DE69838484T2

DE69838484T2 - Hochtemperatur-prozesskammer mit langer lebensdauer

Info

Publication number: DE69838484T2
Application number: DE69838484T
Authority: DE
Inventors: John F. Jacksonville Wengert; Ivo Phoenix RAAIJMAKERS; Mike Phoenix HALPIN; Loren Mesa JACOBS; Michael J. Tempe MEYER; Frank Phoenix VAN BILSEN; Matt Chandler GOODMAN; Eric Mesa BARRETT; Eric Mesa WOOD; Blake Scottsdale SAMUELS
Original assignee: ASM America Inc
Current assignee: ASM America Inc
Priority date: 1997-11-03
Filing date: 1998-11-02
Publication date: 2008-06-26
Anticipated expiration: 2018-11-03
Also published as: DE69838484D1; JP2001522138A; JP4475804B2; EP1029109A1; WO1999023276A1; WO1999023276A8; EP1029109B1; US6325858B1; KR20010031714A

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Diese Erfindung betrifft Vorrichtungen für die Hochtemperaturbearbeitung von Substraten und insbesondere die chemische Gasphasenabscheidung von Materialien auf Halbleiterwafern in einem chemischen Gasphasenabscheidungsreaktor.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Im Allgemeinen wird das in chemischen Gasphasenabscheidungsreaktoren abgeschiedene Material nicht nur wie erwünscht auf dem Wafer abgeschieden, sondern einiges Material, jedoch nicht notwendigerweise dasselbe wie das auf dem Wafer, wird auch auf den Reaktorkammerwänden und anderen Teilen innerhalb des Reaktors abgeschieden, insbesondere auf der Waferhalterung und dem Ring, der um die Waferhalterung in vielen Reaktoren positioniert ist. Um einen wiederholbaren Prozess zu erhalten, muss die Kammer in regelmäßigen Zeitabständen gereinigt werden. Diese Kammerreinigung wird typischerweise durch Erwärmen der Waferhalterung, der Kammerwände und anderer Teile auf eine ausreichend hohe Temperatur und die Aufnahme eines Halogen enthaltenden Gases, wie zum Beispiel HCI erreicht.
Reaktoren für epitaktische Abscheidung verwenden im Allgemeinen einen Suszeptor und einen umgebenden Ring, der hilft, die Temperatur des Suszeptors zu steuern. Diese Komponenten bestehen üblicherweise aus Graphit und sind mit Siliciumcarbid (SiC) beschichtet. Schließlich wird die ätzende HCI in die SiC-Beschichtung eindringen, was eine schnelle Verschlechterung der Eigenschaften der abgeschiedenen Schichten verursacht. Deshalb müssen sie ersetzt werden. Eine Art bekannten Reaktors verwendet Thermoelemente, die sich neben dem Ring befinden, um die Temperatur der Ringe, die den Suszeptor umgeben, zu erkennen, der wiederum ein indirektes Temperaturmaß des Suszeptors und eines Wafers ist, der auf dem Suszeptor positioniert ist. Diese Thermoelemente sind gewöhnlich mit Quarz ummantelt. Wenn das Quarz häufig auf Temperaturen über 1000°C erhitzt wird, verursacht dies eine Entglasung der Quarzummantelung und einen Defekt der Thermoelemente, was einen Ersatz erforderlich macht.
Üblicherweise besteht die Kammer aus Quarz. Ein Problem bei chemischen Hochtemperaturgasphasenabscheidungsverfahren ist, dass Reaktionsgase das Innere von Quarzkammerwänden beschichten können. Beschichtungen auf den Kammerwänden können viele unerwünschte Aspekte besitzen, einschließlich dem Abbröckeln von Partikeln von den Wänden und der Notwendigkeit einer häufigeren Reinigung der Kammer. Ein Teil des Materials, dass auf den Quarzkammerwänden abgeschieden wird, kann nicht weggeätzt werden, wenn die Kammer gereinigt ist.
Wenn sich ausreichende Abscheidungen ansammeln, verliert die Quarzkammer örtlich ihre Transparenz und wird sich schnell durch die Bestrahlung der Lampen erhitzen, die konventionell neben dem Äußeren einer oberen Kammerwand und neben dem Äußeren einer niedrigeren Kammerwand positioniert sind. Dies erfordert schließlich die Notwendigkeit, die Quarzkammer nass zu reinigen oder sogar auszutauschen.
Wenn die Kammerwände zu heiß werden, können die Reaktionsgase ähnlich wie auf einem Wafer auf den Wänden abgeschieden werden. Die Kammerwände bestehen oft aus Quarz, da Quarz größtenteils zu der von den Lampen bereitgestellten Wärmeenergie transparent ist. Da der Wafer, der Suszeptor und der umgebende Kompensationsring durch diese Strahlungsenergie erwärmt werden, strahlen sie wieder Energie an die Kammerwände ab. Ein Teil dieser wieder abgestrahlten Energie hat eine Wellenlänge, bei der ein wesentlicher Teil der Energie von den Quarzkammerwänden absorbiert wird. Um die Temperatur der Wände unterhalb der Temperatur zu halten, bei der Abscheidungen auf den Wänden auftreten, ist es üblich, Luft oder ein anderes Kühlmittel über die Lampen und die angrenzenden Kammerwände fließen zu lassen. Diese Kühlung kann jedoch verursachen, dass einige Abschnitte der Kammerwände auf einer Temperatur gehalten werden, bei der Reaktionsgase an diesen kälteren Bereichen kondensieren können. Andere Kammerkomponenten, wie zum Beispiel ein Drehkreuz, das verwendet wird, um den Suszeptor und einen Untersatz zum Halten des Rings zu stützen, bestehen üblicherweise auch aus Quarz und unterliegen deshalb den gleichen Problemen der Entglasung und dem Ausgesetztsein von Bearbeitungsgasen.
