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Die
vorliegende Erfindung betrifft einen Bausatz zur Herstellung eines
Prozessreaktors. Dieser Prozessreaktor dient der Ausbildung von
metallischen Schichten auf einem oder mehreren Substraten, wobei
die Substrate beispielsweise im Wesentlichen flach ausgebildete
Halbleiterwafer sein können.
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Die
vorliegende Erfindung betrifft insbesondere die Galvanotechnik,
unter der man die elektrochemische Abscheidung von metallischen
Niederschlägen
(Überzügen) auf
Gegenständen
versteht. Dabei wird durch ein elektrolytisches Bad Strom geschickt.
Am Pluspol (Anode) befindet sich das Metall, das aufgebracht werden
soll (z. B. Kupfer oder Nickel), am Minuspol (Kathode) der zu bearbeitende oder
veredelnde Gegenstand. Der elektrische Strom löst dabei Metallionen von der
Verbrauchselektrode ab und lagert sie durch Reduktion auf dem Substrat ab.
Alternativ zu der Verbrauchsanode ist auch die Verwendung einer
Inert-Anode möglich,
wobei die für die
Galvanisierung benötigten
Metallionen dann beispielsweise durch Zugabe in die Galvanisierlösung bereitgestellt
werden. Auf diese Weise wird das zu behandelnde Substrat mehr oder
weniger gleichmäßig mit
dem eingesetzten Metall beschichtet. Je länger sich der Gegenstand im
Bad befindet und je höher
der elektrische Strom ist, desto stärker wird die Metallschicht.
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Generell
wird zwischen funktionaler und dekorativer Galvanotechnik unterschieden,
und die vorliegende Erfindung ist insbesondere auf dem Gebiet der
funktionellen Galvanotechnik anwendbar. Während die dekorative Galvanotechnik
vorwiegend der Verschönerung
von Gegenständen
dient, wird die funktionale Galvanotechnik vorwiegend zum Korrosionsschutz,
Verschleißschutz
oder zur Katalyse sowie zur Veränderung
bzw.
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Verbesserung
der elektrischen Leitfähigkeit eingesetzt.
Die vorliegende Erfindung ist dabei insbesondere auf dem Gebiet
der Halbleitertechnologie geeignet für die in diesem Zusammenhang
bekannten Verfahren zur strukturierten oder auch unstrukturierten
Aufbringung elektrisch leitfähiger
Schichten für
die Kontaktierung, Umverdrahtung oder auch Verlötung mikroelektrischer Schaltkreise,
ebenso zur strukturierten oder auch unstrukturierten Aufbringung funktioneller
Schichten mit beispielsweise diffusionssperrenden, haftvermittelnden,
katalytischen, sowie auch speziellen optischen, mechanischen, magnetischen
oder wärmeleitenden
Eigenschaften. Ebenso geeignet ist die vorliegende Erfindung auch
für die galvanotechnische
Herstellung von strukturierten Formeinsätzen (sog. Mastering) für die Abformung von
Mikrobauteilen oder auch optischer Datenträger (CDs/DVDs), sowie für die elektrochemische
Replikation.
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Bei
der erfindungsgemäß interessierenden elektrochemischen
Variante der Galvanotechnik werden die Grundwerkstoffe (vorliegend
Substrate genannt) einem elektrischen Feld ausgesetzt. Da ein elektrisches
Feld sowie Strömungsbedingungen
eines elektrolytischen Fluids sich nicht gleichmäßig einstellen, sondern insbesondere
an unterschiedlich großen
zu beschichtenden Strukturen sowie an den Rändern des Substrates unterschiedlich
hohe Feldstärken
bzw. Strömungen
wirken, werden sich die abgeschiedenen Schichtstärken zu diesen Stellen unterschiedlich
einstellen. Diese Inhomogenitäts-Effekte
verstärken
sich zusätzlich
durch höher
werdenden Feldstärken
bzw. Flussraten, welche andererseits wiederum vorteilhaft wären zur
Erreichung höherer Abscheideraten
und damit höherer
Durchsatzraten in der Produktion.
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Die
im Rahmen der vorliegenden Erfindung dargelegten Ausführungsformen
sind grundsätzlich für eine große Bandbreite
an Substraten unterschiedlicher Größe, Anzahl und Materialbeschaffenheit
anwendbar. Aus Gründen
der Übersichtlichkeit
wird die vorliegende Erfindung jedoch am bevorzugten Beispiel der
Behandlung von im Wesentlichen halbleitenden Substraten, sogenannten
Wafern, dargelegt.
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Der
erfindungsgemäße Prozessreaktor
umfasst ein Reaktorgehäuse,
das mit Fluid befüllbar
ist und zwei Enden aufweist. Das Reaktorgehäuse ist derart ausgestaltet,
dass es vom Fluid vom einen zum anderen Ende durchströmt wird.
Ferner ist im Bereich der Ausströmung
aus dem Reaktorgehäuse eine
Einrichtung zur Aufnahme des Substrats/der Substrate vorzugsweise
derart angeordnet, dass sie relativ zum Reaktorgehäuse um dessen
zentrale Längsachse
rotieren kann. Der Prozessreaktor kann als sogenannter Überlaufreaktor
ausgebildet sein. Dies bedeutet, dass das Fluid das Innere des Reaktorgehäuses vom
unteren Ende zum oberen Ende durchströmt und über einen Überlauf verlässt, um von
dort über
einen Auffangbehälter
mittels definierter Mittel wieder in das Reaktorgehäuse des
Prozessreaktors zurückgeführt zu werden.
Nach einer weiteren, alternativ bevorzugten Ausführungsform kann das Reaktorgehäuse auch
in jedem beliebigen Winkel schräg,
horizontal oder auch umgedreht gestellt sein, so dass das Fluid
anstatt von unten nach oben entsprechend auch in jedem beliebigen
Winkel entsprechend der Reaktorneigung strömen kann. Nachfolgend wird
die Erfindung am Beispiel der senkrechten Strömung von unten nach oben veranschaulicht, wobei
ausdrücklich
darauf hingewiesen wird, dass die einzelnen Elemente des erfindungsgemäßen Bausatzes
vom Neigungswinkel des Reaktorgehäuses bzw. der Fluidströmung unabhängig sind
und in beliebig geneigten Prozessreaktorgehäusen entsprechend anwendbar
sind.
