一种外延反应器 本发明涉及一种用于在衬底上化学气相淀积(CVD)半导体材料的系统。
具体涉及一种外延反应器，它用于在衬底，特别是用于制造半导体元件的硅衬底，例如集成电路芯片，上化学气相淀积(CVD)材料。
本发明尤其涉及这样一种外延反应器，它由一个准矩形截面的小容积管状反应室组成，其外壁由通冷却液流的外冷却器致冷、反应室里有一个能承载一个以上衬底的圆盘型旋转基座和反应气体，反应气体通过一个或多个进气口进入，平行于衬底流过反应室。基座通过装在反应室外的准平面螺旋型感应圈进行低频感应(从3000至20000赫兹)加热；为了改变感应圈的一圈或多圈与基座间的电磁通量耦合，可以用电子-机械装置来逐个改变感应圈地一圈或多圈与基座间的距离，或使用下面进一步描述的装置，为了控制被基座辐射出的能量的反射，反应室的外壁上淀积有反射层，或在反应室外面有一个装置，该装置可以是固定的、可移动的、或借助电子-机械装置或气动装置可改变方向的，因而外部装置也可以是可调节的，用以控制该装置的反射在最小值和最大值间连续可调。
最常用的外延反应器是用于成批加工的，即反应器中以同时处理许多衬底。
通常，考虑到所用容器或反应室和基座的类型，在工业领域有两种结构是最常用的：一种是有一个垂直圆筒和一个截锥型基座或类似在工业界称为“筒形”结构；另一种结构是在一个合适的反应室里有一个扁平盘形的感应器，工业界称“饼形”结构。
前述反应器中基座的加热系统也可分为两类：灯光加热和中频或高频感应加热。
筒型系统有一个截锥体型基座，片子以基本垂直的位置置于基座上，基座丰它自己的轴旋转，以确保受热和气流均匀，反应气流基本上平行于所加工的片子表面。
筒形系统采用一种容积小、性能好的反应室，可以用总是位于反应室外的灯光加热或感应加热系统。这种系统的限制是，它很难在大直径的片子(150mm以上)上制做出均匀的淀积层，当放置在基座上的片子数量增加时尤其如此。其原因是容器是圆筒形的，流过片子的气体所通过的截面是不均匀的，造成沿截面气流速度的不同，随之而来的是淀积层的不均匀。
在传统的“饼型”系统中，基座由一个旋转圆盘组成，片子水平放置在圆盘上。饼型系统的特征在于：一个大容积的准半球型反应室位于基座上方，在反应室里气体垂直到达片子表面。即使在大直径的片子上，这种反应室也能制造出均匀性很好的淀积层，但是制做出来的片子电特性较差，这是因为大容积的反应室需要的清理时间长，造成较大的污染危险。再者，电磁感应加热要求感应圈的位置尽可能靠近基座，在传统的饼型反应器结构中，这意味着感应圈必须位于反应室内部，因此即使把感应圈适当加以密封，也大大增加了污染的危险。片子的水平放置以及加工时间周期长也造成片子的表面完整性很差。
以上两种加热类型不完全等效，因为对于灯光加热，片子比基座略热；而对于感应加热，片子比基座要凉。温度梯度方向的不同使得商业上很重要的、外延层很厚的器件的产品有很大差别。
事实上，如果不涉及两种加热系统的优缺点，可以说，在要淀积的厚度薄(最厚10-15微米)时，灯光加热有绝对优势；而在要淀积的厚度厚(最厚250微米)时，感应加热方法可靠，其真正原因在于前面已提到过的在片子和基座间特有的温度梯度，尽管两种方法的适用范围有很大的重叠。
然而，必须提到，当片子的前端和尾端之间的温度梯度过大，产生超过某个限度的热应力时，就会对片子的某些区域造成永久性破坏。这个问题在用感应加热的加热器中是很典型的，而在用灯光加热的反应器中却几乎不存在。
然而采用低频感应加热则允许使用能量反射技术，反射基座辐射的能量，例如在意大利专利号N0.1,209,570中所述，该专利的所有人就是本专利的申请人，该技术使片子的前端和尾端间的温度梯度减小，这对片子的结晶质量有好处，使得在大多数情况下，其性能基本上等同于用典型灯光加热的反应器所达到的水平。
不久前市场上推出了用灯光加热的单片结构的反应器，被称为“单片”反应器，不论片子的直径多大，它加工出的片子均匀性非常好，但是对于小直径的片子生产率很低。(此处请参考例如1989年7月11日授于的美国4846102号专利所描述的和权利要求的反应器)。
