DE3026030A1

DE3026030A1 - Vorrichtungsteile zur herstellung von halbleiterelementen, reaktionsofen und verfahren zur herstellung dieser vorrichtungsteile

Info

Publication number: DE3026030A1
Application number: DE19803026030
Authority: DE
Inventors: Katsumi Hoshina; Masao Koyama; Syuitu Matuo; Chiaki Nakayama
Original assignee: Toshiba Ceramics Co Ltd
Current assignee: Coorstek KK
Priority date: 1979-07-09
Filing date: 1980-07-09
Publication date: 1981-01-15
Also published as: DE3026030C2; JPH0127568B2; US4624735A; JPS5610921A; US4424193A

Description

J. REITSTÖTTER W. KINZEBACH

PROF. DR. DR. DIPL. ING. — 3 ^ DR. PHIU DIPL. CHBM.

W. BUNTE (ΐθ58-ΐ97β) K. P. HÖLLER

DR. ING. DR. RER. NAT. DIPL. CHEM.

TBLBFON ι (Ο8Θ) 37 6Π TELEXl B21B208 ISAR D

BAUERSTRASSB 22, 80OO MÜNCHEN

München, 9. Juli 1980 M/21 156

TOSHIBA CERAMICS CO., LTD. 26-2, 1-chome, Nishishinjuku, Shinjuku-ku

Tokio / Japan

Vorrichtungsteile zur Herstellung von Halbleiterelementen, Reaktionsofen und Verfahren zur Herstellung dieser Vorrichtungsteile

POSTANSCHRIFT! POSTFACH 7BO, D-80OO MÜNCHEN 43

030063/0950

JtI ~

Die Erfindung betrifft Vorrichtungsteile, wie Schmelztiegel zum Abziehen von SiIicium-Einknstallen, Heizvorrichtung, Reaktionsröhre und Suszeptor, zur Herstellung von Halbleiterelementen, einen Reaktionsofen und ein Verfahren zur Herstellung dieser Vorrichtungsteile. '

Bekanntlich werden Vorrichtungsteile zur Herstellung von Halbleiterelementen beispielsweise aus Kohlenstoff oder Quarzglas ; hergestellt. Dabei wird die Oberfläche der Vorrichtungsteile gegebenenfalls nach dem chemischen Dampfablagerungsverfahren (CVD mit einer SiIiciumcarbidschicht überzogen. Die Bildung der SiIiciumcarbidschicht soll das Halbleitermaterial gegen Kontaminierung mit aus dem Kohlenstoff- oder Quarzglassubstrat herrühren-] den unerwünschten Verunreinigungen schützen.

Die nach dem herkömmlichen chemischen Dampfablagerungsverfahren erhaltene SiIiciumcarbidschicht besteht jedoch, wie in den mikroskopischen, fotografischen Aufnahmen der Figuren 1 bis 3 gezeigt ist, aus einer Anhäufung feiner SiI iciumcarbidkristalle (die auf der Fotografie gegebene Maßeinheit stellt 80 jKdar), die eine geringe Kristallinität des SiIiciumcarbids aufweisen. Die nach dem bekannten chemischen Dampfablagerungsverfahren gebildete SiIiciumcarbidschicht hat aber den großen Nachteil, daß die Verunreinigungen des Substrats bestrebt sind, durch die Grenzschicht aus SiIiciumcarbidteilchen hindurch zu gehen, desj wegen ist es unmöglich, die Kontaminierung des Halbleitermatej rials mit den besagten Verunreinigungen zu verhüten, es sei denn, die SiIiciumcarbidschicht hat eine beträchtliche Dicke.

Der das Substrat der Vorrichtungsteile zur Herstellung von Halbleiterelementen bildende Kohlenstoff hat einen Wärmeausdehnungskoeffizienten von 2,5 bis 5,5 χ 10 /⁰C. Andererseits

0 30063/0950

.hat das Siliciumcarbid, welches auf das Substrat aufgebracht werden soll, einen Wärmeausdehnungskoeffizienten von 4,2 χ 10 /⁰C. Selbst wenn das Kohlenstoffsubstrat nach dem gleichen Verfahren hergestellt worden ist, weist es doch beträchtliche Beschaffenheitsschwankungen auf. Der Wärmeausdehnungskoeffizient des Kohlenstoffsubstrats zeigt im allgemeinen beispielsweise Schwankungen von etwa +_ 10 %. Deshalb ist es ; praktisch unmöglich, eine Übereinstimmung der thermischen j Eigenschaften des Kohlenstoffsubstrats und jener der SiIiciumcarbidschicht zu erzielen. Bei wiederholtem Erhitzen und Abkühlen beispielsweise eines Schmelztiegels, einer Heizvorrichtung, einer Reaktionsröhre und eines Suszeptors führt ein Unterschied zwischen den Wärmeausdehnungswerten des Kohlenstoffsubstrats und der SiIiciumcarbidschicht zur Bildung von Rissen in der SiIiciumcarbidschicht. Dies geschieht besonders dann, wenn die SiIiciumcarbidschicht zwecks Verhinderung des Permeierens der im Substrat befindlichen Verunreinigungen durch die SiIiciumcarbidschicht, eine beträchtliche Dicke, wie 500 μ, hat. Daraus folgt, daß diese Durchlässigkeit für Verunreinigungen nicht ganz verhindert werden kann. Die Bildung von Rissen in der Si 1iciumcarbidschicht während der Benutzung der Vorrichtungsteile, infolge des Unterschieds der thermischen Eigenschaften des Kohlenstoff Substrats und jener der SiIiciumcarbidschicht stellt einen anderen ernsten Nachteil dar, der direkt der Kontaminierung des Halbleitermaterials entspricht.

