DE102006018515A1 - CVD-Reaktor mit absenkbarer Prozesskammerdecke - Google Patents
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Abstract
Description
- Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Abscheiden einer oder mehrerer Schichten auf einem Substrat mit einer in einem Reaktorgehäuse angeordneten Prozesskammer, die einen beheizbaren Boden, auf dem das Substrat liegt, und eine sich parallel zum Boden erstreckende Decke sowie ein Gaseinlassorgan zum Einleiten von Prozessgasen aufweist.
- Die Erfindung betrifft darüber hinaus ein Verfahren zum Reinigen einer Dekkenplatte einer Prozesskammer, die beim Abscheiden mindestens einer Schicht die Decke der Prozesskammer eines Reaktorgehäuses bildet und die einem geheizten Prozesskammerboden gegenüberliegt.
- Die
DE 10211442 A1 beschreibt einen CVD-Reaktor mit einem Reaktorgehäuse und einem in dem Reaktorgehäuse angeordneten Gaseinlassorgan. Durch dieses Einlassorgan werden Prozessgase in eine Prozesskammer eingeleitet. Die Prozesskammer besitzt eine Decke und einen Boden. Auf dem Boden liegen die Substrate. Der Boden wird von unten beheizt. Die Decke erstreckt sich in Horizontallage parallel mit Abstand zum Boden. Dort liegt das Gaseinlassorgan oberhalb der Reaktordecke. Letzte weist duschkopfartige Gasaustrittsöffnungen auf, durch welche die Prozessgase in die Prozesskammer eintreten können. - Aus der
DE 10133 914 A1 ist ein CVD-Reaktor bekannt, bei dem die Prozessgase in das Zentrum der Prozesskammer eingeleitet werden. Es durchströmt die Prozesskammer in radialer horizontaler Richtung. Die Prozesskammer ist von einem Gasauslassring umgeben, mittels welchem das Prozessgas abtransportiert wird. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, CVD-Reaktoren der eingangs genannten Art gebrauchsvorteilhaft weiterzubilden. - Gelöst wird die Aufgabe durch die in den Ansprüchen angegebene Erfindung, wobei jeder Anspruch eine eigenständige Lösung der Aufgabe darstellt und mit jedem anderen Anspruch in beliebiger Form kombinierbar ist.
- Es ist zunächst und im Wesentlichen vorgesehen, dass der Abstand der Prozesskammerdecke zum Prozesskammerboden bis nahe Null reduzierbar ist. Dies ist insbesondere dann von Vorteil, wenn lediglich der Boden der Prozesskammer beheizt wird. Beim Abscheiden von Schichten auf einem auf dem Boden der Prozesskammer liegenden Substrat werden die Prozessgase pyrolytisch umgesetzt. Der dabei entstehende Feststoff kristallisiert auf dem Substrat. Parasitäres Wachstum auf der das Substrat umgebenden Oberfläche des Bodens der Prozesskammer, die einen Suszeptor ausbildet, ist nicht zu vermeiden. Obwohl die Decke des Reaktors gekühlt ist, ist auch dort parasitäres Wachstum nicht zu vermeiden. Die durch parasitäres Wachstum entstandenen Verunreinigungen bilden Konsumierungsflächen für das in die Prozesskammer eingebrachte Prozessgas. Dies vermindert die Effizienz des Prozesses und beeinträchtigt das Wachstumsverhalten der auf den Substraten abzuscheidenden Schichten. Es ist deshalb erforderlich, die Prozesskammer und insbesondere die durch parasitäres Wachstum beeinträchtigten Oberflächen zu reinigen. Eine aufwendige Methode besteht darin, die entsprechenden Teile des Reaktors aus dem Reaktor herauszunehmen und getrennt vom Reaktor zu reinigen. Derartige Prozesskammern besitzen einen auswechselbaren Prozesskammerboden und eine auswechselbare Prozesskammerdecke. Eine Alternative dazu ist die In-Situ-Reinigung durch Einleiten eines geeigneten Ätzgases. In Betracht kommt hier HCl. Dieser Prozess setzt aber auch eine bestimmte Oberflächentemperatur der zu ätzenden Flächen voraus. Es ist in der Regel unproblematisch, den geheizten Prozesskammerboden auf die erforderliche Ätztemperatur aufzuheizen. Bei einer