DE2064470C3

DE2064470C3 - Vorrichtung zur Durchführung von Reaktionen an erhitzten Substratoberflächen mittels Gastransportprozessen

Info

Publication number: DE2064470C3
Application number: DE2064470A
Authority: DE
Inventors: R R Carnache; R A Foehring; D M Kenney
Original assignee: International Business Machines Corp
Current assignee: International Business Machines Corp
Priority date: 1970-01-02
Filing date: 1970-12-30
Publication date: 1975-08-14
Also published as: FR2075030A5; GB1328390A; CH520525A; ES386190A1; NL7018090A; SE377430B; DE2064470B2; BE760041A; US3672948A; DE2064470A1; CA931025A

Description

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit einer Vorrichtung der eingangs genannten Art dadurch gelöst, daß zur Erzeugung einer quer zur Längsrichtung der rohrförmigen Kammer und parallel zu der Oberfläche der Substrate verlaufenden, laminaren Gasströmung auf der einen Seite der Substrathalter eint» als Gaseintrittsöffnung dienende, verschlossen!, poröse Filterröhre und auf der gegenüberliegenden Seite eine durch eine perforierte Wand abgedeckte, die Gasaustrittsöffnung enthaltende Kammer vorgesehen ist.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann dazu verwendet werden, um z. B. die Substratoberfläche zu ätzen, um eine Schicht auf ihr aufzuwachsen oder uro Dotierungsstoffe von der Oberfläche aus in das Substrat einzudiffundieren. Der besondere Vorteil der erfindungsgemäßen Vorrichtung besteht darin, daß anders als bei den bekannten Verfahren auch eine Homogenität der Reaktion in Richtung des Gasstromes gewährleistet ist. Dies ist möglich, weil der Gasstrom anders als bei den bekannten Verfahren laminar ist und weil er nicht in Richtung der Rohrachse an allen Substraten in der Reaktionszone vorbeifließt und dabei allmählich an den reaktiven Bestandteilen verarmt, sondern in der Reaktionszone eine Strecke zurücklegt, die in etwa dem im Verhältnis zur Länge der Reaktionszone in Rohröferi kleinen Rohrdurchmessers entspricht. Mit den heute zur Verfügung stehenden Gasdurchflußmessern und Gasdosiereinrichtungen läßt sich der Gasstrom und damit die Reaktion an der Substratoberfläche außerdem sehr genau und reproduzierbar regeln. Als weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Vorrichtung kommt hinzu, daß sie ohne kostspielige Umbauten in konventionelle.i Rohröfen installiert werden können.

Bei Anwendungen, bei denen es auf eine extreme Homogenität der Reaktion auf der Substratoberfläche ankommt, ist es vorteilhaft, zur Steigerung der Homogenität in Richtung des Gasstromes eine optimali· Strömungsgeschwindigkeit des Gases festzulegci wobei bei den heute üblichen H:ilbleitersubstratdurchmessem, die in der Größenordnung von 5 cm liegen, Strömungsgeschwindigkeiten von etwa lOcm/sec sich als besonders günstig erweisen. Um die Homogenität der Reaktion auf der Substratoberflärhe in Richtung der Rohrlängsachse weiter zu steigern, ist es vorteilhaft, weil dann alle Substrate exakt gleichen Bedingungen ausgesetzt werden können, wenn die Substrathalter mit dem Substrat kontinuierlich durch die rohrförmige Kammer in Richtung der Rohrachse bewegbar sind. Eine kontinuierliche Bewegung der Substrate durch die Reaktionszone hindurch erleichtert außerdem die Automatisierung der Reaktion und damit die Verwendung der erfindungsgemäßen Vorrichtung in einer automatisierten Massenabfertigung.

Es ist vorteilhaft, wenn als Reaktionsbereiche eine Vorwärmzone, eine Reaktionszone und eine Abkühlzone vorgesehen sind. Das Vorhandensein einer Vorwärmzone und einer Abkühlzone erleichtert die Einhaltung einer konstanten Temperatur in der Reaktionszonc. Außerdem werden die Substrate keinem Temperaturschock ausgesetzt, wenn sie sich beim Durchlaufen des Reaktionsbereichs zunächst langsam auf die Reaktionstemperatur erwärmen und nach Abschluß der Reaktion langsam wieder abkühlen. Um unerwünschte Nebenreaktionen zu verhindern, ist es notwendig, daß in der Vorwärm- und Abkühlzone eine inerte Gasatmosphäre herrscht. Zur Erzeugung laminarer, inerter Gasströme in der Vorwärm- und in der Abkühlzone ist es vorteilhaft, wenn zu der in der Reaktionszone vorhandenen Filterröhre parallele, poröse Filterrohre in der Vorwärm- und in der Abkühlzone vorgesehen sind und sich die durch eine perforierte Wand abgedeckte, die Gasaustrittsöffnung enthaltende Kammer auch in den Bereich ίο der Vorwärm- und Abkühlzone erstreckt.

