CN102985592B - 线性批量化学气相沉积系统 - Google Patents

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Abstract

在此描述了一种线性批量CVD系统，该系统包括一个沉积室、一个或多个基底托架、多个气体喷射器以及一个加热系统。每个基底托架都置于该沉积室中并且具有至少一个被配置成接收一个基底的接收座。这些基底托架被配置成将多个基底以一个线性配置的方式保持。每个气体喷射器都包括一个端口，该端口被配置成横过一个或多个这些基底以一种均匀分布的方式来供应一种气体。该加热系统包括至少一个加热元件和用于均匀地控制这些基底的温度的一个加热控制模块。这个系统适用于对多个基底的高容量CVD处理。这个沉积室的窄宽度使前驱气体在这些基底上沿该反应室的长度能够均匀地分布，并且与常规的沉积室相比，允许对更多数量的基底进行处理。

Description

线性批量化学气相沉积系统
相关申请
本申请要求于2010年5月25日提交并且标题为“线性批量化学气相沉积系统(Linear Batch Chemical Vapor Deposition System)”的美国专利申请序号No.12/787,082的较早申请日的权益，将该美国专利申请的整体通过引用结合在此。
技术领域
本发明总体上涉及一种用于化学气相沉积系统的方法及系统。更具体来说，本发明涉及一种用于对基底进行线性批量处理的化学气相沉积系统。
背景技术
化学气相沉积(CVD)是常用于将半导体的、电介质的、金属的以及其他薄膜沉积到一个基底的表面上的一种方法。在一种普通的CVD技术中，将一种或多种前驱分子(各自以气相的形式)引入到包括该基底的一个处理室中。通过增加能量来启动或增强这些前驱气体在该基底表面上的反应。例如，可以通过提高该基底的表面温度或通过使该表面暴露于等离子体放电或紫外线(UV)辐射源来增加该能量。
通过以气相形式发生的CVD反应沉积的膜的品质显著地取决于这些前驱气体在该基底上的均匀性。该基底表面附近的非均匀气体能产生不令人满意的薄膜均匀性，并且能由于该表面上的多个特征(例如，台阶和通孔)而导致阴影假象。对晶片以及其他基底的高容量处理受到用于CVD处理的已知系统和方法的限制。通常使用多个复杂的旋转机构，而常规反应室的大小限制了每个CVD处理批次的基底数量。
发明内容
在一个方面，本发明的特征为一个线性批量CVD系统，该系统包括一个沉积室、至少一个基底托架、多个气体喷射器、以及一个加热系统。每个基底托架被置于该沉积室中并且具有被配置成接收一个基底的至少一个接收座。这一个或多个基底托架被配置成将多个基底以一个线性配置的方式保持。每个气体喷射器都包括一个端口，该端口被配置成横过这些基底中的一个或多个以均匀分布的方式供应一种气体。该加热系统包括至少一个加热元件和用于均匀地控制这些基底的温度的一个加热控制模块。
在另一个方面，本发明的特征为一种用于CVD处理的方法。这种方法包括：使一个沉积室装载有呈一个线性配置的多个基底并且使这些基底各自围绕一条基底轴线旋转。将每个基底加热到一个温度，该温度与呈该线性配置的其他这些基底中的每一个的温度基本上相等。横过这些基底中的每一个以均匀分布的方式供应了多种气体，这样使得沉积在这些基底中的每一个上的薄膜的厚度和成分与沉积在其他这些基底中的每一个上的薄膜的厚度和成分基本上相等。
附图说明
通过结合附图参阅以下描述可以更好地理解本发明的上述以及另外的优点，这些附图中，在不同的图中类似的数字表示类似的结构元件和特征。为清楚起见，在每个图中可能不是每个元件都有标号。这些图不必是按比例的，而是将重点放在展示本发明的原理。
图1展示了本领域中已知的一个CVD反应室。
图2展示了图1的晶片托架。
