ES2268974B2 - Reactor epitaxial para la produccion de obleas a gran escala. - Google Patents

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Abstract

Reactor epitaxial para la producción de obleas a gran escala. Se describe un reactor epitaxial de alto rendimiento que produce obleas a gran escala para industria fotovoltaica. Su principal innovación es la elevada densidad de apilamiento de susceptores, separados unos 4 cms. Éstos se colocan verticales, paralelos entre sí, interconectados, y se calientan por efecto Joule. La corriente llega por pasamuros especialmente diseñados, que conectan el exterior (temperatura ambiente), con los susceptores (1000 ºC). Un gas fluye entre susceptores. Unos sustratos se colocan sobre éstos. Debajo de ellos se encuentra una antecámara, para distribuir el gas entrante de forma homogénea y eliminar turbulencias. Todo está dentro de una cámara de acero inoxidable, recubierta internamente de material reflectante, y enfriada externamente por agua. Susceptores y antecámara están fijos a un panel posterior de conexiones, que también contiene pasamuros eléctricos, pasamuros de termopares, y entrada y salida de gases. Los gases de salida se recirculan parcialmente, ahorrando gas y aumentando la eficiencia.

Description

Reactor epitaxial para la producción de obleas a gran escala.
Sector de la técnica
La presente invención se encuadra en el sector de procesos de crecimiento por deposición química de vapor, más concretamente epitaxiales, dentro de la industria microelectrónica o fotovoltaica.
Estado de la técnica
El crecimiento epitaxial de silicio por deposición química de vapor es un proceso ampliamente conocido y aplicado en la industria microelectrónica. Consiste en la formación de una delgada capa de material cristalino (unas 20-50 \mum) sobre un sustrato cristalino grueso (unas 300 \mum) de manera que los átomos de la capa epitaxial mantengan la misma regularidad cristalográfica que los del sustrato. Ello se realiza haciendo pasar, sobre el sustrato sobre el que se desea crecer, un gas que contiene silicio (un clorosilano, por ejemplo), denominado gas fuente, disuelto en un gas denominado portador, y calentándolo a una temperatura a la que se produce su pirólisis y consecuente deposición de silicio atómico sobre el sustrato. Los reactores epitaxiales llevan funcionando en industria y laboratorios desde los años 1970 e incluso antes. Existen reactores de varias configuraciones, horizontales, verticales, de barril, de discos giratorios, etc. Todos ellos dan buenos resultados en cuanto a la calidad de la epitaxia.
Sin embargo, no se ha conseguido desarrollar un proceso capaz de producir epitaxias de silicio a gran escala. Los reactores industriales actuales son quizá suficientes para la industria microelectrónica, ya que de una placa semiconductora procesada en un reactor común se pueden obtener miles de microchips, con lo que el rendimiento de los procesos actuales es
suficiente.
La industria fotovoltaica, por contra, no puede beneficiarse del proceso epitaxial dado que una placa semiconductora procesada equivale a una célula solar, siendo por tanto el rendimiento mucho menor. Las células solares actuales se fabrican sobre placas semiconductoras gruesas de silicio cristalino, sin epitaxia, procedentes de caros procesos de purificación y cristalización, como el proceso Siemens y el Czochralski respectivamente. Esto plantea una materia prima muy cara si se utiliza Czochralski o similar, y, por otro lado, una dependencia muy grande de las fluctuaciones y los precios del mercado microelectrónico. Cada año existen más alarmas de escasez de silicio como materia prima para la industria fotovoltaica, dificultando su desarrollo armónico.
La ventaja de usar un reactor epitaxial es que permite fabricar la célula solar en una delgada capa epitaxial de silicio de elevada pureza crecido sobre un sustrato que es una placa semiconductora de silicio de pureza mucho menor. Para ello es necesario el desarrollo de un reactor epitaxial que, trabajando con alto rendimiento, por ejemplo de 250 a 1000 obleas por proceso, permita la producción a gran escala de placas semiconductoras de silicio epitaxiadas para la industria fotovoltaica. Existen varias tentativas para ello. Por ejemplo, el instituto Fraunhofer ISE en Friburgo, Alemania, ha desarrollado un reactor epitaxial continuo, en el que los sustratos van pasando en una cinta por la cámara epitaxial donde tiene lugar la
deposición.