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Ferner
umfasst der Prozessreaktor mindestens eine Anode mit einem positiven
Potential, wohingegen sich das Substrat am Minuspol (Kathode) befindet
und daher ein negatives Potential aufweist. Erfindungsgemäß besteht
die Möglichkeit,
die Polaritäten
der beteiligten Elektroden zu wechseln. Dies bedeutet, dass die
ursprüngliche
Anode ein negatives Potential und die ursprüngliche Kathode ein positives Potential
annehmen. Ferner ist die Einstellung unterschiedlicher Potentialgrößen denkbar.
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Im
Stand der Technik sind sogenannte Überlaufprozessreaktoren bekannt,
die ein Reaktorgehäuse
umfassen, in dem eine Fluidströmung
erzeugt wird. Das Fluid wird durch eine sich selbst auflösende Anode
(Verbrauchselektrode) mit den gewünschten Metallionen angereichert,
die aufgrund der Potentialunterschiede innerhalb des Prozessreaktors
am zu beschichtenden Substrat abgeschieden werden und dort eine
mehr oder weniger homogene, d. h. gleichmäßig starke Schicht ausbilden.
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Aus
dem Stand der Technik ist auch die Verwendung sogenannter Inert-Anoden
bekannt, die anstelle der sich auflösenden Verbrauchsanoden eingesetzt
werden. Die für
die Galvanisierung erforderlichen Metallionen werden dem Fluid in
anderer Weise wie z. B. durch Zugabe bereitgestellt.
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In
der
US 5,000,827 wird
ein Prozessreaktor für
das Aufbringen von Kontaktierungspunkten auf mikroelektrischen Schaltkreisen
beschrieben. Dieser Reaktor umfasst ein Reaktorgehäuse, in
dessen unteres Ende mittels einer Pumpe ein Fluid eingebracht wird.
Aufgrund seiner Einleitung strömt
das Fluid in Richtung des zu beschichtenden Substrats. Zwischen
dem Substrat und dem oberen Ende des Reaktorgehäuses ist ein Abstand vorgesehen,
so dass ein ringförmiger
Spalt entsteht, der als Überlauf
ausgebildet ist. Aufgrund der herkömmlichen Reaktortypen eigenen
Strömungscharakteristik
und der daraus resultierenden bzw. damit einhergehenden Ausprägung unterschiedlicher
Feldstärken
am Substrat entstehen üblicherweise
und insbesondere in dessen Randbereichen Überhöhungen, da die dort vorliegenden
Parameter der Galvanotechnik wie die Ionenkonzentration des Fluids
oder der Widerstand eine Materialabscheidung in diesen Bereichen
begünstigen.
Die im Stand der Technik vorgestellte Vorrichtung beschreibt Mittel
zur Verhinderung einer Anhäufung
von Material in diesen Randbereichen, wodurch der Erhalt einer gleichmäßigen Schichtdicke ermöglicht werden
soll. Insbesondere werden strömungsrelevante
Maßnahmen
vorgeschlagen, durch die insbesondere im Überlaufbereich eine andere Strömungsqualität erzeugt
werden soll.
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Die
Patentschrift
DE 19 23 278 beschreibt eine
Vorrichtung zum Galvanisieren von metallischen Gegenständen, bei
der der Galvanisierbehälter
aus senkrechten miteinander in Form eines Rahmens verbundenen Seitenwänden und
einem Boden in Form einer Stapelplatte gebildet ist, wobei der umlaufende
Rahmen lösbar
auf die Stapelplatte aufgesetzt und flüssigkeitsdicht befestigt ist.
Der Rahmen ist aus einzelnen, lotrechten, wahlweise miteinander
zu beliebigen Formen kombinierbaren Wandelementen gebildet, die über Befestigungs-
und Abdichteinrichtungen miteinander verbunden sind.
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Ein
Nachteil des Standes der Technik besteht darin, dass er sich auf
die Bereitstellung starrer Vorrichtungen konzentriert, die ausschließlich für eine festgelegte
Größe eines
Substrates und nur eine galvanotechnische Anwendung anwendbar sind.
Zur gewünschten
Bearbeitung anders dimensionierter Substrate, die beispielsweise
größer sind
oder mehrere Elemente umfassen, muss daher ein anderer, in seinem
Durchmesser größerer Reaktor
bereitgestellt werden. Ferner lassen die im Stand der Technik bekannten
Prozessreaktoren keine alternativen, bausatzähnlichen Ausbildungen zu, mit
denen man den Reaktor einfach und flexibel hinsichtlich unterschiedlicher
Anforderungen der möglichen
Anwendungen konfigurieren kann.
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Die
Aufgabe der Erfindung besteht daher in der Breitstellung eines Bausatzes
zur Herstellung eines Prozessreaktors für die Ausbildung metallischer Schichten
auf einem oder mehreren Substraten, mit dem die erwähnten Nachteile
des Standes der Technik überwunden
werden.
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Zur
Lösung
der gestellten Aufgabe wird der erfindungsgemäße Bausatz zur Herstellung
eines Prozessreaktors gemäß Hauptanspruch
bereitgestellt.
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Einer
der wesentlichen Vorteile des erfindungsgemäßen Bausatzes besteht darin,
dass er sowohl hinsichtlich der gewünschten Bearbeitungsart als
auch hinsichtlich der Dimensionierung eines zu bearbeitenden Substrats
vollständig
und flexibel an die jeweils konkret beabsichtigte Anwendung angepasst
werden kann. Erfindungsgemäß wird daher
ein Prozessreaktor in einer definierten Größe, vorzugsweise in einer Standardgröße, vorgeschlagen,
der durch einfache Maßnahmen
optimiert werden kann, so dass unterschiedlich dimensionierte wie
z. B. kleine, mittlere und große
Substrate mit demselben Prozessreaktor bearbeitet werden können. Die
erfindungsgemäße Verwendung
mindestens eines Ringelementes dient der Verkleinerung des Innendurchmessers
des standardisierten Prozessreaktors und ermöglicht damit dessen Anpassung
an das zu beschichtende Substrat.
