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Hintergrund der Offenbarung
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Die Dünnfilmabscheidung auf einem Substrat für die Herstellung von Halbleitervorrichtungen und für andere Anwendungen wird häufig durch einen Gasphasenprozess unter Verwendung einer Gas-/Dampf-Mischung vollzogen, welche den für die Filmbildung benötigten Prekursordampf enthält. Die Mischung wird gewöhnlicherweise unter geeigneten Bedingungen für Temperatur und Druck in eine Abscheidungskammer eingeführt, um einen Dünnfilm auf dem Substrat zu bilden. In dem Fall eines Prekursors (engl.: ”precursor” = Vorläuferverbindung) in flüssiger Form, kann der Prekursordampf durch Erhitzen der Flüssigkeit auf eine geeignet hohe Temperatur erzeugt werden. Ein Trägergas kann durch die Flüssigkeit gesprudelt werden, um das Gas mit Dampf zu sättigen, so dass die gewünschte Gas-/Dampf-Mischung gebildet wird. Alternativ kann Dampf durch Einspritzen der Flüssigkeit direkt auf eine heiße Metalloberfläche erzeugt werden, um die Flüssigkeit zu verdampfen und Dampf zu bilden. Gleichzeitig wird ebenfalls ein Trägergas eingespritzt, um den Dampf mitzureißen, so dass die Gas-/Dampf-Mischung hergestellt wird. In den zurückliegenden Jahren wurde die Flüssigkeitsverdampfung durch direkte Flüssigkeitseinspritzung und Tröpfchenverdampfung in zunehmendem Maße verwendet. In diesem Prozess wird die Prekursorflüssigkeit mit einem Trägergas in einen Zerstäubergerät eingespritzt, um ein Tröpfchenaerosol zu bilden, das aus kleinen, in dem Gas suspendierten Tröpfchen besteht. Das Tröpfchenaerosol wird dann aufgeheizt, um eine Gas-/Dampf-Mischung in einer aufgeheizten Zerstäuberkammer zu bilden.
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Die Prekursorverdampfung durch Zerstäubung gefolgt von Tröpfchenverdampfung in dem Trägergas hat den Vorteil, dass Tröpfchen verdampft werden, während sie in dem Gas suspendiert sind. Wärme wird indirekt von den aufgeheizten Verdampfungskammerwänden durch das Gas und dann zur Verdampfung in die suspendierten Tröpfchen übertragen. Ein direkter Kontakt zwischen der Flüssigkeit und einer heißen Metalloberfläche kann unterdrückt werden. Ein Kontakt zwischen der Prekursorflüssigkeit und einer heißen Metalloberfläche kann eine thermische Zersetzung des Prekursors hervorrufen, so dass ungewünschte Nebenprodukte gebildet werden. Die Tröpfchenverdampfung kann in großem Umfang die thermische Zersetzung verringern, so dass eine hochreine Gas-/Dampf-Mischung hergestellt wird, um Dünnfilme bei der Herstellung von Halbleitervorrichtungen zu bilden. Zusätzlich bleibt aufgrund des Kühleffekts der Verdampfung die Oberflächentemperatur eines verdampfenden Tröpfchens niedrig, was die thermische Zersetzung weiter verringert, die bei ausreichend hohen Temperaturen in der Flüssigphase auftreten kann.
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Während die Tröpfchenverdampfung in den zurückliegenden Jahren erfolgreich verwendet wurde, um Prekursorchemikalien für die Herstellung von Halbleitervorrichtungen zu verdampfen, sind viele moderne Prekursorchemikalien schwierig zu verdampfen. Das Problem der thermischen Zersetzung und der Bildung von Nebenprodukten ist als ein Ergebnis von Designmängeln der Flüssigkeits-Zerstäubergeräte verblieben. Dies trifft insbesondere für hochmolekulargewichtige Prekursoren mit einem niedrigen Dampfdruck zu. Solche Prekursoren mit niedrigem Dampfdruck haben typischerweise ein Molekulargewicht höher als ungefähr 300. Ihre Verdampfung erfordert die Verwendung von vergleichsweise hohen Verdampfungstemperaturen. Dennoch sind diese Prekursorchemikalien weniger stabil und anfällig für die thermische Zersetzung, die Nebenprodukte bilden kann, die schädlich für die herzustellende Halbleitervorrichtung sind.
