DE69128080T2

DE69128080T2 - Werkstoffe für cdv-verfahren

Info

Publication number: DE69128080T2
Application number: DE69128080T
Authority: DE
Inventors: Frederick Q. San Jose Ca 95148 Johnson; Paul V. Redondo Beach Ca 90278 Mosher
Original assignee: Hitco Carbon Composites Inc
Current assignee: SGL Composites Inc
Priority date: 1990-05-18
Filing date: 1991-05-13
Publication date: 1998-02-26
Anticipated expiration: 2011-05-14
Also published as: EP0528986A1; EP0528986A4; KR937000216A; JPH05509132A; WO1991017839A1; CA2082819C; EP0528986B1; CA2082819A1; DE69128080D1; KR100194892B1

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Materialien, die als Ausrüstungs- und Reaktorteile für Verfahren zur chemischen Abscheidung aus der Dampfphase (CVD) einsetzbar sind. Insbesondere bezieht sie sich auf Kohlenstoff-/Kohlenstoffverbundmaterialien, welche optional eine Beschichtung aus Silicium aufweisen und für Reaktor- und/oder Handhabungsteile und Ausrüstungen in CVD-Verfahren verwendet werden.
Verfahren zur chemischen Abscheidung aus der Dampfphase (CVD- Verfahren) werden bei der Herstellung von integrierten Schaltungen, dünnen Filmen, hitzebeständigen Beschichtungen und ähnlichem unter Bedingungen angewendet, bei denen eine Oberfläche mit den Dämpfen eines flüchtigen chemischen Bestandteiles bedampft oder beschichtet werden kann.
Materialien, die als CVD-Reaktor- oder Ausrüstungsteile oder als Träger für das Substrat verwendet werden, müssen in der Lage sein, Temperaturen zwischen 200-2000ºC entweder oxidierenden oder reduzierenden chemischen Umgebungen und bei Verfahren zur plasmagesteigerten chemischen Abscheidung aus der Dampfphase (PECVD) erheblichen elektrischen Entladungsspannungs-differenzen und der Energie und Ätzeffekten des induzierten Plasmas zu widerstehen.
Verschiedene Klassen von CVD-Verfahren werden thermisch aktiviert; folglich muß die zu beschichtende Oberfläche erwärmt werden, um die Abscheidung hervorzurufen. Diese beinhalten Niederdruckverfahren zur chemischen Abscheidung aus der Dampfphase (LPCVD-Verfahren), bei denen die Reaktion über die Temperatur der Oberflächen des Substrats, des Trägers und des Reaktors gesteuert wird. LPCVD-Verfahren beinhalten die Abscheidung von Polysilicium auf Silicium-Wafern, beide dotiert und undotiert in reduzierender Umgebung bei Temperaturen von etwa 550ºC bis etwa 700ºC und Drücken von etwa 0,2 torr bis etwa 0,6 torr und Siliciumnitrid auf Silicium-Wafern, beide dotiert und undotiert bei Temperaturen von etwa 700ºC bis 800ºC und Drücken von etwa 0,2 torr bis 0,4 torr. Ebenso inbegriffen ist die Abscheidung von Tetraethylorthosilicat in Hochtemperaturoxidationsumgebung bei etwa 700ºC bis etwa 800ºC und einem Druck von etwa 0,5 torr bis etwa 1 torr und anderer Hochtemperaturoxide von Silan und Stickstoffoxiden oder Dichlorsilan und Sauerstoff. LPCVD- Drücke reichen im allgemeinen von etwa 0,3 torr bis etwa 2 torr.
Bei diesem Verfahren ist es für die Ausbildung qualitativ hochwertiger Abscheidungen kritisch, daß die Substrate, wie etwa Halbleiter-Wafer sowohl auf gleichmäßiger Temperatur als auch auf gleichmäßigem Abstand gehalten werden.
Andere CVD-Verfahren werden diffusionsgesteuert. Die Abscheidungsreaktion wird sowohl durch die zuführung von Gas oder Dampf als auch durch die Oberflächentemperatur des Substrats gesteuert. Diese Verfahren sind signifikant geometrieabhängig. Die Gleichförmigkeit der Abscheidung auf jeder reaktiven Oberfläche, wie etwa Halbleiter-Wafern, ist davon abhängig, daß sie in gleichem Abstand von einer anderen reaktiven Oberfläche angeordnet sind. Um dieses zu erfüllen, werden sorgfältig ausgearbeitete wafer-Träger verwendet, um die Wafer Unterseite an Unterseite zu halten, so daß jede Wafer-Oberseite eine weitere Wafer-Oberseite in gleichem Abstand "sieht". Die Wafer-Träger oder "Käfige" müssen aus einem Material gefertigt werden, welches mit genauen Toleranzen verarbeitet werden kann, um die Geometrie gleichmäßig zu halten und dadurch eine gleichmäßige Abscheidung zu erniöglichen. Die Abscheidung von qualitativ hochwertigem Material bedingt, daß die Träger nicht mehr als etwa 2 % geometrische Abweichungen aufweisen. Beispiele dieses Verfahrenstyps beinhalten Niedertemperaturoxidabscheidungen von Filmen (Beschichtungen) von Borsilikat-Glas (BSG), Phosphorsilikat-Glas (PSG), Borphosphorsilikat-Glas (BPSG) und dotiertem Polysilicium auf Silicium-Wafern. Diese Abscheidungen werden typischerweise bei Drücken von etwa 0,2 torr bis 0,5 torr und Temperaturen von etwa 350ºC bis etwa 450ºC, vorzugsweise etwa 400ºC bis etwa 425ºC, durchgeführt, außer bei dotiertem Polysilicium, welches bei Temperaturen von etwa 550ºC bis 680ºC abgeschieden wird.
Typen von CVD-Öfen beinhalten die horizontalen chargenweise und kontinuierlich betriebenen Öfen und die vertikalen zylindrischen und röhrenförmigen chargenweise betriebenen Öfen. Die zu beschichtenden Substrate werden zwecks Gleichmäßigkeit der Abscheidung im vertikalen Ofen auf einer rotierenden Aufnahmeplatte angeordnet, werden am Umfang im zylindrischen Ofen gehaltert und werden in Trägern im röhrenförmigen Ofen gehaltert. Die Öfen können eine externe Radiofrequenz (rf) -Induktionsspule, welche Energie durch die Ofenwandung in die Aufnahme zum Erwärmen des Substrats einbringt, etwa wie in Reaktoren zum Züchten von epitaxialen Filmen oder eine externe Strahlungsheizspule rings um den Ofen aufweisen. Andere Öfen besitzen Widerstandsheizungen zum Erwärmen des Substrats über inwendig gerichtete Strahlung.
Die oben beschriebenen und andere Abscheidungen können durch plasmagesteigerte chemische Abscheidungen aus der Dampfphase (PECVD) hergestellt werden. Wegen der im Plasma vorliegenden Energie, die die Bildung chemischer Bestandteile für die Abscheidung steigert, ist eine geringere Arbeitstemperatur möglich. Für PECVD werden elektrisch leitfähige, chemisch inerte Platten, auf denen das Substrat angeordnet wird, benötigt.
PECVD-Verfahren werden im allgemeinen bei Drücken von etwa 0,2 torr bis 5 torr, vorzugsweise 0,2 torr bis etwa 0,5 torr und bei Temperaturen von etwa 250ºC bis etwa 500ºC, vorzugsweise etwa 400ºC bis etwa 500ºC durchgeführt. Beispiele von Abscheidungen, die auf diesem Wege hergestellt werden, sind amorphe Silicium-Filme für Solarzellen und passivierende Filme aus SiO&sub2;, SiO&sub2;-Si&sub3;N&sub4; und Si&sub3;N&sub4; für die Halbleiterfertigung.
Obwohl Niederdruck-CVD-Verfahren oben beschrieben sind, wird CVD auch unter oder nahe bei atmosphärischem Druck zur Abscheidung von Filmen und Beschichtungen, wie etwa epitaxischem Si, Si&sub3;N&sub4;, Polysilicium und SiO&sub2; durchgeführt. Diese Hochdruck-CVD-Verfahren werden im allgemeinen bei Temperaturen von etwa 400ºC bis 1200ºC durchgeführt. Insbesondere kann SiO&sub2; bei etwa 400ºC, Si&sub3;N&sub4; bei etwa 850ºC und epitaxisches Si (verwendet in bipolaren Vorrichtungen) bei etwa 1100ºC abgeschieden werden.
