DE1619998C3 - Device for the thermal treatment of disk-shaped semiconductor bodies - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum thermischen Behandeln von scheibenförmigen Halbleiterkörpern, die am Boden eines zylindrischen Behandlungsgefäßes angeordnet sind, mit einer unterhalb dieses Bodens befindlichen, flächenhaft ausgedehnten und mit ihrer Oberseite sich parallel zu den zu behandelnden Scheiben erstreckenden Heizvorrichtung, die mittels ihrer Stromzuführungselektroden gehaltert ist.The invention relates to a device for thermal Treatment of disk-shaped semiconductor bodies which are located at the bottom of a cylindrical treatment vessel are arranged, with one located below this floor, extensive and with its upper side extends parallel to the panes to be treated heating device, which by means of their power supply electrodes is supported.

Solche Vorrichtungen sind beispielsweise in der DT-OS 16 44 017 und in der DT^ÄS 12 16 851 beschrieben.Such devices are for example in DT-OS 16 44 017 and in DT ^ ÄS 12 16 851 described.

Zum Herstellen von Halbleiterbauelementen, z. B. aus Silicium, wird häufig das als Epitaxie bekannte Verfahren angewendet. Dieses Verfahren besteht darin, daß man scheibenförmige Halbleiterkristalle, insbesondere Einkristalle, auf eine hohe, jedoch unterhalb des Schmelzpunktes des Halbleiters liegende Temperatur aufheizt und gleichzeitig über die Scheiben ein Reaktionsgas hinwegleitet, welches bei der Temperatur der Scheiben den betreffenden Halbleiter auf den Scheiben in vorzugsweise einkristallinem Zustand niederschlägt. Die Beheizung der Halbleiterscheiben erfolgt vornehmlich auf elektrischem Wege, indem z. B. diese Scheiben während des Abscheidevorganges mit einem aus hitzebeständigem, leitendem Material bestehenden, von einem elektrischen Heizstrom durchflossenen Träger und Heizer in direkter Berührung oder über eine isolierende Zwischenschicht in mittelbarem Kontakt gehalten werden. Natürlich sind auch andere Beheizungsarten möglich. Als Reaktionsgas verwendet man aus verschiedenen bekannten Gründen zweckmäßig eine Halogen- oder Halogen-Hydrid-Verbindung des darzustellenden Elementes. Dieser aktive Bestandteil wird zweckmäßig mit Wasserstoff, gegebenenfalls auch mit einem Inertgas, verdünnt. Häufig werden auch dotierende Zusätze in definierter Konzentration zum Reaktionsgas angewendet.For the manufacture of semiconductor components, e.g. B. made of silicon, is often known as epitaxy Procedure applied. This method consists in that disk-shaped semiconductor crystals, in particular Single crystals, at a high temperature, but below the melting point of the semiconductor heats up and at the same time conducts a reaction gas over the panes, which at the temperature of the wafers, the semiconductor concerned on the wafers, preferably in a monocrystalline state precipitates. The semiconductor wafers are primarily heated electrically by z. B. these disks during the deposition process with a material made of heat-resistant, conductive material, Carrier and heater through which an electrical heating current flows in direct contact or via an insulating intermediate layer can be kept in indirect contact. Of course there are others too Types of heating possible. For various known reasons, it is expedient to use the reaction gas a halogen or halogen hydride compound of the element to be represented. This active ingredient is expediently diluted with hydrogen, optionally also with an inert gas. Often also doping additives applied in a defined concentration to the reaction gas.

