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TECHNICHES GEBIET DER ERFINDUNG
UND STAND DER TECHNIK
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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung für das epitaktische
Wachstum von Objekten mittels chemischer Dampfphasenabscheidung
auf einem Substrat, gemäß dem einleitenden
Teil des beiliegenden unabhängigen
Vorrichtungsanspruchs, sowie ein Verfahren gemäß dem einleitenden Teil des beiliegenden
unabhängigen
Verfahrensanspruchs.
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Die
Objekte können
aus jedem beliebigen Material bestehen, jedoch betrifft die Erfindung
in erster Linie, wenn auch nicht ausschließlich, das Aufwachsen von Kristallen
aus Halbleitermaterialien, wie insbesondere SiC und Gruppe-III-Nitriden oder Legierungen
davon, da eines der Hauptprobleme in Bezug auf derartige Vorrichtungen
für die
chemische Dampfphasenabscheidung (CVD) darin besteht, eine derart
hohe Aufwachsrate zu erzielen, dass die aufgewachsenen Objekte in
kommerzieller Hinsicht von Interesse sind, wobei dieses Problem
insbesondere bei den erwähnten
Materialien, für
deren Wachstum eine besonders hohe Temperatur erforderlich ist,
zutage tritt; außerdem
ist eine noch darüber
hinaus gehende Erhöhung
der Temperatur erforderlich geworden, um höhere Aufwachsraten zu erzielen.
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Aus
diesen Gründen,
und weil SiC ein Material von hohem Interesse für die Verwendung in Halbleiterbauelementen
darstellt, wird im Folgenden in erster Linie das Wachstum von Kristallen
aus SiC besprochen, um die Erfindung zu erläu tern, jedoch keinesfalls um
diese in irgend einer Weise zu beschränken. Es ist natürlich ebenfalls
von höchster
Wichtigkeit, dass die aufgewachsenen Objekte von hoher Kristallqualität sind,
jedoch betrifft die vorliegende Erfindung in erster Linie die Erzielung
einer aus kommerzieller Sicht angemessenen Wachstumsrate, jedoch
natürlich
ohne dabei Abstriche bei der Kristallqualität zu machen.
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Das
Aufwachsen von SiC-Einkristallen wird insbesondere durchgeführt, um
die Kristalle in unterschiedlichen Arten von Halbleiterbauelementen
einzusetzen, wie beispielsweise unterschiedlichen Arten von Dioden,
Transistoren und Thyristoren, welche für Anwendungen gedacht sind,
in denen aus den insbesondere gegenüber Si überlegenen Eigenschaften des
SiC, nämlich
der Fähigkeit
von SiC, auch unter extremen Bedingungen gut zu funktionieren, Nutzen gezogen
werden kann. Beispielsweise können
aufgrund der großen
Bandlücke
zwischen dem Valenzband und dem Leitungsband von SiC Bauelemente, die
aus diesem Material hergestellt sind, bei hohen Temperaturen, d.
h. bis zu 1000 K, eingesetzt werden.
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Wie
oben erwähnt,
hat es Versuche gegeben, die Temperaturen, auf welche der Suszeptor, und
damit die Gasmischung, die dem Substrat zugeführt wird, und das Substrat
erhitzt werden, auf über 2000°C zu erhöhen, um
somit angemessen hohe Aufwachsraten zu erzielen. Dies war auch teilweise erfolgreich,
jedoch sind derart hohe Temperaturen natürlich auch mit einer Reihe
von Problemen verbunden; hierzu gehören die Temperaturbeständigkeit des
Materials unterschiedlicher Teile des Bauelementes und der Einbau
von Verunreinigungen.
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Andere
Wege zur Erhöhung
der Wachstumsrate ohne jegliche Qualitätsverminderung sind daher von
hohem Interesse, insbesondere, falls diese mit anderen Maßnahmen
zur Steigerung der Wachstumsrate kombiniert werden können, wie
beispielsweise der Anwendung hoher Temperaturen zur Erzielung einer
noch höheren
Wachstumsrate. Demgemäß wären ein
Bauelement und ein Verfahren, die Obiges ermöglichen, von großer wirtschaftlicher
Bedeutung.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Ziel
der vorliegenden Erfindung ist die Bereitstellung eines Verfahrens
und einer Vorrichtung gemäß der obigen
Beschreibungseinleitung, welche eine Steigerung der Aufwachsrate
beim Aufwachsen von Objekten mittels chemischer Dampfphasenabscheidung
(CVD) ermöglichen,
ohne dass dabei die Qualität
vermindert wird.
