DE202014002365U1 - Waferträger mit Einrichtungen zum Verbessern der Erwärmungsgleichmässigkeit in Systemen zur chemischen Gasphasenabscheidung - Google Patents

Waferträger mit Einrichtungen zum Verbessern der Erwärmungsgleichmässigkeit in Systemen zur chemischen Gasphasenabscheidung Download PDF

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Abstract

Waferträgeranordnung zur Verwendung in einem System für das Wachstum epitaxialer Schichten auf einem oder mehreren Wafern durch chemische Gasphasenabscheidung (CVD), wobei die Waferträgeranordnung Folgendes umfasst: einen Waferträgerkorpus, der symmetrisch um eine Mittelachse herum ausgebildet ist und eine allgemein planare Oberseite enthält, die senkrecht zu der Mittelachse angeordnet ist; mindestens eine Waferhaltetasche, die in dem Waferträgerkorpus von der Oberseite her ausgespart ist, wobei jede Waferhaltetasche eine Bodenfläche und eine Umfangswandfläche enthält, welche die Bodenfläche umgibt und einen Umfang jener Waferhaltetasche definiert, wobei die Waferhaltetasche dafür ausgelegt ist, einen Wafer innerhalb des Umfangs zu halten, wenn er um die Mittelachse herum gedreht wird; und die Waferhaltetasche des Weiteren dafür konfiguriert ist, einen Wafer mit mindestens einem flachen Rand aufzunehmen, wobei ein Abschnitt der Bodenfläche, über dem der mindestens eine flache Rand des Wafers gehalten wird, einen erhöhten Abschnitt hat, der weniger ausgespart ist als Abschnitte der Bodenfläche, die sich unterhalb gerundeter Randabschnitte des Wafers befinden.

Description

  • Gebiet der Erfindung
  • Die Erfindung betrifft allgemein die Halbleiterfertigungstechnologie und insbesondere die Bearbeitung mittels chemischer Gasphasenabscheidung (Chemical Vapor Deposition, CVD) sowie zugehörige Vorrichtungen zur Verringerung von Temperaturungleichmäßigkeiten auf Halbleiterwaferoberflächen.
  • Hintergrund der Erfindung
  • Bei der Fertigung von Leuchtdioden (LEDs) und anderen Hochleistungsbauelementen, wie zum Beispiel Laserdioden, optischen Detektoren und Feldeffekttransistoren, wird in der Regel ein Prozess der chemischen Gasphasenabscheidung (Chemical Vapor Deposition, CVD) verwendet, um eine Dünnfilmstapel-Struktur unter Verwendung von Materialien wie zum Beispiel Galliumnitrid über einem Saphir- oder Siliziumsubstrat aufwachsen zu lassen. Ein CVD-Werkzeug enthält eine Prozesskammer, die eine hermetisch abgeschlossene Umgebung darstellt, die es erlaubt, eingeleitete Gase auf dem Substrat (das in der Regel die Form von Wafern hat) abzuscheiden, um die Dünnfilmschichten aufwachsen zu lassen. Ein Beispiel einer aktuellen Produktreihe solcher Fertigungsanlagen ist die TurboDisc®-Familie der MOCVD-Systeme, die von der Firma Veeco Instruments, Inc. aus Plainview, New York, hergestellt wird.
  • Es werden eine Anzahl von Prozessparametern gesteuert, wie zum Beispiel Temperatur, Druck und Gasströmungsrate, um ein gewünschtes Kristallwachstum zu erreichen. Verschiedene Schichten wachsen unter Verwendung verschiedener Materialien und Prozessparameter auf. Beispielsweise werden Bauelemente, die aus Verbundhalbleitern wie zum Beispiel III–V-Halbleitern hergestellt werden, in der Regel durch Wachstum von aufeinanderfolgenden Schichten des Verbundhalbleiters mittels metallorganischer chemischer Gasphasenabscheidung (Metal Organic Chemical Vapor Deposition, MOCVD) gebildet. In diesem Prozess werden die Wafer einer Kombination von Gasen ausgesetzt, die in der Regel eine metallorganische Verbindung als eine Quelle eines Gruppe-III-Metalls enthält und auch eine Quelle eines Gruppe-V-Elements enthält, die über die Oberfläche des Wafers strömen, während der Wafer auf einer erhöhten Temperatur gehalten wird. In der Regel werden die metallorganische Verbindung und die Gruppe-V-Quelle mit einem Trägergas kombiniert, das an der Reaktion nur unwesentlich beteiligt ist, wie zum Beispiel Stickstoff. Ein Beispiel eines III–V-Halbleiters ist Galliumnitrid, das durch Reaktion einer organischen Gallium-Verbindung und Ammoniak auf einem Substrat mit einem geeigneten Kristallgitterabstand, wie beispielsweise einem Saphirwafer, gebildet werden kann. In der Regel wird der Wafer bei einer Temperatur in der Größenordnung von 1000–1100°C während des Abscheidens von Galliumnitrid und verwandten Verbindungen gehalten.
  • In einem MOCVD-Prozess, bei dem das Wachstum von Kristallen durch chemische Reaktion auf der Oberfläche des Substrats geschieht, müssen die Prozessparameter besonders vorsichtig gesteuert werden, um sicherzustellen, dass sich die chemische Reaktion unter den erforderlichen Bedingungen vollzieht. Schon kleine Schwankungen in den Prozessbedingungen können die Qualität und die Produktionsausbeute der Bauelemente beeinträchtigen. Wenn beispielsweise eine Gallium- und Indiumnitridschicht abgeschieden wird, so haben Schwankungen der Waferoberflächentemperatur Schwankungen in der Zusammensetzung und beim Bandabstand der abgeschiedenen Schicht zur Folge. Weil Indium einen relativ hohen Dampfdruck hat, hat die abgeschiedene Schicht einen niedrigeren Indiumanteil und einen größeren Bandabstand in jenen Regionen des Wafers, wo die Oberflächentemperatur höher ist. Wenn die abgeschiedene Schicht eine aktive, lichtaussendende Schicht einer LED-Struktur ist, so schwankt die Emissionswellenlänge der aus dem Wafer gebildeten LEDs ebenfalls zu einem inakzeptablen Grad.
  • In einer MOCVD-Prozesskammer werden Halbleiterwafer, auf denen Dünnfilmschichten wachsen sollen, auf schnelldrehende Karussells gelegt, die als Waferträger bezeichnet werden, um einen gleichmäßigen Kontakt ihrer Oberflächen mit der Atmosphäre innerhalb der Reaktorkammer für das Abscheiden der Halbleitermaterialien zu erreichen. Die Rotationsgeschwindigkeit liegt in der Größenordnung von 1.000 U/min. Die Waferträger werden in der Regel aus einem hochwärmeleitfähigen Material, wie zum Beispiel Graphit, gefräst und werden oft mit einer Schutzschicht aus einem Material, wie zum Beispiel Siliziumcarbid, beschichtet. Jeder Waferträger hat einen Satz kreisförmiger Vertiefungen oder Taschen in seiner Oberseite, in die einzelne Wafer gelegt werden. In der Regel werden die Wafer in einem Abstand zur Bodenfläche jeder Tasche abgestützt, damit Gas um die Ränder des Wafers strömen kann. Einige Beispiele der zum Stand der Technik gehörenden Technologie sind in US-Patentanmeldungspublikation Nr. 2012/0040097, US-Patent Nr. 8,092,599 , US-Patent Nr. 8,021,487 , US-Patentanmeldungspublikation Nr. 2007/0186853, US-Patent Nr. 6,902,623 , US-Patent Nr. 6,506,252 und US-Patent Nr. 6,492,625 beschrieben, deren Offenbarung im Wege der Bezugnahme aufgenommen ist.
  • Der Waferträger wird auf einer Spindel innerhalb der Reaktionskammer so gestützt, dass die Oberseite des Waferträgers mit den exponierten Oberflächen der Wafer nach oben in Richtung einer Gasverteilungsvorrichtung weist. Während die Spindel gedreht wird, wird das Gas abwärts auf die Oberseite des Waferträgers gerichtet und strömt über die Oberseite in Richtung des Umfangsrandes des Waferträgers. Das gebrauchte Gas wird durch Öffnungen, die unter dem Waferträger angeordnet sind, aus der Reaktionskammer abgezogen. Der Waferträger wird durch Heizelemente, in der Regel elektrische Widerstandsheizelemente, die unter der Unterseite des Waferträgers angeordnet sind, auf der gewünschten erhöhten Temperatur gehalten. Diese Heizelemente werden auf einer Temperatur oberhalb der gewünschten Temperatur der Waferoberflächen gehalten, während die Gasverteilungsvorrichtung in der Regel auf einer Temperatur weit unter der gewünschten Reaktionstemperatur gehalten wird, um eine vorzeitige Reaktion der Gase zu vermeiden. Darum wird Wärme von den Heizelementen zur Unterseite des Waferträgers übertragen und strömt aufwärts durch den Waferträger zu den einzelnen Wafern. Des Weiteren wird die Wärme, die nach oben durch das Trägermaterial hindurch übertragen wird, von der Oberseite des Waferträgers abgestrahlt. Der Grad der Abstrahlungsemission von dem Waferträger wird durch das Emissionsvermögen des Trägers und der umgebenden Komponenten bestimmt.
