CH666140A5 - Reattore epitassiale con campana di quarzo e suscettore di grafite. - Google Patents
Reattore epitassiale con campana di quarzo e suscettore di grafite. Download PDFInfo
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Description
DESCRIZIONE
La presente invenzione riguarda un reattore epitassiale secondo il preambolo della rivendicazione 1, ossia un'apparecchiatura che serve per coprire substrati di diversi materiali tramite crescita epitassiale per deposizione da fase vapore: si tratta in particolare della deposizione epitassiale di silicio monocristallo su substrati o fette di silicio per la fabbricazione di dispositivi semiconduttori.
La crescita epitassiale su fette di silicio è un processo che avviene tra i 900°C e 1250°C in flusso di idrogeno e di altri gas utilizzando un suscettore di grafite ricoperto con strati impermeabili ai gas e che non reagiscono con gli stessi, detti strati tipicamente realizzati in carburo di silicio, sul quale sono appoggiati i substrati; la crescita avviene sul fronte dei substrati a contatto coi gas.
Il suscettore, di forma tronco-piramidale con diametro di 300 mm ed altezza di 450 mm circa, è racchiuso in una campana di quarzo trasparente alle lunghezze d'onda intorno a 1 p.m, di dimensioni poco maggiori, dove fluiscono i gas.
Il suscettore ruota sul suo asse verticale per uniformare la temperatura e la distribuzione dei gas reagenti.
Per portare e mantenere il suscettore alla temperatura richiesta durante il processo di crescita (20-90 minuti) si opera tramite l'induzione elettromagnetica, con un apposito generatore ed un circuito oscillante costituito da condensatori e da una induttanza, realizzata tramite un conduttore elettrico a spirale , esterna alla campana di quarzo e coassiale col suscettore.
Finora si erano utilizzati generatori a triodo con campo di frequenza di 200-250.000 Hz, tensioni ai capi dell'induttore di circa 6-7.000 Volt: la potenza necessaria era di circa 135 kW erogati con rendimento globale intorno al 45%. L'applicazione del sistema di riscaldamento ad alta frequenza e la geometria del sistema induttore/suscettore comportano sostanzialmente due classi di inconvenienti, una di ordine energetico e costruttivo e l'altra di qualità del prodotto ottenuto.
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Il sistema del generatore ad alta frequenza, con un oscillatore costituito da un triodo ceramico e da un circuito oscillante presenta:
— un alto prezzo per il costo elevato dei componenti,
— il rendimento intrinseco del triodo è di circa il 70% entro un campo di regolazione non molto ampio,
— decadimento nel tempo (circa 4-5.000 ore) delle caratteristiche del triodo con riduzione del rendimento,
— i triodi sono disponibili commecialmente con valori di potenza discreti, non sempre bilanciati alle necessità specifiche e quindi a volte con potenze esuberanti ed aggravio dei costi di impianto,
— elevato impegno di potenza elettrica (300 kW), ed elevato consumo (circa 270 kW) a fronte di una potenza utile al riscaldamento di 135 kW,
— elevati costi di raffreddamento per le perdite dissipative del generatore,
— problemi di isolamento dovuti alle tensioni in gioco (circa 14.000 V nel generatore) e di accoppiamento delle linee di alta frequenza (condotti coassiali rigidi, ecc.),
— difficoltà notevoli di disporre schermi riflettenti a distanza utile per un sostanziale recupero energetico per via della tensione sull'induttore,
— fenomeni di accoppiamento induttivo con parti della macchina (telaio, portelli, ecc.), che portano alla riduzione della potenza utile trasmessa al suscettore.
I difetti cristallografici del prodotto (tipicamente fette di silicio) sono legati al gradiente termico trasversale dal retro al fronte della fetta che provoca un imbarcamento a tazza della fetta per le diverse dilatazioni del retro e del fronte inducendo in tal modo sforzi nel reticolo cristallino che arrivano in diversi punti a superare il limite di elasticità, provocando scorrimenti di piani cristallografici.
Tali linee di scorrimento e di dislocazione, che si mantengono anche dopo il raffreddamento, costituiscono zone dove il funzionamento elettrico del semiconduttore viene falsato, abbassando la resa del prodotto.
II gradiente termico, con un sistema di riscaldamento ad induzione, non è completamente eliminabile, ma per migliorare il prodotto è opportuno minimizzarlo creando una cavità ottica isoterma, riflettendo cioè sul suscettore e sulle fette quanto più possibile dell'energia da essi irraggiata, cosa questa che appare non realizzabile su sistemi ad alta frequenza per le ragioni dette.
