CN1305541A - 反应器的喷注装置 - Google Patents

Abstract

一种反应器,用于对装在反应器内的半导体晶片,通过化学气相沉积工艺沉积一层外延层。反应器包括:反应室,其尺寸和形状设置成用于容纳半导体晶片;进气口通道,与反应室连通,用于输送反应剂气体进入反应室。此外,反应器包括衬托器,设置在反应室内,用于在化学气相沉积过程中支承半导体晶片。再有,反应器包括喷注装置,该喷注装置具有调节板,该调节板总体堵塞反应剂气体流经进气通道。调节板具有槽,该槽在调节板整个外周边范围内穿过板延伸。槽的尺寸设置成可有选择地限制反应剂气体流经调节板,从而调节送至反应室的反应剂气体。

Description

反应器的喷注装置

发明背景

本发明在总体上涉及在半导体晶片上沉积外延层的反应器，更具体涉及包括喷注装置的反应器，该喷注装置具有槽，用于调节流经反应器的反应剂气体。

传统的水平反应器具有反应室，该反应室在进气口和出气口之间水平延伸，该进气口和出气口分别用于将反应剂气体引入反应室和从反应室将其排出。在化学气相沉积过程中，半导体晶片放在设置于反应室中的旋转衬托器上。反应剂气体经过与反应室入口连接的进气通道被引入反应室。流经晶片的反应剂气体的流率，对于化学气相沉积过程中在晶片上所形成外延层的厚度分布及其电气特性具有关键作用。为保证获得所希望的特性，反应剂气体通过一种沿进气通道设置的喷注装置进行调节。

喷注装置包括一调节装置，该调节装置具有一个或多个大开口，当输送反应剂气体时，气体可从此开口进入反应器。叶片或调节板跨过调节装置的开口而紧固，将开口部分遮挡并形成窄槽，反应剂气体从此窄槽流过。这些窄槽限制流入反应室的反应剂气体流率。每一叶片用螺纹紧固件夹持就位，因此叶片的位置相对于开口是可调的。由于叶片位置可调，气体流通面积以至流经槽的气体流率得以改变。叶片的位置可以调整，于是，处在反应室中心上游的槽的宽度比处于反应室边部上游的槽宽。这就导致更多的反应剂气体流经晶片的中心，以增加中央部外延层的厚度。如果对应于反应室边部和中央部的槽宽相等，就会导致不希望产生的中凹的外延层表面。

反应剂气体的流率是槽宽的函数。更具体说，流经每一槽的气体流率是槽宽的三次幂函数。作为这种关系的结果，流经槽的气体流率高度依赖于槽宽。例如，如果希望槽宽0.003英寸而槽宽为0.004英寸，流经槽的流率将接近所希望流率的240％。因此，可以看出，精确控制槽宽对于生成所希望的外延层是必要的。目前这种控制尚难于实现。夹持叶片的螺纹紧固件被紧固时叶片可能改变位置，从而导致槽宽偏离期望值，因而也使气体流率偏离期望值。

此外，由于槽是在叶片的边缘与调节装置开口间形成的，流经槽的气体沿开口的壁前进。结果，处于喷注装置下游的气流容易受进气通道壁的不连续突变扰动。这种气流扰动会对反应器所生成的外延层质量产生负面影响。

为了减轻因装置易变性而产生大的流率变化和气流扰动的可能性，已想出另一种叶片，这种叶片的尺寸设置成整个覆盖喷注装置的开口。这些叶片具有许多在叶片上钻制的通孔，以允许反应剂气体流经叶片。尽管这些叶片消除了由装置易变性产生的流率变化，却增加了由于叶片上孔的加工误差而导致的流率变化。流经圆孔的气流是孔直径的四次幂函数。因此，流经一直径为0.004英寸圆孔的流率大约是流经一直径为0.003英寸圆孔流率的320％。本领域的技术人员可以理解，喷注装置圆孔直径的小偏差可导致流率的大变化。此外，由于孔的直径是固定的，如果希望获得不同的流率，必须更换叶片而不是调整叶片。

发明概述

本发明之几个目的中，需要指出的是：本发明提供了一种反应器，该反应器具有可预计的和可重复的反应剂气体流率；这种反应器所生产的晶片具有平坦的外延层；这种反应器所生产的晶片具有可预计的和可重复的外延层厚度；这种反应器消除了由于装置易变性所导致的流率易变性；这种反应器具有一种喷注装置，该喷注装置从反应器进气通道的中心引入气流。

