RU2769751C1 - Device for deposition of ultra-thick layers of polycrystalline silicon - Google Patents

Abstract

FIELD: semiconductor structures manufacture.

SUBSTANCE: invention relates to the manufacture of semiconductor structures and can be used in the manufacture of silicon wafers for the manufacture of power devices in microelectronics. The substance of the invention lies in the fact that in a device for deposition of ultra-thick layers of polycrystalline silicon, including a chamber 1 in which a heater 2 is located, a silicon source plate 4 is installed on the first surface 3 of the heater 2, while the substrate holder 5 is located in the chamber 1 and it includes a gas mixture supply module 18 and a gas mixture output module 19, the first screen 6 is introduced in the form of a flat element, coupled with the substrate holder 5, a second screen 7 is also introduced into it, made in the form of a ring and connected by the first end 8 with the first screen 6, and the second end 9 with the heater 2 and the silicon source plate 4, the substrate holder 5 is located inside the second screen 7, and the chamber 1 includes the quartz reactor 13, and the substrate holder 5, the first screen 6 and the second screen 7 represent the loading cell 10, coupled with the first surface 3 of the heater 2.

EFFECT: achieving controllability of the formation of semiconductor structures and, as a consequence, increasing the growth rate.

7 cl, 5 dwg

Description

Изобретение относится к области изготовления полупроводниковых структур и может быть использовано при производстве кремниевых пластин для изготовления силовых приборов в микроэлектронике.The invention relates to the manufacture of semiconductor structures and can be used in the manufacture of silicon wafers for the manufacture of power devices in microelectronics.

Известны следующие технологии и оборудование для нанесения слоев кремния. Газофазная эпитаксия (ГФЭ) заключается в выращивании кремния на образцах из газовой фазы в кварцевом реакторе. Процесс проводится при атмосферном или пониженном давлении при пропускании потока парогазовой смеси через реактор на подложках, нагретых от 400 до 1200°С. Для выращивания кремния используются четыре кремнийсодержащих реагента: тетрахлорид кремния SiCl₄, трихлорсилан SiHCl₃, дихлорсилан SiH₂Cl₂ и силан SiH₄. В результате реакций кремний осаждается на подложке, а продукты реакции уносятся потоком газа. При добавлении в газовую смесь галогенидов легирующих элементов: BCl₃, AsCl₃, PCl₃ осуществляется легирование эпитаксиальных слоев. Газофазная эпитаксия дает возможность получать пленки поликристаллического кремния, нитрида кремния и карбида кремния. Основные преимущества ГФЭ - возможность нанесения однородного по толщине тонкого эпитаксиального слоя на подложку большой площади. Эпитаксиальный слой может быть локально нанесен на определенном участке поверхности подложки. Недостатком считается ограниченная скорость роста слоев при пониженных температурах эпитаксии.The following technologies and equipment for deposition of silicon layers are known. Vapor-phase epitaxy (VPE) consists in growing silicon on samples from the gas phase in a quartz reactor. The process is carried out at atmospheric or reduced pressure by passing the flow of the gas-vapor mixture through the reactor on substrates heated from 400 to 1200°C. Four silicon-containing reagents are used to grow silicon: silicon tetrachloride SiCl ₄ , trichlorosilane SiHCl ₃ , dichlorosilane SiH ₂ Cl ₂ and silane SiH ₄ . As a result of the reactions, silicon is deposited on the substrate, and the reaction products are carried away by the gas flow. When adding to the gas mixture of halides of alloying elements: BCl ₃ , AsCl ₃ , PCl ₃ doping of epitaxial layers is carried out. Gas-phase epitaxy makes it possible to obtain films of polycrystalline silicon, silicon nitride and silicon carbide. The main advantages of HPE are the possibility of depositing a thin epitaxial layer of uniform thickness on a large area substrate. The epitaxial layer may be locally deposited on a specific area of the surface of the substrate. A disadvantage is the limited rate of layer growth at low epitaxy temperatures.

Жидкофазная эпитаксия (ЖФЭ является методом эпитаксии из жидкой фазы, основанном на наращивании монокристаллического слоя полупроводника из расплава или раствора, который насыщен полупроводниковым материалом. Полупроводниковую подложку погружают в расплав, который начинают медленно охлаждать. В процессе охлаждения материал источника рекристаллизуется на подложке, затем растворитель сливается. В методе ЖФЭ толщина осажденного слоя зависит от объема растворителя, перепада температур при охлаждении и площади поверхности подложки. Измеренная средняя нормальная скорость роста при этом составляет приблизительно 0,27 мкм/ч. Давление в камере составляет 5⋅10^-4 Па, температура роста 1250°С, продолжительность процесса выращивания от 2 до 5 ч. В основном ЖФЭ применяется в промышленности для получения пленок карбида кремния Достоинства ЖФЭ - относительная простота метода, возможность выращивать слои с высокой степенью однородности на подложках большого размера. ЖФЭ используют для получения толстых эпитаксиальных слоев или высоких концентрации примесей. Пленки, выращенные ЖФЭ, обладают более выраженной люминесценцией, чем полученные газовой эпитаксией. К недостаткам технологии ЖФЭ следует, прежде всего, отнести высокую концентрацию остаточных примесей, источниками которых могут быть атмосфера в ростовой камере или графитовая оснастка.Liquid-phase epitaxy (LPE is a liquid-phase epitaxy method based on growing a single-crystal semiconductor layer from a melt or solution that is saturated with semiconductor material. The semiconductor substrate is immersed in the melt, which begins to slowly cool. During cooling, the source material recrystallizes on the substrate, then the solvent is drained In the LPE method, the thickness of the deposited layer depends on the volume of the solvent, the temperature difference during cooling, and the surface area of the substrate.The measured average normal growth rate is approximately 0.27 µm/h.The pressure in the chamber is 5⋅10 ^-4 Pa, the growth temperature 1250°С, the duration of the growth process is from 2 to 5 h. x epitaxial layers or high concentrations of impurities. Films grown by LPE have a more pronounced luminescence than those obtained by gas epitaxy. The disadvantages of the LPE technology include, first of all, a high concentration of residual impurities, the sources of which can be the atmosphere in the growth chamber or graphite equipment.

