Устройство и способ для управления температурой поверхности подложки в технологической камере - RU2435873C2

Чертежи

Описание

Изобретение относится к способу управления температурой поверхности лежащей в технологической камере реактора CVD (химического осаждения паров) на опоре держателей подложки на удерживаемом образованной газовым потоком динамической газовой подушкой держателе подложки, при этом подвод тепла к подложке осуществляют, по меньшей мере, частично за счет теплопроводности через газовую подушку.

Кроме того, изобретение относится к устройству для осуществления указанного выше способа, содержащему камеру обработки, расположенную в ней опору держателя подложки, один или несколько держателей подложки, нагреватель для нагревания опоры держателя подложки, оптическое измеряющее температуру устройство для измерения температуры поверхности лежащих на держателях подложек и газовый подвод для подачи газового потока для создания динамической газовой подушки между опорой держателей подложки и держателем подложки.

Устройство рассматриваемого рода, а также способ рассматриваемого рода описаны в DE 10056029 А1. В этой публикации приведено описание реактора CVD для осаждения слоев полупроводников группы III-V на подложки группы III-V. Подложки лежат на держателях подложки, которые имеют форму круговых цилиндрических дисков. Эти держатели подложки лежат с расположением по типу сателлитов на опоре держателей подложки. Опора держателей подложки имеет опорные выемки, в которых размещаются держатели подложки. Из дна опорных выемок выходят газовые потоки, которые удерживают держатель подложки на газовой подушке во взвешенном состоянии. За счет определенного направления выходящего из расположенных на стороне дна сопел газового потока держатели подложки приводятся во вращение. В таком реакторе CVD могут вращаться относительно опоры держателей подложки не только держатели подложки. Предусмотрено также, что вращается сама опора держателей подложки вокруг собственной оси.

Опора держателей подложки может так же как держатели подложки состоять из графита. Принципиально существует потребность удерживания постоянной температуры поверхности лежащих на держателе подложек по всей поверхности подложки. Температуру поверхности измеряют с помощью пирометра. Для этого противоположная опоре держателей подложки крышка камеры обработки имеет отверстие. Пирометр соединен с регулировочным устройством. Это регулировочное устройство сначала определяет среднюю температуру поверхности подложки. Она должна лежать внутри определенного диапазона заданного значения. Тепло для создания температуры поверхности подложки подают снизу через опору держателей подложки. Для этого ее нагревают снизу. Тепло передается как через тепловое излучение, так и за счет теплопроводности через образующий динамическую газовую подушку зазор на держатель подложки. Это тепло направляется с нижней стороны держателя подложки на верхнюю сторону держателя подложки, на которой лежит подложка. Подложка лежит лишь в идеальном случае с полным прилеганием по поверхности подложки. В действительности подложка часто прилегает лишь на краю или лишь в центре к держателю подложки. Это является следствием обусловленного термически или структурно изгиба подложки.

За счет варьирования расхода газового потока, который образует газовую подушку, оказывают влияние на высоту газовой подушки. Одновременно с этим регулированием высоты оказывают влияние на теплопроводность этой газовой подушки. Таким образом, посредством изменения газового потока можно влиять на перенос тепла к подложке. С помощью этого в принципе известного из DE 10056029 А1 метода можно оказывать тонко влияние на среднюю температуру поверхности подложки. На боковое распределение температуры по поверхности, то есть на негомогенности температуры и, в частности, на горизонтальные градиенты можно оказывать влияние с помощью этого метода лишь ограниченно.

Из DE 10133914 А1 известно устройство для нанесения слоев на подложку, в котором несколько держателей подложки лежат в горшкообразных выемках опоры держателей подложки. Держатели подложки опираются каждый на соответствующую газовую подушку.

Из DE 69229980 Т2 известен способ регулирования температуры для осаждения материала. Подложка лежит поверх охлаждающего блока. Между подложкой и охлаждающим блоком имеется зазор, который омывается газами различной теплопроводности.

В DE 69117824 Т2 приведено описание способа, при котором заднюю сторону подложки омывают смесью аргона и водорода.

В US 5683759 приведено описание способа осаждения поликристаллических алмазов на подложке, при этом держатель подложки имеет кольцевые канавки различной глубины.

Из WO 2005/121417 А1 известно устройство CVD, в котором подложки лежат на вращаемом держателе подложки. Держатель подложки лежит на газовой подушке.

