CN2567234Y - 光化学气相沉积设备的光透过窗口装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种用于UV/CVD设备的光透过窗口装置，主要由紫外光源、两个玻璃光窗及带有升降功能的支撑体构成。其中一个玻璃光窗为活动式，它是在UV/CVD设备进行化学反应之前与衬底芯片同时进入反应室并放在支撑体上，它可以随着支撑体的升起或降下而与反应室的顶部紧密贴合或脱离，并可在每次化学沉积完毕送出反应室清洗待用。因此本实用新型的最大优点是，活动玻璃光窗有效地保证了反应室顶部的固定玻璃光窗不会沉积上化学薄膜，由此也无需再通入惰性气体，从而很好地保证了反应室的良好真空性能和化学反应时反应气体的总压力不受到影响。本实用新型不仅适用于各种压力反应的UV/CVD设备，而且还特别适用于超高真空的UV/CVD设备。

Description

光化学气相沉积设备的光透过窗口装置

技术领域

本实用新型涉及一种晶体材料的生长设备，特别涉及半导体薄膜材料外延生长的光化学气相沉积设备的光透过窗口装置。

技术背景

半导体薄膜材料生长方法主要有分子束外延(MBE)生长技术和化学气相沉积(CVD)外延生长技术两大类。与分子束外延(MBE)生长技术相比，化学气相沉积外延生长技术具有沉积温度较低、薄膜成分和厚度易控制、均匀性和重复性好、台阶覆盖优良、适用范围广、技术成本低、设备简单、可大批量生产等一系列优点，因此目前绝大多数半导体材料的生长都采用CVD技术。通常所使用的化学气相沉积设备分为低压化学气相淀积(LP/CVD)设备、超高真空化学气相沉积(UHV/CVD)设备和光化学气相沉积(Photo/CVD)设备三种类型。就LP/CVD设备和UHV/CVD设备来说，两者虽都具有各自的鲜明优点，但它们却都存在反应温度较高这一缺点，由此导致沉积的半导体薄膜材料中组分和掺杂元素产生外扩散，这种晶格失配应力的释放将增大半导体薄膜材料的缺陷密度，严重影响半导体薄膜材料的生长质量。

光化学气相沉积(Photo-CVD)设备尤其是紫外光化学气相沉积(UV/CVD)设备是一种低温反应的化学气相沉积设备。对于某些半导体薄膜材料的生长特别是SiGe应变异质结，低温反应不但可以使材料获得清晰的界面，而且还能减小由界面应力造成的缺陷，从而获得无应力弛豫、高质量的器件级外延层材料。UV/CVD设备的工作原理就是利用紫外光能量在低温下打开反应物的化学键，经化学反应沉积在衬底表面，形成外延层。

在低温(500℃以下)或室温下，紫外光与反应物发生化学反应的机理是：由低压汞灯发出的253.7nm的紫外光光子被作为敏化剂的汞原子吸收，汞原子从基态Hg(¹S₀)被激发到三重态Hg(³P₁)。处于激发态的汞原子具有超过基态112.2kcal/mole的能量，激发态的汞原子通过碰撞将能量传递给反应H₂分子后又回到基态，接受了能量的反应H₂分子发生离解的化学反应，生成H原子，吸附在Si表面，并与Si表面的SiH₄、GeH₄分子反应，最终生成SiGe沉积在Si表面。具体的反应步骤如下：

a.低压汞灯→hv(253.7nm光子)

b.

c.

e.

