DE102014106523A1

DE102014106523A1 - Vorrichtung und Verfahren zum Versorgen einer CVD- oder PVD-Beschichtungseinrichtung mit einem Prozessgasgemisch

Info

Publication number: DE102014106523A1
Application number: DE102014106523.9A
Authority: DE
Inventors: Eduardo Osman Pineiro Sufan; Steffen Neumann; Baskar Pagadala Gopi; Markus Gersdorff; Markus Jakob
Original assignee: Aixtron SE
Current assignee: Aixtron SE
Priority date: 2014-05-09
Filing date: 2014-05-09
Publication date: 2015-11-12
Also published as: TW201602398A; WO2015169882A1; JP6796491B2; KR20170003965A; KR102413577B1; CN106457168A; TWI694168B; JP2017522447A

Abstract

Die Erfindung betrifft zunächst eine Gasversorgungseinrichtung mit Einlasskanälen (22) zum Einspeisen von jeweils von einer Gasquelle (21) bereitgestellten Einzelgasströmen in eine erste Mischkammer (12), wobei in der ersten Mischkammer (12) insbesondere mittels ein oder mehrerer erster Gasumlenkelemente (13) eine ein- oder mehrfache Umlenkung der Einzelgasströme und Zusammenmischen der Einzelgasströme stattfindet, mit einer Überströmungsbarriere (14), über die ein aus der ersten Mischkammer (12) austretender, aus allen Einzelgasströmen bestehender erster Gasstrom in eine zweite Mischkammer (15) strömt, in welcher insbesondere mittels zweiter Gasumlenkelemente (16) eine ein- oder mehrfache Umlenkung des ersten Gasstroms stattfindet, und mit einem Gasaustrittskanal (8) zum Austritt des Gasstroms aus der zweiten Mischkammer (15) in ein Gaseinlassorgan (5) einer CVD- oder PVD-Beschichtungseinrichtung (1). Als Neuerung wird vorgeschlagen, dass die effektiven Weglängen der Einzelgasströme von den Gasquellen (21) zum Gaseinlassorgan (5) untereinander gleichlang sind. Außerdem betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Versorgen eines Gaseinlassorgans (9) einer CVD- oder PVD-Beschichtungseinrichtung mit Prozessgasen, bei dem wesentlich ist, dass sich die effektiven Verweilzeiten der Gase auf dem Weg zwischen Gasquelle (21) und Gaseinlassorgan (5) maximal um zehn Millisekunden unterscheiden.

Description

Die Erfindung betrifft eine Gasversorgungseinrichtung mit Einlasskanälen zum Einspeisen von jeweils von einer Gasquelle bereitgestellten Einzelgasströmen in eine erste Mischkammer, wobei in der ersten Mischkammer insbesondere mittels ein oder mehrerer erster Gasumlenkelemente eine ein- oder mehrfache Umlenkung der Einzelgasströme und Zusammenmischen der Einzelgasströme stattfindet, mit einer Überströmungsbarriere, über die ein aus der ersten Mischkammer austretender, aus allen Einzelgasströmen bestehender erster Gasstrom in eine zweite Mischkammer strömt, in welcher insbesondere mittels zweiter Gasumlenkelemente eine ein- oder mehrfache Umlenkung des ersten Gasstroms stattfindet, und mit einem Gasaustrittskanal zum Austritt des Gasstroms aus der zweiten Mischkammer in ein Gaseinlassorgan einer CVD- oder PVD-Beschichtungseinrichtung.
Die Erfindung betrifft darüber hinaus ein Verfahren zum Versorgen eines Gaseinlassorgans einer CVD- oder PVD-Beschichtungseinrichtung mit Prozessgasen, bestehend aus folgenden Schritten:

– Bereitstellen von einer Mehrzahl von Prozessgasen in jeweils einer Gasquelle;
– Fördern der Prozessgase in Einzelgasströmen getrennt voneinander von der jeweiligen Gasquelle jeweils durch einen Einlasskanal in eine erste Mischkammer;
– Umlenken der Einzelgasströme und Zusammenmischen der Einzelgasströme insbesondere mittels erster Gasumlenkelemente in der ersten Mischkammer,
– Überströmen eines aus allen Einzelgasen bestehenden ersten Gasstroms über eine Überströmungsbarriere in eine zweite Mischkammer;
– Umlenken des Gasstroms insbesondere mittels zweiter Gasumlenkelemente;
– Ausleiten eines aus allen Einzelgasströmen bestehenden Gasstrom aus einem Gasaustrittskanal in das Gaseinlassorgan.

Gasmischvorrichtungen dienen dem Zusammenmischen von voneinander verschiedener Gase, die jeweils mittels eines Einlasskanals, beispielsweise in Form eines Rohres in eine Vormischkammer eingeleitet werden, wo eine erste Durchmischung der Gase stattfindet. Die Gase werden dort umgelenkt und einer zweiten Mischkammer, beispielsweise einem Gasmischrohr zugeleitet. Die US 2009/0120364 A1 beschreibt eine derartige Gasmischvorrichtung, bei der dem Gas eine Verwirbelung aufgezwungen wird, um die Durchmischung zu verbessern. Es ist eine Gasumlenkeinrichtung in Form eines Einsatzes vorgesehen, der in das Gasmischrohr eingesetzt wird.