Плазмохимическое газофазное осаждение (PECVD) является процессом нанесения тонких пленок, при котором осаждение покрытия осуществляется из паровой фазы с использованием газоразрядной плазмы. Использование газоразрядной плазмы для разложения реакционного газа на активные радикалы дает возможность управлять процессами разложения в разряде. Для получения пленок используется тлеющий ВЧ-разряд, СВЧ-разряд, коронный разряд. Пленки нано- и поликристаллического кремния, используемые в микроэлектронике, осаждаются при разложении моносиланов со скоростью несколько нм в секунду. Кремниевые пленки, осажденные методом PECVD при разложении силана ВЧ-индукционным разрядом, находят применение в медицине для создания коррозионно-стойких и биосовместимых покрытий на имплантах из магниевых сплавов. Основное преимущество метода PECVD - возможность осаждать покрытия на подложки различных размеров при пониженных температурах. Применение плазмы в методе осаждения делает процесс формирования пленки более управляемым, позволяет контролировать свойства покрытия заданной микроструктуры и примесного состава, чем при аналогичных методах химического осаждения. Кремниевые пленки, осажденные PECVD-методом, показывают высокие электрофизические характеристики благодаря глубокой очистке от посторонних примесей. Пленки имеют самый низкий уровень напряжений по сравнению с пленками, полученными термическими и пиролитическими методами осаждения, поскольку температура процесса более низкая. Пленки обладают также высокой степенью адгезии покрытия к подложке. Как недостаток можно отметить, что пленки, созданные вышеуказанным методом, содержат большое количество связанного водорода, что может привести к деградации характеристик устройства.Plasma chemical vapor deposition (PECVD) is a thin film deposition process in which coating is deposited from the vapor phase using gas discharge plasma. The use of gas-discharge plasma for the decomposition of the reaction gas into active radicals makes it possible to control the decomposition processes in the discharge. To obtain films, a glowing RF discharge, microwave discharge, and corona discharge are used. Nano- and polycrystalline silicon films used in microelectronics are deposited during the decomposition of monosilanes at a rate of several nm per second. Silicon films deposited by the PECVD method during the decomposition of silane by an RF induction discharge are used in medicine to create corrosion-resistant and biocompatible coatings on magnesium alloy implants. The main advantage of the PECVD method is the ability to deposit coatings on substrates of various sizes at low temperatures. The use of plasma in the deposition method makes the process of film formation more controllable and makes it possible to control the properties of a coating of a given microstructure and impurity composition than with similar chemical deposition methods. Silicon films deposited by the PECVD method show high electrophysical characteristics due to deep purification from foreign impurities. The films have the lowest level of stress compared to films obtained by thermal and pyrolytic deposition methods, since the process temperature is lower. The films also have a high degree of adhesion of the coating to the substrate. As a disadvantage, it can be noted that the films created by the above method contain a large amount of bound hydrogen, which can lead to degradation of the device characteristics.

Физические методы осаждения покрытий включают в себя метод магнетронного распыления, вакуумное дуговое осаждение, импульсное лазерное осаждения, молекулярно-лучевая эпитаксия, ионно-пучковое осаждение.Physical methods of coating deposition include magnetron sputtering, vacuum arc deposition, pulsed laser deposition, molecular beam epitaxy, ion beam deposition.

Молекулярно-лучевая эпитаксия (МЛЭ) используется для получения оптоэлектронных приборов и полупроводниковых наногетероструктур. Метод заключается в осаждении вещества на нагретую подложку из атомных или молекулярных потоков в вакууме. В качестве источника молекулярного потока атомов кремния используется электронно-лучевой нагрев. Покрытие формируется путем осаждения испаренных атомов кремния на нагретые до температуры 400-800°С подложки. При осаждении атомов происходит их дрейф по поверхности подложки, в результате чего атомы занимают соответствующие кристаллической структуре вакантные положения. Управление структурой покрытия вплоть до получения аморфных структур можно проводить либо за счет изменения температуры подложки, либо за счет изменения подводимой к испарителю мощности. Преимуществами электронно-лучевого нагрева являются высокая скорость испарения веществ (от 1 до 10 нм/с). Слои Si, полученные методом МЛЭ, имеют невысокую плотность дефектов кристаллической структуры. От газофазной эпитаксии МЛЭ выгодно отличает возможность выращивать эпитаксиальные слои кремния при низких температурах. Недостатки МЛЭ заключаются в том, что для эпитаксии необходимо дорогое оборудование, сверхвысокий вакуум от 10^-8 до 10^-9 Па. Для уменьшения количества дефектов, эпитаксиальное наращивание качественных пленок проводят при небольших скоростях роста (от 0,1 до 0,2 мкм/ч). При больших скоростях появляются дефекты покрытия (капли). Небольшая скорость эпитаксии затрудняет получение слоев толщиной более нескольких десятых микрометров. Также выбор легирующих примесей ограничен.Molecular beam epitaxy (MBE) is used to obtain optoelectronic devices and semiconductor nanoheterostructures. The method consists in the deposition of a substance on a heated substrate from atomic or molecular flows in a vacuum. Electron-beam heating is used as a source of the molecular flow of silicon atoms. The coating is formed by deposition of evaporated silicon atoms on the substrate heated to a temperature of 400-800°C. During the deposition of atoms, they drift over the surface of the substrate, as a result of which the atoms occupy the vacant positions corresponding to the crystal structure. The coating structure can be controlled up to obtaining amorphous structures either by changing the substrate temperature or by changing the power supplied to the evaporator. The advantages of electron beam heating are the high rate of evaporation of substances (from 1 to 10 nm/s). Si layers obtained by MBE have a low density of defects in the crystal structure. MBE compares favorably with gas-phase epitaxy by the possibility of growing silicon epitaxial layers at low temperatures. The disadvantages of MBE are that epitaxy requires expensive equipment, ultrahigh vacuum from 10 ^-8 to 10 ^-9 Pa. To reduce the number of defects, epitaxial growth of quality films is carried out at low growth rates (from 0.1 to 0.2 µm/h). At high speeds, coating defects (drops) appear. The low rate of epitaxy makes it difficult to obtain layers with a thickness of more than a few tenths of micrometers. Also, the choice of dopants is limited.

