DE102008052571A1

DE102008052571A1 - Diffusionsofen und Verfahren zur Temperaturführung

Info

Publication number: DE102008052571A1
Application number: DE102008052571A
Authority: DE
Inventors: Christoph Dr. Köckert; Hans-Christian Hecht; Sabine Gregor; Udo Willkommen; Vivian Prof. Stellenbosch Alberts
Original assignee: Von Ardenne Anlagentechnik GmbH
Current assignee: Von Ardenne Anlagentechnik GmbH
Priority date: 2007-10-25
Filing date: 2008-10-21
Publication date: 2009-04-30
Also published as: NL2004793A; NL2002126C2; NL2002126A1; NL2004793C2

Abstract

Der Erfindung, welche einen Diffusionsofen und ein Verfahren zur Temperaturführung in einem Diffusionsofen betrifft, liegt die Aufgabe zugrunde, einen Diffusionsofen und ein Verfahren zur Temperaturführung anzugeben, mit welchem der Zeitaufwand zum Aufheizen und/oder Abkühlen der Substrate in der Reaktionskammer reduziert wird. Gemäß der Erfindung wird die Aufgabe anordnungsseitig dadurch gelöst, dass die Mittel zum Verschließen beider Enden des Reaktionsrohres je einen Anschluss für eine erste Gasleitung aufweisen, welche mit einem ersten Gasumlaufsystem verbunden sind und dass die Mittel zum Verschließen beider Enden der Außenhülle je einen Anschluss für eine zweite Gasleitung aufweisen, welche mit einem zweiten Gasumlaufsystem verbunden sind.

Description

Die Erfindung betrifft einen Diffusionsofen bestehend aus einer Reaktionskammer, welche von einem Reaktionsrohr umschlossen wird, einer Außenhülle, welche das Reaktionsrohr umschließt, Heizelementen, welche zwischen dem Reaktionsrohr und der Außenhülle angeordnet sind, Mitteln zum Verschließen beider Enden des Reaktionsrohres, Mitteln zum Verschließen beider Enden der Außenhülle, Mitteln zum Erzeugen eines Vakuums sowie Mitteln zum Zuführen eines Reaktionsgases oder Reaktionsgasgemisches in die Reaktionskammer.
Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zum Temperaturführung von in eine Reaktionskammer eines Diffusionsofens eingebrachten Substraten, bei welchem Substrate in die Reaktionskammer eines Diffusionsofens eingebracht werden, der Diffusionsofen nachfolgend verschlossen, evakuiert, mit einem Gas oder Gasgemisch befüllt, ein gewählter Druck unterhalb Atmosphärdruck eingestellt, aufgeheizt wird und bei dem während einer Reaktionszeit ein Reaktionsgas oder Reaktionsgasgemisch zugeführt wird.
Derartige Diffusionsöfen werden für viele Prozesse bei der Halbleiterherstellung wie beispielsweise Diffusion, Oxidation, LPCVD-Prozesse (Low Pressure Chemical Vapor Deposition) und zur Dotierung von Solarzellen eingesetzt.
Bei einem thermisch induzierten Gasphasendiffusionsprozess besteht die Aufgabe beispielsweise darin, chemische Reaktio nen auf der Oberfläche von Substraten durchzuführen.
Diffusionsöfen bestehen meist aus großvolumigen Behältersystemen zur Aufnahme von mehreren Substraten welche in einem Stapel angeordnet werden können und sind oft mit einer Einrichtung zur Erzeugung eines Vakuums verbunden. Des Weiteren sind derartige Diffusionsöfen mit Heizelementen versehen, die zur gezielten Aufheizung bzw. Temperaturführung der Substrate in der Reaktionskammer geeignet sind. Diese Heizelemente sind häufig im Bereich zwischen der Außenhülle und dem Reaktionsrohr des Diffusionsofens derart angeordnet, dass sie die Substrate durch die von ihnen erzeugte Strahlung erwärmen.
In speziellen Diffusionsöfen, in denen Reaktionsgase zur Anwendung kommen, die mit Metalloberflächen aggressiv reagieren wird als Baustoff für die Reaktionskammer ein Quarz eingesetzt. Eine derartige, beispielsweise aus Quarzglas bestehende Reaktionskammer, ermöglicht es, dass die Wärmestrahlung der außerhalb der Reaktionskammer angeordneten Heizelemente ungehindert die Substrate erreicht und diese erwärmt.
Ein während der Ausführung eines thermischen Verfahrens möglicher Ablauf in einem Diffusionsofen umfasst beispielsweise, dass die im Diffusionsofen angeordneten Substrate einem bestimmten Temperaturregime, d. h. einem bestimmten Temperatur-Zeit-Verlauf ausgesetzt werden. Hierfür werden die Substrate zunächst durch Einschalten der Heizelemente in einer ersten Aufheizphase erwärmt und auf ein bestimmtes erstes Temperaturniveau gebracht. Auf diesem werden die Substrate für die Dauer einer ersten vorgegebenen Reaktionszeit gehalten. Nachfolgend kann die Temperatur der Substrate auf ein weiteres zweites Temperaturniveau angehoben und für die Dauer einer zweiten Reaktionszeit gehalten werden. Nach Ablauf der Reaktionszeit oder der Reaktionszeiten des thermischen Verfahrens werden die Substrate abgekühlt.
Bei der Durchführung derartiger Verfahren in einem Diffusionsofen müssen die Temperaturunterschiede sowohl auf einem Substrat selbst und auch zwischen mehreren in einem Substratstapel oder Substratpaket angeordneten Substraten innerhalb eines Toleranzbereiches liegen, da es ansonsten zu ungleichen qualitativen Ergebnissen kommt.
Ein Nachteil des bekannten Standes der Technik liegt darin, dass der Zeitbedarf zum Aufzuheizen der in die Reaktionskammer eingebrachten Substrate durch die Heizelemente als auch zum Abkühlen des Substrate nach der Durchführung des Gasdiffusionsverfahrens groß ist.
