用于cad反应器的改善的辐射屏障的利记博彩app
【专利摘要】一种反应室，包括内部涂覆有金属氮化物的外壳的罩壳，所述金属氮化物提供大于90％的内部红外线的平均反射率。所述金属氮化物可以为氮化钛、氮化锆、氮化铪或其它金属的氮化物，并且可以为0.1微米到10微米厚度，优选为4微米到5微米厚度。所述层不会失去光泽，并且能够承受达到至少250℃，优选达到300℃的反应室温度。它适用于沉积过程，例如PVD、CVD、热喷涂或阴极弧，其中所述罩壳本身为金属氮化物沉积罩壳。沉积的均匀性能够由旋转沉积源以360/d的总重复次数通过T角度并返回至T±d角度而改善。反应器能够为将多晶硅沉积在加热的丝线上的CVD反应器。
【专利说明】用于CAD反应器的改善的辐射屏障
[0001]相关申请
[0002]本发明要求2013年12月30日提交的申请号为14/142，982的美国专利申请的优先权。通过引用的方式将该申请的全部内容并入本发明。
技术领域
[0003]本发明涉及高温反应室，更特别地，涉及用于在加热的丝线上沉积多晶硅(卩0178；[1；[(3011)和/或其他材料的高温反应室。
【背景技术】
[0004]在利用例如化学气相沉积(CVD)方法的半导体制造和光伏应用中，材料在大熔炉或反应室中加热以实现熔化和/或各种化学试剂的沉积。举例为被配置成在加热的硅棒上沉积多晶硅的CVD反应器。
[0005]典型的“西门子”型多晶硅CVD反应器如图1所示。通常地，多晶硅是在西门子CVD反应器中通过气态硅化合物(例如单硅烷或氯硅烷(例如三氯甲硅烷))在硅启动器“丝线”上的麻痹性分解(paralytic decomposit1n)而产生。CVD反应器100包括反应室104，所述反应室被定义为或具有基板106和罩壳(enclosure)，所述罩壳通常被认为是能够保护基板106的“钟形罩(bell jar)” 108。该室包括以U型配置的棒状丝线144，当它暴露在含硅气体中时它会被通过其自身的电流而加热，从而使硅102被沉积在丝线144上。参照图2，在类似的反应器中，使用管状丝线200、202替代固体棒状丝线144。在图2中的所述管状丝线200、202包括一对垂直的硅管200，该硅管200在顶端通过水平的硅桥202相连，形成U型配置。
[0006]钟形罩108能够进一步包括一个或多个换热结构，例如一个或多个冷却导管118。所述钟形罩108能够由例如任意各种等级的不锈钢合金或其它镍合金的金属组成。
[0007]在配置中包括换热媒介，例如冷却剂或冷却流体，所述一个或多个冷却导管118通常具有至少一个导管入口 120和至少一个导管出口 122。出口 122通过所述一个或多个冷却导管118的一个或多个通道与入口 120流动性地(f IuidIy)可连接。
[0008]在一些配置中，所述CVD反应器100与至少一种气态多晶硅前驱化合物(例如单硅烷或氯硅烷(例如三氯甲硅烷))的一个或多个来源可连接。所述一个或多个来源中的每个都通过例如一个或多个室入口 142，与反应室的反应物入口流动性地可连接。在多晶硅制备过程中，所述一个或多个丝线144通常被来自一个或多个能量源的电能加热以达到能够促进所述一种或多种前驱化合物转变成半导体材料产品102的温度。来自一种或多种半导体制备反应的未反应的前驱化合物和副产物能够通过至少一个室出口 148排出室104。
[0009]由于CVD反应器和其他高温反应器会消耗大量的能量，因此需要提供改善的系统和方法以减少热通过所述反应室108的外表面的径向散发。一种方法为在反应室108的内表面电镀一层银层110，这将会使得红外能量返回至所述室108。或者，所述反应室能够为银包层(silver clad)。然而，银会失去光泽，因此需要定期地打磨以保持反应器的增长的能量效率。另外，银能够在升高的壁面温度下降解(degrade)，特别是超过300°C时，这限制了该反应器的最高工作温度。
