4. 2. Основные типы эпитаксиальных установок

4.2.1. Горизонтальные реакторы

Реактор горизонтального типа представляет собой кварцевую трубу круглого, прямоугольного или эллиптического сечения (рис.4.2) [7]. Нагреваемая часть реактора окружена катушкой индуктора или резистивного нагревателя. С целью уменьшения осаждения кремния и продуктов реакции на внутренней поверхности реакционной камеры ее обычно охлаждают водой или воздухом. Для уменьшения осаждения на стенках реактора авторы [8] предложили использовать радиационный нагрев с коротковолновым излучением (длина волны около 1 мкм), которое практически не поглощается прозрачным кварцевым реактором и следовательно, реактор остается более холодным по отношению к подложкодержателю (реактор с холодной стенкой - cold wall). В реакторах горизонтального типа газ перемещается параллельно поверхности подложек, которые расположены на горизонтальном пьедестале (подложкодержателе) прямоугольного или трапецеидального сечения. Горизонтальные реакторы в настоящее время не используются для групповой обработки подложек, так как не позволяют достигнуть хорошей однородности параметров по всей длине реактора, поэтому мы не рассматриваем подробно этот тип реакторов.

Рис. 4.2. Схема горизонтального реактора

4.2.2. Вертикальные реакторы

Вертикальные реакторы эпитаксиального наращивания с плоским подложкодержателем (pancake reactor) нашли достаточно широкое применение. Установки такого типа могут иметь один или два реактора и один ВЧ-генератор [9]. Кварцевый реактор (3), имеющий форму колокола (Bell Jar) может иметь воздушное или водяное охлаждение (рис.4.2а) и б)). Внешний вид реактора с воздушным охлаждением (установки Gemini-1, Gemini-2, Rexon-2 и др.) показан на рис.4.3, а реактора с водяным охлаждением (установки серии DC и EGV японских производителей) – на рис.4.4. Пластины (6) располагаются в углублениях (карманах) плоского дискообразного подложкодержателя (5), который вращается во время процесса с целью повышения однородности осаждаемых слоев. Нагрев подложек осуществляется при помощи плоского спирального индуктора (8), расположенного под подложкодержателем. Катушка индуктора и высокочастотный тракт охлаждаются водой. Для предотвращения коррозии электрических утечек должна использоваться чистая охлаждающая вода с удельным сопротивлением не менее 10 кОмсм. Температура подложек зависит от расстояния между подложкодержателем и катушкой индуктора. Для обеспечения однородной температуры вдоль подложкодержателя витки катушки индуктора устанавливаются определенным образом. Кроме того, для обеспечения однородной температуры по пластине поверхность углубления выполняется не плоской, а вогнутой [3]. Для контроля температуры используются ИК датчики (пирометры), а в верхней и боковой части кварцевого колпака предусматриваются вставки из прозрачного кварцевого стекла. Катушка индуктора изолирована от реакционного объема кварцевой крышкой. Смесь газов подается в реактор через кварцевый трубопровод (инжектор) (7), который находится внутри штока, вращающего диск. Пространство под кварцевым колпаком (4) обеспечивает высокую скорость газовой смеси и хорошую однородность осаждаемых слоев. С целью уменьшения автолегирования конструкция инжектора была усовершенствована таким образом, чтобы поток газов направлялся в горизонтальном направлении. Выход газов из реактора осуществляется через одно или два отверстия (9) в опорной плите (1) реактора. Конфигурация газовой системы обычно позволяет создавать до двух контуров разбавления легирующих примесей (N и Р-типа) и до трех контуров различных источников кремния. В установках с воздушным охлаждением кварцевый реактор находится в замкнутой камере с водоохлаждаемыми дверями (10), в которую при помощи вентилятора принудительно подается воздух для охлаждения кварцевого колпака.

а) б)

Рис. 4.3. Типичное внутреннее устройство вертикального реактора c воздушным охлаждением (а) и водяным охлаждением колпака (б) (1 – основание реактора, 2 – уплотнительное кольцо, 3 – кварцевый реактор, 4 – объем реакционной камеры, 5 – подложкодержатель, 6- - пластина, 7 – инжектор для ввода газа, 8 – катушка ВЧ-индуктора, 9 – отверстия для выхода газов, 10 – камера реактора, 11 – металлический колпак, 12 – трубопроводы охлаждающей воды, 13 – кронштейн для крепления кварцевого колпака, 14 прижимающая скоба, 15 – отверстие для продувки кольцевого зазора).

Недостатком реакторов с воздушным охлаждением является потеря лучистой энергии от подложкодержателя и пластин, что приводит к повышенным затратам энергии на нагрев подложек. Относительно высокая температура стенок кварцевого реактора, способствует достаточно сильному осаждению кремния на внутренней поверхности колпака, что приводит к необходимости более частой обработки кварцевого колпака. Кроме того, оператор недостаточно защищен от осколков в случае взрыва колпака. Первые модели реакторов с воздушным охлаждением имели также и другие недостатки, например,

• избыточный радиальный температурный градиент, вызываемый конвективной передачей тепла и большими расстояниями между витками, что приводило к образованию линий скольжения.

