王慧勇，魏 唯，寧宗娥

(中國電子科技集團公司第四十八研究所，湖南長沙 410111)

由于SiGe/Si異質(zhì)結(jié)材料具有優(yōu)良的高頻、高速、低功耗等性能以及能和傳統(tǒng)的Si工藝相兼容，近十多年來被廣泛地應(yīng)用于無線通訊、衛(wèi)星及光通訊等領(lǐng)域，許多基于SiGe材料的器件和電路都已研制成功并走向?qū)嵱没?。這一發(fā)展形勢又促進了SiGe薄膜材料生長技術(shù)方面的開發(fā)研究。目前制備硅基SiGe薄膜材料的常規(guī)方法主要有分子束外延(MBE)和超高真空化學(xué)氣相沉積(UHVCVD)兩種。分子束外延(MBE)具有控制精確、能夠生長特殊結(jié)構(gòu)、能夠?qū)崟r監(jiān)控等優(yōu)點，但其設(shè)備昂貴、工藝復(fù)雜、運行成本高而難以實現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)。相對而言，超高真空化學(xué)氣相沉積(UHVCVD)技術(shù)由于系統(tǒng)成本低、使用方便、可大批量生產(chǎn)等特點而更具吸引力。UHVCVD系統(tǒng)的超高真空和高潔凈外延環(huán)境能有效避免碳、氧等雜質(zhì)元素的污染，使Si襯底保持無SiO2的清潔表面，適于制作高質(zhì)量SiGe/Si材料。超高真空腔室及自動傳輸系統(tǒng)是UHVCVD外延設(shè)備獲得超高真空和高潔凈外延環(huán)境的前提條件，是整個設(shè)備的核心部分。

1 系統(tǒng)要求及布局

UHVCVD外延設(shè)備的反應(yīng)室真空度一般要求達到1×10-8數(shù)量級，因此在超高真空的反應(yīng)室前設(shè)置預(yù)備室作為裝卸片室，其真空度設(shè)計要求達到1×10-5～1×10-6Pa。硅片在預(yù)真空室和反應(yīng)室之間的傳輸及反應(yīng)室進入爐體進行外延生長要求自動運行，因此設(shè)計可進行爐體平移、石英舟平移及升降的自動傳輸系統(tǒng)?？傮w設(shè)計后系統(tǒng)結(jié)構(gòu)布局如圖1所示。

2 真空腔室設(shè)計及真空泵組選型

真空腔室由一個預(yù)備室和一個反應(yīng)室組成，預(yù)備室和反應(yīng)室之間通過超高真空閘閥連接，各自由獨立的真空泵組抽氣。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)布局圖

2.1 真空腔室結(jié)構(gòu)設(shè)計

預(yù)備室整體采用不銹鋼制作加工，兩端進出口、真空泵連接口、外延片托架升降通道口及儀器探測口均焊接刀口法蘭；設(shè)計活動門、觀察窗用于外延片的裝卸。預(yù)備室作為大氣環(huán)境和反應(yīng)室超高真空環(huán)境之間的過渡，在外延片從預(yù)備室送入反應(yīng)室或從反應(yīng)室退回預(yù)備室過程中，均保持高真空狀態(tài)，避免反應(yīng)室在裝片和取片過程中頻繁暴露大氣，減少外延生長前反應(yīng)室達到超高真空要求的時間，提高生產(chǎn)效率。

國內(nèi)其他科研院所在設(shè)計加工反應(yīng)室時，一般采用雙層高純石英腔體，但刀口法蘭不能應(yīng)用于石英材料，軟性密封材料又不能承受高溫，因此石英反應(yīng)室在高溫下獲得超高真空比較難。本項目設(shè)計的反應(yīng)室采用不銹鋼制作加工，外延片進出口、真空泵連接口及儀器探測口焊接刀口法蘭，通過超高真空閘閥與預(yù)備室相連。在反應(yīng)室的工藝受熱區(qū)域末端焊接爐體密封法蘭和冷卻水環(huán)，阻止爐體熱量外擴散。

2.2 真空泵組選型

預(yù)備室真空度設(shè)計要求為1×10-5～1×10-6Pa，從工藝要求和經(jīng)濟性能方面考慮，確定主抽泵為渦輪分子泵，其前級泵為機械泵。機械泵抽速可按下面經(jīng)驗公式確定：

其中：V為預(yù)備室容積；

Pa為初始壓力即大氣壓值；

P為抽氣后壓力；

t為抽氣所需時間

計算得出機械泵抽速S為5.8 L/s，考慮抽速損失系數(shù)1.3～1.4，最終確定機械泵抽速為8 L/s。分子泵作為主泵，其抽速通常按下式選取：

S1=(50～10)S2

其中：S2為前級泵的抽速，同樣考慮損失系數(shù)及分子泵常用規(guī)格，確定分子泵抽速為600 L/s。

反應(yīng)室為工藝腔室，真空度要求達到1×10-8數(shù)量級，真空泵組設(shè)計采用機械泵＋渦輪分子泵＋離子濺射泵逐級過渡的三級模式。反應(yīng)室的容積與預(yù)備室大體相當，因此在高真空這一真空區(qū)間選用的渦輪分子泵和前級機械泵與預(yù)備室選用的型號相同。能夠?qū)崿F(xiàn)超高真空要求的真空泵有離子濺射泵、鈦升華泵和冷凝泵，其中冷凝泵極限真空度最高（1×10-11Pa），抽速最大（每秒數(shù)百萬升），但冷凝劑（液體氫或氦）費用很高，導(dǎo)致運行成本高；鈦升華泵抽速雖比離子泵抽速快，但離子泵極限真空度（1×10-10Pa）比鈦升華泵極限真空度（1×10-9Pa）高，而且離子泵使用壽命（數(shù)萬小時）比鈦升華泵使用壽命（幾十至幾百小時）長，因此設(shè)計選用的離子濺射泵更適合生產(chǎn)型UHVCVD外延設(shè)備的超高真空配置。

