用于大規模制造半導體材料的原位反應室清潔處理方法

專利名稱：用于大規模制造半導體材料的原位反應室清潔處理方法
技術領域：
本發明涉及半導體加工設備和方法的領域，并且特別提供了反應室內部(例如反 應室壁上和其它位置)的不良沉積物(imdesired deposit)的原位去除方法和設備。
背景技術：
鹵化物(或氫化物)氣相外延(HVPE)是一種用于快速生長化合物半導體材料、尤 其是例如GaN等III族-V族化合物半導體的外延方法。因為通過HVPE可獲得高生長速率， 所以該方法是生產厚度大的自支撐(free-standing)GaN層的理想方法。HVPE法通過含Ga 的前體氣體與含N的前體氣體在受熱基片的表面(例如通常為800°C 1200°C)處發生反 應而生長外延GaN。大多數HVPE法通過將HCl流經反應室內容納的熱液態Ga而產生GaCl 前體氣體。含N的前體氣體通常為NH3。在一些HVPE法中，含Ga的前體為GaCl3氣體，并 將其由外部來源中引入反應室。但是，在HVPE過程中，材料不僅可生長或沉積于基片表面，也可生長或沉積于遍 布反應室各處的不合需求的位置(例如，反應器壁上、基座上和基座周邊和其他位置)并導 致通量降低、成本升高、甚至導致反應器損毀。例如，不論位于反應室何處的不良沉積物均 可釋放出顆粒、碎片等，如果它們停留在基片上，這些物質可使基片對其預定目的不理想甚 至無用。旋轉基座上及其周邊的不良沉積物可增加摩擦力，甚至導致基座粘附于固定結構 體。反應室壁上的不良沉積物可充當熱絕緣體，以使反應室的加熱/冷卻時間延長，因此降 低反應器通量。在由IR輻射加熱的石英反應室的情況下，反應室壁上的不良沉積物可導致 石英反應室本身析晶(de-vitrify)。在常規操作條件下，IR輻射穿透反應室壁以加熱內部 反應器組件。但是，反應室壁上的不良沉積物的堆積提高了 IR吸收，因此使壁溫增加而并 足以發生析晶作用。另外，系統中每一次進行生長運作之前對反應室進行清潔通常是有利的。保證反 應室的清潔和無污染物不僅提高了晶片品質，而且也將系統重新設置為可以啟動所有運行 的已知狀態。因此，經重置的反應器狀態可提高運作與運作之間的生長過程的再現性，由此 保證了更高的生長穩定性。本申請中概述的本發明的方法和系統確保使清潔工序的時間達 到最小，因此，在減少對晶片產量的影響的同時，提高了材料品質。因此，反應室、尤其是用于HVPE法的反應室必須進行周期性的清潔。濕法清潔是 一種已知的反應室清潔方法，在該方法中，將反應室與溶解不良沉積物的清潔溶液(例如 強酸)接觸。濕法具有一些不利之處，包括拆解和重組反應器子系統耗時較長和由清潔溶 液留下的殘留污染物等。為了克服這些不利因素，已開發出在反應室原位去除不良沉積物 的干法清潔方法。通常通過使用反應室內部生成的反應性等離子體或導入反應室的反應性 氣體等將沉積物轉化為氣體，從而除去沉積物。更具體而言，干法清潔工序中使用的反應性氣體被選擇用于在與不良沉積物反應 時產生氣相產物。在許多情況中，加熱反應室以促進不良沉積物的分解。可以連續地、準靜 態地、并且按照其它已知方法來將反應性氣體引入反應室內。在一個已知的連續性方法中，
4使新鮮反應性氣體連續流入反應室，而將使用后的反應性氣體與不良沉積物的反應產物一 起連續地排出該反應室。參見例如US 4，498，953，本文出于所有目的通過援引并入其全部 內容。在一個已知的準靜態方法中，在一個或多于一個循環中進行清潔；在每一循環中，首 先將一定量的新鮮反應性氣體引入反應室內，然后該氣體靜態地保持在反應室內以便能與 不良沉積物反應；隨后在一段時間后，將使用后的反應性氣體與不良沉積物的反應產物一 起排出反應室。參見例如US 6，620，256，本文出于所有目的通過援引并入其全部內容。通常，將清潔反應室的工序與反應室內進行的生長工序單獨安排和進行。例如，在 完成生長后進行清潔。但是，某些生長工序在多個獨立步驟中進行，可在這些獨立步驟之間 進行反應器的清潔。US 6，290，774(本文出于所有目的通過援引并入其全部內容)描述了 以多個獨立步驟在基片上生長松弛GaN層的方法，其中在每一步驟中，在較高生長溫度下 在基片上生長GaN薄層，然后將該基片冷卻至較低的環境溫度，以誘導熱應力使之遲豫。該 專利還描述了在上述獨立步驟之間進行反應室清潔，即在前一步驟中基片已被冷卻之后并 在下一步驟中基片被加熱至生長溫度之前清潔反應室。但是，已經發現已知的干法清潔方法不適用于高通量HVPE材料生長。通常，這些 已知方法本身效率很低，并且還對主HVPE生長工序中斷過多。需要更為有效的、與主HVPE 工序的結合更為緊密的干法清潔方法。通過這樣的干法清潔工序，可維持反應室內基本沒 有不良沉積物以使生產出的材料具有適當的品質，從而能在所述反應室中進行特別是III 族-V族材料(如GaN)的較厚的層的高通量生產。

發明內容
本發明提供了化學氣相沉積(CVD)方法和與所提供的方法相匹配的相關反應室 子系統，由此可大規模生長品質提高、厚度增大的半導體材料。具體地，該方法在材料品質 不會因反應室壁和其內部組件上的不良沉積物的累積而發生劣化的情況下，使得材料生長 周期能夠延長。當有必要減少不良沉積物時，該方法將反應室由生長模式快速循環至原位 清潔模式，然后在不良沉積物被充分減少后循環回到生長模式。本發明的子系統使生長模 式與清潔模式之間的循環能夠快速并有效地進行。據信，反應室在生長工序和原位清潔工 序的之間的快速循環在現有技術中是不可能的。特別地，當處于生長模式中時，本發明優選自動地檢測出何時需要清潔反應室，并 且在清潔模式過程中，也檢測出何時反應室已充分清潔。通常在較高溫度下進行清潔。優 選子系統提供了必要的傳感器。優選清潔傳感器在清潔模式期間監測從反應器排出的氣體 的組成。在使用清潔傳感器時，當清潔反應的產物的水平足夠低時(如微量水平)，可確定 清潔已充分完成。通常，在清潔過程中，將工作基片移出反應室，以避免受到清潔試劑的化學損傷， 此外通常在較低溫度下進行基片的移出/重置，以避免熱損傷。優選反應室子系統具有例 如可控裝載鎖、可控機械臂、基片拾取工具和自動控制系統等單元，以快速進行基本為機械 化的基片轉移。