Die hier in Rede stehenden Mischvorrichtungen werden in CVD- oder PVD-Einrichtungen verwendet. Derartige Einrichtungen besitzen ein Reaktorgehäuse, ein darin angeordnetes Gaseinlassorgan, welches insbesondere die Form eines Duschkopfes aufweisen kann und einem Suszeptor, auf dem ein Substrat aufliegt. Der Suszeptor kann beheizt oder gekühlt werden, je nach dem, ob auf der Substratoberfläche eine thermisch angeregte chemische Reaktion stattfinden soll oder ob auf der Substratoberfläche lediglich eine Kondensation stattfinden soll. Durch das Gaseinlassorgan wird eine Gasmischung in die oberhalb des Substrates angeordnete Prozesskammer eingeleitet. Die Gasmischvorrichtung dient zum Zusammenmischen der Gasmischung, die aus einer Vielzahl von Einzelgasen besteht.
Die US 7,540,305 B2 zeigt beispielsweise eine CVD-Prozesskammer mit einem als Showerhead ausgebildeten Gaseinlassorgan, in das voneinander verschiedene Prozessgase eingespeist werden können. Stromaufwärts des Showerhead befindet sich eine Gasmischvorrichtung.
Die DE 10 2005 003 984 A1 beschreibt eine Ringkammer, die einen Showerhead umgibt, in der eine Prozessgaszusammenmischung stattfinden soll. Eine Mischkammer, die einem Gaseinlassorgan in Strömungsrichtung vorgeordnet ist, wird auch in der US 2003/0019428 A1 beschrieben.
Die DE 10 2013 113 817 beschreibt eine Gasmischvorrichtung in Form eines flachzylindrigen Gehäuses. Das Gehäuse beinhaltet zwei Mischkammern. In einer radial außen angeordneten Mischkammer werden durch sternförmig angeordnete Einlasskanäle voneinander verschiedene Prozessgase in die radial außen liegende Vormischkammer eingespeist. In der Vormischkammer befinden sich erste Gasumlenkelemente, die die in die Vormischkammer eingespeisten Einzelgasströme umlenken. Die Einzelgasströme werden dabei in einer Richtung quer zu einer Erstreckungsebene einer Einlassebene umgelenkt, in der sich die Einlasskanäle befinden. Sie überströmen dabei eine Überströmungsbarriere und gelangen in eine zweite Mischkammer, die im Zentrum der Gasmischvorrichtung angeordnet ist und die einen nach unten offenen Gasaustrittskanal aufweist, in dem zweite Gasumlenkelemente angeordnet sind.
Die EP 1 252 363 B1 beschreibt einen CVD-Reaktor mit oberhalb eines Gaseinlassorgans, unmittelbar oberhalb der Prozesskammerdecke angeordneten Gasmischsystem.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Gasversorgungseinrichtung bzw. ein Verfahren zum Versorgen eines Gaseinlassorgans mit Prozessgasen technologisch zu verbessern.
Gelöst wird die Aufgabe durch die in den Ansprüchen angegebene Erfindung. Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist so ausgebildet, dass die effektiven Weglängen der Einzelgasströme von den Gasquellen zum Gaseinlassorgan untereinander gleichlang sind. Sind die effektiven Weglängen der Einzelgasströme untereinander gleichlang, so haben die voneinander verschiedenen Gase die gleiche Verweilzeit in der Gasversorgungseinrichtung. Die gleiche Verweilzeit kann bei Einlasskanälen mit unterschiedlichen Durchmessern bzw. unterschiedlich gestalteten Abschnitten der Mischkammer durch unterschiedliche Druckverhältnisse gleichgehalten werden. Es ist aber auch möglich, unterschiedliche Durchmesser durch unterschiedliche Leitungslängen zu kompensieren. Bevorzugt sind symmetrische Ausgestaltungen, bei denen die Einlasskanäle bzw. die zugeordneten Abschnitte der Mischkammer gleichgestaltet sind. Unter den effektiven Weglängen werden somit insbesondere solche Strömungspfade verstanden, entlang derer die Einzelgasströme in identischen Zeiten die erste Mischkammer durchströmen. Eventuelle geometrische Unterschiede der einzelnen Strömungskanäle können durch unterschiedliche Druckverhältnisse kompensiert werden. Bei einer symmetrischen Ausgestaltung der Einlasskanäle, bei der sämtliche Einlasskanäle einen gleichen Querschnitt aufweisen und in einer gleichen geometrischen Umgebung in die Mischkammer münden, sind die effektiven Weglängen die geometrischen Strecken der Strömungspfade eines jeden Einzelgasstroms von der Mündung des jeweiligen Einlasskanals in die Mischkammer bis zum Beginn des Gasaustrittskanals. Bei den Einzelgasströmen handelt es sich bevorzugt um jeweils eine laminare Strömung, so dass die Weglängen im Wesentlichen von den Strömungslinien bestimmt werden. Eine Durchmischung der Einzelgasströme findet in der ersten Mischkammer im Wesentlichen durch Querdiffusion und eine Mehrfachumlenkung der Einzelgasströme statt. Die in der ersten Mischkammer angeordneten ersten Gasumlenkelemente können so angeordnet sein, dass sie im Wesentlichen strömungswegverlängernde Eigenschaften besitzen. Die Anordnung der ersten Gasumlenkelemente innerhalb der ersten Mischkammer erfolgt bevorzugt symmetrisch bezogen auf eine sternförmige Anordnung der Gaseinlasskanäle, so dass die einzelnen Einzelgasströme zumindest entlang äquivalenter Strömungspfade strömen. Die ersten Gasumlenkelemente können so angeordnet sein, dass die Einzelgasströme wendelgangförmig durch eine ringzylindrische erste Mischkammer hindurchströmen. Die Einzelgasströme haben dabei eine Bewegungskomponente, die quer zur Erstreckungsebene der Einlassebene gerichtet ist. Die Einzelgasströme haben dabei