Die Erfindung betrifft zunächst eine Vorrichtung zum
Abscheiden insbesondere kristalliner Schichten auf
einem oder mehreren, insbesondere ebenfalls kristalli
nen Substraten in einer Prozesskammer mittels in die
Prozesskammer eingeleiteten und sich dort pyrolytisch
umsetzenden Reaktionsgasen, wobei die Prozesskammer
eine erste Wand und eine der ersten gegenüberliegenden,
zweite Wand besitzt und der ersten Wand mindestens ein
beheizter Substrathalter zugeordnet ist, wobei zumin
dest ein Reaktionsgas mittels eines Gaseinlassorgans
der Prozesskammer zugeführt wird.
Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Abschei
den, insbesondere kristalliner Schichten auf einem oder
mehreren, insbesondere ebenfalls kristallinen Substra
ten in einer Prozesskammer mittels in die Prozesskammer
eingeleiteten und sich dort pyrolytisch umsetzenden
Reaktionsgasen, wobei die Prozesskammer eine erste Wand
und eine der ersten gegenüberliegenden, zweiten Wand
besitzt und auf einem der ersten Wand zugeordneten
beheizten Substrathalter ein Substrat liegt.
Eine Vorrichtung der vorbeschriebenen Art ist aus dem
US 4,961,399 bekannt. Dort wird die erste Wand von
einer in der Horizontalebene liegenden Trägerplatte
ausgebildet, auf welcher Substrathalter derart angeord
net und gelagert sind, dass diese sich beim Betrieb der
Vorrichtung drehen. Die bekannte Vorrichtung besitzt
ein zentrales Gaseinlassorgan, durch welches die Reakti
onsgase in die Prozesskammer eingeleitet werden. Die
dort beschriebene Vorrichtung dient zur Abscheidung von
III-IV-Halbleiterschichten. Als Reaktionsgase erwähnt
diese Schrift Arsin und Trimethylindium.
Das US-Patent 5,788,777 beschreibt ebenfalls eine Vor
richtung zum Abscheiden kristalliner Schichten auf
kristallinen Substraten in einer Prozesskammer. Dort
werden Silan und Propan als reaktive Gase der Prozess
kammer durch ein zentrales Gaseinlassorgan zugeführt.
Diese Vorrichtung dient zum Abscheiden Silicium
carbidschichten auf einkristallinen Siliciumsubstraten.
Bei den beschriebenen Vorrichtungen bzw. bei den mit
der Vorrichtungen ausgeübten Verfahren muss das Problem
bewältigt werden, dass Silan bei relativ geringen Tempe
raturen (etwa 500°C) zerfällt und die Zerfallsprodukte
bei diesen Temperaturen nicht gasförmig bleiben, son
dern auskondensieren. Das Auskondensieren wird zudem
durch die Anwesenheit von Propan und dessen Zerfallspro
dukte nachteilhaft beeinflusst.
Die nicht vorveröffentlichte DE 199 49 033.4 schlägt
vor, durch Einleiten von weit unter Prozesstemperatur
gekühlten Prozess- und Trägergas kurz vor dem heißen
Substrat, eine vorzeitige Zerlegung von Quellgasen und
die lokale Übersättigung des Gasstromes mit Zerlegungs
produkten zu vermeiden.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Maßnahmen
vorzuschlagen, die das Auskondensieren von Zerfallspro
dukten im Gaseinlassbereich verhindern.
Gelöst wird die Aufgabe durch die in den Ansprüchen
angegebene Erfindung.