Die Aufgabe der Erfindung besteht somit darin, einen Diffusionsofen und ein Verfahren zur Temperaturführung anzugeben, mit welchem der Zeitaufwand zum Aufheizen und/oder Abkühlen der Substrate in der Reaktionskammer reduziert wird.
Gemäß der Erfindung wird die Aufgabe mit einem Diffusionsofen der eingangs genannten Art dadurch gelöst, dass die Mittel zum Verschließen beider Enden des Reaktionsrohres je einen Anschluss für eine erste Gasleitung aufweisen, welche mit einem ersten Gasumlaufsystem verbunden sind und das die Mittel zum Verschließen beider Enden der Außenhülle je einen Anschluss für eine zweite Gasleitung aufweisen, welche mit einem zweiten Gasumlaufsystem verbunden sind.
Erfindungsgemäß ist vorgesehen mittels eines ersten Gasumlaufsystems eine gezielte Gasbewegung im Reaktionsrohr des Diffusionsofens und mittels eines zweiten Gasumlaufsystems eine gezielte Gasbewegung im Bereich zwischen dem Reaktionsrohr und der Außenhülle des Diffusionsofens zu erzeugen. Die Gasumlaufsysteme sind jeweils als geschlossene Systeme ausgestaltet, wobei das erste Gasumlaufsystem außerdem noch vakuumtauglich ist.
In einer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass das erste Gasumlaufsystem aus einer eine gesteuerte Gasbewegung erzeugenden ersten Gasführungsanordnung besteht, welche mittels erster Gasleitungen mit den Anschlüssen der Mittel zum Verschließen beider Enden des Reaktionsrohres verbunden sind.
Das erste Gasumlaufsystem weist einen Anschluss an der Ausgangsseite des Reaktionsrohres auf, welcher mittels einer Gasleitung mit der Eingangsseite einer ersten Gasführungsanordnung verbunden ist. Die Ausgangsseite der Gasführungsanordnung ist ebenfalls durch eine Gasleitung mit dem Anschluss an der Eingangsseite des Reaktionsrohres verbunden. Somit entsteht ein geschlossenes Umlaufsystem, in welchem durch die erste Gasführungsanordnung ein gezielter und steuerbarer Gasstrom erzeugt wird.
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass das zweite Gasumlaufsystem aus einer eine gesteuerte Gasbewegung erzeugenden zweiten Gasführungsanordnung besteht, welche mittels zweiter Gasleitungen mit den Anschlüssen der Mittel zum Verschließen beider Enden der Außenhülle verbunden sind.
Das zweite Gasumlaufsystem weist einen Anschluss an der Ausgangsseite der Außenhülle des Diffusionsofens auf, welcher mittels einer zweiten Gasleitung mit der Eingangsseite einer zweiten Gasführungsanordnung verbunden ist. Die Ausgangsseite dieser Gasführungsanordnung ist ebenfalls durch eine zweite Gasleitung mit dem Anschluss an der Eingangsseite der Außenhülle des Diffusionsofens verbunden. Somit entsteht ein geschlossenes zweites Umlaufsystem, in welchem durch die zweite Gasführungsanordnung ebenfalls ein gezielter und steuerbarer Gasstrom erzeugt wird.
In einer besonderen Ausführung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Gasumlaufsysteme jeweils mindestens eine Kühleinrichtung beinhalten.
In beiden Gasumlaufsystemen können Kühleinrichtungen eingesetzt werden, welche in einer Abkühlphase das durchströmende Gas abkühlen.
In einer Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass die Kühleinrichtung ein Wärmetauscher ist.
Die Kühleinrichtungen können als Wärmetauscher ausgeführt werden. Somit besteht die Möglichkeit, die abgeführte Energie für einen anderen Prozess zu nutzen.
In einer Ausgestaltung der Anordnung ist vorgesehen, dass das erste Gasumlaufsystem ein eingangsseitiges und ein ausgangsseitiges Ventil zum Absperren des Gasumlaufsystems aufweist.
Das erste Gasumlaufsystem ist mit Ventilen ausgestattet, welche eine Trennung des Umlaufsystems in verschiedene Bereiche ermöglichen. Mit dem Schließen eines am Anschluss der Eingangsseite des Reaktionsrohres angeordneten ersten Ventils und dem gleichzeitigen Schließen eines am Anschluss der Ausgangsseite des Reaktionsrohres angeordneten zweiten Ventils wird der Bereich der Reaktionskammer vom ersten Gasumlaufsystem getrennt und die Reaktionskammer verschlossen.
In einer weiteren Ausgestaltung der Anordnung ist vorgesehen, dass die Gasumlaufsysteme einen die Kühleinrichtung oder die Kühleinrichtungen umgehenden Bypass aufweisen.
Erfindungsgemäß ist das erste Gasumlaufsystem im Bereich der Wärmetauschers so gestaltet, dass das Gas entweder durch den Wärmetauscher hindurch oder an diesen vorbei, mittels einer Bypassanordnung, geleitet werden kann. Hierfür sind im Eingangs- und Ausgangsbereich des Wärmetauschers die Gasleitungen jeweils mit einem entsprechenden Umschaltventil ausgestattet und die Abzweige dieser Ventile mit einer Bypass-Gasleitung miteinander verbunden.
Diese Bypassfunktionalität kann beispielsweise zu Beginn einer Abkühlphase genutzt werden, um ein Überhitzen und zerstören des Wärmetauschers zu vermeiden bzw. die Zerstörung der Substrate aufgrund zu großer Temperaturdifferenzen zwischen Substrat und umgewälzten Gas zu verhindern.
In einer Ausgestaltungsvariante ist vorgesehen, dass die Gasumlaufsysteme eine Heizung aufweisen.
In einer Aufheizphase kann mittels einer oder mehreren im Gasleitungsbereich angeordneter Heizungen eine Erwärmung des durchströmenden Gases bewirkt und somit der Zeitbedarf zu Erwärmung verkürzt werden.
