CN107881490B - 化学气相沉积装置及其用途 - Google Patents

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Abstract

本申请公开了化学气相沉积装置及其用途。等离子体增强化学气相沉积(PECVD)装置包括配置用于具有基板的晶圆舟(10)的管状室(100)。PECVD装置还包括布置在室外侧并被配置用于借助于辐射来发射热的加热工具(110)、以及用于控制室(100)内部的包括温度和组成的状态的控制器。在这里，加热工具(110)配置用于根据在室内的径向变化剖面来提供辐射，该径向加热剖面包括第一径向区(I)和第二径向区(II)，并且其中在第一径向区(I)中的热通量(FI)高于在第二径向区中的热通量(FII)。

Description

化学气相沉积装置及其用途
发明领域
本发明涉及化学气相沉积装置，其包括卧式管状室并设置有底侧和顶侧及轴向方向，该管状室配置用于沿轴向方向布置支承多个基板的基座，该管状室设置有用于使在气相中的化合物进入室内的至少一个进口并设置有入口，基座可通过该入口进入室内和从室移除，所述轴向方向实质上平行于基座进入室内和从室移除所沿着的方向。化学气相沉积装置还包括布置在室外侧并被配置用于通过辐射来发射热的加热工具以及用于控制室内部的状态(包括温度和组成)的控制器。
本发明还涉及化学气相沉积装置和用于支承多个基板的基座的系统。
本发明还涉及这种化学气相沉积装置和这种系统的使用。
发明背景
化学气相沉积装置通常用在诸如集成电路和太阳能电池的半导体器件的制造中。在这里，在气相中的化合物被引入室中，并通过化学反应在基板上形成薄的固体膜。前体化合物的化学反应可能出现在气相中和基板上。可通过热(热CVD)、较高频率辐射(诸如UV(光辅助CVD)或等离子体(等离子体增强CVD))来促进或引发反应。
化学气相沉积中的要求之一在于基板上的温度实质上是均匀的。在基板之间的温度变化可能导致沉积中的均匀性的缺乏。在基板上的温度变化可能导致应力，其可能引起显著的位错运动或滑动。此外，通过辐射将热提供到室中。此外，可以利用高强度灯，例如，诸如钨-卤化物灯、RF感应线圈等。基座(也被称为晶圆舟)常常首先变暖，并且它又通过传导、辐射和常规热传递的组合来加热基板。然而，人们还可以直接加热基板。
US4,284,867解决了在加热基板时的不均匀性的一些问题，特别是在管状室中的太阳能电池的生产的背景中。在这里，能量的一部分引起基座加热基板，并且从射频(R.F.)感应线圈辐射的能量的其余部分被引导离开室。然后借助于具有设计成将重定向的能量聚焦在室上的凹面配置的金属红外反射器来重定向该热的一部分。其目的是防止在单个基板上的温度差异，因为基板在其两个主表面上同时被加热，即通过从基座到第一表面的传导和辐射以及借助于在第二相对的表面上的重定向的辐射。
然而，US4,284,867中的解决方案基于相对小的基板的基座设计而出现，其中第一表面被支撑。目前，用于太阳能电池的基板具有6×6英寸(15×15cm)的尺寸。这些基板不在一侧上被支承。相反，它们通常布置在机架中，其中仅基板的一些边缘与基座直接接触。这特别适用于在相增强化学气相沉积(PECVD)中使用的基座或舟。更特别地，在使用管式反应器的PECVD的一个实施例中，借助于被体现为导电板的电极在基板周围产生成等离子体。这些板是基座的一部分，并且基板存在于用作具有相反极性的电极的第一和第二板之间。由于在电极上的电压的施加，气相化合物在基板周围被电离。因此，在US4,284,867中提出的解决方案没有什么意义，因为基板的第一表面相对于基座的布置与第二表面没有不同。
