DE1644001C3 - Vorrichtung zum thermischen Behandeln von scheibenförmigen Halbleiterkörpern - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum ther- gung der Erhitzung der zu behandelnden Halbleitermischen Behandeln von scheibenförmigen Halbleiter- körper auszugestalten.

körpern, die am Boden eines zylindrischen Behänd- Erfindungsgemäß gelingt dies, wenn der zentrale

lungsgefäßes angeordnet sind, mit einer unterhalb Teil des Temperaturausgleichkörpers ein kleineres dieses Bodens befindlichen, flächenhaft cusgedehnten 35 Wärmeleitvermögen aufweist als der Außenteil,
und mit ihrer Oberseite sich parallel zu den zu be- Damit wird nämlich der den mittleren Teil des

handelnden Scheiben erstreckenden Heizvorrichtung Temperaturausgleichkörpers durchsetzende axiale und eines zwischen Heizvorrichtung und Boden des (d. h. in Richtung von der Heizvorrichtung zu den Behandlungsgefäßes angeordneten, mindestens in sei- zu behandelnden Scheiben gerichtete) Wärmefluß nem mittleren Teil sich parallel zum Boden des Be- 4° stärker als der Wärmefluß am Rande behindert. Da handlungsgefäßes erstreckenden Temperaturausgleich- aber die Randteile des Heizers und damit auch die körpers. der Temperaturausgleichsplatte normalerweise etwas

Zum Herstellen von Halbleiterbauelementen wird kühler als das Zentrum dieser Teile sind, wird hierhäufig das als Epitaxie bekannte Verfahren ange- durch ein gewisser Ausgleich geschaffen. Durch weitere wendet. Dieses besteht darin, daß man scheiben- 45 Maßnahmen kann erreicht werden, daß auch der förmige Halbleiterkristalle, insbesondere Einkristalle, radiale, d. h. der von innen nach außen gerichtete auf eine hohe, jedoch unterhalb des Schmelzpunktes Wärmefluß, im Temperaturausgleichskörper eine Bedes Halbleiters liegende Temperatur aufheizt und hinderung erfährt.

gleichzeitig über die Scheiben ein Reaktionsgas hin- In F i g. 1 ist ein Ausführungsbeispiel einer Vorwegleitet, welches bei der Temperatur der Scheiben 50 richtung gemäß der Erfindung dargestellt, während den betreffenden Halbleiter auf den Scheiben in vor- sich F i g. 2 mit einer anderen Ausgestaltung ues für zugsweise einkristallinem Zustand niederschlägt. Die die Erfindung wesentlichen Teiles einer Vorrichtung Beheizung der Halbleiterscheiben erfolgt vornehmlich gemäß F i g. 1 befaßt.

auf elektrischem Wege, indem z. B. diese Scheiben Die in F i g. 1 dargestellte Vorrichtung dient vorwährend des Abscheidevorganges mit einem aus 55 nehmlich der epitaktischen Beschichtung von Halbhitzebeständigem, leitendem Material bestehenden, leiterscheiben. Es wird jedoch verständlich, daß die von einem elektrischen Heizstrom durchflossenen beschriebene Apparatur auch zum Dotieren vor Träger und Heizer in direkter Berührung oder über Halbleiterscheiben aus der Gasphase oder auch al· eine isolierende Zwischenschicht in mittelbarem Kon- Legiervorrichfung zur Erzeugung von einlegiertei takt gehalten werden. Natürlich sind auch andere 60 Elektroden auf Halbleiterscheiben verwendet werdei Beheizungsarten möglich. Als Reaktionsgas verwendet kann.

man aus verschiedenen bekannten Gründen zweck- Der zylindrische Reaktionsraum 1 wird unten voi

mäßig eine Halogen- oder Halogen-Wasserstoff-Ver- einem topfformigen Unterteil 2 und einem zylir bindung des darzustellenden Elementes. Dieser aktive dristhen Oberteil 3 umschlossen. Diese Teile bestehe Bestandteil wird zweckmäßig mit Wasserstoff, gege- 65 zweckmäßig aus Quarz. Oben wird der Reaktion! benenfalls auch mit einem Inertgas verdünnt. Häufig raum von einem Decke! 4, z. B. aus Edelstahl, abgf werden auch dotierende Zusätze in definierter Konzen- schlossen. Die zu beschichtenden Scheiben 5 sind ai tration angewendet. Boden des topfformigen Unterteiles 2 angeordne

