DE102011056538A1

DE102011056538A1 - Verfahren zum Entfernen unerwünschter Rückstände aus einem MOCVD-Reaktor sowie zugehörige Vorrichtung

Info

Publication number: DE102011056538A1
Application number: DE102011056538A
Authority: DE
Inventors: Thomas Krücken; Dirk Fahle
Original assignee: Aixtron SE
Current assignee: Aixtron SE
Priority date: 2011-12-16
Filing date: 2011-12-16
Publication date: 2013-06-20

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Entferner unerwünschter Rückstände (20) aus einer Prozesskammer (2) eines CVD-Reaktors (1), insbesondere eines MOCVD-Reaktors, welche Rückstände (20) sich während des Einleiten von Prozessgasen und deren chemischer Zerlegung an den Wänden (3) der Prozesskammer (2) gebildet haben, durch zyklisches Einleiten von Reinigungsgasen, wobei in einer ersten Zyklusphase ein erstes Reinigungsgas in die Prozesskammer (2) eingeleitet wird, welches den Rückstand in ein Zwischenprodukt umwandelt, und in einer zweiten Zyklusphase ein zweites Reinigungsgas in die Prozesskammer (2) eingeleitet wird, welches den umgewandelten Rückstand aus der Prozesskammer (2) transportiert. Um die Wirksamkeit des Verfahrens zu erhöhen, wird vorgeschlagen, dass sich bei der Einleitung des ersten Prozessgases an der Oberfläche des Rückstandes ein nicht flüchtiges Zwischenprodukt bildet, dessen Oberflächenbedeckungsgrad während der ersten Zyklusphase anwächst, und während der zweiten Zyklusphase stetig abnimmt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Entferner unerwünschter Rückstände aus einer Prozesskammer eines CVD-Reaktors, insbesondere eines MOCVD-Reaktors, welche Rückstände sich während des Einleitens von Prozessgasen und deren chemischer Zerlegung an den Wänden der Prozesskammer gebildet haben, durch zyklisches Einleiten von Reinigungsgasen, wobei in einer ersten Zyklusphase ein erstes Reinigungsgas in die Prozesskammer eingeleitet wird, welches den Rückstand in ein Zwischenprodukt umwandelt, und in einer zweiten Zyklusphase ein zweites Reinigungsgas in die Prozesskammer eingeleitet wird, welches den umgewandelten Rückstand aus der Prozesskammer transportiert.
Ein derartiges Verfahren beschreibt die US 2010/0273291 A1 . Dort wird als erstes Reinigungsgas Cl₂ zusammen mit einem Trägergas, nämlich unter anderem Wasserstoff aber auch Stickstoff, Argon, Xenon oder Helium, verwendet. Als zweites Reinigungsgas wird dort Wasserstoff verwendet. Das erste Reinigungsgas wird gepulst in die Prozesskammer eingeleitet. Während der Pulse zerlegt sich auf den Prozesskammerwänden parasitär abgeschiedenes GaN in GaCl₃. Letzteres ist ein bei Temperaturen über 200°C flüchtiges Halogenid, welches mittels Wasserstoff als Trägergas aus der Prozesskammer transportiert wird.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Wirksamkeit des Verfahrens zu erhöhen.