La solución adoptada por la presente invención, basada en una patente anterior nº publicación ES 2 011 105, consiste en un reactor epitaxial en el que los sustratos están colocados de forma muy compacta, separados unos 4 cms entre sí, y de este modo se pueden fabricar muchos a la vez en una cámara grande. Para ello, se sustituye el calentamiento con lámparas infrarrojas o mediante inducción por el efecto Joule, que en la configuración de esta invención permite la elevada compacidad deseada y que además es bastante más eficaz en el uso de la energía. Además, la presente invención incorpora la recirculación de gran parte del gas utilizado, generalmente de más del 90%, con un sensible ahorro en el coste de gases, especialmente de gas portador. Todo ello en conjunto, puede contribuir al abaratamiento de la producción de células solares. La industria microelectrónica también puede beneficiarse de todos o al menos de algunos de los planteamientos de la presente invención.
Descripción
La presente invención es un reactor para deposición química desde vapor, principalmente ideado para la deposición epitaxial de silicio para dispositivos electrónicos o fotovoltaicos. Se pueden usar, como gases fuente, tanto silano como distintos clorosilanos; son transportados hacia la superficie de deposición en el seno de un gas portador (hidrógeno, nitrógeno, argon, etc.). La mezcla de gases entra en la cámara hermética directamente en la antecámara, la atraviesa verticalmente hacia arriba y a continuación fluye entre los susceptores y sale de la cámara por un conducto de salida de gases, ayudado por la inclinación de la pared superior de la cámara hacia dicha salida. Ver resto del documento para la explicación de cada una de las partes anteriormente mencionadas.
En este reactor, los sustratos o placas conductoras sobre los cuales se deposita la capa epitaxial están colocados sobre susceptores de grafito (u otro material conductor) densamente apilados. Esto permite el procesado de un elevado número de muestras por cada operación de crecimiento epitaxial, entre 250 y 1000, con lo que el rendimiento aumenta mucho respecto a los reactores comerciales utilizados para estos propósitos. De este modo, el tiempo de calentamiento y enfriamiento por sustrato se reduce bastante, reduciendo así sensiblemente los costes de amortización. Otra característica del presente diseño, que también conduce a costes reducidos del crecimiento, es el eficiente sistema de calentamiento utilizado.
En una configuración preferida, pero no exclusiva, la cámara del reactor se muestra en las Figuras 1 y 2. El panel de conexiones (1) es fijo y aloja todas las partes sensibles del reactor, como las conexiones eléctricas (7) y de gas (5 y 6), y otros pasamuros necesarios para instrumentación y control (8). Los susceptores están situados verticalmente, interconectados eléctricamente por piezas del mismo material conductor (4). Para su soporte mecánico, además de estar fijados al panel por sus extremos, pueden apoyarse en columnas de un material aislante. El gas se introduce primero en una antecámara (3), que se suelda o se fija al panel de conexiones (1), para mezclarlos y distribuirlos homogéneamente entre los espacios entre susceptores. El resto de las paredes del reactor forman una carcasa (2) que se mueve para abrir y cerrar la cámara.
Así, se consigue un proceso de alto rendimiento en la presente invención que es un reactor en el cual los susceptores están densamente apilados, separados unos 4 cms, permitiendo un elevado número de placas semiconductoras por cada operación de crecimiento, de 250 a 1000 (que son los sustratos de la epitaxia). Como se observa en la Figura 3, estos susceptores (4) son placas rectangulares de material conductor situadas verticalmente y enfrentadas entre sí (paralelas). Están conectados en serie con partes adicionales de material conductor (9). Ello permite que el bloque entero de dicho material conduzca la electricidad, actuando como una resistencia que se calienta fácilmente a la temperatura de depósito del silicio mediante el efecto Joule, cuando circula una corriente eléctrica. Este método de calentamiento no es corriente en reactores epitaxiales comerciales, que utilizan calentamiento por inducción mediante bobinas inductoras, o calentamiento por infrarrojos mediante lámparas. El efecto Joule es un método bastante más eficiente de calentamiento. La eficiencia energética se consigue también por el hecho de que los susceptores calientes se irradian entre sí, y por la alta reflectividad de las paredes, de modo que la mayoría de la radiación se queda dentro del reactor.