简言之，本发明之装置为一种反应器，该反应器用于对放置在反应器中的半导体晶片，通过化学气相沉积工艺沉积外延层。反应器通常包括反应室，反应室的尺寸和形状设置成可容纳半导体晶片，进气通道与反应室连通，用于将反应剂气体送入反应室。此外，反应器包括一衬托器，设置在反应室内，用于在化学气相沉积过程中支承半导体晶片。再有，反应器包括一种喷注装置，该喷注装置包括一调节板，此调节板总体阻止反应剂气体流经进气通道。调节板具有槽，该槽在整个调节板的外周边范围内延伸穿过调节板。槽的尺寸设置成可有选择地限制流经调节板的反应剂气体，从而调节送入反应室的反应剂气体。

另一方面，本发明的这种装置是一种喷注装置，用于对放置在反应室中的半导体晶片，通过化学气相沉积工艺沉积外延层。喷注装置包括具有槽的调节板，该槽在整个调节板的外周边范围内延伸穿过调节板。槽的尺寸设置成可有选择地限制流经调节板的反应剂气体，从而调节送入反应器的反应剂气体。

本发明的其它目的和特点，有的是显而易见的，有的将在下面说明。

附图简介

图1为本发明反应器之具有部分剖切的、不完全的、侧视图的原理图；

图2为放大后反应器的不完全的详细侧视图，示出了反应器的喷注装置的截面和处于闭合位置的闸门；

图3为反应器的端视图，经剖切以示出其内部结构；

图4为反应器不完全的顶视图，经剖切以示出其内部结构。

附图中相应的字符在各视图中表示相应的组成部分。

对推荐实施例的详细说明

现参看附图，具体参看图1，用于在半导体晶片W上沉积外延层的水平反应器总体用数字10表示。反应器10安装在外壳12(只示出一部分)内，反应器通常包括反应室14、衬托器16、上下加热器18和20、喷注装置22和闸门组件24(字符总体表示该组成部分的主体)。

反应室14在将反应剂气体引入反应室的入口30和将反应剂气体从反应室排出的出口32间水平延伸，反应室的尺寸形状设置成可容纳半导体晶片W。入口30和出口32分别具有凸缘34、36，用于将反应室14可拆卸地连接在处理管路上(只示出一部分)，该生产管路用于将反应剂气体输入反应室，并从反应室将其输出。正如将在后面说明的那样，晶片W经过入口30装入反应室14和从反应室中取出，是由机器人(未示出)在化学气相沉积之前和之后进行的。尽管可用其它材料制造反应室并不超出本发明范围，推荐实施例的反应室是用石英制成的。

衬托器16包括转台40，在转台的上面具有圆形凹入部42，用于容纳晶片W。转台40安装在转轴44上，在化学气相沉积过程中，转轴缓慢转动转台，使外延层材料和热能在晶片W的表面有均匀规律地(evenly)分布。尽管图示的转轴42是直接与转台连接，传统的三臂托架(未示出)可设置在转轴的上端以夹持转台。

仍如图1所示，上下加热器阵列18、20包括红外线加热灯50，在气相沉积过程中，该加热灯将热辐射直接朝向衬托器16以加热半导体晶片W和衬托器。除喷注装置外，上述反应器的每一组成部分属于传统技术将不再给予进一步说明。尽管其它反应器也可以想象是属于本发明的范围，上述推荐实施例之反应器10是一种由Arizona州Phoenix的Advanced Semiconductor Materials America Inc.制造的Epsilon I Epitaxial Epi反应器。

如图2所示，喷注装置22通常包括进气口体62、调节装置64和强制通气装置66。进气口体62具有水平通道70，沿进气口体的整个体延伸。当喷注装置22安装于邻近反应室处，以允许晶片W在反应器20装卸时通过此通道时，此进气通道70对准反应室14的进气口30。如图3所示，三个垂直通道72a-72c从水平通道70向上延伸至进气口体62的上端。水平通道70连同垂直通道72a-72c构成进气通道，总体标注为74，用于将反应剂气体送入反应室14。冷却通道76环绕水平通道70设置，以使冷却水在进气口体62循环。管78从进气口体62向下延伸，与冷却通道76的另一端连通，以向喷注装置22送入和从喷注装置送出冷却水。孔80设置在进气口体62上，用于将喷注装置22紧固在外壳12上，使保持进气口体贴靠反应室14的进气口30。如图2所示，密封垫82密封进气口体62和反应室14间的结合面。

