Aparato para depositar una película delgada de material sobre un sustrato y procedimiento de regenaración para un aparato de este tipo.

Aparato para depositar una película delgada de material sobre un sustrato que comprende:

- una cámara (1) de vacío,

- un portamuestras (6) dispuesto dentro de dicha cámara (1) de vacío, pudiendo soportar dicho portamuestras (6)dicho sustrato,

- un inyector (9) de gas que puede inyectar un precursor gaseoso al interior de la cámara (1) de vacío, pudiendoreaccionar una parte de dicho precursor gaseoso en la superficie del sustrato,

- por lo menos un panel criogénico (10) colocado dentro de la cámara (1) de vacío y que puede adsorber una partede dicho precursor gaseoso que no ha reaccionado en la superficie del sustrato, y liberar dicho precursorgaseoso adsorbido,

- unos primeros medios de atrapado (11) conectados a dicha cámara (1) de vacío y que pueden atrapar una partede dicho precursor gaseoso liberado por dicho panel criogénico (10), presentando dichos primeros medios deatrapado (11) una capacidad de bombeo fija S1,

caracterizado porque comprende:

- unos segundos medios de atrapado (18) que pueden atrapar otra parte de dicho precursor gaseoso liberado pordicho panel criogénico (10) y que presentan una capacidad de bombeo variable S2 que puede regularse enfunción de la presión parcial del precursor gaseoso,

- proporcionando dichos primeros y segundos medios de atrapado una capacidad de bombeo total S ≥ S1 + S2suficiente para mantener la presión parcial del precursor gaseoso en la cámara (1) de vacío por debajo de unapresión determinada PL.

Aparato para depositar una película delgada de material sobre un sustrato y procedimiento de regeneración para un aparato de este tipo La presente invención se refiere a un aparato para depositar una película delgada de material sobre un sustrato, y a un procedimiento de regeneración para un aparato de este tipo.

En particular, la presente invención se refiere a un aparato como un sistema de epitaxia por haces moleculares.

El semiconductor de nitruro de galio (GaN) epitaxial ha demostrado presentar propiedades semiconductoras muy interesantes para aplicaciones de alta potencia y alta frecuencia tales como LED de alta luminiscencia o transistores de radiofrecuencia.

La epitaxia de capas delgadas de GaN puede realizarse mediante dos técnicas principales, concretamente epitaxia por haces moleculares (MBE) y deposición química en fase de vapor de compuestos organometálicos (MOCVD) .

En el caso de la técnica de epitaxia por haces moleculares, un elemento, galio por ejemplo, se evapora de un metal fundido en una célula de efusión y el elemento nitrógeno puede suministrarse mediante nitrógeno molecular dividido mediante una fuente de plasma o de amoniaco en estado gaseoso a partir de un inyector de gas que se descompone químicamente en la superficie del sustrato mediante activación térmica. Una técnica y un aparato de este tipo se dan a conocer en el documento EP 2060662.

Un dispositivo de epitaxia por haces moleculares comprende normalmente un compartimento de carga en el que se introduce un sustrato que va a recubrirse, un compartimento en el que el sustrato se deshidrata, un compartimento en el que se realiza una operación de desoxigenación del sustrato, una cámara de crecimiento y medios de atrapado que bombean los elementos gaseosos fuera de la cámara de crecimiento. Por “medios de atrapado” se quiere decir una o más bombas activas asociados con uno o más paneles criogénicos.

El sustrato, silicio por ejemplo, se introduce en la cámara de crecimiento en la que se realiza un vacío de aproximadamente 10-8 Pascal. El sustrato se calienta a una temperatura de entre aproximadamente 300ºC y 1100ºC. Entonces, se inyecta el precursor gaseoso como amoniaco en la cámara de crecimiento y los átomos o moléculas de elementos o compuestos en la célula de efusión se calientan hasta evaporarse. El amoniaco gaseoso reacciona con los átomos o moléculas evaporados de elementos o compuestos en la superficie del sustrato para formar una capa epitaxial de GaN, por ejemplo.

Una parte del precursor gaseoso que no se divide durante el proceso de crecimiento queda atrapado en un panel criogénico que cubre la superficie interna de la pared lateral de la cámara de crecimiento y que rodea la zona de proceso, por ejemplo.

