WO2006082117A1 - Gasverteiler mit in ebenen angeordneten vorkammern - Google Patents

Gasverteiler mit in ebenen angeordneten vorkammern Download PDF

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WO2006082117A1
WO2006082117A1 PCT/EP2006/050049 EP2006050049W WO2006082117A1 WO 2006082117 A1 WO2006082117 A1 WO 2006082117A1 EP 2006050049 W EP2006050049 W EP 2006050049W WO 2006082117 A1 WO2006082117 A1 WO 2006082117A1
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gas
gas distributor
distributor
prechambers
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Markus Reinhold
Peter Baumann
Gerhard Karl Strauch
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Aixtron Ag
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    • C23C16/45563—Gas nozzles
    • C23C16/45574—Nozzles for more than one gas

Definitions

  • the invention relates to a gas distributor in a CVD or OVPD reactor with two or more gas volumes, in each of which a supply line for a process gas opens, each gas volume connected to a plurality of opening in the bottom (5) of the gas distributor outlet openings for the respective process gas is.
  • a generic gas distributor is known from EP 0 687 749 Al.
  • the gas distributor is located in a CVD reactor and forms the ceiling of a process chamber whose bottom forms a substrate holder, on which one or more substrates are arranged to be coated, wherein the materials forming the layer are introduced into the process chamber by means of the gas distributor ,
  • the gas distributor known from EP 6 877 49 A1 has a plurality of gas volumes arranged one above the other, each of which is supplied with a different process gas. Each of the gas volumes has exit channels that open into the bottom of the gas distributor. The two gas volumes are superimposed and extend over the entire cross-sectional area of the gas distributor.
  • the supply lines to the gas volumes are located at the edge, so that the gas emerging from the gas distributor may have inhomogeneities.
  • MOCVD Metal Organic Chemical Vapor Deposition
  • dielectrics single- or multi-component oxide insulation layers
  • passivation layers electrically conductive layers.
  • a plurality of reactive gases or gaseous precursors are mixed, fed to a reaction chamber in order to deposit a layer on a heated substrate, and then pumped out of the reaction chamber.
  • the reactors have different geometrical arrangements, eg horizontal and vertical reactors.
  • the substrate surface is parallel to the flow direction of the mixed precursors and reactive gases.
  • the corresponding gas mixture strikes the substrate surface vertically and flows to the outer edges of the substrate before exiting the reaction chamber.
  • substrate rotation can be used to increase the uniformity of the deposited layer.
  • the precursors used are often very reactive and can cause pre-liminary gas-phase reactions. This leads to deposition and thus progressive contamination of gas-carrying parts in front of the substrate, causes particle formation and thus particle occupation of the substrate, alters the reaction chemistry in the substrate, and reduces the efficiency of the growth process.
  • oxide insulation layers dielectrics
  • passivation layers electrically conductive layers
  • electrically conductive layers it has been shown that this type of mixing does not lead to sufficiently homogeneous layers on the substrate.
  • the requirement for inhomogeneity of the deposited layers on the substrate surface is e.g. ⁇ + L%.
  • Organic organometallic precursors can contain at least one metal atom and / or at least one semiconductor / semimetal atom (such as Si, Ge).
  • semiconductor / semimetal atom such as Si, Ge.
  • the invention has the object to improve the operation of a gas distributor.
  • the object is achieved by the invention specified in the claims. Whereby each of the claims represents fundamental independent solutions and every claim with every claim can be combined with each other as an independent technical solution.
  • the claim 1 provides initially and essentially that the gases are distributed in a first plane in the radial direction and in a second, underlying level then in the circumferential direction before they leave the latter through the outlet openings at the bottom of the gas distributor.
  • Claim 2 provides first and foremost that each gas volume is formed by a plurality of prechambers, wherein the prechambers lie in a common first plane, and wherein a plurality of gas distribution chambers assigned to gas volume are provided in a second plane forming the bottom of the gas distributor are, wherein the antechambers and the gas distribution chambers of each gas volume are connected to connecting channels.
  • all prechambers are arranged in a common first plane.
  • the pre-chambers, which belong to a gas volume have different radial distances from the center of the gas distributor. It is also provided that the chambers belonging to a gas volume are arranged distributed in the circumferential direction.
  • the antechambers of two different gas volumes can mesh in a comb-like manner.
  • the comb teeth can be extensions of each individual chamber extending in the radial direction.
