CN102421934B - 高产量多晶片外延反应器 - Google Patents

Abstract

本发明揭示了一种能够在多块晶片上同时沉积薄膜的外延反应器。在沉积期间，许多晶片包含在晶片套内，所述晶片套包括许多晶片载盘，所述晶片载盘紧密相隔以使处理体积最小化。处理气体优先流入晶片套的内部体积，用一个或多个灯模组加热晶片套。吹扫气体在反应室内的晶片套外面流动，以使室壁上的沉积减至最少。另外，在灯模组内的单独灯的照明排序，可以进一步改进晶片套内的沉积率变化的线性。为了提高均匀性，处理气体流动的方向可以以交叉流动构型变化。在多个反应器系统内结合灯排序和交叉流动处理，能够有高产量的沉积与良好的薄膜均匀性，而且有效地使用处理气体。

Description

高产量多晶片外延反应器

相关申请的交叉引用

本申请要求2009年2月25日提交的名称为“高产量多晶片外延反应器”的美国专利申请号12/392448的优先权，将其引入本文作为参考。

技术领域

本发明大体涉及用于沉积薄膜尤其是外延薄膜的化学气相沉积(CVD)反应器的领域，更具体地说，涉及采用一个或多个灯加热反应器和移动晶片套的CVD反应器，所述移动晶片套暴露于灯、吸收灯辐射、并安装多块晶片和限定晶片套内的处理气体的流动。

背景技术

通过化学气相沉积(CVD)方法在晶片上沉积薄膜的外延反应器，可以根据它们加热晶片的方法、在反应室或数个反应室内的晶片的整体布局、以及整体工具架构来进行分类，整体工具架构包括反应室的数量，以及是否分别在系统的入口和出口处配置用于预热和冷却的额外腔室。图1-3示出了三种不同类型的现有技术的外延反应器，各自按照这些不同的设计方面进行分类。

图1示出了现有技术的煎饼型外延反应器100的侧剖视示意图。将在上面沉积外延薄膜的晶片110由基座111支承。典型的基座可以由带碳化硅涂层的石墨构成。基座111安装在反应室101内，一个或多个处理气体102经由入口管路103进入反应室101的气体通道，该气体通道包含在一个杆状件内，该杆状件也为基座111的旋转运动140提供支持。在基座111的电阻石墨材料内流动的电涡流加热该基座111，并通过传导来加热支承在该基座上的晶片110。这些涡流是由安装在基座111下面的一组RF感应线圈112诱发的。处理气体105经杆状件内的气体通道从出口104进入反应室101，然后流过已加热的晶片110的表面。既包含来自外延反应的析出气体，也包含未使用的反应气体的废气115，经由出口114被抽吸到反应室101外面。

煎饼型外延反应器100能够沉积厚的薄膜和不均匀的双层薄膜，厚度在4％范围内，电阻率在7％范围内急剧转变，且金属污染性低。基座111的旋转运动140提高沉积的均匀性。这种类型的外延反应器的主要缺点在于：产量低，耗气量大，晶片会热变形，以及均匀性比其它类型的现有技术的外延反应器(见图2和3)更差。另一个重大缺点是需要经常清洗反应室101的内表面，因为在这些表面上沉积的薄膜是多余的。这种不必要的沉积会增加拥有成本，因为处理气体消耗较高，以及需要维护和清洗，从而增加了系统的停机时间。

图2示出了一种现有技术的桶式外延反应器200的侧剖视示意图。在这种类型的反应器中，上面将生长外延薄膜的晶片210安装在多面石墨载体211上，该多面石墨载体在反应器201内保持在支承件215上，支承件215能够作旋转运动240，以在沉积过程中提高均匀性。所述石墨载体211由包含在一个或多个反射器组件203内的一排灯加热，反射器组件203安装在反应室201外周侧上。处理气体217经由入口管路216进入反应器，并在石墨载体211的外周流动，如图中的箭头220所示。既包含来自外延反应的析出气体，也包含未使用的反应气体的废气205经由排气管路204被抽吸到外面。一些反应气体221在反应室201内再循环，在外延沉积过程中增加了反应气体的使用效率。

桶式外延反应器的优点是表面质地良好以及滑移性能较佳，其厚度不均匀性通常在3％左右，电阻率不均匀性在4％左右。产量较煎饼型反应器高。一些缺点是不能沉积双层薄膜且薄膜电阻率相对较高。这种类型的反应器目前用于厘米OS半导体制造。

图3示出了第三种类型的现有技术的外延反应器，一种单/小批量灯加热反应器300。在这种反应器300中，是在包括下金属部分301和石英圆顶302的反应室内处理单晶片310的，所述下金属部分301和石英圆顶302被多重夹具303保持在一起。通常情况下，反应室内的压力可能会低于其它类型的外延反应器。被处理的晶片310由载体311支承，该载体311安装在延伸到反应室内的杆状件315上。在沉积过程中，杆状件315能够使载体311做旋转运动340，以提高均匀性。处理气体307经由入口管路350进入反应器。处理气体308接近晶片310的水平面进入反应室。通过安装在反射器组件331内的一排灯330发出的光辐射来加热晶片310。既包含来自外延反应的析出气体，也包含未使用的反应气体的废气306经由出口孔305被抽吸到反应室外面。

该单/小批量类型的外延反应器有很多重要的优点，包括不需要密封后侧就能够处理晶片310。外延薄膜可以在急剧的掺杂过渡情况下进行沉积，金属污染低，以及厚度(1.5％)和电阻率(2％)的非均匀性低。另外，在单晶片反应室内，可以容纳直径达300毫米的晶片。可以沉积具有良好表面质地且不滑移的薄膜，且每小时的产量高达8至10块晶片。然而，这种类型的反应器的重要缺点是，较厚的薄膜成本高，会使生产量下降，因为需要较长的外延沉积时间。

外延沉积处理被开拓用于制造集成电路和分立器件的半导体工业。通常情况下，在热晶体硅基底附近注入硅前驱气体(如，硅烷)，以化学气相沉积一层硅在基底上，所述一层硅连同基底的硅一起外延。对于这些应用，一般情况下，完全处理的晶片的最终值可以相当高，在某些情况下，诸如用于微处理器的每块晶片价值好几万美元。因此，半导体制造的经济情况可以支持相对较高成本的每个处理步骤，这些处理步骤的成本比其它类型的半导体产品诸如光电(PV)太阳能电池晶片的成本高。对于其它的应用，每个处理步骤的成本必须较低，因为PV太阳能电池(通常约为150平方毫米)的最终成本可以在10美元范围内，数量级低于大部分完全处理的半导体器件晶片(通常直径为200或300毫米)。另一方面，对于PV太阳能电池应用，相较器件晶片而言，某些薄膜特征较不紧要，尤其是所需要的薄膜厚度和电阻率均匀性。

薄膜太阳能电池的外延沉积的缺点在于，外延沉积在达到良好外延的过程通常很慢，而太阳能电池中的半导体光吸收层需要比较厚。结果是，外延太阳能电池的沉积时间通常比典型的现代集成电路的薄外延层要长得多。

发明内容

本发明提供一种外延反应器的改进设计，具有较高的产量，晶片套在小的反应体积内含有多块晶片，以改进处理气体的使用，并将反应室壁上的不必要的沉积减至最少，而且通过改进灯温控制使灯的使用寿命增加。本发明可以实现对晶片内和晶片之间的薄膜厚度及电阻率均匀性的高度控制，而不需要在沉积过程中作旋转运动或其它类型的晶片运动，由此简化了反应室的设计。本发明的外延反应器可以包括辐射晶片套的一个或多个灯模组，所述晶片套包含在反应器框架内，该反应器框架也支承所述灯模组。本发明的备选实施方案可以采用电阻加热或感应加热晶片套，而不是采用辐射灯加热。

在本发明的一个方面，每个灯模组包括多个灯，通常为卤素钨丝灯，这些灯透过照明窗口(通常为石英)辐射加热晶片套。在每个灯远离晶片套的那一侧为反射器组件，通常为具有最大IR反射率和抗氧化的金涂层。灯模组结构可以水冷，而该灯模组内的每个灯可以通过连接到空气室的每个灯后面的一排孔口气冷。这种灯冷却布局确保了灯每端的适当密封，以保持冷却空气的压力，以及通过适当的灯温控制来增加灯的使用寿命。在本文描述的本发明的一个实施方案中，在反应器框架上安装了两个灯模组，其中，每个灯模组辐射支承在反应器框架内的晶片套。在另一个实施方案中，在反应器框架的一侧上安装了用来加热晶片套的单个灯模组。

在本发明的另一方面，晶片套是一个包括至少两个载盘的组件，每个载盘上安装多块晶片，这些晶片与载盘的平表面良好地热接触。所述载盘由一对端盖支承和保持在固定的紧密空间(close spacing)内。载盘的外表面由来自灯模组的光加热，所述光透过例如由石英制成的窗口辐射。制造载盘的适合材料为碳化硅，因为碳化硅对可见及红外光具有高吸收性。

用于外延沉积的处理气体通过反应器框架的顶部和底部上的一组处理气体入口管可以直接供应到晶片套的内部空间。在反应器框架的顶部还有一组吹扫气体入口管，通常供应氢气到反应器框架内，而不是晶片套的外部。因此，将最少数量的吹扫气体引入反应器模组的外部分中，由此将该反应器模组内部以外的表面上的多余沉积量减至最小。反应器模组的内表面上的沉积通过反应器模组的水冷却进一步减少。一组排气出口管路延伸到反应器框架的顶部和底部外。废气包括：吹扫气体，来自反应器模组内的外延反应的产物，以及未使用的反应气体。

