专利名称：单片三腔衬片旋转式超高真空化学气相淀积外延系统的制作方法
技术领域：
单片三腔衬片旋转式超高真空化学气相淀积(UHV/CVD)外延系统属于集成电路半导体薄膜外延生长技术和超晶格薄膜材料生长技术领域。
背景技术：
以“第二代硅”面目出现的硅基Si1-xGex薄膜材料，可以通过改变锗组分调节其能带的禁带宽度。由于在制造技术上与成熟的Si平面工艺相兼容，特别是其具有优良的高频、高速和低功耗等性能及能够人工改性硅基异质外延材料而获得高性能器件，所以它不仅在微电子领域受到青睐，而且在光电子领域也受到高度的重视，并且最终能实现大规模集成。
目前制备硅基SiGe薄膜材料的常规方法主要有气源分子束外延(GSMBE)和超高真空化学气相淀积(UHV/CVD)外延两种。分子束外延(MBE)具有控制精确、能够生长特殊结构、实时监控等优点，但这种设备价格昂贵、工艺复杂、运行成本高而难以实现工业化生产。相对而言，超高真空化学气相淀积(UHV/CVD)技术由于系统成本低、使用方便的优点而更具吸引力。在用传统CVD系统进行外延时，生长温度一般需高于1000℃来获得无氧的生长表面，但这一温度容易引起外延层和衬底间界面的过渡区杂质分布不陡峭、图形发生漂移和畸变，而且在生长应变SiGe层时容易导致应变的弛豫。自IBM公司的Meyerson等开发出UHV/CVD系统以来，SiGe器件的大规模生产成为现实。清华大学微电子学研究所基于自己的快速热退火专利技术(专利号85100131.9)，研制出具有自主知识产权的单片二腔式“超高真空化学气相淀积外延系统”(UHV/CVD)(专利号ZL 98111717.1)。
单片二腔式超高真空化学气相淀积外延系统(UHV/CVD)总体示意图如图1所示。它包括如下部分由扁平矩形石英反应腔(内腔)101，石英样品架146，石墨板电阻加热器104和高真空外腔103组成的外延生长室；由不锈钢腔、等离子体清洗装置145、不锈钢片托140、磁传动式送片机构110组成的装片腔102；由气源瓶、不锈钢减压阀、不锈钢气体管路、质量流量控制器、H2纯化器等组成的气路系统144；对石英反应腔101、装片腔102、高真空外腔103分别抽真空的三个高真空机组112；尾气处理装置141；测温控温系统142；加热电源以及计算机控制系统143等。
该UHV/CVD系统由于只有石英反应腔101和装片腔102两个腔体而带来三个问题。一是在外延生长SiGe期间，每进行一次取放片操作都要打开装片腔102。在每次放入准备外延的硅片和取出外延完的硅片的过程中，装片腔102都要暴露大气致使该腔难以获得更高的真空度，从而也影响到石英反应腔101达不到更高本底真空度。这一缺点对SiGe外延材料质量带来严重的影响。二是当将清洗后的洁净硅片放进装片腔102后，若要获得要求的真空度，就必须对该装片腔进行较长时间的抽真空，无法尽快开始外延生长，从而造成待生长硅片表面易被污染而不利于高质量外延层的生长。三是长时间的装片腔102抽真空，降低了外延片生产效率。
为了改进上述单片二腔式超高真空化学气相淀积外延系统(UHV/CVD)在硅基异质外延薄膜材料生长时的缺点，我们又申请了单片三腔式超高真空化学气相淀积外延系统(UHV/CVD)，该系统的总体原理示意图如图2所示。它是在原来二腔UHV/CVD的基础上增加一个预装片腔，从而保证在外延炉工作期间石英反应腔和装片腔始终保持高真空状态，大大提高薄膜生长的质量和生产效率。该UHV/CVD系统主要由预装片腔15及其磁传动硅片片架16，装片腔102及其气缸驱动的升降台和磁传动机械手21，外延生长石英反应腔101及其石墨板电阻加热器104，不锈钢高真空外腔103，高真空机组112，气路系统144，尾气处理装置141，测温控温系统142，加热电源以及计算机控制系统143等组成。无论如图1所示的单片二腔式超高真空化学气相淀积外延系统(UHV/CVD)和图2所示的单片三腔式超高真空化学气相淀积外延系统(UHV/CVD)，它们都存在着一个缺陷石英反应腔101、石墨板电阻加热器104及石英样品架146的位置都是固定的，用此二种设备外延出来的Si基异质外延薄膜材料的片内均匀性不能得到保证，也就是说同一个晶园片上不同点的材料组分和厚度会发生变化，如果用此材料制作Si基器件时会影响其良品率，从而不利于生产企业的经济效益。
发明内容
本发明提出的单片三腔衬片旋转式超高真空化学气相淀积外延系统，能够完全克服上述缺陷。单片三腔衬片旋转式超高真空化学气相淀积外延系统(UHV/CVD)中本发明所涉及的衬片旋转机构的原理示意图如图3，4和5所示。该衬片旋转机构主要由马达，石英玻璃板，可旋转的石英环，带滚珠的石英档块及带螺纹的石英玻璃杆等组成。除马达外，整个衬片旋转机构都放置于外延生长石英反应腔内；马达通过高真空密封磁扭力传输部件与石英玻璃杆相联系。可旋转的石英环上有石英锯齿。此外，石英环上也有用于放置外延衬片的多个石英支柱。石英玻璃杆上螺纹与石英环上的石英锯齿相匹配，该石英玻璃杆也固定于石英玻璃板上，它的左边有石英限制插鞘，石英玻璃板与石英玻璃杆可很容易地拆卸与组装。所述衬片旋转结构中的石英玻璃板、石英环、石英玻璃杆的石英材料用蓝宝石、三氧化二锆或氧化硼代替。