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Die Beheizung der Scheiben erfolgt von unten, wobei Rand eine Querschnittsverkleinerong zur Erhöhung die erforderliche Wärme von einem stramdurch- der Randtemperatur. Die Heizvorrichtung wird mittels flossenen Heizelement 6 über eine Wärmeausgleichs- elektrischen Stromes, der vorzugsweise mit Hilfe von platte 7 erfolgt Das Unterteil 2 des Reaktions- Elektroden zugeführt wird, auf die hohe, für den jeraumes 1 sowie die Heizvorrichtung 6, 7 befinden sich 5 weiligen Prozeß erforderliche Temperatur gebracht. _Zweckmäßig in einem gekühlten Heizertopf 8 au* Die Windungen des den Heizer bildenden Leiters Metall. können z. B. spiralig oder mäanderförmig verlaufen.

Die Zufuhr für das frische Reaktionsgas sowie die Die Windungen des Heizers 6 schneiden an ihrer Abfuhr des verbrauchten Reaktionsgases erfolgt Oberseite in einer parallel zu den Scheiben 5 sowie zweckmäßig von bzw. nach oben. Zu diesem Zweck io zum Boden des Reaktionsraumes verlaufenden Ebene sind ein Gaszuführungsrohr 9 zentral durch den ab. Durch die Verjüngung des Leiterquerschnittes des Metalldeckel 4 und konzentrisch hierzu eine Mehrzahl Heizelementes nach seinem Rand hin erreicht man von Gasaustrittsöffnungen 10 vorgesehen. In Bei- jedoch nur eine teilweise Elimination des Randabfalles spielsfalle ist das Gaszuführungsrohr bewegbar im der Temperatur im Bereich oberhalb des Heizers. Decke¹ 4 gelagert. Gleichzeitig ist für eine gasdichte 15 Hier greifen die nun im einzelnen zu beschreibenden Verbindung zwischen dem Rohr 9 und dem Deckel 4 erfindungsgemäßen Maßnahmen ein. Abgesehen von gesorgt. diesen Maßnahmen empfiehlt es sich, wenn die aus

Hierzu dient eine das Rohr 9 ringförmig umschlie- strahlungsabsorbierendem Material, z. B. aus Graphit ßende Dichtung 11 aus chemisch und thermisch oder Pyrographit, bestehende Temperaturausgleichswiderstandsfähigem elastischem Material. Sie wird im 20 platte 7 am Rande aus ihrem zentralen horizontalen Beispielsfalle durch einen Druckring 12 sowohl gegen Verlauf vertikal nach unten umbiegt und den Heizer 6 ein Widerlager im Deckel 4 als auch gegen das Zu- auch seitwärts rings umschließt, wie der z. B. in leitungsrohr 9 gedrückt. An der Außenseite des Zu- F i g. 2 dargestellt ist.

leitungsrohres (siehe den gebogenen Pfeil in der Aufgabe der Temperaturausgleichsplatte ist vor

Zeichnung) können Mittel wirksam sein, welche eine 25 allem, die durch die stärkere Randabstrahlung am Bewegung des Rohres 9 bewirken. Das Gaszuführungs- Heizer bedingten Temperatureinflüsse zu kompenrohr 9 ist im Innern des Reaktionsraumes von einrr sieren und gegebenenfalls eine durch die Unterschalenförmig nach oben gestülpten Schutzmanschette struktur des Hei/ers bedingte Strukturierung der 13 umgeben und mit ihr starr verbunden. Diese Temperaturverteilung oberhalb des Heizers am Ort Manschette dient als Strahlungsschutz gegen zu 30 der zu behandelnden Halbleiterscheiben 5 auszustarke Erwärmung des Deckels 4. Außerdem fängt er gleichen.

