用于具有气流旋转的外延反应器的反应室的基底支撑装置、反应室和外延反应器的制作方法

用于具有气流旋转的外延反应器的反应室的基底支撑装置、反应室和外延反应器
发明领域
1.本发明涉及适于在基底上沉积半导体材料的外延反应器的反应室的基底支撑装置，以及使用这种装置的反应室和外延反应器。
2.特别地但非排他地，本发明涉及“热壁”反应室，即，其中壁被有意地保持热并且通常特别地被加热。相反，在“冷壁”反应室中，例如通过冷却气流和/或冷却液体流有意地使壁保持冷却。
3.这种类型的反应室主要用于在碳化硅基底上外延沉积碳化硅(“同质外延”工艺)或在由另一种材料制成的基底上外延沉积碳化硅(“异质外延”工艺)。
现有技术
4.为了使沉积材料层均匀，除其他外，经常使用旋转：在反应室中，将装置布置为(直接地或非直接地)支撑基底，将一个或更多个基底放置在该装置上，并且至少在沉积过程中，该装置是旋转的。
5.重要的是，至少在沉积过程中，装置的旋转速度以及因此基底的旋转速度是预定的，并且随着时间的推移是恒定的。
6.有反应室，特别是“热壁”反应室，其中基底支撑装置的旋转是通过气流来推动装置而获得的(而不是通过机械地联接到装置上的旋转轴获得的)；这种类型的解决方案例如在申请人的在此合并以供参考的wo2004053187a1、wo2004053188a1、wo2004053189a1、wo2005121417a1和wo2015092525a1的五项国际专利申请中说明并公开。
7.在这种情况下(即，在流体动力旋转的情况下)，因为有几个影响旋转速度并且不能确定或测量的因素，基于气流的流速的装置的旋转速度的估计是不精确的。例如，旋转速度可受随时间在用于支撑基底的装置上积累的沉积物影响和/或由用于支撑基底的装置的定位和定位的改变影响。
8.显然，如果使用机械旋转(即，通过反应室外部的马达通过轴将旋转运动传递到用于支撑基底的装置而获得)，旋转速度将被精确地知道和控制，但是解决方案在组成/构造和组装/拆卸方面都将更加复杂。
9.概述
10.本发明的总体目的是克服这样的问题，即估计(特别是以高精度估计，即确定)用于支撑基底的装置的旋转速度，特别是在具有气流旋转的反应室中。
11.这种问题特别困难，因为该装置位于反应室中，精确地位于反应室的中心区域，在过程中，该区域处于非常高的温度；在硅外延沉积的情况下，温度可以是例如800-1200℃，并且在硅碳化物外延沉积的情况下，温度可以是例如1600-3000℃。
12.由于构成本说明书整体部分的所附权利要求中所表达的内容，达到了该总体目的和其他更具体的目的。
13.本发明的目的是提供一种基底支撑装置以及使用这种装置的反应室和外延反应
器。
14.附图列表
15.本发明将从下面结合附图考虑的详细描述中变得更加明显，其中：
16.图1示出了反应室的横截面(示意)图，
17.图2示出了图1的反应室的纵向截面(示意)图，
18.图3示出了从图1的反应室的部分的上方看的内部(示意)图，
19.图4示出了图1的反应室的纵向截面局部详细图，其中根据本发明的基底支撑装置的实施例是清楚可见的，以及
20.图5示出了由图4所示的高温计产生的电信号的可能的时间趋势。
21.可以容易地理解，存在实际实现本发明的各种方式，本发明在其主要有利方面定义在所附权利要求中，并且不限于以下详细描述或所附权利要求。
22.详细描述
23.本发明特别地但不唯一地涉及一种具有气流旋转的反应室。
24.本发明特别地但不唯一地涉及一种“热壁”反应室。
25.申请人已经处理了这种类型的反应室，并提交了例如在此合并以供参考的前面提到的五项国际专利申请。
