CN1152627A - 调节桶形反应器清洗系统的方法 - Google Patents

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Abstract

一种用于调节被用于在半导体基片上化学汽相淀积材料层的桶形反应器的清洗系统的方法，包括在多个清洗管道的每一个中放置旋转式流量计和可调节的流量控制阀门。监测管道中清洗气体的流速和调节阀门保证气流都向桶形反应器的方向流动，使得不发生反应气体被吸入清洗系统的虹吸效应。桶形反应器中氧气的存在也得到了监测，且调节流速减少以氧气的存在。调节流速以保证在一个化学汽相淀积周期完成之后从桶形反应器中完全清除反应气体。降低淀积材料层中金属沾污程度得以实现。

Description

调节桶形反应器清洗系统的方法
本发明一般涉及通过化学汽相淀积在半导体基片上淀积材料所用的桶形反应器，尤其涉及一种调节这种桶形反应器的清洗系统的方法。
本发明一般涉及的这类桶形反应器用于半导体基片上外延层的淀积。在半导体材料工业中外延是一种重要的工艺，它用于获得必须的半导体材料的电学特性。例如，在重掺杂衬底上生长一层轻掺杂外延层，由于衬底的低电阻，可以优化CMOS器件，防止闭锁(Latch up)。其诸如掺杂浓度曲线的精确控制和排除氧气这样的优点也可以获得。
载有要淀积到基片上的材料(例如硅)的反应气体被注入进桶形反应器的反应腔容器中，在此完成材料在基片上的淀积。多个基片以垂直于基座侧壁的方向固定，使得基片的一面暴露用于硅的淀积。反应腔容器常用石英制成。用于关闭反应腔，但为了在反应腔中放入或取出半导体基片而能够移动以打开反应腔的密封是由不锈钢制成的。密封板和反应腔之间的气环(gas ring)也是由不锈钢制成。
淀积到基片上的硅层没有被诸如铁，镍和钼等金属沾污，这一点是很重要的，它们对外延层中少数载流子的寿命有有害影响。在外延层中还应避免非金属无关颗粒的存在。石英反应腔容器不是金属沾污源，但是密封板和气环中的不锈钢确实提供了金属沾污源。在残存潮气下与反应气体的副产物(例如HCl)接触能引起不锈钢的腐蚀。由于用来刻蚀基座背面淀积的硅，诸如HCl这样的腐蚀剂也可能存在于腔中。不锈钢腐蚀产物可以传送进反应腔，被反应气体和要淀积到基片上的材料带走。而且通过反应气体与桶形反应器中的残余氧气反应在不锈钢上形成的SiO2沉淀物也应该被去净。否则，一些SiO2能够剥落并淀积到基片上。
为了避免来自密封板和气环的沾污，桶形反应器被制成通过挡板使反应气流转向离开密封板和气环并且让清洗气流流过密封板和气环暴露于反应气体的部分。密封板和气环也进行水冷却。传统的清洗系统包括一个单一的清洗气体管道，这个管道在到达密封板之前分为多个管道以将清洗气体分送到环绕密封板的几个不同位置上。这些管道连接于遍布于密封板并在密封板下面开口的孔洞，它们用于在清洗气体中清洗密封板和气环暴露于反应气体的部分。
在典型桶形反应器的操作中，清洗气体系统由一个微处理器控制，首先用氮气清洗密封板和反应腔，去除反应腔中的氧气。氮气清洗之后，于反应气体注入反应腔开始淀积周期之前经清洗管道通入氢气几分钟。氢气流继续贯穿整个淀积周期，并在其后将反应气体从反应腔中清除。然而在将密封板从反应腔移开之前，要进行另一次氮气清洗，将氢气从反应腔中清除。
现有的避免由不锈钢密封板和气环造成的金属和颗粒沾污的挡板和清洗气体系统仅仅获得了部分成功。尤其是这些清洗系统不足以从桶形反应器中真正清除所有的氧气和水蒸汽。由于氧气的存在(以自由氧或水蒸汽形式存在)，在一个淀积周期里，密封板和气环上就形成了很明显的SiO2沉淀物，这些沉淀物在仅仅几个桶形反应器的工作周期之后就必须去除。已经发现沉淀物实际发生在气环与密封板之间的位置，这些位置输运气体清洗密封板和气环之间的空间的清洗气体管道最远。从密封板清除SiO2沉淀物的作用能引起密封板的腐蚀。在清除过程中任何引到密封板的没有去除的水份，将加速不锈钢与HCl的反应。密封板的形状总是使得难于去除所有水份。