Bei der Herstellung von Halbleiterbauelementen durch Epitaxie werden hohe Gleichmäßigkeiten der abgeschiedenen Schichten bezüglich ihrer Stärken und Dotierungen verlangt. Eine der hierfür notwendigen Voraussetzungen ist eine äußerst gleichmäßige Aufhei-■■.. zung der zu behandelnden Halbleiterscheiben. Die andere ist die, Wärmeverluste auszugleichen.
Man hat dazu drei Möglichkeiten:In the manufacture of semiconductor components by epitaxy, high uniformities of the deposited layers with regard to their thicknesses and doping are required. One of the prerequisites necessary for this is an extremely even heating ■■ .. of the semiconductor wafers to be treated. The other is to compensate for heat loss.
There are three ways to do this:

1. Die Stromzuführungselektroden werden so dimensioniert, daß die in ihnen entstehende Joulesche Wärme die durch Wärmeableitung bedingten Verluste ausgleicht;1. The power supply electrodes are dimensioned so that the Joule heat generated in them compensates for the losses caused by heat dissipation;

2. man verwendet einen Teil der von der Heizvorrichtung abgestrahlten, jedoch nicht zur Erhitzung der2. one uses part of the radiated from the heating device, but not to heat the

ίο zu behandelnden Halbleiterscheiben dienenden Wärmeenergie dazu, um die besagten Wärmeverluste durch die Elektroden zu kompensieren. Beispielsweise kann die an der Unterseite der Heizvorrichtung abgestrahlte Wärmeenergie ganz oder teilweise durch Reflexion der Anschlußstellen der Stromzuleitungselektroden zugeführt werden;ίο Serving semiconductor wafers to be treated Heat energy to compensate for the said heat losses through the electrodes. For example, the heat energy radiated on the underside of the heating device can be entirely or are partially supplied by reflection of the connection points of the power supply electrodes;

3. man kann zusätzliche Hilfswärmequellen in der Nähe der Anschlußstellen der Stromzuleitungselektroden anordnen, welche den genannten Wärmeverlusten entgegenwirken.3. You can add additional auxiliary heat sources near the connection points of the power supply electrodes arrange which counteract the heat losses mentioned.

Demgemäß wird nach der Erfindung vorgeschlagen, daß unter der Heizvorrichtung mindestens ein Strahlungsschirm oder mindestens eine zusätzliche Heizvorrichtung vorgesehen ist, oder daß die Stromzuführungen so dimensioniert sind, daß die in ihnen während des Betriebes entstehende Joulesche Wärme die durch Wärmeableitung bedingten Verluste ausgleicht.Accordingly, it is proposed according to the invention that at least one radiation shield under the heating device or at least one additional heating device is provided, or that the power supply lines are dimensioned in such a way that the Joule heat generated in them during operation passes through Compensates for losses caused by heat dissipation.

Wichtig ist, daß die besagten, eine lokale Kühlung des Heizers bedingenden Wärmeverluste durch die genannten Maßnahmen zwar möglichst ausgeglichen, jedoch nicht so weit überkompensiert werden, daß durch solche Maßnahmen bedingte eventuelle Temperaturerhöhungen zu solchen Temperaturunterschieden führen, daß die auszugleichenden Temperaturunterschiede lediglich ihr Vorzeichen gewechselt haben, ohne daß hierdurch eine Verminderung des Betrages dieser Temperaturunterschiede eingetreten ist. 'It is important that the aforementioned heat losses, which cause local cooling of the heater, are caused by the aforementioned Measures are balanced as far as possible, but not overcompensated to such an extent that they are Measures caused possible temperature increases lead to such temperature differences that the temperature differences to be compensated have merely changed their sign without this a reduction in the amount of these temperature differences has occurred. '

Eine der Erfindung entsprechende Vorrichtung ist in der Zeichnung dargestellt. Diese Vorrichtung dient vornehmlich der epitaktischen Beschichtung von Halbleiterscheiben. Es wird jedoch verständlich, daß die dargestellte Apparatur z. B. auch zum Dotieren von Halbleiterscheiben aus der Gasphase verwendet werden kann.A device corresponding to the invention is shown in the drawing. This device is used primarily the epitaxial coating of semiconductor wafers. It will be understood, however, that the illustrated apparatus z. B. can also be used for doping semiconductor wafers from the gas phase can.

