WO2014128045A1 - Cvd-vorrichtung sowie verfahren zum reinigen einer prozesskammer einer cvd-vorrichtung - Google Patents

Cvd-vorrichtung sowie verfahren zum reinigen einer prozesskammer einer cvd-vorrichtung Download PDF

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WO2014128045A1
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filter device
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Wilfried GOERES
Thomas KRÜCKEN
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Aixtron SE
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    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C16/00—Chemical coating by decomposition of gaseous compounds, without leaving reaction products of surface material in the coating, i.e. chemical vapour deposition [CVD] processes
    • C23C16/44—Chemical coating by decomposition of gaseous compounds, without leaving reaction products of surface material in the coating, i.e. chemical vapour deposition [CVD] processes characterised by the method of coating
    • C23C16/4401—Means for minimising impurities, e.g. dust, moisture or residual gas, in the reaction chamber
    • C23C16/4405—Cleaning of reactor or parts inside the reactor by using reactive gases
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
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    • C23C16/44—Chemical coating by decomposition of gaseous compounds, without leaving reaction products of surface material in the coating, i.e. chemical vapour deposition [CVD] processes characterised by the method of coating
    • C23C16/4412—Details relating to the exhausts, e.g. pumps, filters, scrubbers, particle traps

Definitions

  • the invention relates to a device for depositing semiconductor layers, in particular III-V semiconductor layers, having a process chamber arranged in a reactor housing, into which a gas supply line flows, through which a process gas can be introduced into the process chamber together with a carrier gas, with a first tempering device, with the operating temperature of the process chamber can be stabilized at a process temperature at which a reaction of the process gas takes place, at least forming gaseous reaction products, wherein the process chamber is connected to a gas discharge with a cold trap and a filter device.
  • the invention also relates to a method for cleaning such a process chamber of a reactor housing and a method for
  • a process gas is introduced into the process chamber through a gas inlet opening into the process chamber, the process chamber is heated by a first heating device to a process temperature at which a reaction of the Process gas takes place, in which form gaseous and non-gaseous reaction products, wherein the gaseous and non-gaseous reaction products are transported by a gas discharge to a cold trap and
  • Main group introduced as organometallic compounds and elements of the main group V as hydrides in a process chamber are provided in a gas mixing system and brought by means of a carrier gas through a gas supply line into the process chamber of a reactor housing. They enter the process chamber through a gas inlet element.
  • the process chamber has a susceptor on which rest a plurality of semiconductor substrates to be coated. The susceptor is heated by a first heating device to a deposition temperature at which the process gases decompose essentially pyrolytically. In this case, a semiconductor layer grows on the substrate surface. Within the process chamber further reactions take place in which gaseous and non-gaseous reaction products are formed.
  • the cleaning of coating equipment used for LED manufacturing is becoming increasingly important.
  • the exhaust system is of particular importance.
  • the main problem is the clogging of the filter by deposition products.
  • the maintenance is undesirably increased.
  • the invention is therefore based on the object to increase the efficiency of an exhaust system in a generic device and to provide a method that can be deposited with more efficient semiconductor layers or process chambers and / or can clean an exhaust system.
  • the filter device is arranged upstream of the cold trap.
  • the filter device can be operated at room temperature or even at a temperature higher than room temperature.
  • the deposition processes or the cleaning processes within the process chamber take place at temperatures of several 100 ° C.
  • the exhaust gases leaving the reactor housing through the gas discharge thus have a temperature which is above the room temperature. Before the exhaust cools, it enters the filter device. This is of particular technological importance if the partial pressure of the gaseous exhaust gas when leaving the process chamber or the reactor housing assumes such a value that no condensation products are produced at room temperature or at least at the operating temperature in the filter device.
  • the filter device is provided with a second tempering device.
  • the filter device can be brought to such a temperature or operated at such a temperature at which the otherwise condensing at room temperature gaseous exhaust gas constituents do not condense.
  • a pipe connection between the reactor housing and the filter device can be provided with a third tempering device, so that the pipe connection can likewise be stabilized to a temperature at which the gaseous reaction products do not condense.
  • downstream of the cold trap is a throttle valve with which the total pressure in the process chamber can be regulated.
  • a vacuum pump is arranged behind the throttle valve.
  • the connecting tube between the process chamber or reactor housing and the filter device as well as the filter device itself are thus kept at a stabilization temperature which is above the condensation temperature of the exhaust gas constituents.
  • chlorides or halides can be used which combine with parasitic occupancies of the process chamber to gallium chloride or the like.
  • the cleaning gas for example, Cl 2 or HCl can be used. It is considered advantageous that both the deposition process and the cleaning process become more effective with the exhaust system according to the invention. Due to the temperature of the filter deposits accumulated in the filter can be removed by a cleaning step. For this purpose, the cleaning gas, in particular Cl 2, is passed through the filter at a correspondingly high temperature of the filter device.
  • gallium nitride precipitation does not take place only on the substrates resting on the susceptor of the process chamber. Deposition of layers containing gallium and nitrogen also occurs elsewhere in the process chamber. This parasitic occupancy of the process chamber walls must be removed from time to time, especially after each coating step.
  • a dry etching method is used in which an etching gas is introduced into the process chamber. This is done together with a carrier gas, which may be hydrogen, nitrogen or a noble gas.
  • volatile gallium chloride, GaC, Ga 2 CL 6, GaCl, GaCl 2 , Ga 2 Ck are formed on the walls of the process chamber at a correspondingly high process temperature.
  • This gaseous reaction product is transported out of the process chamber and passes through the gas discharge to the filter device.
