DE102010016477A1 - Thermisches Behandlungsverfahren mit einem Aufheizschritt, einem Behandlungsschritt und einem Abkühlschritt - Google Patents

Thermisches Behandlungsverfahren mit einem Aufheizschritt, einem Behandlungsschritt und einem Abkühlschritt Download PDF

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Behandeln, insbesondere Beschichten von Werkstücken, insbesondere Halbleitersubstraten (19) in einer Prozesskammer (4) eines Reaktorgehäuses (1, 2, 3), die einen von einer Heizeinrichtung (15) beheizbaren, einen Suszeptor (5) zur Aufnahme der Werkstücke aufweisenden Prozesskammerboden (9) und eine von einer Kühleinrichtung (23) kühlbare Prozesskammerdecke (10) ausbilden, wobei die durch den Abstand von Prozesskammerdecke (10) und Prozesskammerboden (9) definierte Prozesskammerhöhe (H) variierbar ist, wobei in einem Aufheizschritt der Suszeptor (5) von einer Be/Entlade-temperatur, bei welcher die Prozesskammer mit den Werkstücken be- bzw. entladen wird, auf eine Prozesstemperatur aufgeheizt wird, in einem dem Aufheizschritt nachfolgenden Behandlungsschritt bei der Prozesstemperatur die Werkstücke thermisch behandelt werden und nachfolgend in einem Abkühlschritt der Suszeptor auf die Be-/Entladetemperatur abgekühlt wird. Zur Verminderung der Zykluszeiten wird vorgeschlagen, dass die Prozesskammerhöhe (H) während des Abkühlschrittes einen Minimalwert einnimmt.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Behandeln, insbesondere Beschichten von Werkstücken, insbesondere Halbleitersubstraten in einer Prozesskammer eines Reaktorgehäuses, die einen von einer Heizeinrichtung beheizbaren, einen Suszeptor zur Aufnahme der Werkstücke aufweisenden Prozesskammerboden und eine von einer Kühleinrichtung kühlbare Prozesskammerdecke ausbilden, wobei die durch den Abstand von Prozesskammerdecke und Prozesskammerboden definierte Prozesskammerhöhe variierbar ist, wobei in einem Aufheizschritt der Suszeptor von einer Be-/Entladetemperatur, bei welcher die Prozesskammer mit den Werkstücken be- bzw. entladen wird, auf eine Prozesstemperatur aufgeheizt wird, in einem dem Aufheizschritt nachfolgenden Behandlungsschritt bei der Prozesstemperatur die Werkstücke thermisch behandelt werden und nachfolgend in einem Abkühlschritt der Suszeptor auf die Be-/Entladetemperatur abgekühlt wird.
  • Aus der DE 102 17 806 A1 ist eine Vorrichtung bekannt, mit der in einem MOCVD-Verfahren Halbleiterschichten auf Halbleitersubstrate abgeschieden werden können. Die Vorrichtung besitzt ein Reaktorgehäuse, in dem sich ein Gaseinlassorgan und ein Suszeptor befinden. Zwischen Unterseite des Gaseinlassorgans und Oberseite des Suszeptors befindet sich eine Prozesskammer. Durch Öffnungen der Prozesskammerdecke kann ein Prozessgas in die Prozesskammer fließen. Auf dem Suszeptor befinden sich Substrate, die beschichtet werden. Hierzu zerlegt sich das Prozessgas bzw. verschiedene Prozessgaskomponenten pyrolytisch, insbesondere auf der Oberfläche des zu beschichtenden Substrates. Die Reaktionsprodukte, bei denen es sich um Elemente der III und V Hauptgruppe handelt, bilden auf der Substratoberfläche eine Schicht, die in einer epitaktischen Beziehung zum einkristallinen Substrat steht. Der Suszeptor wird von unten mit einer Heizung beheizt. Der Suszeptor kann zur Variation der Prozesskammerhöhe in Vertikalrichtung verlagert werden.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Zykluszeiten eines Abscheideprozesses zu verkürzen.
