Устройство для непрерывного осаждения слоев из газовой фазы

 

ОПИСАНИЕ

ИЗОБРЕТЕНИЯ

К ПАТЕНТУ

Союз Coaevcxwx

Социапистичесиих

Респубпии (и>72О996 (6() Дополнительный к патенту (22) Заявлено 240876 (21) 2390247/23-26 (23) Приоритет - (32) 020975 (5!) М. Кл.

В 01 J 17/32

Государственный комитет

СССР но делам изобретений и открытий (33) США (3 () 609879 (53) УЛК 621.315.592 (088.8) Опубликовано 050380, Бюллетень И 9

Дата опубликования описания 08.0380

Иностранец

Роджер Норман Андерсон (CIIfA ) P2) Автор изобретения

Иностранная фирма Тексас Инструментс Инкорпорейтед (США) Pl) Заявитель

-(54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ НЕПРЕРЫВНОГО ОСАЖДЕНИЯ

СЛОЕВ ИЗ ГАЗОВОЙ ФАЗЫ

Изобретение относится к устройствам для непрерывного осаждения слоев из газовой фазы и может быть использ ов ано в полупроводниковой и электронной технике. б

В известных устройствах для осаждения слоев подложку обычно помещают внутрь реактора, например колокола, и герметизируют с последующим 10 проведением осаждения. В некоторых реакторах можно провести несколько операций путем пропускания подложки через различные участки реактора.

Однако, в этом случае, герметизация )® реакционной камеры нарушается, а газы, используемые в осаждении, перед открытием реактора должны быть удалены. Кроме того, если в процессе проводится несколько oneрациЯ в той же камере, эту камеру перед каждой следующей операцией необходимо продувать газоМ или материалом, используемым в предыдущей операции, в результате чего процесс не может быть, непрерывным.

Кроме того, расходуется время на промывку камеры, на открывание камерй для извлечения обработанных подложек и для закладки необработанных подложек в камеру для повторения процесса осаждения.

Известно устройство для непрерывного осаждения слоев из газовой фазы, содержащее горизонтальный реактор в виде соединенных между собой камер предварительного нагрева, осаждения слоев, охлаждения и торцовых камер газового уплотнения. Внутри реактора установлена подставка с подложкодержателем и подложками с возможностью перемещения через камеры. Устройство снабжено нагревателем подложек и патрубками для ВВО» да и вывода газов (1) °

Устройство не обеспечивает полного разделения газов между соседними камерами.

Целью изобретения является улучшение газовой изоляции одной камеры от другой;

Для достижения этой цели устройство снабжено стыковыми узлами, установленными между камерами, причем . патрубки с.оединены с этими узлами.

Кроме того, подставка для подложкодержателя с подложками установлена по оси реактора и делит его на верхнюю и нижнюю части, а подложка расположена рабочей поверхностью вниз, :«тайм-ь:м:. л:. > =М» "м. - - . - и .=.=..- д;» . Ъ .: ч

720996 тыкойые узль; имеют центральную камеру для ввода и вывода газов с вяз костным уплотнением по обе стороны от icамеры, Стыконой узел может содержать дне или более камер, разделенных нязкоотным уплотиенйем.

Устройство может содержать более одной камеры осаждения, реактор вы"полней в нИде кнарцейых =труб;, соединенных стыковыми узлами;

На фиг.1 йокаэайо""схематично *ред- 1Я лагаемое устройство с носьмикамерным

Реактором; на Фиг,2 — подставка с под" ложкодерйФ йель"" и йодложками," на,фиг.

3 — стыконый узел на входе н первую камеру реактора, поперечный Разрез; на Фиг.4 — вторая камера реактора и дна стйковых узла, соединяющих ее с первой и третьей камерами, попереч нйй разрез; на Фиг.5 - - 4етйертйя камера реактора и дна стыконых узла, соединякших ее с третьей и пятой = «кйЖерамй,"*и ойеречный разрез; на Фиг, 6 — шестая. камера реактора и дна стыковых узла, соединяющих- ее с пятой и седьмой камерами, поперечный разрез; на фиг.7 — восьмая камера реактора и дна стыконых узла, один йз которых соединяет ее с седьмой камерой, а другой обраэует ныхбд из реактора, поперечный разрез; на фиг.

8 — диаграмма давления газов по Зо длине реактора; на фиг.9 — функцио нальная схема органов управления

""Регу11йРуйх4их поток газов,"входя щих н реактор; на фиг.10 — функцио= нальная схема ввода и вывода газов из реактора, подсоединенного к схеме

= "управления, пбказанной на фиг.9; на фиг.11 — то же, дРугой вариант.