Gelöst wird die Aufgabe durch die in den Ansprüchen angegebene Erfindung. Zunächst und im Wesentlichen ist vorgesehen, dass das zweite Reinigungsgas entweder nur oder in höherer Konzentration in der zweiten Zyklusphase in die Prozesskammer eingeleitet wird. Das erfindungsgemäße Verfahren wird insbesondere beim Abscheiden von II–VI-Verbindungen bzw. von III–V-Verbindungen angewandt. Die II- oder III-Komponente wird im MOCVD-Verfahren als metallorganische Verbindung, bspw. TMA, TMG, TMI in die Prozesskammer eingeleitet. Ein MOCVD-Reaktor dieser Art ist bekannt bspw. aus der DE 100 43 601 A1 , DE 100 57 134 A1 , DE 102 47 921 A1 , DE 10 2004 009 130 A1 oder aus der DE 10 2005 056 320 A1 vorbekannt. Die VI- oder V-Komponente wird dort üblicherweise als Hydrid in die Prozesskammer eingeleitet. Die Prozessgase zerlegen sich in der Prozesskammer pyrolytisch, so dass auf einem Suszeptor, der eine Wandung der Prozesskammer bildet, aufliegendem Substrat eine einkristalline Halbleiterschicht abgeschieden wird. Dabei ist es nicht zu vermeiden, dass an den freiliegenden, insbesondere heißen Abschnitten der Prozesskammerwandung, insbesondere auf dem Suszeptor ebenfalls eine Abscheidung von II–VI bzw. III–V Material stattfindet. Diese parasitären Rückstände müssen von Zeit zu Zeit, insbesondere nach einem oder mehreren Runs entfernt werden. Dies erfolgt, nachdem die beschichteten Substrate aus der Prozesskammer entfernt sind, bei einer oberhalb der Raumtemperatur liegenden Reinigungstemperatur. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren wird der Rückstand mit Hilfe des ersten Reinigungsgases in ein bei der Reinigungstemperatur nicht flüchtiges Zwischenprodukt reduziert. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren werden als Reinigungsgase reine Gase oder Gasmischungen verwendet, die folgende Eigenschaften aufweisen: In der ersten Zyklusphase wird ein Reinigungsgas, insbesondere in Form einer Gasmischung in die Prozesskammer eingeleitet, welches den Rückstand zunächst in ein Zwischenprodukt umwandelt, welches nicht flüchtig ist, sondern sich auf der Oberfläche der zu entfernenden Rückstandsschicht anreichert und dabei während der ersten Zyklusphase einen stetig wachsenden Anteil der Oberfläche bedeckt. In der zweiten Zyklusphase wird ein Reinigungsgas, insbesondere in Form einer Gasmischung in die Prozesskammer eingeleitet, welches das Zwischenprodukt von der Oberfläche der zu entfernenden Rückstandsschicht abtransportiert. Dies erfolgt bevorzugt durch eine chemische Reaktion, wobei die Oberflächenbedeckung des Zwischenproduktes während der zweiten Zyklusphase stetig abnimmt. Bevorzugt erfolgt dies im ersten Schritt mittels Wasserstoff, der den Rückstand in der ersten Zyklusphase in ein Metall, insbesondere in einen elementaren Zustand reduziert. GaN-Rückstände werden bspw. in elementares Ga reduziert. Es reduziert andere Metallverbindungen in die entsprechenden Metalle. In der ersten Zyklusphase wird bevorzugt ein reduzierendes Gas in einem Trägergas in die Prozesskammer eingeleitet. In einer Variante kann das erste Reinigungsgas neben dem reduzierenden Gas aber auch in geringer Konzentration ein oxidierendes Gas beinhalten. In der zweiten Zyklusphase wird das oxidierende Gas in einer höheren Konzentration eingeleitet als in der ersten Zyklusphase, wobei in der ersten Zyklusphase bevorzugt kein oxidierendes Gas in die Prozesskammer eingeleitet wird. Das bei Reinigungstemperatur nicht flüchtige Zwischenprodukt wird in eine flüchtige chemische Verbindung umwandelt. Das erste Reinigungsgas kann während dieser Umwandlung weiter in die Prozesskammer fließen. Das zweite Reinigungsgas enthält bevorzugt ein Halogenid, bspw. HCl oder Cl₂. Dieses Halogenid oxidiert das Metall, insbesondere