用于制造硅外延片的单片式外延炉的外延生长单元及应用技术领域
本发明涉及一种用于制造硅外延片的单片式外延炉的外延生长单元及应用。
背景技术
制造硅器件时为了降低硅器件的正向压降或导通电阻通常使用硅外延片代替硅
抛光片。硅外延片通常是通过化学气相沉积（CVD）在直拉（CZ）硅抛光片的表面生长一层一
定厚度和电阻率的硅单晶层的方法得到的。常用的硅外延生长气体包括氢气、三氯氢硅
（SiHCl3）、掺杂气体（包括磷烷、硼烷等），反应方程式为：SiHCl3+H2=Si+3HCl，由于硅外延片
制造过程中反应生成的硅既在硅片的抛光表面沉积（变成单晶硅），也在外延炉的石英CVD
反应腔的内表面和石墨基座表面沉积（变成多晶硅）。每加工一片或几片硅外延片就要用氯
化氢气体将石英CVD反应腔的内表面和石墨基座表面沉积的多晶硅腐蚀掉，否则会在硅外
延层中产生大量被称为“包裹物”的缺陷，沉积在石墨基座正上方的石英CVD反应腔的内表
面的多晶硅尤其容易导致“包裹物”缺陷。在加工外延层厚度大于50µm的厚外延片时，每加
工一片外延片就要用氯化氢气体将石英CVD反应腔的内表面和石墨基座表面腐蚀一次。加
工厚外延片时，氯化氢腐蚀时间在总的生产时间中占比约为30%。石英CVD反应腔的内表面
的温度越高，多晶硅沉积的速度越快，氯化氢腐蚀时，去除多晶硅的速度也越快。为了减少
多晶硅沉积，在外延层生长过程需要尽可能降低石英生长腔内表面的温度；为了减少氯化
氢腐蚀时间，在氯化氢腐蚀过程中要尽可能升高石英生长腔内表面的温度。使用传统的单
片式硅外延炉加工外延片，尤其是加工厚外延片时，这相互矛盾的条件很难同时满足。
发明内容
为了克服现有技术的不足，本发明提供了一种用于制造硅外延片的单片式外延炉
的外延生长单元及应用。
一种用于制造硅外延片的单片式外延炉的外延生长单元，其主体从上到下依次设
有冷却腔，CVD反应腔，密封柄；左右分别设有生长气进气口法兰，生长气出气口法兰；前后
分别设有压缩空气进气口，压缩空气出气口。
所述的CVD反应腔的长度l1为350-450mm、宽度l3为240-340mm、高度h1为40-50mm，
冷却腔的长度l4为300-420mm、宽度l2为320-420mm、高度h2为20-40mm，外延生长单元的材料
为高纯石英。
一种采用所述的外延生长单元的用于制造硅外延片的单片式外延炉，从左到右依
次设有：炉门、硅片盒升降电机、机械手、外延生长气导入组件、外延生长单元、外延生长废
气收集组件、外延生长废气排气管、外延生长气体阀组；在硅片盒升降电机的上方放置硅片
盒；在机械手的下方设有机械手电机；在外延生长单元的上方从上到下依次设有排风管、风
机、风管、辐射高温计、卤钨灯组加热器；在外延生长单元的下方从上到下依次设有基座旋
转轴、高频感应线圈、冷却水槽、基座旋转电机；在外延生长单元内从左到右依次设有前导
流板、石墨基座、后导流板、外延基座的硅片槽放置硅片。
所述的高频感应线圈，形状为螺旋形，直径d1为220-320mm。
所述的卤钨灯组加热器，直径d2为280-380mm，灯泡为卤钨灯泡，每个灯泡的功率
为1500-2500kw，灯泡数量为20-30只。
本发明的有益效果：
通过独特的外延生长单元设计，在外延层生长过程中可以尽可能降低石英生长腔内表
面的温度以减少多晶硅沉积，在氯化氢腐蚀过程中要尽可能升高石英CVD反应腔内表面的
温度以提高氯化氢腐蚀的反应速度、减少氯化氢腐蚀工序的时间。氯化氢腐蚀的反应速度
可以提高约30%，加工厚外延片时，氯化氢腐蚀时间在总的生产时间中的占比从传统外延炉
约为30%.降为4%-6%，另外氯化氢消耗量降低60%-80%，生产效率提高20%-25%。
附图说明
图1是本发明的用于制造硅外延片的单片式生长炉；
图2是外延生长单元主视图；
图3是外延生长单元俯视图；
图4是外延生长单元左视图；
图5是外延基座及前导流板和后导流板主视图；
图6是外延基座及前导流板和后导流板俯视图；
图7是感应线圈俯视示意图（一）；
图8是感应线圈主视示意图（二）；
图9是卤钨灯组加热器示意图；
图10是传统硅外延炉的外延生长单元及主要附属设备示意图；
图中，硅片盒升降电机1、硅片盒2、炉门3、机械手电机4、机械手5、外延生长气导入组件
6、前导流板7、排风管8、风机9、风管10、辐射高温计11、外延生长废气排气管12、外延生长气
体阀组13、卤钨灯组加热器14、外延生长单元15、硅片16、石墨基座17、外延生长废气收集组
件18、高频感应线圈19、进水管20、密封圈21、基座旋转轴22、基座旋转电机23、冷却水槽24、