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Ein
weiterer wesentlicher Vorteil der Erfindung besteht in der Ermöglichung
homogener, d. h. uniformer Abscheidungen mit im Wesentlichen gleichmäßiger Schichtdicke
auf den jeweiligen Substraten. Die hierfür wahlweise, auch in Kombination vorgesehenen
Mittel des erfindungsgemäßen Prozessreaktors betreffen
beispielsweise Strömungseinstelleinrichtungen
zur Herbeiführung
oder Kontrolle einer gezielten bzw. gerichteten Fluidströmung innerhalb
des Reaktorgehäuses,
als auch Feldeinstelleinrichtungen, mit denen das innerhalb des
Reaktorgehäuses
aufzubauende bzw. aufgebaute elektrische Feld kontrolliert oder
beeinflusst bzw. optimiert werden kann. Ferner sind in bevorzugten
Ausführungsformen
Blenden vorgesehen, mit denen sowohl die Felder als auch die Strömungen abgeschattet
werden können,
so dass insbesondere im Randbereich des zu beschichtenden Substrats
keine Überhöhungen der
aufgetragenen Schicht eintritt.
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Weitere
nachfolgend beschriebene erfindungsgemäße Mittel dienen der weiteren
oder alternativen Optimierung des Beschichtungsverfahrens. Sämtliche
erfindungsgemäßen Mittel
können
in Abhängigkeit
der konkreten Anwendung jeweils einzeln, mehrfach oder auch in Kombination
miteinander sowie in Modulform eingesetzt werden.
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Die
bevorzugt vorgesehenen Strömungseinstelleinrichtungen
dienen dazu, die Strömung
innerhalb des Reaktorgehäuses
von dessen unteren (einen) Ende bis hin zum Substrat auszubilden
oder zu beeinflussen. Ist beispielsweise während der Bearbeitung erkannt
worden, dass in den Substratrandbereichen eine Anhäufung von
Material stattfindet, die zu einer ungleichmäßigen Schichtdicke führen könnte, so
kann die Strömung
in diesen Bereichen gezielt verkleinert werden. Die Möglichkeit
der variablen und flexiblen Einstellung der Strömung, die auf das Substrat
trifft bzw. an dem Substrat vorbeigeführt wird, bietet Vorteile beim
Anpassen des Reaktors an die unterschiedlichsten Anwendungen.
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Für die Einstellung
der Strömung
innerhalb des Prozessreaktors können
unterschiedliche Mittel vorgesehen sein, die einzeln oder auch in
Kombination sowohl in Einzahl als auch in Mehrzahl eingesetzt werden
können.
Diese Mittel haben die gemeinsame Eigenschaft, den Fluidstrom vom
einen wie z. B. unteren Ende des Prozessreaktors zum anderen wie
z. B. oberen Ende des Prozessreaktors zu beeinflussen. Die Änderungen
des Fluidstroms (beispielsweise Volumen und/oder Geschwindigkeit)
können einheitlich über den
Querschnitt des Prozessreaktors und/oder einheitlich über dessen
Längserstreckung erfolgen,
oder der Fluidstrom kann derart beeinflusst werden, dass segmentweise,
d. h. innerhalb definierter Bereiche über den Querschnitt und/oder
in Längsrichtung
unterschiedliche Parameter des Fluidstroms vorliegen.
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Ein
bevorzugtes Mittel einer Strömungseinstelleinrichtung
ist ein Diffusor. Der Diffusor ist scheibenartig ausgebildet und
erstreckt sich vorzugsweise über
den Querschnitt des Reaktorgehäuses.
Der Diffusor hat die Eigenschaft, sowohl gerichtete als auch ungerichtete
Strömung
derart zu verändern,
dass in Strömungsrichtung
hinter dem Diffusor ein Fluidstrom entsteht, der nicht mehr richtungsorientiert ausgerichtet
ist. Eine weitere alternative oder zusätzliche Eigenschaft des Diffusors
besteht darin, dass man die Strömungsparameter
(Volumen und/oder Geschwindigkeit) über den Querschnitt unterschiedlich
gestalten kann.
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Ein
weiteres bevorzugtes Mittel einer Strömungseinstelleinrichtung ist
ein sogenanntes Düsenarray.
Es handelt sich dabei um eine scheibenartige Ausbildung, die sich
vorzugsweise über
den Querschnitt des Prozessreaktors erstreckt. Über den Querschnitt des Arrays
regelmäßig oder
unregelmäßig verteilt
sind eine oder mehrere Durchtrittsöffnungen mit jeweils gleichem
oder unterschiedlichem Durchmesser vorgesehen. Die Achsen der Durchtrittsöffnungen
stehen vorzugsweise senkrecht zum zu beschichtenden Substrat und
sind damit parallel zur Längsachse
des Reaktorgehäuses
ausgerichtet.
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In
einer besonders bevorzugten Ausführungsform
ist vorgesehen, dass die einzelnen Durchtrittsöffnungen geöffnet oder geschlossen werden können.
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Das
Düsenarray
weist vorzugsweise die Eigenschaft auf, dass jede Durchtrittsöffnung mit
anderen Parametern des Fluidstroms (Volumen und Geschwindigkeit)
beaufschlagt werden kann.
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Eine
weitere bevorzugte Ausführungsform einer
Strömungseinstelleinrichtung
betrifft die Anordnung röhrenartiger
bzw. ringröhrenartiger
Ausbildungen in Längserstreckung
des Reaktorgehäuses,
wobei die einzelnen Ausbildungen unterschiedliche Querschnitte aufweisen.
Auch aufgrund der innerhalb dieser Röhren stattfindenden Strömung können unterschiedliche
Qualitäten
an der Oberfläche
des Substrates erzielt werden. Hervorgerufen wird dies durch die
unterschiedlichen Geschwindigkeiten, die innerhalb der Röhren aufgrund
ihrer unterschiedlichen Durchmesser erzielt werden können.
