通常，由气相的沉积意味着通过利用管道、通道和反应器体积的自由空间的朝向覆盖表面的材料运输。因此，它不同于液相外延(LPE)和固相外延或结晶。在大多数情况下，向衬底表面提供额外能量，例如以热量、光或等离子体的形式，以触发分解含有特定组分的前体所需的化学反应和/或使得能够直接在衬底表面上合成需要的化合物。
因此，对沉积工程和制备以实施后者的硬件的典型观点认为，只有衬底(即其生长表面)被供能(例如加热)，但是所有其他装置部件保持冷(未供能)，以便避免开放表面(即除衬底表面以外的表面)的污染，且因此防止装置的物理性质漂移及避免被气体(O2，H2O等)和衬底与生长层的颗粒(从开放表面剥离的涂层的片)由于从装置表面解吸的不可控制的污染。
然而，由于反应器中的热(能)和质量传递，在沉积过程期间，保持周围环境完全不受上述现象影响具有挑战性。这导致反应器中的气体和寄生涂层的不可控制的解吸并导致从先前过程到相继过程的不希望的影响。所描述的影响很复杂且难以通过重新调节过程参数来消除，因为沉积本身是一个复杂的问题，其中必须考虑几个因素，而且它们的大多数相互依赖。
过去已经详细阐述几种策略来克服这个问题，且它们都具有其自身的缺点。
典型方法是由Thomas Swan & Co., GB开发的所谓的紧密耦合淋浴头(CCS)类型的设计，如图1所示，其中水冷的CCS 200直接靠近衬底表面100(5-25mm)定位，提供高前体利用效率(例如高达40%)。尽管水冷CCS 200，但由于热衬底载体300的热量，表面温度可容易地增长到高于150℃，其足以分解某些类型的前体(例如TMGa)。CCS 200在该过程期间会获得寄生涂层，这对后续过程具有上述负面影响。在不打开反应器并进行随后的机械处理的情况下，通常不能进行这种涂层的除去，其产生扩散到反应器或周围区域(例如手套箱)的颗粒。
为了改善CCS设计的情况，已经提出增加热衬底载体300和淋浴头200之间的距离。由于淋浴头200和热衬底载体300之间的距离增加，淋浴头200的温度不会达到如此高的温度，使得前体材料在淋浴头200上的沉积减少。然而，这种设计导致前体利用效率显著下降(例如低于1%)以及相应的生长速率降低，达到一些过程对于生产变得不可能或不可行的水平。
此外，上述系统仅利用来自一侧的衬底加热，通常从与生长表面相对的一侧进行加热，从而对衬底产生热应力。因此，由于衬底的顶侧和底侧的温差，衬底可能会弯曲。该弯曲本身，其另外可能由生长层引起，直接影响衬底上的温度均匀性。衬底载体上的任何“口袋造型(pocket profiling)”可以仅由于某个弓形值(bow value)而解决这个问题。口袋造型是指在沉积期间其中放置衬底的衬底保持器的造型。使用口袋造型来补偿由不完美加热机构和由衬底形状(例如高达200μm的衬底弯曲)导致的温度的不均匀性。衬底保持器的口袋造型可以包括其上放置衬底的平坦底部表面。口袋造型涉及提供不同的几何形状，例如凹面、阶梯口袋造型或它们的组合等，针对某些衬底温度和某些衬底弯曲(弓形)优化。然而，在过程期间不能改变口袋造型以适应每个参数且不能避免垂直温度梯度(也导致衬底中的应力)。
US 4 836 138 A公开了一种用于化学汽相沉积设备的加热系统，所述设备是如下的类型：其中反应物气体被引导成水平流动以将材料沉积在衬底上，所述衬底在反应室中被支撑在基座上，所述基座被可旋转地驱动以将衬底围绕从其中心垂直延伸的轴线旋转。
US 5 551 985 A公开了一种化学气相沉积(CVD)反应器，其包括真空室，所述真空室具有布置在其中的第一和第二热板以及布置在其外部周围的两个独立控制的多区域热源。第一热源具有三个区域，且第二热源具有两个区域。待加工的晶片位于第一热板下方且紧靠第二热板上方。喷嘴排布在衬底的横向侧，实现气体通过反应器的水平流动。