gekühlten Prozesskammerdecke ist dies problematisch, da diese im Wesentlichen nur durch die vom Prozesskammerboden ausgehende Strahlung erwärmbar ist. Zufolge der in den Ansprüchen angegebenen technischen Lehre ist dieses Problem behoben. Die Prozesskammerdecke wird zur Durchführung des Ätzprozesses bis nahe an den Prozesskammerboden abgesenkt. Alternativ dazu kann aber auch der Prozesskammerboden bis nahe an die Prozesskammerdecke angehoben werden. Ein die Prozesskammerdecke kühlendes Kühlorgan kann bei dieser Vertikalverlagerung entweder der Decke oder des Bodens seinen Abstand zum Boden beigehalten, so dass eine effektive Beabstandung der Prozesskammerdecke vom Kühlaggregat erfolgt. Alternativ dazu könnte das Kühlorgan aber auch zusätzlich noch von der Prozesskammerdecke entfernt werden. Das Kühlaggregat besitzt bevorzugt eine nach unten in Richtung auf den Boden weisende Horizontalfläche. Diese Horizontalfläche verläuft parallel zu einer Rückseitenfläche der Prozesskammerdecke. Diese wird von einer Deckenplatte gebildet. Die Deckenplatte liegt vorzugsweise in berührender Anlage an den Kühlaggregat. Es kann eine Boden- oder Deckenhalterung vorgesehen sein, um die Decke bzw. den Boden der Prozesskammer innerhalb des Reaktorgehäuses zu halten. Ein oder beide dieser Halterungen können vertikal verlagert werden, so dass der Abstand zwischen Decke und Boden der Prozesskammer zum Zwecke des Ätzens letzterer vermindert werden kann. Die Deckenplatte kann kreisrund sein. Sie kann aber auch einen kreisscheibenförmigen Grundriss aufweisen. Der Innenrand dieser kreisscheibenförmigen Dekkenplatte liegt bevorzugt auf Haltemitteln eines Innenzylinders. Letzterer ist mit Hubmitteln absenkbar. Die Hubmittel können im Zentrum der Deckenplatte angeordnet sein. Des Weiteren kann sich im Zentrum der Prozesskammer ein Gaseinlassorgan befinden. Dieses wird bevorzugt von unten her mit den Prozessgasen gespeist. Das Gaseinlassorgan kann eine Vielzahl von voneinander getrennten Kanälen aufweisen, durch die die Prozessgase in die Prozesskammer eingeleitet werden. Die den einzelnen Kanälen zugeordneten Austrittsöffnungen können jeweils auf einer Zylindermantelfläche liegen. Somit ist eine Rotationssymmetrie der Gasaustrittsflächen gegeben, die insgesamt übereinander angeordnet sind. Beim Vermindern des Abstandes zwischen Prozesskammerdecke und Prozesskammerboden werden die Austrittsöffnungen der Pro zessgase teilweise von der Innenwandung des Innenzylinders überdeckt. Das zum Ätzen der Prozesskammer verwendete HCl kann somit durch diese zentrale Zuleitungen, also über das Gaseirilassorgan, in die Prozesskammer eingeleitet werden. Vorzugsweise tritt das Ätzgas aus der zuoberst liegenden Gasaustrittsöffnung aus und streicht dann an der Innenwandung des Innenzylinders vorbei. Es wird dann in die Horizontalrichtung umgelenkt und durchströmt die höhenverminderte Prozesskammer, wobei sowohl der Boden als auch die Decke der Prozesskammer geätzt werden. In einer Variante ist vorgesehen, dass das Gaseinlassorgan von der Decke der Prozesskammer selbst gebildet wird. Letztere bildet dann eine Gasaustrittsfläche aus. die Gasaustrittsfläche besitzt eine Vielzahl von duschkopfartig angeordneten Gasaustrittsöffnungen. Auch eine derartige Prozesskammer ist von einem Gassammelring umgeben. Oberhalb der Decke befindet sich ein in der Regel wassergekühlter duschkopfartiger Körper mit einem Gasplenum, mit welchem die Gasaustrittsöffnungen gasversorgt werden. Durch dieses Plenum kann im Bedarfsfall auch das Ätzgas in die Prozesskammer eingeleitet werden. Bevorzugt besitzt die Prozesskammer jedoch eine zentrale gesonderte Zuleitung durch den Boden der Prozesskammer, durch welche das Ätzgas in die Prozesskammer eingeleitet wird.
- Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand beigefügter Zeichnungen erläutert. Es zeigen:
-
1 den Halbquerschnitt eines Reaktorgehäuses des ersten Ausführungsbeispiels mit in Prozessstellung befindlicher Deckenplatte; -
2 eine Darstellung gemäß1 in der Ätzstellung abgesenkter Deckenplatte; -
3 den Schnitt durch ein Reaktorgehäuse eines zweiten Ausführungsbeispiels in der Prozessstellung; und -
4 eine Darstellung gemäß3 mit in die Ätzstellung abgesenkter Dekkenplatte. - In den
1 und2 ist grobschematisch der Aufbau eines Reaktorgehäuses1 dargestellt. Letzteres besitzt einen Boden3 , der aus Graphit oder einem anderen geeigneten Material, bspw. Saphir oder Quarz bestehen kann. Der Boden3 liegt auf einem Bodenträger. Unterhalb des Bodenträgers befindet sich eine Heizung21 . Es kann sich um eine RF-Heizung oder um eine Widerstandsheizung handeln. Mit dieser wird der Boden3 auf die Prozesstemperatur aufgeheizt. Der Boden wird von einer Bodenhalterung10 getragen. - Oberhalb des Bodens befindet sich in einem Abstand H die Decke
5 der Prozesskammer. Die Decke5 besteht aus einer kreisringförmigen Scheibe5 , aus Quartz, Saphir, Graphit oder einem anderen geeigneten Material. Diese Decke liegt in der in1 dargestellten Prozessstellung in berührender Anlage an einer Kühlfläche8 , die die Unterseite eines Kühlaggregates7 ist. Boden3 und Decke5 können beschichtet sein. - Das Kühlaggregat
7 ist ein Hohlkörper, der von einer Kühlflüssigkeit durchströmt. Das Kühlaggregat7 ist ortsfest mit dem Reaktorgehäuse1 verbunden. Der Innenrand der Deckenplatte5 liegt auf einem Kragen12 eines Innenzylinders13 auf. Dieser Innenzylinder13 ist Teil einer Deckenhalterung9 , die mit einem Hubmittel15 in Vertikalrichtung verlagerbar ist. Zur Deckenhalterung9 gehört darüber hinaus ein Außenzylinder14 , der einen nach innen gerichteten Kragen12 ausbildet, auf dem der äußere Rand der Deckenplatte5 aufliegt. Der Außenzylinder14 ist mittelst einer Querverbindung23 mit dem Innenzylinder13 verbunden, so dass Außenzylinder14 und Innenzylinder13 ab gesenkt werden können. Beim Absenken von Außenzylinder14 und Innenzylinder13 wird die Prozesskammerdecke5 von der Kühlfläche8 beabstandet. Sie nähert sich dabei unter gleichzeitiger Verminderung des Abstandes H einem Suszeptor22 an, der Teil des Bodens3 ist und auf dem während des Prozessschrittes das Substrat4 angeordnet ist. - Das Hubmittel
15 ist in den Zeichnungen nur schematisch dargestellt. Es kann sich um einen Pneumatikzylinder handeln. Denkbar ist auch die Verwendung eines Zahnstangen- oder Hebelgetriebes. - Die in
