DE102011055061A1

DE102011055061A1 - CVD-Reaktor bzw. Substrathalter für einen CVD-Reaktor

Info

Publication number: DE102011055061A1
Application number: DE102011055061A
Authority: DE
Inventors: Adam Boyd; Daniel Claessens; Hugo Silva
Original assignee: Aixtron SE
Current assignee: Aixtron SE
Priority date: 2011-11-04
Filing date: 2011-11-04
Publication date: 2013-05-08
Also published as: TW201329281A; US10526705B2; US20180223425A1; KR102099216B1; CN104053816A; TWI573895B; CN104053816B; US20140287142A1; WO2013064613A2; WO2013064613A3; KR20140096341A

Abstract

Die Erfindung betrifft einen CVD-Reaktor, einer darin angeordneten Prozesskammer (4), in die mittels eines Gaseinlassorganes (2) ein Prozessgas einspeisbar ist, mit einem Substrathalter (3), der an seiner zur Prozesskammer (4) gewandten Oberseite (3') ein oder mehrere Taschen (5) aufweist, die so ausgebildet sind, dass jeweils ein Substrat (7) nur auf ausgewählten, erhabenen Auflagebereichen (6) aufliegt, mit einer unterhalb des Substrathalters (3) angeordneten Heizung (9), die von der Unterseite (3'') des Substrathalters (3) beabstandet ist, wobei die Unterseite (3'') des Substrathalters (3) in einem unter einer mittigen Zone der Tasche (5) liegenden Zentralbereich (b) bezogen auf die Wärmeübertragung von der Heizung (9) zum Substrathalter (3) anders gestaltet ist als in einem den Zentralbereich (a) umgebenden, unterhalb einer randnahen Zone der Tasche (5) liegenden Umgebungsbereich (a). Die Heizung (9) soll als im wesentlichen ebene Wärmequelle ausgebildet sein. Eine Gasspüleinrichtung (11) ist vorgesehen, um den Spalt (12) mit Spülgasen verschiedener Wärmeleitfähigkeit zu spülen. Der Spalt (12) hat eine derartige Spalthöhe (s, t), dass bei einem Wechsel eines ersten Spülgases mit einer ersten Wärmeleitfähigkeit zu einem zweiten Spülgas mit einer zweiten Wärmeleitfähigkeit die Wärmezufuhr von der Heizung (9) zum Substrathalter (3) sich im Umfangsbereich (a) anders ändert als im Zentralbereich (b).

Description

Die Erfindung betrifft zunächst einen CVD-Reaktor mit einem Reaktorgehäuse, einer darin angeordneten Prozesskammer, in die mittels eines Gaseinlassorganes zumindest ein Prozessgas einspeisbar ist, mit einem Substrathalter, der an seiner zur Prozesskammer gewandten Oberseite ein oder mehrere Taschen aufweist, die so ausgebildet sind, dass jeweils ein Substrat nur auf ausgewählten, gegenüber dem Boden der Tasche erhabenen Auflagebereichen aufliegt, mit einer unterhalb des Substrathalters angeordneten Heizung, die durch einen Spalt von der Unterseite des Substrathalters beabstandet ist, wobei die Unterseite des Substrathalters in einem unter einer mittigen Zone der Tasche liegenden Zentralbereich bezogen auf die Wärmeübertragung von der Heizung zum Substrathalter anders gestaltet ist als in einem den Zentralbereich umgebenden, unterhalb einer randnahen Zone der Tasche liegenden Umgebungsbereich.
Ein derartiger CVD-Reaktor wird in der JP 2002-146540 A beschrieben. Der Substrathalter besitzt eine von einer Vertiefung ausgebildete Tasche, die in ihrer mittleren Zone eine weitere Vertiefung aufweist. Das Substrat liegt auf der so gebildeten Randstufe, die gegenüber der zentralen Zone des Bodens der Tasche erhaben ist, auf. Unterhalb des Substrathalters befindet sich eine Heizung, die von der Unterseite des Substrathalters durch einen Spalt beabstandet ist. Die Heizung besteht aus mehreren Umfangsabschnitten, die durch Vertiefungen voneinander beabstandet sind. Die Unterseite des Substrathalters besitzt in einem unter einer mittigen Zone der Tasche liegenden Zentralbereich eine Vertiefung, so dass dort die Spalthöhe des Isolationsspaltes größer ist als in einem diesen Zentralbereich umgebenden Umfangsbereich. Unterhalb des Zentralbereichs liegt ein zentrales Heizelement, mit dem der Zentralbereich aufheizbar ist. Davon in Radialrichtung durch einen Spalt beabstandet befindet sich ein weiteres, das erste Heizelement umgebendes Heizelement, welches separat den Umgebungsbereich beheizen kann.
Die EP 0 160 220 B2 beschreibt einen Substrathalter, bei dem die Substrate ebenfalls nur auf einem Rand einer Tasche aufliegen.
