DE2324365C3 - Reaktionsgefäß zum Abscheiden von Halbleitermaterial auf erhitzte Trägerkörper - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Reaktionsgefäß zum Abscheiden von Halbleitermaterial auf erhitzte Trägerkörper aus einem das Reaktionsgefäß durchströmenden Reaktionsgas, bestehend aus einer mit den für die Zu- und Abfuhr der Reaktionsgase erforderlichen Düsen, sowie den Halterungen für die Trägerkörper versehenen platten- oder tellerförmiger Unterlage und einer auf der Unterlage gasdicht aufgesetzten Quarz- oder Glasglocke.

Solche Vorrichtungen sind beispielsweise aus der deutschen Patentschrift 11 98 787 für die Herstellung von Siliciumstäben bekannt. Die Trägerkörper sind hier zwei parallele, vertikal angeordnete Siliciumstäbe, die an ihren unteren Enden von je einer an der Bodenplatte befestigten Elektrode gehaltert und an ihren oberen Enden über eine Brücke aus Silicium oder Graphit leitend miteinander verbunden sind, so daß ein über die Elektroden zugeführter elektrischer Heizstrom die beiden Siliciumstäbe durchströmt und sie auf die Abscheidungstemperatur erhitzt. Die platten- oder tellerförmige Unterlage besteht vorwiegend aus einem temperaturbeständigen Metall, zum Beispiel Silber, und ist an der den Reaktionsraum begrenzenden Oberfläche mit Quarzplatten abgedeckt. Die beiden Elektroden sind gegeneinander elektrisch isoliert und gasdicht durch die Unterlage hindurchgeführt. Außerdem sind an ihr die Einlaß- und Auslaßsiellen für das Reaktionsgas vorgesehen. Statt stabförmiger Trägerkörper können auch rohrförmige Trägerkörper, insbesondere solche aus Graphit, als Träger dienen, die in ähnlicher Weise wie die Trägerstäbe bei Anordnungen nach der deutschen Patentschrift 11 98 787 gehaltert sind und von einem elektrischen Heizstrom durchflossen sind. Eine solche Anordnung dient zum Herstellen von Rohren aus Silicium. Schließlich können als Träger auch Halbleiterscheiben verwendet werden, die auf einer auf der Bodenplatte befestigten elektrisch beheizten Unterlage ruhen, die dann entweder auf induktivem Wege oder mittels Widerstandsheizung auf die erforderliche hohe Abscheidungstemperatur gebracht wird,
s Die auf der Unterlage über einen Dichtungsring aus gasdichtem, elastischem Material aufsitzende Quarzglocke wird im aligemeinen mit einem Flansch an ihrem Rand versehen sein, mit dessen Hilfe die Glocke unter Zwischenfügung der Dichtung auf der Unterlage

ίο festgespannt wird. Zu diesem Zweck werden Klammern und ähnliche Halteorgane verwendet, die ihrerseits an der Unterlage — zum Beispiel mittels Schrauben — befestigt sind. Die Unterlage besteht beispielsweise aus einer Silberplalte oder einem Silberteller, worauf die

is Quarzglocke mit dem Flansch gasdicht unter Zwischenfügung des Abdichtmittels aufgesetzt wird. Für die Abdichtung wird zum Beispiel ein hochtemperaturfestes Dichtungsfett oder eine O-Ring-Dichtung verwendet. Der Anpreßdruck wird mechanisch, entweder unmittelbar auf den Quarzfiansch oder an der Oberseite der Quarzglocke, ausgeübt. Da jedoch die Quarzglocke hierdurch starken lokalen mechanischen Belastungen unterworfen wird, kann es zu einer Beschädigung der Glocke beim Einspannen und während des Betriebes kommen. Diese Gefahr läßt sich auch durch Verwendung einer dickwandigen und daher kos!spieligen Glocke nicht beseitigen.

Dies gelingt jedoch erfindungsgemäß bei einem Reaktionsgefäß der eingangs gegebenen Definition,

ίο wenn die Unterlage und die aufgesetzte Glocke im Inneren eines Druckgasgefäßes angeordnet sind, das während des Abscheidebetriebes abgeschlossen und mit inertem Druckgas gefüllt ist.