das elementare Gallium in eine bei Reinigungstemperatur flüchtige chemische Verbindung, bei der es sich um ein Metallchlorid, bspw. GaCl bzw. GaCl₃ handeln kann. Die Reinigungstemperatur ist bevorzugt höher als 500°C, sie kann aber auch darunter liegen, bspw. unter 400°C. Sie liegt bevorzugt in einem Temperaturbereich zwischen 550 und 850°C. Der Reinigungsprozess ähnelt chemisch dem in der US 2010/0273291 A1 beschriebenen Prozess insoweit, als GaN in GaCl_x {x = 1, 2, 3} umgewandelt wird, welches bei der Reinigungstemperatur flüchtig ist. Überraschend hat sich gezeigt, dass eine lediglich pulsweise Zugabe bzw. pulsartige Erhöhung des Partialdrucks des zweiten Reinigungsgases die Ätzrate anhebt. Diese Steigung der Ätzrate wird einer katalytischen Wirkung des nicht flüchtigen Zwischenproduktes, also bspw. des elementaren Galliums im Reduktionsschritt, zugeschrieben. Während in einer ersten Variante der Erfindung die wirksame Komponente des ersten Reinigungsgases H₂ ist und die wirksame Komponente des zweiten Reinigungsgases eine Wasserstoffhalogenverbindung, insbesondere HCl ist, ist in einer zweiten Variante der Erfindung die wirksame Komponente des zweiten Reinigungsgases Cl₂ oder ein anderes Halogen. Um eine Chlorknallgasexplosion innerhalb der Prozesskammer zu vermeiden, kann bei dieser Variante nicht konstant das erste H₂ in die Prozesskammer eingeleitet werden. Cl₂ wird z. B. nur zusammen mit einem anderen Inertgas, bspw. N₂ in die Prozesskammer eingeleitet, so dass bei dieser Variante nicht nur das zweite Reinigungsgas, sondern auch das erste Reinigungsgas gepulst in die Prozesskammer eingeleitet wird. Die optimale Ätzrate kann durch das Pulsen, also das Hinzuschalten bzw. das Ausschalten des zweiten Reinigungsgases erreicht werden. Das erste Reinigungsgas kann dabei unverändert in die Prozesskammer einströmen. Das optimale Puls-Pausenverhältnis ist temperaturabhängig. Die Puls-Pausenzeiten liegen im Optimalbereich, wenn innerhalb eines Puls-Pausenzyklus etwa 100 Monolagen GaN in elementares Gallium (und NH₃) zerlegt werden. Das Pulspausenverhältnis kann vorgegeben sein. Beispielsweise kann eine elektronische Steuerung derart programmiert sein, dass sie in der ersten Zyklusphase für eine gewisse Zeit, bspw. wenige Sekunden oder Minuten, nur das erste Reinigungsgas in die Prozesskammer einspeist oder ggf. die wirksame Komponente des zweiten Reinigungsgases in einer geringen Konzentration einspeist und in der darauf folgenden zweiten Zyklusphase, die ebenfalls mehrere Sekunden oder Minuten andauern kann, die wirksame Komponente des zweiten Reinigungsgases zuschaltet bzw. in einer erhöhten Konzentration in die Prozesskammer einleitet. Die Konzentrationserhöhung kann dabei mindestens einen Faktor 2, 5 oder 10 betragen. Bei der Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens hat sich gezeigt, dass sich die Ätzrate um einen Faktor 1,8 gegenüber einem Verfahren erhöht, bei dem die wirksame Komponente des zweiten Reinigungsgases nicht gepulst in die Prozesskammer eingeleitet wird. Es erweist sich somit als verfahrenstechnisch wesentlich, dass im Zuge des Reinigungsprozesses nennenswerte Mengen an einem metallischen Zwischenprodukt vorhanden sind.
In einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass das Puls-Pausenverhältnis nicht vorgegeben ist, sondern von einer in situ-Messung der Oberflächenreflektivität der zu reinigenden Flächen abhängt. Hierzu wird eine optische Vorrichtung verwendet, die einen Lichtstrahl aussendet, der an der zu reinigenden Oberfläche reflektiert und von einem optischen Sensor empfangen wird. Mit Hilfe dieser Vorrichtung kann die Änderung der Reflektivität der Oberfläche bestimmt werden. Die Reflektivität der GaN-Oberfläche wird durch die Benetzung mit Ga-Tropfen beeinflusst. Sie ist bei einer vollständigen Benetzung der Oberfläche mit flüssigem Ga maximal. Durch Verwendung dieser optischen Vorrichtung kann das zweite Reinigungsgas abgeschaltet werden, wenn die Reflektivität der Oberfläche einen vorbestimmten unteren Schwellwert erreicht. Die Einspeisung des zweiten Reinigungsgases kann begonnen werden, wenn die Reflektivität einen oberen Schwellwert erreicht.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand beigefügter Zeichnungen erläutert. Es zeigen:
1 schematisch einen Querschnitt durch ein Reaktorgehäuse 1 eines MOCVD-Reaktors mit zugehöriger Gasversorgung,
2 einen Schnitt gemäß der Linie II-II in 1 zur Verdeutlichung der Anordnung der Substrate auf den Suszeptor 3,
3 den Ausschnitt III in 2, der einen mit einer zu entfernenden Schicht 20 belegten Abschnitt der Prozesskammerwand, nämlich des Suszeptors 3 darstellt,
4 eine Darstellung gem. 3, jedoch nach Einleiten des ersten Reinigungsgases nach dem Bilden erster Ga-Tropfen,
5 eine Darstellung gem. 4, bei der die Oberfläche weitestgehend mit flüssigem Ga benetzt ist,
6 ein erstes Beispiel einer zeitlichen Abfolge der Pulse, wobei die HCl-Konzentration während der Pulspause Null ist,
7 eine Darstellung gemäß 6, wobei die HCl-Konzentration während der Pulspause etwa auf ein Drittel vermindert ist,
8 eine Darstellung gemäß 4, jedoch mit einer optischen Vorrichtung 10 zur Messung der Reflektivität der zu reinigenden Oberfläche,
9 eine Darstellung gemäß 5 jedoch mit einer Vorrichtung 10 zur Messung der Reflektivität der Oberfläche,
10 den Verlauf der Ätzrate über die Reinigungstemperatur, wobei das zweite Reinigungsgas kontinuierlich (ungepulst) bzw. gepulst in die Prozesskammer eingeleitet wird und
11 eine Darstellung gemäß 6, bei der als zweites Reinigungsgas Chlor verwendet wird.
Die 1 zeigt eine Vorrichtung, wie sie bspw. aus der US 2011/0237051 A1 vorbekannt ist.
Innerhalb eines nach außen gasdichten Reaktorgehäuses 1 befindet sich eine Prozesskammer 2, die von Wänden umgeben ist. Eine untere Wand der Prozesskammer 2 bildet die zur Prozesskammer 2 nach oben weisende Oberfläche eines Suszeptors 3. Eine obere Wand der Prozesskammer 2 bildet die Gasaustrittsfläche 11 eines Gaseinlassorgans 5. Die Prozesskammer 2 hat eine rotationssymmetrische Gestalt und wird umgeben von einem Gasauslassring 6 mit Gasaustrittsöffnungen 14.
In der 1 ist zusätzlich eine Drehantriebsachse 18 eingezeichnet, die optimal ist, um damit den kreisrunden Suszeptor 3 um seine Symmetrieachse zu drehen.
Der Suszeptor 3 wird von unten mittels einer Heizung 16 beheizt. Auch die zur Prozesskammer 2 weisende Unterseite des Gaseinlassorgans kann optional beheizt werden. Auf seiner zur Prozesskammer 2 weisenden Oberfläche liegen Substrate 4 auf, die in dem in der Prozesskammer 2 stattfindenden Beschichtungsverfahren mit einer Halbleiterschicht oder dergleichen beschichtet werden. Im Ausführungsbeispiel wird auf bspw. aus Saphir oder Silicium bestehenden Substraten eine Schichtenfolge abgeschieden, die zumindest eine GaN-Schicht aufweist. Hierzu werden durch Einlassöffnungen 7, 8, 9 in einem Gasmischsystem bereitgestellte Prozessgase in das Gaseinlassorgan 5 eingeleitet.
Bei den Prozessgasen handelt es sich um TMG und NH₃, die jeweils zusammen mit einem Trägergas, H₂ in den Hohlraum des duschkopfartigen Gaseinlassorgans 5 eingespeist werden. Die Prozessgase treten aus Gasaustrittsöffnungen 12 in die Prozesskammer 2 ein, zerlegen sich dort insbesondere an der Oberfläche der Substrate 4 pyrolytisch, so dass die GaN-Schicht entsteht. Durch Öffnungen 14 des Gasauslassringes 6 tritt das Trägergas sowie Zerlegungsprodukte in den Gasauslassring 6. Durch ein Gasaustrittsrohr 15 werden sie abgepumpt.
