DE1771169A1

DE1771169A1 - Graphit-Susceptor

Info

Publication number: DE1771169A1
Application number: DE19681771169
Authority: DE
Inventors: Clark Joseph Thomas; Brown Howard William
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1967-04-18
Filing date: 1968-04-13
Publication date: 1972-02-17
Also published as: NL6805349A; SE353005B; GB1221852A; FR1562474A; US3549847A; BE713067A

Description

Dipl.-fng.Dr.LothorMichaelis Dr. Horst Schüler Dr. Erhört Ziegler

Patentanwalt . Patentanwalt Patentanwalt

Frankfurt/Main 1 6 Frankfurt/M al Π 1 6 Fran kf urt/Main

Postfach 3011 Postfach 3011 Postfach 30Π

HAPR.

827-8D-909

Electric Company, 1 River Road-, Ssherioefcßdy, N.Y. / USA

Gsraphit-Suseeptor

Die Erfindung bezieht sich auf einen sog* Graphit-Susceptor, d.h. einen aus Graphit bestehenden, susaramengesetzten Snergieaufnahmekurper für Hoehfrequensheizung, der besonder· für da· epitaxiala W&chsan von Halbleiter?und dergl. brauchbar ist, sowie auf ein Yes.»fahren aur Herstellung dssselben. ,

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Bei epltaxialen Aufwachsverfahren für die Herstellung von Halbleitern und dergl. ist es notwendig, ein HalbleiterStückchen, beispielsweise ein Stückchen Silisiuironetall auf hohe Temperatur SKU erhitzen, um darauf eine dünne Schicht oder eine Vielsahl von dünnen Schichten aus anderen Materialien abzulagern. IM dies zu bewerkstelligen, ist es üblich, das Stückchen dadurch zu erhitzen, daß es im Innern sines evakuierten Behälters aus _Ä Quars oder anderem dielektrischen Material, der von einer Induktionsheizspule umgeben ist, auf einem elektrisch leitenden Körper angeordnet wird. Dar leitfähige Körper wirkt dabei als Susceptor für die Induktionsheizung und erhitst das Stückchen . Nachdem dasselbe auf die gewünschte Temperatur gebracht worden ist, kann die Dampfabscheidung auf das Stückchen beginnen, indem der gewünscht· Dampf in den Behälter eingelassen wird.

Der in einem solchen Verfahren verwendete Suseeptor mift nicht φ nur elektrisch leitfähig sein, sondern er nuß auch außerordentlich hohe Wlrmebeständigkeit aufweisen, rauft chemisch inert und von außerordentlich hoher Reinheit sein, um eine nachteilige Verschmutzung des su bearbeitenden HalbleiteriBtÜekahen* su vermeiden. Zur Zeit ist es allgemein üblich, alt 3iliii*M-karbid überzogenen Graphit als Susoeptor su verwenden, Solon ein Susoeptor hat jedoch zahlreiche Nachteile. Zunfohst beeteht

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BADORiGiNAL

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.zwischen den thermischen AusdöhKungskoeffisienten von Siliziumkarbid und Graphit eins wesentliche Fehlanpassung und zusäts-Iich weist der Siliziumkarbid selbst keine gute thermische Stoßfestigkoit auf. Ein solcher Susoeptor kann daher nicht einem schnellen therniisehen Zyklus unterworfen werden,und selbst rfsnn er eir„sm langsamen thermischen Zyklus unterworfen wirö, V.rJt':. noch Wiüti-s e:In Bersten.ein. Es -kosant; nosh' hinssu-, daß das Silisiiiiiuca^bid öin sismlich spi'ödss Material ie't,und daß häufig beim Bersten des Siliziumkarbids Trümmer auf das bearbeitete Halbleitersttickchen fallen und dadur.li Ausschuß verursacht wird. Weiterhin ist Silissiunskarbid in der reinen Form teuer und dies trägt wesentlich zu den Kosten eines solchen Susceptors bei.