Die Notwendigkeit, Suszeptoren, Ringe, Thermoelemente, Kammern und verschiedene andere Kammerkomponenten zu ersetzen, führt natürlich zu einer Ausfallzeit des Reaktors und zu beachtlichen Kosten für Ersatzteile. Außerdem kostet es viel Zeit und Geld, den Reaktor in den Zustand zurückzuversetzen, dass er die gewünschten Schichteigenschaften auf den beschichteten Wafern bereitstellen kann.
Ein Ziel dieser Erfindung ist es, die Lebensdauer der Komponenten innerhalb der chemischen Gasphasenabscheidungskammer wesentlich zu verlängern. Ein weiteres Ziel dieser Erfindung ist es, den Umfang der Abscheidungen auf den Kammerwänden und einigen Komponenten in der chemischen Gasphasenabscheidungskammer zu verringern, um ihre Lebensdauer zu verlängern. Ziel ist es auch, die Reinigungseffizienz des Reinigungsmittels zu steigern. In Bezug auf die letztgenannten beiden Ziele ist es ein weiteres Ziel dieser Erfindung, die Ausfallzeit zu reduzieren und somit die Durchsatzleistung zu steigern.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird bereitgestellt: eine chemische Gasphasenabscheidungsvorrichtung für die Bearbeitung von Substraten, wie zum Beispiel Halbleiterwafer, die eine Prozesskammer mit Quarzwänden aufweist und einen Einlass für die Einführung von Reaktionsgas in die Kammer, einen Suszeptor, der in der Kammer positioniert ist, um einen Wafer aufzunehmen, einen Temperaturkompensationsring, der den Suszeptor umgibt, und eine Getterplatte hat, die stromabwärts von dem Suszeptor und dem Ring positioniert ist, um die Abscheidung von nicht verwendetem Reaktionsgas aufzunehmen, wobei der Suszeptor, der Ring und die Platte aus festem Siliciumcarbid hergestellt sind, wobei die Vorrichtung weiterhin aufweist ein oder mehrere Elemente, die in der Kammer neben den Kammerwänden positioniert sind, um Strahlungsenergie von den Heizlampen zu absorbieren, die in die Kammer über die Quarzwände übertragen wird, und um die Energie wieder abzustrahlen, um die benachbarten Kammerwände zu erwärmen, um die Beschichtung des Abscheidungsgases auf den benachbarten Kammerwänden zu minimieren, und wobei die Elemente neben den Kammerwänden auf gegenüberliegenden Seiten der Getterplatte angeordnet sind.
In Übereinstimmung mit der Erfindung wird ein chemischer Gasphasenabscheidungsreaktor zur Bearbeitung von Halbleiterwafern bereitgestellt, wobei die Lebensdauer der Kammer und aller inneren Komponenten verlängert und der Lebensdauer der Prozesskammer durch die passende Wahl von Infrarot absorbierenden und nicht absorbierenden Teilen/Materialien angepasst wird. In einer Anordnung hat die Kammer die Form einer horizontal ausgerichteten Quarzröhre, die durch eine vordere Verteilerplatte in einen oberen und einen unteren Abschnitt aufgeteilt ist, einen Suszeptor, der von einem Temperaturkompensations- oder Kontaktring umgeben ist, und eine hintere Verteilerplatte. Im oberen Abschnitt setzt der Reaktionsfluss ein, um das Wachstum von Silicium oder einem anderen Material auf einem auf dem Suszeptor positionierten Wafer zu verursachen. Im unteren Abschnitt des Reaktors wird ein Spülgas eingeführt, um zu verhindern, dass sich die Reaktionsgase ausbreiten oder in den unteren Teil des Reaktors fließen.
Zur Verringerung der Abscheidung ungenutzter Reaktionsgase auf den Kammerwänden, die abstromig vom Suszeptor positioniert sind, sind Flächen in dem Gasstrom positioniert, damit einige Reaktionsgase auf diesen anstatt auf den angrenzenden Kammerwänden abgeschieden werden. Die Flächen bestehen aus Infrarotlicht absorbierendem Material, das hohen Temperaturen standhält, wie zum Beispiel Siliciumcarbid. In einer Anordnung befinden sich die Flächen auf ei ner Platte, die parallel zum Gasfluss verläuft und zwischen der hinteren Kammerverteilerplatte und der oberen Wand der Kammer angeordnet ist, sodass sowohl die oberen als auch die unteren Flächen dieser sogenannten Getterplatte den unbenutzten Reaktionsgasen ausgesetzt sind. Außerdem strahlt die Platte Energie in einem größeren Spektrum wieder ab, das Wellenlängen enthält, die schneller von den Quarzwänden absorbiert werden. Wenn man die Platte nahe der oberen Kammerwand positioniert, verstärkt dies diesen Effekt. Durch genaues Regulieren der Temperatur verringert diese Anordnung die Abscheidung oder Kondensation auf der Kühlvorrichtung, die an die Quarzkammerwand grenzt und verbessert auch die Reinigung der Wand, wodurch die Lebensdauer der Kammer verlängert wird.
