DE102017124456A1

DE102017124456A1 - Beheizbarer Gasinjektor

Info

Publication number: DE102017124456A1
Application number: DE102017124456.5A
Authority: DE
Inventors: Lotta Gaab; Thomas Piela; Christoph Sternkiker; Wolfgang Stang; Jürgen Weber; Christian Pels; Larisa von Riewel
Original assignee: Heraeus Noblelight GmbH
Current assignee: Heraeus Noblelight GmbH
Priority date: 2017-10-19
Filing date: 2017-10-19
Publication date: 2019-04-25
Also published as: WO2019076609A1

Abstract

Bekannte Gasinjektoren haben ein Gasverteilelement, das eine Wandung aufweist, durch die sich eine Vielzahl von Öffnungen für die Zufuhr von Prozessgas erstreckt. Um hiervon ausgehend einen konstruktiv einfachen heizbaren Gasinjektor bereitzustellen, der ein homogenes Erwärmen des Substrats gewährleistet, wird vorgeschlagen, dass die Gasverteilelement-Wandung eine Oberfläche aus einem dielektrischen, schwarzen und bei Erwärmung Infrarotstrahlung emittierenden Heizwerkstoff aufweist, und dass auf der Wandung eine Heizleiterbahn aus einem elektrisch leitenden Widerstandsmaterial aufgebracht ist.

Description

Technischer Hintergrund
Die Erfindung betrifft einen beheizbaren Gasinjektor, mit einem Gasverteilelement, das eine Wandung aufweist, durch die sich eine Vielzahl von Öffnungen für die Zufuhr und/oder Ableitung von Prozessgas erstreckt.
Derartige Gasinjektoren werden beispielsweise in Reaktoren für CVD-Abscheideprozesse und Trockenätzprozesse zur Herstellung elektronischer Bauteile bei der Halbleiterfertigung oder bei der Herstellung von Flüssigkristall-Displays (LCDs) eingesetzt. Dabei werden Schichten und schichtförmige Muster und Strukturen auf Substraten durch Abtragen von Material oder durch Abscheidung aus der Gasphase erzeugt. CVD-Abscheideprozesse werden außerdem zur Erzeugung von Oberflächenschichten mit spezifischen mechanisch-tribologischen (verschleißfest, reibungsmindernd, hart, gasundurchlässig), optischen (reflektierend, antireflektierend) oder chemischen Eigenschaften (wasserabweisend) eingesetzt. Die Prozessierung jedes Substrats erfordert mindestens einen Verfahrensschritt, in der Regel aber mehrere Verfahrensschritte, bei denen in einer Reaktorkammer Prozessgase auf die Substrat-Oberfläche einwirken.
Zur Trocknung beziehungsweise zur Vernetzung von Lacken oder lackartigen Beschichtungen oder Druckerzeugnissen sowie zur Auflaminierung von Kunststofffolien auf verschiedenartigen Trägermaterialien werden Strahlungstrockner und Trocknungsanlagen eingesetzt, bei denen erwärmtes Prozessgas auf das zu behandelnde Gut aufgebracht und in der Regel auch wieder von dort entfernt wird.
Stand der Technik
In Reaktoren für CVD-Abscheideprozesse und Trockenätzprozesse mit und ohne Plasmaunterstützung werden Prozessgase der Reaktorkammer häufig durch einen oder mehrere Gasinjektoren zugeführt, die beispielsweise mit rohrförmigen oder plattenförmigen Gasverteilelementen ausgestattet sind. Rohrförmige Gasinjektoren werden häufig in sogenannten „Batch-Prozessen“ eingesetzt. Dabei verläuft das rohrförmige Gasverteilelement entlang eines vertikalen Substratstapels (beispielsweise eines Waferstapels), wobei es in Höhe jedes Substrats mindestens eine Gasauslassöffnung aufweist. Plattenförmige Gasinjektoren werden ebenfalls in Batch-Prozessen aber auch bei sogenannten „Single-Wafer-Prozessen“ eingesetzt. Das Gasverteilelement ist hierbei in Form einer ebenen Gasverteilerplatte (showerhead) ausgebildet, die parallel zur bearbeitenden Wafer-Oberfläche angeordnet ist und die mit einer Vielzahl von auf die Wafer-Oberfläche gerichteten Gasdüsen versehen ist.
Ein Reaktor für die Batch-Prozessierung von Wafern mit einem Gasinjektor mit rohrförmigem Gasverteilelement ist beispielsweise in der US 9,017,763 B2 beschrieben. Das Gasverteilelement weist eine Lochstruktur auf, bei der jeweils dem Zwischenraum benachbarter Wafer des Waferstapels ein Loch oder mehrere Löcher zugeordnet sind. Das Zentrum jeder Lochstruktur ist dabei über der Wafer-oberfläche in einer Höhe angeordnet, die oberhalb des halben Wafer-Wafer-Abstands liegt.
Aus der EP 0 844 314 B1 ist ein Gasinjektor für den Single-Wafer-Prozess mit einer im Querschnitt kreisförmigen Gasverteilerplatte bekannt. Die Gasverteilerplatte ist mit einer Vielzahl von Gasdüsen perforiert, die entlang konzentrischer Kreise verlaufen. Durch mechanische Abtrennungen sind die Gasdüsen in mehrere koaxiale Gasverteilungszonen aufgeteilt. Jede der Gasverteilungszonen ist mit einer eigenen Gasversorgungsleitung und einem Massenstromregler ausgestattet, so dass die in die Reaktorkammer ausströmenden Gasmengen und die Strömungsgeschwindigkeiten unabhängig voneinander einstellbar sind.
Die US 2010/0300359 A1 beschreibt einen Gasinjektor mit kreisförmiger Gasverteilerplatte für die Batch-Prozessierung mehrerer Wafer. Der Gasinjektor setzt sich zusammen aus einer Frontplatte, einer Zwischenplatte und einer Rückplatte, die gasdicht miteinander verlötet sind. Die Frontplatte ist perforiert und bildet das eigentliche Gasverteilelement. Die Zwischenplatte ist so strukturiert, dass sie Gaskammern und Kühlkanäle ausbildet. Die Rückplatte deckt die Gaskammern und Kühlkanäle gasdicht ab und ist mit mehreren Anschlussstutzen für die Zufuhr von Prozessmedien verbunden.
Grundsätzlich stellt sich das Problem, die Behandlung des Substrats in jedem Verfahrensschritt so gleichmäßig und reproduzierbar wie möglich zu gestalten. Die ablaufenden Prozesse sind maßgeblich durch Temperatur und Massetransportvorgänge bestimmt, so dass Temperatur-Homogenität und Verteilung der Prozessgase Gegenstand ständiger Weiterentwicklung sind. Insbesondere die am Substrat herrschende Temperatur hat entscheidenden Einfluss auf die Eigenschaften des abgeschiedenen Films. Um Änderungen der Temperatur im Verlauf des Abscheideprozesses entgegenzuwirken oder um eine vorgegebene Prozesstemperatur gezielt einstellen zu können, ist die Reaktorammer in der Regel mit Temperierelementen ausgestattet.