В основу изобретения положена задача более эффективного уменьшения боковых отклонений температуры поверхности подложки от среднего значения.

Эта задача решена с помощью изобретения, охарактеризованного в формуле изобретения.

Каждый пункт формулы изобретения представляет самостоятельное решение задачи и его можно комбинировать с любым другим пунктом формулы изобретения.

Прежде всего и по существу предусмотрено, что образующий газовую подушку газовый поток образован двумя или более газами с различно высокой удельной теплопроводностью. Теплопроводность динамической газовой подушки может изменяться за счет состава этого газового потока. Теплопроводность можно также (дополнительно) изменять посредством увеличения скорости потока. При увеличении газового потока и сопутствующем этому увеличении газовой подушки температура поверхности падает по существу равномерно по всему диаметру держателя подложки. Качественный ход изменения профиля температуры по поверхности и, в частности, по диаметру изменяется за счет этой меры лишь незначительно. Неожиданным образом было установлено, что изменение теплопроводности образующего газовую подушку газа обеспечивает возможность оказания влияния на температурный профиль как таковой. А именно было установлено, что при увеличивающемся подъеме проводимости газовой подушки температура в центре поверхности держателя подложки увеличивается сильнее, чем у края. Таким образом, с помощью изменения теплопроводности динамической газовой подушки возможно тонкое регулирование хода изменения температуры на поверхности держателя подложки. Согласно изобретению возможность тонкого регулирования теплопроводности обеспечивает, таким образом, возможность оказания влияния на температуру без изменения толщины газовой подушки. Это является преимуществом, в частности, тогда, когда оба имеющих сильно различающуюся теплопроводность газа имеют также различную вязкость. Кроме того, предусмотрено, что держатель подложки имеет теплопроводность, соответственно, держатель подложки и опорная выемка имеют такую форму, что температура поверхности держателя подложки при применении лишь одного из обоих газов имеет боковую негомогенность, которую можно компенсировать и, в частности, перекомпенсировать с помощью изменения состава. Теплопроводность держателя подложки может иметь радиальную негомогенность. Однако предусмотрено, что держатель подложки относительно теплопроводности имеет симметрию относительно оси вращения. Обращенные друг к другу, ограничивающие газовую подушку поверхности нижней стороны держателя подложки, с одной стороны, и поверхность дна опорной выемки, с другой стороны, имеют также особую структуру, в частности, симметричную относительно оси вращения. Эти обе поверхности могут иметь форму, которая отклоняется от формы плоскости. Газовая подушка в различных радиальных положениях может иметь различную толщину. Так, например, может быть предусмотрено, что при применении азота в качестве несущего газа, который имеет меньшую теплопроводность по сравнению с водородом, температура поверхности держателя подложки в середине меньше, чем у края. Если же в качестве образующего газовую подушку газа применяют водород, то температура поверхности держателя подложки в середине выше, чем у края. За счет подходящего смешивания обоих газов друг с другом можно регулировать ход изменения температуры по диагонали на держателе подложки так, что отклонения отдельных температур в радиальном направлении от среднего значения являются минимальными. Таким образом, в идеальном случае можно устанавливать плоско проходящий температурный профиль на поверхности держателя подложки. Последнее относится также к температуре поверхности, лежащей на держателе подложки. Если она изгибается во время обработки, то можно компенсировать обусловленные этим местные изменения свойств переноса тепла от держателя подложки к подложке посредством соответствующего изменения газового состава. Если, например, поднимается центр подложки вследствие теплового изгиба подложки от держателя подложки, то за счет изменения газового состава можно увеличивать перенос тепла в центре. Аналогичным образом можно компенсировать уменьшенный перенос тепла у края, если края подложки вследствие изгиба подложки поднимаются от поверхности держателя подложки. Такие эффекты можно оптимально компенсировать за счет того, что при применении газа большой теплопроводности центральная зона держателя подложки является более горячей, чем краевая зона, соответственно, что при применении лишь газа малой теплопроводности центральная зона держателя подложки холодней, чем краевая зона. Можно применять также держатель подложки, теплопроводные свойства которого являются локально различными в осевом направлении. Так, свойство теплопроводности в осевом направлении может быть в центре другим, чем у края держателя подложки. Это справедливо также для свойств излучения тепла, которые ответственны за перенос энергии посредством излучения тепла. Они могут быть также различными в различных радиальных положениях. Кроме того, предусмотрено, что поверхность дна опорной выемки и поверхность нижней стороны держателя подложки могут иметь локально другие свойства излучения тепла. Однако в одном предпочтительном варианте выполнения держатели подложки имеют в радиальном направлении различную толщину материала. Например, держатель подложки может быть в центре тоньше, чем у края. Для этого нижняя сторона держателя подложки может иметь кривизну. Может быть предусмотрена вогнутая и выпуклая кривизна. Аналогичным образом, дно опорной выемки может иметь выпуклую или вогнутую кривизну. Однако также предусмотрено, что держатель подложки имеет ступенчатую выемку на своей нижней стороне.