Устройство (фиг;1) содержит Реактор, имеющий восемь камер 1-8, сое- 40 дйненных cò àìè 9-17; В состав этих восьмй камер входит камера 1 азотноi î уплотнения, камера 2 предварительного нагрева, четыре камеры 3-6 осаж- "дения,--камера 7 охлаждения Й камера

8 .азотного уплотнения. Подачу газа осуществляют по патрубкам 18 для двух различных процессов осаждения," газы могут быть направлены н любую иэ четырех камер осаждения. Камеры нагре нают посредством узла 19.

По оси реактора установлена подставка 20 (фиг.2), кбтофЯя .целит его, йа верхнюю и нйжнюю части.

Подложкодержатель 2 1 имеет открйтое со дна отверстие, н которое эакладынают подложку 22 и крышку 23, укладываемую поверх подложки. С каждой стороны подложкодержателя ныполнены промежуточные элементы 24. Подложкодержатель- и-промежуточные эле- 6О менты перемещаются через реактор

"так ;- что," когда какая- либо йодложка останавливается и камере, другие йодложки н реакторе также оказывают= = ся н "камерах, Носитель разделяет Я реактор на верхнюю и нижнюю части, Осаждение происходит н нижней асти, а и верхнюю камеру ннодится защитный газ ° Подложкодержатель 21 и промежуточные элементы 24 перемещаются н реактор на подставке 20 через отнерстие 25 н первом стыке. Отверстие

25 обеспечивает уплотнение реактора.

Вязкостные свойства газа внутри камер предотнращают вход атмосферы н камеры через входное отнерстие реактора.

На фиг,3-7 показан более детальйо реактор с пятью типами стыков, Разделяющих камеры. Стыки симметричны относительно центрального стыка

13. Торцовые стыки 9 и 17 содержат дна газовых уплотнения (одно сверху, другое снизу). Стыки 10-16 с >держат по четыре газовых уплотнения каждый, Стык 13 содержит восемь таких уплотнений.

Стыки 9 и 17 предназначены для создания нязкостного перепада данления между камерой с азотом и атмосферой. Перепад давления, во-первых, обеспечивает демпфер против колебаний данления н результате турбулентности комнатного воздуха, наиболее высокие колебания давления комнатного воздуха составляют 0,005 мм рт.ст., размеры стыка и скорость потока газон подбирают- такими, чтобы обеспечить между азотным уплотнением и атмосферой перепад давления порядка

0,050 мм рт.ст.(эта величина выше колебаний давления комнатного воздуха, что эффективно влияет на турбулентность комнатного ноздуха); но-вторых, обеспечивается достаточно длинный . участок для данной ныходной скорости с тем, чтобы свести встречную диффузию воздуха н азот до приемлемо низкого уровня, Диффузйя, направленная навстречу ламинарному потоку, выражается н снижении концентрации диффундиронанных частиц, что явля- ется отрицательной показательной

Функцией Фактора изоляции; определяемого как произведение объемной скорости потока и длины уплотнения, разделенное на произведение площади поперечного сечения и коэффициент диффузии. Если этот фактор равен, йапример, 20, то снижение концентрации (эффективная изоляция) составит

5/10. Размеры уплотнения и скорости потока газа подбираются такими, чтобы фактор избляции был достаточно высоким.

- Это относится ко всем другим няэкостным уплотнениям, даже если стыки физически более сложны и входят н контакт с другими газами. Выходы из каждогб стыка ие должны блокироваться, чтобы они могли работать при давлении, близком к атмосферному, благодаря чему, на камеры не нпияют измерения н объем720996 ной скорости потока и температуры в смежной камере. Таким образом камеры изолируются одна от другой вязкостными уплотнениями, а отдельные выходы могут быть объединены в общий выходной коллектор. 5

Стыки 10 (фиг.4) и 16 (фиг.7) имеют по два входа как сверху, так и снизу, и выход по центру. Они позволяют вводить в смежные камеры разные, но совместимые газы. Газы должны быть совместимы, поскольку они,проходят в выход по центру. Вязкостные уплотнения предотвращают сообщения между этим выходом и камерами.

Стык 11 (фиг,4) и стык 15 (фиг.6) .являются только выпускными стыками.

Они выпускают основную часть потока из камеры предварительного нагрева и камеры первого осаждения или из камеры охлаждения и камеры последнего осаждения. Стык 11 служит для 20 выпуска газов из камер 2 и З,а стык

15 для выпуска газов из камер 6 и 7.

