DE60201383T2

DE60201383T2 - Dosierrohr für Gasabgabe

Info

Publication number: DE60201383T2
Application number: DE60201383T
Authority: DE
Inventors: Jay Brian Dedontney; Anthony Desa; Samuel Kurita
Original assignee: ASML US Inc
Current assignee: ASML US Inc
Priority date: 2001-07-13
Filing date: 2002-07-15
Publication date: 2006-02-16
Anticipated expiration: 2022-07-16
Also published as: EP1276031B1; EP1276031A1; TWI240017B; SG115486A1; US20020134507A1; JP3621393B2; DE60201383D1; CN1397755A; JP2003130280A; KR20030007162A

Description

Diese Erfindung betrifft im Allgemeinen ein Gasabgabe-Dosierrohr zur Abgabe von Gasen. Im Besonderen betrifft die Erfindung ineinander geschachtelte axial ausgerichtete oder koaxiale Gasabgabe-Dosierrohre, die einer im Wesentlichen gleichmäßigen Verteilung von Gasen förderlich sind.
HINTERGRUND
Die Abgabe von Gasen stellt einen wichtigen Aspekt in zahlreichen Industriezweigen dar. So spielt die Abgabe von Gasen beispielsweise im Bereich der Halbleiterbearbeitung oder -herstellung eine Schlüsselrolle. Eine Art der Halbleiterbearbeitung ist die chemische Bedampfung (CVD). Zu einer chemischen Bedampfung kommt es dann, wenn eine stabile Verbindung durch eine thermische Reaktion oder Zersetzung bestimmter gasförmiger Chemikalien gebildet wird und derartige Verbindungen auf der Oberfläche eines Substrats aufgebracht werden. Chemische Bedampfungssysteme liegen in verschiedener Form vor. Ein Gerät für einen derartigen Vorgang umfasst ein Normaldruck-Durchlauf-CVD(APCVD)-System, welches im U.S.-Patent Nr. 4.834.020, das hierin als Verweis aufgenommen ist, beschrieben ist und welches der Anmelder innehat. Andere Typen von CVD-Vorrichtungen können eingesetzt werden, wie beispielsweise die plasmaunterstützte CVD(PECVD)-Systeme und Niederdruck-CVD (LCVD) Systeme.
Wichtige Komponenten eines Halbleiterbearbeitungssystems umfassen eine Bedampfungskammer, in der es zum Dampfauftrag kommt, und den Injektor für die Abgabe von gasförmigen Chemikalien an die Oberfläche des Substrats in der Bedampfungskammer. Die Gase müssen auf dem Substrat verteilt werden, sodass die Gase eine Reaktion eingehen und einen annehmbaren Film auf der Oberfläche des Substrats bilden. Die Bedampfungskammer muss sorgsamst konstruiert sein, um eine regulierte Umgebung bereitzustellen, in der die Bedampfung stattfinden kann. Beispielsweise muss die Kammer eine räumliche Begrenzung des Gases gewährleisten, jedoch den Umlauf der Gase reduzieren, der zu Vorreaktionen der Gase und zum Auftrag eines ungleichmäßigen Films führen kann. Die Kammer muss mit Abgasmittel ausgestattet sein, um überschüssige Reaktanten und Nebenprodukte zu beseitigen, wobei jedoch der Strom der Gase hin zum Substrat für die Reaktion nicht unterbrochen werden darf. Weiters muss die Temperatur der Kammer und ihrer Komponenten genau reguliert werden, um eine Kondensation der Reaktionsgase zu verhindern, die Ansammlung von Staub als Nebenprodukt zu minimieren und eine Reinigung des Systems zuzulassen. Zudem sollte die Bedampfungskammer vorzugsweise ihre mechanische Intaktheit (wie beispielsweise Toleranzen) während des Betriebs aufrechterhalten. All diese Faktoren müssen sorgsam ausgewogen sein, um eine für die Bedampfung geeignete Umgebung zu schaffen.
Eine Aufgabe des Injektors in einer deratigen Bedampfungskammer besteht in der regulierten Verteilung der Gase an die geschwünschte Stelle. Eine regulierte Verteilung der Gase maximiert die Wahrscheinlichkeit von effizienten, homogenen Gasphasenreaktionen, teilweise aufgrund der Minimierung der Vorvermischung und Vorreaktion der Gase. Dies ist der Erzeugung einer geeigneten chemischen Spezies zuträglich, die einen qualitativ hochwertigen Film auf dem Substrat ergibt. Eine regulierte Gasverteilung ist notwendig, um die gleichmäßige Zusammensetzung des gesamten Films zu gewährleisten. Eine vollständige Reaktion erhöht die Wahrscheinlichkeit, einen Film von guter Qualität zu erzielen. Ist der Gasstrom nicht geregelt, so führt dies zu einer nichtoptimalen Reaktion, die wahrscheinlich einen Film ergibt, der keine gleichmäßige Zusammensetzung aufweist. Besitzt der Film keine gleichmäßige Zusammensetzung, so ist das einwandfreie Funktionieren des Halbleiters beeinträchtigt. Es ist deshalb von Bedeutung, dass die Konstruktion des Injektors dem gewünschten, regulierten Gasstrom zuträglich ist.
Gase können auch in anderen Bereichen und/oder durch andere Komponenten, zusätzlich zum Injektor, verteilt werden. Beispielsweise können Inertgase in die Kammer transportiert werden, um die Bedampfungsgase auf die gewünschte Weise zu trennen und/oder zu leiten. Inertgase oder andere Gase können der Kammer zugeführt werden, um dort als Verdünnungs- oder Trägergase zu fungieren. Ein Beispiel für die derartige Verwendung von Gasen findet sich in der gleichzeitig anhängigen U.S.-Patentanmeldung mit der Seriennummer 09/185.180, deren gesamte Offenbarung hierin als Verweis aufgenommen ist.
Aus dem Bereich der Halbleiterherstellung, in dem die Maße der Geräte auf unter 0,2 μm (Mikrometer) schrumpfen, kommt ein steigender Bedarf an Bedampfungsfilmen mit Unebenmäßigkeiten im Bereich von unter 2%. Lineare Gasverteilungssysteme nach dem Stand der Technik waren nicht in der Lage, diesen gestiegenen Ansprüchen zur Gänze gerecht zu werden. Die einfachste Konstruktion nach dem Stand der Technik ist ein einzelnes Rohr mit mehreren verteilten Löchern und Öffnungen entlang seiner Oberfläche, wie in 1 dargestellt und beispielsweise in der U.S.-A Nr. 4.854.266 beschrieben ist, und mit einer Rohrlänge L und einem Durchmesser D, wobei die Vielzahl der Löcher einen Durchmesser d aufweist. Gas wird mit einem Druck P₀ und einer Anfangsgeschwindigkeit V₀ an einem Ende des Rohrs eingeführt. Bei dieser Konstruktion hängt die Gleichmäßigkeit typischerweise vom Druck ab. An jeder Öffnung werden der Druck und der Strom ein wenig reduziert. Angenommen, die Größe der Öffnungen ist im Vergleich zum Rohrdurchmesser D klein und der Zufuhrdruck ist angemessen groß, so sind die Druck- und Stromreduktion im Vergleich zu P₀ und V₀ gering. Eine Verlangsamung der Geschwindigkeit entlang dem Rohr geht typischerweise, ausgenommen bei kleinen Gasströmen, mit einem Druckanstieg einher. Nach einer gewissen größeren Entfernung von der Gaszufuhrstelle hat der Druck im Rohr P₀ abgenommen (ausgedrückt durch: P₀ – Δp). Mit einem einzelnen Dosierrohr mit Öffnungen mit demselben Durchmesser und Abstand voneinander wird kein gleichmäßiger Gasstrom erzielt. Ein besonderer Mangel des Einfachrohrs nach dem Stand der Technik ist die Schwierigkeit, eine gute Gleichmäßigkeit über lange Längen hinweg bereitzustellen, um Substraten von größerer Größe oder Durchmesser gerecht zu werden. Bei bestimmten Drücken führt ein bestimmtes Verhältnis der Maße von D, d und L zu in etwa gleichmäßigen Geschwindigkeitsvektoren (v_i) und einem gleichmäßigen Gasstrom, indem entweder die Öffnungen mit demselben Durchmesser neu verteilt werden oder indem die Durchmesser von gleichmäßig beanstandeten Öffnungen variiert werden. Diese Verteilung der Öffnungen führt jedoch nur bei einer sehr schmalen Bandbreite von Betriebsbedingungen, wenn nicht gar nur bei einer einzigen Betriebsbedingung, zu einem optimalen Strom. Außerdem erzeugen derartige Konstruktionen nach dem Stand der Technik Filme mit einer hohen Ungleich mäßigkeit ihrer Dicke von etwa 5 bis 10%, je nach Gasstrom und Druck. Zudem entsteht bei niedrigen Gaströmen und niedrigen Drücken ein höherer Gasstrom am der Zufuhr nächstgelegenen Ende, wie in 2 veranschaulicht ist. Mit anderen Worten nimmt der Gesamtdruck im Rohr als Funktion der Distanz von der Gaszufuhr schneller ab, wenn P₀ ein relativ kleiner Wert ist. In diesem Fall ist die allgemeine Gleichmäßigkeit des Stroms sehr schlecht. Außerdem tendiert der Gasstrom in derartigen Rohren bei ansteigendem Druck zu einer gesteigerten Richtwirkung (auch als "Jetting" bezeichnet). Der Gasfluss aus dem Rohr heraus ist nichtgleichmäßig und weist entlang seiner Länge eine lineare Abnahme auf, wie in 3a dargestellt ist. Alternativ dazu kann das Gas an beiden Enden des Rohrs eingeführt werden, wie in 3b dargestellt ist. In beiden Fällen wird der Gasstrom nicht gleichmäßig verteilt, was einen ungleichmäßigen Auftrag auf dem Wafer ergibt.
