Устройство для осаждения слоев из газовой фазы Советский патент 1984 года по МПК C30B25/08 

Изобретение относится к аппаратам, для осуществления технологических процессов получения пленочных полупроводниковых материалов и преимущественно касается устройств для газофазного осаждения кремниевых эпитаксиальных слоев.

Известно устройство для осаждения слоев из газовой фазы, содержащее водоохлаждаемую, кварцевую, колпаковую камеру со средствами ввода и отвода газов, установленный в ней подложкодержатель и располагаемый снаружи индуктор ВЧ-нагрева 1.

Недостаток известного устройства состоит в том, что вследствие дефицита и высокой стоимости кварцевых труб больщого диаметра производство эпитаксильных структур на подложках большого (76, 100, 150 мм) диаметра ограничено. Размещение в 1500-мм кварцевых трубах установок УНЭС-2ПВМ подложкодержателей под подложки больщого диаметра неизбежно сопряжено с уменьшением количества загружаемых пластин и, следовательно, производительности промышленного оборудования. При этом максимальный диаметр загружаемь1х подложек составляет 60 мм.

Известно устройство для осаждения слоев из газовой фазы, содержащее водоохлаждаемую, металлическую камеру со средствами ввода и вывода газов с размещенным в ней полым подложкодержателем и установленным в нем кварцевым защитным колпаком с индуктором ВЧ-нагрева. Данное устройство находит широкое применение на практике, положено в основу конструкции серийных промышленных установок и является базовой моделью для создания новых типов оборудования для получения пленочных полупроводниковых материалов на подложках больщого диаметра 2.

Однако данное устройство обладает существенным недостатком, заключающимся в повышенном, по сравнению с кварцевыми камерами уровне брака продукции по качеству поверхности эпитаксиальных слоев. Указанный недостаток присущ всем типам известных устройств с металлической реакционной камерой и обусловлен более высокой теплопроводностью металла по сравнению с кварцем, что приводит к снижению температуры поверхности камеры контактирующей с парогазовой смесью в зоне осаждения. Это в свою очередь вызывает понижение температуры парогазовой смеси вблизи стенок камеры до 100-200°С, при которых гомогенные химические реакции в газовой фазе смещаются в сторону преимущественного выделения полихлоридов. Образующиеся в результате гомогенных реакций (Hg + Bi + остаточные пары в исходном HI) полихлориды, попадая в виде мелкодисперсных частиц на поверхность кристаллизации являются источником дефектообразования (дефекты упаковки, пирамиды, трипирамиды, макродефекты и т. д.). Это приводит к тому, что эксплуатация металлических камер сопровождается повышенным уровнем брака эпитаксиальных слоев по кристаллическому сошрщенству и качеству поверхности. Аналогичные-процессы происходят и в кварцевых реакционных камерах, но ввиду малой теплопроводности кварца температура ПГС у поверхности стенок камеры в зоне осаждения составляет

400-600°С и вероятность образования и концентрация полихлоридов в этом случае много меньше, чем в металлической камере.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является устройство для осаждения слоев из газовой фазы, включающее водоохлаждаемую камеру, полый подложкодержатель, расположенный в камере, индуктор, установленный в защитном колпаке внутри подложкодержателя, тепло0 изоляционный экран, размещенный у внутренней стенки камеры и средства ввода и вывода газа. Теплоизоляционный экран выполнен в виде набора кварцевых трубок или пластин с вакуумированными внутренними полостями, заполненными керамическим волокном с плотностью набивки 50 - 150 кгс/смз 3.

Известное устройство имеет ряд недостатков. Регулировать теплоотвод в нем нельзя, так как с повышением температуры эпи,. таксии температура поверхностного слоя теплоизоляционного экрана (трубок) контактирующего ПГС может только повышаться, а с понижением температуры эпитаксии только понижаться В связи с этим невозможно перейти без ухудшения качества от

5 использования SiC на SiHCIj или SiHjClj. Известное устройство имеет невысокую прочность и надежность, обусловленные применением сравнительно хрупких элементов (кварцевые тонкостенные трубки или пластины).

0 Цель изобретения - повышение качества осажденных слоев за счет обеспечения регулируемого теплоотвода.

Указанная цель, достигается тем, что в устройстве, включающем водоохлаждаемую

, камеру, полый подложкодержатель, расположенный в камере, индуктор, установленный в защитном колпаке внутри подложкодержателя, теплоизоляционный экран, размещенный у внутренней стенки камеры, и средства ввода и вывода газа, теплоизоля0 ционный экран выполнен в виде кольцевой камеры, соединенной со средствами подачи газообразного теплоносителя и вакуумной откачки и выполненной с внутренней стенкой, имеющей участки конического сужения по высоте подложкодержателя и расщире5 ния, соединенные между собой под тупым углом.

На чертеже представлено устройство, разрез, обший вид.

Устройство имеет реакционную водоохлаждемую металлическую камеру 1 с водяной рубашкой 2, снабженную средствами ввода (показано стрелками) и вывода газов - патрубком 3, пропущенным внутри индуктора 4 и приваренным в верхнем торце защитного кварцевого колпака 5. В камере 1 коаксиально один в другом размещены индуктор ВЧ-нагрева 4 в защитном кварцевом колпаке 5 и подложкодержатель 6, выполненный в виде полого графитового цилиндра или многогранной призмы. У внутренней боковой стенки камеры 1 установлен теплоизоляционный экран, выполненный в виде герметичной кольцевой камеры 7, имеющий протяженность больще высоты подложкодержателя 6. Кольцевая камера 7 соединена патрубками 8, снабженными регулирующими вентилями 9 с магистралями подачи газообразного теплоносителя, например азота и вакуумной откачки (показано стрелками). Подложки 10 устанавливают на подложкодержателе с подставкой. Средства вращения подложкодержателя не показаны.

