DE69628211T2

DE69628211T2 - Prozesskammer mit innerer Tragstruktur

Info

Publication number: DE69628211T2
Application number: DE69628211T
Authority: DE
Inventors: John F. Jacksonville Wengert; Loren R Jacobs; Michael W Halpin; Derrick W Foster; Cornelius A Van Der Jeugd; Robert M. Gilbert Vyne; Mark R. Hawkins
Original assignee: ASM America Inc
Current assignee: ASM America Inc
Priority date: 1995-08-03
Filing date: 1996-08-01
Publication date: 2004-02-19
Anticipated expiration: 2016-08-02
Also published as: US6608287B2; DE69632597D1; JPH11510562A; US6093252A; EP1036860A3; DE69628211D1; DE69612389D1; WO1997006288A1; US20020179586A1; EP1036860A2; EP0852628B1; DE69612389T2; US6464792B1; JP4048329B2; AU6645596A; DE69632597T2; EP0852628A1

Description

Technisches Gebiet der Erfindung
Diese Erfindung betrifft Prozeßkammern für die chemische Dampfabscheidung oder eine andere Verarbeitung von Halbleiterwafern und dergleichen.
Technischer Hintergrund der Erfindung
Prozeßkammern für die thermische Behandlung von Halbleiterwafern werden wünschenswerterweise aus Quarz (Quarzglas) oder ähnlichem Material hergestellt, da Quarz im wesentlichen gegenüber Strahlungsenergie transparent ist. Somit können Heizstrahler neben der Außenseite der Kammer positioniert sein, und ein gerade in der Kammer bearbeiteter Wafer kann auf erhöhte Temperaturen aufgeheizt werden, ohne daß die Kammerwände auf dasselbe Niveau erwärmt werden. Auf der anderen Seite ist Quarz wünschenswert, da es sehr hohen Temperaturen widerstehen kann. Quarz ist ebenso wünschenswert, da es wegen seiner inerten Charakteristika in der Lage ist, einem Qualitätsverlust durch verschiedene Prozeßgase zu widerstehen, und wegen seiner hohen Reinheitscharakteristika.
Für Anwendungen, in denen der Druck innerhalb einer Quarzkammer viel weiter reduziert werden soll als der Umgebungsdruck, werden zylindrische oder sphärische Kammern vom Dauerhaftigkeitsstandpunkt aus bevorzugt, da ihre gekrümmten Oberflächen am besten der nach innen gerichteten Kraft widerstehen können. Wenn jedoch ein flacher Wafer für die Zwecke der chemischen Dampfabscheidung positioniert wird, wobei die Abscheidungsgase parallel zu dem Wafer strömen, ist es wünschenswert, daß sich die Kammerwand parallel zu der zugewandten flachen Oberfläche des Wafers befindet, um eine gleichmäßige Deposition bzw. Abscheidung auf der Waferoberfläche zu erhalten. Eine gleichförmige Abscheidung ist entscheidend für das Erzielen einer hohen Ausbeute von akzeptablen Produkten, die aus solch einem Wafer hergestellt werden sollen. Eine flache Wand wird jedoch bei einem reduzierten inneren Druck früher nach innen einbrechen als eine nach außen konvex gekrümmte Wand gleicher Größe und Dicke.
Um mit den nach innen auf Kammern mit flacher Wand gerichteten Kräften umzugehen, wurden Verstärkungen auf der Außenwand der Wände bereitgestellt, die sich im wesentlichen senkrecht zu den Wänden erstrecken, mit welchen sie verbunden sind, wie in dem US-Patent Nr. 4,920,918 gesehen werden kann. Dieses Patent zeigt auch Verstärkungen an der Außenwand einer Kammer mit nach außen konvex gekrümmten elliptischen oberen und unteren Wänden mit einem großen Krümmungsradius, wobei somit eine etwas abgeflachte, jedoch gekrümmte Konfiguration zur Verfügung gestellt wird. Dieser Kompromiß stellt von den gekrümmten Wänden eine zusätzliche Stärke zur Verfügung, während die Gleichmäßigkeit der Abscheidung nicht nennenswert beeinflußt wird. Ein deutlicher Nachteil einer solchen Konstruktion besteht darin, daß die äußeren Verstärkungen das äußere Positionieren von Heizstrahlerlampen komplizieren und stören. Darüber hinaus erhöht die Komplexität und die Masse der Quarzverstärkungen die Material- und Herstellungskosten.
Natürlich können flache Wände dicker hergestellt werden, um die Stärke bzw. Festigkeit zu erhöhen, dies verursacht jedoch zusätzliche Kosten und beeinflußt die Heiz- und Kühleigenschaften der Kammer in nachteiliger Weise.
Das US-Patent Nr. 5,085,887 zeigt eine Kammer, die eine runde, leicht domartig gewölbte oder gekrümmte obere Kammerwand aufweist, um die Last eines reduzierten Kammerdruckes aufzunehmen. Die kreisförmige Wand ist mit einem stark verdickten Umfangsflansch ausgestattet, der in radialer Richtung die obere Wand begrenzt, um zu veranlassen, daß die domförmig gekrümmte Wand sich aufgrund der Wärmeausdehnung nach außen biegt, was dabei hilft, dem äußeren Umgebungsdruck in Vakuumanwendungen zu widerstehen. Die Kammer erfordert einen komplexen Mechanismus für das Klemmen der verdickten äußeren Flansche der oberen und unteren Kammerwand.
Aufgrund der hohen Temperaturen, die mit den thermisch aktivierten chemischen Dampfabscheidungsprozessen verbunden sind, heizen sich die Wände der Behandlungskammer zur einem bestimmten Grad auf und chemische Partikel werden hierauf abgeschieden. Diese Partikel können ernsthafte Probleme betreffend die Reinheit des resultierenden bearbeiteten Wafers verursachen. Im Ergebnis wurden große Anstrengungen unternommen, um das Bilden von Partikelsubstanz auf den Wänden der Reaktionskammer zu reduzieren. Eine Lösung besteht darin, die Innenseiten der Behandlungskammern periodisch zu ätzen, um die Partikelsubstanz zu entfernen, bevor sie auf ein schädliches Niveau anwächst. Unglücklicherweise brauchen Quarzbehandlungskammern aufgrund ihrer hohen Durchlässigkeit für Strahlungswärme eine lange Zeit zum Aufheizen. Diese periodischen, langsamen Ätzzyklen verringern somit den maximalen Durchsatz der Maschine.
Es wurden ebenso Versuche unternommen, das Gasflußprofil parallel über den zu behandelnden Wafer zu steuern, um eine gleichförmigere Abscheidung zu erzeugen. Beispielsweise beschreibt das US-Patent Nr. 5,221,556 ein System, in welchem die Öffnungen durch einen Gaseinlaßverteiler in der Größe variieren, um zu ermöglichen, daß durch einen Abschnitt, typischerweise durch den mittleren Abschnitt, mehr Gas strömt als durch die anderen Abschnitte. Das US-Patent Nr. 5,269,847 beinhaltet Ventile für das Einstellen von Paaren von Gasflüssen, die in eine Anzahl von unabhängigen Strömen münden, die in seitlicher Richtung, aufstromig des zu behandelnden Wafers, verteilt sind. Dieses System betont die Wichtigkeit der getrennten Kanalbildung der verschiedenen Gasströme gerade bis vor die Vorderkante des Wafers, um ein vorzeitiges Mischen zu verhindern und eine stärkere Steuerung über die Fluß- und die Konzentrationsprofile des Reaktionspartners und der Trägergase über dem Wafer zu ermöglichen.
Ein anderes Problem, welches im Stand der Technik nicht ausreichend angesprochen wurde, ist das Problem der Rückführung des Prozeßgases in parallelen Flußreaktoren. Genauer gesagt, nachdem das Gas parallel über den Wafer und den Suszeptor geströmt ist, kann es Temperaturgradienten zwischen dem heißen Suszeptor und den kälteren Kammerwänden ausgesetzt sein. Dies kann zu Rückführungen führen, wenn das Gas zu den Wänden ansteigt und im folgenden gekühlt wird. Auch kann der Gasfluß in der Nähe einer Auslaßleitung eingeschränkt sein, was Turbulenzen und Rückführungen erzeugen kann. Rückführungen von jeder Quelle können aufstromig wandern, um die Gleichförmigkeit des Flusses in dem Waferbereich zu beeinflussen, wodurch die Gleichförmigkeit der Filmabscheidung reduziert wird.
Zusätzlich ist der Temperaturgradient über dem Wafer von der führenden Kante zu der hinteren Kante nicht gleichmäßig. Das heißt, die Temperatur des Gases wird primär durch seine Nähe zu dem wärmeabsorbierenden Suszeptor unterhalb des Wafers bestimmt. Wenn sich das Gas dem Suszeptor nähert und über diesen hinwegläuft, heizt es sich ziemlich schnell auf eine Maximaltemperatur zu der abstromigen Kante des Suszeptors auf und fällt dann, nachdem es diesen Punkt absolviert hat, ab. Dieses Temperaturungleichgewicht kann die gleichförmige Filmabscheidung weiter negativ beeinflussen.
Es besteht der Bedarf nach einer verbesserten Kammer für die Zwecke der chemischen Dampfabscheidung und für andere Verfahren bei hohen Temperaturen, die aus Quarz oder ähnlichen Materialien hergestellt werden kann und dennoch den Belastungen widersteht, die mit Verfahren bei reduziertem Druck verbunden sind. Es besteht ebenso ein Bedarf für eine gleichmäßige Temperatur- und Fließumgebung, welche den Wafer umgibt, um auf diesem eine gleichförmige Abscheidung sicherzustellen. Ebenso wird ein stärker reagierendes Flußsteuersystem benötigt. Schließlich besteht der Bedarf nach einem energieeffizienteren chemischen Dampfabscheidungssystem mit höherem Durchsatz.
Zusammenfassung der Erfindung
Demgemäß ist ein erster Aspekt der vorliegenden Erfindung auf eine Vorrichtung für die chemische Dampfabscheidung gerichtet, die aufweist:
Wände, die eine Abscheidungskammer definieren mit einem Einlaß für Abscheidungsgas an einem aufstromigen Ende und einem Gasauslaß an einem abstromigen Ende,
einen Suszeptor, der horizontal in der Kammer zwischen dem Gaseinlaß und dem Gasauslaß positioniert ist, für das Aufnehmen eines Halbleitersubstrats für die Zwecke der Dampfabscheidung und
eine horizontal orientierte Platte, die in der Kammer zwischen dem Suszeptor und dem Gasauslaß positioniert ist, wobei sich die Platte entlang der Kammer über die Breite des Suszeptors erstreckt, wobei die Kammerwand neben der Platte im allgemeinen transparent gegenüber Strahlungsenergie ist und die Platte ein guter Absorber von Strahlungsenergie ist, so daß nicht verwendetes Abscheidungsgas sich leichter auf der Platte als auf der Kammerwand abscheidet.
Ein zweiter Aspekt der vorliegenden Erfindung ist auf ein Verfahren gerichtet für die Verwendung in einer Dampfabscheidungsvorrichtung einschließlich einer Abscheidungskammer mit einem Suszeptor, der darin zwischen einem Einlaß und einem Auslaß für den Gasfluß in der Kammer positioniert ist, wobei das Verfahren die Abscheidung auf Wänden der Kammer zwischen dem Suszeptor und dem Kammergasauslaß minimiert, und das Positionieren einer Platte in der Kammer zwischen dem Suszeptor und dem Gasauslaß der Kammer aufweist, wobei sich die Platte im allgemeinen parallel zu dem Suszeptor in der Hauptebene eines auf dem Suszeptor zu positionierenden Substrates erstreckt, wobei die Platte aus einem Material gebildet wird, das effizient Wärme zu einem viel ren Ausmaß absorbiert als die Wand der Kammer neben der Platte, wobei die Abscheidungsgase, die über den Suszeptor hinausströmen, sich leichter an der Platte als an der kühleren Kammerwand abscheiden.
Kurze Beschreibung der Figuren
1 ist eine perspektivische Ansicht einer Prozeßkammer.
2 ist eine Querschnittsansicht entlang der Linie 2-2 von 1.
3 ist eine perspektivische Ansicht einer Hälfte der Prozeßkammer von einer vertikallongitudinalen Ebene entlang der Linie 3-3 von 1.
4 ist eine Draufsicht der Kammer.
5 ist eine Ansicht des Einlaßendes der Kammer.
6 ist eine Ansicht des Auslaßendes der Kammer.
7 ist eine Seitenansicht der Kammer.
8 ist eine Querschnittsansicht, welche die Kammer, die mit einem Teil eines Waferbearbeitungssystems verbunden ist, darstellt.
9 ist eine Draufsicht eines alternativen Ringes, welcher einen Suszeptor umgibt und sich innerhalb einer Öffnung einer inneren Kammerstützplatte befindet.
10 ist eine Draufsicht einer Opferplatte, die innerhalb einer Öffnung in einer Kammerstützplatte positioniert ist.
11 ist eine Querschnittsansicht, welche die Umgebung eines Behandlungssystems darstellt, welches in Verbindung mit einer Behandlungskammer verwendet wird.
11a ist eine Querschnittsansicht der Behandlungskammer der 11.
12 ist eine perspektivische Explosionsansicht einer Behandlungskammer, welche einen vergrößerten Temperaturausgleichsring und eine Opferquarzplatte enthält.
12a ist eine Querschnittsansicht der Temperaturausgleichsringe.
13 ist eine Draufsicht der in 12 gezeigten Opferquarzplatte.
14 ist eine Querschnittsansicht durch die Opferquarzplatte der 13.
15 ist eine perspektivische Ansicht einer alternativen Opferquarzplatte für die Verwendung in einer Kammer.
16 ist eine Draufsicht der Opferquarzplatte der 15.
17 ist eine Querschnittsansicht durch die Opferquarzplatte der 16.
18a ist eine Draufsicht entlang der Linie 18-18 der 11 unter Veranschaulichung der Opferquarzplatte der 13, welche in einer Kammer angeordnet ist.
18b ist eine Draufsicht unter Veranschaulichung der eingebauten Opferquarzplatte der 15.
18c ist eine Draufsicht unter Veranschaulichung eines Paares diskreter Opferquarzplatten an aufstromigen Ecken der Kammerstützplattenöffnung.
19 ist eine Seitenansicht einer der in 18c gezeigten diskreten Opferquarzplatten.
20 ist eine Bodenansicht der diskreten Opferquarzplatte der 19.
21 ist eine vertikale Querschnittsansicht eines Gasinjektors mit mehreren abgestimmten Öffnungen für die Verwendung in einer Kammer.
21a ist ein detaillierter Querschnitt eines Teils des Gasinjektors unter Veranschaulichung der Behandlungskammern des Gasflusses.
22 ist eine rückwärtige Seitenansicht des Gasinjektors der 21, der von der Behandlungskammer abmontiert gezeigt ist, und unter Veranschaulichung der inneren Gasflußkanäle.
23 ist eine vordere Seitenansicht einer rückwärtigen Flanschhälfte des Gasinjektors entlang der Linie 23-23 der 21.
24 ist ein horizontaler Querschnitt des Gasinjektors entlang der Linie 24-24 der 21 unter Veranschaulichung eines Bereiches, in welchem behandeltes Gas expandiert wird.