Gemäß der vorliegenden Erfindung weist ein Susceptor einen Körper aus porösem Elektrographit mit einer Oberflächenschicht aus pyrolytisohem Graphit auf, welch letsterer in die Poren des Elektrographitkörpers eindringt und ein festes mechanisches Ineinandergreifen sswischen der Oberflächenschicht aus pyrolytischem Graphit und dem Elektrographit-Substratkörper gewährleistet. Ein solcher Susceptor wird gemäß der vorliegenden Erfindung durch pyrolytisch« Ablagerung des pyrolytisehen OrapbJ-ts auf dem Elektrographitkörper hergestellt, wobei sunftohst bei einer Temperatur von 1100⁰C bis 16QO⁰C mit einem Druck des

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kohlenstoffhaltigen Gases von weniger als 1,2 ram Hg gearbeitet wird, und dann die pyrolytieohe Graphit tab lagerung bei einer Temperatur über l600°C und einem Druck des kohlenstoffhaltigen Gases von e£w& 1,5 mm Hg fortgecetat wird. Auf diese Weise wird ein gutes und tiefes Eindringen des pyrolytisohen Graphite in die Poren des porösen Graphitkörpers gewährleistet,, so daß ein starkes mechanisches Ineinandergreifen (Verriegelung) erzielt wird, während gleichzeitig eine glat-e,dichte durchgehende Oberflächenschicht aus pyrolytisch®!!! Graphit entsteht. Die so hergestellten Susceptoi'en weisen eine ausgezeichnete thermische und mechanische Stoßfestigkeit auf, und swar aufgrund dee mechanischen Ineinandergreifens «wischen pyrolytiacher Graphitoberfläeheiflschicht und porösem Graphitträger. Br besitzt weiterhin die chemische Trägheit zusammen mit 0berfläohenundurchlÄS3igkeit und chemischer Reinheit aufgrund der Eigenschaften des pyrclytischon Graphits, und er ist in hohem KaBe wirksam, insbesondere wegen der ausgeceiöhneten thermischen Oberflächenleitfähigkeit das pyrolytisohön Graphite. Die Susceptoren können einem schnellen thermischen Zyklus unterworfen werden und sie können wiederholt, benutzt wer4©n, ohns daß eine Zerstörung oder ein merklicher Verlust irger.&rslcher dieser gewünschter'. Eigenschaften auftritt. In der Tat seigt ein n&eh der virli^^.Nndon Erfindung hei'geetell-·

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Suaeepfcoi· eine Kombination ^on wünschenswerten chemischen und physikalischen Eigensehaffcan, die mit denjenigen vergleich bar sind, die mit einem aus !0OJi pyrolytischem Graphit bestehenden Körper erhalten werden, wobei jedoch die Kosten WÄsentlieh verringert sind, da die Hauptmasse des Subceptors aus billigem Elektrographit besteht.

Merkmal© und Vorteile der Erfindung ergeben sich klarer aus der-nachfolgenden detaillierten Beschreibung in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen,

Xn den Zeichnungen zeigt; .

Figur I eine Quarsslmittsansicht; dar für die Herstellung der Sueechteren verwendeten 'Apparatur j .

Figur 2 eine Qusrsöhnittaansicht eines Teiles der in Figur 1 gegeigten Apparatur in vergrößertem Maßstab; Figur 3 ©ine stark vergrößerte Teilansicht eines Oberflächenteiles eines erfindungegemäß hargestellten Susceptorsj Figur k eine Teilansicht einer Vorrichtung, die einen erfindungsgemäßen Suseaptor aufweist und die für die Hersteilung von Halbleitern nach der epitaxiaien Aufwa@hsm®thode verwendet wird.