Bei den bekannten Vorrichtungen zur kontinuierlichen Behandlung von Substraten in aufeinanderfolgenden Reaktionsbereichen sind am Anfang und am Ende der Reaktionsbereiche und zwischen den einzelnen Reaküonsbereichen komplizierte Isolationsvorrichtungen notwendig, welche die Vermischung unterschiedlicher Gasatmosphären in den einzelnen Reaktionsbereichen verhindern sollen. Als solche Isolationsvorrichtungen wurden Inertgasvorhänge, Vakuumkammern, meist in Verbindung mit Labyrinten usw. vorgeschlagen, die sich jedoch alle als unzuverlässig, schwer zu handhaben und zu aufwendig erwiesen haben. Es ist ein besonderer Vorteil der erfindungsgemäßen Vorrichtung, daß die Vorwärm- und die Abkühlzone der Reaktionszone unmittelbar, d. h. ohne dazwischengeschobene Isolationszonen, benachbart sind. Dies ist deshalb möglich, weil durch den laminaren Charakter der Gasströme eine Vermischung parallel zueinander fließender, unterschiedlich zusammengesetzter Gasströme weitgehend vermieden wird.

Es ist vorteilhaft, wenn die Substrathalter aus Graphit bestehen, der sich besonders leicht heizen läßt und wegen seiner hohen Wärmeleitfähigkeit eine sehr homogene Wärmeteilung über die Substratoberfläche gewährleistet. Es ist vorteilhaft, wenn in der rohrförmigen Kammer mehrere aufeinanderfolgende Reaktionszonen vorgesehen sind. Mit dieser Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens lassen sich Herstellungsprozesse besonders rationell gestalten. Es ist nur nicht notwendig, zwischen einzelnen Reaktionsschritten die Substrate abzukühlen und wieder aufzuheizen, was Energie und Zeit verbraucht, sondern es lassen sich auch für die Durchführung der Reaktionen benötigte Geräte einsparen; außerdem läßt sich der Aufwand für die manuelle bzw. bei automatisierten Prozessen für die automatische Handhabung der Substrate, worunter z. B. das Umladen und das Weiterleiten fällt, vermindern. Die Herstellung von Halbleiterbauteilen weitet sich immer mehr zu einer Massenfertigung aus, und die Abmessungen und Toleranzen werden immer kleiner. Da die erfindungsgemäße Vorrichtung sich besonders für die Massenfertigung eignet und besonders gleichförmige Ergebnisse bei sehr engen Toleranzen reproduzierbar liefert, ist ihre Verwendung beim Bearbeiten von Halbleiterplättchen, in denen z. B. integrierte Schaltungen erzeugt werden, besonders vorteilhaft.

Ehi Ausführungsbeispi'el der Erfindung ist in den Zeichnungen dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben. Es zeigt

Fig. 1 eine Gesamtansicht eines Reaktionssystems zur Durchführung epitaktischer Reaktionen,

F i g. 2 schematisch eine Seitenansicht eines Teiles der Niederschlagszone des in Fig. 1 gezeigten Gerätes,

F i g. 3 schematisch eine vertikale Schnittansicht der in F i g. 2 gezeigten Niederschlagszone mit dem

Geschwindigkeitsprofil des reagierenden Gases unter idealen Bedingungen,

Fig. 4 eine Kurve, in welcher die 'Wachstumsgeschwindigkeit des Niederschlages als Funktion der Entfernung aufgezeichnet ist,

Fig. 5 eine schematische Gesamtansicht der in F i g. 1 gezeigten Einrichtung,

F i g. 6 eine genaue Ansicht des Eingangs der in F i g. 1 gezeigten Einrichtung,

Fig. 7 eine genaue Schniltansicht der Einrichtung der F i g. 1 entlang der Linie 7-7 und

F i g. 8 eine teilweise Schnittansicht der Innenseite der Vorheizzone und eines Teiles der Niederschlagszone entlang der Linie 8-8 in Fig. 7, gesehen von der Rückseite der in F i g. 1 gezeigten Einrichtung.

