专利名称：外延反应器的反应室和使用所述室的反应器的制作方法
技术领域：
本发明涉及外延反应器的反应室且涉及使用所述室的反应器。
背景技术：
外延反应器是用于将平滑的且均勻的单晶或多晶材料层沉积在衬底上的机器；经如此处理的衬底用于生产电装置(例如太阳能电池)、电子器件(例如MOSFET和LED)和微电子装置(例如集成电路)。因此，在缺陷、均勻的厚度和均勻的电阻率方面，被沉积的层的品质是极其重要的并经得起日益严格的要求。衬底是非常薄的圆盘(通常在ΙΟΟμπι至1' 500 μ m的区间内)并具有可极大变化的直径(通常在1” = 25mm至18” = 450mm的区间内)，且可以例如由硅[Si]、碳化硅 [SiC]、锗[Ge]、砷化镓[GaAs]、氧化铝或“蓝宝石” [Al2O3]、氮化镓[GaN]制成。被沉积的材料通常是导体和半导体材料，例如硅[Si]、碳化硅[SiC]、锗Re]、砷化镓WaAs]、氮化铝[A1N]、氮化镓[GaN]。被沉积的层和下面的衬底可以由相同的材料制成或由不同的材料制成。被沉积的层的厚度可以在几纳米至几毫米的宽泛区间内；当被沉积的层的厚度大于Imm时，沉积工艺通常被称为“体生长”。已知的外延反应器包括通常基本上由石英构件(quartz piece)组成的反应室； 石英构件包括具有圆柱体、棱柱体、圆锥体、棱锥体或平行六面体的形状且设置有至少一个由壁界定的内腔的石英构件部分；该腔包括外延反应器的反应和沉积区；该区适合于容纳在其中被加热的至少一个基座；基座用来支撑衬底且常常还用来加热衬底。存在许多类型的反应器；根据类型的不同，室可以被竖直地或水平地(很少倾斜地)布置；根据类型的不同，基座可以具有圆盘、棱柱体、圆柱体、棱锥体、圆锥体的形状且可以是实心的或中空的；根据类型的不同，基座可以借助于电阻器、电感器、灯(很少有内部燃烧器)来加热；根据类型的不同，反应器可以是“冷壁”或“热壁”(这些术语是指界定其内部发生反应和沉积的空间的壁)。外延反应器的工艺在高温下进行，S卩，从几百摄氏度至几千摄氏度(例如，多晶硅的沉积在通常在450°C到800°C之间的温度下进行，单晶硅在硅衬底上的沉积在通常在 850°C到1，250°C之间的温度下进行，单晶碳化硅在硅衬底上的沉积在通常在1，200°C到 1’400°C之间的温度下进行，单晶碳化硅在碳化硅衬底上的沉积，对于“外延生长”在通常在 1，500°C到1，700°C之间的温度下进行而对于“体生长”在通常在1，900°C到2，400°C之间的温度下进行，并使用大量的能量(数十kW)来加热。因此，重要的要求是防止所产生的热能释放到环境中。基于该目的，几十年来，常用的措施是将薄层(小于ΙΟΟμπι)的基于金的材料施用在外延反应器的反应室的外部表面；该金层借助于一定数量的涂覆和干燥循环来产生(其不易于获得平滑的、均勻的且非多孔的层)并反射由基座井(susc印tor well)发射的红外辐射。
在其中基座是加热衬底的主要元件的外延反应器中(例如，在具有感应加热的外延反应器中)，适当的反射有利地导致在生长工艺期间在衬底的前部和后部之间的温差降低。一般而言，重要的要求是衬底在沉积工艺期间被均勻地加热以获得厚度和电阻率的高均勻性。使用金层的解决方案的缺点是，在某些时间(即，几个月)之后，金层脱离反应室的石英表面-石英表面越热，金层脱离得越快，这还由于金的热膨胀高于石英的热膨胀的事实；如果反应室借助于气体流动来冷却(这是相对普遍的)，则该现象甚至更快地出现， 这还由于气体流动对层的机械作用；此外，该现象由于来源于反应室的先前的洗涤循环在反应室表面上产生的痕量酸而增加。金层的脱离导致外延反应器的电力消耗增加，这是因为由基座发射的红外辐射的一部分释放到环境中。此外，因为金层的脱离不是平稳的和均勻的，这还导致所生长的衬底的品质下降。