  • Es ist ein hoher Aufwand in Systemdesignmerkmale gesteckt worden, um Temperaturschwankungen während der Verarbeitung zu minimieren. Allerdings bereitet das Problem nach wie vor zahlreiche Herausforderungen. Zum Beispiel sind Wafer deutlich weniger wärmeleitfähig als der Waferträger. Legt man einen Saphirwafer in eine Tasche des Waferträgers, so entsteht ein Wärmefallen- oder „Blanketing”-Effekt. Dieses Phänomen führt zu einem allgemein radialen thermischen Profil am Taschenboden, das in der Mitte heißer ist und in Richtung des äußeren Radius der Tasche kühler wird, wo die Wärme durch Strahlung und Konvektion an die Umgebung abgegeben werden kann.
  • Ein weiterer Effekt, der sich auf die thermische Gleichmäßigkeit des Wafers während der Verarbeitung auswirkt, ist der Wärmegradient entlang der Dicke des Wafers, der einen konkaven Bogen verursacht, was zu einem ungleichmäßigen Spaltabstand zwischen Waferboden und Taschenboden führt. Das liegt daran, dass sich der heiße Boden des Wafers im Allgemeinen stärker ausdehnt als die kältere Oberseite, wodurch eine klassische konkave Form entsteht. Der konkave Bogen vergrößert allgemein noch die thermische Ungleichmäßigkeit, die aufgrund von thermischen „Blanketing”-Effekten bereits in dem Wafer vorhanden ist. Aufgrund der sehr geringen Wärmeleitfähigkeit des Gasspalts im Vergleich zum Trägermaterial reagiert die Waferoberflächentemperatur extrem empfindlich auf Änderungen der Größenordnung des Spalts. Im Fall eines konkaven Bogens liegt die Mitte des Wafers näher am Taschenboden und ist folglich heißer als die äußeren Ränder. Dieser Effekt ist bei Wafern mit großem Durchmesser, die in der Regel aus Silizium bestehen, noch ausgeprägter. Des Weiteren wird ⎕ speziell bei Siliziumwafern ⎕ die Bogenform durch Spannungen im Film infolge einer Nichtübereinstimmung der Kristallgitter zwischen dem Siliziumsubstrat und den abgeschiedenen Schichten, die zur Herstellung der Bauelemente auf dem Substrat verwendet werden, zusätzlich verstärkt.
  • Ein damit zusammenhängender Wärmeleitübertragungsprozess vollzieht sich auch in der seitlichen Richtung vom Rand der Waferträgertasche zum Waferrand in Abhängigkeit von dieser Distanz. In CVD-Werkzeugen, die mit einem schnelldrehenden Waferträger arbeiten, werden die Wafer aufgrund der hohen Zentrifugalkräfte in der Regel in Richtung des äußeren Randes der Taschen gedrängt. Somit stehen diese Wafer in der Regel mit dem äußeren Taschenrand in Kontakt. Die nichtkonzentrische Position eines Wafers in der Tasche erzeugt einen ungleichmäßigen Spalt vom Taschenrand aus, der am Kontaktpunkt null ist und vom Kontaktpunkt fort in Umfangsrichtung größer wird. Der kleinere Spalt zwischen Wafer und Träger in Regionen nahe dem Kontaktpunkt vergrößert die geleitete Wärmeübertragung vom Träger zum Wafer. Dieser „Unmittelbare-Nähe”-Effekt („close proximity effect”) führt zu weit höheren Randtemperaturen in der Kontaktregion. Die gleichzeitig anhängige US-Patentanmeldung mit der Serien-Nr. 13/450,062, deren Offenbarung im Wege der Bezugnahme hier aufgenommen ist, beschreibt Herangehensweisen zur Verringerung des Nähe-Effekts unter Verwendung von „Puffern” zum Zentrieren des Wafers in einer vorgeschriebenen Entfernung zum Taschenrand. Diese Puffer haben sich dafür bewährt, den durch den Nähe-Effekt erzeugten hohen Temperaturanstieg praktisch zu beseitigen. Doch einige praktische Schwierigkeiten bleiben bestehen, insbesondere das Brechen von Wafern aufgrund der erhöhten Konzentration von Spannungspunkten, die Zentripetalkräften an der Grenzfläche zwischen Puffer- und Waferrand während der Verarbeitung zugeschrieben werden können.
  • Eine weitere Schwierigkeit bei der Aufrechterhaltung der Temperaturgleichmäßigkeit in den Wafern betrifft die Wafer, die in der Regel kreisförmige, flache Scheiben sind, die einen oder mehrere gerade Abschnitte an ihrem Rand aufweisen, die gemeinhin als „Flats” (Abflachungen) bezeichnet werden. Flats werden allgemein dafür verwendet, den Dotierungstyp des Wafers sowie die kristallografische Orientierung des Wafers anzugeben; man findet sie in der Regel an Wafern kleiner als 200 mm. Bei der CVD-Verarbeitung stellen die Flats jedoch eine Ungleichmäßigkeit für die Wärmeübertragung zu dem Wafer dar. Genauer gesagt, wird die Wärmeübertragung zu dem Abschnitt des Wafers nahe der Abflachung aufgrund der Trennung zwischen dem Rand der Waferabflachung und dem Waferträger im Allgemeinen vermindert. Außerdem verursacht die Abflachung eine Schwankung des Gasstroms, was ebenfalls die Temperatur in der Nähe der Abflachung beeinflusst.
  • Ein weiterer Problempunkt betrifft die Multi-Wafertaschengeometrien mit nicht-konzentrischen Taschenpositionen. Das thermische Profil wird hier komplizierter, da die Konvektionskühlung von dem historischen Gasstromlinienpfad abhängig ist, der über den Waferträger und über die Waferregionen verläuft. Bei schnelldrehenden Scheibenreaktoren verlaufen die Gasstromlinien in einer allgemein tangentialen Richtung spiralförmig vom einem inneren zu einem äußeren Radius nach außen. In diesem Fall wird die Gasstromlinie, wenn sie über den exponierten Abschnitt des Waferträgers (wie zum Beispiel die Regionen von „Stegen” zwischen den Wafern) verläuft, relativ zu den Regionen erwärmt, wo sie über die Wafer verläuft. Im Allgemeinen sind diese Stege relativ zu den anderen Regionen des Trägers, wo sich die Wafer befinden, recht heiß, da die Wärmeflussstromlinien aufgrund des Blanketing-Effekts die Stromlinien in dieser Region kanalisiert haben. Die Gaspfade, die über die Stege verlaufen, erzeugen somit aufgrund der Konvektionskühlung einen tangentialen Temperaturgradienten, der an der Vorderkante (Eintritt der Fluidstromlinie zu dem Wafer) heißer ist als an der Hinterkante (Austritt der Fluidstromlinie über den Wafer).
  • Diese Effekte tragen zu einer geringeren Produktausbeute bei, da Bauelemente, die aus Abschnitten des Wafers nahe der Abflachung hergestellt werden, zu einer höheren Photolumineszenz neigen, als es der Zielwert für den Rest des Wafers vorsieht. Es werden Lösungen gebraucht, die eine oder mehrere dieser und damit zusammenhängender Schwierigkeiten bei der Verbesserung der Gleichmäßigkeit bei der Erwärmung von Wafern in CVD-Reaktoren beseitigen.
  • Kurzdarstellung der Erfindung
  • Aspekte der Erfindung betreffen ein System zur chemischen Gasphasenabscheidung (CVD), bei dem thermische Ungleichmäßigkeiten entlang den Rändern der Wafer signifikant verringert werden. In einem Aspekt hat ein Waferträger einen Korpus, der symmetrisch um eine Mittelachse herum ausgebildet ist und eine allgemein planare Oberseite enthält, die senkrecht zu der Mittelachse angeordnet ist. Mindestens eine Waferhaltetasche ist in dem Waferträgerkorpus von der Oberseite her ausgespart. Jede einzelne Waferhaltetasche enthält eine Bodenfläche und eine Umfangswandfläche, welche die Bodenfläche umgibt und einen Umfang jener Waferhaltetasche definiert, wobei die Waferhaltetasche dafür ausgelegt ist, einen Wafer innerhalb des Umfangs zu halten, wenn er um die Mittelachse herum gedreht wird. Ein wärmeisolierender Abstandshalter befindet sich mindestens teilweise in der mindestens einen Waferhaltetasche und ist dafür ausgelegt, einen Abstand zwischen der Umfangswandfläche und dem Wafer beizubehalten. Der Abstandshalter besteht aus einem Material mit einer geringeren Wärmeleitfähigkeit als der Waferträgerkorpus, dergestalt, dass der Abstandshalter die Wärmeleitung von Abschnitten des Waferträgerkorpus zu dem Wafer begrenzt. Ein Abstandshalter-Halteelement ist in dem Waferträgerkorpus ausgebildet, das an dem Abstandshalter angreift und eine Fläche enthält, die so ausgerichtet ist, dass eine zentrifugale Bewegung des Abstandshalters verhindert wird, wenn er um die Mittelachse herum gedreht wird.
