Konditionierverf ahren für einen CVD-Reaktor Gebiet der Technik

[0001] Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Vorbereiten eines CVD- Reaktors zum Abscheiden von Halbleiterschichten.

Stand der Technik

[0002] In einem CVD-Reaktor zum Abscheiden von Halbleiterschichten befin- det sich eine Prozesskammer. Die Prozesskammer besitzt einen Suszeptor, auf dem ein oder mehrere zu beschichtende Substrate aufliegen. Durch ein Gaseinlassorgan, welches aus Metall, bspw. einer Metalllegierung wie Edelstahl bestehen kann, werden Prozessgase in die Prozesskammer eingeleitet. Zum Abscheiden von III-V-Halbleiterschichten werden metallorganische Verbindungen mit einem Metall der III-Hauptgruppe in die Prozesskammer eingeleitet. Bei den Metallen kann es sich insbesondere um Gallium, Indium oder Aluminium handeln. Die V-Komponente wird als Hydrid in die Prozesskammer eingeleitet, beispielsweise in Form von NH ₃ , AsH ₃ oder PH ₃ . Zur Dotierung von Halbleiterschichten werden Dotierstoffe beispielsweise der II-, IV- oder VI- Hauptgruppe verwendet. Insbesondere wird als Dotierstoff Magnesium verwendet, wobei Magnesium als metallorganische Verbindung in die Prozesskammer eingeleitet wird. Es wird insbesondere Cyclopentadienyl-Magnesium verwendet.

[0003] Eine Vorrichtung zum Abscheiden von Halbleiterschichten wird insbe- sondere in der EP 1 618 227 Bl oder in der EP 1 255 876 Bl beschrieben.

[0004] Bei der Fertigung von LED-Komponenten wird als Dotierstoff das oben genannte Cyclopentadienyl-Magnesium (Cp2Mg) verwendet. Bei der erstmali- gen Inbetriebnahme eines CVD-Reaktors oder nach dem Austauschen von Edelstahlkomponenten der Prozesskammer wird eine relativ geringe Photolumineszenz-Aktivität der abgeschiedenen Schichten beobachtet. Die Photolumineszenz-Aktivität steigert sich allerdings mit Zunahme der Anzahl der Ab- Scheidungsprozesse, die unter Verwendung des Edelstahlbauteils durchgeführt werden. Es sind bis zu 80 Abscheideprozesse erforderlich, bis die Photolumineszenz-Aktivität der abgeschiedenen Schichten einen gleichbleibend hohen Wert behält.

Aus der EP 1 413 645 AI ist ein ALD- Verfahren bekannt, mit dem Substrate be- schichtet werden. Auf der Oberfläche einer Prozesskammerwand soll darüber hinaus eine Passivierungsschicht abgeschieden werden. Dies erfolgt durch abwechselndes Einspeisen von Trimethylaluminium und Wasserdampf in die Prozesskammer, so dass sich dort eine Aluminiumoxidschicht bildet, die die Oberfläche passiviert. Die US 2015/0194300 AI beschreibt die Entfernung von Oxiden von Substraten, wobei das Substrat mit Trimethylaluminium oder Dicyclopentadienylmagnesi- um behandelt wird.

Die US 4,751,149 beschreibt die Verwendung von Dialkylen und Oxidations- stoffen, beispielsweise Wasser, Sauerstoff bei einem CVD-Prozess, bei dem Zinkoxidschichten abgeschieden werden sollen.

Die EP 1 071 834 Bl oder DE 699 03 531 T2 beschreiben ein Verfahren zur Passivierung einer CVD-Prozesskammer, bei der die Oberflächen mit Titanchlorid beschichtet werden. Zusammenfassung der Erfindung

[0005] Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Maßnahmen zu ergreifen, damit die Photolumineszenz- Aktivitäten der abgeschiedenen Schichten von Anfang an eine gleichbleibende Höhe behalten.

