RU2767098C2

RU2767098C2 - Cvd reactor for synthesis of heteroepitaxial silicon carbide films on silicon substrates

Info

Publication number: RU2767098C2
Application number: RU2021122786A
Authority: RU
Inventors: Олег Леонидович Сурнин; Виктор Иванович Чепурнов
Original assignee: Общество с ограниченной ответственностью "Открытый код"
Priority date: 2021-07-29
Filing date: 2021-07-29
Publication date: 2022-03-16
Also published as: RU2021122786A3; RU2021122786A

Abstract

FIELD: physics.

SUBSTANCE: invention relates to semiconductor production equipment and can be used to form structures of sensors of physical quantities and converters of energy of beta radiation into an electrical form. CVD reactor for synthesis of heteroepitaxial silicon carbide films on silicon substrates by chemical vapor deposition includes inner quartz tube 1 with coaxially installed quartz outer tube 8, with placed inside two-zone, made of graphite, coated with silicon carbide, container 2 with substrate holders 4, induction-type heater 20 and a hydrogen supply/removal system 16, 15 as a carrier gas, wherein container 2 is mounted on hollow pedestal 6 directing the hydrogen flow to the first zone, between container 2 and pedestal 6 there is metal plate-disc 7 heated by the HF field of the inductor with holes for the passage of hydrogen flow, first zone of said container 2 along the path of carrier gas includes base 3 as a carbon source, is made without heat shields and is intended for hydrogen preheating and reaction of carbon with hydrogen in through channels of base 3 with subsequent transport transfer of obtained gaseous hydrocarbons into a second zone, including an assembly of substrate holders 4 with substrates and heat shields 5, note here that both zones are communicated via holes for transfer of hydrocarbons by hydrogen flow above silicon substrates. Holes in the substrate holders for the gas flow transition along the height of container 2 above the silicon substrates are located so that the silicon substrates do not overlap the holes in the substrate holders, wherein the holes of the next substrate holder are turned through 180° relative to the previous one.

EFFECT: presence in the reactor of a base as a carbon source makes it possible to exclude the supply of carbon-containing components into the reactor, which simplifies the design of the reactor; advantages of the reactor are also the supply of a single hydrogen carrier gas, simple maintenance due to easy disassembly of the reactor for cleaning from impurities, interchangeability of parts, which ensures repairability and reliability of the system as a whole.

6 cl, 11 dwg

Description

Изобретение относится к области техники полупроводникового производства, а именно устройству CVD-реактора предназначенного для формирования гетероэпитаксиальных структур карбида кремния на кремниевых подложках при температурах 1360-1380°С в потоке газа-носителя водорода.The invention relates to the field of semiconductor production, namely the device CVD-reactor designed to form heteroepitaxial structures of silicon carbide on silicon substrates at temperatures of 1360-1380°C in a flow of hydrogen carrier gas.

Известны устройства конструкций реакторов CVD-газофазной эпитаксии полупроводниковых пленок, однако, особенность формирования гетероэпитаксиальных структур карбида кремния на кремнии при температурах 1360-1380°С в потоке газа-носителя водорода ограничивает применимость большинства известных технических решений. Известно устройство реактора [1] для получения исходного поликристаллического кремния в процессе водородного восстановления хлорсиланов или разложения моносиланов содержащего вертикальный водоохлаждаемый корпус из нержавеющей стали, расположенного на водоохлаждаемой стальной плите, сквозь которую проходят изолированные токоподводы с держателями для крепления подложек для осаждения кремния, сопла для подачи потока пара моносилана или парогазовой смеси хлорсиланов с водородом в пространство между рядами подложек и штуцера для подачи азота, создания вакуума и выхода пара или парогазовой смеси, причем токоподводы выполнены Г-образными и разной высоты, а в качестве подложек используют широкие плоские тканые подложки из композиционного материала, которые закрепляют в держателях токоподводов вертикально в направлении нитей основы параллельными рядами, при этом держатели выполнены в форме полуцилиндров с горизонтальной плоскостью, в которых крепят по две плоские широкие подложки, расстояние между которыми составляет не менее двух толщин осаждаемого слоя кремния. Недостатком данного технического решения является невозможность адаптирования конструкции для выращивания гетероструктур карбида кремния на монокристаллической подложке кремния, даже включив в конструкцию газовой системы подачу паров углеводорода. Конструкция реактора не соответствует технологическим требованиям по условиям формирования гетероструктур карбида кремния на подложке кремния.Known devices for the design of reactors for CVD gas-phase epitaxy of semiconductor films, however, the peculiarity of the formation of heteroepitaxial structures of silicon carbide on silicon at temperatures of 1360-1380 ° C in a hydrogen carrier gas flow limits the applicability of most known technical solutions. A reactor device [1] is known for producing the original polycrystalline silicon in the process of hydrogen reduction of chlorosilanes or the decomposition of monosilanes containing a vertical water-cooled stainless steel case located on a water-cooled steel plate through which insulated current leads with holders for attaching substrates for silicon deposition, nozzles for feeding flow of monosilane steam or a vapor-gas mixture of chlorosilanes with hydrogen into the space between the rows of substrates and a fitting for supplying nitrogen, creating a vacuum and exiting steam or a vapor-gas mixture, moreover, the current leads are L-shaped and of different heights, and wide flat woven substrates made of composite material are used as substrates. material, which are fixed in the current lead holders vertically in the direction of the warp threads in parallel rows, while the holders are made in the form of half-cylinders with a horizontal plane, in which two flat wide substrates are fixed, the distance is waiting for which is at least two thicknesses of the deposited layer of silicon. The disadvantage of this technical solution is the impossibility of adapting the design for growing silicon carbide heterostructures on a single-crystal silicon substrate, even including the supply of hydrocarbon vapors in the design of the gas system. The design of the reactor does not meet the technological requirements for the conditions for the formation of silicon carbide heterostructures on a silicon substrate.