  • Gelöst wird die Aufgabe durch die in den Ansprüchen angegebene Erfindung.
  • Bei einer Be-/Entladetemperatur, die deutlich unterhalb der Prozesstemperatur liegt, die jedoch 100°C und mehr betragen kann, wird die Prozesskammer bei geöffnetem Reaktorgehäusedeckel mit Substraten beladen. Anschließend wird das Reaktorgehäuse geschlossen und die Prozesskammer mit einem Spülgas gespült. In einem Aufheizschritt wird der Suszeptor auf Prozesstemperatur gebracht, die mehrere 100°C höher als die Be-/Entladetemperatur sein kann. Während des Prozessschritts werden Prozessgase in die Prozesskammer eingeleitet, so dass der thermische Behandlungsprozess stattfinden kann. Nach Beendigung des Prozessschritts wird in einem Abkühlschritt die Prozesskammer bzw. der Suszeptor auf die Be-/Entladetemperatur abgekühlt. Ist diese erreicht, kann das Reaktorgehäuse geöffnet werden, um die behandelten Substrate zu entnehmen und gegen zu behandelnde Substrate auszutauschen. Erfindungsgemäß wird die Zykluszeit dadurch vermindert, dass während der Aufheizphase der Suszeptor seine maximale Entfernung von der gekühlten Prozesskammerdecke einnimmt. Hierdurch wird der Wärmeabfluss vom beheizten Suszeptor zur gekühlten Prozesskammerdecke minimiert. Besonders bevorzugt wird während des Aufheizschrittes ein Spülgas mit einer geringen Wärmeleitfähigkeit, bspw. Stickstoff, durch ein Gaseinlassorgan, welches die Prozesskammerdecke bildet, eingeleitet. Zur Durchführung des Behandlungsschrittes wird die Prozesskammerhöhe auf den für die jeweilige Behandlung optimalen Wert eingestellt. Es kann sich dabei um eine reine thermische Behandlung eines Werkstücks, insbesondere eines Substrates, handeln. Bevorzugt wird während des Behandlungsschrittes aber ein aus ein oder mehreren Komponenten bestehendes Prozessgas durch Gaseintrittsöffnungen des Gaseinlassorgans in die Prozesskammer geleitet, wo es auf den Substratoberflächen chemisch reagiert, so dass dort eine Halbleiterschicht abgeschieden wird. Hierzu enthält das Prozessgas bevorzugt eine metallorganische Komponente eines Metalls der III Hauptgruppe und ein Hydrid eines Elementes der V Hauptgruppe. Während des Abkühlprozesses nimmt die Prozesskammerhöhe ihren Minimalwert ein. Besonders bevorzugt wird dabei die Prozesskammerhöhe mit einem Spülgas, welches eine hohe Wärmeleitfähigkeit besitzt, bspw. Wasserstoff, gespült. Zufolge dieser Maßnahme ist der Wärmeabfluss vom abzukühlenden Suszeptor zur gekühlten Prozesskammerdecke maximiert. In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung wird innerhalb der Prozesskammer ein MOCVD-Prozess bei einem Niedrigdruck durchgeführt. Der aus Graphit bestehende Suszeptor wird bevorzugt von unten mittels einer IR- oder RF-Heizung beheizt. Zur Variation der Prozesskammerhöhe wird bevorzugt der Suszeptor und eine den Suszeptor heizende Heizung in Vertikalrichtung von einem Stellantrieb verlagert. Der Stellantrieb kann sich innerhalb des Reaktorgehäuses befinden und besteht bevorzugt aus einem Spindelantrieb. Der Suszeptor kann um eine im Zentrum des Reaktorgehäuses angeordnete Achse gedreht werden. In der Prozesskammerdecke, die bevorzugt von einer Gasaustrittsfläche eines Gaseinlassorgans ausgebildet wird, befinden sich von einem Kühlmittel durchströmte Kühlkanäle.
  • Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird anhand der beigefügten 1, die einen Querschnitt durch ein Reaktorgehäuse zeigt, erläutert.
  • Das Reaktorgehäuse wird von einer Reaktorgehäusedecke 1, einem Reaktorgehäuseboden 3 und einer Reaktorgehäusewand 2 ausgebildet. Die Reaktorgehäusewand 2 kann rohrförmig verlaufen. Das Gehäuseinnere kann mit einer nicht dargestellten Vakuumeinrichtung evakuiert bzw. auf einem unterhalb des Atmosphärendruck liegenden Prozesskammerdrucks geregelt gehalten werden.
  • An der Gehäusedecke 1 ist ein Gaseinlassorgan 7 befestigt, welches durch eine Zuleitung 21 mit einem Spülgas bzw. mit Prozessgasen gespeist wird. Das Gaseinlassorgan 7 besteht aus einem aus Edelstahl gefertigten Hohlkörper, in dem sich vor der Mündung der Zuleitung 21 eine Prallplatte 20 befindet. Die Unterseite des Gaseinlassorgans 7 bildet eine Gasaustrittsplatte aus, die eine Vielzahl von siebartig angeordneten Gasaustrittsöffnungen 8 aufweist. Die nach unten weisende Außenseite der Gasaustrittsplatte bildet eine Prozesskammerdecke 10 aus. Zwischen den Gasaustrittsöffnungen 8 befinden sich Kühlkanäle 23, durch die ein flüssiges Kühlmittel, bspw. Wasser, strömt, um die Prozesskammerdecke 10 zu kühlen.
  • Parallel zu der Gasaustrittsplatte des Gaseinlassorgans 7 erstreckt sich die Oberseite eines unterhalb des Gaseinlassorgans 7 angeordneten Suszeptors 5, dessen Oberseite den Prozesskammerboden 9 ausbildet. Zwischen dem Gaseinlassorgan 7 und dem Suszeptor 5 erstreckt sich die Prozesskammer 4. Der Durchmesser des kreisscheibenförmigen Suszeptors 5 kann mehr als 30 cm betragen.
  • Der Suszeptor 5 wird von einer Säule 22 getragen, die sich in der Zentralachse 6 der Prozesskammer 4 befindet. Die Säule 22 kann drehangetrieben werden, um den Suszeptor 5 während des Beschichtungsprozesses um die Achse 6 zu drehen.
  • Unterhalb des Suszeptors 5 befindet sich eine Trägerplatte 17, die bspw. aus Quarz bestehen kann und die einen Gasauslassring 16 mit einer Vielzahl von Gasaustrittsöffnungen 18 trägt, der mit der nicht dargestellten Vakuumeinrichtung verbunden ist.
  • Unterhalb des Suszeptors 5 und der Trägerplatte 17 befindet sich eine Heizspirale 15, die in der Lage ist, ein RF-Feld zu erzeugen, welches in den aus Graphit gefertigten Suszeptor 5 Wirbelströme induziert, so dass dadurch der Suszeptor 5 auf eine Prozesstemperatur aufgeheizt werden kann.
  • Es sind mehrere Stellantriebe 11 vorgesehen, die einen Spindelantrieb 13, eine vom Spindelantrieb 13 drehantreibbare Spindel 12 und eine an der Trägerplatte 17 angeordnete Spindelmutter 14 aufweisen. Mit den Stellantrieben 11 kann die Vertikalposition des Suszeptors 5, der Trägerplatte 17 und der Heizung 15 variiert werden.
  • Mit den Stellantrieben 11 ist somit die Prozesskammerhöhe H zwischen einem Minimalwert und einem Maximalwert veränderbar. Die Höhe H kann zwischen 4 und 50 mm variiert werden. Der Durchmesser des Suszeptors ist typischerweise mindestens 30 cm und typischerweise maximal 650 cm.
