DE2327351A1 - Vorrichtung zum kontinuierlichen durchfuehren von gastransportreaktionen - Google Patents

Vorrichtung zum kontinuierlichen durchfuehren von gastransportreaktionen

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DE2327351A1
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Ashwin Kantilal Ghatalia
Ronald Adrian Michaud
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Description

Aktenzeichen der Anmelderin: Docket BU 971 020
Vorrichtung zuitt kontinuierlichen Durchführen von Gastr anspor tr eakt'i'onen
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum kontinuierlichen Dμrchführen von Gastransportreaktionen, bei welcher an ihrer Oberfläche zu bearbeitende Halbleiterplättchen kontinuierlich durch eine auf beiden Seiten offene, erhitzbare Röhre transportiert werden, der in einem mittleren, die Reaktionszone bildenden Bereich Gas zugeführt wird.
Bei der Herstellung von Halbleiterbauelementen werden an zahlreichen Stellen Gastransportreaktionen zwischen Reaktionsstoffe enthaltenden Gasen und den HalbleiterSubstraten verwendet, um additive Prozesse, wie z.B. das Herstellen von Oxydfilmen oder dotierten Oxydschichten für Diffusionen, als auch subtraktive Prozesse, wie z.B. Ätzen, durchzuführen. Bei der Herstellung von integrierten Schaltungen mit extremer Reproduzierbarkeit in Massenproduktion kommt diesen Prozessen eine große Bedeutung zu.
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Während früher die Verarbeitung hauptsächlich in Chargen vorgenommen wurde, sind in neuerer Zeit kontinuierlich arbeitende Vorrichtungen in den Vordergrund getreten. Die bekannten Vorrichtungen zur kontinuierlichen Durchführung von Reaktionen wie Oxydation, Aufwachsen von Schichten, Ätzen usw. sind sehr aufwendig und erfordern hoch entwickelte Geräte, spezielle technische Einrichtungen für die Handhabung und eine spezielle Ausrüstung für den Betrieb. Wegen der extremen Empfindlichkeit der Prozessparameter für die Herstellung von Halbleiterbauelementen sind schon zahlreiche Versuche unternommen worden zur Herstellung von Vorrichtungen, bei denen diese Parameter genau gesteuert werden können. Z.B. ist es bei Prozessen, bei denen es auf eine kritische Dicke einer Oxydschicht ankommt, notwendig, sicherzustellen, daß die Länge der Reaktionszone in einer kontinuierlich arbeitenden Vorrichtung genau eingehalten wird. Bekannte Vorrichtungen benutzen hierfür Gasvorhänge, die gewöhnlich senkrecht zu der Bewegungsrichtung der Halbleiterplättchen gerichtet sind, Anordnungen mit positivem oder negativem Druck und verschiedene Arten von Gasschleusen einschließlich mechanisch verschließbarer Türen usw. .
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Vorrichtung zur kontinuierlichen Durchführung von Gastransportreaktionen anzugeben, die sehr einfach aufgebaut ist, die für eine Reihe von verschiedenen Prozessen verwendet werden kann, die keine besondere technische Ausrüstung notwendig macht und die eine Verbesserung in der Gleichmäßigkeit der erzeugten Produkte ermöglicht.
Bei einer Vorrichtung der eingangs genannten Art wird dies gemäß der Erfindung dadurch erreicht, daß in der Röhre von beiden Seiten sich oberhalb der Transportbahn in axialer Richtung nach innen erstreckende, am inneren Ende nach unten abgewinkelte Trennwände angeordnet sind, und daß in den von den Trennwänden eingeschlossenen Bereichen Austrittsöffnungen für Gase angeordnet sind, die direkt und um die abgewinkelten Enden der Trennwände herum nach außen strömen.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist in vorteilhafter Weise so ausgebildet, daß zur steuerbaren Begrenzung der in der Mitte der Röhre befindlichen Reaktionszone durch die um die abgewinkelten Enden der Trennwände fließenden Gasströme, die aus den innerhalb der von den Trennwänden eingeschlossenen Bereichen angeordneten Gasaustrittsöffnungen ausströmenden Gase mit gegenüber dem der Reaktionszone zugeführten Gas steuerbar erhöhtem Druck " zuführbar sind. In vorteilhafter Weise sind die Endbereiche der Röhre mittels der mit ihren sich axial erstreckenden Teilen parallel zur Transportbahn angeordneten Trennwände und der aus den von ihnen eingeschlossenen Bereichen austretenden Gasströme jeweils in einen unteren Bereich zur Zuführung bzw. Abführung der Halbleiterplättchen und in einen oberen Bereich für den Auslaß des der Reaktionszone zugeführten Gases unterteilbar. Eine vorteilhafte Ausbildung der erfindungsgemäßen Vorrichtung besteht darin, daß die lineare Strömungsgeschwindigkeit des der Reaktionszone zugeführten und durch die Auslaßzonen ausströmenden Gases größer ist als die Diffusionsgeschwindigkeit der Gase der Endbereiche in das der Reaktionszone zugeführte Gas. In besonders vorteilhafter Weise ist die Strömungsgeschwindigkeit des der Reaktionszone zugeführten Gases mindestens lOmal so groß wie die Diffusionsgeschwindigkeit der Gase der Endbereiche der Röhre in dieses Gas.
Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Vorrichtung besteht darin, daß den Austrittsöffnungen in den von den Trennwänden eingeschlossenen Bereichen inerte Gase oder reaktionsfähige Gase zuführbar sind.
Vorteilhaft ist es ferner, daß die Strömungsgeschwindigkeiten des in die Reaktionszone einströmenden Gases und der in den Zuführungsbereich und den Abführungsbereich eintretenden Gase durch Variieren der Strömungsgeschwindigkeiten dieser Gase gegenüber einer konstanten Geschwindigkeit des in die Reaktionszone strömenden Gases derart aufeinander abgestimmt sind, daß die
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Strömungsgeschwindigkeiten der Gase der Endbereiche ohne Einfluß auf die Reaktionsparameter sind. Als besonderer Vorteil ergibt sich hieraus, daß die erforderlichen Steuermittel auf ein Minimum reduziert werden können.
Eine andere Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist derart ausgebildet, daß an den äußeren Enden einer oder beider Trennwände ein nach unten abgewinkelter Ansatz und in der darüber liegenden Wand der Röhre eine Auslaßöffnung vorgesehen ist.
Die Erfindung wird anhand eines durch die Zeichnungen erläuterten Beispieles beschrieben. Es zeigen
Fig.l die Vorrichtung in schaubildlicher Ansicht,
schematisch dargestellt,
Fig.2 einen Querschnitt der Vorrichtung im Ausschnitt,
Fig.3 den stirnseitigen Teil der Röhre in schaubildlicher Ansicht bei einer anderen Ausführungsform, und
Fig.4 ein Diagramm zur Erläuterung des Einflußes der Strömungsgeschwindigkeiten in den Endbereichen auf die Reaktionsparameter.
In Fig.l ist die bei der Vorrichtung verwendete Röhre mit 10 bezeichnet. Die rechteckige Röhre 10 besteht aus Quarz und ist etwa 19 mm hoch, 64 mm breit und 1,82 m lang. Das flache Format der Röhre hat den Vorteil, daß mehrere solcher Röhren in einem Ofen gestapelt werden können. Innerhalb der Röhre in der Nähe ihrer Enden sind die Trennwände 12 und 14 aus Quarz angeordnet, die sich in axialer Richtung erstrecken. Diese Trennwände teilen die Röhre 10 in drei Bereiche. Der mittlere Bereich zwischen den
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Trennwänden 12 und 14 bildet die Reaktionszone. Im Bereich der Trennwand 12 befindet sich die Zuführungszone und im Bereich der Trennwand 14 die Abführungszone. Diese Zonen werden in Verbindung mit Fig.2 noch näher beschrieben. Auf der Seite der Röhre sind zwei GasZuführungsleitungen 16 und 18 angeordnet, durch die Gase in die Zuführungs- und Abführungszone geleitet werden können. Der Reaktionszone wird Gas über die Rohrleitung 20 zugeführt. Die auf der Transportbahn 22 liegenden Halbleiterplättchen 24, die am Ausgang der Röhre 10 dargestellt sind, werden entweder kontinuierlich oder schrittweise durch die Röhre 10 bei der Verarbeitung bewegt.
Die Röhre 10 ist, wie aus Fig.2 ersichtlich, in einem Ofen 26 angeordnet, der die Heizelemente 28 aufweist. Durch die Rohrleitung 20 wird der Reaktionszone, die durch die Trennwände begrenzt ist, Gas in konstanter Menge zugeführt, das nach beiden Seiten durch die Auslaßzonen 30 und 32 frei aus dem Rohr austreten kann. Um durch Isolierung des der Reaktionszone zugeführten Gases die effektive Länge der -Reaktionszone, der die Halbleiterplättchen 24 ausgesetzt werden, zu bestimmen, wird den Gasaustrittsöffnungen 16 und 18 der Zuführungszone 34 und der Abführungszone 36 ein nicht reagierendes oder Reinigungsgas zugeführt. Das Reinigungsgas kann ein inertes Gas sein oder es kann ein anderes reagierendes Gas sein,das mit dem der Reaktionszone zugeführten Gas verträglich ist.
