Реакторный блок установки эпитаксиального наращивания

(51) МПК (2006) НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ РЕАКТОРНЫЙ БЛОК УСТАНОВКИ ЭПИТАКСИАЛЬНОГО НАРАЩИВАНИЯ(71) Заявитель Производственное республиканское унитарное предприятие Завод Транзистор(72) Авторы Турцевич Аркадий Степанович Ануфриев Дмитрий Леонидович Достанко Анатолий Павлович Завадский Сергей Михайлович Голосов Дмитрий Анатолиевич Авдеев Сергей Мартинович(73) Патентообладатель Производственное республиканское унитарное предприятие Завод Транзистор(56) Установка наращивания эпитаксиальных слоев УЭ.ПГП 12.007.2.030.049. Эпиквар-101 М Эксплуатационная документация. Книга 1. 1994.567114 2, 1993.258907 2, 1988.2005/083378 2.(57) Реакторный блок установки эпитаксиального наращивания, содержащий водоохлаждаемый подъемный колпак со смотровым окном и штуцером ввода парогазовой смеси,включающий коаксиально расположенные кварцевый реактор и жестко закрепленные кожухи 10260 1 2008.02.28 из нержавеющей стали, на внутренней поверхности которых сформировано отражающее покрытие, причем кварцевый реактор и кожухи, скрепленные между собой и металлическими фланцами механизма подъема колпака со штуцерами отвода газов, образуют канал подачи и отвода охлаждающего кварцевый реактор воздуха неподвижное водоохлаждаемое основание в виде чаши, в углублении которой установлена цилиндрическая кварцевая подставка с графитовым подложкодержателем в виде полой усеченной пирамиды с наклонными гранями, внутри которых расположен водоохлаждаемый индуктор, отделенный от полости реактора кварцевым стаканом, отличающийся тем, что внутренняя поверхность кожухов выполнена полированной со средней шероховатостью поверхностине более 1 мкм, отражающее покрытие выполнено из алюминия или его сплавов с содержанием кремния не более 1,5 вес.толщиной от 0,5 до 5 мкм, а поверх отражающего покрытия нанесен защитный слой из оксида кремния толщиной от 1 до 5 мкм. Изобретение относится к электронной технике и, более конкретно, к конструкции установок эпитаксиального наращивания и может быть использовано для создания реакторных блоков установок эпитаксиального наращивания с индукционным нагревом. Известен реакторный блок установки эпитаксиального наращивания 1, содержащий жестко прикрепленный к верхнему фланцу водоохлаждаемый реактор из нержавеющей стали со смотровым отверстием и отверстием для вывода отработанных газов и подвижный нижний фланец со штуцерами для ввода парогазовой смеси и вращающимся штоком с закрепленным на нем пирамидальным полым графитовым подложкодержателем, установленным на кварцевой подставке. Реакторный объем образован реактором из нержавеющей стали, верхним и нижним фланцами, а также кварцевым стаканом, введенным в полость графитового подложкодержателя через отверстие в верхнем фланце. Внутри кварцевого стакана расположен индуктор. Однако данному реакторному блоку для установки эпитаксиального наращивания присущи следующие недостатки нагрев осуществляется токами высокой частоты от индуктора, охлаждаемого водой, нагрев кремниевой подложки происходит путем теплопередачи в области касания подложки с графитовым подложкодержателем. При этом возникает радиальный градиент температуры из-за различий в коэффициентах излучательной способности полированных кремниевых подложек и графитового подложкодержателя, что приводит к перегреву центра подложки по сравнению с краем до 60 С. При этом ухудшаются как электрофизические параметры эпитаксиальных слоев, так и коэффициент заполнения линиями скольжения (КЗЛС) составляет 0,4-0,5. Причем установка эпитаксиального наращивания с данным реакторным блоком не позволяет обрабатывать подложки диаметром более 100 мм, а также является очень энергоемкой. Кроме того, прямой контакт парогазовой смеси