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Verfahren und Vorrichtung zum Abscheiden von Halbleitermaterial
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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine
Vorrichtung zum Abscheiden von Halbleitermaterial, insbesondere Silicium, auf einem
erhitzten Trägerkörper aus einem entsprechenden, vorzugsweise aus einer Halogenverbindung
mit Wasserstoff bestehenden Reaktionsgas, bestehend aus einer platten- oder tellerförmigen
Grundplatte und einer auf der Grundplatte gasdicht aufgesetzten, aus Quarz, Glas,
Rotosil oder Stahl bestehenden Glocke mit den für die Zu- und Abfuhr des Reaktionsgases
erforderlichen Öffnungen sowie Halterungen für die Trägerkörper.
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Solche Vorrichtungen sind beispielaweise aus der deutschen Patentschrift
1 198 787 für die Herstellung von Siliciumstäben bekannt. Die Trägerkörper sind
z.B. zwei parallele, vertikal angeordnete Siliciumstäbe, die an ihren unteren Enden
von je einer an der Bodenplatte befestigten Elektrode gehaltert und an ihren oberen
Enden über eine Brücke aus Silicium leitend miteinander verbunden sind, so daß ein
über die Elektroden zugeführter elektrischer Heizstrom die beiden Siliciumstäbe
durchströmt und sie auf die Abscheidungstemperatur erhitzt. Die platten- oder tellerförmige
Unterlage besteht vorwiegend aus einem temperaturbeständigen Metall, z.3. Silber,
und ist an der den Reaktionsraum begrenzenden Oberfläche mit Quarzplatten abgedeckt.
Die beiden Elektroden sind gegeneinander elektrisch isoliert und gasdicht durch
die Unterlage hindurchgeführt. Außerdem sind an ihr die Einlaß- und Auslaßstellen
für das Reaktionsgas vorgesehen. Statt stabförmiger Trägerkörper können auch
rohrförmige
Trägerkörper, insbesondere solche aus Graphit als Träger dienen, die in ähnlicher
Weise wie die Trägerstäbe bei Anordnungen nach der deutschen Patentschrift 1 198
787 gehaltert sind und von einem elektrischen Heizstrom durchfollen sind.
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Eine solche Anordnung dient zum Herstellen von Rohren aus Silicium.
Schließlich können als Träger auch Halbleiterscheiben verwendet werden, die auf
einer auf der Bodenplatte befestigten elektrisch beheizten Unterlage ruhen, die
dann entweder auf induktivem Wege oder mittels Widerstandsheizung auf die eriorderliche
hohe dbscheidungstemperatur gebracht wird.
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Die auf der Unterlage über einen Dichtungsring aus gasdichtem, elastischem
Material aufsitzende Quarzglocke wird im allgemeinen mit einem Flansch an ihrem
Rand versehen sein, mit dessen Hilfe die Glocke unter Zwischenfilgung der Dichtung
auf der Unterlage festgespannt wird. Zu diesem Zweck werden Überdruck, Klammern
und ähnliche Halteorgane verwendet, die ihrerseits an der Unterlage - z.B. mittels
Schrauben - befestigt sind. Die Unterlage besteht beispielsweise aus einer Silberplatte
oder einem Silberteller, auf die die Quarzglocke mit dem Flansch gasdicht unter
ZwischentUgung des Abdichtmittels aufgesetzt wird. FEr die Abdichtung wird z.B.
ein hochtemperaturie st e s Dichtungsfett oder eine O-Ring-Dichtung verwendet. Der
Anpreßdruck wird mechanisch entweder unmittelbar auf den Quarzflansch oder an der
Oberseite der Quarzglocke, ausgeiibt.
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Bekannt ist auch, daß die Glocke aus Stahl besteht und fernerhin ist
aus Dt-OS 23 24 365 bekannt, daß ein Stahldruckgefäß die Quarz- oder Rotosilglocke
umgibt und der Raum zwischen den beiden Gefäßen während des bbscheidebetriebes mit
Druckgas angefüllt ist. Damit grenzt die Außenfläche der Quarzglocke an ein Gas
mit gegenüber der Atmosphäre erhöhtem Druck an, so daß sie während des Abscheidebetriebes
ausschließlich oder wenigstens in der Hauptsache durch ihr eigenes Gewicht und die
von diesem Druckgas ausgeübten Kräfte unter Entstehung einer gasdichten Verbindung
mit der Unterlage auf dieser festgehalten ist.
