DE1956055C3

DE1956055C3 - Halterungsvorrichtung für Halbleiterscheiben

Info

Publication number: DE1956055C3
Application number: DE1956055A
Authority: DE
Inventors: Andrea Pleasant Valley Spiro
Original assignee: International Business Machines Corp
Current assignee: International Business Machines Corp
Priority date: 1968-11-08
Filing date: 1969-11-07
Publication date: 1975-01-23
Also published as: FR2022844A1; DE1956055A1; DE1956055B2; JPS4812671B1; GB1287797A; US3539759A

Description

Die vorliegende Erfindung erstreckt sich auf eine Halterungsvorrichtung für Halbleiterscheiben, die innerhalb kreiszylindrischer Aussparungen in einem als Träger dienenden Graphilblock angeordnet sind und die mittels Hochfrequenzenergie über das Trägermaterial mit gleichförmiger Temperalurvcrteilung über ihre Oberfläche erhitzt werden, zur Verwendung hei der Behandlung der Halbleiterscheiben mit gasförmigen Materialien. Die Vorrichtung dient als Unterlage bzw. zum Haltern von Plättchen aus kristallinem Halblcitermateria¹ z. B. aus Silicium, während der Fabrikation beispielsweise von Halbleiterbauelementen, insbesondere während der Verfahrensschritte, in denen höhere Temperaturen zur Durchführung epitaktischer Aufwachsprozesse angewendet werden.

Bei der Herstellung von Halbleiterbauelementen Und von integrierten Schaltungen erstreckt sich die Prozeßführung auf verhältnismäßig kleine Halbleitcrplättchen, welche etwa einen Durchmesser von 1.3 bis 2,0 cm besitzen. Die Herstellung des Plättchens selbst und seine Formgebung gehören nicht zum Gegenstand der vorliegenden Erfindung.

Eine bereits weitgehend entwickelte konventionelle Methode bei der Herstellung \on integrierten Schaltungen betrifft die Abscheidung ausgewählter Materialien aus dem gasförmigen Zustand auf ausgewählten Obcrflachcnbereichcn eines jeweils zu behandelnden Halbleitcrplättchens. Bei derartigen Prozessen dient das Halbleiterplättchen als Unterlage oder als Substrat, und der Abscheidungsvorgang aus dem gasförmigen Zustand erfordert eine chemische Prozeßführung bei einer erhöhten Temperatur. Bei den zur Zeit gebräuchlichen Verfahren wird für die Halbleiterplättchen eine Unterlage aus Graphit benutzt, welche auch oft als Schiffchen bezeichnet wird. Diese Unterlage muß hohe Temperaturen aushalten, ohne hierbei chemisch mit dem Material der düraiiHiejjenden Halbleiterplättchen zu reagieien. Um einen möglichst hohen Giad an Reproduzierbarkeit der so hergestellten Halbleiterbauelemente bezüglich ihrer Arbeitscharakteristiken zu erhalten, ist es erforderlich, eine im wesentlichen gleichförmige Verteilung der Bedingungen. z.B. der Tempeiaturverieilung, sicherzustellen, denen die einzelnen Plättchen während des Herstellungsverfahrens jusgesetzt sind. Dieses ist etwas problematisch bei den zur Zeit bekannten Prozessen, da die Temperaturverteilung in der benutzten Reaktionskammer nicht ohne weiteres innerhalb ihres gesamten Volumens gleichförmig ist. Vielmehr

v.erden meistens merkliche Temperaturgradienten innerhalb des Volumens des Reaktionsrohres aus Quarz bestehen. Oft sind bereits Temperaturunterschiede von vornherein unvermeidbar, wenn nämlich die zu behandelnden Planchen durd. ^.,,^n ßewegunosvorgiing aus einer wenigei heißen Zone in die eigentliche Heizzone gebracht werden. Darüber hinaus wird im allgemeinen tue Lage des Graphiitragers von einer Charge zur anderen gewissen Änderungen unterworfen sein, wus sich wiederum ungünstig auf die Gleichförmigkeit und Reproduzierbarkeil der Tempera Umverteilung auswirkt.

