WO1996020293A1 - Vorrichtung zum abscheiden von schichten - Google Patents

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WO1996020293A1
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Holger JÜRGENSEN
Marc Deschler
Frank Schulte
Gert Strauch
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    • H01L21/67098—Apparatus for thermal treatment
    • H01L21/67109—Apparatus for thermal treatment mainly by convection

Definitions

  • the invention relates to a device for depositing layers from the gas phase on a substrate, with a heatable horizontal reactor in which a substrate holding carrier and a substrate holder are arranged.
  • Devices of this type are used, for example, for the production of semiconductor materials, such as III / V semiconductors or II / VI semiconductors, or superconducting materials.
  • semiconductor materials such as III / V semiconductors or II / VI semiconductors, or superconducting materials.
  • the preparation epitak ⁇ diagrammatic layers on substrates is made possible by such a device.
  • MBE Molecular beam epitaxy
  • CVD chemical vapor deposition
  • laser ablation RF magnetron sputtering
  • substrate holder which can be heated in order to achieve the best possible layer or crystal growth.
  • Known heating devices are, for example, resistance wire heaters, electron beam heaters and infrared light heaters.
  • Heaters in which electrical currents are used generally have the disadvantage that the currents used are electrical and generate magnetic fields that influence the material application to the substrate. Inhomogeneous fields thus produce, for example, unevenly thick vapor-deposited layers or locally inhomogeneous stoichiometries of the vapor-deposited material.
  • the question of materials with regard to all the components to be provided in the reactor must also be clarified.
  • the substrate holder, substrate holder and all other components relevant to the deposition process are to be made from materials that can withstand the high operating temperatures during the deposition process.
  • the invention is based on the object of a device for depositing layers from the gas phase to further develop a substrate with heatable substrate holders in such a way that, on the one hand, layers can be produced in it at temperatures of more than 1100 ° C. without the device consisting entirely of materials that are difficult to process or that are already available react with air at comparatively low temperatures. Furthermore, it should be possible to vaporize homogeneous layers by a suitable choice of heating.
  • the device according to the invention for depositing layers at temperatures of 1100 ° C. and more has a substrate holder made of a high-temperature-resistant conductive material, such as graphite or SiC, and a substrate holding carrier made of quartz, which can be cooled.
  • the substrate holder consists of a high-temperature-resistant material. Since the substrate holder is comparatively simple, it can be produced from a material which is complicated to process, such as SiC, without major difficulties. Furthermore, it is also possible to manufacture the substrate holder from a comparatively simple to process material, such as graphite, which reacts with oxygen even at elevated temperatures, since the substrate holder in the device is protected from contact with air.
  • the cooling of the substrate holder carrier consisting of quartz ensures that it is not heated by heat radiation to temperatures at which quartz can no longer be used.
  • the substrate holder can be constructed in a manner known per se:
  • the substrate holder can be raised and / or rotated relative to the substrate holding carrier by a gas flow.
  • lifting and / or turning can be carried out by means of "gas foil rotation”.
  • the substrate holder and substrate holder carrier are thermally insulated from one another.
  • the substrate holder is heated in the manner described below:
  • the substrate holder can be heated by means of resistance heating.
  • inductive or RF inductive heating systems should be provided on the substrate holder.
  • claim 5 provides high-frequency heating for heating the substrate.
  • at least one spiral flat coil must be attached directly under the substrate holder.
  • the substrate holder is operated at temperatures which are far above the operating temperature of quartz, it is particularly preferred if the substrate holder is also lifted off and rotated during the heating phase. This means that the substrate holding carrier consisting of quartz cannot be damaged even during the heating phase and possibly during the cooling phase.
  • the device according to the invention has the advantage that, with the exception of the substrate holder consisting of a high-temperature-resistant material, all parts can consist of non-high-temperature-resistant materials.
  • the reactor tube consists of quartz in a manner known per se. In this way, reactor tubes can be used for the device according to the invention, as are produced as standard for known devices.
  • the substrate holding carrier there are at least two flat coils within the substrate holding carrier, to which an alternating field or an alternating voltage is applied.
  • the flat coils consist of an electrically conductive material, such as copper or nichrothal, ie a nickel-chromium alloy or another suitable one Material.
  • the material should meet the requirements of the desired temperature ranges.
  • the arrangement of the flat coils according to the invention now makes it possible to heat the substrate holder inductively, a relatively homogeneous field being generated on the substrate holder.
  • RF induction, AC resistance wire heating or DC resistance wire heating are further heating variants.
  • Flat coils are used to make the field more homogeneous. However, with too many flat coils, the structure is prone to failure and cost-intensive. In addition, ever smaller components are required which are easily broken or deformable and whose adjustment is more complex. An optimal number of flat coils is between 3 and 5. 4 flat coils are particularly preferred.
  • the possibility is provided of spatially aligning the individual flat coils relative to one another. It is also possible to adapt the coil geometry of each individual flat coil to the individual conditions. By appropriate entry of the High-frequency power or coupling into the substrate holder can also be used to set an optimal temperature profile.
  • HF generators are advantageously provided for each flat coil, as a result of which an individual, targeted adaptation of the electrical conditions per coil can be carried out.
  • a central HF generator is provided for controlling the flat coils.
  • Fig. 1 A substrate holding carrier according to the invention in the supervision.
  • FIG. 1 shows a substrate holding carrier 1 according to the invention, which has four flat coils 2.
  • the flat coils 2 are arranged concentrically. An attempt was made to equip the flat coils 2 with a high degree of symmetry.
  • the electrical connections 3 and 4 are on the edge of the
  • Carrier 1 A part of the line 5 of the flat coil 2 is covered by the upper part and connects the Middle of the flat coil 2 with the electrical connection 3.

