專利名稱：外延圓筒反應(yīng)器用的冷卻系統(tǒng)和操作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明一般地涉及外延圓筒反應(yīng)器，更具體點(diǎn)說涉及一種能防止金屬污染的圓筒反應(yīng)器用的冷卻系統(tǒng)和操作方法。
本發(fā)明一般涉及的那種圓筒反應(yīng)器被用來在半導(dǎo)體晶片上沉積外延生長層。外延生長在半導(dǎo)體材料工業(yè)中是用來使半導(dǎo)體材料達(dá)到所需電學(xué)性能的一種重要方法。例如在一個重?fù)诫s的基底上生長的輕摻雜的外延層允許CMOS(互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體)器件被優(yōu)化，以便閉鎖由于基底的低電阻而得到的抗擾性。其他還可得到的好處如能精確地控制摻雜物濃度的分布和不受氧的影響。
載運(yùn)擬沉積到晶片上的材料(例如硅)的氣體被噴射到圓筒反應(yīng)器的一個反應(yīng)室容器內(nèi)，在那里完成硅在晶片上的沉積。該過程是在從挾帶蒸汽的氣體中將硅沉積在晶片上所需的高溫下進(jìn)行的。多塊晶片被夾持在接受器的壁上，一般都是垂直取向使晶片的一個表面暴露以便硅的沉積。反應(yīng)室容器典型的做法是由石英制成。用一不銹鋼密封板將反應(yīng)室封閉，但該板也可拿走將室打開，以便將半導(dǎo)體晶片插入或移出該室。在密封板與反應(yīng)室之間的氣體環(huán)也是由不銹鋼制成的。
重要的是沉積在晶片上的硅層不能被金屬如鐵(Fe)、鎳(Ni)和鉬(Mb)污染，這些金屬會有害地影響到外延層內(nèi)少數(shù)載流子的壽命。石英反應(yīng)室容器并不是金屬污染的根源，但密封板和氣體環(huán)內(nèi)的不銹鋼能提供金屬的來源，當(dāng)它們與反應(yīng)氣體的某些副產(chǎn)品(如Hcl)接觸而有剩余的水分存在時便能使不銹鋼腐蝕。當(dāng)圓筒反應(yīng)器被打開，不銹鋼與周圍空氣中的水蒸汽接觸時，水分便會吸附在不銹鋼上。腐蝕劑如Hcl也可因?yàn)橛脕韺邮芷鞯墓璩练e進(jìn)行深蝕刻而被留在室內(nèi)。不銹鋼的腐蝕產(chǎn)物可被運(yùn)送到反應(yīng)室內(nèi)并被反應(yīng)氣體和硅挾帶沉積在晶片上。
為了防止來自密封板和氣體環(huán)的污染，圓筒反應(yīng)器可這樣構(gòu)造，用擋壁使反應(yīng)氣體的流動轉(zhuǎn)為離開密封板和氣體環(huán)并用清洗氣在密封板和氣體環(huán)暴露在反應(yīng)氣體下的區(qū)域上流動以資保護(hù)。圓筒反應(yīng)器特別是包括其密封板和氣體環(huán)都用水冷卻。冷卻密封板可防止密封板翹曲。另外，在圓筒反應(yīng)器運(yùn)行時從密封板和氣體環(huán)對反應(yīng)室暴露的金屬表面上移走熱量可延遲化學(xué)反應(yīng)進(jìn)行的速率，該反應(yīng)使原子Fe從不銹鋼釋出，是我們不希望出現(xiàn)的。但當(dāng)圓筒反應(yīng)器不運(yùn)行和密封板被移走使反應(yīng)室容器打開時，不銹鋼密封板和氣體環(huán)的較低溫度會使水分子吸附在不銹鋼上。另外，沉積過程的副產(chǎn)物包括含硅的化合物可出現(xiàn)在不銹鋼的表面上并且也能吸附(并能吸收)水分。在某些情況下，冷卻水的溫度降低到室內(nèi)的露點(diǎn)之下，這時會發(fā)生空氣中的水凝結(jié)在密封板和氣體環(huán)上。水是使原子Fe釋出的化學(xué)反應(yīng)的組分之一。在不銹鋼表面上的水越多，化學(xué)反應(yīng)也就越普遍。這樣雖然在圓筒反應(yīng)器運(yùn)行時冷卻不銹鋼表面可延遲化學(xué)反應(yīng)速率因此延遲原子Fe的釋出速率，但化學(xué)反應(yīng)的程度是這樣顯著，以致仍然有可測數(shù)量的原子Fe被釋放出來。
已知從周圍空氣中被不銹鋼吸取的水的數(shù)量在很大程度上取決于鋼的溫度。曾經(jīng)嘗試用增加不銹鋼表面溫度的辦法來減少吸附水的數(shù)量，用一冷卻系統(tǒng)使水以較高溫度循環(huán)通過密封板和氣體環(huán)。但冷卻水溫度有一上限(約75°F)。在溫度超過上限的條件下運(yùn)行圓筒反應(yīng)器時，因?yàn)槔鋮s系統(tǒng)沒有移走足夠的熱量，會給圓筒反應(yīng)器帶來損害。因此切合實(shí)際的辦法是在圓筒反應(yīng)器內(nèi)設(shè)一傳感器來檢測溫度是否超過限度，并在一旦超過時關(guān)閉反應(yīng)器以免發(fā)生損害。這樣，在現(xiàn)有技術(shù)中采用較高的冷卻水溫度來減少水的吸附量的得益就被運(yùn)行時冷卻圓筒反應(yīng)器所必需的冷卻水溫度的上限限制住了。