Der Anspruch 1 bildet die gattungsgemäße Vorrichtung
dahingehend weiter, dass das Gaseinlassorgan flüssig
keitsgekühlt ist. Gemäß Anspruch 2 wird das Verfahren
so geführt, dass zwei Reaktionsgase räumlich beab
standet und unterhalb ihrer Zerlegungstemperaturen
gekühlt der Prozesskammer zugeleitet werden, wobei die
Temperatur am Ort des Zusammentreffens der beiden Reak
tionsgase in der Prozesskammer höher ist, als die Sätti
gungstemperatur der Zerfallsprodukte bzw. möglicher
Addukte der Zerfallsprodukte. Als Reaktionsgase werden
bevorzugt Silan und Methan oder Propan verwendet, die
durch jeweils gekühlte Zuleitungen bis in die heiße
Zone der Prozesskammer geleitet werden. Dies kann zusam
men mit einem Trägergas, beispielsweise Wasserstoff
erfolgen. Da die gekühlten Zuleitungen bis nahe an die
heißen Flächen der Prozesskammer reichen, erwärmen sich
die Reaktionsgase sprunghaft. Die Zerlegungsprodukte
von Silan, Siliciumatome und die Zerlegungsprodukte von
Methan/Propan, Kohlenstoffatome finden demzufolge nahe
zu sofort nach ihrer Zerlegung eine Umgebung vor, die
eine Temperatur aufweist, die oberhalb der Sättigungs
temperatur liegt. Es tritt dann so gut wie keine lokale
Übersättigung mehr auf. Die Zerfallsprodukte können
durch den Gasstrom radial auswärts bis zu den, in be
kannter Weise drehangetriebenen Substrathaltern trans
portiert werden und dort unter Ausbildung einer SiC-Ein
kristallschicht auf den Siliciumsubstraten kondensie
ren. Das Trägergas sowie nicht kondensierte Reaktions
produkte werden durch Austrittsöffnungen eines Gasaus
lassringes abgeführt. Der Prozess kann bei Niedrigdruck
(etwa 100 mbar) stattfinden. Durch Wahl geeigneter
Prozessparameter sind Wachstumsraten von 10 µm/h oder
mehr erreichbar. Das Zuleitungsorgan wird mittels Was
ser oder einer anderen geeigneten Kühlflüssigkeit ge
kühlt ist. Ein eine Kühlwasserkammer aufweisender Ab
schnitt des Zuleitungsorgans kann dabei bis in die
heiße Prozesskammer ragen. Ein Reaktionsgas, vorzugswei
se Silan, kann aus einem wandgekühlten, ringförmigen
Keilspalt austreten. Die Spaltwände bestehen aus Stahl.
Der Keilspalt liegt unmittelbar benachbart zu einer
auf über 1000°C, bevorzugt über 1500°C heißen Grafit-
Wandung der Prozesskammer. Der Keilspalt ist über einen
sehr schmalen Ringspalt mit einer Ringkammer verbunden,
die sich im Gaseinlassorgan befindet. In diese Ringkam
mer mündet eine Zuleitung von außerhalb. Dies hat zur
Folge, dass das Gas in Umfangsrichtung nahezu gleich
verteilt durch den Spalt strömt und in Radialrichtung
gleichmäßig austritt. Das andere Reaktionsgas, vorzugs
weise Methan oder Propan verlässt den in die Prozesskam
mer ragenden Abschnitt des Zuleitungsorganes durch
eine zentrale Öffnung, die das Ende einer zentralen
Zuleitung ist. Diese Öffnung liegt auf einer Basisflä
che des in die Prozesskammer ragenden kegelstumpfförmi
gen Abschnitts. Die Basisfläche liegt etwa mittig zwi
schen den beiden beheizten Wänden. Der kegelstumpfförmi
ge Abschnitt ist nahezu vollständig hohl. In der Höh
lung befindet sich das Kühlwasser, welches mittels
Kühlwasserleitblechen durch die Höhlung geleitet wird.
In dem Gaseinlassorgan ist eine Zuleitung und eine
Ableitung für das Kühlwasser vorgesehen. Auf der Außen
wandung des Gaseinlassorganes sitzt ein ringförmiger
Träger, welcher eine radial abragende Tragschulter
bildet. Der Träger ist vorzugsweise aus Grafit. Auf
dieser ringförmigen Tragschulter stützt sich die Deck
platte ab, die rückwärtig insbesondere mittels einer
Hochfrequenz-Spule beheizt wird. Zwischen der Deckplat
te und dem insgesamt zylinderförmigen Zuleitungsorgan
kann noch eine Isoliermanschette liegen, die aus einem
Kohlenstoffschaum besteht. Zwischen der Aussenwandung,
auf der der Träger sitzt, und der anderen Keilspaltwand
befindet sich ebenfalls eine Kühlwasserkammer.
