Устройство для непрерывного осаждения слоев из газовой фазы Советский патент 1980 года по МПК B01J17/32 

1

Изобретение относится к устройствам для непрерывного осаждения слоев из газовой фазы и может быть использовано в полупроводниковой и электронной технике.

В известных устройствах для осаждения слоев подложку обычно помещают внутрь реактора, например колокола, и герметизируют с последующим проведением осаждения. В некоторых реакторах можно провести несколько операций путем пропускания подложки через различные участки реактора. Однако, в этом случае, герметизация реакционной камеры нарушается, а газы, используемые в осаждении, перед открытием реактора должны быть удалены. Кроме того, если в процессе проводится несколько операций в той же камере, эту камеру перед каждой следующей операцией необходимо продувать или материалом, используемым в предьщущей операции, в результате чего процесс не может быть., непрерывным. Кроме того, расходуется время на промывку камв15ы, на открывание камеры для извлечения обработанных подлжек и для закладки необработанных

подложек в камеру для повторения процесса осаждения.

Известно устройство для непрерывного осаждения слоев-из газовой фазы, содержащее горизонтальный реактор в виде соединенных между собой камер предварительного, нагрева, осаждения слоев, охлаждения и торцовых камер газового уплотнения. Внутри реакт.ора установлена подставка с подложкодержателем и подложками с возможностью перемещения через камеры. Устройство снабжено нагрева- телём подложек и патрубками для ввода и вывода газов 1.

Устройство не обеспечивает полного разделения газов между соседними камерами.

Целью изобретения является улучшение газовой изоляции одной камеры от другой.

Для достижения этой цели устройство снабжено стыковыми узлами, установленными между камерами, причем патрубки соединены с этими узлами.

Кроме того, подставка для подложкодержателя с подложками установлена по оси реактора и делит его на верхнюю и нижнюю части, а подложка расположена рабочей поверхностью вниз. Стыковые узль- имеют центральную камеру для ввода и вывода газов с вяз KOCTHfcJM уплотнением по обе стороны от камеры. Стыковой узел моЯсат соде жать две или более камер, разделеннйх вязкойтным упл0тне нйем(. Устройство может содержать более одной камеры осаященйя, реактор выйбЛйей в видё к арцёвь труВГсоединенных стыковыми узпами.На фигЛ покйтэайо схематично Лред лагаемое устройство с воеьмикамерныМ реактором; на фиг.2 - подставка с по ложкЬдерЖсТелэЛ и подложками; на, фиг 3 - стыковый узел на входе в первую камеру реактора, поперечный разрез; на Фиг,4 - втбрая камерА реактора и два стыкбйых узла, соединяющих ее с первой и третьей камерами, допереч ный разрез; на фиг. 5 - камера реактора и два стыковых узла, ссэединягащих ее с и пятой l wrV ilonepёчный разрёз1 на фиг б - шестая.камера реактора и два стйковых узла, срединяюцих ее с .; :й сёльм6й 1 ШерамйГпоп реч разрез; на фиг.7 - восьмая камера реактора и два стыковых уз1ла, один Hia которых соединяет её сседьмой камёрбйр а другой обрй Эу;ёт в а; рД из реактора, поперечный разрез; на фиг 8 - Д|1аграмма давления газов по длине реактора; на фиг.9 - функциональная Схема ортанов управления |5 егуяи зу1ацйх поток газо в , входящих в реактор; на фиг Л О - функцио нальиая схема ввода и вывода газов из реактора, подсоединенного к схеме йравлейия, показанной на фиг.9; на фиг.11 - то же, -Другой в ариант. УСТРОЙСТВО (фигЛ) содержит реактор, имеющий восемь камер 1-8, сое дййённых стыками 9-17. Всостав этих восьми камер входит камера 1 азртно гб уплотнения, к амера 2 предваритель ного 11агрева, четыре камеры 3j-6 осаж дения, камера 7 охлаждения камерй 8 .азотного уплотнения. Подачу газа . осущёствляют по патрубкам 18 для дву различных процессов осакдения, газы MbifVT быть направлены в любую из четырех камер осаждения. КаМёры нагр вают посредством узла 19. - По оси реактора установлена подставка 20 (фиг. ётРбГкаверхнюго н ййжнювГ части. Пбдложкодержатель 21 имеетоткрытое со дна отверстие, в которое зак. ладывают подложку 22 и крышку 23, ° уклЖщлваемую поверх прдлржкй.,С ажДС1Й стороны подл&жк одёр атёЯя выпол нёШ гГром ж5Ягочн ые эл ементы 24 . Под; лд:ккОДержатель и промежуточные элементы переминаются через реактор 1§К7 чт6, когда йакая-лийсэ подложка останавливается в камере, други е йрдложк й в реакторе также ЪказыЪагот Сяв камерах. Носитель разделяет