Gemäß der Erfindung wird die Aufgabe mit einem Diffusionsofen, umfassend eine Reaktionskammer mit Mitteln zum Verschließen beider Enden der Reaktionskammer, welche jeweils einen Anschluss für eine Gasleitung aufweisen und einem Gasumlaufsystem, bei welchem das Mittel zum Verschließen des Endes der Reaktionskammer auf einer Ausgangsseite mittels einer ersten Gasleitung mit einer Eingangsseite einer Gasführungsanordnung zur Erzeugung einer gesteuerten Gasbewegung in der Reaktionskammer und eine Ausgangsseite der Gasführungsanordnung mittels einer zweiten Gasleitung mit dem Mittel zum Verschließen des Endes der Reaktionskammer auf einer Eingangsseite verbunden ist auch dadurch gelöst, dass in einer der Gasleitungen ein Gasströmungserhitzer angeordnet ist.
Zur Verbesserung der Steuerung der Gastemperatur und somit des Temperaturunterschieds ΔT zwischen Eingangs- und Ausgangsseite der Reaktionskammer wird das Gas innerhalb des Gaslaufsystems über einen Gasströmungserhitzer geführt.
Eine Positionierung des Gasströmungserhitzers in unmittelbarer Nähe der Eingangsseite der Reaktionskammer hat den Vorteil, dass sich das durch den Gasströmungserhitzer erhitzte Gas auf dem weiteren Weg durch die Gasleitung und das Ventil an der Eingangsseite nur unwesentlich abkühlt, die Energieverluste somit gering sind.
Mittels einer entsprechenden Steuerung des Gasströmungserhitzers, welche mit mindestens einem Temperatursensor ausgestattet ist, kann die Temperatur des auf der Eingangsseite der Reaktionskammer einströmenden Gases in einer Ausgestal tung des beschriebenen Diffusionsofens derart geregelt werden, dass ein vorgegebener Temperaturunterschied ΔT nicht überschritten wird.
In einer weiteren Ausgestaltung des beschriebenen Diffusionsofens ist vorgesehen, dass der Gasströmungserhitzer Mittel zur gezielten Gasstromführung aufweist.
Durch diese Mittel soll der Gasstrom derart beeinflusst werden, dass eine verbesserte Erwärmung des durchströmenden Gases gegenüber einem nicht in seiner Strömung beeinflussten Gasstrom eintritt.
Die Mittel zur gezielten Gasstromführung können beispielsweise Strömungsleitbleche sein.
Mittels dieser Strömungsleitbleche kann der Gasstrom gezielt in seiner Strömung beeinflusst werden.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Strömungsleitbleche so ausgeführt sind, dass sie eine spiralförmige Bewegung des durchströmenden Gases durch den Gasströmungserhitzer erzwingen.
Zur Verbesserung des Wirkungsgrades des Gasströmungserhitzers ist dieser mit entsprechenden Strömungsleitblechen ausgestattet. Mittels dieser Strömungsleitbleche wird eine spiralförmige Durchströmung des Gasströmungserhitzers erzwungen. Durch diesen erzwungenen längeren Weg durch den Gasströmungserhitzer verbessert sich der Wirkungsgrad gegenüber einer Durchströmung in Längsrichtung, d. h. auf dem kürzesten Weg.
Die spiralförmige Bewegung des Gases wird durch den Einsatz mehrerer in Abständen zueinander angeordneter Strömungsleitbleche erreicht. Diese haben eine Kreisform, wobei der Durchmesser so bemessen ist, dass die Bleche in der Gasleitung angeordnet werden können. Jedes Strömungsleitblech hat eine nichtzentrische Öffnung, beispielsweise in Form eines Kreisausschnitts. Die Strömungsleitbleche sind in gleichen Abständen parallel zueinander im Gasströmungserhitzer derart angeordnet, dass sie jeweils um einen bestimmten Winkel in einem gleichen Drehsinn zueinander verdreht sind, wobei sich der Drehwinkel je nach der Anzahl n der Strömungsleitbleche gemäß 360°/n ermitteln lässt.
In einer speziellen Ausführung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Gasströmungserhitzer mehrere stabförmige und parallel zueinander angeordnete Rohrheizkörper aufweist.
Erfindungsgemäß kann der Gasströmungserhitzer aus mehreren parallel zueinander angeordneten rohrförmigen Heizstäben aufgebaut sein. Diese können in einen Vakuumflansch eingelötet werden. In Abständen zu dem Vakuumflansch und parallel zu diesem sind die Strömungsleitbleche angeordnet, welche die Heizstäbe zur Verbesserung der Stabilität fixieren.
Bei einem Verfahren zur Temperaturführung von in eine Reaktionskammer eines Diffusionsofens eingebrachten Substraten, ist vorgesehen, dass in einer Aufheizphase die Substrate in der Reaktionskammer durch Heizelemente erwärmt werden und ein erster Gasumlauf in der Reaktionskammer dadurch erzeugt wird, dass ein Gas in der Reaktionskammer mittels eines ersten Gasumlaufsystems aus der Reaktionskammer über eine Ausgangsseite abgesaugt und über eine Eingangsseite der Reaktionskammer wieder zugeführt wird.
Der gesteuerte Gasumlauf im erstem Gasumlaufsystem, welcher eine in Längsrichtung des Reaktionsrohres gerichtete Gasbewegung im Reaktionsrohr erzeugt, führt zu einer Verbesserung der Temperaturhomogenität in der Reaktionskammer und insbesondere auf und zwischen den in der Reaktionskammer angeordneten Substraten.
In einer Ausgestaltung des Verfahrens ist vorgesehen, dass eine zusätzliche Erwärmung des im ersten Gasumlaufsystem umlaufenden Gases erfolgt.