  • the filter device is stabilized by means of a tempering at a temperature at which the reaction product, ie the gallium-chlorine compound does not condense.
  • the tempering device may be a heater or a cooling device.
  • the tempering device preferably consists of a sleeve surrounding the housing of the filter device and flushed with a heat transfer liquid.
  • the tempering liquid can be used as the etching gas.
  • Be water, for example, with the filter device is maintained at a temperature of 90 °.
  • the etching gas is introduced into the process chamber such that a portion of the etching gas flows through the process chamber in order to remove deposits in the filter device.
  • trimethylgallium and ammonia are introduced into the process chamber. tet.
  • the reaction taking place in the process chamber not only produces gaseous but also gaseous reaction products.
  • the gaseous and non-gaseous reaction products are transported with the carrier gas through the gas discharge into the filter device.
  • the filter medium which is a porous material, the non-gaseous and particularly solid reaction products are retained. However, due to the temperature control of the filter device, the gaseous reaction products pass through the filter.
  • the solid reaction products accumulated on the filter medium which have formed during the deposition process, are converted into a gaseous chemical compound in the purification process.
  • gallium compounds are converted by means of chlorine into volatile gallium-chlorine compounds.
  • the volatile reaction product is specifically condensed out in the cold trap.
  • FIG. 1 shows schematically the structure of a CVD apparatus with exhaust gas disposal device
  • Fig. 2 shows the vapor pressure curve of the reaction product (GaCl 3)
  • the essential elements of a CVD reactor describes the figure 1.
  • a gas mixing system not shown in the drawings in a reactor housing 1 occurs together with a carrier gas, a process gas through a gas line 3 a.
  • a gas inlet member 14 which has a plurality of gas outlet openings, which point to a process chamber 2.
  • the gas inlet member 14 is fed by the gas supply line 3.
  • the bottom of the process chamber 2 is formed by a susceptor 17, on which one or more substrates to be coated are arranged.
  • the reference numeral 15 denotes a gas outlet member which collects the carrier gas introduced into the process chamber 2, unused process gas and reaction products. Via a gas discharge line 5, the gas outlet member 15 is connected to a flow trap 6 flow.
  • a tempering device 4 below the susceptor 17 there is a tempering device 4.
  • the gas discharge 5 is a tube which is surrounded by a sleeve with a chamber 9 through which a heat transfer fluid can flow.
  • the chamber 9 surrounds the tube of the gas discharge line 5 in the form of a cooling jacket and has an inlet 5 ', through which a temperature control medium can flow and an outlet 5 ", through which the temperature control medium can emerge Temperature of 90 ° has.
  • Cartridge having a filter medium 16 made of a porous material.
  • the exhaust gas transported through the gas discharge line 5 passes through the filter medium 16, with solid bodies located in the exhaust gas being retained there.
  • the housing of the filter device 7 is provided, for example, with a sleeve 8 through which a temperature control medium can flow.
  • the chamber of the sleeve 8 has a supply line 8 ', through which a tempering medium, which is water, can flow into the chamber 8.
  • the temperature control means can also be formed by a resistance heater, for example a heating sleeve, or quite generally by an electric heater which has a corresponding regulation
  • the tempering device can be designed as a sleeve 13, which has a chamber into which a temperature control medium can flow through an inlet 13 'and from which the temperature control medium can leave the chamber from an outlet 13 ".
  • the tempering medium can be a cooling liquid here, for example water mixed with glycol, so that the cold trap 6 can be kept at a temperature of minus 5 ° C.
  • gaseous reaction products can condense.
  • cooling coil can be arranged in the cold trap 6 but also cooling coil can be arranged.
  • the cooling coils are tubes which are helical and through which the coolant flows. There may be provided a plurality of nested coils. In the figure 1, these nested coils are indicated by the reference numeral 18.
  • Downstream of the cold trap 6 is a throttle valve 11 with a throttle valve 12, with the total pressure within the process chamber 2 can be adjusted.
  • Downstream of the throttle valve 11 is a vacuum pump 10th
  • a coating process is performed.
  • semiconductor substrates which are located on the susceptor 17 are coated with a III-V semiconductor layer.
  • process gases are conducted through the gas supply line 3 and the gas inlet element 14 into the process chamber 2.
  • the process gases react with each other and with the surface of the substrate in the process chamber, so that, for example, III-V semiconductor layers are deposited on the surface of the substrate.
  • trimethylgallium and NH 3 are introduced into the process chamber 2 together with hydrogen as the carrier gas through the gas inlet member 14.
  • GaN layers are deposited on the substrates.
  • the coatings formed during the deposition process on the walls of the process chamber 2, which in particular contain gallium, are removed in a dry chemical process.
  • an etching gas is introduced as process gas into the process chamber 2 through the gas supply line 3.
  • This process gas is preferably CI2.
  • CI2 is introduced into the reactor together with nitrogen.
  • GaCl 3 and other gallium chlorides are formed.
  • the carrier gas transports the GaCl 3 formed above its condensation temperature out of the process chamber 2, through the tempered gas discharge 5 During this transport, no condensation of the GaCl 3 takes place on the surfaces of the tube of the gas discharge line 5 or the filter medium 16 of the filter device 7. To ensure this, the gas discharge line 5 or the filter device 7 is maintained at a temperature TA at which the vapor pressure of the compound is greater than its partial pressure in the gas mixture.
  • FIG. 2 shows the vapor pressure curve of GaCl 3 .
  • ⁇ a critical temperature is referred to, in which the gaseous reaction product, ie in particular GaCl 3, condenses at the partial pressure with which it leaves the process chamber 2.
  • the operating temperature of the filter device 7 TA is higher than the critical temperature ⁇ .