  • Mit der zuvor beschriebenen Vorrichtung wird folgendes Behandlungsverfahren durchgeführt:
    Bei einer Be-/Entladetemperatur, die zwischen Raumtemperatur und 200°C bis 300°C betragen kann, wird das Reaktorgehäuse geöffnet, was bspw. durch Anheben des Reaktorgehäusedeckels 1 erfolgen kann. Da das Gaseinlassorgan 7 fest am Reaktorgehäusedeckel 1 befestigt ist, ist bei geöffnetem Reaktorgehäusedeckel 1 der Suszeptor 5 zugänglich, um ihn mit Substraten 19 zu beladen. Nachdem der Suszeptor 5 mit den zu beschichtenden Substraten 19 beladen wird, wird das Prozesskammergehäuse wieder geschlossen. Die Prozesskammer 4 wird mit einem Spülgas, bei dem es sich um Stickstoff handeln kann, gespült. Mittels des Stellantriebes 11 wird der Suszeptor 5 nebst Heizung 15 in eine maximal abgesenkte Position verfahren, in der die Prozesskammerhöhe H ihren Maximalwert, bspw. mindestens 7 cm, einnimmt. In dieser Stellung, in der der Wärmeübertrag vom Suszeptor auf die gekühlte Prozesskammerdecke 10 minimiert ist, wird der Suszeptor 5 auf seine Prozesstemperatur aufgeheizt, die oberhalb 600°C bzw. auch oberhalb 1000°C liegen kann.
  • Durch Einleiten eines Prozessgases durch die Zuleitung 21 in das Gaseinlassorgan 7 und durch Austritt aus den Gasaustrittsöffnungen 8 in die Prozesskammer 4 wird ein Wachstumsprozess in Gang gesetzt, bei dem auf den Substraten 19 Halbleiterschichten abgeschieden wird.
  • Nach Beendigung des Wachstumsschrittes wird die Prozesskammer 4 mit einem Spülgas gespült, bei dem es sich jetzt um Wasserstoff handeln kann. Mit den Stellantrieben 11 wird der Suszeptor 5 in Vertikalrichtung bis in eine Maximalposition nach oben gefahren, in der die Prozesskammerhöhe H ihren Minimalwert einnimmt. Dieser kann bspw. maximal 2 cm betragen. Bei abgeschalteter Heizung 15 und mit einem Kühlmittel gekühlter Prozesskammerdecke 10 kühlt der Suszeptor 5 ab, wobei der Wärmeübertrag vom Suszeptor 5 zur gekühlten Prozesskammerdecke 10 zufolge des gut wärmeleitenden Spülgases und des minimalen Abstandes maximiert ist.
  • Nach Erreichen der Be-/Entladetemperatur wird Stickstoff in die Prozesskammer eingeleitet und der Reaktorgehäusedeckel 1 zwecks Substratwechsel geöffnet.
  • 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. Die Unteransprüche charakterisieren in ihrer fakultativ nebengeordneten Fassung eigenständige erfinderische Weiterbildung des Standes der Technik, insbesondere um auf Basis dieser Ansprüche Teilanmeldungen vorzunehmen.
