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Die Erfindung betrifft eine Heizeinrichtung eines CVD-Reaktors.
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CVD-Reaktoren sind bekannt unter anderem aus den
DE 198 82 475 B4 ,
DE 10 2012 103295 A1 ,
US 5,830,805 A ,
US 5,855,675 A ,
US 5,989,342 A ,
US 6,267,853 B1 ,
US 6,295,059 B1 ,
US 6,322,677 B1 ,
US 6,440,261 B1 ,
US 6,589,338 B1 ,
US 6,939,403 B2 ,
US 2008/0019806 A1 ,
WO 2010/054206 A2 ,
DE 101 59 702 A1 ,
US 2007/0259112 A1 und
DE 102 19 223 A1 .
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Ein CVD-Reaktor besitzt ein nach außen gasdichtes Gehäuse, in dem sich ein Gaseinlassorgan befindet. Durch das Gaseinlassorgan werden voneinander verschiedene Prozessgase in eine Prozesskammer eingeleitet. Auf dem Boden der Prozesskammer, den ein Suszeptor ausbildet, liegen eine Vielzahl zu beschichtende Substrate. Indem sich die Prozessgase insbesondere an der Substratoberfläche zerlegen, bilden sich Reaktionsprodukte, die unter Ausbildung einer Schicht auf den Substraten verbleiben. Der Prozesskammerdruck in dem CVD-Reaktor und die Oberflächentemperatur des Suszeptors werden so eingestellt, dass die abzuscheidende Schicht die gewünschten mechanischen, elektrischen und kristallinen Eigenschaften besitzt. Hierzu ist es erforderlich, die Temperatur des Suszeptors möglichst homogen, d. h. ohne horizontalen Temperaturgradienten einzustellen. Zudem muss eine große Wärmeenergie erzeugt werden, da das Gaseinlassorgan gekühlt werden muss. Wegen des sich dadurch einstellenden großen vertikalen Temperaturgradienten in der Prozesskammer fließt eine große Wärmemenge in die Kühlung des Gaseinlassorganes.
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Der Suszeptor wird zudem um sein Zentrum gedreht, um die Homogenität der abgeschiedenen Schichten zu verbessern.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine den oben genannten Anforderungen gerechtwerdende Heizeinrichtung zum Aufheizen des Suszeptors auf Temperaturen über 1.000°C anzugeben.
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Gelöst wird die Aufgabe durch eine Heizeinrichtung, die die folgenden Merkmale aufweist: Sie besitzt eine spiralförmig verlaufende Heizwendel. Es können ein oder mehrere derartige Heizwendeln vorgesehen sein. Jede Heizwendel besitzt zwei Kontaktelemente, um die Heizwendel an einer Stromquelle anzuschließen, so dass ein Strom durch die Heizwendel fließen kann. Jede der mindestens einen Heizwendel besteht aus einem Filament. Das Filament ist wendelgangförmig angeordnet. Das korkenzieherartig gewendelte Filament erstreckt sich insgesamt auf einer Spiralbogenlinie. Die Heizwendel-Anordnung ist insgesamt auf einer kreisrunden Grundfläche angeordnet. Die Heizwendel-Anordnung wird vom Suszeptor überfangen. Die Heizwendeln liegen vorzugsweise zumindest größtenteils in einer gemeinsamen Ebene. Es handelt sich um eine Parallelebene zu der Ebene, in der sich der Suszeptor erstreckt. Der Suszeptor kann um das Zentrum der Grundfläche der Heizwendel-Anordnung gedreht werden.