Die US 2011/0049779 A1 befasst sich mit dem Problem, dass Substrate, die in einem CVD-Reaktor mit unterschiedlichen Schichten bei unterschiedlichen Temperaturen beschichtet werden sich, zufolge unterschiedlicher Eigenschaften der Schichten wölben können. Wird beispielsweise in einem Beschichtungsprozess eine Schicht mit einem größeren Wärmeausdehnungskoeffizienten als das Substrat auf das Substrat abgeschieden und das Substrat in einem darauffolgenden Prozessschritt auf eine niedrigere Temperatur gebracht oder auf eine höhere Temperatur gebracht, so wölbt sich das Substrat in die eine oder die andere Richtung. Da das Substrat lediglich auf ausgewählten Auflagebereichen und insbesondere nur am Rand abgestützt ist und ansonsten sich frei über dem Boden der Tasche erstreckt, wird es im wesentlichen durch Wärmeleitung über das Gas zwischen Substrat und Taschenboden aufgeheizt. Bei einer Wölbung nach oben vergrößert sich der Gasspalt im mittleren Bereich, so dass dort weniger Wärme zum Substrat transportiert wird mit der Folge, dass die Oberfläche des Substrates dort eine geringere Temperatur als im Randbereich aufweist. Dies hat zur Folge, dass die auf dem Substrat abgeschiedenen elektrisch – oder optisch – aktiven Schichten lateral voneinander verschiedene Eigenschaften aufweisen. Insbesondere bei der Fertigung von Leuchtdioden und dort bei der Fertigung von MQW (Multi Quantum Wall) sind diese Inhomogenitäten von großem Nachteil.
Die DE 10 2006 018 514 A1 beschreibt einen Substrathalter, bei dem in einer Vielzahl von Taschen jeweils ein drehangetriebener Träger einliegt, der jeweils ein oder mehrere Substrate tragen kann. Die Substrate liegen auf der Oberseite des drehbaren Trägers. Der drehbare Träger lagert auf einem Gaspolster. Das das Gaspolster bildende Gas kann verschiedene Wärmeleitfähigkeiten besitzen. In der Unterseite des Trägers befindet sich eine Aussparung, so dass das Gaspolster zwischen dem Boden der Tasche und der Unterseite des Trägers Zonen verschiedener Spalthöhen aufweist. Durch Variation der Wärmeleitfähigkeit des Gases kann das Temperaturprofil auf der Oberseite des Trägers und damit die Substrattemperatur lokal beeinflusst werden.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, Maßnahmen anzugeben, mit denen sich die Homogenität von Mehrschichtstrukturen insbesondere aus Elementen der III und V Hauptgruppe verbessern lässt.
Gelöst wird die Aufgabe durch die in den Ansprüchen angegebene Erfindung, wobei zunächst und im wesentlichen darauf abgestellt wird, dass die Heizung als im wesentlichen ebene Wärmequelle ausgebildet ist. Die Heizung kann dabei von einem spiralförmig gelegten Heizdraht ausgebildet sein. Der Abstand der einzelnen Windungsgänge kann in der Größenordnung der Spaltweite liegen. Eine derartige ebene Wärmequelle liefert über ihre gesamte Fläche eine homogene Wärmeleistung in Richtung des Substrathalters. Die Wärme wird sowohl über Wärmestrahlung als über Wärmeleitung an den Substrathalter übertragen. Es ist eine Gasspüleinrichtung vorgesehen, um den Spalt mit Spülgasen verschiedener Wärmeleitfähigkeit zu spülen. Wird der Spalt mit einem Spülgas mit einer hohen Wärmeleitfähigkeit, beispielsweise Wasserstoff gespült, so dominiert beim Wärmetransport die Wärmeleitung. Wird hingegen der Spalt mit einem Spülgas mit geringerer Wärmeleitfähigkeit gespült, so dominiert beim Wärmetransport die Wärmestrahlung. Erfindungsgemäß hat der Spalt eine derartige Spalthöhe, dass bei einem Wechsel eines ersten Spülgases mit einer ersten Wärmeleitfähigkeit zu einem zweiten Spülgas mit einer zweiten Wärmeleitfähigkeit die Wärmezufuhr von der Heizung zum Substrathalter sich im Umfangsbereich anders ändert als im Zentralbereich. Zufolge dieser Auslegung der Ausgestaltung des Substrathalters einerseits und dessen Anordnung gegenüber einer ebenen im wesentlichen homogenen Wärmequelle andererseits können die durch die Wölbung verursachten Wärmeflussinhomogenitäten zum Substrat kompensiert werden. Das Kompensationsmittel ist erfindungsgemäß eine Wärmeübertragungsinhomogenität von der Heizung zum Substrathalter, wobei lokal unterschiedliche Änderungen des Wärmeflusses durch die Änderung der Wärmeleitfähigkeit des Spülgases hervorgerufen wird.