Während des Beschichtungsprozesses findet nicht nur auf den Oberflächen der Substrate 4 ein Schichtwachstum statt. Auf den freien Oberflächenabschnitten des Suszeptors 3 bzw. andere Wandabschnitte der Prozesskammer 2 bildet sich eine parasitäre Belegung. Diese ist in den 3, 4, 5, 8 und 9 mit der Bezugsziffer 20 bezeichnet.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren und der erfindungsgemäßen Vorrichtung sollen diese unerwünschten Belegungen auf den Suszeptor 3 oder anderen Wänden der Prozesskammer 2 entfernt werden. Dies erfolgt in einem Ätzprozess. Der Ätzprozess wird durchgeführt, nachdem die insbesondere in mehreren aufeinanderfolgenden Prozessschritten beschichteten Substrate 4 aus der Prozesskammer 2 entfernt worden sind. Beim Reinigungsprozess strömt durch die Einlassrohre 7, 8 und 9 lediglich ein Inertgas. Je nach Art des Reinigungsverfahrens kann es sich dabei um Wasserstoff, Stickstoff, oder ein Edelgas, bspw. Argon handeln. Bei der Zuleitung zum Einlassrohr 9 ist angedeutet, dass mit Hilfe eines Ventils 23 wahlweise Stickstoff oder Wasserstoff in das Gaseinlassorgan 5 eingespeist werden kann.
Durch das Einlassrohr 19 kann wahlweise Cl₂ oder HCl jeweils zusammen mit einem Inertgas, bspw. H₂ oder N₂ in das Gaseinlassorgan 5 eingeleitet werden.
Mit Hilfe der Ventile 23 kann die Gaseinspeisung von H₂ durch das Einlassrohr 9 bzw. Cl₂/HCl durch das Einlassrohr 19 ein- und ausgeschaltet werden. Die Ventile 23 werden dabei von einer Steuerung 24 geschaltet. Die Steuerung 24 wird von einem nicht dargestellten Prozessleitrechner mit entsprechenden Steuerungsbefehlen versorgt.
Mit der Bezugsziffer 10 ist eine optische Vorrichtung bezeichnet, die einen Lichtstrahl 17 durch eine der Gasaustrittsöffnungen 12 auf den Suszeptor 3 abgibt. Dieser Lichtstrahl 17 fällt (zeitweise) auf einen nicht mit einem Substrat 4 abgedeckten Rotationsbereich der Oberfläche des Suszeptors 3. Mit der optischen Vorrichtung 10 kann die Reflektivität der Oberfläche des Suszeptors 3 am Orte des dort auftreffenden Lichtstrahls 17 ermittelt werden. Hinsichtlich der Ausgestaltung und Anordnung der optischen Vorrichtung 10 wird auch auf die DE 10 2004 007 984 A1 verwiesen.
Das im Folgenden beschriebene Reinigungsverfahren kann nicht nur bei einer in der 1 beschriebenen Vorrichtung verwendet werden. Insbesondere kann die Vorrichtung ein andersgestaltetes Gaseinlassorgan 5 aufweisen. Beispielsweise kann das Gaseinlassorgan lediglich aus einem im Zentrum der Prozesskammer 2 angeordneten Gasauslassstutzen bestehen, aus dem die verschiedenen Prozessgase aber auch Reinigungsgase in die Prozesskammer 2 einströmen können. Die Prozessgase bzw. Reinigungsgase durchströmen dann die Prozesskammer in radialer Richtung von innen nach außen. Bei einer derartigen Vorrichtung ist der Lichtstrahl der optischen Vorrichtung entsprechend zu führen.