Los susceptores son paralelepípedos con una sección ligeramente trapezoidal, es decir, sus paredes laterales están ligeramente inclinadas, y tienen una base más ancha y una parte superior más estrecha. Los sustratos se colocan en ambos lados de los susceptores, sujetos por piezas especialmente diseñadas, de modo que no puedan caerse. El gas fluye verticalmente hacia arriba entre los susceptores (espacios que se llamarán "interductos" (10) en el presente documento), y la deposición tiene lugar en los sustratos calientes. Estos interductos (10) son por tanto las verdaderas "cámaras de reacción", es decir, son el espacio a tener en cuenta para todos los cálculos referentes a la deposición. En la mayoría de los reactores epitaxiales el gas fluye entre un susceptor caliente y una pared relativamente fría (razón por la cual los llamamos reactores de "pared fría"), mientras que en los interductos (10) de la presente invención, el gas fluye entre dos susceptores calientes (por lo que se trata de un reactor de "paredes calientes"). Entre otros, el principal efecto termodinámico de esta configuración es que la temperatura del gas aumenta mucho más rápido que en reactores de pared fría. Éste es un efecto no deseado, ya que los gases demasiado calientes pueden dar lugar a reacciones de nucleación homogénea en la fase gaseosa; y por tanto a menor calidad de la epitaxia, especialmente cuando se usan gases poco o nada clorados como el diclorosilano y el silano.
Existen varias maneras de evitar un calentamiento excesivo del gas. Una de ellas es utilizar un gas portador que tenga un coeficiente de difusividad térmica menor que el comúnmente utilizado hidrógeno, tal como el nitrógeno. El problema de utilizar nitrógeno es que el coeficiente de difusión del gas fuente es bastante menor en nitrógeno que en hidrógeno. Este efecto se puede minimizar trabajando a bajas presiones, alrededor de 250 mbar, en las que el coeficiente de difusión de la especie fuente es mayor. El trabajo a presiones bajas puede hacer el sistema más complicado. Otra forma de evitar el calentamiento excesivo del gas, no incompatible con la anterior, es aumentar el flujo de gas. Es ésta la opción que se toma en la presente invención. El inconveniente principal de aumentar el flujo de gas es obvio: el consumo de gas aumenta a valores con los que el crecimiento podría dejar de ser económicamente viable. Este problema se resuelve aquí con una idea muy simple, que al mismo tiempo, en reactores epitaxiales, es muy innovadora: recircular la mayor parte de los gases de salida, para ser conducidos de nuevo a la cámara de reacción. De esta forma, sólo una pequeña fracción del gas se expulsa al exterior, y exactamente la misma fracción de gas fresco debe ser alimentada. Así, el consumo de gas se reduce drásticamente, en aproximadamente un 90%.
El reactor objeto de la presente invención está constituido por una cámara hermética enfriada externamente con circuito de agua, y recubierta internamente de material reflectante, que lleva acoplado un sistema de recirculación de gases y que contiene en su interior: una antecámara; un número variable de susceptores apilados, verticales y paralelos que se calientan por efecto Joule; placas semiconductoras colocadas sobre los susceptores y sujetas a ellos mediante sujeciones del mismo material de éstos; un panel de conexiones fijo, donde están las conexiones eléctricas y de termopares, la entrada y salida de gases, y al que se sujeta la antecámara por soldadura, tornillería o similar; y una carcasa desplazable sobre guías, que abre y cierra la cámara mediante desacoplo o acoplo al panel de conexiones.
El reactor se compone de una cámara de acero inoxidable, u otro material metálico compatible con la atmósfera interior, recubierta internamente por un material reflectante, que refleja así la mayoría (en torno a un 85%) de la radiación producida por los susceptores calientes, y está enfriada externamente con agua. La capa reflectante evita un calentamiento excesivo de las paredes de la cámara, lo que conlleva más ventajas: se reducen las pérdidas energéticas, consecuentemente se necesita un flujo bajo de agua para enfriar con circuito externo, se pueden usar materiales baratos en las juntas, no hay necesidad de utilizar una cámara de cuarzo que sería cara, etc. Esta juntas, no hay necesidad de utilizar una cámara de cuarzo que seria cara, etc. Esta cámara de cuarzo se puede utilizar si se desea para reducir contaminación de las placas semiconductoras, pero no es necesaria para otros
propósitos.
