Технологическое оборудование. 
Основы конструирования и технологии производства радиоэлектронных средств. 
Интегральные схемы

Схема устройства реакторного блока представлена на Рис. 11.13.

Современный реактор имеет массу 2000 кг и занимает площадь 2 м² и более. Эксплуатация реакторных блоков требует соблюдения техники безопасности исходя из следующих опасных ситуаций:

• — взрыв или возгорание водорода;
• — сильная коррозия при использовании НС1;
• — высокая токсичность легирующих газов.

Арсин вызывает мгновенную смерть, если его концентрация в воздухе превышает 2,5−10'² %.

Рис. 11.13. Функциональная схема эпитаксиального реактора. 1 — охлаждающая вода, 2 — электроэнергия, 3 — вода, 4 — скруббер, 5 — выброс в атмосферу, 6 — реактор, 7 — газораспределительная система.

Для удаления непрореагировавших газов и продуктов реакции используют скруббер, имеющий большую поверхность взаимодействия газов с водой. Подпожкодержатель в реакторе обеспечивает механическое закрепление пластины и является нагревателем в случае реакторов с индукционным нагревом.

Форма подложкодержателя обычно определяет название реактора (Рис. 11.14):

• — плоский (горизонтальный);
• — вертикальный (дискообразный);
• — цилиндрический (бочкообразный).

Подложкодержатель должен быть механически прочным и не загрязнять реакционную среду, и вступать в химические реакции с газами. Для реакторов с индуцированным нагревом наилучшим материалом является графит. И только в реакторах с радиационным нагревом используется поликристаллический кремний и кварц. Поликристаллический кремний взаимодействует с НС1, что ведет к постепенной эрозии подложкодержателя.

Рис. 11.14, а. Внешний вид основных типов нодложкодержателей.

Рис. 11.14, б. Схематическое изображение трёх типов реакторов. А — цилиндрический реактор с радиационным нагревом, Б — вертикальный реактор. В — горизонтальный реактор Эрозия может быть предотвращена нанесением на поверхность поликристалла нитрида кремния SiiN₄ из парогазовой фазы. Графитовые подложкодержатели также нуждаются в покрытии, поскольку они относительно мягкие и содержат много примесей. В качестве покрытия используется слой карбида кремния толщиной 50…500мкм, нанесенных из парогазовой фазы.

Трещины в покрытиях, вызываемые многократными тсрмоциклами и химической реакцией с металлами, попадающими на поверхность подложкодержатсля при загрузке подложек с помощью пинцета, составляет основную проблему при эксплуатации подложкодержателей. Нарушение сплошности покрытия вызывает утечку примесей из объема подложкодержателя, загрязнение эпитаксиальных слоев и увеличение их дефектности.

Другая проблема — это неоднородность температуры, обусловленная неоднородностью свойств графита и покрытия, приводящая к изменению скорости роста и уровня легирования эпитаксиального слоя. Реакционную трубу или колпак изготавливают из кварца с принудительным воздушным охлаждением.

В большинстве реакторов реакционная труба во время процесса относительно холодная — их называют реакторами с «холодной стенкой». Индуктор и другие металлические части изготавливают водоохлаждаемыми.

При индукционном нагреве энергию для проведения реакции подают за счет нагревая подложкодержателя. Затем энергия передается подложке за счет теплопроводности и излучения.

Радиационный нагрев обеспечивает лучшую однородность температуры по подложкам, чем индукционный. Энергия в этом случае излучается набором кварцевых галогенных ламп. В большинстве случаев управление процессом заключается в поддержании газовых потоков и температуры на заданном уровне. Технологический цикл управляется микропроцессором и регулирует температуру по мере необходимости.

В реакторах с ВЧ-нагревом в качестве датчика температуры используется оптический пирометр, наведённый на подложку внутри реактора. Поскольку температура в реакторе измеряется с помощью пирометра через кварцевую трубу (реактор), то он показывает температуру на 50… 100 °C ниже фактической. Этот факт должен учитываться в реальных условиях технологического процесса.

Газовые потоки измеряются ротаметрами. Управление включением и выключением подачи газов осуществляют пневматическими клапанами, которые предотвращают возможность взрыва от искры при наличии утечки водорода.

Реакторы: горизонтальные, вертикальные, цилиндрические имеют свои преимущества и недостатки.

В горизонтальном реакторе можно обрабатывать одновременно большое количество пластин, однако достижение однородности параметров слоя на всей длине подложкодержагеля затруднительно.

Вертикальный реактор обеспечивает высокую степень однородности нанесения, но сложность конструкции затрудняет его использование.

Цилиндрический реактор с радиационным нагревом обеспечивает однородность нанесения, но не может быть использован для длительной работе при температуре свыше 1200 °C.

