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Dokumentenidentifikation DE60006095T2 19.08.2004
EP-Veröffentlichungsnummer 0001173632
Titel REAKTORKAMMER FÜR EINEN EPITAXIEREAKTOR
Anmelder LPE S.p.A., Ospiate di Bollate, Mailand/Milano, IT
Erfinder PRETI, Franco, I-20133 Milano, IT;
OGLIARI, Vincenzo, I-26010 Capergnanica, IT;
TARENZI, Giuseppe, I-20072 Castiglione d'Adda, IT
Vertreter HOFFMANN · EITLE, 81925 München
DE-Aktenzeichen 60006095
Vertragsstaaten AT, BE, CH, CY, DE, DK, ES, FI, FR, GB, GR, IE, IT, LI, LU, MC, NL, PT, SE
Sprache des Dokument EN
EP-Anmeldetag 17.03.2000
EP-Aktenzeichen 009205071
WO-Anmeldetag 17.03.2000
PCT-Aktenzeichen PCT/EP00/02364
WO-Veröffentlichungsnummer 0000058533
WO-Veröffentlichungsdatum 05.10.2000
EP-Offenlegungsdatum 23.01.2002
EP date of grant 22.10.2003
Veröffentlichungstag im Patentblatt 19.08.2004
IPC-Hauptklasse C30B 25/14
IPC-Nebenklasse C23C 16/44   

Beschreibung[de]

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Verbesserung der Reaktionskammer eines epitaktischen Reaktors, der mittels einer chemischen Gasphasenreaktion eine Abscheidung auf Substrate aus kristallisiertem Material durchführt. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung eine verbesserte Reaktionskammer für einen epitaktischen Reaktor, der die Abscheidung von Halbleitermaterialien auf monokristalline Substrate ausführt, die aus den gleichen Materialien bestehen, und insbesondere das epitaktische Wachstum oder die epitaktische Züchtung mittels der Abscheidung von Haltleitersilizium auf Substrate aus dem gleichen Material.

Die Technik der epitaktischen Züchtung von Monokristallen auf Substraten aus dem gleichen Material ist bereits seit Jahrzehnten bekannt und für die Erstellung von elektronischen Halbleitereinrichtungen und insbesondere für die Erstellung von Siliziumsubstraten oder "Wafern" weit verbreitet, die bei der Herstellung von Chips mit integrierten Schaltkreisen verwendet werden sollen.

Für diese epitaktische Siliziumzüchtung wird ein extensiver Gebrauch gemacht von der chemischen Gasphasenabscheidung (chemical vapour deposition, CVD), die durch die Pyrolyse von gasförmigen Verbindungen aus Silizium, auch bezeichnet als Siliziumquellengasen, erzielt wird, wie beispielsweise Silan (SiH4), Monochlorsilan (SiH3Cl), Dichlorsilan (SiH2Cl2), Trichlorsilan (SiHCl4) und Siliziumtetrachlorid (SiCl4) in einer Wasserstoffatmosphäre. Um diese Pyrolyse durchzuführen, werden epitaktische Reaktoren verwendet, die im Wesentlichen aus einer Gasglocke oder Vakuumglocke aus einem isolierenden und transparenten Material gebildet sind, die eine Halterung und eine Heizvorrichtung für Siliziumwafer einschließt, die durch einen Suszeptor aus einem mit Siliziumkarbid verkleideten Graphit gebildet wird, der mit im Wesentlichen scheibenförmigen Hohlräumen versehen ist, die die Siliziumwafer aufnehmen, und der erhitzt wird, indem in ihm Ströme mittels einer Spule induziert werden, die die Quarzvakuumglocke von außen umgibt. Die Suszeptoren können verschiedene Gestalten haben, beispielsweise können sie scheibenförmig sein oder die Form eines Pyramidenstumpfes haben, und hier wird Bezug genommen auf die Suszeptoren in Form eines Pyramidenstumpfes.

Reaktoren mit einem Suszeptor in Form eines Pyramidenstumpfes innerhalb einer Quarzvakuumglocke sind seit langer Zeit bekannt und beispielsweise im italienischen Patent Nr. 1 215 444 und dem entsprechenden europäischen Patent Nr. 293 021 offenbart.

