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Diese Erfindung bezieht sich auf Suszeptoren zur Verwendung in Vorrichtungen für
die chemische Gasphasenabscheidung (CVD), und insbesondere auf Suszeptoren, die aus
einem keramischen Material hergestellt sind und in Vorrichtungen für die plasmaverstärkte
chemische Gasphasenabscheidung verwendet werden.
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Man hat eine Zeitlang Vorrichtungen für die chemische Dampfabscheidung zum
Abscheiden von Dünnfilmen auf Halbleitersubstraten verwendet. Bei solchen Vorrichtungen
wird ein Gas, das die Strukturelemente des zu bildenden Filmmaterials enthält, zunächst in
eine Kammer eingeführt, woraufhin das Gas erhitzt wird, um eine chemische Reaktion zum
Abscheiden des gewünschten Films auf dem Halbleitersubstrat einzuleiten.
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Bei einer typischen Einzelwafer-CVD-Vorrichtung wird die Plattform, die zum Halten
des Halbleitersubstrats an Ort und Stelle für den Abscheideprozess verwendet wird, als
Suszeptor bezeichnet. Der Suszeptor ist gewöhnlich aus einer dünnen Platte wegen geringer
Masse und einem sie umgebenden Rand für die Steifigkeit aufgebaut. Gegenwärtig beträgt
der Durchmesser eines Suszeptors in einem typischen Reaktionsbehälter etwa 9" (228 mm),
während die Durchmesser der zu beschichtenden Wafer normalerweise 6" oder 8" (152 mm
oder 203 mm) betragen. Der Suszeptor kann aus Graphit oder Aluminium, das mit einem
Siliziumcarbidüberzug beschichtet ist, hergestellt sein, so dass er auf die Abscheidetemperatur
des Dünnfilms ohne merkliche Verformung erhitzt werden kann. Man hat Verfahren zur
Behandlung von Metalloberflächen vorgeschlagen, um ihre Dauerhaftigkeit bei hohen
Temperaturen zu verbessern. Die US-A-5,201,990 offenbart ein Verfahren zum Behandeln von
Aluminiumoberflächen in einer Vakuumvorrichtung mit einem Plasma, das aus einem
Stickstoffenthaltenden Gas, entweder Stickstoff oder Ammoniak, besteht.
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Zur Auswahl eines geeigneten Materials für den in einer CVD-Vorrichtung
verwendeten Suszeptor muss den folgenden Kriterien genügt werden. Erstens muss die
Wärmeleitfähigkeit des Materials ausreichend hoch sein, damit jede Verformung in seinen Abmessungen
und jede Verschlechterung des Materials bei den hohen Betriebstemperaturen der CVD-
Vorrichtung auf ein Minimum reduziert sind. Wenn
In-situ-Plasmakammerreinigungsverfahren verwendet werden, muss zweitens das für den Suszeptor verwendete Material gegen
jede korrosive Einwirkung des Plasmas resistent sein. Drittens muss das Suszeptormaterial
eine hohe Reinheit haben, um jede Kontaminierung des Halbleitersubstrats durch in dem
Material enthaltende Verunreinigungen auszuschließen.
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Demzufolge werden herkömmlicherweise für den Suszeptor metallische Materialien
verwendet, die elektrisch leitfähig sind und eine hohe Wärmeleitfähigkeit haben.
Insbesondere werden häufig bestimmte Metalllegierungen von Nickel, wie Monel , Hastelloy , usw.,
wegen ihrer Widerstandsfähigkeit gegenüber Fluor-enthaltendem Plasma verwendet,
welches eines der hochreaktiven Plasmen ist, die oft bei
In-situ-Plasmakammerreinigungsschritten verwendet werden. Man hat auch keramische Materialien, wie Siliziumcarbid und
Graphit, verwendet. Bei Vorrichtungen, bei denen die Suszeptorplatte als eine
Hochfrequenzelektrode wirken muss, muss ein leitendes Material, beispielsweise Metall, verwendet
werden.
