Epitaxieanlage
Die Erfindung betrifft eine Epitaxieanlage zum Aufbringen von halbleitenden Schichten auf halbleitende Wafer nach dem Epitaxieverfahren.
Mit derartigen Anlagen können bekanntlich fehlerfreie Schichten von beispielsweise reinem Silicium in perfekter kristalliner Anordnung und/oder wahlweise P- oder N-leitende Siliciumschichten epitaktisch auf eine geeignete Unterlage, hier Silicium, aufgebracht werden. Diese Schichten bilden gewissermaßen das Gerüst für hochintegrierte Schaltkreise. Als Ausgangsmaterial für diese kristallin perfekten Schichten dienen sogenannte hochreine, hier siliciumhaltige. Prozeßgase, denen gegebenenfalls Spuren von P- oder N- Dotierungsstoffen, beispielsweise Arsen- oder Phosphorver
bindungen beigemengt sind. Das Silicium und die Dotierungselemente werden in der Reaktionskammer auf der Oberfläche von Wafern nach dem CVD-Verfahren niedergeschlagen. Die Wafer sind in Ausbuchtungen des Trägers aus Siliciumcarbid-beschichtetem Graphit eingesetzt, der auf eine Temperatur von ca. 1050°C aufgeheizt ist. Der Träger wird auch Suszeptor genannt. Bei den Wafern handelt es sich um dünne, parallel zur Gitterebene eines Silicium-Einkristalls geschnittenen Plättchen, die eine mit genau der Gitterkonstante gerasterte, perfekte Oberflächen-Struktur aufweisen. Diese Oberflächenstruktur zwingt die aus der Gasphase auf die Wafer abgeschiedenen Siliciuraatome in die zum Aufbau von Halbleiterschichten erforderliche perfekte kristalline Ordnung.
Der soeben kurz skizzierte Prozeß zur Herstellung von Halbleiter-Ausgangsmaterial mit Hilfe der Gasphasen-Epitaxie erfordert eine hochentwickelte Technologie sowohl für die Beheizung des Waferträgers wie für die Strömungsführung der Prozeß- und Spülgase. Dabei versteht es sich von selbst, daß das außerhalb der Reaktionskammer stattfindende Be- und Entladen des Waferträgers mit den empfindlichen dünnen Wafern unter Reinstluftbedingungen in einem dafür speziell präparierten Raum der Epitaxieanlage durchgeführt werden muß.
Neueste Entwicklungen auf diesem Gebiete zielen dahin, das Hantieren mit den Wafern sowie das Beschicken der Reaktionskammer mit dem Waferträger ferngesteuert, ohne den direkten Eingriff von Bedienpersonen auszuführen.
Bekannte Anlagen vom eingangs, genannten Typ zur Durchführung der Gasphasen-Epitaxie werden zwar bereits erfolgreich zur Herstellung von Halbleiterausgangsmaterial eingesetzt, sind jedoch noch in vielen Punkten verbesserungsfähig. So gilt es den Wirkungsgrad der bisher verwendeten Induktionsheizungen
ebenso zu verbessern wie deren Verträglichkeit für das Bedienpersonal. Auf dem Gebiet der Fernsteuerung der eingangs genannten Epitaxieanlage stehen noch Verbesserungen hinsichtlich der Benutzerfreundlichkeit, der vollautomatischen Be- und Entladung der Waferträger und von Steuerroutinen aus, mit denen beim Prozeßablauf auftretende Pehlfunktionen beherrscht werden können. Hierbei steht die Sicherheit für das Bedienpersonal bei auftretenden Fehlfunktionen sowie ein Sicherstellen von bereits teilweise beschichteten Wafern im Vordergrund.
Das noch zu lösende vordringlichste Problem bei der Gasphasen- Epitaxie unter industriellen Großserienbedingungen betrifft jedoch die zunehmend steigenden Anforderungen an die Beschichtungsqualität, die bei bekannten Anlagen des eingangs genannten Typs aufgrund von in der Anlage vorhandenen, oder beim Beschichtungsprozeß erzeugten unerwünschten Partikeln noch zu wünschen übrig läßt. Problematisch ist es dabei vor allem, daß diese unerwünschten Fremdpartikel auf die Waferoberflächen gelangen können und damit die gewünschte kristalline Anordnung beim Aufbau der Epitaxieschichten stören.
Die vorliegende Erfindung strebt deshalb eine Verbesserung der eingangs genannten gattungsgemäßen Epitaxieanlage an, wobei insbesondere unter weitestgehender Beibehaltung von deren bisherigen Vorteilen eine Erhöhung der Gleichmäßigkeit und der Reinheit der Epitaxieschicht angestrebt wird.
Gelöst wird diese Aufgabe dadurch, daß bei der gattungsgemäßen Epitaxieanlage Mittel zur Sicherstellung der Wafer gegen unerwünschten Fremdstoffkontakt vorgesehen sind.
Insbesondere werden nach der Erfindung sämtliche Gasströme in der Anlage so gesteuert, daß unerwünschte mikroskopische Partikel von der Oberfläche des Trägers und damit von der zu beschichtenden Waferoberfläche ferngehalten werden, und zwar unabhängig davon, in welcher Stellung sich der Waferträger befindet, nämlich in Arbeitsstellung, innerhalb der Reaktionskammer oder außerhalb derselben in der Ladezone oder in einer Stellung zwischen der Ladezone und der Anordnung innerhalb der Reaktionkammer.
Im nachfolgenden sollen zunächst die mit der Erfindung erzielbaren Vorteile im Zusammenhang mit der Überführung des Waferträgers zwischen seiner Stellung innerhalb der Reaktionskammer und der Ladezone dargestellt werden. Lediglich zur größeren Anschaulichkeit soll dabei Bezug genommen werden auf eine im wesentlichen glockenförmige Reaktionskammer mit einem pyramidenstumpfförmigen Waferträger, der zusammen mit dem 'Kammerboden mittels einer speziellen Einrichtung in die Ladezone überführbar ist. Derartige
Waferträger in Form eines endseitig abgeplatteten Vielflachs sind an sich bereits bekannt und weisen an ihrem schräg verlaufenden Flächenausbuchtungen zur Aufnahme von Wafern auf. Die Beschickung der glockenförmigen Reaktionskammer mit Prozeß- und Spülgasen erfolgt vom oberen Teil der 'Kammer aus, wobei diese Gase im Bereich der Kammerbasis abgezogen werden.
Um nun beim Beladen des Waferträgers sowie beim überführen des Waferträgers aus der Ladezone in die Reaktionskammer hinein und umgekehrt unerwünschte Fremdkörper in Form mikroskopisch kleiner Teilchen von den zu beschichtenden Waferoberflächen fernzuhalten, ist es erfindungsgemäß vorgesehen, den Waferträger beim Transport zwischen seiner Arbeitsstellung und der Beladestellung in der Ladezone sowie
bei seinem vorübergehenden Verbleib in der Ladezone mit einer laminaren Schutzgasströmung zu umgeben, die im Falle eines pyramidenstumpfförmigen Waferträgers diesen vorzugsweise in vertikaler Richtung vom verjüngten oberen zum erweiterten unteren Ende hin umströmt und damit in der umgebenden Reinluftatmosphäre vorhandene Restpartikel wirkungsvoll davon abhält, auf die Trägeroberfläche und damit auf die Wafer zu gelangen. Die Schutzgasströmung ist deshalb im wesentlichen laminar einzustellen, um eine
Wirbelbildung in Nachbarschaft des Waferträgers zu verhindern, durch welche Partikel aus der Umgebung auf die Trägeroberfläche transportiert werden könnten.
Vorteilhafterweise ist die Strömung der Reinluftatmosphäre zumindest im Bereich der Ladezone richtungsmäßig an die Schutzgasströmung angepaßt, d.h. daß im Falle einer vertikal von oben nach unten geführten laminaren Schutzgasströmung die diesen laminaren Strömungsmantel umgebende Reinluft ebenfalls vertikal von oben nach unten und damit im wesentliehen parallel zum Schutzgasstrom verläuft.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist es vorgesehen, den laminaren Schutzgasstrom mit Hilfe des Spülgases zu erzeugen, das der Reaktionskammer über den
Gasmischer zugeführt wird. Damit läßt sich eine Schutzgashülle für den Waferträger beginnend mit der Ausfahrt des Trägers aus der Reaktionskammer gewährleisten, wobei die Einrichtung zur Überführung des Waferträgers aus der Arbeitsstellung in der Reaktionskammer in die Ladestellung vorzugsweise ein ausschließlich vertikal betriebener Lift ist, so daß der über den Gaseinlaß der Reaktionskammer erzeugte laminare Luftstrom stets eine hinreichende Schutzhülle für den Waferträger umgibt, der damit seine LadeStellung exakt unterhalb der Reaktionskammer einnimmt.
