DE1621394A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Erhitzen und/oder Beschichten von Werkstuecken - Google Patents

Verfahren und Vorrichtung zum Erhitzen und/oder Beschichten von Werkstuecken

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DE1621394A1 DE19671621394 DE1621394A DE1621394A1 DE 1621394 A1 DE1621394 A1 DE 1621394A1 DE 19671621394 DE19671621394 DE 19671621394 DE 1621394 A DE1621394 A DE 1621394A DE 1621394 A1 DE1621394 A1 DE 1621394A1
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Description

WESTERN ELECTRIC COMPANY Incorporated T. P9 Briody
Verfahren und Vorrichtung zum Erhitzen und/oder Beschichten von Werkstücken
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Erhitzen tind/oder Beschichten von Werkstücken, insbesondere zum Erzeugen epitaktischer Halbleiters chichten auf Halbleiterscheibchen. Allgemeines ErfJndungsziel ist es demgemäß, ein neue und verbessertes Verfahren dieser Art sowie eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens verfügbar zu machen.
Die Herstellung epitaktisch beschichteter Halbleiterscheibchen, z. B. Silizium, erfordert spezielle Methoden, um hohe Gleichförmigkeit der niedergeschlagenen Materialschicht sicherzustellen. Beispielsweise sind in der französischen Patentschrift 1 396 743 (vergleiche auch die entsprechende britische Patentschrift 1 063 834) Verfahren und Vorrichtungen beschrieben, nach denen Siliziumscheiben auf einer horizontalen kreisförmigen Heizplatte angeordnet werden, die dann um jhre Hauptachse gedreht wird. Dabei ist die Platte innerhalb einer glockenförmigen Kammer angeordnet und wird innerhalb der Kammer durch eine
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»er
benachbart zu ihr gelegene Hochfrequenz-Flachspule induktiv beheizt. Ein Trägergas (beispielsweise Wasserstoff), das mit einem Halogenid des betreffenden Halbleiters (z#B. Siliziumtetrachlorid) gesättigt ist, wird von unten her eingeführt und strömt dann längs der Achse der sich drehenden Heizplatte durch eine Mittelöffnung derselben nach oben. Mit dieser Anordnung konnten zwar epitaktisch beschichtete Halbleiterscheiben hoher Qualität und hoher Gleichförmigkeit erzeugt werden, aber die Anzahl der Scheibchen, die hierbei gleichförmig behandelt werden können, ist beschränkt, sie liegt beispielsweise bei bestenfalls 20 Scheiben mit einem Durchmesser von je etwa 3, 2 cm,
Andere handelsübliche Vorrichtungen, in denen größere Mengen, etwa 60 « 70 Scheibchen eines Durchmessers von je etwa 3, 2 cm , behandelt werden können, haben den allgemeinen Nachteil, daß die Scheibeben nicht gleichförmige epitaktische Niederschläge erhalten.
Bei der Erzeugung einer epitaktischen Siliziumschicht auf Siliziumscheiben ist es für eine großtechnische Herstellung zwingendes Erfordernis, daß das Silizium gleichförmig niedergeschlagen wird. Mit den bisherigen Epitaxie-Reaktionskammern war es unmöglich, große Mengen an Siliziumscheihen so zu bearbeiten, daß man gleichförmigen Niederschlag auch auf allen Scheiben erhielt.
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Aufgäbe der Erfihdung ist es daher, ein neues und verbessertes Verfahren sowie eine Vorrichtung zum Erhitzen und/oder Beschichten großer Mengen an Werkstücken in gleichförmiger Weise bereitzustellen* insbesondere ein Verfahren und eine Vorrichtung zum gleichförmigen Erzeugen epitaktischer Niederschläge auf großen Anzahlen von Halbleiterscheibchen.
Die erfindungsgemäße Lösung dieser Aufgabe ist in den Ansprüchen gekennzeichnet.
Nach einer Ausführungsform„der Erfindung ist eine hohle zylindrische Trommel vorgesehen, an deren Innenfläche eine Mehrzahl Werkstücke, z.B. Halbleiterscheibchen, gehaltert sind. Die Trommel ist aus einem Material, z. B. aus Graphit, aufgebaut, daö eine induktive Beheizung der Trommel erlaubt. Die Trommel besitzt an ihrer Innenfläche eine Mehrzahl Vertiefungen oder Taschen, die mit ebenen Anlageflächen für ebene Scheibchen versehen sind. Diese Anlageflächen sind gegenüber der Trommelachse um einen kleinen spitzen Winkel, z.B. 3 , geneigt. Die Werksi^ickaufnahmetaschen können in einer oder mehreren Reihen längs des Trommelinnenumfangs verteilt sein. Die Trommel wird innerhalb einer glockenförmigen Kammer gedreht. Ein Reaktionsgas zum Erzeugen eines epitaktischen Halbleiterniederschlags auf den Scheibchen kann ein Trägergas, z.B., Wasserstoff, sein, das
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mit einem Halogenid des betreffenden Halbleiters, z.B. Siliziumtetrachlorid, gesättigt ist.
