DE102014104218A1

DE102014104218A1 - CVD-Reaktor mit Vorlaufzonen-Temperaturregelung

Info

Publication number: DE102014104218A1
Application number: DE102014104218.2A
Authority: DE
Inventors: Francisco Ruda Y Witt; Oliver Schön; Bernd Schöttker
Original assignee: Aixtron SE
Current assignee: Aixtron SE
Priority date: 2014-03-26
Filing date: 2014-03-26
Publication date: 2015-10-01

Abstract

Die Erfindung betrifft einen CVD-Reaktor und ein Verfahren zu dessen Betrieb, Ein Suszeptor (2) weist einen von einer unterhalb seiner angeordneten Heizeinrichtung (6) aufheizbaren Grundkörper (7, 8, 9) aufweist, auf dem unter Ausbildung eines Horizontalspaltes (11, 11', 11'') eine stromabwärts des Gaseinlassorgans (3) angeordnete Vorlaufzonenplatte (10) und stromabwärts davon mindestens ein Substratträger (12) zur Aufnahme von mit Reaktionsprodukten des mindestens einen Prozessgases zu beschichtenden Substrate (14) angeordnet sind, wobei durch permanente Wärmeflüsse vom Grundkörper (7, 8, 9) zur Vorlaufzonenplatte (10) und zu den Substratträgern (12) und von der Vorlaufzonenplatte (10) und den Substratträgern (12) beziehungsweise den davon getragenen Substraten (14) zu einer gekühlten Zone der Prozesskammer, insbesondere der Prozesskammerdecke (15) die Oberfläche der Vorlaufzonenplatte (10) auf eine Vorlaufzonentemperatur (TV1, TV2) und die Oberfläche der Substratträger beziehungsweise der Substrate (14) auf eine Substrattemperatur (TS) aufheizbar sind. Um die Oberflächentemperatur der Vorlaufzonenplatte während des Betriebs der Vorrichtung zu ändern oder zu stabilisieren, wird vorgeschlagen, dass in den Horizontalspalt (11, 11', 11'') ein gasförmiger Wärmeübertrager einspeisbar ist, dessen Wärmeleiteigenschaft einstellbar ist.

Description

Die Erfindung betrifft einen CVD-Reaktor mit einem in einem Reaktorgehäuse angeordneten, den Boden einer Prozesskammer bildenden Suszeptor, einem Gaseinlassorgan, welches mindestens einen Gaseinlassbereich aufweist, zum Austritt mindestens eines von einer Gasversorgungseinrichtung bereitgestellten, von einem Trägergas getragenen Prozessgases, welches die Prozesskammer in einer Strömungsrichtung durchströmt, wobei der Suszeptor einen von einer unterhalb seiner angeordneten Heizeinrichtung aufheizbaren Grundkörper aufweist, auf dem unter Ausbildung eines Horizontalspaltes eine stromabwärts des Gaseinlassorgans angeordnete Vorlaufzonenplatte und stromabwärts davon mindestens ein Substratträger zur Aufnahme von mit Reaktionsprodukten des mindestens einen Prozessgases zu beschichtenden Substrate angeordnet sind, wobei durch permanente Wärmeflüsse vom Grundkörper zur Vorlaufzonenplatte und zu den Substratträgern und von der Vorlaufzonenplatte und den Substraten/Substratträgern zu einer gekühlten Zone der Prozesskammer, insbesondere der Prozesskammerdecke die Oberfläche der Vorlaufzonenplatte auf eine Vorlaufzonentemperatur und die Oberfläche der Substrate/Substratträger auf eine Substrattemperatur aufheizbar sind.
Ein derartiger CVD-Reaktor wird in der DE 103 23 085 A1 beschrieben. Auf einem mehrteiligen Suszeptor befinden sich Substrate, die mit einer Halbleiterschicht beschichtet werden. Hierzu werden durch ein Gaseinlassorgan Prozessgase, die aus einer metallorganischen III-Komponente und einer V-Komponente bestehen, in die Prozesskammer eingeleitet. Dies erfolgt mittels eines Trägergases, beispielsweise Wasserstoff. Der Suszeptor wird von unten auf Temperaturen zwischen 500 und über 1.000°C aufgeheizt. Da die Prozesskammerdecke aktiv gekühlt wird, bildet sich innerhalb des Suszeptors ein vertikaler Temperaturgradient aus. Die Temperatur der Oberfläche des Substratträgers und die Temperatur der Oberfläche einer Vorlaufzonenplatte wird durch einen permanenten vertikalen Wärmefluss von der Heizeinrichtung unterhalb des Suszeptors zur Kühleinrichtung oberhalb des Suszeptors bestimmt. Relevant für die Oberflächentemperatur des Substratträgers beziehungsweise des auf dem Substratträger aufliegenden Substrates und die Oberflächentemperatur der Vorlaufzone sind somit die Wärmeübertragungseigenschaften zwischen dem Grundkörper und dem Substratträger beziehungsweise der Vorlaufzonenplatte. Die Vorlaufzonenplatte ist in vertikaler Richtung von dem Grundkörper beabstandet. Hierdurch bildet sich ein Horizontalspalt, der eine Wärmeübertragungsbarriere bildet. Die Oberflächentemperatur der Vorlaufzonenplatte hängt beim Stand der Technik von der voreinstellbaren vertikalen Spaltbreite des Horizontalspaltes ab.
Die DE 10 2010 000 554 A1 beschreibt ebenfalls einen MOCVD-Reaktor, bei dem die Wärmeleitkopplung zwischen einer Deckenplatte und einem Wärmeableitorgan örtlich und insbesondere radial verschieden ist. Durch den zwischen Deckenplatte und Wärmeableitorgan ausgebildeten Horizontalspalt soll ein Spülgas hindurchströmen. Das Spülgas kann aus einer Mischung von Gasen mit voneinander verschiedenen Wärmeleitfähigkeiten gebildet sein, beispielsweise Wasserstoff und Stickstoff.
Die DE 10 2011 002 146 A1 beschreibt den Einfluss der Vorlaufzonentemperatur und Gasphasenreaktionen innerhalb der Vorlaufzone auf das Schichtwachstum in der sich in Strömungsrichtung an die Vorlaufzone anschließenden Wachstumszone, in denen die Substrate angeordnet sind.
Einen Substrathalter mit Kanälen, durch die ein gasförmiger Wärmeübertrager fließt, beschreibt auch die US 6,001,183 oder die DE 36 33 386 A1 .
Die DE 10 2006 018 514 A1 beschreibt eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Steuerung der Oberflächentemperatur eines Substrates in einer Prozesskammer, wobei insbesondere vorgesehen ist, dass in einem Horizontalspalt ein gasförmiger Wärmeübertrager eingespeist wird, der ein Gaspolster bildet, auf dem sich ein Substratträger dreht.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Maßnahmen anzugeben, mit denen die Oberflächentemperatur der Vorlaufzonenplatte während des Betriebs der Vorrichtung geändert oder stabilisiert werden kann.