Технология сублимационной молекулярно-лучевой эпитаксии (СМЛЭ) заключается в сублимации напыляемых материалов путем резистивного нагрева электрическим током источника испаряемого материала. Источниками паров кремния и примесей в методе СМЛЭ являются пластины Si, легированные нужными примесями. Скорость испарения кремния из твердого состояния достигает 20 мкм/ч, что на 2 порядка выше скорости роста слоев в методе МЛЭ. Давление в камере составляет 10-5 Па. Время процесса осаждения может быть от 1 до 2 часов в зависимости от параметров процесса. Температуру подложки изменяют в пределах от 400 до 700°С, температуру сублимационного источника - в пределах от 1350 до 1400°С. Сублимационные эпитаксиальные слои обладают лучшей, по сравнению со слоями, полученными методом ЖФЭ, морфологией поверхности. Стоимость оборудования для СМЛЭ меньше, чем в МЛЭ. При этом выращиваются слои с хорошими электрофизическими характеристиками. Методом СМЛЭ можно вырастить многослойные наноразмерные эпитаксиальные структуры Si, SixGe1-x, SixGe1-x.The technology of sublimation molecular beam epitaxy (SMBE) consists in the sublimation of deposited materials by resistive heating of the source of the evaporated material by electric current. The sources of silicon vapor and impurities in the SMBE method are Si wafers doped with the desired impurities. The rate of silicon evaporation from the solid state reaches 20 μm/h, which is 2 orders of magnitude higher than the layer growth rate in the MBE method. The pressure in the chamber is 10-5 Pa. The time of the deposition process can be from 1 to 2 hours depending on the process parameters. The temperature of the substrate is changed in the range from 400 to 700°C, the temperature of the sublimation source - in the range from 1350 to 1400°C. Sublimation epitaxial layers have a better surface morphology compared to layers obtained by the LPE method. The cost of equipment for SMBE is less than for MBE. In this case, layers with good electrophysical characteristics are grown. Using the SMBE method, it is possible to grow multilayer nanosized epitaxial structures Si, SixGe1-x, SixGe1-x.

Метод магнетронного распыления (МРС) основан на катодном распылении мишени ионами рабочего газа. Разряд в магнетронной распылительной системе (МРС) горит в неоднородных скрещенных электрических и магнитных полях, локализованных у поверхности распыляемой мишени. Для эффективного горения разряда необходимо создавать магнитное поле величиной от 0,03 до 0,1 Тл. Толщина покрытий может быть от нескольких нанометров до нескольких десятков микрон. Пленки, полученные методом реактивного магнетронного распыления, показывают различную микроструктуру и свойства, зависящие от потенциала подложки, давления в камере, парциального давления азота, температуры подложки. Для напыления легированных слоев используют либо катоды, легированные необходимым элементом, либо составные катоды, где в материал основного материала (кремния) запрессованы таблетки из легирующего элемента в необходимом количестве. Недостатками метода магнетронного распыления является высокая энергоемкость процесса (порядка 500 эВ на атом), невозможность наносить равномерные по толщине покрытия на детали сложной формы. [Клюева, В.А. Обзор методов нанесения кремниевых покрытий // Молодой ученый. - 2016. - №10 (114). - С. 236-246].The magnetron sputtering method (MPS) is based on the cathode sputtering of the target by working gas ions. A discharge in a magnetron sputtering system (MSS) burns in inhomogeneous crossed electric and magnetic fields localized near the surface of the sputtered target. For efficient burning of the discharge, it is necessary to create a magnetic field with a value of 0.03 to 0.1 T. The thickness of the coatings can be from several nanometers to several tens of microns. Films obtained by reactive magnetron sputtering show different microstructure and properties depending on the substrate potential, chamber pressure, nitrogen partial pressure, and substrate temperature. For deposition of doped layers, either cathodes doped with the necessary element are used, or composite cathodes, where pellets from the alloying element in the required amount are pressed into the material of the base material (silicon). The disadvantages of the magnetron sputtering method are the high energy intensity of the process (on the order of 500 eV per atom), the impossibility of depositing coatings uniform in thickness on parts of complex shape. [Klyueva, V.A. Review of methods for applying silicon coatings // Molodoy ucheny. - 2016. - No. 10 (114). - S. 236-246].

Известно также устройство для получения пленок аморфного кремния, содержащее вакуумную камеру осаждения с расположенной в ней подложкой, систему подачи газовой смеси и вытяжки продуктов реакции, а также блок генерации активной плазмы из силансодержащей смеси газа, при этом блок генерации активной плазмы расположен вне камеры осаждения и связан с ней через систему сопел, установленных в стенке камеры осаждения, являющейся одновременно и стенкой блока генерации активной плазмы, при этом блок генерации активной плазмы выполнен в виде электродного блока, подключенного к генератору ВЧ, и содержит разрядную камеру, соединенную через штуцер с источником силансодержащей смеси, причем штуцер одновременно является первым электродом, а вторым электродом и одновременно стенкой разрядной камеры и стенкой камеры осаждения служит мембрана с расположенными в ней соплами [RU 2188878]. Недостаток этого устройства заключается в сложности компоновочного решения и малой скорости роста.A device for producing amorphous silicon films is also known, containing a vacuum deposition chamber with a substrate located in it, a system for supplying a gas mixture and extracting reaction products, as well as an active plasma generation unit from a silane-containing gas mixture, while the active plasma generation unit is located outside the deposition chamber and is connected to it through a system of nozzles installed in the wall of the deposition chamber, which is simultaneously the wall of the active plasma generation unit, while the active plasma generation unit is made in the form of an electrode unit connected to an RF generator and contains a discharge chamber connected through a fitting to a source of silane-containing mixture, and the fitting is simultaneously the first electrode, and the second electrode and at the same time the wall of the discharge chamber and the wall of the deposition chamber is a membrane with nozzles located in it [EN 2188878]. The disadvantage of this device is the complexity of the layout solution and low growth rate.