Um auch im oberen Bereich des pyramidenstumpfförmigen Waferträgers mit Sicherheit laminare Bedingungen für den Schutzgasstrom zu schaffen, ist es vorteilhafterweise vorgesehen, auf dem oberen Plateau dieses Waferträgers einen strömungstechnisch günstig geformten Aufsatz vorzusehen. Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung weist dieser Trägeraufsatz einen pyramidenstumpfförmigen Basisteil auf, dessen Mantelfläche nahtlos an die Mantelfläche des Waferträgers übergeht, während der obere Abschnitt des Aufsatzes, dem Gaseinlaß der Reaktionskammer gegenüberliegend die Form eines Kugelsegments aufweist.
Ein derartig strömungstechnisch vorteilhaft ausgestalterer Trägeraufsatz unterstützt zusätzlich die gewünschte Strömungsführung der Reaktionskammer im oberen Bereich zwischen deren Innenwandung und dem Waferträger, in dessen Arbeitsstellung beim epitaktischen Beschichten. In dieser Stellung wirkt der strömungstechnisch günstig ausgelegte Trägeraufsatz vorteilhaft zusammen mit einem erfindungsgemäß als Gasdiffusor ausgebildeten Gaseinlaß.
Neben einer günstigen Strömungsführung besteht ein weiterer Vorteil des Gasdiffusors darin, daß die Spül- und Reaktionsgase gleichmäßig verteilt auf die Oberfläche des Waferträgers geführt werden, so daß sämtliche auf dem Träger angebrachten Wafer gleichmäßig mit derselben Prozeßgasatmosphäre konfrontiert sind, was zu einer gleichmäßigen Beschichtung der Waferoberflächen vorteilhaft beiträgt.
Unter Berücksichtigung der glockenförmigen Reaktionskammer sowie des pyramidenstumpfförmigen Trägers ist der dem Träger gegenüberliegende Teil des Gasdiffusors kreisscheibenförmig ausgebildet. Die Kreisscheibe erstreckt sich im wesentlichen parallel zum oberen Plateau des pyramidenstumpfförmigen
Trägers und weist radial verlaufende Gasaustrittsöffnungen auf, die am Umfang dieser Scheibe verteilt sind. Der scheibenförmige Teil des Gasdiffusors ist in seinem Umfangsbereich strömungsbegünstigend geformt und weist mit Vorteil einen konisch sich erweiternden unteren Randbereich auf, um die Strömung der am Diffusorumfang austretenden Gase turbulenzfrei an den Trägeraufsatz anzukoppeln. Zu diesem Zweck ist der Gasdiffusor, der koaxial zur gemeinsamen Längsachse des Trägers und der Reaktionskammer verläuft parallel zu dieser Achse verstellbar. Durch die axiale Verstellbarkeit läßt sich der Diffusor problemlos in die strömungstechnisch optimale Lage gegenüber dem Träger und der Kammerinnenwandung positionieren.
Zu dem erfindungsgemäß beabsichtigten günstigen und insbesondere turbulenzfreien Strömungsprofil im oberen Teil der Reaktionskammer trägt auch mit Vorteil ein kreisförmiger Schild bei, der im wesentlichen den Durchmesser des Gaseinlaßhalses der Reaktionskammer aufweist und damit die Halsöffnung strömungsmäßig weitgehend verschließt. Zusätzlich ist der Gaseinlaßhals bekanntlich noch in seinem äußeren Endbereich mit einem Flansch verschlossen.
Weitere Maßnahmen zur erfindungsgemäßen Strömungsführung betreffen die Ausgestaltung der Kanten der Waferträger sowie die Ausgestaltung der Trägerbasis. Zu diesem Zweck ist es vorgesehen, die Längskanten des vielflächig ausgebildeten - im Epitaxiebetrieb drehangetriebenen - Waferträgers strömungsgünstig auszubilden, nämlich abzuflachen oder zu verrunden. Als weitere strömungstechnische Maßnahme ist der Träger basisseitig mit einem sich zum Gasauslaß im Kammerboden hin verjüngenden Sockel ausgerüstet, der gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung ebenfalls pyramidenstumpfförmig ausgebildet ist, wobei das größerflächige Plateau dieses
Pyramidenstumpfes sich bündig an die Trägerunterseite anschließt. Ähnlich wie beim Trägerkörper sind sämtliche Kanten des Trägersockels abgeflacht oder vorzugsweise verrundet ausgebildet. Das untere Plateau des vorteilhafterweise aus Graphit ausgebildeten Sockels ist an den Drehantrieb des Waferträgers angeschlossen.
Von der Gasströmung innerhalb der Reaktionskammer mitgeführte, durch die erfindungsgemäß gewählte Strömungsführung jedoch von den Waferoberflächen ferngehaltene Partikel reichern sich im Trägersockelbereich an der Sockelwandung selbst sowie am Kammerboden an. Letzterer weist Öffnungen auf, über welche die Gase aus der Reaktionskammer abgeleitet werden. Um zu verhindern, daß diese im Sockelbereich angereicherten Teilchen - etwa bei einer Unterbrechung des Epitaxiebetriebes nach Auftreten einer Störung - auf die eventuell bereits teilweise beschichteten Waferoberflächen gelangen, werden erfindungsgemäß die im Bereich des Trägersockels angesammelten Partikel dort eingeschlossen, und zwar derart, daß die dort angesammelten Teilchen auch bei einem bestimmungsgemäßen Transport des Waferträgers in die Ladezone und nach neuem Beladen in die Reaktionskammer zurück weder in den Reinluftrauirf noch in den Ringraum zwischen in Arbeitsstellung befindlichem Träger und Reaktionskammerwandung gelangen können. Als Einrichtung zum Zurückhalten der Partikel im Trägersockelbereich ist ein Ringeinsatz vorgesehen, der vorzugsweise aus Quarz besteht, sich im wesentlichen über die gesamte Höhe des Sockels .erstreckt un angrenzend an den Innenwandbereich der Reaktionskammer dicht am Kammerboden aufsitzt. Die am Kammerboden vorgesehenen Gasaustrittsöffnungen im Ringraum sind dabei zwischen der Innnenwandung des Ringeinsatzes und der Sockelaußenwandung angeordnet. Als zusätzliche Maßnahme zum Zurückhalten der Teilchen ist es erfindungsgemäß vorgesehen, unterhalb des
Kammerbodens und an diesen anschließend eine Partikelfalle in Form eines ringsum weitgehend geschlossenen Ringraumes auszubilden, welcher den Ringraum zum Kammerinneren hin abschließt. Die im Sockelbereich angereicherten Partikel gelangen durch Saugwirkung durch die Austrittsöffnungen im Kammerboden in diesen als Partikelfalle wirkenden Ringkanal, da die in die Kammer eingeführten Gase über den Boden des Ringkanals abgezogen werden.
An den Ringkanal schließt sich die Hebebühne des Vertikallifts für den Waferträger an. In der Hebebühne ist vorteilhafterweise der Drehantrieb für den Träger untergebracht. Der Drehantrieb erstreckt sich durch den als Partikelfalle dienenden Ringkanal und greift an der Sockelunterseite des Trägers an.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung umfaßt die Hebebühne randseitig eine Einrichtung zur verkantungsfreien; dichten passgenauen Ankupplung einer KammerbodenStruktur an einen mit der Kammerbasis verbundenen Dichtflansch. Zu diesem Zweck umfaßt die Kuppeleinrichtung vorteilhafterweise drei im Abstand von etwa 120 ° um die kreisrunde Kammerbodenstruktur und den Dichtflausch angeordnete Verspannorgane in Form von Kniehebeln. Diese ergreifen die Kammerbodenstruktur sobald der Vertikallift diese Anordnung in unmittelbare Nähe Kammerdichtflansches überführt hat, bewirken den restlichen Vertikalhub der Kammerbodenstruktur unter passgenauer Führung über Schrägflachen, die sowohl am Dichtflansch wie an der Kammerbodenstruktur ausgebildet sind, und verspannen die beiden miteinander zu verbindenden Teile in ihrer Endstellung.