CVD-Verfahren bedingen das Kontaktieren des zu behandelnden Substrats mit einem Dampf des abzuscheidenden oder zu beschichtenden Materials. Wenn der Dampf in und durch den Reaktor strömt, um einen solchen Kontakt herzustellen, können jegliche Teilchen von Verunreinigungen oder Überbleibsel der laufenden oder vorherigen Abscheidung auf das Substrat verbracht werden und rufen eine Reduzierung der Anzahl an akzeptablen hergestellten Stücken hervor. Zum Beispiel wird bei der Herstellung von integrierten Schaltungen auf Halbleiter-Wafern während des Abdeckprozesses ein Fotoresist auf die Wafer-Oberfläche in einer Dicke von 1 bis 2 Micron geschleudert. Teilchen im Bereich von 1 bis 2 Micron werden beim CVD-Verfahren häufig wegen der Kristallbildung des Dampfes auf Reaktor- und Ausrüstungsoberflächen gebildet, was unter genauer erläutert wird und werden mit dem Prozeßgas oder -dampf mitgenommen. Wenn derartige Teilchen auf der Wafer- Oberfläche anhaften und in diese Photoresistschicht eingebunden werden, können sie Probleme bei der Belichtung der zu ätzenden Muster in verschiedener Weise hervorrufen.
Erstens können Bereiche, die zur Belichtung bei optischem Bedrucken vorgesehen sind, vom Belichtungslicht abgeschirmt werden, was das Muster verändert und die erhaltene Schaltung unvollständig werden läßt. Zweitens können die Teilchen während der Lichtbestrahlung der Grund für sekundäre Reflexionen sein, die eine unerwünschte Belichtung von Bereichen des Photoresists hervorrufen, was zu Kurzschlüssen nach der Fertigung führen kann. Die Reduzierung der Anzahl von 1-2 Micron großen Teilchen, die während der Halbleiter-Wafer- CVD-Fertigung erzeugt werden, ist von daher kritisch.
Abscheidungsausrüstung und Reaktorteile, wie etwa Boote, Käfige, Schalen und andere Träger, Platten, Aufnahmen, Schienen, Nester, freitragende Stangen, Einlagen, Tragstangen und andere Handhabungs- und Spannausrüstungen werden bisher aus Aluminiumoxid, Aluminium, Edelstahl, Quarz oder Graphit hergestellt.
Wegen der hohen Temperatur beim CVD-Verfahren und dem Erfordernis der hohen Reinheit des Prozeßgases ist eine konventionelle Schmierung nicht durchführbar. Die Substratträger werden häufig in und aus dem heißen Bereich des Reaktors entweder auf einem Schlitten (welcher auf Schienen gleitet, die an den Reaktorwänden schaben oder auf Rädern hineingerollt wird, die Späne und Flocken an den Reaktorwänden erzeugen) oder einem Satz von zwei oder drei freitragenden Stangen (hergestellt zum Beispiel aus dichtem Aluminiumoxid oder Siliciumcarbid und ummantelt mit Quarz), die an den Reaktorwänden während des Betriebs aufliegen oder nicht (soft landed), bewegt. Das Bewegen dieser Teile ruft die Entstehung von kleinen Reibungsteilchen hervor, die zusammen mit dem Prozeßgas in Kontakt mit dem Substrat gebracht werden können.
Quarz-Reaktorteile und Ausrüstungen führen auch aus weiteren Gründen zu Teilchenkristallisations- und Kontaminierungsproblemen. Quarz ist relativ transparent im thermischen und R-F Strahlungsspektrum, das für die Erwärmung der Substrate bei CVD verwendet wird und stellt von daher eine "kalte" Oberfläche für das Prozeßgas dar. An Stelle einer gleichmäßigen Abscheidung in einem Film auf den Quarz- Reaktorteilen und Ausrüstungen wie auch dem Substrat kontaktiert das Gas die kalte Oberfläche und kristallisiert in Teilchen, die dann abplatzen oder sich ablösen und in den Prozeßgasstrom eintreten oder sich auf dem Substrat abscheiden.
Da Quarz sich unter den CVD-Verfahrensbedingungen, bei denen Konvektion kein Transportmittel für Energieübertragung ist, nicht nennenswert erwärmt, kann es Stunden dauern, den Reaktor bei der Abscheidungstemperatur zu stabilisieren. In der Tat sind die erwärmten Substrate häufig das Transportmittel, durch den der Quarzträger in Kontakt mit den Substraten und diese haltend erwärmt wird.
Quarz besitzt einen weiteren Nachteil, dadurch daß wegen der Natur des Materials und des Vorbereitungsverfahrens keine zwei Teile einer Quarzausrüstung exakt gleich sind. Die besten zu erwartenden Toleranzen für eine durchschnittliche spezifizierte Dimension eines Quarzteiles liegen bei etwa 3 %. Quarzmaterial, das für Wafer-Käfige verwendet wird, wird im allgemeinen als in der Ordnung zwischen 108-110 mm Durchmesser liegend spezifiziert. Bei einem 3 %-igen Toleranzfaktor könnten Teilchen, die diese Spezifikation erfüllen, in Wirklichkeit etwa 104-3/4 bis 113-1/3 mm Durchmesser aufweisen. Da Quarz nicht einfach geschnitten oder maschinell bearbeitet werden kann, vereiteln die Schwankungen der Teilegröße die Anforderungen an die geometrische Uniformität bei der Substratseparierung, die für den Erhalt optimal gleichmäßiger Abscheidung auf den Substraten erforderlich ist.
Graphitmassen oder pyrolytische Kohlenstoffteilchen rufen ebenfalls Gleichmäßigkeitsprobleme hervor, da keine zwei Graphitteile identisch sind. Graphitteile sind weiterhin extrem schwer, außerdem extrem zerbrechlich zusätzlich dazu, daß sie die Quelle von speziellen Verunreinigungen sind. Es ist versucht worden, den Verunreinigungsfaktor durch Abscheidung einer hitzebeständigen Beschichtung, wie etwa SiC auf das Graphit zu verringern. Allerdings haftet die Beschichtung auf dem Graphit nicht zufriedenstellend und Sandstrahlbehandlung, ein Grund für besondere Schwierigkeiten, muß angewandt werden, um die Haftung zu verbessern. Halbleiter-Wafer, die unter Verwendung von Graphitausrüstung hergestellt wurden, weisen im allgemeinen Gesamtgleichförmigkeitsschwankungen von 8 % auf (d.h. Gesamtgleichförmigkeit der Abscheidung auf dem Wafer).
Ein weiterer Nachteil der Verwendung der oben angeführten Materialien bei CVD-Verfahren ist die Häufigkeit der für einen akzeptablen Betrieb notwendigen Reinigungen. Quarzteile (einschließlich Ausrüstung) müssen nach allen fünf bis acht Betriebsläufen gereinigt werden; Graphit muß üblicherweise nach allen sechs Läufen gereinigt werden. Üblicherweise tritt während eines Reinigungsvorganges etwa 20 % Bruch auf und die meisten Teile werden nach drei Reinigungen ausrangiert. Die Reinigung erfolgt durch Flußsäure, die besonders reaktiv und schwierig zu handhaben ist und zu Entsorgungsproblemen beiträgt. Weiterhin führt die Reinigung des Quarzes zu einem beträchtlichen Ätzen des Ausgangsmaterials mit einer entsprechend nachteiligen Wirkung auf die Dimensionstoleranzen der Quarzware.
Zur Schaffung von Ausrüstung, wie etwa Wafer-Käfigen, wurden neue Materialien eingeführt, um einige der Probleme mit Quarzware zu überwinden. Heißgepreßte Siliciumcarbid- und siliciumcarbidfaserverstärkte Siliciumcarbid-Wafer-Käfige wurden geschaffen, die scheinbar die Teilchenbildung reduzieren, aber diese Materialien sind bis heute zerbrechlich und nicht umfassend für automatische Fördermaschinen in Verbindung mit der Halbleiter-Wafer-Verarbeitung anwendbar. Auch müssen diese Materialien routinemäßig durch Säureätzung gereinigt werden.
Schließlich beschreibt die JP-A-1264 964 (DATABASE WP1 Derwent Publications Ltd, London, AN 89 35 3173 C 84) die Verwendung von thermischem Schock widerstehenden Kohlenstoffverbunden, enthaltend kohlenstoffhaltiges Filz und imprägniert mit pyrolysiertem Kohlenstoff als Strukturmaterial unter anderem für ein CVD-Boot. Darüber hinaus beschreibt die EP-A-0290322 eine Patrone zur Herstellung von einzelnen Kristallen durch orientierte Erstarrung einschließlich Ziehen eines einzelnen Kristalls aus einer Schmelze von geschmolzenem Material, wobei die Patrone einen zylindrischen Abschnitt aufweist, der unter anderem aus kohlenstoffimprägniertem Kohlefasermaterial gebildet ist.
