DE10211442A1

DE10211442A1 - Vorrichtung zum Abscheiden von dünnen Schichten auf einem Substrat

Info

Publication number: DE10211442A1
Application number: DE10211442A
Authority: DE
Inventors: Holger Juergensen; Gerhard Karl Strauch
Original assignee: Aixtron SE
Current assignee: Aixtron SE
Priority date: 2002-03-15
Filing date: 2002-03-15
Publication date: 2003-09-25
Also published as: EP1485518A1; JP2005520932A; TW200305658A; KR20040101261A; AU2003212349A1; WO2003078681A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Abscheiden von dünnen Schichten auf einem Substrat, mit einer in einem Reaktorgehäuse (1) angeordneten Prozesskammer (6), deren Boden von einem Suszeptor (7) zur Aufnahme mindestens eines Substrates gebildet ist und deren Deckel ein Gaseinlassorgan (2) zugeordnet ist, auf welchem in im Wesentlichen flächiger Gleichverteilung über seiner gesamten auf den Suszeptor hinweisenden Gasaustrittsfläche das Prozessgas in die Prozesskammer einleitbar ist. Zur Vermeidung einer parasitären Belegung am Gaseinlassorgan ist vorgesehen, dass die Gasaustrittsfläche von einer gasdurchlässigen Diffuserplatte (15) gebildet ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Abscheiden von dünnen Schichten auf einem Substrat, mit einer in einem Reaktorgehäuse angeordneten Prozesskammer, deren Boden von einem Suszeptor zur Aufnahme mindestens eines Substrates gebildet ist und deren Deckel ein Gaseinlassorgan zugeordnet ist, aus welchem in im Wesentlichen flächiger Gleichverteilung über seiner gesamten auf den Suszeptor hinweisenden Gasaustrittsfläche das Prozessgas in die Prozesskammer einleitbar ist.

Eine derartige Vorrichtung ist aus der DE 695 04 762 T2 bekannt. Diese Schrift beschreibt eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Abscheiden von III-V- Halbleiter auf einem in einer Prozesskammer angeordneten Substrat, welches auf einem Suszeptor liegt, der den Boden einer Prozesskammer ausbildet, deren Deckel von einem Gaseinlassorgan ausgebildet ist. Das Gaseinlassorgan besitzt eine ebene Gasauslassfläche, welche sich in parallelem Abstand zur Oberfläche des Suszeptors erstreckt. Der Durchmesser des Suszeptors ist dabei erheblich größer, als der lichte Abstand zwischen dem Suszeptor und der Gasaustrittsfläche. Um eine im Wesentlichen flächige Gleichverteilung des aus dem Gaseinlassorgan austretenden Prozessgases über seine gesamte auf den Suszeptor hinweisende Gasaustrittsfläche zu erreichen, besitzt die Gasaustrittsfläche eine Vielzahl von dort mündenden Öffnungen, denen Kanälen zugeordnet sind, die die Bodenplatte des Gaseinlassorganes durchdringen und in einem Gasvolumen entspringen, welches von einer Gaszuleitung mit dem Prozessgas gespeist wird. Diese duschkopfartige Gaszuführung in die Prozesskammer hat den Vorteil, dass dadurch ein homogenes Wachstum der Halbleiterschichten auf den auf dem Suszeptor liegenden Substraten möglich ist. Der Suszeptor wird von unten, also von der der Prozesskammer abgewandten Seite mittels einer Hochfrequenz-Spule induktiv beheizt. Der Suszeptor kann um seine Achse drehangetrieben werden.

In Journal of Crystal Growth 195(1998) 725-732 werden Überlegungen angestellt, welche Einflüsse von Drehzahl des Suszeptors und Abstand des Suszeptors von der Gasaustrittsfläche sowie Durchmesser des Suszeptors auf die Schichteigenschaften haben können. Das Ergebnis dieser Überlegungen ist, dass geringe Abstände zu optimalen Schichteigenschaften und zu einer erhöhten Effizienz der Ausnutzung der Prozessgase führen. Die besten Ergebnisse werden für Abstände vorausgesagt, die zwischen 16 und 25 mm liegen.