Устройство для реализации способа по существу соответствует устройству, описание которого приведено в DE 10056029 А1. Кроме того, способ согласно изобретению можно осуществлять также с помощью изменения газовых потоков для изменения высоты газовой подушки. Поэтому содержание DE 10056029 А1 включается в данную заявку полностью.

Устройство для осуществления способа имеет расположенный под опорой держателей подложки нагреватель. Это может быть резистивный нагреватель. Он нагревает опору держателей подложки. За счет теплопроводности и излучения тепла нагревается держатель подложки. Температуру поверхности лежащей на держателе подложки непрерывно измеряют. Поскольку держатель подложки вращается, то измеряют среднюю температуру. Однако можно определять радиальную зависимость температуры. Принципиально достаточно одного пирометра для измерения температуры, если опора держателей подложки вращается вокруг своей оси. Значения измерений пирометра подаются в регулировочное устройство. Это регулировочное устройство управляет приборами измерения массового расхода, которые управляют составом газового потока, который образует газовую подушку. При этом общий газовый поток, как правило, поддерживается постоянным во времени. Однако можно также дополнительно изменять высоту газовой подушки посредством изменения общего газового потока.

Ниже приводится пояснение примеров выполнения изобретения со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых изображено:

фиг.1 - опора держателей подложки с пятью лежащими в опорных выемках держателями подложек для приема соответствующей подложки, вид сверху;

фиг.2 - частичный разрез камеры обработки по линии II-II;

фиг.3 - альтернативное выполнение держателя подложки в изображении по фиг.2;

фиг.4 - качественный ход изменения температуры по диагонали на подложке при различных газовых составах образующего газовую подушку газового потока; и

фиг.5 - блок-схема периферии реактора.

Способ согласно изобретению осуществляют в камере 12 обработки реактора CVD. Эта технологическая камера 12 находится между проходящей в горизонтальном направлении опорой 1 держателей подложки, которая имеет круглый контур и приводится во вращение вокруг своей оси 14. Параллельно над опорой 1 держателей подложки находится крышка 10 технологической камеры 12. Технологическая камера находится между крышкой 10 и опорой 1 держателей подложки. Опора 1 держателей подложки нагревается снизу с помощью резистивного нагревателя 24. На верхней стороне опоры 1 держателей подложки предусмотрено в целом пять опорных выемок 20. В каждой из горшкообразных опорных выемок 20 лежит имеющий форму круглого диска держатель 2 подложки. В дне 21 опорной выемки 20 находятся спиральные канавки 7, в которые выходят газовые подводы 6. Выходящий из спиральных канавок 7 газ поднимает держатель 2 подложки и удерживает его на динамической газовой подушке 8. Газы выходят из спиральной канавки 7 с определенным направлением, которое обеспечивает приведение во вращение держателя 2 подложки, так что он вращается вокруг своей собственной оси. На каждом держателе 2 подложки лежит подложка 9. Вся технологическая камера находится в неизображенном корпусе реактора и герметично закрыта от окружения, так что в технологической камере 12 можно создавать разрежение.