Bei der oben genannten US 2010/0300359 A1 sind dies beispielsweise die erwähnten Kühlkanäle im Gasinjektor selbst sowie ein induktiv beheizbares Heizelement, das innerhalb der Reaktorkammer unterhalb eines rotierbaren Substrathalters angeordnet ist. Diese Art der Beheizung ergibt aber keine ausreichend homogene Temperaturverteilung, insbesondere bei großflächigen Substraten. So müssen beispielsweise bei der Display-Herstellung Glassubstrate mit seitlichen Abmessungen bis zu 165 cm (65 Zoll) homogen beschichtet werden.
Eine Verbesserung in dieser Hinsicht ergibt sich durch einen beheizbaren Gasinjektor gemäß der eingangs genannten Gattung, wie er aus der US 2016/0056032 A1 bekannt ist. Bei dem darin beschriebenen Reaktor für einen ALD-Abscheideprozess (Atomic Layer Deposition) sind im Gasinjektor selbst Heiz- beziehungsweise Kühlelemente angebracht. Der Gasinjektor setzt sich zusammen aus einem Stutzen für die Prozessmedienzufuhr, einer Rückplatte und einer mit Gasdüsen versehenen perforierten Frontplatte. Das Heizelement ist ein in die Rückplatte eingelöteter Widerstandsheizer. Die Frontplatte bildet das eigentliche Gasverteilelement; sie besteht aus Aluminium oder aus einem anderen temperatur- und plasmaresistenten Metall.
Trocknungsvorrichtungen zum Trocknen des bedruckten Bedruckstoffs dienen somit Entfernen von Lösungsmittel und/oder zum Auslösen von Vernetzungsreaktionen. Die DE 10 2010 046 756 A1 beschreibt einen Selektivtrockner für Druckmaschinen zum Bedrucken von Bogen- oder Rollenmaterial. Der Selektivtrockner besteht aus mehreren quer zur Transportrichtung angeordneten Trocknermodulen, von denen jedes einen auf den zu trocknenden Bedruckstoff ausgerichteten Infrarotstrahler aufweist, dessen Längsachse senkrecht zur Transportrichtung des Bedruckstoffs verläuft. Mittels eines regelbaren Lüftungssystems wird eine Luftströmung erzeugt, die auf den Infrarotstrahler und auf den Bedruckstoff einwirkt. Die Zuluft wird mittels einer separaten Heizeinrichtung erwärmt und über beidseitig zum Infrarotstrahler angeordnete Gasaustrittsdüsen in Form von Schlitzdüsen dem Bedruckstoff zugeführt. Die in Transportrichtung für den Bedruckstoff vordere Schlitzdüse verläuft schräg zur Bedruckstoffebene mit einer Orientierung entgegen der Transportrichtung, und die in Transportrichtung hintere Schlitzdüse verläuft ebenfalls schräg zur Bedruckstoffebene mit einer Orientierung in Transportrichtung. Der Grad der Schrägstellung der Schlitzdüsen ist motorisch veränderbar. Mittels eines zentral oberhalb des Infrarotstrahlers angeordneten Ventilators wird der Infrarotstrahler gekühlt und die Abwärme der erwärmten Zuluft hinzugefügt. Die Abluft wird über einen Ansaugkanal und einen Wärmetauscher abgeführt.
Technische Aufgabe
Bei dem aus der US 2016/0056032 A1 bekannten beheizbaren Gasverteilelement heizt das stromdurchflossene Widerstandsheizelement die Rückplatte und die gelochte Frontplatte auf, und diese Bauteile geben ihre Wärme durch Wärmeleitung an das durchströmende Prozessgas weiter. Das aus dem Gasverteilelement ausströmende erwärmte Prozessgas wirkt auf das Substrat in der Reaktorkammer ein und temperiert es gleichzeitig.
Bei dem aus der DE 10 2010 046 756 A1 bekannten Trocknermodul erfolgt das Erwärmen des Bedruckstoffs aufgrund eines mittig zu den Schlitzdüsen angeordneten Infrarotstrahlers. Das mittels der Heizeinrichtung erwärmte Prozessgas tritt über Schlitzdüsen in Richtung auf den Bedruckstoff aus und wirkt dabei auf den zu trocknenden Bedruckstoff lokal ein; Schlitzdüsen sind konstruktiv relativ aufwändig.
Die Erfindung zielt darauf ab, einen konstruktiv einfachen heizbaren Gasinjektor bereitzustellen, der ein homogenes Erwärmen des Substrats gewährleistet.
Allgemeine Beschreibung der Erfindung
Diese Aufgabe wird ausgehend von einem Gasinjektor der eingangs genannten Gattung erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die Gasverteilelement-Wandung eine Oberfläche aus einem dielektrischen, schwarzen und bei Erwärmung Infrarotstrahlung emittierenden Heizwerkstoff aufweist, und dass auf der Wandung eine Heizleiterbahn aus einem elektrisch leitenden Widerstandsmaterial aufgebracht ist.
Der erfindungsgemäße Gasinjektor kann aus mehreren Bauteilen zusammengesetzt sein, wovon eines das Gasverteilelement ist. Im einfachsten Fall besteht der erfindungsgemäße Gasinjektor nur aus dem Gasverteilelement.
Das Gasverteilelement besteht mindestens teilweise aus dem dielektrischen, schwarzen Heizwerkstoff. Dieser ist elektrisch nicht leitend und daher nicht ohne weiteres durch direkten Stromdurchfluss, jedoch durch Wärmeleitung über die Leiterbahn des Heizleiters erwärmbar. Die Heizleiterbahn dient zur Erwärmung des Heizwerkstoffs, der infolge der Erwärmung Infrarotstrahlung in Richtung auf das zu bearbeitende Substrat emittiert. Die dem Substrat zugewandte und Infrarotstrahlung emittierende Oberfläche aus dem schwarzen Heizwerkstoff dient der Beheizung des Substrats und wird im Folgenden auch als „Heizfläche“ oder „Abstrahlfläche“ bezeichnet.
Die Öffnungen in der Wandung des Gasverteilelements sind vergleichsweise einfach herstellbar; beispielsweise durch die üblichen thermischen, mechanischen und/oder chemische Abtragstechniken; im einfachsten Fall werden die Öffnungen durch Laserbohren oder mechanisches Bohren erzeugt. Sie dienen zur Abgabe des erwärmten Prozessgases in Richtung auf das Substrat. Die Anzahl, Form, Größe, Verteilung und Richtung können je nach Anwendung so gewählt werden, dass sich eine möglichst homogene oder einem gewünschten Strömungsmuster entsprechende Verteilung auf dem Substrat ergibt.
Beim erfindungsgemäßen Gasinjektor bewirkt das Gasverteilelement daher nicht nur eine homogene oder gezielte Verteilung des Prozessgases im Reaktorraum, sondern gleichzeitig dient es auch als Infrarotstrahlung emittierendes Heizelement zur Beheizung des Substrats. Das zu bearbeitende Substrat wird im Reaktorraum somit nicht nur durch Wärmeleitung und Konvektion aufgrund des Prozessgases erwärmt, sondern auch aufgrund der vom Gasverteilelement emittierten Wärmestrahlung. Die zusätzliche Wärmestrahlung kann zu einer höheren Homogenität des Temperaturverlaufs auf dem Substrat beitragen, insbesondere wenn die Abstrahlfläche größer ist als die zu bearbeitende Substratfläche.