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Wenn herkömmliche Materialien, wie Monel , Hastelloy , Siliziumcarbid und
Graphit, als Suszeptormaterial verwendet werden, ist normalerweise eine
Schutzüberzugsschicht erforderlich, um die Oberfläche des Suszeptors abzudecken und um sie vor der
korrosiven Wirkung des Plasmas zu schützen.
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Wenn metallische Materialien in dem Suszeptor verwendet werden, stellen sich
plastische Verformungen in dem Material ansprechend auf plötzliche Temperaturänderungen ein.
Dies führt zu dem Problem, dass sich der Schutzfilm aufgrund der Differenz der Werte im
Wärmeausdehnungskoeffizient zwischen dem Schutzfilm und dem metallischen Material
abschält.
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Wenn in dem Suszeptor keramische Materialien verwendet werden, schält sich der
Schutzfilm auch dann, wenn keine plastische Verformung auftritt, von der Oberfläche des
Suszeptors nach einer bestimmten Anzahl von Plasmareinigungsprozessen ab. Der Grund
dafür besteht darin, dass auch kleine Differenzen in den Werten der
Wärmeausdehnungskoeffizienten zwischen dem Schutzfilm und den keramischen Materialien schließlich eine
Auswirkung nach einer Anzahl von Prozesszyklen haben. Die Schutzschicht selbst kann auch
allmählich nach vielen Reinigungsvorgängen mit den hochreaktiven Plasmen und Gasen
erodieren, die bei solchen Reinigungsvorgängen verwendet werden.
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Bei einem solchen aus herkömmlichen Materialien hergestellten Suszeptor ergeben
sich deshalb Probleme hinsichtlich des Erreichens sowohl einer Langzeitdauerhaftigkeit als
auch der Betriebssicherheit.
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Die EP-A-0506391 offenbart eine thermische CVD-Kammer, in der eine
scheibenförmige keramische Heizeinrichtung zum Erhitzen von Wafern in einem Gehäuse im Inneren
der Kammer angeordnet ist. Die Heizeinrichtung besteht aus einem Substrat, das aus einem
dichten und gasundurchlässigen Aluminiumnitrid hergestellt ist und einen
wärmeerzeugenden Widerstandskörper aus Wolfram oder dergleichen hat, der spiralförmig in der Scheibe
eingebettet ist.
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Die EP-A-059504 offenbart ein Verfahren zur Behandlung eines Halbleiterwafers in
einem Reaktor bei einer Waferhaltetemperatur von mehr als 400ºC und vorzugsweise
wenigstens etwa 500ºC oder mehr ohne Verwerfen, während während der Behandlung für
einen Korrosionswiderstand gegenüber den Chemikalien gesorgt wird, die in dem Reaktor
verwendet werden. Bei dem Prozess wird der Halbleiterwafer auf einem Waferhalter oder
Suszeptor gehalten, der Graphitmaterialien aufweist, die mit einem Schutzüberzug aus
Aluminiumnitrid beschichtet sind.
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Ein Ziel der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Suszeptorplatte
bereitzustellen, die keine Schutzbeschichtung erfordert, wenn die Suszeptorplatte in einer CVD-Kammer
verwendet wird.
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Diese Erfindung stellt eine Abscheidungskammer mit einer scheibenförmigen
Aluminiumnitrid-Suszeptorplatte bereit, welche eine obere Fläche, eine untere Fläche und einen
vorher festgelegten Durchmesser zum Halten eines Substrats hat, mit einer Elektrodenplatte,
die einen vorher festgelegten Außenseitendurchmesser hat, der kleiner ist als der des neben
der unteren Fläche der Suszeptorplatte angeordneten Suszeptors, und mit einer
Elektrodenabdeckung, die einen äußeren Durchmesser hat, der größer ist als der
Außenseitendurchmesser der Elektrodenplatte, wobei die Abdeckung abnehmbar an der unteren Fläche der
Suszeptorplatte und um den äußeren Umfang der Elektrodenplatte herum befestigt ist und
einen Hohlraum bildet, der für die Aufnahme und Abschirmung der Elektrodenplatte
angepasst ist, die Elektrodenplatte ringförmig ist und die Elektrodenabdeckung scheibenförmig ist
und sich innerhalb des Umfangs der Suszeptorplatte über der unteren Fläche der Platte
erstreckt sowie einen zentralen hohlen Abschnitt für die Aufnahme der ringförmigen
Elektrodenplatte hat.