[0010]另一种方法是在反应室108的内表面电镀一层金层110。由于金不会失去光泽，定期维护的需求减少或消失。并且，由于仅有更少的腐蚀产物能够污染多晶硅，因此这种下降的内部腐蚀改善了生产的多晶硅的质量。然而，金作为原材料非常昂贵。另外，与银相比，施加金层通常需要使用会产生有毒废水从而会造成环境危害并且合理治理昂贵的电化学装置。金层也能够在高于壁面温度(约250-300°C)下降解，这限制了该反应器的最高工作温度。
[0011]因此，需要一种比上面描述的银镀层、银包层和金镀层反应器更加经济地进行生产的高效高温反应器，其不需要过度的维护，并且能够在300°c以上的壁面温度下运行。也需要一种生产该高效CVD反应器的有效和经济的方法。
【发明内容】
[0012]本发明的一个方面为一种新型反应室，它比上面描述的现有技术银镀层、银包层和金镀层反应器能够更加经济地进行生产，不需要过度的维护，并且能够在300°C以上的壁面温度下运行。本发明的第二方面为生产该改善的反应室的有效和经济的方法。
[0013]本发明的反应室的通常形态包括基板和可连接至所述基板的罩壳形成的反应室。一种含有金属氮化物的层被施加到所述罩壳的内表面。
[0014]在一种实施方式中，与现有技术银和金层的反射率相比，金属氮化物层提供大于90%的内部红外辐射的反射率。请注意，本文使用的术语“红外辐射”是指具有波长在0.8微米和15微米之间的光。在一些【具体实施方式】中，金属氮化物层具有介于0.1微米和10微米之间的厚度。在这些【具体实施方式】的一些中，所述金属氮化物层的厚度在4微米和5微米之间。在多种实施方式中，所述化合物为氮化钛。在其他【具体实施方式】中，所述化合物为氮化锆。在另一些其他的【具体实施方式】中，所述化合物为氮化铪。在另一些其他的【具体实施方式】中，所述化合物为其它金属的氮化物。
[0015]本发明的另一方面为生产在提高的温度下具有高的热效率的反应室罩壳的方法。该方法包括将兼容的(compatible)沉积基板安装到反应室罩壳上以形成密封的沉积室。所述沉积基板包括延伸到所述沉积室的内部的沉积源。然后，可控制的气氛在所述沉积室中建立，以及在沉积期间，金属氮化物层沉积在所述反应室罩壳的内表面上以足够提供所需的金属氮化物层的厚度。
[0016]生产所述改善的反应室罩壳的费用由于几个因素而减少。第一，金属氮化物与金相比显著便宜。第二，金属氮化物通过不产生有毒废水从而不需要特别的昂贵的废水处理的沉积方法施加，所述沉积方法为例如磁控派射(Magnetron Sputtering)、离子束辅助磁控派射(1nbeam Assisted Magnetron Sputtering)、阴极弧(Cathodic Arc)、过滤阴极弧(Filtered Cathodic Arc)、电子束蒸发(Electron Beam Evaporat1n)、热蒸发(ThermalEvaporat1n)或化学气相沉积(CVD)。另外，沉积设备的费用通过使用作为金属氮化物沉积室的一部分的反应室罩壳本身而减少。因此，沉积设备只需要具有沉积源和其他适当的固定装置和支撑设备的兼容的基板。由于反应室罩壳本身是淀积室的一部分，因此没有必要提供足够大以包含反应室罩壳的单独、完整的沉积室。
[0017]这里所描述的特征和优点并不全面并且，特别的，许多另外的特征和优点将对阅读了附图、说明书和权利要求书的本领域普通技术人员来说是显而易见的。此外，需要强调的是，说明书中所用的语言主要出于可读性和指导性的目的选择，并不用于限定本发明主题的范围。
【附图说明】
[0018]图1是包括固体棒状丝线的现有技术的硅CVD反应器的一部分的剖切示意图；
[0019]图2是与图1相似的现有技术的CVD反应器的一部分的剖切示意图，但是包括管状丝线；
[0020]图3是在本发明一种【具体实施方式】的金属氮化物沉积装置中安装在沉积基板上的CVD反应室的俯视透视图；
[0021]图4是图3的反应室和沉积装置的剖视图，示出了室中的沉积源的位置。
[0022]图5是图3的反应室和沉积装置的俯视剖视图。