Известно также устройство для нанесения сверхтолстых слоев поликристаллического кремния, представленное в способе формирования полупроводниковых структур, включающее камеру, в которой расположен нагреватель, на первой поверхности нагревателя установлена пластина-источник кремния, при этом в камере расположен держатель подложки и она включает модуль подвода газовой смеси и модуль вывода газовой смеси [RU 2393585]. Недостаток этого устройства заключается в отсутствии инструмента обеспечения управляемого формирования полупроводниковых структур и низкой скоростью роста.It is also known a device for deposition of superthick layers of polycrystalline silicon, presented in the method of forming semiconductor structures, including a chamber in which a heater is located, a silicon source plate is installed on the first surface of the heater, while the substrate holder is located in the chamber and it includes a module for supplying a gas mixture and gas mixture output module [RU 2393585]. The disadvantage of this device is the lack of a tool to ensure controlled formation of semiconductor structures and a low growth rate.

Это устройство выбрано в качестве прототипа предложенного решенияThis device was chosen as a prototype of the proposed solution

Технический результат изобретения заключается в повышении надежности управления процессом формирования полупроводниковых структур, и как следствие, повышении скорости роста.The technical result of the invention is to increase the reliability of the process control of the formation of semiconductor structures, and as a consequence, increase the growth rate.

Указанный технический результат достигается тем, что в устройство для нанесения сверхтолстых слоев поликристаллического кремния, представленное в способе формирования полупроводниковых структур, включающее камеру, в которой расположен нагреватель, на первой поверхности нагревателя установлена пластина-источник кремния, при этом в камере расположен держатель подложки, и она включает модуль подвода газовой смеси и модуль вывода газовой смеси, введен первый экран в виде плоского элемента, сопряженный с держателем подложки, в него также введен второй экран, выполненный в виде кольца и сопряженный первым торцом с первым экраном, а вторым торцом с нагревателем и пластиной-источником кремния, внутри второго экрана расположен держатель подложки, причем камера включает кварцевый реактор, а держатель подложки, первый экран и второй экран представляют собой загрузочную ячейку, сопряженную с первой поверхностью нагревателя.This technical result is achieved by the fact that in the device for deposition of superthick layers of polycrystalline silicon, presented in the method of forming semiconductor structures, including a chamber in which the heater is located, a silicon source plate is installed on the first surface of the heater, while the substrate holder is located in the chamber, and it includes a gas mixture supply module and a gas mixture output module, the first screen is inserted in the form of a flat element, coupled with the substrate holder, it also has a second screen made in the form of a ring and coupled with the first end to the first screen, and the second end to the heater, and silicon source plate, inside the second screen there is a substrate holder, and the chamber includes a quartz reactor, and the substrate holder, the first screen and the second screen are a loading cell associated with the first surface of the heater.

Существует вариант, в котором нагреватель выполнен из графита и сопряжен с однозаходным индуктором.There is a variant in which the heater is made of graphite and is paired with a single-ended inductor.

Существует также вариант, в котором нагреватель сопряжен с многозаходным индуктором.There is also a variant in which the heater is paired with a multi-threaded inductor.

Существует также вариант, в котором пластина-источник кремния расположена также на второй поверхности нагревателя, параллельной первой поверхности, и сопряжена с загрузочной ячейкой, включающей первый держатель подложки, первый экран и второй экран, при этом загрузочная ячейка сопряжена со второй поверхностью нагревателя.There is also a variant in which the silicon source plate is also located on the second surface of the heater, parallel to the first surface, and is associated with the loading cell, including the first substrate holder, the first screen and the second screen, while the loading cell is associated with the second surface of the heater.

Существует также вариант, в котором нагреватель выполнен в виде многогранника с n поверхностями, на каждой из которых расположена пластина-источник кремния, сопряженная с загрузочной ячейкой, включающей держатель подложки, первый экран и второй экран, при этом загрузочная ячейка сопряжена n поверхностями нагревателя.There is also a variant in which the heater is made in the form of a polyhedron with n surfaces, on each of which there is a silicon source plate, coupled with a loading cell, including a substrate holder, a first screen and a second screen, while the loading cell is coupled with n heater surfaces.

Существует также вариант, в котором устройство снабжено транспортной ячейкой, на которой установлен нагреватель с, по меньшей мере, одной пластиной-источником кремния, при этом нагреватель сопряжен с, по меньшей мере, одной загрузочной ячейкой, причем транспортная ячейка установлена в камере с возможностью подвижки.There is also a variant in which the device is equipped with a transport cell, on which a heater with at least one silicon source plate is installed, while the heater is associated with at least one loading cell, and the transport cell is installed in the chamber with the possibility of movement .

Существует также вариант, в котором камера снабжена загрузочным пылезащитным боксом.There is also a variant in which the chamber is equipped with a loading dust box.

На фиг. 1 изображена схема устройства для нанесения сверхтолстых слоев поликристаллического кремния с одной загрузочной ячейкой.In FIG. 1 shows a diagram of a device for deposition of ultra-thick layers of polycrystalline silicon with one loading cell.

На фиг. 2 изображена схема устройства для нанесения сверхтолстых слоев поликристаллического кремния с двумя загрузочными ячейками.In FIG. 2 shows a diagram of a device for deposition of ultra-thick layers of polycrystalline silicon with two loading cells.

На фиг. 3 изображена схема устройства для нанесения сверхтолстых слоев поликристаллического кремния с n загрузочными ячейками.In FIG. 3 shows a diagram of a device for deposition of ultra-thick layers of polycrystalline silicon with n loading cells.

На фиг. 4 изображено сечение А-А устройства для нанесения сверхтолстых слоев поликристаллического кремния с n загрузочными ячейками.In FIG. 4 shows a section A-A of a device for deposition of ultra-thick layers of polycrystalline silicon with n loading cells.

На фиг. 5 изображена схема устройства для нанесения сверхтолстых слоев поликристаллического кремния с транспортной ячейкой и пылезащитным боксом.In FIG. 5 shows a diagram of a device for deposition of ultra-thick layers of polycrystalline silicon with a transport cell and a dustproof box.