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Dieses
Ziel wird durch Bereitstellung einer Vorrichtung erreicht, bei welcher
das Mittel zum Halten des Substrats so ausgelegt ist, dass es das
Substrat in einem Abstand von den Innenwänden des Suszeptors hält, sowie
eines Verfahrens, bei welchem das Substrat in dem Strömungsweg
der Gasmischung durch den Suszeptor hindurch in einem Abstand von
den Innenwänden
des Suszeptors entfernt gehalten wird, so dass zwischen der Rückseite des
Mittels, welches das Substrat hält,
und den Innenwänden
ein Raum gegeben ist.
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Dementsprechend
haben die Erfinder erkannt, dass ein wichtiger Parameter, von dem
die Wachstumsrate abhängig
ist, in der Dicke der Grenzschicht am Substrat besteht, wobei es
sich bei dieser Grenzschicht um eine Schicht der Strömung der
Gasmischung handelt, in welcher die Geschwindigkeit der Gasmischung
niedriger ist als in dem zentralen Teil des Suszeptors. Eine solche
Grenzschicht wird durch die Anströmkante des Suszeptors an dessen stromauf
gelegenem Ende erzeugt; wie diese Grenzschicht 1 aussieht,
ist für
eine Vorrichtung des Standes der Technik in 1 gezeigt.
Wichtig für
das Wachstum ist die Diffusion von Spezies aus dem freien Strom über der
Grenzschicht. Diese Diffusion ist generell vom Quadrat der Diffusionslänge 2 abhängig. Andererseits
ist es nicht möglich,
das Substrat 3 direkt an der Anströmkante 4 des Suszeptors 5 anzuordnen,
da die Gasmischung auf eine gewünschte Temperatur
erhitzt werden muss, bevor sie das Substrat erreicht; diese Gasmischung
wird durch Strahlungsheizung von den Suszeptorwänden erhitzt, die Suszeptorwände werden
wiederum durch ein Heizmittel 6 erhitzt, welches den Suszeptor
umgibt – hier eine
Spule, die ein HF-Feld erzeugt. Folglich muss das Substrat in einem
erheblichen Abstand stromab der Anströmkante (4) angeordnet
sein, was bei den Vorrichtungen des Standes der Technik zu einer
erheblichen Diffusionslänge 2 führt.
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Demgemäß basiert
die Erfindung darauf, das Substrat in einem Abstand von den Innenwänden des Suszeptors
anzuordnen, wodurch, bei einem ausreichend großen Abstand, der Einfluss der
Grenzschicht 1, welche durch die Anströmkante 4 des Suszeptors
erzeugt wird, vermindert oder völlig
aufgehoben werden kann. Dies bedeutet, dass die Diffusionslänge der
Spezies, von dem erwähnten
freien Strom der Gasmischung zur Oberfläche des Substrats, erheblich
reduziert und hierdurch eine hohe Steigerung der Wachstumsrate erhalten
wird.
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Gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform der
Erfindung wird das erwähnte
Mittel so angeordnet, dass das Substrat in einem Abstand von den
Innenwänden
des Suszeptors entfernt gehalten wird, welcher wenigstens der Dicke
einer Grenzschicht entspricht, in welcher die Geschwindigkeit der
Gasmischung niedriger ist und die durch eine Anströmkante des
Suszeptors erzeugt wird, die sich, in Bezug auf die Strömung der
Gasmischung durch den Suszeptor, am stromaufwärts gelegenen Ende des Suszeptors
befindet. Ein derart großer
Abstand des Substrats von den Innenwänden des Suszeptors wird deshalb
bevorzugt, weil dann die von der Anströmkante des Suszeptors erzeugte
Grenzschicht gar keine Diffusionslänge, von der erwähnten freien
Strömung
der Gasmischung zum Substrat hin, erzeugt und eine dem Substrat
benachbarte Grenzschicht lediglich von dem Abstand zwischen der
Anströmkante des
Haltemittels und dem Substrat abhängig ist, welcher so kurz wie
erwünscht
gehalten werden kann.
