DE102012106796A1

DE102012106796A1 - Thermische Behandlungsvorrichtung mit einem auf einem Substratträgersockel aufsetzbaren Substratträgerring

Info

Publication number: DE102012106796A1
Application number: DE201210106796
Authority: DE
Inventors: Francisco Ruda Y Witt; Daniel Brien; Marcel Kollberg
Original assignee: Aixtron SE
Current assignee: Aixtron SE
Priority date: 2012-07-26
Filing date: 2012-07-26
Publication date: 2014-01-30
Also published as: KR102164610B1; TWI593042B; KR20140014005A; TW201411764A

Abstract

Die Erfindung betrifft zunächst eine Vorrichtung zur thermischen Behandlung eines Halbleitersubstrates (1), mit einem den Boden einer Prozesskammer (21) bildenden Suszeptor, der zumindest einen von einer Umfangswand (9, 10) umgebenen und mit seiner Oberseite (7) in Richtung auf die Prozesskammer (21) weisenden Substratträgersockel (4) aufweist, mit einem auf den Substratträgersockel (4) aufsetzbaren Substratträgerring (5), dessen Oberseite (8) eine Aufnahmefläche zur Auflage des Randes eines Substrates (1) bildet und dessen Ringinnenwandung (11, 12) im auf den Substratträgersockel (4) aufgesetzten Zustand einen Ringspalt (13, 14) zur Umfangswand (9, 10) des Substratträgersockels (4) begrenzt und dessen Unterseite (18) auf einer Stützschulter (17) ruht, und mit einer unterhalb des Suszeptors (2) angeordneten Wärmequelle (6), um die bei der thermischen Behandlung mit einem Substrat (1) belegten Oberseiten (7, 8) des Substratträgersockels (4) und des Substratträgerrings (5) auf eine Prozesstemperatur aufzuheizen. Zur Minimierung des lateralen Temperatursprungs im Bereich des Spaltes (14), wird vorgeschlagen, dass der Radialabstand (R1) des Spaltes (14) von der Mitte des Substratträgersockels (4) kleiner ist als 80% des Radialabstandes (R3) des Außenrandes (15) der Aufnahmefläche. Die Erfindung betrifft darüber hinaus ein Verfahren zur Herstellung einer derartigen Vorrichtung.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur thermischen Behandlung eines Halbleitersubstrates, mit einem den Boden einer Prozesskammer bildenden Suszeptor, der zumindest einen in Richtung auf die Prozesskammer weisenden Substratträgersockel mit einer Umfangswand und einer Oberseite aufweist, mit einem auf den Substratträgersockel aufsetzbaren Substratträgerring, dessen Oberseite eine Aufnahmefläche zur Auflage des Randes eines Substrates bildet und dessen Ringinnenwandung im auf den Substratträgersockel aufgesetzten Zustand einen Ringspalt zur Umfangswand des Substratträgersockels begrenzt und dessen Unterseite auf einer Stützschulter ruht und mit einer unterhalb des Suszeptors angeordneten Wärmequelle, um die bei der thermischen Behandlung mit einem Substrat belegten Oberseiten des Substratträgersockels und des Substratträgerrings auf eine Prozesstemperatur aufzuheizen, wobei der Wärmefluss zu den Oberseiten vom Substratträgersockel und Substratträgerring im Wesentlichen durch Wärmeleitung in Vertikalrichtung erfolgt. Der Wärmeabfluss erfolgt im Wesentlichen über die zur Prozesskammer weisenden Oberseiten von Substratträgersockel und Substratträgerring. Ein zusätzlicher randseitiger Wärmeabfluss erfolgt vom Substratträgerring in Horizontalrichtung, insbesondere wenn der Substratträgerring von einem Freiraum umgeben ist.
Die Erfindung betrifft darüber hinaus ein Verfahren zur Herstellung einer derartigen Vorrichtung.
Die DE 102 32 731 A1 beschreibt eine Vorrichtung zur thermischen Behandlung eines Halbleitersubstrates in Form eines CVD-Reaktors. Der Boden der Prozesskammer wird von einem Suszeptor gebildet. Dieser besitzt eine Vielzahl von Sockeln, die von Ringausnehmungen umgeben sind. Auf die schräg nach oben verlaufenden Umfangswände der Sockel können ringförmige Substratladeplatten aufgesetzt werden, die eine ringförmige Oberseite aufweisen, auf denen der Rand eines Substrates aufliegt.
Die US 6,001,183 beschreibt einen Substrathalter zur Verwendung in einem CVD-Reaktor, der eine oder mehrere Taschen aufweist, in die jeweils ein Substrat eingelegt werden kann. Der Rand einer diese Taschen ausbildenden Ladeplatten übergreift einen Sockelrand des Suszeptors.
Die US 6,217,663 B1 beschreibt eine ringförmige Ladeplatte, die im Querschnitt eine L-Form ausbildet. Auf dem L-Schenkel ruht der Rand eines Substrates.
Die US 6,413,459 B1 beschreibt eine Greifervorrichtung zur Handhabung von Substraten.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine gattungsgemäße Vorrichtung gebrauchsvorteilhaft zu verbessern und ein Verfahren anzugeben, mit dem eine derartige Vorrichtung optimierbar ist.
Gelöst wird die Aufgabe durch die in den Ansprüchen angegebene Erfindung.