Gemäß der Erfindung kann eine zusätzliche Erwärmung des im Gasumlaufsystem umlaufenden Gases dadurch erreicht werden, dass ein Wärmetauscher zur Erwärmung genutzt wird. Eine weitere Möglichkeit besteht in der Verwendung zusätzlicher Heizungen in einem oder mehreren Bereichen der ersten Gasleitung, vorzugsweise im Bereich des Anschlusses an der Eingangsseite des Reaktionsrohres.
In einer besonderen Ausgestaltung des Verfahrens ist vorgesehen, dass nach einem Erreichen einer vorgegebenen Solltemperatur der Substrate und eines vorgegebenen Drucks der erste Gasumlauf abgeschaltet und die Reaktionskammer eingangs- und ausgangsseitig verschlossen wird.
Wird am Ende der Aufheizphase eine vorgegebene Temperatur erreicht, also beispielsweise ein erstes Temperaturniveau auf dem die Substrate für die Dauer einer ersten vorgegebenen Reaktionszeit gehalten werden müssen, ist es möglich dem Bereich der Reaktionskammer zu verschließen, indem ein eingansseitiges und ein ausgangsseitiges Ventil geschlossen wird.
Nach Beendigung des Reaktionsvorgangs können die Ventile wieder geöffnet und der Gasumlauf im ersten Gasumlaufsystem gestartet werden.
Nach diesem Reaktionsvorgang kann alternativ vor dem Öffnen der Ventile auch ein Absaugen des Prozessgases aus dem Reaktionsrohr durchgeführt werden.
In einer Ausgestaltungsvariante des Verfahrens ist vorgesehen, dass in einer Abkühlphase ein erster Gasumlauf in der Reaktionskammer dadurch erzeugt wird, dass ein Gas in der Reaktionskammer mittels eines ersten Gasumlaufsystems aus der Reaktionskammer über eine Ausgangsseite abgesaugt und über eine Eingangsseite der Reaktionskammer wieder zugeführt wird und dass ein zweiter Gasumlauf in einer die Reaktionskammer umgebenden Außenhülle dadurch erzeugt wird, dass ein Gas in der Außenhülle mittels eines zweiten Gasumlaufsystems aus der Außenhülle über eine Ausgangsseite abgesaugt und über eine Eingangsseite der Außenhülle wieder zugeführt wird.
Zur weiteren Verbesserung der Effektivität der Kühlung während einer Abkühlphase ist vorgesehen neben dem ersten internen Gasumlaufsystem ein zweites externes Gasumlaufsystem zu nutzen.
Beide Gasumlaufsysteme sind mit entsprechenden Mitteln zum Kühlen des durchströmenden Gases versehen und arbeiten vorzugsweise derart, dass die Gasströmungen innerhalb des Diffusionsofens gegenläufig sind. Während der Gasstrom im Inneren des Reaktionsrohres von der Eingangsseite des Reaktionsrohres zu dessen Ausgangsseite verläuft strömt das Gas um das Reaktionsrohr außen herum aber innerhalb der Außenhülle von der Ausgangsseite des Reaktionsrohres zur Eingangsseite des Reaktionsrohres. Diese gegenläufige Gasbewegung ermöglicht eine Beschleunigung der Abkühlphase unter Beachtung einer notwendigen Temperaturhomogenität speziell im Bereich der Substrate.
In einer Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass das im ersten Gasumlaufsystem umlaufende Gas mittels einer ersten Kühleinrichtung und das im zweiten Gasumlaufsystem umlaufende Gas mittels einer zweiten Kühleinrichtung gekühlt wird.
In einer anderen Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass ein Wärmetauscher als Kühleinrichtung genutzt wird.
Je Gasumlaufsystem kann eine Kühleinrichtung zum Kühlen des durchströmenden Gases vorgesehen werden. Dabei kann eine derartige Kühleinrichtung beispielsweise aus einem oder mehreren Wärmetauschern aufgebaut sein.
Die Erfindung soll nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert werden. In der zugehörigen Zeichnung zeigt
1 einen erfindungsgemäßen Diffusionsofen in einer Längsschnittdarstellung mit einen inneren und einem äußeren Gasumlaufsystem,
2 einen weiteren erfindungsgemäßen Diffusionsofen mit einem Gasumlaufsystem,
3 eine Ausführungsform eines Gasströmungserhitzers und
4 einen Teil der Gasleitung in einer T-Form, in welcher der Gasströmungserhitzer angeordnet ist.
Der Diffusionsofen in der 1 besteht aus der Reaktionskammer 1, welche vom Reaktionsrohr 2 umschlossen wird, mehreren Heizelementen 4, welche in unterschiedlich ansteuerbare Gruppen 4.1, 4.2, 4.3 unterteilt sein können und um das Reaktionsrohr 2 herum angeordnet sind sowie der Außenhülle 3, welche zur Vermeidung von Wärmeverlusten entsprechend isoliert ist.
In der Reaktionskammer 1 sind Substrate 7 einzeln oder in Form eines aus mehreren Substraten 7 bestehenden Substratstapels angeordnet.
Zwischen dem Reaktionsrohr 2 und der Außenhülle 3 des Diffusionsofens sind die Heizelemente 4 derart angeordnet, dass sie durch ihre Heizstrahlung die Substrate 7 in der Reaktionskammer 1 erwärmen. Die beiden Enden des Reaktionsrohres 2 werden durch die Mittel zum Verschließen des Reaktionsrohres 5 verschlossen. Weiterhin weist das Reaktionsrohr einen Anschluss auf der Ausgangsseite 8 und auf der Eingangsseite 9 zur Verbindung mit einer Gasleitung auf.
An beiden Enden der Außenhülle 3 sind Mitteln zum Verschließen 6 angeordnet, welche ebenfalls je einen Anschluss für den Anschluss einer Gasleitung aufweisen.
Über einen weiteren, nicht dargestellten Anschluss kann eine Reaktionsgas in die Reaktionskammer 1 eingeleitet werden. Außerdem ist die Reaktionskammer 1 mit einer Vakuumpumpe verbunden und kann einen Anschluss zum Ableiten des Reaktionsgases aufweisen. Diese Merkmale sind ebenfalls nicht dargestellt.
