NL8602357A - Inrichting en werkwijze voor het chemisch uit damp neerslaan met gebruik van een axiaal symmetrische gasstroming. - Google Patents

Description

~y·' k.0. 34015 1

Inrichting en werkwijze voor het .chemisch uit damp neerslaan met gebruik van een axiaal symmetrische gasstroming.

De onderhavige uitvinding heeft in het algemeen, betrekking op het chemisch uit damp neerslaan van materiaal op een substraat, en meer in het bijzonder op het gebruik van een axiaal symmetrische gasstroming voor het verbeteren van de neerslag op een substraat materiaal gedragen 5 door het gas. ^ »

Het is in de betreffende stand van de techniek van het chemisch neerslaan van een materiaal op een substraat bekend om in een steunor-gaan in een gesloten houder te voorzien, waarbij het steunorgaan typisch een veelheid van substraten draagt. Een draaggas dat de gasvormi-10 ge toestand van de atomen draagt die neergeslagen moeten worden op het substraat, wordt ingebracht in de houder in de nabijheid van het steunorgaan. De gasstroming bepaald door de geometrie van de houder en het steunorgaan wordt in het algemeen beperkt om evenwijdig aan de substraten te stromen. Door een combinatie van transport en chemische reactie 15 hechten de atomen van de neerslagmaterialen bij hoge temperatuur aan de substraatoppervlakken en vormen de gewenste neerslaglaag. Deze neer-slagtechniek bleek in het verleden bevredigend te zijn, maar omdat grotere volumina materiaal vereist worden en materialen met aanzienlijke ! kwaliteit noodzakelijk zijn, zijn de grenzen van deze techniek bereikt.

20 De neerslagtechniek heeft vier problemen. Het eerste probleem is dat wanneer het gas over de oppervlakken van de substraten en het steunorgaan stroomt, neerslag van het materiaal op het oppervlak de concentratie van de neerslagmaterialen In het draaggas verandert. Dientengevolge wordt in de lengte van het steunorgaan, en in feite de lengte van elk 25 substraat, een verschillende groei-omvang van de laag materiaal aangetroffen. Een tweede probleem is dat wanneer het neerslagmateriaal uitgeput is in het neerslaggebied nieuw neerslagmateriaal over verhoudingsgewijs aanzienlijke afstanden in de grote reactiehouders gebruikt voor het neerslaan, getransporteerd moet worden. Deze met transport ge-30 stuurde neerslag beperkt de omvang waarmee neerslag plaats kan vinden, en hangt daarom samen met de vervaardigingskosten van de materialen zoals bij de epitaxiale werkwijze. Een derde probleem wordt in het algemeen aangeduid als autodoteren. Bij de werkwijze van het autodoteren kunnen verontreinigingen zijnde atomen uit het aanzienlijk gedoteerde 35 substraat losgemaakt worden van het substraatoppervlak en kunnen opgenomen worden via de gasfase in de minder aanzienlijk gedoteerde laag van het materiaal die neergeslagen wordt. In de betreffende stand der -------dd 8602357 i 'i 2 techniek moeten bijzondere stappen genomen worden om autodoteren te beperken, zoals het neerslaan van een extra bekleding op de achterkant van het substraat. Een laatste probleem is verontreiniging van deelt-jesvormend materiaal. Bij het groter worden van de kamers voor het che-5 misch neerslaan uit damp, is het wandoppervlak van de kamer toegenomen. Ongewenste neerslag die op deze wanden ontstaat is een bron voor deeltjes vormend materiaal dat onbedoeld opgenomen kan worden in het neer-slagmateriaal.

Daarom bestaat er behoefte aan een techniek voor het uit damp 10 neerslaan, waarbij de groei-omvang van het neergeslagen materiaal op een substraat zeer gelijkmatig is over het gehele oppervlak van het substraat, en waarbij de groei-omvang van het neergeslagen materiaal Vergroot kan worden,'waarbij het autodoteren van het neergeslagen mate-.riaal voorkomen kan worden zonder verdere processtappen, en waarbij 15 deeltjesvormige verontreiniging beperkt kan worden.

Het is daarom een doeleinde van de onderhavige uitvinding om in een werkwijze en inrichting te voorzien voor het verbeterd chemisch uit damp neerslaan van een materiaal op een substraat.

Het is een verder doeleinde van de onderhavige uitvinding om in 20 een werkwijze en inrichting te voorzien voor het voorzien in verbeterde chemische neerslag uit damp van materialen, waarbij de concentratie van de neerslagmaterialen in het draaggas in hoofdzaak gelijkblijvend is over het gehele oppervlak van het substraat.

