DE102011014311A1

DE102011014311A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Einbringen eines Prozessgases in einem Prozessraum einer Prozesskammer

Info

Publication number: DE102011014311A1
Application number: DE102011014311A
Authority: DE
Inventors: Peter Völk; Mirko Tröller; Harald Wanka; Thomas Pernau
Original assignee: Centrotherm Thermal Solutions GmbH and Co KG
Current assignee: Centrotherm Photovoltaics AG
Priority date: 2011-03-17
Filing date: 2011-03-17
Publication date: 2012-09-20

Abstract

Es ist ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Einbringen eines Prozessgases in einen Prozessraum einer Prozesskammer beschrieben. Die Prozesskammer und/oder darin angeordnete Substrate sind über eine Heizeinrichtung auf eine erhöhte Prozesstemperatur aufheizbar. Wenn Prozesskammer und Einlassrohr erwärmt sind, wird wenigstens eine erste Flüssigkeit, die bei ihrer Verdampfung wenigstens einen Teil des Prozessgases bildet, abgemessen in das Einlassrohr geleitet, wobei die Flüssigkeit in dem Einlassrohr verdampft und in Gasform in den Prozessraum geleitet wird. Die wenigstens eine erste Flüssigkeit kann über eine Zumesseinheit mit wenigstens einem Ventil aus einem Vorratsbehälter in das Einlassrohr geleitet werden.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Einbringen eines Prozessgases in einen Prozessraum einer Prozesskammer, die während einer Substratbehandlung auf eine erhöhte Prozesstemperatur erwärmt ist.
In der Halbleitertechnik, aber beispielsweise auch der Photovoltaik und anderen technischen Gebieten ist es bekannt, Substrate bei erhöhten Temperaturen unter Zuführung von Prozessgasen zu behandeln. Ein insbesondere in der Halbleitertechnik und der Photovoltaik bekanntes Verfahren ist die chemische Gasphasenabscheidung (CVD = chemical vapor deposition), die beispielsweise für die Herstellung von dünnen Schichten eingesetzt wird. Bei diesen Verfahren werden meist flüssige Precursoren, wie beispielsweise POCl₃, oder BBr₃, zunächst in einer externen Einheit verdampft und anschließend in Gasform einer Prozesskammer, die zu behandelnde Substrate enthält, zugeführt.
Die hierfür am häufigsten verwendeten Verdampfungseinheiten umfassen Bubbler-Systeme, Entspannungsverdampfer oder thermische Verdampfer. Bei den Bubbler-Systemen wird der flüssige Precursor üblicherweise in einem thermisch abgeschirmten und auf konstanter Temperatur gehaltenen Gehäuse gehalten. Ein Trägergas, üblicherweise N₂ wird durch den flüssigen Precursor hindurchgeleitet, wobei er darinnen Blasen bildet und hierbei geringe Mengen der Flüssigkeit aufnimmt. Das Trägergas mit den so aufgenommenen Precursor in Gasform wird anschließend in die Prozesskammer eingeleitet. Die Menge an flüssigem Precursor, die durch das Trägergas mitgeführt wird, ist dabei von vielen Faktoren abhängig, wie beispielsweise der Absorptionsrate der Flüssigkeit durch das Trägergas, der relativen Blasengröße, der Verweildauer der Blasen in der Flüssigkeit, der Temperatur der Flüssigkeit oder der Genauigkeit wie gut der Trägergasfluss kontrolliert werden kann. Daher ist es bei diesen Systemen aufwändig eine kontrollierte Menge des flüssigen Precursors in Gasform in einem Prozessraum einzubringen. Die DE 10 2009 051 284 A1 sowie die DE 10 2009 051 285 A1 beschreiben jeweils Vorrichtungen zum Steuern der Konzentration eines Materialgases in solchen Bubbler-Systemen.
Entspannungsverdampfersysteme bestehen üblicherweise aus einem aus Metall bestehendem Massflowcontroller für Flüssigkeiten oder einer Pumpe und einem beheizten Verdampfer, der eine eigene Heizeinheit aufweist. Der Verdampfer kann unterschiedliche Formen einnehmen, wie zum Beispiel eine kleine beheizte Kammer bis hin zu Düsen, die mit heißem Trägergas betrieben werden, um eine sofortige Verdampfung von eingeleitetem flüssigem Precursor, vorzugsweise in der Form von Mikrotropfen zu gewährleisten. Um eine nahezu sofortige Verdampfung sicherzustellen werden die meisten Entspannungsverdampfer mit relativ hohen Temperaturen betrieben, wodurch die Anforderungen an eine entsprechende Heizeinheit zum Aufheizen einer Kammer oder eines Trägergases aufwendig sein können.
Thermische Verdampfer weisen üblicherweise einen beheizten, im Wesentlichen geschlossenen Tank auf, in den ein flüssiger Precursor eingefüllt ist. In dem Tank wird die Flüssigkeit kontrolliert verdampft und mit Hilfe eines Massflowcontrollers für Gase wird der verdampfte Precursor kontrolliert einem Prozessraum zugeführt. Der thermische Verdampfer ist dabei limitiert durch den Dampfdruck des Precursors und dem benötigten Druckgefälle zwischen Verdampfungs- und Prozesskammer. Darüber hinaus benötigt auch dieses System eine externe Heizeinheit zum Verdampfen des flüssigen Precursors.