Известно также устройство для осаждения слоев из газовой фазы при пониженном давлении [2] содержащее вертикальный водоохлаждаемый реактор, имеющий горизонтальное основание и установленный на нем колпак, снабженный средством для ввода водорода и средством для ввода газовой смеси в форме патрубка, размещенного в полости реактора по его оси и имеющего отверстия на боковой поверхности для подачи газовой смеси к поверхности подложек, средство для вывода газов, выполненное в основании реактора и установленный коаксиально патрубку полый перфорированный цилиндр, причем над полым перфорированным цилиндром на расстоянии h=(0,1-0,12)d от его верхнего торца соосно установлен экран в форме диска, имеющий диаметр D=(0,9-1,1)d, где d - внутренний диаметр полого перфорированного цилиндра, в основании реактора выполнена полость, отделенная от реакционного объема перфорированной перегородкой, имеющей площадь не менее площади горизонтального сечения реактора и сообщающейся со средствами для вывода газов, подложки размещены на внутренней поверхности полого перфорированного цилиндра, а отверстия на боковой поверхности патрубка, в перегородке и на свободной от подложек поверхности полого цилиндра распределены равномерно, причем суммарная площадь отверстий в полом цилиндре меньше суммарной площади отверстий в перегородке и больше суммарной площади отверстий в патрубке. Недостатком данного технического решения является сложность обслуживания /очистки реакторной системы, сложность конструкции газовой системы обусловленной раздельной подачей парогазовой смеси и потока водорода, механическим привод вращения подложек. Реактор предназначен для газофазного осаждения соединений группы А3В5, конструкция не позволяет поддерживать температуру в диапазоне 1360-1380°С, т.к. тепловые экраны конструкции реактора не способны исключить деформацию кварцевой трубы и обеспечить безопасность его работы.It is also known a device for deposition of layers from the gas phase at reduced pressure [2] containing a vertical water-cooled reactor having a horizontal base and a cap mounted on it, equipped with a means for introducing hydrogen and a means for introducing a gas mixture in the form of a pipe placed in the cavity of the reactor along its axis and having holes on the side surface for supplying the gas mixture to the surface of the substrates, a means for removing gases made in the base of the reactor and a hollow perforated cylinder installed coaxially to the branch pipe, and above the hollow perforated cylinder at a distance h=(0.1-0.12) d from its upper end, a disk-shaped screen is installed coaxially, having a diameter D=(0.9-1.1)d, where d is the inner diameter of a hollow perforated cylinder, a cavity is made at the base of the reactor, separated from the reaction volume by a perforated partition having an area not less than the area of the horizontal section of the reactor and communicating with the means for removing gases, the substrates are placed on the inner surface of the hollow perforated cylinder, and the holes on the side surface of the branch pipe, in the partition and on the surface of the hollow cylinder free from substrates are evenly distributed, and the total area of the holes in the hollow cylinder is less than the total area of the holes in the partition and is greater than the total area of the holes in the branch pipe. The disadvantage of this technical solution is the complexity of maintenance / cleaning of the reactor system, the complexity of the design of the gas system due to the separate supply of the gas-vapor mixture and the hydrogen flow, the mechanical drive of the rotation of the substrates. The reactor is designed for gas-phase precipitation of compounds of the A3B5 group; the design does not allow maintaining the temperature in the range of 1360-1380 thermal shields of the reactor design are not able to exclude the deformation of the quartz tube and ensure the safety of its operation.

