DE1619998B2

DE1619998B2 - Vorrichtung zum thermischen behandeln von scheibenfoermigen halbleiterkoerpern

Info

Publication number: DE1619998B2
Application number: DE1967S0109233
Authority: DE
Inventors: Albert 8192 Gartenberg; Sußmann Erhard Dipl.-Ing. 8011 Poing Walther
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1967-04-07
Filing date: 1967-04-07
Publication date: 1976-07-29
Also published as: US3536892A; GB1181936A; DE1619998A1; NL6800452A; FR1558823A

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum thermischen Behandeln von scheibenförmigen Halbleiterkörpern, die am Boden eines zylindrischen Behandlungsgefäßes angeordnet sind, mit einer unterhalb dieses Bodens befindlichen, flächenhaft ausgedehnten und mit ihrer Oberseite sich parallel zu den zu behandelnden Scheiben erstreckenden Heizvorrichtung, die mittels ihrer Stromzuführungselektroden gehaltert ist.

Solche Vorrichtungen sind beispielsweise in der DT-OS 16 44 017 und in der DT-AS 12 16 851 beschrieben.

Zum Herstellen von Halbleiterbauelementen, z. B. aus Silicium, wird häufig' das als Epitaxie bekannte Verfahren angewendet. Dieses Verfahren besteht darin, daß man scheibenförmige Halbleiterkristalle, insbesondere Einkristalle, auf eine hohe, jedoch unterhalb des Schmelzpunktes des Halbleiters liegende Temperatur aufheizt und gleichzeitig über die Scheiben ein Reaktionsgas hinwegleitet, welches bei der Temperatur der Scheiben den betreffenden Halbleiter auf den Scheiben in vorzugsweise einkristallinem Zustand niederschlägt. Die Beheizung der Halbleiterscheiben erfolgt vornehmlich auf elektrischem Wege, indem z. B. diese Scheiben während des Abscheidevorganges mit einem aus hitzebeständigem, leitendem Material bestehenden, von einem elektrischen Heizstrom durchflossenen Träger und Heizer in direkter Berührung oder über eine isolierende Zwischenschicht in mittelbarem Kontakt gehalten werden. Natürlich sind auch andere Beheizungsarten möglich. Als Reaktionsgas verwendet man aus verschiedenen bekannten Gründen zweckmäßig eine Halogen- oder Halogen-Hydrid-Verbindung des darzustellenden Elementes. Dieser aktive Bestandteil wird zweckmäßig mit Wasserstoff, gegebenenfalls auch mit einem Inertgas, verdünnt. Häufig werden auch dotierende Zusätze in definierter Konzentration zum Reaktionsgas angewendet.

Bei der Herstellung von Halbleiterbauelementen durch Epitaxie werden hohe Gleichmäßigkeiten der abgeschiedenen Schichten bezüglich ihrer Stärken und Dotierungen verlangt. Eine der hierfür notwendigen Voraussetzungen ist eine äußerst gleichmäßige Aufheizung der zu behandelnden Halbleiterscheiben. Die andere ist die, Wärmeverluste auszugleichen.
Man hat dazu drei Möglichkeiten:

1. Die Stromzuführungselektroden werden so dimensioniert, daß die in ihnen entstehende Joulesche Wärme die durch Wärmeableitung bedingten Verluste ausgleicht;

2. man verwendet einen Teil der von der Heizvorrichtung abgestrahlten, jedoch nicht zur Erhitzung der

ίο zu behandelnden Halbleiterscheiben dienenden Wärmeenergie dazu, um die besagten Wärmeverluste durch die Elektroden zu kompensieren. Beispielsweise kann die an der Unterseite der Heizvorrichtung abgestrahlte Wärmeenergie ganz oder teilweise durch Reflexion der Anschlußstellen der Stromzuleitungselektroden zugeführt werden;

3. man kann zusätzliche Hilfswärmequellen in der Nähe der Anschlußstellen der Stromzuleitungselektroden anordnen, welche den genannten Wärmeverlusten entgegenwirken.

Demgemäß wird nach der Erfindung vorgeschlagen, daß unter der Heizvorrichtung mindestens ein Strahlungsschirm oder mindestens eine zusätzliche Heizvorrichtung vorgesehen ist, oder daß die Stromzuführungen so dimensioniert sind, daß die in ihnen während des Betriebes entstehende Joulesche Wärme die durch Wärmeableitung bedingten Verluste ausgleicht.

Wichtig ist, daß die besagten, eine lokale Kühlung des Heizers bedingenden Wärmeverluste durch die genannten Maßnahmen zwar möglichst ausgeglichen, jedoch nicht so weit überkompensiert werden, daß durch solche Maßnahmen bedingte eventuelle Temperaturerhöhungen zu solchen Temperaturunterschieden führen, daß die auszugleichenden Temperaturunterschiede lediglich ihr Vorzeichen gewechselt haben, ohne daß hierdurch eine Verminderung des Betrages dieser Temperaturunterschiede eingetreten ist.

