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Die
vorliegende Erfindung betrifft den Bereich der Herstellung von Materialschichten
auf einem Substrat. Genauer handelt es sich um ein Verfahren zur
chemischen Gasphasenabscheidung eines Materials auf einem Substrat
zur Herstellung von Schichten, die eventuell monokristallin sein
können. Die
Erfindung betrifft auch einen Reaktor zur Umsetzung dieses Verfahrens.
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Es
sind bereits zahlreiche Vorrichtungen zur Abscheidung von Schichten
auf Substraten mittels der Verfahren bekannt, die als CVD (Abkürzung des angelsächsischen
Ausdrucks "Chemical
Vapour Deposition")
oder MOCVD (Abkürzung
des angelsächsischen
Ausdrucks "Metal
Organic Chemical Vapour Deposition", das heißt, wenn ein oder mehrere Ausgangsstoffe
in Form von metallorganischen Verbindungen vorliegen) bezeichnet
werden.
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Um
Materialschichten zu erhalten, die eine ausreichende Qualität für die Anwendungen
haben, für
die sie vorgesehen sind, ist es notwendig das Substrat, auf dem
sie abgeschieden werden, zu erhitzen. Im allgemeinen wird das Erhitzen
des Substrats durch Wärmeleitung
zwischen diesem und dem Substratträger ausgeführt, der manchmal auch Suszeptor
genannt wird und der selbst durch Induktion, durch Stromwärme oder
durch eine von Lampen erzeugte Strahlung erhitzt wird.
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Beispielsweise
ist durch die internationale Anmeldung PCT WO96/23912 ein Reaktor
zur Ausführung
eines Epitaxiewachstums von Siliziumkohlenstoff durch ein CVD-Verfahren
bekannt. Dieser Reaktor umfaßt
eine äußere Hülle und
einen inneren Kanal. Die Trägergase
und die Wachstumsgase zirkulieren im inneren Kanal, sie können jedoch
auch mit dem Raum kommunizieren, der zwischen dem inneren Kanal
und der äußeren Hülle liegt.
In einem solchen Reaktor wird das Substrat, auf dem die Abscheidung
durchgeführt
werden soll, im Gasfluß im inneren
Kanal plaziert. Dieses Substrat wird durch Heizmittel erhitzt, die
einen Suszeptor und eine Wicklung umfassen. Der Suszeptor wird unter
der Zone des inneren Kanals plaziert, in der sich das Substrat während der
Abscheidung befindet. Der Suszeptor befindet sich in der Nähe des inneren
Kanals oder in Kontakt mit diesem. Der Suszeptor kann sogar einen Teil
der Kanalwand im Bereich dieser Zone bilden. Die Wicklung erzeugt
im Bereich des Suszeptors ein Radiofrequenzfeld, derart, daß der Suszeptor
unter der Anregung durch das Radiofrequenzfeld Wärme erzeugt.
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Außerdem ist
aus dem Dokument Patent Abstract of Japan Band 7, Nr. 251, ein Reaktor
zur Gasphasenabscheidung von Schichten eines Materials von einem
Substrat bekannt, das sich im wesentlichen in einer Ebene erstreckt,
wobei dieser erste und zweite Heizmittel umfaßt, die aus Lampen gebildet sind
und die sich außerhalb
eines Quarzkanals befinden, auf beiden Seiten des Substrats, das
sich selbst im Kanal befindet.
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Jedoch
ist zum einen die Energiebilanz dieser Heizart, wie auch der durch
Strahlung, aufgrund einer schlechten Kopplung zwischen dem Erzeuger (Wicklungen
oder Lampen) und dem Suszeptor besonders schlecht.
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Manchmal
wird die Energiebilanz noch verschlechtert, wenn eine Quarzröhre verwendet
wird, in der der Substratträger
eingeschlossen ist, um die Gase zu kanalisieren, und wenn die Röhre doppelwandig
ist, um zur Kühlung
der Röhre
eine Wasserzirkulation zu gestatten. Tatsächlich schränkt das die Kopplung zwischen
der Induktionsspule und dem Suszeptor weiter ein.
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Somit
ist es zur Durchführung
von Abscheidungen mittels dieses Reaktortyps bei Temperaturen, die
manchmal über
1500°C liegen,
notwendig, diese mit einer Leistung zu versorgen, die für einen Reaktor
mit einer Kapazität
eines Substrats von 50 mm Durchmesser oft über 10 Kilowatt beträgt. Außerdem erfordert
die Heizung durch Induktion teure Investitionen aufgrund dieser
Technologie und der notwendigen Überdimensionierung,
wenn Hochfrequenzgeneratoren eingesetzt werden.
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Zum
anderen kann die Energiebilanz unabhängig von der Heizungsart ebenso
aufgrund einer schlechten thermischen Kopplung zwischen dem Substratträger und
dem Substrat schlecht sein. Tatsächlich,
wenn das Substrat einfach auf den Substratträger gesetzt wird, vollzieht
sich der Wärmeaustausch
schlecht über
Festkörperleitung;
sehr wenig oder sogar fast gar nicht über Gasleitung, vor allem wenn
der Druck der Gase sehr gering ist; und auch sehr wenig durch Strahlung,
wenn das Substrat im Bereich der Strahlung des Suszeptors transparent ist.
Zur Beseitigung dieser Probleme existieren verschiedene Lösungen,
wie etwa das Kleben des Substrats auf den Substratträger oder
das Auftragen einer absorbierenden Schicht auf der Rückseite
des Substrats. Diese Lösungen
erfordern jedoch nicht wünschenswerte
zusätzliche
Vorbereitungsphasen; die Materialien des Klebers oder der Auftragung
auf der Rückseite
können
die Abscheidungsreaktoren und die in diesen Reaktoren realisierten
Schichten Verunreinigen; manchmal sind diese Lösungen sogar für das Heizen
bei hohen Temperaturen ineffizient.