Obwohl Verfahren und Einrichtung sich grundsätzlich auf zahlreiche Dampf-Transportprozesse anwenden lassen, wird mit dem Ausführungsbeispiel nur eine Reaktion beschrieben, und zwar die Reduzierung von Siliziumtetrachlorid durch Wasserstoff, beschrieben durch die Gleichung:

SiCl₄ + 2 H₂

Wärme

Si i 4 HCl.

Die tatsächliche Reaktion ist komplexer und hängt ab von den Konzentrationen der Reagenzien, der Temperatur, dem Druck und der Form des Reaktors, die alle zu verschiedenen Nebenreaktionen führen können. Da die Reaktion umkehrbar ist, können mit ihr auch Ätzung und andere Massentransportprozesse durchgeführt werden. So ist z. B. die Disproportionierung, Zersetzung, Kondensation und das Kracken von Gasen möglich. Da eine Anzahl dieser Reaktionen auch umkehrbar ist, ist außerdem die Entfernung von Material von Substratflächen sowie der Niederschlag von Material möglich. Bei dieser Beschreibung ist es daher klar, daß jeder wärmeinduzierte Niederschlag von chemischen Dämpfen sowie Ätzverfahren eingeschlossen sein sollen.

In F i g. 1 ist eine Einrichtung zur Durchführung dieser Prozesse dargestellt und mit der Nr. 10 bezeichnet. Die rohrartige Einrichtung 10 hat einen rechteckigen Querschnitt, an einem Ende einen Eingang 12 und am anderen Ende einen Ausgang 14, die später beide noch genauer beschrieben werden. Der Mittelteil des Rohres 10 umfaßt eine Kammer, die in drei Prozeßzonen unterteilt ist, und zwar Vorwärm-, Niederschlags- und Abkühlungszone. Eine Anzahl von Gaseinführungsröhren 16 bis 24 ist für die Gaszufuhr zu den verschiedenen Zonen vorgesehen. Abgase verlassen das Prozeßrohr durch die Abgasröhrchen 26. In einem Wassermantel fließt Kühlwasser um, welches durch Wassereingangsrohre 28 zugeführt wird und durch Wasserauslaufrohre 30 wieder abläuft, die an der Ober- bzw. Unterseite des Prozeßrohres 10 angebracht sind. Halbleitersubstrate werden auf Trägern 32 befestigt, die kontinuierlich durch das Prozeßrohr 10 geführt werden können. Außerdem ist eine Öffnung 34 für die Betrachtung der Substrate während des Pro/csses beim Durchlaufen der Niederschlagszone vorgesehen.

Vor einer genaueren Beschreibung des in I ig. 1 gezeigten Prozeßrohres wird zunächst seine Arbeitsweise allgemein beschrieben.

F i g. 2 zeigt schematisch eine Draufsicht einer idealen Niederschlags- oder Dampftransportzonc. Um ein in der Gasphase befindliches Reaktionsmaterial durch die Transportzone und über die ebene Oberfläche des Substrates 36 führen zu können, ist eine Filterröhre mit eine Porengröße von vorzugsweise 10 [im aus gcfrittetem Quarz oder gesintertem reinem Stahl vorgesehen. Die Filterröhre verhält sich genauso wie ein klassischer poröser Stopfen. Somit tritt bei den reagierenden Gasen keine Änderung der Enthalpie auf, während sie durch die Wandungen der Filterröhre strömen. Auf der ganzen Länge der ίο Filterröhre 38 werden die reagierenden Gase gleichmäßig in die Niederschlagszone geleitet und erzeugen dort eine laminare Strömung. Auf der gegenüberliegenden Seite der Zone ist ein Abgasleitblech 40 vorgesehen, welches von den reagierenden Gasen nach Überstreichen der Oberfläche des Substrates 36 umströmt wird. Das Abgasleitblech 40 kann z. B. eine Filterplatte aus gesintertem Stahl sein, deren Porösität ausreicht, einen Gegendruck zu erzeugen, der einige Größenordnungen über dem Druckabfall in Längsrichtung im Abgasgehäuse 42 liegt. Das Abgasleitblech kann auch eine perforierte Stahlplatte mit etwa 150 Öffnungen pro mm² mit einem Durchmesser von je 25 um sein. Das filterrohr 38 und das Abgasleitblech 40 stellen zusammen eine Laminarströmung über der Oberfläche des Substrates 36 sicher, die durch die parallelen Linien in F i g. 2 dargestellt ist.

