一种准热壁反应器的制作方法

1.本发明总的来说涉及半导体制造技术领域。具体而言，本发明涉及一种准热壁反应器。


背景技术：

2.在半导体制造中，通常需要对放置在反应器的反应腔室内的衬底和反应气体进行加热来发生反应。根据反应过程中反应腔室的腔壁的温度，可以将传统上的反应器划分为冷壁反应器和热壁反应器，其中在冷壁反应器中所述腔壁的温度低于衬底的温度，在热壁反应器中所述腔壁的温度高于所述衬底的温度。
3.然而传统的冷壁反应器和热壁反应器仍存在一些难以解决的技术问题。
4.图1示出了现有技术中一个反应器的示意图。如图1所示，该反应器可以包括第一加热器101、第二加热器102以及反应腔室103。所述反应腔室103内可以放置衬底。所述第一加热器101和第二加热器102通常是红外加热器，其通常设置在所述反应腔室103外，可以对所述反应腔室103内的衬底进行加热。
5.当所述反应器为冷壁反应器时，所述反应腔室103的腔壁在反应过程中的温度低于衬底，也就是说是冷壁。所述冷壁通常采用石英等便于红外透射的材料，反应过程依赖于红外穿透所述冷壁来进行传热。而反应过程中反应气体会在所述冷壁上沉积，当沉积物积累到一定量时就会阻断红外透射传热，需要停止生产清洗所述冷壁才能继续进行反应，影响生产效率。因此在反应过程中，需要抑制所述冷壁的温度进而抑制反应气体在所述冷壁上沉积，从而避免沉积物阻断红外透射。然而，当反应温度较高时，所述衬底与所述冷壁之间将存在巨大的温度梯度(以1050-1250摄氏度硅衬底外延工艺为例，所述温度梯度将大于500度)。所述温度梯度将对反应过程中衬底的温度控制造成很大的影响。
6.当所述反应器为热壁反应器时，所述反应腔室103的腔壁在反应过程中的温度高于衬底，也就是说是热壁。所述热壁通常采用难以红外透射的材料，反应过程中由所述第一加热器101和所述第二加热器102对所述热壁进行加热，其中所述热壁升温后通过所述热壁的红外辐射对衬底进行加热。由于通过所述热壁对衬底进行加热，因此无需阻断所述热壁上反应气体的沉积，可以输送更多的反应气体来提高反应速度。另外所述热壁与衬底之间的温度梯度要远小于所述冷壁与衬底之间的温度梯度，因此对反应过程中衬底的温度控制要容易得多。然而，在所述热壁反应器中反应气体通常会发生更多的气相成核，进而导致产生更多的颗粒沉积在衬底表面。


技术实现要素：

7.为至少部分解决现有技术中的上述问题，本发明提出一种准热壁反应器，包括：
8.反应腔室；
9.基座，其布置于所述反应腔内，其中所述基座上放置衬底，反应气体沿所述基座的表面水平流过所述衬底；以及
10.第一加热器，其布置于所述反应腔内，其中所述第一加热器布置于所述基座的上方，所述第一加热器形成准热壁。
11.在本发明一个实施例中规定，所述第一加热器配置有吹扫气体对其进行吹扫，其中所述吹扫气体在所述第一加热器的下方形成抑制区域。
12.在本发明一个实施例中规定，所述准热壁反应器还包括第一挡板，其布置于所述第一加热器处，其中所述第一挡板与所述第一加热器共同形成准热壁。
13.在本发明一个实施例中规定，所述第一挡板布置在所述第一加热器的上方；或者
14.所述第一挡板布置在所述第一加热器的下方；或者
15.所述第一挡板包括第一部件以及第二部件，其中所述第一部件布置在所述第一加热器的上方，所述第二部件布置在所述第一加热器的下方。
16.在本发明一个实施例中规定，所述吹扫气体沿所述第一加热器和所述第一挡板的下方从所述第一加热器和所述第一挡板的第一侧向第二侧吹扫。
17.在本发明一个实施例中规定，所述吹扫气体所述第一挡板的开孔向下或者侧方流出并且对所述第一加热器进行吹扫。
18.在本发明一个实施例中规定，所述吹扫气体自所述第一加热器和所述第一挡板的上方经由所述第一加热器和所述第一挡板的缝隙流向所述第一加热器和所述第一挡板的下方。