在較高溫度下運(yùn)行冷卻系統(tǒng)還有另外的缺點(diǎn)。在圓筒反應(yīng)器運(yùn)行時密封板和氣體環(huán)的金屬表面的溫度如提高，釋出原子Fe的化學(xué)反應(yīng)的速率就會增快。這樣冷卻系統(tǒng)在延遲將金屬釋出到運(yùn)行圓筒反應(yīng)器內(nèi)的化學(xué)反應(yīng)方面取得的效果多少要被減少吸附水的效果抵消。因此就要在延遲釋出金屬的化學(xué)反應(yīng)與防止水被圓筒反應(yīng)器內(nèi)金屬表面吸取這兩者之間作出權(quán)衡。
在本發(fā)明的好幾個目的和特點(diǎn)中要提出的是提供一種基本上能阻止在圓筒反應(yīng)器內(nèi)加工的半導(dǎo)體晶片被金屬污染的圓筒反應(yīng)器和操作方法；提供這樣一種圓筒反應(yīng)器和方法，以便減少運(yùn)行時那些作用在圓筒反應(yīng)器的金屬表面上將金屬釋出到圓筒反應(yīng)室內(nèi)的化學(xué)反應(yīng)的速率；提供這樣一種圓筒反應(yīng)器和方法，以便在圓筒反應(yīng)器不運(yùn)行，其金屬表面暴露在周圍空氣內(nèi)時，減少水被圓筒反應(yīng)器金屬表面吸取的數(shù)量；提供這樣一種圓筒反應(yīng)器和方法，可不需在運(yùn)行時減少化學(xué)反應(yīng)速率和圓筒反應(yīng)器不運(yùn)行時減少水的吸附這兩者之間作出權(quán)衡；提供這樣一種圓筒反應(yīng)器和方法，它能擴(kuò)大圓筒反應(yīng)器冷卻系統(tǒng)的能發(fā)揮作用的溫度范圍；提供這樣一種圓筒反應(yīng)器和方法，其費(fèi)用就使用效果而言是值得的。
一般地說，本發(fā)明的圓筒反應(yīng)器具有一個頂部敞開的容器，可用來將晶片接納在該容器所形成的反應(yīng)室內(nèi)，和一個用來加熱反應(yīng)室的加熱器，以便使反應(yīng)室內(nèi)達(dá)到材料從氣體沉積到晶片上所需的溫度。有一個一般地設(shè)置在容器敞開頂部周圍的氣體環(huán)用來發(fā)放氣體，在該氣體內(nèi)含有要在反應(yīng)室內(nèi)沉積到晶片上的材料。有一個安裝在容器敞開頂部上的密封板可用來將容器打開或?qū)⑺芊獾胤忾]。當(dāng)密封板密封地封閉容器的敞開頂部時，氣體環(huán)和密封板中至少有一個具有向反應(yīng)室暴露的金屬表面。有一個用來循環(huán)冷卻流體的冷卻系統(tǒng)，可在氣體環(huán)和密封板中的至少一個與冷卻流體之間進(jìn)行傳熱，該系統(tǒng)具有一個傳熱裝置可在冷卻流體與另一個傳熱介質(zhì)之間進(jìn)行傳熱。與該傳熱裝置和圓筒反應(yīng)器的金屬表面發(fā)生熱交換關(guān)系的冷卻環(huán)路從該傳熱裝置延伸到密封板和氣體環(huán)中的至少一個，再返回到傳熱裝置，該冷卻環(huán)路用來從傳熱裝置發(fā)送冷卻流體，再從圓筒反應(yīng)器使冷卻流體返回傳熱裝置。設(shè)有一個傳感器可檢測圓筒反應(yīng)器是否在運(yùn)行并發(fā)出一個與所檢測到的圓筒反應(yīng)器的運(yùn)行狀態(tài)對應(yīng)的信號。有一控制器用來控制傳熱裝置在冷卻流體與另一個傳熱介質(zhì)之間的傳熱量，當(dāng)密封板密封地封閉容器的敞開頂部時，控制器控制傳熱裝置在冷卻流體與另一介質(zhì)之間的傳熱，使冷卻流體達(dá)到第一設(shè)定溫度，該溫度被選用來延遲作用在向反應(yīng)室暴露的金屬表面上的化學(xué)反應(yīng)速率；而當(dāng)密封板被打開時，控制器控制傳熱裝置，使冷卻流體達(dá)到比第一設(shè)定溫度高的第二設(shè)定溫度，該溫度被選用來阻止水被吸附到金屬表面上?？刂破髋c傳感器連通，以便接受信號從而控制傳熱裝置，當(dāng)圓筒反應(yīng)器運(yùn)行時使冷卻流體達(dá)到第一設(shè)定溫度；而當(dāng)圓筒反應(yīng)器停止運(yùn)行時使冷卻流體達(dá)到第二設(shè)定溫度。
本發(fā)明提供的操作圓筒反應(yīng)器的方法可防止在圓筒反應(yīng)器內(nèi)加工的半導(dǎo)體晶片受到金屬污染，該污染是由于圓筒反應(yīng)器的金屬表面起化學(xué)反應(yīng)而引起的。一般地說，該方法包括下列步驟將圓筒反應(yīng)器打開，將半導(dǎo)體晶片放入到圓筒反應(yīng)器的反應(yīng)室內(nèi)，準(zhǔn)備用化學(xué)汽相沉積法在晶片上沉積材料。將反應(yīng)室封嚴(yán)，使圓筒反應(yīng)器活化，從而使氣體釋放到反應(yīng)室內(nèi)，在該氣體內(nèi)含有材料可沉積到晶片上。當(dāng)圓筒反應(yīng)器被活化時，在圓筒反應(yīng)器的金屬表面與冷卻流體之間進(jìn)行傳熱，其時反應(yīng)室被封嚴(yán)，上述金屬表面向反應(yīng)室暴露，這個傳熱被控制，使金屬表面維持在第一溫度，這個溫度被選用為的是使金屬表面上的化學(xué)反應(yīng)推遲發(fā)生。以后圓筒反應(yīng)器被停止活化并被打開使反應(yīng)室內(nèi)的晶片露出，以便從圓筒反應(yīng)器移走。當(dāng)圓筒反應(yīng)器被停止活化時，在圓筒反應(yīng)器的金屬表面與冷卻流體之間仍進(jìn)行著傳熱，其時反應(yīng)室被封嚴(yán)，上述金屬表面向反應(yīng)室暴露，這個傳熱被控制，使金屬表面維持在一個比第一溫度高的第二溫度，這個溫度被選用是因?yàn)楫?dāng)圓筒反應(yīng)器被停止活化時可推遲水的被吸附在金屬表面上。