с реактором из нержавеющей стали не позволяет получать высокоомные эпитаксиальные слои из-за высокого уровня металлических загрязнений. Известен реакторный блок установки эпитаксиального наращивания 2, содержащий горизонтальный проточный кварцевый реактор с отражающим покрытием из серебра толщиной до 10 мкм с расположенным внутри плоским графитовым подложкодержателем и внешним водоохлаждаемым индуктором. Использование кварцевого реактора позволяет получать высокоомные эпитаксиальные слои, а наличие отражающего покрытия из серебра позволяет осуществлять переотражение излучаемой энергии с возвратом ее на лицевую сторону подложки, что качественно улучшает распределение температуры по поверхности за счет двухстороннего нагрева, что обусловливает снижение КЗЛС до 0,2-0,3. Однако и данный реакторный блок не лишен недостатков низкой производительности, высокой стоимости эпитаксиальных реакторов с серебряным отражающим покрытием, большими разбросами по тол 2 10260 1 2008.02.28 щине и удельному сопротивлению эпитаксиальных слоев из-за неоптимальной газодинамики реактора. Известен реакторный блок установки эпитаксиального наращивания 3, содержащий водоохлаждаемый кварцевый колпак с отверстием для ввода и вывода парогазовой смеси с расположенным внутри графитовым подложкодержателем в виде полой призмы с наклонными стенками на кварцевой подставке. Индуктор расположен снаружи кварцевого колпака. На внутреннюю поверхность кварцевого реактора нанесено отражающее покрытие из золота, платины, родия или иридия толщиной 0,5-4,0 мкм. В качестве отражающего покрытия может быть использован высокочистый кремний, покрытый сверху защитным слоем оксида кремния толщиной 0,5 мкм. Однако и данному реакторному блоку присущ ряд недостатков. Дорогостоящие кварцевые реакторы быстро выходят из строя из-за высаживания коллоидных частиц на стенках реактора при эпитаксиальном наращивании, удалить которые можно лишь химическим травлением, при котором происходит повреждение отражающего покрытия. Это обусловливает ухудшение характеристик эпитаксиальных слоев, а именно увеличение разбросов по толщине, удельному сопротивлению, возрастает КЗЛС, что ограничивает возможность использования данного реактора для осаждения толстых, а также высокоомных эпитаксиальных слоев для изделий силовой микроэлектроники. Наиболее близким техническим решением к предлагаемому является реакторный блок установки эпитаксиального наращивания 4, содержащий водоохлаждаемый подъемный колпак со смотровым окном и штуцером ввода парогазовой смеси, включающий коаксиально расположенные кварцевый реактор и жестко закрепленные кожухи из нержавеющей стали, на внутренней поверхности которых сформировано отражающее покрытие в виде медных пластин со слоем золота на теплопроводящей пасте, причем кварцевый реактор и кожухи, скрепленные между собой и металлическими фланцами механизма подъема колпака со штуцерами отвода газов, образуют канал подачи и отвода охлаждающего кварцевый реактор воздуха неподвижное водоохлаждаемое основание в виде чаши, в углублении которой установлена цилиндрическая кварцевая подставка с графитовым подложкодержателем в виде усеченной пирамиды с наклонными гранями,внутри которой расположен водоохлаждаемый индуктор, отделенный от полости реактора кварцевым стаканом. Так как отражающее покрытие располагается вне реактора, то оно не подвергается воздействию парогазовой смеси. Однако и данный способ не лишен недостатков. Данное отражающее покрытие недолговечно из-за плохого теплоотвода от отражающих пластин, и с течением времени отражающая способность покрытия ухудшается, что, в свою очередь, обусловливает ухудшение качества эпитаксиальных слоев. Высокая стоимость вышеуказанных пластин и сложная технология их крепления не позволяют