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Unabhängig davon, aus welchem Material (Quarz, Rotosil oder Stahl)
die Glocke besteht, und unabhängig davon, ob über der Quarz- bzw.
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Rotosilglocke noch ein Stahlgefäß mit einem definierten Druck
zwischen
den beiden Gefäßen angeordnet ist, muß in jedem Fall ein Beobachtungsfenster vorhanden
sein, durch welches hindurch die Abscheidungsvorgänge beobachtet und evtl. auch
die Temperatur gemessen werden müssen.
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Beobachtungsfenster in der Quarzglocke anzubringen ist relativ aufwendig
und teuer. Sie haben, da sie den Rundungen der Glocke angepaßt sind, den Nachteil,
daß sie optische Verzerrungen hervorrufen, die Penster können nicht planparallel
ausgebildet werden. Dies ist besonders dann von großem Nachteil, wenn durch das
Beobachtungsfenster auch Messungen, z.B. Temperaturmessungen vorgenommen werden
sollen.
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Zur Abhilfe dieses Nachteils hat man Beobachtungsfenster in die Bodenplatte
eingearbeitet, aber ohne den gewünschten Erfolg erzielt zu haben, denn unabhängig
davon, wo das Beobachtungsfenster angebracht ist, besteht immer der Nachteil, daß
die Fenster, abhängig von der Fenster- und Wandtemperatur des Reaktors während des
Abscheidungsprozesses mehr oder weniger trübe und/oder wenigstens teilweise undurchsichtig
werden. Exakte Messungen werden dann immer schwieriger und ermittelte Temperaturen
können bis zu -+500C falach werden.
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All diese Nachteile werden gemäß der Erfindung dadurch beseitigt,
daß die Wand des Reaktionsgefäßes einen Tubus aufweist, dessen eine, dem Reaktionsgefäß
abgewandte Seite mit einem vorzugsweise aus Quarz bestehenden, planparallel auagebildeten
Beobachtungsfenster vakuumdicht abgeschlossen ist, vorzugsweise besteht der Tubus
selbst aus Quarz oder Rotosil. Zweckmäßigerweise ist der Tubus an das aus Quarz
oder Rotosil bestehende Reaktionsgefäß angeschmolzen und das aus Quarz bestehende
Beobachtungsfenster auf den Quarz- oder Rotosiltubus aufgeschweißt. Das Anschmelzen
des Tubus an das Reaktionsgefäß geschieht am besten während der Herstellung des
Reaktionsgefäßes.
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Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, daß der Tubus auf seiner
dem Reaktionsgefäß abgewandten Seite einen Flansch aufweist, auf dem die als Beobachtungsfenster
dienende Quarzplatte
vakuumdicht befestigt ist, wobei zwischen dem
Flansch des Tubus und dem Beobachtungsfenster eine Ganzmetalldichtung, eine Graphitdichtung
oder eine Dichtung aus ähnlichem hitzebeständigen Werkstoff eingefügt ist.
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Bei Verwendung von zwei ineinander angeordneten Gefäßen besitzt auch
das äußere, aus Stahl bestehende, ein zum Innenfenster entsprechend angeordnetes
Außenfenster, wobei das Fenster im Stahlmantel und das am Reaktionsgefäß angebrachte
Beobachtungsfenster zweckmäßigerweise dieselbe Achse aufweisen.
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Wenn die Oberflächentemperatur des Siliciumstabes gemessen werden
soll, so kann ein Temperatursensor, vorzugsweise ein Strahlenpyrometer, außerhalb
des Reaktionsgefäßes in Verlängerung der Tubusachse angeordnet sein und die Temperatur
durch das Beobachtungsfenster hindurch gemessen werden.