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Wenn die Flüssigkeit durch einen Zerstäuber in eine aufgeheizte Verdampfungskammer eingeführt wird, muss der schmale Flüssigkeitsfluss-Durchlass gewöhnlicherweise durch einen Hochtemperaturbereich führen, in welchem der Flüssigkeits-Durchlass selbst aufgeheizt wird. Im Laufe der Zeit können sich Zersetzungsprodukte bilden und in dem schmalen, aufgeheizten Flüssigkeitsfluss-Durchlass akkumulieren und eine Verstopfung des Durchlasses hervorrufen. Das akkumulierte, zersetzte Material in dem Flüssigkeitsfluss-Durchlass kann auch abgelöst werden und als gasgetragene Verunreinigung in der Gas-/Dampf-Mischung auftreten. Diese Verunreinigungen können durch die Gas-/Dampf-Mischung in die Abscheidungskammer transportiert werden und sich auf der Substratoberfläche abscheiden, so dass das Substrat verunreinigt wird. Das Ergebnis ist eine erhöhte Oberflächenteilchenzahl auf dem Produktwafer und vermehrte Defekte in der Vorrichtung und der Verlust an Produktausbeute.
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Zusammenfassung der Offenbarung
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Die vorliegende Offenbarung bezieht sich auf ein Gerät und ein Verfahren zur Bildung eines Tröpfchenaerosols für die Verdampfung und die nachfolgende Dünnfilmabscheidung auf einem Substrat. Das Gerät schließt einen Mechanismus zur Steuerung der Rate des Flüssigkeitsflusses durch das Gerät ein, wobei der Mechanismus einen piezoelektrischen Aktuator zum Einstellen der Rate des Flüssigkeitsflusses und einem Zerstäubungsmechanismus einschließt, der Gas aus einer Druckgasquelle zieht, so dass, wenn sich die Gasquelle mit der Flüssigkeit verbindet, die Flüssigkeit zerstäubt wird, so dass sich in dem Gas suspendierte Tröpfchen bilden, die ein für die Dünnfilmabscheidung auf einem Substrat geeignetes Tröpfchenaerosol bilden.
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Das Verfahren schließt das Ziehen eines Gases aus der Druckgasquelle und das Ziehen einer Flüssigkeit aus einer Flüssigkeitsquelle ein. Die Flüssigkeit und das Gas werden entweder in einer koaxialen Flussbeziehung oder in einer radialen Flussbeziehung oder in einer winkligen Beziehung zwischen radialem und koaxialem Fluss miteinander verbunden, wobei das Gas die Flüssigkeit aufnimmt, so dass Tröpfchen gebildet werden, die zur Verdampfung und anschließendem Dünnfilmabscheidung auf einem Substrat geeignet sind.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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1 ist eine schematische Ansicht des Zerstäubungsgeräts einer Ausführungsform;
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2 ist eine schematische Ansicht einer anderen Ausführungsform des Zerstäubungsgeräts der vorliegenden Offenbarung;
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3 ist eine schematische Ansicht noch einer weiteren Ausführungsform des Zerstäubungsgeräts des Geräts der vorliegenden Offenbarung;
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4 ist eine schematische Ansicht eines Flüssigkeitsfluss- und Zerstäubungs-Geräts in dessen bevorzugter Ausführungsform;
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5 ist der Zerstäubungskopf für den radialen Fluss, welcher den Zerstäubungskopf der vorliegenden Erfindung in seiner bevorzugten Ausführungsform zeigt;
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6 ist der Zerstäubungskopf für den winkligen Fluss.
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Beschreibung der exemplarischen Ausführungsform
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1 ist ein schematisches Diagramm einer Ausführungsform des Zerstäubungsgeräts. Gleiche Bezugszeichen werden in den Figuren durchgängig für gleiche Elemente verwendet. Das Zerstäubungsgerät wird allgemein mit Bezugszeichen 10 gezeigt. Es ist mit einer Flüssigkeitsquelle 80, welche eine zu verdampfende Prekursorchemikalie enthält, und mit einer Druckgasquelle 70, welche ein für das Zerstäuben der Flüssigkeit zur Bildung eines Tröpfchenaerosols für die Verdampfung verwendetes Trägergas enthält versehen. Das Zerstäubungsgerät 10 ist mit einer beheizten Verdampfungskammer 90 verbunden, in welcher das durch das Zerstäubergerät 10 hergestellte Tröpfchenaerosol 51 verdampft wird, so dass eine Gas-/Dampf-Mischung gebildet wird. Die sich ergebende Gas-/Dampf-Mischung fließt dann aus der Verdampfungskammer durch einen Auslass 95 in eine Abscheidungskammer (nicht gezeigt) für die Dünnfilmabscheidung und/oder die Herstellung einer Halbleitervorrichtung.
