CN101980959A - 涂覆金的多晶硅反应器系统和方法 - Google Patents

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乍得·费罗
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Abstract

本发明提供一种反应室系统及用于该系统内的相关装置和方法，其中经由在反应室内的一个或多个组件上提供一薄金层可以达到减低的功率消耗。该反应室系统可用于化学气相沉积。该金覆层应该维持在至少约0.1微米，且更佳者约0.5至3.0微米的厚度，以在该反应室内提供适当的发射率(emissivity)，因而减低热损失。

Description

涂覆金的多晶硅反应器系统和方法
本申请主张在2008年3月26日提出申请的美国临时申请序号61/039,756的优先权，该临时申请的揭示全文以引用方式特意地并于本文。
技术领域
本发明针对在化学气相沉积反应器中增加能量效率所用的系统和方法。更特定言之，本发明涉及经由在反应室内部涂覆薄金层以减低发射率而在化学气相沉积反应室系统中减低功率消耗所用的系统和方法。
背景技术
于利用诸如化学气相沉积(CVD)等程序的半导体工艺和光电应用中，材料可能在大型炉子或反应室中加热，其中需要高电压来实现各种化学药剂的熔化和/或沉积。因此期望提供改进的系统和方法用以减低热通过炉或室的外表面的辐射发射所致的热损失。
已知使用银作为反应室内部的覆层。例如，凯普尔(Koppl)等人的美国专利第4,173,944号揭示镀银钟罩的使用，以防止钟罩裂开或打破，且帮助钟罩针对外部气体和内部覆层的密封。美国专利第4,173,944号也揭示该镀银钟罩因为高良率(yield rate)导致需要显著地较少的能量。不过，因为银会锈蚀，因而需要重新整修，所以较佳地不要在反应室内部使用银以避免需要定期修复。
此外，也为通常所知者，金也用作为在CVD反应室上的外部反射性覆层。例如，马丁(Martin)等人的美国专利第4,579,080号揭示一种反应室，其中使用金镀层作为在该室的外壁表面上的反射器。不过，Martin的数据具体表示不鼓励在内壁表面上使用金，因为金可能通过气相转移而转移到晶片(wafer)，因而会导致晶片污染。
麦克尼尔利(McNeilly)的美国专利第4,938,815号揭示一种配置，其包括一对反应室，及经组构成被收容在该等反应室之间的加热器具。该加热器具经配置成可在反应室之间的区域进出移动，使得可以在晶片上进行处理步骤。此系统的硅晶片通过该加热器具内所设的热传介质经由传导加热，或以辐射热灯形式的外部来源予以加热。根据美国专利第4,938,815号，在一个室的内表面上可装设热能反射层或箔表面，诸如金，用以将来自加热器具的热能反射到晶片的前表面上，使得该晶片的温度通过其体积而实质地维持均匀。不过，在美国专利第4,938,815号中揭示的反应室经设计用于围绕着加热器具的晶片的大规模生长，该加热器具经组构成可在该等反应室之间插入与取出，且不适合用在硅棒或细丝上的多晶硅的加热和沉积。
发明内容
本发明针对反应室系统及在该系统中使用的相关装置和方法，其中经由在该反应室内部的一个或多个组件上提供薄金层可达到减低的功率消耗。根据本发明，在用不锈钢、合金、或其它材料制成的反应室涂覆一薄金层，较佳者至少约0.1微米厚，且更佳者约0.5至3.0微米厚度。相较于现有不锈钢者，该涂覆金的反应室较佳地具有较低的发射率，因而可降低室壁的发射率(emissivity)且减低辐射热损失。较佳地，该反应室组构成用于化学气相沉积(CVD)程序中，尤其，用于在反应室内沉积多晶硅。