因此，当出现脱离时，必须从外延反应器拆卸反应室，完全地除去金层(已经部分脱离的)，重新施用金层并将反应室重新装配到外延反应器中；这些操作耗费时间，是成本高的且仅可以被执行有限的次数。如已经提及的，外延反应器的工艺在高温下在反应室的腔中进行；因此，必须冷却反应室。然而，该室的冷却可以造成界定其内发生反应和沉积的空间的壁出现过度冷却和 /或非均勻冷却；这导致所生长的衬底的品质下降。发明概述本发明的大体目的是克服上述缺点并满足上述要求。该目的和其他目的通过具有构成本说明书的整体部分的所附权利要求中陈述的特征的反应室来实现。构成本发明基础的构想是提供石英部件，所述石英部件被按照使得形成对面壁 (counterwall)并成为反应和沉积区的壁的方式被布置为邻近反应室的腔的壁。进行实施该构想的实验且获得了完全超出预期的结果(A)被沉积的层的厚度和电阻率的极佳均勻性，(B)被沉积的层的低缺陷，(C)降低了用于加热反应和沉积区的电力消耗，(D)提高了注入反应和沉积区的前驱体气体的利用率且因此获得更大的沉积速度， (E)减轻了室的腔壁的寄生沉积且因此在反应和沉积区中存在较少的杂散颗粒以及降低了 “洗涤”室的需求，(F)室的腔壁较少地捕获掺杂物且因此降低了产生具有较显著的或较不明显的逐渐的过渡的掺杂水平和掺杂类型的相邻沉积层的可能性。一般而言，根据本发明，外延反应器的反应室基本上由石英构件组成；所述石英构件包括具有至少部分地由壁界定的至少一个内腔的石英构件部分；所述腔包括外延反应器的反应和沉积区；所述区适合于容纳在其中待加热的基座；反应室还包括被按照使得形成对面壁并成为所述区的壁的方式被布置为邻近所述壁中的一个或多个的石英部件。在根据本发明的反应室中，所述石英部件可以被按照使得形成所述壁中的两个或三个或四个，优选地所述壁中的三个的对面壁的方式进行布置。在根据本发明的反应室中，所述石英部件可以安置在所述壁中的一个或两个上， 优选地仅安置在所述壁中的一个上。
在根据本发明的反应室中，所述石英部件可以基本上由直的或成形的石英板 (quartz slab)，优选成形的石英板，更优选U形的石英板组成。在根据本发明的反应室中，所述石英板可以具有均勻的或变化的厚度。在根据本发明的反应室中，至少一个间隙通常被界定在所述石英部件和所述壁之间。所述间隙可以与所述反应和沉积区隔离，尤其是密封地隔离。在根据本发明的反应室中，所述间隙可以具有均勻的或变化的宽度。在根据本发明的反应室中，两个或三个或四个间隙，优选地三个间隙可以被界定在所述石英部件和所述壁之间，所述间隙的宽度优选地是均勻的且彼此相等的。在根据本发明的反应室中，所述石英部件的石英可以是透明的、不透明的或反射的。在根据本发明的反应室中，所述石英部件可以在内侧面或外侧面上，优选地在更邻近所述壁的侧面上被涂覆反射层。所述反射层通常适合于反射由所述基座发射的在1’ OOOnm至10’ OOOnm，优选地 1，500nm至3，OOOnm的波长区间内的红外辐射。所述反射层优选地由基于石英的材料制成。所述反射层可以完全地或部分地涂覆所述石英部件。所述反射层可以被完全地或部分地涂覆玻璃化石英层。在根据本发明的反应室中，所述石英构件部分可以具有圆柱体或棱柱体或棱锥体圆锥体的形状，优选地具有基本上平行六面体的形状，且具有形成所述腔的轴向通孔。根据本发明的反应室可以包括在所述石英构件的端部处的凸缘。在根据本发明的反应室中，至少一个间隙通常被界定在所述石英部件和所述壁之间；因此可以提供与室结合的、适合于在所述间隙内运送至少一种流体流，优选地气态流体流的装置。所述装置可以适合于在所述间隙内运送至少两种流体流，优选地气态流体流，所述流的流动方向优选地在它们之间形成约180°的角度。所述流中的一种或每一种的流动方向可以在生长工艺之前和/或在生长工艺期间和/或在生长工艺之后发生变化。所述流体流中的一种或每一种的速度和/或流量可以在生长工艺之前和/或在生长工艺期间和/或在生长工艺之后发生变化。