Fernerhin erfolgt die chemische Behandlung der Halbleiterplättchen innerhalb eines in einem Ölen befindlichen Reaktionsrohr»·, aus Quarz durch F.inführung verschied:ner gasförmiger Substanzen in das Reaktionsrohr. Die so transportierten gasförmigen Substanzen liefern einen weiteren Grund für eine nicht cleichförmigc Verteilung der Temperatur im Inneren und auf der Oberfläche der zu hehandilnden

Halbleiterplättchen.

Die Graphilträger. welche eine Charge von zu behandelnden Halbleiterplättchen während der Pro/.eB-führuns aufnehmen, tragen bis -j einem gewissen Grade /u einer rempcraturstabilisation dieser Plättchen bei. F.s sind Tiüger bekannt, die zur Halterung der Halbleiterplältchen entsprechend geformte Aussparungen mit einem ebenen Boden aufweisen, in die die einzelnen Halbleiterpläitchen eingelegt werden. Dic-e zur Aufnahme der Planchen benutzten Untcrlagen dienen im wesentlichen du/u, die Halbleiterplättchen mechanisch innerhalb der Reaktionskammer zu haltern uik¹ sind nicht dafür konstruiert. Verbesserungen hinsichtlich eines gleichmäßigen 'Iemperaturvcrlaufes innerhalb der verschiedenen HaIblcllerplättchen einer Charge z.u erzielen, wobei durch geeignete Formgebung- und Betriebsmaßnahmen ein Angleich auch der Temperalurbedingungen für verschiedene Chargen angestrebt werden kann.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe z.ugründe, bei der Verarbeitung von Halbleiterplättchen insbesondere durch epiiaktisehe Prozesse die Temperaiurverteilung innerhalb und auf der Oberfläche dieser Plättchen besonders günstig zu gestalten, wobei insbesondere Wert darauf gelegt wird, einen hohen Grad von Gleichförmigkeit bezüglich der Temperaturverteilung über die Oberfläche eines jeden Plättchens hinweg zu gewährleisten, unabhängig von der jeweiligen Lage des Plättchens auf der Halterungsvorrichtung, so daß durch diese Maßnahme Temperaturgradicnten und damit innere thermische Beanspruchungen vermieden oder zumindestens reduziert werden. Durch Sicherstellung eines guten Wärmeübergangs zwischen der die Halbleiterplältchen tra-

I 956

.»ringe und den Plättchen soll er - · i,i"iwL'rtlen. daß die Unterlagi! selbst temperatur^flu-n_siereiu! tür jedes darauf befindliche Plättchen

''weiterhin sollen Maßnahmen ergriffen werden. 5

Wärmeverluste durch Wärmestrahlung insbeson- ?^m an den 1-cken der zu behandelnden Planchen iTein geringes Maß herab/usel/en.

D'-seAufgaben werden bei der anfangs genannten u-UeVungsvorrtchtiing eriindung^gemäß dadurch ge- 10 Bist daß innerhalb der Aussparungen im Graphil-Wock ringförmige Leisten angebracht sind, auf denen T. Halbleiterscheiben mit ihren Randbereichen auf-

iTrizelheiten der Erfindung gehen aus der folgen- 15 j_en Beschreibung sowie aus den dazugehörigen Figuren hervor, in diesen bedeutet

pie 1 eine schematische Ansicht einer Reaktionsirammer bestehend aus einem Quarzrohr mit einge- »etzteni Träger zur Halterung \on einem oder mehre- =0 * Halbleiterplättchen. Träger mit Plättchen sind von einem Hochfrei[uenzfekl übeilagert und -.erden auf eine für die jeweils auf dem Planche- abzuscheidende Substanz geeignete Temperatur autgeheizt.

ρ Jo ~> einen vergrößerten Ausschnitt aus dem 25 τ für die Halbleiierplättchen in dem die einzel- -hilienmgsstelien (Aussparungen) fm die PHiU-

1 zu sehen sind.

