高產(chǎn)量多晶片外延反應(yīng)器的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明揭示了一種能夠在多塊晶片上同時沉積薄膜的外延反應(yīng)器。在沉積期間，許多晶片包含在晶片套內(nèi)，所述晶片套包括許多晶片載盤，所述晶片載盤緊密相隔以使處理體積最小化。處理氣體優(yōu)先流入晶片套的內(nèi)部體積，用一個或多個燈模組加熱晶片套。吹掃氣體在反應(yīng)室內(nèi)的晶片套外面流動，以使室壁上的沉積減至最少。另外，在燈模組內(nèi)的單獨燈的照明排序，可以進一步改進晶片套內(nèi)的沉積率變化的線性。為了提高均勻性，處理氣體流動的方向可以以交叉流動構(gòu)型變化。在多個反應(yīng)器系統(tǒng)內(nèi)結(jié)合燈排序和交叉流動處理，能夠有高產(chǎn)量的沉積與良好的薄膜均勻性，而且有效地使用處理氣體。
【專利說明】高產(chǎn)量多晶片外延反應(yīng)器
[0001] 本發(fā)明專利申請是國際申請?zhí)枮镻CT/US2010/025449，國際申請日為2010年2月25日，進入中國國家階段的申請?zhí)枮?01080018350.0，名稱為“高產(chǎn)量多晶片外延反應(yīng)器”的發(fā)明專利申請的分案申請。
_2] 相關(guān)申請的交叉引用
[0003]本申請要求2009年2月25日提交的名稱為“高產(chǎn)量多晶片外延反應(yīng)器”的美國專利申請?zhí)?2/392448的優(yōu)先權(quán)，將其引入本文作為參考。

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0004]本發(fā)明大體涉及用于沉積薄膜尤其是外延薄膜的化學(xué)氣相沉積(CVD)反應(yīng)器的領(lǐng)域，更具體地說，涉及采用一個或多個燈加熱反應(yīng)器和移動晶片套的CVD反應(yīng)器，所述移動晶片套暴露于燈、吸收燈輻射、并安裝多塊晶片和限定晶片套內(nèi)的處理氣體的流動。

【背景技術(shù)】
[0005]通過化學(xué)氣相沉積(CVD)方法在晶片上沉積薄膜的外延反應(yīng)器，可以根據(jù)它們加熱晶片的方法、在反應(yīng)室或數(shù)個反應(yīng)室內(nèi)的晶片的整體布局、以及整體工具架構(gòu)來進行分類，整體工具架構(gòu)包括反應(yīng)室的數(shù)量，以及是否分別在系統(tǒng)的入口和出口處配置用于預(yù)熱和冷卻的額外腔室。圖1-3示出了三種不同類型的現(xiàn)有技術(shù)的外延反應(yīng)器，各自按照這些不同的設(shè)計方面進行分類。
[0006]圖1示出了現(xiàn)有技術(shù)的煎餅型外延反應(yīng)器100的側(cè)剖視示意圖。將在上面沉積外延薄I吳的晶片110由基座111支承。典型的基座可以由帶碳化娃涂層的石墨構(gòu)成?；?11安裝在反應(yīng)室101內(nèi)，一個或多個處理氣體102經(jīng)由入口管路103進入反應(yīng)室101的氣體通道，該氣體通道包含在一個桿狀件內(nèi)，該桿狀件也為基座111的旋轉(zhuǎn)運動140提供支持。在基座111的電阻石墨材料內(nèi)流動的電渦流加熱該基座111，并通過傳導(dǎo)來加熱支承在該基座上的晶片110。這些渦流是由安裝在基座111下面的一組RF感應(yīng)線圈112誘發(fā)的。處理氣體105經(jīng)桿狀件內(nèi)的氣體通道從出口 104進入反應(yīng)室101，然后流過已加熱的晶片110的表面。既包含來自外延反應(yīng)的析出氣體，也包含未使用的反應(yīng)氣體的廢氣115，經(jīng)由出口 114被抽吸到反應(yīng)室101外面。
[0007]煎餅型外延反應(yīng)器100能夠沉積厚的薄膜和不均勻的雙層薄膜，厚度在4%范圍內(nèi)，電阻率在7%范圍內(nèi)急劇轉(zhuǎn)變，且金屬污染性低?；?11的旋轉(zhuǎn)運動140提高沉積的均勻性。這種類型的外延反應(yīng)器的主要缺點在于:產(chǎn)量低，耗氣量大，晶片會熱變形，以及均勻性比其它類型的現(xiàn)有技術(shù)的外延反應(yīng)器(見圖2和3)更差。另一個重大缺點是需要經(jīng)常清洗反應(yīng)室101的內(nèi)表面，因為在這些表面上沉積的薄膜是多余的。這種不必要的沉積會增加擁有成本，因為處理氣體消耗較高，以及需要維護和清洗，從而增加了系統(tǒng)的停機時間。
[0008]圖2示出了一種現(xiàn)有技術(shù)的桶式外延反應(yīng)器200的側(cè)剖視示意圖。在這種類型的反應(yīng)器中，上面將生長外延薄膜的晶片210安裝在多面石墨載體211上，該多面石墨載體在反應(yīng)器201內(nèi)保持在支承件215上，支承件215能夠作旋轉(zhuǎn)運動240，以在沉積過程中提高均勻性。所述石墨載體211由包含在一個或多個反射器組件203內(nèi)的一排燈加熱，反射器組件203安裝在反應(yīng)室201外周側(cè)上。處理氣體217經(jīng)由入口管路216進入反應(yīng)器，并在石墨載體211的外周流動，如圖中的箭頭220所示。既包含來自外延反應(yīng)的析出氣體，也包含未使用的反應(yīng)氣體的廢氣205經(jīng)由排氣管路204被抽吸到外面。一些反應(yīng)氣體221在反應(yīng)室201內(nèi)再循環(huán)，在外延沉積過程中增加了反應(yīng)氣體的使用效率。
[0009]桶式外延反應(yīng)器的優(yōu)點是表面質(zhì)地良好以及滑移性能較佳，其厚度不均勻性通常在3%左右，電阻率不均勻性在4%左右。產(chǎn)量較煎餅型反應(yīng)器高。一些缺點是不能沉積雙層薄膜且薄膜電阻率相對較高。這種類型的反應(yīng)器目前用于厘米OS半導(dǎo)體制造。
[0010]圖3示出了第三種類型的現(xiàn)有技術(shù)的外延反應(yīng)器，一種單/小批量燈加熱反應(yīng)器300。在這種反應(yīng)器300中，是在包括下金屬部分301和石英圓頂302的反應(yīng)室內(nèi)處理單晶片310的，所述下金屬部分301和石英圓頂302被多重夾具303保持在一起。通常情況下，反應(yīng)室內(nèi)的壓力可能會低于其它類型的外延反應(yīng)器。被處理的晶片310由載體311支承，該載體311安裝在延伸到反應(yīng)室內(nèi)的桿狀件315上。在沉積過程中，桿狀件315能夠使載體311做旋轉(zhuǎn)運動340，以提高均勻性。處理氣體307經(jīng)由入口管路350進入反應(yīng)器。處理氣體308接近晶片310的水平面進入反應(yīng)室。通過安裝在反射器組件331內(nèi)的一排燈330發(fā)出的光輻射來加熱晶片310。既包含來自外延反應(yīng)的析出氣體，也包含未使用的反應(yīng)氣體的廢氣306經(jīng)由出口孔305被抽吸到反應(yīng)室外面。
[0011]該單/小批量類型的外延反應(yīng)器有很多重要的優(yōu)點，包括不需要密封后側(cè)就能夠處理晶片310。外延薄膜可以在急劇的摻雜過渡情況下進行沉積，金屬污染低，以及厚度(1.5% )和電阻率(2% )的非均勻性低。另外，在單晶片反應(yīng)室內(nèi)，可以容納直徑達(dá)300毫米的晶片。可以沉積具有良好表面質(zhì)地且不滑移的薄膜，且每小時的產(chǎn)量高達(dá)8至10塊晶片。然而，這種類型的反應(yīng)器的重要缺點是，較厚的薄膜成本高，會使生產(chǎn)量下降，因為需要較長的外延沉積時間。
[0012]外延沉積處理被開拓用于制造集成電路和分立器件的半導(dǎo)體工業(yè)。通常情況下，在熱晶體硅基底附近注入硅前驅(qū)氣體(如，硅烷)，以化學(xué)氣相沉積一層硅在基底上，所述一層硅連同基底的硅一起外延。對于這些應(yīng)用，一般情況下，完全處理的晶片的最終值可以相當(dāng)高，在某些情況下，諸如用于微處理器的每塊晶片價值好幾萬美元。因此，半導(dǎo)體制造的經(jīng)濟情況可以支持相對較高成本的每個處理步驟，這些處理步驟的成本比其它類型的半導(dǎo)體產(chǎn)品諸如光電(PV)太陽能電池晶片的成本高。對于其它的應(yīng)用，每個處理步驟的成本必須較低，因為PV太陽能電池(通常約為150平方毫米)的最終成本可以在10美元范圍內(nèi)，數(shù)量級低于大部分完全處理的半導(dǎo)體器件晶片(通常直徑為200或300毫米)。另一方面，對于PV太陽能電池應(yīng)用，相較器件晶片而言，某些薄膜特征較不緊要，尤其是所需要的薄膜厚度和電阻率均勻性。
[0013]薄膜太陽能電池的外延沉積的缺點在于，外延沉積在達(dá)到良好外延的過程通常很慢，而太陽能電池中的半導(dǎo)體光吸收層需要比較厚。結(jié)果是，外延太陽能電池的沉積時間通常比典型的現(xiàn)代集成電路的薄外延層要長得多。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0014]本發(fā)明提供一種外延反應(yīng)器的改進設(shè)計，具有較高的產(chǎn)量，晶片套在小的反應(yīng)體積內(nèi)含有多塊晶片，以改進處理氣體的使用，并將反應(yīng)室壁上的不必要的沉積減至最少，而且通過改進燈溫控制使燈的使用壽命增加。本發(fā)明可以實現(xiàn)對晶片內(nèi)和晶片之間的薄膜厚度及電阻率均勻性的高度控制，而不需要在沉積過程中作旋轉(zhuǎn)運動或其它類型的晶片運動，由此簡化了反應(yīng)室的設(shè)計。本發(fā)明的外延反應(yīng)器可以包括輻射晶片套的一個或多個燈模組，所述晶片套包含在反應(yīng)器框架內(nèi)，該反應(yīng)器框架也支承所述燈模組。本發(fā)明的備選實施方案可以采用電阻加熱或感應(yīng)加熱晶片套，而不是采用輻射燈加熱。
[0015]在本發(fā)明的一個方面，每個燈模組包括多個燈，通常為鹵素鎢絲燈，這些燈透過照明窗口(通常為石英)輻射加熱晶片套。在每個燈遠(yuǎn)離晶片套的那一側(cè)為反射器組件，通常為具有最大IR反射率和抗氧化的金涂層。燈模組結(jié)構(gòu)可以水冷，而該燈模組內(nèi)的每個燈可以通過連接到空氣室的每個燈后面的一排孔口氣冷。這種燈冷卻布局確保了燈每端的適當(dāng)密封，以保持冷卻空氣的壓力，以及通過適當(dāng)?shù)臒魷乜刂苼碓黾訜舻氖褂脡勖?。在本文描述的本發(fā)明的一個實施方案中，在反應(yīng)器框架上安裝了兩個燈模組，其中，每個燈模組輻射支承在反應(yīng)器框架內(nèi)的晶片套。在另一個實施方案中，在反應(yīng)器框架的一側(cè)上安裝了用來加熱晶片套的單個燈模組。
[0016]在本發(fā)明的另一方面，晶片套是一個包括至少兩個載盤的組件，每個載盤上安裝多塊晶片，這些晶片與載盤的平表面良好地?zé)峤佑|。所述載盤由一對端蓋支承和保持在固定的緊密空間(close spacing)內(nèi)。載盤的外表面由來自燈模組的光加熱，所述光透過例如由石英制成的窗口輻射。制造載盤的適合材料為碳化硅，因為碳化硅對可見及紅外光具有高吸收性。