Het is bovendien een ander doeleinde van de onderhavige uitvinding' 25 om in de chemische dampneerslag van een materiaal te voorzien op een substraat waarbij het substraat en de stroming van het draaggas axiale symmetrie hebben.

Het is bovendien een ander doeleinde van de onderhavige uitvinding om in chemische neerslag uit damp te voorzien van een materiaal op " 30 een substraat met gebruik van stagnatiepuntstroming van het draaggas.

Het is bovendien een verder doeleinde van de onderhavige uitvinding om in een gelijkmatige stroming van damp te voorzien direct naar een substraat voor het chemisch uit damp neerslaan van materialen gedragen door de damp.

35 Het is bovendien een ander doeleinde van de onderhavige uitvinding om in een groeireactiekamer met chemisch neerslaan uit damp in een gelijkmatige axiale symmetrische stroming van gas te voorzien naar een cirkelvormig substraat door een veelheid van openingen waardoor het draaggas met het neerslagmateriaal kan gaan.

40 Het is bovendien een verder doeleinde van de onderhavige uitvin- 8602357 is· 3 ding om *in gelijkmatige groeisnelheden van materiaal in een reactieka-* - mer voor chemische·damp *te voorzien door het opbrengen van een axiaal symmetrische gasstroming op een substraat en door het draaien van het substraat· 5 Het is bovendien een ander doeleinde van de onderhavige uitvin ding om in een reactiekamer voor het chemisch uit damp neerslaan te voorzien voor het gelijkmatig verwijderen van de gasvormige producten na neerslag.

Het is bovendien een verder doeleinde van de onderhavige uitvin-10 ding om in een reactiekamer voor het chemisch uit damp neerslaan in een passende techniek te voorzien voor het sturen van de omvang van neerslaan van het neerslagmateriaal op een substraat.

Bovengenoemde en andere doeleinden worden volgens de onderhavige uitvinding verwezenlijkt door een reactiekamer voor chemische damp 15 waarbij een gas, ingebracht op een bepaalde afstand van een cirkelvormig substraat, een eerste gelijkmatige snelheid heeft naar het substraat. Wanneer het gas het substraat nadert, wordt het gas opnieuw radiaal naar buiten in een axiaal symmetrische stroom gestuurd. Het gas wordt uit de kamer onttrokken door een veelheid van openingen, door een 20 reeks schotten, of door andere middelen die in het algemeen de axiale symmetrie van de gasstroming behouden. Het cirkelvormige substraat kan gedraaid worden om in toenemend gelijkmatig zijn van de neerslag te voorzien door het vereffenen van onregelmatigheden in de gasstroming.

De afstand van het substraat naar de inrichting die het gas inbrengt 25 kan gevarieerd worden. Bovendien beperkt de axiale symmetrie van de gasstroming het autodoteren van het neergeslagen materiaal. De radiale stroming van gas en het kleine wandoppervlak van de neerslagkamer gaan samen om verontreiniging met deeltjesvormig materiaal op de groeiende laag te beperken.

30 Deze en andere kenmerken van de uitvinding zullen beter begrepen worden bij het lezen van onderstaande beschrijving aan de hand van de bijgaande tekeningen, waarin: figuur la, figuur 1b en figuur lc schematische aanzichten zijn die de stroming van het gas tonen dat het neerslagmateriaal bevat over sub-35 straten volgens typische uitvoeringen volgens de stand der techniek, figuur 2 een schematisch diagram is, waarbij de gasstroming eerst gelijkmatig gericht is naar een cirkelvormig substraat volgens de onderhavige uitvinding, figuur 3 een dwarsdoorsnedediagram is van de stroming van gas die 40 het neerslagmateriaal draagt naar het substraat volgens de onderhavige * 8602357 « ‘5 4 uitvinding, figuur 4 een schematisch diagram is van een inrichting voor het voorzien in de eerste omstandigheden voor de stroming van gas in figuur 3, 5 figuur 5a een bovenaanzicht in dwarsdoorsnede is van de inrich ting, dat de stand van de schotten toont voor het handhaven van axiale symmetrie van de stroming van gas volgens de onderhavige uitvinding, en figuur 5b een horizontaal aanzicht in dwarsdoorsnede is van een 10 deel van de inrichting, dat de stand van de schotten uit figuur 5a toont ten opzichte van het halfgeleidersubstraat voor het voorzien in een gelijkmatige gasstroming.