[0023]图6A至6F是示出本发明一种【具体实施方式】中沉积源旋转方法的简化图。
[0024]图7是由PVD通过磁控溅射在不锈钢样品上沉积的氮化钛层的扫描电子显微镜图像；
[0025]图8是由PVD通过阴极弧在不锈钢样品上沉积的氮化钛层的扫描电子显微镜图像；以及
[0026]图9是由CVD在不锈钢样品上沉积的氮化钛层的扫描电子显微镜图像。
【具体实施方式】
[0027]本发明的一个方面为一种改善的反应室，以及在【具体实施方式】中为一种改善的化学气相沉积(CVD)反应器，包括比现有技术的金层反应器能够更加经济地进行生产的反应室，并且能够在300 °C以上的壁面温度下运行。
[0028]本发明的一个或多个特定方面能够指制造系统，例如CVD反应器，用于生产半导体材料，例如硅。特别地，化学气相沉积反应器包括定义为或具有基板和能够保护该基板的罩壳的反应室。更特别地，所述反应器包括基板中的具有至少一个丝线的丝线支撑结构，所述丝线位于该丝线支撑结构上并放置于所述反应室内部，所述丝线例如为硅丝线(细棒状或管状)。此外，所述反应器包括在基板上的电引线(feedthroughs)，该电引线用于将电源与所述丝线的两端连接以加热所述丝线，以及包括气体入口和气体出口，优选在基板上。所述气体入口与反应气体的来源可连接，所述反应气体为例如含硅气体，所述气体出口根据需要设置以使气体例如未反应气体或气体反应副产物，可以从反应室中被释放。
[0029]反应室的罩壳具有含有金属氮化物的反射层的辐射护罩(shield)，其通常设置在所述罩壳的内表面。所述辐射护罩影响生产半导体产品的过程中入射的红外辐射的至少部分反射，并由此至少部分地降低了辐射热从半导体产品传递到罩壳。需要注意的是，本文所使用的术语“红外辐射”指的是具有0.8微米至15微米之间的波长的光。因此，所述反应器包括具有至少部分内表面涂覆有金属氮化物的罩壳的反应室，所述金属氮化物提供至少与现有技术的金涂层相当的内部红外辐射的反射率。在【具体实施方式】中，所述金属氮化物层具有0.1微米至10微米之间的厚度。在这些【具体实施方式】中的一些中，所述金属氮化物层的厚度在4微米和5微米之间。在各种实施方式中，所述化合物是氮化钛。在其他【具体实施方式】中，所述化合物为氮化锆。在另一些其他的【具体实施方式】中，所述化合物为氮化铪。在另一些其他的【具体实施方式】中，所述化合物为其它金属的氮化物。所述罩壳能够由金属，诸如任何的各种等级的不锈钢合金或其它镍基合金组成，所述罩壳可以进一步包括与所述辐射护罩热连通的冷却导管。
[0030]本发明的第二方面为一种用于生产具有内部金属氮化物层的改善的反应室罩壳的有效和经济的方法。参考图3，所述方法包括提供能够与所述反应室罩壳兼容的沉积基板300，以及将所述罩壳装配在所述沉积基板上以形成沉积室。在图3的一种【具体实施方式】中，所述反应室罩壳为覆盖CVD反应器的钟形罩。一对密封环308在罩壳108和沉积基板300之间插入。底部的密封环连接所述基板300并且顶部的密封环连接所述罩壳108。在这两个密封环308之间为大的非导电线圈(non-conductive gasket)(未示出)，用于在所述方法的清洗步骤中将所述罩壳108与所述沉积基板300进行电隔离，其中，电压施加于所述罩壳108。所述沉积基板300被设置在支撑平台306上，通过所述支撑平台306各种服务能够从沉积基板300的下方提供。然后所述罩壳108被密封在沉积基板300上，从而形成沉积室。能够用于在罩壳108的内表面上产生金属氮化物层的沉积方法包括物理气相沉积(PVD)和其上的各种变形方法，例如磁控溅射、离子束辅助磁控溅射、阴极弧、过滤阴极弧、电子束蒸发和热蒸发。CVD或热喷涂(thermal spray)也能够用作沉积方法。根据所述沉积方法提供控制电子器件(eleCtrOniCS)302，并且在【具体实施方式】中，用安全屏障304包围装置以保护操作人员。