[0017]用于外延沉積的處理氣體通過反應(yīng)器框架的頂部和底部上的一組處理氣體入口管可以直接供應(yīng)到晶片套的內(nèi)部空間。在反應(yīng)器框架的頂部還有一組吹掃氣體入口管，通常供應(yīng)氫氣到反應(yīng)器框架內(nèi)，而不是晶片套的外部。因此，將最少數(shù)量的吹掃氣體引入反應(yīng)器模組的外部分中，由此將該反應(yīng)器模組內(nèi)部以外的表面上的多余沉積量減至最小。反應(yīng)器模組的內(nèi)表面上的沉積通過反應(yīng)器模組的水冷卻進一步減少。一組排氣出口管路延伸到反應(yīng)器框架的頂部和底部外。廢氣包括:吹掃氣體，來自反應(yīng)器模組內(nèi)的外延反應(yīng)的產(chǎn)物，以及未使用的反應(yīng)氣體。
[0018]在一個外延反應(yīng)器中，處理氣體被限制在晶片上方的小區(qū)域內(nèi)，處理氣體的消耗率將會因為處理氣體由入口流到排氣裝置而比較高。這會導(dǎo)致靠近處理氣體入口的晶片的外延沉積率高于比較接近排氣出口管路的晶片，因為反應(yīng)氣體的濃度隨著與入口的距離增加而減小。
[0019]因此，本發(fā)明的另一個方面提供雙向流動的處理氣體，實現(xiàn)了 “交叉流動”式外延沉積處理。在此方面，處理氣體先在一個方向上流動，例如，在預(yù)定周期向下通過晶片套的內(nèi)部。然后，處理氣體的方向逆轉(zhuǎn)為相反的方向，例如，在類似的預(yù)定周期向上通過晶片套的內(nèi)部。在包含于晶片套內(nèi)的一組晶片上外延沉積期間，可以多次循環(huán)地重復(fù)這個過程，從而使處于晶片套的頂部和底部的晶片之間的沉積率達(dá)到平均數(shù)。另外，可將流動和排氣設(shè)置成從左至右以及從右至左。在這種安排下，氣體的流動方向在每次循環(huán)時可以切換90度(例如)，因此極像是沉積期間晶片的旋轉(zhuǎn)運動。
[0020]在本發(fā)明的整個系統(tǒng)的第一個實施方案中，可將外延反應(yīng)器集成在這樣一個系統(tǒng)內(nèi)，該系統(tǒng)包括預(yù)熱室，單外延沉積反應(yīng)器，以及冷卻室。在第二個實施方案中，可以采用兩個或多個串聯(lián)的外延沉積反應(yīng)器，并結(jié)合了預(yù)熱室和冷卻室。在此第二個實施方案中，每個外延反應(yīng)器各自沉積部分所需最終薄膜厚度。例如，在一個包括一個預(yù)熱室，三個外延反應(yīng)器以及一個冷卻室的系統(tǒng)中，每個外延反應(yīng)器可以沉積大約三分之一的所需最終薄膜厚度。在沉積期間，每個外延反應(yīng)器內(nèi)，可以采用交叉流動的沉積處理來增加沉積均勻性。因此，每個外延反應(yīng)器的沉積時間將會是第一個實施方案中的單個外延反應(yīng)器所需時間的三分之一。假定預(yù)熱和冷卻的時間少于總沉積時間的三分之一，則此第二個實施方案提供的晶片產(chǎn)量將會比第一個實施方案的產(chǎn)量高大約三倍。
[0021]在本發(fā)明的再一個實施方案中，可以采用串聯(lián)的許多外延反應(yīng)器，具有不同的流動方向，以達(dá)到想要的整體薄膜均勻性，而不需要在任何外延反應(yīng)器內(nèi)進行交叉流動處理?？梢耘c預(yù)熱室和冷卻室結(jié)合的這種方法，使得能夠利用簡單的反應(yīng)室，因為每個反應(yīng)器將會需要僅用于單向處理氣體和排氣流量的管道。
[0022]因為本發(fā)明的晶片套由一排燈加熱，可以使用一種燈排序方案來進一步增加薄膜沉積均勻性。在此方法中，通過激活各種占空比小于100%的加熱燈，可以使沉積率在相應(yīng)于處理氣體流動的方向上的變化接近線性，由此通過實時控制晶片套的不同部分中的晶片溫度來控制沉積率。使燈排序與交叉流動處理結(jié)合，將會在晶片內(nèi)或晶片之間獲得相當(dāng)均勻的整體沉積率。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0023]圖1為現(xiàn)有技術(shù)的煎餅型外延反應(yīng)器的示意性側(cè)剖視圖。
[0024]圖2為現(xiàn)有技術(shù)的桶式外延反應(yīng)器的示意性側(cè)剖視圖。
[0025]圖3為現(xiàn)有技術(shù)的單/小批量外延反應(yīng)器的示意性側(cè)剖視圖。
[0026]圖4為本發(fā)明的燈模組的外表面的示意圖。
[0027]圖5為圖4所示的燈模組的面向反應(yīng)器內(nèi)部的表面的示意圖。
[0028]圖6為圖4的燈模組在其外部冷卻空氣室的示意性豎直剖視圖。
[0029]圖7為圖4的燈模組在其中心冷卻空氣室的示意性豎直剖視圖。
[0030]圖8為本發(fā)明的晶片套部分被切開的示意性立體圖。
[0031]圖9為圖8的晶片套的示意性俯視圖。
[0032]圖10為本發(fā)明的反應(yīng)器框架的示意性側(cè)視圖。
[0033]圖11為本發(fā)明的照明窗口的示意圖。
[0034]圖12為帶有處于適當(dāng)位置的圖11的照明窗口的圖10的反應(yīng)器框架的示意性側(cè)視圖。
[0035]圖13為氣室的示意性剖視圖。
[0036]圖14為圖4的外延反應(yīng)器的反應(yīng)區(qū)的示意性頂部局部剖視圖。
[0037]圖15為本發(fā)明的使用交叉流動處理的三個模組外延反應(yīng)器的示意圖。
[0038]圖16A-D為本發(fā)明的一個實施方案的具有四個不同流動定向的處理氣體和排氣流動的示意圖。
[0039]圖17為具有使用交叉流動處理的三個反應(yīng)器模組的本發(fā)明的五個模組外延反應(yīng)器的示意圖。
[0040]圖18為本發(fā)明的單向交叉流動反應(yīng)器模組的示意性側(cè)剖視圖。
[0041]圖19為外延沉積率與反應(yīng)器模組內(nèi)的豎直位置的對比關(guān)系的曲線圖。
[0042]圖20為不使用交叉流動處理的本發(fā)明的六個模組外延反應(yīng)器的示意圖。
[0043]圖21A為本發(fā)明的單向反應(yīng)器模組首次在外延沉積處理中使用燈排序方案的示意性剖視圖。
[0044]圖21B為本發(fā)明的單向反應(yīng)器模組在圖21A所示的時間之后的時間的示意性剖視圖。
[0045]圖21C為本發(fā)明的單向反應(yīng)器模組在圖21B所示的時間之后的時間的示意性剖視圖。
[0046]圖22為顯示圖21A-C所示的燈排序方案如何可以使外延沉積率與反應(yīng)器模組內(nèi)的豎直位置的對比關(guān)系變化線性化的曲線圖。
[0047]圖23為外延沉積率與反應(yīng)器模組內(nèi)的豎直位置的對比關(guān)系的曲線圖，其中使用與交叉流動處理結(jié)合的燈排序方案來提高均勻性。
[0048]圖24為本發(fā)明的單向反應(yīng)器模組的示意性剖視圖，其中使用從燈模組的頂部至底部的燈光亮度變化，以便使外延沉積率線性化。
[0049]圖25A和25B為根據(jù)本發(fā)明的實施方案，具有高容積晶片套的反應(yīng)器的示意性剖視圖。
[0050]圖26為根據(jù)本發(fā)明的實施方案，高容積晶片套的示意性俯視圖。
[0051]圖27為根據(jù)本發(fā)明的實施方案，圖26的高容積晶片套的氣室的示意性剖視圖。
[0052]圖28為根據(jù)本發(fā)明的實施方案，顯示以小角度安裝晶片的晶片套的上部分的示意性剖視圖。
[0053]圖29為圖28的晶片套的下部分的示意性剖視圖。
[0054]圖30為根據(jù)本發(fā)明的實施方案，對于橫向處理氣體流動，顯示以小角度安裝晶片的晶片套的邊緣的示意性剖視圖。

【具體實施方式】
[0055]就PV電池的應(yīng)用而言，現(xiàn)有技術(shù)的外延沉積系統(tǒng)的一個缺點是測得每小時晶片的產(chǎn)量很低。因此，外延反應(yīng)器使用最少的沉積時間來處理大量并聯(lián)的晶片是可取的，實際上仍可實現(xiàn)在PV太陽能電池上沉積的薄膜中想要的性能。
[0056]因此，本發(fā)明的一個方面包括外延反應(yīng)器，該外延反應(yīng)器能夠通過化學(xué)氣相沉積法同時在多塊晶片上沉積薄膜，每塊晶片由一個加熱的載盤支承，而所述載盤由裝在反射器組件內(nèi)的一排燈加熱。本發(fā)明的外延反應(yīng)器包括一個或多個照射晶片套的燈模組，晶片套包含在用時也支承燈模組的反應(yīng)器框架內(nèi)。下面的圖單獨描繪了燈模組，晶片套以及反應(yīng)器框架。接著，描述反應(yīng)器模組的組件，然后是有關(guān)照明、冷卻以及生產(chǎn)和吹掃氣體流動的反應(yīng)器模組的操作。論述不同構(gòu)造的晶片套，然后是包括各種反應(yīng)器組件的不同實施方案。最后，論述改善晶片至晶片的沉積率的方法。
[0057]參照圖14概括了整個反應(yīng)器的設(shè)計，這將在稍后與其它反應(yīng)器部件一起作詳細(xì)描述。用于沉積處理的反應(yīng)器的反應(yīng)容積1503內(nèi)放置一個晶片套(或稱為載體)，晶片920安裝在該晶片套的內(nèi)部容積907內(nèi)的兩個載盤906的面對側(cè)上。兩個燈模組401 (見圖4-7)透過窗口 1200輻射載盤906的外側(cè)。載盤906是由諸如碳化硅材料制成的，該材料吸收燈的可見和近紅外輻射，并由此輻射加熱。處理氣體(例如氯硅烷和氫)流動通過套900的內(nèi)部容積907，以在晶片920上外延沉積材料(例如硅)。通常的反應(yīng)溫度的范圍介于600至1200°C之間。
[0058]燈模組
[0059]用白熾燈加熱的現(xiàn)有技術(shù)的外延反應(yīng)器的一個缺點是與燈相關(guān)的消費成本。通常情況下，使用昂貴的鹵素鎢絲燈，因為它們具有高紅外發(fā)射，使得更有效地加熱晶片。鹵素鎢絲燈包含螺旋狀鎢絲，該鎢絲位于含有鹵素氣體的密封管內(nèi)。如果燈被不適當(dāng)?shù)乩鋮s，它們的使用壽命會大為縮減，為晶片制造過程構(gòu)成額外的可變成本。因此，提供燈的冷卻級別是可取的，這能夠延長燈的使用壽命，由此減少每個PV電池晶片的燈攤銷成本。因此，本發(fā)明的一個方面提供一種可使燈的使用壽命增加的燈模組。
[0060]圖4示出本發(fā)明的一個實施方案的燈模組的外表面的示意圖。該燈模組401藉由一系列穿過安裝孔的螺釘可以附著到反應(yīng)器框架1000(見圖10)上。用于燈模組401的冷卻空氣經(jīng)由通向進入孔414的入口連接件413可以進入中心空氣室412。冷卻空氣經(jīng)由位于中心空氣室412任一側(cè)上的含有通向排氣連接件403的出口孔404的兩個外部空氣室402從燈模組離開。如本領(lǐng)域的技術(shù)人員所熟知的，在外延沉積期間，準(zhǔn)確的溫度監(jiān)視和控制對于獲得正確的沉積率、薄膜成分以及其它的薄膜性能可能是重要的。從高溫計到燈控制電子產(chǎn)品的主動反饋能夠在整個外延沉積處理中精確地動態(tài)控制晶片套的溫度。