Die Zuführung des Prozessgases in die Prozesskammer erfolgt zufolge der düsenartig wirkenden Öffnungen strahlartig. Bei einer genügend großen Entfernung von Substrathalter zu Gasaustrittsöffnung macht sich die Wirkung der einzelnen Strahlen auf die Schichteigenschaften kaum bemerkbar. Die aus den Gasaustrittsöffnungen austretenden "Jets" relaxieren oberhalb der Diffusionsrandschicht und stoßen dort aneinander, so dass ein Einfluss auf die Schichthomogenität nicht entstehen kann. Etwaige Einflüsse können auch durch einen erhöhten Prozesskammerdruck reduziert werden. Während der Suszeptor auf eine relativ hohe Temperatur geheizt wird, muss das Gaseinlassorgan zur Vermeidung eines vorzeitigen Zerfalls der Prozessgase und parasitärer Depositionen gekühlt werden. Dies erfolgt beim Stand der Technik durch eine Wasserkühlung der Bodenplatte des Gaseinlassorganes. Bei einer Reduzierung der Prozesskammerhöhe besteht aber die Gefahr, dass aufgrund des sich erhöhenden Temperaturgradienten in vertikaler Richtung in der Prozesskammer und durch die dadurch veränderten Diffusions-Transport-Mechanismen trotzdem eine Belegung der Gasaustrittsflächen im Bereich zwischen den Öffnungen erfolgen kann. Die Öffnungen wirken wie Düsen. An den Öffnungsrändern kann es zu Strömungsabrissen kommen. Das Abreißverhalten hängt von der Größe der Reynoldszahl ab. Im Stand der Technik wurden schon konische oder kegelförmige Öffnungen vorgeschlagen. Auch damit lässt sich das Abreißen der Strömung nicht gänzlich vermeiden. Der Strömungsabriss hat zur Folge, dass sich zwischen zwei Düsen ein Raum ergibt, der gering durchströmt wird. Es entsteht zum Düsenstrahl ein dynamischer Druckunterschied. In Folge dessen kann sich in diesem Raum über die Diffusion die Konzentration der Ausgangsstoffe dort anreichern. Die Anreicherung kann die Kondensationstemperatur überschreiten. Dies hätte zur Folge, dass eine Kondensation in der Gasphase oder an der Oberfläche des Gaseinlassorganes stattfindet. Eine Erhöhung der Temperatur des Gaseinlassorganes verhindert zwar die Kondensation. Es kann aber zu einer lokalen Zerlegung der Ausgangsstoff dort kommen, was nicht erwünscht ist. Hierdurch kann parasitäres Wachstum einsetzen. Das dort abgeschiedene Material kann durch Abplatzen den CVD-Prozess negativ beeinflussen.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, Mittel anzugeben, um eine parasitäre Belegung an einem gattungsgemäßen Gaseinlassorgan zu vermeiden.

Gelöst wird die Aufgabe durch die in den Ansprüchen angegebene Erfindung, wobei der Anspruch 1 darauf abstellt, dass die Gasaustrittsfläche von einer gasdurchlässigen Diffuserplatte gebildet ist. Diese Diffuserplatte kann sich parallel zu einer eine Vielzahl siebartig angeordnete Gasaustrittsöffnungen aufweisenden Gasauslassplatte erstrecken. Diese Gasauslassplatte kann den Boden einer Kammer des Gaseinlassorganes ausbilden. Der Abstand zwischen dem Suszeptor und der Gasauslassfläche, also der Unterseite der Diffuserplatte beträgt bevorzugt weniger als 80 mm oder 50 mm. Dieser Abstand kann sogar weniger als 40 mm oder weniger als 30 mm betragen. Es ist auch vorgesehen, dass dieser Abstand geringer als 25 mm, 20 mm, 16 mm oder geringer als 11 mm ist. Die Prozesskammer wird von einem Gasauslassring umgeben. Dieser Gasauslassing hat eine Vielzahl von auf das Zentrum der kreisrunden Prozesskammer gerichteten Öffnungen, durch die das Gas aus der Prozesskammer in den Hohlraum des Gasauslassringes strömen kann. Der Gasauslassring besitzt ein oder mehrere Ableitungen, die zu einer Pumpe führen, deren Pumpleistung einstellbar ist, so dass der Totaldruck innerhalb der Prozesskammer einstellbar ist. Die Diffuserplatte kann bevorzugt aus einem porösen Material bestehen. Das poröse Material kann von einem metallischen Werkstoff, einem keramischen Werkstoff oder von Quarzglas gebildet sein. So kann die Diffuserplatte ein fester, offenporiger Schaum sein. Die Diffuserplatte kann aber auch von einem mehrlagigen Gewebe oder einem Wirrgelege gebildet sein. Wesentlich ist, dass die Diffuserplatte den an verschiedenen örtlich voneinander getrennten Positionen eingebrachten Gasstrom aufweitet, so dass in die Prozesskammer ein homogener Gasvorhang hinein strömt. Hierzu kann die Diffuserplatte in berührender Anlage unter der Gasauslassplatte des Gaseinlassorganes angeordnet sein. Da die Gasauslassplatte des Gaseinlassorganes gekühlt werden kann, wie es beispielsweise die DE 695 04 762 T2 beschreibt, wird zufolge der berührenden Anlage auch die Diffuserplatte gekühlt. Der Abstand der siebartig in der Gasauslassplatte vorgesehenen Öffnungen, kann zufolge dieser Ausgestaltung relativ groß gestaltet werden, so dass zwischen diesen Öffnungen, die von Röhrchen gebildet sein können, noch genügend Platz für ein kühlmitteldurchströmbares Volumen bleibt. Der Abstand der Öffnungen kann somit größer sein, als ein Viertel des Abstandes zwischen Suszeptor und Gasauslassfläche.