下面簡要說明附圖

圖1為按照本發(fā)明的圓筒反應(yīng)器及其冷卻系統(tǒng)的示意圖；圖2為圓筒反應(yīng)器的概略透視圖，反應(yīng)器的一部分被剖開以便顯示其內(nèi)部結(jié)構(gòu)；圖3為密封板、氣體環(huán)和反應(yīng)室容器的一個放大的局部剖視圖，圖中示出在密封板和氣體環(huán)內(nèi)循環(huán)冷卻流體用的內(nèi)部通道。
在這幾個圖中都用相同的標(biāo)號來指示相同的部件。
現(xiàn)在參閱附圖，其中用來在半導(dǎo)體晶片的一個表面上以化學(xué)汽相沉積來沉積一層材料(如硅)的圓筒反應(yīng)器設(shè)備整體用標(biāo)號10指出。圓筒反應(yīng)器設(shè)備具有一個圓筒反應(yīng)器11，其中包括一個形狀如倒放鐘狀瓶的石英質(zhì)的反應(yīng)室容器12。有一個一般地用標(biāo)號18指出的氣體環(huán)至少部分內(nèi)裝著第一噴嘴20和第二噴嘴21用來將氣體引入到反應(yīng)室容器12內(nèi)，該氣體由反應(yīng)蒸汽和載體組成，反應(yīng)蒸汽在分解后即沉積在晶片上。氣體環(huán)18設(shè)在反應(yīng)室容器12的頂部并用一o形環(huán)來密封。反應(yīng)室容器12在其底部制有一個排放口(未示出)，用過的氣體就通過該口排出。有一個一般地用標(biāo)號24指出的殼體容納著反應(yīng)室容器12，輻射熱燈26和熱交換器28，還有氣體環(huán)18和密封板37(圖3)，其中燈和熱交換器用來控制施加到反應(yīng)室容器所形成的反應(yīng)室29內(nèi)的熱量。
有一鍍有硅的石墨接受器(一般地用標(biāo)號30指出)被一升降組合件(一般地用標(biāo)號34指出)的石英吊桿32懸掛著。該升降組合件能使接受器降下到反應(yīng)室容器12內(nèi)，并能使接受器上升通過反應(yīng)器容器的敞開頂部35而跑出到其外。在所圖示的實(shí)施例中，接受器30一般有五個垂直的壁，但壁數(shù)也可以不是五，這樣仍屬于本發(fā)明的范圍內(nèi)。接受器30在每一個壁內(nèi)都具有垂直排列的凹槽(來示出)，每一個凹槽的尺寸和形狀恰好能夾持一塊具有特定直徑的半導(dǎo)體晶片。接受器的壁在朝向接受器上部的方向上略微向后傾斜，以便將晶片夾持在凹槽內(nèi)。
升降組合件34包括一個帽36和數(shù)個升降臂38，帽36支承著密封板37并可密封地與氣體環(huán)18接合，以便使反應(yīng)室29密封，而升降臂38則與帽連接以便用來使帽升降。有一個使接受器30環(huán)繞其縱長軸線旋轉(zhuǎn)的驅(qū)動組合件42設(shè)在帽36的頂部。有一圓筒反應(yīng)器控制器44(圖1)控制著驅(qū)動組合件42的運(yùn)行和圓筒反應(yīng)器11的其他動能。設(shè)有各種清洗氣管，以便在圓筒反應(yīng)器運(yùn)行時將清洗氣體送入圓筒反應(yīng)器內(nèi)，使噴射氣體離開在反應(yīng)室29內(nèi)暴露的金屬表面和其他部件。例如通過帽36連接的清洗氣管一般將清洗氣通過接受器30的中心送入。圓筒反應(yīng)器設(shè)備10，除了用來冷卻氣體環(huán)18和密封板37的冷卻系統(tǒng)(在后面說明)和接受器30之外，都是半導(dǎo)體材料制造行業(yè)所熟悉的，因此對它們的特點(diǎn)和操作，本文只作一般的說明。
密封板37、氣體環(huán)18和反應(yīng)室容器12的局部以剖面的形式在圖3中示出，其時密封板處在封閉位置。圓筒反應(yīng)器11的所有其他零件，包括升降組合件34、吊桿32和接受器30都已被去除。從圖上可看到密封板37有一中心孔48，通過該孔，接受器30被吊桿32連結(jié)到驅(qū)動組合件42上。當(dāng)密封板處在封閉位置時，密封板37有一環(huán)狀表面擱置在氣體環(huán)18的相應(yīng)表面上。在密封板37內(nèi)有一對同心的環(huán)狀槽(分別用50A和50B指出)，其內(nèi)含有O形環(huán)52可與處在封閉位置的氣體環(huán)18接合，以便與氣體環(huán)一起使反應(yīng)室29密封并與周圍環(huán)境隔離。
