IT201600111143A1

IT201600111143A1 - Metodo di riscaldamento per un reattore per deposizione epitassiale e reattore per deposizione epitassiale

Info

Publication number: IT201600111143A1
Application number: IT102016000111143A
Authority: IT
Inventors: Vincenzo Ogliari; Silvio Preti; Franco Preti
Original assignee: Lpe Spa
Priority date: 2016-11-04
Filing date: 2016-11-04
Publication date: 2018-05-04
Also published as: JP7196068B2; US20210332498A1; EP3535440A1; CN113943974A; US11834753B2; CN109983164A; US20190256999A1; WO2018083582A1; EP3535440B1; JP2019534383A

Description

METODO DI RISCALDAMENTO PER UN REATTORE PER DEPOSIZIONE

EPITASSIALE E REATTORE PER DEPOSIZIONE EPITASSIALE

DESCRIZIONE

CAMPO DELL’INVENZIONE

La presente invenzione riguarda un metodo di riscaldamento per un reattore per deposizione epitassiale ed un reattore per deposizione epitassiale.

STATO DELLA TECNICA

Qualsiasi reattore epitassiale comprende un sistema di riscaldamento per riscaldare i substrati da sottoporre a crescita epitassiale.

Una fase di processo di deposizione epitassiale è preceduta da una fase di riscaldamento ed è seguita da una fase di raffreddamento.

Il riscaldamento può essere, ad esempio, del tipo a induzione elettromagnetica.

Spesso, in questo caso, il sistema di riscaldamento riscalda direttamente un suscettore (che si trova all’interno della camera di reazione del reattore epitassiale), ed i substrati ricevono calore per conduzione dal suscettore (che li supporta).

Sempre, in questo caso, il sistema di riscaldamento comprende almeno un induttore. In passato, la presente Richiedente aveva previsto la possibilità che una o più delle spire di un tale induttore fossero mobili: si veda il documento brevettuale WO9610659A2. Secondo questa soluzione, l’induttore era composto da una pluralità di cerchi rigidi collegati elettricamente e meccanicamente mediante ponti flessibili; un solo cerchio veniva mosso mediante un solo motore elettrico ed un solo attuatore traslante montato sull’albero del motore; la deformazione provocata da tale attuatore era interamente a carico dei ponti flessibili.

Le spire venivano posizionate in posizioni desiderate prima di iniziare il riscaldamento e quindi ben prima di iniziare la deposizione epitassiale; tale posizionamento era una delle operazioni del settaggio iniziale del reattore.

L’obiettivo principale di un sistema di riscaldamento per reattore epitassiale era ed è quello di ottenere una temperatura uniforme del substrato durante il processo.

Un obiettivo secondario di un sistema di riscaldamento per reattore epitassiale era ed è quello di raggiungere la temperatura di processo in tempo breve.

SOMMARIO

Inoltre, la Richiedente si è resa conto, grazie ad esperimenti che ha effettuato, che è molto vantaggioso che la temperatura del substrato sia uniforme non solo durante il processo, ma anche durante il riscaldamento; il vantaggio può essere legato, ad esempio, alla riduzione di stress termici e difetti, in particolare “slip lines”.

La Richiedente si è posta quindi l’obiettivo di fornire una soluzione che consenta di ottenere una temperatura del substrato uniforme sia durante il riscaldamento che durante la deposizione epitassiale.

La Richiedente si è posta inoltre l’obiettivo di fornire una soluzione che consenta di raggiungere la temperatura di processo in tempo breve.

La Richiedente si è posta infine l’obiettivo di fornire una soluzione non sono efficace, ma anche semplice.

Tali obiettivi sono sostanzialmente raggiunti grazie al metodo di riscaldamento ed al reattore per deposizione epitassiale aventi le caratteristiche tecniche esposte nelle rivendicazioni annesse che formano parte integrante della presente descrizione.

ELENCO DELLE FIGURE

La presente invenzione risulterà più chiara dalla descrizione dettagliata che segue da considerare assieme ai disegni annessi in cui:

Fig. 1 mostra una vista schematica in sezione verticale di una camera di reazione di un esempio di realizzazione di un reattore per deposizione epitassiale secondo l’arte nota, Fig. 2 mostra una vista schematica in sezione verticale di una camera di reazione di un esempio di realizzazione di un reattore per deposizione epitassiale secondo la presente invenzione, e

Fig. 3 mostra in modo schematico una vista dall’alto di un induttore del reattore di Fig. 2.