1 dargestellte Prozesskammer2 besitzt eine kreisringförmige Gestalt. Im Zentrum der Prozesskammer2 befindet sich ein Gaseinlassorgan6 zum Einleiten der Prozessgase. Die Prozessgase können metallorganische Verbindungen sein, die ein Element der III. Hauptgruppe in die Prozesskammer transportieren. Elemente der V. Hauptgruppe werden in Form von Hydriden in die Prozesskammer eingeleitet. Es ist aber auch möglich, die Elemente der III. Hauptgruppe in Form von Chloriden in die Prozesskammer einzuleiten. Die einzelnen Prozessgase werden getrennt voneinander durch Gasauslässe25 ,26 ,27 , die übereinander angeordnet sind, in die Prozesskammer2 eingeleitet. Dies erfolgt rotationssymmetrisch. Ein sich oberhalb der Gasauslässe25 ,26 ,27 erstreckender Spalt24 zwischen Innenzylinder13 und oberem Teil des Gaseinlassorgans6 wird mit einem Inertgas gespült. Während des Beschichtungsprozesses wird der in einer Aussparung der Bodenplatte3 einliegende kreisscheibenförmige Suszeptor22 gedreht. - Zur Durchführung des Ätzprozesses, bei dem sich kein Substrat
4 in der Prozesskammer2 befindet, wird mittelst des schematisch dargestellten Hubmittels15 die Deckenhalterung9 abgesenkt. Die jetzt von dem Kühlaggregat7 entfernte Deckenplatte5 kann sich zufolge der auf sie einwirkenden Wärmestrahlung vom Boden3 her aufheizen. Durch das Gaseinlassorgan6 wird ein Ätzgas, bspw. HCl in die Prozesskammer geleitet. Dies erfolgt bevorzugt durch die zuoberst liegende Gasaustrittsöffnung25 , so dass das Ätzgas an der Innenwandung des Innenzylinders13 vertikal abwärts strömt, bevor es in die Horizontalrichtung umgeleitet wird und über den Boden3 und an der Unterseite5' der Decke5 entlang strömt. Dabei werden die aufeinander zuweisenden Oberflächen vom Boden3 und Decke5 geätzt. Hierdurch wird beim Wachstumsprozess zufolge parasitären Wachstums dort abgeschiedenes Material entfernt. - In den
3 und4 ist ein sogenannter Showerhead-Reaktor dargestellt. Auch hierbei handelt es sich um einen CVD-Reaktor, bei dem mittels in die Prozesskammer2 eingeleiteter Prozessgase Schichten auf Substraten4 abgeschieden werden. Hier erstreckt sich das Gaseinlassorgan6 über die gesamte Grundfläche der Prozesskammer. Das Gaseinlassorgan6 besitzt ein Gasplenum, welches an seiner Unterseite Gasaustrittsöffnungen aufweist. Die Unterseite des Gaseinlassorgans6 ist eine Kühlfläche8 . Sie wird mittelst Kühlmittel gekühlt. Unterhalb dieser Kühlfläche8 befindet sich eine Deckenplatte5 . Letztere besitzt eine Vielzahl siebartig angeordneter Gasaustrittsöffnungen, die mit Gasaustrittsöffnungen der Kühlfläche8 fluchten, so dass das durch einen Gaseinlass20 in das Gaseinlassorgan6 eingebrachte Gas durch die Gasaustrittsöffnungen16 in die Prozesskammer2 strömen kann. - In der in