Zur erfindungsgemäßen Beschleunigung der Aufheiz- und/oder Abkühlphase eines Diffusionsverfahrens ist der Diffusionsofen mit einem ersten und einem zweiten Gasumlaufsystem ausgestattet.
Das erste Gasumlaufsystem besteht aus einer ersten Gasführungsanordnung 12 und zugehörigen ersten Gasleitungen 16, welche die erste Gasführungsanordnung 12 über die ersten Gasleitungen 16 mit dem Anschluss der Eingangsseite 9 und dem Anschluss der Ausgangsseite 8 des Reaktionsrohres 2 verbinden.
Dieses Gasumlaufsystem ist ein geschlossenes System, wird auch als so genanntes internes Gasumlaufsystem bezeichnet und ist vakuumtauglich realisiert, d. h. ein durch die am Reaktionsrohr 2 angeschlossene Vakuumpumpe erzeugter Unterdruck wird auch durch den Gasumlauf im internen Gasumlaufsystem nicht beeinträchtigt. Es ist so ausgelegt, dass die Reaktionsrohr 2 in seiner Längsrichtung durchflutet werden kann.
Insbesondere das erste Gasumlaufsystem ist außerdem mit Ventileinrichtungen 18 zum Absperren der Reaktionsrohres 2 versehen, welche im Bereich des Anschlusses der Eingangsseite 9 und im Bereich des Anschluss der Ausgangsseite 8 des Reaktionsrohres 2 angeordnet sind.
Das zweite Gasumlaufsystem besteht aus einer zweiten Gasführungsanordnung 13 und zugehörigen zweiten Gasleitungen 17, welche die zweite Gasführungsanordnung 13 über die zweiten Gasleitungen 17 mit dem Anschluss der Eingangsseite 11 und dem Anschluss der Ausgangsseite 10 der Außenhülle 3 verbinden.
Das zweite Gasumlaufsystem ist ebenfalls ein geschlossenes Gasumlaufsystem, wobei es den Raum zwischen dem Reaktionsrohr 2 und der Außenhülle 3, d. h. auf der Atmosphärenseite des Gasdiffusionsofens durchströmt. Dieses Gasumlaufsystem ist das so genannte externe Gasumlaufsystem.
Beide Gasumlaufsysteme können auch jeweils eine oder mehrere Kühleinrichtungen, beispielsweise als Wärmetauscher 14 und 15 realisiert, aufweisen.
In einer speziellen Ausführung der Erfindung können diese Wärmetauscher 14 und 15 sowohl zum Kühlen als auch zur Erwärmung des durchströmenden Gases genutzt werden.
Zur Beschleunigung des Aufheizvorgangs in einer Aufheizphase ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass neben der üblichen Zuschaltung der Heizelemente 4 ein Gasumlauf in Längsrichtung des Reaktionsrohres 2 erzeugt wird. Dieser durch das interne Gasumlaufsystem erzeugte Gasstrom ermöglicht eine, gegenüber der herkömmlichen Konvektion, verbesserte Gas- und Wärmeverteilung in der Reaktionskammer 1. Somit werden die Temperaturunterschiede sowohl auf einem Substrat als auch zwischen verschiedenen nebeneinander angeordneten Substraten verbessert.
Der Gasumlauf des internen Gasumlaufsystems ist so bemessen, dass zwischen der Eingangsseite und der Ausgangsseite des Reaktionsrohres 2 eine Temperaturdifferenz entsteht, welche innerhalb eines geforderten Toleranzbereiches für die Substrattemperaturhomogenität liegt. Somit wird eine Reduzierung des Zeitaufwands in der Aufheizphase erreicht und gleichzeitig durch Temperaturunterschiede verursachte Verspannungen der Substrate 7 vermieden.
Zusätzlich kann noch eine im Bereich der eingangsseitigen Gasleitung 16 angeordnete Heizung 20 zugeschaltet werden, womit eine weitere Erwärmung des durchgeleiteten Gasstromes erfolgt.
Eingangsseitig und ausgangsseitig sind Ventile 18 vorgesehen, welche am Ende der Aufheizphase mit dem Abschalten des internen Gasumlaufsystems geschlossen werden können. Somit kann die Reaktionskammer 1 vor dem Einleiten eines Prozessgases verschlossen werden.
Optional besteht in einer weitern Ausgestaltung die Möglichkeit die Wärmetauscher 14 und/oder 15 zur Erwärmung des durchströmenden Gases in der Aufheizphase zu nutzen.
Zur Beschleunigung des Abkühlvorgangs in einer Abkühlphase ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass nach Beendigung der Reaktionsprozesse in der Reaktionskammer 1 die Ventile 18 geöffnet und der Gasumlauf im internen Gasumlaufsystem gestartet wird. Zu Beginn der Abkühlphase ist optional vorgesehen, den im internen Gasumlaufsystem angeordneten Wärmetauscher 14 durch einen Bypass 19 zu umgehen. Durch diese Maßnahme wird erreicht, dass eine Zerstörung des Wärmetauschers 14 durch anfänglich sehr hohe Temperaturen des über die Ausgangsseite 8 abgeführten Gases vermieden wird und weiterhin die Zerstörung der Substrate aufgrund zu großer Temperaturdifferenzen zwischen Substrat und umgewälzten Gas verhindert wird. Nach dem Erreichen einer vorgegebenen Temperatur wird die Bypassfunktion aufgehoben und der Wärmetauscher 14 zur weiteren Abkühlung des umlaufenden Gases genutzt.
Das interne Gasumlaufsystem, welches mit einer gezielten Temperaturführung/Steuerung versehen ist, arbeitet derart, dass je nach Vorgaben für die Gastemperaturen zwischen der Eingangsseite und der Ausgangsseite des Reaktionsrohrs 2 eine sich einstellende Temperaturdifferenz nicht überschritten wird. Somit wird ein maximal verträglicher Abkühltemperaturgradient erreicht und Verspannungen innerhalb der Substrate 7 vermieden.