La cantidad de precursor congelado sobre el panel criogénico aumenta con el número de series del proceso lo que induce un aumento extra de la presión parcial del precursor en el sistema. Adicionalmente, este hielo de precursor puede atascar o alterar componentes del sistema tales como partes móviles, robots e indicadores.

Para evitar estos problemas, es entonces necesario regenerar los paneles criogénicos.

El precursor congelado se vuelve a evaporar calentando los paneles criogénicos. Esto puede realizarse simplemente limitando o apagando la fuente criogénica, reduciendo o deteniendo por tanto la circulación de nitrógeno líquido en los paneles criogénicos.

Al calentar los paneles a la temperatura del entorno, el precursor sublima y el precursor gaseoso se bombea fuera de la cámara de crecimiento mediante los medios de atrapado.

Sin embargo, la presión parcial del precursor gaseoso aumenta exponencialmente con la subida de temperatura. La presión parcial del precursor gaseoso es alta si el flujo desorbido del precursor gaseoso es alto en comparación con la capacidad de bombeo de los medios de atrapado. Si la capacidad de bombeo de los medios de atrapado no es eficiente, la presión parcial del precursor gaseoso aumenta exponencialmente hasta un máximo de presión.

La alta presión del precursor gaseoso durante el procedimiento de regeneración puede dañar los calentadores de las células de efusión y del soporte de sustrato y también reaccionar con materiales fuente calientes como el galio o el aluminio utilizados en la estructura del dispositivo de semiconductor, y en general todos los elementos que pueden ser sensibles a la nitruración.

Enfriar las fuentes de material evitaría la reacción activada térmicamente, pero estas fuentes normalmente no pueden apagarse durante el procedimiento de regeneración por razones de expansión térmica diferencial como ocurre normalmente para la fuente de aluminio, o para evitar una contaminación o polución de una superficie de fuente fría, o porque pueden ser las fuentes de calor para calentar el sistema.

Además, cuando la presión parcial del precursor gaseoso aumenta exponencialmente hasta alta presión, podría ser peligroso para el operario manipular el sistema de epitaxia por haces moleculares.

Un objetivo la presente invención es proporcionar un aparato para depositar una película delgada de material sobre un sustrato en el que se controla la presión parcial del precursor gaseoso durante la regeneración de los paneles criogénicos de la cámara de vacío.

Otro objetivo de la presente invención es proporcionar un procedimiento de regeneración que permite evacuar el precursor gaseoso inicialmente atrapado sobre los paneles criogénicos de la cámara de vacío, fuera de dicha cámara de vacío, y de una manera controlada y automática.

Es posible no superar un límite dado de presión o presión determinada para evitar la saturación de los medios de atrapado y para nitrurar componentes calientes como la célula de efusión o materiales calientes, por ejemplo. Se evita el aumento brusco de presión del precursor gaseoso.

Con este fin, la invención se refiere a un aparato para depositar una película delgada de material sobre un sustrato que comprende:

- una cámara de vacío,

- un portamuestras dispuesto dentro de dicha cámara de vacío, pudiendo soportar dicho portamuestras dicho sustrato,

- un inyector de gas que puede inyectar un precursor gaseoso al interior de la cámara de vacío, pudiendo reaccionar una parte de dicho precursor gaseoso en la superficie del sustrato,

- por lo menos un panel criogénico colocado dentro de la cámara de vacío y que puede adsorber una parte de dicho precursor gaseoso que no ha reaccionado en la superficie del sustrato, y liberar dicho precursor gaseoso adsorbido,

- unos primeros medios de atrapado conectados a dicha cámara de vacío y que pueden atrapar una parte de dicho precursor gaseoso liberado por dicho panel criogénico, presentando dichos primeros medios de atrapado una capacidad de bombeo fija S1.

Según la invención, el aparato para depositar una película delgada de material sobre un sustrato comprende:

- unos segundos medios de atrapado que pueden atrapar otra parte de dicho precursor gaseoso liberado por dicho panel criogénico y que presentan una capacidad de bombeo variable S2 que puede regularse en función de la presión parcial del precursor gaseoso,

- proporcionando dichos medios de atrapado primeros y segundos una capacidad de bombeo total S = S1 + S2 suficiente para mantener la presión parcial del precursor gaseoso en la cámara de vacío a una presión determinada PL.

La invención permite controlar la presión parcial del precursor gaseoso en el vacío.