26.这种类型的反应室1的示例在图1和图2以及图3中示意性地示出；反应室1沿着纵向方向均匀地延伸。反应室1包括由四个感受器元件2、3、4和5组成的感受器组件，四个感受器元件2、3、4和5限定反应和沉积区域10，并包含在由绝热材料制成的壳体7中；壳体7插入石英管8中。壳体7由管71(特别是具有圆形截面)和两个盖72和73(特别是像管截面那样的圆形形状)组成。在管8的周围，缠绕着电感器9，该电感器9适于通过电磁感应加热由石墨制成的元件2、3、4和5；电感器9用虚线表示，因为电感器9严格来说不是反应室1的一部分。元件4和5是两个板条(可以认为是反应室的壁)，并构成区域10的侧壁。元件2和3是凸起实体(projection solid)，其具有圆区段形状的截面和通孔20和30，其具有圆区段形状的截面；因此，元件2和3由平面板坯21和31(可以认为是反应室的内壁)和弯曲板坯22和32(可以认为是反应室的外壁)组成；平面板坯21和31分别构成区域10的上壁和下壁。下壁31适于容纳组件6，组件6除其他外包括支撑元件61(在沉积过程中可旋转)，支撑元件61适于支撑放置在元件凹部中的将要沉积的至少一个基底62；根据该示例，支撑元件61可以插入区域10中以及从区域10中抽出。两个盖72和73被显示为关闭；然而，盖72和73具有开口，特别是在盖73中用于前体气体进入的开口(见黑色箭头)和在盖72中用于废气离开的开口(见黑色箭头)；此外，从下面将更明显地看出，可以有开口，其用于适于流动旋转气体的管和适于传导例如高温计和温度传感器(在反应室内)的电信号的电缆。
27.参考图1和图2以及图3，如果电感器9被提供交流电流，则在感受器元件2、3、4和5中感应交流电流，特别是在元件2和3中(应注意的是，元件4和5也可以全部地或部分地由电绝缘材料制成，以及因此对反应和沉积区域10的加热贡献较小)。制造感受器元件最典型的材料是石墨；石墨可以裸露或覆盖使用，例如，覆盖碳化硅或碳化钽。
28.图1和图2以及图3的反应室1适用于许多变体，例如：具有不同形状的截面(多边形、椭圆形、
…
)，具有不带通孔的上感受器元件，具有带通孔的侧感受器元件，具有适于直接地支撑一定数量基底的基底支撑元件，...。
29.在图1和图2中，与附图标记428相关联的虚线框可见，以示意性地指示根据本发明的基底支撑装置的存在。
30.从下面的描述和图4中可以清楚地看出组件6的可能构造。
31.值得注意的是，在图4中，根据其非限制性实施例示出了支撑元件61。从概念上讲，这样的元件可以用如下的一组部分来描述。这样的元件包括：板部分，简称为“板”，具有圆形形状并且具有适于支撑基底的支撑表面；特别地，支撑表面基本上具有与基底相同的形状和尺寸，并构成元件的凹部的底部。这样的元件还包括边缘的第一部分，该边缘完全围绕板并且轴向延伸以构成元件的凹部的侧壁。这样的元件最后包括边缘的第二部分，该第二部分完全围绕边缘的第一部分并径向延伸；可以说，边缘的第二部分是位于边缘的第一部分周围的凸缘。上文公开的部分可以连结以形成一个或更多个单个件。上文公开的部分中的每一个可以由机械地联接在它们之间的两个或更多个单个件形成。
32.尽管图中没有突出显示(除了图4)，但图中的反应室和外延反应器实现了装置的旋转以支撑气流基底。
33.如前所述，本发明的一般目的是估计或甚至确定用于支撑基底的装置(例如，在图4中以附图标记420作为整体指示的装置)的旋转速度。
34.达到该目的的总体想法是使用光热装置，特别是热像仪，或者更有利地使用高温计(例如图4中由附图标记430指示的装置)。
35.事实上，例如且特别是高温计(例如，在图4中由附图标记430指示的元件)可用于估计或确定用于支撑基底的装置(例如，在图4中由附图标记420指示的元件)在外延反应器的反应室中的旋转速度；这种用途提供：
36.当装置旋转时，将高温计保持在恒定的方向(例如图4中附图标记433所示的方向)上，使得高温计检测到的温度由于装置旋转而经历周期性变化(例如见图6-2、图6-3和图6-4的曲线图)，
37.以及
38.旋转速度由电连接到高温计的处理电子单元(例如，图4中由附图标记490指示的元件)根据周期性变化的周期计算。
39.这种想法有利地在具有气流旋转的反应室中实现，特别是在“热壁”类型的反应室中和/或通过碳化硅的外延沉积实现。
