ES2294537T3 - Reactor epitaxial con posicionamiento controlado por susceptor. - Google Patents

Abstract

Un reactor para deposición de vapores químicos que comprende una cámara de reacción (3), un susceptor (2) que puede moverse en esta cámara, medio (15) para transmitir radiación electromagnética hacia el susceptor y medio (15) para detectar esta radiación, caracterizado porque está presente sobre el susceptor al menos un elemento de referencia de proyección (8) engastado sobre el mismo, capaz de reflejar la radiación hacia dicho medio para detectarlo.

Description

Reactor epitaxial con posicionamiento controlado por susceptor.

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La invención se refiere a un reactor epitaxial usado en la producción de substratos por medio de deposición de vapores químicos (CVD); también comprende un procedimiento para el control de la posición del susceptor de este reactor.

En el campo de los reactores considerados en el presente documento, usados principalmente en la industria de la microelectrónica, el término "susceptor" indica el soporte calentado que acomoda los substratos (también llamados comúnmente placas o láminas) durante el proceso de crecimiento epitaxial.

El susceptor se coloca dentro de una cámara de reacción usualmente fabricada de cuarzo, mientras que los substratos se encuentran sobre su superficie superior, dentro de los respectivos engastes que, a excepción de los pequeños espacios libres que se pueden usar para posicionarlos, toman su forma (generalmente la forma de un disco).

Como se sabe, el crecimiento epitaxial es el resultado de una reacción química entre dos o más gases, cuyos productos de reacción son el material puro que se deposita y cristaliza sobre la superficie de los substratos: estas reacciones ocurren a temperaturas muy altas y, por ello, es necesario calentar los substratos por medio del susceptor.

Para mejorar la uniformidad de las capas depositadas una práctica común es usar susceptores rotatorios; de esta manera se establece la media de la temperatura radial y el perfil de tasa de crecimiento a lo largo de la coordinada azimutal y es más uniforme.

Existen susceptores que han sido pensados para sólo un substrato o una serie de substratos, usándose estos últimos para aumentar la productividad del reactor; además, también para mejorar la productividad, es una práctica conocida usar un brazo robótico para las operaciones de carga y descarga de substratos.

En este caso, ya que el susceptor rota durante el proceso, se requiere un sistema que controle su posición angular de manera que se pueda mover a una posición preestablecida para permitir las operaciones de carga y descarga; este movimiento angular se controla electrónicamente junto con el del brazo robótico.

Considerando las características particulares del proceso CVD, el sistema que provoca el posicionamiento angular del susceptor no debe contaminar la cámara de reacción introduciendo partículas de metal en ella o liberando otras, por ejemplo, debido a partes deslizantes.

Otro requisito fundamental es la capacidad que debe tener el sistema de posicionamiento para operar a las altas temperaturas (por encima de 1.000ºC) que se desarrollan en la cámara de reacción epitaxial.

A la vista de estas estrictas condiciones, los sistemas del estado de la técnica para controlar el posicionamiento de los susceptores son predominantemente de tipo óptico.

Uno de ellos proporciona un rayo láser que está orientado desde el exterior de la cámara de reacción hacia el borde del disco susceptor, que tiene una ranura para este propósito; cuando este último llega por debajo del rayo láser como resultado de la rotación del susceptor, se detecta su presencia permitiendo que se ajuste la posición con las operaciones requeridas para el propósito.

Los varios pasos en el proceso de ajuste se gestionan electrónicamente con unidades de control conocidas por sí mismas.

Sistemas de control del tipo considerado anteriormente son satisfactorios desde el punto de vista del posicionamiento angular; sin embargo, tienen límites en lo que respecta a la resistencia mecánica del susceptor.

Para entender esto, se ha tenido en cuenta que este último está sujeto a altas tensiones térmicas debido a los ciclos de calentamiento que se le aplican; el resultado es que la presencia de la ranura, seguida de repetida expansión y contracción, puede ser una fuente de escisiones o fisuras en el susceptor, con todas las consecuencias indeseables que se pueden imaginar fácilmente, que surgirían de esto.

El problema que trata la siguiente invención es, por tanto, la producción de un reactor epitaxial en el que la posición angular del susceptor esté libre de las desventajas mencionadas anteriormente.

La idea para solucionar este problema consiste en producir un susceptor en el que, en lugar de una ranura u otra disposición de referencia similar que reduzca las propiedades mecánicas de la estructura del susceptor, se use un elemento que proyecte desde su superficie y sea capaz de reflejar el rayo láser u otra radiación electromagnética usada.

