DE112017002153T5 - Effusionszellen, abscheidesysteme mit effusionszellen und zugehörige verfahren - Google Patents

Abstract

Eine Effusionszelle enthält einen Schmelzbehälter zur Aufnahme von zu verdampfendem oder zu sublimierendem Material, ein Zuführrohr, das ausgebildet ist, aus dem Schmelzbehälter stammendes verdampftes oder sublimiertes Material in eine Kammer zu führen, ein Versorgungsrohr, das sich aus dem Schmelzbehälter erstreckt, wobei das Versorgungsrohr angeordnet und ausgebildet ist, Kondensat, das von dem verdampften oder sublimierten Material stammt, aufzufangen und das Kondensat zu dem Schmelzbehälter zurückzuführen, und mindestens ein Heizelement, das angeordnet und ausgebildet ist, Material in dem Schmelzbehälter derart aufzuheizen, dass ein Verdampfen oder Sublimieren des Materials und ein Ausströmen des verdampften oder sublimierten Materials durch das Zuführrohr aus der Effusionszelle bewirkt werden. Die Effusionszelle ist derart ausgebildet, dass der Schmelzbehälter mit dem zu verdampfenden oder zu sublimierenden Material auffüllbar ist, ohne dass die Effusionszelle aus der Prozessvakuumkammer entfernt wird. Halbleitersubstrat-Bearbeitungssysteme können derartige Effusionszellen aufweisen.

Description

• QUERVERWEIS AUF VERWANDTE ANMELDUNG
• Diese Anmeldung beansprucht die Priorität der vorläufigen US-Patentanmeldung mit der Seriennummer 62/327,323, die am 25. April 2016 eingereicht wurde, und beansprucht auch die Priorität der vorläufigen US-Anmeldung mit der Seriennummer 62/349,499, die am 13. Juni 2016 eingereicht wurde, wobei deren Offenbarungen hiermit durch Bezugnahme vollständig mit eingeschlossen sind.
• TECHNISCHES GEBIET
• Die vorliegende Offenbarung betrifft Effusionsquellen bzw. Ausflussquellen zur Verwendung in physikalischen Dampfabscheidesystemen, sie betrifft Abscheidesysteme mit derartigen Effusionszellen und betrifft Verfahren zur Herstellung und zur Verwendung derartiger Effusionszellen und Abscheidesysteme.
• HINTERGRUND
• Die physikalische Dampfabscheidung ist ein gut bekannter Abscheideprozess, in welchem Elemente oder Moleküle, die auf einem Substrat in einer Abscheidekammer abzuscheiden sind, über Verdampfungs- oder Sublimationsprozesse zugeführt werden. Obwohl die Begriffe „Verdampfung“ und „Sublimation“ unterschiedliche physikalische Prozesse bezeichnen, werden sie dennoch hierin gleichbedeutend verwendet und hängen nur von dem abzuscheidenden Material ab. Die Abscheidekammer ist umschlossen und steht typischerweise unter Vakuum. Anders ausgedrückt, es wird zumindest eine gewisse messbare Menge an Gas aus der Abscheidekammer abgeführt. Die Abscheidekammer ist typischerweise aus Stahl, Aluminium oder einem anderem Metall oder Glas hergestellt und bildet eine physikalische Grenze zwischen einem Außengebiet, typischerweise Luft, und dem Innengebiet, in welchem das Gas teilweise entfernt ist.
• Wenn Gas auf einer Temperatur oberhalb des absoluten Nullpunkts ist, dann hat jedes Molekül oder Atom des Gases eine spezielle kinetische Energie, die durch ½ mv² definiert ist, wobei m die Masse des Gasteilchens (ein Atom oder ein Molekül) und v die Teilchengeschwindigkeit ist. Wenn diese energiereichen Teilchen mit den Kammerwänden kollidieren, üben sie eine Kraft auf die Kammerwände aus. Diese auf die Kammerwände ausgeübte Kraft zeigt sich als Druck und wird von den vielen Einheiten, die typischerweise dem Fachmann bekannt sind, häufig in Einheiten wie Pfund pro Quadrat-Inch (psi), Pascal oder Torr ausgedrückt. Die Größe der ausgeübten Kraft hängt von der Fläche der Kammer, der Anzahl an Kollisionen, die auftreten, und somit von der Dichte und der kinetischen Energie des Gases ab.
• Wenn man ein System betrachtet, in welchem der Druck außerhalb der Kammer sich von demjenigen innerhalb der Vakuumkammer unterscheidet, wirkt eine Nettokraft auf die Kammerwände. Wenn der Druck außerhalb der Kammer kleiner als im Inneren der Kammer ist, wird eine Kraft ausgeübt, die versucht, die Kammer auszudehnen oder sogar zu brechen. In diesem Falle wird die Kammer als eine Druckkammer bezeichnet. Wenn der Druck im Inneren der Kammer kleiner als der Druck außerhalb der Kammer ist, wird eine resultierende Kraft ausgeübt, die tendenziell die Kammer zusammendrückt oder sogar zum Bersten bringt. In diesem Falle wird die Kammer häufig als eine Vakuumkammer bezeichnet und muss robust aufgebaut sein, so dass sie den darauf wirkenden Kräften widersteht. Im Folgenden wird der Kürze halber auf die „Kammer“ als eine „Vakuumkammer“ oder „Kammer“ verwiesen.
• In vielen Anwendungen, bei Halbleitern, optischen Beschichtungen, Werkzeugbeschichtungen und diversen biomedizinischen Anwendungen, beinhaltet die Verarbeitung von Produkten, ohne darauf beschränkt zu sein, eine Abscheidung einer dünnen Schicht, das Ätzen und das Ausheizen. Es ist daher wünschenswert, eine Kammer nicht nur zu evakuieren, sondern auch einen gesteuerten Fluss eines bekannten Gases in die Vakuumkammer einzuführen. Dieses Gas kann ein Produkt zuführen, das bei der Abscheidung, beim Ätzen, beim Ausheizen oder im Allgemeinen zur Verarbeitung des Produkts, das in einer Vakuumumgebung erzeugt wird, verwendet wird. Das Vakuum kann ein Verarbeitungsmittel bereitstellen, das ohne das Vakuum nicht möglich wäre, etwa eine Plasmaverarbeitung, oder kann lediglich eine Druckdifferenz bereitstellen, so dass ein Gasfluss ermöglichen wird und somit dem zu verarbeitenden Produkt das Gas zugeführt wird. Alternativ kann das Vakuum ein Mittel zur Reduzierung unerwünschter Untergrundverunreinigungskonzentrationen ermöglichen, um damit eine Kontamination des Produkts oder eine unerwünschte chemische oder thermische Reaktion zu verhindern. Der Fachmann kennt eine Vielzahl von Gründen, um ein Vakuum zur Verarbeitung eines Produktes einzusetzen, wobei die hier genannten Gründe lediglich Beispiele sind und nicht den Anspruch auf Vollständigkeit erheben.
• Da es typischerweise nicht möglich ist, alle Gasteilchen in einer Kammer zu entfernen, ist eine messbare Menge eines Restgases vorhanden, wodurch ein Vakuumkammerdruck erzeugt wird, der typischerweise in Bezug auf den Atmosphärendruck bei Meereshöhe (1 Atmosphäre ist gleich 760 Torr) gemessen wird. Wenn ein Gas derart entfernt wird, dass der Druck ~< 760 Torr bis ~ 1 × 10^-3 Torr beträgt, dann sagt man, dass das Vakuum ein „mittleres Vakuum“ ist. Wenn der Druck weiter auf einen Bereich von ~ 1 × 10^-3 Torr bis ~ 1 × 10^-8 Torr reduziert wird, dann sagt man, dass das Vakuum ein „Hochvakuum“ oder „HV“ ist. Wenn der Druck weiter abgesenkt wird auf unter 1 × 10^-8 Torr; dann wird das Vakuum als „Ultrahochvakuum“ oder „UHV“ bezeichnet.
• Die geometrische Größe der Kammer legt, unabhängig davon, ob die Kammer eine Vakuumkammer, ein Rohr, eine Düse oder ein anderes geschlossenes Volumen ist, die gewissen wesentlichen Eigenschaften fest, wie das Gas durch ein System strömt. Somit werden alle umschlossenen Volumina einfach als eine „Kammer“ bezeichnet. Wenn Gase einen ausreichend geringen Druck aufweisen, stoßen die Teilchen nicht häufig zusammen. Die mittlere Entfernung, die die Teilchen zurücklegen, bevor sie miteinander kollidieren, wird häufig von dem Fachmann als die „mittlere freie Weglänge“ (zwischen Kollisionen) bezeichnet. Wenn die Kammerwände durch Abstände voneinander getrennt sind, die kleiner als die mittlere freie Weglänge (λ) sind, dann dominieren die Kollisionen mit den Kammerwänden im Vergleich zu Kollisionen zwischen den Teilchen im Hinblick auf die Bestimmung des Widerstands beim Strömen des Gases durch Impulsübertragung zwischen Gas und Kammerwänden. Dieser Modus der Gasströmung wird als „molekulare Strömung“ bezeichnet.
• Wenn die mittlere freie Weglänge des Gases kleiner als die Abmessungen der Kammerwände ist, dann dominieren die Kollisionen zwischen den Teilchen den Widerstand der Gasströmung über Impulsübertragung von Teilchen zu Teilchen. Dieser Modus der Gasströmung ist als „viskose Strömung“ bekannt und verhält sich wie eine Fluid, in welchem die Teilchen so wirken, dass sie andere Teilchen abbremsen und streuen, wobei ein geringerer Widerstandseffekt von den Kammerwänden vorhanden ist.
• Ein Gas kann von einem Modus des Strömens in einen anderen übergehen, wenn es sich durch das Vakuumsystem bewegt. Beispielsweise kann das Gas in einem kleinen Rohr (einer Form einer Vakuumkammer) zugeführt werden, wobei sein Druck und die Abmessungen des Rohrs festlegen, dass es im dem Modus der viskosen Strömung ist. Das Gas kann nachfolgend in eine größere Kammer eingeführt werden, wobei sein Druck und die Kammerabmessungen dann festlegen, dass es in dem Modus der molekularen Strömung ist. Eine dimensionslose Größe, die durch das Verhältnis der mittleren freien Weglänge zu der Kammerhauptabmessung definiert ist, die der Fachmann als „Knudsen-Zahl“ („K“) kennt, definiert, in welchem Modus das Gas ist. Wenn die Knudsen-Zahl größer als ungefähr 1 ist, tendiert das Gas zu dem Verhalten der molekularen Strömung, wohingegen, wenn die Knudsen-Zahl kleiner als ungefähr 1 ist, das Gas zur viskosen Strömung tendiert. Der Fachmann erkennt, dass keine klare Grenze gibt, um viskose Strömung gegenüber molekularer Strömung abzugrenzen, und daher wird häufig ein Gebiet, das als „Mischströmung“ definiert ist, verwendet, um den Übergang der Strömungseigenschaften festzulegen, wenn die Knudsen-Zahl ungefähr 1 beträgt.
• Häufig ist die Prozessgeschwindigkeit einer Vakuumanlage teilweise durch den „Gasdurchsatz“ („Q“) bestimmt, der mit dem molekularen Fluss J in Beziehung steht. Der Durchsatz ist ein Maß des gesamten Massendurchflusses durch ein System. Somit ergibt ein höherer Massendurchfluss mehr Gassubstanz, die in die Kammer eintritt. In einem Abscheidesystem ist ein hoher Q oder ein J wünschenswert, um die Abscheidungsraten und somit den Prozessdurchsatz zu erhöhen. Der Durchsatz Q ist in üblichen Einheiten aus Torr-Liter pro Sekunde, Standard- (atmosphärischer Druck) Kubikzentimeter pro Sekunde, Standardliter pro Sekunde oder anderen Einheiten anjgegeben, die der Fachmann kennt. Der molekulare Fluss J ist in Einheiten aus entweder Zahl an Atomen/(cm²-Sekunde) oder Gramm/(cm²-Sekunde) gegeben. In einigen Fällen wird dieser Durchsatz bei einem gegebenen Druck definiert, bei welchem die Kammer betrieben werden soll, während in anderen Fällen er relativ zum Atmosphärendruck (Standarddruck) definiert wird.
• Der Kammerdruck und der Gasdurchsatz stehen über der Kammerströmungsleitwert C miteinander in Beziehung. Der Strömungsleitwert der Kammer, des Rohrs oder der Düse ist ein Maß des umgekehrten Widerstands zu der Strömung eines Gases und wird am häufigsten in Einheiten in Liter pro Sekunde (L/s) gemessen. Folglich ist in dem molekularen Strömungsregime der Strömungsleitwert nur durch die Abmessungen der Kammer bestimmt, die einschränkend auf das Strömen wirken, und somit haben die Kollisionen zwischen den Teilchen wenig Wirkung auf die Beschränkung des Gasdurchflusses. In gleicher Weise ist der Strömungsleitwert der Kammer in dem viskosen Strömungsregime abhängig von dem Druck des Gases, da der Gasdruck die Anzahl an Kollisionen und somit den Widerstand gegenüber der Gasströmung bestimmt. Generell ist die Beziehung zwischen Q, C und dem Druck P wie folgt: $$\text{Q}=\text{CP}\text{,}$$

  

  wobei C eine Konstante ist, die von Kammerabmessungen für die molekulare Strömung abhängt ist und C eine Variable ist, die von sowohl von den Kammerabmessungen als auch von dem Druck für das viskose Strömen abhängt. Eine genauere Gleichung für die viskose Strömung berücksichtigt die Druckabhängigkeit des Strömungsleitwerts, woraus sich ergibt $$\text{Q}=\text{F}\left({\text{P}}^2{}_{\text{up}}-{\text{P}}^2{}_{\text{down}}\right)\text{,}$$