所述流中的一种或每一种的流体可以包括氢和/或氦和/或氩。所述流中的一种或每一种的组成可以在生长工艺之前和/或在生长工艺期间和/ 或在生长工艺之后发生变化。所述流中的一种或每一种可以适合于冷却所述石英部件。所述流中的一种或每一种可以适合于控制或确定在所述石英部件与至少一个所述壁之间的热交换，尤其是所述至少一个间隙的热交换系数。在生长工艺之前和/或在生长工艺期间和/或在生长工艺之后，所述流中的一种或每一种可以是诸如维持所述石英部件的两个侧面上基本上相同压力的流。根据另外的方面，本发明还涉及包括具有以上陈述的特征中的一个或多个的反应室的外延反应器。附图简述
下面将连同附图一起详细地描述本发明，其中
图1以三种不同的视图示出了根据现有技术的反应室(图IA是侧视图，图IB是俯视图，图IC是正视图)，图2以三种不同的截面图示出了根据本发明的反应室的实施方式的实例(图2A 是侧视图，图2B是俯视图，图2C是正视图)_图2的室对应于图1的已经向其添加根据本发明的技术特征的室，并且图3以截面侧视图示出了根据本发明的反应室的实施方式的第二实例-图3的室与图2的室非常相似。发明详述本说明书和这些图作为非限制性实例被提供；而且，它们是示意性的和简化的。图1示出外延反应器的反应室，其基本上由中空的石英构件组成；该中空的石英构件包括具有平行六面体(具有圆形的纵向边缘)形状的石英构件部分1和在部分1中产生的轴向通孔2 ；部分1适合于根据三个方向中的两个(即，宽度和高度-参见图1C)界定反应和沉积区3(图1中未示出)并容纳在孔2内待加热的至少一个基座(图1中未示出)； 孔2具有在形状上对应于部分1的截面的矩形截面(具有圆角)，且以该方式，部分1形成具有呈基本上等截面的壁的管；IA指代底壁的内表面，IB指代第一侧壁的内表面，IC指代顶壁的内表面且ID指代第二侧壁的内表面。图1的室适合于被水平地布置，以容纳圆盘形的基座，以与感应加热装置结合，并被用于“冷壁”反应器中(即，中空的石英构件的部分1的温度在外延生长工艺期间不超过 400-600°C且因此比基座的温度低得多)。图1的室还包括在中空的石英构件，尤其是部分1的端部处的两个凸缘7。部分1由透明石英制成，尤其是对可见光透明的，而且对红外光透明的。凸缘7由不透明石英制成，尤其是对可见光不透明的，而且对红外光不透明的 (即，其阻塞了通路且因此部分地反射和部分地吸收)。图2示出圆盘形的基座4，其被安装在立轴8上以支撑圆盘形的基座4并使其旋转；基座4在其顶面具有少量凹进部(特别地，五个凹进部)，这些凹进部适合于容纳其上进行外延生长的衬底；轴8穿过室的底壁中产生的圆孔(设置了保持装置，该图中未示出)；此外，该图示出反应和沉积区3 ；最后，应注意，基座4和轴8都不是室的一部分。图2的室不同于图1的室，这基本上是由于以下事实图2的室包括以使得形成对面壁并成为区3的壁的方式被布置为邻近腔2的壁中的一个或多个的石英部件5 ；特别地， 石英部件5是U形的板，该U形的板被布置为倒转的且仅安置在底壁上，特别是该壁的内表面IA上；所有这些在图2C中是清楚可见的；板5具有均勻的厚度。该成形的板可以通过结合以下三个直板来产生一个适合于被水平地布置，且两个适合于被竖直地布置。部件2延伸室的全部长度，尤其是延伸到凸缘7的边缘；可选择地，其可以例如仅延伸部分1的全部长度。在图2的实例中，部件5按照使得产生腔2的三个壁的对面壁尤其是两个侧壁的对面壁和顶壁的对面壁的方式进行布置。间隙6被界定在部件5与腔2的壁之间，其被分成又是间隙的三个部分6B、6C、6D ；间隙6B位于部件5与第一侧壁的内表面IB之间，间隙 6C位于部件5与顶壁的内表面IC之间，间隙6D位于部件5与第二侧壁的内表面ID之间；间隙6 (和因此其部分6B、6C、6D)与反应和沉积区3几乎被密封地隔离；三个间隙6B、6C和 6D的宽度基本上是均勻且彼此相等的(在边缘处具有微小差异)，如可以在图2C中清楚看到的；这些宽度通常在Imm至IOmm的区间内。