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Es sind folgende technische Verbesserungen des Standes der Technik vorgesehen: Mehrere Heizwendeln sind mit gegensinnigem Wicklungssinn ineinandergeschachtelt. Beispielsweise kann im Zentrum der Spiralenanordnung eine erste Spirale angeordnet sein, die ausgehend von innen nach außen im Uhrzeigersinn orientiert ist. Radial außerhalb dieser spiralförmigen Heizwendel kann sich eine ebenfalls spiralförmig angeordnete Heizwendel befinden. Diese ist von innen nach außen, aber entgegen dem Uhrzeigersinn orientiert. Es ist ferner vorgesehen, dass das Zentrum der mindestens einen Spirale radial außerhalb des Zentrums der Grundfläche liegt. Dies ist insbesondere dann von Vorteil, wenn der Suszeptor sich um eine Achse dreht, die durch das Zentrum der Grundfläche verläuft. Zufolge dieser Ausgestaltung bildet sich im Zentrum des Suszeptors keine Singularität. Da der Suszeptor beim Abscheiden von Schichten auf den Substraten um die Zentrumsachse gedreht wird, ist es hinnehmbar, dass die Heizwendel-Anordnung an unterschiedlichen Umfangspositionen unterschiedliche Leistungsdichten an Wärme erzeugt. Wesentlich ist aber, dass gemittelt über die Drehung des Suszeptors an jeder Position nur so viel Wärme in den Suszeptor eingekoppelt wird, dass dessen Oberflächentemperatur im Wesentlichen konstant ist und sich keine horizontalen Temperaturgradienten ausbilden. In einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass mehrere Heizwendeln vorgesehen sind, wobei zumindest zwei der Heizwendeln eine gleiche Länge beziehungsweise eine gleiche Wärmeleistung pro Längeneinheit erzeugen bei gleicher an den Kontaktelementen anliegenden Spannung. Derartig gleich gestaltete Heizwendeln können dann elektrisch parallel geschaltet werden. In einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass mit einer Vielzahl von Heizwendeln eine Vielzahl von in Radialrichtung ineinandergeschachtelte Heizzonen ausgebildet werden. Die voneinander verschiedenen Heizzonen können mit voneinander verschiedener Leistung bestromt werden.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand beigefügter Zeichnungen erläutert. Es zeigen:
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1 einen schematischen Querschnitt durch einen CVD-Reaktor,
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2 schematisch den Verlauf der Heizwendeln eines ersten Ausführungsbeispiels einer Heizeinrichtung in der Draufsicht auf die Heizeinrichtung,
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3 ein zweites Ausführungsbeispiel einer Heizeinrichtung,
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4 ein drittes Ausführungsbeispiel einer Heizeinrichtung,
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5 ein viertes Ausführungsbeispiel einer Heizeinrichtung,
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6 ausschnittsweise vergrößert eine aus zwei parallel zueinander verlaufenden, gewendelten Filamente 8', 8'' bestehende Heizwendel und
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7 eine Darstellung gemäß 6, wobei drei Filamente 8', 8'', 8''' parallel verlaufend gewendelt sind und eine Heizwendel 8 ausbilden.
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Die in den 2 bis 5 in der Draufsicht schematisch dargestellten Heizeinrichtungen werden in einem CVD-Reaktor 1 verwendet, wie er in der 1 dargestellt ist. Innerhalb eines nach außen gasdichten Reaktorgehäuses 1 befindet sich ein Gaseinlassorgan 2, durch welches Prozessgase beispielsweise PH3, AsH3, TMGa, TMAl, TMIn oder NH3 in eine Prozesskammer 4 eingeleitet wird. Hierzu besitzt Unterseite des Gaseinlassorganes 2 Gasaustrittsöffnungen 3.
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Der Boden der Prozesskammer 4 wird von einer Oberseite eines Suszeptors 6 ausgebildet. Auf der Oberseite des Suszeptors 6 sind eine Vielzahl von zu beschichtenden Substraten 5 angeordnet. Der Suszeptor 6 kann aus Siliziumkarbid-beschichtetem Graphit bestehen. Der gerundete Rand des Suszeptors 6 stützt sich auf einem hohlzylindrischen Suszeptorträger 16 ab, der um eine Zentrumsachse Z gedreht werden kann.
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In der Höhlung des Suszeptorträgers 16 unterhalb des Suszeptors 6 befindet sich eine Heizeinrichtung 7. Die Heizeinrichtung 7 besitzt eine kreisrunde Grundfläche und zumindest zwei Kontaktplatten 11, 12, die jeweils an einem elektrischen Potenzial angeschlossen sind. Kontaktelemente 13, 14 von Heizwendeln 8 sind mit den Kontaktplatten 11, 12 verbunden, so dass durch die Heizwendel 8 ein Strom fließen kann. Zur Lagefixierung der Heizwendeln 8 sind Stützelemente 9 vorgesehen, die mit einer Stützplatte 10 verbunden sind. Die Kontaktplatten 11, 12 sind in der 1 in zwei verschiedenen Ebenen dargestellt. Es ist aber auch möglich, die Kontaktplatten 11, 12 in einer gemeinsamen Ebene anzuordnen. Die Heizwendel 8 verläuft in einer Parallelebene zu der Ebene der Kontaktplatte 11, 12. Die Stützplatte 10 verläuft zwischen der Ebene der Heizwendel 8 und den Kontaktplatten 11, 12.
