DE4446992B4 - Vorrichtung zum Abscheiden von Schichten auf Substraten - Google Patents

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Abstract

Vorrichtung zum Abscheiden von Schichten aus der Gasphase auf einem Substrat, mit einem horizontalen, beheizbaren Reaktor, in dem ein aus Quarz bestehender, kühlbarer Substrathalte-Träger (1) und ein aus einem bis über 1100°C temperaturfesten, elektrisch leitenden Material bestehender heizbarer Substrathalter angeordnet sind, der durch einen ihn anhebenden Gasstrom vom Substrathalte-Träger isoliert ist.

Description

  • Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum Abscheiden von Schichten aus der Gasphase auf einem Substrat, mit einem beheizbaren horizontalen Reaktor, in dem ein Substrathalte-Träger und ein Substrathalter angeordnet sind.
  • Derartige Vorrichtungen werden beispielsweise zur Herstellung von Halbleitermaterialien, wie z. B. III/V-Halbleitern oder II/VI-Halbleitern, oder supraleitenden Materialien eingesetzt. Auch die Herstellung epitaktischer Schichten auf Substraten wird durch eine solche Vorrichtung ermöglicht.
  • Zur Herstellung von den oben genannten Materialien werden verschiedene Methoden angewendet. Diese sind z. B. Molekularstrahlepitaxie (MBE), Chemical Vapour Deposition (CVD), Laserablation, RF-Magnetronsputtern und andere. Bei allen Methoden ist es allerdings notwendig, einen Substrathalter vorzusehen, der heizbar ist, um ein möglichst gutes Schicht- bzw. Kristallwachstum zu erzielen.
  • Bekannte Heizungsvorrichtungen sind beispielsweise Widerstandsdrahtheizungen, Elektronenstrahlheizungen und Infrarotlicht-Heizungen. Heizungen, bei denen elektrische Ströme verwendet werden, haben jedoch allgemein den Nachteil, dass die verwendeten Ströme elektrische und magnetische Felder erzeugen, die den Materialauftrag auf das Substrat beeinflussen. So erzeugen inhomogene Felder z. B. ungleichmässig dicke Aufdampfschichten oder lokal inhomogene Stöchiometrien des aufgedampften Materials.
  • Neben der Frage nach der optimalen Heizung muss zudem auch die Materialfrage bezüglich aller im Reaktor vorzusehenden Komponenten geklärt sein. So sind die Substrathalter, Substrathalteträger und alle weiteren am Abschei deprozess relevanten Komponenten aus Materialien zu fertigen, die den hohen Betriebstemperaturen während des Abscheideprozesses Stand halten.
  • Seit einiger Zeit werden verstärkt Materialien eingesetzt, zu deren Herstellung Temperaturen von mehr als 1100°C erforderlich sind. Für Temperaturen von mehr als 1100°C sind Vorrichtungen aus Quarz nicht geeignet. Deshalb sind für die Herstellung dieser Materialien Vorrichtungen entwickelt worden, die vollständig aus einem Material bestehen, das bei Temperaturen von mehr als 1100°C eingesetzt werden kann. Beispiele für derartige Materialien sind Graphit oder SiC. Graphit hat den Vorteil, dass er einfach zu bearbeiten ist.
  • Nachteilig ist jedoch, dass Graphit bei Temperaturen von mehr als ca. 600°C mit Sauerstoff reagiert. SiC hat den Vorteil, dass es auch bei Temperaturen von mehr als 1100°C nicht mit Sauerstoff reagiert, die Bearbeitung von SiC ist jedoch schwierig.
  • Aus der US 5,062,386 ist eine Vorrichtung zum Abscheiden von Schichten aus der Gasphase auf einem Substrat mit einem Reaktor bekannt, indem ein Substrathalte-Träger und ein Substrathalter angeordnet sind, wobei der Substrathalter zum Abscheiden von Schichten bei hoher Temperatur aus einem temperaturfesten leitenden Material, nämlich einem siliciumkarbidbeschichteten Graphit besteht. Der Substrathalteträger besteht aus Quarz.
  • Aus der US 5,177,87 A ist eine Vorrichtung bekannt, bei der der Substrathalter Öffnungen aufweisen kann, aus denen ein heißes Gas strömen kann. Das oberhalb dieser Öffnungen liegende Substrat wird von dem Gasstrom angehoben und geheizt.
  • Aus der US 4,647,369 ist eine Vorrichtung bekannt, bei der in einem Heizungsgehäuse mehrere spiralförmige Heizwicklungen angeordnet sind.
    •
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die bekannte Vorrichtung hinsichtlich der thermischen Isolierung des Substrathalters vom Substrathalte-Träger zu verbessern.
  • Gelöst wird die Aufgabe durch die in den Ansprüchen angegebene Erfindung.
  • Die erfindungsgemässe Vorrichtung zum Abscheiden von Schichten bei Temperaturen von 1100°C und mehr weist einen Substrathalter aus einem hochtemperaturfesten leitenden Material, wie Graphit oder SiC, und einen Substrathalte-Träger aus Quarz auf, der kühlbar ist.
  • Der Substrathalter kann in an sich bekannter Weise aufgebaut sein und ist durch einen Gasstrom gegenüber dem Substrathalte-Träger anhebbar und ggf. drehbar. Insbesondere kann das Anheben und/oder Drehen mittels "gas-foilrotation" erfolgen. Darüber hinaus sind Substrathalter und Substrathalte-Träger gegeneinander thermisch isoliert.
