DE2054538C3

DE2054538C3 - Vorrichtung zum Abscheiden von Schichten aus Halbleitermaterial

Info

Publication number: DE2054538C3
Application number: DE2054538A
Authority: DE
Inventors: Erhard Dipl.-Ing. 8011 Poing Sussmann
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1970-11-05
Filing date: 1970-11-05
Publication date: 1979-03-22
Also published as: IT939155B; GB1328584A; CA948075A; DE2054538A1; DE2054538B2; FR2113442A5; US3735727A; SE363246B; NL7115280A

Description

Gegenstand der Erfindung ist eine Vorrichtung zum Abscheiden von Schichten aus Halbleitermaterial aus einem Reaktionsgas entsprechend dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Ein solche Vorrichtung ist in der DE-OS 16 19 999 beschrieben. Jedoch wurde im Laufe der Erprobung solcher Vorrichtungen festgestellt, daß trotz aller Vorsicht noch gewisse Ungleichmäßigkeiten der erhaltenen Halbleiterschichten auftreten, was auf die bei der bekannten Vorrichtung verwendete Art der Abfuhr des verbrauchten Reaktionsgases zuzuschreiben ist

Deshalb wird erfindungsgemäß eine dem Oberbegriff des Anspruchs 1 entsprechende Vorrichtung mit den Merkmalen des Kennzeichens dieses Anspruchs 1 ausgestattet

Die Gefahr einer unerwünschten Abscheidung von Halbleitermaterial wird erfahrungsgemäß um so größer, je größer die Strömungsgeschwindigkeit des abströmenden Gases wird. In den Engpässen der Gasaustrittsöffnungen ist diese Gefahr besonders groß, was zur Entstehung von Störkeimen an den Austrittsstellen führen kann, die dann auf die zu beschichtenden Halbleiterscheiben fallen können, wenn die Gasaus-

trittsöffnungen entsprechend den bekannten Ausgestaltungen sich unmittelbar im Deckel des zylindrischen Reaktionsgefäßes befinden. Der aus der deutschen Patentschrift 12 97 086 ersichtliche Versuch, dies mit Hilfe eines Schirms zu verhindern, hat sich hinsichtlich s der Gasströmung im Reaktionsraum und der Gleichförmigkeit der Zu- und Abfuhr von Reaktionsgas (Auftreten von inkonstanten Stauerscheinungen) als ungünstig erwiesen.

Bei der erfindungsgemäßen Anordnung erfährt das Abgas beim Verlassen des Reaktionsraums zunächst keinen größeren Strömungswiderstand. Dieser ist vielmehr erst beim Obertritt von der inneren Austrittskammer in die äußere Aastrittskammer gegeben. Dort ist die Gefahr der unerwünschten Abscheidung am größten. Andererseits ist aber diese Stelle außerhalb des eigentlichen Reaktionsraums angeordnet, so daß dort entstehende Störkeime nicht auf die am Boden des Reaktionsgefäßes angeordneten, zu beschichtenden Halbleiterscheiben herabfallen können. Eine gleichförmige Verteilung der Austrittsöffnungen aus dem Reaktionsraum, insbesondere deren Ausgestaltung zu einem höchstens von einigen äquidistant zueinander angeordneten Abstandsstücken unterbrochenen azimutalen (= horizontalen) ringförmig geschlossenen Schlitz, sorgt für einen gleichförmigen Abzug des verbrauchten Gases in die innere Abzugskammer. Für eine gleichförmige Abfuhr ist außerdem wichtig, daß auch die den höheren Strömungswiderstand aufweisenden öffnungen zwischen den beiden Austrittskammern eine gleichförmige Verteilung längs einer Ringzone in der Wandung zwischen den beiden Austrittskammern erhalten. Das in die äußere Austrittskammer einmündende Gasabzugsrohr ist hingegen unkritisch; ein in ihm angebrachtes einstellbares Ventil läßt — je nach Bedarf — eine größere oder kleinere Strömung des abziehenden Gases zu. Der gesamte Strömungswiderstand der Austrittsstelle für das verbauchte Reaktionsgas soll zwar so sein, daß das Gas zwischen den beiden Austrittskartmern einen wesentlich größeren, etwa 20-lOOmal größeren Strömungswiderstand als beim Übergang vom Reaktionsraum in die innere Austrittskammer erfährt Es hängt aber jeweils von den gewünschten Reaktionsbedingungen, insbesondere auch von der gewünschten mittleren Verweilzeit des Reaktionsgases im Reaktionsraum ab, ob man den totalen Strömungswiderstand der Gasaustrittsstelle groß oder klein einstellt Das bereits erwähnte Ventil zur Einstellung des Abflußwiderstandes in dem — zweckmäßig weiten — Cnsabzugsrohr von der äußeren Austrittskammer stellt hier ein einfaches Einstellmittel dar, so daß es sich empfiehlt den Strömungswiderstand vom Reaktionsraum bis in die äußere Austrittskammer nicht zu groß zu wählen.