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Die in der 1 dargestellte Heizeinrichtung 7 kann ein oder mehrere Heizwendeln 8 aufweisen. Die mindestens eine Heizwendel 8 erstreckt sich auf einer spiralförmigen Linie. Es können mehrere Heizwendeln 8 vorgesehen sein, die sich auf einer gemeinsamen spiralförmigen Linie erstrecken. Es können aber auch mehrere Heizwendeln vorgesehen sein, die ineinandergeschachtelte Spiralen ausbilden.
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In den 2 bis 5 sind die ein oder mehreren Heizwendeln 8 lediglich als Striche dargestellt. In der Realität besteht aber jede Heizwendel 8 aus mindestens einem Filament 8', 8'', 8''', das eine Wendelform besitzt.
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Die 6 zeigt ein Ausführungsbeispiel, bei dem ein einzelnes Heizelement, also eine Heizwendel 8, von zwei parallel verlaufenden, aus Wolfram bestehenden Filamenten 8', 8'' ausgebildet ist. Die beiden Filamente 8', 8'' werden von Drähten gleichen Querschnitts ausgebildet, so dass durch die Filamente 8', 8'' im Wesentlichen derselbe Strom hindurchfließt, wenn an den Enden der beiden Filamente 8', 8'' dieselbe Spannung anliegt.
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Die 7 zeigt eine Variante. Hier wird eine einzelne Heizwendel 8 von insgesamt drei nebeneinanderlaufenden Filamenten 8', 8'', 8''' gebildet. Die drei Filamente 8', 8'', 8''' sind gewissermaßen parallel zueinander verlaufend gewendelt.
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Bei dem in der 2 dargestellten Ausführungsbeispiel sind insgesamt vier Heizelemente jeweils in Form einer Heizwendel 8.1, 8.2, 8.3, 8.4 vorgesehen. Die vier Heizwendeln 8.1, 8.2, 8.3, 8.4 liegen im Wesentlichen in einer gemeinsamen Ebene. Es kann aber auch vorgesehen sein, dass die radial äußerste Heizwendel 8.4 in einer Ebene verläuft, die näher an der Suszeptor-Unterseite liegt, als die radial inneren Heizwendeln 8.1 bis 8.3. Die Heizwendeln 8.1 bis 8.4 laufen dann auf voneinander verschiedenen Ebenen, wobei bevorzugt jede Heizwendel 8.1 bis 8.4 nur in einer Ebene verläuft. Ausgehend von einem Kontaktelement 14.1 verläuft die radial innerste Heizwendel 8.1 auf einer sich im Uhrzeigersinn orientierten Spiralkurve. Dem Kontaktelement 13.1 der ersten Heizwendel 8.1 ist nahezu radial außerhalb davon liegend ein Kontaktelement 14.2 einer zweiten Heizwendel 8.2 benachbart. Die zweite Heizwendel 8.2 verläuft auf einer Spiralkurve, die dem Uhrzeigersinn entgegengerichtet ist bis zu einem Kontaktelement 13.2. Neben dem Kontaktelement 13.2, und zwar in Radialaußenrichtung versetzt, befindet sich ein Kontaktelement 14.3 einer dritten Heizwendel 8.2, die wiederum auf einer Spiralkurve verläuft, die im Uhrzeigersinn orientiert ist. Neben dem Kontaktelement 13.3 befindet sich das Kontaktelement 14.4 einer vierten Heizwendel 8.4, die wiederum im Gegenuhrzeigersinn orientiert ist.
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Das in der 3 dargestellte zweite Ausführungsbeispiel zeigt nur eine einzige Heizwendel, die zwei oder drei oder sogar nur ein Filament aufweisen kann, welches als wendelgangförmige Struktur entlang einer Spirallinie angeordnet ist. Während bei dem in der 2 dargestellten Ausführungsbeispiel das Zentrum der radial innersten Heizwendel 8.1 mit dem Zentrum der Grundfläche der Heizeinrichtung 7 übereinstimmt, liegt bei dem in der 3 dargestellten Ausführungsbeispiel das Zentrum der Spirallinie, auf der die Heizwendel 8 verläuft, radial außerhalb des Zentrums Z der Grundfläche. Durch das Zentrum Z der Grundfläche verläuft die Drehachse, um die der Suszeptor 6 gedreht wird.