,

д. л ., - , t реактор на верхнюю и нижнюю части. Осаждение происходит в нижней части, а в верхнюю камеру вводится защитный газ. Подложкодержатель 21 и проме.жуточные 24 перемещаются в реактор на подставке 20 через отверстие 25 в первом стыке. Отверстие 25 обеспечивает уплотнение реактора. Вязкбстныёсвбйства газа внутри камер предотвращают вход атмосферы в камеры через входное отверстие реактора. ,:..-, . ... . ,. На фиг.3-7 показан более детальн6 реактор с пятью типами стыков, разделяющих камеры. Стыки симметричньл относительно центрального стыка ЛЗ. Торцовые стыки 9 и 17 содержат два газовых уплотнения {одно сверху, другое снизу). Стыки 10-16 с эдержат по четыре тазовых уплотнения каждый. Стык 13 содержит восемь таких уплотнений. Стыки 9 и 17 предназначены для создания вязкостного перепада давления межДу камерой с азотом и атмосферой. Перепад давления, во-первых, обеспечивает демпфер против, крлебаний Давления в результате турбулентности комнатного воздуха, наиболее высокие колебания давления комнатного воздуха составляют 0,005 мм рт.ст., размеры стыка и скорость потока газов подбирают такими,чтобы обеспечить между азотным уплотнением и атмосферой перепад давления порядка О,050 мм рт.ст.(эта величина выше колебаний давления комнатного воздуха, что эффективно влияет на турбулентнрсть комнатного воздуха); во-вторых обес11ечив аетея Достаточно длинный, участок для данной выходной скорости с тёй7 чтобы встречную диффузию врздуха в азот до приемлемо низкого уровня. Диффузия, направленная навстречу ламинарному потоку, выражается в снижении концентрации диффундированных частиц, что является отрицательной показательной функцией фактора изоляции, Определяемого как произведение объемной скорости потока и длины уплотнения, разделенное на произведение площади . попёрШчного сечения и к;озффициент диффузий.. Если этот фактор равен, йапример, 20, то снижение концентрации (эффективная изоляция) составит 5/1Q. Размеры уплотнения и скорости потока газа подбираются такими,чтобы фактор изоляции был достаточно высоким.; . ..,. ..., .,: . „,г . : V : Этоотносится КО всем другим вязKOCTHbiM уплотнениям,даже если стыкифизически более сложны и входят в контакт с другими газами.Выходы из каждого стыка не должны блокироваться,чтобы они могли работать при давлении, близком к атмосферному, благодаря чему, на камеры йё влияют измерения в объемной скорости потока и температуры в смежной камере, Таким образом камеры изолируются одна от другой вязкостными уплотнениями, а отдельные выходы могут быть объединены в общий выходной коллектор.

Стыки 10 (фиг,4) и 16 (фиг.7) имеют по два входа как сверху, так и снизу, и выход по центру. Они позвол ют вводить в смежные камеры разные, но совместимые газы. Газы должны быть совместимы, поскольку они .проходят в выход по центру. Вязкостные уплотнения предотвращают сообщения между этим выходом и камерами.

Стык 11 (фиг,4) и стык 15 (фиг.6) .являются только выпускными стыками. Они выпускают основную часть потока из камеры предварительного нагрева и камеры первого осаждения или из. камеры охлаждения и камеры последнего осаждения. Стык 11 служит для выпуска газов из камер 2 и 3,а стык 15 для выпуска газов из камер 6 и 7.

Стык 12.(фиг.5) и стык 14 (фиг.6) аналогичны стыкам 10 и 16, за исключением того, что каждый имеет единственный вход сверху. Нижняя часть каждого этого стыка позволяет осущесвлять независимый выбор между двумя соседними камерами осаждения. Стык 12 обеспечивает раздел входов в камерах 3 и 4, а стык 14 - раздел входов в камеры 5 и 6.