своевременно и без больших дополнительных затрат обеспечивать паспортные данные установки эпитаксиального наращивания. При этом энергопотребление установки возрастает до 40 . Заявляемое изобретение решает задачу увеличения срока службы отражающего покрытия, снижения эксплуатационных издержек установок эпитаксиального наращивания,а также повышения качества осаждаемых эпитаксиальных слоев. Поставленная задача решается тем, что в реакторном блоке установки эпитаксиального наращивания, содержащем водоохлаждаемый подъемный колпак со смотровым окном и штуцером для ввода парогазовой смеси, включающий коаксиально расположенные кварцевый реактор и жестко закрепленные кожухи из нержавеющей стали, на внутренней поверхности которых сформировано отражающее покрытие, причем кварцевый реактор и кожухи, скрепленные между собой и металлическими фланцами механизма подъема колпака со штуцерами отвода газов, образуют канал подачи и отвода охлаждающего кварцевый реактор воздуха неподвижное водоохлаждаемое основание в виде чаши, в 3 10260 1 2008.02.28 углублении которой установлена цилиндрическая кварцевая подставка с графитовым подложкодежателем в виде усеченной пирамиды с наклонными гранями, внутри которой расположен водоохлаждаемый индуктор, отделенный от полости реактора кварцевым стаканом, внутренняя поверхность кожухов выполнена полированной со средней шероховатостью поверхностине более 1 мкм, отражающее покрытие выполнено из алюминия или его сплавов с содержанием не более 1,5 кремния толщиной 0,5-5 мкм, а поверх отражающего покрытия нанесен защитный слой из оксида кремния толщиной 1-5 мкм. Сравнительный анализ предлагаемого изобретения с прототипом показывает, что заявленный реакторный блок установки эпитаксиального наращивания отличается от известного тем, что внутренняя поверхность кожухов выполнена полированной со средней шероховатостью поверхностине более 1 мкм, отражающее покрытие выполнено из алюминия или его сплавов с содержанием не более 1,5 кремния, а поверх отражающего покрытия нанесен защитный слой из оксида кремния толщиной 1-5 мкм. Использование идентичной или сходной совокупности отличительных признаков для решения поставленной задачи не обнаружено. При средней шероховатостивнутренней поверхности кожухов более 1 мкм снижается отражающая способность покрытия и возрастает энергопотребление, кроме того,снижается качество алюминиевого покрытия. При толщине покрытия из алюминия или его сплавов менее 0,5 мкм не обеспечивается его однородность и долговечность. При толщине покрытия более 5 мкм не достигается дальнейшее улучшение качества и увеличение срока службы покрытия. При содержании кремния в сплаве более 1,5 весовыхснижается его отражающая способность и возрастает энергопотребление. При толщине защитного оксида кремния менее 1 мкм снижается долговечность отражающего покрытия. При толщине защитного оксида кремния более 5 мкм не обеспечивается дальнейшее увеличение срока службы покрытия. Сущность изобретения показана на фиг. 1-3. На фиг. 1 показан реакторный блок установки эпитаксиального наращивания, где водоохлаждаемый подъемный колпак 1 со смотровым окном 2 и штуцером ввода парогазовой смеси 3, включающий коаксиально расположенные кварцевый реактор 4 и жестко закрепленные кожухи 5 из нержавеющей стали, на внутренней поверхности которых сформировано отражающее покрытие 6, причем кварцевый реактор и кожухи, скрепленные между собой и металлическими фланцами 7 механизма подъема колпака со штуцерами отвода газов 8, образуют канал 9 подачи и отвода охлаждающего кварцевый реактор воздуха неподвижное водоохлаждаемое основание 9 в виде чаши 10, в углублении которой установлена цилиндрическая кварцевая подставка 11, с графитовым подложкодержателем 12 в виде полой усеченной пирамиды