Zusätzlich zu dem internen Gasumlaufsystem wird das externe Gasumlaufsystem gestartet. Dies kann zeitgleich oder mit einem vorgegebenen Zeitversatz erfolgen.
Auch dieses Gasumlaufsystem beinhaltet einen Wärmetauscher 15, welcher eine Abkühlung des durchströmenden Gases realisiert. Mittels dieses externen Systems wird ein Gasstrom zwischen dem Reaktionsrohr 2 und der Außenhülle 3 in Längsrichtung des Reaktionsrohrs 2 erzeugt und dieser Bereich gekühlt.
Vorzugsweise sind die Gasstromrichtungen des internen und des externen Gasumlaufsystems innerhalb des Diffusionsofens gegenläufig. Während das Gas im Reaktionsrohr 2 an der Eingangsseite 9 ein- und an der Ausgangsseite 8 ausströmt, strömt das Gas des externen Gasumlaufsystems an der Eingangsseite 11 der Außenhülle 3 ein und an der Ausgangsseite 10 des Außenhülle 3 aus. Durch die gegenläufige Gasrichtung wird die Temperaturhomogenität in der Abkühlphase verbessert und der Zeitbedarf reduziert.
Der Diffusionsofen 22 in der 2 besteht aus der Reaktionskammer 1, welche von einem Reaktionsrohr gebildet wird, mehreren Heizelementen 4, welche in unterschiedlich ansteuerbare Gruppen unterteilt sein können und um die Reaktionskammer 1 herum angeordnet sind sowie der Außenhülle 3, welche zur Vermeidung von Wärmeverlusten entsprechend isoliert ist.
In der Reaktionskammer 1 werden im Betrieb des Diffusionsofens Substrate 7 einzeln oder in Form eines aus mehreren Substraten 7 bestehenden Substratstapels angeordnet.
Zwischen dem die Reaktionskammer 1 bildenden Reaktionsrohr und der Außenhülle 3 des Diffusionsofens 22 sind die Heizelemente 4 derart angeordnet, dass sie durch ihre Heizstrahlung die Substrate 7 in der Reaktionskammer 1 erwärmen. Die Enden der Reaktionskammer werden durch die Mittel zum Verschließen der Reaktionskammer verschlossen. Diese weisen je einen Anschluss auf, welcher jeweils mit einer zugehörigen Gasleitung 25 oder 26 verbunden ist.
Über einen weiteren nicht dargestellten Anschluss kann ein Reaktionsgas oder Reaktionsgasgemisch in die Reaktionskammer eingeleitet werden. Außerdem ist die Reaktionskammer mit einer Vakuumpumpe verbunden und kann einen Anschluss zum Ableiten des Reaktionsgases oder Reaktionsgasgemischs aufweisen. Diese Merkmale sind ebenfalls nicht dargestellt.
Sowohl an der Ausgangsseite 23 als auch an der Eingangsseite 24 der Reaktionskammer 1 ist je ein Ventil 18 angeordnet. Mittels dieser Ventile 18 wird das Gas im Gasumlaufsystem vom Gas in der Reaktionskammer getrennt. Dies ist dann erforderlich, wenn innerhalb einer Reaktionszeit ein Diffusionsvorgang in der Reaktionskammer 1 ablaufen soll. Somit wird ein Eindringen eines aggressiven Reaktionsgases in das Gasumlaufsystem verhindert.
Die Ausgangsseite 23 des Diffusionsofens 22 ist mittels der ersten Gasleitung 25 mit der Eingangsseite der Gasführungsanordnung 12 verbunden. Optional kann beispielsweise innerhalb einer Abkühlphase der Substrate 7 ein Wärmetauscher 14 in die erste Gasleitung 25 eingeschaltet werden, welcher zur weiteren Abkühlung des Gases im Gasumlaufsystem und somit in der Reaktionskammer 1 genutzt wird.
Die Ausgangsseite der Gasführungsanordnung 12 ist mittels der zweiten Gasleitung 26 mit der Eingangsseite 24 der Reaktionskammer 1 verbunden.
In diesem Gasumlaufsystem wird mittels der Gasführungsanordnung 12 eine gesteuerte Gasbewegung innerhalb der Reaktionskammer 1 erzeugt, wobei speziell die Gasbewegung zwischen den Substraten 7 zur Verbesserung der Temperaturhomogenität auf und zwischen den Substraten 7 sorgt.
Gemäß der Erfindung ist in unmittelbarer Nähe zur Eingangsseite 24 der Reaktionskammer 1 der Gasströmungserhitzer 21 innerhalb des vakuumdichten Gasumlaufsystems angeordnet.
Zu diesem Zweck kann ein Teil der zweiten Gasleitung 26 wie in 4 dargestellt in der Form eines T-Stücks 31 ausgeführt werden. Der Gasströmungserhitzer 21 wird dann in die Öffnung 32 eingebracht und mit dem Flansch des T-Stücks 31 vakuumdicht verschraubt. Vorzugsweise strömt das Gas zu der der Öffnung 32 gegenüberliegenden Seite ein und zu der um 90 Grad gedrehten Öffnung aus.
Der Gasströmungserhitzer 21 besteht wie in der 3 dargestellt aus einem Elektroanschlusskasten 27, welcher eine elektrische Verbindung zwischen einer nicht dargestellten äußeren Anschlussleitung und den Heizelementen des Gasströmungserhitzers 21 herstellt, den Heizelementen in Form von Rohrheizkörpern 30, welche parallel zueinander angeordnet sind, einem Vakuumflansch 28, in welchem die Rohrheizkörper 30 befestigt sind und der ein vakuumdichtes verschließen der Gasleitung an der Öffnung 32 gewährleistet und den Strömungsleitblechen 29. Diese stabilisieren die Rohrheizkörper 30 im Gasströmungserhitzer 21 und sorgen durch entsprechend angeordnete Öffnungen in den Strömungsleitblechen 29 für eine spiralförmige Gasbewegung im Gasströmungserhitzer 21.