Es ist bekannt, dass bei diesen Reaktoren die Geschwindigkeit der Abscheidung des Siliziums auf einem Substrat, das ebenfalls aus Silizium besteht, wenn alle anderen Bedingungen gleich sind, mehr oder weniger direkt von der Strömungsgeschwindigkeit der oben erwähnten Siliziumquellengase über die Oberflächen der Substrate hinüber abhängt, die bei Temperaturen gehalten werden, welche eine Pyrolyse dieser Gase induziert, so dass Siliziumabscheidungen gebildet werden. Wie im italienischen Patent Nr. 1 231 547 und der entsprechenden veröffentlichten Anmeldung zum europäischen Patent Nr. 0 415 191 im Namen des Eigentümers der vorliegenden Anmeldung diskutiert ist, erzeugte ein in einer zylindrischen Vakuumglocke mit einer darüber angeordneten halbkugelförmigen Kuppel eingeschlossener Suszeptor in Form eines Pyramidenstumpfes Strömungsgeschwindigkeiten für Siliziumquellengase, die in der Mitte der Seitenflächen des Suszeptors minimal waren, wo der Abstand zwischen den Seitenflächen und der benachbarten zylindrischen Wand der Vakuumglocke am größten war, und maximal in der Nähe der Ecken, die benachbarte Flächen des Suszeptors trennen, wo der Abstand zwischen diesen Flächen und der Wand der Vakuumglocke am kleinsten war. Um diese Variationen der Abscheidungsgeschwindigkeit und die daraus folgenden Variationen der Abscheidungsdicke zu vermeiden, wurde in dem oben erwähnten italienischen Patent Nr. 1 231 547 daran gedacht, die Ecken des Suszeptors in Richtung der Wand der Vakuumglocke mit Vorsprüngen zu versehen, die die Strömungsgeschwindigkeit der Gase in der Nähe dieser Vorsprünge auf Null oder fast Null reduzieren würden und die Geschwindigkeit über jede Fläche des Suszeptors hinüber zwischen den Vorsprüngen und der Wand der Vakuumglocke mehr oder weniger gleichmäßig machen würden. Die zu diesem Zweck ausgebildeten Vorsprünge sind in dem oben erwähnten Patent in den 8 bis 19 gezeigt, die Vorsprünge sowohl in den Ecken des Suszeptors, wie in den 8 und 9B, als auch aus dem gleichen Material des Suszeptors, wie in den 11 bis 19, darstellen. Dieses System arbeitete auf recht zufriedenstellende Art und Weise, obwohl ein bestimmter Grad an Unregelmäßigkeit und mangelnder Vorhersehbarkeit bezüglich des Betriebs beobachtet wurde, wenn zu Zwecken der Reinigung, oder um schwerwiegende Fehler zu reparieren, eine Vakuumglocke gegen eine neue ausgetauscht werden musste, obwohl sie mit der ersetzten praktisch identisch zu sein schien. Außerdem wurde, da die Tendenz jetzt dahin geht, immer größere Siliziumwafer mit einem Durchmesser von zwischen ungefähr 100 mm (4'') und 200 mm (8'') herzustellen, festgestellt, dass diese Unregelmäßigkeiten anschließend an den Austausch der Vakuumglocke noch betont wurden, wenn immer größere Siliziumwafer hergestellt wurden.

In diesem Zusammenhang ist bereits bekannt, dass, wenn der Durchmesser der Wafer steigt, die qualitativen Anforderungen der epitaktischen Wafer immer strenger werden und daher ein Reaktor, der gleichzeitig eine große Anzahl von Wafern bearbeitet (Batch-Reaktor), einen akzeptablen Kompromiss zwischen der Quantität und der Qualität der hergestellten Wafer finden muss (geringe Kosten).

Ein qualitativer Parameter von besonderer Wichtigkeit ist die Gleichmäßigkeit der Dicke der abgeschiedenen epitaktischen Schicht. In diesem Zusammenhang wird bei einem epitaktischen Reaktor, insbesondere bei einem Batch-Reaktor, die Gleichmäßigkeit der Dicke durch bestimmte Faktoren beeinflusst:

  • – Unterschied der Dicke zwischen unterschiedlichen Punkten auf jedem einzelnen Wafer;
  • – Unterschied zwischen einzelnen Wafern innerhalb des gleichen Batch; und
  • – Unterschied zwischen verschiedenen Batches.

Wie sich aus der oben erwähnten Diskussion im Stand der Technik ergibt, besteht die Reaktionskammer eines typischen epitaktischen Reaktors mit einem Suszeptor in Form eines Pyramidenstumpfes, auch bekannt als epitaktischer Trommelreaktor, im Wesentlichen aus den folgenden Bauteilen:

  • – einer zylinderförmigen Vakuumglocke, die oben mit einem Flansch versehen ist, welche mit einer die Vakuumglocke verschließenden Kuppel mittels eines schmalen zylindrischen Halses verbunden ist;
  • – einem Gasdiffusor, der bei den chemischen Dampfabscheidungsreaktionen verwendet wird und aus einer Einlassleitung besteht, die mit zwei parallelen Platten verbunden ist, die die Funktion haben, das ausströmende Gas auf gleichmäßige Art und Weise zu verteilen;
  • – einer Quarzplatte, die auf der Abdeckung des Suszeptors ruht; und
  • – einem Suszeptor, der mit seinen Halterungen versehen ist.

Die oben aufgelisteten Komponenten bilden zusammen den wesentlichen Teil einer Reaktionskammer.