[0031]生产所述金属氮化物涂覆的反应室罩壳的费用由于几个因素而减少。第一，氮化钛或其它金属氮化物与金相比显著便宜。第二，用于沉积所述金属氮化物的方法不产生有毒废水，并且从而不需要特别的、昂贵的废水处理。另外，沉积设备的费用通过使用反应室罩壳108本身作为金属氮化物沉积室罩壳而减少。
[0032]在【具体实施方式】中，用于沉积金属氮化物层的金属和氮的相对浓度在沉积期间是变化的，从而产生在金属氮化物层的厚度方向上的金属浓度不均匀的金属氮化物层。
[0033]图4是使用PVD沉积的一种【具体实施方式】的剖切侧视图。PVD源400通过由沉积控制电子器件302驱动的机械围绕其中心轴402可旋转。在图4的【具体实施方式】中，所述源包括以与反应室108的内部形状接近的形状形成的材料的两个交叉正交环路。俯视图示于图5中。
[0034]在【具体实施方式】中，在施加所述金属氮化物层之前在所述罩壳的内表面施加中间金属层，以使得中间层在内表面和金属氮化物层之间。在这些【具体实施方式】的一些中，所述中间金属层为钛层、锆层或铪层。
[0035]在【具体实施方式】中，在沉积过程中在CVD反应室的内壁上的所述金属氮化物层沉积的均匀性通过定期地将沉积源顺时针旋转旋转角T，并且然后逆时针旋转角度T’而增强，其中T与T’通过增量角d而不同。这些交替的旋转被重复直到所述源已经被顺时针然后逆时针旋转达到总次数为N次，其中N是360/d乘以整数。例如，T能够为180度，T’能够为178度，并且N可以为180(或180的倍数)，从而使所述源的方向在每对顺时针和逆时针旋转之后增加两度，直到它穿过完整的圆，并返回到其原始方向。例如当T为178度以及T’为180度时能够获得类似的结果。
[0036]T为180度、T’为182度并且旋转对的数目为180的实施例在图6A至图6F中示出。图6A显示所述源400的初始方向。图6B显示在一对旋转之后的方向。在第一对旋转(先通过顺时针旋转T度然后通过逆时针旋转T’度)的最后，所得方向与原始方向相差2度。图6C显示在40对旋转之后的方向，图6D显示在90对旋转之后的方向，以及图6E显示在120对旋转之后的方向。图中所提供的字母A、B、C和D仅用于表明方向之间的不同，否则可能由于对称性而不能互相区分。最后，图6F显示所述源400在180对旋转之后的方向，由此所述源400返回至它的原始方向。
[0037]图7是由PVD通过磁控溅射在不锈钢样品上沉积的氮化钛层的扫描电子显微镜图像。标示出该光滑层有相对较少的凹点(P i ts) 700和沉积钛的大颗粒702。
[0038]图8是由PVD通过阴极弧在不锈钢样品上沉积的氮化钛层的扫描电子显微镜图像，以及图9是由CVD在不锈钢样品上沉积的氮化钛层的扫描电子显微镜图像。
[0039]本发明的【具体实施方式】的前述描述是为了说明和描述的目的。该提交文本的每一个和上面的所有内容，不管怎样表征、认定或编号，均被认为是本发明用于所有目的的实质部分，而无论形式或在本发明中的布局。本说明书不旨在穷举或将本发明限制为所公开的精确形式。根据披露的内容许多修改和变化是可能的。
【主权项】
1.一种化学气相沉积反应器，包括由基板和可连接至所述基板的罩壳形成的反应室，其中，所述罩壳具有含有金属氮化物层的内表面。2.根据权利要求1所述的化学气相沉积反应器，其中，所述反应器进一步包括: 基板中的丝线支撑结构； 设置于所述反应室的丝线支撑结构中的至少一个丝线； 基板中的电引线； 通过所述电引线可连接至所述丝线的两端的电源； 基板中可连接至反应气体来源的气体入口 ；以及 基板中的气体出口，气体能够通过该气体出口从反应室中被释放。3.根据权利要求1所述的化学气相沉积反应器，其中，所述金属氮化物层包括在金属氮化物层的厚度方向上不均匀的金属浓度。4.根据权利要求1所述的化学气相沉积反应器，其中，所述金属氮化物层对于具有0.8微米至15微米之间的波长的所有红外线具有至少90%的平均反射率。5.根据权利要求1所述的化学气相沉积反应器，其中，所述金属氮化物层能够承受罩壳壁面温度达到至少250°C而不失效。6.