Fig. 3 zeigt die Idealbedingung einer I.aminarströmung in einer vertikalen Ebene. Das Geschwindigkeitsprofil 44 zeigt, wie der diffusionsbcgren/te Transport stattfindet. Die Geschwindigkeit derVeagierenden Gase ist an der Substratoberfläche Null und wird nach oben bis zu einer Höchstgeschwindigkeit zunehmend größer. Von dem gasförmigen Material

wird das Reaktionsprodukt auf der Substratoberfläche niedergeschlagen. Dadurch ergibt sich im Gas eine ungleiche Konzentration und eine Diffusion in Richtung auf den Niederschlagsbereich, d. h. auf die Substratoberfläche. Die Substrate werden durch nicht dargestellte Einrichtungen auf die gewünschte Reaktionstemperatur erwärmt, und während die Reagenzien auf diese heiße Oberfläche hin diffundieren, durchlaufen sie einen Temperaturbereich, der an der Substratoberfiäche ausreicht, um die gewünschte

Reaktion erfolgen zu lassen. Da die reagierenden Gase in laminarer Strömung über die Substratoberflächen geführt werden, läßt sich eine im wesentlichen gleichförmige und regelbare Niederschlagsgeschwindipkeit aufrechterhalten. Somit wird der Niederschlag oder andere Reaktionen von Dampfphasen durch die Diffiisionsi;cschwindigkeit in die niedergeschlagene Grenzzone begrenzt. Da ohne Turbulenz gearbeitet wird, können unvorhersehbare Unrepelmäßicleiten im Strömungsmuster keine unregelmäßigen Nieder-

schlage an verschiedenen Stellen der Substratoberfidche hervorrufen.

Es ist zu beachten, daß einige der gasförmigen Reagenzien aus dem Dampfstrom en fernt werden, während dieser über das Substrat untl den Tracer streicht und daher die eigentliche Konzentration der Reagcn/ien zur Entfernung vom ersten Niederschlagspunkt an umgekehrt proportional ist und dadurch die Diffusions- oder Niederschlagsgeschwindigkeit an den Punkten herabgesetzt wird, die von der Vorderkante des Substratträgers weiter entfernt sind, wie es in F i g 4 dargestellt ist.

In der in F i g. 4 gezeigten Kurve ist der Niederschlags-Zuwachs in Abhängigkeit von der Entfernung

vom Beginn des Niederschlages auf der ebenen Oberfläche des Substrates aufgezeichnet. Der höchste Zuwachs ist reaktionsbegrenzt und tritt nur auf, wenn die Konzentration der Gase konstant bleibt. Diese Bedingung ist aber nur am ersten Niederschlagspunkt gegeben, da die Konzentration danach abnimmt. Der Niedcrschlagszuwachs ist somit diffusionsbegrenzt und abhängig von der Geschwindigkeit, mit der sich die reagierenden Gase über die Substratoberfläche hin bewegen. Bei einer Geschwindigkeit von z. B. lOcm/sec ist der Niederschlag eine kurze Strecke hinter dem Beginn fast konstant, wie Punkt 41 zeigt. Wenn die Substrate nicht an der Vorderkante des Substratträgcrs befestigt, sondern etwas nach hinten versetzt sind, wie es in den Fig. 2 und 3 dargestellt ist, fällt das ganze Substrat in den flachen Teil 41 der Kurve. Im Gegensatz zu einem Turbulenzsystem, das in dem fast senkrechten Teil der Kurse arbeitet, ist ein Laminar-Strömungssystem genauer steuerbar und dadurch leichter reproduzierbar. Da die Kurve für den Niederschlag mit zunehmender Entfernung ständig etwas abnimmt, werden die reagierenden Materialien vorzugsweise über nur ein Substrat geführt.

Wenn die Konzentration der Materialien in der gasförmigen Phase kleiner ist als die Konzentration in dem Bereich unmittelbar über der Substratoberfläche, tritt eint* Umkehrung des diffusionsbegrenzten Transports auf, und es ist eine Ätzung oder Entfernung von Material aus dem Substrat möglich. Wenn z. B. HCl als reagierendes Gas und Silizium als Substratoberflächc \envendet wird, resultiert daraus eine Umkehrung der oben beschriebenen Reaktion und die Erzeugung von SiCl₄ und H.,.