  

  wobei P_up der Druck in der vorgeordneten Strömung (Quelle der Gasströmung) und P_down der Druck in der nachgeordneten Gasströmung (in der Vakuumkammer oder in der Pumpe, die Vakuum an der Kammer anlegt) ist. Die Differenz zwischen dem vorgeordneten und dem nachgeordneten Druck ist häufig ausreichend groß, sodass der nachgeordnete Druck vernachlässigt werden kann. Somit kann Gleichung 2) auf Gleichung 1) reduziert werden, indem gesetzt wird C = F / (2 × P_average) ∼ F/(2 × P_up).
• Für ein Vakuum ist eine gewisse Art einer Pumpe erforderlich, um Gas aus der Vakuumkammer zur Erzeugung des Vakuums abzuführen. Das Strömen von Gasen in die Kammer würde zu einer Druckzunahme führen, sofern eine Vakuumpumpe nicht kontinuierlich Gas abführt. Somit enthält jedes Vakuumsystem mindestens eine, häufig mehr als eine Vakuumpumpe. Das Leistungsverhalten einer Vakuumpumpe wird durch eine Größe beschrieben, die als die Pumpgeschwindigkeit S bekannt ist und die Einheiten hat, die identisch zu jenen des Kammerströmungsleitwerts sind. Daher ist die Pumpgeschwindigkeit in der Pumpe in dem viskosen Strömungsregime abhängig vom Druck und ist in dem molekularen Strömungsregime unabhängig vom Druck.
• Da die Pumpgeschwindigkeit und der Kammerströmungsleitwert die gleiche Einheit besitzen, kann man die kombinierte Wirkung dieser beschreiben, indem der Strömungsleitwert C in den Gleichungen 1 und 2 durch eine effektive Strömungsleitwert C_eff ersetzt wird, $$1{\text{/C}}_{\text{eff}}=1\text{/C}+1\text{/S}$$

  
• Wenn in gleicher Weise mehrere (n) Kammern, groß und klein, sowie eine Pumpe in einer Reihen-Gasströmungsanordnung verbunden sind, dann wird der effektive Strömungsleitwert ermittelt durch $$1{\text{/C}}_{\text{eff}}=1{\text{/C}}_1+1{\text{/C}}_2+\dots +1{\text{/C}}_{\text{n}}+1\text{/S}$$

  
• Wenn eine Pumpe mit einer hohen Pumpgeschwindigkeit mit einer Reihe von Kammern diverser Abmessungen verbunden wird, dann bestimmt die Kammer mit dem kleinsten Strömungsleitwert, das heißt, die Kammer mit den kleinsten charakteristischen Abmessungen, den Gesamtströmungsleitwert und somit gibt sie den Durchsatz und den Druck des Systems vor. Wenn somit eine Hochgeschwindigkeitspumpe über eine kleine Öffnung (begrenzter Strömungsleitwert) mit einer Vakuumkammer verbunden ist, begrenzt die Öffnung den Gesamtströmungsleitwert und somit den Durchsatz und den erreichbaren Druck. Diese Eigenschaft wird sich beim Verständnis von Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung als wichtig erweisen und führt zu der Fähigkeit, die Pumpgeschwindigkeit S in den Gleichungen 3 und 4 zu ignorieren, woraus sich ergibt, dass der Systemflussdurchsatz durch den Druck der Quellen und die kombinierte Strömungsleitwert des Einspeisesystems (das heißt, die Effusionszelle, die hierin beschrieben ist) bestimmt ist.
• Bei molekularen Strömungsbedingungen ist der Strömungsleitwert unabhängig vom Druck, da die Gasmoleküle mit geringerer Wahrscheinlichkeit miteinander wechselwirken. Eine kreisförmige Düse (eine Aussparung mit einer Öffnung, die eine Dicke hat, die wesentlich kleiner ist als der Durchmesser der Öffnung) hat einen Strömungsleitwert von: $$\begin{array}{c}\text{C}=\mathrm{11,6}\pi {\text{D}}^2\text{/4; oder}\\ \text{C}=\mathrm{11,6}\left({\text{Querschnittsfläche}}_{\text{orifice}}\right)\end{array}$$

  
• Der Strömungsleitwert eines Rohrs beträgt: $$\begin{array}{c}{\text{C}}_{\text{tube}}=\mathrm{11,6}\left({\text{D}}^3\text{/L}\right)\text{; oder}\\ {\text{C}}_{\text{tube}}=\mathrm{11,6}\left({\text{Querschnittsfläche}}_{\text{tube}}\right)\left(4\text{D/}\pi \text{L}\right),\end{array}$$

  

  wobei D der Düsen-/Rohr-Innendurchmesser in cm, L die Rohrlänge in cm und P der Druck in Torr ist. Zu beachten ist, dass für den Fall der molekularen Strömung der Strömungsleitwert C unabhängig vom Druck ist.
• Für die viskose Strömung für ein Rohr ist der Strömungsleitwert C gegeben durch: $$\begin{array}{c}\text{C}=180\left({\text{D}}^4\text{/L}\right){\text{P}}_{\text{average}}\text{; oder}\\ \text{C}=180\left({\text{Querschnittsfläche}}_{\text{tube}}\right)\left(4{\text{D}}^2\text{/}\pi \text{L}\right){\text{P}}_{\text{average}}\end{array}$$

  
• Ein genaueres Mittel zur Kennzeichnung der Gasströmung in dem viskosen Strömungsregime anstelle des einfachen Q = C_eff P ist $$\text{Q}=\text{F}\left({\text{P}}^2{}_{\text{upstream}}-{\text{P}}^2{}_{\text{downstream}}\right)$$

  

  wobei P_upstream der Druck vorgeordnet zu der Düse ist und P_downstream der Druck nachgeordnet zu der Düse ist, und F mit dem Strömungsleitwert C durch die Abhängigkeit in Beziehung steht: $$\begin{array}{c}\text{F}=\text{C/}\left(2{\text{P}}_{\text{average}}\right)\text{, wobei}\\ {\text{P}}_{\text{average}}=\mathrm{0,5}\left({\text{P}}_{\text{upstream}}+{\text{P}}_{\text{downstream}}\right)\end{array}$$

  
• Die Beziehung zwischen C und F für das Rohr mit viskoser Strömung kann wie folgt bewiesen werden: $$Q=C\left(P_{upstream}-P_{downstream}\right)$$

  

  $$P_{average}Q=C\left(P_{upstream}-P_{downstream}\right)P_{average}$$

  

  $$P_{average}Q=C\left(P_{upstream}-P_{downstream}\right)\frac{\left(P_{upstream}+P_{downstream}\right)}{2}$$

  

  $$P_{average}Q=C\left(P_{upstream}^2-P_{upstream}{P}_{downstream}+P_{upstream}{P}_{downstream}-P_{downstream}^2\right)\frac{1}{2}$$

  

  $$Q=\left(\frac{C}{2P_{average}}\right)\left(P_{upstream}^2-P_{downstream}^2\right)$$

  

  $$Q=F\left(P_{upstream}^2-P_{downstream}^2\right)$$

  

  $$\begin{array}{cc}\therefore & F=\end{array}\left(\frac{C}{2P_{average}}\right)$$

  
• In den Gleichungen 5 bis 7 werden alle Strömungsleitwerte in L/s gemessen, wenn Abmessungen in cm und der Druck in Torr ausgedrückt werden, und wobei Vorfaktoren für jede der vorhergehenden Strömungsleitwertsgleichungen die Transformation der Einheit berücksichtigen. Nicht-kreisförmige Öffnungen und Rohre haben ähnliche Ausdrücke, die im Stand der Technik bekannt aber weniger üblich sind.
• Die Flächendimensionen der Öffnungen des Rohrs und der Düse beeinflussen des Strömungsleitwerts. Daher ist es bei einem hohen Massenfluss, wie durch Gleichung 1) beschrieben, wünschenswert, Rohre und Düsen mit großem Durchmesser zu verwenden, so dass der Strömungsleitwert maximiert wird.
• Da in Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung einige robuste mechanische Verbindungen verwendet werden, die dazu geeignet sind, im Wesentlichen größere mechanische Belastungen im Vergleich zu konventionellen Gestaltungen von Schmelztiegeln und Effusionszellen auszuhalten, und da diese Verbindungen (in einigen Fällen) flüssigkeitsdicht sein müssen, um ein Austreten von verflüssigtem Verdampfungsmaterial zu verhindern, sind gegebenenfalls Mittel zur Verbindung dicker und schwerer Teile im Vakuum erforderlich, ohne dass ein „virtuelles Leck“ erzeugt wird. Ein virtuelles Leck ist ein Einschluss von eingefangenem Gas (nicht flüssig) in einem Volumen, das mit dem Vakuum über einen Kanal mit geringem Strömungsleitwert verbunden ist. Ein derartiger Kanal ist häufig eine kleine oder äußerst begrenzte Öffnung oder ein langer schmaler Kanal, etwa ein Gewinde. Bekannte Verfahren zur Vermeidung virtueller Lecks beinhalten Mittelzentrierer und -schrauben, die in Sacklöchern verwendet werden, um einen alternativen Gaskanal bereitzustellen, oder das Einschlitzen des weiblichen Gewindes in der Verbindung, wodurch ein direkterer (geraderer und kürzerer) Kanal für das Entweichen von Gasen ermöglicht wird. Obwohl das Einschlitzen eines weiblichen Gewindes erforderlich ist, um ein Entweichen von eingefangenem Gas zu ermöglichen, führt es nachteiligerweise auch zu der Möglichkeit, dass das flüssige Verdampfungsmaterial durch den Schlitz „gesaugt“ wird, und aus der Verbindung entweicht.
• Wie im Stand der Technik bekannt ist, besteht ein MBE-System aus einem oder mehreren erhitzten Tiegeln, die mit Verdampfungs- (oder Sublimations-) Materialien gefüllt sind, die in einer Vakuumkammer derart angeordnet sind, dass sie das Verdampfungsmaterial in Richtung zu einem Substrat lenken, um sich darauf als feste Schicht abzusetzen. Es sind typischerweise mechanische Verschlüsse außerhalb der Tiegel so vorgesehen, dass sie das Strömen des Verdampfungsmaterials zum Abscheiden auf dem Substrat ermöglichen oder unterbrechen. Schmelzmaterialien sind typischerweise als dünnwandige Materialien (typischerweise ∼ 0,035 Inch dick) gestaltet, die häufig aus pyrolytischem Bornitrid (PBN) oder einem anderen wärmedurchlässigen Material mit hoher Reinheit hergestellt sind, oder in einigen Fällen aus wärmeundurchlässigen hochschmelzenden Metallen, Oxiden, etwa Aluminiumoxid, Berylliumoxid oder Graphit, hergestellt sind. Im Allgemeinen können die Schmelzbehälter bzw. Schmelztiegel entfernt und ausgetauscht werden, so dass sie austauschbar und somit nicht materialspezifisch sind. Da es wünschenswert ist, den Verdampfungsfluss so einzustellen, dass diverse Raten für das Abscheiden erreicht werden, oder dass Verdampfungsmaterialien in speziellen Flussverhältnissen gemischt werden, um zusammengesetzte dünne Schichteh zu erzeugen, sind in nahezu allen Fällen die MBE-Schmelztiegel dünn, um damit die thermische Masse zu minimieren, um somit die Ansprechzeit auf sich ändernde Temperaturen und somit zur Änderung des gewünschten Verdampfungsflusses zu maximieren.
• In einem beliebigen Dünnschichtabscheidesystem, insbesondere bei der MBE, ist die obere Abscheiderate durch das Einsetzen des Materialabsonderns aus der Effusionszelle begrenzt. Das Materialabsondern kann zu Konvektionsströmen (manchmal ungenau als „Sieden“ bezeichnet) führen, die in einer erhitzten Schmelze auftreten, und die an Heftigkeit zunehmen, wenn die Temperatur erhöht wird, woraus sich das Freisetzen von Tröpfchen aus Flüssigkeit ergibt, die das Substrat erreichen können und somit Defekte hervorrufen, die von Metalltröpfchen bis zu getrockneten chemisch reagierten Tropfenlegierungen reichen, die in einigen Anwendungen häufig als „ovale Defekte“ aufgrund ihrer bezeichnenden Geometrie beschrieben werden. Eine Materialabsonderung an der Quelle kann auch bei niedrigeren Temperaturen auftreten, wenn eine gewisse Menge des Verdampfungsmaterials an der Tiegelwand kondensiert und sich ansammelt. Diese Ansammlung wird vergrößert, wenn wärmetransparente Materialien, etwa PBN, verwendet werden, da die Wände des Schmelztiegels über der Schmelze nicht so heiß wie die Schmelze selbst sind, wodurch die Kondensation von Tröpfchen an den Wänden gefördert wird. Diese kondensierten Tröpfchen können in die Schmelze zurückfallen, wodurch ein „Herausspritzen“ von Flüssigkeit aus der Zelle hervorgerufen wird. Jeder dieser Mechanismen oder ähnliche Mechanismen, die im Stand der Technik bekannt sind, können zur Materialabsonderung an der Quelle führen, wodurch Defekte in die abgeschiedene Schicht eingebaut werden können. Bei moderater Abscheiderate wird die Erzeugung von Absonderungsdefekten reduziert, indem die Düse oder die Lippe, wie in Aufbauten mit „heißer Lippe“, des Schmelztiegels, erwärmt wird, um eine Materialkondensation zu verhindern oder indem Formen von Schmelztiegeln mit Wiedereintritt verwendet werden. Diese Gestaltungsformen zeigen jedoch eine ineffiziente Wärmeabsorption und eine begrenzte Temperaturdifferenz im Vergleich zu dem Schmelzgebiet, wodurch nur eine bescheidene Verringerung der Materialabsonderung im Vergleich zu Gestaltungen mit standardmäßiger offener Zelle erreicht wird.
• Eine „Kampagnenlänge“ ist die Zeitdauer, in welcher ein MBE- oder PVD-System für das Aufwachsen verwendet werden kann, bevor das System für Wartungszwecke, häufig ein Einladen von Material, zu öffnen ist. In nahezu allen aktuell verwendeten Effusionszellen wird eine Gestaltungsform mit einer einzigen Öffnung verwendet, wobei das Material durch die gleiche Öffnung verdampft wird, durch die auch das Material eingeladen wird. Dies erfordert, dass die Effusionszelle zum erneuten Einladen von aufgebrauchtem Material aus dem System entfernt wird. In Prozessen, die eine hohe Reinheit erfordern, etwa das Abscheiden von Halbleitermaterial, in welchem eine Verunreinigung von ungefähr 100 Billionen Halbleiteratomen als „Verunreinigung“ bezeichnet wird, führt dieses „Brechen“ des Vakuums und die nachfolgende Systemkontamination durch H₂O, CO, O₂, CO₂ und andere kontaminierende Gase, die in der Atmosphäre vorhanden sind, dazu, dass ein teurer und zeitaufwendiger „der Wartung nachgeordneter Reinigungszyklus“ anzuwenden ist. Häufig wird dabei das gesamte System bei erhöhten Temperaturen, etwa bis zu 250° C einige Tage lang ausgebacken, um die Verunreinigungen in diverse Pumpen auszutreiben. Dies wird als eine der wesentlichen industriellen Beschränkungen des MBE-Prozesses erachtet und ist der wesentliche Grund, dass viele Hersteller anstelle von MBE andere konkurrierende Techniken einsetzen. In den ausgewählten wenigen Quellen, die Materialien nicht über die gleiche Öffnung einladen, über die sie das Material verdampfen, ist der Aufbau derart, dass ein Brechen des Vakuums zum Einladen der Materialien dennoch erforderlich ist, wodurch sich eine in ähnlicher Weise begrenzte Kampagnenlänge ergibt.
• Die Gleichmäßigkeit der abgeschiedenen Schicht auf dem Zielsubstrat ist die statistische und geometrische Schwankung der Dicke der Schicht oder der atomaren Zusammensetzung einer Legierung, wenn diese so zusammengesetzt ist, als Funktion des Ortes auf dem Substrat. PVD-Systeme, etwa MBE-Systeme, sind dafür bekannt, dass sie sehr gleichmäßige Schichten mit einer Standardabweichung der Dicke und der Zusammensetzung erzeugen, die in einigen Fällen 1% oder weniger beträgt. Nachdem die Flussverteilung gegenüber dem Winkel zu der Effusionszellenachse typischerweise einem potenzierten Cosinus (wobei die Potenz typischerweise kleiner als ungefähr 3 ist) folgt, wird ein MBE-System mit hoher Gleichmäßigkeit erhalten, indem der Abstand von Quelle zu Substrat auf einen ausreichend großen Wert so erhöht wird, dass eine nahezu flache Flussverteilung erhalten wird, wie in 1A und 1B gezeigt ist. Da jedoch der an dem Substrat eintreffende Fluss um einen Faktor von 1/L_SS ² reduziert ist, wobei Lss der Substrat-Quellen-Abstand ist, führt diese übliche Praxis auch zu einer wesentlichen Reduzierung der Abscheideraten. Schmelztiegel mit positiver Schräge sind verwendet worden, um die Gleichmäßigkeit zu verbessern, jedoch haben diese eine geringere Kapazität im Vergleich zu den Schmelztiegel mit gerader Wand und zeigen bekannte Langzeitflussinstabilitäten, die als „Verarmungseffekte“ bekannt sind, wobei die Oberfläche der gerade verdampften Materialien sich mit einer Abnahme des Materials ändert, wodurch der Fluss im Verlaufe der Zeit geändert wird, selbst wenn eine konstante Temperatur vorherrscht. Alle Schmelztiegel mit offenen Enden, unabhängig davon, ob sie einen positiven Schräge (konisch) haben oder mit gerader Wandung vorliegen, zeigen gewisse Langzeitflussinstabilitäten aufgrund der Verarmungseffekte und unterliegen Kurzzeitflussinstabilitäten, wenn der externe Verschluss geöffnet oder geschlossen wird. Diese kurzzeitigen Flussänderungen aufgrund des externen Verschlusses rühren bekanntlich aus der Kühlung oder Aufheizung der Effusionszelle her, wenn der teilweise wärmereflektierende Verschluss aus der Effusionszellenöffnung entfernt wird, so dass mehr (offener Verschluss) oder weniger (geschlossener Verschluss) Wärmeverlust an der Zelle auftritt, der durch Übergangsänderungen kompensiert wird, die durch das Proportional-Integral-Differential- (PID-) Steuersystem hervorgerufen werden, das mehr (offener Verschluss) oder weniger (geschlossener Verschluss) Leistung auf die die Widerstandsglühdrähte gibt, um zu der gewünschten konstanten Temperatur zurückzukehren.
• Es ist bekannt, dass der Fluss, der eine Dampf oder Gas mit Druck P enthaltende Effusionszelle verlässt und in ein Vakuum über eine begrenzte, ausreichend dünne Öffnung (eine Düse) mit Querschnittsfläche A eintritt, gegeben ist durch: $$\text{J}=\text{PA/}{\left(2\pi \text{mkT}\right)}^{\text{1/2}},$$

