FI91422B - Menetelmä ja laitteisto nestemäisten reagenssien syöttämiseksi kemialliseen reaktoriin - Google Patents

Description

91422

Menetelmä ja laitteisto nestemäisten reagenssien syöttämiseksi kemialliseen reaktoriin 5 Esillä oleva keksintö koskee patenttivaatimuksen 1 johdannon mukaista menetelmää nestemäisten reagenssien syöttämiseksi kemialliseen reaktoriin, jossa reagenssit ovat kaasufaasissa.

Tällaisen menetelmän mukaan ainakin yhden reagenssin ennalta 10 valittu määrä (materiaalivuo) syötetään höyrystimeen, jossa sen annetaan höyrystyä, minkä jälkeen höyry johdetaan kemialliseen reaktoriin, jossa reagenssi saatetaan reagoimaan reaktorissa olevan substraatin tai muiden lähtöaineiden kanssa.

15 Keksintö koskee myös patenttivaatimuksen 9 johdannon mukaista laitteistoa nestemäisten reagenssien höyrystämiseksi ja annostelemiseksi kemialliseen reaktoriin.

Ohutkalvoja valmistetaan kemiallisissa reaktoreissa, joissa 20 reagenssit tuodaan kaasufaasissa reaktiotilaan ja saatetaan reagoimaan tasomaisen substraatin kanssa. Usein reagensseina käytetään huoneenlämpötilassa nestemäisiä aineita, jotka höyrystetään erillisessä höyrystimessä ennen kuin ne johdetaan reaktoriin.

25

Tunnetun tekniikan mukaisista höyrystysmenetelmistä mainittakoon erityisesti CVD-ohutkalvoprosessien (Chemical Vapor Deposition) yhteydessä sovellettava kuplitusmenetelmä. Sanotussa menetelmässä käytetään lähdettä, jossa vakiolämpötilas-30 sa olevan nesteen läpi kuplitetaan kantajakaasua vakiona tilavuusvirtauksena. Tämän tyyppistä lähdettä käytettäessä hallitaan annostelua nesteen lämpötilalla, joka määrää höy-rynpaineen, sekä kantajakaasun tilavuusvirtauksella, jolla määritetään siirtonopeus.

35 Tähän tunnettuun tekniikkaan liittyy kuitenkin eräitä epäkohtia. Niinpä jotta annostelu olisi esitetyn kaltaisella kupli-tuslähteellä tarkkaa, on nesteen lämpötila kyettävä pitämään vakiona halutussa lämpötilassa. Samoin on kantajakaasun 2 tilavuusvirtaus on säädettävä tarkasti. Vaikka nämä parametrit olisivatkin kunnossa, jää siirtyvään ainemäärään keskeisesti vaikuttavaksi, mutta vaikeasti hallittavaksi tekijäksi kuplittajasta poistuvan kantajakaasun kylläisyysaste. Siihen 5 vaikuttavat mm. kuplakoko ja kuplan matka nesteen sisässä, siis lähteen täyttöaste. Lisäksi lähteeseen syötetyn kantaja-kaasun lämpötila on pidettävä vakiona, jotta kylläisyysaste pysyisi vakiona. Muutettaessa lähteen parametreja, ei kylläi-syysasteen muutosta pystytä tarkasti ennakolta arvioimaan, 10 joten lähteestä poistuvaa ainemäärään haluttuja muutoksia ei voi hallita tarkasti ilman lähteen laajaa ja perusteellista karakterisointia.

wo-hakemusjulkaisusta 91/19017 tunnetaan edellä esitetystä 15 poikkeava ratkaisu nestemäisten reagenssien höyrystämiseksi.

Tunnetun tekniikan mukainen menetelmä pitää sisällään sen, että reagenssit johdetaan hallittuna ja virtausnopeudeltaan tarkkaan säädettynä nestevirtana paisuntaventtiiliin, jossa nestemäinen reagenssi höyrystyy, minkä jälkeen muodostunut 20 höyry johdetaan alipaineessa pidettyyn reaktoriin. Paisunta- venttiilin suuttimen koko on tällöin säädettävissä nestemäisen reagenssin paineen mukaan nestevirtauksessa esiintyvien vaihteluiden poistamiseksi ja kaasufaasivirran yhtenäisyyden parantamiseksi. Tämäkään ratkaisu ei kuitenkaan toimi hyvin 25 mikäli nestesyötössä on suuria ja äkillisiä vaihteluita.

Lisäksi paisuntaventtiilin suutinaukko on tukkeutumisaltis ja liikkuvana osana herkkä toimintahäiriöille.

