CN1254567C - 单片三腔式红外加热超高真空化学气相淀积外延系统 - Google Patents
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Abstract
单片三腔式红外加热超高真空化学气相淀积外延系统属于超大规模集成电路薄膜外延生长和超晶格薄膜材料生长技术领域，除了高真空机组、气路装置、尾气处理装置、测温控温装置、加热电源、计算机控制装置以外，其特征在于，它含有：反应腔；用于取放样片的预装片腔，该腔的前端经一个高真空阀门与装片腔隔离，在该腔后端有一个磁传动样片片架，以便在该高真空阀门打开时把样片片架上所预装的样片从预装片腔传送到装片腔，该预装片腔上端是一个具有高真空密封圈密封的翻盖门；装片腔：它含有气缸驱动的样片升降台，取放样片机械手以及与之相连的磁传动杆。本发明具有样片外延薄膜均匀性好、质量高和外延生产效率高的优点。
Description
技术领域
单片三腔式红外加热超高真空化学气相淀积外延系统属于超大规模集成电路薄膜外延生长和超晶格薄膜材料生长技术领域。
背景技术
以“第二代硅”面目出现的SiGe薄膜材料，可以通过改变锗硅组分调节能带的禁带宽度。在制造技术上与目前成熟的Si工艺相兼容，特别是其具有优良的高频、高速和低功耗等性能，所以它不仅在微电子领域受到青睐，而且在光电子领域也受到高度的重视。
目前制备SiGe合金材料的常规方法主要有气源分子束外延(GSMBE)和超高真空化学气相淀积外延(UHV/CVD)两种。分子束外延(MBE)具有控制精确、能够生长特殊结构、实时监控等优点，但因为这种设备价格昂贵、工艺复杂、运行成本高，难以实现工业化生长。相对而言，化学气相淀积(CVD)技术却由于系统成本低、使用方便的优点而更具吸引力。用传统CVD系统进行外延，生长温度一般需高于1000℃来获得无氧的生长表面，但这一温度容易引起外延层和衬底间界面的过渡区杂质分布不陡峭、图形发生漂移和畸变，而且在生长应变SiGe层时容易导致应变的弛豫。自IBM公司的Meyerson等开发出UHV/CVD系统以来，SiGe器件的大规模生产成为现实。我们清华大学微电子学研究所基于自己的快速热退火专利技术，研制出具有自主知识产权的单片二腔式“超高真空化学气相淀积外延系统”(UHV/CVD)(专利号：ZL 98111717.1)。
单片二腔式超高真空化学气相淀积外延系统(UHV/CVD)总体示意图如图1所示。它包括如下部分：由扁平矩形石英反应腔(内腔)(13)，石英样品架(12)，石墨板电阻加热器(11)和高真空外腔(10)组成的外延生长室；由不锈钢腔、等离子体清洗装置(24)、不锈钢片托(25)、磁传动式送片机构(71)组成的装片腔(23)；由气源瓶、不锈钢减压阀、不锈钢气体管路、质量流量控制器、H2纯化器等组成的气路装置(64)；对石英反应腔(13)、装片腔(23)、高真空外腔(10)分别抽真空的三个高真空机组(51、52、53)；尾气处理装置(61)；测温控温装置(62)；加热电源以及计算机控制装置(63)等。高真空外腔(10)呈圆柱形，采用去离子水冷却；高真空外腔(10)与内腔(13)同步抽真空，保护内腔(13)免受大气压力；同时保证石墨板电阻加热器(11)不会被氧化，从而延长其使用寿命。扁平矩形石英腔的内腔具有体积较小、，可快速抽真空的特点。
该UHV/CVD系统由于只有石英反应腔和装片腔两个腔体而带来三个问题。一是在外延生长SiGe期间，每进行一次取放片操作都要打开装片腔。在每次放入准备外延的硅片和取出外延完的硅片的过程中，装片腔都要暴露大气而被污染，致使该腔难以获得更高的真空度，从而也影响到石英反应腔达不到更高本底真空度。这一缺点对SiGe外延材料质量带来严重的影响。二是当将清洗后的洁净硅片放进装片腔后，若要获得要求的高真空度，就必须对该装片腔进行更长时间的抽真空，无法尽快开始外延生长，造成待生长硅片表面鈍化层分解而被氧化，不利于高质量外延层的生长。三是长时间的装片腔抽真空会延长每个SiGe外延片在炉内的时间，降低了外延片生产效率。
发明内容
本发明提出一种单片三腔式红外加热超高真空化学气相淀积外延系统，能够完全克服上述存在的问题。在原来二腔UHV/CVD的基础上增加一个预装片腔及其磁传动样片片架，以及装片腔的气缸驱动样片升降台和磁传动机械手，从而保证在外延炉工作期间石英反应腔和装片腔始终保持高真空状态，大大提高薄膜生长的质量、均匀性和生产效率。该UHV/CVD系统主要由预装片腔及其磁传动硅片片架，装片腔及其气缸驱动的样片升降台和磁传动机械手，外延生长石英反应腔及其石墨板电阻加热器等三腔组成。此外，还包括：不锈钢高真空外腔、高真空机组、气路装置、尾气处理装置、测温控温装置、加热电源以及计算机控制装置等。