25 ist eine vertikale Querschnittsansicht durch die rückwärtige Flanschhälfte entlang der Linie 25-25 der 21 unter Veranschaulichung innerer Fließmittelkühlkanäle.
26 ist eine vergrößerte Querschnittsansicht eines Nadelventils, welches in einem Gasinjektor verwendet wird.
27 ist eine Querschnittsansicht einer Behandlungskammer mit einem modifizierten Temperaturausgleichsring, welcher einen Suszeptor umgibt und sich abstromig von dem Suszeptor und dem zu behandelnden Wafer erstreckt.
28a ist ein schematischer vertikaler Querschnitt durch eine Behandlungskammer ähnlich der in 27 gezeigten, unter Veranschaulichung eines abstromigen Aufbaus bezüglich des Suszeptors und des Wafers gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
28b ist eine Draufsicht der 28a.
29a ist ein schematischer, vertikaler Querschnitt einer Behandlungskammer ohne den abstromigen Aufbau unter Veranschaulichung eines Strahlungswärmeflusses von äußeren Lampen.
29b ist ähnlich der 29a, wobei der abstromige Aufbau hinzugefügt ist, unter Veranschaulichung der Veränderung des Strahlungswärmeflusses innerhalb der Kammer.
30a ist ein schematischer, horizontaler Querschnitt einer Behandlungskammer ohne den abstromigen Aufbau, wobei Pfeile eine typische Temperaturverteilung über einen zu behandelnden Wafer zeigen.
30b ist ähnlich der 30a, wobei der abstromige Aufbau zugefügt ist, unter Veranschaulichung der Veränderung der Temperaturverteilung über den zu behandelnden Wafer.
31a ist ein schematischer, horizontaler Querschnitt einer Behandlungskammer ohne den abstromigen Aufbau unter Veranschaulichung typischer Depositionsbereiche innerhalb der Kammer.
31b ist ähnlich der 31a, wobei der abstromige Aufbau zugefügt ist, unter Veranschaulichung der Veränderung der Depositionsbereiche.
Die 32a und 32b sind horizontale bzw. vertikale schematische Ansichten einer Behandlungskammer ohne den abstromigen Aufbau unter Veranschaulichung potentieller Gasrückführungen in dieser.
Die 33a und 33b sind horizontale bzw. vertikale schematische Ansichten ähnlich denen der 32a, 32b, wobei der abstromige Aufbau zugefügt ist, unter Veranschaulichung der Veränderung des dort hindurchgehenden Gasflusses.
34 ist eine Querschnittsansicht einer Behandlungskammer mit einem Aufbau abstromig von einem Temperaturausgleichsring.
35 ist eine Querschnittsansicht der Behandlungskammer der 34 mit einem Temperaturausgleichsring, der sich abstromig erstreckt.
36 ist eine Querschnittsansicht unter Veranschaulichung eines aufstromigen Teils einer Behandlungskammer mit einem Fließsteuerkanal.
37 ist eine Querschnittsansicht durch den Fließsteuerkanal der 36, gegen einen Einlaßflansch der Kammer gesehen.
38a ist eine Draufsicht der Kammer und des Fließsteuerkanals der 36.
Die 38b–d sind Draufsichten der Kammer der 36 unter Veranschaulichung verschiedener Fließsteuerkanäle.
Ausführliche Beschreibung
Linsenförmige Behandlungskammer
Unter Bezugnahme auf die 1 bis 11 ist ein Reaktorbehälter oder -kammer 10 für die chemische Abscheidungsbehandlung und dergleichen dargestellt. Wie man sehen kann, hat die Kammer 10 einen verlängerten, im allgemeinen flach gemachten Aufbau, der im Querschnitt eine im allgemeinen linsenförmige Gestalt hat. Eine linsenförmige Gestalt hat entgegengesetzte bikonvexe Oberflächen, die kreisrunde Krümmungen haben können. Die Kammer hat eine obere Wand 12 mit einer äußeren konvexen Oberfläche und einer inneren konkaven Oberfläche und eine untere Wand 14 mit einer äußeren konvexen Oberfläche und einer inneren konkaven Oberfläche. Die Wände 12 und 14 sind durch vertikale, kurze Seitenschienen 16 und 18 verbunden. Diese Wände und Seitenschienen sind ferner durch einen aufstromigen Einlaßendflansch 20 und einen abstromigen Auslaßendflansch 22 verbunden. Aufstromig und abstromig bezieht sich auf die Richtung des Behandlungsgasflusses, wie beschrieben werden wird, und sie sind gleichbedeutend mit vorn und hinten in der vorliegenden Beschreibung.
Die Kammerhöhe ist kleiner als die Kammerbreite. Diesbezüglich erstreckt sich eine Längsrichtung für die Kammer 10 von dem Einlaßendflansch 20 zu dem Auslaßendflansch 22 oder entlang der strichpunktierten Linie 3-3. Eine seitliche Richtung erstreckt sich zwischen den kurzen Seitenschienen 16 und 18 oder entlang der strichpunktierten Linie 2-2. Die Höhenrichtung ist senkrecht sowohl zu den Längs- als auch den Querachsen. Mit Blick auf die Endansicht der 2 hat die linsenförmige Kammer 10 eine größere Abmessung, welche sich zwischen den Seitenschienen 16 und 18 erstreckt, und eine geringere Abmessung, welche sich zwischen den Scheiteln der oberen und unteren Wände 12, 14 erstreckt.
Unter Bezugnahme auf 4 sind sowohl die obere Wand 12 als auch die untere Wand 14 dünne, gekrümmte, plattenähnliche Elemente mit einem rechteckigen, flachen, vertikalen Vorsprung.
Die Wände 12 und 14 haben wünschenswert einen kreisrunden Krümmungsradius und können aus Segmenten gebildet sein, die aus einem zylindrischen, aus Quarz oder ähnlichem Material hergestellten Rohr geschnitten sind. In größeren Kammern können die Wände 12 und 14 durch Erhitzen und Formen flacher Quarzplatten aufgebaut sein. Ungewünschte Belastungen sind in gekrümmten Wänden mit variierenden Radien berücksichtigt, und somit ist eine kreisrunde Wand mit einer konstanten Krümmung das optimale Modell. In einer Ausführungsform haben die obere Wand 12 und die untere Wand 14 einen Krümmungsradius von nahezu 24 Inch und eine Dicke von zwischen 4 und 6 Millimetern, wobei die Wanddicke vorzugsweise nahezu 5 Millimeter hat. Obwohl Quarz bevorzugt wird, können andere Materialien mit ähnlichen wünschenswerten Merkmalen als Ersatz verwendet werden. Einige dieser wünschenswerten Merkmale beinhalten einen hohen Schmelzpunkt, die Fähigkeit, großen und schnellen Temperaturveränderungen zu widerstehen, chemische Inertheit und hohe Transparenz für Licht.
Die dicken Seitenschienen 16, 18 können aus einer Quarzstange mit rechteckigem Querschnitt maschinell bearbeitet oder anderweitig in die in 2 dargestellte Querschnittsgestalt gebildet sein. Genauer weist jede Seitenschiene 16, 18 einen verstärkten Hauptkörper mit einer oberen Oberfläche 24, welche eine Fortsetzung der gekrümmten äußeren Oberfläche der oberen Wand 12 bildet, und eine untere Oberfläche 26 auf, die so gekrümmt ist, daß eine Fortsetzung der äußeren Oberfläche der unteren Wand 14 gebildet wird. Die seitliche, äußere Oberfläche 28 jeder Seitenschiene 16, 18 ist flach und erstreckt sich vertikal. Die innere Oberfläche jeder Seitenschiene 16, 18 ist mit sich längs erstreckenden oberen und unteren Ausnehmungen 30a, 30b gebildet, die obere, mittlere bzw. untere Stumpfwandsegmente 32a, 32b, 32c bilden. Die oberen und unteren Stumpfwandsegmente 32a, 32c passen mit den Seitenkanten der oberen und unteren Wände 12 und 14 an länglichen Schweißpunkten 39 zusammen. In einer Ausführungsform hat der Hauptkörper der Seitenschienen 16, 18 eine Dicken- oder Breitenabmessung von ungefähr 20 mm und eine Höhe von ungefähr 21 mm.
Innerer Kammerträger
Es ist ein Träger oder Halter vorzugsweise in der Form einer flachen, rechteckigen Platte 40 vorgesehen, die sich zwischen den Seitenschienen 16 und 18 erstreckt. Wie man in 3 sieht, weist die Trägerplatte 40 eine Öffnung 42 auf, welche einen Hohlraum oder Öffnung 44 begrenzt, der sich quer durch die Breite der Kammer 10 erstreckt und die Stützplatte in einen Einlaßabschnitt 46a und einen Auslaßabschnitt 46b teilt. Der Einlaßabschnitt 46a erstreckt sich von dem Einlaßflansch 20 zu einer aufstromigen Kante der Öffnung 44, und der Auslaßabschnitt 46b erstreckt sich von einer abstromigen Kante der Öffnung 44 zu dem Auslaßflansch 22. Wie man aus 4 sehen kann, ist der Einlaßabschnitt 46a der Trägerplatte in der Längsrichtung kürzer als der Auslaßabschnitt 46b. Genauer hat in einer bevorzugten Anordnung der Einlaßabschnitt ungefähr 70% der Länge des Auslaßabschnittes. Diese proportionale Anordnung betrifft eher den Behandlungsgasfluß durch die Kammer als die Widerstandsmerkmale der Kammerwände.
Wie man am besten in 2 sieht, weist jede der Seitenschienen 16 und 18 die sich nach innen erstreckende zentrale Stumpfwand 32a auf, die tatsächlich eine Ausdehnung der Trägerplatte 40 bildet. Diesbezüglich endet in der Praxis die Trägerlatte 40 an dem Hauptkörper der Seitenschienen 16, 18 oder mit anderen Worten an der seitlichen äußeren Ausdehnung der Ausnehmungen 30a, 30b. Längsverbindungen 48 zeigen die Schweißverbindung zwischen den Seitenkanten der Trägerplatte 40 und den zentralen Stumpfwänden 32b jeder der Seitenschienen 16 und 18 an.
Die zentralen Stumpfwände 32b halbieren genau die oberen und unteren Wände 12 und 14, und die Trägerplatte 40 liegt somit auf der exakten Mittellinie oder Mittelebene dazwischen. Diese wünschenswerte Lage erzeugt Belastungen nur innerhalb der Ebene der Platte 40, welche durch seitliche Verschiebung der Seitenschienen 16, 18 auferlegt werden. Eine solche Verschiebung findet bei Behandlung mit verringertem Druck statt, da die Wände 12, 14 versuchen, sich auszuplatten und nach außen Kräfte auszuüben. Durch den Aufbau dieser Symmetrie unterliegt die Stützplatte 40 keinen bedeutenden Biege- oder Scherbeanspruchungen und kann somit größeren, normalen Gesamtbelastungen widerstehen.
Endflansche
Unter Bezugnahme auf die 1 und 3 weist jeder der Endflansche 20, 22 äußere, im allgemeinen rechteckige Platten 50 bzw. 51 mit abgeschrägten Ecken 52 und inneren linsenförmigen Ausdehnungen 54 auf. Wie man in 3 sieht, sind die inneren Ausdehnungen 54 mit der Gestalt der oberen und unteren Wände 12, 14 und der zentralen Trägerplatte 40 konform. Genauer gesagt, erstrecken sich kurze Längsteile von den Platten 50, um sich mit jedem dieser plattenähnlichen Teile zu verbinden. An jedem Ende der Kammer 10 sind krummlinige Schweißverbindungen 56 zwischen den gekrümmten oberen und unteren Wänden 12, 14 und den oberen und unteren Teilen der Ausdehnung 54 gebildet, während lineare Verbindungslinien 58 zwischen zentralen Teilen der Ausdehnung 54 und den Längsenden der Trägerplatte 40 bestimmt sind. Die Platte 50 des Einlaßflansches 20 weist eine sich seitlich erstreckende Öffnung 60 in einem oberen Teil auf, welche in einen Bereich 66 innerhalb der Kammer 10 oberhalb der Trägerplatte 40 und unterhalb der oberen Wand 12 führt. Die Platte 51 des Auslaßflansches 22 weist dagegen ein Paar von sich seitlich erstreckenden Öffnungen 62 und 64 auf. Die obere Öffnung 62 steht mit dem oberen Bereich 66 der Kammer 10, wie vorher beschrieben ist, in Verbindung, während die untere Öffnung 64 mit einem unteren Bereich 68 der Kammer 10 unterhalb der Trägerplatte 40 und oberhalb der unteren Wand 14 in Verbindung steht. Die gerundeten Ausnehmungen 30a, b in den Seitenschienen 16, 18 bestimmen seitliche Abgrenzungen der oberen und unteren Bereiche 66, 68. Wie weiter unten beschrieben werden wird, vollzieht sich die Waferbehandlung nur in dem oberen Bereich 66, wobei die Trägerplatte 40 die untere Abgrenzung der Behandlungszone bestimmt.
Trägerplattenöffnung
Die Öffnung 44 ist so bemessen, daß sie einen Suszeptor 70, wie in 8 dargestellt ist, und einen Temperaturausgleichsring 72, welcher den Suszeptor umgibt, aufnimmt. Der Suszeptor 70 kann in dem stationären Ring 72 drehen und ist von diesem vorzugsweise über einen kleinen, ringförmigen Spalt von ungefähr 0,5 bis 1,0 Millimeter im Abstand gehalten. Die Mittellinie des Ringes 72 ist schematisch in 4 durch den darin gezeigten Kreis 74 in unterbrochener Linie dargestellt. Die Form der Öffnung 42 in der den Ring 72 umgebenden Trägerplatte 40 kann auch kreisrund sein, so daß die Kanten der Öffnung 44 sich in dichter Nähe zu dem Ring befinden. Es hat sich jedoch herausgestellt, daß eine ein wenig rechteckige Öffnung 42 mit abgerundeten Ecken, wie in 4 gezeigt ist, bevorzugt wird. Die Trägerplattenabschnitte 46a, b können so geschnitten sein, daß sie diese exakten Formen schaffen; oder es können zur Erleichterung der Herstellung kurze, ein wenig dreieckige Füllabschnitte 76, in 4 gezeigt, an die Plattenabschnitte und die Kammerseitenschienen 16, 18 geschweißt werden, um den gewünschten Aufbau zu schaffen.
Während des Gebrauchs erzeugen Druckdifferentiale zwischen dem Inneren der Kammer 10 und dem äußeren Umgebungsdruck Belastungen sowohl in den oberen und unteren Wänden 12, 14 als auch den Seitenschienen 16, 18. Die seitlich nach innen und außen gerichtete Bewegung der Seitenschienen 16, 18 wird durch ihre feste Anbringung an die zentrale Trägerplatte 40 begrenzt. Bei Vakuumbehandlung versuchen, wie oben erwähnt, die Wände 12, 14 auszuplatten, was im allgemeinen nach außen gerichtete Kräfte auf die Seitenschienen 16, 18 vermittelt. Die Trägerplatte 40 ist unter Spannung angebracht und begrenzt nach außen gerichtetes Verschieben der Seitenschienen 16, 18. Zwischen den Einlaß- und Auslaßabschnitten 46a, b befindet sich jedoch kein Träger für die Seitenschienen 16, 18, und entlang dieses Bereiches ist etwas Verschiebung möglich, was Belastungen in den Schienen bewirkt. Finite Elementanalysen haben gezeigt, daß eine gerundete, rechteckige Öffnung 42 einer vollkommen kreisrunden Öffnung gegenüber bevorzugt wird, da die maximale Belastung in der dargestellten Platte über eine Länge der Öffnung gestreut wird, während bei einer kreisrunden Öffnung sich der größte Belastungspunkt an den Punkten auf der Platte entlang ihrer Mittellinie befinden würde. Anders gesagt, begrenzt die rechteckige Öffnung 42 zwei gegenüberliegende Längen, die sich seitlich zwischen den Seitenschienen 12, 14 erstrecken, über welche die maximalen Belastungen verteilt werden, im Gegensatz zu der Belastung an zwei gegenüberliegenden Punkten auf einer kreisrunden Öffnung.