• на поверхности водоохлаждаемого индуктора осаждался оксид кремния, что требовало частой очистки катушки индуктора.

Рис. 4.4. Вертикальный реактор с воздушным охлаждением установки Rexon-2 [10].

В более поздних моделях реакторов был проведен ряд усовершенствований, которые позволили устранить ряд недостатков и улучшить эксплуатационные и потребительские характеристики оборудования. Так для исключения осаждения оксида кремния на поверхности катушки индуктора пространство под крышкой индуктора было полностью изолировано от реакционной зоны и дополнительно продувалось газом (водородом или азотом с созданием небольшого избыточного давления [10-12]. С целью улучшения равномерности прогревания пластин была разработана катушка индуктора с более плотным расположением витков на периферийной области катушки и отражающим покрытием для уменьшения тепловых потерь между подложкодержателем и катушкой индуктора [12]. Кроме того, для уменьшения потребления энергии за счет использования энергии, излучаемой пластинами и подложкодержателем, а также повышения безопасности оператора в случае аварийной ситуации фирма Epitaxy Equipment предложила конструкцию реактора с дополнительным отражающим колпаком и принудительным воздушным охлаждением кольцевого зазора между кварцевым колпаком и отражателем [12]. С целью уменьшения объема реактора и экономии потребления электроэнергии, реагентов и продувочных газов был уменьшен внутренний объем реактора, т.е. высота кварцевого колпака стала меньше его диаметра [12, 13]. Использование реакторов с индукционным нагревом при пониженном давлении сдерживалось образованием плазменного разряда между витками катушки индуктора в условиях низкого давления. Для решения этой проблемы фирма Epitaxy Equipment предложила использовать кварцевую крышку индуктора, изготовленную из толстой кварцевой пластины, в которой вырезаны углубления для катушки индуктора [9]. Когда такая кварцевая крышка «одевается» на катушку индуктора, витки индуктора изолируются друг от друга кварцевым стеклом, что исключает образование дуги и плазменного разряда между витками.

а) б)

Рис. 4.5. Вертикальный реактор с водяным охлаждением установки EGV-28FM [14]: а) общий вид, б) подложкодержатель с пластинами.

Японские фирмы Kokusai Electric и Toshiba производят вертикальные реакторы с водяным охлаждением реакторов [14, 15]. В этом случае колпак из прозрачного кварцевого стекла (3) располагается внутри металлического колпака (11), который охлаждается водой, подаваемой под давлением до 3 кгс/см² по системе трубопроводов (12) или во внутреннюю полость металлического колпака (рис.4.3б). Для предотвращения конденсации влаги на поверхности металлического колпака, разница между температурой охлаждающей воды и комнатной температурой не должна превышать 5С. Кварцевый реактор (14) устанавливается на кронштейны (13), прикрепленные к внутренней поверхности металлического колпака (11) (рис.4.3б). Герметизация реактора осуществляется путем прижима фланца металлического колпака (11) к герметизирующему кольцу (2), расположенному в углублении опорной плиты реактора (1). Между кварцевым и металлическим колпаком имеется кольцевой зазор, в который могут попадать реакционные газы, приводя к образованию нежелательных осадков на стенках реактора поэтому, пространство в кольцевом зазоре необходимо продувать во время процесса водородом. Для устранения этого недостатка фирма Toshiba предложила использовать кварцевый колпак с кольцевым фланцем (10), который зажимается между фланцем металлического колпака и внешним несущим кольцом при помощи накидных болтов (14) с фиксирующими гайками (11-13) и герметизирующих колец (7, 8) (рис.4.6б) [16]. Герметизация реактора осуществляется при помощи одного или двух герметизирующих колец (9). При использовании двух герметизирующих колец пространство между кольцами может либо продуваться азотом [14], либо откачиваться до субатмосферного давления [12].

Подъем колпака осуществляется либо при помощи пневматического привода (обычно используется для кварцевых реакторов с относительно небольшими размерами [9]), либо при помощи гидравлического привода (для металлических реакторов) [14, 15].

В большинстве вертикальных реакторов пластины загружаются в реактор вручную, однако последние модели установок, например Gemini-3 [10] имеют робот-манипулятор для автоматической загрузки пластин. Для обеспечения загрузки и выгрузки пластин предусмотрена возможность управления вращением подложкодержателя путем нажатия педали.

Рис. 4.6. Системы герметизации эпитаксиального реактора. (1- основание реактора, 2 – уплотнительное кольцо, 3 – прижимающая скоба, 4 – металлический колпак, 5 – кварцевый колпак, 5а – фланец кварцевого колпака, 6 – кронштейн, 7,8,9 – уплотнительные кольца, 10 – несущее кольцо кварцевого колпака, 11 – ось накидного болта, 12, 13, 14 – фиксирующие гайки, 14 – накидной болт, 15 – паз в несущем кольце).