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Abstract

Beschrieben wird eine Vorrichtung zum Abscheiden von Schichten aus der Gasphase auf einem Substrat, mit einem beheizbaren horizontalen Reaktor, in dem ein Substrathalter-Träger und ein Substrathalter angeordnet sind. Die Erfindung zeichnet sich dadurch aus, daß zum Abscheiden von Schichten bei Temperaturen von 1100 °C und mehr der Substrathalter aus einem hochtemperaturfesten leitenden Material, wie Graphit oder SiC, und der Substrathalter-Träger aus Quarz bestehen, un daß der Substrathalter-Träger gekühlt wird. Ferner weist der Substrathalter-Träger mindestens zwei Flachspulen auf (2).

Description

Vorrichtung zum Abscheiden von Schichten B e s c h r e i b u n g
Technisches Gebiet
Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum Abscheiden von Schichten aus der Gasphase auf einem Substrat, mit einem beheitzbaren horizontalen Reaktor, in dem ein Substrathalte-Träger und ein Substrathalter angeordnet sind.
Stand der Technik
Derartige Vorrichtungen werden beispielsweise zur Her¬ stellung von Halbleitermaterialien, wie z.B. III/V- Halbleitern oder II/VI-Halbleitern, oder supraleitenden Materialien eingesetzt. Auch die Herstellung epitak¬ tischer Schichten auf Substrate wird durch eine solche Vorrichtung ermöglicht.
Zur Herstellung von den oben genannten Materialien werden verschiedene Methoden angewendet. Diese sind z.B. Molekularstrahlepitaxie (MBE), Chemical Vapour Deposition (CVD), Laserabiation, RF-Magnetronsputtern und andere. Bei allen Methoden ist es allerdings not¬ wendig, einen Substrathalter vorzusehen, der heizbar ist, um ein möglichst gutes Schicht- bzw. Kristall¬ wachstum zu erzielen.
Bekannte Heizungsvorrichtungen sind beispielsweise Widerstandsdrahtheizungen, Elektronenstrahlheizungen und Infrarotlicht-Heizungen. Heizungen bei denen elek¬ trische Ströme verwendet werden haben jedoch allgemein den Nachteil, daß die verwendeten Ströme elektrische und magnetische Felder erzeugen, die den Materialauf¬ trag auf das Substrat beeinflussen. So erzeugen in¬ homogene Felder z.B. ungleichmäßig dicke Aufdam¬ pfschichten oder lokal inhomogene Stöchiometrien des aufgedampften Materials.
Neben der Frage nach der optimalen Heizung muß zudem auch die Materialfrage bezüglich aller im Rea'ktor vor¬ zusehenden Komponenten geklärt sein. So sind die Sub¬ strathalter, Substrathalteträger und alle weiteren am Abscheideprozeß relevanten Komponenten aus Materialien zu fertigen, die den hohen Betriebstemperaturen während es Abscheideprozesses Stand halten.
Seit einiger Zeit werden verstärkt Materialien einge¬ setzt, zu deren Herstellung Temperaturen von mehr als 1100°C erforderlich sind. Für Temperaturen von mehr als 1100°C sind Vorrichtungen aus Quarz nicht geeignet. Deshalb sind für die Herstellung dieser Materialien Vorrichtungen gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 entwickelt worden, die vollständig aus einem Material bestehen, das bei Temperaturen von mehr als 1100°C eingesetzt werden kann. Beispiele für derartige Materi¬ alien sind Graphit oder SiC. Graphit hat den Vorteil, daß er einfach zu bearbeiten ist. Nachteilig ist Je¬ doch, daß Graphit bei Temperaturen von mehr als ca. 600°C mit Sauerstoff reagiert. SiC hat den Vorteil, daß es auch bei Temperaturen von mehr als 1100°C nicht mit Sauerstoff reagiert, die Bearbeitung von SiC ist jedoch schwierig.
Beschreibung der Erfindung
