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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren sowie eine Vorrichtung
zum Bereitstellen eines gasförmigen
Precursors für
ein Beschichtungsverfahren. Die Erfindung betrifft ferner ein Ausgangsmaterial
zur Verwendung bei einem solchen Verfahren.
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Zur
Herstellung dünner
Schichten auf Halbleiterscheiben werden unterschiedliche Beschichtungsverfahren
eingesetzt. Von großer
Bedeutung ist insbesondere die sogenannte "Chemical Vapor Deposition" (Chemische Gasphasenabscheidung),
welche auch als CVD bezeichnet wird. Bei diesem Verfahren wird eine
zu beschichtende Halbleiterscheibe in eine Prozesskammer eines sogenannten
CVD-Reaktors eingebracht, um in einer chemisch reaktiven Gasumgebung
aus der Gasphase die gewünschte Schicht
auf einer Oberfläche
der Halbleiterscheibe abzuscheiden. Die Ausgangssubstanzen, welche auch
als Precursoren bezeichnet werden und welche die Elemente der abzuscheidenden
Schicht enhalten, werden dabei gasförmig in die Prozesskammer geleitet.
In der Regel erfolgt eine Aktivierung der Precursoren durch thermische
Erwärmung,
um die für das
Schichtwachstum geeigneten Vorläufermoleküle an der
Oberfläche
der Halbleiterscheibe zu erzeugen.
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Ein
weiteres wichtiges Schichterzeugungsverfahren stellt insbesondere
die sogenannte "Atomic
Layer Deposition",
kurz ALD, dar. Beim ALD-Verfahren wird anders als beim CVD-Verfahren
im Wesentlichen die chemische Affinität der zu beschichtenden Oberfläche einer
Halbleiterscheibe zu den einzelnen Precursormolekülen oder
Radikalen ausgenutzt. Diese lagern sich aus der Gasphase an der Oberfläche der
Halbleiterscheibe an, bis alle freien Valenzen gesättigt sind.
Dadurch ist die Abscheidung selbstlimitierend und abgeschlossen.
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Das
Bereitstellen eines gasförmigen
Precurors im Rahmen von ALD-Abscheideverfahren sowie CVD-Abscheideverfahren
wie beispielsweise der MOCVD (Metal Organic CVD) für die Herstellung
von Schichten, welche aus von der Halbleiterindustrie derzeit favorisierten "neuen Materialien" wie beispielsweise
high-k-Dielektrika
bestehen, erfordert die Verwendung von in der Feststoffphase vorliegenden Ausgangsmaterialien.
Derartige Ausgangsmaterialien werden durch Verdampfen bzw. Sublimieren
in einer einer Prozesskammer eines ALD- bzw. CVD-Reaktors vorgeschalteten
Verdampfungsvorrichtung in den gasförmigen Aggregatzustand übergeführt. Von Nachteil
ist jedoch, dass diese Materialien naturgemäß einen niedrigen Dampfdruck
und eine geringe Verdampfungsrate aufweisen.
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Um
dennoch die für
einen Beschichtungsprozess erforderliche Menge an gasförmigem Precursor
bereitzustellen, wird das Ausgangsmaterial in der Regel pulverisiert,
um die für
die Verdampfung zur Verfügung
stehende Festkörperoberfläche zu vergrößern. Auch
wird eine Verdampfung bei einer relativ hohen Temperatur durchgeführt, welche
durch eine Grenztemperatur limitiert wird, bei welcher thermische
Zersetzungsreaktionen des Ausgangsmaterials auftreten. Des weiteren
wird zum Bereitstellen des gasförmigen
Precursors ein inertes Trägergas durch
das pulverförmige
Ausgangsmaterial geleitet.