图3A和图3B分别示出了根据本发明的一个线性批量CVD系统的一个实施方案的俯视图和侧视图。
图4A示出了穿过图3A和图3B的基底托架的这些接收座之一的截面图。
图4B示出了根据本发明的另一个实施方案的一个替代性基底托架的截面图。
图4C是示出了这些晶片围绕一条基底轴线旋转的图4B的基底托架的俯视图。
图5是根据本发明的一个实施方案的穿过一个晶片和基底托架的截面图，该截面图示出了以一种垂直配置的方式安排的两个喷射器端口的侧视图。
图6示出了根据本发明的一个实施方案的多个喷射器端口的一种安排的俯视图。
图7示出了根据本发明的另一个实施方案的多个喷射器端口的一种安排的俯视图。
图8A、图8B以及图8C示出了根据本发明的另一个实施方案的在不同位置处的多个喷射器端口的一种安排的俯视图。
图9示出了根据本发明的另一个实施方案的多个喷射器端口的一种配置。
图10示出了根据本发明的一个实施方案的多个喷射器嘴的俯视图。
具体实施方式
本发明的方法的步骤可以按照具有可操作的结果的任何顺序进行并且除非另有说明，否则两个或更多个步骤可以同时进行。此外，本发明的系统和方法可以包括任何所描述实施方案或所描述实施方案的呈一种可操作方式的组合。
本发明的传授内容涉及用于反应性气相处理，例如，CVD、MOCVD以及卤化物气相外延(HVPE)工艺的系统和方法。在对半导体材料的常规反应性气相处理中，多个半导体晶片被安装在一个反应室内部的一个托架中。一个气体分布喷射器被配置成面向该托架。这个喷射器典型地包括接收多种气体或气体组合的多个进气口。这些喷射器将这些气体或气体的组合引向该反应室。喷射器常见地包括呈一种图案安排的多个喷淋头装置，该图案使得这些前驱气体能够尽可能地接近每个晶片表面而反应以使这些反应过程的效率以及表面上的外延生长最大化。
一些气体分布喷射器包括用于在该CVD工艺期间协助提供一种层流空气流的一个护罩。一种或多种载气可以用来协助产生并维持这种层流空气流。这些载气不与这些前驱气体发生反应并且在其他方面不影响该CVD工艺。一个典型的气体分布喷射器将这些前驱气体从这些进气口引导到该反应室的对晶片进行处理的多个目标区域中。例如，在一些MOCVD过程中，该气体分布喷射器将包括金属有机物和氢化物的前驱气体的组合引入到该反应室中。将一种载气(例如，氢气或氮气)或一种惰性气体(例如，氩气或氦气)通过喷射器引入到该室中以帮助在这些晶片上维持一种层流。这些前驱气体在该室内部混合并发生反应，从而在这些晶片上形成一个薄膜。
在MOCVD和HVPE过程中，这些晶片典型地被维持一个升高的温度，并且这些前驱气体在被引入到该反应室中时典型地维持在一个较低的温度。当这些前驱气体经过这些较热的晶片时，这些前驱气体的温度以及因此它们可用于反应的能量增加了。
在图1中示出了一个常见类型的CVD反应室10。室10包括在图2中以无载(unpopulated)状态更详细地示出的一个盘形晶片托架14。托架14具有多个凹座18或被安排成使一个或多个晶片22保持在一个顶表面上的多个其他结构特征。在CVD处理过程中，托架14围绕垂直于该晶片轴承表面而延伸的一条垂直轴线(虚线26)旋转，并且每个晶片22都围绕以晶片表面为中心并与其垂直的一条晶片轴线旋转，以便实现行星式移动。托架14和晶片22的旋转改进了所沉积材料的均匀性。在旋转过程中，这些前驱气体从托架14上方的一个流体进口元件30被引入到反应室10中。这些流动的气体朝向晶片22向下通过，优选以层状活塞流的形式。当这些气体靠近该旋转的托架14时，粘滞曳力迫使这些气体进入到围绕轴线26旋转的状态。因此，在托架表面和晶片22附近的一个边界区域中，这些气体围绕轴线26并且朝向托架14的边缘向外流动这些气体经过该托架边缘并且然后朝向一个或多个排气口向下流动。典型地，使用一系列不同的前驱气体(在某些情况下，不同的晶片温度)进行MOCVD过程，以便沉积各自具有不同组成的多个不同的层以形成一个装置。