  • the gas distribution chambers may concentrically surround the center of the gas distributor. It is envisaged that a gas distribution chamber is connected to a plurality of prechambers. An antechamber may in turn also be connected to a plurality of gas distribution chambers. Preferably, the connection channels between the individual chambers in a third plane, which is located between the first and second level.
  • a multi-chamber gas distributor is provided, wherein the gaseous precursors, which may include metals or semiconductors, and the reactive gases are introduced separately into a gas distributor.
  • the gas distributor has a high degree of temperature homogeneity in order to avoid condensation, decomposition and preliminary reactions of the precursors with the chemically reactive gases.
  • the lowest possible pressure drop during passage through the gas distributor for the gaseous Pre- Cursors advantageous.
  • the gas distributor is used in a CVD reactor.
  • the gas distributor extends substantially parallel to a substrate holder.
  • Substrate holder and gas distributor then form the boundaries of a process chamber.
  • the gas distributor can be located above, below or to the side of the substrate holder.
  • the gas distributor preferably delimits the process chamber in an upward direction.
  • the bottom of the gas distributor then forms the ceiling of a process chamber.
  • the bottom of the process chamber is the substrate holder.
  • the gas distributor has a showerhead-like appearance. From the openings arranged at the bottom of the gas distributor, the process gases exit in order to react with one another in the gas phase or else on the substrate, a layer being deposited on the substrate.
  • the mass flows of the gases can be adjusted so that the gases in the gas distributor have a residence time of 10ms to 16ms.
  • the individual chambers of the gas volumes are designed so that this applies to total gas flows of 300 to 1200sccm.
  • the pressure drop when flowing through the gas distributor is preferably ⁇ 2.5 mbar, with a total flow of 1200 sccm.
  • the temperature inhomogeneity along the gas flow path is preferably less than 10%.
  • gaseous precursors When the gaseous precursors exit the gas outlet openings of the gas distributor, a standard deviation of 0.3% to 0.9% results for the flow distribution.
  • carrier gases for the precursors nitrogen, hydrogen, helium and argon or another inert gas or inert gas are to be preferred.
  • gaseous precursors or liquid or organometallic starting materials at room temperature are used. These are transferred in special evaporations in the gas phase and then fed to the gas distributor. There they enter the gas volume assigned to them. The gas stream is split into several partial gas streams with which the individual prechambers are supplied. About the antechamber occurs Process gas then through the connecting channels in the circular surrounding the center of the gas distributor gas distribution chamber.
  • gases from different prechambers of the same volume of gas enter one and the same gas distribution chamber.
  • a reactive gas for example O 2 , O 3 , NO 2 , H 2 O, NH 3 or H 2
  • This gas volume may have one or more prechambers.
  • the prechamber and the prechambers are also connected via connecting channels with arranged concentrically around the center of the gas distributor gas distribution chambers.
  • the gas distribution chambers belonging to the individual gas volumes can alternate in the radial direction.
  • 1 is a plan view of a gas distributor
  • Fig. 5 is a section along the line V-V in Figure 2, wherein in each case only the
  • FIG. 6 shows a section according to the line VI-VI in FIG. 2, wherein only the structures lying directly below the cutting plane are made visible
  • 7 shows a section according to the line VII-VII in Figure 2, wherein in each case only the immediately below the cutting plane structures are made visible
  • FIG. 8 shows a section according to the line VIII-VIII in FIG. 2, wherein in each case the structures located immediately below the cutting plane are made visible,
  • Fig. 10 in a rough schematic representation of a CVD reactor in cross section with a gas distributor shown in the preceding figures.
  • FIG. 10 shows the basic structure of a CVD, in particular a MOCVD reactor.
  • This has a reaction chamber 25, which is vacuum-tight to the outside world.
  • the reaction chamber 25 has a loading / unloading opening 26 to introduce into the process chamber 21 one or more substrates.
  • Substrates lie on a susceptor 22 which can be heated from below and which is held in the reactor chamber 25 by means of a rotatable susceptor holder 23.
  • the reactor chamber 25 also has a gas outlet 24 and a gas distributor 20.
  • the gas distributor 20 is supplied by two supply lines 3, 4 with the process gases and these process gases may be a metal-containing first gas (precursor) and a second reactive gas.
  • the two gases are supplied via the supply line 3, 3 1 of a gas distributor 20, which is located parallel and in a horizontal plane above the susceptor 22.
  • the detailed configuration of the gas distributor 20 will be described below with reference to FIGS. 1 to 8.