Esillä olevan keksinnön tarkoituksena on poistaa tunnettuun 30 tekniikkaan liittyvät epäkohdat ja saada aikaan aivan uuden lainen ratkaisu nestemäisten reagenssien syöttämiseksi kaasu-faasissa olevia reagensseja käyttäviin kemiallisiin reaktoreihin.

35 Keksinnön yhteydessä on todettu, että ohutkalvojen valmis tuksessa tarvittavien nestekemikaalien määrät ovat niin pieniä, että niiden pumppaaminen höyrystimeen tasaisena 3 91422 virtauksena on pisaroita muodostavien pintajännitysvoimien vuoksi vaikeaa.

Tästä syystä esillä olevan keksinnön mukainen ratkaisu perus-5 tuu siihen ajatukseen, että käytetään höyrystintä, joka kykenee toimimaan höyrystettävän nesteen puskurivarastona nestevirran syötössä esiintyvien virtausvaihteluiden tasoittamiseksi. Keksinnön mukainen höyrystin koostuu tällöin ainakin osittain huokoisesta, kostuvasta materiaalista, joka 10 estää pisaranmuodostumisen imemällä nesteen itseensä.

Täsmällisemmin sanottuna keksinnön mukaiselle menetelmälle on pääasiallisesti tunnusomaista se, mikä on esitetty patenttivaatimuksen 1 tunnusmerkkiosassa.

15

Keksinnön mukaiselle laitteistolle on puolestaan tunnusomaista se, mikä on esitetty patenttivaatimuksen 9 tunnusmerkki-osassa.

20 Tämän hakemuksen puitteissa tarkoitetaan huokoisella, kostu valla materiaalilla sellaista ainetta, jonka huokoskoko on niin pieni, että nesteen ja huokosten väliset voimat (esim. kapillaarivoimat ja koheesiovoimat) ovat nesteen pintajännitystä suuremmat, jolloin neste pääsee tunkeutumaan huokosten 25 sisään ja leviämään aineen läpi. Huokosten maksimikoot vaih- televat käytettävän reagenssin mukaan, mutta ovat tyypillisesti 0,1 nm...100 nm, edullisesti noin 1...30 nm. Sopivimmin huokoinen materiaali on valmistettu epäorgaanisesta aineesta, joka on inertti reagenssin suhteen, kuten keraamisesta tai 30 mineraalisesta aineesta. Tyypillisinä esimerkkeinä mainitta koon erilaiset silikaattipohjäiset materiaalit. Huokoinen kappale voidaan myös valmistaa grafiitista, jonka kyky johtaa lämpöä on monessa suhteessa edullista keksinnön mukaan toimittaessa. Huokoisen materiaalin valmistusaineista mainitta-35 koon vielä erilaiset karbidit, kuten piikarbidi.

Huokoinen materiaali voi olla muotoiltu mihin tahansa sopi- 4 vaan geometriseen muotoon. Materiaalin pinta/tilavuus-suhde valitaan sen mukaan, miten suurta puskurivarastoa tarvitaan höyrystettävää ainetta varten, eli miten paljon vaihteluita nestesyötössä esiintyy. Tavallisesti, kuten alla lähemmin 5 esitetään, höyrystimeen syötettävä nestevirtaus pyritään pitämään erittäin tasaisena, jolloin huokoisen materiaalin pinta sopivimmin on varsin suuri. Alla esitettävässä esimerkissä höyrystävä materiaali on muotoiltu sauvamaiseksi, jolloin sen poikkileikkaus nesteen syöttösuunnassa on ympyrän 10 muotoinen. Haluttaessa huokoinen materiaali voidaan kuitenkin myös muotoilla esim. levymäiseksi, kartiomaiseksi tai pallomaiseksi. Huomautettakoon vielä, että käsitteellä "pinta" tarkoitetaan huokoisen materiaalin muodostaman kappaleen geometrista pintaa, nk. verhopintaa.

15

Imeytetty reagenssi höyrystetään huokoisesta materiaalista siirtämällä siihen tarvittavaa höyrystysenergiaa. Tavallisesti ja edullisesti tämä tapahtuu siten, että huokoiseen aineeseen tuodaan sopivasta lämpölähteestä lämpöenergiaa. Tasainen 20 ja tehokas lämmöntuonti höyrystimeen on tärkeää, koska rea genssi sitoo höyrystyessään runsaasti lämpöä, ja se voidaan saada aikaan käyttämällä vakiolämpötilassa pidettävää lämpö-lähdettä .