Es sei bemerkt, daß der in 4 gezeigte Kreis 74 bezüglich den aufstromigen und abstromigen Enden der Kammer oder bezüglich der Öffnung 44 nicht zentral positioniert ist. Hingegen befindet sich die aufstromige oder vordere Kante des Kreises 74 dichter an der abstromigen Kante des Einlaßplattenabschnittes 46a als die abstromige oder hintere Kante des Kreises an der aufstromigen Kante des Auslaßplattenabschnittes 46b. Diese Anordnung trägt dazu bei, den Widerstand der Kammer durch Verringerung der Entglasungsrate der aufstromigen Kante des Auslaßplattenabschnittes 46b aufrecht zu erhalten. D. h., daß sich der Gasfluß aufheizt, wenn er über den Suszeptor hinweg geht, so daß die Temperatur in den Kammerwänden die Neigung hat, gerade abstromig von dem Suszeptor am größten zu sein. Die aufstromige Kante kann daher bedeutendem, thermischem Durchlaufen und Entglasung ausgesetzt sein, wenn sie sich zu dicht an dem Suszeptor befindet, und somit ist der Suszeptor nach vorn innerhalb der Öffnung 44 versetzt, um den Abstand dazwischen zu vergrößern. In einigen Aufbauten beeinflußt auch diese Versetzungsanordnung den Fluß des Behandlungsgases durch die Kammer. Genauer ist der Wafer, welcher auf dem Suszeptor angeordnet ist, der von dem Ring umgeben wird, dicht an der abstromigen Kante des Einlaßplattenabschnittes 46a positioniert, um die Menge an Reaktionsgasen zu minimieren, die durch die Öffnung 44 aufstromig zu dem Wafer hindurchgehen. Dies minimiert die Menge an Reaktionsgas, welches sich unterhalb des Suszeptors in dem unteren Teil 68 der Kammer 10 niederschlagen kann.
Suszeptor und verwandter Aufbau
Wie man aus 8 sieht, wird der Temperaturausgleichsring 72 durch drei Trägerelemente in Ellbogenform gestützt, welche sich vertikal erstreckende Teile haben, die an die Trägerplattenabschnitte geschweißt sind. Genauer ist ein vorderes Trägerelement oder Finger 80 an die Rückseite des vorderen Plattenabschnitts in der Mitte zwischen den Schienen 16, 18 der Kammer geschweißt, und der horizontale Teil des Elements erstreckt sich nach rückwärts in die Öffnung 44, um unter die vordere Kante des Temperaturausgleichsringes 72 positioniert zu werden. Ein Paar von im Abstand gehaltenen Elementen oder Fingern 82 haben verlängerte, horizontale Teile, die sich nach vorne unter die rückwärtige Kante des Ausgleichsringes 72 erstrecken, wie man in 8 sowie in den 2 bis 7 sieht. Der Ausgleichsring 72 wird so in einer horizontalen Ebene an drei Punkten durch hochstehende Stifte (nicht gezeigt) in den Fingern 80 und 82 getragen. Die Stifte können gegebenenfalls durch wiederholtes thermisches Durchlaufen und dem Ausgesetztsein gegenüber Behandlungs- und Ätzgasen zerstört werden, aber sie können ziemlich leicht ersetzt werden.
Ein Suszeptor 84 wird gezeigt, der auf Armen 86 eines geeigneten Trägers 88 gestützt ist, welcher mit dem oberen Ende eines drehbaren Schaftes 90 verbunden ist, der sich durch ein Rohr 92 erstreckt, das von der Bodenwand der Kammer abhängt. Der Suszeptor 84 ist fast auf der Höhe der oberen Kante des Ringes 72 und der oberen Oberfläche der Trägerplatte 40 gezeigt. Dies ermöglicht es, einen Wafer über dem Suszeptor 84 und in dem oberen Teil 66 der Behandlungskammer 10 zu positionieren.
Bezieht man sich weiter auf 8, so ist der Einlaßflansch 20 geeignet, mit einem Einlaßbestandteil 94 verbunden zu werden, der einen horizontal verlängerten Schlitz 96 hat, durch welchen ein Wafer eingeführt werden kann, und einen verlängerten Einlaß 98 zum Einführen von Behandlungsgas in den oberen Teil 66 der Kammer, nachdem ein Isolationsventil, das von dem Schlitz 96 zu einer Waferbehandlungskammer (nicht gezeigt) führt, geschlossen wurde. Entsprechend ist der Auslaßflansch 22 geeignet, mit einem Auslaßbestandteil 100 zum Auslassen von Behandlungsgas aus der Kammer 10 zusammenzupassen, als auch ein Vakuum in der Kammer aufzubringen. Wie man aus 8 sehen kann, ist der Auslaßflansch 22 zu dem unteren Teil 68 der Kammer unterhalb der Trägerplatte ebenso wie der Teil 66 über der Trägerplatte offen.
Eine Vielzahl von Thermoelementen 102 erstreckt sich durch den Auslaßbestandteil 100 und in den unteren Teil 68 der Behandlungskammer 10. Die Thermoelemente 102 erstrecken sich in die Nähe des Suszeptors 84, um die örtliche Temperatur zu fühlen, welche den Suszeptor 84 und den auf diesem positionierten Wafer umgibt. Wie zuvor in dem US-Patent Nr. 4,821,674 beschrieben wurde, erlaubt das vorteilhafte Positionieren der Abfühlenden der Thermoelemente 102, welche den Suszeptor 84 umgeben, ein umfassendes Feedback bzw. Reaktion bezüglich der Temperatur des Wafers und ermöglicht die Einstellung von Strahlerheizlampen, welche die Kammer 10 umgeben, um Temperaturunregelmäßigkeiten zu kompensieren. Genauer endet ein Vorderkanten-Thermoelement 104 in der Nähe des vorderen Endes des Suszeptors 84, ein Hinterkanten-Thermoelement 106 endet in der Nähe einer rückwärtigen Kante des Suszeptors, und ein seitliches Thermoelement (nicht gezeigt) endet in der Nähe einer Seitenkante des Suszeptors. Jedes der Thermoelemente 102 tritt in den Temperaturausgleichsring 72 ein, der aus zwei Teilen gebildet ist, um in sich ein hohles Inneres zu schaffen. Dieser Ring wurde abermals zuvor in dem US-Patent Nr. 4,821,674 beschrieben. Der Temperaturausgleichsring 72 weist im allgemeinen L-förmige Innen- und Außenkörper auf, die gemeinsam einen ringförmigen Durchgang durch den Ring zur Aufnahme der Thermoelemente 102 bestimmen.
Vorzugsweise ist der Temperaturausgleichsring 72 aus Graphit oder einem anderen Material mit solch hohem Wärmeabsorptionsvermögen aufgebaut. Der Ring 72 schafft mehrere Vorteile in der Behandlungsumgebung, in erster Linie die Verringerung der Kantenwärmeverluste aus dem Suszeptor 84. Genauer umschließt der Ring 72 dicht die Kante des Suszeptors 84 und wird während der Behandlung bei einer ähnlichen Temperatur aufrecht gehalten, da die Materialien ähnlich sind. Der Suszeptor und der Ring strahlen somit Wärme gegeneinander, um wirkungsvoll jegliche Strahlungsverluste zwischen sich auszuschalten. Ein anderer Vorteil des Temperaturausgleichsringes 72 besteht im Vorerwärmen und Nacherwärmen des Behandlungsgases in dem Bereich des Wafers. Speziell tritt das Behandlungsgas bzw. reagierende Gas in die Kammer bei einer nicht reagierenden Umgebungstemperatur ein und wird auf eine für die Deposition geeignete Temperatur erhitzt, wenn es über den Suszeptor und den Wafer hinweggeht. Der umgebende Temperaturausgleichsring 72 heizt somit den reagierenden Gasstrom vor, bevor er die vordere Kante des Suszeptors und anschließend die vordere Kante des Wafers erreicht. Das Behandlungsgas erreicht somit eine annähernd beständige Zustandstemperatur, bevor es über die Kante des Wafers läuft. Zusätzlich fällt die Temperatur des Gases nicht deutlich ab, nachdem es die Kante des Wafers passiert hat, da sich der Temperaturausgleichsring 72 zu dem abstromigen Wärmebereich erstreckt. Weitere Vorteile des Temperaturausgleichsringes 72 werden weiter unten in Bezugnahme auf modifizierte Ringe beschrieben.
Der Gasstrom durch die Kammer wird in 8 gezeigt. Reagierendes Gas tritt durch den Einlaßbestandteil 94 mit einem vorbestimmten seitlichen Geschwindigkeitsprofil ein, so wie das in dem US-Patent Nr. 5,221,556 beschriebene Profil. Das vorbestimmte Geschwindigkeitsprofil schafft einen größeren Gasstrom zu dem zentralen Teil der Reaktionskammer 10 hin als zu den seitlichen Außenkanten zum Ausgleich für den längeren Depositions-Laufweg über die Mitte des kreisrunden Wafers, der auf dem Suszeptor 84 getragen wird. Mit anderen Worten wird ein größerer Betrag an Reaktionsgas über den zentralen Teil des Wafers aufgrund der Reaktionsverarmung bzw. Reaktionserschöpfung entlang dem Fließweg über den Wafer benötigt. Ferner nimmt die Querschnittsform der Kammer 10, wie man am besten in 2 sieht, in der Mitte der Kammer einen größeren Gas strom auf, wo ein größerer Reaktionsgasstrom benötigt wird als an den Seitenkanten, wo ein geringerer Reaktionsgasstrom benötigt wird.
Das Reaktionsgas läuft längs nach ruckwärts weiter, wie durch den Pfeil 112 gezeigt ist, und tritt durch den Auslaßbestandteil 100 und nach unten durch Auslaßleitungen 114 aus, wie durch den Pfeil 116 gezeigt ist. In typischer Weise wird Entleerungsgas bzw. Reinigungsgas nach oben durch das hohle Rohr 92, welches den Schaft 90 umgibt, zugeführt, wobei das Rohr so bemessen ist, daß es einen den Schaft umgebenden Gasdurchgang schafft. Das Entleerungsgas tritt in den unteren Teil 68 der Kammer 10 ein, wie durch die Pfeile 118 gezeigt ist. Das Entleerungsgas verhindert unerwünschte Deposition von Partikeln unterhalb des Suszeptors 84 und tritt durch die untere Längsöffnung 64 in den Auslaßflansch 22 aus, wie durch den Pfeil 120 gezeigt ist. Das Entleerungsgas mischt sich dann mit dem verbrauchten Reaktionsgas und läuft weiter nach unten entlang dem Weg des Pfeils 116 durch die Auslaßleitungen 114.
Die Endflansche 20, 22 sind vorzugsweise durchsichtig und aus Quarz hergestellt, in welchem Stickstoffblasen dispergiert sind. Die zentralen dünnen Wände 12, 14 und die Trägerplatte 40 andererseits sind für Strahlungsenergie transparent, wobei Erhitzen durch Strahlung des Suszeptors und des Wafers in der Kammer 10 erlaubt wird, ohne hohe Temperaturen in diesen Aufbauten zu erzeugen. Die durchsichtigen Flansche 20, 22 streuen bzw. zerstreuen Strahlungsenergie, um „Licht-Leitung" dort hindurch zu verringern. Dies schützt O-Ringe 122 außerhalb der Flansche 20, 22 davor, extremen Temperaturen ausgesetzt zu werden, die innerhalb der Kammer 10 erzeugt werden. Vorzugsweise ist ein Abschnitt des Rohres 92 unterhalb der unteren Wand 14 ähnlich durchsichtig durch darin dispergierte Stickstoffblasen.
Wie erwähnt, besteht ein Vorteil der beschriebenen Kammer darin, daß sie mit relativ dünnen Quarzkammerwänden verringertem innerem Druck widerstehen kann. Zum Beispiel können für eine Kammer, die für die Aufnahme eines Wafers von 8-Inch Durchmesser (nahezu 200 Millimeter) gestaltet ist, die oberen und unteren Wände 12, 14 eine Wanddicke von nur ungefähr 5 Millimetern erfordern, wobei die Trägerplattendicke ungefähr 10 Millimeter beträgt. Die Kammerlänge zwischen den Endflanschen beträgt ungefähr 600 Millimeter, wobei die Kammerbreite ungefähr 325 Millimeter und die Höhe der Endflansche ungefähr 115 Millimeter beträgt. Die Abmessungen der Kammer werden natürlich für größer bemessene Wafer verändert. Zum Beispiel ist die Kammer der vorliegenden Erfindung für Behandlungswafer mit einem Durchmesser von 200 Millimetern, 300 Millimetern oder sogar größer geeignet. Vorzugsweise bleibt die relative Querschnittsabmessung dieselbe, und somit hat eine breitere Kammer, die Wafer von 300 Millimeter aufnimmt, eine größere Höhe. Die größere Höhe in der Kammer für Wafer von 300 Millimetern erfordert bestimmte Veränderungen für andere Untersysteme, wie zum Beispiel die Heizstrahlerlampen, die um die Kammer zum Erhitzen des Suszeptors und des Wafers angeordnet sind. Kurz gesagt, obwohl die Umgebung zum Behandeln von Wafern mit 200 und 300 Millimeter Durchmesser notwendigerweise in bestimmter Hinsicht verschieden ist, fallen diese Unterschiede in die Praxis des Fachmannes für den Aufbau und den Betrieb von Behandlungskammern bzw. der Behandlungskammer.