Gemäß der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zur chemischen Abscheidung aus der Dampfphase für die gleichmäßige Abscheidung eines oder mehrerer flüchtiger Bestandteile auf mindestens einem Halbleiter-Wafer in Anwesenheit mindestens eines CVD-Verfahrensteils vorgesehen, dadurch gekennzeichnet, daß das Verfahren modifiziert ist, indem es zumindest ein solches CVD-Teil in direktem Kontakt mit dem Halbbleiter-Wafer aufweist und/oder indem es eine Filmabscheidung über Ausbildung von Teilchen während der chemischen Abscheidung aus der Dampfphase fördert, wodurch ein Entgasen vermieden und die Bildung von unreinen Teilchen auf dem Halbleiter-Wafer unterdrückt wird, und dieses mindestens eine CVD-Teil ein kohlefaserverstärktes Kohlenstoffmatrixmaterial enthält, welches diesem Teil Dimensionsstabilität verleiht und in der Lage ist, genaue Toleranzen bei Änderung der Temperaturen und bei Unterwerfen unter Reaktionsbedingungen einzuhalten.
Es wurde nun gefunden, daß kohlefaserverstärkte Kohlenstoffmatrixmaterialien (Kohlenstoff-Kohlenstoffverbunde) hervorragend sind, wenn sie bei CVD-Verfahren für die Abscheidung von mindestens einem oder mehreren flüchtigen chemischen Bestandteilen auf mindestens einem Halbleiter-Wafer verwendet werden. Kohlenstoff-Kohlenstoffverbunde halten genaue Toleranzen unter sich verändernden Temperatur- und Reaktionsbedingungen ein und sind chemisch inert in reduzierenden Umgebungen Sie besitzen bei CVD- Betriebstemperaturen Festigkeit und Zähigkeit. Kohlenstoff- Kohlenstoffverbunde haben die Eigenschaft, für die bei diesen Temperaturen auftreffenden Strahlungswellenlängen ein "schwarzer Körper" zu sein, was die Aufheizeigenschaften und die thermische Umgebung von CVD-Systemen wesentlich verbessert. Sie besitzen anpaßbare elektrische Eigenschaften, die sie für induktive und konduktive Heizanwendungen geeignet macht und besitzen elektrische Leitfähigkeit, die bei plasmagesteigertem CVD vorteilhaft ist. Kohlenstoff- Kohlenstoffverbunde sind nicht empfindlich gegenüber Entgasen, reduzieren effektiv die Teilchenbildung während CVD-Verfahren und sind reproduzierbar mit genauen Toleranzen maschihell bearbeitbar. Ihre thermische Ausdehnung kann so zugeschnitten werden, daß sie mit dem abzuscheidenden Material übereinstimmt. Siliciumbeschichtete Kohlenstoff- Kohlenstoffverbunde sind angemessen chemisch inert, sogar wenn sie oxidierenden Umgebungen bei CVD-Temperaturen ausgesetzt werden.
In der Anwendung der vorliegenden Erfindung enthält zumindest ein CVD-Verfahrensteil, das ein Reaktorteil, ein Materialhandhabungsteil oder ein Ausrüstungsstück ist, das oben genannte kohlefaserverstärkte Kohlenstoffmatrixmaterial.
Die vorliegende Erfindung beinhaltet den Einsatz eines kohlefaserverstärkten Kohlenstoffmatrixkörpers, der eine Beschichtung, die im wesentlichen aus Silicium besteht, aufweist. Silicium kann als eine Vorbeschichtung für die Abscheidung einer weiteren hitzebeständigen oder anderen schützenden Beschichtung dienen.
Die Erfindung wird nachfolgend in näheren Einzelheiten unter Bezugnahme auf die zugehörigen Zeichnungen erläutert, in denen
Fig. 1 eine Ansicht eines Längsschnittes eines LPCVD Reaktors ist
Fig. 2 ein Aufriß eines Halbleiter-Wafer-Käfigs ist
Fig. 3 eine Ansicht eines Längsschnittes des Wafer-Käfigs ist
Fig. 4 ein Aufriß des Innenraums des Bodenteiles eines Wafer-Käfigs ist
Fig. 5 ein Aufriß des äußeren des Deckelteiles des Wafer- Käfigs ist
Fig. 6 eine Explosionsdarstellung eines Glocken-CVD- Reaktors ist
Fig. 7 eine Aufrißexplosionsdarstellung eines PECVD- Reaktors mit Wafer-Platten ist
Fig. 8 ein Aufriß eines "atmosphärischen" Druck CVD- Reaktors ist.
Kohlefaserverstärkte Kohlenstoffmatrixmaterialien oder Kohlenstoff-Kohlenstoffverbunde, die zur Herstellung von CVD Verfahrensteilen verwendet werden und in CVD-Verfahren zur Abscheidung von flüchtigen chemischen Bestandteilen auf mindestens einem Halbleiter-Wafer eingesetzt werden, weisen eine thermische Stabilität wie ein Massivkörper, eine hohe Widerstandsfähigkeit gegenüber thermischem Schock durch hohe Leitfähigkeit und geringes thermisches Ausdehnungsverhalten und hohe Zähigkeit, Festigkeit und Steifheit bei Hochtemperaturanwendungen auf. Kohlenstoff-Kohlenstoffverbunde können Kohlenstoff- oder Graphitverstärkungen gemischt oder verbunden mit Matrixvorläufern zur Bildung eines "grünen" Verbundes enthalten und nachfolgend karbonisiert werden, um den Kohlenstoff-Kohlenstoffverbund zu bilden. Sie können auch Kohlenstoff- oder Graphitverstärkungen enthalten, in denen die Matrix vollständig oder teilweise durch chemische Dampfinfiltrierung eingebracht wurde.
Die Kohlenstoff- oder Graphitverstärkungen sind kommerziell von Amoco, Dupont, Hercules, Celanese und anderen erhältlich und können die Form von Gewebe, zerhacktem Gewebe, Garn, zerhacktem Garn, Bändern und Filz aufweisen. Garne können in gewünschten Formen durch Flechten oder mehrdirektionales Weben gewoben sein. Das Garn, Gewebe und/oder Band kann um einen Dorn gewickelt oder gewunden sein, um eine Vielfalt von Formen und Verstärkungsorientierungen zu schaffen. Die Fasern können in trockenem Zustand gewickelt sein oder sie können mit dem gewünschten Matrixvorläufer vor dem Wickeln, Winden oder Stapeln imprägniert werden. Solche vorimprägnierten und gewobenen Strukturverstärkungen sind von BP Chemicals kommerziell erhältlich. Die Verstärkungen werden aus Vorläufern, wie etwa Polyacrylnitril (PAN), Rayon oder Pech vorbereitet.
Matrixvorläufer, die zur Bildung von Kohlenstoff- Kohlenstoffverbunden verwendet werden können, beinhalten: Gefüllte und ungefüllte Phenole, Furane, Peche, organometallische Harze und Kombinationen derselben. Beispielhafte Phenole beinhalten, sind aber nicht darauf begrenzt, Resole, wie die unter der Marke SC 1008 der Borden Inc. vertriebenen und Novolaken, wie etwa die von BP Chemicals unter der Marke JT 7002 vertriebenen. Beispielhafte Furane beinhalten, sind jedoch darauf begrenzt, Harze, die von Quaker Oats unter der Marke UP 520 oder LP 520 vertrieben werden. Peche werden aus Petroleum oder Kohleraffinaten gewonnen und beinhalten solche, die von Allied Chemical unter der Marke 515V und von Ashland Chemical unter der Marke 240 vertrieben werden, sind jedoch nicht darauf beschränkt. Beispielhafte organometallische Harze schließen, ohne darauf beschränkt zu sein, Organozirkoniumharze, wie die im US Patent No. 4585 837 offenbarten, und Polysilanharze, wie die im US Patent 4543 344 offenbarten, ein.
Zweckmäßige Füllstoffe beinhalten, ohne darauf beschränkt zu sein, Kohlenstoff, Bor, Silicium, Borcarbid, Siliciumcarbid, Titancarbid, Zirkoniumcarbid, Hafniumcarbid, Niobcarbid, Tantalcarbid, Wolframcarbid, Siliciumhexaborid, Titanborid, Zirkoniumborid, Hafniumborid, Niobborid, Tantalborid und Wolframborid.
Die in der vorliegenden Erfindung einsetzbaren Kohlenstoff- Kohlenstoffverbunde können durch eine Vielzahl von Techniken gefertigt werden. Typischerweise werden harzimprägnierte Kohlenstoff- oder Graphitfasern in die gewünschte Form auf einem Werkzeug oder in einer Düse autoklav- oder preßgeformt. Die geformten Teile werden in einer inerten Umgebung bei Temperaturen von etwa 700º bis 2900ºC wärmebehandelt, um die organischen Phasen in Kohlenstoff umzuwandeln. Die karbonisierten oder graphitisierten Teile werden dann durch chemische Dampfimprägnierung mit Kohlenstoff und/oder SiC oder durch mehrfache zyklische Reimprägnierungen mit geeigneten Polymeren, wie den Pechharzen und/oder anderen oben angeführten Harzen verdichtet. Andere Fertigungsverfahren beinhalten das Heißpressen und die chemische Dampfimprägnierung von trockenen Vorformen.