In figuur la is afgeheeld hoe een veelheid van substraatmaterialen 10 aangebracht is op steunorgaanmateriaal 15. Een gasvormige stof 11 15 gaat door het substraatmateriaal en slaat bepaalde bestanddelen van de damp op het substraat neer. Figuur lb toont een geometrie van het steunorgaan waarbij een veelheid van oppervlakken 13 elk een veelheid van substraten 10 kan dragen voor het blootstellen aan gas 11 dat over de oppervlakken stroomt. Figuur lc toont een geometrie waarbij een 20 steunorgaan 15 een veelheid van substraten 10 draagt. Het gas dat het neerslagmateriaal draagt wordt ingebracht door een opening 14 in het midden van het steunorgaan.

Vervolgens verwijzend naar figuur 2 toont een schematisch diagram van de onderhavige uitvinding dat dat gas 11, dat het dampneerslagmate-25 riaal of materialen draagt, gestuurd wordt op een in hoofdzaak cirkelvormig substraat 10 gedragen door een steunorgaan 15. Het gas stroomt eerst naar het oppervlak, en vervolgens in een radiaal buitenwaartse richting, weg van de hartlijn van de combinatie steunorgaan-substraat.

In figuur 3 is een dwarsdoorsnede-aanzicht afgebeeld in een vlak 30 bevattende de symmetriehartlijn van de stroming van het gas 11 wanneer dit het substraat 10 nadert. Het gas 11 heeft eerst een in hoofdzaak gelijkmatige snelheid loodrecht op het gehele oppervlak van substraat 10 gericht. Het massieve substraat doet, wanneer het gas 11 het substraat nadert, de snelheidsvector evenwijdig aan het oppervlak van het 35 substraat 20 worden en weg van de symmetriehartlijn stromen. Op een punt 21 op de symmetriehartlijn, in het algemeen aangegeven als stagna-tiepunt bestaat er theoretisch geen gasstroming. De axiaal symmetrische gasstroming die ontstaat uit de gelijkmatige gasstroming naar een oppervlak wordt in het algemeen aangeduid als stagnatiepuntstroming.

40 In figuur 4 is een uitvoering van de feitelijke inrichting afge- 86 Ö 2 35 7 5 5 -* beeld voor het voorzien in de beginomstandigheden van een gas met een snelheidsvector met gelijkmatige omvang gericht naar het substraat. Van een oppervlak 71» hetzij een oppervlak van een omhulling of een of twee in hoofdzaak evenwijdige platen» wordt het gas 11 ingebracht in het ge-5 bied boven het oppervlak 71. Het gas 11 wordt door de openingen 74 in het oppervlak 71 gedreven naar het halfgeleidersubstraat 10. Bijgevolg is de beginvector van de snelheid naar het substraat gericht. Vanwege de verhoudingsgewijs kleine afmeting van de openingen 74, zal de omvang van de gassnelheid in het algemeen over alle openingen 74 gelijkmatig 10 zijn wanneer het gas door het vlak van substraat 10 gaat. Om de effecten van enige korrelvorming te beperken die kan ontstaan door het gebruik van discrete openingen, en om enige onregelmatigheden in de verdeling van het gas te vereffenen, kan het substraat 10 gedraaid worden gedurende de periode van gasstroming. Het is gebleken dat een in het 15 algemeen gelijkmatige stroming verwezenlijkt kan worden indien de openingen 74 aangebracht zijn bij de toppen van gelijkzijdige driehoeken en gelijkmatig verdeeld zijn over het gebied van oppervlkak 71, ongeveer met dezelfde afmeting als substraat 10 en axiaal symmetrisch ten opzichte daarvan.

20 In figuur 5a is een bovenaanzicht van de werkwijze voor het ver wijderen van het gas uit de kamer afgebeeld zonder het veranderen van de axiale symmetrie in de nabijheid van het substraat 10. Bij een uitvoering is een veelheid van verhoudingsgewijs grote openingen 53 in hoofdzaak op gelijke afstand ten opzichte van de symmetriehartlijn van 25 de gasstroming aangebracht en het gas wordt daardoor verwijderd. Deze uitvoering kan echter zonder verdere constructie de oorzaak zijn van een grote structuuromvang in de gasstroming in de nabijheid van het substraat 10. Om deze structuur te beperken kunnen schotten 51 en 52 geplaatst worden tussen het substraat en de openingen 53. Deze con-30 structie veroorzaakt, door het opnieuw sturen van de stroom gas, een vereffenen en verbetert daardoor de axiale symmetrie van de gasstroming. Het zal duidelijk zijn dat indien een veelheid van openingen 53 die zich uitstrekt om het halfgeleidersubstraat gebruikt kan worden, en indien het aantal van deze openingen voldoende groot is, het feitelijk 35 afwijken van de axiale symmetrie in de nabijheid van het substraat 10 beperkt kan worden zelfs zonder schotten 51 en 52. Figuur 5b is in hoofdzaak een horizontaal gedeeltelijk dwarsdoorsnede-aanzicht dat het verband van schotten 51 en 52 en openingen 53 toont ten opzichte van substraat 10 en steunorgaan 15.