  • In einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zum Herstellen des Waferträgers bereitgestellt. In dem Verfahren wird ein Waferträgerkorpus hergestellt, der um eine Mittelachse herum symmetrisch ist. In dem Korpus wird eine allgemein planare Oberseite gebildet, die senkrecht zu der Mittelachse angeordnet ist. Mehrere Waferhaltetaschen werden gebildet, wobei jede der Taschen in dem Korpus von der Oberseite her ausgespart ist. In den Taschen befinden sich eine Bodenfläche und eine Umfangswandfläche, welche die Bodenfläche umgibt und einen Umfang jener Waferhaltetasche definiert. Die Waferhaltetasche ist dafür ausgelegt, einen Wafer innerhalb des Umfangs zu halten, wenn er um die Mittelachse herum gedreht wird.
  • Das Verfahren umfasst des Weiteren das Anordnen eines wärmeisolierenden Abstandshalters mindestens teilweise in der mindestens einen Waferhaltetasche, um einen Abstand zwischen der Umfangswandfläche und dem Wafer beizubehalten. Der Abstandshalter besteht aus einem Material mit einer geringeren Wärmeleitfähigkeit als der Waferträgerkorpus, dergestalt, dass der Abstandshalter die Wärmeleitung von Abschnitten des Waferträgerkorpus zu dem Wafer begrenzt. Ein Abstandshalter-Halteelement wird in dem Waferträgerkorpus ausgebildet, dergestalt, dass das Abstandshalter-Halteelement an dem Abstandshalter angreift und eine Fläche bereitstellt, die so ausgerichtet ist, dass eine zentrifugale Bewegung des Abstandshalters verhindert wird, wenn er um die Mittelachse herum gedreht wird.
  • In verwandten Aspekten der Erfindung ist der Waferträger Teil einer Vorrichtung für das Wachstum epitaxialer Schichten auf einem oder mehreren Wafern durch chemische Gasphasenabscheidung, die eine Reaktionskammer enthält, wobei eine drehbare Spindel ein oberes Ende aufweist, das in der Reaktionskammer angeordnet ist, wobei der Waferträger mittig und abnehmbar auf einem oberen Ende der Spindel montiert ist und mindestens im Verlauf eines CVD-Prozesses damit in Kontakt steht.
  • Kurze Beschreibung der Zeichnungen
  • Die Erfindung kann anhand der folgenden detaillierten Beschreibung verschiedener Ausführungsformen der Erfindung in Verbindung mit den beiliegenden Zeichnungen besser verstanden werden. In diesen Zeichnungen ist Folgendes dargestellt:
  • 1 veranschaulicht eine Vorrichtung zur chemischen Gasphasenabscheidung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
  • 2 ist eine schematische Darstellung, die einen Waferträger aus einer perspektivischen Sicht veranschaulicht, der bei der Vorrichtung von 1 verwendet wird, gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
  • 3 ist eine schematische Darstellung im Querschnitt entlang der Linie 3-3, die eine Waferhalteposition, die im vorliegenden Text auch als eine Wafertasche bezeichnet wird, des in den 1 und 2 gezeigten Waferträgers im Detail zeigt und einen wärmeisolierender Abstandshalter enthält, gemäß einem Aspekt der Erfindung.
  • 4 ist eine schematische Grundrissansicht, die einen Wafer veranschaulicht, der in einer Waferhaltetasche angeordnet ist und des Weiteren durch Abstandshalter gehalten wird, die separate Strukturen sind, gemäß einer Ausführungsform.
  • 5 ist eine schematische Querschnittsansicht, die eine weitere beispielhafte Anordnung veranschaulicht, in der ein Abstandshalter durch ein Abstandshalter-Halteelement gehalten wird.
  • 6A und 6B zeigen jeweils einen weiteren beispielhaften Abstandshalter, der eine Pfeilerstruktur und eine Kopfstruktur enthält.
  • 7 ist eine Querschnittsdarstellung eines Waferträgers mit einer Waferhaltetasche und einem Abstandshalter-Halteelement, das Bohrungssektionen enthält, gemäß einer Ausführungsform.
  • 8 ist eine Draufsicht, die eine beispielhafte Anordnung eines Waferträgers gemäß einer Ausführungsform veranschaulicht, wobei eine Waferhaltetasche und mehrere Abstandshalter-Halteelemente gezeigt sind.
  • 9 ist eine Draufsicht, die eine weitere Art der Geometrie für einen Abstandshalter gemäß einer Ausführungsform veranschaulicht.
  • 10 ist eine Querschnittsansicht eines Abschnitts, wobei ein Abstandshalter-Halteelement ein aufwärts gerichteter Vorsprung ist, gemäß einer Ausführungsform.
  • 11 ist eine schematische Darstellung, die eine Variation der Ausführungsform von 10 zeigt, wobei der Abstandshalter ein C-förmiges Profil hat, gemäß einer Ausführungsform.
  • 12 ist eine Darstellung, die einen Abstandshalter veranschaulicht, der einen seitlichen Verlängerungsabschnitt aufweist, der sich entlang der Oberseite des Waferträgers erstreckt, um eine Wärmeisolierung über Abschnitte der Oberseite über den Umfang der Waferhaltetasche hinaus zu bilden, gemäß einer Ausführungsform.
  • 13A ist eine auseinandergezogene Darstellung, die eine weitere Art von Ausführungsform veranschaulicht, wobei der Abstandshalter als eine Verbundstruktur realisiert ist, die einen oberen Ringabstandshalter und einen unteren Ringabstandshalter umfasst.
  • 13B ist eine Querschnittsansicht eines Abschnitts der zusammengefügten, in 13A gezeigten Teile gemäß einer Ausführungsform.
  • 14 ist eine auseinandergezogene Darstellung, die eine weitere Art von Verbundabstandshalter veranschaulicht, der aus einem oberen Ringabstandshalter und einem unteren Ringabstandshalter zusammengesetzt ist, gemäß einer Ausführungsform.
  • 15 ist eine schematische Querschnittsansicht, die eine weitere Variation der mit Bezug auf die 13A und 13B beschriebenen Ausführungsform veranschaulicht.
  • 16 ist ein Schaubild, das Einrichtungen zum Verbessern der Gleichmäßigkeit der Erwärmung des Wafers von Rand zu Rand für Wafer veranschaulicht, die einen oder mehrere flache Ränder aufweisen, gemäß einer Art von Ausführungsform.
  • 17A und 17B sind Querschnittsansichten der in 16 gezeigten Einrichtungen.
  • 18 ist eine schematische Darstellung, die in einer Draufsicht eine Waferhaltetasche veranschaulicht, die dafür ausgelegt ist, einen Wafer mit zwei Abflachungen aufzunehmen, gemäß einer Ausführungsform.
  • 19 veranschaulicht eine weitere Herangehensweise zum Verbessern der Erwärmungsgleichmäßigkeit für Wafer mit einer Abflachung gemäß einer weiteren Ausführungsform.
  • 20 ist eine schematische Draufsicht, die eine weitere Art der Geometrie für einen Abstandshalter gemäß einer Ausführungsform veranschaulicht, wobei der Abstandshalter dafür verwendet wird, Waferabflachungen aufzunehmen.
  • Obgleich sich die Erfindung für verschiedene Modifikationen und Alternativen anbietet, werden konkrete Ausführungsformen davon beispielhaft in den Zeichnungen gezeigt und ausführlich beschrieben. Es versteht sich jedoch, dass nicht die Absicht besteht, die Erfindung auf die konkret beschriebenen Ausführungsformen zu beschränken. Vielmehr besteht die Absicht, alle Modifikationen, Äquivalente und Alternativen zu erfassen, die in den Geist und Umfang der Erfindung, wie er durch die angehängten Ansprüche definiert wird, fallen.
  • Detaillierte Beschreibung
  • 1 veranschaulicht eine Vorrichtung zur chemischen Gasphasenabscheidung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung. Eine Reaktionskammer 8 definiert einen Prozessumgebungsraum. Eine Gasverteilungsvorrichtung 12 ist an einem Ende der Kammer angeordnet. Das Ende mit der Gasverteilungsvorrichtung 12 wird im vorliegenden Text als das „obere” Ende der Kammer 8 bezeichnet. Dieses Ende der Kammer ist in der Regel, aber nicht unbedingt, im Bezugsrahmen der normalen Gravitation oben auf der Kammer angeordnet. Mit „Abwärtsrichtung” ist im Sinne des vorliegenden Textes also die Richtung gemeint, die von der Gasverteilungsvorrichtung 12 fort weist, während mit „Aufwärtsrichtung” die Richtung innerhalb der Kammer in Richtung der Gasverteilungsvorrichtung 12 gemeint ist, unabhängig davon, ob diese Richtungen mit den der Schwerkraft folgenden Aufwärts- und Abwärtsrichtungen übereinstimmen. Gleichermaßen werden die „Ober”- und „Unter”-Seiten von Elementen im vorliegenden Text mit Bezug auf den Bezugsrahmen von Kammer 8 und der Gasverteilungsvorrichtung 12 beschrieben.