In Anbetracht des oben gesagten und um eine j

.Übereinstimmung des Temperaturverhaltens des Substrats ; und der darauf aufgebrachten Schicht zu gewährleisten be- [ schreibt die japanische Patentschrift 1003 (1972) Vorrichtungsteile, wie einen Schmelztiegel zur Herstellung von Halbleiter- ' elementen,bei welchen das Substrat und die darauf aufgebrachte ! Schicht, aus demselben Material hergestellt wor- · I

den sind. Diese japanische Publi- I

030063/0 950

kation versucht die Permeierung und die Freisetzung der Verunreinigungen im Substrat dadurch zu verhindern, daß man auf poröses Graphitsubstrat eine Schicht thermisch zersetzbaren Graphits durch thermische Ablagerung aufbringt. Jedenfalls hat dieses Verfahren verschiedene Nachteile:

Die thermisch auf die Oberfläche des porösen Graphitsubstrats aufgebrachte Schicht aus thermisch zersetzbarem Graphit hatte ihre Achse parallel zur Achse A des porösen Graphitsubstrats;

die thermisch aufgebrachte Schicht aus thermisch zersetzbarem Graphit war zu anisotrop um die wiederholte Anwendung des hergestellten Vorrichtungsteils zu ermöglichen;

insbesondere die Kante der thermisch aufgebrachten Schicht aus thermisch zersetzbarem Graphit begann selbst schon in den Anfangsphasen der Verwendung abzublättern, wodurch das Vorrichtungsteil im wesentlichen nicht verwendbar wurde;

außerdem .war die Schicht aus thermisch zersetzbarem Graphit sehr weich und dadurch mechanischen Beschädigungen ausgesetzt, was die Möglichkeit der Bildung von Nadellöchern begünstigte.

Das japanische Patent 26 597 (1973) empfahl als Lösung die mechanische Verbesserung der Adhäsion der SiIiciumcarbidschicht am Kohlenstoffsubstrat.Beim vorgeschlagenen Verfahren ließ .man Siliciumgase über ein Kohlenstoffsubstrat strömen und mit dem Kohlenstoffsubstrat reagieren, wobei sich eine Zwischenschicht aus Siliciumcarbid (SiC) bildete, die sehr fest am' Kohlenstoffsubstrat haftete. Dann.leitete man ein siliciumhaltiges Gas und ein kohlenstoffhaltiges Gas ein, wobei sich nach dem herkömmlichen Verfahren der chemischen Dampfablagerung eine Siliciumcarbidschicht bildete. Das Verfahren hatte den Nachteil, daß das Silicium sofort mit dem Kohlenstoff reagierte. Infolgedessen bildete sich, außer wenn das Siliciumgas gleichförmig und rasch über das

030063/0950

Kohlenstoffsubstrat geführt wurde, eine ungleichförmige SiIiciumzwischenschicht, die Schwierigkeiten bei der Durchführung der nachfolgenden thermischen Ablagerung der Siliciumcarbidschicht bereitete. Dieses Verfahren war deshalb von recht nachteiligen Wirkungen begleitet und kam nicht zur praktischen Anwendung.

über die Bildung einer Siliciumcarbidschicht wurden verschiedene Studien durchgeführt. Ausgehend davon, daß bei der Erzeugung von Vorrichtungsteilen zur Herstellung von Halbleiterelementen der hohen Reinheit des SiIiciumcarbids größte Bedeutung zukommt, wird beim üblichen Verfahren zur Bildung einer Siliciumcarbidschicht das Verfahren der chemischen Dampfablagerung angewendet, wobei Ausgangsmaterialien großer Reinheit verwendet werden. Insbesondere benutzt man ein Verfahren, welches folgende Reaktionssysteme verwendet:

(1) SiCl» + SH - CJ + H₉ (wobei H-C Kohlenwasserstoffe

bedeutet)

oder

(2) CH₃ SiCl₃ + H₂

Eine gemäß einem der obigen Verfahren abgelagerte Siliciumcarbidschicht als solche ist tatsächlich von hoher Reinheit. Solch eine Siliciumcarbidschicht aber hat noch immer die schwerwiegenden Nachteile , daß die im Kohlenstoffsubstrat befindlichen Verunreinigungen sofort versuchen, die Siliciumcarbidschicht auf dem Substrat der Vorrichtungsteile zu durchdringen und daß infolge des Unterschieds zwischen den thermischen Eigenschaften des KohlenstoffSubstrats und-jenen der Siliciumcarbidschicht, in der Siliciumcarbidschicht sofort Risse entstehen.

030063/0 950

Der wichtigste Grund Warum es unmöglich ist, wie schon beschrieben, Obereinstimmung zwischen den thermischen Eigen schäften des KohlenstoffSubstrats und der SiIiciumcarbidschicht zu erzielen, besteht in der Uneinheitlichkeit des Kohlenstoffausgangsmaterials und darin, daß seine Eigenschaften sich allmählich ändern ohne feststellbaren bestimmten Umwandlungspunkt und selbst wenn das gleiche Herstellungsverfahren angewendet wird, ist es außerordentlich schwer, Kohlenstoffsubstrate herzustellen, die gleiche Eigenschaften mit großer Reproduzierbarkeit haben. Beim herkömmlichen Verfahren zur Beschichtung eines Kohlenstoffsubstrats mit einer SiIiciumcarbidschicht werden daher nur solche Kohl enstoffsub-strate gewählt, die von einer großen Anzahl hergestellter Chargen, die bevorzugten thermischen Charafcteristika besitzen.Bis jetzt wurden deshalb Kohlenstoffsubstrate mit einer außergewöhnlich kleinen Ausbeute erzeugt, ein Faktor, der die wirtschaftliche Seite der Kohl en stoffsubstratherste llung belastet.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Vorrichtungsteile zur Herstellung von Halbleiterelementen zu schaffen, die die Kontaminierung des Halbleitermaterials durch aus dem Kohlenstoffsubstrat freigesetzte Verunreinigungen verhüten.

