DE60317932T2

DE60317932T2 - Halterungssystem für eine behandlungsvorrichtung

Info

Publication number: DE60317932T2
Application number: DE60317932T
Authority: DE
Inventors: Natale Speciale; Gianluca Valente; Danilo Crippa; Franco Preti
Original assignee: E T C Epitaxial Tech Center Srl
Current assignee: E T C Epitaxial Tech Center Srl
Priority date: 2002-12-10
Filing date: 2003-06-11
Publication date: 2008-11-27
Anticipated expiration: 2023-06-12
Also published as: DE60231256D1; ATE380263T1; DE60317932D1; EP1570108B1; KR20050085503A; EP1570108A1; ATE423226T1; US20060054091A1; WO2004053189A1; EP1581667B1; CN1714169A; WO2004053188A1; AU2003242999A1; US20060118048A1; AU2002368439A1; US7615121B2; EP1581667A1; CN1708602A; US7387687B2; JP2006509363A

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Halterungssystem für eine Einrichtung jener Art, die zur Behandlung von Substraten und/oder Wafern ausgebildet ist, gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Um integrierte Schaltungen herzustellen, ist es erforderlich, Substrate und/oder Wafer zu behandeln; diese werden auch zur Herstellung einfacher elektronischer und optoelektronischer Bauelemente verwendet; sie können aus einem einzelnen Material (Halbleiter oder Isolator) oder aus mehreren Materialien (Leiter, Halbleiter, und Isolator) hergestellt werden; der Begriff "Substrat" und der Begriff "Wafer" bezeichnen in der Praxis häufig dasselbe, nämlich ein dünnes Element, das sehr häufig scheibenförmig ist (bei Solarzellen ist es quadratisch); der erstgenannte Begriff wird normalerweise verwendet, wenn das Element hauptsächlich nur zum Haltern von Schichten oder Strukturen aus Halbleitermaterial dient; der letztgenannte Term wird normalerweise in allen anderen Fällen verwendet.
Es gibt Behandlungen nur mit Wärme und chemisch/physikalische Behandlungen, bei welchen eine Erwärmung vorhanden ist.
Normalerweise werden für das Epitaxiewachstum von Halbleitermaterialien (Si, Ge, SiGe, GaAs, AlN, GaN, SiC, ...) auf Substraten hohe Temperaturen benötigt, wenn die Qualität des aufgewachsenen Materials für elektronische Anwendungen geeignet sein soll. Beispielsweise Halbleitermaterialien wie beispielsweise Silizium werden bei Temperaturen typischerweise von 1000°C bis 1200°C verwendet. Bei Halbleitermaterialien wie Siliziumkarbid werden sogar noch höhere Temperaturen benötigt; insbesondere werden Temperaturen typischerweise von 1500°C bis 1800°C für Siliziumkarbid eingesetzt.
Ein Reaktor für das Epitaxiewachstum von Siliziumkarbid oder ähnlichen Materialien benötigt daher unter anderem ein System, welches Wärme erzeugt, damit diese Temperaturen im Inneren einer Reaktionskammer erreicht werden können; selbstverständlich ist es wünschenswert, dass das System Wärme nicht nur wirkungsvoll, sondern auch wirksam erzeugt. Aus diesen Gründen werden Reaktionskammern mit heißen Wänden in Reaktoren dieser Arten eingesetzt.
Eines der geeignetsten Verfahren zum Erwärmen der Wände einer Reaktionskammer ist jenes Verfahren, das auf elektromagnetischer Induktion beruht; ein Element, das aus leitfähigem Material besteht, eine Induktivität, und ein elektrischer Wechselstrom (mit einer Frequenz typischerweise zwischen 2 kHz und 20 kHz) werden bereitgestellt, der elektrische Strom wird zum Fließen durch die Induktivität veranlasst, damit ein variables Magnetfeld erzeugt wird, und das Element wird so angeordnet, dass es in das variable Magnetfeld eingetaucht ist; die elektrischen Ströme, die in dem Element induziert werden, infolge des variablen Magnetfeldes, führen zu einer Erwärmung des Elements infolge des Joule-Effekts, ein Heizelement dieser Art wird als ein Suszeptor bezeichnet, und kann auch direkt als eine Wand der Reaktionskammer verwendet werden, wenn geeignete Materialien verwendet werden.
Induktionsheizung ist auch weit bei Reaktoren mit kalten Wänden verbreitet; in diesem Fall ist jenes Element, das durch Induktion erwärmt wird, die Halterung für die Substrate.
Ein Epitaxiewachstumsreaktor macht es auch erforderlich, dass die Reaktionskammer thermisch gegenüber der Außenumgebung isoliert ist, insbesondere um Wärmeverluste zu begrenzen, und gut abgedichtet ist, einerseits, um zu verhindern, dass die Reaktionsgase verteilt werden und die Außenumgebung verunreinigen, und andererseits, um zu verhindern, dass die Gase aus der Außenumgebung eindringen und die Reaktionsumgebung verunreinigen.