Ein alternativer Ansatz nach dem Stand der Technik besteht in der Verwendung eines Einfachrohrs aus porösem Material. Erneut wird Gas an einem Ende des Rohrs eingeführt. Bei diesem Ansatz wird das "Jetting"-Problem, das bei einem Rohr mit Löchern auftritt, minimiert. Die Porösität des Materials bestimmt typischerweise den im Inneren des Rohrs erzielbaren Gegendruck und somit die allgemeine Gleichmäßigkeit entlang der Länge des Rohrs. Beispielsweise kann eine Netzmasche als poröses Material betrachtet werden. Um die bestmögliche Gleichmäßigkeit zu erzielen, muss die Netzmasche einen guten Gasströmungswiderstand aufweisen, um einen Gegendruck entlang der gesamten Länge des Rohrs aufrechtzuerhalten. Typischerweise hängt der Strömungswiderstand vom Verhältnis der gesamten offenen Fläche zur Rohroberflächenfläche ab. Die Maschenöffnungen entsprechen typischerweise der Größenordnung der Dicke des Materials oder sind größer (> 0,0005 Zoll). Ein zweites Beispiel ist ein poröser Keramikkörper mit einem Teilchenabstand im Mikrometerbereich (derartige Materialien werden häufig in Filtervorrichtungen eingesetzt) und einer Dicke im Millimeterbereich. Solche Materialien können einen Gasströmungswiderstand aufweisen, um so die Entstehung eines gleichmäßigen Gegendrucks zu ermöglichen, und eine gute Gleichmäßigkeit der abgegebenen Gase entlang der gesamten Länge der Abgabeleitung bieten.
Obwohl mit porösen Keramikrohren eine gute Gleichmäßigkeit der Gasabgabe erzielt werden kann ist das Material selbst äußerst zerbrechlich, und Dichtungen für die Gasabgabeleitungen, die einem großen Temperaturbereich gegenüber beständig sind, sind nur schwer herzustellen.
Eine dritte Alternative ist die Auskleidung des Rohrdurchmessers als Funktion der Distanz vom der Gaszufuhr, sodass die Fluidgeschwindigkeit konstant gehalten wird, während der Mengendurchsatz abnimmt. Der größte Nachteil dieses Ansatzes ist, dass eine für einen gleichmäßigen Strom mit einer Strömungsrate optimierte Konstruktion bei einer anderen Strömungsrate nicht korrekt funktioniert.
Die herausragendste Schwäche der bekannten Konstruktionen, die einzelne perforierte oder poröse Röhren einsetzen, ist die relativ hohe Empfindlichkeit gegenüber Druckveränderungen, was zu einem ungleichmäßigen Strom als Funktion der Stelle entlang der Länge des Abgaberohrs führt. Zudem ist ein nicht gleichmäßiger Strom eine starke Funktion der Gasströmungsrate, und da unterschiedliche Anwendungen unterschiedlicher Gasströmungsraten bedürfen, wird es immer schwieriger, Verfahren zu entwickeln und zu konstruieren, die einen gleichmäßigen Filmauftrag bereitstellen. Die in 4 gezeigten Kurven repräsentieren einen Bereich an Gasströmungsbedingungen und Geometrien, die für CVD-Anwendungen typische sind, mit den Reynolds-Zahlen 100 < R_e < 2000. Werden die Waferdurchmesser größer, so verschlimmert dies zudem mit zunehmender Länge des Gasabgaberohrs häufig die Ungleichmäßigkeiten des Films.
Veränderungen des Drucks können gegebenenfalls vom Benutzer absichtlich verursacht werden, geschehen jedoch häufig aufgrund von Schwankungen in den Anschlüssen des Gasabgesystems an das CVD-System. Bei Systemen nach dem Stand der Technik beeinflussen somit Veränderungen des Gasdrucks die Gleichmäßigkeit der Gasabgabe im Injektor und/oder der Bedampfungskammer, was wiederum die erhaltene Gleichmäßigkeit oder die Zusammensetzung des Films auf dem Substrat beeinträchtigt. Mit anderen Worten ist die Gasabgabevorrichtung bei Systemen nach dem Stand der Technik gegebenenfalls nur für eine Betriebsbe dingung vonnutzen. Dementsprechend ist es wünschenswert, ein Gasabgabesystem bereitzustellen, das einem im Wesentlichen gleichmäßigen Gasstrom und/oder Verteilung von Gasen zuträglich ist, insbesondere entlang einer Länge, die unempfindlich gegenüber Schwankungen im Abgabesystem ist und in einem großen Betriebsbereich von Gasströmen vonnutzen ist.
In einem Aspekt stellt die Erfindung ein Gasabgabe-Dosierrohr zur Abgabe eines Gases bereit, umfassend:
ein äußeres Rohr mit einem offenen Einlassende und einem verschlossenen Ende und eine Anordnung von Öffnungen, die im äußeren Rohr angeordnet sind und sich im Wesentlichen entlang dessen gesamter Länge erstrecken;
ein inneres Rohr mit einem offenen Einlassende, wobei das innere Rohr im Inneren des äußeren Rohrs angeordnet und axial ausgerichtet ist, wodurch ein wirksamer ringförmiger Raum zwischen den Rohren ausgebildet ist,
dadurch gekennzeichnet, dass das innere Rohr ein offenes Austrittsende aufweist, das knapp vor dem verschlossenen Ende des äußeren Rohrs endet, und dass eine an die Einlassenden der inneren und äußeren Rohre angrenzende Gasströmungsteilerkonstruktion einen ersten Gasströmungsweg, der mit dem inneren Rohr verbunden ist, und einen zweiten Gasströmungsweg, der mit dem ringförmigen Raum zwischen dem äußeren und dem inneren Rohr verbunden ist, bereitstellt.
Bevorzugte Merkmale sind in den Unteransprüchen dargelegt.
Ein weiterer Aspekt (Anspruch 9) ist ein derartiges Gasabgabe-Dosierrohr umfassendes chemisches Bedampfungssystem.
Ein weiterer Aspekt (Anspruch 12) ist die Verwendung eines derartigen Rohrs bei der chemischen Bedampfung, um einer Bedampfungskammer Gas zuzuführen.