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Gemäß einer
weiteren bevorzugten Ausführungsform
erstreckt sich das Mittel, von einem mit Bezug auf die Strömungsrichtung
der Gasmischung durch den Suszeptor hinteren Teil des Suszeptors aus,
in der dieser Strömungsrichtung
entgegen gesetzten Richtung, wobei es entlang der von dem hinteren
Teil ausgehenden Verlängerung
des Suszeptors von den Innenwänden
des Suszeptors getrennt und mit diesen Innenwänden nicht in Kontakt ist.
Dies bedeutet, dass das Problem eines – durch einen Temperaturgradienten
zwischen den Suszeptorwänden
und einem damit in Kontakt befindlichen Haltemit tel bedingten – Materialtransports
von den Oberflächen
der Innenwände
des Suszeptors nicht auftritt. Im Falle einer Beschichtung der Innenwände des Suszeptors
mit einem schützenden
Material, wie beispielsweise SiC, würde dieses schützende Material ansonsten
zum Haltemittel hin transportiert werden, wodurch das darunter liegende
Suszeptormaterial, normalerweise Graphit, bloß gelegt und somit der Gesamtdruck
der Kohlenwasserstoffe im Suszeptor erhöht würde. Folglich wird die Lebensdauer
des Suszeptors verkürzt,
und Verunreinigungen, die von dem Suszeptor herkommen, stellen einen
zusätzlichen,
nicht kontrollierten Wachstumsparameter dar. Diese Probleme werden
jedoch durch diese bevorzugte Ausführungsform gelöst.
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Gemäß einer
weiteren Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung ist das Haltemittel außerhalb eines
Raumes des Suszeptors befestigt, welcher durch die Innenwände definiert
ist und in welchem das Wachstum stattfinden soll, und erstreckt
sich in diesen Raum hinein, ohne dabei mit den Wänden in dem Raum in Kontakt
zu kommen, wobei das Haltemittel ein Element umfasst, welches außerhalb
des besagten Raumes an dem Suszeptor befestigt ist und welches eine
gegabelte Konstruktion mit zwei Gabeln aufweist, die an gegenüberliegenden
Wänden
des Suszeptors befestigt sind, wobei das Element durch diese Gabeln
von dem Raum getrennt ist. Dies stellt eine bevorzugte Art der Verwirklichung
einer Ausführungsform
dar, mit welcher die eben beschriebenen Probleme des Materialtransports
von den Innenwänden
gelöst
werden.
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Gemäß einer
weiteren bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung umfasst das Haltemittel eine Platte, auf welcher we nigstens
zwei Substrate entlang des Strömungsweges
der Gasmischung, in dem erwähnten
Abstand zu den Innenwänden
des Suszeptors, in Reihe angeordnet sind. Eine derartige Anordnung
in Reihe, in der Richtung des Flusses der Gasmischung, führt natürlich auch
zu einer Steigerung der Aufwachsrate insofern als eine größere Anzahl
von Objekten gleichzeitig aufgewachsen werden können; dies wird durch die Tatsache
ermöglicht, dass
die Platte in einem Abstand von den Innenwänden des Suszeptors gehalten
wird, so dass die Platte, und hiermit das Substrat, nicht mehr mit
den Wänden in
Kontakt kommt und von diesen nur mittels Strahlungsheizung erhitzt
wird; außerdem
wird hierdurch der Temperaturgradient in Strömungsrichtung im Inneren des
Suszeptors erheblich vermindert. Dies bedeutet, dass über eine
erhebliche Strecke in der Strömungsrichtung
innerhalb des Suszeptors eine im wesentlichen einheitliche Temperatur
erhalten wird, so dass zwei Objekte, die auf diese Weise in Reihe
aufgewachsen werden, im wesentlichen den gleichen Wachstumsbedingungen
unterliegen und somit im wesentlichen von gleicher Qualität sein werden.
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Gemäß einer
weiteren bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung ist der Suszeptor so ausgelegt, dass der Strömungsweg
im Wesentlichen horizontal durch diesen hindurch verläuft und
dass die Vorrichtung zwei Haltemittel umfasst, von denen eines mit
der Decke des Suszeptors verbunden ist, um ein Substrat in dem besagten
Abstand von dem Suszeptor zu halten, und ein anderes mit dem Boden
des Suszeptors verbunden ist, um ein anderes Substrat in dem besagten
Abstand von dem Suszeptor zu halten. Dies bedeutet, dass sich die
Produktionskapazität
der Vorrichtung verdoppelt – im
Ver gleich zur Anordnung nur eines Substrats am Boden des Suszeptors
wie bei den bisher bekannten Vorrichtungen – so dass von einer gestiegenen
Wachstumsrate die Rede sein kann.
