DE102020123546A1

DE102020123546A1 - CVD-Reaktor mit einer Kühlfläche mit bereichsweise vergrößerter Emissivität

Info

Publication number: DE102020123546A1
Application number: DE102020123546.1A
Authority: DE
Inventors: Wilhelm Josef Thomas Krücken; Jamie Stwartson Fiddes; Hendrik Rauf; Marcel Kollberg; Peter Sebald Lauffer
Original assignee: Aixtron SE
Current assignee: Aixtron SE
Priority date: 2020-09-09
Filing date: 2020-09-09
Publication date: 2022-03-10

Abstract

Die Erfindung betrifft einen CVD-Reaktor mit einem Gehäuse, usw. wie der Gattungsbegriff des Anspruchs 1, das einen Gehäusedeckel (2) mit darin angeordneten Kühlkanälen (4), einen im Gehäuse (1) angeordneten, von einer Heizeinrichtung (18) beheizten Suszeptor (15), eine um die Höhe (H) vom Suszeptor (15) beabstandete und parallel zum Suszeptor (15) sich erstreckende Prozesskammerdecke (13), ein Gaseinlassorgan (19) zum Einspeisen eines Prozessgases oder eines Inertgases in die Prozesskammer (14), ein oder mehrere auf dem Suszeptor (15) angeordnete Lagerplätze (16) zur Aufnahme eines Substrates und eine zur vom Suszeptor (15) wegweisenden Seite der Prozesskammerdecke (13) weisenden Oberfläche aufweist. Um die Prozesskammerdecke bei hohen Temperaturen reinigen zu können, ohne dass sie zerstörende, mechanische Spannungen auftreten, wird vorgeschlagen, dass die Oberfläche erste Abschnitte (9, 9') mit einer geringen Emissivität (ε1) und daran angrenzende, sich zumindest über einen Lagerplatz (16) erstreckenden zweiten Abschnitt (10, 10') mit einer großen Emissivität (ε2) aufweist, wobei die große Emissivität (ε2) zumindest 10 % größer ist, als die geringe Emissivität (ε1).

Description

Gebiet der Technik
Die Erfindung betrifft einen CVD-Reaktor mit einem Gehäuse, das einen Gehäusedeckel mit darin angeordneten Kühlkanälen, einen im Gehäuse angeordneten, von einer Heizeinrichtung beheizten Suszeptor, eine um die Höhe vom Suszeptor beabstandete und parallel zum Suszeptor sich erstreckende Prozesskammerdecke, ein Gaseinlassorgan zum Einspeisen eines Prozessgases oder eines Inertgases in die Prozesskammer, ein oder mehrere auf dem Suszeptor angeordnete Lagerplätze zur Aufnahme eines Substrates und eine zur vom Suszeptor wegweisenden Seite der Prozesskammerdecke weisenden Oberfläche aufweist.
Die Erfindung betrifft darüber hinaus ein Verfahren zum Betrieb eines derartigen CVD-Reaktors.
Stand der Technik
Ein CVD-Reaktor der zuvor beschriebenen Art wird in der EP 2 408 952 A1 beschrieben. An einer Unterseite eines Gehäusedeckels des Gehäuses des CVD-Reaktors sind segmentartig Deckenplatten angeordnet, deren zu einer Prozesskammerdecke weisende Oberfläche gewölbt ist, sodass ein sich zwischen Prozesskammerdecke und Deckenplatten erstreckender Zwischenraum unterschiedliche Höhen hat. Mit dieser Höhenvariation wird der Wärmetransport von der Deckenplatte zum gekühlten Gehäusedeckel lokal beeinflusst. Mit dieser Beeinflussung wird die Temperatur der zur Prozesskammer weisenden Oberfläche der Prozesskammerdecke derart eingestellt, dass sie in einem Bereich oberhalb der in einer Kreisbogenzone um das Gaseinlassorgan angeordneten Substrate ein Maximum und am radial inneren Rand und am radial äußeren Rand geringere Werte besitzt. Die Substrattemperatur liegt bei Beschichtungsprozessen unter 1200°C.
Bei der Abscheidung von C-GaN müssen die Oberflächen der Prozesskammer, also die Oberflächen des Suszeptors beziehungsweise der Lagerplätze für die Substrate, aber auch die Oberfläche der Prozesskammerdecke, gereinigt werden. Hierzu muss der Suszeptor beziehungsweise ein vom Suszeptor gelagerter Substrathalter auf eine Temperatur von 1330°C aufgeheizt werden. Dabei heizt sich die Prozesskammerdecke auf über 1000°C und insbesondere auf Temperaturen im Bereich von 1100°C auf. Bei diesen Temperaturen wird der Wärmetransport von der Wärmestrahlung dominiert. Als Folge dessen bildet sich in der Prozesskammerdecke ein großer Temperaturunterschied zwischen ihrer Mitte und dem radial inneren und äußeren Rand aus. Dieser hohe Temperaturgradient führt zu erheblichen mechanischen Spannungen in der Prozesskammerdecke, sodass Risse entstehen können.
Zum Stand der Technik gehören ferner die US 6,808,391 B1 , bei der eine Oberfläche derart beschichtet ist, dass sich ihre Emissivität vergrößert. Die US 10,711,348 B2 beschreibt eine Heizeinrichtung mit Segmenten, die unterschiedliche Emissivitäten aufweisen. Zum Stand der Technik gehören ferner die WO 2017/069977 A1 .