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Beispielsweise
ist aus der
US 6,280,793
B1 ein Verfahren zum Bereitstellen eines gasförmigen Precursors
für einen
Beschichtungsprozess bekannt, bei welchem ein pulverförmiges Precursormaterial zunächst elektrisch
aufgeladen und nachfolgend in eine Verdampfungskammer einer Verdampfungsvorrichtung
mit einem eine entgegengesetzte Ladung aufweisenden Heizelement
eingesprüht
wird. Dabei kann das pulverförmige
Precursormaterial mit einem weiteren als Trägermaterial dienenden pulverförmigen Festkörpermaterial
versetzt sein. Aufgrund der entgegengesetzten Ladungen lagern sich
Partikel bzw. Pulverkörner
des pulverförmigen
Precursormaterials an dem Heizelement an und werden verdampft. Gleichzeitig
wird ein Trägergas durch
die Verdampfungskammer geleitet, um den auf diese Weise hergestellten
gasförmigen
Precursor einer Prozesskammer für
einen Beschichtungsprozess zuzuführen.
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Aufgrund
des vor dem Verdampfen durchgeführten
elektrischen Aufladens des pulverförmigen Precursormaterials ist
dieses Verfahren jedoch mit einem relativ hohen Aufwand verbunden.
Darüber
hinaus besteht die Gefahr, dass das durch das Pulver geleitete Trägergas neben
den gasförmigen
Precursoren auch in der Feststoffphase vorliegende Pulverkörner in
die Prozesskammer für
den Beschichtungsprozess transportiert. Auf diese Weise kann es
zu einer störenden
Partikelbildung auf einer zu beschichtenden Halbleiterscheibe kommen.
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Dieses
Problem tritt auch bei dem in US 2005/0019026 A1 offenbarten Verdampfungsverfahren
auf, bei welchem ein pulverförmiges
Ausgangsmaterial einem Verdampfungsbehälter einer Verdampfungsvorrichtung
zugeführt
und für
eine Verdampfung aufgeheizt wird. In entsprechender Weise wird ein
inertes Trägergas
in den Verdampfungsbehälter
eingeleitet, welches sich mit den gasförmigen Precursoren vermischt
und diese in eine Prozeskammer für
eine Beschichtung transportiert. Auch bei diesem Verfahren besteht
die Gefahr einer konvektiven, d.h. einer Pulverkörner mitführenden Gasströmung im
Bereich des Ausgangsmaterials.
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Darüber hinaus
tritt die bei manchen pulverförmigen
Precursormaterialien das Problem auf, dass sich Pulverkörner bei
Vorliegen der Verdampfungstemperatur zu größeren Klumpen vereinigen. Dieser
als Koaleszenz bezeichnete Vorgang ist mit einer Verringerung der
für die
Verdampfung zur Verfügung
stehenden Oberfläche
verbunden, wodurch die Verdampfungsrate reduziert wird.
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Die
Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Verfahren,
eine Vorrichtung sowie ein Ausgangsmaterial zum Bereitstellen eines
gasförmigen
Precursors anzugeben, mit de ren Hilfe die bei herkömmlichen
Verfahren auftretenden Probleme, insbesondere eine konvektive Gasströmung und
eine Koaleszenz von Partikeln eines Precursormaterials, vermieden
werden.
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Diese
Aufgabe wird durch ein Verfahren gemäß Anspruch 1, ein Ausgangsmaterial
gemäß Anspruch
3 sowie durch eine Vorrichtung gemäß Anspruch 11 gelöst. Weitere
vorteilhafte Ausführungsformen
sind in den abhängigen
Ansprüchen
angegeben.
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Erfindungsgemäß wird ein
Verfahren zum Bereitstellen eines gasförmigen Precursors für ein Beschichtungsverfahren
vorgeschlagen. Das Verfahren umfasst ein Bereitstellen eines Ausgangsmaterials,
welches ein pulverförmiges
Precursormaterial aufweist, ein Erwärmen des Ausgangsmaterials,
um ein Verdampfen des pulverförmigen
Precursormaterials hervorzurufen, und ein Vorbeiführen eines
Trägergases
an dem Ausgangsmaterial in einem eine konvektive Gasströmung verhindernden
Abstand, um den gasförmigen
Precursor für
das Beschichtungsverfahren bereitzustellen.
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Da
bei dem erfindungsgemäßen Verfahren das
Trägergas
in einem solchen Abstand an dem Ausgangsmaterial vorbeigeführt wird,
dass eine konvektive Gasströmung,
d.h, eine Partikel des pulverförmigen
Ausgangsmaterials mitführende
Gasströmung
im Bereich des Ausgangsmaterials vermieden wird, weist der bereitgestellte
Precursor keine in der Feststoffphase vorliegenden Partikel auf.