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Gemäß einer
weiteren bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung ist das erwähnte
Mittel so angeordnet, dass es das Substrat mit Bezug auf den Strömungsweg
der Gasmischung durch den Suszeptor geneigt hält, so dass eine Senkrechte
zu der Fläche
des Substrates eine Komponente in der der Strömungsrichtung entgegen gesetzten
Richtung aufweist. Es hat sich herausgestellt, dass eine derartige Neigung
des Substrats zu optimalen Aufwachsbedingungen führt und weiterhin die Wachstumsrate
erhöht.
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Gemäß einer
weiteren bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung ist der Suszeptor an dessen stromab gelegenen Ende
durch einen Auslass im Wesentlichen über das Ende des Heizmittels
hinaus verlängert.
Hierdurch kommt es zu einer Verminderung des Temperaturgradienten
in der Strömungsrichtung
innerhalb des Suszeptors, do dass es möglich ist, mehrere Substrate
in dieser Richtung in Reihe anzuordnen und trotzdem noch ein einheitliches Wachstum
zu erzielen. Außerdem
führt dies,
im Falle einer Induktionsheizung, dazu dass der Endeffekt und dessen
Wirbelstrom-Fluss anstatt zum hinteren Teil des Suszeptors zum hinteren
Teil des Auslasses verschoben werden, was sich günstig auf die Temperaturverteilung
im Inneren des Suszeptors auswirkt.
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Gemäß einer
weiteren bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung ist stromab eines Auslasses des Suszeptors für den Gasstrom
wenigstens ein Hitzeschild angeordnet, welcher dazu dient, die thermische
Energie zurück
zum Suszeptor zu reflektieren. Auch dieses erfindungsgemäße Merkmal
reduziert den Temperaturgradienten innerhalb des Suszeptors; genauer
gesagt, fällt
die Temperatur von der mittleren Region des Suszeptors bis zu dem
besagten Auslass fast gar nicht ab, so dass es möglich wird, eine Anzahl von
Substraten innerhalb des Suszeptors in Reihe anzuordnen und auf
diesen Objekte unter im wesentlichen den gleichen Bedingungen aufzuwachsen.
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Gemäß einer
weiteren bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung weist die Vorrichtung einen Einlass auf, der mit dem
stromauf gelegenen Ende des Suszeptors verbunden und durch sich
einander annähernde
Wände gebildet
ist, welche die Gasmischung in den Suszeptor hinein leiten; hierdurch
wird das Fließmuster
der Gasmischung in dem Suszeptor verbessert.
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Die
Vorteile der verschiedenen Ausführungsformen
des Verfahrens gemäß der vorliegenden
Erfindung ergeben sich aus der obigen Erörterung der unterschiedlichen
Ausführungsformen
der Vorrichtung gemäß der Erfindung.
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Weitere
Vorteile sowie vorteilhafte Kennzeichen der Erfindung ergeben sich
aus der nachfolgenden Beschreibung und den übrigen abhängigen Ansprüchen.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Unter
Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen
folgt im Anschluss eine Beschreibung der Einzelheiten bevorzugter
Ausführungsformen
der Erfindung, welche hier als Beispiele aufgeführt sind.
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Die
Zeichnungen zeigen:
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1 eine
Querschnittsansicht in Längsrichtung
durch eine Vorrichtung gemäß dem Stand
der Technik,
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2 eine
Ansicht, ähnlich
wie in 1, eines Teils einer Vorrichtung gemäß einer
ersten bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung,
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3 eine
Ansicht, ähnlich
wie in 2, einer Vorrichtung gemäß einer zweiten bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung,
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4 eine
Ansicht, ähnlich
wie in 2, einer Vorrichtung gemäß einer dritten bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung,
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5 eine
Ansicht, ähnlich
wie in 2, einer Vorrichtung gemäß einer vierten bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung,
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6 eine
Ansicht, ähnlich
wie in 2, einer Vorrichtung gemäß einer fünften bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung,
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7 eine
Ansicht, ähnlich
wie in 2, einer Vorrichtung gemäß einer sechsten bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung,
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8 eine
Ansicht, ähnlich
wie in 2 jedoch etwas vereinfacht, einer Vorrichtung
gemäß einer
siebten bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung,
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9 eine
Querschnittsansicht in Längsrichtung
der in
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8 dargestellten
Vorrichtung, im Wesentlichen senkrecht, d. h. von oben, zu der Ansicht
gemäß 8.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
BEVORZUGTER AUSFÜHRUNGSFORMEN
DER ERFINDUNG
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2 ist
eine schematische Darstellung eines Teils einer Vorrichtung gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung für
das epitaktische Aufwachsen von Objekten, in der nachfolgenden Beschreibung
beispielhaft als SiC bezeichnet, mittels eines Verfahrens gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung. Es ist offensichtlich, dass die betreffende Vorrichtung
auch eine Vielzahl anderer Mittel umfasst, wie etwa Pumpen, jedoch
wurde herkömmliche
Ausrüstung,
die in keinem Zusammenhang mit der Erfindung steht, zum Zwecke der besseren
Klarheit und der Fokussierung auf die erfinderischen Merkmale ausgelassen.