Wie aus den bisherigen Ausführungen hervorgeht, wird die erfindungsgemäße Strömungsführung mit dem Ziel, die Waferob
flächen frei von Fremdpartikeln zu halten, auch von der Gestalt des Waferträgers beeinflußt. Um nun im täglichen Einsatz der Epitaxieanlage sicherzustellen, daß immer der für die jeweilige Reaktionskammer bestimmungsgemäß vorgesehene, geeignete Waferträger verwendet wird, wird der Waferträger erfindungsgemäß entsprechend markiert, vorzugsweise derart, daß diese Markierung von einem Peripheriegerät eines Prozeßrechners lesbar ist. Dieser Prozeßrechner steuert und überwacht vorzugsweise sämtliche Funktionen der Epitaxieanlage. Die Trägerkennung dient als Qualitätssicherungsmaßnahme. Um letztere im praktischen Betrieb vorort weitgehend unüberwindbar zu machen, ist erfindungsgemäß die Trägerkennung kodiert, derart, daß sie von einer Dekodiereinrichtung während des Epitaxiebetriebes bzw. unmittelbar vor dem Einleiten der Epitaxie-Reaktionsgase, also bei bereits aufgeheiztem Waferträger entschlüsselbar ist. Vorteilhafterweise ist es daher vorgesehen, die Einleitung der Epitaxie-Reaktionsgase von der Erkennung eines bestimmungsgemäßen Waferträgers abhängig zu machen.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Trägerkennung besteht diese aus unterschiedlich stark ausgebildeten Bereichen in der Trägerwandung, deren unterschiedliche Wärmeabsorbtion mit Hilfe eines Pyrometers abgetastet und an die Dekodiereinrichtung weitergeleitet wird.
Für den Fernsteuertrieb, vor allem für einen vom Prozeßrechner gesteuerten Betrieb der Epitaxieanlage ist erfindungsgemäß ein Manipulator zum Beladen des Waferträgers mit Wafern vorgesehen, der innerhalb der Ladezone in Nachbarschaft zur Beladestellung des Waferträgers angeordnet ist, und zwar derart, daß in seinem Wirkungsbereich auch ein Wafermagazin liegt, das als Vorratsbehälter für frische, unbeladene Wafer und zum Sammeln von in der Reaktionskammer
beladenen Wafern dient. Um die erfindungsgemäß gelenkte Strömungsführung im Reinluftraum, in dessen Ladezone der Manipulator angeordnet und ferngesteuert tätig ist, nicht ungünstig zu beeinflussen, um also mit anderen Worten durch Bewegungen des Manipulators vor allem in unmittalbarer Nähe des Wafermagazins und des Waferträgers, in der Gasströmung mitgeführte Partikel nicht auf die zu beschichtende Waferoberflache zu überführen, ist es erfindungsgemäß vorgesehen, die Bewegung des Manipulators an die Strömung der umgebenden Gase anzupassen. Dabei ist eine Beschränkung der Bewegungsfreiheit des Manipulators mit Rücksicht auf eine ungestörte Vertikalströmung der Reinluft und der Laminarströraung des Schutzgases im Bereich der Ladezone vorgesehen, und zwar auf im wesentlichen vertikale Bewegungen des Manipulators. Diese Einschränkung der Manipulator-Bewegungsfreiheit kann vorteilhaft unterstützt werden durch eine Steuerung der Manipuliergeschwindigkeiten. Um durch Abrieb am Manipulator selbst erzeugte Partikel aus der Gasströmung fernzuhalten, ist bevorzugt als flankierende Maßnahme vorgesehen, den
Manipulator in eine flexible Staubschutzhülle einzuschliessen.
Als Manipulator im Reinraum eignet sich jeder herkömmliche Typ. Mit besonderem Vorteil gelangt jedoch ein vom Prozeßrechner steuerbarer Roboterarm zum Einsatz. Ein derartiger Manipulator oder Roboterarm weist vorteilhafterweise ein Greiforgan mit zwei Fingern auf, die im wesentlichen längs einer gemeinsamen Achse verstellbar und gemeinsam um den Waferrand drehbar ausgebildet sind. Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung dieses Manipulators ist das Greiforgan zur Erfassung einer Markierung am Waferrand, vor allem des geraden 'Kantenabschnitts am Wafer mit einem optischen Detektor ausgerüstet. Dieser wirkt mit der Fingersteuerung derart zusammen, daß die Wafer immmer am kreisbogenförmigen
Waferrand erfaßt werden. Ein Vorteil des optischen Detektors besteht darin, daß die Wafer immer gleichmäßig ausgerichtet, beispielsweise mit dem geraden Kantenabschnitt nach oben weisend, in die Waferausbuchtungen am Waferträger einsetzbar sind. Dadurch wird erreicht, daß jederzeit nach dem Beladen des Wafers bei dessen Weiterverarbeitung verifiziert werden kann, in welcher Orientierung die Waferoberflachen innerhalb der Reaktionskammer mit dem Prozeßgas beströmt worden sind.
Zur Gewährleistung eines reibungslosen Be- und Entladens der Trägerausbuchtungen mit den Wafern mittels des ZweifingerGreiforgans sind die Trägerausbuchtungen im Randbereich jeweils mit zwei einander diagonal gegenübergelegenen Ausnehmungen versehen. Diese sind derart dimensioniert, daß sie die Finger des Manipulatorgreiforgans beim Untergreifen der Wafer aufnehmen. Vorteilhafterweise weisen die Finger im Greifbereich V-förmige Einkerbungen auf, deren Öffnungswinkel ein sicheres Ergreifen der Wafer am Waferrand gewährleistet.
Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform des Manipulators sieht ein weiteres Greiforgan vor, das einen Saugnapf umfaßt, mit welchem im Magazin abgelegte Wafer auf der rückseitigen Fläche sicher erfaßbar sind.
Bei herkömmlichen pyramidenstumpfförmigen Waferträgem weisen die Ausbuchtungen zur Aufnahme der Wafer eine von der Bestückungsfläche ausgehende zylinderförmige Ausnehmung auf, an die sich nach innen hin ein Ausbuchtungsteil in Form eines Kugelschalensegments anschließt. Der zylinderförmige Ausbuchtungsabschnitt dient einer ausreichenden Halterung der Wafer innerhalb der Ausbuchtungen und hat eine Tiefe, die etwa der Waferdicke entspricht. Der kugelschalenförmige Ausbuchtungsabschnitt trägt dem Temperaturgradienten im
Bereich der Trägerwandung bei aufgeheiztem Träger Rechnung. Nachteilig an dieser Auslegung der Ausbuchtungen im Waferträger ist die stark unterschiedliche Materialdicke der Ausbuchtungen, insbesondere im Randbereich. Erfindungsgemäß wird dieser Nachteil dadurch behoben, daß die Kugelschalensegmentform der Ausbuchtungen im wesentlichen kontinuierlich in die Wäferträgeraußenflache, also ohne Ausbildung eines Halterandes für die Wafer, übergeht. Als Stütze für die in diese Ausbuchtungen eingesetzten Wafer dienen vorteilhafterweise zwei voneinander beabstandete, auf der Horizontalen liegenden Stützpunkte, die im unteren Bereich jeder Waferausbuchtung vorgesehen sind. An Stelle der Zweipunktstütze, kann auch ein horizontal verlaufender Steg vorgesehen sein. überraschenderweise werden durch diese Maßnahme die sonst auftretenden Beschichtungsunsymmetrien an den Waferrändern verringert.
Einen erheblichen Beitrag zu einer möglichst partikelfreien Strömungsführung leistet der erfindungsgemäß ausgebildete Gasmischer, der im wesentlichen aus einer Gashauptleitung besteht sowie aus einer Vielzahl von registerartig mit der Hauptleitung verbundenen Zweigleitungen, über welche die Vektor-, Reaktions-, Schütz-, und Spülgase zur Hauptleitung überführt werden, deren eines Ende an den Gaseinlaß der
Reaktionskammer angeschlossen ist. Die Einleitung der Gase in die Zweigleitungen dieses Gasmischers erfolgt geordnet nach der technischen Reinheit sowie Agressivität der verwendeten Gase derart, daß die unreineren und agressiveren Gase mit Priorität in die am nächsten zum Gaseinlaß der Reaktionskammer angeordneten Zweigleitungen eingespeist werden. Dadurch wird erreicht, daß möglichst kurze Leitungsstrecken innerhalb des Gasmischers von relativ unreinen Gasen durchströmt werden, wobei ebenfalls relativ geringe Abschnitte des Leitungssystems von agressiven Gasen ange
griffen werden können. Insgesamt wird hierdurch ein Herauslösen von Partikeln aufgrund agressiver Gaseigenschaften innerhalb des Gasmischers auf ein Minimum beschränkt.
