DE19522574A1

DE19522574A1 - Reaktor zur Beschichtung von flächigen Substraten und Verfahren zur Herstellung derartiger Substrate

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Publication number: DE19522574A1
Application number: DE19522574A
Authority: DE
Original assignee: Aixtron SE
Current assignee: Aixtron SE
Priority date: 1994-06-24
Filing date: 1995-06-26
Publication date: 1996-01-18
Also published as: WO1996000314A3; WO1996000314A2; EP0763148B1; DE59510000D1; EP0763148A2

Description

Technisches Gebiet

Die Erfindung bezieht sich auf einen Reaktor zur Beschich tung von flächigen Substraten gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 sowie auf Verfahren zur Herstellung von flächigen Substraten unter Verwendung gattungsgemäßer Reak toren.

Stand der Technik

Reaktoren zur Beschichtung von Substraten unter Verwendung von CVD-Prozessen und insbesondere MOCVD-Prozessen sowie Plasmabeschichtungsprozessen erfordern eine Reaktionsgas-Strömung durch das sogenannte Reaktor- bzw. Reaktionsge fäß, in dem das bzw. die zu beschichtenden Substrate ange ordnet sind. Um eine hervorragende Beschichtung der Ober fläche der Substrate zu erreichen, ist es erforderlich, den Reaktionsgasstrom möglichst gleichmäßig, d. h. in lami narer Strömung, derart nahe an der Substratoberfläche vorbeizuleiten, daß eine möglichst homogene Schichtenbil dung auf dem Substrat erfolgt.

Bei der Herstellung "üblicher" Schichten sind jedoch wäh rend des Beschichtungsverfahrens hohe Temperaturen erfor derlich, die u. a. zu Wärmekonvektionseffekten innerhalb des Gasstromes und damit zu einer Störung der laminaren Strömung führen. Zwar ist es möglich durch eine erhöhte Reaktionsgasstromgeschwindigkeit die Laminarität und damit die Parallelität des Reaktionsgasstromes relativ zur Be schichtungsoberfläche zu steigern, doch können gleichwohl auch transversale Strömungskomponenten innerhalb des Reak tionsgefäßes bedingt durch Konvektion, aber auch durch konstruktive Hindernisse, die dem Reaktionsgasstrom im Wege stehen, auftreten. Derartige transversale Strömungs komponenten führen innerhalb des Reaktorgefäßes zu lokalen Wirbelbildungen (Vortex), die den Beschichtungsprozeß negativ beeinflussen.

Durch die auftretenden turbulenten Strömungsbereiche läßt sich auch erklären, daß die Schichtenbildung auf dem vor zugsweise flächig aus gestalteten Substrat nicht gleich mäßig erfolgt, sondern daß Stellen mit höherer Schichtab lagerung und Stellen mit niedrigerer Schichtablagerung auftreten.

Ferner treten bei den bekannten Reaktorsystemen, bei denen die zu beschichtenden Substrate auf dem Boden des Reak tionsgefäßes angeordnet sind, Oberflächeneffekte auf, die von Kondensatabscheidungen herrühren, die sich während des Beschichtungsprozesses an den Reaktorwänden bilden und je nach Kondensatmenge von den oberen Reaktorwänden nach unten fallen und die Oberfläche des Substrates beschädi gen.

Darstellung der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Reaktor zur Beschichtung von flächigen Substrates und insbesondere von Wafern, bei dem ein hoher Durchsatz bei homogener Schichtbildung möglich ist, sowie ein Verfahren zur Her stellung derartiger Substrate anzugeben, das die Herstel lung der verschiedensten Substrate erlaubt.

Eine erfindungsgemäße Lösung dieser Aufgabe ist mit ihren Weiterbildungen in den Patentansprüchen angegeben.

Erfindungsgemäß wird von einem Reaktor ausgegangen, wie er im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 vorausgesetzt ist, und wie er von der Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V. vorgeschlagen worden ist.