Este elemento de proyección, que está constituido en una forma preferida por un pasador con un cabezal ensanchado, se detecta como un resultado de la variación en la trayectoria del rayo incidente, que cambia en comparación con cuando se refleja desde la superficie del susceptor; la posición angular del último se ajusta entonces, preferiblemente con un procedimiento que forma parte de la presente invención.

El elemento de proyección para reflejar los rayos incidentes no debilita al susceptor, ya que descansa sobre su superficie y, por tanto, no perjudica a su estructura.

Además, este elemento se produce preferiblemente del mismo material que el susceptor para que tenga las mismas características de fuerza y reflectividad a las altas temperaturas de los gases presentes en la cámara de reacción.

Las ventajas de la invención resultarán evidentes a partir de la siguiente descripción de una forma de realización de la invención, proporcionada meramente a modo de ejemplo no limitante en referencia a los dibujos anexos, en los que:

la fig. 1 muestra una vista desde arriba de un susceptor según la presente invención;

la fig. 2 muestra una vista en sección a lo largo del plano indicado por la línea B-B de la figura 1;

la fig. 3 muestra una vista en sección del reactor epitaxial en el que se ubica el susceptor de la figura 1;

la fig. 4 ilustra esquemáticamente el reflejo de un rayo láser en el reactor del dibujo anterior;

En referencia particular al tercer dibujo, este muestra un reactor epitaxial, indicado como un completo con el número 1, que comprende un susceptor en forma de disco 2 alojado en una cámara de reacción 3 con forma de paralelepípedo.

El susceptor se produce preferentemente de grafito y tiene una serie de engastes circulares 5 (en este caso ocho) para acomodar los substratos; este rota alrededor de un eje vertical X, manejado por un motor controlado electrónicamente, no mostrado en los dibujos ya que se conoce por sí mismo. En la práctica, este es un motor eléctrico acoplado a un generador de impulsos (codificador) para dividir la rotación de 360º alrededor del eje X en un número de intervalos predeterminados (por ejemplo 200 x10^{3}).

El reactor 1 también comprende un brazo robótico para cargar los substratos en el susceptor (y para descargarlos del mismo); este brazo no se muestra en los dibujos ya que también es un tipo conocido por sí mismo, por ejemplo, de la solicitud de patente europea 99962242.

La cámara de reacción 3 tiene paredes de cuarzo y está abierta por extremos opuestos para permitir que el flujo de gas lo atraviese, según se indica en la figura 3.

En el borde del susceptor, se encaja un pasador 8 que tiene una base plana y amplia 8a y un cabezal 8b, que la dan forma más o menos de bobina, de manera que asegura el engaste adecuado en el susceptor y buen reflejo del rayo láser, como se explicará más claramente a continuación.

Según este ejemplo de la invención, la base del pasador 8a está engastada en un hueco 10, que se muestra en detalle ampliado en la figura 3, que se usa para hacer que el engaste de la base 8a del pasador sea más estable y sustancialmente superficial.

En el exterior de la cámara de reacción 3, en una posición por encima del pasador 8, se dispone un módulo 15, que comprende un transmisor y receptor de rayo láser, conocidos por sí mismos; preferiblemente este módulo está soportado por un accionador 18, tal como neumático, electromecánico o de otro tipo, de manera que se puede mover entre una posición operativa en la que dirige el rayo láser hacia abajo en dirección al susceptor y una posición no operativa en la que se aparta respecto a la cámara 3.

Preferiblemente, en la pared superior de la cámara de reacción 3 que atraviesa el rayo láser, la superficie de cuarzo es suave, de manera que se eliminan las irregularidades de la misma y se produce una ventana óptica 20 que evita los fenómenos de dispersión del rayo láser, que reducirían la precisión de la operación.

En la posición operativa, el módulo 15 transmite un rayo láser a un ángulo de incidencia predeterminado sobre la superficie del susceptor 2, que lo refleja hacia el detector presente en el mismo módulo.

Cuando, como resultado de la rotación del susceptor 2, el pasador 8 pasa por debajo del módulo 15, el cabezal plano 8b refleja el rayo transmitido por el láser de manera diferente, dado que proyecta respecto a la superficie del susceptor 2; la figura 4 ilustra esquemáticamente la trayectoria diferente del mismo rayo incidente cuando lo refleja el susceptor 2 y el cabezal 8b del pasador.