在现有清洗系统中，各种各样的清洗管道之间的压力差能够导致虹吸效应，反应气体实际上被吸入清洗系统的一个或多个管道中并对密封板排气。被吸入系统中的反应气体经常喷射进密封板的旋转机构中，造成严重的腐蚀。因此，不但没有防止密封板和气环的硅淀积和腐蚀，清洗系统反而加速了它们的损坏。再有，现有系统在淀积周期之后，不能从反应腔充分清除反应气体。其结果是当打开反应腔，充满潮气的空气与密封板接触时，不锈钢可以与反应气体中的HCl反应。
本发明的几个目的和特征可以描述为提供了用于调节桶形反应器清洗系统的方法，它防止在桶形反应器中于半导体基片上淀积的材料层被金属沾污；提供了这样的方法保证没有反应气体吸入清洗系统；提供了这样的方法导致在反应气体通入桶形反应器之前通过清洗系统确实清除桶形反应器中的所有氧气和水蒸汽；提供了这样的方法造成了清洗系统在需要防止反应气体的桶形反应器部分更加均匀地分配清洗气体，提供了这样的方法减小了桶形反应器用于清洗所需的停机时间，并提供了这样的方法可以既经济又容易地实现。
本发明的几个目的和特征还可以描述为提供了一个桶形反应器，在其中能够监测和改变清洗气体流量，优化清洗气体系统的工作；并提供了这样一个桶形反应器在需要防止反应气体的桶形反应器部分更加均匀地分配清洗气体。
本发明的其它目的和特征一部分是明显的一部分将在下文中指出。
图1是桶形反应器的简单图示，示出了其清洗气体和反应气体输送管道；
图2是桶形反应密封板和清洗气体系统示意图，示出了用于调节系统的流量计和阀门；
图3是密封板和桶形反应器的局部剖面图；
图4是图3中密封板的右端的局部放大剖面图；
图5是带有挡板，O型环和移去了密封板的气体容留环形套管的密封板的底视平面图；以及
图6是气体容留环形套管的局部放大透视图。
整个附图的几个视图中一致的标号表示相同的部分。
现在参考附图，尤其是附图1，以10表示的桶形反应器是这样的类型，可用于在桶形反应器中被固定在基座S的半导体基片W上淀积材料(例如硅)。桶形反应器10包括一个石英反应腔容器12，它确定了反应腔14。反应腔容器12有一个上部开口16和下部端口18用于从反应腔14排气。位于端口18的排气连接件20用于连接排气管道21到容器12。气环(一般以22表示)由不锈钢制成，位于反应腔容器12的上部，提供了进入反应腔14的途径，用于将通过左注入管道24和右注入管道26(概括地说，就是“反应气体输送装置”)的反应气体(例如SiCl4，SiHCl3，SiH2Cl2，或SiH4)注入。气体中的硅通过化学气相淀积淀积到基片W之上。气环22和反应腔容器12彼此通过O型环27封接，O型环27置于气环22中，与反应腔容器12密封连接(图3)。
反应腔容器12的上部开口26通过一般以28表示的密封板从打开状态(未示出)移动夹关闭。打开状态是指密封板与容器有一定间隔，允许将载有基片W的基座s放入容器和取出容器，而关闭状态是指将密封板密封连接到气环22，关闭容器的上部开口，将反应腔14与外界环境隔离。密封板28包括一个密封板载有的旋转外壳30，罩住了旋转机构(未示出)。托住基片W的基座S由旋转机构悬挂，用于在桶形反应器10的淀积周期中基座的旋转。
桶形反应器10的清洗气体系统包括一个单独的供应管道32，由清洗气体源延伸到桶形反应器的上部。如图1和图2所示，供应管道32分叉为四路清洗气体管道，左侧挡板的清洗管道34，旋转外壳清洗管道36，右侧挡板清洗管道38和密封板清洗管道40，这些管道在四个分离位置与密封板28相连。这四路清洗气体管道34-40输送清洗气体清洗密封板28的不同区域。如图2所示，适当尺寸的旋转式流量计(分别以42A-42D表示)与波纹管限流阀分别以44A-44D表示(一起放置于四路清洗气体管道34-40的每一路中，共同使得监测和独立调节流过四路清洗气体管道中每一路的清洗气体的流速成为可能。在图2中，旋转式流量计如图所示被装配到桶形反应器10的提升臂45上，它用于升高和降低密封板28。波纹管限流阀44A-44D可以被概括地称为“流量调节器”。
图3中在密封板的关闭状态中示出了密封板28和气环22。旋转外壳30，旋转机构和基座S已被去掉。然而，可以看到密封板28有一个中央开口28A，通过它基座S固定于旋转机构上。密封板28有一个内部环形通道28B，水通过通道循环冷却密封板。在气环22中有相同通道22A，用于循环冷却水。