Стык 12.(фиг.5) и стык 14 (фиг.б) аналогичны стыкам 10 и 16, эа исключением того, что каждый имеет единственный вход сверху. Нижняя часть каждого этого стыка позволяет осуществлять независимый выбор между двумя соседними камерами осаждения. Стык

12 обеспечивает раздел входов в ка- Зо мерах 3 и 4, а стык 14 — раздел входов в камеры 5 и 6.

Стык 13 (Фиг. 5) имеет особую конструкцию. Его назначением является изоляция выпускаемых газов во второй камере 4 осаждения от выпускаемых газов в третьей камере 5 осаждения.

Это позволяет проводить процессы осаждения в смежных камерах, когда газы несовместимы. Центральный вход предназначен для газа, который яв- 4О ляется совместимым в обоих процессах осаждения. Левый выход стыка 13 направлен в коллектор, который является общим для всех выходов с левой стороны реактора. Этот выход направ- 45 лен в средства сжигания. Правый выход стыка 13 направлен в коллектор с правой стороны реактора, где он имеет свои средства сжигания, Правильным подбором размеров 50 уплотнений и объемов впускаемых пото ков можно регулировать давление во всей системе.

Давление в системе измеряют емкостным манометром, который может быть установлен в любой части этой системы, он сообщается с атмосферным давлением (фиг,2).

Давление газа в каждой камере обеспечивает изолированность камер.

Пунктирными линиями отмечено давление газа в верхней части камеры, а сплошными линиями — различные давления по всему реактору в нижней части каждой камеры, Горизонтальный участок давлений соответствует схеме устройства непосредственно под граФиком давлений. Относительно большие изменения давления имеют место на газовых уплотнениях в,стыках °

Внутри камер происходят очень небольшие изменения давления, Давление всей системы регулируют соответствующим подбором зазоров в стыках и скоростей потоков газов. Можно заметить, что давление в азотных уплотнениях выае атмосферного, что исключает вход в реактор окружающей среды снаружи камеры. Устройство выполнено с каналами 26.

Камеры 2-6 нагреваются посредством узла 19, который включает в себя кварцевые лампы (нагреватели)

27 и средства 28 для водяного охлаждения и 29 для воздушного. На каждой стороне стыков 10-15 выполнены каналы 30 охлаждения, через которые может направлятьс я охлаждающий воздух для удаления тепла из стыков. Сами камеры выполнены иэ кварцевой трубки, которая соединяет стыки. Эти трубки уплотнены силиконовым каучуком 31, предотвращающим утечку газа из стыков в охлаждающие каналы 30 и в наружную атмосферу.

Система подачи газа для реактора показана на Фиг.9. Устройство имеет две газопроводные системы I и Н, которые можно подвести к любой из четырех камер для осаждения посредством клапанов 32-34. В нерабочем положении гаэопроводная система 1 подведена к двум центральным камерам осаждения через трубопроводы

35 и 36.

Срабатывание клапана 33 обеспечивает подачу газа через трубопровод

37, а срабатывание клапана 34 обеспечивает подачу газа через трубопровод 38. При срабатывании клапана 32 (беэ клапанов 33 и 34) гаэ из системы I идет только в трубопровод 36.

Из системы П гаэ идет в трубопровод

35. Для увеличения количества камер осаждения могут быть приведены в действие, как и раньше, клапаны

33 и (или) 34. При помощи клапанов

39-42 и 43-46 подводят реакционные газы либо в систему 1, либо в систему И.

При работе используется следующая четырехступенчатая последовательность запуска.

На первой ступени приводится в действие клапан 47, при помощи которого азот подается через все части реактора и газовой системы.

Клапаны 32-.42 и 43-46 приводятся в действие от того же источника энергии, что и клапан 47.

На второй ступени включают клапаны 48,49 и/или 50 (если они предварительно установлены) в результате

720996 чего. вводится водород в-камеру осаждения и смежные с ней стыки. Если в системе I в качестве газа-носителя используется водород, то камера предварительного нагрева и две верхние камеры осаждения содержат водород. Если водород используется в системе If, то камера охлаждения и последние ..две верхние камеры, а также централь"ная прорезь в выпускном стихе также будут продуваться водородом. В это время могут бить подклЮчены охлаждающий воздух и -вода, а также нагреватели 27, На третьей стугени включают клапаны 51-58, в результате чего обес- 15 печивается подвод определенного реакционного газа;- используемого в процессе осаждения. В этом время включаются в работу клапаны 59,60 и (или 61). Гаэй отводятся непосред- 2(1 ственно для сжигания.

На четвертой степени реакционные газы направляются в поток газа-носителя.

