182247. lajstromszámú szabadalom • Berenezés alkatrészek, előnyösen szilicium lemezek atmoszferikus nyomás feletti kezelésérte
182247 2 Találmányunk tárgya egy nagynyomású hőkezelő berendezés, amely lehetővé teszi a félvezető eszközök technológiájában vagy más megmunkálás során szükséges termikus oxidációnak vagy más hőkezelésnek az általánosan használt atmoszférikus nyomás helyett magasabb nyomáson történő elvégzését. Segítségével a termikus oxidációs művelet a szokásosnál alacsonyabb hőmérsékleten, vagy az általában szükségesnél rövidebb idő alatt végezhető el. Különösen jól alkalmazható a szilícium alapú félvezető technológiákban a 0,3—2,0 pm vastagságtartományba eső környezeti vagy szigetelő oxid kialakításában. Mint ismeretes a szilícium vagy szigetelő alapú planáris technológiában alapvető technológiai lépés a szilícium egykristály lemez vagy polikristályos szilícium réteg termikus oxidációja, amely művelet során a szilíciumból és a hozzávezetett oxidáló közegből — célszerűen oxigénből és/vagy vízgőzből — szilícium-dioxid réteget alakítanak ki. Ez a szilícium dioxid réteg a szilícium felületének passziválására, valamint a következő lépésekben maszkoló anyagul szolgál, de egyes félvezető eszköz típusokban aktív szerepet is betölthet. Az oxidáció műveletének szokásos, a planár technológia megjelenése óta ismert, széles körben alkalmazott módja, amikor az oxidálandó szilíciumot egy tiszta, általában kvarcüvegből készült tartályba helyezik és a tartályt oxidáló közeggel töltik meg, majd a tartály hőmérsékletét 900— 1250 °C hőmérsékletre emelik. Ebben a környezetben az oxidáció — a hőmérséklettől függő — kisebb vagy nagyobb sebességgel megy végbe. Gyakorlati megvalósítás során a kvarctartály általában csőalakú, amelyet a kívül elhelyezett fűtőtest segítségével fűtenek, az oxidáló gázközeget pedig a csövön keresztül áramoltatják. A technológia által megkívánt tisztaság biztosítása, valamint a külső gázközeg, az atmoszférikus levegő kizárása érdekében az oxigént a kvarccső egyik végén, egy szűk nyíláson keresztül, egy szeleprendszer segítségével engedik be, a cső másik végén pedig, ugyancsak egy szűk nyíláson keresztül az el nem használt oxigén a szabadba jut. A kiömlő nyíláson keresztül a gáz áramoltatása olyan sebességű, hogy az megakadályozza a levegő bejutását. Ily módon az oxidációs csőben a nyomás valamivel (néhány ezer Pa értékkel) mindig a külső nyomás felett van. Bizonyos esetekben az oxidáció sebességének meggyorsítása érdekében az oxidációs csőbe nedvesített oxigént engednek be, vagy éppen a reakció csőben állítanak elő igen nagy tisztaságú vízgőzt. Ezek az eltérések azonban nem változtatnak azon a jellemzőn, hogy a kvarc reakciócsőben az oxidáló közeg teljes nyomása lényegében megegyezik a külső nyomással. Ebben a rendszerben jelentős túlnyomás kialakítása nem is lehetséges, mert a kvarccső a túlnyomásra igen érzékeny és könnyen eltörik. Egy művelet technológiai lépéssorrendbe való beilleszthetőségének fontos követelménye, hogy a műveleti idők a többi művelet elvégzéséhez szükséges időkkel összemérhetők legyenek. Ez a jelenlegi planáris technológiákban szeletenként néhány perc, vagy csoportos szeletmegmunkálás esetén 30 perc és 1—2 óra között váltakozik. A korábban a planár technológiákban alkalmazott 0,6—0,8 pm oxidvastagságokhoz képest a jelenlegi MOS technológiákban 1,0—1,5 pm oxidvastagság az igény, s egyes esetekben ez a 2,0 pm-t is elérheti. Tekintettel arra, hogy az oxid vastagsága az oxidálási idő négyzetével arányos, a korábbi műveleti idők rendkívül megnövekedtek. Az oxidációs sebesség növelésének látszólag kézenfekvő módja az oxidáció hőmérsékletének emelése. Ennek azonban több korláta van. Ezek egyike, hogy a szeletek átmérőjének