Die in Figur 1 geseigt® Apparatur enthält »in gewöhnliöh »y-Iindx»i8ehes Gehäuse 10 mit eines¹ Verschlußplatte 12» weiche

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durch Bolaen oder ein entsprechendes Scharnier und eine Sperrklinke entfernbar befestigt ist. Ein Sicht fenster 111 ermöglicht die Beobachtung der Absoheidungsoperation in dem Gehäuse. Ein aus Isoliermaterial bestehender Körper 16, beispielsweise Ruß, begrenzt eine innere sylindrisehe Xanater, deren Wände durch einen Graphitzylinder 18 und Kopf- und Bodengraphitplatten 20 bzw. 22 gebildet werden. Eine Induktion·- heizspule 24 umgibt das Xsolationsmaterial 16 und der-Qraphiteylinder 18 wirkt als ein Suseeptor. Bei Durchtritt von elektrischem Strom durch die Induktionsspule 2% wird im Innern des Zylinders 18 ofc&rke Hitae erzeugt.

Durch dia von dem Zylinder 18 und seinen Endplatten gebildete Erhitzungekamaer erstreckt sich eine innere Röhre 26 aus Graphit mit Qraphitssapfen 28, die sieh radial davon nach innen erstrecken. Die zu behandelnden Graphitkörper 30 werden von diesen Zapfen gehalten wie es in Figur 2 gezeigt wird. Daher ist jeder Graphitkörper mit einer kleinen zylindrischen Öffnung versehen, die über das konische Ende eines Haltezapfens geaohoben wird. Falls gewünscht, kann das konische Ende des Halteeapfens mit einer Vielzahl von schmalen SchlitMH 3* versehen werden, um den Eintritt des kohlenstoffhaltigen Gases in die öffnung 32 zu ermöglichen.

Eine öffnung in der Platte 22 gestattet den Durchtritt einer

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Einlaßleitung 36 für den Durchfluß des kohlenstoffhaltigen Gases in and durch die innere Graphitröhre 18, wobei das obere Ende der Röhre 18 su dem Inneren des Gehäuses hin offen ist und die mieht abgeschiedenen Hydrolysenprodukte des kohlenstoffhaltigen Gases durch die Austrittsleitung 38 entweichen. Beim E«ifcri®b kann daher das kohlenetoff halt ige Gas wie Methan ede? eine Mischung von Metshan und Wasserstoff durch die Röhre 36 in das Innere der Anordnung eintreten, die aus der Graphitröhre 18 und den Grephitkörpern 30 besteht, die ihrerseits durch die in dem Zylinder 16 erzeugte Hitze intensiv erhitzt wird. Dabei tritt, eins Hydrolyse dee kohlenstoffhaltigen Gases ein, die zu einer Ablagerung des pyrolytiachen Graphits auf den intensiv erhitzten Graphitkörpern 30 führt. Der -Wasserstoff und die anderen gasförmigen Hydrolyseprodukte werden durch die Auslaßleitung 38 aus der Kammer abgesogen.

Zur Erzielung 'optimaler Eigenschaften bei dem ge-f Gegenständen sollen die .ver&rbeitsten Elektregraphitkörper eine* .Dichte von nicht- laehr sls etwa. 1_S9 g/enr und vcx»sugs~ weist* eine Dichte von etwa i/f bis 1,9 g/erc^ isnd eino PorengrößenTertailmig, di@^ö sieh .von 1 bie 100 Mikror» erstreckt,

aufweisen. Bai kleineren'Ρ^ϊ⁵*» ist ©3 sehwierig, die erfordsr-

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liehe Eindringung des pyrolytischen Graphits in die Oberfläche zu bewerkstelligen, um das gewünschte starke Ineinandergreifen zwischen pyrolytischem Graphit und dem Substratkörper zu bewerkstelligen. Mit einer wesentlich Über dem vorgenannten Bereich liegenden Porengrijße ist eine außerordentlich lange Ablager«ngsz®it und eine dicke pyrolytisch« Ablagerung erforderlich,um die notwendige glatte äußere Ober-' fläche aus pyrolytischem Graphit zu erzeugen»