с наклонными гранями, внутри которой расположен водоохлаждаемый индуктор 13, отделенный от полости реактора кварцевым стаканом 14. На фиг. 2 изображен фрагмент колпака 1 с отражающим покрытием по прототипу, состоящим из слоя теплопроводящей клеящей пасты 15, фиксирующей на внутренней поверхности кожухов 5 медные пластины 16, на которые нанесен слой золота 17. На фиг. 3 изображен фрагмент колпака 1 с отражающим покрытием согласно заявляемому изобретению. Кожухи изготовлены из полированной нержавеющей стали со средней шероховатостьюповерхности не более 1 мкм. На внутреннюю поверхность кожухов нанесено отражающее покрытие 18 из алюминия или его сплавов с содержанием не более 1,5 кремния и защитное покрытие 19 из оксида кремния. Нанесение отражающего и защитного покрытий производили непосредственно на жестко закрепленные кожухи на установке для нанесения тонкопленочных покрытий на внутреннюю поверхность широкоформатных цилиндрических объектов ионно-плазмен 4 10260 1 2008.02.28 ным методом с ионным источником протяженного типа и магнетронной распылительной системой протяженного типа с поворотным узлом. Сначала провели ионно-лучевую зачистку внутренней поверхности кожухов 5 ионами аргона при давлении 0,02-0,04 Па, затем нанесли слой алюминия или его сплавов с содержанием кремния не более 1,5 вес.требуемой толщины 18 магнетронным распылением. Затем нанесли слой защитного оксида кремния 19 ионно-лучевым распылением. В установке используется метод получения эпитаксиальных слоев кремния осаждением из газовой фазы по хлоридной технологии в кварцевом реакторе с использованием индукционно нагреваемого графитового подложкодержателя. В поток газа-носителя (водород) подается кремнийсодержащий реагент и легирующая примесь. Полученная смесь подается в кварцевый реактор 4, где размещен графитовый подложкодержатель 12, нагреваемый токами высокой частоты от индуктора 13 (1200 С). При прохождении парогазовой смеси через реактор кремний осаждается на горячих поверхностях (кремниевые пластины и подложкодержатель), продукты реакции удаляются из реактора через штуцер 8. На установке осуществляется ручная загрузка пластин на подложкодержатель при поднятом колпаке. По окончании загрузки и герметизации реактора с пульта дисплея обеспечивается пуск программы технологического процесса в автоматическом режиме. Весь процесс разбит на интервалы, информация о текущих значениях аналоговых параметров процесса отображается на дисплее. После проведения технологического процесса реактор возвращается в исходное состояние, при котором возможна выгрузка пластин. Таблица 1 Сравнительная характеристика реакторных блоков установок эпитаксиального наращивания с кожухом из различной стали Материал кожуха Неполированная нержавеющая сталь смкм Полированная нержавеющая сталь смкм Полированная нержавеющая сталь с а 0,3 мкм Прототип 1) При толщине алюминия 2,5 мкм и толщине защитного оксида кремния 2,5 мкм- отношение срока службы заявленного покрытия по отношению к протоСсл.п- отношение энергопотребления установки эпитаксиального наращивания с заЭп явленным реакторным блоком к энергопотреблению реакторного блока-прототипа ЭИз 3)- отношение эксплуатационных издержек на заявленный реакторный блок к ЭИп эксплуатационным издержкам реакторного блока-прототипа- отношение КЗЛС на структурах, полученных на заявленном реакторном КЗЛСп блоке, к КЗЛС на структурах, полученных на прототипе з 5)- отношение разброса толщины эпитаксии в технологическом процессе эпип таксии на заявленном реакторе и прототипе. Из табл. 1 видно, что оптимальным является использование кожухов из нержавеющей стали с полированной внутренней поверхностью со средней шероховатостьюне более 1 мкм. В табл. 2 представлены сравнительные характеристики реакторного блока-прототипа с заявленным реакторным блоком с различными толщинами отражающего покрытия и защитного оксида кремния. Таблица 2 Сравнительные характеристики реакторного блока с разными вариантами отражающего покрытия Примечание Средняя шероховатостьповерхности кожухов 0,3 мкм, чистый алюминий- отношение срока службы заявленного покрытия по отношению к протоСсл.