CVD工艺典型地被限制于批次容量。例如，一般来说很难在一个常规的CVD反应室(例如，图1中的室10)中对于所有的基底实现所沉积的薄膜的均匀性，特别是当反应室的大小增加以允许对更多的基底进行处理或以容纳较大的基底时。用于CVD处理的常规系统及方法通常不足以支持对多个晶片和其他基底的高容量处理而不牺牲所沉积薄膜的均匀性或不要求冗余设备。
本发明的系统及方法适用于对多个基底进行高容量批量CVD处理。这些系统的反应室的窄宽度使得这些前驱气体横过这些基底沿该室的整个长度而均匀分布。在一个单一的CVD工艺的运行过程中可以涂敷有均匀薄膜厚度和成分的基底的数量是可调节的并且可能基本上大于在一个典型的CVD反应室中处理的基底的数量。此外，不要求复杂的移动机构并且每个基底都仅仅围绕一条单一的基底轴线旋转。
图3A和图3B分别是根据本发明的一个线性批量CVD系统40的一个实施方案的俯视图和侧视图。在图3A中，自顶向下的视图是从如图3B中所示包括气体喷射器48的一个喷淋头44结构的下面开始的。线性批量CVD系统40包括一个沉积室52、基底托架56、真空系统60、喷淋头44、以及含有一个加热器64和一个加热控制模块68的一个加热系统。基底托架56包括多个接收座72，这些接收座各自被配置成接收一个基底22。在此所描述的实施方案中，基底22总体上作为一种晶片进行描述，例如，一个半导体晶片；然而，应当认识到，可以使用其他形式和类型的基底。
沉积室52的宽度W基本上比长度L要窄并且仅容纳一个单一排的多个晶片22。虽然这一排显示为一条直线，但本发明考虑了其中以一条曲线或其他形状来安排这些晶片22其他类型的排，这样使得在任何位置都垂直于该排的尺寸基本上是小于这一排的长度。例如，该线性配置可以包括沿一条直线、一条曲线、或多条直线段与多条曲线段的任意组合安排的一批晶片22。该配置的窄尺寸使得多种前驱气体能够横跨该批次中的所有这些晶片22而均匀地分布。
在为CVD工艺运行的准备中，将晶片22装载到基底托架56中的对应的接收座72中。装载优选地以一个自动化的方式进行，例如，通过从一个晶片供给处取得晶片22并且使用被置于沉积室52的一侧附近的一个或多个自动机构将每个晶片22定位到其接收座72中。类似地，可以使用自动装置从这些接收座中移开经过处理的晶片22。
图4A是穿过这些接收座72之一的基底托架56的截面图。每个接收座72都包括用于将这些晶片22的位置维持在托架56内的一个凹陷区域。如所展示的，将晶片22置于的一个中间基底托架76上，该中间基底托架存在于该接收座72中。加热器64包括多个加热元件80，这些加热元件被定位在基底托架56的底部附近并且基本上平行于托架56的长度被安排。例如，这些加热元件80可以是多条金属线或多个丝状加热器，这些金属线或丝状加热器在传导一个电流时产生热量。可替代地，这些加热元件80可以是灯状加热器或RF加热器。
通过辐射耦合将热量从这些加热元件80耦合到基底托架56。在一个实施方案中，基底托架56包括具有高热导率的石墨或其他材料，以有效地向晶片22传导热量。优选地，这些加热元件80是独立受控的，或是作为总数量的元件的子集而受控的。元件的单独控制或群组控制允许通过在托架56各侧附近施加较大的热量来补偿因来自基底托架56各侧的辐射损失而引起的温度变化。在一个替代性实施方案中，这些加热元件80并不延伸托架56的长度，而是被安排在长度较短的多个区域中，这些长度较短的区域一起跨越该沉积室的几乎全长。这些较短的加热区域可以响应于沿该沉积室长度的不同位置处的温度测量而独立地受控，从而实现更加均匀的温度环境。