Das Gasverteilelement kann aus mehreren Werkstoffen ausgebildet sein, es ist aber bevorzugt vollständig aus dem dielektrischen, schwarzen Heizwerkstoff gefertigt. Wesentlich ist, dass der mit der Heizleiterbahn belegte Oberflächenbereich - im Folgenden auch als „Kontaktierungsfläche“ bezeichnet - aus elektrisch isolierendem Werkstoff besteht, um Überschläge und Kurzschlüsse zwischen benachbarten Leiterbahn-Abschnitten zuverlässig zu verhindern.
Die dem Substrat zugewandte und Infrarotstrahlung emittierende Heizfläche und die mit Heizleiterbahn belegte Kontaktierungsfläche stimmen vorzugsweise nicht überein, sondern sie liegen sich im einfachsten Fall an der Gasverteilelement-Wandung gegenüber.
Die Heizfläche kann eine Struktur und eine von der Planheit abweichende flächige geometrische Form aufweisen; beispielsweise kann sie die innere oder äußere Zylindermantelfläche eines rohrförmigen Gasverteilelements bilden. Eine ebene und plane Heizfläche wird aber bevorzugt, denn sie hat den Vorteil, dass sie ein gleichermaßen ebenes Strahlungsfeld erzeugt, so dass sich auch bei einem kurzen Abstand zum Substrat ein ebenes Temperaturprofil auf der Substrat-Oberfläche ergibt.
Das Widerstandsmaterial der Heizleiterbahn ist bevorzugt bis mindestens 1000 °C temperaturbeständig, im Idealfall auch in oxidativer Umgebung. Vorteilhafterweise verändert sich seine elektrische Leitfähigkeit mit der Temperatur nicht wesentlich oder die Widerstandsänderung ist bekannt. Diese Bedingungen werden insbesondere erfüllt:

(1) Von edelmetallhaltigem Widerstandsmaterial. Das in dieser Hinsicht bevorzugte Widerstandsmaterial besteht zu mindestens 50 Atom-%, vorzugsweise zu mindestens 95 At.-% aus Elementen der Platingruppe. Die Platingruppe umfasst die folgenden Edelmetalle: Ru, Rh, Pd, Os, Ir, Pt. Diese liegen in reiner Form oder als Legierung untereinander oder mit einem oder mehreren anderen Metallen vor, insbesondere mit Au, Ag.
(2) Von Widerstandsmaterial aus hochtemperaturfestem Stahl, Tantal, einer ferritischen FeCrAl-Legierung, einer austenitischen CrFeNi-Legierung, Siliziumcarbid, Molybdändisilicid oder einer Molybdän-Basislegierung. Dieses Werkstoffe, insbesondere Siliziumcarbid (SiC), Molybdändisilicid (MoSi₂), Tantal (Ta), hochwarmfester Stahl oder eine ferritische FeCrAl-Legierung wie Kanthal^® (Kanthal^® ist eine eingetragene Marke der SANDVIK INTELLECTUAL PROPERTY AB, 811 81 Sandviken, SE) sind an Luft oxidationsbeständig und kostengünstiger als Platingruppenmetalle.

Die Heizleiterbahn wird bevorzugt als Dickfilmschicht beispielsweise aus Widerstandspaste mittels Siebdruck oder aus metallhaltiger Tinte mittels Tintenstrahldruck erzeugt und anschließend bei hoher Temperatur eingebrannt. Die Leiterbahn verläuft auf der Kontaktierungsfläche beispielsweise in einem spiral- oder mäanderförmigen Linienmuster.
Das Absorptionsvermögen des schwarzen Heizwerkstoffs ermöglicht auch bei vergleichsweise geringer Leiterbahn-Belegungsdichte der Kontaktierungsfläche eine homogene Abstrahlung. Eine geringe Belegungsdichte ist dadurch gekennzeichnet, dass der minimale Abstand zwischen benachbarten Leiterbahn-Abschnitten 1 mm oder mehr, bevorzugt 2 mm oder mehr beträgt. Ein großer Abstand zwischen den Leiterbahnabschnitten vermeidet Überschläge, die insbesondere beim Betrieb mit hohen Spannungen unter Vakuum auftreten können.
Die Heizleiterbahn kann mindestens teilweise, vorzugsweise vollständig, mit einer Schicht aus einem elektrisch isolierenden und/oder optisch streuenden Werkstoff bedeckt sein. Diese Schicht kann als Reflektor und/oder zum mechanischen Schutz und zur Stabilisierung der Heizleiterbahn dienen und sie vermindert die Gefahr von elektrischen Überschlägen zwischen benachbarten Heizleiterbahn-Abschnitten. Der elektrisch isolierende und/oder optisch streuende Werkstoff ist bevorzugt opakes Quarzglas.
Die Heizleiterbahn ist mit einer elektrischen Kontaktierung verbunden, über das sie mit einem Stromkreis verbindbar ist. Vorzugsweise ist die elektrische Kontaktierung lösbar mit einem Stromkreis verbindbar, beispielsweise über eine Steck-, Schraub- oder Klemmverbindung.
Insbesondere im Hinblick auf eine potentiell korrosive Wirkung von Prozessgasen ist es vorteilhaft, wenn die Heizleiterbahn in einem vom Prozessgas abgedichteten Bereich der Gasverteilelement-Wandung aufgebracht ist.
In dem Fall ist die Wandung des Gasverteilelements beispielsweise aus mindestens zwei Lagen aufgebaut, wobei die Kontaktierungsfläche zwischen den Lagen verläuft und von den Öffnungen für die Prozessgaszufuhr abgedichtet ist. Die Kontaktierungsfläche kann beispielsweise in einem mittels Dichtelementen abgeschlossenen Raum verlaufen. Eine besonders effektive Abdichtung der Kontaktierungsfläche wird aber erreicht, indem die Heizleiterbahn vollständig aber mindestens in dem Bereich mit Kontakt zum Prozessgas von einer Glasurschicht bedeckt ist. Die Glasurschicht bildet in dem Fall eine Lage des Gasverteilelements.
Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Gasinjektors ist das Heizmaterial ein Kompositwerkstoff, der eine amorphe Matrixkomponente sowie eine Zusatzkomponente in Form eines Halbleitermaterials umfasst.
Der amorphe Werkstoff, wie etwa Quarzglas, kann einfach an die für den Anwendungsfall geeignete geometrische Gestalt gebracht werden, also beispielsweise in Form einer ebenen, einer gebogenen oder einer gewellten Platte oder in Form eines Rohres mit rundem, ovalem, rechteckigem oder polygonalem Querschnitt. Die darin eingelagerte Zusatzkomponente bildet eine eigene amorphe oder kristalline Phase aus Halbleitermaterial, wie etwa aus Silizium. Der Energieunterschied zwischen Valenzband und Leitungsband (Bandlückenenergie) nimmt mit zunehmender Temperatur ab. Andererseits können bei ausreichend hoher Aktivierungsenergie Elektronen vom Valenzband in das Leitungsband gehoben werden, was mit einem deutlichen Anstieg des Absorptionskoeffizienten einhergeht. Die thermisch aktivierte Besetzung des Leitungsbandes führt dazu, dass das Halbleitermaterial bei Raumtemperatur für bestimmte Wellenlängen (wie etwa ab 1000 nm) in gewissem Umfang transparent sein kann und bei hohen Temperaturen undurchsichtig wird. Mit steigender Temperatur des Heizwerkstoffs können daher Absorption und Emissionsgrad sprungartig zunehmen. Dieser Effekt hängt unter anderem von der Dotierung des Halbleiters ab. Reines Silizium zeigt beispielsweise ab etwa 600 °C eine merkliche Emissionszunahme, die etwa ab etwa 1000 °C eine Sättigung erreicht.