Verfahren zur Fertigung von Kohlenstoff-Kohlenstoffverbunden, die gemäß der Erfindung angewendet werden können, sind in den US Patenten 3174 895 und 3462 289 beschrieben, auf die hier Bezug genommen wird.
Geformte Kohlenstoff-Kohlenstoffverbundteile für CVD- Reaktoren, Handhabungsgeräte oder Ausrüstung können entweder integral vor oder nach einer Karbonisierung oder können aus zu der gewünschten Form verbundenen Materialabschnitten wiederum vor oder nach einer Karbonisierung hergestellt werden.
Wenn die wesentliche Form des Kohlenstoff-Kohlenstoffverbund artikels gefertigt ist, kann das Teil auf genaue Toleranzen maschinell fertig bearbeitet werden. Während eine Quarzröhre einer nominalen Abmessung von 108 mm über einen Bereich von etwa 6 mm variieren kann, kann ein Kohlenstoff- Kohlenstoffverbund auf eine Toleranz der Ordnung von etwa 0,1 mm oder weniger maschinell bearbeitet werden. Dies ist kritisch für CVD-Abscheidungen, in denen die Reaktion diffusionsgesteuert und hochgradig geometrieabhängig ist. Des weiteren können wegen der Festigkeit und maschinellen Bearbeitbarkeit von Kohlenstoff -Kohlenstoffverbunden zusätzlich zur Formungsmöglichkeit im beginnenden Fertigungsprozeß Kohlenstoff-Kohlenstoffverbunde zu Formen für Reaktorteile, Ausrüstungen und Handhabungsgeräte oder -teile verarbeitet werden, die mit Quarz oder Graphit nicht möglich sind.
Ein weiterer Vorteil der Kohlenstoff-Kohlenstoffverbund-CVD Verfahrensteile (Reaktor und/oder Materialhandhabungsteile und Ausrüstung) ist die Automatisierungskompatibilität auf Grund ihrer hohen Festigkeit, Dimensionsstabilität und der Möglichkeit, mit genauen Toleranzen hergestellt zu werden. Diese ermöglichen Teilen, wie etwa Ausrüstung, Reaktorteile, Spanngeräte und andere Handhabungsgeräte, die gleichförmig genug für ein Greifen und Betätigen durch automatisierte Einrichtungen sind.
Kohlenstoff-Kohlenstoffverbundteile und -ausrüstungen können in CVD-Verfahren ohne eine Erstbeschichtung des Teiles oder Gegenstandes der Ausrüstung verwendet werden, jedoch ist es bevorzugt, die Kohlenstoff-Kohlenstoffverbunde vor der Verwendung in einer oxidierenden oder nitrierenden Umgebung vorzubeschichten. Anderenfalls würde, wie etwa in einem CVD Verfahren zur Bildung von SiO&sub2; oder dotiertem SiO&sub2; bei einer Verwendung einer unbeschichteten Ausrüstung aus einem Kohlenstoff-Kohlenstoffverbund die leicht oxidierende Umgebung eine Erosion der Oberfläche durch die Bildung von Kohlenstoffoxiden verursachen. Für die Abscheidung von Silicium ist jedoch die Vorbeschichtung nicht notwendig.
Es ist allerdings bevorzugt, die aus einem Kohlenstoff- Kohlenstoffverbund hergestellten CVD-Verfahrensteile vor ihrer Verwendung zu beschichten, um sämtliche Teilchen, die sich als Ergebnis der Verbundherstellung oder des maschinellen Bearbeitungsverfahrens gebildet haben könnten, zu binden.
Während der Stand der Technik erkannt hat, daß Graphit schwierig mit einer hitzebeständigen Oberfläche, die für die Verwendung in CVD-Verfahren geeignet ist, zu beschichten ist und hitzebeständige Beschichtungen auf Graphit zerbrechlich und im allgemeinen ungleichmäßig sind, wurde gemäß der vorliegenden Erfindung entdeckt, daß Kohlenstoff- Kohlenstoffverbunde zufriedenstellend mit einer Schutzbeschichtung beschichtet werden können. Die unregelmäßige Oberfläche von Kohlenstoff-Kohlenstoffverbunden ermöglicht die bruchfeste Haftung von Beschichtungen, wie etwa Siliciumcarbid, Siliciumnitrid und dotiertem und undotiertem Siliciumdioxid. Dotierer können Phosphor beinhalten, was für das Entfernen oder Erfassen von Verunreinigungen, wie etwa Natrium, nützlich ist. Diese können konventionell durch chemische Abscheidung aus der Dampfphase abgeschieden werden oder können durch physikalische Abscheidung aus der Dampfphase (PVD) hergestellt werden. Während Beschichtungen üblicherweise in der Ordnung von Angström auf Graphit bereits absplittern, haften Beschichtungen auf Kohlenstoff-Kohlenstoffverbunden sogar in Dicken in der Ordnung von Millimetern. Für Schutzbeschichtungen liegen die Dicken etwa bei 1 bis 50 Mikron und vorzugsweise bei etwa 10 Mikron bis etwa 50 Mikron.
Andere Schutzbeschichtungen können MoSi&sub2;, WSI&sub2;, ZrB&sub2;, TiB&sub2;, SiB&sub4;, SiB&sub6;, B&sub4;C, B, Ni, Cr, Pt, Ir, NiSi&sub2;, SiAlON und oxidbasierte Beschichtungen, wie etwa Aluminiumoxid, Aluminiumphosphat, Aluminiumsilikate, Magnesium- Aluminiumsilikate, Borsilikate, Natriumboraluminiumsilikate und Kombinationen der oben genannten optional mit SiC, SiO&sub2; oder Si&sub3;N&sub4; beinhalten. Verfahren, die für das Aufbringen der obigen Schutzbeschichtungen einsetzbar sind, können die bekannten CVD, PVD, Elektroplattier-, Plasma- oder Flammspritz-, Packzementierungs- oder Umwandlungsverfahren, Sol-gel und Schlammverfahren beinhalten.
Gemäß der vorliegenden Erfindung ist zusätzlich gefunden worden, daß eine Schicht aus Silicium auf kohlenstoffhaltigen Körpern, insbesondere Kohlenstoff-Kohlenstoffverbunden, abgeschieden werden kann, um die Oberfläche während CVD- Verfahren zu schützen und um als Vorbeschichtung für weitere Schichten von hitzebeständigem oder anderem schützenden Material zu dienen. Die Siliciumbeschichtung dichtet die Oberfläche der Kohlenstoff-Kohlenstoffverbunde ab und bindet sämtliche Teilchen, Verunreinigungen oder Abscheidungen auf der Kohl enstoffoberfläche.
Das Silicium kann durch chemische Abscheidung aus der Dampfphase in einer amorphen Form oder durch physikalische Abscheidung aus der Dampfphase, durch Plasmaspritzen oder Flammspritzen abgeschieden werden. Eine Beschichtung von etwa 0,1 Mikron bis etwa 10 Mikron, vorzugsweise etwa 0,8 Mikron bis 10 Mikron ist ausreichend, um die Oberfläche des kohlenstoffhaltigen Körpers, wie der Kohlenstoff- Kohl ens toffverbundoberfläche während aufeinanderfolgender CVD - Anwendungen, durch Verringerung der Reaktivität der Kohlenstoffoberfläche in oxidierenden Umgebungen zu schützen. Eine Beschichtung von mindestens 0,5 Mikron ist bevorzugt, um eine Vorbeschichtung für weitere hitzebeständige oder schützende Materialabscheidungen zu bilden. Wenn CVD zur Abscheidung der Siliciumbeschichtung verwendet wird, kann Silan bei einer Temperatur von etwa 580ºC bis etwa 650ºC, vorzugsweise etwa 580ºC bis etwa 600ºC und einem Druck von etwa 0,3 torr bis etwa 0,7 torr, vorzugsweise etwa 0,4 torr bis 0,6 torr in 2 1/2 bis 4 Stunden abgeschieden werden.
Es ist möglich, daß unter den CVD-Bedingungen das Silicium, welches auf dem kohlenstoffhaltigen Material abgeschieden wird, einen dünnen Film aus Siliciumcarbid auf der Silicium- Kohlenstoffverbindung ausbildet. Allerdings wird zusätzliches amorphes Silicium oder Polysilicium abgeschieden, um eine haftende Basis für die Beschichtung zusätzlicher Materialien zu bilden. Die Siliciumschicht ist nachgiebig und paßt sich der Oberfläche des Körpers an. Jegliche Mikrobrüche, die sich in den hitzebeständigen oder schützenden Überzug entwickeln können, öffnen sich zu der Siliciumschicht, die den Kohlenstoff vor den oxidierenden, reduzierenden oder nitrierenden Umgebungen des CVD-Verfahrens schützt.