Размер реактора с увеличением загрузки существенно возрастает, что ограничивает возможность увеличения загрузки. Так у реактора установки Gemini-1 с загрузкой 10 пластин диаметром 100 мм диаметр основания кварцевого реактора составляет 400 мм, а у реакторов установок Gemini-2 и DC-6000E – 600 мм (21 пластина диаметром 100 мм). Фирма Kokusai Electric выпускает установки с размером подложкодержателя 9500 мм. Установки Rexon-8 (фирма ReDIXON) [13] и DC-8600 и DC-9500 (фирма Kokusai Electric) позволяют обрабатывать подложки диаметром 300 мм.

Вертикальные реакторы позволяют получать эпитаксиальные пленки высокого качества. К недостаткам вертикальных реакторов можно отнести относительно высокий уровень автолегирования из-за турбулентности газового потока, а также большие размеры, что затрудняет их обслуживание, и высокую стоимость кварцевой оснастки больших размеров. В таблице 4.1 представлены основные характеристики коммерческих установок эпитаксиального наращивания кремния вертикального типа. Следует отметить, что одна из наиболее популярных серий эпитаксиальных установок – Gemini, разработанная фирмой Epitaxy Equipment (США), которая затем входила в состав LAM Research (США), в дальнейшем усовершенствовалась фирмой Concept System Design (CSD) (США), которая разработала установки G3E и G3HT [17] (вторая установка имеет по два ВЧ-генераторами, газовых панели и откачных поста, т.е. два реактора могут работать независимо друг от друга). Затем фирма CSD вошла в состав Mattson Technology (США), которая стала производить установку EpiPro-5000, являющуюся усовершенсованной версией установки G3E. Фирма ReDixon (США) продолжает поддерживать пользователей установок Gemini и, кроме того, разработала собственные установки – Rexon-2 (аналог Gemini-2) и Rexon-8.

Фирма LPE (Италия) разработала новый реактор – PE 3061 [18, 19], который сочетает достоинства реакторов поштучной обработки и высокую производительность групповых реакторов. Установка имеет две независимые загрузочные камеры. После откачки загрузочной камеры пластины поступают в шлюзовую камеру, которая изолирует процессную камеру от загрузочной камеры при помощи щелевых затворов. Далее робот шлюзовой камеры перемещает пластины в реакционную камеру. Реакционная камера представляет собой низкопрофильный горизонтальный реактор с относительно небольшой загрузкой (4-8 пластин). Для нагрева подложек используется индукционный метод с радиационным отражением, однако катушка индуктора расположена вне реактора и может настраиваться для получения оптимального профиля температуры прямо во время проведения процесса. Во время процесса подложкодержатель вращается. Технологические газы подаются в реактор через инжектор специальной конструкции, обеспечивающий создание ламинарного потока газов в реакционной камере. Конфигурация газовой системы позволяет создавать два контура разбавления легирующих примесей, а в качестве источника кремния используется либо тетрахлорид кремния, либо трихлорсилан, для подачи которых установка комплектуется барботером. Качество пленок, получаемых в таком реакторе, сравнимо с реакторами поштучной обработки, а цена сравнима с реакторами групповой обработки. Так как реактор имеет размеры значительно меньшие, чем традиционные реакторы вертикального типа, все узлы легко доступны, что существенно облегчает техническое обслуживание установки.

Таблица 4.1. Основные характеристики коммерческих эпитаксиальных установок вертикального типа.

Фирма	Модель	Тип реактора	Загрузка						Возможность пониженного давления	Наличие робота
			75 мм	100 мм	125 мм	150 мм	200 мм	300 мм
Gemini Research ,	Gemini-1	индукционный	40	10	-	5	-	-	Да	Нет
США	Gemini-2	индукционный		21		8	5	-	Да	Нет
	Gemini-3	индукционный		21		8	5	-	Да	Да
CSD, США	G3E, G3HT	индукционный		44		16	10	-	Да	Нет
ReDixon, США	Rexon-2	индукционный		21		8	5	-	Да	Нет
	Rexon-8	индукционный	-	-	-	18	8	5	Да	Нет
Hitachi-Kokusai Electric, Япония	DC-7000	индукционный	-	-	20	11	7	-	Да	Нет
	DC-8400	индукционный	-	48	27	20	9	5	Да	Нет
	DC-9500	индукционный	-	-	31	22	10	6	Да	Нет
Toshiba,	EGV-28FM	индукционный	-	27	19	10	-	-	Да	Нет
Япония	EGV-30GX	индукционный	-	30	21	12	-	-	Да	Нет
LPE, Италия	PE3061	индукционный	-	-	-	8	5	-	Нет	Да

Фирма Tetron (США) с целью увеличения производительности оборудования разработала ячеистый эпитаксиальный реактор с резистивным/радиационным нагревом, в котором подложкодержатель представляет собой набор вертикально и радиально расположенных пластин [3, 20]. Каждая пластина удерживает две подложки, количество ячеек достигает 25. Газы через инжектор специальной конструкции подаются в каждую из ячеек из центральной части реактора. Однако из-за сложности конструкции данный тип реактора не получил широкого распространения.