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Auf lange Sicht ist die Temperatur und damit ihre exakte Erfassung
die wichtigste Größe, wonach alle übrigen Abscheidungsparameter wie Speisestrom,
Frequenz, Frequenzänderung, Molverhältnis, Durchsatz usw. bestimmt und ihre Sollwerte
eingestellt werden.
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Somit ist das Verfahren gemäß der Erfindung zum Abscheiden von Halbleitermaterial,
insbesondere Silicium, auf einem erhitzten Trägerkörper aus einem entsprechenden,
vorzugsweise aus einer Halogenverbindung mit Wasserstoff bestehenden Reaktionsgas
dadurch gekennzeichnet, daß die Temperatur des Halbleiterstabes durch einen Temperatursensor,
vorzugsweise einen Strahlenpyrometer gemessen wird, dessen Strahlengang durch einen
an der Reaktionskammerwand angebrachten, ein planparallel ausgebildetes Quarzfenster
tragenden Quarztubus zum Halbleiterstab hingefUhrt wird und aus den so gewonnenen
Temperaturmeßwerten die Sollwerte der übrigen Abscheideparameter ermittelt und eingestellt
werden.
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Der technische Fortschritt, den die Erfindung aufweist, besteht hauptsächlich
darin, daß das Fenster planparallel ausgebildet ist und sich Fehler aus der Fensterformgebung
nicht mehr einstellen können. Dadurch, daß das Beobachtungsfenster auch noch abgeschattet
angeordnet ist, werden sich wenigstens während
eines Abscheideprozesses
auf dem Beobachtungsfenster weder flüchtige Stoffe wie Reaktionsfrisch- und -abgase
und flUchtige Zwischenprodukte niederschlagen noch Silane bilden können. Silane,
anfallende Öle usw. sind Reststoffe aus der verwendeten Siliciumverbindung, beispielsweise
SiHOl3 oder SiC14, die flüssig ausfallen, d.h. weder auf dem Siliciumstab abgeschieden,
noch als Abgase abgeführt worden sind. Sie entstehen vorzugsweise an Stellen, an
denen es für die Reaktion zu kalt ist, z.B. bei ca. 2000C. Bei Stahlreaktoren z.B.
laufen sie in erheblichen Mengen die Stahlwand hinab und beeinträchtigen ohne die
erfindungsgemäße Vorrichtung die Beobachtung des Siliciumstabes beträchtlich. Die
Temperatur konnte mit der Anordnung gemäß der Erfindung mit einer relativ hohen
Genauigkeit von etwa +5°C gemessen werden und dies bei Abscheidetemperaturen, die
bei Silicium zwischen 9000 und 13000, vorzugsweise zwischen 10200 und 1200ob liegen,
und dies während der gesamten Prozeßdauer. Das erfindungsgemäße Verfahren ist ganz
besonders von Vorteil bei dicken Stäben von 3" und mehr, da hier, das gilt aber
auch schon für Zweizollstäbe, bei niedrigeren, d.h. kritischeren Temperaturen gearbeitet
werden muß, um sonst entstehende grobkristalline Strukturen, die sogar nach einem
Zonenziehprozeß immer noch auf die Versetzungafreiheit Einfluß nehmen, zu unterdrücken.
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Die Erfindung wird anhand dreier als Ausführungsbeispiele zu wertender
Figuren näher erläutert: In der Fig. 1 ist ein der Erfindung entsprechendes Reaktionsgefäß
zum Abscheiden von Halbleitermaterial auf erhitzte Halbleiterkörper dargestellt.
Die Unterlage besteht aus einer mit Durchbohrungen versehenen Silberplatte 1. Durch
einen an einer zentralen Durchbohrung 2 ansetzenden Kanal 4 wird das verbrauchte
Gas aus dem Reaktionsraum abgeführt. Innerhalb dieses Kanals 4 und der zentralen
Durchbohrung 2 ist ein Zuführungsrohr 3 mit Ventil für das frische Reaktionsgas
vorgesehen. Beiderseits dieser zentralen Durchbohrung sind pro Stabpaar zwei Elektroden
gegeneinander isoliert und gasdicht durch die Silberplatte 1 geführt. Diese Elektroden
5 und 6 dienen zugleich als Helte-
rungen, in welche zwei stab-
oder rohrförmige Trägerkörper 7 mit ihren unteren Enden eingesetzt und stabil gehaltert
werden können. Die zwei gleichlangen Trägerkörper 7 sind an ihren oberen Enden mit
einer Brücke 17 aus temperaturbeständigem elektrisch leitenden Material, beispielsweise
Silicium, verbunden.
