一、 概述
进入21世纪，电子信息产业的持续高速发展激励和带动了集成电路产业的发展，这就为微电子产业发展提供了空前广阔的发展空间，也为半导体专用设备提供了巨大的市场潜力。
从微电子行业发展看，半导体器件设计向高密度、高集成度的方向迅速发展，对半导体集成电路新工艺、新技术、新设备提出了越来越高的要求。当前硅片的尺寸由直径150mm发展到300mm，超大规模集成电路（ULSI）的特征尺寸已从0.5μm、0.35μm发展到0.25μm，集成密度高达1千万个元件，而且预计到2010年ULSI特征线宽要达到0.07μm，其芯片集成度达10亿个元件。
在所有半导体专用设备中，扩散炉是集成电路生产线前工序的重要工艺设备之一，它的主要用途是对半导体进行掺杂，即在高温条件下将掺杂材料扩散入硅片，从而改变和控制半导体内杂质的类型、浓度和分布，以便建立起不同的电特性区域。虽然某些工艺可以使用离子注入的方法进行掺杂，但是热扩散仍是主要、普遍的掺杂方法。硅的热氧化作用是使硅片表面在高温下与氧化剂发生反应，生长一层二氧化硅膜。氧化方法有干氧氧化和水汽氧化（含氢氧合成）两种，扩散炉是用这两种氧化方法制备氧化层的必备设备。扩散炉是半导体集成电路工艺的基础设备，它与半导体工艺互相依存、互相促进、共同发展。
二、扩散炉发展简史
扩散炉技术发展大体可以分为四个阶段：
阶段：1965年以前，这是扩散炉出现阶段，扩散炉随着半导体工艺的产生而出现，这一阶段的国产扩散炉水平与国外水平差距不大。
第二阶段：1965~1976年，这是扩散炉功能被逐步完善的阶段。这个阶段是器件半导体进入集成电路时代，因而对工艺设备的功能提出了许多新的要求。为适应工艺要求，在此阶段逐渐配备了工艺气路系统，送片系统以及净化台等，炉管口径逐渐加大，可处理3英寸硅片。
第三阶段：1976~1987年，这是扩散炉在技术上的成熟阶段。这期间半导体工艺进入VLSI时代，在1983年6英寸生产线已经建立。1987年微细加工的特征尺寸已达到1μm，设备的更新周期大大缩短，为满足工业生产技术发展的要求，扩散炉技术性能持续改善提高，主要表现形式是硅片尺寸增大，颗粒污染控制更严格，工艺参数控制更加，已经实现温度曲线和工艺时序的全自动控制，设备可靠性有很大提高，卧式扩散炉技术趋于成熟。
第四阶段：1987年至今，微细加工线宽由1μm发展到0.25μm以下，硅片直径已经增大到8英寸，已经建立了8英寸生产线。传统扩散炉在满足工艺要求方面面临很大困难，为解决这些困难，适应工艺进步要求国外出现了立式扩散/氧化炉，立式炉与卧式炉相比有其优点：
1.在扩散炉口径变大以后，恒温区的横截面温度差卧式炉比立式大得多，立式炉更能满足工艺要求；
2.立式扩散/氧化炉能够控制氧气浓度达20~30ppm，为达到特殊工艺要求甚至更低，使之满足薄膜工艺要求；
3.有利于满足自动化水平，实现自动装卸片；
4.工艺过程中硅片在高温状态易变形,水平放置硅片变形小；
5. 高温扩散及硅片破碎时，立式炉不需要清洗反应管和石英舟，反应部位的粘附物、颗粒少。
三、发展与现状
经过多年的努力，扩散炉已经形成了国内市场，成了能够替代进口的产品，卧式扩散炉与国外差距已很小。
随着中国半导体技术将蓬勃发展，立式扩散/氧化炉是8英寸深亚微米集成电路生产线的必备的重要设备之一，立式扩散/氧化炉将成为集成电路生产线主要设备。国外公司一直看着中国这个大市场，他们研究发展了立式扩散/氧化炉，现在能够提供适用于12英寸硅片工艺要求的产品，而且技术已经成熟。国内这方面研究起步较晚，加上各种因素，立式扩散/氧化炉目前与国外还有较大差距，一些设备制造单位正加快步伐，开发出能够适合市场需求的产品。
发展我国半导体集成电路及设备产业也有许多有利因素和不利因素：
1.在今后相当一段时间我国有着非常大的半导体集成电路市场需求；
2.在半导体设备研制经验方面已有几十年的历史，积累了许多经验；
3.现在我们有更多的途径与国外进行技术交流,学习先进技术；
4.我国制定了许多有利于高新技术发展的政策；
5.加入WTO加快了我们融入国际市场的步伐；
另外国外新旧设备对我们的市场冲击较大；我们设备总体技术水平比较落后，与工艺结合不够紧密等不利因素。