[0061]冷卻水入口管420通向在燈模組401內(nèi)形成的燈內(nèi)通道網(wǎng)絡(luò)，然后通向冷卻水出口管421。可以自由選擇冷卻通道網(wǎng)絡(luò)的精確布置。燈模組401的適當(dāng)水冷卻對于保存燈的使用壽命以及確保照明窗口(見圖11)不會變得過熱是重要的，照明窗口過熱會導(dǎo)致IR傳遞效率以及反應(yīng)室內(nèi)的真空完整性減弱。如本領(lǐng)域的技術(shù)人員所熟知的，該冷卻系統(tǒng)可以配置壓力傳感器來檢測冷卻液壓力的任何損失。如果這種壓降發(fā)生，燈的所有電源將會立刻被切斷，以保護反應(yīng)器模組以及操作人員防止處理氣體發(fā)生任何可能的泄漏。在燈相對端的連接線組418和419伸出燈模組401的側(cè)部，如圖所示。
[0062]圖5為圖4的燈模組的面向反應(yīng)器內(nèi)部的表面的示意圖。圖5中示出了 11個燈502;然而，燈的確切數(shù)量可以是不同的。平行地配置線性延伸的燈502，而且這些燈可以具有大致上線性延伸的螺旋狀燈絲。這些燈的相對兩端具有用于連接至燈絲的電極底座。用于密封照明窗口 1200(見圖11和12)的外表面的高溫O形環(huán)501設(shè)置在被加工到燈模組401的表面內(nèi)的凹槽中。每個線性延伸的燈502都有一個反射器503，該反射器通常涂覆金，以使IR反射率均勻性達(dá)至最大，并使氧化減至最小(也參見圖6和7)。與反射器503協(xié)作的燈502呈現(xiàn)了輻射熱的大體平面射源。燈502通?？梢允躯u素鎢絲燈，其最大紅外發(fā)射值約為1.2 μ m波長，燈絲的工作溫度超過2000K。每個燈502的透明玻璃燈管的每一端都有一個底座(未顯示)，透明玻璃燈管連接至大致線性延伸的燈絲的相對兩端，并可拆卸地連接至各自的電插座。這些插座裝在水冷卻燈模組的殼體內(nèi)，并保持在約300°C溫度下，以防止對高溫O形環(huán)造成損壞，該O形環(huán)在每個燈插座的端部周圍形成密封，以保持用于燈模組401內(nèi)的燈502的冷卻空氣的壓力。可以有利地將這些燈設(shè)計成使靠近它們端部的福射減至最少。
[0063]圖6示出沿圖4中A-A線截取的燈模組的外冷卻室的豎直剖視圖。一個出口空氣管610連接至出口錐體403，以將燈502的冷卻空氣或其它冷卻氣體引導(dǎo)到燈502后面的出口冷卻室402和它們的反射器503外面。出口冷卻室402與多個空氣通道712連接，所述空氣信道712是由平行于燈502的長軸延伸的壁713限定的。從每條空氣通道712延伸的多個空氣管711允許冷卻空氣從空氣通道712通過并經(jīng)由反射器503到達(dá)每個燈502。來自入口空氣室412(見圖7)的冷卻空氣沿線性延伸的燈502以相反的方向分流到靠近燈502的相對兩端的兩個出口冷卻室402。燈502的適當(dāng)空氣冷卻在使燈的使用壽命最大化方面是重要的，由此減小每個處理晶片的燈攤銷成本，同時增加系統(tǒng)的正常運行時間以及減少養(yǎng)護要求。
[0064]圖7示出沿圖4中B-B線截取的燈模組的中段的豎直剖視圖。一個入口空氣管730連接到入口錐體413上，以將燈502的冷卻空氣引導(dǎo)到燈502后面的入口空氣室412和靠近燈502的軸線中間的反射器503內(nèi)。入口空氣室412與多個空氣通道712連接，所述空氣信道712平行于每個燈502并在每個燈502后面延伸。從每條空氣通道712延伸的多個空氣管711允許冷卻空氣從空氣通道712通過并經(jīng)由反射器503到達(dá)每個燈502。
[0065]晶片套
[0066]現(xiàn)有技術(shù)的外延沉積系統(tǒng)的另一個缺點是由于不能有效使用處理氣體而導(dǎo)致的高消費成本。因此，需要對外延反應(yīng)器改善處理氣體的使用，以便降低沉積特定薄膜厚度所需的處理氣體的量?，F(xiàn)有技術(shù)的外延沉積系統(tǒng)的再一個缺點是大量的處理室都必須填充處理氣體。這導(dǎo)致了氣體流量需求較高，以及處理氣體利用率較低。這些處理室的內(nèi)表面通常用燈或感應(yīng)線圈加熱，以便加熱晶片，導(dǎo)致在室壁上形成多余的沉積。因此，使反應(yīng)室的內(nèi)表面維持在比加熱晶片至反應(yīng)溫度更低的溫度下，以及將必須供應(yīng)處理氣體的反應(yīng)區(qū)的量減至最少，將會是可取的。
[0067]現(xiàn)有技術(shù)的外延沉積系統(tǒng)的又一個缺點是在反應(yīng)室內(nèi)壁的不同表面上的多余沉積。這種多余的沉積可能會產(chǎn)生一些不想要的結(jié)果，包括在這種多余的沉積未能附著到反應(yīng)室壁上或剝落時會形成微粒，并會額外非生產(chǎn)性地消耗處理氣體，由此增加薄膜生長的變動成本，而且需要時常打開和清洗反應(yīng)室。因此，對外延反應(yīng)器而言可取的是，將反應(yīng)室壁上的多余沉積減至最少，而不是對晶片或者是晶片載體的小環(huán)繞區(qū)的最大沉積作出限制。
[0068]因此，本發(fā)明的另一個方面包括晶片套，多塊晶片可裝在該晶片套內(nèi)部，限定晶片套內(nèi)的處理氣體的流動遠(yuǎn)離反應(yīng)器的壁，并且可以遠(yuǎn)離反應(yīng)器的壁輻射式加熱該晶片套。也就是說，反應(yīng)器的壁可以處于比處理中的晶片低很多的溫度下，而且一般不會暴露于沉積氣體。在一個實施方案中，晶片套包括兩個載盤，這兩個載盤各自具有兩個大致上平的且平行的主表面，若干晶片安裝在這兩個主表面上，面向晶片套內(nèi)的反應(yīng)區(qū)。晶片套的側(cè)面是封閉的，在一個實施方案中，氣體輸送系統(tǒng)至少部分密封晶片套的一端或兩端，以限制處理氣體流動到晶片套內(nèi)的反應(yīng)區(qū)，而用過的處理氣體則流動到另一端外面。然而，移動式晶片套本身最好有兩個開口端。
[0069] 圖8不出本發(fā)明的一個實施方案的晶片套900被局部切開的不意圖。兩個載盤906通過例如螺絲釘或螺栓、夾件、彈簧或裝有彈簧的夾件等方式可拆卸地附著到兩個端蓋901上。從每個端蓋901延伸的舌狀件902確定這兩個晶片載盤906的內(nèi)表面之間的空間，所述舌狀件連同端蓋901共同限定通常在兩個相對端上開口的處理腔。通過一些可拆卸式連接裝置，例如，被擰入晶片載盤906內(nèi)并用它們的肩部捕捉晶片920的帶肩螺釘930 (見圖9)，將多塊晶片920 (從局部切開的部分910可見到一些)的背側(cè)以良好熱接觸方式安裝到晶片載盤906上。此外，可以在形狀更為復(fù)雜的載盤中加入端蓋。
[0070]本發(fā)明允許在具有至少一層晶體硅表層的基底上有效地外延沉積硅層。這種基底例如可以是集成電路產(chǎn)業(yè)所用的單晶硅片，或者具有附著到非硅基底上的晶體硅層。在某些應(yīng)用中，在母片的多孔硅層上沉積硅層，然后從母片確定沉積的硅薄膜并將其附著到異質(zhì)基底上，以便進一步處理和安裝。
[0071]為了將晶片920插入晶片套900以及將晶片920從晶片套900移除，該晶片套能夠拆卸，使得易于進入晶片載盤906的內(nèi)表面。如圖9所不，可以以良好的熱接觸方式將許多晶片附著到晶片載盤906的內(nèi)表面。當(dāng)所有晶片920都附著后，接著重新裝配晶片套，如圖8和9所示，將這些待處理的晶片放置在晶片套900的內(nèi)部。
[0072]鑒于這些晶片920可能最后會用作密封包裝的太陽能電池板的部件，因此，這些晶片的形狀可以是矩形。晶片920的上處理表面之間的間距大致上等于晶片載盤906的內(nèi)表面之間的間距減去兩塊晶片920的厚度。將所述載盤906的內(nèi)表面之間的間距制成為在2至8毫米的范圍內(nèi)，更一般是在2毫米至2厘米范圍內(nèi)，使得本發(fā)明能夠創(chuàng)建很小的反應(yīng)體積907。為了以二維陣列方式容納多塊晶片，晶片套900的主壁(即載盤906)的側(cè)向尺寸優(yōu)選為40厘米或者更大，以致于該側(cè)向尺寸與晶片套900的內(nèi)部厚度的長寬比至少為20:1，優(yōu)選為大于40:1。由于處理氣體在晶片載盤906之間的這種小反應(yīng)體積內(nèi)流動，因此，每塊晶片上面的邊界層可以構(gòu)成總反應(yīng)體積的一小部分。因為邊界層內(nèi)的氣體速度減小，用于加熱晶片920的處理氣體的反應(yīng)時間因而增加，從而使提高了反應(yīng)效率?？梢允褂镁哂胁煌瑢挾鹊纳酄罴?02的端蓋901，以選擇晶片載盤906的內(nèi)表面之間的不同間距，從而優(yōu)化用于各種外延沉積處理和氣體混合物的反應(yīng)器模組。圖9為圖8的晶片套的不意性俯視圖，圖中不出帶肩螺釘930卡緊晶片920，使該晶片與晶片載盤906有良好的熱接觸。也可以將晶片安裝成獨自企立于小角度的斜坡式凹處，如圖28所示，這將在下文描述。
[0073]反應(yīng)器框架，反應(yīng)室，以及交叉流動處理
[0074]現(xiàn)有技術(shù)的外延沉積系統(tǒng)的缺點是需要晶片基座或晶片載體在反應(yīng)室內(nèi)作旋轉(zhuǎn)運動，以達(dá)到想要的薄膜厚度和電阻率的均勻性。所本領(lǐng)域所公知的，機械運動在含有熱反應(yīng)氣體的腔室內(nèi)可以產(chǎn)生大量的設(shè)計和操作上的困難。因此，在處理過程中不需要晶片作旋轉(zhuǎn)或其它類型運動的情況下達(dá)到想要的處理薄膜均勻性，這對外延反應(yīng)器而言是可取的。
[0075]因此，本發(fā)明的另一個方面包括一種允許處理氣體在相反或反平行方向上交替流動跨越晶片(優(yōu)選固定晶片)的反應(yīng)室。
[0076]圖10示出本發(fā)明的反應(yīng)器框架1000的示意性側(cè)視圖。將含有待沉積外延薄膜的晶片(未顯示)的晶片套900包含在反應(yīng)室1001內(nèi)。反應(yīng)室1001包括由反應(yīng)器框架1000中的四個內(nèi)壁1003以及由兩個照明窗口 1200(見圖11)形成的中心孔，所述照明窗口 1200安裝在反應(yīng)器框架1000的相對兩側(cè)上的凹槽1002內(nèi)。用于反應(yīng)器框架1000(優(yōu)選用金屬制成)的冷卻水經(jīng)由入口管路1031進入，接著流經(jīng)反應(yīng)器框架1000內(nèi)的冷卻通道網(wǎng)絡(luò)(未顯示)，最后從出口管1032出來。適當(dāng)冷卻反應(yīng)器框架1000，是為了維持反應(yīng)室1001的內(nèi)壁1003處于足夠低的溫度下，以將框1000上的多余外延沉積減至最少。外部高溫O形環(huán)1011和內(nèi)部高溫O形環(huán)1010密封照明窗口 1200的內(nèi)表面，在反應(yīng)室1001的內(nèi)部和空氣之間形成差異泵浦密封。差異泵浦連接件1012通向兩個O形環(huán)1010，1011之間的開孔1013。