Als sauberstes und am wenigsten agressives Gas wird dementsprechend mit Vorteil das für den Epitaxieprozeß benötigte Vektorgas am der Reaktionskammer abgewandten Ende der Gashauptleitung in den Gasmischer eingespeist. Der üblicherweise als Spülgas in Epitaxieanlagen verwendete Stickstoff wird vorteilhafterweise, - obwohl wenig agressiv und relativ sauber-, deshalb am kammerseitigen Ende der Gashauptleitung in den Gasmischer eingespeist, da erfahrungsgemäß mit dem Medium Stickstoff im täglichen Laborbetrieb relativ sorglos umgegangen wird. So besteht durchaus die Gefahr, daß beispielsweise statt hochreinem Stickstoff normaler Stickstoff an den Gasmischer angeschlossen wird. Bei einem Anschluß des Stickstoffs an eine vom Gasmischerauslaß entferntere Zweigleitung würde dies zu einer gravierenden Kontamination der Gasmischerleitungen führen.
Zur rechnergesteuerten und rechnererfaßten Messung der Wafer- und Waferträgertemperatur in der Reaktionskammer dient vorteilhafterweise ein Pyrometer mit einem an eine Glasfaserleitung angschlossenen Meßkopf. Dieser ist in relativ kurzer Entfernung, etwa 20 cm, von der Oberfläche des Waferträgers außerhalb der Induktionsheizung und parallel zur Längsachse des Waferträgers verschiebbar positioniert. Durch die Verwendung eines Lichtleiters kann der temperaturempfindliche Teil des Pyrometers in hinreichendem Abstand zur Induktionsheizung angeordnet werden. Vorteilhafterweise wird ein Pyrometer verwendet, daß auf zwei Wellenlängen der Wärmestrahlung des Waferträgers abgestimmt ist, wobei zumindest die Strahlung mit der einen
Wellenlänge die dielektrische Wandung der Reaktionskammer im wesentlichen ohne Intensitätsverlust auch dann durchdringt, wenn diese Wandungen innenseitig bis zu einer bestimmten Schichtdicke mit Reaktionsprodukten des Epitaxieprozesses beschichtet ist. Damit wird in jedem Betriebszustand eine Wärmekontrolle des Epitaxiereaktors gewährleistet.
Mit großem wirtschaftlichen Vorteil wird innerhalb der Epitaxieanlage mindestens eine weitere Reaktionskammer betrieben, die anschlußmäßig sowie strömungs- und bedientechnisch wie die bereits beschriebene Reaktionskammer und der Waferträger ausgelegt sind. Damit gewährleistet die Epitaxieanlage ein unabhängiges Be- und Entladen der Waferträger mit Hilfe des fern- oder prozeßgesteuerten Manipulators. Bei einem derartigen Mehrkammersystem ist. der Gasmischer vorteilhafterweise in sich sowie bezüglich seiner Anordnung und Anschlüsse zu den Reaktionskammern symmetrisch ausgelegt, um stets für sämliche Reaktionskammern dieselben Prozeßbedingungen von Seiten der Prozeßgase zu schaffen.
Ursprünglich wurden die Induktionsheizungen in Epitaxieanlagen von Hochfrequenzgeneratoren gespeist, die in einem Frequenzbereich von über 100 000 Hz und Spannungen von mehreren 1000 V betrieben worden sind. Da die Leistungsausbeute eines derartigen HF-Generators relativ gering ist, wurden Versuche unternommen, Generatoren mit einem Frequenzbereich von weniger als 10 000 Hz zur Speisung der Induktionsheizung zu verwenden. Trotz besserer Leistungsausbeute haben sich diese Niederfrequenzgeneratoren jedoch nicht bewährt, da deren Frequenzen für das menschliche Ohr hörbar sind und die von diesen Generatoren ausgehende Lärmbelästigung für das Betriebspersonal zumindest im längeren Betrieb unerträglich ist. Aus diesem Grunde umfaßt die erfindungsgemäße Epitaxieanlage
einen Generator zur Speisung der Induktionsheizung bzw. der Induktionsheizungen, in einem Frequenzbereich, der nicht zu Lärmbelästigungen für das Betriebspersonal führt und sich im Vergleich zu bisher bekannten Generatoren durch einen verbesserten Wirkungsgrad auszeichnet. Der Arbeitsbereich dieses Generators liegt vorteilhafterweise zwischen 15 KHz und 100 KHz, und vor allem zwischen 16 KHz und 25 KHz.
Die Rechnersteuerung der erfindungsgemäßen Epitaxieanlage gewährleistet im Dialog mit dem Bedienpersonal einen automatisierten Betrieb des Epitaxieprozesses und -wie bereits ausgeführt- der Beladung der Waferträger. Der Dialog zwischen Rechner und Benutzer erfolgt dabei vorteilhafterweise über einen Farbbildschirm, auf dem zur besseren Übersichtlichkeit jeweils nur die aktuellen Prozesse und Anlagenzustände getrennt für jede Reaktionskammer dargestellt sind.
Eine besonders vorteilhafte Ausgestaltung der Rechnersteuerung sieht eine Berücksichtigung eventuell auftretender Fehlfunktionen beim Ablauf des Epitaxieprozesses vor, wobei Fehlfunktionen ihrer Bedeutung für den Epitaxieprozeß und den Schutz des Bedienpersonals entsprechend gewichtet sind. Dabei werden in übereinstimmung mit der vorgenommenen Gewichtung abgestufte Maßnahmen im weiteren Prozeßablauf rechnergesteuert ausgelöst. Das Spektrum der vorgesehenen Maßnahmen umfaßt als Extremmaßnahme den Notausstieg aus dem laufenden Prozeß, beispielsweise wenn Gaslecks ermittelt werden. Hierbei stellt insbesondere das Austreten von Wasserstoff aus der Anlage, oder der Ausfall der Stromversorgung der Anlage einige Gefahr für das Bedienpersonal dar. In diesen Fällen wird umgehend Spülgas, vor allem Stickstoff über den Gasmischer in die Reaktionskammer eingeleitet.
Wird dem rechnerunterstützten Überwachungssystem eine Fe unktion der Anlage angezeigt, nachdem bereits zumindest ein eil der bestimmungsgemäßen Beschichtung auf den Wafer aufgebracht worden ist, so werden Maßnahmen getroffen, um die Beschichtung durch Einleiten eines geeigneten Gases in die Reaktionskammer zu retten.
Wenn sich die ermittelte Fehlfunktion als im laufenden Epitaxieprozeß reparabel herausstellt, so ist es vorgesehen, den Epitaxieprozeß im laufenden Stadium anzuhalten oder um einen Schritt zurückzusteuern, wobei gleich nach Beenden der Fehlfunktion, also nach Ausführen der Reperatur, der Epitaxieprozeß an der Abbruchstelle fortgesetzt wird.
Die Erfindung soll nunmehr anhand der Zeichnung näher erläutert werden; in dieser zeigt:
Fig. 1: Eine schematische Darstellung der erfindungsgemäßen Epitaxieanlage;
Fig. 2: Eine schematische Darstellung des in der Anlage von Fig. 1 verwendeten Gasmischers;
Fig. 3: Eine teilweise geschnittene Darstellung des im
Gaseinlaßhals der Reaktionskammer von Fig. 1 angeordneten Gasdiffusors;
Fig. 4: Eine Schnittdarstellung des Sockelbereichs des Waferträgers von Fig. 1;
Fig. 5: Eine perspektivische Darstellung einer Ladezone sowie eines Manipulators der Epitaxieanlage von Fig. 2;
Fig. 6: Eine schematische Ansicht einer Ausbuchtung zur Aufnahme eines Wafers auf dem Waferträger;
Fig. 7: Eine Schnittansicht des Randbereichs der mit einem
Wafer belegten Ausbuchtung von Fig. 6;
Fig. 8: Einen Horizontalschnitt durch den oberen Bereich des Waferträgers und
Fig. 9: Eine Kupplungseinrichtung für die Bodenstruktur der Reaktionskammer von Fig. 1.
Fig.1 zeigt die prinzipielle Anordnung der 'Komponenten einer erfindungsgemäßen Epitaxieanlage, die mindestens eine
Reaktionskammer 10 umfaßt. Dieser Reaktionskammer 10 werden die für die epitaxiale Beschichtung von Wafern 70 benötigten Reaktionsgase über einen Gasmischer 100 zugeführt, der mit der Reaktionskammer 10 über eine Leitung 108 verbunden ist. über eine weitere Verbindungsleitung 109 ist der Gasmischer 100 im gezeigten Ausführungsbeispiel an eine weitere, nicht dargestellte Reaktionskammer 10' der Epitaxieanlage angeschlossen. Letztere ist im wesentlichen so aufgebaut und wird so gesteuert wie die in Fig.1 dargestellte Reaktionskammer 10.
