CN108884589B - 使基底通过负压夹紧的衬托器以及用于外延沉积的反应器 - Google Patents

使基底通过负压夹紧的衬托器以及用于外延沉积的反应器 Download PDF

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Abstract

用于外延沉积反应器的衬托器包括盘形部分(11、12)，该盘形部分适于水平放置并且在顶部处具有至少一个圆柱形的袋(200)，待经受外延沉积工艺的基底(100)放置在该袋处；袋(200)具有底部；流体连接到吸气系统(300)的一个或更多个导管(13)在袋(200)的底部上开口；当基底(100)被放置在袋(200)的底部上并且吸气系统(300)处于工作状态时，基底(100)保持附着到袋(200)的底部。特别地：上部主体(12)在上方具有袋(200)，导管(13)仅竖直地穿过上部主体(12)，导管(13)流体连接到集气室(14)，集气室在袋(200)下方位于下部主体(11)和上部主体(12)之间，集气室(14)流体连接到吸气系统(300)；由此当基底(100)被放置在袋(200)的底部上并且吸气系统(300)处于工作状态时，下部主体(11)和上部主体(12)保持结合。

Description

使基底通过负压夹紧的衬托器以及用于外延沉积的反应器
发明领域
本发明涉及用于外延沉积反应器的衬托器以及包括这样的衬托器的外延沉积反应器。
现有技术
在用于在基底(也称为“晶片”)上外延沉积的反应器的反应室中，该反应室具有盘形衬托器(例如，参见图1中的元件10)，该衬托器用于水平支撑一个或更多个盘形基底(图1中的100)并且与加热系统(例如，参见图3中的元件40)相关联，通常将盘形基底(图1中的100)容纳在衬托器(图1中的10)的袋(pocket)(图1中的200)内。所述袋的底部适当地成形并且深度是合适的，通常与基底的厚度相当。衬托器的厚度比基底的厚度大得多，通常至少大十倍。
在室温，基底的形状是基本上平坦的。
然而，在反应器中的处理期间，面对温度的差异(例如，在基底的厚度方向上和/或在基底的半径方向上)，基底经历变形，特别是它们采取非平面形状。这发生在例如瞬变期间，当基底从低温(例如，室温)被加热到高温(例如，沉积温度)时，以及当它们被冷却时，或者在外延生长期间，由于例如沉积本身引起的厚度变化。
在基底的两侧的温差主要取决于所使用的加热系统(例如，灯、电阻、感应)。
在感应反应器(induction reactor)的特定情况下，更靠近衬托器(即，与其完全或部分接触)的基底表面比更远离衬托器(即，相对)的基底表面更热，并且基底采取具有面向衬托器的凸面的球冠表面的大致形状。如果基底仅在基底的中心区域与衬托器接触以及当基底仅在基底的中心区域与衬托器接触时，这样的变形增加，这也导致基底中的径向温差。
在这种情况下，使用具有成形底部的袋，特别是凹的，而不是平坦的(像基底那样)。通过适当地成形袋的底部的形状，在反应器中的处理期间确保了基底和袋之间更好的接触，并从而确保了基底更大的温度均匀性。这样的解决方案在于使衬托器的形状，且特别是袋的形状适应由基底所采取的形状，用于限制基底中的温差。
通常，基底在其在反应器中的处理期间的温差导致热应力，并且热应力导致被处理的基底的结晶学性能和电学性能的缺陷。
根据现有技术，衬托器(图1中的10)的袋可以是例如如图2A、2B和2C中所示的；图2A中的袋具有对应于圆周的周边形状(即是几乎完美的圆柱形)，并且适于容纳几乎完美的圆柱形的基底100A；图2B中的袋具有对应于圆周的周边形状(即是几乎完美的圆柱形)，并且被设计成容纳具有小的横向平直部的圆柱形基底100B(即它是基本上圆柱形的)；图2C中的袋具有对应于具有小的平直部的圆周的周边形状(即是基本上圆柱形的)并且适于容纳具有小的横向平直部的圆柱形基底100C(即其是基本上圆柱形的)。
概述
根据本发明，重要的是在基底和衬托器之间的接触(在袋内)是规则的且均匀的，使得基底的加热是均匀的，特别是防止由反应器处理的基底中的结晶缺陷。
优选地，这样的接触在基底的加热期间和在基底上外延沉积工艺期间以及在基底的冷却期间必须是规则的且均匀的。