В это время включают клапаны 6266 и 67-69 (это нормальная последовательность запуска).

На каждой ступени выполнены соответствующие средства защитной блокировки. После запуска реактора он работает стабильно с перемещением носителей через разные периодические интервалы.

На фиг,10 приведена функциональная

"схема реактора, иллюстрирующая различные направления потока газа в 35 стыках. Все стрелки, отходящие от стыков, обозначают виходы газа из стыков. Каналы для впуска газа направлены на выход системы регулирования (фиг.9). Все стыки, изображенные 4О на фиг.10, детально показаны на фиг, 3-7. Как отмечалось раньше, выпускные каналы из каждой половины реак. тора "ведут в выпуск на сжигание.

Следует отметйть, что расположе- 45 ние стыков (Фиг.10) может использоваться с системой подачи газа (фиг.

9) -и может йспбльэоватЪся "для двухпроцессного реактора с индивидуальным. регулированием четырех камер осаждения. В зависимости от производи " тельйости-реактора стыки можно расположить иначе, чем это изображено на фиг.10. Можно добавить дополнительные стыки, как это показано, например, на Фиг.11. Здесь для впуска вместо выпуска используют стыки 11 (cM.фиг.4) в результате чего устраняется лишний центральный выход между трубопроводами 36 и 38 (фиг.10), если оба входа имеют то же самое строение и их про- И

" тяженность соответствует времени процесса осаждения для данной пропускной способности. Возможны и другие варианты расположения стыков, а также соответствующие модификации 65 системы подачи газов в отличие от изображенных на фиг. 9-11, Прй использовании устройства принимаетс я решение, к ание ос аждення должны наноситься на подлож:<у н в каких камерах. Клапаны в системе регулирования устанавливают на желаемые скорости потоков, Благодаря эффективной изоляции различных камер потоком газов непрерывный последовательный ряд подложек может переме-. щаться через реактор с обеспечением непрерывнбго процесса. Системы могут быть приспособлены к любому количеству или любым комбинациям процессов химического парофазного осаждения, включая осаждение эпитаксиального слоя, поликристаллического кремния, а окислов или металла путем подбора количества, порядка и длины камер с использованием соответствующих газов, температур в камерах и времени для данного процесса.

Устройство для непрерывного осаждения обеспечивает эффективную изоляцию различных камер, так что в смежных камерах можно использовать несовместимые газы и одновременно выполнять различные процессы осаждения, Реактор может быть модифицирован изменением моделей с различными камерами и стыками. Эта гибкость обеспечивает реакционную камеру, в которой подложки могут непрерывно обрабатываться при любом количестве процессов и комбинаций операций ° Каждая камера выполнена из кварца, ее можно снять для очистки и заменить, что предотвращает износ всего реактора.

Формула изобретения

1, устройство для непрерывного осаждения слоев из газовой. фазы, содержащее горизонтальный реактор, имеющий соединенные, между собой камеры предварительного нагрева, осаждения слоев, охлаждения и камеры газового уплотнения, подставку для подложкодержателя с подложками, установленную внутри реактора с возможностью аксиального перемещения через все камеры, нагревали и патрубки для ввода и вывода газов, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что, с целью улучшения газовой изоляции одной камеры от другой, устройство снабжено стыковыми узлами, установленными между камерами, причем патрубки для ввода и вывода газов соединены с указанными стыковыми узлами.

2. Устройство по п ° 1, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что подставка для подложкодержателя с подложками установлена по оси реактора и делит его на верхнюю и нижнюю части, 720996

3, Устройство по п.1, о т л и ч а ю щ е р с я тем, что стыковые узлы имеют центральную камеру для впуска или выпуска газон с вяэкостным уплотнением по обе стороны от этой ценгральной камеры. 4. Устройство по п,З, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что атыковые узлы имеют две или более камер, разделенные вязкостным уплотнением.

5. Устройство по п.1, о т л ич а ю щ е е с я тем, что реактор выполнен в виде кварцевых труб, соединенных стыковыми узлами, Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1. Патент COJA Р 3598082, кл.118-48, 10.08.71 (прототип).

720996

Si liClz fiiy+

1!! 1!Г!

Pzg. i0!!

Фиг.у1

Составитель В. Безбородова

Редактор Л.Курасова Текред О.Легеза Корректор Е.Папп

" Заказ 10251/51 Тираж 809 Подписное

ЦНИИПИ Государств6йного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб.,д.4/5

Филиал ППП Патент, г.ужгород, ул.Проектная,4

it! 1!! пр

Pjyz

4Ьс У