Zusammenfassung der Erfindung
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Maßnahmen anzugeben, mit denen unter Beibehaltung der Vorteile einer im mittleren Bereich heißeren Prozesskammerdecke bei einem Beschichtungsprozess gleichwohl ein Reinigungsprozess durchführbar ist, bei dem der Substrathalter Temperaturen von über 1300°C erreichen kann.
Gelöst wird die Aufgabe durch die in den Ansprüchen angegebene Erfindung, wobei die Unteransprüche nicht nur vorteilhafte Weiterbildungen der in den nebengeordneten Ansprüchen angegebenen Erfindung, sondern auch eigenständige Lösungen der Aufgabe darstellen.
Gemäß einer Variante der Erfindung besitzt ein CVD-Reaktor ein Gehäuse. Das Gehäuse ist nach außen hin gasdicht, besitzt einen Gehäusedeckel mit darin angeordneten Kühlkanälen und Seitenwände sowie einen Gehäuseboden. Innerhalb des Gehäuses erstreckt sich ein Suszeptor, beispielsweise aus Graphit oder beschichtetem Graphit. Der Suszeptor kann von einer unterhalb seiner angeordneten Heizeinrichtung, beispielsweise durch RF oder IR, beheizt werden. Etwa 5 bis 30mm oberhalb des Suszeptors erstreckt sich eine Prozesskammerdecke. Die Prozesskammerdecke kann aus Graphit, beschichtetem Graphit oder einem ähnlichen Material bestehen. Es ist ferner ein Gaseinlassorgan vorgesehen, mit dem ein Prozessgas oder ein Inertgas in die Prozesskammer eingespeist werden kann. Auf dem Suszeptor sind ein oder mehrere Lagerplätze zur Aufnahme jeweils zumindest eines Substrates angeordnet. Die Lagerplätze können von Substrathaltern ausgebildet sein, die in Taschen des Suszeptors einliegen. In den Böden der Taschen münden Gaszuleitungen, mit denen ein Spülgas in einen Zwischenraum zwischen der Unterseite des Substrathalters und dem Boden der Tasche eingespeist werden kann, sodass ein Gaskissen entsteht, auf dem die Substrathalter schweben können. Der im Zwischenraum erzeugte Gasstrom ist ferner in der Lage, die Substrathalter in eine Drehung um ihre Symmetrieachse zu versetzen. Zwischen der Prozesskammerdecke, die von einem flachen, scheibenförmigen Körper ausgebildet sein kann, und dem Gehäusedeckel kann sich ein Zwischenraum erstrecken. In diesem Zwischenraum befindet sich eine Oberfläche, die zur Prozesskammerdecke weist und die von der Prozesskammerdecke beabstandet sein kann. Bevorzugt ist diese Oberfläche an verschiedenen Radialpositionen, bezogen auf ein Zentrum der Prozesskammer, unterschiedlich weit von der Prozesskammerdecke beabstandet. Zwischen der Oberfläche und der von der Prozesskammer wegweisenden Oberfläche der Prozesskammerdecke bildet sich somit ein Spalt mit einer Spalthöhe, die in Radialrichtung unterschiedlich ist. In einem Bereich vertikal oberhalb etwa der Mitte der sich mit ihrem Zentrum auf einer Kreisbogenlinie erstreckenden Substrate kann die Spalthöhe minimal sein. Sie kann in Radialeinwärtsrichtung und in Radialauswärtsrichtung zunehmen. In einer Variante der Erfindung wird diese Oberfläche von Deckenplatten ausgebildet. Es können mehrere, segmentartige Deckenplatten vorgesehen sein. Es können in Radialrichtung mehrere Deckenplatten nebeneinanderliegen. Es können auch in azimutaler Richtung mehrere Deckenplatten nebeneinanderliegen. Die Deckenplatten besitzen eine Wölbung. Die Deckenplatten besitzen ferner eine von der Wölbung wegweisende Oberfläche, die in einer gut wärmeleitenden Weise mit dem Gehäusedeckel verbunden ist.
Mit einem derartigen CVD-Reaktor können III-V-Schichten oder IV-Schichten, aber auch II-VI-Schichten, auf einem Substrat oder auf mehreren Substraten, die jeweils auf einem Lagerplatz, beispielsweise einem Substrathalter, liegen, abgeschieden werden. Dabei werden durch das Gaseinlassorgan Prozessgase, beispielsweise ein Hydrid der V. oder IV. oder VI. Hauptgruppe und/ oder beispielsweise eine metallorganische Verbindung der III., der II. oder IV. Hauptgruppe in die Prozesskammer eingespeist. Dies erfolgt zusammen mit einem Inertgas, beispielsweise Wasserstoff. In der Prozesskammer werden die reaktiven Gase pyrolytisch zerlegt, sodass auf der Oberfläche des Substrates eine bevorzugt einkristalline Schicht abgeschieden wird. Mit einem derartigen CVD-Reaktor können auch C-GaN Schichten abgeschieden werden. Beim Abscheiden dieser Schichten bildet sich in der Prozesskammer ein radiales Temperaturprofil aus. Das radiale, laterale Temperaturprofil besitzt ein Maximum etwa in der Mitte des Substrates. Insbesondere besitzt die Prozesskammerdecke ein derartiges an ihren Rändern eine niedrige Temperatur und in der Mitte eine hohe Temperatur aufweisendes Temperaturprofil. Nach dem Abscheiden einer derartigen Schicht bei erhöhten Temperaturen, die durch Beheizung des Suszeptors mit der Heizeinrichtung erzielt werden, ist eine Reinigung der Prozesskammer und insbesondere der Oberflächen der Prozesskammer erforderlich. Hierzu wird in einem SiN-Bake auf der Oberfläche des Suszeptors beziehungsweise der Oberfläche der Substrathalter oder der Oberfläche der Lagerplätze eine sehr hohe Temperatur von ca. 1330°C erreicht. Dies erfolgt durch Wärmezufuhr mit der Heizeinrichtung. Aufgrund von Wärmestrahlung kann sich die Prozesskammerdecke auf bis zu 1100°C aufheizen und sich ein hoher radialer Temperaturgradient ausbilden, wenn keine dies verhindernden Maßnahmen ergriffen werden und die zur Prozesskammerdecke weisende Oberfläche, insbesondere der Deckenplatten, eine einheitliche Emissivität aufweisen.
Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass der Wärmetransport von der Prozesskammerdecke zur gekühlten Oberfläche sowohl über Wärmeleitung durch das Gas zwischen der Oberfläche und der Prozesskammerdecke als auch über Wärmestrahlung von der Prozesskammerdecke zur gekühlten Oberfläche erfolgt und dass die Wärmestrahlung zu höheren Temperaturen eine höhere Wirkung bekommt. Der Wärmefluss, der über die Wärmestrahlung von der Prozesskammerdecke zur gekühlten Oberfläche übertragen wird, hängt nicht nur von der Temperatur der zur gekühlten Oberfläche weisenden Oberfläche der Prozesskammerdecke ab, sondern auch von der optischen Emissivität der gekühlten Oberfläche, die beim Abscheiden der Schicht und beim Reinigen der Prozesskammer etwa dieselbe Temperatur von maximal 300°C aufweist. Die Emissivität, die oftmals auch als Emissionsgrad bezeichnet wird, gibt an, wieviel Strahlung ein Körper im Vergleich zu einem idealen Wärmestrahler, also einem schwarzen Körper, abgibt oder absorbiert. Bei einer Emissivität von 0 hat die Oberfläche keine Absorption von Wärme. Bei einer Emissivität von 1 ist die Absorption 100 %.
Erfindungsgemäß wird vorgeschlagen, dass die zur Prozesskammerdecke weisende Oberfläche, die insbesondere eine gekühlte Oberfläche ist, Abschnitte mit einer geringen Emissivität und daran angrenzende, sich zumindest über einen Lagerplatz erstreckende zweite Abschnitte mit einer großen Emissivität aufweist, wobei die große Emissivität bevorzugt mindestens 10 %, 20 %, 30 %, 50 %, 60 %, 70 %, 80 %, 90 % oder mindestens 100 % größer ist, als die geringe Emissivität. Es kann vorgesehen sein, dass die große Emissivität mindestens 0,5 und die geringe Emissivität maximal 0,5 beträgt. Es kann auch vorgesehen sein, dass die große Emissivität >0,6 und die kleine Emissivität <0,4 ist. Besonders bevorzugt hat die große Emissivität einen Wert von etwa 0,68 und die kleine Emissivität einen Wert von etwa 0,32. Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die große Emissivität durch eine Beschichtung des Oberflächenabschnitts der Oberfläche erreicht wird. Die Oberfläche kann die Oberfläche eines Aluminiumkörpers sein. Die Beschichtung kann eine Eloxierung sein. Die Oberflächenabschnitte können von am Gehäusedeckel befestigten Deckenplatten ausgebildet sein, wie sie zuvor beschrieben worden sind. Dabei kann vorgesehen sein, dass die eine geringe Emissivität aufweisenden Oberflächenabschnitte von einer unbeschichteten Oberfläche einer Deckenplatte und die Oberflächenabschnitte mit hoher Emissivität von einer beschichteten Deckenplatte ausgebildet sind. Ferner kann vorgesehen sein, dass die berührend aneinander liegenden, insbesondere segmentartig ausgebildeten Deckenplatten eine gewölbte Oberfläche ausbilden. In den Zwischenraum zwischen den Deckenplatten und der Prozesskammerdecke kann ein Spülgas eingespeist werden. Hierzu mündet in den Zwischenraum eine Spülgases-Eintrittsöffnung.
Die Prozesskammerdecke kann eine Kreisscheibe mit einer zentralen Öffnung sein, durch die das Gaseinlassorgan in die Prozesskammer hineinragt. Die gekühlte Oberfläche kann eine entsprechende Ringfläche sein, wobei ein in der radialen Mitte der Ringfläche angeordneter Bereich, der eine ringförmige Teilfläche ausbildet, die große Emissivität aufweist und insbesondere beschichtet ist. Die Ränder der gekühlten Oberfläche, also ein radial innerer Rand und ein radial äußerer Rand, können unter Ausbildung von Ringflächen an die mittlere, bevorzugt beschichtete Ringfläche angrenzen und unbeschichtet sein. Sie können die geringe Emissivität aufweisen. Die radiale Breite der die große Emissivität aufweisenden Ringfläche ist bevorzugt geringfügig, beispielsweise um 10 % oder 20 % größer, als die radiale Erstreckung eines Substrates oder eines Lagerplatzes oder Substrathalters. Zieht man von einer radial äußeren Randkante des Suszeptors in einem Winkel von 45 Grad eine gedachte Linie in Richtung auf den Gehäusedeckel, so schneidet diese Linie in einem Punkt die gekühlte Oberfläche. Der beschichtete Bereich der Oberfläche kann sich bis zu diesem Punkt erstrecken.