Es ist bekannt, dass die Suszeptoren von Reaktoren eine Anzahl von Wafern aufnehmen können, abhängig von deren Durchmesser, beispielsweise gemäß der folgenden Tabelle:

Je größer die Anzahl der Ringe ist, desto kleiner ist im Allgemeinen die Anzahl der Säulen, und desto schwieriger ist es, eine akzeptable Balance in der Gleichmäßigkeit der Dicke der epitaktischen Schichten zu erzielen. Die Gleichmäßigkeit der Dicke variiert meist stark zwischen den Ringen, d. h. in vertikaler Richtung, aufgrund der Pyramidenstumpfgestalt des in einer im Wesentlichen zylindrischen Vakuumglocke eingeschlossenen Suszeptors.

Die Reaktionskammer, die gemäß der Lehre des oben erwähnten Stands der Technik aufgebaut ist, führt zu zufriedenstellenden Ergebnissen, wenn alle ihre Komponenten wie ausgestaltet hergestellt sind. Wenn jedoch eine Komponente nicht gemäß der Vorgabe ausgestaltet ist, können ernsthafte Nachteile auftreten. Im Allgemeinen verursacht weder der Suszeptor noch die Quarzplatte ein Problem, wenn es keine größere Abweichung gibt. Andererseits sind die Vakuumglocke und der Distributor extrem entscheidend, und ihre Wichtigkeit steigt mit der Produktion von Wafern, die einen immer größeren Durchmesser haben. Dies hat dazu geführt, dass immer kleinere Toleranzen notwendig wurden, die an einem bestimmten Punkt nicht mehr erfüllt werden können, so dass dann, wenn eine Vakuumglocke oder ein Diffusor – selbst wenn sie bzw. er gemäß den gleichen Vorgaben hergestellt wurde – ersetzt oder ausgetauscht wird, die Ergebnisse hinsichtlich der Gleichmäßigkeit der Dicke der abgeschiedenen Schicht stark variieren, und zwar im positiven oder im negativen Sinne.

Studien und Tests, die in diesem Zusammenhang ausgeführt wurden, haben folgendes gezeigt:

  • a) Der Diffusor ist sehr entscheidend, weil die Geschwindigkeit des Gases bei der Einlassleitung sehr hoch ist (ungefähr 130 m/sec.), während sie am Auslass wesentlich niedriger ist (ungefähr 3 m/sec.); daher führen minimale Abweichungen der Gestalt oder kleinere Unterschiede zwischen einzelnen Teilen zu wesentlichen Abweichungen hinsichtlich der Leistungsfähigkeit;
  • b) Die Gestalt der sogenannten "Schulter" der Vakuumglocke, d. h. die kuppelförmige Zone, die die zylindrische Seitenwand der Vakuumglocke mit dem Hals verbindet, der in dem oberen Flansch endet, an welchem eine mit dem Diffusor verbundene Halteplatte in dichter Art und Weise befestigt ist, ist extrem entscheidend, weil die Quarzplatte, die auf dem Suszeptor ruht, sich sehr nahe an der gekrümmten Wand dieser Schulter befindet, so dass Konvektionstaschen in dem Gasstrom ausgebildet werden, welche Taschen stark variierende Formen haben, abhängig von dem Krümmungsradius dieser Schulter (minimale Variationen in diesem Radius führen zu großen Variationen in diesen Konvektionstaschen) und abhängig von den Unregelmäßigkeiten der inneren Oberfläche, die mittels manueller Glasbearbeitungstechniken ausgebildet wird. Eine mit einer schlecht gemachten Kuppel versehene Vakuumglocke führt normalerweise zu schlechten Ergebnissen hinsichtlich der vertikalen Gleichmäßigkeit, d. h. zu wesentlichen Unterschieden zwischen einem Ring und dem nächsten;
  • (c) Der innere Durchmesser der Vakuumglocke ist sehr entscheidend: wenn die Vakuumglocke zu schmal ist, ist die Gleichmäßigkeit an jedem einzelnen Wafer normalerweise schlecht.

Die oben erwähnten Nachteile werden durch die vorliegende Erfindung dadurch überwunden, dass:

  • – ein Diffusor mit parallelen Scheiben, versorgt durch eine zentrale Leitung gemäß dem Stand der Technik, gelagert durch einen an dem oberen Flansch befestigten Deckel, ersetzt wird durch einen neuen Diffusor, der durch einen Deckel gebildet wird, der von einem zentralen Kuppelstück her zugeführt wird, das mit einer symmetrischen Verteilerkammer mit mehreren Leitungen mit der gleichen Länge verbunden ist, die diese ringförmige Kammer des Deckels mit einem Kuppelbereich der Gasglocke verbinden, der sich direkt unterhalb eines Halses befindet, der den oberen Flansch mit der Kuppel verbindet, wobei diese mehreren Leitungen eine gleichmäßige Verteilung des Stroms bei einer geringen Geschwindigkeit sicherstellen;
  • – der zylindrische Bereich der Gasglocke oder Vakuumglocke oberhalb der oberhalb des Suszeptors gelagerten Quarzplatte ist erweitert, um jede Interferenz zwischen Platte und Schulter zu eliminieren;
  • – ein minimaler innerer Durchmesser der Vakuumglocke so festgelegt ist, dass die Vakuumglocke so weit wie möglich von dem Suszeptor beabstandet gehalten wird; und
  • – die Ecken des Suszeptors in dessen oberem Bereich mit hervorstehenden Blenden versehen sind, die in in dem Körper des Suszeptors ausgebildete Ausnehmungen eingesetzt sind, wobei diese Blenden eine Länge haben, die ungefähr der Hälfte der Länge der Ecken des Suszeptors entspricht.