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Das Zerstäubungsgerät 10 ist mit einem Kopfstück 20 mit einem Flüssigkeitseinlass 22 zum Eintreten der Prekursorflüssigkeit aus der Quelle 80 und einem Gaseinlass 24 zum Eintreten des Trägergases aus der Gasquelle 70 versehen. Nach dem Eintreten in den Einlass 22 fließt die Flüssigkeit das schmale Metallkapillarrohr 60 hinunter, bis es das andere Ende des Kapillarrohrs verlässt, welches offen ist. Gleichzeitig tritt das Trägergas von der Quelle 70 durch den Einlass 24 in den Zerstäubungsgerät ein. Das Gas durchläuft dann Öffnungen 26 in ein inneres rohrförmiges Element 50 und eine Öffnung 27 in ein äußeres rohrförmiges Element 40, so dass zwei getrennte Ströme gebildet werden. Ein Strom fließt abwärts durch den Gasfluss-Durchlass 28, der zwischen dem äußeren rohrförmigen Element 40 und dem inneren rohrförmigen Element 50 gebildet wird. Der andere Strom fließt abwärts durch den Gasfluss-Durchlass 32, der zwischen dem inneren rohrförmigen Element 50 und dem Kapillarrohr 60 gebildet wird. Wenn diese Gasströme das untere Ende der Gasfluss-Durchlässe erreichen, welche offen sind, vereinigen sich diese zur Bildung eines einzelnen Stroms. Dieser Gasstrom fließt dann durch die schmale Düse 34, so dass ein Gasstrahl mit hoher Geschwindigkeit erzeugt wird, welcher die Flüssigkeit, die aus dem Ende des Metallkapillarrohrs herausfließt, zerstäubt, so dass ein Nebel von feinen Tröpfchen 51 in der aufgeheizten Verdampfungskammer 90 gebildet wird, wobei die Verdampfungskammer an dem Bodenflansch 30 des Zerstäubungsgeräts angebracht ist.
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Das Gerät 10 ist so ausgelegt, dass es in einer Vakuumumgebung arbeitet, so dass alle Teile des Systems, welche die Außenhülle des Systems bilden, einschließlich des Kopfstücks 20 am oberen Ende und des Flanschs 30 am unteren Ende und des rohrförmigen Elements 40 auf der Seite, so konstruiert sind, um Lecks zu verhindern. Das Kopfstück 20, der Flansch 30 und das rohrförmige Element 40 können aus einem einzigen massiven Teil aus Metall gefertigt werden oder als separate Teile hergestellt und miteinander verschweißt werden, um eine vollständig leckfreie Hülle für Gas- und Flüssigkeitsfluss und Zerstäubung zu bilden. In ähnlicher Weise ist der Bodenflansch 30 ebenfalls mittels einer lecksicheren Dichtung an der Verdampfungskammer 90 angebracht. Alle Teile des Systems einschließlich Kopfstück 20, Flansch 30 und rohrförmigem Element 40 und rohrförmigem Element 50 und Kapillarrohr 60 werden gewöhnlicherweise aus rostfreiem Stahl oder anderem korrosionsfreien Metall hergestellt, um Verunreinigungen aufgrund von Korrosion und Erosion zu vermeiden.
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Das Zerstäubungsgerät 10 ist so ausgelegt, dass er mit einer aufgeheizten Verdampfungskammer arbeitet. Für hochmolekulargewichtige Prekursoren ist die Verdampfungstemperatur typischerweise höher als ungefähr 100°C. Für einige Prekursoren, insbesondere jene, die bei Raumtemperatur als Feststoff vorliegen, können Verdampfungstemperaturen von ungefähr 350°C oder höher notwendig sein.
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Für solche festen Prekursoren muss der Feststoff in einem Lösungsmittel gelöst und dann zur Bildung von Tröpfchen zerstäubt werden, um sowohl das Lösungsmittel als auch den festen Prekursor zu verdampfen.