Die vorliegende Erfindung stellt ein weiteres Verfahren zur Minimierung der Abscheidung auf Quarzkammerwänden durch Positionieren eines Schirms oder Wärmeabsorbierers neben den Quarzkammerwänden, der dazu tendiert, zu kalt zu sein oder ansonsten dazu neigt, den größten Teil der Abscheidungen oder Kondensationen zu erhalten, bereit. Dies kann bei unterschiedlichen Kammerkonfigurationen variieren. In einigen Kammern können zum Beispiel Wände, die einen Suszeptor umgeben, vom Gebrauch derartiger Schirme profitieren. Abgesehen vom Verlängern der Lebensdauer der Kammer können derartige Schirme aufgrund des Abblätterns der Ablagerungsschicht Partikelprobleme minimieren. Weiteres Dotieren darauffolgender Wafer als Folge von Restdotiermittel in den Ablagerungen auf der Kammer wird auch minimiert. Die Blockierung der Strahlungswärme durch die Kammerwände, die den Suszeptor umgeben, beschränkt die Kühlung an den Rändern der Kammer.
Neben dem Suszeptor sind ein oder mehrere Thermoelemente befestigt, die eine äußere Ummantelung haben, die beständiger ist als Quarz, wie zum Beispiel Siliciumcarbid. Siliciumcarbid entglast nicht und nutzt sich nicht ab, wenn es hohe Temperaturen durchläuft und deshalb ist die Lebensdauer der Thermoelementummantelung deutlich länger als die vorher verwendeter Quarzummantelungen. Da Siliciumcarbid nachteilig mit dem Thermoelement reagieren könnte, ist eine dünne Quarz- oder eine andere Hülle aus nichtreagierendem Material über der Thermoelementverbindung innerhalb der Siliciumcarbidummantelung positioniert.
Siliciumcarbidschirme werden durch die Kammer bereitgestellt, um Quarzreaktionskomponenten vor Entglasung zu schützen. In einer Ausführungsform wird über einer Quarzummantelung, die ein zentrales Thermoelement bedeckt, bereitgestellt, wodurch das Quarz vor den Bearbeitungsgasen geschützt wird. Siliciumcarbidschirme können auch verwendet werden, um entweder teilweise oder vollständig andere Quarzkomponenten, wie zum Beispiel das Quarzdrehkreuz, das den Suszeptor stützt, oder der Quarzuntersatz, der den Kontaktring hält, zu bedecken.
Der Suszeptor und der Ring, der den Suszeptor umgibt, bestehen beide aus einem Material wie z. B. festem Siliciumcarbid anstatt aus mit Siliciumcarbid überzogenem Graphit. Die Lebensdauer chemischer Gasphasenabscheidungs-Siliciumcarbidkomponenten ist ungefähr fünf Mal so lang wie die von mit Siliciumkarbon überzogenen Graphitkomponenten. Diese verlängerte Lebensdauer entspricht ungefähr der der Reaktorkammer, die die Getterplatte wie oben beschrieben einsetzt. Es wird angenommen, dass die mit Siliciumcarbid ummantelten Thermoelemente und die mit Siliciumcarbid bedeckten Quarzkomponenten ungefähr genauso lang bestehen bleiben. Infolgedessen wird angenommen, dass die oben genannten Verbesserungen bezüglich der Lebensdauer der inneren Reaktorkomponenten und der Quarzkammer den Wartungsrhythmus des Reaktors von ungefähr 1.500 auf 4.000 Wafer bis zu mehr als 20.000 Wafern verbessern kann.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist eine perspektivische Explosionsdarstellung der verbesserten Kammer der Erfindung zusammen mit deren verbesserten inneren Komponenten.
2 ist eine Querschnittsansicht der in 1 beschriebenen Kammer.
3 ist eine vergrößerte Querschnittsansicht der in 1 zu sehenden Thermoelemente.
4 ist eine Querschnittsansicht, die die Thermoelementhalterung und die Feinheit des Suszeptors und des Rings zeigt.
5 ist eine bruchstückhafte Querschnittsansicht einer anderen Form von Waferhalterungen.
6 ist eine Querschnittsansicht eines zentralen Thermoelements, das eine Siliciumcarbidkappe hat.