部件5的石英可以是透明的、不透明的或反射的。部件5可以在其内侧面或外侧面上被涂覆反射层；涂覆可以是全部的或部分的。根据最典型的实施方式，部件5由透明石英制成且在更邻近腔2的壁，即邻近表面 6B、6C、6D的侧面上被涂覆反射层。该反射层通常适合于反射由基座4发射的在1，OOOnm至10，OOOnm，优选地 1，500nm至3，OOOnm的波长区间内的红外辐射。反射层优选地由基于石英的材料制成；以该方式，从化学的观点(相同的或相似的化学性质，即，电阻)、从机械的观点(相同的或相似的机械性质)和从热观点(相同的或相似的热性质，即，CTE[热膨胀系数])来看，层的材料与部件的材料是可相容的。反射层的厚度通常在0. 5mm至1. 5mm的区间内且优选地为约1mm。反射层可以根据以下工艺来获得-将具有高含量(即，大于80%且小于95%)的在分散体(分散体液体可以是水或例如醇)中的无定形石英颗粒的半液体浆料施用至透明的石英反应室，然后-干燥所施用的浆料，然后-烧结干燥的浆料。以该方式，可以获得这样的层，该层能够反射到达层的红外辐射(在上述波长区间内)中的平均超过80-90%。反射层可以被完全地或部分地涂覆玻璃化石英层；该玻璃化层可以具有通常在 0. 5mm至1. 5mm的区间内的厚度。反射石英层和叠加的玻璃化石英层可以用以下单一工艺来获得-将具有高含量(即，大于80%且小于95%)的在分散体(分散体液体可以是水或例如醇)中的无定形石英颗粒的半液体浆料施用至透明的石英反应室，然后-干燥所施用的浆料，然后-烧结干燥的浆料，然后-例如借助于火焰或激光器，使烧结的浆料的表面仅玻璃化至预定的深度；当然， 必须施用足够的浆料以产生反射石英层和玻璃化石英层两者。从化学观点和从机械观点两种观点来看，玻璃化层允许下面的反射层受到保护； 如果产生具有极好品质的玻璃化层，则还可以将反射层放置在部件的内部(即，直接邻近区3)，这还减少了被释放到环境中的热能。图3的实施方式的实例与图2的实施方式的实例非常相似(注意图2A和图3之间的相似性)；基于此原因，相应的元件用相同的参考符号表明。在图3中，应注意，基座4被容纳在具有圆柱体形状的底壁的凹进部10中，且轴 8被容纳在从腔2的底壁开始竖直突出的管18中；孔2具有入口 21 (在左凸缘处)和出口 22(在右凸缘处)；前驱体气体通过入口 21进入，进入在其中发生化学反应和沉积的区 3内，且消耗的气体通过出口 22离开；底壁具有在基座4上游的隆起的区域11和在基座4 下游的下部区，区域11的内表面与基座4的上表面对齐；边缘12被定位在基座和下部区之间；形成部件5的板具有恒定的厚度；间隙6C的宽度逐渐变化，特别地，从入口 21向出口 22逐渐增大(以该方式，可以沿着室中的路径补偿前驱体气体的“消耗”作用，即使是具有彼此完全平行的底壁和顶壁的室)。如已经提及的，在根据本发明的反应室中，至少一个间隙通常被界定在石英部件和壁之间；因此，可以设置与室结合的装置，该装置适合于在间隙内运送至少一种流体流， 优选气态流体流。这在图3中被示意性表示，图3中部件用5指代，间隙用6C指代且位于部件6C与顶壁的内表面IC之间，且箭头AA和BA表示两种可能的气体流的方向。可以仅提供一种根据由箭头AA表示的方向的气体流，仅提供一种根据由箭头BA 表示的方向的气体流，或提供这两种气体流；在后一种情况下，两种气体流在它们之间形成约180°的角度。气体流的特征可以显著变化；所述流中的一种或每一种的流动方向可以在生长工艺之前和/或在生长工艺期间和/或在生长工艺之后变化；所述流中的一种或每一种的速度和/或流量可以在生长工艺之前和/或在生长工艺期间和/或在生长工艺之后变化；所述流中的一种或每一种的流体可以包括氢和/或氦和/或氩；所述流中的一种或每一种的组成可以在生长工艺之前和/或在生长工艺期间和/或在生长工艺之后变化。