25 Keksinnön edullisessa sovellutusmuodossa höyrystyksen ai kaansaamiseksi huokoisen materiaalin ympärille on järjestetty lämmityselimiä, jotka kohdistavat lämpöenergiaa materiaaliin, josta se siirtyy nesteeseen. Lämpöenergian vaikutuksesta neste höyrystyy huokoista materiaalia ympäröivään tilaan, 30 josta se kuljetetaan edelleen reaktoriin esim. kantajakaasun avulla. Lämpöenergiaa tuodaan höyrystimeen niin paljon, että neste saadaan höyrystymään oleellisesti tasaisena kaasuvirta-na huokoisesta materiaalista.

35 Lämmityseliminä voidaan esimerkiksi käyttää erilaisia sätei- lylämmittimiä, kuten sähkövastuslämmittimiä. Lämmittimet voidaan myös järjestää huokoisen materiaalin sisään muodosta- 5 91422 maila siihin aukkoja tai reikiä, joihin lämmityselimet sijoitetaan. Kuten yllä mainittiin, lämmityselimiä pidetään edullisesti vakiolämpötilassa.

5 Erään edullisen sovellutusmuodon mukaan huokoinen materiaali muodostetaan sylinterivaipan muotoisen keskeisen ensimmäisen esim. sauvamaisen lämmityselimen ympärille, josta lämmitys-elimestä lämpö siirtyy johtumalla huokoiseen materiaaliin. Sylinterivaipan ulkopuolelle järjestetään höyryn virtauksen 10 tarvitsema sola ja tämän toiselle puolelle sylinterivaipan muotoinen toinen lämmityselin, josta lämpö siirtyy säteile-mällä huokoiseen materiaaliin. Tässä sovellutusmuodossa on sopivimmin huolehdittava siitä, että toisen lämmityselimen avulla tuodaan niin paljon lämpöenergiaa höyrystimen ulko-15 vaippaan, että höyryn kondensoituminen vaipan sisäpintaan estyy.

Lämmitys voidaan myös järjestää siten, että huokoista materiaalia ympäröivään tilaan (höyrynvirtaussolaan) tuodaan läm-20 mintä kaasua, esim. lämmitettyä kantajakaasua, jolla höyryt kuljetetaan reaktoriin.

Muodostamalla höyrystin yhtenäiseksi kappaleeksi kemiallisen reaktorin syöttösuutinten kanssa lämpöenergiaa siirtyy höy-25 rystimeen suuttimesta myös johtumalla. Koska kemiallisen reaktorin syöttösuuttimet usein pidetään vakiolämpötilassa, on osoittautunut edulliseksi käyttää suuttimesta vapautuvaa hukkalämpöä höyrystimen lämmittämiseen.

30 Edellä mainittiin, että höyry viedään keksinnön erään edulli sen sovellutusmuodon mukaan reaktoriin kantajakaasun avulla. Keksinnön edullisessa sovellutusmuodossa höyrystin toimii samassa paineessa kuin kemiallinen reaktori. Niinpä yhdistettynä alla esitettävän esimerkin mukaiseen CVD-laitteistoon, 35 jota käytetään normaali-ilmanpaineessa, höyrystin toimii ilmakehän paineessa, jolloin sekä reagenssi että kantajakaasu tuodaan siihen samassa paineessa.

6

Haluttaessa höyrystetyn nesteen kuljetus voidaan myös järjestää yhdistämällä höyrystin suoraan käyttökohteeseen eli kemialliseen reaktoriin ja pitämällä tätä samassa paineessa kuin höyrystin, jolloin reagenssihöyryt siirtyvät vapaasti 5 reaktoriin, tai pitämällä reaktoria höyrystintä alemmassa paineessa, jolloin höyrystynyt reagenssi imetään reaktoriin.

Neste voidaan syöttää mihin kohtaan huokoista ainetta tahansa. Edullisesti huokoinen materiaali on kuitenkin järjestetty 10 ainakin oleellisesti pystysuoraan asentoon, jolloin neste tuodaan sen yläosaan, josta se leviää alaspäin painovoiman vaikutuksesta ja sivuille kapillaari- ja koheesiovoimien sekä muiden sentapaisten fysikaalisten voimien vaikutuksesta. Alla esitettävässä esimerkissä huokoinen materiaali on pysty-15 suoraan järjestetty sauva, jonka yläpäätyyn on muodostettu keskiakselin suuntainen aukko, johon neste voidaan syöttää. Syöttämällä neste keskiakselin suuntaisesti saadaan aikaan nesteen tasainen leviäminen sauvan poikkileikkauksen yli, jolloin nestettä höyrystyy tasaisesti ympäri sauvan.