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrich¬ tung zum Abscheiden von Schichten aus der Gasphase auf einem Substrat mit heizbaren Substrathaltern derart weiterzubilden, daß zum einen in ihr Schichten bei Tempe¬ raturen von mehr als 1100°C hergestellt werden können, ohne daß die Vorrichtung gänzlich aus Materialien be¬ steht, die schwierig zu bearbeiten sind, oder die be¬ reits bei vergleichsweise niedrigen Temperaturen mit Luft reagieren. Ferner soll durch eine geeignete Wahl einer Heizung ein Aufdampfen homogener Schichten möglich sein.
Erfindungsgemäße Lösungen dieser Aufgabe sind in den .Ansprüchen 1 und 10 angegeben. Weiterbildungen der
Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung zum Abscheiden von Schichten bei Temperaturen von 1100°C und mehr weist einen Substrathalter aus einem hochtemperaturfesten leitenden Material, wie Graphit oder SiC, und einen Substrathalte-Träger aus Quarz aus, der kühlbar ist.
Anders ausgedrückt besteht bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung lediglich der Substrathalter aus einem hochtemperaturfesten Material. Da der Substrathalter vergleichsweise einfach aufgebaut ist, kann der ohne größere Schwierigkeiten aus einem kompliziert zu bear¬ beitenden Material, wie SiC hergestellt werden. Weiter ist es auch möglich, den Substrathalter aus einem ver¬ gleichsweise einfach zu bearbeitenden Material, wie Graphit herzustellen, das bereits bei erhöhten Tempera¬ turen mit Sauerstoff reagiert, da der Substrathalter in der Vorrichtung vor Kontakt mit Luft geschützt ist.
In jedem Falle bestehen jedoch die kompliziert geform¬ ten Teile und insbesondere der Substrathalte-Träger aus Quarz. Die Herstellung dieser Teile aus Quarz hat nicht nur den Vorteil, daß Quarz einfach zu bearbeiten ist, sondern auch den weiteren Vorteil, daß für eine Reihe von Teilen auf Standardteile von Anlagen, die für Temperaturen von unter 1100°C gedacht sind, zurückge¬ griffen werden kann.
Durch die Kühlung des aus Quarz bestehenden Substrat¬ halter-Trägers ist sicher gestellt, daß dieser nicht durch Wärmestrahlung auf Temperaturen aufgeheizt wird, bei denen Quarz nicht mehr eingesetzt werden kann.
Der Substrathalter kann in an sich bekannter Weise aufgebaut sein:
Beispielsweise ist der Substrathalter gemäß Anspruch 2 durch einen Gasstrom gegenüber dem Substrathalte-Träger anhebbar und/oder drehbar. Insbesondere kann das Anheben und/oder Drehen mittels "gas-foil-rotation" erfolgen. Darüberhinaus sind Subtrathalter und Substrathalte-Träger gegeneinander thermisch isoliert.
Die Heizung des Substrathalters erfolgt in der nach¬ folgend beschriebenen Weise:
Nach Anspruch 3 ist der Substrathalter mittels Wider¬ standsheizung beheizbar. Alternativ sind induktive oder rf-induktive Heizsysteme am Substrathalter vorzusehen. Ferner sieht Anspruch 5 eine Hochfrequenzheizung zur Heizung des Substrats vor. Hierzu ist wenigstens eine spiralförmige Flachspule direkt unter dem Substrathal¬ ter anzubringen. Diese Ausbildung hat den Vorteil, daß bei kompakten Abmessungen ein effizienter Energieein¬ trag erfolgt. Die erfindungsgemäße Vorrichtung hat den weiteren Vor¬ teil, daß es problemlos möglich ist, sie so zu gestal¬ ten, daß die Wärmekapazität des Substrathalters und des Substrats so gering ist, daß die Aufheizrate größer als 10°C/sec ist. Bei gänzlich aus Quarz oder SiC bestehenden Vorrichtungen wäre es dagegen nicht möglich, die Wärme¬ kapazität so gering zu halten.
Da bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung der Substrat¬ halter bei Temperaturen betrieben wird, die weit über der Einsatztemperatur von Quarz liegen, ist es beson¬ ders bevorzugt, wenn der Substrathalter auch während der Aufheizphase abgehoben und gedreht wird. Damit kann auch während der Aufheizphase und gegebenenfalls während der Abkühlphase der aus Quarz bestehende Substrathalte-Träger nicht geschädigt werden.