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Eine
Ausführungsform
sieht vor, die Röhren nebeneinander
anzuordnen, so dass im Querschnitt gesehen eine Art Wabenkonstruktion
entsteht. Eine weitere Ausführungsform
sieht vor, dass die Röhren ineinander
angeordnet sind und zwar angefangen von einem kleinen Durchmesser
bis zu einem großen Durchmesser.
Die Röhren
können
entweder achsgleich oder auch versetzt zueinander angeordnet werden.
Vorzugsweise erstrecken sich die Röhren von dem unteren (einen)
Ende des Prozessreaktors bis in den Bereich des oberen (anderen)
Endes des Prozessreaktors.
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Somit
ist Sinn und Zweck der Strömungseinstelleinrichtung,
die Strömung
innerhalb des Reaktorgehäuses
derart zu modulieren, dass eine Strömungscharakteristik entsteht,
durch die eine weitgehend homogene bzw. gleichmäßige Stärke oder Dicke der Beschichtung
sichergestellt werden kann. Die Modulierung kann derart ausgestaltet
sein, dass bestimmte Bereiche des Substrats mit dem Fluidstrom unterschiedlich
in Kontakt gelangen. Dadurch kann gezielt einer ungleichmäßigen Ablagerung
an dem Substrat entgegengewirkt werden, so dass über die gesamte Längserstreckung
des Substrats eine homogene, uniforme Schicht erzielt wird.
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Ferner
umfasst die erfindungsgemäße Vorrichtung
vorteilhafterweise Feldeinstelleinrichtungen. Innerhalb des Prozessreaktors
wird zwischen dem einen z. B. unteren Ende und dem anderen z. B.
oberen Ende des Reaktorgehäuses
ein elektrisches Feld aufgebaut. In der Regel bildet das Substrat
die Kathode, während
die Anode im gegenüberliegenden Bereich
des Reaktorgehäuses
angeordnet ist.
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Das
innerhalb des Reaktorgehäuses
bestehende elektrische Feld kann beispielsweise durch eine oder
mehrere innerhalb des Reaktorgehäuses angeordnete
Feldeinstelleinrichtungen wie z. B. durch Hilfselektroden eingestellt
oder kontrolliert bzw. geändert
werden. Der vorliegend verwendete Begriff der „Hilfselektrode" ist als Überbegriff
für Hilfsanode
und Hilfskathode zu verstehen, wobei eine Hilfsanode durch ein positives
und eine Hilfskathode durch ein negatives Potential gekennzeichnet sind.
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Die
Verwendung von Hilfselektroden innerhalb des Reaktorgehäuses, die
vorzugsweise an beliebigen Stellen in das Gehäuse eingebracht und/oder verschiebbar
angeordnet sind, unterstützt die
Herbeiführung
der erfindungsgemäß verfolgten gleichmäßigen Beschichtung.
Die Position einer oder mehrerer Hilfselektroden kann sich über den
gesamten Querschnitt des Prozessreaktorgehäuses erstrecken. In der Regel
wird als Hilfsanode eine beschichtete Elektrode eingesetzt, so dass
Anlagerungen an dieser vermieden werden.
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Alternative
bevorzugte Ausführungsformen betreffen
den Einsatz sogenannter Anodenarrays. Dabei handelt es sich um segmentierte
Hilfsanoden, die sich über
den gesamten Querschnitt des Prozessreaktors erstrecken, wobei jede
einzelne Hilfsanode mit einem jeweiligen Potential belegt werden kann.
Die Segmentierung ermöglicht
den Erhalt unterschiedlicher Feldstärken und unterschiedlicher Potentiale,
wodurch die Verfahrensweise weiter optimiert werden kann. Zudem
befinden sich in dem Anodenarray Durchtrittsöffnungen, die es erlauben, dass
der Fluidstrom vom einen Ende zum anderen Ende des Prozessreaktors
gelangen kann. Alternativ ist auch vorgesehen, die Hilfsanoden entweder
teilweise oder vollständig
durch Hilfskathoden zu ersetzen.
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Eine
besonders bevorzugte Ausführungsform
sieht vor, dass insbesondere im Austritts- bzw. Überlaufbereich Hilfselektroden
vorgesehen sind. Durch diese Anordnung wird ein elektrisches Feld
erzeugt, mit dessen Hilfe in Abhängigkeit
des gewählten
Potentials eine Anhäufung
abgeschiedener Metallionen, insbesondere im Randbereich, vermieden oder
gefördert
werden kann.
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Eine
weitere alternative Ausführungsform sieht
vor, dass die Hilfselektroden ggf. zusätzlich an Blendrohren angeordnet
werden können,
die ringförmig
in dem Reaktorgehäuse
positionierbar sind. Dabei sind die Hilfselektroden am oberen Ende
des Reaktorgehäuses
wie vorzugsweise im Bereich des Überlaufs
und auf der gegenüberliegenden
Seite, nämlich
in der Aufnahmeeinrichtung für
das Substrat angeordnet. Auch hier kann das gewünschte Potential in Abhängigkeit
des angestrebten Ergebnisses gezielt ausgewählt werden.
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Eine
besonders bevorzugte Ausführungsform
betrifft die kombinierte Verwendung von Düsenarray und Anodenarray. Dabei
werden die bei einem Anodenarray vorgesehenen Durchtritts öffnungen
einzeln mit definierten Parametern eines Fluidstroms angesteuert.
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Die
Entstehung der gewünschten
Produkteigenschaften kann durch erfindungsgemäß vorgeschlagene Blenden zur
selektiven Abschattung innerhalb der aufgebauten Strömung bzw.
des elektrischen Feldes positiv beeinflusst werden.
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Sofern
ein in seinen Abmaßen
gegenüber
einer Standardgröße kleineres
Substrat oder ein Substrat, dessen zu beschichtende Strukturen nur
partiell über
das Substrat verteilt sind, bearbeitet werden soll, so werden zur
Verkleinerung des inneren Durchmessers des Reaktorgehäuses die
vorliegend genannten erfindungsgemäßen Ringelemente, sowie gewünschtenfalls
sogenannte Blendrohre, eingesetzt. Durch diese Maßnahme wird
in Bezug auf das Substrat wieder eine selektive Abschattung des
elektrischen Feldes und der Strömung
bewirkt.