20

Annostelun määrä ja sen tarkkuus on ensisijassa riippuvainen syötetyn nesteen virtausnopeudesta. Höyrystettävää ja höyrynä reaktoriin syötettävää reagenssimäärää kontrolloidaan säätämällä pumppausnopeutta, jolla nestemäistä reagenssia annos-25 teilaan höyrystinelementtiin. Pumpun pitää olla sellainen, että sillä saadaan tuotetuksi tasainen ja hallittu nestevir-taus, joka ei ole riippuvainen vastapaineesta. Tämän tyyppisiä pumppuja ovat esim. mäntä- ja letkupumput, joiden kapasiteetti muuttuu lineaarisesti pumpun kierrosluvun funktiona, 30 jolloin nestemäärän tarkka annostelu on mahdollista pumpun tehoa muuttamalla.

Kuten edellisestä on käynyt ilmi, huokoinen materiaali toimii nestemäisen reagenssin puskurivarastona, poistaa nesteen 35 syötön epätasaisuudet ja estää näin pisaranmuodostuksen aiheuttamasta vaihtelua höyrystimen ulostuloon. Keksinnön mukaan höyrystävää materiaalia operoidaan jatkuvuustilassa 7 91422 (steady state -tilassa). Tätä käsitettä selostetaan tarkemmin seuraavassa:

Neste muuttuu keksinnön mukaisessa höyrystinelementissä 5 höyryksi ja poistuu kantajakaasun mukana samalla nopeudella kuin sitä pumppaamalla syötetään. Jatkuvatoimisessa tilassa huokoisen materiaalin sisään syntyy tällöin pituus- ja sä-teettäissuuntaiset "märkyys"-gradientit, jotka riippuvat toisaalta pumppausnopeudesta ja toisaalta höyrystimen lämpö-10 tilasta tai oikeammin siitä lämpövuosta, joka siirtyy höyrys timen ulkopuolisesta lämmittimestä höyrystävään huokoiseen materiaaliin. Jatkuvuustilassa huokoinen materiaali sisältää puskurivaraston höyrystettävää nestettä. Sen määrä riippuu nesteen pumppausnopeudesta, lämmittimen lämpötilasta, sekä 15 huokoisen materiaalin geometrisista mitoista. Puskuri-varasto tasoittaa tehokkaasti lyhytaikaiset muutokset nesteen syötössä, joten pumppauksen tasaisuusvaatimukset lieventyvät oleellisesti .

20 Höyrystimen työskentelyalue on määriteltävissä seuraavasti: Μώ j = M^g jatkuvuustilassa

Mi», < 25

Mlt > 0 jossa: 30 M»,, = höyrystimeen pumpatun nesteen massavirta

Mow,* = höyrystimestä ulostulevan höyryn massavirta

Min,.max(T) = maksimi nesteen massavirta, jonka tietty höyrystin 35 pystyy lämmittimen lämpötilassa T höyrystämään.

Mst = höyrystimen sisältämä nesteen määrä jatkuvuustilassa (st = steady state).

40 Jos M»,, on suurempi kuin M^i^T) , ei koko höyrystimeen pum- δ

pattu nestemäärä ehdi haihtua, vaan höyrystimeen alkaa muodostua nestepisaroita. riippuu paitsi lämpötilasta T

myös höyrystimen dimensioista ja rakenteesta, tarkemmin sanoen siitä lämpövuosta, joka siirtyy lämmittimestä höyrys-5 timen huokoisen materiaalin kautta höyrystettävään nestee seen.

Kuviossa 3 on esimerkkinä esitetty alla kuvattavan sovellutusesimerkin mukaisen rakenteen omaavan höyrystimen kokeel-10 lisesti määritetyt Μ^,,^ίΤ) käyrät vedelle ja etanolille ja näiden seoksille.

Höyrystimen työskentelyalue on käyrän ja lämpötila-akselin rajoittama alue. Työskentelypistettä valittaessa tulee huo-15 lehtiä siitä, että pysytään käyrän alapuolella ja riittävällä etäisyydellä siitä.

Ellei höyrystettävä aine sinänsä termisen stabiiliutensa puolesta aseta rajoituksia lämpötilalle, voidaan höyrystimen 20 kapasiteettia suurentaa korottamalla yksinkertaisesti lämmit- timen lämpötilaa.

