處理底物的設備的製作方法
2023-05-25 05:49:51 4
專利名稱：處理底物的設備的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種用於處理底物的設備。
由EP-A-0251825已知一種設備，用於通過化學氣相沉積(ChemicalVapour Deposition＝CVD)在底物上沉積外延層。這種已知設備包括多個垂直設置，亦即平行於重力(地心引力，萬有引力)方向設置的基座，它們各裝有多個底物，並可繞其縱軸線旋轉。基座沿著繞一根設在中央的同樣為垂直延伸的進氣管的一條圓周線排列。通過進氣管中的孔流入的用於在底物上沉積外延層的過程氣體，沿基本上水平方向，亦即垂直於重力的方向流到底物上。
由US3408982已知另一種用於通過CVD在底物上沉積外延層的設備。這種已知設備包括一個盤形基座，它水平地亦即垂直於重力設置，並與一根垂直的亦即平行於重力設置的旋轉軸連接。在一種實施形式中，底物水平地裝在基座上。通過旋轉的軸，CVD過程氣體從下向上流動並進入在基座盤上方的氣體腔室。過程氣體在此氣體室中基本上相對於旋轉軸的徑向向外流動，並從上方基本上垂直地亦即沿重力方向撞在底物上。底物下面設有感應線圈，它設計為扁平螺旋形(Pan-cake線圈)。在另一種實施形式中，基座盤在其邊緣向上成斜面，底物向裡傾斜地裝在基座盤的傾斜部分上，以便平衡離心力。所配設的感應線圈同樣傾斜安裝。這種由US-A-3408982已知的設備主要設計用於生產矽外延層，其中，CVD過程的溫度調整在1190℃與1450℃之間。
由US3408982公開的設備存在的缺點是，通過感應加熱所感生成的電磁力作用在基座上，並也作用於底物上。此電磁力引起機械結構不穩定，由此還可能改變底物上的溫度分布。
本發明的目的是提供一種處理底物的設備，其中，底物通過感應加熱裝置和有關的基座加熱，以及，由於感應加熱引起的電磁力在處理底物期間不會顯著地影響基座的位置。
本發明的目的是這樣實現的，即採用一種用於處理至少一個底物的設備，它包括至少一個與此底物熱耦合的基座，一個感應加熱裝置，用於感應加熱此至少一個基座，其中感應加熱裝置和至少一個基座互相配置為，使通過感應加熱裝置在至少一個基座上作用的電磁力，其方向至少基本上平行於重力。
與已知的設計不同，在那裡，在基座上通過感應加熱所施加的電磁力相對於重力是反向平行的，而採取按本發明的措施，可獲得力學上和熱力學上穩定的結構。
尤其是感應加熱裝置至少包括一個感應線圈，它最好由高頻電壓源驅動。
在第一種實施形式中，至少一個的底物設置在至少一個基座與感應線圈之間。
在另一種有利的實施形式中則相反，此至少一個的基座設置在感應線圈與至少一個底物之間。於是基座在其背對感應線圈的一側，可設有至少一個插入式夾板用於固定至少一個的底物，並尤其可支承在一根支杆上。
此外，設備至少包括一個支承裝置，用於支承至少一個底物和至少一個基座。支承裝置最好有一個支承盤，支承盤上為每個底物各設有一個孔和圍繞孔的支承面，基座可放在支承盤內。支承盤可以支承在一根支杆上。
在另一種實施形式中，設備有旋轉裝置，用於使每一個底物繞一根公共的或各自的一根預定的旋轉軸線旋轉。尤其是在具有支杆的實施形式中，支杆可以繞其縱軸線旋轉。在帶有支承盤的支承裝置實施形式中，整個支承盤可以旋轉。
此外，用於在至少一個底物的表面上沉積外延層的設備，最好設置和包括用於使過程氣流對準至少一個用來從過程氣流中化學沉積外延層的底物表面的裝置。這些用於使過程氣流對準底物表面的裝置最好設計為，使氣流的流動方向至少在底物的表面區內，其方向至少基本上相對於重力反向平行。
本設備的最佳應用是在底物上沉積出單晶碳化矽層或沉積出單晶氮化鎵層。
下面參見附圖進一步說明本發明，附圖中
圖1為設備的一種實施形式的橫剖面，設備用於處理多個底物，並有一個用於這些底物的支承裝置，圖2表示圖1所示支承裝置俯視圖，圖3表示設備的一種實施形式，設備用於從下面在底物上沉積，並有一個可從上面旋轉的底物支承裝置，
圖4表示用於從下面在底物上沉積的設備，它有一個可從下面旋轉的底物支承裝置，圖5表示具有沿水平方向的過程氣體導引的用於在底物上沉積的設備，圖6是具有多個底物的插入式夾板的支承裝置視圖，圖7表示具有從下方輸入過程氣體的用於處理多個底物的設備。
