CN102224277A

CN102224277A - 外延反应器的反应室

Info

Publication number: CN102224277A
Application number: CN2009801467511A
Authority: CN
Inventors: 马里奥·普莱蒂
Original assignee: LPE SpA
Current assignee: LPE SpA
Priority date: 2008-11-24
Filing date: 2009-11-20
Publication date: 2011-10-19
Anticipated expiration: 2029-11-20
Also published as: US20110229378A1; IT1392068B1; CN102224277B; JP2012510151A; JP5600324B2; EP2367964A1; ITMI20082092A1; WO2010058269A1; EP2367964B1

Abstract

本发明涉及基本上由中空的石英部件构成的外延反应器的反应室；该中空的石英部件包括具有圆柱体或棱柱体或圆锥体或棱锥体形状的石英部件部分(1)和设置在所述石英部件部分(1)中的轴向通孔(2)；该石英部件部分(1)适合于根据三个方向中的两个界定反应和沉积区(3)，并且适合于容纳在轴向通孔(2)内部被加热的至少一个基座(4)。该室设置有由基于石英的材料制成的且适合于将由基座(4)发出的红外辐射反射回去的反射层(5)；该反射层(5)被应用于所述石英部件部分(1)和/或被应用于反应室的石英组件。

Description

外延反应器的反应室

描述

本发明涉及外延反应器的反应室。

外延反应器是被设计用于将单晶层或多晶层材料光滑地且均匀地沉积在衬底(substrate)上的机器；如此处理的衬底然后用于制造电器件(例如，太阳能电池)、电子器件(例如，MOSFET和LED)以及微电子器件(例如，集成电路)。

衬底由具有广泛可变的直径(通常在1”＝25mm和18”＝450mm之间)的非常薄的圆盘(它们的厚度通常在100μm到1,500μm的范围内)构成，并且它们可以由例如硅[SI]、碳化硅[SiC]、锗[Ge]、砷化镓[GaAs]、氧化铝或蓝宝石[Al2O3]、或氮化镓[GaN]制成。

沉积的材料通常为导电材料或半导体材料，例如硅[Si]、碳化硅[SiC]、锗[Ge]、砷化镓[GaAs]、氮化铝[AlN]、氮化镓[GaN]。

沉积层和下面的衬底可由相同或不同的材料制成。

沉积层的厚度可从几纳米到几毫米广泛地变化；当沉积层的厚度超过1mm时，沉积过程一般称为“本体生长(bulk growth)”。

已知的外延反应器包括一般地基本上由中空的石英部件(hollow quartz piece)构成的反应室；所述中空的石英部件包括具有圆柱体或棱柱体或圆锥体或棱锥体形状的石英部件部分和轴向通孔；所述石英部件部分适合于根据三个方向中的两个界定反应和沉积区，并且适合于容纳在轴向通孔内部被加热的至少一个基座(susceptor)；该基座用于支撑衬底并且通常也用于加热衬底。

存在许多类型的反应器；取决于类型，室可以被竖直地或水平地(很少倾斜地)布置；取决于类型，基座可具有圆盘、棱柱体、圆柱体、棱锥体或圆锥体形状，并且可以为实心的或中空的；取决于类型，可借助于电阻器、感应器、灯(很少借助于内部燃烧器)来加热基座；取决于类型，反应器可以是“冷壁”反应器或“热壁”反应器(这些术语是指界定反应和沉积发生的空间的壁)。

工艺是在高温下在外延反应器中进行的，即范围从数百摄氏度到几千摄氏度(例如，多晶硅的沉积通常在450℃和800℃之间的温度下发生，单晶硅在硅衬底上的沉积通常在850℃和1,250℃之间的温度下发生，单晶碳化硅在硅衬底上的沉积通常在1,200℃和1,400℃之间的温度下发生，单晶碳化硅在碳化硅衬底上的沉积对于所谓的“外延生长”而言通常在1,500℃和1,700℃之间的温度下发生并且对于所谓的“本体生长”而言通常在1,900℃和2,400℃之间的温度下发生)，并且它们需要许多能量(数十KW)来加热；因此，避免产生的热能散逸到环境中是重要的。