40 Het chemisch uit damp neerslaan van materiaal op het halfgeleider- 8602357 4 6 substraat is het resultaat van een gasstroming over het oppervlak van het halfgeleidersubstraat 10, waarbij de gasstroming in het algemeen gedwongen wordt om axiale symmetrie te hebben. Deze stroomuitvoering is in het algemeen bekend als stagnatiepuntstroming. De dichtheid van 5 neerslagmateriaal gedragen door het gas en neergeslagen op het substraat is in het algemeen onder deze omstandigheden gelijkmatig over het gehele oppervlak. Dit resultaat is bekend uit de studie van deze stroomuitvoering bij andere toepassingen, en deze resultaten zijn bevestigd door computer gesimuleerde studies uitgevoerd door de uitvin-10 ders onder omstandigheden bepaald door de parameters van de neerslagre-actor. In wezen kan, vanwege het uitzettende gebied aanwezig uitgaande van de symmetriehartlijn, gas dat de oorspronkelijke dichtheid van neerslagmaterialen bevat, in aanraking komen met het oppervlak als resultaat van zowel convectie als diffusieverschijnselen. Bovendien is 15 het uit studies op ander fysisch gebied bekend, en bevestigd door computer gesimuleerde studies, dat het temperatuurprofiel van het botsende gas in hoofdzaak radiaal gelijkmatig is. Dat wil zeggen de isotermen over het substraat bevinden zich op een gelijkblijvende afstand van het substraatoppervlak. Dienovereenkomstig zal voor chemische reacties die 20 plaats vinden in het gas, de molfractie van gasbestanddelen in hoofdzaak radiaal gelijkmatig zijn op een bepaalde afstand van het sub-s traato ppervlak.

Omdat het als praktisch feit noodzakelijk is om het gas door een reeks openingen in te brengen om de vereiste uitgangsomstandigheden te 25 verwezenlijken, en vanwege de moeilijkheid van het nauwkeurig centreren van het cirkelvorraige halfgeleidersubstraat ten opzichte van de binnentredende en uittredende damp, kan het substraat gedraaid worden om de niet gelijkmatige structuur in het draaggas te beperken zoals gezien door het substraat.

30 Hoewel de bespreking gericht is op de bijzondere gasstroming ten opzichte van het substraat, zal het duidelijk zijn dat bepaalde andere eigenschappen belangrijk zijn. Bijvoorbeeld zal, indien het substraat verwarmd moet worden, en in het bijzonder indien het substraat verwarmd moet worden door optische straling, de inrichting die de openingen be-35 vat waardoor het gas ingebracht wordt, in het algemeen vervaardigd zijn van een passend transparant materiaal, bijvoorbeeld versmolten kwarts. Het zal eveneens duidelijk zijn dat hoewel de inrichting afgebeeld is met het halfgeleidersubstraat in het horizontale vlak met de damp van boven treffend, dat deze oriëntatie gevarieerd kan worden zonder het 40 veranderen van de werking van de voorkeursuitvoering.

860 2 35 7 7

Een belangrijk kenmerk van de onderhavige uitvinding is het vermogen de afstand te sturen zoals getoond in figuur 4 tussen de inrichting die het gas inbrengt en het substraat. Het vermogen om deze afstand te bepalen voorziet in een belangrijk middel voor het sturen van de groei 5 van de neergeslagen materialen op het substraat 10. De axiaal symmetrische gasstroming (weg van de hartlijn) heeft het belangrijke voordeel van het verminderen van autodoteren door het opwekken van een stroming van gas in een richting ten opzichte van het substraat, die tegenover gesteld is aan de stroming van materialen die het autodoteren voort-10 brengen. Dit effect kan verbeterd worden en autodoteren kan verder beperkt worden door het opbrengen van een spoelgas aan de bodem van het substraat.