Der Abstand der Öffnungen der Gasauslassplatte kann sogar größer sein als es normalerweise notwendig ist, um ein Relaxieren der Jets, die aus den Öffnungen austreten, vor der Difussionsgrenzschicht zu erreichen. Obwohl aus diesen Öffnungen strahlartig das Gas in die Diffusorplatte einströmt, tritt das Gas mit einer verminderten Strömungsgeschwindigkeit, welche insbesondere über die gesamte Fläche der Gasauslassfläche gleich ist, in die Prozesskammer ein. Es gibt praktisch keine diskreten Strahlen mehr, die aus dem Gaseinlassorgan austreten. Die Materialstärke der Diffusorplatte kann so gewählt werden, dass deren Unterseite, die der Prozesskammer zugewandt ist, immer noch eine Temperatur besitzt, bei der keine lokalen Zerlegungen der Ausgangsstoffe stattfinden. Es findet somit auch kein limitierendes Wachstum statt. Typischerweise liegt die Temperatur der Diffusorplattenoberfläche zwischen 100°C und 300°C. Die Porosität und die Materialstärke sowie die Wärmeleitfähigkeit der Diffusorplatte kann den jeweiligen Prozessparametern und insbesondere an das Trägergas angepasst werden.

Zufolge der Diffusorplatte kann die Prozesskammerhöhe auf Werte reduziert werden, die kleiner sind als bei einer herkömmlichen Gestaltung der Gasaustrittsfläche. Dies ist insbesondere vorteilhaft beim Abscheiden von Halbleiterschichten mit dem MOCVD-Verfahren, bei dem das Wachstum diffusionslimitiert ist. Die Zuführung des Prozessgases erfolgt direkt in die Diffusionszone, und zwar homogen.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachfolgend anhand der beifügten Zeichnungen erläutert.
Das Reaktorgehäuse 1 besteht aus einem Gehäuseunterteil, welches aus der Wand 4 und dem Boden 5 besteht und einem Deckelteil 3, welches zum Beladen der Prozesskammer 6 abnehmbar ist. Am Deckelteil 3 ist fest ein Gaseinlassorgan 2 befestigt. Dieses Gaseinlassorgan 2 wird mittels einer Gaszuleitung 17 gespeist. Das Gaseinlassorgan 2 besitzt eine hohle Kammer, in welche die Gaszuleitung 17 mündet. Diese Kammer wird nach oben durch eine Deckelplatte 11, zur Seite hin durch einen kreisrunden Ring 12 und zur Prozesskammer 6 hin durch eine Gasauslassplatte 13 begrenzt. die Gasauslassplatte kann in der Form, wie es in der DE 695 04 762 T2 beschrieben ist, wassergekühlt sein. Sie kann auch aus zwei Platten 13', 13" bestehen zwischen denen Kühlmittel durchströmbare Kanäle angeordnet sind. Innerhalb der Kammer des Gaseinlassorganes 2 kann sich zur Förderung der gleichmäßigen Gasverteilung eine Zwischenplatte 10 befinden, die nur um den Rand herum umströmbar ist.
Unterhalb der Gasauslassplatte 13 befindet sich eine Diffuserplatte 15. Bei der Diffuserplatte 15 handelt es sich um eine Zusatzplatte, die in berührender Anlage unter die Gasauslassplatte 13 gebracht ist.
In einem Abstand H von der Gasaustrittsfläche, welche von der freien Oberfläche der Diffuserplatte 15 gebildet ist befindet sich in Parallellage zur Diffuserplatte 15 ein kreisrunder Suszeptor 7, der von unten mittels einer HF-Heizspule 16 induktiv beheizbar ist. Der Suszeptor 7, der beispielsweise aus Quarz, aus Graphit oder beschichtetem Graphit bestehen kann, ist um seine zentrale Achse drehbar. Er ist drehangetrieben. Auf der Oberfläche des Suszeptors 7, die zur Diffuserplatte 15 weist können ein oder mehrere Substrate 8 aufgebracht werden.
Die Prozesskammer 6 ist von einem Gasauslassring 9 umgeben. Dieser Gasauslassring besitzt einen ringförmigen Hohlraum, der zur Prozesskammer 6 hin Öffnungen aufweist, durch welche das Prozessgas in den Hohlraum des Gasauslassringes 9 hineinströmen kann. An einer oder mehreren Stellen besitzt der Gasauslassring 9 in der Zeichnung nicht dargestellt Ableitungen, die zu einer nicht dargestellten Pumpe führen. Die Pumpleistung ist regelbar. Dadurch kann innerhalb der Prozesskammer 6 ein vorgegebener Totalgasdruck eingestellt werden.