有一個一般地用標(biāo)號60指出的石英檔壁板以其突唇62擱置在密封板37的翼片64上。擋壁板60基本上將不銹鋼密封板37的下側(cè)都遮蓋起來并盡量減少不銹鋼在反應(yīng)室29內(nèi)對氣體的暴露面。從擋壁板60掛下的環(huán)狀外擋壁66位在擋壁板周邊之內(nèi)，而從擋壁板掛下的環(huán)狀內(nèi)擋壁68環(huán)繞著中心孔70并且一般與密封板37的中心孔48對準(zhǔn)。內(nèi)擋壁68有助于保護(hù)將接受器30連接到驅(qū)動組合件42的吊桿32(圖1)。氣體環(huán)18的徑向上的內(nèi)表面被一石英環(huán)72遮蓋著。擋壁板60和石英環(huán)72上都有孔(未示出)，通過該孔反應(yīng)氣體從第一和第二噴嘴20、21被噴射到反應(yīng)室29內(nèi)。雖然擋壁60、72能給氣體環(huán)18和密封板37的不銹鋼表面提供基本的保護(hù)，但當(dāng)密封板密封地封閉反應(yīng)室容器12的敞開頂部35并使圓筒反應(yīng)器活化時，上述措施并不能完全防止上述這些表面的向反應(yīng)室29的內(nèi)部暴露(所謂暴露意為在流體流動時能夠連通)。含有能與水作用而釋出污染金屬的組分的氣體仍然能與不銹鋼表面接觸。而清洗氣體在防止氣體與不銹鋼表面接觸的這方面也不是完全有效的。
現(xiàn)在參閱圖1，其中示出本發(fā)明的用來冷卻氣體環(huán)18和密封板37的冷卻系統(tǒng)74，該系統(tǒng)具有一個熱交換器76和從熱交換器延伸到圓筒反應(yīng)器11，再返回到熱交換器，成為一個封閉管路的第一冷卻環(huán)路78。第一冷卻環(huán)路78在圓筒反應(yīng)器11內(nèi)具有多個分支，其中一個延伸通過氣體環(huán)18和密封板37，而另一個則延伸到熱交換器28(圖2)。從所有各分支來的加熱過的冷卻流體通過第一冷卻環(huán)路78的同一根管道返回到熱交換器76。在第一冷卻環(huán)路78內(nèi)有一泵80將激冷的冷卻流體(例如水)送到圓筒反應(yīng)器11然后再將加熱過的冷卻流體送回到熱交換器76，這樣往復(fù)循環(huán)以便從氣體環(huán)18和密封板37的金屬表面上抽走熱量。本文在下面關(guān)于第一環(huán)路78的論述將只限于那個包括延伸到氣體環(huán)18和密封板37的分支的環(huán)路。如圖3所示，密封板上設(shè)有一個內(nèi)部的環(huán)狀通道82，通過該通道冷卻流體被循環(huán)從而冷卻密封板。在氣體環(huán)18內(nèi)為了使冷卻流體循環(huán)設(shè)有類似的通道84。在所示出的實(shí)施例中，通道82、84都是第一冷卻環(huán)路78的一部分。
含有另一個冷卻介質(zhì)(往往也是水)的第二冷卻環(huán)路86與在熱交換器76的第一冷卻環(huán)路78內(nèi)的冷卻流體在熱流上連通。從氣體環(huán)18和密封板37傳送給第一環(huán)路78內(nèi)冷卻流體的熱被傳送到熱交換器76的第二環(huán)路86的冷卻流體內(nèi)。第二冷卻環(huán)路86從熱交換器76出發(fā)通過閥門88延伸到激冷水或其他冷卻流體的冷源(未示出)，再返回到熱交換器。在該較優(yōu)的實(shí)施例中，熱交換器76和第二冷卻環(huán)路86構(gòu)成“傳熱裝置”。激冷水源可以是采用蒸汽壓縮致冷系統(tǒng)的傳統(tǒng)用的水激冷器式其他合適的散熱裝置。如果第一環(huán)路開放，那么第二環(huán)路和熱交換器將不復(fù)存在。在那種情況下，傳熱裝置將構(gòu)成第一環(huán)路的冷卻流體。
閥門88為一可供選擇的變位閥，由PID(比例積分微分動作)冷卻系統(tǒng)控制器90控制，以便調(diào)節(jié)在第二冷卻環(huán)路86內(nèi)冷卻流體的流量，從而調(diào)節(jié)從第一冷卻環(huán)路78內(nèi)的冷卻流體傳送出來的熱量?？刂破?0連接到溫度傳感器92上，該傳感器感測第一冷卻環(huán)路78內(nèi)的冷卻流體在它離開熱交換器76時的溫度?？刂破?0根據(jù)感測的溫度調(diào)控閥門，以便使第一環(huán)路78內(nèi)的冷卻流體維持在選用的設(shè)定溫度上。更具體點(diǎn)說，控制器90根據(jù)冷卻流體需要冷卻得多一點(diǎn)還是少一點(diǎn)，提供一個范圍為4到20mA的信號給將電流轉(zhuǎn)變成壓力的轉(zhuǎn)換器94，由該轉(zhuǎn)換器將電流信號轉(zhuǎn)變?yōu)?到15PSIG〔表壓(磅/英寸2)〕的氣壓信號。閥門88根據(jù)收到的氣壓信號操作，將它自己移動到所選定的位置。應(yīng)該知道，其他型式的閥門(未示出)，例如直接根據(jù)電子信號操作的電磁閥也可使用，但這也在本發(fā)明的范圍內(nèi)。
