具有在反应室外部的反射器的外延沉积反应器以及冷却衬托器和基底的方法与流程

本发明涉及具有在反应室外部的反射器的外延沉积反应器，以及对外延沉积反应器的反应室中的衬托器(susceptor)和基底(substrate)进行均匀且快速的冷却的方法。

现有技术

任何外延反应器包括加热系统，该加热系统用于加热位于反应室中的待经历外延沉积的基底。

通常，加热系统直接加热衬托器，并且基底通过从支撑其的衬托器传导来接收热量。

因此，加热阶段在外延沉积过程阶段之前。

为了外延沉积的目的，基底必须从工艺的高温度(例如在800℃-1700℃的范围内的温度)被冷却至环境温度(例如在16℃-32℃的范围内的温度)。基底的冷却的一部分通常在反应室内部发生；如果反应室中存在衬托器，则衬托器也被冷却。根据一些已知的解决方案，基底在低温度(例如在100℃-250℃的范围内的温度)从反应室中被取出；根据其他已知的解决方案，基底在中间温度(例如在500℃-1000℃的范围内的温度)从反应室中被取出。根据一些已知的解决方案，衬托器总是保留在反应室中；根据其他已知的解决方案，衬托器与基底一起被取出。

因此，外延沉积过程阶段之后是冷却阶段。

获得反应室内部的冷却的最简单方式是停用加热系统并且等待一段时间；取决于解决方案和工艺，这样的时间间隔通常在3分钟和30分钟之间变化。

在该等待时间段期间，反应室的外壁可以被冷却，例如通过气体流和/或液体流。

在该等待时间段期间，反应室的内部空腔可以被冷却，例如通过气体流。

反应室内部的冷却持续较短时间是有利的；该优点可以源自例如反应器的较高生产率和/或源自反应器中处理的基底的较好品质。

为了完整性的目的，应注意，在过去(20多年前)，本申请人提供了定位在反应室的整个上壁上方的多个可旋转条带：参见专利文献wo9610659a2。

根据该解决方案，所有的条带均具有第一反射表面和第二吸收表面，并且可以以任何角度位置被定位，以便在需要时反射由所述衬托器发射的热辐射。条带的定位通过在反应室侧部的两组齿轮(twopluralitiesofgears)来获得；所有的条带均采取相同的角度位置。这种定位是反应器初始设置的操作中的一种。

根据该解决方案，在条带上方存在冷却液槽，该冷却液槽通过板与条带分隔。

还应注意，申请人从未在自己的产品中实施专利文献wo9610659a2的解决方案，因为它太复杂(机械上)、太严苛(许多齿轮经历高温度和高热偏移)并且太昂贵；代替地，使用了由透明石英制成的反应室，该反应室具有被直接施加至外表面的反射材料的薄层(通常是含金的涂料)，以便很好地反射由衬托器发射的热辐射。

专利文献wo2014176174a1描述并图示了(参见图1)反应器，其中平面反射器(用数字122表示)被定位在反应室的弯曲上壁(用数字128表示)上方。反射器可以在内部具有通道，在通道中使水流动，以便冷却通道；通道的入口(用数字126表示)和出口(用数字126表示)在反射器的上表面。室的上壁可以在内部具有类似的室，在该类似的室中使水流动以冷却该类似的室。

概述

申请人已经认识到，作为其进行的实验的结果，不仅在工艺期间，而且在冷却期间，使基底的温度均匀是非常有利的；该优点可以源自例如热应力和缺陷特别是“滑移线(sliplines)”的减少。