由于是灯光加热反应器，因此单片反应器原则上不适用于很厚的淀积层，再有，生产效率进一步的降低增加了片子的成本。
在现有技术JP-A-61-15947中建议将感应线圈放在反应室的钟罩的外面以避免将线圈本身暴露到反应室的化学氛中，也用于在反应室低压的情况下避免产生的放电。
JP-A-58-16523教导了一种外延反应器，具有在一个底板上的杯形钟罩，密封放置，但处于可自由移动的状态。反应室内包含放置在基座上的半导体圆片，由放置在反应室内靠近基座底面的感应螺旋形线圈加热。这种现有技术方案将感应线圈放置在反应室内，从而会将线圈的金属暴露在多次出现在反应室内的腐蚀性气体中并且也不具有调节在基座内局部感应的功率，而只是具有通过围绕在感应线圈和基座周围并可上下移动的短路环形线圈来调节基座周围的功率的方式。
本发明的目的在于提供一种全自动反应器，该反应器是专门为在大直径的片子上以最佳质量特性，和足够的生产率来淀积较厚的淀积层而设计的。选用感应加热技术来得到制造厚淀积层所必须的片子和基座间的热梯度。
本发明所要达到的主要目标是：
-在一个带有旋转圆盘型基座的结构中，使加热感应圈尽可能靠近基座，但是为了不和在反应室里流通的化学反应剂接触，加热感应圈要置于反应室的外面。
-使用一个平面管形的反应室，反应室的两个较大的室壁基本平行于圆盘形基座的端面，以便减少体积，并使气流平行于衬底，也就是提供了部分类似于桶型反应器里的生长条件，但是不存在横截面上气流不均匀的问题。
-采用先进技术通过实时改变感应圈的个别线圈或一组线圈与基座间的耦合，来局部控制感应圈和基座间的电磁通量，使得在加热、淀积和冷却过程中实时地优化基座里的横向热分布，以便将热应力减至最小。
-利用由基座辐射的能量向衬底的反射，并可以用新的技术来控制这种反射，使得能将反射在一个最小值和一个最大值间改变并进一步有可能将反射调到中间值，这是为了优化相应于外延层厚度的反射强度，及为了通过调节反射到最小值来减少冷却时间。
简言之，满足上述要求的一种外延反应器，包括：一个平面圆盘形基座，基座上有许多用于放置加工料片的位置，并置于平面管道状的反应室内，反应室的两个较大的管壁基本平行于圆盘形基座的端面，基座绕其中心轴旋转，并由一个感应圈感应加热，感应圈尽量靠近基座，但是位于反应室外面，其特征在于：气体反应剂通过至少一个入口进入并且通过管排出，从而在反应室中形成轴向流动；该感应圈由一个平行于基座任一个端面的平面螺旋管构成，平面螺旋管由多个平面同心圆线圈用柔性导电连接器串联在接后形成；以及反应室和感应圈都没在包括大量水的池中。
在一种特殊的实施方案中，反应器的特征在于：反应室的室壁可以沿从一个或多个入口通入的主气流方向逐渐缩小。
或者换用另一方案：基座可向着反应室略微倾斜。
此外，根据本发明其它方面的外延反应器，反应室通过流过一个水箱的大量水冷却，水箱由一个底，支撑在支座上的侧壁，和支撑在托架上的侧壁构成。
可选地，根据本发明其它方面的外延反应器，反应室通过提供喷淋水的入口管来冷却；以及感应圈由提供喷淋水的入口管来冷却，入口管提供的水流入水箱并且落入安排在反应室的底部的更低的收集水箱中。
可选地，根据本发明其它方面的外延反应器，反应室是用利用一些已知装置产生的循环空气来冷却；并且由实芯导体制成的感应圈通过流水池来冷却。
可选地，根据本发明其它方面的外延反应器，感应圈用由空心导体制成的线圈组成，使得冷却液能在空心导体中循环。
可选地，根据本发明其它方面的外延反应器，感应圈由可动的支杆来支承，支杆由驱动装置致动，用以控制感应圈和基座间的距离，通过连在驱动装置上的标识杆来检测致动。
可选地，根据本发明其它方面的外延反应器，由驱动装置传动的可动支杆分别作用于感应圈的每一个单独的线圈，使得每一个单独的线圈和其上方的基座间的距离都可以单独控制，因此通过改变线圈和基座之间的距离，来控制基座中的感应电流。
