RU2468468C2 - Substrate heating device for semiconductor structure manufacturing plant - Google Patents
Substrate heating device for semiconductor structure manufacturing plant Download PDFInfo
- Publication number
- RU2468468C2 RU2468468C2 RU2010149024/28A RU2010149024A RU2468468C2 RU 2468468 C2 RU2468468 C2 RU 2468468C2 RU 2010149024/28 A RU2010149024/28 A RU 2010149024/28A RU 2010149024 A RU2010149024 A RU 2010149024A RU 2468468 C2 RU2468468 C2 RU 2468468C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- substrate
- installation according
- heating
- chamber
- temperature
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Physical Deposition Of Substances That Are Components Of Semiconductor Devices (AREA)
- Control Of Resistance Heating (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к изготовлению полупроводниковых структур на подложках и может быть использовано при производстве полупроводниковых приборов опто- и микроэлектроники.The invention relates to the manufacture of semiconductor structures on substrates and can be used in the manufacture of semiconductor devices optoelectronic and microelectronics.
Настоящее изобретение может быть использовано в установках, в которых начальной операцией технологии изготовления полупроводниковой структуры на подложке является нагрев и/или отжиг подложки. Эта операция применяется при изготовлении полупроводниковых структур эпитаксией методом осаждения из газовой фазы и методом молекулярно-лучевой эпитаксии, для которой характерна низкая скорость роста структуры (~1 мкм/час) в наращивании. Низкая скорость роста полупроводниковой структуры позволяет достаточно точно контролировать толщину слоев в процессе осаждения и снизить диффузию атомов легирующей примеси из подложки, в частности алюминия из сапфира в слой кремния. К тому же низкая температура роста снижает влияние различий в коэффициентах теплового расширения материала подложки и материала наращиваемой структуры (например, при изготовлении монокристаллической структуры на подложке из сапфира) и, следовательно, снижает плотность дефектов в эпитаксиальном слое. Использование сапфира в качестве материала для подложки связано с тем, что для него характерны высокая диэлектрическая проницаемость, низкие диэлектрические потери, низкий саморазогрев, низкая электрическая емкость. Эти свойства сапфира позволяют при использовании его в качестве материала для подложки изготавливать полупроводниковые структуры для интегральных схем с повышенной радиационной стойкостью.The present invention can be used in installations in which the initial operation of the technology for manufacturing a semiconductor structure on a substrate is heating and / or annealing of the substrate. This operation is used in the manufacture of semiconductor structures by epitaxy by the method of deposition from the gas phase and by the method of molecular beam epitaxy, which is characterized by a low growth rate of the structure (~ 1 μm / hour) in building. The low growth rate of the semiconductor structure makes it possible to accurately control the thickness of the layers during the deposition process and to reduce the diffusion of dopant atoms from the substrate, in particular aluminum from sapphire to the silicon layer. In addition, a low growth temperature reduces the effect of differences in the coefficients of thermal expansion of the substrate material and the material of the structure to be expanded (for example, in the manufacture of a single crystal structure on a sapphire substrate) and, therefore, reduces the density of defects in the epitaxial layer. The use of sapphire as a material for the substrate is due to the fact that it is characterized by high dielectric constant, low dielectric loss, low self-heating, low electric capacitance. These properties of sapphire make it possible to use semiconductor structures for integrated circuits with increased radiation resistance when using it as a material for a substrate.
Нагрев и отжиг подложки необходим для получения качественной атомарно чистой поверхности подложки и удаления с ее поверхности загрязнений (углерода, кислорода), которые могут встраиваться в осаждаемый на подложку слой наращиваемого материала. Последнее нарушает упорядоченное расположение атомов и приводит к формированию дефектов в слое, ухудшая качество изготовляемой структуры, что, в конечном счете, приводит к деградации параметров изготавливаемых приборов.Heating and annealing of the substrate is necessary to obtain a high-quality atomically clean surface of the substrate and to remove contaminants (carbon, oxygen) from its surface, which can be embedded in the layer of accumulated material deposited on the substrate. The latter violates the ordered arrangement of atoms and leads to the formation of defects in the layer, worsening the quality of the fabricated structure, which, ultimately, leads to the degradation of the parameters of the fabricated devices.
Температура нагрева и отжига подложки и ограничение температуры сверху определяется материалом подложки, его коэффициентом теплопроводности, коэффициентом термического расширения и другими особенностями. Используемые в настоящее время материалы для подложек и технологии изготовления различных полупроводниковых структур задают температурный режим нагрева подложки в пределах 400-1500°C, так, подложки из арсенида галлия отжигают при температурах 400-600°C, подложки из кремния и сапфира - при температурах от 800°C до 1250°C. Следует отметить, что использование сапфира позволяет существенно увеличить температуру отжига подложки - до температур 1350-1450°C, обеспечивая тем самым условия изготовления более совершенной полупроводниковой структуры, однако нагрев сапфира до таких температур в известных устройствах является экономически затратным.The temperature of heating and annealing of the substrate and the temperature limitation from above is determined by the substrate material, its thermal conductivity coefficient, thermal expansion coefficient, and other features. Currently used materials for substrates and manufacturing techniques for various semiconductor structures determine the temperature regime for heating the substrate in the range of 400–1500 ° C; for example, gallium arsenide substrates are annealed at temperatures of 400–600 ° C, silicon and sapphire substrates at temperatures from 800 ° C to 1250 ° C. It should be noted that the use of sapphire can significantly increase the temperature of annealing of the substrate to temperatures of 1350-1450 ° C, thereby providing conditions for the manufacture of a more advanced semiconductor structure, however, heating sapphire to such temperatures in known devices is economically costly.
