DE102013020106A1

DE102013020106A1 - Reaktionskammer insbesondere für Atomic Laver Deposition

Info

Publication number: DE102013020106A1
Application number: DE102013020106.3A
Authority: DE
Inventors: Anmelder Gleich
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2013-12-06
Filing date: 2013-12-06
Publication date: 2015-06-11

Abstract

Reaktionskammer mit einem Prozessgaseinlass, einem Prozessgasauslass, einem Substratträger und einem der Substratauflagefläche des Substratträgers gegenüberliegenden abnehmbaren Reaktionskammerdeckel, dadurch gekennzeichnet, dass der Substratträger in der Reaktionskammer zwischen Reaktionskammerdeckel und Reaktionskammerboden angeordnet, über Wärmeleitbereiche wärmeleitend mit den Seitenwänden der Reaktionskammer verbunden, und über die Seitenwände durch jeweils im Bereich der Wärmeleitbereiche angeordnete Heizelemente beheizbar ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Reaktionskammer zur bevorzugten Verwendung für ALD Prozesse mit reduziertem Prozessdruck (Vakuum). Es ist eine Vielzahl derartiger Reaktionskammern bekannt.
Zur Durchführung von „in situ” Messungen der ALD-Beschichtungen ist die übliche Vorgehensweise, die benötigten Analysegeräte meist als Sonderanfertigung in relativ große Reaktionskammern zu integrieren. Dies ist in der Regel mit großem technischen Aufwand und hohen Kosten verbunden.
Aufgabe der Erfindung ist eine kleine Reaktionskammer, die insbesondere durch ihre geringe Bauhöhe in den Strahlengang handelsüblicher Analysegeräte integrierbar ist. Hierdurch müssen die Analysegeräte nicht in die Reaktionskammer eingebaut werden, sondern die Reaktionskammer kann in den Strahlengang oft bereits zur Verfügung stehender handelsüblicher Analysegeräte eingebracht werden. Dabei stellt sich als größte Herausforderung eine gleichmäßige Beheizung des Substratträgers.
Gelöst wird diese Aufgabe durch die Merkmale von Anspruch 1. Dabei wird der Substratträger von außen über die Seitenwände der Reaktionskammer beheizt, wobei die Wärmeübertragung auf den Substratträger über Wärmeleitbereiche zwischen Seitenwänden und Substratträger erfolgt. Hierbei sind die Wärmeleitbereiche die wesentlichen Kontaktstellen des Substratträgers mit seiner Umgebung, insbesondere dann, wenn die Reaktionskammer für Vakuumprozesse verwendet wird und ein Wärmeverlust über das strömende Prozessgas nur einen untergeordneten Einfluss hat. Unter Einbeziehung von Anspruch 2 kann durch gegenüberliegende Anordnung von zwei Wärmeleitbereichen mit zugehörigen Heizelementen eine sehr gleichmäßige Beheizung des Substratträgers erreicht werden. Bei bevorzugter Verwendung eines runden Substratträgers mit relativ breiten Wärmeleitbereichen kommt unterstützend hinzu, dass die zu beheizende Masse und Oberfläche zur Substratträgermitte hin mit steigendem Abstand von den Wärmequellen abnimmt und dementsprechend weniger Wärmefluss erforderlich ist.
In bevorzugten Ausgestaltungen der Erfindung entsprechend der Ansprüche 3, 4 und 5 wird durch Verwendung von Wärmeübertragungselementen hoher Wärmeleitfähigkeit (z. B. aus Kupfer) einerseits der Wärmeübergang zwischen Heizelement und den Wärmeleitbereichen deutlich verbessert und andererseits Reaktionskammerdeckel und Reaktionskammerboden durch Kontaktstellen guten Wärmeübergangs aktiv mit beheizt, so dass zusätzlich Wärmeverluste des Substratträgers durch Strahlung oder abgekühlte Prozessgasteilchen deutlich verringerbar sind.
