DE2943634C2 - Epitaxiereaktor - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Epitaxiereaktor nach den im Oberbegriff des Anspruches 1 angeführten Merkmalen. Ein derartiger Epitaxiereaktor ist beispielsweise aus der US-PS 37 04 987 bekannt. Andere bekannte Reaktoren bestehen aus einem evakuierbaren Behälter, der beispielsweise mit einer Lampenheizung umgeben ist. Im Behälter ist beispielsweise ein zylinderförmiger Suszeptor für die Aufnahme der zu beschichtenden Körper angeordnet, wobei diese Körper in Taschen an der Außenwandung des Suszeptors untergebracht werden. Nach der Einstellung der gewünschten Druck- und Temperaturverhältnisse im Reaktor läßt man das Reaktionsgas einströmen, das nunmehr im Reaktionsraum zwischen dem Suszeptor und der Innenwandung des Behälters unter Abscheidung der gewünschten Schichten auf den Substratkörpern hindurchströmt.

Bei den bekannten Reaktoren muß die Wand des Behälters möglichst kalt sein, um ihre Durchlässigkeit für die Strahlungswärme nicht zu reduzieren und um Niederschläge von Reaktionsprodukten auf der Innenwandung des Behälters zu vermeiden. Eine derartige Beschichtung der Innenwandung des Reaktorbehälters führt zu Wechselwirkungen, die die Schichtdicken und Homogenität der abzuscheidenden Schichten negativ ■j beeinflussen.

Diese bekannten Reaktoren weisen eine Reihe von gerätebedingten Nachteilen auf. So ist die Temperaturinhomogenität innerhalb des Gasstromes sehr groß und reicht bis zu 500°C/cm. An die Lampenheizung werden

ίο 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 Aufwand bei der Wasser- und Luftkühlung.

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

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale im kennzeichnenden Teil des Anspruches 1 gelöst.

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 dieses Wandraumes 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 Steile die Temperatur unter diesen Gleichgewichtswert, dann kondensiert dort Natriumdampf und die freiwerdende Kondensationswärme erhöht die Temperatur an der betreffenden 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 werden. Ein derartiges Wärmerohr wird beispielsweise in der DE-OS 22 34 119 beschrieben. Dort werden in einem Wärmerohr Kristalle gezüchtet. Die Heizquelle ist dabei außerhalb des Rohres angeordnet.

Das sogenannte »heat pipe«-Prinzip wird bei dem erfindungsgemäßen Epitaxiereaktor ausgenutzt, wobei das Reaktionsgas den vom Wärmerohr umgebenen Innenraum, in dem auch die Substratscheiben untergebracht werden, durchströmt. Mit Hilfe dieser Maßnahme läßt sich eine sehr hohe Temperaturhomogenität im Gasstrom aufrechterhalten, die kleiner als 10°C/cm 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 und 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 Reaktoraniagen. Bei der 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 Wärmerohr wird auf der für die Aufnahme der zu beschichtenden Halbleiterscheiben vorgesehenen Oberfläche mit einer Schicht bedeckt, die widerstandsfähig gegenüber den verwendeten Reaktionsgasen ist. Dies ist beispielsweise bei einer Silizium-Carbidschicht der Fall. Das Wärmerohr weist vorzugsweise einen vieleckigen Querschnitt auf, um günstige Auflageverhältnisse für die zu beschichtenden Scheiben zu schaffen. Der Querschnitt des Wärmerohres verjüngt sich dabei in der Bewegungsrichtung des Reaktionsgases. Dadurch entstehen schräg nach oben verlaufende Auflageflächen für die Halbleiterscheiben, so daß diese leicht gehalten werden können und optimal dem Reaktionsgas ausgesetzt sind. Der Querschnitt des Wärmerohres ist beispielsweise 6- oder 8eckig. Der obere Abschluß des Ji Wärmerohres besteht beispielsweise aus einer abnehmbaren Quarzglocke. Der Epitaxiereaktor wird vorzugsweise zur Abscheidung von halbleitenden Epitaxieschichten auf Halbleiter-Substratscheiben, die beispielsweise aus einkristallinem Silizium bestehen, verwendet.

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

In der 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 Reaktionsgefä- 5^ri ßes und für das Abpumpen des Reaktionsgases angeschlossen ist. Die zweite Durchführung nimmt das Transportrohr 11 für das Reaktionsgas auf, während an die dritte Durchführung 6 der War;dungsinnenraum 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 Wandungsinnenraum im Querschnitt 6eckig ausgebildet und verjüngt sich nach unten. Im Wandungsinneren 3 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 oben mit einem glockenförmigen Abschluß 9 versehen, der beispielsweise aus Quarzglas besteht und der einen Austritt des Reaktionsgases in den Reaktorraum außerhalb des Wäi merohres verhindert.

In der Wärmerohrwandung befindet sich ferner ein Sensor 8 zur Messung des Dampfdruckes, beispielsweise des Na-Dampfdruckes, der einer jeweiligen Reaktionstemperatur entspricht. Der Sensor 8 ist über eine Meßleitung 7 an ein außerhalb des Reaktors liegendes Meß- und Regelsystem angeschlossen.

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 Reaktionsraum 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 beispielsweise aus dem doppelwandigen und öeckigen Metallrohr besteht, ist auf der dem Reaktionsraum 21 zugewandten Oberflächenseite mit einer Schicht 15 aus Silizium-Carbid bedeckt. Diese Aufnahmefläche für die zu beschichtenden Körper 13 weist ferner Taschen auf, in die beispielsweise Halbleiterscheiben 13 aus einkristallinem 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 21 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 Körper 13 kann eine hohe Packungsdichte der Substratscheiben erzielt werden.

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

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (7)

Patentansprüche:

1. Epitaxiereaktor für die Abscheidung von halbleitenden Schichten auf Halbleiter-Substratscheiben mit einem geschlossenen und evakuierbaren Rezipienten, der ein am einen Ende mit einem Abschluß versehenes Rohr enthält, in dessen Innenseite Einrichtungen für die Aufnahme der zu beschichtenden Substratscheiben vorgesehen sind, und durch das eine Transportleitung für das Reaktionsgas mit einer Austrittsöffnung in der Nähe des Abschlusses führt, dadurch gekennzeichnet, daß das Rohr als nach dem »heat pipe«-Prinzip arbeitendes Wärmerohr (20) ausgebildet ist, in dem eine Heizwand verläuft.

2. Epitaxiereaktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Wärmerohr (20) ein doppelwanciiges Metallrohr ist. das auf der iür die Aufnahme der zu beschichtenden Halbleiterscheiben (13) vorgesehenen Innenseite mit Siliziumcarbid (15) bedeckt ist.

3. Epitaxiereaktor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß in der Wandung des Wärmerohres ein Sensor (8) angeordnet ist, über dessen nach außen geführte Zuleitung (7) der Dampfdruck meßbar ist.

4. Epitaxiereaktor nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Wärmerohr (20) einen vieleckigen Querschnitt aufweist.

5. Epitaxiereaktor nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Abschluß aus einer abnehmbaren Quarzglocke (9) besteht.

6. Epitaxiereaktor nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Innenseite des Wärmerohres (20) Taschen für die Aufnahme der zu beschichtenden Halbleiterscheiben (13) aufweist.

7. Epitaxiereaktor nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß auf der Innenseite des Wärmerohres (20) aufgesetzte rahmenförmige Teile angeordnet sind, und daß in die Vertiefungen zwischen den rahmenförmigen Teilen die zu beschichtenden Körper einsetzbar sind.