生长气进气口法兰25、冷却腔26、生长气出气口法兰27、CVD反应腔28、密封柄29、压缩空气
进气口30、压缩空气出气口31、硅片槽32、后导流板33、支撑槽34、固定柄35、冷却风进口36、
上卤钨灯组加热器37、CVD反应腔38、硅片39、石墨基座40、基座转轴41、下卤钨灯组加热器
42、基座旋转电机43、卤钨灯泡44。
具体实施方式
如图1、5、6所示，一种用于制造硅外延片的单片式外延炉，从左到右依次设有：炉
门3，硅片盒升降电机1，机械手5，外延生长气导入组件6，外延生长单元15，外延生长废气收
集组件18，外延生长废气排气管12，外延生长气体阀组13；在硅片盒升降电机1的上方放置
硅片盒2；在机械手5的下方设有机械手电机4；在外延生长单元15的上方从上到下依次设有
排风管8，风机9，风管10，辐射高温计11，卤钨灯组加热器14；在外延生长单元15的下方从上
到下依次设有基座旋转轴22，高频感应线圈19，冷却水槽24，基座旋转电机23；在外延生长
单元15内从左到右依次设有前导流板7，石墨基座17，后导流板33，外延基座17的硅片槽32
放置硅片16。
如图2所示，所述的外延生长单元15，其主体从上到下依次设有冷却腔26，CVD反应
腔28，密封柄29；左右分别设有生长气进气口法兰25，生长气出气口法兰27；前后分别设有
压缩空气进气口30，压缩空气出气口31。
如图2-4所示，所述的CVD反应腔28的长度l1为350-450mm、宽度l3为240-340mm、高
度h1为40-50mm，冷却腔26的长度l4为300-420mm、宽度l2为320-420mm、高度h2为20-40mm，外
延生长单元15的材料为高纯石英。
如图7-8所示，所述的高频感应线圈19，形状为螺旋形，直径d1为220-320mm。
如图9所示，所述的卤钨灯组加热器14，直径d2为280-380mm，灯泡为卤钨灯泡44，
每个灯泡的功率为1500-2500kw，灯泡数量为20-30只。
实施例
现在常用的单片式硅外延炉的外延生长单元及主要附属设备如图10所示，从上到
下依次设有冷却风进口36，上卤钨灯组加热器37，CVD反应腔38，硅片39，石墨基座40，基座
转轴41，下卤钨灯组加热器42，基座旋转电机43。上卤钨灯组加热器37和下卤钨灯组加热器
42分别包括多个卤钨灯泡44。在硅外延层生长过程中由冷却风进口36向位于石墨基座40正
上方的CVD反应腔38的上外表面吹冷却风，由于冷却风的反射作用，这种风冷方式，不能有
效降低石墨基座40正上方的CVD反应腔38的内表面的温度，多晶硅的沉积速度较快。在加工
外延层厚度大于50µm的厚外延片时，每加工一片外延片就要用氯化氢气体将石英CVD反应
腔38的内表面和石墨基座表面腐蚀一次，以使外延层中产生的“包裹物”缺陷的密度消除或
减少到满足用户的要求。由于上卤钨灯组加热器37需要不停地吹冷却风，在通氯化氢腐蚀
CVD反应腔38内表面时，不能有效地提高其内表面的温度以减少氯化氢腐蚀的时间，难以提
高单片外延炉的生产效率和减少氯化氢的消耗。下卤钨灯组加热器42的使用也增加了外延
炉的复杂程度，增加了维护的困难和更换卤钨灯的成本。
如图1所示，本发明一种用于制造硅外延片的单片式外延炉相对于传统的单片式
硅外延炉设计了如图2-4所示的外延生长单元15，在石墨基座正上方设有冷却腔26，冷却腔
26的两端分别设有压缩空气进气口30和压缩空气出气口31。在外延层的生长过程中压缩空
气从压缩空气进气口30进，从压缩空气出气口31出，进入冷却腔26后转为压力接近于常压
的高速空气流，从而石墨基座正上方的CVD反应腔28内壁被有效地冷却，多晶硅的沉积速度
大大降低，在加工外延层厚度大于50µm的厚外延片时，每加工3-5片外延片才需要用氯化氢
气体将石英CVD反应腔的内表面和石墨基座表面腐蚀一次。由于风机9有通风冷却卤钨灯组
加热器14，在通氯化氢腐蚀CVD反应腔28内表面时，冷却腔26中可以停止通压缩空气以提高
CVD反应腔28内表面的温度，进而提高氯化氢腐蚀的速度，显著减少氯化氢腐蚀的时间和氯
化氢的用量。氯化氢腐蚀的反应速度可以提高约30%，加工厚外延片时，氯化氢腐蚀时间在
总的生产时间中的占比约为4%-6%，氯化氢消耗量降低60%-80%，生产效率提高20%-25%。
外延生长单元15下部的加热方式采用如图7、图8所示的螺旋形高频感应线圈19加
热，高频感应线圈19和外延生长单元15的下半部分浸泡在冷却水槽24中的冷却水中，彻底
解决了外延生长15的下半部分内表面多晶硅沉积的问题。本发明设计结构简单，大大降低
了外延炉的复杂程度，降低了设备维护的难度，节省了更换卤钨灯的成本。