CN1067446C

CN1067446C - 超高真空化学气相淀积外延系统

Info

Publication number: CN1067446C
Application number: CN98111717A
Authority: CN
Inventors: 钱佩信; 林惠旺; 梁聚宝; 刘荣华; 韩勇; 金晓军; 罗广礼; 陈培毅; 陈必贤; 白玉琦
Original assignee: Tsinghua University
Current assignee: Tsinghua University
Priority date: 1998-12-25
Filing date: 1998-12-25
Publication date: 2001-06-20
Anticipated expiration: 2018-12-25
Also published as: CN1224085A

Abstract

本发明属于生长超大规模集成电路薄膜材料技术领域，包括外延生长室及其加热装置，预处理装片室，磁传动传送片机构，气路系统，热电偶与光测高温计，加热电源，高真空机组抽气系统，尾气处理装置以及计算机自动控制系统；加热装置由固定在该外延生长室外侧的石墨板电阻加热器、安装在石墨板加热器外的红外发射板组成。本发明具有加热温度均匀，可外延大面积厚度均匀半导体片，且低成本、高效率，易于工业实用化批量生产等特点。

Description

超高真空化学气相淀积外延系统

本发明属于生长超大规模集成电路薄膜材料技术领域，特别涉及半导体异质结和超晶格薄膜材料的生长方法和系统的设计与制造。

处延生长半导体异质结和超晶格薄膜材料可用多种方法，但目前主要是分子束外延(MBE)和化学气相外延(CVD)两种。

分子束外延(MBE)实际上是一种超高真空蒸发方法，系统真空度高达10^-11Torr，生长时一般为10^-9Torr，从而保证原子级清洁的生长表面，生长温度一般为400-750C生长速度可控制在1-10A/sec.，但MBE设备不仅价格昂贵，而且维护费用高、操作复杂，生产效率低，不利于工业化应用。特别是在生长Si_1-xGe_x应变层时，Si、Ge的蒸汽压很低，必须专门配备电子束蒸发器来获得Ge、Si源束流。

化学气相淀积(CVD)是利用分解反应在半导体片表面淀积薄膜的技术，但传统的常压CVD(AP-CVD)淀积温度高，淀积速率快，不能用于量子尺寸的应变层异质外延。近年来发展起来的低压CVD(LP-CVD)反应气压在10Torr，利用Si或Ge烷类的热分解在生产表面上淀积Si_1-xGe_x/Si薄膜等。由于该技术具有设备结构不太复杂，维护使用方便，设备与生产成本低，原位气相掺杂简便、生长效率高，因此具有广阔的应用前景。

现有的红外加热超高真空化学气相外延系统主要采用条形灯光作为辐射热源，已有的这种外延系统典型结构如图1所示：

图1中生长室11为直径7cm石英玻璃管，外环放置15支1kw碘钨灯12，灯管后有反光板13，生长室内有样品架14，样品架上放置硅片112，热电偶15用来测量硅片温度，Ar⁺射频溅射清洗电极16，具有阀门和质量流量控制器的气源系统17，接口18联至抽真空系统，19为真空计，阀门111联接在生长室11出气口与尾气处理系统之间。

这种CVD系统仍存在许多问题，其中最主要的是采用条形灯光加热半导体衬底片，温度不够均匀，从而影响了外延生长的薄膜厚度的均匀性，因而仍不能满足UHV/CVD外延生长的要求。

本发明的目的在于为克服上述系统的不足之处，研制出一种超高真空化学气相淀积(UHV/CVD)外延系统。该系统具有加热温度均匀，可外延大面积厚度均匀的半导体片，且低成本、高效率，易于工业实用化批量生产等特点。

本发明所研制的一种辐射加热的超高真空化学气相淀积外延系统，包括外延生长室及其加热装置，预处理装片室，磁传动传送片机构，气路系统，热电偶与光测高温计，加热电源，高真空机组抽气系统，尾气处理装置以及计算机自动控制系统；其特征在于所说的加热装置由固定在该外延生长室外侧的石墨板电阻加热器以及安装在石墨板加热器外的红外反射板组成，所说的石墨加热板发出的红外光透过所说的外延生长室的石英隔板均匀加热外延生长腔中的样片。

本发明所说的外延生长室可由水冷双层不锈钢圆外腔及设置在其中的圆形或扁平矩形石英反应内腔构成；该石英反应腔内设置有石英样品架。该石英腔两端靠密封圈与外腔两端的水冷法兰内侧连接，为保证扁平石英腔不为大气压力压爆，内腔与外腔的压力必须始终保持平衡。该外腔一端水冷法兰外侧与预处理装片室连接，另一端水冷法兰外侧与高真空机组系统接口相连。