Ausgehend von den oben beschriebenen externen Verdampfereinheiten liegt der vorliegenden Erfindung daher die Aufgabe zugrunde, ein einfaches Verfahren und eine einfache Vorrichtung zum Einbringen von Prozessgasen in einen Prozessraum einer Prozesskammer vorzusehen, das bzw. die wenigstens einen Nachteil der oben genannten Einheiten überwindet.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch ein Verfahren nach Anspruch 1 sowie eine Vorrichtung nach Anspruch 12 gelöst. Weitere Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Bei dem Verfahren zum Einbringen eines Prozessgases in einen Prozessraum einer Prozesskammer, wird zunächst die Prozesskammer und/oder wenigstens ein darin aufgenommenes Substrat mit wenigstens einer Prozesskammer-Heizeinrichtung erwärmt, wodurch im Wesentlichen auch ein Einlassrohr, das in Strömungsverbindung und thermisch leitendem Kontakt mit der Prozesskammer steht mit erwärmt wird. Anschließend wird wenigstens eine abgemessene erste Flüssigkeit in das Einlassrohr eingeleitet und im Einlassrohr verdampft, um wenigstens einen Teil des Prozessgases zu bilden, und dann in den Prozessraum geleitet. Dadurch dass das Einlassrohr in thermisch leitendem Kontakt mit der Prozesskammer steht, besitzt es, wenn im Prozessraum eine erhöhte Prozesstemperatur herrscht, eine ausreichend hohe Temperatur, die für eine Verdampfung des flüssigen Precursors eingesetzt werden kann. Die Notwendigkeit für eine externe Heizeinheit und eine entsprechende Steuer- und Überwachungseinheit hierfür entfällt. Für die Verdampfung wird Abwärme des Prozesses verwendet. Ferner kann eine kontrollierte Menge an Prozessgas in den Prozessraum eingeführt werden, indem die in das Einlassrohr geleitete Flüssigkeitsmenge abgemessen wird. Die obige Formulierung „Im Wesentlichen” soll den Fall umfassen, das wenigstens 80% der zur Erwärmung des Einlassrohres erforderlichen Energie über die Prozesskammer bzw. die Prozesskammer-Heizeinrichtung zur Verfügung gestellt wird.
Dabei kann das Einlassrohr zu wenigstens 90%, vorzugsweise vollständig über die Prozesskammer und/oder die zur Erwärmung der Prozesskammer vorgesehene Heizeinrichtung erwärmt werden.
Bei einer Ausführungsform der Erfindung wird wenigstens eine Flüssigkeit vor und nach dem Leiten eines Teils davon in das Einlassrohr aus einem Vorratsbehälter heraus, durch ein Ventil hindurch zu dem Vorratsbehälter zurück zirkuliert, wobei das Ventil angesteuert wird um einen Teil der Flüssigkeit zum Einlassrohr zu leiten. Insbesondere wird die wenigstens eine Flüssigkeit während des Betriebs ständig aus dem Vorratsbehälter zum Ventil und von dort entweder zum Vorratsbehälter zurück oder zum Einlassrohr gefördert. Durch diese Zirkulation wird das System ständig entlüftet, so dass über die Ansteuerung des Ventils eine kontrollierte Flüssigkeitsmenge zum Einlassrohr geleitet werden kann. Darüber hinaus stellt die Zirkulation ein schnelles Ansprechverhalten für das Einleiten von Flüssigkeit in das Einlassrohr sicher, da immer Flüssigkeit an dem Ventil ansteht, das die Einleitung der Flüssigkeit in das Einlassrohr steuert.
Bei einer Ausführungsform der Erfindung wird das Einlassrohr wenigstens während des Einleitens der wenigstens einen Flüssigkeit mit einem weiteren Gas durchströmt, wobei die wenigstens eine Flüssigkeit vorzugsweise örtlich zwischen einem Einlassende des Einlassrohres, an dem das weitere Gas eingelassen wird und einem mit dem Prozessraum in Verbindung stehenden Auslassende des Einlassrohres in das Einlassrohr eingebracht wird. Hierdurch wird sichergestellt, dass die Flüssigkeit nach ihrer Verdampfung auch vollständig in den Prozessraum gelangt, was für eine Konzentrationseinstellung des Prozessgases zweckmäßig ist. Ferner kann auch ein Rückdiffundieren des Prozessgases in das Einlassrohr verhindert werden. Bei einer Ausführungsform ist das weitere Gas ein für den Behandlungsprozess im Prozessraum inertes Gas. Ein Inertgas ist aber nicht zwingend erforderlich, das sowohl der Verdampfungsraum als auch der Prozessraum gegen chemische Reaktionen der Gase untereinander beständig sein kann.
Bei einer weiteren Ausführungsform werden unterschiedliche Flüssigkeiten in das Einlassrohr eingeleitet, die jeweils verdampfen und in Gasform in den Prozessraum strömen. Hierdurch lassen sich unterschiedliche, separate Prozessgase oder auch gemischte Prozessgase für eine Behandlung in dem Prozessraum zur Verfügung stellen. Für die Erzeugung gemischter Prozessgase können die unterschiedlichen Flüssigkeiten zeitlich überlappend in das Einlassrohr geleitet werden. Dies sieht eine gute Durchmischung des gemischten Prozessgases vor. Ein Grund für eine getrennte Einleitung könnte sein, dass die flüssigen Precursoren gegebenenfalls miteinander reagieren könnten und daher vor ihrer Einleitung getrennt zu halten sind.