  • a chemical reaction takes place, in which the etching gas reacts with solid residues on the filter medium 16.
  • Gallium-containing filter residues are converted, for example, into a gallium-chlorine compound which is gaseous and which is transported together with the carrier gas into the cold trap 6.
  • the filter medium 16 is a pore filter, for example a paper filter or a similar arrangement.
  • the purpose of the filter medium 16 is to filter out particles which form during the coating process or the cleaning process from the carrier gas stream. During the cleaning process, however, these solid residues are preferably also degraded, which increases the service life of the filter medium 16.
  • the temperature control devices 8, 9 of the filter 7 and the gas outlet 5 consist of an additional wall around the actual housing around.
  • the above-mentioned stabilizing liquid is introduced, which may be water, oils, silicones or similar substances.
  • the same stabilizing liquids are used for temperature stabilization of gas discharge line 5 and filter device 7, so that it is possible to connect the two chambers of tempering devices 8, 9 with one another.
  • the filter device 7 can also be provided with a heater regulated to the setpoint temperature TA.
  • the cold trap 6 is maintained at a temperature TB which is below the condensation temperature TK. It can be at minus 5 ° C.
  • the cleaning capacity of the cold trap 6 is designed so that the remaining critical partial pressure of the purified gas is so low that no condensates form at room temperature in the subsequent lines and in particular in the throttle valve 11 or in the pump 10.
  • the pump 10 and in particular also the throttle valve can be provided with an additional heater in order to bring the walls exposed to the exhaust gas to a temperature at which no condensation of the reaction products takes place.
  • a device characterized in that the filter device (7) is arranged upstream of the cold trap (6).
  • a device which is characterized in that the filter device (7) with a second temperature control device (8) is temperature-stabilized.
  • a device which is characterized by a in the flow direction between the cold trap (6) and pump (10) arranged throttle valve (11) for controlling the gas pressure within the process chamber (2).
  • a method which is characterized in that a hydride and an organometallic component is used for depositing the semiconductor layers as the process gas.
  • a method characterized in that the method for depositing the semiconductor layers is an MOCVD method.

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Abstract

Die Erfindung betrifft zunächst eine Vorrichtung und eine Verfahren zum Abscheiden von Halbleiterschichten, insbesondere III – V Halbleiterschichten mit einer in einem Reaktorgehäuse (1) angeordneten Prozesskammer (2), in die eine Gaszuleitung (3) mündet, durch die zusammen mit einem Trägergas ein Prozessgas in die Prozesskammer (2) einleitbar ist, mit einer ersten Temperiereinrichtung (4), mit der Betriebstemperatur der Prozesskammer (2) auf einer Prozesstemperatur stabilisierbar ist, bei der eine Reaktion des Prozessgases stattfindet, bei der sich zumindest gasförmige Reaktionsprodukte bilden, wobei die Prozesskammer (2) mit einer Gasableitung (5) mit einer Kühlfalle (6) und einer Filtereinrichtung (7) verbunden ist. Um die Effizienz eines Abgassystems bei einer gattungsgemäßen Vorrichtung zu erhöhen, wird vorgeschlagen, dass die Filtereinrichtung (7) stromaufwärts der Kühlfalle (6) angeordnet ist. Die Erfindung betrifft weiter ein Verfahren zum Reinigen einer derartigen Prozesskammer.

Description

CVD-Vorrichtung sowie Verfahren zum Reinigen einer Prozesskammer einer
CVD-Vorrichtung
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Abscheiden von Halbleiterschich- ten, insbesondere III - V Halbleiterschichten mit einer in einem Reaktorgehäuse angeordneten Prozesskammer, in die eine Gaszuleitung mündet, durch die zusammen mit einem Trägergas ein Prozessgas in die Prozesskammer einleitbar ist, mit einer ersten Temperiereinrichtung, mit der Betriebstemperatur der Prozesskammer auf einer Prozesstemperatur stabilisierbar ist, bei der eine Reaktion des Prozessgases stattfindet, bei der sich zumindest gasförmige Reaktionsprodukte bilden, wobei die Prozesskammer mit einer Gasableitung mit einer Kühlfalle und einer Filtereinrichtung verbunden ist.