图4B展示了根据另一个实施方案的基底托架56’的截面图。基底托架56’中的每个接收座72都具有多个空气喷射器通道84，这些空气喷射通道在有效时，允许气体向上流动以提供使中间基底托架76和晶片22浮动的一个空气承载支座。每个接收座72中的至少一些空气喷射器通道84以相对于垂直轴线88的一个非零角度被配置，以为该中间基底托架76传递围绕该垂直轴线88的一个旋转，这样使得每个中间托架76和晶片22都如图4C中所示旋转。
再次参见图3B，在不同的实施方案中，CVD系统40包括用于感测横过这些晶片的温度的一个或多个传感器。多个温度传感器与加热控制模块68相连通以使得对晶片温度的控制能够更加精确。该温度传感器可以是一个高温计或被适配为在CVD工艺期间测定晶片22的高温的其他传感器。可替代地，被置于基底托架56上的一个或多个热电偶与加热控制模块68相连通以提供一个反馈信号，从而使得对晶片温度的控制能够精确。
在另一个实施方案中，CVD系统40包括用于测定沉积在这些晶片22上的薄膜的厚度的一个或多个薄膜厚度传感器。该薄膜厚度传感器可以是一个光学反射计或本领域中已知的类似测量系统。
一个温度传感器和薄膜厚度传感器可以被集成在一个单一的测量头中，这个测量头用于监测在CVD工艺期间的状态。在一个实施方案中，多个测量头沿沉积室52的长度L被定位，以获得关于晶片22的总数量的一个子集的温度和厚度数据，例如，这些测量头可以被定位成获得关于该线性配置中的每个第三晶片22的数据。在一个替代性实施方案中，将具有一个温度传感器和一个薄膜厚度传感器的一个单一的测量头安装到一个平移机构(例如，线性驱动器)上，这样使得该测量头能够沿沉积室52的长度L移动。每个晶片22上方的窗口使得该移动的头能够获得关于每个晶片22的数据。这些晶片测量是用于控制加热器64和前驱气体流动的。
喷淋头44提供了这些前驱气体在每个晶片22的表面上的均匀分布。在一个双前驱气体系统中，喷淋头44包括用于每种前驱气体的一个或多个气体喷射器。通过举例，一个双前驱气体实现方式中的这些前驱气体可以包括在氮化镓(GaN)发光二极管(LED)的生产中所使用的三甲基镓(TMG)气体以及氨气。
在通过表面反应来测定薄膜生长的一些CVD应用中，优选顺序地刺激这些前驱气体或对它们施加脉冲，这样使得在沉积室52中基本上只存在一种气体。以此方式对这些前驱气体施加脉冲限制了这些气体在室中的混合并且减少或消除了寄生沉积。
图5是穿过一个接收座72和晶片22的截面图，该截面图示出了根据一个实施方案的以一种垂直配置的方式(θ＝90°)安排的两个喷射器端口(槽缝92延伸到页面中)的侧视图。一个槽缝92A提供了处于基本上平行于晶片表面的水平流动中的一种前驱气体(气体“A”)。另一个槽缝92B提供了呈垂直流动的一种不同的前驱气体(气体“B”)，该垂直流动是基本上平行于晶片22的轴线88的。在替代性实施方案中，这些喷射器槽缝92之间的角θ被配置成是在从θ＝0°(并排水平流动配置)到θ＝90°的范围内的一个不同的值。
图6示出了根据另一个实施方案的一种安排的喷射器端口92相对于四个相邻基底22的俯视图。每个喷射器端口92都是以一个槽缝的形式，或是以基本上矩形开口的形式，并且具有平行于该沉积室52的长度L延伸的一个长度LSLOT(参见图3A)。槽缝92的全部安排的宽度WSLOTS是大于基底22的直径。从槽缝92A供应了前驱气体A，这些槽缝与供应前驱气体B的槽缝92B以交替安排的方式间隔开的。
在一个实施方案中，这些槽缝92的长度LSLOT与该沉积室的长度差不多一样长。在替代性实施方案中，这些槽缝92被配置在两个或更多个群组中，以使得一个群组中的这些槽缝92的长度LSLOT基本上小于该沉积室的长度。优选在具有高批量容量的某些配置中进行喷射器端口的分组，以使得横过该沉积室的窄尺寸能够更加均匀地进行前驱气体的分布。通过举例，对于长度为几米的一个沉积室来说，一个群组中的多个槽缝的长度LSLOT可能是一米。在某些实施方案中，多个邻近群组中的相邻晶片22之间的间距可能超过同一个端口群组内的多个晶片22之间的间距。每个群组的前驱气体流动能够独立地受控以使得用于全批量的晶片22的薄膜能够在该沉积室中更加均匀地沉积。