总之，已知的系统患于多个缺点，例如：(1)来自先前过程的寄生残留物，例如在静态反应器表面上，对连续运行产生影响。(2)由顶部和底部表面之间的不期望的温差导致的衬底中的机械应力。(3)衬底100和加热器300之间的大的温差导致寄生物质从较热区域(例如加热器)传递到较冷区域(例如衬底)以及短的加热器寿命。(4)大的热容量(高的热质量)导致在加热和冷却过程期间的低的变温速率。(5)低于200mbar的热传递的强烈依赖性导致衬底温度相对于加热器温度下降例如>100℃。(6)处理载体及其从衬底分离的必要性使得自动的盒至盒衬底转移更麻烦且在经济上不合乎需要。(7)在单个或多个数目的反应器部件例如载体、基座、盖片、顶板等上的剩余寄生涂层导致其调换和清洁的必要性，以避免对连续运行产生影响。(8)为了打开反应器进行维护，例如手动清洁、反应器部件更换，必须关闭加热器，从而降低系统的生产量，即增加拥有成本(CoO)并增加水分和氧气污染的机会，这对连续运行产生进一步的负面影响。(9)标准加热系统导致每单个衬底(例如D ≥ 150 mm)在高于例如1000℃的温度下的高(例如10-20kW)电功率消耗。这对CO2排放和电力消耗具有负面影响。
本发明的目的是提供克服现有技术的上述问题的气相沉积方法和系统。
该目的用独立权利要求的特征来实现。从属权利要求涉及本发明的更多方面。
本发明基于总体发明构思以在沉积期间提供衬底的两个表面的明确加热，而不会由加热器(一个或多个)接触衬底。
在本发明的一个方面中，提供一种用于气相沉积的系统，例如将至少一种材料汽相沉积(例如汽相外延)到具有第一表面和与第一表面相对的第二表面的例如平坦衬底。该系统包括：构造成保持衬底的保持构件；构造成从至少一个方向将至少一种材料施加到衬底的沉积构件；以及位于距衬底一定距离并构造成从衬底的第一表面一侧和从第二表面一侧将热量施加到衬底的加热器。
虽然衬底可以由具有任何几何形式的任何材料组成，用于生产光子器件(例如LED、激光器、光电二极管等)、电子器件(例如功率电子器件、高频电子器件、数字电子器件)、光伏器件等。也就是说，本发明可以结合来自不同材料和几何形状的各种衬底(例如根据来自根据上述领域的材料和几何形状的衬底)使用。
沉积构件和加热器可以根据彼此来定位以从相同方向施加能量(例如热量)和气体。
用于在纯载气供应的情况下引入在载气中稀释的反应物用于生长、蚀刻或简单吹扫功能的沉积构件(气体注射器)和加热器可以彼此紧密靠近定位。也就是说，沉积构件和加热器可以根据彼此来定位以从衬底的第一表面一侧和从第二表面一侧将气体施加到衬底。因此，将气体施加到第一表面可能不同于将气体施加到第二表面。也就是说，向衬底的第一表面施加热量和/或施加气体可不同于施加到衬底的第二表面的热量和/或气体。优选地，沉积构件和加热器被结合到一个系统中用于将热量和气体从相同方向施加到衬底的第一和第二表面。
沉积构件可以包括至少一个第一气体组分中空销和至少一个成型或平坦的片反射器，其中所述至少一个片反射器包括至少一个孔。第一气体组分可以通过至少一个中空销施加到衬底的表面，而第二气体组分通过至少一个片反射器的至少一个孔施加。第二气体组分优选在吹扫到衬底的同时被预热。因此，第二气体组分可以在更高温度下到达衬底表面；因此，需要来自衬底的表面的更少的能量和时间以更高效率(供应材料的百分比)得到分解。结果，对于相同的沉积速率，第二气体组分的供应量可以减少，或可以在供应不变的情况下支持更高的沉积速率，因此降低与选定的沉积速率有关的衬底上方的寄生气相反应速率的百分比，这是因为寄生气相反应速率取决于两种组分的浓度的乘积。因此，可以降低沉积温度，同时保持相同的层品质，因为第二组分需要来自衬底的较少能量以分解。而且，在第二气体组分占总流量的重大百分比的情况下，通过反应器的总气体流量可以减少。对于技术人员而言，沉积构件的更多有利效果将是显而易见的。如上所述的沉积构件可以结合本发明的气相沉积系统或方法或根据现有技术的系统构成发明，即无需本发明的其他特征存在，或甚至独立地构成发明。
另外，沉积构件可以构造成向第一和第二表面应用不同的过程，也就是说，将沉积过程应用到一侧(例如第一表面)且同时将蚀刻过程应用到另一侧(例如第二表面)，或同时应用两种不同的沉积过程。
加热器可以构造成将第一温度的热量施加到衬底的第一表面且将第二温度施加到第二表面。也就是说，在某些情况下，两个温度可能彼此不同以在两个表面上具有进一步的热分配自由度。