Andere Ziele und Vorteile der Erfindung gehen aus der detaillierten Beschreibung der Erfindung und den nachstehend beigefügten Ansprüchen und mit Bezugnahme auf die Zeichnungen hervor, in denen:
1 eine Querschnittsansicht von Gasströmen in einem nach dem Stand der Technik verwendeten Einfachrohr ist;
2 eine Querschnittsansicht von Gasströmen in einem nach dem Stand der Technik verwendeten Einfachrohr ist, wenn der Druck niedrig ist;
3a und 3b schematische Darstellungen der Ungleichmäßigkeiten des Gasstroms nach dem Stand der Technik sind;
4 ein Graph ist, der die Gasströmungsverteilung entlang der Länge verschiedener Rohrtypen (Stand der Technik) darstellt;
5 eine Querschnittsansicht des Gasabgaberohrs der vorliegenden Erfindung ist;
6a und 6b Querschnittsansichten der Enden der Gasabgabrohre gemäß zweier Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung sind;
7 eine Querschnittsansicht eines Beispiels für eine CVD-Bedampfungskammer ist, die einen Schutzschirm und einen Injektor zeigt, welche gegebenenfalls das Gasabgaberohr der vorliegenden Erfindung einsetzt;
8 eine Querschnittsansicht eines Beispiels für einen Injektor ist, der gegebenenfalls das Gasabgaberohr der vorliegenden Erfindung einsetzt;
9 eine Explosionsansicht einer anderen Ausführungsform des Gasdosierrohrs der vorliegenden Erfindung ist;
10 ein Teil einer Seitenansicht ist, die beide Enden eines Beispiels des Gasdosierrohrs der vorliegenden Erfindung zeigt;
11a, 11b und 11c Teile von Querschnittsansichten der Enden eines Beispiels des Gasdosierrohrs der vorliegenden Erfindung mit detaillierten Ansichten der inneren Bauweise an jedem Ende des Rohrs sind;
12a und 12b Querschnittsansichten des Endes bzw. der Seite eines Beispiels für einen Gasströmungsteiler zeigen, der im Gasdosierrohr der vorliegenden Erfindung verwendet wird;
13a und 13b Querschnittsansichten des Endes bzw. der Seite eines Beispiels für eines Abstandhalters oder Distanzhalters zeigen, der im Gasdosierrohr der vorliegenden Erfindung verwendet wird; und
14a und 14b perspektivische bzw. Seitenquerschnittsansichten eines Beispiels für eine Gaszufuhröffnung sind, die gegebenenfalls mit dem Gasmessrohr der vorliegenden Erfindung verwendet wird.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
Die Erfinder haben herausgefunden, dass unter Verwendung der beschriebenen Konstruktionsart die Gasverteilung entlang einer Länge, insbesondere der Länge des Rohrs, dosiert werden und die resultierende Gasverteilung vom Rohr in einem großen Bereich von Betriebsbedingungen oder Gasströmungsbereichen weniger empfindlich gegenüber Druckveränderungen gemacht werden kann.
Typischerweise liegt ein Gasabgaberohr mit einer Anordnung aus zwei oder mehr ineinander geschachtelten, axial angeordneten oder koaxialen Rohren vor, wobei das innerste Rohr vorzugsweise mit einer Gaszufuhr verbunden ist und sowohl das innere als auch das äußere Rohr eine oder mehrere Anordnungen von Öffnungen aufweisen, die entlang der Länge des innersten und des äußersten Rohrs verteilt sind. Zum Zwecke der Erläuterung soll hier ein Gasabgaberohr 10, das aus zwei axial angeordneten, ineinander geschachtelten Rohren mit rundem Querschnitt erörtert werden, obwohl auch eine andere Anzahl an Rohren, wie beispielsweise drei ineinander geschachtelte oder mehr koaxiale Rohre, verwendet werden können. Die Länge des zur Bearbeitung von Halbleitersubstraten zu verwendenden Gasabgaberohrs ist typischerweise länger als die Breite oder der Durchmesser des Substrats.
Eine erfindungsgemäße Ausführungsform wird unter Bezugnahme auf die 5 und 6a veranschaulicht. 5 ist eine schematische Zeichnung eines Gasabgaberohrs, das aus einer Zweifachrohranordnung mit einem koaxialen inneren 12 und äußeren 14 Rohr besteht, die durch einen ringförmigen Raum 15 voneinander getrennt sind. Jedes Rohr verfügt über zwei Enden. Ein Ende 13 des inneren Rohrs 12 ist an der Gaszufuhr angebracht, während das andere Ende 17 verschlossen ist. Eine oder mehrere Anordnungen an Öffnungen 16 sind entlang der wesentlichen Länge des inneren Rohrs 12 verteilt und weisen eine solche Position und Größe auf, dass ein einheitlicher Gegendruck entlang der Gesamtlänge des inneren Rohrs 12 entsteht und gleichzeitig ein ausreichender Gasstrom vom inneren Rohr 12 in den ringförmigen Raum 15 bereitgestellt ist. Das äußere Rohr 14 enthält eine Anordnung an Öffnungen 18, die entlang seiner wesentlichen Länge bereitgestellt sind. Die eine oder mehreren Anordnungen an Öffnungen 18 weisen eine solche Position und Größe auf, dass ein einheitlicher Gegendruck innerhalb des ringförmigen Raumes 15 aufrechterhalten bleibt und gleichzeitig ein ausreichender Gasstrom vom äußeren Rohr 14 in den an das äußere Rohr 14 angrenzenden Bereich bereitgestellt ist. Vorzugsweise ist das äußere Rohr 14 an beiden Enden abgeschlossen; in einer alternativen Ausführungsform kann jedoch auch dem äußeren Rohr Gas zugeführt werden. Vorzugsweise ist die Linie der inneren Öffnungen 16 um 180° von der Linienanordnung der äußeren Öffnungen 18 rotationsversetzt, wie in den 5 und 6a dargestellt ist. Es kann jedoch jedwede rotationsversetzte Ausrichtung und lineare Ausrichtung zwischen diesen Anordnungen verwendet werden. In der bevorzugten Ausführungsform ist die innere Öffnungsanordnung um 180° zur äußeren Öffnungsanordnung versetzt.
Obwohl das Gasabgaberohr 10 als mit zwei axial ausgerichteten, ineinander geschachtelten Rohren beschrieben wurde, können auch zusätzliche Rohre verwendet werden. Beispielsweise kann das Gasabgaberohr 10 aus drei oder mehr koaxialen Rohren bestehen. Durch den Einsatz von zwei oder mehr ineinander gelegten koaxialen Rohren senkt die Vorrichtung der Erfindung die Empfindlichkeit gegenüber den Auswirkungen des Druck für eine große Bandbreite an Strömungsraten, indem zuerst ein gleichmäßiger Gegendruck entlang der Länge des inneren Rohrs erzeugt wird und in Folge diese Gleichmäßigkeit und Konstanz des Drucks aufrechterhalten und an den ringförmigen Raum zwischen den beiden Rohren entlang der Gesamtlänge der Rohranordnung 10 weitergegeben wird. Der entstehende Gasaustritt aus dem äußeren Rohr kann auf diese Weise recht gleichmäßig werden. Die vorliegende Erfindung teilt somit wirksam die Entstehung von Druck und Strömung über die Länge der Rohranordnung in zwei Schritte.
Wie obenstehend erörtert macht es ein Einfachrohr nach dem Stand der Technik mit einer Anordnung an Öffnungen und der Gaszufuhr an einem Ende notwendig, dass der Gasgegendruck entlang der Gesamtlänge gleich bleibt, um eine gleichmäßige Strömung aus der Öffnungsanordnung zu gewährleisten. Bei niedrigen Strömungsbedingungen fällt der Gegendruck gegebenenfalls zu stark ab, und Ströme aus den am weitesten von der Zufuhrstelle gelegenen Öffnungen können abnehmen, was zu einer ungleichmäßigen Verteilung über die Länge des Rohrs hinweg führt. Im Gegensatz dazu kann bei der vorgeschlagenen Konstruktionsweise die Größe des inneren Rohrs 12 dem Durchmesser und der Anordnung der Öffnungen 16 entsprechend bestimmt werden, um einen gleichmäßigen Gegendruck entlang der gesamten Länge aufzubauen. Mit anderen Worten ist das Verhältnis zwischen dem Durchmesser des Rohrs und dem Durchmesser der Öffnungen von Bedeutung. Die Öffnungen 16 sind entlang der wesentlichen Länge, vorzugsweise der Gesamtlänge, des inneren Rohrs 12 verteilt und sind von solcher Größe und in einer solchen Anzahl vorhanden, dass ein ausreichender Strömungswiderstand des aus dem inneren Rohr strömenden Gases gewährleistet ist, um über die Gesamtlänge im inneren Rohr einen Gegendruck zu erzeugen. Der Gasstrom aus dem inneren Rohr ist entlang seiner Länge gleichmäßig verteilt und speist den ringförmigen Raum zwischen dem inneren und dem äußeren Rohr.