一般以60表示的石英挡板有一个法兰盘62，法兰盘放置于密封板28的接头片64上(只示出两个)。挡板60基本上覆盖密封板28的全部，否则密封板将暴露于反应器14中的气体。一个环形外部挡板66垂挂于挡板60，位于其周边的内侧，而一个环形内部挡板68环绕中心开口70，垂挂于挡板，与密封板的中心开口28A套准。内部挡板68帮助保护将基座S连接到旋转机构的挂钩(未示出)。气环22的径向内表面被石英环72覆盖。挡板60和石英环72有开口(未示出)，通过开口从左右注入管道24，26输送的反应气体被注入到反应腔14中。
左右挡板清洗气体管道34，38输送清洗气体清洗外部挡板66和石英环72之间的空间。旋转外壳清洗气体管道36输送清洗气体至旋转外壳30处，下行通过内部挡板68。密封板清洗气体管道40输送清洗气体至气环22和密封板28之间的地方，用于清洗二者之间的空间。
现在参考图3-5，当密封板处于关闭状态时，密封板28有一个环形表面覆盖了相应的气环22的表面，(图3)。密封板28上的一对同心环形沟槽(分别以46A和46B表示)包括O型环48，它在关闭状态时连接气环22以密封气环和将反应腔14与外界环境隔离。气环22上的沟槽50位于O型环48之间，可以经泵抽至真空压力，用于反应腔14的密封泄漏检测。密封板28有一个环形槽52，与O型环沟槽46A，46B同心，但是由两个沟槽的内部沟槽(46B)向内径向分布。密封清洗气体管道40在小孔54处开口，进入环形槽52，用于提供环绕环形槽360°的清洗气体(图5)。
输送到环形槽52的清洗气体从槽漏进反应腔14并且最终经由反应腔容器12底部的端口18排出。气体容留环形套管56用于在环形槽52中足够长时间地容留清洗气体以使得整个槽充满清洗气体。气体容器留环形套管56最好为不锈钢环，一般具有U形剖面(参见图6)。如图4所示，容留环形套管56在尺寸上与环形槽52一致以使得它可以被环形槽容纳。容留环形套管56具有弹性，这样它挤压槽52的侧壁用于在槽内固定自身。容留环形套管56不能防止清洗气体从槽52泄漏进反应腔14中，但是降低了泄漏速度使得当反应器10工作时槽中充满清洗气体。如果没有容留环形套管56，清洗气体倾向于快速泄漏出槽52使得不是全部槽都充满清洗气体。其结果是密封板28和气环22之间交界的部分地方不能在清洗气体中清洗。槽52自身可成为保留有氧气和水蒸汽的地方，它们易于在反应腔14的上部积累。已经发现以前的桶形反应器(未示出)中，更高浓度的SiO2在密封板和气环交界处积累。然而应用本发明的调节方法和容留环形套管56，在将反应气体通入反应腔14之前可实现从环形槽52更完全地去除氧气和水蒸汽。
应该认识到，除了将容留环形套管56插入槽中之外，在整个环形槽52可以获得更好的气体分布，这并没有偏离本发明的范围。例如，可以焊一个平的金属环(未示出)到密封板上覆盖环形槽52。穿过环预先钻出小孔允许清洗气体按照所控制的方式从槽52中排出以便保持整个槽充满清洗气体。
桶形反应器10的一般操作对那些普通熟练技术人员来讲已是熟知的了。装载基片W的基座S当密封板处于打开，状态时是从密封板28上的旋转机构吊出。密封板28通过提升臂45下降与气环22密封连接，因而同时将基座S定位于反应腔14内，并通过密封板的O型环48与气环的连接将反应腔密封，与外界环境隔离。清洗气体由清洗气体源中的一个通过输送管道32通入四个清洗气体管道34-40中，用以从反应腔14清除氧气和水蒸汽。两种清洗气体(氮气和氢气)的次序已经在前文叙述了，对那些普通熟练技术人员来讲已是众所周知的了。接着，反应气体通过左右注入管道24，26进入反应腔14，用于在基片W上淀积一层反应气体载有的硅。在整个淀积周期中清洗气体继续通入从密封板28和气环22处驱走反应气体。在结束淀积周期时，反应气流关闭，但是清洗气体继续清除反应腔14中的反应气体。