Bei einer Einrichtung zur Behandlung von Substraten und/oder Wafern, und insbesondere bei Epitaxiereaktoren ist es relativ üblich, die Substrathalterung zu drehen; diese Drehung wird normalerweise mit Hilfe einer Antriebseinrichtung hervorgerufen, die außerhalb der Behandlungskammer angeordnet ist, und eine Drehbewegung auf die Halterung über eine geeignete Übertragungsvorrichtung ausübt. Die Drehrate der Halterung liegt immer im Bereich von 1 Umdrehung pro Minute bis 100 Umdrehungen pro Minute, und liegt normalerweise zwischen 6 Umdrehungen pro Minute und 30 Umdrehungen pro Minute.
Dieses Verfahren zum Drehen arbeitet gut, hat jedoch den Nachteil, dass entweder Übertragungsvorrichtungen benötigt werden, welche der Umgebung der Behandlungskammer widerstehen können, oder Dichtungsvorrichtungen, welche die Übertragung einer Drehbewegung ermöglichen, oder beides; diese Anforderungen sind noch schwieriger bei Reaktoren für das Wachstum von Materialien wie beispielsweise Siliziumkarbid zu erfüllen, infolge der sehr hohen Temperaturen.
Zur Lösung dieses Problems wurde die Verwendung eines unterschiedlichen Drehverfahrens auf Grundlage des Einsatzes eines fließenden Gases überlegt.
Eine Einrichtung zur Wärmebehandlung von Wafern ist aus dem US-Patent 4,667,078 bekannt; in dieser Einrichtung wird der Wafer von seinem Sitz direkt durch einen oder mehrere Gasflüsse angehoben, bleibt in der Atmosphäre der Behandlungskammer direkt durch die Gasflüsse aufgehängt, wird direkt durch geeignet gerichtete Gasflüsse gedreht, und wird durch Mikrowellenstrahlung erwärmt.
Sich drehende Halterungssysteme für Substrate, die für mehrere (nicht weniger als drei) Gasflüsse sorgen, zum direkten Anheben einer Halterung für scheibenförmige Substrate, sind aus dem US-Patent 4,860,678 bekannt; ein oder mehrere Gasflüsse werden direkt dazu verwendet, die Halterung zur Drehung zu veranlassen, mit Hilfe eines Fluiddynamikantriebs.
Ein sich drehendes Halterungssystem für Substrate, das eine scheibenförmige Anordnung aufweist, die von einer Antriebseinrichtung gedreht wird, mit Hohlräumen zur Aufnahme von vier scheibenförmigen Halterungen für Substrate ist aus dem US-Patent 5,788,777 bekannt; jede der scheibenförmigen Halterungen wird durch zwei Gasflüsse angehoben gehalten, und (wie das Patent angibt) dreht sich um ihre eigene Achse infolge der Tatsache, dass sich die scheibenförmige Anordnung um ihre Achse dreht.
Das Ziel der vorliegenden Erfindung besteht in der Bereitstellung eines sich drehenden Halterungssystems, welches sich von den bekannten Systemen unterscheidet und/oder besser ist als diese.
Dieses Ziel wird durch das Halterungssystem für eine Behandlungseinrichtung mit den im unabhängigen Patentanspruch 1 angegebenen Merkmalen erreicht.
Das Konzept, auf welchem die vorliegende Erfindung beruht, besteht in der Verwendung einer Druckkammer, die mit zumindest einem Gasfluss zum Anheben der Halterung für Substrate und/oder Wafer versorgt wird, um den Fluss von Gas in die Kammer in Drehung der Halterung umzuwandeln.
Vorteilhafte Aspekte der vorliegenden Erfindung sind in den abhängigen Patentansprüchen angegeben.
Die vorliegende Erfindung betrifft auch einen Epitaxiewachstumsreaktor und eine Wärmebehandlungseinrichtung, welche die im unabhängigen Patentanspruch 19 bzw. 20 angegebenen Merkmale aufweisen.
Die Erfindung wird aus der folgenden Beschreibung deutlicher werden, die zusammen mit den beigefügten Zeichnungen überlegt werden soll, bei welchen:
1A, 1B und 1C schematische Querschnittsansichten von drei Varianten einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung sind,
2A und 2B schematische Ansichten einer Drehvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung sind; hierbei ist 2A ein Vertikalschnitt und 2B eine Aufsicht,
3A und 3B schematische axonometrische Ansichten eines Abschnitts der unteren Wand einer Behandlungskammer einer Behandlungseinrichtung sind, die mit einem Gleitstück mit einer drehbaren Scheibe versehen ist, wobei das Gleitstück vollständig eingeführt bzw. entfernt ist,
4 ein detaillierter Vertikalschnitt durch einen Abschnitt der Wand von 3 ist, wobei das Gleitstück vollständig eingeführt ist, und
5 eine Detailaufsicht eines Abschnitts des Gleitstücks von 3 ist, ohne die Scheibe.