Aufgabe der. Erfindung ist es auch,. Vorrichtungsteile zur Herstellung von Halbleiterelementen zu schaffen, in welchen das Auftreten von Rissen in der Si 1iciumcarbidschicht der Vorrichtungsteile minimal ist, selbst wenn die Vorrichtungsteile zwecks Herstellung von Halbleiterelementen wiederholt erhitzt und abgekühlt werden.

Aufgabe der Erfindung ist auch das Schaffen eines Reaktionsofens, der geeignet ist, auf das Kohlenstoffsubstrat eine Si 1iciumcarbidschicht aufzubringen, die ein Permeieren

0 30 0637Ό95 0

der Verunreinigungen aus dem Kohlenstoffsubstrat wirksam verhindert.

Aufgabe der Erfindung ist auch die Schaffung eines Verfahrens zur Herstellung von Vorrichtungsteilen mit den erwähnten Eigenschaften .

Diese Aufgaben werden erfindungsgemäß gelöst durch Vorrichtungsteile zur Herstellung von Halbl eiterelementen , die durch thermische Ablagerung einer SiI iciumc arbidschicht auf einem Kohlenstoffsubstrat erhalten worden sind, wobei die Silidumcarbidschicht einen Röntgenbeugungs-Peak der (200) Ebene mit einer Halbwertsbreite von 0,35° oder weniger aufweist, gemessen an C -K^-Strahlung, die für die Röntgenbeugungsanalyse verwendet wird. Das die Siliciumcarbidschicht bildende Siliciumcarbid hat einen so hohen Kristallisationsgrad, wie er durch das herkömmliche chemische Dampfablagerungsverfahren nicht erreicht werden konnte.

Erfindungsgemäß sollten mehr als 30 % der gesamten polierten Oberfläche der SiI iciumcarbidschicht von SiI iciumcarbid-KristaTlpartikeln gebildet werden, deren maximale Breite, die gleich ist mit dem maximalen Abstand zwischen den Rändern benachbarter SiI iciumcarbid-Kristallpartikel, größer ist als 0,15 t + 5 jjm, wobei t die Dicke der Si 1iciumcarbidschicht bedeutet.

Figuren 1 bis 3 sind mikroskopische Aufnahmen einer Siliciumcarbidschicht, die gemäß dem herkömmlichen chemischen Dampfablagerungsverfahren auf ein Kohlenstoffsubstrat aufgebracht wurde. Die auf der Fotografie gezeigte Maßeinheit entspricht 80 um,

Figur 4 ist eine mikroskopische Aufnahme einer erfindungsgemäß auf ein Kohlenstoffsubstrat aufgebrachten Silicium-

030063/0 950

-40-

carbidschicht. Die auf der Fotografie gezeigte Maßeinheit entspricht 80 um*

Figur 5 zeigt Röntgenbeugungsdiagramme der erfindungsgemäßen SiIiciumcarbidschicht A aus Figur 4 und der Siliciumcarbidschichten B, C, D aus den Figuren 1 bis 3.

Figur 6 zeigt die vergrößerten Röntgenbeugungsdiagramme in der Nähe des Röntgenbeugungs-Peaks der (200) Ebene der SiIiciumcarbidschichten A, B, C, D aus Figur 5.

Figur 7 zeigt einen schematischen Schnitt eines Reaktionsofens für die thermische Ablagerung einer SiIiciumcarbidschicht auf einem Kohlenstoffsubstrat zur Erzeugung von erfindungsgemäßen Vorrichtungsteilen für die Herstellung von Halbleiterelementen.

Die auf ein Kohlenstoffsubstrat aufgebrachte SiIiciumcarbidschicht zur Schaffung von erfindungsgemäßen Vorrichtungsteilen zur Herstellung von Halbleiterelementen weist, wie in der mikroskopischen Fotografie der Figur 4 gezeigt, eine weit höhere Kristallinität auf, als die SiI iciumcarbidschichten der Figuren 1 bis 3, die nach dem herkömmlichen chemischen Dampfablagerungsverfahren aufgebracht wurden.

Die Röntgenbeugungsanalyse der SiIiciumcarbidschichten A, B, C und D wurde unter folgenden Bedingungen ausgeführt:

03 0 0 63/09 5

Angelegte Spannung der Röntgenröhre 30 KV Stromstärke der Röntgenröhre 20 mA

Abtastgeschwindigkeit des Diffraktionsgerätes 1/4°/Min. Laufgeschwindigkeit des Aufzeichnungsblattes 1/2°/Min.