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Eine
weitere vorteilhafte Ausführung
des Reaktorgehäuses
sieht vor, dass in Strömungsrichtung, d.
h. in Richtung des zu beschichtenden Substrats eine Blende angeordnet
ist. Diese Blende ist unmittelbar an dem Substrat bzw. an der Aufnahmeeinrichtung
für das
Substrat befestigt. Sie dient dazu, die zwischen Anode und Kathode
aufgebauten Feldlinien auszublenden, so dass eine ungleichmäßige Beschichtung
verhindert bzw. eine Uniformität
der Beschichtung herbeigeführt
werden kann. Die als Flat-Blende bezeichnete Blende dient insbesondere dem
Ausgleich eventueller Asymmetrien des Substrats, wie sie beispielsweise
bei einem Waferflat angetroffen werden.
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Um
den Innendurchmesser des Reaktorgehäuses zu verkleinern oder zu
vergrößern, sind
erfindungsgemäß Ringsegmente
vorgesehen, die in ihrer Höhe
bzw. Länge
nur einen Teil des Innenraumes des Reaktorgehäuses einnehmen und deren Innendurchmesser
geringer ist als derjenige des Reaktorgehäuses.
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Durch
diese Mittel kann der Innenraum des Reaktorgehäuses segmentartig verkleinert
werden, wobei diese Verkleinerung sowohl stufenartig als auch homogen über die
gesamte Längserstreckung gleich
oder unterschiedlich ausgebildet werden kann. Ferner bietet die
segmentartige Ausbildung den Vorteil, dass nach Einlegen der jeweiligen
Segmente weitere Hilfselemente wie beispielsweise Hilfsanoden oder
Hilfskathoden oder aber auch Diffusoren angeordnet bzw. eingelegt
werden können.
Auch diese Ausführungen
zeigen, dass mit dem erfindungsgemäßen Bausatz unterschiedlichsten
Anforderungen auf hohem Qualitätsniveau
reproduzierbar entsprochen werden kann, ohne dass der Grundkörper der
erfindungsgemäßen Vorrichtung
ausgetauscht oder gewechselt werden muss.
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Vorteilhafterweise
ist ferner ein Regelkreis vorgesehen und vorzugsweise derart ausgebildet, dass
die Schichtdicke während
des Beschichtungsprozesses gewünschtenfalls
kontinuierlich gemessen werden kann, wodurch eventuell auftretende
Unregelmäßigkeiten
detektiert und Regelfunktionen ausgelöst werden können, durch welche die Strömungseinstelleinrichtungen
und/oder die Feldsteuerungseinrichtungen den Anforderungen entsprechend
aktiviert, deaktiviert oder in sonstiger Weise geregelt werden können. Alternativ
kann der Regelkreis auch so ausgebildet werden, dass das Beschichtungsergebnis
nach der erfolgten Abscheidung separat gemessen wird und aufgrund
des Messergebnisses die oben beschriebenen Regelfunktionen für die nachfolgende
Beschichtung ausgelöst
oder eingestellt werden.
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Eine
andere alternative Ausführungsform sieht
vor, dass anstelle eines Überlaufbereiches
ein Fluidkanal vorgesehen ist, so dass das Fluid nur an einer bestimmten
Stelle austreten kann. Durch die Rotation des Substrats gegenüber dem
Reaktorgehäuse
wird eine gleichmäßige Verteilung
erreicht, und die in dem Fluidkanal bevorzugt angeordnete Hilfsanode
trägt dazu
bei, dass eine Anhäufung
von Material insbesondere in den Randbereichen des Substrats vermieden
wird.
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Eine
weitere bevorzugte Ausführungsform betrifft
die Ausstattung des Reaktorgehäuses
mit einer Verstelleinrichtung, durch welche der Abstand des Substrates
zum Reaktorgehäuse
geregelt werden kann.
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Nach
einer weiteren bevorzugten Ausführungsform
kann die mindestens eine Anode (Hilfsanode) orthogonal zu dem zu
beschichtenden Substrat rotieren. Die zuvor beschriebenen Blenden
können
entweder mit rotieren oder sind feststehend.
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Ein
bevorzugt vorgesehener Schnellspannverschluss erlaubt ein schnelles
Austauschen der ein Substrat aufweisenden Aufnahmeeinrichtung, so dass
die Prozesszyklen entsprechend verkürzt werden können. Vorteilhafterweise
werden die Substrate hierfür
bereits außerhalb
des Prozessreaktors auf bzw. an der Aufnahmeeinrichtung fixiert,
so dass eine kontinuierliche Prozessierung durch den einfachen Austausch
entsprechend beladener Aufnahmeeinrichtungen mit äußerst niedrigen
Taktzeiten sichergestellt werden kann.
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Weitere
vorteilhafte Ausgestaltungen gehen aus der nachfolgenden Beschreibung,
und den Zeichnungen hervor.
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Zeichnungen
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Es
zeigen:
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1 eine
schematische Darstellung eines Prozessreaktors mit erfindungsgemäßen Bauelementen;
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2 eine
schematische Darstellung eines Prozessreaktors, im Wesentlichen
bestehend aus Hilfselektrode und Diffusor;
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3 eine
weitere Ausführungsform
des Prozessreaktors mit Blendrohren;
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4 ein
weiteres Ausführungsbeispiel
einer Ausbildung eines Prozessreaktors mit einem ausgebildeten Fluidkanal
im Bereich des Überlaufs;
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5 eine
weitere alternative Ausführung des
Prozessreaktors mit einer alternativen Überlaufeinrichtung und im Überlaufbereich
angeordneten Hilfselektroden;
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6 eine
schematische Darstellung eines Düsenarrays
in Draufsicht;
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7A eine
schematische Darstellung eines Anodenarrays in Draufsicht;
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7B eine
schematische Darstellung der Anordnung des Anodenarrays gemäß 7A in
einem Prozessreaktor (nur teilweise dargestellt), im Schnitt;
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8A eine
schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels eines Prozessreaktors
mit einer Ausführung
einer Strömungseinstelleinrichtung;
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8B eine
schematische Draufsicht auf die Strömungseinstelleinrichtung gemäß 8A;
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9 eine
schematische Darstellung eines Prozessreaktors mit einer Flat-Blende,
die im Bereich des Substrats angeordnet ist.