按圖1用於處理至少一個底物的設備，包括一個此至少一個底物的支承裝置10、一個基座3、一個感應線圈4和一根支杆11。圖2是支承裝置10從上面看的俯視圖，沒有表示基座3和感應線圈4。在圖1的橫剖面中表示了兩個底物2A和2C，在圖2的俯視圖中表示了四個底物2A、2B、2C和2D。支承裝置10包括一個支承盤9和一根支杆11，支杆11在中心支承著此支承盤9。支承盤9由底板90和向上伸的側壁91組成。在底板90中為每一個底物2A至2D各設一個孔93A至93D。圍繞著每一個這樣的孔93A至93D，在底板90中構成一個支承面92A至92D，在支承面上各放上一個底物2A至2D。支承面92A至92D最好進入底板內部，以便構成一個底物的圓柱形支座，這一支座具有由孔93A至93D確定的內徑d，以及具有由支承面92A至92D的徑向擴展確定的外徑D。內徑d選為小於底物2A至2D的直徑，而外徑D選為大於底物2A至2D的直徑。除了附圖表示的圓形外，支承面92A至92D當然也可以與其他形狀的底物相配，例如矩形。
在圖2中表示了四個支承面92A至92D。但通常對於相應地更多個底物設置四個以上的支承面，這些支承面還最好緊密地並列設置。
在將底物2A至2D裝在相應的支承面92A至92D上之後，在支承盤9中裝入基座3，它最好與支承盤9的內徑相配，並尤其可具有一個圓盤的形狀。基座3與底物2A至2D熱耦合。熱耦合可通過熱傳導或也可通過熱輻射或兩者兼有地實現。為此，基座3最好與底物2A至2D直接接觸。支承盤9最好能套裝在支杆11上，並與之可拆式連接。這樣可以在處理後方便地更換底物。感應線圈4最好是Pancake線圈類型的扁平線圈，它安裝在基座3的上面，至少基本上平行於支承盤9和平行於底物2A至2D以及基座3。
基座3通常用一種導電材料製成。當在感應線圈4中施加最好是高頻交流電壓時，在基座3中感應渦流，這種渦流轉變為焦耳熱。通過熱耦合，這些熱量從基座3傳給底物2A至2D。由於感應(楞次定律)，在基座3上作用了一個電磁力(力矢量)FEM。基座3和感應線圈4彼此之間的這種特殊的相對結構關係帶來的結果是，電磁力FEM與基座3的重力並因而與重力(力矢量)G是同向的。同向意味著有關的力箭頭(矢量)指向同一個方向。作用在基座3上的合力，由電磁力FEM和重力G的矢量和FEM+G得出。此合力FEM+G始終沿重力G的方向，與感應線圈4中的電流無關，並在數量上始終至少有作用在基座3上的重力G那麼大。因此在處理期間和感應線圈4工作期間，基座3始終保持它的位置，不會從底物2A至2D上抬起。因此保證底物2A至2D有均勻的加熱過程和在底物表面20A和20D上有均勻的溫度。因為除此之外底物2A至2D還通過其自身的重力以及基座3的重力壓靠在有關的支承面92A至92D上，所以實際上不可能有任何汙物從基座3到達要處理的底物表面20A至20D上。這些汙物若通過基座3是特別有害的，因為通常基座3在整個設備中處於最高溫度位置。因此在每一個底物2A至2D上外延層的生長過程中，提高了外延層的生成質量。
在圖1和2所表示的實施形式中，底物2A至2D的自由表面20A至20D從下方進行處理。這些表面20A至20C最好定向為垂直於重力G。因此底物2A至2D通過它們自身的重力壓靠在支承面92A至92D上，從而獲得了一種相對於基座3為穩定的熱耦合。
圖3表示了用於處理底物2的設備的一種實施形式。底物2通過其邊緣在支承裝置7的支承面72上。支承面72構成了在支承裝置7的底板70中的一個孔73的邊緣。通過在底板70中的孔73，使底物2朝下方的表面20敞開。因此從下面流到底物2的表面20上的用5表示的過程氣流，可以例如在底物2表面20進行腐蝕，或尤其通過CVD方法最好在底物2的表面20上生成一個圖中未表示的層。出自於流體力學的原因，支承面72最好設計為斜的，所以它的直徑朝底物2的方向連續減小。支承面72和放在它上面的底物2基本上垂直於重力G定向。除底板70外，支承裝置7還有一個側壁71，它例如可以設計為空心圓柱形並向上亦即逆重力G的方向延伸。支承裝置7最好能從上方繞一條最好平行於重力G延伸的旋轉軸線旋轉。在支承裝置7中，在底板70上裝了一個基座3，基座3以側壁71為界並與底物2熱耦合。在基座3上面仍設有一個感應線圈4。在基座3上產生的合力F＝FEM+G在圖中用箭頭表示，這一箭頭表示這一作用力的方向，以及，這一合力始終與重力G同向，所以基座3牢牢地定位在支承裝置7上，並保證與底物2有恆定的熱耦合且是一種穩定的機械結構。