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Wenn der Prekursor durch einen Flüssigkeitsfluss-Durchlass wie das Metallkapillarrohr 60 des Zerstäubungsgeräts 10 fließt, ist es wichtig, dass die Temperatur des Flüssigkeitsfluss-Durchlasses sorgfältig gesteuert und niedrig gehalten wird, um eine thermische Zersetzung der Prekursorflüssigkeit während des Fliegens durch die Metallkapillare zu verhindern. Im Fall eines auf einem Lösungsmittel beruhenden festen Prekursors kann das Lösungsmittel in einem aufgeheizten Flüssigkeitsfluss-Durchlass verdampfen, wodurch der feste Prekursor zurückgelassen wird, so dass er sich in dem schmalen Flüssigkeitsfluss-Durchlass abscheidet und dessen Verstopfung hervorruft. Die Art und Weise, in welcher die Temperatur des Metallkapillarrohrs 60 in dem Zerstäubungsgerät 10 gesteuert wird, wird nachstehend beschrieben.
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Da alle Teile des Zerstäubungsgeräts 10 aus Metall, gewöhnlicherweise rostfreiem Stahl, konstruiert sind und das Gerät durch den Bodenflansch 30 an der aufgeheizten Verdampfungskammer 90 angebracht ist, steht das Gerät 10 im Allgemeinen in gutem thermischen Kontakt mit der Verdampfungskammer 90. Wenn die Verdampfungskammer 90 bei einer Temperatur von, zum Beispiel, 130°C betrieben wird, um die durch das Zerstäubungsgerät 10 hergestellten Prekursortröpfchen zu verdampfen, wird das Gerät 10 mit einem Design ähnlich zu dem in 1 gezeigten, aber ohne die nachstehend beschriebenen speziellen Designüberlegungen auch eine Temperatur nahe an der Verdampfungskammertemperatur, das heißt, 130°C, haben. Da das Zerstäubungsgerät in eine Außenumgebung hineinreicht, welche sich bei einer etwas wärmeren Temperatur als die typischen 20°C eines Reinraums befindet, kann das Kopfstück 20 des Geräts 10 eine Temperatur von etwas kühler als die Verdampfungstemperatur von 130°C haben. Das Metallkapillarrohr 60, welches in gutem thermischen Kontakt mit dem Kopfstück 20 steht, wird deswegen ebenfalls eine Temperatur haben, die etwas kühler als die Temperatur der Verdampfungskammer ist.
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Um die Temperatur des Kopfstücks 20 und die Temperatur des Kapillarrohrs 60, das an dem Kopfstück angebracht ist und in gutem thermischen Kontakt mit diesem steht, zu verringern, ist das Gerät 10 aus einem dünnwandigen, rohrförmigen Element 40 mit einer großen Länge konstruiert, wobei die Rohrwanddicke und Länge ausreichend sind, um einen Temperaturabfall von mindestens etwa 30°C zu erzeugen, da Wärme von der aufgeheizten Verdampfungskammer zu dem relativ kühlen Kopfstück 20 geleitet wird. Da das Kapillarrohr in gutem thermischen Kontakt mit dem Kopfstück 20 steht, wird die Temperatur der Kapillare folglich ebenso etwa 30°C oder mehr kühler als das Kopfstück 20 sein.
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Die Leitung der Wärme durch die Wände eines rohrförmig geformten Elements von einem zu dem anderen Ende wird durch das Fourier-Gesetz der Wärmeleitung bestimmt, Q = kAΔT / L (1) wobei Q die Rate der Wärmeübertragung von dem heißen Ende des Rohrs zu dem kühleren Ende ist, k die thermische Leitfähigkeit des Rohrs ist, A die Querschnittsfläche des Rohrs ist, L die Rohrlänge ist und ΔT der Temperaturabfall von dem heißen Ende zu dem kalten Ende des Rohrs ist. Für ein dünnwandiges Rohr mit einem Durchmesser D und einer Wanddicke t ist die Querschnittsfläche A A = πDt(2).
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Die Rate der Wärmeleitung wird daher Q = kπDtΔT / L (3) sein.