如图3所示，调节装置64包括三个凹入部90a-90c，用于保持调节板92a-92c，该板设置在进气口体62的垂直通道72a-72c上面，总体阻止反应剂气体流经进气通道74。如图4所示，每一调节板92a-92c设有两槽94a-94f，该槽在整个调节板的外周边范围内穿过板延伸。每一槽94a-94f的尺寸设置成有选择地限制反应剂气体流经相应的调节板92a-92c，以调节送入反应室14的反应剂气体。例如，每一槽的长度大约一英寸，宽度大约小于0.02英寸，更推荐每一槽的宽度在大约0.002英寸至大约0.015英寸之间。

在极力推荐的实施例中，衬托器16中心部上游的槽(即中央槽94c、94d，该槽调节流经支承在衬托器上晶片W中央部的反应剂气体)比设置在中央槽两端的槽(即侧槽94a、94b、94e和94f)宽。这种设置使流经晶片中央部的反应剂气体比流经晶片边部区域的反应剂气体流量更大。此外，这种设置导致更为平坦的外延表面，并减少生成所不希望的中凹外延表面的可能性。尽管其它的设置可设想为属于本发明的范围，推荐实施例的的中央槽94c-94d的宽度小于大约0.02英寸，侧槽94a、94b、94e和94f的宽度小于大约0.01英寸。更推荐中央槽94c、94d的宽度在大约0.009英寸至大约0.015英寸之间，而侧槽94a、94b、94e和94f的宽度在大约0.002英寸至大约0.005英寸之间。此外，每一槽在其相应长度上通常宽度一致。

尽管其它方法可考虑用于在本发明的调节板92a-92c上制造槽94a-94f，推荐实施例的槽用导线放电加工(wire electricaldischarge machining)。在调节板92a-92c上制出小的(例如大约3/32英寸)加工起始孔(starter hole)96，以便开始加工槽94a-94f。虽然这些孔96可能被充填(例如用钎焊或焊接)，在极力推荐的实施例中这些孔设置成被调节装置64所阻挡。对此将在下面说明。

如图3所示，六个槽98a-98f设置在调节装置64中。这些槽的每一槽设置在调节板92a-92c的槽94a-94f之一槽下面，以允许反应剂气体经过调节板自由地进入进气口体62相应的垂直通道72a-72c。调节装置64上的槽98a-98f比调节板92a-92c上的槽94a-94f短。例如，与调节板92b上的中央槽94c、94d相对应，设置在调节装置64上的槽98c、98d长度大约可为0.75英寸，而对应于调节板92a、92c上侧槽94a、94b、94e和94f，设置在调节装置上的槽98a、98b、98e和98f的长度大约可为0.50英寸。最好调节装置64上的槽98a-98f与调节板92a-92c的槽94a-94f重叠，于是，调节板上槽的两端被遮挡。如上所述，这种设置免除了将调节板上的加工起始孔96充填的必要性。不过，孔96必须距调节装置64的槽98a-98f端部一段足够长的距离，以避免产生通过调节板92a-92c的槽94a-94f沿调节板长度方向的气流。如图4所示，孔100设置在调节板92a-92c上，用于通过紧固元件(未示出)将调节板紧固在调节装置64上。调节装置64上相应的孔102可用丝锥攻制螺纹以与紧固元件连接。

如图3所示，空腔110从强制通气装置66的下端向上延伸，用于以本质上恒定的压力向调节板92a-92c输送反应剂气体。总体标注为112的导管是由一对叠套管114a、114b构成。导管沿其长度方向延伸，在空腔110的上部穿过强制通气装置66。内管114a与连接至反应剂气体源(未示出)的管路连通，用于输送反应剂气体至喷注装置14。设置在内管114a顶面中部的孔118，允许反应剂气体进入内外管114a、114b间的形成的环行通道。沿外管下部设置的一系列孔122允许反应剂气体进入导管112下面的空腔110。本领域的技术人员将会理解，这种导管设置可使反应剂气体以本质上恒定的压力在空腔110中分布。