Sofern das Halbleitermaterial hinreichend erwärmt wird, kann es daher einen energiereichen, angeregten Zustand einnehmen, in dem er Infrarotstrahlung mit hoher Leistungsdichte emittiert. In diesem Zustand bestimmt die halbleitende Zusatzkomponente maßgeblich die optischen und thermischen Eigenschaften des Heizelements; genauer gesagt, sie bewirkt eine Absorption im infraroten Spektralbereich (das heißt, im Wellenlängenbereich zwischen 780 nm und 1000 µm).
Das Gasverteilelement gemäß der Erfindung ist daher vorzugsweise für eine Heiztemperatur von mindestens 600 °C ausgelegt.
Die Heiztemperatur ist die Oberflächentemperatur des Gasverteilelements. Mit einem solchen Gasverteilelement sind Leistungsdichten oberhalb von 100 kW/m², vorzugsweise Leistungsdichten im Bereich von 100 kW/m² bis 200 kW/m², erzielbar. Die Flächenleistung ist dabei definiert als die elektrische Anschlussleistung der Heizleiterbahn bezogen auf die von der Heizleiterbahn belegte Kontaktierungsfläche.
Ein solcher Heizwerkstoff zeigt somit eine Anregungstemperatur, die mindestens erreicht werden muss, um die thermische Anregung des Werkstoffs und damit eine hohe Strahlungsemission zu erhalten. Die Zusatzkomponente führt dann dazu, dass der Heizwerkstoff Infrarotstrahlung emittiert. Der spektrale Emissionsgrad ελ lässt sich bei bekannten gerichtet-hemisphärischen spektralen Reflexionsgrad Rgh und Transmissionsgrad Tgh wie folgt berechnen: $ελ = 1 - Rgh - Tgh$
Unter dem „spektralen Emissionsgrad“ wird der „spektrale normale Emissionsgrad“ verstanden. Dieser wird anhand eines Messprinzips ermittelt, das unter der Bezeichnung „Black-Body Boundary Conditions“ (BBC) bekannt ist und veröffentlicht ist in „DETERMINING THE TRANSMITTANCE AND EMITTANCE OF TRANSPARENT AND SEMITRANSPARENT MATERIALS AT ELEVATED TEMPERATURES"; J. Manara, M. Keller, D. Kraus, M. Arduini-Schuster; 5th European Thermal-Sciences Conference, The Netherlands (2008).
Die mit der Zusatzkomponente dotierte Matrix hat eine höhere Wärmestrahlungs-Absorption als dies ohne die Zusatzkomponente der Fall wäre. Dadurch ergibt sich eine verbesserte Wärmeleitung erhöhter Anteil von Energieübertragung durch Strahlung von der Heizleiterbahn in das Gasverteilelement, eine schnellere Verteilung der Wärme und eine höhere Abstrahlungsrate auf das Substrat. Dadurch gelingt es, eine höhere Strahlungsleistung pro Flächeneinheit bereitzustellen und auch bei einer dünnen Gasverteilelement-Wandung und/oder bei einer vergleichsweise geringen Leiterbahn-Belegungsdichte eine homogene Abstrahlung und ein gleichförmiges Temperaturfeld zu erzeugen.
Im Heizwerkstoff liegt die Zusatzkomponente bevorzugt mindestens zum Teil als elementares Silizium vor und ist in einer Menge eingelagert ist, die im Heizwerkstoff für Wellenlängen zwischen 2 und 8 µm einen spektralen Emissionsgrad ε von mindestens 0,6 bei einer Temperatur von 600 °C und einen spektralen Emissionsgrad ε von mindestens 0,75 bei einer Temperatur von 1000 °C bewirkt.
Das Halbleitermaterial und insbesondere das vorzugsweise eingesetzte, elementare Silizium bewirken die Schwarzfärbung des glasigen Matrix-Werkstoffs und zwar bei Raumtemperatur, aber auch bei erhöhter Temperatur oberhalb von beispielsweise 600 °C. Dadurch wird eine gute Abstrahlungscharakteristik im Sinne einer breitbandigen, hohen Emission bei hohen Temperaturen erreicht. Das Halbleitermaterial bildet dabei eine in der Matrix dispergierte, elementare Halbleiter-Phase. Diese kann mehrere Halbleiterelemente oder Metalle enthalten (Metalle jedoch maximal bis zu 50 Gew.-%, besser nicht mehr als 20 Gew.-%; bezogen auf den Gewichtsanteil der Zusatzkomponente).
Die Wärmeabsorption des Heizwerkstoffs hängt vom Anteil der Zusatzkomponente ab. Im Fall von Silizium sollte der Gewichtsanteil vorzugsweise mindestens 0,1% betragen. Andererseits kann ein hoher Silizium-Anteil die chemischen und mechanischen Eigenschaften der Quarzglas-Matrix beeinträchtigen. Im Hinblick darauf liegt der Gewichtsanteil der Gewichtsanteil der Silizium-Zusatzkomponente bevorzugt im Bereich zwischen 0,1 und 5 %.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform des Gasinjektors ist mindestens ein Teil der Öffnungen als Bohrungen mit rundem Querschnitt ausgebildet. Bohrungen mit rundem Querschnitt sind einfach herstellbar, beispielsweise durch mechanisches Bohren oder durch thermisches Bohren mittels Laserstrahl.
Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des Gasinjektors ist mindestens ein Teil der Öffnungen als Schlitz ausgebildet. Der Schlitz oder mehrere Schlitze verlaufen beispielsweise in gerader Erstreckung, als Aneinanderreihung gebogener separater Schlitze oder zusammenhängend in Mäanderform; sie sind einfach im Gasverteilelement einzubringen, beispielsweise durch mechanisches Fräsen oder durch thermisches Fräsen mittels Laserstrahl.
Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des Gasinjektors ist mindestens ein Teil der Öffnungen jeweils von einem Gasführungsstutzen umgeben, der einseitig oder beidseitig von der Wandung absteht.
Der Gasführungsstutzen erstreckt sich senkrecht oder in einem Winkel zwischen 0 und 90 Grad von einer Seite oder von beiden Seiten der Gasverteilelement-Wandung weg. Er hat im einfachsten Fall den gleichen Öffnungsquerschnitt wie die Öffnung in der Wandung des Gasverteilelements. Er kann sich aber auch über die Länge des Gasführungsstutzens verändern, beispielsweise kann sich der Öffnungsquerschnitt verjüngen oder erweitern. Ein Vorteil dieser Ausführungsform liegt darin, dass die Einlassöffnung für das Prozessgas in den Gasführungsstutzen und/oder die Auslassöffnung für das Prozessgas aus dem Gasführungsstutzen in einem Bereich oder in einem Raum verlagert sein können, der von der eigentlichen Öffnung im Gasverteilelement entfernt ist. Beispielsweise kann die Auslassöffnung für das Prozessgas in Richtung auf das zu behandelnde Substrat verlagert sein, oder die Einlassöffnung kann in einer Kammer enden, die von der Gasverteilelementwandung entfernt oder von dieser fluidisch abgeschlossen ist. Der zusätzliche ein- oder beidseitige Gasführungsstutzen kann bei allen Wandungs-Öffnungen oder bei einem Teil der Wandungs-Öffnungen vorgesehen sein Er kann bei allen Wandungs-Öffnungen konstruktiv gleich sein; die Gasführungsstutzen können sich aber auch in ihrer Konstruktion und Orientierung voneinander unterscheiden.