或者用另一方案：由驱动装置致动的可动支架分别作用于感应圈的每一圈，使得每一圈与位于其上方的基座间的距离都能被单独控制，由此通过改变感应线圈和基座间的距离来控制基座里的感应电流。
在一种特殊的实施方案中，感应圈的各圈都用接头外接到控制元件，以便从各圈中抽取电流或注入电流。
特别是，可联接到接头上的控制元件可以是可变电感，用来调节从线圈中抽取的电流，也可以是可变电容，用来调节注入线圈中的电流。
另一方案是，代替感应线圈上的接头，可用一个与主感应线圈紧耦合的次级绕组，次级绕组由紧紧固定在感应圈的各个线圈上的同心圆圈组成，每一个同心圆圈的端点都连接到外部元件上，以使每一圈与电流调节器相连。
另一方案是，紧固在感应圈上的次级线圈用和主线圈导体电阻率不同的导电材料制成，使其在线圈接通时起负载电阻的作用，例如，利用置于反应室外盛有冷却液的区域里的触点使线圈接通。
感应器线圈最好用实芯铜导体制成，而次级绕组线圈用实芯康铜或高电阻率的类似材料制成。
在本发明的一个优选实施方案中，通过在反应室的外壁上淀积的一层固定的反射层来反射被基座辐射的热能。
在另一种方案中，反射是通过置于反应室上方、面对装有基座待加工基片一边的可动反射层来实现的。可以调节该反射层以增强或减弱反射，反应室面对可动反射层的壁做成透明的，反射层附在所有其它室壁上。
特别指出的是，反射层可由一串平行板条象百叶窗一样排列而成，它的一面是高反射性的光亮表面，另一面是高吸收性的灰暗表面，以便当条板的反射面转向基座时反射热辐射，当条板的吸收面转向基座时耗散热辐射。
更要特别指出的是，上述条板由一面被镀金，另一面被发黑的金属条组成，以便用镀金面反射，用发黑面吸收。
这些条板后个实施方案由一面上被镀金、反面通过氧化被发黑的铜片组成，可以用化学方法来进行镀金和发黑。
特别是镀金和氧化发黑都可用电解方法来实现。
另一方案是，条板是有一个光面和一个暗面的阳极化铝板(anodized aluminium)。
上述带有光亮反射面和暗黑面的条板最好有一个机构来操纵，使得能展露出反射面或暗黑面，或者调节到中间位置上。
特别是这种机构由插在条板中的旋转轴构成，能使条板的一面或反面展露出来。
最好使用一种联动机构；以使所有条板能同时转动。
更好的是，联动机构由一系列齿轮组成，每一个齿轮都连接到用来旋转一个条板的一个轴上，齿轮一个接一个地啮合起来，使得条板能同时转到所希望的一面。
另一方案是，联动机构由曲柄装置组成，曲柄联接到每一个用来转动条板的轴上、并由一根连接所有曲柄的杆来推动。
条板由一个与条板联动装置相连的旋转致动器来转动。
另一方案是致动器可以是一种往复直线运动型的。
在本发明的一种特别优选的实施方案中，用一个可编程逻辑控制器来控制冷却液的循环、感应圈和基座间的间距、感应圈接头和外部电流调节元件的连接、次级线圈接头和外部电流调节元件或触点的连接、以及带有反射层或吸收层条板的传动器的定位。
认为具有新颖性和有创造性的特征已在构成本说明书结论部分的本权利要求书中明确定义。然而，从下面一个优选的实施方案的详细描述中，进一步的特征和优点将显得更为清晰。在这里，作为非限定性的例子给出，参照附图，其中：
图1是经部分简化的纵向截面概要图，示出一个根据本发明改进的、带有一个圆盘型基座的外延反应器。
图2是图1所示的同一个外延反应器的简化横截面概要图。
图3是本发明所用的初级感应圈(或称主感应圈)及次感应圈的装配的平面图，二者都是平面螺旋形状。
图4是图3所示同一装配的仰视图，清楚地表示出了次感应圈，它也是平面螺旋型，其圈数等于主感应圈的圈数，并和主感应圈的圈连接在一起，次感应圈的线圈可连接负载电路，以便给相应的主感应圈线圈加载。
图5是一个截面图，特别表示一个主感应圈的线圈和一个次感应圈的线圈的互连方法。
图6是固定在一个可动部件上的一个主线圈和一个次级线圈装置的剖面图，用可动部件来改变感应圈装配和其上方的基座间的距离。
图7是一个示出了次级线圈和外电路的连接方式的局部图。