über den Gasmischer 100 werden den Reaktionskammern 10, 10' neben den Reaktionsgasen auch weitere Gase, wie Vektor-, Spül- und Schutzgase über die jeweiligen Leitungen 108 und 109 zugeführt. Die Verbindungsleitung 108 mündet in einen
Gasdiffusor 120, der in den Abschlußflansch 22 eines Gaseinlaßhalses 21 der Reaktionskammer 10 eingesetzt ist. Die vom Gasmischer 100 gelieferten Gase strömen aus dem Gasdiffusor 120 in einen Ringraum zwischen einen Suszeptor oder Waferträger 50 und die Innenwandung der Reaktionskammer 10.
Der Waferträger 50 weist gemäß dem dargestellten Ausführungsbeispiel die Gestalt eines Pyramidenstumpfes auf, dessen Seitenflächen mit einer Vielzahl von im wesentlichen kreisrunden Ausnehmungen zur Aufnahme von Wafern 70 ausgebildet sind. Der pyramidenstumpfförmige Waferaufnehmer 50 ist koaxial zur 'Kammerlängsachse ausgerichtet und mittels eines Antriebs 165 um die Achse drehantreibbar.
Zur Strömungsbegünstigenden, vor ailem turbulenzfreien
Führung der Gase in der Reaktionskammer 10 ist das obere, verjüngte Ende des pyramidenstumpfförmigen Waferträgers 50 mit einem Aufsatz 55 und an der breitauslaufenden Basis mit einem Sockel 56 versehen. Der Sockel 56 ist ebenfalls pyramidenstumpfförmig gestaltet und hat im wesentlichen die gleiche Querschnittsform wie der Waferträger 50. Sein verjüngtes Ende weist jedoch zur Kammerbasis. Die Mantelfläche seines anderen Endes geht glatt in die Mantelfläche des Basisbereiches des pyramidenstumpfförmigen Waferträgers 50 über.
Die Basisfläche des Trägeraufsatzes 55 und die Querschnittsfläche, des verjüngten Endes des Waferträgers 50 sind im wesentlichen gleich geformt und gleichgroß. Die Mantelfläche im Basisbereich des Trägeraufsatzes 55 geht nahtlos in die Mantelfläche des Waferträgers 50 über. Die Basisfläche des Aufsatzes 55 geht in eine im wesentlichen sphärische und damit besonders strömungsgünstige nach oben gewölbte Fläche über.
Während der Körper des Waferträgers 50 zur besonders günstigen Wärmeabsorbtion aus Graphit besteht, ist der Sockel 56 vorteilhafterweise aus einem isolierenden Material, beispielsweise Quarz gefertigt. Hierdurch werden im Basisbereich der Reaktionskammer 10 angeordnete wärmeempfindliche
Teile, beispielsweise die Antriebseinrichtung 165, vor der hohen Betriebstemperatur des Waferträgers 50 geschützt.
Wie im nachfolgenden noch näher auszuführen ist, sind im Bereich des Trägersockels 56 Einrichtungen, nämlich ein Ringeinsatz 200 und eine Partikelfalle 210 zum Sammeln von beim Epitaxieprozeß entstehenden sowie von den Gasen mitgeführten Partikeln vorgesehen.
Der Beheizung der auf dem Waferträger 50 angeordneten Wafer 70 für die Erzeugung der notwendigen Reaktionstemperatur dient eine Induktionsheizung. Diese besteht im wesentlichen aus einem Hochfrequenzgenerator 510 und einer vom HF- Generator gespeisten Heizspirale 512. Die-Heizungsspirale 512 umgibt die vorzugsweise aus Quarz bestehenden Wandung der Reaktionskammer 10 unter Ausbildung eines Ringraumes im wesentlichen zylindrisch. In den Ringraum zwischen der Reaktionskammerwandung 10 und der Heizspirale 512 wird zur Kühlung der 'Kammerwandung ein Fluid, vor allem Luft eingeführt.
Im Bereich der Heizspirale 512 ist ein ebenfalls im wesentlichen zylinderförmiger Reflektor ausgebildet, vor allem in Form von Metallstreifen, wie grundsätzlich aus der DE 35 25 870 A1 bekannt.
Der Hochfrequenzgenerator 510 arbeitet bei einer Betriebsfrequenz, die über der Wahrnehmungsschwelle des. menschlichen Gehörs, also im wesentlichen über 16 'KHz liegt, vor allem bei 20 KHz.
Die Wafertemperatur bzw. die Temperatur des Waferträgers 50 wird mit Hilfe eines Pyrometers 400 überwacht. Dessen temperaturempfindliche Teile sind in einem Gehäuse 405 fern
von der Induktionsheizung 512 untergebracht. Das Pyrometer weist einen Tastkopf 402 auf, der in der Umgebung der Heizspirale 512 angeordnet und über einen Lichtleiter 401, vor allem eine Lichtfaser, an die Auswerteoptik innerhalb des Gehäuses 405 angeschlossen ist. Der Tastkopf 402 ist auf einem Stativ 403 höhenverstellbar angeordnet, um den drehangetriebenen und wärmestrahlenden Waferkörper 50 sowie die darauf angeordneten Wafer an beliebigen Stellen temperaturmäßig erfassen zu können. Parallel zur Verstellstrecke des Tastkopfes 402 sind im Reflektor der Induktionsheizspule 512 Öffnungen vorgesehen, durch welche Wärmestrahlung aus dem Inneren der Reaktionskammer im wesentlichen ungeschwächt zum Tastkopf 402 des Pyrometers gelangt.
Weiterhin weist die Epitaxieanlage eine elektronische 'Kontrolleinheit 500 mit einem Prozeßrechner auf. Diese elektronische Kontrolleinheit 500 dient zur Steuerung der gesamten Epitaxieanlage. So werden beispielsweise die mit Hilfe des Pyrometers 400 erfaßten Wärmewerte über eine
Leitung 503 zur elektronischen 'Kontrolleinheit 500 übertragen. über eine weitere Leitung 502 ist der HF- Generator 510 durch die elektronische 'Kontrolleinheit 500 steuerbar. Weitere Parameter des Epitaxieprozesses, beispielsweise der Gasdruck innerhalb der Reaktionskammer 10, werden über
Sensoren erfaßt, die über Leitungen 501 an die 'Kontrolleinheit 500 angeschlossen sind, über eine weitere Leitung 504 wird auch der Gasmischer 100 mittels der 'Kontrolleinheit 500 gesteuert.
Mittels eines Vertikalliftes 160 ist der Waferträger 50 mit samt der Bodenstruktur der Reaktionskammer 10, der Teilchensammeieinrichtungen 200 und 210, der Trägerantriebseinrichtung 165, der Gasauslaßleitung 13 und weiteren in Fig.1 nicht dargestellten Zu- und Ableitungen für 'Kühlfluide aus
der Arbeitsstellung in eine Ladezone 150 überführbar. Die Ladezone ist direkt unterhalb der in ihrer Stellung verbleibenden Reaktionskammer 10 in einem Reinluftraum der Epitaxieanläge ausgebildet.
Der in der Epitaxieanlage von Fig.1 verwendete Gasmischer ist in Fig.2 schematisch dargestellt.
Der Gasmischer 100 bzw. die ihm zugeführten Gase stellen unter anderem eine Quelle von beim Epitaxieprozeß unerwünschten Fremdkörpern in Form kleiner und kleinster Teilchen dar. Obwohl für den Epitaxieprozeß nur reinste Gase verwendet werden, sind jedoch vor allem die Gase, die Chlorverbindüngen enthalten, ausgesprochen aggresive Gase. Diese können die Edelstahl-Rohrleitungen des Gasmischers angreifen. Die dabei aus den Rohrwandungen herausgelösten Verunreinigungen sind durchaus in der Lage, den Epitaxieprozeß, vor allem das geordnete Aufwachsen von Atomen auf die Waferoberflächen zu stören. Es muß deshalb dafür gesorgt werden, die Anzahl der durch aggressive Gase innerhalb des Rohrleitungssystems des Gasmischers 100 erzeugten Teilchen möglichst gering zu halten. Aus diesem Grunde ist der in Fig. 2 schematisch dargestellte Gasmischer 100 aus einer im wesentlichen geradlinigen Hauptleitung 101 aufgebaut, in welche registerartig eine Vielzahl von Zweigleitungen 102 bis 107 einmündet, über diese Zweigleitungen werden die unterschiedlichen Gase zur Vermischung miteinander und zum Weiterleiten an die Reaktionskammern 10 und 10' über die Verbindungsleitungen 108 und 109 eingeleitet. Die Zuleitung der einzelnen Gassorten erfolgt dabei gestaffelt nach ihrer jeweiligen Aggressivität, derart, daß die aggressivsten Gase nahe der Mischerausgänge, an den die Verbindungsleitungen 108 und 109 angeschlossen sind, erfolgt. Dadurch wird erreicht, daß die aggressiveren Gase eine wesentlich kürzere Rohrstrecke
innerhalb des Gasmischers 100 durchlaufen, als die weniger aggressiven und gar die inerten Gase.