Come si comprende facilmente, vi sono vari modi di implementare in pratica la presente invenzione che è definita nei suoi principali aspetti vantaggiosi nelle rivendicazioni annesse.

DESCRIZIONE DETTAGLIATA

Fig. 1 mostra una vista schematica in sezione verticale di una camera di reazione di un esempio di realizzazione di un reattore per deposizione epitassiale 1 secondo l’arte nota. La camera di reazione è dotata di una cavità 10 definita da una parete superiore 11 (in particolare di quarzo trasparente), una parete inferiore 12 (in particolare di quarzo trasparente) e pareti laterali (in particolare fatte di quarzo trasparente) non mostrate in figura.

Un suscettore 2 è posto all’interno della cavità 10 ed è atto a supportare e riscaldare substrati durante deposizione epitassiale. Nel caso di Fig. 1, vi è un solo substrato 100 che è adagiato sul un elemento di supporto 3 (di forma discoidale, precisamente di cilindro con altezza moltissimo minore del diametro, disposto orizzontalmente e fatto di grafite eventualmente ricoperta di SiC o TaC) che, a sua volta, è adagiato sul suscettore 2 (di forma discoidale, precisamente di cilindro con altezza molto minore del diametro, disposto orizzontalmente e fatto di grafite eventualmente ricoperta di SiC o TaC); l’elemento 3 non è indispensabile ai fini della presente invenzione.

È previsto un sistema di riscaldamento che comprende almeno un induttore 4 atto a riscaldare il suscettore 2 per induzione elettromagnetica quando alimentato elettricamente; l’induttore 4 è piano e comprende una pluralità di spire 41-47 (in particolare sette spire concentriche nell’esempio di Fig. 1), tipicamente connesse elettricamente in serie. Il sistema può comprendere altri induttori sotto la camera, ma, tipicamente, nulla sopra la camera.

All’interno della cavità 10 vi sono pareti interne 14 orizzontali allineate al substrato 100. Il suscettore 2 è fissato ad un albero 5 rotante attorno ad un asse Z verticale.

La parete inferiore 12 presenta un foro ed un manicotto 13 per il passaggio dell’albero 5. L’induttore 4 è situato sotto la parete inferiore 12 attorno al manicotto 13.

L’esempio di realizzazione di Fig. 2 è un miglioramento della soluzione di Fig. 1 o di soluzioni similari.

In Fig. 2, si vedono alcuni componenti di un sistema di movimentazione 6 per muovere le spire dell’induttore 4: un motore elettrico 61, una coppia di attuatori 62 con una corrispondente coppia di potenziometri (non mostrati in figura), ed una trasmissione 63. In Fig. 2, si vede una termocamera 7 posta sopra la parete superiore 11 atta a rilevare la temperatura nella camera, in particolare del substrato 100, in una sottile area radiale sottostante; in particolare, tale area radiale si estende tra l’asse Z (o molto vicino ad esso) ed il bordo del substrato 100 (o molto vicino ad esso); tale area di misura è sufficiente poiché il suscettore ed il substrato ruotano.

In Fig. 2, si vede un sistema di controllo del riscaldamento 8 computerizzato; esso può comprendere uno o più PLC. Il sistema 8 è collegato elettricamente: all’induttore 4 per alimentarlo, al sistema 6 (in particolare, al motore 61 ed ai potenziometri), alla termocamera 7, e ad un’interfaccia d’utente 9. L’interfaccia 9 consente ad un operatore di inserire comandi e di estrarre informazioni.

In Fig. 3, è schematizzato il caso in cui le spire 43, 45 e 46 sono mobili; le spire 45 e 46, che costituiscono un “gruppo”, vengono mosse dal sistema 6 assieme e indipendentemente dalla spira 43; il movimento della spira 43 è ottenuto per mezzo di tre attuatori 621, 622 e 623 situati, ad esempio, a 90° l’uno dall’altro; il movimento del gruppo di spire 45 e 46 è ottenuto per mezzo di tre coppie di attuatori situati, ad esempio, a 90° l’uno dall’altro, oppure da tre attuatori 624, 625 e 626 (un attuatore muove contemporaneamente due punti di due spire, come in figura). In Fig. 2, per maggior chiarezza del disegno, sono mostrati solo parte dei dispositivi che consentono di muovere la spira 43, e non è mostrato alcuno dei dispositivi che consentono di muovere le spire 45 e 46.