US5,128,515公开了在开始段落中限定的类型的化学气相沉积装置，其中，加热工具被配置用于根据管状室内的角度变化的剖面来提供辐射，该角加热剖面包括第一和第二角区，并且其中在第一角区中的热通量高于在第二角区中的热通量，并且其中第一角区包括来自室的底侧的区域。这被完成，以便补偿由晶圆舟和叉状物屏蔽的辐射热损失量，该叉状物用于插入管状室的晶圆舟和从管状室的移除晶舟。该晶圆舟设置有传统的船形，包括底部和外侧壁，其中单独晶圆可以定位成在相对的侧壁之间平行于彼此。
然而，用于等离子体增强型CVD的目前常用类型的晶圆舟具有完全不同的形状。它们包括导电材料(诸如石墨)的垂直延伸的板和实际上打开的底侧。因此，作为角加热剖面的原因的底部的屏蔽不适用。
然而在实践中，已经发现，在单独基板之间的沉积层的层厚度的不均匀性出现，且特别是当使用加速斜升过程时，其中用于使室中的温度斜升的周期缩短到例如小于30分钟或甚至最多15分钟，以便增加单个装置的吞吐量。
发明概述
因此，本发明的第一个目的是提供一种具有管状室的改进的化学气相沉积装置，其允许基板的均匀加热，且特别是在PECVD管状反应器中，其中基座包括用于生成等离子体的导电板。
本发明的第二个目的是提供一种这种改进的化学气相沉积装置和基座的系统。
本发明的另一个目的是提供用于在基板上沉积层的化学气相沉积装置和系统的用途，特别地但不排他地作为太阳能电池制造的一部分。
在第一方面中，本发明提供了一种化学气相沉积装置，其包括设置有底侧和顶侧及轴向方向的管状室，该室被配置用于布置支承多个基板的基座，该室设置有用于使在气相中的化合物进入管状室内的至少一个进口并设置有入口，基座可以通过该入口进入管状室和从管状室移除。该装置还包括加热工具，其布置在管状室的外侧并且被配置用于通过辐射来发射热，该加热工具被配置用于根据管状室内的角度变化剖面来提供辐射，该角度加热剖面包括第一角区和第二角区，并且其中在第一角区中的热通量高于在第二角区中的热通量，并且其中第一角区包括来自室的顶侧和/或底侧的区域。该装置还包括用于控制室内的状态(包括温度和组成)的控制器。
加热工具包括第一加热丝，其至少一部分布置在室的轴向方向上，第一加热丝设置有曲折形状，使得第一加热丝包括沿轴向方向延伸的多个部分，这些部分实质上彼此平行地布置。在第一加热丝的第一相邻部分和第二相邻部分之间的相互距离取决于第一加热丝的所述第一和第二相邻部分的角位置，使得相互距离在第一角区中小于在该角区中。
在第二方面中，本发明提供一种包括本发明的化学气相沉积装置和包括导热元件的基座的系统。
在第三方面中，本发明提供了用于在由布置在化学气相沉积装置的室中的基座支承的基板上沉积层的本发明的化学气相沉积装置和/或系统的用途。
在导致本发明的实验中已经发现，在某些应用中不期望以均匀的方式加热室，例如与包括多个导电板的基座结合的PECVD的使用。特别地，结果证明由导电板对辐射热的吸收取决于它的位置。更特别地，面向室的内壁之一的板倾向于比布置在基座内部的板吸收更多的热。因此，特别是当限制用于加热的时间时，在基座的板之间的热传导比热辐射和对基板的对流更慢。本发明解决了这个缺点在于，根据室内的角度变化剖面来施加热辐射，该角度加热剖面包括第一和第二角区，并且其中在第一角区中的热通量高于在第二角区中的热通量。
在导致本发明的研究中已经发现，与具有多匝的线圈不同的加热丝的设计是优选的。这种线圈的使用是传统的解决方案，例如在US4,284,867中所示。具有实质上平行于轴向方向的部分的加热丝的设计的使用允许该部分根据角度剖面的变化。变化的例子包括通过加热丝的电流、加热丝或其部分的密度以及因此在相邻加热丝或其部分之间的相互距离、加热丝的直径和加热丝的材料。可选地或另外地，可以将另外的辐射源(例如，诸如加热丝和灯)提供到第一区中。