Der einzige Unterschied zwischen dieser Vorrichtung und der Vorrichtung
des Standes der Technik gemäß 1 besteht darin,
dass bei der Vorrichtung gemäß dem Stand
der Technik das Substrat 3 innerhalb des Suszeptors in einer
anderen Weise angeordnet ist als in 1. Genauer
gesagt, weist die Vorrichtung ein Mittel 7 zum Halten des
Substrats im Strömungsweg 8 der
Gasmischung durch den Suszeptor hindurch in einem Abstand von den
Innenwänden 9 des
Suszeptors, in dem vorliegenden Fall dem Boden des Suszeptors, auf.
In dem vorliegenden Fall handelt es sich bei diesem Haltemittel
um vier Graphitschrauben, jeweils eine in jeder Ecke einer Platte 10,
die vorzugsweise aus SiC besteht und auf welcher das Substrat 3 angeordnet
ist. Anstelle der Schrauben kann die Platte auch durch zwei längliche
Rippen aus Graphit getragen werden, welche sich in Fließrichtung
erstrecken. Die SiC-Platte 10 verhindert somit das Ätzen der Rückseite
des Substrates.
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Die
Haltemittel sind so angeordnet, dass sie das Substrat in einem Abstand
von den erwähnten Innenwänden 9 entfernt
halten, welcher größer ist
als die Dicke einer Grenzschicht 1, die durch die Anströmkante 4 des
Suszeptors erzeugt wird. Dies bedeutet, dass die Dicke 11 der
Grenzschicht über
dem Substrat nunmehr lediglich von dem Abstand zwischen der Anströmkante 12 der
Platte 10 und dem Substrat 3 abhängig ist.
Wie bereits erwähnt,
kann dieser Abstand so gering wie gewünscht gewählt werden, so dass die Diffusionslänge des
freien Flusses der Spezies durch den Suszeptor erheblich reduziert
werden kann und sich hierdurch die Aufwachsrate entsprechend erhöht.
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Im
Falle des Aufwachsens von Kristallen aus SiC ist es bevorzugt, die
erwähnte
Gasmischung aus Silan und Propan sowie einem Trägergas, wie zum Beispiel Ar,
H2 oder He, herzustellen. Das Heizmittel 6 erhitzt
den Suszeptor auf eine Temperatur, die hoch genug ist für das Aufspalten
des Silans und Propans, wenn diese durch die Wände des Suszeptors erhitzt werden,
um Si und C zu bilden, die sich auf der Oberfläche des epitaxial aufgewachsenen
SiC-Kristalls ablagern. Normalerweise handelt es sich hierbei um Temperaturen
von über
1400°C,
vorzugsweise über 1600°C.
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Das
Substrat 3 ist in dem im Hinblick auf den Strömungsweg
mittleren Bereich 13 des Suszeptors angeordnet; eine Anordnung
des Substrats weiter stromauf im Suszeptor ist schwierig, da die
Ausgangsstoffe ausreichend hoch erhitzt sein müssen, bevor sie das Substrat 3 erreichen.
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Ein
weiterer wichtiger Vorteil der Anordnung des Substrates 3 getrennt
von den Innenwänden
des Suszeptors, so dass das Substrat im Wesentlichen keinen Kontakt
mit den erwähnten
Wänden
hat (mit Ausnahme der Haltemittel 7), besteht darin, dass
das Rückseitenwachstum
auf der Rückseite
der SiC-Platte 10 reduziert
wird, da zwischen der vorderen und der rückwärtigen Seite der Platte keine
so große Temperaturdifferenz
mehr besteht.