为此目的，几十年来常见做法是将薄(小于100μm)的基于金的材料层应用于外延反应器的反应室的外表面；这种金层是通过某一数目的上漆循环和干燥循环而获得(获得光滑的、均匀的且无孔的层是不容易的)，并且它很好地反射由基座发出的红外辐射。

在基座为用于加热衬底的主要元件的那些外延反应器中(例如，在感应加热外延反应器中)，适当的反射导致在生长过程期间衬底的正面和背面之间的温差小。

这种解决方法的一个缺点是在不久之后(例如数个月)，金层从反应室的石英表面脱离-石英表面越热，金层将脱离得越快，还因为金的热膨胀比石英的热膨胀大；如果反应室借助于气流来冷却(这是相当常见的)，这种现象甚至更快，还因为由气流施加到该层上的机械作用；除此之外，经之前洗涤循环留在反应室的表面的任何痕量酸进一步助长这种现象。

金层的脱离导致外延反应器的电力消耗量增加，因为由基座发出的红外辐射的一部分被散逸到环境中。

而且，金层的不规则且不均匀的脱离还引起生长衬底的品质降低。

由此可见，当所述脱离发生时，有必要将反应室从外延反应器卸下，完全除去金层(已部分脱离的)，应用新的金层并将反应室重新安装到外延反应器中；这些操作成本高且费时，并且只能进行有限的次数。

本发明的总体目的是克服上面提及的缺点。

这个目的和其他目的通过具有所附权利要求提出的特征的反应室来实现，所附的权利要求意图作为本说明书的组成部分。

在考虑几种可选的解决方法后，申请人有了如下想法：使反应室设置有由与反应室的材料在化学上(具有相同或相似的化学性质，例如耐受性)、在机械上(具有相同或相似的机械性质)和在热上(具有相同或相似的热性质，例如CTE[热膨胀系数])相容的材料制成的反射层。

申请人决定采用基于石英的反射材料。

这种解决方法还允许达到与现有技术中使用的金层的反射相似的反射(例如，入射辐射的70-90％或甚至更多的反射)。

这种方法为与反应室和基座有关的反射层的更灵活的、有效的且有效率的定位开辟了道路，如稍后将变得明显的。

一般而言，根据本发明的外延反应器的反应室基本上由中空的石英部件构成；所述中空的石英部件包括具有圆柱体或棱柱体或圆锥体或棱锥体形状的石英部件部分和设置在所述石英部件部分中的轴向通孔；所述石英部件部分适合于根据三个方向中的两个界定反应和沉积区，并且适合于容纳将在所述轴向通孔内部被加热的至少一个基座。根据本发明的室还包括适合于将由所述基座发出的在1,000nm和10,000nm之间，优选在1,500nm和3,000nm之间的波长范围内的红外辐射反射回去的反射层；所述反射层由基于石英的材料制成并且被应用于所述石英部件部分和/或被应用于所述反应室的石英组件。

所述反射层可位于所述石英部件部分的内部和/或位于所述石英部件部分的外部上。

所述反射层可部分地或完全地覆盖所述石英部件部分。

所述反射层可被玻璃化石英层部分地或完全地覆盖。

所述石英部件部分可设置有适合于将由所述基座发出的红外辐射反射回去的另一种反射层；所述另一种反射层由基于金的材料制成。

所述反射层可覆盖不同区域中的所述石英部件部分。

所述石英部件部分可由透明石英制成。

根据本发明的室可包括位于所述中空的石英部件的末端的凸缘；所述凸缘由不透明石英制成。

根据本发明的室可适于借助于至少一种气流或液流来冷却。

根据另一方面，本发明还涉及包括具有以上提出的特征中的任一种的反应室的外延反应器。

现在将参考附图详细地描述本发明，其中：

图1显示根据现有技术的第一反应室的三种不同视图(图1A是侧视图，图1B是顶视图，图1C是前视图)，

图2是根据现有技术的第二反应室的侧视图，

图3是根据现有技术的第三反应室的侧视图，

图4是根据现有技术的第四反应室的侧视图，

图5显示根据本发明的反应室的第一实施方案的三种不同的剖视图(图5A是侧视图，图5B是顶视图，图5C是前视图)-图5的室对应于图1的室，外加根据本发明的技术特征，并且