所说的水冷双层圆形不锈钢外腔内可由石英隔板将加热腔、外延生长腔隔开，加热腔中与所说的石英隔板相对位置安装有石墨加热器，加热腔中的石墨加热器发出的红外光透过石英隔板均匀加热外延生长腔中的样片，石英板靠密封圈达到真空密封。

所说的预处理装片室可由不锈钢真空腔，等离子体清洗装置，不锈钢片托，磁传动式送片机构组成，该装片室一端与水冷法兰连接处安装有一个不锈钢隔离门，在石英腔外延生长时，该隔离门要关闭，以保证生长室的超高真空和形成平行半导体片表面的均匀反应气流；另一端与磁传动送片机构相连；而前面与机械手相连。

所说的磁传动取送片机构可由不锈钢圆筒及其内外侧互相吸引的磁缸组成，筒外侧磁缸在丝杠带动下运动时，由磁力吸引内磁缸推动放置半导体片的不锈钢片托。由机械手或人工将半导体片放在不锈钢片托上后，第一次进入石英反应腔时，可自动将硅片放到石英腔生长室内的石英样品架上；而第二次进入石英腔生长室时，又可自动将外延生长完的硅片取出。

所说的热电偶和光测高温计可同时测量衬底半导体片或石墨板加热器的温度，由计算机控制加热电源的输出功率达到调节所需的衬底片温度。整个系统的磁传动取送片机构、反应腔与装片室间的隔离门、石墨板电阻加热器，气路系统的质量流量控制器、真空机组的机械泵、分子泵等的工作状态均可按照要求选择不同参数，通过计算机软硬件自动控制完成。

本发明的工作过程是：为了使外延生长室-石英反应腔内获得超高本底真空，外延生长前关闭石英反应腔与装片室间的隔离门。系统采用三组高真空机组(分子泵与机械泵)分别对石英反应腔、外腔、预处理装片室抽真空。由于石英反应内腔与外腔之间由密封圈隔离，内腔的真空度会提高至10^-8-10^-9Torr。然后打开隔离门，磁传动送片机构将预处理过的半导体片送入石英腔内并放在石英样品架上，送片机构退回装片室，关上隔离门。当石英反应腔抽到极限真空、石墨板电阻加热器达到设定温度后，计算机工作程序打开反应气体、掺杂气体、载气相对应的质量流量控制器两边的电磁阀，由质量流量计控制通入反应腔的各种气体流量，从而在衬底半导体片表面淀积外延出各种薄膜。

本发明出于采用石墨作为辐射热源；可选用尺寸大于硅片的单块或上下两块相距很近的平行石墨板加热硅片：石墨板周围放置红外反射板，可将大部分能量反射回来。为减少石墨出气，石墨板也可外包碳化硅薄膜。因此本发明不仅可以延长加热器使用寿命，而且加热温度更加均匀，从而保证了外延生长的薄膜厚度均匀。

此外，本发明可采用小体积扁平矩形石英反应腔作为外延生长室。半导体片对着气流斜放在石英腔内石英样品架上，因而流过半导体片表面的气流十分均匀；生长的薄膜厚度一致。可采用光测高温计与热电偶同时测量半导体片和石墨板的温度，以确保测温准确和控温响应及时。本系统还可安装机械手，从而可以避免在换片过程装片室暴露大气，大大提高生产效率和改善装片室真空、洁净。

附图简要说明：

图1为已有的一种LP-CVD外延系统典型结构示意图。

图2为本发明的UHV/CVD外延系统实施例一总体结构示意图。

图3为实施例一的外延生长室结构示意图。

图4为本发明的UHV/CVD外延系统实施例二总体结构示意图。

图5为本发明的UHV/CVD外延系统实施例三总体结构示意图。

本发明设计出UHV/GVD外延系统的三种实施例，其结构如图2-图5所示，分别详细说明如下：

实施例一总体结构如图2所示，它包括如下组成部分：由扁平矩形石英反应腔(内腔)21，石墨板电阻加热器22和外腔23组成的外延生长室；由不锈钢真空腔24，等离子体清洗装置25，不锈钢片托26，磁传动式送片机构27组成的装片室；由气源瓶、不锈钢减压阀、不锈钢气体管路、质量流量控制器、H₂纯化器等组成的气路系统28；由分子泵与机械泵机组分别对生长室、装片室、外腔抽真空的真空机组29：尾气处理装置30，以及由计算机软硬件、测温计、电源等组成的控制系统210等部分组成。

外延生长室是本发明的核心部分，由双腔体组成，其结构如图3所示。内腔体包括矩形石英反应内腔21、硅片211、石英样品架212、固定在石英反应腔外表面的开槽石墨板电阻加热器22、进气口221以及反射板219。内腔体石英腔21两端通过密封垫圈固定在外腔体两端的水冷法兰213、214上。石英腔21右边与装片室连接，石英腔与装片室间安有隔离门；左边与高真空机组分子泵连通。