  • Die Heizung des Substrathalters erfolgt in der nachfolgend beschriebenen Weise: Nach Anspruch 2 ist der Substrathalter mittels Widerstandsheizung beheizbar. Alternativ sind induktive oder rf-induktive Heizsysteme am Substrathalter vorzusehen. Ferner sieht Anspruch 4 eine Hochfrequenzheizung zur Heizung des Substrats vor. Hierzu ist wenigstens eine spiralförmige Flachspule direkt unter dem Substrathalter anzubringen. Diese Ausbildung hat den Vorteil, dass bei kompakten Abmessungen ein effizienter Energieeintrag erfolgt.
  • Die erfindungsgemäße Vorrichtung hat den weiteren Vorteil, daß es problemlos möglich ist, sie so zu gestalten, daß die Wärmekapazität des Substrathalters und des Substrats so gering ist, daß die Aufheizrate größer als 10°C/sec ist. Bei gänzlich aus Quarz oder SiC bestehenden Vorrichtungen wäre es dagegen nicht möglich, die Wärmekapazität so gering zu halten.
  • Da bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung der Substrathalter bei Temperaturen betrieben wird, die weit über der Einsatztemperatur von Quarz liegen, ist es besonders bevorzugt, wenn der Substrathalter auch während der Aufheizphase abgehoben und gedreht wird. Damit kann auch während der Aufheizphase und gegebenenfalls während der Abkühlphase der aus Quarz bestehende Substrathalte-Träger nicht geschädigt werden.
  • Wie bereits ausgeführt, hat die erfindungsgemäße Vorrichtung den Vorteil, daß mit Ausnahme des aus einem hochtemperaturfesten Material bestehenden Substrathalters alle Teile aus nicht hochtemperaturfesten Materialien bestehen können. Insbesondere ist es bevorzugt, wenn das Reaktorrohr in an sich bekannter Weise aus Quarz besteht. Damit können für die erfindungsgemäße Vorrichtung Reaktorrohre verwendet werden, wie sie für bekannte Vorrichtungen standardmäßig hergestellt werden.
  • Desweiteren befinden sich erfindungsgemäß innerhalb der Substrathalte-Träger wenigstens zwei Flachspulen, an die ein Wechselfeld oder eine Wechselspannung angelegt ist.
  • Die Flachspulen bestehen aus einem elektrisch leitenden Material, wie z.B. Kupfer oder Nichrothal, also eine Nickel-Chrom Legierung oder ein anderes geeignetes Material. Auch hier sollte das Material den Ansprüchen der gewünschten Temperaturbereiche genügen.
  • Durch die erfindungsgemäße Anordnung der Flachspulen ist es nunmehr möglich, den Substrathalter induktiv zu heizen, wobei ein relativ homogenes Feld am Substrathalter erzeugt wird.
  • Als weitere Heizungsvarianten sind hier die RF-Induktion, die Wechselstromwiderstandsdraht-Heizung oder auch die Gleichstromwiderstandsdraht-Heizung zu nennen. Im letzten Fall sollte, um ein homogenes Feld zu erhalten, darauf geachtet werden, daß die Polaritäten der elektrischen Anschlüße entsprechend gewählt wird.
  • Vorteilhafterweise sind wenigstens 2 Flachspulen zu verwenden, um ein homogenes Feld zu erhalten. Je mehr Flachspulen eingesetzt werden, um so homogener wird das Feld. Allerdings, wird bei zu vielen Flachspulen der Aufbau störanfällig und kostenintensiv. Außerdem werden dann immer kleinere Komponenten benötigt, die leicht brechen oder deformierbar sind und deren Justage aufwendiger wird. Eine optimale Anzahl von Flachspulen beträgt zwischen 3 und 5. Besonders bevorzugt sind 4 Flachspulen.
  • Ferner ist zur Ausbildung und Nachjustierung einer homogenen Temperaturverteilung innerhalb der Abscheidevorrichtung die Möglichkeit vorgesehen, die einzelnen Flachspulen relativ zueinander räumlich auszurichten. Ebenso ist es möglich die Spulengeometrie jeder einzelnen Flachspule an die einzelnen Verhältnisse aunzupassen. Durch geeigneten Eintrag der Hochfrequenzleistung bzw. Einkopplung in die Substrathalter kann darüberhinaus ein optimales Temperaturprofil eingestellt werden.
  • Vorteilhafterweise sind für jede Flachspule einzelne HF-Generatoren vorgesehen, wodurch eine einzelne, gezielte Anpassung der elektrischen Verhältnisse pro Spule vornehmbar ist. Alternativ ist ein zentraler HF-Generator für die Ansteuerung der Flachspulen vorgesehen.
    •
  • Eine erfindungsgemäße Ausfürhungsform die Heizvorrichtung betreffend wird nachstehend ohne Beschränkung des allgemeinen Erfindungsgedankens anhand eines Ausführungsbeispieles unter Bezugnahme auf die Zeichnung exemplarisch beschrieben, auf die im übrigen bezüglich der Offenbarung aller im Text nicht näher erläuterten erfindungsgemäßen Einzelheiten ausdrücklich verwiesen wird. Es zeigt:
  • 1: Eine erfindungsgemäßer Substrathalte-Träger in der Aufsicht.
  • 1 zeigt einen erfindungsgemäßen Substrathalte-Träger 1, der vier Flachspulen 2 aufweist. Die Flachspulen 2 sind konzentrisch angeordnet. Es wurde versucht, die Flachspulen 2 möglichst mit hoher Symmetrie auszustatten.
  • Die elektrischen Anschlüsse 3 und 4 liegen am Rand des Trägers 1. Ein Teil der Leitung 5 der Flachspule 2 liegt verdeckt durch den oberen Teil und verbindet die Mitte der Flachspule 2 mit dem elektrischen Anschluß 3.

