Vorrichtung zur Temperatursteuerung der Oberflächentemperaturen von Substraten in einem CVD-Reaktor

Die Erfindung betrifft einen CVD-Reaktor mit einer Vielzahl auf einem drehan- getriebenen Suszeptor auf dynamischen Gaspolstern getragenen Drehtellern, wobei jedes Gaspolster von einem individuell gesteuerten Gasstrom gebildet wird und jeder Gasstrom abhängig von einer von einem Temperaturmessorgan gemessenen Oberflächentemperatur von einem individuellen Stellglied variierbar ist.

Die DE 100 56 029 Al bzw. EP 1 335 997 Bl beschreiben einen derartigen CVD- Reaktor. Bei der dort beschriebenen Vorrichtung ist ein im Wesentlichen kreisscheibenförmiger Suszeptor vorgesehen, der auf seiner in einer Horizontalebene liegenden Oberfläche eine Vielzahl von Vertiefungen aufweist, in welcher jeweils ein Drehteller einliegt, auf dem ein oder mehrere Substrate gelegt werden können, die in einer Prozesskammer mit einer Schicht, insbesondere einer Halbleiterschicht, beschichtet werden können, wobei das schichtbildende Material gasförmig durch ein Gaseinlassorgan in die Prozesskammer eingeleitet wird. Die Drehteller lagern auf individuellen Gaspolstern, wobei das Gas derart in den Zwischenraum zwischen Unterseite der Drehteller und Boden der Vertiefung eingeleitet wird, dass die Drehteller drehen. Unterhalb des Suszeptors befindet sich eine Heizung, die den Suszeptor von unten aufheizt. über Wärmeleitung und Wärmestrahlung werden dadurch die einzelnen Drehteller e- benfalls aufgeheizt. Die Oberflächentemperaturen der Drehteller bzw. die Ober- flächentemperaturen der auf den Drehtellern aufliegenden Substrate werden mittels Temperaturmessorganen überwacht. Die Oberflächentemperaturen können individuell dadurch variiert werden, dass durch Erhöhung oder Verminderung des das jeweilige Gaspolster bildenden Gasstroms die Höhe des

Gaspolsters variiert wird. Dadurch wird der Wärmeübertrag durch den Spalt zwischen Drehteller und Boden der Vertiefung verändert.

Das von der EP 1 335 997 Bl beschriebene Verfahren betrifft die Temperaturre- gelung durch Variation der Gaspolsterhöhe. Die Gasströme werden mit Gasmassen-Steuereinrichtungen eingestellt.

Die DE 10 2006 018 514 Al beschreibt eine Vorrichtung zur Steuerung der Oberflächentemperatur eines Substrates in einer Prozesskammer. Dort wird nicht die Höhe des Gaspolsters variiert, sondern die Zusammensetzung des Gases, welches aus einer Gasmischung besteht. Eines der Gase besitzt eine hohe Wärmeleitfähigkeit. Ein anderes Gas besitzt eine geringere Wärmeleitfähigkeit.

Aus der DE 103 23 085 Al ist eine CVD-Beschichtungsvorrichtung bekannt, bei der ein drehbar im Reaktorgehäuse angeordneter Träger eine Vielzahl von Sus- zeptoren trägt zur Aufnahme jeweils eines Substrates.

Aus der DE 101 33 914 Al ist eine Prozesskammer mit abschnittsweise unterschiedlich drehangetriebenem Boden bekannt. Eine gemeinsame Gaszuleitung mündet in einem Gaskanalsystem des Suszeptors. Dort findet eine Aufteilung in mehrere Lagerkammern statt, in der jeweils der Substrathalter einliegt, der von einem Gasfilm getragen wird.

Aus der DE 100 43 600 Al ist eine Beschichtungs Vorrichtung mit einem drehbar in einem Reaktorgehäuse angeordneten Träger bekannt, wobei der Träger eine Vielzahl von satellitenartig um das Drehzentrum des Trägers angeordnete Aufnahmekammern trägt, in welchen jeweils ein Substrathalter einliegt.

Die EP 0 242 898 Bl beschreibt einen Suszeptor in einem CVD-Reaktor, wobei sich die Substrate während der Beschichtung drehen.

Bei der eingangs genannten gattungsgemäßen Vorrichtung werden für jeden Drehteller eine individuelle Zuleitung von außen in das Reaktorgehäuse benötigt, da die dort von Gasmassen-Steuereinrichtungen gebildeten Stellglieder einem ortsfesten Gasmischsystem zugeordnet sind. Soll bei der gattungsgemäßen Vorrichtung zusätzlich zu den Drehtellern auch der Suszeptor um seine Achse gedreht werden, so ist eine komplizierte Gaszuleitung erforderlich, da eine Vielzahl von außerhalb des Reaktors liegenden ortsfesten Zuleitungen in mit dem Suszeptor mitdrehende Zuleitungen individuell korrespondieren muss.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die gattungs gemäße Vorrichtung gebrauchsvorteilhaft zu verbessern.