Occorre notare che a maggior diametro della fetta di silicio corrisponde una maggiore sensibilità ai difetti cristallografici e una loro letalità ai fini della resa del prodotto.
D'altra parte la tendenza dell'industria dei semiconduttori è verso fette di sempre maggior diametro (da un diametro di 75 mm nel 1979 a un diametro di 125 mm nel 1983 con previsioni di diametro di 150 ed anche 200 mm entro gli anni 80).
Scopo principale della presente invenzione è quello di realizzare un reattore capace di riflettere l'energia irradiata dal suscettore sul suscettore stesso e sui substrati con conseguente minor consumo di energia elettrica a regime e ridurre il gradiente termico trasversale della fetta di silicio.
Questi scopi vengono conseguiti dal reattore epitassiale del tipo anzidetto grazie alle sue caratteristiche definite nella rivendicazione 1.
Nella realizzazione pratica preferita dell'invenzione detto convertitore statico coopera con un sistema esafase di tiristori allo stato solido ed opera a frequenze dell'ordine delle migliaia di Hz, in particolare da 3000-4000 Hz.
In conformità ad una prima forma di realizzazione dell'invenzione detta pluralità di schermi è posizionata tra l'avvolgimento a spirale dell'induttore e la parete della campana di quarzo, mezzi essendo inoltre previsti per il raffreddamento specifico degli schermi stessi.
Secondo un'altra forma di realizzazione dell'invenzione detta pluralità di schermi è posizionata all'esterno dell'avvolgimento a spirale dell'induttore.
Secondo una ulteriore forma di realizzazione dell'invenzione detta pluralità di schermi è realizzata nella struttura stessa dell'avvolgimento a spirale dell'induttore.
Secondo la definizione fornita dalla rivendicazione 1, la prima caratteristica del reattore epitassiale secondo la presente invenzione risiede nell'impiego, come generatore del sistema di riscaldamento ad induzione elettromagnetica, di un convertitore statico reperibile in commercio, operante a media frequenza, in particolare tra 3000 e 4000 Hz.
Tali convertitori statici non necessitano di triodo in quanto il sistema è messo in oscillazione da un sistema esafase di tiristori allo stato solido: questo convertitore permette nella presente applicazione di:
— operare con tensioni ai capi dell'induttore inferiori a 500 V;
— avere rendimenti globali superiori all'80% con conseguente minor impegno di potenza e minor consumo a parità di potenza utile, riducendo nel contempo i costi dei sistemi di raffreddamento;
— mantenere buoni rendimenti globali anche con forte parzializzazione della potenza, cosa questa molto utile perchè permette di impiegare la piena potenza del convertitore durante la fase di riscaldamento (riducendo i tempi di ciclo e aumentando la produttività del reattore epitassiale) e paralizzando durante la fase a regime senza incorrere in penalizzazioni di rendimento;
— commercialmente sono disponibili convertitori di potenze nominali con salti di potenza piccoli (20-30 kW) tra i vari modelli consentendo la scelta del convertitore più idoneo alle specifiche esigenze e dimensioni del reattore;
— avere un prezzo pari a circa il 50-60% del generatore ad alta frequenza di pari potenza utile e di non subire decadimenti di rendimento nel tempo.
L'altra caratteristica essenziale del reattore epitassiale secondo l'invenzione risiede nell'adozione degli schermi di riflessione dell'irragimento del suscettore.
La loro adozione è in primo luogo legata all'utilizzazione dei convertitori statici sopra individuati. Infatti date le modeste tensioni in gioco sull'induttore ed il rilevante spessore di penetrazione del campo di media frequenza, è possibile realizzare un sistema di specchi a settori preferibilmente cilindrici al fine di creare una cavità ottica quasi isoterma e riflettere, con poche dissipazioni, sul suscettore gran parte (circa il 60-70%) dell'energia irraggiata dallo stesso.
Gli schermi riflettenti vengono realizzati, con i materiali più idonei a riflettere le lunghezze d'onda del picco di emissività, che è funzione della struttura superficiale e della temperatura (di processo) del suscettore, e col minor accoppiamento al campo elettromagnetico dell'induttore che dipende dalle frequenze di oscillazione.
I materiali usati per gli schermi si possono ripartire in 3 classi:
a) metalli non ferromagnetici con lucidatura a specchio (meccanica o elettrolitica)
b) metalli non ferrosi con riporti galvanici lucidi di cromo, nichel, oro, rame ecc. o per evaporazione sotto vuoto (oro alluminio ecc.)
c) isolanti, tipicamente vetri di quarzo trasparenti, con strati riflettenti metallici depositati per amalgama o per evaporazione sotto vuoto.