[0077]兩條排氣管路1014伸到反應(yīng)器框架1000的頂部外，另兩條排氣管路1024伸到反應(yīng)器框架1000的底部外。一條吹掃氣體入口管路1016與反應(yīng)器框架1000的頂部連接，另一條吹掃氣體入口管路1026與反應(yīng)器框架1000的底部連接。兩條處理氣體入口管路1015與反應(yīng)器框架1000的頂部連接，另兩條處理氣體入口管路1025與反應(yīng)器框架1000的底部連接。一個橫向延伸的上部處理室1080安裝到位于反應(yīng)室1001頂部的內(nèi)壁1003上。位于反應(yīng)器框架1000頂部的處理氣體管路1015和排氣管路1014連接到上部處理室1080的內(nèi)部，而吹掃氣體入口管路1016則通向上部處理室1080的外部，如下文參照圖13的描述。同樣，一個橫向延伸的下部處理室1081安裝到位于反應(yīng)室1001底部的內(nèi)壁1003上。位于反應(yīng)器框架1000底部的處理氣體管路1025和排氣管路1024連接到下部處理室1081的內(nèi)部，而吹掃氣體入口管路1026則通向下部處理室1081的外部，如下文參照圖13的描述。上部處理室1080設(shè)置在反應(yīng)室1001內(nèi)，以在上部處理室1080的下表面和晶片套900的上表面之間具有小的或者最小限度的間隙，從而在它們之間提供某程度的封漏，由此，相對于保持在比吹掃氣體低的壓力下的處理氣體的壓差(見圖13)，最大限度地減少從晶片套900內(nèi)漏出的處理氣體。然而，在一個實施方案中，封漏件為晶片套900外面的其它一般性停滯的吹掃氣體提供一條抽排路徑。同樣，下部處理室1081設(shè)置在反應(yīng)室1001內(nèi)，以在下部處理室1081的上表面和晶片套900的下表面之間具有最小限度的間隙，由此最大限度地減少氣體泄漏，或許同時為壓差(見圖13)下的吹掃氣體提供一條排氣路徑。
[0078]閥門和氣體供應(yīng)或排氣口可以連接到入口和出口，使得可以逆轉(zhuǎn)氣流，雖然在某些實施方案中，不會逆轉(zhuǎn)吹掃氣體流。
[0079]此外，在處理過程中可以切換處理氣體，以為η型(內(nèi)在的)和P型硅或其它半導(dǎo)體層提供不同的摻雜類型，例如，添加二硼烷或磷化氫到三氯氫硅，或提供其它處理氣體，例如氫，以影響沉積物質(zhì)的形態(tài)和電阻率。
[0080]在交叉流動外延沉積處理過程中，吹掃和處理氣體入口以及排氣出口的功能如下。如參照圖15所作的描述，使用一種雙向氣體流動程序(稱為“交叉流動”處理)可以操作外延反應(yīng)器1804。在交叉流動處理的第一階段，用于CVD前驅(qū)物的處理氣體從圖10中位于反應(yīng)器框架1000頂部的上處理氣體入口 1015向下先流動到上處理室1080中，然后流動到晶片套900內(nèi)。來自入口 1015的處理氣體由上處理室1080優(yōu)先導(dǎo)入晶片套900內(nèi)部的晶片載盤906之間，以最大限度地利用處理氣體。同時，吹掃氣體(通常為氫)從上吹掃氣體入口管路1016向下流動到反應(yīng)室1001內(nèi)，然后到晶片套900的外部。該吹掃氣體被優(yōu)先導(dǎo)向晶片套900的晶片載盤906的外面，以減少或消除反應(yīng)室1001的窗口和壁上的沉積?？梢哉{(diào)整晶片套外面的吹掃氣體的壓力，使之超過晶片套906內(nèi)的反應(yīng)氣體的壓力，由此確保反應(yīng)氣體最小限度地泄漏到晶片套906的內(nèi)部體積以外，并允許被排出的吹掃氣體通過封漏件進入處理室內(nèi)部，尤其是正被抽吸的出口處理室。在此第一階段，來自晶片套900內(nèi)部的產(chǎn)物氣體和未使用的反應(yīng)氣體流入下處理室1081，來自反應(yīng)室1001部分但是在晶片套900外部的吹掃氣體經(jīng)由封漏件流入下處理室1081。然后，產(chǎn)物氣體、未使用的處理氣體以及吹掃氣體流入在反應(yīng)器框架1000的底部上開口的抽排管路1024。在外延沉積的第一階段中，用閥門關(guān)閉底部的吹掃氣體管路1026、處理氣體管路1025以及頂部的排氣管路1014。
[0081]在交叉流動處理的第二階段，處理氣體從底部的處理氣體入口 1025向上流動先進入下處理室1081，然后進入晶片套900。至于上述的交叉流動處理的第一階段，來自底部處理氣體入口 1025的處理氣體通過下處理室1081被優(yōu)先導(dǎo)入晶片套900內(nèi)部，以便最高效率地使用處理氣體。同時，吹掃氣體(通常為氫)從底部的吹掃氣體入口管路1026向上流動到反應(yīng)室1001內(nèi)，但在晶片套900外部。該吹掃氣體被優(yōu)先導(dǎo)向晶片套900外面，以減少或消除反應(yīng)室1001的窗口和壁上的沉積，如同上述的第一階段。在此第二階段，來自晶片套900內(nèi)部的產(chǎn)物氣體和未使用的反應(yīng)氣體流入上處理室1080，來自反應(yīng)室1001部分但在晶片套900外部的吹掃氣體經(jīng)由封漏件流入上處理室1088。然后，產(chǎn)物氣體、未使用的處理氣體以及吹掃氣體流入反應(yīng)器框架1000頂部上的排氣管路1014。在外延沉積的第二階段中，用閥門關(guān)閉頂部的吹掃氣體管路1016，處理氣體管路1015以及底部的排氣管路1024。
[0082]圖11所示為本發(fā)明的照明窗口 1200的示意圖。通常情況下，照明窗口 1200可用石英制成，大約10毫米厚，具有圍繞中心清空區(qū)1201的非清空區(qū)1202。中心清空區(qū)1201的尺寸可以做成為與晶片套900的燈加熱面的尺寸大約相配。外部的非清空區(qū)1202的尺寸可以做成為覆蓋反應(yīng)器框架1000(與圖10和12相比)內(nèi)的高溫O形環(huán)1010，1011，從而保護該O形環(huán)1010，1011不被燈模組401加熱。非清空區(qū)1202的構(gòu)造有多個備選方案。例如，該區(qū)1202可用反光物質(zhì)覆蓋，以反射到達(dá)該區(qū)1202的來自燈模組401的任何輻射。作為選擇，該區(qū)1202可以用透明可英制成，這種透明石英可以反射和散射來自燈模組401的某些輻射。
[0083]圖12的示意性側(cè)視圖示出，圖10的反應(yīng)器框架的照明窗口 1200安裝在反應(yīng)器框架1000中的凹槽1002內(nèi)。照明窗口 1200的非清空區(qū)的目的從圖12可以見到，該非清空區(qū)1202保護高溫O形環(huán)1010，1011不被來自燈模組401中的燈502發(fā)射的光照射。
[0084]反應(yīng)器框架內(nèi)的氣體分布室
[0085]如上參照圖10的描述，兩個處理室1080，1081安裝在反應(yīng)室1001內(nèi)，有利于平均分配處理氣體到晶片套900內(nèi)部，并清除來自反應(yīng)室1001的氣體。圖13為上處理室1080以及晶片套900的頂部的示意性剖視圖。下處理室1081可以是相似或相同的，但通常會安裝在一個對照圖13所示的上處理室1080為倒置的構(gòu)造中。下面的論述涉及上處理室1080，但同樣適用于下處理室1081。處理氣體管路1015(見圖10)經(jīng)由連接管3001和開口 3002連接到由室結(jié)構(gòu)3012形成的上分布室3003。第一組孔3004沿著上分布室結(jié)構(gòu)3012的長度分布，延伸跨越晶片套900的上部寬度，甚至能夠用處理氣體填充管3013的內(nèi)部3005。第二組孔3006，也延伸跨越晶片套900的上部寬度，延伸到管3013的底部外面，使處理氣體3051能夠流入晶片套900的內(nèi)部907。
[0086]從進給管路1016流入反應(yīng)室1001的吹掃氣體3050繞上處理室1080流動，如圖所示。上處理室1080可以具有凸緣結(jié)構(gòu)3007，以減小泄漏經(jīng)由凸緣3007和晶片載盤906的上沿之間形成的間隙3010進入晶片套900的內(nèi)部。除了在反應(yīng)器框架1000的底部使用相應(yīng)的處理氣體管路1025、吹掃氣體管路1026以及排氣管路1024之外，下處理室1081的操作與上述基本上可以是一樣的。
[0087]一個或多個寬排氣口可以連接到管3001的內(nèi)部3005，并經(jīng)由一系列寬孔3006抽吸晶片套900內(nèi)的反應(yīng)體積。處理室的這種雙重用途允許在相對的每個處理室交替地進行供氣和排氣。
[0088]雖然可以使反應(yīng)室1001在低溫下操作，在接近大氣壓下操作可以實現(xiàn)良好的外延沉積，但壓差足以控制氣體的流動。
[0089]在氣體向下流動期間使用交叉流動處理，當(dāng)上處理室1080供應(yīng)處理氣體到晶片套900的內(nèi)部907時，下處理室1081則為清除來自晶片套900內(nèi)部907的氣體以及反應(yīng)室1001余下的氣體提供排氣。在氣體向上流動期間，下處理室1081供應(yīng)處理氣體到晶片套900的內(nèi)部907，而上處理室則為清除來自晶片套900內(nèi)部907的氣體提供排氣。
[0090]具有兩個燈模組的外延反應(yīng)器
[0091]圖14為圖10和12的外延反應(yīng)器的反應(yīng)區(qū)沿圖4中的C-C線截取的示意性局部近視的頂部剖視圖。如上面圖10的描述，處理氣體被優(yōu)先導(dǎo)入晶片套900的內(nèi)部體積907，該內(nèi)部體積由載盤906和端蓋901包封。(在該內(nèi)部體積907內(nèi)的處理氣體將會流入或流出圖14的橫截面的平面，取決于所使用的流體的方向-見圖15(例如)，這將在下面論述)。吹掃氣體被優(yōu)先導(dǎo)入圍繞晶片套900的反應(yīng)室1001的內(nèi)部體積1503內(nèi)。如圖13的描述，可以調(diào)整晶片套外面的吹掃氣體的壓力，使之超過晶片套900內(nèi)的處理氣體的壓力，由此確保處理氣體最小限度地泄漏到晶片套906的內(nèi)部體積907以外?？梢杂每p隙閥門(例如見圖15中的縫隙閥門1803和1805)來密封體積1503，從而圍繞晶片套900形成封閉的體積。作為選擇，所述體積1503基本上可以延伸到鄰近的外延反應(yīng)室中，例如圖20所示，其中，外延反應(yīng)器2304，2306和2308被直通室2305和2307隔開。要注意的是，向左或向右移動(取決于反應(yīng)器的構(gòu)造)晶片套，可將其移到反應(yīng)器內(nèi)和外，如圖14所
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[0092]晶片套900兩側(cè)上的照明窗口 1200在反應(yīng)室1001和圍繞燈502的空氣1502或其它冷卻氣體之間形成屏障，允許來自燈502的輻射1501進入反應(yīng)室1001。使用交叉流動處理的三個模組外延反應(yīng)器
