RU222432U1 - Реактор для получения эпитаксиальных слоев карбида кремния на кремниевой подложке - Google Patents

Abstract

Полезная модель относится к электронной технике, а именно, к получению полупроводниковых материалов, и может быть использована при создании полупроводниковых приборов. Реактор для получения эпитаксиальных слоев карбида кремния на кремниевой подложке имеет цилиндрический вертикально ориентированный корпус, выполненный из кварцевого стекла с верхним и нижним уплотняющими фланцами, снабженными патрубками для ввода газа реагента и вывода реакционной смеси. Внутри корпуса по оси размещена сборка подложкодержателей. Реактор также содержит цилиндрическую катушку индукционного нагрева, концентрично охватывающую сборку подложкодержателей. Сборка подложкодержателей размещена на осевом стержне, соединенном с нижним фланцем, и состоит из подложкодержателей, выполненных в виде дисков, установленных друг над другом и разделенных между собой дистанционными элементами. При этом в подложкодержателях вдоль края выполнены отверстия, распределенные по окружности и предназначенные для прохождения центрирующих вертикально ориентированных стержней, нижние торцы которых закреплены на нижнем подложкодержателе.

Дистанционные элементы могут быть выполнены в виде втулок, надетых на центрирующие стержни или в виде цилиндрических колец, расположенных между центрирующими стержнями и снабженных радиальными сквозными отверстиями.

Реактор позволяет получать эпитаксиальные слои карбида кремния одновременно на нескольких кремниевых подложках при этом для нагрева используется индукционная катушка, обеспечивающая быстрый и равномерный нагрев. Однако по сравнению с прототипом заявляемый реактор обладает существенно более простой конструкцией, при этом подложкодержатели имеют форму плоских дисков с отверстиями, поэтому их изготовление не требует сложных технологических операций. 4 ил.

Description

Полезная модель относится к электронной технике, а именно, к получению полупроводниковых материалов, в частности, с применением технологии синтеза эпитаксиальных слоев карбида кремния на кремнии методом согласованного замещения атомов [1. С.А. Кукушкин, А.В. Осипов. Термодинамика, кинетика и технология синтеза эпитаксиальных слоев карбида кремния на кремнии методом согласованного замещения атомов и его уникальные свойства. (Обзор) // Конденсированные среды и межфазные границы. - (2022). Т. 24, вып.4. - С. 407-458. - DOI: 10.17308/kcmf.2022.24/10549], и может быть использована при создании полупроводниковых приборов.

Известно устройство для получения эпитаксиальных слоев карбида кремния на кремниевой подложке [1. Патент RU 86351 U1]. Устройство имеет водоохлаждаемый корпус, внутри которого коаксиально ему установлена реакционная камера со стенками, имеющими форму цилиндрической трубы, которая выполнена из кристаллического жаропрочного материала. В реакционной камере установлен графитовый держатель образца. В верхней части реакционной камеры имеется патрубок подвода реакционной газовой смеси, в нижней - патрубок для ее отвода. Устройство снабжено средством для нагрева. Средство для нагрева представляет собой резистивный нагреватель, выполненный в виде графитовой трубы, охватывающей стенки реакционной камеры в зоне расположения держателя образца. Токоподводы резистивного нагревателя предназначены для подключения к источнику постоянного тока, а полость между стенками водоохлаждаемого корпуса и стенками реакционной камеры заполнена пористым графитом. При этом стенки реакционной камеры выполнены из сапфира, а в качестве газа используют СО или СО₂ или их смесь. Применение резистивного нагревателя, нагревающего не только зону расположения подложкодержателя, но и весь внутренний объем, приводит к необходимости применения графитовой термоизоляции корпуса и низкой энергетической эффективности устройства. Кроме того, устройство обладает низкой производительностью, поскольку содержит только один подложно держатель, соответствующий размерам подложки, и предназначено для использования в качестве лабораторного образца.

Повышение производительности достигается в описанном в патенте [2. Патент RU 2522812] реакторе для осуществления способа изготовления изделий, содержащих кремниевую подложку с пленкой из карбида кремния на ее поверхности. Реактор имеет корпус с нагреваемым до 950-1400°С внутренним объемом и снабжен патрубком подачи газовой смеси, включающей оксид углерода и кремнийсодержащий газ, и патрубком вывода газообразных продуктов реакции. Внутри корпуса расположена газопроницаемая камера, служащая барьером для прохождения молекул кремний-содержащего газа, с расположенным в ней подложкодержателем, выполненным с обеспечением возможности параллельной установки нескольких пластин кремниевых подложек.