[0006] Gelöst wird die Aufgabe durch die in den Ansprüchen angegebene Er- findung, wobei jeder Anspruch eine eigenständige Lösung der Aufgabe darstellt und mit jedem Anspruch kombinierbar ist.

[0007] Der Erfindung liegt die folgende Erkenntnis zugrunde: Das Metallbauteil besitzt eine Metalloberfläche. Handelt es sich bei dem Metall, aus dem das Metallbauteil gefertigt ist, um eine Legierung, so besitzt die Oberfläche vonei- nander verschiedene Metalle. Unedle Metalle können an der Oberfläche in einem oxidierten Zustand vorliegen. Handelt es sich bei dem Metallbauteil um ein Edelstahlbauteil, so ist die Edelstahloberfläche sowohl mit Chromoxid als auch Eisenoxid (Fe ₂ O3) terminiert. Bei anderen Metallen oder anderen Legierungen ist die Oberfläche mit anderen Metalloxyden terminiert. Die Erfindung wird im Folgenden am Bespiel eines Edelstahlbauteils mit einer Edelstahloberfläche weiter erläutert. Anstelle des dort erörterten Eisenoxids kann aber auch jedes andere Metalloxid treten. Eisenoxid ist nicht inert gegenüber Cp ₂ Mg bzw. dem Cyclopentadienyl-Liganden des als Dotierstoff benutzten Cp ₂ Mg. Es findet eine Austauschreaktion statt, bei der sich das gegenüber Eisen unedlere Magnesium in die Edelstahloberfläche einbaut und flüchtiges Eisen als Ferrocen desorbiert. Das Prozessgas ist dann mit einer Eisenkomponente verunreinigt. Dieses Eisen kann in die Schichtstruktur eingebaut werden und bildet Zentren für nicht strahlende Rekombinationen von Elektronen-Lochpaaren. Dies setzt die interne Quanten-Effizienz der Leuchtdiode herab. [0008] Ausgehend von dieser Erkenntnis wird erfindungsgemäß ein Vorbereitungsverfahren vorgeschlagen, das aus mindestens einem Konditionierschritt besteht. Der Konditionierschritt hat zumindest zwei Abschnitte. In einem ersten Abschnitt wird die metallorganische Verbindung in Kontakt mit der Me- tall- insbesondere Edelstahl-Komponente gebracht. Beispielsweise kann die metallorganische Verbindung zusammen mit einem Trägergas in die Prozesskammer des CVD-Reaktors eingeleitet werden, wo sie in Kontakt mit dem Metall- insbesondere Edelstahlbauteil tritt. In einem zweiten Abschnitt des Kon- ditionierschritts wird ein reaktives Gas oder Gasgemisch in die Prozesskam- mer eingeleitet, wobei das reaktive Gas oder Gasgemisch oxidierende Eigenschaften aufweisen kann. Das reaktive Gas- oder Gasgemisch kann bspw. zumindest Sauerstoff und/ oder Wasserdampf und/ oder Kohlendioxid und/ oder einen Alkohol und/ oder Wasserstoff -Peroxid enthalten. Zwischen dem ersten Abschnitt und dem zweiten Abschnitt des Konditionierschritts erfolgt bevor- zugt eine Spülung, beispielsweise durch Evakuierung des gasführenden Systems, also beispielsweise der Prozesskammer. In einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass in unmittelbarer Folge eine Vielzahl von Konditionierschritten hintereinander durchgeführt wird, wobei bevorzugt zwischen den einzelnen Konditionierschritten, also bei jedem Gaswechsel von metallorganischer Verbindung zum reaktiven Gas bzw. vom reaktiven Gas zur metallorganischen Verbindung das gasführende System, also bspw. die Prozesskammer gespült wird. Der mindestens eine Konditionierschritt wird ohne das Vorhandensein von zu beschichtenden Substraten in der Prozesskammer durchgeführt. Während des Konditionierschrittes sind somit keine Substrate in der Prozesskammer des CVD-Reaktors enthalten. Darüber hinaus ist vorgesehen, dass in dem mindestens einen Konditionierschritt ausschließlich nur die metallorganische Verbindung zusammen mit dem Trägergas in die Prozesskammer eingeleitet wird, also insbesondere keine