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Vorrichtung zum epitaktischen Abscheiden von Halbleitermaterial
Zum Herstellen von Halbleiterbauelementen wird häufig das als Epitaxie bekannte Verfahren angewendet. Dieses besteht darin, dass man scheibenförmige Halbleiterkristalle auf eine hohe, jedoch unterhalb des Schmelzpunktes des Halbleiters liegende Temperatur aufheizt und in diesem Zustand in Kontakt mit einem-vorzugsweise mit reinem Wasserstoffgas verdünnten-zur Abscheidung des Halbleiters befähigten Reaktionsgas bringt.
Als Heizquelle ist dabei die Verwendung eines aus elektrisch leitendem und thermisch sowie chemisch beständigemMaterial, z. B. aus Kohle oder Graphit bestehenden streifenförmigen Trägers vorgesehen, auf den die zu beheizenden Halbleiterscheiben aufgelegt werden. Während des Abscheidebetriebes wird der Träger von einem elektrischen Heizstrom durchflossen, dessen Stärke so eingestellt wird, dass die mit dem Träger in unmittelbarer Berührung gehaltenen Halbleiterscheiben sich auf die für die Abscheidung benötigte hohe Temperatur erhitzen. Gewöhnlich wird als Reaktionsgas ein Gemisch aus Wasserstoff und einem flüchtigen und daher leicht zu reinigendenHalogenid des Halbleiters verwendet, z.
B. bei Germanium die Verbindungen Gel4, GeClz und GeHCls bzw. die entsprechenden Brom- oder Jodverbindungen. Epitaktische Abscheidung und damit auch das erfindungsgemässe Verfahren lässt sich unter anderem bei Silizium, Germanium, Siliziumkarbid und AIIIBV-Verbindungen anwenden.
Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung für das epitaktische Abscheiden von Halbreitermaterial aus der Gasphase auf eine einkristalline Halbleiterscheibe, die infolge direkter oder mittelbarer Berührung mit einem elektrisch auf hohe Temperatur aufgeheizten, aus chemisch und thermisch widerstandsfähigem Material bestehenden Träger auf die zur Abscheidung des Halbleiters erforderliche hohe Temperatur erhitzt und die zu beschichtende Halbleiterscheibe in eine ihr bezüglich Querschnitt und Höhe angepasste Vertiefung an der Oberseite des vorzugsweise horizontal gehalterten, bandförmigen Trägers angebracht wird und ist dadurch gekennzeichnet, dass ein sich unterhalb des Trägers befindender.
Teil
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ren würde, indem der dem Träger bezüglich Abmessungen und stofflicher Beschaffenheit gleiche, sich unter ihm befindende und mit ihm in Wärmeaustausch gehaltene Zuleitungsteil zum Träger in so geringem Abstand a von diesem angeordnet wird, dass es gerade noch zu keinem Kurzschluss zwischen dem Zuleitungsteil und dem Träger kommt.
Ausserdem empfiehlt es sich, den bandförmigen Träger derart auszugestalten, dass mehrere entsprechend der erfindungsgemässen Lehre, also jeweils in eine individuell angepasste Vertiefung an der Oberseite des Trägers einzubringende Halbleiterscheiben. zugleich beschichtet werden können. Diese Vertiefungen sind zweckmässig in einer sich parallel zur Trägerachse erstreckenden Reihe angeordnet. Die Zufuhr an Reaktionsgas wird bevorzugt derart vorgenommen, dass das Gas dem Träger - wenigstens soweit er mit den Halbleiterscheiben bestückt ist, gleichmässig zugeführt wird.
Dies lässt sich besonders zweckmässig erreichen, wenn die Zufuhr an frischem Reaktionsgas durch zwei sich an diametral gegenüberliegenden Stellen des für die Abscheidung vorgesehenen Reaktionsgefässes, insbesondere rechts und links des Trägers angeordnete, sich horizontal und parallel zum Träger erstreckende Zweige einer Gaszuführung
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erfolgt, die jeweils mit zwei Reihen vos Austrittslöchern längs zweier ihrer Mantellinien derart versehen sind, dass das Reaktionsgas im wesentlichen tangential zur Wandung des-bevorzugt die Gestalt eines horizontal gehalterten Zylinders, insbesondere Kreiszylinders aufweisenden - Reaktionsgefässes austritt. Dies ist im einzelnen in Fig. 4 dargestellt.