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Gleichung (3) zeigt, dass die Rate der Wärmeleitung durch das rohrförmige Element 40 direkt proportional zu der Dicke t des Rohrs und umgekehrt proportional zu seiner Länge L ist. Ein Verringern der Dicke und ein Erhöhen der Rohrlänge werden die Wärmeleitung durch das Rohr verringern. Da das kalte Ende des Rohrs mit dem Kopfstück 20 verbunden ist und eine im Wesentlichen gleiche Temperatur wie das Kopfstück 20 hat, muss die durch die Leitung von dem heißen Ende zu dem kalten Ende des Rohrs übertragene Wärme durch natürliche Konvektion und Strahlung durch das Kopfstück an die Umgebung abgeleitet werden. Eine Verringerung der Rate der Wärmeleitung zu dem kalten Ende wird daher die Temperaturdifferenz zwischen dem Kopfstück 20 und der Temperatur der Außenumgebung verringern und die Kopfstücktemperatur näher an die umgebende Raumtemperatur bringen. Das Kopfstück wird folglich kühler werden.
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Die vorstehende Analyse zeigt, dass ein einfacher und trotzdem effektiver Weg zur Verringerung der Temperatur des Kopfstücks 20 wie auch der Temperatur des daran angebrachten Kapillarrohrs ist, die Wanddicke t des Rohres dünn oder die Rohrlänge L groß zu machen oder beides. Zusätzlich wird das Trägergas nach dem Eintreten in den Gaseinlass 24 und dem Fließen durch die Gasfluss-Durchlässe 28 und 32 zwei kalte mantelförmige Flussströme bilden. Ein Strom wird durch den Durchlass 32 fließen, um das Kühlen der Metallkapillare 60 in dem Abschnitt unterhalb des Kopfstücks zu unterstützen. Der andere Strom wird durch den Durchlass 28 fließen, um die Abkühlung des rohrförmigen Gehäuses 40 durch Abführen zusätzlicher Wärme zu unterstützen, die sonst durch das Rohr in das Kopfstück geleitet würde. Auf diese Weise wird das Trägergas, das zum Zerstäuben der Flüssigkeit zur Bildung eines Tröpfchenaerosols verwendet wird, zusätzlich zur Unterstützung der Kühlung des Kopfstücks und des Abschnitts des Kapillarrohrs unterhalb des Kopfstücks, an welchem es angebracht ist, verwendet.
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Experimente haben gezeigt, dass der vorstehende Ansatz den Temperaturabfall vom Flansch 30 zum Kopfstück 20 und dem Metallkapillarrohr 60 auf etwa 90°C anheben kann, ohne die rohrförmigen Wände zu dünn oder deren Länge zu groß zu machen. Die Wände des rohrförmigen Gehäuses 40 können nur aufgrund der unterhalb der Atmosphäre liegenden Betriebsdrücke so dünn gemacht werden. Die Dicke des rohrförmigen Gehäuses muss dazu ausreichen, einem Vakuum zu widerstehen. Je dünner jedoch das rohrförmige Gehäuse ist, umso geringer wird die Wärmeleitung von der Verdampfungskammer sein. Je länger zusätzlich das rohrförmige Gehäuse ist, umso geringer wird ebenfalls die Wärmeleitung sein. Das rohrförmige Gehäuse 40 sollte jedoch nicht so lang sein, dass es die Verwendung des Geräts schwierig macht. Es wird erkannt werden, dass die Länge des Kapillarrohrs 60 und des inneren rohrförmigen Elements 50 mit der Länge des rohrförmigen Gehäuses 60 korrespondieren müssen.
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2 zeigt eine andere Ausführungsform des Geräts der vorliegenden Erfindung. Alle Teile des Systems sind die gleichen wie jene in 1 gezeigten mit Ausnahme der Hinzufügung eines Wärmetauschers 140 mit erhöhter Oberfläche. Der Wärmetauscher 140 wird in gutem thermischen Kontakt mit dem Kopfstück 20 platziert und hat eine vergrößerte Oberfläche, so dass er Wärme effizient durch natürliche Konvektion ableiten kann. Mit der Hinzufügung des Wärmetauschers 140, um zusätzliche Fläche für die Wärmeableitung bereitzustellen, kann die Temperatur des Kopfstücks 20 weiter verringert werden und näher an die Umgebungstemperatur um das Gerät herum gebracht werden.
