CN110214201A - 用于化学气相沉积(cvd)反应器的处理室以及在该室中执行的热化方法 - Google Patents

用于化学气相沉积(cvd)反应器的处理室以及在该室中执行的热化方法 Download PDF

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Abstract

一种用于化学气相沉积(CVD)反应器的处理室(C)，包括：系统(3)，该系统在限定处于局部真空下的封腔(E)的主体(B)内，该系统用于喷射反应性物质，以便沉积在被放置于支撑元件(5)上的基板(8)上；和热控制系统(2)，该热控制系统用于调节喷射系统(3)的温度或使喷射系统(3)的温度保持基本恒定，该热控制系统(2)具有与喷射系统(3)的界面区域(ZI)。处理室(C)在界面区域(ZI)中还包括至少一个热传递区域(ZT)，该热传递区域(i)通过将压力和污染物质的扩散隔离的隔离屏障而与处于局部真空下的封腔(E)隔离，并且(ii)填充有热界面材料(10)。应用于执行CVD沉积，特别是脉冲CVD沉积。

Description

用于化学气相沉积(CVD)反应器的处理室以及在该室中执行 的热化方法
技术领域
本发明涉及一种用于化学气相沉积(CVD)反应器的处理室。本发明还包括在该室中实施的热化方法。
领域更具体地是CVD反应器中的气体分配系统的热调节以及这种反应器中的热传递的优化。
背景技术
CVD型沉积在局部真空状态下在反应器中进行。在这些反应器的一些反应器中，反应性物质(例如反应物和前体)通过通常被称为喷头的室(room)喷射到处理室中，该喷头面向待处理的基板并且包括多个通道以将反应性物质均匀喷射到基板上方的空间中。
例如，文献WO 2009/0136019描述了这种具有喷射喷淋器(injection shower)的反应器，该喷射喷淋器包括两组不同的通道，以分别喷射反应性物质。
这些类型的配备有喷射喷淋器的反应器能够用于实施CVD型沉积技术。例如文献WO 2015/140261中所述，它们还能够用于实施脉冲CVD技术。在这种情况下，使用具有两个不同通道组的喷淋器，并且以相移脉冲来喷射反应性物质。这例如允许以高度的一致性(即在图案的所有侧面上都具有高的厚度均匀性)，以高生长速率形成沉积物。
这些喷头是必须定期拆卸和更换的易磨损零件。然而，在脉冲CVD沉积(通常为CVD沉积)的背景下，存在反应器喷头的热化(thermalization)或温度维持的问题。实际上，根据所使用的工艺，该部件必须被维持在精确的温度下。为此目的，通常使它与反应器的其温度受控的另一部件形成接触。因此，利用在真空中的金属与金属之间(或者存在的材料彼此之间)的热接触、通过固定和热传递的双重功能而实现热传递。在这种情况下，主要通过固定点处(即非常小的表面上)的传导并且更少量地通过辐射而实现热传递，因为在真空中没有热传导。
为了保持在喷头中流通的热敏前体的完整性和基板上的沉积物的均匀性，重要的是该喷头的温度在其整个表面上是均匀且恒定的。
然而，取决于工艺步骤，这种喷头受到突然和重复的能量输入，特别是当放置在加热器上的基板接近喷头并且处理室中的压力升高时，或者当在处理室中产生等离子体时。
在这些构造中，喷头材料与温度受控的真空室之间的接触不适合确保对温度受控区域的足够的热传递。换句话说，该界面的热阻太高而不能确保足够快的热传递。
还已知通过使用具有低热阻的界面材料(例如导热油脂)来改善组件元件之间的导热性。然而，这种解决方案不能直接应用于CVD室，因为只能使用对相关工艺呈惰性的材料来避免污染风险，并且，限制导热性的真空问题仍然存在。
本发明的目的是在优化气体喷头与热调节系统之间的热传递方面克服在现有技术的反应器和CVD处理室中遇到的缺点，同时提供能够容易地拆卸的盖子构造，以提供对基板和喷头的方便接触(access)从而对其进行更换。
发明内容