In einer ersten Variante ist vorgesehen, dass die Spalthöhe des Spaltes unter dem Zentralbereich verschieden ist von der Spalthöhe des Umgebungsbereiches. Soll der Wachstumsprozess so geführt werden, dass der Boden der Tasche sowohl in der mittleren Zone als auch in der randnahen Zone dieselbe Temperatur aufweist, so wird ein schwachwärmeleitendes Spülgas verwendet. Der Wärmetransport von der Heizung zum Substrathalter wird jetzt durch die Wärmestrahlung dominiert, so dass unterschiedliche Spalthöhen nur einen geringen Einfluss auf den Wärmetransport haben. Soll hingegen bei einem Prozessschritt, bei dem sich das Zentrum des Substrates nach unten wölbt, der verstärkte Wärmetransport durch den dort verminderten Spalt zwischen Taschenboden und Substrat kompensiert werden, indem die mittlere Zone des Taschenbodens eine etwas geringere Temperatur als der Umgebungsbereich erhält, so wird der Spalt zwischen Heizung und Substrathalter mit einem stark wärmeleitenden Spülgas gespült, so dass der Wärmetransport jetzt von der Wärmeleitung dominiert ist, der im Bereich einer hohen Spalthöhe geringer ist als im Bereich kleiner Spalthöhen. Die Leistung der Heizung wird entsprechend nachgeregelt. Die Unterseite des Substrathalters kann im Zentralbereich eine Vertiefung aufweisen. Es ist aber auch möglich, dass die Unterseite des Substrathalters im Zentralbereich eine zur Heizung weisende Materialanhäufung aufweist, beispielsweise einen Vorsprung. Der Boden der Tasche oder der Boden der Aussparung oder eine zur Heizung weisende Stirnfläche einer Materialanhäufung kann gewölbt sein. Diese Wölbung kann stufenförmig ausgebildet sein. In einer zweiten Variante, die mit der ersten Variante auch kombinierbar ist, besitzt die Unterseite des Substrathalters im Zentralbereich eine andere Reflektivität als im Umgebungsbereich. Besitzt der Zentralbereich beispielsweise eine hohe Reflektivität, wird bei einem durch Wärmestrahlung dominierten Wärmetransport im Umgebungsbereich mehr Wärme absorbiert als im Zentralbereich, da im Umgebungsbereich der Absorptionsgrad größer ist als im Zentralbereich. Denkbar ist auch, dass der Zentralbereich einen höheren Absorptionsgrad besitzt als der Umgebungsbereich. Dieser besitzt dann vorzugsweise einen höheren Reflektionsgrad als der Zentralbereich. Die Zonen unterschiedlicher Reflektivität bzw. unterschiedlicher Absorptionsgrade können durch eine Beschichtung der Substrathalterunterseite realisiert sein. Bei einer derartigen Konfiguration erhält der Boden der Tasche eine im wesentlichen lateral homogene Temperaturverteilung, wenn der Wärmetransport zwischen Heizung und Substrathalter durch Wärmeleitung dominiert ist, also als Spülgas beispielsweise Wasserstoff verwendet wird. Soll die zentrale Zone des Bodens der Tasche aber eine geringere Temperatur bekommen als der Umgebungsbereich unterhalb des Substrates, so wird als Spülgas ein Gas mit einer geringeren Wärmeleitfähigkeit, beispielsweise Stickstoff verwendet, so dass jetzt der Wärmetransport von der Wärmestrahlung dominiert wird.
Der Substrathalter des CVD-Reaktors ist darüber hinaus dadurch gekennzeichnet, dass die das Substrat tragende Rippe entlang des Randes der im wesentlichen kreisrunden Tasche verläuft. Dabei kann die Rippe von der Wandung der Tasche beabstandet sein. Der CVD-Reaktor ist ferner dadurch gekennzeichnet, dass vom Rand der Tasche tascheneinwärts gerichtete Vorsprünge ausgehen, um das auf der Rippe aufliegende Substrat mit über den gesamten Umfang gleichem Randabstand zur Taschenwand zu halten. Ferner ist der CVD-Reaktor dadurch gekennzeichnet, dass die Rippe im Bereich der Vorsprünge, die bevorzugt umfangsgleich verteilt sind, jeweils eine Unterbrechung aufweist. Im Bereich, in dem das Substrat auf der Rippe aufliegt, erfolgt der Wärmetransport vom Substrathalter zum Substrat über Wärmeleitung über den direkten Materialkontakt. Im Bereich der Vorsprünge kommt eine zusätzliche Kontaktfläche des Substrathalters zum Substrat hinzu. Zumindest wird dort aber gegenüber dem restlichen Umfang lokal wegen des geringeren Abstandes eine größere Wärmemenge an das Substrat übertragen, so dass es dort zu lokalen Temperaturerhöhungen kommen kann. Um diesen lokal erhöhten Wärmefluss zum Substrat zu kompensieren, schlägt die Erfindung als eigenständige Weiterbildung des Standes der Technik vor, dass die Rippe in den Bereichen der Vorsprünge unterbrochen ist. Die Umfangslänge der Unterbrechungen können etwa der Umfangslänge der Vorsprünge entsprechen.
Der erfindungsgemäße Substrathalter kann aus Graphit gefertigt sein. Es ist aber auch vorgesehen, den Substrathalter aus Quarz, Metall oder einem kristallinen Werkstoff zu fertigen. Die Wärmequelle ist vorzugsweise ein stromdurchflossener Widerstand, insbesondere in Form eines Heizdrahtes.
Der erfindungsgemäß ausgestaltete Substrathalter kann bevorzugt eine Kreisform aufweisen und um seine Zentrumsachse drehangetrieben werden. Er besitzt auf seiner Oberseite mehrere kreisförmig um das Zentrum angeordnete Taschen. Eine Tasche kann auch im Zentrum liegen. Die Heizung braucht sich nicht mitzudrehen, weil sie so ausgebildet ist, dass sie über ihre gesamte Fläche eine im wesentlichen homogene Temperaturverteilung aufweist. Der CVD-Reaktor ist deshalb zusätzlich dadurch gekennzeichnet, dass der Substrathalter mittels eines Drehantriebes gegenüber der ortsfest dem Reaktorgehäuse zugeordneten Heizung drehantreibbar ist.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand beigefügter Zeichnungen erläutert. Es zeigen:
1 eine Draufsicht auf einen Substrathalter 3 mit insgesamt sieben Taschen 5, wobei sechs Taschen gleichmäßig um eine zentrale Tasche 5 angeordnet sind;
2 einen Schnitt gemäß der Linie II-II in 1;
3 eine Darstellung gemäß 2, jedoch vergrößert den Bereich einer einzelnen Tasche;
4 eine Darstellung gemäß 3 mit nach unten gewölbtem Substrat 7;
5 ein zweites Ausführungsbeispiel gemäß 3 mit nach oben gewölbtem Substrat 7;
6 ein drittes Ausführungsbeispiel der Erfindung in einer Darstellung gemäß 3;
7 ein viertes Ausführungsbeispiel gemäß 3;
8 ein fünftes Ausführungsbeispiel gemäß 3;
9 ein sechstes Ausführungsbeispiel gemäß 3 und
10 eine einzelne Tasche in der Draufsicht.