Zum Reinigen der Prozesskammerwände werden zwei Reinigungsgase verwendet, nämlich ein erstes Reinigungsgas, bei dem H₂ die wirksame Komponente ist, welches durch das Einlassrohr 9 in die Prozesskammer 2 eingeleitet wird, und ein zweites Reinigungsgas, dessen wirksame Komponente Cl₂ oder HCl ist, welches durch das Einlassrohr 19 in die Prozesskammer eingeleitet wird. Der Reinigungsprozess verläuft dabei wie folgt:
Während einer ersten Phase t₁ wird lediglich oder zumindest überwiegend Wasserstoff in die Prozesskammer eingeleitet. Die Prozesskammer bzw. die Oberfläche der zu reinigenden Prozesskammerwand wird dabei mittels der Heizung 16 auf eine Reinigungstemperatur aufgeheizt, die im Bereich zwischen 500 und 850°C (ggf. aber auch zwischen 400 und 850°C) liegt. Vor dem Einleiten des ersten Reinigungsgases in die Prozesskammer 2 besteht die Oberfläche der zu entfernenden Schicht 20 im Wesentlichen aus GaN. Während der Einleitung des ersten Reinigungsgases findet eine chemische Reaktion des Wasserstoffes mit der GaN-Schicht statt, wobei GaN nach folgender Reaktionsgleichung 2GaN + 3H₂ → 2Ga + 2NH₃ in metallisches Ga sowie gasförmiges NH₃ (oder aber auch in H₂ und N₂) umgewandelt werden kann. Die 4 zeigt mit der Bezugsziffer 22 die sich dabei bildenden Tröpfchen aus flüssigem metallischen Ga. Diese erste Reinigungsphase ist abgeschlossen, wenn sich etwa 100 Monolagen GaN in flüssiges Ga umgewandelt haben. Dies ist in der 5 schematisch dargestellt. Dann wird gemäß dem in der 6 dargestellten Zeitdiagramm zusätzlich zum Wasserstoff HCl in die Prozesskammer eingeleitet. Der Wasserstofffluss muss sich dabei nicht ändern. Es kann aber vorgesehen sein, dass der Wasserstoffzufluss reduziert wird. Die Einleitung von HCl während der Phase t₂ wird das metallische Gallium nach folgender Reaktionsgleichungen in Galliumchlorid umgewandelt 2HCl + 2Ga → 2GaCl + H₂ 6HCl + 2Ga → 2GaCl₃ + 3H₂
Das bei 200°C bereits flüchtige Galliummonochlorid wandelt sich gemäß folgender Reaktionsgleichung GaCl + 2HCl → GaCl₃ + H₂ in ebenfalls flüchtiges Galliumtrichlorid um. Die Galliumchloride werden mit Hilfe des Trägergases aus der Prozesskammer entfernt. Die Zugabe von HCl wird beendet, wenn sich der Bedeckungsgrad der Oberfläche mit flüssigem Gallium nennenswert vermindert hat. Es ist von Vorteil, wenn Reste von flüssigem Gallium auf der Oberfläche verbleiben, da dem flüssigen Gallium eine katalytische Steigerung der Ätzrate zugesprochen wird.
Nach dem Abschalten des HCl-Zuflusses fließt wiederum so lange lediglich H₂ in die Prozesskammer, bis die Oberfläche wieder im Wesentlichen mit Galliumtröpfchen benetzt ist. Dann wird der Zyklus durch Zugabe von HCl in der oben beschriebenen Weise so lange fortgesetzt, bis die Schicht 20 entfernt ist.
Die 7 zeigt eine Variante der Prozessführung, bei der ersten Zyklusphase während der Zeit t₁ lediglich ein verminderter Massenstrom an HCl in die Prozesskammer einströmt. Der Partialdruck von HCl innerhalb der Prozesskammer ist dabei derart gering, dass mehr flüssiges Gallium durch die Reaktion mit H₂ reduziert wird, als flüssiges Gallium durch die Reaktion mit HCl zu Galliumchlorid oxidiert wird. In der darauf folgenden zweiten Zyklusphase besitzt das zweite Reinigungsgas eine derartige Zusammensetzung, dass mittels HCl mehr Gallium zu Galliumchlorid oxidiert wird, als mit H₂ GaN zu Ga reduziert wird.
Die Länge der Pulse t₁, t₂ kann über die Steuerschaltung 24 bzw. ein Steuerprogramm bestimmt sein.
Bei dem in den 8 und 9 dargestellten Ausführungsbeispiel werden keine festen Pulszeiten t₁, t₂ verwendet. Mit der optischen Vorrichtung 10 wird die Reflektivität der Schichtoberfläche ermittelt. Die Reflektivität wird vom Bedeckungsgrad der Oberfläche mit flüssigen Galliumtröpfchen 22 beeinflusst. Unterschreitet die Reflektivität, bspw. wenn die Oberfläche der Schicht 20 gemäß 8 nur geringfügig mit Galliumtröpfchen bedeckt ist, einen unteren Schwellwert, so schaltet die Steuerschaltung 24 HCl ab, so dass der über die Oberfläche der Schicht 20 strömende Gasstrom 21 nur H₂ enthält. Es findet dann die Reduktion (1) des GaN in Gallium statt. Das dabei entstehende NH₃ wird mit dem abströmenden Gas entfernt. Ga reichert sich auf der Oberfläche an.