19.在本发明一个实施例中规定，所述吹扫气体所述第一挡板的开孔向下或者侧方流出并且对所述第一加热器进行吹扫；和\或
20.所述吹扫气体自所述第一加热器和所述第一挡板的上方经由所述第一加热器和所述第一挡板的缝隙流向所述第一加热器和所述第一挡板的下方。
21.在本发明一个实施例中规定，所述吹扫气体自所述反应腔室的上方的中部流入所述反应腔室；或者
22.所述吹扫气体自所述反应腔室的侧面流入所述反应腔室；或者
23.所述吹扫气体自所述反应腔室的上方分区流入所述反应腔室。
24.在本发明一个实施例中规定，通过配置所述第一加热器和所述第一挡板的缝隙的尺寸以便配置所述吹扫气体的流速以及所述抑制区域的厚度。
25.在本发明一个实施例中规定，所述的准热壁反应器还包括第二加热器，其布置于所述反应腔内，其中所述第二加热器布置于所述基座的下方。
26.在本发明一个实施例中规定，所述第一和第二加热器包括电阻式红外加热器。
27.在本发明一个实施例中规定，所述第一和第二加热器包括面加热器。
28.本发明至少具有如下有益效果：本发明提出一种准热壁反应器，其中将加热器布置在反应腔室的内部，不依赖于传统的石英腔体对红外辐射的穿透，可以长时间生长无限制生长厚膜外延；所述准热壁反应器不需要设置换热器来控制反应腔室壁的温度，因此可以省去冷壁反应器中常见的换热器和风机，大量减少零部件；所述准热壁反应器中加热器贴近衬底，并且使用高发热面积的面加热器，加热衬底的温度均匀性更好；反应气体可以沿抑制区域的下方快速流动，进一步提高了生长速度；以及所述抑制区域可以抑制气相成核，减少衬底上的颗粒沉积。
附图说明
29.为进一步阐明本发明的各实施例中具有的及其它的优点和特征，将参考附图来呈现本发明的各实施例的更具体的描述。可以理解，这些附图只描绘本发明的典型实施例，因此将不被认为是对其范围的限制。在附图中，为了清楚明了，相同或相应的部件将用相同或类似的标记表示。
30.图1示出了现有技术中一个反应器的示意图。
31.图2示出了本发明一个实施例中一个准热壁反应器的示意图。
32.图3a和图3b示出了本发明一个实施例中一个加热器及其配套挡板的示意图。
33.图4示出了本发明一个实施例中一个挡板的示意图。
34.图5示出了本发明一个实施例中一个加热器和挡板的间隙处的示意图。
35.图6a-h示出了本发明其它实施例中准热壁反应器的示意图。
具体实施方式
36.应当指出，各附图中的各组件可能为了图解说明而被夸大地示出，而不一定是比例正确的。在各附图中，给相同或功能相同的组件配备了相同的附图标记。
37.在本发明中，除非特别指出，“布置在
…
上”、“布置在
…
上方”以及“布置在
…
之上”并未排除二者之间存在中间物的情况。此外，“布置在
…
上或上方”仅仅表示两个部件之间的相对位置关系，而在一定情况下、如在颠倒产品方向后，也可以转换为“布置在
…
下或下方”，反之亦然。
38.在本发明中，各实施例仅仅旨在说明本发明的方案，而不应被理解为限制性的。
39.在本发明中，除非特别指出，量词“一个”、“一”并未排除多个元素的场景。
40.在此还应当指出，在本发明的实施例中，为清楚、简单起见，可能示出了仅仅一部分部件或组件，但是本领域的普通技术人员能够理解，在本发明的教导下，可根据具体场景需要添加所需的部件或组件。另外，除非另行说明，本发明的不同实施例中的特征可以相互组合。例如，可以用第二实施例中的某特征替换第一实施例中相对应或功能相同或相似的特征，所得到的实施例同样落入本技术的公开范围或记载范围。
41.在此还应当指出，在本发明的范围内，“相同”、“相等”、“等于”等措辞并不意味着二者数值绝对相等，而是允许一定的合理误差，也就是说，所述措辞也涵盖了“基本上相同”、“基本上相等”、“基本上等于”。以此类推，在本发明中，表方向的术语“垂直于”、“平行于”等等同样涵盖了“基本上垂直于”、“基本上平行于”的含义。
