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    • 专利摘要:

    公开号:WO1989000212A1
    申请号:PCT/DE1988/000397
    申请日:1988-06-30
    公开日:1989-01-12
    发明作者:Holger JÜRGENSEN；Meino Heyen
    申请人:Aixtron Gmbh；
    IPC主号:C30B25-00
    专利说明:
    [0001] Quarzglas eaktor für MOCVD-Anlagen
    [0002] B e s c h r e i b u n g
    [0003] Technisches Geijiet
    [0004] Die Erfindung bezieht sich auf einen Reaktor für MOCVD- Anlagen, mit einem Reaktionsgefäß, das von dem bzw. den Reaktionsgasen durchströmt wird, und in dem die Substrate derart angeordnet sind, daß eine Hauptoberfläche in etwa parallel zur Strömungsrichtung ist.
    [0005] Stand der Technik
    [0006] Bei bekannten Reaktoren gemäß dem Oberbegriff des An¬ spruchs 1 besteht allgemein das Problem, daß sich eine Diffusionsgrenzschicht zwischen der Reaktionsgas-Strömung und den Substraten ausbildet, deren Abstand von der Sub¬ stratoberfläche mit wachsendem Abstand vom eintrittsseiti- gem Ende des Reaktionsgefäßes zunimmt. Hierdurch wird die Homogenität der erzeugten Schichten verschlechtert.
    [0007] Erfindungsgemäß ist nun erkannt worden, daß das Problem der Diffusionsgrenzschicht, deren Abstand in Strömungs¬ richtung zunimmt, dadurch gelöst werden kann, daß die Reaktionsgase mit hoher Strömungsgeschwindigkeit an den Substraten vorbeiströmen. Hierdurch erhält man eine Grenz¬ schicht, die nahezu parallel und mit geringem Abstand zur Hauptoberfläche der Substrate verläuft.
    [0008] Ferner sollte dann mit niedrigen Drücken im Bereich zwi- schen 10 und 1000 bar gearbeitet werden, um den Material- eins tz gering zu halten.
    [0009] Erfindungsgemäß ist allerdings weiter erkannt worden, daß es in den bekannten REaktoren mit rundem Querschnitt nicht ausreichend ist, die Strömungsgeschwindigkeit zu erhöhen sowie gegebenenfalls den Totaldruck zu erniedrigen, da dann bei den bekannten Reaktoren gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 Verwirbelungen etc auftreten, durch die die Bildung homogener Mischkristallschichten verhindert wird.
    [0010] Darstellung der Erfindung
    [0011] Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Reaktor für MOCVD-Anlagen, mit einem Reaktionsgef ß, das von dem bzw. den Reaktionsgasen durchströmt wird, und in dem die Substrate derart angeordnet sind, daß eine Hauptoberfläche in etwa parallel zur Strömungsrichtung ist, derart weiter¬ zubilden, daß bei hohen Strömungsgeschwindigkeiten sowie gegebenenfalls niedrigen Drücken homogene Strömungsver¬ hältnisse ohne großen apparativen Aufwand erzielbar sind.
    [0012] Eine erfindungsgemäße Lösung dieser Aufgabe ist mit ihren Weiterbildungen in den Patentansprüchen gekennzeichnet:
    [0013] Erfindungsgemäß besteht das Reaktionsgefäß in an sich bekannter Weise aus Quarzglas und weist wenigstens in dem Bereich, in dem die Reaktionsgase strömen, einen rechtek- kigen Querschnitt auf. Hierdurch werden gleiche Strömungs¬ verhältnisse über die Querabmessung der Substrate er¬ reicht.
    [0014] Da rechteckige Rohre aus Quarzglas wenig stabil gegen Druckunterschiede, wie sie beim Evakuieren des Rohrs auf¬ treten, sind, ist ein Schutzrohr vorgesehen, das das Reak- tionsgefäß umgibt. Das Schutzrohr weist einen stirnseiti¬ gen Reaktionεgaseinlaß, der mit einem Flanschelement ver¬ bunden ist, an das ein am Reaktionsgefäß angebrachtes Flanschelement anflanschbar ist. Hierdurch wird erreicht, daß ein glatter Strömungskanal vom Flansch des Schutzroh¬ res zum Innenraum des Reaktionsgefäßes existiert, in dem gegebenenfalls eine Anpassung vom runden Querschnitt des Flansches zum rechteckigen Querschnitt des Reaktionsge¬ fäßes im Bereich der Substrate erfolgen kann, ohne daß Totvolumina auftreten würden, die ein schnelles "Umschal¬ ten" verschiedener REaktionsgase verhindern würden.