In Mokhtari et al. ("Flow Uniformity and Pressure Variation in Multi-Outlet Flow Distribution Pipes", Advances in Analytical, Experimental und Computational Technologies in Fluids, Structures, Transients and Natural Hazards, ASME, PVP, Band 355, Seite 113, 1997) wird die allgemeine Beziehung zwischen dem inneren Durchmesser des inneren Rohrs 12 (D_in), der Rohrlänge (L) und der Größe der Öffnungen (D_in) zur Erzeugung eines gleichmäßigen Stroms entlang einem einzelnen Rohr erörtert. Weiters wird in Acrivos et al. ("Flow Distribution in Manifolds", Chemical Engineering Science, Band 10, Seite 112–124, Pergamon Press, 1959) vorausgesetzt, dass L/D_in < 70 ist, während Mokhtari beispielsweise nahe legt, dass L/D_in > 50 ist. Zudem zeigen Mokhtari et. al., dass mit D_in/d_in ≈ 10 oder mehr die Bereitstellung einer guten Gleichmäßigkeit der Strömung entlang der Gesamtlänge des Rohrs zu erwarten sein sollte. Acrivos schlägt vor, dass das Verhältnis der gesamten Öffnungsfläche (Nπd_in ²4) zur Fläche der Sammelleitung (πD_in ²/4) 1 nicht überschreiten sollte.
Der Stand der Technik stellt somit einen Satz an Regeln bereit, um in einem einzelnen Rohr einen relativ stabilen Gegendruck zu erzeugen. Noch spezifischer werden folgende Beziehungen aufgezeigt: L/D < 70, D/d ≈ > 10 und Na_port/A_tube ≈ 1, worin N die Anzahl der Öffnungen im Rohr und a_port die Querschnittsfläche einer jeden dieser Öffnungen ist. Dieser Stand der Technik ist jedoch auf eine Einfachrohranordnung eingeschränkt und, wie zuvor beschrieben, ist die Leistung derartiger Einfachrohranordnungen eingeschränkt und führen nicht zu zufriedenstellender Gleichmäßigkeit des Films.
Die Erfinder haben herausgefunden, dass die Aufrechterhaltung der Anforderungen nach dem Stand der Technik an das innere Rohr 12 ein relativ stabiler Gegendruck (P₀ – Δp) im Inneren des inneren Rohrs 12 aufgebaut wird. Weiters haben die Erfinder entdeckt, dass die Aufrechterhaltung eines im Wesentlichen konstanten Gasstroms aus den Öffnungen 16 des inneren Rohrs den ringförmigen Raum 15 zwischen den beiden Rohren speist und einen im Wesentlichen konstanten Gasstrom über die Gesamtlänge der Rohre hinweg bereitstellt. Der vorliegenden Erfindung gemäß wird die Gleichmäßigkeit des Drucks im ringförmigen Raum zwischen dem inneren 12 und dem äußeren 14 Rohr durch die Größe des ringförmigen Raums festgesetzt und die Gleichmäßigkeit der Gasverteilung von der Verteilung der Öffnungen 16 des inneren Rohrs 12 bestimmt ist, diese jedoch durch die zusätzliche Verwendung eines äußeren Rohrs 14 und dessen Öffnungen 18 wesentlich verbessert wird. Dementsprechend wird, der vorliegenden Erfindung gemäß, durch die Kombination von zumindest zwei koaxialen Rohren ein konstanter und gleichmäßiger Druck im Inneren des ringförmigen Raums 15 zwischen dem innersten 12 und dem äußersten 14 Rohr entlang der Länge dieser Rohre erzeugt, was zu einer Verteilung der Gase vom äußersten Rohr aus führt, die äußerst gleichmäßig sein kann.
Die Erfinder haben herausgefunden, dass vorzugsweise die Querschnittsfläche des ringförmigen Raums 15 zwischen dem inneren 12 und dem äußeren 14 Rohr in etwa äquivalent zur Querschnittsfläche des inneren Rohrs 12 sein soll, sie jedoch jeweils gegenseitig innerhalb des Faktors 3 des anderen liegen sollen. Mit anderen Worten liegen der wirksame Durchmesser des wirksamen ringförmigen Raums D_eff und der Durchmesser des innersten Rohrs D_in jeweils gegenseitig innerhalb des Faktors 3 des anderen, und vorzugsweise ist D_eff ≈ D_in. Zudem sollte das Verhältnis der inneren Oberfläche eines Rohrs zur gesamten Querschnittsfläche aller Öffnungen im Rohr gleich wie oder größer als etwa 10 und vorzugsweise größer als 100 sein. Mit anderen Worten gilt: Oberfläche_outer/NA_outer ≈ 10 oder mehr. Dies sorgt für wesentlich verbesserte Nichtgleichmäßigkeitswerte des Gasstroms; d. h. für unter etwa dem 3%-Bereich im Vergleich zu etwa 5 bis 10%, die nach dem Stand der Technik erzielt wurden. Die Empfindlichkeit in der Beziehung zwischen Gleichmäßigkeit des Gasstroms und der Rohrlänge ist beim äußeren Rohr 14 deutlich geringer als beim inneren Rohr 12.
Zusammengefasst besteht die Idee der Erfindung darin, durch die Konstruktion des inneren Rohrs einen konstanten Gegendruck zu erzeugen, in Folge durch die geometrische Beziehung des inneren und des äußeren Rohrs einen konstanten Gegendruck und eine gleichmäßige Verteilung entlang der Länge aufrechtzuerhalten und letztendlich den Gasstrom durch die Verteilung der Öffnungen des äußeren Rohrs zu dosieren.
Die vorliegenden Erfindung kann für zahlreiche verschiedene Anwendungen eingesetzt werden. Zwei dieser Anwendungsmöglichkeiten werden nachstehend erörtert. In einer Ausführungsform wird das Gasabgabe-Dosierrohr 10 der vorliegenden Erfindung mit einem chemischen Normaldruck-/Unterdruck-Bedampfungsystem unter Verwendung einer linearen Injektoranordnung eingesetzt, so jenes, das in 7 oder 8 veranschaulicht ist. Das Gasabgabe-Dosierrohr 10 kann innerhalb des Injektors selbst (wie in 8 gezeigt) und/oder innerhalb von Schirmanordnungen an den Seiten des Injektors (wie in 7 veranschaulicht) verwendet werden.
Ein Abschnitt des CVD-Systems 20 ist in 7 dargestellt. Das CVD-System 20 umfasst eine Bedampfungskammer mit einem Injektor 22, eine Schutzschirmanordnung 24 und einen Wafer 26, der mithilfe eines Transportmechanismus 30, wie einem unter dem Injektor 22 und der Schirmanordnung 24 liegenden Förderband, durch einen Bedampfungsbereich 28 transportiert wird. Gase werden vom Injektor in den Bedampfungsbereich 28 eingeleitet und reagieren, um eine Schicht oder einen Film auf der Oberfläche des Wafers zu bilden. Die Schirmanordnung 24 bringt typischerweise ein Inertgas ein, wie beispielsweise Stickstoff, was zur Minimierung der Ansammlung von Ablagerungen auf den Injektoroberflächen beiträgt und gleichzeitig zur Isolierung der Bedampfungsregion 28 unterstützend wirkt. In dieser Ausführungsform umfasst die Schirmanordnung 24 vier Bereiche, von denen sich zwei an den Seiten des Injektors 22 befinden. Ein Beispiel für diesen Typ eines CVD-Systems ist genauer im U.S.-Patent Nr. 5.849.088 und in der Patentanmeldung mit der Seriennummer 09/185.180 (Anwaltszeichen Nr. A-65583-1); die Offenbarungen beider sind hierin in ihrer Gesamtheit als Verweis aufgenommen.
Aufgrund der Anforderungen der Industrie an Ungleichmäßigkeiten der Filmdicke von weniger als etwa im 3%-Bereich ist es wichtig, dass der Gasstrom der Schirme an den Seiten des Injektors über die Zeit hinweg stabil bleibt und dass der Gasstrom an jeder Seite des Injektors sowohl entlang seiner eigenen Länge als auch mit Bezug auf den Gasstrom an der gegenüberliegenden Seite des Injektors gut definiert ist. Bedampfungsgase werden vom linearen Injektor senkrecht auf eine Substratoberfläche abgegeben, wobei die Gase an jeder der Seiten des Injektor wieder ausgestoßen werden. Noch spezifischer besteht die Hauptaufgabe der Schirmanordnung 24 darin, die Ablagerung von unbenutztem Material auf dem Injektor 22 und den Abgaswegen zu minimieren. Die Schirmanordnung 24 besteht aus mehreren Bereichen mit konturierten Oberflächen aus perforiertem Material, die darin eine Kammer 25 bilden, durch die ein Inertgas abgeben wird. Das in den Abgasweg abgegebene Inertgas verdünnt den nicht verwendeten Bedampfungssgasstrom und leitet zudem die nicht verwendeten Bedampfungssgase von den Oberflächen des Abgaswegs weg.