Überschreitet die Reflektivität der Oberfläche, wie es in der 9 angedeutet ist, einen oberen Schwellwert, was darauf zurückzuführen ist, dass die Oberfläche der Schicht 20 im Wesentlichen vollständig mit Galliumtröpfchen bedeckt ist, so wird HCl zugeschaltet. Der zur Oberfläche hin strömende Gasstrom 21 enthält jetzt neben H₂ auch HCl, so dass die beiden Reaktionen (2) und (3) stattfinden können. Metallisches Gallium wird in Galliumchlorid umgewandelt.
Die 10 zeigt in Experimenten gewonnene Daten, wobei einerseits kontinuierlich HCl in die Prozesskammer eingeleitet worden ist (etch rate no pulse) und andererseits HCl mit optimierten Pulsraten in die Prozesskammer eingeleitet worden ist (etch rate best pulse). Es ist ersichtlich, dass innerhalb eines Temperaturfensters zwischen 550 und 850°C, also bei Temperaturen unter 850°C, die lediglich pulsweise Zugabe von HCl zu einer Steigerung der Ätzrate führt.
Die 11 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel, bei dem Cl₂ als zweites Reinigungsgas verwendet wird. Wie auch bei den anderen Ausführungsbeispielen wird in einer ersten Zyklusphase lediglich H₂ zur Reduzierung des GaN in die Prozesskammer geleitet. Während der zweiten Zyklusphase wird aber anstelle von HClCl₂ in die Prozesskammer geleitet. Cl₂ verbindet sich auch hier mit dem in der ersten Zyklusphase erzeugten metallischen Gallium zu einem Galliumchlorid, welches über den Gasstrom abtransportiert wird. Zur Vermeidung einer Chlorknallgasexplosion, also der Bildung des weniger reaktiven HCl, wird in der zweiten Zyklusphase aber anstelle von H₂N₂ als Intertgas in die Prozesskammer eingeleitet.
Es wird als Wesentlich angesehen, dass der Reinigungsprozess in Zyklen mit zwei sich wiederholenden Zyklusphasen durchgeführt wird, wobei in einer ersten Zyklusphase die in die Prozesskammer eingeleitete Gasmischung zur Bildung eines Zwischenproduktes führt, dessen Oberflächenbedeckungsrate während der ersten Zyklusphase ansteigt, wobei die Gasmischung in der zweiten Zyklusphase derart eingestellt ist, dass die Bedeckungsrate der Oberfläche mit dem Zwischenprodukt abnimmt, wobei das Zwischenprodukt eine die Reaktionsrate steigernde katalytische Wirkung entfaltet.
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 Weiterbildungen des Standes der Technik, insbesondere um auf Basis dieser Ansprüche Teilanmeldungen vorzunehmen.
Bezugszeichenliste

1: Reaktorgehäuse
2: Prozesskammer
3: Suszeptor
4: Substrat
5: Gaseinlassorgan
6: Gasauslassorgan
7: Einlassrohr
8: Einlassrohr
9: Einlassrohr
10: Optische Vorrichtung
11: Gasaustrittsfläche
12: Gasaustrittsöffnung
13: Wandung
14: Gasaustrittsöffnung
15: Gasaustrittsrohr
16: Heizung
17: Lichtstrahl
18: Drehantriebsachse
19: Einlassrohr
20: Schicht
21: Gasfluss
22: Tropfen
23: Ventil
24: Steuerung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 2010/0273291 A1 [0002, 0004]
DE 10043601 A1 [0004]
DE 10057134 A1 [0004]
DE 10247921 A1 [0004]
DE 102004009130 A1 [0004]
DE 102005056320 A1 [0004]
US 2011/0237051 A1 [0018]
DE 102004007984 A1 [0027]

Claims

Verfahren zum Entferner unerwünschter Rückstände (20) aus einer Prozesskammer (2) eines CVD-Reaktors (1), insbesondere eines MOCVD-Reaktors, welche Rückstände (20) sich während des Einleitens von Prozessgasen und deren chemischer Zerlegung an den Wänden (3) der Prozesskammer (2) gebildet haben, durch zyklisches Einleiten von Reinigungsgasen, wobei in einer ersten Zyklusphase ein erstes Reinigungsgas in die Prozesskammer (2) eingeleitet wird, welches den Rückstand in ein Zwischenprodukt umwandelt, und in einer zweiten Zyklusphase ein zweites Reinigungsgas in die Prozesskammer (2) eingeleitet wird, welches den umgewandelten Rückstand aus der Prozesskammer (2) transportiert, dadurch gekennzeichnet, dass sich bei der Einleitung des ersten Prozessgases an der Oberfläche des Rückstandes ein nicht flüchtiges Zwischenprodukt bildet, dessen Oberflächenbedeckungsgrad während der ersten Zyklusphase anwächst, und während der zweiten Zyklusphase stetig abnimmt.