申请人已经为自己设定了提供解决方案的目标，该解决方案允许在外延沉积期间和冷却期间两者获得基底的均匀温度。

申请人还为自己设定了提供允许快速冷却的解决方案的目标。

申请人最后为自己设定了提供不仅有效而且简单的解决方案的目标。

由于具有附随权利要求中阐述的技术特征的外延沉积反应器和冷却方法，这些目的大体上得以实现，附随权利要求是本说明书的组成部分。

本发明的一方面对应于用于对外延沉积反应器的反应室中的衬托器和基底进行均匀且快速的冷却的方法；其主要技术特征在作为本说明书的组成部分的附随权利要求中阐述。

附图列表

根据待结合附图考虑的以下详细描述，本发明将更容易地明显，在附图中：

图1示出了外延沉积反应器的高度示意性(部分)的竖直截面图，以便解释本发明，

图2示出了图1中的反应器的高度示意性(部分)的俯视图，

图3示出了根据本发明的外延沉积反应器的实施方案的示意性(部分)的横向竖直截面图，

图4示出了图3中的反应器的示意性(部分)的俯视图，

图5以高度示意性的方式示出了处于三个不同位置的、图3和图4中的反应器的板。

如易于理解的，在实践中存在各种实施本发明的方式，本发明以其主要有利方面通过附随权利要求来界定。

详细描述

本发明现在将主要非限制性地参考图1和图2来描述，图1和图2涉及“单晶片(single-wafer)”反应器。

用于在基底(这些基底中的一个在图1中用数字100表示)上外延沉积半导体材料的反应器1包括：

-反应室2，其设置有在很大程度上(反应气体进入的前侧和废气离开的后侧除外)由下壁21、上壁22以及侧壁23和24界定的空腔20，

-衬托器3(盘状形状，即，其高度远小于直径的圆柱体，并且至少在外延沉积过程期间旋转)，其定位在空腔20内部，并且适于至少在外延沉积过程期间支撑基底(100)(如图1a中直接地支撑，或间接地支撑，即，通过支撑元件)并且加热基底(100)，

-加热系统6(参见图3)，其适于加热衬托器3(如果提供，可能也加热基底支撑元件)，

-上板7，其是至少部分地反射的，以一定距离被定位在上壁22上方，并且覆盖衬托器3的至少大部分(例如70％或80％或90％)，使得上板7将由衬托器3发射的热辐射至少部分地反射朝向衬托器3；

(至少)一股受控的(即，非自然的)气体流gf被提供在上壁22和上板7之间，以促进热量从上壁22至上板7的传递-特别地，气体流gf发生在管道中，该管道由板7的下表面在上方界定并且由上壁22的上表面在下方界定；

(至少)一股受控的(即，非自然的)液体流lf被提供在上板7中或上板7上，以冷却上板7。

在外延沉积期间，重要的是适当地选择上壁22的温度，特别是面对衬托器3并因此面对支撑的基底的上壁22的下表面的温度；实际上，在外延沉积期间，后一种温度取决于在壁上可能的寄生沉积(spuriousdeposit)。

上板7(其为反射元件)的温度，特别是其上表面的温度，大体上对应于液体的温度；因此，存在极好的冷却。

上壁22的温度至少取决于四个几何参数(衬托器3和壁22之间的距离、壁22的厚度、壁22和板7之间的距离以及板7的厚度)，以及两个化学参数(壁22的材料和板7的材料)。因为上板7(其为反射元件)在反应室外部，这四个几何参数可以在设计阶段非常自由地被选择。

气体流gf不仅用于确定上壁22的温度(特别是其上表面的温度)，还用于确定壁22和板7之间的间隙中的温度概况(temperatureprofile)，以及至少部分地确定板7的下表面的温度，并且因此确定热量从壁22至板7的传递。对气体流gf的流量、速度、温度和化学内含物的选择允许在宽范围内确定这些温度；这是有利的，因为前述几何参数在设计阶段被设定，并且在操作期间它们不适合被修改，即，它们不构成在控制这些温度的方面的自由度。

如图1所示，有利地，板7的下表面与上壁22的上表面是平行的；仍然更有利地，它们均为平坦的。以这种方式，切向且均匀的气体流gf可以在壁22和板7之间建立(以平行于它们的表面并且垂直于衬托器3的旋转轴线的方向)，并且可以自由地选择该流的速度和流量，并且可以以良好的精度预测该流对于温度的影响。

通常，上壁由透明石英制成，并且上板由金属(或金属合金)例如铜、铝、钢制成。

气体流gf(特别是其流量和/或速度和/或温度)可以根据反应器的操作阶段(加热、沉积、冷却)而不同；此外，气体流gf可以在相同的操作阶段内变化。

液体流lf可以根据反应器的操作阶段(加热、沉积、冷却)而不同；此外，液体流lf可以在相同的操作阶段内变化。

板7包括第一部分71，该第一部分71覆盖衬托器3的至少大部分(例如70％或80％或90％)，并且适于运动以便不同地反射，例如其可以简单地旋转90°。具体地，第一部分71可以平移(图1中的箭头t)和旋转(图1中的箭头r)，特别是围绕其对称轴线；更具体地(参见图1b、图1c和图1d)，第一部分71从图1a的位置，首先相对于第二部分72升高(同时参见图1b和图1c)，然后旋转180°(图1c对应于旋转之前，并且图1d对应于旋转之后)(还同时参见图1b和图1d)，并且最后相对于第二部分72降低(无相应的附图)。