В описанном в [2] реакторе подложки нагреваются не контактным способом, поскольку они установлены на подложкодержателе параллельно на ребро, а за счет конвективного теплообмена, что является малоэффективным способом. Кроме того, при таком процессе подложки находятся не в одинаковых условиях теплообмена, что приводит к тому, что полученные на разных подложках эпитаксиальные слои могут отличаться по качеству.

Повышение эффективности нагрева решается применением индуктора в качестве нагревателя.

Известен химический газофазный CVD реактор [3. Andre Leycuras. Optical monitoring of the growth of 3C SiC on Si in a CVD reactor. Diamond and Related Materials 6 (1997) 1857-1861]. В этом устройстве графитовый цилиндрический держатель помещен на корпусе термопары, расположенном вертикально по оси реактора. На графитовый держатель укладывается кремниевая подложка. Держатель с термопарой введены в кварцевую неохлаждаемую трубу. Снаружи этой трубы расположена катушка индуктивности, нагревающая подложкодержатель, который, в свою очередь, нагревает подложку. Газ подается в верхнюю часть кварцевой трубы и выводится из нижней. Давление метан-силановой газовой смеси составляет около 10 Па, температура подложки 1200-1400°С. Описанное в статье [3] устройство, как и в источнике [2] обладает низкой производительностью, поскольку содержит только один подложкодержатель, соответствующий размерам подложки, и предназначено для использования в качестве лабораторного образца.

Описанный в патенте [4. Патент RU 2767098] CVD-реактор синтеза гетероэпитаксиальных пленок карбида кремния на кремниевых подложках путем химического осаждения из газовой фазы принят в качестве прототипа. CVD-реактор включает внутреннюю кварцевую трубу с коаксиально установленной кварцевой наружной трубой, с размещенным внутри двухзонным выполненным из графита, покрытого карбидом кремния контейнером с подложкодержателями, нагревателем индукционного типа и системой подвода/отвода водорода в качестве газа-носителя. Контейнер установлен на полом пьедестале, направляющем поток водорода в первую зону, между контейнером и пьедесталом установлена разогреваемая ВЧ-полем индуктора металлическая пластина-диск с отверстиями для прохода потока водорода. Первая зона указанного контейнера предназначена для предварительного подогрева водорода и протекания реакции углерода с водородом в сквозных каналах основания с последующим транспортным переносом полученных газообразных углеводородов во вторую зону, включающую сборку подложкодержателей, установленных друг на друга, с подложками и тепловыми экранами, причем обе зоны сообщаются между собой отверстиями для переноса углеводородов потоком водорода над кремниевыми подложками. Подложкодержатели имеют тарельчатую форму с цилиндрическими стенками и ориентированы вверх донцами, в которых выполнены по контуру проточки для обеспечения фиксации стенок смежных подложкодержателей. В донцах тарельчатых подложкодержателей выполнены отверстия для перехода газового потока по высоте контейнера над кремниевыми подложками и они расположены так, чтобы кремниевые подложки не перекрывали отверстия в подложкодержателях,. Тепловые экраны выполнены в виде цилиндрических колец, на торцах которых сформированы кольцевые проточки, которые обеспечивают образование сборной трубы, охватывающей сборку подложкодержателей. Основание является источником углерода, в сквозных каналах которого происходит образование углеводородов посредством реакции углерода с водородом при температуре до 1100°С, т.е. осуществляется химический газовый транспорт исходного реагента из первой зоны во вторую зону с подложками кремния. При температуре 1360-1380°С во второй зоне протекает обратная реакция на поверхности подложек кремния: разложение углеводородов с образованием соединения карбида кремния на поверхности подложек кремния по всей высоте сборки подложкодержателей. Описанный в [4] CVD-реактор обладает большей производительностью за счет применения сборки подложкодержтелей. Недостатком конструкции является ее сложность и применение в технологическом процессе взрывоопасного реагента -водорода.

В основу полезной модели поставлена задача расширения арсенала средств и создание новой конструкции реактора для получения эпитаксиальных слоев карбида кремния одновременно на нескольких кремниевых подложках, и реализующего технологию на основе метода согласованного замещения атомов [1]. Достигаемый технический результат - упрощение конструкции реактора.

Поставленная задача решается изменением конструкции.