La radiación entre susceptores vecinos calientes es, por otro lado, el factor principal que ayuda a mantener la temperatura de los mismos muy homogénea a lo largo de toda su superficie. Éste es un factor clave para una deposición homogénea y un crecimiento cristalino homogéneo, y por tanto una buena calidad de la epitaxia. De hecho, es este mismo requerimiento de homogeneidad en la temperatura de los susceptores es el que pone un límite a la densidad de apilamiento de los mismos, ya que, si se sitúan muy cerca unos de otros, se pierde homogeneidad.
Los susceptores también están provistos de huecos cilíndricos y verticales que pueden acomodar termopares para medir y controlar la temperatura.
Como ya se ha comentado, el calentamiento de los susceptores se realiza mediante efecto Joule pasando una corriente eléctrica a su través. Se pueden obtener temperaturas por encima de 1000ºC. Ello implica la necesidad de conectar partes muy calientes en el interior, con la fuente de potencia en el exterior de la cámara. La presente invención incluye un sistema simple para pasamuros eléctricos, que conecta la pared fría exterior con los susceptores calientes, con una diferencia de temperaturas de unos 1000ºC. Este sistema se puede ver en la Figura 4. La idea es hacer una prolongación (12) del susceptor (4), allí donde se necesitan conexiones eléctricas. Esta prolongación (12) se encierra en una carcasa adicional (7) que sobresale del panel de conexiones, como se explicará después. Esta cámara adicional no tiene ningún recubrimiento interno reflectante, y las paredes interiores, de acero inoxidable (13) están, por el contrario, tratadas para absorber radiación, y están provistas de refrigeración externa con agua (14). De este modo, la prolongación de susceptor (12) perderá su calor rápidamente por radiación, y, en su extremo más frío, tendrá una temperatura lo suficientemente baja como para permitir una conexión segura a la parte interna (11) de un pasamuros eléctrico convencional, es decir, por debajo de 400ºC. Este pasamuros convencional puede entonces atravesar la pared hasta las conexiones eléctricas externas, sin riesgo de contacto con altas temperaturas. Las carcasas adicionales (7) que alojan los pasamuros están provistas no sólo de refrigeración externa con agua (14), sino también con pasamuros de termopares y otras aperturas para tener fácil acceso al interior.
Una pieza interesante del diseño de la presente invención es el panel de conexiones, representado esquemáticamente en la Figura 5. El panel es la única parte fija de la cámara, ya que el resto, una caja abierta o carcasa formada por las paredes, se puede mover, y se desliza sobre barras para abrir y cerrar la cámara. De esta forma, el panel de conexiones está fijo, y puede alojar la entrada de gases (5), salida de gases (6), carcasas adicionales (7) para pasamuros eléctricos, y pasamuros de termopares y otros (8), y también sostiene mecánicamente la antecámara (ver Figuras 6, 7 y 10), que está soldada al panel, y los susceptores (ver Figuras 3 y 10), que están conectados al panel por los pasamuros eléctricos. Así, se fauna un bloque único y fijo consistente en panel, susceptores y antecámara, y se consigue que las piezas más sensibles del reactor estén fijas, no sean móviles. Se evitan de este modo totalmente los riesgos asociados al movimiento de partes delicadas en la apertura y cierre, o en la manipulación.
La entrada de gases (5) está situada, junto con los pasamuros de termopares y otros (8), en la parte inferior del panel de conexiones. Las carcasas adicionales (7) para los pasamuros eléctricos están situadas justo encima de ellos. La parte superior del panel de conexiones tiene una extensión en fauna de chimenea (6), que facilita la salida de gases. Adicionalmente, la pared superior de la cámara está inclinada, de forma que se evita interrumpir el flujo y se facilita la salida de gases (ver Figura 1).