Die charakteristischen Merkmale der vorliegenden Erfindung werden in den Ansprüchen definiert werden, die den abschließenden Teil der vorliegenden Beschreibung bilden. Andere Merkmale und Vorteile der gleichen Erfindung werden sich jedoch deutlicher aus der nun folgenden ausführlichen Beschreibung einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung ergeben, die lediglich als nicht-beschränkende Veranschaulichung gegeben wird, und im Zusammenhang mit den begleitenden Zeichnungen, in welchen:

1 eine Querschnittsansicht der Reaktionskammer eines epitaktischen Reaktors gemäß der Erfindung zeigt, in welcher sich ein Suszeptor mit zwei Ringen mit jeweils sieben Säulen befindet, d. h. ein Suszeptor, der für Wafer mit einem Durchmesser von 150 mm (6'') vorgesehen ist;

2 ist eine Schnittansicht der gleichen Reaktionskammer entlang der Linie A-A in 1;

3 ist eine teilweise vergrößerte Ansicht der Anordnung aus Deckel und Distributor für die Reaktionskammer gemäß der Erfindung; und

4 ist eine perspektivische Explosionsansicht der gleichen Anordnung aus Deckel aus Distributor, die alle ihre Komponenten zeigt.

Mit Bezug auf die Zeichnungen wird deutlich, dass eine Reaktionskammer 10 eines epitaktischen Reaktors durch ein Grundelement 12 gebildet ist, das eine aus einem isolierenden und transparenten Material, wie beispielsweise Quarz gemachte Vakuumglocke 14 lagert, welches Material nicht mit den in die Vakuumglocke 14 einzuführenden chemischen Reagenzien reagiert, und das umgeben ist von einer Induktionsspule 16 der reflektierenden Art, wie sie in dem oben erwähnten italienischen Patent Nr. 1 215 444 und dem entsprechenden europäischen Patent Nr. 293 021 veranschaulicht ist. Offensichtlich ruht die Spule 16 auf einer Halterung 18, die Flügel 20 zum Verteilen der Luftströme 22 aufweist, die in einen Hohlraum zwischen der Vakuumglocke 14 und der Spule 16 hineinströmen und deren Kühlung bewirken.

Die Vakuumglocke 14 hat innen einen Suszeptor 24 in Form eines Pyramidenstumpfes, der auf einer lagernden und sich drehenden Welle 26 ruht und im Wesentlichen gebildet ist durch eine seitliche Schale 28 aus einem elektrischleitenden Material, wie beispielsweise Graphit, verkleidet mit einer dünnen Schicht aus einem chemisch inerten Material, wie beispielsweise Siliziumkarbid (SiC), und am Boden verschlossen durch eine erste flache Platte 30 und oben durch eine zweite flache Platte 32. Diese flachen Platten 30 und 32 können aus Materialien gemacht sein, die sowohl isolierend als auch inert sind, wie beispielsweise Quarz oder keramischem Material, oder auch leitend, wie beispielsweise Graphit, unter der Voraussetzung, dass sie mit inertem Material, wie beispielsweise Siliziumkarbid, verkleidet sind. Graphit wird besonders bevorzugt, weil es sehr einfach zu bearbeiten ist (Härtefaktor 2 auf der Moss-Skala) und auf einfache Art und Weise mit Siliziumkarbid verkleidet werden kann unter Verwendung von Verfahren, die Fachleuten bereits lange bekannt sind. Die seitliche Schale 28 des Suszeptors 24 ist mit scheibenförmigen Hohlräumen 34a–n versehen, die dazu geeignet sind, Wafer 36a–n aus Halbleitersilizium aufzunehmen, die so behandelt werden sollen, wie es zum Vorbereiten von Halbleiterchips für integrierte Schaltkreise erforderlich ist.

Oberhalb des Suszeptors 24 steht eine Säule 38 hervor, die eine Platte 40 lagert, und beide sind aus einem inerten Material, wie beispielsweise Quarz oder einem keramischen Material, hergestellt, wobei die Platte 40 die offensichtliche Funktion hat, zu verhindern, dass Siliziumquellengase direkt auf den Suszeptor 24 treffen.

Gemäß der vorliegenden Erfindung mündet die Vakuumglocke 14, statt wie im Stand der Technik in die gängige halbkugelförmige Kugel zu münden, in eine Schulter 42, die bezüglich des Suszeptors 24 und der Platte 40 erhaben ist, so dass der Raum zwischen der Vakuumglocke 14 und der Platte 40 im Wesentlichen nicht beschränkt ist, wodurch jede Interferenz zwischen der Platte 40 und der Schulter 42 vermieden wird.