In einer speziellen Realisierung ist der Gasströmungserhitzer 21 mit einem Bündel an Rohrheizkörpern 30 mit einer Gesamtleistung von 17 kW ausgeführt. Die Heizschleifen sind in einem Vakuumflansch DN150CF eingelötet. Der Gasströmungserhitzer 21 verfügt über ein integriertes Thermoelement zur IST-Temperaturerfassung. Mittels eines Steuerrelais werden in Dreieckschaltung drei Heizkreise mit einer Spannung von 400 V versorgt. Der Gasströmungserhitzer 21 verfügt über eine programmierbare Steuerung, mittels derer er in einer Abkühl- oder Aufheizphase des Diffusionsofens entsprechend gesteuert wird.
Beispielsweise in einer Abkühlphase der Substrate 7 nach einer ersten oder zweiten Reaktionszeit werden die Ventile 18 geöffnet und die Gasführungsanordnung 12 zugeschaltet. Somit wird ein Gasstrom erzeugt, wodurch das Gas in der Reaktionskammer 1 an der Ausgangsseite 23 abgesaugt und der Reaktionskammer 1 über die Eingangsseite 24 wieder zugeführt wird. Auf dem Weg des Gases über das Ventil 18 an der Ausgangsseite 23, die erste Gasleitung 25, die Gasführungsanordnung 12, die zweite Gasleitung 26 und das Ventil 18 an der Eingangsseite 24 wird das Gas abgekühlt. Diese Abkühlung ist speziell zu Beginn der Abkühlphase, aufgrund der hohen Temperatur des Gases in der Reaktionskammer 1 von etwa 550°C und des im Gegensatz hierzu nicht erwärmten Gasumlaufsystems zu groß. Somit kann der vorgeschriebene Temperaturunterschied ΔT bei welchem die Substrate 7 in ihrer Qualität nicht beeinträchtigt werden keinesfalls eingehalten werden.
Die erfindungsgemäß verbesserte Temperaturführung wird dadurch realisiert, dass das Gas beim Durchströmen des Gasströmungserhitzers 21, welcher vorzugsweise unmittelbar vor der Eingangsseite 24 und innerhalb des geschlossenen Gasumlaufsystems angeordnet ist, zusätzlich aufgeheizt wird. Während im Stand der Technik die Gasleitung 25 oder 26 von außen aufgeheizt wird und somit nur die Oberfläche der Gasleitung 25 oder 26 selbst Wärme abgeben und somit das Gas im inneren erwärmen kann, wird durch das Einbringen des Gasströmungserhitzers 21 in das geschlossene System die zur Wärmeleitung geeignete Oberfläche des Heizsystems dadurch vergrößert, dass der Gasströmungserhitzer 21 eine Vielzahl von länglichen, parallel zueinander angeordneten Heizstäben aufweist.
Da die Erwärmung des durchströmenden Gases unter anderem wesentlich von der zur Wärmeabgabe geeigneten Oberfläche des Heizsystems abhängig ist, verbessert sich die Effektivität durch die erfindungsgemäße Lösung.
Mittels einer Steuereinheit des Gasströmungserhitzers 21, welche mit Temperatursensoren am Ausgang des Gasströmungserhitzers 21 selbst und/oder an der Eingangsseite 24 der Reaktionskammer 1 ausgestattet ist, wird der Gasströmungserhitzer 21 derart gesteuert, dass der maximal zulässige Temperaturunterschied ΔT eingehalten wird. Ein weiterer Sensor kann auch die Gastemperatur an der Ausgangsseite 23 messen.
Somit kann die Temperatur des in die Reaktionskammer 1 einströmenden Gases geregelt werden.
Während der Abkühlphase wird mittels des Gasströmungserhitzers 21 das durchströmende Gas beispielsweise zu Beginn entsprechend stark aufgeheizt um die Vorgabe des maximal zulässigen Temperaturunterschieds ΔT zu erfüllen.
Nachfolgend wird die Heizleistung des Gasströmungserhitzers 21 bei fortlaufender Überwachung von ΔT reduziert um ein Abkühlen des Gases in der Reaktionskammer 1 zu erreichen.
Der Gasströmungserhitzer 21 kann auch in einer Aufheizphase des Diffusionsofens 22, in welcher das Gasumlaufsystem zugeschaltet ist, zur zusätzlichen Erwärmung des durchströmenden Gases genutzt werden.
Der Gasströmungserhitzer 21 ist so ausgeführt, dass das Gas nicht auf dem kürzesten Weg durch diesen hindurch strömen kann, sondern durch mehrere in Abständen angeordnete Strömungsleitbleche einen spiralförmigen Weg durch den Gasströmungserhitzer 21 zurücklegen muss.
Durch diese Gestaltung wird die Effektivität des Gasströmungserhitzers 21 erhöht und somit die Gaserwärmung verbessert.