图7示出了图6中所展示的这些槽缝92的一个替代性实施方案的俯视图。每个槽缝92具有一个长度LSLOT，这个长度平行于该沉积室的较短尺寸(即，图3A中示出的宽度W)延伸并且大于晶片22的直径。槽缝92A和92B沿该沉积室的长度以交替的位置进行安排。在一个实施方案中，槽缝92的配置的全宽WSLOTS差不多是该沉积室的长度。在某些替代性实施方案中，这些槽缝92被安排在多个群组中，这些群组各自具有基本上小于该沉积室的长度的一个群组宽度。属于多个邻近槽缝群组的多个相邻晶片22之间的间距能够超过一个槽缝群组中的多个晶片22之间的间距。用于这些槽缝群组中的多个喷射器端口的气体流动可以独立地受控以改进用于该沉积室中所有晶片22的薄膜沉积的均匀性。
对于上述气体喷射器配置来说，每种前驱气体通过多个端口被供应到该沉积室。图8A示出了一种替代性配置，其中单对的喷射器端口(即，一个“端口对”)包括用于供应前驱气体A的一个槽缝92A和用于供应前驱气体B的一个第二槽缝92B。在CVD工艺的运行期间，使用一个平移机构(例如，一个单轴平移台)使得该端口对在晶片22上方以来回移动的形式清扫。例如，该端口对从如在图8A中所示的这排晶片22的一侧开始移动，穿过中间位置(例如，如在图8B中的一个中间位置所示的)，直到它到达如图8C中所示的这排晶片22的相反侧的一个位置。然后，反向平移该端口对直到它回到图8A中所示的位置。在整个CVD工艺的运行中，该端口对的移动以周期性的方式进行重复。
图9示出了根据另一个实施方案的气体喷射器的配置，其中供应前驱气体A的一个槽缝92A位于这排晶片22的与供应前驱气体B的另一个槽缝92B相对的侧上。在CVD工艺的运行期间，第一槽缝92A横过这排晶片22上从所展示的位置开始移动直到它与第二槽缝92B相邻。然后，第一槽缝92A反向平移直到它回到所展示的位置。当第一槽缝92A处于移动中时，第二槽缝92B保持静止。
一旦第一槽缝92A完成了它的往返旅程移动，第二槽缝92B就横过这排晶片22从它的所展示位置移动直到它与第一槽缝92A相邻。然后，第二槽缝92B逆转方向并且横过晶片22移动直到它到达其所展示的位置。当第二槽缝处于移动中时，第一槽缝92A保持静止。在整个CVD工艺中，重复进行第一槽缝92A移动并且然后第二槽缝92B移动的这种交替运动。在一个优选实施方案中，对由槽缝92供应的这两种前驱气体顺序地施加脉冲，这样使得仅仅当一个槽缝处于移动时从该槽缝供应气体，以便基本上减少寄生沉积。
这两个槽缝92的周期移动的调整相位的其他变化对于本领域技术人员来说将是显而易见的。例如，一个槽缝92可以在另一个槽缝92完成其移动之前开始其移动，只要这些槽缝不相互干扰即可。
在上文相对于图5至图9所述的不同的实施方案中，这些气体喷射器包括基本上矩形或有槽缝的多个端口92；然而，还考虑了其他形式的气体喷射器。例如，这些气体喷射器可以是多个喷射器管在基底托架56上均匀地分布的形式。端口可以是多种开口中的任一种，例如，穿过面对基底托架56的管的一个侧壁的多个孔或不同形状的孔洞。
图10是涉及了另一个实施方案的俯视图并且示出了多个喷射器喷嘴96相对于四个相邻晶片22的一种配置。每个晶片22上方的喷嘴96的数量可能是不同的，并且为简单起见对于每个晶片22仅示出了九个喷嘴。一些喷嘴96A供应了一种第一前驱气体(例如，气体A)并且另一些喷嘴96B供应了一种第二前驱气体(例如，气体B)，这样使得在每个晶片22的表面附近或在该表面上存在着对每种气体的基本上均匀的分布。在某些实施方案中，这些喷嘴96是以子集或群组的方式受控，这些子集或群组是针对沿该沉积室的长度来安排的晶片22的总数量的子集的区域进行限定的。