在图1中，板7被分成第一部分71和第二部分72。第二部分72被定位在第一部分71周围(特别地，第一部分71被插入第二部分72的孔70中)，并且至多在最小程度上(atmosttoaminimalextent)(例如30％或20％或10％)覆盖衬托器3；第二部分72适于始终保持固定，以便同样地反射；具体地，第二部分72的下表面72a，即，更靠近上壁22的表面，适于将热辐射至少部分地反射朝向衬托器3。自然地，第二部分72也可以在反应器的组装、拆卸和维护操作期间运动；特别地，在这些操作中，第一部分71和第二部分72可以根据与第一部分71单独的运动不同的运动而整体运动。

图1a-图1d用于以下目的：以简化的方式解释第一部分71相对于第二部分72的定位和运动；如从图3和图4的实施方案中应理解的，第一部分71的平移和旋转可以源自更复杂的运动。

在图1中，第一部分71的第一面71a适于反射热辐射，并且第一部分71的第二面71b适于吸收热辐射。

在图2中，第二面71b具有至少一个吸收成形区域(absorbingshapedarea)73，特别是以星形的；以及至少一个反射成形区域74；区域73和74特别地是互补的。吸收区域73的形状使得平均吸收(沿圆周计算)从第一部分71的中心向第一部分71的外围减少；换言之，板7在中心吸收多，而在外围吸收少或不吸收；因为衬托器3在旋转，所以重要的主要是平均吸收，而不是每个点处的吸收。

在图1和图2中，衬托器3具有圆形(或大体上圆形)形状，并且第一部分71也具有圆形(或大体上圆形)形状；此外，第一部分71的直径小于衬托器3的直径(例如，小20％或15％或10％，或小40mm或30mm或20mm)。

在图1和图2中，衬托器3适于支撑具有圆形(或大体上圆形)形状的单个基底100；第一部分71的直径小于单独的基底100的直径(例如，小15％或10％或5％，或小30mm或20mm或10mm)。

在图1和图2中，第二部分72具有孔70，该孔70具有例如大体上圆形的形状，并且孔70的形状与第一部分71的形状(大体上)匹配。

图1和图2仅示出了一股气体流gf和一股液体流lf；然而，可以存在多于两股的流。例如，如考虑图3和图4将理解的，在板7的第一部分71中或板7的第一部分71上可以存在第一液体流lf1，特别是受控的(即，非自然的)第一液体流lf1，并且分别地，在板7的第二部分72中或板7的第二部分72上可以存在第二液体流lf2，特别是受控的(即，非自然的)第二液体流lf2；此外，单股流可以被细分和分支，如图3和图4中的流lf2的情况，该流lf2被细分和分支到左侧(lf2a)和右侧(lf2b)。

考虑图1和图2(图5对于理解也可以是有用的)，对外延沉积反应器1的反应室2中的衬托器3和由衬托器3(直接地或间接地)支撑的基底(100)进行均匀且快速的冷却的方法包括以下步骤：

a)将板7布置在上壁22上，

b)将板7的第一部分71放置在第一位置(图1a和图1c)，使得第一部分71将由衬托器3发射的热辐射反射朝向衬托器3，并且在外延沉积过程期间保持该第一位置(图1a)，

并且随后

c)将第一部分7以下面的方式放置在第二位置(图1d)：使得第一部分7将由衬托器3发射的热辐射反射(特别是吸收)朝向衬托器3，并且在外延沉积过程结束之后(立即地)保持该第二位置。

