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Gebiet der Technik
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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Abscheiden zumindest einer Schicht auf zumindest einem Substrat, wobei ein Prozessgas, das zumindest ein reaktives Gas beinhaltet, an einer ersten Einspeisestelle in zumindest ein Gasverteilvolumen eines Gaseinlassorgans eingespeist wird, wobei das Gaseinlassorgan eine zu einer Prozesskammer weisende Gasaustrittsfläche mit einer Vielzahl von mit dem Gasverteilvolumen strömungsverbundene Gasaustrittsöffnungen aufweist, durch welche das Prozessgas in die Prozesskammer eintritt, und das Substrat derart in der Prozesskammer angeordnet ist, dass Produkte einer physikalischen oder chemischen Reaktion des in die Prozesskammer eingetretenen reaktiven Gases auf der Oberfläche des Substrates eine Schicht bilden.
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Stand der Technik
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Vorrichtungen und Verfahren, bei denen ein reaktives Gas zusammen mit einem Trägergas durch ein Gaseinlassorgan in eine Prozesskammer eingespeist wird, sind bekannt aus den
US 2018/350562 ,
US 2017/194172 ,
US 2018/135177 ,
WO 2017/200696 ,
US 2016/340781 ,
US 2016/020074 ,
US 2013/299009 ,
US 2011/033638 ,
US 2007/251642 ,
WO 2006/020424 ,
WO 01/04931 ,
US 6,161,500 ,
EP 0 821 084 und
EP 0 550 058 . Zum Stand der Technik gehören CVD-Reaktoren, die ein Gaseinlassorgan in Form eines Duschkopfes aufweisen. Innerhalb des Gaseinlassorganes befinden sich ein oder mehrere Gasverteilvolumina, die sich über die gesamte Flächenerstreckung einer Gasaustrittsfläche oder auch nur über Segmente oder Teilabschnitte der Gasaustrittsfläche erstrecken können. In das Gasverteilvolumen mündet eine Zuleitung, durch die ein Prozessgas, welches eine Gasmischung sein kann, die aus einem reaktiven Gas und einem Trägergas oder Inertgas bestehen kann, in das Gasverteilvolumen eingespeist werden kann. Innerhalb des Gasverteilvolumens verteilt sich das Prozessgas im Wesentlichen gleichmäßig, um in gleichmäßig aufgeteilten kleinen Gasströmen durch Gasaustrittsöffnungen der Gasaustrittsfläche in die Prozesskammer eintreten zu können. Innerhalb des Gasverteilvolumens ist das Prozessgas homogen verteilt. Aus dem Stand der Technik sind Anordnungen von Gasverteilvolumina vorbekannt, bei denen mehrere Gasverteilvolumina in konzentrischer Anordnung um ein geometrisches Zentrum des Gaseinlassorganes oder streifenartig parallel zueinander angeordnet sind. In die verschiedenen Gasverteilvolumina können verschiedene Prozessgase und insbesondere auch Prozessgase eingespeist werden, die sich lediglich durch das Mischungsverhältnis von reaktiven Gas und Trägergas unterscheiden. Mit einer derartigen Anordnung von Gasverteilvolumen lässt sich innerhalb der Prozesskammer ein Konzentrationsgradient des reaktiven Gases im Trägergas einstellen. An den Grenzen der Gasverteilvolumina kann es zu starken Konzentrationsunterschieden des reaktiven Gases des Prozessgases in der Prozesskammer kommen.
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Zusammenfassung der Erfindung
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Maßnahmen anzugeben, mit denen sich ein weicher Konzentrationsgradient des reaktiven Gases im Prozessgas in der Prozesskammer einstellen lässt.
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Gelöst wird die Aufgabe durch die in den Ansprüchen angegebene Erfindung, wobei die Unteransprüche nicht nur vorteilhafte Weiterbildungen der in den nebengeordneten Ansprüchen angegebenen Erfindung, sondern auch eigenständige Lösungen der Aufgabe darstellen.