北京建中机器厂是我国电子工业专用设备行业的骨干企业，从成立之初至今长期从事半导体集成电路生产设备的开发、研究和制造，产品遍布全国。二十世纪六十年代中期就开始为我国条国产化半导体生产线生产成套设备。七十年代完成了国家“696”重点工程，为我国早期电子产品的发展做出了突出贡献。自八十年代起连续承担并完成了国家下达的“六五”、“七五”、“八五”、“九五”等大规模集成电路重点设备的科技攻关任务，包括国家“八五”、“九五”军用微电子科技攻关“9011”、“9711”工程的配套任务，开发出了大批集成电路及半导体专用设备，多次获得国家和电子部科技进步奖。
扩散炉是北京建中机器厂的重要设备，经过几十年的发展，现已发展为以程控炉、微控炉、LPCVD、卧式PECVD、特型炉（包括扩散炉衍生产品）等几大类几十个品种的产品，并将在今后推出适合当前集成电路工艺要求扩散炉产品。下面介绍一下已经成熟的扩散及相关产品：
(一)程控炉产品介绍
程控扩散炉主要供集成电
路、分立器件、微机械等生产线2″~8″硅片做扩散、氧化、退火、合金等工艺使用。设备标准配置由四个部分组成: 即控制柜 、扩散炉主机、净化工作台、气源柜。性能优良，操作便捷，结构紧凑，外型美观，用户可以根据自身工艺的需要自行选择配置。
主要特点：
1.使用进口智能控制器，具有PID自整定功能，可显示当前工艺参数和设备的工作状态，能对炉温、阀门进行自动控制，并管理全部工艺时序；
2.具有可编程的升、降温功能，可以很方便地设置和修改工艺曲线和控制参数；
3.具有超温报警、极限超温报警、报警安全保护功能；
4.可以存储多条工艺曲线，每条工艺曲线多有九步，曲线间可以任意链接、重复。
(二)微控炉产品介绍
微控扩散系统主要供集成电路生产线2″~6″硅片做扩散、氧化、退火等工艺使用。设备标准配置由五个部分组成：即控制柜 、净化工作台、送料装置、扩散炉主机、气源柜。技术先进，自动化程度高，结构紧凑、功能齐全。
主要特点：
1.自动化程度高，除装卸石英舟外，其余全部由微机控制；
2.采用PC总线工业控制主机，操作方便，具有良好的人机界面；
3.具有温区自动分布功能，只需配备自动分布测量热偶，便可以很方便地自动进行恒温区调整；
4.备有多种工艺管路，可供用户灵活选择；
5.采用集散控制技术，设备可靠性和抗干扰能力高；
6.软件系统功能齐全，可存储几十条工艺曲线，随意显示、修改各种工艺参数。
7.具有多种故障预警、报警、报警安全保护和故障自珍断功能。
(三)LPCVD设备介绍
设备主要用于2″~6″硅片淀积Si3N4（氮化硅）、SiO2（氧化硅）、poly-Si（多晶硅）、PSG（磷硅玻璃）薄膜工艺。设备由计算机控制柜、净化工作台、加热炉柜、真空排气系统、气路系统、源瓶柜等组成。
主要特点：
1.采用PC总线工业控制系统对温度及工艺过程进行自动控制，可按工艺需要编制工艺程序，完成工艺控制，自动化程度高；
2.反应室压力采用闭环控制，以保证控制系统压力；
3.气路采用VCR连接，保证系统气密性及安全操作；
4.具有严密的安全保护报警系统功能和故障自珍断、记忆功能。
(四)卧式PECVD设备介绍
设备主要用于4″~8″硅片上淀积Si3N4、 SiO2、poly-Si薄膜。
主要特点：
1.设备采用PC总线工业控制系统对温度及工艺过程进行自动
控制，可按工艺需要编制工艺程序，完成工艺控制，自动化程度高；
2.采用自动悬臂舟送料装置，悬臂舟与反应室内壁无接触而减少了颗粒的生成；
3.气路采用VCR连接，保证系统气密性及安全操作；
4.具有严密的安全保护报警系统功能和故障自珍断、记忆功能。
(五)四探针
我公司生产四探针的历史与扩散炉一样久远，先后生产过D41-5/ZM型，D41-5A/ZM型，D41-10型等多种四探针测试仪。采用微型计算机控制，全过程实现自动化的D41-10型四探针测试仪，具有较高的技术性能。目前生产的的产品是D41-11A型四探针测试仪，它采用工业控制微机进行数据测量和运算。结合了5A型和10型的优点，又注重实用性，具有较高的性能价格比。同时，新型全自动四探针已进入设计开发阶段。
四、结论
1.半导体集成电路、光电子、微机械和材料科学等的发展不断给专用设备行业提出新的课题，设备产业的发展要遵循可持续发展的战略；
2.半导体专用设备涉及多学科交叉，针对不同应用方向需要加强设备与工艺的协作；
3.伴随器件工艺的发展，设备也要随着发展，提高技术水平，加强市场竞争力；
4.着重开发适用于8英寸及以上的技术先进、功能完善、性能可靠的扩散/氧化设备。
本文摘自《国际电子材料》 |