图6是根据本发明的反应室的第二实施方案的剖面侧视图-图6的室对应于图4的室，外加根据本发明的技术特征。

所述描述和所述图应当只被认为是非限制性解释性实例；另外，它们都是示意性的且简化的。

图1图示了基本上由中空的石英部件构成的外延反应器的反应室；所述中空的石英部件包括具有棱柱体(带有纵向圆角)形状的石英部件部分1和设置在部分1中的轴向通孔2；部分1适于根据三个方向中的两个(即宽度和高度-见图1C)界定反应和沉积区3(图1中未突出)，并且适于容纳在孔2内部被加热的至少一个基座(图1中未显示)；孔2具有与部分1的横截面对应的矩形横截面(带有圆角)，使得部分1为具有基本上恒定的横截面的带有壁的管。

图1的室适于被水平地布置，以容纳圆盘形的基座，将与感应加热装置关联并且将用于“冷壁”反应器中(其中中空的石英部件部分1的温度在外延生长工艺过程中不超过400-600℃，并且因此比基座温度低得多)。

图2显示基本上由中空的石英部件构成的外延反应器的反应室；所述中空的石英部件包括具有圆柱体形状的石英部件部分和在所述部分中获得的轴向通孔。同样在这种情况下，与图1的情况类似，中空的石英部件部分适于根据三个方向中的两个界定反应和沉积区(具有圆柱形形状)，并且适于容纳在孔内部被加热的至少一个基座(具有圆柱形形状)；孔具有与石英部件部分的环形横截面相对应的环形横截面，使得石英部件部分为具有恒定的横截面的带有壁的管。

图2的室适于被水平地布置，以容纳带有适合的热绝缘装置的圆柱形基座并且将与感应加热装置关联。

图2的室包括位于中空的石英部件的末端的两个凸缘。

图3显示与图2中图示的外延反应器的反应室非常相似的外延反应器的反应室，唯一的实质差别是不存在任何凸缘；此外，图3的室适于被竖直地布置，虽然在该图中它被水平地绘出。

图4显示基本上由中空的石英部件构成的外延反应器的反应室；所述中空的石英部件包括具有圆柱体形状的第一石英部件部分11和与第一部分11接合的具有倒置圆形漏斗形状的第二石英部件部分19(部分11和19一起组成单一石英部件，图4的水平虚线只用于指示这两个部分之间的边界)；还有在第一部分11中获得的轴向通孔12(它也延伸到第二部分19中，但具有不同的横截面)；第一部分11适于根据三个方向中的两个(即，彼此垂直的两个水平方向)界定反应和沉积区13(图4中未突出)，并适于容纳在孔12内部被加热的至少一个基座(图4中未显示)；孔12具有与第一部分11的环形横截面对应的环形横截面，使得第一部分11为具有恒定的横截面的带有壁的管；图4的室的总体形状称为“钟形”。

图4的室适于被竖直地布置，以容纳具有截棱锥形状的基座，将与感应加热装置关联并且将用于“冷壁”反应器中(其中中空的石英部件部分1的温度在外延生长工艺过程中不超过400-600℃，并且因此比基座的温度低得多)。

图4的室包括位于中空的石英部件的末端的两个凸缘17。

图5显示安装在立轴(vertical shaft)8上的圆盘形基座4，它由该立轴8支撑并转动；基座4在其顶面上具有一些适中的凹槽(recess)(特别为五个凹槽)，这些凹槽适于容纳要经受外延生长的衬底；轴8穿过在室壁之一中获得的圆孔(使用在该图中未显示的密封装置)；该图还清楚地显示反应和沉积区3；应注意，基座4和轴8都不是室的部件。

图5的室与图1的室不同，因为它包括适合于将由基座4发出的在1,000nm和10,000nm之间，优选在1,500nm和3,000nm之间的波长范围内的红外辐射反射回去的反射层5；该反射层5由基于石英的材料制成并且被应用于部分1。