Ääritilanteessa, jossa M„ = 0, höyrystyy neste sitä mukaan kun se pumpataan höyrystimen yläpäähän huokoisen materiaalin 25 pysyessä kuivana. Tällöin ei muodostu lainkaan höyrystimen sisäistä puskuria, eikä höyrystin tasoita pumppauksessa tapahtuvia lyhytaikaisia vaihteluita. Höyrystimen käyttöpisteeksi on tästä syystä edullista valita lämpötila, jossa M,, on sopivan suuri. Kun lämmittimen lämpötilaa muutetaan pump-30 pausnopeuden pysyessä vakiona, hakeutuu höyrystin uuteen jatkuvatoimiseen tilaan, joka poikkeaa ensimmäisestä sikäli että M„(T2) & M„(T,), edellyttäen, että pysytään höyrystimen työskentelyalueella. Muutosvaiheen aikana M*,,. Mst muuttuu myös muutettaessa pumppausnopeutta vakiolämpötilassa, 3 5 kunnes uusi jatkuvatoiminen tila on saavutettu, eli: Μ,^Μ^) Μ,,ίΜίη,ι) . Msl:n mukana muuttuu efektiivinen haihduttava pinta.

9 91422

Jatkuvuustilan erityisenä etuna on se, että koska kaikki syötettävä neste menee kaasufaasiin, tislautumista ei tapah du. Niinpä keksinnön mukaisesti toimittaessa voidaan kaasu-faasiseoksia saada aikaan sekoittamalla vastaavat nesteet 5 keskenään ja haihduttamalla seos. Jatkuvuustilan ansiosta höyryn koostumus on sama kuin nesteseoksen myös siinä tapauksessa, että kyseessä ei ole atseotrooppinen nesteseos. Tämä antaa tunnettua tekniikkaa huomattavasti suuremmat vaihtelumahdollisuudet ohutkalvojen valmistuksessa.

10

Keksintöä ryhdytään seuraavassa lähemmin tarkastelemaan oheisten piirustusten avulla, jolloin kuviossa 1 on esitetty keksinnön mukaisen annostelulaitteen periaatekaavio, 15 kuviossa 2 on sivukuvantona esitetty keksinnössä käytettävän höyrystimen halkileikkaus, kuviossa 3 on esitetty kuvion 1 mukaisen höyrystimen kokeellisesti määritetyt M^^CT) käyrät vedelle ja etanolille ja näiden seoksille, 20 kuviossa 4 on esitetty normaali-ilmanpaineessa (atmosfääri sessä paineessa) toimivan CVD-laitteiston kaaviokuva ja kuviossa 5 on esitetty kaavio, josta käy ilmi, miten APCVD-laitteen suuttimiin syötetään reagenssejä keksinnön mukaisen menetelmän avulla.

25

Kuviossa 1 on esitetty keksinnön mukaiseen annostelu- ja höyrystysjärjestelmään kuuluvat osat: kaasunsyöttöjärjestelmä 1 kantajakaasulle, astia 2 nestemäiselle reagenssille, tarkkaan annosteluun yltävä pumppu 3 sekä höyrystin 4.

30

Kantajakaasuna käytetään samaa kaasua kuin reaktiossa, edullisesti jotain höyrystettävän reagenssin suhteen inerttiä kaasua, kuten typpeä tai argonia, tai ilmaa.

Soveltuen voidaan myös käyttää reagenssikaasua, kuten 35 happea. Kaasu johdetaan höyrystimeen 4, johon se voidaan syöttää alipaineisena tai normaali-ilmanpaineessa. Edullisesti kaasu syötetään höyrystimeen samassa paineessa, joka 10 vallitsee reaktorissa. Tarvittaessa nestemäisen reagenssin astia 2 pidetään inertin kaasun ilmakehän alla reagenssin hapettumisen estämiseksi.

5 Annostelusysteemin kontrolli perustuu siihen, että jatkuvuus- tilassa höyrystimestä 4 poistuu sama määrä ainetta höyrynä, kuin mitä siihen nesteenä pumpataan. Pumpun 3 säädettävyys ja tarkkuus ovat reagenssisyötön perusparametrejä. Pumppuna 3 käytetään edullisesti peristalttista pumppua tai mäntäpump-10 pua, jonka pumppausnopeutta säätämällä voidaan kontrolloida höyrystettävän ja höyrynä reaktoriin syötettävän reagenssin -määrää. Syöttämällä samanaikaisesti nestettä kahdesta tai useammasta nestelähteestä ja yhdistämällä nestevirrat ennen höyrystintä nesteseokseksi voidaan pumppujen avulla varsin 15 tarkkaan säätää muodostuvan nesteseoksen - ja siten höy- ryseoksen - koostumus.