為了兩者都能做到，即當(dāng)圓筒反應(yīng)器活化時推遲在氣體環(huán)18和密封板37的不銹鋼表面上發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)，及當(dāng)圓筒反應(yīng)器不活化時防止空氣中的水吸附和凝結(jié)在這些不銹鋼表面上，控制器90被設(shè)計成可在兩個不同的冷卻流體設(shè)定溫度上操作冷卻系統(tǒng)74。有一傳感器96檢測圓筒反應(yīng)器11的運(yùn)行狀態(tài)，辦法是檢測一個用來給圓筒反應(yīng)器內(nèi)的熱燈26增能和去解的燈泡繼電器98是斷開還是閉合。傳感器96，這個與燈泡繼電器98連接在一起、可以斷開或閉合的簡單電路，與控制器90連通并將圓筒反應(yīng)器11的運(yùn)行狀態(tài)用信號告知控制器。應(yīng)該知道，傳感器除了檢測燈26的賦能狀態(tài)外還可以檢測另外一些東西(例如密封板37是開啟還是開閉)來確定圓筒反應(yīng)器11的運(yùn)行狀態(tài)，但這仍屬本發(fā)明的范圍之內(nèi)。根據(jù)從傳感器96接收到的信號，控制器90按不同的設(shè)定溫度操作使送到圓筒反應(yīng)器11的冷卻流體冷卻。
當(dāng)控制器90從傳感器96收到的信號表明燈泡26是在接通狀態(tài)并且圓筒反應(yīng)器是在運(yùn)行時，控制器90就調(diào)控閥門88將水冷卻到第一設(shè)定溫度，當(dāng)圓筒反應(yīng)器運(yùn)行時第一設(shè)定溫度被選用來延遲在氣體環(huán)18和密封板37的金屬表面上進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)的速率。從燈泡26上發(fā)出的熱給反應(yīng)器的零件包括氣體環(huán)18和封板37提供了能源，驅(qū)使釋出污染金屬60原子Fe的化學(xué)反應(yīng)進(jìn)行。就是這個熱量是冷卻系統(tǒng)74要從氣體環(huán)18和密封板37中將它除去的。在該較優(yōu)的實(shí)施例中，當(dāng)控制器90按第一設(shè)定溫度操作時，進(jìn)入圓筒反應(yīng)器11內(nèi)的冷卻流體溫度也可維持在約50°F±2°，但較低的冷卻流體溫度也可使用。例如當(dāng)反應(yīng)器11處在活化狀態(tài)而冷卻流體為水時，在40°F范圍內(nèi)的溫度曾被使用。
當(dāng)控制器90從傳感器96收到的信號表明熱燈26處在去能(斷電)狀態(tài)時，控制器的開關(guān)就轉(zhuǎn)換到按第二設(shè)定溫度運(yùn)行冷卻系統(tǒng)，從而使冷卻流體以該溫度進(jìn)入圓筒反應(yīng)器11。在該較優(yōu)的實(shí)施例中，冷卻流體的第二設(shè)定溫度為86°F±2°。曾經(jīng)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)冷卻流體被允許升高到這個溫度時，水被氣體環(huán)18和密封板37的不銹鋼表面吸取的程度可大為減少。在第二設(shè)定溫度上控制器90將閥門88關(guān)小，使在第二冷卻環(huán)路86內(nèi)的冷卻流體的流率減少(甚至到完全關(guān)斷的地步)。結(jié)果，從第一冷卻環(huán)路的冷卻流體中取走的熱便可減少，從而冷卻流體的溫度便可上升，致使氣體環(huán)18和密封體37的金屬表面的溫度上升。應(yīng)該知道本發(fā)明的傳熱裝置也可改用加熱第一環(huán)路78內(nèi)的冷卻流體的方法來達(dá)到第二設(shè)定溫度，但這仍屬于本發(fā)明的范圍之內(nèi)。
在說明圓筒反應(yīng)器設(shè)備10的一般構(gòu)選后，現(xiàn)在說明其操作方法。將要在其上用化學(xué)汽相沉積法沉積一層硅或其他材料的晶片被裝載在接受器30上。將密封板37提升以便使反應(yīng)室容器的敞開頂部露出，并將接受器30懸掛在與密封板連結(jié)的吊桿32上。然后用升降組合件34將接受器30下降到反應(yīng)器的反應(yīng)室容器內(nèi)，同時使密封板37下降以便密封地與氣體環(huán)18接合(如圖3所示)，從而使反應(yīng)室容器12的內(nèi)部密封。從反應(yīng)室容器12內(nèi)的環(huán)境中清除氧氣，然后接通熱燈26。
控制器44啟動驅(qū)動組合件42使接受器30開始旋轉(zhuǎn)。如同傳統(tǒng)的做法那樣，控制器44監(jiān)控圓筒反應(yīng)器11內(nèi)分圍的溫度。如果控制器44檢測到溫度已超過最大運(yùn)行溫度，那么控制器就停止驅(qū)動圓筒反應(yīng)器11(特別是燈泡26)，以免圓筒反應(yīng)器損壞。在現(xiàn)有的圓筒反應(yīng)器中，如果供應(yīng)到圓筒反應(yīng)器的冷卻流體能夠維持在或低于最大冷卻流體溫度，那么圓筒反應(yīng)器決不會超過最大運(yùn)行溫度。當(dāng)冷卻流體為水時，在圓筒反應(yīng)器11運(yùn)行時的最大冷卻流體溫度約為75°F。