Die besonderen Abmessungen sind selbstverständlich nur als Beispiel dafür gegeben, daß Kammern verschiedener Formen und Abmessungen mit einer Trägerplatte verwendet werden können, die sich zwischen Seitenwänden oder entlang der längeren Abmessung des vertikal-seitlichen Querschnittes der Kammer erstreckt. Eine Verallgemeinerung, die getroffen werden kann, besteht darin, daß die gesamte Kammerbreite vorzugsweise nahezu das Dreifache der Kammerhöhe beträgt. Das bedeutet, daß der obere Bereich 66 ein Verhältnis von Breite zu Höhe an der seitlichen Mittellinie von nahezu sechs hat. In der vorliegenden Ausführungsform können, wie oben erwähnt, die Wände 12 und 14 eine konstante Krümmung mit einem Radius von ungefähr 60,96 cm (24 Inch) haben. Es sei bemerkt, daß wenn das Verhältnis von Breite zu Höhe wesentlich anwächst, sich die oberen und unteren Wände 12 und 14 ausplatten und Biegungsbeanspruchung weniger ohne Schaden überstehen können, wenn sie einem inneren Vakuum unterworfen werden. Wenn andererseits dieses Verhältnis wesentlich abnimmt, wird die Krümmung der Wände 12 und 14 ausgeprägter, und die Heizlampen müssen weiter von dem Wafer und dem Suszeptor 84 im Abstand gehalten werden, wodurch die Steuerung der Wärmeverteilung um den Wafer verringert wird. Die durch die Trägerplatte 40 erfahrene Zugbeanspruchung erhöht sich, wenn sich das Verhältnis von Breite zu Höhe erhöht und sich die Kammer ausplattet. Bei einem konstanten Kammervakuum erhöht sich die durch die Trägerplatte 40 erfahrene Zugbeanspruchung um einen größeren Betrag als das Anwachsen bzw. Größerwerden in dem Verhältnis von Breite zu Höhe der Kammer. D. h., wenn man zum Beispiel von einer zylindrischen Kammerform mit einem Verhältnis von Breite zu Höhe an der seitlichen Mittellinie von 2 : 1 im oberen Bereich 66 ausgeht, ergibt sich eine Verdopplung dieses Verhältnisses auf 4 : 1 in einem mehr als doppelten Anwachsen in der auf die Trägerplatte 40 aufgebrachten Beanspruchung. Jegliche durch die Trägerplatte 40 absorbierte Zugbeanspruchungen entlasten notwendigerweise Biegebelastungen nach innen, die ansonsten auf die gekrümmten Kammerwände 12 und 14 aufgebracht würden. Somit kann ein optimales Verhältnis von Breite zu Höhe der Kammer bestimmt werden, was niedrige Druckbehandlung mit einem Kammerquerschnitt von verhältnismäßig geringem Profil ermöglicht.
Die Kammer 10 kann auch wünschenswert in bestehende Systeme unter Verwendung von Kammern mit rechteckigem Querschnitt umgerüstet werden, wobei ferner die Notwendigkeit einer niedrigen, weiteren Form wächst. Die Kammerform ermöglicht es vorteilhaft, den Wafer von einem Ende einzuführen, und ermöglicht das Einführen von Ersatzsuszeptoren und -ringen von dem anderen Ende der Kammer. Eine solche Anordnung ermöglicht es auch, den Gasstrom bequem von einem Ende zum anderen durch die Kammer einzuführen, wobei das Gas über die innere Trägerplatte fließt, die nahezu mit dem in der Kammer zu behandelnden Wafer ausgerichtet ist.
In einer alternativen in 9 gezeigten Anordnung ist ein modifizierter Temperaturausgleichsring 72' nach außen gebildet, um dicht mit der gerundeten, rechteckigen Öffnung 42 in der Trägerplatte 40 zusammenzupassen. Der Ring 72' dichtet somit im wesentlichen den oberen Teil 66 und den unteren Teil 68 der Reaktionskammer 10 voneinander ab. Auf diese Weise kann Reaktionsgas in dem oberen Teil 66 nicht durch zwischen dem Ring 72' und der Öffnung 42 gebildete Spalte hindurchgehen, was möglicherweise den gleichförmigen Strom über den Wafer unterbrechen würde.
In einer weiteren in 10 gezeigten Anordnung ist eine Opferquarzplatte 124 vorgesehen, welche den kreisförmigen Ring 72 umgibt. Die Opferplatte 124 hat einen Innendurchmesser, der dicht zu dem Außendurchmesser des Ringes 72 paßt, und eine äußere Form, die zu der gerundeten, rechteckigen Öffnung 42 paßt und wünschenswert gegen diese anstößt. Auf diese Weise werden die Kanten der Öffnung 42 vor Entglasung aufgrund wiederholten Erhitzens der Reaktionskammer 10 geschützt. Somit kann die Opferplatte 124 ersetzt werden, wenn sie durch wiederholte Erwärmungszyklen entglast ist, während die kostspieligere und dauerhaft befestigte Trägerplatte 40 erhalten bleibt. In der Praxis ist die Platte 124 dicht in die Öffnung 42 passend mit einem Minimum an Spiel dazwischen gestaltet, aber aufgrund Herstellungstoleranzen, welche es ermöglichen, die Platte innerhalb der Öffnung einzupassen, ist ein Kontaktsitz nicht möglich. Die Platte 124 wird vorzugsweise durch modifizierte Finger 80, 82 oder durch getrennte Stützelemente (nicht gezeigt) getragen, die an der Trägerplatte 40 befestigt sind.
Aufbauverfahren der Behandlungskammer
Der Aufbau der Quarzkammer wird nun erklärt. Die Reaktionskammer 10 ist in einer bevorzugten Folge hergestellt, um genaue Abmessungen sicherzustellen und die inneren Belastungen innerhalb der Komponententeile zu minimieren. Genauer wird die Reaktionskammer 10 zuerst durch Schweißen der zwei Seitenschienen 16 und 18 an die Endflansche 20 und 30 hergestellt. Wie zuvor bezüglich der 3 beschrieben wurde, haben die Flansche 20 und 22 jeder nach innen gerichtete Ausdehnungen 54, die zu der Form der Seitenschienen 16 und 18 passen. Anschließend an die Verbindung der Seitenschienen und Endflansche wird der Aufbau bei einer erhöhten Temperatur geglüht, um innere Belastungen zu verringern. Die mittlere Trägerplatte 40 wird dann innerhalb der rechteckigen Form durch die zentrale Stumpfplatte 32b der Seitenschienen 16, 18 und die zentralen, nach innen gerichteten Ausdehnungen der Endflansche 20 und 22 gebildet. Nach dem Schweißen der Trägerplatte 40 wird der gesamte Aufbau noch einmal geglüht, um innere Spannungen zu verringern. Die Stützelemente 80 und 82 werden dann an die Unterseite der Trägerplatte 40 in geeigneten Positionen geschweißt. Die Eckenfüller 76 werden an der Verwendungsstelle geschweißt, um die gerundete, rechteckige Öffnung 42 zu bestimmen. Alles Scharte der Kanten innerhalb der Kammer 10 wird dann abgeschliffen, um gerundete Kanten zu glätten. An diesem Punkt werden die oberen und unteren Wände 12 und 14 sowohl an die Seitenschienen 16 und 18 als auch an die Endflansche 20 und 22 geschweißt. Der Aufbau wird erneut geglüht, um innere Spannungen zu verringern. Das Rohr 92 wird dann an der Verwendungsstelle koaxial mit einer runden, in der unteren Wand 14 gebildeten Öffnung geschweißt.
Der Aufbau wird dann bei einer erhöhten Temperatur feuerpoliert, um die Quarzoberfläche zu veranlassen, leicht zu schmelzen und die durch Schleif- und Schweißtätigkeiten gebildete Oberfläche zu glätten. Das Feuerpolieren ist ein wesentlicher Schritt bei der Bildung der Kammer 10, um die Kammer für folgende Herstellungsschritte und für den Gebrauch zu festigen. Schließlich wird der gesamte Aufbau geglüht, um jegliche verbleibende innere Spannungen zu verringern. Fachleute wissen, daß die Herstellung der Quarzkammer eine komplexe und heikle Tätigkeit ist und als kunstvoll betrachtet wird. Somit soll das oben beschriebene Verfahren eine spezielle Konstruktionsart darlegen, und andere könnten folgen.
Es können ernsthafte innere Spannungen durch lokales Schweißen erzeugt werden. Um die Spannungen zu minimieren, ist die gesamte Kammer vorzugsweise in einen Ofen mit hoher Temperatur eingeführt und darin befestigt. Die Sequenz der Schritte ist wie folgt. Die Elemente der Behandlungskammer sind innerhalb eines großen Ofens mit einer großen Türöffnung positioniert, durch welche ein Arbeiter die Kammerkomponenten erreichen und handhaben kann. Der Ofen wird zuerst abgedichtet und auf eine erhöhte Temperatur von vorzugsweise nahezu 900°C erhitzt. Ist die spezielle Temperatur erreicht und befinden sich alle Quarzkomponenten darin bei dieser Temperatur, wird die große Türöffnung geöffnet, um dem Schweißer den Zugang zu erlauben. Eine Anzahl von Wärmeschirmen oder Ablenkblechen sind rund um die Kammer zwischen den heißen Quarzstücken und der Türöffnung positioniert, um die Strahlungshitze durch die Türöffnung zu verringern. Die Schirme sind somit angeordnet, um dem Schweißer den Zugang zu einem örtlich festgelegten Teil der Kammer, der geschweißt werden soll, zu erlauben und um Hitze, die von den diesen Bereich umgebenden heißen Quarzkomponenten ausgestrahlt wird, zu minimieren. Der Schweißer ist angemessen mit schweren Schweißhandschuhen, einem reflektierenden Anzug und Helm bzw. Maske bekleidet. Nachdem die Türöffnung des Ofens offen ist, verringert sich die Temperatur darin auf ungefähr 500–700°C. Es kann gegebenenfalls zusätzliches, lokalisiertes Erwärmen notwendig sein, um den Wärmeverlust durch die offene Tür zu ergänzen. Die zusätzliche Wärme kann zum Beispiel mit einer Lötlampe, entweder fokussiert oder gestreut, geschaffen werden. Die zuvor erwähnte Schweißfolge wird dann innerhalb des Ofens durchgeführt, wobei die Tür des Ofens geschlossen wird und die Kammerteile periodisch wieder erwärmt werden, wenn zuviel Wärme verloren ging. Dieses Verfahren verringert erheblich die inneren Spannungen innerhalb der Quarzstücke, indem große Temperaturgradienten in ihnen bzw. darin vermieden werden.
Behandlungssystem
11 zeigt eine Anordnung von Komponenten, die eine modifizierte Reaktionskammer 130 umgeben, um höchst gleichförmiges CVD-Verfahren zu erzeugen. Vor der Beschreibung der Einzelheiten der modifizierten Kammer 130 wird die Behandlungsumgebung beschrieben. Die Kammer 130 weist eine innere Trägerplatte 132 auf, die ähnlich der zuvor beschriebenen inneren Trägerplatte 40 ist, und weist somit eine Öffnung 133 auf, die darin so abgemessen geformt ist, daß sie einen Suszeptor zum Tragen eines Halbleiterwafers aufnimmt. Die Trägerplatte 132 ist in einen vorderen Abschnitt 135a aufstromig von der Öffnung 133 und in einen rückwärtigen Abschnitt 135b abstromig von der Öffnung 133 geteilt. Ein Suszeptor 134 ist auf einer Vielzahl von sich radial erstreckenden Armen 136 einer zentralen Nabe 138 positioniert, die auf einem hohlen Schaft 140 befestigt ist. Der Schaft 140 wird seinerseits durch einen Motor 142 gedreht, der unterhalb der Kammer 130 angeordnet ist. Die Rotationskupplung zwischen dem Motor 142 und dem Schaft 140 wird genau in dem US-Patent Nr. 4,821,674 beschrieben. Der Motor 142 ist vorzugsweise auf einem festen Rahmen befestigt und weist Einstellmechanismen zum Positionieren des Suszeptors 134 innerhalb der Kammer 130 auf.
Ein Wafer 144 ist auf dem Suszeptor ruhend in 11a gezeigt. Eine Vielzahl von Heizstrahlerlampen ist um die Reaktionskammer 130 herum angeordnet, um den Suszeptor 134 und den darauf befindlichen Wafer 144 zu erwärmen. Eine erste Reihe von oberen Lampen 146 erstreckt sich längs bezüglich der Kammer 130. Eine zweite untere Reihe von Lampen 148 erstreckt sich seitlich bezüglich der Kammer 130. Die Verteilung der oberen Reihe der Lampen 146 ist ungehindert, so daß eine regelmäßige Folge von Lampen über die seitliche Ausdehnung der Kammer 130 vorgesehen ist. Die untere Reihe von Lampen 114 ist andererseits auf beiden Seiten des Schaftes 140 vorgesehen, sie ist aber in dem den Schaft umgebenden Bereich unterbrochen. Ein oder mehrere Spotlights bzw. Scheinwerfer oder gerichtete Lampen 150 sind unter der Kammer 130 positioniert und umgeben ein nach unten hängendes Quarzrohr 152, das einstückig mit der Kammer 130 gebildet ist. Das Rohr 152 nimmt konzentrisch den Schaft 140 auf. Das Rohr 152 und der Schaft 140 bilden einen ringförmigen Raum zwischen sich, der dazu verwendet wird, ein Entleerungs- bzw. Reinigungsgas in einen Bereich unterhalb des Suszeptors 134 einzuspritzen. Der Reinigungsgasstrom wird durch die Pfeile 154 in 11a gezeigt. Die gerichteten Lampen 150 strahlen Energie zu der Unterseite des Suszeptors 143, der durch den Schaft 152 und den Trägeraufbau beschattet sein kann. Die spezielle Heizanordnung ist ähnlich der in dem US-Patent Nr. 4,836,138 beschriebenen und dargestellten.
Die oberen und unteren Reihen von Lampen 146, 148 sind in einer im allgemeinen rechteckigen Konfiguration oberhalb bzw. unterhalb des Suszeptorbereiches 134 verteilt. Diese Anordnung fokussiert in Kombination mit den gerichteten Lampen 150 die Strahlungsenergie auf dem Suszeptor 134 und dem zugeordneten Wafer 144. Zusätzlich verbessert die senkrechte Ausrichtung der oberen und unteren Reihen 146, 148 ferner die Erwärmungsgleichförmigkeit des Suszeptors 134. In den 11 und 11a ist ein vergrößerter Temperaturausgleichsring 155 gezeigt, und sein spezieller Aufbau wird weiter unten in größerer Einzelheit beschrieben. Es sei jedoch bemerkt, daß die Umfangsgestalt des modifizierten Temperaturausgleichsrings 155 im allgemeinen rechteckig ist und zu den hervorspringenden Strahlungshitzesäulen der oberen und unteren Reihen von Lampen 146, 148 paßt. Diese Anordnung ist äußerst wirksam und resultiert in einer gleichförmigeren Temperatur über den Suszeptor 134.
Ein Gasinjektor 156 ist aufstromig von der Behandlungskammer 130 positioniert und weist eine Vielzahl von Reaktionsgasstrom-Nadelventilen 158 zum Messen des Reaktionsgases in der Kammer durch mehrere Öffnungen auf. Reaktionsgas wird durch den Injektor 156 gemessen und läuft danach durch eine Einlaßöffnung 160, welche in einen oberen Bereich 162 der Behandlungskammer 130 führt. Der Reaktionsgasstrom wird durch den Pfeil 164 in 11a gezeigt. Das Gas strömt über den Suszeptor 134 und den Wafer 144, über die innere Trägerplatte 132 und tritt durch eine Auslaßöffnung 166 in der Behandlungskammer 130 aus. Der Auslaßweg ist mit dem Pfeil 168 gezeigt. Zusammen mit dem zuvor beschriebenen nach oben gerichteten Reinigungsstrom 154 ist ein Längsreinigungsstrom 170 durch den Gasinjektor 156 vorgesehen. Genauer und wie weiter unten in größerer Einzelheit beschrieben wird, weist der Gasinjektor innere Kanäle auf, die sich in einen unteren Bereich 172 der Behandlungskammer 130 durch eine Reinigungseinlaßöffnung 174 öffnen. Der Reinigungsgasstrom 170 tritt in den unteren Bereich 172 ein und läuft unterhalb des Suszeptors 134 und des umgebenden Aufbaus vorbei und tritt aus dem unteren Bereich durch eine Reinigungsauslaßöffnung 176 aus, wie durch den Pfeil 178 gezeigt ist.