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Während bei dem in der 2 dargestellten Ausführungsbeispiel die einzelnen Gänge der Spiralen einen gleichbleibenden Abstand besitzen, ändert sich der Abstand der Gänge der Spiralkurve bei der in der 3 dargestellten Heizwenel 8. In der Richtung, in der das Zentrum der Spirale vom Zentrum Z der Grundfläche beabstandet ist, liegen die Gänge der Spiralkurve enger beieinander, als in Gegenrichtung.
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Bei dem in der 4 dargestellten Ausführungsbeispiel sind insgesamt drei Heizwendeln 8.1, 8.2 und 8.3 vorgesehen. Alle drei Heizwendeln 8.1, 8.2, 8.3 liegen auf einer gemeinsamen Spiralkurve. Die Kontaktelemente 13.2 und 13.3 der Heizwendeln 8.2 und 8.3 liegen unmittelbar nebeneinander und sind mit denselben Kontaktplatten verbunden. Dasselbe gilt sinngemäß für die Kontaktelemente 14.1 und 14.2 der Heizwendeln 8.1 und 8.2. Auch diese sind mit gleichen Kontaktplatten verbunden. Auch hier ist die Spirallinie, entlang der die Heizwendeln 8.1 bis 8.3 verlaufen, exzentrisch – bezogen auf das Zentrum Z der Grundfläche – angeordnet, so dass das Zentrum der Spirallinie, das dem Anschlusskontakt 13.1 benachbart ist, von auf einer Kreisbogenlinie auf dem Suszeptor angeordneten Punkten überlaufen wird, wenn sich der Suszeptor dreht.
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Das in der 5 dargestellte Ausführungsbeispiel zeigt insgesamt vier Heizwendeln 8.1, 8.2, 8.3, 8.4. Jeweils zwei Heizwendeln 8.1, 8.3 sowie 8.2 und 8.4 verlaufen auf gemeinsamen Spiralkurven, wobei zwei Spiralkurven ineinandergeschachtelt sind. Es handelt sich hier um eine zweigängige Spirale, so dass die Heizwendeln 8.1, 8.2 nebeneinander verlaufen, wobei jede der beiden Heizwendeln 8.1, 8.2 auf verschiedenen Spiralkurven verlaufen. Beide Spiralkurven beginnen im Zentrumsbereich an den Kontakten 13.1 und 13.2 und verlaufen im Uhrzeigersinn um das Zentrum nach außen. An den Kontakten 14.1 beziehungsweise 14.2 schließen sich dann die weiteren Heizwendeln 8.3 und 8.4 mit ihren Kontaktelementen 14.3 und 14.4 an. Auch diese beiden Heizwendeln verlaufen nebeneinander bis zu den Kontaktelementen 13.3 und 13.4.
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Bei allen Ausführungsbeispielen kann in nicht dargestellten Varianten vorgesehen sein, dass die einzelnen Heizwendeln 8 eine einheitliche Länge aufweisen. Es ist aber auch vorgesehen, dass die Heizwendeln 8 bei gleicher an ihren Kontakten anliegenden Spannung dieselbe Heizleistung pro Längeneinheit erzeugen.
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Es kann auch vorgesehen sein, dass die Heizwendeln verschieden starke Heizleistungen erzeugen. Dies ist insbesondere dann vorgesehen, wenn die Heizwendeln, wie in der 5 dargestellt, auf nebeneinander verlaufenden Spirallinien angeordnet sind.
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Bei sämtlichen Ausführungsbeispielen werden die Heizwendeln von Filamenten ausgebildet, die um eine gedachte Spiralbogenlinie gewendelt sind. Die schraubengangförmig gewendelten Filamente sind bevorzugt aus Wolfram gefertigt.