La diferencia en la trayectoria del rayo es detectada por el módulo 15, el cual señaliza la presencia del pasador a la unidad de control electrónica (CPU) que controla el ajuste del susceptor; esto ocurre basándose en un programa previamente introducido en la unidad de control, con pasos operativos que son los siguientes en este ejemplo.

En un primer paso, se inicia el sistema; para ello, se hace rotar el susceptor 2 en el sentido de las agujas del reloj a baja velocidad (3 revoluciones/min), de manera que se proyecta el rayo láser sobre la superficie y se adquieren los valores relativos a la trayectoria del rayo por algunos segundos; al hacer la media de estos valores, se obtiene una medida de la distancia media de la superficie del susceptor desde el módulo de láser 15.

En el momento en que una cantidad predeterminada obtiene un valor de distancia menor que la distancia media anteriormente mencionada, esto significa que el rayo láser ha incidido sobre el pasador 8 y entonce se realiza el ajuste de la siguiente manera:

a) Se ralentiza el susceptor 2 con una pendiente de reducción de la velocidad hasta que se para con un ángulo de frenado de aproximadamente 100º/120º;

b) Se rota el susceptor 2 a velocidad baja (1 revolución/min) en una dirección contraria a las agujas del reloj, que es opuesta a la anterior;

c) Cuando, como resultado de la rotación reversa, el rayo vuelve a incidir sobre el pasador 8, se almacena la posición angular SZ1 del susceptor basándose en la señal suministrada por el generador de impulsos asociado con el motor que rota el susceptor;

d) Se ralentiza el susceptor hasta que se para rápidamente (el espacio de frenado es de aproximadamente 11º/13º);

e) Después de esto, con movimientos de precisión (velocidad 0,1 a 0,05 revoluciones/min) del susceptor, se lleva el pasador 8 de vuelta detrás del rayo láser y esta posición angular se convierte en la posición de referencia 0º que se usa para iniciar el generador de impulsos asociado con el motor.

En este punto, después de que el módulo de láser 15 se ha elevado a la posición no operativa, se pueden realizar las operaciones de carga y descarga de substratos sobre y del susceptor con el brazo robótico.

Esto se debe a que la rotación del susceptor 2 puede ser controla de manera precisa basándose en las señales suministradas por el generador de impulsos asociado con el motor operativo para llevar los engastes 5 a la posición requerida para que el brazo robótico cargue/descargue los substratos.

A la luz de lo que se ha descrito hasta el momento, se puede entender fácilmente cómo el control de la posición angular que se lleva a cabo según la invención supera los límites señalados en reactores conocidos.

Esto se debe a que la presencia del pasador sobre el disco del susceptor evita la necesidad de cortar el borde de este último, según se explicó al principio; la consecuencia es que de esta manera se elimina desde el principio el riesgo de que se formen o propaguen roturas o fisuras debido a las tensiones inducidas por los ciclos termales a los que está sujeto el susceptor.

Además, se debe tener en cuenta que el hueco 10 que proporciona el engaste para el pasador tiene el efecto de hacer que el pasador sea más estable pero no es estrictamente necesario y se podría omitir; en ese caso sólo sería necesario ensanchar la base 8a para obtener el mismo efecto.

Sin embargo, debido a que el hueco 10 tiene poca profundidad, esto no afecta a la fuerza estructural del susceptor.

En general, se puede decir que el cuerpo del pasador es preferentemente estrecho para no interferir (o interferir lo menos posible) con los gases de reacción, de manera que no afecte a las dinámicas de fluidos del reactor y se reduzca la fricción entre los gases y el pasador.

Para obtener estos efectos, sería posible producir pasadores con una base amplia y un cabezal más estrecho o incorporar el pasador directamente en el susceptor como una protuberancia del mismo.

Por supuesto, son posibles otras variantes de la invención respecto a lo que se ha descrito hasta el momento.

En primer lugar se puede observar que los principios explicados anteriormente también son válidos para susceptores de un material diferente al grafito, en los que puede haber problemas de roturas y fisuras causados por tensiones térmicas.

Otras variaciones también son posibles en lo que respecta al rayo que incide sobre el susceptor y el procedimiento mediante el que se transmite y detecta; por ejemplo, es bastante posible que el rayo sea diferente a un rayo láser.