  

  wobei die Öffnung ausreichend dünn ist, so dass sie als eine Düse eingestuft werden kann, indem eine Dicke vorgesehen wird, die wesentlich kleiner ist als die Öffnungsbreite und wobei: J = Fluss, m = molekulare Masse, in kG der verdampften Sorte, k = Boltzmann-Konstante, T = absolute Temperatur in der Zelle, P = Druck in der Zelle ist, der mit der Temperatur T aufgrund eines Gesetz in der Form verknüpft ist: $$\text{P}={\text{Ye}}^{\left(-\text{Ea/kT}\right)},$$

  

  wobei Y eine charakteristische Konstante des verdampften Materials und Ea eine Aktivierungsenergie ist, die mit der Verdampfung oder dem Sublimationsprozess in Beziehung steht.
• Der genaue Fluss an Molekülen bei einem Abstand von der Düse Lss in das Vakuum ist eine komplexe Funktion vieler Variablen, ist aber im Stand der Technik bekannt. Einige dieser Variablen beinhalten J, die Düsengröße, A, die Düsenform und sogar den lokalen Druck (P ist eine Funktion des Ortes z, wobei 0 ≤ z ≤ L_SS), der sich ändert, wenn der molekularen Strahl sich ausweitet oder zusammenläuft, wenn er in das Vakuum zu dem Substratortspunkt Lss läuft. Die Lambert-Näherung ist daher zweckdienlich und gibt einen einfallenden Fluss F auf ein Substrat an, das mit einem Abstand Lss zu der Düse angeordnet ist, der entsprechend dem Quadrat des Abstandes L_SS von der Düse kleiner wird: $$\text{F}=\text{HJ/}\left({\text{L}}_{\text{SS}}{}^2\right),$$

  