In diesem Sinne wird am Einlaß 99 des Hauptrohrs 101 das für den Epitaxieprozeß benötigte Vektorgas, vor allem Wasserstoff eingeleitet. Diesem werden auf seinem Strömungsweg durch das Hauptrohr 101 der Reihe nach Reaktionsgase mit zunehmender Aggressivität beigemischt. So wird beispielsweise über eine auf den Einlaß 99 folgende Zweigleitung 102 gasförmiges SiH. zugeführt, gefolgt von Dotierungsmittel vom P-Typ, wie beispielsweise B2H6 in gasförmigem Zustand. Stromabwärts folgt die Zweigleitung 104, über welche Dotierungsmittel vom N-Typ zum Vektorgas in der Hauptleitung 101 hinzugemischt wird. Dabei handelt es sich vornehmlich um PH3, AsH3, jeweils in Gasform sowie um das flüssige SbCl5. In der Rangfolge zunehmender Aggressivität folgt über die Zweigleitung 105 die Zuleitung einer weiteren gasförmigen Siliciumquelle, nämlich SiH2Cl2, gefolgt von flüssigem SiHCl3 oder dem flüssigen SiCl4, die alternativ über die Zweigleitung 106 zugeführt werden.
Am auslaßseitigen Ende ist die Hauptleitung 101 T-förmig verzweigt und mündet schließlich in die Verbindungsleitungen 108 bzw. 109 zu den beiden Reaktionskammern 10 und 10'. In diesem Bereich der Hauptleitung, also so nahe wie möglich am Auslaßbereich des Gasmischers 100 wird das extrem aggressive HCl-Gas in die Hauptleitung 101 über eine zweiarmige Zweigleitung 110 eingeleitet, die gleichweit entfernt in die beiden T-förmigen Armabschnitte der Hauptleitung 101 mündet. In gleicher Weise wird in den T-förmigen Abschnitt der Hauptleitung 101 über eine zweiteilige Zweigleitung 107 Spülgas in Form von Stickstoff-Gas in die Hauptleitung 101 eingeführt. Der Stickstoff wird aus praktischen Gründen erst im Auslaßbereich der Hauptleitung 101 in den Gasmischer 100
eingespeist. Stickstoff ist zwar gegenüber dem Rohrmaterial im wesentlichen inert, wird aber im Laborbereich in verschiedenen Reinheitsgraden verwendet. Durch obige Maßnahme soll verhindert werden, daß versehentlich in weniger reiner Form in den Gasmischer 100 eingeleitetes Stickstoffgas, diesen auf weite Strecken verunreinigt.
Fig. 3 zeigt, teilweise in geschnittener Darstellung, den Gaseinlaßhals 21 der glockenförmigen Reaktionskammer 10 von Fig. 1 in vergrößerter Darstellung. An seinem äußeren Ende ist der Gaseinlaßhals 21 mit einem Flansch 22 versehen und mittels einer Platte 23 verschlossen. Für einen dichten und dauerhaften Sitz der Verschlußplatte 23 auf der Oberseite des Halsflansches 22 sorgt eine Spanneinrichtung 27. Diese umfaßt zwei Ringe 27a und 27b, von denen der eine. Ring 27a die konisch abgeschrägte Oberkante der Verschlußplatte 23 und der andere Ring 27b die Unterkante des Halsflansches 22 umgreift. Miteinander verbunden und gegenseitig verspannt sind die beiden Ringe 27a und 27b in bekannter Weise mittels Schrauben, von denen in Fig. 3 lediglich die Schraube 28 dargestellt ist.
In die Verschlußplatte 23 ist ein Stellmechanismus 130 zur axialen Verstellung des Gasdiffusors 120 dicht eingesetzt.
Der Mechanismus 130 umfaßt ein außerhalb der Reaktionskammer 10 angeordnetes Drehstellglied 131, das entweder manuell oder beispielsweise mittels eines Elektromotors antreibbar ist. Innerhalb des Gaseinlaßhalses 21 der Reaktionskammer 10 umfaßt der Mechanismus 130 ein ortsfest mit der Verschlußplatte 23 verbundenes Führungsglied 132 und ein in dieses kolbenartig eingreifendes in axialer Richtung (Richtung des Pfeiles A) verstellbares Glied 133. Um zu verhindern, daß Schmiermittel oder bei der Verstellbewegung des Gliedes 133 erzeugter Abrieb in die Reaktionskammer 10 gelangt, ist
zwischen den beiden Gliedern 132, 133 ein Balg 134, beispielsweise aus Tombakblech, dicht eingesetzt.
Um zu gewährleisten, daß die Stellachse des Verstellmechanismus 130 mit der Längsachse der glockenförmigen Reaktionskammer 10 fluchtet, ist zwischen der Verschlußplatte 23 und dem Halsflansch 22 ein Zentrierring 26 eingesetzt. Der Zentrierring 26 dient zusätzlich zur Führung eines O-Ring 24, der eine dichte Verbindung der Verschlußplatte 23 mit dem Halsflansch 22 sicherstellt, sowie eines weiteren, innenliegenden O-Ring 25, der den Verstellmechanismus 130 gegenüber der Verschlußplatte 23 abdichtet.
Der am kammerinnenseitigen Ende des Verstellmechanismus 130 an dessen Glied 133 angeschlossene Diffusor 120 umfaßt zwei plattenförmige Gebilde 122 und 124. Direkt an das Glied 133 schließt sich ein runder, scheibenförmiger Teil 122 an, mit dem der eigentliche Reaktionsraum der Kammer 10 vom Gaseinlaßhals 21 strömungsmäßig entkoppelt ist. Daran schließt sich, dem Trägeraufsatz 55 gegenüberliegend, der eigentliche Diffusor in Form eines. scheibenförmigen Gebildes 124 an. Dieses Gebilde 124 besteht aus einem dem scheibenförmigen Teil 122 gegenübergelegerfen. Deckenteil 125 und einem mit Abstand zu letzterem angeordneten Bodenteil 126. Boden- und Deckenteil 125, 126 sind miteinander durch einen Zentralstift 127 und eine Vielzahl von am Umfang der beiden Teile angebrachte Stifte 128 miteinander verbünden.
Die Reaktions-, Spül- und Schutzgase werden an einer nicht dargestellten Einlaßöffnung im oberen Bereich des Verstellmechanismus in einen zentral durch diesen verlaufenden 'Kanal eingespeist, treten zwischen Deckenteil 125 und Bodenteil 126 des Diffusors 120 in den Innenraum der Reaktionskammer 10 aus und folgen dabei einem durch die Pfeile
im Bereich des Gasdiffusors 120 dargestellten Strömungsprofil. Dieses Profil weist im Bereich des Gasdiffusors 120 sowie zwischen diesem und dem Trägeraufsatz 55 im wesentliehen Glockengestalt auf, wobei der glockenförmige Strömungsverlauf begünstigt wird durch den konisch abfallenden Rand des Bodenteils 126 des Diffusors 120. Als Material für den Diffusor 120 wird Quarz bevorzugt.
Die Höhenverstellbarkeit des Diffusors 120 ermöglicht eine günstige Anpassung des Strömungsprofils an den für die Gase zur Verfügung stehenden Strömungsraum.
Fig. 4 zeigt einen Ausschnitt der Bodenstruktur der Reaktionskammer 10. Letztere weist am unteren Ende einen Flanschansatz 15 auf. Die profilierte Bodenstruktur der Reaktionskammer 10 befindet sich in der Fig. 4 in Anlage gegen die Unterseite des Flanschansatzes 15, wobei eine dichte Verbindung durch zwei O-Ringe 16 und 17 gewährleistet ist. Die Stellung der Bodenstruktur von Fig. 4 entspricht der Arbeitsstellung des Waferträgers 50 innerhalb der Reaktionskammer 10. Zur Überführung des Waferträgers 50 in die Ladezone, sind sämtliche in Fig. 4 innerhalb der Reaktionskammer 10 dargestellten Teile mittels des Liftes 160 (Fig. 1) in die Ladezone überführbar.