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Die vorstehenden Ausführungen dienen der Erläuterung der von der Anmeldung insgesamt erfassten Erfindungen, die den Stand der Technik zumindest durch die folgenden Merkmalskombinationen jeweils eigenständig weiterbilden, nämlich:
Eine Vorrichtung, die dadurch gekennzeichnet ist, dass mindestens eine spiralförmig verlaufende Heizwendel 8, 8.1, 8.2, 8.3, 8.4 vorgesehen ist, dass jede Heizwendel 8, 8.1, 8.2, 8.3, 8.4 zwei Kontaktkelemente 13, 13.1, 13.2, 13.4, 14.1, 14.2, 14.3, 14.4 besitzt, um die Heizwendeln 8, 8.1, 8.2, 8.3, 8.4 an eine elektrische Stromquelle anzuschließen, dass die Heizwendeln 8, 8.1, 8.2, 8.3, 8.4 aus mindestens einem Filament 8', 8'', 8''' bestehen und dass die Heizwendeln 8, 8.1, 8.2, 8.3, 8.4 auf einer kreisrunden Grundfläche angeordnet sind;
Eine Vorrichtung, die dadurch gekennzeichnet ist, dass mehrere Heizwendeln 8, 8.1, 8.2, 8.3, 8.4 mit gegensinnigem Wicklungssinn ineinandergeschachtelt sind;
Eine Vorrichtung, die dadurch gekennzeichnet ist, dass unmittelbar benachbarte Heizwendeln 8, 8.1, 8.2, 8.3, 8.4 einen gegensinnigen Wicklungssinn besitzen;
Eine Vorrichtung, die dadurch gekennzeichnet ist, dass das Zentrum der spiralförmigen Anordnung der mindestens einen Heizwendel 8, 8.1, 8.2, 8.3, 8.4 außerhalb des Zentrums Z der kreisförmigen Grundfläche liegt;
Eine Vorrichtung, die dadurch gekennzeichnet ist, dass mindestens zwei Heizwendeln 8, 8.1, 8.2, 8.3, 8.4 eine gleiche Länge oder eine gleiche Heizleistung pro Längeneinheit bei gleicher an den Kontaktelementen 13, 13.1, 13.2, 13.4, 14.1, 14.2, 14.3, 14.4 anliegenden Spannung aufweisen;
Ein CVD-Reaktor, der dadurch gekennzeichnet ist, dass er einen um das Zentrum Z der Grundfläche drehbaren, einen kreisförmigen Grundriss aufweisenden Suszeptor 6 aufweist.
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Alle offenbarten Merkmale sind (für sich, aber auch in Kombination untereinander) erfinndungswesentlich. In die Offenbarung der Anmeldung wird hiermit auch der Offenbarungsgehalt der zugehörigen/beigefügten Prioritätsunterlagen (Abschrift der Voranmeldung) vollinhaltlich mit einbezogen, auch zu dem Zweck, Merkmale dieser Unterlagen in Ansprüche vorliegender Anmeldung mit aufzunehmen. Die Unteransprüche charakterisieren mit ihren Merkmalen eigenständige erfinderische Weiterbildungen des Standes der Technik, insbesondere um auf der Basis dieser Ansprüche Teilanmeldungen vorzunehmen.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- CVD-Reaktor
- 2
- Gaseinlassorgan
- 3
- Gasaustrittsöffnung
- 4
- Prozesskammer
- 5
- Substrat
- 6
- Suszeptor
- 7
- Heizeinrichtung
- 8
- Heizwendel
- 8'
- Filament
- 8''
- Filament
- 8'''
- Filament
- 9
- Stützelement
- 10
- Stützplatte
- 11
- Kontaktplatte
- 12
- Kontaktplatte
- 13
- Kontaktelement
- 14
- Kontaktelement
- 15
- Gasauslassorgan
- 16
- Suszeptorträger
- 8.1
- Heizwendel
- 8.2
- Heizwendel
- 8.3
- Heizwendel
- 8.4
- Heizwendel
- 13.1
- Kontaktelement
- 13.2
- Kontaktelement
- 13.3
- Kontaktelement
- 14.1
- Kontaktelement
- 14.2
- Kontaktelement
- 14.3
- Kontaktelement
- 14.4
- Kontaktelement
- Z
- Zentrum
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 19882475 B4 [0002]
- DE 102012103295 A1 [0002]
- US 5830805 A [0002]
- US 5855675 A [0002]
- US 5989342 A [0002]
- US 6267853 B1 [0002]
- US 6295059 B1 [0002]
- US 6322677 B1 [0002]
- US 6440261 B1 [0002]
- US 6589338 B1 [0002]
- US 6939403 B2 [0002]
- US 2008/0019806 A1 [0002]
- WO 2010/054206 A2 [0002]
- DE 10159702 A1 [0002]
- US 2007/0259112 A1 [0002]
- DE 10219223 A1 [0002]