Die Diffusorplatte 15 kann aus einem porösen Material bestehen. Sie kann beispielsweise von einer Quarz-Fritte gebildet sein. Die Diffuserplatte kann aber auch aus Metall bestehen, insbesondere aus Edelstahl. Auch Keramik ist als Werkstoff vorgesehen. Die Diffuserplatte kann die Struktur eines offenporigen harten Schaumes haben. Die Diffuserplatte kann aber auch ein Wirrgelege oder ein mehrlagiges Gewebe sein.
Wesentlich an der Diffusorplatte 15 ist ihre Eigenschaft, das Lokal durch die Gaseinlassöffnungen 14 aus dem Gasvolumen des Gaseinlassorganes 2 ausströmende Gas, welches eine hohe Gasgeschwindigkeit besitzt, gleichmäßig in die Prozesskammer 6 hineinzuleiten. Das Gas, welches lokal durch die Öffnungen 14 austritt, wird breitflächig in die Prozesskammer 6 geleitet wobei die Gasgeschwindigkeit homogenisiert und reduziert wird, so dass die Strahlwirkung, die die Gasauslassöffnungen 14 ohne die Diffuserplatte entfalten würden, vermindert wird. Die beim Stand der Technik nachteilhaften Zonen geringer Strömungsgeschwindigkeit neben den aus den Öffnungen austretenden Strahlen existieren jetzt nicht mehr. Es findet dort keine Konzentrationserhöhung statt und somit keine Kondensation. Die Temperatur auf der Unterseite der Diffusorplatte ist so gewählt, dass dort keine lokale Zerlegung der Ausgangsstoffe stattfindet. Die Temperatur liegt bevorzugt zwischen 100°C und 300°C. Die Materialstärke und die Porosität der Diffusorplatte wird so gewählt, dass sich die aus den einzelnen Gasauslassöffnungen 14 austretenden Gas-"Strahlen" aufweiten.
Die Diffusorplatte 15 liegt in enger berührender Anlage an die insbesondere wassergekühlte Gasauslassplatte 13. Hierdurch wird auch die Diffuserplatte 15 auf einer relativ niedrigen Temperatur gehalten, so dass sich in der Prozesskammer 6 ein großer vertikaler Temperaturgradient einstellen kann.
Die Vorrichtung kann bei Totalgasdrucken zwischen 10 mbar und Atmosphärendruck betrieben werden. Es ist aber auch vorgesehen, dass die Vorrichtung bei niedrigeren Drücken betrieben wird. Die Drehzahl des Suszeptors kann zwischen 10 rpm und 1000 rpm liegen. In die Prozesskammer, die eine Höhe von bevorzugt 50 mm und einen Durchmesser von mehr als 10, 20 oder 30 cm besitzt, kann ein Totalgasstrom von 8 slm bis 50 slm eingeleitet werden. Die Höhe der Prozesskammer kann aber auch weniger als 50 mm betragen. So sind Prozesskammerhöhen von 75, 50, 40, 35, 30, 25, 15, 11 oder jeweils weniger Millimeter möglich.
Unter bestimmten Bedingungen kann es erforderlich sein, dass die Höhe H nicht nur nach oben hin limitiert ist, sondern auch nach unten hin. Eine solche Limitierung nach unten ist insbesondere dann vorgesehen, wenn aufgrund von Fertigungstoleranzen oder aufgrund der Materialeigenschaften und deren inhomogener Wärmeausdehnung eine Parallellage zwischen Gasaustrittsfläche 15 und Substrathalter-Oberfläche nicht gewährleistet werden kann. Dann ist es von Vorteil, wenn die Prozesskammerhöhe 11 mm nicht unterschreitet.
Alle offenbarten Merkmale sind (für sich) erfindungswesentlich. In die Offenbarung der Anmeldung wird hiermit auch der Offenbarungsinhalt der zugehörigen/beigefügten Prioritätsunterlagen (Abschrift der Voranmeldung) vollinhaltlich mit einbezogen, auch zu dem Zweck, Merkmale dieser Unterlagen in Ansprüche vorliegender Anmeldung mit aufzunehmen.