In Fig. 3, ognuna delle spire ha la forma di un arco di circonferenza, ad esempio di circa 330°, e le spire sono raccordate tra loro ad esempio da un tratto rettilineo.

Secondo la presente invenzione, il reattore (1 in Fig. 2) comprende un induttore (4 in Fig. 2) a spire (41-47 in Fig. 2), tipicamente piano (o sostanzialmente piano), atto a riscaldare il suscettore (2 in Fig. 2) e ad essere regolato mediante modifica della posizione di una o più spire (41-47 in Fig. 2).

Il reattore (1 in Fig. 2) comprende un sistema di movimentazione che comprende:

- un primo motore (61 in Fig. 2) (in particolare un motore elettrico) atto a modificare la posizione (preferibilmente solo la posizione assiale, ossia verticale) di almeno una prima spira (43 in Fig. 2) dell’induttore (4 in Fig. 2) per effetto del suo moto,

- una prima pluralità di attuatori (62 in Fig. 2) traslanti atti ad agire su una corrispondente pluralità di punti (si veda sia Fig. 2 che Fig. 3) della prima spira (43 in Fig. 2) e provocarne traslazioni (preferibilmente solo la traslazioni assiali, ossia verticali), e

- una prima trasmissione (63 in Fig. 2) (in particolare una trasmissione meccanica) atta a trasmettere il moto del primo motore (61 in Fig. 2) alla prima pluralità di attuatori (62 in Fig. 2).

Tipicamente, due spire (o due gruppi di spire) dell’induttore si possono muovere indipendentemente.

In questo caso, il sistema di movimentazione comprende inoltre:

- un secondo motore (in particolare un motore elettrico) atto a modificare la posizione (preferibilmente solo la posizione assiale, ossia verticale) di almeno una seconda spira dell’induttore per effetto del suo moto,

- una seconda pluralità di attuatori traslanti atti ad agire su una corrispondente pluralità di punti della seconda spira e provocarne traslazioni (preferibilmente solo la traslazioni assiali, ossia verticali), e

- una seconda trasmissione (in particolare una trasmissione meccanica) atta a trasmettere il moto del secondo motore alla seconda pluralità di attuatori.

Come schematizzato in Fig. 3, il primo e/o il secondo motore può essere atto a modificare la posizione di un gruppo di spire (ad esempio le spire 45 e 46) dell’induttore.

La prima trasmissione (63 in Fig. 2) e/o la seconda trasmissione è costituita da una e/o due cinghie o catene; le cinghie sono preferibilmente dentate.

L’induttore (4 in Fig. 2 e Fig. 3) è preferibilmente costituito da un conduttore continuo in un solo pezzo meccanico; tale pezzo meccanico deve essere sufficientemente elastico, ossia non rigido, da consentire di traslare una sua spira in direzione assiale senza provocare apprezzabili spostamenti delle spire adiacenti; questo perché la deformazione provocata dagli attuatori si ripartisce sull’intera lunghezza della spira.

Ogni attuatore (62 in Fig. 2) trasforma rotazioni ricevute da un motore, tramite una trasmissione, in traslazioni. È preferibile rilevare le effettive traslazioni di un attuatore per essere certi del posizionamento della corrispondente spira; a tal fine, è vantaggioso associare un semplice potenziometro ad un attuatore e rilevare con precisione le rotazioni che effettua che corrispondono a traslazioni che genera.

Quando il reattore viene messo in opera, sarà necessario tarare meccanicamente gli attuatori ed elettricamente i potenziometri.

Il sistema 8 e quindi in grado di pilotare un motore come previsto da una o più leggi di controllo e di verificare che una spira (più precisamente, i suoi punti) si sia spostata come desiderato.

Il sistema computerizzato 8 serve, tra l’altro, per il controllo del riscaldamento del reattore 1 nonché per il controllo del raffreddamento del reattore 1.

Il sistema 8 può comprendere mezzi, in particolare mezzi hardware e mezzi software, atti specificamente ad implementare il metodo di riscaldamento secondo la presente invenzione e che verrà descritto nel seguito.