,..ne Oucrschniltsd.irsiellung entlang der 3-3 in Fig.:. 3c

eine graphische Darstellung der Temper,,-unc über ein zu behandelndes Halbleiter-

hen.

o. 5 eine graphische Darstellung ähnlich wie in

4. bei der jedoch keine Zentrierung des Trägers ^=

_r..,._ „.....„-.. für die auf den Plättchen zu

erzeugenden dünnen Materialschichten erforderlich.

In der Halhleilertechnik ist es zwar seit langem bekannt. Träger aus Graphit für die Halterung der /u behandelnden llalbleiterpläilehen innerhalb eines Reaktionsgefäßes aus Quarz anzuordnen, um so mittels eines hochfrequenten Feldes die erforderliche Aulheizung der Halbleiierplättchen zu bewirken. Bisher winde jedoch die Aufmerksamkeit weniger darauf gerichtet, die Anordnung dieses Graphilträgers so zu treffen, daß eine für die durchzuführenden Abscheidungsreaktionen optimale Wärmeverieiliing sichergestellt wird.

Die Formgebung und die Anordnung dieser die zu behandelnden Halbleiterpläiichen nähernden und aufheizenden Trägervorrichtungen wird nach der Lehre der vorliegenden Erfindung so getroffen, dall infolge der Massenverteilung und der Geometrie des Trägers isotherme Zonen in der Umgebung eines jeden\jer zu behandelnden Halbleiterplättchen entstehen, so daß sich insiiesanu i'-.r die vorzunehmenden Absche.duimsreukiionen optir.-ie Bedingungen, insbesondere aerinne Wärmestrahlungerlusie ^ν™^Λ nicht so intensiv aufgeheizten Stellen an den Kanten und Ecken der Plättchen eintritt, was im wesentlichen durch Sicherstellune eines gu'.en und gleicntormigen Wärmeübergangs zwischen den Plattcnen und tier Graphiiunterlasie bewirkt wird.

/···-- F'T-utermi» dieser Maßnahmen ist -.nsbesonciere aiii die Fii£.~2 und 3 zu verweisen. Wie aus der Γ i p. 2 hervorgeht. M der Graphituäger 12 mn einer Reihe von ta
in die jewei
Charge eingegeben wird.
; Aussparungen und der

;SSS

LWun_frswc_ise für Ha.bleiterplättchen

gröBcrcn

W^S Fi₈.! zu entnehmen, ,st die schematisch dargestellte Reak,ionskammer JO. bestehend aus einem Quarzrohr 12 sowie aus einem herausnchmbaren GraphUlräger oder Schiffchen 20 für du: Halterurg einer Charge von zm behandelnden Hall leiterplatten in einem Hochfrequenz feld .mgeord-„et. Dieses bewirkt die Auiheizung der Halterung mit den darauf befindlichen Halble.terplattchen. D.e Hochfrequenzspule !4 erhält ihre Energ.e aus der schematisch angedeuteten H.K-hfrcquenzquelle 16. Mit 18 ist eine Zuführungsmöghchkeit fur versch.edene für die Behandlung der Halblc.terplattchcn erforderliche Materialien angedeutet d,c lur d.e cn Zweck vorgesehenen Gasquellen sind ebenfalls sehe-Lisch angedeutet und mit 20«. 20/, 20 c bezeieh-

net. . ,,

Nach Einschaltung der Hochfreuuenzenerg.cqucIe 16 werden sowohl der aus Graphit bestehende I.a-

HuIMcitcrpliK-licn 25. Die in dem OrnphiHrajjCi gcspciehcrtc Wärmemenge gib! be. geeignclc, A,K»d-

rt;^MO:rs^c", es

J ^J ^g^ das Bo-

denniveau kr .^J. -reck. Diese K,n-/elhcen de Ge„met, de Au spar ^^ ^₃ ^ Dci.i.l m d.r Uu.rsc.iniir _d^_r

7C,g . wöbe, dasc . hnu u,.l _;n, ,

sch_tn
30

d
■^rpk

_w , _{32 (1cr} Aussparung

^r^ ^ _e-_{m ichtct}

η die Aussparung 30 hinein-

'^ _{bcnc Durch}messer

^^»beträgt D 0.12cm.