die sich bevorzugt am Deckel 4 bildenden, als Stör- Es entspricht der Erfindung, wenn an der Symmetrie-

keime wirksamen Partikeln ab, wenn die Anordnung achse 14 der Gesamtanordnung das axiale Wärmefür epitaktische Zwecke herangezogen wird. Der leitvermögen der Temperaturausgleichsplatte 7 merk-Reaktionsraum ist, wie bereits bemerkt, zweckmäßig 35 lieh niedriger als das axiale Wärmeleitvermögen am kreiszylindrisch. Schließlich ist es im Interesse der Rand R des sich horizontal erstreckenden Teiles der Reinheit des Reaktionsgases zweckmäßig, wenn für Temperaturausgleichsplatte 7 ist. Um das zu leisten, den Fall, daß das Unterteil 2 und der obere Teil 3 kann z. B. die Temperaturausgleichsplatte 7 aus einer des Reaktionsgefäßes voneinander [e'öst werden Anzahl kreisringförmiger, aneinanderschließender und können, das Gaszuführungsrohr 9 stets in den unteren 40 konzentrisch zueinander sowie zur Symmetrieachse Teil 2 hineinragt. der Anordnung angeordneter Teile bestehen, die aus

In Fig. 2 ist die gegenseitige Anordnung der unterschiedlichem Material gefertigt sind, derart, daß Teile 2, 5, 6 und 7 der in F i g. 1 dargestellten Anord- der zentrale kreisscheibenförmige Teil das niedrigste nung gemäß der Erfindung in einer anderen Aus- axiale Wärmeleitvermögen aufweist, während sich führung gezeigt. Der Boden des Reaktionsgefäßes ist 45 das axiale Wärmeleitvermögen der sich sukzessiv dabei mit 2' bezeichnet. Er hat zweckmäßig überall die anschließenden ringförmigen Teile mit wachsendem gleiche Stärke und besteht zweckmäßig aus Quarz. Abstand vom Zentrum sukzessive erhöht. Dabei Falls die Anordnung zum Behandeln von Silicium- genügt es, wenn die Temperaturausgleichsplatte nur scheiben bestimmt ist, empfiehlt es sich aus SiO_a aus zwei Zonen unterschiedlichen Materials besteht, bestehende Teile der Anordnung, mindestens sofern 50 wobei der innere kreisscheibenformige Teil das sie sich während des Betriebes der Anordnung stark kleinere Wärmeleitvermögen und der äußere, aen erwärmen aus einer im Spektralbereich von 2,6 bis kreisscheibenförmigen inneren Teil umgebende, mit 2 8 LL möglichst absorptionsfreien SiO₂-Sorte zu wäh- ihm ein einziges Stück bildende ringförmige I eil das Im Temperaturausgleichskörper 7, Boden des Re- höhere Wärmeleitvermögen aufweist. Diese Moglicnaktionsgefäßes 2 und Heizvorrichtung 6 sind zweck- 55 keit ist in F i g. 1 dargestellt. Die Teinperaturausmäßie symmetrisch zu der vertikalen Zentraiachse 14 gleitplatte besteht aus einem inneren Teil TA und der Anordnung angeordnet. Es empfiehlt sich, auf einem äußeren Teil 7 B Das Material dess inneren jeden Fall eine den Querschnitt des Reaktionsgefäßes 2 Teiles TA hat in axialer Richtung das kleinere Warmeaneepaßte Querschnittsgeomelrie sowohl der Tem- leitvermögen, während das Wärmeleitvermögen in neraturausgleichsplatte 7 als auch der Heizvorrichtung 60 axialer Richtung des ringförmigen Außenteiles IB im

6 Falls dir Querschnitt des Reaktionsgefäßes 2 ein Vergleich hierzu größer ist. Die krciszylindermaniel-Krcis ist, sind auch die horizontalen Querschnitte von förmige Stoßstelle IC sorgt dann automatisch dafür

