DE1949767B2

DE1949767B2 - Vorrichtung zum Herstellen gleichmäßig dicker Schichten

Info

Publication number: DE1949767B2
Application number: DE1949767A
Authority: DE
Inventors: Kenneth Elwood Richardson Bean; John Richard Garland Campion
Original assignee: Texas Instruments Inc
Current assignee: Texas Instruments Inc
Priority date: 1968-12-31
Filing date: 1969-10-02
Publication date: 1974-01-10
Also published as: NL6919568A; JPS4931197B1; FR2027422A1; GB1281539A; DE1949767C3; US3608519A; DE1949767A1

Description

uie triiiiduiig betrifft ciüc Verrichtung ⁷"m Herstellen gleichmäßig dicker Schichten auf einer Unterlage, insbesondere auf einem Halbleiterplättchen, durch Abscheiden aus der Gasphase in einer Kammer mit wenigstens einem drehbaren, die Form einer Kreisscheibe besitzenden Träger für die Aufnahme der Unterlagen, Einrichtungen zur Zu- und Abfuhr der zur Abscheidung gelangenden Stoffe und einer Heizung.

Aus der Zeitschrift »J. Sei. Instrum.« 1964, Vol.

41, Seite 167, ist bereits eine Vorrichtung dieser Art bekannt, bei welcher vier kreisscheibenförmige Träger für Unterlagen in Form von Halbleiterplättchen zu einer Drehbewegung antreibbar sind, während sie sich gleichzeitig insgesamt längs einer Kreisbahn bewegen.

Nachteilig an der bekannten Konstruktion ist es, daß gleichmäßig dicke Schichten mit ihr nur bei Verwendung einer kleinen Verdampfungsquelle erzielt werden können, die in einer bestimmten Stellung be-

¹S züglich der zu bedämpfenden Halbleiterplättchen angeordnet ist. Aus diesem Grunde ist die bekannte Vorrichtung für eine wirtschaftliche Massenfertigung nur wenig geeignet.

Andere bekannte Vorrichtungen zum Abscheiden von Schichten auf Halbleiterplättchen aus der Gasphase, wie sie beispielsweise in der belgischen Patentschrift 678 371, in der USA.-Patentschrift 3 301213 und in der französischen Patentschrift 1 509 254 beschrieben sind, axbeiten jeweils mit einem drehbaren

»5 Träger für die Aufnahme der Unterlagen, mit dessen Hilfe die Unterlagen längs einer Kreisbahn bewegt werden, ohne dabei jedoch zu einer zusätzlichen, der Kreisbewegung überlagerten Drehbewegung angetrieben zu werden. Dies führt dazu, daß die Unterlagen in den an sich für eine preiswerte Massenfertigung geeigneten Vorrichtungen gemäß den drei genannten Patentschriften mit ungleichmäßig dicken Schichten beschichtet werden, wobei bei den Vorrichtungen gemäß der USA.-Patentschrift 3 301 213 und gemäß der belgischen Patentschrift 678 371 noch der Nachteil hinzukommt, daß die zu bedampfende Oberseite der Unterlagen bzw. Halbleiterplättchen horizontal angeordnet ist, so daß die Gefahr einer Verschmutzung der aufgedampften Schicht durch feste Partikel besteht, welche auf die Oberfläche der Halbleiterplättchen fallen. Dieser Nachteil ist bei der bekannten Vorrichtung gemäß der genannten französischen Patentschrift dadurch verringert, daß die zu bedampfenden Oberflächen der Halbleiterplättchen in gegenüber der Horizontalen relativ steilen Ebenen angeordnet sind.

Ausgehend von dem vorstehend diskutierten Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung vorzuschlagen, mit welcher in wirtschaftlicher Weise gleichmäßig dicke Schichten auf einer Unterlage mit hoher Genauigkeit herstellbar sind.

Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung der eingangs beschriebenen Art gelöst, die gemäß der Erfindung dadurch gekennzeichnet ist, daß der (die) Träger derart passend zwischen dem Rand eines angetriebenen, drehbaren Vorrichtungsteils und der oberen Begrenzungeines feststehenden Vorrichtungsteils angeordnet ist (sind), daß er (sie) in einer umlaufenden Rollbewegung antreibbar ist (sind).

Die besonderen Vorteile gemäß der Erfindung sind darin zu sehen, daß infolge der zwei sich überlagernden Drehbewegungen der Unterlagen sehr gleichmäßige Schichtdicken mit einer Toleranz von ± 0,5% erzielbar sind. Durch geeignete Anordnung und Bemessung des angetriebenen, drehbaren Vorrichtungsteils und des feststehenden Voirichtungstcils läßt sich ferner erreichen, daß die zu beschichtende Fläche der

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Unterlagen gegenüber der Horizontalen relativ steil geneigt ist, so daß die Gefahr der Verschmutzung durch herabfallende Partikel stark verringert ist. Ferner läßt sich die Vorrichtung gemäß der Erfindung mit den üblichen Einrichtungen zur Zu- und Abfuhr der zur Abscheidung gelangenden Stoffe betieiben, und es ist keine spezielle Verdampfungsvorrichtung erforderlich.

Die Erfindung wird nachstehend an Hand einer Zeichnung noch näher erläutert. In der Zeichnung zeigt

F i g. 1 eine perspektivische Darstellung einer Vorrichtung gemäß der Erfindung,

Fig. 2 einen senkrechten Schnitt durch die Vorrichtung gemäß Fig. 1,

Fig. 3 einen vergrößerten Ausschnitt aus Fig. 2,

Fig. 4 eine abgewandelte Ausfiihrungsfbrm einer Vorrichtung gemäß der Erfindung.

Die in F i g. 1 gezeigte Vorrichtung 10 umfaßt eine durchsichtige Glocke 12, die auf der oberen Fläche 14 einer Basis 16 aufliegt, so daß eine Kammer gebildet wird. Die Basis 16 umfaßt eine Anzahl nicht dargestellter Einrichtungen zur Erzeugung eines Unterdrucks bzw. eines vorgegebenen Drucks in der Kammer und zur Zu- und Abfuhr der zur Abscheidung gelangenden Stoffe. Ferner umfaßt die Basis ein Rohrsystem, welches dazu dient, Kühlflüssigkeit durch die Basis 16 zu leiten. Es ist ferner ein Antrieb für eine Hohlwelle 24 vorgesehen, die sich in die Kammer erstreckt und durch die Reaktionsgase in die Kammer eingeleitet werden. Die vorstehend erwähnten Teile und Einrichtungen der Vorrichtung 10 sind bekannt. Neu ist, daß ein feststehendes Vorrichtungsteil, nämlich ein Quarzzylinder 18, vorgesehen ist, dessen obere Begrenzung durch eine kreisförmige Schiene 20 gebildet wird. Die als Antriebswelle dienende Hohlwelle 24 öffnet sich an ihrem oberen Ende und geht in einen sich nach unten glockenförmig öffnenden, angetriebenen, drehbaren Vorrichtungsteil 26 über. Die Hohlwelle 24 und das Vorrichtungsteil 26 werden dabei durch ein einziges Quarzteil gebildet, welches insgesamt mit dem Bezugszeichen 22 bezeichnet ist. Die Hohlwelle 24 wird durch einen in der Basis 16 angeordneten Motor angetrieben, der mit ihr über eine geeignete mechanische oder beispielsweise auch magnetische Kupplung verbunden ist. Das untere Ende der Hohlwelle 24 ist ferner mittels einer üblichen Drehkupplung in der Basis 16 mit einem Vorratsbehälter für ein Reaktionsgas verbunden, der außerhalb der durch die Glocke 12 und die Basis 16 gebildeten Vorrichtung 10 liegt. Das angetriebene, drehbare Vorrichtungsteil 26 besitzt einen Rand 28, welcher der kreisförmigen Schiene 20 zugewandt ist und von welchem sich mehrere Schubstangen 30 aus Quarz schräg nach unten und außen erstrecken.