  • Die Gasverteilungsvorrichtung 12 ist mit Quellen 14a, 14b, 14c zum Zuführen von Prozessgasen verbunden, die in dem Waferbehandlungsprozess verwendet werden, wie zum Beispiel ein Trägergas und Reaktantengase, wie zum Beispiel eine metallorganischen Verbindung und eine Quelle eines Gruppe-V-Metalls. Die Gasverteilungsvorrichtung 12 ist dafür ausgelegt, die verschiedenen Gase zu empfangen und einen Strom von Prozessgasen allgemein in die Abwärtsrichtung zu lenken. Die Gasverteilungsvorrichtung 12 ist zweckmäßigerweise auch mit einem Kühlmittelsystem 16 verbunden, das dafür ausgelegt ist, eine Flüssigkeit durch die Gasverteilungsvorrichtung zu zirkulieren, um die Temperatur der Gasverteilungsvorrichtung während des Betriebes auf einem gewünschten Wert zu halten. Eine ähnliche (nicht gezeigte) Kühlmittelanordnung kann zum Kühlen der Wände von Kammer 8 bereitgestellt werden. Die Kammer 8 ist außerdem mit einem Abzugssystem 18 ausgestattet, das dafür ausgelegt ist, verbrauchte Gase aus dem Inneren der Kammer durch (nicht gezeigte) Öffnungen am oder nahe dem Boden der Kammer abzuziehen, um einen kontinuierlichen Gasstrom in der Abwärtsrichtung von der Gasverteilungsvorrichtung zu ermöglichen.
  • Eine Spindel 20 ist innerhalb der Kammer so angeordnet, dass sich die Mittelachse 22 der Spindel in der Aufwärts- und der Abwärtsrichtung erstreckt. Die Spindel ist an der Kammer mittels einer herkömmlichen Rotationsdurchführung 25 montiert, die (nicht gezeigte) Lager und Dichtungen enthält, so dass sich die Spindel um die Achse 22 drehen kann, während eine Dichtung zwischen der Spindel und der Wand der Kammer 8 beibehalten wird. Die Spindel hat ein Montagestück 24 an ihrem oberen Ende, d. h. an dem Ende der Spindel, das der Gasverteilungsvorrichtung 12 am nächsten liegt. Wie weiter unten noch eingehender besprochen werden wird, ist das Montagestück 24 ein Beispiel eines Waferträgerhaltemechanismus, der dafür ausgelegt ist, einen Waferträger lösbar in Eingriff zu nehmen. In der konkret gezeigten Ausführungsform ist das Montagestück 24 ein allgemein kegelstumpfförmiges Element, das sich in Richtung des oberen Endes der Spindel verjüngt und in einer flachen Oberseite endet. Ein kegelstumpfförmiges Element ist ein Element mit der Form eines Kegelstumpfes. Die Spindel 20 ist mit einem Drehantriebsmechanismus 26 verbunden, wie zum Beispiel einem Elektromotorantrieb, der dafür ausgelegt ist, die Spindel um die Achse 22 zu drehen.
  • Ein Heizelement 70 ist innerhalb der Kammer montiert und umgibt die Spindel 20 unter dem Montagestück 24. Die Kammer ist außerdem mit einer Eintrittsöffnung 72, die zu einer Vorkammer 76 führt, und einer Tür 74 zum Schließen und Öffnen der Eintrittsöffnung versehen. Die Tür 74 ist in 1 nur schematisch gezeigt und ist so dargestellt, dass sie zwischen einer geschlossenen Position, die in durchgezogenen Linien gezeigt ist und in der die Tür das Innere der Kammer 8 von der Vorkammer 76 trennt, und einer offenen Position, die in durchbrochenen Linien bei 74' gezeigt ist, bewegt werden kann. Die Tür 74 ist mit einem zweckmäßigen Steuerungs- und Betätigungsmechanismus ausgestattet, um zwischen der offenen Position und der geschlossenen Position bewegt werden zu können. In der Praxis kann die Tür einen Verschluss enthalten, der in der Aufwärts- und der Abwärtsrichtung bewegt werden kann, wie es beispielsweise in US-Pat. Nr. 7,276,124 offenbart ist, dessen Offenbarung im Wege der Bezugnahme hier aufgenommen ist. Die in 1 gezeigte Vorrichtung kann des Weiteren einen (nicht gezeigten) Lademechanismus enthalten, der in der Lage ist, einen Waferträger aus der Vorkammer 76 in die Kammer zu bewegen und den Waferträger im Betriebszustand mit der Spindel in Eingriff zu bringen, und außerdem in der Lage ist, einen Waferträger von der Spindel herunterzunehmen und in die Vorkammer 76 zu verbringen.
  • Die Vorrichtung enthält außerdem mehrere Waferträger 80. In dem in 1 gezeigten Betriebszustand ist ein erster Waferträger 80 im Inneren der Kammer 8 in einer Betriebsposition angeordnet, während ein zweiter Waferträger 80 in der Vorkammer 76 angeordnet ist. Jeder Waferträger 80 enthält einen Korpus 82, der im Wesentlichen die Form einer kreisförmigen Scheibe mit einer Mittelachse 84 hat (2). Der Korpus 82 ist symmetrisch um die Mittelachse 84 herum ausgebildet. In der Betriebsposition stimmt die Mittelachse 84 des Waferträgerkorpus mit der Achse 22 der Spindel überein. Der Korpus 82 kann einstückig oder aus mehreren Teilen zusammengesetzt ausgebildet sein. Wie beispielsweise in der US-Patentanmeldungspublikation Nr. 20090155028, deren Offenbarung im Wege der Bezugnahme hier aufgenommen ist, offenbart ist, kann der Waferträgerkorpus eine Nabe enthalten, die eine kleine Region des Korpus definiert, die die Mittelachse 84 umgibt, und kann einen größeren Abschnitt enthalten, der den Rest des scheibenförmigen Korpus definiert. Der Korpus besteht zweckmäßigerweise aus Materialien, die den Prozess nicht kontaminieren und die den Temperaturen widerstehen können, die in dem Prozess auftreten. Beispielsweise kann der größere Abschnitt der Scheibe größtenteils oder vollständig aus Materialien wie zum Beispiel Graphit, Siliziumcarbid oder anderen feuerfesten Materialien bestehen. Der Korpus hat eine allgemein planare Oberseite 88 und eine Unterseite 90, die sich allgemein parallel zueinander erstrecken und allgemein senkrecht zu der Mittelachse 84 der Scheibe verlaufen. Der Korpus besitzt außerdem ein oder mehrere Waferhalteelemente, die dafür ausgelegt sind, mehrere Wafer aufzunehmen.
  • Im Betrieb wird ein Wafer 124, wie zum Beispiel ein scheibenförmiger Wafer, der aus Saphir, Siliziumcarbid oder einem anderen kristallinen Substrat besteht, in jeder Tasche 90 jedes Waferträgers 80 angeordnet. In der Regel hat der Wafer 124 eine Dicke, die im Vergleich zu den Abmessungen seiner Hauptflächen klein ist. Beispielsweise kann ein kreisförmiger Wafer von etwa 2 Inch (50 mm) Durchmesser etwa maximal 430 μm dick sein. Wie in 1 veranschaulicht, ist der Wafer mit einer Oberseite 126 nach oben weisend angeordnet, so dass die Oberseite oben auf dem Waferträger frei liegt. Es ist anzumerken, dass der Waferträger 80 in verschiedenen Ausführungsformen verschiedene Mengen von Wafern trägt. Zum Beispiel ist der Waferträger in einem Ausführungsbeispiel dafür ausgelegt, sechs Wafer zu halten. In einem anderen Ausführungsbeispiel, wie in 2 gezeigt, hält der Waferträger 80 12 Wafer.
  • In einem typischen MOCVD-Prozess wird ein Waferträger 80 mit darauf befindlichen Wafern aus der Vorkammer 76 in die Kammer 8 geladen und in die in 1 gezeigten Betriebsposition verbracht. In diesem Zustand weisen die Oberseiten des Wafers nach oben in Richtung der Gaseinlassstruktur 12. Eine Heizung 70 wird betätigt, und der Drehantriebsmechanismus 26 dreht die Spindel 20 und damit den Waferträger 80 um die Achse 22. In der Regel wird die Spindel mit einer Drehzahl von etwa 50–1500 Umdrehungen pro Minute gedreht. Prozessgaszufuhreinheiten 14a, 14b und 14c werden betätigt, um Gase durch die Gasverteilungsvorrichtung 12 zuzuführen. Die Gase strömen abwärts in Richtung des Waferträgers 80, über die Oberseite 88 des Waferträgers und die Oberseiten 126 der Wafer und abwärts um den Umfang des Waferträgers zum Auslass und zum Abzugssystem 18. Somit werden die Oberseite des Waferträgers und die Oberseiten des Wafers einem Prozessgas ausgesetzt, das ein Gemisch der verschiedenen Gase enthält, die durch die verschiedenen Prozessgaszufuhreinheiten zugeführt werden. In den meisten Fällen ist das Prozessgas auf der Oberseite überwiegend aus dem Trägergas zusammengesetzt, das durch die Trägergaszufuhreinheit 14b zugeführt wird. In einem typischen chemischen Gasphasenabscheidungsprozess kann das Trägergas Stickstoff sein und somit besteht das Prozessgas auf der Oberseite des Waferträgers überwiegend aus Stickstoff mit einigen Anteilen der Reaktionsgaskomponenten.