Внутренняя стенка кольцевой камеры 7 выполнена в виде термокомпенсатора и имеет участок конического сужения по ходу потока парогазовой смеси, охватывающий рабочую зону осаждения и следующий за ним участок конического расширения, находящийся выше верхнего торца подложкодержателя 6, т. е. вне (выще) рабочей зоны осаждения. Протяженность (высота) герметичной кольцевой камеры 7 выбирается в 1,2-2 раза больше высоты подложкодержателя 6.

Устройство работает следующим образом.

На подложкодержатель 6 загружают подложки 10, камеру 1 герметизируют, нагревают с помощью индуктора 4 подложкодержатель 6 и при подаче соответствующих реагентов ведут операции, входящие в регламент эпитаксиального процесса. При этом перед началом высокотемпературных операций (отжиг, газовое травление), с помощью регулирующих вентилей 9 устанавливают и поддерживают в течение всего технологического цикла оптимальный расход азота или оптимальную степень разрежения в герметичной кольцевой камере 7, что обеспечивает поддержание температуры поверхности стенки камеры, контактирующей с парогазовой смесью в зоне осаждения на уровне, исключающем образование полихлоридов.

Таким образом, герметичная кольцевая камера 7 является теплоизолятором с управляемо-регулируемым теплоотводом. Это позволяет при любой заданной температуре подложкодержателя 6 обеспечить оптимальную « 500°С температуру ПГС у стенки камеры в зоне осаждения, причем ее регулирование сводится к изменению с помощью вентилей 9 расхода азота или степени разрежения, т. е. теплопроводности кольцевой герметичной камеры 7 в целом, а выбор необходимых расходов (разрежений) легко осуществляется опытным путем. Выполнение кольцевой камеры 7 с высотой больше высоты подложкодержателя 6 позволяет с гарантией обеспечить заданную температуру стенки камеры по всей высоте рабочей зоны осаждения. Выполнение стенки кольцевой камеры 7, контактирующей с парогазовой смесью, с участком конического сужения,

0 соответствующим рабочей зоне осаждения, и участком конического расширения вне рабочей зоны, с сопряжением между указанными участками под тупым углом или скруглением позволяет скомпенсировать изменение линейных размеров полости за счет температурных коэффициентов расширения, а также понизить влияние эффекта объединения состава смеси по высоте зоны осаждения. Это с одной стороны повышает прочность и надежность конструкции устройства,

0 а с другой, стороны способствует повышению качества слоев за счет снижения разброса электрофизических параметров в партии одновременно наращиваемых структур при уменьщении расхода водорода. Надежность конструкции предлагаемого устройства обес печивается также тем, что только часть боковой стенки камеры 1 выполнена в виде герметичной кольцевой камеры 7. Это исключает подгорание прокладок уплотнения располагаемых по нижнему торцу камеры 1. Предлагаемое устройство имеет более

0 мобильную конструкцию, так как обладает не пассивным, как в известном, а управляемо-регулируемым теплоотводом и его легко перестроить на оптимальный режим, например, при необходимости изменения темпера5 эпитаксии при переходе от использования SlC на SiHClj или . Аналогично в рамках эпитаксии из SiCl в настоящем устройстве простым изменением расхода газа или давления в кольцевой полости можно обеспечить оптимальную (постоянную) температуру стенки, контактирующей с ПГС при любой необходимой (1200-

1270°С) температуре эпитаксии.

Были проведены испытания настоящего устройства.

Сопоставление результатов по 20 проведенным в известном (базовом) и настоящем устройствах процессам осаждения показало:

брак по качеству поверхности слоев (вкрапления, растравливание, риски и т. д.) ниже на 12% в настоящем устройстве по сравнению с серийным;

однородность толщины слоев наращенных в настоящем устройстве выше, чем в серийном и разброс толщины слоев в партии 5 не превышает .

Таким образом, настоящее устройство позволяет повысить качество и выход годных структур в металлических реакционных

51089181

камерах. Устройство легко реализуется нацию установки, т. к. стенки камеры, конбазе серийных реакторов установок УНЭС-тактирующие с ПГС практически не загряз2ПКА. Устройство позволяет улучшить ус-няются полихлоридами и число протирок ЛОБНЯ роста слоев и облегчает эксплуата-реактора уменьшается.

УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОСАЖДЕНИЯ СЛОЕВ ИЗ ГАЗОВОЙ -ФАЗЫ, включающее водоохлаждаемую камеру, полый подложкодержатель, расположенный в камере, индуктор, установленный в закрытом колпаке внутри подложкодержателя, теплоизоляционный экран, размещенный у внутренней стенки камеры, и средства ввода и вывода газа, отличающееся тем, что, с целью повыщекия качества осажденных слоев путем обеспечения регулируемого теплоотвода, теплоизоляционный экран выполнен в виде кольцевой камеры, соединенной со средствами подачи газообразного теплоносителя и вакуумной откачки и выполненной с внутренней стенкой, имеющей участки конического сужения по высоте подложкодержателя и расширения, соединенные между собой под тупым углом.