Die Überzugsschicht kann durch herkömmliche CVD-Verfahren von einer minimalen Dicke, die zum Aufhalten von Diffusionen von Verunreinigungen des Kohlenstoffs oder Graphits ausreichen und das Ausätzen der Oberfläche verhindern, bis hin zu jeder Dicke erzeugt werden, die keine gegenteilige Auswirkung auf eine kritische Abmessung des Kohlenstoff-Kohlenstoffkörpers haben. Materialien, die als hitzebeständige oder schützende Überzüge für CVD-Verfahrensreaktor- oder Handhabungsgeräteteile und Ausrüstungen geeignet sind, beinhalten Siliciumcarbid, Siliciumnitrid, Siliciumdioxid sowohl undotiert als auch dotiert mit Boron, Phosphor oder Arsen und die zusätzlichen oben erwähnten Schutzbeschichtungen, die für die Abscheidung auf Kohlenstoff-Kohlenstoffverbunden geeignet sind.
Die hitzebeständige oder schützende Schicht kann auch in situ im CVD-Reaktor erzeugt werden, in dem der Körper (sauber oder vorbeschichtet) als ein Reaktorteil oder Gegenstand der Ausrüstung wirkt. Wie weiter unten erläutert wird, bewirkt das CVD-Verfahren auf Substraten unter Verwendung des Kohlenstoff- Kohlenstoffverbundmaterials für Reaktorteile oder Ausrüstung gemäß der Erfindung eine relativ gleichmäßige Abscheidung von CVD-Materialien auf dem Kohlenstoff-Kohlenstoffverbund. Diese CVD-Materialien können dann als eine weitere Schutzbeschichtung für den Kohlenstoff-Kohlenstoffverbund dienen.
Wenn eine schützende oder hitzebeständige Beschichtung auf dem Kohlenstoff-Kohlenstoffverbund gemäß der Erfindung angewendet wird, sollte sie kompatibel mit dem auf dem Substrat im CVD- Verfahren abzuscheidenden Material sein, in welchem der Kohlenstoff-Kohlenstoffverbund als ein Reaktorteil oder eine Ausrüstung verwendet wird.
In einer alternativen Ausführungsform der Erfindung können Kohlenstoff- oder Graphitfasern in einen Körper unter Verwendung einer Polymermatrix eingeformt werden. Das Polymer kann dann in situ mit einer unmittelbaren Abscheidung von Silicium oder Silicumcarbid verkohlt werden, die aus Silan oder Dichlorsilan auf dem Faser-/Kohlekörper hervorgerufen wird.
Kohlenstoff-Kohlenstoffverbunde und die verwandten Verbundmaterialien, aus denen Reaktorteile und Ausrüstungen für CVD-Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung sind, weisen effiziente und gleichmäßige Wärmeleiteigenschaften auf, die für oberflächenkontrollierte Reaktionen, wie die bei LPCVD aufgezählten, benötigt werden, sind elektrisch leitend und sind chemisch inert, wie bei PECVD gefordert. Solche Materialien sind zur Bildung und Aufrechterhaltung von genauen und gleichmäßigen Toleranzen in der Lage, die kritisch für die Aufrechterhaltung der Geometrien für eine gleichmäßige Abscheidung bei LTO CVD sind. Die meisten der aufgezählten Eigenschaften sind wichtig bei allen CVD-Verfahren zum Abscheiden von flüchtigen chemischen Bestandteilen auf Halbleiter-Wafern einschließlich der Widerstandsfähigkeit gegenüber hohen Temperaturen und der chemischen Umgebung der Abscheidung (oxidierend, reduzierend, nitrierend), wobei alle diese durch beschichtete Kohlenstoff- Kohlenstoffverbundmaterialien gemäß der vorliegenden Erfindung erzielt werden. Demgemäß wird die Eignung von Kohlenstoff- Kohlenstoffverbundmaterialien für Niedertemperatur-Oxid-CVD in größerer Ausführlichkeit und zur Beschreibung der Erfindung beispielhaft dargelegt.
Fig. 1 zeigt einen LPCVD-Reaktor 10, der für die Anwendung bei LTO Abscheidungen geeignet ist. Eine Heizung 12 ist üblicherweise in einem Ofenrohr (nicht dargestellt) von etwa 9 inch (etwa 23 cm) Durchmesser und 6 Fuß (etwa 1,8 m) Länge angeordnet. Im Inneren des Ofenrohrs befindet sich ein Reaktorrohr 11, üblicherweise hergestellt aus einem 6 bis 8 inch (15.24 bis 20,32 cm) im Durchmesser aufweisenden und etwa 8 Fuß (etwa 2,4 m) langen Quarz, welches konzentrisch im Inneren der Heizung 12 positioniert ist. Eine Prozeßgasquelle 13 ist mit dem Inneren des Reaktorrohrs 11 durch eine Gasleitung 14 verbunden, wobei die Position des Einlasses von der Art der durchzuführenden Abscheidung bestimmt wird und eine Abgasleitung 15 verläßt das Innere des Reaktorrohres 11 in Verbindung mit einer Pumpe 16. Drucksensoren 19 ermöglichen Rückmelde-Steuerungsmöglichkeiten, um Betriebsdrücke zu erhalten und aufrechtzuerhalten. Für eine optimale Erwärmung sind Träger 21 in den heißen Zentralbereich (Vorderseite an Rückseite) des Inneren des Reaktorrohres 11 mittels freitragender Stangen 22 eingeschoben. Eine Tür 24 dichtet das Reaktorrohr 11 mittels Dichtungsringen (nicht dargestellt) ab.
Für oberflächenkontrollierte CVD-Verfahren, wie etwa für die Abscheidung von Polysilicium, Siliciumnitrid und Tetraethylorthosilikat, kann der Träger eine geschlitzte Schale, ein offenes Boot oder ein "Nest" sein, hergestellt aus Kohlenstoff-Kohlenstoffverbundmaterial und jeweils ein Halbleiter-Wafer-Substrat pro Schlitz aufnehmend, die üblicherweise etwa 3/16 bis 3/8 inch (0,48 bis 0,96 cm) entfernt voneinander zentriert sind.
Ein anderer Ausrüstungstyp, der aus dem Kohlenstoff- Kohlenstoffverbundmaterial gefertigt werden kann, ist ein Wafer-Käfig 30, der in Fig. 2 dargestellt ist. Wafer-Käfige 30 werden typischerweise aus zwei Teilen hergestellt, die teilweise geöffnet dargestellt sind, um ein Einsetzen und Entfernen von in Fig. 3 mit gestrichelten Linien dargestellten und in Schlitzen (nicht dargestellt) im Käfig gehaltenen Halbleiter-Wafern 31 zu ermöglichen. Der Wafer-Käfig 30 umschließt die Halbleiter-Wafer 31 bis auf radiale Diffusionsöffnungen 32 vollständig, die zur Außenseite offen sind und es einem Prozeßgas ermöglichen, während des CVD- Verfahrens in den Wafer-Käfig 30 hinein- und herauszuströmen.
Ein alternativer Wafer-Käfig 40 ist in einer geöffneten Stellung als ein Bodenbereich 41 in Fig. 4 und ein Deckelbereich 42 in Fig. 5 dargestellt. Dieser Wafer-Käfig weist längsverlaufende Diffusionsöffnungen 43 auf, die üblicherweise in bezug auf die lange Achse des Käfigs 40 unter einem Winkel von 200 radial voneinander beabstandet sind. Der Bodenbereich 41 enthält ein Wafer-Nest 44, eingeschlossen von Schienen 45, die Schlitze 46 für das Halten von Halbleiter- Waf ern (nicht dargestellt) aufweisen. Die Schienen 45 können durch ein Endstück 48 verbunden sein. Die Nester 44 weisen typischerweise zwei bis vier Schienen 45 auf und können in den Käfig 40 integriert oder für einen einfachen Zugriff auf die Wafer abnehmbar sein. Falls abnehmbar, ist es bevorzugt, daß das Nest 44 locker in den Bodenbereich 41 hineinpaßt. Die Schlitze 46 sind im gleichen Abstand von benachbarten Schlitzen zentriert, üblicherweise 3/8 oder 9/16 inches voneinander entfernt.
Sowohl der Wafer-Käfig und das Nest als auch die Schienen können aus Kohlenstoff-Kohlenstoffverbundmaterialien gemäß der Erfindung gefertigt sein. Während die thermischen Eigenschaften dieser Materialien vorteilhaft sind, ruft die Oberflächenaktivierung bei LTO CVD-Verfahren, die durch die Geometrie und die Diffusion des Prozeßgases gesteuert werden, einen Effekt zweiter Ordnung hervor. Die Eigenschaft der Kohlenstoff-Kohlenstoffverbundmaterialien, mit genauen Toleranzen (sogar innerhalb 3 mils (7,6x 10&supmin;³ cm)) gefertigt zu werden und diese aufrechtzuerhalten, liefert die gleichmäßige Geometrie und benötigten Diffusionswege.