Untersuchungen an Vorrichtungen gemäß Stand der Technik und insbesondere an Vorrichtungen, wie sie von der DE 102 32 731 A1 beschrieben werden, haben gezeigt, dass das Aufheizen eines auf einem Substratträger aufliegenden Substrates mittels einer unterhalb des Suszeptors angeordneten Wärmequelle im Wesentlichen durch Wärmeleitung durch den Suszeptor hindurch erfolgt. Die Wärmequelle ist dabei so ausgelegt, dass die Oberflächentemperatur des Substratträgers im Zentralbereich etwas geringer ist als in einer die Mitte des Substratträgers mit einem radialen Abstand umgebenden Ringzone. Es bildet sich dort ein Maximum der Oberflächentemperatur aus. Die Ringzone des Temperaturmaximums hat einen Radialabstand vom Zentrum des Substratträgersockels, der etwa 80% bis 90% des Radius der Außenwand des gesamten Substratträgers, also des Radius der Außenwandung des Substratträgerrings, beträgt. Beim Stand der Technik liegt der Spalt zwischen Substratträgersockel und diesen umgebenden Substratträgerring auf einem Kreis mit einem Durchmesser, der etwa bei 94% des Außendurchmessers der Auflagefläche, der dem Außendurchmesser des Substrates entspricht. Der den Voruntersuchungen zugrundeliegende Substratträger besitzt einen Substratträgerring, dessen Außendurchmesser nur wenig größer ist als der Durchmesser des Substrates. Er besitzt einen schmalen Rand, der vertikale Vorsprünge aufweist, die außerhalb der Aufnahmefläche zur Aufnahme des Substrates liegen, um das Substrat auf dem Substratträgerring zu zentrieren. Bei den Voruntersuchungen u. a. von Substratträgern gemäß Stand der Technik wurde ein vergleichsweise großer Sprung der Oberflächentemperatur im Bereich des Spaltes zwischen Substratträgersockel und Substratträgerring gefunden. Es wurde ferner entdeckt, dass die Größe dieses lateralen Temperatursprungs in erheblichem Maße von der toleranzbedingten Exzentrizität der Lage des Substratträgerrings abhängt. Um den das Substrat tragenden Substratträgerring mittels eines Handhabungsautomaten prozessrechnergesteuert auf einen Substratträgersockel aufsetzen zu können, muss der Durchmesser des Innenrandes des Substratträgerrings zumindest einen Millimeter größer sein, als der Durchmesser des Außenrandes des Substratträgersockels. Zufolge der Toleranzen beim Aufsetzen des Substratträgerrings auf den Substratträgersockel ist eine exzentrische Lage des Substratträgerrings gegenüber dem Substratträgersockel nicht zu vermeiden. Dies hat zur Folge, dass sich die radiale Spaltweite insbesondere im Bereich der Oberseite von Substratträgersockel und Substratträgerring in Umfangsrichtung verändert. Im Extremfall können sich die Spaltwände an einer Umfangsposition berühren, so dass die Spaltweite an der gegenüberliegenden Umfangsposition maximal ist. Dies führt zu einem in Umfangsrichtung stark variierenden radialen Temperatursprung im Bereich der Spaltmündung in die Oberseite. Radial außerhalb der Ringzone höchster Oberflächentemperatur nimmt die Oberflächentemperatur zum Rand der Aufnahmefläche, also zur Randkante des Substrates, wieder ab.
Weitergehende Untersuchungen haben gezeigt, dass sich ein solches randnahes Temperaturmaximum des radialen Temperaturverlaufs auch dann einstellt, wenn der Substratträger materialeinheitlich gefertigt ist, also Substratträgerring und Substratträgersockel materialeinheitlich und spaltfrei miteinander verbunden sind. Auch hier steigt die Oberflächentemperatur vom Zentrum zunächst an, erreicht in einer randnahen Ringzone ihr Maximum und fällt dann zum Rand wieder ab. Ein derartiger Substratträger hat zwar den Vorteil eines für den thermischen Behandlungsprozess, bspw. das Abscheiden einer Halbleiterschicht, optimierten lateralen Temperaturprofils. Ein derartiger, einstückiger Substratträger hat aber den Nachteil, dass die Substrate nicht mit Hilfe des die Funktion einer Ladeplatte erfüllenden Substratträgerrings gehandhabt werden können. In weitergehenden Untersuchungen, die insbesondere mit Hilfe von Modellrechnungen durchgeführt worden sind, wurde gefunden, dass sich der laterale Temperatursprung im Bereich des Spaltes minimieren lässt, wenn der Spalt radial innenseitig der Zone des Temperaturmaximums liegt, welches sich bei einer Spaltfreiheit einstellt. Der Radialabstand des Spaltes von der Mitte des Substratträgersockels muss kleiner sein als 80% des Radialabstandes des Außenrandes der Aufnahmefläche, die vom äußeren Rand des auf dem Substratträger aufliegenden Substrates definiert ist. Bei einem 6-Zoll-Substrat liegt der Außenradius der Aufnahmefläche etwa bei 75 mm, also in einem Bereich zwischen 70 mm und 80 mm. Für ein derartiges Substrat soll der Radialabstand des Spaltes bei 65% bis 70% des Radialabstandes des Außenrandes der Aufnahmefläche liegen. Er liegt also im Bereich zwischen 47 mm und 54 mm. Bei einem durchmessergeringeren 4-Zoll-Substrat, bei