DE2359004C3 - Vorrichtung zur Erwärmung von aus einkristallinem Material bestehenden Substraten - Google Patents

Description

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Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Erwärmung von aus einkristallinem Material bestehenden Substraten mit mit Kühleinrichtungen versehenen Gehäusewänden, die einen Innenraum bilden, in dem eine aus wärmestrahlungsdurchlässigem Werkstoff bestehende Reaktionskammer mit einem Substrat-Suszeptor aus wärmestrahlungsdurchlässigem Werkstoff und außerhalb der Reaktionskammer eine Wärmestrahlungsquelle vorgesehen sind.

Es ist bekannt, einkristalline Substrate, wie beispielsweise Siliziumplättchen, und nic.it-kristalline Substrate mit amorphen, epitaxialer. Filmen, wie z. B. Schichten von S1O2 oder mit einkristalliner: Siliziumschichten zu versehen.

Bei bereits bekannten, der eingangs genannten Gattung entsprechenden Vorrichtungen (FR-PS 21 14 105, Fig. 2 und 3) ist die Wärmestrahlungsquelle unterhalb der Reaktionskammer angeordnet. Die durch *o die Wärmestrahlung auf den Suszeptor übertragene Energie wird in diesem gespeichert und gelangt von ihm aus im wesentlichen durch Wärmeleitung auf die Substrate. '

Solche indirekt erwärmenden Einrichtungen, bei denen Wärmeenergie in einem Suszeptor gespeichert wird, der seinerseits die Energie an die Substrate abgibt, können bei nicht ganz perfektem Kontakt zwischen den Substraten und dem Suszeptor eine zonenweise ungleichmäßige Erwärmung der Substrate zur Folge haben, aufgrund deren sich nicht unwesentliche Temperaturunterschiede innerhalb der Substrate ergeben. Bei Substraten, die aus einkristallinem Material bestehen, wird die mechanische Spannung, wenn sie die durch die Temperaturunterschiede hervorgerufene Elastizitätsgrenze des Kristalls überschreitet, durch Verschiebungsbewegungen der Krislallebenen zueinander abgebaut. Diese Form des Abbaues der mechanischen Spannungen ergii" einen Kristalldefekt, der als kristallographische Verschiebung bekannt ist. Eine ^w solche Verschiebung kann unter stationären Bedingungen und auch bei der Erwärmung der Substratplättchen erzeugt werden. Wenn die Erwärmung der Substratplättchen indirekt, d. h. durch Wärmeabgabe von einem erhitzten Suszeptor aus erfolgt und die Wärmeabgabe an die Substratplättchen oder die Wärmeverluste aus diesen nicht gleichförmig auftreten, kann es zu wesentlichen Temperaturunterschieden im stationären Fall in einer Richtung parallel »ur Oberfläche der Plättchen kommen. Diese Temperaturunterschiede können durch Temperaturunterschiede im Suszeptor, Unterschiede des Abstands zwischen Substratplättchen und Suszeptor, Verbiegung der Substratplättchen oder durch Unterschiede in den Wärmeverluster. der Substratplättchen hervorgerufen sein.

In gewissem Umfang können kristallographische Verschiebungen dadurch vermieden we. Jen.cfsß für die Aufrechterhaltung eines perfekten Kontakts zwischen den Substratplättchen und dem Suszeptor gesorgt wird, oder dadurch, daß die Substratplättchen sehr langsam erwärmt werden, oder daß man den Durchmesser der Substralplättchen vergrößert oder verkleinert. Solche Maßnahmen sind jedoch, insbesondere bei einer Massenfertigung, nur sehr schwer durchführbar.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung der eingangs genannten Gattung zu schaffen, bei der ohne derartige schwer durchführbare Maßnahmen die durch Temperaturunterschiede während des Betriebs hervorgerufenen mechanischen Spannungen in den Substratplättchen so kleingehalten werden, daß kristallographische Verschiebungen vermieden werden.

Die erfindungsgemäße Lösung dieser Aufgabe beruht auf der Erkenntnis, daß dies durch eine besondere Auswahl der räumlichen Relativlage von Suszeptor, Plättchen und Wärmestra: lungsquelle innerhalb der Vorrichtung möglich ist, und besteht darin, daß die Wärmestrahlungsquelle über der Reaktionskammer angeordnet ist.