[0093]圖15示意性示出本發(fā)明的一個實施方案的三個模組外延反應(yīng)器1800。裝有準(zhǔn)備用于處理的晶片的晶片套(如圖8和9所示)可以在方向1820上通過反應(yīng)器入口縫隙閥門1801裝到預(yù)熱室1802中。所述方向1820表示晶片套將跟隨通過反應(yīng)器的三個模組的路徑。預(yù)熱室可以使用加熱晶片套的任何方法，例如:燈、電阻元件、或感應(yīng)加熱。預(yù)熱室1802內(nèi)晶片套的溫度與時間曲線(profile)應(yīng)該要夠快，以在隨后的外延反應(yīng)室中跟得上薄膜的沉積時間，除此之外要夠慢，以避免晶片套內(nèi)的晶片中的熱致應(yīng)力?？梢詮姆磻?yīng)室的結(jié)構(gòu)來簡化預(yù)熱室1802的結(jié)構(gòu)，但是具有兩個燈模組來輻射加熱晶片套。然而，簡單的加熱裝置是可能的，例如電阻或電感加熱室。
[0094]當(dāng)晶片套已經(jīng)達(dá)到適當(dāng)?shù)臏囟群螅A(yù)熱室縫隙閥門1803會打開，以允許晶片套從預(yù)熱室1802轉(zhuǎn)移到外延反應(yīng)室1804中。然后，預(yù)熱室縫隙閥門1803將會關(guān)閉。反應(yīng)器縫隙閥門1805此時必須也已經(jīng)關(guān)閉?，F(xiàn)在，在反應(yīng)器1804內(nèi)的固定晶片套900上開始外延沉積處理，直到反應(yīng)室1804中的晶片套900內(nèi)的晶片上已經(jīng)沉積了所需厚度的薄膜為止。雙向箭頭1831表示用于反應(yīng)器1804內(nèi)的交叉流動外延處理的處理氣體的兩個流動方向。(處理氣體平行于晶片套900的載盤906流動。)如下面所述，由于反應(yīng)氣體的耗盡效應(yīng)，在反應(yīng)器1804內(nèi)可能需要交叉流動外延沉積處理，以在包含于晶片套中的晶片內(nèi)及之間達(dá)到所需的薄膜厚度和電阻率均勻性。
[0095]接著，反應(yīng)器縫隙閥門1805打開，以允許熱的晶片套轉(zhuǎn)移到冷卻室1806中，反應(yīng)器縫隙閥門1805將隨后關(guān)閉?？梢詮睦缇哂忻嫦蚓?00的兩個水冷卻框架的反應(yīng)室1804的結(jié)構(gòu)來大幅度簡化冷卻室1806的結(jié)構(gòu)。此時出口縫隙閥門1807也已經(jīng)關(guān)閉，以避免晶片套在適當(dāng)冷卻下來之前過早暴露于空氣中。然后將晶片套保持在冷卻室1806，直到溫度已經(jīng)足夠低到可以移除為止，之后，出口縫隙閥門1807打開，從外延反應(yīng)器系統(tǒng)中取出晶片套。為了優(yōu)化產(chǎn)量，可以在任何一個時候運送一個以上的晶片套通過外延反應(yīng)器系統(tǒng)。例如，在冷卻室1806中冷卻第一個晶片套的同時，可在反應(yīng)室1804中對第二個晶片套進行外延沉積，而在預(yù)熱室1802中對第三個晶片套進行加熱。請注意，對于這第一個實施方案，晶片套中的晶片的平均處理時間等于在單反應(yīng)室1804中沉積整個所需薄膜厚度的時間。
[0096]在反應(yīng)器1804中的處理可以在處理循環(huán)中變化，以提供例如半導(dǎo)體摻雜的分級結(jié)構(gòu)。
[0097] 通過傳輸機構(gòu)可以運送晶片進入和通過一系列的腔室和反應(yīng)器，所述傳輸機構(gòu)能夠高溫操作并可將晶片放置在腔室或反應(yīng)器內(nèi)的預(yù)定位置。例如，碳化硅軸承可用于移動支承和豎直排列晶片套，甚至是接近和進入熱區(qū)。該驅(qū)動機構(gòu)可以在高溫處理期間保存在腔室或反應(yīng)器的冷卻區(qū)中，例如，遠(yuǎn)離燈，例如，鄰近縫隙閥門。當(dāng)需要移動晶片套時，該驅(qū)動機構(gòu)可以抓住晶片套的冷卻部分，或者可以在移動臂或其它機構(gòu)伸展之前等待腔室或反應(yīng)器部分冷卻，以抓住晶片套，使其移動至下一個位置。
[0098]沿四個大致正交方向交叉流動處理的外延反應(yīng)器
[0099]在圖15所示的實施方案中，處理氣體交替地向下和向上流動。然而，在某些情況下，在這種雙向沉積處理中，在薄膜厚度和電阻率均勻性方面可以保持達(dá)到左-右對稱程度。圖16A-D示意性地示出四步驟的處理，可以減小或消除這種多余的沉積均勻性。圖16A-D示出被安裝成在反應(yīng)室(未顯示)內(nèi)與晶片套2002良好熱接觸的四個相同的晶片套2001。圖16A和圖16C分別對應(yīng)于圖15所描繪的第一和第二步驟。
[0100]對于圖16A，反應(yīng)和吹掃氣體2011從反應(yīng)室頂部進入，而處理氣體排氣2012從反應(yīng)室底部出來。對于圖16C，反應(yīng)和吹掃氣體2031從反應(yīng)室底部進入，而處理氣體排氣2032從反應(yīng)室頂部出來。圖15和圖16A-D的主要區(qū)別是在圖16B和16D中增添兩個額外的沉積步驟，其中，處理氣體和排氣的方向大約垂直于圖16A和16C中的方向。對于圖16B,反應(yīng)和吹掃氣體2021將從右邊進入反應(yīng)室，而處理氣體排氣2022將從反應(yīng)室左邊出來。對于圖16D，反應(yīng)和吹掃氣體2041將從左邊進入反應(yīng)室，而處理氣體排氣2042將從反應(yīng)室右邊出來。
[0101]通過將氣體供給和排出通道集成在例如晶片套900的端蓋901內(nèi)，可以實現(xiàn)圖16B和D中所示的氣體流動。
[0102]相比圖15所示的雙向處理，實現(xiàn)這種四向沉積處理的潛在優(yōu)點是有機會進一步提高薄膜厚度和電阻率均勻性。其原因是，在固定晶片上的四向沉積處理將更接近于晶片在沉積期間連續(xù)轉(zhuǎn)動的沉積處理，如圖1-3中的所有三種現(xiàn)有技術(shù)系統(tǒng)所示。
[0103]使用交叉流動處理的五個模組外延反應(yīng)
[0104]圖17示出本發(fā)明的另一個實施方案的五個模組外延反應(yīng)器。裝有準(zhǔn)備進行處理的晶片的晶片套(如圖6和7所示)沿方向1920通過入口縫隙閥門1901被裝入預(yù)熱室1902。入口縫隙閥門1901隨后關(guān)閉。預(yù)熱室縫隙閥門1903這時也必須已經(jīng)關(guān)閉。晶片套然后經(jīng)歷預(yù)熱處理直至達(dá)到適于引入第一外延反應(yīng)室1904的預(yù)定溫度。當(dāng)晶片套已經(jīng)達(dá)到適當(dāng)溫度后，預(yù)熱室縫隙閥門1903會打開以允許晶片套從預(yù)熱室1902轉(zhuǎn)移到第一外延反應(yīng)器1904中。預(yù)熱室縫隙閥門1903隨后關(guān)閉。第一反應(yīng)器縫隙閥門1905這時也可以關(guān)閉?，F(xiàn)在，在第一外延反應(yīng)器1904中開始第一外延沉積處理，直到在晶片套內(nèi)的晶片上已經(jīng)沉積了三分之一的所需最終薄膜厚度。接著，第一反應(yīng)器縫隙閥門1905打開以允許晶片套轉(zhuǎn)移進入第二外延反應(yīng)器1906，第一反應(yīng)器縫隙閥門1905隨后可以關(guān)閉。第二反應(yīng)器縫隙閥門1905此時也可以關(guān)閉。然后在第二外延反應(yīng)器1906中開始第二外延沉積處理，直到在晶片套內(nèi)的晶片上已經(jīng)沉積了另一個三分之一的所需最終薄膜厚度。對具有第三反應(yīng)器縫隙閥門1909的第三反應(yīng)器1908重復(fù)此過程，在晶片套內(nèi)的晶片上沉積最后三分之一的所需總薄膜厚度。如果需要，這三個沉積可以產(chǎn)生相同的合成物、不同的摻雜、不同的合成物、或分級的合成物。
[0105]接著，第三反應(yīng)器縫隙閥門1909打開以允許熱的晶片套轉(zhuǎn)移進入冷卻室1910，第三反應(yīng)器縫隙閥門1909隨后關(guān)閉。此時，出口縫隙閥門1911必須已經(jīng)關(guān)閉，以防止晶片套過早接觸空氣。然后，晶片套保持在冷卻室1910內(nèi)直到已經(jīng)達(dá)到可以移除的低溫，出口縫隙閥門1911隨后會打開，從外延反應(yīng)器系統(tǒng)取出晶片套。至于圖15所示的實施方案，可以在任何一個時候運送一個以上晶片套通過外延反應(yīng)器系統(tǒng)，以達(dá)到最佳產(chǎn)量。具體地說，每個外延反應(yīng)器1904，1906, 1908可以同時在三組連續(xù)的晶片上沉積厚度幾乎相等的層。
[0106]在圖17的外延反應(yīng)器的設(shè)計上的變型是用無閥門的直通室或通道取代一個或兩個反應(yīng)器縫隙閥門1905和1907。在全部三個反應(yīng)器1904，1906, 1908中沉積相同的薄膜合成物的情況是可能的，在此情況下，腔室之間沒有交叉污染的可能性，因為處理氣體和它們的相對含量是相同的。這種變型的優(yōu)點是成本低，且由于消除了關(guān)閉和打開閥門的時間，因而略為提聞了廣量。
[0107]在圖17所示的構(gòu)型以及具有直通室的變型中，在三個外延反應(yīng)器內(nèi)的交叉流動處理用箭頭1931-1933示出。然而，在多個外延反應(yīng)器中，可以實現(xiàn)某些反應(yīng)器不使用交叉流動，因為可以在腔室之間引入逆流。對于奇數(shù)個反應(yīng)室的情況，一般來說交叉流動處理在至少一個腔室內(nèi)是必需的，以使得在每個方向中使用氣體流動產(chǎn)生的沉積厚度相等。例如，如果腔室1904具有豎直向下的處理氣體流動，腔室1908具有豎直向上的處理氣體流動，腔室1906則可能在向上和向下的氣體流動方向上需要等量沉積的交叉流動處理。這種替代配置的優(yōu)點是，簡化了用于反應(yīng)室1904，1908的處理氣體和排氣管道，因為在這兩個腔室1904，1908內(nèi)只需要單向流動。然而，在此實施例中用于反應(yīng)室1906的處理氣體管道將保持不變。
[0108]圖18示出本發(fā)明的單向交叉流動反應(yīng)器模組的側(cè)剖視圖。因為處理氣體1960在晶片載盤906和晶片920之間向下流動，在每塊晶片920表面的邊界層效應(yīng)會降低平行于晶片表面的處理氣體的速度，從而增加可用時間，便于外延CVD反應(yīng)發(fā)生。因為處理氣體在晶片920的表面上起反應(yīng)，處理氣體的濃度相比處理氣體的量將會減小。因此，對于離處理氣體源較遠(yuǎn)的晶片1961，可能會降低沉積率。交叉流動處理的設(shè)計目的是為了減少此效應(yīng)，提供更佳的薄膜厚度和電阻率均勻性。
[0109]使用可選交叉流動處理的六個模組外延反應(yīng)器