在一些優選實施方式中，可控機械臂能進一步提高反應器生長/清潔模式 間的快速循環的速率，并因此在不引起晶片表面品質劣化的情況下，通過允許在升高的溫 度下進行基片的裝載和卸載而提高反應器的通量。優選將裝載鎖開啟通往具有受控氣氛的裝載室或中間室等，以使基片在移出反應室時，可被保持在受控條件中而不與環境氣氛接觸。在一些但并非全部實施方式中，生長和清潔模式之間的循環可需要大幅度的溫度 降低或升高。因此，優選的反應室具有低熱質量(thermalmass)，例如反應室由例如石英制 成，并由紅外(IR)輻射加熱，以使所述溫度變化能夠快速進行。另外，選擇優選的基片，以 使這種溫度變化可以被最小化。一類相對較為耐受熱應力的基片包含熱膨脹系數(CTE)與 特定目標生長材料充分匹配的材料。在優選實施方式中，本發明用于生長III族-V族半導體化合物，尤其用于通過鹵 化物(或氫化物)氣相外延(HVPE)生長III族-氮化物化合物，例如GaN。HVPE可快速 生長III族_氮化物化合物的較厚的層，但是所述快速生長可導致反應器壁和其內部組件 (例如生長晶片或基座)上不良沉積物的積聚。因此，本發明在其優選實施方式中的應用可 提供生長III族-氮化物化合物的極厚的層的能力，而不受反應室潔凈度劣化的限制，且無 需將工作基片暴露于環境氣氛中。例如，對于生長模式過程中的Ga-V族化合物(例如GaN或GaAs)，將包括含Ga化 合物和含N化合物的試劑氣體引入熱反應室內，并發生反應以沉積含Ga材料。優選地，由 反應室外部來源引入反應室的含Ga試劑氣體包含氯化鎵。當不良沉積物已經積聚至不可 接受的水平時，反應室子系統切換(優選自動切換)至清潔模式。在清潔模式過程中，將包 含鹵素或鹵素化合物的清潔氣體引入該熱反應室內部，并與不良沉積物反應，以形成氣態 反應產物。在清潔過程中，將其上生長有含Ga材料的工作基片移出。一旦廢氣傳感器指示 由反應室排出的氣體幾乎不含或不含含Ga化合物時，停止流入清潔氣體。然后，反應室子 系統切換(優選自動切換)回生長模式，并且重復進行生長-清潔循環，直至基片上沉積了 所需量的含Ga材料。優選采用具有上述優選特點的反應室子系統來執行這些方法。更具體地，本發明提供了采用在反應室中在基片上生產選定量半導體材料的方法 的優選實施方式，該方法包括通過化學氣相沉積(CVD)工序在基片上生長半導體材料的步 驟；和通過原位清潔工序去除反應室內部的不良沉積物的步驟，其中，反復進行生長和去除 步驟，以在基片上生長選定量的材料同時將反應室中的不良沉積物的量維持在可接受的范 圍內。在另一些優選實施方式中，CVD工序可以是鹵化物氣相外延法，該方法在基片上生 長一種或多于一種III族元素的一種或多于一種化合物；原位清潔工序可包括將不良沉積 物轉變為氣體產物并將其排出反應室；積聚的可接受范圍是使生長在基片上的材料具有足 以用于其預定用途的品質、或基本上沒有由不良沉積物產生的污染物的范圍；該生長步驟、 去除步驟或兩者可在選定的時間段進行，以使不良沉積物的量維持在可接受的范圍內；可 自動檢測不良沉積物的量，并基于自動檢測到的不良沉積物的量進行原位清潔工序，以將 不良沉積物的量維持在可接受的范圍內；而且可在原位清潔工序過程中將基片轉移出反應 室，并在基片轉移的過程中，將反應室溫度設置在重置/移出溫度范圍內以使基片不易受 到熱損傷。在另外優選的實施方式中，本發明提供了可用于半導體設備的反應室的內部的沉 積物的原位清潔用方法，該方法包括將反應室的內部暴露于氣體中，該氣體與不良沉積物 反應生成氣態反應產物；必要時通過進行光譜測量來自動檢測該氣態反應產物的水平，并 且持續進行氣體接觸(gas exposure)直到自動檢測到的反應產物水平表明不良沉積物的量處于可接受的范圍內。在另外優選的實施方式中，可以在已流經反應室主體后的反應室廢氣中流動的氣 體中檢測出氣態反應產物的水平；不良沉積物可包含一種或多于一種III族-V族化合物， 而清潔氣體可包含一種或多于一種鹵素化合物；可在氣體接觸的過程中將反應室加熱至足 夠高的溫度(可低于、約等于或高于不良沉積物形成過程中反應室中占優勢的溫度)。在另外優選的實施方式中，本發明提供了在基片上生長選定量半導體材料的加工 設備，該設備包含具有反應室的反應器子系統，該子系統由控制信號引導進行多種半導體 加工；用于產生響應于由反應室排出的氣體的組成的信號的氣體傳感器；和用于生成引導 反應器子系統的控制信號的自動控制器，該控制信號至少部分地基于該氣體傳感器信號生 成。在另外優選的實施方式中，控制信號包括執行用于清潔反應室內的不良沉積物的 原位工序的清潔控制信號，其中持續進行原位清潔工序直到氣體傳感器信號表明反應室內 不良沉積物的剩余量處于可接受的范圍內。該原位清潔工序可包括以下具體步驟將反應 室暴露于一種或多于一種清潔氣體，該清潔氣體與不良沉積物在反應室中反應而形成氣態 反應產物；以及將反應產物排出反應室。在另外優選的實施方式中，控制信號包括執行用于在反應室內在基片上生長半導 體材料的CVD工序的生長控制信號，其中控制器反復產生生長控制信號和清潔控制信號， 以在基片上生長選定量材料的同時，將反應室中的不良沉積物的量維持在可接受的范圍 內；優選地，該設備還可包含用于產生響應于反應室內的不良沉積物的信號的沉積物傳感 器，其中持續進行CVD工序直到沉積物傳感器信號指示應清潔反應室；CVD工序可將反應器 加熱至生長溫度范圍，并且使一種或多于一種氣體流經反應室，這些氣體發生發應而在基 片上沉積材料；前體氣體包含III族元素的鹵素化合物，并且生長溫度可以是約800°C 約 1150°C。在另外優選的實施方式中，該設備也可包含基片轉移單元(可選的是機械臂)，其 由轉移控制信號引導以進行將基片移入或移出反應室的工序，在進行原位清潔工序之前將 該基片轉移出反應室，并在該原位清潔工序之后將基片轉移回反應室內；所進行的轉移工 序優選包括在基片轉移過程中將反應器保持在重置/移出溫度，該重置/移出溫度使基片 在轉移過程中不易受到熱損傷且可為例如約600°C 約750°C。本申請使用的各標題只為了闡述清楚，并沒有任何限制性意圖。本申請引用了多 篇參考文獻，本文出于所有目的通過援引并入其全部公開內容。此外，無論所引文獻在上文 中怎樣表述，都不應認為其先于本申請所要求保護的發明主題。