该目的通过用于化学气相沉积(CVD)反应器的处理室来实现，所述室包括：喷射系统，该喷射系统在限定局部真空室的主体内，该喷射系统用于喷射反应性物质(reactivespecies)以便沉积在被放置于支撑元件上的基板上；和热调节系统，该热调节系统用于调节喷射系统的温度或者使喷射系统的温度维持基本恒定，这种热调节系统具有与喷射系统的界面区域。
根据本发明，所述处理室还在界面区域中包括至少一个热传递区域，该热传递区域(i)通过将压力和污染物质的扩散隔离的屏障(barrier)而与局部真空封腔隔离，并且(ii)填充有热界面材料。
材料的存在允许存在有真空中不存在的传导热传递。这种热界面材料优选具有低热阻系数。
特别地，热界面材料可以具有等于或大于空气的热导率的热导率(例如，在反应器环境的温度和压力条件下)。
所述隔离屏障防止压力损失和热界面材料的化合物扩散到处理室中，否则这些化合物将成为污染物质。
由于本发明提供的这种新技术，能够在维持良好可维护性的同时实现非常高效的热界面。
因此，由于喷头与处理室的集成了热调节系统的上部之间的更好导热性，本发明在工艺期间提供了气体喷头的温度稳定性的显著改进。
实际上，这种热界面材料的存在允许通过传导进行热传递，而这种传导不存在于真空下，在真空中仅能通过辐射进行非常有限的热传递。
由此产生的热界面使得当接近气体喷射系统时以及当在喷射气体时所述处理室中的压力升高时，能够通过气体喷射系统从支撑元件或基板支架排空所吸收的热量。
除了确保良好的热接触之外，本发明易于实施，不需要额外的流体通道，并且不会使维护操作更复杂。
在根据本发明的处理室的优选实施例中，热调节系统是反应器盖子的一体部分，该反应器盖子设置有用于反应性物质的入口。
该喷射系统有利地经由界面区域和热调节系统连接到盖子，从而，由于该盖子的可移除性，可容易地接触该喷射系统。
处理室盖子的这种一体式构造有助于促进气体喷射系统的更换。
在根据本发明的处理室的特定实施例中，该处理室包括由至少两个互锁的隔离屏障界定的热传递区域。
在处理室具有圆柱形几何形状的情况下，如此界定的热传递区域可以例如具有环形形状。
在根据本发明的处理室的又一个特定实施例中，该处理室包括分布在界面区域中的数个热传递区域，并且每个热传递区域均由隔离屏障界定。
该隔离屏障能够布置成围绕热传递区域提供一个或多个密封区域，以在局部真空封腔和热传递区域之间提供不同的压力。该隔离屏障例如可以包括一排或多排密封件，这些密封件被布置成将大气压力的热传递区域与所述局部真空封腔隔开。
所述热控制系统能够有利地配备有一个或多个孔，该一个或多个孔被设置成将热界面材料置于大气压力下。
在根据本发明的处理室中，还包括射频装置，该射频装置被设置用于通过在所述喷射系统和基板之间施加射频(RF)电位来产生等离子体，该处理室还包括用于将热调节系统与该处理室的主体的被接地的其余部分电绝缘的装置。
所述喷射系统有利地被布置为喷射喷淋器或分配喷淋器的形式，该喷射喷淋器或分配喷淋器包括多个通道，所述多个通道被设计成将反应性物质均匀地喷射到局部真空室中。
这种分配喷淋器还能够包括两组分开的通道以分开地喷射反应性物质。这种分开喷射对连续沉积特别有用。
能够以相移脉冲的形式喷射反应性物质，以实现脉冲CVD沉积。在这种情况下，所述脉冲在处理室中产生强烈和快速的、压力条件和温度条件的变化，从而使优化热传递更加必要。
在根据本发明的处理室的特定实施例中，该处理室还可以包括用于调节所述封腔中的基板支撑元件的高度的装置。
根据本发明的另一方面，提出了一种用于使系统热化的方法，该系统用于将反应性物质喷射到用于化学气相沉积(CVD)反应器的处理室中，所述室还包括喷射系统，该喷射系统在限定局部真空室的主体内，该喷射系统用于喷射反应性物质以沉积在被放置于支撑元件上的基板上，该方法包括热调节以调节喷射系统的温度或者使喷射系统的温度维持基本恒定，所述热调节是从主体盖子的一部分进行的并且具有与喷射系统的界面区域。
根据本发明，该热化方法在界面区域处包括：
在喷射系统与所述盖子的上部之间经由包含热界面材料的热传递区域进行的传导热传递，
将热传递区域中的压力和污染物质的扩散与所述局部真空封腔隔离。