Um die maximale Wirkung zu erzielen muss das Inertgas knapp stromabwärts des Bedampfungsbereichs abgegeben werden, und diese Nähe setzt voraus, dass das Inertgas die Verteilung der Bedampfungsgase auf dem Wafersubstrat nicht stört. Zudem benötigen APCVD- und SACVD-Systeme die Aufbringung von Wärme an das Substrat, um das Reagieren und Rekombinieren der Bedampfungsgase zur Bildung der gewünschten Filme zu ermöglichen. Die Wafertemperatur liegt typischerweise bei 500°C oder mehr, wodurch davon ausgegangen werden kann, dass das umgebende Gerät, auch wenn es nicht direkt erwärmt wird, ebenfalls höhere Temperaturen aufweist (mehrere hundert Grad Celsius). Somit wird bevorzugt, dass das Inertgas mit ähnlicher Gleichmäßigkeit entlang der Länge des Schirms und des Injektors dosiert und abgegeben wird wie die für die Bedampfungsgase benötigte Gleichmäßigkeit (d. h. etwa < 1% Nichtgleichmäßigkeit), und die Konstruktion der Metallbauteile muss zum Betrieb bei einer großen Bandbreite an Temperaturen fähig sein. Von besonderem Vorteil ist, dass das Gasabgaberohr 10 der vorliegenden Erfindung äußerst gut geeignet ist, einen solchen dosierten Gasstrom entlang der gesamten Breite der Schirmanordnung bereitzustellen, die den Durchmesser oder die Breite der Substrate überspannt, was insbesondere für große Substratdurchmesser, wie beispielsweise ein 300-mm-Wafer, von Vorteil ist. Im Besonderen kann, wie in 7 gezeigt ist, ein Gasabgaberohr 10 der vorliegenden Erfindung in der Kammer 25 von einem oder mehreren Schirmanordnungsbereichen plaziert sein. Das Gasabgaberohr 10 kann an jeder beliebigen Stelle innerhalb des Schirmanordnungsbereichs angeordnet sein, und in jedem Bereich kann mehr als ein Rohr plaziert sein.
Typischerweise werden der Schirm 24 und der Injektor 22 zur Reinigung mit Ätzmitteln, wie beispielsweise Flußsäure, abgenommen. Es ist deshalb vorzuziehen, dass das Gasabgaberohr 10 auch gegenüber deratigen Reinigungslösungen beständig ist und/oder einfach herausnehmbar ist, um die Wartung der Schirmanordnung allein zuzulassen.
In einer weiteren Ausführungsform kann das Gasabgaberohr 10 innerhalb der Injektoranordnung 22 selbst eingesetzt werden, vorzugsweise innerhalb eines linearen Injektors, wie jener vom Typ, der im Patent Nr. 5.683.516 und in der Patentanmeldung mit der Seriennummer 09/113.823 (Anwaltszeichen Nr. A-59471-4) beschrieben ist, deren Offenbarungen hierin in ihrer Gesamtheit als Verweis aufgenommen sind. Im Allgemeinen besteht der Injektor 22 aus mehreren Querkanälen oder Öffnungen 32, die entlang der Länge des Injektors 22 verlaufen, von denen jeder mit einer gemeinsamen Gasabgabeoberfläche 34 durch schmale schlitzartige Kanäle 36 verbunden ist, die ebenfalls entlang der Länge des Injektors 22 verlaufen. Gase treten aus der Gasabgabeoberfläche 34 zur Bedampfungsregion 28 (d. h. ein Volumen) knapp oberhalb des Wafersubstrats 26 aus. Vorzugsweise werden die Bedampfungsgase einem jeden der Kanäle 32 getrennt zugeführt. Die erwähnten Offenbarungen erörtern in Einzelheiten verschiedene Konfigurationen, um die gleichmäßige Verteilung der Bedampfungsgase entlang der gesamten Länge des Injektors 22 zu gewährleisten. Von besonderem Vorteil ist, dass das Gasabgaberohr 10 der vorliegenden Erfindung sehr gut als eine Gasabgabevorrichtung geeignet ist, die in einen oder in mehrere der Kanäle 32 des Injektors 22 eingeführt werden kann, um den gewünschten gleichmäßigen und/oder dosierten Gasstrom bereitzustellen.
Typischerweise liegen die Ungleichmäßigkeit der Filmdicke unter Verwendung von Systemen nach dem Stand der Technik nahe eines Bereichs von etwa 2%, obwohl dieser Wert nach oben auf 4- bis 5%iger Ungleichmäßigkeit der Filmdicke variieren kann, je nach Art der Verfahrenschemie und der CVD-Bedingungen. Die Erfinder haben herausgefunden, dass der Stand der Technik durch weitere Verbesserungen der Gleichmäßigkeit der Gasverteilung verbessert werden kann, z. B. durch das Erzielen von Ungleichmäßigkeiten in der Filmdicke im 2%-Bereich oder darunter, was eine wesentliche Verbesserung des Stand der Technik darstellt.
Von besonderem Vorteil ist, dass die Erfindung gegebenenfalls Mittel zum "Dosieren" des Gasstroms aufweist, um eine im Wesentlichen gleichmäßige Verteilung entlang der Länge des Gasabgabesystems zu gewährleisten. Bei Schirmanwendung liegen die Gasströmungsraten im Bereich von einigen Standardlitern pro Minute (slm) bis zu etwa 30 slm/min pro Rohr, während bei der Injektoranwendung die Gasströmungsraten vorzugsweise in der Größenordnung von einigen slm bis etwa 20 slm liegen. Bei der Schirmanwendung wird das Inertgas in einem relativ uneingegrenzten Volumen hinter dem Schirmschild abgegeben, während bei der Injektoranwendung die gegenseitige Nähe der Kammer und des Kanalschlitzes dazu beitragen, die Gasverteilung zu modulieren und den Strom zu lenken.
Die Form des linearen Injektors, der Schirm- und Substratanordnung setzen voraus, dass das Gas an einem Ende des Abgaberohr eingeführt wird. Gasverteilungssysteme nach dem Stand der Technik umfassen verschiedene Ansätze, die bei bestimmten APCVD-System nicht erfolgreich waren, insbesondere bei solchen für Substrate die ≥ 200 mm breit sind. Der einfachste Konstruktionstyp ist ein einzelnes Rohr mit einer Anordnung von Öffnungen entlang seiner Oberfläche, wie in den zuvor erörterten 1 und 2 dargestellt ist.
Für den Fall, dass das Gasabgabe-Dosierrohr der vorliegenden Erfindung in der Schirmanwendung eingesetzt wird, ist es nicht wünschenswert, dass der Gasstrom ein "Jetting" aus der Inertgasabgabeanordnung erfährt, sondern er soll azimutal gleichmäßig aus dem Rohr austreten. In diesem Fall kann gemäß einer alternativen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung das Öffnungsverteilungsmuster des äußeren Rohrs aus mehreren Anordnungen oder Reihen aus kleinen Löchern entlang der Länge des Rohrs bestehen und azimutal verteilt sein (6b).
Im Fall der in 8 veranschaulichten Injektoranwendung bildet der Querkanal oder die Öffnung selbst eine Grenzlinie um die Anordnung der Erfindung herum und kann die Gasrichtung modulieren, bevor dieses durch die Schlitzkanäle zur Mischkammer strömt. Deshalb sind die Regeln für die Verteilungsmuster der Öffnungen des äußeren Rohrs bei der Injektoranwendung gegebenenfalls weniger restriktiv als bei der Schirmanwendung und besteht gegebenenfalls aus einigen Reihen und möglicherweise längeren Abständen entlang der Rohrlänge. Die Verwendung eines Gasabgabe-Dosierrohrs, wie es hierin geoffenbart ist, kann einem gleichmäßigeren Gasstrom sowohl bei Injektor- als auch bei Schirmanwendungen zuträglich sein. Während hier zwei spezifische Beispiele erörtert wurden sollte es sich von selbst verstehen, dass die Verwendung des Gasabgabe-Dosierrohrs der vorliegenden Erfindung einzeln oder als Zusatzvorrichtung für viele Anwendungen geeignet ist, bei denen eine im Wesentlichen gleichmäßige Gasabgabe wünschenswert ist, wie beispielsweise bei CVD-Anwendungen, Halbleitereinrichtungen und dergleichen.
VERSUCHE
Verschiedene Beispiele sind nachstehend zum ausschließlichen Zweck der Veranschaulichung und nicht zur Einschränkung der Erfindung aufgeführt. Die Parameter der verschiedenen Beispiele sind in Tabelle 1 aufgezeigt:
Tabelle 1
Veranschaulichende Beispiele
Beispiel 1: Folgendes demonstriert die Funktionsfähigkeit der in Fall A der Tabelle 1 gezeigten Konstruktionsparameter, die für ein Dosierrohr im Inneren eines Schutzschirms ähnlich dem aus 7 verwendet wurden.