反射层5的厚度通常是在0.5mm到1.5mm的范围内，优选为约1mm。

反射层5可通过以下工艺获得：

-将具有高含量(例如，大于80％且小于95％)的分散的无定形石英颗粒的半液体浆料(分散液可以是水或例如醇)应用于透明的石英反应室，并且

-干燥如此应用的浆料，并且

-热烧结所干燥的浆料。

以这种方式可以获得以下的层：所述层能够反射到达该层的平均70-90％(或甚至更多)的红外辐射(在上面提及的波长范围和每单位的覆盖表面内)；应指出该层的反射度不仅受用于获得该反射层的工艺强烈影响，而且受该工艺如何实施强烈影响(例如，关于上述工艺，受应用混合物的方式强烈影响)。

在图5的实例中，反射层5位于部分1的外部上，并且覆盖外部略少于50％，尤其是在上半部分；可选地，覆盖度可以是完全的或几乎完全的，例如，75-95％(或甚至更多)。

重要的是该反射层覆盖位于基座附近的区域中的石英部分。在其中基座被布置在石英部分的中心区域中的常见情况下，重要的是反射层覆盖一个或多个中心区域中的石英部分。在图5的实例的情况中，反射层可以例如被竖直地布置在基座4的上方和/或下方；另外，沿基座4侧面的区域也可以用反射层覆盖；当然，为了本发明的目的，将反射层延伸超过以上规格反而可以是有利的。

在图5的实例中，部分1还设置有适于将由基座4发出的红外辐射反射回去的另一个(任选但有利的)反射层6；反射层6由基于金的材料尤其是金漆制成；反射层6的厚度小于100μm。

在图5的实例中，反射层6位于部分1的外部并且覆盖外部略少于50％，尤其是在下半部分。

在图5的实例中，层5和层6不重叠，即，它们覆盖不同区域中的石英部件部分。

尽管从该图中可明显看出，部分1的外表面存在未覆盖区域，但这只是因为该图是图示的图；事实上，根据本发明，优选的是石英部件部分的整个表面用石英和/或金反射层覆盖，以便尽可能地限制热能散逸到环境中；因此，留下一些未覆盖的小窗口可能是必要的，例如以便使用高温计读取温度值。

至于涉及冷却，图5的室的下半部分借助于通常为水的液流来冷却(具体地，将其浸入盛满水的盆中)，而上半部分借助于通常为空气的气流来冷却；当然，不同的布置和组合也是可能的。

反射层5可以部分地或完全地被玻璃化石英层覆盖；所述玻璃化层的厚度通常可以在0.5mm到1.5mm的范围内。

反射石英层和重叠的玻璃化石英层可通过以下工艺获得：

-干燥如此应用的浆料，并且

-热烧结所干燥的浆料，并且

-所烧结的浆料只在表面上被玻璃化至预定的深度，例如，通过火焰或激光束；

当然，必须应用足够的浆料，因为这对于制备反射石英层和玻璃化石英层都是必要的。

从化学观点和机械观点看，玻璃化层保护下面的反射层；由此可见，当制备品质非常好的层时，使反射层位于中空的石英部件部分内部也将是可能的，由此进一步限制散逸到环境中的热能的量。

图5的室还包括位于中空的石英部件的末端尤其是部分1的末端的两个凸缘7。

部分1由透明石英制成，具体地，石英对可见光是透明的以及对红外光是透明的。

凸缘7由不透明石英制成，具体地，石英对可见光是不透明的以及对红外光是不透明的(即，不允许所述光穿过，由此部分地反射所述光且部分地吸收所述光)。

图6显示了具有截棱锥形状的基座14；基座14由该图中未显示的适合的装置支撑并转动；基座14在其侧面上具有一些适中的凹槽(未显示)，这些凹槽适于容纳衬底；该图还清楚地显示反应和沉积区13；最后，应注意，基座14不是该室的一部分。

图6的室与图4的室不同，因为它包括适合于将由基座4发出的在1,000nm和10,000nm之间，优选在1,500nm和3,000nm之间的波长范围内的红外辐射反射回去的反射层15；反射层15由基于石英的材料制成并且被应用于部分11；反射层15也部分地在部分19上方延伸。