Ausrüstung

Derzeit werden über einhundert verschiedene Teile von Abscheidungsausrüstungen für die Herstellung von CVD Beschichtungen auf Halbleitersubstraten angeboten. Diese können vorteilhaft aus Kohlenstoff- Kohlenstoffverbundmaterialien hergestellt werden, um ein Entgasen zu vermeiden, die Teilchenbildung zu reduzieren und Festigkeit und Dimensionsstabilität bei Temperatur und Reaktionsbedingungen aufrechtzuerhalten.
Die folgenden Beispiele veranschaulichen diese Erfindung.

Beispiel 1

Ein Wafer-Käfig wurde aus Kohlenstoff- Kohlenstoffverbundmaterial, enthaltend ein 50 mil (0,13 cm) dickes Laminat, zusammengesetzt aus Kohlenstoffgewebe in einer im wesentlichen reinen Kohlenstoffmatrix hergestellt. Das Gewebe wurde aus einem Polyacrylnitril-Vorläufer, wie etwa dem unter der Marke T-300 (8-Harnisch-Satin-Gewebe) von Amoco Chemical erhältlichen, gewonnen. Das Matrix-Material wurde aus einem Phenolharz-Vorläufer gewonnen. Sowohl das Kohlenstoffgewebe als auch das Matrixmaterial wurden durch pyrolytischen Kohlenstoff mittels chemischer Dampfinfiltration verdichtet. Das Kohlenstoff-Kohlenstoffmatrixmaterial besaß eine abgeschätzte Druckdehnung nahe bei 45 KSI und eine izod- Kerbschlagfestigkeit im Bereich von 8-14 lbf x in (9-15 x 8 Nm) . Der Käfig wurde mittels CVD aus Silan (150 sccmy bei 0,5 torr und 580ºC während 4 Stunden mit Silicium beschichtet.
Der Kohlen-Kohlenstoffverbund-Wafer-Käfig wurde mit einem Nest aus drei Kohlenstoff-Kohlenstoffschienen ausgerüstet, die maschinell auf einer Fräse aus einer flachen Kohlenstoff- Kohlenstoffplatte bearbeitet und mittels CVD mit Silicium wie oben beschichtet wurden. Halbleiter-Wafer von 100 mm, davon 22 mil (0.06 cm) aus Silicium, wurden in den Kohlenstoff- Kohlenstoffverbundkäfig eingelegt und er wurde in einem LTO , PSG LPCVD Verfahren getestet.
Ein Kohlenstoff-Kohlenstoffverbundkäfig, bestückt mit 18 Halbleiter-Wafern, wurde zusammen mit vier gleichbestückten Quarz-Wafer-Käf igen in ein LPCVD-Reaktorrohr geladen. Über verschiedene Läufe wurde der Kohlenstoff- Kohlenstoffverbundkäfig in unterschiedliche Positionen von vorne nach hinten entlang der fünf Käfige verbracht, um mögliche Verfälschungen infolge der Position in dem Reaktor zu eliminieren.
Die fünf jeweils 18 Halbleiter-Wafer enthaltenden Käfige einschließlich des Kohlenstoff-Kohlenstoffverbundkäfigs wurden in einem LTO Verfahren für die Abscheidung von phosphordotiertem Siliciumdioxid betrieben. Die Tests wurden bei einer Betriebstemperatur von etwa 4200 und einem Druck 0,275 torr bis etwa 0,285 torr durchgeführt. Das Prozeßgas bestand im wesentlichen, bezogen auf das Volumen, aus etwa 34 % Silan, etwa 66 % Sauerstoff und 0,0015 % Phosphin (Stickstoff wurde als Trägergas für das Phosphin verwendet).
Die Abscheidungen führten zu guten Filmen, die auf den Halbleiter-Wafern in den Kohlenstoff-Kohlenstoffverbundkäfigen abgeschieden wurden. Das Gewichts-% des in die Filme dotierten Phophors lag etwa bei 3,1 %, das gleiche wie für die in den Quarzkäfigen bearbeiteten Halbleiter-Wafer. Die Gesamtdicke der abgeschiedenen Schicht war bei den Kohlenstoff- Kohlenstoffkäfig gehaltenen Wafern gegenüber den Quarzkäfig- Waf ern geringfügig geringer (etwa 10 %), was ein Ergebnis der gesteigerten Affinität des Kohlenstoff- Kohlenstoffverbundmaterials für die Filmabscheidung aus dem Prozeßgas ist. Dies wird in einem Abscheidungssystem, welches ausschließlich Kohlenstoff-Kohlenstoffverbundkäfige verwendet, durch Steigerung der Abscheidungsdauer, Durchflußmengen und ähnlichem vollständig kompensiert.
Die Wafer-Oberflächen wurden anhand vier CVD Durchläufen analysiert und Berechnungen wurden angestellt, um die Anzahl an Teilchen von etwa 1 Mikron und etwa 2 Mikron Größe, die während der Abscheidung auf dem Wafer gebildet wurden, zu ermitteln. Die Oberflächen wurden mittels eines Oberflächenreflexionabtastgerätes (Handelsname "Surfscan") vor und nach der Abscheidung für jeden mittleren Wafer in jedem Käfig analysiert. Die Differenz zwischen den Mengen einer jeden Teilchengröße wurden für die Quarzkäfig gehalterten Wafer addiert im Vergleich zu den Kohlenstoff- Kohlenstoffverbundkäfig gehaltern Wafern, um Käfigpositionseffekte zu neutralisieren und die Mengen wurden gemäß der Anzahl der abgetasteten Wafer gemittelt. Die Halbleiter-Wafer, die mit phosphordotiertem Siliciumdioxid in Kohlenstoff-Kohlenstoffverbundkäfigen CVD-beschichtet wurden, zeigten eine 17 %-ige Verringerung der Anzahl an Teilchen der Größe von einem Mikron und eine 37 %-ige Verringerung der Anzahl an Teilchen der Größe von zwei Mikron, die auf den Wafer-Oberflächen im Vergleich zu den in Quarzkäfigen bearbeiteten abgeschieden wurden.