Für die Herstellung der zusammengesetzten Graphit-Susceptorkörptr wird die Kammer zunächst auf einen Druck von nicht über 0,X mm Hg evakuiert und durch Induktionsheizung des Graphit-Zylinders 18 auf 1100 bis 1200⁰C erhitzt. Dann wird kohlenstoffhaltiges Gas, voriugsweise Methan oder eine Mischung von Methan rad Wasserstoff bei einem Druck von 0,5 bis 1,2 ram Hg durch die Graphitröhre 26 geleitet, während die Temperatur auf 1100 bis l600°C gehalten wird. Diese Maßnahmen werden 14 bis 20 Stunden fortgeführt, wonach die Temperatur dann allmählich um etwa 300 bis 80O⁰C gesteigert wird, eo daß sie im Bereich von 1600 bis 2100⁰C liegt, wobei der Druck des kohlenstoffhaltigen Gases um etwa 0,5 bis 1,0 mm Hg auf einen Bereich von 0,8 bis 2,5 mm Hg ansteigt. Die fortgesetzte Ablagerung bei einer Temperatur über der für die anfängliche

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Ablagerung benutzten Temperatur wird insgesamt; etwa 6 bis 10 Stunden fortgeführt, um dadurch die Ablagerung des pyrolytisehen Graphits zu vervollständigen. Das Erhitzen und die Einleitung des kohlenstoffhaltigen Gasos x*erden dann unterbrochen und es folgt eine ruhig© Abkühlung auf Raumtemperatur innerhalb von etwa 12 Stunden₀

Während der anfaengliehen pyrolytisch©?* Graphitablagerung bei relativ niedriger Temperatur und niedrigem Druck d@s kohlenstoffhaltigen Gases wird ®in gutes Eindringen ,der pyrolytisehen Ablagerung in die peruse Oberfläohe des Elektrographitkörpers erzielt, während die restliche Ablagerung bei höherer Temperatur und höherem Druck des kohlenstoffhaltigen Gases die dichte, glätte, äu&ere Oberfläehenhaut 4er pyrolysisQhen Ablagerung ergibt, lan die notwendige Sindringtief· der pyrolytisohen Graphitablagerung in die Poren das Elektrographltkörpers zu bewerkstelligen, sollten iianindest 501 der gesamten Ablagerungsdauer bei der anfängliehen relativ niedrigen Temperatur und dem relativ niedrigen Druck des kohlenstoffhaltigen Gaa&a ata tfinden.

Die erhaltene pyrolytisohe Graphitablagerung und ihre ineinandei— greifend® Verbindung mit der aus Elaktrographit bestehenden unter-

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(Substrat) ist in Figur 3 dargestellt. Die pyrolytische Graphitablagerung 40 erstreckt sich weit in die Poren des porösen Qraphitkörpers und weist außerdem eine glatte, undurchlässige Oberflächenschicht auf, die mit 42 bezeichnet ist.

Die Dicke der Oberflächenschicht aus pyrolytischem Graphit auf der Oberfläche deυ porösen Graphitkörpers sollte etwa 0,025 bis 0,38 mm (1-15 mils) betragen und die Eindringtiefe des pyrolytieehen Graphita in die Poron dee porösen Gräphitkörpers sollte das 1-lGfaehe der Dicke der Oberflächenschicht sein» Die pyrolytiuche Graphit ab lagerung ist natürlich in Form von Schichten aufgebaut, dia sich im allgemeinen parallel zur Oberfläche, auf der sie abgelagert sind, erstrecken. Dieses dem pyrolytischen Graphit anhaftend· Merkmal ist indessen nicht in den Zeichnungen gezeigt.

Das nachfolgende spezielle Beispiel dient zur weiteren Erläuterung des Verfahrens für die Herstellung der. äusaimnen* gesetzten Susceptorkörper aus Graphit.

