CVD-РЕАКТОР СИНТЕЗА ГЕТЕРОЭПИТАКСИАЛЬНЫХ ПЛЕНОК КАРБИДА КРЕМНИЯ НА КРЕМНИЕВЫХ ПОДЛОЖКАХ
CVD REACTOR FOR SYNTHESIS OF HETEROEPITAXIAL SILICON CARBIDE FILMS ON SILICON SUBSTRATES

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.
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.
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.
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.
2
2
Известно устройство «CVD-реактор и способ синтеза гетероэпитаксиальных пленок карбида кремния на кремнии» [4], в котором реактор пониженного давления от 5⋅10 до 5⋅10 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.
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.
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.
Целью предлагаемого технического решения является упрощение устройства CVD-реактора и ее обслуживания.
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.
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.
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.
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.
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.
Технико-экономический эффект применения CVD-реактор синтеза гетероэпитаксиальных пленок карбида кремния на кремниевых подложках:
- как следует из описания, в реактор подается единственный газ-носитель: водород;
- обслуживание: реактор полностью легко разбирается, что позволяет выполнять его жидкостную очистку от неконтролируемых примесей после технологического процесса;
детали конструкции взаимозаменяемы (что обеспечивает ремонтоспособность и надежность системы в целом).
ЛИТЕРАТУРА
1. Патент РФ №2158324 от 02.11.1999 г.
2. Патент РФ №2010043 С1 от 1994 г.
3. Патент RU №2162117 С2 от 21.01.1999 г.
4. Патент RU №2394117 С2 от 24.03. 2008 г.
5. Щербак А.В. Радиоэлектрический эффект в гетеро- структурах карбида кремния на кремнии: Автореф. дисс.канд. физ-мат.наук. - Самара: СамГУ, 2005. - 20 с.