[0110]圖20示出本發(fā)明的又一個實施方案的六個模組外延反應(yīng)器。在此實施方案中，四個外延反應(yīng)器2304，2306, 2308和2310藉由直通室2305，2307和2309分隔開，而不是像圖15和17所示的實施方案情況中的縫隙閥門那樣。包含準(zhǔn)備進行處理的晶片的晶片套(例如圖8和9所示)沿方向2340經(jīng)由入口縫隙閥門2301被裝入預(yù)熱室2302。預(yù)熱室縫隙閥門2303這時必須已經(jīng)關(guān)閉。當(dāng)晶片套已經(jīng)達(dá)到適當(dāng)溫度后，預(yù)熱室縫隙閥門2303打開以允許晶片套從預(yù)熱室2302轉(zhuǎn)移進入第一外延反應(yīng)器2304。預(yù)熱室縫隙閥門2303隨后關(guān)閉。現(xiàn)在，在第一外延反應(yīng)器2304內(nèi)的固定晶片套上開始第一外延沉積處理，直到在晶片套內(nèi)的晶片上已經(jīng)沉積了大約四分之一的所需最終薄膜厚度。同時，可以將第二個晶片套裝入預(yù)熱室2302并在那里按照第一個晶片套的相同處理方法進行預(yù)熱。接著，第一個晶片套經(jīng)由第一直通室2305被轉(zhuǎn)移到第二外延反應(yīng)器2306中。然后在第二外延反應(yīng)器2306內(nèi)的固定晶片套上開始第二外延沉積處理，直到在晶片套內(nèi)的晶片上已經(jīng)沉積了另一個大約四分之一的所需最終薄膜厚度。同時，將第二個晶片套從預(yù)熱室2302轉(zhuǎn)移到第一外延反應(yīng)器2304中。對第三外延反應(yīng)器2308和第四外延反應(yīng)器2310再次重復(fù)此過程，在晶片套內(nèi)的晶片上沉積最后兩個四分之一的所需最終薄膜厚度。在反應(yīng)器2304，2306，2308和2310內(nèi)的全部沉積處理過程中，反應(yīng)器縫隙閥門2311 —直是關(guān)閉的。
[0111]在第四反應(yīng)器2310內(nèi)的沉積完成之后，第四反應(yīng)器縫隙閥門2311會打開以允許熱的晶片套轉(zhuǎn)移到冷卻室2312中，之后第四反應(yīng)器縫隙閥門2311關(guān)閉。晶片套則保持在冷卻室2312內(nèi)直到已經(jīng)達(dá)到可以移除的低溫，出口縫隙閥門2313隨后會打開，從外延反應(yīng)器系統(tǒng)取出晶片套。同時，多個晶片套正排隊進行處理。如之前圖15和17所描繪的實施方案，可以在任何一個時間運送一個以上的晶片套通過外延反應(yīng)器系統(tǒng)，以達(dá)到最佳產(chǎn)量。
[0112]請注意，由于圖20所示的外延沉積系統(tǒng)具有偶數(shù)個外延反應(yīng)室，因此在任何外延反應(yīng)器2304，2306, 2308和2310中不需要使用交叉流動處理來達(dá)到想要的沉積均勻性。在具有奇數(shù)個外延反應(yīng)器的構(gòu)型中，通常至少有一個外延反應(yīng)器將受益于交叉流動處理，以在兩個處理氣體流動方向中都達(dá)到等量的沉積。在反應(yīng)器2304中的箭頭2341示出處理氣體和吹掃氣體只需從底部進入，而排氣只需從頂部排出，從而大大簡化了外延反應(yīng)器2304的管路配置。同樣，顯示箭頭2342的反應(yīng)器2306表示豎直向下的處理氣體和排氣的流動，對簡化氣體和排氣管路具有與反應(yīng)器2304的情況相似的意義。反應(yīng)器2308具有與反應(yīng)器2304相同的流動方向2343，而反應(yīng)器2310具有與反應(yīng)器2306相同的流動方向2344。因此，兩個反應(yīng)器各自可以具有使沉積均勻性最大化的流動方向，而在任何外延反應(yīng)室內(nèi)都不需要使用交叉流動處理。這與圖17所示的具有奇數(shù)個外延反應(yīng)器的外延沉積系統(tǒng)的情況相反。
[0113]使用交叉流動處理來提高沉積均勻性
[0114]圖19示出外延沉積率2102與反應(yīng)器模組內(nèi)的豎直位置2101的對比關(guān)系的曲線圖。如上對圖18所述，當(dāng)處理氣體在晶片套內(nèi)豎直向下流動時，靠近晶片套頂部的晶片的沉積率會較高，而靠近晶片套底部的晶片的沉積率會較低，如短虛線曲線2103所示。相反地，當(dāng)處理氣體在晶片套內(nèi)豎直向上流動時，靠近晶片套底部的晶片的沉積率會較高，而靠近晶片套頂部的晶片的沉積率會較低，如長虛線曲線2104所示。因為兩條沉積率曲線2103，2104是獨立的，即，兩種操作模式之間互不影響，如果在等量的時間使用這兩種模式，晶片套內(nèi)的晶片上的凈沉積率將會是兩條曲線2103，2104的算術(shù)平均值2105。請注意，該平均沉積率曲線2105示出晶片套內(nèi)頂部至底部的均勻性已大大提高，然而，如果單個曲線大致呈線性(一般情況下并非如此)，才可以達(dá)到完全的頂部至底部均勻性。
[0115]使用燈排序來提高沉積均勻性
[0116]觀察圖19中的示意性自頂向下的處理流動沉積率曲線2103可見到，在反應(yīng)器頂部的沉積率是最高的，靠近處理氣體入口處的反應(yīng)物的濃度最高。對于向下的處理，沉積率如預(yù)期減小，因為反應(yīng)物的濃度會被上面的晶片上的沉積處理耗盡。然而，如果該沉積率的減小呈線性，即，如果自頂向下的曲線2103和自底向上的曲線2104為直線的話，貝丨J相結(jié)合的平均沉積率曲線2105可能會是獨立于晶片套內(nèi)的豎直位置的高度幾乎一致不變的沉積率。然而，如圖19所示，因為自頂向下的曲線2103和自底向上的曲線2104都趨于在中間位下沉，平均沉積率曲線2105也是在中間位下沉，因此得知，在靠近反應(yīng)器的頂部和底部的平均沉積率較高。為了進一步提高薄膜厚度和電阻率均勻性，可使用被稱為“燈排序”的另外的處理，通過實時控制用于加熱晶片套的燈模組內(nèi)的燈的光照強度，來進一步提高晶片內(nèi)和晶片之間的均勻性。圖21A-C的示意性截面圖示出在本發(fā)明的單向反應(yīng)器模組內(nèi)的燈排序方案。
[0117]圖19中的全部曲線呈現(xiàn)了所有的燈2403是一直亮著，均勻地加熱數(shù)個晶片載盤2430，因而加熱被附著到這些晶片載盤上的晶片2431。如果這些燈2403配置成獨立控制和供電，當(dāng)然，這只是假設(shè)，如圖21A-B所示。為了“弄直”圖19中的自頂向下和自底向上的沉積曲線，通過對不同的燈2403差別供電，使橫跨豎直方向的輻射強度熱變化，可以相對于晶片套中部的沉積率改變靠近晶片套的頂部和底部的沉積率。另一方面，傳統(tǒng)燈2403沿著它們各自的長度產(chǎn)生均勻的輻射強度。
[0118]圖21中的視圖是靠近晶片處理的起點或其它點。兩排可獨立控制的燈2403安裝成面向包含兩個晶片載盤2430的晶片套，且每一排燈安裝在各自的反射器組件2401內(nèi)。晶片2431以良好熱接觸方式附著到晶片載盤2430上。圖中示出，處理氣體的流向2440是向下的，雖然燈排序方案與向上的處理氣體的流向都同樣起作用。圖中示出，來自燈模組內(nèi)的四個中間的燈2403(8卩，離兩個處理氣體源最遠(yuǎn)的燈)的高強度輻射是差別地加熱晶片套的中心區(qū)域。因為外延沉積率是高度溫度敏感的，與靠近晶片載盤2430中部的沉積率相比，若降低晶片載盤2430的頂部和底部的溫度，會顯著影響靠近晶片載盤2430的頂部和底部的晶片2431的沉積率。
[0119]在沉積期間的較后期或不同時期，可開啟較靠近處理氣體源附近的晶片載盤2430的頂部和底部附近的一些燈，如圖21B所示，中間四個燈的輻射2441可以保持與圖21A相同的照度，同時已經(jīng)增添另外的輻射2450來增加能流到晶片載盤2430的上部和下部中。最后，或是在沉積期間的不同時期內(nèi)，可以開啟所有的燈2403，如圖21C所示，已增添來自燈2403的頂部和底部的輻射2460到現(xiàn)有的輻射2441和2450中，現(xiàn)在就可以由頂至底地完全加熱晶片載盤2430。也就是說，在沉積期間可以改變跨越晶片的垂直軸的輻射的線性分布，但是在特定的豎直位置沿水平方向的輻射因為燈的線性性質(zhì)而大致上保持不變。
[0120]圖22為曲線圖，其示出圖21A-C中的燈排序方案如何可以修正與晶片套內(nèi)的豎直位置成對比關(guān)系的外延沉積率。短虛線曲線2503與圖19中的短虛線頂部-底部處理氣體流動曲線相同。左邊向下的箭頭2504表示，由于頂部的燈2403的占空因子相對于中部的燈2403遞減，因而靠近晶片套頂部的沉積率遞減，而右邊向下的箭頭表示，由于底部的燈2403的占空因子遞減，因而靠近晶片套底部的沉積率遞減。使用圖21A-C的燈排序方案的適當(dāng)校正，可以改善調(diào)節(jié)的沉積率2506的線性。對于每種類型的沉積處理，必須確定適當(dāng)?shù)臒襞判蚍桨?，因為跨越晶片流動的處理氣體的消耗率可以不同。請注意，盡管根據(jù)與反應(yīng)器頂部的距離，燈排序可以提高沉積率的線性，但它獨自一個往往不足以實現(xiàn)處理均勻性。為此，交叉流動與燈排序結(jié)合也可能是必要的，如圖23所示。
[0121]圖23示出外延沉積率2602與晶片套內(nèi)的豎直位置2601的對比關(guān)系的曲線圖，其中，利用與交叉流動處理相結(jié)合的燈排序方案來提高均勻性。對于頂部-底部處理氣體和排氣的流動而言，受晶片套內(nèi)的豎直位置影響的沉積率顯示為自左上部往下的短虛線曲線2603。自底向上流動的沉積率顯示為自左下部往上的長虛線曲線2604。請注意，已經(jīng)使用了燈排序來使這些曲線線性化。通過等時使用交叉流動處理，平均沉積率為自頂向下曲線2603和自底向上曲線2604的算術(shù)平均值2605。該平均沉積率曲線2605與圖19中的平均沉積率曲線2105相比的結(jié)果是，在燈排序和交叉流動處理相結(jié)合的情況下，可以提高均勻性。
[0122]燈排序的可替代方法
[0123] 積率變化線性化。圖24示出一種使沉積率線性化的替代方法。兩排可單獨控制的燈2803安裝在各自的反射器組件2801內(nèi)，該反射器組件面向晶片套和該晶片套的兩個晶片載盤2830。晶片2831以良好熱接觸方式附著到晶片載盤2830上。圖中顯示處理氣體的流動方向2840是向下的，雖然該替代燈排序方案與向上的處理氣體的流向都同樣起作用。在本節(jié)中描述的燈排序方案與圖21A-C中的燈排序方案相比，其不同之處在于，通過向燈排中不同功率級的不同的燈供電，使用可變的光強度來取代開/關(guān)式燈控。
[0124]在圖24的實施例中，外部的兩個燈的輻照度2841為小，緊靠外部兩個燈的向內(nèi)的兩個燈的輻照度2842稍微大一些，再進一步向內(nèi)的兩個燈的輻照度2843更大一些，而居中的兩個燈的輻照度2844的為最大。此輻射安排會導(dǎo)致晶片載盤2830的豎直中心部分稍微比頂部和底部要熱一些。在此情況下，與圖21A-C的情況相反，不需要在燈強度方面的時間變化。因此，圖24中所示的不同燈輻射在整個外延沉積周期內(nèi)都可以保持不變。將圖2IA-C的燈排序方法與圖24的方法結(jié)合起來也是可取的。
[0125]作為選擇，可以將圖24所示的燈排頂部的燈2803設(shè)定為高輻照度，以便在處理氣體流動跨越晶片套內(nèi)的晶片2831的表面之前預(yù)熱該處理氣體。同樣，也可以將燈排底部的燈2803設(shè)定為高輻照度，使得當(dāng)處理氣體是自底向上流動通過例如圖16C中所示的晶片套時，在處理氣體流動跨越晶片套內(nèi)的晶片2831的表面之前預(yù)熱該處理氣體。
[0126]使用高容量晶片套的外延反應(yīng)器