Стык 13 (фиг,5) имеет особую конструкцию. Его назначением является изоляция выпускаемых газов во второй камере 4 осаждения от выпускаемых газов в третьей камере 5 осаждения. Это позволяет проводить процессы осаждения в смежных камерах, когда газы несовместимы. Центральный вход предназначен для газа, который является совместимым в обоих процессах осаждения. Левый выход стыка 13 направлен в коллектор, который является общим для всех выходовс левой стороны реактора. Этот выход направлен в средства сжигания. Правый вы-, ход стыка 13 направлен в коллектор с правой стороны реактора, где он имеет свои средства сжигания.

Правильным подбором размеров уплотнений и объемов впускаемых пото ков можно регулировать давление во всей системе.

Давление в системе измеряют емкосным мансметром, который может быть установлен в любой части этой системы, он сообщается с атмосферным давлением (фиг.2),

Давление газа в каждой камере обе печивает изолированность камер. Пунктирными линиями отмечено давлени газа в верхней части камеры, а сплошными линиями - различные давления по всему реактору в нижней части каждой Кс1меры. Горизонтальный участок давлений соответствует схеме

устройства непосредственно под графиком давлений. Относительно большие изменения давления имеют место на газовых уплотнениях в.стыках. Внутри камер происходят очень небольшие изменения давления. Давление всей системы регулируют соответствующим подбором зазоров в стыках и скоростей потоков газов. Можно заметить, что давление, в азотных уплотнениях выше атмосферного, что исключает вход в реактор окружающей среды снаружи камеры. Устройство выполнено с каналами 26.

Камеры 2-6 нагреваются посредством узла 19, который включает в

5 себя кварцевые лампы (нагреватели) 27 и средства 28 для водяного охлаждения и 29 для воздушного. На каждой стороне стыков ГО-15 выполнены каналы 30 охлаждения, через

0 которые может направляться охлаждающий воздух для удаления тепла из стыков. Сами камеры выполнены из кварцевой трубки, которая соединяет стыки. Эти трубки уплотнены силиконовым каучуком 31, предотвращаю5щим утечку газа из стыков в охлаждающие к ана:лы 30 и в наружную атмосферу.

Система подачи газа для реактора показана на фиг.9. Устройство имеет

0 две газопроводные системы I и П, которые можно подвести к любой из четырех камер для осаждения посредством клапанов 32-34. В нерабочем положении газопроводная система 1

5 подведена к двум центральным камерам осаждения через трубопроводы 35 и 36.

Срабатывание клапана 33 обеспе0чивает подачу газа через трубопровод 37, а срабатывание клапана 34 обеспечивает подачу газа через трубопровод 38, При срабатывании клапана 32 (без клапанов 33 и 34) газ из систе5мы Г идет только в трубопровод 36. Из системы П газ идет в трубопровод 35, Для увеличения количества камер осаждения могут быть приведены в действие, как и раньше, клапаны 33 и (или) 34. При помощи клапанов

0 39-42 и 43-46 подводят реакционные газы либо в систему 1, либо в систему И.

При работе используется следующая четырехступенчатая последова5тельность запуска.

На первой ступени приводится в действие клапан 47, при помощи которого азот подается через все части реактора и газовой системы.

0 Клапаны 32-Г-42 и 43-46 приводятся в действие от того же источника энергии, что и клапан 47.

