DE2943634A1

DE2943634A1 - Epitaxiereaktor

Info

Publication number: DE2943634A1
Application number: DE19792943634
Authority: DE
Inventors: Hubert von der Dr. 7107 Nordheim Ropp
Original assignee: Licentia Patent Verwaltungs GmbH
Current assignee: Telefunken Electronic GmbH
Priority date: 1979-10-29
Filing date: 1979-10-29
Publication date: 1981-04-30
Also published as: US4419332A; DE2943634C2

Description

Spitaxicreaktor
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Die Erfindung betrifft einen Epitaxiereaktoj mit einem geschlossenen und evakuierbaren Rezipienten. Bekannte Reaktoren bestehen aus einem evakuierbaren Behälter, der bei— spielsweise mit einer Lampenheizung umgeben ist. Im Behälter ist beispielsweise ein zylindex~förmiger Suszeptor für die Aufnahme der zu beschichtenden Körper angeordnet, wobei diese Körper in Taschen an der AuSenwandwvg des Sus— zeptors untergebracht werden. Nach der Einstellung der gewünschten Druck- und Temperaturverhältnisse im Seaktor läßt man das Reaktionsgas einströmen, das nunmehr im Reaktionsraum zwischen dem Suszeptor und der Irmenwandung des Behälters unter Abscheidung der gewünschten Schichten auf den Substratkörpern hindurchströmt,

Bei diesen bekannten Reaktoren muß die Wand des Behälters möglichst kalt sein, um ihre Durchlässigkeit für die Strahlungswärme nicht za reduzieren und um Niederschläge von Reaktionsprodukten auf der Innenwandung des Behälters zu

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vermeiden. Eine derartige Beschichtung dor Innenwand des Reakto Behälters führt zu Wechselwirkungen, die die Schic: Nicken und Homogenität der abzuscheidenden Schichten negativ beeinflussen.

Diese bekannten Reaktoren weisen eine Reihe von gerätebodingten Nachteilen auf. So ist die Temperaturinhomogenität innerhalb des Gasstromes sehr groß und reicht bis zu 500 °C/cm. An die Lampenheizung werden große Anforderungen gestellt, und um die Substratkörper auf dem Suszeptor auf die notwendige Reaktionstemperatur zu bringen, ist ein hoher Leistungsaufwand erforderlich. Dies bedingt wiederum einen großen Aufwind bei der Wasser- and Luftkühlung.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Epitaxiereaktor anzugeben, mit dem sich Epitaxieschichten hoher Krista^llperfektion herstellen lassen, was eine hohe Temperaturhomogenität im Reaktionsgasstrom voraussetzt. Ferner soll die Reaktoranlage mit einem geringeren Energieaufwand betrieben werden können.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß in dem Rezipienten ein in der Wandung die Heizquelle und ein Temperaturregelsystem enthaltendes Wärmerohr angeordnet ist, das an einem Ende mit einem Abschluß versehen ist, daß durch das Wärmerohr, dessen Innenseite für die Aufnahme der zu beschichtenden Körper vorgesehen ist, eine Transportleitung für das Reaktionsgas verläuft, die in der Nähe des Abschlusses eine Austrittsöffnung für das Reaktionsgas enthält.

Unter einem Wärmerohr wird dabei eine Anlage verstanden, die nach dem sogenannten "heat pipe"-Prinzip arbeitet. Ein derartiges Wärmerohr besteht aus zwei ineinander gesteckten und konzentrisch angeordneten Rohren, wobei die Doppelwandung einen abgeschlossenen Raum bildet. Die Oberfläche