3 dargestellten Prozessstellung liegt die aus Graphit, Quarz, Saphir oder einem anderen geeigneten wärmeleitenden oder wärmeisolierenden Material bestehende Deckenplatte5 in berührender Anlage an der Kühlfläche8 . Die Deckenplatte5 ruht hierzu auf Haltevorsprüngen11 , die von einer Deckenhalterung9 ausgebildet werden. Die Deckenhalterung9 ist absenkbar, so dass die Deckenplatte5 der Oberfläche des Bodens3 angenähert werden kann. - Der Boden
3 ruht auf einer Bodenhalterung10 . Unterhalb des Bodens3 befindet sich eine Heizung21 , mit der der Boden beheizt werden kann. Der Boden be steht aus Graphit, Quarz, Saphir oder einem anderen geeigneten Material, damit die auf dem Boden3 aufliegenden Substrate4 erwärmt werden können. - Die Prozesskammer ist von einem ringförmigen Gasauslassring
19 umgeben, mit dem das nicht verbrauchte Prozessgas oder Reaktionsprodukte abgeleitet werden können. - Nach Durchführung des Beschichtungsprozesses und Entnahme der Substrate
4 aus der Prozesskammer2 kann die Deckenhalterung9 mittelst einer nicht dargestellten Hubeinrichtung abgesenkt werden. Dabei vermindert sich der Abstand H zwischen Boden3 und Decke5 . Gleichzeitig vergrößert sich der Abstand der Decke5 von der Kühlfläche8 , so dass sich die Decke5 derartig aufheizen kann, dass dort abgeschiedenes Material durch Einleiten eines Ätzgases entfernt werden kann. - Das Ätzgas, bei dem es sich auch hier vorzugsweise um ein Chlorid und insbesondere HCl handelt, kann durch das Gaseinlassorgan, also durch den Gaseinlass
20 in die Prozesskammer eingeleitet werden. Im Ausführungsbeispiel ist jedoch eine Zuleitung18 durch den Boden3 vorgesehen, durch welche Zuleitung18 des Ätzgas in das Zentrum der Prozesskammer eingebracht werden kann. - Auch bei dem in den
3 und4 dargestellten Ausführungsbeispiel können die Substrate4 auf drehbaren Suszeptoren aufliegen. Auch hier kann der Boden3 insgesamt um seine Achse gedreht werden. - In den beiden zuvor beschriebenen Ausführungsbeispielen wurde zum Zwecke der Abstandsverminderung zwischen Decke
5 und Boden3 die Deckenplatte abgesenkt. Es ist jedoch gleichfalls möglich, in beiden Ausführungsbeispielen durch eine entsprechende Gestaltung der Bodenhalterung10 den Boden3 an die Decke5 anzunähern. Bevorzugt wird bei dieser Annäherung aber ein Kühlaggregat7 oder eine Kühlfläche8 von der Deckenplatte5 distanziert. Das Hubmittel zum Anheben des Bodens3 kann somit gleichzeitig das Kühlaggregat7 bzw. die Kühlfläche8 anheben. Der Abstand der Kühlfläche8 bzw. Kühlaggregat7 zum Boden3 kann bei einer derartigen Vertikalverlagerung unverändert bleiben. - Alle offenbarten Merkmale sind (für sich) erfindungswesentlich. In die Offenbarung der Anmeldung wird hiermit auch der Offenbarungsinhalt der zugehörigen/beigefügten Prioritätsunterlagen (Abschrift der Voranmeldung) vollinhaltlich mit einbezogen, auch zu dem Zweck, Merkmale dieser Unterlagen in Ansprüche vorliegender Anmeldung mit aufzunehmen.