在本发明的实现中，第一加热丝至少部分地设置有曲折形状，使得第一加热丝包括沿着轴向方向延伸的多个部分。这是其优点：加热丝的数量可以被限制。此外，有限数量的具有曲折形状的加热丝的组装被认为比多个实质上直的加热丝的组装更容易。曲折形状特别允许其中在第一和第二相邻部分之间的相互距离(即，实质上彼此平行地布置)取决于角区的设计。在第一角区中，相互距离小于在第二角区中。
加热的背景存在于热和红外辐射的不同吸收中。具有例如小于100微米的有限厚度的在当前太阳能电池上的晶圆本身证明对红外辐射是能透过的。这与晶圆舟的板相反。因此，热将被加热的晶圆舟吸收。此后，热借助于热传导流到晶圆。
在本文中更特别地布置第一区，使得辐射在实质上平行于板的方向上进入室。在本文中更特别地布置第二区，使得辐射在实质上垂直于板的方向上进入室。术语“实质上平行”在本文中用来指示在-45°与45°之间、优选地在-30°与30°之间的定向。术语“实质上垂直”在本文中用于指示在45°与135°之间、优选地在60°与120°之间的定向。
本发明的装置和系统的另外的优点是在晶圆舟中的材料中的温度相关应力的限制。这种温度相关应力可能导致例如舟的板或棒的磨损和最终破裂。应力的限制于是增加了晶圆舟的寿命。
在一个实施例中，第一区中的热通量可以是均匀的，和/或第二区中的热通量可以是均匀的，而与相对于板的确切定向无关。在本实施例中，看起来优选的是，具有相对较低水平的所发射的辐射的第二区甚至比第一区延伸得更远，例如相对于基座的板的定向在30°和150°之间的角的范围内。在可选的实施例中，热通量可以逐渐降低。在本发明的另一实现中，热通量的逐渐降低有可能出现在存在于第一区和第二区之间的第三区中。例如，在这种实施例中，第一区在-20°和+20°之间延伸，第三区在+20°和+70°之间延伸，以及第二区在+70°和+110°之间延伸。在这里所有的定向都相对于在适当地垂直布置的、基座中的板的定向被指示。虽然没有明确指定，但是应当理解，可以重复这些定向，以便获得在第一、第二和任何第三区(以及可选地甚至另外的区)中的空间的细分。
本发明的管状反应器是如本身对技术人员已知的卧式。这些在太阳能电池的制造中是最常用的，并且基座经由布置在侧壁中的门进入室，并且轴向方向是水平方向，或者至少实质上水平地被布置。
具有曲折形状的加热丝可以对于室周向地延伸，但是可选地将部分地围绕室延伸。例如，在一个实现中，在第一角区中使用第一加热丝，并且在角径向区中使用第二加热丝。作为一个整体，于是可能在圆周周围有至少四根加热丝。然而，进一步可行的是，使用第一和第二加热丝，每条加热丝覆盖第一和第二角区，且特别是这样的配置：在第一角区中的加热丝的耗散和因而产生的每单位长度热通量比其在第二角区中更高。
此外，单个加热丝可以沿着轴向方向从室的第一端延伸到相对的第二端。可选地并且优选地，多个加热丝沿着轴向方向彼此相邻地存在，例如2-10个、更优选3-6个加热丝。后一种选择进一步允许创建和/或保持沿着轴向方向的温度均匀性。更特别地，控制器被配置用于基于来自一个或更多个传感器的输入来定义通过单独加热丝的电流。具有曲折形状并在轴向方向上布置在彼此后面的多个加热丝的使用的另一个优点在于补充加热丝可以存在。在初始加热丝由于材料降解而劣化的情况下可以使用这种补充加热丝。可选地或另外地，可以建立程序以便平衡在一段时间内所有加热丝的使用。与曲折形状结合的补充加热丝的存在的优点在于，第一加热丝和第二(补充)加热丝可以被布置成使得它们可以在轴向方向上具有重叠，即，当在轴向位置处观看时，第二加热丝的一部分的顶端可以存在于第一加热丝的第一和第二部分之间。这对于第二加热丝和第三加热丝可能是相同的。因此，即使不是同时使用所有的加热丝，也可以获得在轴向方向上的加热的均匀性。
优选地，角度剖面使得在第一角区和第二角区中的热通量的比率是至少为1.5，且更优选为至少2，诸如从2到4。发现这个比率当板是导热的时给出适当的热分布。