Im Hinblick darauf ist bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung eine erste Gruppe von Gasführungsstutzen vorgesehen, die sich in eine erste Kammer erstrecken, und eine zweite Gruppe von Gasführungsstutzen, die sich in eine zweite Kammer erstrecken.
Die Gasführungsstutzen können dabei von ein und derselben Wandungsseite abstehen aber unterschiedliche Längen haben. Die erste Kammer und die zweite Kammer können sich beispielsweise in dem jeweils darin anliegenden Gas-Innendruck unterscheiden. Die erste Kammer kann beispielsweise ein Raum sein, in den Prozessgas eingeleitet wird, und die zweite Kammer kann ein Raum sein, aus dem Prozessgas abgesaugt wird. gegebenenfalls dient die erste Gruppe der Gasführungsstutzen als Prozessgaszufuhr, und die zweite Gruppe der Gasführungsstutzen dient zur Prozessgasableitung.
Diese Ausführungsform des erfindungsgemäßen Gasinjektors ist besonders vorteilhaft in einem Trocknersystem einsetzbar, bei dem einem zu trocknenden Substrat trockene Prozessluft zugeführt und die feuchtebeladene Prozessluft wieder abgezogen wird, wie beispielsweise bei einer Druckmaschine. Das Gasverteilelement dient dabei als Infrarotstrahler zum Aufheizen der Prozessluft und des Substrats.
Bei einer besonders geeigneten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Gasinjektors ist das Gasverteilelement Bestandteil eines Infrarot-Trocknersystems für eine Druckmaschine und für die Zufuhr von Trocknungsgas in einer Behandlungskammer für einen zu trocknenden Bedruckstoff und/oder zur Ableitung von Trocknungsgas aus der Behandlungskammer ausgelegt ist.
Bei einer anderen, gleichermaßen geeigneten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Gasinjektors ist das Gasverteilelement Bestandteil eines Reaktors für einen Trockenätz- oder einen CVD-Abscheideprozess ist und für die Zufuhr von Prozessgas in einen Reaktor-Innenraum ausgelegt.
Ausführungsbeispiel
Nachfolgend wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels und einer Zeichnung näher erläutert. In der Zeichnung zeigt in schematischer Darstellung im Einzelnen:

1 eine Vorrichtung zur Bedampfung und zum Ätzen von Einzel-Wafern unter Einsatz eines erfindungsgemäßen Gasinjektors in einer Querschnittsansicht,
2 eine Ausführungsform einer beheizbaren Gasverteilerplatte zum Einsatz in der Vorrichtung von 1 in einer Draufsicht auf die dem Wafer zugewandte Unterseite,
3 die Gasverteilerplatte von 2 in einer Draufsicht auf die dem Wafer abgewandte Oberseite,
4 eine weitere Ausführungsform einer beheizbaren Gasverteilerplatte mit schlitzförmigen Gasauslassdüsen,
5 eine weitere Ausführungsform einer beheizbaren Gasverteilerplatte mit Gasauslassdüsen, die mit Rohrstutzen versehen ist,
6 eine Druckmaschine unter Einsatz eines erfindungsgemäßen Gasinjektor, und
7 eine Ausführungsform einer Trocknereinheit zum Einsatz in der Druckmaschine von 6 mit einer weiteren Ausführungsform einer beheizbaren Gasverteilerplatte.

1 zeigt schematisch einen typischen Plasmareaktor 1, wie er für Trockenätz- und Beschichtungsprozesse für Einzel-Wafer 2 eingesetzt wird. Der Reaktor 1 weist ein Gehäuse 3 auf, das eine Plasma-Reaktorkammer 4 umschließt. Der obere Abschluss des Gehäuses 3 wird von einem dielektrischen Fenster 6 gebildet, das im Wesentlichen als Rundplatte mit einem Durchmesser von 520 mm und einer Plattendicke von 40 mm ausgeführt ist. Aus seiner Oberseite liegt eine obere, spulenförmige Elektrode 5 auf.
Das dielektrische Fenster 6 hat eine Mittenbohrung zur Aufnahme eines Injektors 20, in den eine oder mehrere Gaszufuhrleitungen für Prozessgase münden. Über den Injektor 20 wird Prozessgas in einen gasdicht abgeschlossenen Gasverteilerraum 9 eingespeist. Dieser wird gebildet von dem dielektrischen Fenster 6 und einer an dessen Unterseite montierten Gasverteilerplatte 7 (showerhead).
Die Gasverteilerplatte 7 befindet sich oberhalb des zu behandelnden Wafers 2 innerhalb der Plasmareaktorkammer 4, und sie ist mit einer Vielzahl von Gasdüsen 8a, 8b, 8c und 8d (siehe 2) versehen, die gruppenweise auf konzentrischen Kreisen um die Mittelachse 17 angeordnet sind und die sich als Durchgangsbohrungen zwischen dem Gasverteilerraum 9 und der Unterseite der Gasverteilerplatte 7 erstrecken. An ihrer Oberseite hat die Gasverteilerplatte 7 einen umlaufenden erhöhten Rand 18 (siehe 3), der am dielektrischen Fenster 6 dicht anliegt und den Gasverteilerraum 9 nach außen abschließt. Außerdem ist die Oberseite der Gasverteilerplatte 7 mit einer Heizleiterbahn 30 versehen, die anhand 3 noch näher erläutert wird. Die Gasverteilerplatte 7 besteht aus einem bei Raumtemperatur (20°C) schwarzen Kompositwerkstoff, bei dem in eine Matrix aus Quarzglas eine Phase aus elementarem Silizium in Form nichtsphärischer Bereiche homogen verteilt ist. Diese Kompositwerkstoff wird weiter unten noch näher beschrieben.
Um einen für eine Plasmabearbeitung geeigneten niedrigen Druck zu schaffen, ist die Reaktorkammer 1 über einen Gasauslass 1200, der mit einer (nicht dargestellten) Hochvakuumpumpe verbunden ist, evakuierbar. Durch Anregung der oberen Elektrode 5 mittels einer Hochfrequenz-Energiequelle 11 (13,56 MHz) kann Energie in ein innerhalb der Reaktorkammer 4 gezündetes Plasma 12 kapazitiv eingekoppelt werden. Eine weitere HF-Energiequelle 13 ist mit einer unteren Elektrode 14 verbunden, die unterhalb des zu bearbeitenden Wafers 2 positioniert ist. Der Wafer 2 ist dabei auf einer Halteeinrichtung 14 fixiert und zur Homogenisierung der Plasma-Einwirkung von einem Ätzring 15 umgeben.