In einer Variante kann vorgesehen sein, dass Deckenplatten aus verschiedenen Werkstoffen bestehen, beispielsweise dass Deckenplatten aus Aluminium und andere Deckenplatten aus Grafit bestehen, wobei die Werkstoffe Körper mit Oberflächen voneinander verschiedenen Emissivitäten ausbilden. Die Oberflächenabschnitte mit den verschiedenen Emissivitäten können erfindungsgemäß von Deckenplatten aus unterschiedlichen Werkstoffen, wie beispielsweise Aluminium und Grafit, ausgebildet sein. Gemäß einer weiteren Variante kann vorgesehen sein, dass sich der die hohe Emissivität aufweisende Oberflächenabschnitt bis zum inneren Rand der Prozesskammerdecke erstreckt. Die rückwärtig der Prozesskammerdecke angeordnete Oberfläche kann dann einen ersten ringförmigen Abschnitt aufweisen, der sich vom inneren Rand der Prozesskammerdecke bis über deren radiale Mitte erstreckt. An diesen, die hohe Emissivität aufweisenden Oberflächenabschnitt kann sich in Radialrichtung nach außen bis zum äußeren Rand der Prozesskammerdecke ein zweiter Abschnitt anschließen, der die geringe Emissivität aufweist.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird durch das Gaseinlassorgan ein Inertgas oder ein reaktives Gas in die Prozesskammer eingespeist. Der Suszeptor wird durch Einspeisen von Wärme mittels der Heizeinrichtung auf eine Suszeptortemperatur gebracht. Der Suszeptor heizt durch Wärmetransport die Prozesskammerdecke auf. Von der Prozesskammerdecke wird Wärme zu den Oberflächenabschnitten der gekühlten Oberfläche transportiert. Dort wird die Wärme durch Wärmeleitung in die Kühlkanäle abgeleitet. Es handelt sich um einen stationären Wärmetransportprozess, bei dem sich zwischen der gekühlten Oberfläche und dem Suszeptor ein stationärer Temperaturgradient einstellt. Bei einem Reinigungsschritt wird die Prozesskammerdecken-Temperatur auf mindestens 1000°C, bevorzugt auf mindestens 1100°C aufgeheizt. Wegen der im Bereich der Oberflächenabschnitte mit hoher Emissivität größeren Absorption der Wärme heizt sich der mittlere Bereich der Prozesskammerdecke weniger stark auf, als er es bei einer herkömmlichen Oberfläche tun würde. Da die Abscheidungsprozesse bei geringeren Temperaturen durchgeführt werden, bei denen die Wärmeleitung einen größeren Beitrag am Wärmetransport hat und die Wärmestrahlung aus physikalischen Gründen geringer ist, hat der Unterschied in den Emissivitäten der verschiedenen Oberflächenbereiche keinen prozessrelevanten Einfluss auf die Beschichtung.
Figurenliste
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachfolgend anhand beigefügter Zeichnungen erläutert. Es zeigen:

1 einen Schnitt durch einen CVD-Reaktor und
2 den Temperaturverlauf a bei einem Reinigungsschritt und b bei einem Beschichtungsschritt.

Beschreibung der Ausführungsformen
Ein CVD-Reaktor, wie er in der 1 dargestellt ist, wird auch in der oben genannten EP 2 408 952 A1 beschrieben. Der Offenbarungsgehalt dieser Schrift wird deshalb vollinhaltlich mit in den Offenbarungsgehalt dieser Anmeldung einbezogen, auch um die Ansprüche um der EP 2 408 952 A1 entnommene Merkmale zu ergänzen. Dies gilt auch betreffend die CN 10242821 A , JP 012520578 A , KR 020110138382 A und US 2012/0003389 A1 .
Der CVD-Reaktor besitzt ein aus Edelstahl gefertigtes Gehäuse, welches eine Gehäusehöhlung kapselt, die evakuierbar ist. Das Gehäuse 1 besitzt einen Gehäusedeckel 2, Boden 6 und eine Seitenwand 4, die entlang einer Zylindermantelfläche verläuft und den Gehäusedeckel 2 mit dem Boden 6 verbindet. Im Gehäusedeckel 2 verlaufen Kühlkanäle 4, durch die eine Kühlflüssigkeit strömt, um den Gehäusedeckel 2 zu kühlen.
An der zu Gehäusehöhlung weisenden Unterseite 3 des Gehäusedeckels 2 sind mehrere Deckenplatten befestigt. Die Deckenplatten 7, 7', 8, 8' decken eine ringförmig, sich um ein Gaseinlassorgan 19 erstreckende ringförmige Fläche der Unterseite 3 des Gehäusedeckels 2 ab. Es gibt radial innen angeordnete Deckenplatten 7, die eine vom Gehäusedeckel 2 wegweisende Oberfläche 9 aufweist, die eine geringe Emissivität ε1 aufweisen. An diese Deckenplatten 7, 7' schließen sich Deckenplatten 8, 8' an, deren von dem Gehäusedeckel 2 wegweisende Oberflächen 10, 10' eine höhere Emissivität ε2 aufweisen. Die geringe Emissivität ε1 kann etwa 0,32 betragen. Die große Emissivität ε2 kann etwa 0,68 betragen. An die Deckenplatten 8, 8' grenzt eine weitere Deckenplatte 7' an, deren vom Gehäusedeckel 2 weisende Oberfläche 9' eine geringe Emissivität ε1 aufweisen kann.