  • Heizungen 70 übertragen Wärme zur Unterseite 90 des Waferträgers hauptsächlich durch Strahlungswärmeübertragung. Die Wärme, die an die Unterseite des Waferträgers angelegt wird, strömt aufwärts durch den Korpus 82 des Waferträgers zur Oberseite 88 des Waferträgers. Wärme, die aufwärts durch den Korpus passiert, passiert auch aufwärts durch Lücken zur Unterseite jedes Wafers und aufwärts durch den Wafer zur Oberseite 126 des Wafers. Wärme wird von der Oberseite 88 des Waferträgers und den Oberseiten 126 des Wafers zu den kälteren Elementen der Prozesskammer abgestrahlt, wie beispielsweise zu den Wänden der Prozesskammer und zu der Gasverteilungsvorrichtung 12. Wärme wird auch von der Oberseite 88 des Waferträgers und den Oberseiten 126 der Wafer zu dem Prozessgas übertragen, das über diese Flächen strömt.
  • In der gezeigten Ausführungsform enthält das System eine Anzahl von Merkmalen, die dafür ausgelegt sind, die Gleichmäßigkeit der Erwärmung der Oberflächen 126 jedes Wafers 124 zu bestimmen. In dieser Ausführungsform empfängt ein Temperaturprofilierungssystem 130 Temperaturinformationen 122, die eine Temperatur und Temperaturüberwachungspositionsinformationen von einem Temperaturmonitor 120 enthalten können. Außerdem empfängt das Temperaturprofilierungssystem 130 Waferträgerpositionsinformationen, die in einer Ausführungsform vom Drehantriebsmechanismus 26 kommen können. Mit diesen Informationen erstellt das Temperaturprofilierungssystem 130 ein Temperaturprofil der Wafer 124 auf dem Waferträger 80. Das Temperaturprofil stellt eine Wärmeverteilung auf der Oberfläche 126 eines jeden der Wafer 124.
  • 2 und 3 veranschaulichen den Waferträger 80 in größerem Detail. Jede Waferhalteposition hat die Form einer allgemein kreisförmigen Aussparung oder Tasche 92, die sich von der Oberseite 88 aus abwärts in den Korpus hinein erstreckt. Die allgemein kreisförmige Gestalt wird verwendet, um der Form der Wafer zu entsprechen. Jede Tasche 92 hat eine Bodenfläche 94, die unterhalb der sie umgebenden Abschnitte der Oberseite 88 angeordnet ist. Die Bodenfläche 94 kann flach sein (wie gezeigt), oder sie kann konkav, konvex, texturiert usw. sein. Jede Tasche hat außerdem eine Umfangswandfläche 96, welche die Bodenfläche umgibt und den Umfang der Tasche definiert. Die Umfangswandfläche 96 erstreckt sich abwärts von der Oberseite 88 des Korpus in Richtung der Bodenfläche. In verschiedenen Ausführungsformen kann die Umfangswandfläche 96 eine Unterschneidung haben, wo die Wand nach innen, d. h. in Richtung der Mitte der Tasche, über mindestens einen Abschnitt des Umfangs abfällt. Somit würde eine solche abfallende Umfangswandfläche 96 einen spitzen Winkel relativ zur Bodenfläche 94 bilden. In einem Ausführungsbeispiel beträgt der Winkel zwischen der Umfangswandfläche 96 und der Bodenfläche 94 80 Grad.
  • Ein Aspekt der Erfindung betrifft die Hinzufügung eines wärmeisolierenden Abstandshalters, wie teilweise in 3 bei 100 veranschaulicht ist. Der wärmeisolierende Abstandshalter 100 kann gemäß verschiedenen Ausführungsformen eine Vielzahl verschiedener struktureller Anordnungen haben, von denen einige weiter unten im Detail gezeigt sind. Ein wichtiges Merkmal des Abstandshalters 100 besteht in einer Art von Ausführungsform darin, dass der Abstandshalter 100 so gebildet und angeordnet ist, dass er eine Trennung zwischen dem Wafer, der sich in der Tasche 92 befindet, und der Umfangswandfläche 94 aufrecht erhält. In einer verwandten Art von Ausführungsform erzeugt der Abstandshalter 100 auch einen Raum zwischen dem Wafer und der Bodenfläche 94 durch Stützen des Wafers an seinen Rändern in einer Höhe, die höher liegt als die Bodenfläche 94. Es werden verschiedene Strukturen von Abstandshaltern 100 in Betracht gezogen, um diese Funktionen auszuführen, von denen einige weiter unten im Detail gezeigt sind. In verwandten Ausführungsformen hat der Abstandshalter 100 Merkmale, die helfen, die Wafer während der Verarbeitung in ihren Taschen zu halten. Zum Beispiel verwendet eine Ausführungsform seitliche Verlängerungen, die im vorliegenden Text als Lippen bezeichnet werden und die sich über Teile der Oberseite des Wafers erstrecken, wodurch verhindert wird, dass sich der Wafer von seiner Bodenstütze abhebt und aufgrund der starken Zentrifugalkräfte bei hohen Umdrehungsgeschwindigkeiten aus der Tasche ausgeworfen wird.
  • Ein weiteres Merkmal des Abstandshalters 100 ist seine Wärmeisoliereigenschaft. Da sich die Wärmeübertragung zu dem Wafer vor allem durch Wärme vollzieht, die durch den Korpus des Waferträgers 80 wandert, bedeutet „Wärmeisoliereigenschaft” im vorliegenden Kontext, dass die Wärmeleitfähigkeit des Abstandshalters 100 geringer ist als die Wärmeleitfähigkeit des Waferträgers 80. Somit bildet der Abstandshalter 100 nicht nur eine Trennung zwischen dem Wafer und den Umfangsrandflächen (und optional der Bodenfläche) des Waferträgers, sondern der Abstandshalter 100 begrenzt auch die Wärmeübertragung durch Wärmeleitung zwischen der oder den Waferträgeroberflächen und dem äußeren Rand des Wafers.
  • In einer Art von Ausführungsform – wenn der Waferträger 80 überwiegend aus Graphit besteht – besteht der Abstandshalter 100 aus einem Keramikmaterial, wie zum Beispiel Saphir, Quarz, Aluminiumnitrid, Siliziumnitrid, Siliziumcarbid, Silizium, Galliumnitrid, Galliumarsenid oder einem anderen geeigneten Material, das den vorherrschenden Prozesstemperaturen widerstehen kann, das einen geeigneten Wärmeausdehnungskoeffizienten hat und das eine geringere Wärmeleitfähigkeit als Graphit hat.
  • In einer verwandten Ausführungsform hat der Waferträger 80 ein oder mehrere Abstandshalter-Halteelemente, die dafür ausgelegt sind, an jedem Abstandshalter 100 anzugreifen. Die Abstandshalter-Halteelemente gemäß verschiedenen Ausführungsformen können eine Vielzahl verschiedener Strukturen haben, obgleich – gemäß einem wichtigen Aspekt – bestimmte Ausführungsformen der Abstandshalter-Halteelemente speziell so konstruiert sind, dass sie die Abstandshalter 100 halten, während sie Prozessbedingungen, wie zum Beispiel seitlichen Kräften aufgrund der Drehung des Waferträgers 80, ausgesetzt sind. Insbesondere werden signifikante Zentrifugalkräfte ausgeübt, indem der Wafer in eine nach außen gerichtete radiale Richtung von der Mittelachse 84 aus gegen einen oder mehrere der Abstandshalter 100 gedrängt wird. Dieser Kraft wiederum stellen sich der Abstandshalter und die Abstandshalter-Halteelemente des Waferträgers 80 entgegen. Gemäß einer Ausführungsform wirken der Abstandshalter und das Abstandshalter-Halteelement zusammen, um eine Haltestruktur zu bilden, die den Abstandshalter an seinem Platz arretiert, wenn eine Zentrifugalkraft entlang einer nach außen gerichteten radialen Richtung von der Mittelachse aus einwirkt.
  • In einer weiteren verwandten Ausführungsform hat der Abstandshalter einen oberen Abschnitt, der sich seitlich entlang der Oberseite des Waferträgers in einer Richtung von der Mitte der Tasche fort erstreckt. Diese Konfiguration stellt vorteilhafterweise Wärmeisoliereigenschaften für die Oberseite des Waferträgers bereit, die sich nicht unter einem Wafer befindet, wodurch die Gleichmäßigkeit des Wärmeflusses innerhalb des Waferträgerkorpus und letztendlich die prozessinterne Erwärmungsgleichmäßigkeit der Wafer verbessert werden.
  • 4 ist eine schematische Grundrissansicht, die den Wafer 24 veranschaulicht, der sich in einer Waferhaltetasche 92a befindet und des Weiteren durch Abstandshalter 100a gehalten wird, die gemäß einer Ausführungsform separate Abstandshalterstrukturen sind. In diesem Beispiel befindet sich jeder der Abstandshalter 100a teilweise in einer Waferhaltetasche (insbesondere entlang dem Außenumfang jeder Tasche 92). Jeder Abstandshalter 100a enthält eine Wafer-Grenzfläche 106a. Des Weiteren sind Abstandshalter-Halteelemente 200a schematisch gezeigt, die in dem Korpus 82a des Waferträgers als Abstandshalter-Halteaussparungen ausgebildet sind (durch das umgebende Material des Korpus 82a definiert), und in denen jeweils mindestens ein Abschnitt von Abstandshaltern 100a liegt. In verschiedenen Ausführungsformen sind die Abstandshalter-Halteaussparungen in die Oberseite 88a des Waferträgers hinein, in die Bodenfläche 94a der Waferhaltetasche hinein oder in beides hinein ausgespart.
