РЕАКТОР ДЛЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ИЗДЕЛИЙ, СОДЕРЖАЩИХ КРЕМНИЕВУЮ ПОДЛОЖКУ С ПЛЕНКОЙ ИЗ КАРБИДА КРЕМНИЯ НА ЕЕ ПОВЕРХНОСТИ

Заявляется реактор для изготовления изделий, которые относятся к новому классу полупроводниковых материалов и полупроводниковых наноматериалов и которые могут быть использованы при создании полупроводниковых и нано-полупроводниковых приборов нового поколения.
Для ряда применений, например, в полупроводниковой технике, микро- и оптоэлектронике и новой, активно развивающейся области наноэлектроники могут быть использованы тонкие пленки карбида кремния и пленки нано-карбида кремния на различных подложках. Среди них представляют интерес подложки из кремния.
В патенте на изобретение RU 2162117 описан Реактор для эпитаксиального выращивания монокристаплического карбида кремния путем химического осаждения из паровой фазы на ростовой поверхности подложки. Реактор содержит камеру с установленной в ней одной или двумя диаметрально расположенными подложками, имеет каналы для раздельной подачи в камеру реагента, содержащего кремний, и реагента, содержащего углерод и средство нагрева стенок камеры, позволяющее поддерживать температуру стенок камеры в пределах 1800-2500°С. Внутренняя поверхность камеры реактора выполнена из твердого раствора карбида тантала и кремния в тантале. Пространство между корпусом и внешними стенками камеры заполнено теплоизолятором из пористого графита. Подложки установлены на графитовых пьедесталах, которые соосно закреплены на приводных валах. Валы соединены с механизмами, обеспечивающими подложкам вращательное и поступательное движения вдоль их осей. Недостатком устройства является сложность его конструкции и низкая производительность, т.к. одновременно можно выращивать пленки на одной или только на двух подложках, а также высокие температуры синтеза, свыше 1700°С.
В качестве прототипа выбран CVD-реактор, описанный в патенте RU 2394117 [Патент RU 2394117, опубл. 10.07.2010, Вариант 5, представленный на Фиг.3 описания к патенту]. В реакторе синтез гетероэпитаксальных пленок карбида кремния на кремниевой подложке осуществляется путем химического осаждения из газовой фазы. В корпусе реактора установлен подложкодержатель, выполненный цельного куска графита в виде двух конусов, соединенных вместе. Подложкодержатели при помощи держателя закреплены в контейнере. Контейнер помещен во внутрь графитового нагревателя, разогреваемого при помощи индуктора. Секции из нагревателей расположены в реакторе вокруг центрального токоввода. В центральном водоохлаждаемом токовводе выполнены отверстия, через которые осуществляется отвод продуктов реакции образования карбида кремния. Водород подается внутрь нагревателей через вторые токовводы, которые закреплены во внешнем корпусе реактора. Подложкодержатели установлены радиально на многоярусной карусели, что позволяет более эффективно использовать излучение от каждого нагревателя.
Основным недостатком прототипа заявляемого реактора является сложность конструкции, наличие вращающихся элементов, функционирующих при повышенных температурах и низких давлениях, что предъявляет особые требования к уплотняющим узлам. Дополнительно следует отметить, что работа реактора основана на принципе осаждения из газовой фазы, а, следовательно, реализуемому при работе реактора способу присущ недостаток - низкое качество пленок.
Заявляемая полезная модель направлена на существенное увеличение производительности и упрощение изготовления изделия, содержащего пленку из карбида кремния на поверхности кремниевой подложки, а также на повышение качества пленки из карбида кремния, получаемой в реакторе.
Заявляемый технический результат - обеспечение возможности изготовления за один технологический цикл большого количества изделий, содержащих подложку из кремния с эпитаксиальной пленкой карбида кремния с высоким кристаллографическим совершенством без дефектов типа ямок травления.