通過參考以下對本發明的優選實施方式、本發明的具體實施方式
的說明性實例的 詳細描述并參考附圖，本發明將得到更加充分的理解，附圖中圖IA B圖示了本發明方法的實施方式；圖2圖示了本發明反應室子系統的示例性實施方式；圖3A B圖示了本發明的控制方法；和圖4圖示了本發明的示例性溫度曲線。
具體實施例方式本發明提供了對用于氣相材料生長法的反應室有效的干法清潔方法，尤其提供了 對用于生長半導體材料的CVD (化學氣相沉積)、PECVD (等離子增強CVD)、MBE (分子束外 延)等方法的反應室有效的干法清潔方法。本發明還提供了高通量氣相材料的生長方法， 該方法并入并結合了所提供的清潔方法以便保持反應室中基本沒有不良沉積物。本發明還 包括外延生長用設備，該設備包含針對有效執行所提供的方法的特定特征。一般而言，對于本領域技術人員是顯而易見的是，本發明可用于多種類型材料的 氣相生長方法。在一些優選實施方式中，感興趣的材料為“半導體材料”，該術語在本文中用 于指活性半導體材料(如Si、SiGe和GaN等)和組件制造中使用的附加材料(如SiO2和 W等)。半導體材料優選包括III族-V族化合物材料、特別是III族-氮化物化合物材料， 更優選為Ga、Al和In的純氮化物或混合氮化物。術語“基片”(或“晶片”)用于指代其上沉積有材料的基底或襯底物質，也指其上 生長一個或多于一個層的基底或襯底物質。基片可具有均質或異質組成，例如可包括多層 不同的材料。基體上生長的這些半導體材料(或一般性的材料)可類似地為均質的或異質 的。如果反應室中生長的材料基本不受污染，則反應室保持“足夠潔凈”，以便該材料 可被制成電子、光學或光電子組件；足夠潔凈的反應室具有“可接受”水平的不良沉積物。 如果反應室中生長的材料具有的沉積物水平使其不再適用于預定目的，則該沉積物水平為 “不可接受”的，具有所述沉積物的反應器不夠潔凈。沉積物的顆粒水平是否可接受或不可 接受是由包括所需的材料品質、生長工序、反應室幾何形狀、反應器中的流動條件等多個因 素所控制的，而且可以通過在其它因素保持為常量時對作為不良沉積物水平的函數的材料 品質進行測試來確定。以下描述通常集中于適用于特定半導體材料、尤其是例如GaN等III族-氮化物 材料的生長的實施方式。但是，該描述重點僅為簡要和清楚起見。應當理解的是，這并不將 本發明限制于所集中描述的特定實施方式。就簡要的背景技術而言，通常使用MOCVD (金屬有機CVD)或HVPE (氫化物/鹵化 物氣相外延)生長III族氮化物化合物(純凈或混合的氮化物)。在MOCVD中，將III族 前體(金屬有機化合物)和氮前體(通常為NH3)由反應室外部引入，并流過由基座承載的 熱基片，在此生長III族-氮化合物。在HVPE中，III族前體為金屬氯化物，并可由反應室 外部引入或通過將HCl流過熱III族金屬而在反應室內部產生。氮前體仍通常為NH3，且將 基片加熱到約800°C 1100°C。HCl是一種適用于MOCVD和HVPE的蝕刻劑氣體(etchant gas)，且在清潔過程中，將反應室加熱至約為或大于III族氮化物的生長溫度。可在恢復生 長之前，用H2氣吹走反應室中滯留的蝕刻劑氣體。圖IA圖示了納入并結合本發明提供的反應器清潔步驟的示意性高通量生長方 法。該生長方法如下進行進行生長(步驟103)(例如外延生長)；中斷該外延生長工序， 以通過流入蝕刻劑氣體(步驟111)清潔該反應室；然后恢復進行生長工序119。在清潔期 間，優選以連續方式流入該蝕刻劑氣體。在替代性實施方式中，可周期性流入蝕刻劑氣體， 以使該清潔工序包括一系列的一個或多于一個獨立的清潔循環。在每一個此類清潔循環
8中，將蝕刻劑氣體導入反應室中，并在反應室中保持一段時間，然后排出反應室。因為蝕刻 劑氣體能夠與不良沉積物反應并將其除去，并因而可造成工作基片的化學損傷或損毀，所 以優選在蝕刻劑氣體流入之前，將工作基片移出反應室(步驟109)。在終止蝕刻劑氣體流 后且在下一生長步驟之前，將工作基片重置入反應室內(步驟117)。在終止蝕刻劑氣體流 后，可通過例如流入非蝕刻劑氣體將殘余蝕刻劑氣體由反應室中吹走。在清潔過程中，可使用單一蝕刻劑氣體，或使用多種蝕刻劑氣體的組合，或先后使 用不同的蝕刻劑氣體。根據蝕刻劑氣體在與基本生長工序相容的條件下與不良沉積物發生 反應而形成可容易地排出反應室的氣相產物的能力來選擇蝕刻劑氣體。特別地，蝕刻劑氣 體不應遺留可污染生長工序或導致反應室自身損壞的殘余物。例如，可選擇蝕刻劑氣體用 于(在熱動力學上)驅使生長工序逆向運行，從而引起不良沉積物的分解。在蝕刻劑氣體 流動過程中，可加熱反應室，或不加熱反應室。優選的是，對于III族氮化物生長工序而言， 除了 HCl之外，適用的蝕刻劑氣體通常為含鹵素物質，例如鹵素單質(如F2和Cl2)，以及鹵 素與氫、其它鹵素、惰性氣體和稀有氣體等的化合物(例如，此1、8(13、3比14、(1&、順3等)。 蝕刻劑氣體可以以其自然狀態使用，或將其通過等離子體激發后使用。在完成材料生長(步驟121)之前，反復進行生長步驟103和119，并將清潔步驟 111以足夠的頻率反復進行并持續的足夠時間以將不良沉積物在整個生長步驟中限制在可 接受的水平。因此在該方法中，必須確定何時已積聚了足夠的不良沉積物從而應中斷生長 并啟動清潔；也必須確定何時已分解了足夠的不良沉積物從而應終止清潔并繼續生長。操 作者可作出上述判定的一個或兩個。例如，操作者可監視(如通過目測)生長過程中的反應 室，判定不良沉積物的積聚何時達到應清潔反應室的程度，進而中斷生長，并啟動清潔。然 后，操作者可監視(例如還是通過目測)清潔過程中的反應室，判定反應室何時基本不存在 不良沉積物，進而終止蝕刻劑氣體流，吹凈反應室內的蝕刻劑氣體，并繼續進行生長。在一些優選實施方式中，可自動作出上述判定的一個或兩個，從而操作者的疏忽 或低效率不會必然延誤運轉中的高通量生長工序。在一種實施方式中，根據所經歷的時間 確定上述判定的一個或兩個。例如，對于特定反應室和采用基本固定的參數(如壓力、溫度 和流速等)進行的特定生長工序，可通過實驗和經驗確定不良沉積物積聚到達不可接受水 平的所經歷時間。