Другим техническим техническим решением выбранным в качестве аналога является «Способ эпитаксиального выращивания карбида кремния и реактор для его осуществления» [3], в котором устройство реактора содержащего: камеру с установленной в ней, по меньшей мере, одной подложкой, средство подачи в камеру заданных пропорций газообразных реагентов, содержащих соответственно кремний и углерод и средство нагрева стенок камеры, позволяющее поддерживать температуру стенок камеры в пределах 1800-2500°С, средство подачи газообразных реагентов содержит каналы для раздельной подачи в камеру реагентов, содержащих кремний и углерод, смешение реагентов происходит непосредственно в зоне ростовой поверхности подложки, причем камера выполнена с возможностью введения и выведения из нее подложки через отверстие в стенке камеры, выполненное с зазором по периметру подложки, реактор содержит средства подачи в камеру инертного газа через зазор вокруг подложки. В камере внутренняя поверхность которой выполнена из материала представляющего собой твердый раствор карбидов тантала и кремния в тантале, на противоположных ее стенках установлены друг напротив друга две подложки. Недостаток данного технического решения устройства - это высокие температуры наращивания монокристаллического слоя и использование дорогостоящих зародышевых подложек карбида кремния. Рабочий диапазон температур реактора не соответствует подложечному материалу (по температуре плавления 1420°С) для выращивания гетероструктур карбида кремния на подложках кремния. Кроме того, конструкция предусматривает систему раздельной подачи двухкомпонентной газовой смеси, что усложняет устройство в целом.Another technical solution chosen as an analogue is the "Method of epitaxial growth of silicon carbide and the reactor for its implementation" [3], in which the reactor device contains: a chamber with at least one substrate installed in it, a means of supplying specified proportions to the chamber gaseous reagents containing silicon and carbon, respectively, and a means for heating the chamber walls, which makes it possible to maintain the temperature of the chamber walls within 1800-2500 ° C, the means for supplying gaseous reagents contains channels for separate supply of reagents containing silicon and carbon into the chamber, the mixing of the reagents occurs directly in zone of the growth surface of the substrate, wherein the chamber is configured to introduce and withdraw the substrate from it through the hole in the chamber wall, made with a gap along the perimeter of the substrate, the reactor contains means for supplying an inert gas to the chamber through the gap around the substrate. In the chamber, the inner surface of which is made of a material representing a solid solution of tantalum and silicon carbides in tantalum, two substrates are installed opposite each other on its opposite walls. The disadvantage of this technical solution of the device is the high temperature of build-up of the single-crystal layer and the use of expensive silicon carbide embryonic substrates. The operating temperature range of the reactor does not correspond to the substrate material (melting point 1420°C) for growing silicon carbide heterostructures on silicon substrates. In addition, the design provides for a system for separate supply of a two-component gas mixture, which complicates the device as a whole.