öffnungswinkel des C_u-K_w-Strahlen-Divergensspaltes (generating slit) 1°

öffnungswinkel des C_L|-K_oC-Strahlen-Empfängerspaltes (introducing slit) 0,1°

öffnungswinkel des C-Kw-Strahlen-Streuspal -tes (scattering slit) 1°

Bereich 1 K

Skalenfaktor 1 ,0 j Zeitkonstante 1

Die Röntgenbeugungsanalyse ergab die Diagramme gemäß Figur 5. -Mit "A" in Figur 5 ist das Röntgenbeugungsdiagramm der erfindungsgemäßen SiIiciumcarbidschicht bezeichnet, deren Kristallisationsbild in Figur 4 dargestellt ist. Mit "B" in Figur 5 ist ein Röntgenbeugungsdiagramm einer herkömmlichen SiIiciumcarbidschicht bezeichnet, deren Kristallmuster in Figur 1 dargestellt j ist. Mit ¹¹C" in Figur 5 ist ein Röntgenbeugungsdiagramm einer ] herkömmlichen SiIiciumcarbidschicht bezeichnet, deren Kristall- ! muster in Figur 2 gezeigt wird. Mit "D" ist ein Röntgenbeugungs-! diagramm einer herkömmlichen SiIiciumcarbidschicht bezeichnet, '

deren Kristallanordnung in Figur 3 zu sehen ist. Man bestimmte j die Halbwertsbreiten der Röntgenbeugungs-Peaks der (200) Ebene J der entsprechenden Si 1iciumcarbidschichten A, B, C, D anhand ; der Röntgenbeugungs-Peaks der Figur 6, die eine Vergrößerung j ,derjenigen der Figur 5 sind. Die erfindungsgemäße Silicium- ! carbidschicht nach Bezugszeichen A in Figur 6 hatte eine Halbwertsbreite von 0,33°. Die herkömmliche Silicium-

030063/Ό950

carbidschicht durch Bezugszeichen B in Figur 6 gekennzeichnet hatte hingegen eine Halbwertsbreite von 0,45°. Die herkömmliche SiIiciumcarbidschicht nach Bezugszeichen C in Figur 6 hatte eine Halbwertsbreite von 0,93°. Die Halbswertsbreite der herkömmlichen SiIiciumcarbidschicht durch Bezugszeichen D in Figur 6 gekennzeichnet konnte praktisch nicht bestimmt werden. Mit anderen Worten, die erfindungsgemäße SiIiciumcarbidschicht. nach Bezugszeichen A hatte eine außergewöhnlich kleine Halbwertsbreite,gemessen an der {200) Ebene. Wenn die erfindungsgemäße SiIiciumcarbidschicht eine kleinere Halbwertsbreite als 0,35°,gemessen auf der (200) Ebene,hatte, dann konnte die \ Siliciumcarbidschicht das Freisetzen der in dem Kohlenstoff- ' substrat befindlichen Verunreinigungen wirksam verhindern.

Die Kristallpartikel der Siliciumcarbidschicht, welche die oben erwähnten erfindungsgemäßen Eigenschaften aufweisen,unterliegen nur geringer Wärmestörung. Die Formel von W.H.Hall:

ß · cosB/A = 1/ε +η sinQ/λ

worin:

β = echte Halbwertsbreite

θ = Bragg'scher Winkel I

λ = Wellenlänge der Röntgenstrahlen i

ε = Größe der Kristallpartikel

η= effektive Kristall-Gitterstörung

beweist, daß eine kleine Halbwertsbreite,gemessen in der Röntgenbeugungsanalyse eines Kristalls, eine kleine Kristallgitter- : störung bedeutet. In der Tat ist es erfindungsgemäß möglich, die Entstehung von Rissen und Nadellochern in ei'ner SiI iciumcarbidschicht zu verhindern, selbst wenn die Vorrichtungsteile zur Herstellung von Halbleiterelementen wiederholt erhitzt und gekühlt werden und wenn für die Eigenschaften des Kohlenstoff-

030063/0950

Substrats ein beträchtlicher Spielraum besteht, mit anderen Worten, wenn zwischen den thermischen Eigenschaften eines Kohlenstoffsubstrats und jenen einer darauf aufgebrachten Siliciumcarbidschicht beträchtliche Unterschiede bestehen.

Die oben erwähnte Formel nach W.H. Hall beweist weiterhin, daß eine kleine Halbwertsbreite,bestimmt in der Röntgenbeugungsanalyse eines Kristalls, nicht nur eine geringe Wärmestörung bedeutet, sondern auch daß die Kristallpartikel groß sind. Tatsächlich machen die Kristallpartikel mit einer Maximal breite größer als 0,15t + 5 ym(t bedeutet die Dicke in μ der SiIiciumcarbidschicht) in der Oberfläche der erfindungsgemäßen SiIiciumcarbidschicht mehr als 30 % der polierten Oberfläche besagter SiIiciumcarbidschicht aus, wie in der 250mal vergrößerten mikroskopischen Aufnahme aus Figur 4 ersichtlich. Mit anderen Worten, die erfindungsgemäße Siliciumcarbidschicht besteht aus beträchtlich größeren Kristallpartikeln als die herkömmlichen SiIiciumcarbidschichten der Figuren 1 bis 3. ,

Die erfindungsgemäße SiIiciumcarbidschicht hat vorzugsweise eine Dicke von etwa 20 bis 500 ym. Die SiIiciumcarbidschicht der Figur 4 hat eine Dicke von 100 |iwi»

Im weiteren wird ein Reaktionsofen zur Bildung einer Silicium- \ carbidschicht auf einem Kohlenstoffsubstrat beschrieben. Die Ablagerung der SiIiciumcarbidschicht wird im allgemeinen nach einem der folgenden Verfahren durchgeführt:

(1) Dem herkömmlichen chemischen Dampfablagerungsverfah "en (CVD), wobei in eine Reaktionskammer Rohgase, die Silicium- und Kohlenstoffquellen enthalten, eingeleitet werden und* die eingeführte Charge bei normalem oder verringertem Druck erhitzt wird.