3 自動傳輸系統(tǒng)功能及設(shè)計

作為生產(chǎn)型UHVCVD外延設(shè)備，為了保證外延生長時反應(yīng)室的超高真空、高潔凈環(huán)境，同時滿足工藝線的生產(chǎn)效率，外延片的自動傳輸必不可少。其主要組成部分包括石英舟支架及托架、石英舟平移及升降機構(gòu)、爐體平移機構(gòu)三部分。自動傳輸流程設(shè)計為：

裝片→預(yù)備室抽真空→升起石英舟→開啟超高真空閘閥→平移石英舟→石英舟到位后降低石英舟托架→退回石英舟托架→關(guān)閉超高真空閘閥。上述為工藝裝片流程，卸片流程相反進行。

3.1 石英舟支架及托架

外延片進出反應(yīng)室是通過石英舟進行批傳輸，因此自動傳輸系統(tǒng)首先需設(shè)計石英舟支架及其平移托架。石英舟支架支撐石英舟一起平移進入反應(yīng)室，支架末端設(shè)計的真空罩內(nèi)含石英棉，在石英舟整體平移進入反應(yīng)室后屏蔽反應(yīng)腔阻止工藝熱量往外擴散。

石英舟托架整體是不銹鋼圓筒，軸向平行兩側(cè)固定無油滑軌副，用于取放石英舟支架，在磁力耦合桿的作用下實現(xiàn)平移；頂部與焊接波紋管相連，可自由升降。圖2為石英舟、支架及托架造型圖。

圖2 石英舟部分

3.2 石英舟平移及升降機構(gòu)

石英舟平移機構(gòu)的關(guān)鍵是磁力進樣桿，在超高真空環(huán)境中平移裝載外延片的石英舟從預(yù)備室進入反應(yīng)室，或從反應(yīng)室退回預(yù)備室，其設(shè)計需滿足的指標：

（1）不銹鋼焊接加工；

（2）整體檢漏，漏氣率≤1×10-7Pa·L/s；

（3）平移行程≥1 200 mm。

設(shè)計選用的磁力進樣桿如圖3所示。

圖3 磁力進樣桿

平移機構(gòu)還包括絲桿副和導(dǎo)軌機構(gòu)，用于驅(qū)動磁力進樣桿；絲桿副和導(dǎo)軌機構(gòu)的前后端設(shè)置限位開關(guān)，確定行程起始點及行程安全，實現(xiàn)平移自動化。

從自動傳輸流程可看出，石英舟平移前后有自由升降動作，因此整個系統(tǒng)需設(shè)計升降機構(gòu)。升降機構(gòu)的驅(qū)動裝置為導(dǎo)向氣缸，通過焊接波紋管與石英舟托架相連。氣缸的升降直接帶動石英舟托架的升降，實現(xiàn)石英舟支架在反應(yīng)腔室內(nèi)的取放。

3.3 爐體平移機構(gòu)

預(yù)備室和反應(yīng)室各自與真空泵組相連，頻繁移動難以實現(xiàn)，因此工藝試驗前，需要將相對獨立的爐體進行平移。爐體是加熱關(guān)鍵部件，平移時需保證平穩(wěn)、連續(xù)，因此設(shè)計采用光軸扭輪的專利結(jié)構(gòu)，該專利設(shè)計傳遞扭矩較大，傳輸平穩(wěn)、連續(xù)、無抖動、無噪音，非常適合質(zhì)量較大、速度要求不快、精密關(guān)鍵部件的平移。光軸扭輪結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 光軸扭輪

該平移機構(gòu)的工作原理與石英舟絲桿副傳遞機構(gòu)基本一致，只是前者為雙光軸導(dǎo)向，后者為單光軸導(dǎo)向。

4 結(jié) 論

上述是對UHVCVD外延設(shè)備真空腔室及自動傳輸系統(tǒng)的設(shè)計介紹，本設(shè)計的設(shè)備裝配完成后在初次抽真空時，反應(yīng)室及預(yù)備室的真空度就能進入1×10-4Pa，經(jīng)過若干天連續(xù)工作，預(yù)備室的真空度能達到1×10-5～1×10-6Pa的要求，反應(yīng)室的真空度同樣能進入1×10-8Pa的數(shù)量級，滿足UHVCVD外延設(shè)備超高真空要求。

自動傳輸系統(tǒng)經(jīng)過多次調(diào)試與校正，裝載外延片的石英舟可以快速、平穩(wěn)地在預(yù)備室與反應(yīng)室之間進出，有效保證了超高真空反應(yīng)室的超潔凈環(huán)境，也提高了外延生產(chǎn)效率。

[1] 戴顯英.UVCVD/UHVCVD技術(shù)制備SiGe HBT材料[J].西安電子科技大學(xué)學(xué)報，2003（6）：306-311.

[2] 劉佳磊.超高真空CVD對鍺硅外延材料中鍺分布的優(yōu)化[J].微電子學(xué)，2006（10）：615-621.