Il metodo di riscaldamento secondo la presente invenzione prevede che, durante il riscaldamento del suscettore (2 in Fig. 2), da una prima temperatura ad una seconda temperatura, la posizione di almeno una prima spira (43 in Fig. 2), oppure di un primo gruppo di spire, dell’induttore (4 in Fig. 2) rispetto al suscettore venga modificata; tipicamente, la seconda temperatura è superiore alla prima temperatura.

In molti casi, sarà vantaggioso che durante il riscaldamento del suscettore, dalla prima temperatura alla seconda temperatura, la posizione di almeno una seconda spira, oppure di un secondo gruppo di spire, dell’induttore rispetto al suscettore venga modificata. La modifica di posizione della seconda spira sarà tipicamente indipendente dalla modifica di posizione della prima spira.

La prima temperatura può essere compresa da 0°C e 50°C, ossia “temperatura ambiente”. La seconda temperatura può essere compresa da 500°C e 2000°C, ossia “temperatura di processo” di un processo di deposizione epitassiale.

In generale, una o più spire modificheranno opportunamente la loro posizione (allontanandosi dal od avvicinandosi al suscettore) durante tutto il periodo di riscaldamento del reattore in modo tale che la temperatura della faccia superiore del suscettore e dei substrati supportati sia uniforme.

La geometria (in particolare piana) dell’induttore ha una corrispondenza con la geometria (cilindrica con altezza molto minore del diametro) del suscettore.

Poiché il suscettore è piuttosto sottile, la differenza di temperatura tra faccia inferiore e faccia superiore è piuttosto bassa (ad esempio 50-100°C), e la temperatura del suscettore può essere schematizzata, in prima approssimazione, con un diagramma radiale.

Tali modifiche di posizione avverranno tipicamente sotto il controllo di un sistema di controllo.

Durante il riscaldamento, il controllo di posizione delle spire è preferibilmente “ad anello aperto” ed il controllo elettrico dell’induttore è preferibilmente “ad anello aperto”; si tratta di un controllo semplice, ma persino migliore di quello “ad anello chiuso” per questa applicazione.

Preferibilmente, durante il controllo “ad anello aperto”, si può rilevare la temperatura ad esempio tramite una termocamera. La legge di controllo può essere ad esempio memorizzata in una tabella; ogni riga corrisponde ad una differente temperatura (ad esempio la temperatura media del substrato rilevata dalla termocamera), per ogni temperatura è prevista una potenza elettrica da fornire all’induttore e, ad esempio, posizioni verticali delle spire dell’induttore. Si inizia dalla prima temperatura (ad esempio temperatura ambiente) e si imposta la prima potenza e le prime posizioni; quando la termocamera rileva la seconda temperatura, si imposta la seconda potenza e le seconde posizioni; e così via.

I dati per il “controllo ad anello aperto” derivano tipicamente da una o più campagne di esperimenti. Si è rilevato che i risultati migliori si ottengono quando la posizione delle spire viene modificata secondo una “legge sperimentale”.

Il vantaggio di utilizzare un controllo “ad anello aperto” sta nel fatto che, di processo in processo, a cambiare a livello termico è, in prima approssimazione, solo la temperatura finale della “ricetta di processo” (che si può considerare la “temperatura di processo”), e non la rampa per giungere a tale temperatura. Dovendo realizzare una rampa di temperatura sempre identica a sé stessa (o comunque molto simile) non vale la pena di inserire un controllo “ad anello chiuso”, che, per sua natura, è eccellente nel gestire situazioni sempre diverse ed impreviste. In questo modo, persino tramite una sola campagna sperimentale, è possibile individuare una legge ottimale, svincolarsi dal problema dell’inerzia termica del suscettore ed evitare pericolose instabilità del sistema controllato.

Durante i processi di deposizione epitassiale (ossia dopo la fase di riscaldamento e prima della fase di raffreddamento) è preferibile operare in modo diverso.

Durante un processo di deposizione epitassiale, la posizione di nessuna spira dell’induttore viene modificata, ossia la posizione di ciascuna spira è mantenuta; l’induttore viene alimentato elettricamente mediante un “controllo ad anello chiuso”. Durante il controllo “ad anello chiuso”, si può rilevare la temperatura ad esempio tramite una termocamera, e la potenza elettrica da fornire all’induttore viene calcolata sulla base della differenza tra la temperatura desiderata (ossia quella di processo ad esempio impostata dall’operatore) e la temperatura rilevata dalla termocamera (ad esempio la temperatura media del substrato).