    [0015] Zur Vereinfachung der Handhabung sowie der Herstellung und insbesondere auch zur Verringerung der Gefahr von Glas¬ bruch durch Temperaturunterschiede ist das Reaktionsgefäß nur einseitig fest mit dem Schutzrohr verbunden. Um bei einem derartigem Aufbau zu verhindern, daß Reaktionsgase aus dem Reaktionsgefäß austreten und sich auf der (kälte¬ ren) Wand des Schutzrohres niederschlagen, ist eine Spü¬ lung des Zwischenraumes Reaktionsgefäß/Schutzrohr vorgese¬ hen. Hierzu ist in der Mantelfläche ein Schutzgaseinlaß, der das Spülen des Raumes zwischen Reaktionsgefäß und Schutzrohr erlaubt, und ein Reaktionsgasauslaß vorgesehen. Die Reaktionsgase werden in dem Reaktionsgefäß umgelenkt und treten durch eine mit dem Reaktionsgasauslaß korres¬ pondierende Öffnung im Reaktionsgefäß aus. Einen Austritt der Reaktionsgase in das Schutzrohr verhindert die Dif¬ fusionssperre, die an dem dem Gas-eintrittsseitigem Ende entgegengesetztem Ende des Reaktionsgefäßes vorgesehen ist.
    [0016] Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen vorgesehen. Gemäß Anspruch 2 ist ein Substratträger derart ausgebil¬ det, daß die Substrate in einer Ebene mit der Wand des Flanschelements angeordnet sind. Hierdurch ist sicherge¬ stellt, daß keine Verwirbelungen über die Längsabmessungen der Substrate durch Änderungen der Strömungsbedingungen auftreten können.
    [0017] Im Anspruch 3 ist eine vorteilhafte Weiterbildung gekenn¬ zeichnet, bei der sich der Substratträger lediglich über einen Teil der Länge des Reaktionsgefäßes erstreckt, und im Anschluß an den Substratträger ein Ausgleichselement vorgesehen ist, das sich bis zu dem dem eintrittsseitigen Ende des Reaktionsgefäßes entgegengesetztem Ende er¬ streckt.
    [0018] In den Ansprüchen 4 bis 6 sind Maßnahmen gekennzeichnet, durch die zum einen die Strömung durch das Innere des Reaktionsgefäßes turbulenzfrei gelenkt, und zum anderen der Austritt von Reaktionsgasen in das Schutzrohr verhin¬ dert wird.
    [0019] Die im Anspruch 7 gekennzeichneten Merkmale erlauben es insbesondere dann, wenn auch das Schutzrohr aus Quarzglas besteht und die (gasdichte) Verbindung zwischen Schutzrohr und Reaktionsgefäß durch Glasschliffe erfolgt, in ein¬ facher Weise sicherzustellen, daß die Schliffe ineinander- gepreßt werden, da der durch den Außendruck belastete Stößel das Reaktionsgefäß in einer Richtung beaufschlagt, in der die Schliffe ineinandergepreßt werden.
    [0020] Der erfindungsgemäße MOCVD-Reaktor kann gemäß Anspruch 9 bevorzugt zur Herstellung von III-V- oder II-VI-Misch¬ kristallen bei hohen Gasgeschwindigkeiten von bis zu 20 m/sec und/oder niedrigen Drücken zwischen 10 und 1000 mbar verwendet werden. Insbesondere ist es möglich, ihn für TMGa, TMIn Systeme mit MO-Dotierung und/oder AsH_ , PH_- Dotierung zu verwenden. Die erzeugten Schichtsysteme sind äußerst homogen, durch die Vermeidung von Totvolumina erhält man "scharfe" Schichtfolgen.
    [0021] Kurze Beschreibung der Zeichnung
    [0022] Die Erfindung wird nachstehend anhand eines Ausführungs- beispiels unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher be¬ schrieben, in der zeigen:
    [0023] Fig. 1 einen Querschnitt durch das Ausführungsbeispiel, und Fig. 2 eine perspektivische Ansicht dieses Ausführungs- beispiels.
