CN101597748B - 用于蒸发的装置、用于蒸发的坩埚和在基片上生长膜的方法 - Google Patents

用于蒸发的装置、用于蒸发的坩埚和在基片上生长膜的方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种用于蒸发的装置，包括真空腔(12)、限定基片平面(26)的基片台(2)和至少一个喷射单元(6)，该喷射单元(6)包括具有容积的坩埚(7)，其中所述喷射单元、坩埚和基片台设置在真空腔内。该坩埚包括第一端(14)、第二端(15)、至少一个侧壁(16)和孔隙(17)。在根据本发明的典型装置中，所述孔隙位于第一端或位于相比于到第二端更靠近第一端的侧壁中，该第二端布置为比第一端更靠近该基片平面。本发明还涉及用于蒸发的坩埚，其具有容积，包括第一端、第二端、至少一个侧壁和孔隙。本发明还涉及在基片上生长膜的方法。

Description

用于蒸发的装置、用于蒸发的坩埚和在基片上生长膜的方法
技术领域
本发明涉及用于蒸发的装置，该装置包括真空腔、限定基片平面的基片台和至少一个喷射单元，该喷射单元包括具有容积的坩埚，其中所述喷射单元、坩埚和基片台设置在真空腔内。
本发明还涉及用于蒸发的坩埚，其具有容积，包括第一端、第二端、至少一个侧壁和孔隙。
本发明还涉及通过在真空腔中蒸发以在基片上生成膜的方法，该真空腔中包括至少一个喷射单元和包含源材料的坩埚，该方法包括将基片放置在真空腔内、将原子或分子从源材料中蒸发出来。
背景技术
在蒸发方法中，基片被放置在真空腔内。将欲沉积于基片上的源材料也布置在真空腔内。该源材料加热到开始蒸发的点。真空允许原子或分子在腔中自由蒸发，并且原子或分子随后凝结在基片表面上。该原则对于所有蒸发方法都是一样的，只是用于蒸发源材料的方法不同。存在两种普遍的蒸发方法，即电子束蒸发和阻抗蒸发。在阻抗蒸发中，源材料在高电流下电加热以使材料蒸发。分子束取向附生是一种蒸发方法，其特征在于慢的沉积速度，这允许膜取向附生地、也即通过有序的晶体生长而在基片上生成。
分子束取向附生(MBE)是经由一个或几个分子或原子束相互作用而在加热的晶体基片表面上取向附生地生长的技术。在MBE真空腔中，用于沉积的材料在坩埚中加热、蒸发，且蒸发的分子束被导向加热的晶体基片。蒸发的材料根据材料而处于原子或分子形式。蒸发的材料然后沉积在基片上，在那里它们将互相作用。沉积或生长速度由坩埚的温度和用于进行沉积或停止沉积的机械闸门控制。典型地，多个源安装在沉积腔中，以使几种不同的材料可以顺序或同步地蒸发。MBE广泛地使用于半导体研究和半导体设备制造工业中。在典型的MBE系统研究中，基片朝下，倾斜于水平面，生长表面朝下，或者基片竖向地安装，如现有技术中的图1和2所示。
在现有技术的生产型MBE设备中，喷射单元以与基片表面的法线成约45°的角而指向基片。圆锥形的坩埚用于在大面积的基片上提供好的均匀性。专利US5827371公开了一种用于MBE喷射源的单件单片式坩埚。由热解氮化硼(PBN)制成的这样的坩埚的最大温度为1400℃。大于该温度，PBN开始分解为硼和氮。许多应用需要大于1400℃的温度。例如SrTiO2(STO)层生长需要1500℃-1700℃的钛温度。STO基技术在硅工业中对于高k电介质具有主要的应用，k指材料的电介质常数。
某些高蒸气压材料，例如砷、磷、锑，也可以采用热裂化源蒸发，该热裂化源将蒸发的源材料裂化为二聚物或单体。这些裂化源具有加热的坩埚以蒸发源材料，且具有裂化台而用以将分子裂化为二聚物或单体，在坩埚和裂化器之间的控制阀用以控制来自裂化器的喷射速率。这样的用于磷的裂化源的描述包含在US20080019897A1中。
与现有的生产MBE真空腔相关的问题是基片生长表面朝下，这要求采用承环将基片装载到真空腔中或从真空腔中卸下。向下面生长与现有的半导体处理设备不兼容，该设备典型地具有朝上的生长表面，并且不采用基片承架。