11 zeigt einen Auslaßapparat 180, welcher sowohl den verbrauchten Reaktionsgasstrom 168 als auch den Auslaß-Entleerungsgasstrom 178 aufnimmt. Genauer nimmt eine gemeinsame Plenumkammer 182 die zuvor erwähnten Gasströme auf und leitet sie zu einer gewinkelten Auslaßleitung 184 in Verbindung mit einer Auslaßrohrverzweigung 186. Die Auslaßrohrverzweigung 186 ist an einer geeigneten Vakuumquelle befestigt. Die Plenumkammer 182 ist durch ein im allgemeinen rechteckiges Flanschteil 188 bestimmt, das vorzugsweise mit Wasser gekühlt wird, wobei innere Durchgänge durch Rohre 190 mit Kühlfluid versorgt werden. Das innere Kühlen des Flanschteils 188 hilft, Beschädigung der elastomeren Dichtung zwischen dem Flanschteil und der Behandlungskammer 130 zu verhindern.
Modifizierter Temperaturausgleichsring
Die 11, 11a und 12 zeigen den oben erwähnten Temperaturausgleichsring 155, welcher den Suszeptor 134 umgibt. Dieser Ring 155 ist in vielen Gesichtspunkten ähnlich dem zuvor erwähnten Ring 72' bezüglich der 9. D. h., der Ring 155 ist nach außen aufgebaut, um dicht zu der gerundeten, rechteckigen Öffnung 194 zu passen, die in der Trägerplatte 132 der Kammer 130 gebildet ist, er ist aber von dieser im Abstand gehalten, um Qualitätsverlust der Quarträgerplatte 132 zu verhindern. Wie in 11a gezeigt ist, weist der modifizierte Temperaturausgleichsring 155 ein unteres, ringförmiges U-förmiges Kanalteil 196 und ein oberes ebenes Teil 198 auf. Das obere Teil 198 weist eine Öffnung auf, die über dem Kanalteil 196 durch die Verwendung von einem oder mehreren integral gebildeten, nach unten hängenden Zentrierringen 199 zentriert ist, die auch kleine Vorsprünge sein können, die in einem Kreis mit rundem Muster im Abstand angeordnet sein können. Das untere Teil 196 trägt eine Vielzahl von verlängerten Thermoelementen, die sich, wie zuvor beschrieben, von einem abstromigen Ende der Kammer 130 durch die Entleerungsauslaßöffnung 176 und in den unteren Bereich 172 und den Ring 155 erstrecken. Der Ring 155 weist in seinem abstromigen Ende Öffnungen zur Aufnahme der Thermoelemente auf.
Vorzugsweise sind drei Thermoelemente durch den Temperaturkompensationsring 155 getragen, die alle in die Kammer aus dem abstromigen Ende durch die Entleerungsauslaßöffnung 176 eintreten. Die drei Thermoelemente erstrecken sich parallel nach vorn in die Kammer unterhalb der Trägerplatte 132 und sind in seitlicher Richtung im Abstand angeordnet. Das mittlere, in 11a gezeigte Thermoelement 199 erstreckt sich genau unterhalb der Trägerplatte 132 und endet abstromig von dem Suszeptor 134. Ein zweites Thermoelement 200 tritt in den Ring 155 ein und rollt sich um einen kreisrunden Weg, der durch das Kanalteil 196 bestimmt ist, um an der vorderen Kantenposition zu enden, wie in 11a gezeigt ist, an der vorderen Kante des Ringes. Ein drittes Thermoelement (nicht gezeigt) tritt auch in den Ring 155 und rollt sich halb um das Kanalteil 196 in der entgegengesetzten Richtung von dem zweiten Thermoelement 200, um bei einer Position in der Mitte zwischen den vorderen und den hinteren Kanten des Suszeptors 134 zu enden. Die Kombination der drei Thermoelemente fühlt somit die Temperatur an der vorderen Kante, der hinteren Kante und an der Seitenkante des Suszeptors 134 ab.
Damit die Thermoelemente in das Kanalteil 196 eintreten können, ist sein rückwärtiges Ende durch einen verlängerten L-förmigen Teil 202 gebildet. Diesem Teil fehlt eine äußere Wand, um es dem Thermoelement zu erlauben, in das Innere des Kanals einzutreten. Obwohl nicht gezeigt, kann sich der L-förmige Teil um einen Bogen herum erstrecken, der ausreichende Länge hat, um die drei eintretenden Thermoelemente aufzunehmen, oder er kann diskrete Teile an den Stellen aufweisen, durch welche jedes Thermoelement in das Kanalteil 196 geht.
Der obere ebene Teil 198 hat eine innere Kante, die nahezu denselben Durchmesser hat wie die innere Wand des Kanalteils 196, und paßt dicht zu der äußeren Umfangskante des Suszeptors 134, ist aber von diesem im Abstand angeordnet. Eine äußere Kante des ebenen Teils 198 erstreckt sich nach außen von der äußeren Wand des Kanalteils 196 und paßt dicht zu der gerundeten, rechteckigen Öffnung 133. Der Ring 155 ist wiederum vorzugsweise aus Graphit mit einer großen thermisch wirksamen Masse hergestellt, um dazu zu verhelfen, die Temperaturgleichförmigkeit über den Suszeptor 134 und den Wafer 144 sicherzustellen. Der Ring 155 kann jedoch aus geringerer thermischer Masse oder sogar aus Quarz hergestellt sein, so daß direkte Strahlungswärme von den Reihen der Lampen 146, 148 und 150 auf die Kante des Suszeptors 134 auftreffen kann.
Unter Bezugnahme auf die 11a ist ein aufstromiger Spalt 204 zwischen dem Ring 155 und dem aufstromigen Abschnitt 135a der Trägerplatte 132 bestimmt. Ähnlich ist ein abstromiger Spalt 206 zwischen der abstromigen Kante des Ringes 155 und dem abstromigen Abschnitt 135b der Trägerplatte 132 gebildet. Der aufstromige Spalt 204 ist leicht kleiner bemessen als der abstromige Spalt 206. Das Behandlungsgas, welches über den Suszeptor 134 und den Wafer 144 geht, ist zu dem Einlaßende der Kammer 130 hin verhältnismäßig kalt. Da das Behandlungsgas über den heißen Ring 155 und den Suszeptor 134 geht, wärmt es sich an der hinteren Kante des Wafers auf eine maximale Temperatur auf. Der Ring 155 wird somit in der Umgebung der Behandlungskammer an seiner abstromigen Kante einer höheren Temperatur unterworden als seine entgegengesetzte, aufstromige Kante unterworfen wird. Da das Quarz verhältnismäßig zerbrechlich ist und bei wiederholtem thermischem Zyklieren bricht, ist der Spalt 206 an der abstromigen Kante des Ringes 155 leicht größer hergestellt, um übermäßiges Erhitzen des Quarzes durch den Ring 155 an dieser Stelle zu verhindern. Der aufstromige Spalt 204 beträgt ungefähr 4 Millimeter, während der abstromige Spalt ungefähr 5 Millimeter hat.
Opferquarzplatte
Die Behandlungskammer 130 der 11 beinhaltet ferner eine Opferquarzplatte 210, um die aufstromige Kante der Öffnung 133 zu schützen. Wie man in den 12 bis 14 sieht, weist die Opferquarzplatte 210 einen horizontalen, ebenen Teil 212 und eine vertikale, krummlinige Lippe 214 auf. Der horizontale Teil 212 weist ferner eine große zentrale Öffnung 216 auf, die so bemessen ist, daß sie den Antriebsschaft 140 und die Nabe 138 aufnimmt. Der horizontale Teil 212 erstreckt sich unterhalb des Suszeptors 134 und wird durch drei Finger 218 getragen, die von unterhalb der zentralen Trägerplatte 132 abhängen. Die Finger 218 sind sehr ähnlich den Trägerfingern 80 und 82, die zuvor bezüglich der ersten Kammerausführungsform beschrieben wurden. Genauer ist ein vorderer Finger 218a zentral über die seitliche Breite des aufstromigen Abschnittes 135a der zentralen Trägerplatte 132 angeordnet. Ein Paar von abstromigen Fingern 218b ist seitlich von dem Zentrum der Trägerplatte in ihrem abstromigen Abschnitt 135b im Abstand angeordnet. Die nahe Anordnung dieser Finger sieht man am besten in der Explosionsansicht der 12.
Der horizontale Teil 212 der Opferquarzplatte 210 weist zwei rückwärtige Ausdehnungen 220 mit rechtwinkligen Bereichen 221 von verringerter Dicke und darin befindlichen Öffnungen 222 auf. Die dünnen Bereiche 221 der Ausdehnungen 220 sind so bemessen, daß sie auf die abstromigen Finger 218b passen, wie man am besten in 11a sieht. Die Öffnungen 222 sind so bemessen, daß sie Trägerstifte 224 aufnehmen, die auch auf den Fingern 218b getragen werden. Die Stifte 224 erstrecken sich durch die Öffnungen 222 und werden für das Stützen des Temperaturausgleichsrings 155 verwendet. Auch sind ein dünner gemachter Bereich 230 und eine vordere Öffnung 226 in dem horizontalen Teil 212 zur Aufnahme eines Trägerstiftes 227 vorgesehen. Der vordere Finger 218a paßt in den dünner gemachten Bereich 230 und trägt das vordere Ende der Opferquarzplatte 210 sowie das vordere Ende des Ringes 155 über den Stift 227. Die dünner gemachten Bereiche 221 und 230 und genauer die dadurch gebildeten Seitenwände halten in Kombination mit den Öffnungen 222 und 226 und den Stiften 224 und 227 die Platte 210 in Position bezüglich der Finger 218a, b.
Die Quarzplatte 210 hat eine im allgemeinen konstante, seitliche Querschnittsbreite, welche an einem vorderen Ende zu einem breiteren Bereich 228 divergiert. Der breite Bereich 228 weist gerundete vordere Ecken auf, die zu der Gestalt der Öffnung 133 passen. Die vertikale Lippe 214 erstreckt sich von den gerundeten Kanten des vorderen Teils 228 nach oben in die Nähe der gerundeten rechteckigen Kanten der Öffnung 133. Dies sieht man am besten in 11a. Die vertikale Lippe 214 paßt somit dicht zu der inneren Kante der Trägerplatte 132 an der Öffnung 133 und schützt das Quarz an dieser Stelle vor Entglasung. Die vertikale Lippe 214 hat Kontakt mit dem Quarz der Öffnung 133.
Die Form der Opferquarzplatte 210 sieht man in Draufsicht und im Querschnitt in den 13 bzw. 14. Es sei bemerkt, daß die Dicke der Platte 210 in dem Mittelteil größer und an den Bereichen 221 und 230 dünner ist, welche, wie erwähnt, die Finger 218a, b aufnehmen und halten. Ferner ist die vertikale Lippe 214 bemerkenswert dünner als der horizontale Teil der Platte 210. Zur Verwendung in einer Reaktionskammer zur Behandlung von Wafern von Durchmessern von 200 Millimetern hat die Opferquarzplatte 210 eine Gesamtlängenabmessung von nahezu 28,45 cm (11.2 Inch). Die Breite der Platte 210 beträgt nahezu 18,92 cm (7.45 Inch), und die nach außen divergierenden Kanten in dem Bereich 228 bilden mit den Seitenkanten einen Winkel von 30°. Die Breite des vorderen Bereiches 228 beträgt nahezu 25,81 cm (10.16 Inch). Die Krümmung der vorderen Kanten, die dicht zu der inneren Kante der Öffnung 133 paßt, beträgt im Radius nahezu 5,72 cm (2.25 Inch). Die Platte hat eine Dicke von nahezu 0,51 cm (0.2 Inch) über einen Hauptteil ihres Querschnittes, wobei aber die Bereiche, welche die Finger 218 aufnehmen, eine Dicke von nahezu 0,152 cm (0.06 Inch) haben. Die vertikale Lippe hat eine Höhe von nahezu 2,51 cm (0.99 Inch), während ihre Dicke nahezu 1 mm (0.04 Inch) beträgt.
Die 15–17 zeigen eine Opferquarzplatte 240, die in den meisten Beziehungen der zuvor beschriebenen Quarzplatte 210 identisch ist. Im Gegensatz dazu weist die Quarzplatte 240 jedoch eine horizontale Ausdehnung 242 auf, die an einer oberen Kante der vertikalen Lippe 214 gebildet ist. Die horizontale Ausdehnung 242 erstreckt sich nach vorne von der Lippe 214 und soll auf der oberen Oberfläche der zentralen Trägerplatte 132 ruhen. D. h., daß sich die vertikale Lippe 214 nach oben, wie man in 11a sieht, in dichte Nähe zu der Öffnung 133 erstreckt und sich die horizontale Ausdehnung 242 über die obere Ecke der Öffnung erstreckt. Diese Anordnung schützt ferner das Quarz der zentralen Trägerplatte 132 vor Entglasung. In den anderen Beziehungen ist die Quarzplatte 240 mit der zuvor beschriebenen Quarzplatte 210 identisch und wird durch die Finger 218a, b unterhalb des Suszeptors 134 und parallel zu diesem getragen.
Die 18a und 18b zeigen die den Suszeptor 134 umgebend angeordneten Opferquarzplatten. Wie man in 18a genauer sieht, sieht man die Opferquarzplatte 210 in gestrichelter Linie unterhalb des Suszeptors 134, wobei die vertikale Lippe 214 an der abstromigen Kante des vorderen Abschnittes 135a des zentralen Trägers 132 sichtbar ist. Man sieht, daß sich die vertikale Lippe 214 seitlich um die Seiten der Öffnung 133 erstreckt, um an den Seitenschienen 18 der Kammer 130 zu enden, wie zuvor beschrieben wurde. 18b zeigt andererseits die horizontale Ausdehnung 242, die sich nach vorn von der Kante der Öffnung 133 erstreckt. Wieder ist die Opferquarzplatte 240 unterhalb des Suszeptors 134 und parallel zu diesem positioniert.
Die 18c, 19 und 20 zeigen ein Paar von diskreten Opferquarzplatten 250a und 250b, das auf der zentralen Trägerplatte 132 positioniert ist. Die diskreten Platten 250 werden in Draufsicht in 19 gezeigt und haben eine im allgemeinen rechteckige Form mit einem Paar von abgeschrägten Kanten 252 auf einem aufstromigen Ende und einer krummlinigen, abstromigen Kante 254. Wie man in 20 sieht, springt eine vertikale Lippe 256 nach unten von der krummlinigen Kante 254 hervor. Die krummlinige Kante 254 ist so bemessen, daß sie dicht zu den gekrümmten Ecken der gerundeten, rechteckigen Öffnung 133 paßt. Diesbezüglich und wie man in 18c sieht, sind die diskreten Opferquarzplatten 250a, b an den gerundeten Ecken der Öffnung 133 positioniert. Die nach unten abhängende Lippe 256 schützt somit die Ecken der Öffnung 133 vor Entglasung. Die Ecken der Öffnung 133 werden während der Vakuumbehandlung den größten Belastungen unterworfen und leiden daher am meisten durch wiederholtes, thermisches Zyklieren. Somit schützt die Schaffung der diskreten Platten 250a, b diese Ecken, und sie können verhältnismäßig leicht ersetzt werden. Die Platten 250a, b, sind einfach auf der zentralen Trägerplatte 132 ohne andere Befestigungsmittel angebracht. Selbstverständlich kann eine einzige Opferquarzplatte, welche die diskreten Platten 250a, b kombiniert auch direkt oben auf der zentralen Trägerplatte 132 angebracht werden.