Die Ansprüche 6 und 7 betreffen Merkmale zur Strömungslenkung, wobei zusätzliche Kontaktbereiche mit möglichst geringem Wärmeleitvermögen vorgesehen sind.
In den Ansprüchen 8 und 9 sind bevorzugte Merkmale zur Verwendung einer erfindungsgemäßen Reaktionskammer im Strahlengang von Analysegeräten dargestellt. Eine Ausgestaltung der Erfindung nach Anspruch 8 sieht vor, dass ein oder mehrere strahlungsdurchlässige Mittel im Reaktionskammerdeckel, im Reaktionskammerboden oder in Reaktionskammerdeckel und Reaktionskammerboden vorgesehen sind. Hierdurch wird ein Einsatz der Reaktionskammer für eine Vielzahl an Analyseanwendungen in handelsüblichen Analysegeräten (z. B. Raman-Spektrometer, Ellipsometer, Auf- und Durchlichtmikroskop, Röntgenstrukturanalyse etc.) ermöglicht. Die Formulierung „mit näherungsweise senkrechtem Durchgang” in Anspruch 9 betrifft einen möglichst geringen Messfehler durch schrägen Durchtritt des Messstrahls durch Ein- und Austrittsfenster. Daher ist ein näherungsweise senkrechter Durchgang des Messstrahls mit einer Winkelabweichung bis zu 10° bevorzugt und mit einer Winkelabweichung bis zu 5° besonders bevorzugt.
Entsprechend Anspruch 10 ist insbesondere eine Mittelbohrung im Substratträger vorgesehen, die einerseits eine Stabilisierung des Substrates auf der Substratauflagefläch bei Prozessgaszufuhr und andererseits bei Verwendung von Sichtfenstern in Kammerdeckel und Kammerboden Durchlichtanwendungen ermöglicht.
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung kann natürlich auch vorgesehen sein, dass im Reaktionskammerdeckel ein Analysesensor integriert ist (z. B. Schichtdickenmessung mittels eines Schwingquarzes). Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass im Reaktionskammerdeckel Mittel zur Erzeugung eines Hochfrequenzplasmas aufgenommen sind.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert.
Es zeigen:
1 eine Schnittdarstellung einer Reaktionskammer mit Heizelementen, Wärmeübertragungselementen und zusätzlich bevorzugtem Halterungsrahmen,
2a eine Reaktionskammer im Querschnitt,
2b eine Reaktionskammer im Längsschnitt und
3a bis c eine Reaktionskammer mit austauschbaren Reaktionskammerdeckeln unterschiedlicher Funktion.
In 1 ist eine erfindungsgemäße Reaktionskammer 1 mit Substratträger 2 dargestellt. Die Reaktionskammer 1 ist im Bereich von Wärmeleitbereichen 3a und 3b unter Verwendung von Wärmeübertragungselementen 5a und 5b (bevorzugt aus Kupfer) wärmeleitend mit Heizelementen 4a und 4b kontaktiert. Als Heizelemente finden bevorzugt keramische Heizer Verwendung. Reaktionskammer 1, Wärmeübertragungselemente 5a und 5b und Heizelementen 4a und 4b sind entsprechend einer bevorzugten Ausgestaltung in einem Reaktionskammerrahmen 6 montiert. Dabei ist besonders bevorzugt, dass die Wärmeübertragungselemente 5a und 5b in dem Reaktionskammerrahmen 6 derart angeordnet und verzahnt sind, dass die Wärmeübertragungselemente 5a und 5b mit zugehörigen Heizelementen 4a und 4b auch ohne Reaktionskammer 1 (z. B. bei Entnahme zu Reinigungszwecken) im Reaktionskammerrahmen 6 fixiert sind, wodurch eine einfache Wiedermontage der Reaktionskammer 1 möglich ist. Weiterhin ist bevorzugt, dass im Reaktionskammerrahmen 6 Mittel 60 zur Befestigung von Reaktionskammerdeckel und Reaktionskammerboden (z. B. 4 Gewindebohrungen) sowie Mittel 61 zur Befestigung von Anschlussleitungen im Bereich von Prozessgaseinlass und Prozessgasauslass vorgesehen sind. Zusätzlich ist bevorzugt, dass in zumindest einem der Wärmeübertragungselemente 5a und 5b Mittel zur Temperaturmessung (und Temperatursteuerung) angeordnet sind.