Verfahren nach Anspruch 1 oder insbesondere danach, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Reinigungsgas ein oxidierendes Gas in einer höheren Konzentration beinhaltet als das erste Reinigungsgas, welches ein reduzierendes Gas beinhaltet.
Verfahren nach einem oder beiden der vorhergehenden Ansprüche oder insbesondere danach, dadurch gekennzeichnet, dass die Rückstände Elemente der II. und VI. oder der III. und V. Hauptgruppe, insbesondere Ga, In oder Al bzw. N, P oder As enthalten.
Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüchen oder insbesondere danach, dadurch gekennzeichnet, dass das bei Reinigungstemperatur nicht flüchtiges Zwischenprodukt ein Metall, insbesondere Ga, In oder Al ist.
Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche oder insbesondere danach, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Reinigungsgas Wasserstoff enthält.
Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche oder insbesondere danach, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Reinigungsgas, das bei Reinigungstemperatur nicht flüchtige Zwischenprodukt in eine bei Reinigungstemperatur flüchtige Verbindung umwandelt und insbesondere das Metall, insbesondere Ga, In oder Al in ein Halogenid umwandet.
Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche oder insbesondere danach, dadurch gekennzeichnet, dass die Reinigungstemperatur größer als 200°C, insbesondere als 400°C, bevorzugt größer als 500°C ist.
Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche oder insbesondere danach, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Reinigungsgas HCl oder Cl₂ enthält.
Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche oder insbesondere danach, dadurch gekennzeichnet, dass insbesondere bei der Verwendung von HCl als Bestandteil des zweites Reinigungsgases H₂ kontinuierlich in die Prozesskammer (2) eingespeist wird.
Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche oder insbesondere danach, dadurch gekennzeichnet, dass Cl₂ als Bestandteil des zweiten Reinigungsgases zusammen mit N₂ in die Prozesskammer eingespeist wird und das erste Reinigungsgas H₂ enthält.
Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche oder insbesondere danach, dadurch gekennzeichnet, dass mittels einer optischen Vorrichtung (10) die Reflektivität der zu reinigenden Oberfläche (13) ermittelt wird und bei Über- bzw. Unterschreitung eines Schwellwertes die Einspeisung des zweiten Reinigungsgases ein- bzw. ausgeschaltet wird.
Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens mit einer Prozesskammer (2), die mittels einer Heizung (16) auf eine Prozesskammertemperatur aufheizbar ist und mit Zuleitungen (7, 8, 9) zum Einleiten von Prozessgasen in die Prozesskammer (2), die sich bei einer Prozesstemperatur dort pyrolytisch zerlegen und Rückstände (20) auf einer Prozesskammerwand (3) bilden, wobei Mittel (19) vorgesehen sind zur Einleitung eines ersten und eines zweiten Reinigungsgases in die Prozesskammer (2), um bei einer Reinigungstemperatur die Rückstände (20) aus der Prozesskammer (2) zu entfernen, wobei zumindest eines der Reinigungsgase gepulst in die Prozesskammer (2) eingeleitet wird, gekennzeichnet durch eine optische Vorrichtung (10), die so eingerichtet ist, dass sie an zumindest einem Abschnitt der Prozesskammerwand (2), die nicht von einem zu beschichtenden Substrat (4) bedeckt ist, die Reflektivität der Oberfläche ermittelt, und wobei vorgesehen ist, dass zum Reinigen der Prozesskammer (2) beim Überschreiten eines ersten Reflektionsschwellwertes eine Einspeisung des zweiten Reinigungsgases beginnt bzw. erhöht wird und beim Unterschreiten eines zweiten Reflektionsschwellwertes die Einspeisung des zweiten Reinigungsgases endet bzw. vermindert wird.