Alternativ ist es aber auch möglich die unterschiedlichen Flüssigkeiten zeitlich nacheinander in das Einlassrohr einzuleiten, um entweder eine Durchmischung der entstehenden Gase erst im Prozessraum zu erreichen, oder um zeitlich hintereinander unterschiedliche Prozessgasatmosphären einzustellen. Eine Durchmischung erst im Prozessraum könnte zweckmäßig sein, wenn die unterschiedlichen Prozessgaskomponenten beispielsweise zum Erzeugen von Radikalen miteinander reagieren. Daher ist bei einer Ausführungsform der Erfindung auch vorgesehen, dass das Einlassrohr zwischen dem Einbringen unterschiedlicher Flüssigkeiten mit einem weiteren Gas durchspült wird, um eine Durchmischung der entstehenden Prozessgaskomponenten im Einlassrohr zu vermeiden. Miteinander reagierende Prozessgaskomponenten könnten zu Ablagerungen im Einlassrohr führen, die wiederum bei nachfolgenden Prozessen zu Kontaminationen führen könnten.
Die Vorrichtung zum Einbringen eines Prozessgases in einen Prozessraum einer Prozesskammer, die über eine Heizeinrichtung auf eine erhöhte Prozesstemperatur erwärmbar ist, weißt wenigstens ein Einlassrohr auf, das in Strömungsverbindung und thermisch leitenden Kontakt mit der Prozesskammer steht. Ferner weißt die Vorrichtung wenigstens einen Vorratsbehälter für wenigstens eine erste Flüssigkeit auf, die bei ihrer Verdampfung wenigstens einen Teil des Prozessgases bilden kann, und wenigstens eine Zumesseinheit mit wenigstens einem Ventil zum Leiten von Flüssigkeit aus dem Vorratsbehälter in das Einlassrohr. Eine solche Vorrichtung ermöglicht wiederum eine kontrollierte Zuleitung der Flüssigkeit in ein Einlassrohr, in dem die Flüssigkeit ohne den Einsatz einer externen Heizeinrichtung – es wird lediglich Wärme der Prozesskammer verwendet – verdampft werden kann. Eine solche Vorrichtung besitzt einen einfachen Aufbau und ermöglicht eine kontrollierte Einstellung einer Prozessgasatmosphäre innerhalb des Prozessraums.
Bei einer Ausführungsform der Erfindung weist die Zumesseinheit neben dem Ventil wenigstens eine Pumpe, eine Zuführleitung und eine Rückführleitung auf, wobei die Pumpe so angeordnet ist, dass sie Flüssigkeit aus dem Vorratsbehälter durch die Zuführleitung zum Ventil und anschließend je nach Ventilstellung über die Rückführleitung zurück zum Vorratsbehälter oder in das Einlassrohr fördern kann. Diese Anordnung der Zumesseinheit ermöglicht eine ständige Zirkulation der Flüssigkeit, so dass das System ständig entlüftet wird, und darüber hinaus ständig an dem Ventil Flüssigkeit anstehen kann, damit die Zumesseinheit schnell auf Ansteuerbefehle zum Einleiten der Flüssigkeit ansprechen kann.
Vorzugsweise ist wenigstens ein Flüssigkeitsmengenmesser zwischen dem Ventil und dem Einlassrohr vorgesehen, um die über das Ventil eingeleitete Flüssigkeitsmenge bestimmen und gegebenenfalls regeln zu können. Ferner kann eine Blende, insbesondere eine feste Blende zwischen Ventil und Einlassrohr vorgesehen sein, welche dabei hilft, auch geringe Mengen an Flüssigkeit einleiten zu können. Vorzugsweise erstreckt sich das Einlassrohr wenigstens teilweise in den Prozessraum hinein und/oder weist eine Vielzahl von Auslassöffnungen auf, um eine gute Verteilung des austretenden Prozessgases innerhalb des Prozessraums erreichen zu können. Ferner kann hierüber auch eine ausreichende Erwärmung des Einlassrohres sichergestellt werden. Wenn eine Vielzahl von Auslassöffnungen vorgesehen ist, können diese eine Zerstäuberstruktur bilden.
Bei einer weiteren Ausführungsform ist wenigstens ein zweiter Vorratsbehälter für wenigstens eine zweite Flüssigkeit vorgesehen, die bei ihrer Verdampfung wenigstens einen Teil des Prozessgases bilden kann und wenigstens eine zweite Zumesseinheit mit wenigstens einem zweiten Ventil zum Leiten von Flüssigkeit aus dem zweiten Vorratsbehälter in das Einlassrohr. Hierdurch wird ermöglicht, hintereinander unterschiedliche Prozessgase in den Prozessraum einzuleiten und/oder gemischte Prozessgase zu erzeugen.
Die oben genannte Vorrichtung kann vorteilhaft für mehrere Prozesskammern eingesetzt werden, wobei ein einzelner Vorratsbehälter für eine erste Flüssigkeit mehrere Prozesskammern bedienen kann. Für jede Prozesskammer wäre dann ein entsprechendes Einlassrohr und eine entsprechende Zumesseinheit vorgesehen.
Das oben beschriebene Verfahren bzw. die Vorrichtung ermöglichen einen geringen Gasverbrauch, da im Gegensatz zum Bubbler-System kein Trägergas notwendig ist. Der Gasfluss weiterer Gase, wie beispielsweise N₂ kann unabhängig von der Menge der verwendeten Chemikalie bzw. der aktiven Prozessgaskomponente, die als Flüssigkeit in das Einlassrohr eingeleitet wird, eingestellt werden. Der Aufbau der Vorrichtung vereinfacht sich gegenüber dem bekannten Systemen wesentlich, da keine externen Heizelemente mit entsprechender Überwachung und Regelung notwendig sind. Die Vorrichtung und das Verfahren können jederzeit, sofern die erforderliche Prozesstemperatur im Prozessraum erreicht ist, eingesetzt werden, und es ist nicht notwendig gegebenenfalls auf das Erreichen einer entsprechenden Temperatur durch ein externes Heizelement zu warten. Selbst das Einleiten größerer Gasmengen ist unproblematisch, wodurch sich eine bessere Prozessstabilität ergibt.
Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert; in den Zeichnungen zeigt:
1 eine schematische perspektivische Darstellung einer Vorrichtung zum Einbringen eines Prozessgases in einer Prozesskammer;
2 eine vergrößerte schematische Darstellung eines Teils der Vorrichtung gemäß 1;
3 eine schematische perspektivische Schnittansicht durch den in 2 gezeigten Teilbereich der Vorrichtung;
4 eine alternative Schnittansicht durch einen Teilbereich der Vorrichtung gemäß 1;
5 eine vergrößerte schematische Darstellung eines Teilbereichs einer alternativen Vorrichtung zum Einleiten eines Prozessgases in eine Prozesskammer;
6 eine vergrößerte schematische perspektivische Darstellung eines Einlassrohrs, das bei der Ausführungsform gemäß 5 eingesetzt werden kann.
In der nachfolgenden Beschreibung verwendete Orts- bzw. Richtungsangaben, wie oben, unten, links oder rechts beziehen sich auf die Darstellungen in den Zeichnungen, und sollten daher nicht einschränkend gesehen werden. Sie können sich aber auch auf eine bevorzugte Endanordnung beziehen.
Die 1 bis 4 zeigen unterschiedliche Darstellungen einer Vorrichtung 1 zum Einbringen eines Prozessgases in eine Prozesskammer 3 über ein Einlassrohr 4.
Die Vorrichtung 1 besteht im Wesentlichen aus einem Vorratsbehälter 5 und einer Zumesseinheit 7.
Der Vorratsbehälter besitzt im Inneren einen nicht näher dargestellten Aufnahmeraum zur Aufnahme einer Flüssigkeit, die nach einem Verdampfen derselben wenigstens teilweise ein Prozessgas für eine Behandlung von Substraten in der Prozesskammer 3 bilden kann. An einer Oberseite des Behälters 5 ist eine Vielzahl von Anschlussstutzen 8 vorgesehen, die jeweils eine Verbindung zu dem Aufnahmeraum im Vorratsbehälter 5 vorsehen. Wenigstens einige der Anschlussstutzen 8, und zwar vorzugsweise die Hälfte derselben stehen jeweils mit einer sich benachbart zum Boden des Aufnahmeraums des Vorratsbehälters 5 erstreckenden Leitung in Verbindung. Die anderen Anschlussstutzen 8 enden hingegen an einem oberen Ende des Aufnahmeraums. Die erstgenannten Anschlussstutzen 8 dienen üblicherweise zur Entnahme einer Flüssigkeit aus dem Vorratsbehälter, während die zuletzt genannten Anschlussstutzen 8 für eine Rückführung der Flüssigkeit dienen, wie nachfolgend noch näher erläutert wird. Über die Vielzahl von Anschlussstutzen wird somit eine gleichzeitige und/oder sequentielle Entnahme/Rückführung einer im Behälter 5 befindlichen Flüssigkeit ermöglicht. Ein einzelner Behälter 5 kann somit für mehrere Prozesskammern 3 verwendet werden, wie nachfolgend noch erläutert wird. Wenn die Anschlussstutzen nicht benötigt werden, können sie in geeigneter Weise verschlossen sein.
Die Zumesseinheit 7 besteht im Wesentlichen aus einer Pumpe 10, einer Zuführleitung 11, einem Ventil 12, einer Rückführleitung 13, einem Flüssigkeitsmengenmesser, der nachfolgend als Massflowcontroller 14 bezeichnet wird, und einer Blende 15.
Die Pumpe 10 ist an einem Anschlussstutzen 8 des Vorratsbehälters 5, der für die Entnahme von Flüssigkeit dient, ansaugseitig angeschlossen. Auslassseitig ist die Pumpe 10 mit der Zuführleitung 11 verbunden. Die Pumpe 10 ist eines geeigneten Typs für die zu verwendenden Flüssigkeiten, insbesondere eine Kreiselpumpe aus PFA oder PTE. Es können aber auch andere Pumpentypen eingesetzt werden. Vorzugsweise sollten die Pumpen keine Metallteile aufweisen, die mit der zu fördernden Flüssigkeit in Kontakt kommen können.
Die Zuführleitung 11 erstreckt sich zwischen dem Auslassanschluss der Pumpe 10 und einem Einlassanschluss des Ventils 12. Das Ventil 12 ist ein sogenanntes Zwei-Dreiwegeventil mit dem Einlassanschluss, der mit der Zuführleitung verbunden ist, sowie ersten und zweiten Auslassanschlüssen. Der erste Auslassanschluss steht mit der Rückführleitung 13 in Verbindung und der zweite mit dem Massflowcontroller 14. Das Ventil 12 ist somit in der Lage eine Verbindung zwischen der Zuführleitung 11 und der Rückführleitung 13 oder alternativ zwischen der Zuführleitung 11 und dem Massflowcontroller 14 vorzusehen. Das Ventil steht mit einer geeigneten, nicht dargestellten Ansteuereinheit in Verbindung, die das Ventil ansteuert, um die eine oder die andere Verbindung herzustellen. Die Rückführleitung 13 erstreckt sich zwischen dem ersten Auslassanschluss des Ventils 12 und einem Anschlussstutzen 8 des Vorratsbehälters 5, der für die Rückführung von Flüssigkeiten vorgesehen ist.