本发明对诸如氮化硅层的PECVD层的沉积是特别相关的。氮化硅层PECVD沉积通常在420-480度的温度下出现。在沉积之后，具有晶圆的晶圆舟离开沉积装置，并在室中的温度降低到大约350℃。因此，存在对加热到约100℃的需要。在一些应用中，沉积温度为约550℃，需要约200℃的加热。这个加热优选地在至多15分钟、优选地大约8-12分钟或甚至更少的持续时间内被执行。这导致10-25度/分钟的加热速度。这种加热将主要通过晶圆舟的板的热吸收和到单独晶圆的随后的热传导来实现。为了实现所有晶圆在加热期结束时具有相同的温度，已经发现的是，对于设置有多个在室的轴向方向上布置的曲折形加热丝的水平室，角度热剖面是高度期望的。每个曲折形状的加热丝的曲径在其中实质上平行于室的轴向方向而延伸。加热丝的所述纵向部分(构成曲径)特别地具有例如室在轴向方向上的长度的至少5％、更优选至少10％的长度。以这种方式，该层的总沉积时间降低80％，而不降低PECVD层的沉积质量。
附图说明
将参考附图进一步说明本发明的这些和其它方面，其中：
图1是具有化学气相沉积装置和基座的本发明的系统的第一实施例的鸟瞰图；
图2更详细地示出基座；以及
图3是其中具有基座的装置的室的正视图。
所示实施例的详细描述
附图不是按比例绘制的，且实质上仅仅是概略的。在不同图中的相同的参考数字表示相等或相应的部分。
图1在鸟瞰图中示出了本发明的系统的第一实施例。在这里示出了化学气相沉积装置的管状室100和基座10。为了清楚起见，省略了室100和装置的其他细节。同样地，以简化的方式示出了基座10，其中仅示出了其导电板。在图2中示出了基座的更详细的视图。
本实施例的管状室100是卧式的管状反应器。室100通常设置有入口，基座(在下文中被称为晶圆舟)可通过该入口进入室并从室省略。在图1中，该入口将位于在左侧所示的室的端部处。室100在本实施例中是管状的，具有圆柱形横截面。这是优选的和常规的，虽然不排除其它形状，例如具有椭圆形横截面。该室具有长度方向，其在图1中用箭头f指示。在本实施例中，长度方向为轴向方向。可见的是，晶圆舟的平行板在这里沿着长度方向f被定向。虽然管状室优选地具有单个标准直径和圆形横截面，但是不排除管状室的横截面形状偏离真正的圆形，而是椭圆形，或者是八边形等。
室100通常设置有对气相中的化合物的至少一个进口。该化合物通常是用于沉积包含硅、氧、氮、钛等或非活性气体(如氩)的膜的前体化合物。通常，进口对于化合物是特有的。还可以预见用于未使用的气体的一个或更多个出口，其例如耦合到泵。该室还设置有安装工具，其上可以放置基座。室可以进一步设置有一个或更多个传感器，诸如温度传感器和压力传感器，如技术人员所公知的。
更特别地，本实施例的沉积装置适当地设置有用于生成等离子体的工具，诸如本身已知的低频等离子体发生器。晶圆舟可借助于接触垫与等离子体发生器耦合。在将晶圆舟安装在室中时，在舟上的触头将与所述接触垫物理接触。等离子体增强沉积工艺通常在250-600℃的范围内的温度下在0和10托范围内的压力下被执行。
图2更详细地示出了适用于等离子体增强化学气相沉积工艺并且特别设计用于待加工到太阳能电池内的半导体基板的晶圆舟的第一实施例。晶圆舟包括借助于间隔件31间隔开的多个第一板11和第二板21。通常，板11、21的总数在15和30之间，例如从19到26。板11、21由导电材料(通常为石墨)制成。板设置有孔13。在本实施例中，有一连串的七个孔13。板11、21在靠近其上侧2以及靠近其底侧3包括孔13。存在电绝缘杆15以通过孔13和也设置有孔的间隔件31。杆具有第一端A和相对的第二端B。为了固定杆15，螺母34和固定螺母35存在于其端部A、B处。如技术人员已知的，板11、21通常设置有窗口。然而，这样的窗口在最外面的板11中被封闭。