Neste muuttuu jatkuvuustilassa (steady state) olevassa höy-rystinelementissä 4 höyryksi ja poistuu kantajakaasun mukana 20 samalla nopeudella kuin sitä pumppaamalla syötetään. Höyryn koostumus on sama kuin nesteen. Tässä ratkaisussa annostelun määrä ja sen tarkkuus on riippuvainen syötetyn nesteen virtausnopeudesta. Mahdolliset vaihtelut virtauksessa voidaan tasoittaa.

25

Kuviossa 2 on esitetty höyrystimen eräs edullinen sovellutus-muoto. Höyrystin käsittää putkenomaisen höyrystystilan 5, jonka yläosaan on muodostettu nesteen syöttöyhde 6 ja erillisenä haarana kantajakaasun syöttöyhde 7. Höyrystystilan 30 alaosaan on sovitettu höyrystetyn reagenssin poistoyhde 8.

Höyrystystilaan 5 on samankeskisestä järjestetty sintraamat-tomasta keraamisesta materiaalista, kuten borosilikaattila-sista, valmistettu kappale 9, joka alaosastaan on tuettu höyrystystilan 5 sisäpintaa vasten ja yläosastaan on yhdis-35 tetty nesteen syöttöyhteeseen 6 sovitettuun syöttöputkeen 10.

Kappale 9 on rakenteeltaan huokoinen ja sen huokosten koko on noin 10 nm. Syöttöputki on sovitettu huokoisen sauvan ylä- 11 91422 päätyyn muodostettuun aukkoon.

Tässä höyrystinmallissa höyrystettävä neste pumpataan huokoiseen materiaaliin 9, johon se imeytyy. Kantajakaasu syötetään 5 yhteen 7 kautta höyrystystilaan, jossa se virtaa huokoisen materiaalin ohi ja kuljettaa höyrystetyn aineen mukanaan käyttökohteeseen. Jatkuvatoimisessa tilassa syntyy huokoisen materiaalin sisään pituus- ja säteettäissuuntaiset "märkyys” gradientit, kuten yllä selostettiin.

10 Höyrystystilan 5 ympärille on järjestetty sähkövastuslämmit-timet 12 lämpöenergian tuomiseksi järjestelmään. Lämmittimet on sovitettu lämmittämään huokoisen sauvakappaleen 9 sen koko matkalta. Tavoitteena on, että kappaleeseen siirrettäisiin 15 riiittävä määrä lämpöenergiaa nestemäisen reagenssin höyrys- tämiseksi.

Esimerkki 20 Seuraavassa tarkastellaan keksinnön mukaisen menetelmän soveltamista läpinäkyvän johdeohutkalvon, fluorilla seostetun tinaoksidin (Sn02;F) , kasvatukseen APCVD-prosessilla (Atmospheric Pressure Chemical Vapor Deposition). Prosessissa käytetyt nestemäiset reagenssit ovat tinatetrakoridi (SnCl4) , 25 metanoli (CH3OH) ja vesi (H20) . Prosessissa käytetään lisäha- pettimena happea (02) ja kaasuseoksen laimentamiseen sekä kantajakaasuna typpeä (N2). Fluoriseostukseen käytetään triklorobromometaanikaasua (CF3Br) .

30 Kuviossa 4 on esitetty APCVD-laitteisto kaaviomaisesti. Lait teen pääosat ovat kuljetinhihna 21, jonka päälle kasvatus-alustat 22 ladotaan, uunikammio 23 ja lämmittimet 24 sekä reagenssisuuttimet 25, joilla kaasumaiset lähtöaineet tuodaan kontaktiin kasvatusalustojen 22 kanssa. Ohutkalvon kasvu 35 tapahtuu suuttimien alla.

APCVD-laitteessa kuljetushihnalle 21 ladotut lasisubstraatit 12 22 liikkuvat hiljalleen reagenssisuuttimien 25 ohi uunissa 24, jonka lämpötila on tyypillisesti n. 500 °C. Tinaoksidin APCVD-kasvatuksessa näitä suuttimia 25 on tavallisesti kaksi, jolloin ohutkalvon ominaisuuksien räätälöintimahdollisuudet 5 lisääntyvät, koska suuttimissa voidaan ajaa erilaisia kasva tusprosesseja. Laitteen kapasiteetti on myös suurempi kahdella suuttimella.

Hihnan 21 etenemisnopeus on tyypillisesti n. 25 cm/min.