根据本发明的该热化方法能够在配备有喷头形式的喷射系统的反应器中实现。该喷头能够有利地包括两组不同的通道，以分开地喷射反应性物质。能够以相移脉冲的形式喷射反应性物质。
附图说明
通过参考附图，在作为非穷举性示例给出的、根据本发明的形成处理室的方法的以下描述中，将明白其它特性和优点，其中：
-图1示出了代表现有技术的用于化学气相沉积反应器的处理室的概要图；
-图2示出了根据本发明的用于化学气相沉积反应器的处理室的第一实施例的概要图；
-图3是图2中所示的处理室的界面区域的局部放大图；并且
-图4示出了根据本发明的用于化学气相沉积反应器的处理室的第二实施例的概要图。
具体实施方式
为了简化描述，相同的附图标记将用于在各种实施例中相同或具有相同功能的元件。
由于这些实施例决不是限制性的，因此如果特性的选集足以赋予技术优势或足以将本发明与现有技术区别开，则特别可以考虑本发明的下列变体：其仅具有与所描述或示出的其它特性隔离的、以下所描述或示出的特性的选集(即使该选集在包括所述其它特性的句子中是隔离的)。该选集包括至少一个优选的功能特性而没有结构细节，和/或仅具有结构细节的一小部分(如果该一小部分足以赋予技术优势或足以将本发明与现有技术区别开)。
图1示意性地示出了代表现有技术的化学气相沉积CVD反应器RO。这种反应器包括处理室CO，其旨在用于在基板8(该基板8被放置在支撑元件或基板支架5上)上执行脉冲CVD或CVD沉积，并且设置有喷头3，该喷头3例如是诸如文献WO 2009/0136019中公开的具有两个通道组的类型。喷头3是必须定期更换的易磨损零件。
该现有技术的反应器RO能够通过在喷头3与放置在基板支架5上的基板8之间施加射频(RF)电位来可选地实现等离子体的产生。
处理室CO具有主体BO，该主体BO限定了被维持在局部真空下的封腔EO，并且在该主体BO的上部上设置有可移除的盖子LO并且盖子LO具有孔口1，气体通过孔口1进入所述封腔EO。
当盖子LO在CVD反应器(该CVD反应器利用等离子体的产生)中使用时，盖子LO能够被升高到RF电位。该盖子LO通过热调节系统2维持在恒定温度下，该热调节系统2例如配备有加热电阻器，或者通过电磁感应操作，或者通过使用由热传递流体(例如去离子水和乙二醇的混合物，或诸如由Solvay Group(美国索尔维集团)销售的牌热传递流体)横穿的电路。
热控制系统2的主要功能是将喷头3保持在恒定温度下。
提供电绝缘元件4以将处理室CO的RF正电位的部分与处理室CO的被接地的其余部分分开。
来自所述反应的副产物气体通过处理室CO的主体BO中的侧孔口6排出。
基板支架5使基板8保持在一定温度下并且还执行电功能，因为：取决于处理室的类型，基板支架5可能经受浮动电位、接地或被极化成直流或交流电压。基板支架5能够维持在-40℃至+800℃的温度下。
能够调节基板支架5的高度以优化工艺性能并加载/卸载基板。基板支架5位于处理室CO的部分7中，并且该部分7的壁维持在零电位。应注意的是，在气体喷射时，基板支架5的接近和处理室CO的压力升高产生与喷头3的显著热交换，这能够改变喷头3的温度。
利用这种反应器，能够例如在基板8上进行多晶硅或非晶硅的高温沉积。这些工艺要求基板温度在600℃至700℃之间，并且压力接近大气压力的三分之一，这有助于热控制系统2和喷头3之间的高导热性。如果喷头3没有维持在足够低的温度下，例如约80℃，则可能在反应区域之前发生前体(precursor)的降解，从而导致过多的颗粒产生，这对工艺非常有害。
在另一种类型的沉积中，人们可能想要沉积聚合物，例如聚对二甲苯，这需要使前体(在约100℃下)升华，然后在高于500℃的温度下热解以活化该处理室上游的区域中的前体。然后将活化的前体输送到处理室以在室温下沉降在基板上。活化的前体与基板之间的温度差是反应的关键点之一。如果基板上方的气体喷头没有维持在足够高的温度下，则沉积将发生在喷头上而不是基板上。由于这种沉积物不能就地清洁，因此该处理室的为了清洁而进行的两次打开之间的平均操作时间非常短。
参考图2，现在将描述根据本发明的用于CVD反应器的处理室的第一实施例。除了下面描述的差异之外，该处理室C与先前参考图1描述的处理室CO具有相同的特性，并且能够以类似的方式实施。