延伸部分12、22分别从第一板11和第二板21延伸。第一板11的第一延伸部分12在这个视图中位于上侧1处，并且第二板21的第二延伸部分22在这个视图中位于底侧3处。因此，在第一和第二延伸部分12、22之间实现分离。因此，第一板11可以借助于第一延伸部分12和导电间隔件32彼此电连接。类似地，第二板12可以借助于第二连接22和导电间隔件来电连接。以这种方式，形成交叉型相互间隔的电极的图案。可以在电极(即第一和第二板11、21)之间施加电压差。这被认为是对于在位于第一板和相邻的第二板之间的舟中的基板(也被称为晶圆)周围生成等离子体特别有用的方法。间隔件32用第一杆16和辅助杆17连接到第一延伸部分12。另外的间隔件用第二杆18和辅助杆19连接到第二延伸部分22。在该实施例中，第一和第二杆16、17是导电的，并且辅助杆18、19是电绝缘的。这被认为是适合的，但不是必要的。舟由支撑元件33支撑，该支撑元件33从底侧3处的所述导电间隔件延伸。应当理解，所示的晶圆舟的设计并没有被规定为限制性的并且可以变化。
图3示出了具有插入其中的晶圆舟10的室100的概略侧视图。室100包括通常由石英或碳化硅制成的内壁101，一个或更多个加热丝110存在于该内壁周围。加热丝被外壁103包围。外壁103可以包含热反射器，以便提高效率。外壁103还可以设置有冷却工具。借助于从一个或更多个加热丝110进入室100的辐射来适当地加热晶圆舟10。这种加热可以在沉积工艺期间继续。在沉积工艺开始之前，晶圆舟可以进一步通过在室中的载气的对流来加热。晶圆舟10还可以通过来自晶圆舟10所接触的热元件的热传导和通过对舟的等离子体暴露来加热。气相沉积装置的控制器被配置用于控制加热过程。
在导致本发明的研究中，其中利用石墨晶圆舟10的快速斜升加热，观察到晶圆舟10的外板被加热到比内板更高的温度。外板是直接在晶圆舟10的一侧处的那些，但是一些板与其相邻，例如总体地在每侧上的1-4个外板。因此，在基板上的沉积层的层厚度可以取决于该基板在晶圆舟10内的位置。更特别地发现到，沉积在定位成与晶圆舟10的外板相邻的基板上的层厚度大于沉积在定位成在与晶圆舟10的内板相邻的基板上的层厚度。为了清楚起见，快速斜升加热被理解为指至多30分钟的加热期。优选地，快速斜升在至多15分钟的时期内被执行。本发明还允许应用这样的超快斜升期。
因此，根据本发明，应用角度剖面，使得在第一角区I中的热通量ΦI高于在第二角区II中的热通量ΦII。为了清楚起见，热通量在本文被按每m2定义。在一个实现中，如图3所示，在热通量中且特别是在所发射的辐射中的这种差异是基于在轴向方向f上延伸的加热丝部分110的密度。在第一角区I中的加热丝110的密度于是高于在第二角区II中的密度。换句话说，在第一角区I中的第一和第二加热丝部分之间的相互距离d1小于在第二角区II中的对应的相互距离d2。在示出的实施例中，第一角区相对于板的定向由-55°和55°的角限制。第二角区II由55°和125°的角限制。然而，这只是一个例子，并且第一和第二角区的角延伸部分的修改是可行的。在第一和第二角区之间引入具有中间热通量的任何中间第三角区也是可行的。还将认识到，晶圆舟10的形状和尺寸可能对角区的延伸有影响。层厚度的改善的均匀性被认为对例如氮化硅、氧化硅、碳化硅、氧化铝或这些材料的组合的层生长特别相关。

Claims (17)

1.一种化学气相沉积装置，包括：
管状室，所述管状室为卧式的并设置有底侧和顶侧及轴向方向，所述管状室被配置用于沿所述轴向方向布置具有垂直的多个导电板并被配置用于支承多个基板的基座，所述管状室设置有用于使在气相中的化合物进入所述管状室的至少一个进口并设置有入口，所述基座能够通过所述入口进入所述管状室和从管状室移除，所述轴向方向实质上平行于基座进入所述管状室内和被从所述管状室移除所沿着的方向；
