[发明专利]用于蒸发的装置、用于蒸发的坩埚和在基片上生长膜的方法

说明书

技术领域

本发明涉及用于蒸发的装置，该装置包括真空腔、限定基片平面 的基片台和至少一个喷射单元，该喷射单元包括具有容积的坩埚，其 中所述喷射单元、坩埚和基片台设置在真空腔内。

本发明还涉及用于蒸发的坩埚，其具有容积，包括第一端、第二 端、至少一个侧壁和孔隙。

本发明还涉及通过在真空腔中蒸发以在基片上生成膜的方法，该 真空腔中包括至少一个喷射单元和包含源材料的坩埚，该方法包括将 基片放置在真空腔内、将原子或分子从源材料中蒸发出来。

背景技术

在蒸发方法中，基片被放置在真空腔内。将欲沉积于基片上的源 材料也布置在真空腔内。该源材料加热到开始蒸发的点。真空允许原 子或分子在腔中自由蒸发，并且原子或分子随后凝结在基片表面上。 该原则对于所有蒸发方法都是一样的，只是用于蒸发源材料的方法不 同。存在两种普遍的蒸发方法，即电子束蒸发和阻抗蒸发。在阻抗蒸 发中，源材料在高电流下电加热以使材料蒸发。分子束取向附生是一 种蒸发方法，其特征在于慢的沉积速度，这允许膜取向附生地、也即 通过有序的晶体生长而在基片上生成。

分子束取向附生(MBE)是经由一个或几个分子或原子束相互作 用而在加热的晶体基片表面上取向附生地生长的技术。在MBE真空 腔中，用于沉积的材料在坩埚中加热、蒸发，且蒸发的分子束被导向 加热的晶体基片。蒸发的材料根据材料而处于原子或分子形式。蒸发 的材料然后沉积在基片上，在那里它们将互相作用。沉积或生长速度 由坩埚的温度和用于进行沉积或停止沉积的机械闸门控制。典型地， 多个源安装在沉积腔中，以使几种不同的材料可以顺序或同步地蒸发。 MBE广泛地使用于半导体研究和半导体设备制造工业中。在典型的 MBE系统研究中，基片朝下，倾斜于水平面，生长表面朝下，或者基 片竖向地安装，如现有技术中的图1和2所示。

在现有技术的生产型MBE设备中，喷射单元以与基片表面的法 线成约45°的角而指向基片。圆锥形的坩埚用于在大面积的基片上提 供好的均匀性。专利US5827371公开了一种用于MBE喷射源的单件 单片式坩埚。由热解氮化硼(PBN)制成的这样的坩埚的最大温度为 1400℃。大于该温度，PBN开始分解为硼和氮。许多应用需要大于1400 ℃的温度。例如SrTiO2(STO)层生长需要1500℃-1700℃的钛温度。 STO基技术在硅工业中对于高k电介质具有主要的应用，k指材料的 电介质常数。

某些高蒸气压材料，例如砷、磷、锑，也可以采用热裂化源蒸发， 该热裂化源将蒸发的源材料裂化为二聚物或单体。这些裂化源具有加 热的坩埚以蒸发源材料，且具有裂化台而用以将分子裂化为二聚物或 单体，在坩埚和裂化器之间的控制阀用以控制来自裂化器的喷射速率。 这样的用于磷的裂化源的描述包含在US20080019897A1中。

与现有的生产MBE真空腔相关的问题是基片生长表面朝下，这 要求采用承环将基片装载到真空腔中或从真空腔中卸下。向下面生长 与现有的半导体处理设备不兼容，该设备典型地具有朝上的生长表面， 并且不采用基片承架。

在现有技术的MBE喷射单元中，来自源的流通率依赖于在坩埚 中的材料水平面的高度。现有技术的MBE喷射单元在采用液体源材 料时具有受限的坩埚容量。流出坩埚的材料包括两部分：从熔化水平 面直接喷射到基片而不从坩埚壁反射的原子或分子，和在到达基片前 通过一个或多个坩埚壁反射的原子或分子。对于现有技术的坩埚，源 材料的损耗引起熔化的表面面积的减少，这反过来可以导致流到基片 的材料的减少。

在MBE真空腔中，大量的沉积物随着时间累积在沉积腔内的腔 壁和其他结构上。这些沉积物典型地为松散地附着并容易掉下。任何 掉回坩埚的沉积物将污染源材料并导致沉积薄膜的不纯和瑕疵。

当受到高温处理时，硅基片可以形成称为“滑脱”的断层。如果这 样的滑脱延伸到集成电路中，电路将遭受失败，例如增加泄漏和电介 质击穿。在典型的MBE装置中，当硅基片通过承环从基片边缘保持 在位时，这样的缺点更可能发生。当晶片仅如讨论的那样从边缘处保 持时，对硅晶片的损坏由重力引起，例如在US7022192中公开。在现 有技术的MBE系统中，硅晶片不能在任何其他点上支撑，因为这将 损坏生长表面。在本发明中，晶片可以从背侧把持，从而对前侧生长 表面没有损坏。

发明内容

发明目的