In generale tutti gli schermi hanno una riflettività compresa tra l'87% ed il 95%.
Gli schermi hanno forma di settori preferibilmente cilindrici, divisi in modo da non creare spire chiuse ed in corto circuito, con altezza superiore al suscettore e possono venire collocati
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in 3 posizioni alternative, ciascuna con peculiari vantaggi ma anche con intrinseche limitazioni ossia:
A) tra la spirale dell'induttore e la parete della campana di quarzo, a circa 20-30 mm da questa per permettere il raffredda-
mento del quarzo tramite circolazione d'aria.
Questa collocazione ha il massimo recupero dell'irraggiamento, mentre gli schermi vengono raffreddati, ad esempio tramite serpentini ad acqua isolati elettricamente.
B) All'esterno dell'induttore, con minore efficienza di riflessione (circa il 70% del sistema precedente, e possono essere raffreddati con acqua o preferibilmente tramite la stessa aria circolante che raffredda la campana di quarzo.
C) In un'altra versione gli schermi fanno parte e sono solidali all'induttore.
Il reattore secondo l'invenzione è spiegato dalla seguente descrizione esemplificativa di sue forme preferite di esecuzione, illustrate nei disegni allegati, nei quali la fig. 1 è una vista schematica, laterale, parzialmente in sezione dei componenti essenziali del reattore epitassiale secondo l'alternativa C dell'invenzione;
la fig. 2 è una vista schematica, laterale e parzialmente in sezione dell'induttore secondo l'alternativa A dell'invenzione;
la fig. 3 è una sezione trasversale dell'induttore di fig. 2, secondo il piano di traccia III-III di fig. 2;
la fig. 4 è una vista laterale in dettaglio di uno schermo riflettente dell'induttore di fig. 3;
la fig. 5 è una vista dello schermo di fig. 4 osservato nella direzione della freccia F;
la fig. 6 è una vista schematica, laterale e parzialmente in sezione dell'induttore secondo l'alternativa B;
la fig. 7 è una sezione trasversale dell'induttore secondo il piano di traccia VII-VII di fig. 6; e la fig. 8 mostra come schema di principio il circuito del generatore a media frequenza secondo l'invenzione.
Come è noto un reattore epitassiale comprende sostanzialmente (riferimento fig. 1) una camera di reazione, costituita da una campana di quarzo 10 raffreddata esternamente con aria (come indicato dalle frecce 11), la quale campana viene alimentata preferibilmente dall'alto con la m iscela gassosa (come indicato dalla freccia 12), mentre i gas di scarico ed esausti vengono allontanati attraverso il fondo della campana (come indicato dalle frecce 13); collegati alle flange superiori e inferiori della campana vi sono appositi organi di tenuta (non mostrati).
All'interno della campana 10 è mostrato girevolmente un suscettore 14 preferibilmente di forma tronco-piramidale, sulle cui facce vengono posizionati substrati, preferibilmente fette di silicio 15.
Il suscettore 14 è di grafite ricoperta con rivestimenti opportuni e noti, è sostenuto da appositi supporti refrattari 16 e 17 e metallici 18 ed è fatto ruotare intorno al suo asse verticale da mezzi motori non mostrati.
Queste caratteristiche son già note, per cui si omette una descrizione dettagliata e si rimanda a quanto è già noto dalla tecnica anteriore.
Nella forma di realizzazione presentata in fig. 1, intorno alla campana di quarzo è disposto un induttore 20 costruito in tubo di materiale conduttore elettrico, tipicamente di rame, raffreddato internamente da circolazione di un fluido, tipicamente acqua, costituito da un numero adeguato di anelli aperti e collegati da un capo all'anello superiore e dall'altro all'anello inferiore tramite cavallotti in tubo dello stesso materiale 22.
Per la circolazione dell'acqua di raffreddamento, il riferimento 21, indica l'entrata e l'uscita della stessa.
A detti anelli sono fissati schermi riflettenti costituiti da fasce 23 di altezza opportuna, trattate sulla superficie affacciata al suscettore con le modalità già descritte in prçççdçnza) atti a riflettere l'energia irragiata dal suscettore stesso.
L'induttore è sostenuto e guidato da una struttura a gabbia 24 realizzata in materiale isolante e refrattario.
Le figg. 2 e 3 rappresentano il sistema della alternativa A, visto in pianta ed in sezione trasversale, dove l'induttore 30 è sempre costruito in tubo di materiale conduttore elettrico, tipicamente dì rame, raffreddato con circolazione interna (frecce 31) di un fluido quale, ad esempio acqua, ma realizzato in maniera tradizionale con un unico tubo avvolto a spirale cilindrica: è guidato da una struttura a gabbia 34 in materiale isolante e refrattario e sostenuto da un'altra struttura metallica 35 con interposte parti 36 per isolare elettricamente l'induttore.