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Beschreibung der Ausführungsbeispiele
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In 1 ist
eine Standardausführung
eines erfindungsgemäßen Prozessreaktors 1 gezeigt.
In der Regel umfasst der Prozessreaktor 1 zur Beschichtung
eines Substrates 2 ein Reaktorgehäuse 3. Das Reaktorgehäuse 3 weist
ein oberes Ende 4 und ein unteres Ende 5 auf.
Auf der dem unteren Ende 5 gegenüberliegenden Seite ist eine
Einrichtung 6 zur Aufnahme des Substrats 2 vorgesehen. Die
Aufnahmeeinrichtung 6 rotiert bei dem hier dargestellten
Ausführungsbeispiel
gegenüber
dem feststehenden Reaktorgehäuse 3 um
seine Längsachse. Die
Aufnahmeeinrichtung 6 ist im Bereich des oberen Endes 4 gegenüber dem
Reaktorgehäuse 3 derart angeordnet,
dass ein Abstand 7 entsteht, der einen Überlauf 8 bildet.
Der Überlauf 8 wird
von einem Fluid F, das innerhalb des Reaktorgehäuses 3 in Strömung versetzt
wird, in Pfeilrichtung 9 überströmt. Das überströmende Fluid F gelangt in einen
das Reaktorgehäuse 3 zumindest
teilweise umgebenden Auffangbehälter 10,
wo es durch entsprechende Mittel 11 wieder in das Reaktorgehäuse 3 zurückgeführt wird. Eine
Pumpe 12 sorgt dafür,
dass der Kreislauf in Pfeilrichtung 9 erhalten bleibt.
Zwischen der Pumpe 12 und dem unteren Ende 5 des
Reaktorgehäuses 3 ist
eine Zuleitung 13 vorgesehen. Der untere Bereich 5 kann
jedoch auch anders ausgestaltet sein. Beispielsweise kann vorgesehen
werden, dass der untere Bereich 5 trichterförmig ausgebildet
ist, wobei der Trichter sich zu den Wandungen des Reaktorgehäuses 3 hin
aufweitet.
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Ferner
ist eine Stromversorgung 14 vorgesehen, mit der die eine
Anode 15 sowie das zu beschichtende Substrat 2 (als
Kathode) mit einem Potential beaufschlagt werden.
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Die
Anode 15 kann unterschiedlich ausgestaltet sein; beispielsweise
kann es eine Inert-Anode sein oder aber auch eine sich auflösende Anode,
wobei eine solche Verbrauchselektrode in regelmäßigen Abständen erneuert werden muss.
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Der
erfindungsgemäße Bausatz
sieht zur Optimierung der Beschichtung des Substrats 2 insbesondere
mindestens ein Ringelement R, sowie gewünschtenfalls wahlweise ferner
mindestens eines der nachstehenden Bauelemente in Ein- oder auch Mehrzahl,
gewünschtenfalls
auch in Kombination vor:
eine Strömungseinstelleinrichtung S,
eine
Feldeinstelleinrichtung E,
mindestens eine Hilfselektrode H,
mindestens
eine Blende B.
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Nachfolgend
werden die einzeln ausgewählten
Bauelemente und Kombinationen derselben anhand unterschiedlicher
nichtbeschränkender
Ausführungsbeispiele
beschrieben. Dabei dient der in 1 als Prozessreaktor 1 dargestellte
standardisierte Reaktortyp als Grundmuster.
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In 1 ist
zusätzlich
zu dem Grundmuster erfindungsgemäß mindestens
ein als Strömungseinstelleinrichtung
S und Feldeinstelleinrichtung E definiertes Ringelement R vorgesehen.
Ein solches bereits zuvor erwähntes
Ringelement R dient der Verkleinerung des Innendurchmessers 3i des Reaktorgehäuses 3. Vorzugsweise
werden mehrere Segmente von Ringelementen R in den Innenraum des Reaktorgehäuses 3 eingelegt.
Dadurch verringert sich der Innenraum von dem ursprünglichen
Innendurchmesser 3i auf den Innendurchmesser
Ri, der durch den Innendurchmesser des kleinsten
Ringelements R vorgegeben ist. Dadurch wird der Innenraum des Reaktorgehäuses 3 segmentartig
verkleinert, wobei diese Verkleinerung sowohl stufenartig als auch
homogen über
die gesamte Längserstreckung
gleich oder unterschiedlich ausgebildet sein kann. Zwischen die
einzelnen Ringelemente R kann eine Strömungseinstelleinrichtung S,
beispielsweise ein Diffusor oder aber auch andere gewünschte Mittel wie
z. B. eine Hilfselektrode, ein Anodenarray und/oder ein Düsenarray
eingelegt werden.
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In 2 ist
zusätzlich
zu dem Grundmuster mindestens eine als Feldeinstelleinrichtung E
definierte Hilfsanode 16 vorgesehen. Diese in den Zeichnungen
nur schematisch dargestellte Hilfsanode 16 weist Durchtrittsöffnungen
auf, durch die Fluid F (Pfeile 17) hindurchtreten kann.
Das Fluid F strömt somit
von der Anode 15 durch Durchtrittsöffnungen der Hilfsanode 16 in
Richtung Substrat 2.
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Bei
dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel
weist das Substrat 2 ein negatives Potential auf und bildet
somit die Kathode.
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Die
Hilfsanode 16 kann derart ausgebildet sein, dass der Querschnitt
der vorzugsweise scheibenartig ausgebildeten Hilfsanode 16 segmentiert
ist, wobei Segmente mit positivem Potential (Anode) und Segmente
mit Durchtrittsöffnungen
vorgesehen sind. Die Anzahl, die Anordnung sowie die Belegung mit unterschiedlichen
Parametern sind abhängig
vom gewünschten
Beschichtungsergebnis. Auch die Durchtrittsöffnungen können entweder mit einheitlichen
oder unterschiedlichen Fluidströmen
beaufschlagt werden.