7A–B sind Schaubildansichten des Inneren einer im Allgemeinen runden Kammer mit Wärmeabsorbierern, die sich neben den Kammerwänden befinden, die den Suszeptor umgeben.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORM
Die 1 und 2 zeigen eine längliche, im Allgemeinen flache rechteckige Kammer 10, die aus Quarz besteht. Die Kammer hat eine flache obere Wand 10a und eine flache untere Wand 10b, die über ein Paar kurzer senkrechter Seitenwände 10c miteinander verbunden sind. Ein verdickter Einlassflansch 12 erstreckt sich über dem Gaseinlassende der Kammer und ist an den Kammerwänden befestigt. Ein ähnlicher Gasaustrittsflansch 14 ist an dem abstromigen Ende der Kammer gezeigt und an den Kammerwänden befestigt. Die Kammer ist in einen oberen Teil 15 und einen unteren Teil 17 durch eine flache vordere oder aufstromige Verteilerplatte 16 und eine hintere, abstromige Platte 18, die sich zwischen den Kammerseitenwänden 10c erstrecken, die im Allgemeinen parallel zu den oberen und unteren Wanden sind, geteilt. Die Verteilerplatten 16 und 18 werden von Halterungen 19 gehalten, die sich an den Seitenwänden 10c befinden oder von Halterungen (nicht gezeigt), die sich von der unteren Kammerwand aufwärts erstrecken. Die hintere Kammerverteilerplatte befindet sich in ungefähr der gleichen Ebene wie die vordere Platte. Die Kammer ist des Weiteren durch einen im Allgemeinen flachen, runden Suszeptor 20 und einen umgebenden Ring 22 aufgeteilt, der manchmal als Temperaturkompensationsring oder als Gleit- bzw. Kontaktring (um ein kristallographisches Gleiten zu verhindern) bezeichnet wird. Um beste Ergebnisse zu erzielen, sollte die thermisch wirksame Masse pro bestrahlter Bereichseinheit des Gleitrings ähnlich dem des Suszeptors sein. Abhängig von der speziellen Konfiguration kann der optimale Gleitring und die optimale thermisch wirksame Masse etwas größer oder kleiner sein als die des Suszeptors. Experimente sind geeignet, um das Optimum festzulegen. Der Suszeptor und der Gleitring sind im Wesentlichen auch in der gleichen Ebene wie die Verteilerplatten 18 und 16 positioniert, wie man am Besten in der in 2 gezeigten Querschnittsansicht sehen kann.
Der Suszeptor 20 wird von einem Drehkreuz 24 gehalten, das drei Arme hat, die sich von einer zentralen Anlagefläche radial nach außen erstrecken und sich aufwärts erstreckende Nasen an den Enden der Anne haben, die den Suszeptor umgeben. Der Suszeptor kann auch mit einem oder mehreren Ausnehmungen (nicht gezeigt) auf seiner unteren Fläche zum Aufnehmen der Nasenenden ausgestattet sein, um den Suszeptor zentral zu positionieren und um eine Kopplung zum Drehen des Suszeptors zu bilden. Das Drehkreuz ist an einem schematisch dargestellten röhrenförmigen Schaft 26 befestigt, der durch die untere Kammerwand 10b und auch durch ein Quarzrohr 27 verläuft, das an der unteren Kammerwand befestigt ist und an dieser hängt. Der Schaft ist angepasst, um mit einem Antrieb (nicht gezeigt) zum Drehen des Schafts, des Drehkreuzes und des Suszeptors verbunden zu sein. Einzelheiten einer derartigen Anordnung in Kombination mit einem Antriebsmechanismus sind im US-Patent mit der Seriennummer 4.821.674 erläutert.
Der Ring 22 liest auf einem Untergestell 23, das sich auf der unteren Kammerwand 10b befindet. Alternativ kann der Ring auf Leisten liegen, die sich von den Kammerseitenwänden nach innen erstrecken oder auf Leisten liegen, die sich von den Verteilerplatten 16 und 18 erstrecken.
Stromabwärts des Suszeptors und des Rings ist eine Getterplatte 30 auf einer Vielzahl von Stiften 31 positioniert, die sich von der hinteren Kammerverteilerplatte 18 nach oben erstrecken. Die Getterplatte verläuft im Allgemeinen parallel zu und ungefähr in der Mitte zwischen der oberen Kammerwand 10a und der Verteilerplatte. Eine oder mehrere dieser Platten können verwendet werden. Die Platte kann so geformt sein, dass sie die Gasströmungsdynamik des Systems anpasst. Mit einer einzigen flachen Platte wurden einwandfreie Ergebnisse erzielt. Für den Fachmann ist die Optimierung der Form der Platte jedoch einfach. Schirme oder Wärmeabsorbierer 32, die auf jeder Seite der Getterplatte und neben den abstromigen Abschnitten der Seitenwände 10c positioniert sind, sind auch optional stromabwärts des Suszeptors positioniert. Außerdem können Schirme oder Wärmeabsorbierer 33 auf jeder Seite des zentralen Bereichs der Kammer neben den zentralen Abschnitten der Seitenwände 10c verwendet werden. Die Elemente 33 können nicht notwendig sein, da der Siliciumcarbidring 22, der an die Kammerwände grenzt, eine große Wärmewirkung auf diese angrenzenden Kammerwände hat. Diese Elemente 32 und 33 können mit jedem geeigneten Mittel in Position gehalten werden. Die Elemente 32 können z. B. durch die Stifte 31 positioniert und von den Kammerseitenwänden 10c leicht beabstandet werden. Wenn erwünscht, können Vorsprünge an den Kammerseitenwänden und auf der abstromigen Platte 18 befestigt werden, um die Elemente 32 leicht beabstandet von den Seitenwänden zu positionieren. Ebenso können die Elemente 33 auf Halterungen auf der unteren Seitenwand 10b zwischen den Kammerseitenwänden 10c und dem Untersatz 23 ruhen, der von geeigneten Halterungen positioniert wird, die an den Seitenwänden befestigt sind, um das obere Ende des Elements 33 leicht von den Seitenwänden zu beabstanden.