Кроме того, отжиг подложки при высоких температурах приводит к формированию ступеней атомной высоты, которые в начальный период осаждения слоя обеспечивают упорядоченное встраивание атомов наращиваемого материала.In addition, annealing the substrate at high temperatures leads to the formation of steps of atomic height, which in the initial period of deposition of the layer provide an orderly incorporation of atoms of the material to be grown.
Одними из основных требований, предъявляемыми к устройству нагрева подложки, являются обеспечение однородного нагрева подложки и низкий расход электропитания при обеспечении достаточно высокой температуры нагрева. Выполнение этих требований особенно актуально при использовании подложек с развитой поверхностью.One of the main requirements for a substrate heating device is to ensure uniform heating of the substrate and low power consumption while ensuring a sufficiently high heating temperature. The fulfillment of these requirements is especially relevant when using substrates with a developed surface.
В большинстве известных установок устройство нагрева подложки установлено внутри рабочей камеры установки и содержит подложкодержатель, на котором крепится подложка, и подключенный к источнику питания нагреватель, расположенный под подложкодержателем (например, М.М.Золотарев, Металлизатор-вакуумщик, Учебник для технических училищ, М.: Высшая школа, 1978, 239 стр.). Нагреватель выполняют в виде проволоки или пластин из тугоплавкого материала, в частности вольфрама, обладающего низкой упругостью пара при рабочих температурах и высоким температурным коэффициентом сопротивления. В этих устройствах нагрев подложки осуществляется за счет теплового излучения нагревателя, что имеет ряд положительных качеств. В частности, нагрев тепловым излучением экономичен, имеет высокий КПД, простое конструктивное оформление и низкую стоимость. Такой тип нагрева применим при обработке подложек из различных материалов, однако в случае использования подложек из оптически прозрачного материала, например сапфира, для ее нагрева требуется значительное повышение температуры нагревателя, что приводит к снижению его срока службы. Кроме того, из-за нелинейного характера поглощения подложкой излучения нагревателя возникают проблемы с обеспечением однородного нагрева последней и, следовательно, изготовления качественной полупроводниковой структуры.In most known installations, a substrate heating device is installed inside the installation’s working chamber and contains a substrate holder on which the substrate is mounted, and a heater connected to a power source located under the substrate holder (for example, M.M. Zolotarev, Metallizer-vacuum cleaner, Textbook for technical schools, M .: High school, 1978, 239 pp.). The heater is made in the form of a wire or plates of refractory material, in particular tungsten, which has a low vapor pressure at operating temperatures and a high temperature coefficient of resistance. In these devices, the substrate is heated due to the thermal radiation of the heater, which has a number of positive qualities. In particular, heating by thermal radiation is economical, has a high efficiency, simple design and low cost. This type of heating is applicable when processing substrates of various materials, however, in the case of using substrates of an optically transparent material, for example sapphire, a significant increase in the temperature of the heater is required for its heating, which reduces its service life. In addition, due to the nonlinear nature of the absorption of the heater radiation by the substrate, problems arise in ensuring uniform heating of the latter and, consequently, manufacturing of a high-quality semiconductor structure.
При нагреве и отжиге подложек из оптически прозрачного материала, например сапфира, используют подложкодержатель в виде массивного молибденового пьедестала, при этом подложку устанавливают на пьедестале, а ее нагрев осуществляется за счет передачи тепла от подложкодержателя, нагреваемого инфракрасным излучением нагревателя (например, H.B.Ashurov, A.G.Budrevich, et al., Nuclear Instruments and Methods in Physics research, B51, 1990, p.476). Недостатком устройства является опасность возникновения радиальных градиентов температуры в подложке при неплотном прилегании ее к подложкодержателю, что приводит к неравномерному нагреву и отжигу подложки. Другим недостатком является тепловая инерционность массивного подложкодержателя, увеличивающая время охлаждения подложки до температуры эпитаксии.When heating and annealing substrates of an optically transparent material, for example sapphire, a substrate holder in the form of a massive molybdenum pedestal is used, the substrate is mounted on a pedestal, and its heating is carried out by transferring heat from the substrate holder heated by infrared radiation of a heater (for example, HBAshurov, AG Budrevich, et al., Nuclear Instruments and Methods in Physics research, B51, 1990, p. 476). The disadvantage of this device is the risk of radial temperature gradients in the substrate when it does not fit snugly to the substrate holder, which leads to uneven heating and annealing of the substrate. Another disadvantage is the thermal inertia of the massive substrate holder, which increases the cooling time of the substrate to the epitaxy temperature.