  • 5 ist eine schematische Querschnittsansicht, die eine weitere beispielhafte Anordnung veranschaulicht, in der der Abstandshalter 100b durch das Abstandshalter-Halteelement 200b gehalten wird. In diesem Beispiel steht das Abstandshalter-Halteelement 200b aufwärts von der Oberseite 88b des beispielhaften Waferträgers hervor, in dem die Waferhaltetasche 92b mit der Bodenfläche 94b definiert ist, wie gezeigt. Der Abstandshalter 100b hat einen ersten Abschnitt 102b, der sich abwärts in Richtung der Bodenfläche 94b erstreckt, und einen zweiten Abschnitt, der sich über der Oberseite 88b befindet.
  • 6A und 6B zeigen jeweils einen weiteren beispielhaften Abstandshalter 100c, der eine Pfeilerstruktur 102c und eine Kopfstruktur 104c enthält. Die Pfeilerstruktur 102c ist dafür ausgelegt, nahezu vollständig in ein Abstandshalter-Halteelement zu passen. Die Kopfstruktur 104c ist so ausgelegt, dass sich ein Abschnitt davon innerhalb des Umfangsrandes der Waferhaltetasche befindet, und enthält eine Waferrand-Grenzfläche 106c und eine Waferbodenstützlasche 108c. In einer Ausführungsform, wie gezeigt, ist die Waferrand-Grenzfläche 106c unterschnitten (d. h. nach innen in Richtung der Mitte der Waferhaltetasche geneigt), um zu helfen, den Wafer an seinem Platz zu arretieren, wenn der Waferträger während des Prozesses verwendet wird. Die Waferbodenstützlasche 108c hat eine Oberseite, die höher als die Bodenfläche 94c liegt, wenn der Abstandshalter 100c montiert ist. Diese Anordnung erlaubt es der Waferbodenstützfläche 108c, den Wafer in einem Abstand zur Bodenfläche 94 zu halten. Genauer gesagt, kann in einem Prozess Gas zwischen dem Boden des Wafers und der Bodenfläche 94 strömen. Die Kopfstruktur 104c enthält des Weiteren einen Abstandshalterhalteabschnitt 110c, der dazu dient, den Abstandshalter an seinem Platz an dem Abstandshalter-Halteelement zu verstärken oder zu arretieren.
  • 7 ist eine schematische Querschnittsansicht eines Waferträgers mit einer Waferhaltetasche 92c. Das Abstandshalter-Halteelement 200c enthält Bohrungsabschnitte 202c und 204c. Der Bohrungsabschnitt 202c erstreckt sich in den Korpus 82c des Waferträgers weit unter die Unterseite 94c der Waferhaltetasche 92c. Der Bohrungsabschnitt 202c ist dafür ausgelegt, an der Pfeilerstruktur 102c anzugreifen. Gleichermaßen wird ein größerer oberer Bohrungsabschnitt 204c ausgebildet, um an der Kopfstruktur 104c anzugreifen. Der obere Bohrungsabschnitt 204c erstreckt sich auch nach unten unter die Bodenfläche 94c. Ein Abschnitt des oberen Bohrungsabschnitts 204c ragt auch in die Waferhaltetasche 92c hinein. Dies ist der Abschnitt, der die Waferrand-Grenzfläche 106c und die Waferbodenstützlasche 108c enthält. In dieser Ausführungsform enthält das Abstandshalter-Halteelement 200c außerdem einen Abstandshalter-Halteausschnitt 210c, der durch den Korpus 82c des Waferträgers definiert wird und der entlang einer radialen Achse von der Mitte der Waferhaltetasche 92c am distalen Ende des Abstandshalter-Halteelements 200c angeordnet ist. In einem zusammengefügten Waferträger greift der Abstandshalter-Halteausschnitt 210c an dem Abstandshalterhalteabschnitt 110c an.
  • 8 ist eine schematische Draufsicht, die eine beispielhafte Anordnung eines Waferträgers gemäß einer verwandten Ausführungsform veranschaulicht, in der eine Waferhaltetasche 92c und mehrere Abstandshalter-Halteelemente 200c gezeigt sind. Abstandshalter-Halteelemente 200c sind ungleichmäßig entlang des Umfangs der Tasche 92c positioniert, wobei die Dichte von Abstandshalter-Halteelementen am distalen Ende der Tasche 92c relativ zur Mittelachse des Waferträgers größer ist.
  • 9 ist eine schematische Draufsicht, die eine weitere Art der Geometrie für den Abstandshalter 100 gemäß einer Ausführungsform veranschaulicht. Wie gezeigt, ist der Abstandshalter 100d eine kontinuierliche, ringförmige Struktur, die entlang eines Umfangs der Waferhaltetasche 92d angeordnet ist. 10 ist eine Querschnittansicht von Abschnitt 10-10, in dem das Abstandshalter-Halteelement 200d ein aufwärts weisender Vorsprung ähnlich wie in der Ausführungsform von 5 ist. Wie in dieser Ausführungsform gezeigt, ist das Profil des Abstandshalters 100d allgemein Z-förmig. In einer verwandten Ausführungsform kann die Innenfläche des Abstandshalter-Halteelements 200d, das an dem Abstandshalter 100d angreift, unterschnitten sein (d. h. nach innen geneigt verlaufen), um den ringförmigen Abstandshalter 100d besser halten zu können.
  • In anderen Ausführungsformen kann jedes beliebige geeignete Profil verwendet werden. Außerdem kann in anderen Ausführungsformen auf den Vorsprung 200d verzichtet werden. In diesem letzteren Fall kann die Umfangswandfläche, welche die Bodenfläche der Tasche 92d umgibt, als ein Abstandshalter-Halteelement fungieren.
  • 11 ist eine schematische Darstellung, die eine Variation der Ausführungsform von 10 zeigt. In diesem Beispiel ist der Abstandshalter 100e ringförmig und folgt der Kontur der Waferhaltetasche wie in der vorherigen Ausführungsform, aber der Abstandshalter 100e unterscheidet sich dadurch, dass er ein C-förmiges Profil hat. Ein erster Abschnitt 102e des C-förmigen Abstandshalterrings erstreckt sich abwärts in die, oder (wie gezeigt) abwärts vorbei an der, Waferhaltetaschenbodenfläche 94e. Ein zweiter Abschnitt des C-förmigen Profils 103e erstreckt sich in einen Graben 200e, der in dieser Ausführungsform als ein Abstandshalter-Halteelement dient.
  • In einer Variation dieser Ausführungsform, wie schematisch in 12 gezeigt, hat der Abstandshalter 103f einen seitlichen Verlängerungsabschnitt 103f, der sich entlang der Oberseite 88f des Waferträgers erstreckt, um eine Wärmeisolierung über Abschnitten der Oberseite über den Umfangsrand der Waferhaltetasche 92f hinaus zu bilden. Diese oberseitige Isolierung kann vorteilhaft sein, indem sie Temperaturungleichmäßigkeiten aufgrund des Blanketing-Effekts vermeidet. Im Wesentlichen entsteht durch das Ausdehnen der Wärmeisolierung über die „Steg”-Bereiche des Waferträgers eine gleichmäßige „Decke” (Blanket), wodurch nicht-wärmeisolierende Oberflächen vermieden werden, von denen Wärme leichter abgestrahlt oder durch Leitung oder Konvektion abtransportiert werden kann, was zu kühleren Punkten und wärmeren Punkten auf dem Wafer während der CVD-Verarbeitung führen kann. In einer verwandten Ausführungsform, wie gezeigt, enthält der Abstandshalter 100f einen Simsabschnitt 108f, der radial in Richtung der Mitte der Tasche 92f entlang der Taschenbodenfläche 94f hervorsteht. In diesem Beispiel wird das Abstandshalter-Halteelement 200f durch den Graben verkörpert, in den sich der tiefe Abschnitt des Abstandshalters abwärts hinein erstreckt.
  • 13A ist eine auseinandergezogene Darstellung, die eine weitere Art von Ausführungsform veranschaulicht, wobei der Abstandshalter 100 als eine Verbundstruktur realisiert ist, die einen oberen Ringabstandshalter 100g1 und einen unteren Ringabstandshalter 100g2 umfasst. Nach dem Zusammenfügen passen der obere und der untere Ringabstandshalter verschachtelt zusammen, wie in größerem Detail in der schematischen Querschnittsansicht eines Abschnitts der Anordnung in 13B gezeigt ist. In dieser Ausführungsform hat jeder Ringabstandshalter 100g1, 100g2 ein allgemein L-förmiges Profil. Der obere Abstandshalter 100g1 passt über die Ecke des unteren Abstandshalters 100g2, wie gezeigt. Die zusammengefügten Ringe sind in den Graben 200g eingefügt, der eine Tiefe wesentlich unterhalb derjenigen der Waferhaltetaschenbodenfläche 94g aufweist. In der Anordnung stellt der untere Abstandshalter 100g2 einen Sims 108g bereit, der sich um den Umfang der Waferhaltetasche 92g erstreckt. Der obere Ringabstandshalter 100g1 stellt eine Waferrand-Grenzfläche 106g bereit. Die verschachtelte Anordnung des oberen und des unteren Ringabstandshalters wird dank der Unterschneidung der Umfangswand 96g zuverlässig in dem Graben 200g gehalten. Gleichermaßen wird der Wafer zuverlässig dank einer Unterschneidung in der Waferrandgrenzfläche 106g gehalten.