Известно устройство «CVD-реактор и способ синтеза гетероэпитаксиальных пленок карбида кремния на кремнии» [4], в котором реактор пониженного давления от 5⋅10² до 5⋅10² Па, включающий кварцевую трубу с размещенным в ней контейнером с подложкой, нагреватели с резистивным типом нагрева и средства подачи в зону синтеза компонентов парогазовой смеси для роста пленки, средство подачи термоактивированного водорода выполненного в виде трубок, расположенных в верхней и нижней стенках контейнера содержащих отверстия направленные по нормали к подложке, средство подачи углерод- и кремнийсодержащих исходных компонентов с газораспределительным кольцом с отверстиями, через которые данные компоненты вводятся в зону синтеза параллельно подложкодержателю, при этом указанные средства подачи компонентов парогазовой смеси размещены отдельно друг от друга. Кроме того, секции танталовых нагревателей и подложки нагреваемые до 800-1380°С размещены в различных параллельных плоскостях в следующей последовательности: нагреватель - подложка - подложкодержатель - подложка -нагреватель, конструкция позволяет поддерживать температуру водорода выше температуры подложки и компонентов пленки как минимум на 100°С. Канал для отвода продуктов синтеза омывает центральный токоввод. Недостатком данного технического решения является сложная система подвода парогазовых углерод- и кремнийсодержащих исходных компонентов в виде парогазовых смесей, сложная компановка системы «танталовый нагреватель- подложкодержатель», представленные их чередованием усложняет обслуживание, кроме того, материал тантал подвергается водородной коррозии. Конструкция предусматривает систему ввода двух исходных компонентов парогазовой смеси и потока активированного водорода как газа обеспечивающего подтравливание - залечивание ростовых дефектов, все это усложняет конструкцию и обслуживание системы после технологического процесса формирования пленки от загрязнений.A device "CVD-reactor and a method for the synthesis of heteroepitaxial films of silicon carbide on silicon" [4] is known, in which a reactor of reduced pressure from 5⋅10 ² to 5⋅10 ² Pa, including a quartz tube with a container with a substrate placed in it, heaters with resistive type of heating and a means for supplying components of a vapor-gas mixture to the synthesis zone for film growth, a means for supplying thermally activated hydrogen made in the form of tubes located in the upper and lower walls of the container containing holes directed normal to the substrate, a means for supplying carbon- and silicon-containing initial components with a gas distribution a ring with holes through which these components are introduced into the synthesis zone parallel to the substrate holder, while the said means for supplying the components of the gas-vapor mixture are placed separately from each other. In addition, sections of tantalum heaters and substrates heated to 800-1380°C are placed in various parallel planes in the following sequence: heater - substrate - substrate holder - substrate - heater, the design allows maintaining the hydrogen temperature above the temperature of the substrate and film components by at least 100° FROM. The channel for the removal of synthesis products washes the central current lead. The disadvantage of this technical solution is a complex system for supplying gas-vapor carbon- and silicon-containing initial components in the form of gas-vapor mixtures; The design provides for a system for introducing two initial components of the gas-vapor mixture and a stream of activated hydrogen as a gas that provides etching - healing of growth defects, all this complicates the design and maintenance of the system after the technological process of forming a film from pollution.

Известно устройство реактора, выбранного в качестве прототипа [5], в котором для выращивания гетероэпитаксиальных пленок 3C-SiC на кремниевых подложках использовался вертикальный водоохлаждаемый реактор с ВЧ-нагревом. Корпус реактора представляет собой кварцевую трубу длиной 400 мм и диаметром 65 мм. реактор содержит пьедестал, изготовленный из особо чистого углерода и покрытый карбидом кремния. Пьедестал имеет две температурные зоны: зону исходных реагентов и зону химического разложения гидридов кремния и углерода, где происходит их осаждение на подложку. Температурный градиент между двумя зонами обеспечивается тепловыми экранами. Химический транспорт углерода осуществлялся потоком газа-носителя водорода скорость потока водорода 0,5 л/мин. Максимальная температура в зоне подложек составляла 1360-1380°С.It is known the device of the reactor, selected as a prototype [5], in which a vertical water-cooled reactor with RF heating was used to grow heteroepitaxial 3C-SiC films on silicon substrates. The reactor vessel is a quartz tube 400 mm long and 65 mm in diameter. the reactor contains a pedestal made of highly pure carbon and coated with silicon carbide. The pedestal has two temperature zones: the zone of initial reagents and the zone of chemical decomposition of silicon and carbon hydrides, where they are deposited on the substrate. The temperature gradient between the two zones is provided by thermal shields. The chemical transport of carbon was carried out by a flow of hydrogen carrier gas, the flow rate of hydrogen was 0.5 l/min. The maximum temperature in the substrate zone was 1360–1380°C.

Недостаток данного технического решения заключается в подаче водорода в объем реактора, где расположен пьедесталл, но при этом только часть водорода без должной термоактивации участвует в химической транспортной реакции, основная часть водорода проходит между пьедесталлом и кварцевой трубой, не участвуя в процессе выращивания полупроводниковой структуры - это не эффективно. По описанию в зоне исходных реагентов предполагается наличие кремния, т.к. отмечено, что в зоне химического разложения есть гидриды кремния, однако химические транспортные реакции перевода твердой фазы кремния в соединение с водородом протекают при температурах жидкой фазы кремния, а вот процесс химических транспортных реакций с участием твердой фазы углерода и водорода при температурах от 700°С до 1100°С имеет место быть.The disadvantage of this technical solution is the supply of hydrogen to the volume of the reactor, where the pedestal is located, but only part of the hydrogen without proper thermal activation participates in the chemical transport reaction, the main part of the hydrogen passes between the pedestal and the quartz tube, not participating in the process of growing the semiconductor structure - this not efficient. According to the description, the presence of silicon is assumed in the zone of the initial reagents, since it was noted that there are silicon hydrides in the zone of chemical decomposition, however, chemical transport reactions of the conversion of the solid phase of silicon into a combination with hydrogen proceed at temperatures of the liquid phase of silicon, but the process of chemical transport reactions involving the solid phase of carbon and hydrogen at temperatures from 700 ° C to 1100°C is the place to be.