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Die Silberplatte 1 ist auf einer durchlochten Grundplatte 8 aus Stahl
gasdicht in der aus der Figur ersichtlichen Weise befestigt.
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Die Quarzglocke 9 sitst auf der Silberplatte 1 mit ihrem unteren zu
einem Flansch ausgebildeten Rand 10 gasdicht auf. Zur Verbesserung der Abdichtung
ist ein Dichtungsring 11 vorgesehen. Dieser befindet sich zweckmäßig mit seinem
größten Teil in einer seinem Verlauf angemessenen und in die Silberplatte 1 eingelassenen
ringförmigen Nut. Gegebenenfalls kann auch der Flansch 10 entfallen und dementsprechend
die Wandstärke der Glocke 9 auch an ihrem unteren Rand mit der Wandstärke in ihren
übrigen Bereichen übereinstimmen oder gar serJUngt sein. Zum Betrieb dieser Anordnung
werden die Träger 7 in ihre beiden Halterungen 5 und 6 eingebracht und mit der leitenden
Brücke 17 verbunden. Dann wird die Glocke 9 auf die Silberplatte 1, gegebenenfalls
unter Zwischen fügung der Dichtung 11 aufgesetzt und vakuumdicht angeschlossen.
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Dann wird Wasserstoff in das Reaktionsgefäß eingelassen und der die
Beheizung der Trägerkörper 7 bewirkende Strom eingeschaltet.
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Sobald sich die Träger 7 auf dbscheidungst emperatur befinden, kann
das eigentliche Reaktionsgas, z.B. ein Gemisch aus H2 und SiHCl31 in das Reaktionsgefäß
eingelassen werden, so daß die Abscheidung an der glühenden Oberfläche der erhitzten
Träger 7 stattfindet. Die zur Überwachung der Trägergasströmung sowie der Beheizung
der Träger erforderlichen Mittel sind üblicher Natur und in der Figur im einzelnen
nicht angegeben. Zu bemerken ist lediglich, daß es sich empfiehlt, das frische Reaktionsgas
unter 80 hohem Druck in den Reaktionsraum einzublasen, daß sich eine lebhafte Strömung
bis in den oberen Teil des Reaktionsraumes ausbilden kann.
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In der Wandung der Glocke 9 ist ein Tubus 16 aus Quarz oder Rotosil
angeschmolzen, der auf seiner dem Reaktionsgefäß abgewandten Seite mit einem vorzugsweise
aus Quarz bestehenden
planparallel ausgebildeten Beobachtungsfenster
vakuumdicht abgeschlossen ist; im vorliegenden Beispiel ist das Fenster aufgeschweißt.
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Wenn im Laufe der Zeit, d.h. nach einer größeren Anzahl von Prozessen,
sich eine Trübung des Quarzfensters einstellen sollte, so ist, und das ist auch
ein entscheidender Vorteil, den die vorliegende Erfindung aufweist, die Quarzscheibe
vom Tubus abzusägen und eine neue anzubringen.
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Wenn der Tubus zu kurz wird, kann ein neuer Tubusteil oder ein Flansch
an dem Tubus angeschmolzen werden.
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Zur Messung der Temperatur der Siliciumoberfläche wird in Verlängerung
der Tubusachse außerhalb des Reaktionsgefäßes ein an sich bekannter, in der Zeichnung
nicht dargestellter Temperatursensor, vorzugsweise ein Strahlenpyrometer angeordnet,
das durch das Beobachtungsfenster hindurch die Temperatur ohne fehlerhafte Beeinträchtigung
des Strahlenganges zu messen in der Lage ist.
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Aus den so gewonnenen Meßwerten werden dann die Sollwerte der übrigen
Abscheideparameter ermittelt und eingestellt.
