DE3634131C2 - Vorrichtung zum Heizen oder Erwärmen eines scheibenförmigen Substrats - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft allgemein das epitaxiale Abscheiden von Materialien auf ein Substrat und insbesondere das epitaxiale Abscheiden von Materialien auf ein Substrat in einer axial symmetrischen Konfiguration. Speziell betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zum Heizen oder Erwärmen eines scheibenförmi­ gen Substrats nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Es ist bekannt, daß die Qualität des abgeschiedenen oder nie­ dergeschlagenen Materials in einer Kammer für die epitaxiale Abscheidung unter anderem von der Gleichmäßigkeit der Tempera­ tur des Substrats und der Gleichmäßigkeit des Abscheidemateri­ als im Trägergas abhängen kann. Kürzlich wurden die Vorteile der epitaxialen Abscheidung in einer axial symmetrischen Kon­ figuration erkannt. Der volle Vorteil dieser Konfiguration kann kommerziell nur mit einer raschen gleichmäßigen Beheizung des Substrats realisiert werden. Bisher wurden massive Auf­ nahmevorrichtungen oder Suszeptoren durch Reihen von geraden Lampen oder durch HF-Felder beheizt, wobei die Temperatur­ gleichmäßigkeit zum Teil durch die große thermische Masse und hohe Wärmeleitfähgikeit einer dem Substrat zugeordneten Auf­ nahmevorrichtung erhalten wurde. Die große thermische Masse der Aufnahmevorrichtung ergibt jedoch eine thermische Träg­ heit, die die Heiz- und Kühlzyklen, die der epitaxiale Ab­ scheideprozess umfaßt, verlängert.

Aus der US 45 33 820 ist eine Vorrichtung zum Heizen oder Erwärmen eines scheibenförmigen Substrats mit einer längs einer ersten Seite des Substrats angeordneten ersten Kammer und mehreren sich durch die erste Kammer hindurch erstrecken­ den ersten Heizlampen bekannt. Die erste Kammer ist auf ihrer inneren Oberfläche mit einem reflektierenden Überzug versehen. Die aus der US 45 33 820 bekannte Vorrichtung weist ferner eine längs einer zweiten Seite des Substrats angeordnete zweite Kammer auf, durch die sich mehrere zweite Heizlampen hindurch erstrecken. Dabei sind die zweiten Heizlampen par­ allel zu den ersten Heizlampen angeordnet. Eine derartige Anordnung der Heizlampen bewirkt allerdings eine über den Substratquerschnitt ungleichmäßige Erwärmung des Substrats mit einer riffelartigen Wärmefeldstruktur, wenn das Substrat während des Heizvorgangs nicht bewegt wird. Gemäß der US 45 33 820 ruht das Substrat während des Heizvorgangs.

Aus der US 40 81 313 ist eine weitere Vorrichtung zum Heizen oder Erwärmen eines scheibenförmigen Substrats bekannt, bei der zwei Gruppen von Heizlampen verwendet werden. Die gemäß der US 40 81 313 zu verwendenden Heizlampen sind jedoch nicht langgestreckt, sondern haben die Form normaler Glühlampen. Das Substrat kann in der Vorrichtung gemäß der US 40 81 313 zwar auch gedreht werden, jedoch nur so, daß die beiden Seiten des Substrats jeweils wechselnd der einen oder der anderen Heiz­ lampengruppe zugewandt sind und darüber hinaus eine Seite des Substrats ständig durch Wände von der unmittelbaren Bestrah­ lung abgehalten wird, woraus eine ungleichmäßige Substrater­ wärmung resultiert.

Es besteht daher ein Bedarf an einer Vorrichtung, die eine Scheibe, speziell eine Halbleiterscheibe, rasch und gleichmäs­ sig zu erhitzen vermag, und die insbesondere eine Aufnahmevor­ richtung und/oder eine Scheibe von kleiner thermischer Masse in einer axial symmetrischen Umgebung gleichmäßig aufheizen kann.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zum Heizen oder Erwärmen eines scheibenförmigen Substrats bereit­ zustellen, die eine gegenüber dem Stand der Technik verbes­ serte Gleichmäßigkeit der Substraterwärmung gewährleistet.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe gelöst durch eine Vorrich­ tung nach Anspruch 1.