    [0024] Beschreibung eines Ausführungsbeispiels Der in den Figuren dargestellte erfindungsgemäße MOCVD- Reaktor weist ein eigentliches Reaktionsgefäß 1 auf, das in ein Schutzrohr 2 eingesetzt ist. Hierzu weisen die beiden bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel aus Quarzglas bestehenden Rohre Schliffe 3 bzw. 4 auf, die eine gasdich¬ te Verbindung herstellen. Ferner weist das Schutzrohr 2 einen stirnseitigen Flansch 5, der als Reaktionsgaseinlaß von einer nicht näher dargestellten Gas-Versorgungseinheit dient, sowie in der Zylinderfläche des Schutzrohres 2 einen Schutzgaseinlaß 6 und einen Reaktionsgasauslaß 7 auf.
    [0025] Die dem Flansch 5 gegenüberliegende Stirnfläche des Schutzrohres 2 weist ebenfalls einen Flansch 8 auf, der ein ungehindertes Einsetzen des Reaktionsgefäßes 1 in das Schutzrohr 2 erlaubt und mit einer Flanschplatte 9 ver¬ schließbar ist. Das Reaktionsgefaß 1 hat in dem Bereich, in dem die Sub¬ strate 10 auf einem Substratträger 11 angeordnet sind, im unteren Teil des Querschnitts eine runde und im oberen Teil des Querschnitts eine rechteckige Form (Fig.2). Hier¬ durch ist sichergestellt, daß die Strömungsverhältnisse über den Substraten 10 in querzur Strömungsrichtung homo¬ gen sind. Die AufWeitung der runden Einlaßöffnung des Flansches bzw. Schliffes 3 auf die rechteckige Form des Strömungskanals erfolgt, wie insbesondere aus Fig. 2 er¬ sichtlich ist, kontinuierlich im Abschnitt 12, so daß keine Toträume etc. auftreten können.
    [0026] Ferner sind erfindungsgemäß lediglich im mittleren Teil des Reaktionsgefäßes 1 Substrate 10 vorgesehen, im hinte¬ ren Teil, in dem die Strömung umgelenkt wird, und somit keine konstanten Strömungsverhältnisse mehr gegeben sind, ist ein Ausgleichselement 12 vorgesehen, das "bündig" mit der Substratoberfläche abschließt.
    [0027] In dem Ausgleichselement 12 befindet sich eine Öffnung 13, die mit dem Reaktionsgasauslaß T korrespondiert, so daß die durch den Flansch 5 eintretenden Reaktionsgase wieder entnommen werden können.
    [0028] Der Querschnitt des Reaktionsgefäßes verringert sich im hinteren Teil auf Abmessungen, die geringfügig größer als die Abmessungen des Substratträgers 11 bzw. des Aus¬ gleichselements 12 sind. Da in den Raum zwischen Schutz¬ rohr 2 und Reaktionsgefäß 1 Schutzgas eingeleitet wird, bildet diese Auslegung des hinteren Teils des Reaktionsge¬ fäßes eine Diffusionssperre, ohne daß ein gasdichte Ver¬ bindung am hinteren Ende zwischen Schutzrohr und Reak¬ tionsgefäß bestehen müßte. Diese Diffusionssperren-Wirkung wird zusätzlich durch die Anordnung einer ca unter 45° geneigten ebenen Fläche 14 oberhalb der Öffnung 13 unterstützt. Die ebene Fläche 14 dient als "Prallplatte" für den schnellen Reaktionsgas¬ strom.
    [0029] Hierdurch wird verhindert, daß Reaktionsgas an anderen Stellen als durch die Öffnung 13 bzw. den Flansch 7 aus¬ treten kann und sich im Schutzrohr niederschlägt.
    [0030] Die Flanschplatte 9 weist eine Quetschverschraubung 15 auf, in die ein Strößel 16 eingesetzt ist, der auf einer Nase 17 auf der Fläche 14 aufliegt. Der Stößel 16 wird durch den Druckunterschied zwischen Außendruck und Innen¬ druck in Richtung auf das Reaktionsgefäß belastet und drückt damit die beiden Flansche 3 und 4 zusammen, so daß eine gasdichte Verbindung gewährleistet ist.
    [0031] Das in den Figuren dargestellte Reaktionsgefäß hat typi¬ sche Abmessungen von einer Länge von 45 cm und einem Durchmesser von 90 mm, so daß wenigstens zwei 2"-Wafer gleichzeitig bearbeitet werden können.
    [0032] Vorstehend ist die Erfindung anhand eines Ausführungsbei- spiels ohne Beschränkung des allgemeinen Erfindungsgedan¬ kens beschrieben worden, innerhalb dessen natürlich die verschiedensten Abwandlungen möglich sind: Beispielsweise sind andere Abmessungen und/oder Materialien möglich.