, ,_:i,_l(._hcPS entspricht. Da ^'^»^ „Lhmesser

esi'/i kann dieses in die vorgese- ^ -,,,,.„ _odcr „erausgenommen

^^ ^ _einc Rcihuna an der Fläche der

^{32 in} ^^c— ^werdcn

paL,t und au, Ie '

de kcst rm.gc
wobei Π dm
55 /u h^erndu^ »

._lk ,,.., ui-.ttchen
ak das IlJU.1 ui

hu

_Du ^E _rc.f„„_c5scr des in die Λϋ»ρη-H.lblci.tiplältche» bcdcutel

nommen werden kann, Gleichzeitig wird erreicht, daß das zu halternde Malbleiterpliittchen nur innerhalb eines kleinen peripheral Flächenbcreichcs auf der unterstützenden Leiste 34 aufliegt.

Die vertikalen Abmessungen der Aussparungen sind in 1'i g. 3 ebenfalls angedeutet, wobei der Buclistabc.S'die Stärke des zu behaiulelnclnen Pliittcheiis im Rohzustand, d. h. vor seiner Behandlung bedeutet. Wie zu entnehmen, sind etwa drei Viertel der Stärke des !'Hütchens als Tiefcncrslreckung der Aussparung, und zwar gemessen von der Oberfläche bis zur oberen Kante der ringförmigen IJntcrstützungsstufe vorgesehen. Die Höhe der ringförmigen unterstützenden Leiste 34 ist entsprechend geringer und liegt in der Größenordnung von etwa ein Viertel clci Stärke des zu behandelnden Plättchcns. Das Halbleilerplattehen wird jeweils so in diehaltcnidc Aussparungeincepaßt. daß es die in Fig. 2 dargestellte symmetrische Lage einnimmt, was für die Wärmcübcrgangsvcrhältnisse zwischen Träger und gehaltenem Plättehen bedeutsam ist. Wie aus der F i g. 3 zu ersehen, ist der Abstand zwischen der unteren Fläche des geh alterten Plättchcns und der Bodenfläche der Aussparung ziemlich gering, und fast die gesamte Oberfläche des Plättchcns wird daher durch Strahlung von der Bodenflächc 36 der Aussparung aufgeheizt. Gleichzeitig befindet sich die unterstützende ringförmige Leiste auf einer verhältnismäßig gleichförmigen, durch die verhältnismäßig große Masse des Graphitträgers 12 stabilisierten Temperatur. Infolge der beschriebenen Anordnung wird jeder asymmetrische Wärmcmcngenvcrlust des Plättchens durch eine gleichförmige Wärmezufuhr an den pcriphercn Stellen des Plätt chens vermieden. Über die unterstützende Leiste 34 ist eine zusätzliche Ausmittclung der Temperaturwerte über die gesamte Oberfläche der zu behandelnden Plättchen hinweg gegeben, so daß bei der Anordnung nach der Lehre der vorliegenden Erfindung eine gleichförmigere Temperaturverteilung erzielt wird, als das bei bisher benutzten halternclen Trägern für Halbleiterplättchen der Fall war. Temperaturdifferenzen zwischen benachbarten Punkten innerhalb der kristallinen Halbleiterplättchen werden so im wesent'iichen vermieden. Infolgedessen sind die dünnen, auf der Oberfläche der zu behandelnden Plättchen abgeschiedenen Schichten weniger stark Beanspruchungen während des Aufheizens oder während des Abkühlens der Plättchen auf normale Umgebungstemperatur unterworfen.