El panel de conexiones está provisto de un sistema de juntas de vacío y mecanismos apropiados de cierre. Puede alojar dos juntas concéntricas. El tener dos juntas en lugar de una es una medida adicional de seguridad y precaución que evita fugas a través del panel de conexiones. La junta interior sella la cámara cuando está cerrada, y la exterior actúa como un sello de seguridad adicional. Entre ambas juntas se hace vacío, y se realiza un control estricto de la presión mediante un sistema de control de presión acoplado al espacio entre juntas. Un aumento en la misma indicaría una fuga en la junta interior, o en la exterior. Si esto ocurre, el sistema de control deberá parar inmediatamente el proceso. Este vacío debe ser suficiente para asegurar que la cámara de vacío esté bien cerrada, pero también se proveen cierres mecánicos adicionales para juntar el panel de conexiones con la carcasa al cerrar el reactor.
Otra parte importante del nuevo diseño de reactor es la llamada "antecámara", que se puede ver en las Figuras 6 y 7. Es una cámara de acero inoxidable situada en el interior de la cámara del reactor y debajo de los susceptores. Tiene tres funciones principales:
a) Proveer sujeción mecánica a la estructura de susceptores, que de otra manera sólo estarían sujetos por las conexiones eléctricas del panel de conexiones, según se ha explicado arriba. Para sujetar los susceptores, la antecámara está provista de columnas huecas de acero inoxidable (16), situadas debajo de cada susceptor. Un tubo hueco de cerámica (17) se sitúa dentro de cada columna. Los tubos cerámicos (17) son algo más largos que las columnas de acero inoxidable (16), de modo que los susceptores se apoyan en ellos sin tocar la antecámara. Las columnas (16) también proveen a la antecámara de una rigidez que evita deformaciones.
b) Distribuir el gas entrante y eliminar las turbulencias. La cámara está dividida en dos partes, separadas por un distribuidor de gases (19). La parte inferior (18) recibe el gas entrante (5), que se expande por todo el espacio. De ahí fluye hacia arriba a través del distribuidor de gases (19), consistente en una placa perforada, que ayuda a mantener el gas en régimen laminar y a distribuirlo homogéneamente para que llegue a todo el área de los susceptores. Por encima del distribuidor de gases (19), la parte superior (21) de la antecámara sólo está abierta a los interductos (22), de modo que el gas fluye directamente donde se necesita. Esta pared superior (21) de la antecámara es o bien de material reflectante, o incorpora un sistema reflectante parecido al de las paredes del reactor, para reflejar la mayor parte de la radiación recibida de los susceptores, que se encuentran justo encima.
c) Como se ha mencionado, los susceptores pueden presentar huecos cilíndricos verticales donde se pueden alojar termopares para instrumentación y control. Los cables de los termopares, encapsulados, pasan dentro de columnas cerámicas (16) y llegan a la cámara inferior (23), llamada cámara de termopares, a través de racores bien sellados (24). Ahí, los cables se recogen y se guían hacia los pasamuros en el panel de conexiones (8), mientras se les aísla de la atmósfera corrosiva presente en el resto de la cámara. La cámara de termopares (23) está aislada del resto de la antecámara y de la cámara del reactor. Se mantiene con atmósfera inerte de nitrógeno, que se alimenta también a través del panel de conexiones. De este modo, los cables no están afectados por el HCl corrosivo y otras sustancias que pueden estar presentes en la atmósfera del reactor.
Como ya se ha mencionado, se hace necesaria una recirculación de los gases de salida para ahorrar consumo de gases, haciendo el proceso económicamente viable. En una primera versión, simple, del sistema de recirculación del presente invento, representada en la Figura 8, el gas caliente sale del reactor (25) para entrar directamente en un intercambiador de calor (26), donde se enfría hasta aproximadamente la temperatura ambiente. Después del intercambiador (26), la tubería se divide, y parte del gas se expulsa por medio de una bomba de extracción (27) y pasando por un neutralizador (28), mientras que la mayor parte del mismo se recircula de nuevo a la cámara de reacción (25) por medio de un soplador (29). Al bajar la temperatura del gas en el intercambiador (26), las especies en la corriente recirculada pueden reaccionar haciendo cambiar la composición del gas, lo cual ha de ser tenido en cuenta al mezclar la corriente recirculada con la corriente fresca (30) antes de entrar de nuevo en la cámara de reacción (25). Cuando se usa una fuente clorada de silicio, la concentración de HCl aumenta como resultado del depósito de silicio. Hay un máximo en concentración de HCl que no debe ser superado, ya que de lo contrario el ataque a la superficie de silicio empieza a ser más importante que el propio crecimiento. Esto determina la fracción de gas que puede ser recirculada. En la mayoría de los casos, la concentración de HCl se mantiene por debajo de los límites indeseados pudiendo recircularse más de un 90% de los gases de salida, lo que implica grandes ahorros, sobre todo en gas portador. Estas limitaciones no se dan cuando el gas fuente es silano. Por otro lado, la recirculación de gases puede en algunos casos aumentar la eficiencia de la deposición, ya que reutiliza el gas fuente recirculado no depositado.