Beim Ausführungsbeispiel sind die Deckenplatten 7, 7', 8, 8' aus Aluminium und bilden eine gewölbte vom Gehäusedeckel 2 wegweisende Oberfläche aus. Die Oberflächen 9, 9' der äußeren Deckenplatten 7, 7' sind unbeschichtet. Die Oberflächen 10, 10' der zwischen den Deckenplatten 7, 7' angeordneten Deckenplatten 8, 8' sind eloxiert.
Unterhalb der Deckenplatten 7, 7', 8, 8' erstreckt sich eine aus Graphit, insbesondere beschichtetem Graphit bestehende dünne, kreisscheibenförmige Prozesskammerdecke 13. Durch eine zentrale Öffnung der Prozesskammerdecke 13 erstreckt sich das zentrale Gaseinlassorgan 19, durch das Prozessgase in eine unterhalb der Prozesskammerdecke 13 angeordnete Prozesskammer 14 eingespeist werden können.
Der Zwischenraum 11 zwischen den Oberflächen 9,10, 9' besitzt an verschiedenen Radialpositionen verschiedene Höhen. Die Höhe des Zwischenraumes 11 ist im Bereich der Mitte minimal und im Bereich der beiden Ränder maximal. Die Oberflächenabschnitte 10, 10' mit der großen Emissivität ε2 erstrecken sich radial außerhalb und radial innerhalb des Minimums der Höhe des Zwischenraumes 11.
Den Boden der Prozesskammer 14 bildet ein Suszeptor 15, der mit einem Abstand H von etwa 5 bis 30 mm, bevorzugt etwa 20mm, von der Prozesskammerdecke 13 beabstandet ist. Die zur Prozesskammer 14 weisende Breitseitenfläche des Suszeptors 15 besitzt mehrere, auf einer Kreisbogenlinie um das Gaseinlassorgan 19 angeordnete Taschen, in denen jeweils ein Substratträger 16 einliegt. Mittels eines in die Taschen 16 eingespeisten Gasstroms können die Substrathalter 16 auf einem Gaspolster in der Schwebe gehalten werden und in eine Drehung versetzt werden. Auf dem Substrathalter 16 kann ein zu beschichtendes Substrat 17 liegen.
Der Substrathalter 16 bildet einen Lagerplatz für ein Substrat 17 aus. In der 1 ist mit der Hilfslinie L2 eine Vertikale dargestellt, die durch den radial innersten Punkt des Lagerplatzes verläuft. Die Hilfslinie L3 ist eine Vertikale, die durch den radial äußersten Punkt des Lagerplatzes verläuft. Die 1 zeigt, dass der ringflächenförmige Oberflächenabschnitt 10, 10' den Zwischenraum zwischen den Hilfslinien L2 und L3 vollständig ausfüllt und sogar über die Hilfslinie L2 in Radialeinwärtsrichtung und über die Hilfslinie L3 in Radialauswärtsrichtung hinausragt. Es kann vorgesehen sein, dass der ringflächenförmige Oberflächenabschnitt 10, 10' jeweils um bis zu 10 % oder 15 % ihrer radialen Breite über die Hilfslinien L2 und L3 hinausläuft. Es können aber auch vorgesehen sein, dass der ringflächenförmige Oberflächenabschnitt 10, 10' um mindestens 5 % oder 10 % ihrer radialen Breite über die Hilfslinien L2 und L3 hinausläuft. Der ringförmige Oberflächenabschnitt 10, 10' kann somit mindestens 10 % breiter oder maximal 30 % breiter als die radiale Breite des Lagerplatzes 16 oder des Substrates 17 sein.
Mit L1 ist eine weitere Hilfslinie bezeichnet, die durch die radial äußere Randkante des Suszeptors 15 verläuft und einen Winkel zur Breitseitenfläche von 45 Grad besitzt. Die Hilfslinie L1 schneidet die Oberfläche dort, wo der Oberflächenabschnitt 10' mit der großen Emissivität ε2 an den Oberflächenabschnitt 7' mit der geringen Emissivität ε1 angrenzt.
Radial außerhalb des Suszeptors 15 befindet sich ein Gasauslassorgan 20, durch welches die mit dem Gaseinlassorgan 19 in die Prozesskammer 14 eingespeisten Prozessgase und die Prozesskammer 14 in Radialrichtung durchströmen, aus der Prozesskammer 14 austreten können.
Unterhalb des Suszeptors 15, der um seine Figurenachse auch drehangetrieben werden kann, befindet sich eine Heizeinrichtung 18, um den Suszeptor 15 auf Temperaturen von bis zu 1330°C aufheizen zu können.
Die 2 zeigt eine erste Temperaturkurve a der Temperatur Tc der Prozesskammerdecke 13 bei einem Reinigungsschritt, bei dem der Suszeptor 15 beziehungsweise der Substrathalter 16 auf eine Temperatur von ca. 1330°C aufgeheizt wird. Im Bereich oberhalb des Substrates 17 beziehungsweise des Lagerplatzes 16 besitzt die Temperaturkurve ein Maximum. Die Temperaturkurve fällt sowohl nach radial innen als auch nach radial außen ab.