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Als Folge der Verwendung von Aluminiumnitrid, das einen überlegenen
Fluorplasmawiderstand als Material für die Suszeptorplatte hat, lässt sich keine Korrosion oder
Verformung der Suszeptorplatte beobachten, und es werden keine Teilchen gebildet, auch wenn
die Platte bei hohen Temperaturen in starken reaktiven Plasmaumgebungen eingesetzt wird,
insbesondere bei Reinigungsvorgängen. Die überlegene Wärmeleitfähigkeit des
Aluminiumnitrids verbessert auch die Temperaturgleichförmigkeit über der Oberfläche des Suszeptors,
was sich als weiterer Behandlungsvorteil erweist.
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Die Suszeptoranordnung mit der Elektrodenplatte, die an der unteren Fläche der
Suszeptorplatte befestigt ist, bildet eine Hochfrequenzelektrode, wobei die Elektrodenplatte
von der Elektrodenabdeckung abgedeckt wird, die aus einem keramischen Material
hergestellt und lösbar an der Suszeptorplatte befestigt ist, so dass jede nachteilige Einwirkung des
Fluorplasmas vermieden wird.
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Weitere Ziele, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich bei
Durchsicht der Beschreibung und der beiliegenden Zeichnungen, in denen
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Fig. 1 eine perspektivische Ansicht einer Suszeptoranordnung nach der Erfindung ist,
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Fig. 2 eine teilweise geschnittene und vergrößerte perspektivische Ansicht einer
Suszeptoranordnung nach der vorliegenden Erfindung ist,
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Fig. 3 eine vergrößerte Schnittansicht der Suszeptoranordnung ist, und
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Fig. 4 eine Schnittansicht der CVD-Vorrichtung ist, in der eine Suszeptoranordnung installiert
ist.
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Die in Fig. 1 gezeigte, erfindungsgemäße Suszeptorvorrichtung 8 hat eine
Suszeptoranordnung 10 und einen Suszeptorhaltearm 20. Wie in Fig. 2 gezeigt ist, besteht die
Suszeptoranordnung 10 aus einer Suszeptorplatte 11 und einer Elektrodenplatte 13, die an der
Rückseite der Suszeptorplatte 11 befestigt ist. An der Rückseite der Suszeptorplatte 11 ist
eine Elektrodenabdeckung 19 angebracht, die die metallische Elektrodenplatte 13 abdeckt.
Fig. 2 zeigt, dass die Suszeptorplatte 11 eine scheibenförmige Platte mit einem
vorgegebenen Außendurchmesser D und einer zylindrischen Nabe 11a in der Mitte ist. Die
Suszeptorplatte 11 ist aus Aluminiumnitridmaterial hergestellt. Man hat Aluminiumnitrid als
Halbleitermaterial in den letzten Jahren hauptsächlich wegen seiner hohen Wärmeleitfähigkeit
verwendet. Erst durch das einzigartige Auffinden der vorliegenden Erfindung hat sich ergeben,
dass Aluminiumnitrid einen überlegenen Fluor-Plasma-Widerstand bietet.
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Bei der Herstellung von Aluminiumnitridteilen ist es üblich, Yttrium oder Erbium in die
Mischung als Formfreigabemittel zuzusetzen. Man nimmt jedoch an, dass Yttrium eine etwas
nachteilige Wirkung auf die Wafereigenschaften hat. Es wird deshalb hochreines
Aluminiumnitrid mit einer minimalen Menge von Verunreinigungen, wie Yttrium, bevorzugt.