eine Bewegungskomponente die quer zur Erstreckungseben der Einlassebene gerichtet ist. Sie haben aber auch eine Bewegungskomponente in den die Erstreckungsebene aufspannenden Richtungen. In diesen Richtungen bildet sich bevorzugt eine Kreisbewegung oder Wirbelbewegung aus. Die Einzelgasströme durchströmen dabei die erste Mischkammer entlang einer Schraubenlinie, beispielsweise von unten nach oben entlang der gedachten Achse der Mischkammer. Innerhalb der ersten Mischkammer kann sich eine zweite Mischkammer befinden. Die beiden Mischkammern können von konzentrisch angeordneten Rohren ausgebildet sein. Die erste Mischkammer bildet dann eine periphere Mischkammer und die zweite Mischkammer eine zentrale Mischkammer. Die Einzelgasströme vereinigen sich innerhalb der ersten Mischkammer zu einem vorgemischten ersten Gasstrom, der über eine Überströmungsbarriere tritt. Die Überströmungsbarriere kann der Stirnrand eines inneren Rohres sein, welches die Innenwandung der ersten Mischkammer und die Außenwandung der zweiten Mischkammer ausbildet. In der zweiten Mischkammer sind bevorzugt weitere, zweite Gasumlenkelemente vorgesehen, mit denen der über die Überströmungsbarriere in die zweite Mischkammer eingetretene Gasstrom ein- oder mehrfach umgelenkt wird. Die zweiten Gasumlenkelemente können derart ausgebildet und angeordnet sein, dass sich eine Verwirbelung ausbildet. Während die ersten Gasumlenkelemente bevorzugt so ausgebildet und so angeordnet sind, dass sie einen laminaren Gasstrom ein- oder mehrfach umlenken, sind die zweiten Gasumlenkelemente in turbulenzerzeugender Weise angeordnet. Sie erzeugen somit einen zweiten, aus sämtlichen Einzelgasströmen bestehenden turbulenten Gasstrom. Der die zweite Mischkammer durchströmende Gasstrom tritt durch einen Gasaustrittskanal aus der zweiten Mischkammer aus, wobei die Austrittsrichtung des Gases bevorzugt quer zu der Einspeiserichtung der Gase gerichtet ist. Der Gasaustrittskanal hat somit bevorzugt eine Erstreckungsrichtung, die quer zur Erstreckungsebene der Gaseinlassebene gerichtet ist. Die Wandungen der beiden Mischkammern können kreiszylindrisch sein und von konzentrischen Rohren ausgebildet sein. Die gedachte Achse der Rohre erstreckt sich quer zur Gaseinlassebene. In den beiden Rohren bilden sich entgegengesetzt ausgerichtete Gasströmungen aus. Bei den Gasquellen kann es sich um Verdampfungsquellen handeln. Diese beinhalten feste oder flüssige Ausgangsstoffe, die durch Hinzufügen von Verdampfungswärme in die Gasform gebracht werden. Mittels eines dosierbaren Trägergases wird dieser verdampfte Ausgangsstoff durch jeweils einen Einlasskanal zur ersten Mischkammer transportiert. Bevorzugt treten die Einzelgasströme aus den Einspeisekanälen mit untereinander gleicher mittlerer Strömungsgeschwindigkeit in die erste Mischkammer ein. Die Strömungsgeschwindigkeit der Einzelgasströme kann mittels Massenflussreglern eingestellt werden. Es ist aber auch vorgesehen, dass die Gasquellen Aerosolverdampfer sind. Auch hier werden flüssige oder feste Ausgangsstoffe durch Hinzufügen von Verdampfungswärme in die Gasform gebracht. Der Massenfluss des Dampfes kann einerseits über die Temperatur von Verdampfungsflächen, andererseits aber auch durch den Trägergasfluss gesteuert werden. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass die Verweilzeiten der einzelnen Gase innerhalb der Gasmischvorrichtung, also im Bereich zwischen Gasquelle und Gaseinlassorgan des CVD-Reaktors im Wesentlichen gleichlang sind. Sie sollen sich um maximal 10 Millisekunden voneinander unterscheiden. Bevorzugt ist die Verweilzeit der Gase innerhalb der Gasmischvorrichtung nicht größer als 100 Millisekunden. In einer alternativen Vorrichtung kann die erste Mischkammer aber auch Strömungshindernisse aufweisen, mit denen eine turbulente Strömung erzeugt wird. Die zweite Mischkammer kann ebenfalls Strömungshindernisse aufweisen. Sie kann aber auch Strömungsleitelemente aufweisen zur Ausbildung einer laminaren Strömung.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand beigefügter Zeichnungen erläutert. Es zeigen:
1 schematisch den Querschnitt eines CVD- oder PVD-Reaktors mit zugehöriger Gasmischvorrichtung,
2 den Schnitt gemäß der Linie II-II in 1,
3 die Ansicht eines zweiten Ausführungsbeispiels einer Gasmischvorrichtung,
4 die Draufsicht auf die Gasmischvorrichtung gemäß 3,
5 eine perspektivische Darstellung eines dritten Ausführungsbeispiels, bei dem die Gasmischvorrichtung von einem U-förmigen Rohr ausgebildet ist,
6 eine Seitenansicht der in 5 dargestellten Mischvorrichtung,
7 eine Draufsicht auf die in 5 dargestellte Mischvorrichtung,
8 eine perspektivische Darstellung eines vierten Ausführungsbeispiels einer Mischvorrichtung,
9 die Draufsicht auf die in 8 dargestellte Gasmischvorrichtung,
10 den Schnitt gemäß der Linie X-X in 9,
11 den Schnitt gemäß der Linie XI-XI in 9,
12 ein fünftes Ausführungsbeispiel einer Gasmischvorrichtung der Draufsicht,
13 eine Seitenansicht der in 12 dargestellten Gasmischvorrichtung,
14 den Schnitt gemäß der Linie XIV-XIV in 13,
15 den Schnitt gemäß der Linie XV-XV in 13,
16 den Schnitt gemäß der Linie XVI-XVI in 13 und
17 den Schnitt gemäß der Linie XVII-XVII in 13.