Gelöst wird die Aufgabe durch die in den Ansprüchen angegebene Erfindung. In den Horizontalspalt wird ein gasförmiger Wärmeübertrager eingespeist, dessen Wärmeleiteigenschaft einstellbar ist. Die Wärmeleiteigenschaft ist insbesondere durch das Mischungsverhältnis zweier stark voneinander verschiedener Wärmeleitfähigkeiten aufweisender Gase einstellbar. Zufolge dieser Maßnahmen lässt sich die Wärmeleitfähigkeit der von dem Horizontalspalt ausgebildeten Wärmeflussbarriere während des Betriebes des CVD-Reaktors, also ohne eine Öffnung des Reaktorgehäuses, ohne eine Änderung der Wachstemperatur innerhalb der Prozesskammer oder des Totaldrucks innerhalb der Prozesskammer, ändern. Die Oberflächentemperatur der Vorlaufzone wird maßgeblich von dem Wärmetransport von der Heizeinrichtung unterhalb des Suszeptors zu einer Kühleinrichtung in der Decke der Prozesskammer oder einer Kühleinrichtung im Bereich des Gaseinlasses beeinflusst. Der Schichtabscheidungsprozess innerhalb der Prozesskammer wird in der Regel in einem stationären Zustand durchgeführt, indem die Temperaturen der zur Prozesskammer weisenden Oberfläche des Suszeptors (laterales Temperaturprofil) auf einem konstanten Niveau gehalten werden. Wesentlich ist dabei eine gewisse zeitlich konstante Oberflächentemperatur des Substrates und eine für eine gewisse Zeit konstante Oberflächentemperatur beziehungsweise ein zeitlich konstantes Oberflächen-Temperaturprofil im Bereich der Vorlaufzone. Es ist ferner von Bedeutung, das laterale Temperaturprofil innerhalb der Vorlaufzone den verschiedenen Prozessschritten anpassen zu können. In der Prozesskammer können beispielsweise Abscheideprozesse durchgeführt werden, die auf eine maximale Wachstumsrate der auf die Substrate abzuscheidenden Schichten optimiert sind. Bei einem derartigen Wachstumsprozess ist eine Verringerung der parasitären Belegung der Vorlaufzone von Vorteil. Der Wachstumsprozess kann ferner dahingehend optimiert werden, dass in die abzuscheidenden III-, V-Schichten beispielsweise aus Ga, Al und N, P oder As auch Kohlenstoff als Dotterstoff eingebaut wird. Der Kohlenstoff entstammt dann aus Zerfallsprodukten der metallorganischen III-Komponente. Auch hier hat das Vorlaufzonen-Temperaturprofil eine prozessbeeinflussende Bedeutung. In einer weiteren Betriebsart können die Prozessparameter und insbesondere das Vorlaufzonen-Temperaturprofil so eingestellt werden, dass der Wachstumsprozess auf das Erreichen einer hohen Kristallqualität in der abgeschiedenen Schicht optimiert ist. Bei diesem Prozess soll der Kohlenstoffeinbau minimiert sein. Der Wachstumsprozess wird bei einer verminderten Wachstumsrate durchgeführt. Wie aus dem eingangs genannten Stand der Technik bekannt ist, hat das Vorlaufzonen-Temperaturprofil einen Einfluss auf die Lage der Zone innerhalb der Prozesskammer, in der die Wachstumsrate beziehungsweise die Zerlegungsrate der III-Komponente maximal ist. Mit der erfindungsgemäßen Möglichkeit, die Vorlaufzonen-Temperatur durch Modifikation der Wärmeübertragung vom Grundkörper zur Vorlaufzonenplatte modifizieren zu können, kann die räumliche Lage des Wachstumsmaximums beziehungsweise des Zerlegungsmaximums, also insbesondere der Abstand der Zone größten Wachstums vom Gaseinlass und beziehungsweise vom Substrat eingestellt werden. Es ist von Vorteil, wenn ein sich in Strömungsrichtung des Prozessgases durch die Prozesskammer unmittelbar an das Gaseinlassorgan anschließender Abschnitt des Grundkörpers von einer Kühleinrichtung kühlbar ist. Die Kühleinrichtung kann sich im Bereich des Gaseinlassorganes befinden. Sie kann vom Gaseinlassorgan ausgebildet werden. Es handelt sich dabei bevorzugt um ein Volumen, durch welches ein flüssiges Kühlmittel strömt. Mit dieser Kühleinrichtung wird in einem stromaufwärtigen Abschnitt des Horizontalspaltes der Grundkörper auf einer niedrigeren Temperatur gehalten, als die Oberfläche des dortigen Abschnittes der Vorlaufzonenplatte. Ein sich in Strömungsrichtung daran anschließender Abschnitt des Grundkörpers wird von der Heizeinrichtung auf eine Temperatur geheizt, die größer ist, als die Oberflächentemperatur des dortigen Abschnittes der Vorlaufzonenplatte. Es ist von Vorteil, wenn im stromaufwärtigen Bereich der Grundkörper eine niedrigere Wärmeleitfähigkeit aufweist, als im stromabwärtigen Bereich. Der stromaufwärtige Bereich des Grundkörpers kann deshalb vorzugsweise von einer Platte aus Quarz gebildet sein. Der stromabwärtige Bereich des Grundkörpers kann hingegen aus einer Platte, die aus Graphit besteht, ausgebildet sein. Der Grundkörper kann aber auch im stromaufwärtigen Bereich gut wärmeleitend und im stromabwärtigen Bereich gut wärmeleitend, beispielsweise jeweils aus Graphit gefertigt sein. Die beiden Zonen sind dann durch eine schlecht wärmeleitende Zone voneinander getrennt, so dass sich eine unmittelbar an einen Kühlkörper angrenzende Zone des Grundkörpers auf eine niedrigere Temperatur aufheizt, als eine von der Heizeinrichtung unmittelbar beheizte Zone des Grundkörpers. Bei einer rotationssymmetrischen Anordnung der Prozesskammer ist bevorzugt eine Zentralplatte vorgesehen, die im Zentrum von einer Kühleinrichtung gekühlt wird und die aus Quarz besteht. Ihr Rand liegt auf einem aus Graphit gefertigten Ringkörper auf. Die Vorlaufzonenplatte, die sich über den peripheren Abschnitt der Zentralplatte und den radial inneren Abschnitt des Ringkörpers erstreckt, besteht vorzugsweise aus Graphit, also einem Material mit einer höheren Wärmeleitfähigkeit, als das Material der Zentralplatte. Wird in die aktiv gekühlte stromaufwärtige Zone des Horizontalspaltes ein Gas mit einer hohen Wärmeleitfähigkeit eingespeist, so ist die dortige Oberflächentemperatur der Vorlaufzonenplatte geringer, als bei einer dortigen Einspeisung eines Gases mit einer geringen Wärmeleitfähigkeit, weil die Festkörper-Wärmeleiteigenschaft der Vorlaufzonenplatte zu einer Wärmeübertragung in Stromaufwärtsrichtung führt. Befindet sich in der beheizbaren Zone des Horizontalspaltes ein Gas mit einer hohen Wärmeleitfähigkeit, beispielsweise Wasserstoff, der auch als Trägergas verwendet wird, so ist die Oberflächentemperatur der Vorlaufzonenplatte in diesem Bereich größer, als wenn sich Stickstoff, also ein Gas mit einer geringen Wärmeleitfähigkeit, in dieser beheizbaren Zone des Horizontalspaltes befindet. Es ist somit von besonderem Vorteil, wenn in diese beiden Zonen individuell verschieden einstellbare Gasmischungen durch individuelle Einspeisekanäle einspeisbar sind. Da die Temperatur der Vorlaufzone das Ergebnis eines Wärmefluss-Gleichgewichtes ist, hängt die Oberflächentemperatur auch von quantitativen Änderungen des Wärmetransportmechanismus von dem Suszeptor zur Prozesskammerdecke ab. Bei den verwendeten Temperaturen (500°C bis über 1.000°C) hat die Wärmestrahlung von der Suszeptor-Oberfläche, also von der Vorlaufplatten-Oberfläche, zur Prozesskammerdecke einen erheblichen Einfluss auf die Wärmeflussbalance. Ändert sich durch eine parasitäre Belegung der Oberfläche der Vorlaufzonenplatte deren Emissivität, so ändert sich auch der Wärmefluss von dort zur Prozesskammerdecke. Wird der Wärmefluss von der Heizeinrichtung zur Vorlaufzonenplatte nicht geändert, hat dies eine Verschiebung des Wärmefluss-Gleichgewichtes zur Folge, also eine Änderung der Oberflächentemperatur der Vorlaufzone. Mit der erfindungsgemäß gegebenen Möglichkeit der dynamischen Änderung der Wärmeleiteigenschaften des Horizontalspaltes, kann ohne dass die Heizleistung der Heizeinrichtung modifiziert werden müsste, auf einen derartigen, während eines Abscheideprozesses kontinuierlich auftretenden Effekt reagiert werden. Erfindungsgemäß ist somit vorgesehen, dass eine von einer durch das Abscheideverfahren bedingte zeitliche Änderung der Emissivität der Oberfläche der Vorlaufzonenplatte verursachte Änderung des Wärmefluss-Gleichgewichtes durch eine dynamische, insbesondere eine stetige Änderung der Wärmeleitfähigkeit des in den Horizontalspalt eingespeisten Gases kompensiert werden kann. Es ist von Vorteil, wenn zwei oder mehr radial voneinander beabstandete Einspeisekanäle vorgesehen sind, durch die unabhängig voneinander jeweils ein gasförmiger Wärmeübertrager einspeisbar ist. Hierdurch lässt sich die Vorlaufzonentemperatur an mehreren Stellen unabhängig voneinander beeinflussen. Die Vorrichtung besitzt bevorzugt ein Gaseinlassorgan, das in einer Aussparung eines Suszeptor-Grundkörpers einliegt. Der Abschnitt des Gaseinlassorgans, der in dieser Aussparung einliegt, ist gekühlt. Der Temperaturgradient innerhalb der Vorlaufzone und insbesondere im Grundkörper, dem Horizontalspalt und der Vorlaufzonenplatte weist nicht nur eine vertikale, sondern auch eine horizontale Komponente aufweist. Der Suszeptor kann einen im Wesentlichen kreisrunden Grundriss aufweisen. Das Gaseinlassorgan kann im Zentrum der Prozesskammer angeordnet sein. Die Prozesskammer kann von einem Gasauslasselement umgeben sein. Das Gasauslasselement kann ein ringförmiger Körper sein, der sich in Radialauswärtsrichtung dem Suszeptor anschließt. Durch den Gasauslass werden das Prozessgas und Reaktionsprodukte aus der Prozesskammer entfernt. Auf dem Suszeptor sind bevorzugt mehrere Substratträger angeordnet. Jeder Substratträger kann eine kreisscheibenförmige Gestalt besitzen und von einem Gasdrehlager getragen werden, der