Устройство для нанесения сверхтолстых слоев поликристаллического кремния включает камеру 1 (фиг. 1), в которой расположен нагреватель 2. На поверхности 3 нагревателя 2 установлена пластина-источник кремния 4, имеющая, например, размеры ∅150 мм. В камере 1 расположен держатель подложки 5, выполненный из графита. В устройство введен первый экран 6 в виде плоского элемента, сопряженный с держателем подложки 5. Первый экран 6 может быть изготовлен из графита. В устройство также введен второй экран 7, выполненный в виде кольца и сопряженный первым торцом 8 с первым экраном 6, а вторым торцом 9 с нагревателем 2 и пластиной-источником кремния 4. Второй экран 7 может быть изготовлен из графита. Внутри второго экрана 7 расположен держатель подложки 5. Держатель подложки 5, первый экран 6 и второй экран 7 представляют собой загрузочную ячейку 10, сопряженную с первой поверхностью 3 нагревателя 2. На держателе 5 установлена подложка кремния И. Нагреватель 2 с пластиной-источником кремния 4 и загрузочной ячейкой 10 может быть установлена на кронштейне 12. Камера 1 включает кварцевый реактор 13, соединенный с первым фланцем 14 и втором фланцем 15. Первый фланец 14 включает отверстие 16 и сопряжен с первой крышкой 17. В первом фланце 14 установлен модуль подвода газовой смеси 18, выполненный в виде ниппельного соединения VCR. Во втором фланце 15 установлен модуль вывода газовой смеси 19, выполненный в виде фланцевого соединения стандарта KF. Модуль подвода газовой смеси 18 соединен с блоком подачи газовой смеси 20, подключенным к блоку управления 21. В качестве блока подачи газовой смеси 20 можно использовать газовую линейку, состоящую из крана, регулятора давления, регулятора расхода газа, мембранного клапана (не показаны).The device for deposition of ultra-thick layers of polycrystalline silicon includes a chamber 1 (Fig. 1), in which a heater 2 is located. On the surface 3 of the heater 2, a silicon source plate 4 is installed, for example, having dimensions of ∅150 mm. In the chamber 1 there is a substrate holder 5 made of graphite. The first screen 6 is introduced into the device in the form of a flat element, coupled with the substrate holder 5. The first screen 6 can be made of graphite. The second screen 7 is also introduced into the device, made in the form of a ring and connected by the first end 8 with the first screen 6, and by the second end 9 with the heater 2 and the silicon source plate 4. The second screen 7 can be made of graphite. A substrate holder 5 is located inside the second screen 7. The substrate holder 5, the first screen 6 and the second screen 7 represent a loading cell 10 coupled with the first surface 3 of the heater 2. A silicon substrate I is installed on the holder 5. The heater 2 with a silicon source plate 4 and the loading cell 10 can be installed on the bracket 12. The chamber 1 includes a quartz reactor 13 connected to the first flange 14 and the second flange 15. The first flange 14 includes an opening 16 and is associated with the first cover 17. The gas mixture supply module is installed in the first flange 14 18, made in the form of a VCR nipple connection. In the second flange 15, a gas mixture output module 19 is installed, made in the form of a flange connection of the KF standard. The gas mixture supply module 18 is connected to the gas mixture supply unit 20 connected to the control unit 21. As the gas mixture supply unit 20, you can use a gas line consisting of a tap, a pressure regulator, a gas flow regulator, a membrane valve (not shown).

В предпочтительном варианте нагреватель 2 выполнен из графита и сопряжен с однозаходным индуктором 22, выполненным, например, в виде винтовой спирали из медной трубы и подключенным к блоку управления 21In the preferred embodiment, the heater 2 is made of graphite and is associated with a single-thread inductor 22, made, for example, in the form of a helical coil of copper pipe and connected to the control unit 21

Существует вариант, в котором нагреватель 2 (фиг. 2) сопряжен с многозаходным индуктором 23, выполненным в виде многозаходной винтовой спирали из нескольких медных труб.There is a variant in which the heater 2 (Fig. 2) is associated with a multi-threaded inductor 23, made in the form of a multi-threaded helical spiral of several copper pipes.

Существует также вариант, в котором пластина-источник кремния 4 расположена также на второй поверхности 24 нагревателя 2. При этом вторая поверхность 24 параллельна первой поверхности 3 и сопряжена с загрузочной ячейкой 10, включающей первый держатель подложки 5, первый экран 6 и второй экран 7. Причем загрузочная ячейка 10 сопряжена со второй поверхностью 24 нагревателя 2.There is also a variant in which the silicon source plate 4 is also located on the second surface 24 of the heater 2. In this case, the second surface 24 is parallel to the first surface 3 and is associated with the loading cell 10, which includes the first substrate holder 5, the first screen 6 and the second screen 7. Moreover, the loading cell 10 is associated with the second surface 24 of the heater 2.

Существует также вариант, в котором нагреватель 2 (фиг. 3, фиг. 4) выполнен в виде многогранника 25 с n поверхностями 26. В преимущественном варианте может использоваться правильный многогранник. На каждой поверхности 26 расположена пластина-источник кремния 4, сопряженная с загрузочной ячейкой 10, включающей держатель подложки 5, первый экран 6 и второй экран 7, при этом загрузочная ячейка 10 сопряжена n поверхностями 26 нагревателя 2.There is also a variant in which the heater 2 (Fig. 3, Fig. 4) is made in the form of a polyhedron 25 with n surfaces 26. In an advantageous variant, a regular polyhedron can be used. On each surface 26 there is a silicon source plate 4, coupled with the loading cell 10, including the substrate holder 5, the first screen 6 and the second screen 7, while the loading cell 10 is coupled with n surfaces 26 of the heater 2.