Das Halterungssystem gemäß der vorliegenden Erfindung ist speziell ausgebildet zum Einsatz in einer Einrichtung für die Behandlung von Substraten und/oder Wafern; es weist ein ortsfestes Basiselement und eine bewegliche Halterung für zumindest ein Substrat oder zumindest einen Wafer auf, wobei die Halterung drehbar ist, oberhalb des Elements, um eine ortsfeste Achse; es ist eine Kammer vorgesehen, die zwischen dem Element und der Halterung ausgebildet ist, und es ist zumindest eine Rohrleitung für das Einlassen zumindest eines Gasflusses zur Kammer vorhanden, um die Halterung anzuheben; das System weist weiterhin eine Vorrichtung zur Umwandlung des Flusses von Gas in der Kammer in Drehung der Halterung auf.
Der Fluss von Gas in die Kammer (infolge des einen oder mehrerer Gasflüsse) führt zu einer Erhöhung des Drucks in der Kammer, und daher zu einem geringfügigen Anheben der Halterung.
Die Anzahl an Rohrleitungen, und die Anzahl an Flüssen können in Abhängigkeit von der Ausführungsform variieren; es sollte berücksichtigt werden, dass eine einzige Rohrleitung zahlreiche Gasflüsse zur Verfügung stellen kann (die möglicherweise sogar voneinander in Bezug auf die Flussrate verschieden sind), beispielsweise wenn die Rohrleitung verzweigt ausgebildet ist, und mehrere Auslässe vorgesehen sind.
Die Kammer, die zwischen der Halterung und dem Basiselement ausgebildet ist, kann vollständig in dem Basiselement vorgesehen sein, wie in 1A gezeigt, vollständig in der Halterung, wie in 1B gezeigt, oder teilweise in dem Basiselement und teilweise in der Halterung, wie in 1C gezeigt; es wird darauf hingewiesen, dass zwar bei den Beispielen der 1A, 1B und 1C sämtliche Oberflächen des Basiselements und der Halterung im Wesentlichen flach sind (zur Erzielung einer einfachen Konstruktion), die vorliegende Erfindung jedoch in dieser Hinsicht nicht allgemein beschränkt ist.
In den 1 und in den 2 ist das ortsfeste Basiselement mit 1 bezeichnet, die bewegliche Halterung mit 2, die ortsfeste Achse der Drehung der Halterung mit Ax, die Kammer mit CA, und die Rohrleitung mit CO.
Die Vorrichtungen zur Umwandlung des Flusses von Gas in die Kammer in Drehung der Halterung sind in den 1 nicht dargestellt.
Das System setzt zwei unterschiedliche Ausbildungen ein: eine, wenn kein Fluss von Gas in die Kammer vorhanden ist, und die Halterung ortsfest ist, und sich (zumindest teilweise) gegen das Basiselement abstützt, sowie eine, wenn ein Fluss von Gas in die Kammer vorhanden ist, die Halterung in Bewegung ist, also sich dreht, und die Halterung geringfügig gegenüber dem Basiselement angehoben ist.
Es ist vorteilhaft, das Basiselement und die Halterung (jedoch auch den Gaseinlass oder die Gaseinlässe) auf solche Weise auszulegen, dass bei beiden Ausbildungen die Kammer im Wesentlichen geschlossen ist. Dies unterstützt die Stabilität des Systems, und verhindert Schwingungen der Halterung.
Die Umwandlungsvorrichtung kann zumindest einen Rohrleitungsauslass für einen Gasfluss aufweisen; der Auslass öffnet sich in die Kammer und ist so ausgebildet, dass der austretende Gasfluss schräg relativ zur Drehachse der Halterung verläuft. Der Gasfluss trifft daher auf die Oberfläche der Halterung auf, welche die Kammer begrenzt, und überträgt auf die Halterung eine kleine Kraft in Tangentialrichtung (sowie eine kleine Vertikalkraft); da die Halterung geringfügig gegenüber dem Basiselement angehoben gehalten wird, infolge des Drucks in der Kammer, ist selbst eine kleine Kraft in Tangentialrichtung dazu ausreichend, sie zur Drehung zu veranlassen. Dies lässt sich einfach unter Bezugnahme auf die 2 verstehen.
Um die Stabilität der Drehbewegung der Halterung zu verbessern, und Schwingungen zu verhindern, kann die Anzahl an Gasauslässen auf zwei, drei, vier, fünf, sechs, ... erhöht werden.
Ein optimales Ergebnis wird durch Bereitstellung von nur zwei Rohrleitungsauslässen für zwei Gasflüsse erzielt; wenn zwei identische Gasflüsse eingesetzt werden, ist es vorzuziehen, dass sich die Auslässe zur Kammer hin an symmetrischen Orten in Bezug auf die Drehachse der Halterung öffnen, und so ausgebildet sind, dass die beiden austretenden Gasflüsse schräg und symmetrisch in Bezug auf die Drehachse der Halterung verlaufen; das System ist daher gut ausgeglichen, die zwei Gasflüsse können aus zwei Auslässen derselben Rohrleitung herauskommen, oder aus zwei Auslässen von zwei unterschiedlichen Rohrleitungen.