Dieser von der Fraunhofer-Gesellschaft vorgeschlagene Reaktor, für dessen prinzipielle Ausbildung im Rahmen der vorliegenden Anmeldung kein Schutz begehrt wird, weist ein Reaktor- bzw. Reaktionsgefäß auf, in das Reaktionsgase sowie gegebenenfalls ein Trägergas einleitbar sind. In dem Reaktionsgefäß ist wenigstens ein Substrat derart angeord net, daß eine Hauptoberfläche des Substrats im wesentlich parallel zur Strömungsrichtung der Reaktionsgase ausge richtet ist.

Zur Erhöhung des Durchsatzes sind auf der Substrathalter einheit wenigstens zwei Plätze für Substrate vorgesehen. Der oder die Halter sind in Art einer Schablone ausgebil det, die Öffnungen für die zu beschichtenden Oberflächen der Substrate aufweist.

Erfindungsgemäß wird ausgenutzt, daß konvektive Transver salströmungen innerhalb eines Reaktorgefäßes während des Beschichtungsvorganges dadurch vermieden werden können, daß das zu beschichtende Substrat im Bereich oder an der oberen Gefäßkammer derart angebracht ist, so daß die zu beschichtende Hauptoberfläche nach unten orientiert ist.

Vortex-Bildungen innerhalb des Strömungskanales können auf diese Weise ausgeschlossen worden. Ebenso ist durch die erfindungsgemäße Substratorientierung die Beschädigungsge fahr durch auf die Substratoberfläche auftreffende Konden satteilchen praktisch ausgeschlossen.

Erfindungsgemäß trägt die rotierbar gelagerte Tragering halterung, die das Substrat faßt, dazu bei, daß die Reak tionsgasströmung, die unter Umständen innerhalb des lami naren Stromflusses Inhomogenitäten aufweist, möglichst gleichmäßig an der Substratoberfläche anliegt. Damit ist eine im Mittel homogene Schichtenbildung auf dem Substrat möglich.

Grundsätzlich ist der Reaktor derart ausgebildet, daß ein ein Reaktorgehäuse vorgesehen ist, innerhalb dem das Reak tor- bzw. Reaktionsgefäß enthalten ist, in dem der Be schichtungsvorgang stattfindet. Die Reaktionsgase durch strömen das Reaktorgefäß innerhalb eines geschlossenen Kreislaufes und beschichten dabei die innerhalb des Reak torgefäßes eingebrachten und angebrachten Substratflächen. Das Reaktorgehäuse selbst ist wiederum mit einem Schleu sengehäuse verbunden, das ein Kassettengehäuse aufweist, innerhalb dem die zu beschichtenden Substrate angeordnet sind, die bei Bedarf und aus Gründen eines vollautomati sierten Beschichtungsablaufes die Substrate speichern. Zur Speicherung der Substrate dient ein Kassettenlader, in dem die Substratflächen samt Tragering abgelegt werden können.

Desweiteren ist das Kassettengehäuse durch ein daran un mittelbar angebrachtes Schleusengehäuse befüllbar. Der Anschluß zwischen Schleusengehäuse und Kassettengehäuse sowie Kassettengehäuse und Reaktorgehäuse erfolgt über gasdicht verschließende Ventile, so daß für den Bediener der Anlage sichergestellt ist, daß dieser nicht in Kontakt mit den gasatmosphärischen Bedingungen innerhalb des Reak torgefäßes tritt.

Der vorstehend beschriebene Reaktor eignet sich zur Her stellung der verschiedensten Materialien: nicht nur III-IV-Schichten, sondern auch II-VI-Halbleiterschichten, SiC, SiGe, Oxide, supraleitende Materialien etc. können hergestellt werden.

Dabei können die Prozeßdrücke unterhalb oder oberhalb von 100 mBar liegen.