Gegendruck ist in etwa 200 Torr
Gasstrom: 5 bis 30 l/min pro Rohr
Länge des inneren Rohrs (vom ersten Loch bis zum letzen Loch) ≈ 9,26 Zoll
Länge des äußeren Rohrs (vom ersten Loch bis zum letzen Loch) ≈ 9,7 Zoll
Die Maße des inneren Rohrs sind in Tabelle 1 aufgeführt (der innere Durchmesser ID entspricht 0,114 Zoll und der äußere Durchmesser OD entspricht 0,134 Zoll), während für die Maße des äußeren Rohrs ID = 0,186 Zoll und OD = 0,250 Zoll gilt.
Der wirksame Durchmesser D_eff für den ringförmigen Raum zwischen dem inneren und dem äußeren Rohr kann wie folgt bestimmt werden:

worin A_outer die Querschnittsfläche des äußeren Rohrs ist, A_inner die Querschnittsfläche des inneren Rohrs mit einen Durchmesser ID_inner bzw. OD_inner ist und D_eff der wirksame Durchmesser des Rings zwischen dem inneren und dem äußeren Rohr ist. Das Auflösen der Gleichung 3 ergibt also für die bereitgestellten Bedingungen Folgendes: = 2 × [(0,186/2)2 – (0,134/2)2]1/2 = 0,129 Zoll = Deff
Interessant ist hier ein Vergleich zwischen der Querschnittsfläche des Rohrs und der Summe der Querschnittsflächen der Öffnungen des Rohrs. Für das innere Rohr beträgt die Querschnittsfläche π(ID_inner/2)² = π(0,114/2)² = 0,00325π, während die Querschnittsfläche einer jeden Öffnung π(0,007)² = 0,000049π ist.
Was die Konstruktion des inneren Rohrs betrifft so sind die Erfinder an den Werten der Bedingungen, wie sie nach dem Stand der Technik von Mohktari und Acrivos beschrieben wurden, interessiert. Die drei Bedingungen sind (a) das Verhältnis der Länge des Rohrs zu seinem Durchmesser, (b) das Verhältnis des Durchmessers des Rohrs zum Öffnungsdurchmesser und (c) das Verhältnis der Summe aller Öffnungsflächen zur Querschnittsfläche des Rohrs. Spezifisch sind dies: L/D < 70 (4a) D/d ≈> 10 (4b) NAport/Atube ≈≤ 1 (4c)
Die für die Rohrkonstruktion im Fall A aus Tabelle 1 berechneten Werte ergaben Folgendes:

(a) inneres Rohr L/D = 9,26/0,114 = 81
(b) inneres Rohr L/D = 0,114/0,014 = 8,1
(c) das Verhältnis der Gesamtzahl der Öffnungen zur Querschnittsfläche des inneren Rohrs: 39 × (0,000049)π/(0,00325π) = 0,6

Der Vergleich der Werte der vorgeschlagenen Konstruktion mit den Konstruktionsrichtlinien nach dem Stand der Technik (Gleichungen 4a, 4b und 4c) zeigt, dass die vorgeschlagene Konstruktion für das innere Rohr aus Fall A in etwa mit den Bedingungen für einen gleichmäßigen Strom übereinstimmt, und es wird festgehalten, dass die Konstruktionsergebnisse für die Bedingung 4a im höheren Bereich liegen.
Der vorliegenden Erfindung gemäß sind die Konstruktionskriterien für das äußere Rohr die folgenden: Deff ≈ Din (oder zumindest gegenseitig innerhalb des Faktors 3) (5a) Oberflächenflächeouter ≈ 10 oder mehr (5b)worin D_in der innere Durchmesser des innersten Rohrs ist, Oberflächenfläche_outer die Fläche der Oberfläche des äußersten Rohrs ist und NA_outer die gesamte Querschnittsfläche aller Öffnungen im äußersten Rohr ist.
Die Konstruktionswerte für Fall A aus Tabelle 1 des äußersten Rohrs ergeben Folgendes:

(a) D_eff = 0,129 ≈ 0,114 = D_in
(b) Oberfläche zu Querschnittsfläche der Öffnungen = (9,7)π(0,186)/(156 × 5 × 0,007²π) = 47, wodurch die Konstruktionskriterien erfüllt sind.

Beispiel 2: Folgendes demonstriert die Funktionsfähigkeit der in Fall D der Tabelle 1 gezeigten Konstruktionsparameter, die für ein Dosierrohr im Inneren einer Injektoranordnung (wie in 7 dargestellt) verwendet wurden.
Gegendruck ist in etwa 200 Torr
Gasstrom: 2 bis 20 l/min pro Rohr
Länge des inneren Rohrs (vom ersten Loch bis zum letzen Loch) ≈ 9,27 Zoll
Die Maße des inneren und äußeren Durchmessers des inneren und äußeren Rohrs sind unter Fall D in Tabelle 1 aufgeführt. Die verschiedenen Schlüsselwerte können unter Einsatz der in Beispiel 1 beschriebenen Gleichungen und Verfahren ermittelt werden. Spezifisch sind dies:
D_eff für den ringförmigen Raum zwischen innerem und äußerem Rohr
= 2 × [(0,261/2)² – (0,156/2)²]^1/2 = 0,209 Zoll = D_eff
Querschnittsfläche des inneren Rohrs = π(0,136/2)² = 0,00462π
Querschnittsfläche der inneren und äußeren Öffnungen = π(0,0048)² = 0,000023π
Fall D kann umgerechnet werden in: L/Din = 9,27/0,136 = 68 Din/d = 0,136/0,0095 = 14,3 Naport/Atube = 39π(0,0048)2/0,00462π = 0,19
Der Vergleich der Werte der vorgeschlagenen Konstruktion mit den Konstruktionsrichtlinien nach dem Stand der Technik zeigt, dass die vorgeschlagene Konstruktion für das innere Rohr aus Fall D in etwa mit den Bedingungen für einen gleichmäßigen Strom übereinstimmt.
Die vorgeschlagene Konstruktion für das äußere Rohr im Fall D muss ebenfalls mit den Kriterien der Gleichungen 5a und 5b verglichen werden. Im Fall D werden die Kriterien erfüllt, d. h.
was deutlich innerhalb des vorgeschriebenen Faktors 3 liegt. Das äußere Rohr umfasst im Fall D 77 Löcher, von denen jedes einen Durchmesser von 0,0138 Zoll aufweist. Die Gleichung 5b für ein in etwa 9,7 Zoll langes äußeres Rohr lautet also 9,7π(0,261)/(77 × 0,0069²π) = 690.
Beispiel 3: In Fall E aus Tabelle 1 wird die selbe Konstruktionsweise des inneren Rohrs verwendet, im äußeren Rohr wird jedoch einen Satz aus drei schmalen Schlitzen anstelle einer linearen Anordnung aus Löchern eingesetzt. Die Beziehung des äußeren Rohrs zu einem Satz an Schlitzen gemäß der vorliegenden Erfindung ist somit:
Oberflächenfläche zu Querschnittsfläche des Schlitzbereichs = (9,7)π(0,261)/(3 × 3,060 × 0,005) = 173
wodurch erneut die Kriterien für das äußere Rohr erfüllt sind.
Der ringförmige Raum zwischen dem innersten und dem äußersten Rohr ist ein wirksamer ringförmiger Raum. Mit anderen Worten bedeutet dies, dass der ringförmige Raum der Bereich zwischen dem innersten und dem äußersten Rohr ist, unabhängig von der Form der Rohre, da die Rohre von unterschiedlichster Form sein können (zusätzlich zur Form eines Zylinders).
Wie zuvor beschrieben und durch die vorangegangenen Versuche bewiesen wurde stellt das Gasabgabe-Dosierrohr der vorliegenden Erfindung einem im Wesentlichen gleichmäßigen Gasstrom entlang einer gegebenen Länge bereit, unabhängig von der Durchmessergröße oder der Länge, indem Mittel geschaffen wurden, um unabhängig von der Schaffung eines gleichmäßigen Stroms entlang der Rohrlänge einen konstanten Gegendruck aufzubauen. Wie gezeigt wurde ist das Querschnittsvolumen des kreisförmigen Raums wichtig, um die gewünschte Strömungsrate und -gleichmäßigkeit zu erzielen. Von besonderem Vorteil ist, dass die Wandgröße der Rohre nicht wichtig ist, um das gewünschte Ergebnis zu erreichen, unter der Maßgabe, dass das Seitenverhältnis (d. h. Loch : Wanddicke) ≥ 1 ist; genauso wenig ist die Gaszufuhr von Bedeutung, solange das eingespeiste Zufuhrgas dem Gasstrom nicht hinderlich ist.