Заявляемый реактор для изготовления изделий, содержащих кремниевую подложку с пленкой карбида кремния на ее поверхности, имеет корпус с нагреваемым до 950-1400°С внутренним объемом, и снабжен патрубком подачи газовой смеси, включающей оксид углерода и кремнийсодержащий газ, и патрубком вывода газообразных продуктов реакции. Внутри корпуса расположена газопроницаемая камера, служащая барьером для прохождения молекул кремнийсодержащего газа, с расположенным в ней подложкодержателем, выполненным с обеспечением возможности параллельной (на ребро) установки пластин кремниевых подложек. Предпочтительно применение газопроницаемой камеры, стенки которой выполнены из пористого графита. Соотношение толщины стенок и пористости газопроницаемой камеры выбирают из условия обеспечения конструктивной прочности, а также из условия создания необходимой развитой контактной поверхности, обеспечивающей тепловое разложение силана, или другого кремнийсодержащего газа, при прохождении его, точнее продуктов его теплового разложения, сквозь стенки камеры при заданной температуре и давлении во внутреннем объеме реактора.
Для того, чтобы лучше продемонстрировать отличительные особенности полезной модели, в качестве примера, не имеющего какого-либо ограничительного характера, ниже описаны варианты реализации. Примеры реализации иллюстрируется Фигурами, на которых представлено:
Фиг.1 - схема заявляемого реактора, применяемого для изготовления образцов по описанным ниже Примерам.
Фиг.2 - изображение поверхности образца изделия (размер 20×20 мкм), изготовленного по Примеру 1 (с добавлением силана в газовую смесь), полученное сканирующем зондовым микроскопом.
Фиг.3 - изображение поверхности образца (размер 20×20 мкм), изготовленного при условиях, аналогичных Примеру 1, но без добавления силана, полученное сканирующем зондовым микроскопом.
На Фиг.1 представлено схематичное изображение заявляемого реактора, где введены следующие обозначения: 1 - стенки реактора, 2 патрубок подачи газовой смеси, включающей оксид углерода и кремнийсодержащий газ, 3 - патрубок вывода газообразных продуктов реакции, 4 - стенки газопроницаемой камеры, 5 - параллельно установленные кремниевые пластины, 6 -крышка газопроницаемой камеры.
-2
-3
Реактор работает следующим образом. Подложки, представляющие собой пластины монокристаллического кремния, вырезанные с учетом кристаллографической ориентации, помещают во внутренний объем реактора в специальной кассете, представляющей собой газопроницаемую камеру, выполненную из графита. Кремниевые подложки устанавливают параллельно друг с промежутком 1-10 мм и нагревают в вакууме при остаточном давлении газов 10-10 Па до температуры 500-800°С. Затем выполняется прокачка через реактор оксида углерода СО и кремнийсодержащего газа (силана) или его смеси с инертным газом. Температуру повышают до 950-1400°С и выдерживают образцы в течение 1-80 минут. Давление в реакторе поддерживается в пределах 20-600 Па, а температура - в указанном интервале. После формирования слоя карбида кремния и остывания полученные изделия извлекают.
Интервал давлений и температур обусловлен скоростью протекания химической реакции. При более низких давлениях (меньше 20 Па) и температурах (меньше 950°С) скорость настолько мала, что карбид кремния практически не образуется. При более высоких значениях (давление выше 600 Па и температура выше 1400°С) - скорость настолько велика, что пленка из карбида кремния имеет блочную структуру, причем блоки разориентированы относительно друг друга (т.е. пленка не является монокристаллической). Используемый дополнительно инертный газ выполняет роль газа-носителя, обеспечивающего доставку реагентов в реактор.
4
Пример 1. В качестве подложек используют две, три, четыре, пять, шесть и более пластин монокристаллического кремния любой марки, диаметром 35, 56, 60, 76 мм, 100 мм, 150 мм и более с ориентацией поверхности (111), (100), (110), (210), (310), (311), (510) или любой другой ориентации. Эти кремниевые подложки, установленные на ребро, помещают в графитовую газопроницаемую камеру на расстоянии 2 мм друг от друга, камеру помещают в реактор, откачивают воздух, осуществляют нагрев до 800°С, и подают оксид углерода СО при давлении в реакторе 150 Па. Затем нагревают внутренний объем реактора до температуры 1250°С и подают силан SiH, поддерживая в реакторе давление 150 Па. После выдержки подложек при указанных условиях в течение 10 минут подачу газов прекращают, газообразные продукты реакции откачивают и реактор охлаждается, после чего извлекают графитовую камеру с подложками из реактора. Наличие пленки карбида кремния, сформированной на подложках кремния, фиксируют методом оптической микроскопии, эллипсометрии или электронографии.