Die Erfindung betrifft darüber hinaus auch ein Verfahren zum Reinigen einer derartigen Prozesskammer eines Reaktorgehäuses sowie ein Verfahren zum
Abscheiden von Halbleiterschichten, insbesondere III - V Halbleiterschichten in einer Prozesskammer eines Reaktorgehäuses, wobei durch eine in die Prozesskammer mündende Gaszuleitung ein Prozessgas in die Prozesskammer eingeleitet wird, die Prozesskammer mit einer ersten Heizeinrichtung auf eine Pro- zesstemperatur aufgeheizt wird, bei der eine Reaktion des Prozessgases stattfindet, bei der sich gasförmige und nicht gasförmige Reaktionsprodukte bilden, wobei die gasförmigen und nicht gasförmigen Reaktionsprodukte durch eine Gasableitung zu einer Kühlfalle und einer Filtereinrichtung transportiert werden, wobei die Kühlfalle eine Temperatur aufweist, bei der die gasförmigen Reaktionsprodukte kondensieren und die Filtereinrichtung die nicht gasförmigen Reaktionsprodukte aus einem Trägergasstrom ausfiltert. Beim Abscheiden von Halbleiterschichten im MOCVD- Verfahren werden Elemente der III. Hauptgruppe als metallorganische Verbindungen und Elemente der V. Hauptgruppe als Hydride in eine Prozesskammer eingeleitet. Diese Prozessgase werden in einem Gasmischsystem bereitgestellt und mit Hilfe eines Trägergases durch eine Gaszuleitung in die Prozesskammer eines Reaktorgehäuses gebracht. Sie treten durch ein Gaseinlassorgan in die Prozesskammer ein. Die Prozesskammer besitzt einen Suszeptor, auf dem eine Vielzahl von zu beschichtenden Halbleitersubstraten aufliegen. Der Suszeptor wird von einer ersten Heizeinrichtung auf eine Depositionstemperatur beheizt, bei der sich die Prozessgase im Wesentlichen pyroly tisch zerlegen. Dabei wächst auf der Substratoberfläche eine Halbleiterschicht auf. Innerhalb der Prozesskammer finden weitere Reaktionen statt, bei denen sich gasförmige und nicht gasförmige Reaktionsprodukte bilden. Diese werden vom Trägergasstrom durch eine Gasableitung aus der Prozesskammer herausgefördert. Dieses Abgas wird beim Stand der Technik dann in eine Kühlfalle geleitet, in der die gasförmigen Abgasbestandteile kondensieren. Stromabwärts der Kühlfalle befindet sich ein mechanischer Filter, beispielsweise in Form einer Papierkartusche. In dieser Filtereinrichtung werden Schwebstoffe aus dem Abgas herausgefiltert. Filtereinrichtungen an CVD-Reaktoren werden in den US 6,107,198,
US 7,871,587, US 4,608,063 und EP 0 529 982 Bl beschrieben. Ein Verfahren zum Reinigen einer Prozesskammer beschreibt die nicht vorveröffentlichte DE 10 2011 056 538.8. Das Verfahren zur Abscheidung von Halbleiterschichten im MOCVD- Verfahren wird in der DE 10 2011 002 146 AI beschrieben.
In der Halbleiterindustrie gewinnt das Reinigen von Beschichtungsanlagen, die für die LED-Herstellung verwendet werden, eine immer größere Bedeutung. Bei dem In-situ-Reinigen einer Prozesskammer einer derartigen Beschichtungs- anläge, kommt dem Abgassystem eine besondere Bedeutung zu. Speziell bei Nitrid-Prozessen, bei denen beispielsweise Galliumnitridschichten hergestellt werden, wobei Trimethylgallium und Ammoniak in die Prozesskammer eingeleitet werden, ist das Hauptproblem das Zusetzen des Filters durch Ablage- rungsprodukte. Damit wird der Wartungsaufwand unerwünscht erhöht.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, die Effizienz eines Abgassystems bei einer gattungsgemäßen Vorrichtung zu erhöhen und ein Verfahren anzugeben, mit dem sich effizienter Halbleiterschichten abscheiden lassen bzw. Prozesskammern und/ oder ein Abgassystem reinigen lassen.
Gelöst wird die Aufgabe durch die in den Ansprüchen angegebene Erfindung.
Zunächst und im Wesentlichen wird vorgeschlagen, dass die Filtereinrichtung stromaufwärts der Kühlfalle angeordnet ist.
Die Filtereinrichtung kann bei Raumtemperatur oder aber auch bei einer Temperatur höher als Raumtemperatur betrieben werden. Die Abscheidungspro- zesse oder die Reinigungsprozesse innerhalb der Prozesskammer finden bei Temperaturen von mehreren 100° C statt. Die durch die Gasableitung das Reaktorgehäuse verlassenden Abgase haben somit eine Temperatur, die oberhalb der Raumtemperatur liegt. Bevor das Abgas abkühlt, tritt es in die Filtereinrichtung. Dies ist insbesondere dann von technologisch besonderer Bedeutung, wenn der Partialdruck des gasförmigen Abgases beim Verlassen der Prozess- kammer bzw. des Reaktorgehäuses einen derartigen Wert annimmt, dass bei Raumtemperatur zumindest aber bei der Betriebstemperatur in der Filtereinrichtung keine Kondensationsprodukte anfallen. In einer Weiterbildung der Erfindung wird vorgeschlagen, dass die Filtereinrichtung mit einer zweiten Temperiereinrichtung versehen ist. Mit dieser zweiten Temperiereinrichtung kann die Filtereinrichtung auf eine derartige Temperatur gebracht bzw. bei einer derartigen Temperatur betrieben werden, bei der die ansonsten bei Raumtemperatur kondensierenden gasförmigen Abgasbestandteile nicht kondensieren. Eine Rohrverbindung zwischen Reaktorgehäuse und Filtereinrichtung kann mit einer dritten Temperiereinrichtung versehen sein, so dass die Rohrverbindung ebenfalls auf eine Temperatur stabilisierbar ist, bei der die gasförmigen Reaktionsprodukte nicht kondensieren. In einer be- vorzugten Ausgestaltung befindet sich stromabwärts der Kühlfalle ein Drosselventil, mit dem der Totaldruck in der Prozesskammer regelbar ist. Um Totaldrucke unterhalb vom