  wobei H ein Proportionalitätsfaktor ist.
• Bekannte Verfahren zur Erzeugung dieses Flusses beinhalten typischerweise einen Schmelztiegel bzw. Schmelzbehälter, der das zu verdampfende Material, eine Glühdrahtheizung zum Zuführen von Wärme zu dem Schmelztiegel und einen Strahlblockiermechanismus (Verschluss oder Ventil) enthält. Schmelztiegel können aus einer Vielzahl von Materialien hergestellt werden, werden aber in Hinblick auf ihre Fähigkeit ausgewählt, dass sie nicht chemisch mit dem zu verdampfenden Quellenmaterial reagieren, und minimal unerwünschte Kontaminationsgase abgeben. Der Schmelztiegel ist zumeist ein Behälter mit einem offenen Ende, ist aber in einigen Fällen ein abgeschlossener Behälter mit einer Düse oder einer Mündung, die so gestaltet ist, dass sie den die Zelle verlassenden Fluss begrenzt oder formt.
• In dem überwiegenden Teil an Effusionszellen wird ein mechanischer Verschluss eingesetzt, der außerhalb des Schmelztiegels montiert ist, der aus einem Blatt besteht, das im Kanal des molekularen Strahls des Flusses, der die Effusionszelle verlässt, angeordnet ist. Diese außen montierten Verschlüsse verringern den zugeführten Fluss, jedoch liegt bei höheren Drücken, bei denen ein Streuen oder eine Kammeranhaftung auftritt, diese Flussreduzierung nur im Bereich von einem Faktor von ∼ 10, wenn der Verschluss in der geschlossenen Stellung ist. Dieses Blatt kann aus W, Ta, Mo, PBN, Graphit oder einem anderen Material mit ausreichend begrenzter Reaktionsfähigkeit in Bezug auf das Verdampfungsmaterial hergestellt sein und es wird typischerweise nicht erwärmt, woraus sich eine kontinuierlich zunehmende Dicke des abgeschiedenen Materials auf dem Verschluss ergibt. Das abgeschiedene Material kann sich bis zu einer Dicke derart ansammeln, dass sich Probleme bei der Verschlussbetätigung ergeben (träges Verhalten oder Blockade) und das Material kann selbst die kalten Flächen, die den Verschluss umgeben, berühren, wodurch sich eine „Verschweißung mit verfestigtem Material“ zwischen dem Verschluss und den kalten Flächen ergibt, wodurch die Betätigung des Verschlusses verhindert wird. Das Blatt wird typischerweise über einen linearen Rückstell-/Einführmechanismus oder eine Drehbewegung entlang einer Bogenbahn geführt, die wesentlich kleiner als 360° ist, typischerweise von 90° bis 180°. Das Schließen eines offenen Verschlusses erfordert, dass der Verschluss in umgekehrter Richtung die Bahn durchläuft, die er während seines Öffnungszyklus durchläuft, was ein langsamer und oft unhandlicher Vorgang ist.
• In ähnlicher Weise wird in einer geringen Anzahl an Effusionszellen ein Ventil mit Kolbenstange verwendet, um das zylindrische Rohr des Effusionszellenschmelztiegels anzustecken und dann zu öffnen, um den molekularen Fluss zu unterbrechen und dann wieder herzustellen. Ein derartiger Aufbau ermöglicht einen erwärmten Ventilkörper, der die Materialansammlung minimiert und ein effizienteres Schließen ermöglicht, wodurch der Anteil des Flusses verringert wird, der durch das Ventil/den Verschluss entweicht. Jedoch erfordern auch diese Verfahren der Flussmodulierung mit Kolbenventil, dass die gleiche Bahn rückwärts durchlaufen wird, woraus sich eine langsame Flussmodulation ähnlich zu dem Aufbau mit dem externen Verschluss ergibt. Diese Verfahren zur Unterbrechung des molekularen Flusses waren so aufgebaut, dass der Strahl gelegentlich einfach begonnen und unterbrochen wurde, und diese Verfahren sind auf dem Gebiet der MBE dafür bekannt, dass sie Schwierigkeiten hervorrufen, wenn häufige schnelle Betätigungen des Verschlusses/des Ventils erforderlich sind. Verfahren, die rasche Flussmodulationen erfordern, beinhalten das Aufwachsen mehrerer Schichten mit dünner abwechselnder Zusammensetzung, die als Super-Gitter bekannt sind, oder wenn häufig Pulse aus Metall zugeführt werden, um die Oberflächenmigration zu erhöhen, wie dies in metallmodulierten Epitaxie- (MME-) Prozessen vorgefunden wird, wie sie etwa in dem US-Patent mit der Nr. 9 142 413 offenbart sind, mit dem Titel „Systems and Methods For Growing a Non-Phase Separated Group-III Nitride Semiconductor Alloy‟. Daher können weder der außen montierte „blattartige“ Verschluss noch das intern montierte Ventil „im Stile einer Kolbenstange“ die erforderliche Geschwindigkeit der Betätigung bereitstellen, die wünschenswert ist, wenn ein rasches pulsmoduliertes Flusswachstum erforderlich ist. Diese zeitlichen Einschränkungen der Verschluss-/Ventil-Systeme nehmen mit höheren Abscheideraten noch weiter zu. Beispielsweise kann im Falle der MME die Verschlussbetätigung alle 2 Sekunden bei einer Wachstumsrate von ∼ 1-2 µm/Stunde sein, nimmt aber in der Häufigkeit für jeweils 0,1 bis 0,2 Sekunden für eine Wachstumsrate von ∼ 10-50 µm/Stunde zu.
• Einer der wesentlichen Gründe zur Verwendung eines MBE-Systems liegt darin, dass ein Ultrahochvakuum-Hintergrund beibehalten wird, um den Einbau unerwünschter Verunreinigungen zu minimieren. Häufig liegen diese Verunreinigungen in Form von unerwünschten Sauerstoff- und Kohlenstoffgasen vor, hauptsächlich aus erwärmten Metallen, die als nahezu unerschöpfliche Quellen dieser unerwünschten Kontaminationsgase dienen. Es wird äußerste Sorgfalt auf die Wartungs- und Betriebsprozeduren verwendet, um sicherzustellen, dass täglich sehr niedrige Basisdrücke erreicht werden. Beispielsweise kann ein kommerzielles MBE-System, das zum Aufwachsen von III-Nitrid-Materialien verwendet wird, den täglichen Betrieb jeweils mit einem Basisdruck von ∼ 6-8 × 10^-11 Torr beginnen (in der Nähe der unteren Grenze, die durch einen lonenmessdrucksensor erfasst werden kann). Sobald jedoch eine der Effusionszellen oder eine der Substratheizungen auf ihre Betriebstemperatur von den Leerlaufwerten (etwa 200° C) hochgefahren werden, kann der Basisdruck in dem System von diesem Leerlaufwert auf bis zu 10^-9 Torr (und, aktuell, sogar höher) ansteigen.
• MBE wird unter Anwendung von Effusionszellen ausgeführt, die durch Widerstandsmetalldrähte aufgeheizt werden und Substrathalter aufweisen, die typischerweise aus metallischem Ta, W oder mit Zirkoniumoxid-stabilisiertem Pt hergestellt sind. Diese Widerstandsmetalldrähte, Keramikteile, die die Widerstandsmetalldrähte halten, und Gaseinfangrollen aus Metall, die zum Reflektieren von Wärme und zum Minimieren des Anteils an Wärme verwendet werden, die aus der Effusionszelle oder der Substratheizung entweicht, können jedoch zur Einführung von Verunreinigungen in den Verdampfungsfluss führen. Metalle sind eine unbegrenzte Quelle für kohlenstoff- und sauerstofftragende Gase und tendieren dazu, CO, CO₂ und O₂-Gase und andere unerwünschte Elemente abzugeben, die abgepumpt werden müssen, oder die ansonsten in die wachsende Schicht eingebaut werden. Ferner liegen die Substratheizungen und die Effusionszellen in direkter Sichtlinie der Aufwachssubstrate. Somit haben die gesamten aufwendigen Cryo-Abschirmungen und Getter-Pumpen, die für verstreute oder desorbierte Gase zweckdienlich sind, nur eine geringe Wirkung auf ein Absenken dieser Gaskonzentrationen, bevor sie auf die Aufwachssubstrate treffen.
• OFFENBARUNG
• In einigen Ausführungsformen umfasst die vorliegende Offenbarung: eine Effusionszelle, die einen Schmelzbehälter zur Aufnahme von Material, das zu verdampfen oder zu sublimieren ist, ein Zuführrohr, das zum Zuführen von verdampftem oder sublimiertem Material, das aus dem Schmelzbehälter stammt, in eine Kammer dient, ein Versorgungsrohr, das sich vom Schmelztiegel aus erstreckt, wobei das Versorgungsrohr angeordnet und ausgebildet ist, Kondensat, das aus dem verdampften oder sublimierten Material stammt, einzufangen und das Kondensat zurück zu dem Schmelzbehälter zu führen, und mindestens ein Heizelement, das angeordnet und ausgebildet ist, Material in dem Schmelzbehälter so zu erwärmen, dass ein Verdampfen oder Sublimieren des Materials und ein Strömen des verdampften oder sublimierten Materials durch das Zuführrohr und aus der Effusionszelle heraus hervorgerufen werden. Die Effusionszelle ist so aufgebaut, dass der Schmelztiegel bzw. der Schmelzbehälter mit dem zu verdampfenden oder zu sublimierenden Material gefüllt werden kann, ohne dass die Effusionszelle aus der Prozessvakuumkammer entnommen werden muss.
• In noch weiteren Ausführungsformen umfasst die vorliegende Offenbarung Halbleitersubstratverarbeitungssysteme, die eine oder mehrere derartige Effusionszellen aufweisen.
• Figurenliste
• 1A ist ein Graph, der eine Flussverteilung, die von einer Effusionszelle bereitgestellt wird, als Funktion des radialen Abstands von einer Mitte der Effusionszelle und einem Substrat für einen ersten Trennungsabstand zwischen der Effusionszelle und dem Substrat zeigt.
• 1B ist ein Graph, der eine Flussverteilung, die von einer Effusionszelle bereitgestellt wird, als eine Funktion eines radialen Abstands von einer Mitte der Effusionszelle und dem Substrats für einen zweiten Trennungsabstand zwischen der Effusionszelle und dem Substrat zeigt.
• 2A ist eine perspektivische Ansicht einer Ausführungsform einer Effusionszelle der vorliegenden Offenbarung in einem montierten Zustand, unabhängig von einem System, in welchem die Effusionszelle eingesetzt wird, und ohne eine Außenverkleidung der Vakuumkammer.
• 2B ist eine perspektivische Aufrissansicht der in 2A gezeigten Effusionszelle.
• 3A ist eine Seitenansicht der Effusionszelle der 2A und 2B, die in Verbindung mit einer externen Verkleidung einer Vakuumkammer, die an der Vakuumkammer angebracht ist, verwendbar ist.
• 3B ist eine Seitenansicht einer weiteren Ausführungsform der Effusionszelle der 2A und 2B, wobei eine äußere Vakuumkammerverkleidung an der Vakuumkammer angebracht ist.
• 4 ist eine Querschnittsseitenansicht der Effusionszelle der 2A und 2B im zusammengebauten Zustand.
• 5A ist eine perspektivische Aufrissansicht eines Versorgungsrohrs und mehrerer Ablenkelemente (die in dem Versorgungsrohr angeordnet sein können) der Effusionszelle der 2A, 2B und 4.
• 5B ist eine perspektivische Draufsicht eines der Ablenkelemente, die in 5A gezeigt sind, von oben.
• 5C ist eine perspektivische Ansicht eine der in 5A gezeigten Ablenkelemente von unten.
• 6A ist eine perspektivische Ansicht einer HF-Spulenanordnung der Effusionszelle der 2A, 2B und 4.
• 6B ist eine vergrößerte perspektivische Teilansicht der HF-Spulenanordnung von, die auch in 6A gezeigt ist.
• 6C ist eine Seitenteilansicht eines unteren Bereichs der HF-Spulenanordnung, die in 6A und 6B gezeigt ist.
• 7A ist eine perspektivische Ansicht, die ein Zuführrohr und zugehörige Komponenten der Effusionszelle der 2A, 2B und 4 zeigt, die so gezeigt sind, dass sie an einem Schmelztiegel 20 der Effusionszelle der 2A, 2B und 4 angebracht sind, wobei andere Komponenten der Effusionszelle weggelassen sind.
• 7B ist eine Aufrissansicht diverser Komponenten der in 7A gezeigten Effusionszelle.
• 8A ist eine vereinfachte und schematisch dargestellte Seitenquerschnittsansicht, wobei ein Schmelztiegel und ein Zuführrohr in einem Aufbau darstellt sind, der gemäß Ausführungsformen von Effusionszellen der vorliegenden Offenbarung einsetzbar ist.
• 8B ist eine vereinfachte und schematisch dargestellte Querschnittsseitenansicht, die einen Schmelztiegel und ein Zuführrohr in einer weiteren Anordnung darstellt, die gemäß Ausführungsformen von Effusionszellen der vorliegenden Offenbarung verwendbar ist.
• 9A ist eine perspektivische Ansicht, die ein Zuführrohr und zugehörige Komponenten der Effusionszelle der 2A, 2B und 4 zeigt, die separat zu anderen Komponenten der Effusionszelle gezeigt sind.
• 9B ist eine Aufrissansicht diverser Komponenten der in 9A gezeigten Effusionszelle.
• 10A ist eine perspektivische Ansicht einer Verschlussanordnung, eines Führungsrohrs und einer Düse der Effusionszelle der 2A, 2B und 4.
• 10B ist eine vergrößerte perspektivische Teilansicht der Verschlussanordnung, des Führungsrohrs und der Düse, die in 10A gezeigt sind.
• 10C ist eine vergrößerte perspektivische Teilansicht der Verschlussanordnung, des Führungsrohrs und der in 10A gezeigten Düse, wobei eine andere Perspektive als in 10B verwendet ist.
• 11A ist eine perspektivische Aufrissansicht der Verschlussanordnung und der Düse der Effusionszelle der 2A, 2B und 4.
• 11B ist eine perspektivische Anordnung der Verschlussanordnung und der Düse aus 11A, die in dem zusammengebauten Zustand gezeigt ist.
• 11C ist eine weitere perspektivische Aufrissansicht der Verschlussanordnung und der Düse wie in 11A, jedoch aus einer anderen Perspektive als in 11A dargestellt.
• ART BZW. ARTEN ZUM AUSFÜHREN DER ERFINDUNG
• Die hierin enthaltenen Darstellungen sollen nicht tatsächliche Ansichten spezieller Effusionszellen oder Halbleitersubstratverarbeitungssysteme repräsentieren, sondern dienen lediglich als idealisierte Darstellungen, die zur Beschreibung Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung verwendet sind. Elemente und Merkmale, die in den Figuren gemeinsam vorhanden sind, können die gleichen Bezugszeichen haben.