Die 2 zeigt eine zweite Temperaturkurve b der Temperatur Tc der Prozesskammerdecke 13 bei einem Beschichtungsprozess, bei dem die Suszeptortemperatur erheblich geringer ist. Der Verlauf dieser Kurve ist qualitativ ähnlich zum Verlauf der ersten Temperaturkurve allerdings ist das Verhältnis der Temperaturen im Scheitelpunkt der Temperaturkurve a zu den Temperaturen an den Rändern der Temperaturkurve a geringer, als bei der Temperaturkurve b. Dies hat zur Folge, dass sich beim Reinigungsschritt geringere mechanische Spannungen in der Prozesskammerdecke aufbauen, als es der Fall wäre, wenn die Verhältnisse bei den Kurven a und b gleich wären. Die Unterschiede der Verhältnisse sind auf die verschiedenen Emissivitäten ε1 und ε2 der gekühlten Oberfläche 9, 10, 10', 9' zurückzuführen.
In einem nicht dargestellten Ausführungsbeispiel kann sich die Beschichtung auch über den Oberflächenabschnitt 9 bis zum inneren Rand der Deckenplatten 7 erstrecken. In einem weiteren, nicht dargestellten Ausführungsbeispiel kann vorgesehen sein, dass die Deckenplatten 7, 7', deren Oberflächen 9, 9' die geringe Emissivität aufweisen, aus einem ersten Werkstoff gefertigt sind und dass die Deckenplatten 8, 8', deren Oberflächen 10, 10' die hohe Emissivität aufweisen, aus einem zweiten Werkstoff gefertigt sind, wobei die Werkstoffe sich derart unterscheiden, dass Oberflächen der Werkstoffe verschiedene Emissivitäten aufweisen oder durch eine physikalische oder chemische Behandlung verschiedene Emissivitäten aufweisen können.
Die vorstehenden Ausführungen dienen der Erläuterung der von der Anmeldung insgesamt erfassten Erfindungen, die den Stand der Technik zumindest durch die folgenden Merkmalskombinationen jeweils auch eigenständig weiterbilden, wobei zwei, mehrere oder alle dieser Merkmalskombinationen auch kombiniert sein können, nämlich:
Ein CVD-Reaktor, der dadurch gekennzeichnet ist, dass die Oberfläche erste Abschnitten 9, 9' mit einer geringen Emissivität ε1 und daran angrenzende, sich zumindest über einen Lagerplatz 16 erstreckenden zweiten Abschnitt 10, 10' mit einer großen Emissivität ε2 aufweist, wobei die große Emissivität ε2 zumindest 10 % größer ist, als die geringe Emissivität ε1.
Ein CVD-Reaktor, der dadurch gekennzeichnet ist, dass die große Emissivität ε2 mindestens 0,5 und die geringe Emissivität ε1 maximal 0,5 beträgt oder dass die große Emissivität ε2 >0,6 und die kleine Emissivität ε1 <0,4 ist oder dass die große Emissivität ε2 etwa 0,68 und die kleine Emissivität ε1 etwa 0,32 beträgt.
Ein CVD-Reaktor, der dadurch gekennzeichnet ist, dass zumindest der die große Emissivität ε2 aufweisende Oberflächenabschnitt 10, 10' von einer Beschichtung ausgebildet ist und/oder dass die Beschichtung eine Eloxierung ist und/oder dass die Oberflächenabschnitte 9, 9' und 10, 10' von am Gehäusedeckel 2 befestigten Deckenplatten 7, 7', 8, 8' ausgebildet sind, wobei die Oberflächenabschnitte 9, 9' von einer unbeschichteten Oberfläche zumindest einer ersten Deckenplatte 7, 7' und die Oberflächenabschnitte 10, 10' von einer beschichteten Oberfläche zumindest einer zweiten Deckenplatte 8, 8' gebildet sind.
Ein CVD-Reaktor, der dadurch gekennzeichnet ist, dass die Oberflächenabschnitte 9, 9', 10, 10' Bereiche einer gewölbten Oberfläche sind, die zu einem Zwischenraum 11 zwischen Gehäusedeckel 2 und Prozesskammerdecke 13 weist, wobei in den Zwischenraum 11 eine Spülgas-Eintrittsöffnung 12 mündet zum Einspeisen eines Temperiergases in den Zwischenraum 11.
Ein CVD-Reaktor, der dadurch gekennzeichnet ist, dass die Oberflächenabschnitte 9, 9', 10, 10' von wärmeübertragenden und mit dem Gehäusedeckel 2 verbundenen Deckenplatten 7, 7', 8, 8' aus Aluminium, Grafit oder aus verschiedenen Materialien ausgebildet sind und/oder dass die Deckenplatten 7, 7', 8, 8' eine geschlossene Ringfläche ausbilden, die sich um das im Zentrum der Prozesskammer 14 angeordnete Gaseinlassorgan 19 erstreckt, wobei eine vom inneren Rand der Ringfläche und vom äußeren Rand der Ringfläche beabstandete, ringförmige Teilfläche die Abschnitte 10, 10' der Oberfläche mit der größeren Emissivität ε2 und die zwischen ringförmiger Teilfläche und innerem Rand und äußerem Rand jeweils angeordneten Flächen die Abschnitte 9, 9' mit der geringen Emissivität ε1 ausbilden und/ oder wobei eine vom inneren Rand der Ringfläche oder vom äußeren Rand der Ringfläche beabstandete, ringförmige Teilfläche die Abschnitte 10, 10' der Oberfläche mit der größeren Emissivität ε2 und die neben der ringförmigen Teilfläche und dem inneren Rand bzw. dem äußeren Rand jeweils angeordneten Flächen die Abschnitte 9, 9' mit der geringen Emissivität ε1 ausbilden.