Der Massflowcontroller 14 ist zwischen einem Auslassanschluss des Ventils 12 und der Blende 15 vorgesehen. Die Blende 15 wiederum ist zwischen dem Massflowcontroller 14 und einem Anschlussstutzen 30 des Einlassrohrs 4 vorgesehen. Der Massflowcontroller 14 ist des Typs, der in der Lage ist, die Strömungsmenge einer dort hindurch strömenden Flüssigkeit zu bestimmen. Die Blende 15 ist des Typs, die einen Staudruck zwischen sich und dem Massflowcontroller erzeugt, um auch das Zumessen kleiner Flüssigkeitsmengen in den Anschlussstutzen 30 des Einlassrohrs 4 zu ermöglichen.
Alle flüssigkeitsführenden Teile der Zumesseinheit 7 sind aus einem geeigneten Material, das mit der verwendeten Flüssigkeit nicht reagiert und keine Kontaminationen in dem Prozessraum der Prozesskammer 3 einführt. Insbesondere sind die flüssigkeitsführenden Teile jeweils metallfrei.
Die Prozesskammer 3, die in den Figuren jeweils nur teilweise dargestellt ist, weist ein Kammergehäuse 18 und einen darin ausgebildeten Prozessraum 19 auf. Das Prozesskammergehäuse 18 ist aus einem geeigneten Material, das die darin stattfindenden Prozesse nicht beeinträchtigt, wie beispielsweise aus Quarz oder Borosilikatglas 3.3. Das Prozesskammergehäuse weist eine nicht dargestellte Be-/Entladeöffnung auf, über die zu behandelnde Substrate in den Prozessraum 19 hinein und aus diesem hinaus transportiert werden können, wie es in der Technik bekannt ist. In dem Prozessraum ist ferner ein Substrathalter oder eine Aufnahme für einen Substrathalter, wie beispielsweise ein Waferboot vorgesehen. Der Prozessraum kann zur Aufnahme eines einzelnen Substrats für eine Einzelbehandlung oder auch zur Aufnahme einer Charge an Substraten ausgebildet sein.
Die Prozesskammer 18 weist eine Vielzahl von Anschlussstutzen 21, 22, 23 auf, die an ihrem freien Ende jeweils eine Kugelaufnahme aufweisen. In den Anschlussstutzen 22 und 23 ist jeweils eine Blindkugel zum Abschluss der Anschlussstutzen 22, 23 dargestellt, es ist aber auch möglich diese mit Zu- oder Ableitungen zu verbinden. In dem Anschlussstutzen 21 ist das Einlassrohr 4 aufgenommen.
In, an oder auch benachbart zur Prozesskammer 18 ist eine nicht dargestellte Heizeinheit vorgesehen, um die Prozesskammer und/oder darin befindliche Substrate auf eine Prozesstemperatur zur erwärmen. Für Prozesse, die das Einbringen eines Prozessgases gemäß der Erfindung erfordern, kann die Heizeinheit die Prozesskammer 18 und/oder die darin aufgenommenen Substrate auf ein Temperatur erwärmen, die oberhalb der Verdampfungstemperatur einer Flüssigkeit liegt, die zur Bildung des Prozessgases eingesetzt wird, wie nachfolgend noch näher erläutert wird. Die Heizeinheit kann unterschiedliche Formen annehmen und kann beispielsweise Heizlampen und/oder Widerstandsheizelemente aufweisen. Ein Beispiel für ein besonders geeignetes Widerstandheizelement ist beispielsweise in der nicht vorveröffentlichten DE 10 2010 011 156 beschrieben, die hinsichtlich des Aufbaus eines bestimmten Heizelements hier durch Bezugnahme aufgenommen wird, um Wiederholungen zu vermeiden.
Das Prozesskammergehäuse 18, die Heizeinheit und auch andere hier freiliegend dargestellte Teile, insbesondere das Einlassrohr 4, können in geeigneter Weise in einem thermisch isolierenden Gehäuse, das zur Vereinfachung nicht dargestellt ist, aufgenommen sein. Ein solches ist auch beispielsweise in der schon oben erwähnten DE10 2010 011 156 beschrieben, die auch diesbezüglich hier durch Bezugnahme aufgenommen wird.
Das Einlassrohr 4 besitzt eine langgestreckte Form mit einem Einlassende 28, einem Auslassende 29, dem zuvor erwähnten Anschlussstutzen 30 und einem Kugelschliff 31. Der Anschlussstutzen 30 ist zwischen Einlassende 28 und Auslassende 29 angeordnet. Der Kugelschliff 31 des Einlassrohrs 4 befindet sich zwischen Anschlussstutzen 30 und Auslassende 29 des Einlassrohrs 4.
Das Einlassende 28 steht über ein geeignetes Verbindungselement 32 mit einer nicht näher dargestellten Gaszuleitung, beispielsweise einer N₂ Gaszuleitung in Verbindung. Das Auslassende 29 des Einlassrohrs 4 erstreckt sich in den Prozessraum 19 der Prozesskammer 3 hinein und besitzt eine Vielzahl von Auslassöffnungen, um eine hieraus austretende Gasströmung nach Art eines Zerstäubers innerhalb des Prozessraums 19 verteilen zu können.
Das Einlassrohr 4 steht in thermisch leitendem Kontakt mit der Prozesskammer 18 bzw. dem Prozessraum 19 und wird bei einer Erwärmung desselben ebenfalls erhitzt. Dies gilt insbesondere auch für den Bereich des Einlassrohrs 4, der zwischen Kugelschliff 32 und Auslassende 29 liegt.