Целью предлагаемого технического решения является упрощение устройства CVD-реактора и ее обслуживания.The purpose of the proposed technical solution is to simplify the design of the CVD reactor and its maintenance.

Технический результат предполагаемого изобретения заключается в упрощении конструкции, исключая подвод углерод- и кремнийсодержащих компонентов, при этом обеспечивается только эффективный подвод газа-носителя водорода, разборная конструкция реактора удобна для жидкостной очистки поверхностей системы после технологических операций от неконтролируемых примесей, ремонтоспособность и надежность работы при высоких температурах 1360-1380°С в потоке газа- носителя водорода.The technical result of the proposed invention is to simplify the design, excluding the supply of carbon- and silicon-containing components, while providing only an effective supply of hydrogen carrier gas, the collapsible design of the reactor is convenient for liquid cleaning of the system surfaces after technological operations from uncontrolled impurities, maintainability and reliability at high temperatures of 1360-1380°C in a flow of hydrogen carrier gas.

Указанный технический результат достигается тем, что устройство реактора CVD-газофазной эпитаксии гетероэпитаксиальных структур карбида кремния на кремниевых подложках включает кварцевую трубу с размещенным в ней контейнером с подложкодержателями, причем контейнер двухзонный выполненный из графита покрытого поликристаллическим карбидом кремния, включающий систему подачи газа и внешний индукционный ВЧ- нагреватель. Первая низкотемпературная зона контейнера по ходу газа-носителя выполнена без тепловых экранов и функционально предназначена для предварительного подогрева водорода и протекания прямой химической транспортной реакции переноса углерода в форме газообразных углеводородов во вторую высокотемпературную зону представленную сборкой кассет-подложкодержателей сообщающихся отверстиями. Отверстия в подложкодержателях выполнены для переноса углеводородов потоком водорода параллельно плоскости подложек кремния по высоте сборки подложкодержателей. Снаружи сборка подложкодержателей заключена в тепловые экраны обеспечивающие температурный градиент между и зонами. Тепловые экраны имеют резрез по образующей. Разрезы секций тепловых экранов обращены в одну сторону и образуют линию разрыва прерывающей цепь циркуляции наведенных токов от индуктора. Кроме того, тепловые экраны обеспечивают градиент температур между зонами. Функциональное назначение второй зоны: при температуре 1360-1380°С протекает обратная реакция распада молекул углеводородов адсорбированных на поверхности подложек кремния до свободного углерода и образования соединения в виде пленки карбида кремния на поверхности подложки кремния. Отверстия в подложкодержателях для прохода газового потока по высоте контейнера над подложками кремния расположены вдоль дуги окружности относительно края подложки кремния. Сопряжение сборки подложкодержателей и сборки тепловых экранов контейнера выполнены на свободной посадке. Реактор вертикального типа, контейнер установлен на диэлектрическом пьедестале выполненного в виде кольца направляющего поток водорода в первую зону. Между контейнером и пьедесталом установлена металлическая (молибденовая) пластина в виде диска, разогреваемая ВЧ-полем, с отверстиями обеспечивающими дополнительную функцию предварительного подогрева потока водорода. Замкнутый объем реактора обеспечивается верхними и нижними крышками сопряженными с парными фланцами, обеспечивающими зазор между коаксиально установленными кварцевыми трубами, зазор предназначен для охлаждения потоком воды стенки внутренней кварцевой трубы. Герметичность полости реактора и системы охлаждения кварцевых труб реактора обеспечивается струбциной, стягивающей нижнюю и верхнюю крышки реактора с эластичными парными уплотнениями на фланцах.This technical result is achieved by the fact that the device of the reactor for CVD gas-phase epitaxy of heteroepitaxial structures of silicon carbide on silicon substrates includes a quartz tube with a container with substrate holders placed in it, and the container is two-zone made of graphite coated with polycrystalline silicon carbide, including a gas supply system and an external induction RF - heater. The first low-temperature zone of the container along the carrier gas flow is made without heat shields and is functionally intended for preliminary heating of hydrogen and the flow of a direct chemical transport reaction of carbon transfer in the form of gaseous hydrocarbons to the second high-temperature zone represented by an assembly of cassette-substrate holders connected by holes. The holes in the substrate holders are made for the transfer of hydrocarbons by a hydrogen flow parallel to the plane of the silicon substrates along the height of the substrate holder assembly. Outside, the substrate holder assembly is enclosed in thermal screens providing a temperature gradient between and zones. Thermal screens have a cut along the generatrix. The cuts of the sections of the heat shields are turned in one direction and form a break line interrupting the circulation circuit of the induced currents from the inductor. In addition, thermal screens provide a temperature gradient between zones. The functional purpose of the second zone: at a temperature of 1360-1380°C, the reverse reaction of the decomposition of hydrocarbon molecules adsorbed on the surface of silicon substrates to free carbon and the formation of a compound in the form of a silicon carbide film on the surface of the silicon substrate proceeds. The holes in the substrate holders for the passage of the gas flow along the height of the container above the silicon substrates are located along a circular arc relative to the edge of the silicon substrate. The mating of the substrate holder assembly and the assembly of container heat shields is made on a loose fit. The reactor is a vertical type, the container is mounted on a dielectric pedestal made in the form of a ring directing the flow of hydrogen into the first zone. Between the container and the pedestal, a metal (molybdenum) plate in the form of a disk is installed, heated by an HF field, with holes providing an additional function of preheating the hydrogen flow. The closed volume of the reactor is provided by upper and lower covers coupled with paired flanges that provide a gap between the coaxially installed quartz tubes, the gap is designed to cool the wall of the inner quartz tube with a stream of water. The tightness of the reactor cavity and the cooling system of the reactor quartz tubes is ensured by a clamp that tightens the lower and upper covers of the reactor with elastic paired seals on the flanges.