Gasinjektor
21 stellt den zuvor bezüglich 11 erwähnten Gasinjektor 156 dar. Der Gasinjektor 156 weist ein im allgemeinen vertikales, zweiteiliges Flanschteil auf, welches an das aufstromige Ende der Quarzkammer 130 anstößt. Genauer ist der Gasinjektor 156 zwischen einer Waferhandhabungskammer 260 (gestrichelt dargestellt) und der Behandlungskammer 130 in Sandwichbauart angeordnet. Geeigneter pneumatischer Druck wird auf eine von vielen, dem Fachmann bekannten Arten vorgesehen, um den sehr guten Kontakt zwischen dem Gasinjektor 156 und der Kammer 130 sicherzustellen.
Die Waferhandhabungskammer 260 weist eine kegelförmige Waferbelieferungsöffnung 262 auf, welche zu einem horizontalen Wafer/Gas-Eintrittsschlitz 264 führt, der durch den Gasinjektor 256 bestimmt wird. Eine Waferhandhabungsvorrichtung (nicht gezeigt) liefert Wafer durch die Belieferungsöffnung 262 und den Eingangsschlitz 264 zu der Handhabungskammer 260 und der Behandlungskammer 130 und von diesen weg.
Die Waferhandhabungsvorrichtung weist eine Aufnahmewand mit geringem Querschnitt vom Bernoulli-Typ auf, welche durch den Eintrittsschlitz 264 paßt, der auf einer Unterseite den Wafer trägt. Selbstverständlich können andere Aufnahmewände mit geringem Querschnitt verwendet werden. Diesbezüglich hat der Eintrittsschlitz 264 eine Höhe von nahezu 1,91 cm (0.75 Inch) und eine Länge durch den Gasinjektor 156 von etwa 3,96 cm (1.56 Inch). Bezüglich der Rückansicht der 22 erstreckt sich der Eintrittsschlitz 264 seitlich entlang einem Hauptteil der Breite des Gasinjektors 156 und hat vorzugsweise eine Breite von ungefähr 22,86 cm (9 Inch), um den Durchgang von Wafern mit 200 mm zu ermöglichen. Fachleute werden bemerken, daß die hier bezeichneten Abmessungen verändert werden, um Wafer größerer Abmessung, wie zum Beispiel solche von 300 mm Durchmesser, unterzubringen.
Wie in dem US-Patent Nr. 4,828,224 beschrieben, ist ein Absperrschieber in der Handhabungskammer für reziproke Bewegung abwechselnd zum Schließen und Öffnen der Belieferungsöffnung 262 befestigt. Der Absperrschieber weist einen Schwenkkörper auf, der durch sich hindurch auch einen Waferdurchgang hat, wobei sich der Durchgang in Linie mit der Belieferungsöffnung 262 befindet, wenn der Schieber geöffnet ist. Eine feste Oberfläche des Absperrschiebers weist einen O-Ring auf, der geeignet ist, gegen die Vorderfläche des Gasinjektors 156 abzudichten, um die Umgebung der Handhabungskammer 260 von der der Behandlungskammer 130 zu isolieren.
Der Gasinjektor 156 ist aus einer vorderen Flanschhälfte 266 und aus einer rückwärtigen Flanschhälfte 268 gebildet. Die vorderen und rückwärtigen Flanschhälften 266, 268 sind im allgemeinen vertikal angeordnete, plattenähnliche Teile, die so angeordnet sind, daß sie gegeneinander passen. Genauer ist die Vorderfläche der vorderen Flanschhälfte 266 geeignet, gegen die Waferhandhabungskammer 260 zu passen, und ihre Rückseite stößt gegen die Vorderfläche der rückwärtigen Flanschhälfte 268. Ferner paßt die rückwärtige Fläche der rückwärtigen Flanschhälfte 268 gegen die Behandlungskammer 130. O-Ringdichtungen sind zwischen diesen Elementen vorgesehen, um Gasleckage von den Waferhandhabungsbereichen oder deren Verunreinigung zu verhin dern. Ein im allgemeinen ovalförmiger Kammer-O-Ring 270, am besten in 22 gesehen, ist zwischen dem Gasinjektor 156 und der Kammer 130 vorgesehen. Genauer weist die rückwärtige Flanschhälfte 268 eine fortlaufende Nut 272 (25) in ihrer rückwärtigen Fläche auf, welche den Eintrittsschlitz 264 umgibt, der den Kammer-O-Ring 270 aufnimmt. Der Kammer-O-Ring 270 stößt gegen die flache Vorderfläche der Behandlungskammer 130 und umgibt die Einlaßöffnungen 160, 174, welche zu dem oberen bzw. unteren Bereich 162 bzw. 172 führen. Ein mittlerer O-Ring 274 ist in einer Nut in der rückwärtigen Fläche der vorderen Flanschhälfte 266 vorgesehen und dichtet den Eintrittsschlitz 264 an der Verbindung zwischen den vorderen und rückwärtigen Flanschhälften 266, 268 ab. Schließlich ist ein O-Ring 276 der Handhabungskammer in einer Nut in der Vorderfläche der vorderen Flanschhälfte 266 vorgesehen, welcher den Eintrittsschlitz 264 an der Grenzfläche zwischen dem Gasinjektor 156 und der Waferhandhabungskammer 260 abdichtet.
Wie man in den 22 und 23 sieht, ist eine Vielzahl von Nadelventilen 158 über die obere Kante der rückwärtigen Flanschhälfte 268 verteilt. Es sind fünf solcher Nadelventile 158 gleichmäßig und zentriert in der rückwärtigen Flanschhälfte 268 verteilt. Jedes der Nadelventile 158 weist eine rohrförmige Kartusche 280, die in einen sich nach oben öffnenden, abgestuften Hohlraum 282 (26) befestigt ist, und Klemmschrauben 284 für die Einstellung des Gasstromes durch den Gasinjektor 156 auf. Diesbezüglich tritt das Behandlungsgas durch eine Einlaßleitung 286 in eine seitliche Kante der rückwärtigen Flanschhälfte 268 und wird durch den Gasinjektor 156 verteilt, wenn es schließlich in die Behandlungskammer 130 durch den Eintrittsschlitz 264 eintritt.
Das Behandlungsgas tritt an der Einlaßleitung 286 ein und strömt durch ein horizontales Plenum 288, das sich seitlich über die rückwärtige Flanschhälfte 268 unterhalb der fünf Einstellklemmschrauben 284 erstreckt. Wie man am besten in 26 sieht, ist jede Kartusche 280 innerhalb einer oberen Gewindebohrung 290 des Hohlraumes 282 befestigt, wobei der Hohlraum auch eine Ventilbohrung 292 mit verringertem Durchmesser bestimmt. Jede der Gewindebohrungen 292 befindet sich in Fluidverbindung mit dem horizontalen Plenum 288. Jede Kartusche 280 weist einen äußeren Gewindeteil 294, der zu der Gewindebohrung 290 paßt, und einen unteren Teil 296 mit verringertem Durchmesser zur Aufnahme und Kanalisieren des Behandlungsgases auf. Genauer weist der Teil 296 mit verringertem Durchmesser einen horizontalen Schlitz 298 an der Höhe des Plenums 288 auf, welcher es dem Behandlungsgas erlaubt, frei entlang dem Plenum zu jedem Hohlraum 288 zu strömen. Gas, welches durch die Einlaßleitung 286 eintritt, füllt somit das Plenum 288 auf einen gleichmäßigen Druck über seine Breite.
Ein von der Kartusche 280 getrennter Ventilsitz 300 ist auf dem Bodenende der Ventilbohrungen 292 positioniert und auf seiner Außenseite gegen die Gewindebohrung mit einem O-Ring 302 abgedichtet. Jede Klemmschraube 284 ist axial mit einer Nadel 304 ausgerichtet und stößt an diese an, welche sich nach unten durch die hohle Kartusche 280 und in Eingriff mit einer inneren Dichtungsoberfläche auf dem Ventilsitz 300 erstreckt. In der Mitte entlang der Nadel 304 schafft ein ringförmiger Nadelrand 306 eine Reaktionsoberfläche, gegen welche eine Feder 308 arbeitet. Die Feder 308 ist innerhalb einer oberen zylindrischen Bohrung 310 der Kartusche positioniert und stößt gegen eine Stufe 312 mit verringertem Durchmesser. Die Nadel 304 ist somit nach oben in Eingriff mit der Klemmschraube 284 vorgespannt. Die Feder 308 ermöglicht es, das Positionieren der Nadel 304 bezüglich der Kartusche 280 zu präzisieren. D. h., die Nadel 304 hat innerhalb der Bohrung der Kartusche 280 einen Gleitsitz und ist durch die Feder 308 gegen die Klemmschraube 284 vorgespannt, welche einen einstellbaren Anschlag schafft. Zusätzlich ist die Federkonstante der Feder 308 ausreichend, um nach unten gerichteter Bewegung der Nadel 304 während der Vakuumbehandlung zu widerstehen.
Die Kartusche 280 ist mit Abstufungen um ihren Umfang herum versehen und arbeitet mit der drehbaren Klemmschraube 284 ähnlich wie ein Mikrometer. Axialer Lauf der Klemmschraube 284 und der Nadel 304 innerhalb der Kartusche 280 bringt abwechselnd die Ventiloberflächen zwischen dem unteren Ende der Nadel und dem Ventilsitz 300 in Eingriff und trennt sie abwechselnd voneinander. Ein zweiter kleinerer O-Ring 314 ist rund um die Nadel 204 vorgesehen und arbeitet gegen eine Bohrung 316 mit verringertem Durchmesser unterhalb der oberen Bohrung 310 in der Kartusche 280. Dies hindert Behandlungsgas daran, nach oben um die Nadel 304 herumzulaufen. Ein dritter O-Ring 318 ist in einer in der Außenseite der Kartusche 280 gebildeten Nut positioniert und arbeitet gegen die Ventilbohrung 292, um Behandlungsgas daran zu hindern, nach oben rund um die Kartusche zu entweichen.
Bezüglich 22 erstreckt sich eine enge Leitung 320 nach unten unterhalb der Ventilbohrung 292 in Verbindung mit einer Expansionskammer 322, wie am besten in 24 zu sehen ist. Wie man auch an der vorderen Seite der rückwärtigen Flanschhälfte 268 in 23 sieht, ist jede Expansionskammer 322 als ein horizontaler Schlitz gebildet und divergiert nach außen an einem rückwärtigen Ende unterhalb der Leitung 320 zu einem vorderen Ende, welches der rückwärtigen Flanschhälfte 266 zugewandt ist. Die Expansionskammern 322 sind durch zwei Verteilervorrichtungen 324 getrennt. Es sind fünf solcher Expansionskammern 322 vorhanden, die mit dazwischen vorgesehenen Flußverteilervorrichtungen 324 gebildet sind.
Das vordere untere Ende jeder Expansionskammer 322 endet in einer abgerundeten Lippe 326, im Profil in 21 gezeigt. Die Lippe 326 springt nach vorn hervor und endet gerade kurz vor der Ebene, welche durch die Vorderseite der rückwärtigen Flanschhälfte 268 bestimmt wird; diese bestimmt auch eine Grenzfläche zwischen den Flanschhälften. Die Verteilervorrichtungen bzw. Trennvorrichtungen 324 ragen nach vorn zu der Grenzfläche heraus und enden an dem vordersten Punkt der abgerundeten Lippe 326, wie man in 23 sieht. Die Lippe 326 setzt sich nach rückwärts von den Flußverteilervorrichtungen 324 fort, wobei sie unter die Expansionskammern 322 in einer gemeinsamen ebenen, gewinkelten Oberfläche 32 rollt. Die gewinkelte Oberfläche 328 setzt sich nach unten und nach rückwärts, bis sie den Eintrittsschlitz 264 schneidet, fort, wie man in 21 sieht.
Betrachtet man 21, so weist die vordere Flanschhälfte 266 eine Reihe von Ausnehmungen 330 auf, die in ihrer Rückseite gegenüber den Expansionskammern 322 gebildet sind. Die Ausnehmungen 330 haben schmale Wände 332, die voneinander getrennt sind, was gestrichelt in 22 dargestellt und im Querschnitt in 24 zu sehen ist. Jede Ausnehmung 330 hat eine längliche, im allgemeine halbzylindrische Gestalt, und eine untere Wand 334, die nach unten und nach rückwärts gewinkelt ist und sich als eine Lippe 336 fortsetzt, die unterhalb der gewinkelten Oberfläche 328 der rückwärtigen Flanschhälfte 268 hervorragt. Die schmalen Wände 332 enden an der Grenzfläche, während sich die Lippe 336 nach rückwärts von dieser erstreckt. Die winkelige Oberfläche 328 oberhalb und die Lippe 336 unterhalb bestimmen zusammen einen schmalen Schlitz 338 für den Gasfluß mit einer Breite, die in der Breite nahezu gleich der Breite der fünf kombinierten Expansionskammern 322 ist.
Behandlungsgas wird an den Nadelventilen 158 gemessen und läuft nach unten durch die Leitung 320 in die Expansionskammern 322, wo der Gasstrom nach außen diffundiert, um seine Geschwindigkeit zu verlangsamen. Die fünf langsameren, sich bewegenden Ströme des Behandlungsgases fließen dann im allgemeinen nach vom über die Grenzfläche und werden beinahe um 180° durch die gekrümmten Wände der Ausnehmungen 330 gedreht, um durch den schmalen Schlitz 338 gelenkt zu werden, der den Strom zu einem blattähnlichen Band formt. Der durch jedes der fünf Nadelventile 158 gemessene Strom wird durch die Flußverteilervorrichtungen 324 innerhalb jeder der Expansionskammern 322 und innerhalb jeder der Ausnehmungen 330 durch die Wände 332 getrennt gehalten. Den fünf getrennten Strömen wird gestattet, sich durch den Schlitz 338 zu mischen, um in einem einzigen, ebenen Band zu resultieren. Diese Gasflußbahn setzt sich nach unten und nach rückwärts in den Eintrittsschlitz 264 und danach im allgemeinen horizontal durch die Behandlungskammer 130 fort, in erster Linie aufgrund des abnehmenden Druckgradienten entlang der Kammer in der Richtung der Vakuumquelle abstromig von der Auslaßvorrichtung 180. Während des Behandlungsgasflusses wird das vordere Ende des Eintrittsschlitzes 264 durch die Schaffung des zuvor erwähnten Absperrschiebers geschlossen, um Fließen in die entgegengesetzte Richtung zu verhindern. Das Mischen des Stromes beginnt in einem bedeutenden Abstand aufstromig von der vorderen Kante des Wafers, um so für die getrennten Fließströme angemessenen Abstand und Zeit zu schaffen, sich durch Diffusion zu mischen, wodurch das Gasdichteprofil seitlich über den Wafer geglättet wird.