Durch Anwendung eines entsprechend hohen Gasdruckes auf die Außenfläche der Glocke, insbesondere auf deren Oberseite, läßt sich' ohne weiteres eine gasdichte Verbindung mit der Unterlage erzielen. Ist der um den Druck im Inneren der Glocke verminderte Druck des anzuwendenden Druckgases ρ und r der größte Außenradius der Glocke, so wirkt auf die Glocke zusätzlich zu ihrem Gewicht G noch die Druckkraft K=p ■ r² ■ π(π = 3,1425634). Die auf die Glocke einwirkende vertikale Gesamtkraft K* ist

K* = ρ i²n + G

und der durch die Glocke bedingte Auflagedruck

G + ρ ■ P- ■ .τ

wobei r\ der Außenradius und Γι der Innenradius am unteren Glockenrand, als die beiden, die Auflagefläche begrenzenden Radien der Quarzglocke, bedeutet. Ist Λ =r und kann G gegenüber der durch das Druckgas bedingten Kraft vernachlässigt werden, so vereinfacht sich der Ausdruck für Pzu

P =

1 -

Die beiden den Druck perzeugenden Kräfte Gund ρ greifen aber an allen Teilen der Quarzglocke gleichförmig an, so daß die Gefahr ungleichförmiger Belastung der Glocke und damit eines Springens weitgehend vermieden ist. Wenn außerdem die Glocke auch an ihrer

Oberseite konvex nach außen (insbesondere gleichförmig) gekrümmt ist, dann hat man auch bei weniger als 0,5 cm Wandstärke ein stabiles Gebilde, dem angesichts der gleichförmigen mechanischen Wirkung des Druckgases weitaus höhere Belastungen zugemutet werden können, als dies beispielsweise durch die Anwendung rein mechanischer Mittel, zum Beispiel Klammern oder Zwingen, möglich ist. Der an der Grenze zwischen Unterlage und Glocke auftretende mechanische Druck und damit die gewünschte gasdichte Verbindung kann dann in viel intensiverem Maße ohne Beschädigung der Glocke erreicht werden, als dies unter Verwendung von Zwingen, Klammern und dergleichen möglich wäre.

Falls die Glocke und die Unterlage exakt aufeinander angepaßte, zum Beispiel durch entsprechende Schliffe geformte Berührungsflächen aufweisen, kann auf die Anwendung eines Dichtungsmittels überhaupt verzichtet werden. Sonst wird man als Dichtungsmittel entweder einen an den Verlauf des Randes der Glocke angepaßten Dichtungsring aus gasdichtem, elastischem temperaturstabilem Material, zum Beispiel aus einem fluorhaltigen Elastomer oder Silikonkautschuk, oder aber ein hochtemperaturfestes Dichtungsfett anwenden.

In der Figur ist ein der Erfindung entsprechendes Reaktionsgefäß zum Abscheiden von Halbleitermaterial auf erhitzte Halbleiterkörper dargestellt. Die Unterlage besteht aus einer mit Durchbohre igen versehenen Silberplatte t. Durch einen an einer zentralen Durchbohrung 2 ansetzenden Kanal 4 wird das verbrauchte Gas aus dem Reaktionsraum abgeführt.

Innerhalb dieses Kanals 4 und der zentralen Durchbohrung 2 ist ein Zuführungsrohr 3 mit Ventil für das frische Reaktionsgas vorgesehen. Beiderseits dieser zentralen Durchbohrung sind zwei Elektroden 5 und 6 gegeneinander isoliert und gasdicht durch die Silberplatte 1 geführt. Diese Elektroden 5 und 6 dienen zugleich als Halterungen, in welche zwei stab- oder rohrförmige Trägerkörper 7 mit ihren unteren Enden eingesetzt und stabil gehaltert werden können. Die gleichlangen Trägerkörper 7 und 7 sind an ihren oberen Enden mit einer Brücke Ta aus temperaturbeständigem elektrisch leitendem Material verbunden.

Die Silberplatte 1 ist auf einer durchlochten Grundplatte 8 aus Stahl gasdicht in der aus der Figur ersichtlichen Weise befestigt.

Die Quarzglocke 9 sitzt auf der Silberplatte 1 mit ihrem unteren zu einem Flansch ausgebildeten Rand 10 gasdicht auf. Zur Verbesserung der Abdichtung ist ein Dichtungsring 11 vorgesehen. Dieser befindet sich zweckmäßig mit seinem größten Teil in einer seinem Verlauf angemessenen und in die Silberplatte I eingelassenen ringförmigen Nut. Gegebenenfalls kann auch der Flansch 10 entfallen und dementsprechend die Wandstärke der Glocke 9 auch an ihrem unteren Rand mit der Wandstärke in ihren übrigen Bereichen übereinstimmen oder gar verjüngt sein. Die Glocke 9 ist in ihrem oberen Teil gewölbt, wodurch eine verstärkte Belastbarkeit durch das Druckgas gegeben ist. Dieses befindet sich in einem die Glocke 9 umgebenden Druckgefäß 12, das zum Beispiel aus Stahl bestehen

kann. Dieses Druckgefäß 12 ist mit einer Einiaßstelle 13 für ein Inertgas, insbesondere Stickstoff oder ein Edelgas, versehen. Ein Manometer 14 erlaubt es, den Gasdruck im Druckgefäß 9 zu überwachen, der in bekannter Weise auf einen hohen Wert, das heißt auf mehrere Atmosphären, eingestellt wird.