Die Oberfläche der Halterung, welche die Kammer begrenzt, kann perfekt flach und senkrecht zur Drehachse der Halterung sein.
Der Schrägstellwinkel der Gasflüsse liegt vorzugsweise im Bereich von etwa 30° bis etwa 60°; eine optimale Auswahl entspricht einem Winkel von etwa 45°, Winkel, die zu groß sind, verringern die Kraft, welche der Fluss auf die Halterung überträgt, und können auch zu ruckartigen, periodischen Bewegungen der Halterung führen; Winkel, die zu klein sind, erzeugen Gasströme in der Kammer.
Die Umwandlungsvorrichtung kann auch zumindest einen Rohrleitungsauslass für einen Gasfluss aufweisen; der Auslass öffnet sich in die Kammer hin, und ist so ausgebildet, dass der austretende Gasfluss im Wesentlichen parallel zur Drehachse der Halterung verläuft. In diesem Falle ist es erforderlich, damit der Gasfluss, der auf die Oberfläche der Halterung auftrifft, welche die Kammer begrenzt, eine Kraft in Tangentialrichtung auf die Halterung überträgt, dass diese Oberfläche eine geeignete Form aufweist (beispielsweise mit einem kreisförmigen Sägezahnprofil), da anderenfalls der Gasfluss nur zu dem Fluss des Gases in die Kammer beitragen würde, und daher zum Druck in der Kammer.
Um die Stabilität der Drehbewegung der Halterung zu verbessern, und um Schwingungen zu verhindern, kann die Anzahl an Gasauslässen auf zwei, drei, vier, fünf, sechs, ... erhöht werden.
Ein optimales Ergebnis wird durch Bereitstellung von nur zwei Rohrleitungsauslässen für zwei Gasflüsse erzielt; wenn zwei identische Gasflüsse eingesetzt werden, ist es vorzuziehen, dass sich die Auslässe in die Kammer in symmetrischen Positionen in Bezug auf die Drehachse der Halterung öffnen, und auf solche Art und Weise ausgebildet sind, dass die beiden austretenden Gasflüsse im Wesentlichen parallel zur Drehachse der Halterung verlaufen; das System ist so gut ausgeglichen; die beiden Gasflüsse können von zwei Auslässen derselben Rohrleitung kommen, oder von zwei Auslässen von zwei unterschiedlichen Rohrleitungen.
Gemäß der Erfindung weisen die Umwandlungsvorrichtungen mehrere Kanäle auf, die zwischen dem Element und der Halterung ausgebildet sind, und in Kommunikationsverbindung mit der Kammer stehen, und die eine solche Form und solche Abmessungen aufweisen, dass das Gas, das in der Kammer infolge des einwärts gerichteten Gasflusses vorhanden ist, durch den Kanal infolge des Drucks in der Kammer fließt, und die Halterung zur Drehung veranlasst, infolge des Fluiddynamischen Antriebs.
Um die Stabilität der Drehbewegung der Halterung zu verbessern, und um Schwingungen zu verhindern, kann die Anzahl an Kanälen auf zwei, drei, vier, fünf, sechs, sieben, acht, ... Kanäle erhöht werden.
Die Kanäle sind sehr wirkungsvoll darin, die Halterung zur Drehung zu veranlassen, in Bezug sowohl auf die Beschleunigung als auch die Geschwindigkeit, die erzielt werden können; darüber hinaus stellen die Kanäle eine große Hilfe für die Stabilität der Drehbewegung der Halterung zur Verfügung, da sich ihre Einwirkung bis zu den Rändern der Halterung erstrecken kann.
Noch bessere Ergebnisse werden mit Kanälen erzielt, welche Tiefen aufweisen, die sich in ihrem Verlauf verringern; der Fluiddynamikantrieb wird tatsächlich auf diese Art und Weise beträchtlich durch die Auswirkung der weniger tiefen Abschnitte der Kanäle verstärkt.
Eine einfache und wirkungsvolle Auswahl besteht in der Bereitstellung einer im Wesentlichen zylinderförmigen Kammer und im Wesentlichen gerader Kanäle tangential zum Profil der Kammer; wobei die Kanäle eine variable Tiefe aufweisen.
Zur Vereinfachung kann die Kammer vollständig in dem Element vorhanden sein (wie in 4).
Wiederum zur Vereinfachung können die Kanäle vollständig in dem Basiselement vorhanden sein (wie in 4).
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform des Systems gemäß der vorliegenden Erfindung weist das Basiselement eine kreisförmige Ausnehmung zur drehbaren Aufnahme der Halterung auf, ist die Kammer in dem Element in einer zentralen Zone der Ausnehmung vorgesehen, und sind die Kanäle in dem Element in einer Umfangszone der Ausnehmung (wie in 4) vorgesehen. Die Halterung bleibt so immer in die Ausnehmung eingeführt (zumindest teilweise), sowohl wenn sie ortsfest ist, als auch wenn sie sich dreht, und wird daher einerseits in größerem Ausmaß in dem Basiselement festgehalten, und andererseits weder der Umgebung der Behandlungskammer ausgesetzt.