Wie man in 22 sieht, ist der Gasinjektor 156 ferner mit Reinigungsgas- bzw. Entleerungsgaskanälen versehen, und drei Entleerungsgasöffnungen 340 öffnen sich in den unteren Bereich 172 der Behandlungskammer 130. Diesbezüglich fließt Behandlungsgas durch den Eintrittsschlitz 264 und die Einlaßöffnung 160 in den oberen Bereich 162 der Kammer 130, während Entleerungsgas durch die drei Öffnungen 340 und die Entleerungseinlaßöffnung 174 in den unteren Bereich 172 der Kammer fließt. Ein Entleerungsgaseinlaß 342 ist auf der Seitenkante der rückwärtigen Flanschhälfte 268 gegenüber der Einlaßleitung 286 für Behandlungsgas vorgesehen. Der Einlaß 342 führt zu einem kurzen, horizontalen Durchgang 344, der mit einem vertikalen Durchgang 346 Verbindung schafft. Ein horizontales Entleerungsgasplenum 348 verteilt das Entleerungsgas in gleichen Drücken zu den Öffnungen 340. Entleerungsgas wird somit durch den Gasinjektor 156 kanalisiert und tritt durch die drei gleichmäßig im Abstand angeordneten Öffnungen 340 aus, die unterhalb des Eintrittsschlitzes 264 und unterhalb der zentralen Stützplatte 130 positioniert sind, wenn der Gasinjektor an die Behandlungskammer 130 stößt.
Unter Bezugnahme auf die 21, 24 und 25 weist der Gasinjektor 156 auch in sich Wasserkühlkanäle zum Schutz des O-Ringes 270 der Kammer auf. Genauer schafft ein Paar von unteren Leitungen 350a, 350b einen Kühlwasserfluß in den Gasinjektor 156 und aus diesem heraus. Die inneren Kühlkanäle innerhalb des Gasinjektors 156 sieht man am besten im Querschnitt der 25. Kühlwasser tritt durch die Leitung 350a ein und läuft nach oben durch einen kurzen Abschnitt oder Durchgang 352 in einen länglichen, horizontalen unteren Durchgang 354. Dieser Durchgang 354 schafft Verbindung mit einem vertikalen Seitendurchgang 356 und danach mit einem länglichen, horizontalen oberen Durchlaß 358. Schließlich erstreckt sich ein zweiter Seitendurchgang 360 von dem oberen Durchgang 358 nach unten zu dem Kühlauslaß 350b. Man sieht, daß jeder dieser Durchgänge in die feste, rückwärtige Flanschhälfte 258 gebohrt ist, und Stopfen 362 sind an jedem ihrer äußeren Enden vorgesehen. Das Muster der Durchgänge paßt dicht zu der Gestalt des O-Ringes 270 der Kammer. Ferner sind die Durchgänge in der rückwärtigen Flanschhälfte 268 an einer Stelle nahe dem O-Ring 270 mit einem Minimum an festem Material dazwischen vorgesehen, wie man am besten in den 21 und 24 sieht. Der Kühlfluß durch die Durchgänge soll die Temperatur des Materials des Gasinjektors 156 nahe dem O-Ring 270 der Kammer bei ungefähr 60°F oder kälter halten. Das verwendete Kühlfluid ist vorzugsweise ein pH ausgeglichen eingestelltes mineralfreies Wasser, das bei Raumtemperatur oder weniger eingeführt wird. Die Gasinjektorelemente sind vorzugsweise aus nicht rostendem Stahl hergestellt, und das mineralfreie Wasser verhindert die Bildung von Niederschlägen, welche den Durchgang des Kühlwassers hindern können.
Der vorliegende einstellbare Gasinjektor 156 verbessert erheblich den Wirkungsgrad des Gasstromes durch die Behandlungskammer 130. Speziell erzeugten viele frühere Gasinjektoren ein festes Fließmuster oder waren zur Einstellung ungeeignet. Wenn der Gasstrom geringer als das Optimum war, zum Beispiel wenn Rückführungen wegen Deposition bzw. Ablagerung auf den Kammerwänden ersichtlich wurde, mußte daher der gesamte Gasinjektor auseinandergenommen werden, um den Gasstrom durch diesen hindurch einzustellen. In dem vorliegenden Gasinjektor 156 schaffen die Klemmschrauben 284 Einstellbarkeit über die seitliche Breite der Kammer. Wenn Rückführungen durch Bildung von Partikeln auf der einen oder anderen Wand der Kammer beobachtet werden, wird der Gasstrom an dieser Seite höher eingestellt. Häufig verhindern Herstellungstoleranzen im Aufbau des Gasinjektors genaue Korrelation zwischen den Einstellungen der Klemmschrauben 284 und dem Gasstrom an den fünf Nadelventilen vorbei. Wären die Toleranzen perfekt, könnten die Klemmschrauben auf spezifische Werte bezüglich den Mikrometerabstufungen auf der Kartusche 280 eingestellt werden, und die Fließrate wäre aus solchen Werten voraussagbar. Die Toleranzen sind jedoch weniger als genau, und die Einstellbarkeit der Nadelventile beschleunigt erheblich die Behandlung.
Obwohl die verschiedenen, seitlich verteilten Gasströme unabhängig in dem Gasinjektor 156 gemessen werden, ist der Aggregatausstoß aus dem Injektor ein einziges Stromband, in welchem die Längsgrenzen der Ströme sich gut aufstromig von der vorderen Kante des Wafers mischen dür fen. Somit wird die Depositionsgleichförmigkeit durch Vermeidung bestimmter Grenzen zwischen den Flüssen verbessert.
Die Mikrometer werden in spezifischen Abständen geöffnet, um den Gasstrom zwischen den Nadeln 304 und dem Ventilsitz 300 zu ermöglichen. Die äußeren zwei Nadelventile 158 werden um 1,5 mm, die zweiten Nadelventile um 1,7 mm und das mittlere Nadelventil um 2 mm geöffnet. Dieses symmetrische Muster besteht für einen symmetrischen Gasstrom durch die Behandlungskammer 130. Wenn später eine Beobachtung zeigt, daß Rückführungen innerhalb der Kammer auftreten, zeigt dies an, daß der Gasstrom trotz der Anzeige der Klemmschrauben nicht symmetrisch ist. In dieser Situation werden eine oder mehrere der Klemmschrauben eingestellt, um den Strom auf einer seitlichen Seite der Kammer zu erhöhen.
Ein typischer gesamter Behandlungsgasstrom ist 16 slm. Dieser Gasstrom wird um ungefähr 20% über den Gasstrom in rechteckigen Behandlungskammern derselben Höhe verringert. Dies erfolgt aufgrund der linsenförmigen Gestalt der Kammer. Der typische Gasdruck beträgt 137.895 kPa (20 psi) vor dem Durchlaufen durch die Nadelventile.
Der Kammerdruck kann sich auf einem Vakuum von ungefähr 10.665 kPa (80 torr) befinden. Herkömmliche Behandlungsgase sind zum Beispiel Dichlorsilan und Trichlorsilan. Selbstverständlich werden die Behandlungs- oder Dotiergase mit einem Träger in typischer Weise Wasserstoff mit einem Verhältnis von ungefähr 9 : 1 Träger zu Behandlungsgas gemischt. Zusätzlich werden Reinigungsgase bzw. Entleerungsgase, wie zum Beispiel Stickstoff, häufig durch den Gasinjektor eingespritzt, um die verschiedenen Kanäle zu reinigen. Ferner werden Ätzgase, wie zum Beispiel Chlorwasserstoff, verwendet, um die Kanäle zu reinigen. Der typische Reinigungsgasfluß durch den Gasinjektor in den unteren Bereich der Kammer ist Wasserstoff bei einer Fließrate von zwischen 5 und 15 slm. Selbstverständlich können Stickstoff oder andere solche inerte Gase ersetzt werden.
Der vorliegende Gasinjektor 156 schafft einen Minimalbetrag an Totraumvolumen in sich, um schnellere und schärfere Übergänge zwischen verschiedenen Gasen zu ermöglichen. D. h., daß in einigen Behandlungssequenzen ein erstes Dotiergas durch den Gasinjektor in die Kammer, gefolgt von einem zweiten Dotiergas, eingeführt wird. An dem Übergang zwischen der Einführung der Gase verweilt das erste Gas manchmal innerhalb des Gasinjektors. Der vorliegende Injektor 156 hat andererseits sehr kleine innere Kanäle mit minimalem Totraum, so daß, nach Einführung eines inerten Zwischengases oder direkt des zweiten Dotiergases, das erste Dotiergas sofort ausgespült wird.
Sich abstromig erstreckender Temperaturausgleichsring
27 zeigt eine Parallelfluß-CVD-Behandlungskammer 370, ähnlich der in 11 gezeigten Behandlungskammer 130, mit einem Suszeptor 372 zum Stützen bzw. Tragen von Wafern in einem Behandlungsgasstrom. Wie zuvor treten Behandlungsgase durch einen Einlaß 374 in die Kammer ein und durch einen Auslaß 376 in der Kammer heraus, wobei sie in einer Richtung parallel zu der Ebene des Suszeptors strömen. Obere und untere Reihen von Strahlungsheizlampen 378a, 378b sind neben der Kammer positioniert. Man bemerkt, daß sich die Lampenreihen 378a, b weiter nach unten erstrecken als die für die 11 beschriebenen Lampenreihen. Es können nach unten erstrecken als die für die 11 beschriebenen Lampenreihen. Es können andere Anordnungen von Heizlampen verwendet werden.
In 27 ist ein abstromigen Aufbau der Kammer gezeigt mit dem Ziel, die Temperatur, Geschwindigkeit, Richtung und Zusammensetzung des Gasstromes zu ändern. Außerdem wird die Temperatur der Behandlungskammerwand abstromig von dem Wafer und dem Suszeptor durch diesen abstromigen Aufbau erhöht, was die Ätzwirkung der Kammer verbessert.
Ein Temperaturausgleichsring 380 ist geschaffen, welcher den Suszeptor 372 umgibt, der beinahe in jeder Hinsicht dem Ring 155 der 11 identisch ist. Im Gegensatz zu dem vorherigen Ring 155, der sich abstromig von der Kante der gerundeten, rechteckigen Öffnung 133 der Trägerplatte 132 erstreckte, erstreckt sich eine obere Platte 382 des Ringes 380 wesentlich weiter. Zur Aufnahme dieser Ausdehnung, weist eine Trägerplatte 384 in der Kammer 370 eine Suszeptoröffnung mit einer abstromigen Kante 386 auf, die an einer Mittellinie der Kammer beinahe eine Hälfte des Weges zwischen dem Suszeptor 372 und dem Auslaß 376 beträgt.
Die abstromige Kante der oberen Platte 382 des Ringes 380 paßt zu der Gestalt der Öffnung und endet in dichter Nähe der Öffnung, wie man in 27 sieht. Wie weiter unten beschrieben wird, müssen die Vorteile des verlängerten Ringes 380 gegen die Sorge um die Verringerung in der Festigkeit der Kammer 370 aufgrund einer verringerten Größe der inneren Trägerplatte 384 abgewogen werden. D. h., daß zum Beispiel ein Vorteil aus der Masse des abstromigen Aufbaus besteht, welche Strahlungshitze absorbiert und diese Hitze zurück zu den Kammerwänden reflektiert. Diesbezüglich gilt, je mehr abstromiges Material um so besser. Andererseits kann ein zu großer Ring 380 den Widerstand der gesamten Kammer 370 in Vakuumbehandlung gefährden, wenn das Material der Trägerplatte 384 verringert ist. Die obere Platte 382 kann eine gerundete, rechteckige, abstromige Kante ähnlich der des modifizierten Temperaturausgleichsrings 72' haben, wie in 9 gezeigt ist, obwohl die obere Platte in runden oder in anderen Gestalten geformt sein kann.
Es sei auch bemerkt, daß die durch den abstromigen Aufbau gebotenen Vorteile nicht einzig und allein durch die vorliegend beschriebene Behandlungskammer mit innerem Träger realisiert werden. Herkömmliche Kammern ohne eine mittlere Trägerplatte können auch den abstromigen Aufbau zu einem gewissen Vorteil integrieren. Diese Vorteile werden dem Fachmann für verschiedenen Kammeraufbau aus der folgenden Beschreibung unter Bezugnahme auf schematische Darstellungen von Behandlungskammern klar.
Eine allgemeine Ausführungsform eines abstromigen Aufbaus gemäß der vorliegenden Erfindung innerhalb einer Quarzkammer 388 ist schematisch in den 28a und 28b dargestellt und weist eine flache Platte 390 mit einer krummlinigen Vorderkante 392 neben und passend zu dem Umfang eines Suszeptors 394 auf. Wie sich zeigen wird, kann diese Platte 390 den Teil der oberen Platte 382 des Ringes 380 abstromig von dem Suszeptor 394 darstellen, oder sie kann ein separater Aufbau sein. Wenn die Platte 390 einen Teil der oberen Platte 382 aufweist, wird sie durch die Finger gestützt, welche von der inneren Stützplatte der Kammer herabhängen, wie zuvor beschrieben wurde. Wenn die Platte 390 von dem Ring 380 getrennt ist, kann sie auch von Fingern gehalten werden, die an der inneren Stützplatte der Kammer befestigt sind, oder sie kann alternativ durch einen Ständer, vorzugsweise aus Quarz, gestützt sein, der an der Kammer 388 befestigt oder innerhalb dieser positioniert ist. Die Platte 390 ist vorzugsweise aus Graphit aufgebaut, der die von den äußeren Heizlampen 396 abgestrahlte Energie schneller als die Quarzkammer 388 absorbiert.
Dies sind einige Vorteile des abstromigen Aufbaus der vorliegenden Erfindung. 29a zeigt die Behandlungskammer 388 ohne die abstromige Platte 390, und sie zeigt schematisch den Strahlungswärmefluß 398 von den äußeren Lampen 396. Die Quarzwände der Kammer 388 sind für diesen Energiefluß verhältnismäßig transparent und halten somit nicht einen wesentlichen Wärmebetrag zurück. Bei Ätzprozessen jedoch ist es wünschenswert, die Kammerwände zu erwärmen, während der Ätzgasfluß in die Kammer eingeführt wird, um die Wände von unerwünschtem Partikelaufbau zu reinigen. Ohne den abstromigen Aufbau heizen sich daher die Wände der Reaktionskammern langsam und auf eine verhältnismäßig niedrige Temperatur auf. Wie in 29b gezeigt ist, wird mit der abstromigen Platte 390 in der Kammer 388 die von der Graphitplatte abgestrahlte Energie (mit den Pfeilen 400 gezeigt) in einem Frequenzbereich durch die Quarzreaktorwände leicht absorbiert. Die Kammerwände können somit schnell auf eine hohe Temperatur erhitzt werden, was den Ätzzyklus beschleunigt und den Gesamtdurchsatz verbessert.
Die Pfeile 402 in 30a zeigen eine übertrieben ungleichmäßige Chemical Vapor Deposition auf einem Wafer. Eine solche Ungleichförmigkeit kann von steilen Temperatur- und Fließgradienten an der Kante des Wafers/Suszeptors herrühren. Wie durch Pfeile 404 in 30b dargestellt ist, verhilft die Anwesenheit der Platte 390 dazu, die Temperatur- und Fließgradienten an der rückwärtigen Kante des Wafers auszugleichen, was in einer gleichförmigeren Chemical Vapor Deposition resultiert.
In 31a sammeln die Wände der Quarzbehandlungskammer 388 ohne den abstromigen Aufbau infolge ihrer erhöhten Temperatur einen erheblichen Betrag von unerwünschtem Niederschlag aus wiederholter Behandlung an. Eine typische Verteilung dieses Niederschlags wird schematisch durch die Pfeile 406 gezeigt. Im Gegensatz wird, wie in 31b gezeigt ist, die Graphitplatte 390 der heißeste Aufbau innerhalb der Kammer 388 in dem abstromigen Bereich, und Niederschlag tritt darauf eher auf als auf den Kammerwänden, wie mit den Pfeilen 408 gezeigt ist.