Der Betrieb der Anordnung erfolgt zweckmäßig unter den Gesichtspunkten, wie sie bereits in den deutschen Patentschriften 12 62 244 und 12 97 086 dargestellt sind. Der Druck des einströmenden Reaktionsgases wird in dem Zuführungsrohr so gewählt daß das Reaktionsgas trotz des durch das abziehende Gas gegebenen Widerstandes die am Böden des Reäktionsgefäßes angeordneten Halbleiterscheiben mit Sicherheit erreicht Dabei empfiehlt es sich entsprechend den Ausführungen der deutschen Patentschrift 12 62 244, wenn das frische Reaktionsgas mit einer Reynoldszahl es von höchstens - 50, insbesondere von höchstens - 40, in den Reaktionsraum n'tn Einströmen gebracht wird. Ferner empfiehlt es sich, wenn gemäß den Ausführungen der deutschen Patentschrift 12 97 086 das Gaszuführungsrohr schwenkbar ausgestaltet ist, so daß die Eintrittsstelle für das frische Reaktionsgas längs einer oberhalb der zu beschichtenden Halbleiterscheiben verlaufenden, der Peripherie der eine Radialsymmetrie in bezug auf ihr Zentrum aufweisenden, durch die Gesamtheit der anwesenden Halbleiterscheiben vorgegebenen Gesamtabscheidungsfläche angepaßten Bahn derart geführt wird, daß das durch Orthogonalprojektion dieser Eintrittsstelle auf die Gesamtabscheidungsfläche entstehende Bild längs einer Bahn auf der Gesamtabscheidungsfläche um so langsamer wird, je weiter der betreffende Bahnpunkt vom Zentrum der Gesamtabscheidungsfläche entfernt ist und daß außerdem gleichen radialen Abstand vom Zentrum der Gesamtabscheidungsfläche aufweisende Punkte der Bildbahn vom Bild über die Gesarntabscheidungszeit betrachtet gleichhäufig durchlaufen werden.

Ein Beispiel einer Anordnung gemäß der Erfindung ist in der Figur dargestellt

Der zylindrische Raktionraum i wird unten von einem topfförmigen Unterteil 2 und einem zylindrischen Oberteil 3 umschlossen. Diese Teile bestehen zweckmäßig aus Quarz. Oben wird der Reaktionsraum von einem Deckel 4, z. B. aus Edelstahl, abgeschlossen. Durch diesen Deckel ist das noch zu beschreibende Zuführungsrohr für das frische Reaktionsgas geführt. Außerdem ist in ihm ein zur Temperaturmessung an den zu beschichtenden Halbleiterscheiben mittels eines Pyrometers erforderliches Sichtfenster 12 aus Quarz eingelassen.

Die zu beschichtenden Scheiben 5 sind am Boden des topfförmigen Unterteils 2 angeordnet Die Beheizung der Scheiben erfolgt von unten, wobei die erforderliche Wärme von einem stromdurchflossenen Heizelement 6 über eine Wärmeausgleichsplatte 7 erfolgt Das Unterteil 2 des Reaktionsraums 1 sowie die Heizvorrichtung 6, 7 befinden sich zweckmäßig in einem gekühlten Heizertopf 8 aus Metall.