In Fig. 5 ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung schematisch dargestellt. In der Mitte der Prozeßröhre befindet sich die Niederschlagszone. Diese Zone arbeitet genauso, wie es oben im Zusammenhang mit den Fig. 2 und 3 besehrieben wurde. Um jedoch eine geregelte Umgebung für den Reaktionsablauf sicherzustellen, ist eine Vorwärmzone für die in die Niederschlagszone eintretenden Substrate vorgesehen. In dieser Vorwärmzone werden die auf dem Substratträger 32 liegenden Substrate vor Eintritt in die Niederschlagszone auf die rieht ine Reaktionstemperatur gebracht. Unter den Substratträgern 32 liegt im wesentlichen unter der Gesamtlänge der Vorwärm- und der Niederschlagszone ein Widerslandshcizelement. das nicht daraesie'lt ist. Während die Substrate erwärmt werden, wird Wasserstoiigas von hohem Reinheitsgrad durch ein Vor- »ärmfilterrohr 52 in die Vorwärmzone eingeführt, um sicherzustellen, daß keine Verunreinigungen in die Niederschlagszone gelangen und um Nebenrcaktioncn /ti vermeiden. Die Vorwärmzone ist genauso aufgebaut wie die oben beschriebene Niederschlagszone. Der Wasserstoff s'römt in lam;narer Strömung über die Oberflächen der Plättchen.

In Durchlaufrichtung gesehen hinter der Niederschlagszone liegt eine Kühl/one. Diese Zone wird u ic die Vorwärm/onc und die Niederschlagszone mit iiiis. welches durch ein kuhlfilterrohr 53 zugeführt wird, in laminarer Strömung, durchflossen. In der Kühlzone sollen Spüren von SiCl, entfernt werden, die aus der Niederschlagzone übertraten wurden. und die Subsirale sollen vor dem Verlassen lies Rohres 10 gekühlt werden

Für den erfolgreichen lietiieb des ProzeMrolües 10 kann eine Strömung gasförmigen Materials in Längsrichtung nicht zugelassen werden, weil sich dadurch die verschiedenen Gase in den Zonen mischen wurden. Um eine solche Längsströmung zu verhindern, muß der Druck an jedem Ende des Prozeßrohres gleich sein. Da der Druckabfall durch die Wände der Filteirohrc wesentlich größer ist als der Druckabfall in Längsrichtung des Reaktionsrohres, ist der Massenfluß pro Längeneinheit des Filierrohres konstant. Und da dieser Massenfluß durch die Filterrohre bei konstanter Temperatur nur eine Funktion des Druckes ist, ist er konstant für einen konstanten Eingangsdruck. Die Vorrichtung arbeitet nicht mit einem genauen Meßsystem für separate Gasströmungen, sondern mit einem Druckausgleich, wie er in Fig. 5 gezeigt ist. Wasserstoffgas wird der Vorwärm- und der Kühlzone zugeführt und ein Trägergas durch eine Eingangsleitung 53 in das System eingebracht. Die reagierenden Gase H., und SiCl₄ werden in separaten Leitungen in die Niederschlagszone eingeführt. Da in jeder der drei Zonen eine Laminarströmung aufrechterhalten wird, erfolgt keine Mischung der Gase zwischen den Zonen außer einer kleinen Diffusionsmenge, die durch einen Konzentrationsgradienten von SiCl₁ zwischen der Niederschlagszone und den angrenzenden Zonen verursacht wird. Das Arbeiten mit der Laminarströmung gestattet, den ganzen, aus drei Schritten bestehenden Niederschlagsprozeß in einer Kammer auszuführen, ohne daß Sperren oder andere Isolationseinrichiungcn zwischen den ein/einen Prozeßschritten benötigt werden. In Fig. 5 sind außerdem zwei Wärmcschildc 54 und 56 gezeigt, mit denen bei Bedarf der Verlust von Strahlungswärme von den erwärmten Substraten 36 reduziert werden kann, ohne daß die Laminarströmung der Gase in der Reaktionszone wesentlich beeinflußt wird. Die Wärmeschilde können z. B. perforierte Molybdänbleche mit einer Dicke von 1,5 mm und etwa K)" 0 offener Fläche sein. Bis zu welchem Grad die Laminarströmung beeinträchtigt werden kann, um den Strahlungswärmeverlust durch die Plättchen zu reduzieren, ist eine Frage der Wirtschaftlichkeit.

Das in Fig. 1 gezeigte Prozeßrohr 10 besteht aus

einem rechteckigen langen Rohr mit einem Eingang 12 und einem Ausgang 14. Das Prozeßrohr kann z. B. etwa 3 m lang sein. Eingang und Ausgang sind ähnlich aufgebaut und gestatten die Durchführung von Substraten in die und aus der Prozeßzone.