42.另外，本发明的各方法的步骤的编号并未限定所述方法步骤的执行顺序。除非特别指出，各方法步骤可以以不同顺序执行。
43.下面结合具体实施方式参考附图进一步阐述本发明。
44.图2示出了本发明一个实施例中一个准热壁反应器的示意图。如图2所示，所述准热壁反应器可以包括反应腔室201、第一加热器202、第二加热器203、第一挡板204、基座205、基座环206、第二挡板207、基座轴208以及外壳209。
45.所述反应腔室201中设置基座205，所述基座205上可以放置衬底。所述基座环206布置在所述基座205的周围，所述基座轴208与所述基座205连接，其中所述基座205可以以所述基座轴208为轴心旋转。所述外壳209布置在所述反应腔室201外，其中所述外壳209可
以通过冷却水进行冷却。
46.所述反应腔体201可以用于硅外延和氮化镓氢化物气相外延(hvpe)外延。在硅外延工艺中衬底为硅衬底，用于生长多晶硅和单晶硅。在氮化镓hvpe外延中，衬底为硅，蓝宝石或者碳化硅，反应的前驱物为gacl3(g) nh3(g)和/或incl3，反应过程为石或者碳化硅，反应的前驱物为gacl3(g) nh3(g)和/或incl3，反应过程为
47.所述反应腔室201的腔壁指的是隔离化学气相沉积中反应前驱体的容器壁。所述腔壁的材料通常是耐高温的高纯导热材料，其例如可以是带碳化硅等的涂层的高纯石墨或者其它碳材料，上述材料可以耐受所述反应腔室201内高温和/或腐蚀的环境，长期工作。
48.所述第一加热器202和所述第二加热器203也可以采用所述耐高温的高纯导热材料。所述第一加热器202和所述第二加热器203布置在所述反应腔室201内，其中所述第一加热器202和所述第二加热器203布置在所述腔壁与衬底之间，所述第一加热器202可以布置在所述基座205的上方，所述第二加热器可以布置在所述基座205的下方。
49.在本发明的实施例中，反应过程中所述第一加热器202和所述第二加热器203与衬底之间的温度梯度远小于所述腔壁与衬底之间的温度梯度，因此对衬底的温度均匀性的控制将更加容易。第一加热器和第二加热器的加热方式类似于热壁反应腔，因此可以将反应腔体内的加热器称为准热壁，其温度高于衬底乃至包裹加热器的反应腔壁。
50.所述第一加热器202和所述第二加热器203由于布置在所述反应腔室201的内部，因此所述第一加热器202和所述第二加热器203可以无限贴近被加热的衬底，也就是说所述第一加热器202和所述第二加热器203的热通量可以尽可能得平移至衬底，获得更好得温度均匀性。另外，在本发明的实施例中，所述第一加热器202和所述第二加热器203可以采用大面积的面加热器以进一步地提升温度的均匀性。
51.与传统的热壁反应器类似，所述第一加热器202和所述第二加热器203上产生的沉积并不会影响到对衬底的辐射传热，因此本发明也可以持续进行长时间的工艺沉积而无需进行腐蚀清洗。
52.相比于传统的冷壁反应器，在本发明中从衬底至所述腔壁之间具有更大的适合反应的高温区间，但因此也可能存在大量的气相成核，形成颗粒物掉落在衬底的表面，影响到衬底的成膜质量。另外，当所述第一加热器202和所述第二加热器203采用蛇纹加热器时，所述蛇纹加热器上会出现薄膜沉积(例如进行硅外延时，会出现硅的沉积)，如果所述薄膜可以导电的，可能会引起加热器的短路。此外，加热器上沉积也会影响系统内壁光滑表面的设定，对系统的雷诺系数等产生影响，需要对此进行补偿。
53.考虑当上述抑制气相成核和抑制加热器上沉积的需要，在本发明的实施例中可以配置吹扫气体对所述第一加热器202进行吹扫，所述吹扫气体和所述第一加热器202可以形成一个准(气刀)热壁，在反应过程中所述准热壁的温度高于衬底和所述反应腔室201的腔壁的温度。所述吹扫气体可以保护所述第一加热器202，并且可以抑制所述第一加热器202周围空间的反应及气相成核，进而减少衬底表面的颗粒沉积。