• Ausführungsformen von Effusionszellen der vorliegenden Offenbarung können in Anwendungen verwendet werden, die als „Molekularstrahlepitaxie“ („MBE“) bekannt sind, oder sie können allgemein bei der Vakuumabscheidung dünner und dicker Schichten, die allgemein als „physikalische Dampfabscheidung“ („PVD“) bekannt ist, oder in einem anderen Verarbeitungssystem verwendet werden, in welchem eine umschlossene Vakuumkammer verwendet wird, um ein oder mehrere Substrate zu bearbeiten, und wobei eine Effusionszelle verwendet wird, um ein Verdampfungsmaterial in der Vakuumkammer zur Verarbeitung des einen oder der mehreren Substrate bereitzustellen. Da der Arbeitsdruckbereich der Ausführungsformen von Effusionszellen, die hierin beschrieben sind, höher ist als derjenige, der für die „molekulare Strömung“ definiert ist, kann die Effusionszelle mit erhöhter Flexibilität im Vergleich zu vorbekannten Effusionszellen arbeiten, insbesondere bei höheren Verdampfungs- oder Umgebungsdrücken, und somit können die Effusionszellen effizient in Verarbeitungssystemen, die keine MBE-Systeme sind, eingesetzt werden. Im Gegensatz zu herkömmlichen Quellen im „MBE-Stil“ wird der durch Ausführungsformen von Effusionszellen, wie sie hierin beschrieben sind, bereitgestellte Verdampfungsmaterialfluss hauptsächlich durch die Änderung des Tastverhältnisses und der Dauer der schnellen Pulsierung des Flusses eingestellt, und es erfolgt nur ein langsames Reagieren auf Flussschwankungen, die sich durch Temperaturänderungen ergeben. Somit können dickere, robustere Schmelzbehälter, die weniger bruchgefährdet sind, in Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung verwendet werden. Die Temperatur der Schmelzbehälter kann ebenfalls verändert werden, um Flussänderungen zu bewirken, jedoch bei einer geringeren Rate mit höherer thermischer Stabilität, wenn eine konstante Temperatur erwünscht ist. Die hier beschriebenen Effusionszellen können in Abscheidekammern und -prozessen eingesetzt werden, in denen die Abscheidung bei Druckbedingungen im mittlerem Vakuum, Hochvakuum (HV) oder Ultra-Hochvakuum (UHV) ausgeführt wird. Im Allgemeinen sind die wesentlichen gewünschten Eigenschaften eines Abscheidesystems hohe Abscheideraten, ausgezeichnete Gleichmäßigkeit, ein großer Betriebsdruckbereich, ein geringer Einbau von Verunreinigungen und gute Steuerung der Zusammensetzung einer mehrkomponentigen Schicht. Zusätzlich zu allen diesen wünschenswerten Eigenschaften beinhaltet die Offenbarung die Fähigkeit, die Materialabsonderung von Tröpfchen zu reduzieren und eine rasche zeitliche Antwort des Flusses bei hohen Abscheideraten mit in-situ-Material-Wiedereinladungsfähigkeit bereitzustellen. Ferner wird in Ausführungsformen von Effusionszellen, wie sie hierin beschrieben sind, ein einzigartiger Wiederbefüllungsaufbau „mit Vakuum“ verwendet, der eine in-situ-Wiederbeladung bzw. Vor-Ort-Wiederbeladung ermöglicht, ohne dass das System der Atmosphäre ausgesetzt wird, wodurch das Wiederbeladen mit Material nicht mehr zu den Faktoren gehört, die die Kampagnenlänge des Systems begrenzen. Ferner sind Ausführungsformen von Effusionszellen der vorliegenden Offenbarung zu einer relativ raschen Modulation des molekularen Flusses fähig (beispielsweise Aktivieren und Deaktivieren des Flussunterbrechungsmechanismus). Ausführungsformen von hierin beschriebenen Effusionszellen verringern das Ausgasen, das durch bislang bekannte Effusionszellenaufbauten hervorgerufen wird, und können sogar die Quelle derartiger schädigender Gase minimieren oder gar vermeiden, indem alle unnötig heißen Metalle, die in der Sichtlinie liegen, aus dem Aufbau entfernt werden.
• Ein weiterer Vorteil der Ausführungsformen von Effusionszellen gemäß der vorliegenden Offenbarung liegt in der Verringerung der Kosten der Effusionszellen. Insbesondere enthalten bislang bekannte resistiv beheizte Effusionszellen teures Tantal, Platin oder andere seltene Metalle in Form von resistiv heizenden Heizdrähten und erwärmten Wärmereflektoren. Oxidresistente Effusionszellen verwenden teures Zirkonoxid-stabilisiertes Platin oder Iridium, um eine Oxidation der Heizdrähte zu vermeiden. Ausführungsformen von Effusionszellen der vorliegenden Offenbarung können ohne derartige teure, verunreinigungsausgasende Metalle bereitgestellt werden und können daher aus hochreinen, weithin verfügbaren Materialien hergestellt werden, die Standard in MOCVD- und Si-basierten Halbleiterherstellungssystemen sind. Ausführungsformen von Effusionszellen der vorliegenden Offenbarung weisen derartige resitive Heizdrähte oder erwärmte Wärmereflektoren mit Tantal, Platin oder anderen seltenen Metallen nicht auf.
• 2A zeigt eine Effusionszelle gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung in einem zusammengebauten Zustand, und 2B ist eine Aufrissansicht der Komponenten der Effusionszelle der 2A. Wie in 2A und 2B gezeigt ist, enthält die Effusionszelle eine HF-Induktionsspule 10, die einen dicken, mechanisch robusten permanenten (das heißt, nicht Material-austauschbaren) Schmelztiegel bzw. Schmelzbehälter 20 erwärmt. Die Effusionszelle enthält ferner eine Kombination aus Verdampfungsmaterialversorgungs- und mechanischem Halterohr 30 mit inneren Abstandelementen 31. Die Effusionszelle enthält ferner eine weitere HF-Induktionsspule 11, die ein Zuführrohr 40 erwärmt, das mit einer Hochgeschwindigkeits-360°-Drehverschlussanordnung 50 und einer austauschbaren Düse 60, die im Inneren des Zuführrohrs 40 angeordnet ist, versehen ist. Ein Führungsrohr 70 hält die Verschlussanordnung 50 mechanisch und zentriert sie in dem Zuführrohr 40. Der dickwandige Schmelzbehälter 20 wird mechanisch von dem Versorgungsrohr 30, in dem Abstandelemente bzw. Ablenkelemente 31 vorgesehen sind, mechanisch gehalten. Das Versorgungsrohr 30 funktioniert so, dass es einen ausgeprägten Leitungstemperaturgradienten bereitstellt, der Dämpfe zu Flüssigkeiten kondensiert. Die Flüssigkeiten werden auf den Ablenkelementen 31 aufgefangen und können in das Quellenreservoir im Inneren des darunter montierten Schmelzbehälters 20 zurücktropfen. Dieses Versorgungsrohr 30 mit den inneren Ablenkelementen 31 hat auch ein zweites offenes Ende 32, lässt aber nicht zu, dass große Mengen an Dampf dieses offene Ende 32 verlassen. Das Versorgungsrohr 30 ist an einem standardmäßigen doppelseitigen Vakuumflansch 80 über einen Schraubverbinder 81 an einem thermischen Isolator 90 befestigt Der Vakuumflansch 80 kann optional gekühlt werden, um die Leitungswärme über Wasser, Flüssigstickstoff (LN₂) oder eine Vielzahl anderer bekannter Kühlflüssigkeiten mittels Verfahren, die im Stand der Technik bekannt sind, abzuführen. Der thermische Isolator 90 kann optional gebohrt sein, kann aus porösen Materialien hergestellt und/oder so bearbeitet sein, dass der Wärmewiderstand begrenzt wird, der die Größe des Wärmestroms zu dem Vakuumflansch 80 steuert. Ferner kann die Länge des Versorgungsrohrs 30 so eingestellt werden, dass eine gewünschte Wärmeleitung zu dem Vakuumflansch 80 erreicht wird. Auf diese Weise kann das obere Ende des Versorgungsrohrs 30 bei einer geeigneten Temperatur so gehalten werden, dass sichergestellt ist, dass das Verdampfungsmaterial, das in dem Versorgungsrohr 30 vorhanden ist, kondensiert und in den Schmelzbehälter zurückkehrt. Der thermische Isolator 90 kann eine konische oder trichterförmige Innenform haben, so dass er beim Material-Wiedereinladen unterstützend wirkt, wie dies nachfolgend beschrieben ist.
• Die gesamte Effusionszelle kann im Inneren einer Vakuumkammerverkleidung montiert sein, wie dies in 3A und 3B dargestellt ist. Die Vakuumkammerverkleidung kann eine Vielzahl von Formen haben. Als eines von nicht beschränkenden Beispielen kann die Vakuumkammerverkleidung eine zylindrische Kammer 100 (beispielsweise ein Rohr) aufweisen, wie in 3A gezeigt ist, oder eine rechteckige Kammer 101, wie in 3B gezeigt ist. Der doppelseitige Vakuumflansch 80 ist zwischen einem von vier Vakuumflanschen 102a, 102b, 102c, 102d, die an der Vakuumkammer befestigt sind, und einem optionalen Vakuumzugangsventil 103 angeordnet. Dieses Vakuumzugangsventil 103 trennt die Effusionszelle von einer Schleusenkammer, wie sie nachfolgend mit Verweis auf 4 beschrieben ist. Ein optionales Vakuumzugangsventil 104 kann die Effusionszelle von der Prozesskammer 107 trennen, in die das Verdampfungsmaterial eingespritzt wird. Das Vakuumzugangsventil 104, falls es vorhanden ist, kann an der Prozesskammer 107 über einen Vakuumflansch 108 angebracht sein. Mechanische Drehdurchführungen 106, von denen viele im Stand der Technik bekannt sind, sind mit der Verschlussanordnung 50 zur ihrer Betätigung verbunden. In ähnlicher Weise sind vier HF-Vakuumdurchführungen 105a, 105b, 105c, 105d vorgesehen, um Verbindungen zur Einspeisung sowohl elektrischer Energie als auch Flüssigkeitskühlung und die Rückführung davon für die HF-Induktionsspulen 10, 11 bereitzustellen, so dass die HF-Induktionsspulen 10, 11 auf einer ausreichend niedrigen Temperatur gehalten werden, um ein unerwünschtes Ausgasen zu minimieren.
• Die Vakuumkammer kann optional eine Gasdurchführung aufweisen. Diese Gasdurchführung kann ein Mittel sein, um den lokalen Druck, der in der Effusionszelle entsteht, einzustellen, was hilfreich sein kann, um die mittlere freie Weglänge zwischen Kollisionen des Verdampfungsmaterials und somit die Richtungsabhängigkeit des Verdampfungsmaterials in einer Weise einzustellen, die in bekannten Effusionszellen nicht angetroffen wird.
• Die Vakuumkammer kann ferner diverse Sensoren, etwa Temperatursensoren, Drucksensoren und dergleichen aufweisen, und kann optional zusätzliche Pumpanschlüsse enthalten, um ein „differentielles Pumpen“ der Quelle zu ermöglichen, wie dies im Stand der Technik bekannt ist.
• Die Versorgung/das Versorgungsrohr 30 kann für eine in-situ-Materialbeladung über das Vakuumventil 103 und eine separate Materialschleusenkammer verwendet werden, die vorgereinigt, ausgebacken und somit hochrein gemacht werden kann, bevor das Ventil 103 geöffnet wird, um einen Durchgang zwischen der Schleusenkammer und dem Quellenladerohr zu öffnen. Sobald das Ventil 103 geöffnet ist, kann das im Voraus ausgegaste Nachfüllmaterial in den thermischen Isolator 90 eingeladen werden, der die Materialien in das Versorgungsrohr 30 und schließlich in den Schmelzbehälter 20 lenkt.
• Obwohl die Effusionszelle im Inneren eines ausreichend großen Vakuumsystems montiert werden kann, etwa in dem GEN200-MBE-System oder dem GEN2000-MBE-System, die von Veeco Instruments Inc., Plainview, NY, erhältlich sind, oder ähnliche Modelle mit „großem Anschluss“ von diesem oder anderen Anbietern, ist die Gesamtgröße der Effusionszelle relativ größer als in bisher bekannten Effusionszellen und kann für den Betrieb von einer vollständig außerhalb liegenden Position aus installiert werden, im Gegensatz zu bekannten Effusionszellen, die typischerweise innerhalb der Abscheidekammer 107 montiert sind. Daher kann ein Trennventil 104 optional zwischen der Effusionszelle und der Abscheidekammer eingesetzt werden, wenn die Effusionszelle außerhalb der Abscheidekammer 107 montiert ist.
• 4 ist eine Querschnittsansicht der Effusionszelle der 2A und 2B. Die Effusionszelle enthält mehrere miteinander verbundene dickwandige Rohre, die einen Schmelzbehälter 20, ein mechanisches Halte- und Ladeversorgungsrohr 30 und ein Zuführrohr 40 enthalten. Wie in 4 und in der Aufrissansicht der 5A und in 5B und 5C gezeigt ist, sind im Inneren des Halte-Versorgungsrohrs 30 mehrere Ablenkelemente 31 vorgesehen, die ein durch Schwerkraft zugeführtes Material in das Reservoir des Schmelzbehälters 20 abführen, die aber den Dampffluss nach oben in Richtung zu dem offenen Ende 32 des Rohrs beschränken. Durch die Erzeugung eines Temperaturgradienten entlang des Versorgungsrohrs 30 tritt eine Kondensation des verdampften Materials auf, wodurch die kondensierten Flüssigkeiten der verdampften Materialien in das Reservoir des Schmelzbehälters 20 zurückfließen können. Der thermische Isolator 90 (4) hat die Form eines innen liegenden Trichters, um die Materialwiederbeladung zu unterstützen, wodurch flüssiges Material in das offene Ende 32 des Versorgungsrohrs 30 gelenkt wird. Wenn das flüssige Material in dem Versorgungsrohr 30 ist, dann läuft es über die Ablenkelemente 31 in das Reservoir des Schmelzbehälters 20. Der thermische Isolator kann bearbeitet, gebohrt oder aus diversen porösen Materialien hergestellt sein, so dass eine geeignete Temperatur an der Oberseite des Versorgungsrohrs 30 beibehalten wird, um damit zu ermöglichen, dass das eingeladene Material flüssig bleibt. Typische Schmelzpunkte von Materialien, die üblicherweise in Anwendungen eingesetzt werden, liegen im Bereich von ∼ 27° C für Ga bis ∼ 660° C für AI bis zu deutlich höheren Temperaturen für diverse Übergangs- und eisenartige Metalle. Selbst für Materialien, die ungeschmolzen bleiben, kann jedoch ein festes Pulver verwendet werden, um die Quelle neu zu beladen. In den Anwendungen, in denen diese Widerbeladungsverfahren mit Flüssigkeit oder Feststoffen nicht geeignet sind, kann die Effusionszelle ohne die Verwendung der Wiederbeladungsprozedur eingesetzt werden, wobei die Öffnung 32 des Versorgungsrohrs 30 mit einem geeigneten Stopfen abgedichtet wird.
• In einigen Ausführungsformen kann während des Betriebs ein Temperaturgradient zwischen den drei Zonen, die das Versorgungsrohr 30, den Schmelzbehälter 20 und das Zuführrohr 40 umfassen, eingerichtet werden. Obwohl die tatsächlichen Temperaturen in diesen Bereichen sich abhängig von dem Verdampfungsmaterial und den Prozessbedingungen ändern können, ist gegebenenfalls die Temperatur in dem Zuführrohr 40 mindestens 200° C höher als in dem Schmelzbehälter 20, und die Temperatur in dem Schmelzbehälter 20 kann mindestens 200° C höher sein als in dem Versorgungsrohr 30. In einigen Ausführungsformen kann der Schmelzbehälter 20 auf Temperaturen bis zu ungefähr 2.200° C unter Anwendung eines entsprechenden HF-Induktionsspulenheizelements aufgeheizt werden, und das Zuführrohr 40 kann auf Temperaturen bis zu 2.500° C oder höher unter Anwendung seines entsprechenden HF-Induktionsspulenheizelements aufgeheizt werden.