Vorteilhafte und bevorzugte Ausführungsformen der erfindungs­ gemäßen Vorrichtung sind Gegenstand der Ansprüche 2 bis 5.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand von Figuren beschrieben. Es zeigt:

Fig. 1 die schematische Darstellung der Gasströmung gegen ein Substrat zwecks Erzeugung eines axial symmetri­ schen Flusses,

Fig. 2 eine perspektivische Ansicht der einen Kammer des Reaktors, die mit hindurchgehenden Heizlampen ausge­ rüstet ist,

Fig. 3 eine schematische Querschnittsansicht einer Konfigu­ ration zum gleichmäßigen Beheizen einer Substrat- Suszeptor-Kombination, die Heizlampen oberhalb und unterhalb der Kombination aufweist, wobei die Kon­ figuration gemäß dieser Figur nicht Gegenstand der Erfindung ist,

Fig. 4 eine schematische Querschnittsansicht, die eine Konfiguration zeigt, bei der eine Substrat-Suszep­ tor-Kombination durch eine Gruppe von Lampen ober­ halb von dieser und durch reflektierte Energie von der anderen Seite der Kombination her beheizt wird,

Fig. 5 die perspektivische Ansicht einer unterschiedlichen weiteren Konfiguration einer Heizkammer mit sich durch diese hindurch erstreckenden Heizlampen, und

Fig. 6 eine schematische Querschnittsansicht, die die Kon­ figuration wiedergibt, bei der eine Substrat-Suszep­ tor-Kombination durch eine Vielzahl von Lampen mit zugehörigen parabolischen und ebenen Reflektoren beheizt wird, wobei die Konfiguration gemäß dieser Figur nicht Gegenstand der Erfindung ist.

Die Fig. 1 zeigt die allgemeine Konfiguration für eine axial symmetrische, epitaxiale Abscheidung. Bei der bevorzugten Ausführungsform besteht die Technik darin, daß ein die Ab­ scheidematerialien enthaltendes oder führendes Gas mit einer gleichmäßigen Geschwindigkeit senkrecht zu der Kombination aus dem Substrat 10 und dem dieses tragenden Suszeptor 15, der auch als Aufnahme- oder Haltevorrichtung bezeichnet werden kann, gerichtet und zugeführt wird. Mit einer nicht darge­ stellten Vorrichtung wird das Gas von der Kante der kreisför­ migen Substrat-Suszeptor-Kombination weggeleitet, und das Ergebnis ist eine Konfiguration für eine chemische Reaktion, die allgemein als Staupunktströmungs-Konfiguration bezeichnet wird. Mit "Staupunktströmung" ist eine Gasströmung gegen ein kreisförmiges Substrat gemeint, die eine gleichmäßige Tempera­ tur und eine gleichmäßige Geschwindigkeitskomponente gegen das Substrat in einem vorbestimmten Abstand hat.

Die Fig. 2 gibt in perspektivischer Ansicht eine Kammer 49 eines Reaktors wieder, durch die Heizlampen 50 hindurchgehen. Bie dieser Ausführungsform ist die Heizkammer 49 kreisrund.