Die F i g. 4 und 5 zeigen graphische Darstellungen der Temperaturverteilungen, welche an herkömmlichen Halterungsvorrichtungen für kristalline Halbleiterplättchen gemessen wurden, bei denen keine besonderen Maßnahmen zum Temperaturausgleich vorgesehen sind. Außerdem sind in den Figuren Vergleichsmessungen für die entsprechende Temperaturverteilung gezeigt, die bei Halterungen nach der Lehre der vorliegenden Erfindung gemessen wurden. Der Unterschied diesei Temperaturverteilungen ist typisch und besonders in der Gegend der Peripherie der Plättchen bemerkenswert. Wie aus der F i g. 4 ersichtlich, zeigt der an einer gewöhnlichen bisher in der Halbleitertechnik üblichen Halterung für Halbleiterplättchen gemessene Kurvenverlauf 40 ein ziemlich stark ausgeprägtes Maximum, von dem aus die Temperaturen nach beiden Seiten, d. h. vom Zentrum des Plättchens zur Peripherie hin, einen ziemlich starken Abfall aufweisen.

Andererseits zeigt die Kurve 50. gemessen an einer isothermen Halterung für Halblcitcrplältclicn nach der Lehre der vorliegenden lirfindung. eint: sehr viel gleichförmiger xcrlaul'cndc I cmpaaturvcrloikirL!

über den Durchmesser des Pläiichens hinweg, wobei die Temperaliirdifferenzen im Vergleich zur Kurve 40 besonders an den peripheral Stellen stark voneinander abweichen.

Die in F i g. 4 gezeigten Messungen wurden bei

ίο einer Anordnung durchgeführt, bei tier die Plältchcnträger bezüglich der Heizzoni: zentrisch innerhalb der Rcaktion>kamtncr einjustiert waren, um so eine besonders symmetrische Temperaturverteilung zu erzielen F" i g. 5 zeigt dahingegen zwei entsprechende Kurven, die bei einem weiteren Versuch gemessen wurden, bei dem der Träger mit den Halbleiterplätichen willkürlich, d. h. also ohne zusätzliche ZentriermaßnahiTieii in die Reaktionskammer eingesetzt wurden. Die Kurve 60 zeigt hierbei Meßwerte, die mit in herkömmlicher Weise gehaltenen Halbleiterplättchen gewonnen wurden. Die Kurve zeigt ein ähnlich ausgeprägtes Maximum mit starkem Abfall nach den peripheren Seiten zu. wie dies für die Kurve 40 der FaU ist. Die Kurve 70 verläuft ähnlich wie das für die

2:_ Kurve 50 in der F i g. 4 der Fall ist. was der hier ebenfalls vorliegenden isothermen Halterung des Plättchens nach der !,ehre der vorliegenden Erfindung zuzuschreiben is;.Die in Fig. 4 und 5 gezeigten Kurven sind bezüglich des Höchstwertes aller gemessener Werte normiert. Normalerweise besitzen die kristallinen Plättchen 25 einen verhältnismäßig kleinen Durchmesser und eine ziemlich geringe Stärke. In manchen Fällen ist es jedoch wünschenswert, die Lehre der vorliegenden Erfindung auch auf Halb Icitcrplättchcn mit größeren Abmessungen anzuwenden. Wird der Durchmesser der Plättchen vergrößert, so ist naturgemäß durch die stattfindende Erhitzung die Möglichkeit einer Ausdehnung der einer gewissen Absenkung im zentralen Bereich des Plättchens gegeben. Die in Fig. 6 gezeigte Modifikation der Ausbildung der Trägeraussparung zeigt, wie einer derartigen Absenkung des zentralen Bereiches des Plättchens mittels eines zusätzlich vorgesehenen zentralen Unterstützungspunktes 38 abgeholfen werden kann.

+5 Hierdurch wird auch bei Erhitzung des Plättchens ein Absenken seines zentralen Be'siches vermieden und im wesentlichen die oben beschriebenen Resultate sichergestellt. Im folgenden seien die Vorteile eines nach der Lehre der vorliegenden Erfindung ausgebildeten haltcrnden Trägers für die zu behandelnden Halbleiterplättchen zusammengefaßt:

L Die zu behandelnden Halbleiterplättchen werden in erster Linie durch Wärmezufuhr mittels Strahlung vom Träger aufgeheizt, wodurch eine ungleiche Aufheizung durch unterschiedlichen Wärmeübergang, hervorgerufen durch unterschiedlichen Wärmekontakt zwischen Plättchen und Unterlage vermieden wird.