Beispiel

Der in Pigu? 1 gezeigte Ofen wurde auf 0,01 rom Hg evakuiert und dann duj?ch Induktiv'ishal ssmg allmählich auf ®in© Temperatur von 1200⁰C gebracht. lsi dsm in diesem Beispiel verwendeten

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besonderem Ofen war die aus dem Graphitrohr 26 gebildete Erhitzungezone 33,2 cm (13 inch) lang und besaß einen Durchmesser von 17»78 cm (7 inch). Bei einer Temperfet-ur von 2.20O⁰C wurde eine Mischung aus Wasserstoff und Methan IS Stunden lang bei einem Druck von 0,8 nun Hg durch öie Erhitsuiisqzone fließen gelassen. Die Einflaßgesehwinöigkeit betrug 0,17 wr (6 standard cubic feet) Wasserstoff pro Stunde und 0,056-nr <2 standard cubic feet) Methan pro Stund®. Die Temperatur wuMe dann innerhalb von 6 Stunden allmählich auf l800°C'gesteigert, wodurch der Druck des kohlenstoffhaltigen Gases auf etwa 1,5 mm Hg anstieg. (Die Einflußgesehwindigkeit von Methan und Wasserstoff wurde auf dem gleichen Wsrt gehalten). Dia Abscheidung wurde für weitere swei Stunden bei der temperatur von l800°C fortgeführt* Noch unter einem Vakuum von etwa 0,01 mt stehend, wurde der Ofen dann innerhalb von 12 Stunden auf Raumtemperatur abgekühlt und dann durch allmähliches Einlassen von Luft auf Atmosphärendruck gebracht und die fertiggestellten, susaismengesetzten Graphit-Sueceptorkürper entfernt. Die Körper hätten eine glatte, durchgehende Oberflächenschicht aus pyroljrtischem Graphit, di· über der Oberfläche des porösen Graphitträgers eine Dicke von etwa 0,1 mm (4 mils) und eine Sindringtiefe in die Oberfläche doe porösen Körpers von etwa 0,254 mm (10 mil·) aufwies.

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Figur 4 zeigt den zusammengesetzten Graphit-Sueoeptorkörper 44, der nach dem voratehend beschriebenen Verfahren hergestellt worden ist, wie er in einer Apparatur zum epitaxialen Aufwachaen eines Halbleiters eingebaut ist. Die Kammer 46, die allgemein aus Quarz besteht, ist über die öffnung 48 mit ainer 'Vakuumpumpe und über die öffnung 50 mit einer Quelle für das verdampfte Material zur Vakuuraabsoheidung auf den Halbleiterstückchen verbunden. Der ?;u8ammengesetate Graphitsusceptorkürper 44 iet von flacher ringförmiger Gestalt und weist in seiner oberen Oberfläche eine Vielzahl von umlaufend angeordneten Vertiefungen 52 auf-. Die zu behandelnden Halblsiteratttckohen 54 .sind in den Vertiefungen angeordnet, Der Susceptorkörpor wird von einem Quaragestell 56 getragen, welches auf der Bodenwand der Kammer 46 ruht. Sine Induktionsspule 58 für die Erhitzung des Susceptorkörpers 44 auf im allgemeinen etwa 14QO⁰C umgibt die Kammer. Die verschiedenen au verdampfenden Materialien und die Art der nach der epitaxialen Aufwachemethode auf die Stückchen aufzubringenden Schichten sind allgemein bekannt und gehören nicht zum Gegenstand der vorliegenden Erfindung. Ein wesentlicher Punkt iet indessen, daß der zusammengesetzte öraphit-Suaceptorkörper, wie er vorstehend beschrieben ißt, ausgezeichnete thermische Festigkeit und Stoßfestigice it aufweist und aus diesem- Grunde langlebig ist, chemisch inert ist,

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und βο eine Verunreinigung des Halbleiters vermeidet und als SuBceptor eine ausgezeichnete Wirksamkeit aufweist. Wagen der anisotropen Eigenschaften der pyrolytischen Graphit* oberflächenschicht findet eine schnelle gleichmäßige Verteilung der eraeugten Hitze statt.