Существует также вариант, в котором устройство снабжено транспортной ячейкой 27 (фиг. 5), на которой установлен нагреватель 2 с по меньшей мере, одной пластиной-источником кремния 4, при этом нагреватель 2 сопряжен с, по меньшей мере, одной загрузочной ячейкой 10. Элементы, установленные на транспортную ячейку 27, представляют собой садку. Транспортная ячейка 27 может быть установлена в камере 1 с возможностью подвижки. Эта подвижка может быть осуществлена с использованием направляющей 28. Транспортная ячейка 27 может быть выполнена в виде кварцевой лодочки. Направляющая 28 может быть выполнена в виде рельсов из кварцевых трубок. Возможен вариант, в котором на транспортной ячейке 27 может быть установлено n пластин-источников кремния 4 и n загрузочных ячеек 10 (не показано).There is also a variant in which the device is equipped with a transport cell 27 (Fig. 5), on which a heater 2 is installed with at least one silicon source plate 4, while the heater 2 is associated with at least one loading cell 10. The elements installed on the transport cell 27 represent a cage. The transport cell 27 can be installed in the chamber 1 with the possibility of movement. This movement can be carried out using the guide 28. The transport cell 27 can be made in the form of a quartz boat. The guide 28 can be made in the form of quartz tube rails. A variant is possible in which n silicon source plates 4 and n loading cells 10 (not shown) can be installed on the transport cell 27.

Существует также вариант, в котором камера 1 снабжена загрузочным пылезащитным боксом 29 со второй крышкой 30.There is also a variant in which the chamber 1 is provided with a boot dust box 29 with a second cover 30.

Существует также вариант, в котором камера 1 снабжена шайбами 31 (фиг. 1), посредством которых можно устанавливать зазор между пластиной источником 4 и подложкой кремния 11.There is also a variant in which the chamber 1 is equipped with washers 31 (Fig. 1), by means of which it is possible to set the gap between the source plate 4 and the silicon substrate 11.

Устройство для нанесения сверхтолстых слоев поликристаллического кремния (фиг. 1), функционирует следующим образом. Вне камеры 1 на нагреватель 2 кладут пластину-источник кремния 4, поверх которой устанавливают загрузочную ячейку 10, состоящую из второго экрана 7, внутрь которого укладывают шайбу 31, подложку кремния 11, держатель подложки 5 и сверху кладут первый экран 6. Садку помещают внутрь камеры 1 через первую крышку 17. Блок управления 21 подает команду блоку подачи газовой смеси 20 через модуль подвода газовой смеси 18 создать технологическую газовую среду в камере 1. После этого нагреватель 2 под воздействием высокочастотного электромагнитного излучения, исходящего от однозаходного индуктора 22, создает температурный режим порядка 1000-1200°С, в результате чего молекулы кремния с пластины-источника кремния 4 через газовую фазу переходят на подложку кремния 11 и осаждаются на ней, образуя слой поликристаллического кремния. Отработанная газовая смесь под давлением удаляется через модуль вывода газовой смеси 19. После осаждения поликристаллического кремния на подложке кремния 11, устройство необходимо охладить, для чего в камере 1 создается защитная атмосфера из инертного газа путем продувки камеры 1, например, азотом из блока подачи газовой смеси 20 через модуль подвода газовой смеси 18 и модуль вывода газовой смеси 19 при управлении потоком газа от блока управления 21. После охлаждения через первую крышку 17 камеры 1 выполняют выгрузку нагревателя 2 с пластиной-источником кремния 4 и загрузочной ячейкой 10. Далее производят разборку установленных на нем первого экрана 6, второго экрана 7, держателя подложки 5 и подложки кремния 11 со сформированным на ней слоем поликремния. Шайбу 31 и нагреватель 2 очищают от остатков исходной пластины 4.Device for deposition of ultra-thick layers of polycrystalline silicon (Fig. 1), operates as follows. Outside the chamber 1, a silicon source plate 4 is placed on the heater 2, on top of which a loading cell 10 is installed, consisting of a second screen 7, inside which a washer 31, a silicon substrate 11, a substrate holder 5 are placed and the first screen 6 is placed on top. 1 through the first cover 17. The control unit 21 instructs the gas mixture supply unit 20 through the gas mixture supply module 18 to create a process gas medium in the chamber 1. After that, the heater 2, under the influence of high-frequency electromagnetic radiation emanating from the single-thread inductor 22, creates a temperature regime of the order 1000-1200°C, as a result of which silicon molecules from the silicon source plate 4 pass through the gas phase to the silicon substrate 11 and are deposited on it, forming a layer of polycrystalline silicon. The exhaust gas mixture under pressure is removed through the gas mixture output module 19. After the deposition of polycrystalline silicon on the silicon substrate 11, the device must be cooled, for which a protective atmosphere from an inert gas is created in the chamber 1 by purging the chamber 1, for example, with nitrogen from the gas mixture supply unit 20 through the gas mixture supply module 18 and the gas mixture output module 19 when the gas flow is controlled from the control unit 21. After cooling through the first cover 17 of the chamber 1, the heater 2 with the silicon source plate 4 and the loading cell 10 are unloaded. the first screen 6, the second screen 7, the substrate holder 5 and the silicon substrate 11 with the polysilicon layer formed on it. Washer 31 and heater 2 are cleaned from the remnants of the original plate 4.

Работа устройства, изображенного на фиг. 2, аналогична работе устройства, изображенного на фиг. 1. Она отличается тем, что на нагреватель 2 пластины-источника кремния 4 две загрузочные ячейки 10 размещают с двух сторон, что позволяет вдвое повысить производительность устройства. То, что в качестве источника электромагнитного излучения используется многозаходный индуктор 23, позволяет снизить напряжение на клеммах многозаходного индуктора 23, что в свою очередь уменьшает электромагнитные наводки в коммуникационных системах блока управления 21. Последовательность технологических операций такая же, как и в случае работы устройства, изображенного на фиг. 1.The operation of the device shown in Fig. 2 is similar to the operation of the device shown in FIG. 1. It differs in that two loading cells 10 are placed on the heater 2 of the silicon source plate 4 on both sides, which makes it possible to double the performance of the device. The fact that a multi-threaded inductor 23 is used as a source of electromagnetic radiation makes it possible to reduce the voltage at the terminals of the multi-threaded inductor 23, which in turn reduces electromagnetic interference in the communication systems of the control unit 21. The sequence of technological operations is the same as in the case of operation of the device shown in fig. one.