此外，优选的是，在基底的加热期间和在基底上外延沉积工艺期间以及在基底的冷却期间，在基底的(外)边缘和袋的(内)边缘之间没有接触。事实上，袋的边缘通常在基底边缘处采用较高的温度，并且在两个边缘之间(在一个或更多个点处)的可能接触将导致基底温度的不均匀性。
这样的目的通过具有所附权利要求的技术特征的衬托器来实现，所附权利要求是本描述的组成部分。
基于本发明的思想是使基底适应袋的底部的形状，且不是反过来。
通过在处理期间借助于减压将基底夹持在衬托器上，在基底和衬托器之间的接触是规则的且均匀的并且保持规则的且均匀的。因此，基底不经受热应力或经受有限的热应力，并因此没有或几乎没有结晶缺陷。
应当注意的是，上述技术教导是相对于水平的袋和盘形衬托器而设想的，并且优选地应用于这些情况。
此外，应当注意的是，上述技术教导是相对于在上部部分和下部部分中可分离的盘形衬托器而设想的，并且优选地应用于这些情况。通常，上部部分适于在处理基底之前被插入外延反应器的反应室中，并且在处理基底之后从外延反应器的反应室中被移除。
优选地，衬托器的一个袋(或多个袋)的底部是平坦的，并且基底在处理期间保持平坦。
此外，通过在所有处理期间借助于减压将基底夹持在衬托器上，基底不能横向移动。因此，如果在处理的开始时在袋的边缘和基底的边缘之间没有接触，则在整个处理中将没有接触。
另外，本发明的主题是包括这样的衬托器的用于外延沉积的反应器。
附图清单
本发明从结合附图的以下详细描述中将变得更清楚，在附图中：
图1示出了根据现有技术的衬托器的竖直截面图，
图2A、图2B和图2C示出了根据现有技术的衬托器的凹进部的三个俯视图，以及
图3示出了在外延反应器的反应室中的根据本发明的衬托器的示例性实施方案的竖直截面图。
如容易理解的，存在各种实际实施本发明的方式，本发明的主要有利方面由所附权利要求书限定。
详细描述
图3示出了在外延反应器的反应室中的根据本发明的衬托器的示例性实施方案的竖直截面图。
衬托器包括盘形部分，该盘形部分适于水平放置并且由一个叠置在另一个之上并且总是彼此固定的两个盘形主体组成：下部主体11(例如，由涂覆有SiC的石墨制成)和上部主体12(例如，由涂覆有SiC的石墨制成)。
衬托器在上方具有至少一个圆柱形袋200(确切地说，基本上圆柱形的)，特别是单个袋，在该袋上放置要经受外延沉积工艺的基底100。
在图3中，盘形部分的直径可以是例如约400mm，基底的直径可以是例如约300mm，并且袋的直径可以是例如刚刚超过300mm，例如302mm。
在图3中的此示例性实施方案中，反应室是箱形的(box-shaped)，并且完全由石英制成(例如，透明石英(clear quartz)，其可能全部或部分地涂覆有反射红外线的材料)；图3部分地示出了该室的上部水平壁51，部分地示出了该室的下部水平壁52，完全地示出了该室的竖直套筒53，该套筒53在其孔处连接到壁52；图3还部分地示出了该室的(所谓的)水平衬垫(horizontal liner)54，该水平衬垫54部分地位于衬托器的盘形部分(特别是上部主体12)之前并且部分地位于衬托器的盘形部分(特别是上部主体12)之后。
下部主体11和上部主体12位于该室内，特别是位于其“反应和沉积”区域，该“反应和沉积”区域在壁51和壁52之间但是更靠近壁52，使得反应气体在上部主体12的上表面和壁51的下表面之间流动；衬垫54与上部主体12在上方水平对齐，并有助于在下方限定反应气体流动通道。
还提供旋转轴30，该旋转轴30机械连接到衬托器的盘形部分，特别地连接到下部主体11(可选择地，该主体和该轴可以制成单件)；轴30部分地位于套筒53内。
在图3中的此示例性实施方案中，主体11的(基本上)对称的轴线与主体12的(基本上)对称的轴线、与轴30的(基本上)对称的轴线以及与反应室的竖直轴线Z、特别是套筒53的(基本上)对称的轴线重合。
类似于图3中部分地示出的反应室通常设置有冷却系统，特别是上部壁和下部壁的冷却系统；这样的冷却可以借助于用于下部壁的流体(例如，液体)的流动和用于上部壁的流体(例如，气体和/或液体)的流动来实现。
类似于图3中部分地示出的反应室通常设置有反射装置或与反射装置相关联，该反射装置用于尤其在外延沉积工艺期间整体或部分地反射特别是红外辐射，该红外辐射在衬托器的盘形部分是热的时候由衬托器的盘形部分发射。
类似于图3中部分地示出的反应室可以设置有另外的温度控制装置或与另外的温度控制装置相关联(在“反应和沉积”区域的内部或外部)。