在一个外延反应器中，处理气体被限制在晶片上方的小区域内，处理气体的消耗率将会因为处理气体由入口流到排气装置而比较高。这会导致靠近处理气体入口的晶片的外延沉积率高于比较接近排气出口管路的晶片，因为反应气体的浓度随着与入口的距离增加而减小。

因此，本发明的另一个方面提供双向流动的处理气体，实现了“交叉流动”式外延沉积处理。在此方面，处理气体先在一个方向上流动，例如，在预定周期向下通过晶片套的内部。然后，处理气体的方向逆转为相反的方向，例如，在类似的预定周期向上通过晶片套的内部。在包含于晶片套内的一组晶片上外延沉积期间，可以多次循环地重复这个过程，从而使处于晶片套的顶部和底部的晶片之间的沉积率达到平均数。另外，可将流动和排气设置成从左至右以及从右至左。在这种安排下，气体的流动方向在每次循环时可以切换90度(例如)，因此极像是沉积期间晶片的旋转运动。

在本发明的整个系统的第一个实施方案中，可将外延反应器集成在这样一个系统内，该系统包括预热室，单外延沉积反应器，以及冷却室。在第二个实施方案中，可以采用两个或多个串联的外延沉积反应器，并结合了预热室和冷却室。在此第二个实施方案中，每个外延反应器各自沉积部分所需最终薄膜厚度。例如，在一个包括一个预热室，三个外延反应器以及一个冷却室的系统中，每个外延反应器可以沉积大约三分之一的所需最终薄膜厚度。在沉积期间，每个外延反应器内，可以采用交叉流动的沉积处理来增加沉积均匀性。因此，每个外延反应器的沉积时间将会是第一个实施方案中的单个外延反应器所需时间的三分之一。假定预热和冷却的时间少于总沉积时间的三分之一，则此第二个实施方案提供的晶片产量将会比第一个实施方案的产量高大约三倍。

在本发明的再一个实施方案中，可以采用串联的许多外延反应器，具有不同的流动方向，以达到想要的整体薄膜均匀性，而不需要在任何外延反应器内进行交叉流动处理。可以与预热室和冷却室结合的这种方法，使得能够利用简单的反应室，因为每个反应器将会需要仅用于单向处理气体和排气流量的管道。

因为本发明的晶片套由一排灯加热，可以使用一种灯排序方案来进一步增加薄膜沉积均匀性。在此方法中，通过激活各种占空比小于100％的加热灯，可以使沉积率在相应于处理气体流动的方向上的变化接近线性，由此通过实时控制晶片套的不同部分中的晶片温度来控制沉积率。使灯排序与交叉流动处理结合，将会在晶片内或晶片之间获得相当均匀的整体沉积率。

附图说明

图1为现有技术的煎饼型外延反应器的示意性侧剖视图。

图2为现有技术的桶式外延反应器的示意性侧剖视图。

图3为现有技术的单/小批量外延反应器的示意性侧剖视图。

图4为本发明的灯模组的外表面的示意图。

图5为图4所示的灯模组的面向反应器内部的表面的示意图。

图6为图4的灯模组在其外部冷却空气室的示意性竖直剖视图。

图7为图4的灯模组在其中心冷却空气室的示意性竖直剖视图。

图8为本发明的晶片套部分被切开的示意性立体图。

图9为图8的晶片套的示意性俯视图。

图10为本发明的反应器框架的示意性侧视图。

图11为本发明的照明窗口的示意图。

图12为带有处于适当位置的图11的照明窗口的图10的反应器框架的示意性侧视图。

图13为气室的示意性剖视图。

图14为图4的外延反应器的反应区的示意性顶部局部剖视图。

图15为本发明的使用交叉流动处理的三个模组外延反应器的示意图。

图16A-D为本发明的一个实施方案的具有四个不同流动定向的处理气体和排气流动的示意图。

图17为具有使用交叉流动处理的三个反应器模组的本发明的五个模组外延反应器的示意图。

图18为本发明的单向交叉流动反应器模组的示意性侧剖视图。

图19为外延沉积率与反应器模组内的竖直位置的对比关系的曲线图。

图20为不使用交叉流动处理的本发明的六个模组外延反应器的示意图。

图21A为本发明的单向反应器模组首次在外延沉积处理中使用灯排序方案的示意性剖视图。

图21B为本发明的单向反应器模组在图21A所示的时间之后的时间的示意性剖视图。

图21C为本发明的单向反应器模组在图21B所示的时间之后的时间的示意性剖视图。

图22为显示图21A-C所示的灯排序方案如何可以使外延沉积率与反应器模组内的竖直位置的对比关系变化线性化的曲线图。

图23为外延沉积率与反应器模组内的竖直位置的对比关系的曲线图，其中使用与交叉流动处理结合的灯排序方案来提高均匀性。

图24为本发明的单向反应器模组的示意性剖视图，其中使用从灯模组的顶部至底部的灯光亮度变化，以便使外延沉积率线性化。

图25A和25B为根据本发明的实施方案，具有高容积晶片套的反应器的示意性剖视图。

图26为根据本发明的实施方案，高容积晶片套的示意性俯视图。

图27为根据本发明的实施方案，图26的高容积晶片套的气室的示意性剖视图。

图28为根据本发明的实施方案，显示以小角度安装晶片的晶片套的上部分的示意性剖视图。

图29为图28的晶片套的下部分的示意性剖视图。

图30为根据本发明的实施方案，对于横向处理气体流动，显示以小角度安装晶片的晶片套的边缘的示意性剖视图。

具体实施方式

就PV电池的应用而言，现有技术的外延沉积系统的一个缺点是测得每小时晶片的产量很低。因此，外延反应器使用最少的沉积时间来处理大量并联的晶片是可取的，实际上仍可实现在PV太阳能电池上沉积的薄膜中想要的性能。

因此，本发明的一个方面包括外延反应器，该外延反应器能够通过化学气相沉积法同时在多块晶片上沉积薄膜，每块晶片由一个加热的载盘支承，而所述载盘由装在反射器组件内的一排灯加热。本发明的外延反应器包括一个或多个照射晶片套的灯模组，晶片套包含在用时也支承灯模组的反应器框架内。下面的图单独描绘了灯模组，晶片套以及反应器框架。接着，描述反应器模组的组件，然后是有关照明、冷却以及生产和吹扫气体流动的反应器模组的操作。论述不同构造的晶片套，然后是包括各种反应器组件的不同实施方案。最后，论述改善晶片至晶片的沉积率的方法。

参照图14概括了整个反应器的设计，这将在稍后与其它反应器部件一起作详细描述。用于沉积处理的反应器的反应容积1503内放置一个晶片套(或称为载体)，晶片920安装在该晶片套的内部容积907内的两个载盘906的面对侧上。两个灯模组401(见图4-7)透过窗口1200辐射载盘906的外侧。载盘906是由诸如碳化硅材料制成的，该材料吸收灯的可见和近红外辐射，并由此辐射加热。处理气体(例如氯硅烷和氢)流动通过套900的内部容积907，以在晶片920上外延沉积材料(例如硅)。通常的反应温度的范围介于600至1200℃之间。

灯模组

用白炽灯加热的现有技术的外延反应器的一个缺点是与灯相关的消费成本。通常情况下，使用昂贵的卤素钨丝灯，因为它们具有高红外发射，使得更有效地加热晶片。卤素钨丝灯包含螺旋状钨丝，该钨丝位于含有卤素气体的密封管内。如果灯被不适当地冷却，它们的使用寿命会大为缩减，为晶片制造过程构成额外的可变成本。因此，提供灯的冷却级别是可取的，这能够延长灯的使用寿命，由此减少每个PV电池晶片的灯摊销成本。因此，本发明的一个方面提供一种可使灯的使用寿命增加的灯模组。

图4示出本发明的一个实施方案的灯模组的外表面的示意图。该灯模组401藉由一系列穿过安装孔的螺钉可以附着到反应器框架1000(见图10)上。用于灯模组401的冷却空气经由通向进入孔414的入口连接件413可以进入中心空气室412。冷却空气经由位于中心空气室412任一侧上的含有通向排气连接件403的出口孔404的两个外部空气室402从灯模组离开。如本领域的技术人员所熟知的，在外延沉积期间，准确的温度监视和控制对于获得正确的沉积率、薄膜成分以及其它的薄膜性能可能是重要的。从高温计到灯控制电子产品的主动反馈能够在整个外延沉积处理中精确地动态控制晶片套的温度。

冷却水入口管420通向在灯模组401内形成的灯内通道网络，然后通向冷却水出口管421。可以自由选择冷却通道网络的精确布置。灯模组401的适当水冷却对于保存灯的使用寿命以及确保照明窗口(见图11)不会变得过热是重要的，照明窗口过热会导致IR传递效率以及反应室内的真空完整性减弱。如本领域的技术人员所熟知的，该冷却系统可以配置压力传感器来检测冷却液压力的任何损失。如果这种压降发生，灯的所有电源将会立刻被切断，以保护反应器模组以及操作人员防止处理气体发生任何可能的泄漏。在灯相对端的连接线组418和419伸出灯模组401的侧部，如图所示。