Kurze Beschreibung der Zeichnung

Die Erfindung wird nachstehend ohne Beschränkung des all gemeinen Erfindungsgedankens anhand von Ausführungsbei spielen unter Bezugnahme auf die Zeichnung exemplarisch beschrieben, auf die im übrigen bezüglich der Offenbarung aller im Text nicht näher erläuterten erfindungsgemäßen Einzelheiten ausdrücklich verwiesen wird. Es zeigen:

Fig. 1 schematische Gegenüberstellung der Strömungs verhältnisse innerhalb eines Reaktorgefäßes und

Fig. 2 schematische Gesamtdarstellung der Reak toranordnung samt Kassetten- und Schleusen gehäuse.

Darstellung von Ausführungsbeispielen

In Fig. 1 geht aus der oberen Darstellung ein Querschnitt des Reaktorgefäßes 1 hervor, innerhalb dem sich ein Reak tionsgasstrom (siehe Strömungspfeile) befindet. Das zu beschichtende Substrat 2 ist innerhalb eines Trageringes 3 befestigt und ist mit seiner zu beschichtenden Hauptober fläche nach oben orientiert. Durch Konvektionsprozesse bilden sich innerhalb des stromführenden Kanals Turbulenz wirbel 4 aus, die eine gleichmäßige Beschichtung des Sub strates 2 verhindern.

Im Gegensatz zur oberen Darstellung der Fig. 1 ist aus der unteren Darstellung die Anordnung des zu beschichten den Substrates innerhalb des Trageringes 3 derart ange bracht, daß die zu beschichtende Schicht nach unten orien tiert ist. Als Folge hiervon sind keine Wirbelbildungen zu beobachten; die laminare Strömung des Reaktionsgases wird in Folge von Konvektionsprozessen nicht gestört, so daß eine gleichmäßige Schichtablagerung erfolgen kann.

Erfindungsgemäß sind auf der Substrathaltereinheit wenig stens zwei Plätze für Substrate vorgesehen. Dabei ist der oder die Halter in Art einer Schablone ausgebildet sind, die Öffnungen für die zu beschichtenden Oberflächen der Substrate aufweist.

In Fig. 2 ist eine schematisierte Darstellung der voll ständigen Reaktorkomponenten dargestellt, die grundsätz lich ein Reaktorgehäuse 5, ein Kassettengehäuse 6 und ein Schleusengehäuse 7 aufweisen. Das flächige Substrat 2, das selbst in einem Tragering 13 gefaßt ist, befindet sich, nachdem es für den Beginn eines Beschichtungsvorganges durch ein Schleusengehäuse 7 in das Kassettengehäuse 6 eingebracht ist, innerhalb eines Kassettenladers 8. Das Substrat 2 samt Tragering 13 wird durch ein Ventil 10, das das Reaktorgehäuse 5 mit dem Kassettengehäuse 6 verbindet, in das Reaktorgehäuse 5 verbracht, von wo es in das Reak torgefäß 9 eingeschleust wird. Das Einschleusen des Sub strates 2 samt Tragering 13 in das Reaktorgefäß 9 wird durch einen Gabelarm 12 realisiert, der in Eingriff mit dem Tragering 13 steht und den Tragering samt Substrat aus dem Kassettenlader 8 entnimmt und in einer Linearführung durch eine Ladeschleuse (10) innerhalb des Reaktorgehäuses 9 verbringt. Die Positionierung des Substrates 2 erfolgt derart unter eine Öffnung des Reaktorgefäß 2, so daß ein Aufnahmearm 16 vertikal von unten an den Tragering 13 mittels drei Finger angreift und diesen samt Substrat 2 vertikal nach oben durch die Öffnung des Reaktorgefäßes verbringt (siehe vertikalen Translationspfeil). Der Auf nahmearm 15, der zugleich auch die Drehachse des Substra tes definiert, drückt das Substrat über den Tragering mit seiner oberen Fläche gegen eine im oberen Wandabschnitt vorgesehene, beheizbare Graphitplatte 14.

Die, vorzugsweise aus Quarz gefertigten drei Finger des vertikalen Aufnahmearms münden nach unten in einer gemein samen zentralen Achse 16, die zugleich Drehachse für das Substrat ist. Diese Achse ist gasdicht aber drehbar durch eine untere Quarzplatte 15 geführt, die in ihren Abmessun gen etwas größer ausgestaltet ist als die untere Öffnung des Reaktorgefäßes 9, durch die das Substrat 2 in das Reaktorgefäß 9 eingeführt worden ist, und verschließt diese Öffnung gasdicht nach unten hin.