Wie bereits ausgeführt, hat die erfindungsgemäße Vor¬ richtung den Vorteil, daß mit Ausnahme des aus einem hochtemperaturfesten Material bestehenden Substrathal¬ ters alle Teile aus nicht hochtemperaturfesten Materia¬ lien bestehen können. Insbesondere ist es bevorzugt, wenn das Reaktorrohr in an sich bekannter Weise aus Quarz besteht. Damit können für die erfindungsgemäße Vorrichtung Reaktorrohre verwendet werden, wie sie für bekannte Vorrichtungen standardmäßig hergestellt werden.
Desweiteren befinden sich erfindungsgemäß innerhalb der Substrathalte-Träger wenigstens zwei Flachspulen, an die ein Wechselfeld oder eine WechselSpannung angelegt ist. Die Flachspulen bestehen aus einem elektrisch leitenden Material, wie z.B. Kupfer oder Nichrothal, also eine Nickel-Chrom Legierung oder ein anderes geeignetes Material. Auch hier sollte das Material den Ansprüchen der gewünschten Temperaturbereiche genügen.
Durch die erfindungsgemäße Anordnung der Flachspulen ist es nunmehr möglich, den Substrathalter induktiv zu heizen, wobei ein relativ homogenes Feld am Substrat¬ halter erzeugt wird.
Als weitere Heizungsvarianten sind hier die RF-Induktion, die Wechselstromwiderstandsdraht-Heizung oder auch die Gleichstromwiderstandsdraht-Heizung zu nennen. Im letzten Fall sollte, um ein homogenes Feld zu erhalten, darauf geachtet werden, daß die Polaritäten der elek¬ trischen Anschlüße entsprechend gewählt wird.
Vorteilhafterweise sind wenigstens 2 Flachspulen zu verwenden, um ein homogenes Feld zu erhalten. Je mehr
Flachspulen eingesetzt werden, um so homogener wird das Feld. Allerdings, wird bei zu vielen Flachspulen der Aufbau störanfällig und kostenintensiv. Außerdem werden immer kleinere Komponenten benötigt, die leicht brechen oder deformierbar sind und deren Justage auf¬ wendiger wird. Eine optimale Anzahl von Flachspulen beträgt zwischen 3 und 5. Besonders bevorzugt sind 4 Flachspulen.
Ferner ist zur Ausbildung und Nachjustierung einer homogenen Temperaturverteilung innerhalb der Ab¬ scheidevorrichtung die Möglichkeit vorgesehen, die ein¬ zelnen Flachspulen relativ zueinander räumlich auszu¬ richten. Ebenso ist es möglich die Spulengeometrie jeder einzelnen Flachspule an die einzelnen Ver¬ hältnisse aunzupassen. Durch geeigneten Eintrag der Hochfrequenzleistung bzw. Einkopplung in die Substrat¬ halter kann darüberhinaus ein optimales Temperatur¬ profil eingestellt werden.
Vorteilhafterweise sind für jede Flachspule einzelne HF-Generatoren vorgesehen, wodurch eine einzelne, ge¬ zielte Anpassung der elektrischen Verhältnisse pro Spule vornehmbar ist. Alternativ ist ein zentraler HF- Generator für die Ansteuerung der Flachspulen vorge¬ sehen.
Kurze Beschreibung der Zeichnung
Eine erfindungsgemäße Ausfuhrungsform die Heizvorrich¬ tung betreffend wird nachstehend ohne Beschränkung des allgemeinen Erfindungsgedankens anhand eines Ausfuhrungs- beispieles unter Bezugnahme auf die Zeichnung exemplarisch beschrieben, auf die im übrigen bezüglich der Offenbarung aller im Text nicht näher erläuterten erfindungsgemäßen Einzelheiten ausdrücklich verwiesen wird. Es zeigt:
Fig. 1: Eine erfindungsgemäßer Substrathalte-Träger in der Aufsicht.
Kurze Beschreibung eines Ausführungsbeispiels
Fig. 1 zeigt einen erfindungsgemäßen Substrathalte- Träger 1, der vier Flachspulen 2 aufweist. Die Flach¬ spulen 2 sind konzentrisch angeordnet. Es wurde ver¬ sucht, die Flachspulen 2 möglichst mit hoher Symmetrie auszustatten.
Die elektrischen Anschlüsse 3 und 4 liegen am Rand des
Trägers 1. Ein Teil der Leitung 5 der Flachspule 2 liegt verdeckt durch den oberen Teil und verbindet die Mitte der Flachspule 2 mit dem elektrischen .Anschluß 3 .