Claims (17)
- Vorrichtung zum Abscheiden einer oder mehrerer Schichten auf einem Substrat (
4 ) mit einer in einem Reaktorgehäuse (1 ) angeordneten Prozesskammer (2 ), die einen beheizbaren Boden (3 ), auf dem das Substrat liegt, und eine sich parallel zum Boden (3 ) erstreckende Decke (5 ) sowie ein Gaseinlassorgan (6 ) zum Einleiten von Prozessgasen aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand (H) der Prozesskammerdecke (5 ) zum Prozesskammerboden (3 ) bis nahe Null reduzierbar ist. - Vorrichtung nach Anspruch 1 oder insbesondere danach, gekennzeichnet durch das Absenken der Decke (
5 ) oder das Anheben des Bodens (3 ) unterstützende Mittel. - Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche oder insbesondere danach, gekennzeichnet durch ein oberhalb der Decke (
5 ) angeordnetes Kühlaggregat (7 ), von welchem die Decke (5 ) bei der Abstandsverminderung beabstandet wird. - Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche oder insbesondere danach, dadurch gekennzeichnet, dass das Kühlaggregat (
7 ) eine sich parallel zur Rückseite (5'' ) der Decke (5 ) ggf. in berührender Anlage dazu erstreckende Kühlfläche (8 ) aufweist. - Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche oder insbesondere danach, gekennzeichnet durch eine in Vertikalrichtung innerhalb des Reaktorgehäuses verlagerbare Boden- oder Deckenhalterung (
9 ,10 ). - Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche oder insbesondere danach, gekennzeichnet durch am Rand der Decke (
5 ) angreifende Haltemittel (11 ,12 ) der Deckenhalterung (9 ). - Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche oder insbesondere danach, gekennzeichnet durch eine kreisringscheibenförmige Deckenplatte (
5 ), deren Innenrand auf Haltemittel (12 ) eines Innenzylinders (13 ) der Deckenhalterung (9 ) aufliegt. - Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche oder insbesondere danach, dadurch gekennzeichnet, dass der Außenrand auf Haltemittel (
11 ) eines Außenzylinders (14 ) der Deckenhalterung (9 ) liegt. - Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche oder insbesondere danach, gekennzeichnet durch oberhalb der Prozesskammer (
2 ) angeordnete Hubmittel (15 ) zur Vertikalverlagerung des Dekkenhalters (9 ). - Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche oder insbesondere danach, gekennzeichnet durch ein von unten durch den Boden (
3 ) in die Prozesskammer (2 ) ragendes Gaseinlassorgan (6 ), das in abgesenkter Stellung der Decke (5 ) vom Innenzylinder (13 ) zumindest teilweise überfangen ist. - Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche oder insbesondere danach, dadurch gekennzeichnet, dass die Decke (
5 ) die Gasaustrittsfläche eines Gaseinlassorgans (6 ) ausbildet. - Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche oder insbesondere danach, gekennzeichnet durch duschkopfartig angeordnete Gasaustrittsöffnungen (
16 ) in der Decke (5 ). - Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche oder insbesondere danach, gekennzeichnet durch eine dem Boden (
3 ) zugeordnete Gasaustrittsöffnung (17 ) für ein Ätzgas. - Verfahren zum Reinigen einer Deckenplatte (
5 ) einer Prozesskammer (2 ), die beim Abscheiden mindestens einer Schicht die Decke der Prozesskammer (2 ) eines Reaktorgehäuses (1 ) bildet und die einem geheizten Prozesskammerboden gegenüberliegt, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand (H) der Deckenplatte (5 ) vom Boden (3 ) nach dem Entfernen der beschichteten Substrate (4 ) aus der Prozesskammer (2 ) derart vermindert wird, dass sich die Deckenplatte (5 ) durch Wärmeübertragung vom geheizten Boden (3 ) aufheizt und in die Prozesskammer (2 ) ein reaktives Gas eingeleitet wird, welches im Wege einer thermisch aktivierten Reaktion an der Deckenplatte (5 ) deponierte Rückstände entfernt. - Verfahren nach Anspruch 14 oder insbesondere danach, dadurch gekennzeichnet, dass das reaktive Gas ein Halogenwasserstoff, insbesondere HCl ist.
- Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 14 oder 15 oder insbesondere danach, dadurch gekennzeichnet, dass die Verminderung des Abstandes (H) durch Absenken der Deckenplatte (
5 ) in Richtung auf den Boden (3 ) oder durch Anheben des Bodens (3 ) in Richtung auf die Deckenplatte (5 ) erfolgt. - Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 14 bis 16 oder insbesondere danach, dadurch gekennzeichnet, dass die Deckenplatte (
5 ) eine Gasaustrittsplatte ist, die insbesondere aus einem wärmeisolierenden Werkstoff besteht, und die Prozesskammerdecke von einem Gaseinlassorgan (6 ) ausgebildet ist.
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DE102020123546A1 (de) | CVD-Reaktor mit einer Kühlfläche mit bereichsweise vergrößerter Emissivität |
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Effective date: 20130423 |