2. Eine gleichförmigere Temperaturverteilung über das Halbleiterplättchcn hinweg infolge der Aufheizung durch Wärmestrahlung für den überwiegenden Flächenbereich der Plättchen und durch

Aufheizung nur geringer peripherer Bereiche. ⁵ durch Wärmeleitung und durch Strahlung.

3. Die gleichmäßigere Aufheizung der als Substrat dienenden Halblciterplättchen bewirkt eir

gleichförmigeres Wachsen der auf dem Plättchen abzuscheidenden Schichten. Umgekehrt erfolgt auch bei Dampfälzungen eine gleichförmigere Abtragung des Siliziummaterials.
4. Eine Tierabsetzung oder Vermeidung eines !Wassertransportes vom Träger zum Halbleiterplättchcri auf der Kontaktseite. Die Rückseiten der behandelten Halbleitcrplättchcn fallen glatter aus, da die sonst bei gan/flächigcr Unterstützung an bestimmten Auflagcstellen bevorzugt wachsenden SiliziumstcHcn durch die klein gehaltene Auflagefläche (Unterstützung nur an den peripheren Stellen) ebenfalls stark reduziert werden.

Zusammenfassend kann gesagt werden, daß die im allgemeinen kreisförmigen Halbleitcrplättchen im wesentlichen an ihren peripheren Stellen auf dem Träger aus Graphit gehalten werden. Der Träger bzw. das Schiffchen erstreckt sich innerhalb des Rcaktionsgcfäßes im wesentlichen in quer verlaufender Erstreckung etwa in dessen Mittclcbcne. Unter dieser Bedingung erhält man durch die hochfrequente Heizung mit Hilfe der Spulen 14 eine maximale Heizwirkung in der Gegend der Wände des ReaktionsgcfäUcs. Gleichzeitig ist aber der zentrale Bereich der Halbleitcrplättchcn weiter von diesen maximal beheizten Bereichen entfernt, wodurch det induktive Heizeffekt im wesentlichen nach einer Sinusfunktion an dieser Stelle reduziert erscheint Diese Reduktion wird wirksam dadurch kompensiert daß eine Wärmeleitung sowohl durch die Halterung selbst als auch durch die zu behandelnden Plättchei hindurch erfolgt. Dieser Ausglcichcffekt trägt wc scntlich zur gewünschten isothermen Temperaturver teilung über das gesamte Halbleitcrplättchen bei.

Hierzu T Blatt Zeichnungen

409 68.

Claims

Patentansprüche:

1. Hallerungsvorrichuing für Halbleiterscheiben, die innerhalb kreiszylindrischer Aussparungen in einem als Träger dienenden Graphitblock angeordnet sind und die mittels Hochfiequenzenergie über das Trägermaterial mit gleichförmiger Temperaturverteilung über ihre Oberfläche erhitzt werden, zur Verwendung bei der Behandlung der Halbleiterscheiben mit gasförmigen Materialien, dadurch gekennzeichnet, daß innerhalb der Aussparungen (30) im Graphitblock (12) ringförmige Leisten (34) angebracht sind, auf denen die Halbleiterscheiben (25) mit ihren Randbereichen aufliegen.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die kreiszylindrischen Aussparungen (30) einen Durchmesser D i 0,12 cm und eine Höhe vor, etwa "4 S und die ringförmigen Leisten (34) einen inneren Durchmesser \on D 0,12 cm bei einer Höhe von etwa ' 1 S besitzen, wenn D den Durchmesser und .V die Stärke der zu behandelnden Halbleiterscheiben bedeuten.

3. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 und 2. dadurch gekennzeichnet, daß für Halbleiterscheiben mit größerem Durchmesser ein zentraler Stützpunkt (38) in den Aussparungen (30) angebracht ist.