Die Fig. 3 zeigt eine allgemeine Struktur eines Reaktors zum Beheizen oder Erhitzen des Substrats 10 und des zugehörigen Suszeptors 15, wobei die in Fig. 3 dargestellte Reaktorstruk­ tur nicht Gegenstand der Erfindung ist. Die in dieser Quer­ schnittsdarstellung wiedergegebene Vorrichtung ist nicht vollständig. Es fehlen z. B. die Vorrichtung zum Erzeugen der gleichförmigen oder gleichmäßigen Gasströmung in Richtung gegen das Substrat sowie die zum Tragen des Substrats nötigen Strukturen oder Bauteile. Wiedergegeben sind jedoch die sich auf das Beheizen oder Erwärmen des Suszeptors 15 und des Substrats 10 beziehenden Teile der Vorrichtung. Der Reaktor besteht aus zwei kreisförmigen Kammern 49, von denen sich eine oberhalb und eine unterhalb der Substrat-Suszeptor-Kombination befindet. Der Zweck der Reaktorkonfiguration besteht darin, eine Umgebung zu schaffen, die so weit, wie dies möglich ist, für das Substrat und den zugehörigen Suszeptor eine gleichför­ mige Strahlung bewirkt. Wenn die Strahlung gleichmäßig ist, wird die Temperatur der Substrat-Suszeptor-Kombination in dem Mäße gleichmäßig sein, daß auch Wärmeverluste gleichmäßig sind. Der obere Teil hat einen kreisrunden Oberflächenbereich mit einem zylindrischen Seitenteil. Durch den zylindrischen Teil der Kammer 49 hindurch sind eine Reihe von parallelen Heizlampen 50 eingefügt. Die Oberfläche der oberen Kammer ist mit einem diffusen reflektierenden Material überzogen, z. B. mit einer Goldplattierung, und die Seiten der Kammer sind mit einem diffusen oder spiegelnden reflektierenden Material überzogen. Bei dieser Ausführung ist die untere Kammer 49 gleich oder ähnlich der oberen Kammer mit der Ausnahme, daß die Lampen 15 im wesentlichen senkrecht zu den Lampen in der oberen Kammer angeordnet sind. Der Boden und die Seitenflächen der Kammer 60 weisen Überzüge auf, die zu den für die obere Kammer beschriebenen gleich sind. Zwischen den beiden Kammern befindliche Öffnungen 71, die zum Einführen von Gas in den Hohlraum sowie für andere Funktionen verwendet werden, sind wesentlich, weil dieser Bereich kühl ist und die Tendenz hat, ungleichmäßige Wärmeverluste vom Umfang des Substrats her hervorzurufen.

Bei der erfindungsgemäßen Ausführungform gemäß Fig. 4 hat, die obere Kammer 49 eine ähnliche Konfiguration wie die obere Kammer der Ausführungsform gemäß Fig. 2. Die Lampen 50 der oberen Kammer sind vorhanden, das diffuse reflektierende Material 52 ist auf die obere Fläche aufgebracht und die Seitenflächen können entweder einen diffusen oder einen spie­ gelnden reflektierenden Überzug 53 aufweisen. Unter der oberen Kammer befindet sich eine zweite Kammer 61. Die Kammer 61 weist eine Oberfläche 54 auf, die an der Seite und einem Teil des Bodens mit einem diffusen Reflektormaterial überzogen ist, das z. B. ein Reflexionsvermögen in der Größenordnung von 0,95 aufweist. In der Mitte des kreisrunden Bodenteiles der Kammer befindet sich ein kreisförmiger Bereich 55, der einen diffus reflektierenden Überzug hat, dessen Reflexionsvermögen gerin­ ger ist als dasjenige der anderen Teile, wobei das Refle­ xionsvermögen bei der beschriebenen speziellen Konfiguration in der Größenordnung von 0,8 liegt. Die untere Kammer 61 wird dafür benützt, die Substrat-Suszeptor-Kombination unter Ver­ wendung von Strahlung von der oberen Kammer her zu beheizen. Auch hier ist wieder ein Durchlaß 71 vorhanden, der zu einem ungleichmäßigen Strahlungsfeld führt.

Die Fig. 5 zeigt eine unterschiedliche Konfiguration für die Heizkammern. Bei dieser Ausführungsform ist die Kammer 49 im wesentlichen rechteckig bzw. quadratisch. Auch hier sind wieder Heizlampen 50 durch die Kammer hindurch eingesetzt, um die Beheizung der Substrat-Suszeptor-Kombination durch Strah­ lung zu bewirken. Diese Konfiguration hat den Nachteil, daß die Symmetrie der Substrat-Suszeptor-Kombination in der Kam­ merkonfiguration nicht vorhanden ist. Es wurde aber gefunden, daß trotz des Fehlens der axialen Symmetrie diese Konfigura­ tion eine gleichmäßige Beheizung der Substrat-Suszeptor-Kom­ bination ergeben kann.