  • the gas distributor 20 Within the gas distributor 20 are two separate gas volumes 1, 2. In the gas volume 1 is introduced via the supply line 3, 3 1 containing a metal component first process gas. There are a multiplicity of different supply lines 3,3 '. In the second gas volume 2, the second process gas, which is a reactive gas, is introduced via a plurality of supply lines 4.
  • the first gas volume contains a large number of prechambers 10, which are arranged like comb teeth, the comb teeth extending essentially in the radial direction of the gas distributor having a circular planform. Between these comb teeth of the pre-chambers 10, fingers of a second pre-chamber 11, which is associated with the second gas volume, extend. The fingers of the prechamber 11 are separated from the comb teeth of the prechamber 10 by a wall 17.
  • prechambers 10 ' At a radial spacing from the prechambers 10, prechambers 10 'are provided, which also form comb teeth extending in the radial direction. Sections of the prechamber 11 are located between these comb teeth of the prechamber 10 '.
  • the same process gas is introduced into the prechamber 10' as into the prechamber 10, so that the prechambers 10, 10 'are associated with a gas volume 1.
  • the center of the gas distributor is formed by the prechamber 11, so that the prechambers 10 'in cross section form an approximately V-shaped outline contour.
  • the pre-chambers 10 form a three-pronged comb, with the prongs directed radially inward.
  • the individual sections of the pre- chambers 10, 10 'from each other separating spaces belong to the antechamber 11, which has a total of a star-shaped structure.
  • the partition walls 17 are provided, which separate the antechambers 10 and 11 from each other.
  • the walls 18 separate the antechambers 10 ', 11 from each other.
  • the prechamber 10 still has a baffle 19th
  • the gas distributor has a structure consisting of several discs, with the discs lying one above the other.
  • the uppermost disc forms a lid. This covers the antechambers 10, 10 ', 11 from.
  • the prechambers 10, 10 ', 11 are associated with a disc lying below the lid. They are incorporated in this disc, for example by milling.
  • These connecting channels 14, 15 connect the plane 8 of the antechambers 10, 10 ', 11 with planes 9, 9', in which gas distribution chambers 12, 13 are arranged.
  • the pre-chambers 10, 10 ' are connected by means of vertically extending connecting channels 14 with a plurality of gas distribution chambers 12 surrounding the center of the gas distributor.
  • These gas distribution chambers 12 are annular channels, which are arranged in a plane 9 ', which are associated with a further disc.
  • the ring structure of the gas distribution chambers 12 can be produced by milling.
  • the connecting channels 15 arranged in the bottom of the prechamber 11 connect the prechamber 11 to a multiplicity of gas distribution chambers 13 likewise concentrically surrounding the center of the gas distributor. These lie in a plane 9 ', which are arranged below the plane 9, so that the gas distribution chambers 12 and the gas distribution chambers 13 are arranged in different planes.
  • the gas distribution chambers 13 also have bottom-side openings which form outlet openings 6 for the second process gas.
  • annular gas distribution chambers 12 of the first process gas and annular gas distribution chambers 13 of the second process gas alternate with each other.
  • the gas distributor may consist of a suitable metal. It preferably has a multilayer structure.
  • the gas distributor may be tempered and have around the part containing the gas flow paths a rim with thermal mass for temperature homogenization. Thus, it has a high degree of temperature homogeneity along the gas flow paths.
  • a radial distribution of the first process gas and the second process gas is achieved and that in a further plane, a circumferential distribution of the two process gases is achieved, wherein the process gases separately from the outlet openings 6, 7 exit.
  • the circumferential distribution of the two process gases can also take place in two different levels. It is also advantageous that the gases are supplied to the individual pre-chambers 10, 10 ', 11 in a plurality of supply lines 3, 3 1 , 4.
  • the gas distributor serves in particular to distribute gases in a process chamber in which a condensation process for coating substrates is carried out.
  • oxidic insulation layers (dielectrics), passivation layers or electrically conductive layers are deposited on semiconductive, conductive or insulating substrates.
  • the susceptor 22 is rotated by means of a rotatable axis 23.
  • the process chamber 21 can be loaded with substrates through a flange which forms the loading and unloading opening 26.
  • the gaseous precursors and reactive gases are introduced into the gas distributor 20 through the separate supply lines 3 and 4. Unused process gases are pumped out through the gas outlet 24.