Der Anschlussstutzen 30, der zwischen dem Einlassende 28 und dem Kugelschliff 32 vorgesehen ist, steht mit der Blende 15 der Zumesseinheit 7 in Strömungsverbindung. Hierüber kann die Zumesseinheit 7 somit Flüssigkeit in das innere des Einlassrohrs 4 einleiten.
Nachfolgend wird nunmehr der Betrieb der Vorrichtung 1 gemäß den 1 bis 4 näher erläutert.
Zunächst werden zu behandelnde Substrate in den Prozessraum 19 in der Prozesskammer 3 geladen. Anschließend wird der Prozessraum 19 auf eine vorgegebene Temperatur zum Behandeln der aufgenommenen Substrate erhitzt, die oberhalb der Verdampfungstemperatur einer Flüssigkeit liegt, die zur Bildung eines Prozessgases eingesetzt wird. Eine übliche Temperatur für eine CVD-Behandlung liegt bei 700–900°C. Es sind aber je nach Prozess auch andere Temperaturen, insbesondere auch niedrigere Temperaturen für den Prozess denkbar. Währenddessen kann über die Gaszuführung 33 und das Einlassrohr 4 ein Gas wie beispielsweise N₂ in dem Prozessraum geleitete werden um diesen beispielsweise zu spülen, wobei N₂ beispielsweise für die Behandlung der Substrate bei den Prozesstemperaturen als ein inertes Gas angesehen werden kann.
Zur Erzeugung des eigentlichen Prozessgases wird über die Zumesseinheit 7, wenn die Prozesstemperatur erreicht ist, eine flüssige Chemikalie, wie beispielsweise POCl₃, BBr₃ oder ähnliche, die beispielsweise für einen CVD-Prozess eingesetzt werden können, in das Einlassrohr 4 eingeleitet. Hierzu wird zunächst über die Pumpe 10, die Zuleitung 11, das Ventil 12 und die Rückführleitung 13 ständig die flüssige Chemikalie aus dem Vorratsbehälter 5 heraus und in diesen zurück zirkuliert. Hierdurch wird das Fördersystem ständig gelüftet. Wenn dann die Chemikalie in das Einlassrohr 4 eingeleitet werden soll, dann wird das Ventil 12 entsprechend betätigt, und die Flüssigkeit in das Einlassrohr 4 geleitet. Über den Massflowcontroller 14 kann die Menge der eingeleiteten Flüssigkeit genau bestimmt werden. Dabei hilft die Blende 15 einen gewissen Staudruck zu erzeugen, um gegebenenfalls auch geringe Mengen an Flüssigkeit zumessen zu können.
Das Einlassrohr 4, das in thermisch leitendem Kontakt mit der Prozesskammer 3 steht, befindet sich im Wesentlich auf derselben Temperatur wie die Prozesskammer 3. Insbesondere wird bei der dargestellten Ausführungsform für die Erwärmung des Einlassrohrs ausschließlich Abwärme des Prozesses eingesetzt. Damit ist das Einlassrohr 4 so stark aufgeheizt, dass die darin eintretende Flüssigkeit sofort verdampft. Der dabei gebildete Dampf tritt dann über die Auslassöffnung 29 in Dampfform in den Prozessraum 19 ein und bildet dort eine vorbestimmte Prozessgasatmosphäre. Während dieser Zeit kann weiterhin über die Gaszuleitung 33 ein weiteres Gas, wie beispielsweise N₂ in den Prozessraum 19 eingeleitet werden. Dies verhindert eine Rückdiffusion vom Prozessgas in das Einlassrohr 4 und sorgt ferner dafür, dass der gesamte Dampf aus dem Einlassrohr in die Prozesskammer gelangt. Selbst wenn der außerhalb des Kugelschliffs 25 liegende Bereich des Einlassrohrs 4 keine ausreichend hohe Temperatur besitzt, um eine Verdampfung zu bewirken, so würde die Flüssigkeit wenigstens in dem Bereich des Einlassrohrs 4 verdampfen, der zwischen Kugelschliff 25 und Auslassende 29 des Einlassrohrs 4 liegt.
Die Zumesseinheit 7 ist somit in Kombination mit dem Einlassrohr 4 in der Lage in kontrollierter Weise ein Prozessgas in den Prozessraum der Prozesskammer 3 einzuleiten. Zusätzlichen können beispielsweise über weitere nicht gezeigte Zuleitungen (die zum Beispiel die Anschlussstutzen 22, 23 nutzen können) weitere Prozessgaskomponenten in den Prozessraum eingeleitet werden. Auch kann kontrolliert Prozessgas über eine entsprechende Ableitung abgeleitet werden, um bei entsprechender Zuleitung eine Erfrischung der Prozessgasatmosphäre zu ermöglichen, und/oder um den Prozess zu beenden.
Die 5 zeigt eine vergrößerte schematische Darstellung eines Teilbereichs einer alternativen Vorrichtung 1 zum Einleiten eines Prozessgases in eine Prozesskammer 3 und 6 eine vergrößerte schematische perspektivische Darstellung eines Einlassrohrs 4, das bei der Ausführungsform gemäß 5 eingesetzt ist. Bei der nachfolgenden Beschreibung werden dieselben Bezugszeichen verwendet wie bei der zuvor beschriebenen Ausführungsform, sofern gleiche oder ähnliche Elemente beschrieben werden.