dem der Radialabstand des Außenrandes der Aufnahmefläche bei etwa 50 mm liegt, liegt der optimale Radialabstand des Spaltes bei 70% des Außenrandes der Aufnahmefläche. Der Radialabstand des Spaltes liegt bei einem derartigen Substratträger also in einem Bereich zwischen 31 mm und 39 mm. Die Spaltweite im Mündungsbereich in die Oberseite ist um mindestens einen Faktor 10 kleiner als der Radialabstand des Spaltes und liegt im Bereich zwischen 1 mm und 3 mm. Der Substratträgerring kann auch mehrere Substrate tragen. Die Substrate können dann ringförmig um das Zentrum des Substratträgerrings angeordnet sein. Eine insbesondere kreisförmige Aufnahmefläche wird auch hier vom radial äußersten Rand der Substrate ausgebildet. In einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung liegt das Substrat nicht in Flächenanlage auf den Oberseiten des Substratträgersockels bzw. des Substratträgerrings auf. Gleichwohl können die Oberseiten von Substratträgersockel und Substratträgerring in einer gemeinsamen Ebene liegen. Aus der Oberseite des Substratträgerrings ragen an voneinander beabstandeten Positionen im Wesentlichen in gleichmäßiger Winkelverteilung um das Zentrum Vorsprünge ab. Das Substrat liegt mit seiner Unterseite auf den Vorsprüngen ab, so dass es mit geringfügigem Spaltabstand über den Oberseiten von Substratträgersockel und Substratträgerring schwebt. Die Spaltweite dieses Horizontalspaltes ist wesentlich größer als die Spaltweite des Vertikalspaltes zwischen der Innenwandung des Substratträgerrings und der Außenwandung des Substratträgersockels. Unterhalb des aus Graphit, Molybden, Quarz oder einem ähnlichen Material gefertigten Substratträgers befindet sich eine Heizung. Die Heizung kann eine Wärmestrahlungsheizung sein. Es kann sich aber auch um eine RF-Quelle handeln. Die Heizung speist Wärmeenergie in den unteren Grundabschnitt des den Substratträger bildenden Suszeptors ein. Wie beim Stand der Technik auch, kann der Suszeptor eine Vielzahl von kreisförmig um ein Zentrum des Suszeptors angeordnete Substratträgeranordnungen aufweisen, wobei jede Substratträgeranordnung einen Substratträgersockel und einen Substratträgerring aufweist. Die Substratträgersockel können materialeinheitlich mit dem Grundabschnitt des Suszeptors verbunden sein. Die Suszeptoranordnung kann aber auch mehrteilig sein. Die Wärmequelle speist Wärme in den Grundabschnitt ein. Durch einen im Wesentlichen in Vertikalrichtung gerichteten Wärmetransport durch den Suszeptor bzw. den Substratträger hindurch wird die Oberseite des Substratträgersockels und die Oberseite des Substratträgerrings auf eine Behandlungstemperatur aufgeheizt. Durch Wärmeleitung wird das auf den beiden Oberseiten des Substratträgers aufliegende Substrat aufgeheizt. Wird das Substrat in der oben beschriebenen Weise schwebend oberhalb der Oberseite des Substratträgers gehalten, so erfolgt der Wärmetransport nicht nur über Wärmeleitung durch einen unterhalb des Substrates liegenden Gasfilm hindurch, sondern auch durch Wärmestrahlung von der Oberseite des Substratträgers hin zur Unterseite des Substrates. Die Behandlungstemperaturen liegen etwa bei 1.000°C, also zwischen 800°C und 1.200°C. Der Substratträgerring liegt auf einer Stützschulter des Suszeptors auf. Bevorzugt wird die Stützschulter von einer den Substratträgersockel umgebenden Stützfläche ausgebildet, auf der eine Unterseite des Substratträgerrings mit Flächenkontakt von mindestens 20% aufliegt. Die Beheizung des Suszeptors von unten führt zu einem radialen Temperaturprofil mit einem ringförmig das Zentrum des Substratträgers umgebenden Temperaturmaximums. Der Radialabstand des Temperaturmaximums ist etwas geringer als der Radialabstand der Auflagefläche des Substrates. Während des Beschichtungsprozesses liegt das Maximum also radial innenseitig des Randes des Substrates. Der Temperaturabfall zum Rand des Substrates wird von einem Wärmetransport in Horizontalrichtung durch den Substratträgerring verursacht.
Bei dem Verfahren zur Herstellung einer Beschichtungsvorrichtung und insbesondere zur Herstellung eines Suszeptors bestehend aus mindestens einem Substratträgersockel, auf den ein Substratträgerring aufsetzbar ist, zeichnet sich dadurch aus, dass auf der Basis von Voruntersuchungen oder von Modellrechnungen das radiale Temperaturprofil eines massiven Substratträgers ermittelt wird. Bei den Voruntersuchungen wird somit ein Substratträger verwendet, bei dem Substratträgerring und Substratträgersockel spaltfrei miteinander verbunden sind. Bei diesem Substratträger bildet sich zufolge des fehlenden Spaltes kein Temperatursprung in der Oberflächentemperatur der Oberseite des Substratträgers aus. Aus dem gewonnenen radialen Temperaturprofil wird der Radialabstand des Temperaturmaximums ermittelt. Dieser Radialabstand zum Zentrum des Substratträgers bildet die Basis, um den Radius des Substratträgersockels festzulegen. Die Position der Außenwandung des Substratträgersockels, also der Radialabstand des Spaltes, soll radial innerhalb der Radialposition des Temperaturmaximums liegen. Bevorzugt liegt der Radialabstand des Spaltes an einer Radialposition, die bei 70% bis 90% des Radialabstandes des Temperaturmaximums liegt. Bezogen auf die Radialposition des Temperaturmaximums ist der Ringspalt zwischen Substratträgersockel und Substratträgerring, also 10% bis 30% nach radial innen gelegt. Bevorzugt wird der Spalt bei der Konstruktion auf eine Radialposition von 80% des Radialabstandes des ermittelten Temperaturmaximums gelegt.