Die 1 und 2 zeigen ein erstes Ausführungsbeispiel der Erfindung. Ein gasdichtes, in seinem Inneren evakuierbares Reaktorgehäuse 1 beinhaltet ein Gaseinlassorgan 5 mit einem inneren Gasverteilvolumen 7 und einer Gasaustrittsplatte, die eine Vielzahl duschkopfartig angeordneter Gasaustrittsöffnungen 6 aufweist, die in Richtung einer Prozesskammer 2 weisen, auf deren Boden ein zu beschichtendes Substrat 4 liegt. Das Substrat 4 liegt auf einem durch eine Heizung auf eine Prozesstemperatur aufheizbaren oder durch eine Kühleinrichtung auf Prozesstemperatur abkühlbaren Suszeptor 3. Der Suszeptor 3 ist von einem ringförmigen Gasauslassorgan 9 umgeben, welches an eine Vakuumpumpe 10 angeschlossen ist, mit der der Totaldruck innerhalb der Prozesskammer 2 bzw. dem Reaktorgehäuse 1 eingestellt werden kann.
Die Speisung des Gaseinlassorgans 5 mit Prozessgasen erfolgt durch einen Gasaustrittskanal 8, der durch die Decke des Reaktorgehäuses 1 ins Innere führt.
Der Gasaustrittskanal 8 ist mit dem Boden 20 eines Gehäuses einer Gasmischvorrichtung verbunden, die sich unmittelbar oberhalb der oberen Wandung des Reaktorgehäuses 1 befinden kann. Die Gasmischvorrichtung kann fest mit der oberen Wandung des Reaktorgehäuses 1 verbunden sein. Die obere Wandung kann Trägerin der Gasmischvorrichtung sein.
Die Gasmischvorrichtung besitzt ein kreiszylinderförmiges Gehäuse, wobei der Boden 20 und die dem Boden 20 gegenüberliegende Decke 17 jeweils eine Kreisschreibenform besitzen. Das Gehäuse der Gasmischvorrichtung besitzt eine zylinderförmige Außenwandung 18, die von einem ersten Rohr ausgebildet ist. Ein zweites Rohr 19 befindet sich im Inneren und ist mit seinem unteren Ende fest mit dem Boden 20 verbunden. Die Höhlung des inneren Rohres 19 ist mit dem Gasaustrittskanal 8 verbunden. Der obere Rand des inneren Rohres 19 ragt frei in die Höhlung des äußeren Rohres 18 und bildet einen überströmbaren Rand.
Durch den Boden 20 benachbarte, sternförmig angeordnete Einlasskanäle 22 können voneinander verschiedene Prozessgase an voneinander verschiedenen Umfangspositionen in die Gasmischvorrichtung eingespeist werden. Beim Ausführungsbeispiel sind vier in gleichmäßiger Winkelverteilung angeordnete Einlasskanäle 22 vorgesehen, die jeweils mit einer Gasquelle 21 verbunden sind. Bei den Gasquellen 21 handelt es sich um Verdampfer, in denen feste oder flüssige Ausgangsstoffe durch Wärmebeaufschlagung verdampft werden. Der so gebildete Dampf wird mittels eines in einen Einspeisekanal 23 eingespeisten Trägergases durch den Einlasskanal 22 in die Gasmischvorrichtung eingespeist.
Die Gasmischvorrichtung besitzt eine erste Mischkammer 12, die von dem Außenrohr 18 nach außen hin begrenzt und die vom Innenrohr 19 nach innen hin begrenzt wird. In dieser ersten Mischkammer 12 befinden sich eine Vielzahl übereinander angeordnete Gasumlenkelemente 13. Die Gasumlenkelemente 13 sind so angeordnet, dass sie den in die erste Mischkammer 12 aus den Einspeisekanälen 22 eintretenden Einzelgasströmen eine im Wesentlichen schraubengangförmige, bevorzugt laminare Strömung verleihen. Die ersten Gasumlenkelemente 13 sind bezogen auf die Symmetrie der Anordnung der Einlasskanäle 22 symmetrisch angeordnet, so dass die aus den Einlasskanälen 22 austretenden und durch die erste Mischkammer 12 hindurchtretenden Einzelgasströme einen jeweils ähnlichen Strömungsverlauf besitzen. Es handelt sich dabei um wendelgangförmige Stromlinien, entlang derer sich die Gase vom Boden 20 in Richtung der Decke 17 insbesondere durch mehrfaches Umrunden des inneren Rohres 19 nach oben bewegen. Dort überströmt ein aus allen Einzelgasströmen zusammengesetzter Gasstrom die vom Rohrende ausgebildete Überströmungsbarriere 14. Es handelt sich hierbei um einen bereits in der ersten Mischkammer 12 vorgemischten Gasstrom.