Aus Fig.2 ist auch der Gasfluß ersichtlich, der erforderlich ist, um das der Reaktionszone zugeführte Gas mit einfachen Mitteln zu isolieren. Die Strömung des der Reaktionszone zugeführten Gases ist durch die langgezogenen, gestrichelten Pfeile 38 angedeutet, während die Strömung der Reinigungsgase durch die kurzen gestrichelten Pfeile 40 und 40* angedeutet ist.
Um die Durchflußmenge des Reinigungsgases in die Reaktionszone zu begrenzen, ist die Größe der öffnungen zwischen der Reaktionszone und der Zuführungszone 34 bzw. der Abführungszone 36 ver-
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ringert. Dies wird erreicht durch die abgewinkelten Enden 42 und 44 der Trennwände 12 und 14. Die Strömung des Reinigungsgases in der Zuführungs- und Abführungszone muß jedoch so groß sein, daß mindestens ein kleiner Teil des Gases in die Reaktionszone gelangt r wie dies durch die gestrichelten" Pfeile 40' angedeutet ist. Durch diese Strömung wird die effektive Länge der Reaktionszone begrenzt, um sicherzustellen, daß das Reinigungsgas durch Diffusion nicht weiter in die Reaktionszone eindringt, ist die Strömungsgeschwindigkeit des der Reaktionszone zugeführten Gases innerhalb der Röhre zu den Auslaßbereichen hin größer als die statische^Diffusionsgeschwindigkeit des Reinigungsgases in das der Reaktionszone zugeführte Gas, vorzugsweise um mindestens eine Größenordnung. Da die Gesamtmenge des Reinigungsgases, das unter den abgewinkelten Enden 42 und 44 hindurchströmt, unmittelbar aus der Reaktionszone durch die Auslaßbereiche 30 und 32 entfernt wird, sind die die Reaktionszone durchlaufenden Halbleiterplättchen 24 gleichmäßig einem frischen Strom des Reaktionsgases ausgesetzt.
In Fig.3 ist die Stirnseite der Röhre in einer etwas veränderten Ausfuhrungsform schaubildlich dargestellt. Bei manchen Anwendungen ist es erwünscht, die Strömungsgeschwindigkeit des Reinigungsgases von der Zuführungs- und Abführungszone weiter zu begrenzen durch Anordnung weiterer abgewinkelter Ansätze 46 an den Trennwänden 12 und 14« In Fig.3 ist außerdem eine Auslaßöffnung 48 dargestellt, die einen oberen Abzug für die Gase bildet. Normaler-, weise ist es nicht notwendig, weitere Maßnahmen zur Isolierung der aus dem Auslaß austretenden Gase vorzusehen, da die Umgebungstemperatur gewöhnlich nicht hoch genug ist, um eine Reaktion zu fördern. Bei Gasen, die bei niedrigen Temperaturen reagieren, sind jedoch weitere Isolationsmaßnahmen notwendig.
Zur Bestimmung der notwendigen Strömungsgeschwindigkeiten der Gase, um bei möglichst geringem Aufwand an Steuermitteln bei optimalen Arbeitsbedingungen zu erreichen, wird mit Bezugnahme auf Fig.4 folgendermaßen verfahren. Zunächst wird die Röhre 10
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in einem Ofen über ihre ganze Länge auf das gewünschte Temperaturprofil gebracht. Sodahn wird das Reaktionsgas über ein Steuerventil und die Rohrleitung 20 in den Reaktionsraum geleitet. Die Rohrleitungen 16 und 18 werden mit Behältern von Reinigungsgas oder einem anderen gewünschten Gas verbunden. Die Halbleiterplättchen 24 werden auf die Transporteinrichtung 22 gebracht und mit konstanter Geschwindigkeit durch die Röhre 10 bewegt. Das Reaktionsgas wird in die Reaktionszone mit konstanter Strömungsgeschwindigkeit geleitet, derart, daß es in beide Auslaßzonen sowie auch in die Zuführungszone und die Abführungszone strömt. Dann wird das Reinigungsgas beispielsweise.zunächst in die Zuführungszone eingelassen mit einer relativ hohen aber sorgfältig regulierten Strömungsgeschwindigkeit, die die Strömungsgeschwindigkeit des Reaktionsgases nicht übersteigt. Die Strömungsgeschwindigkeit des Reinigungsgases in die Abführungszone wird danach von Null an aufwärts schrittweise vergrößert, wobei genügend lange Pausen gelassen werden, um die als Muster dienenden Halbleiterplättchen vollständig durch die Reaktionszone wandern zu lassen. Die Halbleiterplättchen werden geprüft, um die Bedingungen festzustellen, bei denen die Strömungsgeschwindigkeit des Reinigungsgases das Reaktionsprodukt nicht weiter beeinflußt. Beispielsweise werden Parameter wie Oxyddicke, Diffusionstiefe