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung, der auch eigenständigen Charakter besitzt, betrifft die Querschnittsgestalt des Spaltes. Beim Stand der Technik hat der Sockel die Gestalt eines Kegelstumpfes. Über die gesamte Höhe des Sockels verläuft der Spalt schräg nach oben in Richtung auf das Zentrum des Substratträgersockels. Die Innenwandung des Substratträgerrings, die radial außerhalb der Auflagefläche liegt, hat einen dazu kongruenten Verlauf, so dass die beiden schräg verlaufenden Ringflächen aufeinander liegen können. Der Ringspalt erstreckt sich im Querschnitt von der Unterseite des Substratträgerrings bis zu dessen Oberseite. Bei einer exzentrischen Lage des Substratträgerrings können beim Stand der Technik die Spaltwände an einer Umfangsposition über ihre gesamte vertikale Erstreckung in Berührung treten. Der Spalt kann dann an dieser Umfangsposition im Bereich der Oberseite eine Spaltweite Null annehmen. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass eine Unterseite des Substratträgerrings auf einer Stützschulter aufliegt. Die Stützschulter hat eine horizontale Erstreckung und wird bevorzugt von einer den Substratträgersockel umgebenden Stützfläche ausgebildet. Die Innenwandung des Substratträgerrings besitzt einen geringfügig größeren Durchmesser als die Außenwandung des Substratträgersockels. Dies hat zur Folge, dass sich über die gesamte Höhe des Substratträgerrings ein Spalt ausbildet. Die Spaltweite kann bei einer exzentrischen Zuordnung des Substratträgerrings zum Substratträgersockel aber in Umfangsrichtung variieren. Erfindungsgemäß vergrößert sich die Spaltweite aber nach oben. Ein Kontakt der Innenwandung des Substratträgerrings mit der Außenwandung des Substratträgersockels findet demzufolge nur in einem vertikal von der Oberseite des Substratträgers entfernten Bereich statt. Liegt der Substratträgerring in Kontakt mit der Außenwandung des Substratträgersockels, so ist der Spalt im Bereich seiner Mündung, also den Oberseiten von Substratträgerring und Substratträgersockel, nicht geschlossen. Der Fuß des Ringspaltes liegt im Bereich der Unterseite des Substratträgerrings, die zum Zwecke der Wärmeübertragung auf einer Stützschulter des Suszeptors aufliegt. Der Spalt kann sich bevorzugt über die gesamte vertikale Erstreckung des Substratträgerrings erstrecken. Er verläuft zwischen Unterseite und Aufnahmefläche für das Substrat. Die obere Spaltmündung endet somit unmittelbar unterhalb der Unterseite des Substrates. In einer bevorzugten Ausgestaltung besitzt der Spalt zwei schräg zum Zentrum des Substratträgersockels zulaufende Spaltwände. Die Spaltwände stehen in einem spitzen Winkel zueinander und laufen nach unten hin aufeinander zu. Der Spalt kann ferner einen im Querschnitt vertikal verlaufenden Abschnitt und einen sich darin im Querschnitt schräg auf die Mitte des Substratträgersockels zulaufenden Abschnitt besitzen. Der schräg verlaufende Abschnitt des Spaltes liegt vorzugsweise oberhalb des vertikal verlaufenden Abschnittes, so dass ein Kontakt der Spaltflächen nur im vertikal verlaufenden Abschnitt stattfinden kann. Die vertikale Höhe des vertikal verlaufenden Spaltes ist geringer als die vertikale Höhe des schräg auf die Mitte des Substratträgersockels hinlaufenden Abschnittes des Spaltes. Der äußere Rand des Substratträgerrings kann von einem Randkragen gebildet sein, der von einem Greifer untergriffen werden kann. Der äußere Rand der Stützfläche, auf der sich der Substratträgerring abstützt, kann einen Radialabstand besitzen, der etwa demjenigen der Aufnahmefläche entspricht. Treten Abschnitte der sich gegenüberliegenden Spaltwände als Folge einer exzentrischen Zuordnung des Substratträgerrings zum Substratträgersockel in berührenden Kontakt zueinander, so variiert die Spaltweite im Bereich der Oberseiten von Substratträgersockel und Substratträgerring in einem Bereich zwischen einer minimalen Spaltweite und einer dieser diametral gegenüberliegenden maximalen Spaltweite. Die Spaltwände können so gestaltet sein, dass die maximale Spaltweite lediglich maximal dreimal so groß, bevorzugt maximal lediglich doppelt so groß ist, wie die minimale Spaltweite.