本发明的特征在于，它含有：
装片腔，它主要包含：在装片腔侧面沿横向进出装片腔和石英反应腔(内腔)的机械手，所述的机械手是安装在磁传动杆上的；在装片腔底面沿纵向运动的样片升降台，所述的样片升降台是安装在气缸上的；
预装片腔，它通过位于预装片腔侧面的高真空阀门和装片腔相连接，它主要含有：安装在磁传动杆上的U形样片片架，它是从预装片腔侧面进出装片腔的；带高真空密封圈的翻盖门，它安装在预装片腔的顶面；独立的真空机组，它安装在预装片腔的底部。
所述的预装片腔的磁传动杆一端安装有限定磁传动杆推进距离的定位环，另一端安装有样片片架；所述的样片片架采用U型结构，片架上有确定片位用的定位销钉。
所述的装片腔的磁传动杆一端安装有限定磁传动杆推进距离的定位环，另一端安装有张合式机械手。
本发明的预装片腔是一个不锈钢腔体，该腔的前端经一个高真空阀门与装片腔相隔离，它的后端含有一个磁传动样片片架，以便在该高真空阀门打开时把样片片架上所预装的样片从预装片真空腔传送到装片腔。此外，它的下端还连接着一个独立的高真空机组，上端有一个高真空密封的翻盖门。
本发明的装片腔也是一个不锈钢腔体，装片腔内含有气缸驱动的样片升降台，取放片机械手以及与之相连的磁传动杆，预装片腔与装片腔之间有一个高真空阀门，装片腔与外延生长石英反应腔之间也有一个高真空阀门。所说机械手的水平高度处在装片腔样片升降台最高位置的下方和预装片腔样片片架水平高度的上方。所说样片升降台是一个由气缸驱动的升降机构，其上可放置样片以实现样片从机械手到样片片架之间的相互转移。
本发明的预装片腔的磁传动杆一端安装有限定磁传动杆推进距离的定位环，另一端安装有样片片架。所说的定位环使样片片架上的样片在进入装片腔后正对着样片升降台的上方；所说的样片片架采用U型结构，片架上有定位销钉确定的A、B两个片位，需要时可加长片架使其上放置两个以上样片。
本发明的装片腔的磁传动杆一端也安装有限定磁传动杆推进距离的定位环，另一端安装有机械手。所说的定位环在取放样片时，使磁传动杆上的机械手正对着样片升降台；所说的机械手采用张合式结构，由不锈钢材料制作。
实验证明，本发明具有样品外延生长薄膜厚度的均匀性优于5％，生长的SiGe/Si材料质量完好，外延生长SiGe片的典型时间约需20分钟，生产效率大为提高等优点。
附图说明
图1单片二腔式UHV/CVD外延系统原理示意图，其中：
反应腔部件，11 石墨板电阻加热器，12 石英样品架
13 外延生长石英反应腔(内腔)，
装片腔部件
23 装片腔，24 等离子体清洗装置
25 不锈钢片托
51、52、53 高真空机组
辅助部件，61 尾气处理装置
62 测温控温装置
63 加热电源以及计算机控制装置
64 气路装置，71 磁传动杆，10 外延生长室高真空外腔
图2单片三腔式UHV/CVD外延系统原理示意图，其中：
反应腔部件，11 石墨板电阻加热器
13 外延生长石英反应腔(内腔)，
装片腔部件
21 磁传动机械手
23 装片腔，
预装片腔部件
31 磁传动样片片架，32 定位销钉
33 翻盖门
34 预装片腔
41、42 高真空阀门
51、52、53、54 高真空机组
辅助部件
61 尾气处理装置，62 测温控温装置
63 加热电源以及计算机控制装置，64 气路装置
71、72 磁传动杆 81、82 定位环
91、92 样片，10 外延生长室高真空外腔
图3预装片腔与装片腔关系示意图，其中：
装片腔部件
20 气缸驱动的升降台
21 磁传动机械手，22 气缸
23 装片腔
预装片腔部件
31 磁传动样片片架
34 预装片腔
42 高真空阀门
72 磁传动杆
92 样片
具体实施方式
图2是本发明的UHV/CVD系统的实施实例示意图。图3是预装片腔与装片腔的关系示意图。该UHV/CVD系统主要由预装片腔(34)及其磁传动样片片架(31)，装片腔(23)及其气缸驱动的样片升降台(20)和磁传动机械手(21)，外延生长石英反应腔(13)及其石墨板电阻加热器(11)等三腔组成。还包括：不锈钢高真空外腔(10)、高真空机组(51、52、53、54)、气路装置(64)、尾气处理装置(61)、测温控温装置(62)、加热电源以及计算机控制装置(63)等。