Zum Betrieb dieser Anordnung werden die Träger 7 in die Halterungen 5 und 6 eingebracht und mit der leitenden Brücke 7a verbunden. Dann wird die Glocke 9 auf die Silberplatte 1, gegebenenfalls unter Zwischenfügung der Dichtung 11, aufgesetzt und der Druckgasbehälter 12 verschlossen. Vor dem Einschalten der Strömung des Reaktionsgases und der Beheizung der Trägerstäbe 5 und 6 wird der Druckgasbehälter mit Inertgas mit einem zur Dichtung ausreichenden Überdruck von 0,5 bis 2 Atmosphären gefüllt. Hierdurch wird die Glocke 9 fest gegen die Silberplatte 1 gepreßt und eine gasdichte Verbindung erzielt. Dann wird Wasserstoff in das Reaktionsgefäß eingelassen und der die Beheizung der Trägerkörper 7 bewirkende elektrische Strom eingeschaltet. Sobald sich die Träger 7 auf Abscheidungstemperatur befinden, kann das eigentliche Reaktionsgas, zum Beispiel ein Gemisch aus Hi und SiHCIj, in das Reaktionsgefäß eingelassen werden, so daß die Abscheidung an der glühenden Oberfläche der erhitzten Träger 7 stattfindet. Zur Überwachung des Betriebes ist der Druckgasbehälter 12 mit einem druckfesten Beobachtungsfenster 15 und dem bereits erwähnten Manometer 14 versehen. Die zur Überwachung der T.'ägergasströmung sowie der Beheizung der Träger erforderlichen Mittel sind üblicher Natur und in der Figur im einzelnen nicht angegeben. Zu bemerken ist lediglich, daß es sich empfiehlt, das frische Reaktionsgas unter so hohem Druck in den Reaktionsraum einzublasen, daß sich eine lebhafte Strömung bis in den oberen Teil des Reaktionsraumes ausbilden kann.

Die die Glocke umgebende inerte Druckgasatmosphäre stellt außerdem einen Sicherheitsfaktor gegen ein Austreten von Gas aus dem Reaktionsraum, sei es durch mangelhafte Abdichtung, sei es durch Beschädigung der Glocke 9 während des Betriebes, dar, da sich das austretende Gas sofort mit dem inerten Gas vermischt und dieses dadurch unschädlich gemacht wird.

Es ist verständlich, daß eine solche Anordnung in abgewandelter Form auch für die Abscheidung von Halbleiterschichten auf Halbleiterscheiben geeignet ist. In diesem Fall befindet sich auf der Silberplatte eine beheizbare Unterlage, zum Beispiel ein Suszeptor, der durch das elektromagnetische Feld einer die Glocke von außen umgebenden Induktionsspule beheizt wird und der an seiner ebenen Oberseite die auf ihn aufgelegten Halbleiterscheiben trägt. Gegebenenfalls können auch die Trägerkörper 7 Körper von Halbleiterscheiben sein.

Die Druckdifferenz zwischen Außen- und Innendruck der Quarzglocke, die für eine ausreichende Abdichtung benötigt wird, ist in starkem Maße von der Größe (Durchmesser) der Quarzglocke und der Elastizität der Ringdichtung bzw. deren Abmessung abhängig. Im allgemeinen dürfte ein Überdruck von 0,5 bis 1 Atmosphären ausreichend sein.

11iclv.Li I Blatt Zeichnungen

Claims (4)

Patentansprüche:

1. Reaktionsgefäß zum Abscheiden von Halbleitermaterial auf erhitzte Trägerkörper aus einem das Reaktionsgefäß durchströmenden Reaktionsgas, bestehend aus einer mit den für die Zu- und Abfuhr der Reaktionsgase erforderlichen Düsen, sowie den Halterungen für die Trägerkörper versehenen platten- oder tellerförmigen Unterlage und einer auf der Unterlage gasdicht aufgesetzten Quarz- oder Glasglocke, dadurch gekennzeichnet, daß die Unterlage (1) und die aufgesetzte Glocke (9) im Inneren eines Druckgasgefäßes (12) angeordnet sind, das während des Abscheidebetriebes abgeschlossen und mit inertem Druckgas gefüllt ist.

2. Reaktionsgefäß nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Unterlage (1) für die Quarzoder Glasglocke (9) aus einer Silberplatte besteht.

3. Reaktionsgefäß nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Quarz- oder Glasglocke (9) unter Zwischenfügung eines elastischen O-Ringes (11) auf die Unterlage (1) aufgesetzt ist.

4. Reaktionsgefäß nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Quarz- oder Glasglocke (9) unter Zwischenfügung einer Lage aus Dichtungsfett auf der Unterlage aufgesetzt ist.