Die Erfindung betrifft ferner eine Weiterbildung der
aus der US 57 88 777 grundsätzlich schon bekannten
Deckplatte und deren Halterung am Gaseinlassorgan. Die
Epitaxie von SiC mit den Reaktionsgasen Silan und Me
than/Propan erfordert eine inerte Beschichtung von
sowohl der aus Grafit bestehenden Trägerplatte als auch
der ebenfalls aus Grafit bestehenden Deckplatte. Die
Beschichtung kann aus TaC oder SiC bestehen. Auch derar
tig beschichtete Deck- oder Trägerplatten unterliegen
aber einem Verschleiß, da die Reaktionsgase eine ätzen
de Wirkung entfalten. Erfindungsgemäß wird die Deckplat
te mit austauschbaren Verkleidungsringen verkleidet,
welche aus TaC bestehen können. Die Verkleidungsringe
halten sich durch gegenseitigen Untergriff und tragen
die Deckplatte. Der innenliegende Ring liegt mit seinem
inneren Rand auf der Tragschulter des Trägers. In einer
Variante der Erfindung ist vorgesehen, dass die Verklei
dungsringe aus Grafit bestehen und mit TaC oder SiC
beschichtet sind.
In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung sitzt
die Deckplatte der Prozesskammer fest am Deckel des
Reaktorgehäuses. Zwischen dem Reaktorgehäusedeckel und
der Deckplatte liegt die ebenfalls fest mit dem Deckel
verbundene HF-Spule. Wird der Deckel zum Beladen oder
Entladen der Prozesskammer mit Substraten angehoben,
was mit geeigneten Pneumatikzylinder erfolgen kann, so
heben sich HF-Spule und Prozesskammerdeckplatte mit
an.
Die Beheizung der Trägerplatte erfolgt von unten eben
falls mit einer HF-Spule. Die beiden HF-Spulen können
von getrennten HF-Generatoren gespeist werden. Hier
durch ist eine individuelle Regelung von Substrattempe
ratur und Deckentemperatur möglich. Die Substrattempera
tur liegt etwa bei 1600°C. Hierzu wird die vorzugsweise
aus Grafit bestehende Trägerplatte auf eine Temperatur
von 1700°C bis 1800°C aufgeheizt. Die Oberflächentempe
ratur der aus Grafit bestehenden Deckplatte liegt etwa
bei 1600°C. Auch der Bereich der Deckplatte, der unmit
telbar an das Gaseinlassorgan angrenzt, besitzt eine
derart hohe Temperatur. Zufolge der Kühlung besitzt das
Gaseinlassorgan eine Temperatur von unter 100°C.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachfolgend
anhand beigefügter Zeichnungen erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 in schematischer Darstellung den Reaktor,
bestehend aus der in dem Reaktorgehäuse ange
ordneten Prozesskammer,
Fig. 2 ein vergrößerter Ausschnitt der Prozesskammer
in der Darstellung gemäß Fig. 1,
Fig. 3 eine nochmalige Vergrößerung eines Ausschnit
tes der Prozesskammer mit Gaseinlassorgan,
Fig. 4 eine Darstellung des Gaseinlassorganes gemäß
Fig. 3 mit geänderter Schnittlinie durch das
Gaseinlassorgan und
Fig. 5 eine weitere Darstellung gemäß Fig. 4 mit
nochmals geänderter Schnittlinie.
Die im Ausführungsbeispiel dargestellte Vorrichtung
dient zum monokristallinen Abscheiden von SiC-Schichten
auf monokristallinen Si-Substraten in einem Heißwandre
aktor. Diese Substrate können einen Durchmesser von 4
Zoll besitzen. Die Vorrichtung befindet sich in einem
in den Zeichnungen nicht dargestellten Gehäuse. Der
Deckel 8 des Reaktorgehäuses 2 ist nach oben öffenbar.
Dabei hebt sich der Deckel 8 zusammen mit einem am
Deckel befestigten Gaseinlassorgan 6, einer ebenfalls
befestigten Hochfrequenzspule 19 und einer am Gaseinlas
sorgan 6 befestigten Deckplatte 4 ab. Des Weiteren hebt
sich auch noch ein oberer Gehäusewandabschnitt 10,
welcher mit Dichtungen 12 auf einem unteren Gehäusewand
abschnitt 11 aufliegt, mit ab, so dass die von der
Trägerplatte 3 getragenen Substrathalter 45 mit Substra
ten belegt werden können.