54.在配置吹扫气体的过程中，最简单的做法是让吹扫气体沿着所述第一加热器202的下方从所述第一加热器202的第一侧向第二侧吹扫。然而这种情况下，吹扫气体会在高温下发生扩散因此导致在末端吹扫效果不佳。因此可以让吹扫气体在所述第一加热器202的上方进行吹扫，并且使所述吹扫气体分段进入所述第一加热器202的下方。
55.进一步的，在所述第一加热器202和所述第二加热器203处可以分别设置第一挡板204和第二挡板207。当所述反应腔室201的高度固定时，可以通过调节所述第一加热器202、所述第二加热器203、所述第一挡板204和所述第二挡板207的高度来调节反应气体的流道的高度，进而调节化学气相沉积(cvd)生长参数。
56.所述第一加热器202和第二加热器203的形状可以如图3a所示，所述第一挡板204和第二挡板207的形状可以如图3b所示。如图3a和图3b所示，所述第一加热器202和第二加热器203与所述第一挡板204和第二挡板207的形状相互配合互为反相。
57.挡板可以布置在加热器的同一平面、布置在加热器的上方或者布置在加热器的下方。以图2所示的准热壁反应器为例，其中第一挡板204布置在所述第一加热器202的上方，所述第二挡板207布置在所述第二加热器203的同一平面上。当所述第一挡板204与所述第一加热器202不在同一平面上时，所述第一挡板204也可以采用其它的形状，例如如图4所示的形状。
58.所述第一挡板204和第二挡板207的材料可以是涂层石墨或者石英。所述第一挡板204和所述第二挡板207没有布置在辐射加热所述基座和衬底的光路上，因此所述第一挡板204和第二挡板207的材料可以是涂层石墨或者石英，也可以选择石英之外的材料乃至不透红外的其他高纯耐高温材料。
59.吹扫气体可以流经所述第一加热器202和所述腔壁之间的空间并且经由所述第一加热器202与所述第一挡板204之间的空隙流出，所述吹扫气体可以在所述第一加热器202和所述第一挡板205的下方形成一个抑制区域，在所述抑制区域内建立一个不利于沉积的范围，从而抑制在所述第一加热器202和所述第一挡板205上的沉积，以及抑制所述第一加热器202周围空间的反应及气相成核，进而减少衬底表面的颗粒沉积。吹扫气体通过穿过腔壁的气道进入反应腔。
60.可以通过调节所述第一加热器202与所述第一挡板204之间的空隙的大小，也就是说调节所述第一加热器202与所述第一挡板204之间的流道的大小来调节所述吹扫气体的流速以及调节所述成核抑制区域的厚度。其中例如可以调节所述第一挡板204的形状以及调节所述第一加热器202与所述第一挡板204之间的高度差等。
61.图5示出了所述第一加热器202与所述第一挡板204之间的空隙209处的示意图。如图5所示，在空隙209处可以通过调节所述第一加热器202水平面上开孔孔径的大小d1(501)、所述第一加热器202与所述第一挡板205在垂直方向上的第一间隙大小d2(502)以及所述第一加热器202与所述第一挡板205在水平方向上的第二间隙大小d3(503)来调节吹扫气体的吹扫。由于所述第一加热器202在高温下会发生膨胀变形，因此所述第二间隙大小d3(503)的数值并不稳定，通常倾向于通过调节所述开孔孔径的大小d1(501)和所述第一间隙大小d2(502)来调节吹扫气体的吹扫。
62.在本发明的实施例中，当所述第一挡板204布置在所述第一加热器202的下方时，可以更好地抑制所述第一加热器202上的沉积；当所述第一挡板204布置在所述第一加热器202的下方时，可以更好地抑制所述第一挡板204上的沉积。
63.所述第一挡板204并非完全必要，只需要满足所述第一加热器202的表面上有适当的开口率以便使得足够的吹扫气体以适当的流速向下流出乃至向下后向尾气排气口方向水平流动。适当的该强制对流可以使得水平流过第一加热器202下方的工艺气体的流动可