Claims

P a t e n t a n s p r ü c h e
1. Vorrichtung zum Abscheiden von Schichten aus der Gasphase auf einem Substrat, mit einem horizontalen beheizbaren Reaktor, in dem ein Substrathalte-Träger und ein Substrathalter angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, daß zum Abscheiden von Schich¬ ten bei Temperaturen von 1100°C und mehr der Substrat¬ halter aus einem hochtemperaturfesten leitenden Material, wie Graphit oder SiC, und der Substrathalter- Träger aus Quarz bestehen, und daß der Substrathalte-Träger kühlbar ist.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Substrathalte-Träger durch einen Gasstrom gegenüber dem Substrathalter angehoben wird und thermisch isoliert ist.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Substrathalter mittels Widerstandsheizung beheizbar ist.
4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Substrathalter induktiv oder rf-induktiv beheizbar ist.
5. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Heizung des Substrats eine Hochfrequenzheizung vorgesehen ist.
6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Hochfrequenzheizung wenigstens eine spiralförmige Flachspule aufweist, die direkt unter dem Substrathalter angeordnet ist.
7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmekapazität des Substrathalters und des Substrats so gering ist, daß die Aufheizrate größer als 10°C/s ist.
8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Reaktorrohr in an sich bekannter Weise aus Quarz besteht.
9. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die zur Heizung vor¬ gesehenen Flachspulen ein homogenes elektrisches und/oder magnetisches Feld erzeugen.
10. Vorrichtung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Substrathalte-Träger mindestens 2 Flachspulen aufweist.
11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die zur Heizung vor¬ gesehenen Flachspulen ein homogenes elektrisches und/oder magnetisches Feld erzeugen.
12. Vorrichtung nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, daß 3, 4, oder 5 Flachspulen vorgesehen sind.
13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Heizung induktiv oder rf-induktiv erfolgt.
14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Flachspulen am Substrat¬ halte-Träger beweglich angebracht sind, so daß die räumliche Anordnung der Flachspulen untereinander sowie die Ausbildung der einzelnen Flachspulen veränderbar sind.
15. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Hochfrequenzeinspeisung an den Flachspulen mit einem einzigen zentralen HF-Ge¬ nerator oder für jede Flachspule einzeln vorgesehenen HF-Generator erfolgt.
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CN104409388A (zh) * 2014-10-28 2015-03-11 磐石创新（湖南）新材料有限公司 超导石墨基盘

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