Die 2 zeigt den Querschnitt durch einen CVD-Reaktor. Dieser besitzt ein nach außen gasdichtes Gehäuse 1. In das Gehäuse 1 führt eine Zuleitung 13. Aus dem Gehäuse führt eine Ableitung 14 wieder heraus. Durch die Zuleitung 13 können geeignete Prozessgase, die beispielsweise Trimethylgallium, Trimethylindium oder Trimethylaluminium beinhalten, in ein Gaseinlassorgan 2 eingeleitet werden. Letzteres ist lediglich schematisch dargestellt. In das Gaseinlassorgan 2 können nicht nur Ausgangsstoffe, die Elemente der III-Hauptgruppe beinhalten, sondern auch Ausgangsstoffe, die Elemente der V-Hauptgruppe beinhalten, eingeleitet werden. Die Einleitung der Ausgangsstoffe erfolgt jeweils mittels eines Trägergases, welches beispielsweise Wasserstoff sein kann. Das in der 2 schematisch dargestellte Gaseinlassorgan 2 ist ein shower head. Er besitzt eine Vielzahl von Gasaustrittsöffnungen 15, durch die die Prozessgase in eine darunter angeordnete Prozesskammer 4 einströmen kann. In dem Gaseinlassorgan 2 befinden sich verschiedene, voneinander getrennte Kammern, die jeweils ein Prozessgas eingeleitet werden kann. In die Prozesskammer 4 können deshalb getrennt voneinander verschiedene Prozessgase eingebracht werden.
Im nicht dargestellten Ausführungsbeispiel ist das Gaseinlassorgan 2 anders ausgestaltet, beispielsweise als zentrales Einlassorgan, so dass die Prozesskammer vertikal durchströmt wird.
Der Boden der Prozesskammer 4 wird von der Oberseite 3' eines Substrathalters beispielsweise aus Graphit ausgebildet. Der Substrathalter 3 hat ebenso wie das Gaseinlassorgan 2 eine kreisförmige Gestalt. In der Oberseite 3' des Substrathalters 3 sind eine Vielzahl von Vertiefungen 5 eingearbeitet. Die 1 zeigt die räumliche Anordnung dieser Vertiefungen 5. Die Vertiefungen 5 bilden kreisförmige Taschen aus. Radialeinwärts der Wände 5'' der Taschen 5 verläuft jeweils eine Rippe 6. Es handelt sich dabei um eine kreisförmige Rippe 6, auf der der Randabschnitt eines Substrates 7 aufliegen kann. Gegenüber der Oberseite 3' sind die Rippenoberseiten etwas vertieft, so dass die Substratoberfläche zur Oberseite 3' bündig verläuft.
Der Boden 5' der Tasche 5 ist bei dem in den 2 bis 5 dargestellten ersten Ausführungsbeispiel eben gestaltet, so dass sich ein Gasspalt zwischen Substratunterseite und Taschenboden 5' ausbildet, der bei ungewölbtem Substrat überall die gleiche Spalthöhe aufweist.
Die Unterseite 3'' des Substrathalters 3 besitzt Aussparungen 8. Bei dem in den 2 bis 4 dargestellten Ausführungsbeispiel haben die Aussparungen 8 ebene Aussparungsböden 8', die zu den Taschenböden 5' parallel verlaufen. Die Taschen 8 besitzen Taschenwände 8'', die auf einer Kreisbogenlinie verlaufen, wobei die Kreisbogenlinie der Wand 8' der Aussparung 8 konzentrisch zur Wand 5'' der Tasche 5 verläuft. Die Aussparung 8 erstreckt sich lediglich über einen Zentralbereich b, der unterhalb einer mittigen Zone des Taschenbodens 5' liegt. Der Zentralbereich b ist von einem Umgebungsbereich a umgeben, der sich unter einem Randbereich der Tasche 5 erstreckt.
Unterhalb des Substrathalters 3 erstreckt sich parallel zum Substrathalter 3 eine Heizung 9. Die Heizung 9 ist in den Zeichnungen vereinfacht dargestellt. Es ist angedeutet, dass die Heizung 9 von einem spiralförmig gelegten Heizdraht 10 ausgebildet ist. Fließt durch den Heizdraht 10 ein Strom, so wärmt er sich auf. Die Wärmeleistung, die von dieser Heizwicklung 10 abgegeben wird, ist über die gesamte Fläche der Heizung 9 im wesentlichen konstant, so dass die Heizung 9 eine im wesentlichen homogene Flächenwärmeleistung abgibt. Die Heizung 9 erstreckt sich unterhalb des gesamten mit Taschen 5 belegten Bereichs des Substrathalters 3, und zwar in einem Abstand von wenigen Millimetern. Hierdurch bildet sich zwischen der Unterseite 3'' des Substrathalters 3 und der Oberseite 9' der Heizung 9 ein Wärmeübertragungsspalt 12 aus.