Die 2a und 2b zeigen eine erfindungsgemäße Reaktionskammer im Quer- und Längsschnitt mit weiteren Einzelheiten. Dabei ist in 2a die Wärmezufuhr anhand von Pfeilen dargestellt. Die Wärme wird über die Wärmeleitbereiche 3a und 3b auf den Substratträger 2 übertragen. Durch die Wärmezufuhr von zwei gegenüberliegenden Seiten wird eine gleichmäßige Aufheizung des Substratträgers 2 und des Substrates 7 erreicht, da beide wärmeleitenden Kontaktstellen (Wärmeleitbereiche 3a und 3b) dem Substratträger Wärme zuführen und eine Wärmeableitung über den jeweils gegenüberliegenden Wärmeleitbereich 3a bzw. 3b somit nicht möglich ist. Der Wärmeübergang zwischen den Wärmeleitbereichen 3a und 3b wird dabei durch eine relativ kleine Mittelbohrung 20 nicht wesentlich beeinflusst. Bei zusätzlicher Wärmeübertragung (gestrichelte Pfeile) auf Reaktionskammerdeckel 10a und Reaktionskammerboden 10b werden Wärmeverluste des Substratträgers 2 nochmals deutlich reduziert. Reaktionskammerdeckel 10a und Reaktionskammerboden 10b sind durch Dichtringe 9 mit der übrigen Reaktionskammer abgedichtet. Aus 2b ist deutlich ersichtlich, dass der Substratträger 2 im Längsschnitt nahezu keine Kontaktstellen mit der Reaktionskammer aufweist. Es ist ausschließlich aus strömungstechnischen Gründen ein zusätzlicher Kontaktbereich 8 mit sehr geringem Wärmeübergang vorgesehen. Der Wärmeverlust über den zusätzlichen Kontaktbereich 8 kann durch die Wärmeleitbereiche 3a und 3b (2a) aufgrund ihres deutlich größeren Wärmeleitvermögens ausgeglichen werden.
In 2b ist außerdem der Strömungsverlauf mittels Strömungspfeilen dargestellt. Am Prozessgaseinlass 10 zugeführtes Prozessgas strömt über den Reaktionskammerbereich 11a zwischen Substratträger 2 und Reaktionskammerdeckel 10a in Richtung Prozessgasauslass 12. Weiterhin wird der Reaktionskammerbereich 11b zwischen Substratträger 2 und Reaktionskammerboden 10b über den Prozessgasauslass abgepumpt (gestrichelte Strömungspfeile). Dies hat einerseits den Vorteil, dass ggf. durch den zusätzlichen Kontaktbereich 8 durchgedrungenes Prozessgas ebenfalls abgepumpt wird und andererseits im Reaktionskammerbereich 11b unterhalb des Substratträgers 2 bei Prozessgaszufuhr ein niedrigerer Druck herrscht als im Reaktionskammerbereich 11a über dem Substratträger 2. Hierdurch kann mittels der Mittelbohrung 20 im Substratträger 2 das Substrat 7 auch bei Druckstößen des Prozessgases auf dem Substratträger 2 fixiert werden.
3a bis c zeigt verschiedene bevorzugte Ausgestaltungen eines Reaktionskammerdeckels 101, 102, 103. In 3a ist eine Reaktionskammer mit einem Reaktionskammerdeckel 101 mit Sichtfenster und Sichtfensterhalterungsrahmen dargestellt. Die Bezeichnung Sichtfenster betrifft natürlich auch Fenster für unsichtbare Strahlungen. 3b zeigt den prinzipiellen Aufbau eines Reaktionskammerdeckels 102 zur Einkopplung der Reaktionskammer in den Strahlengang eines handelsüblichen Ellipsometers und in 3c ist ein Reaktionskammerdeckel 103 mit integriertem Schwingquarz zur „in situ” Schichtdickenmessung schematisch dargestellt. 3a bis c zeigt somit einige Beispiele der vielseitigen Verwendungsmöglichkeiten einer erfindungsgemäßen Reaktionskammer.