10 Syötettyjen kemikaalien määrät ovat esimerkin luonteisesti:

Suutin 1 SnCl4 15 ml/h H20 3 0 ml/h CHjOH 25 ml/h 15 02 150 Sl/h N2 200 sl/h

Suutin 2 SnCl4 60 ml/h H2o 30 ml/h 2 0 02 2 0 0 sl/h CF3Br 60 sl/h N2 200 sl/h

Kantajakaasuna ja reagenssiseoksen laimentamiseen tarvittavan 25 typen määrä riippuu uunin 24 geometriasta ja dimensioista.

Yllä olevilla reagenssisyötöillä kasvaa 500 °C:ssa 30 cm:n levyiselle alustalle 1 μιη:η paksuinen Sn02;F-kalvo n. 25 cm:n matkalle minuutissa. Kalvon neliövastus on 10 - 20 Ω/neliö ja pinnan voimakkaan tekstuurin vuoksi se sirottaa tehokkaasti 30 valoa näyttäen visuaalisesti maitomaisen samealta.

Kuviossa 5 on kaavamaisesti esitetty miten yo. prosessi on toteutettu edullisesti käyttäen hyväksi keksinnön mukaista nestemäisten kemikaalien höyrystys- ja annostelumenetelmää.

Yllä olevat nestekemikaalimäärät ovat niin pieniä, että niiden pumppaaminen höyrystimeen tasaisena virtauksena on 35 13 91422 pisaroita muodostavien pintajännitysvoimien vuoksi vaikeaa. Edellä kuvatussa höyrystimessä 5-12, jota kuviossa 5 on merkitty viitenumerolla 26, käytetty huokoinen materiaali 8 imee nesteen itseensä ja estää näin pisaranmuodostuksen ja 5 nesteen läpivirtauksen aiheuttamasta vaihtelua höyrystimen ulostuloon.

Toteutukseen tarvitaan enimmillään 5 annostelupumppua 27, 5 höyrystinelementtiä 26, 8 virtausmittaria 28 tai massavir-10 tasäädintä ja 3 kemikaalisäiliötä 29; lisäksi tietysti sopi vat letkut kaasuille ja nestemäisille aineille. Suuttimia on kaksi (31 ja 32). Jos suuttimeen 31 pumpataan erillisten vesi- ja metanolilähteiden sijasta niiden sopivassa suhteessa olevaa seosta, voidaan järjestelmästä poistaa 1 höyrystin, 1 15 typpivirtausmittari/massavirtasäädin. Tämä on mahdollista tehdä, koska höyrystin toimii jatkuvuustilassa, jossa tislau-tumisilmiöt eivät muuta ulostulevan seoksen koostumusta verrattuna sisäänsyötettyyn.

20 On edullista järjestää keksinnön mukainen höyrystin CVD- laitteiston kaasunsyöttösuuttimen integroiduksi osaksi, koska tällöin vakiolämpöisen suuttimen hukkalämpöenergiaa voidaan kohdistaa huokoiseen materiaaliin nestemäisen reagenssin höyrystämiseksi. Tällä ratkaisulla voidaan korvata höyrys-25 timen erilliset lämmityselimet.

Claims (12)

14

1. Menetelmä nestemäisten reagenssien syöttämiseksi kemial- 5 liseen reaktoriin, jossa reagenssit ovat höyryfaasissa, jonka menetelmän mukaan reagenssin ennalta valittu materiaalivuo syötetään höyrystimeen (4), jossa reagenssin annetaan höyrystyä, minkä jälkeen 10. höyry johdetaan kemialliseen reaktoriin, jossa rea- genssi saatetaan reagoimaan reaktorissa olevan substraatin tai muiden lähtöaineiden kanssa, tunnnettu siitä, että höyrystimessä reagenssin annetaan imeytyä huokoiseen 15 materiaaliin (9), jossa siihen siirretään tarvittava höyrystymisenergia, höyrystin (4) pidetään jatkuvuustliassa (steady state -tilassa), jolloin nesteen tilavuusvirta ja huokoiseen materiaaliin tuotavan höyrystysenergian määrä sovite-20 taan siten, että huokoisesta materiaalista höyrystyy ainakin keskimäärin saman verran ainetta kuin siihen syötetään ja höyrystimeen (4) syötetään ainakin kahden reagenssin muodostama nesteseos, jolloin jatkuvuustilassa toimi-25 valla höyrystimellä tuotetaan höyry, jonka koostumus ainakin oleellisesti vastaa nesteseoksen koostumusta.

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnet -t u siitä, että nestemäisen reagenssin tilavuusvirta saate- 30 taan ainakin likimain vastaamaan reaktoriin aikayksikössä syötettävän höyrystetyn reagenssin määrää.