根据权利要求1所述的化学气相沉积反应器，其中，所述金属氮化物层具有0.1微米至10微米之间的厚度。7.根据权利要求1所述的化学气相沉积反应器，其中，所述金属氮化物层具有4微米至5微米之间的厚度。8.根据权利要求1所述的化学气相沉积反应器，其中，进一步包括施覆在所述罩壳的内表面和金属氮化物层之间的中间金属层。9.根据权利要求7所述的化学气相沉积反应器，其中，所述中间金属层为钛层、锆层或給层。10.根据权利要求1所述的化学气相沉积反应器，其中，所述金属氮化物层含有氮化钛。11.根据权利要求1所述的化学气相沉积反应器，其中，所述金属氮化物层含有氮化锆。12.根据权利要求1所述的化学气相沉积反应器，其中，所述金属氮化物层含有氮化铪。13.根据权利要求1所述的化学气相沉积反应器，其中，所述罩壳含有各种等级的不锈钢合金或其他镍合金。14.根据权利要求1所述的化学气相沉积反应器，其中，所述化学气相沉积反应器被配置为用于将多晶硅沉积在加热丝线上。15.根据权利要求1所述的化学气相沉积反应器，其中，所述金属氮化物层能够承受罩壳壁面温度达到至少30(TC而不失效。16.—种生产用于化学气相沉积(“CVD”)反应器的罩壳的方法，该罩壳在高的温度下具有高的热效率，该方法包括: 提供CVD罩壳； 将兼容的沉积基板安装到CVD罩壳上以形成密封的沉积室，所述沉积基板包括延伸到所述沉积室的内部的沉积源； 以及 在沉积期间将金属氮化物层沉积在所述CVD罩壳的内表面上。17.根据权利要求16所述的方法，其中，该方法进一步包括在沉积所述金属氮化物层期间改变金属和氮的相对浓度，从而在金属氮化物层的厚度方向产生金属浓度不均匀的金属氮化物层。18.根据权利要求16所述的方法，其中，所述金属氮化物层对于具有0.8微米至15微米之间的波长的所有红外线具有至少90%的平均反射率。19.根据权利要求16所述的方法，其中，所述金属氮化物层能够承受CVD罩壳壁面温度达到至少250°C而不失效。20.根据权利要求16所述的方法，其中，所述方法进一步包括沉积所述金属氮化物层直到该金属氮化物层具有0.1微米至10微米之间的厚度。21.根据权利要求16所述的方法，其中，所述方法进一步包括沉积所述金属氮化物层直到该金属氮化物层具有4微米至5微米之间的厚度。22.根据权利要求16所述的方法，其中，所述沉积源能够被旋转，并且所述方法进一步包括在沉积期间旋转所述沉积源。23.根据权利要求22所述的方法，其中，所述沉积源在顺时针方向和逆时针方向交替旋转，所述顺时针和逆时针旋转具有以增量角d相区分的不同的旋转角度，在沉积期间，所述顺时针旋转被重复N次并且所述逆时针旋转被重复N次，所述N等于360/d乘以整数。24.根据权利要求16所述的方法，其中，所述金属氮化物层通过磁控溅射、离子束辅助磁控溅射、阴极弧、过滤阴极弧、电子束蒸发或热蒸发而被沉积。25.根据权利要求16所述的方法，其中，该方法进一步包括在向所述CVD罩壳的内表面上施加所述金属氮化物层之前，向所述CVD罩壳的内表面上施加中间金属层。26.根据权利要求25所述的方法，其中，所述中间金属层为钛层、锆层或铪层。27.根据权利要求16所述的方法，其中，所述金属氮化物层含有氮化钛。28.根据权利要求16所述的方法，其中，所述金属氮化物层含有氮化锆。29.根据权利要求16所述的方法，其中，所述金属氮化物层含有氮化铪。30.根据权利要求16所述的方法，其中，所述CVD罩壳含有各种等级的不锈钢合金或其他镍合金。31.根据权利要求16所述的方法，其中，所述CVD反应器被配置为用于将多晶硅沉积在加热丝线上。32.根据权利要求16所述的方法，其中，所述金属氮化物层能够承受CVD罩壳壁面温度达到至少300°C而不发生故障。
【文档编号】H01L21/205GK105900213SQ201480071670
【公开日】2016年8月24日
【申请日】2014年12月29日
【发明人】J·C·伽姆, B·E·克拉克, P·E·甘农, M·麦克法兰, S·曼德普迪
【申请人】Gtat公司