Atmosphärendruck und insbesondere Drucke im Milli- bar-Bereich einstellen zu können, ist hinter dem Drosselventil eine Vakuumpumpe angeordnet. Das Verbindungsrohr zwischen Prozesskammer bzw. Re- aktorgehäuse und Filtereinrichtung sowie die Filtereinrichtung selbst werden somit auf einer Stabilisierungstemperatur gehalten, die oberhalb der Kondensationstemperatur der Abgasbestandteile liegt. Bei einem Reinigungsprozess können Chloride oder Halogenide eingesetzt werden, die sich mit parasitären Belegungen der Prozesskammer zu Galliumchlorid oder dergleichen verbinden. Als Reinigungsgas kann zum Beispiel Cl2 oder HCl verwendet werden. Es wird als vorteilhaft angesehen, dass mit dem erfindungsgemäßen Abgassystem sowohl der Depositionsprozess als auch der Reinigungsprozess effektiver wird. Durch die Temperierung des Filters können auch sich im Filter angesammelte Ablagerungen durch einen Reinigungsschritt abgetragen werden. Hierzu wird bei einer entsprechend hohen Temperatur der Filtereinrichtung das Reinigungsgas insbesondere Cl2 durch den Filter hindurchgeleitet. Bei einem MOCVD-Prozess, bei dem als Prozessgase beispielsweise Trime- thylindium und Ammoniak verwendet werden, findet eine Galliumnitridab- scheidung nicht nur auf den auf dem Suszeptor der Prozesskammer aufliegenden Substraten statt. Eine Deposition von Gallium und Stickstoff enthaltenden Schichten findet auch an anderen Stellen der Prozesskammer statt. Diese parasitäre Belegung der Prozesskammerwände muss von Zeit zu Zeit, insbesondere nach jedem Beschichtungsschritt entfernt werden. Hierzu wird ein Trockenätzverfahren verwendet, bei dem ein Ätzgas in die Prozesskammer eingeleitet wird. Dies erfolgt zusammen mit einem Trägergas, bei dem es sich um Wasser- Stoff, Stickstoff oder ein Edelgas handeln kann. Wird beispielsweise Chlor als Ätzgas verwendet, so bildet sich bei einer entsprechend hohen Prozesstemperatur an den Wänden der Prozesskammer flüchtiges Galliumchlorid, GaC , Ga2CL6, GaCl, GaCl2, Ga2Ck. Dieses gasförmige Reaktionsprodukt wird aus der Prozesskammer heraustransportiert und gelangt durch die Gasableitung zur Filtereinrichtung. Die Filtereinrichtung wird mittels einer Temperiereinrichtung auf einer Temperatur stabilisiert, bei der das Reaktionsprodukt, also die Gallium-Chlor-Verbindung nicht kondensiert. Die Temperiereinrichtung kann eine Heizung oder eine Kühleinrichtung sein. Bevorzugt besteht die Temperiereinrichtung aus einer das Gehäuse der Filtereinrichtung umgebenden, mit einer Temperierflüssigkeit gespülten Manschette. Die Temperierflüssigkeit kann
Wasser sein, mit dem die Filtereinrichtung beispielsweise auf einer Temperatur von 90° gehalten wird.
In einer bevorzugten Weiterbildung des Verfahrens wird das Ätzgas derart in die Prozesskammer eingeleitet, dass ein Anteil des Ätzgases durch die Prozesskammer hindurchströmt, um Ablagerungen in der Filtereinrichtung zu entfernen. Bei einem dem Reinigungsschritt zeitlich vorangegangenen Abscheidepro- zess werden Trimethylgallium und Ammoniak in die Prozesskammer eingelei- tet. Bei der in der Prozesskammer stattfindenden Reaktion bilden sich nicht nur gasförmige, sondern auch nicht gasförmige Reaktionsprodukte. Die gasförmigen und nicht gasförmigen Reaktionsprodukte werden mit dem Trägergas durch die Gasableitung in die Filtereinrichtung transportiert. Am Filtermedi- um, bei dem es sich um ein poröses Material handelt, werden die nicht gasförmigen und insbesondere festen Reaktionsprodukte zurückgehalten. Zufolge der Temperierung der Filtereinrichtung treten die gasförmigen Reaktionsprodukte aber durch den Filter hindurch. Sie kondensieren in der der Filtereinrichtung in Strömungsrichtung nachgeordneten Kühlfalle. Beim Reinigungsprozess wird mit Hilfe des Ätzgases auch der Filter gereinigt. Die sich am Filtermedium angesammelten festen Reaktionsprodukte, die während des Abscheideprozesses entstanden sind, werden im Reinigungsprozess in eine gasförmige chemische Verbindung umgewandelt. Beispielsweise werden Gallium- Verbindungen mittels Chlor in flüchtige Gallium-Chlor- Verbindungen gewandelt. Das flüchtige Reaktionsprodukt wird in der Kühlfalle gezielt auskondensiert.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird anhand der beigefügten Zeichnungen erläutert. Es zeigen: Fig. 1 schematisch den Aufbau einer CVD- Vorrichtung mit Abgasentsorgungseinrichtung
Fig. 2 die Dampfdruckkurve des Reaktionsproduktes (GaCl3) Die wesentlichen Elemente eines CVD-Reaktors beschreibt die Figur 1. Aus einem in den Zeichnungen nicht dargestellten Gasmischsystem tritt zusammen mit einem Trägergas ein Prozessgas durch eine Gasleitung 3 in ein Reaktorgehäuse 1 ein. Innerhalb des Reaktorgehäuses 1 befindet sich ein Gaseinlassorgan 14, welches eine Vielzahl von Gasaustrittsöffnungen aufweist, die zu einer Prozesskammer 2 weisen. Das Gaseinlassorgan 14 wird von der Gaszuleitung 3 gespeist. Die hier nicht dargestellten Gasaustrittsöffnungen weisen zur Prozesskammer 2. Der Boden der Prozesskammer 2 wird von einem Suszeptor 17 ausgebildet, auf dem ein oder mehrere zu beschichtende Substrate angeordnet sind.
Mit der Bezugsziffer 15 ist ein Gasauslassorgan bezeichnet, welches das in die Prozesskammer 2 eingeleitete Trägergas, nicht verbrauchtes Prozessgas und Reaktionsprodukte sammelt. Über eine Gasableitung 5 ist das Gasauslassorgan 15 mit einer Kühlfalle 6 strömungs verbunden.