虽然通过参见多个具体的实施方案展示和描述了本发明，但本领域的普通技术人员应当理解，在不脱离如所附权利要求所引述的本发明的精神和范围的情况下，可对本发明在形式和细节上做出不同的改变。

Claims (15)

1.一种线性批量化学气相沉积(CVD)系统，包括：
一个沉积室；
基底托架，该基底托架被置于该沉积室中并且具有多个接收座，这些接收座各自被配置成接收一个平盘基底，该基底托架中的所有接收座具有直径并被设置成与所述沉积室的长度平行的一排以将这些平盘基底以一个直线且水平共面的配置的方式保持；
喷淋头，置于所述基底托架的上方，并具有多个气体喷射器，每个气体喷射器具有线性狭缝形状的端口，所述线性狭缝的长度大于所述接收座的直径，各所述线性狭缝与其它气体喷射器的线性狭缝平行，且与一排的所述接收座平行，每个气体喷射器通过各自的端口向所述基底托架供应不同气体；
平移机构，耦合于所述喷淋头，配置用于在与一排的接收座垂直的方向上且在所述基底托架的上方移动所述喷淋头；以及
一个加热系统，该加热系统包括至少一个加热元件和用于均匀地控制这些平盘基底的温度的一个加热控制模块。
2.如权利要求1所述的线性批量CVD系统，其中该气体是用于CVD工艺的一种前驱气体。
3.如权利要求1所述的线性批量CVD系统，其中，所述线性批量CVD系统进一步包括置于每个所述接收座内的中间基底托架，其中，每个接收座都包括使中间基底托架中的相应一个和平盘基底围绕一条基底轴线浮动并旋转的多个空气喷射器通道。
4.如权利要求3所述的线性批量CVD系统，进一步包括对于每一个接收座来说被配置成由该接收座接收的一个中间基底托架，其中当这些空气喷射器通道是有效的时，每个中间基底托架以及这些平盘基底中的一个对应基底围绕该基底轴线浮动并旋转。
5.如权利要求1所述的线性批量CVD系统，其中这些气体被顺序地施加脉冲。
6.如权利要求1所述的线性批量CVD系统，其中该加热元件是一种丝状加热器。
7.如权利要求1所述的线性批量CVD系统，其中该加热元件是一种灯状加热器。
8.如权利要求1所述的线性批量CVD系统，其中该加热元件是一种RF加热器。
9.如权利要求1所述的线性批量CVD系统，其中该加热系统进一步包括与该加热控制模块相连通的一个温度传感器，并且其中该加热控制模块响应于一个感测到的温度来控制这些平盘基底的温度。
10.如权利要求9所述的线性批量CVD系统，其中该温度传感器是一种高温计。
11.如权利要求1所述的线性批量CVD系统，进一步包括一种反射计，该反射计是基于一个基底的反射比以测定一个薄膜厚度并且产生用于在CVD工艺期间控制该薄膜厚度的一种信号。
12.如权利要求9所述的线性批量CVD系统，进一步包括一个平移机构，该平移机构具有安装到其上的温度传感器，该平移机构被配置成使该温度传感器平行于一排的平盘基底平移以测量这些平盘基底中至少两个的温度。
13.如权利要求11所述的线性批量CVD系统，进一步包括一个平移机构，该平移机构具有安装到其上的该反射计，该平移机构被配置成使该反射计平行于一排的平盘基底平移以基于这些平盘基底中至少两个的一个反射比来测定该至少两个平盘基底的薄膜厚度。
14.如权利要求1所述的线性批量CVD系统，其中该加热系统进一步包括被置于这些基底托架上并且与该加热控制模块相连通的多个热电偶。
15.如权利要求1所述的线性批量CVD系统，其中这些平盘基底为半导体晶片。
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