应注意，液体流lf和气体流gf是非常有利的，但对于上文所描述方法的目的不是必不可少的。

在图1和图2中，板7的第一部分71被旋转(r)180°(特别是围绕其对称轴线)，以便进行步骤b和步骤c。

在图1和图2中，板7的第一部分71仅具有两个操作位置，均为水平的。

在图1和图2中，板7被分成第一部分71和第二部分(72)(反射的)，第一部分71被适当地旋转，而第二部分72总是保持固定。

特别地，考虑到第一面71a适于反射热辐射，并且第二面71b适于吸收热辐射：

通过将第一部分71放置成第一面71a面对衬托器3来进行步骤b，

通过将第一部分71放置成第二面71a面对衬托器3来进行步骤c。

通常，当第一面71a面对衬托器3时和当第二面71b面对衬托器3时，具有一个或更多个基底(100)的衬托器3均旋转。

有利地，吸收和反射面71b可以如图2所示或以等同的方式被配置。

有利地，至少一股受控的(即，非自然的)气体流(图1中的gf)可以在板7和反应室2的上壁22之间建立，以促进热量从上壁至板的传递。

有利地，至少一股受控的(即，非自然的)液体流(图1中的lf)可以在板7中或板7上建立，以冷却板7。

因为已经观察到外围环形区域趋向于比中心区域更快地冷却(这也是由于衬托器的形状是其高度远小于直径的圆柱体的形状的事实)，考虑了在中心区域实现较大的热辐射吸收并且在外围环形区域实现较低的热辐射吸收。为了该目的，例如，图1和图2中的板7被配置成使得衬托器3的外围环形区域总是大体上经历相同的热辐射的反射；实际上，第二部分72是固定的并且反射的，并且孔70具有比衬托器3的直径小的直径。出于相同的原因，在某些情况下，以下面的方式选择孔70的直径可以是方便的：使得孔70的直径小于基底(图1和图2中的100)的直径。

图3和图4中的实施方案将在下文被描述。

如从附图中容易变得明显的，图3和图4中的实施方案大体上反映了关于图1和图2所描述的内容。

衬托器3(呈高度远小于直径的圆柱体的形状)被固定至旋转轴4。

室2的下壁21具有用于通过轴4的孔和套管(sleeve)。

室2的空腔20内部存在与基底100对齐的水平内壁25。

室2的所有壁均由透明石英制成。

室2部分地浸入容纳在槽5中的液体中；该液体通常是水。

板7用作室2的上壁22的外部相对壁(outercounter-wall)。此外，存在用作室2的第一侧壁23的外部相对壁的第一侧板83以及用作室2的第二侧壁24的外部相对壁的第二侧板84。第一侧板83和第二侧板84两者均为反射的。

板7的第一部分由中空元件71组成，该中空元件71具有下板71a和上板71b，并且其中有液体流lf1流动，特别是围绕对应于衬托器的轴线的轴线sa流动(存在引导流的装置，附图中未示出)；板7的第二部分由简单板72组成，该简单板72上有液体流lf2(lf2a+lf2b)流动，该液体流lf2侧向落入槽5中。在孔70处，存在围绕元件71的挡板75。

液体流lf2来自两个侧部分配器管道(lateraldistributorconduit)76(图4中仅示出其中的一个)，该分配器管道76将液体喷射至板72上；然后，该液体的第一部分lf2a从第一侧流动，并且然后该液体的第二部分lf2b也受到挡板75的作用从第二侧流动。

在图4中，还示意性地示出了机械地固定至元件71的臂78。臂78是中空的，并且液体流lf1通过臂79进入元件71和从元件71离开。臂78还用于升高、旋转(围绕其轴线pa旋转180°)和降低元件71；特别地，臂78围绕平行于室2的第一侧边的轴线旋转，并且因此元件71的升高和降低并非简单的平移；有利地，为了对反应器进行组装、拆卸和维护操作，第一部分71(连同臂78)和第二部分72(连同管道76)整体运动并且围绕平行于室2的第二侧边的轴线ca旋转，该第二侧边与第一侧边相对。

反应器的加热系统，例如图3中的系统6，通常由至少一个包括多个绕组的电感器组成，该电感器适于在绕组被电力驱动时通过电磁感应加热衬托器3(并且可能加热一个或更多个支撑元件)。

为了获得衬托器3的均匀加热，还可以在冷却期间(略微地)电力驱动一些绕组，并且改变一个或更多个被驱动的绕组的位置；例如，开环控制可以基于温度(和实验活动)被使用，或者闭环控制可以作为温度的函数被使用。

图5有助于理解板7的运动，更具体地，有助于理解元件71和臂78的运动(元件72是固定的)。在图5a中，元件71和72对齐，元件71被定位成使得反射面71a向上定向，并且吸收面71b向下定向。在图5b中，元件71处于由以下得到的位置(在图5a的位置之后)：组件71+78围绕轴线ca向上旋转例如35°，并且然后组件71+78围绕轴线pa旋转180°。在图5c中，元件71处于由以下得到的位置(在图5b的位置之后)：组件71+78围绕轴线pa旋转180°，并且然后组件71+78围绕轴线ca向下旋转35°。在图5c中，元件71和72对齐，元件71被定位成使得反射面71a向下定向，并且吸收面71b(深色)向上定向。