本发明用于调节清洗系统的方法包括关断四个清洗气体管道34-40的每一个并连接位于管道中的旋转式流量计42A-42D和下波纹管限流阀44A-44B。当然也可以一开始就制作清洗管道中带有旋转式流量计和波纹管限流阀的桶形反应器使得管道不必被切断。每个管道的流速现在可以通过检查旋转式流量计42A-42D而容易地监测并可通过控制波纹管限流阀44A-44D来调节。任何已有的可能由制造者放于清洗管道34-40中的流量约束小孔(未示出)被去掉了。清洗气体从输送管道32输送进入四个清洗气体管道34-40。起初，要监测旋转式流量计42A-42D并按要求调节管道34-40中的一个或多个管道的流速以确定在任何管道中没有虹吸现象或逆向流动。这种方法能够确定没有反应气体会进入清洗系统。
监测桶形反应器10中存在的氧气和水蒸汽，并通过控制波纹管限流阀44A-44D改变清洗管道34-40中一个或多个管道的流速，使得桶形反应器中氧气和水蒸汽的含量最低。尤其是为了清除易于残留在密封板28和气环22之间间隙的氧气和水蒸汽，与传统设置相比，密封板清洗气体管道40的流速充分增大了。但是清洗气体的流速不能过高以致于稀释了反应气体到使得基片上硅层厚度受到不利的影响的程度。一般在达到减少金属和颗粒沾污的优化设置之后，就没有必要调节通过清洗管道34-40的流速了。因此，波纹管限流阀44A-44D能够用固定小孔(未示出)来替代，小孔尺寸允许与波纹管限流阀相同的最佳流速。
预计能够使用装置监测反应腔10中氧气和水蒸汽的存在。但是在目前的情况下，氧气(以自由氧，或水蒸汽形式存在)的存在是通过在反应腔10的一个淀积周期之后检查密封板28上的SiO2沉淀物来判断的。相当的SiO2沉淀物的存在表明了与反应气体载有的硅反应生成沉淀物的地方存在氧气。SiO2的位置还表明了哪个清洗气体管道不具有足够的流量。已经发现SiO2沉淀最常见的位置是气环22和密封板28之间。所以在密封板清洗管道40中的清洗气体流量要充分增大。另外，气体容留环形套管52插入密封板28中的环型槽帮助沿槽以及密封板和气环22之间更均匀地分布由密封板清洗管道40来的气体。
在密封板28和气环22区域SiO2沉淀物存在的减少表明与自由氧一道易于残留在反应腔14上部的水蒸汽与自由氧被同时清除了。通过检查在反应器10中加工过的基片W，确定基片金属沾污程度，证实了这一点。水份的存在将导致HCl(反应气体与氧气的另一种副产物)与不锈钢的反应，产生腐蚀和淀积层的金属沾污。注意到HCl也可以存在于反应器10中因为通常用它去刻蚀基座S背面淀积的硅。并且在淀积周期之后通过清洗系统从反应腔14中完全去除反应气体，防止了当密封板28移动打开反应腔时，潮湿的空气进入反应器10后HCl与不锈钢的反应的发生。
这个方法也可以通过直接检查半导体基片W上淀积的硅层中金属和颗粒沾污来实现。在那种情况下清洗气体的流速将增加直至在硅淀积层中检测到的沾污量达到可接受的最小量。但是，正如前面所述，太大量的清洗气体会导致反应气体的稀释，减小硅淀积层的厚度。所以半导体基片上硅淀积层的厚度也要检查使得清洗气体流量不要增加到使硅层变得太薄以致于不能获得那个特定基片所需的电学特性。在实践中，没有发现清洗气体的大流速对淀积层厚度的不利影响。清洗气流的上限几乎都是由减小趋势回位(diminished returns)点来决定的。在这一点上，进一步增大清洗气流，对金属和颗粒沾污的减小没有明显的影响。
在一个最佳实施例中，对于California的Santa Clara AppliedMaterials，Inc.制造的7800桶形反应器，四个清洗气体管道的流速是：左右档板清洗管道34，38为15标准升每分钟(SLM)；旋转外壳清洗管道36为100SLM；以及密封板清洗管道40为150SLM；总的清洗气体流速为300SLM。然而，四个清洗气体管道的流速最佳范围被认为是：左右挡板清洗管道34，38为10-20SLM；旋转外壳清洗管道36为75-150SLM；及密封板清洗管道40为140-175SLM；总的流速为235-365SLM。清洗气体流速的上界以导致反应气体过于稀释使得淀积在基片W上的硅层厚度受到不利影响的流速界定。然而，应该认识到流速可以受到特定桶形反应器的尺寸和其它因素的影响。