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Zunächst im Wesentlichen wird vorgeschlagen, dass das Gasverteilvolumen zumindest zwei Einspeisestellen aufweist und an den Einspeisestellen Gase oder Gasmischungen mit einer unterschiedlichen Zusammensetzung in das Gasvolumen eingespeist werden. Dies erfolgt in der Art, dass sich die Gase innerhalb des Gasverteilvolumens nicht homogen mischen, sondern derart, dass sich innerhalb des Gasverteilvolumens Zonen mit einer unterschiedlichen Konzentration des zumindest einen reaktiven Gases ausbilden. Demzufolge treten in den Zonen mit einer unterschiedlichen Konzentration des reaktiven Gases durch die diesen Zonen zugeordneten Gasaustrittsöffnungen Gasströme mit unterschiedlichen Konzentrationen des reaktiven Gases in die Prozesskammer. Zwischen den beiden Einspeisestellen gibt es vorzugsweise keine Trennwände, Strömungsbarrieren oder Bereiche verminderten Querschnitts oder dergleichen, sodass sich innerhalb des Gasverteilvolumens zwischen den Zonen ein weiches Konzentrationsgefälle ausbilden kann. Als Folge dessen, bildet sich in der Prozesskammer ein flacher Konzentrationsgradient aus. In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung wird vorgeschlagen, dass das weitere Gas ein zweites reaktives Gas beinhaltet. Das zweite reaktive Gas kann mit dem ersten reaktiven Gas identisch sein. Es kann sich aber auch vom ersten reaktiven Gas unterscheiden. Es kann ferner vorgesehen sein, dass das weitere Gas nur das Trägergas beziehungsweise ein Inertgas ist. Bevorzugt ist jedoch die Variante, bei der an der weiteren Einspeisestelle dasselbe reaktive Gas, jedoch in einer anderen Verdünnung, in das Gasverteilvolumen eingespeist wird. Die Erfindung betrifft somit eine Vorrichtung und ein Verfahren, bei dem in dasselbe Gasverteilvolumen an zwei voneinander verschiedenen Einspeisestellen dasselbe Prozessgas, jedoch jeweils mit einem unterschiedlichen Mischungsverhältnis des reaktiven Gases zum Trägergas, eingespeist wird, sodass sich innerhalb des Gasverteilvolumens ein Konzentrationsgefälle ausbildet. Es kann ferner vorgesehen sein, dass das Gasverteilvolumen eine geometrische Mitte aufweist und dass die erste Einspeisestelle in der geometrischen Mitte angeordnet ist. Die zumindest eine weitere Einspeisestelle kann an einer von der geometrischen Mitte entfernten Stelle angeordnet sein. Es kann auch vorgesehen sein, dass innerhalb des Gasverteilvolumens mit einer weiteren Zuleitung kommunizierende Öffnungen vorgesehen sind, beispielsweise Öffnungen eines Gasverteilelementes, mit dem an der weiteren Einspeisestelle eingespeistes Gas in das Gasverteilvolumen eingespeist wird. Diese Öffnungen können sich in einer ringförmigen Anordnung um die geometrische Mitte erstrecken. Es können aber auch mehrere weitere Einspeisestellen vorgesehen sein, die in einer gleichmäßigen Umfangsverteilung um die geometrische Mitte mit einem gleichmäßigen Abstand zur geometrischen Mitte angeordnet sind, wobei an den weiteren Einspeisestellen eine unmittelbare Einspeisung des weiteren Gases in das Gasverteilvolumen erfolgen kann. Die Einspeisung kann aber auch in ein Gasverteilelement erfolgen, das das weitere Gas flächig oder linienförmig in dem Gasverteilvolumen verteilt. Auch an der ersten Einspeisestelle kann eine lokale Einspeisung des Prozessgases erfolgen. Es kann auch hier möglich sein, dass die Einspeisung in ein dort angeordnetes Gasverteilelement erfolgt, das das erste Prozessgas großflächig im Bereich der Mitte des Gasverteilvolumens verteilt. Es ist insbesondere vorgesehen, dass die Gasverteilelemente so angeordnet sind, dass sich innerhalb eines Gasverteilvolumens ein radialer Konzentrationsgradient des reaktiven Gases einstellt, wobei auch vorgesehen sein kann, dass ein azimutaler Konzentrationsgradient verschwindet. Die erfindungsgemäße Vorrichtung beziehungsweise das erfindungsgemäße Verfahren ist besonders geeignet, auf großflächigen Substraten IV-IV Schichten, III-V Schichten oder II-VI Schichten abzuscheiden. Es werden bevorzugt Substrate verwendet, die eine Fläche aufweisen, die nur geringfügig kleiner ist, als die Gasaustrittsfläche. Die Gasaustrittsfläche erstreckt sich bevorzugt über die gesamte Oberfläche des Substrates. Die Querschnittsfläche des Gasverteilvolumens kann sich über die gesamte Gasaustrittsfläche erstrecken. Gemäß einer Variante der Erfindung kann vorgesehen sein, dass sich zwei oder mehrere Gasverteilvolumina jeweils über Teilflächen der Gasaustrittsfläche erstrecken. Auch hier kann vorgesehen sein, dass jedes der ein oder mehreren Gasverteilvolumina eine erste und zumindest eine weitere Einspeisestelle aufweist, an denen verschieden zusammengesetzte Gasmischungen eingespeist werden können. Im Stand der Technik werden Gaseinlassorgane beschrieben, bei denen mehrere Gasverteilvolumina streifenförmig nebeneinander verlaufen. In diese, parallel zueinander verlaufenden Gasverteilvolumina können an verschiedenen Einspeisestellen verschieden zusammengesetzte Prozessgase eingespeist werden, um die oben beschriebene Wirkung innerhalb der Prozesskammer zu erzeugen. Es kann beispielsweise vorgesehen sein, dass ein mittleres, schmales Gasverteilvolumen durch oder etwa