根据本发明，使用涂覆金的反应室，相较于现有无覆层的不锈钢反应室，可以达到约30％的功率节省。例如，在室内部使用至少约0.1微米厚，且更佳者约0.5至3.0微米厚度的金覆层，可达到约20％至30％的功率节省。虽然若有至少约0.1微米的厚度时，即已发现金覆层为适当者，不过其它的厚度也可以使用。尤其，金覆层应该具有足够的厚度来达到低发射率和高反射率的光学性质。所以，若可用低于约0.1微米的金覆层厚度得到此等性质，则可在本发明反应室利用更低的厚度。较佳地，该金覆层具有一项或多项特性，诸如良好的黏着力、内聚力、耐洗性、和可修复性。基于足以维持所欲光学性质的金覆层，以及其表面较佳地为实质均匀的情况，选择介于约0.5至3.0微米的更佳范围。
虽然金覆层的主要功能为减低反应室和反应器内部组件的发射率及增加其反射率使得辐射热损耗减到最低，不过其也提供其它的优点和效益。本发明的系统和方法更可提供减小的热通量、增加的功率节省、减低的组件操作温度、及室的内部表面的减低腐蚀。由于此减低腐蚀的结果，所产生的多晶硅的质量可获得改进，因此就会有较少的腐蚀产物来污染多晶硅。此外，因为有较少的功率经辐射损失掉，所以需要较少的功率来维持硅棒温度。再者，于减低的组件温度之下，热应力随之减低且设备寿命可因而增长。
本发明关于在化学气相沉积多晶硅反应室系统中减低功率消耗所用的系统和方法。本发明的化学气相沉积反应器系统较佳地包括反应室，其至少具有一固定在反应室内的底盘，及一可操作地连接到该底盘的壳体。该反应室的至少一部分涂覆有厚度至少约0.1微米，且更佳者约0.5至3.0微米的金层。该底盘也可类似地涂覆金用于更多的功率节省。于该反应室内有一条或多条细丝连接到该底盘，于该等细丝上，可在化学气相沉积循环中，沉积各种反应物气体。该等细丝可用硅或要制造的其他所欲固体所制成。有至少一个气体入口和至少一个气体出口连接到该反应室以让气体流经该反应室。此外也可装设一个用于观察该室的内部部分所用的窗部。电流源较佳地通过该底盘内的电馈入装置连接到该等细丝的末端用以供应电流，以在CVD反应循环中直接加热该等细丝。也可以采用具有至少一个流体入口和至少一个流体出口的冷却系统来降低该化学气相沉积系统的温度。
本发明的此等和其它方式和优点可从下面较佳具体实施例伴随着附图的说明更轻易地明白。
附图说明
如此，本领域技术人员不需过度的实验即可轻易地了解如何制作和使用本发明的方法和装置，下文要参照某些附图详细地说明本发明的较佳具体实施例，其中：
图1为根据本发明的较佳具体实施例的多晶硅反应室系统的透视图；
图2为图1中的多晶硅反应室系统的内部透视图；且
图3为一图表，阐明本发明的涂覆金的室相对于现有未覆金不锈钢室的功率节省。
上述附图中的附图标记说明如下：
10    反应器系统
12    反应室
14    流体出口喷嘴
16    观察口
18    流体入口喷嘴
20    电馈入装置
22    气体出口喷嘴
24    气体入口喷嘴
26    薄金层
28    细丝
30    底盘
具体实施方式
下文要参照附图说明本发明的较佳具体实例，其中相同的组件符号表示相同或类似的组件。
本发明提供一种反应室系统，及用于该系统的相关装置和方法。该系统较佳地含有化学气相沉积(CVD)反应器，其中可以根据西门子法(Siemens method)沉积多晶硅或其它材料。较佳地，该系统包括反应室，其中使用既有的电源。该室用来在细棒或细丝上沉积多晶硅，该细棒或细丝较佳地用硅制成，且经由将电流通过该等细棒或细丝予以加热。在该室内的该等细丝的曝露表面上可以实质均匀地蓄积多晶硅沉积物，其可实质地没有杂质。或者，可以在该反应室内沉积多晶硅以外的材料。
于多晶硅的沉积期间，三氯硅烷会与氢和细棒或硅管细丝反应以在该等细棒或细丝上形成多晶硅沉积物。本发明并不局限于使用涉及三氯硅烷反应的多晶硅沉积的CVD反应器，而为可用于涉及硅烷、二氯硅烷、四氯化硅或其它衍生物或气体组合的反应，例如可以根据本发明使用具有大表面积几何和相似的电阻性质的细棒或细丝。可以利用具有各种形状和组构的细丝，例如，在美国专利申请公开US 2007/0251455中所揭示的，该公开以引用方式并入本文。