Ein anderer Vorteil der abstromigen Platte 390 besteht in der Neigung, Rückführungen innerhalb der Behandlungskammer 388 zu verringern, die in ungewünschtem Niederschlag um oder sogar aufstromig von der Wafer/Suszeptor-Kombination resultieren kann. Solche Rückführungen 410 in einer Kammer ohne den abstromigen Aufbau werden in den 32a und 32b gezeigt. Die 33a und 33b mit der abstromigen Platte 390 zeigen Fließlinien 412 in einer im allgemeinen fortlaufenden Richtung von links nach rechts, womit so im wesentlichen Rückführungen ausgeschaltet werden.
Der oben gezeigte und beschriebene abstromige Aufbau kann auch in Behandlungskammern, die anders als eine linsenförmige Kammer mit innerem Träger sind, nützlich sein. Zum Beispiel zeigt 34 eine Behandlungskammer 400 mit einem Eintrittsbereich 402 und einem Austrittsbereich 404, wobei beide Bereiche im Querschnitt rechteckig sind. Der Eintrittsbereich 402 wird durch eine horizontale obere Wand 406 und eine horizontale erste untere Wand 408 bestimmt, die an einer vertikalen Stufe 410 endet. Die Stufe 410 bildet den Anfang einer zweiten unteren Wand 412 des Ausgangsbereiches 404, welcher die obere Wand 406 mit dem Eintrittsbereich 402 teilt. Die Kammer 400 hat somit einen Querschnittsbereich, der sich an der Stufe 410 nahezu verdoppelt. Ein Suszeptor 414 ist durch einen Rotationsschaft 416 gerade abstromig von der Stufe 410 und in einer Ebene nahezu auf derselben Höhe wie die erste untere Wand 408 gestützt. Ein Temperaturausgleichsring 418 wird durch einen ringähnlichen Ständer 420 oberhalb der zweiten unteren Wand 412 gestützt und umgibt dicht den Suszeptor, wie zuvor beschrieben wurde. Der Ständer 420 kann so sein, wie in dem US-Patent Nr. 4,821,674 gezeigt und beschrieben ist.
Eine Platte 422 ist abstromig von dem Ring 418 positioniert und kann auf einem Ständer auf der zweiten unteren Wand 412 oder durch Stifte oder Dübel 424 getragen sein, welche durch die Seitenwände der Kammer 400 gestützt werden. Wie man sieht, befindet sich die Platte 422 nahezu in der Ebene des Ringes 418, des Suszeptors 414 und des darauf getragenen Wafers, und sie erstreckt sich von dem Ring bis dicht zu dem Kammerauslaß. Obere und untere Lampenreihen 426a, 426b richten Strahlungsenergie in die Kammer und sind im wesentlichen oberhalb und unterhalb des Bereiches angeordnet, der sich von der vorderen Kante des Ringes 418 zu der hinteren Kante der Platte 422 erstreckt. Der Gasstrom durch die Kammer wird mit dem Pfeil 428 gezeigt. Die abstromige Platte 422 ist vorzugsweise aus Graphit aufgebaut, um die zuvor erwähnten Vorteile des wirkungsvolleren Kammerätzens und besserer Temperaturgleichförmigkeit über den Wafer zu realisieren. Die Platte 422 kann auch Quarz sein, was die Temperaturverteilung in der Kammer nicht wesentlich beeinflußt, aber Fließmerkmale verbessert und Rückführungen verringert.
35 zeigt dieselbe Kammer 400 mit einem modifizierten Temperaturausgleichsring 432, welcher den Suszeptor 414 umgibt. Der Ring 432 weist ein unteres, ringförmiges, U-förmiges Teil 434 auf, das durch ein ebenes Teil 436 bedeckt wird, welches in dem Suszeptor eine Breite nahezu gleich dem U-förmigen Teil hat, das sich im wesentlichen abstromig in den Ausgangsbereich 404 erstreckt. Der Ring 432 ist in vieler Hinsicht ähnlich dem in 27 gezeigten Ring 380. Im Gegensatz zu dem vorangegangenen Ring 380, der durch an der inneren Trägerplatte 384 angebrachte Finger getragen wird, wird der Ring 432 zum Teil durch den Ständer 420 und zum Teil durch eine abstromige Strebe 438 getragen. Selbstverständlich gibt es viele Arten, den Ring 432 in der Kammer zu positionieren, wobei bevorzugte Mittel einen gewissen Typ von Quarzaufbau aufweisen, der leicht ersetzt werden kann, nachdem er wegen wiederholter Behandlungszyklen Schaden genommen hat. Wieder ist der Ring 432 wünschenswert aus einem Material mit einer hohen Wärmemasse aufgebaut, um dazu beizutragen, die Temperaturgleichförmigkeit über den Wafer aufrecht zu erhalten und um den Wirkungsgrad des Ätzzyklus zu verbessern.
Die 36 bis 38 zeigen eine Kammer 440, ähnlich der in 11 gezeigten, zusammen mit den zugeordneten Behandlungskomponenten, wie zum Beispiel dem Suszeptor 442 zum Tragen eines Wafers, dem Gasinjektor 444 und den Strahlungslampen 446. Die Kammer 440 weist eine zentrale Trägerplatte 448 auf, welche obere bzw. untere Kammerbereiche 452, 454 bestimmt. Ein Einlaßendflansch 450 hat einen oberen Schlitz 456, der von einem Einlaßschlitz 458 für Reaktionsgas in dem Gasinjektor 444 in den oberen Kammerbereich 452 führt, und einen unteren Schlitz 460, der von den Reinigungsgasöffnungen 462 in dem Gasinjektor in den unteren Kammerbereich 454 führt. Diese Merkmale sind ähnlich jenen zuvor beschriebenen.
Eine den Gasstrom formende Leitung 464 ist in der Kammer 440 zum Kanalisieren von Gas aus dem Injektor 444 gegen den Suszeptor 442 hin geschaffen. Die Leitung 464 hat die Gestalt eines umgekehrten U mit einer rechteckigen oberen Wand 466, die auf zwei rechteckigen Seitenwänden 468 gestützt wird. Die Leitung 464 bestimmt einen Kanal, innerhalb dessen das Gas von dem Injektor 444 zu dem Suszeptor 442 und dem darauf befindlichen Wafer hinfließt. Die Leitung 464 ist oberhalb der Stützplatte 450 aufstromig von einer Kante 470 der dem Suszeptor 442 zugewandten Platte positioniert.
Die Höhe und Breite der Leitung 464 ist derart, daß sie innerhalb des oberen Schlitzes 456 in die Nähe aber vorzugsweise nicht in Kontakt mit dem Injektor 444 paßt. Die Leitung 464 erstreckt sich ungefähr ½ bis 2/3 des Weges von dem Flansch 450 zu der Kante 470 und beträgt wünschenswert zwischen ungefähr 7,62 bis 12,7 cm (3 bis 5 Inch) in der Länge, wobei ein Bereich von zwischen 9,40 und 11,43 cm (3.7 und 4.5 Inch) bevorzugt wird. Die Leitung 464 ist wünschenswert aus Quarz hergestellt und hat eine Dicke von ungefähr 0,152 cm (0.06 Inch). Die seitliche Breite ist größer als die Breite des Injektorschlitzes 458 und beträgt vorzugsweise ungefähr 22,86 cm (9 Inch) (obwohl größere Abmessungen für Kammern notwendig sind, die geeignet sind, größere Wafer, wie zum Beispiel Wafer von 300 mm, zu behandeln). Die Höhe der Leitung 464 beträgt ungefähr 2,29 cm (0.9 Inch) oder zwischen der Höhe des Schlitzes 458 und der des Flanschschlitzes 456. Die Leitung 464 wird vorzugsweise innerhalb der Kammer durch den Flanschschlitz 456 eingebaut und aus dieser entfernt, was das Entfernen des Injektors 444 notwendig macht.
Das Vorhandensein der Leitung 464 begrenzt den Gasfluß aus dem Injektor 444, sich innerhalb der Kammer 440 um einen bestimmten Abstand in den oberen Bereich 452 auszubreiten, um die Steuerung des Gasprofils zu verbessern und die Gesamtgasgeschwindigkeit über den Wafer zu erhöhen. Genauer erzeugt der Gasinjektor 444 ein spezielles Gasgeschwindigkeitsprofil durch Einstellung der Flußkontrollventile 472, wie vorher beschrieben wurde, wobei das Profil aus der Expansion und der Rückführung innerhalb der Kammer 440 ausgebreitet werden kann. Dies trifft speziell für atmosphärische Behandlungen im Gegensatz zu Vakuumbehandlungen zu. Während die Gasgeschwindigkeit geeignet von dem Injektor 444 zu dem Suszeptor 442 in Niederdruckbehandlungen aufrechterhalten werden kann, neigt diese zusätzlich dazu, in atmosphärischen Behandlungen langsamer zu werden. Folglich hält die Leitung 464 die Unversehrtheit des abstromigen Geschwindigkeitsprofils aufrecht, was für alle Behandlungen wünschenswert ist, und verzögert Ausdehnung und Verlangsamung des Gasstromes, was in erster Linie für Behandlungen bei höherem Druck vorteilhaft ist.
Die obere Wand 466 der in den 36 bis 38 gezeigten Leitung 464 hat eine gerade abstromige Kante 474 und parallele Seitenwände 468. Diese Konfiguration kanalisiert den durch den Injektor 444 erzeugten Gasstrom ohne bedeutende Störung, bis er aus der Leitung 464 in einer Ebene gerade aufstromig von dem Suszeptor 442 herauskommt. Das Gas entspannt sich dann leicht gegen die Kammerwände, wenn es nicht durch die Wände der Leitung 464 beengt wird. Ver änderungen in der Gestalt der Leitung 464 und in der Gestalt der Auslaßkante können verwendet werden, um den Gasstrom ferner zu lenken und zu formen. Solche Veränderungen werden in den 38b bis f gezeigt.
38b zeigt eine Leitung mit Seitenwänden 476, die sich nach innen in der Richtung des Gasstromes verjüngen. Die obere Wand hat somit eine abstromige Kante 478, die kleiner ist als eine aufstromige Kante 480. Dieser konvergierende Kanalaufbau fokussiert den Gasstrom nach innen so, daß die darauf folgende Ausdehnung gegen die Kammerwände nach dem Verlassen der Grenzen der Leitung verzögert wird.
38c zeigt eine abstromige Kante 482, die konkav ist, wie man aus dem Suszeptor 442 sieht. Wenn der Gasstrom die abstromige Kante passiert, kann er zuerst in dem mittleren Teil expandieren und somit eine gewisse Diffusion des Flusses nach innen erlauben und den Fluß in der Mitte erhöhen.
38d zeigt eine abstromige Kante 484, die von dem Suszeptor 442 aus gesehen konvex ist. Der Gasfluß kann, wenn er an der abstromigen Kante vorbeigeht, zuerst in den äußeren Teilen expandieren und somit eine gewisse Diffusion des Flusses nach außen erlauben und den Fluß in der Mitte erhöhen.
38e zeigt eine abstromige Kante mit gewinkelten Teilen 486, welche in einer Ecke 488 enden. Die Seitenkanten der Leitung erstrecken sich weiter als die Mitte der oberen Wand, womit so eine ähnliche Gasflußwirkung wie bei der konkaven Version der 38c mit einem erhöhten Fluß durch die Mitte der Kammer herbeigeführt wird.
38f zeigt schließlich eine abstromige Kante mit gewinkelten Teilen 490, die in einem Scheitel 492 enden. Die Seitenkanten der Leitung enden vor der Mitte der oberen Wand, womit so ein ähnlicher Gasflußeffekt wie bei der konvexen Version der 38d mit einem verminderten Fluß durch die Mitte der Kammer herbeigeführt wird.
Obwohl die Kammer speziell für die Abscheidung aus der Gasphase (CVD) geeignet ist, können andere Behandlungen, welche saubere Öfen benötigen, von ihr profitieren. Zum Beispiel können Glühen, Ätzen, plasmagestützte Deposition und andere solche Verfahren alle die vorliegende Kammer in ihrer wesentlichen Form mit geeigneten Modifikationen verwenden.
Obwohl die Erfindung für bestimmte bevorzugte Ausführungsformen beschrieben wurde, befinden sich andere Ausführungsformen, welche dem Fachmann offensichtlich sind, auch innerhalb des Rahmens dieser Erfindung. Entsprechend soll der Rahmen der Erfindung durch die folgenden Ansprüche bestimmt werden.

Claims

Vorrichtung für die chemische Aufdampfung, die aufweist: Wände, die eine Aufdampfungskammer (388) definieren mit einem Einlaß für Aufdampfungsgas an einem stromaufwärtigen Ende und einem Gasauslaß an einem stromabwärtigen Ende, einen Suszeptor (394), der horizontal in der Kammer zwischen dem Gaseinlaß und dem Gasauslaß positioniert ist, für das Aufnehmen eines Halbleitersubstrates für die Zwecke der Aufdampfung und eine horizontal orientierte Platte (390), die in der Kammer zwischen dem Suszeptor und dem Gasauslaß positioniert ist, wobei sich die Platte entlang der Kammer über die Breite des Suszeptors erstreckt, wobei die Kammerwand neben der Platte im allgemeinen transparent gegenüber Strahlungsenergie ist und die Platte ein guter Absorber von Strahlungsenergie ist, so daß nicht verwendetes Aufdampfungsgas sich leichter auf der Platte als auf der Kammerwand abscheidet.
Vorrichtung nach Anspruch 1, die einen Ring (418) beinhaltet, der den Suszeptor umgibt, wobei eine stromaufwärtige Kante (392) der Platte im allgemeinen auf die Form einer stromabwärtigen Kante des Ringes angepaßt ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei die besagte Platte im wesentlichen horizontal mit dem Suszeptor ausgerichtet positioniert ist.
Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei sich die Platte näherungsweise zu dem Auslaß erstreckt.
Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, die außerhalb der Kammer Strahlungsheizungslampen (396) beinhaltet, die sich oberhalb der Platte erstrecken, wobei das abstromige Ende des Plattenendes etwa bei derselben abströmigen Position wie die Lampen endet.
Verfahren für die Verwendung in einer Aufdampfvorrichtung, die eine Aufdampfungskammer (388) beinhaltet mit einem Suszeptor (394), der hierin zwischen einem Einlaß und Auslaß für den Gasfluß in die Kammer positioniert ist, wobei das Verfahren die Aufdampfung auf Wänden der Kammer zwischen dem Suszeptor und dem Kammergasauslaß minimiert, und das Positionieren einer Platte (390) in der Kammer zwischen dem Suszeptor und dem Gasauslaß der Kammer aufweist, wobei sich die Platte im allgemeinen parallel zu dem Suszeptor in der Hauptebene eines auf dem Suszeptor zu positionierenden Substrates erstreckt, wobei die Platte aus einem Material gebildet wird, das effizient Wärme zu einem viel größeren Ausmaß absorbiert als die Wand der Kammer neben der Platte, wobei die Aufdampfungsgase, die hinter dem Suszeptor strömen, sich leichter auf der Platte absetzen als auf der kühleren Kammerwand.