Работа устройства, изображенного на фиг. 3 и фиг. 4 аналогична работе устройства, изображенного на фиг. 1 и отличается лишь тем, что нагреватель 2 выполнен в виде многогранной призмы, и на каждую поверхность 26 многогранника 25 помещают пластину-источник кремния 4 и загрузочную ячейку 10, что позволяет в n раз повысить производительность устройства. Последовательность технологических операций такая же, как и в случае работы устройства, изображенного на фиг. 1.The operation of the device shown in Fig. 3 and FIG. 4 is similar to the operation of the device shown in FIG. 1 and differs only in that the heater 2 is made in the form of a polyhedral prism, and on each surface 26 of the polyhedron 25 a silicon source plate 4 and a loading cell 10 are placed, which makes it possible to increase the performance of the device by n times. The sequence of technological operations is the same as in the case of operation of the device shown in Fig. one.

Работа устройства, изображенного на фиг. 5 предусматривает после сборки конструкции, состоящей из нагревателя 2, пластины-источника кремния 4 и загрузочной ячейки 10, размещение их в загрузочный пылезащитный бокс 29 через вторую крышку 30 на транспортную ячейку 27. Открыв первую крышку 17, по направляющей 28 транспортную ячейку 27 вдвигают в камеру 1 в положение с оптимальной газовой средой и температурой, которое определяется при проведении наладочных процессов по скорости роста и равномерности полупроводникового слоя. Подробнее эти процессы см. в [А.Т. Александрова, Оборудование электровакуумного производства. «ЭНЕРГИЯ», М. // - 383 с.]. Затем первую крышку 17 закрывают. Далее проводят процесс нанесения сверхтолстых слоев поликристаллического кремния аналогично работе устройства, изображенного на фиг. 1. По окончании процесса нанесения сверхтолстых слоев поликристаллического кремния производят выгрузку транспортной ячейки 27 с собранной на ней конструкцией из камеры 1 в загрузочный пылезащитный бокс 29 по направляющей 28, из которого вынимают садку через вторую крышку 30 и производят разборку, аналогично действиям в варианте по фиг. 1.The operation of the device shown in Fig. 5 provides for, after assembling the structure consisting of the heater 2, the silicon source plate 4 and the loading cell 10, placing them in the loading dustproof box 29 through the second cover 30 onto the transport cell 27. Having opened the first cover 17, along the guide 28 the transport cell 27 is pushed into chamber 1 to the position with the optimal gaseous medium and temperature, which is determined during the adjustment processes by the growth rate and uniformity of the semiconductor layer. For more details on these processes, see [A.T. Aleksandrova, Equipment for electrovacuum production. "ENERGY", M. // - 383 p.]. Then the first cover 17 is closed. Next, the process of applying ultra-thick layers of polycrystalline silicon is carried out similarly to the operation of the device shown in Fig. 1. At the end of the process of applying super-thick layers of polycrystalline silicon, the transport cell 27 with the structure assembled on it is unloaded from the chamber 1 into the boot dust box 29 along the guide 28, from which the charge is removed through the second cover 30 and disassembled, similar to the actions in the variant of Fig. . one.

То, что в устройство для нанесения сверхтолстых слоев поликристаллического кремния введен первый экран 6 в виде плоского элемента, сопряженный с держателем подложки 5, в него также введен второй экран 7, выполненный в виде кольца и сопряженный первым торцом 8 с первым экраном 6, а вторым торцом 9 с нагревателем 2 и пластиной-источником кремния 4, внутри второго экрана 7 расположен держатель подложки 5, причем камера 1 включает кварцевый реактор 13, а держатель подложки 5, первый экран 6 и второй экран 7 представляют собой загрузочную ячейку 10, сопряженную с первой поверхностью 3 нагревателя 2 позволяет обеспечить необходимый управляемый температурный режим за счет формирования равномерного температурного поля на подложке кремния 11 и достигнуть при этом максимальной скорости роста слоя поликремния.The fact that the first screen 6 in the form of a flat element is introduced into the device for deposition of superthick layers of polycrystalline silicon, coupled with the substrate holder 5, the second screen 7 is also introduced into it, made in the form of a ring and coupled with the first end 8 with the first screen 6, and the second end face 9 with heater 2 and silicon source plate 4, inside the second screen 7 there is a substrate holder 5, and the chamber 1 includes a quartz reactor 13, and the substrate holder 5, the first screen 6 and the second screen 7 are a loading cell 10 associated with the first The surface 3 of the heater 2 makes it possible to provide the required controlled temperature regime due to the formation of a uniform temperature field on the silicon substrate 11 and, at the same time, to achieve the maximum growth rate of the polysilicon layer.

То, что нагреватель 2 выполнен из графита и сопряжен с однозаходным индуктором 22 позволяет создать температурный режим методом индукционного нагрева, что в большей степени по сравнению с резистивным нагревом влияет на скорость роста поликристаллических слоев кремния и длительность технологического цикла.The fact that the heater 2 is made of graphite and is coupled with a single-thread inductor 22 makes it possible to create a temperature regime by induction heating, which, compared to resistive heating, affects the growth rate of polycrystalline silicon layers and the duration of the technological cycle to a greater extent.

То, что нагреватель 2 сопряжен с многозаходным индуктором 23 позволяет снизить напряжение на клеммах индуктора 23 и повысить надежность управления процессом формирования полупроводниковых структур за счет снижения электромагнитных наводок в коммуникационных системах блока управления 21.The fact that the heater 2 is coupled with a multi-threaded inductor 23 makes it possible to reduce the voltage at the terminals of the inductor 23 and increase the reliability of controlling the process of formation of semiconductor structures by reducing electromagnetic interference in the communication systems of the control unit 21.