Bei Verwendung eines Trägers mit (bis auf die Vertiefungen für die aufzunehmenden Scheiben) ebener Oberseite wird diese Oberseite während des Abscheidebetriebes zweckmässig derart gehaltert, dass sämtliche im ebenen Teil dieser Oberseite möglichen Geraden horizontal liegen.
Die erfindungsgesmässe Vorrichtung lässt sich am einfachsten und sichersten realisieren, wenn der sich unterhalb des Trägers erstreckende Teil einer Zuleitung in stofflicher und dimensioneller Hinsicht dem Träger völlig gleich ist. Insbesondere schliesst dies auch die gleiche Gestalt ein. Ausserdem sind der Träder und der betreffende Zuleitungsteil als parallele Bänder im Reaktionsgefäss anzuordnen. Man kommt dann zu der in Fig. 1 skizzierten Anordnung. Unterhalb des mit den Vertiefungen 2 für die aufzunehmenden Halbleiterscheiben an seiner Oberseite versehenen Trägers 1 erstreckt sich parallel zu diesem ein ebenfalls bandförmiger und mit dem Träger gleich dimensionierter bandförmiger Teil 3 der einen Zuleitung für den Heizstrom. Der Träger 1 und der Zuleitungsteil 3 sind elektrisch mit einem weiteren Zuleitungsstück 4 miteinander verbunden.
Diese Verbindung erstreckt sich zwischen zwei einander gegenüberliegenden Stirnseiten der beiden Körper 1 und 3 und besitzt zweckmässig die gleiche Stärke und vorzugsweise auch die gleiche Breite wie die Körper 1 und 3 an den zu überbrückenden Stirnseiten. Zwischen die beiden ändern Stirnseiten der Körper l und 3 ist mittels weiterer Zuleitungs- teile 5 und 6 eine Heizstromquelle 7 gelegt.
Die Lehre der Erfindung wird umso sicherer erfüllt, je geringer der Abstand a zwischen dem eigent- lichen Träger 1 und dem Zuleitungsteil 3 gewählt ist. Deshalb schlägt die Erfindung weiter vor, dass der Abstand zwischen demTräger und dem sich unter ihm befindenden. Zuleitungsteil 3 gerade noch so klein eingestellt ist, als dies, ohne den Teil 4 der Zuleitung kurzzuschliessen. gerade noch möglich ist.
Der Zwischenraum zwischen demTräger l und dem sich unter ihm befindenden Teil der Zuleitung ist leer oder mit Quarz angefüllt. Insbesondere wird auch der Teil 3 nicht als Träger für zu beschichtende Scheiben benutzt.
Der Träger 1 und die Zuleitungsteile 3 und 4 bilden zweckmässig einen einzigen, aus einem einzigen Werkstück gefertigten Körper, z. B. aus Kohle oder Graphit.
Eine weitere Verbesserung im Sinne einer Temperaturvergleichmässigung kann erzielt werden, wenn der Träger 1 und zweckmässig auch der sich unter ihm befindende und mit ihm in Wärmeaustausch stehende Zuleitungsteil 3 an beiden Enden etwas verjüngt sind. Hiedurch lässt sich die an solchen Stellen vermehrte Wärmeabgabe durch eine verstärkte lokale Beheizung kompensieren.
DiesistinFig. 2dargestellt.DereigentlicheTräger1unddieZuleitungsteile3und4derAnordnung gemäss Fig. 1 sind hier zu einem einzigen Körper 11 vereinigt, der an seinen unmittelbareinander gegenüberliegenden Enden 9 und 10 über die weiteren Zuleitungen 5 und 6 an die Heizstromquelle 7 gelegt ist. Die Vertiefungen für die Halbleiterscheibe an der Oberseite des Trägers sind mit 16 bezeichnet. Die etwa 10-30% der sonstigen Breite beispielsweise betragende Verjüngung an den Enden ist deutlich zu erkennen.