加热工具，所述加热工具布置在所述管状室的外侧并且被配置用于借助于辐射来发射热，所述加热工具被配置用于根据所述管状室内的角度变化剖面来提供辐射，所述角度加热剖面包括第一角区和第二角区，并且其中在所述第一角区中的热通量高于在所述第二角区中的热通量，并且其中所述第一角区包括所述管状室的顶侧和/或底侧的区域，并且其中所述第二角区包括所述多个导电板的外板所面向的所述管状室的内壁的区域；以及
控制器，所述控制器用于控制所述管状室内的状态，包括温度和组成，
其中，所述加热工具包括第一加热丝，所述第一加热丝的至少一部分布置在所述管状室的所述轴向方向上，所述第一加热丝设置有曲折形状，使得所述第一加热丝包括沿所述轴向方向延伸的多个部分，所述部分实质上彼此平行地布置，
其中，在所述第一加热丝的第一相邻部分和第二相邻部分之间的相互距离取决于所述第一加热丝的所述第一相邻部分和第二相邻部分的角位置，使得所述相互距离在所述第一角区中比在所述第二角区中小。
2.根据权利要求1所述的化学气相沉积装置，其中，所述第一角区被配置用于在实质上平行于所述基座的所述导电板的方向上提供辐射，并且其中所述第二角区被配置用于在实质上垂直于所述基座的所述导电板的方向上提供辐射。
3.根据权利要求1所述的化学气相沉积装置，其中，所述第一加热丝对于所述管状室实质上周向地延伸。
4.根据权利要求1所述的化学气相沉积装置，其中，存在第二加热丝，所述第二加热丝包括曲折形状并且相对于所述第一加热丝沿所述轴向方向移位。
5.根据权利要求4所述的化学气相沉积装置，其中，沿着所述轴向方向彼此相邻的存在的加热丝的数量在2-10的范围内。
6.根据权利要求4所述的化学气相沉积装置，其中，所述控制器被配置用于基于来自一个或更多个传感器的输入来定义通过单独加热丝的电流。
7.根据权利要求4所述的化学气相沉积装置，其中，存在补充加热丝，所述补充加热丝包括曲折形状，并且沿着所述轴向方向布置在所述第一加热丝和第二加热丝之间，其中所述第一加热丝和所述补充加热丝被布置成使得它们在所述轴向方向上具有重叠。
8.根据权利要求7所述的化学气相沉积装置，其中，当在角位置处观看时，所述第二加热丝的一部分的顶端存在于所述第一加热丝的第一部分和第二部分之间。
9.根据权利要求7所述的化学气相沉积装置，其中，所述补充加热丝和所述第二加热丝布置成使得它们在所述轴向方向上具有重叠。
10.根据权利要求7所述的化学气相沉积装置，其中，所述控制器设置有用于在一段时间内平衡所有加热丝的使用的程序。
11.根据权利要求1所述的化学气相沉积装置，其中，所述角度剖面使得在所述第一角区和所述第二角区中的热通量的比率至少为1.5。
12.根据权利要求1所述的化学气相沉积装置，还包括用于在所述管状室内生成等离子体的工具。
13.根据权利要求1所述的化学气相沉积装置，其中，所述控制器和所述加热丝被配置用于在15分钟内将所述管状室中的温度从处理温度斜升到沉积温度。
14.一种包括如权利要求1所述的化学气相沉积装置和包括导热元件的基座的系统，其中所述基座的所述导热元件是在将所述基座插入所述管状室之后沿所述管状室的所述轴向方向延伸的板。
15.根据权利要求14所述的系统，其中，所述装置包括用于在所述管状室内生成等离子体的工具，并且所述基座包括交替布置并在使用中作为第一电极和第二电极操作的第一组板和第二组板。
16.一种如权利要求1所述的化学气相沉积装置和/或如权利要求14所述的系统的在由布置在所述化学气相沉积装置的室中的基座支承的基板上沉积层的用途。
17.根据权利要求16所述的用途，其中，所述沉积层是太阳能电池的制造的部分。
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