40.以下将参考图4的实施例,但这种参考不应被认为是限制性的。
41.为了利用这样的一般想法，用于在外延反应器的反应室中支撑基底的装置420以特定的方式配置；在图4的实施例中，由于支撑元件61，装置420间接地支撑基底；装置420具体地包括：
42.盘形元件422，其具有第一面422a和第二面422b，第一面422a适于在使用装置420时向上定位，第二面422b适于在使用装置420时向下定位；盘形元件422适于接收气流f以使装置420(精确地或基本上地)绕其轴线x旋转，
43.基底支撑元件424，其与盘形元件422成单件并且优选地邻近第一面422a，
44.轴426，其与盘形元件422同轴，与所述盘形元件422成单件并且在(至少)所述第二面422b处具有第一端426a。
45.轴426在其第二端426b处具有至少一个突出部428a、428b、428c，突出部428a、
428b、428c的旋转适于由高温计430或热像仪检测。
46.如图4所示，元件422和元件424可以集成以形成单个件。
47.如图4所示，轴426可与元件422和元件424集成。
48.如图4所示，轴426的第一端426a位于元件422和元件424处。此外，即使在图4的示例中，元件422由几乎完全平面的圆盘组成并设有中心孔，作为替代，元件422可以具有适于与轴426机械地联接的中心突出部(例如，圆柱形突出部)来代替中心孔；在这种情况下，轴426的第一端426a位于元件422的中心突出部处。
49.如前面提到的五个国际专利申请中所描述和示出的，盘形元件422可以在背面具有适于接收气流f的凹部。
50.优选地，至少一个突出部的旋转适于通过高温计430来检测。
51.轴426可以在其一个第二端426b处具有两个突出部或三个突出部；优选地，轴426可具有三个突出部428a、428b、428c(特别地，彼此径向布置成120
°
)；这些突出部的旋转适于通过高温计430或热像仪来检测；这样的突出部优选地在它们之间相等。
52.至少一个突出部可以是垂直于轴426的轴线x延伸的板(特别是矩形的并且通常基本上是平面的)。
53.优选地，装置420完全由石墨制成；特别地，元件422和元件424以及轴426都由石墨制成。
54.轴426可以机械地直接固定到盘形元件422；例如，这种固定可以通过螺钉、榫舌键槽联接或卡扣配合来完成。
55.至少一个突出部被机械地直接地固定到轴426上；例如，至少一个突出部可插入轴孔中；或者，至少一个突出部可以集成在要拧在轴上的元件中。
56.装置420可以包括围绕轴426的一部分的保护承槽(protection socket)(特别是在反应室的壁31的孔处)。这种承槽用作低摩擦的可旋转引导件，可以被认为是消耗品。
57.根据本发明的基底支撑装置，特别是图4的装置420通常是外延反应器(即用于在基底上外延沉积半导体材料层)的反应室的部件。
58.这种应用对于设有基底支撑装置的气体旋转系统的反应室特别有利。
59.在这种情况下，装置420的盘形元件422可旋转地容纳在室壁的座中；在图4的示例中，壁31有这样的座，特别是板坯414有这样的座。
60.图4的壁31包括板坯414和覆盖物或衬里412；在板坯414中获得内部管道416，以使旋转气体流动并将其引导到元件422的后部部分；在板坯414中还插入连接到电缆465的温度测量装置460。
61.如图4所示，壁31的座有利地具有被装置420的轴426穿过的通孔；因此，至少一个突出部428可以位于反应室的元件的孔内(例如参见图1和图2中的室1的元件3的孔30)。
62.有利地，用于基底支撑装置的座的壁是内壁(例如参见图1中的室1的壁31)，即不限定反应室的外周界的壁。
63.有利地，在使用中，装置420的轴426的至少一个可旋转突出部位于室的内腔中，特别是在室的内壁(即，不限定反应室的外周界的壁)和外壁(即，至少部分地限定反应室的外周界的壁)之间；在图1和图4的示例中，内壁为壁31并且外壁为壁32。