特别地，加热器可以构造成将第一预定热分配施加到衬底的第一表面且将第二预定热分配施加到衬底的第二表面。取决于沉积的程序要求和/或衬底的性质，如衬底的材料和/或尺寸，第一和第二预定热分配可以彼此相同或不同。
另外，由于加热器的低热容量，热量可以以相对高的时间变化至多(例如800℃/s)即脉冲状态施加，以在沉积过程期间实现甚至更低的平均衬底温度，同时保持通常对于较高衬底温度的高层品质。
加热器可以构造成三维加热器，即加热器可以在三个维度上延伸，可能围绕衬底。然而，加热器可以包括不同的区域，其可以被分开控制，以仅从三维加热器的预定区域施加热量。
加热器可以包括两个或更多个1维(线性)或2维(圆形-或等同于衬底的形状)加热单元，其中第一加热单元位于距衬底的第一表面的第一距离且第二加热单元位于距衬底的第二表面的第二距离。也就是说，加热单元允许向衬底的两个表面施加热量。线性(1D)加热器优选包括位于衬底上方和下方的一系列线性加热器，且因此能够构建线性反应器，其中单个衬底、许多衬底或甚至卷制的材料可以前后移动(或仅向前移动)，同时不同材料或不同条件下相同材料的沉积发生在物理不同位置。此外，它可以实现多个衬底的卷对卷或不间断工艺流程。它可以进一步消除加热和冷却过程，将它们从时间空间周相移动到物理空间。由于正好在衬底上方和下方的局部数量的加热元件，衬底可以从一个温度范围(适用于先前过程步骤)“转移”到另一个温度范围(适用于相继过程步骤)。
圆形(2D)加热器意味着标准的典型方法，其中单个衬底在包括变温过程的整个沉积循环期间静态地位于室中。
加热器(或加热单元)可以相对于衬底的第一和第二表面不对称地定位。也就是说，代替以不同温度向衬底的两个表面施加热量(当加热器(或加热单元)放置在距相应表面的相等距离时)，加热器(或加热单元)可以放置在距两个表面的不同距离。如上所述，通过加热单元(或加热器的区域)的不同温度控制也可以实现相同的效果。也就是说，可以以第一加热单元的第一温度设定为第一温度且第二加热单元设定为不同于第一温度的第二温度的方式来控制温度。
总之，对于两个表面中的每一个，施加到衬底表面的热量可不同。这可以通过将加热器(或加热单元)定位在距相应表面不同距离或通过改变由加热器(或加热单元)相对于两个表面辐射的温度来实现。另外，加热器可以放置在距两个表面不同距离，且设置为施加到表面的不同温度值。代替将加热器(或加热单元)放置在不同距离，它们可以相对于两个表面以某些角度定位。对于相应的加热器，角度可相同或不同以在两个表面实现不同的热分配。
加热器可以是电阻加热器、RF加热器和电磁(EM)加热器中的一种，且加热器优选构造成将成型的热分配施加到衬底和/或构造成动态施加热量。也就是说，施加到衬底的热量可以以衬底的表面(一个或多个)经受预定的热分配(热分布)的方式来控制。例如，加热器可以分别将不同的温度施加到衬底的边缘和衬底的中心，例如温度可朝向衬底的中心逐渐增加。另外，温度可以动态地施加，即施加的热量可以以时间依赖的方式变化。也就是说，施加到衬底的热量的量和/或热分配可以随时间而变化。生长过程可能会受到监控且由此热分配可相应调节。其他过程参数也可能受到监控，并因此引起变化的热量需求，这可被相应地调节。
根据本发明，衬底和加热器之间没有物理接触。也就是说，在没有接触的情况下，热量可以通过热对流(例如通过气体)或热辐射(例如EM或RF)，即真空中辐射来传递。因此，存在光吸收或由EM场变化引起的电流。在后一种情况下，衬底可以是导体。在光的情况下，衬底表面可以构造成吸收光。电阻加热器也在IR可见光谱中辐射，因此它也可以被认为是EM加热器。另一种选择可能是使用灯(汞阴极，LED等)或激光器(VCSEL)。加热器本身不包含被加热表面，而是朝向衬底表面发射EM能量。此外，飞秒(或皮秒)激光器发出可被任何固体表面吸收的光，即使其对于给定的波长是透明的。例如，蓝宝石在可见光谱中是透明的，但其表面(不是整体)吸收飞秒激光脉冲，例如名义上绿光的飞秒激光脉冲。因此，仅加热衬底的表面而不加热沉积室的任何其他部件和/或散装材料。