于是開始反應(yīng)氣體和載運(yùn)氣體的流動，用第一和第二噴嘴20、21將氣體流噴入到反應(yīng)室容器12內(nèi)。雖然噴射到反應(yīng)室容器12內(nèi)的氣體的流動是復(fù)雜的，但一般可以理解的是，從第一和第二噴嘴20、21射出的氣流將會沖撞到反應(yīng)室容器的背側(cè)并沿背側(cè)向下移動(如從圖2的位置可看到的情況)然后沿前側(cè)向上。最后，氣體通過在反應(yīng)室容器底部的排放口排放出去。載運(yùn)氣體載運(yùn)的反應(yīng)氣體在反應(yīng)室容器的環(huán)境內(nèi)分解成氣態(tài)硅和副產(chǎn)品。這個硅然后沉積在晶片的暴露表面上。
燈泡26的接通(通過繼電器98的閉合)由傳感器96檢測到，將信號發(fā)給冷卻系統(tǒng)控制器90，告知圓筒反應(yīng)器已被活化?？刂破?0在接到圓筒反應(yīng)器已被活化(驅(qū)動)的信號后，重新設(shè)定使冷卻系統(tǒng)74在第一設(shè)定溫度下運(yùn)行，其時氣體環(huán)18和密封板31的金屬表面向反應(yīng)室容器的內(nèi)部暴露，冷卻系統(tǒng)74就從這些金屬表面上轉(zhuǎn)移熱量。從測量在第一冷卻環(huán)路78內(nèi)冷卻流體溫度的傳感器92得到的溫度信號通常高于第一設(shè)定溫度(例如50°F±2°)。由此，控制器90以范圍為4到20mA的電流的形式發(fā)出一個信號給轉(zhuǎn)換器94，該信號指示閥門88的位置需要更動，以便從第一冷卻環(huán)路78中的冷卻流體取走更多的熱。將電流變成壓力的轉(zhuǎn)換器94將電流信號轉(zhuǎn)變?yōu)橄鄳?yīng)的壓力信號，該信號被傳送到第二冷卻環(huán)路86內(nèi)的閥門88上。
從轉(zhuǎn)換器94傳送來的壓力信號使閥門88移動到一個更為開放的位置上，因此環(huán)繞第二環(huán)路86并通過熱交換器76的冷卻流體的流率便可增加。第二環(huán)路86中的冷卻流體開始從第一環(huán)路78中的冷卻流體移走更多的熱量致使其溫度下降。當(dāng)燈泡26繼續(xù)加熱圓筒反應(yīng)器的內(nèi)部時，在第一環(huán)路內(nèi)的冷卻流體的溫度有可能繼續(xù)上升，結(jié)果使閥門88被控制器90進(jìn)一步打開。因此一些小的調(diào)整可能發(fā)生，但最后控制器90能將閥門設(shè)定在一個基本上穩(wěn)定的操作位置上。控制器90所采用傳統(tǒng)的PID控制算法可使調(diào)整工作減到最少，并能加速對第一環(huán)路78內(nèi)冷卻流體溫度的任何重大變化作出反應(yīng)。
在沉積周期終止后，控制器44松開熱燈繼電器98使燈泡26關(guān)斷。傳感器96檢測出圓筒反應(yīng)器11的不活化狀態(tài)，發(fā)出信號給冷卻系統(tǒng)控制器90，使控制器將操作設(shè)定點(diǎn)重新設(shè)定到第二設(shè)定溫度上(例如86°F±2°)。被溫度傳感器92檢測出來的在第一冷卻環(huán)路78內(nèi)冷卻流體的溫度顯然低于第二設(shè)定溫度，因此控制器90現(xiàn)在發(fā)出信號給閥門88使它移動到一個更為(或完全)關(guān)閉的位置，從而限制環(huán)繞第二冷卻環(huán)路86的冷卻流體的流率。在第二冷卻環(huán)路86內(nèi)的冷卻流體以減小的流率流動通過熱交換器76，因此只從第一環(huán)路78內(nèi)的冷卻流體轉(zhuǎn)移較少的熱致使其溫度上升到第二設(shè)定溫度。溫度上升是由于在圓筒反應(yīng)器11內(nèi)關(guān)斷的熱燈26的剩余熱量被轉(zhuǎn)移到第一環(huán)路78的冷卻流體內(nèi)所致。雖在在該較優(yōu)的實(shí)施例內(nèi)氣體環(huán)18和密封板37的金屬表面的加熱是被動地完成的，但主動地加熱如在熱交換器76上用加熱器或加熱第二冷卻環(huán)路86中的水也屬于本發(fā)明的范圍之內(nèi)。
當(dāng)沉積周期完成時，第一和第二噴嘴20、21便被關(guān)掉。在反應(yīng)室29內(nèi)進(jìn)行適當(dāng)?shù)那逑床僮骱螅嵘芊獍?7將圓筒反應(yīng)器11打開并將接受器30提升到至少部分跑到反應(yīng)室容器12之外。這樣，當(dāng)密封板封閉反應(yīng)室時對反應(yīng)室暴露的氣體環(huán)18和密封板37的金屬表面現(xiàn)在便暴露在室內(nèi)的空氣中。不銹鋼氣體環(huán)18和密封板37的提高的溫度可阻止水分被不銹鋼吸取。這樣，本發(fā)明的冷卻系統(tǒng)74在兩個方面都可得到優(yōu)化，即當(dāng)圓筒反應(yīng)器活化時可延遲化學(xué)反應(yīng)進(jìn)行的速率，而當(dāng)圓筒反應(yīng)器不活化時在氣體環(huán)18和密封板37上可阻止水分的被吸取并防止水分的凝結(jié)。延遲化學(xué)反應(yīng)進(jìn)行速率的效果及防止水分被吸取和凝結(jié)的效果對包括本發(fā)明冷卻系統(tǒng)的圓筒反應(yīng)器來說，不需要折衷辦理。另外，當(dāng)圓筒反應(yīng)器11不活化時循環(huán)到圓筒反應(yīng)器11的冷卻流體的溫度可能會超過圓筒反應(yīng)器運(yùn)行時允許的最大冷卻流體溫度，這點(diǎn)可更好地阻止水分的被吸取。