本发明提供涂覆金的多晶硅室系统，其相较于公知不锈钢反应室具有减低发射率的优点，其可具有低到0.13的发射率。具体而言，经高度抛光的不锈钢室表面可能具有约0.13的发射率，但是不锈钢的发射率会在数个月的期间内快速地降低，且需要表面抛光才能维持约0.13的发射率。所以，期望利用具有低发射率的反应室内部表面且其不需要抛光或维修。此等表面可以根据本发明经由使用金覆层来实现。再者，因为金表面不需要重整修，所以金覆层的使用相较于其它覆层(诸如银)较有利。
根据本发明，经由使用涂覆金的反应室，相较于现有不锈钢反应室可以达到高达约30％的功率节省。例如，在室的内部使用至少约0.1微米厚，且更佳者约0.5至3.0微米厚度的金覆层，可达到约20％至30％的功率节省。金覆层厚度的更佳范围为约0.5至3.0微米，其中该范围的低端(约0.5微米)根据已知具有足够的厚度来达到所欲的低发射率和高反射率的光学性质的金覆层予以选择。所以，若可用低于约0.5微米或甚至低于约0.1微米的金覆层厚度得到此等性质，则可在本发明反应室内利用此种更低的厚度。金覆层厚度的更佳范围的高端(约3.0微米)根据足以维持所欲光学性质的金覆层予以选择。在高于约3.0微米的更厚覆层中，表面可能会不均匀且因为使用额外的金材料导致其制造起来更昂贵。不过，若高于3.0微米厚度可以得到实质均匀的金覆层，则此等覆层也可以用于本发明。例如，若随后将金覆层抛光以确保实质均匀的表面，则更大的金覆层厚度也可以使用。
从本发明的金覆层所造成的功率节省的一个来源为操作温度的减低，具体而言，于冷却程序中，可以达到较低的室壁温度。例如，于一个具体实施例中，棒表面温度可以为约1100℃，其中根据本发明，棒表面温度可以为从约600至1300℃。反应器内的整体气体温度可为约150至850℃。于现有不锈钢室中，在用冷却水冷却之时，壁温可能从约115℃开始且在循环结束的时增加到约185℃。不过，于本发明的涂覆金的室中，室壁的温度可以减低到约165℃，因而潜在地导致功率节省。
参照图1和图2，显示出化学气相沉积(CVD)反应器，其中多晶硅根据本发明沉积在细棒或细丝上。尤其，参照图2，反应室12的内壁可涂覆一薄金层26。该金覆层较佳至少约0.1微米厚，且更佳者约0.5至3.0微米厚度，不过若涂覆金的室具有适当的低发射率和高反射率的光学性质，也可以使用更小或更大的厚度。根据本发明，已经发现约0.01至0.12的发射率范围可以提供相对于不锈钢室较增加的功率节省。
根据本发明，室12加上一薄金层26，该层具有从约0.01至0.12范围内的发射率，更佳者在约0.01至0.08范围内的发射率。最理想的状况是，本发明的室12加上一薄金层26，该层具有从约0.01至0.03范围的发射率，此可导致相较于现有未涂覆的不锈钢室实质有约20％至30％的功率节省。尤其，使用该金覆层可以实质上减低发射率，且因而增加反应室的反射率，使得辐射热损失减到最低。如此一来增加的功率节省可以导致较低的操作成本。
图1和图2显示出反应器系统10的基本组件，例如，多晶硅CVD反应器系统包括反应室12。该室12较佳地包含底盘30、气体入口喷嘴24、气体出口喷嘴22、及电馈入装置(electrical feedthrough)或导体20用以提供电流来直接加热在反应室12内的一条或多条细丝28。流体入口喷嘴18和流体出口喷嘴14连接到冷却系统用以提供流体到反应室10。此外，较佳者有观察口16或窥镜(sight glass)用以目视检查反应室12的内部，且可视需要用来取得反应室12内部的温度测量。
根据如图1和图2所绘示的本发明的较佳具体实施例，反应室12具有涂覆金的内室壁(其中该金覆层以组件符号26标出)，且该反应器系统组构成用于多晶硅的大块制造。该系统进一步包括：底盘30，其可为例如单一板或多块相对的板，较佳地组构有细丝支撑体；及壳体，其可连接到底盘30以形成沉积室。如本文中使用者，术语“壳体”与可发生CVD程序的反应室12的内部相关联。