durch die geometrische Mitte des Gaseinlassorgans verläuft. In der Mitte dieses mittleren Gasverteilvolumens kann eine erste Einspeisestelle und an den beiden Enden des Gasverteilvolumens jeweils eine zweite Einspeisestelle vorgesehen sein. Neben diesen mittleren Gasverteilvolumen erstrecken sich weitere ähnlich gestaltete, schmale Gasverteilvolumina bis an den Rand des Gaseinlassorgans. Jedes dieser Gasverteilvolumen kann eine mittlere Einspeisestelle und an den beiden Enden jeweils eine zweite Einspeisestelle aufweisen. Durch die beiden, bevorzugt am Rand des Gaseinlassorganes angeordneten Einspeisestellen können Prozessgase mit verschiedenen Zusammensetzungen eingespeist werden. Die Erfindung kann auch an solchen Gaseinlassorganen verwirklicht werden, bei denen mehrere Teil-Gasvolumina in einer konzentrischen Anordnung angeordnet sind. Die Einspeisestellen beziehungsweise die mit ihnen strömungsverbundenen Gasverteilelemente sind erfindungsgemäß so angeordnet, dass die aus den Gasaustrittsöffnungen der Gasaustrittsfläche austretenden Gasströme in Radialrichtung, bezogen auf ein Zentrum der Gasaustrittsfläche, abweichende Konzentrationen des reaktiven Gases aufweisen. Die Einspeisestellen beziehungsweise die ihnen zugeordneten Gasverteilelemente können ferner derart angeordnet sein, dass die aus den Gasaustrittsöffnungen austretenden Gasströme in einer azimutalen Richtung, bezogen auf ein Zentrum der Gasaustrittsfläche, gleichbleibende Konzentrationen des reaktiven Gases aufweisen. Es kann aber auch vorgesehen sein, dass mehrere Einspeisestellen oder mit an den Einspeisestellen mündenden Zuleitungen strömungsverbundene Gasverteilelemente so angeordnet sind, dass die aus den Gasaustrittsöffnungen austretenden Gasströme innerhalb der Flächenerstreckung der Gasaustrittsfläche unterschiedliche Konzentrationen des reaktiven Gases aufweisen. Hierzu erweist es sich als vorteilhaft, wenn die reaktiven Gase von einer gemeinschaftlichen Gasquelle bereitgestellt werden. Das reaktive Gas wird mit einer Zuleitung von einem Gasmischsystem zu einem CVD-Reaktor geleitet. Die Zuleitung kann sich aufzweigen in einen ersten Zweig, der an der ersten Einspeisestelle in das Gasverteilvolumen oder ein Gasverteilelement mündet. Ein zweiter Zweig mündet an der zweiten Einspeisestelle in das Gasverteilvolumen oder in ein Gasverteilelement. In den zweiten Zweig kann mittels eines Massenfluss-Controllers ein zusätzlicher Trägergasfluss eingespeist werden, sodass das über den zweiten Zweig eingespeiste Prozessgas gegenüber dem über den ersten Zweig eingespeisten Prozessgas verdünnt ist. Es ist aber auch möglich, den über den ersten Zweig eingespeisten Prozessgasstrom zu verdünnen. Bevorzugt wird das verdünnte Gas aber in eine von der Mitte beabstandete Ringzone eingespeist. Die Ringzone kann ein ringförmiges oder hufeisenförmiges Gasverteilelement aufweisen. Es können mehrere, konzentrisch zueinander angeordnete Ringzonen vorgesehen sein, in denen jeweils mittels eines Gasverteilelementes oder mittels dort mündender Zuleitungen beispielsweise verdünnte Prozessgase eingespeist werden. In einer Weiterbildung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass ein Gasmischsystem Prozessgase für zwei Reaktoren bereitstellt. Es kann ein Massenfluss-Controller vorgesehen sein, mit dem ein Massenfluss des reaktiven Gases bereitgestellt wird. Mit einem weiteren Massenfluss-Controller kann ein Trägergas dem Massenfluss des reaktiven Gases zugemischt werden. Dieser Gasstrom kann entweder an einer ersten Einspeisestelle in nur ein Gasverteilvolumen eingespeist werden oder aufgeteilt in zwei Gasströme an Einspeisestellen mehrerer, insbesondere zwei Gasverteilvolumina eingespeist werden, wobei die Gasverteilvolumina zu voneinander verschiedenen Reaktoren gehören. In entsprechender Weise liefert das Gasmischsystem auch einen geringen weiteren Trägergasfluss, der in weitere Zweige der Prozessgaszuleitung eingespeist wird, die an weiteren Einspeisestellen münden, um dort ein verdünntes Prozessgas in das Gasverteilvolumen einzuspeisen. Bevorzugt liegt die Verdünnung bei etwa 2 bis 10 %.
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Figurenliste
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Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand beigefügter Zeichnungen erläutert. Es zeigen:
- 1 ein erstes Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand eines schematischen Längsschnitts durch einen CVD-Reaktor 1,
- 2 einen Querschnitt gemäß der Linie II-II in 1,
- 3 eine Darstellung gemäß 1 eines zweiten Ausführungsbeispiels,
- 4 eine Darstellung gemäß 2 des zweiten Ausführungsbeispiels,
- 5 eine Darstellung gemäß 1 eines dritten Ausführungsbeispiels,
- 6 eine Draufsicht gemäß Pfeil VI in 5,
- 7 eine Darstellung gemäß 1 eines vierten Ausführungsbeispiels,
- 8 den Schnitt gemäß der Linie VIII-VIII in 7,
- 9 eine Darstellung gemäß 1 eines fünften Ausführungsbeispiels,
- 10 den Schnitt gemäß der Linie X-X in 9,
- 11 eine Darstellung gemäß 1 eines sechsten Ausführungsbeispiels,
- 12 den Schnitt gemäß der Linie XII-XII in 11,
- 13 eine schematische Darstellung eines siebten Ausführungsbeispiels,
- 14 schematisch ein achtes Ausführungsbeispiel.