In dem Reaktorgehäuse 2 befindet sich die Prozesskammer
1. Diese Prozesskammer 1 besitzt eine Trägerplatte 3,
die die Substrathalter 45 trägt. Parallel zur Träger
platte 3 erstreckt sich oberhalb dieser eine Deckplatte
4. Die Trägerplatte 3 wird von unten mittels einer
wassergekühlten HF-Spule 19 beheizt. Die Deckplatte 4
wird von oben mit einer ebenfalls wassergekühlten HF-
Spule 20 beheizt. Die Trägerplatte 3 ist ringförmig
gestaltet, wobei der Außendurchmesser etwa doppelt so
groß ist wie der Innendurchmesser. Die Innenwandung der
Trägerplatte 3 besitzt eine radial einwärts ragende
Ringstufe 3'. Mit dieser Ringstufe 3' liegt die Träger
platte 3 auf dem Rand einer Stützplatte 1 auf. Die
Stützplatte 1 stützt sich wiederum auf einem Stützrohr
24 ab, welches von einer Zugstange 23 durchragt wird.
Die Zugstange 23 greift etwa mittig an einer oberhalb
der Stützplatte 21 angeordneten Zugplatte 22 an, welche
mit ihrem Rand auf den Kragen 3' aufliegt. Durch Zug an
der Zugstange 23 von unten wird die Trägerplatte 3
klemmbackenartig gehalten.
Die Trägerplatte 3 und die Deckplatte 4 werden von
einem Gasauslassring 5 umgeben. Dieser Gas
auslassring 5 bildet die seitliche Prozesskammer-Wand.
Der Gasauslassring 5 besitzt eine Vielzahl von radialen
Bohrungen 25, durch welche das Prozessgas austreten
kann. Der Gasauslassring 5 ist ebenso wie die Stützplat
te 21, die Zugplatte 22, die Trägerplatte 3 und die
Deckplatte 4 aus massivem Grafit gefertigt. Er ist
einstückig und hat eine Breite, die etwa der Höhe der
Prozesskammer 1 entspricht. Hierdurch besitzt der Gas
auslassring 5 eine relativ hohe Wärmekapazität, was zur
Folge hat, dass das Temperaturprofil innerhalb der
Prozesskammer auch am Rand sehr homogen ist. Indem der
Gasauslassring 5 eine von der Deckplatte 4 überfangene
Stufe 35 und eine von der Trägerplatte unterfangene
Stufe 36 ausbildet, ragt er bereichsweise in den Zwi
schenraum von Deckplatte 4 und Trägerplatte 3.
Die Deckplatte 4 ist an ihrer Unterseite mit insgesamt
drei Verkleidungsringen 34 ausgefüttert. Diese Verklei
dungsringe können aus Grafit bestehen oder aus TaC. Sie
werden ähnlich wie Ofenringe durch gegenseitigen Über
griff aneinander gehalten, wobei sich der innerste Ring
34 auf einen Ringkragen eines Grafitträgers 33 ab
stützt, welcher auf das untere Ende des Gaseinlass
organes 6 aufgeschraubt ist. Im Bereich des Übereinan
derliegens sind die Verkleidungsringe 34 gefalzt. Sie
bilden übereinanderliegende gestufte Ringabschnitte
34', 34" aus, so dass ihre Oberfläche stufenlos ver
läuft.
Das Gaseinlassorgan 6 ist insgesamt zweiteilig ausgebil
det. Es besitzt einen Kern, der einen in die Prozesskam
mer 1 ragenden Abschnitt 49 ausbildet, welche eine
Kegelstumpfgestalt besitzt. Dieser Kern wird von einem
Mantel 50 umgeben. Mittels O-Ringdichtung 43 ist der
Mantel 50 gegenüber dem Kern 49 abgedichtet.
Die Zuführung des Silans 5 erfolgt durch die Zuleitung
27, welche in eine Ringkammer 38 mündet. An die Ringkam
mer 38 schließt sich ein Ringspalt 37 an, und an den
Ringspalt 37 schließt sich eine ringkeilförmige Öffnung
30 an, durch welche das Silan austritt. Die Wandung
dieses Austritts 30 wird einerseits vom Kernabschnitt
49 und andererseits vom Mantel 50 ausgebildet. Die
Wände des Kanals 30 sind gekühlt. Hinter den Kanalwän
den befinden sich Kühlwasserkammern 28, durch welche
Kühlwasser strömt, um die Wandungstemperatur unterhalb
der Zerlegungstemperatur des Silans zu halten.