[0127]圖25A和25B示出了在圖10的外延反應(yīng)器的反應(yīng)區(qū)內(nèi)沿圖4中的C-C線的示意性截面圖。圖25A與圖14的主要不同之處是，它顯示了一個高容量晶片套，設(shè)計該高容量晶片套是為了增加反應(yīng)器的產(chǎn)量。處理氣體4051被優(yōu)先導(dǎo)入晶片套4900的內(nèi)部體積4907，該內(nèi)部體積被載盤4906和端蓋4901包封。處理氣體流經(jīng)入口室4080，經(jīng)過晶片4920的表面上方的內(nèi)部體積4907，從出口室4081出來。一個內(nèi)部載盤4908將內(nèi)部體積4907 —分為二。載盤4906，4908的內(nèi)表面被晶片4920覆蓋。熱輻射4501由熱源4401 (例如燈模組)供應(yīng)。經(jīng)由窗口 4200傳導(dǎo)熱輻射4501來加熱載盤4906，4908以及裝在這些載盤上的晶片4920。如圖25A所示，載盤4906被加熱后，轉(zhuǎn)而產(chǎn)生熱輻射來加熱內(nèi)部的載盤4908。
[0128]此外，可以增添結(jié)構(gòu)層4905到晶片套的外表面上-附著到載盤4906的外表面上。該結(jié)構(gòu)層4905對晶片套提供另外的支承，并用這樣的材料制成，所述材料可快速傳遞熱輻射到載盤4906上，輻射在載盤這里被吸收。結(jié)構(gòu)層4905可以用石英制成，而載盤4906可以用例如碳化娃制成。內(nèi)部載盤4908也可以用碳化娃制成。
[0129]圖25A顯示了為了處理-在晶片 4920上沉積薄膜-而配置的反應(yīng)器。然而，圖25B顯示了為使晶片套4900移動通過反應(yīng)器而配置的反應(yīng)器的相同截面圖。(晶片套4900將沿垂直于圖平面的方向移動。從圖15可見到晶片套通過處理反應(yīng)器的移動方向1820的實施例。)為了使晶片套易于移動，入口室4080已向上移動，以在晶片套4900和該室4080之間提供較大的間隙。此外，可以使下部的室4081向下移動(圖中未示)，或者，兩個室4080，4081都可以如所述般移動，以使晶片套4900易于移動通過反應(yīng)器。
[0130]高容量晶片套
[0131]圖26示出一個高容量的晶片套4900。該高容量晶片套4900的結(jié)構(gòu)，除內(nèi)部的載盤4909之外，非常類似于圖8和9中所示的晶片套。兩個載盤4906和一個內(nèi)部載盤4608可拆卸地附著到兩個端蓋4901上，例如，通過螺絲釘或螺栓、夾持件、彈簧或裝有彈簧的夾持件。從每個端蓋4901延伸的舌狀件4902確定晶片載盤4906的內(nèi)表面與內(nèi)部載盤4908之間的間距，它和端蓋4901共同限定通常在兩相對端上開口的處理腔-本文稱為內(nèi)部空間4907。通過一些可拆卸的連接裝置，例如，被擰入晶片載盤4906，4908內(nèi)并用它們的肩部捕捉晶片的帶肩螺釘4930，以良好熱接觸方式將多塊晶片4920安裝在晶片載盤4906，4908的背側(cè)。也可以將晶片安裝成自由地企立于小角度的斜坡式凹處，如圖28所示，這將在下文描述。此外，還可以將端蓋加入形狀更復(fù)雜的載盤中。
[0132]為了將晶片4920插入晶片套4900以及從中取出，可以拆卸晶片套4900，以便易于接近晶片載盤4906，4908的內(nèi)表面。可以以良好熱接觸方式附著許多晶片到晶片載盤4906，4908的內(nèi)表面上。當(dāng)所有晶片4920都附著后，接著重新裝配晶片套，如圖26所示，將待處理的晶片放置在晶片套4900的內(nèi)部。
[0133]鑒于晶片920可能最后會用作密封包裝的太陽能電池板的部件，因此，這些晶片4920可以呈矩形。晶片4920的頂部處理表面之間的間距大致上等于晶片載盤4906和內(nèi)部晶片載盤4908的內(nèi)表面之間的間距減去兩塊晶片4920的厚度。通過將此間距制成為在2至8毫米的范圍內(nèi)，更一般是在2毫米至2厘米范圍內(nèi)，使得本發(fā)明能夠創(chuàng)建很小的反應(yīng)體積4907。為了以二維陣列方式容納多塊晶片，晶片套4900的主壁(即載盤4906，4908)的側(cè)向尺寸可以為40厘米或者更大，以致于該側(cè)向尺寸與晶片套4900的內(nèi)部空間4907的長寬比至少為20:1，優(yōu)選為大于40:1。由于處理氣體在這些小反應(yīng)體積4907內(nèi)流動，每塊晶片4920上面的邊界層可以包含總反應(yīng)體積的很小一部分。因為邊界層內(nèi)的氣體速度減小，用于加熱晶片4920的處理氣體的反應(yīng)時間因而增加，從而提高了反應(yīng)效率?？梢允褂镁哂胁煌酄罴?902寬度的端蓋4901，以選擇晶片載盤4906，4908的內(nèi)表面之間的不同間距，從而優(yōu)化用于不同的外延沉積處理和氣體混合物的反應(yīng)器模組。
[0134]與圖8和9所不的晶片套設(shè)計相比，圖26所不的聞容量晶片套4900可以處理兩倍數(shù)量的晶片。換句話說，可以達(dá)到兩倍的產(chǎn)量。
[0135]此外，高容量的晶片套4900可以包含兩個以上的內(nèi)部空間4907 -可以使用兩個以上的內(nèi)部載盤。內(nèi)部載盤的數(shù)量限制將由有效加熱內(nèi)部盤及附著到其上的晶片的能力來確定。高容量的晶片套4900也可以有增添到載盤4906的外表面上的另外的結(jié)構(gòu)層-見圖25A中的結(jié)構(gòu)層4905。
[0136]圖28顯示了晶片載盤的改型，其允許晶片被安裝成與晶片載盤的平面成一個小角度。圖28所示為晶片套的上部分的局部截面圖，其中顯示了晶片載盤5006、晶片5020以及豎直處理氣體的流動方向5031。晶片5020藉由圖示的小凸緣保持在晶片載盤5006的凹處，晶片5020與垂直線的角度約為I至3度(例如，盤與盤之間的間隙約為6-10毫米)。不用任何其它連接裝置就可以將晶片5020安裝在晶片載盤5006的凹處；盡管在必要時可以使用如上述的其它連接裝置。將晶片5020安裝在呈鏡像構(gòu)型的相對的晶片載盤5006上，以致于相對的晶片的表面之間的間距沿處理氣體流動的下游方向遞減-這可用于補償沿下游方向的處理氣體濃度的減小，以及提供跨越晶片表面的更均勻的處理條件。
[0137]此外，圖29所示為晶片套的下部分的局部截面圖，其中顯示了晶片載盤5006、晶片5020以及豎直處理氣體的第二流動方向5032。處理氣體的第二流動方向用于交叉流動的外延處理，例如上面的描述以及圖15所示。晶片5020藉由連接裝置(圖中未示)保持在晶片載盤5006的凹處，如上述。晶片5020與垂直線的角度約為I至3度(例如，盤與盤之間的間隙約為6-10毫米)。將晶片5020安裝在呈鏡像構(gòu)型的相對的晶片載盤5006上，以致于相對的晶片的表面之間的間距沿處理氣體流動的下游方向遞減-這可用于補償下游方向的處理氣體濃度的減小。
[0138]如果采用如圖16B和16D的橫向處理氣體流動，則可以使用圖28和29的結(jié)構(gòu)的水平距離來改善處理氣體濃度的均勻性。例如，圖30顯示了這樣一種結(jié)構(gòu)。圖30所示為一個晶片套的一邊緣的局部截面圖，其中顯示了晶片載盤5106、晶片5120以及處理氣體流動的水平方向5131。晶片5120藉由晶片下緣(圖中未示)下面的小凸緣保持在晶片載盤5106的凹處。晶片5120與水平線的角度約為I至3度(例如，盤與盤之間的間隙約為6-10毫米)。不用任何其它連接裝置就可以將晶片5120安裝在晶片載盤5106的凹處；盡管在必要時可以使用如上述的其它連接裝置。將晶片5120安裝在呈鏡像構(gòu)型的相對的晶片載盤5106上，以致于相對的晶片的表面之間的間距沿處理氣體流動的下游方向遞減-這可用于補償下游方向的處理氣體濃度的減小，以及提供跨越晶片表面的更均勻的處理條件。
[0139]用于高容量晶片套的氣體分配室
[0140]如上參照圖25A所述，兩個處理室4080，4081安裝在反應(yīng)室4001內(nèi)，有助于平均分配處理氣體到晶片套4900的內(nèi)部，并除去來自反應(yīng)室4001的氣體。圖27所示為上處理室4080以及晶片套4900的頂部的示意性截面圖。下處理室4081可以是類似的或相同的，但通常安裝成圖27所示的上處理室4080的倒轉(zhuǎn)的構(gòu)型。下面的論述涉及上處理室4080,但同樣適用于下處理室4081。經(jīng)由連接管道4101和開口 4102將處理氣體引入由室結(jié)構(gòu)4112形成的上分配室4103。第一組孔4104沿上分配室結(jié)構(gòu)4112的長度分布，延伸跨越晶片套4900的上部寬度，并能夠使管道4113的內(nèi)部4105均勻填充處理氣體。在管道4113內(nèi)設(shè)置刀刃狀分配器4114，該分配器沿管道4113的整個長度延伸，其作用是均等地劃分流入晶片套4900的兩個內(nèi)部空間4907的氣流。第二組孔4106，也是沿兩條并行線跨越晶片套4900的上部寬度延伸，從管道4113的底部伸出，能夠使處理氣體4151流入晶片套4900的兩個內(nèi)部空間4907。
[0141]流入反應(yīng)室4001的吹掃氣體4150如圖所示圍繞上室4080流動。上室4080可以具有凸緣結(jié)構(gòu)4107，以減少泄漏經(jīng)由間隙4110進入晶片套4900的內(nèi)部，所述間隙4110形成在凸緣4107和晶片載盤4906的上沿之間。下室4081的操作基本上可與上述的一樣，除了在反應(yīng)器的底部使用相應(yīng)的處理氣體、吹掃氣體和排氣管路之外。
[0142]可使一個或多個寬排氣口連接到管道4101的內(nèi)部4105，并經(jīng)由一系列的寬孔4106抽吸晶片套4900內(nèi)的反應(yīng)體積。處理室的這種雙重用途允許在相對的每個處理室交替地進行處理供應(yīng)和排氣。
[0143]雖然可以采用在低壓下操作反應(yīng)室4001，通過在接近大氣壓下操作，可以實現(xiàn)良好的外延沉積，但是，壓差足以控制氣體流動。
[0144]在向下氣體流動期間的交叉流動處理的情況下，當(dāng)上處理室4080供應(yīng)處理氣體到晶片套4900的內(nèi)部4907時，下處理室4081提供排氣來除去來自晶片套4900的內(nèi)部4907的氣體以及反應(yīng)室4001的剩余氣體。在向上氣體流動期間，下室4081供應(yīng)處理氣體到晶片套4900的內(nèi)部 4907，而上處理室則提供排氣來除去來自晶片套4900的內(nèi)部空間4907的氣體。
[0145]如上所述，高容量的晶片套可以包括兩個以上的內(nèi)部空間4907。可以采用室來容納在任何數(shù)量的內(nèi)部空間4907之間均分的氣體流動。
[0146]對于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)該明白到，上面的描述只是為了說明的目的。可以在本發(fā)明的范圍內(nèi)，對上述的外延反應(yīng)器設(shè)計和系統(tǒng)構(gòu)型作出許多改型，如下文。