特别地，处理室C与处理室CO的不同之处在于，处理室C还在喷头3和热控制系统2之间的界面区域ZI处包括与局部真空封腔E隔离的热传递区域ZT。
该热传递区域ZT由将压力和化学物质的扩散隔离的屏障界定，并且通过该屏障与封腔E隔开。热传递区域ZT填充有热界面材料(thermal interface material)10，其通过接触和传导来确保热传递，因此与通过例如关于图1所述的真空界面所实现的热阻系数相比具有非常低的热阻系数。
热传递区域ZT能够包括限定了自由体积或受约束的体积的沉孔(counterbore)。所述沉孔能够以几个区域的形式被形成，每个区域都由分布在界面区域ZI中的隔离屏障界定，或者所述沉孔能够以在界面区域ZI的整个周边上的两个隔离屏障之间的区域的形式被形成。
热界面材料10能够是截留的空气、泡沫、导热油脂或可锻金属。
该热传递区域不受真空影响并且包含空气和/或其它材料。当处理室被部分抽空时，该空气仍然被截留，并通过传导来确保热传递。因此，该传递区域中的压力保持等于或大于组装期间的大气压力。
处理室C的盖子L具有一组孔9，所述一组孔9被设计成使热传递界面达到大气压力，如图3中所示，图3是热传递区域的局部放大图。
热传递区域ZT具有两个密封区域12.1、12.2，这两个密封区域12.1、12.2允许气体分配区域11和包含热界面材料10的热接触区域之间具有不同的压力，该气体分配区域11在喷头3之前，该热接触区域经由被设置成穿过热调节系统2的孔9而置于大气压力下。这两个密封区域12.1、12.2形成包围热传递区域ZT的隔离屏障，并且能够被设计为多排密封件，以将处于大气压力下的部分与处于低压力或局部真空下的部分分开。所使用的密封件可以是在凹槽中的O形环，或者是能够承受高温的金属密封件。
参考图4，现在将描述根据本发明的用于CVD反应器的处理室C'的第二实施例。除了与图2中所示和上文描述的处理室C相同的所有部件之外，处理室C'还包括用于产生等离子体的系统，该系统通过在喷头3与放置在基板支架5上的基板8之间施加射频RF电位来产生等离子体。该等离子体产生系统例如是喷头3的一体部分。盖子L连接到射频源，而处理室C'的主体B的下部被接地(零电位)。喷头3经由界面区域ZI电连接到盖子L并且通过绝缘元件4与主体B的下部电绝缘。
根据本发明的处理室可以具有各种各样的构造，每种构造都对应于特定类型的沉积物或基板或对应于特定应用。因此，在本发明的背景下并且作为非穷举性示例，可以考虑沉积、处理室和热调节构造的下列组合：
CVD构造
-CVD
ο具有多个通道的喷头
ο具有两个不同的通道组的喷头
ο均匀喷射的反应性物质
-脉冲CVD
ο有两个不同的通道组的喷头
ο以相移脉冲的形式喷射的反应性物质
沉积类型
-在基板上高温沉积多晶硅或硅
-在基板上沉积聚合物
处理室
-气体压力根据反应性物质的喷射顺序而在处理室中变化
-在处理室中产生的RF等离子体
热调节
-加热电阻器
-电磁感应
-耐热流体
当然，本发明不限于上述示例，并且能够在不超出本发明的范围的情况下对这些示例进行许多修改。当然，本发明的各种特性、形状、可替选方案和实施例能够以各种组合关联在一起，只要它们不冲突或相互排斥即可。

Claims (21)

1.一种用于化学气相沉积(CVD)反应器(R)的处理室(C)，包括：系统(3)，所述系统(3)在限定局部真空封腔(E)的主体(B)内，所述系统(3)用于喷射反应性物质以便沉积在被放置于支撑元件(5)上的基板(8)上；和热控制系统(2)，所述热控制系统(2)用于控制所述喷射系统(3)的温度或者使所述喷射系统(3)的温度维持基本恒定，所述热控制系统(2)具有与所述喷射系统(3)的界面区域(ZI)，
其特征在于，所述处理室还在所述界面区域(ZI)中包括至少一个热传递区域(ZT)，所述热传递区域(i)通过将压力和污染物质的扩散隔离的隔离屏障而与处于局部真空下的所述封腔(E)隔离，并且(ii)填充有热界面材料(10)。
2.根据权利要求1所述的室(C)，其特征在于，所述热界面材料具有低热阻系数。