Dadurch wird erreicht, daß die unmittelbar auf dem Suszeptor liegenden Substratplättchen gleichzeitig mit dem Suszeptor mit Wärmeenergie aus der Wärmestrahlungsquelle bestrahlt werden, was offenbar in Verbindung mit dem Umstand, daß die Plättchen auch Wärmeenergie aus dem Suszeptor, der als Wärmespeicher wirkt, empfangen, die Ursache für eine ausreichende Verminderung der während der Bearbeitung in ihnen auftretenden mechanischen Spannungen ist, da der Suszeptor in innigem Kontakt mit den Substraten steht, wenn er letztere trägt, und da außerdem Suszeptor und Substrate gleichzeitig und gleichförmig Strahlungsenergie unmittelbar aus der Wärmestrahlungsquelle aufnehmen.

Im folgenden ist die Erfindung anhand zweier Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigt

F i g. 1 eine Schnittansicht einer Ausführungsform und

Fig.2 eine Schnittansicht einer anderen Ausführungsform der Vorrichtung gemäß der Erfindung.

Bei der Ausführungsform nach Fig. 1 ist die Wärmestrahlungsquelle 12 über der Reaktionskammer 31 angebracht. Die Substratplättchen 43 werden von einem für Strahlung undurchlässigen Suszeptor 42 getragen.

Die Wärmestrahlungsquelle 12 umfaßt eine Reihe von Hochleistungslampen 13, welche Wärmestrahlung abgeben und paarweise in Schraubfassungen 14 an zwei nebeneinanderliegenden Lampenhalteblöcken 16 angeordnet sind. Das untere, offene Ende jeder Lampenfassung 14 weist eine halbkugelförmige Weiterung auf, die hochglanzpoliert ist und als reflektierende Oberflächedient

Die Hochleistungslampen können Lampen mit Wolframfaden und transparentem Quarzkolben sein, weiche ein Halogengas wie Jod enthalten. Vorzugsweise werden solche Hochleistungslampen, die Wärmestrah-

lung mit einer Wellenlänge in der GröDcnordnung von 1 μηι abgeben, verwendet.

Zur Abführung der überschüssigen Wärmeenergie der Lampen 13 sind Kühlvorrichtungen in den Gehäusewänden 3 und 4 in Form von Kühlmittelkanälen 20 vorgesehen, welche Wasser oder ein anderes Kühlmittel führen können. Entsprechende Kühlmittelkanäle 18 und 112 sind in der oberen Abdeckplatte 6 bzw. in der Bodenplatte 111 vorgesehen. Die Kühlmittelkanäle werden in bekannter Weise aus einer Kühlmiltelquelle gespeist

Es können auch Kühlmittelkanäle 19 zwischen benachbarten Reihen von Lampen 13 in den Lampenhalteblöcken 16 vorgesehen sein, die gleichfalls an den Kühlmittelkreislauf angeschlossen sind.

Die Kühlvorrichtung umfaßt bei der Ausführungsform nach F i g. 1 auch eine Luftumwälzvorrichtung mit zwei nebeneinanderliegenden Speicherkammern 21 und 22, die sich bis zur Oberfläche der Lampenhalteblöcke 16 erstrecken. Die Speicherkammern sind direkt mit den Lampensockeln 14 und mit weiteren, senkrecht und seitlich verlaufenden Kanälen 23 verbunden, welche die Lampenhalteblöcke in Längsrichtung durchquer- n.

Die Reaktionszone 31 im Innern des Gehäuses besteht aus einem Werkstoff, der für die von der Wärmestrahlungsquellc 12 abgegebene Wärmeenergie durchlässig ist.

Der Suszeplor 42 ist oberhalb der Bodenwand der Reaktionskammer an seinem Trägergestell 44 angeordnet. Das Gestell 44 kann für die von der Wärmestrahlungsquelle abgegebene Strahlungsenergie durchlässig sein und beispielsweise aus Quarz bestehen. Der Suszeptor muß für die von der Wärmestrahlungsquelle abgegebene Strahlungsenergie undurchlässig sein. Er besteht beispielsweise aus Graphit, so daß er rasch die mit einer kurzen Wellenlänge in der Größenordnung von 1 μιη von der Wärmestrahlungsquelle ausgestrahlte Energie absorbiert und weiterleitet. Durch die Verwendung eines thermisch leitenden Suszeptors wird die gleichförmige Erwärmung der auf ihm liegenden Substratplättc'en sichergestellt.

Innerhalb des Gehäuses sind Träger 46 für die Reaktionskammer 31 vorgesehen, welche aus Quarz bestehen können, damit sie die Ausbreitung der Wärmestrahlung nicht beeinträchtigen.