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Eine
Vorrichtung gemäß einer
zweiten bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung ist in 3 dargestellt; diese Vorrichtung
weist zwei Haltemittel 7 auf, von denen eines mit einer
Decke 14 des Suszeptors verbunden ist, um Substrate 3 in
dem besagten Abstand von der Decke entfernt zu halten, und ein anderes
mit dem Boden 15 des Suszeptors verbunden ist, um andere
Substrate in besagtem Abstand von dem Boden entfernt zu halten.
In dem vorliegenden Falle sind zwei Substrate in Reihe entlang des
Strömungsweges
der Gasmischung angeordnet; dies wird dadurch ermöglicht,
dass der Temperaturgradient in der Strömungsrichtung erheblich reduziert ist,
und zwar aufgrund der Tatsache, dass die Wärmeenergie im Wesentlichen
nur mittels Strahlung auf die Platten und die Substrate übertragen
wird. Folglich herrscht für
die Substrate, die auf der Platte in Reihe angeordnet sind, im Wesentlichen
die gleiche Temperatur, so dass auf der Platte Objekte unter im Wesentlichen
identischen Bedingungen aufgewachsen werden können. Dies bedeutet, dass mit
dieser Ausführungsform
Schichten aus SiC mit einer viel höheren Produktionsrate aufgewachsen
werden können
als zuvor, und zwar sowohl als Folge einer erheblichen Reduzierung
der Diffusionslänge
sowie einer höheren
Anzahl von Substraten, die sich zur gleichen Zeit im Suszeptor befinden.
Genauer gesagt, hat sich herausgestellt, dass die Wachstumsrate
in Abhängigkeit
von der kürzeren
Diffusionslänge
erheblich gesteigert werden kann. Gleichzeit wird es ermöglicht,
beispielsweise 2 × 2
Substrate auf der oberen Platte und eben so viele auf der unteren
Platte anzuordnen, so dass die Produktionsrate noch weiter gesteigert
wird.
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Eine
Vorrichtung gemäß einer
dritten bevorzugten Ausführungsform
ist in 4 dargestellt; diese Vorrichtung unterscheidet
sich von der in 2 dargestellten dadurch, dass
das Haltemittel so angeordnet ist, dass es das Substrat 3 mit
Bezug auf den Strömungsweg
der Gasmischung durch den Suszeptor geneigt hält, so dass eine Senkrechte
zu der Fläche
des Substrates eine Komponente in der der Strömungsrichtung entgegen gesetzten
Richtung aufweist. Der zwischen der Oberfläche des Substrates 3 und
der Strömungs richtung
liegende Winkel ist klein, vorzugsweise 1–15°. Dies führt zu optimalen Bedingungen
für das
Wachstum.
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Eine
Vorrichtung gemäß einer
vierten bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung ist in 5 schematisch dargestellt. Hier
wird gezeigt, wie die aus dichtem Graphit bestehenden Wände des
Suszeptors 5 von einer wärmeisolierenden Schicht 16 aus
Schaum umgeben sind. Eine Anzahl von Hitzeschilden 17 sind
stromab des Suszeptor-Auslasses für den Gasstrom angeordnet,
um thermische Energie zurück
zum Suszeptor zu reflektieren, wie durch die Pfeile 18 angegeben
ist. Der heißeste
Punkt in einem herkömmlichen
Suszeptor befindet sich genau in dem mittleren Bereich des Suszeptors.
Nach dieser Stelle nimmt die Temperatur ab. Die Abnahme der Temperatur
wird durch Wärmeleitung
verursacht. Bei der Vorrichtung gemäß 5 tauscht
der Auslass/die Stirnwand durch Strahlung Energie mit der Umgebung
aus. Da Strahlungsenergie proportional zur vierten Potenz der Temperatur
ist, ist der aus der Umgebung kommende Beitrag vernachlässigbar.