Fig 6 zeigt eine Draufsicht des Eingangs. Das Tor kann aus einer oberen Platte 58 und einer unteren Platte 60 bestehen, die so ausgenommen sind. daG ein Substratträger 32 mit Minimalabstand durch der Schlitz laufen k:mn ! in Schutzgas, wie z. B. Argon, wird kontinuierlich durch ein Rohr 62. welches mil dem Schlitz in den Platten 58 und 60 in Verbindung steht, dem Tor zugeführt. Die Lage des Tores 62 aul der Platte 58 in Längsrichtung wird bestimmt in Ab hängigkeit von der Größe der öffnung zwischen derc Schlitz und dem Substratträger, der Druckdifferenz zwischen der Atmosphäre und der Innenseite de· Prozeßrohres und dem drad. in welchem cir Entweichen von Argon in das Prozeßrohr nineir tolerier! werden kann. Vorzugsweise sollte im \us führunesbeispid etwa 1 Liter Argon Minute in da^c Prozeßiohr und 2 I lter Minute in die Atmosphän ciiiw. iclun können Die I änge des Eingangs- ode AiisL'.ini'stoies soll κ so bemessen sein, daß ein aus

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reichender positiver Druck im System aufrechterhalten wird.

Die Substratträger 32 können aus hochgradig reinem, handelsüblichem Graphit hergestellt sein und eine Längsführung aus pyrolithischem Graphit oder Molybdän aufweisen, die auf der ganzen Trägerkante entlangläuft. Der Träger 32 ist allgemein rechteckig, vorzugsweise quadratisch, und muß eine flache Vorder- und Hinterkante aufweisen, um eine Dichtung zwischen den Trägern zu gewährleisten, während sie kontinuierlich durch das Prozeßrohr laufen. Substrate sind, um Turbulenzen zu vermeiden, auf den Trägern 32 so angebracht, daß ihre ebenen, den Niederschlag aufnehmenden Oberflächen mit der Oberfläche des Trägers fluchten. Der Träger muß wesentlich größer sein als die Substrate, damit der flache Teil der Aufwachskurve von F i g. 4 auf das Substrat fällt. Die Träger werden durch einen bekannten Zuführmechanismus kontinuierlich in das Prozeßrohr eingeführt.

Aus den Fig. 7 und 8 geht hervor, daß das Prozeßrohr in drei verschiedene Abschnitte unterteilt ist. Gemäß obiger Beschreibung liegt die Niederschlags- oder Dampftransportzone in der Mitte. Der Boden der Transportzone wird vom Substratträger 32 und den Führungsschienen 64, die Seitenwandungen von den Wärmeschilden 54 und 56 und die Decke von dem Wärmeschild 66 gebildet. Die Transportzone wird in Längsrichtung durch das Filterrohr 38 begrenzt.

Direkt unter der Vorwärmzone verläuft in Längsrichtung des Rohres in der Vorwärm- und der Niederschlagszone ein Widerstandsheizstreifen 68, der auf hitzebeständigen Stangen 70 gelagert ist. Der Heizstreifen 68 kann aus Graphit bestehen und ist an beiden Enden an einem Klemmenblock 72 befestigt. Da der Heizstreifen 68 sich bei Erwärmung ausdehnt, ist am Eingangsende des Prozeßrohres 10 ein Gleitblock mit Druckfedern angeordnet. Mit dem Heizstreifen 68 ist an beiden Enden ein elektrischer Anschluß 74 verbunden, der durch die Bodenplatte des Prozeßrohres läuft und am besten in Fig. 7 gezeigt ist.

Um gasförmiges Material durch die Niederschlagszone führen zu können, ist rechts vom Wärmeschild 54 das Filterrohr 38 vorgesehen, welches mit der Gaszufuhr 17 durch die rechte Seitenplatte 76 verbunden ist. Eine obere und untere Gaskammerteilung 78 bzw. 80 begrenzt das gasförmige Material auf die richtige Zone.

Um einen Niederschlag auf dem Wärmeschild 66 zu vermeiden, wird dieser durch einen Gasstrom auf seiner Oberseite unter die Reaktionstemperatur gekühlt. Das Gas wird durch ein oberes Filterrohr 82 zugeführt, welches in der Seitenplatte 76 befestigt und an die Zuleitung 21 angeschlossen ist. Als Gas kann Wasserstoff benutzt werden, der von der oben im Zusammenhang mit Fig. 5 besprochenen Quelle zugeführt weiden kann.

Um Verluste in der Niederschlagszone zu vermeiden und die Wärme im Prozeßrohr aufrechtzuerhalten, ist ein Bodenfilterrohr 84 vorgesehen, welches direkt unter dem Niederschlagsfilterrohr 38 an der rechten Seitenplatte 76 befestigt und mit der unteren Gaszufuhr 29 verbunden ist. Das Gas, z. B. Argon vom Rohr 84, fließt unter den Führungsschienen 64 und durch die Wärmeschilde 86.