图5为图4的灯模组的面向反应器内部的表面的示意图。图5中示出了11个灯502；然而，灯的确切数量可以是不同的。平行地配置线性延伸的灯502，而且这些灯可以具有大致上线性延伸的螺旋状灯丝。这些灯的相对两端具有用于连接至灯丝的电极底座。用于密封照明窗口1200(见图11和12)的外表面的高温O形环501设置在被加工到灯模组401的表面内的凹槽中。每个线性延伸的灯502都有一个反射器503，该反射器通常涂覆金，以使IR反射率均匀性达至最大，并使氧化减至最小(也参见图6和7)。与反射器503协作的灯502呈现了辐射热的大体平面射源。灯502通常可以是卤素钨丝灯，其最大红外发射值约为1.2μm波长，灯丝的工作温度超过2000K。每个灯502的透明玻璃灯管的每一端都有一个底座(未显示)，透明玻璃灯管连接至大致线性延伸的灯丝的相对两端，并可拆卸地连接至各自的电插座。这些插座装在水冷却灯模组的壳体内，并保持在约300℃温度下，以防止对高温O形环造成损坏，该O形环在每个灯插座的端部周围形成密封，以保持用于灯模组401内的灯502的冷却空气的压力。可以有利地将这些灯设计成使靠近它们端部的辐射减至最少。

图6示出沿图4中A-A线截取的灯模组的外冷却室的竖直剖视图。一个出口空气管610连接至出口锥体403，以将灯502的冷却空气或其它冷却气体引导到灯502后面的出口冷却室402和它们的反射器503外面。出口冷却室402与多个空气通道712连接，所述空气信道712是由平行于灯502的长轴延伸的壁713限定的。从每条空气通道712延伸的多个空气管711允许冷却空气从空气通道712通过并经由反射器503到达每个灯502。来自入口空气室412(见图7)的冷却空气沿线性延伸的灯502以相反的方向分流到靠近灯502的相对两端的两个出口冷却室402。灯502的适当空气冷却在使灯的使用寿命最大化方面是重要的，由此减小每个处理晶片的灯摊销成本，同时增加系统的正常运行时间以及减少养护要求。

图7示出沿图4中B-B线截取的灯模组的中段的竖直剖视图。一个入口空气管730连接到入口锥体413上，以将灯502的冷却空气引导到灯502后面的入口空气室412和靠近灯502的轴线中间的反射器503内。入口空气室412与多个空气通道712连接，所述空气信道712平行于每个灯502并在每个灯502后面延伸。从每条空气通道712延伸的多个空气管711允许冷却空气从空气通道712通过并经由反射器503到达每个灯502。

晶片套

现有技术的外延沉积系统的另一个缺点是由于不能有效使用处理气体而导致的高消费成本。因此，需要对外延反应器改善处理气体的使用，以便降低沉积特定薄膜厚度所需的处理气体的量。现有技术的外延沉积系统的再一个缺点是大量的处理室都必须填充处理气体。这导致了气体流量需求较高，以及处理气体利用率较低。这些处理室的内表面通常用灯或感应线圈加热，以便加热晶片，导致在室壁上形成多余的沉积。因此，使反应室的内表面维持在比加热晶片至反应温度更低的温度下，以及将必须供应处理气体的反应区的量减至最少，将会是可取的。

现有技术的外延沉积系统的又一个缺点是在反应室内壁的不同表面上的多余沉积。这种多余的沉积可能会产生一些不想要的结果，包括在这种多余的沉积未能附着到反应室壁上或剥落时会形成微粒，并会额外非生产性地消耗处理气体，由此增加薄膜生长的变动成本，而且需要时常打开和清洗反应室。因此，对外延反应器而言可取的是，将反应室壁上的多余沉积减至最少，而不是对晶片或者是晶片载体的小环绕区的最大沉积作出限制。

因此，本发明的另一个方面包括晶片套，多块晶片可装在该晶片套内部，限定晶片套内的处理气体的流动远离反应器的壁，并且可以远离反应器的壁辐射式加热该晶片套。也就是说，反应器的壁可以处于比处理中的晶片低很多的温度下，而且一般不会暴露于沉积气体。在一个实施方案中，晶片套包括两个载盘，这两个载盘各自具有两个大致上平的且平行的主表面，若干晶片安装在这两个主表面上，面向晶片套内的反应区。晶片套的侧面是封闭的，在一个实施方案中，气体输送系统至少部分密封晶片套的一端或两端，以限制处理气体流动到晶片套内的反应区，而用过的处理气体则流动到另一端外面。然而，移动式晶片套本身最好有两个开口端。

图8示出本发明的一个实施方案的晶片套900被局部切开的示意图。两个载盘906通过例如螺丝钉或螺栓、夹件、弹簧或装有弹簧的夹件等方式可拆卸地附着到两个端盖901上。从每个端盖901延伸的舌状件902确定这两个晶片载盘906的内表面之间的空间，所述舌状件连同端盖901共同限定通常在两个相对端上开口的处理腔。通过一些可拆卸式连接装置，例如，被拧入晶片载盘906内并用它们的肩部捕捉晶片920的带肩螺钉930(见图9)，将多块晶片920(从局部切开的部分910可见到一些)的背侧以良好热接触方式安装到晶片载盘906上。此外，可以在形状更为复杂的载盘中加入端盖。

本发明允许在具有至少一层晶体硅表层的基底上有效地外延沉积硅层。这种基底例如可以是集成电路产业所用的单晶硅片，或者具有附着到非硅基底上的晶体硅层。在某些应用中，在母片的多孔硅层上沉积硅层，然后从母片确定沉积的硅薄膜并将其附着到异质基底上，以便进一步处理和安装。

为了将晶片920插入晶片套900以及将晶片920从晶片套900移除，该晶片套能够拆卸，使得易于进入晶片载盘906的内表面。如图9所示，可以以良好的热接触方式将许多晶片附着到晶片载盘906的内表面。当所有晶片920都附着后，接着重新装配晶片套，如图8和9所示，将这些待处理的晶片放置在晶片套900的内部。

鉴于这些晶片920可能最后会用作密封包装的太阳能电池板的部件，因此，这些晶片的形状可以是矩形。晶片920的上处理表面之间的间距大致上等于晶片载盘906的内表面之间的间距减去两块晶片920的厚度。将所述载盘906的内表面之间的间距制成为在2至8毫米的范围内，更一般是在2毫米至2厘米范围内，使得本发明能够创建很小的反应体积907。为了以二维阵列方式容纳多块晶片，晶片套900的主壁(即载盘906)的侧向尺寸优选为40厘米或者更大，以致于该侧向尺寸与晶片套900的内部厚度的长宽比至少为20∶1，优选为大于40∶1。由于处理气体在晶片载盘906之间的这种小反应体积内流动，因此，每块晶片上面的边界层可以构成总反应体积的一小部分。因为边界层内的气体速度减小，用于加热晶片920的处理气体的反应时间因而增加，从而使提高了反应效率。可以使用具有不同宽度的舌状件902的端盖901，以选择晶片载盘906的内表面之间的不同间距，从而优化用于各种外延沉积处理和气体混合物的反应器模组。图9为图8的晶片套的示意性俯视图，图中示出带肩螺钉930卡紧晶片920，使该晶片与晶片载盘906有良好的热接触。也可以将晶片安装成独自企立于小角度的斜坡式凹处，如图28所示，这将在下文描述。

反应器框架，反应室，以及交叉流动处理

现有技术的外延沉积系统的缺点是需要晶片基座或晶片载体在反应室内作旋转运动，以达到想要的薄膜厚度和电阻率的均匀性。所本领域所公知的，机械运动在含有热反应气体的腔室内可以产生大量的设计和操作上的困难。因此，在处理过程中不需要晶片作旋转或其它类型运动的情况下达到想要的处理薄膜均匀性，这对外延反应器而言是可取的。

因此，本发明的另一个方面包括一种允许处理气体在相反或反平行方向上交替流动跨越晶片(优选固定晶片)的反应室。

图10示出本发明的反应器框架1000的示意性侧视图。将含有待沉积外延薄膜的晶片(未显示)的晶片套900包含在反应室1001内。反应室1001包括由反应器框架1000中的四个内壁1003以及由两个照明窗口1200(见图11)形成的中心孔，所述照明窗口1200安装在反应器框架1000的相对两侧上的凹槽1002内。用于反应器框架1000(优选用金属制成)的冷却水经由入口管路1031进入，接着流经反应器框架1000内的冷却通道网络(未显示)，最后从出口管1032出来。适当冷却反应器框架1000，是为了维持反应室1001的内壁1003处于足够低的温度下，以将框1000上的多余外延沉积减至最少。外部高温O形环1011和内部高温O形环1010密封照明窗口1200的内表面，在反应室1001的内部和空气之间形成差异泵浦密封。差异泵浦连接件1012通向两个O形环1010，1011之间的开孔1013。