Die Zufuhr für das frische Reaktionsgas erfolgt über da.« zentral durch den Metalldeckel 4 geführte Gaszuführungsrohr 9. Es ist in dem Deckel zweckmäßig schwenkbar angeordnet, wobei natürlich für die entsprechenden, den Austritt des Reaktionsgases an der Durchführungsstelle verhindernde Dichtungen 11 aus chemisch und thermisch widerstandsfähigem elastischem Material gesorgt ist. Hinsichtlich der näheren Ausgestaltung der Gaseintrittsstelle 9 kann auf die obenerwähnten deutschen Patentschriften hingewiesen werden.

Wie aus der Figur ersichtlich, ragt der Deckel 4 rings über die Wandung 3 des zylindrischen Reaktionsgefäßes hinaus. Von seiner Peripherie erstreckt sich eine ringförmige Wand 13 nach unten, welche die äußere Begrenzung der äußeren ringförmigen Austrittskammer

14 bildet In diese Wand 13 ist das Gasabzugsrohr 23 eingelassen. Eine zweite ringförmige Wand 15 erstreckt sich weiter innen und ist einerseits dicht mit dem Deckel 4, andererseits ar ihrem unteren Rand dicht mit der bereits erwähnten Wand 13 verbunden. Auf diese Weise wird die äußere Aüstfittskämmer 14 gebildet Die Wand

15 enthält eine Anzahl äquidistanter Löcher 16, welche die Verbindung zwischen dem Inneren der äußeren Austrittskammer 14 und der zwischen der Wand 15 und der Wand 3 des Reaktionsraums 1 angeordneten inneren Austrittskammer 17 bildet Diese ist ebenfalls gegenüber dem Außenraum durch entsprechende Wandteile hermetisch abgeschlossen und weist nur eine

Verbindung zu der äußeren Austrittskammer 14 und zum Reaktionsraum 1 auf.

Diese Verbindung zwischen dem Reaktionsraum 1 und der inneren ringförmigen Austrittskammer 17 befindet sich unmittelbar unterhalb des Deckels 4. Sie besteht aus einem oder mehreren azimutalen Schlitzen 18, deren Gesamtströmungswiderstand im Vergleich zu dem der öffnungen 16 erheblich kleiner, d. h. mindestens um einen Faktor 1/5, vorzugsweise 1/20-1/100, eingestellt ist Sowohl die Öffnungen 18 als auch die Öffnungen 16 sind jeweils gleich gestaltet und dimensioniert.

Der höhere Strömungswiderstand zwischen den beioen Austrittskammern im Vergleich zu dem zwischen der inneren Austrittskammer und dem Reaktionsraum läßt sich einmal erreichen, indem man die Öffnungen 18 entsprechend grauer als die öffnungen 16 wählt und/oder entsprechend mehr öffnungen 18 im Vergleich zu den öffnungen 16 vorsieht. Die Anordnung

s der öffnungen 18 unmittelbar unterhalb des Deckels 4 sorgt dafür, daß im Reaktionsraum hinsichtlich der Gasströmung keine Toträume gebildet sind. Auf jeden Fall müssen die öffnungen 18 oberhalb der Eintrittsstelle für das frische Reaktionsgas, also der Einmündung des

GaszufUhrunjesrohres 9, angeordnet sein. Desgleichen müssen die Öffnungen 18 oberhalb der Öffnungen 16 angeordnet sein, so daß das in der Kammer 17 fließende verbrauchte Reaktionsgas etwas nach unten strömen muß.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