本发明UHV/CVD系统外延生长薄膜过程如下：
①在石英反应腔(13)内进行外延生长时，反应腔(13)与装片腔(23)之间的高真空阀门(41)、预装片腔(34)与装片腔(23)之间的高真空阀门(42)，均处于关闭状态。此时打开预装片腔(34)上端的翻盖门(33)，将清洗干净的样片(91)放到样片片架(31)上的由定位销钉(32)确定的A位置，盖上翻盖门(33)，开始抽真空。
②当一样片在反应腔(13)外延生长完成后，打开高真空阀门(41)，装片腔(23)的磁传动杆(71)向前运动到定位环(81)锁定的位置，其上的机械手(21)从石英反应腔(13)内的石英样品架上取出外延完的样片(92)，然后再向后运动到使样片正好停留在样片升降台(20)正上方的位置，关闭高真空阀门(41)。
③预装片腔(34)抽到高真空后，打开高真空阀门(42)。预装片腔(34)内磁传动杆(72)样片片架(31)上由样片定位销钉(32)定位的A位置的新样片(91)被推进装片腔(23)内，由定位环(82)精确定位，使样片片架(31)B位置既正对着样片升降台(20)正上方，又正对着机械手(21)正下方。
气缸(22)驱动样片升降台(20)上升，将机械手(21)上外延完成的样片顶起落在升降台(20)上。然后机械手(21)由定位环(81)定位，向后移动一个硅片直径的距离。气缸(22)驱动升降台(20)下降，将其上外延生长完成的样片(92)放到样片片架(31)上的由定位销钉(32)确定的B位置。
拉出预装片腔(34)磁传动杆(72)，使样片片架(31)上A位置正对着硅片升降台(20)。气缸(22)驱动升降台(20)上升并将硅片片架(31)上A位置的新硅片(91)顶起。磁传动杆(72)继续拉出硅片片架(31)，使其回到预装片腔(34)，关闭高真空阀门(42)。
机械手(21)由定位环(81)定位，向前移动一个硅片直径的距离，并正好处于升降台(20)上样片的正下方。气缸(22)驱动升降台(20)下降，这时硅片片架(31)上A位置的新硅片就放到机械手(21)上。
④打开高真空阀门(41)，机械手(21)将样片送进反应腔(13)内的石英样品架上，开始新一片的外延生长。在外延生长期间可打开预装片腔(34)翻盖门(33)，取出外延生长完成的样片。并将清洗干净的另一样片放到预装片腔(34)的样片片架(31)上的A位置，盖上翻盖门(33)，开始抽真空。
重复上述过程，逐片完成样片的外延生长。
由此可见，本发明的特点是：减少了大气对反应腔和装片腔的污染，减少了准备外延生长硅片表面的氧化，提高了外延生长石英反应腔本底真空，缩短了外延系统抽真空的时间，外延生长与装片过程同时进行，从而大大提高了外延薄膜的均匀性、质量和外延片生产效率等。
Claims (3)
1.单片三腔式红外加热超高真空化学气相淀积外延系统，主要含有反应腔、装片腔以及磁传动杆，其特征在于，它含有：
装片腔，它主要包含：在装片腔侧面沿横向进出装片腔和石英反应腔内腔的机械手，所述的机械手是安装在磁传动杆上的；在装片腔底面沿纵向运动的样片升降台，所述的样片升降台是安装在气缸上的；
预装片腔，它通过位于预装片腔侧面的高真空阀门和装片腔相连接，它主要含有：安装在磁传动杆上的U形样片片架，它是从预装片腔侧面进出装片腔的；带高真空密封圈的翻盖门，它安装在预装片腔的顶面；独立的真空机组，它安装在预装片腔的底部。
2.根据权利要求1所述的单片三腔式红外加热超高真空化学气相淀积外延系统，其特征在于：所述的预装片腔的磁传动杆一端安装有限定磁传动杆推进距离的定位环，另一端安装有样片片架，所述的样片片架采用U型结构，片架上有确定片位用的定位销钉。
3.据权利要求1所述的单片三腔式红外加热超高真空化学气相淀积外延系统，其特征在于：所述的装片腔的磁传动杆一端安装有限定磁传动杆推进距离的定位环，另一端安装有张合式机械手。
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| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20060503 Termination date: 20151205 |
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| EXPY | Termination of patent right or utility model |