030063/0950

M/21 156 -4* -

(2) Wenn ein Substrat selber aus Kohlenstoff besteht, wird ein Siliciumgas in die Reaktionskammer eingeführt, damit es bei normalem oder verringertem Druck thermisch mit dem Kohlenstoffsubstrat reagiert.

Der erfindungsgemäße Reaktionsofen stellt eine Verbesserung der herkömmlichen Verfahren dar, und ermöglicht es auf ein Kohlenstoffsubstrat eine, wie oben beschriebene hochkriställine SiIiciumcarbidschicht aufzubringen. Der erfindungsgemäße Reaktionsofen enthält eine Reaktionskammer_s die von Trennwänden aus Kohlenstoff oder Siliciumcarbid, umgeben ist, ein Kohlenstoffgefäß innerhalb der Reaktionskammer, .in dem sich das Silicapulver befindet und eine Heizvorrichtung zum Erhitzen der Reaktionskammer. Beim erfindungsgemäßen Reaktionsofen werden die Gase mit Siliciumrund Kohlenstoffgehalt nicht von außen in die Reaktionskammer eingeführt. Nach dem Erhitzen findet zwischen dem Silicapulver und dem Kohlenstoffgefäß, in welchem sich besagtes Silicapulver befindet, oder zwischen Silicapulver und Kohlenstoffpulver, die darin vermischt wurden, eine Reaktion statt, wobei sich in der Reaktionskammer ein hauptsächlich SiIiciummonoxid enthaltendes Gas entwickelt. Dieses SiIiciummonoxidgas wird bei hoher Temperatur mit einem Kohlenstoffsubstrat, das in die Reaktionskammer gebracht wurde, in Berührung gebracht. Als Ergebnis bildet sich auf der Oberfläche .des KohlenstoffSubstrats eine SiIiciumcarbidschicht.

Es folgt die Beschreibung einer erfindungsgemäßen Ausführungsform, in Bezug auf Figur 7,des Aufbaus und der Arbeitsweise eines Reaktionsofens. Figur 7 zeigt den Hauptteil eines Reaktionsofens. Dieser Hauptteil des Reaktionsofens' befindet sich in einem Ofen gehäuse, das in der Zeichnung nicht zu sehen ist, aus feuerfestem Material. Die Reaktionskammer 1 ist von einer zylindrischen Trennwand 2 aus kohlenstoff und/oder Siliciumcarbid umgeben. Außerhalb der zylindrischen Trennwand 2

030083/0950

m/21 156 - j* - 302603Q

ist eine zylindrische Heizvorrichtung 3 zum Erhitzen der Reaktionskammer auf eine Temperatur von 1500° bis 1900⁰C, vorzugsweise 1650° bis 1750⁰C, vorgesehen. Vorzugsweise wird die Heizvorrichtung 3 aus Kohlenstoff oder Siliciumcarbid gebaut. In dieser Ausführungsweise wird eine zweite Trennwand 4 zwischen die erste zylindrische Trennwand 2 und der Heizvorrichtung 3 gesetzt. Es ist möglich, eine einfache oder mehrfache Trennwand zu verwenden. Ein nicht sichtbares, chemisch vorbehandeltes Kohlenstoffsubstrat wird in der Reaktionskammer 1 durch eigene Haltevorrichtungen, die an der Innenseite der Trennwand vorgesehen sind, befestigt. Ein Kohlenstoffgefäß 5 befindet sich auf der Unterlage 6, die auf dem Boden der Reaktionskammer 1 befestigt ist. Silicapulver 7 oder gegebenenfalls Silicapulver und Kohlenstoffpulver wird in das Kohlenstoffgefäß 5 gefüllt. Die Trennwände 2 und 4 werden auf der Unterlage 6 errichtet. Das obere Ende der Heizvorrichtung 3 wird mit einem wassergekühlten Deckel 8 bedeckt. Wenn die Trennwand höher als das obere Ende der Heizvorrichtung 3 ist, liegt der Deckel '8 auf dem oberen Ende der Trennwand. In der Mitte des Deckels.8 ist ein Abzug 9 vorgesehen, der mit einem Abzugsgerät (nicht gezeigt),beispielsweise einer Vakuumpumpe, in Verbindung steht..

Eine chemisch behandelte Kohlenstoffsubstratröhre wird in die Reaktionszone der Reaktionskammer 1 des . oben beschriebenen Reaktionsofens gesondert von dem das Silicapulver 7 enthaltenden Kohlenstoffgefäß 5 gestellt, dann wird die Heizvorrichtung 3 und die nicht gezeigte Vakuumpumpe in Betrieb gesetzt. Dann reagieren das Kohlenstoffgefäß 5 und das darin enthaltene Silicapulver 7 bei hoher Temperatur miteinander und es entsteht hauptsächlich SiIiciummonoxidgas. Dieses Gas gelangt in die Reaktionszone der Reaktionskammer 1, wobei die Reaktionskammer mit Hilfe der Heizvorrichtung 3 bei einer- ; Temperatur von 1500° bis 1900⁰C gehalten wird und die Vakuum-

030063/0 950

Pumpe für einen Unterdruck von 100 bis 0,1 Torr sorgt. Auf dem Kohlenstoffsubstrat bildet sich nun durch chemische Ablagerung eine SiI iciumcarbidschicht bis in eine beträchtliche Tiefe und in einer hoch kristallinen Form. Deshalb weist die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren gebildete Siliciumcarbidschicht eine Reihe von Vorteilen auf: die Siliciumcarbidschicht hat eine starke Adhäsion zum Kohlenstoffsubstrat, einen hohen . Kristall isationsgrad und eine gleichförmige Qualität; selbst wenn sie in einer Dicke von etwa 100 μ/aufgebracht wurde ist die Schicht genügend undurchlässig für z.B. aus dem Kohlenstoffsubstrat freigesetzte Verunreinigungen; der Röntgenbeugungs-Peak der (200) Ebene der Schicht hat eine kleine Halbwertsbreite;

die Schicht ist aus großen Kristallpartikeln gebildet und dem-, zufolge besonders gut zur Erzeugung von Vorrichtungsteilen zur J Herstellung von Halbleiterelementen geeignet.