In alcune applicazioni, durante la parte finale del riscaldamento (ad esempio durante gli ultimi 50-100°C di riscaldamento), può essere preferibile mantenere fisse le spire ed attuare un controllo elettrico dell’induttore “ad anello chiuso”.

Claims

RIVENDICAZIONI 1. Metodo di riscaldamento per un reattore (1) per deposizione epitassiale; in cui il reattore (1) comprende un suscettore (2) ed un induttore (4); in cui l’induttore (4) è atto a riscaldare il suscettore (2) per induzione elettromagnetica quando alimentato elettricamente; in cui l’induttore (4) comprende una pluralità di spire (41-47); in cui, durante il riscaldamento del suscettore (2) da una prima temperatura ed una seconda temperatura, la posizione di almeno una prima spira (43) rispetto a detto suscettore (2) viene modificata.
2. Metodo di riscaldamento secondo la rivendicazione 1, in cui, durante il riscaldamento del suscettore da una prima temperatura ed una seconda temperatura, la posizione di almeno una seconda spira (45, 46) rispetto a detto suscettore (2) viene modificata.
3. Metodo di riscaldamento secondo la rivendicazione 1 oppure 2, in cui, durante il riscaldamento del suscettore da una prima temperatura ed una seconda temperatura, la posizione di detta almeno una spira (43) e/o di detta almeno una seconda spira (45, 46) viene modificata mediante un “controllo ad anello aperto” (8).
4. Metodo di riscaldamento secondo la rivendicazione 1 oppure 2 oppure 3, in cui, durante il riscaldamento del suscettore da una prima temperatura ed una seconda temperatura, detto induttore (4) viene alimentato elettricamente mediante un “controllo ad anello aperto” (8).
5. Metodo di riscaldamento secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui, durante un processo di deposizione epitassiale, la posizione di nessuna spira (41-48) di detto induttore (4) viene modificata.
6. Metodo di riscaldamento secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui, durante un processo di deposizione epitassiale, detto induttore (4) viene alimentato elettricamente mediante un “controllo ad anello chiuso” (8).
7. Metodo di riscaldamento secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui detta seconda temperatura corrisponde ad una temperatura di processo di un processo di deposizione epitassiale.
8. Reattore (1) per deposizione epitassiale comprendente almeno un suscettore (2) con una porzione discoidale atta a supportare direttamente o indirettamente uno o più substrati (100), ed un induttore (4) a spire (41-47) atto a riscaldare detta porzione discoidale (2) e ad essere regolato mediante modifica della posizione delle spire (41-47), caratterizzato dal fatto di comprendere: - un primo motore (61) atto a modificare la posizione di almeno una prima spira (43) di detto induttore (4) per effetto del suo moto, - una prima pluralità di attuatori (62) traslanti atti ad agire su una corrispondente pluralità di punti (Fig. 3) di detta almeno una prima spira (43) e provocarne traslazioni, e - una prima trasmissione (63) atta a trasmettere il moto di detto primo motore (61) a detta prima pluralità di attuatori (62).
9. Reattore per deposizione epitassiale secondo la rivendicazione 8, comprendente: - un secondo motore atto a modificare la posizione di almeno una seconda spira (45, 46) di detto induttore (4) per effetto del suo moto, - una seconda pluralità di attuatori traslanti atti ad agire su una corrispondente pluralità di punti (Fig. 3) di detta almeno una seconda spira (45, 46) e provocarne traslazioni, e - una seconda trasmissione atta a trasmettere il moto di detto secondo motore a detta seconda pluralità di attuatori.
10. Reattore per deposizione epitassiale secondo la rivendicazione 8 e/o 9, in cui detta prima trasmissione (63) e/o detta seconda trasmissione è costituita da una e/o due cinghie o catene.
11. Reattore per deposizione epitassiale secondo la rivendicazione 8 oppure 9 oppure 10, in cui detto induttore (4) è costituito da un conduttore continuo in un solo pezzo meccanico elastico.
12. Reattore per deposizione epitassiale secondo la rivendicazione 8 oppure 9 oppure 10 oppure 11, comprendente potenziometri usati per rilevare rotazioni di detti attuatori.
13. Reattore per deposizione epitassiale secondo una qualsiasi delle rivendicazioni da 8 a 12, comprendente mezzi (8) atti specificamente ad implementare il metodo di riscaldamento secondo qualsiasi delle rivendicazioni da 1 a 7.