Nach der Schulter 42 setzt sich die Wand der Vakuumglocke in einem flachen Bereich 44 fort, der verbunden ist mit einem erhabenen zentralen Hals 46, der in einen verdickten Flansch 48 mündet, welcher eine Öffnung 50 definiert, die dazu ausgestaltet ist, einen Deckel 52 eines Diffusors 54 gemäß der Erfindung aufzunehmen, der genauer in den 3 und 4 dargestellt ist.

Der Diffusor 54 besteht aus einem hohlen Deckel 52, der mit einem ringförmigen Flansch 56 mittels federbelasteter Zuganker 58a–c verbunden ist, von denen zumindest drei vorhanden sind und die aus Griffen 60a–c, Gewindeschäften 62a–c, am oberen Ende angestauchten und unten mit einem Gewinde versehenen hohlen Hülsen 64a-c, Federdruck-Unterlegscheiben 66a–c, Druckfedern 68a–c, Gewindebohrungen 70a-c zur Aufnahme der Gewindebereiche der Hülsen 64a–c sowie Arretierschrauben 72a-c zum Befestigen dieser Hülsen 64a–c, wenn das Hineinschrauben in die Öffnungen 70a–c vollendet ist, bestehen. Schließlich geraten die Gewindeenden der Schäfte 62a-c mit den Gewindeöffnungen des ringförmigen Flansches 56 in Eingriff. Der gleiche Flansch 56 ist mit Durchgangsöffnungen 76a–f versehen, die Bolzen 78a–f aufnehmen, die mit Gewindeöffnungen 80a–f von zwei halben Gegenflanschen 82a und 82b im Eingriff sind, die zusammen mit dem Flansch 56 den verdeckten Flansch 48 greifen, der am Hals 46 der Vakuumglocke 14 angebracht ist. Eine kompensierende Dichtung 84, die mittels der Einwirkung der Bolzen 78a–f in den Gewindeöffnungen 80a–f ergriffen gehalten wird, ist zwischen den Gegenflanschen 82a und 82b eingesetzt.

Der Deckel 52 ist oben mittels eines Flansches 86 verschlossen, der in ein geschlossenes oberes Kuppelstück 88 mündet, oberhalb dessen eine Gewindehülse 90 montiert ist, die innen im Eingriff ist mit einem Gewindeschaft 92, der in einen Anhebegriff 94 mündet. Dieses Kuppelstück 88 kommuniziert mit einer Hülse 96 für den Anschluss an eine externe Quelle von Gas, das innerhalb der Reaktionskammer 10 verwendet werden soll. Das Kuppelstück 88 hat eine innere Kammer 98 mit einem Boden 100, der einen ringförmigen Schlitz definiert, der zusammen mit einem weiteren ringförmigen Schlitz 102 eine winklig gleichmäßige Zufuhr zu einer ringförmigen Kammer 104 bietet, die zwischen dem Flansch 86 und der oberen Seite des Deckels 52 definiert ist, wo die ringförmige Kammer 104 mit Auslassleitungen 106a–f (in diesem Fall sechs an der Zahl) kommuniziert, die innerhalb der Vakuumglocke 14 oberhalb der Platte 40 aufstreben. Eine O-Ring-Dichtung 108 stellt eine Abdichtung zwischen dem Flansch 86 und dem Deckel 52 sicher, wenn der Flansch 86 gegen den Deckel 52 mittels eines Satzes von Bolzen 110a–f gepresst wird, die in den 3 und 4 dargestellt sind. Die Auslassleitungen 106a–f, die aus einem chemisch inerten Material, wie beispielsweise Quarz oder einem Keramikmaterial, bestehen, sind mit dem Boden des Deckels 52 mittels der Gewindehülsen 112a–f verbunden, die in entsprechende Gewindeöffnungen hineingeschraubt sind, die durch den Boden dieses Deckels 52 hindurchtreten. Der Deckel 52 ist mit einer inneren Kammer 114 für den Strom eines Kühlfluids, wie beispielsweise Wasser, versehen, das durch Anschlusshülsen 116 bzw. 118 ein- und austritt. Eine Hülse 120 für die Verbindung mit einem zwischen zwei Dichtungen, die zwischen dem Boden des Deckels 52 und dem verdickten Flansch 48 im Eingriff sind, definierten Raum bietet eine Anzeige hinsichtlich der Dichteffizienz dieser Dichtungen.

Wieder mit Bezug auf die 1 und 2 wird deutlich, dass die Schale 28 und die obere flache Platte 30 des Suszeptors 24 in dem Bereich der seitlichen Ecken mit Blenden 122a–g aus einem chemisch inerten Material, wie beispielsweise Glas, Quarz, keramischem Material oder mit Siliziumkarbid verkleidetem Graphit, gemacht sind. Graphit wird bevorzugt, da es einfach und präzise bearbeitet werden kann und einfach mit Siliziumkarbid verkleidet werden kann, so dass, wenn die gewünschten Dimensionen einmal erzielt worden sind, die Blenden 122a–g keine wesentlichen Modifikationen mehr erfordern.