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Für fabrikatorische Großproduktion von Silicium ist es gemäß einer
Weiterbildung der Erfindung auch möglich, das Beobachtungsfenster im Gegensatz zu
allen bisher bekannten Lösungen auswechselbar anzubringen, wie dies in einem Ausführungsbeispiel
nach Fig. 2 gezeigt wird.
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In diesem Falle besitzt der Quarz- oder Rotosiltubus 16 einen Flansch
mit Ansatz 19. Hierauf wird das Beobachtungsfenster 18 mit einer z.B. aus einer
Klemmschraubvorrichtung bestehenden Halterung 20 auswechselbar befestigt. Da die
Scheibe 18, selbst wenn nicht im Vakuum, sondern im Schutzgas gearbeitet wird, vakuumdicht
aufgebracht werden muß, ist als Dichtung 21 vorzugsweise eine an sich bekannte Ganzmetalldichtung
vorgesehen.
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Es versteht sich von selbst, daß die Erfindung auch angewandt werden
kann, wenn als Reaktor 9 ein Stahlkessel verwendet wird.
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Auch hier ist es möglich, einen entsprechend ausgebildeten Tubus 16
vorzusehen, an dem das Beobachtungsfenster 18 fest oder lösbar anzubringen ist.
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In dem Ausführungsbeispiel nach Figur 3 ist gezeigt, daß die Erfindung
auch bei Reaktoren angewandt werden kann, die zwei ineinander angeordnete Gefäße
verwenden. Im Prinzip arbeitet solch ein Reaktor gleich dem in Figur 1 gezeigten,
so daß hierüber keine weiteren Ausführungen zu machen sind.
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Die Glocke 9 befindet sich in einem sie umgebenden Druckgefäß 12,
das z.B. aus Stahl bestehen kann. Dieses Druckgefäß 12 ist mit einer Einlaßstelle
13 für ein Inertgas, inabesondere Stickstoff oder ein Edelgas, versehen. Ein Manometer
14 erlaubt es, den Gasdruck im Druckgefäß 9 zu überwachen, der in bekannter Weise
auf einen hohen Wert, d.h. auf mehrere Atmosphären eingestellt wird. Vor dem Einschalten
der Strömung des Reaktionsgases und der Beheizung der Trägerstäbe wird der Druckgasbehälter
mit Inertgas mit einem zur Dichtung ausreichenden Überdruck von 0,1 bis 2 Atmosphären
gefüllt. Hierdurch wird die Glocke 9 fest gegen die Silberplatte 1 gepreßt und eine
gasdichte Verbindung erzielt.
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Zur Beobachtung der Vorgänge innerhalb des Druckbehälters kann ein
Fenster 15 vorgesehen werden.
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Für solche Zweigefäßreaktoren sieht eine Weiterbildung der Erfindung
vor, daß das äußere aus Stahl bestehende Gefäß ein zum Innenfenster 18 entsprechend
angeordnetes Außenfenster 22 besitzt, das zweckmäßigerweise fest oder lösbar, aber
vakuumdicht auf einem an dem Gefäß 12 angebrachten Rohr 23 befestigt ist.
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Für eine exakte Messung ist es vorteilhaft, wenn das Fenster 22 im
Stahlmantel 12 und das am Reaktionsgefäß 9 angebrachte Beobachtungsfenster 18 etwa
dieselbe Achse aufweisen.
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Es ist verständlich, daß eine solche Anordnung in abgewandelter Form
auch für die Abscheidung von anderen Haibleitermaterialien und zur Abscheidung von
Halbleiterschichten auf Halbleiterscheiben geeignet ist. In diesem Fall befindet
sich auf der Silberplatte
eine beheizbare Unterlage, z.B. ein Suszeptor,
der durch das elektromagnetische Feld einer die Glocke von außen umgebenden Induktionsspule
beheizt wird und der an seiner ebenen Oberseite die auf ihn aufgelegten Halbl eiter
scheiben trägt. Gegebenenfalls können auch die Trägerkörper 7 Körper von Halbleiterscheiben
sein.
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3 Figuren 12 Patentansprüche