Der Hitzeschild trifft auf Energie wesentlich näher an dem Auslass/der Stirnwand,
und die Strahlungsenergie von dem Hitzeschild zum Suszeptor ist
nicht vernachlässigbar,
so dass die Energie auf der Innenseite des Hitzeschildes "gefangen" ist. Dies bedeutet,
dass es nunmehr auch möglich
ist, Objekte im Endbereich des Suszeptors unter im Wesentlichen
den gleichen Temperaturbedingungen aufzuwachsen wie in dem mittleren
Bereich, so dass der mögliche
Aufwachsbereich vergrößert ist
und eine größere Anzahl
von Objekten gleichzeitig aufgewachsen werden können, wodurch sich die Produktionsrate
der Vorrichtung erhöht.
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Eine
Vorrichtung gemäß einer
fünften
Ausführungsform
der Erfindung ist in 6 dargestellt; diese Vorrichtung
unterscheidet sich von den bereits gezeigten durch die Tatsache,
dass der Suszeptor 5 an dessen stromab gelegenen Ende durch
einen Auslass 19 im Wesentlichen über das Ende der Heizmittel 6 hinaus
verlängert
ist. Hierdurch kommt es zu einer Verminderung des Temperaturverlustes
des Suszeptors, dadurch hervorgerufen, dass der Auslass den Suszeptor
gegen den abkühlenden
Strom und die Wärmestrahlungsverluste
isoliert, jedoch auch dadurch, dass der Auslass 19 durch
die Spule erhitzt wird. Weiterhin werden der Endeffekt und dessen
Wirbelstrom-Fluss zum hinteren Teil des Auslasses anstatt zum hinteren
Teil des Suszeptors verlagert. Und schließlich hat der Auslass die Funktion
eines Diffusors, was verbesserte Fließbedingungen für den heißen Strom,
der den Suszeptor verlässt,
zur Folge hat. Folglich ist es möglich,
die Anzahl der Objekte, die in dem Suszeptor aufgewachsen werden, zu
erhöhen,
ohne dass dabei die Suszeptor-Geometrie
verändert
wird.
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Eine
Vorrichtung gemäß einer
sechsten bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung ist in 7 dargestellt; diese Vorrichtung
unterscheidet sich von der in 5 dargestellten
dadurch, dass die Innenwände 5 geneigt
sind, so dass der gleiche Effekt wie in der Ausführungsform gemäß 4 erhalten
wird, und dadurch dass ein trichterförmiger Einlass 20 vorgesehen
ist, der sich in Richtung zum Suszeptor hin verengt und die Gasmischung
in den Suszeptor hinein leitet. Der Einlass 20 weist einen
ersten Teil 21 aus Quarz auf, welcher sich von dem äußeren Quarzrohr 22,
welches den Suszeptor umgibt, aus erstreckt, und einen zweiten Teil 23 aus
Graphit, welcher an den Suszeptor anschließt. Der Trichter ist an einem
Ende kreisrund, mit dem gleichen Durchmesser wie das Quarzrohr 22,
und an dem anderen Ende rechteckig, mit den gleichen Abmessungen
wie die Öffnung
des Suszeptoreinlasses. Dieser Trichter verbessert das Strömungsmuster
der Gasmischung, isoliert den Suszeptor gegen das abkühlende Gas und
bewirkt stattdessen eine effizientere Vorheizung des Gases, bevor
es in den Suszeptor eintritt, isoliert den Suszeptor gegen die Strahlungsverluste
und schirmt den Gasstrom gegen die feste Graphitisolierung 16 ab
und vermindert somit die Menge der daraus herstammenden Verunreinigungen.
Der Einlasstrichter besteht aus zwei unterschiedlichen Materialien,
da die maschinelle Bearbeitung des gesamten Trichters aus Graphit
sehr schwierig (oder unmöglich)
ist.
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Eine
Vorrichtung gemäß einer
siebenten bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung ist in den 8 und 9 dargestellt;
diese Vorrichtung unterscheidet sich von den in den anderen Figuren
gezeigten in erster Linie durch die Tatsache, dass sich das Haltemittel 7 für das Substrat 3 von
einem mit Bezug auf die Strömungsrichtung
der Gasmischung durch den Suszeptor hinteren Teil 24 des
Suszeptors aus in der dieser Strömungsrichtung
entgegen gesetzten Richtung erstreckt, wobei es entlang der von
dem hinteren Teil ausgehenden Verlängerung des Suszeptors von
den Innenwänden 9 des
Suszeptors getrennt und mit diesen Innenwänden nicht in Kontakt ist.