Sechs scheibenförmige Träger 32 bis 37 aus Graphit werden durch das angetriebene Vorrichtungsteil 26 längs der kreisförmigen Schiene 20 zu einer Rollbewegung angetrieben. Einer der Träger 33 ist in F i g. 3 vergrößert dargestellt. Der Träger 33 besitzt einen scheibenförmigen Hauptkörper mit einem zylindrischen Ansatz 42, der in einem ringförmigen Bund 44 endet, so daß sich eine ringförmige Umfangsnut 46 ergibt. Die Umfangsnut 46 rollt auf der Schiene 20 ab, die durch den oberen Rand des Quarzzylinders 18 gebildet wird, und die Rückseite 48 des Hauptkörpers 40 gleitet längs des Randes 28 auf der Außenfläche des angetriebenen Vorrichtungsteils 26. Die Enden der Schubstangen 30 ragen in die Umfangsnut 46, um den zylindrischen Ansatz 42 zu erfassen, wodurch die Träger 32 bis 37 längs der kreisförmigen Schiene 20 abgerollt werden, wenn die Hohlwelle 24

zu einer Drehbewegung angetrieben wird. Die nach außen weisende Oberfläche bzw die Stirnfläche 50 des Trägers 33, der hier stellvertretend für die sechs Träger 32 bis 37 näher erläutert wird, die ebenso ausgebildet sind, ist mit drei Vertiefungen versehen, von

denen jede einen ebenen Boden 52 und einen zylindrischen Rand 54 besitzt, auf welchem der Rand einer Unterlage in Form eines Halbleiterplättchens abrollt, während die Unterseite der Unterlage bzw. des Halbleiterplättchens über den Boden 52 gleitet. Der

«5 Durchmesser des Bodens 52 bzw. der Umfang des zylindrischen Randes 56 der Vertiefungen ist größer als der Durchmesser bzw. der Umfang der Halbleiterplättchen 56 und vorzugsweise so gewählt, daß ein bestimmter Punk» des Halbleiterplättchens 56 wäh-

^2<> rend aufeinanderfolgender Umdrehungen des Trägers bezüglich des Bodens 52 verschiedenen Bahnen folgt. Statt mehrerer Vertiefungen können die Träger, wie dies für den Träger 34 in F i g. 1 gezeigt ist, auch nur eine größere Vertiefung besitzen, um beispielsweise

»5 ein größeres Halbleiterplättchen 58 aufzunehmen.

Die Träger 32 bis 37 werden durch eine wassergekühlte Hochfrequenzspule 62 erwärmt, die kegelstumpfförmig ausgebildet und so angeordnet ist, daß sie den Spalt zwischen der kreisförmigen Schiene 20

und dem unteren Rand 28 des angetriebenen Vorrichtungsteils 26 überbrückt. Die Hochfrequenzspule 62 besteht aus einem Metallrohr, durch welches Kühlwasser geleitet wird. Durch das Hochfrequenzfeld werden nur in den aus Graphit bestehenden Trägern Ströme induziert, da alle anderen Bauteile im Hochfrequenzfeld des Quarzzylinders 18 und des Quarzteils 22 nicht leitend sind. Die Träger können auch elektrisch oder durch Strahlung mit Hilfe eines Widerstandes geheizt werden.