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Beschreibung der Ausführungsformen
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Die Ausführungsbeispiele betreffen eine Anordnung mit jeweils zumindest einem CVD-Reaktor 1, der von einem Gasmischsystem mit Prozessgasen versorgt wird und dem ein in den Zeichnungen nicht dargestelltes Gasentsorgungssystem zugeordnet ist, welches eine Pumpe und eine Gasreinigungseinrichtung aufweisen kann. Der CVD-Reaktor 1 besitzt ein nach außen gasdichtes Gehäuse mit einer Gehäusewand 2, die eine Höhlung umgibt. Innerhalb der evakuierbaren Höhlung des Reaktorgehäuses 1 befindet sich ein aus Graphit gefertigter Suszeptor 3, der auf seiner nach oben weisenden Seite ein oder mehrere zu beschichtende Substrate 4 trägt. Unterhalb des als Kreisscheibe ausgebildeten Suszeptors 3 befindet sich eine Heizeinrichtung 5, mit der der Suszeptor 3 auf Prozesstemperaturen zwischen 500 und über 1000°C aufgeheizt werden kann.
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Oberhalb des Suszeptors 3 erstreckt sich eine Prozesskammer 8, in die ein Prozessgas eingespeist wird. Letzteres erfolgt durch eine gewissermaßen die Decke der Prozesskammer 8 bildende Gasaustrittsfläche 6', die beim Ausführungsbeispiel durch eine Schirmplatte 9 realisiert ist. Anstelle der Schirmplatte kann dort aber auch eine Diffusionsplatte angeordnet sein. Es ist aber auch möglich, dass die Gasaustrittsfläche 6' unmittelbar von einer Bodenplatte eines Gaseinlassorgans 10 ausgebildet ist.
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Das Gaseinlassorgan 10, welches sich bei den Ausführungsbeispielen unmittelbar oberhalb der Schirmplatte 9 erstreckt, wird von einem Hohlkörper gebildet, der zumindest ein Gasverteilvolumen 11 aufweist. Beim Ausführungsbeispiel weist das Gaseinlassorgan 10 ein weiteres Gasverteilvolumen 13 auf, welches sich unterhalb des Gasverteilvolumens 11 erstreckt. An die Bodenplatte des Gaseinlassorgans 10 grenzt eine Kühlmittelkammer 14 an, die von einem Kühlmittel durchströmt ist. Jede der beiden ein Gasverteilvolumen 11, 13 ausbildenden Kammern ist mit Röhrchen 17, 20 mit der Gasaustrittsfläche 6' strömungsverbunden, sodass in die Gasverteilvolumen 11, 13 eingespeiste Prozessgase in einer gleichmäßigen Strömungsverteilung aus der Gasaustrittsfläche 6' austreten können. Die Prozessgase treten in die Prozesskammer 8 ein und durchströmen die Prozesskammer 8 in einer Radialrichtung hin zu einem Gasauslassorgan 6, welches die Prozesskammer 8 ringförmig umgibt und mit einem Gasauslass 7 mit dem Gasentsorgungssystem verbunden ist. In die beiden Gasverteilvolumina 11, 13, die in den Figuren nur schematisch dargestellt sind, können voneinander verschiedene reaktive Gase jeweils zusammen mit einem Trägergas eingespeist werden. Durch die Röhrchen 17, 20 gelangen die reaktiven Gase in die Prozesskammer 8, wo sie sich zerlegen oder miteinander reagieren, so dass auf der Oberfläche des Substrates eine Schicht abgeschieden wird, die aus Reaktionsprodukten der reaktiven Gase besteht.
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Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf das Gasverteilvolumen 11 näher erläutert:
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Das Gasverteilvolumen 11 erstreckt sich bei den in den 1 bis 8 dargestellten ersten bis vierten Ausführungsbeispielen über die gesamte kreisförmige Gasaustrittsfläche 6'. Die Gasaustrittsöffnungen 16 beziehungsweise die zu Ihnen korrespondierenden Röhrchen 16 sind über die gesamte Gasaustrittsfläche 6' gleichmäßig verteilt. In das Gasverteilvolumen 11 münden an zumindest zwei verschiedenen Einspeisestellen 12, 23, 26 Zuleitungen 35, 36, 38, mit denen jeweils ein Prozessgas an voneinander verschiedenen Stellen in das Gasverteilvolumen 11 eingespeist werden kann. Das Gasverteilvolumen hat über seine gesamte Flächenerstreckung eine gleichbleibende Höhe und besitzt keine Zwischenwände oder anderweitige, eine Gasausbreitung innerhalb des Gasverteilvolumens 11 hemmende Elemente. Gleichwohl können in, in den Zeichnungen nicht dargestellten Ausführungsbeispielen aber auch derartige Zwischenwände oder Diffusions- oder Strömungsbarrieren vorgesehen sein, um eine Migration der Moleküle von einer Zone in eine andere Zone des Gasverteilvolumens 11 zu verlangsamen. Es ist aber vorgesehen, dass jede der verschiedenen Einspeisestellen 12, 23, 26 einer Zone zugeordnet ist, die mit den anderen Zonen in einer Strömungsverbindung steht.
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An den voneinander verschiedenen Einspeisestellen 12, 23, 26 wird jeweils eine Mischung eines reaktiven Gases mit einem Trägergas eingespeist, wobei die Mischungsverhältnisse an den Einspeisestellen 12, 23, 26 verschieden sind.