Добавление силана в газовую смесь позволяет устранить дефекты типа ямок травления в полученных пленках карбида кремния (Фиг 2, 3). Величина среднеквадратичной шероховатости пленок карбида кремния изготовленных с добавлением силана составила 5-10 нм.
4
Пример 2. В качестве подложек используют две, три, четыре, пять, шесть и более пластин монокристаллического кремния любой марки диаметром 35, 56, 60, 76 мм, 100 мм, 150 мм и более с ориентацией поверхности (111) с отклонением от базовой плоскости (111) на 0°, (100), (110), (210) или любой другой ориентации. Эти кремниевые подложки помещают в графитовую газопроницаемую камеру на расстоянии 2 мм друг от друга, камеру помещают в реактор, откачивают воздух, осуществляют нагрев до 800°С и подают оксид углерода СО при давлении в реакторе 80 Па, затем нагревают внутренний объем до температуры 950°С-1380°С и подают поток разбавленного аргоном силана SiH, поддерживая в реакторе давление 80 Па. После выдержки при указанных условиях в течение 15 минут подачу газов прекращают, газообразные продукты реакции откачивают и реактор охлаждают, после чего извлекают графитовую камеру с подложками из реактора. Наличие пленки карбида кремния, сформированной на подложках кремния, фиксируют методом оптической микроскопии, эллипсометрии или электронографии.
Структура и характеристики полученных образцов схожи со структурой и характеристиками образцов, описанных в Примере 1. Использование разбавление силана аргоном позволяет повысить безопасность работы и сделать используемый технологический процесс более экологически чистым.
Пример 3. В качестве подложек используют 50 пластин монокристаллического кремния различных марок диаметром 76 мм или 100 мм. Эту кремниевые подложки помещают в графитовую газопроницаемую камеру размером 100*100*150 мм на расстоянии 1 мм друг от друга (Фиг.1), камеру помещают в реактор, откачивают воздух, осуществляют нагрев до 850°С и подают оксид углерода при давлении в реакторе 170 Па, затем нагревают печь до температуры 1270°С и подают поток разбавленного аргоном силана SiH4, поддерживая в реакторе давление 170 Па. После выдержки при указанных условиях в течение 15 минут подачу газов прекращают, газообразные продукты реакции откачивают и реактор охлаждают, после чего извлекают камеру с подложками из реактора. Наличие пленки карбида кремния, сформированной на подложках кремния, фиксируют методом оптической микроскопии.
4
Пример 4. В качестве подложек используют две, три, четыре, пять, шесть и более пластин монокристаллического кремния различных марок диаметром 35, 56, 60, 76 мм, 100 мм, 150 мм и более с ориентацией поверхности отклоненной на 2°, 4°, 6°, 8°, 10° или 12° или любой другой градус, лежащий в пределе между 2° и 14° от базовой плоскости (111). Эти кремниевые подложки помещают в графитовую газопроницаемую камеру на расстоянии 5 мм друг от друга, камеру помещают в реактор, откачивают воздух, осуществляют нагрев до 800°С и подают оксид углерода СО при давлении в реакторе 80 Па, затем нагревают внутренний объем до температуры 950°С-1300°С и подают поток разбавленного аргоном силана SiH, поддерживая в реакторе давление 100 Па. После выдержки при указанных условиях в течение 5 минут подачу газов прекращают, газообразные продукты реакции откачивают и реактор охлаждают, после чего извлекают графитовую камеру с подложками из реактора. Наличие пленки карбида кремния, сформированной на подложках кремния, фиксируют методом оптической микроскопии, эллипсометрии или электронографии.