Gelöst wird die Aufgabe durch die in den Ansprüchen angegebene Erfindung, wobei die Ansprüche 2 bis 12 vorteilhafte Weiterbildungen des im Anspruch 1 angegebenen CVD-Reaktors sind. Besonders bevorzugt bildet jeder der An- sprüche 2 bis 12 eine eigenständige Lösung der Aufgabe und ist mit jedem anderen Anspruch kombinierbar.

Zunächst und im Wesentlichen ist vorgesehen, dass die Stellglieder mit dem Suszeptor mitdrehen. Hierzu sind sie einem den Suszeptor tragenden Träger zugeordnet. In einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass in den Träger eine gemeinsame Gaszuleitung mündet. Der Träger kann hierbei einen sich mit dem Suszeptor mitdrehenden Abschnitt und einen gegenüber dem Reaktorgehäuse ortsfesten Abschnitt aufweisen. Die gemeinsame Gaszuleitung ist dem ortsfesten Abschnitt zugeordnet. Die gemeinsame Gaszuleitung kann in

ein Gasverteilvolumen münden, von welchem individuelle Zuleitungen zu jedem Stellglied abzweigen. Von jedem Stellglied geht dann jeweils eine Zuleitung ab, die den Gasstrom in eine Vertiefung befördert, in welcher jeweils ein Drehteller angeordnet ist, der jeweils auf einem von dem individuellen Gas- ström gebildeten individuellen Gaspolster aufliegt. Die Stellglieder sind vorzugsweise Ventile. Da sich die Ventile mit dem Suszeptor mitdrehen, ist eine besondere Ansteuerung letzterer erforderlich. Diese kann telemetrisch oder über Schleifkontakte erfolgen. Ist eine Stromversorgung der Stellglieder erforderlich, so kann diese induktiv oder ebenfalls über Schleifkontakte erfolgen. Bevorzugt halten die Ventile stromlos ihre Stellung. In der Zuleitung kann ein Druck-Controller angeordnet sein, um den Gasdruck in der gemeinsamen Zuleitung konstant zu halten. Das Verfahren zeichnet sich im Besonderen dadurch aus, dass die Oberflächentemperaturen mehrerer im Wesentlichen ringförmig um das Zentrum des Suszeptors angeordneter Drehteller oder Substrate von einem dem jeweiligen Ring individuell zugeordneten einzigen Temperaturmessorgan nacheinander gemessen werden. In entsprechender Weise werden die Gasströme zu den zugehörigen Gaspolstern entsprechend nacheinander variiert. Die Variation der Gaspolsterhöhe erfolgt somit in gewissen konkreten Abständen nacheinander, wobei die Zeit zwischen den Stell- bzw. Regelereig- nissen kurz ist in Bezug auf die relativ träge Temperaturänderung. Der Träger kann einen im Inneren des Reaktorgehäuses angeordneten Abschnitt und einen außerhalb des Reaktorgehäuses angeordneten Abschnitt aufweisen. Die Ventile sind bevorzugt dem außerhalb des Reaktorgehäuses angeordneten Abschnitt, und zwar dem drehangetriebenen Abschnitt, des Trägers zugeordnet. Der Trä- ger kann auch einen drehfesten Abschnitt besitzen. Dieser weist die gemeinsame Zuleitung auf. In einer bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass die Stellglieder sternförmig um die Drehachse des Trägers gruppiert sind. In entsprechender Weise sind auch die Zuleitungen sternförmig um das Zentrum, also in gleichmäßiger Winkelverteilung, angeordnet. Der Träger kann eine

Hohlwelle umfassen, auf dessen Stirnrandkante der Suszeptor aufliegt. In dieser Hohlwelle kann ein Kern stecken, der die gemeinsame Gaszuleitung aufweist. Das Gasverteilvolumen kann von einer Ringkammer gebildet sein, deren Wände sowohl vom Kern als auch von der Zuleitung gebildet sind. Die Ring- kammer kann sich im Lagerspalt zwischen Hohlwelle und Kern befinden. Zur Lagerung der Hohlwelle ist ein Lagergehäuse vorgesehen, welches fest mit dem Reaktorgehäuse verbunden ist. Die Hohlwelle dreht sich somit zwischen Kern und Lagergehäuse. Es sind entsprechende Lager und Dichtelemente vorgesehen, damit im Bereich der Lagerung der Hohlwelle eine Gasdichtigkeit zwi- sehen dem äußeren und dem Inneren des Reaktors gewährleistet ist.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachfolgend anhand beigefügter Zeichnungen erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 die zur Erläuterung der Erfindung wesentlichen Teile eines CVD- Reaktors im Querschnitt gemäß der Linie I - I in Fig. 3,

Fig. 2 den Schnitt gemäß der Linie II - II in Fig. 3,

Fig. 3 einen Schnitt gemäß der Linie III - III in Fig. 1,

Fig. 4 eine Draufsicht gemäß Pfeil IV auf den Suszeptor,

Fig. 5 eine perspektivische Ansicht eines unteren, in einem Lagergehäuse sit- zenden Trägers nebst Antriebsmotor, und

Fig. 6 eine schematische Darstellung des Gasflusses.