64.如前所述，本发明需要热像仪或优选地高温计，其定向为检测装置的轴旋转，或者
更好地，检测至少一个轴突出部的旋转；热像仪或高温计(例如，在图4中由430表示)可以被认为是根据本发明的反应室的一部分。
65.根据图4的示例性实施例(该图示出了根据本发明的外延反应器的实施例的一些部件)，外延反应器包括电连接(参见电缆435)的控制电子单元490和反应室的热像仪或优选地高温计430，并且适于基于由热像仪或高温计430接收的电信号来估计或确定反应室的基底支撑装置420的旋转速度。值得观察的是，在图4中光线似乎直接地从高温计430离开/进入高温计430；但是，不能排除高温计或热像仪与光纤的光学地连接。
66.再者，始终按照图4的实施例，控制电子单元490可以有利地电连接(参见电缆445)到反应室的调节器，特别是质量流量控制器440，并且控制电子单元490适于基于估计或确定的旋转速度来设置旋转气流；显然，调节器，特别是质量流量控制器440，例如通过管450流体地连接到管道416。
67.根据本发明，为了确定基底支撑装置的旋转速度，高温计(或可能是热像仪)必须适当地朝向可旋转突出部或多个可旋转突出部(如果不止一个)；参考图4，高温计430必须适当地朝向可旋转突出部428，具体地，可旋转突出部428的数量为三个，并且彼此径向布置成120
°
；这是是固定的和预先确定的方向设置。
68.为了理解“适当地”的概念，可以参考图5和图6.
69.在图5中，例示了高温计430的4个不同的方向设置。根据第一方向设置，高温计朝向壳体7的盖72的点51，并且高温计430与点51之间的直线(图4中的433)从不被突出部428拦截。根据第二方向设置，高温计朝向壳体7的盖72的点52，并且高温计430与点52之间的直线(图4中的433)在突出部428的远离(或非常远离)旋转轴线的区域处被突出部428拦截。根据第三方向设置，高温计朝向壳体7的盖72的点53，并且在高温计430和点53之间的直线(图4中的433)在突出部428的中间区域处被突出部428拦截。根据第四方向设置，高温计朝向壳体7的盖72的点54，并且高温计430和点54之间的直线(图4中的433)在突出部428的靠近(或非常靠近)旋转轴线的区域处被突出部428拦截。
70.在图6中，出于示例性目的，示出了由高温计430读取的，即检测(例如每10-100毫秒)的，温度的时间趋势；我们可以假设突出部428处于高温(例如1200-1600℃)，并且绝热材料壳体7的盖72处于低温lt(例如400-800℃)。图6-1示出了高温计按第一方向设置时随时间变化的温度趋势；它是一条直的水平线。图6-2示出了高温计按第二方向设置时随时间变化的温度趋势；它是一组狭长并彼此相距远的峰。图6-3示出了高温计按第三方向设置时随时间变化的温度趋势；它是一条宽度很大并且大约等于(ht-lt)/2的看起来像正弦曲线的线。图6-4示出了高温计按第四个方向设置时随时间的温度趋势；它是一条线，看起来像一条宽度很小的正弦曲线的线。
71.应当理解，可以从图6-2、图6-3和图6-4的周期性趋势中获得基底支撑装置420的旋转速度，并且第一方向设置不允许估计或确定旋转速度。用于估计或确定旋转速度的理想方向设置是第三方向设置，即，当突出部428旋转时，高温计430与点53之间的直线在从突出部428的尖端(远离旋转轴线)和突出部428的底座(靠近旋转轴线)之间的区域在一定时间范围内被拦截。估计或确定旋转速度(例如可以是10-100rpm)涉及估计或确定温度的时间范围的周期，并且可以通过以已知的方式在时域或频域中以及以数字和/或模拟方式处理高温计信号来进行估计或确定。
72.由上可知，在组装反应室的步骤中，高温计优选需要调整其方向设置。
73.必须注意的是，在使用热像仪而不是高温计的情况下，处理信号可能要复杂得多，尽管方向设置可能不那么关键。