图8也是一个局部图，表示一个用来将基座上方一个区域的反射系数从基本全反射改变到基本全吸收的机构。
图9是根据本发明所述基座的第一实施方案的平面图，其上可放置4个硅片。
图10是根据本发明所述基座的另一个实施方案的平面图，其上可放置8个直径比图9中所示要小的硅片。
参照以上图示可以看出，根据本发明的一个外延反应器10由一个石英或类似透明绝缘材料制成的反应室12组成，该材料对于使用的或存在的化学反应剂和产物，例如H2，SiCl4，SiHCl3，HCl等等不起作用，反应室形如一段矩形截面的管道，其内部有一个圆盘形基座14，基座上有许多凹穴16a-h，用来放置许多如硅片一类的圆盘形半导体片子18a-h。反应室12有一个门20，用来送入和移出放置在基座14凹穴16a-h上的半导体片子，上述的气态反应剂从许多入口22(图中只表示出一个)进入，管道24用来将气态反应产物排出。反应室12浸泡在充满大量水28的水箱26中，水从进水管30a，30b，30c和30d进入，沿着箭头32a，32b和34a，3b所示路径上升，溢过决定水面高低的隔板36和38，落入一个位置较低的回收池40，通过排泄管42和44排放掉。
另一方案是可以在顶端用一组喷头喷洒冷却水来冷却反应室12，水最后也落入低处的水池40中。
水箱26基本上是由一个底46，侧壁48，50和52，54构成，用来容纳足够量的水。第一两个侧壁48和50也用作反应室12的支撑物，反应室伸出支撑物外，法兰盘56、58焊接在反应室12上，它们分另利用一对密封圈64和66，面对面地分别和相应的法兰盘60和62接合在一起，法兰盘60和62分别和用于送入和取出片子的门20及用于排放气态反应生成废物的管道24联结在一起。另外的密封圈68和70确保反应室上的法兰盘56和58与箱壁48和50间不漏水。水箱26的侧壁48和50压在固定在托架76和78上的支座72和74上，侧壁52和54压在托架80和82上。
水箱26的顶端用盖子84封闭，以防止必须保持基本纯净的水28被偶然污染，因为最好使用去离子水。决定水位高低的隔板36和38与低处的隔板86和88共同决定水28位的高低，水可以如图2所示从隔板36和38上方溢出，如果需要较低的水28位，也可控制水在隔板36和38及低位隔板86和88间通过。
初级或主感应圈90位于反应室12下方并浸泡在大量水28中，由一个外部的中频交变电流发生器92供电，如以上所述，用连接杆94和96将电流发生器连接到感应圈90上，连接棒94和96用绝缘套管和密封装置98和100伸出底板46。
图3表示初级感应圈90进一步的细节，该电感呈平面螺旋形，它由弯曲成一个个圆圈90a-h的一组棒形导体组成，通过柔性的连接器91a-g互相连接，以便使在感应圈90中循环的电流通过如图所示的所有圆圈90a-h。
在主感应圈90下方并固定在那里的，可以有一个二级或次级感应圈102，借助绝缘元件104使次级感应圈102和主感应圈90隔离，绝缘元件104至少用在将两个感应圈机械地互相连接起来的绝缘紧固带106处，详见图5所示。
图4中更详细地表示出次级感应圈102，对此应加以说明。和主感应圈90相似，次级感应圈102也由一组同心圆圈102a-h组成近似平面螺旋形，这组同心圆圈互不相连，但是利用棒形导体108a-h和110a-h连接到外部，棒形导体通过密封绝缘套管112a-h和114a-h从水箱26的底板46穿出。
如前所述，次级感应圈102的线圈102a-h采用比初级感应圈90的线圈电阻率较高的导电材料制成，例如康铜，使得只要简单地使每个线圈102a-h接通时，便提供一个正确的电阻负载，同时，这个线圈上的热能因浸泡在大量的水28中而被有效地耗散掉。
如图1和图6所示，感应圈90的每一圈90a-h和基座14间的距离都分别由驱动装置118调节，驱动装置由受控马达120组成，该马达通过适当的机构，可沿标度杆122在两个相反方向往复线性运动，标度杆122连接到绝缘棒124上，绝缘棒124通过带有波纹管126的孔插入水箱26中，用绝缘元件105和紧固卡107把绝缘杆固定到主感应圈90和次级感应圈102的线圈90a-h、102a-h组件上。标度杆122成为用适当的光学传感器128来读数的标识杆，光传感器将有关感应圈90和102每一圈位置的信号发送给反应器的总控制装置，如可编程逻辑控制器(PLC)130。