De techniek voor het chemisch uit damp neerslaan is in het bijzonder nuttig voor epitaxiale neerslag en bijzonder voor de neerslag van 15 epitaxiaal silicium op een substraat.

Bovenstaande beschrijving is bedoeld om de werking van een voorkeursuitvoering te tonen en is niet bedoeld als beperking voor de omvang van de uitvinding. Vele variaties zullen duidelijk zijn voor degenen bekwaam in de stand der techniek en zullen binnen het bereik en de 20 -gedachte van de onderhavige uitvinding liggen.

8602357

Claims (18)

1. Inrichting voor het chemisch uit damp neerslaan van materialen op een substraat, omvattende: een in hoofdzaak cirkelvormig substraat gekenmerkt door gasstroommiddelen voot het voortbrengen van een gas- 5 stroming met axiale symmetrie over dat cirkelvormige substraat.

2. Inrichting voor het chemisch uit damp neerslaan volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat het gasstroommiddel het gas inbrengt met een in hoofdzaak gelijkmatige omvang van de snelheid loodrecht op dat substraat.

3. Inrichting voor het chemisch uit damp neerslaan volgens conclu sie 2, met het kenmerk, dat het gasstroommiddel omvat middelen voor het variëren van een afstand tussen het substraat en een gebied waar het gas naar het substraat gericht is.

4. Inrichting voor het chemisch uit damp neerslaan van een materi-15 aal volgens conclusie 3, gekenmerkt door middelen voor het draaien van dat substraat.

5. Inrichting voor het chemisch uit damp neerslaan volgens conclusie 3, met het kenmerk, dat het gasstroommiddel een veelheid van ope-ningen omvat voor het ontnemen van het gas zonder het wezenlijk veran- 20 deren van de axi’ale symmetrie.

6. Inrichting voor het chemisch uit damp neerslaan volgens conclusie 5, gekenmerkt door een veelheid van schotten tussen het substraat en de uitneemopeningen.

7. Inrichting voor het chemisch uit damp neerslaan volgens conclu-25 sie 1, gekenmerkt door middelen voor het beperken van het autodoteren van het substraat.

8. Inrichting voor het chemisch uit damp neerslaan volgens conclusie 7, met het kenmerk, dat het gasstroommiddel middelen omvat voor het handhaven van een stagnatiepuntstroming van dat gas.

9. Inrichting voor het chemisch uit damp neerslaan van materiaal volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat de gasstroom middelen omvatten inrichtingen voor het sturen van een stroom gas die het neerslagma-teriaal loodrecht op het cirkelvormige substraat draagt.

10. Inrichting voor het chemisch uit damp neerslaan volgens con-35 clusie 9, met het kenmerk, dat een afstand tussen de inrichting en het substraat gevarieerd kan worden.

11. Inrichting voor het chemisch uit damp neerslaan volgens conclusie 9, met het kenmerk, dat het substraat gedraaid kan worden.

12. Inrichting voor het chemisch uit damp neerslaan volgens con-40 clusie 9, met het kenmerk, dat de inrichting voor epitaxiale neerslag 8802357 gebruikt wordt.

13. Inrichting voor het chemisch uit damp neerslaan volgens conclusie 12, met het kenmerk, dat de inrichting gebruikt wordt voor de neerslag van epitaxiaal silicium op dat substraat.

14. Inrichting voor het chemisch uit damp neerslaan volgens con clusie 9, gekenmerkt door Inrichtingen voor het inbrengen van een spoelgas op een achterzijde van het substraat.

15. Werkwijze voor het chemisch uit damp neerslaan van materiaal op een substraat met een inrichting volgens een van de voorgaande conr 10 dusies, gekenmerkt door het opbrengen van dat gas omvattende neerslag-materialen op het substraat, waarbij het substraat en de stroming van gas een in hoofdzaak axiale symmetrie hebben.

16. Werkwijze voor het chemisch uit damp neerslaan volgens conclusie 15, gekenmerkt door de stap van het sturen van de snelheid van de 15 neerslag door het variëren van een afstand tussen het substraat en de inrichting die dat gas opbrengt.

17. Werkwijze voor het neerslaan van een materiaal volgens conclusie 15, gekenmerkt door de stap van het draaien van dat substraat.

18. Werkwijze voor het neerslaan van materiaal volgens conclusie 20 15, gekenmerkt door de stap van het handhaven van een stagnatiepunt- stroming van dat gas. ********** 8602357