Die Erfindung wird anhand beigefügter Zeichnungen nachfolgend erläutert. Es zeigen:
1 eine perspektivische Draufsicht auf ein Ausführungsbeispiel eines Suszeptors;
2 die Draufsicht auf den in 1 dargestellten Suszeptor;
3 einen Schnitt gemäß der Linie III-III in 2, wobei zusätzlich zur Verdeutlichung des Aufbaues des CVD-Reaktors, in dem der Suszeptor Anwendung findet, eine Wärmequelle 6 und ein Gaseinlassorgan 20 schematisch dargestellt sind;
4 den Ausschnitt IV-IV in 3, wobei der Substratträgerring 5 konzentrisch zum Substratträgersockel 4 angeordnet ist;
5 eine Darstellung gemäß 4, wobei der Substratträgerring 5 exzentrisch zum Substratträgersockel 4 angeordnet ist und sich Abschnitte 11, 9 eines Spaltes 13, 14 zwischen Substratträgersockel 4 und Substratträgerring 5 berühren;
6 das laterale radiale Temperaturprofil, wobei die Temperatur vom Mittelpunkt eines massiven Substratträgers über den Radius bis zum Rand aufgetragen ist. Der Substratträger besitzt keinen von einem Substratträgersockel trennbaren Substratträgerring;
7 eine Darstellung gemäß 6, jedoch mit einem Substratträger, bei dem ein Substratträgerring unter Ausbildung eines Spaltes S den Substratträgersockel umgibt. Der Radialabstand der Auflagefläche eines Substrates beträgt hier 50 mm. Der Radialabstand des Spaltes beträgt hier 35 mm;
8 eine Darstellung gemäß 7, wobei der Radialabstand des Spaltes 30 mm beträgt;
9 eine Darstellung gemäß 6, jedoch bei einem dem Stand der Technik entsprechenden Substratträger, bei dem der Spalt einen Radialabstand von etwa 95% des Außenrandes der Auflagefläche besitzt;
10 schematisch die Darstellung eines Querschnitts ähnlich der 3 eines Substratträgers, bei dem der Substratträgerring 5 und der Substratträgersockel 4 materialeinheitlich miteinander verbunden sind mit um jeweils 5° voneinander verschiedenen Isothermen, wobei die Oberflächentemperatur des Substratträgers etwa 1.000° beträgt. Der Verlauf der Isothermen wurde numerisch anhand eines dreidimensionalen Modells ermittelt;
11 eine Darstellung gemäß 10 einer erfindungsgemäßen Substratträgeranordnung, bei der ein Substratträgerring 5 mit seiner Unterseite 18 in 100%iger Flächenauflage auf einer Stützfläche 17 aufliegt und der Substratträgerring 5 den Substratträgersockel 4 konzentrisch umgibt, so dass sich ein in Umfangsrichtung unveränderlicher Spalt zwischen Substratträgerring 5 und Substratträgersockel ausbildet, ebenfalls mit einem aus einer Modellrechnung gewonnenen Isothermenprofil;
12 eine Darstellung gemäß 11, wobei bei der Modellrechnung ein 20%iger Flächenkontakt zwischen Unterseite 18 des Substratträgerrings 5 und Stützfläche 17 angenommen worden ist.
Die 3 zeigt exemplarisch die wesentlichen Elemente einer erfindungsgemäßen Vorrichtung. Der Einfachheit halber besitzt die Vorrichtung lediglich einen Substratträger 4, 5, der von einem Substratträgersockel 4 und von einem Substratträger 5 ausgebildet ist. Die Substratträgeranordnung 4, 5 bildet einen Suszeptor 2 aus, der oberhalb einer Wärmequelle 6 und unterhalb eines Gaseinlassorgans 20 angeordnet ist. Der Suszeptor 2 kann um seine strichpunktiert dargestellte Symmetrieachse drehangetrieben werden.
Die Wärmequelle 6 kann eine Infrarotheizung oder dergleichen sein, mit der in die Unterseite des Suszeptors 2, also in einen Grundabschnitt 3 des Suszeptors 2, Wärme eingeleitet werden kann, um die Oberseite 7 bzw. ein auf der Oberseite 7 aufliegendes Substrat 1 auf eine Beschichtungstemperatur zu bringen. Die Beschichtungstemperaturen können in einem weiten Bereich zwischen 500°C und 1.500°C variieren. Die Temperaturen hängen im Wesentlichen von dem jeweiligen Prozess ab, der in der Prozesskammer 21 durchgeführt werden soll. Prozessbestimmend sind u. a. die Prozessgase, die durch das Gaseinlassorgan 20 in die Prozesskammer eingeleitet werden. Das Gaseinlassorgan 20 kann bspw. die Form eines Duschkopfes aufweisen mit zur Prozesskammer 21 gerichteten Gaseintrittsöffnungen, durch die Halbleiterkomponenten aufweisende Prozessgase in die Prozesskammer 21 eintreten können. Bei den Prozessgasen kann es sich um Gase, die Elemente der V. und der III. Hauptgruppe enthalten, handeln. Es kann sich aber auch um andere Prozessgase handeln. Bei der in der Prozesskammer 21 herrschenden Prozesstemperatur zerlegen sich die Prozessgase und bilden auf der Oberfläche des Substrates 1 Schichten aus. Ein wesentlicher Parameter für das Schichtwachstum, also die Wachstumsrate aber auch die Schichtqualität, also ihre Zusammensetzung, ist die Oberflächentemperatur auf dem Substrat 1. Diese sollte idealerweise über die gesamte Oberfläche des Substrates konstant sein, damit auf dem Substrat eine homogene Schicht abgeschieden wird.
In nicht dargestellten Ausführungsbeispielen kann ein Suszeptor 2 eine Vielzahl von Substratträgersockeln 4 aufweisen, die bspw. ringförmig um ein Zentrum des Suszeptors 2 angeordnet sind. Jeder Substratträgersockel 4 ist von einem Substratträgerring 5 umgeben, mit dem die Substrate 1 in die Prozesskammer eingebracht werden bzw. aus der Prozesskammer entnommen werden. Hierzu besitzen die Substratträgerringe 5 jeweils einen Randkragen 16, der von einem Freiraum umgeben ist und von einem gabelförmigen Greifarm Untergriffen werden kann. Auf diese Weise ist ein Entladen und ein Beladen der Prozesskammer 21 möglich, ohne dass mit dem Greifer das eigentliche Substrat 1 berührt werden muss.
Der in den Zeichnungen dargestellte Suszeptor 2 besitzt einen Grundabschnitt 3, der von unten mit Wärme beaufschlagt wird. Der Suszeptor 2 besitzt einen Substratträgersockel 4, der im Wesentlichen die Form eines Kegelstumpfes aufweist. Der Substratträgersockel 4 besitzt eine im Wesentlichen ebene Oberseite 7 und einen Umfangsrand 9, 10.