Die Spaltweite s des Spaltes 12 ist von besonderer Bedeutung, auf die weiter unten noch eingegangen wird.
Mit der Bezugsziffer 11 sind Spülgaseinlässe angedeutet, mit denen ein Spülgas in den Spalt 12 eingeleitet werden kann. Bei diesem Spülgas kann es sich um ein reines Gas, beispielsweise Wasserstoff, Stickstoff, Argon oder Helium handeln. Es kann sich aber auch um eine Mischung dieser oder anderer, insbesondere inerter Gase handeln. Die Spaltweite s ist so gewählt, dass bei den verwendeten Prozesstemperaturen im Bereich zwischen 500°C und 1100°C der Wärmetransport von der Heizung 9 zum Substrathalter 3 lediglich durch die Wahl des Spülgases zwischen wärmeleitungsdominiert und wärmestrahlungsdominiert verändert werden kann. Soll der Wärmetransport wärmeleitungsdominiert sein, so wird in den Spalt 12 ein Gas mit einer hohen Wärmeleitfähigkeit, beispielsweise Wasserstoff, eingeleitet. Soll der Wärmetransport hingegen wärmestrahlungsdominiert sein, so wird in den Spalt 12 ein Gas mit einer geringeren Wärmeleitfähigkeit, beispielsweise Stickstoff, eingeleitet.
Die Tiefe der Aussparung 8, also der Abstand des Bodens 8' von der Unterseite 3'' ist so gewählt, dass dort beim wärmeleitungsdominierten Wärmetransport eine geringere Wärmeleistung übertragen wird, als im Umgebungsbereich.
Die von der Heizung 9 zum Substrathalter 3 transportierte Wärme wird vom Substrathalter 3 über Wärmestrahlung bzw. Wärmeleitung durch die Prozesskammer 4 hindurch zur Prozesskammerdecke hin abgeführt, welche gekühlt ist. Beim Ausführungsbeispiel besitzt hierzu der shower head 2 nicht dargestellte Kühlkanäle, durch die ein Kühlmedium fließt, so dass dessen zur Prozesskammer 4 weisende Unterseite gekühlt ist.
Bei dem in der 5 dargestellten zweiten Ausführungsbeispiel ist der die Aussparung 8 umgebende Randabschnitt der Unterseite des Substrathalters 3 mit einer reflektierenden Oberfläche 21 beschichtet.
Bei dem in der 6 dargestellten dritten Ausführungsbeispiel ist der Boden 5' der Tasche 5 schalenartig vertieft. Der Boden 5' bildet dort eine gestufte Vertiefung 18 aus. Der Boden 5' kann alternativ dazu aber auch eine insbesondere gestufte Wölbung besitzen.
Bei dem in der 7 dargestellten vierten Ausführungsbeispiel ist der Boden 8' der Aussparung 8 schüsselartig ausgebildet. Er bildet eine stufenartige Vertiefung 19 aus. Hierdurch hat der Spalt 12 im Bereich des Umgebungsbereiches a die Spalthöhe s, die die geringste ist. Im Zentralbereich b, also in dem Bereich, über dem sich die Aussparung 8 erstreckt, hat der Spalt 12 verschiedene Spalthöhen t, t', t'', die jeweils höher sind als die Spalthöhe s. Auch hier kann anstelle einer Innenwölbung auch eine Außenwölbung vorgesehen sein.
Bei dem in der 8 dargestellten fünften Ausführungsbeispiel hat die Unterseite 3' des Substrathalters 3 im Bereich des Zentralbereiches b eine hohe Reflektivität. Er besitzt dort einen Bereich 20 mit einer stark reflektierenden Oberfläche. Es kann sich dabei um eine Beschichtung handeln, die infrarotes Licht, welches von der Heizung 9 abgestrahlt wird, stark reflektiert. Zumindest reflektiert der Oberflächenabschnitt 20 im Bereich des Zentralbereiches b stärker als die Oberfläche der Unterseite 3' im Umgebungsbereich a. Dort wird die von der Heizung 9 abgegebene Strahlung stärker absorbiert als im Zentralbereich b.
Während bei allen Ausführungsbeispielen der Substrathalter 3 im wesentlichen strahlungsundurchlässig für die von der Heizung 9 abgegebene Wärmestrahlung ist, kann das Substrat 7 durchaus wärmestrahlungsdurchlässig sein, also beispielsweise aus Saphir bestehen. Der Wärmetransport von dem Boden 5' der Tasche 5 zum Substrat 7 erfolgt deshalb überwiegend über Wärmeleitung über das Gas, welches sich zwischen Unterseite des Substrates 7 und Boden der Tasche 5 befindet.
Bei dem in der 9 dargestellten sechsten Ausführungsbeispiel ist anders als bei dem in 8 dargestellten fünften Ausführungsbeispiel nicht der Zentralbereich mit einer reflektierenden Oberfläche 20 versehen, sondern der Umgebungsbereich a ist wie auch bei dem in der 5 dargestellten zweiten Ausführungsbeispiel mit einer stark reflektierenden Oberfläche 21 versehen.