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Das
Dokument
US 2 873 222 offenbart
ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Heizen einer durch ihre Dotierung
halbleitenden Scheibe in einer von Spulen umgebenen Röhre. Aus
dem Dokument
JP 58
139 424 A ist eine Abscheidungstechnik bekannt, die Widerstandsheizmittel
verwendet, die sich im Inneren des Abscheidungskanals befinden.
Das Dokument
JP 58
139 424 A offenbart ein Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs
1 und einen Reaktor gemäß dem Oberbegriff
des Anspruchs 5.
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Ein
Ziel der Erfindung ist es, ein Verfahren zur Abscheidung von Materialien
in Schichten auf einem Substrat bereitzustellen, das wirtschaftlicher
ist, und dies insbesondere aufgrund einer besseren Energiebilanz
als diejenige, die die Vorrichtungen des Stands der Technik gestatten.
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Dieses
Ziel wird durch die Erfindung erreicht, die in einem ihrer Aspekte
ein Verfahren gemäß Anspruch
1 ist.
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Somit
werden durch das Verfahren gemäß der Erfindung
die beiden Hauptseiten eines im wesentlichen ebenen Substrats geheizt.
Das Heizen der Abscheidungsseite durch die zweiten Heizmittel gestattet
es, die Strahlungsverluste dieser Seite auszugleichen. Hierdurch
wird die für
diese Seite gewünschte
Temperatur mit einem geringeren Heizen der entgegengesetzten Seite
durch die ersten Heizmittel erreicht. Auf diese Weise kann in den
ersten Heizmitteln einer geringere Leistung verbraucht werden. In
der Bilanz wird diese eingesparte Leistung nicht durch den Verbrauch
der zweiten Heizmittel ausgeglichen. Das Abscheidungsverfahren gemäß der Erfindung
ist damit wirtschaftlicher als die bereits bekannten Abscheidungsverfahren.
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Da
das Substrat in einem Kanal plaziert ist, der von den zur Abscheidung
notwendigen Gasmischungen durchströmt wird und der Kanal sich
zwischen dem Substrat und den ersten und zweiten Heizmitteln befindet,
wird das Substrat außerdem durch
die Wärmestrahlung
des Kanals geheizt, wobei dieser selbst durch die Heizmittel geheizt
wird, die sich in der Nähe
von diesem befinden, jedoch auch durch die Gase, die selbst durch
den Kanal geheizt werden. Dies verbessert noch die Kopplung zwischen
den Heizmitteln und dem Substrat. Außerdem kanalisiert der Kanal
die gasförmigen
Flüsse,
indem er die Turbulenzen begrenzt, die das Wachstum der Materialschichten
auf ihrem Substrat stören
können.
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Vorteilhafterweise
umfaßt
das Verfahren gemäß der Erfindung
einen Schritt, der darin besteht, wenigstens einen thermischen Schild
um die ersten und zweiten Heizmittel herum anzuordnen.
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Vorteilhafterweise
umfaßt
das Verfahren gemäß der Erfindung
auch einen Schritt, der darin besteht, einen Temperaturgradienten
zu erzeugen, der senkrecht zur Ebene des Substrats und in einer
ersten Richtung orientiert ist. Das Verfahren gemäß der Erfindung
kann sogar einen Schritt umfassen, der darin besteht, die Richtung
des Temperaturgradienten gegenüber
der ersten Richtung umzukehren. Die Eigenschaft, die Richtung des
Gradienten wählen
und verändern
zu können,
ist eine sehr interessante Möglichkeit
des Verfahrens gemäß der Erfindung.
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Gemäß einem
weiteren Aspekt ist die Erfindung ein Reaktor nach Anspruch 5. Vorteilhafterweise
umfaßt
der Reaktor gemäß der Erfindung
wenigstens um die ersten und zweiten Heizmittel herum wenigstens
einen thermischen Schild.
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Weitere
Eigenschaften, Vorteile und Ziele der Erfindung werden beim Lesen
der nachfolgenden detaillierten Beschreibung ersichtlich. Die Erfindung wird
besser verständlich
mit den Bezügen
auf die Zeichnung, in der:
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1 eine
schematische Darstellung eines mittigen Längsschnitts eines Reaktorbeispiels
entsprechend der vorliegenden Erfindung ist;
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2 eine
perspektivische Explosionsdarstellung der Anordnung der ersten Heizmittel
und des Kanals ist, die in den Aufbau des in 1 dargestellten
Reaktors einbezogen sind;
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3 eine
Draufsicht von oben eines Teils darstellt, das es gestattet, den
Kanal im Inneren der Hülle
des in 1 dargestellten Reaktors zu halten; und
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4 eine
schematische Darstellung eines mittigen Längsschnitts eines weiteren
Reaktorbeispiels gemäß der vorliegenden
Erfindung ist; und
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5 eine
schematische Darstellung eines mittigen Längsschnitts noch eines weiteren
Reaktorbeispiels gemäß der vorliegenden
Erfindung ist.
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Ein
nicht einschränkendes
Beispiel des Reaktors gemäß der Erfindung
ist in 1 dargestellt. Dieser Reaktor 1 umfaßt eine
Hülle 2,
die aus einer Röhre 3,
einem ersten Verschluß 4,
der sich an einem der Enden dieser Röhre 3 befindet, und
einem Ausgangskreuz 5, das sich an dem in Bezug zum ersten
Verschluß 4 entgegengesetzten
Ende der Röhre 3 befindet,
gebildet ist. Die gesamte Einheit des Reaktors 1 ist dicht
und kann gegebenenfalls Drücken
bis einigen MPa standhalten. Die Dichtigkeit des Reaktors 1 ist
durch Dichtungen 32, 33 sichergestellt.