Ein CVD-Reaktor, der dadurch gekennzeichnet ist, dass eine radiale Breite einer von den Oberflächenabschnitten 10, 10' mit hoher Emissivität ε2 gebildete ringförmige Teilfläche größer ist, als der Durchmesser eines Lagerplatzes 16 beziehungsweise eines Substrates 17 und/ oder dass die radiale Breite der ringförmigen Teilfläche sowohl auf der radial inneren Seite als auch auf der radial äußeren Seite den Lagerplatz 16 überragt und/oder dass eine Vielzahl von Lagerplätzen 16 oder die Lagerplätze bildende Substrathalter 16 in einer kreisförmigen Anordnung um das zentrale Gaseinlassorgan 19 angeordnet sind.
Ein Verfahren zum Betrieb eines CVD-Reaktors gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei durch das Gaseinlassorgan 19 ein Inertgas oder ein reaktives Gas in die Prozesskammer 14 eingespeist wird, der Suszeptor 19 durch Einspeisen von Wärme mittels der Heizeinrichtung 18 auf eine Suszeptortemperatur Ts gebracht wird, der Suszeptor 19 durch Wärmetransport die Prozesskammerdecke 13 aufheizt und von der Prozesskammerdecke 13 Wärme zu den Oberflächenabschnitten 9, 9', 10, 10' transportiert wird, von wo die Wärme durch Wärmeleitung in die Kühlkanäle 4 abgeleitet wird, wobei bei einem Reinigungsschritt, bei dem auf dem Lagerplatz 16 kein Substrat 17 liegt, die Prozesskammerdecken-Temperatur Tc mindestens 1100°C beträgt.
Ein Verfahren, das dadurch gekennzeichnet ist, dass die Suszeptortemperatur Ts mindestens 1300°C beträgt und/oder dass die Temperatur der Oberflächen 9, 9', 10, 10' geringer als 250°C ist.
Ein Verfahren, das gekennzeichnet ist durch einen dem Reinigungsschritt zeitlich vorgeordneten oder nachgeordneten Substratbehandlungsschritt, bei dem die Suszeptortemperatur Ts geringer ist als 1000°C.
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, auch ohne die Merkmale eines in Bezug genommenen Anspruchs, mit ihren Merkmalen eigenständige erfinderische Weiterbildungen des Standes der Technik, insbesondere um auf Basis dieser Ansprüche Teilanmeldungen vorzunehmen. Die in jedem Anspruch angegebene Erfindung kann zusätzlich ein oder mehrere der in der vorstehenden Beschreibung, insbesondere mit Bezugsziffern versehene und/ oder in der Bezugsziffernliste angegebene Merkmale aufweisen. Die Erfindung betrifft auch Gestaltungsformen, bei denen einzelne der in der vorstehenden Beschreibung genannten Merkmale nicht verwirklicht sind, insbesondere soweit sie erkennbar für den jeweiligen Verwendungszweck entbehrlich sind oder durch andere technisch gleichwirkende Mittel ersetzt werden können.
Bezugszeichenliste

1: Gehäuse
2: Gehäusedeckel
3: Unterseite
4: Kühlkanal
5: Seitenwand
6: Boden
7: unbeschichtete Deckenplatte
7': unbeschichtete Deckenplatte
8: beschichtete Deckenplatte
8': beschichtete Deckenplatte
9: Oberflächenabschnitt mit geringer Emissivität
9': Oberflächenabschnitt mit geringer Emissivität
10: Oberflächenabschnitt mit hoher Emissivität, Beschichtung
10': Oberflächenabschnitt mit hoher Emissivität, Beschichtung
11: Zwischenraum
12: Spülgas-Eintrittsöffnung
13: Prozesskammerdecke
14: Prozesskammer
15: Suszeptor
16: Substrathalter, Lagerplatz
17: Substrat
18: Heizeinrichtung
19: Gaseinlassorgan
20: Gasauslassorgan
a: Temperaturkurve
b: Temperaturkurve
H: Abstand
L1: Hilfslinie
L2: Hilfslinie
L3: Hilfslinie
Tc: Prozesskammerdeckentemperatur
Ts: Suszeptortemperatur
ε1: geringe Emissivität
ε2: große Emissivität

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 2408952 A1 [0003, 0016]
US 6808391 B1 [0005]
US 10711348 B2 [0005]
WO 2017/069977 A1 [0005]
CN 10242821 A [0016]
JP 012520578 A [0016]
KR 020110138382 A [0016]
US 2012/0003389 A1 [0016]

Claims

CVD-Reaktor mit einem Gehäuse (1), das einen Gehäusedeckel (2) mit darin angeordneten Kühlkanälen (4), einen im Gehäuse (1) angeordneten, von einer Heizeinrichtung (18) beheizten Suszeptor (15), eine um die Höhe (H) vom Suszeptor (15) beabstandete und parallel zum Suszeptor (15) sich erstreckende Prozesskammerdecke (13), ein Gaseinlassorgan (19) zum Einspeisen eines Prozessgases oder eines Inertgases in die Prozesskammer (14), ein oder mehrere auf dem Suszeptor (15) angeordnete Lagerplätze (16) zur Aufnahme eines Substrates und eine zur vom Suszeptor (15) wegweisenden Seite der Prozesskammerdecke (13) weisenden Oberfläche aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberfläche erste Abschnitten (9, 9') mit einer geringen Emissivität (ε1) und daran angrenzende, sich zumindest über einen Lagerplatz (16) erstreckenden zweiten Abschnitt (10, 10') mit einer großen Emissivität (ε2) aufweist, wobei die große Emissivität (ε2) zumindest 10 % größer ist, als die geringe Emissivität (ε1).