Die Elemente 32 und 33 bestehen vorzugsweise aus Siliciumcarbid, mit Siliciumcarbid überzogenem Graphit oder einem anderen geeigneten wärmeabsorbierenden Material. Die Elemente 32 und 33 sollen einen Teil der Wärme absorbieren, um die Abscheidung von Materialien auf den Kammerwänden auf ein Mindestmaß zu verkleinern. Ein kleineres Maß an Abscheidungen geht einher mit weniger Partikelproblemen aufgrund des Abblätterns der Beschichtung der Kammerwand. Des Weiteren wird das Dotieren der Wafer als Folge von übrig gebliebenen Dotierstoffen und Ablagerungen auf der Kammer minimiert. Blockierungen von Strahlungswärme, die die Wafertemperatur durch eine Temperaturregelschleife direkt beeinflussen, werden auch minimiert.
Obwohl die Elemente 32 und 33 als dünne Platten dargestellt sind, die sich ziemlich mit den angrenzenden Seitenwänden decken, können auch andere Konfigurationen eingesetzt werden. Es können z. B. dickere, aber vertikal kürzere Elemente eingesetzt werden, sodass die Elemente im Wesentlichen Wärmeabsorbierer sind und dann Wärmerückstrahler Wärme an die Seitenwände zurückstrahlen, wodurch die Kühlung in den Kammerkanten minimiert wird. Deshalb würden die kürzeren, dickeren Abschnitte auch eher die Temperatur der angrenzenden Kammerwände erhöhen, selbst wenn diese sich nicht mit der Wand decken.
7a ist die schematische Darstellung einer Reihe von Siliciumcarbidteilen 62 neben der Seitenwand 63 einer chemischen Gasphasenabscheidungskammer mit im Wesentlichen kreisförmiger Konfiguration. Eine Reihe kurzer, gerader Teile 62 sind gezeigt, aber es können natürlich auch längere gebogene Teile 64 wie in 7b gezeigt, verwendet werden. Die Teile 62 werden in passender Weise neben der Seitenkammerwand, wie z. B. auf geeigneten Quarzstiften (nicht gezeigt), die auf einem Quarzkammerflansch 65 befestigt sind, gehalten. 7b ist die schematische Darstellung einer Kammer, die eine kuppelförmige obere Wand 66 hat.
Eine sauberere Kammer führt aus oben genannten Gründen natürlich zu besseren Verlaufsergebnissen. Des Weiteren muss eine sauberere Kammer nicht so oft stillgelegt werden und eine Kammer, die weniger häufig gereinigt werden muss, wird aufgrund der verringerten Abnutzung, die von dem Reinigungsprozess hervorgerufen wird, länger betriebsfähig sein.
Ein Paar Thermoelemente 34 sind auf gegenüberliegenden Seiten des Rings 22 gezeigt, wobei die Thermoelemente sich im Allgemeinen parallel zu den Kammerseitenwänden 10c erstrecken. Die Thermoelemente sind unter dem Ring 22 positioniert und werden von ihm gehalten, wie man am Besten in 4 sehen kann, in der jedes Thermoelement durch ein röhrenförmiges Teil 22a des Rings verläuft. Man kann die Thermoelemente abhängig von dem zulässigen Temperaturmessfehler auch nahe des Schleifrings positionieren. In 3 enthält jedes Thermoelement 34 eine äußere Hülle 35, die eine keramische Halterung 37 umgibt, die ein Paar Thermoelementdrähte 36 aufweist, die durch die Halterung gehen und eine Verbindungsstelle 36a bildet. Außerdem verläuft eine kleine Quarzhülse oder -kappe 40 über die Thermoelementverbindungsstelle 36a, um sie von der Hülse abzuschirmen, falls die Hülse nicht chemisch kompatibel mit den Thermoelementdrähten ist. Andernfalls kann ein Bornitridüberzug auf den Drähten verwendet werden.
Vorzugsweise ist eine Thermoelementverbindungsstelle 36a an jeder der vorderen oder aufstromigen Ecken des Rings 22. Es ist auch wünschenswert, dass eine oder zwei zusätzliche Thermoelementverbindungsstellen in jeder Hülse 35 positioniert werden, wobei die Verbindungsstelle eines zweiten Drahtpaares, das neben den hinteren oder abstromigen Ecken des Rings 22 positioniert ist. Es kann auch eine Verbindungsstelle zwischen den auf- und abstromigen Ecken positioniert werden. Außerdem ist ein ähnliches Thermoelement 38 gezeigt, das sich durch den röhrenförmigen Schaft 26 nach oben erstreckt, wobei dessen Spitze nahe der Mitte des Suszeptors 20 lokalisiert ist.
Sowohl der Suszeptor als auch der umgebende Ring sind so geformt, dass sie eine sehr niedrige effektive thermische Masse haben. Der Suszeptor hat vorzugsweise eine ähnliche Masse wie der Halbleiterwafer, den er tragen soll, d. h. innerhalb eines Faktors von drei. Der Suszeptor kann wie in 4 gezeigt aus einem Teil bestehen oder wie in 5 gezeigt aus zwei Teilen. Dies beinhaltet einen äußeren Stützring 42, der einen unteren Flansch hat, der sich nach innen erstreckt und eine zentrale flache Scheibe 44 halt. Der Ring beinhaltet des Weiteren eine Kante, die drei bis sechs erhöhte Lippen 42b zum Halten eines Wafers 45 hat, der in den Ring 42 passt. Die Lippen beabstanden den Wafer von der Scheibe 44. Das Ende einer Drehkreuzarmnase 24a ist in einer Nut 42a in der unteren Fläche des Rings 42 positioniert gezeigt.