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Die Mischungsverhältnisse werden mit einem Gasmischsystem eingestellt. Das Gasmischsystem besitzt eine Gasquelle 30 für ein reaktives Gas und eine Gasquelle 31 für ein Trägergas beziehungsweise ein Inertgas. Bei dem reaktiven Gas kann es sich um eine metallorganische Verbindung eines Elementes der II., III. oder IV. Hauptgruppe handeln. Es kann sich auch um ein Hydrid eines Elementes der IV., V. oder VI. Hauptgruppe handeln. Bevorzugt handelt es sich um eine Mischung derartiger Gase. Bei dem Inertgas kann es sich um Wasserstoff, Stickstoff oder um ein Edelgas handeln. Mit einem Massenflusskontroller 32 wird ein Massenfluss des reaktiven Gases bereitgestellt und mittels des Trägergases und einem Massenfluss-Controller 33 verdünnt. Der so bereitgestellte Massenfluss eines Prozessgases wird aufgespaltet in eine Zuleitung 35, die an einer zentralen Gaseinlassstelle 12 in das Gasverteilvolumen 11 mündet, und in eine Zuleitung 36, die an einer peripheren Gaseinlassstelle 23 in das Gasverteilvolumen 11 mündet. In die Zuleitung 36 wird mittels eines Massenfluss-Controllers 34 ein Trägergasfluss eingespeist, sodass das an der peripheren Gaseinlassstelle 23 eingespeiste Prozessgas gegenüber dem an der zentralen Gaseinlassstelle 12 eingespeisten Prozessgas verdünnt ist.
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Bei dem in den 1 und 2 dargestellten Ausführungsbeispiel erstreckt sich innerhalb des Gasverteilvolumens 11 ein Gasverteilelement 24, welches eine ringförmige Gestalt aufweist und als zu einem Ring gebogenes Rohr ausgebildet sein kann. In der Wandung des Gasverteilelementes 24 befinden sich Öffnungen 25, die das in die periphere Gaseinlassstelle 23 eingespeiste Prozessgas in eine Ringzone um die geometrische Mitte des Gasverteilvolumens 11 einspeisen.
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An der Gaseinlassstelle 12 kann, wie in der 1 dargestellt, ein einzelnes Rohr in das Gasverteilvolumen 11 münden. Es ist aber auch möglich, dass im Zentrum des Gasverteilvolumens 11 mehrere Rohre in das Gasverteilvolumen 11 münden. Ferner kann vorgesehen sein, dass an der zentralen Gaseinlassstelle eine ringförmige Öffnung oder ein konzentrischer Ring von Öffnungen angeordnet ist.
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Die Gasaustrittsöffnungen 16 können auf den Eckpunkten eines Gitters liegen, wobei die Gitterzelle rechteckig, quadratisch, hexagonal oder polygonal ausgebildet sein kann. Die Gasaustrittsöffnungen 16 liegen bevorzugt auf den Eckpunkten eines aus gleichen Gitterzellen aufgebauten Gitters. Die Gasaustrittsöffnungen 16 können aber auch auf konzentrischen Linien um das Zentrum der Gasaustrittsfläche angeordnet sein.
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Das in den 3 und 4 dargestellte zweite Ausführungsbeispiel unterscheidet sich vom ersten Ausführungsbeispiel im Wesentlichen dadurch, dass zwischen einem radial äußeren Gasverteilelement 24 ein radial inneres Gasverteilelement 27 angeordnet ist, welches ebenfalls eine ringförmige Gestalt hat. Die beiden Gasverteilelemente 24, 27 sind konzentrisch, bezogen auf die zentrale Gaseinlassstelle 12, angeordnet. An der Gaseinlassstelle 26 mündet eine Zuleitung 38, durch die ein mittels eines Massenfluss-Controllers 37 vom Trägergas verdünntes Prozessgas eingespeist wird. Mittels der Massenfluss-Controller 34, 37 kann der Verdünnungsgrad des Prozessgases eingestellt werden, sodass sich innerhalb des Gasverteilvolumens 11 ein radialer Konzentrationsgradient einstellt, der dazu führt, dass durch die im Zentrum der Gasaustrittsfläche 6' angeordneten Gasaustrittsöffnungen 16 ein Prozessgas mit einer höheren Konzentration des reaktiven Gases in die Prozesskammer 8 eingespeist wird, als durch die peripheren Gasaustrittsöffnungen 16.
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In einem nicht dargestellten Ausführungsbeispiel können mehr als zwei ringförmige Zonen innerhalb des Gasverteilvolumens 11 vorgesehen sein, wo jeweils ein sich im Bereich dieser Zone erstreckendes Gasverteilelement vorgesehen ist.
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Die Öffnungen 25 beziehungsweise 28 der Gasverteilelemente 24 beziehungsweise 27 können sich in einer Richtung quer zur Ebene erstrecken, in der sich das Gasverteilelement 24, 27 erstreckt. Die Öffnungen 25 beziehungsweise 28 können seitliche Öffnungen sein. Die Öffnungen 25, 27 können aber auch in Richtung auf die Gasaustrittsfläche 6' münden. Die Öffnungen 25 beziehungsweise 28 können somit auch nach unten weisende Öffnungen sein.