den Substratträger während des Abscheideprozesses drehantreibt. Der Grundkörper des Suszeptors kann mehrteilig ausgebildet sein. Er kann um seine Achse drehangetrieben sein. Ein Ringkörper kann von einer Stützplatte getragen werden. Auf dem radial inneren Rand des Ringkörpers kann sich eine Mittelplatte abstützen, die eine Zugplatte ausbilden kann. Dabei liegt ein Rand der Mittelplatte auf dem inneren Rand des Ringkörpers und bildet dort eine Stufe aus. Der erste Einspeisekanal kann an einer radial äußeren Zone des Horizontalspaltes angeordnet sein. Der erste Einspeisekanal kann in dem Ringkörper vorgesehen sein. Er kann durch einen Kanal der Stützplatte gespeist werden. Der zweite Einspeisekanal kann sich in der Mittelplatte befinden und ebenfalls durch die Stützplatte hindurch gespeist werden. Die zur Prozesskammer weisende Oberfläche der Vorlaufzonenplatte ist bevorzugt eben und geht fluchtend oder gestuft in die Substratauflagefläche des Substratträgers über, wobei letzterenfalls die Stufenhöhe der Substratdicke entspricht, so dass die Vorlaufzonenplatte bündig in die Substratoberfläche übergeht. Die Rückseite, die zum Horizontalspalt weist, kann eine von einer Ebene abweichende Topologie, insbesondere Stufen oder Schrägflanken besitzen. Der Horizontalspalt kann in seinem sich unmittelbar an das Gaseinlassorgan anschließenden Bereich eine größere Spalthöhe aufweisen, als in seinem sich an die Substratträger angrenzenden Bereich. Im Horizontalspalt kann auch ein Zwischenring angeordnet sein, der mit geeigneten Distanzmitteln in einem Abstand zum Grundkörper und in einem Abstand zur Vorlaufzonenplatte gehalten wird. Es ist eine Regeleinrichtung vorgesehen, mit der ein oder mehrere Heizzonen mit Energie bestrombar sind. Es kann sich dabei um Widerstandsheizungen handeln. Die Regeleinrichtung steuert auch Massenflussregler, mit denen Gase durch die Einspeisekanäle eingespeist werden. Mit den Massenflussreglern kann insbesondere das Mischungsverhältnis der Gase geregelt werden. Die Vertikalspalte zwischen Gaseinlassorgan und Vorlaufzonenplatte beziehungsweise zwischen Vorlaufzonenplatte und Substratträger können ausreichend groß sein, dass das Trägergas aus der Prozesskammer in den Horizontalspalt hinein diffundiert.
Die Erfindung betrifft darüber hinaus auch ein Verfahren zum Abscheiden von Schichten unter Verwendung einer Vorrichtung, wie sie zuvor beschrieben worden ist. Während des Abscheidungsprozesses, insbesondere in den Wachstumspausen eines mehrere Wachstumsschritte aufweisenden Wachstumsprozesses wird die Wärmeleiteigenschaft eines oder mehrerer permanent in den Horizontalspalt eingespeisten gasförmigen Wärmeübertragers geändert. Es ist ferner vorgesehen, dass die Wärmeleiteigenschaft des Wärmeübertragers auch während eines Wachstumsschrittes geändert wird, um beispielsweise die Einflüsse einer sich zeitlich ändernden Emissivität der Vorlaufzonenoberfläche auf die Wärmeflussbilanz zu kompensieren. Bevorzugt wird an zwei voneinander verschiedenen Orten ein individuell eingestellter Wärmeübertrager in den Horizontalspalt eingespeist. Es ist ferner vorgesehen, dass jedem Substratträger individuell eine oder mehrere Einspeisekanäle räumlich in Strömungsrichtung vorgeordnet sind. Bei einem Reinigungsprozess, bei dem Cl₂ zusammen mit N₂ als Spülgas in die Prozesskammer eingespeist wird, soll der stromaufwärtige Bereich der Vorlaufzonenplatte so heiß wie möglich sein, um dortige Belegungen zu entfernen. Um die Kühlwirkung der Kühleinrichtung zu minimieren, wird während des Reinigungsschrittes dort ein schlecht wärmeleitendes Gas, beispielsweise N₂ eingespeist. Es ist hier von Vorteil, wenn der stromaufwärtige Bereich des Horizontalspaltes eine möglichst große Spalthöhe aufweist. Da die Prozesskammerdecke strahlungsbezeizt wird, hat die Maximierung der Oberflächentemperatur der Vorlaufzone auch eine Maximierung der Temperatur der dortigen Prozesskammerdecke zur Folge. Mit der Erhöhung der Vorlaufzonen-Temperatur lässt sich die Reinigungseffizienz erhöhen und damit die Zykluszeit reduzieren. Bei einem Wachstumsprozess, bei dem auf den Substraten III-V-Schichten abgeschieden werden, ist eine möglichst kalte Vorlaufzone vorteilhaft. Es wird deshalb ein gut wärmeleitendes Gas, beispielsweise Wasserstoff in den stromaufwärtigen Horizontalspalt eingespeist, so dass die stromaufwärtige Oberfläche der Vorlaufzonenplatte maximal an die Kühleinrichtung angekoppelt ist. Im stromabwärtigen Bereich des Horizontalspaltes wird hingegen ein schlecht wärmeleitendes Gas, beispielsweise Stickstoff eingespeist, so dass die dortige Oberfläche der Vorlaufzonenplatte minimal an den beheizten Abschnitt des Grundkörpers ankoppelt. Mit einer derartigen Einstellung der Wärmeübertragungsgase lässt sich die Zerlegung der metallorganischen Komponenten in Stromrichtung verzögern, so dass eine maximal hohe Wachstumsrate erreichbar ist. Durch die verzögerte Zerlegung der metallorganischen Komponenten stellt sich auch ein gewünschter Kohlenstoffeinbau in die abgeschiedene Schicht ein. Die Folgen, die eine parasitäre Belegung der Vorlaufzone hat, sind reduziert. Eine heiße Vorlaufzone hat zur Folge, dass die parasitre Belegung spröde wird. Dies hat eine partielle Ablösung von Partikeln zur Folge. Wird die Vorlaufzone auf eine reduzierte Temperatur gebracht, so bildet sich dort eine feste, glasartige Belegung aus, die nicht absplittert, so dass die Partikelbildung deutlich minimiert ist. Bei einer Betriebsart, bei der nur ein geringer, optimal gar kein Kohlenstoffeinbau gewünscht ist und bei der eine möglichst vollständige Vorreaktion stattfinden soll, wird in den stromaufwärtigen Bereich des Horizontalspaltes zusätzlich Stickstoff eingespeist, so dass die dortige Oberflächentemperatur der Vorlaufzone ansteigt. In dem stromabwärtigen Abschnitt des Horizontalspaltes wird hingegen zusätzlich Wasserstoff eingespeist, so dass diese Zone der Vorlaufzonenplatte stärker an den beheizten Abschnitt des Grundkörpers ankoppelt. Um eine möglichst heiße Vorlaufzone zu erreichen, wird in den Abschnitt des Horizontalspaltes, der der gekühlten Zone des Grundkörpers zugeordnet ist, Stickstoff und in den Bereich des Horizontalspaltes, der dem beheizten Abschnitt des Grundkörpers zugeordnet ist, Wasserstoff eingespeist. Durch Variation der Wärmeleiteigenschaft des gasförmigen Wärmeübertragers kann die Oberflächentemperatur der Vorlaufzonenplatte lokal um +/–50°C, bevorzugt um +/–100°C modifiziert werden. Die Massenflüsse, die durch die Einspeisekanäle in den Horizontalspalt eingespeist werden, sind zumindest um einen Faktor 10 geringer, als die Massenflüsse, die durch das Gaseinlassorgan in die Prozesskammer eingespeist werden. Es reicht ein Gasfluss aus, der ein signifikantes Eindiffundieren des Prozessgases und insbesondere des Trägergases in den Horizontalspalt verhindert. Bei einer bevorzugten Ausgestaltung des CVD-Reaktors sind um das zentrale Gaseinlassorgan eine Vielzahl von Substratträgern angeordnet. Jeder Substratträger sitzt auf einem Gaspolster, mit dem der Substratträger drehangetrieben wird. Aufgrund von Toleranzen können die Oberflächentemperaturen der auf den Substratträgern aufliegenden Substrate unterschiedlich sein. Dieser Effekt wird durch eine Variation des Gaspolsters, das den Substratträger trägt, ausgeglichen. Die Variation kann eine Änderung der Gaspolsterdicke, aber auch eine Änderung der Wärmeleitfähigkeit des Gaspolsters sein. Erfindungsgemäß können die Effekte durch die Temperatur der Vorlaufzone auf die Gasphasenentwicklung und damit auf die Wachstumsprofile auf den Substraten auf die einzelnen Substratträger individualisiert werden. Hierzu ist eine jedem einzelnen Substrat zugeordnete Vorlaufzonen-Temperatursteuerung vorgesehen. Es kann somit vorgesehen sein, dass stromaufwärts jedes Substratträgers zumindest ein Einspeisekanal in dem Horizontalspalt vorgesehen ist, durch den individuell ein gasförmiger Wärmeübertrager einspeisbar ist. Eine substratträgerbezogene individuelle Einstellung der Wärmeleiteigenschaft des Horizontalspaltes können die Effekte auf den Wachstumsprozess des Kristalls, die durch verschiedene Substrattemperaturen hervorgerufen werden, kompensiert werden. Die Vorlaufzonen-Temperatur kann somit vor jedem Substrat einzeln und individuell durch eine mehrfache azimutal verteilte Einleitung von einer Regeleinheit gesteuert werden. Die Regeleinheit erhält hierzu Temperaturmesswerte, die beispielsweise pyrometrisch ermittelt werden.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand beigefügter Zeichnungen erläutert. Es zeigen:
1 den Diagonalschnitt durch einen MOCVD-Reaktor gemäß einer Linie I-I in 2,
2 die Draufsicht auf einen Suszeptor des MOCVD-Reaktors,
3 ein zweites Ausführungsbeispiel der Erfindung, wobei die Darstellung auf dem Bereich einer Vorlaufzonenplatte 10 und den sich daran in Strömungsrichtung anschließenden Abschnitt eines Substratträgers 12 beschränkt ist,
4 ein drittes Ausführungsbeispiel in einer Darstellung gemäß 3,
5 ein viertes Ausführungsbeispiel in einer Darstellung gemäß 3,
6 ein fünftes Ausführungsbeispiel in einer Darstellung gemäß 3,
7 eine Darstellung zur Verdeutlichung der Temperaturregelung, und
8 ein sechstes Ausführungsbeispiel, bei dem die Spalthöhe im gekühlten Abschnitt des Horizontalspaltes größer ist, als im beheizten Abschnitt.