Unterhalb des Suszeptors 17 befindet sich eine Temperiereinrichtung 4. Es handelt sich dabei um eine Heizung, beispielsweise eine RF-Heizung, eine Strah- lungsheizung oder eine Widerstandsheizung, mit der der Suszeptor 17 bzw. die gesamten Wände der Prozesskammer 2 auf eine erhöhte Temperatur aufgeheizt werden können.
Bei der Gasableitung 5 handelt es sich um ein Rohr, welches von einer Man- schette mit Kammer 9 umgeben ist, durch die eine Temperierflüssigkeit hindurchfließen kann. Die Kammer 9 umgibt das Rohr der Gasableitung 5 in Form eines Kühlmantels und besitzt einen Einlass 5', durch den ein Temperiermedium einströmen kann und einen Auslass 5", durch den das Temperiermedium austreten kann. Als Temperiermedium kann Wasser verwendet werden, wel- ches eine Temperatur von 90° besitzt.
Die Filtereinrichtung 7, die in der mit Pfeilen in der Figur 1 dargestellten Stromrichtung oberhalb einer Kühlfalle 6 angeordnet ist, besitzt im Inneren eine Fil- terkartusche, die ein Filtermedium 16 aus einem porösen Material aufweist. Das durch die Gasableitung 5 transportierte Abgas tritt durch das Filtermedium 16 hindurch, wobei sich im Abgas befindende Festkörper dort zurückgehalten werden.
Das Gehäuse der Filtereinrichtung 7 ist zum Beispiel mit einer von einem Temperiermittel durchströmbaren Manschette 8 versehen. Die Kammer der Manschette 8 besitzt eine Zuleitung 8', durch die ein Temperiermedium, bei dem es sich um Wasser handelt, in die Kammer 8 hineinströmen kann. Durch den Aus- gang 8" kann das Temperiermedium die Kammer wieder verlassen. Alternativ dazu kann das Temperiermittel aber auch von einer Widerstandsheizung, beispielsweise einer Heizmanschette ausgebildet sein oder ganz allgemein von einer elektrischen Heizung, die eine entsprechende Regelung aufweist. Die Kühlfalle 6 besitzt ein Gehäuse, welches ebenfalls eine Temperiereinrichtung aufweist. Auch hier kann die Temperiereinrichtung als Manschette 13 ausgebildet sein, die eine Kammer aufweist, in die durch einen Einlass 13' ein Temperiermedium einströmen kann und aus der aus einem Auslass 13" das Temperiermedium die Kammer verlassen kann. Das Temperiermedium kann hier eine Kühlflüssigkeit sein, beispielsweise mit Glykol versetztes Wasser, so dass die Kühlfalle 6 auf einer Temperatur von Minus 5° C gehalten werden kann. In der Kühlfalle 6 können gasförmige Reaktionsprodukte kondensieren. In der Kühlfalle 6 können aber auch Kühlwendel angeordnet sein. Bei den Kühlwendeln handelt es sich um Rohre, die wendelgangförmig verlaufen und durch die das Kühlmittel fließt. Es können mehrere ineinander geschachtelte Wendeln vorgesehen sein. In der Figur 1 sind diese ineinander geschachtelten Wendeln mit der Bezugsziffer 18 angedeutet. Stromabwärts der Kühlfalle 6 befindet sich ein Drosselventil 11 mit einer Drosselklappe 12, mit der der Totaldruck innerhalb der Prozesskammer 2 eingestellt werden kann. Stromabwärts des Drosselventils 11 befindet sich eine Vakuumpumpe 10.
In der Prozesskammer 2 eines Reaktorgehäuses wird ein Beschichtungsprozess durchgeführt. Dabei werden Halbleitersubstrate, die sich auf dem Suszeptor 17 befinden mit einer III - V Halbleiterschicht beschichtet. Mittels eines Trägerga- ses werden Prozessgase durch die Gaszuleitung 3 und das Gaseinlassorgan 14 in die Prozesskammer 2 geleitet. Die Prozessgase reagieren in der Prozesskammer miteinander und mit der Oberfläche des Substrates, so dass auf der Oberfläche des Substrates beispielsweise III-V-Halbleiterschichten abgeschieden werden. Insbesondere werden durch das Gaseinlassorgan 14 Trimethylgallium und NH3 zusammen mit Wasserstoff als Trägergas in die Prozesskammer 2 eingeleitet. Dort scheiden sich auf den Substraten GaN-Schichten ab. Nach dem Produktionslauf, also dem Depositionsprozess werden die Substrate aus der Prozesskammer 2 des Reaktorgehäuses 1 entfernt. Die sich beim Depositionsprozess an den Wänden der Prozesskammer 2 gebildeten Beschichtungen, die insbesondere Gallium enthalten, werden in einem trockenchemischen Verfahren entfernt. Hierzu wird in die Prozesskammer 2 durch die Gaszuleitung 3 ein Ätzgas als Prozessgas eingeleitet. Bei diesem Prozessgas handelt es sich bevorzugt um CI2. CI2 wird zusammen mit Stickstoff in den Reaktor eingeleitet. Bei einer erhöhten Temperatur innerhalb der Prozesskammer 2 bildet sich GaCl3 und andere Galliumchlorverbindungen.
Das Trägergas transportiert das gebildete GaCl3 oberhalb seiner Kondensationstemperatur aus der Prozesskammer 2, durch die temperierte Gasableitung 5 hindurch in die temperierte Filtereinrichtung 7. Während dieses Transports findet keine Kondensation des GaCl3 an den Oberflächen des Rohres der Gasableitung 5 bzw. dem Filtermedium 16 der Filtereinrichtung 7 statt. Um dies zu gewährleisten wird die Gasableitung 5 bzw. die Filtereinrichtung 7 auf einer Temperatur TA gehalten, bei der der Dampfdruck der Verbindung größer ist als dessen Partialdruck in der Gasmischung.