Для выполнения процесса CVD необходимы технологические газы, которые через неизображенные подводы подаются в технологическую камеру 12. Эти технологические газы могут содержать металлоорганические соединения. Они могут также содержать гидриды. Это могут быть также хлориды металлов. На поверхности подложки 9 должен осаждаться монокристаллический слой. В данном случае речь может идти о материалах главной группы IV или материалах главной группы III и главной группы V, или материалах главной группы II и главной группы VI. Подложка 9 может состоять из любого подходящего материала. Это может быть не проводник или полупроводник. Лишь в идеальном случае на монокристаллический слой осаждаются согласованные по решетке слои. Лишь в идеальном случае осажденные слои и подложка имеют одинаковые коэффициенты теплового расширения. Как правило, слои согласованы по решетке не на 100%. Отдельные слои имеют также различные коэффициенты теплового расширения. В частности, слои имеют большие или меньшие коэффициенты теплового расширения. Это приводит к тому, что при изменении температуры подложки в зоне слоев или пограничной поверхности возникают напряжения, которые приводят к изгибу подложки. Осаждение несогласованных по решетке слоев может также приводить к напряжениям и, тем самым, к изгибу подложки 9. В зависимости от различия постоянных решетки, соответственно коэффициентов температурного расширения, центр подложки 9 может выгибаться вверх или вниз. Поскольку процессы осаждения выполняются внутри технологической камеры 12 при различных температурах, то изгиб подложки 9 во время процесса может изменяться на противоположный, так что в одной стадии процесса лишь центральная зона подложки 9 лежит с соприкосновением на поверхности держателя 2 подложки, а в другой стадии процесса лишь край подложки 9 лежит с соприкосновением на поверхности держателя 2 подложки. Это приводит к тому, что поток тепла от поверхности держателя 2 подложки к подложке 9 является различным в боковом направлении и изменяется во времени.

Если технологическая камера 12 нагревается только снизу, то там образуется вертикальный температурный градиент. Это означает, что температура в газовой фазе над подложкой 9 уменьшается с увеличением расстояния от держателя 2 подложки. Из-за отсутствующего контакта подложки 9 в отдельных местах с поверхностью держателя 2 подложки здесь происходит уменьшенный перенос тепла от держателя 2 подложки к подложке 9. Это приводит к тому, что определенные зоны подложки 9 холоднее, чем другие зоны. Это нежелательно. Желательной является остающаяся одинаковой по всей поверхности подложки 9 температура поверхности, так что температурный градиент в горизонтальном направлении является минимальным. Изотерма непосредственно над поверхностью подложки 9 должна проходить как можно более плоско. В идеальном случае поверхность подложки должна лежать на изотерме.

Перенос тепла с опоры 1 держателей подложки к держателю 2 подложки происходит по существу через динамическую газовую подушку 8. Здесь имеет значение как излучение тепла со дна 21 опорной выемки 20 к нижней стороне держателя 2 подложки, так и теплопроводность через теплопроводный газ, который образует газовую подушку 8.

За счет различного выполнения как поверхности дна 21, так и нижней стороны держателя 2 подложки можно влиять на перенос тепла за счет теплового излучения. Перенос тепла за счет теплопроводности можно изменять посредством изменения высоты динамической газовой подушки 8. Для этого можно увеличивать или уменьшать общий газовый поток через подвод 6. Однако с помощью этих мер нельзя влиять во время процесса на боковой ход изменения изотермы непосредственно над подложкой 9, соответственно, боковой температурный градиент температуры поверхности подложки 9.

В соответствии с изобретением предусмотрено, что это осуществляется с помощью изменения состава газа, который образует динамическую газовую подушку 8. Применяют два газа 17, 18, которые имеют большое различие относительно их удельной теплопроводности. Так, например, можно смешивать сильно теплопроводящий водород 17 со слабо теплопроводящим азотом 18. Для этого служат контроллеры 15, 16 массового расхода в отдельности для каждого из обоих газов 17, 18. Однако можно применять также другие смеси газов, в частности, пригодных инертных газов, таких как аргон, гелий и т.д. Оба различных газа 17, 18 подаются через общий подвод 6 в опорные выемки 20. За счет изменения состава газов, которое осуществляется с помощью контроллеров 15 и 16 массового расхода, можно изменять теплопроводность газовой подушки 8. При этом высота газовой подушки 8 остается по существу неизменной. Для регулирования газовых потоков 15, 16 предусмотрено регулировочное устройство 19. Это регулировочное устройство 19 получает входные данные от пирометра 3, который измеряет температуру поверхности подложки через отверстие 11. Измеряется усредненная температура поверхности, поскольку держатель 2 подложки вращается. Вследствие собственного вращения опоры 1 держателей подложки держатели 2 подложки проходят один за другим под отверстием 11. Поскольку оно имеет то же радиальное расстояние от оси 14 вращения, что и ось вращения держателя 2 подложки, измеряется ход изменения температуры по диагонали, как показано, например, на фиг.4.