Die durch die Glocke 12 und die Basis 16 gebildete Vorrichtung 10 kann in bekannter Weise evakuiert oder unter Druck gesetzt werden. Durch die hohle Welle 24 können reaktionsfähige Gase eingeleitet werden. In der Vorrichtung 10 sind mehrere Verteiler 60 relativ nah bei den Halbleiterplättchen angeordnet, die von den Trägern getragen werden, und zwar vorzugsweise etwas oberhalb der Halbleiterplättchen, so daß die durch die Verteiler 60 einströmenden Gase sich mit den Gasen mischen, die durch die Hohlwelle 21 zugeführt werden, und zwar unmittelbar, ehe sie durch die Reaktionszone strömen, durch welche die Träger hindurchgeführt werden. Die Reaktionsgase werden durch einen nicht dargestellten geeigneten Auslaß aus der Vorrichtung 10 bzw. aus der durch die Glocke 12 bzw. die Basis 16 begrenzte Kammer abgezogen. Die Vorrichtung 10 kann dazu benutzt werden, verschiedenartige Schichten, insbesondere die bei der Herstellung von Halbleitervorrichtungen erforderlichen Schichten, niederzuschlagen bzw. abzulagern. Beispielsweise können Siliziumdioxidschichten hergestellt werden, indem durch die Hohlwelle 24 Silan und durch die Verteiler 60 Sauerstoff zugeführt wird, während die Halbleiterplättchen 56, 58 auf einer Temperatur zwischen etwa 200 bis 500° C gehalten werden. Eine Passivierungsschicht aus Siliziumnitrid kann bei Temperaturen von etwa 550 bis etwa 1200° C unter Verwendung von Silan und Ammoniak niedergeschlagen werden. Ferner

können verschiedene epitaxiale Siliziumschichten bei Temperaturen von etwa 900 bis etwa 1200° C unter Verwendung verschiedener Reaktionsgase erzeugt werden. Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann feriici /.uiii At/.cii der Oberflächen der behandelten Gegenstände mit Hilfe von Dampf benutzt we; len. Bei Betrieb der Vorrichtung 10 können die Träger 32 bis 37 innerhalb oder außerhalb der Vorrichtung mit den Halbleiterplättchen 56,58 beladen werden. Die ringförmige LJmfangsnut 46 der Träger sitzt auf dem Rand des Quarzzylinders 18, welcher die kreisförmige Schiene 22 bildet. Gleichzeitig greift der Rand 28 des angetriebenen Vorrichtungsteils 26 von oben in die Umfangsnut46ein. Wenn die Halbleiterpläxtchen mit den Trägern in dieser Weise angeordnet worden sind, kann die zuvor entfernte Glocke 12 wieder auf die Basis 16 aufgesetzt werden, und die Kammer, die durch diese beiden Teile begrenzt wird, kann evakuiert oder gereinigt werden. Dann wird die Hohlwelle 24 in Drehung versetzt, worauf die Schubstangen 30, welche von dem drehbaren Vorrichtungsteil 26 abstehen, die Träger 32 bis 37 längs der kreisförmigen Schiene 20 bewegen. Die Träger rollen auf der Schiene 20 ab, wobei die Rückseite 48 ihres Hauptkörpers 40 längs des Randes 28 des angetriebenen Teils 26 leitet. Während die Träger rotieren, rollen die Halbleiterplättchen 56, 58 mit ihrem Umfang auf den Rändern 54 der Vertiefungen ab. Da die Ränder 54 einen größeren Durchmesser haben als die Halbleiterplättchen, gleiten diese über den Boden 52 der Vertiefung. Der Umfang der Ränder 54 ist dabei vorzugsweise so gewählt, daß er kein genaues Vielfaches des Umfanges der Halbleiterplättchen beträgt. Dadurch wird jedes Halbleiterplättchen kontinuierlich um seine eigene Achse gedreht, während es gleichzeitig längs einer kreisförmigen Bahn über den Boden des Trägers bewegt wird, welcher wiederum auf der kreisförmigen Schiene 20 abrollt. Jeder Punkt eines Halbieiterplättchens wird daher fortwährend über einen anderen Teil seines Trägers geführt, wodurch Temperaturabweichungen zwischen verschiedenen Teilen des Trägers kompensiert werden, die möglicherweise infolge von Schwankungen des spezifischen Widerstandes der Graphitträger oder infolge von Hysterese auftreten können. Die Durchmesser der Halbleiterplättchen und der Vertiefungen können ferner so gewählt werden, daß die Drehzahlen der Halbleiterplättchen und ihrer Träger um ihre Achsen in einem gewünschten Verhältnis zueinander stehen. Der Umfang der Umlangsnut 46 der Träger wird bezüglich der kreisförmigen Schiene 20 so gewählt, daß jeder Punkt auf einem Träger eine sinusförmige Bewegung ausführt, die relativ zu dem Hochfrequenzfeld kontinuierlich verschoben wird, wodurch Unregelmäßigkeiten des Feldes kompensiert werden.

