CN109983164A - 用于外延沉积的反应器的加热方法和用于外延沉积的反应器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于外延沉积的反应器(1)的加热方法；反应器(1)包括承受器(2)和感应器(4)；感应器(4)适于在其被通电时通过电磁感应加热承受器(2)；感应器(4)包括多个匝(41‑47)；在承受器(2)从第一温度加热到第二温度期间，感应器(4)的一匝或更多匝(43)相对于承受器(2)和感应器(4)的其他匝的位置改变。匝(43)借助于适当的致动系统(61，62，63)来致动。

Description

用于外延沉积的反应器的加热方法和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的反应器的加热方法和用于外延沉积的反应器。
现有技术
任何外延反应器都包括加热系统以加热待外延生长的基底。
外延沉积工艺的阶段之前是加热阶段，之后是冷却阶段。
例如，加热可以是电磁感应类型的加热。
通常，在这种情况下，加热系统直接加热承受器(其位于外延反应器的反应室内)，并且基底通过来自承受器(其支撑基底)的传导接收热量。
在这种情况下，加热系统总是包括至少一个感应器。
过去，本申请人提供了这种感应器的一匝或更多匝是可移动的可能性:专利文件WO9610659A2。
根据这个解决方案，感应器包括多个刚性圆圈，这些刚性圆圈通过柔性桥电连接和机械连接；单个圆圈借助于单个电动机和安装在电机轴上的单个平移致动器来移动；由所述致动器引起的变形完全由柔性桥承担。
在开始加热操作之前，并且因此在开始外延沉积之前，匝被定位在期望的位置；这种定位是反应器初始设置的操作之一。
从公开号为US2010059182、JP2003133245和KR100978567的专利文件中也可以知道这种解决方案。
用于外延反应器的加热系统的主要目标是在加工期间获得基底的均匀温度。
用于外延反应器的加热系统的第二目标是在短时间内达到工艺温度。
根据从公开号为JP2003133245的专利文件中已知的解决方案，在外延沉积工艺之前使整个感应器靠近承受器，以更快地加热承受器，并且在外延沉积工艺之后将整个感应器从承受器移开以更快地冷却承受器。
概述
申请人已经通过其进行的实验认识到，不仅在工艺期间，而且还在加热期间，或者更确切地说，在外延沉积工艺之前的加热期间的一个瞬间接一个瞬间，基底的温度均匀是非常有利的；例如，这种优势可以与减少热应力和缺陷，特别是“滑移线(slip lines)”联系在一起。
然后，申请人为自己设定了一个目标，即提供一种解决方案，使得可以在加热期间和随后的外延沉积期间获得基底的均匀温度。
申请人还为自己设定了一个目标，即提供一种解决方案，使得可以在短时间内达到工艺温度。
最后，申请人为自己设定了一个目标，即提供一种不仅有效而且简单的解决方案。
这些目标基本上是借助于用于外延反应器的加热方法和反应器来实现的，该方法和反应器具有所附权利要求中所阐明的技术特征。
附图列表
从下面结合附图考虑的详细定义中，本发明将变得更加显而易见，其中：
图1示出了根据现有技术的外延反应器的实施例的反应室的垂直剖视图，
图2示出了根据本发明的外延反应器的实施例的反应室的垂直剖视图，以及
图3示意性示出了图2反应器的感应器的俯视图。
容易理解的是，在实践中有各种方式来实现本发明，本发明在其主要有利方面被限定在所附权利要求中。
详细描述
图1示出了根据现有技术的外延反应器1的实施例的反应室的垂直剖视图。
反应室设有腔10，该腔10由(特别是由透明石英制成的)上壁11、(特别是由透明石英制成的)下壁12和图中未示出的(特别是由透明石英制成的)侧壁限定。
承受器2定位在腔10内，并适于在外延沉积期间支撑和加热基底。在图1的情形中，有单个基底100，其位于(具有盘状形状，特别是高度比直径小得多的圆柱体形状，水平放置且由(可以涂覆有SiC或TaC的)石墨制成的)支撑元件3上，该支撑元件3转而又位于(具有盘状形状，特别是高度比直径小得多的圆柱体形状，水平放置且由(可以涂覆有SiC或TaC的)石墨制成的)承受器2上，元件3对于本发明的目的不是必不可少的。
提供了加热系统，该加热系统包括：至少一个感应器4，其适于在其被供电时通过电磁感应来加热承受器2；感应器4是平的，并且包括通常串联电连接的多个匝41-47(特别是图1示例中的七个同心匝)。系统在腔室下方可以包括其他感应器，但是通常在腔室上方没有感应器。