Während des Beschichtungsvorgangs wird die hohle Trommel um ihre vertikale Längsachse mit Hilfe eines geeigneten Antriebs gedreht. Eine Induktionsspule umgibt die glockenförmige Kammer und dient zur induktiven Beheizung der Trommel. Die Vorrichtung ist durch einen Faradeykäfig elektrisch abgeschirmt, um unerwünschte elektrostatische Wechselwirkungen zu verhindern.
Die Werkstücke (z. B. die Halbleiterscheibchen) können dadurch erhitzt und/oder mit einem geeigneten Material (zeB. im Epitaxieverfahren) beschichtet werden, daß die Werkstücke unter dem Einfluß der Zentrifugalkraft gegen die AufLageflächen eines induktiv beheizten Trägers angedrückt werden, so daß die Werkstücke vom Träger durch Wärmeleitung erhitzt werden. Dabei können die Werkstücke an entsprechend geneigten, vertieft gelegenen Flächen auf der Innenseite einer hohlen drehbaren Trommel angeordnet sein, und die Trommel wird unter senkrechter Orientierung um ihre Längsachse gedreht, so daß die Zentrifugalkraft die Werkstücke zur satten Anlage an deren Auflageflächen drängt. Die Trommel ist von einer glockenförmigen Kammer eingeschlossen und wird von außen her induktiv beheizt, um die Werkstücke durch Wärmeleitung aufzuheizen,,, Die glockenförmige Kammer ist von
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einem Faradeykäfig eingeschlossen, und kann an einer Führung angehoben und abgesenkt werden, um es dem Bedienungspersonal zu ermöglichen, die erhitzten und/oder beschichteten Werkstücke aus der Trommel zu entnehmen und durch neue zu ersetzen. Das Reaktionsgas, beispielsweise mit Siliziumtetrachlorid gesättigter Wasserstoff, das zum Beschichten der Werkstücke verwendet wird, wird längs der Hauptachse in die glockenförmige Kammer eingeführt, wodurch eine Verteilung des Gases derart bewirkt wird, daß hiervon die exponierten Flächen der Scheibchen gleichförmig beeinfluß werden.
Im folgenden ist die Erfindung anhand der Zeichnung beschrieben; es feeigen
Fig. 1 eine Sxhnittansicht durch eine Niederschlagsapparatur,
Fig. 2 eine perspektivische Teilansicht der Anordnung nach Fig. 1,
Fig. 3 eine Schnittansicht längs der Linie 3»3 in Fig. 2,
Fig. 4 eine Ansicht einer abgewandelten Ausführungsform,
Fig. 5 eine perspektivische Teilansicht der Anordnung nach Fig. 4.
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Das in den Fig. 1-3 dargestellte Ausführungsbeispiel ist eine Vorrichtung zum Erhitzen und/oder Beschichten von Werkstücken, beispielsweise einer Mehrzahl Siliziumscheiben 10 im Epitaxieverfahren, Die Abmessungen eines typischen Scheibchens sind etwa 3, 2 cm Durchmesser bei einer Dicke von 0,14 - 0,17 mm. Die Anordnung weist einen Epitaxiereaktor 11 hoher Leistung auf. Der Reaktor 11 ist auf einem Grundglied" 12 aufgebaut, auf dem eine entsprechend angepaßte Vakuumglocke 13 sitzt. Die Glocke besteht aus nichtreagierendem, warmfestem Material, z. B. aus Quarz. Innerhslb der Glocke ist eine drehbare horizontale Platte 14, vorzugsweise aus Quarz, vorgesehen, die einen hohlen trommeiförmigen Werkstückhalter 16 trägt. Letzterer hat vertieft gelegene, geneigte Teile 17, von denen ein jedes eine der Scheibchen 10 haltert. Bei der Ausführungsform nach Fig. 1 ist die Trommel 16 aus einer Mehrzahl lösbar übereinander gestapelter Ringglieder 15 aufgebaut, die aus einem induktiv beheizbarem Material, z. B. aus Graphit, bestehen. Jeder vertieftgelegene Teü 17 besitzt eine plane fläche 18, die gegenüber der Vertikalen um einen kleiien Winkel φ verschieden ist. Dieser Winkel ist
V ο
-J vorteilhaft kleiner als 15 und liegt bevorzugt in der Gegend von
3 . Jede der Vertiefungen 17 besitzt eine die Fläche 18 umgebende U-förmige Wand 19, so daß Taschen zum Halten der Siliziumscheibchen 10 entstehen. Abstandshalter sind in längs den Rändern der Graphitringe 15 vorgesehenen Löchern 22 eingesetzt, um die Ringe zu einer einzigen Trommel 16 zusammenzufügen. 10 9 82 3/ 0183 . bad original
Die Tragplatte 14 ist an. einem Ende eines Trag-Quarzrohres 23 befestigt. Das untere Ende des Tragrohres 23 ist an öinem Flansch 24 einer Hohlwelle 26 festgelegt. Letztere ist mit Hilfe eines vakuumdichten Lagers 27 am Grundglied 12 drehbar gelagert. Ein Gaszuführungsrohr 28 aus Quarz verläuft, koaxial zur Welle 26, von unterhalb der Mitte der Trommel 16 ab längs deren Hauptachse nach unten durch das Rohr 23 und die Hohlwelle 26 zu einem Einlaß 29, von wo aus Gas in die Glocke 13 des Reaktors 11 eingeführt wird.