  • Als eine Variation der Ausführungsformen, die mit Bezug auf die 13A und 13B beschrieben wurden, ist 14 eine auseinandergezogene Darstellung, die einen zusammengesetzten Abstandshalter veranschaulicht, der aus dem oberen Ringabstandshalter 100h1 und dem unteren Ringabstandshalter 100h2 zusammengesetzt ist. Der untere Ringabstandshalter 100h2 ähnelt dem oben beschriebenen unteren Ringabstandshalter 100g2, außer dass der untere Ringabstandshalter 100h2 mehrere Laschen 108h hat, die entlang seiner Innenwand angeordnet sind. Die Laschen 108h ragen nach innen, d. h. in Richtung der Mitte der Tasche, und dienen dazu, den Wafer an seiner Unterseite (an seinen Rändern) von dem Waferhaltetaschenboden abzuheben. Dies ist eine analoge Funktion zum Sims 108g, außer dass die Gruppe von Laschen keinen kontinuierlichen Sims darstellt. Vorteilhafterweise gibt es für einige Anwendungen eine Möglichkeit, dass Prozessgase in gewissem Grad unter dem Wafer entlang strömen können. Die Laschen 108h sind am distalen Ende der Tasche (d. h. am weitesten von der Mittelachse, auf der der Waferträger sich während des Prozesses dreht, entfernt) mit zunehmender Dichte (d. h. näher zusammen) angeordnet, da das distale Ende des Wafers aufgrund der Zentrifugalkraft durch die schnelle Drehung des Waferträgers den größten Spannungen ausgesetzt ist. Um die Laschen 108h ordnungsgemäß mit Bezug auf die Mittelachse des Waferträgers auszurichten, nimmt ein Satz Keile 112h und 114h, die in einer Ausführungsform als Vorsprünge implementiert sind, eine Auskerbung in dem Waferträgerkorpus (nicht gezeigt) in Eingriff. Da die Ringabstandshalter 100h1 und 100h2 einander in Eingriff nehmen, hat der obere Ringabstandshalter 100h1 einen Vorsprung 112h, der über den Vorsprung 114h des unteren Ringabstandshalters passt und diesen in Eingriff nimmt.
  • 15 ist eine schematische Querschnittsansicht, die eine weitere Variation der Ausführungsform veranschaulicht, die oben mit Bezug auf die 13A und 13B beschrieben wurde. In der in 15 gezeigten Ausführungsform ähnelt der untere Ringabstandshalter 100i2 dem unteren Ringabstandshalter 100g2. Er stellt gleichermaßen einen Sims 108i (oder Laschen) bereit und wird in verschachtelter Form durch den oberen Ringabstandshalter 100i1 an seinem Platz arretiert. Der wesentliche Unterschied liegt im oberen Ringabstandshalter 100i1. Genauer gesagt, ist die Waferrand-Grenzfläche 106i nicht unbedingt unterschnitten (obgleich sie unterschnitten sein kann). Anstatt sich auf die Unterschneidung zu verlassen, um den Wafer zuverlässig zu halten, erstreckt sich eine Lippe 115i in Richtung der Mitte der Tasche. Wenn sich ein Wafer in der Tasche befindet, würde die Lippe 115i über den oberen Rand des Wafers reichen. In dieser Ausführungsform verläuft die Lippe 115i kontinuierlich entlang des gesamten Umfangs des oberen Ringabstandshalters 1001. In einer verwandten Ausführungsform hat die Lippe 115i die Form von Laschen an verschiedenen Stellen um den Umfang; d. h. es gibt keine kontinuierliche Lippe. Die Lippe 115i verhindert, dass der Wafer durch eine entgegenwirkende Aufwärtsbewegung des Waferrandes aus der Waferhaltetasche aufgeworfen wird.
  • In einem verwandten Aspekt der Erfindung sind Einrichtungen zum Verbessern der Gleichmäßigkeit der Erwärmung des Wafers von Rand zu Rand für Wafer vorhanden, die einen oder mehrere flache Ränder oder Abflachungen haben. 16 ist ein Schaubild, das eine Herangehensweise gemäß einer Art von Ausführungsform veranschaulicht. Der Waferträger 380 hat eine Waferhaltetasche 392, die von der Oberseite her ausgespart ist, wie bei einem herkömmlichen Waferträger; jedoch wurde die Bodenfläche 394 in spezieller Weise modifiziert, um die Wärmeübertragung zu dem flachen Rand des Wafers zu erhöhen. Genauer gesagt, ist der flache Kompensationsabschnitt 350 des Taschenbodens vom Umfang der Tasche aus abwärts in Richtung der Mitte der Tasche über eine gewisse Distanz geneigt, die der Größe der Abflachungen der Wafer, für die der Waferträger 380 ausgelegt ist, entspricht.
  • 17A und 17B sind schematische Querschnittsansichten von Abschnitt 17-17 von 16. 17A veranschaulicht eine innere umfänglich verlaufende Taschenwand 396, neben der sich ein flacher Kompensationsabschnitt 350a befindet, der einen erhöhten flachen Taschenbodenabschnitt 652a enthält, der nach einer gewissen Distanz die Form eines konkaven, abwärts gekrümmten Profils annimmt. In einer Ausführungsform basiert der Übergangspunkt zwischen den flachen und den konkaven Teilen auf der Position des flachen Randes des Wafers 380. Beispielsweise befindet sich in einer Ausführungsform der Übergang direkt unter dem flachen Rand des Wafers.
  • 17B veranschaulicht eine ähnliche Ausführungsform, nur mit drei Sektionen der Bodenabschnitte: einem flachen Abschnitt 352b, einem linear-abfallend verlaufenden Abschnitt 353 und einem konkav-abfallend verlaufenden Abschnitt 354b. Die relativen Positionen eines jeden der Abschnitte können anhand empirischer Daten aus Prozessdurchläufen und der Variabilität der in jedem Durchgang erzeugten Photolumineszenz optimiert werden.
  • 18 ist eine schematische Darstellung, die in Draufsicht eine Waferhaltetasche veranschaulicht, die dafür ausgelegt ist, einen Wafer mit zwei Abflachungen aufzunehmen. Hier gibt es zwei flache Kompensationsabschnitte, die gemäß der Ausrichtung der Waferabflachung an dem Wafer ausgerichtet sind.
  • 19 veranschaulicht eine weitere Herangehensweise, und zwar die Verwendung einer nicht-runden Tasche. In diesem Beispiel ist ein allgemein flacher Umfangswandabschnitt 450 so gestaltet, dass er mit der Waferabflachung übereinstimmt. Diese Herangehensweise wahrt im Wesentlichen die gleiche Distanz zwischen der Waferabflachung und der Umfangswand der Tasche wie an jedem anderen Punkt entlang den Waferrändern. In einer verwandten Herangehensweise ist der allgemein flache Wandabschnitt 450 nicht wirklich vollkommen flach. Statt dessen gibt es eine leicht konvexe Krümmung mit einem sehr großen Radius. Dies erzeugt einen Vorsprung der Umfangswand in Richtung der Mitte der Tasche. Die Geometrie erleichtert das Herausnehmen des Wafers aus der Tasche nach der Verarbeitung, da sie verhindert, dass die Waferränder an der Umfangswand anhaften, was geschehen kann, wenn der Wafer in die Ecke am Übergang zwischen der gekrümmten Umfangswand und dem allgemein flachen Wandabschnitt 450 gedrängt wird.
  • 20 ist eine schematische Draufsicht, die eine weitere Art der Geometrie für einen Abstandshalter 100 gemäß einer Ausführungsform veranschaulicht, bei der der Abstandshalter 100 dafür verwendet wird, Waferabflachungen aufzunehmen. Wie gezeigt, ist der Abstandshalter 100j eine kontinuierliche, ringförmige Struktur, die einen flachen inneren Abschnitt 101j aufweist, der dafür ausgelegt ist, mit der Waferabflachung von Wafer 124j übereinzustimmen. Der Abstandshalter 100j befindet sich entlang eines Umfangs der runden Waferhaltetasche 92j. Da der Außenumfang des ringförmigen Abstandshalters 100j rund ist, kann der Abstandshalter 100j gemäß einer Ausführungsform in jeder beliebigen Ausrichtung angeordnet werden. In einer verwandten Ausführungsform wird eine Nut/Feder-Konstruktion verwendet, um eine bestimmte Ausrichtung der Waferabflachung zu erzwingen. In dieser Ausführungsform vermeiden die Wärmeisolationseigenschaften des Abstandshalters 100j alle Ungleichmäßigkeiten, die an dem flachen Rand des Wafers 124j aufgrund des Abstands zwischen Waferrand und Taschenumfang auftreten. Diese Herangehensweise schließt sich nicht mit den Ausführungsformen der 16–18 aus. Sie kann darum in einige Ausführungsformen mit dem flachen Kompensationsabschnitt 350 des Taschenbodens kombiniert werden.