Una segunda versión de la recirculación incluye formación in-situ del gas fuente, y se representa en la Figura 9. En este caso, la materia prima para la deposición no es un gas que contiene silicio, sino silicio sólido, que puede ser silicio ultra puro o por ejemplo silicio de grado metalúrgico (mg-Si), o silicio de grado metalúrgico superior (upgraded mg-Si, o umg-Si), ambos más baratos. Con una alimentación inicial de hidrógeno y HCl (32), este silicio reacciona para formar una mezcla de clorosilanos, cuya composición depende de las condiciones utilizadas, obteniéndose así la especie deseada en las concentraciones apropiadas. Ésta, previo enfriamiento en un intercambiador de calor (33), alimenta a la cámara de reacción (25), donde tiene lugar la deposición por calentamiento del gas, como se ha explicado anteriormente. Los gases calientes, de nuevo ricos en HCl, salen de la cámara (25) y se enfrían como ya se ha descrito, por medio de otro intercambiador de calor (26), pero justo hasta la temperatura a la que se desea realizar el ataque del silicio. Entonces se introducen en la cámara de ataque (31), que contiene el Si fuente, y se vuelven a formar gases fuente, con consumo de HCl e hidrógeno. Por tanto, el sistema es un ciclo cerrado, en el que el único material de entrada es silicio fuente (exceptuando las cantidades iniciales de HCl y H_{2} (32)), y el único producto es silicio epitaxial. Un concepto interesante, que implica eficiencias teóricas de deposición del 100%, y consumo de gas teórico de cero.
Este sistema de recirculación de gases incluye formación in situ del gas fuente mediante ataque por HCl a silicio sólido, e incluye un intercambiador de calor a la salida de la cámara de deposición, una cámara de ataque a silicio sólido, otro intercambiador de calor a la salida de esta cámara de ataque, y alimentación inicial de gases.
En el caso de silicio fuente no ultra puro se necesitaran unos pasos de purificación, que no son objeto de la presente invención pero que esquemáticamente se suponen incluidos en la cámara (31).
Por último, una visión general del conjunto de la cámara del reactor y su contenido se aprecia en la Figura 10. En ella, la puerta (1), que está fija, lleva fijos en ella también tanto la antecámara (2) como los susceptores (4). Las paredes de la cámara (2), que forman el resto de la carcasa, se deslizan sobre raíles para abrir y cerrar la cámara.
Descripción de los dibujos
Figura 1. Vista frontal en alzado del reactor completo. La puerta (1) y las paredes de la cámara (2) forman la cámara hermética del reactor. Dentro, y fijos a la puerta (1), se encuentran la antecámara (3) y los susceptores (4). La puerta (1) aloja la entrada de gases (5), la salida de gases con forma de chimenea (6), la carcasa (7) para el diseño específico de los pasamuros eléctricos, y también los pasamuros para termopares (8).
Figura 2. Sección a través de las líneas AA' (arriba) y BB' (debajo) del reactor completo, según líneas AA' y BB' de la Figura 1.
Figura 3. Juego de susceptores (4) para un prototipo de 50 obleas, conectados por piezas de interconexión (9), del mismo material conductor. El gas fluye entre ellos a través del interducto (10), y las moléculas en el gas difunden hacia la superficie del susceptor, donde se encuentran las placas semiconductoras. Los susceptores están ligeramente inclinados, con sección trapezoidal, como se muestra en el inserto. Una corriente eléctrica I se hace pasar por el sistema de pasamuros eléctrico representado en la Figura 4, y fluye a través de todos los susceptores, calentándolos por efecto Joule.