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Das
Ausgangskreuz 5 kann durch ein Element in „T"-Form ersetzt werden.
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Die
Achse der Röhre 3 ist
horizontal. Im Inneren der Röhre 3 ist
koaxial zu dieser ein Kanal 6 angeordnet. Außerhalb
der Röhre 3 sind
Kühlungsmittel 11 angeordnet,
die dafür
eingerichtet sind, die Röhre 3 abzukühlen. Die
Röhre 3 ist
vorteilhafterweise ein Zylinder aus rostfreiem Stahl.
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Das
Kreuz 5 ist vorzugsweise fest, da einer seiner Ausgänge mit
einem Pumpsystem verbunden ist.
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Das
Ausgangskreuz 5 umfaßt
eine untere Öffnung
und eine obere Öffnung,
die in vertikaler Richtung radial entgegengesetzt zueinander liegen. Die
untere Öffnung
dieses Ausgangskreuzes 5 mündet entweder für niedrige
Drücke
in eine Pumpe und einen Druckregler oder für einen Druck über dem Luftdruck
in einen Druckminderer, um die Gase bei einem konstanten Druck abzuführen. Diese
Geräte sind
in 1 nicht dargestellt. Die obere Öffnung des Ausgangskreuzes 5 ist
durch einen zweiten Verschluß 26 hermetisch
verschlossen. Das Ausgangskreuz 5 umfaßt außerdem eine zur Röhre 3 in
Längsrichtung
entgegengesetzte Öffnung.
Diese Öffnung kann
gegebenenfalls mit einer Drehdurchführung ausgestattet sein. In
der hier vorliegenden Ausführungsform
ist diese Öffnung
durch einen dritten Verschluß 27 senkrecht
zur Achse der Röhre 3 verschlossen.
Der dritte Verschluß 27 kann
gegebenenfalls für
optische Messungen im Inneren des Kanals 6 mit einem Fenster
oder einem beweglichen Spiegel ausgerüstet sein. Dieser dritte Verschluß 27 umfaßt eine
hermetisch dichte Klappe 28, die es gestattet, Substrate 10 in
den Reaktor 1 hinein- oder aus ihm herauszubringen. Der
dritte Verschluß 27 umfaßt auch
Führungen 30, 31.
Diese Führungen 30, 31 sind senkrecht
zur Ebene des Verschlusses 27 und sie sind fest an diesem
angebracht. Diese Führungen 30, 31 dienen
dazu, ein in den Figuren nicht dargestelltes Handhabungsgerät zu führen. Der
dritte Verschluß 27 umfaßt auch
Durchführungen
für die
ersten Stromleitungen 22, 23. Die Abschnitte der
ersten Stromzuleitungen 22, 23, die sich im Inneren
der Hülle 2 befinden,
sind mit Anschlüssen 24, 25 ausgestattet.
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Die
Leitung 6 wird in der Röhre 3 durch
Mittel zur Befestigung 35 des Kanals 6 am ersten
Verschluß 4 positioniert
und gehalten. Damit wird der Kanal 6 so gehalten, daß er frei
von jeglichem Kontakt mit der Röhre 3 ist.
Dies gestattet es, die Verluste durch Wärmeleitung zu begrenzen und
thermische Spannungen zu vermeiden.
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Wie
in 2 dargestellt, hat der Kanal 6 die Form
einer Röhre
mit rechteckigem Querschnitt, die an einem ihrer Enden eine Verjüngung 36 hat.
Dieser Kanal 6 umfaßt
zwei Platten, um untere 37 und obere 38 Wände auszubilden.
Die unteren 37 und oberen 38 Wände des Kanals 6 sind
horizontal und parallel zur Ebene des Substrats 10 in der
Position, die es während
der Abscheidung einnimmt. Die Seitenwände 39, 40 fügen sich
an die Seitenränder
der untere 37 und obere 38 Wände, um den Kanal 6 in
Längsrichtung
zu schließen.
Das auf der Seite der Verjüngung 36 liegende
Ende des Kanals 6 hat einen quadratischen Querschnitt.
Es ist mit einer Trägerplatte 41 senkrecht
zur Längsachse
des Kanals 6 ausgestattet. Diese Trägerplatte 41 hat gegenüber der Mündung des
Kanals 6, die sich auf der Seite der Verjüngung 36 befindet,
eine Öffnung.
Die Trägerplatte 41 hat
auch Löcher,
um die Befestigung des Kanals 6 am ersten Verschluß 4 durch
Befestigungsmittel 35 zu gestatten. Wenn der Kanal 6 am
ersten Verschluß 4 befestigt
ist, befinden sich die Mündung des
Kanals 6, die sich auf der Seite der Verjüngung 36 befindet,
und die Öffnung
in der Trägerplatte 41 einem
Gaseingang 7 gegenüberliegend.
Der Kanal 6 ist im Bereich des Gaseingangs 7 dicht
mit dem ersten Verschluß 4 verbunden.
Die dichte Verbindung des Kanals 6 auf dem ersten Verschluß 4 wird
durch das Festziehen, beispielsweise einer Graphitdichtung, mit
den Befestigungsmitteln 35 sichergestellt.
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Der
Gaseingang 7 dient der Versorgung des Reaktors 1 mit
Trägergasen
und Ausgangsstoffgasen. Der erste Verschluß 4 ist auch mit einer
Gasdurchführung 44 ausgestattet,
die in Bezug auf die Symmetrieachse senkrecht zur Ebene der Scheibe, die
den ersten Verschluß 4 bildet,
verschoben ist und die zwischen dem Kanal 6 und der Röhre 3 mündet. Die
Gasdurchführung 44 gestattet
auch das Einführen
von Gas in den Reaktor 1. Die Gasdurchführung 44 gestattet
es, ein Gas zirkulieren zu lassen, das gegenüber allen im Reaktor 1 vorliegenden
Materialien und gegenüber
dem abzuscheidenden Material und den im Kanal 6 zirkulierenden
Gasen neutral ist, wobei dieses neutrale Gas einen eventuellen Rückfluß von Gasen,
die aus dem Prozeß stammen,
zu den außerhalb
des Kanals 6 liegenden heizenden Abschnitten verhindert.