Das Kühlwasser tritt durch den Kühlwasserkanal 39 in
die dem Kern 49 zugeordnete Kühlwasserkammer 28 ein und
wird dort mittels Leitblechen 29 an der Wand entlangge
führt, um die Kühlwasserkammer 28 durch den Kanal 40
wieder zu verlassen.
Die Basisfläche 52, welche ebenfalls zufolge rückwärti
ger Kühlwasserbeaufschlagung bei einer Temperatur gehal
ten ist, bei welcher sich die Reaktionsgase nicht zerle
gen, befindet sich etwa in der Mitte der Prozesskammer
und verläuft parallel zur Oberfläche der Trägerplatte
3. Sie hat einen kleineren Abstand zur Oberfläche der
Trägerplatte, als die Hälfte des Abstandes von Deckplat
te 4 zu Trägerplatte 3. In der Mitte der Basisfläche 52
befindet sich die Öffnung 31 der Methan- bzw. Propan-Zu
leitung 26. Durch einen Spülkanal 41 kann Wasserstoff
in die Prozesskammer 1 eintreten. Die Prozessgase wer
den ebenfalls zusammen mit Wasserstoff durch die ihnen
zugeordneten Zuleitungen 26, 27 geleitet.
Um die beim Betrieb der Vorrichtung etwa bis auf 1600°C
aufgeheizte Deckplatte 4 von dem gekühlten Gaseinlass
organ 6 zu isolieren, ist eine das Gaseinlassor
gan umgebende Isolationsmanschette 32 aus einem Kohlen
stoffschaum vorgesehen, welche auf dem Träger 33 sitzt.
Mit der Bezugsziffer 51 ist beispielhaft ein Ort in der
Prozesskammer 1 dargestellt, wo die Zerlegungsprodukte
des Silans mit dessen Methans bzw. Propans zusammen
treffen. An diesem Punkt 51 ist die Gas-Temperatur
höher als die Sättigungstemperatur der Zerfallskomponen
ten, so dass keine Übersättigungseffekte auftreten.
Die Trägerplatte 3 wird über das Stützrohr 24 drehange
trieben und trägt drehangetriebene Substrathalter 45.
Die Bereiche zwischen den Substrathalter 45 werden von
Kompensationsplatten 48 ausgefüllt. Diese liegen lose
auf der Oberfläche der Trägerplatte 3 auf. Die Oberflä
chen von Substrathalter 45 und Kompensationsplatte 48
fluchten zueinander. Die Kompensationsplatten 48 sind
vorzugsweise aus TaC gefertigt und austauschbar.
Wird die Trägerplatte 3 von unten beheizt, so tritt im
Bereich der Horizontalfuge zwischen Kompensationsplatte
48 und Trägerplatte 3 etwa der gleiche Temperatursprung
auf, wie an der Horizontalfuge zwischen Substrathalter
45 und Trägerplatte 3.
Der Mantel 50 besitzt mehrere in axialer Richtung sich
erstreckende Bohrungen. Ein oder mehrere Bohrungen 27
dienen der Silanzuführung münden in die Ringkammer 38.
Ein oder mehrere weitere Bohrungen 15 dienen der Wasser
stoffzuleitung und münden in einem Ringkanal 42, der
verbunden ist mit einer ringförmigen Spülgasaus
trittsdüse 41.
Parallel zu den Kanälen 27 und 15 laufen Kühlwasserzu
führ- bzw. Abführkanäle 14. Diese münden in Kühlwasser
kammern 28.
Alle offenbarten Merkmale sind (für sich) erfindungswe
sentlich. In die Offenbarung der Anmeldung wird hiermit
auch der Offenbarungsinhalt der zugehörigen/beigefügten
Prioritätsunterlagen (Abschrift der Voranmeldung) voll
inhaltlich mit einbezogen, auch zu dem Zweck, Merkmale
dieser Unterlagen in Ansprüche vorliegender Anmeldung
mit aufzunehmen.