Die Figur 2 zeigt die Dampfdruckkurve von GaCl3. Mit Τκ ist eine kritische Temperatur bezeichnet, bei der das gasförmige Reaktionsprodukt, also insbe- sondere GaCl3 bei dem Partialdruck kondensiert, mit dem es die Prozesskammer 2 verlässt. Die Betriebstemperatur der Filtereinrichtung 7 TA ist höher als die kritische Temperatur Τκ.
Innerhalb der Filtereinrichtung 7 findet eine chemische Reaktion statt, bei der das Ätzgas mit Festkörperrückständen auf dem Filtermedium 16 reagiert. Gallium enthaltende Filterrückstände werden beispielsweise in eine Gallium- Chlor- Verbindung gewandelt, die gasförmig ist und die zusammen mit dem Trägergas in die Kühlfalle 6 transportiert wird. Bei dem Filtermedium 16 handelt es sich um einen Porenfilter, beispielsweise einen Papierfilter oder eine ähnliche Anordnung. Das Filtermedium 16 hat die Aufgabe, Teilchen, die sich während des Beschichtungsprozesses oder des Reinigungsprozesses bilden, aus dem Trägergasstrom herauszufiltern. Während des Reinigungsprozesses werden diese festen Rückstände aber bevorzugt eben- falls abgebaut, womit sich die Lebensdauer des Filtermediums 16 erhöht.
Die Temperierungseinrichtungen 8, 9 des Filters 7 bzw. der Gasableitung 5 bestehen aus einer zusätzlichen Wandung um das eigentliche Gehäuse herum. In den Zwischenraum zwischen der Wandung des Gehäuses und der zusätzlichen Wandung wird die oben erwähnte Stabilisierungsflüssigkeit eingebracht, bei der es sich um Wasser, Öle, Silikone oder ähnliche Stoffe handeln kann. Vorzugsweise werden zur Temperaturstabilisierung von Gasableitung 5 und Filter- einrichtung 7 dieselben Stabilisierungsflüssigkeiten verwendet, so dass sich die Möglichkeit anbietet, die beiden Kammern der Temperiereinrichtungen 8, 9 miteinander zu verbinden. Alternativ kann insbesondere die Filtereinrichtung 7 auch mit einer auf die Solltemperatur TA geregelten Heizung versehen werden. Die Kühlfalle 6 wird auf einer Temperatur TB gehalten, die unterhalb der Kondensationstemperatur TK liegt. Sie kann bei Minus 5° C liegen. Die Reinigungskapazität der Kühlfalle 6 ist so ausgelegt, dass der verbleibende kritische Parti- aldruck des gereinigten Gases so gering ist, dass sich bei Raumtemperatur in den nachfolgenden Leitungen und insbesondere im Drosselventil 11 oder in der Pumpe 10 keine Kondensate bilden.
Die Pumpe 10 und insbesondere auch das Drosselventil können aber mit einer zusätzlichen Heizung versehen sein, um die dem Abgas ausgesetzten Wände auf eine Temperatur zu bringen, bei der keine Kondensation der Reaktionspro- dukte stattfindet.
Die vorstehenden Ausführungen dienen der Erläuterung der von der Anmeldung insgesamt erfassten Erfindungen, die den Stand der Technik durch die folgenden Merkmalskombinationen jeweils eigenständig weiterbilden, nämlich:
Eine Vorrichtung, die dadurch gekennzeichnet ist, , dass die Filtereinrichtung (7) stromaufwärts der Kühlfalle (6) angeordnet ist. Eine Vorrichtung, die dadurch gekennzeichnet ist, dass die Filtereinrichtung (7) mit einer zweiten Temperiereinrichtung (8) temperaturstabilisierbar ist.
Eine Vorrichtung, die dadurch gekennzeichnet ist, dass die Gasableitung eine Rohrleitung aufweist, durch die die zumindest gasförmigen Reaktionsprodukte mittels des Trägergases von der Prozesskammer (2) zur Filtereinrichtung (7) transportiert werden, die mit einer dritten Temperiereinrichtung (9) temperaturstabilisierbar ist. Eine Vorrichtung, die gekennzeichnet ist durch eine in Stromrichtung der Kühlfalle (6) nachgeordnete Vakuumpumpe (10).
Eine Vorrichtung, die gekennzeichnet ist durch ein in Stromrichtung zwischen Kühlfalle (6) und Pumpe (10) angeordnetes Drosselventil (11) zur Regelung des Gasdrucks innerhalb der Prozesskammer (2).
Ein Verfahren, das dadurch gekennzeichnet ist, dass die stromaufwärts der Kühlfalle (6) angeordnete Filtereinrichtung (7) auf einer Temperatur gehalten wird, bei der die gasförmigen Reaktionsprodukte nicht kondensieren.
Ein Verfahren, das dadurch gekennzeichnet ist, dass zum Abscheiden der Halbleiterschichten als Prozessgas ein Hydrid und eine metallorganische Komponente verwendet wird. Ein Verfahren, das dadurch gekennzeichnet ist, dass zum Reinigen der Prozesskammer (2) Chloride, Chlor oder Halogenide verwendet werden. Ein Verfahren, das dadurch gekennzeichnet ist, dass der Partialdruck des gasförmigen Reaktionsproduktes derart gewählt ist, dass die gasförmigen Reaktionsprodukte beim Verlassen des Reaktorgehäuses (1) bei Raumtemperatur keine Kondensationsprodukte bilden.