Zum besseren Verständnis der Erfindung folgen Ausführungsbeispiele.

Beispiel 1_

Auf der Oberfläche eines Kohlenstoffsubstrats von vier Typen ■ von Suszeptoren wurde eine Siliciumcarbidschicht in einer •Dicke von 100 μ/gebildet. Die Suszeptoren wurden beim epitak- ■' tischen Wachstum bei der Herstellung von Halbleitern verwendet. Die Röntgenbeugungs-Peaks der (200) Ebene der Siliciumcarbidschicht dieser Suszeptoren hatten eine Halbwertsbreite von 0,33°, 0,35°, 0,36° und 0,39°, gemessen an C -K^-Strahlung. Aus SiI iciumtetrachlorid hoher-Reinheit wurde durch das Wasserstoffreduktionsverfahren auf einem Substrat aus einem Silicium- ι Einkristall, gehalten von jeweils einem der oben erwähnten Suszeptoren, eine SiI iciumschicht in einer Dicke von 10. μ epitaktisch ge-

030063/095 0.

M/21 156

302603Q

züchtet. Zum Vergleich der Eigenschaften der Suszeptoren wurden die Widerstände der epitaktisch gewachsenen SiI iciumschichten mit Hilfe der 4-Nadel-Methode bestimmt. Die Ergebnisse sind aus der folgenden Tabelle 1 ersichtlich.

TABELLE 1	Muster Nr.	Halbwertsbreite des Röntgen- beugungs-Peaks der (200) Ebene der Siliciumcarbidschicht je des Suszeptors	Widerstand einer epitaktisch ge wachsenen Silicium- schicht
1	0,33°	über 50 -Ω. · cm
2	0,35°	über 45 Xl.cm
3	0,36°	20 bis 35 -ß.cm
4	0,39°	10 bis 30 i2.cm

Wie aus der obigen Tabelle 1 ersichtlich zeigten epitaktisch gewachsene SiIiciumschichten auf Suszeptoren (Muster Nr. 1 und 2), deren Oberfläche mit SiIiciumcarbidschichten überzogen waren .und deren Rö'ntgenbeugungs-Peak eine Halbwertsbreite von 0,35° und weniger hatte , einen großen

Widerstand und eine hohe Reinheit. Die Erklärung dafür besteht darin, daß die epitaktisch gewachsene SiIiciumschicht nicht durch Verunreinigungen, die in dem Kohlenstoffsubstrat enthalten waren, kontaminiert wurde und die Siliciumcarbidschicht die Freisetzung von Verunreinigungen aus dem Kohlenstoffsubstrat wirksam "verhinderte. Im Gegensatz dazu zeigten epitaktisch gewachsene SiTiciumschichten auf Suszeptoren (Muster Nr. 3 und 4), deren Oberfläche mit SiIiciumcarbidschichten überzogen wurden, deren Röntgenbeugungs-Peak eine größere Halbwertsbreite als 0,35° hatte, einen kleinen

030063/0950

m/21 156 --η- 302603Q

Widerstand, sie wurden durch die Verunreinigungen aus dem Kohlenstoffsubstrat, die die SiI iciumcarbidschicht permeierten, kontaminiert.

Beispiel

Eine SiI iciumcarbidschicht wurde in einer Dicke von 100 μ auf ein Kohlenstoffsubstrat aufgebracht. Sie war aus vier Abscheidungen auf den sogenannten Heißzonenteilen, wie einem Siliciumeinkristall -Ziehschmelztiegel, einer Heizvorrichtung und einem Hitzeschild gebildet worden. Die SiIiciumcarbidschicht jeder der vier Abscheidungen der Heißzonenteile wurde mit einer Diamantpaste poliert bis die Oberfläche besagter Carbidschichteii total geglättet war. In diesem Fall bildeten bei der ersten Behandlung der Heißzonenteile die Si 1iciumcarbidkristalIpartikel,deren maximale Breite niehr als 20 w'C- 0,15 χ 100 u/.(Schichtdicke) + 5 LJ7 betrug, 0 % der .^jolierten Oberfläche der SiIiciumcarbidschicht. Bei einer zweiten Behandlung der Heißzonenteile bildeten die SiIiciumcarbidkristallpartikel 10 % der polierten Oberfläche. Bei der dritten Behandlung der Heißzonenteile bildeten die SiIiciumcarbidkristallpartikel 30 % der polierten Oberfläche. Bei einer vierten Behandlung der Heißzonenteile bildeten die SiIiciumcarbidkristal 1 partikel 40 % der polierten Oberfläche. Die entsprechenden Behandlungen der Heißzonenteile wurden verwendet, um einen N-Typ-Siliciumeinkristall mit einem Durchmesser von 80 mm und einem spezifischen Widerstand von 20 bis 25 12. cm abzuziehen. Der Kohlenstoffgehalt des entsprechend gezogenen SiIiciumeinkristall s wurde nach der ASTM-F123-70T-Methode bestimmt. Die Ergebnisse sind in Tabelle 2 gezeigt.