CVD-Reaktor gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die große Emissivität (ε2) mindestens 0,5 und die geringe Emissivität (ε1) maximal 0,5 beträgt oder dass die große Emissivität (ε2) >0,6 und die kleine Emissivität (ε1) <0,4 ist oder dass die große Emissivität (ε2) etwa 0,68 und die kleine Emissivität (ε1) etwa 0,32 beträgt.
CVD-Reaktor gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest der die große Emissivität (ε2) aufweisende Oberflächenabschnitt (10, 10') von einer Beschichtung ausgebildet ist und/oder dass die Beschichtung eine Eloxierung ist und/oder dass die Oberflächenabschnitte (9, 9' und 10, 10') von am Gehäusedeckel (2) befestigten Deckenplatten (7, 7', 8, 8') ausgebildet sind, wobei die Oberflächenabschnitte (9, 9') von einer unbeschichteten Oberfläche zumindest einer ersten Deckenplatte (7, 7') und die Oberflächenabschnitte (10, 10') von einer beschichteten Oberfläche zumindest einer zweiten Deckenplatte (8, 8') gebildet sind.
CVD-Reaktor gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberflächenabschnitte (9, 9', 10, 10') Bereiche einer gewölbten Oberfläche sind, die zu einem Zwischenraum (11) zwischen Gehäusedeckel (2) und Prozesskammerdecke (13) weist, wobei in den Zwischenraum (11) eine Spülgas-Eintrittsöffnung (12) mündet zum Einspeisen eines Temperiergases in den Zwischenraum (11).
CVD-Reaktor gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberflächenabschnitte (9, 9', 10, 10') von wärmeübertragenden und mit dem Gehäusedeckel (2) verbundenen Deckenplatten 7, 7', 8, 8') aus Aluminium, Grafit oder aus verschiedenen Materialien ausgebildet sind und/oder dass die Deckenplatten (7, 7', 8, 8') eine geschlossene Ringfläche ausbilden, die sich um das im Zentrum der Prozesskammer (14) angeordnete Gaseinlassorgan (19) erstreckt, wobei eine vom inneren Rand der Ringfläche und vom äußeren Rand der Ringfläche beabstandete, ringförmige Teilfläche die Abschnitte (10, 10') der Oberfläche mit der größeren Emissivität (ε2) und die zwischen ringförmiger Teilfläche und innerem Rand und äußerem Rand jeweils angeordneten Flächen die Abschnitte (9, 9') mit der geringen Emissivität (ε1) ausbilden und/ oder wobei eine vom inneren Rand der Ringfläche oder vom äußeren Rand der Ringfläche beabstandete, ringförmige Teilfläche die Abschnitte (10, 10') der Oberfläche mit der größeren Emissivität (ε2) und die neben der ringförmigen Teilfläche und dem äußeren Rand bzw. dem inneren Rand jeweils angeordneten Flächen die Abschnitte (9, 9') mit der geringen Emissivität (ε1) ausbilden.
CVD-Reaktor gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine radiale Breite einer von den Oberflächenabschnitten (10, 10') mit hoher Emissivität (ε2) gebildete ringförmige Teilfläche größer ist, als der Durchmesser eines Lagerplatzes (16) beziehungsweise eines Substrates (17) und/ oder dass die radiale Breite der ringförmigen Teilfläche sowohl auf der radial inneren Seite als auch auf der radial äußeren Seite den Lagerplatz (16) überragt und/ oder dass eine Vielzahl von Lagerplätzen (16) oder die Lagerplätze bildende Substrathalter (16) in einer kreisförmigen Anordnung um das zentrale Gaseinlassorgan (19) angeordnet sind.
Verfahren zum Betrieb eines CVD-Reaktors gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei durch das Gaseinlassorgan (19) ein Inertgas oder ein reaktives Gas in die Prozesskammer (14) eingespeist wird, der Suszeptor (19) durch Einspeisen von Wärme mittels der Heizeinrichtung (18) auf eine Suszeptortemperatur (Ts) gebracht wird, der Suszeptor (19) durch Wärmetransport die Prozesskammerdecke (13) aufheizt und von der Prozesskammerdecke (13) Wärme zu den Oberflächenabschnitten (9, 9', 10, 10') transportiert wird, von wo die Wärme durch Wärmeleitung in die Kühlkanäle (4) abgeleitet wird, wobei bei einem Reinigungsschritt, bei dem auf dem Lagerplatz (16) kein Substrat (17) liegt, die Prozesskammerdecken-Temperatur (Tc) mindestens 1100°C beträgt.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Suszeptortemperatur (Ts) mindestens 1300°C beträgt und/ oder dass die Temperatur der Oberflächen (9, 9', 10, 10') geringer als 250°C ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch einen dem Reinigungsschritt zeitlich vorgeordneten oder nachgeordneten Substratbehandlungsschritt, bei dem die Suszeptortemperatur (Ts) geringer ist als 1000°C.
Vorrichtung oder Verfahren, gekennzeichnet durch eines oder mehrere der kennzeichnenden Merkmale eines der vorhergehenden Ansprüche.