Der CVD-Reaktor besitzt ein Reaktorgehäuse, dessen untere Wandung 11 in der Fig. 1 dargestellt ist, und welches das Innere des Reaktorgehäuses gas- und druckdicht nach außen hin abkapselt. Innerhalb des Reaktorgehäuses 11 befindet sich ein Gaseinlassorgan 24, welches nicht dargestellte, in einer Horizontal- ebene angeordnete Gasaustrittsöffnungen aufweist, durch welche die Prozessgase in eine unterhalb des Gaseinlassorgans 24 angeordnete Prozesskammer 25 strömen kann. Der Boden der Prozesskammer 25 wird von der Oberfläche eines Suszeptors 1 ausgebildet. Der Suszeptor 1 besteht aus Graphit und kann um die Konturachse Z gedreht werden.

Wie der Fig. 4 und der Fig. 1 zu entnehmen ist, lagert der Suszeptor 1 eine Vielzahl von Drehtellern 2, die von kreisscheibenförmigen Graphitelementen ausgebildet sind und die in entsprechenden Ausnehmungen des Suszeptors 1 ein- liegen. In den Boden einer jeden Ausnehmung mündet eine individuelle Zulei- tung 26, durch die jeweils ein individueller Gasstrom in den Spalt zwischen der Unterseite des Drehtellers 2 und den Boden der Ausnehmung eingebracht werden kann. Dieser Gasstrom bildet ein Gaspolster aus, auf welchem der Drehteller 2 mit einem Abstand zum Boden gelagert wird. Die Gasströme werden derart in die Ausnehmung eingebracht, dass dem jeweiligen Drehteller 2 eine Dre- hung aufgezwungen wird.

Oberhalb einer öffnung 32 im Gaseinlassorgan 24 befindet sich ein Temperatursensor 4, beispielsweise ein Pyrometer. Der Temperatursensor 4 befindet sich unmittelbar oberhalb der Drehteller 2 und auf entsprechendem Radialab- stand zum Drehzentrum Z, so dass mit dem Temperatursensor 4 die Oberflächentemperatur des Drehtellers 2 bzw. die Oberflächentemperatur eines oder mehrerer auf den Drehteller 2 aufliegender Substrate gemessen werden kann. Die Oberflächentemperatur kann durch eine Variation der Höhe des Gaspolsters 3 variiert werden.

Unterhalb des Suszeptors 1 befindet sich eine Heizung 27, bei der es sich um eine Strahlungsheizung oder um eine RF-Heizung handeln kann. Mit dieser Heizung wird zunächst die Unterseite des Suszeptors 1 aufgeheizt. Die Wärme wird im Wesentlichen über Wärmeleitung bis zum Gaspolster transportiert und dann ebenfalls über Wärmeleitung bzw. Wärmestrahlung durch den vom Gaspolster 3 gebildeten Spalt hindurch zum Drehteller 2 transportiert. Durch die Höhe des Gaspolsters 3 kann der Wärmetransport beeinflusst werden.

Die Höhe des Gaspolsters 3 wird durch die Menge des Gasstroms bestimmt, welcher durch die jeweilige Zuleitung 26 strömt. Dieser Gasstrom wird mit einem Ventil 5 eingestellt. Die Stellung des Ventils 5 erfolgt abhängig von der mit dem Temperatursensor 4 gemessenen Temperatur. Bei dem Ventil 5 handelt es sich bevorzugt um ein seine Stellung auch stromlos haltendes Ventil. Es kann über nicht dargestellte Schleifkontakte oder telemetrisch über Funk seine Stellwerte erhalten. Das Ventil 5 wird jeweils dann verstellt, wenn mit dem Temperatursensor 4 die Oberflächentemperatur des zugeordneten Drehtellers 2 gemessen worden ist und eine änderung der Temperatur erforderlich ist.