圖4表示與圖3所示結構類似的設備，但具有一個經修改的圖中用8表示的支承裝置。如圖3中的支承裝置7那樣，支承裝置8同樣有底板80，底板80有孔83和支承面82，底物2放在支承面82上。然而，支承裝置8不是象在圖3中那樣向上，而是向下沿重力G的方向延伸，並相對於底物2也在下面固定。此外，支承裝置8內部是空心的，在由它所圍繞的空腔84內被過程氣體5流過。在過程氣體5衝擊在底物2上之後，為了排出過程氣體5，最好在支承裝置8的上部區內設圖中沒有表示的孔。在支承裝置8內部的空腔84最好向下逐漸收縮，並在那裡成為杆的造型。支承裝置8的這一桿狀部分最好與一個旋轉裝置例如電機連接，以便使底物2在處理期間繞一根其方向最好平行於重力G的旋轉軸線旋轉。在支承裝置8的底板80上，仍裝有一個被側壁81圍繞的基座3，基座3被設在其上面的感應線圈4加熱，以便加熱底物2。基座3儘可能配合準確地裝在底物2上。
圖5表示用於處理底物2的設備的簡單結構。現在，底物2以其整個下側平放在基座3上，基座3最好裝在底座15上。感應線圈4安排在底物2上面，所以底物2被設置在感應線圈4與基座3之間。按圖5所示的實施形式，過程氣體5沿水平的亦即平行於底物2表面20延伸的方向，流過此表面20。為避免過程氣體5與感應線圈4接觸，可設置圖中象徵性地表示的隔板40。因為在圖5所示的實施形式中電磁力FEM和作用在基座3上的合力F＝FEM+G(它作用在基座3上)，與作用在基座3上的重力G方向相同，所以結構也是穩定的。尤其是，即使改變在感應線圈4中的電能，基座3也不會從底座15抬起。
圖6表示一種實施形式，其中基座本身設置作為至少一個底物的支承裝置。在圖6中表示的是從下面看基座3的視圖。基座3在其下面為每一個底物2A至2E設有一個插入式夾板(安裝槽)12A至12E，插入式夾板的形狀與配屬的底物2A至2E的形狀相配，在圖的舉例中為半圓形。底物2A至2E可以從側向插入有關的插入式夾板12A至12E中，並被這些插入式夾板12A至12E固定。基座3最好同心地繞旋轉軸線旋轉。插入式夾板12A至12E沿徑向設計為，使底物2A至2E在基座3旋轉時通過離心力壓緊在相關的插入式夾板12A至12E內，由此可在力學上更加穩定。在這種實施形式中，底物2A至2E的處理從下方實現，亦即沿視圖方向在基座3的下側。沒有表示的感應線圈設置在基座3的上側。
圖7表示了一種用於通過CVD在多個底物上沉積外延層的設備。設備有一個帶支承盤9和支杆11的支承裝置以及一個基座3，它們的結構與圖1所示的類似，並如圖1那樣為它們配備有一個感應線圈4。現在這一結構裝在反應器16中，在反應器下端，亦即沿重力G的方向看，在底物2A和2C下方設有用於將過程氣體5對準底物表面20A和20C的裝置。這些用於使過程氣流5定向的裝置包括氣體進入反應器16的進口17，通過進口17在反應器16中引入不同的過程氣體，以及包括擴散器18，藉助於擴散器18產生均勻的過程氣流5。擴散器18可通過一個有規定網孔大小的金屬絲網構成。過程氣流5從一個處於比底物2A至2E的溫度低的空間區22，流到底物表面20A至20E上，然後側向偏轉，並經由與泵連接的出口24從反應器16排出。為了防止感應線圈4受過程氣流5的影響最好設置氣體進口23，通過這些氣體進口23用一種惰性氣體，最好是氬氣，吹洗感應線圈4和最好也吹洗基座3。支承著支承盤9的支杆11穿過整個反應器16向下延伸，並通過氣密孔19尤其是一個旋轉密封裝置，伸出反應器16之外。在那裡設有旋轉裝置21，它與支杆11在工作上連接起來，並能使支杆11沿其縱軸線旋轉。其中，旋轉速度可根據要求通過調整加以改變。作為旋轉裝置21可例如為電動機和相應的變速器。
過程氣流5與重力G反向的流動方向用R表示，並在圖中表示為沿所示箭頭的方向。通過流動方向R與重力G反向平行地定向，在反應器16內部的氣體腔內獲得一種穩定的熱分層，這種分層表明實際上沒有任何渦流。所有的參數，如旋轉速度、壓力和氣體流量(流率)，現在可以為了改善生長過程而自由地優化，與此同時不會對流動性能產生損害。