Устройство CVD-реактора представлено на фиг.1 и состоит из вертикальной кварцевой трубы 1 с размещенным в ней контейнером 2. Контейнер содержит на свободной посадке основание 3 и установленную на нем сборку подложкодержателей 4 с тепловыми экранами 5. Основание 3 установлено на пьедестале 6 через промежуточный металлический (например, молибденовый) диск 7. Сопрягаемые детали: основание 3, подложкодержатели 4 и металлический диск 7 сообщаются между собой посредством отверстий. Коаксиально кварцевой трубы 1 установлена наружная кварцевая труба 8, зазор между трубами задан верхним и нижним фланцами 9 и 10 с каналами 11 и 12 для подвода - отвода воды охлаждения. Кварцевая труба 1 закрыта верхней и нижней крышками 13 и 14 с каналами для подвода 16 и отвода 15 газа. У фланцев 9 и 10 эластичные уплотнения обеспечивает герметичность системы по воде охлаждения и газовому потоку посредством обжатия струбциной 17 с диэлектрическими стойками 18 и винтом уплотнения 19. Наружная кварцевая труба 8 охвачена индуктором ВЧ-нагрева 20. Типоразмеры деталировки CVD-реактора задаются диаметром кремниевой пластины.The device of the CVD reactor is shown in figure 1 and consists of a vertical quartz tube 1 with container 2 placed in it. metal (for example, molybdenum) disk 7. Mating parts: base 3, substrate holders 4 and metal disk 7 communicate with each other through holes. An external quartz pipe 8 is installed coaxially with the quartz pipe 1, the gap between the pipes is set by the upper and lower flanges 9 and 10 with channels 11 and 12 for supplying and discharging cooling water. Quartz pipe 1 is closed with top and bottom covers 13 and 14 with channels for supply 16 and discharge 15 of gas. At flanges 9 and 10, elastic seals ensure the tightness of the system in terms of cooling water and gas flow by crimping with a clamp 17 with dielectric racks 18 and a seal screw 19. The outer quartz pipe 8 is covered by an RF heating inductor 20. The standard dimensions of the detailing of the CVD reactor are set by the diameter of the silicon wafer.