• Gemäß 4, und wie zuvor erwähnt ist, können in der Effusionszelle HF-Induktionserwärmungsspulen verwendet sein. 6A-6C zeigen ferner die HF-Induktionsspulen getrennt von der Effusionszelle. HF-Induktionsspulen 10 und 11 können sich im Radius unterscheiden. In einigen Ausführungsformen weisen jeweils die HF-Induktionsspulen eine Innenwicklung 10a, 11a und eine Außenwicklung 10b, 11b auf, wie in 4 und 6A-6C gezeigt ist. Anders ausgedrückt, jede Spule 10, 11 kann ein Hohlrohr aus elektrisch leitendem Material aufweisen, das eine Innenwicklung 10a, 11a und eine Außenwicklung 10b, 11b hat. 6B zeigt den Abstand P10a, P11a der Innenwicklung 10a, 11a und den Abstand P10b, P11b der Außenwicklung 10b, 11b, wobei der Abstand als Abstand zwischen zwei benachbarten Abschnitten der Spule in der Wicklung definiert ist. Somit kann jede HF-Induktionsspule 10, 11 eine innere Spiralwicklung innerhalb einer äußeren Spiralwicklung aufweisen, wobei die Innenwicklung 10a, 11a einen Abstand P10a, P11a hat, der größer ist als der Spulendurchmesser, so dass benachbarte Abschnitte der Spule in der Wicklung einander nicht berühren. Diese Abstände P10a und P11a können entlang der Länge der Spule variieren und können in Richtung zu einem Ende hin kleiner werden, um vorzugsweise dort konzentriert aufzutreten, wo ein stärkeres Heizen gewünscht ist. Wenn ein Wechselstrom in die Innenwicklung 10a, 11a eingeprägt wird, wird ein fluktuierendes Magnetfeld im Volumenbereich erzeugt, der die Innenwicklung 10a umgibt (der von dem Schmelzbehälter 20 und dem zu verdampfenden oder zu sublimierenden Material eingenommen wird) oder der die Innenwicklung 11a (der von dem Zuführrohr 40 und der inneren Verschlussanordnung 50 und der Düse 60 eingenommen wird) umschließt. Der durch das fluktuierende Magnetfeld erzeugte Strom fließt durch den Schmelzbehälter 20 oder das Zuführrohr 40 sowie durch das zu verdampfende oder zu sublimierende Material und durch anderes Material innerhalb des Volumens, die dann durch den Stromfluss darin resistiv erwärmt werden. Der Durchmesser der Innenwicklung 10a, 11a, der Spulenabstand P10a, P11a und die Gesamtanzahl an Windungen in der Wicklung tragen gemeinsam zu einer Induktivität der Spulen 10, 11 bei, und können auf die Lastimpedanz des Schmelzbehälters 20 und des Zuführrohrs 40 durch empirische Verfahren oder durch Berechnungen, die im Stand der Technik bekannt sind, angepasst werden.
• Es kann bewirkt werden, dass Wasser oder eine andere Kühlflüssigkeit oder ein Fluid die Spulen 10, 11 während des Betriebs der Effusionszelle durchströmt, um die Spulen 10, 11 zu kühlen und Wärmestrahlung zu absorbieren, die von dem Schmelzbehälter 20 und dem darin enthaltenen Material ausgesendet wird.
• Obwohl ferner die Innenwicklungen 10a, 11a einen separat Spalt oder Zwischenraum zwischen benachbarten Abschnitten der Spule für die gewünschte Induktivität bei gegebenem Durchmesser und Material, das zu erwärmen ist, aufweisen, ist die Außenwicklung 10b, 11b, die die „Rückkehrwicklung“ ist, spiralförmig so gewickelt, dass kein Spalt zwischen benachbarten Abschnitten der Spule vorhanden ist, woraus sich ein elektrischer Kurzschluss entlang der Wände der Außenwicklung in der Richtung parallel zu der Achse der Spulen 10, 11 ergibt. Optional kann der elektrische Kontakt zwischen den benachbarten Abschnitten der Spule in den Außenwicklungen 10b, 11b durch Schweißen, Löten, Hartlöten oder Befestigen der Spulen aneinander verbessert werden, so dass eine solide äußere wassergekühlte Abschirmung gebildet wird, die nur sehr wenig zu dem Induktionsvorgang beiträgt. Somit können die Spulen 10, 11 eine wassergekühlte Außenschale aufweisen, die in der Lage ist, den Hauptteil der aus dem Schmelzbehälter 20 und dem darin enthaltenen Material abgestrahlten Wärme zurückzuführen, wodurch eine übermäßige Erwärmung der Kammer verhindert wird. Diese wärmeabgeschirmten Außenwicklungen 10b, 11b bilden eine Außenspule, die für eine Wärmeabschirmung der Vakuumkammer geeignet ist. Die Außenspulen 10b, 11b haben einen Abstand P10b, P11b, der gleich dem Spulendurchmesser ist, so dass jede Windung der Spule die nächste benachbarte Windung berührt, wodurch ein elektrischer Kurzschluss vertikal entlang der Außenwicklungen 10b, 11b erzeugt wird.
• Da ein großer Anteil der Strahlungswärme aus dem Schmelzbehälter 20 und dem Zuführrohr 40 entweichen kann, wodurch die Wärmeverluste ansteigen, können optional die Außenwicklungen 10b, 11b durch eine Reihe von hinzugefügten wärmereflektierenden Gefäßen 10c, 11c oder mehrschichtige Folien erweitert werden, die in direktem Kontakt, verschweißt, hartgelötet werden oder mit den Außenwicklungen 10b, 11b in Kontakt sind und die aus Materialien hergestellt sind, die in dem Stand der Technik bekannt dafür sind, dass sie effizient Wärme reflektieren. Zu diesen Materialien gehören Stahl, Ta, Mo, Cu, Au, Ag, Ni, Al, Cr und/oder diverse Oxid-, Fluorid- oder Nitrid-beschichtete Versionen dieser Materialien. Anders als bei der standardmäßigen Effusionszelle wird die Wärmeabschirmung durch den intensiven Kontakt zu den Außenwicklungen 10b, 11b auf einer niedrigen Temperatur gehalten.
• Wie zuvor beschrieben ist, weisen die HF-Induktionsspulen 10, 11 eine wasser-/kühlmittelgekühlte und elektrisch leitende Spule auf, um den Schmelzbehälter 20 und das darin enthaltene Material durch HF-Induktionsheizung zu erwärmen. In diesem Aufbau erwärmen die HF-Induktionsspulen 10, 11 den Schmelzbehälter 20 und das darin enthaltene Material und das Zuführrohr 40 und darin enthaltene Komponenten effizient, ohne andere Komponenten der Effusionszelle wesentlich zu erwärmen, wodurch ein unerwünschtes Ausgasen im Vergleich zu bekannten Effusionszellen reduziert wird. In dem eingeschränkten Falle, in welchem das in dem Schmelzbehälter 20 enthaltene Material ein Sublimationsmaterial ist (Mg, As, P etc.), könnte der Schmelzbehälter 20 optional weggelassen werden, solange die Effusionszelle eine Einrichtung zum In-Position-Halten des festen Materials innerhalb der HF-Induktionsspule aufweist (obwohl ein Schmelzbehälter 20 höchstwahrscheinlich verwendet wird, um eine unerwünschte Streuverdampfung zu verhindern). In allen Fällen besteht kein Bedarf für erhitzte Ta- (oder W, Zirkonoxid-stabilisierte Pt etc.) Glühdrähte, da die HF-Energie direkt in das verdampfende Material und durch einen hochreinen, sehr dichten Graphit-Schmelzbehälter (oder ein anderes geeignetes Material), etwa SiC, TaC, BeO, PBN, BN, AIN, Al₂O₃ oder durch ein ähnliches Material, das üblicherweise als Material für einen Schmelzbehälter verwendet wird) eingekoppelt wird. Diese äußerst dichten Graphit-Schmelzbehälter werden üblicherweise in MOCVD-Systemen verwendet und sind auch in jüngsten MBE-Anwendungen mit dünnem Schmelzbehälter eingesetzt worden, wobei sich ein Leistungsvermögen zeigt, das gleichwertig oder besser ist als in den entsprechenden PBN-Komponenten. Jedoch ist in diesem Falle der Schmelzbehälter 20 aus dicken Wänden (0,036" ≤ t ≤ 1") in Hinblick auf mechanische Integrität anstelle der üblichen dünnwandigen (t ≤ 0,035") austauschbaren Schmelzbehältern aufgebaut. Diese Schmelzbehälter aus Graphit, Keramik, Metall, Metallkarbid, Metallnitrid, Metallborid oder ähnlichen Materialien können mit diversen Beschichtungen zur Kompatibilität mit speziellen Anwendungen ausgekleidet sein (beispielsweise TaC, Kohlenstoff in Graphitform, Siliziumnitrid oder AIN für AI und SiC für Sauerstoff-Umgebungen, wobei dies einige von vielen anderen Optionen sind, die im Stand der Technik bekannt sind). Alternativ können, wenn dies als akzeptabel erachtet wird, im Falle des Aufwachsens von Oxidmaterialien, wobei das Ausgasen von geringerer Bedeutung ist, die Schmelzbehälter aus Ta, Mo, W, Nb, Ti oder anderen hochreinen, dickwandigen Metallen hergestellt werden.
• Es sollte beachtet werden, dass die HF-Heizung bislang nicht in einem MBE-System aufgrund des erforderlichen Platzbedarfs verwendet worden ist. MBE-Systeme hatten stets schmale Effusionszellenöffnungen, die zum Einfangen der ausgegasten Verunreinigungen ausgelegt waren. Somit wurden kleine Öffnungen in Kryo-Platten, die mit Flüssigstickstoff oder nicht gefrierenden Mischungen gefüllt waren, verwendet. Wenn man eine HF-Zelle in eine dieser Öffnungen einsetzen wollte, würde sie nicht passen und würde mit dem Kryo-Gehäuse in Verbindung treten und den flüssigen Stickstoff durch Sieden zum Verschwinden bringen. Daher können Effusionszellen gemäß der vorliegenden Offenbarung in einem Vakuumabscheide- oder MBE-System mit großer Bohrung eingesetzt werden, oder in einem Aufbau mit externer Installation eingesetzt werden. Dies ist möglich, da die neuartige HF-Effusionszelle keine Verunreinigungen aus den erhitzten Metallen, sondern nur das erwärmte Material und Material des Schmelzbehälters ausgasen.
• Gemäß 4, 7A, 7B, 8A und 8B enthält die Effusionszelle ferner ein Zuführrohr 40. Die Achse des Zuführrohrs ist unter einem Winkel Φ zu der Achse des Bereichs des Schmelzbehälters 20, der das Verdampfungsmaterial 21 enthält, angeordnet und kann mit einem HFerwärmten Hochgeschwindigkeitsdrehventil 50 und einer Anordnung mit entfernbarer Düse 60 versehen sein. 7A und 7B zeigen ferner das Zuführrohr 40 und zugehörige Komponenten. Gemäß 8A und 8B kann der Winkel Φ des Zuführrohrs 40 in Bezug auf den Schmelzbehälter 20 ein Winkel zwischen 0° und ungefähr 180° sein, wobei jedoch Winkel zwischen 0° und 135° die Materialabsonderung aus der Effusionszelle minimieren können. Bei Winkeln zwischen 0° und 135° führt das „Sieden“ von geschmolzenem flüssigen Quellenmaterial 21 in dem Schmelzbehälter 20 nur zum Absondern einiger weniger Tröpfchen in das Zuführrohr 40, da das Rohr nicht zu dem geschmolzenen Material 21, das in dem Schmelzbehälter 20 enthalten ist, ausgerichtet ist. 8A zeigt eine Ausführungsform, in der der Winkel Φ des Zuführrohrs 40 relativ zu dem Schmelzbehälter 20 ungefähr 0° beträgt (das heißt, das Zuführrohr 40 ist parallel zu dem Schmelzbehälter 20), und 8B zeigt eine Ausführungsform, in der der Winkel Φ des Zuführrohrs 40 relativ zu dem Schmelzbehälter 20 ungefähr 90° beträgt (das heißt, das Zuführrohr 40 ist senkrecht zu dem Schmelzbehälter 20). Da das Zuführrohr 40 nicht in der Sichtlinie zu dem geschmolzenen Quellenmaterial 21 in dem Schmelzbehälter 20 liegt, und da das Zuführrohr 40 mit seiner eigenen unabhängigen HF-Induktionswärmequelle 11 versehen ist, die so betrieben werden kann, dass das Zuführrohr 40 heißer als der Schmelzbehälter 20 ist, wird eine kleine Anzahl an Streutröpfchen, die in das Zuführrohr 40 „abgesondert“ werden, erneut verdampft, bevor sie das Rohr über das Ventil 50 und die Düsenanordnung 60 verlassen.
• Gleichungen 1) bis 9) können verwendet werden, um akzeptable Abmessungen des Schmelzbehälters 20, des Zuführrohrs 40, des Ventils 50 und der Düsenanordnung 60 festzulegen, indem ein geeigneter kombinierter Strömungsleitwert für die gewünschte molekulare Flussströmung in einem speziellen Abscheidesystem festgelegt wird. Somit führen kürzere und/ oder breitere Zuführrohre 40 einen größeren Fluss, während längere und/oder schmälere Zuführrohre 40 den Fluss beschränken und reduzieren. In ähnlicher Weise ergibt der kombinierte Strömungsleitwert gemäß den Gleichungen 3) und 4) ähnliche Abhängigkeiten für den Rohr- und Düsen-Strömungsleitwert des Ventils 50 und der Düse 60.
• Einige kritische Verbindungsbereiche, an denen Flüssigkeit ansonsten entweichen kann, können auf der Außenseite des Verbindungsbereichs so beschichtet werden, dass der Verbindungsbereich abgedichtet wird. Beispielsweise wird die Verbindung des Schmelzbehälters 20 und des Zuführrohrs 40 mittels einer Gewindeverbindung mit einer optionalen äußeren Graphitbeschichtung (oder anderen Materialien mit ähnlicher Vielfalt wie die Beschichtungen, die zuvor erläutert sind) hergestellt, so dass eine flüssigkeitsdichte und gasdichte Abdichtung erzeugt wird. Ein derartiger Verbindungsbereich ist dank der die Gewindeverbindung mechanisch stabil und hält die äußere Beschichtung flüssigkeitsdicht. Die Gewindegänge der Verbindung enthalten einen Gasanschlussauslass (einen Schnitt entlang der Gewindegänge) und ein kürzeres männliches Gewinde als die weibliche Buchse, so dass eingefangene Gase entlang der Gewinde oder an der Basis der mechanischen Verbindung vermieden werden. Eine Anordnung dieser Beschreibung ist mechanisch mittels der Gewinde befestigt und kann somit größere mechanische und thermische Belastungen aushalten, ist jedoch in Bezug auf Gasleckage/Flüssigkeitsleckage durch die hinzugefügten äußeren Graphitbeschichtungen (oder ähnliche Beschichtungen) abgedichtet. Diese lecksichere Abdichtung ist insbesondere notwendig, wenn Φ gleich oder näherungsweise 0° ist, so dass die Verbindung des Schmelzbehälters 20 und des Zuführrohrs 40 mit der geschmolzenen Flüssigkeit 21 in Kontakt ist.
• Wie in 4 gezeigt, enthält das Ende des Zuführrohrs eine Düse 60, die mit dem Zuführrohr 40 über eine Schraubverbindung mit ähnlichen Eigenschaften verbunden ist, wie sie für die Verbindung aus Schmelzbehälter 20 und Zuführrohr 40 beschrieben sind. 9A und 9B zeigen ebenfalls die Düse 60. Die Düse 60 enthält eine oder mehrere „Begrenzungsöffnungen“ 61, die in der Praxis Mündungen oder Rohre sein können, die bei Ausrichtung zu den „Öffnungen“ 51A, 51B, 51C (wiederum Mündungen, Schlitze, wie sie in 9B gezeigt sind, oder Rohre) in dem Ventil 50 einen molekularen Fluss zulassen, und, wenn sie unausgerichtet sind, den molekularen Fluss unterbrechen. Die Geschwindigkeit der Flussunterbrechungen ist definiert durch: $$\text{Flussgeschwindigkeit}=\text{60/}\left(\text{N}\times \text{UpM}\right),$$