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3 ist noch eine andere Ausführungsform des Geräts der vorliegenden Erfindung. Alle Teile des Systems sind die gleichen wie in 1 mit der Ausnahme für die Hinzufügung eines thermoelektrischen Moduls, das aus einem thermoelektrischen Kühlerelement 150 und der angebrachten Kühllamellen 155 für die natürliche Konvention besteht. Der thermoelektrische Kühler besitzt ein herkömmliches Design und kann einen Kühleffekt durch den Kühler mit Anlegen eines Gleichstroms erzeugen. Die abgeführte Wärme wird dann durch die Kühllamellen abgeleitet, an welchen der thermoelektrische Kühler angebracht ist. Die dazugehörigen elektrischen und elektronischen Schaltkreise, die dazu benötigt werden, den gewünschten Gleichstrom zur Erzeugung des thermoelektrischen Kühleffekts zu liefern, werden nicht gezeigt, da die Technik einem Fachmann für Kühlsystemdesign mit dem thermoelektrischen Kühleffekt wohlbekannt ist. Mit der Hinzufügung eines thermoelektrischen Kühlers kann die Kopfstücktemperatur nahe an der Außenraumtemperatur oder sogar unterhalb der Außentemperatur gehalten werden, was es möglich macht, flüssige Prekursoren bei Raumtemperatur oder darunter zu zerstäuben. Dieser Niedertemperaturverdampfer ist zu Verdampfen von Prekursoren mit niedrigem Dampfdruck, welche eine hohe Verdampfungstemperatur benötigen, oder für feste Prekursoren, die in einem Lösungsmittel gelöst sind, durch den Lösungszerstäubungsprozess nützlich. Das Zuführen einer Lösung durch ein heißes Kapillarrohr wird die Verdampfung des Lösungsmittels aus der Lösung hervorrufen, so dass der feste Prekursor zurückbleibt und den Flüssigkeitsfluss-Durchlass verstopft.
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Andere Verfahren zum Kühlen über die in der vorliegenden Offenbarung beschriebenen hinaus können ebenso verwendet werden. Diese Verfahren, einschließlich der Wärmeableitung unter Verwendung von Kühlwasser, Kühlgas oder Lüftern etc. werden dem Fachmann für Heiz- und Kühlgerätedesign geläufig sein und werden in dieser Offenbarung nicht weiter beschrieben.
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4 zeigt ein Gerät der vorliegenden Erfindung zur Steuerung der Rate des Flüssigkeitsflusses und zur Herstellung eines Tröpfchenaerosols in seiner bevorzugten Ausführungsform. Es schließt ein Zerstäubungs- und Flüssigkeitsfluss-Steuerungsgerät 200 zum Zuführen einer Flüssigkeit mit einer vorgegebenen Rate und Zerstäuben der so zugeführten Flüssigkeit zur Bildung eines Tröpfchenaerosols ein. Das Tröpfchenaerosol tritt dann in die aufgeheizte Verdampfungskammer (nicht gezeigt) ein, um eine Gas-/Dampfmischung für die Dünnfilmabscheidung auf einem Substrat zu bilden. Die Prekursorflüssigkeit in Quelle 80 wird unter Druck gesetzt und fließt durch den Flüssigkeitsfluss-Sensor 85 in den Flüssigkeitseinlass 210. Ein dünnes Metalldiaphragma 250 ist nahe der Einlassöffnung 264 des Metallkapillarrohrs 260 positioniert, um einen schmalen Spaltraum 235 zwischen dem Diaphragma 250 und der Flüssigkeitseinlassöffnung 264 auf der Metallkapillare 260 zu bilden, wobei der Spaltraum 235 mit Hilfe eines piezoelektrischen Aktuators 240 einstellbar ist.
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Der piezoelektrische Aktuator 240 ist aus einem piezoelektrischen Material hergestellt, das sich in Antwort auf die Gleichspannung aus einer Spannungsquelle 280 ausdehnen oder zusammenziehen kann, wobei die Spannung von der Quelle 280 durch ein Paar elektrischer Drähte 282 und 284 an den piezoelektrischen Aktuator 240 angelegt wird. Das untere Ende des piezoelektrischen Aktuators hat eine gekrümmte Oberfläche 245, welche eng gegen das Diaphragma 250 presst und eng zwischen dem Diaphragma und dem Gehäuse 230 gehalten wird, welches gewöhnlicherweise aus einem Metall hergestellt ist und sehr steif ist. Durch Anlegen einer Gleichspannung mit einer spezifischen Polarität und Größe von der Spannungsquelle 280 kann der piezoelektrische Aktuator zum Ausdehnen oder Zusammenziehen gebracht werden, wodurch sich seine Länge und damit der Spaltraum 235 zwischen dem Diaphragma 250 und der Flüssigkeitseinlassöffnung 264 ändert. Als Ergebnis wird sich die Rate des Flüssigkeitsflusses durch das System ebenso in Antwort auf die durch die Spannungsquelle 280 an den piezoelektrischen Aktuator angelegte Polarität und Spannung ändern. Ein großer Spaltraum wird eine gesteigerte Flüssigkeitsflussrate hervorrufen, während ein kleiner Spaltraum eine verringerte Flüssigkeitsflussrate hervorrufen wird. Durch eine elektronische Feedbacksteuerung kann die Rate des Flüssigkeitsflusses von der Quelle 80 auf einen spezifischen Nennwert gesteuert werden, der auf dem elektrischen Ausgang des Flüssigkeitsfluss-Sensors 85 und der Polarität und Größe der angelegten Gleichspannung aus der Spannungsquelle 280 beruht.