oder Flachbandspannung gemessen. In Fig.4 ist ein Diagramm dargestellt, das die Abhängigkeit eines typischen Reaktionsparameters von der Strömungsgeschwindigkeit im Zuführungs-/Abführungsbereich bei konstanter Strömungsgeschwindigkeit des Gases in der Reaktionszone und einer symmetrischen Röhre zeigt. Die Kurve 50 ist anfänglich linear abhängig von der Strömungsgeschwindigkeit des Reinigungsgases. Wenn das Reinigungsgas einen genügend großen Rückstau erzeugt, wobei ein Teil des Gases in die Reaktionszone eindringt, sind die Reaktionsparameter von der Strömungsgeschwindigkeit des Reinigungsgases nicht mehr abhängig. Der Arbeitspunkt 52 wird danach so gewählt, daß vorauszusehende Änderungen in der Strömungsgeschwindigkeit des Reinigungsgases die Reaktion nicht beeinflußen. Wenn die Röhre symmetrisch ist, d.h., daß die Zuführungszone xind die Abführungszone identisch aufgebaut- sind,
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kann der so bestimmte Arbeitspunkt für die Bestimmung der Strömungsgeschwindigkeiten in beiden Zonen verwendet werden. Wenn jedoch die Zuführungszone und die Abfuhrungszone strukturell verschieden sind, empfiehlt es sich, für beide Zonen getrennte Messungen vorzunehmen. Die Strömungsgeschwindigkeiten beider Zonen können auch gleichzeitig variiert werden.
Um eine gesteuerte Verteilung des Reaktionsgases in der Reaktionszone sicherzustellen, muß der Strom des Reaktionsgases und des Reinigungsgases in beiden Auslaßzonen im wesentlichen gleich gehalten werden. Diese Bedingung kann durch eine symmetrische Röhre oder durch Drosseln der Gasströme in den Auslaßbereichen erreicht werden. Andernfalls würde sich ein überwiegender Gasstrom in einer Richtung durch die Röhre ergeben, der einen grossen Teil der möglichen Isolierung wieder zerstören würde. Ebenso würden extrem hohe Strömungsgeschwindigkeiten oder eine große Differenz zwischen den Strömungsgeschwindigkeiten im Zuführungsund Abführungsbereich unstabile Bedingungen hervorrufen.
Mit der beschriebenen Vorrichtung lassen sich zahlreiche Massentransportprozesse durchführen. Einer davon wird im folgenden als Beispiel beschrieben. Hierzu wurde eine Röhre entsprechend der obigen Beschreibung mit einer Reaktionszone von 67,5 cm Länge zwischen den Trennwänden in einem handelsüblichen Diffusionsofen gebracht. In einem Bereich von 71 cm, der sich über die ganze Reaktionszone erstreckte, wurde ein flaches Temperaturprofil von 1100° C aufrecht erhalten. Die Halbleiterplättchen wurden auf Quarzträger gelegt und in Schritten von etwa 3,2 cm in Abständen von 120 see. durch das Rohr transportiert. Durch die Einlaßöffnungen der Zuführungszone und der Reaktionszone wurde trockener Sauerstoff zugeführt mit einer Strömungsgeschwindigkeit von 20OO cm /min. Die Abfuhrungszone wurde mit einer Stickstoffquelle verbunden, die Stickstoffzufuhr jedoch zunächst unterdrückt. Dadurch gelangte der Sauerstoff in den Abführungsbereich und bewirkte eine Ausdehnung der Oxydationszone. Dabei wurde eine Dicke der Oxydschicht von 870 S. erhalten.
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Nunmehr wurde Stickstoff mit zunehmender Strömungsgeschwindigkeit in den Abführungsbereich eingelassen und wiederum die Dicke der Oxydschichten bei verschiedenen Strömungsgeschwindigkeiten bestimmt. Bei einer Strömungsgeschwindigkeit des Stickstoffs von
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500 cm /min. wurde eine Dicke von. 775 A erzeugt. Bei höheren Strömungsgeschwindigkeiten des Stickstoffs, wie z.B. bei 2000 und 4000 cm /min blieb die Dicke der Oxydschicht konstant bei 770 plus minus 2 A , was bedeutet, daß der flache Teil der Kurve (Fig.4) erreicht worden war, und daß kein Sauerstoff mehr in den Abführungsbereich gelangte. Bei einer Strömungsgeschwindigkeit des Stickstoffs von 700 cm /min. wurde die wirkungsvollste Isolation zwischen der Abführungszone und der Reaktionszone festgestellt. Die beschriebene Vorrichtung ist, wie dieser Versuch zeigt, dafür geeignet, genau reproduzierbare Reaktionsergebnisse zu erhalten, ohne die Notwendigkeit einer genauen Steuerung der Strömungsgeschwindigkeiten der Gase.