Die 1 und 2 zeigen schematisch die zur Erläuterung der Erfindung wesentlichen Elemente eines MOCVD-Reaktors. Nicht dargestellt ist das Gehäuse des MOCVD-Reaktors, in dem sich die in den 1 und 2 dargestellte Anordnung befindet. Es handelt sich dabei um ein gasdicht nach außen abgeschlossenes Gehäuse, in welches mehrere Gaszuleitungen, Kühlflüssigkeitszuleitungen, und eine Gasableitung münden. Die nicht dargestellten Gaszuleitungen verbinden die Zuleitungsabschnitte 5, 5', 5'' mit einem Gasmischsystem, welches Vorratsbehälter aufweist, in denen Prozessgase und Trägergase bevorratet werden. Die Bevorratung der Prozessgase und der Trägergase kann aber auch entfernt vom Gasmischsystem erfolgen, beispielsweise in einer zentralen Gasversorgung. Die zentrale Gasversorgung ist dann mit Versorgungsleitungen mit dem Gasmischsystem verbunden. Als Trägergase werden dort Wasserstoff und Stickstoff bevorratet. Als Prozessgase werden dort AsH₃, NH₃, PH₃, Trimethyl-Gallium, Trimethyl-Indium, Trimethyl-Aluminium und andere Hydride oder metallorganische Verbindungen sowie Dotterstoffe bevorratet. Diese werden unter Verwendung von Ventilen und Massenflussreglern in ein Gaseinlassorgan 3 über die Zuleitungsabschnitte 5, 5', 5'' eingespeist, wo die Prozessgase getrennt voneinander aus Gaseinlassbereichen 4, 4', 4'', die vertikal übereinander angeordnet sind, in eine Prozesskammer 1 einströmen. Es können drei oder mehr Zuleitungsabschnitte 5, 5', 5'' vorgesehen sein Eine Kühlwasserversorgung ist mit einem Kühlwasser-Einspeiseabschnitt 23' verbunden, die eine an unteren Ende des Gaseinlassorgans 3 angeordnete Kühlkammer 23 kühlt. Das Kühlwasser durchströmt ebenfalls Kühlkanäle 16, die in einer Prozesskammerdecke 15 angeordnet sind.
Eine Energieversorgung ist mit einer ein oder mehrere Heizzonen 6, 6' aufweisenden Heizeinrichtung verbunden, die Wärme erzeugt, die von unten her in einen Grundkörper 7, 8, 9 eines Suszeptors 2 eingespeist wird. Es bildet sich ein permanenter Wärmefluss von der Heizeinrichtung 6, 6' zur gekühlten Prozesskammerdecke 15 aus, wodurch sich ein vertikaler Temperaturgradient innerhalb des Suszeptors 2 ausbildet. In dem Bereich des Suszeptors 2, der unmittelbar an die Kühlkammer 23 angrenzt, die in einer Aussparung 34 des Grundkörpers einliegt, bildet sich darüber hinaus ein Temperaturgradient mit einer Horizontalkomponente aus.
Der Grundkörper, der von der Heizeinrichtung 6, 6' beheizt wird, besteht aus einem sich auf einem rohrförmigen, insbesondere um seine Achse drehantreibbaren Tragkörper 18 abstützenden Stützorgan in Form der Stützplatte 9. Auf dem radial äußeren Rand der im Wesentlichen kreisscheibenförmigen Stützplatte 9 stützt sich ein innerer Rand eines Ringkörpers 7 ab. Der innere Rand des Ringkörpers 7 wird wiederum von einem äußeren Rand einer kreisscheibenförmigen Zugplatte 8 beaufschlagt. Im Zentrum der Unterseite der Zugplatte 8 ist eine Zugstange 19 befestigt, die durch eine zentrale Öffnung der Stützplatte 9 und des Tragkörpers 18 ragt. Die Zugplatte 8 liegt unter Ausbildung einer Stufe auf dem Rand des Ringkörpers 7 auf.
Der Ringkörper 7 trägt eine Vielzahl von in gleichmäßiger Winkelverteilung angeordnete Substratträger 12. Die Substratträger 12 haben eine kreisscheibenförmige Gestalt und sind um eine Drehachse 13 drehbar. Sie können auf einem Gaspolster aufliegen, das dem Substratträger 12 auch die Drehung aufzwingt. Es wird durch ein Gas ausgebildet, das durch einen Einspeisekanal 20 in einen Horizontalspalt 24 zwischen Unterseite des Substratträgers 12 und Oberseite des Ringkörpers 7 eingespeist wird.
Die nicht von den Substratträgern 12 abgedeckten Oberflächenbereiche des Grundkörpers 7, 8, 9, dessen sämtliche Teile aus Graphit, Quarz oder einem geeigneten Metall bestehen können, sind von Platten 10, 27 abgedeckt. Im Ausführungsbeispiel wird der radial äußere Bereich von einer Außenplatte 27 abgedeckt. Der radial innere Bereich wird von einer Vorlaufzonenplatte 10 abgedeckt. Im Ausführungsbeispiel ist die Vorlaufzonenplatte 10 mehrteilig. Sie ist in vier Teile geteilt.
Das Material der Vorlaufzonenplatte 10 beziehungsweise der Außenplatte 27 kann dasselbe Material sein, aus dem der Grundkörper 7, 8, 9 besteht. Die Zentralplatte 8 besteht bevorzugt aus Quarz. Der Ringkörper, der Substratträger 12 und die Vorlaufzonenplatte 10 bestehen hingegen bevorzugt aus Graphit, insbesondere aus einem beschichteten Graphit.
Die Vorlaufzonenplatte 10 grenzt unter Ausbildung eines Vertikalspaltes 25 an die Substratträger 12 und mit einem Vertikalspalt an das Gaseinlassorgan 3 an. Mit nicht dargestellten, jedoch aus der eingangs zitierten Literatur her bekannten Distanzmitteln wird die Vorlaufzonenplatte 10 in einem vertikalen Abstand zur Zugplatte 8 beziehungsweise zum Ringkörper 7 gehalten. Es bildet sich somit ein aus mehreren Abschnitten 11, 11', 11'' bestehender Horizontalspalt aus. Der Horizontalspalt 11 schließt sich unmittelbar an die Vertiefung 34 beziehungsweise an den gekühlten Endabschnitt des Gaseinlassorgans 3 in Radialrichtung an. Der Horizontalspalt 11 bildet somit einen unmittelbar an das Gaseinlassorgan 3 angrenzenden gekühlten Abschnitt und einen unmittelbar an den Substratträger 12 angrenzenden, beheizten Abschnitt aus.