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Um zu verhindern, dass ein thermisches Ausdehnen oder ein Zusammenziehen des Gehäuses 230 den Betrieb des piezoelektrischen Aktuators beim Steuern der Flüssigkeitsflussrate beeinflusst, sind ein Temperatursensor 290 und ein Heizer 295 vorgesehen, um die Gehäusetemperatur auf einen spezifischen Wert über den Umgebungswert zu steuern, was verhindert, dass eine Änderung in der Umgebungstemperatur die Länge des Gehäuses und den Betrieb des piezoelektrischen Aktuators beeinflusst.
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Nach dem Eintreten in den Kapillareinlass 264 wird die Flüssigkeit durch den Flüssigkeitsfluss-Durchlass 262 in die Metallkapillare 260 fließen und dann am Ausgangsende der Metallkapillare aus der Auslassöffnung 268 fließen. Gleichzeitig fließt Trägergas von der Quelle 70 durch den Gasfluss-Sensor 75 zum Einlassende des Gasfluss-Durchlasses, wobei der Gasfluss-Durchlass in dem im Allgemeinen zylindrisch geformten Zerstäuberkörper 270 einen horizontalen Abschnitt 274 und einen vertikalen Abschnitt 275 aufweist. Der Gasfluss läuft dann aus dem Zerstäuberkörper 270 durch einen ringförmigen Raum 276 zwischen dem zylindrisch geformten Metallkapillarrohr 260 und der Ausgangsdüse 278 hinaus, welche ebenso zylindrisch geformt ist, so dass ein Gasstrahl mit hoher Geschwindigkeit gebildet wird. Dieser Gasstrahl mit hoher Geschwindigkeit zerstäubt dann die Flüssigkeit, welche aus dem Metallkapillarauslass 268 herausfließt, so dass ein Tröpfchenaerosol gebildet wird. Das Tröpfchenaerosol fließt dann durch eine aufgeheizte Verdampfungskammer (nicht gezeigt), um eine Gas-/Dampf-Mischung für die Dünnfilmabscheidung auf einem Substrat zu bilden.
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Das Design des mit 298 bezeichneten Zerstäuberkopfes des Zerstäubungs- und Flüssigkeitsgeräts 200 beruht auf einem koaxialen Flussdesign. Bei diesem Design werden sowohl die Flüssigkeit als auch der Gasfluss durch den Flüssigkeitsauslass 268 und den ringförmigen Gasauslass 276 jeweils in der gleichen axialen Richtung entlang der Achse (nicht gezeigt) der Metallkapillare 260 bewegt. Dieses Zerstäuberkopfdesign ist im Allgemeinen für viele Anwendungen genügend. In anspruchsvolleren Anwendungen werden kleinere Tröpfchen gewünscht, um das Gerät geeignet zu machen.
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5 zeigt eine andere Ausführungsform des in der vorliegenden Offenbarung beschriebenen Zerstäuberkopfes. Bei diesem Design fließt der durch Pfeile 320 und 322 in dem Zerstäuberkopf 300 dargestellte Gasfluss zunächst im Allgemeinen abwärts in der axialen Richtung. Dieser Gasfluss läuft dann durch den ringförmigen Raum 314, der zwischen der Außenwand 315 des Gasfluss-Durchlasses 312 in dem rohrförmigen Zerstäuberkörper 310 des Zerstäuberkopfes gebildet ist, und der äußeren Oberfläche des Kopfstücks 314 nahe des Bodens der Metallkapillare 370. Der Gasfluss in diesem ringförmigen Gasfluss-Durchlass 314 wird zu einer Umlenkung um 90 Grad gezwungen, wie durch Pfeile 324 und 326 in dem horizontalen Abschnitt des Gasfluss-Durchlasses 360 gezeigt wird, der durch untere und obere Oberflächen 340 und 350 begrenzt ist.