Claims

Reaktionskammer mit einem Prozessgaseinlass, einem Prozessgasauslass, einem Substratträger und einem der Substratauflagefläche des Substratträgers gegenüberliegenden abnehmbaren Reaktionskammerdeckel, dadurch gekennzeichnet, dass der Substratträger in der Reaktionskammer zwischen Reaktionskammerdeckel und Reaktionskammerboden angeordnet, über Wärmeleitbereiche wärmeleitend mit den Seitenwänden der Reaktionskammer verbunden, und über die Seitenwände durch jeweils im Bereich der Wärmeleitbereiche angeordnete Heizelemente beheizbar ist.
Reaktionskammer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zwei Wärmeleitbereiche vorgesehen und an gegenüberliegenden Seiten der Reaktionskammer symmetrisch zu Substratträger und Strömungsverlauf angeordnet sind.
Reaktionskammer nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Heizelemente über Wärmeübertragungselemente mit der Reaktionskammer kontaktiert sind, wobei die Wärmeübertragungselemente eine hohe Wärmeleitfähigkeit aufweisen und zur Wärmeübertragung auf die Wärmeleitbereiche an die Form der Reaktionskammer angepasst sind.
Reaktionskammer nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der abnehmbare Reaktionskammerdeckel und die Wärmeübertragungselemente derart ausgestaltet sind, dass der Reaktionskammerdeckel wärmeleitend mit den Wärmeübertragungselementen kontaktiert ist.
Reaktionskammer nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die dem Reaktionskammerdeckel gegenüberliegende Seite der Reaktionskammer als abnehmbarer Reaktionskammerboden ausgestaltet und wärmeleitend mit den Wärmeübertragungselementen kontaktiert ist.
Reaktionskammer nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass strömungstechnisch bedingte zusätzliche Kontaktbereiche zwischen Substratträger und Reaktionskammer derart mit relativ zu den Wärmeleitbereichen geringerem Wärmeleitvermögen ausgestaltet sind, dass der Wärmeeintrag über die Wärmeleitbereiche größer dem Wärmeverlust über die zusätzlichen Kontaktbereiche ist.
Reaktionskammer nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Strömungswege der Reaktionskammer derart ausgestaltet sind, dass zugeführte Prozessgase in Strömungsrichtung vor dem Substratträger durch zusätzliche Kontaktbereiche zwischen Reaktionskammer und Substratträger überwiegend in den Reaktionskammerbereich zwischen Reaktionskammerdeckel und Substratträger gelenkt werden, während in Strömungsrichtung hinter dem Substratträger zusätzlich zum Reaktionskammerbereich zwischen Reaktionskammerdeckel und Substratträger auch der Reaktionskammerbereich zwischen Substratträger und Reaktionskammerboden zum Prozessgasauslass hin geöffnet ist.
Reaktionskammer nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Reaktionskammer in den Strahlengang eines Analysegerätes eingesetzt ist und zumindest über ein strahlungsdurchlässiges Element im Reaktionskammerdeckel oder Reaktionskammerboden mit dem Strahlengang des Analysegerätes in Kontakt steht.
Reaktionskammer nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Reaktionskammerdeckel ein Eintritts- und ein Austrittsfenster derart symmetrisch im Winkel zur Substratauflagefläche aufweist, dass der Messstrahl eines Ellipsometers mit näherungsweise senkrechtem Durchgang durch Ein- und Austrittsfenster auf der Oberfläche eines auf dem Substratträger liegenden Substrates reflektierbar ist.
Reaktionskammer nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Substratträger zwischen den Reaktionskammerbereichen über und unter dem Substratträger eine Verbindungsöffnung aufweist, die durch Einbringung eines Substrates verschließbar ist.