Infolgedessen wird bei einem nachfolgend durchgeführten Beschichtungsverfahren
eine beeinträchtigende
Partikelbildung auf einer zu beschichtenden Oberfläche einer
Halbleiterscheibe vermieden.
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Dabei
ist es bevorzugt, das Trägergas
derart an dem Ausgangsmaterial vorbeizuführen, dass in einem vorgegebenen
Abstand zu dem Ausgangsmaterial eine im Wesentlichen eindimensionale
laminare Strömung
des Trägergases
erzeugt wird. Auf diese Weise werden Turbulenzen bzw. Verwirbelungen
des Trägergases in
der Nähe
des Ausgangsmaterials und ein damit einhergehender Transport von
Precursorpartikeln durch das Trägergas
mit einer hohen Zuverlässigkeit
verhindert.
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Erfindungsgemäß wird des
weiteren ein Ausgangsmaterial zur Verwendung bei einem vorstehend
beschriebenen Verfahren zum Bereitstellen eines gasförmigen Precursors
für ein
Beschichtungsverfahren vorgeschlagen, welches eine Mischung aus
einem pulverförmigen
Precursormaterial und einem pulverförmigen inerten Festkörpermaterial
aufweist. Mit einem solchen Ausgangsmaterial kann eine bei der Verdampfung
des pulverförmigen
Precursormaterials auftretende Koaleszenz von Partikeln bzw. Pulverkörnern zu
Klumpen, welche mit einer Verringerung der für die Verdampfung zur Verfügung stehenden
Festkörperoberfläche und
damit einer Reduzierung der Verdampfungsrate verbunden ist, vermieden
werden.
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Das
Unterdrücken
eines Verklumpens von Partikeln des pulverförmigen Precursormaterials wird gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform
mit einer hohen Zuverlässigkeit
dadurch erzielt, dass in dem Ausgangsmaterial Partikel des pulverförmigen Precursormaterials
im Wesentlichen von Partikeln des pulverförmigen inerten Festkörpermaterials
umgeben sind.
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Zu
diesem Zweck weist das Ausgangsmaterial vorzugsweise ein Mischungsverhältnis zwischen dem
pulverförmigen
Precursormaterial und dem pulverförmigen inerten Festkörpermaterial
in einem Bereich von 1:2 bis 1:10 auf.
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Weiter
weisen die Partikel des pulverförmigen
Precursormaterials vorzugsweise im Wesentlichen die gleiche Größe auf wie
Partikel des pulverförmigen
inerten Festkörpermaterials.
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Erfindungsgemäß wird ferner
eine Vorrichtung zum Bereitstellen eines gasförmigen Precursors für ein Beschichtungsverfahren
vorgeschlagen. Die Vorrichtung umfasst einen Behälter zum Aufnehmen eines ein
pulverförmiges
Precursormaterial aufwei senden Ausgangsmaterials, eine Heizeinrichtung zum
Erwärmen
des Ausgangsmaterials, um ein Verdampfen des pulverförmigen Precursormaterials
hervorzurufen, und eine an dem Behälter ausgebildete Einlassöffnung sowie
eine an dem Behälter
ausgebildete Auslassöffnung
zum Vorbeiführen
eines Trägergases
an dem Ausgangsmaterial in einem eine konvektive Gasströmung verhindernden
Abstand, um den gasförmigen
Precursor für
das Beschichtungsverfahren bereitzustellen.
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In
entsprechender Weise wird mit einer solchen Vorrichtung ein Mitführen von
Partikeln des Ausgangsmaterials durch das Trägergas verhindert. Bei einem
im Anschluss an das Verdampfen des pulverförmigen Precursormaterials durchgeführten Beschichtungsverfahren
tritt folglich keine störende
Partikelbildung auf einer zu beschichtenden Halbleiterscheibe auf.