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Die Breite des Gasfluss-Durchlasses 360 wird aus Zwecken der Deutlichkeit recht breit dargestellt. In der tatsächlichen Praxis ist der Abstand S zwischen der unteren und der oberen Oberfläche 340 und 350, welche die Grenzflächen des Gasfluss-Durchlasses bilden, recht klein. Der Abstand S ist im Allgemeinen weniger als 1,0 mm und kann viel kleiner gemacht werden, so dass die Geschwindigkeit des Gasflusses bei einer vorgegebenen Rate einer volumetrischen oder einer Massenrate des Flusses viel höher gemacht werden kann. Da dieser Gasfluss mit hoher Geschwindigkeit auf den Flüssigkeitsstrom 335 prallt, der aus der Metallkapillare durch den Flüssigkeitsfluss-Durchlass 342 herausfließt, komprimiert er den Flüssigkeitsstrom zu einem kleineren Durchmesser. Dieser Flüssigkeitsstrom mit kleinerem Durchmesser wird dann zerstäubt, um einen feinen Tröpfchennebel zu bilden. Dieser feine Tröpfchennebel mischt sich dann mit dem Trägergas, so dass ein Feintröpfchenaerosol zur Verdampfung gebildet wird, um eine Gas-/Dampf-Mischung zu bilden.
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Idealerweise hat der Gasfluss durch den kleinen Gasfluss-Durchlass 360 Schallgeschwindigkeit, um Tröpfchen einer sehr kleinen Tröpfchengröße zu erzeugen. In der Praxis kann die Gasflussgeschwindigkeit ein Zehntel davon betragen, das heißt 0,1 der Schallgeschwindigkeit, und ist immer noch zur Erzeugung eines Tröpfchenaerosolnebels mit einem ausreichend kleinen Durchmesser für viele Anwendungen genügend. Die Schallgeschwindigkeit in Stickstoff unter Standardbedingungen für Temperatur und Druck ist ungefähr 340 m/s. Die Zerstäubungsgasgeschwindigkeit, die verwendet werden kann, um den gewünschten Tröpfchendurchmesser zu erreichen, kann in dem Bereich von 34 m/s bis 340 m/s liegen.
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Das Zerstäuberkopfdesign der 4 und der 5 kann jeweils als ein Axialflusszerstäuber und ein Radialflusszerstäuber bezeichnet werden. Bei dem Axialflussdesign der 4 führt der Gasfluss entlang der vertikalen Achse der Metallkapillare 370. In dem Radialflussdesign der 5 führt der Gasfluss radial, das heißt, in einer rechtwinkligen Richtung zu der Achse der Metallkapillare. Daher steht er also im rechten Winkel zur Richtung des Flüssigkeitsflusses. Für das Radialflussdesign wurde, verglichen mit dem axialen Flussdesign, ein größerer Grad der Zerstäubung zur Bildung eines feinen Tröpfchenaerosols gefunden.
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6 zeigt noch ein anderes Design des Zerstäubungskopfes. Bei diesem Design wird der Gasfluss zwischen zwei konischen Oberflächen 480 und 490 entlang der durch Pfeile 470 und 475 gezeigten Richtungen begrenzt. Der Gasfluss steht auf diese Weise in einer winkligen Beziehung zu dem Flüssigkeitsfluss, wobei der Winkel θ zwischen den Gas- und Flüssigkeitsströmen zwischen 0 Grad und 180 Grad variiert werden kann. Dieses besondere Design kann als Winkelflusszerstäuber bezeichnet werden. Die Axial- und Radialflusszerstäuber können daher als ein Spezialfall des Winkelflusszerstäubers gesehen werden, wobei das Axialflussdesign mit θ = 0 Grad erreicht wird und das Radialflussdesign mit θ = 90 Grad erreicht wird.
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Obwohl die vorliegende Erfindung unter Bezug auf bevorzugte Ausführungsformen beschrieben wurde, werden Fachleute bemerken, dass Änderungen in Form und Detail vorgenommen werden können, ohne vom Geist und dem Schutzbereich der Erfindung abzuweichen.