5 zeigt wieder einen Teil einer Prozesskammer 3, die in der gleichen Weise aufgebaut sein kann wie zuvor beschrieben, die einen Anschlussstutzen 21 aufweist, in dem ein Einlassrohr 4 aufgenommen ist.
Das Einlassrohr 4 besitzt wieder eine langgestreckte Form mit einem Einlassende 28, einem Auslassende 29 und einem Kugelschliff 31. Ferner weist das Einlassrohr 4 einen ersten Anschlussstutzen 30 sowie einen zweiten Anschlussstutzen 30' auf. Der erste Anschlussstutzen 30 sowie der zweite Anschlussstutzen 30' sind zwischen dem Einlassende 28 und dem Kugelschliff 31 angeordnet. Der Kugelschliff 31 des Einlassrohrs 4 befindet sich zwischen den Anschlussstutzen 30, 30' und dem Auslassende 29 des Einlassrohrs 4.
Das Einlassende 28 steht über ein geeignetes Verbindungselement 32 mit einer nicht näher dargestellten Gaszuleitung, beispielsweise einer N₂ Gaszuleitung in Verbindung. Das Auslassende 29 des Einlassrohrs 4 erstreckt sich in den Prozessraum der Prozesskammer 3 hinein und besitzt eine Vielzahl von Auslassöffnungen, um eine hieraus austretende Gasströmung nach Art eines Zerstäubers innerhalb des Prozessraums verteilen zu können.
Das Einlassrohr 4 steht in thermisch leitendem Kontakt mit der Prozesskammer 3 (dem Prozessraum) und wird bei einer Erwärmung derselben (desselben) ebenfalls erhitzt. Dies gilt insbesondere auch für den Bereich des Einlassrohrs 4, der zwischen Kugelschliff 31 und Auslassende 29 liegt.
Die Anschlussstutzen 30, 30' stehen jeweils mit einer Zumesseinheit 7, 7' in Verbindung, die jeweils denselben Aufbau haben können wie die zuvor unter Bezugnahme auf die 1 bis 4 beschriebene Zumesseinheit 7. In 5 sind jedoch nur jeweilige Zuleitungen 11, 11', Ventile 12, 12', Rückführleitungen 13, 13', Massflowcontroller 14, 14' und Blenden 15, 15' dargestellt, die jeweils den zuvor beschriebenen Aufbau besitzen können.
Die Zumesseinheiten 7, 7' stehen jeweils mit einem Vorratsbehälter, wie dem zuvor beschriebenen Vorratsbehälter 5 oder einer sonstigen Quelle für eine Flüssigkeit in Verbindung. Dabei stehen die Zumesseinheiten 7, 7' mit unterschiedlichen Vorratsbehältern/Quellen für unterschiedliche Flüssigkeiten in Verbindung. Hierdurch können somit unterschiedliche Flüssigkeiten über die Zumesseinheiten 7, 7' in das Einlassrohr 4 eingeleitet werden. Beispiele für geeignete Flüssigkeiten, die beispielsweise in der Halbleiter oder der Photovoltaik eingesetzt werden sind die schon oben genannten POCl₃ und BBr₃, H₂O, HCl, DCE (Dichlorethylen) TEOS (Tetraethylorthosilicat), TMB (3,3',5,5'-Tetramethylbenzidine), TMP (2,2,6,6-Tetramethylpiperidin) und Mischungen derselben. Natürlich können je nach Prozess und Substrat auch andere Chemikalien in flüssiger Form über die Zumesseinheiten 7, 7' in das Einlassrohr eingeleitet werden, um in diesem zu verdampfen und in den Prozessraum der Prozesskammer geleitet zu werden.
Die Einleitung kann zeitlich überlappend und/oder sequentiell, d. h. zeitlich nacheinander erfolgen, um zum Beispiel eine Prozessgasatmosphäre aus gemischten Komponenten einzustellen und/oder um nacheinander unterschiedliche Prozessgasatmosphären bereitzustellen. Die Gaszuleitung, die über das Verbindungselement 32 mit dem Einlassende des Einlassrohrs in Verbindung steht, kann mit unterschiedlichen Gasquellen in Verbindung stehen, die je nach Prozess noch unterschiedliche gasförmige Komponenten in das Einlassrohr 4 einleiten können.
Der Betrieb der Vorrichtung 1 gemäß 5 gleicht im Wesentlichen dem schon zuvor unter Bezugnahme auf die 1 bis 4 beschriebenen Betrieb. Lediglich können über die Zumesseinheiten 7, 7' entweder zeitlich überlappend oder auch nacheinander unterschiedliche Flüssigkeiten das Einlassrohr eingebracht werden, um im Einlassrohr 4 verdampft und dann in den Prozessraum der Prozesskammer 3 geleitet zu werden. Natürlich kann für einen Prozess auch nur über die eine oder die andere Zumesseinheit eine Flüssigkeit eingeleitet werden.