Известно также применение в качестве нагревателя источника электронов, который позволяет осуществить нагрев оптически прозрачных подложек электронной бомбардировкой (например, А.С.Лютович, Л.В.Кулагина и др., Поверхность. Физика, химия, механика, 1994, вып.2, с.55). В этом устройстве используют подложкодержатель в виде массивного пьедестала из вакуумно-плавленного молибдена высокой чистоты, подложку устанавливают на пьедестале, а ее нагрев осуществляется за счет передачи тепла от подложкодержателя, нагреваемого электронной бомбардировкой. Недостатком устройства, помимо недостатков, присущих вышеприведенному устройству, является большой расход энергии на нагрев и отжиг подложки из-за необходимости нагрева для высоких температур массивного подложкодержателя, а также большое рассеяние тепловой энергии внутри установки для изготовления полупроводниковой структуры.It is also known to use an electron source as a heater, which allows heating of optically transparent substrates by electron bombardment (for example, A.S. Lyutovich, L.V. Kulagina and others, Surface. Physics, Chemistry, Mechanics, 1994,
Основным недостатком известных устройств является неоднородность нагрева подложек и наличие на поверхности подложки градиента температуры в направлении от центра подложки к ее краям. Этот недостаток особенно сильно проявляется при нагреве подложек с развитой рабочей поверхностью, т.е. большими линейными размерами рабочей поверхности.The main disadvantage of the known devices is the heterogeneity of the heating of the substrates and the presence on the surface of the substrate of a temperature gradient in the direction from the center of the substrate to its edges. This disadvantage is especially pronounced when heating substrates with a developed working surface, i.e. large linear dimensions of the working surface.
Другим недостатком является то, что в известных устройствах не предусмотрены средства, обеспечивающие равномерный спад температуры по всему объему подложки после отжига до температуры, при которой осуществляется изготовление полупроводниковой структуры и которая намного ниже температуры отжига. Последнее является актуальным, в частности, при изготовлении кремниевой структуры на подложке из сапфира молекулярно-лучевой эпитаксией. При изготовлении кремниевой структуры на подложке из сапфира молекулярно-лучевой эпитаксией температуру отжига желательно поддерживать достаточно высокой, а температура, при которой изготавливают структуру, - намного ниже температуры отжига - температура роста структуры находится в пределах 650-750°C. Отсутствие средств, обеспечивающих равномерный спад температуры по всему объему подложки после отжига до температуры эпитаксии, приводит к возникновению в наращиваемом полупроводниковом слое напряжений сжатия, следствием чего является возникновение дефектов в изготовляемой полупроводниковой структуре.Another disadvantage is that the known devices do not provide means for ensuring a uniform drop in temperature over the entire volume of the substrate after annealing to a temperature at which the semiconductor structure is manufactured and which is much lower than the annealing temperature. The latter is relevant, in particular, in the manufacture of a silicon structure on a sapphire substrate by molecular beam epitaxy. In the manufacture of a silicon structure on a sapphire substrate by molecular beam epitaxy, it is desirable to maintain the annealing temperature sufficiently high, and the temperature at which the structure is made to be much lower than the annealing temperature - the growth temperature of the structure is in the range 650-750 ° C. The absence of means ensuring a uniform drop in temperature over the entire volume of the substrate after annealing to epitaxy temperature leads to the appearance of compression stresses in the semiconductor layer to be built up, which leads to defects in the fabricated semiconductor structure.
К числу недостатков следует также отнести то, что известные устройства являются энергозатратными при нагреве и отжиге подложек больших линейных размеров. Этот недостаток наиболее сильно проявляется при нагреве и отжиге подложек из сапфира, поскольку возникает необходимость нагрева достаточно массивного пьедестала практически до температуры отжига подложки (≈1000°C). Кроме того, высокотемпературный нагрев пьедестала приводит к высокому газовыделению вблизи рабочей поверхности подложки и ее загрязнению. Следует отметить также, что использование известных устройств не является экономически обоснованным при отжиге подложек из материала с высоким коэффициентом теплопроводности, допускающего нагрев и отжиг при температурах ≈1500°C, в том числе из сапфира.Among the disadvantages should also include the fact that the known devices are energy-intensive when heating and annealing substrates of large linear dimensions. This drawback is most pronounced during heating and annealing of sapphire substrates, since it becomes necessary to heat a sufficiently massive pedestal almost to the substrate annealing temperature (≈1000 ° C). In addition, high-temperature heating of the pedestal leads to high gas evolution near the working surface of the substrate and its contamination. It should also be noted that the use of known devices is not economically feasible when annealing substrates from a material with a high coefficient of thermal conductivity, which allows heating and annealing at temperatures of ≈1500 ° C, including sapphire.