Eine Vakuumpumpe 31 ist an'das Grundglied 12 zur Evakuierung der Glocke 13 angeschlossen.
Ein Zahnrad 34 sitzt auf der Hohlwelle 26 und kämmt mit einem zweiten Zahnrad 36, das auf einer Antriebswelle 27 sitzto Ein Motor, der außerhalb des Reaktors 11 liegt,, ist über eine Magnetkupplung 39 an die Welle 37 zur Drehung des trommeiförmigen Werkstückhalters 16 angekuppelt.
Verschiedene horizontale Quarzglieder 40 liegen zwischen dem Grundglied 12 und der drehbaren Tragplatte 14, die die Wärme zur Trommel 16 zurückreflektieren, so daß der Temperaturverlauf in der ganzen Trommel 16 gleichförmig bleibt«,
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Ein Heiz-Induktions spule 41, die koaxial zu den Graphitringen gelegen ist, umgibt die Glocke 13 von außen. Zur Beheizung der Graphitringe 15 wird der Induktionsspule 41 Hochfrequenzenergie zugeführt. Als Folge hiervon werden die in den Taschen 17 gehaltenen Scheibchen 10 durch Wärmeleitung von der Trommel erhitzt. Beispielsweise können die Graphitringe durch Hochfrequenzenergie von etwa 100 kW bei 10 kHz beheizt werden. Ein Farad^rkäfig 42, der durch ein Kühlmittel, beispielsweise Wasser, gekühlt wird, umgibt die Induktionsspule 41, um unerwünschte elektrostatische Wechselwirkungen zu begrenzen, die durch die abgestrahlte Energie der Induktionsspule 41 erzeugt wird. Gleichzeitig dient der Faraday-käfig 42 auch als Wärmeabschirmung, um die Arbeitsbedingungen in der Nähe des Reaktors erträglich zu halten.
Der Faradaykäfig 42, die Induktionsspule 41 und die Glocke 13 sind zu einem Bauteil mit Hilfe von Festklemmgliedern 43 vereinigt, so daß sie gemeinsam an entsprechenden Führungsstangen 44 angehoben öder abgesenkt werdenkönnen.
Ein Abschnitt eines Ring 15 ist in Fig. 2 dargestellt. Der vertieft gelegene Teil 17 weist eine ebene Fläche 18 auf, die unter einem, kleinen spitzen Winkel φ (beispielsweise 3 ) gegen die Hauptachse geneigt ist und von einer Unförmigen Wand 19 um-
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geben ist, so daß eine Tasche zur Aufnahme eines Scheibchens 10 entsteht. Die Fläche 18 ist deswegen geneigt (Fig. 3) um das Scheibchen 10 auch bei sich nichtdrehender Trommel zu halten.
Bei einer Ausführungsform hat jeder der Ringe 15 einen Durchmesser von etwa 28 cm, und eine Reihe solcher Taschen, beispielsweise 20 Stück, sind, längs seines Innenumfangs verteilt, vorgesehen. Mehrere solche Ringe 15 können in der in Fig. 1 dargestellten Weise zur Bildung einer einzelnen Trommel 16 aufeinander gestapelt sein,—so daß bei einem Stapel von fünf Ringen 100 Scheibchen gleichzeitig behandelt werden können.