图6的层15具有与图5的层5相同的特征，并且能够以相同方式获得。

在图6的实例中，反射层15位于部分11的外部并且将其完全覆盖；此外，它还部分地在部分19上方延伸；可选地，覆盖度可以是石英部分(11)的几乎全部，例如75-95％(或甚至更多)。

重要的是反射层覆盖位于基座附近的区域中的石英部分。在其中基座被布置在石英部分的中心区域中的常见情况下，重要的是反射层覆盖一个或多个中心区域中的石英部分。在图6的实例的情况中，反射层可以例如被水平地布置在基座14旁边，用于反射层的全部或几乎全部(例如80-90％)的竖直延伸；当然，为了本发明的目的，将反射层延伸超过以上规格反而可以是有利的。

至于涉及冷却，图6的室只通过通常为空气的气流来冷却。

图6的室还包括在中空的石英部件的末端尤其是在部分11的下端和部分19的上端的两个凸缘17。

部分11和部分19由透明石英制成，具体地，石英对可见光是透明的以及对红外光是透明的。

凸缘17由不透明石英制成，具体地，石英对可见光是不透明的以及对红外光是不透明的。

在本文参考图5和图6描述的两个实施方案中，将反射石英层应用于基本上构成反应室的中空的石英部件部分。作为替代或另外，根据本发明，为了将由基座发出的红外辐射反射回去的目的，可将反射石英层应用于室的石英组件；例如，在图5的情况下，可在基座4下面的区域3内部设置由具有反射石英层的有孔圆盘构成的石英组件。

从上述描述中明显的是，可以许多不同方式定位反射层。

主要地，像本文描述的那些反应室的反应室被有利地使用并被包含在外延反应器中。

Claims

1.一种基本上由中空的石英部件构成的外延反应器的反应室，其中所述中空的石英部件包括具有圆柱体或棱柱体或圆锥体或棱锥体形状的石英部件部分(1；11)和设置在所述石英部件部分(1；11)中的轴向通孔(2；12)，其中所述石英部件部分(1；11)适合于根据三个方向中的两个界定反应和沉积区(3；13)，并且适合于容纳将在所述轴向通孔(2；12)内部被加热的至少一个基座(4；14)，所述室的特征在于，所述室包括适合于将由所述基座(4；14)发出的在1,000nm和10,000nm之间，优选在1,500nm和3,000nm之间的波长范围内的红外辐射反射回去的反射层(5；15)，其中所述反射层(5；15)由基于石英的材料制成，并且其中所述反射层(5；15)被应用于所述石英部件部分(1；11)和/或被应用于所述反应室的石英组件。

2.根据权利要求1所述的反应室，其中所述反射层(5；15)位于所述石英部件部分(1；11)的内部和/或位于所述石英部件部分(1；11)的外部。

3.根据权利要求1或2所述的反应室，其中所述反射层(5；15)部分地或完全地覆盖所述石英部件部分(1；11)。

4.根据权利要求1或2或3所述的反应室，其中所述反射层被玻璃化石英层部分地或完全地覆盖。

5.根据前述权利要求1到4中任一项所述的反应室，其特征在于，所述石英部件部分(1)设置有适合于将由所述基座(4)发出的红外辐射反射回去的另一反射层(6)，其中所述另一反射层(6)由基于金的材料制成。

6.根据权利要求5所述的反应室，其中所述反射层(5、6)覆盖不同区域中的所述石英部件部分(1)。

7.根据前述权利要求1到6中任一项所述的反应室，其中所述石英部件部分(1；11)由透明石英制成。

8.根据前述权利要求1到7中任一项所述的反应室，其特征在于，所述反应室包括位于所述中空的石英部件的末端的凸缘(7；17)，其中所述凸缘(7；17)由不透明石英制成。

9.根据前述权利要求1到8中任一项所述的反应室，其特征在于，适合于借助于至少一种气流或液流来冷却。

10.一种外延反应器，其特征在于，所述外延反应器包括根据前述权利要求1到9中任一项所述的反应室。