Ebenso wichtig wie zur Vergleichmässigung der Temperatur an der Oberseite des Trägers und damit für die Vergleichmässigung der Abscheidung dienenden bisher beschriebenen Massnahmen ist die Ausgestaltung der Vertiefungen für die Scheiben von Bedeutung. Die Grundfläche entspricht dabei der Grundfläche der Scheibe, während die Tiefe so zu wählen ist, dass die Oberseite der Scheibe mit dem oberen Rand der sie aufnehmenden Vertiefung mindestens ungefähr abschneidet. Ausserdem empfiehlt es sich, die seitliche Wandung der Vertiefung schräg gegen die Oberseite des Trägers und den Boden der Vertiefung verlaufen zu lassen. Besonders günstig ist ein Böschungswinkel von etwa 450.
Die anzustrebenden Verhältnisse sind aus Fig. 3 ersichtlich. Der mit 1 bezeichnete Träger ist an seiner Oberseite mit einer Vertiefung 2 versehen, die eine zu beschichtende Scheibe 8 aufnimmt.
Man erkennt deutlich das Abschneiden der Oberseite der Scheibe 8 mit dem oberen Rand der Vertiefung 2 sowie den durch die Neigung der Seitenwand der Vertiefung 2 gegebenen Spielraum, der im Interesse der Gleichmässigkeit der Beschichtung sehr klein gehalten ist, aber dennoch das Ablösen der Scheiben nach erfolgter Beschichtung sehr erleichtert.
Im Interesse der Reinheit des abzuscheidenden Materials ist es vielfach zweckmässig, wenn der Träger und alle andern aus leitendem Material, z. B. Kohle oder Metall bestehenden Teile der zu verwendenden Apparatur mit besonders beständigem und reinem Überzugsmaterial abgedeckt sind. So können z. B. Überzüge aus hochreinem Six2, dite an der Oberfläche des Trägers und aller andern der Stromleitung
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dienenden Teile. aufgebracht sind, die Reinheit des abgeschiedenen Materials sehr fördern. In diesem Falle befinden sich die Vertiefungen an der Oberseite des Trägers mindestens zum Teil im Überzugsmaterial, so dass die Erhitzung des Trägers nicht durch unmittelbare, sondern durch mittelbare Berührung mit dem beheizten Träger erfolgt.
Wenn der Überzug ausSiO, z. B. Quarz, oder einem andern gut wärmeleitenden Material besteht, genügt es, wenn die die zu beschichtenden Scheiben aufnehmenden Vertiefungen an der Oberseite des Trägers sich nur noch in das Überzugsmaterial hineinerstrecken. Dann wird auch die Oberseite des Trägers 1 glatt, so dass auf sie ein aufschieb-und abziehbarer Überzug angewendet werden kann. Dieser Überzug ist dann zweckmässig als rechteckige, an dem einen Ende abgeschlossene Hülse ausgestaltet, die gleichzeitig über die beiden Teile 3 und 4 einer Anordnung gemäss Fig. 1 (oder der ihr entsprechenden Teile der Anordnung gemäss Fig. 2) von der Seite des Teiles 4 her aufgezogen wird. Die Anordnung ist in Fig. 4 dargestellt.
Durch die Anwendung einer solchen Hülse wird ebenso wie durch die Verwendung eines aus SiOa bestehenden, fest aufgebrachten Überzuges auf dem Träger und den sich im Inneren des Abscheidungsgefässes befindenden Teilen der Zuleitung erreicht, dass mindestens teilweise eine Abschirmung der zu beschichtenden Scheiben gegen die Einwirkung von Stoffen erzielt wird, die stärker als SiOz oder Quarz zu Verunreinigungen des Halbleiters führen. Gerade im Hinblick auf die Reinhaltung dargestellten Materials hat sich ein aus Quarz bestehendes Reaktionsgefäss, bei dem der Reaktionsraum ausser von dem zu beschichtenden Halbleiter nur von Quarz und keinem andern festen Stoff begrenzt ist, sogar bei der Darstellung von Silizium besonders bewährt.