  • the gas distributor 20 serves for the homogeneous gas outlet of the process gases through the outlet openings 6, 7 on its underside. Within the process chamber 21, the gases are mixed together.
  • gas flow results for the residence time of the gases in the gas distributor 10ms to 60ms.
  • gaseous precursors there is a total pressure drop when flowing through the gas distributor of ⁇ 2.5 mbar at a total flow of 1.21 / min.
  • a temperature inhomogeneity along the gas flow path across the diameter of the gas distributor of less than 10% of the gas distribution temperature is advantageous.

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Gasverteiler in einem CVD- oder OVPD-Reaktor mit zwei oder mehreren Gasvolumina (1, 2), in die jeweils eine Zuleitung (3, 4) für ein Prozessgas mündet, wobei jedes Gasvolumen (1, 2) mit einer Vielzahl von im Boden (5) des Gasverteilers mündende Austrittsöffnungen (6, 7) für das jeweilige Prozessgas verbunden ist. Zur Erhöhung der Homogenität der Gaszusammensetzung ist vorgesehen, dass die beiden Gasvolumina (1, 2) in einer gemeinsamen ersten Ebene (8) liegende Vorkammern (10, 10', 11) aufweisen, wobei in einer dem Boden des Gasverteilers benachbarten zweiten Ebene (9) eine Vielzahl von jeweils einem Gasvolumen zugeordnete Gasverteilungskammern (12, 13) vorgesehen sind, wobei die Vorkammern (10, 10', 11) und die Gasverteilungskammern (12, 13) jedes Gasvolumens (1, 2) mit Verbindungskanälen (14, 15) verbunden sind.

Description

Gasverteiler mit in Ebenen angeordneten Vorkammern
Die Erfindung betrifft einen Gasverteiler in einem CVD- oder OVPD-Reaktor mit zwei oder mehreren Gasvolumina, in die jeweils eine Zuleitung für ein Prozessgas mündet, wobei jedes Gasvolumen mit einer Vielzahl von im Boden (5) des Gasverteilers mündende Austrittsöffnungen für das jeweilige Prozessgas verbunden ist.
Ein gattungsgemäßer Gasverteiler ist aus der EP 0 687749 Al bekannt. Der Gasverteiler befindet sich in einem CVD-Reaktor und bildet die Decke einer Prozesskammer, deren Boden ein Substrathalter bildet, auf dem ein oder mehrere Substrate angeordnet werden, um beschichtet zu werden, wobei die die Schicht bildenden Materialien mittelst des Gasverteilers in die Prozesskammer eingeleitet werden. Der aus der EP 6 87749 Al bekannte Gasverteiler besitzt mehrere übereinander angeordnete Gasvolumina, die jeweils mit einem anderen Prozessgas versorgt werden. Jedes der Gasvolumina besitzt Austrittskanäle, die im Boden des Gasverteilers münden. Die beiden Gasvolumina liegen übereinander und erstrecken sich über die gesamte Querschnittsfläche des Gasver- teilers. Die Zuleitungen zu den Gasvolumina befinden sich am Rand, so dass das aus dem Gasverteiler heraustretende Gas Inhomogenitäten aufweisen kann.
Gasverteiler der gattungsgemäßen Art werden bei der MOCVD eingesetzt. Me- tal Organic Chemical Vapor Deposition (MOCVD) ist eine weit verbreitete Me- thode zur Abscheidung von ein- oder mehrkomponentigen oxidischen Isolationsschichten (Dielektrika), Halbleiterschichten, Passivierungsschichten oder elektrisch leitenden Schichten. Dazu werden mehrere reaktive Gase bzw. gasförmige Precursoren gemischt, einer Reaktionskammer zugeführt, um eine Schicht auf einem beheizten Substrat abzuscheiden, und dann aus der Reakti- onskammer abgepumpt. Bei den Reaktoren gibt es verschiedene geometrische Anordnungen, z.B. horizontale und vertikale Reaktoren. Bei horizontalen Reak- toren befindet sich die Substratoberfläche parallel zur Flussrichtung der gemischten Precursoren und reaktiven Gase. In vertikalen Reaktoren trifft das entsprechende Gasgemisch vertikal auf die Substratoberfläche und fließt zu den äußeren Rändern des Substrats ab, bevor es die Reaktionskammer verlässt. Ge- nerell kann eine Substratrotation zur Erhöhung der Gleichförmigkeit der abgeschiedenen Schicht eingesetzt werden.