在现有技术的MBE喷射单元中，来自源的流通率依赖于在坩埚中的材料水平面的高度。现有技术的MBE喷射单元在采用液体源材料时具有受限的坩埚容量。流出坩埚的材料包括两部分：从熔化水平面直接喷射到基片而不从坩埚壁反射的原子或分子，和在到达基片前通过一个或多个坩埚壁反射的原子或分子。对于现有技术的坩埚，源材料的损耗引起熔化的表面面积的减少，这反过来可以导致流到基片的材料的减少。
在MBE真空腔中，大量的沉积物随着时间累积在沉积腔内的腔壁和其他结构上。这些沉积物典型地为松散地附着并容易掉下。任何掉回坩埚的沉积物将污染源材料并导致沉积薄膜的不纯和瑕疵。
当受到高温处理时，硅基片可以形成称为“滑脱”的断层。如果这样的滑脱延伸到集成电路中，电路将遭受失败，例如增加泄漏和电介质击穿。在典型的MBE装置中，当硅基片通过承环从基片边缘保持在位时，这样的缺点更可能发生。当晶片仅如讨论的那样从边缘处保持时，对硅晶片的损坏由重力引起，例如在US7022192中公开。在现有技术的MBE系统中，硅晶片不能在任何其他点上支撑，因为这将损坏生长表面。在本发明中，晶片可以从背侧把持，从而对前侧生长表面没有损坏。
发明内容
发明目的
本发明的目的在于最小化或甚至消除现有技术中存在的问题。
本发明的一个目的在于提供一种蒸发装置，其与标准的半导体工业机器人晶片机械手相兼容。
本发明的另一个目的在于当采用液体源时提高坩埚容积。
本发明进一步的目的在于减小从真空腔内的沉积腔壁或其他结构掉下的沉积物的污染效应。
本发明的另一个目的在于减小源材料在沉积速率上的沉积效应。
本发明还有的目的在于提供蒸发装置和方法，其中大直径的硅基片可以加热到高温而没有滑脱线或类似的缺陷。
技术方案
本发明涉及蒸发装置和蒸发方法。
根据本发明的用于蒸发的装置包括真空腔、限定基片平面的基片台和至少一个喷射单元，该喷射单元包括具有容积的坩埚，其中所述喷射单元、坩埚和基片台设置在真空腔内，该坩埚包括第一端、第二端、至少一个侧壁和孔隙。在根据本发明的典型装置中，所述孔隙位于第一端或位于相比于到第二端更靠近第一端的侧壁，该第二端布置为比第一端更靠近该基片平面。
本发明还涉及用于蒸发的坩埚，其具有容积，包括第一端、第二端、至少一个侧壁和孔隙。在根据本发明的典型装置中，该孔隙设置在坩埚的侧壁上，且坩埚包括能够结合或可结合到所述孔隙的圆锥部，该圆锥部在坩埚主体容积外面。坩埚限定坩埚主体容积的部分和圆锥部可以是基本上单一的物件或者可以是基本上分离的物件。
本发明还涉及通过在真空腔中蒸发以在基片上生长膜的方法，所述真空腔包括至少一个喷射单元和含有源材料的坩埚，该方法包括将基片放置在真空腔内，从源材料蒸发原子或分子，和将蒸发的原子或分子导向所述基片的表面。在根据本发明的典型方法中，来自喷射单元的原子或分子流的方向相对于水平方向向下一个角度β，该角度至少为1°。
本发明还涉及通过在真空腔中蒸发以在基片上生长膜的方法，该真空腔包括至少一个喷射单元和含有源材料的坩埚，该方法包括将基片放置在真空腔内，从源材料蒸发原子或分子。在根据本发明的典型方法中，所有的原子或分子沿着弯曲路径朝着所述基片的表面引导。
在本申请中，术语“真空腔”指的是这样的真空腔，其可以例如为高真空腔或超高真空腔，其可以用于在基片表面生长膜。超高真空腔可以以10-7Pa或更低的压力为特征。
在本申请中，术语“喷射单元”指包括坩埚的物件。喷射单元还可以包括辐射罩和加热丝。术语“坩埚”指含有源材料的物件。坩埚还可以包括圆锥部。术语“圆锥部”指基本圆锥形的物件，其用于引导来自通常含有源材料的坩埚主体容积的材料流到基片的表面。
在本申请中，术语“生长表面”指膜可以在其上生长的基片的表面。
在本申请中，术语“基片台”指设置在真空腔内的物件，基片可以放置在其上。术语“基片平面”指由平面状表面、例如当装置使用时放置到基片台上的基片的生长表面限定的假想平面。