Der zylindrische Reaktionsraum 1 wird von unten von einem topfförmigen Unterteil 2 und einem zylindrischen Oberteil 3 umschlossen. Diese Teile bestehen zweckmäßig aus Quarz. Es empfiehlt sich, wenn sämtliche sich während des Betriebes stark erwärmenden Teile des Behandlungsgefäßes, insbesondere der Boden des Reaktionsgefäßes, aus einer im Spektralbereich von 2,6 bis 2,8 μ möglichst absorptionsfreien SKVSorte bestehen. Oben wird der Reaktionsraum 1 von einem Deckel 4, z. B. aus Edelstahl, abgeschlossen. Die zu beschichtenden, insbesondere aus monokristallinem Halbleitermaterial, z. B. Silicium, bestehenden Scheiben 5 sind am ebenen Boden des topfförmigen Unterteiles 2 angeordnet. Die Beheizung der Scheiben erfolgt von unten, wobei die erforderliche Wärme von einem stromdurchflossenen Heizelement 6 geliefert wird. Das Unterteil 2 des Reaktionsraumes 1 sowie die Heizvorrichtung 6 befinden sich zweckmäßig in einem gekühlten Heizertopf 8 aus Metall. Die Zufuhr für das frische Reaktionsgas, oder sonstige Behandlungsgas, sowie die Abfuhr des verbrauchten Gases erfolgt zweckmäßig von bzw. nach oben. Zu diesem Zweck sind ein Gaszuführungsrohr 9 zentral durch den Metalldeckel 4 und konzentrisch hierzu eine Anzahl von Gasaustritts-The cylindrical reaction space 1 is formed from below by a cup-shaped lower part 2 and a cylindrical one Upper part 3 enclosed. These parts are expediently made of quartz. It is best if everyone is parts of the treatment vessel that heat up strongly during operation, in particular the bottom of the Reaction vessel, consist of an SKV variety that is as absorption-free as possible in the spectral range from 2.6 to 2.8 μ. Above, the reaction chamber 1 is covered by a cover 4, e.g. B. made of stainless steel, completed. The to be coated in particular made of monocrystalline semiconductor material, e.g. B. silicon, existing disks 5 are on arranged flat bottom of the cup-shaped lower part 2. The windows are heated from below, the required heat being supplied by a heating element 6 through which current flows. The lower part 2 of the reaction chamber 1 and the heating device 6 are conveniently located in a cooled heater pot 8 made of metal. The supply for the fresh reaction gas, or other treatment gas, as well as the The used gas is expediently discharged from or upwards. To this end are a Gas supply pipe 9 centrally through the metal cover 4 and concentrically therewith a number of gas outlet

öffnungen 10 vorgesehen. Im Beispielsfalle ist das Gaszuführungsrohr bewegbar im Deckel 4 gelagert. Gleichzeitig ist für eine gasdichte Verbindung zwischen dem Rohr 9 und dem Deckel 4 gesorgt. Hierzu dient eine das Rohr 9 ringförmig umschließende Dichtung 11 aus chemisch und thermisch widerstandsfähigem, elastischem Material. Sie wird im Beispielsfalle durch einen Druckring 12 sowohl gegen ein Widerlager im Deckel 4 als gegen das Zuleitungsrohr 9 gedrückt. An der Außenseite des Zuleitungsrohres (s. den gebogenen Pfeil in der Zeichnung) können Mittel wirksam sein, weiche eine Bewegung des Rohres bewirken. Das Gaszuführungsrohr 9 ist im Innern des reaktionsraumes von einer schalenförmig nach oben gestülpten Schutzmanschette 13 umgeben, und mit ihr starr verbunden. Diese Manschette dient als Strahlungsschutz gegen zu starke Erwärmung des Deckels 4. Außerdem fängt sie die sich bevorzugt am kühleren Deckel 4 bildenden, als Störkeime wirksamen Partikeln ab, wenn die Anordnung für epitaktische Zwecke herangezogen wird. Schließlich ist es im Interesse der Reinheit des Reaktionsgases zweckmäßig, wenn für den Fall, daß das Unterteil 2 und der obere Teil 3 des Reaktionsgefäßes voneinander gelöst werden können, das Gaszuführungsrohr 9 stets in den unteren Teil 2 hineinragt.openings 10 are provided. In the example case, the gas supply pipe is movably supported in the cover 4. At the same time, a gas-tight connection between the tube 9 and the cover 4 is ensured. Serves for this a seal 11 which surrounds the tube 9 in an annular manner made of chemically and thermally resistant, elastic material. In the example, it is carried out by a pressure ring 12 is pressed both against an abutment in the cover 4 and against the supply pipe 9. On the outside of the supply pipe (see the curved arrow in the drawing) means can be effective, soft cause movement of the pipe. The gas supply pipe 9 is in the interior of the reaction chamber surrounded by a cup-shaped upwardly turned protective sleeve 13, and rigidly connected to it. This cuff serves as radiation protection against excessive heating of the cover 4. It also catches the particles, which are preferably formed on the cooler cover 4 and act as interfering germs, when the arrangement is used for epitaxial purposes. After all, it is in the interests of the purity of the Reaction gas useful if in the event that the lower part 2 and the upper part 3 of the reaction vessel can be detached from one another, the gas supply pipe 9 always protrudes into the lower part 2.