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Bei dem in den 5 und 6 dargestellten Ausführungsbeispiel ist ein zentraler Gaseinlass an einer in der geometrischen Mitte des einen kreisförmigen Grundriss aufweisenden Gasverteilvolumens 11 angeordneten zentralen Einspeisestelle 12 vorgesehen. Es sind mehrere, in gleichmäßiger Umfangsverteilung um die geometrische Mitte angeordnete, weitere Einspeisestellen 23 vorgesehen. An der Einspeisestelle 12 und den peripheren Einspeisestellen 23 können jeweils Prozessgase mit einer unterschiedlichen Mischung direkt in das Gasverteilvolumen eingespeist werden.
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Bei dem in den 7 und 8 dargestellten Ausführungsbeispiel ist ein zentrales Gasverteilelementen 29 in der geometrischen Mitte des Gasverteilvolumens 11 angeordnet. Es handelt sich um ein zu einem Ring gebogenes Rohr mit in der Rohrwandung angeordneten Öffnungen, welches von einer nicht dargestellten Zuleitung gespeist wird, welche an einer Einspeisestelle 12 in das Gasverteilelement 29 mündet. Um das zentrale Gasverteilelement 29 sind in gleichmäßiger Umfangsverteilung mehrere Gasverteilelemente 25 angeordnet, die beim Ausführungsbeispiel ebenfalls von einem zu einem Ring gebogenen Rohr ausgebildet sind, welches in der Rohrwandung eine Öffnung aufweist. In die mehreren peripheren Gasverteilelemente 25 kann dasselbe Prozessgas, also dieselbe Mischung eines reaktiven Gases mit einem Trägergas, eingespeist werden. Es ist aber auch vorgesehen, dass in die voneinander verschiedenen Gasverteilelemente 25 an den jeweiligen Einspeisestellen 23 voneinander verschiedene Mischungen eines reaktiven Gases mit einem Trägergas eingespeist werden.
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Bei dem in den 9 und 10 dargestellten Ausführungsbeispiel besitzt das Gaseinlassorgan 10 eine Vielzahl streifenartig angeordneter Gasverteilvolumina 11. Ein mittleres Gasverteilvolumen 11 erstreckt sich diametral durch das Zentrum des kreisförmigen Gaseinlassorgans 10. An den beiden Längsseiten des schmalen Gasverteilvolumens 11 grenzen jeweils weitere Gasverteilvolumina 11 an. Es liegen mehrere, über die gesamte Gasaustrittsfläche 6' sich erstreckende schmale Gasverteilvolumina 11 nebeneinander.
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Jedes Gasverteilvolumen 11 besitzt in seiner Mitte eine erste Einspeisestelle 12, 12', an der ein Prozessgas in das jeweilige Gasverteilvolumen eingespeist werden kann. Mit Ausnahme eines äußeren Gasverteilvolumens 11 besitzt jedes Gasverteilvolumen 11 darüber hinaus an seinen beiden Enden, die am Rand der Gasaustrittsfläche 6' liegen, weitere Einspeisestellen 23, an denen ein Prozessgas mit einer anderen Mischung eingespeist werden kann.
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Während bei den zuvor beschriebenen Ausführungsbeispielen ein Suszeptor 3 ein einziges, großflächiges Substrat 4 trägt, kann in weiteren, nicht dargestellten Ausführungsbeispielen, die ansonsten mit den zuvor beschriebenen Ausführungsbeispielen übereinstimmen, auf dem Suszeptor 3 eine Vielzahl von Substraten 4 angeordnet werden, wie dies in der 11 dargestellt ist.
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Das in den 11 und 12 dargestellte Ausführungsbeispiel unterscheidet sich von den zuvor beschriebenen Ausführungsbeispielen im Wesentlichen durch die Form des Gasverteilelementes 24, welches hier hufeisenförmig ausgebildet ist. Auch hier ist es möglich, dass mehrere Gasverteilelemente 24 konzentrisch zur geometrischen Mitte des Gasverteilvolumens 11 angeordnet sind.
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Bei diesem Ausführungsbeispiel können in die beiden Einspeisestellen 12 und 23 voneinander verschiedene Prozessgase eingespeist werden. Hierzu sind zusätzliche Massenfluss-Controller 32', 33' vorgesehen, mit denen eine Mischung eines von einer Gasquelle 30' bereitgestelltes reaktives Gas mit dem von der Gasquelle 31 bereitgestellten Trägergas erzeugt wird. Mit einer Zuleitung 35' wird diese Prozessgasmischung an der Einspeisestelle 23 in das Gasverteilelement 24 eingespeist.
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Das in der 13 dargestellte Ausführungsbeispiel zeigt ein modifiziertes Gasmischsystem, bei dem mittels der Massenfluss-Controller 32, 33 eine Mischung eines reaktiven Gases und eines Trägergases erzeugt wird. Die Mischung wird in eine Zuleitung eingespeist, die sich mehrfach verzweigt. Die Zuleitung verzweigt sich zunächst in eine Zuleitung 35, die an einer Einspeisestelle 12 in ein Gasverteilvolumen 11 eines ersten CVD-Reaktors 1 mündet, und in eine Zuleitung 35', die in ein Gasvolumen 11 eines zweiten CVD-Reaktors 1' mündet.
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Es sind zwei Massenfluss-Controller 34, 37 vorgesehen, mit denen jeweils ein Trägergas bereitgestellt wird, dass in eine Zuleitung 36 beziehungsweise 38 eingespeist wird, um dort das Prozessgas zu verdünnen. Die Zuleitungen 36 beziehungsweise 38 münden an einer Einspeisestelle 23 in das Gasverteilvolumen 11. Die CVD-Reaktoren 1, 1' können, wie in den 1 bis 11 dargestellt, ausgebildet sein.