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dieses Wandraurnes wird mit Drahtgewebe überzogen und in den Hohlraum eine geringe Menge Natrium oder eine andere Substanz eingefüllt. Diese Substanz wird durch die Kapillarstruktur des Drahtgewebes aufgenommen, so daß sich die innere Oberfläche des Wandungsraumes mit einem Film überzieht. Beim Beheizen verdampft das beispielsweise verwendete Natrium, wobei sich überall der gleiche Dampfdruck einstellt. In Folge davon stellt sich im Gleichgewicht die gesamte vom Natriumdampf umspülte Oberfläche auf die gleiche Temperatur ein, nämlich die dem Dampfdruck entsprechende Sättigungstemperatur. Sinkt an einer Stelle die Temperatur unter diesen Gleichgewichtswert, dann kondensiert dort Natriumdampf und die freiwerdende Kondensationswärme erhöht die Temperatur an der bette fenden Stelle» bis die Gleichgewichtstemperatur wieder erreicht ist. Durch diese Maßnahme kann in dem vom Wärmerohr umgebenen Arbeitsraum eine extrem hohe Temperaturkonstanz mit einem automatischen Regelmechanismus eingestellt werdet:.

Das sogenannte "heat pipe"-Prinzip wird bei dem erfindungs— gemäßen Epitaxiereaktor ausgenutzt, wobei das Reaktionsgas den vom Wärmerohr umgebenen Innenraum, in dem auch die Sub— stratkörper untergebracht werden, durchströmt. Mit Hilfe dieser Maßnahme läßt sich eine sehr hohe Temperaturhomogenitat im Gasstrom aufrecht erhalten, die kleiner als 1O °C/csi ist. Die Reaktoraußenwand spielt für den Epitaxieprozeß keine Rolle mehr, da die Wärmequelle in der Wandung des Wärmerohres- untergebracht werden kann. Bei Verwendung eines Wärmerohres kann die Heizung sehr leicht geregelt werden, indem beispielsweise der Dampfdruck gemessen und zur Steuerung der Heizleistung des im Wärmerohr untergebrachten Heizsystems verwertet wird. Der erfindungsgemäße Epitaxiereaktor enthält keine beweglichen Teile mehr xmd läßt sich somit sehr leicht abdichten. Da die Wärmequelle im Suszeptor selbst, der durch das Wärmerohr gebildet wird, untergebracht werden kann, ist die Energieaufnahme wesentlich kleiner als bei herkömmlichen Reaktoranlagen. Bei der

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Verwendung des neuen Epitaxiereaktors lassen sich sehr gute Epitaxieschichten auf Halbleiterkörpern herstellen, wobei Schichtdicken-Schwankungen unterhalb 2 % des Sollwertes erreicht werden können. Auch die Abweichungen in der Leitfähigkeit der abgeschiedenen Schichten liegen unter 2 %.

Da bei dem erfindungsgemäßen Epitaxiereaktor die Widerstandsheizung in der Wandung des Wärmerohres untergebracht werden kann, spielt die äußere Behälterwand des Reaktors für den Wärmedurchgang der Heizung keine Rolle mehr. Die Außenwand des Behälters bleibt relativ kühl und kann mit geringem Aufwand luft- und wassergekühlt werden.

Das V irmerohr wird auf der für die Aufnahme der zu beschi tenden Körper vorgesehenen Oberfläche mit einer Schicht bedeckt, die widerstandsfähig gegenüber den verwendeten Reaktionsgasen ist. Dies ist beis ielsweise bei einer Silizium-Carbidschicht der Fall. Das Wärmerohr weist" vorzugsweise einen vieleckigen Querschnitt auf, um günstige Auflageverhältnisse für die zu beschichtenden Körper zu schaffen. Der Querschnitt des Wärmerohres verjüngt sich dabei in der Bewegungsrichtung des Reaktionsgases. Dadurch entstehen schräg nach oben verlaufende Auflageflächen für die Reaktionskörper, so daß diese leicht gehaltert werden können und optimal dem Reaktionsgas ausgesetzt sind. Der Querschnitt des Wärmerohres ist beispielsweise 6- oder 8eckig. Der obere Abschluß des Wärmerohres besteht beispielsweise aus einer abnehmbaren Quarzglocke. Der Epitaxiereaktor wird vorzugsweise zur Abscheidung von halbleitenden Epitaxieschichten auf Halbleiter-Substratkörpern, die beispielsweise aus einkristallinem Silizium bestehen, verwendet.