Zwischen dem Heizelement 6 und dem die zu beschichtenden Scheiben 5 tragenden Boden des Reaktionsgefäßes (die Wand des Bodens soll gleiche Wandstärke aufweisen) ist eine Temperaturausgleichsplatte vorgesehen. Falls der Querschnitt des Reaktionsgefäßes 2 ein Kreis ist, sind auch die horizontalen Querschnitte der Temperaturausgleichsplatte 7 und des Heizelementes 6 — sofern man von einer durch die Windung eines gestreckten Leiters bedingten Unterstruktur absieht — als im Hinblick auf den äußeren Umfang ebenfalls kreisförmig.Between the heating element 6 and the base of the panes 5 to be coated The reaction vessel (the wall of the bottom should have the same wall thickness) is a temperature compensation plate intended. If the cross-section of the reaction vessel 2 is a circle, the horizontal ones are also Cross-sections of the temperature compensation plate 7 and the heating element 6 - if one is through the Winding of a stretched conductor dependent substructure disregards - than with regard to the outer Circumference also circular.

Die Erfindung bezieht sich nun auf die spezielle Ausgestaltung der Heizvorrichtung 6 bzw. der sie kontaktierenden Stromzuführungen 6a.The invention now relates to the special configuration of the heating device 6 or of them contacting power supply lines 6a.

Der Heizer besteht bevorzugt aus einem aus hitzebeständigem Material wie Kohle, Graphit, Molybdän, Tantal od. dgl. bestehenden Leiter mit gleichförmigem, vorzugsweise rechteckigem oder rundem Querschnitt, der — zweckmäßig in einer einzigen — Ebene parallel zur Erstreckung der zu erhitzenden Halbleiterscheiben 5 spiralig oder vorzugsweise mäanderförmig gewunden ist. Die Windungen sind dabei so dicht geführt, daß sich oberhalb des Heizers 6 eine möglichst homogene Temperaturverteilung ergibt. Aus dem gleichen Grunde sind die einzelnen Windungen des Heizers — vorzugsweise durch einen dünnen Luftspalt — gegeneinander isoliert, um eine möglichst gleiche Stromdichte über die gesamte Oberseite des Heizers zu erreichen. Die Windungen des Heizers sind zweckmäßig gegen die Peripherie des Heizers hin etwas verjüngt, um den Randabfall der Temperatur im Gebiet oberhalb des Heizers möglichst flach verlaufen zu lassen. Die Windungen des Heizers 6 schneiden an ihrer Oberseite an einer parallel zu den Scheiben 5 sowie zum Boden des Behandlungsraumes verlaufenden Ebene ab. Die Temperaturausgleichsplatte 7 ist ebenfalls parallel zu dieser Ebene angeordnet. Sie besitzt den im horizontaThe heater is preferably made of a heat-resistant material such as carbon, graphite, molybdenum, Tantalum or similar existing conductors with a uniform, preferably rectangular or round cross-section, the - expediently in a single - plane parallel to the extension of the semiconductor wafers to be heated 5 is spirally or preferably wound in a meander shape. The turns are so tight led to the result that the temperature distribution above the heater 6 is as homogeneous as possible. From the The same reason are the individual turns of the heater - preferably through a thin air gap - Insulated from one another in order to achieve the same current density as possible over the entire top of the heater reach. The turns of the heater are appropriately tapered somewhat towards the periphery of the heater to to let the edge drop in temperature in the area above the heater run as flat as possible. the Windings of the heater 6 cut on their upper side at a parallel to the disks 5 and to the floor of the treatment room. The temperature compensation plate 7 is also parallel to arranged on this level. She owns the one in the horizonta