  • Die obigen Ausführungsformen sollen veranschaulichend und nicht einschränkend sein. Es werden aber auch andere Varianten in Betracht gezogen, die in den Geltungsbereich der Ansprüche fallen. Außerdem wurden zwar Aspekte der vorliegenden Erfindung mit Bezug auf konkrete Ausführungsformen beschrieben, doch der Fachmann erkennt, dass Änderungen in Form und Detail daran vorgenommen werden können, ohne vom Schutzumfang der Erfindung, wie er in den Ansprüchen definiert ist, abzuweichen.
  • Der einschlägig bewanderte Durchschnittsfachmann erkennt, dass die Erfindung in den oben beschriebenen einzelnen Ausführungsform auch weniger Merkmale umfassen kann, als veranschaulicht sind. Die im vorliegenden Text beschriebenen Ausführungsformen sind nicht als eine erschöpfende Präsentation der Art und Weisen gedacht, wie die verschiedenen Merkmale der Erfindung kombiniert werden können. Dementsprechend sind die Ausführungsformen keine sich gegenseitig ausschließenden Kombinationen von Merkmalen; vielmehr kann die Erfindung eine Kombination verschiedener individueller Merkmale umfassen, die aus verschiedenen individuellen Ausführungsformen ausgewählt werden, wie dem Durchschnittsfachmann ersichtlich ist.
  • Wenn oben Dokumente im Wege der Bezugnahme aufgenommen wurden, so sind dem in solcher Weise Grenzen gesetzt, dass kein Gegenstand aufgenommen wird, der der ausdrücklichen Offenbarung im vorliegenden Text zuwider läuft. Jede Aufnahme von Dokumenten im Wege der Bezugnahme ist des Weiteren dahingehend beschränkt, dass keine Ansprüche, die in den Dokumenten enthalten sind, durch Bezugnahme in die Ansprüche der vorliegenden Anmeldung aufgenommen werden. Die Ansprüche der Dokumente werden jedoch als Teil der Offenbarung hier aufgenommen, sofern dies nicht ausdrücklich ausgeschlossen wird. Jede Aufnahme von Dokumenten im Wege der Bezugnahme ist des Weiteren dahingehend beschränkt, dass jegliche in den Dokumenten gegebenen Definitionen nur dann im Wege der Bezugnahme hier aufgenommen werden, wenn sie ausdrücklich hier aufgenommen wurden.
  • Für den Zweck der Auslegung der Ansprüche für die vorliegende Erfindung ist es ausdrücklich beabsichtigt, dass die Bestimmungen von Section 112, sechster Absatz von 35 U.S.C. nur dann gelten, wenn die ausdrücklichen Wörter „Mittel für” oder „Schritt für” in einem Anspruch zitiert werden.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
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Claims (12)

  1. Waferträgeranordnung zur Verwendung in einem System für das Wachstum epitaxialer Schichten auf einem oder mehreren Wafern durch chemische Gasphasenabscheidung (CVD), wobei die Waferträgeranordnung Folgendes umfasst: einen Waferträgerkorpus, der symmetrisch um eine Mittelachse herum ausgebildet ist und eine allgemein planare Oberseite enthält, die senkrecht zu der Mittelachse angeordnet ist; mindestens eine Waferhaltetasche, die in dem Waferträgerkorpus von der Oberseite her ausgespart ist, wobei jede Waferhaltetasche eine Bodenfläche und eine Umfangswandfläche enthält, welche die Bodenfläche umgibt und einen Umfang jener Waferhaltetasche definiert, wobei die Waferhaltetasche dafür ausgelegt ist, einen Wafer innerhalb des Umfangs zu halten, wenn er um die Mittelachse herum gedreht wird; und die Waferhaltetasche des Weiteren dafür konfiguriert ist, einen Wafer mit mindestens einem flachen Rand aufzunehmen, wobei ein Abschnitt der Bodenfläche, über dem der mindestens eine flache Rand des Wafers gehalten wird, einen erhöhten Abschnitt hat, der weniger ausgespart ist als Abschnitte der Bodenfläche, die sich unterhalb gerundeter Randabschnitte des Wafers befinden.
  2. Waferträgeranordnung nach Anspruch 1, wobei der erhöhte Abschnitt der Bodenfläche einen flachen Abschnitt enthält.
  3. Waferträgeranordnung nach Anspruch 1, wobei der Abschnitt der Bodenfläche, über dem der mindestens eine flache Rand des Wafers gehalten wird, eine abwärts gerichtete Neigung vom Umfang der Waferhaltetasche zu einer Mitte der Waferhaltetasche enthält.
  4. Waferträgeranordnung nach Anspruch 3, wobei der abwärts geneigte Abschnitt der Bodenfläche einen konkaven, nach unten geneigten Abschnitt enthält.
  5. Waferträgeranordnung nach Anspruch 3, wobei der abwärts geneigte Abschnitt der Bodenfläche einen linearen abwärts geneigten Abschnitt enthält.
  6. Waferträgeranordnung nach Anspruch 3, wobei die Umfangswandfläche der Waferhaltetasche mindestens einen allgemein flachen Abschnitt enthält, der so gestaltet ist, dass er mit dem mindestens einen flachen Rand des zu haltenden Wafers übereinstimmt.
  7. Waferträgeranordnung zur Verwendung in einem System für das Wachstum epitaxialer Schichten auf einem oder mehreren Wafern durch chemische Gasphasenabscheidung (CVD), wobei die Waferträgeranordnung Folgendes umfasst: einen Waferträgerkorpus, der symmetrisch um eine Mittelachse herum ausgebildet ist und eine allgemein planare Oberseite enthält, die senkrecht zu der Mittelachse angeordnet ist; mindestens eine Waferhaltetasche, die in dem Waferträgerkorpus von der Oberseite her ausgespart ist, wobei jede Waferhaltetasche eine Bodenfläche und eine Umfangswandfläche enthält, welche die Bodenfläche umgibt und einen Umfang jener Waferhaltetasche definiert, wobei die Waferhaltetasche dafür ausgelegt ist, einen Wafer innerhalb des Umfangs zu halten, wenn er um die Mittelachse herum gedreht wird; und wobei die Waferhaltetasche des Weiteren dafür konfiguriert ist, einen Wafer mit mindestens einem flachen Rand aufzunehmen, wobei die Waferhaltetasche einen eingesetzten Abstandshalter enthält, der entlang der Umfangswand angeordnet ist und einen Innenumfang definiert, der mit dem mindestens einen flachen Rand des zu haltenden Wafers übereinstimmt.
  8. Waferträgeranordnung nach Anspruch 7, wobei der eingesetzte Abstandshalter eine ringförmige Struktur mit einem kreisförmigen Außenumfang enthält, der dafür ausgelegt ist, in der Waferhaltetasche aufgenommen zu werden, die kreisförmig ist, und mindestens einen flachen inneren Abschnitt enthält, der mit dem mindestens einen flachen Rand des Wafers übereinstimmt.
  9. Waferträgeranordnung nach Anspruch 7, wobei der eingesetzte Abstandshalter aus einem Material mit Wärmeisolationseigenschaften relativ zu dem Waferträgerkorpus ausgebildet ist.
  10. Waferträgeranordnung zur Verwendung in einem System für das Wachstum epitaxialer Schichten auf einem oder mehreren Wafern durch chemische Gasphasenabscheidung (CVD), wobei die Waferträgeranordnung Folgendes umfasst: einen Waferträgerkorpus, der symmetrisch um eine Mittelachse herum ausgebildet ist und eine allgemein planare Oberseite enthält, die senkrecht zu der Mittelachse angeordnet ist; mindestens eine Waferhaltetasche, die in dem Waferträgerkorpus von der Oberseite her ausgespart ist, wobei jede Waferhaltetasche eine Bodenfläche und eine Umfangswandfläche enthält, welche die Bodenfläche umgibt und einen Umfang jener Waferhaltetasche definiert, wobei die Waferhaltetasche dafür ausgelegt ist, einen Wafer innerhalb des Umfangs zu halten, wenn er um die Mittelachse herum gedreht wird; und wobei die Waferhaltetasche des Weiteren dafür konfiguriert ist, einen Wafer mit mindestens einem flachen Rand aufzunehmen, wobei die Umfangswandfläche der Waferhaltetasche mindestens einen allgemein flachen Abschnitt enthält, der so konfiguriert ist, dass er mit dem mindestens einen flachen Rand des zu haltenden Wafers übereinstimmt.
  11. Waferträgeranordnung nach Anspruch 10, wobei der mindestens eine allgemein flache Abschnitt der Umfangswandfläche eine konvexe Krümmung hat, die in die Waferhaltetasche hinein ragt.
  12. Waferträgeranordnung nach Anspruch 10, wobei ein Abschnitt der Bodenfläche, über welcher der mindestens eine flache Rand des Wafers gehalten wird, einen erhöhten Abschnitt hat, der weniger ausgespart ist als Abschnitte der Bodenfläche, die sich unterhalb gerundeter Randabschnitte des Wafers befinden.
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