Заявляемый реактор для получения эпитаксиальных слоев карбида кремния на кремниевой подложке имеет цилиндрический вертикально ориентированный корпус, выполненный из кварцевого стекла с верхним и нижним уплотняющими фланцами, снабженными патрубками для ввода газа реагента и вывода реакционной смеси. Внутри корпуса по оси размещена сборка подложкодержателей. Реактор также содержит цилиндрическую катушку индукционного нагрева, концентрично охватывающую сборку подложкодержателей. От прототипа отличается тем, что сборка подложкодержателей размещена на осевом стержне, соединенном с нижним фланцем, и состоит из подложкодержателей, выполненных в виде дисков, установленных друг над другом и разделенных между собой дистанционными элементами. При этом в подложкодержателях вдоль края выполнены отверстия, распределенные по окружности и предназначенные для прохождения центрирующих вертикально ориентированных стержней, нижние торцы которых закреплены на нижнем подложкодержателе.

Дистанционные элементы могут быть выполнены в виде втулок, надетых на центрирующие стержни или в виде цилиндрических колец, расположенных между центрирующими стержнями и снабженных радиальными сквозными отверстиями.

Для того, чтобы лучше продемонстрировать отличительные особенности полезной модели, в качестве примера, не имеющего какого-либо ограничительного характера, ниже описан предпочтительный вариант.

Пример реализации иллюстрируется Фигурами чертежей, на которых представлено: Фиг. 1 - заявляемый реактор, осевой разрез (схематично), Фиг. 2 - фрагмент сборки подложкодержателей с дистанционными втулками и установленными подложками: а) поперечный разрез, б) продольный разрез; Фиг. 3 - фрагмент сборки подложкодержателей с дистанционными цилиндрическими кольцами и установленными подложками: а) поперечный разрез, б) продольный разрез; Фиг. 4 - фрагмент сборки подложкодержателей с дистанционными втулками и с подложками, контактирующими с верхними и с нижними поверхностями подложкодержателей, продольный разрез.

Реактор имеет вертикально ориентированный корпус 1, выполненный из высококачественного кварцевого стекла и снабжен верхним уплотняющим фланцем 2 и нижним уплотняющим фланцем 3. Фланцы оснащены вакуумными уплотнениями 4. Нижний фланец 3 снабжен патрубком 5 подвода реакционной углеродсодержащей газовой смеси (как альтернатива на Фиг. 1 показан пунктиром патрубок 6, которым может быть снабжен верхний фланец). Нижний фланец также снабжен патрубком 7 для отвода реакционной смеси, присоединяемым к системе вакуумной откачки 8. В корпусе реактора (в реакционной камере) по оси размещен стержень 9, выполненный из малотеплопроводящего электроизоляционного материала, стойкого при температурах до 1400°С, например, алюмосиликатной керамики. Стержень 9 может быть полым и внутри него может быть размещена термопара 10 для измерения температуры сборки подложкодержателей. Стержень 9 соединен с нижним фланцем 3.

На верхнем торце стержня 9 установлена сборка 11 подложкодержателей 12 (на Фиг. 1 сборка 11 показана условно). Подложкодержатели 12 выполнены в виде дисков из электропроводящего и стабильного при температурах до 1400°С материала, например, графита. Подложкодержатели 12 установлены друг над другом, но при этом разделены между собой дистанционными элементами, то есть, подложкодержатели чередуются с дистанционными элементами. В подложкодержателях 12 вдоль края выполнены отверстия, распределенные по окружности. Через эти отверстия проходят центрирующие вертикально ориентированные стержни 13. Нижние торцы стержней 13 закреплены на нижнем подложкодержателе.

На Фиг 2 - Фиг. 4 показаны возможные варианты реализации дистанционных элементов, отделяющих подложкодержатели 12 друг от друга, а также возможные варианты размещения подложек 14. На Фиг. 2 показаны дистанционные элементы в виде втулок 15, расположенных между подложкодержателями 12, втулки надеты на центрирующие стержни 13. На Фиг. 3 показаны дистанционные элементы в виде уплощенных цилиндрических колец 16 (типа плоских шайб), расположенных между центрирующими стержнями и снабженных радиальными сквозными отверстиями 17. На Фиг. 4 показано, что подложки могут контактировать не только с верхними поверхностями подложкодержателей 12, но и с нижними, то есть, устанавливаются с обоих торцов дистанционных элементов. Дистанционные элементы могут быть выполнены из конструкционного графита, пористого графита или их аналогов (графитовый войлок). Осевой размер (толщина) дистанционных элементов может составлять 1-10 мм.