Im Betrieb des Plasmareaktors 1 wird die Gasverteilerplatte 7 mittels der stromdurchflossenen Heizleiterbahn 30 auf Temperaturen oberhalb von 600 °C erhitzt. Der Silizium enthaltende Kompositwerkstoff zweigt bei den hohen Temperaturen eine ausgeprägte Absorption von Wärmestrahlung und einen hohen Emissionsgrad. Dieser hängt von der Temperatur ab. Bei 600° liegt der normale Emissionsgrad im Wellenlängenbereich von 2 µm bis 4 µm oberhalb von 0,6. Bei 1.000 °C liegt der normale Emissionsgrad im selben Wellenlängenbereich oberhalb von 0,75. Das in den Gasverteilerraum eingeleitete Prozessgas wird dadurch vorgewärmt, und andererseits wird das Substrat durch homogene, flächige Wärmeabstrahlung der Gasverteilerplatte 7 homogen erhitzt.
Die Draufsicht auf die dem Wafer 2 zugewandte, ebene Unterseite der Gasverteilerplatte 7 in 2 zeigt deren Kreisform. Ihr Durchmesser beträgt 450 mm und die Plattenstärke 7 mm. Die Gasdüsen 8a, 8b, 8c und 8d sind gruppenweise auf konzentrischen Kreisen um die Mittelachse 17 angeordnet, wobei sich die Gasdüsen-Gruppen voneinander in ihrer Größe, Form und/oder Orientierung unterscheiden. Sie sind geeignet, Gasströmungen unterschiedlicher Stärke und Richtung zu erzeugen, wie von den Richtungspfeilen 16 angedeutet. Sie werden durch Laserbohren erzeugt und zeichnen sich durch hohe Genauigkeit aus.
Die Gasdüsen 8c haben beispielsweise einen Innendurchmesser von 0,8 mm und sie bilden eine Gasdüsendichte von mehr als 100 Gasdüsen pro 100 cm². Die auf ein und demselben Kreisring angeordneten Gasdüsen sind jeweils gleich; sie unterscheiden sich in Größe, Form oder Orientierung aber von den Gasdüsen auf einem anderen Kreisring. Dadurch kann reproduzierbar eine definiert nicht- homogene Gasverteilung über der Wafer-Oberfläche eingestellt werden, die beispielsweise eine nicht-homogene Temperaturverteilung berücksichtigt und kompensiert, so dass letztlich eine gleichmäßige Bedampfung oder Abtragung erreicht werden kann.
Die Draufsicht auf die dem Wafer 2 abgewandte Oberseite der Gasverteilerplatte 7 in 3 zeigt den oben erwähnten umlaufenden Rand 18, welcher der Oberseite eine Einbuchtung verleiht, in der die Heizleiterbahn 30 aufgenommen ist. Die Heizleiterbahn 30 ist spiralförmig ausgeführt und schlängelt sich entlang der Freiflächen um die Gasdüsen 8a, 8b, 8c, 8d. An ihren Enden ist die Heizleiterbahn 30 jeweils mit Kontaktierungsbereichen 31 zum Anbonden von Stromanschlussdrähten verbunden. Der Durchmesser der Heizleiterbahn-Spirale 32 ist größer als der Durchmesser des zu behandelnden Wafers 2.
Die Heizleiterbahn 30 hat einen rechteckigen Leitungsquerschnitt mit einer Querschnittshöhe von 20 µm und einer Querschnittsbreite von 3 mm. Die Kontaktierungsbereiche 31 haben ebenfalls rechteckigen Querschnitt mit einer Querschnittshöhe von 20 µm aber einer Querschnittsbreite von 6 mm. Der freie Abstand zwischen benachbarten Spiralabschnitten beträgt etwa 10 mm. Die Heizleiterbahn 30 und die Kontaktierungsbereiche 31 werden in einem Arbeitsgang erzeugt und bestehen aus Platin.
4 zeigt schematisch eine weitere Ausführungsform einer beheizbaren Gasverteilerplatte 47. Diese hat quadratischen Querschnitt mit ebener Unterseite und ebener Oberseite. Die Kantenlänge beträgt 400 mm und die Plattenstärke 2 mm. Die Gasdüsen 48 sind als gerade, parallel zueinander und zu den Seitenkanten verlaufende Längsschlitze 48 ausgeführt. Die Längsschlitze 48 haben eine Länge von 300 mm und eine Breite von 4 mm; sie sind durch Wasserstrahlschneiden erzeugt.
Zwischen den Längsschlitzen 48 schlängelt sich mäanderförmig eine Heizleiterbahn 43, die an ihren Enden mit Kontaktierungsbereichen 41 zum Anbonden von Stromanschlussdrähten verbunden ist. Die Querschnittsabmessungen von Heizleiterbahn 43 und Kontaktierungsbereichen 41 entsprechen denen der Ausführungsform von 3. Die Kontaktierungsfläche wird abschließend mit einer 1 mm dicken Glasurschicht (nicht dargestellt) aus opakem Quarzglas versehen, die die Heizleiterbahn 43 vollständig abdeckt und die Längsschlitze 48 freilässt.
Durch die Längsschlitze 48 kann Gas aus einem Behandlungsraum abgezogen und in einen Behandlungsraum eingeleitet werden. Die beheizbare Gasverteilerplatte 47 ist für ein homogenes Beheizen eines zu behandelnden Substrats bei gleichzeitiger Gaszufuhr und/oder Gasableitung geeignet, beispielsweise bei CVD-Beschichtungs- oder Trockenätzprozessen oder bei der Trocknung von Lacken, Farben und dergleichen, beispielsweise in einer Druckmaschine.
Die geometrische Form und die Abmessungen der in 5 schematisch dargestellten Ausführungsform der heizbaren Gasverteilerplatte 57 entsprechen derjenigen der Gasverteilerplatte 47. Die Gasdüsen 58 sind als Durchgangsbohrungen 54 mit rundem Querschnitt ausgeführt. In einen Teil der Durchgangsbohrungen 54 sind Quarzglasrohre 55 eingeschweißt. Die Durchgangsbohrungen 54 werden durch mechanisches Bohren erzeugt. Ihr Innendurchmesser beträgt 5 mm und entspricht dem Außendurchmesser der Quarzglasrohre 55. Die Quarzglasrohre 55 stehen über eine Länge von 58 mm senkrecht von der mit der Heizleiterbahn 53 belegten Kontaktoberfläche der Gasverteilerplatte 57 nach oben ab. Die Heizleiterbahn 53 schlängelt sich mäanderförmig zwischen den Gasdüsen 58 ohne (54) und mit (55) Rohreinsatz und ist an ihren Enden mit Kontaktierungsbereichen 51 zum Anbonden von Stromanschlussdrähten verbunden. Die Querschnittsabmessungen von Heizleiterbahn 53 und Kontaktierungsbereichen 51 entsprechen denen der Ausführungsform von 4. Auch hier wird die Kontaktierungsfläche abschließend mit einer 1 mm dicken Glasurschicht (nicht dargestellt) aus opakem Quarzglas versehen, die die Heizleiterbahn 53 vollständig abdeckt.
Durch die Gasdüsen 58 kann Gas aus einem Behandlungsraum abgezogen und in einen Behandlungsraum eingeleitet werden. Auch die beheizbare Gasverteilerplatte 57 ist für ein homogenes Beheizen eines zu behandelnden Substrats bei gleichzeitiger Gaszufuhr und/oder Gasableitung geeignet, beispielsweise bei CVD-Beschichtungs- oder Trockenätzprozessen oder bei der Trocknung von Lacken, Farben und dergleichen, beispielsweise in einer Druckmaschine.