len Querschnitt in F i g. 2 dargestellten mäanderförmigen Verlauf. In Fig.2 sind ferner die Stellen der Anschlußelektroden 6a angedeutet. Entsprechend der Lehre der Erfindung sind Strahlungsschirme 13 angeordnet, welche einen Teil der nach unten abgestrahlten Wärme wieder der Heizvorrichtung in der Umgebung der Anschlußstellen für die Stromzuführungselektroden 6a durch Strahlung und Leitung über diese Zuführungselektroden zurückführen. Für die elektrischen Zuleitungen sind folgende Überlegungen zweckmäßig:len cross-section in FIG. 2 shown meandering course. In Fig.2 are also the places of Connection electrodes 6a indicated. Radiation shields 13 are in accordance with the teaching of the invention arranged, which part of the downward radiated heat is returned to the heating device the vicinity of the connection points for the power supply electrodes 6a by radiation and conduction feed back these lead electrodes. The following considerations apply to the electrical supply lines appropriate:

In F i g. 3 sind die Abmessungen einer Stromzuleitung 6a dargestellt, die die Heizvorrichtung 6 trägt. Wie aus dieser Figur ersichtlich, kann diese Stromzuleitung aus Teilen mit unterschiedlichen Querschnitten für den Stromfluß bestehen. Besteht die Stromzuführung beispielsweise aus Teilen mit den Querschnitten Fi, F₂, Fs und den zugehörigen Längen /1, I₂ und /3 und ist 71 die Temperatur des Heizers 6 und 72 die Temperatur am anderen Ende der Elektrodenzuführung, so gilt für den Strom /die BeziehungIn Fig. 3 shows the dimensions of a power supply line 6a that carries the heating device 6. As can be seen from this figure, this power supply line can consist of parts with different cross-sections for the current flow. If the power supply consists, for example, of parts with the cross-sections Fi, F ₂ , Fs and the associated lengths / 1, I ₂ and / 3 and if 71 is the temperature of the heater 6 and 72 is the temperature at the other end of the electrode supply, then the following applies to the current /the relationship

J² J ² " Q " Q hH I₂ I ₂ hH λ ■ (T₁ λ ■ (T ₁ - T₂)- T ₂ ) hH I '³ I ' ³ F₁ F ₁ ' F₇ ' F ₇ ' F, ' F,

Hierbei wird vorausgesetzt, daß der Querschnitt (Fj und F₃) der Stromzuführungen an den Enden größer als in der Mitte (F₂) ist. In der Formel bedeuten noch ρ den spezifischen Widerstand der (aus homogenen Material bestehenden) elektrischen Zuleitung 6a und λ das spezifische Wärmeleitvermögen dieses Materials.It is assumed here that the cross-section (Fj and F ₃ ) of the power supply lines is larger at the ends than in the middle (F ₂ ). In the formula, ρ also denotes the specific resistance of the electrical feed line 6a (consisting of homogeneous material) and λ denotes the specific thermal conductivity of this material.