两条排气管路1014伸到反应器框架1000的顶部外，另两条排气管路1024伸到反应器框架1000的底部外。一条吹扫气体入口管路1016与反应器框架1000的顶部连接，另一条吹扫气体入口管路1026与反应器框架1000的底部连接。两条处理气体入口管路1015与反应器框架1000的顶部连接，另两条处理气体入口管路1025与反应器框架1000的底部连接。一个横向延伸的上部处理室1080安装到位于反应室1001顶部的内壁1003上。位于反应器框架1000顶部的处理气体管路1015和排气管路1014连接到上部处理室1080的内部，而吹扫气体入口管路1016则通向上部处理室1080的外部，如下文参照图13的描述。同样，一个横向延伸的下部处理室1081安装到位于反应室1001底部的内壁1003上。位于反应器框架1000底部的处理气体管路1025和排气管路1024连接到下部处理室1081的内部，而吹扫气体入口管路1026则通向下部处理室1081的外部，如下文参照图13的描述。上部处理室1080设置在反应室1001内，以在上部处理室1080的下表面和晶片套900的上表面之间具有小的或者最小限度的间隙，从而在它们之间提供某程度的封漏，由此，相对于保持在比吹扫气体低的压力下的处理气体的压差(见图13)，最大限度地减少从晶片套900内漏出的处理气体。然而，在一个实施方案中，封漏件为晶片套900外面的其它一般性停滞的吹扫气体提供一条抽排路径。同样，下部处理室1081设置在反应室1001内，以在下部处理室1081的上表面和晶片套900的下表面之间具有最小限度的间隙，由此最大限度地减少气体泄漏，或许同时为压差(见图13)下的吹扫气体提供一条排气路径。

阀门和气体供应或排气口可以连接到入口和出口，使得可以逆转气流，虽然在某些实施方案中，不会逆转吹扫气体流。

此外，在处理过程中可以切换处理气体，以为n型(内在的)和p型硅或其它半导体层提供不同的掺杂类型，例如，添加二硼烷或磷化氢到三氯氢硅，或提供其它处理气体，例如氢，以影响沉积物质的形态和电阻率。

在交叉流动外延沉积处理过程中，吹扫和处理气体入口以及排气出口的功能如下。如参照图15所作的描述，使用一种双向气体流动程序(称为“交叉流动”处理)可以操作外延反应器1804。在交叉流动处理的第一阶段，用于CVD前驱物的处理气体从图10中位于反应器框架1000顶部的上处理气体入口1015向下先流动到上处理室1080中，然后流动到晶片套900内。来自入口1015的处理气体由上处理室1080优先导入晶片套900内部的晶片载盘906之间，以最大限度地利用处理气体。同时，吹扫气体(通常为氢)从上吹扫气体入口管路1016向下流动到反应室1001内，然后到晶片套900的外部。该吹扫气体被优先导向晶片套900的晶片载盘906的外面，以减少或消除反应室1001的窗口和壁上的沉积。可以调整晶片套外面的吹扫气体的压力，使之超过晶片套906内的反应气体的压力，由此确保反应气体最小限度地泄漏到晶片套906的内部体积以外，并允许被排出的吹扫气体通过封漏件进入处理室内部，尤其是正被抽吸的出口处理室。在此第一阶段，来自晶片套900内部的产物气体和未使用的反应气体流入下处理室1081，来自反应室1001部分但是在晶片套900外部的吹扫气体经由封漏件流入下处理室1081。然后，产物气体、未使用的处理气体以及吹扫气体流入在反应器框架1000的底部上开口的抽排管路1024。在外延沉积的第一阶段中，用阀门关闭底部的吹扫气体管路1026、处理气体管路1025以及顶部的排气管路1014。

在交叉流动处理的第二阶段，处理气体从底部的处理气体入口1025向上流动先进入下处理室1081，然后进入晶片套900。至于上述的交叉流动处理的第一阶段，来自底部处理气体入口1025的处理气体通过下处理室1081被优先导入晶片套900内部，以便最高效率地使用处理气体。同时，吹扫气体(通常为氢)从底部的吹扫气体入口管路1026向上流动到反应室1001内，但在晶片套900外部。该吹扫气体被优先导向晶片套900外面，以减少或消除反应室1001的窗口和壁上的沉积，如同上述的第一阶段。在此第二阶段，来自晶片套900内部的产物气体和未使用的反应气体流入上处理室1080，来自反应室1001部分但在晶片套900外部的吹扫气体经由封漏件流入上处理室1088。然后，产物气体、未使用的处理气体以及吹扫气体流入反应器框架1000顶部上的排气管路1014。在外延沉积的第二阶段中，用阀门关闭顶部的吹扫气体管路1016，处理气体管路1015以及底部的排气管路1024。

图11所示为本发明的照明窗口1200的示意图。通常情况下，照明窗口1200可用石英制成，大约10毫米厚，具有围绕中心清空区1201的非清空区1202。中心清空区1201的尺寸可以做成为与晶片套900的灯加热面的尺寸大约相配。外部的非清空区1202的尺寸可以做成为覆盖反应器框架1000(与图10和12相比)内的高温O形环1010，1011，从而保护该O形环1010，1011不被灯模组401加热。非清空区1202的构造有多个备选方案。例如，该区1202可用反光物质覆盖，以反射到达该区1202的来自灯模组401的任何辐射。作为选择，该区1202可以用透明可英制成，这种透明石英可以反射和散射来自灯模组401的某些辐射。

图12的示意性侧视图示出，图10的反应器框架的照明窗口1200安装在反应器框架1000中的凹槽1002内。照明窗口1200的非清空区的目的从图12可以见到，该非清空区1202保护高温O形环1010，1011不被来自灯模组401中的灯502发射的光照射。

反应器框架内的气体分布室

如上参照图10的描述，两个处理室1080，1081安装在反应室1001内，有利于平均分配处理气体到晶片套900内部，并清除来自反应室1001的气体。图13为上处理室1080以及晶片套900的顶部的示意性剖视图。下处理室1081可以是相似或相同的，但通常会安装在一个对照图13所示的上处理室1080为倒置的构造中。下面的论述涉及上处理室1080，但同样适用于下处理室1081。处理气体管路1015(见图10)经由连接管3001和开口3002连接到由室结构3012形成的上分布室3003。第一组孔3004沿着上分布室结构3012的长度分布，延伸跨越晶片套900的上部宽度，甚至能够用处理气体填充管3013的内部3005。第二组孔3006，也延伸跨越晶片套900的上部宽度，延伸到管3013的底部外面，使处理气体3051能够流入晶片套900的内部907。

从进给管路1016流入反应室1001的吹扫气体3050绕上处理室1080流动，如图所示。上处理室1080可以具有凸缘结构3007，以减小泄漏经由凸缘3007和晶片载盘906的上沿之间形成的间隙3010进入晶片套900的内部。除了在反应器框架1000的底部使用相应的处理气体管路1025、吹扫气体管路1026以及排气管路1024之外，下处理室1081的操作与上述基本上可以是一样的。

一个或多个宽排气口可以连接到管3001的内部3005，并经由一系列宽孔3006抽吸晶片套900内的反应体积。处理室的这种双重用途允许在相对的每个处理室交替地进行供气和排气。

虽然可以使反应室1001在低温下操作，在接近大气压下操作可以实现良好的外延沉积，但压差足以控制气体的流动。

在气体向下流动期间使用交叉流动处理，当上处理室1080供应处理气体到晶片套900的内部907时，下处理室1081则为清除来自晶片套900内部907的气体以及反应室1001余下的气体提供排气。在气体向上流动期间，下处理室1081供应处理气体到晶片套900的内部907，而上处理室则为清除来自晶片套900内部907的气体提供排气。

具有两个灯模组的外延反应器

图14为图10和12的外延反应器的反应区沿图4中的C-C线截取的示意性局部近视的顶部剖视图。如上面图10的描述，处理气体被优先导入晶片套900的内部体积907，该内部体积由载盘906和端盖901包封。(在该内部体积907内的处理气体将会流入或流出图14的横截面的平面，取决于所使用的流体的方向-见图15(例如)，这将在下面论述)。吹扫气体被优先导入围绕晶片套900的反应室1001的内部体积1503内。如图13的描述，可以调整晶片套外面的吹扫气体的压力，使之超过晶片套900内的处理气体的压力，由此确保处理气体最小限度地泄漏到晶片套906的内部体积907以外。可以用缝隙阀门(例如见图15中的缝隙阀门1803和1805)来密封体积1503，从而围绕晶片套900形成封闭的体积。作为选择，所述体积1503基本上可以延伸到邻近的外延反应室中，例如图20所示，其中，外延反应器2304，2306和2308被直通室2305和2307隔开。要注意的是，向左或向右移动(取决于反应器的构造)晶片套，可将其移到反应器内和外，如图14所示。

晶片套900两侧上的照明窗口1200在反应室1001和围绕灯502的空气1502或其它冷却气体之间形成屏障，允许来自灯502的辐射1501进入反应室1001。

使用交叉流动处理的三个模组外延反应器

图15示意性示出本发明的一个实施方案的三个模组外延反应器1800。装有准备用于处理的晶片的晶片套(如图8和9所示)可以在方向1820上通过反应器入口缝隙阀门1801装到预热室1802中。所述方向1820表示晶片套将跟随通过反应器的三个模组的路径。预热室可以使用加热晶片套的任何方法，例如：灯、电阻元件、或感应加热。预热室1802内晶片套的温度与时间曲線(profile)应该要够快，以在随后的外延反应室中跟得上薄膜的沉积时间，除此之外要够慢，以避免晶片套内的晶片中的热致应力。可以从反应室的结构来简化预热室1802的结构，但是具有两个灯模组来辐射加热晶片套。然而，简单的加热装置是可能的，例如电阻或电感加热室。