Ближайшим аналогом заявляемому устройству является устройство для нагрева кремниевых подложек, содержащее камеру, в которой расположен проволочный нагреватель, соединенный с источником питания токовводами, и подложкодержатель, закрепленный на торце камеры, причем для обеспечения однородного нагрева подложки, используемой в качестве основы при изготовлении полупроводниковой структуры, между подложкодержателем и нагревателем установлена дополнительная (буферная) подложка из кремния (US 4492852 A, 1985-01-08).The closest analogue of the claimed device is a device for heating silicon substrates, comprising a chamber in which there is a wire heater connected to a power source by current leads, and a substrate holder mounted on the end of the chamber, to ensure uniform heating of the substrate used as the basis for the manufacture of the semiconductor structure, between the substrate holder and the heater there is an additional (buffer) silicon substrate (US 4492852 A, 1985-01-08).
Недостатками ближайшего аналога, как и вышеприведенных устройств, являются влияющие на качество изготовляемых полупроводниковых структур неоднородный нагрев подложек больших линейных размеров, отсутствие средств, обеспечивающие равномерный спад температуры по всему объему подложки после отжига до более низкой температуры, а также высокие энергозатраты при обработке подложек больших линейных размеров и подложек из оптически прозрачных материалов, в том числе подложек из сапфира.The disadvantages of the closest analogue, as well as of the above devices, are the heterogeneous heating of substrates of large linear dimensions, the lack of means, providing a uniform drop in temperature over the entire volume of the substrate after annealing to a lower temperature, as well as the high energy consumption when processing substrates of large linear sizes and substrates of optically transparent materials, including sapphire substrates.
Техническим результатом, достигаемым при использовании настоящего изобретения, является повышение качества изготовляемых полупроводниковых структур путем обеспечения однородного нагрева подложки и равномерного снижения температуры подложки от температуры отжига до температуры наращивания полупроводниковой структуры. Равномерный спад температуры поверхности подложки снижает опасность возникновения в наращиваемом полупроводниковом слое напряжений сжатия, приводящим к дефектам в изготовляемой полупроводниковой структуры. Кроме того, использование настоящего изобретения позволяет снизить энергозатраты, что особенно важно в тех случаях, когда применяется высокотемпературный нагрев (≈1500°C) и отжиг подложек больших размеров.The technical result achieved by using the present invention is to improve the quality of the fabricated semiconductor structures by providing uniform heating of the substrate and uniformly lowering the temperature of the substrate from the annealing temperature to the build-up temperature of the semiconductor structure. A uniform decrease in the surface temperature of the substrate reduces the risk of compressive stresses arising in the semiconductor layer being grown, leading to defects in the fabricated semiconductor structure. In addition, the use of the present invention allows to reduce energy consumption, which is especially important in cases where high-temperature heating (≈1500 ° C) and annealing of large substrates are used.
Технический результат достигается тем, что в устройство нагрева подложки для установки изготовления полупроводниковой структуры, содержащей подложкодержатель и расположенный в камере нагреватель, подключенный к источнику питания токовводами, подложкодержатель установлен в камере, которая снабжена съемной крышкой, при этом подложкодержатель установлен между съемной крышкой и нагревателем.The technical result is achieved by the fact that in the substrate heating device for the manufacture of a semiconductor structure comprising a substrate holder and a heater located in the chamber, connected to a power supply by current leads, the substrate holder is installed in a chamber that is equipped with a removable cover, while the substrate holder is installed between the removable cover and the heater.
Целесообразно выполнить камеру теплоизолированной.It is advisable to make the camera thermally insulated.
При этом можно установить в камере, по меньшей мере, один теплоотражающий экран.At the same time, at least one heat-reflecting screen can be installed in the chamber.
В другом варианте можно для теплоизоляции выполнить отражающей тепловое излучение внутреннюю поверхность, по меньшей мере, одной стенки камеры.In another embodiment, it is possible for thermal insulation to perform reflecting the thermal radiation of the inner surface of at least one chamber wall.
Можно также, по меньшей мере, одну стенку камеры выполнить полой.At least one wall of the chamber can also be hollow.
Можно заполнить полость в стенке камеры теплоизолирующей средой.You can fill the cavity in the wall of the chamber with a heat insulating medium.
В качестве теплоизолирующей среды можно использовать воздух.Air can be used as a heat insulating medium.
Целесообразно давление воздуха поддерживать ниже атмосферного.It is advisable to maintain air pressure below atmospheric.
Целесообразно выполнить крышку теплоизолированной.It is advisable to make the lid thermally insulated.
В частном случае для теплоизоляции крышки можно выполнить ее внутреннюю поверхность отражающей тепловое излучение.In the particular case, to insulate the cover, you can perform its inner surface reflecting thermal radiation.
Можно для теплоизоляции выполнить крышку полой.You can perform a hollow cover for thermal insulation.