Figura 4. Sistema de pasamuros eléctricos diseñado para conectar los susceptores calientes (4) a los pasamuros eléctricos metálicos más fríos (11). Consiste en una parte más gruesa de material conductor del susceptor (12), que está rodeado de una carcasa (7). La pieza más gruesa de susceptor irradia energía muy fácilmente, Energía que es absorbida por la superficie interna (13) de la carcasa (7), tratada para absorber la radiación. Un enfriamiento externo de la carcasa con agua (14), mostrado aquí como un conjunto de tubos metálicos de sección rectangular, ayuda a disipar el calor absorbido por las paredes internas (13). Al final de la pieza gruesa (12), ya más fría, se puede realizar la conexión a los pasamuros metálicos (11) ya de manera segura.
Figura 5. Esquema aproximado del panel de conexiones de la cámara. La entrada de gases (5) y los pasamuros de termopares y otros (8) se sitúan en su parte inferior, coincidiendo con las posiciones interiores de los mismos. Encima, a la altura de los susceptores, se sitúan las carcasas (7) para los sistemas de pasamuros eléctricos descritos en la Figura 4, que se conectan a los dos extremos del bloque de susceptores representado en la Figura 3. Por encima de las carcasas (7), el gas sale del reactor por la salida de gases (6), con forma de chimenea.
Figura 6. Vista esquemática de la antecámara (3). La cámara de termopares (23), inundada de gas inerte, se sitúa debajo, y recoge todos los cables de termopares que provienen de los susceptores a través de las columnas (17), desde donde se conducen hacia el exterior a través de la pared por pasamuros de termopares. El gas entra en la antecámara por su parte inferior (18), y fluye hacia arriba a través del distribuidor de gases (19), llena la parte superior (20), y entonces pasa por la pared superior (21), que está abierta (22) sólo a los interductos entre susceptores. La antecámara está soldada o atornillada a la puerta del reactor por uno de sus bordes (15).
Figura 7. Sección vertical a través de una de las columnas huevas que sujetan la estructura de la precámara, que alojan tubos cerámicos huecos, sobre los que se apoyan los susceptores y a través de los que pasan los termopares.
Figura 8. Sistema simple de recirculación sin generación in situ de gas portador. Los gases frescos (30) se alimentan al reactor (25). Durante el proceso se calientan, y a la salida han de ser enfriados con un intercambiador de calor (26). Posteriormente, parte de la corriente de gas se expulsa al exterior mediante una bomba de extracción (28), y pasando por un neutralizador (27). El resto de la corriente se recircula con ayuda de un soplador (29), y se realimenta al reactor (25).
Figura 9. Sistema de recirculación con generación in situ de gas portador. Inicialmente se introduce H2 y HCl (32) en la cámara de ataque (31), donde se realiza el ataque al silicio fuente. El gas de salida de esta cámara se enfría con un intercambiador de calor (33) a la temperatura ambiente y entra en la cámara epitaxial (25), donde ocurre la deposición de silicio epitaxial. El gas de salida se enfría con otro intercambiador de calor (26), y llega de nuevo a la cámara de ataque (31). De este modo, se tiene un ciclo cerrado en el que la única materia prima es silicio fuente, y el único producto, silicio epitaxial. La eficiencia teórica es del 100%.
Figura 10. Vista isométrica del conjunto del reactor, en un esquema aproximado. El panel de conexiones (1) (descrita en la Figura 5) está fija. A ella se fijan la antecámara (3) (descrita en las Figura 6 y 7), y los susceptores (4) (descritos en la Figura 2). Las paredes del reactor (2), internamente recubiertas de material reflectante, se deslizan sobre raíles para abrir y cerrar la cámara.
Modo de realización de la invención
El siguiente ejemplo muestra un modo de realización de la invención:
Se colocan 6 susceptores paralelos entre sí y verticales, separados 4 cm unos de otros, con 5 sustratos por cara, es decir, 50 sustratos procesados en total. Se calientan pasando una corriente eléctrica a través de 4 pasamuros de 1000 A cada uno. Los susceptores se calientan de este modo a 1000ºC para la deposición de diclorosilano, y a 800ºC para la de silano. Se hace pasar entre los 6 susceptores un flujo de gas de aproximadamente 1500 L/min, lo cual se consigue recirculando aproximadamente un 90% con un soplador, y alimentando un 10% de gas fresco. La misma cantidad se expulsa al exterior por medio de una bomba. El gas que pasa por los susceptores está compuesto en un 99% de H_{2} y en un 1% de gas portador. Para ello, en el gas fresco alimentado la proporción de gas portador es del 10%.