当晶片套已经达到适当的温度后，预热室缝隙阀门1803会打开，以允许晶片套从预热室1802转移到外延反应室1804中。然后，预热室缝隙阀门1803将会关闭。反应器缝隙阀门1805此时必须也已经关闭。现在，在反应器1804内的固定晶片套900上开始外延沉积处理，直到反应室1804中的晶片套900内的晶片上已经沉积了所需厚度的薄膜为止。双向箭头1831表示用于反应器1804内的交叉流动外延处理的处理气体的两个流动方向。(处理气体平行于晶片套900的载盘906流动。)如下面所述，由于反应气体的耗尽效应，在反应器1804内可能需要交叉流动外延沉积处理，以在包含于晶片套中的晶片内及之间达到所需的薄膜厚度和电阻率均匀性。

接着，反应器缝隙阀门1805打开，以允许热的晶片套转移到冷却室1806中，反应器缝隙阀门1805将随后关闭。可以从例如具有面向晶片套900的两个水冷却框架的反应室1804的结构来大幅度简化冷却室1806的结构。此时出口缝隙阀门1807也已经关闭，以避免晶片套在适当冷却下来之前过早暴露于空气中。然后将晶片套保持在冷却室1806，直到温度已经足够低到可以移除为止，之后，出口缝隙阀门1807打开，从外延反应器系统中取出晶片套。为了优化产量，可以在任何一个时候运送一个以上的晶片套通过外延反应器系统。例如，在冷却室1806中冷却第一个晶片套的同时，可在反应室1804中对第二个晶片套进行外延沉积，而在预热室1802中对第三个晶片套进行加热。请注意，对于这第一个实施方案，晶片套中的晶片的平均处理时间等于在单反应室1804中沉积整个所需薄膜厚度的时间。

在反应器1804中的处理可以在处理循环中变化，以提供例如半导体掺杂的分级结构。

通过传输机构可以运送晶片进入和通过一系列的腔室和反应器，所述传输机构能够高温操作并可将晶片放置在腔室或反应器内的预定位置。例如，碳化硅轴承可用于移动支承和竖直排列晶片套，甚至是接近和进入热区。该驱动机构可以在高温处理期间保存在腔室或反应器的冷却区中，例如，远离灯，例如，邻近缝隙阀门。当需要移动晶片套时，该驱动机构可以抓住晶片套的冷却部分，或者可以在移动臂或其它机构伸展之前等待腔室或反应器部分冷却，以抓住晶片套，使其移动至下一个位置。

沿四个大致正交方向交叉流动处理的外延反应器

在图15所示的实施方案中，处理气体交替地向下和向上流动。然而，在某些情况下，在这种双向沉积处理中，在薄膜厚度和电阻率均匀性方面可以保持达到左-右对称程度。图16A-D示意性地示出四步骤的处理，可以减小或消除这种多余的沉积均匀性。图16A-D示出被安装成在反应室(未显示)内与晶片套2002良好热接触的四个相同的晶片套2001。图16A和图16C分别对应于图15所描绘的第一和第二步骤。

对于图16A，反应和吹扫气体2011从反应室顶部进入，而处理气体排气2012从反应室底部出来。对于图16C，反应和吹扫气体2031从反应室底部进入，而处理气体排气2032从反应室顶部出来。图15和图16A-D的主要区别是在图16B和16D中增添两个额外的沉积步骤，其中，处理气体和排气的方向大约垂直于图16A和16C中的方向。对于图16B，反应和吹扫气体2021将从右边进入反应室，而处理气体排气2022将从反应室左边出来。对于图16D，反应和吹扫气体2041将从左边进入反应室，而处理气体排气2042将从反应室右边出来。

通过将气体供给和排出通道集成在例如晶片套900的端盖901内，可以实现图16B和D中所示的气体流动。

相比图15所示的双向处理，实现这种四向沉积处理的潜在优点是有机会进一步提高薄膜厚度和电阻率均匀性。其原因是，在固定晶片上的四向沉积处理将更接近于晶片在沉积期间连续转动的沉积处理，如图1-3中的所有三种现有技术系统所示。

使用交叉流动处理的五个模组外延反应

图17示出本发明的另一个实施方案的五个模组外延反应器。装有准备进行处理的晶片的晶片套(如图6和7所示)沿方向1920通过入口缝隙阀门1901被装入预热室1902。入口缝隙阀门1901随后关闭。预热室缝隙阀门1903这时也必须已经关闭。晶片套然后经历预热处理直至达到适于引入第一外延反应室1904的预定温度。当晶片套已经达到适当温度后，预热室缝隙阀门1903会打开以允许晶片套从预热室1902转移到第一外延反应器1904中。预热室缝隙阀门1903随后关闭。第一反应器缝隙阀门1905这时也可以关闭。现在，在第一外延反应器1904中开始第一外延沉积处理，直到在晶片套内的晶片上已经沉积了三分之一的所需最终薄膜厚度。接着，第一反应器缝隙阀门1905打开以允许晶片套转移进入第二外延反应器1906，第一反应器缝隙阀门1905随后可以关闭。第二反应器缝隙阀门1905此时也可以关闭。然后在第二外延反应器1906中开始第二外延沉积处理，直到在晶片套内的晶片上已经沉积了另一个三分之一的所需最终薄膜厚度。对具有第三反应器缝隙阀门1909的第三反应器1908重复此过程，在晶片套内的晶片上沉积最后三分之一的所需总薄膜厚度。如果需要，这三个沉积可以产生相同的合成物、不同的掺杂、不同的合成物、或分级的合成物。

接着，第三反应器缝隙阀门1909打开以允许热的晶片套转移进入冷却室1910，第三反应器缝隙阀门1909随后关闭。此时，出口缝隙阀门1911必须已经关闭，以防止晶片套过早接触空气。然后，晶片套保持在冷却室1910内直到已经达到可以移除的低温，出口缝隙阀门1911随后会打开，从外延反应器系统取出晶片套。至于图15所示的实施方案，可以在任何一个时候运送一个以上晶片套通过外延反应器系统，以达到最佳产量。具体地说，每个外延反应器1904，1906，1908可以同时在三组连续的晶片上沉积厚度几乎相等的层。

在图17的外延反应器的设计上的变型是用无阀门的直通室或通道取代一个或两个反应器缝隙阀门1905和1907。在全部三个反应器1904，1906，1908中沉积相同的薄膜合成物的情况是可能的，在此情况下，腔室之间没有交叉污染的可能性，因为处理气体和它们的相对含量是相同的。这种变型的优点是成本低，且由于消除了关闭和打开阀门的时间，因而略为提高了产量。

在图17所示的构型以及具有直通室的变型中，在三个外延反应器内的交叉流动处理用箭头1931-1933示出。然而，在多个外延反应器中，可以实现某些反应器不使用交叉流动，因为可以在腔室之间引入逆流。对于奇数个反应室的情况，一般来说交叉流动处理在至少一个腔室内是必需的，以使得在每个方向中使用气体流动产生的沉积厚度相等。例如，如果腔室1904具有竖直向下的处理气体流动，腔室1908具有竖直向上的处理气体流动，腔室1906则可能在向上和向下的气体流动方向上需要等量沉积的交叉流动处理。这种替代配置的优点是，简化了用于反应室1904，1908的处理气体和排气管道，因为在这两个腔室1904，1908内只需要单向流动。然而，在此实施例中用于反应室1906的处理气体管道将保持不变。

图18示出本发明的单向交叉流动反应器模组的侧剖视图。因为处理气体1960在晶片载盘906和晶片920之间向下流动，在每块晶片920表面的边界层效应会降低平行于晶片表面的处理气体的速度，从而增加可用时间，便于外延CVD反应发生。因为处理气体在晶片920的表面上起反应，处理气体的浓度相比处理气体的量将会减小。因此，对于离处理气体源较远的晶片1961，可能会降低沉积率。交叉流动处理的设计目的是为了减少此效应，提供更佳的薄膜厚度和电阻率均匀性。

使用可选交叉流动处理的六个模组外延反应器

图20示出本发明的又一个实施方案的六个模组外延反应器。在此实施方案中，四个外延反应器2304，2306，2308和2310藉由直通室2305，2307和2309分隔开，而不是像图15和17所示的实施方案情况中的缝隙阀门那样。包含准备进行处理的晶片的晶片套(例如图8和9所示)沿方向2340经由入口缝隙阀门2301被装入预热室2302。预热室缝隙阀门2303这时必须已经关闭。当晶片套已经达到适当温度后，预热室缝隙阀门2303打开以允许晶片套从预热室2302转移进入第一外延反应器2304。预热室缝隙阀门2303随后关闭。现在，在第一外延反应器2304内的固定晶片套上开始第一外延沉积处理，直到在晶片套内的晶片上已经沉积了大约四分之一的所需最终薄膜厚度。同时，可以将第二个晶片套装入预热室2302并在那里按照第一个晶片套的相同处理方法进行预热。接着，第一个晶片套经由第一直通室2305被转移到第二外延反应器2306中。然后在第二外延反应器2306内的固定晶片套上开始第二外延沉积处理，直到在晶片套内的晶片上已经沉积了另一个大约四分之一的所需最终薄膜厚度。同时，将第二个晶片套从预热室2302转移到第一外延反应器2304中。对第三外延反应器2308和第四外延反应器2310再次重复此过程，在晶片套内的晶片上沉积最后两个四分之一的所需最终薄膜厚度。在反应器2304，2306，2308和2310内的全部沉积处理过程中，反应器缝隙阀门2311一直是关闭的。