Die Betriebsweise ist die folgende. Anfänglich werden die Glocke 13, die Induktionsspule 41 und der Faradaykäfig 42 gemeinsam an den Führungsstangen 44 hochgeschoben. Jeder der die Trommel 16 bildenden Graphitringe 15 kann leicht abgenommen werden, so daß die Halbleiterscheibchen 10 in die Taschen 17 der Ringe 15 ohne Schwierigkeiten eingesetzt werden können. Der unterste Graphitring 15 sitzt auf Abstandshaltern 21, die an der Tragplatte 14 angeordnet sind. Jeder nachfolgende Graphitring 15 sitzt auf ähnlichen Abstandshaltern 21, die in entsprechende Löcher 22 des darunterliegenden Graphitrings eingesetzt sind.
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Anstelle die einzelnen Ringe zum Einsetzen der Scheibchen abzunehmen und dann wieder aufeinander zu stapeln können die Scheibchen auch direkt in die Trommel eingesetzt werden.
Danach werden die Teile 13, 41 und 42 abgesenkt bis die Dichtung zwischen der Glocke 13 und dem Grundglied 12 hergestellt ist. Sodann wird die Glocke 13 mit Hilfe der Vakuumpumpe 31 evakuiert. Danach wird inertes Gas, z.B. Stickstoff·oder Helium, bis auf Atmosphähendruck eingeführt. Sodann wird die Induktionsspule ' eingeschaltet, um die Graphitringe 15 zu beheizen, während
Waäserstoff zur Schaffung einer für das Epitaxie-Nie der schlagverfahr en geeigneten Atmosphäre in die Glocke 13 eingeführt wird. Gleichzeitig wird Kühlmittel, z.B. Wasser, durch den Faradaykäfig 42 geschickt, um übermäßige Erhitzung zu vermeiden.
Der Motor 38 wird eingeschaltet und die Ringe 15 beginnen sich als Einheit zu drehen.
Typischerweise ist die Mo tor drehzahl so ausgelegt, daß sich die Graphitringe 15 zwischen 10 und 200 Upm drehen.
.'j Ein Trägergas, beispielsweise Wasserstoff, der mit einem
Halogenid des betreffenden Halbleiters gesättigt ist, z.B. eine l%ige Mischung von Siliziumtetrachlorid, wird über den Einlaß
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eingeführt. Dieses Gas wird über das Quarzrohr 28, das sich nicht dreht, im Glockeninneren verteilt.
Ein vollständiger Niederschlagszyklus benötigt etwa annähernd 2 Stunden für die Aufheizung, die Stabilisierung und den eigentlichen Niederschlag. Die Niederschlags zeit zur Erzeugung der epitaktischen Niederschläge (typischerweise 7-14 Mikron dick) mi relativ kurz; die Niederschlagsgeschwindigkeit liegt bevorzugt bei einem Mikron pro Minute.
Fig. 4 zeigt eine alternative Ausführungsform eines induktiv zu beheizenden Werkstückhalters, der nachstehend als Behälter bezeichnet werden soll,- Der Behälter 50 ist eine einteilige Einheit in Form einer hohlen Trommel mit Taschen 51 (Fig. 5), in denen Halbleiterscheibchen 11 untergebracht werden9 Die Taschen 51 sind in Reihen 52 - 57 angeordnet. Jede der Reihen 52 - 57 enthält gleichmäßig längs des Innenumfangs des Behälters 50 auf Abstand verteilte Taschen 51. Beispielsweise sind (Fig. 4) 6 Reihen zu 20 Taschen vorgesehen, die insgesamt 120 Scheibchen für eine gleichzeitige Behandlung aufnehmen.
Fig. 5 zeigt eine kreisförmige Tasche zur Aufnahme eines Scheibchens 10. Die kreisförmige Tasche 51 ist nur eine von zahlreichen möglichen Formen,, Andere Taschenformenj beispielsweise die
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U-förmige Tasche nach Fig. 2 können verwendet werden. Die Tasche 5Γ ist in ähnlicherweise unter einem kleinen spitzen Winkel, beispielsweise 3 gegenüber der Vertikalen, geneigt.
Der Behälter 50 kann mit Scheibchen 10 beschickt und von diesen wieder befreit werden, ohne daß hierzu der Behälter von seiner Tragplatte 14 abgenommen werden müßte.
Ein Behälter, der mit unter 15 geneigten Taschen hergestellt wurde, lieferte nach entsprechenden Versuchen Niederschläge, die nicht ganz so gleichförmig waren wie diese mit Behältern erreicht wurden,. bei denen die Taschen um 3 geneigt waren.