In Übereinstimmung mit der Erfindung bestehen der Suszeptor, der Ring und die Getterplatte alle aus einem Material, das der chemischen Gasphasenabscheidungsverarbeitung genauso oder besser als dem mit Siliciumcarbid überzogenem Graphit widerstehen kann. Die Thermoelementummantelungen bestehen aus einem Material, das nicht entglast. Das Material sollte Strahlungsenergie von dem Suszeptor und den Heizlampen 46, die in 2 schematisch dargestellt sind, gut absorbieren. Des Weiteren muss das Material einigermaßen gut thermisch leiten und in der Lage sein, den hohen Temperaturen, denen es bei der Gasphasenabscheidungsverarbeitung über viele Zyklen ausgesetzt ist, standzuhalten. Dies schließt auch die Fähigkeit mit ein, dem thermischen Schock, der beim Platzieren eines relativ kalten Wafers auf einem heißen Suszeptor wiederholt auftritt, standzuhalten. Außerdem muss das Material langlebig und sowohl mit den verschiedenen Materialien, die im Abscheidungsvorgang eingesetzt werden als auch mit den verschiedenen Chemikalien, die bei der Reinigung oder beim Ätzen eingesetzt werden, kompatibel sein und muss eine hervorragende chemische Stabilität haben. Das beste Material, das diese Bedingungen bei chemischen Eigenschaften erfüllt, die typischerweise für Si oder Si-Ge-Epitaxie verwendet werden, ist Siliciumcarbid. Deshalb bestehen der Suszeptor und dessen umgebender Ring vorzugsweise aus festem Siliciumcarbid im Gegensatz zu der Vorgehensweise im Stand der Technik, wo mit Siliciumcarbid überzogenes Graphit verwendet wird. Des Weiteren bestehen sowohl der Ring und der Suszeptor als auch die Getterplatte und die Thermoelementhülsen vorzugsweise aus Gasphasenabscheidungs-Siliciumcarbid. Dies ermöglicht, dass der Suszeptor und der Ring in viel mehr Wärmezyklen verwendet werden kann als die bisherigen Komponenten, die aus mit Siliciumcarbid überzogenem Graphit bestehen. Da die Temperatur abstromig vom Suszeptor niedriger ist als auf dem Suszeptor, kann die Gettervorrichtung länger halten als anderen Elemente des Systems. Die Siliciumcarbidthermoelementummantelung kann viel mehr Zyklen überleben als die bisher verwendeten Quarzhülsen.
Die Lebensdauer der Reaktorkomponenten wird auch durch Bereitstellen von Siliciumcarbidschirmen an speziellen Orten in der Kammer verbessert. Die Abscheidung von Material auf Quarzteilen (wie Si) kann zu vorzeitiger Fehlfunktion des Quarzes führen. Das Schützen bedenklicher Bereiche mit SiC verhindert den Verschleiß des Quarzes, wodurch die Lebensdauer der Verarbeitungskammer verlängert wird. Es versteht sich, dass Siliciumcarbidschirme überall bereitgestellt werden können, wo sich Quarz in der Kammer befindet, z. B. das Drehkreuz 24, das Untergestell 23, die Thermoelemente 34 und 38 und jeder andere geeignete Ort, solange das Siliciumcarbid den Betrieb der Kammer nicht beeinträchtigt.
In 6 ist eine Ausführungsform zum Schutz von Quarzkomponenten mit einem Siliciumcarbidschirm in Bezug auf das zentrale Thermoelement 38 gezeigt. Das Thermoelement 38 weist Thermoelementdrähte 50 auf, die von einer Quarzummantelung 52 umgeben sind. Eine Siliciumcarbidkappe 54 ist über der Quarzummantelung 52 bereitgestellt, um das Thermoelement 38 vor Bearbeitungsgasen zu schützen, die dazu neigen, sich auf der Spitze des Thermoelements abzulagern und die Quarzummantelung vor den Auswirkungen des Ätzvorgangs abzuschirmen, der angewendet wird, um die Bearbeitungsgasabscheidungen zu beseitigen.
Siliciumcarbidschirme, wie z. B. die in 6 gezeigte Kappe 54 bestehen vorzugsweise aus einer einfachen geometrischen Konstruktion, die angepasst ist, um über die entsprechende Quarzkomponente zu passen, um die Komponente entweder teilweise oder ganz von den Bearbeitungsgasen der Kammer zu isolieren. Da Siliciumcarbidkomponenten im Allgemeinen relativ teuer und schwierig in komplexen Formen zu bilden sind, reduziert die Verwendung einfacher Gestaltungen, wie z. B. Kappen, flache Platten, L-Formen, U-Formen, T-Formen und verschiedene andere planare, gekrümmte und gekrümmt-planare Formen die Herstellungskosten und vereinfacht den gesamten Herstellungsprozess. Dies ermöglicht des Weiteren, dass die komplexen Komponenten der Kammer aus Quarz gebildet werden können, das relativ kostengünstig, leicht zu bearbeiten und leicht zu schweißen ist. Daher sind in Kammer 10, die in der bevorzugten Ausführungsform der 1 und 2 gezeigt ist, Komponenten wie die Thermoelemente 34 und 38, das Drehkreuz 24 und das Untergestell 23 vorzugsweise unter Verwendung von Quarz hergestellt und dann mit einem einfach hergestellten Siliciumcarbidschirm bedeckt.