在本申请中，术语“向下”指的是例如可以包括重力方向的方向，而不是逆着重力的方向。在本申请中，术语“向上”指的是例如可以包括逆着重力方向的方向，而不是重力的方向。
坩埚例如可以由与源材料兼容的高半导体级石墨或类似材料机械加工而成。坩埚还可以由钽、钛和诸如氧化铝和热解氮化硼的陶瓷材料机械加工而成。石墨坩埚可以涂敷以合适的材料，例如碳化钛、碳化硅或热解石墨。坩埚的形状例如可以为基本圆柱形或矩形。坩埚的容积例如可以从1升、2升、5升、7升到3升、5升、7升、10升。
限定孔隙的边缘的形状可以是基本圆形，具有例如从0.5cm、1cm到1cm、1.5cm、3cm的直径。
阻抗加热丝可以围绕坩埚，并可以是单丝类型，或由多个丝部分组成，以沿着坩埚提供加热轮廓。坩埚可以被加热到2000℃，这依赖于坩埚的材料。基片也可以被加热，所需的温度依赖于处理过程。
在膜的沉积过程中基片可以旋转，以在基片上提供均匀的沉积。机械闸门可以放置在喷射单元和基片之间，以接通或切断沉积过程。
源材料可以是液体或固体形式。几种材料可以同时蒸发，一些材料可以是液体形式而另一些是固体形式。
根据本发明的实施例，装置是用于分子束取向附生的。
根据本发明的实施例，膜通过分子束取向附生而生长。
根据本发明的实施例，坩埚的形状基本上为圆柱形，由此侧壁为圆柱形坩埚的基本弯曲的表面区域。
根据本发明的实施例，圆锥部以在坩埚主体容积外部的方式连接到孔隙，以将原子或分子流从坩埚导向基片台。圆锥部可以由阻抗加热元件围绕。圆锥部加热到比坩埚主体部更高的温度。该温差可以较小，例如几度。圆锥部具有出口孔隙，原子或分子通过其行进到基片上。圆锥部的出口孔隙的形状可以基本为圆形，具有例如从2cm、4cm到3cm、4cm、5cm的直径。圆锥部的入口孔隙是这样的，使得圆锥部可以结合到在坩埚侧壁中限定出孔隙的边缘。入口孔隙可以具有例如从0.5cm、1cm到1cm、1.5cm、3cm的直径。
根据本发明的实施例，当装置在使用时，圆锥部设置在基片台的之上。
根据本发明的实施例，当装置在使用时，圆锥部设置为向下朝着基片台开口。
根据本发明的实施例，圆锥部的壁布置为将整个原子或分子流基本向下导向而与水平面成一个角度。与水平面成的这个角度可以例如从10°、15°、20°到45°、55°、65°、80°。
根据本发明的实施例，至少一个坩埚的侧壁形成与水平面成0°-90°的角度α。该角度例如可以从5°、10°、30°、40°到50°、60°、70°、80°。如果坩埚的形状为基本圆柱形，圆柱形的顶部或底部的法线的方向也与水平面成角度α。在本发明的实施例中，该角度是这样的，使得当装置在使用时，原子或分子离开包括圆锥部的基本圆柱形的坩埚时的方向向下朝向基片，该基片具有指向上面的生长表面。基片台可以与水平面成任何角度，除了基本垂直的角度，只要生长表面面向上即可。
根据本发明的实施例，基片台为基本水平的。
根据本发明的实施例，真空腔包括至少两个喷射单元。真空腔还可以包含例如从2、4、6到3、4、6、8个喷射单元。腔可以装备有喷射单元口，例如2到10、12个口。术语“喷射单元口”指的是喷射单元进入到真空腔的入口。
根据本发明的实施例，基片采用自动工具传送到基片台，例如采用机器人晶片机械手。相对于现有技术的设备，本发明的该实施例提高了晶片的可用表面积。现有技术的设备要求承环，其在晶片表面的边缘覆盖约3毫米宽的边带。例如，对于直径300mm(30cm)的晶片，增加的可用表面积可以约为55cm2。对于直径为450mm(45cm)的晶片，增加的可用表面积可以约为85cm2。
根据本发明的实施例，一阀件设置在圆锥部和坩埚主体容积之间。材料从坩埚到基片表面的流动可以采用阀件进行控制。