Der vorgemischte Gasstrom wird im Bereich der Überströmungsbarriere 14 um 180 Grad umgelenkt und strömt dann von der Decke 17 in Richtung auf den Boden 20 durch eine zweite Mischkammer 15, die vom Innenrohr 19 gebildet ist. In der zweiten Mischkammer 15 befinden sich zweite Gasumlenkelemente 16, die so ausgebildet und so angeordnet sind, dass sie Wirbel erzeugen. Beispielsweise können die Gasumlenkelemente 16 Gasabrisskanten aufweisen, hinter denen sich eine turbulente Strömung entwickeln kann. Die Gasumlenkelemente 16 können Strömungshindernisse sein. Es findet somit in der zweiten Mischkammer 15 eine Verwirbelung des ersten Gasstroms statt. Der so gebildete zweite turbulente Gasstrom, der die Gase sämtlicher Einzelgasströme beinhaltet, tritt aus dem Gasaustrittskanal 8 aus dem Boden 20 der zweiten Mischkammer 15 aus und gelangt in das Gasverteilvolumen 7 des Gaseinlassorgans 5. Das Trägergas wird derart in die Gasquellen 21 bzw. in die Einlasskanäle 22 eingespeist, dass die über den Querschnitt der Mündung der Einlasskanäle 22 in die erste Mischkammer 12 gemittelte Gasgeschwindigkeit dieselbe ist. Aus jedem Einlasskanal 22 strömt somit Gas mit der selben mittleren Strömungsgeschwindigkeit in die Mischkammer 12 ein.
Bei dem in den 3 und 4 dargestellten zweiten Ausführungsbeispiel sind in einer gemeinsamen Gaseinlassebene insgesamt acht Einlasskanäle 22 angeordnet, die sternförmig in Richtung auf das Zentrum der Gasmischvorrichtung zulaufen. Eine radial außen liegende erste Mischkammer 12 besitzt ein Gasumlenkelement 13, mit dem eine sich wendelgangförmig erstreckende erste Mischkammer 12 ausgebildet ist. Das Ende der ersten Mischkammer 12 wird von einer Überströmungskante 14 ausgebildet, an die sich eine zylinderförmige zweite, innere Mischkammer 15 anschließt. In der ersten Mischkammer 12 sind darüber hinaus stufenförmige Hindernisse 13' angeordnet, die ebenfalls eine gasumlenkende, aber auch eine gasverwirbelnde Funktion haben können. Ähnliche gastrombeeinflussende Elemente können auch in der zweiten Mischkammer angeordnet sein.
Die 3 und 4 zeigen Einlasskanäle 22 mit verschiedenen Querschnittsflächen. Durch die Einlasskanäle 22 mit den größeren Querschnittsflächen werden bevorzugt Prozessgase bzw. Trägergase, mit denen ein Prozessgas transportiert wird, hindurchgeleitet. Durch die Einlasskanäle 22' mit einer geringeren Querschnittsfläche werden bevorzugt lediglich Verdünnungsgase, also Trägergase hindurchgeleitet. Die zusätzlichen Einlasskanäle 22', durch die keine Prozessgase eingeleitet werden, können dazu verwendet werden, um in der Mischkammer eine Verwirbelung zu erzeugen. Die durch diese zusätzlichen Einlasskanäle 22' eingespeisten Trägergas- oder Verdünnungsgasströme brauchen hinsichtlich ihrer effektiven Weglängen nicht an die effektiven Weglängen der durch die Einlasskanäle 22 eingespeisten Prozessgase abgestimmt zu werden.
Bei dem in den 5 bis 7 dargestellten dritten Ausführungsbeispiel ist das Gehäuse der Mischvorrichtung U-förmig. In einem ersten U-Schenkel des Gehäuses, das eine rohrförmige erste Mischkammer 12 ausbildet, münden in einer ersten Ebene angeordnete erste Einlasskanäle 22 und in einer zweiten parallel dazu verlaufenden Ebene angeordnete zweite Einlasskanäle 22'. Auch hier münden insgesamt acht jeweils mit einer Quelle verbundene Gaseinlasskanäle 22, 22' in die erste Mischkammer 12, die erste Gasumlenkelemente 13 in Form von der Rohrinnenwandung abragender Vorsprünge aufweist. Es handelt sich dabei um halbkreisförmige Vorsprünge, die mit einer geraden freien Randkante bis in die Mitte des die erste Mischkammer 12 bildenden Rohres ragen.
Der U-Steg des U-förmigen Rohres 12, 15 bildet eine Überströmungsbarriere 14. Dort ragt ebenfalls ein halbkreisförmiges Gasumlenkelement 24 in den freien Querschnitt des U-förmigen Rohres, welches eine freie Randkante hat, die durch die Mitte des Rohres verläuft.
Eine parallel zu dem die erste Mischkammer 12 ausbildender Rohrschenkel, der die zweite Mischkammer 15 ausbildet, besitzt in seinem Inneren ebenfalls Gasumlenkelemente 16. Während die freien Randkanten der Gasumlenkelemente 13 in der ersten Mischkammer im Wesentlichen parallel zueinander verlaufen, verlaufen die freien Randkanten der quer in die Gasströmung ragenden Gasumlenkplatten 16 sich kreuzend.
Im Ausführungsbeispiel sind die Gasumlenkelemente 13, 15, 24 von flach, über eine halbe Umfangslänge mit der Innenwandung des Rohres verbundenen Platten ausgebildet. Die Platten erstrecken sich quer zur Strömungsrichtung.