Die Unterseite der Vorlaufzonenplatte 10 kann eben ausgebildet sein. Im Ausführungsbeispiel ist die Unterseite der Vorlaufzonenplatte 10 gestuft beziehungsweise Materialstärken-variiert.
In Radialrichtung liegen zwischen jedem Substratträger 12 und dem Gaseinlassorgan 3 zwei in Radialrichtung, also in Strömungsrichtung voneinander beabstandete Einspeisekanäle 21, 22. Ein erster Einspeisekanal 21 mündet in einem radial außen liegenden Bereich des Horizontalspaltabschnittes 11'. Dieser Horizontalspaltabschnitt 11' befindet sich zwischen Ringkörper 7 und Vorlaufzonenplatte 10. Die Vorlaufzonenplatte 10 hat dort eine größere Materialstärke, als in einem sich daran in Radialeinwärtsrichtung anschließenden Abschnitt, in dem sich die Vorlaufzonenplatte 10 über die Zugplatte 8 erstreckt. Dort befindet sich und mündet ein zweiter Einspeisekanal 22.
Der Einspeisekanal 21 besitzt Kanalabschnitte, die durch die Ringkörper 7 und durch die Stützplatte 9 hindurchgehen. Der zweite Einspeisekanal 22 besitzt Kanalabschnitte, die sich durch die Zugplatte 8 und durch die Stützplatte 9 erstrecken. Der Einspeisekanal 22 kann von einem Röhrchen ausgebildet sein.
In die Einspeisekanäle 21, 22 können unabhängig voneinander Gase eingespeist werden. Es können unabhängig voneinander Mischungen zweier hinsichtlich ihrer Wärmeleiteigenschaften stark voneinander verschiedene Gase, beispielsweise Wasserstoff und Stickstoff, eingespeist werden. Durch das Mischungsverhältnis der beiden Gase ändert sich die Wärmeleiteigenschaft des Abschnittes 11, 11' des Horizontalspaltes, in den das Gas eingespeist wird. Es braucht jeweils nur soviel Gas in den Horizontalspalt 11, 11' eingespeist zu werden, dass die vorbestimmte Gasmischung aufrechterhalten wird. Das in den Horizontalspalt 11 eingespeiste Gas kann entweder durch einen Spalt 25 zwischen Substratträger 12 und Vorlaufzonenplatte 10 oder durch einen Spalt zwischen Vorlaufzonenplatte 10 und Gaseinlassorgan 3 in die Prozesskammer 1 einströmen.
Es strömt dann zusammen mit dem Trägergas und dem Prozessgas, das durch Wandöffnungen der Gaseinlassbereiche 4, 4', 4'' in die Prozesskammer 1 einströmt, in einen den Suszeptor 2 ringförmig umgebenden Gaseinlass 3 und von dort durch den Gasauslass 26 zu einer Gasentsorgungsvorrichtung.
Die 1 zeigt einen stufenförmig verlaufenden Horizontalspalt 11, 11', der im Wesentlichen überall die gleiche Spalthöhe aufweist. In ihn wird in zwei voneinander beabstandeten Positionen in Stromrichtung, also in Radialpositionen jeweils ein hinsichtlich seiner Wärmeleiteigenschaft individuell einstellbares Wärmeübertragungsgas eingespeist. Die diesbezüglichen Einspeisekanäle 21, 22 befinden sich auf einer gedachten Linie, die durch das Zentrum des Substratträgers 12 und das Zentrum des Gaseinlassorganes 3 verläuft.
Bei dem in der 3 dargestellten Ausführungsbeispiel hat die Vorlaufzonenplatte 10 eine ebene Unterseite. Auch hier sind zwei in Radialrichtung voneinander beabstandete Einspeisekanäle 21, 22 vorgesehen, wobei ein erster Einspeisekanal 21 den Ringkörper 7 und ein zweiter Einspeisekanal 22 der Zugplatte 8 zugeordnet ist.
Die 3 zeigt darüber hinaus, wie durch unterschiedliche Mischungsverhältnisse der durch die Einspeisekanäle 21, 22 einspeisbaren Wärmeübertragungsgase die Vorlaufzonentemperaturen TV₁ und TV₂ an unterschiedlichen Radialpositionen individuell einstellbar sind. Die gestrichelten, punktgestrichelten beziehungsweise doppelpunktgestrichelten Temperaturkurven geben Temperaturverläufe an, die zu verschiedenen Mischungsverhältnissen der Wärmeübertragungsgase korrespondieren.
Bei der in der 4 dargestellten Variante besitzt die Vorlaufzonenplatte 10 eine sich in Radialrichtung ändernde Materialstärke. Wie bei den anderen Ausführungsbeispielen auch, fluchtet die zur Prozesskammer 1 weisende Oberseite der Vorlaufzonenplatte 10 mit der das Substrat 14 tragenden Oberseite des Substratträgers 12. Die Oberseite der Vorlaufzonenplatte 10 kann aber auch mit der Oberseite des Substrates 14 fluchten, wenn das Substrat 14 in einer Tasche des Substratträgers 12 einliegt, deren Tiefe der Materialstärke des Substrates 14 entspricht. Das Substrat kann aus einem Halbleitermaterial bestehen.
Bei dem in der 5 dargestellten Ausführungsbeispiel besitzt die Vorlaufzonenplatte 10 auf ihrer nach unten weisenden Oberfläche zwei konzentrische Nuten. Hierdurch bildet sich ein Horizontalspalt 11', 11'' aus, der in verschiedenen Radialpositionen gestuft unterschiedliche Spalthöhen aufweist. Die ersten und zweiten Einspeisekanäle 21, 22 sind jeweils Ringnuten zugeordnet, so dass die Einspeisung des Wärmeübertragungsgases durch die Einspeisekanäle 21, 22 jeweils in eine dem jeweiligen Einspeisekanal 21, 22 zugeordnete spalthöhenvergrößerte Zonen 11', 11'' des Horizontalspaltes 11 erfolgt. Zwischen den Einspeisekanälen 21, 22 befindet sich ein spalthöhenverminderter Abschnitt 11.
Bei dem in der 6 dargestellten Ausführungsbeispiel befindet sich innerhalb eines Horizontalspaltes 11 ein Zwischenring 28 in Form einer kreisscheibenförmigen Platte. Der Zwischenring 28 ist über einen Teilspalt 29 vom Ringkörper 7 und über einen Teilspalt 29' von der Vorlaufzonenplatte 10 in Vertikalrichtung beabstandet.
Die 7 verdeutlicht den Regelmechanismus zum Einstellen der Substrattemperatur TS beziehungsweise zweier verschiedener Vorlaufzonentemperaturen TV₁ und TV₂. Die Substrattemperatur TS und die beiden Vorlaufzonentemperaturen TV₁ und TV₂ werden mit geeigneten Temperaturmessorganen, beispielsweise einem Pyrometer oder einem Thermoelement bestimmt. Die Messwerte fließen einem Regler 33 zu, der Vorgaben über die Substrattemperatur TS beziehungsweise die beiden Vorlaufzonentemperaturen TV₁ und TV₂ besitzt.
Der Regler 33 steuert eine Heizzone 6 an. Die Heizzone 6 ist im Wesentlichen so ausgebildet, dass sie sich unterhalb des aus Graphit bestehenden Ringkörpers 7 erstreckt. Die Heizzone 6 kann mehrere Teilbereiche aufweisen, so dass unterschiedliche Radialabschnitte des Ringkörpers 7 individuell regelbar sind. Es kann sich um eine RF-Heizung handeln, die im Ringkörper 7 Wirbelströme erzeugt.
Mit der Bezugsziffer 23 ist eine Kühleinrichtung angedeutet, die einen stromaufwärtigen Abschnitt 8 des Grundkörpers kühlt. Der Grundkörper besitzt somit im stromaufwärtigen Bereich der Kühlkammer eine relativ niedrige Temperatur und im stromabwärtigen Bereich 7 eine relativ hohe Temperatur. Der stromaufwärtige Abschnitt 8 des Grundkörpers ist aus Quarz gestaltet, so dass er möglichst schwach an die Leistung der Heizeinrichtung 6 ankoppelt.
Der Horizontalspalt 11 erstreckt sich in Stromrichtung des Prozessgases vom gekühlten Abschnitt 8 bis zum beheizten Abschnitt 7 des Grundkörpers.
Eine Modifikation der Vorlaufzonentemperatur beziehungsweise des Temperaturprofils innerhalb der Vorlaufzone kann durch Einspeisung von Wärmeübertragungsgasen an zwei voneinander beabstandeten Radialpositionen erfolgen. Dort befinden sich jeweils Einspeisekanäle 21, 22, durch die eine individuell einstellbare Mischung von Wasserstoff oder Stickstoff eingespeist werden kann. Das Mischungsverhältnis wird über Massenflussregler 31, 32 eingestellt, die ihre Stellgröße vom Regler 33 erhalten.