Die Siliziumquellengase treten aus den Auslassleitungen 106a–f des Distributors 54 aus, werden oberhalb der inerten Platte 40 verteilt und strömen dann zwischen die Seitenwand der Vakuumglocke 14 und die Schale 28 des Suszeptors 24, wo die Pyrolysereaktionen stattfinden, was zu der epitaktischen Abscheidung von Silizium auf den Wafern 36a–n führt.

Die Ergebnisse der Verwendung der Reaktionskammer gemäß der vorliegenden Erfindung sind wie folgt:

  • 1) Die einzelnen Teile sind nicht länger so entscheidend, so dass die Leistungsfähigkeit unbeeinflusst bleibt, wenn Vakuumglocken, Deckel und Leitungen ausgetauscht werden;
  • 2) die Gleichmäßigkeit der Dicke der einzelnen Wafer innerhalb des gleichen Batches verbessert sich;
  • 3) eine typische "Form" für die Verteilung der Wachstumsdicke wird innerhalb jedes Wafers erzielt.

Insbesondere war es dank der Ergebnisse 1 und 3 möglich, die Bemühungen ausschließlich auf Variationen in der Wachstumsdicke innerhalb jedes Wafers zu konzentrieren. Die Verteilung der Dicke in jedem Wafer tritt wie folgt auf:

Im Falle eins Suszeptors für Wafer mit einem Durchmesser von 125 mm (5'') mit drei Ringen von jeweils acht Wafern:

im ersten Ring haben die Wafer eine Wachstumsschicht, die rechts und links dünner und in der Mitte dicker ist;

im zweiten Ring haben die Wafer eine Wachstumsschicht, die rechts und links dünner und in der Mitte nur geringfügig dicker ist;

im dritten Ring haben die Wafer eine vollständig gleichmäßige Wachstumsschicht.

Im Fall eines Suszeptors für Wafer mit einem Durchmesser von 150 mm (6''), mit zwei Ringen mit jeweils sieben Wafern:

im ersten Ring haben die Wafer eine Wachstumsschicht, die rechts und links dünner und in der Mitte dicker ist;

im zweiten Ring haben die Wafer eine Wachstumsschicht, die vollständig gleichmäßig ist.

Die Aufgabe, die hier ausgeführt werden muss, ist, soweit wie möglich eine identische Verteilung der Wachstumsdicke in den einzelnen Ringen sicherzustellen.

Es ist bekannt, dass bei dem Trommelreaktor der Suszeptor 24 die Form eines Pyramidenstumpfes mit einer regelmäßigen polygonalen Basis hat, während die Vakuumglocke 14 eine kreisförmige Gestalt hat. Demzufolge hat der Stromkanal für die Gase zwischen dem Suszeptor 24 und der Vakuumglocke 14 einen variablen Querschnitt in horizontaler Richtung mit einem größeren Querschnitt in der Mitte des Wafers (siehe 2 unten). Außerdem hat der gleiche Stromkanal auch in vertikaler Richtung einen variablen Querschnitt, da die Wand der Vakuumglocke 14 genau vertikal ist, während die Seitenwände des Suszeptors 24 um einige Grad (typischerweise 3°) bezüglich einer gemeinsamen vertikalen Achse der Vakuumglocke und des Suszeptors geneigt sind. Diese Neigung führt zu einem Anstieg der Durchflussgeschwindigkeit oder Strömungsgeschwindigkeit der Gase in Richtung des Bodens des Suszeptors und der Vakuumglocke, was notwendig ist, um die graduelle Abnahme des Siliziums in der Mischung aus Sauerstoff und Siliziumverbindungen zu kompensieren, die auftritt, wenn das Gas den Suszeptor hinabströmt. Wie bereits im italienischen Patent Nr. 1 231 547 und der entsprechenden veröffentlichten Anmeldung des europäischen Patents Nr. 0 415 191 erläutert, entspricht ein kleinerer Querschnitt innerhalb bestimmter Grenzen einer größeren Strömungsgeschwindigkeit der Gase und daher einer größeren Geschwindigkeit der Siliziumabscheidung. Die Situation wird jedoch komplexer aufgrund der Interaktion zwischen den Grenzschichten um den Suszeptor und die Vakuumglocke herum, wo die Interaktion von den jeweiligen Temperaturen abhängt (es sollte in Betracht gezogen werden, dass der Suszeptor 24 durch die mittels der Spule 16 induzierten Ströme erhitzt wird, während die Vakuumglocke durch die Luftströme 22 abgekühlt wird) und vom Abstand zwischen dem Suszeptor und der inneren Wand der Vakuumglocke. Aus diesem Grund ist bei dem ersten Ring eines Suszeptors für Wafer mit einem Durchmesser von 150 mm (6'') und in dem ersten und dem zweiten Ring für Wafer mit einem Durchmesser von 125 mm (5'') der Abstand zwischen den Grenzschichten und daher der Strömungsquerschnitt so, dass eine schnellere Bewegung der Gase auf den Seiten der Wafer verursacht wird als in der Mitte. Andererseits ist der Abstand zwischen den Grenzschichten und daher der Strömungsquerschnitt so, dass eine Bewegung der Gase mit einer gleichmäßigen Geschwindigkeit sowohl auf den Seiten als auch in der Mitte der Wafer verursacht wird im untersten Ring. Das Problem ist durch die in dem oben erwähnten italienischen Patent Nr. 1 231 547 und der entsprechenden veröffentlichten Anmeldung zum europäischen Patent Nr. 0 415 191 beschriebenen und beanspruchten Maßnahmen gelöst, deren Beschreibungen als hierin zu Bezugszwecken aufgenommen angesehen werden. Gemäß dieser Lösung sind die Ecken des Suszeptors mit Einteilungsblenden versehen worden, um die Grenzschichten des oberen Rings zu modifizieren, ohne die Grenzschichten des untersten Rings zu modifizieren. Wie bereits in der Einleitung der vorliegenden Beschreibung erwähnt, führte die von diesem Stand der Technik vorgeschlagene Maßnahme – auch wenn sie ausreichend war, um eine recht gleichmäßige Verteilung der Ausströmgeschwindigkeit der Gase sicherzustellen, was die Grenzschichten voneinander weg bewegte – nur so lange zu erfolgreichen Ergebnissen, als von dem Suszeptor verschiedene Komponenten, wie beispielsweise die Vakuumglocke, der Deckel und der Gasdistributor mit einem Paar von parallelen übereinandergelagerten Scheiben, nicht ersetzt wurden. Sobald eine dieser Komponenten ausgetauscht wurde, wurden die Ergebnisse extrem negativ, so dass die oben erwähnte Erfindung nur einen begrenzten Wert hatte. Erst jetzt, mit der Entdeckung bezüglich des Einflusses der Höhe der Schulter 42 der Vakuumglocke 14 relativ zur Platte 40 und der Modifikation des Distributors 54, ausgeführt wie hier genau in den 3 und 4 dargestellt, war es möglich, die bei diesem Stand der Technik auftretenden Nachteile zu eliminieren, was dazu führte, dass die oben erwähnte Erfindung vollständig verwendbar war.