Schwankungen in der Zusammensetzung der Reaktionsgase werden in gleicher Weise ausgeglichen, da die Halbleiterplättchen sowohl um ihre eigene Achse gedreht als auch längs einer kreisförmigen Bahn durch das Feld der Reaktionsgase geführt werden. Wenn der Rand der Vertiefung, auf welchem ein Halbleiterplättchen abrollt, exzentrisch zur Achse des Trägers liegt, wie beispielsweise der Rand 50 der Vertiefungen des Trägers 33, so wird das Halbleiterplättchen längs einer aufrechten Zykloide oder Sinuskurve bewegt. Die Ränder, die die Vertiefungen in den Trägern begrenzen, können jede gewünschte Form haben, durch welche die Halbleiterplättchen auf und ab bewegt werden, während sie der kreisförmigen Bahn folgen. Ferner kann die Hohlwelle 24 etwas exzentrisch bezüglich des Quarzzylinders 18 eingebaut sein, so daß der Winkel der Träger zur Vertikalen abwechselnd größer und kleiner wird, während die Träger auf der kreisförmigen Schiene abrollen. Außerdem kann die Schiene 20 unregelmäßig ausgebildet sein, wodurch die Träger wiederum eine andere Bewegung ausführen.

Mit Hilfe der Vorrichtung 10 können überzüge hergestellt werden, deren Dicke innerhalb einer Toleranz von ± 0,5% liegt, wodurch eine Verbesserung der Gleichmäßigkeit des spezifischen Widerstandes und anderer elektrischer Eigenschaften erzielt

'5 wird.

Durch die Anordnung der Träger unter einem Winkel zur Horizontalen wird die Neigung von festen Partikeln, die im Gasstrom enthalten sind, sich auf der Oberfläche der Halbleiterplättchen abzusetzen, stark

^ao reduziert. Durch die kontinuierliche Bewegung der Halbleiterplättchen und die dabei auftretende leichte Schwingung wird diese Neigung noch weiter herabgesetzt. Andererseits kann an eine Vorrichtung gemäß der Erfindung eine Vibrationseinrichtung angeschlos-

^a5 sen werden, um eine gewünschte Vibration zu erzeugen. Da die Träger auf ihre Kante gestellt sind, kann in einer Glocke mit demselben Volumen und mit demselben Durchmesser eine größere Anzahl von Trägern untergebracht werden als bei Vorrichtungen,

3» in denen die Träger bzw. die Halbleiterplättchen horizontal angeordnet sind. So werden bei der Vorrichtung 10 gemäß der Erfindung beispielsweise nur 25 % des Gasvolurnens benötigt, welches bei einigen bisher bekannten Vorrichtungen erforderlich war, um dieselbe Anzahl von Halbleiterplättchen der gleichen Größe zu behandeln. Das kleinere Volumen bedingt kürzere Reinigungs- und Entgasungszeiten zu Beginn und am Ende der Behandlung, wodurch die Nebenzeiten zwischen aufeinanderfolgenden Arbeitsperio-

♦o den verkürzt werden. Da die Halbleiterplättchen fortwährend in Bewegung sind, besteht nicht die Gefahr, daß die Halbleiterplättchen beim Aufbringen von dikken Schichten, beispielsweise epitaxialen Schichten, zum Anhaften an den Trägern neigen, wie dies der Fall ist, wenn die Halbleiterplättchen während der gesamten Bearbeitung in derselben Lage auf dem Träger liegen bleiben. Ein anderes Verfahren, eine Relativbewegung zwischen den Halbleiterplättchen und den Trägern herbeizuführen, besteht darin, einen geeigneten Träger um seine Mitte zu drehen und die HaIbleiterplättchc:. gleichzeitig in einer Vertiefung des Trägers rotieren zu lassen.