Es ist vorzuziehen und vorteilhaft, ein Paar aus einem Stift und einem Loch auf dem Paar aus Element und Halterung (wie in 4) vorzusehen, für die mechanische Zwangsführung der Drehung der Halterung auf dem Basiselement; der Stift befindet sich vorzugsweise auf der Halterung, und das Loch (Sackloch) befindet sich vorzugsweise in dem Basiselement (wie in 4).
Die Drehung der Halterung oberhalb des Basiselements kann auch in Abwesenheit eines Paares aus einem Stift und einem Loch stattfinden.
Wenn die Halterung in einer Ausnehmung des Basiselements aufgenommen ist, erfolgt eine mechanische Zwangsführung der Halterung in dem Element; das Gas, welches aus der Kammer austritt, kann dann die Ränder der Halterung umgeben, und einen pneumatischen Selbstzentrierungseffekt zur Verfügung stellen.
Ein System wie das beschriebene arbeitet desto besser, je symmetrischer es ist (unter sämtlichen Gesichtspunkten), in Bezug auf die Drehachse der Halterung.
Das Basiselement des Systems gemäß der vorliegenden Erfindung kann dazu ausgebildet sein, ein Gleitstück einer Behandlungskammer einer Behandlungseinrichtung zu bilden.
Die Halterung des System gemäß der vorliegenden Erfindung kann ebenfalls so ausgebildet sein, dass sie als ein Suszeptor dient; tatsächlich kann sie, wenn sie aus elektrisch leitfähigem Material besteht (beispielsweise Graphit) durch Induktion erwärmt werden, und kann sie, wenn sie aus wärmeleitfähigem Material (beispielsweise Graphit) besteht, beispielsweise mittels Strahlung erwärmt werden, von dem Basiselement und/oder von den Wänden der Behandlungskammer aus.
Ein Halterungssystem für Substrate wie das beschriebene kann in vorteilhafter Weise in einem Reaktor für das Epitaxiewachstum von Halbleitermaterialien auf Substraten eingesetzt werden.
Ein Halterungssystem für Wafer, wie das beschriebene, kann in vorteilhafter Weise in einer Einrichtung zur Wärmebehandlung von Wafern bei hoher Temperatur eingesetzt werden.
Eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird nachstehend unter Zuhilfenahme der 3, 4 und 5 beschrieben.
3 zeigt in einer schematischen, axonometrischen Ansicht einen Abschnitt der unteren Wand einer Behandlungskammer einer Behandlungseinrichtung, die mit einem Gleitstück mit einer drehbaren Scheibe versehen ist.
Die Wand 3 von 3 weist ein Gleitstück 6 auf, das so innerhalb der Behandlungskammer einer Behandlungseinrichtung angebracht ist, und zumindest ein Substrat oder zumindest einen Wafer haltern kann; das Gleitstück 6 kann in Längsrichtung geführt gleiten; Operationen zum Einbringen und Entfernen von Substraten oder Wafern werden auf diese Art und Weise erleichtert; tatsächlich werden die Substrate oder Wafer außerhalb der Behandlungskammer gehandhabt, und werden durch Betätigung des Gleitstücks eingebracht und entfernt.
In der Praxis ist es bequem, die Wand 3 so auszubilden, dass sie eine Führung 33 aufweist, die zur Aufnahme des Gleitstücks 6 ausgebildet ist, und sich in Längsrichtung auf solche Art und Weise erstreckt, dass das Gleitstück entlang der Führung gleiten kann. Bei der Ausführungsform von 3 ist die Führung vollständig innerhalb der Wand 3 vorgesehen, und weist das Gleitstück 6 eine flache, obere Oberfläche auf, die im Wesentlichen mit der flachen, oberen Oberfläche der Wand ausgerichtet ist; der effektive Querschnitt der Behandlungskammer ist daher im Wesentlichen rechteckig und regelmäßig (als wäre das Gleitstück nicht vorhanden).
Um eine gleichmäßigere Behandlung der Substrate oder Wafer zu erzielen, nimmt das Gleitstück 6 zumindest eine Scheibe 61 auf, die dazu ausgebildet ist, zumindest ein Substrat oder zumindest einen Wafer zu haltern, und eine kreisförmige Ausnehmung 62 aufweist, die zur Aufnahme der Scheibe 61 zur Drehung ausgebildet ist.
In Bezug auf die Materialien der Scheibe und des Gleitstücks ist die Ausführungsform von 3 folgendermaßen ausgebildet.
Das Gleitstück 6 besteht aus Graphit, abgedeckt durch eine Schicht aus Tantalkarbid; bei induktiver Erwärmung kann das Gleitstück 6 so auch als ein aktiver Suszeptor arbeiten, da es ein elektrischer Leiter ist; weiterhin fließen irgendwelche, in der Wand 3 induzierte Ströme auch durch das Gleitstück 6, da die Schicht aus Tantalkarbid ein elektrischer Leiter ist, und daher das Gleitstück 6 nicht elektrisch gegenüber der Wand 3 isoliert ist.