03GÖ83/O3SQ

M/21 156

302603Q

TABELLE 2

Nr. der Muster der Heißzonen teile	Prozent-Fläche der polierten Flächen, die von SiIiciumcarbidkristall- partikeln mit einer maxi malen Breite größer als 20 p?gebildet wurden	Kohlenstoffge halt eines SiI ι οί urne in kr is ta 1 1 s
5 6 7 8	0 10 30 40	7,2 χ 10¹⁶ Atome/cm³ 5,5 χ 10¹⁶ Atome/cm³ 1 ,6 χ 10¹⁶ Atome/cm³ 0,7 χ 10¹⁶ Atome/cm³

Tabelle 2 zeigt,daß zur Erzeugung eines SiIiciumeinkristalls mit einem genügend kleinen Kohlenstoffgehalt für praktische Verwendungen, mehr als 30 % der polierten Fläche der Siliciumcarbidschicht von SiI iciumcarbid-Kristallpartikeln gebildet sein müssen; deren maximale Breite (gleich dem Abstand zwischen den Rändern der benachbarten SiIiciumcarbid-Kristal!partikel. ) größer ist als 20 um, falls die Siliciumcarbidschicht eine Dicke von 100 p^nat. Wenn die SiIiciumcarbid-Kristallpartikel mit einer maximalen Breite größer als 20 μ/0 % oder 10 % der polierten Fläche der Siliciumcarbidschicht bilden, dann hat die Siliciumcarbidschicht einen hohen Kohlenstoffgehalt, der eine Verunreinigung mit Kohlenstoff,der aus dem Kohleristoffsubstrat freigesetzt wurde, verursacht und dadurch schädliche Effekte auf die Herstellung von Halbleiterelementen ausübt.

030063/0950

M/21 156

-XQ-

302603Q

Beispiel

m.

Eine Siliciumcarbidschicht wurde in einer Dicke von 100 pfauf vier Kohlenstofftafeln, die jede die Abmessungen von 100 χ χ 15 mm hatten,aufgebracht. Die Kohlenstofftafeln wurden binnen 5 Minuten auf 1200°C erhitzt, dann bei dieser Temperatur 10 Minuten lang gehalten und danach bis auf Raumtemperatur natürlich abgekühlt. In diesem Zerbröckelungstest wurde bestimmt, wie oft die Kohlenstofftafeln wiederholt erhitzt und abgekühlt werden mußten, bevor die ersten Nadellöcher und Risse in der Siliciumcarbidschicht, mit der die Kohlenstofftafeln überzogen waren, auftraten. Tabelle 3 zeigt die Anzahl der bis zum ersten Auftreten von Nadellöchern und Rissen in der Siliciumcarbidschicht notwendigen Erhitzungs- und Kühlungszyklen, die Halbwertsbreiten der Röntgenbeugungs-Peaks der (200) Ebene der SiIiciumcarbidschichten und die prozentuale Fläche der polierten Flächen der Siliciumcarbidschichten, die von SiI iciumcarbid-Kristallpartikeln mit maximalen Breiten größer als 20 μ gebildet wurden.

TABELLE 3

	Halbwerts breite des Röntgenbeu gungs-Peaks	Flächen in Prozenten der polierten Flächen die von SiIiciumcar bid-Kristallpartikeln mit einer maximalen Breite größer als 20 umgebildet wurden	Anzahl der Erhit zungs- und Kühlungs· zyklen, die notwen dig waren bis zum ersten Entstehen von Nadel!öchern u. Rissen in den Sili ciumcarbidschichten
Nr. der Muster der Heißzonen teile	0,33°	40	150
9	0,35°	30	145
10	0,36°	15	60
11	0,39°	0	50
12

030063/0950

m/21 156 - 302603Q

Die Muster 9 und 10 zeigten eine 2 bis 3mal längere effektive Lebensdauer als die Muster 11 und 12.

Beispiel

Eine Siliciumcarbidschicht wurde auf ein Kohlenstoffsubstrat in einem Reaktionsofen, gebaut wie in Figur 7, aufgebracht. Eine zylindrische Trennwand 2 aus Kohlenstoff des Reaktionsofens hatte einen inneren Durchmesser von 80 cm und eine Höhe von 180 cm. Ein Kohlenstoffgefäß 5 wurde auf die Unterlage 6 gestellt. 2500 g Silicapulver 7 wurden in das Kohlenstoffgefäß 5 gefüllt. Ein Kohlenstoffsubstrat wurde an der Trennwand 2 mit Hilfe eines Hakens in einer Höhe von etwa 60 cm oberhalb des SiIicapulvers 7 angebracht. Das Innere der Reaktionskammer 1 wurde auf etwa 1700⁰C mit Hilfe der Heizvorrichtung 3 erhitzt, bei dieser Temperatur 240 Minuten lang gehalten und mit Hilfe einer Vakuumpumpe auf einen Unterdruck von 0,5 Torr gebracht. Auf dem Kohlenstoffsubstrat wurde eine Siliciumcarbidschicht mit einer Dicke von 80 prabgeschieden. Die Halbwertsbreite des Röntgenbeugungs-Peaks der (200) Ebene der Si 1iciumcarbidschichten war 0,340 gemessen an Cy-K^-Strahlung, die für die Röntgenbeugungsanalyse verwendet wird. Eine mikroskopische Aufnahme zeigte, daß 45 % der geschliffenen Oberfläche der Siliciumcarbidschicht von Siliciumcarbid-Kristallpartikeln gebildet wurden, deren maximale Breite größer als 20 p'betrug.