Der Abschnitt 7 des Grundkörpers besitzt eine relativ hohe Temperatur. Dies hat eine Aufheizung der Vorlaufzonenplatte zur Folge, so dass sich eine relativ hohe Temperatur TV₁ einstellt. Wird durch den Einspeisekanal 21 ein gut wärmeleitendes Gas in den Horizontalspalt 11 eingespeist, so erreicht die Vorlaufzonen-Temperatur TV₁ ihren Maximalwert. Wird hingegen durch den Einspeisekanal 21 ein schlecht wärmeleitendes Gas eingespeist, so erreicht die Vorlaufzonen-Temperatur TV₁ in diesem Bereich einen Minimalwert. Die gut wärmeleitende Vorlaufzonenplatte 10 wird in jedem Fall durch Wärmeübertragung vom Grundkörper 7 aufgeheizt. Die Wärmeleitfähigkeit der Vorlaufzonenplatte 10 hat zur Folge, dass sich auch der Abschnitt der Vorlaufzonenplatte 10 aufheizt, der oberhalb der Kühleinrichtung 23 angeordnet ist, so dass die Vorlaufzonen-Temperatur TV₂ ebenfalls einen erhöhten Wert annimmt, der allerdings geringer ist als der Wert der Vorlaufzonen-Temperatur TV₁.
Durch Einspeisen eines gut wärmeleitenden Gases durch den Einspeisekanal 22 in den Horizontalspalt 11 kann die Vorlaufzonen-Temperatur TV₂ abgesenkt werden, da dann die Vorlaufzonenplatte 10 in diesem Bereich stärker an die Kühleinrichtung 23 ankoppelt. Wird hingegen ein schlecht wärmeleitendes Gas durch den Einspeisekanal 22 in den dortigen Abschnitt des Horizontalspaltes 11 eingespeist, so nimmt die Vorlaufzonen-Temperatur TV₂ dort einen höheren Wert an.
Die 8 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel, bei dem der an die Kühleinrichtung 23 angrenzende Abschnitt 11' des Horizontalspaltes eine größere Spalthöhe aufweist, als der Abschnitt 11 des Horizontalspaltes, der sich oberhalb des beheizten Abschnittes 7 des Grundkörpers befindet.
In einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung, welches eine Prozesskammeranordnung etwa gemäß 1 aufweist, ist nur der Einspeisekanal 22 vorhanden. Der Einspeisekanal 21 fehlt. Durch den Einspeisekanal 22 wird ein gasförmiger Wärmeübertrager eingespeist, wobei der Fluss des gasförmigen Wärmeübertragers derart gering ist, dass durch den Spalt zwischen Vorlaufzonenplatte 10 und Substratträger 12 Trägergas aus der Prozesskammer 1 in den Abschnitt 11' des Horizontalspaltes eindiffundieren kann. Die Diffusion des Prozessgases in den Horizontalspalt ersetzt bei diesem Ausführungsbeispiel die kontrollierte Einspeisung eines zweiten gasförmigen Wärmeübertragers durch einen Einspeisekanal 21. Das Trägergas besitzt eine größere oder kleinere Wärmeleiteigenschaft als das durch den Einspeisekanal 22 in den Horizontalspalt eingespeiste Gas. Demzufolge bildet sich innerhalb des Horizontalspaltes 11 ein Konzentrationtsgefälle des von der Prozesskammer her eindiffundierten Trägergases aus. Dies führt zu einer lokal unterschiedlichen Wärmebarriere zwischen Grundkörper 8 und Vorlaufzonenplatte 10.
Analog dazu kann in einem weiteren, ebenfalls nicht dargestellten Ausführungsbeispiel lediglich der Einspeisekanal 21 vorhanden sein und kann der Einspeisekanal 22 fehlen. Bei dieser Variante kann das Trägergas durch den Spalt zwischen Vorlaufzonenplatte und Gaseinlassorgan 3 in den Horizontalspalt eindiffundieren. Ein vom Trägergas verschiedene Wärmeleiteigenschaft aufweisendes Gas kann dann durch den Einspeisekanal 21 eingespeist werden.
Bei einem weiteren nicht dargestellten Ausführungsbeispiel besitzt die Vorlaufzonenplatte 10 zwei thermisch voneinander getrennte Radialabschnitte. Ein gut thermisch leitender Radialabschnitt der Vorlaufzonenplatte 10 ist dabei der gekühlten Zone 23 räumlich zugeordnet. Der andere Radialabschnitt der Vorlaufzonenplatte 10 ist dabei dem von der Heizeinrichtung 6 beheizten Abschnitt des Grundkörpers 8 zugeordnet. Die Wärmeleitverbindung der beiden Radialzonen ist minimiert.
Bei dem in den 3 bis 7 dargestellten Ausführungsbeispiel kann der Grundkörper 7, 8 auch zwei gut wärmeleitfähige Zonen 7, 8 ausbilden. Zwischen den beiden, beispielsweise aus Graphit bestehenden Zonen, kann sich eine Isolationszone befinden, die beispielsweise aus Quarz oder einem anderen schlecht wärmeleitenden Material besteht.
Insofern ist zumindest in der 1 die Darstellung der Einspeisekanäle 21, 22 und die Darstellung der Vorlaufzonenplatte 10 als schematisch anzusehen.
Die vorstehenden Ausführungen dienen der Erläuterung der von der Anmeldung insgesamt erfassten Erfindungen, die den Stand der Technik zumindest durch die folgenden Merkmalskombinationen jeweils eigenständig weiterbilden, nämlich:
Ein CVD-Reaktor, der dadurch gekennzeichnet ist, dass in den Horizontalspalt 11, 11', 11'' ein gasförmiger Wärmeübertrager einspeisbar ist, dessen Wärmeleiteigenschaft einstellbar ist.
Ein CVD-Reaktor, der dadurch gekennzeichnet ist, dass die Wärmeleiteigenschaft des Wärmeübertragers durch das Mischungsverhältnis zweier stark voneinander verschiedener Wärmeleitfähigkeiten aufweisender Gase einstellbar ist.
Ein CVD-Reaktor, der dadurch gekennzeichnet ist, dass der Grundkörper 7, 8, 9 einen stromabwärts des Gaseinlassorgans 3 angeordneten, von einer Kühleinrichtung 23 kühlbaren Abschnitt 8 und einen daran stromabwärts angrenzenden, von der Heizeinrichtung 6 beheizbaren Abschnitt 7 aufweist, wobei sich der Horizontalspalt 11, 11' vom kühlbaren Abschnitt 8 zum beheizbaren Abschnitt 7 erstreckt.
Ein CVD-Reaktor, der gekennzeichnet ist durch zwei oder mehr in Strömungsrichtung des Trägergases, insbesondere in Radialrichtung voneinander beabstandete Einspeisestellen 21, 22, 25, insbesondere in Form von Einspeisekanälen 21, 22 oder Vertikalspalten 25, 25', durch die unabhängig voneinander jeweils ein gasförmiger Wärmeübertrager in den Horizontalspalt 11, 11' eintreten kann, wobei insbesondere ein erster Einspeisekanal 21 oder Vertikalspalt 25 in einem ersten Bereich des Horizontalspaltes 11 mündet, der dem beheizbaren Abschnitt 7 des Grundkörpers zugeordnet ist, und ein zweiter Einspeisekanal 22 oder Vertikalspalt 25, 25' in den Bereich des Horizontalspaltes 11 mündet, der dem kühlbaren Abschnitt 8 des Grundkörpers zugeordnet ist, so dass durch eine Erhöhung der Wärmeleitfähigkeit des an der ersten Einspeisestelle 21 eintretenden Wärmeübertragers die Vorlaufzonentemperatur TV₁ vergrößerbar und durch Erhöhung der Wärmeleitfähigkeit des an der zweiten Einspeisestelle 22 eintretenden Wärmeübertragers die Vorlaufzonentemperatur TV₂ absenkbar ist.
Ein CVD-Reaktor, der dadurch gekennzeichnet ist, dass der kühlbare Abschnitt 8 des Grundkörpers eine geringere Wärmeleitfähigkeit aufweist, als der beheizbare Abschnitt 7 des Grundkörpers, wobei der kühlbare Abschnitt 8 insbesondere aus Quarz und der beheizbare Abschnitt 7 insbesondere aus Graphit besteht oder dass der kühlbare Abschnitt 8 des Grundkörpers und der beheizbare Abschnitt 7 des Grundkörpers aus einem gut wärmeleitfähigen Werkstoff, beispielsweise Graphit bestehen und durch eine schlechte wärmeleitende Zone voneinander getrennt sind.