Полость в крышке целесообразно заполнить теплоизолирующей средой.It is advisable to fill the cavity in the lid with a heat insulating medium.
При этом в качестве теплоизолирующей среды можно использовать воздух.In this case, air can be used as a heat insulating medium.
Можно поддерживать давление воздуха в полости крышки ниже атмосферного.You can maintain the air pressure in the lid cavity below atmospheric.
Целесообразно нагреватель выполнить в виде набора электрически изолированных друг от друга лент из тугоплавкого материала, уложенных одна подле другой и последовательно соединенных друг с другом, при этом крайние ленты соединить с токовводами.It is advisable to make the heater in the form of a set of electrically isolated from each other tapes of refractory material, stacked next to each other and connected in series with each other, while the extreme tapes are connected to the current leads.
В основе изобретения лежит предложение осуществлять нагрев и отжиг подложки в установке изготовления полупроводниковой структуры в замкнутом пространстве, а именно в замкнутом пространстве камеры, снабженной съемной крышкой. Выполнение крышки съемной позволяет осуществить доступ к подложке потока наращиваемого материала в процессе изготовления полупроводниковой структуры. Наличие в камере теплоотражающих средств (теплоотражающих экранов или выполнение внутренних стенок камеры и крышки отражающими тепловое излучение) и/или выполнение стенок камеры и крышки полыми способствуют теплоизоляции камеры от пространства установки изготовления полупроводниковой структуры и поддержанию в объеме камере требуемой температуры в процессе нагрева, отжига и в процессе охлаждения подложки. Улучшению теплоизоляции способствует заполнение полости в стенках камеры и крышке теплоизолирующей средой, например пиролитическим нитридом бора, воздухом и т.п. При заполнении полости в стенках камеры и крышке воздухом целесообразно откачать его до давления ниже атмосферного, в оптимальном случае до давления ниже давления, поддерживаемого в объеме установки изготовления полупроводниковой структуры. Отражающие тепловое излучение экраны и/или выполнение внутренней поверхности стенок камеры и крышки отражающими тепловое излучение, а также выполнение камеры с теплоизоляцией позволяет снизить энергозатраты на нагрев и отжиг подложки, в том числе на нагрев и отжиг подложки с развитой поверхностью, а также с меньшими энергозатратами повысить температуру отжига подложки, что важно при использовании подложек из сапфира.The basis of the invention is the proposal to heat and anneal the substrate in the installation for the manufacture of a semiconductor structure in a confined space, namely in a confined space of a chamber equipped with a removable cover. The implementation of the removable lid allows access to the substrate of the flow of the accumulated material during the manufacture of the semiconductor structure. The presence in the chamber of heat-reflecting means (heat-reflecting screens or the implementation of the inner walls of the chamber and the lid reflecting thermal radiation) and / or the execution of the walls of the chamber and the lid hollow contribute to the thermal insulation of the chamber from the installation space of the semiconductor structure and to maintain the desired temperature in the chamber during heating, annealing in the process of cooling the substrate. An improvement in thermal insulation is facilitated by filling the cavity in the walls of the chamber and the lid with a heat insulating medium, for example pyrolytic boron nitride, air, etc. When filling the cavity in the walls of the chamber and the lid with air, it is advisable to pump it to a pressure below atmospheric, in the optimal case, to a pressure below the pressure maintained in the volume of the semiconductor structure manufacturing unit. Screens that reflect heat radiation and / or the implementation of the inner surface of the walls of the chamber and cover reflecting heat radiation, as well as the implementation of a chamber with heat insulation, allows to reduce energy consumption for heating and annealing of the substrate, including heating and annealing of the substrate with a developed surface, as well as with lower energy consumption increase the substrate annealing temperature, which is important when using sapphire substrates.
Нагрев и отжиг подложки в замкнутом пространстве камеры позволяет осуществить равномерный нагрев поверхности подложки и равномерное снижение ее температуры от температуры отжига до температуры изготовления полупроводниковой структуры, исключая какое-либо внешнее влияние на изменение температуры подложки.Heating and annealing the substrate in the enclosed space of the chamber allows uniform heating of the surface of the substrate and a uniform decrease in its temperature from the annealing temperature to the manufacturing temperature of the semiconductor structure, eliminating any external influence on the change in the temperature of the substrate.
Повышению однородности нагрева и отжига подложек при снижении энергозатрат способствует также выполнение нагревателя в виде электрически последовательно соединенных лент из тугоплавкого материала, расположенных так, что они образуют практически сплошную поверхность, имеющую одинаковую температуру в каждой ее точке.The uniformity of heating and annealing of the substrates while reducing energy consumption is also facilitated by the design of the heater in the form of electrically series-connected strips of refractory material arranged so that they form an almost continuous surface having the same temperature at each of its points.