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Die
Erfindung wird im Folgenden anhand der Figuren näher erläutert. Es zeigen:
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1 eine
schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Verdampfungsvorrichtung;
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2 ein
Ablaufdiagramm einer Ausführungsform
eines erfindungsgemäßen Verfahrens zum
Bereitstellen eines gasförmigen
Precursors; und
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3 eine
vergrößerte schematische
Darstellung eines Behälters
der Verdampfungsvorrichtung von 1 mit einem
Ausgangsmaterial.
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1 zeigt
eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Verdampfungsvorrichtung 10,
bei welcher die in 2 dargestellte Ausführungsform
eines erfindungsgemäßen Verfahrens zum
Bereitstellen eines gasförmigen
Precursors für ein
Beschichtungsverfahren zur Anwendung kommt. Bei dem Beschichtungsverfahren
handelt es sich beispielsweise um ein CVD- oder ein ALD-Abscheideverfahren,
mit dessen Hilfe ein Träger,
beispielsweise eine Halbleiterscheibe, beschichtet wird.
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Bei
dem in 2 dargestellten Verfahren wird zunächst in
einem ersten Verfahrensschritt 31 ein Ausgangsmaterial 20 bereitgestellt,
welches zumindest teilweise aus einem pulverförmigen Precursormaterial 21 besteht.
Ein derartig bereitgestelltes Ausgangsmaterial 20 wird
bei der Verdampfungsvorrichtung 10 von 1 in
einem Behälter 11 aufgenommen.
Der Behälter 11 weist
vorzugsweise einen im Wesentlichen rechteckförmigen Querschnitt mit einem
Behälterboden 12 sowie
Seitenwänden 13 auf,
wobei die horizontalen Abmessungen des Behälters 11 insbesondere
kleiner sind als die vertikalen Abmessungen. Das Ausgangsmaterial 20 wird
hierbei im Bereich des Behälterbodens 12 aufgenommen.
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In
einem nachfolgenden Verfahrensschritt 32 des in 2 dargestellten
Verfahrens wird das Ausgangsmaterial 20 erwärmt, um
ein Verdampfen des pulverförmigen
Precursormaterials 21 hervorzurufen. Zu diesem Zweck weist
die in 1 abgebildete Verdampfungsvorrichtung 10 um
die Seitenwände 13 des
Behälters 11 angeordnete
Heizelemente 16 auf, welche beispielsweise als Heizwiderstände ausgebildet
sind. Wahlweise können
die Heizelemente 16 auf andere Art und Weise, beispielsweise
als induktive Heizspulen, ausgeführt
sein.
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Mithilfe
der Heizelemente 16 wird das Ausgangsmaterial 20 auf
eine vorgegebene Verdampfungstemperatur aufgeheizt, bei der eine
ausreichende Verdampfung des pulverförmigen Precursormaterials 21 erzielt
wird. Die Verdampfungstemperatur liegt unterhalb einer Zersetzungs-
bzw. einer Verflüssigungstemperatur
des Precursormaterials 21, um eine Zersetzung bzw. Verflüssigung
des Precursormaterials 21 zu vermeiden.
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Gemäß eines
weiteren Verfahrensschrittes 33 des in 2 dargestellten
Verfahrens wird an dem Ausgangsmaterial 20 ein inertes
Trägergas
vorbeigeführt,
um den aus der Verdampfung des Precursormaterials 21 hervorgehenden
gasförmigen
Precursor für
ein in einer Prozesskammer 19 eines Reaktors durchgeführtes Beschichtungsverfahren
bereitzustellen. Das Vorbeiführen
des Trägergases
erfolgt dabei in einem solchen Abstand zu dem Ausgangsmaterial 20,
dass eine konvektive Gasströmung,
d.h. eine Festkörperpartikel
des pulverförmigen
Ausgangsmaterials 20 mitführende Gasströmung in
der Nähe
des Ausgangsmaterials 20 vermieden wird.