Die 10 zeigt die Draufsicht auf eine Tasche 5, beispielsweise des in den 2 bis 5 dargestellten ersten Ausführungsbeispiels. Der Auflagebereich, auf dem der Randbereich des Substrates 7 ruht, wird von einer kreisförmigen Rippe 6 ausgebildet, die im Kreisinneren einen Freiraum belässt und die einen geringfügigen Abstand zur Wand 5'' der Tasche besitzt. Die Rippe 6 ist an mehreren Stellen, die gleichmäßig über den Umfang der Rippe 6 verteilt angeordnet sind, unterbrochen. Die Rippe 6 ist somit in mehrere Teilrippen aufgeteilt, deren Enden 6' durch einen Abstandsfreiraum 16 beabstandet sind. Der Abstandsfreiraum bildet somit eine Unterbrechung der Rippe 6 aus.
Im Bereich dieser Unterbrechungen 16 ragen vom Rand 5'' der Tasche 5 Vorsprünge 17 radial einwärts. Die in Umfangsrichtung gemessene Erstreckung der Vorsprünge 17 entspricht im wesentlichen der in Umfangsrichtung gemessenen Erstreckung der Unterbrechungen 16. Mit den Vorsprüngen 17 wird der Rand 7' des Substrates 7 in einer Spaltabstandsstellung zum Rand 5'' der Tasche 5 gehalten.
Die Rippe 6 ist derart von der Wandung 5'' der Tasche 5 beabstandet, dass sich zwischen Rippe 6 und Wandung 5'' ein Kanal ausbildet.
Die Funktionsweise der Vorrichtung ist die folgende:
Mit ihr lassen sich LED-Strukturen auf ein Saphirsubstrat abschalten. In einem ersten Präparationsschritt wird die Substratoberfläche auf eine Temperatur von etwa 1100°C aufgeheizt. Bei einer Temperatur, die im Bereich zwischen 500°C und 1000°C liegen kann, wird eine Nukleationsschicht abgeschieden. Die gasförmigen Ausgangsstoffe beispielsweise eine metallorganische Verbindung eines Elementes der III. Hauptgruppe und eines Hydrides eines Elementes der V. Hauptgruppe werden dabei durch die Zuleitung 13 und das Gaseinlassorgan 2 in die Prozesskammer 4 eingebracht. Gasförmige Reaktionsprodukte sowie das Trägergas treten aus der Gasableitung 14 wieder heraus. Beim Abscheiden der Nukleationsschicht biegt sich das Substrat 7 kaum durch, so dass der Abstand zwischen Substratunterseite und Boden 5' bei dem in der 3 dargestellten Ausführungsbeispiel im wesentlichen überall gleich ist. Bei diesem Prozessschritt wird Stickstoff durch den Spülgaseinlass 11 in den Spalt 12 eingebracht. Der Wärmetransport von der Heizung 9 zum Substrathalter 3 erfolgt somit über Wärmestrahlung, so dass sich der Umgebungsbereich a und der Zentralbereich b etwa auf dieselbe Temperatur aufheizen.
In einem darauffolgenden Prozessschritt wird bei einer Temperatur, die im Bereich zwischen 1050°C und 1100°C liegen kann, zunächst eine Buffer-Schicht aus GaN abgeschieden. Auf diese Schicht wird dann eine n-dotierte GaN-Schicht abgeschieden. Bei diesem Prozess wird sich das Substrat 7 wie in der 4 dargestellt zum Taschenboden 5' durchbiegen. Dies hat zur Folge, dass im Zentralbereich b eine höhere Wärmeleistung dem Substrat 7 zugeführt würde als im Umgebungsbereich a, wenn die Bereiche a, b dieselbe Temperatur hätten. Um den Wärmetransport in beiden Zonen etwa gleich zu halten, werden erfindungsgemäß Maßnahmen ergriffen, um im Zentralbereich b den Wärmetransport von der Heizung 9 zum Substrathalter 3 temporär zu vermindern. Hierzu wird in den Spalt 12 durch den Spülgaseinlass 11 ein Gas eingeleitet, beispielsweise Wasserstoff, welches eine hohe Wärmeleitfähigkeit besitzt. Als Folge dessen wird im Umgebungsbereich a, wo die Spalthöhe s am geringsten ist, mehr Wärme pro Zeit an den Substrathalter 3 übertragen als im Zentralbereich b, wo die Spalthöhe t größer ist als die Spalthöhe s. Als Folge davon erwärmt sich der Taschenboden 5' im Zentralbereich b auf eine etwas geringere Temperatur als im Umgebungsbereich a. Von der Substratoberfläche wird die von unten zugeführte Wärme durch Wärmestrahlung oder Wärmeleitung an die Prozesskammerdecke abgeleitet, die gekühlt ist.
Auf die n-dotierte Buffer-Schicht wird sodann eine Multiquantumwall-Struktur InGaN-GaN abgeschieden. Diese MQW-Struktur wird bei Temperaturen zwischen 700°C und 800°C abgeschieden. Bei dieser Temperatur liegt das Substrat im wesentlichen eben auf den Rippen 6 auf, wie es die 3 zeigt.