  

  wobei die Flussgeschwindigkeit die Flussmodulationen pro Sekunde, N die Anzahl an kreisförmig angeordneten Mündungen oder Rohren ist, die in der Düse angeordnet sind, wobei eine gleiche Anzahl an Mündungen oder Rohren in dem Ventil vorgesehen ist, und UpM die Anzahl an Umdrehungen pro Minute für die Drehung des Ventils ist. In 9 ist in diesem Beispiel N = 3.
• Somit kann bei moderater Ventildrehung von 200 UpM die Modulation des Flusses bei 0,1 Sekunden mit nur drei Düsen- und Ventilöffnungen erreicht werden. Wenn höhere Flussgeschwindigkeiten erforderlich sind, kann entweder eine höhere UpM oder es können mehr Öffnungen in der Düse und dem Ventil verwendet werden. Der Abstand und die Anzahl an Öffnungen sowohl im Ventil 50 als auch in der Düse 60 können so variiert werden, dass die Geschwindigkeit und das Tastverhältnis der Flussmodulation eingestellt werden. Beispielsweise kann der Fluss in einem Bereich von etwa 0,001 Sekunden bis ungefähr mehrere Sekunden für eine konstante Zufuhr des Flusses zugeführt oder offen gehalten werden. Das Ventil 50 und die Düse 60 müssen nicht die gleiche Anzahl an Öffnungen haben, sofern nicht ein Tastverhältnis von 50% erforderlich ist.
• Wie im Detail in 10A und 10B gezeigt ist, ist die Form jeweils der Mündungen 61 an der Düse 60 generell eine positive Schräge auf der Außenseite, wobei die Schrägen 61 ungefähr einen Winkel von 25-45° zu der Achse des Zuführrohrs 40 haben. Die spezielle Form und die Verjüngung jeder Mündung können so eingestellt werden, dass ein besser gelenkter oder ein diffuser molekularer Fluss erzeugt wird, wie dies im Stand der Technik bekannt ist. Wie detailliert in 9 gezeigt ist, enthält die Düse eine Drehnabe 52, auf der das Ventil 50 sich drehen kann. Diese Nabe kann eine zulaufende Kurve zu der Düse auf der Innenseite und/oder einen optionalen zylindrischen Holm 52 aufweisen, um die Düse 60 zu umschließen. Schließlich kann eine geeignet verschleißkompatible und Verdampfungsmaterialkompatible Beschichtung, etwa hochdichtes Graphit, TaC, SiC, AlN oder andere Materialien, optional auf die Kontaktseiten des Ventils 50 und die Düse 60 aufgetragen werden.
• Die Quelle enthält unabhängige steuerbare HF-Induktionsspulen 10, 11, um eine unabhängige Steuerung der Temperatur des Zuführrohrs 40, der Düse 60 und der Ventilanordnung 50 im Vergleich zu der Temperatur des Schmelzbehälters 20, der das Verdampfungsmaterial enthält, zu ermöglichen. Dies macht es möglich, dass das Zuführrohr 40, die Ventilanordnung 50 und die Düse 60 bei sehr hohen Temperaturen betrieben werden können, um eine Kondensation und das resultierende Absondern von und/oder Verstopfen durch Material zu verhindern. Die Ventilanordnung 50 kann einen daran angebrachten Ventilschaft aufweisen und kann in ein langes Ventilschaftrohr 70 eingepasst sein. Das lange Ventilschaftrohr 70 ist durch die Wand des Schmelzbehälters 20 geschraubt, wodurch eine lecksichere Verbindung gebildet wird, wie zuvor beschrieben ist. Obwohl das Ventil 50 bis zu der Ventilschaftrohröffnung 70 im Inneren des Zuführrohrs 40 nicht leckdicht ist, ergeben der dichte Zwischenraum und die große Länge des Schafts des Ventils 50 und das lange Ventilschaftrohr 70 eine Begrenzung des Strömungsleitwerts in der Weise, wie dies durch die Gleichungen 1) bis 9) beschrieben ist, wodurch eine Strömungsleitwertbegrenzung geschaffen wird, die eine Dampfleckage aus dem Spalt zwischen dem Schaft des Ventils 50 und dem Ventilschaftrohr 70 verhindert. Das Ventilschaftrohr 70 kann eine mechanisch zentrierende Halterung 71 im Inneren des Zuführrohrs 40 zur Ausrichtung der Ventilanordnung 50 zu der Düse 60 sein. Es kann eine beliebige Anzahl N an Düsenöffnungen 61 verwendet werden, jedoch führen mehr als 12 Düsenöffnungen zu einer großen Größe des Quellenzuführrohrs 40 oder zu einem reduzierten Fluss, da der Durchmesser der Düsenöffnung 61 der Strömungsleitwert gemäß Gleichungen 1) bis 9) verringert. In der Praxis ist eine beliebige Größe des Durchmessers für das Quellenzuführrohr 40 zulässig, aber Abmessungen, die kleiner oder gleich der Fläche sind, die abzuscheiden sind, sind vorteilhaft. Obwohl die hierin angegebenen Beispiele zylindrisch sind, ist eine beliebige geometrische Form möglich, ohne dass dies die Allgemeinheit einschränkt. Insbesondere kann es zweckdienlich sein, Effusionszellen bereitzustellen, die abgeflachte Zuführrohre 40, Düsenöffnungen 61, die nicht kreisförmig konzentrisch sind oder die mehrere Öffnungen mit Größe, Form und Position haben, um das Profil des molekularen Flusses besser zu formen, oder es sind mehrere Zuführrohre 40 vorgesehen, die von einem einzigen Schmelzbehälter 20 oder von mehreren unabhängig gesteuerten Schmelzbehältern 20 ausgehen. Ferner können mehrere Temperatursensoren, Thermoelemente, Widerstandstemperatureinrichtungen oder ähnliche Sensoren für die Überwachung der Temperatur des Schmelzbehälters, des Speiserohrs und des thermischen Isolators zweckdienlich sein und unter anderem an diesen Positionen eingebaut sein.
• Schließlich kann der optionale Gaseinlassanschluss an der Vakuumkammerverkleidung verwendet werden, um den lokalen Druck des verdampften Materials zu erhöhen und ein „Vorhanggas“ bereitzustellen, wobei das verdampfte Material von einem Strahl aus Gas aktiver oder inaktiver Natur umgeben wird. Inaktives Gas kann dazu dienen, das verdampfte Material von anderen reaktiven Gasen in der Kammer zu trennen oder die Richtungsabhängigkeit des molekularen Strahls zu verringern, indem die mittlere freie Weglänge (λ) zwischen den Kollisionen verringert wird. Ein Vorhang aus aktivem Gas kann eine gewünschte Gasphasenvorreaktion ermöglichen, bevor das verdampfte Material das Abscheidesubstrat erreicht, oder er könnte als ein Reaktantengas für eine Zweikomponenten-Abscheidung verwendet werden, wobei eine Reaktion auf dem Substrat erfolgt.
• Weitere nicht beschränkende beispielhafte Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung sind nachfolgend angegeben:
• Ausführungsform 1: Eine Effusionszelle, mit: einem Schmelzbehälter, der ausgebildet ist, darin ein in der Effusionszelle zu verdampfendes oder zu sublimierendes Material aufzunehmen; einem Zuführrohr, das ausgebildet ist, verdampftes oder sublimiertes Material, das aus dem Schmelzbehälter stammt, aus der Effusionszelle in eine Kammer zu führen; und mindestens einem Hochfrequenz- (HF-) Heizelement, das angeordnet und ausgebildet ist, in dem Schmelzbehälter enthaltenes Material so zu erwärmen, dass eine Verdampfung oder Sublimation des Materials in dem Schmelzbehälter hervorgerufen wird, und das verdampfte oder sublimierte Material durch das Zuführrohr aus der Effusionszelle herausströmt.
• Ausführungsform 2: Die Effusionszelle nach Ausführungsform 1, wobei der Schmelzbehälter eine oder mehrere Wände aufweist, wobei jede Wand der einen oder mehreren Wände eine durchschnittliche Wanddicke hat, die größer oder gleich 0,036 Zoll (0,091 cm) ist.
• Ausführungsform 3: Die Effusionszelle nach Ausführungsform 2, wobei jede Wand der einen oder mehreren Wände eine durchschnittliche Wanddicke hat, die größer oder gleich 0,25 Zoll (0,635 cm) ist.
• Ausführungsform 4: Die Effusionszelle nach Ausführungsform 3, wobei jede Wand der einen oder mehreren Wände eine mittlere Wanddicke hat, die größer oder gleich 0,5 Zoll (1,27 cm) ist.
• Ausführungsform 5: Die Effusionszelle gemäß einer der Ausführungsformen 1 bis 4, wobei die Effusionszelle derart ausgebildet ist, dass der Schmelzbehälter mit dem zu verdampfenden oder zu sublimierenden Material gefüllt werden kann, ohne dass die Quelle aus der Prozessvakuumkammer entfernt wird.
• Ausführungsbeispiel 6: Die Effusionszelle der Ausführungsform 5, wobei die Effusionszelle derart ausgebildet ist, dass der Schmelzbehälter mit dem zu verdampfenden oder zu sublimierenden Material gefüllt werden kann, und dass ein Verarbeitungsvorgang, der unter Anwendung der Effusionszelle ausgeführt wird, unterbrochen wird und ohne dass ein Vakuum in der Kammer gebrochen wird, in die das verdampfte oder sublimierte Material, das aus dem Schmelzbehälter stammt, aus der Effusionszelle durch das Zuführrohr zugeführt wird.
• Ausführungsform 7: Die Effusionszelle gemäß einer der Ausführungsformen 1 bis 6, wobei der Schmelzbehälter ein Material aufweist, das ausgewählt ist aus: Graphit, Keramik, Metall, Metallkarbid, Metallnitrid und Metallborid.
• Ausführungsbeispiel 8: Die Effusionszelle gemäß einer der Ausführungsformen 1 bis 7, wobei der Schmelzbehälter eine Beschichtung hat, die ein Material aufweist, das ausgewählt ist aus: TaC, Kohlenstoff in Form von Graphit, Siliziumkarbid, Siliziumnitrid, Borkarbid oder AIN.
• Ausführungsform 9: Die Effusionszelle gemäß einer der Ausführungsformen 1 bis 8, wobei die Effusionszelle keine Tantal- oder Platin-Widerstandsheizdrähte aufweist.
• Ausführungsform 10: Die Effusionszelle gemäß einer der Ausführungsformen 1 bis 9, wobei eine Achse des Zuführrohrs unter einem Winkel relativ zu einer vertikalen Achse des Schmelzbehälters angeordnet ist.
• Ausführungsform 11: Die Effusionszelle gemäß Ausführungsform 10, wobei die Achse des Zuführrohrs unter einem Winkel zwischen 0° und 135° in Bezug auf die vertikale Achse des Schmelzbehälters angeordnet ist.
• Ausführungsform 12: Die Effusionszelle gemäß Ausführungsform 11, wobei die Achse des Zuführrohrs unter einem Winkel von ungefähr 90° in Bezug auf die vertikale Achse des Schmelzbehälters angeordnet ist.
• Ausführungsform 13: Die Effusionszelle gemäß einer der Ausführungsformen 1 bis 12, die ferner eine Verschlussanordnung aufweist, die funktionsmäßig mit dem Zuführrohr verbunden ist, wobei die Verschlussanordnung ausgebildet ist, dass Strömen von verdampftem oder sublimiertem Material aus dem Zuführrohr heraus selektiv zu unterbrechen.
• Ausführungsform 14: Die Effusionszelle gemäß Ausführungsform 13, wobei die Verschlussanordnung ausgebildet ist, einen oder mehrere Durchgänge für das Strömung des verdampften oder sublimierten Materials durch das Zuführrohr wahlweise zu öffnen und zu schließen.
• Ausführungsform 15: Die Effusionszelle gemäß Ausführungsform 13 oder Ausführungsform 14, wobei die Verschlussanordnung ausgebildet ist, den einen oder die mehreren Durchgänge in dem Zuführrohr ohne Änderung einer Bewegungsrichtung der Verschlussanordnung selektiv zu öffnen und zu schließen.
• Ausführungsform 16: Die Effusionszelle gemäß einer der Ausführungsformen 13 bis 15, wobei die Verschlussanordnung eine Drehverschlussanordnung umfasst.
• Ausführungsform 17: Die Effusionszelle gemäß Ausführungsform 16, wobei die Drehverschlussanordnung ein Drehventil und eine feste Düse aufweist.
• Ausführungsform 18: Die Effusionszelle gemäß Ausführungsform 17, wobei das Drehventil mehrere erste Öffnungen aufweist, die Düse mehrere zweite Öffnungen aufweist, und wobei eine kontinuierliche Drehung des Drehventils in einer einzigen Drehrichtung um eine Drehachse der Drehventils relativ zu der festen Düse eine sequentielle und wiederholbare Ausrichtung und Fehlausrichtung der mehreren ersten und zweiten Öffnungen bewirkt, so dass sequentiell und wiederholbar ein Öffnen und Schließen des einen oder der mehreren Durchgänge in dem Zuführrohr bewirkt werden.
• Ausführungsform 19: Die Effusionszelle gemäß Ausführungsform 18, wobei der Antriebsmechanismus in der Lage ist, das Drehen des Drehventils mit einer Drehgeschwindigkeit zu bewirken, die ausreichend ist, so dass ein Öffnen oder Schließen des einen oder der mehreren Durchgänge in dem Zuführrohr in 0,1 Sekunden oder weniger erfolgt.
• Ausführungsform 20: Die Effusionszelle gemäß einer der Ausführungsformen 13 bis 19, wobei die Verschlussanordnung zumindest teilweise in dem Zuführrohr angeordnet ist.
• Ausführungsform 21: Die Effusionszelle gemäß einer der Ausführungsformen 1 bis 20, wobei das mindestens eine Hochfrequenz- (HF-) Heizelement eine HF-Spule aufweist, die den Schmelzbehälter umschließt.
• Ausführungsform 22: Die Effusionszelle gemäß einer der Ausführungsformen 1 bis 21, die ferner mindestens ein weiteres Hochfrequenz- (HF-) Heizelement aufweist, das angeordnet und ausgebildet ist, das in dem Zuführrohr enthaltene Material so aufzuheizen, dass eine Kondensation von verdampftem oder sublimiertem Material, das durch das Zuführrohr und aus der Effusionszelle herausströmt, gehemmt wird.
• Ausführungsform 23: Die Effusionszelle gemäß einer der Ausführungsformen 1 bis 22, wobei die Effusionszelle kein resistives Heizelement aufweist.
• Ausführungsform 24: Die Effusionszelle gemäß einer der Ausführungsformen 1 bis 23, die ferner ein sich von dem Schmelzbehälter aus erstreckendes Versorgungsrohr aufweist, wobei das Versorgungsrohr angeordnet und ausgebildet ist, von dem verdampften oder sublimierten Material stammendes Kondensat einzufangen und das Kondensat zurück zu dem Schmelzbehälter zu führen.
• Ausführungsform 25: Die Effusionszelle gemäß Ausführungsform 24, wobei das Versorgungsrohr ein Ende hat, das mit dem Schmelzbehälter verbunden ist.
• Ausführungsform 26: Die Effusionszelle gemäß Ausführungsform 24 oder Ausführungsform 25, die ferner ein oder mehrere Ablenkelemente, die in dem Versorgungsrohr angeordnet sind, aufweist.
• Ausführungsform 27: Die Effusionszelle gemäß einer der Ausführungsformen 24 bis 26, wobei das Versorgungsrohr und/oder eine Öffnung des Versorgungsrohrs gekühlt sind.
• Ausführungsform 28: Eine Effusionszelle, mit: einem Schmelzbehälter, der ausgebildet ist, darin ein in der Effusionszelle zu verdampfendes oder zu sublimierendes Material aufzunehmen; einem Zuführrohr, das ausgebildet ist, verdampftes oder sublimiertes Material, das aus dem Schmelzbehälter stammt, aus der Effusionszelle in eine Kammer zu führen; einem Versorgungsrohr, das sich von dem Schmelzbehälter aus erstreckt, wobei das Versorgungsrohr angeordnet und ausgebildet ist, ein von dem verdampften oder sublimierten Material stammendes Kondensat einzufangen und das Kondensat zurück zu dem Schmelzbehälter zu führen; und mindestens einem Heizelement, das angeordnet und ausgebildet ist, Material, das in dem Schmelzbehälter enthalten ist, so aufzuheizen, das ein Verdampfen oder ein Sublimieren des Materials in dem Schmelzbehälter hervorgerufen wird, und dass ein Strömen des verdampften oder sublimierten Materials durch das Zuführrohr heraus aus der Effusionszelle strömt; wobei die Effusionszelle derart ausgebildet, dass der Schmelzbehälter mit dem zu verdampfenden oder zu sublimierenden Material auffüllbar ist, ohne dass die Effusionszelle aus der Prozessvakuumkammer entfernt wird.
• Ausführungsform 29: Die Effusionszelle gemäß Ausführungsform 28, wobei die Effusionszelle derart ausgebildet ist, dass der Schmelzbehälter mit dem zu verdampfenden oder zu sublimierenden Material auffüllbar ist, ohne dass ein Verarbeitungsvorgang unterbrochen wird, ohne dass ein Vakuum in der Kammer, in die das aus dem Schmelzbehälter stammende verdampfte oder sublimierte Material aus der Effusionszelle durch das Zuführrohr zugeführt wird, unterbrochen wird.
• Ausführungsform 30: Die Effusionszelle gemäß Ausführungsform 28 oder gemäß Ausführungsform 29, wobei das mindestens eine Heizelement ein Hochfrequenz- (HF-) Heizelement umfasst.
• Ausführungsform 31: Die Effusionszelle nach einer der Ausführungsformen 28 bis 30, wobei der Schmelzbehälter eine oder mehrere Wände aufweist, wobei jede Wand der einen oder mehreren Wände eine mittlere Wanddicke hat, die größer als oder gleich 0,036 Zoll (0,091 cm) ist.
• Ausführungsform 32: Die Effusionszelle gemäß Ausführungsform 31, wobei jede Wand der einen oder mehreren Wände eine mittlere Wanddicke hat, die größer oder gleich 0,25 Zoll (0,635 cm) ist.
• Ausführungsform 33: Die Effusionszelle gemäß Ausführungsform 32, wobei jede Wand der einen oder mehreren Wände eine mittlere Wanddicke hat, die größer als oder gleich 0,5 Zoll (1,27 cm) ist.
• Ausführungsform 34: Die Effusionszelle gemäß einer der Ausführungsformen 28 bis 33, wobei die Effusionszelle derart ausgebildet ist, dass der Schmelzbehälter mit dem zu verdampfenden oder zu sublimierenden Material auffüllbar ist, ohne dass ein Verarbeitungsvorgang unterbrochen wird, der ausgeführt wird unter Anwendung eines Vakuums in der Kammer, in die das aus dem Schmelzbehälter stammende verdampfte oder sublimierte Material aus der Effusionszelle durch das Zuführrohr zugeführt wird.
• Ausführungsform 35: Die Effusionszelle gemäß einer der Ausführungsformen 28 bis 34, wobei der Schmelzbehälter ein Material aufweist, das ausgewählt ist aus: Graphit, Keramik, Metall, Metallkarbid, Metallnitrid und Metallborid.
• Ausführungsform 36: Die Effusionszelle gemäß einer der Ausführungsformen 28 bis 35, wobei der Schmelzbehälter eine Beschichtung aufweist mit einem Material, das ausgewählt ist aus: TaC, Kohlenstoff als Graphit, Siliziumkarbid, Siliziumnitrid, Borkarbid und AIN.
• Ausführungsform 37: Die Effusionszelle gemäß einer der Ausführungsformen 28 bis 36, wobei die Effusionszelle keine Tantal- oder Platin-Widerstandsheizdrähte enthält.
• Ausführungsform 38: Die Effusionszelle gemäß einer der Ausführungsformen 28 bis 37, wobei eine Achse des Zuführrohrs unter einem Winkel in Bezug auf eine vertikale Achse des Schmelzbehälters angeordnet ist.
• Ausführungsform 39: Die Effusionszelle gemäß Ausführungsform 38, wobei die Achse des Zuführrohrs unter einem Winkel zwischen 0° und 135° in Bezug auf die vertikale Achse des Schmelzbehälters angeordnet ist.
• Ausführungsform 40: Die Effusionszelle gemäß Ausführungsform 39, wobei die Achse des Zuführrohrs unter einem Winkel von ungefähr 90° in Bezug auf die vertikale Achse des Schmelzbehälters angeordnet ist.
• Ausführungsform 41: Die Effusionszelle gemäß einer der Ausführungsformen 28 bis 40, die ferner eine Verschlussanordnung aufweist, die funktionsmäßig mit dem Zuführrohr verbunden ist, wobei die Verschlussanordnung ausgebildet ist, das Strömen von verdampftem oder sublimiertem Material aus dem Zuführrohr heraus wahlweise zu unterbrechen.
• Ausführungsform 42: Die Effusionszelle gemäß Ausführungsform 41, wobei die Verschlussanordnung ausgebildet ist, einen oder mehrere Durchgänge für das Strömen des verdampften oder sublimierten Materials durch das Zuführrohr selektiv zu öffnen und zu schließen.
• Ausführungsform 43: Die Effusionszelle gemäß Ausführungsform 41 oder Ausführungsform 42, wobei die Verschlussanordnung ausgebildet ist, den einen oder die mehreren Durchgänge in dem Zuführrohr ohne Änderung einer Bewegungsrichtung der Verschlussanordnung selektiv zu öffnen und zu schließen.
• Ausführungsform 44: Die Effusionszelle gemäß einer der Ausführungsformen 41 bis 43, wobei die Verschlussanordnung eine Drehverschlussanordnung umfasst.
• Ausführungsform 45: Die Effusionszelle gemäß Ausführungsform 44, wobei die Drehverschlussanordnung ein Drehventil und eine feste Düse aufweist.
• Ausführungsform 46: Die Effusionszelle gemäß Ausführungsform 45, wobei das Drehventil mehrere erste Öffnungen aufweist, die Düse mehrere zweite Öffnungen aufweist, und wobei eine kontinuierliche Drehung des Drehventils in einer einzigen Drehrichtung um eine Drehachse des Drehventils in Bezug auf die feste Düse sequentiell wiederholt ein Ausrichten und ein Fehlausrichten der mehreren ersten und zweiten Öffnungen derart hervorruft, dass der Reihe nach und wiederholt ein Öffnen und ein Schließen des einen oder der mehreren Durchgänge in dem Zuführrohr bewirkt werden.
• Ausführungsform 47: Die Effusionszelle gemäß Ausführungsform 46, wobei der Antriebsmechanismus in der Lage ist, das Drehen des Drehventils mit einer Drehgeschwindigkeit zu bewirken, die ausreichend ist, so dass ein Öffnen oder Schließen des einen oder der mehreren Durchgänge in dem Zuführrohr in 0,1 Sekunden oder weniger erfolgt.
• Ausführungsform 48: Die Effusionszelle gemäß einer der Ausführungsformen 41 bis 47, wobei die Verschlussanordnung zumindest teilweise in dem Zuführrohr angeordnet ist.
• Ausführungsform 49: Die Effusionszelle gemäß einer der Ausführungsformen 28 bis 48, wobei das mindestens eine Heizelement eine HF-Spule, die den Schmelzbehälter umschließt, aufweist.
• Ausführungsform 50: Die Effusionszelle gemäß einer der Ausführungsformen 28 bis 49, die ferner mindestens ein weiteres Heizelement aufweist, das angeordnet und ausgebildet ist, Material, das in dem Zuführrohr enthalten ist, so aufzuheizen, dass eine Kondensation von verdampftem oder sublimiertem Material, das durch das Zuführrohr aus der Effusionszelle strömt, zu hemmen.
• Ausführungsform 51: Die Effusionszelle gemäß einer der Ausführungsformen 28 bis 50, wobei die Effusionszelle kein Widerstandsheizelement aufweist.
• Ausführungsform 52: Die Effusionszelle gemäß einer der Ausführungsformen 28 bis 51, wobei das Versorgungsrohr ein Ende hat, das mit dem Schmelzbehälter verbunden ist.
• Ausführungsform 53: Die Effusionszelle gemäß einer der Ausführungsformen 28 bis 52, die ferner ein oder mehrere Ablenkelemente, die in dem Versorgungsrohr angeordnet sind, aufweist.
• Ausführungsform 54: Die Effusionszelle gemäß einer der Ausführungsformen 28 bis 53, wobei das Versorgungsrohr und/oder eine Öffnung des Versorgungsrohrs gekühlt sind.
• Ausführungsform 55: Halbleitersubstrat-Bearbeitungssystem, mit: einer Kammer; mindestens einer Vakuumpumpe, die ausgebildet ist, Gas aus der Kammer derart abzuführen, dass darin ein Vakuum erzeugt wird; und mindestens einer Effusionszelle, wie sie in einer der Ausführungsformen 1 bis 54 beschrieben ist, die funktionsmäßig mit der Kammer verbunden und ausgebildet ist, verdampftes oder sublimiertes Material wahlweise aus der mindestens einen Effusionszelle in die Kammer einzuführen.
• Ausführungsform 56: Das Halbleitersubstrat-Bearbeitungssystem gemäß Ausführungsform 55, wobei das Halbleitersubstrat-Bearbeitungssystem ein physikalisches Dampfabscheidesystem umfasst.
• Ausführungsform 57: Das Halbleitersubstrat-Bearbeitungssystem gemäß Ausführungsform 56, wobei das physikalische Dampfabscheidesystem ein Molekularstrahlepitaxie-(MBE-) System umfasst.
• Ausführungsform 58: Ein Verfahren, das die Herstellung einer Effusionszelle umfasst, wie sie in einer der Ausführungsformen 1 bis 54 beschrieben ist.
• Ausführungsform 59: Ein Verfahren zur Bearbeitung eines Halbleitersubstrats, mit: Einführen von verdampftem oder sublimiertem Material in eine Vakuumkammer unter Anwendung mindestens einer Effusionszelle, wie sie in einer der Ausführungsformen 1 bis 54 beschrieben ist.
• Obwohl gewisse anschauliche Ausführungsformen in Verbindung mit den Figuren beschrieben sind, erkennt der Fachmann, dass Ausführungsformen, die im Rahmen der Offenbarung liegen, nicht auf Ausführungsformen beschränkt sind, die explizit hierin gezeigt und beschrieben sind. Vielmehr können viele Hinzufügungen, Löschungen und Modifizierungen an. den hierin beschriebenen Ausführungsformen vorgenommen werden, ohne von dem Bereich der Ausführungsformen abzuweichen, wie sie von der Offenbarung umfasst sind, etwa solche, die im Anschluss beansprucht sind, einschließlich von rechtlichen Äquivalenten. Ferner können Merkmale aus einer offenbarten Ausführungsform mit Merkmalen einer weiteren offenbarten Ausführungsform kombiniert werden, wobei dies weiterhin im Bereich der Offenbarung, wie sie von dem Erfinder beabsichtigt ist, mit eingeschlossen ist.