Eine abgewandelte Ausführungsform einer Vorrichtung 70 gemäß der Erfindung ist in Fig. 4 dargestellt. Während die Vorrichtung 10, wie vorstehend erläutert wurde, chargenweise arbeitet, ist die Vorrichtung 70 für eine kontinuierliche Arbeitsweise geeignet. Hierzu werden die Träger 72 längs einer Bahn 76 in die Kammer eingebracht, mit Hilfe eines ange-

triebenen Vorrichtungsteils 84 auf einer Schiene 78 abgerollt und längs einer Bahn 80 aus der Kammer herausgeführt. Ein geeigneter, nicht dargestellter Mechanismus dient dazu, die Träger auf die Bahn 76 zu bringen und von der Bahn 80 abzunehmen. Die reaktionsfähigen Gase können wiederum durch eine vertikale Hohlwelle 82 des angetriebenen Vorrichtung* teils 84 und durch die Verteiler 86 zugeführt werden. Die kontinuierliche Verfahrer.sführung ist dann be-

sonders günstig, wenn die Behandlung in einer regulierten Umgebung bei Atmosphärendruck durchgeführt wird, wobei die Reaktionsgase auf einem etwas höheren Druck gehalten werden, um das Einströmen von Luft in die Kammer durch die Durchgänge zu verhindern, die dazu dienen, die Träger in die Kammer hinein und aus ihr heraus zu transportieren. Die Halbleiterplättchen können auch in anderer

Weise erwärmt werden, z. B. kann ihre Temperatui am Anfang über ihren Curie-Punkt gehoben werden, um sie leitfähig zu machen, z. B. mit Hilfe einer Widerstands- oder Lichtbogenheizung, worauf, nachdem sie leitfähig geworden sind, sich eine Hochfrequenz-Induktionsheizung anschließen kann. Bei dieser Methode können nichtleitende Träger verwendet werden, die dann selbst nicht erwärmt werden.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Vorrichtung zum Herstellen gleichmäßig dikker Schichten auf einer Unterlage, insbesondere auf einem Halbleiterplättchen, durch Abscheidung aus der Gasphase in einer Kammer, mit wenigstens einem drehbaren, die Form einer Kreisscheibe besitzenden Träger für die Aufnahme der Unterlagen, Einrichtungen zur Zu- und Abfuhr der zur Abscheidung gelangenden Stoffe und einer Heizung, dadurch gekennzeichnet, daß der (diej Träger (32 bis 37; 72) deiart passend zwischen dem Rand (28) eines angetriebenen, drehbaren Vorrichtungsteils (26) und der oberen Begrenzung eines feststehenden Vorrichtungsteils (18) angeordnet ist (sind), daß er (sie) in einer umlaufenden Rollbewegung antreibbar ist (sind).

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die obere Begrenzung des feststehenden Vorrichtungsteils (18) eine kreisförmige Schiene (20; 78) bildet, und daß der Träger eine ringförmige Umfangsnut (46) aufweist, in die die Schiene eingreift.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Kammer einen Einlaß und einen Auslaß mit Bahnverlängerungen (76,80) für ein kontinuierliches Führen der Träger (72) um die Bahn (78) aufweist.

4. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das angetriebene, drehbare Vorrichtungsteil (26) mindestens eine in die Bahn des Trägers ragende Schubstange (30) aufweist.

5. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das angetriebene, drehbare Vorrichtungsteil (26) eine senkrecht verlaufende Antriebswelle (24; 82) aufweist, die bezüglich des zweiten Vorrichtungsteils (18) axial angeordnet ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Antriebswelle als Hohlwelle ausgebildet ist und der Einleitung der gasförmigen Reagenzien in die Kammer dient.

7. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Träger schräg gestellt sind.

8. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Träger auf seiner nach außen weisenden Oberfläche mindestens eine Vertiefung (52) mit einem flachen Boden aufweist, der von einem umlaufenden Rand (54) begrenzt wird, welcher einen größeren Durchmesser als die zu beschichtende Unterlage besitzt, welche in diese Vertiefung einsetzbar ist.