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Ferner
ist bei dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel ein als Strömungseinstelleinrichtung
S definierter Diffusor 19 vorgesehen. Er ist im unteren Bereich 5 des
Reaktorgehäuses 3 angeordnet
und sorgt dafür,
dass in Strömungsrichtung
hinter ihm eine über
den Querschnitt des Reaktorgehäuses gleichmäßig verteilte
Strömung
ausgebildet wird.
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Eine
Weiterbildung der Hilfsanode 16 sieht vor, dass sie innerhalb
des Reaktorgehäuses 3 in
und gegen die Pfeilrichtung 18 positionierbar ist.
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In 3 ist
zusätzlich
zu dem Grundmuster mindestens ein als Strömungseinstelleinrichtung S und
Feldeinstelleinrichtung E definiertes Blendrohr 20 vorgesehen.
In 3 ist ein Ausführungsbeispiel gezeigt,
bei dem das zu bearbeitende Substrat 2 in seinen Abmessungen
kleiner ist als der Durchmesser des Reaktorgehäuses 3. Durch Einführen eines
zylinderförmigen
Blendrohres 20 wird der für das strömende Fluid innerhalb des Reaktorgehäuses 3 relevante
Durchmesser auf die gewünschte
Größe gebracht.
Vorzugsweise sind an den freien, zu dem Substrat 2 hinweisenden
Enden der Blendrohre 20 Hilfselektroden 21 vorgesehen.
Bei einer Weiterbildung können
zusätzliche
Hilfselektroden 26 auf der gegenüberliegenden Seite an der Aufnahmeeinrichtung 6 angeordnet
sein. Durch Erzeugung eines elektrischen Feldes zwischen den Hilfselektroden 21 wird erreicht,
dass insbesondere in den Randbereichen des Substrats 2 keine
Materialanhäufung
stattfindet und so gleichförmig
beschichtete Substrate 2 erzeugt werden können. Die
Hilfselektroden 21 weisen bei dieser Ausführungsform
vorzugsweise ein negatives Potential auf, weshalb sie auch als Hilfskathoden
bezeichnet werden können.
-
In 4 ist
eine weitere Abwandlung des Grundmusters dargestellt. Sie umfasst
einen als Strömungseinstelleinrichtung
S definierten Fluidkanal 22. Im Gegensatz zur 1 ist
bei dem hier vorgesehenen Ausführungsbeispiel
kein umlaufender Überlauf 8 im
Bereich des oberen Endes 4 des Reaktorgehäuses 3 vorgesehen.
Bei dem hier aufgezeigten Ausführungsbeispiel
des Prozessreaktors 1 ist ein Fluidkanal 22 ausgebildet,
der vorzugsweise nur in einer Richtung radial nach außen hin
eine fluidmäßige Verbindung
zwischen dem Inneren des Reaktorgehäuses 3 und dem Auffangbehälter 10 herstellt. Auch
hier ist im Bereich des Überlaufs 8 innerhalb des
Fluidkanals 22 mindestens eine Hilfselektrode 23 vorgesehen,
wobei die Anordnung zwei sich jeweils gegenüberliegender Hilfselektroden 23 besonders bevorzugt
ist. Durch Erzeugung eines elektrischen Feldes zwischen den Hilfselektroden 23 wird
erreicht, dass insbesondere in den Randbereichen des Substrats 2 keine
Materialanhäufung
stattfindet und Substrate 2 mit im Wesentlichen gleichförmiger Beschichtung
erzeugt werden können.
Die Hilfselektroden 23 weisen dabei vorzugsweise ein negatives
Potential auf, weshalb sie auch als Hilfskathoden bezeichnet werden
können.
-
5 zeigt
eine weitere alternative Ausführung
des definierten Grundmusters des Prozessreaktors 1. Im
Gegensatz zu den 1 bis 3 verläuft die
Strömungsrichtung
des Fluids F innerhalb des Reaktorgehäuses 3 nicht zunächst senkrecht
nach oben und dann parallel zum Substrat 2, sondern die Strömung verläuft gleichbleibend
in Längserstreckung
des Reaktorgehäuses 3.
Hierfür
sind seitlich an der Aufnahmeeinrichtung 6 eine oder mehrere Durchtrittsöffnungen 24 oder
eine ringförmige
Durchtrittsöffnung 24 vorgesehen.
Vorteilhafterweise sind in den Bereichen der Durchtrittsöffnung 24 Hilfselektroden 25 vorgesehen.
Die Hilfselektroden 25 oder weitere Hilfselektroden können auch
in der Aufnahmeeinrichtung 6 angeordnet sein.
-
In 6 ist
als Strömungseinstelleinrichtung S
ein definiertes Düsenarray 30 vorgesehen.
Das Düsenarray 30 ist
vorzugsweise scheibenförmig
ausgestaltet und derart bemessen, dass es sich über den gesamten Querschnitt
des Reaktorgehäuses 3 erstreckt.
Es kann an jeder beliebigen Stelle des Reaktorgehäuses 3 angeordnet
werden.
-
Ein
bevorzugtes Ausführungsbeispiel
dieses Düsenarrays 30 sieht
vor, dass auf der scheibenartigen Ausbildung eine Vielzahl von Durchtrittsöffnungen 31 vorgesehen
sind, wobei der übrige
Teil von der Umfassung 32 der Durchtrittsöffungen 31 gebildet
wird. Die Durchtrittsöffnungen 31 sind
gleichmäßig angeordnet
und weisen die gleiche Größe auf.
-
Eine
Weiterbildung sieht vor, dass die einzelnen Durchtrittsöffnungen 31 einzeln
ansteuerbar sind. Dies bedeutet, dass jede Durchtrittsöffnung 31 oder
eine Matrix von Durchtrittsöffnungen 31,
d. h. mehrere miteinander verbundene Durchtrittsöffnungen 31, den Fluidstrom
separat und unabhängig voneinander
steuern können.