具有类似于图3中所示的反应室的外延反应器通常设置有用于操纵待处理的基底和已处理的基底的系统；操纵系统可以适于直接操纵基底或基底保持器，例如上部主体12。在图3中，可以看到主体11和12横向地具有适于与操纵工具配合的凹进部(例如，5mm-15mm深)；典型地，这样的工具适于插入具有一个(或更多个)待处理的基底的衬托器的上部主体以及取出具有一个(或更多个)已处理的基底的衬托器的上部主体。
还提供感应器40，特别是平面感应器(flat inductor)，其特别地适于通过电磁感应加热衬托器的盘形部分，即主体11和12。对基底100的加热主要通过经由与在上部主体12中形成的袋200的底部接触的传导来进行。感应器40邻近(但不接触)反应室的下部水平壁52。
在图3中的此示例性实施方案中，反应室在上方没有感应器。
根据本发明，袋(图3中的200)具有平坦的底部(即，既不凹也不凸，特别是完全平坦的)；流体连接到吸气系统(intake system)(图3中的300)的多于一个导管(图3中的13)在袋(图3中的200)的底部上开口；因此，当基底(图3中的100)搁置在袋(图3中的200)的底部上并且吸气系统(图3中的300)工作时，基底(图3中的100)保持附着在袋(图3中的200)的底部上，而与基底的各个点和衬托器的盘形部分(特别是上部主体12)的温度无关。应当注意的是，在图3中，图3中的基底100被描绘为从袋200提升，这只是为了图的清楚；指向下方的两个箭头表示基底100被放置在袋200的底部上。
应当注意的是，在图3中，衬托器的盘形部分(特别是上部主体12)适于在其单个袋中每次接收并由此处理一个基底。可替代地，衬托器的盘形部分(特别是上部主体12)可以设置有多个袋(具有平坦的底部)，并因此适于每次处理更多的基底。
作为启示，袋200可以具有0.2mm-2.0mm的均匀深度，衬托器的盘形部分(即叠合的主体11和12)可以具有15mm-30mm的厚度，下部主体11可以优选地具有10mm-20mm的平均厚度，并且上部主体12可以优选地具有5mm-10mm的平均厚度(其中心区域与圆柱体相当)。
主要地，至少在基底的加热和基底的冷却期间，即当基底可能由于温度而变形的风险较大时，吸气系统(图3中的300)被保持工作状态。然而，为了增加安全性和/或为了简单的缘故，优选地是还在基底上的外延沉积工艺期间使其保持工作状态。
在图3中的此示例性实施方案中，导管13仅竖直地穿过上部主体12，并且导管13的口部基本上均匀地分布在袋200的底部上。作为启示，口部可以以每10cm2-100cm2 1个口部的密度分布，并且它们可以具有0.5mm-2.5mm的直径并且可以具有5mm-8mm的长度；例如，在700cm2的面积上可以设置25个口。
在图3中的此示例性实施方案中，所有导管13流体连接到袋200下面的单个集气室(single plenum)14(其具有等于或优选地，略大于袋的直径的直径，例如305mm-310mm)。集气室14是圆柱形的形状，并且是相当薄的；例如，它可以具有0.2mm-2.0mm的厚度。集气室14位于上部主体12和下部主体11之间；特别地，它可以部分地在主体11内形成并且部分地在主体12内形成(如图3中所示)，或者完全在主体11内形成(在这种情况下，主体12在底部处是几乎平坦的)。
由于集气室14处于减压状态，并且在下方受限于主体11(其被加热到高温，例如1000℃或甚至更高)并且在上方受限于主体12(被加热到高温，例如1000℃或甚至更高)，因此可能存在(至少部分地)压扁的风险。
为了防止这样的风险，在图3中的示例性实施方案中，集气室14优选地具有适于在集气室14处使下部主体11和上部主体12保持一定距离的缓解部(relief)15；在这个实例中，缓解部15是下部主体11的突出部。特别地，缓解部15(其充当间隔物)基本上均匀地分布在集气室14内；作为启示，可以选择每10cm2-100cm2 1个缓解部的密度；例如，在750cm2的表面中可以设置15个缓解部。特别地，缓解部15(其充当间隔物)可以是倒金字塔或截头圆锥体(truncated cone)(例如，具有0.5mm-2.0mm的直径)(例如，具有0.2mm-2.0mm的高度)。在图3中的此示例性实施方案中，衬托器的盘形部分机械连接到旋转轴30，并且集气室14通过下部主体11的导管(特别地中心孔)流体连接到旋转轴30内的吸气导管(intake conduit)31。吸气导管31流体连接到环形形状的吸气室32，该吸气室32在衬托器的盘形部分下方围绕旋转轴30定位，例如与下部主体11相距5cm-25cm。室32受限于被固定的圆柱形壁33；上密封件34和下密封件35被设置在固定的壁33和旋转轴30之间。室32流体连接到吸气系统300，该吸气系统300例如包括真空泵。