Von weiterem Vorteil ist, dass die axial ausgerichteten, ineinander gelegten Rohre verschiedene Formen aufweisen können. Beispielsweise können die ineinander gelegten Rohre aus zwei axial angeordneten, rechteckigen Rohren bestehen, im Gegensatz zu den in den Figuren gezeigten zylindrischen. Weiters können die Gasabgabe-Dosierrohre der vorliegenden Erfindung so konfiguriert sein, um, falls dies gewünscht ist, einen Gasstrom vom "Jetting"-Typ bereitstellen, oder können alternativ dazu so konfiguriert sein, dass es zu keinem Jetting kommt.
Neue Ausführungsform
Eine alternative Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist in den 9 bis 14 dargestellt. 9 ist ein Explosionsdarstellung eines Gasabgabe-Dosierrohrs 10, welches eine Zweifachrohranordnung mit ineinander gelegten koaxialen inneren 12 und äußeren 14 Rohren, die durch einen ringförmigen Raum 15 voneinander getrennt sind. Das äußere Rohr 14 ist an einem Ende durch eine Endkappe 35 abgeschlossen, während das gegenüberliegende Einlassende 37 des äußeren Rohrs mit einer Gaszufuhröffnung 50 verbunden ist. Das äußere Rohr 14 umfasst zumindest eine Anordnung aus Öffnungen 18, die entlang seiner wesentlichen Länge verteilt ist, wie in den 9 und 10 zu sehen ist. Das innere Rohr 12 verfügt über ein offenes Einlassende 13 und Auslassenden 17 und ist im Inneren des äußeren Rohrs angeordnet. Das innere Rohr 12 umfasst keine Öffnungsanordnung.
Das Auslassende 17 des inneren Rohrs 12 steht nicht in Kontakt mit der inneren Oberfläche der Endkappe 35; sondern es endet, wie in den 11a und 11c gezeigt ist, in einem gewissen Abstand vor der Endkappe 35, sodass Gas aus dem Auslassende 17 des inneren Rohrs 12 heraus und in den ringförmigen Raum 15 hinein strömen kann. Die genaue Distanz, die das Auslassende 17 des inneren Rohrs 12 von der inneren Oberfläche der Endkappe 35 trennt, ist kein entscheidender Parameter beim Betrieb des Dosierrohrs. Mit einem Abstand im Bereich von etwa 0,1 Zoll bis 0,25 Zoll kann ein akzeptables Funktionieren erwartet werden. In einer spezifischen Ausführungsform der Erfindung wurde ein Trennabstand von 0,135 Zoll eingesetzt. Dies stellt den Vorteil bereit, dass Gas an gegenüberliegenden Enden des Gasabgabe-Dosierrohrs 10 zugeführt wird, während nur eine einzige Gaszufuhröffnung an nur einem Ende eingesetzt wird.
Um Gas zu den gegenüberliegenden Enden des Gasabgabe-Dosierrohrs 10 zuzuführen, während nur eine Gaszufuhröffnung 50 eingesetzt wird, stellt die vorliegende Erfindung einen Gasströmungsteiler 38 bereit, der angrenzend an die Einlassenden des inneren und des äußeren Rohrs angeordnet ist. Der Gasströmungsteiler 38 verfügt über einen ersten Gasströmungsweg, der mit dem inneren Rohr 12 verbunden ist, und über einen zweiten Gasströmungsweg, der mit dem ringförmigen Raum 15 zwischen dem inneren und dem äußeren Rohr verbunden ist. Noch spezifischer ist der Gasströmungsteiler 38 in der Nähe des Einlassendes 37 des äußeren Rohrs 14 gegenüber der Endkappe 35 angeordnet und entlang der transversalen Achse, in etwa in gleicher Höhe mit dem Einlassende 13 des inneren Rohrs 12, ausgerichtet. Der Gasströmungsteiler 38, ein Beispiel dessen ist in den 12a und 12b zu sehen, umfasst eine Scheibe 41 mit einer Vielzahl an kleinen, durch diese hindurch ausgebildeten Öffnungen 42 und einer zentralen Öffnung 44. Die zentrale Öffnung 44 weist einen Durchmesser auf, der in etwa dem äußeren Durchmesser des inneren Rohrs 12 entspricht und ist angrenzend an das Einlassende 13 des inneren Rohrs sowie entlang der transversalen Mittellinie des inneres Rohr angeordnet, um einen ersten Gasströmungsweg in das innere Rohr 12 bereitzustellen. Die Vielzahl an kleinen Öffnungen 42 ist vorzugsweise rund um den Umfang der Scheibe 41 angeordnet und stellt einen zweiten Gasströmungsweg in den ringförmigen Raum 15 bereit. Alternativ dazu kann der Gasströmungsteiler als ein Flansch am Einlassende 13 des inneren Rohrs 12 geformt sein und einen Rand aufweisen, durch diesen hindurch die Vielzahl der Öffnungen 42 ausgebildet ist. In einer weiteren alternativen Ausführungsform kann der Gasströmungsteiler 38 als Teil der Gaszufuhröffnung 50 ausgebildet sein.
Der Durchmesser der zentralen Öffnung 44 und der Vielzahl von Öffnungen 42 ist nicht im Besonderen eingeschränkt; vorzugsweise jedoch entspricht die Summe der Querschnittsflächen der Vielzahl von Öffnungen 42 im Wesentlichen der Querschnittsfläche des inneren Durchmessers des inneren Rohrs 12. Weiters können die vielen Öffnungen 42 alle denselben Durchmesser aufweisen, alternativ dazu kann jedoch der Durchmesser der Öffnungen 42 variieren. In einem Beispiel liegt der Durchmesser der Öffnungen 42 in einem Bereich von etwa 0,015 Zoll bis 0,025 Zoll und der innere Durchmesser des inneren Rohrs 12 liegt im Bereich von etwa 0,065 Zoll bis 0,075 Zoll.
Das innere Rohr 12 wird zumindest teilweise von Abstandhaltern 40 im Inneren des äußeren Rohrs 14 axial getragen. Die Abstandshalter 40 sind bereitgestellt, um das innere Rohr 12 im äußeren Rohr 14 axial mittig zu halten. Ein Beispiel für einen Abstandshalter 40 ist in den 13a und 13b dargestellt und umfasst eine dünne Lage mit einem oder mehreren Abstandshaltungsabschnitten 43 und einem zentralen Loch 46. Das zentrale Loch 46 weist einen etwas größeren Durchmesser als der innere Durchmesser des inneren Rohrs 12 auf. Das innere Rohr 12 wird axial in das Loch 46 eingeführt, und die Abstandshaltungsabschnitte 43 greifen in die Innenwand des äußeren Rohrs ein. Es können ein oder mehrere Abstandshalter 40 entlang der Länge des inneren Rohrs angeordnet sein. Vorzugsweise ist ein Abstandshalter angrenzend an das Auslassende 17 des inneren Rohrs angeordnet. Die Abstandhaltungsabschnitte 43 sind vorzugsweise von solcher Form, dass die Obstruktion des ringförmigen Raums 15 minimiert wird.
Wie zuvor beschrieben ist es von besonderem Vorteil, dass die vorliegende Erfindung eine Gasabgabe an gegenüberliegenden Enden innerhalb des Gasabgabe- Dosierrohrs 10 bereitstellt und gleichzeitig nur eine einzige Gaszufuhröffnung an nur einem Ende des Rohrs 10 verwendet. Gas wird von einer einzelnen Gaszufuhröffnung 50 zugeführt, wie beispielsweise in den 14a und 14b zu sehen ist. Die Gaszufuhröffnung 50 ist an einem Ende des Dosierrohrs bereitgestellt und umfasst einen einzelnes Stück 48 mit einem hohlen Volumen oder einer Tasche 49, die darin ausgebildet ist, ein Gaszufuhranschlussstück 62 und eine hohle Rohranordnung 64. Eine Deckkappe 99 ist an der Tasche angeschweißt, um den Gasweg einzugrenzen. Eine geeignete Gasleitung (nicht dargestellt) ist am Gaszufuhranschlussstück 62 angebracht, um Gas aus einer Gaszufuhr durch die Tasche 49 und durch die hohle Rohranordnung 64 zu transportieren. Die hohle Rohranordnung 64 ist mit dem Gasabgabe-Dosierrohr 10 verbunden. Das äußere Rohr 14 umfasst an einem Ende das Passstück 66. Das Passstück 66 verbindet das äußere Rohr 14 mit der Rohranordnung 64, die einen größeren Durchmesser aufweist. In einem Beispiel einer Ausführungsform ist der Gasströmungsteiler 38 zwischen der Rohranordnung 64 und dem Passstück 66 angeordnet, und alle drei Komponenten sind miteinander verschweißt. In dieser Ausführungsform dient das Passstück 66 in des Tat als eine Verlängerung des äußeren Rohrs 14, sodass es im Wesentlichen zu keinen Strömungsunterbrechungen kommt, wenn das Gas durch den Gasströmungsteiler 38 in den ringförmigen Raum fließt.