Zwischen dem Trägersockel 56 und der Innenwandung der Reaktionskammer 10 ist ein Ringeinsatz 200 aus Quarz im wesentlichen unmittelbar anschließend an die 'Kammerwandung angeordnet. Dieser Ringeinsatz 200 sitzt auf dem oberen
'Kantenbereich einer ringförmigen 'Kammer 201 dicht auf, die dem'Kammergasauslaß 12 vorgeschaltet ist. In der Ringkammer 201 sollen im Bereich zwischen dem Ringeinsatz 200 und dem Sockel 56 angesammelte Fremdstoffteilchen angesammelt und zurückgehalten werden. Zu diesem Zweck sind sowohl die
ringförmige Deckenplatte 202 wie der im Querschnitt U-Profil aufweisende Bodenteil 203 der Kammer 201 mit Ein- bzw. Auslaßöffnungen für die Gas- und Teilchenströme versehen. Dabei sind die Einlaßöffnungen, wie durch die die Strömung in Fig. 4 verdeutlichenden Pfeile dargestellt, vorzugsweise unterhalb des Sockelbodens angeordnet.
Zur wirksamen Zurückhaltung der Teilchen innerhalb des Ringraums 210 kann zwischen Boden- und Deckelteil der
Ringkammer 201 vorteilhafterweise eine perforierte Zwischendecke eingezogen sein, wobei die Perforierung in dieser Zwischendecke radial versetzt zu den Einlaßöffnungen im Deckelteil 202 angeordnet ist.
Zur 'Kühlung der heißen Austrittsgase ist unterhalb des ringförmigen Auslaßkanals 12 ein weiterer Rihgkanal 14 ausgebildet, der ein kühlendes Fluid, vorzugsweise Wasser, führt.
Als 'Kühlmaßnahme zwischen der Ringkammer 201 und dem in Fig 4 nicht dargestellten Trägerantrieb, der an die. Bodenplatte 57 des Trägersockels 56 angeschlossen ist, ist ein ringförmiges Hitzeschild 208 angeordnet.
In Fig. 5 ist der in die Ladezone 150 überführte Waferträger 50 dargestellt, der mit Hilfe eines rechnergesteuerten Manipulators 300 in Form eines Roboterafms mit Wafern 70 beladbar oder von diesen entladbar ist.
Der Roboterarm 300 befindet sich im Reinluftraum 1 zwischen den Ladezonen von mehreren, beispielsweise zwei Waferträgern 50. Im Fall von zwei zu beladenden Waferträgern befindet sich der zweite Waferträger in nicht sichtbarer Stellung links neben dem Manipulator 300 von Fig. 5.
In Fig. 5 ist die Reinluftströmung durch die breiten Pfeile und die erfindungsgemäß vorgesehene Schutzgasströmung, durch die schmalen Pfeile dargestellt. Die Schutzgasströmung umschließt den Waferträger 50 bei dessen Überführung in die Ladezone 150 und zurück in seine Arbeitsstellung innerhalb der Reaktionskammer 10. Dabei wird deutlich, daß beide Strömungen parallel zueinander und vertikal von oben nach unten geführt sind.
Des Roboterarm 300 ist gemäß Fig. 5 mit seiner Greifeinrichtung schwenkbar so ausgelegt, daß er sowohl Zugriff hat zu dem im Vordergrund von Fig. 5 angeordneten Wafermagazin 310 wie zu einer vertikalen Reihe der Ausbuchtungen 71. Durch entsprechende Drehung des Trägers 50 mittels der dafür vorgesehenen Antriebseinrichtung können die vertikalen Reihen der Ausbuchtungen 71 schrittweise nacheinander in eine günstige Be- bzw Entladeposition zum Roboterarm 300 überführt werden. Die Greifeinrichtung besteht im wesentliehen aus zwei unabhängigen Greiforganen, nämlich einem
Fingerpaar 301 und einem Saugnapf 305. Von den zwei Fingern 301 ist in Fig. 5 nur einer sichtbar.
Auf etwa halbem Wege zwischen dem ortsfesten Sockel des Roboterarms 300 und der Ladezone 150 ist eine Rampe 306 angeordnet, auf welcher die Wafer 7.0 jeweils abgesetzt werden, bevor sie in den Ausbuchtungen 71 des Trägers 50 oder in den dafür vorgesehenen Ausnehmungen des Wafermagazins 310 plaziert werden. Die Rampe dient dem Roboterarm 300 als Relaisstation, in welcher er den Wafer zwischenlagert, um ihn mit dem jeweils geeigneten Greiforgan in die jeweilige Endstellung entweder am Waferträger 50 oder im Wafermagazin 310 zu überführen.
Zur Überführung aus dem Wafermagazin 310 auf die Rampe 306 oder umgekehrt, dient das Greiforgan in Form des Saugnapfes
305. Mit diesem wird der Wafer 70 auf seiner der Beschichtungsseite abgewandten Rückseite ergriffen und in das
Magazin zurückgestellt oder aus diesem entnommen und mit der zu beschichtenden Fläche nach oben auf der Rampe 306 abgelegt.
Der auf der Rampe 306 positionierte noch unbeschichtete
Wafer 70 wird von dem zweiten, die beiden Finger 301 umfassenden Greiforgan randseitig erfaßt und in die vorbestimmte Ausbuchtung 71 im Waferträger 50 überführt. Umgekehrt wird der beschichtete Wafer 70 aus der entsprechenden Ausbuchtung 71 von dem Zweifingerorgan 301 frontal entnommen und mit der nichtbeschichteten Rückseite auf der Rampe 306 abgelegt.
Wie den Detaildarstellungen gemäß Fig. 6 und 7 zu entnehmen, sind die Ausbuchtungen 71 auf der Manteloberfläche des Waferträgers 50 im wesentlich sphärisch gekrümmt ausgebildet und weisen im Randbereich, einander diagonal gegenüberliegend zwei Ausnehmungen 72 und 73 auf. Einen Teilschnitt durch die Ausbuchtung 71 im Bereich einer der Ausnehmungen 72 ist in Fig. 7 dargestellt. Dabei ist ersichtlich, daß der Abstand der Innenränder 76 der Ausnehmungen 72 und 73 geringfügig kleiner ist als der Waferdurchmesser, so daß der Wafer im Bereich der Ausnehmungen 72 und 73 in diese vorsteht. Im Bereich der Fingerspitzen ist jeweils ein keilförmiger Einschnitt 77 ausgebildet, der so bemessen ist, daβ die beiden Finger 301 und 302 den Waferrand im Bereich der Ausnehmungen 72 und 73 untergreifen kann, ohne an die Innenkanten der Ausnehmungen 72 und 73 anzustoßen. Dadurch wird erreicht, daß mit den beiden einander diagonal gegenübergelegenen Greiferfingern der Wafer randseitig erfaßt und
in die Ausbuchtungen 71 eingesetzt oder aus diesen entnommen werden kann.
Wafer sind im wesentlichen kreisrund ausgebildet und weisen zur Markierung einen geradlinigen 'Kantenabschnitt auf. Um nun das Einsetzen eines Wafers 70 in die dafür vorgesehene Ausbuchtung 71 mit Hilfe der dort randseitig vorgesehenen Ausnehmungen 72 und 73 sowie der beiden Greiferfinger 301 und 302 bewerkstelligen zu können, ist es erforderlich, den Wafer 70 an zwei Punkten zu ergreifen, die jeweils am 'Kreisrand des Wafers angeordnet sind. Zur Erkennung des Waferrandes weist das mit den beiden Fingern versehene Greiforgan einen optischen Detektor 320 auf. Das durch den optischen Detektor 320 gesteuerte, randseitige Ergreifen des Wafers 70 durch die beiden Greiferfinger erfolgt vorzugsweise so, daß sich der Detektor 320 am geradlinigen Kantenabschnitt des Wafers orientiert und dann die beiden Finger 301 und 302 immer in eine vorbestimmten, stets gleichbleibende Position zum geradliniegen 'Kantenabschnitt bringt.
Dadurch ist gewährleistet, daß die Reaktionsgase während der Waferbeschichtung stets in derstelben vorbestimmten Richtung bezüglich der Waferoberflache strömen.
Wie aus der Schnittansicht der Ausbuchtung 71 im linken Teil der Fig. 6 ersichtlich, erstreckt sich die sphärische Kontur dieser Ausbuchtung bis an die Manteloberfläche des Waferträgers 50, in welche die Ausbuchtung im wesentlichen stetig übergeht. Dadurch wird eine Vergleichmässigung der Wärmeverteilung innerhalb der Ausbuchtung 71 bei aufgeheiztem
Waferträger 50 und Wafer 70 erreicht. Um zu verhindern, daß der Wafer 70 aus einer derart ausgebildeten Ausbuchtung 71 herausrutscht, sind am unteren Randbereich der Ausbuchtung mit Abstand zueinander zwei Stützpunkte 74 und 75 ausgebildet.