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Vorzugsweise
besteht die Leitung 6 aus einem Material, das gleichzeitig
ein guter Wärmeleiter, elektrisch
gut isolierend, sehr feuerfest und chemisch sehr stabil ist und
das bei den verwendeten Temperaturen einen niedrigen Dampfdruck
hat, wobei gegebenenfalls eine vorab vorgenommene Abscheidung des
Materials, das dafür
vorgesehen ist, auf einem Substrat 10 in diesem Reaktor 1 aufgetragen
zu werden, auf der Innenseite der Wände 37, 38, 39, 40 des Kanals 6 durchgeführt werden
kann, um die Diffusion von eventuellen Ausgasungsprodukten während des normalen
Betriebs des Reaktors 1 zu minimieren.
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Ebenfalls
vorteilhafterweise, hat dieses Material eine gute mechanische Haltbarkeit,
um eine geringe Dicke der Wände 37, 38, 39, 40 des
Kanals 6 zu ermöglichen.
Die geringe Dicke dieser Wände 37, 38, 39, 40 gestattet
es, die Verluste durch Wärmeleitung
zu minimieren.
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Die
mechanische Haltbarkeit des Materials des Kanals ist ebenfalls wichtig,
damit dieser Kanal 6 nur über sein auf der Seite der
Verjüngung 36 befindliches
Ende und die Trägerplatte 41 getragen
werden kann.
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Das
Material, aus dem der Kanal 6 besteht, ist für eine Verwendung
bei Temperaturen unter 1200°C
vorteilhafterweise Bornitrid oder auch bei höheren Temperaturen, wenn das
Vorhandensein einer erhöhten
Stickstoffkonzentration nicht die erwartete Qualität des hergestellten
Materials beeinträchtigt.
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Für höhere Temperaturen
kann der Kanal 6 aus Graphit hergestellt sein. Im einen
Fall wie im anderen, kann der Kanal 6 innen in den heißesten Abschnitten
doppelwandig sein, und zwar durch einen sekundären Kanal aus einem feuerfesten
Material, beispielsweise einem feuerfesten Metall, das gegenüber den
im Kanal 6 zirkulierenden Gasen inaktiv und gegenüber dem
aufgetragenen Material nicht verunreinigend ist. Der Kanal 6,
unabhängig
davon, ob er aus Graphit oder Bornitrid ist, kann entweder durch pyrolitisches
Auftragen hergestellt werden oder durch Zusammensetzen und/oder
Kleben der verschiedenen Platten, die die Wände 37, 38, 39, 40 bilden,
sowie der Trägerplatte 41.
Der sekundäre
Kanal, wenn er vorhanden ist, verstärkt vorteilhafterweise innen
den Kanal 6 in kontinuierlicher Weise, das heißt, daß wenn er
aus Platten besteht, diese zusammengefügt sind und es keine Löcher in
diesen Platten gibt. Der sekundäre
Kanal besteht beispielsweise aus Wolfram, Tantal, Molybdän, Graphit
oder Bornitrid.
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Als
Beispiel ist die Dicke der Wände
des Kanals 6 kleiner oder gleich etwa 1 mm; die innere
Höhe des
Kanals 6 ist vorzugsweise kleiner als 30 mm; die Breite
des Kanals 6 ist gleich der Breite eines Substrats 10 oder
gleich der Summe der Breiten von Substraten 10, die bei
einer einzigen Abscheidung bearbeitete werden, plus etwa 1 cm zwischen
dem oder den Substraten 10 und den Wänden 39, 40.
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Der
Abschnitt des Kanals 6, der der Verjüngung 36 entspricht,
entspricht in etwa 1/5 der Gesamtlänge des Kanals 6.
Die Länge
des Abschnitts mit konstantem Querschnitt des Kanals 6 ist
gleich etwa fünf
mal dem Durchmesser oder der Länge des größten Substrats 10,
das verwendet werden soll, öder
fünf mal
der Summe der Durchmesser oder Längen
der Substrate 10, auf denen einen Auftragung im Verlauf
einer einzigen Operation durchgeführt werden kann. Dieser Abschnitt
des Kanals 6, der sich über
eine Länge
erstreckt, die dem Durchmesser oder der Länge eines Substrats oder der
Summe der Längen
oder der Durchmesser der Substrate entspricht, wird im nachfolgenden
als Abscheidungszone bezeichnet.
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Vorteilhafterweise
ist der Reaktor 1 mit ersten 8 und zweiten 9 Heizmitteln
ausgestattet, die im Bereich der Abscheidungszone angeordnet sind
und die sich auf beiden Seiten der Ebene des Subbtrats 10 befinden.
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Vorteilhafterweise
bestehen diese ersten 8 und zweiten 9 Heizmittel
aus freiliegenden Widerstandselementen, das heißt, daß das Material, aus dem die
ersten 8 und zweiten 9 Heizmittel bestehen, in
direktem Kontakt mit dem Gas ist, das zwischen dem Kanal 6 und
der Röhre 3 zirkuliert.
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Jedes
Widerstandselement, das dem ersten 8 bzw. dem zweiten 9 Heizmittel
entspricht, besteht aus einem Band, das heißt einem Element aus einer steifen
Platte, oder einem Streifen, das oder der parallel zu den unteren 37 und
oberen 38 Wänden
des Kanals 6 flach angeordnet ist (2). Dieser
Streifen oder diese Band hat eine angepaßte Form, damit in der Abscheidungszone
die Abstände
zur mittleren Temperatur auf der Oberfläche des für die Auftragung vorgesehenen
Substrats 10 minimiert werden. Ebenfalls vorzugsweise sind
diese Abstände
kleiner als 3°C.