Según diversas realizaciones, la presente invención también se refiere a las características siguientes, consideradas individualmente o en todas sus combinaciones técnicas posibles:

- dichos segundos medios de atrapado comprenden:

o por lo menos un elemento criogénico de regulación colocado dentro de dicha cámara de vacío, pudiendo suministrarse dicho elemento criogénico de regulación mediante un fluido criogénico,

o un manómetro que puede medir la presión parcial del precursor gaseoso dentro de la cámara de vacío, generando una presión medida PM,

o una válvula que puede ajustar el flujo de fluido criogénico al interior de dicho elemento criogénico de regulación, y

o una unidad de control que puede recibir dicha presión medida PM y comparar ésta con la presión determinada PL, si la presión medida PM es diferente de la presión determinada PL, pudiendo ordenar dicha

unidad de control... [Seguir leyendo]

1. Aparato para depositar una película delgada de material sobre un sustrato que comprende:

- una cámara (1) de vacío,

- un portamuestras (6) dispuesto dentro de dicha cámara (1) de vacío, pudiendo soportar dicho portamuestras (6) dicho sustrato,

- un inyector (9) de gas que puede inyectar un precursor gaseoso al interior de la cámara (1) de vacío, pudiendo reaccionar una parte de dicho precursor gaseoso en la superficie del sustrato,

- por lo menos un panel criogénico (10) colocado dentro de la cámara (1) de vacío y que puede adsorber una parte de dicho precursor gaseoso que no ha reaccionado en la superficie del sustrato, y liberar dicho precursor gaseoso adsorbido,

- unos primeros medios de atrapado (11) conectados a dicha cámara (1) de vacío y que pueden atrapar una parte de dicho precursor gaseoso liberado por dicho panel criogénico (10) , presentando dichos primeros medios de atrapado (11) una capacidad de bombeo fija S1,

caracterizado porque comprende:

- unos segundos medios de atrapado (18) que pueden atrapar otra parte de dicho precursor gaseoso liberado por dicho panel criogénico (10) y que presentan una capacidad de bombeo variable S2 que puede regularse en función de la presión parcial del precursor gaseoso,

- proporcionando dichos primeros y segundos medios de atrapado una capacidad de bombeo total S = S1 + S2 suficiente para mantener la presión parcial del precursor gaseoso en la cámara (1) de vacío por debajo de una presión determinada PL.

2. Aparato para depositar una película delgada de material sobre un sustrato según la reivindicación 1, caracterizado porque dichos segundos medios de atrapado (18) comprenden:

- por lo menos un elemento criogénico de regulación colocado dentro de dicha cámara (1) de vacío, pudiendo suministrarse dicho elemento criogénico de regulación mediante un fluido criogénico,

- un manómetro (46) que puede medir la presión parcial del precursor gaseoso dentro de la cámara (1) de vacío, generando una presión medida PM,

- una válvula (47) que puede ajustar el flujo de fluido criogénico al interior de dicho elemento criogénico de regulación, y

- una unidad (48) de control que puede recibir dicha presión medida PM y compararla con la presión determinada PL, si la presión medida PM es diferente de la presión determinada PL, pudiendo ordenar dicha unidad (48) de control a dicha válvula (47) que ajuste el flujo de fluido criogénico en dicho elemento criogénico de regulación, de manera que la presión medida PM alcance la presión determinada PL.

3. Aparato para depositar una película delgada de material sobre un sustrato según la reivindicación 2, caracterizado porque dicho elemento criogénico de regulación es un elemento (55) criogénico adicional.

4. Aparato para depositar una película delgada de material sobre un sustrato según la reivindicación 2, caracterizado porque dicho elemento criogénico de regulación consiste en dicho por lo menos un panel criogénico

(10) colocado dentro de la cámara (1) de vacío.

5. Aparato para depositar una película delgada de material sobre un sustrato según la reivindicación 2, caracterizado porque dicho portamuestras (6) está rodeado por un panel criogénico secundario (7) , consistiendo dicho elemento criogénico de regulación en dicho panel criogénico secundario (7) .

6. Aparato para depositar una película delgada de material sobre un sustrato según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 5, caracterizado porque dichos primeros medios de atrapado (11) comprenden un conducto (30) de bombeo que presenta una pared, estando conectado dicho conducto (30) de bombeo a un dispositivo de bombeo

(21) mediante unos primeros extremos (12) y emergiendo en el interior de la cámara (1) de crecimiento mediante unos segundos extremos (13) , y estando recubierta la superficie interna de pared de dicho conducto (30) de bombeo por un panel criogénico (17) .