保持构件可以位于衬底的至少一个表面上。也就是说，保持构件可以位于衬底的第一和/或第二表面或者位于衬底的第三和/或第四表面。第三和第四表面可以是在细长衬底的情况下的短侧，或在平坦衬底的厚度方向上的薄侧。换句话说，衬底可以包括两个主表面(顶部和底部表面)，在此发生所述至少一种材料的沉积。然而，保持构件可以位于除两个主表面外的另一个表面上，例如位于侧表面(第三和/或第四表面)上。在圆形衬底的情况下，衬底可以仅具有围绕第一和第二表面延伸的第三表面。而在矩形衬底(例如立方体)的情况下，围绕第一和第二表面延伸的表面可以细分成第三至第六表面，其中第三至第六表面中的两个彼此相对定位。例如，第三和第四表面可以对应于矩形衬底的彼此相对定位的表面(侧面)。
保持构件可以位于衬底的表面之一的中心区域，或衬底的表面之一的边缘区域。保持构件可以在一个或多个位置附接到衬底。保持构件设计成将样品保持在距加热器一定距离。根据衬底的几何形状，保持构件经适应为将衬底保持在稳定的位置，且与衬底的接触最小以避免遮蔽效应，即由于保持构件的接触而不能沉积材料的区域。通过将保持构件放置在衬底的边缘区域，可以实现衬底的中心区域的均匀沉积而没有任何遮蔽效应。在将保持构件放置在衬底的第三和/或第四表面或薄侧上的情况下，可以实现在整个第一和第二表面上的均匀沉积而没有任何遮蔽效应，同时将衬底保持在距加热器预定距离。
保持构件也可以是气流以实现衬底的悬浮效果，即衬底漂浮在气流上，以保持衬底在距加热器预定距离。
根据本发明的另一方面，提供一种用于将至少一种材料气相沉积到具有第一表面和与第一表面相对的第二表面的衬底的方法。该方法包括以下步骤：使用保持构件保持衬底，使用位于距衬底一定距离的加热器从衬底的第一表面一侧和从第二表面一侧将热量施加到衬底，并从至少一个方向将至少一种材料沉积到衬底。
优选地，将热量施加到衬底包括将第一温度的热量施加到衬底的第一表面且将第二温度施加到第二表面。
另外，将热量施加到衬底可进一步包括从距衬底的第一表面的第一距离和不同于第一距离的距衬底的第二表面的第二距离将热量施加到衬底。
将热量施加到衬底甚至可以进一步包括根据预定分布将热量施加到衬底和/或将热量动态施加到衬底，即施加到衬底的热量随时间变化。
此外，保持衬底可以包括将衬底保持在衬底的第一表面和/或第二表面或者在第三和/或第四表面。
衬底可以保持在衬底的表面之一的中心区域或衬底的表面之一的边缘区域。
能量例如热量和气体可以从相同方向施加。
根据本发明，热量的方向和施加所述至少一种材料的方向可以基本上相同。
因此，除了别的以外，如本文所述的本发明具有优于现有技术的多个优点。也就是说，在根据本发明的系统中，由于加热器的低热容量，用例如快速热蚀刻(RTE)工艺可容易地热除去来自先前过程的寄生涂层残留物。
如本文所述，用双EM加热器(TEMH)系统，可以容易地调节顶部和底部表面之间的温差以在两个表面之间获得正的、负的或接近零的温差。因此，在加热、冷却或稳态过程步骤期间，在衬底上将不存在额外的应力。
在具有类似温度的两种加热器的情况下，与常规系统情况下的一百或更高℃(>100℃)相比，衬底上的温度可以不降低超过几℃(<10℃)。因此，加热器的寿命将会增加，且可以抑制从加热器到衬底的寄生传质。由于不存在与衬底直接接近(接触)的非常热的表面或斑点，组成和厚度均匀性也将得到改善。
与常规系统相比(例如<2℃/s)，用本发明的TEMH，可以实现较高的变温速率(例如>10℃/s)。而且，由于热容量(质量)低得多，被动冷却过程将花费更少的时间(例如仅20%)并改善生产的生产量，其中保留控制冷却过程的能力。
另外，由于双面(EM)加热器对衬底温度没有任何或仅有可忽略的RP影响，可以执行高温和低压过程(例如A1N生长)。也就是说，由于常规系统在衬底和载体之间的低压和小间隙(例如~100um)的基于接触的传热，导热率显著降低。对于本发明，在更大的间隙(例如> 2mm)的情况下，基于接触的传热被抑制，且衬底的温度与反应器压力(RP)无关，因此可以实现更高的衬底温度(ST)并保持其稳定性。因此，RP和ST彼此独立，且因此单个过程参数变化成为可能。