Um eine homogene Abscheidung auf dem Substrat zu gewährleisten, muss eine gute Durchmischung der verschiedenen gasförmigen Precursoren bzw. reakti- ven Gase gewährleistet sein. Um das zu erzielen gibt es Methoden, bei denen die Gasmischung früh vor dem Einleiten in die Reaktionskammer erreicht wird. Dies ist für Precursoren und reaktiven Gasen geeignet, die bei der Temperatur und Druck im Gas Verteiler stabil sind.
Die verwendeten Precursoren sind aber oft sehr reaktiv und können dabei pre- liminäre Gasphasenreaktionen verursachen. Dies führt zu Abscheidung und damit fortschreitender Verunreinigung an gasführenden Teilen vor dem Substrat, verursacht Partikelbildung und damit Partikelbelegung des Substrats, verändert die Reaktionschemie beim Substrat, und reduziert die Effizienz des Wachstumsprozesses.
Beim oben genannten Mehrkammergasverteiler siehe auch US 5871586 werden die verschiedenen gasförmigen Komponenten in separaten Kammern herangeführt, und über eine Vielzahl von Öffnungen direkt dem Substrat zugeführt. Die Mischung erfolgt erst in dem Bereich direkt bei dem Substrat. Bei einem solchen Mehrkammer-Gasverteiler führen Durchführungsrohre von einer ersten Kammer bis in einen Gasverteilerauslass und durchqueren dabei mindestens eine andere Kammer. Dadurch ergeben sich in den Kammern enge Flussquerschnitte um die Durchführungsrohre. Dies führt zu inhomogenen Flüssen und erhöhtem Druckabfall innerhalb einer Kammer. Diese Probleme nehmen bei größeren Durchmessern des Gasverteilers zu, da sich die Zahl der Durch- führungsrohre mit der Fläche erhöht. Außerdem wird die Fertigung des Gasverteilers mit zunehmender Zahl der Durchführungsrohres sehr viel komplizierter, da jedes Durchführungsrohr an jeder Trennwand einer Kammer gasdicht sein muss. Ein solcher Gasverteiler ist kaum skalierbar und ist daher prak- tisch nicht für die Beschichtung von größeren Substraten herstellbar bzw. benutzbar e.g. 200mm, 300mm. Ein solcher Gasverteiler lässt sich nach Herstellung praktisch nicht mehr z.B. für Wartungszwecke öffnen.
Bei einigen Prozessen für oxidische Isolationsschichten (Dielektrika), Passivie- rungsschichten oder elektrisch leitende Schichten hat sich gezeigt, dass diese Art der Durchmischung nicht zu hinreichend homogenen Schichten auf dem Substrat führt. Für einige Anwendungen sind die Anforderung für die Inhomogenität der abgeschiedenen Schichten auf der Substratoberfläche z.B. <+l%.
Viele gasförmige metallorganische Precursoren sind als solche nur in einem kleinen Temperaturfenster stabil. (Metallorganische Precursoren können mindestens ein Metallatom und/ oder auch mindestens ein Halbleiter- / Halbmetallatom (wie z.B. Si, Ge) enthalten. Bei zu tiefen Temperaturen findet Kondensation statt, bei zu hohen Temperaturen Zersetzung, selbst vor Mischung mit anderen reaktiven Gasen. Daher ist eine homogene Temperierung des Gasverteilers notwendig.
Ausgehend vom gattungsgemäßen Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, die Wirkungsweise eines Gasverteilers zu verbessern.
Gelöst wird die Aufgabe durch die in den Ansprüchen angegebene Erfindung. Wobei jeder einzelne der Ansprüche grundsätzliche eigenständige Lösungswege darstellt und jeder Anspruch mit jedem Anspruch als eigenständige technische Lösung miteinander kombinierbar ist. Der Anspruch 1 sieht zunächst und im Wesentlichen vor, dass die Gase in einer ersten Ebene in Radialrichtung und in einer zweiten, darunter liegenden Ebene sodann in Umf angsrichtung verteilt werden, bevor sie durch die Austrittsöffnungen am Boden des Gasverteilers letzteren verlassen.