Es kann aber auch vorkommen, dass sich das Substrat 7 nach oben hin wölbt, wie es die 5 zeigt. Um hier durch lokale Steuerung des Wärmeflusses eine Kompensation vorzunehmen, muss der Zentralbereich b höher beheizt werden als der Umgebungsbereich a. Dies lässt sich beispielsweise dadurch erreichen, dass man im strahlungsdominierten Wärmetransportbereich die Wärmezufuhr im Umgebungsbereich a vermindert, was man beispielsweise durch eine reflektierende Oberfläche 21 verwirklichen kann. Beispielsweise kann die Substrathalterunterseite 3'' dort mit einer reflektierenden Schicht 21 belegt sein. Durch eine Ausbalancierung des Mischungsverhältnisses zweier Gase mit stark voneinander abweichenden Wärmeleitkoeffizienten können dann auch die in den 3 und 4 dargestellten Zustände erreicht werden, in denen Umgebungsbereich a und Zentralbereich b gleich stark aufgeheizt werden bzw. der Umgebungsbereich a stärker aufgeheizt wird als der Zentralbereich b.
Auf die MQW-Struktur wird in einem letzten Schritt eine p-Kontaktschicht abgeschieden, die aus p-dotiertem AlGaN besteht. Dies erfolgt bei Prozesstemperaturen zwischen 800°C und 950°C. Die sich dabei ausbildende geringe Durchbiegung des Substrates 7 hin zum Taschenboden 5' kann in der zuvor unter der Bezugnahme auf die in 4 beschriebene Weise berücksichtigt werden.
Sämtliche Prozessschritte können bei sich permanent drehendem Substrathalter 3 durchgeführt werden. Hierzu wird der Substrathalter 3 mit nicht dargestellten Antriebsmitteln um seine Zentralachse Z drehangetrieben. Unter gleichbleibendem Abstand 12 dreht sich dann der Substrathalter 3 gegenüber der ortsfest gehaltenen Heizung 9.
Bei den in den 8 und 9 dargestellten Ausführungsbeispielen heizen sich der Umgebungsbereich a und der Zentralbereich b im wärmeleitungsdominierten Regime, also bei der Verwendung eines stark wärmeleitenden Spülgases gleichmäßig auf. Eine lokale Temperaturinhomogenität im Bereich des Taschenbodens 5' stellt sich hier im strahlungsdominierten Regime ein, wenn als Spülgas beispielsweise Stickstoff oder ein anderes geringer wärmeleitendes Spülgas verwendet wird. Dann heizt sich bei dem in der 8 dargestellten vierten Ausführungsbeispiel der Umgebungsbereich a stärker auf als der Zentralbereich b bzw. bei dem in der 9 dargestellten fünften Ausführungsbeispiel der Zentralbereich b stärker auf als der Umgebungsbereich a.
Das auf dem Auflagebereich 6 aufliegende Substrat 7 wird im Bereich der Auflagefläche, also im Randbereich, stärker aufgeheizt, da es hier in Kontakt mit der Rippe 6 liegt. Es erfolgt auch ein Wärmezufluss vom Taschenrand 5'' zu dem Substrathalterrand 7'. Dieser Wärmetransport ist im Bereich der Vorsprünge 17 vergrößert, da hier der Spalt zwischen Vorsprung 17 und Substrathalterrand 7' geringer ist als der Spalt zwischen Taschenrand 5'' und Substrathalterrand 7'. Um diese lokal vergrößerte Wärmezufuhr zu kompensieren, sind in der Rippe 6 die oben beschriebenen Unterbrechungen 16 vorgesehen, die sich im wesentlichen über die gleiche Länge erstrecken, über die sich auf die Vorsprünge 17 erstrecken.
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: Reaktorgehäuse
2: Gaseinlassorgan
3: Substrathalter
3': Substrathalteroberseite
3'': Substrathalterunterseite
4: Prozesskammer
5: Tasche
5': Taschenboden
5'': Taschenrand
6: Auflagebereich, Rippe
6': Enden
7: Substrat
7': Substrathalterrand
8: Aussparung
8': Boden
8'': Taschenwände
9: Heizung
10: Heizwicklung
11: Spülgaseinlass
12: Spalt
13: Gaszuleitung
14: Gasableitung
15: Gasaustrittsöffnung
16: Unterbrechung
17: Vorsprung
18: Vertiefung, schalenartig
19: Vertiefung
20: reflektierende Oberfläche
21: reflektierende Oberfläche
a: Umgebungsbereich
b: Zentralbereich
s: Spalthöhe
t: Spalthöhe

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

JP 2002-146540 A [0002]
EP 0160220 B2 [0003]
US 2011/0049779 A1 [0004]
DE 102006018514 A1 [0005]

Claims

CVD-Reaktor mit einem Reaktorgehäuse (1), einer darin angeordneten Prozesskammer (4), in die mittels eines Gaseinlassorganes (2) zumindest ein Prozessgas einspeisbar ist, mit einem Substrathalter (3), der an seiner zur Prozesskammer (4) gewandten Oberseite (3') ein oder mehrere Taschen (5) aufweist, die so ausgebildet sind, dass jeweils ein Substrat (7) nur auf ausgewählten, gegenüber dem Boden (5') der Tasche (5) erhabenen Auflagebereichen (6) aufliegt, mit einer unterhalb des Substrathalters (3) angeordneten Heizung (9), die durch einen Spalt (12) von der Unterseite (3'') des Substrathalters (3) beabstandet ist, wobei die Unterseite (3'') des Substrathalters (3) in einem unter einer mittigen Zone der Tasche (5) liegenden Zentralbereich (b) bezogen auf die Wärmeübertragung von der Heizung (9) zum Substrathalter (3) anders gestaltet ist als in einem den Zentralbereich (a) umgebenden, unterhalb einer randnahen Zone der Tasche (5) liegenden Umgebungsbereich (a), dadurch gekennzeichnet, dass die Heizung (9) als im wesentlichen ebene Wärmequelle ausgebildet ist, eine Gasspüleinrichtung (11) vorgesehen ist, um den Spalt (12) mit Spülgasen verschiedener Wärmeleitfähigkeit zu spülen, und der Spalt (12) eine derartige Spalthöhe (s, t) hat, dass bei einem Wechsel eines ersten Spülgases mit einer ersten Wärmeleitfähigkeit zu einem zweiten Spülgas mit einer zweiten Wärmeleitfähigkeit die Wärmezufuhr von der Heizung (9) zum Substrathalter (3) sich im Umfangsbereich (a) anders ändert als im Zentralbereich (b).