Die Scheibe 61 besteht aus Graphit, bedeckt mit einer Schicht aus Tantalkarbid; bei induktiver Erwärmung kann die Scheibe 61 so auch als ein aktiver Suszeptor dienen, da sie ein elektrischer Leiter ist; irgendwelche Ströme, die in der Wand 3 und in dem Gleitstück 6 induziert werden, können jedoch nicht durch die Scheibe 61 fließen, da dann, wenn sich die Scheibe 61 dreht, sie geringfügig gegenüber dem Gleitstück 6 erhöht gehalten wird (während sie im Wesentlichen innerhalb ihrer Ausnehmung 62 bleibt), mit Hilfe eines Gasflusses, wie dies nachstehend genauer erläutert wird.
Die Scheibe 61 weist ein Gewicht von etwa 300 g auf (alternative Ausführungsformen können für unterschiedliche Gewichte sorgen, beispielsweise innerhalb des Bereiches von 200 g bis 400 g), und kann Wafer/Substrate mit Gewichten von typischerweise 10 g haltern; es lässt sich daher sagen, dass das Gewicht des Halterungselements etwa das Zehnfache des Gewichtes der gehalterten Elemente beträgt.
Das Verfahren der Drehung der Scheibe 61 beruht auf dem Einsatz eines Gasflusses.
Bei der Ausführungsform von 3 ermöglicht dieses auf Grundlage eines Gasflusses arbeitende Verfahren die Verbindung und die Unterbrechung der Antriebsvorrichtung (also des Gasflusses) auf einfache Art und Weise, wenn das Gleitstück eingeführt bzw. entfernt wird.
Die eingesetzte Lösung wird nachstehend unter Bezugnahme auf die 4 und 5 beschrieben, unter – nicht einschränkender – Bezugnahme auf einen Epitaxiereaktor. Bezugszeichen 3 in 3 entspricht Bezugszeichen 300 in den 4 und 5, Bezugszeichen 6 in 3 entspricht dem Bezugszeichen 600 in den 4 und 5, und Bezugszeichen 61 in 3 entspricht Bezugszeichen 610 in den 4 und 5.
Eine Halterung 610 für eine vorbestimmte Anzahl (beispielsweise eins, drei, vier, fünf, ...) von Substraten ist vorgesehen; die Halterung 610 weist im Wesentlichen die Form einer dünnen Scheibe auf, und weist auf ihrer Oberseite Ausnehmungen (in den Zeichnungen nicht dargestellt) zur Aufnahme der Substrate auf, und auf ihrer Unterseite einen zentralen, zylindrischen Stift 611, der gegenüber einer kleinen, zylindrischen Ausnehmung 612 vorsteht; der Stift 611 dient zum Haltern der Halterung 610 an ihrem Ort und zur Führung von deren Drehung; weiterhin sind die beiden Oberflächen der Halterung 610 flach.
Ein Gleitstück 600 ist ebenfalls vorgesehen, zur Aufnahme der Halterung 610; das Gleitstück 600 weist im Wesentlichen die Form einer dicken, rechteckigen Platte auf; auf seiner Oberseite weist das Gleitstück 600 eine große, zylindrische Ausnehmung 601 für das vollständige Einführen der Halterung 610 auf, wobei gegenüber dieser Ausnehmung ein zentraler Zylinder 602 vorsteht, mit einem Sackloch 603 für das vollständige Einführen des Stiftes 611 der Halterung 610; in der Basis der großen Ausnehmung 601 ist eine erste, nicht tiefe, zentrierte, zylindrische Ausnehmung 604 mit einem Durchmesser vorgesehen, der erheblich kleiner ist, und beispielsweise die Hälfte beträgt; in der Basis der großen Ausnehmung 601 befindet sich eine vorbestimmte Anzahl sehr wenig tiefer, gerader Kanäle 605 (in 5 sind vier Kanäle vorhanden, aber es können auch ein Kanal oder zwei, drei, oder fünf, sechs, sieben, acht, ... Kanäle vorgesehen sein), die bei der ersten, nicht tiefen Ausnehmung 604 beginnen, und sich in Tangentialrichtung von dort aus erstrecken; weiterhin ist in der Basis der großen Ausnehmung 601 in der Nähe von deren Umfang eine tiefe, kreisförmige Nut 606 vorhanden; eine Auslassrohrleitung (nicht gezeigt in den Zeichnungen), die von der Nut 606 ausgeht, ist ebenfalls in dem Gleitstück 600 vorgesehen; auf seiner unteren Seite weist das Gleitstück 600 eine zweite, nicht tiefe, zylindrische Ausnehmung 607 auf, die relativ zur ersten, nicht tiefen Ausnehmung 604 zentriert ist, und mit dieser in Verbindung steht über eine vorbestimmte Anzahl (in 5 sind zwei dargestellt, aber es könnten auch eine, oder drei, vier, ... vorhanden sein) kurzer, schräger, zylindrischer Rohrleitungen 608 (die alternativ schräg oder vertikal sein könnten).