All'interno dell'induttore viene disposto uno schermo riflettente indicato complessivamente con 37 e costituito da una pluralità di settori preferibilmente curvi dei quali si dà un esempio tipico nelle figure 4 e 5.1 settori 38 a curvatura compatibile con quella della parete della campana di quarzo, portano una serpentina 39 solidale entro la quale circola il fluido di raffreddamento (tipicamente acqua).
È degno di nota il fatto che i settori 38 presentano una parte 40 deviata, dando luogo ad una pluralità di feritoie 41 attraverso le quali l'aria di raffreddamento della campana è indirizzata tangenzialmente alla stessa.
La suddivisione dello schermo 37 in detta pluralità è dettata dalla necessità di evitare la formazione, all'interno dell'induttore, di spire chiuse di corto circuitazione nonché di far pervenire nel modo già illustrato sulla superficie esterna della campana l'aria per il raffreddamento della stessa.
Le figg. 6 e 7 rappresentano schematicamente il sistema dell'alternativa B dove l'induttore 30 è tradizionale, analogo come tipo e struttura a quello descritto nelle figg. 2 e 3, mentre lo schermo indicato complessivamente con 47 è costituito da una pluralità di settori curvi 49 posti all'esterno dell'induttore. I settori possono venire raffreddati singolarmente con acqua, e devono presentare discontinuità per le ragioni dette nella descrizione del sistema delle figure 2-3.
Passando ora a considerare la fig. 8 è mostrato lo schema a blocchi e funzionale del generatore a media frequenza a tiristori nel quale l'alimentazione di rete perviene ad un trasformatore riduttore di isolamento 120 e da questo ad un ponte raddrizzatore a tiristori 121.
Il circuito prevede inoltre i tiristori 122, 123, 124, 125, 126, una resistenza limitatrice 127 ed un'induttanza 128 di protezione contro i corti-circuiti, mentre 114 indica l'induttore che interagisce con il suscettore del reattore epitassiale ed il riferimento 129 indica dei condensatori a capacità variabile per regolare la frequenza in dipendenza dei valori assunti dall'induttore 114.
Tramite controlli elettronici esterni di tipo di per sè noto si accendono alternativamente le coppie di tiristori 123, 126 e 124, 125 che innescano il circuito oscillante 114, 129.
L'induttanza 128 serve a limitare la corrente per un certo periodo di tempo nel caso in cui per malfunzionamento si accendono i tiristoti 123, 124 che metterebbero in corto circuito l'alimentazione. Durante il periodo di funzionamento dell'induttanza 128 deve essere spento il ponte raddizzatore 121.
Infine la resistenza 127 ed il tiristore 122 servono a facilitare l'avviamento del generatore, al cui compimento il tiristore 122 viene spento.
Per fornire un'indicazione precisa dei vantaggi che si ottengono con la presente invenzione ed in particolare con il generatore a media frequenza a tiristori in confronto con i sistemi noti ed alla frequenza, si riportano nello specchietto riassuntivo che segue i relativi parametri e risultati operativi.
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Parametri
Potenza installata (assorbita nominale)
Potenza max erogata del generatore Potenza erogata a regime Acqua raffreddamento a regime Difettosità sul prodotto (unità arbitrarie) Gradiente termico trasversale sulle fette di silicio
Sistema precedente (*) Sistema dell'invenzione (**)
300 kW 180 kW
135-120 kW (***) 150 kW
120-125 kW 70-80 kW (&)
30 mVh 8 m3/h
100 5:10
T = 30-40DC T = 5-10°C
(*) Generatore 220 KHz- induttore a doppia spirale in tubo di rame
(**) Convertitore statico 3500 Hz- induttore c.s.-schermi interni in rame dorato elettroliticamente (***) a secondo delle ore di vita del triodo
(&) dissipazioni attraverso gas di processo, raffreddamento pareti campana e supporto suscettore, irraggiamento testate suscettore, accoppiamento elettromagnetico della macchina e schermi.