Die Fig. 6 zeigt eine weitere Ausführungsform einer Vorrich­ tung zum Beheizen einer Substrat-Suszeptor-Kombination, die zwar eine rechteckige Kammerkonfiguration gemäß Fig. 5 be­ nutzt, jedoch in der Form wie dargestellt nicht Gegenstand der Erfindung ist. Bei der Vorrichtung gemäß Fig. 6 wird die von den Heizlampen 50 ausgesandte Strahlung durch Parabol-Reflek­ toren 53 reflektiert. In der Praxis können die Parabol-Reflek­ toren durch andere geometrische Oberflächen-Konfigurationen angenähert werden. Der Parabol-Reflektor richtet die reflek­ tierte Strahlung parallel, wodurch die Gleichmäßigkeit der auf ausgewählte Bereiche der Substrat-Suszeptor-Kombination auf­ treffenden Strahlung vergrößert wird. Wie bei der in Fig. 3 dargestellten Ausführungsform sind die Heizlampen in der unteren Kammer im wesentlichen senkrecht zu den Heizlampen der oberen Kammer angeordnet, um etwas von der Strukturierung, die die auf die Substrat-Suszeptor-Kombination auftreffende Strah­ lung aufgrund der Verwendung von diskreten Wärmequellen er­ hält, auszumitteln. Wie für die obere Kammer dargestellt, können die Parabol-Reflektoren für die inneren Heizlampen der Kammer durch eine Ebene ersetzt werden. Zusätzlich dazu können die äußeren Parabol-Reflektoren der Reflektorgruppe so ausge­ rüstet sein, daß die Reflektoren geneigt werden können, womit eine zusätzliche Steuerungsmöglichkeit für die Umgebung der Substrat-Suszeptor-Kombination geschaffen wird.

Die Funktion der Kammern des epitaxialen Reaktors besteht darin, von der Perspektive des Substrats und des zugehörigen Suszeptors her einen Hohlraum zu schaffen, der ein gleichmäßiges Strahlungsfeld zum Beheizen der Substrat- Suszeptor-Kombination aufweist. Wegen der Notwendigkeit, das Gas mit den Abscheidematerialien einzuführen und abzu­ führen, sowie wegen der Notwendigkeit, die Substrat-Sus­ zeptor-Kombination selbst einzubringen und zu entfernen, kann der Reaktor wegen der erforderlichen Ausnehmungen zum Erfüllen dieser zugehörigen Funktionen keine wirklich gleichmäßige Strahlungsquelle haben. Die Öffnung 71 kann daher bei den Bemühungen, eine Umgebung gleichmäßiger Tem­ peratur für die Substrat/Suszeptor-Kombination zu schaf­ fen, kritisch sein, weil die Temperaturverluste durch die Öffnung hindurch die Kombination nicht gleichmäßig kühlen. Die Bereiche, die keine Strahlungsquelle enthalten, können jedoch relativ schmal gemacht werden. Die Bereiche, in denen eine Strahlungsquelle fehlt, sind dem Umfang der Substrat- Suszeptor-Kombination nächstgelegen. Um diese Ungleich­ mäßigkeit im Strahlungsfeld zu korrigieren, können die endseitigen Lampen der Reihe 50 mit eine höhere Tempera­ tur und damit eine höhere Strahlungsintensität hervor­ rufenden höheren Energieniveaus als die anderen Heizlampen betrieben werden. Diese zusätzliche Beheizung kann die sonst niedrigere Strahlungsintensität am Umfang des Sub­ strats kompensieren. Die Schaffung einer axial gleichmäßi­ gen Strahlung kann des weiteren dadurch begünstigt wer­ den, daß die Heizlampen in der unteren Kammer unter einem großen Winkel, vorzugsweise 90°, bezüglich der Lampen in der oberen Kammer angeordnet werden. Außerdem wird zur Schaffung einer gleichmäßigeren thermischen Umgebung an den verschiedenen Teilen der Kammer ein diffuser Reflek­ tor im Unterschied zu den Parabol-Reflektoren angeordnet, um so weit wie möglich einen konstanten Temperaturbereich - von jedem Bereich des Substrats aus gesehen - zu schaffen. Außerdem kann die Substrat-Suszeptor-Kombination durch eine nicht dargestellte Vorrichtung gedreht werden, um jegliche Abweichungen von der Einhaltung einer Umgebung gleichmäßiger Temperatur für die Substrat-Suszeptor-Kom­ bination weiter auszumitteln.