本发明的优点在于具有外延生长石英反应腔本底真空度高，外延生长与装片过程同时进行并且在外延生长过程中衬片能够实现转动，从而大大提高了外延薄膜组分与厚度的均匀性和外延片生产效率。
图①单片二腔式UHV/CVD外延系统原理示意图。
图②单片三腔式UHV/CVD外延系统原理示意图。
图③衬片旋转装置示意图。
图④滚珠部分剖面图。
图⑤石英支柱的立体形貌图。
图③～图⑤中所述零部件的标号如下301石英玻璃平板302带螺纹的石英玻璃杆303带滚珠的档块304石英限制插鞘305石英支柱306石英锯齿307马达308可转动的石英环3031滚珠具体实施方式
单片三腔衬片旋转式超高真空化学气相淀积外延系统UHV/CVD的实施实例示意图见图2。该UHV/CVD系统主要由预装片腔15及其磁传动硅片片架16，装片腔102及其气缸驱动的升降台和磁传动机械手21，外延生长用的石英反应腔101及其石墨板电阻加热器104，不锈钢高真空外腔103，高真空机组112，气路系统144，尾气处理装置141，测温控温系统142，加热电源以及计算机控制系统143等等组成。
图③，④和⑤是本发明所涉及的衬片旋转机构及该机构上具体部位的剖面图。
下面我们就来介绍在石英反应腔101内进行半导体薄膜外延生长时如何进行衬片旋转运动的。首先图3所示的衬片旋转装置中的石英玻璃平板301及石英玻璃杆302都事先放置在石英反应腔101内。石英玻璃杆302与马达307之间通过高真空密封组件连接起来。当衬片用机械手21由装片腔102传送到石英反应腔101内的石英支柱305后，我们关闭石英反应腔101与装片腔102之间的高真空密封阀门7。经过石墨板电阻加热器104给石英反应腔101加热到半导体薄膜外延生长所需温度后，我们开始由气路系统144给反应腔通反应气体。同时马达307带动石英玻璃杆302旋转，而石英玻璃杆的螺纹则与石英环308上的石英锯齿相吻合从而驱动石英环308的转动。如图4带滚珠的档块303减小了石英环308的转动摩擦力，同时限制石英环308的运动范围。此外，由于做外延用的衬片置放于石英支柱305之上(石英支柱的剖面见图⑤所示)，即使石英环锯齿与石英玻璃棒螺纹之间摩擦产生的细微粉尘也不会对衬片表面半导体薄膜外延生长的质量造成影响。
由此可见，本发明具有外延生长石英反应腔本底真空高，外延生长与装片过程同时进行并且在外延生长过程中衬片能够实现转动，从而大大提高了外延薄膜组分和厚度的均匀性和外延片生产效率。
权利要求
1.单片三腔衬片旋转式超高真空化学气相淀积外延系统，含有外延生长室、装片腔、预装片腔、气路系统、高真空机组、尾气处理装置、测温控温系统、加热电源以及计算机控制系统，所述的超高真空化学气相淀积外延系统其特征在于，在所述外延生长室中的一个石英反应腔内有一个衬片旋转机构，该机构执行衬片旋转功能；该衬片旋转机构含有石英玻璃板，该板水平地放置在所述的石英反应腔内；档块，在所述石英板上沿圆周方向均匀地固定着三个带滚珠的档块；石英环，该环可转动地安放在所述档块的滚珠上，在该石英环上沿圆周方向均匀地分布有涡齿轮，并且石英环上还固定有用于托住待外延生长衬片的石英柱；带螺纹的石英玻璃杆，该杆上有螺纹的那一部分与所述石英环实现外螺纹啮合，该杆的另一端穿过所说的石英反应腔与变速马达连接。
2.根据权利要求1所述的单片三腔衬片旋转式超高真空化学气相淀积外延系统，其特征在于所述衬片旋转结构中的石英玻璃板、石英环、石英玻璃杆的石英材料用蓝宝石、三氧化二锆或氧化硼代替。
全文摘要
单片三腔衬片旋转式超高真空化学气相淀积(UHV/CVD)外延系统属于集成电路半导体薄膜外延生长技术和超晶格薄膜材料生长技术领域。其特征在于在外延生长室的石英反应腔内有一个衬片旋转机构，该机构水平放置在上述反应腔内。该机构含有提供旋转动力源的马达(自带或附加减速器)、与该马达相连接的密封磁扭力传输组件，带有螺纹的石英玻璃杆、与该杆实行外螺纹啮合的石英环、石英环上固定有多个用于托起外延生长衬片的石英柱、支撑石英环的装有滚珠的石英档块、固定石英档块的石英玻璃平板。由于增加了本机构，因此本发明可大大提高外延衬片的薄膜内组分以及厚度的均匀性。
文档编号C23C16/00GK1740384SQ20051008647
公开日2006年3月1日 申请日期2005年9月23日 优先权日2005年9月23日
发明者钱佩信, 刘荣华, 林惠旺, 刘志弘, 陈长春, 张伟 申请人:清华大学