7 und 6 (sofern man von einer, z. B. bei einem Mäander- daß der Wärmefluß vom Teil IA zum Teil 7 B in heizer vorliegenden Unterstruktur absieht) ebenfalls radialer Richtung eine merkliche Behinderung erfahr^ kreisförmig. Der - vorzugsweise in einer Ebene - ge- 6₅ Somit ist die erfindungsgemaße Ausb'Wung bere. wundene, vorzugsweise kreisförmige Heizer aus tem- auf die einfache in F 1 g 1 dargestellte Weise der peraturbeständigem Material, z. B. Graphit, Molyb- Tcmperaturausgtachsplatte 7 errcicht· «^ «»J J ^e dän Wolfram. Tantal, hat zweckmäßig an seinem axiale Stärke im horizontalen Teil der Temperatur-

ausgleichsplatte 7 überall den gleichen Wert hat. Gegebenenfalls kann diese Stärke im zentralen Teil 7 A größer als im ringförmigen äußeren Teil TB sein. Dies wirkt weiter im Sinne einer Stauung des radialen Temperaturfiusses in der Temperaturausgleichsplatte 7.

Es besteht ferner die Möglichkeit, rein durch geometrische Maßnahmen die Temperaturausgleichsplatte 7 im Sinne der Erfindung auszugestalten. Die Temperaturausgleichsplatte besteht dann aus einem einzigen Stück, beispielsweise aus Graphit, und besitzt im Beispiel einer Kreiszylindersymmetrie der Anordnung, für alle Meridianschnitte die aus F i g. 3 ersichtliche Geometrie. Der zentrale Teil ist stärker als der Randteil ID. Folglich ist der axiale Temperaturfluß einer solchen Temperaturausgleichsplatte im mittleren Teil stärker behindert als in dem dünneren Randteil 7 D, während umgekehrt der radiale Temperaturfluß von innen nach außen eine deutliche Behinderung erfährt.

Um die in F i g. 1 speziell dargestellte Variante kann der äußere ringförmige Teil TA aus normalem Graphit bestehen, während der innere kreisscheibenförmige Teil TB aus Pyrographit derart geschnitten ist, daß die Richtung mit dem kleinsten Wärmeleitvermögen parallel zur Symmetrieachse 14 der Anordnung verläuft. Der radiale Wärmefluß kann noch durch weitere geometrische Maßnahmen, z. B. durch graben-, lochartige Vertiefungen TE oder durch axiale Löcher, weiter verkleinert sein.

Bei der in F i g. 2 dargestellten Anordnung ist jedoch eine andere zu dem gewünschten Ziele führende Maßnahme gewählt. Zu diesem Zweck ist die z. B. aus Graphit oder Kohlenstoff bestehende Temperaturausgleichsplatte 7 aus einem Hauptteil TA mit einem zentralen scheibenförmigen Einsatz TB versehen. Zwecks Aufnahme des zentralen scheibenförmigen Teiles TB ist der Hauptteil TA der Ausgleichsplatte 7 in seiner Mitte symmetrisch zur Symmetrieachse 14 mit einer topfartigen Vertiefung Tc versehen. Die topf artige Vertiefung 7 c kann gestuft sein und dabei ganz oder, wie im Beispielsfalle der F i g. 2, teilweise mit einem Material höheren Wärmewiderstandes ausgefüllt sein. Vielfach genügt es bereits, wenn bei der in F i g. 2 dargestellten Variante der scheibenförmige Teil Tb aus dem gleichen Material wie der Hauptteil Ta der Temperaturausgleichsplatte besteht. Beispielsweise bestehen beide Teile aus Graphit. Zur Erhöhung des axialen Wärmewiderstandes im zentralen Teil der Temperaturassgleichsplatte 7 kann der scheibenförmige eingesetzte Teil Tb aus Pyrographit bestehen, dessen Achse mit kleinstem Wärmeleitvermögen parallel zur Symmetrieachse 14 der Anordnung verläuft.