Die 8 bis 11 zeigen eine viertes Ausführungsbeispiel einer Mischvorrichtung, die acht Einspeisekanäle 22 aufweist, die in einer gemeinsamen Einspeiseebene angeordnet sind. Quer zu der Einspeiseebene erstreckt sich ein zylinderförmiges Gehäuse. Es besitzt einen Außenzylinder 18 und einen Innenzylinder 19. Der Innenzylinder 19 bildet mit einer freien Randkante eine Überströmungsbarriere 14. Die Gaseinlasskanäle 22 münden in der axialen Nähe des Bodens 20 in die vom äußeren Rohr 18 nach außen begrenzte erste Mischkammer 12, die lediglich im oberen Bereich, also benachbart zur Überstromkante 14 Gasumlenkelemente 13 aufweist. Diese Gasumlenkelemente 13 lenken die in Axialrichtung die erste Mischkammer 12 durchströmenden Einzelgasströme auf einen wendelgangförmigen Strömungspfad, auf dem die Einzelgasströme den Raum unterhalb der Decke 17 erreichen, wo sie um 180 Grad über die Überströmungsbarriere 14 tretend umgelenkt werden.
Die innere, zweite Mischkammer 15 besitzt eine Vielzahl von in Strömungsrichtung hintereinander angeordneten Gasumlenkelementen 16. Es handelt sich dabei um gewölbte Flachteile, die eine mehrstufige Gasumlenkung bewirken.
Die Flachteile sind an der Innenwandung des Innenrohres 19 befestigt und führen zu einer Verwirbelung des durch die innere Mischkammer 15 hindurch tretenden Gasstroms, welcher die zweite Mischkammer 15 durch einen Gasaustrittskanal 8 in Achsrichtung der Zylinderanordnung verlässt. Die Gasumlenkelemente 16 sind untereinander gleichgestaltet. Es können Aufsatzteile sein, die sich gegenseitig abstützen, also aufeinander aufgesetzt sind. Sie sind dabei so ausgebildet, dass sie sich an den Innenwänden des Rohres 19 abstützen können. Auch hier sind voneinander verschiedene Einlasskanäle vorgesehen. Durch Einlasskanäle 22 mit einem großen Durchmesser werden Prozessgase bzw. Prozessgase transportierende Trägergase hindurchgeleitet, wohingegen durch die ergänzenden Einlasskanäle 22' mit einem kleinen Querschnitt lediglich ein Trägergas, also ein Verdünnungsgas hindurchgeleitet werden.
Das in den 12 bis 17 dargestellte fünfte Ausführungsbeispiel besitzt insgesamt acht sternförmig in eine Einlassebene angeordnete Einlasskanäle 22. Die Einlasskanäle 22 sind untereinander gleich ausgebildet und besitzen einen stufenweise in Strömungsrichtung sich vergrößernden Innendurchmesser. Die Einlasskanäle 22 sind darüber hinaus noch über Querkanäle 25 jeweils mit dem benachbarten Einlasskanal 22 verbunden.
Auch hier bilden zwei koaxial zueinander angeordnete Rohre 18, 19 eine äußere erste Mischkammer 12 und eine innere zweite Mischkammer 15, wobei die äußere, erste Mischkammer 12 unten durch die Einlasskanäle 22 mit den zu vermischenden Gasen gespeist wird. In der ersten Mischkammer 12 sind erste Gasumlenkelemente 13 vorgesehen, die den Gasstrom in Umfangsrichtung umlenken. Der Gasstrom kann durch die Umlenkelemente 13 mehrfach in verschiedenen Umfangsrichtungen umgelenkt werden, so dass er in einem ersten Höhenabschnitt der ersten Mischkammer 12 beispielsweise im Uhrzeigersinn durch die erste Mischkammer 12 strömt und in einem sich daran anschließenden Höhenabschnitt im Gegenuhrzeigersinn durch die erste Mischkammer 12 hindurchströmt. Der Strömungsbewegung im Uhrzeigersinn bzw. im Gegenuhrzeigersinn ist eine Strömungskomponente in Achsrichtung der Zylinderrohre überlagert, so dass die sich innerhalb der ersten Mischkammer 12 vormischenden, aus den Einlasskanälen 22 austretenden Einzelgasströme den oberen Abschnitt der ersten Mischkammer 12 erreichen, wo sie um 180 Grad über zwei sich gegenüberliegende Überströmungsbarrieren 14 in die zentrale zweite Mischkammer 15 strömen.
In der zentralen zweiten Mischkammer 15 befinden sich wieder aus Flachmaterialien, die eine gewölbte Struktur aufweisen können, gebildete zweite Gasumlenkelemente 16, die zu einer Verwirbelung des die zweite Mischkammer 15 durchströmenden Gases führen.
Bei allen zuvor beschriebenen Ausführungsbeispielen sind die Gasumlenkelemente 13, 16 so gestaltet und so angeordnet, dass auch unter Berücksichtigung der Länge der Einlasskanäle 22 jeder Einzelgasstrom von seiner Quelle 21 bis zum Gaseinlassorgan 5 im Wesentlichen dieselbe effektive Weglänge durchströmt.