За счет подходящих конструктивных мер или за счет подходящего выбора материала держатель 2 подложки можно выполнять так, что при применении лишь одного слабо теплопроводящего газа 18 краевая зона поверхности держателя подложки горячее, чем центральная зона. Это показано на фиг.4 с помощью кривой I. Если изменять соотношение смешивания газа так, что за счет добавления больше водорода 17 и меньше азота 18 повышается теплопроводность газа, то центральная зона поверхности опоры 1 держателей подложки нагревается сильнее. Это отображено с помощью кривой II и объясняется неожиданным эффектом. Дальнейшее увеличение теплопроводности газовой подушки 8 приводит затем к тому, что, как отображено с помощью кривой III, температура поверхности держателя подложки становится по существу одинаковой по всей радиальной длине. Это является номинальным состоянием, когда подложка 9 идеальным образом плоско лежит на поверхности держателя 2 подложки.

За счет дальнейшего изменения соотношения смешивания в направлении увеличения теплопроводности газа достигается ход изменения температуры, отображенный с помощью кривой IV. Если через подвод 6 проходит лишь водород 17, то достигается ход изменения температуры, показанный с помощью кривой V. Ход изменения температуры поверхности держателя подложки, отображенный с помощью кривых I и II, требуется тогда, когда подложка 9 лежит на поверхности держателя 2 подложки лишь своей центральной зоной. В этом случае температура держателя 2 подложки должна быть в краевой зоне выше, чтобы компенсировать там уменьшенную передачу тепла к подложке 9. Ход изменения температуры в соответствии с кривыми IV и V имеет значение тогда, когда подложка 9 лежит на поверхности держателя 2 подложки лишь краевой зоной. В этом случае необходимо компенсировать уменьшенный перенос тепла в центральной зоне за счет более высокой температуры поверхности.

В показанном на фиг.2 держателе подложки нижняя сторона держателя 2 подложки имеет выемку 13. Речь идет в данном случае о центральной, горшкообразной выемке 13, которая приводит к увеличению высоты газовой подушки 8. Это приводит к уменьшенному переносу тепла за счет теплопроводности от дна 21 к держателю 2 подложки. Обусловленную этим негомогенность температуры поверхности можно компенсировать за счет соответствующего состава газа.

В показанном на фиг.3 варианте выполнения эта выемка 13 выполнена в виде лотка. Дно лотка 13 переходит без ступеньки в плоскую кольцевую поверхность нижней стороны держателя 2 подложки.

Особенно благоприятным является то, что при комбинировании состава газа и одновременного увеличения давления газа можно оказывать влияние не только на ход изменения температуры поверхности, но также на абсолютное значение температуры поверхности. За счет этого можно увеличивать или уменьшать краевую температуру относительно температуры в центре вокруг постоянного среднего значения, при этом краевая температура держателя 2 подложки может лежать как выше, так и ниже температуры в центре поверхности подложки. Ход изменения температуры на поверхности держателя подложки в идеальном случае устанавливается с помощью регулировочного устройства 19 за счет изменения массовых расходов 15, 16 так, что поверхность подложки в каждом месте имеет максимально одинаковую температуру.

Все раскрытые признаки являются (сами по себе) существенными для изобретения. В раскрытие изобретения включается также полное содержание раскрытия соответствующих/приложенных документов приоритета (копии первоначальной заявки), также с целью включения признаков этих документов в формулу изобретения данной заявки.

Реферат

Изобретение относится к устройству и способу управления температурой поверхности, по меньшей мере, одной подложки, лежащей в технологической камере реактора CVD. Подложка размещена в опорной выемке (20) опоры держателей подложки на удерживаемом образованной газовым потоком динамической газовой подушкой (8) держателе подложки (9). Подвод тепла к подложке (9) осуществляют, по меньшей мере, частично с помощью теплопроводности через газовую подушку. Для уменьшения боковых отклонений температуры поверхности подложки от среднего значения образующий газовую подушку (8) газовый поток создают из двух или более газов с различно высокой удельной теплопроводностью и состав газов изменяют в зависимости от измеренных температур подложки. В результате достигается эффективное уменьшение боковых отклонений температуры поверхности подложки от среднего значения и соответственно повышается качество получаемого покрытия. 2 н. и 14 з.п. ф-лы, 5 ил.

Формула