In weiterer Ausgestaltung der soeben besprochenen Variante kann die Ausnehmung 7c aus einem zentralen tieferen Teil und einem flachen äußeren Teil bestehen. Der scheibenförmige Einsatz Tb liegt dann nur in der aus der Figur ersichtlichen Weise in dem tieferen zentralen Teil. Der flachere Teil der Vertiefung kann z. B. mit einer weiteren Scheibe aus normalem Graphit ausgefüllt sein. Man erreicht auf diese Weise offensichtlich eine Abstufung sowohl des radialen Wärmestaues als auch des axialen Wärmeleitvermögens in der erfindungsgemäßen Temperaturausgleichsplatte 7. Falls die Temperaturausgleichsplatte ans elektrisch leitendem Material besteht, kann die Verwendung isolierender Distanzhalter 15, beispielsweise aus Berylliumoxid, zweckmäßig sein.

In F i g. 2 sind ferner Dtmensionierungsangaben Z₁

bis Z₈, sowie dk, dt, D₀, d_a und da verwendet, deren folgende Bedeutung aus der Figur unmittelbar ersichtlich ist. (Sie gelten sinngemäß für jede andere Ausführungsform, z. B. auch für eine Anordnung nach Fig. 1.)

Z₁ = Koordinate der Oberseite der zu beschichtenden Halbleiterscheiben 5, somit also Koordinate der Abscheidefläche,
ίο Z₂ = Koordinate der Oberseite des Bodens des

Reaktionsgefäßes 2.
Z₃ = Koordinate der Unterseite des Bodens des Reaktionsgefäßes 2.

Z₁ = Koordinate der Oberseite der Temperaturausgleichsplatte 7.

Z₅ = Koordinate der Unterseite der Temperaturausgleichsplatte 7.

Z₆ = Koordinate der Oberseite des Heizers 6.
Z₇ = Koordinate der Unterseite des Heizers 6.
to Z₈ = Koordinate des unteren Endes des nach unten gebogenen Randes der Temperaturausgleichsplatte 7.

d_H = Durchmesser des Heizers.
d_a = Innendurchmesser des nach unten gebogenen Randes der Temperaturausgleichsplatte 7.

D_a = Größter Durchmesser der Temperaturausgleichsplatte 7.

a = Abstand zwischen Z₁ und Z₆.
dt = Innendurchmesser des Behandlungsgefäßes.
die = Durchmesser des mit den zu behandelnden Halbleiterscheiben, z. B. Siliciumscheiben, belegten Teiles des Bodens des Behandlungsgefäßes (= Gesamtabscheidungsfläche).

Dabei wird im allgemeinen Z₈ = Z₉ gewählt.

Allgemein empfehlen sich folgende Bemessungsvorschriften :

Iz₁-Z₂J S 0,15· d_H

dk ^ d_H: 1,25; (Je kleiner ά·_κ, desto günstiger ist an sich die Temperaturverteilung. Stellt man aber die Dimensionierung unbegrenzt in diesem Sinne ein, so wird der technische Aufwand zu unwirtschaftlich.)

da έ (d_B + 2 mm); \D_a-da] ί V₃-JZ₁-Z₇];

so I ^z* — Z<s I ^ a/3 (falls die Heizvorrichtung aus Gra phit besteht), a = Abstand J Z₁ — Z, j in F i g. 2;

JZ₇-Z₈I ^0,l-d_B;
<fa:50>|Z_e — Z₇J >0;
d_t S (d_K + 5 mm).

Bevorzugtes Ausführungsbeispiel: d_t = 100 mm; d_t = 93 mm; d_B = 105 mm; do = 112mm; £„ = 120 mm; \Ζ_Χ — Ζ_Ί] =10mm; ί Z₁ — Z, j =3 mm; | Z₈ — Z₄1 =2 mm; I Z_t — Z_e\ =4mm;| Z,-Z₇] =105mm;

IZ₇-Z₈J =10mm;Z_s —Z,. 65

Unter Beachtung der oben angegebenen, optimalen Abstände ergibt sich an der Oberseite der Heizvorrichtung 6 bei genügend dichter Anordnung ihrer