Ein CVD-Reaktor, der dadurch gekennzeichnet ist, dass durch Variation der Gasmischung der durch die Einspeisekanäle 21, 22 eingespeisten Wärmeübertrager die Temperatur der Oberfläche der Vorlaufzonenplatte 10 an in Strömungsrichtung voneinander beabstandeten Stellen individuell einstellbar ist.
Ein CVD-Reaktor, der dadurch gekennzeichnet ist, dass der Suszeptor 2 einen im Wesentlichen kreisrunden Grundriss aufweist, das Gaseinlassorgan 3 im Zentrum der Prozesskammer 1 angeordnet ist und die Prozesskammer 1 in Radialrichtung vom Gaseinlassorgan 3 zu einem ringförmig den Suszeptor 2 umgebenden Gasauslass 26 von dem das Prozessgas tragenden Trägergas durchströmbar ist, wobei in Umfangsrichtung radial außerhalb der Vorlaufzonenplatte 10 eine Mehrzahl von um ihre Achse 13 drehbaren Substratträgern 12 angeordnet sind, wobei zwischen jedem Substratträger 12 und dem Gaseinlassorgan 3 mindestens ein Einspeisekanal 21, 22 in den Horizontalspalt 11 mündet.
Ein CVD-Reaktor, der dadurch gekennzeichnet ist, dass der beheizbare Abschnitt ein Ringkörper 7 ist, auf dem die Substratträger 12 angeordnet sind und der kühlbare Abschnitt von einer Zentralplatte 8 gebildet ist, die auf dem stromaufwärtigen Rand des Ringkörpers aufliegt, wobei sich der Horizontalspalt 11, 11' insbesondere unter Ausbildung einer Stufe über den stromaufwärtigen Bereich der Zentralplatte 8 und den stromabwärtigen Bereich des Ringkörpers 7 erstreckt.
Ein CVD-Reaktor, der dadurch gekennzeichnet ist, dass der erste Einspeisekanal 21 in eine erste, radial äußere Zone des Horizontalspaltes 11' mündet, wobei die Mündung des ersten Einspeisekanals 21 der Oberseite des Ringkörpers 7 zugeordnet ist, und der zweite Einspeisekanal 22 in der Oberseite der Zentralplatte 8 in einen radial inneren zweiten Abschnitt des Horizontalspaltes 11 mündet, wobei insbesondere vorgesehen ist, dass der Ringkörper 7 von einer Stützplatte 9 getragen ist und die Zentralplatte 8 eine Zugplatte ausbildet, deren radial äußerer Rand auf dem radial inneren Rand des Ringkörpers 7 aufliegt.
Ein CVD-Reaktor, der dadurch gekennzeichnet ist, dass die Kühleinrichtung 23 zur Kühlung des sich unmittelbar an das Gaseinlassorgan 3 anschließenden Abschnitts 8 des Grundkörpers vom Gaseinlassorgan 3 ausgebildet ist, welches insbesondere oberhalb der axialen Mitte des Suszeptors 2 angeordnet ist.
Ein CVD-Reaktor, der dadurch gekennzeichnet ist, dass die zum Horizontalspalt 11, 11' weisende Unterseite der Vorlaufzonenplatte 10 eine von einer Ebene abweichende Topologie und insbesondere in Strömungsrichtung hintereinander angeordnete oder in Radialrichtung hintereinander angeordnete Stufen oder Höhenabschnitte ausbildet.
Ein CVD-Reaktor, der gekennzeichnet ist durch eine im Horizontalspalt 11 angeordnete Blende in Form eines Zwischenrings 28, der in Horizontalrichtung sowohl an der Oberseite des Grundkörpers 7, 8 als auch von der Unterseite der Vorlaufzonenplatte 10 beabstandet ist.
Ein CVD-Reaktor, der dadurch gekennzeichnet ist, dass die Heizeinrichtung mindestens ein von einer Regeleinrichtung 33 regelbare Heizzone 6 aufweist, die im Wesentlichen nur die Substrattemperatur TS beeinflusst, wobei von der Regeleinrichtung 33 steuerbare Massenflussregler 31, 32 vorgesehen sind, mit denen das Mischungsverhältnis und der Gesamtmassenfluss der in die Einspeisekanäle 21, 22 einzuspeisenden gasförmigen Wärmeübertrager individuell einstellbar ist, wobei die Regeleinrichtung 33 als Eingangsgröße die Substrattemperatur TS und mindestens eine Vorlauftemperatur TV₁, TV₂, bevorzugt jedoch mindestens zwei an verschiedenen Stellen gemessene Vorlauftemperaturen TV₁, TV₂ erhält.
Ein Verfahren, das dadurch gekennzeichnet ist, dass zur Beeinflussung der Vorlauftemperatur TV₁, TV₂ auf der zur Prozesskammer weisenden Oberseite der Vorlaufzonenplatte 10 während eines Abscheidungsprozesses, insbesondere während eines Wachstumsschritts oder in den Wachstumspausen eines mehrere Wachstumsschritte aufweisenden Wachstumsprozesses oder während eines Reinigungsabschnittes die Wärmeleiteigenschaft eines oder mehrerer permanent in den Horizontalspalt 11, 11', 11'' eingespeisten gasförmigen Wärmeübertrager geändert wird, so dass sich an zumindest einem Ort, bevorzugt an zwei voneinander verschiedenen Orten, der zur Prozesskammer weisenden Oberseite der Vorlaufzonenplatte 10 die Vorlauftemperatur TV₁, TV₂ ändert.
Ein Verfahren, das dadurch gekennzeichnet ist, dass eine von einer durch das Abscheideverfahren bedingte zeitliche Änderung der Emissivität der Oberfläche der Vorlaufzonenplatte 10 verursachte Änderung des Wärmefluss-Gleichgewichtes durch eine Änderung der Wärmeleitfähigkeit im Horizontalspalt 11 kompensiert wird.
Alle offenbarten Merkmale sind (für sich, aber auch in Kombination untereinander) 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 mit ihren Merkmalen eigenständige erfinderische Weiterbildungen des Standes der Technik, insbesondere um auf Basis dieser Ansprüche Teilanmeldungen vorzunehmen.
Bezugszeichenliste

1: Prozesskammer
2: Suszeptor
3: Gaseinlassorgan
4: Gaseinlassbereich
4': Gaseinlassbereich
4'': Gaseinlassbereich
5: Zuleitungsabschnitt
5': Zuleitungsabschnitt
5'': Zuleitungsabschnitt
6: (erste) Heizzone/Heizeinrichtung
7: Ringkörper (Grundkörper)
8: Zugplatte (Grundkörper)
9: Stützplatte (Grundkörper)
10: Vorlaufzonenplatte
11: Horizontalspalt
11': Horizontalspalt
11'': Horizontalspalt
12: Substratträger
13: Drehachse
14: Substrat
15: Prozesskammerdecke
16: Kühlkanal
17: Drehachse
18: Tragkörper
19: Zugstange
20: Einspeisekanal
21: Einspeisekanal
22: Einspeisekanal
23: Kühlkammer
23': Kühlwassereinspeiseabschnitt
24: Spalt/Horizontalspalt
25: Vertikalspalt
25': Vertikalspalt
26: Gasauslass
27: Auslaufzonenplatte/Außenplatte
28: Teilspalt, Zwischenring
29: Teilspalt
30: Massenflussregler
31: Massenflussregler
32: Massenflussregler
33: Regler
34: Aussparung, Vertiefung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 10323085 A1 [0002]
DE 102010000554 A1 [0003]
DE 102011002146 A1 [0004]
US 6001183 [0005]
DE 3633386 A1 [0005]
DE 102006018514 A1 [0006]

Claims

CVD-Reaktor mit einem in einem Reaktorgehäuse angeordneten, den Boden einer Prozesskammer (1) bildenden Suszeptor (2), einem Gaseinlassorgan (3), welches mindestens einen Gaseinlassbereich (4, 4', 4'') aufweist, zum Austritt mindestens eines von einer Gasversorgungseinrichtung bereitgestellten, von einem Trägergas getragenen Prozessgases, welches die Prozesskammer (1) in einer Strömungsrichtung durchströmt, wobei der Suszeptor (2) einen von einer unterhalb seiner angeordneten Heizeinrichtung (6) aufheizbaren Grundkörper (7, 8, 9) aufweist, auf dem unter Ausbildung eines Horizontalspaltes (11, 11', 11'') eine stromabwärts des Gaseinlassorgans (3) angeordnete Vorlaufzonenplatte (10) und stromabwärts davon mindestens ein Substratträger (12) zur Aufnahme von mit Reaktionsprodukten des mindestens einen Prozessgases zu beschichtenden Substrate (14) angeordnet sind, wobei durch permanente Wärmeflüsse vom Grundkörper (7, 8, 9) zur Vorlaufzonenplatte (10) und zu den Substratträgern (12) und von der Vorlaufzonenplatte (10) und den Substratträgern (12) beziehungsweise den davon getragenen Substraten (14) zu einer gekühlten Zone der Prozesskammer, insbesondere der Prozesskammerdecke (15) die Oberfläche der Vorlaufzonenplatte (10) auf eine Vorlaufzonentemperatur (TV₁, TV₂) und die Oberfläche der Substratträger beziehungsweise der Substrate (14) auf eine Substrattemperatur (TS) aufheizbar sind, dadurch gekennzeichnet, dass in den Horizontalspalt (11, 11', 11'') ein gasförmiger Wärmeübertrager einspeisbar ist, dessen Wärmeleiteigenschaft einstellbar ist.