在1988年出版的《微电子学与计算机》杂志第5卷2期的第23～25页中，一篇题为“使用低压汞灯用乙硅烷和丙硅烷光化学气相淀积氢化非晶硅薄膜^*”的文献曾公开了一种UV/CVD设备(图1所示)，其所用的光透过窗口装置主要由紫外光源9、玻璃光窗8、中央带有光孔的隔板7、氩气输送管道构成；玻璃光窗密封安装在UV/CVD设备真空反应室1F的顶部；紫外光源安装在反应室的顶外，其发出的紫外光可以通过玻璃光窗透射到真空反应室内；隔板位于衬底材料托盘的上方并与真空反应室固连，经玻璃光窗透射的紫外光可以通过挡板的光孔照射到衬底材料上；在玻璃光窗与挡板之间装有氩气输送管道。上述装置的主要缺点是，在衬底上沉积半导体薄膜材料的同时，暴露在反应室内的玻璃窗口表面也会沉积相同的半导体膜薄，如果每次反应之后不能清洗掉这些沉积物，就会严重影响光的透过率，进而对以后的半导体薄膜沉积过程造成不利影响。然而，由于光窗通常与反应室是真空密封连接的，如果清洗沉积物就需拆卸光窗，而经常拆卸光窗则会严重影响反应室的真空性能。根据有关文献报道，迄今为止针对这一问题的解决方法大多是在反应室中通入压强大于反应气体的惰性气体，如图1所示设备通入的是氩气。但这种方法带来的主要缺点是，通入的惰性气体大大改变了反应气体的总压力，以致影响到薄膜的沉积速度、厚度，薄膜的表面结构、物理特性等；此外，也必然导致反应室内低压状态的改变，因此这种方式尤其不适用于低压沉积工艺。

实用新型内容

本实用新型要解决的技术问题是，提供一种既不用拆卸清洗真空密封在UV/CVD反应室顶上的玻璃光窗，且又不会改变反应室压力状态的光透过窗口装置。

为解决上述技术问题，本实用新型包括一个紫外光源、第一玻璃光窗、第二玻璃光窗及一个带有升降功能的支撑体，其中，所述的第一玻璃光窗密封安装在UV/CVD反应室的顶部；紫外光源正对着第一玻璃光窗安装在UV/CVD反应室外部本体上；所述的支撑体安装在所述UV/CVD反应室内，所述的第二玻璃光窗借助一个环形托盘放在该支撑体上；第二玻璃光窗可随支撑体的升起或降下而与所述UV/CVD反应室顶部的环状部位实现贴合或脱离；紫外光源发出的紫外光可以通过第一玻璃光窗和贴合在UV/CVD反应室顶部的第二玻璃光窗透射到UV/CVD反应室内。

根据本实用新型，在所述UV/CVD反应室顶部环状部位预置有与第二玻璃光窗接触的密封垫圈。

根据本实用新型，所述紫外光源包括紫外灯及灯罩，紫外灯固连在灯罩内，灯罩通过一个螺旋升降机构与UV/CVD反应室本体连接，紫外光源不但可以相对UV/CVD反应室本体旋转，而且还可以相对第一玻璃光窗上下移动。

根据本实用新型，所述灯罩的一侧开有进气孔，其相对的另一侧开有出气孔，通过进气孔可以向灯罩内充入正压的高纯氮气。

当本实用新型应用于UV/CVD设备时，其第二玻璃光窗的使用方法如下：将第二玻璃光窗与衬底芯片一道在处理室或预备室进行化学清洗后分别放入各自的托盘中，并经UV/CVD设备上的真空磁力传送杆将两者送入到反应室，装有衬底芯片的托盘放在预定的沉积位置上，装有第二玻璃光窗的托盘则放在支撑体上；然后升起支撑体，使第二玻璃光窗与反应室的顶部环状部位紧密贴合；化学沉积过程完毕，降下支撑体，经所述的真空磁力传送杆将装有第二玻璃光窗的托盘送出反应室，然后取下第二玻璃光窗，经对其进行化学清洗处理后备用。

从上述的技术方案和第二玻璃光窗在UV/CVD设备上的使用方法中不难看出，本实用新型具有以下突出的优点：

(1)在化学沉积过程中，第二光窗与反应室的顶部内的环状部位始终紧密相贴，使得第一玻璃光窗与第二玻璃光窗之间保持真空状态，因此第一光窗的内侧根本不会沉积上化学物，也就无需将其拆卸进行清洗，进而对反应室的良好真空性能起到保护作用；