Элементы конструкции CVD-реактора собираются и работают следующим образом. Нижнюю крышку 14 (деталировка на фиг.3) устанавливают на низ струбцины 17 (фиг.1), на нижнюю крышку 14 устанавливают нижний фланец 10 (деталировка на фиг.4) (с эластичными уплотнениями и каналом для прохода воды охлаждения), затем на крышку 14 устанавливают пьедестал 6 (деталировка на фиг.11) и металлический диск 7, например, из молибдена с отверстиями. Сборку контейнера начинают с основания 3 (деталировка на фиг.7), на которое устанавливают последовательно подложкодержатели 4 (деталировка на фиг.5), выполненные из графита покрытого поликристаллическим карбидом кремния, с установленными на них подложками кремния (например, диаметром от 70 до 150 мм) так, чтобы подложки кремния не перекрывали отверстия в подложкодержателях, причем направление отверстий следующего подложкодержателя с подложкой кремния повернуто на 180°. На пару нижних подложкодержателей подложки кремния не устанавливаются, они выполняют роль тепловых экранов между 1-й и 2-й зонами. На пару верхних подложкодержателей подложки кремния не устанавливаются, они выполняют роль тепловых экранов для 2-й зоны, так формируется изотермическая полка температуры для подложек кремния в сборке подложкодержателей. Очередным этапом сборки контейнера 2 (фиг.2) является установка тепловых экранов 5 (деталировка на фиг.6) таким образом, чтобы разрезы экранов лежали на одной прямой и предотвращали циркуляцию наведенных токов от индуктора 20 (фиг.1). Далее контейнер 2 (фиг.2) устанавливают на пьедестал 6 (деталировка на фиг.11) с металлическим диском 7 (например, из молибдена) и затем устанавливают внутреннюю кварцевую трубу 1 (деталировка на фиг.9), затем наружную кварцевую трубу 8 (деталировка на фиг.10) и устанавливают верхний фланец 9 (деталировка на фиг.4) (с эластичными уплотнениями и каналом для прохода воды охлаждения). Реактор закрывают верхней крышкой 13 (деталировка на фиг.8) и посредством верхней части струбцины 17 (фиг.1) винтом 19 (фиг.1) деформируют эластичные уплотнения, последние придают системе герметичность по воде охлаждения и потоку газа-носителя. Разборка системы предполагают операции в обратном порядке.The structural elements of the CVD reactor are assembled and operate as follows. The bottom cover 14 (detail in figure 3) is installed on the bottom of the clamp 17 (figure 1), on the bottom cover 14 set the bottom flange 10 (detail in figure 4) (with elastic seals and a channel for the passage of cooling water), then on cover 14 set pedestal 6 (details in Fig.11) and a metal disk 7, for example, from molybdenum with holes. The assembly of the container starts from the base 3 (detailed in Fig.7), on which substrate holders 4 (detailed in Fig.5) are installed in series, made of graphite coated with polycrystalline silicon carbide, with silicon substrates installed on them (for example, with a diameter of 70 to 150 mm) so that the silicon substrates do not overlap the holes in the substrate holders, and the direction of the holes of the next substrate holder with the silicon substrate is rotated by 180°. Silicon substrates are not installed on a pair of lower substrate holders, they act as heat shields between the 1st and 2nd zones. Silicon substrates are not installed on a pair of upper substrate holders, they act as heat shields for the 2nd zone, thus forming an isothermal temperature shelf for silicon substrates in the substrate holder assembly. The next step in the assembly of the container 2 (figure 2) is the installation of thermal screens 5 (detailed in figure 6) so that the sections of the screens lie on one straight line and prevent the circulation of induced currents from the inductor 20 (figure 1). Next, the container 2 (Fig.2) is installed on a pedestal 6 (detailed in Fig.11) with a metal disk 7 (for example, made of molybdenum) and then the inner quartz pipe 1 (detailed in Fig.9) is installed, then the outer quartz pipe 8 ( detail in Fig.10) and install the upper flange 9 (detail in Fig.4) (with elastic seals and a channel for the passage of cooling water). The reactor is closed with the top cover 13 (detailed in Fig. 8) and by means of the upper part of the clamp 17 (Fig. 1) the elastic seals are deformed with the screw 19 (Fig. 1), the latter make the system airtight in terms of cooling water and carrier gas flow. Disassembly of the system involves operations in the reverse order.

Функциональные взаимосвязи системы узлов устройства и работа: разогретый ВЧ-полем индуктора 20 металлический диск 7 (например, из молибдена) между основанием 3 (деталировка на фиг.7) и пьедесталом 6 (деталировка на фиг.11) предварительно разогревает поток водорода в направлении от нижней крышки 14 реактора к верхней 13 химически активируя его. Основание 3 (деталировка на фиг.7) является бесконечным 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 4 (деталировка на фиг.2). Потоки газа и воды охлаждения по высоте реактора предпочтительно имеют противоположное направление. Разрезы в тепловых экранах 5 выполняют несколько функций: обеспечивают оптический контроль температуры подложкодержателей, прерывают циркуляцию наведенных токов от ВЧ-поля индуктора (что предупреждает их нагрев), предупреждает потери энергии на излучение и тем самым формирует температурное поле второй зоны.Functional interconnections of the system of device nodes and operation: a metal disk 7 (for example, made of molybdenum) heated by the RF field of the inductor 20 between the base 3 (detail in Fig. 7) and the pedestal 6 (detail in Fig. 11) preheats the hydrogen flow in the direction from bottom cover 14 of the reactor to the top 13 chemically activating it. Base 3 (detailed in FIG. 7) is an endless source of carbon, in the through channels of which hydrocarbons are formed by the reaction of carbon with hydrogen at temperatures up to 1100°C, i.e. chemical gas transport of the initial reagent from the first zone to the second zone with silicon substrates is carried out. At a temperature of 1360-1380°C in the second zone, a reverse reaction occurs on the surface of the silicon substrates: the decomposition of hydrocarbons with the formation of a silicon carbide compound on the surface of the silicon substrates along the entire height of the assembly of the substrate holders 4 (detailed in Fig.2). The flow of gas and cooling water along the height of the reactor preferably have the opposite direction. The cuts in thermal screens 5 perform several functions: they provide optical control of the temperature of the substrate holders, interrupt the circulation of induced currents from the HF field of the inductor (which prevents their heating), prevent energy losses due to radiation, and thereby form the temperature field of the second zone.