Die Erfindung wurde zuvor anhand bevorzugter Ausführungsformen der Erfindung näher erläutert, ohne auf die konkreten Ausführungsformen begrenzt zu sein. So könnte zum Beispiel der Vorratsbehälter 5 auch so angeordnet sein, dass er oberhalb des Ventils 12 angeordnet ist, sodass über eine geeignete Leitung zwischen dem Behälter und dem Ventil aufgrund der Schwerkraft immer eine Flüssigkeit am Ventil ansteht, wodurch auf eine Pumpe und eine Rückführleitung verzichtet werden könnte. Wie zuvor erwähnt kann der Vorratsbehälter mehrere Prozesskammern versorgen und hierfür mehrere Anschlussstutzen aufweisen. Wenn er nur für eine Prozesskammer vorgesehen ist, kann die Anzahl der Anschlussstutzen entsprechend reduziert werden, wie der Fachmann erkennen wird.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102009051284 A1 [0003]
DE 102009051285 A1 [0003]
DE 102010011156 [0038, 0039]

Claims

Verfahren zum Einbringen eines Prozessgases in einen Prozessraum einer Prozesskammer, das die folgenden Schritte aufweist: Erwärmen der Prozesskammer und/oder wenigstens eines darin aufgenommenen Substrats mit wenigstens einer Prozesskammer-Heizeinrichtung, wodurch ein Einlassrohr, das in Strömungsverbindung und thermisch leitendem Kontakt mit der Prozesskammer steht, im Wesentlichen mit erwärmt wird, Einleiten wenigstens einer abgemessen ersten Flüssigkeit in das so erwärmte Einlassrohr, und Verdampfen derselben im Einlassrohr um wenigstens einen Teil des Prozessgases zu bilden, und Leiten wenigstens der verdampften Flüssigkeit in den Prozessraum.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Einlassrohr zu wenigstens 90%, und vorzugsweise vollständig über die Prozesskammer, ein darin aufgenommenes Substrat und/oder die Prozesskammer-Heizeinrichtung erwärmt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei die wenigstens eine Flüssigkeit vor und nach dem Leiten eines abgemessenen Teils davon in das Einlassrohr aus einem Vorratsbehälter durch ein Ventil hindurch zu dem Vorratsbehälter zurück zirkuliert wird, wobei das Ventil angesteuert wird, um einen Teil der Flüssigkeit zum Einlassrohr zu leiten.
Verfahren nach Anspruch 3, wobei die wenigstens eine Flüssigkeit während des Betriebs ständig aus dem Vorratsbehälter zum Ventil und von dort entweder zum Vorratsbehälter zurück oder zum Einlassrohr gefördert wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Einlassrohr wenigstens während des Einleitens der wenigstens einen Flüssigkeit mit einem weiteren Gas durchströmt wird.
Verfahren nach Anspruch 5, wobei die wenigstens eine Flüssigkeit örtlich zwischen einem Einlassende des Einlassrohres, an dem das weitere Gas eingelassen wird, und einem mit dem Prozessraum in Verbindung stehenden Auslassende des Einlassrohrs in das Einlassrohr eingebracht wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 5 oder 6, wobei das weitere Gas ein für einen Prozess im Prozessraum inertes Gas ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass unterschiedliche Flüssigkeiten in das Einlassrohr geleitet werden, die jeweils verdampfen und in Gasform in den Prozessraum strömen.
Verfahren nach Anspruch 8, wobei die unterschiedlichen Flüssigkeiten zeitlich überlappend in das Einlassrohr geleitet werden.
Verfahren nach Anspruch 8, wobei die unterschiedlichen Flüssigkeiten zeitlich nacheinander in das Einlassrohr geleitet werden.
Verfahren nach Anspruch 10, wobei das Einlassrohr zwischen dem Einbringen unterschiedlicher Flüssigkeiten mit einem weiteren Gas durchspült wird.
Vorrichtung zum Einbringen eines Prozessgases in einen Prozessraum einer Prozesskammer, die über eine Heizeinrichtung auf eine erhöhte Prozesstemperatur erwärmbar ist, wobei die Vorrichtung folgendes aufweist: wenigstens ein Einlassrohr, das in Strömungsverbindung und thermisch leitendem Kontakt mit der Prozesskammer steht, und somit über die Prozesskammer erwärmbar ist wenigstens einen ersten Vorratsbehälter für wenigstens eine erste Flüssigkeit, die bei ihrer Verdampfung wenigstens einen Teil des Prozessgases bilden kann, und wenigstens eine Zumesseinheit mit wenigstens einem Ventil zum Leiten von Flüssigkeit aus dem Vorratsbehälter in das Einlassrohr.
Vorrichtung nach Anspruch 12, wobei das Einlassrohr im Wesentlichen nur über die Prozesskammer und deren Heizeinrichtung erwärmbar ist.
Vorrichtung nach Anspruch 12 oder 13, wobei die Zumesseinheit ferner wenigstens eine Pumpe, eine Zuführleitung und eine Rückführleitung aufweist, wobei die Pumpe so angeordnet ist, dass sie Flüssigkeit aus dem Vorratsbehälter durch die Zuführleitung zum Ventil und anschließend je nach Ventilstellung über die Rückführleitung zurück zum Vorratsbehälter oder in das Einlassrohr fördern kann.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 12 bis 14, wobei wenigstens ein Flüssigkeitsmengenmesser zwischen dem Ventil und dem Einlassrohr vorgesehen ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 12 bis 15, wobei wenigstens eine Blende, insbesondere eine feste Blende zwischen Ventil und Einlassrohr vorgesehen ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 12 bis 16, wobei sich das Einlassrohr wenigstens teilweise in den Prozessraum erstreckt und/oder eine Vielzahl von Auslassöffnungen aufweist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 12 bis 17, die ferner folgendes aufweist: wenigstens einen zweiten Vorratsbehälter für wenigstens eine zweite Flüssigkeit, die bei ihrer Verdampfung wenigstens einen Teil eines Prozessgases bilden kann, und wenigstens eine zweite Zumesseinheit mit wenigstens einem Ventil zum Leiten von Flüssigkeit aus dem zweiten Vorratsbehälter in das Einlassrohr.