Außer Siliciumcarbid gibt es noch andere zufriedenstellende Materialien wie z. B. Bornitrid, Siliciumnitrid, Siliciumdioxid, Aluminiumnitrid, Aluminiumoxid, Verbindungen, ternäre oder quaternäre Verbindungen dieser Materialien, pyrolytischer Graphit und andere ähnliche keramische Hochtemperaturverbindungen. Die Siliciumcarbidkomponenten können aus einer Verbindung von chemischen Gasphasenabscheidungen von SiC und Materialenffernungsverfahren hergestellt werden. Beispiele derartiger Verfahren sind in den US-Patenten mit den Seriennummern 4.978.567 und 5.514.439 , die hier durch Bezugnahme aufgenommen werden, beschrieben.
BETRIEB
Während des Betriebs werden zwei Gasströme in den Reaktor geführt. Im oberen Teil wird der Reaktionsgasstrom durch den Einlassflansch 12 eingeführt, um das Wachstum von Silicium oder einem anderen Material auf einem Wafer, der in einer zentralen Vertiefung in der oberen Fläche des Suszeptors positioniert ist, zu veranlassen. Im unteren Teil des Reaktors wird ein Spülgas durch den Einlassflansch eingeführt, um zu verhindern, dass Reaktionsgase oder Reinigungsgase durch die kleinen Löcher zwischen dem Ring und den Verteilerplatten und zwischen dem Suszeptor und dem Ring in den unteren Teil des Reaktors strömen. Das abstromige Ende des unteren Kammerbereichs wird durch eine Verschlusskappe oder eine Wand 48 blockiert, sodass das Spülgas durch die Löcher in den oberen Kammerauslass entweichen muss, wodurch die Möglichkeit, dass Gas aus der oberen in die untere Kammer fließt, minimiert wird.
Nicht verwendete Reaktionsgase, die stromabwärts des Suszeptors und des Rings fließen, werden auf beiden Seiten der in 1 gezeigten Getterplatte abgeschieden, wodurch die Abscheidungen auf der oberen Quarzwand des Reaktors minimiert werden. Die Getterplatte erhält nicht nur Abscheidungen, sie strahlt auch wieder Energie an die kühlere obere Kammerwand ab, die auch in einem Wellenlängenbereich liegt, in dem ein großer Teil von der Quarzwand absorbiert wird. Die Teile, die an der Seitenwand positioniert sind, arbeiten auf ähnliche Weise. Es sollte beachtet werden, dass es wichtig ist, diese Elemente nahe der gewünschten Fläche, die erwärmt werden soll, zu positionieren, um die Abstrahlung, die absorbiert wird, zu maximieren.
Gleichermaßen sind in den Anordnungen in 7 die Siliciumcarbidteile positioniert, um die umgebende Seitenkammerwand und den Umfangsabschnitt der oberen Kuppelwand 66 zu heizen. In einer kuppelartigen Kammer kann der Gasfluss abwärts vom Zentrum einer oberen Kammerwand oder horizontal über der Kammer verlaufen. In letzterem Fall ist ein horizontal breiter aber vertikal kurzer Schlitz (nicht gezeigt) in der Seitenwand der Kammer gebildet und es besteht keine Notwendigkeit oder Wunsch, die Siliciumcarbidteile in diesem Bereich zu haben, sie sind jedoch um den Rest des Umfangs der Kammerwand, einschließlich eines angrenzenden Gasauslassschlitzes (nicht gezeigt) gewünscht. Das Warmhalten der Kammer während eines Kammerreinigungszyklusses erhöht auch den Atzwirkungsgrad eines Reinigungsmittels, wie z. B. HCl.
Aufgrund der vorhergehenden Verfahren wird die Lebensdauer der Prozesskammer wesentlich verlängert, schätzungsweise von ca. 10.000 Wafern bis zu mehr als 20.000 Wafern. Des Weiteren haben das Quarzdrehkreuz und das Quarzuntergestell für den Ring durch Schützen der Komponenten im unteren Teil der Kammer auch eine verlängerte Lebensdauer und müssen nicht mehr häufiger als die Kammer selbst ausgewechselt werden. Des Weiteren ist es möglich, dass Siliciumcarbid oder andere genannte Materialien für diese Komponenten verwendet werden können.
Wie bereits erwähnt sind der Suszeptor, der umgebende Ring und die Thermoelementummantelungen wie die abstromige Getterplatte auch aus festem Siliciumcarbid hergestellt. Festes Siliciumcarbid wird durch Ätzen an der Kammer mit HCI bei hohen Temperaturen nicht merklich angegriffen. Die Lebensdauer fester Siliciumcarbidkomponenten beträgt schätzungsweise ca. 20.000 Wafer, was ca. fünf Mal länger als die der mit Siliciumcarbid überzogenen Graphitkomponenten ist (ca. 3.000 bis 4.000 Wafer). Dies gleicht die Lebensdauer des lichtabsorbierenden Suszeptors und Rings mit der der Reaktorkammer aus. Des Weiteren wird erwartet, dass Thermoelementummantelungen ungefähr genauso lang oder länger halten. Folglich können die Verbesserungen bezüglich der Lebensdauer der inneren Reaktorkomponenten und der Quarzkammer die Wartungshäufigkeit des Reaktors von ca. 1.500 bis 4.000 bis ca. 20.000 Wafern verbessern.
