物加速時(shí)所需轉(zhuǎn)矩TA1=M×a×PB/2π/η=0.044 N·m

螺桿加速時(shí)所需要轉(zhuǎn)矩 TA2=JB×a/η=JB×(N×2π/60/t1)/η=0.0042 N·m

加速所需總轉(zhuǎn)矩TA=TA1+TA2=0.0482 N·m

計(jì)算瞬時(shí)最大扭矩：

加速扭矩Ta=Tf+TA=0.3092 N·m

勻速扭矩Tb=Tf=0.261 N·m

減速扭矩Tc=Tf-TA=0.2128 N·m

2.2.4 選擇伺服電機(jī)

伺服電機(jī)額定扭矩T＞Tf

伺服電機(jī)最大扭矩Tmax＞Tf+TA

故選用伺服電機(jī)：ECMA-C20604，伺服電機(jī)額定功率0.4 kW。

2.3 真空系統(tǒng)

為了滿足工藝對設(shè)備極限真空度和工作真空度的較高要求，真空系統(tǒng)由RVP-18直聯(lián)泵（中科科儀）和F250渦輪分子泵（中科科儀）兩級(jí)泵組成，真空管路采用無縫鋼管，并配有控制閥門。

真空測量裝置選用測量精度高、穩(wěn)定性好的成都睿寶ZDF系列復(fù)合真空計(jì)，測量范圍（1.0×105～1.0×10-5）Pa，配套 ZJ-52T 電阻規(guī)管和 ZJ-27電離規(guī)管。

2.4 充氣系統(tǒng)

充氣系統(tǒng)由電磁閥、壓力表、微調(diào)閥及管路等組成，所用介質(zhì)為氮?dú)狻?/p>

2.5 電氣控制

設(shè)備采用MODBUS RTU通訊協(xié)議，實(shí)現(xiàn)設(shè)備中各個(gè)儀表之間的數(shù)據(jù)交換。采用可編程控制器PLC為運(yùn)算控制核心，通過觸摸屏對設(shè)備進(jìn)行操作。PLC采集各個(gè)數(shù)字量和模擬量數(shù)據(jù)。觸摸屏分別與PLC、溫控儀、記錄儀實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的通訊交換與處理，各個(gè)儀表的控制又是相互獨(dú)立的。

電氣控制系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)以下功能：1）溫度可編程控制，實(shí)時(shí)監(jiān)測加熱帶上的電流、電壓值，通過熱偶檢測溫度來控制調(diào)壓器，并實(shí)時(shí)記錄和顯示數(shù)據(jù)；2）爐內(nèi)真空度控制，控制泵及閥的開啟；3）充排氣控制，通過PLC檢測壓力計(jì)數(shù)值，控制充氣的流量、壓力；4）斷水、斷電、缺相、超溫、充氣壓力低等均采用報(bào)警和互鎖保護(hù)。

設(shè)備達(dá)到的主要技術(shù)指標(biāo)：

移動(dòng)式硅片退火設(shè)備經(jīng)過測試，達(dá)到了如下性能指標(biāo)：

恒溫區(qū)尺寸：準(zhǔn)250 mm（內(nèi)）×350 mm；

使用溫度：350～750℃；

最高溫度：800℃

控溫精度：±1℃；

溫度均勻性：≤±3℃（按國家標(biāo)準(zhǔn)在400℃、550℃、700℃范圍內(nèi)檢測）；

升溫時(shí)間：從室溫升至700℃≤50 min（空爐）；

極限真空度：≤4×10-4Pa(空爐)；

3 硅片退火工藝流程及實(shí)驗(yàn)結(jié)果

打開箱門裝料，關(guān)閉箱門抽真空，當(dāng)箱體內(nèi)壓力低于8×10-3Pa時(shí)，點(diǎn)擊‘加熱’按鈕，設(shè)備按照預(yù)先設(shè)定的加熱曲線完成升溫、保溫等工藝過程。保溫結(jié)束后，通過主體移動(dòng)結(jié)構(gòu)將設(shè)備加熱系統(tǒng)轉(zhuǎn)移到冷卻位置，使硅片自然冷卻。硅片冷卻過程中，真空室始終保持在真空條件下，如工藝需要也可充入氮?dú)獾榷栊詺怏w，以加快硅片冷卻速度，待硅片在真空室冷卻后，將真空室放氣至與大氣平衡的狀態(tài)即可打開前門取出。

設(shè)備在中國電科某研究所進(jìn)行了實(shí)際使用。對硅單晶片進(jìn)行退火處理，硅片規(guī)格為直徑3英寸和4英寸，厚度300 μm，一次最大裝入50片，退火溫度500℃，保溫完成后自然冷卻。為改善硅片性能，每兩層硅片之間貼附一層鋁片，鋁片厚度30 μm，經(jīng)表面清洗和活化處理后，用夾具將兩者貼合在一起（如圖3所示），然后放入設(shè)備內(nèi)抽真空，排除兩者之間空氣，最后加熱，經(jīng)過分子間相互擴(kuò)散過程，形成強(qiáng)度很大的化學(xué)共價(jià)鍵連接，增加鍵合強(qiáng)度而形成一個(gè)整體。退火處理后，目測鍵合處均勻一致，通過紅外系統(tǒng)檢測后，鍵合界面無孔洞。硅片制成品電阻率明顯降低。

圖3 硅片裝夾圖

4 結(jié) 論

目前我所研制的移動(dòng)式硅片退火設(shè)備，具有實(shí)際使用中溫度均勻性好（±3℃）、密封性好（壓升率≤0.5 Pa/h）的優(yōu)點(diǎn)，并且一次性處理硅片數(shù)量多，對硅片零污染，解決了硅片退火處理工藝要求很高、普通設(shè)備無法滿足的難題，提高了硅片制成品性能的一致性及可靠性，很大程度上提高了生產(chǎn)效率。設(shè)備在半導(dǎo)體材料制造、電子元器件封裝領(lǐng)域均可以有很大的應(yīng)用空間，經(jīng)濟(jì)效益顯著。

[1]達(dá)道安.真空設(shè)計(jì)手冊（2版）[M].北京：國防工業(yè)出版社，1995.614-629.

[2]王秉銓.工業(yè)爐設(shè)計(jì)手冊（2版）[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1996.743-903.