一条或多条硅细丝28较佳地在细丝支撑体(未图标)上配置有反应室12，且电流源可通过在底盘30中的电馈入装置20连接到细丝28的两端，用于供应电流以直接加热该细丝。在底盘30中还装设有至少一个气体入口24，其可连通到例如含硅气体源，且在底盘30中可装设有气体出口22，于该处可将气体从反应室12释放出。
于操作中，本发明的反应器系统可以用来在配置于反应室12内的细丝28和/或棒上沉积多晶硅，例如，以在用美国专利公开第2007/0251455号中公开的美国专利序号第11/413,425号中所揭示的方式进行，该公开的全文以引用方式并入本文。于美国专利公开第2007/0251455号中，在反应室12内的细棒或细丝组构在细丝支撑体上，且电流源可通过在底盘系统中的电馈入装置连接到每一细丝用于加热该细丝。可以用美国专利公开第2007/0251455号中叙述的方式在细丝或棒上沉积多晶硅。
根据本发明另一较佳具体实施例，金覆层不仅可装设在室本身的内部表面上，而且也可以加装在该室内所包含的各种其它组件的表面上，该等组件包括，但不限于：气体入口喷嘴24、气体出口喷嘴22、附加的凸缘、观察口16的侧壁、底盘30、及在反应器内的其它气体流动分配组件。此等覆层较佳者也为至少约0.1微米厚，且更佳者为约0.5至3.0微米的厚度，尤其，以适当厚度敷设以提供期望的光学性质，因而达到减低能量成本所需的低发射率和高反射率。本文所述覆层作为反应室12的内部结构所用的热屏蔽。因为金覆层26的表面会将到达特定组件表面的多数辐射热通量反射掉，所以到达该组件的整体热通量会急剧地减低，该热通量构成反应室内的整体热通量的大约一半。到达反应室的内部组件的减低的热通量可能导致大幅减低的操作温度。因为减低的热通量之故，反应器系统10的组件诸如容器壁、底盘30、气体入口和出口喷嘴24、22、凸缘、以及其它系统组件都会受到较少的热应力。减低的操作温度也提供使组件可能经受的热循环数目增加而导致系统寿命整体增长的优点。
本发明的涂覆金的反应室12也用来减低热通量。在例如被吸收到容器壁内的辐射热大幅减低的情况下，壁温度可巨幅地减低。此外，以较低的容器内壁温度操作可促成到达室12的冷却流体(如，水、热传流体)温度的提升，使得流失到冷却流体的热可以成功地回收以用在系统10的他处而提供进一步的能量节省。这可以用在不锈钢、合金、或其它材料制成的反应室来完成。
如图3中所示，本发明的涂覆金的反应室12相较于现有未涂覆的不锈钢室减可以低功率消耗量。随着涂覆金的室12内硅棒或细丝的温度的增高，功率节省也会增加。具体而言，随着在适当波长范围内更多的辐射能量从棒或细丝表面发射出，其会被金覆层反射回到棒/细丝。如此，维持硅棒/细丝表面温度所需的能量输入愈少，此可导致对制造成本的节省整体增加。
该金覆层较佳地也增加在棒/细丝上的多晶硅沉积速率。于现有不锈钢室中，棒的温度会根据该棒对冷却组件的接近度而变异。如此，于传统应用中，例如，面朝冷壁的棒的区域会比棒的内部更为冷。于本发明的涂覆金的室中，因为整体棒/细丝的温度增加，所以棒/细丝的温度偏差会较低，借此促成增加的沉积速率、更高的良率、与该系统整体增加的生产力。
在反应器内沉积材料的方法可包括下列步骤：提供反应室，该室包括固定在该反应室内的底盘与可操作地连接到该底盘的壳体，将至少一部分的该反应室涂覆一层具有至少约0.1微米厚，且更佳者约0.5至3.0微米厚度的金层；将至少一条细丝连接到该底盘；将电流源连接到该反应室以供应电流到该细丝；将气体源连通到该反应室以让气体流经该反应室；及操作该反应器以在该反应室内的该细丝上沉积材料。根据本发明，在细丝上沉积的材料可为多晶硅，且该细丝可包括硅。