In Fig. 4 ist 12 eine aus Quarz bestehende, langgestreckte, zylindrische Reaktionsglocke in horizontaler Lage dargestellt. Die Glocke 12 ist links durch eine Quarzscheibe 13 und eine mit der Quarzscheibe verbundene rechteckigeQuarzhülse 14, die sich vomZentrum der Quarzscheibe 13 ins Innere der Reaktionsglocke 12 erstreckt, abgeschlossen. Durch die Quarzscheibe 13 erstrecken sich ausserdem beiderseits der Quarzhülse 14 ebenfalls ausQuarzbestehende, rohrförmige Gaszuführungen 15, 16, die im Parallelbetrieb das Reaktionsgas den zu beschichtenden Scheiben 8 zuführen. Ausserdem ist eine Austrittsstelle 18 für das verbrauchte Reaktionsgas vorgesehen.
Zum Zwecke der Aufnahme der zu beschichtenden Scheiben 8 sind an der Oberseite der quaderförmigen Quarzhülse 12 Vertiefungen 2 in die Quarzwand eingelassen, die in der oben beschriebe- nen Weise nach den bereits offenbarten Gesichtspunkten bemessen sind. Im Inneren der Quarzhülse erstreckt sich, diese der Länge, Breite und Tiefe nach möglichst ausfüllend, der Träger 1 mit seiner elektrischen Zuleitung 3 entsprechend den Fig. 1-3, wobei jedoch die Vertiefungen an der Oberseite des Trägers 1 nicht mehr notwendig sind.
Die Quarzglocke 12 erstreckt sich über die sie abschliessende Quarzscheibe 13 noch weiter nach links und wird endgültig von einer beispielsweise aus Metall bestehenden Platte 17 abgeschlossen. In der Abschlussplatte sind die Halterungen 19 für den Träger 1 und seine Zuleitung (also die für die Teile 1 und 3 einerAnordnung nach Fig. l) vorgesehen. Ferner sind durch diese Platte 17 die weiteren elektrischen Zuleitungen 5, 6 zu dem im Inneren der Quarzhülse angeordneten Träger 1 bzw. Heizer für die zu beschichtenden Kristalle hindurchgeführt, wobei natürlich für entsprechende Isolation des Trägers 1 von dem mit ihm in Wärmeaustausch stehenden Zuleitungsteil 3 zu achten ist.
Ferner ist einer Durchführung 20 für den Austritt des verbrauchten Reaktionsgases 20 sowie je eine Durchführung 21, 11 für die beiden Gaszuleitungen 15, 16 durch die endgültige Abschlussplatte 17 der Anordnung vorgesehen.
In Fig. 4 ist die Anordnung von oben her betrachtet dargestellt. Die beiden Gaszuleitungen 15, 16 befinden sich dann seitlich neben der Quarzhülse 14 und erstrecken sich soweit neben ihr, so weit die Quarzhülse 14 mit den zu beschichtenden Scheiben 8 belegt werden soll. Sowohl an der Vorder-
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das frische Reaktionsgas vorgesehen. Das Gas tritt also tangential zur Wand des Reaktionsraumes aus, was besonders günstig für das gleichmässige Wachstum der epitaktischen Schichten auf den zwischen den beiden Zuleitungen in einer sich längs dieser Zuleitungen angeordneten Reihe von zu beschichtenden Halbleiterscheiben ist.
Zweckmässige Dimensionen werden an Hand der Fig. 2 und 3 gegeben. Sie beziehen sich auf die in den Figuren ersichtlichen, mit Buchstaben bezeichneten Abmessungen. Länge des Trägers 1 und des Teiles 3 1 = 28-30 cm, Breite b dieser Teile = 3 cm, Dicke d dieser Teile = 0, 3 cm, Abstand a zwischen dem Träger l und dem Zuleitungsteil 3 = 0, 3 cm, D = Durchmesser der Substratscheiben, t = Höhe der Substratscheiben = Tiefe der in die Oberseite des bzw. in die Oberseite derum-
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gebenden Quarzhülse eingelassenen Vertiefungen für die aufzunehmenden Substratscheiben.
In einzelnen Fällen, vor allem wenn es sich um die Herstellung sehr dünner epitaktischer Schichten handelt, kann auch auf die Anwesenheit solcher Vertiefungen im Träger bzw. in der Quarzhülse verzichtet werden.