L Vorrichtung zum Abscheiden von Schichten aus Halbleitermaterial aus einem Reaktionsgas auf der Oberfläche von Halbleiterscheiben, die am Boden s eines vertikalzylindrischen Reaktionsgefäßes angeordnet sind, mit einer unterhalb des Bodens befindlichen Wärmequelle, einem in den unteren Teil des Reaktionsraums ragenden, schwenkbaren Zuführungsrohr und einer am oberen Ende des to Reaktionsgefäßes angebrachten Austrittseinrichtung für das verbrauchte Reaktionsgas, dadurch gekennzeichnet, daß die Austrittseinrichtung aus zwei konzentrisch zueinander und zum Reaktionsraum (I) angeordneten, hinsichtlich der Strö- t5 mung des verbrauchten Reaktionsgases hintereinandergeschalteten ringförmigen Austrittskammern (17) bzw. (14) mit Öffnungen (18) bzw. (16) in der Wand (3) zwischen dem Reaktionsraum (1) und der inneren Aii^trittskammer (17) und in der Wand (15) zwischen den beiden Austrittskammern (17,14) und einem an die äußere Austrittskammer (14) angeschlossenen Gasabzugsrohr (23) besteht, wobei die vom Reaktionsraum (1) in die innere Austrittskammer (17) führenden Öffnungen (18) oberhalb der Verbindungsöffnungen (16) zwischen den beiden konzentrischen Austrittskammern (17,16) angeordnet sind, und daß der gesamte Strömungswiderstand der Öffnungen (18) kleiner als der gesamte Strömungswiderstand der Öffnungen (16) eingestellt ist
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Öffnungen (18) und die öffnungen (16) längs je einer azimutalen Ringzone in den Wandungen (3) bzw. (15) angeoi Jnet sind.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Öffnungen (18) und die Öffnungen (16) jeweils gleich dimensioniert und zueinander äquidistant angeordnet sind.
4. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Anzahl der Öffnungen (18) größer als die der Öffnungen (16) ist
5. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1, 2 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß die einzelnen Öffnungen (18) größer als die einzelnen Öffnungen (16) sind.
6. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dal;) der gesamte Strömungswiderstand für das verbrauchte Reaktionsgas zwischen den beiden Austritt! kammern (17,14) um einen Faktor von mindestens 5 — vorzugsweise um so einen Faktor von 20 bis ICO — größer als der Strömungswiderstand zwischen dem Reaktionsraum (1) und der inneren Austrittsk immer (17) eingestellt ist
7. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Strömungswiderstand im Gasabzugsrohr (23) für das aus der äußeren Austrittskammer (14) abströmende Gas durch ein Ventil regelbar ist, und daß der Strömungswiderstand bei geöffnetem Ventil so klein eingestellt ist, daß der gesamte Strömungswiderstand praktisch durch den Strömungswidenitand zwischen den beiden Austrittskammern (14,17) festgelegt ist.
8. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daB< die Öffnungen (18) es horizontale Schlitze sind, die sich zu einem lediglich durch lokale Abstandsstücke zwischen dein Deckel (4) des Reaktionsgefäßes und dem oberen Rand der zylindrischen Wand (3) des Reaktionsraumes (1) unterbrochenen horizontalen Ringschlitz ergänzen.
9. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die öffnungen (18) unmittelbar am oberen Ende des Reaktionsraumes (1) angeordnet sind.
10. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Austriuskammern (14,17) nach oben durch den über die Wandung (3) des Reaktionsraumes (1) radial hinausragenden Deckel (4) des Reaktionsgefäßes abgeschlossen sind.
11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die äußere Austrittskammer von zwei sich vom Deckel (4) des Reaktionsgefäßes nach unten erstreckenden, konzentrisch zueinander und zum Reaktionsraum angeordneten ringförmigen Wandungen (13, 15) gebildet ist, indem diese Wandungen an ihrem unteren Rand hermetisch miteinander verbunden sind und an der äußeren Wandung (13) das Gasabzugsrohr (23) befestigt ist
12. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Wandung (2,3) des Reaktionsraumes (1) aus Quarz und der Deckel (4) des Reaktionsgefäßes aus Metall besteht
13. Vorrichtung nach Anspruch 11 und 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Wandung (13, 15) der äußeren Austrhskammer (14) aus dem gleichen Material wie der Deckel (4) des Reaktionsgefäßes besteht
14. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß die innere Austrittskammer (17) nach unten durch einen Dichtungsring (19) aus thermisch und chemisch widerstandsfähigem elastischem Material abgedichtet ist
15. Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß der Dichtungsring (19) mittels einer aus Metall bestehenden Ringscheibe (20) und einer Halte- und Spanneinrichtung (21,22) gegen die Wand (3) des Reaktionsraume? (1) und gegen die Innenwand der äußeren Austrittskammer (14) gepreßt ist