Eine der Erfindung entsprechende Vorrichtung ist in der Zeichnung dargestellt. Diese Vorrichtung dient vornehmlich der epitaktischen Beschichtung von Halbleiterscheiben. Es wird jedoch verständlich, daß die dargestellte Apparatur z. B. auch zum Dotieren von Halbleiterscheiben aus der Gasphase verwendet werden kann.

Der zylindrische Reaktionsraum 1 wird von unten von einem topfförmigen Unterteil 2 und einem zylindrischen Oberteil 3 umschlossen. Diese Teile bestehen zweckmäßig aus Quarz. Es empfiehlt sich, wenn sämtliche sich während des Betriebes stark erwärmenden Teile des Behandlungsgefäßes, insbesondere der Boden des Reaktionsgefäßes, aus einer im Spektralbereich von 2,6 bis 2_;8 μ möglichst absorptionsfreien SiO2-Sorte bestehen. Oben wird der Reaktionsraum 1 von einem Deckel 4, z. B. aus Edelstahl, abgeschlossen. Die zu beschichtenden, insbesondere aus monokristallinem Halbleitermaterial, z. B. Silicium, bestehenden Scheiben 5 sind am ebenen Boden des topfförmigen Unterteiles 2 angeordnet. Die Beheizung der Scheiben erfolgt von unten, wobei die erforderliche Wärme von einem stromdurchflossenen Heizelement 6 geliefert wird. Das Unterteil 2 des Reaktionsraumes 1 sowie 'die' Heizvorrichtung 6 befinden sich zweckmäßig in einem gekühlten Heizertopf 8 aus Metall. Die Zufuhr für das frische Reaktionsgas, oder sonstige Behandlungsgas, sowie die Abfuhr des verbrauchten Gases erfolgt zweckmäßig von bzw. nach oben. Zu diesem Zweck sind ein Gaszuführungsrohr 9 zentral durch den Metalldeckel 4 und konzentrisch hierzu eine Anzahl von Gasaustritts-

öffnungen 10 vorgesehen. Im Beispielsfalle ist das Gaszuführungsrohr bewegbar im Deckel 4 gelagert. Gleichzeitig ist für eine gasdichte Verbindung zwischen dem Rohr 9 und dem Deckel 4 gesorgt. Hierzu dient eine das Rohr 9 ringförmig umschließende Dichtung 11 aus chemisch und thermisch widerstandsfähigem, elastischem Material. Sie wird im Beispielsfalle durch einen Druckring 12 sowohl gegen ein Widerlager im Deckel 4 als gegen das Zuleitungsrohr 9 gedrückt. An der Außenseite des Zuleitungsrohres (s. den gebogenen Pfeil in der Zeichnung) können Mittel wirksam sein, welche eine Bewegung des Rohres bewirken. Das Gaszuführungsrohr 9 ist im Innern des reaktionsraumes von einer schalenförmig nach oben gestülpten Schutzmanschette 13 umgeben, und mit ihr starr verbunden. Diese Manschette dient als Strahlungsschutz gegen zu starke Erwärmung des Deckels 4. Außerdem fängt sie die sich bevorzugt am kühleren Deckel 4 bildenden, als Störkeime wirksamen Partikeln ab, wenn die Anordnung für epitaktische Zwecke herangezogen wird. Schließlich ist es im Interesse der Reinheit des Reaktionsgases zweckmäßig, wenn für den Fall, daß das Unterteil 2 und der obere Teil 3 des Reaktionsgefäßes voneinander gelöst werden können, das Gaszuführungsrohr 9 stets in den unteren Teil 2 hineinragt.

Zwischen dem Heizelement 6 und dem die zu beschichtenden Scheiben 5 tragenden Boden des Reaktionsgefäßes (die Wand des Bodens soll gleiche Wandstärke aufweisen) ist eine Temperaturausgleichsplatte vorgesehen. Falls der Querschnitt des Reaktionsgefäßes 2 ein Kreis ist, sind auch die horizontalen Querschnitte der Temperaturausgleichsplatte 7 und des Heizelementes 6 — sofern man von einer durch die Windung eines gestreckten Leiters bedingten Unterstruktur absieht — als im Hinblick auf den äußeren Umfang ebenfalls kreisförmig.

Die Erfindung bezieht sich nun auf die spezielle Ausgestaltung der Heizvorrichtung 6 bzw. der sie kontaktierenden Stromzuführungen 6a.