外腔体包括双层圆形不锈钢水冷外炉壳23，反射屏220和两端水冷法兰213、214。右法兰与装片室固定，左法兰与高真空分子泵机组固定。左法兰上还引出加热石墨板的水冷电极215、216，测量石墨板温度的热电偶218引出端。外炉体上端安装光测高温计217可同时测量石墨板和半导体片温度，确保温度测量准确。

利用该系统已经实现了Si基上的Si的低温外延，SiGe/Si外延等，外延层均匀性好，过渡区窄，晶体完整，本底杂质浓度小于5×10¹⁴cm^-3，在500℃～850℃范围生长出质量完好的GeSi/Si异质结构材料，Ge组分在0～0.6之间连续可调。

该系统的指标为：

1．生长温度范围：500～1000℃连续可调

2．温控精度：＜±3℃

3．温度均匀性：＜±1％

4．外延生长室本底真空：＜1×10^-6pa

5．工作气压：10^-1Pa-100Pa范围连续可调

6．外延生长速率可调，典型值为1A/sec.。

7．反应气路：7路，具有质量流量控制器，内抛光不锈钢管道

8．硅片尺寸：Φ100mm

9．计算机全自动控制，并具各种安全保护功能

该系统可适用于：

1．外延生长锗硅异质结材料

2．低温外延硅材料

3．生长各种量子阱，超晶格结构

本发明的两种改进实施方案如图4、图5所示。

实施例二总体结构如图4，它可以是两腔、三腔和四腔UHV/CVD外延系统，图4示出四腔系统。每个腔与实施例一的结构基本相同，其不同之处为，在外腔23内上下平行设置两个石英内腔31和32，石墨板电阻加热器34、35、36分别作为上、下腔的加热热源，223为内旋转门，224为装片室抽气口，225为真空管道，226为插板阀，227为压力调节器。装片室内安装有三维真空伸缩式机械手37，可随时从四个腔中取放半导体片。该方案的特征在于两腔可分别掺杂N型、P型杂质，避免N、P型杂质互相补偿带来的问题。该发明可大大提高生长效率，更适合工业化大批量生产。

实施例三总体结构如图5所示。该外延系统水冷双层圆形不锈钢外腔内设置石英隔饭44，靠密封圈隔开上下两部分分别做为加热腔41和外延生长腔45。加热腔41中有石墨板电阻加热器42，反射板415，由分子泵系统47单独抽真空。外延生长腔45中有样片43，样品架416，测温计417，上端有气源系统410的气路入口，下端由分子泵系统48单独排气，右端通过插板阀111与预处理装片室414相连，装片室414内有片盒和等离子体清洗装置412，其右端与机械手413联接。该实施例的特征在于样片由石墨板电阻加热器产生的红外光透过石英隔板均匀加热，结构更加紧凑，也可方便改变成多外延生长腔结构。

Claims

1．一种辐射加热的超高真空化学气相淀积外延系统，包括外延生长室及其加热装置，预处理装片室，磁传动传送片机构，气路系统，热电偶与光测高温计，加热电源，高真空机组抽气系统，尾气处理装置以及计算机自动控制系统；其特征在于所说的加热装置由固定在该外延生长室外侧的石墨板电阻加热器以及安装在石墨板加热器外的红外反射板组成，所说的石墨加热板发出的红外光透过所说的外延生长室的石英隔板均匀加热外延生长腔中的样片。

2．如权利要求1所说的外延系统，其特征在于，所说的外延生长室由水冷双层不锈钢圆外腔及设置在其中的扁平矩形石英反应内腔构成，该石英反应腔内设置有石英样品架，该石英腔两端靠密封圈与外腔两端的水冷法兰内侧连接，该外腔的一端水冷法兰外侧与所说的预处理装片室连接，另一端水冷法兰外侧与所说的高真空机组抽气系统接口相连。

3．如权利要求1所述的外延系统，其特征在于，所说的水冷双层圆形不锈钢外腔内由石英隔板将加热腔、外延生长腔隔开，加热腔中与所说的石英隔板相对位置安装有石墨加热器，石英板靠密封圈达到真空密封。

4．如权利要求1所说的外延系统，其特征在于，所说的预处理装片室由不锈钢真空腔，等离子体清洗装置，不锈钢片托，磁传动式送片机构组成，该装片室一端与水冷法兰连接处安装有一个不锈钢隔离门。

5．如权利要求4所说的外延系统，其特征在于，所说的磁传动取送片机构是由不锈钢圆筒及其内外侧互相吸引的磁缸组成。

6．如权利要求1所说的外延系统，其特征在于，所说的外延生长室由在外腔内上下平行设置两个石英内腔构成。

7．如权利要求1所说的外延系统，其特征在于，所说的预处理装片室两端分别对称连接两个外延生长室，所说的外延生长室由在外腔内上下平行设置两个石英内腔构成。