6 zeigt schematisch eine Druckmaschine in Form einer Rollen-Tintenstrahldruckmaschine, der insgesamt die Bezugsziffer 60 zugeordnet ist. Ausgehend von einem Abwickler 62 gelangt die Materialbahn 63 aus einem Bedruckstoff, wie beispielsweise aus Papier, zu einem Druckaggregat 80. Dieses umfasst mehrere, entlang der Materialbahn 63 hintereinander angeordnete Tintenstrahldruckköpfe 81, durch die auf den Bedruckstoff wasserhaltige Druckfarben aufgetragen werden.
In Transportrichtung 65 gesehen, gelangt die Materialbahn 63 vom Druckaggregat 80 über eine Umlenkwalze 66 anschließend zu einer Infrarot-Trocknereinheit 70. Diese ist mit mehreren Infrarot-Heizelementen 71 bestückt, die für das Trocknen beziehungsweise Wegschlagen des Lösungsmittels in die Materialbahn 63 ausgelegt sind und die weiter unten anhand 7 noch näher erläutert werden.
Der weitere Transportweg der Materialbahn 63 geht über eine Zugwalze 68, die mit eigenem Zugantriebsmotor ausgestattet ist und über die die Einstellung der Bahnspannung erfolgt, zu einer Aufwickelrolle 69.
In der Infrarot-Trocknereinheit 70 sind mehrere Heizelemente 71 zu einem Heizblock zusammengefasst, der sich über die maximale Formatbreite der Druckmaschine 60 erstreckt. Die einzelnen Heizelemente 71 sind in dem Heizblock dabei stoßweise aneinander gereiht und entsprechend der Abmessungen und Farbbelegung des Bedruckstoffs getrennt voneinander ansteuerbar. Der freie Abstand zwischen der Heizfläche der Heizelemente 71 und der Oberseite der Materialbahn 63 beträgt 10 mm.
Die Transportgeschwindigkeit der Materialbahn 63 wird typischerweise auf 5 m/s eingestellt. Dabei handelt es sich um eine vergleichsweise hohe Geschwindigkeit, die eine hohe Trocknungsrate erfordert. 7 zeigt schematisch ein zum Erreichen dieser Anforderung geeignetes Heizelement 71 für die Trocknereinheit 70. Die geometrische Form und die Abmessungen der schematisch dargestellten Ausführungsform der heizbaren Gasverteilerplatte 77 entsprechen derjenigen der Gasverteilerplatte 57. So wie bei der Gasverteilerplatte 57 sind auch hier die Gasdüsen 78 als Durchgangsbohrungen mit rundem Querschnitt und einem Innendurchmesser von 5 mm ausgeführt. In alle Durchgangsbohrungen sind mit einem Hochtemperaturkleber Quarzglasrohre 75 eingeklebt, die sich beidseitig der Gasverteilerplatte 77 erstrecken und deren Außendurchmesser ebenfalls 5 mm beträgt (Innendurchmesser 3 mm). Das nach unten ragende Ende der Quarzglasrohre 72 ist senkrecht auf die Materialbahn 63 gerichtet und hat eine Länge von 50 mm, und das obere Ende 74 hat eine Länge von 80 mm und endet innerhalb einer Gasdruckkammer 76, der über eine Zufuhrleitung 79 trockene Prozessluft zugeführt wird, wie mit dem Richtungspfeil 80 angedeutet.
Die der Materialbahn abgewandte Kontaktoberfläche der Gasverteilerplatte 77 ist mit einer Heizleiterbahn 73 belegt, die sich mäanderförmig zwischen den Gasdüsen 78 schlängelt und ist an ihren Enden mit Kontaktierungsbereichen (nicht dargestellt) versehen ist, an die Stromanschlussdrähte angebonded sind. Die Querschnittsabmessungen von Heizleiterbahn 73 und Kontaktierungsbereichen entsprechen denen der Ausführungsform von 4. Die Heizleiterbahn 73 verläuft in einem Raum 81 der Trocknereinheit 71, der keinen fluidischen Kontakt zum Prozessluft 80 hat.
Im Betrieb der Trocknereinheit 71 wird die Gasverteilerplatte 77 durch Stromfluss durch die Heizleiterbahn 73 auf eine Temperatur oberhalb von 600 °C erhitzt. Es bildet sich ein flächiges Temperaturfeld aus, das auf die Materialbahn 63 homogen einwirkt. Gleichzeitig gelangt die in die Gasdruckkammer 76 eingespeiste trockene Prozessluft 80 durch die Gasdüsen 78 direkt auf die Materialbahn 65, wobei sie sich auf dem Transport durch die Rohrstutzen 75 erwärmt, ohne dass sie mit der Heizleiterbahn 73 in Kontakt kommt. Über die dicht an die Materialbahn 63 herangeführten Gasauslässe am unteren Ende 72 der Gasdüsen 78 wird eine homogene Verteilung der trockenen Prozessluft 83 auf der Materialbahn 63 und eine effektive Trocknung erreicht.
Die Herstellung des Kompositwerkstoffs für die Gasverteilerplatten 7, 47, 57 und 77 erfolgt anhand eines Verfahrens, wie es in der WO 2015/067 688 A1 beschrieben ist. Dabei wird Quarzglaskörnung in deionisiertem Wasser nassgemahlen, sodass sich ein homogener Grundschlicker mit einem Feststoffgehalt von 78 % bildet. Anschließend wird ein Zuschlag in Form von Silizium-Pulver in einer Menge zugemischt, bis ein Feststoffgehalt von 83 Gew.-% erreicht ist. Das Silizium-Pulver enthält hauptsächlich nicht-sphärische Pulverteilchen mit enger Teilchengrößenverteilung, deren D₉₇-Wert bei etwa 10 µm liegt und dessen Feinanteil mit Teilchengrößen von weniger als 2 µm vorab entfernt worden ist. Die SiO₂-Teilchen im homogenisierten Schlicker zeigen eine Teilchengrößenverteilung, die durch einen D₅₀-Wert von etwa 8 µm und durch einen den D₉₀-Wert von etwa 40 µm gekennzeichnet ist. Der Gewichtsanteil des Silizium-Pulvers am gesamten Feststoffgehalt liegt bei 5 %.
Der Schlicker wird in eine Druckgussform einer kommerziellen Druckgussmaschine gegossen und über eine poröse Kunststoffmembran unter Bildung eines porösen Grünkörpers entwässert. Der Grünkörper hat die Form und nahezu die Abmessungen der jeweiligen Gasverteilerplatte 7 beziehungsweise 47 und 57. Zum Entfernen von gebundenem Wasser wird der Grünkörper bei etwa 90 °C 5 Tage lang in einem belüfteten Ofen getrocknet.
Nach dem Abkühlen wird der erhaltene poröse Grünkörper mechanisch nahezu auf das Endmaß der herzustellenden Quarzglas-Gasverteilerplatte 7 beziehungsweise 47, 57 und 77 bearbeitet und in einem Sinterofen unter Luft innerhalb von 1 Stunde auf eine Heiztemperatur von 1390 °C aufgeheizt und bei dieser Temperatur 5 Stunden gehalten.