Selbstverständlich können außer thermischen Oxydationsprozessen viele andere Prozesse, wie beispielsweise Diffusionen und Ätzprozesse mit der Vorrichtung erfolgreich durchgeführt werden. Auch können verschiedene reaktive Gase für die Zuführungszone, die Reaktionszone und die Abführungszone Anwendung finden. Das beschriebene Ausführungsbeispiel bezieht sich speziell auf die Verarbeitung von Halbleiterplättchen. Selbstverständlich können auch andere Gegenstände, bei denen es auf große Gleichmäßigkeit der erzeugten Produkte ankommt, mit einer solchen Vorrichtung verarbeitet werden.
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Claims (8)

Pat e ri t a η s ρ r ü c h e
1. Vorrichtung zum kontinuierlichen Durchführen von Gastransportreaktionen, bei welcher an ihrer Oberfläche zu bearbeitende Halbleiterplättchen kontinuierlich durch eine auf beiden Seiten offene, erhitzbare Röhre transportiert werden, der in einem mittleren, die Reaktionszone bildenden Bereich Gas zugeführt wird, dadurch gekennzeichnet, daß in der Röhre (10) von beiden Seiten sich oberhalb der Transportbahn (22) in axialer Richtung nach innen erstreckende, am inneren Ende nach unten abgewinkelte Trennwände (12,14,42,44) angeordnet sind, und daß in den von den Trennwänden eingeschlossenen Bereichen (34,36) Austrittsöffnungen (16,18) für Gase angeordnet sind, die direkt (Pfeile 40) und um -die abgewinkelten Enden (42,44) der Trennwände herum (Pfeile 40') nach außen strömen.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur steuerbaren Begrenzung der in der Mitte der Röhre (10) befindlichen Reaktionszone durch die um die abgewinkelten Enden (42,44) der Trennwände fließenden Gasströme (40*) die aus den innerhalb der von den Trennwänden eingeschlossenen Bereichen angeordneten Gasaustrittsöffnungen (16,18) ausströmenden Gase mit gegenüber dem der Reaktionszone zugeführten Gas steuerbar erhöhtem Druck zuführbar sind.
3. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Endbereiche der Röhre mittels der mit ihren sich axial erstreckenden Teil parallel zur Transportbahn (22) angeordneten Trennwände und der aus den von ihnen eingeschlossenen Bereichen austretenden Gasströme jeweils in einen unteren Bereich zur Zuführung bzw. Abführung der Halbleiterplättchen (24) und in einen oberen Bereich (30,32) für den Auslaß des der Reaktionszone zugeführten Gases (Pfeile 38) unterteilbar sind.
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4., Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die lineare Strömungsgeschwindigkeit des der Reaktionszone zügeführten und durch die Auslaßzonen ausströmenden Gases größer ist als die Diffus ions gescliwindigkeit der Gase der Endbereiche in das der Reaktionszone zugeführte Gas.
5. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Strömungsgeschwindigkeit des der Reaktiongszone zugeführten Gases mindestens lOmal so groß ist wie die Diffusionsgeschwindigkeit der Gase der Endbereiche der Röhre in dieses Gas.'
6. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß den Austrittsöffnungen (16,18) in den von den Trennwänden (12,14,42,44) eingeschlossenen Bereichen (30,32) inerte Gase oder reaktionsfähige Gase zuführbar sind.
7. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Strömungsgeschwindigkeiten des in die Reaktionszone einströmenden Gases und der in,den Zuführungsbereich und den Abführungsbereich eintretenden Gase durch Variieren der Strömungsgeschwindigkeiten dieser Gase gegenüber einer konstanten Geschwindigkeit des in die Reaktionszone strömenden Gases derart aufeinander abgestimmt sind, daß die Strömungsgeschwindigkeiten der Gase der Endbereiche ohne Einfluß auf die Reaktionsparameter sind.
8. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß am äußeren Ende einer oder beider Trennwände (12,14) ein nach unten abgewinkelter Ansatz (46) und in der darüber liegenden Wand der Röhre (10) eine Auslaßöffnung (48) vorgesehen sind.
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