類似地，對于其中特定蝕刻劑氣體以已知的流動速率和溫度等流動的特 定反應室，可確定可接受水平的不良沉積物的分解所經歷的運行時間。然后，可在根據所經 歷的積聚時間而確定的時間段內運行生長步驟103和119，而且，可類似地在根據所經歷的 分解時間而確定的時間段內運行清潔步驟111。在更優選的實施方式中，可基于傳感器信號輸入自動作出上述判定(即何時中斷 生長并啟動清潔(步驟107)和何時中斷清潔并恢復生長(步驟115))中的一個或兩個。例 如，何時中斷生長(步驟107)的判定可取決于來自沉積物傳感器的輸入信號，所述沉積物 傳感器響應于反應室內已經積聚的不良沉積物的量。當沉積物傳感器信號指示不良沉積物 即將達到不可接受的水平時，可自動中斷生長并啟動清潔。何時中斷清潔的判定也可取決 于來自相同沉積物傳感器的輸入信號而作出。當沉積物傳感器信號指示反應器中剩余的不 良沉積物足夠少時，可自動中斷清潔并恢復生長。但是，優選的是，根據清潔過程中從反應室排出的廢氣的組成、特別是根據廢 氣中存在的蝕刻劑氣體與不良沉積物之間的反應產物的量來判定何時中斷清潔。無需測定完整的組成；只需檢測可將反應產物與廢氣中其他成分區別開的標志、指紋性特征 (fingerprint)和簽名性特征(signature)等。另外，不需持續性監測所述標志；只需進行 間歇性采樣。所述標志可包括廢氣的光譜特征。當測定的或采樣的標志指示廢氣中沉積反 應產物的水平已足夠低時，可自動中斷清潔并恢復生長。可以以其它對于本領域普通技術 人員顯而易見的方法來判定何時中斷生長或清潔步驟。如上文所討論，清潔過程中的基片可遭受蝕刻劑氣體的化學損傷，因此必須保護 基片免于與這些氣體接觸。在大多數實施方式中，在啟動清潔之前，將基片移出反應室(步 驟109)，并在恢復生長之前重置入該反應室(步驟117)。這些步驟基本上是機械化的，且需 要打開和關閉反應器并操控基片。雖然這些步驟可通過操作者的手動操作而進行，但在高 通量生長工序過程中優選不采用這種手動操作。即便是經過良好訓練的操作者也可能疏忽 或效率低下，這可能引起延誤。因此，本發明使用的反應室子系統優選包含自動可控裝置， 該自動可控裝置可響應于控制信號而進行基片的移出和重置。參考圖2對這些步驟的自動 執行進行了進一步描述，該示了具有所述可控裝置的示例性反應室子系統。圖IA及其相關描述主要針對將本發明的清潔方法并入并結合于高產量生長方 法，其中，該清潔方法作為高產量生長方法整體的一部分而進行。但是，這些清潔方法可由 替代手段實現。例如，圖IB圖示了這些步驟也可以以獨立的清潔工序而分別進行。圖IB 的工序開始時(步驟101)，反應室內具有不可接受的或過量的水平的不良沉積物，所述不 良沉積物來自例如反應室內進行的此前的生長工序或其它工序。必要時，此前的工序過程 中的監測傳感器能判定是否積聚了不可接受的或過量的不良沉積物。反應室清潔可在反應室原位進行，或者可將該反應室移出并置于清潔子系統中。 然后，將對待用蝕刻劑氣體敏感的材料(例如生長基片)移出反應室(步驟109)。當完成清 潔時，重置所移出的材料(步驟117)。此刻將蝕刻劑氣體(或多種蝕刻劑氣體)作為連續 性氣流或間歇性脈沖流引入反應室(步驟111)。優選如上所述，通過檢測排出反應室的氣 體中的蝕刻劑氣體與不良沉積物的反應產物的標志，而對清潔進程進行監測(步驟113)。 該標志可為廢氣的光譜特征。當確定清潔已經完成時(例如通過廢氣中的反應產物水平降 至足夠低的水平而確定)，則該清潔工序結束(步驟123)。對于本領域技術人員而言顯而 易見的是，作為另一種選擇，可將本發明的清潔方法和其步驟并入并結合于反應室內進行 的其他生長工序中、甚至其他工序中，或者也可將本發明的清潔方法和其步驟在不同獨立 實施方式中進行不同的安排。這些替代性方案均在本發明的范圍內。有利的是，將本發明的方法與具有某些優選特征的反應室、反應室子系統(和/或 生長/沉積系統)結合實施，所述優選特征能夠使所述清潔方法的一個或多于一個步驟自 動化。所述優選特征包括反應室廢氣組成傳感器；不良沉積物傳感器；用于將基片轉移入 和轉移出反應室的可控機械裝置(例如自動機械)；用于晶片拾取組件的選擇性氣體物質； 反應室與其外部之間的可控門；可控蝕刻劑氣體入口 ；保持從反應室移出的基片不與環境 氣氛接觸的裝載室或中間室；用于接收傳感器信號和輸出控制信號的自動控制系統等。圖2圖示了具有上述特征的示例性高通量反應室子系統。通常，反應室211至少 部分地由石英構建。例如基座(或基片保持器)217的內部組件受到來自IR燈247的穿過 反應室石英部分的IR輻射加熱。所述反應室的熱質量低，并且與具有(例如直接受熱的) 不透明壁的反應室相比，可被更快地加熱和冷卻。通過示意性圖示的入口 219和223引入
10前體氣體，入口 219和223優選由閥門221和225 (或通過質量流量控制器等)自動進行控 制。前體氣體入口的安置方式使前體氣體流過一個或多于一個由熱基座217承載的基片， 在此氣體發生反應而沉積生長材料。基座可在生長過程中保持靜止，但更常見的是基座通 過基座控制器217a進行旋轉。使用后的前體氣體通過排氣口 223排出反應室。美國臨時專利申請第60/866，910號(申請日為2006年11月22日)、第 60/866，965號(申請日為2006年11月22日)、第60/866，928號(申請日為2006年11 月22日)、第60/866，923號(申請日為2006年11月22日)、第60/866，953號(申請日 為2006年11月22日)和第60/866，981號(申請日為2006年11月22日)中描述了具 有上述一般特征且針對含有III族-V族化合物的材料(例如，GaN半導體材料)的高通量 生長的所述反應室和相關子系統的具體實施方式