Vorzugsweise hat jedes Widerstandselement eine Abmessung in der
Richtung parallel zur Breite des Kanals 6, die in etwa
gleich dieser letzteren ist. Die Abmessung jedes Widerstandselements
in der Richtung parallel zur Länge
des Kanals 6 ist in etwa gleich zwei mal der Länge der
Abscheidungszone. Dies ist so, um die Gleichförmigkeit des Temperaturfelds
in der Abscheidungszone zu optimieren. Vorzugsweise ist jedes Band
oder jeder Streifen eines Widerstandselements aus zueinander in
der Längsrichtung
der Röhre 3 parallelen
Bändern
gebildet, die abwechselnd paarweise am einen oder am anderen ihrer
Enden miteinander verbunden sind, derart, daß sie eine Zickzackform bilden.
Andere Formen sind denkbar, wie etwa eine Spiralform.
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Jedes
Widerstandselement kann ein Widerstandslängsprofil haben, das beispielsweise
erhalten wird, indem seine Dicke derart angepaßt verändert wird, daß in der
Abscheidungszone die Ausbildung eines kontrollierten Temperaturprofils
begünstigt wird.
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Jedes
der Widerstandselemente hat in der Abscheideungszone einen großen Füllfaktor,
damit deren Temperatur so wenig wie möglich über der lokal gewünschten
Temperatur bleibt.
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Der
Raum zwischen den Bändern
der Widerstandselemente ist ausreichend, um einen Lichtbogen oder
einen Kurzschluß zu
vermeiden, er ist jedoch auch ausreichend klein, um eine akzeptable Homogenität des Temperaturfelds
beizubehalten und damit es nicht notwendig ist, daß seine
Temperatur viel höher
ist als diejenige des Kanals, die selber diejenige ist, bei der
die Abscheidung stattfindet. Vorzugsweise werden die ersten 8 und
zweiten 9 Heizmittel mit einer Spannung von weniger als
oder gleich 240 Volt und noch bevorzugter von weniger als oder gleich
100 oder 110 Volt versorgt.
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Gegebenenfalls
bestehen die ersten 8 und zweiten 9 Heizmittel
jedes aus mehreren Widerstandselementen vom oben beschriebenen Typ.
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Vorteilhafterweise
sind die Widerstandselemente aus einem elektrisch leitenden und
feuerfesten Material realisiert, das bei den verwendeten Temperaturen
einen sehr geringen Dampfdruck hat. Dieses Material kann beispielsweise
Graphit, ein Metall, wie Tantal oder Wolfram, oder auch eine feuerfeste Legierung
etc. sein. Vorzugsweise handelt es sich um Graphit von großer Reinheit.
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Die
ersten 8 und zweiten 9 Heizmittel werden unabhängig voneinander
mit Strom versorgt, derart, daß sie
auf unterschiedliche Temperaturen gebracht werden können. Es
kann auch ein Temperaturgradient senkrecht zur Ebene des Substrats 10 erzeugt werden.
Dieser Gradient kann durch eine unabhängige Steuerung der auf eines
der ersten 8 oder zweiten 9 Heizmittel angewendeten
elektrischen Leistung einen positiven oder negativen Wert haben
oder Null sein.
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Die
ersten 8 oder die zweiten 9 Heizmittel können außerhalb
des Kanals 6 im Bereich der Auftragungszone auf Kontakt
an die untere 37 bzw. obere 38 Wand angewendet
werden. Gemäß einer
Variante, sind diese jedoch jeweils in einem Abstand von 1 bis 3
mm von einer der unteren 37 bzw. oberen 38 Wände außerhalb
des Kanals 6 angeordnet. Die ersten 8 und die
zweiten 9 Heizmittel werden durch elektrisch isolierende
und thermisch leitende Halteplatten 12, 13 gegen
die untere 37 und obere 38 Wand gedrückt gehalten.
Für den
Fall, daß der
Kanal 6 nicht aus einem elektrisch isolierenden Material
besteht, ist es notwendig, zwischen den Kanal 6 und die
ersten 8 und zweiten 9 Heizmittel ein elektrisch
isolierendes zwischengeschaltetes Material zu setzen, um jeden elektrischen
Kontakt zu vermeiden, insbesondere in der heißen Zone, wenn sehr hohe Temperaturen erreicht
werden müssen.
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Diese
Halteplatten 12, 13 können aus Bornitrid bestehen
und etwa 1 mm Dicke haben oder auch weniger. Es ist auch besonders
interessant, die Halteplatten 12, 13 an den kältesten
Enden der Elemente des Kanals 6 einzuschließen, um
die Zersetzung des Bornitrids und die Bildung von Stickstoff zu
vermeiden. Es können
Futterale aus Bornitrid, die dafür vorgesehen
sind, Thermoelemente 51 aufzunehmen, auf die Halteplatten 12, 13 geklebt
werden, sie können
jedoch auch über
den ersten 8 und zweiten 9 Heizmitteln frei sein.
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Diese
Thermoelemente 51 (die in den 1 bis 3 nicht
dargestellt sind) dienen dazu, die Temperatur des Kanals 6 zu
messen, sie zu regeln und deren Homogenität in der Abscheidungszone zu kontrollieren.
Sie sind für
Temperaturen unter 1700°C einsetzbar
(für Temperaturen über 1700°C muß die Temperatur
durch optische Pyrometrie oder durch kontaktlose Thermoelemente
gemessen werden). Die warme Schweißverbindung dieser Thermoelemente 51 befindet
sich außerhalb
des Kanals 6, möglichst
nahe an den ersten 8 und zweiten 9 Heizmitteln.