Reaktor

Während des CVD-Verfahrens, beispielsweise beim Betrieb des in Fig. 1 dargestellten LPCVD-Reaktors, bildet sich das abzuscheidene Material nicht allein auf den Wafern, sondern auch auf Käfigen 21, Wänden des Reaktorrohres 11 und sämtlichen anderen Reaktorteilen, die dem Prozeßgas ausgesetzt sind, wie etwa den freitragenden Stangen 22. Kühlere Temperaturen fördern eine Teilchenbildung über die Filmabscheidung, was nicht nur zu den Schwierigkeiten der auf die Wafer-Oberfläche transportierten Teilchen, sondern auch zu eventuellen Agglomerationen von Teilchen auf den Oberflächen der Reaktorteile und Käfige führt, die den Betrieb stören und welche durch HF-Badreinigung entfernt werden müssen.
Kühler Temperaturen resultieren aus der Position des Teiles in dem Reaktor, wie auch aus dem Konstruktionsmaterial. Während der zentrale Bereich des Reaktorrohres 11 auf Prozeßtemperatur gehalten wird, erfährt kein Ende des Rohres gleichzeitig die gleiche Temperatur (demgemäß ist eine Wasserkühlung möglich, um die Herstellung der Tür 24 aus Edelstahl zu gestatten). Das Prozeßgas erfährt von daher einen Temperaturübergang von geringerer am Einlaß zu hoher in der Mitte und wiederum abfallend am Auslaß Der Abscheidungscharakter ist unterschiedlich bei verschiedenen Temperaturen und auf den unterschiedlichen Oberflächen.
Um die Zeit für die Reinigung der Reaktorteile und Käfige zu ermitteln, wird eine Aufzeichnung der gesamten Abscheidungsdicke auf den Waf ern über aufeinanderfolgende Durchläufe aufgenommen, wobei berücksichtigt ist, daß eine sehr viel stärkere Abscheidung auf dem Reaktorrohr und -teilen als auf den Wafern erfolgen wird. Eine Reinigung des Reaktors ist im allgemeinen nach allen 20 bis 30 Abscheidungen erforderlich, was zu häufigen Reaktorstillstandszeiten führt.

Beispiel 2

In einem konkreten LPCVD Reaktor, wie dem in der Fig. 1 dargestellten, der freitragende Schienen, hergestellt aus Aluminiumoxid von 1 inch (2,54 cm) Durchmesser (beschichtet mit Quarzumhüllungen) aufweist, messen die Stangen etwa 27 inch (etwa 68,5 cm) vom nächstliegenden Wafer bis zur Tür. Eine 10 mil (0,025 cm) dicke Kohlenstoff- Kohlenstoffverbundgewebeschicht (aus dem in Beispiel 1 beschriebenen Material) wurde mit Silicium mittels CVD unter den Bedingungen von Beispiel 1 in einer Dicke von mindestens etwa 0,5 Mikron bis etwa 0,8 Mikron beschichtet. Das siliciumbeschichtete Kohlenstoff-Kohlenstoffverbundgewebe wurde über die Stangen etwa 1 inch (2,54 cm) entfernt vom nächstliegenden Käfig auf einer Länge von 14 inch (35,5 cm) in Richtung der Tür aufgeschoben. Ein LTO CVD Verfahren wurde für die Abscheidung von phosphordotiertern Siliciumdioxid auf Halbleiter-Wafern in Quarzkäfigen durchgeführt.
Die Halbleiter-Käfige wurden mit der geforderten Beschichtung versehen. In der Reaktorröhre trat außerhalb der Käfige eine anhaftende Filmabscheidung auf dem Kohlenstoff- Kohlenstoffverbundrnaterial unter Ausschluß des Bereiches der freitragenden Stangen, der nicht durch das Gewebe und das Quarzreaktorrohr abgedeckt war, auf. Es wurde eine sehr begrenzte Abscheidung auf den Wänden des Quarzrohres und sehr begrenzte Teilchenbildung beobachtet.
Das Kohlenstoff-Kohlenstoffverbundmaterial, welches hervorragende Wärernstrahlungsübertragungseigenschaften aufweist, diente als schwarzer Körper zum schnellen Erwärmen und verursachte eine Filmabscheidung auf seiner Oberfläche unter Ausschluß von Teilchenbildung auf kühleren Reaktorobflächen.
Die Verwendung von Kohlenstoff-Kohlenstoffverbundmaterialien entweder als Reaktorteile, wie etwa Stangen, Schienen, Aufnahmen, leitende Platten, Gasleitungen, Vakuumleitungen und ähnliches oder auch als bereichsweise Abdeckung für jedes dieser Teile würde dazu führen, daß das Reaktorrohr für eine große Anzahl von Anwendungen bei nur sehr seltener Reinigung anwendbar ist.

Beispiel 3

Herkömmliche Wafer-Käfige, die aus Quarz hergestellt sind, können im allgemeinen nur für 5-8 Abscheidungen verwendet werden, bevor die resultierende Teilchenagglomeration in Flußsäure mit dem oben erwähnten Bruchfaktor und der verringerten Käfiglebensdauer entfernt werden muß. Käfige, die aus anderen Materialien hergestellt sind, zeigen ebenfalls Zerbrechlichkeit und/oder benötigen häufige Reinigung. Der Kohlenstoff-Kohlenstoffverbundkäfig, der in Beispiel 1 beschrieben ist, wurde in 50 LTO-Abscheidungsdurchläufen mit einer anhaftenden Abscheidung eines gleichmäßigen Siliciumdioxidfilms eingesetzt. Nach 50 Abscheidungen haftete die Beschichtung aus Siliciumdioxid immer noch an. Es wird geschätzt, daß nicht weniger als 5-6 mils (0,013-0,015 cm) abgeschieden werden können, bevor der Kohlenstoff- Kohlenstoffverbund-Wafer-Käfig eine Reinigung oder einen Austausch benötigt. Häufige Reinigungen mit HF zusammen mit ihren begleitenden Handhabungs- und Entsorgungsproblemen würden vermieden werden. Sogar wenn keine Reinigung der Kohlenstoff-Kohlenstoffverbundkäfige gewünscht wäre, wird die Lebensdauer des Käfigs zumindest auf das zehnfache gegenüber der von Quarzware gesteigert. Die Entsorgung von gebrauchten Käfigen wäre umweltfreundlich, da sie als ungefährliches Material behandelt werden könnten.
Kohlenstoff-Kohlenstoffverbundmaterialien sind nunmehr erfolgreich in BSG, PSG und BPSG LTO CVD-Verfahren, Polysilicium- und dotiertem Polysilicium-CVD und Siliciumnitrid-CVD eingesetzt worden.