Claims (14)

  1. Vorrichtung zum Abscheiden von Schichten aus der Gasphase auf einem Substrat, mit einem horizontalen, beheizbaren Reaktor, in dem ein aus Quarz bestehender, kühlbarer Substrathalte-Träger (1) und ein aus einem bis über 1100°C temperaturfesten, elektrisch leitenden Material bestehender heizbarer Substrathalter angeordnet sind, der durch einen ihn anhebenden Gasstrom vom Substrathalte-Träger isoliert ist.
  2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Substrathalter mittels Widerstandsheizung beheizbar ist.
  3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Substrathalter induktiv oder rf-induktiv beheizbar ist.
  4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zur Heizung des Substrats eine Hochfrequenzheizung vorgesehen ist.
  5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Hochfrequenzheizung wenigstens eine spiralförmige Flachspule (2) weist, die direkt unter dem Substrathalter angeordnet ist.
  6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmekapazität des Substrathalters und des Substrats so gering ist, dass die Aufheizrate größer als 10°C/s ist.
  7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Reaktorrohr aus Quarz besteht.
  8. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die zur Heizung vorgesehenen Flachspulen (2) ein homogenes elektrisches und/oder magnetisches Feld erzeugen.
  9. Vorrichtung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Substrathalte-Träger (1) mindestens zwei Flachspulen (2) aufweist.
  10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die zur Heizung vorgesehenen Flachspulen (2) ein homogenes elektrisches und/oder magnetisches Feld erzeugen.
  11. Vorrichtung nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass drei, (21 vier oder fünf Flachspulen (2) vorgesehen sind.
  12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Heizung induktiv oder rf-induktiv erfolgt.
  13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Flachspulen (2) am Substrathalter-Träger (1) beweglich angebracht sind, so dass die räumliche Anordnung der Flachspulen untereinander sowie die Ausbildung der einzelnen Flachspulen veränderbar sind.
  14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Hochfrequenzeinspeisung an den Flachspulen (2) mit einem einzigen zentralen HF-Generator oder für jede Flachspule einzeln vorgesehenen HF-Generator erfolgt.
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