，本文出于所有目的通過援引并入其全部 內容。所述實施方式采用了 HVPE法，采用III族氯化物前體(如GaCl3)外部源，并包括減 緩不良沉積物的積聚的特征(例如將反應室壁保持在顯著低于沉積溫度的溫度)。圖示的反應室也包含可用于本發明方法的特定特征。某些優選的特定特征針對蝕 刻劑氣體的可控性引入。可通過多個單獨的入口 227將蝕刻劑氣體引入反應室，或作為另 一種選擇，可將蝕刻劑氣體通過也用于前體氣體的入口引入。不管如何引入，在實踐中優選 例如通過可控閥門229(或質量流量控制器等)可控地引入蝕刻劑氣體。其它優選特征針對監測不良沉積物的量或程度，以便在積聚了過量沉積物時使生 長可自動中斷并且不受操作者的延滯。不良沉積物的積聚可進行光學監測，因為這類沉積 物通常反射光和/或吸收光，還因為該反射或吸收的水平通常至少在一定程度上取決于不 良沉積物的水平。于是，將示例性光學傳感器237a和237b安置來測量反應室11的石英壁 處的光反射率和/或透過石英壁并穿過反應室的光透射率，以將信號241提供給控制系統 239。在其它實施方式中，可測量反射和吸收的細節(例如選定角度的反射或選定頻率處的 吸收)以提高沉積物監測的靈敏度和選擇性。另外，可使用聚焦在反應室內部選定組件上 的光線來對所述選定組件上的不良沉積物積聚進行光學監測。作為另一種選擇，可通過不良沉積物對反應室及其內部組件的影響來間接檢測不 良沉積物的存在和量。例如，可通過測量反應室11室壁溫度的增加來檢測不良沉積物，因 為反應室11室壁上的所述沉積物吸收來自燈247的IR輻射并由此增加壁溫。另外，也可 通過測量反應室運行特性的變化來檢測不良沉積物。旋轉基座及其支持體上的不良沉積物 可增加摩擦或改變該基座的其他旋轉特性。不良沉積物可使氣體入口端口、廢氣端口等部 分堵塞，并可測量地改變通過這些端口的氣流的特性。其它優選特征針對監測反應器清潔進程，以便在反應室足夠潔凈時可自動中斷清 潔并且不受操作者的延滯。可使用與用于監測不良沉積物積聚相同的方式來監測清潔。例 如，當來自上述光學傳感器的信號指示反應室中很少存在或不存在不良沉積物時，可中斷 清潔。但是，優選通過對清潔過程中反應室排出廢氣的組成進行檢測或采樣來監測清潔。這 些氣體包含蝕刻劑氣體與不良沉積物之間的反應產物，而且據信當清潔接近完成時，這些 反應產物的濃度降低至微量甚至為0。因此，圖2圖示了安置用于對進入反應室排氣口 233 的氣體的組成進行檢測或采樣的分析器235。合適的化學分析器可基于已知化學分析技術，特別是基于不同類型的光譜分析。 例如，流經廢氣管道的氣體紅外(IR)光譜可用于確定廢氣中選定物質的濃度，因為所述光譜顯示出廢氣中化學物質的區別振動特征。例如，包含GaN(或其他III族氮化物)的不良 沉積物與包含HCl的蝕刻劑氣體的反應產物通常含有多種Ga氯化物(或其他III族氯化 物)物質，這些物質在紅外光譜中具有可檢測出的區別振動特征。于是，分析器235可包含 紅外光譜儀，例如傅立葉變換紅外(FTIR)光譜儀。另外，紫外吸收光譜技術可作為輔助性 光學技術使用。此外，質譜可區別性地鑒定反應產物。因而，分析器235可包含質譜儀，例 如飛行時間質譜儀、四極桿質譜儀或其他類型的質譜儀。其它優選特征針對自動地且基本沒有或沒有操作者照管時在反應室清潔前進行 基片(更通常為工件)移出，并在反應室清潔后重置基片。一個此類特征為機械臂231或類 似設備，該機械臂由控制器231a控制，以使該機械臂執行如下的一系列動作以物理方式 將基片由反應室內部移出至外部位置，并以物理方式將基片由該外部位置重置回反應室內 部。該機械臂可使用前側或背側晶片拾取技術。在優選實施方式中且對于高溫應用而言， 所述機械臂裝有基于伯努利原理運行的拾取桿(伯努利桿233)。參見例如US 5，080，549， 本文出于所有目的通過援引并入其全部內容。伯努利桿利用朝向基片的向下噴射氣流在基 片的上方產生低壓區，從而產生跨基片的壓力差，該壓力差可在不接觸基片的情況下提起 并保持住通常很熱的基片。和與基片發生物理接觸的拾取裝置相比，伯努利桿可降低基片 污染和溫度梯度。其它優選的基片移出/重置特征與機械臂和伯努利桿協同作用，以提供進入反應 室的自動接入物(例如裝載鎖215)，并且在基片被移出反應室時提供對基片的操控(例如 中轉室(或裝載室)213及相關組件)。裝載鎖215包括門，該門可在生長和清潔過程中自 動關閉以使反應室密封，也可自動開啟以使機械臂可到達反應室內的基片。當基片在生長 過程中處于反應室內部時，通常將其置于基片保持器上，例如基座217。當基片在清潔過程 中處于反應室外部時，也可將其置于裝載室內的基片保持器上(例如，基片保持器245)，或 在沒有裝載室時置于保持器251上，或由機械臂保持。機械臂231可通過位于裝載室213 和外部249之間的自動可控的后鎖門216到達基片保持器251。該裝載室和相關組件還可執行可用于提高基片轉移速度的功能。例如參見US 6，073，366，本文出于所有目的通過援引并入其全部內容。例如，裝載室和裝載鎖門可起到 類似空氣鎖的功能。在開啟通往反應室的裝載鎖門之前，可以控制裝載室的氣氛，以使其壓 力基本與反應室氣氛的壓力相等，或其具有不與反應室氣氛或反應室內組件發生反應的組 成(例如是惰性的)，或者與反應室氣氛相容。類似地，在開啟后鎖門之前，可以控制裝載室氣氛的以便基本為大氣壓或沒有毒 性成分等。然而，優選的是，當基片移出反應室時將基片保留于裝載室中，該裝載室具有受 控氣氛，以便不與基片反應或不阻礙進一步的材料生長等。其它優選特征包括用于在基本沒有或沒有操作員干預的情況下進行本發明的方 法的控制系統239。相應地，該控制系統優選接收反應室清潔進程的傳感器信號241，并根 據所接收到的傳感器信號向機械臂控制器、裝載鎖門和蝕刻氣入口提供控制信號，從而使 本發明的方法得以執行。另外，控制系統可接收監測不良沉積物積聚的傳感器信號。控制 系統239也可監測和控制反應室和反應室子系統的其它方面的操作，這些操作沒有在本發 明的方法中具體涉及。例如，控制系統239也可監測和控制反應器溫度、反應器壓力、前體 流速和生長工序的其它方面。控制系統239 —般包括內存、存儲器和可編程器件(例如微處理器)等。該控制系統還優選包括用戶交互設備，例如鍵盤和顯示器等。圖3A B圖示了使用圖2的反應室子系統的圖IA B所示方法的詳細實施方式， 其中所述方法可以通過控制系統239進行。要理解的是，圖示的實施方式是實例，而不應被 視為具有限制性。通過這些附圖及以下描述，本領域普通技術人員將意識到所圖示的步驟 的替代性組合和排列方式，而且更一般而言，將意識到如何將圖示步驟改編并實施于其它 反應室子系統上。這些替代方式在本發明的范圍內。