Andere Ausführungsformen

Zusätzlich zu den oben beschriebenen Ausführungsformen sind Kohlenstoff-Kohlenstoffmatrixmaterialien gemäß der vorliegenden Erfindung in weiteren CVD-Systemen zur Abscheidung von flüchtigen chemischen Bestandteilen auf zumindest einem Halbleiter-Wafer einschließlich dem im Hintergrund der Erfindung beschriebenen und für andere Arten von Ausrüstung und Materialspann- oder Handhabungsteile brauchbar.
Die Materialien sind in Glockenreaktoren, wie dem von ANICON vertriebenen, brauchbar. Ein solcher Glockenreaktor 60 ist in der Fig. 6 dargestellt. Zwischen der Glocke 52 und der Basis 53, die mit einem O-Ring 54 abgedichtet sind, sind Wafer- Käf ige 51 enthalten. Eine Gaszuführung (nicht dargestellt), die Prozeßgas in den Reaktor hineinführt, erstreckt sich aufwärts aus der Basis 53. Das Gas gelangt in die Wafer-Käfige 51 und kann vorzugsweise durch Ummantelungen (nicht dargestellt), die den Käfigen benachbart sind, in die Käfige geleitet werden. Das Gas wird durch einen Auslaß 55 in die Vakuumleitung 56 entfernt. Eine Heizung 58 umgibt die Glocke 52.
Dieses Glockensystem wird zur Abscheidung von P-dotiertern Polysilicium bei Temperaturen von etwa 550ºC bis etwa 700ºC (vorzugsweise etwa 680ºC) und Drücken von etwa 0,3 torr verwendet. P-dotiertes und B- & P-dotiertes Siliciumoxid kann bei ähnlichem Druck und etwa 400ºC abgeschieden werden. Die Wafer-Käfige 51, die Gaszuführung und die Ummantelungen können neben anderen Ausrüstungen und Teilen aus Kohlenstoff- Kohlenstoffverbundmaterialien gemäß der vorliegenden Erfindung hergestellt sein.
Die Kohlenstoff-Kohlenstoffverbund-CVD-Verfahrensteile sind für plasmagesteigertes CVD geeignet. Fig. 7 zeigt eine Reaktorröhre 60, in die parallele Platten 61 eingesetzt sind. Die Platten 61 können aus Kohlenstoff-Kohlenstoffrnaterialien gemäß der vorliegenden Erfindung wie oben beschrieben hergestellt sein. Die Platten weisen maschinell in diese eingebrachte Taschen auf, um die Halbleiter-Wafer 62, die üblicherweise einander zwischen den Platten 61 zugewandt sind, zu halten Kohlenstoff-Kohlenstoffverbundschrauben (nicht dargestellt) können die Wafer 62 an ihrer Stelle halten. Die Platten 61 werden in beabstandeter Anordnung gehalten und wechselnden Potentialien einer RF-Erde und positiv oder RF- negativ und -positiv unterworfen.
Ein Plasma wird zwischen den Platten bei Drücken von etwa 0,3 bis etwa 0,5 torr in Ar oder Ar/N&sub2; gezündet. Auf diese Weise kann amorphes Silicium bei etwa 250ºC abgeschieden werden und Siliciumnitrid oder Siliciumdioxid können bei etwa 350ºC bis etwa 420ºC abgeschieden werden.
In einem Hochdruck- ("atmosphärischen") Reaktor 70, wie in Fig. 8 dargestellt, etwa dem von Applied Material produzierten, findet die Abscheidung in einer ventilierten Kammer 71 über einen Abscheidungskopf 72, der aus Gaszuführungen gebildet ist, statt. Die Halbleiter-Wafer 73 werden in maschinell bearbeiteten Taschen auf Schalen 74 zwischen Abscheidungskopf 72 und einer Heizung (nicht dargestellt) durch Ketten 76, die auf einer Kettenführung 75 gehaltert sind, transportiert. Bei diesem Reaktortyp können zum Beispiel die Schalen und die Kettenführung aus Kohlenstoff-Kohlenstoffverbundmaterial gemäß der vorliegenden oben beschriebenen Erfindung hergestellt sein.
Die Kohlenstoff-Kohlenstoffverbundschalen würden bei Betriebstemperaturen von 475ºC bis 500º eben bleiben und Dirnensionsstabilität im Gegensatz zu den anodisierten Edelstahl- oder schwarzoxidierten Nickelschalen, die derzeit verwendet werden, aufweisen. Auch würden sich die Kohlenstoff- Kohlenstoffverbundschalen rasch und gleichmäßig erwärmen und einen Ternperaturüberschuß, der die Wafer gefährden kann, falls 460ºC überschritten werden, vermeiden (Die Wafer-Temperatur beträgt üblicherweise etwa 420ºC).
Kohlenstoff-Kohlenstoffverbundmaterialien, wie sie oben beschrieben sind, können auch für offene oder geschlossene Bootsysteme für das Dotieren von Halbleiterwafern mittels fester ebener Diffuionsdotierquellen in einem Diffusionsofen verwendet werden.
Es von daher aus der vorangegangenen Beschreibung augenscheinlich, daß Kohlenstoff-Kohlenstoffmaterialien in CVD-Verfahren, die im Laufe dieser Spezifikation beschrieben sind, unter den Temperatur- und Druckbedingungen und chemischen und elektrischen Umgebungen, die normalerweise bei den Verfahren angewendet werden, vorteilhaft einsetzbar sind. Die Kohlenstoff-Kohlenstoffmaterialien tragen zu einer Verfahrensgleichmäßigkeit durch effizienten Wärmetransport bei und Abscheidungen, die sich auf den Kohlenstoff- Kohlenstoffverbunden während des CVD-Verfahrens ausbilden, haften fest an dem Kohlenstoff-Kohlenstoffverbund und tragen nicht zur Teilchenkontamination bei.
Die Kohlenstoff-Kohlenstoffverbundmaterialien können daher generell für CVD-Verfahrensteile verwendet werden, die für Zwecke dieser Spezifikation Reaktorteile, Handhabungs- und Spanngeräte oder -teile, Abscheidungsausrüstung und Abdeckungen für alle obigen beinhalten. Verdeutlichende Beispiele beinhalten, sind aber nicht zur Beschränkung des Geltungsbereiches der Erfindung gedacht, Träger, Wafer-Käfige, Boote, Schalen, Nester, Schienen, Stangen, Aufnahmen, Platten, leitende Platten, Gasleitungen, Ummantelungen und Zuführleitungen und Vakuumleitungen.
Es ist augenscheinlich, daß das erfinderische Verfahren und die Materialien eine Verbesserung des oben beschriebenen Standes der Technik ermöglichen. Die vorangehenden Beispiele und Beschreibungen, wie die Vorläufermaterialien, Fertigungsverfahren, Beschichtungen, Typen von CVD-Verfahren, in den die eben erwähren Kohlenstoff- Kohlenstoffverbundmaterialien verwendet werden können, Reaktionsbedingungen und ähnliches sind zur Verdeutlichung und nicht zur Beschränkung der Erfindung gedacht, die alle Modifikationen und Variationen, die in den Umfang der folgenden Ansprüche und ihrer äquivalenten Ausführungen fallen, einschließt.

Claims

1. Verfahren zur chemischen Abscheidung aus der Gasphase (CVD) zur gleichmäßigen Abscheidung von einem oder mehreren flüchtigen Bestandteilen auf mindestens einen Halbleiterwafer, dadurch gekennzeichnet, daß das Verfahren modifiziert ist, indem es mindestens einen CVD- Verfahrensteil in direktem Kontakt mit dem Halbleiterwafer hat und dieses mindestens eine CVD-Teil ein kohlefaserverstärktes Kohlenstoffmatrixmaterial enthält, welches diesem Teil Dirnensionsstabilität verleiht und in der Lage ist, genaue Toleranzen bei Änderung der Temperaturen und beim Unterwerfen unter Reaktionsbedingungen einzuhalten, wodurch eine Filmabscheidung über Ausbildung von Teilchen während der chemischen Abscheidung aus der Darnpfphase gefördert wird und auf diese Weise ein Entgasen vermieden und die Bildung unreiner Teilchen auf dem Halbleiterwafer unterdrückt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, in welchem das CVD-Verfahrensteil Kohlenstoffasern, ausgewählt aus Kohlefasern, Graphitfasern und Mischungen derselben als Verstärkung enthält.

3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, in welchem das kohlefaserverstärkte Kohlenstoffmatrixmaterial einen Schutzüberzug aufweist.

4. Verfahren nach Anspruch 3, in welchem der Überzug eine Vorüberzugsschicht, bestehend im wesentlichen aus Silicium aufweist.

5. Verfahren nach Anspruch 4, in welchem Siliciumcarbid an der Grenzfläche zwischen dem Material und der Silicium-Vorüberzugsschicht ausgebildet ist.

6. Verfahren nach den Ansprüchen 3, 4 oder 5, in welchem der Schutzüberzug aus der Gruppe, bestehend aus SiC, dotiertem oder undotiertern SiO&sub2;&sub1; Si&sub3;N&sub4;, SiAlON, MoSi&sub2;, WSi&sub2;, NiSi&sub2;, ZrB&sub2;, TiB&sub2;, SiB&sub4;, SiB&sub6;, B&sub4;C, B, Ni, Cr, Pt, Ir, Aluminiumoxid, Aluminiumphosphat, Aluminiumsilikaten, vorzugsweise Magnesium-Aluminiumsilikaten, Borsilikaten, vorzugsweise Natriumbor-Aluminiumsilikaten und Kombinationen derselben ausgewählt ist.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, in welchem das Matrixmaterial einen Füllstoff enthält.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, in welchem das Verfahrensteil ein Reaktorteil, ein Handhabungs- oder Aufspannteil oder eine Abdeckung hierfür ist.

9. Verfahen nach einem der Ansprüche 1 bis 7, in welchem das Verfahrensteil eine CVD-Ausrüstung oder eine Abdeckung dafür ist.

10. Verfahren nach Anspruch 9, in welchem die CVD-Ausrüstung ein Waferträger ist.

11. Verfahren nach Anspruch 10, in welchem der Waferträger ein Waferkäf ig, ein offenes Waferboot, ein geschlossenes Waferboot, eine Waferschale, ein Wafernest oder eine Waferschiene ist.

12. Verfahren nach Anspruch 8, in welchem das CVD-Verfahrensteil eine Abdeckung, Stange, Schiene, Schraube, Aufnahme, Platte, leitende Platte, Gasleitung, Ummantelung, Treibstoffleitung oder Vakuumleitung ist.

13. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, in welchem Abscheidung von Polysilicium, dotiertem Polysilicium, Siliciumnitrid, Borsilikatglas, Phosphorsilikatglas, Borphosphorsilikatglas, arnorphem Silicium, SiO&sub2;, dotiertem SiO&sub2;, SiO&sub2;-Si&sub3;N&sub4;, epitaxialem Si, Tetraethylorthosilikat, Phosphor dotiertem SiO&sub2; oder Bor dotiertem SiO&sub2; auf den Halbleiterwafer erfolgt.

14. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, in welchem das Verfahren zur chemischen Abscheidung aus der Gasphase ein Niederdruck-CVD-Verfahren, ein Plasma gesteigertes CVD-Verfahren oder ein Hochdruck-CVD- Verfahren ist.