Der Heizer besteht bevorzugt aus einem aus hitzebeständigem Material wie Kohle, Graphit, Molybdän, Tantal od. dgl. bestehenden Leiter mit gleichförmigem, vorzugsweise rechteckigem oder rundem Querschnitt, der — zweckmäßig in einer einzigen — Ebene parallel zur Erstreckung der zu erhitzenden Halbleiterscheiben 5 spiralig oder vorzugsweise mäanderförmig gewunden ist. Die Windungen sind dabei so dicht geführt, daß sich oberhalb des Heizers 6 eine möglichst homogene Temperaturverteilung ergibt. Aus dem gleichen Grunde sind die einzelnen Windungen des Heizers — vorzugsweise durch einen dünnen Luftspalt — gegeneinander isoliert, um eine möglichst gleiche Stromdichte über die gesamte Oberseite des Heizers zu erreichen. Die Windungen des Heizers sind zweckmäßig gegen die Peripherie des Heizers hin etwas verjüngt, um den Randabfall der Temperatur im Gebiet oberhalb des Heizers möglichst flach verlaufen zu lassen. Die Windungen des Heizers 6 schneiden an ihrer Oberseite an einer parallel zu den Scheiben 5 sowie zum Boden des Behandlungsraumes verlaufenden Ebene ab. Die Temperaturausgleichsplatte 7 ist ebenfalls parallel zu dieser Ebene angeordnet. Sie besitzt den im horizontalen Querschnitt in F i g. 2 dargestellten mäanderförmigen Verlauf. In F i g. 2 sind ferner die Stellen der Anschlußelektroden 6a angedeutet Entsprechend der Lehre der Erfindung sind Strahlungsschirme 13 angeordnet, welche einen Teil der nach unten abgestrahlten Wärme wieder der Heizvorrichtung in der Umgebung der Anschlußstellen für die Stromzuführungselektroden 6a durch Strahlung und Leitung über diese Zuführungselektroden zurückführen. Für die elektrischen Zuleitungen sind folgende Überlegungen zweckmäßig:

In F i g. 3 sind die Abmessungen einer Stromzuleitung 6a dargestellt, die die Heizvorrichtung 6 trägt Wie aus dieser Figur ersichtlich, kann diese Stromzuleitung aus Teilen mit unterschiedlichen Querschnitten für den Stromfluß bestehen. Besteht die Stromzuführung beispielsweise aus Teilen mit den Querschnitten Fi, F₂, Fz und den zugehörigen Längen I₁, k und h und ist 71 die Temperatur des Heizers 6 und T₂ die Temperatur am anderen Ende der Elektrodenzuführung, so gilt für den Strom /die Beziehung

J²-β

λ ■ (T₁ - T₂)

Hierbei wird vorausgesetzt, daß der Querschnitt (Fi und F₃) der Stromzuführungen an den Enden größer als in der Mitte (F₂) ist. In der Formel bedeuten noch ρ den spezifischen Widerstand der (aus homogenen Material bestehenden) elektrischen Zuleitung 6a und λ das spezifische Wärmeleitvermögen dieses Materials. Wenn, wie im Beispielsfalle, Fi = F3 und I₁ = I₃ ist, so folgt:

T₁ -T₂) = F₁-F₂J₁-I₂,

r2 J Q .

oder, falls

F₁ = F₂ = F₃ = F und I₁ = I₂ = I₃
J² ■<?:;.-(T₁ -T₂) = F²:P.

Schließlich können noch Heizvorrichtungen, z. B. Heizspiralen 14, in der Nähe der Kontaktanschlußstellen unterhalb der Heizvorrichtung 6 angeordnet sein, welche die Wärmeverluste durch Ableitung längs der Elektroden neutralisieren. Es empfiehlt sich auch in diesem Falle, daß die Heizvorrichtung in einem inerten Gas betrieben wird, um die Oxydation des Heizers und gegebenenfalls auch der Heizspiralen zu unterbinden.

Zu bemerken ist noch, daß es günstig ist, wenn ein Teil der vom Heizer nach unten abgestrahlten Wärmeenergie auf absorbierenden, die Wärme gut leitenden, an den Stromzuführungen befestigten Strahlungsschienen aufgefangen und durch Wärmeleitung den Stromzuführungselektroden zugeleitet wird, um diese möglichst weit in Richtung auf die Heizertemperatur zusätzlich zu erwärmen. Auf diese Weise wird nämlich der Wärmefluß vom Heizer 6 in die Stromleitungen 6a reduziert.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Vorrichtung zum thermischen Behandeln von scheibenförmigen Halbleiterkörpern, die am Boden eines zylindrischen Behandlungsgefäßes angeordnet sind, mit einer unterhalb dieses Bodens befindlichen, flächenhaft ausgedehnten und mit ihrer Oberseite sich parallel zu den zu behandelnden Scheiben erstreckenden Heizvorrichtung, die mittels ihrer Stromzuführungselektroden gehaltert ist, dadurch gekennzeichnet, daß unter der Heizvorrichtung mindestens eine Strahlungsschirm oder mindestens eine zusätzliche Heizvorrichtung vorgesehen ist, oder daß die Stromzuführungen so dimensioniert sind, daß die in ihnen während des Betriebes entstehende Joulesche Wärme die durch Wärmeableitung bedingten Verluste ausgleicht.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Strahlungsschirm wärmeleitend mit der Heizvorrichtung verbunden ist.