因此可以看到前面所述的调节桶形反应器10的方法实现了本发明的几个目的。半导体基片W上淀积层内金属和颗粒沾污的存在显著减少。例如，已经发现使用AMC 7800桶形反应器外延硅层中铁的浓度从不调节清洗系统或不应用气体容留环形套管56时的每立方厘米大约2.4-2.7个原子减少到采用本发明的方法和装置时的1.5-1.8个原子。密封板28和气环22不再需要象以前那样频繁清洗。此外，已经发现能够用干布进行清洗使得在清洗过程中没有水份引到密封板28或气环22。因此，桶形反应器10可以运行更长的时间而不必用为清洗SiO2沉淀物而关机，所以提高了基片的生产量。
综上所述，可以看到本发明的几个目的得以实现并且获得了其它优势结果。
因为在不偏离本发明的范围的情况下上述结构能做各种变化，因此，所有包含在上面所述或附图所示中的内容都应被理解为本发明的示例，而没有限制意义。

Claims (9)

1.一种调节桶形反应器的清洗系统的方法，桶形反应器用于通过来自反应气体的材料的化学汽相淀积将材料淀积到半导体基片上。桶形反应器包括一个反应腔和一个用于关闭反应腔的密封板，该清洗系统包括多个连接于清洗气体源的清洗气体管道并且彼此留有一定间距分布于桶形反应器的分离位置，用于输送清洗气体进入桶形反应器，在桶形反应器内所选择的地方清洗反应气体和其它气体。该方法包括的步骤是：
监测清洗气体管道中清洗气体的流速；
设定通过清洗气体管道到所述桶形反应器所述位置的清洗气体的流速；
实现下面控制步骤中的至少一个步骤：(a)在清洗气体开始流入所述桶形反应器后，监测所述桶形反应器内氧气的存在，以及(b)检查淀积有材料的半导体基片以确定淀积材料层中颗粒沾污的存在；
以所述的至少一个控制步骤为基础，选择性地调节至少一个清洗气体管道中清洗气体的流速，来减少所述桶形反应器中的颗粒沾污。
2.如权利要求1所述的方法，其中所述的设定第一流速的步骤包括调节清洗气体流速以获得在所有清洗气体管道中清洗气体向桶形反应器方向流动的步骤。
3.如权利要求1所述的方法进一步包括的步骤是：
在清洗气体管道中放置流量计；以及
在清洗气体管道中放置可调节的流量调节器；
并且其中有选择性调节清洗气体流速的步骤包括调节可调节流量调节器中的至少一个的步骤。
4.如权利要求1所述的方法，其中监测所述桶形反应器中氧气的存在的步骤包括的步骤是：
操作所述桶形反应器，在所述半导体基片上淀积材料；
为了检测氧气的存在，检查所述含有反应产物的桶形反应器。
5.如权利要求1所述的方法，其中所述清洗气体输送到所述桶形反应器的位置之一是在环形密封板清洗槽中，清洗槽环绕密封板延伸，并且其中所述方法进一步包括在所述密封板清洗槽中保留清洗气体使之环行所述密封板清洗槽的全长。
6.如权利要求1所述的方法，其中在所述密封板清洗槽中保留清洗气体的步骤包括提供一个环形套管，其尺寸既为所述密封板清洗槽接受，又可充分与所述密封板清洗槽结合，以及将所述环形套管插入所述密封板清洗槽的步骤。
7.一种桶形反应器用于通过化学汽相淀积将从反应气体来的材料淀积到半导体基片上，所述桶形反应器包括：
一个具有上部开口的反应腔，开口尺寸允许至少将一片半导体基片放入所述反应腔；
一个通常环绕所述反应腔上部开口的气环；
与所述气环相连的反应气体输送装置，用于输送反应气体到所述反应腔；
多个清洗气体管道用于输送清洗气体到所述密封板；
一个适合于与所述反应腔的上部开口密封结合的密封板，用于密封所述反应腔隔离外部环境，所述密封板包括一个可与所述气环和一个环形槽相密封结合的封口，环形槽环绕所述密封板的中心延伸，通常与所述气环对准，清洗气体管道之一被安排将清洗气体输送进入所述环形槽；
在所述环形槽中有清洗气体容留装置，用于保留清洗气体，使清洗气体从清洗气体管道输送清洗气体进入所述环形槽的地方环行所述环形槽全长。
8.如权利要求7所述的桶形反应器，其中所述清洗气体容留装置包括一个环形套管，通常具有U形剖面，所述环形套管的尺寸与密封板上的环形槽相对应。
9.如权利要求7所述的桶形反应器，其中每一个清洗气体管道包括一个流量计和一个可调的流量调节器，用于有选择性调节清洗气体的流速，减少所述桶形反应器中存在的氧气。
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