從上面所述，可見本發(fā)明的幾個目的都能達(dá)到還可得到其他一些有利的結(jié)果。
由于在上述構(gòu)造內(nèi)能夠作出各種變化而并不離開本發(fā)明的范圍，因此希望上述說明和附圖所包含的全部內(nèi)容應(yīng)被闡明為只是示范性的而并不是限定性的。
權(quán)利要求
1.在半導(dǎo)體晶片上化學(xué)汽相沉積材料用的圓筒反應(yīng)器設(shè)備，該圓筒反應(yīng)器設(shè)備包括一個圓筒反應(yīng)器包括一個頂部敞開的容器，可用來將晶片接納在該容器所形成的反應(yīng)室內(nèi)，一個用來加熱反應(yīng)室的加熱器，以便使反應(yīng)室內(nèi)達(dá)到材料從氣體沉積到晶片上所需的溫度，一個通常設(shè)置在容器敞開頂部周圍的氣體環(huán)，用來發(fā)放氣體，在該氣體內(nèi)含有要在反應(yīng)室內(nèi)沉積到晶片上的材料，一個安裝在容器敞開頂部上的密封板，可用來將容器打開或密封地封閉其敞開的頂部，當(dāng)密封板密封地封閉容器的敞開頂部時，氣體環(huán)和密封板中至少有一個具有向反應(yīng)室暴露的金屬表面；和一個用來循環(huán)冷卻流體的冷卻系統(tǒng)，可用來在氣體環(huán)和密封板中的至少一個與冷卻流體之間進(jìn)行傳熱，該冷卻系統(tǒng)包括一個傳熱裝置，可在冷卻流體與另一個傳熱介質(zhì)之間傳熱。一個冷卻環(huán)路，與所說傳熱裝置和圓筒反應(yīng)器的金屬表面具有熱交換的關(guān)系，該冷卻環(huán)路從所說傳熱裝置延伸到所說密封板和氣體環(huán)中的至少一個，再返回到傳熱裝置，用來從所說傳熱裝置發(fā)送冷卻流體，再從圓筒反應(yīng)器使冷卻流體返回到所說傳熱裝置，一個傳感器，用來檢測圓筒反應(yīng)器是處在運(yùn)行狀態(tài)還是不在運(yùn)行并發(fā)出一個與所檢測到的圓筒反應(yīng)器的運(yùn)行狀態(tài)對應(yīng)的信號，一個控制器，用來控制在冷卻流體和所說另一個傳熱介質(zhì)之間的傳熱量，控制器被設(shè)計用來控制所說傳熱裝置在冷卻流體和所說另一個介質(zhì)之間的傳熱，使冷卻流體達(dá)到第一設(shè)定溫度，當(dāng)密封板密封地封閉容器的敞開頂部時，第一設(shè)定溫度被選用來延遲作用在向反應(yīng)室暴露的金屬表面上的化學(xué)反應(yīng)速率；而當(dāng)密封板被打開時，控制器被設(shè)計用來控制所說傳熱裝置，使冷卻流體達(dá)到比第一設(shè)定溫度高的第二設(shè)定溫度，該溫度被選用來阻止水的被金屬表面所吸取?？刂破髋c傳感器連通，以便接受信號，從而控制所說傳熱裝置，當(dāng)圓筒反應(yīng)器運(yùn)行時使冷卻流體達(dá)到第一設(shè)定溫度。而當(dāng)圓筒反應(yīng)器停止運(yùn)行時使冷卻流體達(dá)到第二設(shè)定溫度。
2.按照權(quán)利要求1的圓筒反應(yīng)器設(shè)備，其特征為，所說傳熱裝置的構(gòu)造使它能從冷卻環(huán)路的冷卻流體中移走熱量。
3.按照權(quán)利要求2的圓筒反應(yīng)器設(shè)備，其特征為，冷卻劑系統(tǒng)的冷卻環(huán)路具有一個第一冷卻環(huán)路，而所說傳熱裝置具有一個含有一種冷卻流體的第二冷卻環(huán)路，第二冷卻環(huán)路在熱流上與第一冷卻環(huán)路連通，以便用來從第一冷卻環(huán)路的冷卻流體中移走熱量，而在第二冷卻環(huán)路內(nèi)有一閥門，可用來有選擇地控制第二環(huán)路內(nèi)的冷卻流體的流量，從而可控制從第一冷卻環(huán)路內(nèi)的冷卻流體轉(zhuǎn)移到第二冷卻環(huán)路內(nèi)的冷卻流體上的熱量，該閥門與控制器連通并受控制器控制，以便達(dá)到第一和第二設(shè)定溫度。
4.按照權(quán)利要求1或3的圓筒反應(yīng)器設(shè)備，其特征為，傳感器檢測加熱器是否在作用，當(dāng)加熱器不在作用而圓筒反應(yīng)器不在運(yùn)行時，及當(dāng)加熱器在作用而圓筒反應(yīng)器在運(yùn)行時，傳感器都有信號發(fā)給控制器。
5.按照權(quán)利要求1的圓筒反應(yīng)器設(shè)備還具有一個圓筒反應(yīng)器控制器，當(dāng)圓筒反應(yīng)器運(yùn)行時，該控制器適宜用來監(jiān)控圓筒反應(yīng)器內(nèi)部的溫度，圓筒反應(yīng)器控制器的設(shè)計使它能在下列兩種情況下中止圓筒反應(yīng)器的運(yùn)行，一種情況是如果監(jiān)控到的溫度超過最大運(yùn)行溫度，最大運(yùn)行溫度與最大冷卻流體溫度對應(yīng)；另一種情況是當(dāng)圓筒反應(yīng)器被活化時，冷卻系統(tǒng)控制器的第二設(shè)定溫度如果比允許的最大冷卻流體溫度還要大時。