V-Komponente. Der organische Bestandteil der metallorganischen Verbindung ist bevorzugt ein Komplex- bildner und insbesondere Cyclopentadienyl. Der Metallbestandteil der metall- organischen Verbindung kann ein Element der I-, II- oder III-Hauptgruppe sein. Es ist bevorzugt vorgesehen, dass es sich bei dem Metall um ein Metall handelt, das unedler ist als Eisen, insbesondere Fe III. In Betracht kommen insbesondere Metalle der II-Hauptgruppe, wie Be, Mg, Ca, Sr, Ba, Metalle der I-Hauptgruppe, wie Li, Na, K, Rb Cs oder Metalle der III-Hauptgruppe, wie B, AI, Ga, In, Tl. Es ist insbesondere vorgesehen, dass die metallorganische Verbindung an der Oberfläche des Edelstahlbauteils mit dem dortigen Eisenoxid reagiert oder aber auch lediglich an der Oberfläche des Edelstahlbauteils adsorbiert. Bei dem Metallbestandteil handelt es sich insbesondere um ein Metall, welches bei der Be- handlungstemperatur mit O ₂ , H ₂ O oder CO2 reagiert, wobei insbesondere vorgesehen ist, dass der Metallbestandteil sowohl mit O2 als auch mit H2O und/ oder CO2 reagiert. Die Behandlungstemperatur liegt bevorzugt oberhalb von 40°C. Besonders bevorzugt liegt die Behandlungstemperatur bei etwa 60°C. [0009] Die bevorzugte metallorganische Verbindung zur Durchführung des ersten Abschnitts des Konditionierschritts ist Magnesocen (Cp2Mg). Als reaktives Gas kann der Einfachheit halber die Umgebungsluft verwendet werden, da sie sowohl O2 als auch H2O und CO2 in ausreichenden Konzentrationen beinhaltet. Durch die Einleitung des reaktiven Gases im zweiten Abschnitt des Konditionierschrittes kann der Metallbestandteil an der Edelstahloberfläche oxidiert werden. Zusammen mit O2 kann sich Magnesiumoxid bilden. Das Vorhandensein von H2O kann zur Bildung von Magnesiumhydroxid führen. Das Vorhandensein von CO2 kann zur Bildung von Magnesiumcarbonat führen. In einer bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird vor dem ersten Abschnitt des Konditionierschritts die Prozesskammer des CVD-Reaktors evakuiert und zyklisch durch Einleiten eines Inertgases, bspw. Stickstoff und anschließendes Abpumpen gespült. Sodann wird durch Öffnen eines Einlassventils ein Inertgas, bspw. Stickstoff oder Wasserstoff zusammen mit der metallorganischen Verbindung in die Prozesskammer eingeleitet. Dies kann bei reduziertem Prozesskammer druck, bspw. bei 400 mbar erfolgen. Die Behandlungsdauer für den ersten Abschnitt des Konditionierschritts liegt bevorzugt zwischen 15 Minuten und 60 Minuten, bspw. bei 30 Minuten. Nach Beendigung des ersten Abschnittes des Konditionierschritts wird durch zykli- sches Abpumpen und Einleiten eines Inertgases die Prozesskammer gespült, bevor im zweiten Abschnitt des Konditionierschrittes das reaktive Gas in die Prozesskammer eingeleitet wird. Bei dem reaktiven Gas kann es sich um von Stickstoff transportiertes O2, H2O und/ oder CO2 handeln. Bevorzugt wird als reaktives Gas Umgebungsluft verwendet. Der zweite Abschnitt des Kon- ditionierschrittes erfolgt bevorzugt bei 900 bis 1.000 mbar und für 30 bis 120 Minuten, bevorzugt 60 Minuten. Das Edelstahlbauteil kann während des Konditionierschrittes auf eine erhöhte Temperatur aufgeheizt werden. In einer bevorzugten Ausgestaltung des erfindungs gemäßen Verfahrens werden mindestens 10 Konditionierschritte, die jeweils die beiden Abschnitte aufweisen, hintereinander durchgeführt, wobei nach jedem Konditionierschritt eine Spülung der Prozesskammer erfolgt, bei der die Prozesskammerzyklen evakuiert wird und mit einem Inertgas auf beispielsweise 100 mbar geflutet wird.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