Bei dem punktförmigen Ergreifen des Waferrandes an zwei Stellen durch die Finger 301, 302 des Manipulators 300 ist zu beachten, daß diese beiden Waferrandstellen nicht mit einer kristallographischen Achse zusammenfallen. Belastungen, die entlang einer derartigen Kristallachse verlaufen, führen leicht zu Rißbildungen und damit zu einer Zerstörung des Wafers 30. Aus diesem Grund ist die Verbindungsachse de beiden Ausnehmungen 72, 73 so anzuordnen, daß sie in Abhängigkeit vom jeweiligen Wafertyp und dessen, gewünschter
Positionierung in der Ausbuchtung 71 nicht mit einer kristallinen Vorzugsrichtung zusammenfallen. - Gewöhnlich wird der Wafer 70 so in der Ausnehmung 71 positioniert, daß sein geradliniger Kantenabschnitt an oberster Stelle liegt.
Fig. 8 verdeutlicht das erfindungsgemäß angewandte Prinzip zur Erkennung eines Waferträgers 50 unmittelbar vor Beginn des Epitaxieprozesses oder während desselben. Diesem Prinzip liegt eine unterschiedlich starke Emission von Wärmestrahlung als Funktion der Wanddicke eines wärmeabstrahlenden
Körpers zugrunde. Demgemäß ist an einer vorbestimmten Stelle des Waferträgers 50, vorzugsweise im Bereich der Trägeroberkante eine Kennung 60 vorgesehen. Diese Trägerkennung 60 umfaßt beabstandete Wandabschnitte unterschiedlicher Stärke die bevorzugt auf derselben Höhenlinie des Waferträgers angeordnet sind, etwa nach Art einer Strich- oder Balkenkodierung. Im dargestellten Ausführungsbeispiel der Trägerkennung 60 besteht diese aus linear angeordneten Schwächungsstellen am Innenwandbereich des Trägers 50, denen eine logische 1 bei der Auswertung im nachgeschalteten Prozeßrechner nach Erfassung durch das Pyrometer 400 (Fig.1) zugeordnet ist. Beim vorliegenden Ausführungsbeispiel besteht die Kennung also aus einer Aufeinanderfolge von Wandschwächungen, die jeweils von einer ungeschwächten Wand
stelle unterbrochen sind, entsprechend der Aufeinanderfolge einer logischen 1 und einer logischen 0.
Anstelle von Schwächungsstellen eignen sich zur Trägerkennung ebenso an der Trägerwandung vorgesehene Materialverstärkungen .
Zusätzlich zu der die Information über die Trägerart enthaltenden Trägerkennung 60 bedarf es in Nachbarschaft zu dieser Kennung einer Information, die den Detektor zur Auswertung der Trägerkennung initialisiert. Diese besteht beim Ausführungsbeispiel der Kennung von Fig. 8 in einer zusätzliche Schwächungsstellen umfassenden Wandkennung 61, die an einem Wandabschnitt des Waferträgers 50 angebracht ist, der in Drehrichtung des Trägers 50, die hier. dem Uhrzeigersinn entspricht, der eigentlichen Trägerkennung 60 vorgeschaltet ist.
Fig. 9 zeigt eine Kuppeleinrichtung 180 die zur verkantungsfreien Ankupplung der Bodenstruktur 11 der Reaktionskammer an den Basisflansch 15 dieser Kammer ausgebildet ist.
Wie bereits beschrieben, Vird die Bodenstruktur 11 zusammen mit dem auf dieser Struktur positionierten Waferträger 50 mittels eines Vertikallifts 160 mit einer Hebebühne 161 von der Ladezone 150 in eine angehobene Stellung überführt, in welcher letztlich die Bodenstruktur 11 an die Verbindungsfläche des Basisflansches 15 der Reaktionskammer 10 dichtend angeschlossen werden soll. Für eine dichte Verbindung der Bodenstruktur 11 mit dem Flansch 15 dienen O-Ringe 16 und 17, die in Kreisnuten der Bodenstruktur 11 sitzen. Der Flansch 14 ist in eine ringförmigen Ausnehmung einer Stützplatte 30 eingesetzt. Dabei sind zwischen den Kontaktflächen des Flansches 15 und der Innenwandung der ringförmigen Aus
nehmung Elastomerringe 8 und 9 eingesetzt. Diese Elastomerringe 8 und 9 schützen das druckempfindliche Quarzmaterial, aus dem der Flansch 15 ebenso besteht wie die restliche Wandung der Reaktionskammer 10, vor einer Beschädigung.
Zur dichtenden Ankupplung der Bodenstruktur 11 an die untere Verbindungsfläche des Flansches 15 wird diese Bodenstruktur mit Hilfe des Vertikallifts 160 bis in den Bereich des Flansches 15 angehoben. Dabei wird die Hubbewegung der Hebebühne 161 des Lifts gestoppt, sobald die der Flanschunterseite gegenüberliegende, mit den O-Ringen 16 und 17 bestückte Verbindungsfläche der Bodenstruktur 11 auf die Höhe der Unterkante einer Schrägfläche 19' angehoben ist, dieunterhalb der Aussparung zur Aufnahme des Flansches 15 in der Stützplatte 30 ausgebildet ist. Die Schrägfläche 19' is ringförmig als 'Kegelsegment ausgebildet, das sich mit Richtung auf den Flansch 15 hin verjüngt. Zur Paßaufnahme der Bodenstruktur 11 durch die Schrägfläche 19' der Stützplatte 30 ist der sich an die Verbindungsfläche mit den O-Ringen 16 und 17 anschließende Randbereich der Bodenstruktur 11 ebenfalls als ringförmige Schrägfläche ausgebildet. Mit dieser Schrägfläche 19 wird die Bodenstruktur 11 gleitend entlang der Schrägfläche 19' der Stützplatte 30 geführt, sobald die Kuppeleinrichtung 180 die Bodenstruktur 11 von unten ergreift und anhebt.
Die Kuppeleinrichtung 180 besteht aus mehreren Hebelmechanismen, die im Bereich des kreisrunden Kammerflansches 15 umfangsmäßig voneinander beabstandet an einem Stützprofil 117 angelenkt sind, das an der Unterseite der Platte befestigt ist. Im dargestellten Ausführungsbeispiel umfaßt die Kuppeleinrichtung 180 drei winkelmäßig um 120° voneinander beabstandete Hebelmechanismen.
Jeder Hebelmechanismus umfaßt zwei Hebel 183 und 186. Der erste Hebel 183 ist mit einem Ende schwenkbar an einem Zapfen 184 gelagert, der im Stützprofil 170 eingesetzt ist. Das andere Ende des ersten Hebels 183 ist über einen Zapfen 185 mit dem zweiten Hebel 186 verbunden, dessen anderes Ende an einem im Stützprofil 170 befestigten Zapfen 187 gelagert ist. Betätigt werden die beiden Hebel durch den Kolben 182 eines Betätigungsmechanismus 181, der am Stützprofil 170 gelagert ist. Etwa mittig zwischen den Lagerzapfen 185 und 187 ist am zweiten Hebel 186 ein weiterer Zapfen 188 vorgesehen, an dem der Kolben 182 schwenkbar gelagert ist.
In Fig. 9 ist die kuppelnde Endstellung der beiden Hebel 183 und 186 mit durchgezogenen Linien und die Entkupplungsstellung dieser Hebel mittels strichpunktierten Linien dargestellt. In der Entkupplungsstellung befindet sich der Kolben 182 in seiner in den Betätigungsmechanismus 181 zurückgezogenen Stellung, wobei dieser Mechanismus gleichzeitig so verschwenkt ist, daß die beiden Hebel 183 und 186 den Hubbereich der Schwenkbühne 161 freigeben. Sobald die Hebebühne 161 ihre hochgefahrene Stellung einnimmt, werden die Hebel 183 und 186 durch den Betätigungsmechanismus 181 in ihre Kupplungsstellung überführt. In dieser untergreift eine im Bereich des Verbindungszapfens 185 am ersten Hebel 183 ausgebildete Nockenfläche 189 einen komplementär zu dieser Nockenfläche ausgebildeten Flächenbereich an der Unterseite der Bodenstruktur 11, wobei der zweite Hebel 186 im wesentlichen die Stützlast trägt. Die Nockenfläche 189 sowie die mit ihr zusammenwirkende an der Bodenstruktur 11 ausgebildete Fläche wirken mit der Anordnung der beiden Hebel 183 und 186 derart zusammen, daß die Bodenstruktur 11 mit zunehmendem Hub des Betätigungskolbens 182 unter Führung durch die Schrägflächen 19 und 19' exakt vertikal nach oben in eine dichtende Stellung mit dem Flansch 15 gefahren wird.