So treffen unterschiedliche Fluidströme auf das Substrat 2 auf,
was wiederum bewirkt, dass die Beschichtungen unterschiedlich angelegt
werden. Die Wahl der Parameter wird derart getroffen, dass die Beschichtung
uniform und homogen ist.
-
In 7A und 7B ist
als Feldeinstelleinrichtung E ein definiertes Anodenarray 33 vorgesehen.
Das Anodenarray 33, wie es in 7A in
Draufsicht dargestellt ist, ist scheiben- bzw. kreisförmig ausgebildet und weist
im Wesentlichen zwei unterschiedliche Merkmale auf. Das erste Merkmal
der Scheibe betrifft die Durchtrittsöffnungen 34, durch
die das Fluid F das Innere des Reaktorgehäuses 3 in Pfeilrichtung 9 (1)
durchströmen
kann. Das weitere Merkmal ist, dass Bereiche vorgesehen sind, die ein
entsprechendes Potential annehmen können. Bei dem hier dargestellten
Ausführungsbeispiel
sind diese Anoden 35 flächig
(dunkel) dargestellt.
-
Die
Verteilung von Durchtrittsöffnungen 34 und
Anoden 35 kann beliebig oder nach einem definierten Muster
erfolgen.
-
In 7B ist
in Schnittdarstellung die Anordnung des Anodenarrays 33 innerhalb
eines Grundmusters des Prozessreaktors 1 gezeigt. Hieraus
ist ersichtlich, dass das Anodenarray 33 diskrete Bereiche
mit Anoden 35 sowie diskrete Bereiche mit Durchtrittsöffnungen 34 aufweist.
Durch die Durchtrittsöffnungen 34 strömt das Fluid
in Pfeilrichtung 17.
-
In 8A und 8B sind
als Strömungseinstelleinrichtung
S eine oder mehrere Strömungsröhren 28 vorgesehen.
In Längserstreckung
des Reaktorgehäuses 3 sind
Strömungsröhren 28 mit
unterschiedlichen Querschnitten vorgesehen. Aufgrund der innerhalb
dieser Röhren
vorherrschenden Strömung
können
an der Oberfläche
des Substrates unterschiedliche Beschichtungsqualitäten erzielt
werden. Hervorgerufen wird dies durch die unterschiedlichen Strömungsgeschwindigkeiten
(dargestellt, in 8A durch unterschiedlich gestaltete
Strömungspfeile
(Pfeilrichtung 9)), die innerhalb der Röhren aufgrund der unterschiedlichen
Durchmesser erzeugt werden.
-
8B zeigt
eine Draufsicht auf diese Strömungsröhren 28.
Hieraus ist ersichtlich, dass die Strömungsröhren 28 unterschiedliche
Durchmesser bzw. Abstände
zueinander aufweisen, wodurch unterschiedliche Strömungsgeschwindigkeiten
und damit auch unterschiedliche Ionenanreicherungen im Bereich des
Substrats 2 realisiert werden können.
-
In 9 sind
als Feldeinstelleinrichtung E eine Flat-Blende 29 vorgesehen.
Die Flat-Blende 29 ist unmittelbar an der Aufnahmeeinrichtung 6 angeordnet
und in einem Winkel zu der Aufnahmeeinrichtung bzw. zu dem Substrat 2 stellbar.
Dadurch wird eine entsprechende Abschattung auf dem Substrat erreicht,
wodurch die Feldstärke
in diesem Bereich reduziert und damit eine geringere Ionenabscheidung
erzielt werden kann.
-
Sämtliche
der zuvor beschriebenen Maßnahmen
zur Erreichung eines möglichst
homogenen Beschichtungsergebnisses können sowohl einzeln als auch
kombiniert miteinander angewendet werden. Dabei ist die Kombination
nicht auf bereits dargestellte Ausführungsbeispiele begrenzt. Vielmehr kann
jedes Bauelement zur erfindungsgemäß gewünschten Erzielung einer gleichmäßigen Beschichtung
mit einem oder mehreren anderen Bauelementen kombiniert werden.
Die Bauelemente sind derart ausgebildet, dass sie als Bausatz ausgebildet
sind und daher je nach Anforderungsprofil wahlweise einzeln oder
in Kombination miteinander zur Ausbildung eines Grundmusters eines
Prozessreaktors herangezogen werden können.
-
- 1
- Prozessreaktor
- 2
- Substrat
- 3
- Reaktorgehäuse
- 4
- Oberes
(ein) Ende/Bereich der Ausströmung
- 5
- Unteres
(andere) Ende/Bereich der Einströmung
- 6
- Aufnahmeeinrichtung
- 7
- Abstand
- 8
- Überlauf
- 9
- Pfeilrichtung
(der Strömungsrichtung)
- 10
- Auffangbehälter
- 11
- Mittel
- 12
- Pumpe
- 13
- Zuleitung
zum unteren (anderen) Ende/zum Bereich der Einströmung
- 14
- Stromversorgung
- 15
- Hilfselektrode
- 16
- Hilfsanode
- 17
- Pfeil
(Strömung)
- 18
- Pfeilrichtung
(Position der Hilfsanode)
- 19
- Diffusor
- 20
- Blendrohr
- 21
- Hilfselektrode
- 22
- Fluidkanal
- 23
- Hilfselektrode
- 24
- Durchtrittsöffnung
- 25
- Hilfselektrode
- 26
- Durchtrittsöffnung
- 27
-
- 28
- Strömungsröhre
- 29
- Flat-Blende
- 30
- Düsenarray
- 31
- Durchtrittsöffnung
- 32
- Fassung
- 33
- Anodenarray
- 34
- Durchtrittsöffnung
- 35
- Anode
- 36
-
- 37
- Ri
Innendurchmesser Ringelement
- 38
- R
Ringelement
- 39
- 3i Innendurchmesser
Reaktorgehäuse 3
- 40
- S
Strömungseinstelleinrichtung
- 41
- H
Hilfselektrode
- 42
- B
Blende
- 43
- E
Feldeinstelleinrichtung
- 44
- F
Fluid