Bei der Ausführungsform gemäß Fig. 4 ist nur die obere Kammer mit Wärme erzeugenden Lampen versehen. Die untere Kammer erzeugt Energie nicht direkt, sondern reflektiert Energie, die aus der oberen Heizkammer stammt. Durch Computersimulation wurde gefunden, daß es zur Erzielung einer gleichförmigen Temperatur bei dieser Konfiguration nötig ist, über einen Bereich 55 mit einem Reflexionsver­ mögen zu verfügen, das einen Zwischenwert hat. Der Bereich 55 bewirkt, daß das Zentrum der Substrat-Suszeptor-Kombi­ nation im Vergleich zum Umfang eine reflektierte Strahlung von niedrigerer Intensität empfängt und so die oben be­ sprochene ungleichmäßige Strahlung kompensiert wird. Wie oben erwähnt, enthalten die Bereiche 54 einen diffusen Reflektor mit einem Reflexionsvermögen in der Größen­ ordnung von 0,95, während der Bereich 55 einen diffusen Reflektor mit einem Reflexionsvermögen von Durchmesser des Bereichs 55 beträgt etwa 2/3 des Durchmessers der Suszeptor-Substrat-Kombination. Diese Beziehung ist je­ doch eine Funktion der Größe des Substrats, des Abstandes zwischen dem Substrat und der reflektierenden Oberfläche und weiterer struktureller Dimensionen.

Es ist offensichtlich, daß zusätzliche thermische Energie in den Außenbezirken der Kammer durch eine größere Dichte von Lampen in dem äußeren Bereich erhalten werden kann. Des weiteren kann die Dimension der Kammer ausgedehnt werden, so daß die Öffnung 71 einen kleineren Einfluß auf das un­ gleichmäßige Feld hat, das die Substrat/Suszeptor-Kombina­ tion empfindet. Die Verwendung rechteckiger bzw. quadra­ tischer Heizkammern schafft eine Situation, bei der die Ecken der Heizkammer eine größere effektive Kammer ergeben und den Einfluß der Öffnung 71 vermindern können.

Dem Fachmann ist es bekannt, daß verschiedene, mit dem Substrat in Wechselwirkung tretende Gase im wesentlichen eingeschlossen sein müssen, während sie in der Nähe des Substrats fließen. Der Einschluß kann durch Materialien wie Quarz bewirkt werden, die einen großen Teil der Strahlung durchlassen. Die Eigenschaften von Quarz oder anderweitigen Einschlußmaterialien, wie die Absorbtions- oder Emissions-Charakteristiken, müssen bei der Bestim­ mung der thermischen Umgebung der Substrat/Suszeptor-Kom­ bination jedoch in Betracht gezogen werden.

Claims (5)

1. Vorrichtung zum Heizen oder Erwärmen eines scheibenförmigen Substrats (10) mit

• - einer längs einer ersten Seite des Substrats (10) ange­ ordneten ersten Kammer (49),
• - mehreren sich durch die erste Kammer (49) hindurch er­ streckenden ersten Heizlampen (50),
• - einem reflektierenden Überzug auf einer inneren Oberflä­ che der ersten Kammer (49) und
• - einer längs einer zweiten Seite des Substrats (10) an­ geordneten zweiten Kammer (61), deren innere Oberfläche ein hohes Reflexionsvermögen hat,

dadurch gekennzeichnet, daß ein der zweiten Seite des Substrats (10) gegenüberliegen­ der, kreisförmiger Bereich (55) der inneren Oberfläche der zweiten Kammer (61) ein Reflexionsvermögen hat, das gerin­ ger ist als das Reflexionsvermögen der restlichen inneren Oberfläche der zweiten Kammer (61).

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Kammer (49) und die zweite Kammer (49, 61) in ihrem Grundriß jeweils rechteckig oder quadratisch sind.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in der mit Heizlampen versehenen ersten Kammer (49) randseiti­ ge Heizlampen (50) mit einer höheren Strahlungsintensität betrieben werden als zentrale Heizlampen (50).

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die mit Heizlampen versehene erste Kammer (49) in ihren Außenbezirken eine größere Heizlampendichte aufweist als in ihrem Zentralbereich.

5. Vorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Einrichtung zum Drehen des Substrats (10).