吸气系统300适于在基底(图3中的100)的上部面和基底的下部面(图3中的100)之间产生压差。在基底(图3中的100)的处理期间，该压差可以是例如0.1kPa-10.0kPa，优选地0.5kPa-2.5kPa。至少在基底的加热和基底的冷却期间，并且优选地还在基底上的整个外延沉积工艺期间，保持这种压力差。
根据本发明的反应器可以适于在反应器的反应室中以固定压力或可变压力操作。固定压力可以是“大气压”(约1000毫巴＝100kPa)或“减压”(例如在50毫巴-950毫巴＝5kPa-95kPa的范围内的压力)。例如，如果压力是可变的，操作者设定压力以在基底上进行外延沉积；调节范围可以是例如50毫巴-1100毫巴＝5kPa-110kPa。
用于夹持基底的压差还必须考虑反应器的反应室中的压力。
使用减压将基底夹持在衬托器上是用于处理基底的方法的一个方面，该方法还涉及在基底上的外延沉积。在外延沉积之前(即待处理的基底)和外延沉积之后(即已处理的基底)操纵基底。
优选地，基底被放置在袋中的位置使得基底的边缘在施加减压之前不与袋的边缘接触，并且基底基本上保持在这样的位置直到施加减压。

Claims (33)

1.一种用于外延沉积的反应器的衬托器，包括盘形部分(11、12)，所述盘形部分(11、12)适于水平放置并且在顶部处具有圆柱形的至少一个袋(200)，所述袋(200)具有底部，待经受外延沉积工艺的基底(100)放置在所述袋(200)处，
其中流体地连接到吸气系统(300)的多个导管(13)在所述袋(200)的所述底部上开口，
由此当基底(100)被放置在所述袋(200)的所述底部上并且所述吸气系统(300)处于工作状态时，所述基底(100)保持附着到所述袋(200)的所述底部，
其中所述盘形部分由下部主体(11)和上部主体(12)组成，
其中所述上部主体(12)在上方设置有所述至少一个袋(200)，
其中所述多个导管(13)仅竖直地穿过所述上部主体(12)，
其中所述多个导管(13)流体地连接到单个圆柱形的集气室(14)，所述集气室(14)在所述袋(200)正下方位于所述下部主体(11)和所述上部主体(12)之间，并且所述集气室(14)流体地连接到所述吸气系统(300)，
其中所述下部主体(11)具有用于将所述集气室(14)流体地连接到所述吸气系统(300)的一个或更多个导管，
由此当基底(100)被放置在所述袋(200)的所述底部上并且所述吸气系统(300)处于工作状态时，所述下部主体(11)和所述上部主体(12)由于所述集气室(14)中的减压而保持结合。
2.根据权利要求1所述的衬托器，包括在所述集气室(14)内的多于一个的间隔物，所述多于一个的间隔物适于防止所述集气室由于吸气而变形。
3.根据权利要求1所述的衬托器，其中所述下部主体(11)和/或所述上部主体(12)具有凹进部和/或突出部，所述凹进部和/或突出部适于允许通过所述反应器的操纵系统的工具来操纵所述上部主体。
4.根据权利要求2所述的衬托器，其中所述下部主体(11)和/或所述上部主体(12)具有凹进部和/或突出部，所述凹进部和/或突出部适于允许通过所述反应器的操纵系统的工具来操纵所述上部主体。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的衬托器，其中所述集气室(14)仅在所述下部主体(11)内形成。
6.根据权利要求1至4中任一项所述的衬托器，其中所述底部是平坦的。
7.根据权利要求5所述的衬托器，其中所述底部是平坦的。
8.根据权利要求1-4和7中任一项所述的衬托器，其中存在导管(13)的多个口部，并且所述多个口部均匀地分布在所述袋(200)的所述底部上。
9.根据权利要求5所述的衬托器，其中存在导管(13)的多个口部，并且所述多个口部均匀地分布在所述袋(200)的所述底部上。