Genauer gesagt umfasst das Haltemittel ein Element 25,
das eine gegabelte Konstruktion mit zwei äußeren Gabeln 26 aufweist,
die an gegenüberliegenden
Wänden 27, 28 des
Suszeptors befestigt sind, wobei es durch diese Gabeln von einem
Raum 29 getrennt ist, in welchem das Wachstum stattfinden soll.
Dies wird dadurch erreicht, dass in den besagten Wänden längliche
Führungen
vorgesehen sind, in welchen die Gabeln 26 aufgenommen werden
sollen. Das Element 25 weist des Weiteren einen Teil 30 auf, der
sich in der der Strömung
entgegensetzten Richtung in den erwähnten Raum 29 hinein
erstreckt und in Form von zwei inneren Gabeln vorliegt. Diese inneren
Gabeln sind so angeordnet, dass sie eine Platte 10, vorzugsweise
aus SiC, tragen, die sich in den Raum erstreckt und auf der das
Substrat 3, in dem vorliegenden Fall zwei Substrate, angeordnet
ist.
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Aufgrund
der Tatsache, dass das Haltemittel in der Lage ist, die Platte 10,
und damit das Substrat 3 zu halten, ohne dabei eine der
Innenwände,
d. h. den Boden, die Decke oder die seitlichen Wände, des Suszeptorraums zu
berühren,
werden auf Wärmegradienten
zurückgehende
Probleme des Materialtransports von den Wänden hin zu dem Haltemittel
in effizienter Weise vermieden, so dass der Suszeptor im Vergleich
mit den in den anderen Zeichnungen dargestellten Ausführungsformen,
in welchen die Haltemittel an den Innenwänden befestigt sind, eine längere Lebensdauer
aufweist. In letzterem Fall wird durch den Temperaturgradienten
zwischen den Suszeptorwänden
und den Haltemitteln ein Materialtransport der SiC-Beschichtung
von den Wänden
zu den Haltemitteln (Stäben)
hervorgerufen. Hierdurch wird, nach einer gewissen Zeitspanne, der
Graphit des Suszeptors freigelegt, und der Gesamtdruck der Kohlenwasserstoffe
in dem Reaktor wird erhöht.
Dies stellt auch dann ein ernsthaftes Problem dar, wenn die Aufnahmeplatte
direkt auf dem Boden des Suszeptors angeordnet ist. Dies führt zu einer
Verminderung der Lebensdauer des Suszeptors; jedoch ist es ein noch
ernsthafteres Problem, dass hierdurch, wie oben erwähnt, Kohlenstoff
plus Verunreinigungen, die von dem Suszeptor her kommen, zusätzliche, nicht
steuerbare Wachstumsparameter darstellen, wenn der Suszeptor nicht
rechtzeitig außer
Betrieb gesetzt wird. Ein weiterer wichtiger Vorteil dieser Art der
Halterung der Substrate besteht darin, dass die Bedingungen für das Wachstum
von Objekten in verschiedenen Chargen beinahe genau gleich sind,
so dass eine hervorragende Reproduzierbarkeit der Objekte gegeben
ist. Dies ist auf die Anordnung kleiner Markierungen (nicht gezeigt)
auf der Aufnahmeplatte zurückzuführen, mit
denen die Position jedes Substrates festgelegt wird, vorzugsweise
mittels eines Einschnapp-Vorgangs, sowie auf die Tatsache, dass
die Gabeln 26 in den Führungen
sehr genau positioniert werden können,
so dass die Substrate in verschiedenen Chargen immer die gleiche
Position einnehmen. Auch der Winkel der Substrate in Bezug auf die
Gasströmung
ist immer der gleiche.
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Der
in den Ansprüchen
verwendete Begriff "Objekt" wird hier so definiert,
dass er das epitaxiale Aufwachsen aller Arten von Kristallen einschließt, wie
zum Beispiel Schichten unterschiedlicher Dicke sowie dicke Einkristallstäbe.
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Alle
Definitionen, die das Material betreffen, schließen natürlich auch unvermeidliche Verunreinigungen
wie auch beabsichtigte Dotierungen mit ein. Die Haltemittel können ein
anderes Aussehen aufweisen oder aus einem anderen Material bestehen als
oben beschrieben.
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Die
relativen Abmessungen des Abstandes zwischen den gegenüberliegenden
Suszeptorwänden,
des Abstandes zwischen dem Substrat und den Suszeptorwänden usw.
können
ganz anders sein, als dies in den Figuren dargestellt ist.