以被视作流过光滑表面，或者可以理解为使得第一加热器202下方的工艺气体所受阻碍流动的粘滞力减小，乃至粘滞力的方向发生改变(提高层流流速)。进而使得水平的工艺气体气流在较大气流流速(雷诺系数)下保持层流。航空工业上使用类似的对机翼微吹气的方法，来延迟湍流的产生，降低阻力。通过上述微吹气技术(micro blowing)可以在所述第一加热器202的下方形成一个准光滑表面，进而减少工艺气体流动过程中受到的阻力，提高工艺气体的流速，加快衬底上成膜的速度。
64.所述第一挡板204和所述第二挡板207没有布置在辐射加热所述基座和衬底的光路上，因此所述第一挡板204和所述第二挡板207可以选择石英之外的材料乃至不透红外的其他高纯耐高温材料。
65.在图2所示的准热壁反应器中，吹扫气体从所述反应腔室201上方的中间流入，这种情况下可能导致远端的吹扫气体不足。在本发明的其它实施例中，在所述第一挡板204的上方可以设置多个独立的吹扫分区，所述吹扫分区的吹扫气体流道之间相互隔离并且可以进行独立控制。所述吹扫气体可以是h2，通过多区控制的独立吹扫可以调节衬底上成膜的厚度均匀性。此外，掺杂气体也可以通过顶部的微吹气系统进行分区注入控制，以便调节掺杂(doping)均匀性。
66.所述第二加热器203布置在所述基座205的下方，因此不会对衬底上可能出现的颗粒造成影响，通常而言并不需要对所述第二加热器203进行额外的吹扫，当需要时也可以设计与上述微吹气系统类似的系统对所述第二加热器203进行吹扫。
67.在图2所示的准热壁反应器中，所述第一挡板204布置在所述第一加热器202的上方，并且吹扫气体从所述反应腔室201上方的中间流入。
68.本发明的其它实施例中可以采用其它的技术方案，图6a-示出了本发明其它实施例中准热壁反应器的示意图。
69.在图6a所示的实施例中，所述第一挡板604布置在所述第一加热器602的上方，并且吹扫气体从所述反应腔室201上方分区流入。
70.在图6b所示的实施例中，所述第一挡板604布置在所述第一加热器602的下方，并且吹扫气体从所述反应腔室201的上方分区流入。
71.在图6c所示的实施例中，所述第一挡板604布置在所述第一加热器602的下方，并且吹扫气体从所述反应腔室201上方的中间流入。
72.在图6d所示的实施例中，所述第一挡板604包括第一部件6041和第二部件6042，所述第一部件6041和第二部件6042分别布置在所述第一加热器602的上方和下方，并且吹扫气体从所述反应腔室201的上方分区流入。
73.在图6e所示的实施例中，所述第一挡板604包括第一部件6041和第二部件6042，所述第一部件6041和第二部件6042分别布置在所述第一加热器602的上方和下方，并且吹扫气体从所述反应腔室201上方的中间流入。
74.在图6f所示的实施例中，所述第一挡板604布置在所述第一加热器602的上方，并且吹扫气体从所述反应腔室201的侧面流入。
75.在图6g所示的实施例中，所述第一挡板604布置在所述第一加热器602的下方，并且吹扫气体从所述反应腔室201的侧面流入。
76.在图6h所示的实施例中，所述第一挡板604包括第一部件6041和第二部件6042，所
述第一部件6041和第二部件6042分别布置在所述第一加热器602的上方和下方，并且吹扫气体从所述反应腔室201的侧面流入。
77.尽管上文描述了本发明的各实施例，但是，应该理解，它们只是作为示例来呈现的，而不作为限制。对于相关领域的技术人员显而易见的是，可以对其做出各种组合、变型和改变而不背离本发明的精神和范围。因此，此处所公开的本发明的宽度和范围不应被上述所公开的示例性实施例所限制，而应当仅根据所附权利要求书及其等同替换来定义。