CVD-Reaktor nach Anspruch 1 oder insbesondere danach, dadurch gekennzeichnet, dass die Spalthöhe (t, t', t'') des Spaltes (12) unter dem Zentralbereich (b) verschieden ist von der Spalthöhe (s) unter dem Umgebungsbereich (a).
CVD-Reaktor nach einem oder mehreren der vorangehenden Ansprüche oder insbesondere danach, dadurch gekennzeichnet, dass die Unterseite (3'') des Substrathalters (3) im Zentralbereich (b) eine Vertiefung (8) aufweist.
CVD-Reaktor nach einem oder mehreren der vorangehenden Ansprüche oder insbesondere danach, dadurch gekennzeichnet, dass der Boden (5', 8') der Tasche (5) oder der Aussparung (8) bspw. schüsselförmig gewölbt ist.
CVD-Reaktor nach einem oder mehreren der vorangehenden Ansprüche oder insbesondere danach, dadurch gekennzeichnet, dass die Wölbung des Bodens (5', 8') durch eine Stufenform angenähert ist.
CVD-Reaktor nach einem oder mehreren der vorangehenden Ansprüche oder insbesondere danach, dadurch gekennzeichnet, dass die Unterseite (3') des Substrathalters (3) im Zentralbereich (b) eine andere Reflektivität aufweist als um Umgebungsbereich (a).
CVD-Reaktor nach einem oder mehreren der vorangehenden Ansprüche oder insbesondere danach, dadurch gekennzeichnet, dass der Zentralbereich (b) und/oder der Umgebungsbereich (a) mit einer reflektierenden Beschichtung beschichtet ist.
CVD-Reaktor nach einem oder mehreren der vorangehenden Ansprüche oder insbesondere danach, dadurch gekennzeichnet, dass die Heizung (9) von einem spiralförmig angeordneten Heizdraht (10) ausgebildet ist.
Verfahren zum Abscheiden einer Mehrzahl von übereinander angeordneten Schichten in jeweils einem Prozessschritt auf einem Substrat (7) in einem CVD-Reaktor insbesondere gemäß einem oder mehreren der vorangehenden Ansprüche, wobei in zumindest einem ersten Prozessschritt eine erste Schicht mit einer ersten Zusammensetzung bei einer ersten Temperatur und in zumindest einem zweiten Prozessschritt eine zweite Schicht mit einer zweiten Zusammensetzung bei einer zweiten Temperatur abgeschieden wird, wobei die beiden Zusammensetzungen und die beiden Temperaturen voneinander verschieden sind, dadurch gekennzeichnet, dass im ersten Prozessschritt ein erstes Spülgas oder Spülgasmischung in den Spalt (12) eingespeist wird und im zweiten Prozessschritt ein zweites Spülgas oder Spülgasmischung in den Spalt eingespeist wird, wobei sich das erste Spülgas oder Spülgasmischung vom zweiten Spülgas oder Spülgasmischung zumindest durch ihre Wärmeleitfähigkeit unterscheiden.
Verfahren nach Anspruch 9 oder insbesondere danach, dadurch gekennzeichnet, dass im ersten Prozessschritt der Wärmetransport von der Heizung (9) zum Substrathalter (3) zumindest in einem der beiden Bereiche (a, b) wärmestrahlungsdominiert ist und im zweiten Prozessschritt wärmeleitungsdominiert ist.
Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 9, 10 oder insbesondere danach, dadurch gekennzeichnet, dass im ersten Prozessschritt eine mittlere Temperatur in der mittigen Zone des Bodens (5') der Tasche (5) etwa einer mittleren Temperatur des Randbereichs des Bodens (5') entspricht und im zweiten Prozessschritt diese beiden Temperaturen voneinander verschieden sind.
Substrathalter mit einer oder mehreren Taschen (5), die einen als entlang ihres Randes (5'') verlaufende Rippe (6) ausgebildeten und gegenüber dem Boden (5') der Tasche (5) erhabenen Auflagebereich für ein Substrat (7) aufweisen, und von deren Rand (5'') mehrere Vorsprünge (17) in die Tasche (5) hineinragen, um den Rand (7') des Substrates (7) vom Rand (5'') der Tasche (5) beabstandet zu halten, dadurch gekennzeichnet, dass die Rippe (6) in den Bereichen der Vorsprünge (17) unterbrochen ist.
Substrathalter nach Anspruch 12 oder insbesondere danach, dadurch gekennzeichnet, dass die Umfangslänge der Unterbrechungen (16) etwa der Umfangslänge der Vorsprünge (17) entspricht.