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Das in der 14 dargestellte Ausführungsbeispiel zeigt ein weiteres modifiziertes Gasmischsystem, bei dem an der peripheren Einspeisestelle 23 lediglich ein Trägergas in das Gasverteilvolumen 11 eingespeist wird.
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Die Gasverteilelemente sind in den Ausführungsbeispielen als ringförmig geschlossene oder hufeisenförmige Rohre dargestellt. Die Gasverteilelemente können aber auch eine andere Form aufweisen, beispielsweise Hohlräume, die von einer Wandung umgeben sind, die Öffnungen aufweist, sodass ein Prozessgas über eine größere Fläche in das Gasverteilvolumen eingespeist werden kann.
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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 auch eigenständig weiterbilden, wobei zwei, mehrere oder alle dieser Merkmalskombinationen auch kombiniert sein können, nämlich:
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Ein Verfahren, das dadurch gekennzeichnet ist, dass an zumindest einer zweiten Einspeisestelle 23, 26 ein weiteres Gas, das vom Prozessgas verschieden ist, in dasselbe Gasverteilvolumen derart eingespeist wird, dass sich innerhalb des Gasverteilvolumens 11 Zonen mit einer unterschiedlichen Konzentration des reaktiven Gases ausbilden.
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Eine Vorrichtung, die dadurch gekennzeichnet ist, dass die Mündungen der Einspeisestellen 23, 26 derart angeordnet sind, und die Massenfluss-Controller 32, 33, 34, 37 derart geschaltet sind, dass sich innerhalb des Gasverteilvolumens 11 Zonen mit einer unterschiedlichen Konzentration des reaktiven Gases ausbilden.
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Ein Verfahren oder eine Vorrichtung, die dadurch gekennzeichnet sind, dass das weitere Gas ein zweites reaktives Gas beinhaltet und/oder dass das weitere Gas nur das Trägergas oder ein Inertgas beinhaltet.
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Ein Verfahren oder eine Vorrichtung, die dadurch gekennzeichnet sind, dass der Suszeptor 3 ein einziges Substrat 4 trägt, welches der Gasaustrittsfläche 6' gegenüberliegt, die sich über die gesamte Oberfläche des Substrates 4 erstreckt, und/oder, dass der Suszeptor 3 eine Vielzahl von Substraten 4 trägt, und/ oder, dass sich das Gasverteilvolumen 11 über die gesamte Gasaustrittsfläche 6' erstreckt.
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Ein Verfahren oder eine Vorrichtung, die dadurch gekennzeichnet sind, dass die aus den Gasaustrittsöffnungen 16 austretenden Gasströme in Radialrichtung bezogen auf ein Zentrum der Gasaustrittsfläche 6' abweichende Konzentrationen des reaktiven Gases aufweisen, und/oder, dass die Einspeisestellen 12, 23, 26 derart angeordnet sind, dass die aus den Gasaustrittsöffnungen 16 austretenden Gasströme in einer azimutalen Richtung bezogen auf ein Zentrum der Gasaustrittsfläche 6' gleichbleibende Konzentrationen des reaktiven Gases aufweisen, und/ oder, dass die Einspeisestellen 12, 23, 26 derart angeordnet sind, dass die aus den Gasaustrittsöffnungen 16 austretenden Gasströme innerhalb der Flächenerstreckung der Gasaustrittsfläche 6' unterschiedliche Konzentrationen des reaktiven Gases aufweisen.
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Ein Verfahren oder eine Vorrichtung, die dadurch gekennzeichnet sind, dass zumindest zwei Gasverteilvolumina 11 sich jeweils über Teilflächen der Gasaustrittsfläche 6' erstrecken, die jeweils eine erste Einspeisestelle 12, 12' und eine weitere Einspeisestelle 23 aufweisen, und/ oder, dass mehrere Teil-Gasvolumina 11 in einer linienförmigen Anordnung parallel zueinander angeordnet sind.
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Ein Verfahren oder eine Vorrichtung, die dadurch gekennzeichnet sind, dass die aus den Gasaustrittsöffnungen 16 austretenden Gasströme in Radialrichtung bezogen auf ein Zentrum der Gasaustrittsfläche 6' abweichende Konzentrationen des reaktiven Gases aufweisen, und/oder, dass die Einspeisestellen 12, 23, 26 derart angeordnet sind, dass die aus den Gasaustrittsöffnungen 16 austretenden Gasströme in einer azimutalen Richtung bezogen auf ein Zentrum der Gasaustrittsfläche 6' gleichbleibende Konzentrationen des reaktiven Gases aufweisen, und/ oder, dass die Einspeisestellen 12, 23, 26 derart angeordnet sind, dass die aus den Gasaustrittsöffnungen 16 austretenden Gasströme innerhalb der Flächenerstreckung der Gasaustrittsfläche 6' unterschiedliche Konzentrationen des reaktiven Gases aufweisen.
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Ein Verfahren oder eine Vorrichtung, die dadurch gekennzeichnet sind, dass das an der mindestens einen zweiten Einspeisestelle 23, 26 eingespeiste weitere Gas ein mittels des Trägergases verdünntes Prozessgas ist, und/ oder, dass das vom Gasmischsystem bereitgestellte Prozessgas sowohl in die Prozessgaszuleitung 35 als auch in die weitere Zuleitung 36 eingespeist wird, wobei in die weitere Zuleitung 36 eine Trägergasleitung zum Einspeisen eines Trägergasflusses mündet.