Сущность изобретения поясняется фиг.1, на которой схематично изображен один из возможных вариантов заявляемого устройства, в котором все стенки камеры и крышки выполнены полыми и откачаны до давления ниже атмосферного, и фиг.2, на которой схематично изображено расположение лент, образующих рабочую поверхность нагревателя круглой формы.The invention is illustrated in figure 1, which schematically shows one of the possible variants of the inventive device, in which all the walls of the chamber and cover are hollow and pumped to a pressure below atmospheric, and figure 2, which schematically shows the location of the tapes forming the working surface of the heater round shape.
Устройство содержит установленную в вакуумной установке (не приведена) изготовления полупроводниковой структуры камеру 1, в которой расположен подложкодержатель 2 и нагреватель 3, подключенный к источнику 4 питания токовводами 5.The device comprises a chamber 1 installed in a vacuum installation (not shown) for manufacturing a semiconductor structure, in which a
Камера 1 может быть выполнена цилиндрической или иной геометрии, в том числе в соответствии с желаемой геометрией изготовляемой структуры. В дальнейшем описании для конкретизации выбрана цилиндрическая геометрия камеры 1 и соответственно аксиально симметричный подложкодержатель 2 и нагреватель 3 с рабочей поверхности круглой формы, что целесообразно использовать при изготовлении полупроводниковой структуры на круглой подложке. При этом подложкодержатель 2 представляет собой кольцо как минимум с тремя лепестками для крепления на них подложки и расположен между нагревателем 3 и съемной крышкой 6 камеры 1.The chamber 1 can be made of cylindrical or other geometry, including in accordance with the desired geometry of the fabricated structure. For further description, the cylindrical geometry of the chamber 1 and, accordingly, the axially
Съемная крышка 6 может быть закреплена на стержне (не приведен), выведенном за пределы установки с возможностью поворота на угол, превышающий 90°.The
В приведенном на фиг.1 варианте торцовая стенка (дно) и боковая стенка камеры 1 и крышка 6 выполнены полыми: камера 1 имеет наружную стенку 7 и внутреннюю стенку 8, а крышка 6 имеет наружную стенку 9 и внутреннюю стенку 10. Для улучшения теплоизоляции пространства, ограниченного камерой 1, воздух из полости между стенками 7 и 8 камеры 1 и стенками 9 и 10 в крышке 6 откачан до давления ниже атмосферного, например до давления 5·10-9 торр.In the embodiment shown in FIG. 1, the end wall (bottom) and the side wall of the chamber 1 and the
В другом варианте устройства полости в стенке камеры 1 и крышки 6 заполнены теплоизолирующей средой, например пиролитическим нитридом бора.In another embodiment of the device, the cavities in the wall of the chamber 1 and the
Дополнительной теплоизоляции камеры 1 и снижению энергозатрат способствует введение в камеру 1 теплоотражающих экранов. На фиг.1 для упрощения изображения показаны теплоотражающие экраны 11, установленные над дном камеры 1; в общем случае теплоотражающие экраны могут быть установлены и перед стенкой 8 камеры 1, и перед стенкой 10 крышки 6. В качестве теплоотражающих экранов 11 могут быть использованы отполированные пластины из тугоплавкого материала, например молибдена, которые отражают тепловое излучение нагревателя 3.The additional thermal insulation of the chamber 1 and the reduction of energy consumption is facilitated by the introduction of heat-reflecting screens into the chamber 1. 1, for simplicity of the image, heat-reflecting
В другом варианте для отражения теплового излучения можно выполнить стенки камеры 1 и/или крышки 6 отполированными и при этом использовать теплоотражающие экраны.In another embodiment, to reflect the thermal radiation, it is possible to make the walls of the chamber 1 and / or the
Нагреватель 3 (фиг.2) выполнен в виде лент 12 из тугоплавкого материала (вольфрама и др.), электрически изолированных друг от друга путем разнесения их в пространстве на расстояние ~1 мм, при этом каждая лента закреплена на соответствующей стойке (не приведена), выполненной из тугоплавкого материала, например из молибдена. Стойки целесообразно укрепить на торцовой стенке (дне) камеры 1.The heater 3 (figure 2) is made in the form of
Ленты 12 уложены таким образом, что они образуют практически сплошную поверхность. Такое выполнение нагревателя 3 позволяет равномерно нагреть поверхность подложки, расположенной на подложкодержателе 2. Ленты 12 соединены между собой последовательно, а крайние ленты токовводами 5 подключены к источнику 4 питания.
В то время как в традиционном устройстве нагрева, предусматривающем расположение нагревателя и подложкодержателя с подложкой непосредственно в вакуумном объеме установки изготовления полупроводниковой структуры, возможен нагрев подложки из сапфира до температур ≈850°C, заявляемое устройство позволяет осуществить нагрев и отжиг подложек диаметром 100-200 мм до температур 1300-1500°C при снижении энергозатрат более чем в 4 раза по сравнению с использованием традиционного устройства нагрева.While in a traditional heating device, providing for the location of the heater and the substrate holder with the substrate directly in the vacuum volume of the semiconductor structure manufacturing unit, the sapphire substrate can be heated to temperatures of ≈850 ° C, the claimed device allows heating and annealing of substrates with a diameter of 100-200 mm to temperatures of 1300-1500 ° C with a decrease in energy consumption of more than 4 times compared to using a traditional heating device.