本发明经特别组构而用于大块多晶硅沉积，其中配置在反应器内的硅棒或细丝经由将电流流过该棒和/或细丝予以电阻加热。相较之下，其它配置，例如在美国专利第4,938,815号中揭示的反应室利用传导和/或辐射来加热硅晶片。此等配置不适合用来在棒或细丝上生长多晶硅，至少因为利用传导来加热硅晶片会造成该棒/细丝的一侧直接接触加热源，这可能妨碍在该一侧上的硅沉积。另外，诸如热灯的辐射源的使用会实质地妨碍在棒/细丝上的多晶硅沉积，至少是因为使用辐射灯时，必须在反应室的内部操作外部加热源；不过，因为在反应器内的高温度，此等灯并不适合。此外，在反应器内的化学环境所产生的操作温度也经证明不利于在反应器内操作红外灯。再者，为了均匀地加热个别的棒/细丝，会需要数个灯，这会造成复杂且昂贵的布局(layout)。
本发明可达到诸如增加的功率节省、减低的操作温度、与减低的腐蚀等效益。虽然已经针对较佳具体实施例来说明本发明，不过本领域技术人员可以轻易地理解出，可以对其作出改变或修饰而不违离由所附权利要求所界定的本发明旨意或范围。

Claims (23)

1.一种反应器系统，包括：
反应室，包含至少一固定在该反应室内的底盘和可操作地连接到该底盘的壳体，该反应室的至少一部分涂覆有厚度至少约0.1微米的金层；
至少一细丝，连接到该底盘；
电流源，用以供应电流到该细丝；以及
气体源，可操作地连通到该反应室，以让气体流经该反应室。
2.如权利要求1所述的反应器系统，其中，该电流通过该底盘中的一电馈入装置直接供应到该细丝。
3.如权利要求1所述的反应器系统，其中，该反应室进一步包括观察口，用以观察该反应室的内部部分。
4.如权利要求1所述的反应器系统，其中，该反应室涂覆有厚度约0.5至3.0微米的金层。
5.如权利要求1所述的反应器系统，其中，该至少一细丝包括硅。
6.如权利要求1所述的反应器系统，进一步包括冷却系统，具有至少一可操作地连接到该反应器系统的流体入口和流体出口。
7.如权利要求1所述的反应器系统，其中，该反应器系统为化学气相沉积反应器系统。
8.如权利要求1所述的反应器系统，其中，涂覆有该金层的该反应室的发射率在约0.01至0.03之间。
9.一种应用于化学气相沉积反应器中的反应室，包括：
至少一底盘，固定在该反应室内；
至少一细丝，连接到该底盘，该反应室可操作地连接到一电流源和气体源，以使材料沉积于该细丝上；以及
该反应室的至少一部分涂覆有厚度至少约0.1微米的金层。
10.如权利要求9所述的反应室，其中，一电流由该电流源供应到该细丝。
11.如权利要求10所述的反应室，其中，该电流通过该底盘内的一电馈入装置直接供应到该细丝。
12.如权利要求9所述的反应室，进一步包括至少一可操作地连接到该反应室的气体入口和气体出口，以让气体流经该反应室。
13.如权利要求9所述的反应室，进一步包括观察口，用以观察该反应室的内部部分。
14.如权利要求9所述的反应室，其中，该至少一细丝包括硅。
15.如权利要求9所述的反应室，其中，涂覆有该金层的该反应室的发射率在约0.01至0.03之间。
16.一种在反应器中沉积材料的方法，包括下列步骤：
设置反应室，该反应室包括至少一固定在该反应室内的底盘和可操作地连接到该底盘的壳体，该反应室的至少一部分涂覆有厚度至少约0.1微米的金层；
将至少一细丝连接到该底盘；
将电流源连接到该反应室，以供应电流到该细丝；
将气体源连通到该反应室，以让气体流经该反应室；以及
操作该反应器，以在该反应室中的该细丝上沉积材料。
17.如权利要求16所述的方法，其中，沉积在该细丝上的该材料为多晶硅。
18.如权利要求16所述的方法，其中，该细丝包括硅。
19.如权利要求16所述的方法，其中，该反应器为化学气相沉积反应器。
20.如权利要求16所述的方法，进一步包括下述步骤：
通过在该底盘内的一电馈入装置直接将该电流供应到该细丝。
21.如权利要求16所述的方法，其中，该反应室涂覆有厚度约0.5至3.0微米的金层。
22.如权利要求16所述的方法，其中，该反应室涂覆有发射率在约0.01至0.03之间的金层。
23.如权利要求16所述的方法，其中，该反应室进一步包括观察口，用以观察该反应室的内部部分。
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