Der Suszeptor 1 ruht auf einem Träger 6. Der Träger 6 besitzt eine Hohlwelle 31, auf deren Stirnrand der Suszeptor 1 aufliegt. Innerhalb der Hohlwelle 31 verlaufen in gleichmäßiger Umfangsverteilung um das Zentrum Z angeordnete Gaszuleitungen 12, welche das das Gaspolster 3 ausbildende Trägergas, bei dem es sich um Stickstoff oder Wasserstoff handeln kann, von einem Ventil 5 zu Kanälen 26 im Suszeptor 1 leiten.

Die Hohlwelle 31 ist in einem fest mit dem Reaktorgehäuse 11 verbundenen Lagergehäuse 20 gelagert. Hierzu besitzt das Lagergehäuse 20 eine Lagerhöh-

lung, in welcher zwischen zwei Drehlagern 29, 30 eine Dichtung 28 angeordnet ist.

Aus der Unterseite des Lagergehäuses 20 ragt ein Abschnitt der Hohlwelle 31, welcher neben einem Abtriebsrad 21 auch eine Vielzahl von Ventilen 5 trägt. Die Ventile 5 sind in gleichmäßiger Umfangsverteilung um das Zentrum Z, also sternförmig, angeordnet. Parallel zu den in Achsrichtung sich erstreckenden Gasleitungen 12 sind in der Hohlwelle 31 individuelle Zuleitungen 9 angeordnet, die das Gas von einem Gasverteilvolumen 8 zum Ventil 5 leiten.

Innerhalb der Hohlwelle 31 befindet sich ein Kern 13, der drehfest mit dem Reaktorgehäuse 11 verbunden ist und der einen Antriebsmotor 23 trägt, der ein Antriebsrad 22 aufweist, mit dem über einen nicht dargestellten Antriebsriemen das Abtriebsrad 21 gedreht werden kann. Die Hohlwelle 31 und die von ihr getragenen Ventile 5 drehen sich dann um die Drehachse Z und nehmen den Suszeptor 1 mit, so dass sich der Suszeptor 1 relativ gegenüber dem gehäusefesten Gaseinlassorgan 24 drehen kann.

Ein Abschnitt 14 der Außenwandung des Kernes 13 bildet eine Innenwandung der ringförmig den Kern umgebenden Kammer, die das Gasverteilvolumen 8 ausbildet. Die nach außen weisende Wandung 15 der Ringkammer 8 wird von der Innenwandung der Hohlwelle 31 ausgebildet. Die beiden ringförmigen oberen und unteren Wände des Gasverteilvolumens 8 werden jeweils von Dichtelementen 16, 17 ausgebildet, die oberhalb eines Lagers 18 bzw. unterhalb eines Lagers 19 angeordnet sind.

Der Kern 13 besitzt die gemeinsame Zuleitung 7, die an der Stirnseite des Kernes 13 einen Anschluss an eine Gasleitung besitzt. Die Zuleitung 7 verläuft zunächst parallel zur Zentrumsachse Z. Ein Radialfortsatz der Zuleitung 7 mün-

det unter Ausbildung einer öffnung der Kammerinnenwand 14 in das Gasverteilvolumen 8. In der der Kammerinnenwandung 14 gegenüberliegenden Kammeraußenwandung 15 befinden sich die öffnungen der individuellen Zuleitungen 9, durch die das in die Kammer 8 eingeströmte Gas zu den Ventilen 5 geleitet wird. Die Zuleitungen 9 verlaufen zunächst in Radialrichtung und anschließend parallel zur Zentrumsachse Z.

Der Fig. 6 ist zu entnehmen, dass der Druck in der gemeinsamen Zuleitung 7 mittels eines Druck-Controllers 10 konstant gehalten wird. In der gemeinsamen Gaszuleitung 7 ist darüber hinaus ein optionales Flussmessgerät FM vorgesehen. Als Gas zur Erzeugung der Gaspolster 3 kann neben dem erwähnten Stickstoff und Wasserstoff auch ein Edelgas oder ein anderweitiges brauchbares Gas verwenden werden.

Die mit dem Suszeptor 1 mitdrehenden Ventile 5 können permanent bestromt werden. Hierzu ist eine Stromzuführung über nicht dargestellte Gleitschleifkontakte zwischen beispielsweise dem Kern 13 und der Hohlwelle 31 bzw. dem Gehäuse 20 und der Hohlwelle 31 vorgesehen. Die Ventile 5 können aber auch induktiv mit Energie versorgt werden. Darüber hinaus können die Ventile auch nur periodisch mit elektrischer Energie versorgt werden.

Alle offenbarten Merkmale sind (für sich) erfindungswesentlich. In die Offenbarung der Anmeldung wird hiermit auch der Offenbarungsinhalt der zugehörigen/beigefügten Prioritätsunterlagen (Abschrift der Voranmeldung) vollin- haltlich mit einbezogen, auch zu dem Zweck, Merkmale dieser Unterlagen in Ansprüche vorliegender Anmeldung mit aufzunehmen.