10.根据权利要求6所述的衬托器，其中存在导管(13)的多个口部，并且所述多个口部均匀地分布在所述袋(200)的所述底部上。
11.根据权利要求1-4、7和9-10中任一项所述的衬托器，其中所述集气室(14)具有对应于所述袋(200)的水平延伸部。
12.根据权利要求5所述的衬托器，其中所述集气室(14)具有对应于所述袋(200)的水平延伸部。
13.根据权利要求6所述的衬托器，其中所述集气室(14)具有对应于所述袋(200)的水平延伸部。
14.根据权利要求8所述的衬托器，其中所述集气室(14)具有对应于所述袋(200)的水平延伸部。
15.根据权利要求1-4、7、9-10和12-14中任一项所述的衬托器，其中所述盘形部分(11、12)机械连接到旋转轴(30)。
16.根据权利要求5所述的衬托器，其中所述盘形部分(11、12)机械连接到旋转轴(30)。
17.根据权利要求6所述的衬托器，其中所述盘形部分(11、12)机械连接到旋转轴(30)。
18.根据权利要求8所述的衬托器，其中所述盘形部分(11、12)机械连接到旋转轴(30)。
19.根据权利要求11所述的衬托器，其中所述盘形部分(11、12)机械连接到旋转轴(30)。
20.根据权利要求15所述的衬托器，其中所述集气室(14)流体地连接到位于所述旋转轴(30)内的吸气导管(31)。
21.根据权利要求16-19中任一项所述的衬托器，其中所述集气室(14)流体地连接到位于所述旋转轴(30)内的吸气导管(31)。
22.根据权利要求20所述的衬托器，其中所述吸气导管(31)流体地连接到环形吸气室(32)，所述环形吸气室(32)在所述盘形部分(11、12)下方围绕所述旋转轴(30)定位。
23.根据权利要求21所述的衬托器，其中所述吸气导管(31)流体地连接到环形吸气室(32)，所述环形吸气室(32)在所述盘形部分(11、12)下方围绕所述旋转轴(30)定位。
24.根据权利要求1-4、7、9-10、12-14、16-20和22-23中任一项所述的衬托器，其中所述吸气系统(300)适于在处理所述基底(100)期间在所述基底(100)的上部面和所述基底(100)的底部面之间产生0.1kPa-10.0kPa的压差。
25.根据权利要求5所述的衬托器，其中所述吸气系统(300)适于在处理所述基底(100)期间在所述基底(100)的上部面和所述基底(100)的底部面之间产生0.1kPa-10.0kPa的压差。
26.根据权利要求6所述的衬托器，其中所述吸气系统(300)适于在处理所述基底(100)期间在所述基底(100)的上部面和所述基底(100)的底部面之间产生0.1kPa-10.0kPa的压差。
27.根据权利要求8所述的衬托器，其中所述吸气系统(300)适于在处理所述基底(100)期间在所述基底(100)的上部面和所述基底(100)的底部面之间产生0.1kPa-10.0kPa的压差。
28.根据权利要求11所述的衬托器，其中所述吸气系统(300)适于在处理所述基底(100)期间在所述基底(100)的上部面和所述基底(100)的底部面之间产生0.1kPa-10.0kPa的压差。
29.根据权利要求15所述的衬托器，其中所述吸气系统(300)适于在处理所述基底(100)期间在所述基底(100)的上部面和所述基底(100)的底部面之间产生0.1kPa-10.0kPa的压差。
30.根据权利要求21所述的衬托器，其中所述吸气系统(300)适于在处理所述基底(100)期间在所述基底(100)的上部面和所述基底(100)的底部面之间产生0.1kPa-10.0kPa的压差。
31.根据权利要求24所述的衬托器，其中所述吸气系统(300)适于在处理所述基底(100)期间在所述基底(100)的上部面和所述基底(100)的底部面之间产生0.5kPa-2.5kPa的压差。
32.根据权利要求25-30中任一项所述的衬托器，其中所述吸气系统(300)适于在处理所述基底(100)期间在所述基底(100)的上部面和所述基底(100)的底部面之间产生0.5kPa-2.5kPa的压差。
33.一种用于外延沉积的反应器，包括至少一个根据权利要求1至32中任一项所述的衬托器。
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