腔10的内部是与基底100对齐的水平内壁14。
承受器2围绕竖直轴线Z固定到旋转轴5。
下壁12具有孔和套筒13以使轴5穿过。
感应器4在套筒13周围位于下壁12下方。
图2的实施例是对图1的解决方案或类似解决方案的改进。
在图2中，可以看到用于移动感应器4的匝的致动系统6的一些部件：电动机61、一对致动器62，其具有相应的一对电位计(图中未示出)以及传动装置63。
在图2中，示出了热成像相机7，其位于上壁11上方，适于在薄的底径向区域中测量腔室中的温度，特别是基底100的温度；特别地，径向区域在轴线Z(或离它非常近)和基底100的边缘(或离它非常近)之间延伸；这个测量区域足够大，因为承受器和基底旋转。
在图2中，示出了计算机化的加热控制系统；它可以包括一个或更多个PLC。系统8电连接到以下项：感应器4，以向其供电；系统6(特别是电机61和电位计)；热成像相机7；以及用户界面9。界面9允许操作者输入命令和提取信息。
在图3中，示意性地示出了示例情形，其中匝43、45和46是可移动的；构成例如“组”的匝45和46通过系统6与匝43一起且独立于匝43移动；匝43的移动借助于三个致动器621、622和623获得，这三个致动器彼此相距例如90°；匝45和46的组的移动借助于三对致动器获得，这三对致动器彼此相距例如90°，或者借助于三个致动器624、625和626获得(如图所示，一个致动器同时移动两个匝的两个点)。为了使附图更清楚，图2中仅示出了用于移动匝43的设备部分，未示出用于移动匝45和46的设备。
在图3中，每个匝都具有圆弧形状，例如大约330°的圆弧形状，并且这些匝例如通过直线段连接在一起。
根据本发明，反应器(图2中的1)包括具有匝(图2中的41-47)的感应器(图2中的4)，感应器4通常是平的(或基本上是平的)，适于加热承受器(图2中的2)，并且适于通过修改一个或更多个匝(图2中的41-47)的位置来受到控制。
反应器(图2中的1)包括致动系统，该致动系统包括：
-第一电机(图2中的61)(特别是电动机)，其适于通过其运动效应来修改感应器(图2中的4)的至少一个第一匝(图2中的43)的位置(优选地仅轴向位置，即竖直位置)，
-第一多个平移致动器(图2中的62)，其适于作用在第一匝(图2中的43)的相应多个点上(参见图2和图3)，并引起第一匝的平移(优选地仅轴向平移，即竖直平移)，以及
-第一传动装置(图2中的63)(特别是机械传动装置)，其适于将第一电机(图2中的61)的运动传递给第一多个致动器(图2中的62)。
因此，感应器的一匝(或一组匝)可以独立于其他匝移动。
感应器的两匝(或两组匝)可以独立于彼此和其他匝移动。
在这种情形中，致动系统还包括：
-第二电机(特别是电动机)，其适于通过其运动效应来修改感应器的至少一个第二匝的位置(优选地仅轴向位置，即竖直位置)，
-第二多个平移致动器，其适于作用在第二匝的相应多个点上并引起第二匝的平移(优选地仅轴向平移，即竖直平移)，以及
第二传动装置(特别是机械传动装置)，其适于将第二电机的运动传递给第二多个致动器。
通常且典型地，感应器有几个匝(或几组匝)可以独立于彼此和其他匝移动。
如图3中示意性示出的，第一电机和/或第二电机可适用于修改感应器的一组匝(例如，匝45和46)相对于承受器(图2中的2)和相对于感应器的其他匝的位置。
第一传动装置(图2中的64)和/或第二传动装置包括一条和/或两条带或链；带优选地是有齿的。
优选地，感应器(图2和图3中的4)包括由单个机械件制成的连续导体；所述机械件必须具有足够的弹性，即不是刚性的，以允许感应器的匝在轴向上平移，而不会引起相邻匝的明显位移；原因是由致动器引起的变形沿匝的整个长度分布。
每个致动器(图2中的62)将通过传动装置从电机接收的旋转转换成平移。优选地，测量致动器的实际平移，以确定相应匝的定位；为此，有利地，将简单的电位计与致动器相关联，并精确地测量与致动器所产生的平移对应的旋转。
然后，将反应器放置到位，有必要机械地校准致动器，并电气地校准电位计。
然后，系统8能够如一个或更多个控制法则所提供的那样驱动电机，并且验证匝(更准确地说，它的点)已经按照期望移动。
特别地，计算机化的系统8的功能是控制反应器1的加热以及控制反应器1的冷却。