圖3A主要圖示了并入并結合本發明的清潔方法的外延生長工序。圖3B進而詳細 說明了這些清潔方法。首先轉向圖3A，通常，當控制器(例如，控制系統239)通過特別是 啟動加熱燈247以將溫度升高至外延生長溫度(步驟303)來確立反應室中的生長條件時， 其中所示的生長工序開始(步驟301)。在到達生長溫度后，控制系統通過例如啟前體入口 219和223和前體入口閥221和225而使前體氣體流入反應室，以使前體氣體以適當的速 率和壓力流入反應室。外延生長在前體氣體在熱基片處反應時開始。可由已知方法監測生 長，且當生長完成時(步驟307)，例如已沉積了足夠厚度的材料層時，控制器終止前體氣流 (步驟314)并繼續(步驟315)。本發明的清潔方法可按照以下方式并入并結合至該已知工序中。該控制器連續性 或間歇性檢測反應室中不良沉積物的水平(步驟309)，而且當控制器確定已經積聚了過量 不良沉積物時(步驟311)，便根據圖3B所示的本發明，終止前體氣流(步驟312)并進行 反應器清潔(步驟313)。當完成反應器清潔時(步驟307)，如果有必要則控制器將繼續進 行外延工序(步驟305)，否則繼續后續步驟(步驟315)。如上所述，優選通過沉積物傳感 器237檢測不良沉積物的水平，并且控制器使用來自這些傳感器的信號241確定是否已經 積聚了過量的不良沉積物。作為另一種選擇，可通過操作者觀察確定不良沉積物的水平。反應器清潔(步驟313)也優選由控制系統239(或其它專用控制系統)控制。圖3B 詳細說明了示例性清潔工序，該工序主要包括三組依次進行的步驟將基片移出反應器，由 步驟319和321進行；去除不良沉積物，由步驟323、325、327、329、331和333進行；和將基 片重置回反應器內，由步驟335和337進行。在多種實施方式中，所述三組步驟在不同的溫 度進行。圖4圖示了所述實施方式、特別是當其與III族氮化物(如GaN)的生長工序結合 時的示例性溫度曲線。圖4中，外延生長步驟401和417在較高生長溫度進行。去除不良 沉積物的步驟409通常也在較高溫度進行，該溫度可達到并高于生長溫度。實踐中清潔循 環中的高溫可使不良沉積物更快地得到去除，這是因為高溫提高了蝕刻劑和沉積物之間的 反應速率。但是，選定基片的移出/重置(步驟405和413)通常在明顯更低的溫度進行， 以避免對基片和其上生長材料的熱損傷。所述熱損傷通常由表面分解或熱應力造成。如果該應力過量，該基片可能例如通 過彎曲或其它方式而變形。如果基片包含熱膨脹系數(CTE)不同的多個層，這些層可能開 裂或剝落。在本發明的優選實施方式中，可在基片移出反應器時對基片施以外部加熱，以防 止發生毀壞性熱沖擊。作為另一種選擇，可將加熱元件容納于轉移(裝載)室自身中，但是 可能需要對反應室的內部組件進行改造，以防止過高的溫度帶來的組件損壞。作為另一種 選擇，優選通過限制反應室內的溫度變化速率，以及在基體移入和移出反應室時將反應室 溫度降低至(裝載室)環境溫度附近，而避免熱損傷。相應地，圖4圖示了移出/重置溫 度405和413顯著低于較高的生長和清潔溫度401、409和417。圖4也圖示了溫度下降段
13403和溫度上升段415，該溫度變化足夠緩慢，以防止生長晶片中出現過量的應力。工序步 驟407和411的變溫速率(ramp rate)并不受工作基片的熱性能的限制，因為該晶片在清 潔循環中置于反應器外部的裝載室內。因此，步驟407和411的變溫速率只受限于反應器 本身的加熱/冷卻速率，在優選實施方式中，加熱速率高于100°C /分，同時冷卻速率高于 75°C / 分。應當理解的是，圖4中圖示的時間和溫度只出于說明性目的，而不能理解為限制 性。例如，適用于III族氮化物(例如GaN)生長的生長溫度為900°C 1150°C，清潔溫度為 1000°C 1150°C。對于其它材料，這些溫度可以不同。例如，對于SiC等而言溫度可能高于 上述溫度，而對GaAs等而言溫度可能低于上述溫度。不同的基片可能需要較低的移出/重 置溫度或能耐受較高的移出/重置溫度，某些基片的移出/重置溫度可能需要低至250°C， 而其它基片的移出/重置溫度可能高達900°C。重置和移出溫度也可不同。另外，圖4圖示 了圖2的自動反應室子系統或類似系統的重置/移出時間。如果反應室子系統包含半自動 或手動移出/重置裝置，這些步驟可能需要明顯更多的時間，并且可能需要在較低溫度進 行。作為另一種選擇，其它自動化反應室子系統能夠更快速地執行這些步驟。例如，如果傳 感器可測量沉積積聚速率或反應產物濃度降低速率，那么便可預測啟動清潔和恢復生長的 時間，并且可預先進行某些操作。現描述一種生長-清潔循環。圖3B圖示了示意性工序步驟，且圖4垂直虛線之間 的部分圖示了示意性熱曲線。生長周期305(圖3A)在之前的清潔周期之后開始，并顯示 在約950°C的溫度使401 (圖4)延長約60分鐘。在該段時間中，對已積聚過量不良沉積物 (步驟311)進行判定(步驟309)，并且終止前體氣流(步驟312)并開始清潔周期(步驟 313)。清潔工序自身以第一組步驟(步驟319和321)開始(步驟317)，此時控制系統 239使反應室溫度下降(步驟319)至如圖所示的約500°C的移出溫度。600°C的溫度下降 (403)需要約15分鐘，如圖所示。然后，控制系統通過生成控制信號243移出基片(步驟 321)，該控制信號依次打開裝載鎖門215 ；指示機械臂控制器231a伸展機械臂231通過開 啟的裝載鎖門進入反應室211 ；使伯努利桿233從基座217拾取工作基片；指示機械臂控制 器將機械臂收回裝載室213內；和關閉裝載鎖門。目前由伯努利桿保持的基片可在必要時 置于裝載室內部的基片保持器245上(或裝載室外部的基片保持器251)。必要時可將基座 保持器配置來緩沖工作基片的溫度變化。參見例如US 6，893，507，本文出于所有目的通過 援引并入其全部內容。此處所示的工作基片的移出/重置在500°C需要1 2分鐘。然后，第二組步驟(步驟323、325、327、329、331和333)進行實際的不良沉積物去 除。在較高的清潔溫度(如409所示約為1100°C )進行清潔，并相應地控制系統升溫(步 驟323)以將反應室溫度由較低的移出/重置溫度升至較高的清潔溫度。