Die beschriebenen Möglichkeiten gemäss der Erfindung sind besonders günstig, um die erfindungsgemässe Vorrichtung zu realisieren, da sie durch eine besonders einfach zu realisierende Konstruktion des Trägers sowie der elektrischen Zuleitung 3 die zwangsläufige Erstellung der erfindungsgemässen Vorrichtung mit sich bringen. Es bestehen jedoch noch andere Möglichkeiten, um das Verlangte zu leisten.
Eine Möglichkeit erzwingt das verlangte Strahlungsgleichgewicht zwischen der Unterseite des Trägers und dem mit ihr in Wärmeaustausch stehenden Zuführungsteil durch unterschiedliche Bemessung und Gestaltung, eine andere Möglichkeit nimmt zu diesem Zweck die Mittel der Wärmeisolation für den zwischen Träger und Zuleitung befindlichen Raum zu Hilfe, während schliesslich das Strahlungsgleichgewicht durch optische Spiegelungen und unterschiedliche Beheizung von Zuleitung und Träger erreicht werden kann.
Die Vorteile solcher Mittel können beispielsweise auch bei der inFig. 4 dargestellten Anordnung angewendet werden, indem man z. B. die Seitenwände der Quarzhülse 14 (gegebenenfalls auch deren untere Wand) an der Innenseite mit einem nach innen spiegelnden Überzug versieht, wodurch seitliche Wärmeverluste stark reduziert werden können.
Die Vorteile der erfindungsgemässen Vorrichtung sind vor allem gleichmässigeBeheizung der Scheiben, Vermeidung der Entstehung konvex oder konkav gekrümmter epitaktischer Schichten und eine verhältnismässig rasche Beschichtung bei im Vergleich zu den bekannten Anordnungen geringem Energieauf- wand. Die in Fig. 4 dargestellteanordnung sichertausserdem maximalefreiheit des abgeschiedenen Halbleiters von unerwünschten Verunreinigungen, vor allem auch deshalb, weil die nach einer Seite gezogenen elektrischen Anschlüsse der Anordnung die DurchfAhrung und Halterung praktisch an einer einzigen Stelle des Gehäuses und damit eine wirksame Abschirmung des Reaktionsraumes von dieser Stelle ermöglichen.
Es kann zweckmässig sein, wenn die zu beschichtende Halbleiterscheibe entweder nur am Rande oder nur in ihrem Zentrum satt an der Unterlage aufliegt. Die satt aufliegenden Stellen stehen mit der Unterlage in direktem Wärmeleitungskontakt und werden deshalb stärker aufgeheizt als die nicht satt aufliegenden Stellen. Man hat also auf diese Weise ein Mittel in der Hand, um entweder den Rand der Scheibe oder deren Zentrum stärker aufzuheizen. Eine stärkere Aufheizung am Scheibenrand erscheint zweckmässig bei konkaven Scheiben oder bei planen Scheiben, da erfahrungsgemäss solche Scheiben bei gleichmässiger Wärmezufuhr am Rande kühler bleiben. Hingegen empfiehlt es sich. konvexe Scheiben mitunter im Zentrum stärker zu beheizen.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Vorrichtung für das epitaktische Abscheiden von Halbleitermaterial aus der Gasphase auf eine einkristalline Halbleiterscheibe, die infolge direkter oder mittelbarer Berührung mit einem elektrisch auf hohe Temperatur aufgeheizten, aus chemisch und thermisch widerstandsfähigem Material bestehenden Träger auf die zurAbscheidung des Halbleiters erforderliche hohe Temperatur erhitzt und die zu beschichtende Halbleiterscheibe in eine ihr bezüglich Querschnitt und Höhe angepasste Vertiefung an der Oberseite des vorzugsweise horizontal gehalterten, bandförmigen Trägers angebracht wird, dadurch ge- kennzeichnet,
dass ein sich unterhalb des Trägers befindender Teil einer elektrischen Zuleitung der Unterseite des Trägers je Flächen- und Zeiteinheit etwa ebenso viel Wärme zustrahlt als anderseits die Flächeneinheit der Trägerunterseite gleichzeitig durch die Abstrahlung verlieren würde, indem der dem
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von diesem angeordnet wird, dass es gerade noch zu keinem Kurzschluss zwischen dem Zuleitungsteil (3) und dem Träger (1) kommt.