6.一種操作圓筒反應(yīng)器的方法，可防止在圓筒反應(yīng)器內(nèi)加工的半導(dǎo)體晶片受到金屬污染，該污染是由于圓筒反應(yīng)器的金屬表面起化學(xué)反應(yīng)而引起的，該方法包括下列步驟將圓筒反應(yīng)器打開，將半導(dǎo)體晶片放入到圓筒反應(yīng)器的反應(yīng)室內(nèi)，準(zhǔn)備用化學(xué)汽相沉積法在晶片上沉積材料；將反應(yīng)室封嚴(yán)；使圓筒反應(yīng)器活化，以便將氣體發(fā)送到反應(yīng)室內(nèi)，在該氣體內(nèi)含有可沉積到晶片上的材料；當(dāng)圓筒反應(yīng)器被活化時，在圓筒反應(yīng)器的金屬表面與冷卻流體之間進(jìn)行傳熱，其時反應(yīng)室被密封，上述金屬表面向反應(yīng)室暴露；控制這個傳熱，使金屬表面維持在第一溫度，這個溫度被選用為的是當(dāng)圓筒反應(yīng)器被活化時使金屬表面上的化學(xué)反應(yīng)推遲發(fā)生；停止活化圓筒反應(yīng)器；將圓筒反應(yīng)器打開，使反應(yīng)室內(nèi)的晶片露出，以便從圓筒反應(yīng)器中移走；當(dāng)圓筒反應(yīng)器停止活化時，在圓筒反應(yīng)器的金屬表面與冷卻流體之間進(jìn)行傳熱，其時反應(yīng)室被密封，上述金屬表面向反應(yīng)室暴露；控制這個傳熱，使金屬表面在圓筒反應(yīng)器停止活化時維持在一個比第一溫度高的第二溫度，該溫度被選用是因?yàn)楫?dāng)圓筒反應(yīng)器停止活化時可延遲水的被吸附在金屬表面上。
7.按照權(quán)利要求6的操作圓筒反應(yīng)器的方法，其特征為，所說傳熱工步是由冷卻系統(tǒng)循環(huán)冷卻流體來完成的，冷卻系統(tǒng)包括一個控制器用來控制從金屬表面?zhèn)鞒龅臒幔f傳熱步驟包括下列步驟當(dāng)圓筒反應(yīng)器被活化時按第一設(shè)定溫度控制金屬表面和冷卻系統(tǒng)中冷卻流體之間的傳熱；當(dāng)圓筒反應(yīng)器停止活化時按比第一設(shè)定溫度大的第二設(shè)定溫度控制金屬表面和冷卻系統(tǒng)中冷卻流體之間的傳熱；
8.按照權(quán)利要求7的操作圓筒反應(yīng)器的方法，其特征為，冷卻系統(tǒng)具有第一冷卻環(huán)路，該環(huán)路從一個熱交換器延伸到圓筒反應(yīng)器內(nèi)的金屬表面；還有在熱交換器與第一冷卻環(huán)路在熱流上連通的第二冷卻環(huán)路，其內(nèi)含有冷卻流體，其中按第一設(shè)定點(diǎn)操作控制器的步驟為使第二冷卻環(huán)路內(nèi)的冷卻流體一般按第一速率流動通過第二冷卻環(huán)路；按第二設(shè)定點(diǎn)操作控制器的步驟為使第二冷卻環(huán)路內(nèi)的冷卻流體一般按比第一速率小的第二速率流動通過第二冷卻環(huán)路。
9.按照權(quán)利要求8的方法，其特征為，按照第一和第二設(shè)定點(diǎn)操作控制器的工步還包括控制一個在第二冷卻環(huán)路內(nèi)的閥門。
10.按照權(quán)利要求7的方法還包括下列步驟監(jiān)控圓筒反應(yīng)器的內(nèi)部溫度，如果監(jiān)控溫度超過最大操作溫度就立即使圓筒反應(yīng)器停止活化，最大操作溫度一般與最大冷卻流體溫度對應(yīng)，該最大冷卻溫度能夠轉(zhuǎn)移熱量使圓筒反應(yīng)器內(nèi)部維持在或低于最大操作溫度；按第二設(shè)定點(diǎn)操作控制器的步驟還包括操作控制傳熱的控制器的工步以便使冷卻流體維持在一個比圓筒反應(yīng)器被活化時容許的最大冷卻流體溫度高的溫度。
全文摘要
用化學(xué)汽相沉積將材料沉積在半導(dǎo)體晶片上的圓筒學(xué)反應(yīng)器有一冷卻系統(tǒng)可保護(hù)半導(dǎo)體晶片免受圓筒反應(yīng)器金屬表面的分解所造成的金屬污染。分解是由水與圓筒反應(yīng)器內(nèi)的其他物質(zhì)(如HCl)反應(yīng)而引起的。冷卻系統(tǒng)有一控制器可監(jiān)控圓筒反應(yīng)器的運(yùn)行狀態(tài)并據(jù)以按設(shè)定點(diǎn)操作。當(dāng)圓筒反應(yīng)器運(yùn)行時其金屬表面被維持在較冷狀態(tài)借以使腐蝕性的化學(xué)反應(yīng)推遲發(fā)生,而當(dāng)圓筒反應(yīng)器不運(yùn)行時則維持在較熱狀態(tài)以便防止水的吸附并凝結(jié)在金屬表面上。
文檔編號H01L21/205GK1195036SQ9711716
公開日1998年10月7日 申請日期1997年7月23日 優(yōu)先權(quán)日1996年7月26日
發(fā)明者埃里克·L·蓋洛德, 查爾斯·H·米勒 申請人:Memc電子材料有限公司