Ниже приведен реализуемый на заявляемом устройстве пример нагрева и отжига подложки из сапфира для изготовления монокристаллической структуры из кремния методом молекулярно-лучевой эпитаксии.The following is an example of heating and annealing a sapphire substrate realized on the claimed device for the manufacture of a silicon single crystal structure by molecular beam epitaxy.
В начальный момент времени камера 1 закрыта крышкой 6. Затем включается источник 4, и при изменении проходящего через нагреватель 3 тока осуществляется плавный нагрев подложки до температуры отжига ≈1450°C. Нагрев до температуры отжига может осуществляться в несколько этапов с выдержкой на каждом этапе некоторой температуры в течение времени, при котором вся подложка прогревается равномерно. После отжига плавной регулировкой источника питания осуществляется снижение проходящего через нагреватель 3 тока до температуры эпитаксии ≈600°C. В течение некоторого времени подложка выдерживается в камере 1 при этой температуре, при этом крышка 6 находится в положении «закрыто». После чего крышка 6 снимается, и начинается процесс изготовления полупроводниковой структуры.At the initial time, the chamber 1 is closed by a
Как показывают экспериментальные исследования подложки и изготовляемой полупроводниковой структуры, использование изобретения позволяет получить полупроводниковые структуры высокого качества, на электронограммах которых наблюдаются кикучи-линии.As experimental studies of the substrate and the fabricated semiconductor structure show, the use of the invention allows to obtain high-quality semiconductor structures, on the electron diffraction patterns of which kikuchi lines are observed.
Ниже приведена таблица, отражающая режимы изготовления полупроводниковых структур и их характеристики. Структуры получены в стандартной (без заявляемого устройства нагрева) установке и в установке с заявляемым устройством нагрева, при этом время отжига подложки в обоих случаях выбрано равным 30 мин, скорость роста 0,5 мкм/час и время роста равным 60 мин. В качестве характеристик, отражающих качество полученных полупроводниковых структур, выбрана ширина кривой качания кристалла (Δω1/2), измеренная методом рентгеновской дифракции, и вид дифракционной картины от поверхности слоя, снятый методом электронографии.The table below shows the modes of manufacture of semiconductor structures and their characteristics. The structures were obtained in a standard (without the claimed heating device) installation and in a installation with the claimed heating device, while the substrate annealing time in both cases was chosen equal to 30 minutes, the growth rate was 0.5 μm / h and the growth time was 60 minutes. As the characteristics reflecting the quality of the obtained semiconductor structures, we selected the width of the crystal rocking curve (Δω 1/2 ), measured by X-ray diffraction, and the type of diffraction pattern from the surface of the layer, taken by electron diffraction.
Claims (12)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2010149024/28A RU2468468C2 (en) | 2010-11-30 | 2010-11-30 | Substrate heating device for semiconductor structure manufacturing plant |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2010149024/28A RU2468468C2 (en) | 2010-11-30 | 2010-11-30 | Substrate heating device for semiconductor structure manufacturing plant |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2010149024A RU2010149024A (en) | 2012-06-10 |
| RU2468468C2 true RU2468468C2 (en) | 2012-11-27 |
Family
ID=46679525
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2010149024/28A RU2468468C2 (en) | 2010-11-30 | 2010-11-30 | Substrate heating device for semiconductor structure manufacturing plant |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2468468C2 (en) |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2723477C1 (en) * | 2019-04-26 | 2020-06-11 | Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский Нижегородский государственный университет им. Н.И. Лобачевского" | Unit for fixation of heated substrate in vacuum chamber (embodiments) |
| RU2755405C1 (en) * | 2020-12-22 | 2021-09-15 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт теплофизики им. С.С. Кутателадзе Сибирского отделения Российской академии наук | Installation for high-temperature vacuum annealing of thin films with possibility of in situ optical observation with high resolution |
| RU224497U1 (en) * | 2023-08-30 | 2024-03-28 | Общество с ограниченной ответственностью "Интеллектуальные микросистемы" | Multi-functional wafer substrate holder used in monolithic integrated circuit manufacturing |
Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US4492852A (en) * | 1983-02-11 | 1985-01-08 | At&T Bell Laboratories | Growth substrate heating arrangement for UHV silicon MBE |
| RU1768675C (en) * | 1990-12-25 | 1992-10-15 | Научно-исследовательский институт точного машиностроения | Device for epitaxyal growing of semi-conductive materials |
| SU1321136A1 (en) * | 1985-05-28 | 1994-02-28 | Н.А. Брюхно | Reactor for precipitation of layers |