Die so erhaltene Quarzglasplatte besteht aus einem gasdichten Kompositwerkstoff mit einer Dichte von 2,196 g/cm³, bei dem in einer Matrix aus opakem Quarzglas voneinander getrennte, nicht-sphärische Bereiche aus elementarer Si-Phase homogen verteilt sind, deren Größe und Morphologie weitgehend denen des eingesetzten Si-Pulvers entsprechen. Die maximalen Abmessungen liegen im Mittel (Medianwert) im Bereich von etwa 1 µm bis 10 µm. Die Matrix wirkt visuell transluzent bis transparent. Sie zeigt bei mikroskopischer Betrachtung keine offenen Poren und allenfalls geschlossene Poren mit maximalen Abmessungen von im Mittel weniger als 10 µm; die auf Basis der Dichte berechnete Porosität liegt bei 0,37 %. Der Kompositwerkstoff ist gasdicht und an Luft bis zu einer Temperatur von etwa 1.150 °C stabil. In die jeweiligen Gasverteilerplatten 7; 47, 57 und 77 werden Gasdüsen eingebracht, beispielsweise wie oben anhand der oben erläuterten Ausführungsformen erläutert.
Die Herstellung der jeweiligen Heizleiterbahn 33; 43; 53; 73 mitsamt den dazugehörigen Kontaktierungsbereichen 31; 41; 51 erfolgt in einem gemeinsamen Arbeitsschritt, indem eine Platin-Widerstandspaste mittels Siebdruck auf der perforierten Gasverteilerplatte 7; 47; 57; 77 aufgebracht wird. Hierzu wird ein feinmaschiges Gewebe auf die jeweilige Kontaktierungsfläche aufgelegt, dessen Maschenöffnungen im Bereich der Düsenöffnungen 8a, 8b, 8c, 8d; 48; 58 und den anderen Stellen, an denen keine Platin-Widerstandspaste gedruckt werden soll, undurchlässig gemacht sind. Die Platin-Widerstandspaste besteht aus einem sinterfähigen Platinpulver in Reinstform (20 bis 80 Gew.-%), einem Lösungsmittel (20 bis 50 Gew.-%), einem Weichmacher (1 bis 10 Gew.-%) und einem Binder (1 bis 15 Gew.-%), wobei die Angaben in Klammern für die jeweilige Komponente bevorzugte Gewichtsanteile an der Gesamtmasse der Paste angeben. Nach erfolgtem Druckvorgang und dem Entfernen des Gewebes wird die mit der Platin-Widerstandspaste beschichtete von der Gasverteilerplatte 7; 47; 57, 77 erhalten, wobei die Beschichtung die spätere Heizleiterbahn 33; 43; 53; 73 beziehungsweise deren Kontaktierungsbereiche 31; 41; 51 abbildet. Durch Einbrennen bei einer Einbrenntemperatur von 1.200 °C werden die fertigen elektrisch leitenden Bestandteile erhalten.
Die Heizleiterbahn 33; 43; 53; 73 wird anschließend mittels einer elektrisch isolierenden Glasur abgedeckt. Die Glasur verhindert Überschläge und sie dient zum Schutz der Leiterbahnen 33; 43, 53; 73 vor mechanischer und korrosiver Beanspruchung. Die Glasur besteht aus einem Quarzglas-Werkstoff, der sich beim Erhitzen als viskose Glasphase gleichmäßig verteilt und eine gasdichte Abschirmung bewirkt. Die Glasur wird ebenfalls als Siebdruckpaste auf der Oberseite des Gasverteilelements 7; 47; 57; 77 aufgetragen, so dass die jeweilige Leiterbahn 33; 43; 53; 73 darin vollständig eingebettet ist und sie wird bei einer Sintertemperatur von 1200 °C zu der gasdichten und isolierenden Glasurschicht gesintert.
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 9017763 B2 [0005]
EP 0844314 B1 [0006]
US 2010/0300359 A1 [0007, 0009]
US 2016/0056032 A1 [0010, 0012]
DE 102010046756 A1 [0011, 0013]
WO 2015/067688 A1 [0072]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

„DETERMINING THE TRANSMITTANCE AND EMITTANCE OF TRANSPARENT AND SEMITRANSPARENT MATERIALS AT ELEVATED TEMPERATURES“; J. Manara, M. Keller, D. Kraus, M. Arduini-Schuster; 5th European Thermal-Sciences Conference, The Netherlands (2008 [0036]

Claims

Beheizbarer Gasinjektor, mit einem Gasverteilelement (7, 47, 57, 77), das eine Wandung aufweist, durch die sich eine Vielzahl von Öffnungen (8a; 8b; 8c; 8d; 48; 58; 78) für die Zufuhr und/oder die Ableitung von Prozessgas erstreckt, dadurch gekennzeichnet, dass die Wandung eine Oberfläche aus einem dielektrischen, schwarzen und bei Erwärmung Infrarotstrahlung emittierenden Heizwerkstoff aufweist, und dass auf der Wandung eine Heizleiterbahn (30; 43; 53; 73) aus einem elektrisch leitenden Widerstandsmaterial aufgebracht ist.
Gasinjektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Gasverteilelement (7, 47, 57, 77) für eine Heiztemperatur von mindestens 600 °C ausgelegt ist.
Gasinjektor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Heizleiterbahn (73) in einem vom Prozessgas abgedichteten Bereich der Gasverteilelement-Wandung aufgebracht ist.
Gasinjektor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Heizwerkstoff ein Kompositwerkstoff ist, der eine amorphe Matrixkomponente sowie Silizium als Zusatzkomponente mit einem Gewichtsanteil enthält, der mindestens 0,1% beträgt und der bevorzugt im Bereich zwischen 0,1 und 5 % liegt.
Gasinjektor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Heizleiterbahn (30; 43; 53; 73) von einer Schicht aus einem elektrisch isolierenden und/oder optisch streuenden Werkstoff bedeckt ist.
Gasinjektor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Teil der Öffnungen (8a; 8b; 8c; 8d; 58; 78) als Bohrungen mit rundem Querschnitt ausgebildet sind.
Gasinjektor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Teil der Öffnungen (48) als Schlitz ausgebildet ist.
Gasinjektor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Teil der Öffnungen (58; 78) jeweils von einem Gasführungsstutzen (55; 75) umgeben ist, der einseitig oder beidseitig von der Wandung absteht.
Gasinjektor nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass eine erste Gruppe von Gasführungsstutzen vorgesehen ist, die sich in eine erste Kammer erstrecken, und dass eine zweite Gruppe von Gasführungsstutzen vorgesehen ist, die sich in eine zweite Kammer erstrecken.
Gasinjektor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Gasverteilelement (47, 57, 77) Bestandteil eines Infrarot-Trocknersystems (70) für eine Druckmaschine (60) ist und für die Zufuhr von Trocknungsgas (83) in einer Behandlungskammer für einen zu trocknenden Bedruckstoff (63) und/oder zur Ableitung von Trocknungsgas (83) aus der Behandlungskammer ausgelegt ist.
Gasinjektor nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Gasverteilelement (7, 47, 57) Bestandteil eines Reaktors (1) für einen Trockenätz- oder einen CVD-Abscheideprozess ist und für die Zufuhr von Prozessgas in einen Reaktor-Innenraum (4) ausgelegt ist.