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Wie
in 2 dargestellt ist, werden die ersten 8 und
zweiten 9 Heizmittel sowie die Halteplatten 12, 13 durch
Gestelle 16, 17 zusammen und gegen den Kanal 6 gehalten.
Jedes Gestell 16, 17 besteht aus zwei Halbscheiben,
die zueinander parallel sind und die durch Stangen verbunden sind,
die zu ihnen senkrecht verlaufen. Der Durchmesser der Scheiben, die
aus zwei Halbscheiben bestehen, ist ein wenig kleiner als der Innendurchmesser
der Röhre 3.
Der geradlinige Rand der beiden Halbscheiben liegt in einer horizontalen
Ebene. Jeder geradlinige Rand jeder Halbscheibe umfaßt Einkerbungen,
die dafür
eingerichtet sind, eine Halteplatte 12 oder 13,
die ersten 8 oder die zweiten 9 Heizmittel aufzunehmen,
sowie eine Hälfte
der Höhe
des Kanals 6. Die Widerstandselemente der ersten 8 und
zweiten 9 Heizmittel werden durch die Gestelle 16, 17 vom
Kanal 6 isoliert gehalten.
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Wenn
der Kanal 6 aus Graphit ist, das heißt wenn er leitend ist, können die
ersten 8 und zweiten 9 Heizmittel aus steifem
Graphit sein. Sie sind dann vom Kanal 6 durch Blöcke, beispielsweise
aus Bornitrid, elektrisch isoliert, die sie vom Kanal 6 auf
einige Millimeter Abstand halten. Die Blöcke können an den Enden der ersten 8 und
zweiten 9 Heizmittel befestigt sein und sie werden damit
nicht zu sehr aufgeheizt. Eine oder mehre Ummantelungen aus Graphit
oder Bornitrid können
auf den Flächen
des Kanals 6 befestigt werden, um Thermoelemente aufzunehmen, die
selbst in feuerfesten und elektrisch isolierenden Ummantelungen
isoliert sind.
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Die
Ausdehnung dieser Gestelle 16, 17 in der Richtung
parallel zur Längsachse
des Kanals 6 entspricht ungefähr der Länge der ersten 8 und
zweiten 9 Heizmittel in dieser Richtung.
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Diese
Gestelle 16, 17 werden bezüglich seiner Längsrichtung
ungefähr
in der Mitte des Kanals 6 plaziert.
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Vorteilhafterweise
sind die Halbscheiben der Gestelle 16, 17 in Kontakt
mit dem Kanal 6 und zwar in dessen kühlen Abschnitten.
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Thermische
Schilde 14, 15 sind auf beiden Seiten der ersten 8 und
zweiten 9 Heizmittel und außerhalb von diesen letzteren
plaziert. Genauer befinden sich thermische Schilde 15 zwischen
der Innenwand der Röhre 3 und
dem gekrümmten
Abschnitt der Halbscheiben, die die Gestelle 16, 17 bilden.
Sie erstrecken sich unter der Innenseite der Röhre 3, jedoch ohne
Kontakt mit dieser, auf konzentrische Weise und um die Heizzone
herum. Weitere thermische Schilde 14 sind zwischen den
Halteplatten 12, 13 und den vorhergehenden 15 angeordnet.
Diese thermischen Schilde 14, 15 sind aus zwei
oder drei dünnen Folien
aus poliertem, reflektierendem und feuerfestem Metall, die etwa
Tantal, Molybdän
etc. zusammengesetzt. Der äußerste thermische
Schild 14 oder 15 liegt einige Millimeter von
der Innenwand der Röhre 3 entfernt.
Dieser Aufbau in Längsrichtung,
mit den ersten 8 und zweiten 9 Heizmitteln im
Inneren der Röhre 3,
in Kontakt mit dem Kanal 6, und zwei oder drei thermischen
Schilden 14, 15 begrenzt deutlich die Verluste
durch Strahlung, die sonst sehr groß wären bei hohen Temperaturen,
wie denjenigen, die für das
Abscheiden von Siliziumkohlenstoff benötigt werden.
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Die
Halbscheiben der Gestelle 16, 17 bestehen aus
einem thermisch und elektrisch isolierenden Material. Damit sind
die thermischen Schilde 14, 15 untereinander und
von den Heizmitteln 8, 9 thermisch und elektrisch
isoliert.
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Die
Einheit, die aus dem Kanal 6, den ersten 8 und
zweiten 9 Heizmitteln, den Halteplatten 12, 13, den
Gestellen 16, 17, die alle diese Elemente zusammenhalten,
sowie den thermischen Schilden 14, 15 besteht,
wird in der Röhre 3 angeordnet.
Diese Einheit begrenzt die Gaszirkulation außerhalb des heißen Abschnitts
des Kanals und trägt
damit dazu bei, die thermischen Verluste zu begrenzen.
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Vorteilhafterweise
werden zwei Scheiben 18, 19 zwischen den Gestellen 16, 17 und
dem Ausgangskreuz 5 senkrecht zur Achse der Röhre 3 angeordnet.
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Wie
in 3 dargestellt, sind diese Scheiben 18, 19 mit
einer zentralen rechteckigen Öffnung
ausgestattet, deren Fläche
ungefähr
der Querschnittsfläche
des Kanals 6 entspricht, derart, daß diese Scheiben 18, 19 auf
den Kanal 6 geschoben werden können. Diese Scheiben 18, 19 umfassen
auch Löcher außerhalb
der zentralen Öffnung,
die für
die Durchführung
der zweiten Stromzuleitungen 20, 21 und der Leitungen
der Thermoelemente 51 vorgesehen sind. Die eine 19 dieser
Scheiben 18, 19 ist im Ausgangskreuz 5 angeordnet.