在第四反应器2310内的沉积完成之后，第四反应器缝隙阀门2311会打开以允许热的晶片套转移到冷却室2312中，之后第四反应器缝隙阀门2311关闭。晶片套则保持在冷却室2312内直到已经达到可以移除的低温，出口缝隙阀门2313随后会打开，从外延反应器系统取出晶片套。同时，多个晶片套正排队进行处理。如之前图15和17所描绘的实施方案，可以在任何一个时间运送一个以上的晶片套通过外延反应器系统，以达到最佳产量。

请注意，由于图20所示的外延沉积系统具有偶数个外延反应室，因此在任何外延反应器2304，2306，2308和2310中不需要使用交叉流动处理来达到想要的沉积均匀性。在具有奇数个外延反应器的构型中，通常至少有一个外延反应器将受益于交叉流动处理，以在两个处理气体流动方向中都达到等量的沉积。在反应器2304中的箭头2341示出处理气体和吹扫气体只需从底部进入，而排气只需从顶部排出，从而大大简化了外延反应器2304的管路配置。同样，显示箭头2342的反应器2306表示竖直向下的处理气体和排气的流动，对简化气体和排气管路具有与反应器2304的情况相似的意义。反应器2308具有与反应器2304相同的流动方向2343，而反应器2310具有与反应器2306相同的流动方向2344。因此，两个反应器各自可以具有使沉积均匀性最大化的流动方向，而在任何外延反应室内都不需要使用交叉流动处理。这与图17所示的具有奇数个外延反应器的外延沉积系统的情况相反。

使用交叉流动处理来提高沉积均匀性

图19示出外延沉积率2102与反应器模组内的竖直位置2101的对比关系的曲线图。如上对图18所述，当处理气体在晶片套内竖直向下流动时，靠近晶片套顶部的晶片的沉积率会较高，而靠近晶片套底部的晶片的沉积率会较低，如短虚线曲线2103所示。相反地，当处理气体在晶片套内竖直向上流动时，靠近晶片套底部的晶片的沉积率会较高，而靠近晶片套顶部的晶片的沉积率会较低，如长虚线曲线2104所示。因为两条沉积率曲线2103，2104是独立的，即，两种操作模式之间互不影响，如果在等量的时间使用这两种模式，晶片套内的晶片上的净沉积率将会是两条曲线2103，2104的算术平均值2105。请注意，该平均沉积率曲线2105示出晶片套内顶部至底部的均匀性已大大提高，然而，如果单个曲线大致呈线性(一般情况下并非如此)，才可以达到完全的顶部至底部均匀性。

使用灯排序来提高沉积均匀性

观察图19中的示意性自顶向下的处理流动沉积率曲线2103可见到，在反应器顶部的沉积率是最高的，靠近处理气体入口处的反应物的浓度最高。对于向下的处理，沉积率如预期减小，因为反应物的浓度会被上面的晶片上的沉积处理耗尽。然而，如果该沉积率的减小呈线性，即，如果自顶向下的曲线2103和自底向上的曲线2104为直线的话，则相结合的平均沉积率曲线2105可能会是独立于晶片套内的竖直位置的高度几乎一致不变的沉积率。然而，如图19所示，因为自顶向下的曲线2103和自底向上的曲线2104都趋于在中间位下沉，平均沉积率曲线2105也是在中间位下沉，因此得知，在靠近反应器的顶部和底部的平均沉积率较高。为了进一步提高薄膜厚度和电阻率均匀性，可使用被称为“灯排序”的另外的处理，通过实时控制用于加热晶片套的灯模组内的灯的光照强度，来进一步提高晶片内和晶片之间的均匀性。图21A-C的示意性截面图示出在本发明的单向反应器模组内的灯排序方案。

图19中的全部曲线呈现了所有的灯2403是一直亮着，均匀地加热数个晶片载盘2430，因而加热被附着到这些晶片载盘上的晶片2431。如果这些灯2403配置成独立控制和供电，当然，这只是假设，如图21A-B所示。为了“弄直”图19中的自顶向下和自底向上的沉积曲线，通过对不同的灯2403差别供电，使横跨竖直方向的辐射强度热变化，可以相对于晶片套中部的沉积率改变靠近晶片套的顶部和底部的沉积率。另一方面，传统灯2403沿着它们各自的长度产生均匀的辐射强度。

图21中的视图是靠近晶片处理的起点或其它点。两排可独立控制的灯2403安装成面向包含两个晶片载盘2430的晶片套，且每一排灯安装在各自的反射器组件2401内。晶片2431以良好热接触方式附着到晶片载盘2430上。图中示出，处理气体的流向2440是向下的，虽然灯排序方案与向上的处理气体的流向都同样起作用。图中示出，来自灯模组内的四个中间的灯2403(即，离两个处理气体源最远的灯)的高强度辐射是差别地加热晶片套的中心区域。因为外延沉积率是高度温度敏感的，与靠近晶片载盘2430中部的沉积率相比，若降低晶片载盘2430的顶部和底部的温度，会显著影响靠近晶片载盘2430的顶部和底部的晶片2431的沉积率。

在沉积期间的较后期或不同时期，可开启较靠近处理气体源附近的晶片载盘2430的顶部和底部附近的一些灯，如图21B所示，中间四个灯的辐射2441可以保持与图21A相同的照度，同时已经增添另外的辐射2450来增加能流到晶片载盘2430的上部和下部中。最后，或是在沉积期间的不同时期内，可以开启所有的灯2403，如图21C所示，已增添来自灯2403的顶部和底部的辐射2460到现有的辐射2441和2450中，现在就可以由顶至底地完全加热晶片载盘2430。也就是说，在沉积期间可以改变跨越晶片的垂直轴的辐射的线性分布，但是在特定的竖直位置沿水平方向的辐射因为灯的线性性质而大致上保持不变。

图22为曲线图，其示出图21A-C中的灯排序方案如何可以修正与晶片套内的竖直位置成对比关系的外延沉积率。短虚线曲线2503与图19中的短虚线顶部-底部处理气体流动曲线相同。左边向下的箭头2504表示，由于顶部的灯2403的占空因子相对于中部的灯2403递减，因而靠近晶片套顶部的沉积率递减，而右边向下的箭头表示，由于底部的灯2403的占空因子递减，因而靠近晶片套底部的沉积率递减。使用图21A-C的灯排序方案的适当校正，可以改善调节的沉积率2506的线性。对于每种类型的沉积处理，必须确定适当的灯排序方案，因为跨越晶片流动的处理气体的消耗率可以不同。请注意，尽管根据与反应器顶部的距离，灯排序可以提高沉积率的线性，但它独自一个往往不足以实现处理均匀性。为此，交叉流动与灯排序结合也可能是必要的，如图23所示。

图23示出外延沉积率2602与晶片套内的竖直位置2601的对比关系的曲线图，其中，利用与交叉流动处理相结合的灯排序方案来提高均匀性。对于顶部-底部处理气体和排气的流动而言，受晶片套内的竖直位置影响的沉积率显示为自左上部往下的短虚线曲线2603。自底向上流动的沉积率显示为自左下部往上的长虚线曲线2604。请注意，已经使用了灯排序来使这些曲线线性化。通过等时使用交叉流动处理，平均沉积率为自顶向下曲线2603和自底向上曲线2604的算术平均值2605。该平均沉积率曲线2605与图19中的平均沉积率曲线2105相比的结果是，在灯排序和交叉流动处理相结合的情况下，可以提高均匀性。

灯排序的可替代方法

图21A-C中所描绘的灯排序方法使用开/关式灯控方法来使由晶片套的顶部至底部变化的沉积率变化线性化。图24示出一种使沉积率线性化的替代方法。两排可单独控制的灯2803安装在各自的反射器组件2801内，该反射器组件面向晶片套和该晶片套的两个晶片载盘2830。晶片2831以良好热接触方式附着到晶片载盘2830上。图中显示处理气体的流动方向2840是向下的，虽然该替代灯排序方案与向上的处理气体的流向都同样起作用。在本节中描述的灯排序方案与图21A-C中的灯排序方案相比，其不同之处在于，通过向灯排中不同功率级的不同的灯供电，使用可变的光强度来取代开/关式灯控。

在图24的实施例中，外部的两个灯的辐照度2841为小，紧靠外部两个灯的向内的两个灯的辐照度2842稍微大一些，再进一步向内的两个灯的辐照度2843更大一些，而居中的两个灯的辐照度2844的为最大。此辐射安排会导致晶片载盘2830的竖直中心部分稍微比顶部和底部要热一些。在此情况下，与图21A-C的情况相反，不需要在灯强度方面的时间变化。因此，图24中所示的不同灯辐射在整个外延沉积周期内都可以保持不变。将图21A-C的灯排序方法与图24的方法结合起来也是可取的。

作为选择，可以将图24所示的灯排顶部的灯2803设定为高辐照度，以便在处理气体流动跨越晶片套内的晶片2831的表面之前预热该处理气体。同样，也可以将灯排底部的灯2803设定为高辐照度，使得当处理气体是自底向上流动通过例如图16C中所示的晶片套时，在处理气体流动跨越晶片套内的晶片2831的表面之前预热该处理气体。