п- отношение энергопотребления установки эпитаксиального наращивания с заЭп явленным реакторным блоком к энергопотреблению реакторного блока-прототипа ЭИз- отношение эксплуатационных издержек на заявленный реакторный блок к 3) ЭИп эксплуатационным издержкам реакторного блока-прототипа КЗЛСз 4)- отношение КЗЛС на структурах, полученных на заявленном реакторном КЗЛСп блоке, к КЗЛС на структурах, полученных на прототипе з- отношение разброса толщины эпитаксии в технологическом процессе эпи 5) п таксии на заявленном реакторном блоке эпитаксиального наращивания и прототипе. В табл. 3 представлены характеристики реакторного блока-прототипа и заявленного реакторного блока с отражающим покрытием на основе алюминия и его сплавов с кремнием. 10260 1 2008.02.28 Таблица 3 Сравнительные характеристики реакторного блока с отражающим покрытием из алюминиевых сплавов с различным содержанием кремния в сплаве з 5 Примечание п отн. ед. 0,85 При средней шероховатостиповерхности по 0,85 лированной нержа 0,9 веющей стали кожухов 0,3 мкм, толщине покрытия из алюминия или его 1,0 сплавов 2,5 мкм, толщине защитного покрытия оксида кремния 2,5 мкм 1- отношение срока службы заявленного покрытия по отношению к протоСсл.п- отношение энергопотребления установки эпитаксиального наращивания с заЭп явленным реакторным блоком к энергопотреблению реакторного блока-прототипа ЭИз 3)- отношение эксплуатационных издержек на заявленный реакторный блок к ЭИп эксплуатационным издержкам реакторного блока-прототипа КЗЛСз- отношение КЗЛС на структурах, полученных на заявленном реакторном 4) КЗЛСп блоке, к КЗЛС на структурах, полученных на прототипе з 5)- отношение разброса толщины эпитаксии в технологическом процессе эпип таксии на заявленном реакторном блоке эпитаксиального наращивания и прототипе. Как видно из табл. 3, оптимальным является использование в качестве отражающего покрытия алюминия или его сплавов с содержанием не более 1,5 вес.кремния. При этом при использовании отражающего покрытия данной конструкции не происходит локального перегрева водоохлаждающего колпака и высаживания накипи в водоводах, причем излучение не поглощается колпаком, а отражается, то есть одновременно работают водяное охлаждение, обратное отражение лучистой энергии и воздушное охлаждение. За счет этого существенно сократилось количество выходов из строя системы охлаждения колпаков и самих реакторных блоков установок эпитаксиального наращивания. По сравнению с прототипом заявляемое изобретение позволяет повысить долговечность покрытия в 1,9-2,1 раза, повысить качество эпитаксиальных слоев, снизить эксплуатационные издержки в 1,17-1,25 раза. Таким образом, заявляемое изобретение по сравнению с прототипом позволяет решить задачу увеличения срока службы и снижения эксплуатационных издержек установки эпитаксиального наращивания, а также повышения качества осаждаемых эпитаксиальных слоев. 1. Черняев В.Н. Технология производства интегральных микросхем и микропроцессоров. - М. Радио и связь, 1987. - С. 157. 2. Патент США 3.665.139, МПК С 23 С 16/00, опубл. 05.1972. 3. Патент США 4.579.080. Индукционно-нагреваемый реактор для химического осаждения из газовой фазы. МПК С 23 С 16/00, опубл. 6.02.1985. 4. Установка наращивания эпитаксиальных слоев УЭ.ПГП 12.007.030.049 Эпиквар 101 М Эксплуатационная документация. Книга 1. 1994. Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20.