In der bevorzugten Ausführungsform gemäß Fig. 2 handelt es sich um einen horizontalen Rechteckrohrreaktor für 2′′-, 3′′- und 4′′-Substrate, welcher aus einem druck-und vakkum dichten Gehäuse aus geschmiedetem Aluminium mit angeflan schter Lademaschine aus gleichem Material besteht. Die angeflanschte Lademaschine entspricht dem bereits vorge stellten Kassettengehäuse, in dem die zu beschichtenden Substrate im Rahmen eines Kassettenladers gestapelt sind. Nach Beendigung der Beladung der Substrate innerhalb des Reaktorgefäßes beginnen die Substrate, die auf einem Tra gering fixiert sind, zu rotieren, so daß in der beschrie benen Art und Weise eine gleichmäßige Schichtablagerung erfolgt. Nach Beendigung der Beschichtung wird in das Reaktorgefäß Wasserstoff mit freiwählbarem Druck eingelei tet, so daß der Reaktor, der immer noch auf ca. 400° tem periert ist, geöffnet werden kann und der Substratwechsel vorgenommen werden kann. Der Substratwechsel erfolgt bei Verwendung eines Kassettenladers in ca. 8 Minuten, wohinge gen 15 Minuten benötigt werden, sofern die Substrate ohne Kassettenlader in das Reaktorgefäß verbracht werden. Durch Benutzung des Kassettenladers ist der Beschichtungsbetrieb voll automatisch möglich.

Darüberhinaus weist die Reaktoranordnung gemäß Fig. 2 Ventile 10 auf, die für einen gasdichten Anschluß der dargestellten Gehäuseteile sorgen. Das Kassettengehäuse 6 ist ferner über eine Ladetür 11 mit den Substraten schnell zu bestücken.

Mit dem erfindungsgemäßen Reaktor ist ein Reaktor angege ben, der für Forschung, Entwicklung und Produktion glei chermaßen geeignet ist. Als besonders vorteilhaft hat es sich erwiesen, daß eine Beladevorrichtung, die den Trage ring für das Substrat aufweist zugleich Teil des Abdich tungssystems des Reaktorgefäßes ist, so daß das Austreten von Reaktionsgasen aus dem Inneren des Reaktors nach außen verhindert werden kann.

Mit der besonders vorteilhaft aus gestalteten Translations kinematik der Substratverfrachtung zwischen den einzelnen Prozeßstationen ist es erstmals gelungen den Beschich tungsablauf vollautomatisch durchführen zu können.

Claims

1. Reaktor zur Beschichtung von flächigen Substraten und insbesondere von Wafern, mit

- einem Reaktionsgefäß, in das Reaktionsgase einleitbar sind, und
- einer Substrathaltereinheit, in der Substrate in einem Halter derart gehalten sind, daß die zu beschichtende Hauptoberfläche der Substrate während des Depositionsvor ganges nach unten orientiert und im wesentlichen parallel zur Strömungsrichtung der Reaktionsgase ausgerichtet ist, dadurch gekennzeichnet, daß auf der Substrathaltereinheit wenigstens zwei Plätze für Substrate vorgesehen sind, und daß der oder die Halter in Art einer Schablone ausgebildet sind, die Öffnungen für die zu beschichtenden Oberflächen der Substrate aufweist.

2. Reaktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß für wenigstens zwei Substrate ein gemeinsamer Halter vorgesehen ist.

3. Reaktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß für jedes Substrat ein eigener Halter vorgesehen ist.

4. Reaktor nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 oder nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Substrathaltereinheit(en) um eine Achse rotieren.

5. Reaktor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberfläche des oder der Halter wenigstens annähernd bündig mit der Oberfläche der Substrate verläuft.