Wie oben erwähnt, hat die vorliegenden Erfindung die im italienischen Patent Nr. 1 231 547 beschriebene Erfindung vollständig verwendbar gemacht, zusammen mit dem zusätzlichen Vorteil der Verwendung von kleinen Einteilungsblenden 122a–g, die nicht permanent sind, d. h. die einfach in Ausnehmungen der Ecken eingesetzt sind, die in dem Suszeptor 24 vorhanden sind, aber nicht integral in dem Suszeptor 24 ausgeformt sind. Die Reduzierung der Größe der Blenden 122a–g hat auch positive Auswirkungen auf die Steuerung der Widerstandsfähigkeit der epitaktischen Schicht gehabt, da diese Blenden effektiv Hitzedissipatoren sind und die Leistungsparameter, wie beispielsweise die Gleichmäßigkeit der Widerstandsfähigkeit, ein Parameter, der temperaturabhängig ist, besonders an Punkten auf den Wafern, die den Blenden benachbart sind, beeinflussen konnten. Mit diesen kleineren Blenden 122a–g verschlechtert sich die Gleichmäßigkeit der Widerstandsfähigkeit tatsächlich nicht, während dank der Verbesserung der Gleichmäßigkeit der Dicke in vertikaler Richtung, d. h. zwischen einem Ring und dem nächsten, es möglich ist, mit Erfolg ein Temperaturprofil für den Suszeptor zu erzielen, das dazu geeignet ist, diese Gleichmäßigkeit zu optimieren, beispielsweise unter Verwendung von Regelungssystemen, die sekundäre Induktionseinrichtungen verwenden, wie im italienischen Patent Nr. 1 215 444 und dem entsprechenden europäischen Patent Nr. 0 293 021 beschrieben.

Die oben erfolgte Beschreibung bezieht sich auf eine bestimmte Ausführungsform der Erfindung, die in keiner Weise begrenzend sein soll, und für Fachleute soll es möglich sein, viele ähnliche und äquivalente Lösungen in Betracht zu ziehen, die alle durch die Erfindung, wie sie durch die anliegenden Ansprüchen definiert ist, abgedeckt sein sollen.