Claims (20)

1. Eine Effusionszelle, mit: einem Schmelzbehälter, der ausgebildet ist, darin ein in der Effusionszelle zu verdampfendes oder zu sublimierendes Material aufzunehmen; einem Zuführrohr, das ausgebildet ist, aus dem Schmelzbehälter stammendes verdampftes oder sublimiertes Material aus der Effusionszelle heraus in eine Kammer zu führen; einem Versorgungsrohr, das sich aus dem Schmelzbehälter heraus erstreckt, wobei das Versorgungsrohr angeordnet und ausgebildet ist, ein Kondensat, das von dem verdampften oder sublimierten Material stammt, aufzufangen und das Kondensat in den Schmelzbehälter zurückzuführen; und mindestens einem Heizelement, das angeordnet und ausgebildet ist, Material, das in dem Schmelzbehälter enthalten ist, derart zu erwärmen, dass eine Verdampfung oder Sublimierung des Materials in dem Schmelzbehälter und ein Strömen des verdampften oder sublimierten Materials durch das Zuführrohr heraus aus der Effusionszelle bewirkt wird; wobei die Effusionszelle derart ausgebildet ist, dass der Schmelzbehälter mit dem zu verdampfenden oder zu sublimierenden Material auffüllbar ist, ohne dass die Effusionszelle aus der Prozessvakuumkammer entfernt wird.
2. Die Effusionszelle nach Anspruch 1, wobei die Effusionszelle derart ausgebildet ist, dass der Schmelzbehälter mit dem zu verdampfenden oder zu sublimierenden Material auffüllbar ist, ohne dass ein Bearbeitungsvorgang unterbrochen wird, der unter Anwendung eines Vakuums in der Kammer ausgeführt wird, in die von dem Schmelzbehälter stammendes verdampftes oder sublimiertes Material aus der Effusionszelle durch das Zuführrohr zugeführt wird.
3. Die Effusionszelle nach Anspruch 1, wobei das mindestens eine Heizelement ein Hochfrequenz- (HF) Heizelement umfasst.
4. Die Effusionszelle nach Anspruch 1, wobei der Schmelzbehälter eine oder mehrere Wände aufweist, wobei jede Wand der einen oder mehreren Wände eine mittlere Wanddicke hat, die größer oder gleich 0,036 Zoll (0,091 cm) ist.
5. Die Effusionszelle nach Anspruch 4, wobei jede Wand der einen oder mehreren Wände eine mittlere Wanddicke hat, die größer oder gleich 0,25 Zoll (0,635 cm) ist.
6. Die Effusionszelle nach Anspruch 5, wobei jede Wand der einen oder mehreren Wände eine mittlere Wanddicke hat, die größer oder gleich 0,5 Zoll (1,27 cm) ist.
7. Die Effusionszelle nach Anspruch 1, wobei der Schmelzbehälter eine Beschichtung aufweist mit einem Material, das ausgewählt ist aus: TaC, Kohlenstoff in Form von Graphit, Siliziumkarbid, Siliziumnitrid, Borkarbid und AIN.
8. Die Effusionszelle nach Anspruch 1, wobei eine Achse des Zuführrohrs unter einem Winkel in Bezug auf eine vertikale Achse des Schmelzbehälters angeordnet ist.
9. Die Effusionszelle nach Anspruch 9, wobei die Achse des Zuführrohrs unter einem Winkel von etwa 90° in Bezug auf eine Achse des Schmelzbehälters angeordnet ist.
10. Die Effusionszelle nach Anspruch 1, die ferner eine Verschlussanordnung aufweist, die funktionsmäßig mit dem Zuführrohr verbunden ist, wobei die Verschlussanordnung ausgebildet ist, ein Ausströmen von verdampftem oder sublimiertem Material aus dem Zuführrohr selektiv zu unterbrechen.
11. Die Effusionszelle nach Anspruch 10, wobei die Verschlussanordnung ausgebildet ist, den einen oder die mehreren Durchgänge in dem Zuführrohr ohne Änderung einer Bewegungsrichtung der Verschlussanordnung selektiv zu öffnen und zu schließen.
12. Die Effusionszelle nach Anspruch 11, wobei die Verschlussanordnung eine Drehverschlussanordnung umfasst.
13. Die Effusionszelle nach Anspruch 12, wobei die Drehverschlussanordnung ein Drehventil und eine feste Düse aufweist.
14. Die Effusionszelle nach Anspruch 13, wobei das Drehventil mehrere erste Öffnungen aufweist, die Düse mehrere zweite Öffnungen aufweist und wobei eine kontinuierliche Drehung des Drehventils in einer einzigen Drehrichtung um eine Drehachse des Drehventils relativ zu der festen Düse bewirkt, dass die mehreren ersten und zweiten Öffnungen der Reihe nach und wiederholt zueinander ausgerichtet und zueinander fehlausgerichtet sind, so dass ein der Reihe nach erfolgendes und wiederholtes Öffnen und Schließen des einen oder der mehreren Durchgänge in dem Zuführrohr bewirkt werden.
15. Die Effusionszelle nach Anspruch 14, wobei der Antriebsmechanismus für das Drehen des Drehventils mit einer Drehgeschwindigkeit geeignet ist, die ausreicht, den einen oder die mehreren Durchgänge in dem Zuführrohr innerhalb von 0,1 Sekunden oder weniger zu öffnen oder zu schließen.
16. Die Effusionszelle nach Anspruch 10, wobei die Verschlussanordnung zumindest teilweise in dem Zuführrohr angeordnet ist.
17. Die Effusionszelle nach Anspruch 1, die ferner mindestens ein weiteres Heizelement aufweist, das angeordnet und ausgebildet ist, Material, das in dem Zuführrohr enthalten ist, so aufzuheizen, dass eine Kondensation von verdampftem oder sublimiertem Material, das durch das Zuführrohr aus der Effusionszelle ausströmt, gehemmt wird.
18. Die Effusionszelle nach Anspruch 1, die ferner eine oder mehrere Ablenkelemente aufweist, die in dem Zuführrohr angeordnet sind.
19. Die Effusionszelle nach Anspruch 1, wobei das Versorgungsrohr und/oder eine Öffnung des Versorgungsrohrs gekühlt sind.
20. Ein Halbleitersubstrat-Bearbeitungssystem, mit: einer Kammer; mindestens einer Vakuumpumpe, die ausgebildet ist, Gas aus der Kammer derart abzuführen, dass darin ein Vakuum erzeugt wird; und mindestens einer Effusionszelle nach Anspruch 1, die funktionsmäßig mit der Kammer verbunden und ausgebildet ist, verdampftes oder sublimiertes Material aus der mindestens einen Effusionszelle in die Kammer selektiv einzuführen.

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