如圖所示，該升溫 過程407需要約6分鐘。現可將蝕刻劑氣體以選定流速和壓力流入(步驟325)(在優選實 施方式中)并通過反應室，以與不良沉積物反應生成氣態產物。作為另一種選擇，可反復進 行多次較短的清潔循環，每一循環包括將一等分(aliquot)的蝕刻劑氣體引入反應室并使 其在反應室中保留一段時間，然后排出該氣體。作為其它選擇，可以例如通過對蝕刻劑氣體 施加射頻電磁場來在反應室內生成化學反應性等離子體，因此產生高能離子物質。如上所述，控制系統優選通過對來自反應器的廢氣進行采樣(步驟327)以確定清潔反應產物的水平，從而自動監測清潔進程。如果該水平顯示反應室已足夠潔凈(步 驟329)，例如該水平降至低于閾值(或降至微量級)，控制系統終止流入蝕刻劑氣體。如 圖所示，清潔周期409約為15分鐘。在繼續進行下一步生長之前，優選通過例如使吹掃氣 (purging gas)流經整個反應室而將蝕刻劑氣體吹出反應室311。在GaN的情形中，優選H2 作為吹掃氣，并且在反應室中存在H2時加熱反應室。然后，控制系統使反應室溫度降低(步 驟333)至移出/重置溫度413。如圖所示，該降溫過程需要約9分鐘。最后一組步驟(步驟335和337)將反應室準備用于下一周期的外延生長(如有 必要)。通過控制裝載鎖門和機械臂以將工作基片移出裝載室(步驟335)(或移出裝載室 外部的基片保持器251)并將基片置于反應室中的基座上，控制系統將基片重置回反應室 內部(步驟335)。除了以逆序進行以外，重置步驟335的具體操作與移出步驟321的操作 基本相同，因此不再贅述。如圖所示，基片重置413需要約1 2分鐘，但是，如果其包括半 自動或手動操作步驟，該過程可能需要更長的時間。然后，將反應室溫度再次升高回至生長 溫度417 (步驟337)，如圖所示，該過程需要約15分鐘。從圖4顯而易見，清潔過程的大部分時間花費在變溫和移出/重置基片的輔助性 步驟中。在這些時段中，既不能在基片上生長材料，也不能將不良沉積物移出反應室，因此， 快速進行這些輔助性步驟是有利的。如上文所述，通過使基片移出和重置步驟所需的基本 為機械化的操作自動化，可快速、可靠地進行移出/重置步驟。如果溫度變化速率可以更 高，或者如果重置/移出溫度與生長/清潔溫度能更為接近，則可減少變溫所需的時間。例 如，插圖419內的點狀曲線圖示了完整清潔循環的溫度曲線，其中該移出/重置溫度約為 8500C (未改變該清潔循環的其他參數)。該清潔循環的持續時間只是原清潔循環(其中移 出/重置溫度約為500°C )持續時間的約55% 60%。如上文所討論，因為溫度變化速率和移出/重置溫度主要由工作基片對熱應力的 耐受能力決定，使用更為耐熱的基片是有利的，而且也是提高本發明清潔步驟效率的優選 方式。通常，優選的是，基片和其上生長的材料(更一般而言為生長工序中使用的工作材 料)可適應在高溫反應室和低溫裝載室之間的反復轉移而幾乎沒有或沒有損傷(即任何損 傷都不會損害工作材料的預定用途)。基片對熱應力的響應部分地取決于其熱膨脹系數(CTE)。在本發明的一些優選實 施方式中，工作基片基本上為平面基底基片材料層，其上生長有一個或多于一個其它層。如 果不同層的CTE相差足夠大或足夠高，則較低的熱應力或較慢的溫度變化速率可引起足以 致使基片損傷的差異性熱膨脹。因此，有利的是，基片和其上生長的材料具有足夠低或充分 匹配(對于異質材料的情況)的CTE，從而該基片可耐受較高的熱應力和較高的溫度變化速 率而不發生損傷。例如，所述基片可在溫度高于約600°C或約700°C或高達約850°C以上的 反應室中進行移出或重置。CTE可以多種方式匹配。在一種方式中，可在與生長材料相同或相近材料的基底基 片上生長材料。例如，可在GaN自身的基底基片上生長GaN(和其他III族氮化物)，或者 可在例如AlN的基底基片層上生長GaN，AlN的晶體結構和CTE與GaN的晶體結構和CTE密 切匹配。參見例如US 5，909，036，本文出于所有目的通過援引并入其全部內容。在另一種 方式中，可由一種或多于一種具有與其上生長的材料相匹配的CTE的材料和一種或多于一 種具有與生長材料相匹配的晶體結構的其它材料來構建復合基底基片。這些材料的排列方式使該復合基片的表面與生長材料的CTE和結晶結構匹配。例如，在GaN(或其他III族氮 化物)的情形中，復合基片可包含兩個或多于兩個層，其中上部的多個層(或一層)的CTE 與GaN的匹配程度逐漸增加，且可包含與GaN的晶體結構相匹配的薄表面層。參見例如US 6，867，067 和 US 2004/0235268。清潔GaN生長用反應器的實施例對于典型的清潔工序而言，機械臂將在小于1分鐘的時間內將生長晶片從反應室 移至裝載鎖。將反應室加熱至650°C 120(TC的溫度。將氫氣和HCl蒸氣一起流入反應 室，以更有效地激活該蝕刻物質。優選實施方式還利用雙重流動工序，以優化該反應器沉積 物的去除。首先，采用低流動方案(5slm 10slm&H2+HCl，H2 HCl的比例為1 2
1 5)，以使該蝕刻劑物質可擴散至整個反應室，以保證該蝕刻劑物質可接觸反應器的所 有區域。對于第二流動方案，將總流速升高(IOslm 40slm&H2+HCl，H2 HCl的比例為
2 1 10 1)。該高流速方案可使熱基座更下游的材料被蝕刻；另外，高流速也以物理 方式將大顆粒由反應室壁上去除。清潔反應室的總時長為5 30分鐘，這取決于FTIR分 析器中蝕刻產物的特征。然后可重新裝載生長晶片，以進行下一步氮化物沉積。上述的本發明的優選實施方式不應限制本發明的范圍，這是因為這些實施方式只 是對本發明的幾個優選方面的闡釋。任何等同的實施方式都應處在本發明的范圍內。實際 上，除了本申請所顯示和所描述的內容之外，本發明的各種變化，例如所述要素的替代性可 用組合，通過后續描述對本領域技術人員而言都是顯而易見的。所述變化還應落入所附權 利要求的范圍內。在下文(和本申請全文中)，標題和圖例的使用僅為清楚和方便起見。本 申請引用了多篇參考文獻，本文出于所有目的通過援引并入其全部內容。此外，無論所引文 獻在上文中怎樣表述，都不應認為其先于本申請所要求保護的發明主題。