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Claims

Patentansprüche

1) Zusammengesetzter Graphitkörper, der insbesondere als Susceptor in Induktionsheizvorrichtungen zur Lagerung und Erhitzung von Materialien für die Herstellung von Halbleiterelementen geeignet ist, dadurch gekennzeichnet , daß er einen Körper aus porösem Graphit mit einer Oberflächenschicht aus pyrolytiechem Graphit enthält, wobei diese Schicht sich in die Poren des porösen Graphitkörpers erstreckt und so ein mechanisches Ineinandergreifen zwischen der Schicht und dem Körper stattfindet, und die Schicht eine im wesentlichen durchgehende , glatte freiliegende Oberfläche aufweist.

2) Zusammengesetzter Qraphitkörper nach Anspruch l_s dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke der pyrolytischen Graphitschicht außerhalb der Oberfläche des porösen Graphitkörpers 0,025 bis 0,38 mm (1 bis 15 mils) beträgt und die Sindringtiefe des pyrolytischen Graphits in die Poren des porösen Graphitkörperβ das 1- bis lOfach· der Dicke der Oberflächenschicht ausaaoht.

3) Zusammengesetzter Graphitkörper nach den Ansprüchen 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der poröse Graphitkörper ein« Dichte von etwa 1,7 bis 1,9

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aufweist und «ine Porengrößenverteilung mit der Hauptmasse im Bereich von etwa 1 bis 100 Mikron besitzt.

Mit einem Susceptcr versehene Induktionsheisivorrichtung, dadur'ch gekennzeichnet, daß der Susoeptcr einen zusammengesetzten Qraphitkörper mit einem Träger aus porösem Elektrographit und einer Oberflächenschicht aus pyrolytischem Graphit enthält, die sich in die Poren des Trägers erstreckt und dadurch ein mechanisches Ineinandergreifen der pyrolytischen Qraphitobaffläche mit

dem porösen Träger bewirkt.

5) Verfahren zur Herstellung eines zusammengesetzten Graphit-* körpers, dadurch gekenn B ei c h η e t , daß pyrolytischer Graphit auf einem porösen Slektrographitkörper durch Pyrolyse eines kohlenstoffhaltigen Gases anfänglich bei einer Temperatur von HOO⁰C - l6öO°C und einem Druck des kohlenstoffhaltigen Gases von 0,5 bis 1,2 mm Hg und anschließend bei einer um 300 bis 800⁰C höheren Temperatur als die anfängliche Temperatur und einem Druck des kohlenstoffhaltigen Gases, der um 0,5 bis 1,0 mm Hg höher ist als der anfängliche Druck des kohlenstoffhaltigen Gasesj abgeschieden wird.

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6) Verfahren nach Anspruch 5» dadurch gekennzeichnet, daß die Dauer der anfänglichen Abscheidung dee pyrolytisohen Graphite bei 1100 bis 16OO°C und einem Druck des kohlenstoffhaltigen Gases von 0,5 bis 1,2 bob wenigstens 50 Prozent der gesamten Abscheidungsdauer ausmacht .

7) Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Dauer der anfänglichen Abseheidung des pyrolytischen Graphits 1* bis 20 Stunden' beträgt und die Dauer der anschließenden pyrolytischen Graphitabscheidung bei einer Temperatur, die über der für die anfängliche Abscheidung benvtvaten liegt, 6 bis 10 Stunden beträgt.

8) Zusammengesetzt er Graphitkörper, dadurch gekennzeichnet , daß er die vorstehende, insbesondere in den Beispielen beschriebene Zusammensetzung aufweist.

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