Технико-экономический эффект применения CVD-реактор синтеза гетероэпитаксиальных пленок карбида кремния на кремниевых подложках:Technical and economic effect of using a CVD reactor for the synthesis of heteroepitaxial silicon carbide films on silicon substrates:

- как следует из описания, в реактор подается единственный газ-носитель: водород;- as follows from the description, the only carrier gas is supplied to the reactor: hydrogen;

- обслуживание: реактор полностью легко разбирается, что позволяет выполнять его жидкостную очистку от неконтролируемых примесей после технологического процесса;- maintenance: the reactor is completely easy to disassemble, which allows its liquid purification from uncontrolled impurities after the technological process;

детали конструкции взаимозаменяемы (что обеспечивает ремонтоспособность и надежность системы в целом).design parts are interchangeable (which ensures the maintainability and reliability of the system as a whole).

ЛИТЕРАТУРАLITERATURE

1. Патент РФ №2158324 от 02.11.1999 г.1. Patent of the Russian Federation No. 2158324 dated 02.11.1999

2. Патент РФ №2010043 С1 от 1994 г.2. RF patent No. 2010043 C1 dated 1994

3. Патент RU №2162117 С2 от 21.01.1999 г.3. Patent RU No. 2162117 C2 dated January 21, 1999.

4. Патент RU №2394117 С2 от 24.03. 2008 г.4. Patent RU No. 2394117 C2 dated March 24. 2008

5. Щербак А.В. Радиоэлектрический эффект в гетеро- структурах карбида кремния на кремнии: Автореф. дисс.канд. физ-мат.наук. - Самара: СамГУ, 2005. - 20 с.5. Shcherbak A.V. Radioelectric effect in silicon carbide heterostructures on silicon: Abstract of the thesis. diss. physical and mathematical sciences. - Samara: SamGU, 2005. - 20 p.

Claims

1. CVD reactor for the synthesis of heteroepitaxial silicon carbide films on silicon substrates by chemical vapor deposition, including an inner quartz tube with a coaxially installed quartz outer tube, with a two-zone container made of graphite coated with silicon carbide, with substrate holders, an induction heater type and a hydrogen supply system as a carrier gas, characterized in that the container is installed on a hollow pedestal that directs the hydrogen flow to the first zone, between the container and the pedestal there is a metal plate heated by the RF field of the inductor with holes for the passage of the hydrogen flow, the first zone of the specified The container along the carrier gas includes a base as a source of carbon, is made without heat shields and is designed for preliminary heating of hydrogen and the reaction of carbon with hydrogen in the through channels of the base with subsequent transport transfer of the obtained gases shaped hydrocarbons into the second zone, which includes an assembly of substrate holders with substrates and thermal screens, both zones being connected to each other by holes for transferring hydrocarbons by a hydrogen flow over silicon substrates.

2. The reactor according to claim 1, characterized in that the holes in the substrate holders for the transition of the gas flow along the height of the container above the silicon substrates are located so that the silicon substrates do not overlap the holes in the substrate holders, and the holes of the next substrate holder are rotated by 180° relative to the previous one.

3. Reactor according to claim 1, characterized in that the container contains a base and an assembly of substrate holders with heat shields installed on it in a loose fit.

4. Reactor according to claim 1, characterized in that the reactor is vertical.

5. The reactor according to claim 1, characterized in that it is equipped with top and bottom covers providing a closed volume with paired flanges covering coaxially installed quartz pipes, the gap between which is designed to wash their walls with a flow of cooling water.

6. The reactor according to claim 1, characterized in that it is equipped with a clamp that tightens the lower and upper covers of the reactor with an elastic seal on the flanges that ensure the tightness of the reactor cavity and the cooling system of the reactor quartz tubes.