Die andere 18 dieser Scheiben 18, 19 ist
zwischen der Scheibe 19 und den Gestellen 16, 17 angeordnet.
Diese Scheiben 18, 19 haben als Aufgabe, den Kanal 6,
die zweiten Stromzuleitungen 20, 21 und die Leitungen
der Thermoelemente 51 zusammenzuhalten, sowie diejenige,
den Gasaustausch zwischen dem Inneren des Kanals 6 und
dem Raum, der sich zwischen dem Kanal 6 und der Röhre 3 befindet,
zu begrenzen. Jedoch müssen
die Scheiben 18, 19 einen Durchgang für die Gase
aus dem Ausgang des Kanals 6 zwischen dem Innenraum des Kanals 6 und
dem Raum, der sich zwischen dem Kanal 6 und der Röhre 3 befindet,
gestatten, derart, daß der
Druck auf beiden Seiten der Wände 37, 38, 39, 40 ausgeglichen
ist. Indem somit der Druck auf beiden Seiten der Wände 37, 38, 39, 40 ausgeglichen wird,
ist es möglich,
diese letzteren mit einer geringen Dicke zu realisieren.
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Die
Paare der zweiten Stromzuleitungen 20, 21 sind
an die ersten Stromzuleitungen 22, 23 über die
Anschlüsse 24, 25 angeschlossen.
Die Thermoelemente 51 sind auch mittels in der Hülle 2 angeordneten
Anschlüssen
an den Außenraum
der Hülle 2 angeschlossen.
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Die
Scheiben 18, 19 können aus einem thermisch und
elektrisch isolierenden jedoch nicht notwendigerweise sehr feuerfesten
Material gebildet sein.
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Die
hermetisch dichte Klappe 28 deckt eine Öffnung ab, deren Breite ungefähr gleich
derjenigen des Kanals ist. Diese Öffnung befindet sich in der Achse
des Kanals 6. Sie gestattet das Einbringen und Herausnehmen
des Substrats 10. Gegebenenfalls ist an den dritten Verschluß 27 eine
Schleusenkammer angeschlossen, um zu vermeiden, daß der Reaktor 1 während der
Operationen des Einbringens und Herausnehmens des Substrats 10 mit
der Luft in Verbindung kommt.
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Die
Substrate 10 werden vorteilhafterweise in den Reaktor 1 mittels
eines Substratträgers 29 eingebracht.
Der Substratträger 29 besteht
vorteilhafterweise aus einem thermisch gut leitenden Material, derart,
daß er
eine geringe Wärmeträgheit hat.
Vorzugsweise ist dieser Substratträger 29 aus Bornitrid realisiert,
er kann jedoch auch beispielsweise aus Graphit sein. Der Substratträger 29 wird
in den Reaktor 1 durch ein Handhabungsgerät mit Zangen
eingeführt,
das auf den Führungen 30, 31 gleitet.
Dieses Handhabungsgerät
besteht aus einer dünnen
und steifen Röhre
koaxial zur Achse des Kanals 6, einer langen Gewindestange
im Inneren dieser Röhre,
die fest mit der Seite des Reaktors 1 verbunden ist, und zwei
symmetrischen Zangenelementen, die um ein vertikales Scharnier gelenkig
beweglich sind, wobei das äußere Ende
der Gewindestange in eine frei drehende Einpreßmutter eingeschraubt ist.
Durch das Drehen der Mutter zieht sich die Gewindestange zurück und die
Zange schließt
sich fest um einen vertikalen Abschnitt des Substratträgers 29.
Das Handhabungsgerät
kann dann entlang der Führungen 30, 31 bewegt
werden, um den Substratträger 29 einzuführen oder
herauszunehmen. Auf dem Handhabungsgerät kann ein Nocken vorgesehen
werden, um es zu gestatten, die Zange anzuheben, wenn diese in ihrer Position
im Inneren des Kanals 6 den Substratträger 29 ergriffen hat,
derart, daß dieser
nicht an der Innenseite der Wand 37 reibt.
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Vor
der Inbetriebnahme des Reaktors 1 wird eine Auftragung
des Hauptprodukts, für
das der Reaktor 1 vorgesehen ist, im Kanal 6 ohne
Substrat 10 und ohne Substratträger 29 aufgetragen,
und dies nach einer verstärkten
Entgasung, bei einer höheren Temperatur
als der gewöhnlichen
Abscheidungstemperatur und einer guten Durchströmung mit dem Trägergas.
Diese Phase kann von einer analogen Auftragung auf dem Substratträger 29 ohne
Substrat 10 gefolgt werden. Der Reaktor ist danach für den Einsatz
bereit.
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Das
Verfahren und der Reaktor gemäß der Erfindung
können
in zahlreichen Varianten ausgeführt
werden.
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Obenstehend
wurden erste 8 und zweite 9 Widerstandsheizmittel
beschrieben. Dieser Heizmitteltyp gestattet es, auf Temperaturen über 1750°C zu steigen
und dies mit einem geringen Materialeinsatz und einem geringeren
Energieverbrauch als bei Verfahren und Reaktoren des Stands der
Technik. Es können
jedoch auch andere Typen von Heizmitteln 8, 9 vorgesehen
werden, selbst wenn diese weniger vorteilhaft erscheinen, wie etwa
Mittel zum Heizen durch Induktion, Heizmittel, bei denen die ersten 8 und
zweiten 9 Heizmittel nur eine einzige Vorrichtung bilden,
die vollständig
um den Kanal 6 herum angeordnet ist, etc.
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In 4 ist
eine weitere Ausführungsform des
Reaktors 1 gemäß der Erfindung
dargestellt. Gemäß dieser
Ausführungsform
umfaßt
der Reaktor 1 eine Hülle 2,
die aus zwei konzentrischen Röhren 3, 103 aus
rostfreiem Stahl gebildet wird, deren gemeinsame Drehachse horizontal
ist. Im Raum zwischen diesen beiden Wänden dieser Röhren 3, 103 zirkuliert
ein Kühlungsfluid.