6. Reaktor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der oder die Halter gemeinsam mit den Substraten in den Reaktor einführbar und aus die sem wieder entnehmbar sind.

7. Reaktor nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß eine Beladevorrichtung vorge sehen ist, die den oder die Halter und die jeweils von ihnen getragenen Substrate in den Reaktor einführt und wieder entnimmt.

8. Reaktor nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß ein Kassettenspeicher vorgese hen ist, aus dem die Beladevorrichtung die Halter zusammen mit den Substraten entnimmt, so daß ein vollautomatischer Schichtbetrieb möglich ist.

9. Reaktor nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Reaktor ein horizontaler Rechteckrohrreaktor ist.

10. Reaktor nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Reaktor ein druck- und vakuumdichtes Gehäuse aus geschmiedetem Aluminium auf weist.

11. Reaktor nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Reaktorbaumaterialien Quarz und Molybdän und kein Graphit aufweisen.

12. Reaktor nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß der oder die Halter Sensoren für eine in-situ-Überwachung des Beschichtungsprozesses aufweisen.

13. Reaktor nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß ein Lampen- und/oder ein RF-Heizsystem vorgesehen ist, das mehrere Heizelemente auf weist, die einzeln oder in Untergruppen zur Verbesserung der Temperaturhomogenität ansteuerbar sind.

14. Reaktor nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß der oder die Halter die Sub strate an eine beheizbaren Graphit- oder Molybdänplatte andrücken.

15. Reaktor nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß eine Aufnahmegabel vorgesehen ist, die, am Tragering angreifend, das Substrat aus dem Kassettenspeicher entnimmt und in eine Position unterhalb einer Öffnung in dem Reaktorgefäß überführt.

16. Reaktor nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß ein Aufnahmearm, der mehrere aus Quarz gefertigte Finger aufweist, am Tragering von unten angreift und diesen vertikal nach oben in das Reak torgefäß an eine Stelle hebt.

17. Reaktor nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß der Aufnahmearm zugleich die Drehachse des Substrates während des Beschichtungsprozeßes darstellt.

18. Reaktor nach einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß der Reaktor ein Multi-Purpose-Reaktor ist, der insbesondere auch zur Herstellung von II-VI-Schichten nach dem MOCVD-Verfahren dient.

19. Verfahren zur Herstellung von zu beschichtenden Sub straten unter Verwendung eines Reaktors, der

- ein Reaktionsgefäß, in das Reaktionsgase einleitbar sind, und
- eine Substrathaltereinheit aufweist, in der Substrate in einem Halter derart gehalten sind, daß die zu beschich tende Hauptoberfläche der Substrate während des Deposi tionsvorganges nach unten orientiert und im wesentlichen parallel zur Strömungsrichtung der Reaktionsgase ausge richtet ist, dadurch gekennzeichnet, daß ein Trägergas eingeleitet wird, und daß II-VI-Halbleiterschichten hergestellt wer den.

20. Verfahren zur Herstellung von zu beschichtenden Sub straten unter Verwendung eines Reaktors, der

- ein Reaktionsgefäß, in das Reaktionsgase einleitbar sind,
- eine Substrathaltereinheit aufweist, in der Substrate in einem Halter derart gehalten sind, daß die zu beschich tende Hauptoberfläche der Substrate während des Deposi tionsvorganges nach unten orientiert und im wesentlichen parallel zur Strömungsrichtung der Reaktionsgase ausge richtet ist, und
- wenigstens einen Aufnahmearm aufweist, der das oder die Substrate an die obere Wandfläche des Reaktionsgefäßes andrückt, oder nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß das oder die Substrate durch den oder die Aufnahmearme während des Beschichtungsvorgan ges gedreht werden.

21. Verfahren nach Anspruch 19 oder 20, dadurch gekennzeichnet, daß mit Prozeßdrücken 100 mbar gearbeitet wird.

22. Verfahren nach Anspruch 19 oder 20, dadurch gekennzeichnet, daß mit Prozeßdrücken 100 mbar gearbeitet wird.