Wenn, wie im Beispielsfalle, Fi = F3 und h = /3 ist, so folgt:If, as in the example, Fi = F3 and h = / 3, then it follows:

J²-oder, falls J ² - or, if

F, = F , =

F₂ = F ₂ =

- T₂) = F₁-F₂-J₁-I₂, - T ₂ ) = F ₁ -F ₂ -J ₁ -I ₂ ,

F₃ = F und /, = I₂ = I₃ = I F ₃ = F and /, = I ₂ = I ₃ = I

J² ■ ρ: λ-(T₁ - T₂) = F²: P.J ² ■ ρ: λ- (T ₁ - T ₂ ) = F ² : P.

Schließlich können noch Heizvorrichtungen, z. B. Heizspiralen 14, in der Nähe der Kontaktanschlußstellen unterhalb der Heizvorrichtung 6 angeordnet sein, welche die Wärmeverluste durch Ableitung längs der Elektroden neutralisieren. Es empfiehlt sich auch in diesem Falle, daß die Heizvorrichtung in einem inerten Gas betrieben wird, um die Oxydation des Heizers und gegebenenfalls auch der Heizspiralen zu unterbinden.Finally, heating devices such. B. heating coils 14, in the vicinity of the contact connection points be arranged below the heating device 6, which the heat losses by dissipation along the Neutralize electrodes. In this case, too, it is recommended that the heating device be in an inert Gas is operated in order to prevent oxidation of the heater and possibly also of the heating coils.

Zu bemerken ist noch, daß es günstig ist, wenn ein Teil der vom Heizer nach unten abgestrahlten Wärmeenergie auf absorbierenden, die Wärme gut leitenden, an den Stromzuführungen befestigten Strahlungsschienen aufgefangen und durch Wärmeleitung den Stromzuführungselektroden zugeleitet wird, um diese möglichst weit in Richtung auf die Heizertemperatur zusätzlich zu erwärmen. Auf diese Weise wird nämlich der Wärmefluß vom Heizer 6 in die Stromleitungen 6a reduziert.It should also be noted that it is beneficial if a part the heat energy radiated downwards by the heater to absorbing, heat-conducting, to the Power supply lines attached to radiation rails and the power supply electrodes by conduction is fed to this as far as possible in the direction of the heater temperature in addition heat. In this way, namely, the flow of heat from the heater 6 into the power lines 6a is reduced.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen1 sheet of drawings

Claims (2)

Patentansprüche:Patent claims: 1. Vorrichtung zum thermischen Behandeln von scheibenförmigen Halbleiterkörpern, die am Boden eines zylindrischen Behandlungsgefäßes angeordnet sind, mit einer unterhalb dieses Bodens befindlichen, flächenhaft ausgedehnten und mit ihrer Oberseite sich parallel zu den zu behandelnden Scheiben erstreckenden JHeiz.vqrrichtung, die mittels ihrer Stromzuiähruögseliek^föderr5 igehalteif icist, dadurch gekennzeichnet, daß unter der Heizvorrichtung mindestens eine Strahlungsschirm oder mindestens eine zusätzliche Heizvorrichtung vorgesehen ist, oder daß die Stromzuführungen so dimensioniert sind, daß die in ihnen jährend des Betriebes entstehende Joulesche Wärme die durch Wärmeableitung bedingten Verluste ausgleicht.1. Device for the thermal treatment of disk-shaped semiconductor bodies on the ground a cylindrical treatment vessel are arranged, with one located below this bottom, extensive and with their upper side parallel to the disks to be treated extending heating device, which by means of their Stromzuiähruögseliek ^ föderr5 igehalteif icist, thereby characterized in that under the heating device at least one radiation shield or at least one additional heating device is provided, or that the power supplies are dimensioned so that the in them during the year Joule heat generated during operation compensates for the losses caused by heat dissipation. 2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Strahlungsschirm wärmeleitend mit der Heizvorrichtung verbunden ist2. Apparatus according to claim 1, characterized in that the radiation shield is thermally conductive is connected to the heating device