Nachdem es durch den Reaktionsbereich geströmt ist, trifft es auf das Abgasleitblech 40, dessen Funktion oben im Zusammenhang mit F i g. 2 beschrieben wurde. Die Gase verlassen dann das Prozeßrohr durch das Abgasrohr 26.

Um die Temperatur des Prozeßrohres zu steuern und überschüssige Wärme aus der Niederschlagszone abzuführen, sind Ober- und Unterseite des Prozeßrohres mit Wassermänteln 88 ausgestattet.

F i g. 7 zeigt außerdem die Betrachtungsöffnung 34, die auf Wunsch in bekannter Art eingebaut werden kann.

Das gezeigte Ausführungsbeispiel kann die richtigen Bedingungen für einen diffusionsbegrenzten Massentransport schaffen und aufrechterhalten, wie er allgemeiner im Zusammenhang mit den Fig. 2, 3 und 4 beschrieben ist. Beim Betrieb des Prozeßrohres ist natürlich eine Anlaufperiode erforderlich. Um die richtigen Bedingungen für den Wärmeaustausch sicherzustellen, wird der Heizstreifen eingeschaltet und das Trägergas Wasserstoff an alle Eingangsleitungen angelegt. Das Prozeßrohr wird vorzugsweise mit Substratträgern und irgendwelchen Attrappen gefüllt, damit die richtigen Bedingungen entstehen. Sowohl dem Eingangs- als auch dem Ausgangstor ist Argon zuzuführen, um das im Prozeßrohr fließende Gas am Entweichen in die Atmosphäre zu hindern. Wenn die Bedingungen im Prozeßrohr stabil sind, kann das reagierende Material SiCl₄ dem in die Niederschlagszone führenden Wasserstoffstrom in der gewünschten Menge beigesetzt werden. Dann können Substrate kontinuierlich durch das Prozeßrohr geführt werden. An den inneren Elementen des Systems findet kein oder nur ein geringer Niederschlag statt, weil nur Substrate und Substratträger auf die richtige Niederschlagstemperatur erwärmt werden.

Hierzu 5 Blatt Zeichnungen

Claims

hitzten Substraten mittels Gastransportprozessen in Patentansprüche: _{emer ro}hrlörmige Reaktionsbereiche aufweisenden

1 Vorrichtung zur Durchführung von Reak- Kammer.

tioner,, £derοΐ^πϊοηΓνοη eSten Substraten Die Herstellung einer integrierten Halbleiterschal-

mittels Gastransportprozessen in einer rohrför- 5 tung, die unter Umstanden eine großAnzahl ver-

mige Reaktionsbereiche aufweisenden Kammer, schiedener Elemente enthalt erfordert normalerweise

d ad u r c h g e k e η η ζ e i c h η e t, daß zur Er- zahlreiche Verfahrensschritte. Da Fehler oder ToIe-

zeugung einer quer zur Längsrichtung der rohr- ranzübcrschreitungen bei jedem einzelnen Schritt zu

förmigen Kammer (10) und parallel zu der Ober- Ausschuß führen können müssen diese Schatte so

fläche der Substrate (36) verlaufenden, laminaren !o ausgeführt werden, daß dabei gut reproduzierende

Gasströmung (44) auf der einen Seite der Sub- Resultate bei einem vertretbaren Aufwand erzielt

strathalter (32) eine als Gaseintrittsöffnung die- werden.

nende, verschlossene, poröse Filterröhre (38) Sehr häufig werden bei der Herstellung integrierter

und auf der gegenüberliegenden Seite eine durch Schaltungen Verfahren zur Oxydation, zur Diffusion,

eine perforierte Wand (40) abgedeckte, die Gas- 15 zum epitaktischen Niederschlagen und zum Auen

austrittsöffnung enthaltende Kammer (42) vor- von Halbleitermaterial angewendet. Bei a Hen diesen

gesehen ist. Verfahren reagieren im Trägergas enthaltene Ver-
2. Vorrichtung nach Anspruch I, dadurch ge- «ndungen und verändern dabei die Substratoberkennzeichnet, daß der laminare Gasstrom auf fläche. Zu diesen Reaktionen gehören z. B. der Nieeine festgelegte Strömungsgeschwindigkeit ein- 20 dersehlug aus der Dampfphase oder die Dampfregelbar ist. ätzung, die Berührung zwischen einem gasförmigen
3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch ge- Medium und einem festen Substrat, auf dem entkennzeichnet, daß der laminare Gasstrom auf weder Materie niedergeschlagen oder von welchem eine Strömungsgeschwindigkeit von etwa lü cm/s Materie entfernt wird.