根据本发明，除了衬底外，没有额外的反应器部件在过程运行之间要被替换。
由于TEMH的有效性，每单个衬底的功耗可<10kW，即使在高温下工作也如此。
现在参照附图描述一些优选实施方案。为了解释的目的，阐述各种具体细节，而不偏离所要求保护的本发明的范围。
图1示出传统的气相沉积系统。
图2示出根据本发明的第一实施方案的气相沉积系统。
图3示出根据本发明的第二实施方案的备选保持系统。
图4示出根据本发明的第三实施方案的另一种备选保持系统。
优选实施方案的详细描述
图2示出本发明的示例性实施方案。图2显示位于平坦衬底10的两侧(表面)11、12的双电磁加热器(TEMH)30。衬底放置在保持构件20的顶部上。根据第一实施方案的保持构件20在衬底10的中心位置等距隔开，且在表面12接触衬底20。
保持构件20包括至少两个细长销以便将衬底保持距TEMH 30相等的距离，其中距离可以从由工艺要求限定的最低位置改变到最高位置。可以根据衬底10的几何形状来调节销20的几何形状和数量。也就是说，尽管三个销20可足以将衬底10稳定地保持到位，可以提供多于三个销以实现更稳定的构造。然而，代替销20，保持构件可以包括具有较大支撑面积的至少两个细长保持部件以将衬底放置在其上。也就是说，销20的数量取决于销的具体几何形状。具有足够大的支撑面积的销也可以足以为衬底提供稳定的构造。如果销作为小针(小支撑面积)提供，则应提供至少三个销以稳定地支撑衬底。
每个EM加热器部件30可以具有或可以不具有用于引入用于生长和/或用于蚀刻的反应物(例如仅吹扫气体)的结合的气体注射器(沉积构件)。气体喷射器可以仅结合到加热器单元30之一中，或它可以完全独立(未示出)于加热器系统30，即气体喷嘴可以与加热器单元30分离。两个EM加热器部件30之间的距离大于衬底厚度加上其可能的变形。因为每个EM加热器部件30可以具有其自己的沉积构件，可能可以向两个表面11、12应用不同的过程，也就是说，将沉积过程应用到一侧且将蚀刻过程应用到另一侧，或同时应用两个不同的沉积过程。
如图2所示，通过加热器系统30从衬底10的两侧施加热量(由箭头指示)。加热器系统可以由两个单独的加热器单元30构成，如图2所示。然而，加热器系统30也可以构造成单个部件，只要从衬底10的至少两个相对侧施加热量。
图3显示备选实施方案，其中保持构件20被附接在衬底10的两个边缘位置。也就是说，将衬底10保持在边缘附近，以避免在过程期间遮蔽衬底中心区域。该实施方案对于在任何过程条件下不会由于其自身重量而变形的稳定衬底是有用的。
在备选实施方案中(未示出)，保持构件20可通过附接到衬底10的相对的表面侧的夹持构件而附接到衬底10的边缘。
保持构件20可以放置在衬底10的至少两个或三个周缘位置，或可以围绕整个衬底10延伸，即完全围绕衬底10延伸。具体设计可以取决于衬底10的几何形状以及对衬底稳定性的要求。
图4显示本发明的另一备选实施方案。这里，保持构件20放置在衬底10的两个边缘(除了表面11、12外)。这两个其他表面可以是细长衬底10的短侧。另外，加热器系统30和衬底10可以沿垂直方向放置，即该实施方案称为垂直配置系统。然而，如图2和3所示的水平设置对于图3的实施方案也是可能的。
为了将保持构件20固定到衬底表面，衬底10可以在两个边缘表面中的每一个处包括凹槽，且保持构件20可以附接到所述凹槽。这可以另外提供移动和旋转功能以将衬底引入加工室或将其从加工室除去。在这种情况下，在衬底的两个主表面11、12没有不利的遮蔽效应。
由于在不脱离本发明的范围或基本特征的情况下可以以数种形式体现本发明，应该理解，除非另有说明，上述实施方案不受前述描述的任何细节的限制，而是应该在所附权利要求限定的范围内宽泛地解释，且因此落入本发明内的所有变化和修改因此旨在被所附权利要求包含。
此外，在权利要求中，词语“包含”不排除其他元素或步骤，且不定冠词“一”或“一个”不排除多个。单个单元可以实现权利要求中记载的若干特征的功能。与属性或值有关的术语“基本上”、“约”、“大约”等也分别特别地精确地定义属性或精确地定义值。