növelésével egyre jelentősebbé váló téI nyező a szilícium szeletek egyenlőtlen felmelegedéséből vagy lehűléséből keletkező mechanikai feszültség. Ez a hatás még a korábbi oxidációs hőmérsékletek csökkentését is igényli, így például a jelenlegi MOS technológiák egy részénél az oxidáció hőmérséklete 900—1000 °C hőfoktartományba esik, így a műveleti idők 10—40 órát tesznek ki. E nehézségek kiküszöbölése végett az oxidációs művelet idő csökkentésének, az oxidációs sebesség növelésének újabban kialakuló módszere az oxidációnak atmoszférikus nyomás feletti oxidáns nyomás mellett történő végzése. Az oxidáló közeg nyomásának növelése a nyomással hozzávetőleg arányos mértékben növeli az oxidáció sebességét. A gyakorlatban szükséges jelentősebb mértékű oxidációs sebességnövelés érdekében az oxidáló közeg nyomásának a kvarccsőben legalább néhányszor 105 Pa-nak kell lennie, de előnyös a 10® Pa körüli, vagy e feletti nyomásérték. Az oxidációs művelethez használt szintetikus kvarccső ilyen nyomásértékeket nem visel el, pedig a nagytisztaságú kvarccső alkalmazása a művelet tisztaságának megőrzése szempontjából alapvető fontosságú. Ismert megoldásként a nagytisztaságú kvarccsövet a körülötte elhelyezett fűtőtesttel együtt egy nyomásálló edénybe helyezik és a kvarccső mindkét oldalán egyenlő nagyságú, vagy legalábbis közel egyenlő, néhányszor 104 Pa különbségű nyomást alakítanak ki. Ebben az esetben a kvarc reakciócső nyomásra történő feltöltésének együtt kell történnie a külső nyomás emelésével. Közöttük a különbség hengeralakú kvarccsö alkalmazása esetén általában nem haladhatja meg a néhányszor 104 Pa értéket. Más keresztmetszetű, például négyszögletes kvarccső esetén a különbséget még kisebb értéken kell tartani. A kvarccső belsejében lévő és a kvarccsövet körülvevő nyomás folyamatos együttfutásának kritériuma természetesen nemcsak a szükséges nyomáson történő működés ideje alatt áll fenn, hanem az oxidációs műveletet megelőző feltöltés és az oxidációs műveletet követő nyomásleeresztés során is. A két nagynyomású rendszer párhuzamosan történő feltöltésére, illetve a gáznyomás atmoszférikus nyomásra történő leeresztésére az egyik ismert megoldás szerint nagynyomású gázforrásból szeleprendszeren keresztül engedik a gázokat a kvarccsőbe és ezzel párhuzamosan a nyomásálló edénybe is. A kvarccsőben és a nyomásálló edényben lévő gáznyomást folyamatosan mérik, a mért nyomásértékeket elektromos jellé alakítják és mikroprocesszoros rendszer segítségével feldolgozzák, majd a feldolgozott jellel az említett szeleprendszert szabályozzák. Ez a módszer biztosítani tudja a szükséges pontosságot, azonban meglehetősen drága, mivel mindkét nyomás méréséhez érzékeny nyomásérzékelőt, nyomás jelátalakítót, jelfeldolgozó egységet és beavatkozó szervet igényel. Kisebb hátránya még, hogy tekintve a jelfeldolgozás elektronikus jellegét, esetleges áramkimaradáskor a készülék szabályozhatatlanná válik és a kvarccső rendszerint eltörik. Egy másik ismert megoldás szerint a gáz beeresztése és a gáz kiömlése precízen elkészített, speciálisan kiképzett igen kis furatokon keresztül történik, amelyeken keresztül a gáz sebessége eléri az ún. szónikus sebességet és az áramlás ezen meghatározott nyomásérték elérése után a nyomástól függetlenné válik. Egy ily módon kialakított rendszer az elektronikától független, tisztán mechanikus megoldást tesz lehetővé, azonban a rendszer beállítása és más nyomásértékre való átállítása bonyolult és hosszantartó átalakítást igényel. A találmánnyal célunk a fentiekben vázolt valamennyi nehézség kiküszöbölése és egy olyan berendezés kialakítása, amely az elektronikától függetlenül működik, a kvarccső és 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 3