eingeregelt ist. 25 Üblicherweise werden bei den Verfahren der ge-
4. Vorrichtung nach einem oder mehreren der nannten Art die Reaktionen in geschlossenen oder Ansprüche I bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß offenen Röhren durchgeführt. Beide Methoden werdie Substrathalter (32) mit den Substraten (36) den sowohl im Laboratorium als auch in der Fabrikontinuierlich durch die rohrförmige Kammer in kation noch heute häufig angewendet. Beim Ver-Richtung der Rohrachse bewegbar sind. 30 fahren der geschlossenen Röhre werden die Substrate
5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch ge- zusammen mit gewissen Reaktionsmaterialien in eine kennzeichnet, daß als Reaktionsbereiche eine Quarzröhre eingeschlossen. Die Röhre wird auf Vorwärmzone, eine Reaktionszone und eine Ab- Reaktionstemperatur gebracht, unter Umständen werkühlzone vorgesehen sind. den die in der Röhre befindlichen Objekte individrell,
6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch ge- 35 ζ. Β. durch Hochfrequenzheizung erwärmt, wodurch kennzeichnet, daß zur Erzeugung laminarer, bei richtiger Einhaltung aller Parameter die geinerter Gasströme in der Vorwärm- und in der wünschte Reaktion in Gang kommt. Die Methode Abkühlzone zur Filterröhre (38) parallele, poröse arbeitet relativ langsam, und das Einsetzen und Her-Filterröhren (52, 53) vorgesehen sind und die ausnehmen der Arbeitsobjekte in die Röhre ist recht durch eine perforierte Wand (40) abgedeckte, 4° umständlich. Man ist deshalb mehr und mehr zur die Gasaustrittsöffnung enthaltende Kammer (42) Methode der offenen Röhre übergegangen, bei der sich auch über den Bereich der Vorwärm- und Reaktionsgase kontinuierlich durch die Rohre geder Abkühlzone erstreckt. leitet werden. Nachteilig ist dabei, daß regelmäßig
7. Vorrichtung nach einem oder mehreren der die Reaktionsgase der Länge nach durch die Röhre Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß 45 geleitet werden, weshalb ein Konzentrationsgefälle der Reaklionsbereich mindestens teilweise von entlang der Röhre entsteht. Objekte wie z. B. Sub-Wärmeschilden (54, 56, 66, 86) umgeben ist. strate, die sich in der Röhre befinden, erfahren da-
8. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch ge- durch eine ungleichmäßige Behandlung,
kennzeichnet, daß die Vönvärm- und die Ab- lis wurden bereits Vorschläge gemacht, diese kühlzone der Reaktionszone unmittelbar be- 50 Nachteile durch besonders genaue Steuerung der nachbart sind. Reaktionslemperaturen sowie der Konzentration der
9. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Reaktionsmittel zu beseitigen. Um die Wirkung von Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß erschöpften Reaktionsgasen zu vermeiden, wurden die Substrathalter (32) aus Graphit bestehen. eine Reihe von Röhren, Gefäßen usw. entwickelt.
10. Vorrichtung nach einem oder mehreren der 55 die den Durchfluß der Reaktionsgase so turbulent als Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß möglich gestalten sollen. Man versuchte dadurclin der rohrförmigen Kammer (10) mehrere auf- einen gleichmäßigeren Niederschlag auf den Subeinanderfolgende Reaktionszonen vorgesehen slratcn zu erreichen. Damit gelang es zwar die besind, nötigten Reaktionszeiten stark abzukürzen, das Pro
11. Vorrichtung nach einem oder mehreren der 60 blem des ungleichmäßigen Niederschlages konnli Ansprüche 1 bis 10, gekennzeichnet durch ihre jedoch nicht gelöst werden, und die Produkte diese Verwendung beim Bearbeiten von Halbleiter- Verfahren enthielten viel Ausschuß infolge von To!c plättchen. ranzüberschreitungen.

Es ist die Aufgabe der Erfindung, eine Vorrich

65 tung anzugeben, mit der Subtratoberflächen mittel

eines über sie hinwegfließenden Stromes eines reak

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Durch- tiven Gases gleichförmig und reproduzierbar ver führung von Reaktionen an der Oberfläche von er- ändert werden können.