In die Einspeisekanäle 23 der Gasquellen 21 wird jeweils ein Trägergasfluss eingespeist. Dabei ist der Trägergasfluss so bemessen, dass die Gase innerhalb der Mischanordnung also auf ihrem Weg von der Gasquelle 21 zum Gaseinlassorgan 5 dieselbe Verweilzeit besitzen. Die einzelnen Verweilzeiten sollen sich nicht mehr als 10 Millisekunden unterscheiden, wobei die gesamte Verweilzeit bevorzugt maximal 100 Millisekunden beträgt. Die Gasströmungen durch die Einlasskanäle 22 werden bevorzugt innerhalb der Toleranzen so eingestellt, dass die Gase mit einer selben mittleren Strömungsgeschwindigkeit in die Mischkammer eintreten und die Mischkammern bzw. die gesamte Gasmischvorrichtung in der selben Zeit durchströmen. Optimal ist es, wenn sich die Verweilzeiten um weniger als 10 Millisekunden unterscheiden, beispielsweise maximal nur um 2 oder um 5 Millisekunden.
Die Gasmischung kann bei Atmosphärendruck stattfinden. Bevorzugt erfolgt die Gasmischung aber in einem Druckbereich zwischen 1 mbar und 500 mbar. Der Druckunterschied zwischen Quelle 21 und Gaseinlassorgan 5 ist kleiner als 1 mbar, bevorzugt kleiner als 0,2 mbar. Der Durchmesser und die Höhe der Gasmischvorrichtung liegt im Bereich zwischen 200 und 700 mm.
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 Gasversorgungseinrichtung, die dadurch gekennzeichnet ist, dass die effektiven Weglängen der Einzelgasströme von den Gasquellen 21 zum Gaseinlassorgan 5 untereinander gleichlang sind.
Eine Gasversorgungseinrichtung, die dadurch gekennzeichnet ist, dass die Einlasskanäle 22 in einer Einlassebene angeordnet sind und insbesondere auf ein gemeinsames Zentrum gerichtet sind, und/oder, dass sich der Gasaustrittskanal 8 in einer Richtung quer zur Einlassebene erstreckt und/oder, dass die Gasströmung durch die Überströmungsbarriere 14 eine 180°-Umlenkung erfährt.
Eine Gasversorgungseinrichtung, die dadurch gekennzeichnet ist, dass die erste Mischkammer 12 eine Vormischkammer ist mit bevorzugt eine laminare Richtungsänderung des jeweiligen Einzelgasstroms erzeugenden ersten Gasumlenkelementen 13 und/oder dass die zweite Mischkammer 15 eine Verwirbelungskammer ist, mit zweiten Gasumlenkelementen 16 zur Erzeugung eines zweiten turbulenten Gasstroms in der zweiten Mischkammer 15.
Eine Gasversorgungseinrichtung, die dadurch gekennzeichnet ist, dass die ersten oder zweiten Gasumlenkelemente 12, 13 mehrstufig in Strömungsrichtung hintereinander angeordnet sind.
Eine Gasversorgungseinrichtung, die dadurch gekennzeichnet ist, dass die erste und zweite Mischkammer 12, 15 von konzentrischen Rohren 18, 19 ausgebildet sind, die in Gegenrichtung durchströmt werden.
Eine Gasversorgungseinrichtung, die dadurch gekennzeichnet ist, dass die Durchmesser der ersten oder zweiten Mischkammer 12, 15 kleiner ist als die axiale Höhe der ersten oder zweiten Mischkammer 12, 15.
Eine Gasversorgungseinrichtung, die dadurch gekennzeichnet ist, dass eine aus den beiden Mischkammern 12, 15 und den Gasquellen 21 bestehende Gasversorgungseinrichtung vertikal oberhalb einer Prozesskammer 2, insbesondere unmittelbar auf einer oberen Wandung des Reaktorgehäuses 1 angeordnet ist.
Ein Verfahren, das dadurch gekennzeichnet ist, dass sich die effektiven Verweilzeiten der Gase auf dem Weg zwischen Gasquelle 21 und Gaseinlassorgan (5) maximal um zehn Millisekunden unterscheiden.
Ein Verfahren, das dadurch gekennzeichnet ist, dass die Verweilzeit der Gase auf dem Weg zwischen Gasquelle 21 und Gaseinlassorgan 5 kleiner als einhundert Millisekunden ist.
Ein Verfahren, das dadurch gekennzeichnet ist, dass die in der ersten Mischkammer 12 angeordneten ersten Gasumlenkelemente 13 die Einzelgasströme insbesondere laminar umleiten und/oder dass die in der zweiten Mischkammer 15 angeordneten zweiten Gasumlenkelemente 16 einen insbesondere turbulenten zweiten Gasstrom erzeugen.
Ein Verfahren, das dadurch gekennzeichnet ist, dass die Gasströmungen in den Einlasskanälen 22 derart eingestellt sind, dass die Einzelgasströme den jeweiligen Einlasskanal 22 mit der selben mittleren Gasgeschwindigkeit verlassen.
Alle offenbarten Merkmale sind (für sich, aber auch in Kombination untereinander) erfindungswesentlich. In die Offenbarung der Anmeldung wird hiermit auch der Offenbarungsinhalt 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 Basis dieser Ansprüche Teilanmeldungen vorzunehmen.
Bezugszeichenliste

1: Reaktorgehäuse
2: Prozesskammer
3: Suszeptor
4: Substrat
5: Gaseinlassorgan
6: Gasaustrittsöffnung
7: Gasverteilvolumen
8: Gasaustrittskanal
9: Gasauslassorgan
10: Vakuumpumpe
11: Gasmischvorrichtung
12: erste Mischkammer
13: erstes Gasumlenkelement
13': Hindernis
14: Überströmungsbarriere
15: Zweite Mischkammer
16: zweites Gasumlenkelement
17: Decke
18: Zylindermantelwand
19: Rohr
20: Boden
21: Gasquelle
22: Einlasskanal
22': Einlasskanal
23: Einspeisekanal
24: Gasumlenkelement
25: Querkanal

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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.