(2)第二玻璃光窗与衬底芯片同时进出反应室，因此UV/CVD设备采用活动式的第二玻璃光窗完全不会影响反应室的真空度及洁净度，相反却给清洗第二玻璃光窗带来极大的方便；

(3)采用本实用新型的UV/CVD设备，无需再给反应室内通入惰性气体，因此在化学沉积过程中，反应室中的反应气体的总压力不会受到影响，从而使薄膜的沉积速度、厚度，以及薄膜的表面结构、物理特性保持在稳定状态；

(4)以正压充入紫外光源灯罩中的高纯氮气，匀速流过灯罩壁并由出气孔排出，这不仅减少了紫外光能量被空气中的氧气吸收，同时还起到了给灯罩壁降温的作用，从而保证紫外灯的发光强度达到最佳。

由上可见，本实用新型不但适用于各种压力反应的UV/CVD设备，而且还特别适用于超高真空的UV/CVD设备。

附图说明

下面结合附图及优选实施例对本实用新型作进一步的详述。

图1是已有技术的紫外光能量辅助装置结构示意图。

图2是本实用新型组成及应用状态的主视剖面图。

图3是本实用新型应用状态外形左视图。

图4是本实用新型应用状态外形右视图。

具体实施方式

正如图1所示，本实用新型的优选实施例包括一个含有紫外灯9和灯罩24的紫外光源、第一玻璃光窗8、第二玻璃光窗26及一个带有升降功能的支撑体28。紫外灯9为日本GS公司生产的L500TS型超大功率低压汞灯，灯罩24是个一面为空的不锈钢壳体，它与反应室1F的外型及水平面尺寸完全相同，紫外灯9固连在灯罩24内，灯罩24的尾部通过一个带有手柄的螺旋升降机构10(参见图3)旋转式安装在UV/CVD反应室1F的顶部外侧，灯罩24与UV/CVD反应室1F的顶部之间隔有用耐高温硅橡胶制作的第一密封垫圈13，通过螺旋升降机构10上的手柄可以转动灯罩24或使其上下移动，以便露出第一玻璃光窗8来观察反应室1F的操作或调整紫外灯9与第一玻璃光窗8的最佳距离。此外，本实施例还采用日本GS公司。生产的SLC-500B电源作为紫外光源的控制设备。该设备的特点是，输入电压范围宽、输出电压稳定，可定时自动控制开关紫外灯9。

第一玻璃光窗8和第二玻璃光窗26均为圆形，并用对紫外光有高透过滤的人造水晶玻璃制作；第一玻璃光窗8位于反应室1F的顶部中央(参见图2)，并与反应室1F的本体氩弧焊封；反应室1F顶部内侧的环状部位预置有用耐高温硅橡胶制作的第二密封垫圈23；支撑体28是由不锈钢材质制作的两个波纹管、两个升降杆和一个环状圆盘构成，升降杆置于波纹管中，其螺杆端与波纹管的一端面均密封焊接在环状圆盘上，两个波纹管的焊接位置相差180°，两个波纹管的另一个端面则在加热器支撑体两侧的对称位置上反应室1F的底部本体密封焊接，升降杆的螺头及螺母均露在反应室本体的外部；第二玻璃光窗26与衬底芯片2经化学清洗后放入各自的环形托盘，并由UV/CVD设备中的真空磁力传送杆送入反应室1F内，衬底芯片2放到加热器2上，第二玻璃光窗26放到支撑体28的环状圆盘上，旋动两个升降杆的螺头，波纹管可以垂直升起且使其端面上的环状圆盘保持水平，直至第二玻璃光窗26与第二密封垫圈23完全接触；此后，紫外灯9发出的紫外光就通过第一玻璃光窗8和第二玻璃光窗26透射到UV/CVD反应室1F内；当化学沉积过程结束，波纹管在升降杆的作用下带着第二玻璃光窗26脱离第二密封垫圈23并垂直降到起始位置，由真空磁力传送杆将第二玻璃光窗26送出反应室1F，以便进行化学清洗。