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Zu
diesem Zweck weist der Behälter 11 der in 1 dargestellten
Verdampfungsvorrichtung 10 eine Einlassöffnung 14 sowie eine
Auslassöffnung 15 auf,
welche in den Seitenwänden 13 des
Behälters 11 zu
dem Behälterboden 12 beabstandet
ausgebildet sind. Die Einlassöffnung 14 ist über eine
entsprechende Gasleitung mit einem Gasreservoir bzw. Gasbehälter 18 verbunden,
in welchem das Trägergas
unter Druck gespeichert ist. Die Auslassöffnung 15 ist über eine
weitere Gasleitung mit der Prozesskammer 19 zum Durchführen des
Beschichtungsverfahrens verbunden. Über in den Gasleitungen angeordnete
Ventile 17 wird der Zustrom des Trägergases in den Behälter 11 sowie
der Abstrom des mit dem dampfförmigen
Precursor gesättigten
Trägergases aus
dem Behälter 11 eingestellt.
Zur Steuerung des Zu- und Abstroms des Trägergases kann darüber hinaus
eine in 1 nicht dargestellte Pumpeinrichtung
vorgesehen sein.
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Die
Einlassöffnung 14 und
die Auslassöffnung 15 sind
vorzugsweise im Wesentlichen gegenüberliegend in den Seitenwänden 13 des
Behälters 11 ausgebildet,
wie anhand von 1 erkennbar wird. Auf diese
Weise ist es möglich,
das Trägergas derart
an dem Ausgangsmaterial 20 vorbeizuführen, dass in einem vorgegebenen
Abstand zu dem Ausgangsmaterial 20 eine im Wesentlichen
eindimensionale laminare Strömung
des Trägergases
erzeugt wird. Eine derartige Gasströmung, welche in 1 durch
den zwischen der Einlassöffnung 14 und
der Auslassöffnung 15 dargestellten
Pfeil angedeutet ist, hat zur Folge, dass Turbulenzen bzw. Verwirbelungen
des Trägergases
in der Nähe
des Ausgangsmaterials 20 vermieden werden. Auf diese Weise
wird ein Transport von Precursorpartikeln aus dem Behälter 11 in
die Prozesskammer 19 durch das Trägergas, welches zur Partikelbildung
auf einer zu beschichtenden Oberfläche eines in die Prozesskammer 19 eingebrachten
Trägers
bzw. einer Halbleiterscheibe führt,
mit einer hohen Zuverlässigkeit
verhindert.
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Anstelle
die Einlassöffnung 14 und
die Auslassöffnung 15 wie
in 1 dargestellt am oberen Ende der Seitenwände 13 des
Behälters 11 auszubilden,
können
die Einlassöffnung 14 und
die Auslassöffnung 15 auch
an einer anderen Stelle in den Seitenwänden 13 ausgebildet
sein. Auch in derartigen Ausführungsformen
eines Behälters 11 sind
die Einlassöffnung 14 und
die Auslassöffnung 15 vorzugsweise
im Wesentlichen gegenüberliegend
angeordnet, um eine im Wesentlichen eindimensionale laminare Strömung des
Trägergases
hervorzurufen.
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Das
pulverförmige
Precursormaterial 21 weist vorzugsweise ein Metall, insbesondere
aus der Gruppe Hf, Zr, Ru, La, Pr auf, um einen die genannten Metalle
enthaltenden sogenannten Metallprecursor für die Herstellung entsprechender
metallischer Schichten bereitzustellen. Dabei liegen die entsprechenden
Metallverbindungen in dem Precursormaterial 21 beispielsweise
in Form von Tetrachloridverbindungen vor, d.h. im Falle von beispielsweise
Hf als HfCl4. Für derartige Metallprecursoren
wird als inertes Trägergas
beispielsweise Argon oder Stickstoff eingesetzt.
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Neben
der in 1 dargestellten, den Behälter 11 mit der Prozesskammer 19 verbindenden
Gasleitung können
weitere an die Prozesskammer 19 angeschlossene Gasleitungen
vorgesehen sein, um der Prozesskammer 19 weitere gasförmige Precursoren aus
weiteren Verdampfungsvorrichtungen für einen Beschichtungsprozess
zuzuführen.
Mit einer zusätzlichen
Gasleitung könnte
beispielsweise neben dem vorstehend genannten Metallprecursor auch
ein Sauerstoff enthaltender sogenannter Oxidprecursor wie beispielsweise
Wasserdampf in die Prozesskammer 19 eingeleitet werden.