按本發明的設備最好應用於在底物上生長外延層，尤其是用於通過一種CVD過程生長單晶碳化矽層或單晶氮化鎵層。
作為用於過程氣流5的過程氣體，為了生長SiC層，輸入工作氣體為矽(Si)和碳(C)以及最好至少一種載運氣體，這種載運氣體通常為氫，必要時還使用一種添加氣，用於添加外延的碳化矽。在過程氣流5的混合氣衝擊在加熱的底物上時，在氫載運氣體的參與下，通過化學反應從工作氣體(母體)中沉積出碳化矽。作為底物主要採用單晶碳化矽組成的底物(外延)。在底物上的溫度通過感應線圈4的能量進行調整。為了生長碳化矽，在底物上的生長溫度通常調整在約900℃和約2500℃之間。
此外，此設備還可應用於通過CVD生產單晶氮化鎵(GaN)層。用於生長GaN層的底物尤其可由Al2O3組成，或也可由SiC組成。在底物上的生長溫度，在GaN-CVD過程中最好調整在約950℃與約1100℃之間。作為工作氣體尤其適用的是氨和鎵的碳氫化合物例如三甲基鎵或三乙基鎵。
支承盤9和支杆11最好用一種相對於過程氣流5為惰性的材料製造，或至少有一個惰性材料鍍層，例如為了生產SiC有碳化鉭或碳化矽鍍層。此外，支杆11還可以用一種惰性氣體吹洗，以防止與過程氣流5接觸。支杆11最好還能通過氣密孔19沿其縱軸線移動，以便易於將底物裝入反應器16和從反應器16中拆出。
權利要求
1.一種用於處理至少一個底物(2、2A至2E)的設備，它包括至少一個與此至少一個底物(2、2A至2E)熱耦合的基座(3)，和一個感應加熱裝置(4)，用於感應加熱此至少一個基座(3)，其中感應加熱裝置(4)和至少一個基座(3)互相配置為，使通過感應加熱裝置(4)在至少一個基座(3)上作用的電磁力(FEM)，其方向至少基本上平行於重力(G)。
2.如權利要求1所述的設備，其中，感應加熱裝置至少包括一個感應線圈(4)。
3.如權利要求2所述的設備，其中，至少一個底物(2)設置在至少一個基座(3)與感應線圈(4)之間。
4.如權利要求2所述的設備，其中，此至少一個基座(3)設置在感應線圈(4)與至少一個底物(2)之間。
5.如上述任一項權利要求所述的設備，它至少有一個支承裝置(7、8、9)，用於支承至少一個底物(2)和至少一個基座(3)。
6.如權利要求5所述的設備，其中，支承裝置包括一個支承盤(9)，支承盤(9)為每一個底物(2A至2D)各設有一個孔和一個圍繞此孔的支承面(92A至92D)，其中，基座(3)可放入支承盤內。
7.如權利要求5所述的設備有一根支杆(11)，支承盤(9)支承在支杆上。
8.如權利要求4所述的設備，其中，基座(3)在其背對感應線圈(4)的一側，為每一個底物(2A至2F)至少設有一塊插入式夾板(12A至12E)，用於固定此至少一個底物(2A至2E)。
9.如上述任一項權利要求所述的設備，它有旋轉裝置，用於使每一個底物繞預定的旋轉軸線旋轉。
10.如上述任一項權利要求所述的設備，用於在至少一個底物(2A、2C)的表面(20)上沉積一層(6)，該設備具有一些裝置(16、18)，它們用來使過程氣流對準至少一個底物(2A、2C)的表面，底物(2A、2C)用於從過程氣流中化學沉積出層(6)。
11.如權利要求10所述的設備，其中，用於使過程氣流對準底物表面的裝置設計為，使過程氣流(5)的流動方向(R)，至少在底物的表面區內，至少基本上對準與重力(G)反向平行的方向。
12.如權利要求10或11所述的設備，用於沉積出單晶碳化矽層。
13.如權利要求10或11所述的設備，用於沉積出單晶氮化鎵層。
全文摘要
一種用於處理至少一個底物(2A至2E)的設備,包括一個與底物熱耦合的基座(3)和一個用於加熱基座的感應加熱裝置(4)。感應加熱裝置與基座互相配置為,使作用在基座上的電磁力方向平行於重力。從而保證是一種在熱力學和力學上穩定的結構。
文檔編號C23C16/44GK1170775SQ97110770
公開日1998年1月21日 申請日期1997年4月23日 優先權日1996年6月4日
發明者羅蘭·魯普, 約翰尼斯·沃爾考 申請人:西門子公司