3. Patenttivaatimuksen 1 tai 2 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että huokoisen materiaalin (9) tilavuus 35 valitaan siten, ettei syötettävän nesteen läpivirtausta pääse tapahtumaan noudatettavassa lämpötilassa. 15 91422

4. Patenttivaatimuksen 3 mukainen menetelmä, tunnet -t u siitä, että huokoisen materiaalin (9) kapasiteettia kasvatetaan lisäämällä siihen kohdistettavaa lämpövuota.

5. Jonkin edellisen patenttivaatimuksen mukainen menetelmä, jossa käytetään pitkänomaiseksi muotoiltua huokoista materiaalia, tunnettu siitä, että huokoista materiaalia (9) pidetään oleellisesti pystysuorassa asennossa, jolloin nestevirta syötetään materiaalin yläosaan ja annetaan levitä 10 sen läpi painovoiman ja vastaavasti nesteen ja huokoisen materiaalin välisten fysikaalisten voimien vaikutuksesta.

6. Jonkin edellisen patenttivaatimuksen mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että huokoisena materiaalina (9) 15 käytetään sintraamatonta keraamista materiaalia tai grafiit tia .

7. Laitteisto nestemäisten reagenssien syöttämiseksi kemialliseen reaktoriin, jossa reagenssit ovat höyryfaasissa, joka 20 laitteisto käsittää ainakin yhden nestemäisen reagenssin lähteen (2), lähteeseen yhdistetyn pumpun (3), jolla lähteestä voidaan imeä haluttu määrä nestemäistä reagenssia, - pumpun (3) painepuolelle yhdistetyn höyrystimen (4), 25 jolla pumpulta tuleva nestevirtaus voidaan höyrystää ja joka on yhdistetty kemialliseen reaktoriin reagenssin johtamiseksi siihen höyryfaasissa, tunnettu siitä, että höyrystin (4) käsittää höyrystystilan (5), jossa on nestemäisen reagenssin 30 tuloyhde (6), kantajakaasun tuloyhde (7) sekä höyrys- tetyn reagenssin poistoyhde (8), höyrystystilaan (5) sovitetun kappaleen (9), joka koostuu kostuvasta, huokoisesta materiaalista ja joka on yhteydessä nestemäisen reagenssin tuloyhteeseen 35 (6), ja höyrystystilan (5) yhteyteen järjestetyn lämpöenergian lähteen (12) lämmön siirtämiseksi huokoiseen kappa- 16 leeseen (9) siihen johdetun nestemäisen reagenssin höyrystämiseksi.

8. Patenttivaatimuksen 7 mukainen laitteisto, jossa höy- 5 rystimeen (4) on yhdistetty kantajakaasulähde (1), josta höy rystimeen voidaan tuoda kaasua höyrystetyn reagenssin kuljettamiseksi siitä eteenpäin kemialliseen reaktoriin (21 - 25), tunnettu siitä, että huokoinen kappale (9) on sovitettu höyrystystilaan siten, että kappaleen (9) ja höyrys-10 tystilan (5) seinämän väliin muodostuu kaasunvirtauskanava, joka on yhteydessä kaasunpoistoyhteeseen (8) ja johon kappaleesta (9) höyrystyvä reagenssi kulkeutuu.

9. Patenttivaatimuksen 7 tai 8 mukainen laitteisto, 15 tunnettu siitä, että huokoinen kappale (9) koostuu keraamisesta tai mineraalisesta aineesta tai grafiitista, jonka huokoskoko on 0,1...100 nm, edullisesti noin 1...30 nm.

10. Jonkin patenttivaatimuksen 7-9 mukainen laitteisto, 20 tunnettu siitä, että huokoinen kappale on muotoiltu pitkänomaiseksi sauvaksi (9), jolla on oleellisesti ympyräke-hän muotoinen poikkileikkaus ja jonka pituusakseli on sovitettu ainakin likimain pystysuoraan asentoon, jolloin nestemäisen reagenssin tuloyhde (6) on yhdistetty kappaleen ylä-25 päähän.

11. Jonkin patenttivaatimuksen 7-10 mukainen laitteisto, tunnettu siitä, että lämpöenergian lähde koostuu höyrystystilan (5) ympärille järjestetyistä lämmitysvastuk- 30 sista (12) .

12. Jonkin patenttivaatimuksen 7-10 mukainen laitteisto, tunnettu siitä, että höyrystin (4) on integroitu CVD-laitteiston kaasunsyöttösuuttimeen, jolloin suuttimen lämpö- 35 energia on kohdistettavissa huokoiseen materiaaliin. 17 91422