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Anstelle
ein ausschließlich
aus einem pulverförmigen
Precursormaterial 21 bestehendes Ausgangsmaterial 20 einzusetzen,
weist das Ausgangsmaterial 20 vorzugsweise eine Mischung
aus einem pulverförmigen
Precursormaterial 21 und einem pulverförmigen inerten Festkörpermaterial 22 auf,
wie anhand der in 3 abgebildeten vergrößerten Darstellung
des Behälters 11 der
Verdampfungsvorrichtung 10 erkennbar wird. Dabei weist
das pulverförmige
inerte Festkörpermaterial 22 vorzugsweise
Partikel aus Quarzsand bzw. SiO2, Si und/oder
Siliziumnitrid auf.
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Mit
einem derartigen Ausgangsmaterial 20 kann eine bei der
Verdampfung des pulverförmigen Precursormaterials 21 auftretende,
als Koaleszenz bezeichnete Verklumpung von Partikeln bzw. Kristalliten
des pulverförmigen
Precursormaterials 21, welche mit einer Verkleinerung der
für die
Verdampfung zur Verfügung
stehenden Festkörperoberfläche und infolgedessen
einer Verringerung der Verdampfungsrate verbunden ist, vermieden
werden. Zur effektiven Verhinderung eines Verklumpens von Partikeln
des Precursormaterials 21 sind die Partikel des Precursormaterials 21 dabei
im Wesentlichen von Partikeln des inerten Festkörpermaterials 22 umgeben,
d.h. dass jeder Kristallit des Precursormaterials 21 im
Mittel nur von Kristalliten des Festkörpermaterials 22 umgeben
ist.
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Zu
diesem Zweck weist das Ausgangsmaterial 20 ein Mischungsverhältnis zwischen
dem pulverförmigen
Precursormaterial 21 und dem pulverförmigen inerten Festkörpermaterial 22 in
einem Bereich von 1:2 bis 1:10 auf. Des weiteren besitzen die Partikel
des pulverförmigen
Precursormaterials 21 im Wesentlichen die gleiche Größe wie Partikel
des pulverförmigen
inerten Festkörpermaterials 22,
um einen möglichst
ungehinderten diffusiven Transport von gasförmigen Precursormolekülen in dem
porösen Ausgangsmaterial 20 zu
ermöglichen.
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Bei
einer eingesetzten Menge an Ausgangsmaterial 20 in einem
Bereich von beispielsweise 5 g bis 10 g weisen sowohl die Partikel
des Precursormaterials 21 als auch die Partikel des inerten
Festkörpermaterials 22 vorzugsweise
eine Größe in einem Bereich
von 30 μm
bis 500 μm
auf. Hierdurch wird sowohl eine für die Verdampfung ausreichende
Gesamtoberfläche
zur Verfügung
gestellt als auch eine gute Durchmischung von Partikeln des Precursormaterials 21 und
Partikeln des Festkörpermaterials 22 ermöglicht.
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Vorzugsweise
ist der Schmelzpunkt des pulverförmigen
inerten Festkörpermaterials 22 wesentlich
höher als
der Schmelzpunkt des pulverförmigen Precursormaterials 21.
Für ein
beispielsweise HfCl4 aufweisendes Precursormaterial 21 mit
einer Schmelztemperatur von 319°C
ist diese Voraussetzung bei einem inerten Festkörpermaterial 22 aus beispielsweise
SiO2 mit einer Schmelztemperatur von 1723°C oder Si
mit einer Schmelztemperatur von 1410°C erfüllt. Auf diese Weise wird eine
die Verdampfung des Precursormaterials 21 beeinträchtigende
Verflüssigung
des Festkörpermaterials 22 vermieden.
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- 10
- Verdampfungsvorrichtung
- 11
- Behälter
- 12
- Behälterboden
- 13
- Seitenwand
- 14
- Einlassöffnung
- 15
- Auslassöffnung
- 16
- Heizelement
- 17
- Ventil
- 18
- Gasbehälter
- 19
- Prozesskammer
- 20
- Ausgangsmaterial
- 21
- Pulverförmiges Precursormaterial
- 22
- Pulverförmiges inertes
Festkörpermaterial
- 31,
32, 33
- Verfahrensschritt