Bei einer bevorzugten Betriebsweise werden zwei Epitaxiereaktoren 11 nebeneinander mit einer gemeinsamen elektrischen Steuerschaltung betrieben, so daß, während Scheibchen in der einen Einheit behandelt werden, die andere Einheit für einen Austausch der fertigen Scheibchen durch noch nicht behandelte geöffnet werden kann.
Das vorliegende Verfahren und die vorliegende Vorrichtung sind j besonders vorteilhaft zur Verwendung bei der Herstellung epitaktisch
aufgewachsener Schichten auf Halbleiterscheibchen, sie eignen sich aber allgemein zum Erhitzen und/oder Beschichten.irgendwelcher Werkstücke*
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Claims (1)

  1. PATENTANSPRÜCHE
    1. Verfahren zum Erhitzen von Werkstücken, insbesondere zur Anwendung im Rahmen eines Werkstückbe Schichtungsprozesses, beispielsweise im Wege einer thermischen Zersetzung eines geeigneten, mit den Werkstücken in Kontakt stehenden Gases, durch Anordnen der Werkstücke auf einem drehbaren Träger und Erhitzen der Werkstücke durch Wärmeleitung über den Träger, gekennzeichnet durch Anordnen der Werkstücke in vorbestimmtem Abstand von der T rager drehachse sowie unter etwa paralleler Ausrichtung hierzu, durch radiales Abdrängen der Werkstücke von der Drehachse mit Hilfe der durch den sich drehenden Träger erzeugten Zentrifugalwirkung, durch Halten der Werkstücke in dieser Stellung mit Hilfe von Teilen des Trägers, an denen die Werkstücke unter dem Einfluß der Zentrifugalkraft zur Anlage kommen und durch Erhitzen des Trägers zur Erhitzung der Werkstücke mit Hilfe von Wärmeleitung.
    2. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, mit einem um die Mittelachse drehbaren Träger aus wärmeleitendem Material zur Aufnahme der zu erhitzenden Werkstücke und einer Heizeinrichtung für den Träger zur Erhitzung der Workstücke durch Wärmeleitung, dadurch gekennzeichnet, daß
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    der Träger (16, 50) Haltemittel (17, 51) zur Aufnahme der Werkstücke (10) in vorbestimmtem Abstand von der Trägerdrehachse (23) sowie unter etwa paralleler Ausrichtung aufweist, so daß bei einer Drehung des Trägers die Werkstücke durch Zentrifugalwirkung in Kontakt mit ihren Haltemitteln gedrängt und durch den Träger mit Hilfe von Wärmeleitung erhitzt werden.
    3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet,
    daß am Träger (16, 50) getrennte Werkstückaufnahmetaschen oder -Vertiefungen (17, 51) in kreisförmiger Anordnung um die Trägerdrehachse (23) als Haltemittel vorgesehen sind.
    &. Vorrichtung nac£ Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Haltemittel (17, 51) so ausgebildet sind, daß die Werkstücke (10) unter einem spitzen Winkel zur Drehachse (23) geneigt sind.
    5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Winkel etwa 3° - 15° beiträgt.
    6. Vo rrichtung aach einem der Ansprüche 2 - 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Träger (16, 50) einen Umfangsflansch zum Halten der Werkstücke während der Trägerdrehung aufweist.
    umso m ma
    INSPECTED
    7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 - 5, dadurch
    gekennzeichnet, daß der Träger als vertikalstehende Trommel (16, 51) ausgebildet ist; und daß die Haltemittel (17, 51) in zumindest einer Reihe (15, 52-57) längs des Trommelinnenumfangs verteilt sind.
    8O Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet,
    daß die Trommel (16) gebildet ist durch eine Mehrzahl aufeinander gestapelter Ringe (15), von denen jeder eine längs des Innenumfangs angeordnete Haltemittel-*Reihe trägt.
    9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2-8, dadurch gekennzeichnet, daß der drehbare Träger aus einem induktiv beheizbaren Material, beispielsweise aus Graphit, aufgebaut ist.
    10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2«9e dadurch gekennzeichnet, daß die Heizeinrichtung eine Hochfrequenzinduktionsspule (41) zum Aufheizen des Trägers (16, 50) aufweist,
    11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2-10, dadurch gekennzeichnet, daß sie zum Erzeugen eines Niederschlags auf den ^ Werkstücken, beispielsweise im Epitaxieverfahren, in einer Kammer (13) untergebracht ist und daß Mittel (22S 28) zum Einführen und Zirkulierenlassen feiner gasförmigea-:Verbiad«mg in "die Kammer
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    vorgesehen sind, der die Werkstücke (10) während ihrer Erhitzung und Drehung ausgesetzt sind.
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