  • Bezugszeichenliste
    • 1
    Reaktorgehäusedecke
    2
    Reaktorgehäusewand
    3
    Reaktorgehäuseboden
    4
    Prozesskammer
    5
    Suszeptor
    6
    Achse
    7
    Gaseinlassorgan
    8
    Gasaustrittsöffnung
    9
    Prozesskammerboden
    10
    Prozesskammerdecke
    11
    Stellantrieb
    12
    Spindel
    13
    Spindelantrieb
    14
    Spindelmutter
    15
    Heizung
    16
    Gasauslassorgan
    17
    Trägerplatte
    18
    Gasaustrittsöffnung
    19
    Substrat
    20
    Prallplatte
    21
    Zuleitung
    22
    Säule
    23
    Kühlkanal
    H
    Prozesskammerhöhe
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • DE 10217806 A1 [0002]

Claims (10)

  1. Verfahren zum Behandeln, insbesondere Beschichten von Werkstücken, insbesondere Halbleitersubstraten (19) in einer Prozesskammer (4) eines Reaktorgehäuses (1, 2, 3), die einen von einer Heizeinrichtung (15) beheizbaren, einen Suszeptor (5) zur Aufnahme der Werkstücke aufweisenden Prozesskammerboden (9) und eine von einer Kühleinrichtung (23) kühlbare Prozesskammerdecke (10) ausbilden, wobei die durch den Abstand von Prozesskammerdecke (10) und Prozesskammerboden (9) definierte Prozesskammerhöhe (H) variierbar ist, wobei in einem Aufheizschritt der Suszeptor (5) von einer Be-/Entladetemperatur, bei welcher die Prozesskammer mit den Werkstücken be- bzw. entladen wird, auf eine Prozesstemperatur aufgeheizt wird, in einem dem Aufheizschritt nachfolgenden Behandlungsschritt bei der Prozesstemperatur die Werkstücke thermisch behandelt werden und nachfolgend in einem Abkühlschritt der Suszeptor auf die Be-/Entladetemperatur abgekühlt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Prozesskammerhöhe (H) während des Aufheizschrittes einen Maximalwert und während des Abkühlschrittes einen Minimalwert einnimmt.
  2. Verfahren nach Anspruch 1 oder insbesondere danach, dadurch gekennzeichnet, dass während des Behandlungsschrittes durch einen die Prozesskammerdecke (10) ausbildendes Gaseinlassorgan (7) ein Prozessgas in die Prozesskammer (4) eingeleitet wird, welches auf mindestens einem auf dem Suszeptor (5) aufliegenden Substrat (19) durch chemische Reaktion oder durch Kondensation eine Schicht bildet.
  3. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche oder insbesondere danach, dadurch gekennzeichnet, dass während des Aufheizschritts ein Spülgas mit einer geringen Wärmeleitfähigkeit bspw. Stickstoff durch das Gaseinlassorgan (7) in die Prozesskammer (4) eingeleitet wird.
  4. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche oder insbesondere danach, dadurch gekennzeichnet, dass während des Abkühlschritts ein Prozessgas mit einer hohen Wärmeleitfähigkeit, bspw. Wasserstoff, durch das Gaseinlassorgan (7) in die Prozesskammer (4) eingeleitet wird.
  5. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche oder insbesondere danach, dadurch gekennzeichnet, dass der Behandlungsschritt ein MOCVD-Abscheideprozess ist.
  6. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche oder insbesondere danach, dadurch gekennzeichnet, dass der Behandlungsschritt bei einem Prozesskammerdruck von weniger als 1000 mbar durchgeführt wird.
  7. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche oder insbesondere danach, dadurch gekennzeichnet, dass der aus Graphit gefertigte Suszeptor (5) mittels einer RF-Heizung (15) oder einer IR-Heizung temperiert wird.
  8. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche oder insbesondere danach, dadurch gekennzeichnet, dass die Prozesskammerdecke mittels eines durch Kühlkanäle (23) strömenden flüssigen Kühlmittels gekühlt wird.
  9. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche oder insbesondere danach, dadurch gekennzeichnet, dass zur Variation der Prozesskammerhöhe (H) der Suszeptor (5) zusammen mit der Heizung (15) von einem Stellantrieb (11) in Vertikalrichtung gegenüber dem Reaktorgehäuse (1, 2, 3) verlagert wird.
  10. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche oder insbesondere danach, dadurch gekennzeichnet, dass der einen Durchmesser von mindestens 30 cm aufweisende, kreisscheibenförmige Suszeptor (5) in seiner minimalen Abstandsstellung zur Prozesskammerdecke maximal 2 cm von letzterer entfernt ist und in seiner maximalen Abstandsstellung von der Prozesskammerdecke mindestens 7 cm von letzterer entfernt ist.
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