Finalmente, la invención no se considera limitada sólo al control de la posición angular del susceptor, sino que también se puede aplicar al control lineal; más generalmente, se aplica a reactores para deposición química de la fase de vapor en la que existen susceptores u otros componentes similares que se mueven donde se ha controlado el posicionamiento.

Claims (17)

1. Un reactor para deposición de vapores químicos que comprende una cámara de reacción (3), un susceptor (2) que puede moverse en esta cámara, medio (15) para transmitir radiación electromagnética hacia el susceptor y medio (15) para detectar esta radiación, caracterizado porque está presente sobre el susceptor al menos un elemento de referencia de proyección (8) engastado sobre el mismo, capaz de reflejar la radiación hacia dicho medio para
detectarlo.

2. Un reactor según la reivindicación 1, en el que el medio (15) para transmitir la radiación electromagnética y los que la detectan están dispuestos fuera de la cámara de reacción (3).

3. Un reactor según la reivindicación 2, en el que la radiación electromagnética es de tipo luminosa y las paredes de la cámara de reacción (3) son transparentes a esta radiación.

4. Un reactor según la reivindicación 3, en el que la radiación luminosa comprende un rayo láser.

5. Un reactor según las reivindicaciones precedentes, en el que dicho elemento reflectante comprende un pasador (8) que proyecta respecto a la superficie del susceptor (2).

6. Un reactor según la reivindicación 5, en el que el pasador comprende un cabezal plano (8b).

7. Un reactor según la reivindicación 6, en el que el pasador comprende una base (8a) para el engaste con el susceptor.

8. Un reactor según la reivindicación 7 en el que la base (8a) del pasador (8) está engastada en un hueco (10) formado sobre la superficie del susceptor (2).

9. Un reactor según las reivindicaciones precedentes, en el que el elemento reflectante (8) está hecho del mismo material que el susceptor.

10. Un reactor según la reivindicación 9, en el que dicho material está basado en grafito.

11. Un reactor según las reivindicaciones precedentes, en el que el susceptor (2) rota respecto a un eje (X) y cuyo movimiento de rotación es provocado por un medio de operación iniciable controlado electrónicamente.

12. Un reactor según las reivindicaciones precedentes, en el que se incorporan el medio para transmitir radiación electromagnética hacia el susceptor y los que detectan la radiación reflejada por el mismo en un módulo (15) que se puede mover entre una posición operativa dirigida hacia el susceptor (2) y una posición no operativa en la que se aparta dicho módulo respecto a la cámara de reacción (3),

13. Un reactor según las reivindicaciones precedentes, que comprende una ventana (20) en la zona de la cámara de reacción (3) que es atravesada por la radiación electromagnética, capaz de evitar la distorsión de la radiación.

14. Un susceptor para un reactor según las reivindicaciones 1 a 13, caracterizado porque comprende un hueco (10) sobre su cara, pensado para el soporte de substratos para proporcionar un engaste para una base (8a) de un elemento de proyección (8) capaz de reflejar dicha radiación electromagnética.

15. Un susceptor para un reactor según las reivindicaciones 1 a 13, caracterizado porque comprende una protuberancia sobre su cara, pensada para el soporte de substratos, capaz de reflejar radiación electromagnética.

16. Un procedimiento para controlar la posición de un susceptor (2) de un reactor para deposición de vapores químicos, que comprende los pasos de:

- disposición de un elemento (8) que se proyecta desde la superficie del susceptor, capaz de reflejar radiación electromagnética;

- proyección de un rayo de radiación electromagnética sobre el susceptor (2) en movimiento;

- detección de la diferencia de trayectoria del rayo cuando el elemento de proyección lo refleja (8);

- introducción de la posición del susceptor (2) siguiendo la detección de la trayectoria diferente del rayo;

- causar movimiento del susceptor (2) basándose en la entrada de posición.

17. Un procedimiento según la reivindicación 16, que también comprende los siguientes pasos para introducir la posición del susceptor:

- mover el susceptor (2) durante un tiempo predeterminado, adquiriendo la media de los valores de la distancia recorrida por el rayo incidente;

- detener el susceptor (2) en un espacio predeterminado cuando la distancia varía como un resultado de que el elemento reflectante (8) pase por debajo del rayo;

- mover el susceptor (2) hacia atrás, llevando el elemento reflectante de vuelta a la posición debajo del rayo;

- iniciar el susceptor (2) usando esta posición como referencia.