使用高容量晶片套的外延反应器

图25A和25B示出了在图10的外延反应器的反应区内沿图4中的C-C线的示意性截面图。图25A与图14的主要不同之处是，它显示了一个高容量晶片套，设计该高容量晶片套是为了增加反应器的产量。处理气体4051被优先导入晶片套4900的内部体积4907，该内部体积被载盘4906和端盖4901包封。处理气体流经入口室4080，经过晶片4920的表面上方的内部体积4907，从出口室4081出来。一个内部载盘4908将内部体积4907一分为二。载盘4906，4908的内表面被晶片4920覆盖。热辐射4501由热源4401(例如灯模组)供应。经由窗口4200传导热辐射4501来加热载盘4906，4908以及装在这些载盘上的晶片4920。如图25A所示，载盘4906被加热后，转而产生热辐射来加热内部的载盘4908。

此外，可以增添结构层4905到晶片套的外表面上-附着到载盘4906的外表面上。该结构层4905对晶片套提供另外的支承，并用这样的材料制成，所述材料可快速传递热辐射到载盘4906上，辐射在载盘这里被吸收。结构层4905可以用石英制成，而载盘4906可以用例如碳化硅制成。内部载盘4908也可以用碳化硅制成。

图25A显示了为了处理-在晶片4920上沉积薄膜-而配置的反应器。然而，图25B显示了为使晶片套4900移动通过反应器而配置的反应器的相同截面图。(晶片套4900将沿垂直于图平面的方向移动。从图15可见到晶片套通过处理反应器的移动方向1820的实施例。)为了使晶片套易于移动，入口室4080已向上移动，以在晶片套4900和该室4080之间提供较大的间隙。此外，可以使下部的室4081向下移动(图中未示)，或者，两个室4080，4081都可以如所述般移动，以使晶片套4900易于移动通过反应器。

高容量晶片套

图26示出一个高容量的晶片套4900。该高容量晶片套4900的结构，除内部的载盘4909之外，非常类似于图8和9中所示的晶片套。两个载盘4906和一个内部载盘4608可拆卸地附着到两个端盖4901上，例如，通过螺丝钉或螺栓、夹持件、弹簧或装有弹簧的夹持件。从每个端盖4901延伸的舌状件4902确定晶片载盘4906的内表面与内部载盘4908之间的间距，它和端盖4901共同限定通常在两相对端上开口的处理腔-本文称为内部空间4907。通过一些可拆卸的连接装置，例如，被拧入晶片载盘4906，4908内并用它们的肩部捕捉晶片的带肩螺钉4930，以良好热接触方式将多块晶片4920安装在晶片载盘4906，4908的背侧。也可以将晶片安装成自由地企立于小角度的斜坡式凹处，如图28所示，这将在下文描述。此外，还可以将端盖加入形状更复杂的载盘中。

为了将晶片4920插入晶片套4900以及从中取出，可以拆卸晶片套4900，以便易于接近晶片载盘4906，4908的内表面。可以以良好热接触方式附着许多晶片到晶片载盘4906，4908的内表面上。当所有晶片4920都附着后，接着重新装配晶片套，如图26所示，将待处理的晶片放置在晶片套4900的内部。

鉴于晶片920可能最后会用作密封包装的太阳能电池板的部件，因此，这些晶片4920可以呈矩形。晶片4920的顶部处理表面之间的间距大致上等于晶片载盘4906和内部晶片载盘4908的内表面之间的间距减去两块晶片4920的厚度。通过将此间距制成为在2至8毫米的范围内，更一般是在2毫米至2厘米范围内，使得本发明能够创建很小的反应体积4907。为了以二维阵列方式容纳多块晶片，晶片套4900的主壁(即载盘4906，4908)的侧向尺寸可以为40厘米或者更大，以致于该侧向尺寸与晶片套4900的内部空间4907的长宽比至少为20∶1，优选为大于40∶1。由于处理气体在这些小反应体积4907内流动，每块晶片4920上面的边界层可以包含总反应体积的很小一部分。因为边界层内的气体速度减小，用于加热晶片4920的处理气体的反应时间因而增加，从而提高了反应效率。可以使用具有不同舌状件4902宽度的端盖4901，以选择晶片载盘4906，4908的内表面之间的不同间距，从而优化用于不同的外延沉积处理和气体混合物的反应器模组。

与图8和9所示的晶片套设计相比，图26所示的高容量晶片套4900可以处理两倍数量的晶片。换句话说，可以达到两倍的产量。

此外，高容量的晶片套4900可以包含两个以上的内部空间4907-可以使用两个以上的内部载盘。内部载盘的数量限制将由有效加热内部盘及附着到其上的晶片的能力来确定。高容量的晶片套4900也可以有增添到载盘4906的外表面上的另外的结构层-见图25A中的结构层4905。

图28显示了晶片载盘的改型，其允许晶片被安装成与晶片载盘的平面成一个小角度。图28所示为晶片套的上部分的局部截面图，其中显示了晶片载盘5006、晶片5020以及竖直处理气体的流动方向5031。晶片5020藉由图示的小凸缘保持在晶片载盘5006的凹处，晶片5020与垂直线的角度约为1至3度(例如，盘与盘之间的间隙约为6-10毫米)。不用任何其它连接装置就可以将晶片5020安装在晶片载盘5006的凹处；尽管在必要时可以使用如上述的其它连接装置。将晶片5020安装在呈镜像构型的相对的晶片载盘5006上，以致于相对的晶片的表面之间的间距沿处理气体流动的下游方向递减-这可用于补偿沿下游方向的处理气体浓度的减小，以及提供跨越晶片表面的更均匀的处理条件。

此外，图29所示为晶片套的下部分的局部截面图，其中显示了晶片载盘5006、晶片5020以及竖直处理气体的第二流动方向5032。处理气体的第二流动方向用于交叉流动的外延处理，例如上面的描述以及图15所示。晶片5020藉由连接装置(图中未示)保持在晶片载盘5006的凹处，如上述。晶片5020与垂直线的角度约为1至3度(例如，盘与盘之间的间隙约为6-10毫米)。将晶片5020安装在呈镜像构型的相对的晶片载盘5006上，以致于相对的晶片的表面之间的间距沿处理气体流动的下游方向递减-这可用于补偿下游方向的处理气体浓度的减小。

如果采用如图16B和16D的横向处理气体流动，则可以使用图28和29的结构的水平距离来改善处理气体浓度的均匀性。例如，图30显示了这样一种结构。图30所示为一个晶片套的一边缘的局部截面图，其中显示了晶片载盘5106、晶片5120以及处理气体流动的水平方向5131。晶片5120藉由晶片下缘(图中未示)下面的小凸缘保持在晶片载盘5106的凹处。晶片5120与水平线的角度约为1至3度(例如，盘与盘之间的间隙约为6-10毫米)。不用任何其它连接装置就可以将晶片5120安装在晶片载盘5106的凹处；尽管在必要时可以使用如上述的其它连接装置。将晶片5120安装在呈镜像构型的相对的晶片载盘5106上，以致于相对的晶片的表面之间的间距沿处理气体流动的下游方向递减-这可用于补偿下游方向的处理气体浓度的减小，以及提供跨越晶片表面的更均匀的处理条件。

用于高容量晶片套的气体分配室

如上参照图25A所述，两个处理室4080，4081安装在反应室4001内，有助于平均分配处理气体到晶片套4900的内部，并除去来自反应室4001的气体。图27所示为上处理室4080以及晶片套4900的顶部的示意性截面图。下处理室4081可以是类似的或相同的，但通常安装成图27所示的上处理室4080的倒转的构型。下面的论述涉及上处理室4080，但同样适用于下处理室4081。经由连接管道4101和开口4102将处理气体引入由室结构4112形成的上分配室4103。第一组孔4104沿上分配室结构4112的长度分布，延伸跨越晶片套4900的上部宽度，并能够使管道4113的内部4105均匀填充处理气体。在管道4113内设置刀刃状分配器4114，该分配器沿管道4113的整个长度延伸，其作用是均等地划分流入晶片套4900的两个内部空间4907的气流。第二组孔4106，也是沿两条并行线跨越晶片套4900的上部宽度延伸，从管道4113的底部伸出，能够使处理气体4151流入晶片套4900的两个内部空间4907。

流入反应室4001的吹扫气体4150如图所示围绕上室4080流动。上室4080可以具有凸缘结构4107，以减少泄漏经由间隙4110进入晶片套4900的内部，所述间隙4110形成在凸缘4107和晶片载盘4906的上沿之间。下室4081的操作基本上可与上述的一样，除了在反应器的底部使用相应的处理气体、吹扫气体和排气管路之外。

可使一个或多个宽排气口连接到管道4101的内部4105，并经由一系列的宽孔4106抽吸晶片套4900内的反应体积。处理室的这种双重用途允许在相对的每个处理室交替地进行处理供应和排气。

虽然可以采用在低压下操作反应室4001，通过在接近大气压下操作，可以实现良好的外延沉积，但是，压差足以控制气体流动。

在向下气体流动期间的交叉流动处理的情况下，当上处理室4080供应处理气体到晶片套4900的内部4907时，下处理室4081提供排气来除去来自晶片套4900的内部4907的气体以及反应室4001的剩余气体。在向上气体流动期间，下室4081供应处理气体到晶片套4900的内部4907，而上处理室则提供排气来除去来自晶片套4900的内部空间4907的气体。

如上所述，高容量的晶片套可以包括两个以上的内部空间4907。可以采用室来容纳在任何数量的内部空间4907之间均分的气体流动。

对于本领域的普通技术人员应该明白到，上面的描述只是为了说明的目的。可以在本发明的范围内，对上述的外延反应器设计和系统构型作出许多改型，如下文。

本发明并不限于外延沉积，而且可应用于多结晶体层或非晶层的沉积。虽然本发明特别适用于多晶硅基片，但基片可以由其它材料构成并具有不同的晶体结构。此外，本发明可以应用于其它半导体结构，包括集成电路。