Die Kanäle 605 weisen eine Tiefe auf, die sich allmählich verringert; sie weisen eine maximale Tiefe in der Nähe der Ränder der Ausnehmung 604 und eine minimale Tiefe in der Nähe der Nut 606 auf.
Schließlich weist eine Wand 300 der Behandlungskammer eine Führung (nicht in den Zeichnungen dargestellt) zur Aufnahme des Gleitstücks 600 auf; das Gleitstück 600 kann entlang der Führung gleiten, bleibt jedoch während Epitaxiewachtumsprozessen ortsfest; die Wand 300 weist auch eine lange Rohrleitung 301 auf, die zur Basis der Führung in Vertikalrichtung im Bereich der zweiten, wenig tiefen Ausnehmung 607 des Gleitstücks 600 offen ist (in 4 ist die Rohrleitung 301 in einer zentralen Position offen, jedoch kann sie auch in einer nicht-zentralen Position relativ zur Symmetrieachse der Halterung 610 offen sein).
Das eingesetzte Verfahren wird zusammenfassend in dem folgenden Absatz beschrieben.
Ein Gasfluss wird zum Hineingelangen in die Wandrohrleitung 301 veranlasst, die in die Basis der Gleitstückführung hin offen ist; der Gasfluss gelangt in die Ausnehmung 607 des Gleitstücks, gelangt in die Ausnehmung 604 des Gleitstücks durch die Rohrleitungen 608 des Gleitstücks, und erzeugt in der Ausnehmung 604 des Gleitstücks einen Druck, der die Halterung 610 geringfügig anhebt; das Gas unter Druck in der Ausnehmung 604 des Gleitstücks wird in die Kanäle 605 des Gleitstücks gedrückt, und wird in der Nut 606 des Gleitstücks gesammelt; der Fluss von Gas entlang den Kanälen 605 des Gleitstücks erzeugt eine Drehung der geringfügig angehobenen Halterung 610 mittels Reibung (genauer gesagt, durch einen Fluiddynamikantrieb).
Einige Abmessungen und einige Werte des Systems der 3, 4 und 5 werden nachstehend angegeben.
Der Durchmesser der Ausnehmung 601 beträgt 200 mm, der Durchmesser der Scheibe 610 beträgt etwa 2 mm weniger, und ihre Dicke beträgt 5 mm; die Dicke des Gleitstücks 600 ist gleich 10 mm, der Durchmesser der Ausnehmung 604 beträgt etwa 100 mm, und ihre Dicke beträgt 1 mm; die Länge der Kanäle 605 beträgt 60 mm bis 70 mm, und ihre Tiefe 1 mm bis 0 mm, die Breite der Kanäle beträgt jeweils etwa 5 mm, der Durchmesser der Rohrleitungen 608 beträgt 5 mm, und der Durchmesser des Stiftes 611 beträgt 5 mm.
Befolgt man die Lehre der vorliegenden Erfindung, werden Drehungen von 5 U/min bis 40 U/min (Umdrehungen pro Minute) bei Gasflüssen von 1 slm bis 2,5 slm (Standardliter pro Minute) erreicht.
Ein Drehhalterungssystem gemäß der vorliegenden Erfindung kann ebenfalls arbeiten, wenn die Drehachse der Halterung nicht perfekt vertikal ist, und beispielsweise um bis zu 5° geneigt ist; durch Treffen geeigneter Maßnahmen wäre es möglich, die Grenze für die Schrägstellung auf bis zu 10° bis 15° zu erhöhen.
Ein Halterungssystem gemäß der vorliegenden Erfindung ist perfekt dazu fähig, ohne irgendwelche Schwierigkeit bei jeder Temperatur (insbesondere zwischen 1000°C und 1800°C, sondern auch bei höheren Temperaturen) zu arbeiten, und in jeder Behandlungskammerumgebung; selbstverständlich ist es erforderlich, geeignete Materialien sowohl für das Basiselement als auch für die Halterung auszuwählen; bei Epitaxiereaktoren können diese Teile aus Graphit bestehen, der mit Siliziumkarbid [SiC] bedeckt ist, oder aus Tantalkarbid [TaC].
Zur Vollständigkeit soll nicht unerwähnt bleiben, dass die physikalischen Prinzipien, auf welchen die vorliegende Erfindung beruht, folgende sind: das Bernoulli-Prinzip (die allgemeine Gleichung für aerodynamisches Anheben), Newton's Fluidgesetze, und die Navier-Stokes-Gleichung.