[0010] Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachfolgend anhand der beigefügten Figur 1 erläutert. Die Figur 2 zeigt schematisch die Prozesskammer eine CVD-Reaktors.

Beschreibung der Ausführungsformen

[0011] Die Figur 1 zeigt im oberen Abschnitt den Druckverlauf innerhalb einer Prozesskammer, in der sich ein gereinigtes, nicht passiviertes Edelstahlteil befindet, beispielsweise ein ausgewechselter Showerhead 3 in einem CVD- Reaktor 1. Es handelt sich dabei um ein Gaseinlassorgan aus Edelstahl mit ei- ner Gasaustrittsfläche 4, die eine Vielzahl von Gasaustrittsöffnungen 5 aufweist, die in Richtung einer Prozesskammer 2 gerichtet ist, deren Boden von einem Suszeptor 6 ausgebildet ist, der von seiner Unterseite her mittels einer Heizeinrichtung 8 beheizbar ist. Bei einem CVD-Prozess wird auf dem Suszeptor 6 aufliegenden Substraten 7 eine Schichtenfolge aufgebracht, wobei die Schichten- folge III-V-Schichten enthält, die dotiert und nicht dotiert sind.

[0012] Die Figur 1 zeigt in der Horizontalen die Zeit. Mit MO ist der Partial- druck der metallorganischen Komponente in der Prozesskammer dargestellt. Mit AIR ist der Partialdruck eines reaktiven Gases innerhalb der Prozesskammer dargestellt. [0013] Zunächst wird die Prozesskammer evakuiert und nachfolgend mehrfach mit einem Inertgas auf 100 mbar geflutet und wieder evakuiert. Derartige Spülschritte werden mehrfach während des Konditionierens des CVD-Reaktors durchgeführt.

[0014] Nach dem erstmaligen Spülen wird für eine Zeit tl, die 30 Minuten be- trägt, bei einem Totaldruck von 400 mbar Stickstoff und eine metallorganische Verbindung, insbesondere Cp ₂ Mg, in die Prozesskammer eingeleitet. Danach wird die Prozesskammer in der zuvor beschriebenen Weise gespült. Im An- schluss daran wird bei einem Totaldruck von 1.000 mbar ein reaktives Gas für eine Zeit t2 in die Prozesskammer eingeleitet. Die Zeit t2 beträgt hier 60 Minu- ten. Das reaktive Gas enthält zumindest Wasserdampf, Sauerstoff oder Kohlendioxid und ist insbesondere die Umgebungsluft.

[0015] Dieser Konditionierschritt wird nach einem weiteren Spülschritt wiederholt. Insgesamt wird der Konditionierschritt 10 bis 80 mal hintereinander wiederholt, wobei das Edelstahlbauteil innerhalb der Prozesskammer konstant auf einer erhöhtem Temperatur, bspw. 60°, gehalten wird. Die Temperierung des Edelstahlbauteils 3 erfolgt dabei mittels einer Temperierflüssigkeit, die durch Temperierkanäle 9 hindurchgeleitet wird.

[0016] Die vorstehenden Ausführungen dienen der Erläuterung der von der Anmeldung insgesamt erfassten Erfindungen, die den Stand der Technik zu- mindest durch die folgenden Merkmalskombinationen jeweils auch eigenständig weiterbilden, nämlich:

[0017] Ein Verfahren, das dadurch gekennzeichnet ist, dass in mindestens einem Konditionierschritt jeweils für eine erste Behandlungsdauer tl zunächst die metallorganische Verbindung zusammen mit einem Trägergas und an- schließend für eine zweite Behandlungsdauer t2 ein Sauerstoff, Wasserdampf und/ oder Kohlendioxyd aufweisendes Gas oder Gasgemisch in Kontakt zu der Edelstahlkomponente 3 gebracht wird.