外延反应器可以配置一个、两个、或更多的用于照射多面晶片套的灯模组。

可以改变外延反应器的定位，以包含处理气体流动、吹扫气体流动、以及沿着非垂直轴的排气抽吸。处理气体、吹扫气体、以及排气可以在反应室的同一侧上。

可以使用不同于带肩螺钉的许多夹持方法，将晶片套内的晶片以良好热接触方式附着到晶片套的载盘上。

可以使用不同于空气的气体来有效冷却灯模组内的灯。例如，可以使用非氧化气体来减小对灯模组内的反应器氧化性损伤的可能性。

每个灯模组内的各种数量的灯可以不同于本文的示意性附图中所示的灯数量。

灯模组内可以有许多水冷却通道构型，包括蜿蜒构型。

晶片套可以配置具有数个集成端盖的数个载盘，从而不需要单独的端盖，并减少零件数量。

照明窗可以用非石英的透明材料制成，且其厚度不在10毫米左右的范围。

整个外延反应器系统可以配置与本文的实施方案中所示数量不同的许多反应器模组。另外，外延反应器系统可以不配置预热室，或可以不配置冷却室，其中，在本文的实施方案中由这些模组执行的加热和冷却功能，可以由独立于外延反应器系统的室来执行。

在沿处理气体和排气的流动方向的沉积率变化比在中部沉降的简单曲线更为复杂的情况中，灯排序方案可以使用更复杂的照明策略以使沉积率线性化。

在含有多个反应器的系统中，可以在连续的反应器内使用灯排序方案，在这些反应器中，处理气体的流动方向是不同的，而不是在每个反应器内使用交叉流动处理。

附着到不同反应器模组上的灯模组内的灯的定位可以不同。

载盘也可以用其它高放射率的、高热导性的、高温强度高的化学惰性材料制成，且热膨胀系数(CTE)与硅配合极好，例如，涂覆CVD碳化硅的石墨。

本文所述的用SiC制成的载盘的厚度可在6至15毫米的范围内。所选择的厚度应(1)足以在结构上支承晶片，(2)足以通过热导性使温度平均，但是(3)厚度不够的话，则不能形成主散热片。

虽然上面的描述集中在硅沉积方面，但本发明的反应器和方法也可用于晶片氧化、晶片退火，以及在晶片上沉积材料，例如，氮化硅(使用甲基三氯硅烷和氢气)，碳化硅，III-V族二元和三元化合物(如氮化镓，磷化铟，GaInP，等)。

Claims (23)

1.一种用于同时处理多块晶片的反应器,其包括: 

反应器框架; 

附着于所述反应器框架上的第一平面加热模组; 

晶片套,所述晶片套包括一对紧密相隔的平行的晶片载盘以及内部载盘,所述内部载盘平行于所述的一对晶片载盘并位于所述的一对晶片载盘之间,所述多块晶片安装在所述的一对晶片载盘的内表面上以及所述内部载盘的表面上;以及 

其中,所述反应器被配置成提供用于传送贯穿所述反应器的所述晶片套的路径,所述晶片载盘平行于所述第一平面加热模组,以及其中,所述晶片套于所述反应器内沿部分所述路径暴露于来自所述第一平面加热模组的辐射； 

其中，所述晶片套还包括两个端盖,所述的一对晶片载盘和所述内部晶片载盘可拆卸地附着到所述两个端盖上,所述两个端盖、所述的一对晶片载盘以及所述内部晶片载盘形成两个处理腔,每个所述处理腔的第一相对端由所述端盖封闭,而第二相对端敞开； 

其中，所述晶片套限定所述晶片套内的处理气体的流动远离所述反应器的壁,并且远离所述反应器的壁辐射式加热所述晶片套。 

2.如权利要求1所述的反应器,其特征在于,进一步包括固定在所述第一平面加热模组和贯穿所述反应器的所述晶片套的所述路径之间的第一窗口。 

3.如权利要求1所述的反应器,其特征在于,进一步包括 

附着于所述反应器框架上的第二平面加热模组,所述第二平面加热模组位于贯穿所述反应器的所述晶片套的所述路径的与所述第一平面加热模组相对的一侧,所述第二平面加热模组平行于所述第一平面加热模组;以及 

固定在所述第二平面加热模组和贯穿所述反应器的所述晶片套的所述路径之间的第二照明窗口; 

其中,所述晶片套于所述反应器内沿部分所述路径暴露于来自所述第二平面加热模组的辐射。 

4.如权利要求1所述的反应器,其特征在于,所述第一平面加热模组为包括多个灯的灯模组。 

5.如权利要求4所述的反应器,其特征在于,所述多个灯每个都沿平行于所述晶片载盘的第一方向线性延伸。 

6.如权利要求5所述的反应器,其特征在于,进一步包括冷却气体源,所述冷却气体源用于使冷却气体在所述第一方向上沿所述灯模组内的所述多个灯的每个灯流动。 

7.如权利要求6所述的反应器,其特征在于,所述冷却气体源被导向到所述多个灯的每个灯的轴向中部,并进一步包括两个排气口,所述两个排气口分别设置在所述多个灯的每个灯的相对端附近。 

8.如权利要求4所述的反应器,其特征在于,所述多个灯的每个灯被配置成提供可独立控制的光输出。 

9.如权利要求1所述的反应器,其特征在于,从所述两个端盖的每个端盖延伸的舌状件确定所述的一对晶片载盘的内表面与所述内部晶片载盘之间的间隔 。 

10.如权利要求1所述的反应器,其特征在于,所述晶片套还包括结构层,所述结构层附着于所述的一对晶片载盘的外表面上。 

11.如权利要求10所述的反应器,其特征在于,所述结构层为石英,以及所述的一对晶片载盘为碳化硅。 

12.如权利要求1所述的反应器,其特征在于,进一步包括: 

第一气体室,所述第一气体室被配置成供应处理气体到所述晶片套的内部体积内;以及 

第二气体室,所述第二气体室被配置成从所述晶片套的内部体积排出气体; 

其中,所述第一气体室和所述第二气体室被配置成提供流经所有所述多块晶片的表面的处理气体。 

13.如权利要求12所述的反应器,其特征在于,所述第一气体室被进一步配置成切换到排出气体,以及所述第二气体室被进一步配置成切换到供应处理气体,所述第一气体室和所述第二气体室的切换是协调的。 

14.如权利要求12所述的反应器,其特征在于,进一步包括至少一个入口,用于输入吹扫气体到所述反应器框架内的在所述晶片套的外部并邻接所述晶片套的空间内。 

15.如权利要求12所述的反应器,其特征在于,所述第一气体室被配置成能在所述反应器内移动,以在所述晶片套沿所述路径移动时在所述第一气体室和所述晶片套之间提供较大的间隙。 

16.如权利要求12所述的反应器,其特征在于,所述多块晶片以与所述晶片载盘的平面成小角度的方式安装,以及其中,所述多块晶片以镜像构型安装在每个所述晶片载盘上。 

17.如权利要求16所述的反应器,其特征在于,所述多块晶片成角度的安装,在相对于处理气体流动方向的晶片表面的下游端处,于所述平行的晶片载盘的相对的晶片表面之间提供较小的间隙。 

18.一种在反应器内同时处理多块晶片的方法,所述方法包括以下步骤: 

将所述多块晶片可拆卸地安装在晶片套的内表面上,所述晶片套包括一对紧密相隔的平行的晶片载盘以及内部载盘,所述内部载盘平行于所述的一对晶片载盘并位于所述的一对晶片载盘之间，其中，所述晶片套还包括两个端盖,所述的一对晶片载盘和所述内部晶片载盘可拆卸地附着到所述两个端盖上,所述两个端盖、所述的一对晶片载盘以及所述内部晶片载盘形成两个处理腔,每个所述处理腔的第一相对端由所述端盖封闭,而第二相对端敞开; 

将所述晶片套运送到所述反应器中; 

远离所述反应器的壁辐射式加热所述晶片套; 

使处理气体远离所述反应器的壁的流动通过所述晶片套的内部体积;以及 

供应吹扫气体到所述反应器内的在所述晶片套的外部并邻接所述晶片套的空间内,其中,在所述空间内的所述吹扫气体的压力大于所述晶片套的内部体积内的所述处理气体的压力。 

19.如权利要求18所述的方法,其特征在于,所述辐射式加热的步骤包括用来自多个线性白炽灯的光辐射所述晶片套,所述多个线性白炽灯配置在平行于所述晶片载盘的平面内。 

20.如权利要求19所述的方法,其特征在于,所述处理气体在第一方向上流动通过所述晶片套的内部体积,其中,所述多个线性白炽灯中的每一个均被排列成垂直于所述第一方向。 

21.如权利要求20所述的方法,其特征在于,所述方法还包括独立地控制所述多个线性白炽灯中的每一个的光输出。 

22.如权利要求18所述的方法,其特征在于,所述流动包括: 

所述处理气体沿第一方向通过所述晶片套的内部体积的第一流动;以及 

所述处理气体沿第二方向通过所述晶片套的内部体积的第二流动,所述第二方向与所述第一方向相反。 

23.如权利要求18所述的方法,其特征在于,所述处理气体为含硅气体,用于在所述多块晶片上沉积薄的硅膜。