Die Erfindung und ihre weitere vorteilhafte Ausgestaltung soll im folgenden anhand eines Ausi rungsbeispieles noch näher erläutert werden.

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In dor Figur ist in einer aufgeschnittenen und perspektivischen Darstellung der erfindungsgemäße Epitaxiereaktor dargestellt. Er besteht aus einem doppelwandigen äußeren Rezipienten 1, der zusammen mit der Bodenplatte 2 den Innenraum des Reaktors umschließt. Auch die Bodenplatte ist vorzugsweise doppelwandig ausgebildet. Die Hohlräume 16 und 18 des doppelwandigen Rezipienten und der Bodenplatte sind vorzugsweise an ein Wasserkühlungssystem angeschlossen. Die Bodenplatte weist insgesamt drei Durchführungen auf, wobei die erste Durchführung 10 an eine Pumpe für die Evakuierung des Reaktionsgefäßes und für das Abpumpen des Reaktionsgases angeschlossen ist. Die zweite Durchführung nimmt das Transportrohr 11 für das Real· ionsgas auf, während m die dritte Durchfährung 6 der V, ndungsinnenraum des Wärmerohres angeschlossen ist. Durch diese Durchführung 6 werden die Anschlüsse für das Heizungs-, Meß- und Regelungssystem hindurchgeführt.

Im Inneren des Rezipienten 1 befindet sich das Wärmerohr

20. Bei der dargestellten Ausführungsform ist dieses doppelwandige Metall-Rohr mit abgeschlossenem Wandungsinnenrauffl im Querschnitt 6eckig ausgebildet und verjüngt sich nach unten. Im Wandungsinneren befindet sich die Heizwendel 5 und das Drahtgeflecht 4, das mit Hilfe des Kapillarwirkungseffektes Natrium oder eine andere geeignete Substanz aufnimmt. Das Wärmerohr ist nach ob^/ri R?it einem glockenförmigen Abschluß 9 versehen, der beipielsweise aus Quarzglas besteht und der einen Austritt des Reaktionsgases in den Reaktorraum außerhalb c'^s Wärmerohres verhindert«

In der Wärraerohrwandung befindet sich ferner ein Sensor S zur Messung des Dampfdruckes, beispielsweise des Na-Dampfdruckes, der einer jeweiligen Reaktionstemperatur entspricht» Der Sensor B ist über eine Meßleitung 7 an ein außerhalb des Reaktors 3 Legendes Heß- und Regelsystem angeschlossen. .

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Durch den vom Wärmerohr umschlossenen Innenraum 21 wird die Transportleitung bzw. ein Rohr für das Reaktionsgas geführt. Dieses Rohr weist unmittelbar in der Nähe des glockenförmigen Abschlusses 9 eine Austrittsöffnung 14 für das Reaktionsgas auf, so daß das Reaktionsgas zwangsläufig nach unten durch den vom Wärmerohr umschlossenen Reaktions aum 21 strömen muß.

Das Reaktionsgas heizt sich während des Hochlaufs im Transportrohr 11 auf und tritt mit der gewünschten Reaktionstemperatur aus der Öffnung 14 aus. Die Innenwandung des Suszeptors, der beipielsweise aus dem doppelwandigen und 6eckigen Metallrohr besteht, ist auf d. r dem Reaktionsraum 21 zugewandten Oberflächenseite mit eiier Schicht 15 aus Silizium-Carbid bedeckt. Diese Aufnahmefläche für die zu beschichtenden Körper 13 weist ferner Taschen auf, in die beispielsweise Halbleiterscheiben 13 aus (inkristallinem Silizium eingelegt werden. Hierbei kann es sich um Vertiefungen im Suszeptor handeln. Die Taschen können beispielsweise auch durch rahmenförmige Teile aus Quarzglas oder aus Abstützstegen 12 bestehen. Da im Reaktionsraum aufgrund der Verwendung des "heat pipe"-Systems eine extreme Temperaturkonstanz herrscht, lassen sich mit Hilfe des erfindungsgemäßen Epitaxiereaktors extrem homogene Schichten mit großer Kristallperfektion herstellen. Aufgrund der vertikalen Anordnung der zu beschichtenden Kör- ;r 13 kann eine hohe Packungsdichte der Substratscheiben erzielt werHen.