Windungen eine Temperaturverteilung, wie sie in F i g. 4 dargestellt ist. Ist die Temperaturausgleichsplatte 7 bezüglich Querschnitt und Beschaffenheit völlig homogen, entspricht somit nicht der erfindungsgemäßen Lehre, so ergibt sich eine Temperaturverteilung an ihrer Oberseite, wie sie in F i g. 5 dargestellt ist. Am Ort der zu beschichtenden Scheiben 5 gibt sich dann die in F i g. 6 dargestellte Temperaturverteilung. Man erkennt deutlich, wie der zwangsläufige — wie die Praxis gezeigt hat — unvermeidliche Temperaturabfall am Rand des Heizers 6 zu einem be-

trächtlichen radialen Temperaturabfall am Ort der zu beschichtenden Scheiben 5 am Boden des Reaktionsgefäßes 2 führt. Bereits bei einer Temperaturausgleichsplatte, wie sie in F i g. 3 dargestellt ist, erhält man eine Temperaturverteilung gemäß F i g. 7 an dei Oberseite der Temperaturausgleichsplatte 7, während die radiale Temperaturverteilung am Ort der zu beschichtenden Scheiben 5 auf Grund der Verwendung einer solchen Temperaturausgleichsplatte 7, wie F i g. I ίο zeigt, wesentlich gleichmäßiger im Vergleich zu F i g. i wird.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (3)

1 2 Bei der Herstellung von Halbleiterbauelementen Patentansprüche: durch Epitaxie werden hohe Gleichmäßigkeiten der

1. Vorrichtung zum thermischen Behandeln von abgeschiedenen Schichten bezüglich ihrer Stärken scheibenförmigen Halbleiterkörpern, die am Boden und Dotierungen verlangt. Eine der hierfür no_lWendieines zylindrischen Behandlungsgefäßes angeordnet 5 gen Voraussetzungen ist eine äußerst gleichmäßige sind, mit einer unterhalb dieses Bodens befind- Aufheizung der zu behandelnden Halbleiterscheiben, liehen, flächenhaft ausgedehnten und mit ihrer Eine in der DT-OS 16 44017 beschriebene Appara-Oberseite sich parallel zu den zu behandelnden tür besteht aus einem topfformigen, vornehmlich aus Scheiben erstreckenden Heizvorrichtung und eines Quarz gefertigten Behälter mit ebenem Boden. Auf zwischen Heizvorrichtung und Boden des Behänd- ίο dem Boden dieses Reaktionsgefaßes werden die zu lungsgefäßes angeordneten, mindestens in seinem beschichtenden Scheiben, vornehmlich in regelmäßiger mittleren Teil sich parallel zum Boden des Behänd- Anordnung, aufgelegt. Die Beheizung der Scheiben lungsgefäßes erstreckenden Temperaturausgleich- erfolgt durch einen unterhalb des Bodens des Reakkörpers, dadurch gekennzeichnet, daß tionsgefäßes angeordntten, flächenhaft ausgedehnten, der zentrale Teil des Temperaturausgleichkörpers 15 insbesondere elektrisch betriebenen Heizer. Dieser ein kleineres Wärmeleitvermögen aufweist als der Heizer besteht in den meisten Fällen aus einem Außenteil. spiralig aufgewickelten oder mäanderförmig geschlitz-

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch ge- ten, vorzugsweise aus Graphit, Kohle oder einem kennzeichnet, daß der zentrale Teil des Temperatur- inerten hitzebeständigem Metall bestehenden Leiter, ausgleichkörpers stärker ist als der Außenteil. ao Weiter empfiehlt es sich, zwischen dem Boden des

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, da- Reaktionsgefäßes und der sich parallel zu diesem durch gekennzeichnet, daß der zentrale Teil des Boden erstreckenden Heizvorrichtung eine Temperatur-Temperaturausgleichkörpers aus einem Material ausgleichsplatte vorzusehen. Die beschriebene Apparabesteht, das ein kleineres Wärmeleitvermögen hat tür kann Im übrigen auch für andere Verfahren der als das des Außenteiles. »5 Halbleitertechnik eingesetzt werden, bei denen Halbleiterkörper bei erhöhter Temperatur einem Behandlungsgas ausgesetzt werden. Auch hier ist eine gleich-

förmige Behandlungstemperatur wünschenswert.

Es ist nun Aufgabe der Erfindung, die beschriebene 30 Anordnung im Sinne einer weiteren Vergleichmäßi-