3.根据权利要求1或2中的一项所述的室(C)，其特征在于，所述热界面材料具有等于或大于空气的热导率的热导率。
4.根据权利要求1所述的室(C)，其特征在于，热调节系统(2)是所述反应器(R)的盖子(L)的一体部分，所述盖子(L)设置有用于使反应性物质进入的入口孔口(1)。
5.根据权利要求4所述的室(C)，其特征在于，所述喷射系统(3)经由所述界面区域(ZI)和所述热调节系统(2)而与所述盖子(L)成一体，从而能够通过移除所述盖子而接触所述喷射系统(3)。
6.根据前述权利要求中的任一项所述的室(C)，其特征在于，所述处理室包括由至少两个互锁的隔离屏障界定的热传递区域。
7.根据权利要求6所述的室(C)，其特征在于，如此界定的所述热传递区域是环形区域。
8.根据前述权利要求中的任一项所述的室(C)，其特征在于，所述处理室包括分布在所述界面区域中的数个热传递区域，并且每个热传递区域均由隔离屏障界定。
9.根据权利要求6至8中的一项所述的室，其特征在于，所述隔离屏障被布置成围绕所述热传递区域(ZT)提供一个或多个密封区域，以允许在所述局部真空封腔(E)和所述热传递区域(ZT)之间施加不同的压力。
10.根据权利要求6至9中的一项所述的室，其特征在于，所述隔离屏障包括一排或多排密封件，所述一排或多排密封件被布置成将大气压力的所述热传递区域(ZT)与所述局部真空封腔(E)隔开。
11.根据前述权利要求中的任一项所述的室(C)，其特征在于，所述热控制系统(2)设置有一个或多个孔(9)，所述一个或多个孔(9)被设置用于将所述热界面材料(10)置于大气压力下。
12.根据前述权利要求中的任一项所述的室(C)，还包括射频装置，所述射频装置被设置用于通过在所述喷射系统(3)和所述基板(8)之间施加射频(RF)电位来产生等离子体，其特征在于，所述处理室还包括用于将所述热调节系统(2)与所述室(C)的所述主体(B)的被接地的其余部分电绝缘的装置(4)。
13.根据前述权利要求中的任一项所述的室(C)，其特征在于，所述喷射系统被布置为喷头(3)的形式，所述喷头(3)包括多个通道(30)，所述多个通道(30)被设置用于将反应性物质均匀地喷射到所述局部真空封腔(E)中。
14.根据权利要求13所述的室，其特征在于，所述喷头(3)包括两组不同的通道，用于分开地喷射所述反应性物质。
15.根据权利要求13所述的室，其特征在于，所述喷头包括两组不同的通道，用于以相移脉冲的形式喷射反应性物质。
16.根据前述权利要求中的任一项所述的室，其特征在于，所述处理室还包括用于调节所述局部真空封腔(E)中的所述基板(8)的所述支撑元件(5)的高度的装置。
17.一种用于使系统(3)热化的方法，所述系统用于将反应性物质喷射到用于化学气相沉积(CVD)反应器(R)的处理室中，所述室还包括喷射系统，所述喷射系统在限定局部真空封腔(E)的主体(B)内，所述喷射系统用于喷射反应性物质以沉积在被放置于支撑元件上的基板上，所述方法包括热调节以调节所述喷射系统(3)的温度或者使所述喷射系统(3)的温度维持基本恒定，所述热调节是从所述主体(B)的形成盖子的部分进行的并且具有与所述喷射系统(3)的界面区域(ZI)，
其特征在于，所述方法在所述界面区域(3)处包括：
在所述喷射系统(3)与所述盖子(L)的所述上部之间经由包含热界面材料(10)的热传递区域(ZT)通过传导进行的热传递，和
将所述热传递区域(ZT)的压力和污染物质的扩散与所述局部真空封腔(E)隔离。
18.根据权利要求17所述的方法，在配备有喷头(3)形式的喷射系统的反应器(R)中执行。
19.根据权利要求18所述的方法，利用喷头来执行，所述喷头包括两组不同的通道，用于分开地喷射所述反应性物质。
20.根据权利要求19所述的方法，其特征在于，以相移脉冲的方式喷射所述反应性物质。
21.一种化学气相沉积(CVD)反应器，其具有根据权利要求1至16中的任一项所述的处理室。
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