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Wie in Fig. 2 gezeigt ist, ist an der Nabe Ha der Suszeptorplatte 11 eine
Hochfrequenz-(HF-)Kontaktsäule 12 befestigt. Die metallische Elektrodenplatte 13 ist ein
ringförmiges Element. Die Elektrodenabdeckung 19 ist ein scheibenförmiges Element mit einem in
der Mitte ausgesparten Abschnitt 14a auf der Fläche 14, die der Suszeptorplatte 10
zugewandt ist, um die Elektrodenplatte 13 aufzunehmen. Das für die Elektrodenabdeckung 19
verwendete Material ist häufig Aluminiumoxid.
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In der Elektrodenabdeckung 19 und in der Suszeptorplatte 11 sind Löcher 15
vorgesehen und zueinander ausgerichtet. In den Löchern 15 ist eine Anzahl von Stangen (nicht
gezeigt) angeordnet, um einen auf der Suszeptorplatte 11 liegenden Wafer während der
Behandlung anzuheben und abzusenken.
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Fig. 2 zeigt auch eine Thermoelement-Haltestrebe 11b, die an der Nabe Ha befestigt
ist und für die Aufnahme eines Thermoelements 16 vorgesehen ist. Das Thermoelement 16
ist an der Haltestrebe 11b durch ein metallisches Element 17 in folgender Weise befestigt.
Zuerst wird eine Gewindebohrung (nicht gezeigt) für die Haltestrebe 11b vorgesehen, indem
die Suszeptorplatte 11 durchbohrt wird. Dann wird ein mit Gewinde versehenes, hohles
zylindrischen Metallelement 17 für den Eingriff mit der Gewindebohrung bereitgestellt. Mit der
zweiten Gewindebohrung wird dann ein mit Gewinde versehenes Thermoelement 16 in
Eingriff gebracht. Das Metallelement 17 ist vorzugsweise aus Nickel hergestellt, das eine
überlegene Wärmeleitfähigkeit hat.
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Es ist anzumerken, dass das Thermoelement 16 vorzugsweise nicht direkt in die
Suszeptorplatte 11, sondern stattdessen in das metallische Element 17 eingeführt wird, um
jegliche potenziellen Rissprobleme der keramischen Suszeptorplatte 11 zu vermeiden. Dies
bietet einen beträchtlichen verfahrenstechnischen Vorteil, wenn das Thermoelement 16
wiederholt in die Suszeptorplatte 11 eingeführt und aus ihr entfernt wird, wenn eine Wartung
oder ein Austausch des Thermoelements 16 erforderlich wird.
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Die HF-Kontaktsäule 12 und die metallische Elektrodenplatte 13 sind durch eine
Verdrahtung verbunden, die in Fig. 2 nicht gezeigt ist. Wie in Fig. 1 gezeigt ist, hat das entfernte
Ende des Suszeptortragarms 20 eine zylindrische Form mit einer unteren Fläche, wobei an
dem nahen Ende ein U-förmiges Verbindungsstück 21 für das Anbringen an einem CVD-
Gehäuse befestigt ist. Durch das Innere des Suszeptorhaltearms 20 geht ein Isolatorrohr 22,
während durch das Innere des Rohrs 22 eine Leitung 23 für das Thermoelement 16 und eine
Leitung 24 für die HF-Elektrodenplatte hindurchgeht.
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Die Suszeptoranordnung 10 und der Suszeptorhaltearm 20 sind miteinander durch
einen Bolzen 25 verbunden, wie es in Fig. 3 gezeigt ist. An der Verbindung von 10 und 20 ist
ein Bund 18 vorgesehen, um innerhalb der Suszeptoranordnung eine Luftabdichtung zu
gewährleisten.
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Fig. 4 zeigt eine Suszeptoranordnung 10, die in einer CVD-Vorrichtung montiert ist.