Claims

1. Vorrichtung zum Abscheiden von dünnen Schichten auf einem Substrat, mit einer in einem Reaktorgehäuse (1) angeordneten Prozesskammer (6) deren Boden von einem Suszeptor (7) zur Aufnahme mindestens eines Substrates gebildet ist und deren Deckel ein Gaseinlassorgan (2) zugeordnet ist, auf welchem in im Wesentlichen flächiger Gleichverteilung über seiner gesamten auf den Suszeptor hinweisenden Gasaustrittsfläche das Prozessgas in die Prozesskammer einleitbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Gasaustrittsfläche von einer gasdurchlässigen Diffuserplatte (15) gebildet ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder insbesondere danach, dadurch gekennzeichnet, dass die Diffuserplatte (15) sich parallel zu einer eine Vielzahl siebartig angeordnete Gasaustrittsöffnungen (14) aufweisenden Gasauslassplatte (13) erstreckt.

3. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche oder insbesondere danach, dadurch kennzeichnet, dass die Gasauslassplatte (13) den Boden einer Kammer des Gaseinlassorganes (2) bildet.

4. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche oder insbesondere danach, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand (H) zwischen dem Suszeptor (7) und der Gasauslassfläche weniger als 50 mm, weniger als 40 mm, weniger als 30 mm, weniger als 25 mm, weniger als 16 mm oder, weniger als 11 mm beträgt.

5. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche oder insbesondere danach, gekennzeichnet durch einen die Prozesskammer (2) ringförmig umgebenden Gasauslassring (9).

6. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche oder insbesondere danach, dadurch gekennzeichnet, dass die Diffuserplatte (15) aus einem porösen metallischen oder keramischen Werkstoff oder aus Quarzglas besteht.

7. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche oder insbesondere danach, dadurch gekennzeichnet, dass die Diffuserplatte (15) ein fester, offenporiger Schaum ist.

8. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche oder insbesondere danach, dadurch gekennzeichnet, dass die Diffuserplatte (15) ein Gewebe oder ein Wirrgelege ist.

9. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche oder insbesondere danach, dadurch gekennzeichnet, dass die Diffuserplatte (15) in berührender Anlage unter der insbesondere wassergekühlten Gasauslassplatte (13) angeordnet ist.

10. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche oder insbesondere danach, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand der Öffnungen der Gasauslassplatte (13) größer ist als die Hälfte des Abstandes (H) zwischen Suszeptor und Gasaustrittsfläche der Diffuserplatte (15).

11. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche oder insbesondere danach, dadurch gekennzeichnet, dass die Dicke der Diffuserplatte 3, 5, 7, 9 oder 11 mm beträgt.