系统8可以包括能够具体实施根据本发明的加热方法的装置，特别是硬件装置和软件装置，该方法将在下面描述。
根据如本发明的加热方法，在承受器(图2中的2)从第一温度加热到第二温度期间，并且在外延沉积工艺之前，修改感应器(图2中的4)的至少一个第一匝(图2中的43)或第一组匝相对于承受器和相对于感应器(图2中的4)的其他匝的位置；第二温度通常高于第一温度。
在许多情形中，有利地，在承受器从第一温度加热到第二温度期间，并且在外延沉积工艺之前，改变感应器的至少一个第二匝或第二组匝相对于承受器和相对于感应器(图2中的4)的其他匝的位置。
第二匝的位置的改变通常独立于第一匝的位置的改变。
在所述加热期间，位置的改变可以是单次的，但是，更典型地，位置将重复改变。
通过这种方式，即使在温度转变期间，也可以尝试使所有基底都处于恒定温度下。例如，开始时全部处于25℃下，一分钟后全部处于50℃下，另一分钟后全部处于75℃下，另一分钟后全部处于100℃下，另一分钟后全部处于100℃下，......，最后全部处于1150℃下；此后，在外延沉积周期期间，全部处于1150℃下。应当注意，为了在温度转变期间获得温度均匀性，必须考虑承受器的热惯性。根据这个示例，可以将感应器的每个匝的位置与每个温度转变间隔(25-50℃、50-75℃、75-100℃、......、1125-1150℃)相关联。
例如，先前提到的第一温度可以介于0℃和50℃之间，即“环境温度”，或者其可以介于100℃和300℃之间，即“加载温度”；根据反应器，可以加载a)一个或更多个基底，或者b)带有一个或更多个基底的一个或更多个支撑元件，或者c)带有一个或更多个基底的承受器。
上述第二温度可以介于500℃和2000℃之间，即外延沉积工艺的“工艺温度”。
通常，在反应器从第一温度到第二温度的整个加热周期期间，一个或更多个匝将适当且重复地修改它们的位置(使它们远离或靠近承受器移动)，使得承受器和被支撑基底的上表面的温度优选地在整个加热周期期间的一个瞬间接一个瞬间都是均匀的。
可替代地，一个或更多个匝将仅在第一温度和第二温度之间的温度范围内适当且重复地修改它们的位置(使它们远离或靠近承受器移动)。例如，如果第一温度是“环境温度”(例如，25℃)或“加载温度”(例如，150℃)，并且如果第二温度是“工艺温度”(例如，1150℃)，则一个或更多个匝将例如仅在500℃和“工艺温度”之间的温度间隔中适当地且重复地修改它们的位置；换句话说，在“环境温度”或“加载温度”和例如500℃之间的温度间隔中，不修改任何一个匝的位置。例如，在基底的某种温度不一致性在某些条件下是可容忍的情况下，这种可替代方案可能是有用的。
感应器的(特别是平坦的)几何形状与承受器的(高度远小于直径的圆柱形)几何形状一致。
由于承受器相当薄，因此下表面和上表面之间的温差相当低(例如，50-100℃)，承受器的温度可以用径向图以第一近似示意性地表示。
这些位置变化通常在控制系统的控制下发生。
在加热期间并且在沉积之前，对匝的位置的控制优选为“开环”，并且对感应器的电气控制优选为“开环”；这是简单的控制，但是对于这个应用，甚至比“闭环”控制更好。
优选地，在“开环”控制期间，温度可以例如借助于热成像相机来测量。控制法则可以例如存储在表中；每行对应于不同的温度(例如，由热成像相机测量的基底的平均温度)，针对每个温度，向感应器提供电功率作为，例如感应器的匝的竖直位置。从第一温度(例如，环境温度)开始，设置第一功率和第一位置；当热成像相机测量第二温度时，设置第二功率和第二位置；等等。
“开环控制”的数据通常得自一个或更多个实验活动。已经观察到，当根据“实验法则”修改匝的位置时，获得最佳结果。
使用“开环”控制的优点在于，从过程到过程，只有“加工配方”的最终温度(其可以被认为是“工艺温度”)在第一近似的热水平上改变，而不是达到所述温度的斜坡。由于必须要实现始终与自身相等(或非常相似)的温度斜坡，因此不值得包含“闭环”控制，因为“闭环”控制本质上来说在管理各种不同和无法预见的情况方面表现出色。通过这种方式，通过仅仅一个实验活动，就有可能发现最优法则，以消除承受器的热惯性问题，并避免受控系统的危险的不稳定性。
在外延沉积工艺期间(即，在加热阶段之后和冷却阶段之前)，优选以不同的方式操作。
在外延沉积工艺期间，不修改感应器中的任何一个匝的位置，即保持每个匝的位置；感应器借助于“闭环控制”供电。