Der Umfangsrand 9, 10 besteht aus zwei vertikalen Abschnitten. Ein erster Umfangswandabschnitt 9 verläuft auf einer Zylindermantelfläche und entspringt einer Stützfläche 17, die den Substratträgersockel 4 unter Ausbildung einer Ebene umgibt. Der auf einer Zylindermantelfläche verlaufende Umfangsabschnitt 9 erstreckt sich über eine Höhe H₁, die geringer ist als die Hälfte der vertikalen Höhe des Substratträgersockels 4. An den auf einer Zylindermantelfläche verlaufenden Umfangswandungsabschnitt 9 schließt sich ein Umfangswandungsabschnitt 10 an, der auf einer Kegelstumpffläche verläuft. Die Höhe H₂ dieses Umfangswandungsabschnittes 10 ist größer als die Hälfte der Höhe des Substratträgersockels 4.
Es ist ein Substratträgerring 5 vorgesehen. Der Substratträgerring 5 kann aus demselben Werkstoff, aus dem auch der Substratträgersockel 4 gefertigt ist, also bspw. Graphit, Molybden oder Quarz, gefertigt sein. Der Substratträgerring 5 besitzt eine im Wesentlichen ebene Unterseite 18, die in zumindest 20%iger Flächenanlage auf der Stützfläche 17 aufliegt. Im auf der Stützfläche 17 aufliegenden Zustand verläuft eine im Wesentlichen ebene Oberseite 8 flächenbündig zur Oberseite 7 des Substratträgersockels 4. Die Oberseiten 7, 8 liegen somit in einer gemeinsamen Horizontalebene, die parallel zur Stützfläche 17 verläuft.
Die Innenwandung des Substratträgerrings 5 besitzt einen Innenwandabschnitt 11, der auf einer Zylinderinnenfläche verläuft und der dieselbe Höhe besitzt, wie der Umfangsabschnitt 9. Der Radius R₅ der zylindrischen Innenwand 11 ist etwas größer als der Radius R₄ der Zylindermantelfläche 9, so dass sich in konzentrischer Anordnung des Substratträgerrings 5 zum Substratträgersockel 4 ein Spalt 13 mit einer Spaltweite D₂ von etwa 1 mm ausbildet.
In einem Abstand der Höhe H₁ von der Unterseite 18 erstreckt sich über eine Höhe H₂ ein auf einem Innenkegel verlaufender Wandungsabschnitt 12 des Substratträgerrings 5. Der Kegelwinkel der Innenwandung 12 ist spitzer als der Kegelwinkel der Umfangswandung 10 des Substratträgersockels 4. Dadurch bildet sich ein schräg nach oben in Richtung auf das Zentrum des Substratträgersockels 4 gerichteter Ringspalt aus, dessen Spaltweite D₂ im Fußbereich kleiner ist als dessen Spaltweite D₁ im Mündungsbereich. Im Bereich der Oberseiten 7, 8 ist die Spaltweite D₁ deshalb größer als im Bereich des Fußes des Spaltes. Dies hat zur Folge, dass bei einer exzentrischen Lage des Substratträgerrings 5 gegenüber dem Substratträgersockel 4, wie sie die 5 zeigt, die Mündung des Spaltes 14 eine Spaltweite D aufweist, die etwa bei 1 mm liegt.
Der Abstand R₁, der den Rand des Spaltes 13, 14 im Bereich der Oberseiten 7, 8 angibt, ist nur um 1 mm bis 3 mm geringer als der Radius R₄, der den Spaltrand im Bereich der Stützfläche 17 angibt. Entsprechend ist der Radius R₂, der die radial äußere Spaltwand im Bereich der Oberseiten 7, 8 angibt, nur geringfügig größer als der Radius R₅, der die radial äußere Spaltwand im Fußbereich des Spaltes 13, 14 angibt.
Die Radien R₁, R₂ geben den Radialabstand des Spaltes 13, 14 gegenüber dem Zentrum des Substratträgersockels 4 an.
Der Radius R₃ gibt den Radius einer Auflagefläche an, die bei der bestimmungsgemäßen Verwendung der Vorrichtung von einem Substrat 1 vollständig überdeckt ist. Bei einem 4-Zoll-Substrat 1 beträgt R₃ bspw. etwa 50 mm, bei einem 6-Zoll-Substrat beträgt R₃ etwa 75 mm.
Es ist ein Vorsprung vorgesehen, mit dem das Substrat 1 auf der Auflagefläche zentriert wird. Der Vorsprung kann von dem Rand 15 einer Aufnahmetasche ausgebildet sein, die vom Substratträgerring 5 ausgebildet ist. Die Unterseite 18 bildet eine ebene Ringfläche aus, die sich vom Fuß des Spaltes über den Rand der Aufnahmefläche hinaus erstreckt. Der Fuß des Spaltes 13, 14 liegt in der vertikalen Höhe der Unterseite 18. Die Spaltwand 11 bildet mit dem radial inneren Rand der Unterseite 18 die untere, bevorzugt gerundete Randkante der Spaltwand. Bei einer konzentrischen Anordnung des Substratträgerrings 5 gegenüber dem Substratträgersockel 4 bildet sich ein durchgängiger Spalt 13, 14 zwischen Unterseite 18 und Oberseite 8 aus, wobei die Spaltweite mindestens 5 / 10 mm beträgt. Die obere Mündung dieses vertikal durchgängigen Spaltes liegt in der von den Oberseiten 7, 8 definierten Ebene, die unmittelbar vom Substrat 1 abgedeckt wird.