    [0033] In jedem Falle erhält man jedoch eine Reaktor, der durch die rechteckige Form des Strömungskanals eine homogene Schichtenherstellung bei hohen Strömungsgeschwindigkeiten von bis zu 20 m/sec und niedrigen Drücken zwischen ca 10 und 1000 mbar ermöglicht. Die Stabilität des Reaktionsge¬ fäßes ist durch das äußere Schutzrohr gewährleistet, des¬ sen Verunreinigung durch die Schutzgasspülung minimiert wird. Der gesamte Aufbau ohne Totvolumina ermöglicht es, schnell die Gas- und/oder Dotierstoffart zu wechseln, so daß "scharfe" Schichtbegrenzungen erhalten werden.
    权利要求:
    ClaimsP a t e n t a n s p r ü c h e
    1. Reaktor für MOCVD-Anlagen, mit einem Reaktionsgefäß, das von dem bzw. den Reaktionsgasen durchströmt wird, und in dem die Substrate derart angeordnet sind, daß eine
    Hauptoberfläche in etwa parallel zur Strömungsrichtung ist, gekennzeichnet durch die Kombination folgender Merkmale: das Reaktionsgefäß (1) besteht in an sich bekannter Weise aus Quarzglas und weist wenigstens in dem Bereich, in dem die Reaktionsgase strömen, einen rechteckigen Quer¬ schnitt auf, am Gas-eintrittsseitigen Ende des Reaktionsgefäßes ist ein Flanschelement (3) vorgesehen,
    - ein Schutzrohr (2) umgibt das Reaktionsgefäß,
    - das Schutzrohr weist einen stirnseitigen Reaktionsgas¬ einlaß (5) , der mit einem Flanschelement (4) verbunden ist, an das das Flanschelement (3) des Reaktionsgefäßes anflanschbar ist, und in der Mantelfläche einen Schutzgas¬ einlaß (6) , der das Spülen des Raumes zwischen Reaktions¬ gefäß und Schutzrohr erlaubt, und einen Reaktionsgasauslaß (7) auf, die Reaktionsgase werden in dem Reaktionsgefäß umge¬ lenkt und treten durch die Mantelfläche des Reaktionsge¬ fäßes aus, an dem dem Gas-eintrittsseitigem Ende entgegengesetztem Ende des Reaktionsgefäßes ist eine Diffusionssperre vorge¬ sehen.
    2. Reaktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Subεtratträger (11) derart ausgebildet ist, daß die Substrate in einer Ebene mit der Wand des Flanschelements (3) angeordnet sind.
    3. Reaktor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß sich der Substratträger ledig¬ lich über einen Teil der Länge des Reaktionsgefäßes er¬ streckt, und im Anschluß an den Substratträger ein Aus¬ gleichselement (12) vorgesehen ist, das sich bis zu dem dem eintrittsseitigen Ende des Reaktionsgefäßes entgegen¬ gesetztem Ende erstreckt.
    4. Reaktor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Ausgleichselement eine Durchlaßöffnung (13) vorgesehen ist, die den Innenraum des Reaktionsgefäßes mit dem Reaktionsgaßauslaß (7) in der Mantelfläche des Schutzrohres verbindet.
    5. Reaktor nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß sich das Reaktionsgefäß zur Bildung der Diffusionssperre auf den Querschnitt des Ausgleichselements verengt.
    6. Reaktor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Reaktionsgefäß in dem Bereich, in dem die Querschnittverengung erfolgt, einen ebenen Begrenzungs-Wandabschnitt (14) aufweist, der ober¬ halb der Durchlaß ffnung im Ausgleichselement vorgesehen ist.
    7. Reaktor nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Schutzrohr an der dem Reaktionsgaseinlaß gegenüberliegenden Stirnfläche einen" . Flansch (8) aufweist, der mit einer Abdeckplatte (9) ver¬ bindbar ist, in die ein Stößel (17) einsetzbar ist, der auf dem ebenen Begrenzungs-Wandabschnitt des Reaktionsge- fäßes aufliegt.
    8. Reaktor nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß auch das Schutzrohr aus Quarglas besteht, und daß das Reaktionsgefäß mit dem Schutzrohr mittels Schliff-Verbindungen verbunden ist.
    9. Verwendung eines Reaktor nach einem der Ansprüche 1 bis 8 zur Herstellung von III-V- oder II-VI-Mischkristal- len bei hohen Gasgeschwindigkeiten von bis zu 20 m/sec und/oder niedrigen Drücken zwischen 10 und 1000 mbar.
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    优先权:
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