[0018] Ein Verfahren, das dadurch gekennzeichnet ist, dass das reaktive Gas oder Gasgemisch zumindest eines der folgenden Gase beinhaltet: Sauerstoff, Wasserdampf, Alkohol, Wasserstoff -Peroxid und/ oder Kohlendioxid.

[0019] Ein Verfahren, das dadurch gekennzeichnet ist, dass unter Zwischenschaltung jeweils eines Spülschrittes eine Vielzahl von Konditionierschritten durchgeführt wird.

[0020] Ein Verfahren, das dadurch gekennzeichnet ist, dass mindestens zehn Konditionierschritte hintereinander durchgeführt werden.

[0021] Ein Verfahren, das dadurch gekennzeichnet ist, dass der metallorganische Bestandteil der metallorganischen Verbindung ein Komplexbildner ist. [0022] Ein Verfahren, das dadurch gekennzeichnet ist, dass der metallorganische Bestandteil der metallorganischen Verbindung Cyclopentadienyl ist.

[0023] Ein Verfahren, das dadurch gekennzeichnet ist, dass der metallische Bestandteil der metallorganischen Verbindung von einem Metall gebildet ist, das unedler als Eisen ist.

[0024] Ein Verfahren, das dadurch gekennzeichnet ist, dass der metallische Bestandteil der metallorganischen Verbindung ein Element der I-, II- oder III- Hauptgruppe ist.

[0025] Ein Verfahren, das dadurch gekennzeichnet ist, dass die erste Behand- lungsdauer tl mit der metallorganischen Verbindung zwischen 15 und 60 Minuten beträgt.

[0026] Ein Verfahren, das dadurch gekennzeichnet ist, dass die zweite Behandlungsdauer t2 mit dem Sauerstoff, Wasserdampf und/ oder Kohlendioxyd enthaltenden Gas oder Gasgemisch 30 Minuten bis 120 Minuten beträgt. [0027] Ein Verfahren, das dadurch gekennzeichnet ist, dass das Sauerstoff,

Wasserdampf und/ oder Kohlendioxyd enthaltende Gas oder Gasgemisch Luft ist.

[0028] Ein Verfahren, das dadurch gekennzeichnet ist, dass das Edelstahlbauteil während des mindestens einen Konditionierschritts eine Temperatur von über 40° aufweist.

[0029] Ein Verfahren, das dadurch gekennzeichnet ist, dass das Metallbauteil 3 aus einer Metalllegierung besteht. [0030] Ein Verfahren, das dadurch gekennzeichnet ist, dass das Metallbauteil 3 ein Edelstahlbauteil ist oder zumindest Eisen enthält.

[0031] Alle offenbarten Merkmale sind (für sich, aber auch in Kombination untereinander) erfindungswesentlich. In die Offenbarung der Anmeldung wird hiermit auch der Offenbarungsinhalt der zugehörigen/ beigefügten Prioritätsunterlagen (Abschrift der Voranmeldung) vollinhaltlich mit einbezogen, auch zu dem Zweck, Merkmale dieser Unterlagen in Ansprüche vorliegender Anmeldung mit aufzunehmen. Die Unteransprüche charakterisieren mit ihren Merkmalen eigenständige erfinderische Weiterbildungen des Standes der Technik, insbesondere um auf Basis dieser Ansprüche Teilanmeldungen vorzunehmen.

Liste der Bezugszeichen

1 Reaktor

2 Prozesskammer

3 Showerhead

4 Gasaustrittsfläche

5 Gasaustrittsöffnung

6 Suszeptor

7 Substrat

8 Heizeinrichtung

9 Temperierkanal

AIR Partialdruck Gas

MO Partialdruck metallorganische

Komponente

tl Zeit

t2 Zeit