用绝缘元件104把每个次级线圈102a-h和相应的主线圈90a-h分隔开，每个次级线圈102a-h的终端都用绝缘带固定在一起并固定在主线圈90a-h上，并用末尾的绝缘元件116把终端隔离开。
为使基座14能够旋转，用螺丝钉132将其连接到轴134上，轴134向下穿过反应室12的轴颈136，伸到一个用滑动密封圈140对反应室12内部密封的波纹管接头138。再由PLC130控制的马达144的轴142来带动。波纹管接头138由马达146来准确定位，马达146带动一个标识杆148，用一个光学传感器150来读数，把基座14相对于反应室12以及相对于感应圈90和感应圈102组件的位置信息传给PLC130。
采用一个法兰盘152和一个密封圈154的组件来得到水箱26和轴颈136之间的密封，法兰盘组件152支承在支座156上，该支座还同时支承驱动装置118和连接次级感应圈102的各个线圈102a-h上的触点158。
为了使片子18a-h的温度均匀，多种技术用来反射由基座14和片子18a-h辐射的热能，例如，可以通过淀积或金属化在反应室的所有外壁上制做反射层，或者也可用图1、图2和图8所示的可控反射装置160，该装置由紧密并行排列在一起的许多平面条板162a-r组成，条板用铜片做成，将其一面镀金加工成永久性的光亮、高反射的表面，另一面用例如化学或电化学氧化方法使其发黑形成高吸收性的暗表面。互相平行排列的所有条板162a-r的一端都有一个用来旋转条板的轴164a-r，以便使反射面或吸收面转向基座14，或转向任何可能的中间位置。在这第二个可能的解决方案中，除了面向放有片子的基座的管壁是透明的以外，反应室所有其它外壁都淀积有反射层。轴164a-r嵌入位于底座170上的支座166a-r和168a-r上，并直接与通过中间齿轮176a-q，178a-q互相啮合的齿轮172a-r，174a-r相连，中间齿轮可使齿轮172a-r和它们相连的轴164a-r严格地同步旋转，因而条板162a-r也随之同步转动。有一个偏心销180的一个齿轮，例如齿轮172a，和一个联接臂182活动链接，联接臂182以直线传动机构186的杆184为轴转动，线性机构第一次运动时，使反射条板162a-r的一个面朝向基座14，下一次运动时，另一个面朝向基座。
当然，和反应器10的所有可控部分一样，线性机构186也由PLC130控制。
基座的外观可以是图9所示的有4个用于放置4个片子18a-d(例如直径200毫米的片子)的凹穴16a-d或者是图10所示有8个用于放置8个片子18a-b的凹穴16a-h两种基座每个都有一个中心凹穴190，对着凹穴带有螺钉132的帽，该螺钉嵌入下面的轴134，以驱动基座14旋转。
根据本发明的外延外应器10的操作可以很容易被理解：
-通过门20把硅片18a-h送入基座14的凹穴16a-h上。
-感应圈90的线圈90a-h根据来自PLC130的指令被定位。
-或者用另一种方案，关闭或打开连到次级线圈102a-h的触点158，以便局部改变感应圈90在基座14中产生的电磁场，因而局部改变基座的加热状况，最终改变硅片19a-h的加热状况。
-只要简单地把条带162a-r的反射面或吸收面转向基座14就可选择在反射腔环境工作还是在开腔(open-Cavity)环境工作。
上面的描述说明了本发明的一个优选的实施方案，它不应被认为是绝对限制的，类似的及逻辑上等价的方案在这里都应被认为是受保护的，这种情况可能会发生在阅读过以上描述，熟悉这个专门技术的人身上。
例如，条板162a-r的同步运动可以通过连接到每一个用来转动条板的轴、并用一根杆来推动的曲柄装置来实现，而不是通过齿轮172a-r实现。