v
3 fogli disegni
Claims (22)
1. Reattore epitassiale del tipo comprendente almeno una campana di quarzo (10) nella quale è montato un suscettore (14) di grafite ricoperto con uno strato impermeabile ai gas e non reattivo, contro il quale sono appoggiati i substrati da ricoprire (15), detto suscetore (14) essendo girevole intorno al suo asse verticale, detta compana (10) essendo alimentata con una miscela di gas (12) da far reagire con detti substrati e detto suscettore (14) essendo riscaldato mediante induzione elettromagnetica prodotta da un generatore e da un circuito oscillante comprendente condensatori ed un induttore (20) con un conduttore elettrico a spirale (30), esterno alla campana di quarzo (10) e coassiale con il suscettore (14), caratterizzato dal fatto che il generatore è costituito da un convertitore statico operante a media frequenza ed inoltre dal fatto che intorno alla detta campana di quarzo (10) trasparente è disposta una pluralità di schermi a settori (37), capaci di rinviare sul suscettore (14) l'energia irradiata dallo stesso, detti schermi essendo realizzati in materiale idoneo a riflettere le lunghezze d'onda del picco di emissività del suscettore (14) e capace del minor accoppiamento al campo elettromagnetico dell'induttore (20) in dipendenza della frequenza di oscillazione.
2. Reattore secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che detto convertitore statico coopera con un sistema esa-fase di tiristori (122-126) allo stato solido ed opera a frequenze dell'ordine delle migliaia di Hertz.
2
RIVENDICAZIONI
3. Reattore secondo la rivendicazione 2, caratterizzato dal fatto che detto convertitore statico opera a frequenza di 3000-4000 Hz.
4. Reattore secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che detta pluralità di schermi (37) è posizionata tra l'avvolgimento a spirale (30) dell'induttore (20) e la parete della campana di quarzo (10), mezzi (39) essendo inoltre previsti per il raffreddamento degli schermi.
5. Reattore secondo la rivendicazione 4, caratterizzato dal fatto che detti mezzi di raffreddamento consistono in serpentine (39) con circolazione di acqua fredda.
6. Reattore secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che detti schermi (37) consistono in settori curvi (38), a curvatura corrispondente a quella di detta campana di quarzo (10), una striscia terminale di ciascun settore essendo deviata verso la campana, generando una fenditura (41) di passaggio tangenziale dell'aria di raffreddamento della campana (10).
7. Reattore secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che detta pluralità di schermi (37) è posizionata esternamente all'avvolgimento a spirale (30) dell'induttore (20).
8. Reattore secondo la rivendicazione 7, caratterizzato dal fatto che detta pluralità di schermi (37) è raffreddata dalla stessa circolazione di aria di raffreddamento prevista per detta campana di quarzo (10).
9. Reattore secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che detta pluralità di schermi (37) è solidale alle spire dell'induttore (20) in modo da evitare corto-circuiti tra una spira e l'altra.
10. Reattore secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che detti schermi (37) sono realizzati in metalli non ferromagnetici.
11. Reattore secondo la rivendicazione 10, caratterizzato dal fatto che detti metalli sono lucidati a specchio.
12. Reattore secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che detti schermi (37) sono di metalli con rivestimento metallico lucido riportato.
13. Reattore secondo la rivendicazione 12, caratterizzato dal fatto che detto rivestimento consiste in cromo, nichel, oro, rame o alluminio.
14. Reattore secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che detti schermi (37) sono di materiale isolante ricoperto da uno strato riflettente metallico.
15. Reattore secondo la rivendicazione 14, caratterizzato dal fatto che detto materiale isolante è quarzo trasparente.
16. Reattore secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che detto induttore (20) è alimentato da un generatore a circuito oscillante a media frequenza.
17. Reattore secondo la rivendicazione 16, caratterizzato dal fatto che detto circuito oscillante opera con frequenza compresa tra 3000 e 6000 Hz.
18. Reattore secondo la rivendicazione 17, caratterizzato dal fatto che detto circuito oscillante è messo in oscillazione da un sistema esafase di tiristori (122-126) allo stato solido.
19. Procedimento di fabbricazione di un reattore secondo la rivendicazione 12, con il quale si deposita uno strato riflettente sugli schermi metallici (37), caratterizzato dal fatto di consistere in una deposizione galvanica di cromo, nichel, oro o rame.
20. Procedimento di fabbricazione di un reattore secondo la rivendicazione 12, con il quale si deposita uno strato riflettente sugli schermi metallici (37), caratterizzato dal fatto di consistere in una deposizione per evaporazione sotto vuoto di oro o alluminio.
21. Procedimento di fabbricazione di un reattore secondo la rivendicazione 14, con il quale si deposita uno strato riflettente sugli schermi isolanti (37), caratterizzato dal fatto di consistere in una deposizione da amalgama di un metallo riflettente.
22. Procedimento di fabbricazione di un reattore secondo la rivendicazione 14, con il quale si deposita uno strato riflettente sugli schermi isolanti (37), caratterizzato dal fatto di consistere in una deposizione di uno strato metallico per evaporazione sotto vuoto.
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