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Ein Verfahren oder eine Vorrichtung, die dadurch gekennzeichnet sind, dass das durch die erste Einspeisestelle 12 eingespeiste Gas in die Mitte des Gasverteilvolumens 11 strömt und dass das durch die weitere Einspeisestelle 23, 26 eingespeiste Gas in eine von der Mitte beabstandete Ringzone strömt, und/ oder dass die erste Einspeisestelle 12 in der geometrischen Mitte des Gasverteilvolumens 11 angeordnet ist und zumindest eine weitere Einspeisestelle 23, 26 mit einem Gasverteilelement 24, 27 strömungsverbunden ist, das konzentrisch um die geometrische Mitte angeordnet ist und eine Vielzahl in der Ringzone angeordnete Öffnungen 25, 28 aufweist, und/ oder, dass mehrere weitere Einspeisestellen 23 vorgesehen sind, an denen untereinander gleiche weitere Gase oder voneinander verschiedene weitere Gase in das Gasverteilvolumen 11 eingespeist werden.
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Ein Verfahren oder eine Vorrichtung, die dadurch gekennzeichnet sind, dass die Einspeisestellen 23, 26 mit Gasverteilelementen 24, 27, 29 strömungsverbunden sind, mit denen das durch die Zuleitungen 35, 36, 38 an den Einspeisestellen eingespeiste Gas an mehreren Stellen in das Gasvolumen 11 eingespeist werden, und/ oder, dass das vom Gasmischsystem bereitgestellte Prozessgas in zumindest zwei Prozessgaszuleitungen 35 jeweils eines Gasverteilvolumens 11 eingespeist werden, wobei die Gasverteilvolumina 11 demselben Gaseinlassorgan 2 oder Gaseinlassorganen 2 verschiedener Reaktoren 1, 1' zugeordnet sind, und/oder das bereitgestellte Prozessgas zusätzlich auch in die jeweils weitere Zuleitung 36 eingespeist wird, in die mittels einer Trägergaszuleitung zur Verdünnung Trägergas eingespeist werden kann.
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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, auch ohne die Merkmale eines in Bezug genommenen Anspruchs, mit ihren Merkmalen eigenständige erfinderische Weiterbildungen des Standes der Technik, insbesondere um auf Basis dieser Ansprüche Teilanmeldungen vorzunehmen. Die in jedem Anspruch angegebene Erfindung kann zusätzlich ein oder mehrere der in der vorstehenden Beschreibung, insbesondere mit Bezugsziffern versehene und/ oder in der Bezugsziffernliste angegebene Merkmale aufweisen. Die Erfindung betrifft auch Gestaltungsformen, bei denen einzelne der in der vorstehenden Beschreibung genannten Merkmale nicht verwirklicht sind, insbesondere soweit sie erkennbar für den jeweiligen Verwendungszweck entbehrlich sind oder durch andere technisch gleichwirkende Mittel ersetzt werden können.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Reaktorgehäuse, CVD-Reaktor
- 1'
- CVD-Reaktor
- 2
- Gehäusewand
- 3
- Suszeptor
- 4
- Substrat
- 5
- Heizeinrichtung
- 6
- Gasauslassorgan
- 6'
- Gasaustrittsfläche
- 7
- Gasauslass
- 8
- Prozesskammer
- 9
- Schirmplatte
- 10
- Gaseinlassorgan
- 11
- Gasverteilvolumen
- 12
- zentrale Gaseinlassstelle, Einspeisestelle
- 13
- Gasverteilvolumen
- 14
- Kühlmittelkammer
- 15
- Gasaustrittsplatte
- 16
- Gasaustrittsöffnung
- 17
- Röhrchen
- 18
- Trennplatte
- 19
- Gasaustrittsöffnung
- 20
- Röhrchen
- 21
- Trennplatte
- 23
- periphere Gaseinlassstelle, Einspeisestelle
- 24
- Gasverteilelement
- 25
- Öffnung
- 26
- periphere Gaseinlassstelle, Einspeisestelle
- 27
- Gasverteilelement
- 28
- Öffnung
- 29
- Gasverteilelement
- 30
- Gasquelle, reaktives Gas
- 30'
- Gasquelle, reaktives Gas
- 31
- Gasquelle, Trägergas/Inertgas
- 32
- Massenfluss-Controller
- 32'
- Massenfluss-Controller
- 33
- Massenfluss-Controller
- 33'
- Massenfluss-Controller
- 34
- Massenfluss-Controller
- 35
- Zuleitung
- 35'
- Zuleitung
- 36
- Zuleitung
- 37
- Massenfluss-Controller
- 38
- Zuleitung
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 2018350562 [0002]
- US 2017194172 [0002]
- US 2018135177 [0002]
- WO 2017/200696 [0002]
- US 2016340781 [0002]
- US 2016020074 [0002]
- US 2013299009 [0002]
- US 2011033638 [0002]
- US 2007251642 [0002]
- WO 2006/020424 [0002]
- WO 0104931 [0002]
- US 6161500 [0002]
- EP 0821084 [0002]
- EP 0550058 [0002]