为了减少紫外光的能量损失，本优选实施例在所述紫外灯9的上方灯罩板面上贴有反射板(27)，该反射板(27)由高反射率的抛光铝板制成，其对紫外光的反射率达到95％。

通常，紫外光源用于UV/CVD设备所存在的共性问题是，①在室温下波长小于242nm的紫外光极易被空气中的氧分子吸收而分解出氧原子(O)及臭氧(O₃)；②紫外灯发射出的紫外光强度是随灯壁的温度值而变化的，只有在灯壁温度为40-45℃时，紫外灯辐射的波长为254nm紫外光的光强度最大。为了克服紫外能量被吸收和灯壁因长时间持续辐照温度过高所引起的紫外光强下降这些缺陷，本优选实施例采取了高纯氮气正压(大于一个大气压)吹气保护措施。具体方案是在所述灯罩24的一侧开有一个进气孔11(图3所示)，并在进气孔11上装一气嘴，进气孔11相对的另一侧均匀开有一排出气孔25(图4所示)，在紫外灯9开启的同时，打开高纯氮气源的阀门并通过进气嘴11向灯罩24内充入正压的高纯氮气。该项保护措施的原理是：一、以正压充入灯罩24内的高纯氮气可排除空气中的氧气，而氮气的激发态能量及分子的解离能很高，不吸收任何紫外光，因此，在充满高纯氮气不含氧气的灯罩24内，紫外光的能量不会降低；二、正压、匀速流过灯壁并经出气孔25排出的低温(室温)高纯氮气会连续不断地带走紫外灯9产生的大量热能，从而达到降低灯壁温度的目的。

Claims (4)

1.一种用于UV/CVD设备的光透过窗口装置，包括一个紫外光源和第一玻璃光窗(8)，所述的第一玻璃光窗(8)密封安装在UV/CVD反应室(1F)的顶部，所述的紫外光源正对着第一玻璃光窗(8)安装在所述的UV/CVD反应室(1F)顶部外侧的本体上；其特征在于：还包括一个第二玻璃光窗(26)及一个带有升降功能的支撑体(28)，所述的支撑体(28)安装在所述UV/CVD反应室(1F)内，所述的第二玻璃光窗(26)借助一个环形托盘放在该支撑体(28)上；第二玻璃光窗(26)可随支撑体(28)的升起或降下而与所述UV/CVD反应室(1F)顶部的环状部位实现贴合或脱离；紫外光源发出的紫外光可以通过第一玻璃光窗(8)和贴合在UV/CVD反应室(1F)顶部的第二玻璃光窗(28)透射到UV/CVD反应室(1F)内。

2.根据权利要求1所述的光透过窗口装置，其特征在于：在所述UV/CVD反应室(1F)顶部环状部位预置有与所述的第二玻璃光窗(28)接触的密封垫圈(23)。

3.根据权利要求1、2所述的光透过窗口装置，其特征在于：所述紫外光源包括紫外灯(9)及灯罩(24)，紫外灯(9)固连在灯罩(24)内，灯罩(24)通过一个螺旋升降机构(10)与UV/CVD反应室(1F)本体以旋转方式连接，紫外光源不但可以相对UV/CVD反应室(1F)本体旋转，而且还可以相对第一玻璃光窗(8)上下移动。

4.根据权利要求3所述的光透过窗口装置，其特征在于：所述灯罩(24)的一侧开有进气孔(11)，其相对的另一侧开有出气孔(25)，通过进气孔(11)可以向灯罩(24)内充入正压的高纯氮气。

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