Die Reaktionskammer 30 besteht aus einer Hauptkammer 31 und einer Heizlampenkammer
32. Die Suszeptoranordnung 10 ist am Boden 31b der Reaktionskammer 31 angebracht. An
der Oberseite 31a der Reaktionskammer 31 ist ein Reaktionsgaseinlass 40 angebracht. Der
Gassprühkanal 41 des Reaktionsgaseinlasses 40 und die Suszeptorplatte 11 der
Suszeptoranordnung 10 sind einander zugewandt angeordnet. Der Reaktionsgaseinlass 40 dient auch
als die HF-Elektrode und steht in einer Paar-Beziehung zu der metallischen Elektrodenplatte
13 in der Suszeptoranordnung 10. Die HF-Elektrode 40 und die metallische Elektrodenplatte
13 sind mit einer Hochfrequenzleistungsquelle 52 über einen Steuerschalter 51 verbunden.
Das in der Suszeptoranordnung 10 angeordnete Thermoelement 16 ist mit einer
Steuereinrichtung 53 so verbunden, dass die Ausgangssignale aus dem Thermoelement 16 in die
Steuereinrichtung 53 eingespeist werden. In der Seitenwand der Reaktionskammer 31 ist ein
Gasabführkanal 33 vorgesehen.
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Wie in Fig. 4 gezeigt ist, ist in der Heizlampenkammer 32 eine Heizlampe 61
angeordnet. Sie ist über einen Steuerschalter 62 mit einer Wechselstromquelle 63 verbunden.
Zwischen der Hauptkammer 31 und der Heizlampenkammer 32 ist ein Boden 31 zum Tragen
der Suszeptoranordnung 10 vorgesehen. Sie ist so angeordnet, dass von der Heizlampe 61
emittierte Wärme auf die Suszeptorplatte 11 gestrahlt wird. Um die Wärmestrahlung zu
erleichtern, sind Abschnitte aus Quarzglas in die metallische Platte eingesetzt, die den Boden
31b bildet.
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Die Steuereinrichtung 53 steuert die Abgabeleistung der Heizlampe 61 durch die
Datenrückkoppelung vom Thermoelement 16 und die Steuerung der Wechselstromquelle 63.
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Die Suszeptorplatte 11 ist aus Aluminiumnitrid hergestellt. Da Aluminiumnitrid und
Aluminium die gleiche Wärmeleitfähigkeit haben, ist die Temperaturgleichförmigkeit, die auf
der Oberfläche einer Aluminiumnitrid-Suszeptorplatte erreicht wird, nahezu die gleiche, wie
sie auf der Oberfläche einer Aluminiumsuszeptorplatte erreicht wird.
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Es folgt eine Prozessbeschreibung zur Bildung eines SiO&sub2;-Pilms auf einem
Halbleitersubstrat unter Verwendung der vorliegenden Erfindung.
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Wie aus Fig. 4 zu sehen ist, wird zu Beginn des Prozesses zuerst der Schalter 62 der
Heizlampe 61 eingeschaltet. Die Temperatur der Suszeptorplatte 11 wird auf über 500ºC
durch die Strahlungswärme von der Heizlampe 61 gesteigert. Dann wird ein
Halbleitersubstrat 70 auf der Suszeptorplatte 11 angeordnet. Durch den Reaktionsgaseinlass 40 wird
TEOS (Tetraethoxyorthosilicat), welches das primäre Reaktionsgas für SiO&sub2; ist, in die
Reaktionskammer 30 eingeführt. Auf das Halbleitersubstrat 70 wird eine Mischung von TEOS und
ein Sauerstoffträger aufgesprüht. Während des Strömens des Reaktionsgases wird das
Halbleitersubstrat 70 über einen vorgegebenen Zeitraum erhitzt. Dadurch wird ein SiO&sub2;-Film
auf dem Halbleitersubstrat 70 ausgebildet.