O形圈124设置在导管的每一端，使内管114a在外管114b中定心。此外，内管114a的下游端(如图3所示的左端)是锁缝口(crimp)的，以避免反应剂气体从端部进入环行通道120。端板126用螺纹紧固件128紧固在强制通气装置66的每一端。每一导管114a、114b设置在此端板126之一上，于是两导管分别从强制通气装置66的相反两端进入空腔110。O型圈130设置在端板126和强制通气装置66之间，以避免反应剂气体从空腔110泄漏。强制通气装置66和调节装置64均用螺栓132固定在进气口体62上。尽管喷注装置22可用其它材料制成而并不超出本发明的范围，推荐实施例的喷注装置本质上是用不锈钢合金制成。

如图2所示，闸门组件24安装在外壳12上邻近喷注装置22处。闸门组件24包括闸门140，该闸门可绕枢轴旋转地安装在支架142上，该支架从机座112向上延伸。气动致动器144通过连接杆146与闸门140连接，以允许装卸晶片W。当致动器144伸出如图2所示，闸门通过进气口体62堵塞水平通道70。当闸门关闭时，安装在闸门140的O型圈148密封进气通道74。而当致动器144缩回如图1所示时，闸门绕枢轴旋转至开启位置。当闸门处于开启位置时，设置在闸门140上的开口150允许机器人手臂(未示出)和晶片W通过进气口体62的水平通道进入反应室14。

综上所述，可见本发明的几个目的均得以实现，且获得其它有利的结果。

由于上述结构可作各种改变而并不超出本发明的范围，需要指出，上述说明的全部内容或附图所示将被认为是举例说明而并无限制的意义。

Claims (10)

1．一种反应器，用于对装在反应器内的半导体晶片，通过化学气相沉积工艺沉积一层外延层，该反应器包括：

反应室，其尺寸和形状设置成用于容纳半导体晶片；

进气口通道，与反应室连通，用于输送反应剂气体进入反应室；

衬托器，设置在反应室内，用于在化学气相沉积过程中支承半导体晶片；和

喷注装置，包括调节板，该调节板总体堵塞反应剂气体流经进气通道，调节板具有槽，该槽在调节板整个外周边的范围内穿过调节板延伸，所述槽的尺寸设置成可有选择地限制反应剂气体流经调节板，从而调节送至反应室的反应剂气体。

2．如权利要求1所述的反应器，其中，槽的宽度小于大约0.02英寸。

3．如权利要求1所述的反应器，其中，所述槽是中央槽，设置在衬托器中心部的上游，用于调节流经支承在衬托器上之晶片中央部的反应剂气体，喷注装置具有至少两个侧槽，设置在邻近中央槽的相反两端，每一所述侧槽设置在衬托器相反两外部的上游，用于调节流经晶片相应外部的反应剂气体。

4．如权利要求3所述的反应器，其中，所述中央槽和侧槽沿其相应的长度通常具有均匀的宽度。

5．如权利要求3所述的反应器，其中，每一所述侧槽的宽度小于所述中央槽的宽度。

6．如权利要求5所述的反应器，其中，所述中央槽的宽度在大约0.009英寸至大约0.015英寸之间，每一所述侧槽的宽度在大约0.002英寸至大约0.005英寸之间。

7．如权利要求1所述的反应器，其中，所述喷注装置包括：

进气口体，适于安装在反应器上，设置在调节板的下游，用于引导反应剂气体穿过槽流经支承在衬托器上的晶片；和

强制通气装置，设置在调节板的上游，用于以本质上恒定的压力将反应剂气体供至调节板。

8．一种用于反应器的喷注装置，该反应器用于在半导体晶片沉积一层外延层，该晶片在化学气相沉积过程中，支承在反应器之反应室内的衬托器上，此喷注装置包括调节板，该调节板具有槽，该槽在调节板整个外周边范围内穿过板延伸，所述槽的尺寸设置成可有选择地限制反应剂气体流经调节板，从而调节送至反应室的反应剂气体。

9．如权利要求8所述的喷注装置，其中，所述槽是中央槽，设置在反应器中央部的上游，用于调节流经支承在反应器内晶片中央部的反应剂气体，喷注装置具有至少两个侧槽，设置在邻近中央槽的相反两端，每一所述侧槽设置在反应器相反两边部的上游，用于调节流经晶片相应外部的反应剂气体。

10．如权利要求8所述的喷注装置，还包括：

进气口体，适于安装在反应器上，设置在调节板的下游，用于引导反应剂气体穿过槽流经支承在衬托器上的晶片；和

强制通气装置，设置在调节板的上游，用于以本质上恒定的压力将反应剂气体供至调节板。

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