4
Пример 5. В качестве подложек используют две, три, четыре, пять, шесть и более пластин монокристаллического различных марок диаметром 35, 56, 60, 76 мм, 100 мм, 150 мм и более с ориентацией поверхности отклоненной на 2°, 4°, 6°, 7°, 8°, 10° или любой другой градус, лежащий в пределе между 2° и 10° от базовой плоскости (100). Эти кремниевые подложки помещают в графитовую газопроницаемую камеру на расстоянии 10 мм друг от друга, камеру помещают в реактор, откачивают воздух, осуществляют нагрев до 800°С и подают оксид углерода СО при давлении в реакторе 200 Па, затем нагревают внутренний объем до температуры 1000°С-1270°С и подают поток разбавленного аргоном силана SiH, поддерживая в реакторе давление 200 Па. После выдержки при указанных условиях в течение 3 минут подачу газов прекращают, газообразные продукты реакции откачивают и реактор охлаждают, после чего извлекают графитовую камеру с подложками из реактора. Наличие пленки карбида кремния, сформированной на подложках кремния,фиксируют методом оптической микроскопии, эллипсометрии или электронографии.
Структура и характеристики полученных образцов схожи со структурой и характеристиками образцов, описанных в Примере 1.
Принципиальное отличие заявляемого реактора от других известных реакторов заключается в использовании газопроницаемой камеры с расположенными параллельно друг другу кремниевыми подложками с промежутком 1-10 мм, а также в добавке в газовую смесь кремнийсодержащего газа, который быстро разлагается при используемых температурах 950-1400С. Через стенки газопроницаемой камеры свободно проходит СО, непосредственно участвующий в формировании пленки путем химической реакции с ним поверхностных слоев кремния подложки. Для кремнийсодержащего газа (молекул) стенки камеры являются барьером, но при контакте кремнийсодержащего газа с нагретыми стенками камеры он разлагается (диссоциирует), и продукты разложения проходят сквозь поры камеры и оказывают влияние на процессе формирования пленки: они используются для «залечивания» усадочных пор, образующихся при химической реакции поверхностных слоев кремния подложки с оксидом углерода, и для предотвращения испарения верхних слоев активированного комплекса.
Кремний, образующийся при диссоциации кремнийсодержащего газа, адсорбируясь на поверхности подложки и растущей пленки, понижает поверхностное натяжение образующегося карбида кремния, и позволяет получать не только поверхности карбида кремния с выходом углеродных атомов, но и кристаллические поверхности карбида кремния, снаружи которых лежат атомы кремния. С помощью подачи атомов кремния в реакционную зону, удается добиться высокого кристаллографического совершенства и отсутствия дефектов «типа ямок травления».
-2
-3
Расположение кремниевых подложек параллельно друг другу на расстоянии от 1 мм до 10 мм играет важную роль в стабилизации поверхности подложек на стадии их разогрева до температуры 800°С, при которой начинается подача в зону реакции газа СО и кремнийсодержащего газа. При температурах выше 600°С начинается активная перестройка верхних, лежащих вблизи поверхности, атомов кремния, кремниевой подложки. Часть этих атомов может испариться и, тем самым, разрушить верхний гладкий слой подложки, поскольку нагрев происходит в вакууме при остаточном давлении газов 10-10 Па. Испаряясь с двух соседних, рядом расположенных подложек, кремний в узкий зазор (1-10 мм) создает в нем избыточное равновесное давление паров кремния, т.е. такое давление при котором атомов испаряется ровно столько, сколько их оседает обратно на подложки. Расстояние между подложками выбирается таким образом, чтобы длина свободного пробега атома кремния при данном остаточном давлении газов была бы сравнима с расстоянием между подложками и, не была бы меньше последнего.
Таким образом, использование реактора заданной конструкции обеспечивает возможность синтезировать пленки карбида кремния одновременно на большом количестве кремниевых подложек, что позволяет существенно повысить производительность технологического процесса получения пленок карбида кремния на кремниевых подложках, улучшить их кристаллическое качество и снизить их стоимость. Реактор в отличие от прототипа, не имеет подвижных частей, а, следовательно, не требует применения специального привода и уплотнительных узлов. Это повышает надежность конструкции и существенное упрощение конструкции подложкодержателей при их универсальности в отношении размеров подложек и их формы.