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In
der Gaseintrittsachse 7 ist ein Strahlregler 50 montiert,
derart, daß das
Erreichen einer guten Gleichförmigkeit
der Geschwindigkeit der Gase begünstigt
wird. Gegebenenfalls kann auch der Gasdurchgang 44 mit
einem Strahlregler ausgestattet werden.
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Ein
Mechanismus 60, der von einer Welle 61, die durch
eine dichte Durchführung 62 verläuft, und eine
gleitende Kupplung 63 angetrieben wird, gestattet die Rotation
des Substrats 10, um eine größere Gleichförmigkeit
der Auftragung sicherzustellen.
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Alle
elektrischen und Fluidverbindungen am dritten Verschluß 27 und
am ersten Verschluß 4 sind ausreichend
lang und biegsam, um diese über
etwa das zweifache der Länge
des Kanals 6 verschieben zu können. Vorteilhafterweise können die
Anschlüsse
auch nur am ersten Verschluß 4 ausgeführt werden.
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Der
erste Verschluß 4 ist
fest mit einem Schlitten verbunden, der einen vertikalen Träger 64 und
einen horizontalen Träger 65 umfaßt.
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Der
horizontale Träger 65 kann
parallel zur Achse der Röhre 3 auf
einer nicht dargestellten Rollbahn verschoben werden. Zur Montage
der Einheit des Kanals 6 und seiner Ausrüstungen,
ist der erste Verschluß 4 offen,
wobei die Röhre 3 fest
mit dem Kreuz 5 verbunden bleibt.
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Zum
Laden oder Entfernen eines Substrats 10 besteht die Wahl
zwischen dem Öffnen
des dritten Verschlusses 27 oder dem Trennen der Röhre 3 vom Kreuz 5.
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Die
Substrate 10 werden durch einen Substratträger 29 aus
Graphit in die Abscheidungszone eingebracht und dort gehalten, wobei
dieser auf der in Bezug auf den Gasfluß stromabwärts liegenden Seite um einige
Grad angehoben werden kann, derart, daß im Kanal 6 in einer
vertikalen Ebene einer größere Projektionsfläche bereitgestellt
wird. Der Substratträger
besteht beispielsweise aus einer Scheibe mit einer Randleiste. Die
Randleiste hat vorteilhafterweise eine größere Höhe als die Höhe des Substrats 10.
Der Substratträger 29 kann
das Substrat 10, das er trägt, in Drehung versetzen, derart,
daß eine
bessere Gleichförmigkeit
der Auftragung bereitgestellt wird. Dies geschieht vorteilhafterweise über eine
mechanische Übertragung,
die aus einem konischen Zahnrad mit horizontaler Achse besteht,
das fest mit der Achse 61 verbunden ist, die ihrerseits durch
einen außerhalb
des Reaktors 1 liegenden Motor mit einer variablen Geschwindigkeit
gedreht wird, was eine Rotationsgeschwindigkeit des Substrats bereitstellt,
die bis zu 10 Umdrehungen pro Sekunde gehen kann.
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Gemäß einer
nicht dargestellten vorteilhaften Variante des Reaktors gemäß der vorliegenden Erfindung,
umfaßt
dieser erste 8 und zweite Heizmittel, die gegeneinander
in der Längsrichtung
des Kanals 6 verschoben sind. Dies gestattet es ebenfalls, die
Temperaturverteilung auf der ganzen Substratfläche zu homogenisieren, indem
die Ausbildung eines Plateaus im Längsprofil der Temperatur begünstigt wird.
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Gemäß einer
weiteren vorteilhaften Variante ist der Mittelpunkt des Substrats 10 auf
dem Substratträger 29 in
der Stromabwärtsrichtung
des Gasflusses verschoben, in der Zone der ersten 8 und zweiten 9 Heizmittel,
ohne daß das
Substrat 10 jedoch aus dieser Zone herauskommt.
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Gemäß noch einer
weiteren Variante, die in 5 dargestellt
ist, besteht der sekundäre
Kanal aus abnehmbaren Platten 70, die durch Gleiten in nicht
dargestellten Rillen des Kanals 6 leicht eingefügt und herausgezogen
werden können.
Diese Platten 70 sind nützlich,
um den Kanal 6 außerhalb
des oder der Substrate 10 vor den Abscheidungen zu schützen. Sie
können
einfach gewartet werden und sie bestehen vorteilhafterweise aus
Graphit, aus Bornitrid oder aus einem anderen feuerfesten Material, das
mit der Temperatur des Verfahrens und dem Umgebungsmilieu verträglich ist.
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Gemäß einer
weiteren vorteilhaften Variante, die auch in 5 dargestellt
ist, kann die Temperatur durch Fasern 71 optischer Pyrometer
gemessen werden, die sich in Ummantelungen, die fest mit dem Kanal 6 verbunden
sind, und zwischen dem Kanal 6 und den ersten 8 und
zweiten 9 Heizmitteln befinden, anstatt durch Thermoelemente 51,
und zwar zur Erhöhung
der Lebensdauer der Mittel zur Temperaturmessung.
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Das
Verfahren gemäß der Erfindung
gestattet es, die zuvor genannten Vorteile zu erhalten und gleichzeitig
ein Verunreinigungsgrad in den erhaltenen Schichten beizubehalten,
der gleichwertig mit denjenigen der Schichten ist, die mittels der
Verfahren und Reaktoren des Stands der Technik erhalten werden.
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Ein
Verfahren und ein Reaktor gemäß der Erfindung
sind besonders gut für
das Wachstum von Schichten von Siliziumkohlenstoff oder Aluminiumnitrid
auf Substraten 10 geeignet.