CVD-Reaktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmeleiteigenschaft des Wärmeübertragers durch das Mischungsverhältnis zweier stark voneinander verschiedener Wärmeleitfähigkeiten aufweisender Gase einstellbar ist.
CVD-Reaktor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Grundkörper (7, 8, 9) einen stromabwärts des Gaseinlassorgans (3) angeordneten, von einer Kühleinrichtung (23) kühlbaren Abschnitt (8) und einen daran stromabwärts angrenzenden, von der Heizeinrichtung (6) beheizbaren Abschnitt (7) aufweist, wobei sich der Horizontalspalt (11, 11') vom kühlbaren Abschnitt (8) zum beheizbaren Abschnitt (7) erstreckt.
CVD-Reaktor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch zwei oder mehr in Strömungsrichtung des Trägergases, insbesondere in Radialrichtung voneinander beabstandete Einspeisestellen (21, 22, 25, 25'), insbesondere in Form von Einspeisekanälen (21, 22) oder Vertikalspalten (25, 25'), durch die unabhängig voneinander jeweils ein gasförmiger Wärmeübertrager in den Horizontalspalt (11, 11') eintreten kann, wobei insbesondere ein erster Einspeisekanal (21) oder Vertikalspalt (25) in einem ersten Bereich des Horizontalspaltes (11) mündet, der dem beheizbaren Abschnitt (7) des Grundkörpers zugeordnet ist, und ein zweiter Einspeisekanal (22) oder Vertikalspalt (25') in den Bereich des Horizontalspaltes (11) mündet, der dem kühlbaren Abschnitt (8) des Grundkörpers zugeordnet ist, so dass durch eine Erhöhung der Wärmeleitfähigkeit des an der ersten Einspeisestelle (21) eintretenden Wärmeübertragers die Vorlaufzonentemperatur (TV₁) vergrößerbar und durch Erhöhung der Wärmeleitfähigkeit des an der zweiten Einspeisestelle (22) eintretenden Wärmeübertragers die Vorlaufzonentemperatur (TV₂) absenkbar ist.
CVD-Reaktor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der kühlbare Abschnitt (8) des Grundkörpers eine geringere Wärmeleitfähigkeit aufweist, als der beheizbare Abschnitt (7) des Grundkörpers, wobei der kühlbare Abschnitt (8) insbesondere aus Quarz und der beheizbare Abschnitt (7) insbesondere aus Graphit besteht oder dass der kühlbare Abschnitt (8) des Grundkörpers und der beheizbare Abschnitt (7) des Grundkörpers aus einem gut wärmeleitfähigen Werkstoff, beispielsweise Graphit bestehen und durch eine schlechte wärmeleitende Zone voneinander getrennt sind.
CVD-Reaktor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass durch Variation der Gasmischung der durch die Einspeisekanäle (21, 22) eingespeisten Wärmeübertrager die Temperatur der Oberfläche der Vorlaufzonenplatte (10) an in Strömungsrichtung voneinander beabstandeten Stellen individuell einstellbar ist.
CVD-Reaktor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Suszeptor (2) einen im Wesentlichen kreisrunden Grundriss aufweist, das Gaseinlassorgan (3) im Zentrum der Prozesskammer (1) angeordnet ist und die Prozesskammer (1) in Radialarichtung vom Gaseinlassorgan (3) zu einem ringförmig den Suszeptor (2) umgebenden Gasauslass (26) von dem das Prozessgas tragenden Trägergas durchströmbar ist, wobei in Umfangsrichtung radial außerhalb der Vorlaufzonenplatte (10) eine Mehrzahl von um ihre Achse (13) drehbaren Substratträgern (12) angeordnet sind, wobei zwischen jedem Substratträger (12) und dem Gaseinlassorgan (3) mindestens ein Einspeisekanal (21, 22) in den Horizontalspalt (11) mündet.
CVD-Reaktor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der beheizbare Abschnitt ein Ringkörper (7) ist, auf dem die Substratträger (12) angeordnet sind und der kühlbare Abschnitt von einer Zentralplatte (8) gebildet ist, die auf dem stromaufwärtigen Rand des Ringkörpers aufliegt, wobei sich der Horizontalspalt (11, 11') insbesondere unter Ausbildung einer Stufe über den stromaufwärtigen Bereich der Zentralplatte (8) und den stromabwärtigen Bereich des Ringkörpers (7) erstreckt.
CVD-Reaktor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Einspeisekanal (21) in eine erste, radial äußere Zone des Horizontalspaltes (11') mündet, wobei die Mündung des ersten Einspeisekanals (21) der Oberseite des Ringkörpers (7) zugeordnet ist, und der zweite Einspeisekanal (22) in der Oberseite der Zentralplatte (8) in einen radial inneren zweiten Abschnitt des Horizontalspaltes (11) mündet, wobei insbesondere vorgesehen ist, dass der Ringkörper (7) von einer Stützplatte (9) getragen ist und die Zentralplatte (8) eine Zugplatte ausbildet, deren radial äußerer Rand auf dem radial inneren Rand des Ringkörpers (7) aufliegt.
CVD-Reaktor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühleinrichtung (23) zur Kühlung des sich unmittelbar an das Gaseinlassorgan (3) anschließenden Abschnitts (8) des Grundkörpers vom Gaseinlassorgan (3) ausgebildet ist, welches insbesondere oberhalb der axialen Mitte des Suszeptors (2) angeordnet ist.
CVD-Reaktor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zum Horizontalspalt (11, 11') weisende Unterseite der Vorlaufzonenplatte (10) eine von einer Ebene abweichende Topologie und insbesondere in Strömungsrichtung hintereinander angeordnete oder in Radialrichtung hintereinander angeordnete Stufen oder Höhenabschnitte ausbildet.
CVD-Reaktor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine im Horizontalspalt (11) angeordnete Blende in Form eines Zwischenrings (28), der in Horizontalrichtung sowohl an der Oberseite des Grundkörpers (7, 8) als auch von der Unterseite der Vorlaufzonenplatte (10) beabstandet ist.
CVD-Reaktor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Heizeinrichtung mindestens ein von einer Regeleinrichtung (33) regelbare Heizzone (6) aufweist, die im Wesentlichen nur die Substrattemperatur (TS) beeinflusst, wobei von der Regeleinrichtung (33) steuerbare Massenflussregler (31, 32) vorgesehen sind, mit denen das Mischungsverhältnis und der Gesamtmassenfluss der in die Einspeisekanäle (21, 22) einzuspeisenden gasförmigen Wärmeübertrager individuell einstellbar ist, wobei die Regeleinrichtung (33) als Eingangsgröße die Substrattemperatur (TS) und mindestens eine Vorlauftemperatur (TV₁, TV₂), bevorzugt jedoch mindestens zwei an verschiedenen Stellen gemessene Vorlauftemperaturen (TV₁, TV₂) erhält.
Verfahren zum Abscheiden von Schichten, insbesondere Halbleiterschichten auf Substraten (14) unter Verwendung einer Vorrichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Beeinflussung der Vorlauftemperatur (TV₁, TV₂) auf der zur Prozesskammer weisenden Oberseite der Vorlaufzonenplatte (10) während eines Abscheidungsprozesses, insbesondere während eines Wachstumsschritts oder in den Wachstumspausen eines mehrere Wachstumsschritte aufweisenden Wachstumsprozesses oder während eines Reinigungsschrittes die Wärmeleiteigenschaft eines oder mehrerer permanent in den Horizontalspalt (11, 11', 11'') eingespeisten gasförmigen Wärmeübertrager geändert wird, so dass sich an zumindest einem Ort, bevorzugt an zwei voneinander verschiedenen Orten, der zur Prozesskammer weisenden Oberseite der Vorlaufzonenplatte (10) die Vorlauftemperatur (TV₁, TV₂) ändert.
Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass eine von einer durch das Abscheideverfahren bedingte zeitliche Änderung der Emissivität der Oberfläche der Vorlaufzonenplatte (10) verursachte Änderung des Wärmefluss-Gleichgewichtes durch eine Änderung der Wärmeleitfähigkeit im Horizontalspalt (11) kompensiert wird.
Vorrichtung oder Verfahren, gekennzeichnet durch eines oder mehrere der kennzeichnenden Merkmale eines der vorhergehenden Ansprüche.