Von der Oberseite 8 des Substratträgerrings 5 ragen in gleichmäßiger Winkelverteilung eine Vielzahl, im Ausführungsbeispiel sechs, wulstartig ausgebildete Vorsprünge 19 in Vertikalrichtung ab. Diese tragen den Rand des Substrates 1 und halten die Unterseite des Substrates 1 in einem gewissen Abstand oberhalb der Oberseiten 7, 8, so dass das Substrat 1 auf der Auflagefläche schwebt. Der Abstand zwischen den Oberseiten 7, 8 und der Unterseite des Substrates 1 ist geringer als die Spaltweite D₁ oder D₂ des Spaltes 13, 14.
Erfindungsgemäß liegt der Radius R₁, R₂, um den der Spalt 13, 14 vom Zentrum des Substratträgersockels 4 beabstandet ist, in einem Bereich, der kleiner als 80% ist, als der Radialabstand R₃ des Außenrandes 15 der Aufnahmefläche, die von einem zu behandelnden Substrat 1 belegt ist. Bei einer Vorrichtung zum Beschichten von 4-Zoll-Substraten kann der Radius R₁, R₂ somit im Bereich zwischen 32 mm und 38 mm liegen. Bei einer Vorrichtung zum Beschichten von 6-Zoll-Substraten kann der Radius R₁, R₂ somit im Bereich zwischen 48 mm und 53 mm liegen. Der Rand der Aufnahmefläche wird durch die Bezugsziffer 15 angegeben. Die Aufnahmefläche wird durch die Bezugsziffern 7, 8 angegeben. Als Aufnahmefläche wird somit der Bereich der Oberflächen des Substratträgersockels 4 und des Substratträgerrings 5 angesehen, der vollständig vom Substrat belegt ist. Trägt der Substratträgerring, wie es in der DE 102 32 731 A1 beschrieben ist, mehrere Substrate, so wird als Aufnahmefläche ebenfalls die gesamte Oberseite des Substratträgersockels 4 angesehen und zusätzlich der daran angrenzende Ringabschnitt der Oberseite des Substratträgerrings, der von Abschnitten des Substrates belegt wird. Da im Allgemeinen im Wesentlichen kreisrunde Substrate verwendet werden, besitzt die Aufnahmefläche im Allgemeinen eine kreisförmige Begrenzungslinie und damit eine kreisförmige Gestalt. Bevorzugt erstreckt sich die Aufnahmefläche über einen Randabstand des Substratträgerrings 5, der die größte vertikale Materialstärke aufweist, wobei eine ggf. vorhandene Randüberhöhung zur Ausbildung einer Taschenwand 15 oder anderweitiger Zentriervorsprünge außer Betracht bleibt.
Zur Ermittlung des optimalen Radius R₁, R₂ werden Vorversuche bzw. Modellrechnungen durchgeführt. Die 10 zeigt bspw. das Ergebnis einer Modellrechnung, bei der eine spaltfreie Verbindung zwischen Substratträgersockel 4 und Substratträgerring 5 angenommen ist. Bei dem Modell handelt es sich um einen Suszeptor 2, der als materialeinheitlicher Festkörper angenommen wird. Bei dem Modell wird der vertikale Wärmetransport von unten nach oben berücksichtigt. Es wird ferner ein horizontaler Wärmetransport insbesondere im Bereich des Randes des Substratträgerrings 5 berücksichtigt.
Die 11 zeigt den berechneten Isothermenverlauf bei einem erfindungsgemäß ausgebildeten Substratträger. Es ist zu erkennen, dass sich im Bereich des Spaltes ein geringfügiger Temperatursprung einstellt. Dieser liegt bei etwa 5°. Die 12 zeigt, dass sich der Isothermenverlauf nur unwesentlich ändert, wenn die Flächen 17, 18 sich nicht zu 100% in Kontakt befinden, sondern zum Wärmetransport über Wärmeleitung lediglich eine 20%ige Kontaktfläche zur Verfügung steht.
Mittels der in 10 dargestellten Modellrechnung wird der Radialabstand des Temperaturmaximums vom Zentrum des Substratträgers ermittelt. Die Lage des Spaltes 13, 14 wird unter Berücksichtigung des so ermittelten Radius des Temperaturmaximums festgelegt. Der Spalt 13, 14 soll radial innerhalb des Temperaturmaximums liegen. Bevorzugt liegt er bei etwa 70% bis 90% des Radialabstandes des Temperaturmaximums.
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: Substrat
2: Suszeptor
3: Grundabschnitt
4: Substratträgersockel
5: Substratträgerring
6: Wärmequelle
7: Oberseite
8: Oberseite
9: Umfangswand
10: Umfangswand
11: Innenwand
12: Innenwand
13: Spaltabschnitt
14: Spaltabschnitt
15: Taschenwand
16: Randkragen
17: Stützfläche
18: Unterseite
19: Vorsprung
20: Gaseinlassorgan
21: Prozesskammer

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 10232731 A1 [0003, 0009, 0039]
US 6001183 [0004]
US 6217663 B1 [0005]
US 6413459 B1 [0006]

Claims

Vorrichtung zur thermischen Behandlung eines Halbleitersubstrates (1), mit einem den Boden einer Prozesskammer (21) bildenden Suszeptor, der zumindest einen von einer Umfangswand (9, 10) umgebenen und mit seiner Oberseite (7) in Richtung auf die Prozesskammer (21) weisenden Substratträgersockel (4) aufweist, mit einem auf den Substratträgersockel (4) aufsetzbaren Substratträgerring (5), dessen Oberseite (8) eine Aufnahmefläche zur Auflage des Randes eines Substrates (1) bildet und dessen Ringinnenwandung (11, 12) im auf den Substratträgersockel (4) aufgesetzten Zustand einen Ringspalt (13, 14) zur Umfangswand (9, 10) des Substratträgersockels (4) begrenzt und dessen Unterseite (18) auf einer Stützschulter (17) ruht, und mit einer unterhalb des Suszeptors (2) angeordneten Wärmequelle (6), um die bei der thermischen Behandlung mit einem Substrat (1) belegten Oberseiten (7, 8) des Substratträgersockels (4) und des Substratträgerrings (5) auf eine Prozesstemperatur aufzuheizen, dadurch gekennzeichnet, dass zur Minimierung des lateralen Temperatursprungs im Bereich des Spaltes (14) der Radialabstand (R₁) des Spaltes (14) von der Mitte des Substratträgersockels (4) kleiner ist als 80% des Radialabstandes (R₃) des Außenrandes (15) der Aufnahmefläche.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder insbesondere danach, dadurch gekennzeichnet, dass bei einem Suszeptor (2) zur Aufnahme eines 6-Zoll-Substrates, bei dem der Radialabstand (R₃) des Außenrandes (15) der Aufnahmefläche etwa 75 mm beträgt, der Radialabstand (R₁) des Spaltes (14) etwa 65% bis 70% des Radialabstandes (R₃) des Außenrandes (15) entspricht.
Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche oder insbesondere danach, dadurch gekennzeichnet, dass bei einem Suszeptor (2) zur Aufnahme eines 4-Zoll-Wafer, bei dem der Radialabstand (R₃) des Außenrandes (15) der Aufnahmefläche etwa 50 mm beträgt, der Radialabstand (R₁) des Spaltes (14) etwa 70% des Radialabstandes (R₃) des Außenrandes (15) entspricht.
Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche oder insbesondere danach, dadurch gekennzeichnet, dass der Außenrand (15) der Auflagefläche von einem Vorsprung (15) begrenzt ist, welcher insbesondere von einem Rand (15) einer Aufnahmetasche gebildet ist, deren Boden von der Oberseite (8) des Substratträgerrings (5) gebildet ist.
Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche oder insbesondere danach, dadurch gekennzeichnet, dass der laterale Temperatursprung im Bereich des Spaltes (14) bei einer Oberflächentemperatur der Oberseiten (7, 8) von etwa 1.000°C bei maximal 10°, bevorzugt bei maximal 5° liegt.
Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche oder insbesondere danach, gekennzeichnet durch von der Oberseite (7, 8) abragende Vorsprünge (19), auf denen das Substrat (1) mit vertikalem Abstand zu den Oberseiten (7, 8) aufliegt, wobei der vertikale Abstand geringer ist als die maximale Weite des Spaltes (14).
Verfahren zur Herstellung einer Vorrichtung gemäß einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche oder insbesondere danach, dadurch gekennzeichnet, dass auf der Basis von Vorversuchen oder Modellrechnungen bei einem Substratträger (4, 5), bei dem der Substratträgersockel (4) und der Substratträgerring (5) spaltfrei miteinander verbunden sind, ein radiales Oberflächentemperaturprofil ermittelt wird und der Radialabstand (R₁) des Spaltes (13) an eine Position gelegt wird, die radial innenseitig des Temperaturmaximums liegt.
Verfahren nach Anspruch 7 oder insbesondere danach, dadurch gekennzeichnet, dass der Radialabstand (R₁) des Spaltes (13) etwa 70% bis 90% des Radialabstandes des Temperaturmaximums beträgt.
Vorrichtung zur thermischen Behandlung eines Halbleitersubstrates (1), mit einem den Boden einer Prozesskammer (21) bildenden Suszeptor (2) der zumindest einen in Richtung auf die Prozesskammer (21) weisenden Substratträgersockel (4) mit einer Umfangswand (9, 10) und einer Oberseite (7) aufweist, mit einem auf den Substratträgersockel (4) aufsetzbaren Substratträgerring (5), dessen Oberseite (8) eine Aufnahmefläche zur Auflage des Randes eines Substrates (1) bildet und dessen Ringinnenwandung (11, 12) im auf den Substratträgersockel (4) aufgesetzten Zustand einen Ringspalt (13, 14) zur Umfangswand (9, 10) des Substratträgersockels (4) begrenzt und dessen Unterseite (18) auf einer Stützschulter (17) ruht oder Vorrichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Spalt (14) eine nach oben bis zur Mündung in die Oberseiten (7, 8) sich vergrößernde Spaltweite besitzt.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche oder insbesondere danach, dadurch gekennzeichnet, dass der Spalt (14) einen im Querschnitt vertikal verlaufenden Abschnitt (13) und einem sich daran anschließenden im Querschnitt schräg auf die Mitte des Substratträgersockels (4) zulaufenden Abschnitt (14) ausbildet.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche oder insbesondere danach, dadurch gekennzeichnet, dass der vertikal verlaufende Abschnitt (13) unterhalb des schräg verlaufenden Abschnittes (14) angeordnet ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche oder insbesondere danach, dadurch gekennzeichnet, dass die Spaltwände (10, 12) des schräg verlaufenden Spaltabschnittes (14) nach unten hin spitzwinklig aufeinander zulaufen.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche oder insbesondere danach, dadurch gekennzeichnet, dass die Höhe (H1) des vertikalen Spaltabschnittes (13) größer ist als die Höhe (H2) des schräg verlaufenden Spaltabschnittes (14).
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche oder insbesondere danach, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer konzentrischen Zuordnung des Substratträgerrings (5) zum Substratträgersockel (4) der Spalt (13, 14) ausgehend von einer Stützfläche (17) des Suszeptors (3), die die vertikal tiefste Position des Substratträgerrings (5) definiert, bis hin zu seiner Mündung in die Oberseiten (7, 8) durchgängig offen ist.