| RU2020654C1 (en) * | 1991-11-27 | 1994-09-30 | Нургельды Розыев | Substrate thermal treatment device |
| RU2021556C1 (en) * | 1991-08-20 | 1994-10-15 | Валентин Ильич Свиридов | Tank for storing cryogenic liquids |
| RU2394117C2 (en) * | 2008-03-24 | 2010-07-10 | Общество с ограниченной ответственностью научно-производственная фирма "Эпикрист" | Cvd-reactor and method of synthesis of hetero-epitaxial films of silicon carbide on silicon |
-
2010
- 2010-11-30 RU RU2010149024/28A patent/RU2468468C2/en active IP Right Revival
Patent Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US4492852A (en) * | 1983-02-11 | 1985-01-08 | At&T Bell Laboratories | Growth substrate heating arrangement for UHV silicon MBE |
| SU1321136A1 (en) * | 1985-05-28 | 1994-02-28 | Н.А. Брюхно | Reactor for precipitation of layers |
| RU1768675C (en) * | 1990-12-25 | 1992-10-15 | Научно-исследовательский институт точного машиностроения | Device for epitaxyal growing of semi-conductive materials |
| RU2021556C1 (en) * | 1991-08-20 | 1994-10-15 | Валентин Ильич Свиридов | Tank for storing cryogenic liquids |
| RU2020654C1 (en) * | 1991-11-27 | 1994-09-30 | Нургельды Розыев | Substrate thermal treatment device |
| RU2394117C2 (en) * | 2008-03-24 | 2010-07-10 | Общество с ограниченной ответственностью научно-производственная фирма "Эпикрист" | Cvd-reactor and method of synthesis of hetero-epitaxial films of silicon carbide on silicon |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2723477C1 (en) * | 2019-04-26 | 2020-06-11 | Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский Нижегородский государственный университет им. Н.И. Лобачевского" | Unit for fixation of heated substrate in vacuum chamber (embodiments) |
| RU2755405C1 (en) * | 2020-12-22 | 2021-09-15 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт теплофизики им. С.С. Кутателадзе Сибирского отделения Российской академии наук | Installation for high-temperature vacuum annealing of thin films with possibility of in situ optical observation with high resolution |
| RU224497U1 (en) * | 2023-08-30 | 2024-03-28 | Общество с ограниченной ответственностью "Интеллектуальные микросистемы" | Multi-functional wafer substrate holder used in monolithic integrated circuit manufacturing |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| RU2010149024A (en) | 2012-06-10 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| JP6373443B2 (en) | Large-diameter silicon carbide single crystal and apparatus, and manufacturing method thereof | |
| JP5289045B2 (en) | Method and apparatus for producing silicon carbide crystal | |
| TWI723579B (en) | Large-size and high-purity silicon carbide single crystal, base material, and preparation method and device for preparation thereof | |
| CN107287578B (en) | A kind of chemical gas-phase deposition process for preparing of a wide range of uniformly double-deck molybdenum disulfide film | |
| CN107904661B (en) | Growth method of low-stress aluminum nitride crystal | |
| CN110510585B (en) | Preparation method of large-area thin-layer two-dimensional telluroene | |
| JP2016535430A (en) | Carbon fiber ring susceptor | |
| CN103523774A (en) | Preparation method of graphene | |
| CN108193276A (en) | The method for preparing the single-orientated hexagonal boron nitride two-dimensional atomic crystal of large area | |
| RU2468468C2 (en) | Substrate heating device for semiconductor structure manufacturing plant | |
| CN104164649A (en) | Preparation method for large-area lead iodide thick film and implementation equipment thereof | |
| JP2008110907A (en) | Method for producing silicon carbide single crystal ingot, and silicon carbide single crystal ingot | |
| KR101299037B1 (en) | Apparatus for growing single crystal using micro-wave and method for growing the same | |
| KR101097718B1 (en) | Rapid heat treatment apparatus of cigs absorber layer | |
| CN102034895B (en) | For processing heat management and the method for the film based on CIS and/or CIGS of cover glass substrate on a large scale | |
| CN103730523B (en) | A kind of graphene-based mercury cadmium telluride composite film material and preparation method thereof | |
| KR101724291B1 (en) | Apparatus for growing silicon carbide single crystal using the method of reversal of Physical Vapor Transport | |
| JP2011510515A (en) | Zone melt recrystallization of inorganic films. | |
| KR101028116B1 (en) | growth apparatus for multiple silicon carbide single crystal | |
| TW201121090A (en) | Method and device for producing a compound semiconductor layer | |
| CN111472045A (en) | Aluminum nitride single crystal preparation method based on large-size seed crystals | |
| CN114411258B (en) | Growth method and growth equipment of silicon carbide crystals | |
| CN110643961A (en) | Semiconductor device and using method thereof | |
| TWI794853B (en) | Crystal growth apparatus including growth crucible and method of using growth crucible | |
| KR20100091187A (en) | Method of dynamic temperature control during microcrystalline si growth |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20201201 |
|
| NF4A | Reinstatement of patent |
Effective date: 20220204 |