Die Bodenplatte 111 hat eine hochglanzpolierte reflektierende innere Oberfläche, die rrit den gleichfalls reflektierenden Oberflächen 11 der anderen Gehäusewände zusammenwirkt, um die von der Wärmestrahlungsquelle 12 kommende Energie möglichst gut auszunutzen und die Wärmeverluste und Temperaturunterschiede in den Substratplättchen möglichst kleinzuhalten.

Fig.2 zeigt eine weitere Ausfiihrungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung. Bei dieser unterscheiden sich die Lampen 52 von den zuvor beschriebenen Lampen 13 insofern, als jede Lampe 52 von langgestreckter, rohrförmiger Gestalt ist, sieh durch einander gegenüberliegende Seitenwände hindurch erstreckt und

von Federhalterungen 53 und 54 gehalten wird, die je, eine Fassung 56 aufweisen, in welche die Lampe eingesetzt wird. Je zwei Federn 57 und 58 sind bei 59 und 61 an fest mit dem Gehäuse verbundenen Klammern angebracht.

ίο Eine Reihe derartiger Lampen 52 ist über die ganze . Länge des Gehäuses, allgemein parallel zueinander und quer zur Gehäuselängsachse, in gegensetigen Abständen angeordnet.
Auch bei dieser Ausführimgsform sind ein Kühlwasserkreislauf und eine Luftumwälzvorrichtung vorgesehen. Die Kühlwasserkanäle 18 und 20 sind im wesentlichen in gleicher Weise wie bei der in Fig. 1 dargestellten Ausführungsform angeordnet Aufgrund der unterschiedlichen Konstruktion der Lampen 52 ist jedoch die Kühlluftumwälzanordnung anders ausgeführt. An der Basis des Gehäuses liegt eine größere Speicherkamrner 62, und eine Reihe von Luftdurchlässen 63 durchziehen die Bodenwand 64 des Gehäuses, die aus einer polierten Metallplatte besteht, so daß die Kühlluft nach oben austreten und um die Lampen herum strömen kann, um dann von dem Innenhohlraum des Gehäuse., aus in den Abzug zu gelangen.

Die innere Oberfläche 11 jeder Gehäusewand und der Verschluß 6 sind vorzugsweise aus einem hochglanzpo-

3c lierten, reflektierenden Werkstoff, wie z. B. poliertem Aluminium, hergestellt.

Die in einer Vorrichtung nach der Erfindung hergestellten Plättchen sind praktisch frei von kristallographischen Verschiebungen. Bei direkter Abgabe der Wärmeenergie von der Wärmestrahlungsquelle an das Plättchen werden das Plättchen und der sie tragende Suszeptor nahezu mit derselben Geschwindigkeit aufgeheizt. Während der Zeitspanne, wo die Plättchen eine Temperatur aufweisen, bei der sie sich plastisch

*o verformen können, gibt es einen engbegrenzten Gleichgewichtszustand zwischen den Wärmeverlusten wegen der gasförmigen Reaktanten und der Wärmezunahme infolge von aus der Wärmequelle aufgenommener Wärmeenergie. Sowohl die Plättchen als auch der

*5 Suszeptor werden stets gleichförmig im wesentlichen bis zu derselben Temperatur erwärmt, unrl daher gibt es nur geringfügige oder keine kristallographischen Verschiebungen sowohl im Substratplättchen als auch in der darauf angebrachten, epilaxialen Schicht. Die Vorrichtung nach der Erfindung kann aber auch ebensogut zur Erhitzung von Substraten in Verbindung mit Diffusionsvorgängen oder anderen bei der Herstellung von Halbleitern allgemein gebräuchlichen Verfahrensweisen verwendet wei den.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (2)

Patentansprüche;

1. Vorrichtung zur Erwärmung von aus einkristallinem Material bestehenden Substraten mit mit KOhleinrichtungen versehenen Gehäusewänden, die einen Innenraum bilden, in dem eine aus wärmestrahlungsdurchlässigem Werkstoff bestehende Reaktionskammer mit einem Substrat-Suspeptor aus wärmestrahlungsdurchlässigem Werkstoff und außerhalb der Reaktionskammer eine Wärmestrahlungsquelle vorgesehen sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmestrahlungsquelle (12; 51) über der Reaktionskammer (31) angeordnet ist

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekenn- '* zeichnet, daß die Wärmestrahlungsquelle Hochleistungslampen für eine Wärmestrahlung einer Wellenlänge in der Größenordnung von 1 μΐυ aufweist.