Zitierte Patentliteratur

US 2009/0120364 A1 [0003]
US 7540305 B2 [0005]
DE 102005003984 A1 [0006]
US 2003/0019428 A1 [0006]
DE 102013113817 [0007]
EP 1252363 B1 [0008]

Claims

Gasversorgungseinrichtung mit Einlasskanälen (22) zum Einspeisen von jeweils von einer Gasquelle (21) bereitgestellten Einzelgasströmen in eine erste Mischkammer (12), wobei in der ersten Mischkammer (12) insbesondere mittels ein oder mehrerer erster Gasumlenkelemente (13) eine ein- oder mehrfache Umlenkung der Einzelgasströme und Zusammenmischen der Einzelgasströme stattfindet, mit einer Überströmungsbarriere (14), über die ein aus der ersten Mischkammer (12) austretender, aus allen Einzelgasströmen bestehender erster Gasstrom in eine zweite Mischkammer (15) strömt, in welcher insbesondere mittels zweiter Gasumlenkelemente (16) eine ein- oder mehrfache Umlenkung des ersten Gasstroms stattfindet, und mit einem Gasaustrittskanal (8) zum Austritt des Gasstroms aus der zweiten Mischkammer (15) in ein Gaseinlassorgan (5) einer CVD- oder PVD-Beschichtungseinrichtung (1), dadurch gekennzeichnet, dass die effektiven Weglängen der Einzelgasströme von den Gasquellen (21) zum Gaseinlassorgan (5) untereinander gleichlang sind.
Gasversorgungseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Einlasskanäle (22) in einer Einlassebene angeordnet sind und insbesondere auf ein gemeinsames Zentrum gerichtet sind, und/oder, dass sich der Gasaustrittskanal (8) in einer Richtung quer zur Einlassebene erstreckt und/oder, dass die Gasströmung durch die Überströmungsbarriere (14) eine 180°-Umlenkung erfährt.
Gasversorgungseinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Mischkammer (12) eine Vormischkammer ist mit bevorzugt eine laminare Richtungsänderung des jeweiligen Einzelgasstroms erzeugenden ersten Gasumlenkelementen (13) und/oder dass die zweite Mischkammer (15) eine Verwirbelungskammer ist, mit zweiten Gasumlenkelementen (16) zur Erzeugung eines zweiten turbulenten Gasstroms in der zweiten Mischkammer (15).
Gasversorgungseinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die ersten oder zweiten Gasumlenkelemente (12, 13) mehrstufig in Strömungsrichtung hintereinander angeordnet sind.
Gasversorgungseinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste und zweite Mischkammer (12, 15) von konzentrischen Rohren (18, 19) ausgebildet sind, die in Gegenrichtung durchströmt werden.
Gasversorgungseinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Durchmesser der ersten oder zweiten Mischkammer (12, 15) kleiner ist als die axiale Höhe der ersten oder zweiten Mischkammer (12, 15).
Gasversorgungseinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine aus den beiden Mischkammern (12, 15) und den Gasquellen (21) bestehende Gasversorgungseinrichtung vertikal oberhalb einer Prozesskammer (2), insbesondere unmittelbar auf einer oberen Wandung des Reaktorgehäuses (1) angeordnet ist.
Verfahren zum Versorgen eines Gaseinlassorgans (9) einer CVD- oder PVD-Beschichtungseinrichtung mit Prozessgasen, bestehend aus folgenden Schritten: – Bereitstellen von einer Mehrzahl von Prozessgasen in jeweils einer Gasquelle (21); – Fördern jedes der Prozessgase als Einzelgasstrom getrennt von anderen Einzelgasströmen von der jeweiligen Gasquelle (21) jeweils durch einen Einlasskanal (22) in eine erste Mischkammer (12); – Umlenken der Einzelgasströme und Zusammenmischen der Einzelgasströme insbesondere mittels erster Gasumlenkelemente (13) in der ersten Mischkammer (12), – Überströmen eines aus allen Einzelgasen bestehenden ersten Gasstroms über eine Überströmungsbarriere (14) in eine zweite Mischkammer (15); – Umlenken des Gasstroms insbesondere mittels zweiter Gasumlenkelemente (16); – Ausleiten eines aus allen Einzelgasströmen bestehenden Gasstrom aus einem Gasaustrittskanal (8) in das Gaseinlassorgan (5) dadurch gekennzeichnet, dass sich die effektiven Verweilzeiten der Gase auf dem Weg zwischen Gasquelle (21) und Gaseinlassorgan (5) maximal um zehn Millisekunden unterscheiden.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Verweilzeit der Gase auf dem Weg zwischen Gasquelle (21) und Gaseinlassorgan (5) kleiner als einhundert Millisekunden ist.
Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass die in der ersten Mischkammer (12) angeordneten ersten Gasumlenkelemente (13) die Einzelgasströme insbesondere laminar umleiten und/oder dass die in der zweiten Mischkammer (15) angeordneten zweiten Gasumlenkelemente (16) einen insbesondere turbulenten zweiten Gasstrom erzeugen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Gasströmungen in den Einlasskanälen (22) derart eingestellt sind, dass die Einzelgasströme den jeweiligen Einlasskanal (22) mit der selben mittleren Gasgeschwindigkeit verlassen.
Vorrichtung oder Verfahren, gekennzeichnet durch eines oder mehrere der kennzeichnenden Merkmale eines der vorhergehenden Ansprüche.