Eine längere Lebensdauer der Reaktorkomponenten und der Prozesskammer führt natürlich zu niedrigeren Verbrauchskosten. Gleichermaßen haben längere Intervalle bei der Präventivwartung weniger Ausfallzeit und weniger Reaktoreinstellungen zur Folge. Weniger Reaktoreinstellung läuft auch auf weniger Verwendung von Kontrollwafern heraus. Folglich ist offensichtlich, dass dieses integrierte Kammersystem große Vorteile mit sich bringt.
Auch wenn die Erfindung in Verbindung mit einer bestimmten Kammer und den dazugehörigen Komponenten beschrieben wurde, ist die Erfindung auch bei anderen Kammerformen und Komponenten anwendbar.

Claims

Chemische Gasphasenabscheidungsvorrichtung für die Bearbeitung von Substraten, wie zum Beispiel Haibleiterwafer, die eine Prozesskammer mit Quarzwänden aufweist und einen Einlass für das Einführung von Reaktionsgas in die Kammer, einen Suszeptor, der in der Kammer positioniert ist, um einen Wafer aufzunehmen, einen Temperaturkompensationsring, der den Suszeptor umgibt, und eine Getterplatte hat, die stromabwärts von dem Suszeptor und dem Ring positioniert ist, um die Abscheidung von nicht verwendetem Reaktionsgas aufzunehmen, wobei der Suszeptor, der Ring und die Platte aus festem Siliciumcarbid hergestellt sind, wobei die Vorrichtung weiterhin aufweist ein oder mehrere Elemente, die in der Kammer neben den Kammerwänden positioniert sind, um Strahlungsenergie von den Heizlampen zu absorbieren, die in die Kammer über die Quarzwände übertragen wird, und um die Energie wieder abzustrahlen, um die benachbarten Kammerwände zu erwärmen, um die Beschichtung des Abscheidungsgases auf den benachbarten Kammerwänden zu minimieren, und wobei die Elemente neben den Kammerwänden auf gegenüberliegenden Seiten der Getterplatte angeordnet sind.
Vorrichtung nach Anspruch 1, die weiterhin aufweist ein mit Siliciumcarbid ummanteltes Thermoelement, das sich neben dem Suszeptor erstreckt, um die Suszeptortemperatur zu überwachen.
Vorrichtung nach Anspruch 1, die weiterhin aufweist ein mit Siliciumcarbid ummanteltes Thermoelement, das auf gegenüberliegenden Seiten des Suszeptors positioniert ist, und wobei sich jedes zu einem abstromigen Ende der Kammer erstreckt.
Vorrichtung nach Anspruch 1, die weiterhin ein Thermoelement aufweist, das neben dem Suszeptor angeordnet ist und eine Quarzummantelung aufweist, die mit einer Siliciumcarbidkappe abgedeckt ist.
Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, die weiterhin aufweist einen röhrenförmigen Schaft, der den Suszeptor trägt, und ein Thermoelement, das sich nach oben durch den Schaft erstreckt und ausreichend nahe an dem Suszeptor endet, um eine Eingabe betreffend die Temperatur des Suszeptors an diesem Ort bereitzustellen.
Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, die weiterhin aufweist eine Verteilerplatte, die sich aufstromig von dem Ring in der Approximationsebene des Rings und des Suszeptors erstreckt, und eine Verteilerplatte abstromig des Suszeptors und des Rings, die sich durch die Kammer erstreckt und im allgemeinen in der Ebene des Suszeptors und Rings, wobei die Kammer in eine obere Sektion und eine untere Sektion durch die Verteilerplatten, den Ring und den Suszeptor geteilt wird.
Vorrichtung nach Anspruch 6, bei der der Reaktionsgaseinlass sich in die obere Sektion der Kammer öffnet, und weiterhin ein Spülgaseinlass vorgesehen ist, der sich in die untere Sektion öffnet.
Vorrichtung nach Anspruch 7, die weiterhin aufweist einen Gasauslass von der oberen Sektion und eine Einrichtung, die ein abstromiges Ende der unteren Sektion blockiert, so dass Spülgas dazu gebracht wird, nach oben durch Lücken zwischen den Komponenten in die oberen Sektionen auszutreten.
Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der die Elemente aus Siliciumcarbid hergestellt sind.
Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, bei der die Kammer eine obere Deckenwand mit einer zentralen Sektion hat, durch die Strahlungsenergie von Heizlampen oberhalb der Deckenwand transmittiert wird, wobei die Elemente angeordnet sind, um die Energie wieder in die Umgebung der Deckenwand abzustrahlen.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei der die Kammer im allgemeinen horizontal orientiert ist und eine Teilerplatte stromabwärts des Suszeptors beinhaltet, die die Kammer in eine obere und eine untere Sektion unterteilt, und wobei die Getterplatte oberhalb der Teilerplatte von dieser beabstandet ist.