То, что пластина-источник кремния 4 расположена также на второй поверхности 24 нагревателя 2, параллельной первой поверхности 3, и сопряжена с загрузочной ячейкой 10, включающей первый держатель подложки 5, первый экран 6 и второй экран 7, при этом загрузочная ячейка 10 сопряжена со второй поверхностью 24 нагревателя 2 позволяет более полно использовать нагревателя 2 повысить производительность его работы.The fact that the silicon source plate 4 is also located on the second surface 24 of the heater 2, parallel to the first surface 3, and is associated with the loading cell 10, including the first substrate holder 5, the first screen 6 and the second screen 7, while the loading cell 10 is associated with the second surface 24 of the heater 2 allows more complete use of the heater 2 to increase the performance of its work.

То, что нагреватель 2 выполнен в виде многогранника 25 с n поверхностями 26, на каждой из которых расположена пластина-источник кремния 4, сопряженная с загрузочной ячейкой 10, включающей держатель подложки 5, первый экран 6 и второй экран 7, при этом загрузочная ячейка 10 сопряжена п поверхностями 26 нагревателя 2 позволяет одновременную обработку n подложек кремния 11, что повышает производительность устройства.The fact that the heater 2 is made in the form of a polyhedron 25 with n surfaces 26, on each of which there is a silicon source plate 4, is associated with a loading cell 10, including a substrate holder 5, a first screen 6 and a second screen 7, while the loading cell 10 coupled with n surfaces 26 of the heater 2 allows simultaneous processing of n silicon substrates 11, which increases the performance of the device.

То, что снабжено транспортной ячейкой 27, на которой установлен нагреватель 2 с, по меньшей мере, одной пластиной-источником кремния 4, при этом нагреватель 2 сопряжен с, по меньшей мере, одной загрузочной ячейкой 10, причем транспортная ячейка 27 установлена в камере 1 с возможностью подвижки позволяет находить оптимальное положение загрузочной ячейки 10 в камере 1 для обеспечения необходимой скорости роста в период отработки технологического процесса, а также упрощает загрузку и выгрузку.What is provided with a transport cell 27, on which a heater 2 is installed with at least one silicon source plate 4, while the heater 2 is associated with at least one loading cell 10, and the transport cell 27 is installed in the chamber 1 with the possibility of movement allows you to find the optimal position of the loading cell 10 in the chamber 1 to ensure the required growth rate during the development of the technological process, and also simplifies loading and unloading.

То, что камера 1 снабжена загрузочным пылезащитным боксом 29 позволяет сократить привносимую дефектность и увеличить выход годных изделий.The fact that the chamber 1 is equipped with a boot dust box 29 makes it possible to reduce the introduced defectiveness and increase the yield of good products.

Claims (7)

1. Устройство для нанесения сверхтолстых слоев поликристаллического кремния, включающее камеру, в которой расположен нагреватель, на первой поверхности нагревателя установлена пластина-источник кремния, при этом в камере расположен держатель подложки и она включает модуль подвода газовой смеси и модуль вывода газовой смеси, отличающееся тем, что в него введен первый экран в виде плоского элемента, сопряженный с держателем подложки, в него также введен второй экран, выполненный в виде кольца и сопряженный первым торцом с первым экраном, а вторым торцом - с нагревателем и пластиной-источником кремния, внутри второго экрана расположен держатель подложки, причем камера включает кварцевый реактор, а держатель подложки, первый экран и второй экран представляют собой загрузочную ячейку, сопряженную с первой поверхностью нагревателя.1. A device for deposition of superthick layers of polycrystalline silicon, including a chamber in which a heater is located, a silicon source plate is installed on the first surface of the heater, while the substrate holder is located in the chamber and it includes a gas mixture supply module and a gas mixture output module, characterized in that that the first screen is introduced into it in the form of a flat element, coupled with the substrate holder, the second screen is also introduced into it, made in the form of a ring and coupled with the first end to the first screen, and the second end - to the heater and the silicon source plate, inside the second the substrate holder is located on the screen, and the chamber includes a quartz reactor, and the substrate holder, the first screen and the second screen are a loading cell associated with the first surface of the heater. 2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что нагреватель выполнен из графита и сопряжен с однозаходным индуктором.2. The device according to p. 1, characterized in that the heater is made of graphite and is associated with a single-threaded inductor. 3. Устройство по п. 2, отличающееся тем, что нагреватель сопряжен с многозаходным индуктором.3. The device according to p. 2, characterized in that the heater is associated with a multi-threaded inductor. 4. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что пластина-источник кремния расположена также на второй поверхности нагревателя, параллельной первой поверхности, и сопряжена с загрузочной ячейкой, включающей держатель подложки, первый экран и второй экран, при этом загрузочная ячейка сопряжена со второй поверхностью нагревателя.4. The device according to claim 1, characterized in that the silicon source plate is also located on the second surface of the heater, parallel to the first surface, and is associated with a loading cell, including a substrate holder, a first screen and a second screen, while the loading cell is associated with the second heater surface. 5. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что нагреватель выполнен в виде многогранника с n поверхностями, на каждой из которых расположена пластина-источник кремния, сопряженная с загрузочной ячейкой, включающей держатель подложки, первый экран и второй экран, при этом загрузочная ячейка сопряжена n поверхностями нагревателя.5. The device according to claim 1, characterized in that the heater is made in the form of a polyhedron with n surfaces, on each of which there is a silicon source plate associated with a loading cell, including a substrate holder, a first screen and a second screen, while the loading cell is conjugated by n surfaces of the heater. 6. Устройство по пп. 1–3, отличающееся тем, что оно снабжено транспортной ячейкой, на которой установлен нагреватель с, по меньшей мере, одной пластиной-источником кремния, при этом нагреватель сопряжен с, по меньшей мере, одной загрузочной ячейкой, причем транспортная ячейка установлена в камере с возможностью подвижки.6. The device according to paragraphs. 1-3, characterized in that it is equipped with a transport cell on which a heater with at least one silicon source plate is installed, while the heater is associated with at least one loading cell, and the transport cell is installed in the chamber with the possibility of movement. 7. Устройство по пп. 1–3, отличающееся тем, что камера снабжена загрузочным пылезащитным боксом.7. The device according to paragraphs. 1-3, characterized in that the chamber is equipped with a boot dust box.

Images