根据本发明的实施例，当该装置使用时，沉积罩设置在基片台的上面。该沉积罩保护基片生长表面免受污染，例如尘土或剥落薄片的污染。该沉积罩例如可以是圆形或矩形。沉积罩可覆盖基片的整个表面。该沉积罩的直径可以例如从约300mm到350mm、400mm、450mmmm、500mm、550mm。该沉积罩可以平行于基片表面放置，或与基片表面成一个角度。沉积罩可以被加热到例如450℃。该罩例如可以采用至少一个阻抗加热元件加热。该加热可以用于蒸发积聚的污染物。
根据本发明的实施例，膜以基本向上的方向生长在基片表面上，基片不与水平面成垂直角。
根据本发明的实施例，来自至少一个喷射单元的原子或分子流动方向与水平面成为30°-60°的角度γ。
根据本发明的实施例，来自源材料的原子或分子沿着弯曲路径行进到基片。从源材料蒸发出的原子或分子受限于坩埚壁，首先从源材料的表面以基本向上的方向行进，然后通过在坩埚壁上的孔隙，并通过圆锥部，在那里它们基本被向下引导并到达基片表面。
根据本发明的实施例，来自源材料表面的所有原子或分子沿着弯曲路径行进到基片上。
根据本发明的实施例，来自包括锶、钛和氧的反应物的层形成在基片表面上。术语“反应物”指反应物质。从上述反应物可以形成钛酸锶(STO、SrTiO3)。
根据本发明的实施例，在源材料表面与基片之间没有直接可见的线。
根据本发明的实施例，在沉积过程中，从源材料到基片的原子或分子流保持基本恒定。典型地，主坩埚容积中的蒸气压力保持基本恒定。在圆柱形坩埚中，例如，熔化的源材料的表面积保持基本恒定。
还可以清楚看到，上述关于装置的所有细节和实施例可以用于本方法中，上述关于方法的细节和实施例可以用于本装置。
附图说明
图1表示现有技术中的分子束取向附生设备。
图2表示现有技术中的分子束取向附生设备。
图3示意性地表示本发明的实施例。
图4用流程图描述本发明的实施例。
具体实施方式
图1表示现有技术中的分子束取向附生设备。该图表示了两个设置在超高真空腔12内的喷射单元6。包含原子或分子的束可以从喷射单元6导向基片1的表面。该基片1结合到包括基片加热器3的旋转基片加热器台2上。该喷射单元6具有坩埚7，该坩埚包含有源材料11。该坩埚7包括坩埚加热器8。喷射单元6的坩埚温度(及从而的喷射速率)采用热电偶9进行控制。在其中一个坩埚7中的源材料11是液体形式的。机械闸门10用于喷射单元6和基片1之间以释放和切断原子或分子束。超高真空腔12配备有旋转真空通孔4和到真空泵5的连接口。坩埚7定位成与基片1表面的法向成约45度角。这种布置使得膜在基本面向下面的基片1的生长表面13上生长。由于坩埚7的形式，坩埚的容积在采用液体材料时受到限制。
图2表示现有技术中的分子束取向附生设备。该设备包括与图1的现有技术设备基本相同的部分。该设备与图1的现有技术设备的区别在于基片1和喷射单元6的布置和角度。图2中的基片台2是基本竖向的。
图3表示本发明的实施例。该图显示了超高真空腔12，其具有10-7Pa或更低的压力。该真空腔12配备有用于基片1旋转的旋转真空通孔4和连接到真空泵的连接口。基片1装载到真空腔12内，并采用机器人晶片机械手21传送到基片台2上。对于直径为300mm(30cm)的晶片，可用表面面积相对于现有技术设备达到55cm2。
真空腔12内有两个包括坩埚7的喷射单元6。坩埚7含有用于蒸发的源材料11。坩埚7包括侧壁16、第一端14和第二端15。孔隙17位于侧壁16上，并相对于第二端15更靠近第一端14。坩埚7由高半导体级石墨加工而成。该石墨坩埚可以涂敷以碳化钛。坩埚7的形状基本上为圆柱形。源材料11采用围绕坩埚7的阻抗加热丝8加热。阻抗加热丝8包括多个丝部件，以沿着坩埚7提供加热轮廓。坩埚7被加热到1700℃，以便于钛酸锶的生成。从坩埚7的喷射速率采用热电偶9进行控制。辐射罩23包围着坩埚7。坩埚加热组件8和辐射罩23连接到连接法兰18上，该连接法兰用于将热源安装在真空腔口内。旋转基片加热器台2包括基片加热器3。基片1在沉积过程中被加热和旋转。当生成的钛酸锶Sr处于固体形式时，Ti可以为液体或固体形式。两个坩埚7的侧壁16形成与水平面成90°的角度α。基片台2基本上是水平的。机械闸门10用于释放和切断原子或分子束。坩埚7包括圆锥部20，该圆锥部20设置在基片台2之上。圆锥部20向下朝向基片台2开口，且圆锥部20的壁将整个原子或分子流与水平面成一定角度基本向下导向。圆锥部20被阻抗加热元件8围绕。圆锥部20被加热到比坩埚7的主体部更高的温度。