Claims

System für eine Einrichtung jener Art, die zur Behandlung von Substraten und/oder Wafern ausgebildet ist, wobei das System ein ortsfestes Basiselement und eine bewegliche Halterung für zumindest ein Substrat oder zumindest einen Wafer aufweist, die Halterung oberhalb des Elements um eine ortsfeste Achse drehbar ist, eine Kammer vorgesehen ist, die zwischen dem Element und der Halterung vorhanden ist, zumindest eine Rohrleitung für den Zugang zumindest eines Gasflusses zu der Kammer vorgesehen ist, um die Halterung anzuheben, und das System Vorrichtungen zur Umwandlung des Gasflusses in die Kammer in Drehung der Halterung aufweist, wobei die Vorrichtungen mehrere Kanäle aufweisen, die zwischen dem Element und der Halterung vorhanden sind, und in Verbindung mit der Kammer stehen, und eine derartige Form und eine derartige Abmessung aufweisen, dass das Gas, das in der Kammer infolge des nach innen gerichteten Flusses vorhanden ist, durch die Kanäle infolge des Drucks in der Kammer fließt, und die Halterung infolge des fluid dynamischen Antriebs zur Drehung veranlasst, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Tiefe der Kanäle entlang ihrem Verlauf verringert.
System nach Anspruch 1, bei welchem die Kammer im Wesentlichen geschlossen ist, sowohl wenn die Halterung ortsfest ist, als auch wenn sich die Halterung in Bewegung befindet.
System nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, bei welchem die Vorrichtungen zumindest einen Rohrleitungsauslass für einen Gasfluss aufweisen, und der Auslass sich in die Kammer hin öffnet, und so ausgebildet ist, dass der austretende Gasfluss schräg in Bezug auf die Drehachse der Halterung verläuft.
System nach Anspruch 3, bei welchem die Vorrichtungen zwei Rohrleitungsauslässe für zwei Gasflüsse umfassen, und die Auslässe sich in die Kammer hin an Orten hin öffnen, die vorzugsweise symmetrisch in Bezug auf die Drehachse der Halterung sind, und so ausgebildet sind, dass die beiden austretenden Gasflüsse schräg und vorzugsweise symmetrisch in Bezug auf die Drehachse der Halterung sind.
System nach einem der voranstehenden Ansprüche, bei welchem die Vorrichtungen zumindest einen Rohrleitungsauslass für einen Gasfluss umfassen, der Auslass sich in die Kammer hin öffnet, und so ausgebildet ist, dass der austretende Gasfluss im Wesentlichen parallel zur Drehachse der Halterung ist.
System nach Anspruch 5, bei welchem die Vorrichtungen zwei Rohrleitungsauslässe für zwei Gasflüsse umfassen, und sich die Auslässe in die Kammer hin an Orten hin öffnen, die vorzugsweise symmetrisch in Bezug auf die Drehachse der Halterung sind, und die Auslässe so ausgebildet sind, dass die beiden austretenden Gasflüsse im Wesentlichen parallel zur Drehachse der Halterung sind.
System nach Anspruch 5 oder Anspruch 6, bei welchem die Oberfläche der Halterung, welche die Kammer begrenzt, eine solche Form aufweist, dass ein Gasfluss parallel zur Drehachse der Halterung eine Tangentialkraft auf die Halterung überträgt.
System nach einem der voranstehenden Ansprüche, bei welchem die Kammer im Wesentlichen zylinderförmig ist, und die Kanäle im Wesentlichen gerade und tangential zum Profil der Kammer verlaufen.
System nach einem der voranstehenden Ansprüche, bei welchem die Kammer vollständig in dem Element vorgesehen ist.
System nach einem der voranstehenden Ansprüche, bei welchem die Kanäle vollständig in dem Element vorgesehen sind.
System nach Anspruch 9 und 10, bei welchem das Element eine kreisförmige Ausnehmung aufweist, die dazu ausgebildet ist, die Halterung drehbar aufzunehmen, wobei die Kammer in dem Element in einer zentralen Zone der Ausnehmung vorgesehen ist, und die Kanäle in dem Element in einer Umfangszone der Ausnehmung vorgesehen sind.
System nach einem der voranstehenden Ansprüche, bei welchem ein Stift/Loch-Paar auf dem Element/Halterungspaar vorgesehen ist, für die mechanische Zwangsführung der Drehung der Halterung oberhalb des Elements.
System nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es im Wesentlichen symmetrisch in Bezug auf die Drehachse der Halterung ist.
System nach einem der voranstehenden Ansprüche, bei welchem das Element dazu ausgebildet ist, ein Gleitstück einer Behandlungskammer einer Behandlungseinrichtung zu bilden.
System nach einem der voranstehenden Ansprüche, bei welchem die Halterung dazu ausgebildet ist, auch als ein Suszeptor zu dienen.
Reaktor für das Epitaxiewachstum von Halbleitermaterialien auf Substraten, dadurch gekennzeichnet, dass er ein Halterungssystem für Substrate nach einem der Ansprüche 1 bis 15 enthält.
Einrichtung für die Wärmebehandlung von Wafern bei hoher Temperatur, dadurch gekennzeichnet, dass sie ein Halterungssystem für Wafer nach einem der Ansprüche 1 bis 15 aufweist.