На второй ступени вкл7ючают клапаны 48,49 и/или 50 (если они пред5варительно установлены) в результате чего водятся вЬдОрод & kSSiepy осаж ния и смежные с ней стыки,Если в си ме I в качестве газа-носителяиспол зуется од, то камера предварительного нагрейа и две верхние каме осаждения содержат водород. Если водород используется в с.истёме И, то камера охлаждения и последние две верхние камеры/ а также централ . ная проре э ь в выпуск ном етйК и т акже будут продуваться водородом. В это .время могут быть подключены охлаждающий вОэду И а тгакже нагреватели 27. На третьей с уйейи включаютклапаны 51-58, в результате чего обеспечивается подвод определенного реакционного газаУ используемого в процессе осаждения. В этом время включаются в работу клапаны 59,60 и (или 61). Газы отводитея.нёпосред ственно для сжигания, На четвертой степени реакционные Газы направляются в поток газа-носи теля. В это время включают клапаны 6266 и 67-69 (это нормальная последовательность запуска). . . На каждой ступени вьтолнёны соо ветствующие средства защитной блоки ровки. После запуска рэактораон ра ботает стабильно с перемещением носителей через разные периодические интервалы. На фиг.10 приведена функциональна СхёйЖ-рёакторау иллюстрирующая различные направления потока газа в стыках. Всё стрелки, отходящие от ст ков, обозначают в;ь1Ходы газа из . Каналы длявпуска газа направлены на выход системы регулирования (фиг.9). Все стыки, изображенные на фиг.10, летально показаны на фиг 3-7, Как отмечалось раньше, выпуск.ные каналы из каждой половины реак,тора в йыпуск Hai сжигание. Следует бтйетйть, чтб распЬложение стыков (фиг.10) может использоваться с системой подачи газа (фиг. 9) и может йспбльзоватбся для-двухпроцессного реактора с индийидуальнь регулированием четьзрех камер осаждения. В зависимости от производи тельйости реактора стыки можно распо ложить иначе, чем это изображено на фиг.10. Можно добавить дополнительны стыки; как это показано, например, на фиг. 11. Здесь для впуска вместо выпуска используют стыки 11 (см.фиг в результате чего устраняется лишний центральный выход между трубопровода ми 36 и 38 (фиг.10), если оба входа имеют то же самое строение и их (3кенность соответствует времени процесса осаждения для данной пропускной способности. Возможны и другие варианты расположения стыков, а также соответствующие модификации системы подачи газов в отличие от изображенных на фиг.9-11, При использовании устройства принимается решение, какие осаждения должны наноситься на подложку и в каких камерах. Клапаны в системе регулирования устанавливают на желаемые скорости потоков, Благодаря эффективной изоляции различных камер потоком газов непрерывный последовательный ряд подложек может перемещаться через реактор с обеспечением непрерывного процесса. Системы могут быть приспособлены к любому коли;чгеству или любым комбинациям процессов химического парофазного осаждения, включая осаждение эпитаксиального слоя, поликристаллического кремния, окислов или металла путем подбора количества, порядка и длины камер с использованием соответствующих газов, температур в камерах и времени для данного процесса. Устройство для непрерывного осаж- дения обеспечивает эффективную изоляцию различных камер, так что в смежных камерах можно использовать нёсовмеетймые газы и одновременно выполнять различные процессы осаждения. Реактор может быть модифицирован изменением моделей с различными камерами и стыками. Эта гибкость обеспечивает реакционную камеру, в кото- . рой подложки могут непрерывно обрабатываться при любом количестве процессов и комбинаций операций. Каждая камера выполнена из кварца, ее можно снять для очистки и заменить, что предотвращает износ всего реактора. Формула изобретения 1,Устройство для непрерывного осаждения слоев из. газовой фазы, содержащее горизонтальный реактор, имею1цйй соединенные , между собой камеры предварительного .нагрева, осаждения слоев, охлаждения и камеры газового уплотнения, подставку для подложкодёржателя с подложками, установленную внутри реактора с возможностью аксиального перемещения через все камеры, Нагревали и патрубки для ввода и вывода газов, отличающее с я -тем, что, с целью улучшения газовой изоляции одной камеры от другой, устройство снабжено СТЫКОВБГМИ узлами, установленными между йамерами, причем патрубки для ввода и вывода газов соединены с указанными стыковыми узлами. 2.Устройство по п,1, отличающееся тем, что подставка для подложкодёржателя с подложками установлена по оси реактора и делит его на верхнюю и нижнюю части.

3.Устройство поп.1,отличающеес я тем, что стыковые узлы имеют центральную камеру для впуска или выпуска газов с вязкостным уплотнением по обе стороны от этой центральной камеры,

4.Устройство по п.З, о. т л и чаю1деес я тем, что стыковые узлы имеют две или более камер, разделенные вязкостным уплотнением.

5. Устройство по п,1, о т л ичающеес я тем, что реактор выполнен в виде кварцевых труб, соед;иненных стыковыми узлами.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1. Патент США 3598082, кл,118-48, 10.08,71 (прототип).

/7

t8

l/

13

I f

. .-if/i;;: .

.

F

tf

dx

23 2 4 /

%

ГГТ

3

///777/7,

Фиг 5 Щ

720996 Tft /f /J Фиг. В ,

ijr.riiritnir r-iir

иг. fO в9 Т57 TV T4f Т T-f3 ys, V./ - III L ,,,