1: Reaktionskammer
2: Reaktionsrohr
3: Außenhülle
4: Heizelement
5: Mittel zum Verschließen des Reaktionsrohres
6: Mittel zum Verschließen der Außenhülle
7: Substrat
8: Anschluss der Ausgangsseite des Reaktionsrohres
9: Anschluss der Eingangsseite des Reaktionsrohres
10: Anschluss der Ausgangsseite der Außenhülle
11: Anschluss der Eingangsseite der Außenhülle
12: erste Gasführungsanordnung
13: zweite Gasführungsanordnung
14: erster Wärmetauscher
15: zweiter Wärmetauscher
16: Gasleitungen des ersten Gasumlaufsystems
17: Gasleitungen des zweiten Gasumlaufsystems
18: Ventil
19: Bypass
20: Heizung
21: Gasströmungserhitzer
22: Diffusionsofen
23: Ausgangsseite
24: Eingangsseite
25: erste Gasleitung des ersten Gasumlaufsystems
26: zweite Gasleitung des ersten Gasumlaufsystems
27: Elektroanschlusskasten
28: Vakuumflansch
29: Strömungsleitbleche
30: Rohrheizkörper
31: T-förmiger Gasleitungsabschnitt
32: Öffnung für Gasströmungserhitzer

Claims

Diffusionsofen bestehend aus einer Reaktionskammer, welche von einem Reaktionsrohr umschlossen wird, einer Außenhülle, welche das Reaktionsrohr umschließt, Heizelementen, welche zwischen dem Reaktionsrohr und der Außenhülle angeordnet sind, Mitteln zum Verschließen beider Enden des Reaktionsrohres, Mitteln zum Verschließen beider Enden der Außenhülle, Mitteln zum Erzeugen eines Vakuums sowie Mitteln zum Zuführen eines Reaktionsgases oder Reaktionsgasgemisches in die Reaktionskammer, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zum Verschließen beider Enden des Reaktionsrohres (5) je einen Anschluss für eine erste Gasleitung (16) aufweisen, welche mit einem ersten Gasumlaufsystem verbunden sind und das die Mittel zum Verschließen beider Enden der Außenhülle (6) je einen Anschluss für eine zweite Gasleitung (17) aufweisen, welche mit einem zweiten Gasumlaufsystem verbunden sind.
Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Gasumlaufsystem aus einer eine gesteuerte Gasbewegung erzeugenden ersten Gasführungsanordnung (12) besteht, welche mittels erster Gasleitungen (16) mit den Anschlüssen (8 und 9) der Mittel zum Verschließen beider Enden des Reaktionsrohres (2) verbunden sind.
Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Gasumlaufsystem aus einer eine gesteuerte Gasbewegung erzeugenden zweiten Gasführungsanordnung (13) besteht, welche mittels zweiter Gasleitungen (17) mit den Anschlüssen (10 und 11) der Mittel zum Verschließen beider Enden der Außenhülle (3) verbunden sind.
Anordnung nach einem der Ansprüche 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Gasumlaufsysteme jeweils mindestens eine Kühleinrichtung beinhalten.
Anordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühleinrichtung ein Wärmetauscher (14 oder 15) ist.
Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Gasumlaufsystem ein eingangsseitiges und ein ausgangsseitiges Ventil (18) zum Absperren des Gasumlaufsystems aufweist.
Anordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Gasumlaufsysteme einen die Kühleinrichtung oder die Kühleinrichtungen umgehenden Bypass (19) aufweisen.
Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Gasumlaufsysteme eine Heizung (20) aufweisen.
Diffusionsofen, umfassend eine Reaktionskammer mit Mitteln zum Verschließen beider Enden der Reaktionskammer, welche jeweils einen Anschluss für eine Gasleitung aufweisen und einem Gasumlaufsystem, bei welchem das Mittel zum Verschließen des Endes der Reaktionskammer auf einer Ausgangsseite mittels einer ersten Gasleitung mit einer Eingangsseite einer Gasführungsanordnung zur Er zeugung einer gesteuerten Gasbewegung in der Reaktionskammer und eine Ausgangsseite der Gasführungsanordnung mittels einer zweiten Gasleitung mit dem Mittel zum Verschließen des Endes der Reaktionskammer auf einer Eingangsseite verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass in einer der Gasleitungen ein Gasströmungserhitzer (21) angeordnet ist.
Anordnung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Gasströmungserhitzer (21) Mittel zur gezielten Gasstromführung aufweist
Anordnung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zur gezielten Gasstromführung Strömungsleitbleche sind.
Anordnung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Strömungsleitbleche so ausgeführt sind, dass sie eine spiralförmige Bewegung des durchströmenden Gases durch den Gasströmungserhitzer (21) erzwingen.
Anordnung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Gasströmungserhitzer (21) mehrere stabförmige und parallel zueinander angeordnete Rohrheizkörper aufweist.
Verfahren zur Temperaturführung von in eine Reaktionskammer eines Diffusionsofens eingebrachten Substraten, wobei in einer Aufheizphase die Substrate in der Reaktionskammer durch Heizelemente erwärmt werden und wobei ein erster Gasumlauf in der Reaktionskammer dadurch erzeugt wird, dass ein Gas in der Reaktionskammer mittels eines ersten Gasumlaufsystems aus der Reaktionskammer über eine Ausgangsseite abgesaugt und über eine Eingangsseite der Reaktionskammer wieder zugeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass eine zusätzliche Erwär mung des im ersten Gasumlaufsystem umlaufenden Gases erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass nach einem Erreichen einer vorgegebenen Solltemperatur der Substrate und eines vorgegebenen Drucks der erste Gasumlauf abgeschaltet und die Reaktionskammer eingangs- und ausgangsseitig verschlossen wird.
Verfahren zur Temperaturführung von in eine Reaktionskammer eines Diffusionsofens eingebrachten Substraten, dadurch gekennzeichnet, dass in einer Abkühlphase ein erster Gasumlauf in der Reaktionskammer dadurch erzeugt wird, dass ein Gas in der Reaktionskammer mittels eines ersten Gasumlaufsystems aus der Reaktionskammer über eine Ausgangsseite abgesaugt und über eine Eingangsseite der Reaktionskammer wieder zugeführt wird und dass ein zweiter Gasumlauf in einer die Reaktionskammer umgebenden Außenhülle dadurch erzeugt wird, dass ein Gas in der Außenhülle mittels eines zweiten Gasumlaufsystems aus der Außenhülle über eine Ausgangsseite abgesaugt und über eine Eingangsseite der Außenhülle wieder zugeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass das im ersten Gasumlaufsystem umlaufende Gas zunächst mittels einer Heizeinrichtung zusätzlich aufgewärmt wird und später mittels einer ersten Kühleinrichtung gekühlt wird und das im zweiten Gasumlaufsystem umlaufende Gas mittels einer zweiten Kühleinrichtung gekühlt wird.
Verfahren nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass ein Wärmetauscher als Kühleinrichtung genutzt wird.