Реактор снабжен нагревательным устройством, выполненным в виде цилиндрической катушки 18 индукционного нагрева, установленной на специальном держателе (на Фиг. 1 не показан) вне реакционной камеры и концентрично охватывающей корпус 1 и, соответственно, сборку 11 подложкодержателей. Катушка 18 подсоединяется к источнику питания. Держатель катушки выполнен из диэлектрического материала и может иметь любую приемлемую форму, обеспечивающую надежную фиксацию витков катушки и соединен с конструкционными элементами реактора любым приемлемым способом, при этом катушка охватывает стенки корпуса в зоне расположения сборки 11 подложкодержателей.

Устройство работает следующим образом.

В качестве подложек 14 используют пластины в форме дисков монокристаллического кремния, вырезанные с учетом кристаллографической ориентации. Предварительно осуществляют сборку подложкодержателей, размещая подложки 14 внутри сборки (над подложкодержателями или над и под подложкодержателями, как это показано на Фигурах). После герметизации из реактора откачивают воздух до давления 10^-3-10^-4 Па, после чего подают напряжение на катушку 18 индукционного нагрева. Высокочастотный ток, протекающий в катушке 18, вызывает нагрев подложкодержателей 12, и соответственно, размещенных на них (и/или под ними) подложек 14, до температуры 950-1400°С, которая может контролироваться с помощью термопары 10. Нижняя граница температурного интервала выбирается из условий роста эпитаксиальной пленки с требуемыми характеристиками, верхняя - из условия не превышения температуры плавления кремния. Затем выполняют прокачку через реакционную камеру углерод-содержащего газа, содержащего оксид углерода или диоксид углерода или их смесь, аргон и силан в выбранном соотношении, давление в реакционной зоне поддерживают в пределах 20-600 Па, а температуру - в указанном интервале. Газовая смесь поступает в реакционную камеру через патрубок 5 (в альтернативном примере исполнения - через парубок 6). В случае применения дистанционных втулок газ свободно проходит между ними. В случае применения дистанционных уплощенных колец реакционная газовая смесь поступает в зону расположения подложек через радиальные отверстия. Время предварительных операций нагрева зависит от задаваемой конечной температуры и составляет 2-5 мин. В процессе работы реактора осуществляется синтез эпитаксиальных слоев карбида кремния на кремнии методом согласованного замещения атомов как это описано в [1]. Время проведение процесса определяется требованиями к эпитаксиальной пленке (ее толщине, гладкости, степени кристалличности), зависит от многих факторов и составляет 1-60 мин.

Таким образом, как и прототип заявляемый реактор позволяет получать эпитаксиальные слои карбида кремния одновременно на нескольких кремниевых подложках при этом для нагрева используется индукционная катушка, обеспечивающая быстрый и равномерный нагрев. Однако по сравнению с прототипом заявляемый реактор обладает существенно более простой конструкцией, при этом подложкодержатели имеют форму плоских дисков с отверстиями, поэтому их изготовление не требует сложных технологических операций, В отличии от прототипа реактор работает с применением невзрывоопасных газов. При этом слой карбида кремния на кремниевой подложке не осаждается из газовой фазы, а синтезируется на кремниевой подложке методом согласованного замещения атомов, что позволяет получать более качественные эпитаксиальные пленки. Конструкция позволяет осуществлять выращивание эпитаксиальных слоев карбида кремния на кремниевых подложках расположенных как над, так и под подложкодержателями, что еще больше увеличивает производительность реактора.

Claims (3)

1. Реактор для получения эпитаксиальных слоев карбида кремния на кремниевой подложке, имеющий цилиндрический вертикально ориентированный корпус, выполненный из кварцевого стекла с верхним и нижним уплотняющими фланцами, снабженными патрубками для ввода газа реагента и вывода реакционной смеси, внутри корпуса по оси размещена сборка подложкодержателей, реактор также содержит цилиндрическую катушку индукционного нагрева, концентрично охватывающую сборку подложкодержателей, отличающийся тем, что сборка подложкодержателей размещена на осевом стержне, соединенном с нижним фланцем, и состоит из подложкодержателей, выполненных в виде дисков, размещенных друг над другом и разделенных между собой дистанционными элементами, при этом в подложкодержателях вдоль края выполнены отверстия, распределенные по окружности и предназначенные для прохождения центрирующих вертикально ориентированных стержней, нижние торцы которых закреплены на нижнем подложкодержателе.

2. Реактор по п. 1, отличающийся тем, что дистанционные элементы выполнены в виде втулок, надетых на центрирующие стержни.

3. Реактор по п. 1, отличающийся тем, что дистанционные элементы выполнены в виде цилиндрических колец, расположенных между центрирующими стержнями и снабженных радиальными сквозными отверстиями.