Un proceso estándar puede consistir, después de la carga y cierre, en un primer paso de vacío, seguido de purga con N_{2}, de nuevo vacío y purga, sin recirculación. De nuevo en vacío, se calientan los susceptores hasta unos 500ºC, y se hace pasar un flujo de un 3-5% de HCl en H_{2}, recirculando, con lo que realiza un ataque in situ del silicio residual depositado en anteriores procesos. Nuevos pasos de vacío y purga, y calentamiento en vacío hasta la temperatura de crecimiento, sin recirculación. Entonces se hacen pasar los gases de crecimiento en la proporción adecuada, recirculando. Una vez terminado el crecimiento, paso que dura entre 10 y 15 minutos, y ya sin pasar corriente eléctrica por los susceptores, se realiza, con recirculación, un paso de enfriamiento con unos 2000 L/min de H_{2} frío, hasta que la temperatura esté por debajo de 200ºC. Tras dos pasos consecutivos de vacío y purga con N_{2}, se puede abrir y descargar.

Claims (4)

1. Reactor epitaxial para la producción de obleas a gran escala, que consta de una cámara hermética, con la pared superior inclinada, enfriada externamente con circuito de agua y recubierta internamente de material reflectante, que lleva acoplado un sistema de recirculación de gases y que contiene en su interior un número variable de susceptores apilados, verticales y paralelos, que se calientan por efecto Joule, y unas placas semiconductoras colocadas sobre estos susceptores y sujetas a ellos mediante sujeciones del mismo material de éstos, y de una carcasa desplazable sobre guías, que abre y cierra la cámara mediante desacoplo o acoplo al panel de conexiones caracterizado por incluir entre sus componentes: un panel de conexiones fijo, donde están las conexiones eléctricas y de termopares, la entrada y salida de gases, y al que se sujeta una antecámara fija por soldadura, tornillería o similar, y donde estas conexiones eléctricas conectan susceptores muy calientes, con pasamuros eléctricos estándar que no soportan elevadas temperaturas, habiendo entre ambos una diferencia de temperaturas de más de 600ºC, y que están constituidas por una prolongación gruesa altamente irradiante del material conductor del susceptor acoplada a una carcasa saliente del panel de conexiones, con paredes internas absorbentes y externamente refrigerada por agua; y una antecámara que contiene, por un lado, columnas huecas que sujetan la estructura de la precámara, que alojan tubos cerámicos huecos, sobre los que se apoyan los susceptores, y termopares, cuyos cables son mantenidos en atmósfera inerte hasta conducirlos al exterior y que contiene, por otro lado, un distribuidor de gases para distribuir el gas entrante por todo el espacio en régimen de flujo laminar y, por último, una pared superior compuesta o recubierta por un material reflectante que refleja la radiación emitida por los susceptores situados justo encima de la antecámara.
2. Reactor epitaxial para la producción de obleas a gran escala, según reivindicación 1, caracterizado por que los susceptores tienen forma paralelepipédica con sección trapezoidal, siendo más anchos en la base y más estrechos en la cara superior, y por que están conectados al panel de conexiones fijo mediante conexiones eléctricas.
3. Reactor epitaxial para la producción de obleas a gran escala, según reivindicación 1, caracterizado por llevar acoplado un sistema de recirculación de gases que extrae los gases de la cámara y los reinyecta de nuevo en la misma en su totalidad o en parte, que incluye un intercambiador de calor a la salida del reactor, una bomba de extracción de una fracción de gases, y un soplador de gas, para el caso de no producción in situ de gas fuente.
4. Reactor epitaxial para la producción de obleas a gran escala, según reivindicación 1, para el caso de producción in situ de gas fuente, caracterizado por llevar acoplado un sistema de recirculación de gases que incluye formación in situ del gas fuente mediante ataque por HCl a silicio sólido, e incluye un intercambiador de calor a la salida de la cámara de deposición, una cámara de ataque a silicio sólido, otro intercambiador de calor a la salida de esta cámara de ataque, y alimentación inicial de gases.
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