Anspruch[de]
  1. Verbesserte Reaktionskammer für einen epitaktischen Reaktor mit einer Gasglocke (14) aus einem isolierenden und transparenten Material wie beispielsweise Quarz sowie mit einem mit scheibenförmigen Hohlräumen (34a– n) zur Aufnahme von Wafern (36a–n) aus zu behandelndem Material versehenen Suszeptor (24), oberhalb dessen eine isolierende und chemisch widerstandsfähige Platte (40), angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Reaktionskammer folgendes verwendet:

    einen Diffusor (54), der durch einen Deckel (52) gebildet wird, der von einem zentralen Kuppelstück (88) her zugeführt wird, das mit einer symmetrischen ringförmigen Verteilungskammer (104) mit mehreren Leitungen (106a–f) mit der gleichen Länge verbunden ist, die diese ringförmige Kammer (104) des Deckels mit einem Kuppelbereich (42, 44) der Gasglocke verbinden, der sich direkt unterhalb eines Halses (46) befindet, der einen oberen Flansch (48) der Kuppel (42, 44) anschließt, wobei diese mehreren Leitungen (106a–f) eine gleichmäßige Flussverteilung bei einer geringeren Geschwindigkeit sicherstellen;

    einen zylindrischen Bereich der Gasglocke (14), der sich oberhalb der Platte (40) erstreckt, die oberhalb des Suszeptors gelagert ist, um jede Interferenz zwischen der Platte (40) und der Schulter (42) zu eliminieren;

    einen minimalen inneren Durchmesser der Gasglocke (14), um die Gasglocke (14) soweit wie möglich weg von dem Suszeptor (24) zu halten; und

    hervorstehende Blenden (122a–g) an den Ecken des Suszeptors (24) in seinem oberen Bereich, die in in dem Körper des Suszeptors (24) ausgeformte Ausnehmungen eingesetzt sind, wobei diese Blenden (122a–g) eine Länge haben, die ungefähr der Hälfte der Länge der Ecken des Suszeptors (24) entspricht.
  2. Reaktionskammer für einen epitaktischen Reaktor gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Deckel (52) des Diffusors (54) an einem ringförmigen Flansch (56) befestigt ist, welcher seinerseits an dem oberen verdickten Flansch (48) der Gasglocke (14) mittels eines Paars von zwei halben Gegenflanschen (82a, 82b) befestigt ist, die den ringförmigen Flansch (56) gegen den oberen Flansch (48) der Gasglocke (14) greifen.
  3. Reaktionskammer für einen epitaktischen Reaktor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Befestigen des Deckels (52) des Diffusors (54) an dem ringförmigen Flansch (56) mittels mehrerer federbelasteter Spannstangen (58a–c) durchgeführt wird, die den Deckel (52) in elastischer Art und Weise gegen den ringförmigen Flansch (56) drücken.
  4. Reaktionskammer für einen epitaktischen Reaktor nach Anspruch 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Deckel (52) oben mittels eines Flansches (86) verschlossen ist, der in ein Kuppelstück (88) mündet, das mit einer Hülse (96) für die Verbindung mit einer externen Gasquelle kommuniziert, die in der gleichen Reaktionskammer zu verwenden ist, welches Kuppelstück mit einem Boden (100) versehen ist, der zumindest einen kreisförmigen Schlitz definiert, um eine streng gleichmäßige Verteilung von Gas zu einer ringförmigen Kammer (104) zum Beliefern der mehreren Leitungen (106a–f) sicherzustellen, die aus dem Distributor (54) innerhalb der Gasglocke (14) austreten.
  5. Reaktionskammer für einen epitakischen Reaktor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich zu dem Schlitz in dem Boden (100) ein weiterer ringförmiger Schlitz (102) dabei hilft, die gleichmäßige Verteilung von Gas zu der ringförmigen Kammer (104) sicherzustellen, die die Auslassleitungen (106a–f) beliefert.
  6. Reaktionskammer für einen epitaktischen Reaktor nach Anspruch 4 und 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Deckel (52) des Distributors (54) eine interne Kammer (114) für den Fluss eines Kühlfluids aufweist.
  7. Reaktionskammer für einen epitaktischen Reaktor nach Anspruch 4, 5 und 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Auslassleitungen (106a–f) aus einem Material bestehen, das bezüglich des in der Gasglocke verwendeten Gases chemisch inert ist.
  8. Reaktionskammer für einen epitaktischen Reaktor nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Auslassleitungen (106a–f) aus Glas bestehen.
  9. Reaktionskammer für einen epitaktischen Reaktor nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Auslassleitungen (106a–f) aus keramischem Material bestehen.
  10. Reaktionskammer für einen epitaktischen Reaktor nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Auslassleitungen (106a–f) aus Quarz bestehen.
  11. Reaktionskammer für einen epitaktischen Reaktor nach den vorangehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, dass die Blenden (122a– f), die an dem Suszeptor (24) angebracht sind, aus einem Material bestehen, das bezüglich der in der Kammer verwendeten Gase chemisch inert ist.
  12. Reaktionskammer nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Blenden (122a–f), die an dem Suszeptor (24) angebracht sind, aus Glas bestehen.
  13. Reaktionskammer nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Blenden (122a–f), die an dem Suszeptor (24) angebracht sind, aus keramischem Material bestehen.
  14. Reaktionskammer nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Blenden (122a–f), die an dem Suszeptor (24) angebracht sind, aus Quarz bestehen.
  15. Reaktionskammer für einen epitaktischen Reaktor nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Blenden (122a–f), die an dem Suszeptor (24) angebracht sind, aus einem mit Siliziumkarbid verkleideten Graphit bestehen.
Es folgen 4 Blatt Zeichnungen






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