原子或分子流通过位于坩埚的圆锥部20和主体容积24之间的阀件19进行控制。来自源材料11的原子或分子沿着弯曲路径传送到基片1。从源材料11蒸发的原子或分子首先从源材料11的表面出发，受坩埚7的壁的限制，在基本向上的方向上行进，然后通过在坩埚7壁上的孔隙17，并通过圆锥部20，在那里基本向下地导向并到达基片1表面。在源材料11的表面与基片1之间没有可见的直接线。在沉积过程中，从源材料11到基片1的原子或分子流保持基本恒定。主坩埚容积24中的蒸气压力保持基本恒定。
通过沉积罩22，防止了来自真空腔壁的碎屑掉落到基片1上。沉积罩22通过阻抗加热器加热。该沉积罩22平行于基片1表面放置。该沉积罩22被加热到450℃。加热蒸发了积聚的污染物。
图4用流程图描述本发明的实施例。在阶段41，基片1装载到真空腔12内并采用机器人晶片机械手传送到基片台2上。在阶段42，通过加热的沉积罩22，防止了来自真空腔壁的碎屑掉落到基片1上。在阶段43，源材料11采用围绕在坩埚7上的阻抗加热丝8加热。在阶段44，基片1被加热和旋转。在阶段45，来自坩埚7的喷射速率采用热电偶9进行控制。在阶段46，原子或分子流通过位于坩埚的圆锥部20和主体容积24之间的阀件19进行控制。在阶段47，圆锥部20的壁将整个原子或分子流与水平面成一定角度基本向下导向。在阶段48，来自源材料11的原子或分子沿着弯曲路径行进到基片1上。在阶段49，机械闸门10用于释放和切断原子或分子束。

Claims (13)

1.用于蒸发的装置，包括真空腔(12)、限定基片平面(26)的基片台(2)和至少一个喷射单元(6)，该喷射单元(6)包括具有容积的坩埚(7)，其中所述喷射单元和基片台设置在所述真空腔内，该坩埚包括
-第一端(14)，
-第二端(15)，
-至少一个侧壁(16)，
-孔隙(17)，
其中所述孔隙位于相比于到第二端更靠近第一端的侧壁内，该第二端布置为比第一端更靠近所述基片平面。
2.根据权利要求1所述的装置，其中，所述装置用于分子束外延。
3.根据权利要求1或2所述的装置，其中，所述坩埚(7)的形状基本上为圆柱形，由此所述侧壁(16)为圆柱形坩埚的基本弯曲的表面区域。
4.根据权利要求1所述的装置，其中，一圆锥部(20)在坩埚主体容积(24)外部连接到所述孔隙(17)，以将原子或分子流从坩埚(7)导向所述基片台(2)。
5.根据权利要求4所述的装置，其中，在使用时，所述圆锥部(20)设置在所述基片台(2)之上。
6.根据权利要求5所述的装置，其中，在使用时，所述圆锥部(20)设置为向下开口指向所述基片台(2)。
7.根据权利要求6所述的装置，其中，在使用时，所述圆锥部(20)的壁设置为将整个原子或分子流以与水平面成一定角度基本向下导向。
8.根据权利要求1所述的装置，其中，至少一个坩埚(7)的侧壁(16)形成与水平面成0°-90°的角度α。
9.根据权利要求1所述的装置，其中，所述基片台(2)为基本水平的。
10.根据权利要求1所述的装置，其中，所述真空腔(12)包括至少两个喷射单元(6)。
11.根据权利要求4所述的装置，其中，一阀件(19)设置在所述圆锥部(20)和坩埚(7)主体容积之间。
12.根据权利要求1所述的装置，其中，所述装置包括用于将基片(1)自动地放置到所述基片台(2)上的工具(21)。
13.根据权利要求1所述的装置，其中，在使用时，一沉积罩(22)设置在所述基片台(2)之上。
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