在“闭环”控制期间，温度可以例如通借助于热成像相机来测量，并且基于期望温度(即，例如由操作者设定的工艺温度)和由热成像相机测量的温度(例如，基底的平均温度)之间的差来计算待提供给电感器的电功率。
在一些应用中，在加热操作的最后部分期间(例如，在最后50-100℃的加热期间)，可以优选地保持匝固定并对感应器施加“闭环”电气控制。

Claims (15)

1.一种用于外延沉积的反应器(1)的加热方法，
其中所述反应器(1)包括承受器(2)和感应器(4)；
其中所述感应器(4)适于在通电时通过电磁感应加热所述承受器(2)；
其中所述感应器(4)包括多个匝(41-47)；
其中，在外延沉积工艺之前，在所述承受器(2)从第一温度加热到第二温度期间，改变所述感应器(4)的至少一个第一匝(43)相对于所述承受器(2)和相对于所述感应器(4)的其他匝的位置。
2.根据权利要求1所述的加热方法，其中，在外延沉积工艺之前，在所述承受器从第一温度加热到第二温度期间，改变所述感应器(4)的至少一个第二匝(45、46)相对于所述承受器(2)和相对于所述感应器(4)的其他匝的位置。
3.根据权利要求1或2所述的加热方法，其中，在外延沉积工艺之前，在所述承受器从所述第一温度加热到所述第二温度期间，重复地改变所述至少一个匝(43)和/或所述至少一个第二匝(45、46)的位置。
4.根据前述权利要求中任一项所述的加热方法，其中，在外延沉积工艺之前，在所述承受器从第一温度加热到第二温度期间，借助于“开环控制”(8)改变所述至少一个匝(43)和/或所述至少一个第二匝(45、46)的位置。
5.根据前述权利要求中任一项所述的加热方法，其中，在外延沉积工艺之前，在所述承受器从第一温度加热到第二温度期间，借助于“开环控制”(8)对所述感应器(4)通电。
6.根据前述权利要求中任一项所述的加热方法，其中，在外延沉积工艺期间，不改变所述感应器(4)的匝(41-48)中的任何一个匝的位置。
7.根据前述权利要求中任一项所述的加热方法，其中，在外延沉积工艺期间，借助于“开环控制”(8)对所述感应器(4)通电。
8.根据前述权利要求中任一项所述的加热方法，其中，所述第一温度对应于外延沉积工艺的加载温度，和/或其中所述第二温度对应于外延沉积工艺的工艺温度。
9.根据权利要求8所述的加热方法，其中，在所述第一温度和所述第二温度之间的至少一个温度间隔中，不改变所述感应器(4)的匝(41-48)中的任何一个匝的位置。
10.一种用于外延沉积的反应器(1)，包括：至少一个承受器(2)，其具有盘状部分，所述承受器(2)适于直接或间接支撑一个或更多个基底(100)；以及感应器(4)，其具有匝(41-47)，所述感应器(4)适于加热所述盘状部分(2)并通过改变所述匝(41-47)的位置来受到控制，
特征在于，所述反应器包括：
-第一电机(61)，其适于由于其运动而改变所述感应器(4)的至少一个第一匝(43)的位置，
-第一多个平移致动器(62)，其适于作用在所述至少一个第一匝(43)的相应多个点(图3)上并引起所述至少一个第一匝(43)的平移，以及
-第一传动装置(63)，其适于将所述第一电机(61)的运动传递给所述第一多个致动器(62)。
11.根据权利要求10所述的用于外延沉积的反应器，包括：
-第二电机，其适于由于其运动而改变所述感应器(4)的至少一个第二匝(45、46)的位置，
-第二多个平移致动器，其适于作用在所述至少一个第二匝(45、46)的相应多个点(图3)上并引起所述至少一个第二匝(45、46)的平移，以及
-第二传动装置，其适于将所述第二电机的运动传递给所述第二多个致动器。
12.根据权利要求10和/或11所述的用于外延沉积的反应器，其中所述第一传动装置(63)和/或所述第二传动装置包括一条和/或两条带或链。
13.根据权利要求10或11或12所述的用于外延沉积的反应器，其中所述感应器(4)包括呈单个弹性机械件的连续导体。
14.根据权利要求10至13中任一项所述的用于外延沉积的反应器，包括用于检测所述致动器的旋转的电位计。
15.一种用于外延沉积的反应器，包括特别适于实施根据权利要求1至9中任一项所述的加热方法的装置(8)，并且优选地包括至少一个电机(61)、至少一个多个致动器(62)和至少一个传动装置(63)。
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