Обычный технологический процесс для любого реактора включает несколько стадий. Вначале реактор продувают газом — носителем (водородом) для очистки воздуха. Затем подложкодержатель нагревают до рабочей температуры. После установления термического равновесия (5 мин.) проводится газофазное травление в среде НС1 + Нг при 1150… 1200 °C. Затем подложкодсржатсль охлаждается до температуры нагревания. Продолжительность охлаждения определяется временем, необходимым для стабилизации температуры и удаления НС1 из объема реактора.

На следующей стадии в реактор подают кремнийсодержащее и легирующее соединения с концентрациями, обеспечивающими скорость роста ~ 0,2… 3,0 мкм/мин и требуемый уровень удельного сопротивления. По окончании роста прекращают подачу кремнийсодержащего и легирующего соединений, снижают температуру. Когда подложкодержатель остывает до комнатной температуры, водород из реактора выдувается азотом для обеспечения безопасности при вскрытии реактора. В зависимости от диаметра подложек и тина реактора одновременно обрабатывают 10…30 подложек. Средняя производительность процесса составляет 20 подложек в час.

Эпитаксиальные слои с концентрацией примеси (легирования) выше 10¹ 'си'³ применяются редко. Наиболее широкое применение находят слои с концентрацией примеси 10^м… 10"с*³. Высокоомные слои с концентрацией примеси.

10¹²… 10¹⁴ см'³ используются для специальных видов высоковольтных и выпрямительных приборов. Для получения высокоомных слоёв необходимы очень чистый реактор и кремнийсодержащее соединение с содержанием примеси менее 10¹³сд/'³. Автолегирование с обратной стороны подложки устраняется маскированием слоем окисла или нитрида кремния.

Максимально возможная толщина эпитаксиального слоя определяется приростанисм боковых поверхностей подложки к подложкодержателю, что затрудняет отделение подложек при разгрузке и приводит к их разрушению. В некоторых случаях получают эпитаксиальные структуры толщиной в несколько сотен микрон, что является предельно возможным. Получение тонких слоёв затрудняется автолегированием. В настоящее время получают слои толщиной 0,5 мкм. Освоено производство слоёв с однородностью ± 5% и воспроизводимостью от процесса к процессу ± 5% и лучше.

Для легирования слоёв /;-типа используется бор В, а для легирования слоёв л-типа используется мышьяк As или фосфор Р. Обычно используют гидриды легирующих элементов PHi, ВзН₆, AsHj. При комнатной температуре это газы. Они поставляются в баллонах под давлением. Поскольку требуемая концентрация примеси в реакторе составляет около 10″ %, то легирующие гидриды поступают разбавленными до концентрации (2. .20) 10'³ % в водороде.

В Таблице 11.1 представлены диапазон, скорость и температура роста для различных кремнийсодержащих соединений Таблица 11.1.

Силан выбирают, когда необходимо уменьшить автолегирование бором и его диффузию из подложки с помощью уменьшения температуры роста. При этом автолсгированис мышьяком с уменьшением температуры увеличивается. Силан при высоких температурах склонен к газофазному разложению (формированию кремниевых частиц в газовом объёме около подложки), что ведет к ухудшению качества эпитаксиальных слоев. Газофазное разложение может быть подавлено добавлением HCI. Силан быстро загрязняет стенки реакционной камеры. Кроме того, Силан самовоспламеняется при концентрации более 2%.

Дихлорсилан позволяет получать высокие скорости роста при относительно низкой температуре. Дихлорсилан жидкий при комнатной температуре, но имеет высокое давление насыщенного пара (более 1 атм.). Поэтому может подаваться в реактор прямо из баллона без барботера.

Трихлорсилан не даёт существенных преимуществ перед тетрахлоридом кремния и редко используется для эпитаксии из парогазовой фазы. Тетрахлорид кремния наименее химически активен и наиболее широко используется. Это жидкость при комнатной температуре, имеет низкое давление паров, для активизации испарения требуется применение барботсра.

Правильный выбор температуры процесса, расхода газоноситсля и скорости роста является сложной задачей. Её решение обеспечивает требуемый уровень однородности толщины и удельного сопротивления слоя, уровня дефектности, смещения топологического изображения и искажения рисунка при проведении последующего литографического процесса. Сложно достичь всех поставленных целей, многие из которых противоречивы. Например, повышение температуры для уменьшения смещения топологического рисунка увеличивает автолегирование и т. д. Определение оптимальных параметров процесса требует проведения ряда экспериментальных исследований. Существует постоянно корректируемая программа для машинного моделирования эпитаксиального процесса.

Эпитаксия из парогазовой фазы при рабочем давлении в диапазоне 6,5… 13 10' Па даёт некоторые преимущества: ослабевают эффекты бокового и вертикального автолегирования; уменьшается смещение топологического рисунка.

Перед эпитаксией поверхность подложки необходимо тщательно отмыть. Должны быть изъяты все органические и металлические загрязнения. Твердые частицы удаляются с использованием ультразвуковой отмывки, обработкой в воде или гидродинамической мойкой. Для предотвращения загрязнения всю реакционную камеру помещают в чистую комнату.