Während des Betriebs wird Gas von der Gaszufuhr über das Anschlussstück 62 zur Tasche 49 hin transportiert. Das Gas strömt durch die Tasche 49, durch die hohle Rohranordnung 64 hindurch und in das Gasabgaberohr 10 hinein, wie beispielsweise in den 11a und 11b gezeigt ist. Wenn sich Gas dem Rohr 10 nähert, so wird es durch den Gasströmungsteiler 38 hindurch transportiert und wird zwischen dem ersten Strömungsweg, der durch die zentrale Öffnung 44 bereitgestellt ist, und dem zweiten Gasströmungsweg, der durch die Vielzahl der Öffnungen 42 bereitgestellt ist, aufgeteilt. Das Gas, das durch die zentrale Öffnung 44 geteilt wird, tritt in das innere Rohr 12 ein, während das Gas, das durch die Vielzahl der Öffnungen 42 abgeteilt wird, in den ringförmigen Raum 15 eintritt. Da die Querschnittsflächen dieser beiden Wege in etwa gleich sind, werden in den beiden Gasströmungswegen in etwa dieselben volumetrischen Gasströmungsraten bereitgestellt. Weil das innere Rohr 12 keine Öffnungen entlang seiner Länge aufweist, tritt das Gas am Auslassende aus dem inneren Rohr aus und tritt in den ringförmigen Raum 15 am dem Einlassende gegenüberliegenden Ende ein. Mit anderen Worten tritt Gas aus dem inneren Rohr in den ringförmigen Raum 15 am gegenüberliegenden Ende der Stelle, an dem das Gas durch die Vielzahl von Öffnungen 42 in den ringförmigen Raum 15 strömt, ein. So wird Gas zu beiden Enden des Gasabgabe-Dosierrohrs 10 transportiert, während nur eine einzige Gaszufuhröffnung mit nur einem Ende des Gasabgabe-Dosierrohrs 10 verbunden ist.
In dem in den 9 bis 14 gezeigten Beispiel für eine Ausführungsform weisen die Öffnungen 18 im Dosierrohr im Wesentlichen dieselbe Größe und denselben Abstand auf; es können jedoch auch alternative Ausführungsformen herangezogen werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen. Beispielsweise kann der Abstand zwischen den Öffnungen 18 variieren, um ein gewünschtes Gasströmungsmuster bereitzustellen. In einem weiteren Beispiel kann die Größe der Durchmesser der einzelnen Öffnungen variieren, um das Gasströmungsmuster anzupassen. Die Öffnungen 18 können unter Einsatz eines beliebigen geeigneten Verfahrens ausgebildet werden. Beispielsweise können die Öffnungen 18 als Durchgangslöcher ausgebildet werden. Alternativ dazu können die Öffnungen in einem Material ausgebildet werden, vorzugsweise ein Material das für maschinelle Präzisonsbearbeitung geeignet ist, wie beispielsweise Rubin, woraufhin eine solche Öffnung in einem Durchgangsloch plaziert wird.
Andere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung sind für Fachleute auf dem Gebiet der Erfindung, die sich mit der Offenbarung der vorliegenden Erfindung befassen, ersichtlich. Die vorangegangene Beschreibung der spezifischen Ausführungsformen und Beispiele für die Erfindung wurden zum Zwecke der Veranschaulichung und der Beschreibung bereitgestellt.

Claims

Gasabgabe-Dosierrohr zur Abgabe von Gas, umfassend: ein äußeres Rohr (14) mit einem offenen Einlassende (37) und einem verschlossenen Ende (35) und eine Anordnung von Öffnungen (18), die im äußeren Rohr (14) angeordnet sind und sich im Wesentlichen entlang dessen gesamter Länge erstrecken; ein inneres Rohr (12) mit einem offenen Einlassende (13), dadurch gekennzeichnet, dass das innere Rohr im Inneren des äußeren Rohrs (14) angeordnet und axial ausgerichtet ist, wodurch ein wirksamer ringförmiger Raum (15) zwischen den Rohren ausgebildet ist, wobei das innere Rohr (12) ein offenes Austrittsende (17) aufweist, das knapp vor dem verschlossenen Ende (35) des äußeren Rohrs (14) endet, und dass eine an die Einlassenden (13, 37) der inneren und äußeren Rohre (12, 14) angrenzende Gasströmungsteilerkonstruktion (38) einen ersten Gasströmungsweg (44), der mit dem inneren Rohr (12) verbunden ist, und einen zweiten Gasströmungsweg (42), der mit dem ringförmigen Raum (15) zwischen dem äußeren und dem inneren Rohr (12, 14) verbunden ist, bereitstellt.
Gasabgabe-Dosierrohr nach Anspruch 1, worin die Gasströmungsteilerkonstruktion (38) eine Scheibe (41) mit einer zentralen Öffnung (44), die den ersten Gasströmungsweg bildet, und eine Vielzahl an kleinen Öffnungen (42), die den zweiten Gasströmungsweg bilden, umfasst.
Gasabgabe-Dosierrohr nach Anspruch 1, worin die Gasströmungsteilerkonstruktion einen Flansch am Einlassende des inneren Rohrs (12) umfasst, wobei der Flansch einen Rand mit einer Vielzahl an kleinen Öffnungen, die den zweiten Gasströmungsweg bilden, umfasst.
Gasabgabe-Dosierrohr nach Anspruch 2 oder 3, worin die Querschnittsfläche des Inneren des inneren Rohrs (12) annähernd gleich der Gesamtquerschnittsfläche der Vielzahl an kleinen Öffnungen (42) in der Gasströmungsteilerkonstruktion (38) ist.
Gasabgabe-Dosierrohr nach einem der vorangegangenen Ansprüche, umfassend eine einzige Gasabgabeöffnung (50), die über die Gasströmungsteilerkonstruktion (38) mit den Einlassenden des inneren und des äußeren Rohrs zur Abgabe von Gas an das Dosierrohr verbunden ist.
Gasabgabe-Dosierrohr nach Anspruch 5, worin die Gasabgabeöffnung (50) ein Stück (48) mit einer darin ausgebildeten Tasche (49), welche Tasche mit einem Deckel (99) zur Bildung eines eingegrenzten Durchlasses abgedichtet ist, ein Gasabgabe-Anschlussstück (62), das mit der Tasche verbunden ist, um Gas zu erhalten, und eine hohle Rohranordnung (64), die mit der Tasche und mit den Einlassenden des inneren und des äußeren Rohrs (12, 14) zur Förderung von Gas zu diesen verbunden ist, umfasst.
Gasabgabe-Dosierrohr nach einem der vorangegangenen Ansprüche, umfassend einen oder mehrere am inneren Rohr (12) angebrachte Abstandshalter (40) zur axialen Ausrichtung des inneren Rohrs im Inneren des äußeren Rohrs.
Gasabgabe-Dosierrohr nach einem der vorangegangenen Ansprüche, worin sich das innere Rohr (12) von seinem Einlassende (13) zum gegenüberliegenden Ende der Anordnung von Öffnungen (18) des äußeren Rohrs erstreckt.
Chemisches Bedampfungssystem, umfassend ein Gasabgabe-Dosierrohr nach einem der Ansprüche 1 bis 8.
Chemisches Bedampfungssystem nach Anspruch 9, umfassend zumindest eine Einspritzanordnung mit zumindest einer Öffnung zum Aufnehmen des Gasabgabe-Dosierrohrs.
Chemisches Bedampfungssystem nach Anspruch 9, umfassend zumindest eine Schirmanordnung mit zumindest einer Kammer zum Aufnehmen des Gasabgabe-Dosierrohrs.
Verwendung eines Gasabgabe-Dosierrohrs nach einem der Ansprüche 1 bis 8 zur Abgabe von Gas an eine Bedampfungskammer in einem Verfahren zur chemischen Bedampfung eines Substrats.