Erwähnt sei noch, daß zur besseren Wärmeabschottung die Innenwandung des doppelwandigen Rezipienten 1 mit einer wärmereflektierenden Schicht 17, beispielsweise aus Gold, bedeckt werden kann.

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L e e r s e 11 e

Claims

Liceritia Patent-Verwaltungs-O.m.b. H. ThooJor-Stern-Kai 1, 6000 Frankfurt 70 Heilbronn, den 10.10.1979 SE2-I!N-Ma-pi - HN 7 8/23 Patentansprüehe

1) Epitaxiereaktor mit einem geschlossenen un; evakuierbaren Rezipienten, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Rezipienten (1) ein in der Wandung (3) die Heizquelle (5) und ein Temperaturregelsystem enthaltendes Wärmerohr (20) angeordnet ist, das an einem Ende mit einem Abschluß (9) versehen ist, daß durch das Wärmerohr, dessen Innenseite für die Aufnahme der zu beschichtenden Körper (13) vorgesehen ist, eine Transportleitung (11) für das Reaktionsgas verläuft, die in der Nähe des Abschlusses (9) eine Aus- trittsöffnung (14) für das Reaktionsgas enthält.

2) Epitaxiereaktor nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch die Verwendung eines doppelwandigen Wä .nerohres (20) , bei bei dem der Raum (3) zwischen den beiden Wänden abgeschlossen ist und die Heizquelle (5) sowie ein Temperaturregelsystem enthält, das auf der Basis der Sättigungstemperatur eines in der Wandung herrschenden Dampfdruckes automatisch für einen Temperaturausgleich in dem vom Wärmerohr umschlossenen Reaktionsraum (21) sorgt.

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3) Epitn:^;eroaktor nach Anspruch 2, gekennzeic2met dui^h die Verwendung von Natrium zur Erzeugung dos Dampfdruckes in der Wandung des Warmerohres.

4) Epitaxiereaktor nach Anspruch 1,2 oder 3,dadurch gekennzeichnet, daß das Wärmerohr (20) ein doppelwandiges Metallrohr ist, das auf der für die Aufnahme der zu beschichtenden Körper (13) vorgesehenen Innenseite mit SiIiziumcarbid (15) bedeckt ist.

5) Epitaxiereaktor nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Heizquelle (5) eine in de.: Wandung des Wärmerohres verlaufende He zwendel ist, und daß in der Wandung ferner ein Sensor (fa) angeordnet

^5 ist, über dessen nach außen geführte Zuleitung ^7) der Dampfdruck meßbar und zur Temperaturregelung verwertbar ist.

6) Epitaxiereaktor nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Wärmerohr <2O) einen viel— eckigen Querschritt aufweist.

7} Epitaxiereaktor nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Querschnitt des Wärmerohres (20) 6- oder 8-eckig ist.

S) Epitaxiereaktor nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Abschluß aus einer abnehmbaren Quarzglocke (9) besteht.
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9) Epitaxiereaktor nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Innenseite des Wärmerohres Taschen für die Aufnahme der zu beschichtenden Körper (13) aufweist.

10) Epitaxiereaktor nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß auf der Innenseite des Wärmerohres (20) aufgesetzte rahmenförmige Teile angeordnet sind und daß in die Vertiefungen zwischen den rahmenförmiyen Teilen die zu beseniehtenden Körper einsetzbar sind.

11) Epitaxiereaktor nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch seine Verwendung zur epitaktischen Abscheidung von halbleitenden Schichten auf Halbleiter-Substratkörpern (13).

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