[0147]本發(fā)明并不限于外延沉積，而且可應(yīng)用于多結(jié)晶體層或非晶層的沉積。雖然本發(fā)明特別適用于多晶硅基片，但基片可以由其它材料構(gòu)成并具有不同的晶體結(jié)構(gòu)。此外，本發(fā)明可以應(yīng)用于其它半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，包括集成電路。
[0148]外延反應(yīng)器可以配置一個、兩個、或更多的用于照射多面晶片套的燈模組。
[0149]可以改變外延反應(yīng)器的定位，以包含處理氣體流動、吹掃氣體流動、以及沿著非垂直軸的排氣抽吸。處理氣體、吹掃氣體、以及排氣可以在反應(yīng)室的同一側(cè)上。
[0150]可以使用不同于帶肩螺釘?shù)脑S多夾持方法，將晶片套內(nèi)的晶片以良好熱接觸方式附著到晶片套的載盤上。
[0151]可以使用不同于空氣的氣體來有效冷卻燈模組內(nèi)的燈。例如，可以使用非氧化氣體來減小對燈模組內(nèi)的反應(yīng)器氧化性損傷的可能性。
[0152]每個燈模組內(nèi)的各種數(shù)量的燈可以不同于本文的示意性附圖中所示的燈數(shù)量。
[0153]燈模組內(nèi)可以有許多水冷卻通道構(gòu)型，包括蜿蜒構(gòu)型。
[0154]晶片套可以配置具有數(shù)個集成端蓋的數(shù)個載盤，從而不需要單獨的端蓋，并減少零件數(shù)量。
[0155]照明窗可以用非石英的透明材料制成，且其厚度不在10毫米左右的范圍。
[0156]整個外延反應(yīng)器系統(tǒng)可以配置與本文的實施方案中所示數(shù)量不同的許多反應(yīng)器模組。另外，外延反應(yīng)器系統(tǒng)可以不配置預(yù)熱室，或可以不配置冷卻室，其中，在本文的實施方案中由這些模組執(zhí)行的加熱和冷卻功能，可以由獨立于外延反應(yīng)器系統(tǒng)的室來執(zhí)行。
[0157]在沿處理氣體和排氣的流動方向的沉積率變化比在中部沉降的簡單曲線更為復(fù)雜的情況中，燈排序方案可以使用更復(fù)雜的照明策略以使沉積率線性化。
[0158]在含有多個反應(yīng)器的系統(tǒng)中，可以在連續(xù)的反應(yīng)器內(nèi)使用燈排序方案，在這些反應(yīng)器中，處理氣體的流動方向是不同的，而不是在每個反應(yīng)器內(nèi)使用交叉流動處理。
[0159]附著到不同反應(yīng)器模組上的燈模組內(nèi)的燈的定位可以不同。
[0160]載盤也可以用其它高放射率的、高熱導(dǎo)性的、高溫強度高的化學(xué)惰性材料制成，且熱膨脹系數(shù)(CTE)與硅配合極好，例如，涂覆CVD碳化硅的石墨。
[0161]本文所述的用SiC制成的載盤的厚度可在6至15毫米的范圍內(nèi)。所選擇的厚度應(yīng)(I)足以在結(jié)構(gòu)上支承晶片，(2)足以通過熱導(dǎo)性使溫度平均，但是(3)厚度不夠的話，則不能形成主散熱片。
[0162]雖然上面的描述集中在硅沉積方面，但本發(fā)明的反應(yīng)器和方法也可用于晶片氧化、晶片退火，以及在晶片上沉積材料，例如，氮化硅(使用甲基三氯硅烷和氫氣)，碳化硅，II1-V族二元和三元化合物(如氮化鎵，磷化銦，GaInP,等)。
【權(quán)利要求】
1.一種用于同時處理多塊晶片的反應(yīng)器，其包括: 反應(yīng)器框架； 附著于所述反應(yīng)器框架上的第一平面加熱模組； 晶片套，所述晶片套包括一對緊密相隔的平行的晶片載盤以及內(nèi)部載盤，所述內(nèi)部載盤平行于所述的一對晶片載盤并位于所述的一對晶片載盤之間，所述一對平行的晶片載盤面向所述內(nèi)部載盤的表面為內(nèi)表面，所述一對平行的晶片載盤的所述內(nèi)表面包括第一安裝結(jié)構(gòu)，以及，所述內(nèi)部載盤面向所述一對平行的晶片載盤的所述內(nèi)表面的所述表面包括第二安裝結(jié)構(gòu)，所述第一安裝結(jié)構(gòu)和所述第二安裝結(jié)構(gòu)被配置成保持所述多塊晶片； 其中，所述反應(yīng)器被配置有用于將所述晶片套傳送進入或傳送出所述反應(yīng)器的路徑，并配置有用于所述晶片套的處理位置，當(dāng)所述晶片套位于所述處理位置之中時，所述一對平行的晶片載盤與所述第一平面加熱模組平行且相鄰； 其中，所述晶片套限定所述晶片套內(nèi)的處理氣體的流動遠(yuǎn)離所述反應(yīng)器的壁，并且遠(yuǎn)離所述反應(yīng)器的壁輻射式加熱所述晶片套。
2.如權(quán)利要求1所述的反應(yīng)器，其特征在于，進一步包括固定在所述第一平面加熱模組和貫穿所述反應(yīng)器的所述晶片套的所述路徑之間的第一窗口。
3.如權(quán)利要求1所 述的反應(yīng)器，其特征在于，進一步包括 附著于所述反應(yīng)器框架上的第二平面加熱模組，所述第二平面加熱模組位于用于所述晶片套的所述處理位置的與所述第一平面加熱模組相對的一側(cè)，所述第二平面加熱模組平行于所述第一平面加熱模組； 其中，當(dāng)所述及配套處于所述處理位置時，所述一對平行晶片載盤中的第一個與所述第一平面加熱模組平行且相鄰，并且，當(dāng)所述晶片套處于所述處理位置時，所述一對平行晶片載盤中的第二個與所述第二平面加熱模組平行且相鄰，所述第一平面加熱模組隔著所述處理位置而與所述第二平面加熱模組相面對。
4.如權(quán)利要求1所述的反應(yīng)器，其特征在于，所述第一平面加熱模組為包括多個燈的燈模組。
5.如權(quán)利要求4所述的反應(yīng)器，其特征在于，所述多個燈每個都沿平行于所述晶片載盤的第一方向線性延伸。
6.如權(quán)利要求5所述的反應(yīng)器，其特征在于，進一步包括冷卻氣體源，所述冷卻氣體源用于使冷卻氣體在所述第一方向上沿所述燈模組內(nèi)的所述多個燈的每個燈流動。
7.如權(quán)利要求6所述的反應(yīng)器，其特征在于，所述冷卻氣體源被導(dǎo)向到所述多個燈的每個燈的軸向中部，并進一步包括兩個排氣口，所述兩個排氣口分別設(shè)置在所述多個燈的每個燈的相對端附近。
8.如權(quán)利要求4所述的反應(yīng)器，其特征在于，所述多個燈的每個燈被配置成提供可獨立控制的光輸出。
9.如權(quán)利要求1所述的反應(yīng)器，其特征在于，所述晶片套還包括兩個端蓋，所述的一對晶片載盤和所述內(nèi)部晶片載盤可拆卸地附著到所述兩個端蓋上，所述兩個端蓋、所述的一對晶片載盤以及所述內(nèi)部晶片載盤形成兩個處理腔，每個所述處理腔的第一相對端由所述端蓋封閉，而第二相對端敞開
10.如權(quán)利要求9所述的反應(yīng)器，其特征在于，從所述兩個端蓋的每個端蓋延伸的舌狀件確定所述的一對晶片載盤的內(nèi)表面與所述內(nèi)部晶片載盤之間的間隔。
11.如權(quán)利要求1所述的反應(yīng)器，其特征在于，所述晶片套還包括結(jié)構(gòu)層，所述結(jié)構(gòu)層附著于所述的一對晶片載盤的外表面上。
12.如權(quán)利要求11所述的反應(yīng)器，其特征在于，所述結(jié)構(gòu)層為石英，以及所述的一對晶片載盤為碳化硅。
13.如權(quán)利要求1所述的反應(yīng)器，其特征在于，進一步包括: 第一氣體室，所述第一氣體室被配置成供應(yīng)處理氣體到所述晶片套的內(nèi)部體積內(nèi)；以及 第二氣體室，所述第二氣體室被配置成從所述晶片套的內(nèi)部體積排出氣體； 其中，所述第一氣體室和所述第二氣體室被配置成提供流經(jīng)所有所述多塊晶片的表面的處理氣體。
14.如權(quán)利要求13所述的反應(yīng)器，其特征在于，所述第一氣體室被進一步配置成切換到排出氣體，以及所述第二氣體室被進一步配置成切換到供應(yīng)處理氣體，所述第一氣體室和所述第二氣體室的切換是協(xié)調(diào)的。
15.如權(quán)利要求13所述的反應(yīng)器，其特征在于，進一步包括至少一個入口，用于輸入吹掃氣體到所述反應(yīng)器框架內(nèi)的在所述晶片套的外部并鄰接所述晶片套的空間內(nèi)。
16.如權(quán)利要求13所述的反應(yīng)器，其特征在于，所述第一氣體室被配置成能在所述反應(yīng)器內(nèi)移動，以在所述晶片套沿所述路徑移動時在所述第一氣體室和所述晶片套之間提供較大的間隙。
17.如權(quán)利要求1所述的反應(yīng)器，其特征在于，所述第一安裝結(jié)構(gòu)是所述一對平行的晶片載盤的所述內(nèi)表面中的凹處，以及，所述第二安裝結(jié)構(gòu)是所述內(nèi)部載盤的所述表面中的凹處。
18.如權(quán)利要求17所述的反應(yīng)器，其特征在于，所述凹處配置有晶片接納表面，所述晶片接納表面與所述平行的晶片載盤的平面和所述內(nèi)部晶片載盤的平面呈小角度，每個所述晶片接納表面被配置成接納所述多塊晶片之一的背面。
19.如權(quán)利要求18所述的反應(yīng)器，其特征在于，所述晶片接納表面在所述平行的晶片載盤和所述內(nèi)部晶片載盤的相面對的表面上被配置成鏡像構(gòu)造。
20.一種在反應(yīng)器內(nèi)同時處理多塊晶片的方法，所述方法包括以下步驟: 將所述多塊晶片可拆卸地安裝在晶片套的內(nèi)表面上，所述晶片套包括一對緊密相隔的平行的晶片載盤以及內(nèi)部載盤，所述內(nèi)部載盤平行于所述的一對晶片載盤并位于所述的一對晶片載盤之間，； 將所述晶片套運送到所述反應(yīng)器中； 遠(yuǎn)離所述反應(yīng)器的壁輻射式加熱所述晶片套； 使處理氣體遠(yuǎn)離所述反應(yīng)器的壁的流動通過所述晶片套的內(nèi)部體積；以及 供應(yīng)吹掃氣體到所述反應(yīng)器內(nèi)的在所述晶片套的外部并鄰接所述晶片套的空間內(nèi)，其中，在所述空間內(nèi)的所述吹掃氣體的壓力大于所述晶片套的內(nèi)部體積內(nèi)的所述處理氣體的壓力。
21.如權(quán)利要求20所述的方法，其特征在于，所述輻射式加熱的步驟包括用來自多個線性白熾燈的光輻射所述晶片套，所述多個線性白熾燈配置在平行于所述晶片載盤的平面內(nèi)。
22.如權(quán)利要求21所述的方法，其特征在于，所述處理氣體在第一方向上流動通過所述晶片套的內(nèi)部體積，其中，所述多個線性白熾燈中的每一個均被排列成垂直于所述第一方向。
23.如權(quán)利要求22所述的方法，其特征在于，所述方法還包括獨立地控制所述多個線性白熾燈中的每一個的光輸出。
24.如權(quán)利要求20所述的方法，其特征在于，所述流動包括: 所述處理氣體沿第一方向通過所述晶片套的內(nèi)部體積的第一流動；以及所述處理氣體沿第二方向通過所述晶片套的內(nèi)部體積的第二流動，所述第二方向與所述第一方向相反。
25.如權(quán)利要求20所述的方法，其特征在于，所述處理氣體為含硅氣體，用于在所述多塊晶片上沉積薄的硅 膜。
【文檔編號】C30B25/10GK104164704SQ201410407556
【公開日】2014年11月26日 申請日期:2010年2月25日 優(yōu)先權(quán)日:2009年2月25日
【發(fā)明者】V·斯瓦拉馬克瑞希楠, K·薩格姆, T·S·拉維, A·卡祖巴, Q·V·特魯翁 申請人:晶陽股份有限公司