气体流可以用于各种目的。所述流中的一种或每一种可以适合于冷却石英部件(图中用5表示)。所述流中的一种或每一种可以适合于控制或确定在石英部件(图中用5表示)与腔(图中用2表示)的壁中的至少一个之间的热交换，尤其是相关间隙(图中用6表示) 的热交换系数。在生长工艺之前和/或在生长工艺期间和/或在生长工艺之后，所述流中的一种或每一种可以是诸如维持所述石英部件(图中用5表示)的两个侧面上基本上相同压力的流。从已经陈述的内容看，应理解，根据本发明的优选实施方式，从反应和沉积区(在图中用3表示)向反应室的外部运动，首先遇到对面壁(在图中用5表示)，然后是间隙(在图中用6表示)且最后是壁(在图中用1表示)；流体(优选气体)可以在间隙中流动；流体(优选液体)可以在壁的外侧面上流动。因此，存在可以被合适选择的许多参数(几何参数、化学参数、热力学参数和流体动力学参数)以控制对面壁的内表面的温度以及从反应和沉积区向外部流动的热。
权利要求
1.一种外延反应器的反应室，基本上由石英构件组成，其中所述石英构件包括具有由壁(1A、1B、1C、1D)界定的内腔(2)的石英构件部分(1)，其中所述腔(2)包括所述外延反应器的反应和沉积区(3)，其中所述区(3)适合于容纳在所述区(3)内待加热的基座，其特征在于，所述反应室包括石英部件(5)，所述石英部件(5)被按照使得形成对面壁并成为所述区(3)的壁的方式布置为邻近所述壁(1A、1B、1C、1D)。
2.根据权利要求1所述的反应室，其中所述石英部件( 被按照使得形成所述壁中的两个或三个或四个，优选地所述壁中的三个(1B、1C、1D)的对面壁的方式进行布置。
3.根据权利要求1或2所述的反应室，其中所述石英部件(5)安置在所述壁中的一个或两个上，优选地仅安置在所述壁中的一个上(IA)。
4.根据权利要求1或2或3所述的反应室，其中所述石英部件( 基本上由直的或成形的石英板，优选异形的石英板，更优选U形的石英板组成。
5.根据前述权利要求中任一项所述的反应室，其中在所述石英部件( 和所述壁(1A、 1B、1C、1D)之间界定具有均勻的或可变的宽度的至少一个间隙(6)。
6.根据权利要求5所述的反应室，其中两个或三个或四个间隙，优选地三个间隙(6B、 6C、6D)被界定在所述石英部件(5)和所述壁(1A、1B、1C、1D)之间，所述间隙的宽度优选地是均勻的且彼此相等的。
7.根据前述权利要求中任一项所述的反应室，其中所述石英部件(5)在内侧面或外侧面上，优选地在更邻近所述壁(1B、1C、1D)的侧面上被涂覆反射层。
8.根据前述权利要求中任一项所述的反应室，其中至少一个间隙(6)被界定在所述石英部件(5)和所述壁(1A、1B、1C、1D)之间，其特征在于，所述室与适合于在所述间隙(6)内运送至少一种流体流，优选地气态流体流的装置相结合。
9.根据权利要求8所述的反应室，其中所述至少一种流体流的速度和/或流量和/或方向和/或组成在生长工艺之前和/或在生长工艺期间和/或在生长工艺之后发生变化。
10.一种外延反应器，其特征在于，包括至少一个根据前述权利要求1至9中任一项所述的反应室。
全文摘要
本发明涉及基本上由石英构件组成的外延反应器的反应室；石英构件包括具有由壁(1A、1B、1C、1D)界定的内腔(2)的石英构件部分(1)；腔(2)包括外延反应器的反应和沉积区(3)；区(3)适合于容纳在其中待加热的基座(4)；反应室还包括以使得形成对面壁并成为所述区(3)的壁的方式被布置为邻近所述壁(1A、1B、1C、1D)的石英部件(5)。
文档编号C30B29/40GK102395714SQ201080016602
公开日2012年3月28日 申请日期2010年4月16日 优先权日2009年4月17日
发明者弗兰科·佩雷蒂, 斯瑞尼瓦斯·亚拉加达, 纳塔莱·斯佩恰莱, 马里奥·佩雷蒂 申请人:Lpe公司