7. Aparato para depositar una película delgada de material sobre un sustrato según la reivindicación 6, caracterizado porque dichos primeros medios de atrapado (11) comprenden unos medios de cierre (19) que pueden aislar el volumen del conducto (30) de bombeo de dichos primeros medios de atrapado (11) del volumen de la cámara (1) de vacío.

8. Aparato para depositar una película delgada de material sobre un sustrato según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 7, caracterizado porque consiste en un sistema de epitaxia por haces moleculares para producir obleas de material semiconductor que comprenden un sustrato, siendo dicha cámara (1) de vacío una cámara (1) de crecimiento que incluye además una pared lateral (3) que presenta una superficie interna, un panel criogénico (10) que recubre la superficie interna de dicha pared lateral (3) , comprendiendo dicho aparato para depositar una película delgada de material sobre un sustrato por lo menos una célula (8) de efusión que puede evaporar átomos o moléculas de elementos o compuestos, pudiendo reaccionar una parte de dicho precursor gaseoso con los átomos o moléculas evaporados de elementos o compuestos sobre la superficie del sustrato para formar una capa de compuesto semiconductor o aislante.

9. Procedimiento de regeneración para paneles criogénicos de un aparato para depositar una película delgada de material sobre un sustrato según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 8, comprendiendo además dicho procedimiento de regeneración las siguientes etapas sucesivas:

a) evacuar el precursor fuera de la cámara de vacío, incluyendo dicha etapa a) las operaciones siguientes:

- calentar por lo menos un panel criogénico (10) situado dentro de la cámara (1) de vacío produciendo la desorción del precursor gaseoso adsorbido inicialmente sobre dicho panel criogénico (10) ,

- atrapar una parte de dicho precursor gaseoso desorbido mediante los primeros medios de atrapado (11) que presentan una capacidad de bombeo fija S1, atrapándose una parte de dicha parte del precursor gaseoso desorbido sobre el panel criogénico (17) de dichos primeros medios de atrapado (11) ,

b) regenerar el panel criogénico (17) de dichos primeros medios de atrapado (11) , incluyendo dicha etapa b) las operaciones siguientes:

- aislar dichos primeros medios de atrapado (11) de la cámara (1) de vacío,

- calentar dicho panel criogénico (17) de los primeros medios de atrapado (11) , produciendo la desorción del precursor gaseoso atrapado desde el panel criogénico (17) , y

- bombear dicho precursor gaseoso desorbido mediante una o más bombas para alcanzar un alto vacío,

caracterizado porque comprende, durante la etapa a) :

- una operación de atrapado complementaria, mediante los segundos medios de atrapado (18) , de otra parte de dicho precursor gaseoso liberado por dicho panel criogénico (10) , presentando dichos segundos medios de atrapado (18) una capacidad de bombeo variable S2 que puede regularse en función de la presión parcial del precursor gaseoso,

- proporcionando dichas operaciones de atrapado una capacidad de bombeo total S = S1 + S2 suficiente para mantener la presión parcial del precursor gaseoso en la cámara (1) de vacío por debajo de una presión determinada PL.

10. Procedimiento de regeneración según la reivindicación 9, caracterizado porque la operación de atrapado complementaria comprende las etapas siguientes:

- medir la presión del precursor gaseoso dentro de dicha cámara (1) de vacío, generando una presión medida PM,

- comparar la presión medida PM con la presión determinada PL y si la presión medida PM es diferente de la presión determinada PL, se ajusta la capacidad de bombeo S2 de un elemento criogénico de regulación situado dentro de dicha cámara (1) de vacío, de manera que la presión medida PM alcanza la presión determinada PL.

11. Procedimiento de regeneración según cualquiera de las reivindicaciones 9 ó 10, caracterizado porque, la capacidad de bombeo S2 de dicho elemento criogénico de regulación se ajusta variando el flujo de fluido criogénico en dicho elemento criogénico de regulación.

12. Procedimiento de regeneración según cualquiera de las reivindicaciones 9 a 11, caracterizado porque el precursor gaseoso es amoniaco gaseoso, estando comprendida la presión determinada PL entre 10-2 y 10-1 Pascal.