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Die gleiche Suszeptoranordnung kann zur Bildung von Filmen aus schwer
schmelzendem Metall, wie Wolfram, usw. unter Verwendung geeigneter reaktiver Gase verwendet
werden.
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Der Innenraum der Reaktionskammer 30 muss periodisch gereinigt werden, da SiO&sub2;
ohne Unterschied auf allen Flächen innerhalb der Reaktionskammer 30 abgeschieden wird.
Es wird nun ein Reinigungsverfahren erläutert.
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Zu Beginn des Reinigungsprozesse wird zuerst ein Fluor-enthaltendes Gas durch den
Reaktionsgaseinlass 30 in die Reaktionskammer 30 eingeführt. Zusammen mit der
Einführung des Fluor-enthaltenden Gases wird der Steuerschalter 51 eingeschaltet und eine
Spannung an den Reaktionsgaseinlass 40 und die metallische Elektrodenplatte 13 angelegt, die in
der Suszeptoranordnung 10 positioniert ist. Dies zündet ein Fluor-enthaltendes Plasma
innerhalb der Reaktionskammer 30. Das Plasma ätzt den SiO&sub2;-Film weg und reinigt ihn von
den Innenflächen der Reaktionskammer 30 weg.
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Wenn die Suszeptorplatte, die nach der Erfindung aus Aluminiumnitrid hergestellt ist,
verwendet wird, verhindert der überlegene Widerstand des Aluminiumnitrids gegenüber dem
Fluorplasma jede Erzeugung von Teilchen von der Suszeptorplatte oder eine Korrosion der
Suszeptorplatte auch nach langer Einsatzzeit. Es gibt keinen Abrieb an der Suszeptorplatte,
so das es deshalb nicht erforderlich ist, die Oberfläche mit einem Schutzüberzug
abzude
cken. Die vorliegende Erfindung stellt deshalb eine neue Suszeptorplatte bereit, die eine
überlegene Zuverlässigkeit und Dauerhaftigkeit aufweist.
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Ein weiterer, durch die vorliegende Erfindung möglich gewordener Vorteil besteht
darin, dass die metallische Elektrodenplatte 13, die an der unteren Fläche der Suszeptorplatte
11 angebracht ist, durch eine keramische Elektrodenabdeckung geschützt wird, die an der
Suszeptorplatte 11 angebracht ist. Die metallische Elektrodenplatte 13 ist gegenüber dem
Plasma und demzufolge gegenüber einem Angriff durch das Plasma abgeschirmt.
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Die oben erläuterte CVD-Kammer kann weiterhin auch in einem plasmaverstärkten
CVD-Prozess verwendet werden. Ein plasmaverstärkter CVD-Prozess kann ausgeführt
werden, indem der Reaktionsgaseinlass 40 als Plasmaelektrode und die metallische
Elektrodenplatte 13 als andere Plasmaelektrode verwendet wird. Die bei der vorliegenden Erfindung
veranschaulichte Suszeptoranordnung kann auch in anderen CVD-Vorrichtungen verwendet
werden, die keine Heizlampe verwenden, beispielsweise kann sie in Vorrichtungen zum
Einsatz kommen, die Induktionsheizung haben.
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Die vorliegende Erfindung stellt eine dauerhafte und zuverlässige CVD-Vorrichtung
bereit, indem eine Suszeptorplatte verwendet wird, die aus Aluminiumnitridmaterial
hergestellt ist. Durch Verwendung von Aluminiumnitrid gibt es keine Erzeugung von Teilchen aus
der Suszeptorplatte oder eine Korrosion der Suszeptorplatte. Darüber hinaus gibt es an der
Suszeptorplatte nach langem Einsatz keinen Abrieb, so dass keine Notwendigkeit besteht,
die Oberfläche der Suszeptorplatte mit einem Schutzfilm abzudecken.
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Für den Fachmann ist klar, dass bei der beschriebenen Ausführungsform viele
Änderungen ausgeführt werden können, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen, wie er in
den folgenden Ansprüchen definiert ist.