Ein Verfahren, das dadurch gekennzeichnet ist, dass das Verfahren zum Abscheiden der Halbleiterschichten ein MOCVD- Verfahren ist.
Alle offenbarten Merkmale sind (für sich, aber auch in Kombination unterein- ander) erfindungswesentlich. In die Offenbarung der Anmeldung wird hiermit auch der Offenbarungsinhalt der zugehörigen/ beigefügten Prioritätsunterlagen (Abschrift der Voranmeldung) vollinhaltlich mit einbezogen, auch zu dem Zweck, Merkmale dieser Unterlagen in Ansprüche vorliegender Anmeldung mit aufzunehmen. Die Unteransprüche charakterisieren mit ihren Merkmalen eigenständige erfinderische Weiterbildungen des Standes der Technik, insbesondere um auf Basis dieser Ansprüche Teilanmeldungen vorzunehmen.
B ezugszeichenliste
1 Reaktorgehäuse
2 Prozesskammer
3 Gaszuleitung
4 Temperiereinrichtung
5 Gasableitung 5' Einlass 5" Auslass
6 Kühlfalle
7 Filtereinrichtung
8 Temperiereinrichtung 8' Zuleitung 8" Ausgang
9 Temperiereinrichung
10 Vakuumpumpe
11 Drosselventil
12 Drosselklappe
13 Temperiereinrichtung 13' Einlass 13" Auslass
14 Gaseinlassorgan
15 Gasauslassorgan
16 Filtermedium
17 Suszeptor
18 Kühl wendel
TA Temperatur
TK kritische Temperatur
TB Temperatur

Claims

ANSPRÜCHE
Vorrichtung zum Abscheiden von Halbleiterschichten, insbesondere III - V Halbleiterschichten mit einer in einem Reaktorgehäuse (1) angeordneten Prozesskammer (2), in die eine Gaszuleitung (3) mündet, durch die zusammen mit einem Trägergas ein Prozessgas in die Prozesskammer (2) einleitbar ist, mit einer ersten Temperiereinrichtung (4), mit der Betriebstemperatur der Prozesskammer (2) auf einer Prozesstemperatur stabilisierbar ist, bei der eine Reaktion des Prozessgases stattfindet, bei der sich zumindest gasförmige Reaktionsprodukte bilden, wobei die Prozesskammer (2) mit einer Gasableitung (5) mit einer Kühlfalle (6) und einer Filtereinrichtung (7) verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Filtereinrichtung (7) stromaufwärts der Kühlfalle (6) angeordnet ist.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Filtereinrichtung (7) mit einer zweiten Temperiereinrichtung (8) temperaturstabili- sierbar ist.
3. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche, da- durch gekennzeichnet, dass die Gasableitung eine Rohrleitung aufweist, durch die die zumindest gasförmigen Reaktionsprodukte mittels des Trägergases von der Prozesskammer (2) zur Filtereinrichtung (7) transportiert werden, die mit einer dritten Temperiereinrichtung (9) temperaturstabili- sierbar ist.
4. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche, gekennzeichnet durch eine in Stromrichtung der Kühlfalle (6) nachgeordnete Vakuumpumpe (10).
Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche, gekennzeichnet durch ein in Stromrichtung zwischen Kühlfalle (6) und Pumpe (10) angeordnetes Drosselventil (11) zur Regelung des Gasdrucks innerhalb der Prozesskammer (2).
Verfahren zum Reinigen einer Prozesskammer eines Reaktorgehäuses o- der zum Abscheiden von Halbleiterschichten, insbesondere III - V Halbleiterschichten in der Prozesskammer (2), wobei durch eine in die Prozesskammer mündende Gaszuleitung (3) zusammen mit einem Trägergas ein Prozessgas in die Prozesskammer (2) eingeleitet wird, die Prozesskammer (2) mit einer ersten Temperiereinrichtung (4) auf einer Prozesstemperatur temperiert wird, bei der eine Reaktion des Prozessgases stattfindet, bei der sich zumindest gasförmige Reaktionsprodukte bilden, wobei die zumindest gasförmigen Reaktionsprodukte durch eine Gasableitung
(5) zu einer Kühlfalle (6) und einer Filtereinrichtung (7) transportiert werden, wobei die Kühlfalle (6) eine Temperatur aufweist, bei der die gasförmigen Reaktionsprodukte kondensieren und die Filtereinrichtung (7) eventuelle nicht gasförmige Reaktionsprodukte aus dem Trägergasstrom ausfiltert, dadurch gekennzeichnet, dass die stromaufwärts der Kühlfalle
(6) angeordnete Filtereinrichtung
(7) auf einer Temperatur gehalten wird, bei der die gasförmigen Reaktionsprodukte nicht kondensieren.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass zum Abscheiden der Halbleiterschichten als Prozessgas ein Hydrid und eine metallorganische Komponente verwendet wird.
8. Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass zum Reinigen der Prozesskammer (2) Chloride, Chlor oder Halogenide verwendet werden.
9. Verfahren nach Anspruch 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Parti- aldruck des gasförmigen Reaktionsproduktes derart gewählt ist, dass die gasförmigen Reaktionsprodukte beim Verlassen des Reaktorgehäuses (1) bei Raumtemperatur keine Kondensationsprodukte bilden.
10. Verfahren nach Anspruch 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren zum Abscheiden der Halbleiterschichten ein MOCVD- Verfahren ist.
11. Vorrichtung oder Verfahren, gekennzeichnet durch eines oder mehrere der kennzeichnenden Merkmale eines der vorhergehenden Ansprüche.
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