權利要求
一種在半導體材料生產用反應室內控制半導體材料不良沉積物的方法，所述方法包括在基片上生產半導體材料；和通過原位清潔工序以如下任一種方式去除所述反應室內的不良沉積物(a)重復進行生產和去除工序，從而在所述基片上提供選定量的半導體材料，同時將所述反應室內的不良沉積物的量維持在可接受的范圍內；或(b)使所述反應室內部與一種或多于一種的清潔氣體接觸，所述清潔氣體與所述不良沉積物反應而形成氣態反應產物；自動檢測所述氣態反應產物的水平；并在所述反應室中持續進行氣體接觸，直至經自動檢測的所述氣態反應產物水平表明所述不良沉積物的量處于可接受的范圍內。
2.如權利要求1所述的方法，其中所述原位清潔工序包括通過化學氣相沉積(CVD)工序在所述反應室中的基片上生長選定量的半導體材料；和通過反復進行生長和去除步驟來去除所述反應室內的不良沉積物，直到在所述基片上 生長了選定量的材料并且所述反應室內的所述不良沉積物的量維持在可接受的范圍內。
3.如權利要求2所述的方法，所述方法還包括將所述基片維持在受控條件中而不與環 境氣氛接觸，直到在所述基片上已生長選定量的半導體材料。
4.如權利要求2所述的方法，其中，所述CVD工序包括氫化物氣相外延法；生長于所述 基片上的所述半導體材料包含一種或多于一種III族元素的一種或多于一種化合物，且所 述原位清潔工序包括將不良沉積物轉化為從所述反應室排出的氣態產物。
5.如權利要求2所述的方法，其中，所述不良沉積物積聚的可接受范圍是使生長于所 述基片上的所述材料的品質足以用于預定用途的范圍。
6.如權利要求2所述的方法，其中，所述積聚不良沉積物的可接受范圍是使生長于所 述基片上的所述材料基本上不受由所述不良沉積物引起的污染的范圍。
7.如權利要求2所述的方法，所述還包括自動檢測不良沉積物的量；和根據自動檢測到的不良沉積物的量進行原位清潔工序，以將不良沉積物的量維持在可 接受的范圍內。
8.如權利要求1所述的方法，所述方法還包括在所述原位清潔過程中將所述基片轉移 出所述反應室，在基片轉移過程中將所述反應室的溫度設置在重置/移出溫度范圍內以使 所述基片不易受熱損傷。
9.如權利要求1所述的方法，其中所述原位清潔工序包括使反應室內部與一種或多于一種清潔氣體接觸，所述清潔氣體與所述不良沉積物反應 而形成氣態反應產物；自動檢測所述氣態反應產物的水平；和持續進行氣體接觸直到自動檢測的所述反應產物水平表明不良沉積物的量處于可接 受的范圍內。
10.如權利要求9所述的方法，所述方法還包括將一種或多于一種清潔氣體流經所述 反應室，和通過進行光譜測量來檢測反應室廢氣中氣態反應產物的水平，其中，所述不良沉 積物包括一種或多于一種III族-V族化合物、鹵族化合物，并且其中所述清潔氣體包含鹵素化合物。
11.一種用于在基片上生長選定量半導體材料的加工設備，所述設備包含包含反應室的反應器子系統，通過控制信號引導所述子系統以進行各種半導體工序；氣體傳感器，所述氣體傳感器用于產生響應于從所述反應室排出的氣體的組成的信 號；和自動控制器，所述自動控制器用于產生引導所述反應器子系統的控制信號，所述控制 信號至少部分地依賴于所述氣體傳感器信號而產生。
12.如權利要求11所述的設備，其中，所述控制信號還包含清潔控制信號，所述清潔控 制信號執行將不良沉積物清潔出反應室內的原位工序；且其中持續進行所述原位清潔工序 直到所述氣體傳感器信號指示所述反應室內不良沉積物的剩余量處于可接受范圍內。
13.如權利要求12所述的設備，其中所述原位清潔工序還包括使反應室與一種或多于一種清潔氣體接觸，所述清潔氣體與所述反應室內部的所述不 良沉積物反應而形成氣態反應產物；和將所述反應產物從所述反應室排出。
14.如權利要求12所述的設備，其中，所述控制信號還包含執行CVD工序的生長控制信 號，所述CVD工序用于在所述反應室內的基片上生長半導體材料；其中，所述控制器反復產 生所述生長控制信號和所述清潔控制信號，從而在所述基片上生長選定量的材料而同時將 所述反應室內不良沉積物的量維持在可接受范圍內。
15.如權利要求14所述的設備，所述設備還包含用于產生響應于所述反應室內的不良 沉積物的信號的沉積物傳感器，且其中持續進行所述CVD工序直到沉積物傳感器信號指示 應清潔所述反應室。
16.如權利要求14所述的設備，其中，所述CVD工序還包括將所述反應器加熱至生長溫度范圍；和將一種或多于一種前體氣體流經所述反應室，所述前體氣體發生反應而將所述半導體 材料沉積于所述基片上。
17.如權利要求16所述的設備，其中，所述前體氣體包含III族元素的鹵素化合物，其 中所述生長溫度范圍為約800°C 約1150°C。
18.如權利要求12所述的設備，所述設備還包含具有受控氣氛和基片轉移單元的裝載 室，其中所述基片在原位工序期間駐留于所述裝載室，而所述基片轉移單元由轉移控制信 號引導以用于進行將基片轉移入或轉移出所述反應室的工序；在所述原位清潔工序之前將 所述基片轉移出所述反應室，而在所述原位清潔工序之后將所述基片轉移回所述反應室。
19.如權利要求18所述的設備，其中，所述基片轉移單元還包含機械臂，且所述轉移工 序還包括在基片轉移過程中將所述反應器保持在重置/移出溫度，所述重置/移出溫度是 使所述基片在轉移過程中不易受到熱損傷的溫度。
20.如權利要求19所述的設備，其中，所述重置/移出溫度為約600°C 約750°C。
全文摘要
本發明涉及半導體加工設備和方法的領域，并且特別提供了例如反應室壁上和其它位置等反應室內部的不良沉積物的原位去除方法和設備。根據本發明的方法，將清潔步驟納入并結合于高通量生長工序中。優選的是，何時暫停生長并啟動清潔、何時終止清潔并恢復生長的時間基于傳感器的輸入值自動確定。本發明還提供了用于高效執行本發明的結合的清潔/生長方法的反應室系統。
文檔編號C23C16/52GK101903563SQ200880121507
公開日2010年12月1日 申請日期2008年12月5日 優先權日2007年12月20日
發明者克里斯蒂安·J·韋爾克霍芬, 安德魯·D·約翰遜, 尚塔爾·艾爾納, 彼得·J·馬洛里斯, 瓦西爾·沃爾薩, 羅伯特·格登·里奇韋, 羅納德·托馬斯·小伯特倫 申請人:硅絕緣體技術有限公司