Die Erfindung ermöglicht die Erzeugung von Vorrichtungsteilen, wie Schmelztiegel, Heizvorrichtung und Suszeptor, zur Herstellung von* Hai bleiterelementen durch Ablagerung einer Siliciumcarbidschicht auf einem Kohlenstoffsubstrat, wobei die Siliciumcarbidschicht einen hohen Kristallisationsgrad aufweist und deren Kristalle der Wärmestörung wenig unterworfen sind. Selbst wenn die Vorrichtungsteile bei hoher Temperatur verwendet

030063/0950

werden, verhindert deshalb die SiIiciumcarbidschicht wirksam den Durchgang der Verunreinigungen des KohlenstoffSubstrats durch die SiIiciumcarbidschicht. Auch wenn die Vorrichtungsteile, während der Herstellung eines Halbleiterelements, wiederholt erhitzt und abgekühlt werden, kann das Auftreten von Nadellöchern und Rissen erfolgreich verhindert werden. Außerdem haftet die SiIiciumcarbidschicht fest an dem Kohlenstoffsubstrat in welches sie tief eingedrungen ist. Deshalb kann das Entstehen von Nadellöchern und Rissen in der SiIiciumcarbidschicht ebenfalls minimiert werden, obwohl das Kohlenstoffsubstrat und die SiIiciumcarbidschicht verschiedene thermische Eigenschaften haben. Demzufolge ist es möglich, Kohlenstoffsubstrate aus einem weiten Bereich, unabhängig von dem Unterschied ihrer Eigenschaften, zu verwenden. Eine erfindungsgemäß hergestellte SiIiciumcarbidschicht weist die oben beschriebenen ausgezeichneten Eigenschaften auf. Deshalb kann die SiIiciumcarbidschicht die Kontaminierung des Halbleitermaterials oder des Halbleiterelementes durch Verunreinigungen, die aus dem Kohlenstoffsubstrat freigesetzt werden, verhindern, obwohl sie beträchtlich dünner ist als die bekannten Schichten und beispielsweise nur in einer Diclce von 100 μ/auf dem Kohlenstoffsubstrat abgeschieden wurde.

.030063/0950

Claims

Patentansprüche

5.

6.

Vorrichtungsteile zur Herstellung von Haibleiterelementen , erhalten durch Ablagerung einer Si 1iciumcarbidschicht auf einem Kohlenstoff substrat, dadurch gekennzeichnet, daß die SiIiciumcarbidschicht einen Röntgenbeugungs-Peak der (200) Ebene mit einer Haibwertsbreite von 0,35° oder weniger aufweist, gemessen an C_u-K_Ä-Strahlung, die für die Röntgenbeugungsanalyse verwendet wird.

Vorrichtungsteile gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mehr als 30 % der geschliffenen Oberfläche der Siliciumcarbidschicht von SiIiciumcarbid-KristalIpartikein gebildet werden, deren maximale Breite mehr als 0,15 t + 5 γ beträgt,

wobei t die Dicke der SiIiciumcarbidschicht in γ bedeutet. j

Vorrichtungsteile gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn- \ zeichnet, daß die auf dem Kohlenstoffsubstrat abgeschiedene ; SiIiciumcarbidschicht eine Dicke von 20 bis 500 y hat. ^:

Vorrichtungsteil gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß es ein Schmelztiegel zum Abziehen von Silicium Einkristallen ist.

Vorrichtungsteil gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß es ein Suszeptor ist.

Vorrichtungsteil gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß es eine Heizvorrichtung, ist.

7. Vorrichtungsteil gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß es eine Reaktionsröhre ist.

030063/0950

! rung bringt.

8. Reaktionsofen zur Ablagerung einer SiIiciumcarbidschicht auf einem Kohlenstoffsubstrat für Vorrichtungsteile zur Her-| stellung von Halbleiterelementen, gekennzeichnet durch: ί

eine Reaktionskammer zur Aufnahme des KohlenstoffSubstrats, wobei die Reaktionskammer von aus Kohlenstoff und/oder Siliciumcarbid hergestellten Trennwänden umgeben ist,

ein in der Reaktionskammer befindliches Kohlenstoffgefäß zur Aufnahme des SiIicapulvers

und eine Heizvorrichtung zum Erhitzen der Reaktionskammer.

9. Reaktionsofen gemäß Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß beim Erhitzen der Reaktionskammer auf 1500 bis 1900⁰C das SiIicapulver mit dem Kohlenstoffgefäß, in dem es sich befindet, oder mit Kohlenstoffpulver, mit dem es darin vermischt wurde, reagiert, wobei sich ein Gas entwickelt, das hauptsächlich SiIiciummonoxid enthält.

10. Verfahren zur Herstellung der Vorrichtungstelle gemäß den ;

ι . I

! Ansprüchen 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß man in

einem Ofen gemäß den Ansprüchen 8 und 9 SiIicapulver oder

j ein Gemisch von Silica-und Kohlenstoffpul ver in einem

Kohlenstoffgefäß auf 1500bis 1900⁰C erhitzt und das ge-

j bildete Gas, das hauptsächlich SiIiciummonoxid enthält,

ί mit den im Ofen befindlichen Vorrichtungsteilen in Berüh-

030063/0950