Der Anspruch 2 sieht zunähst und im Wesentlichen vor, dass jedes Gasvolumen von mehreren Vorkammern gebildet ist, wobei die Vorkammern in einer gemeinsamen ersten Ebene liegen, und wobei in einer den Boden des Gasverteilers bildenden zweiten Ebene eine Vielzahl von jeweils Gasvolumen zugeord- nete Gasverteilungskammern vorgesehen sind, wobei die Vorkammern und die Gasverteilungskammern jedes Gasvolumens mit Verbindungskanälen verbunden sind. Bevorzugt sind alle Vorkammern in einer gemeinsamen ersten Ebene angeordnet. In einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Vorkammern, die einem Gasvolumen gehören, verschiedene Radialabstände zum Zentrum des Gasverteilers besitzen. Es ist auch vorgesehen, dass die zu einem Gasvolumen gehörenden Vorkammern in Umfangsrichtung verteilt angeordnet sind. Die Vorkammern zwei verschiedener Gasvolumina können kammartig ineinander greifen. Die Kammzinken können dabei in Radialrichtung verlaufende Fortsätze jeder einzelnen Kammer sein. Die Gasverteilungskammern können das Zentrum des Gasverteilers konzentrisch umgeben. Es ist vorgesehen, dass eine Gasverteilungskammer mit mehreren Vorkammern verbunden ist. Eine Vorkammer kann auch wiederum mit mehreren Gasverteilungskammern verbunden sein. Bevorzugt liegen die Verbindungskanäle zwischen den einzelnen Kammern in einer dritten Ebene, die sich zwischen erster und zweiter Ebene befindet. Erfindungsgemäß ist ein Mehrkammergasverteiler gegeben, wobei die gasförmigen Precursoren, die Metalle oder Halbleiter beinhalten können, und die reaktiven Gase separat in einen Gasverteiler eingeleitet werden. Der Gasverteiler weist ein hohes Maß an Temperaturhomogenität auf, um Kondensation, Zersetzung und preliminäre Reaktionen der Precursoren mit den chemisch reaktiven Gasen zu vermeiden. Dabei ist ein möglichst geringer Druckabfall beim Durchgang durch den Gasverteiler für die gasförmigen Pre- Cursoren vorteilhaft. Dies ist insbesondere dann der Fall, wenn dem Gasverteiler ein Verdampfer vorgeschaltet ist. Mit diesem Verdampfer können flüssige oder feste Ausgangsstoffe in Prozessgase verdampft werden. In einer bevorzugten Anordnung wird der Gasverteiler in einem CVD-Reaktor verwendet. Dabei erstreckt sich der Gasverteiler im Wesentlichen parallel zu einem Substrathalter. Substrathalter und Gasverteiler bilden dann die Begrenzungen einer Prozesskammer. Dabei kann sich der Gasverteiler oberhalb, unterhalb oder seitlich des Substrathalters befinden. Bevorzugt grenzt der Gasverteiler die Prozesskammer nach oben hin ab. Der Boden des Gasverteilers bildet dann die Decke einer Prozesskammer. Der Boden der Prozesskammer ist der Substrathalter.
Auf dem Substrathalter können ein oder mehrere Substrate angeordnet werden. Der Gasverteiler hat insgesamt ein duschkopfartiges Aussehen. Aus den am Boden des Gasverteilers angeordneten Öffnungen treten die Prozessgase aus, um in der Gasphase oder aber auch auf dem Substrat miteinander zu reagieren, wobei auf dem Substrat eine Schicht abgeschieden wird. Die Massenflüsse der Gase können so eingestellt werden, dass die Gase im Gasverteiler eine Verweilzeit von 10ms bis 16ms haben. Dabei sind die einzelnen Kammern der Gasvolumina so gestaltet, dass dies für Gesamtgasflüsse von 300 bis 1200sccm gilt. Der Druckabfall beim Durchfließen des Gasverteilers liegt bevorzugt bei <2,5mbar, bei einem Gesamtfluss von 1200sccm. Die Temperaturinhomogenität entlang des Gasflussweges ist vorzugsweise geringer als 10%. Bei einem Austritt der gasförmigen Precursoren aus den Gasauslassöffnungen des Gasverteilers ergibt sich für die Flussverteilung eine Standard-Abweichung von 0,3% bis 0,9%. Als Träger gase für die Precursoren sind Stickstoff, Wasserstoff, Helium und Argon oder ein anderes Edelgas bzw. inertes Gas zu bevorzugen. In einer bevorzugten Ausgestaltung werden gasförmige Precursoren oder bei Raumtemperatur flüssige oder metallorganische Ausgangsstoffe verwendet. Diese werden in besonderen Verdampfungen in die Gasphase überführt und danach dem Gasverteiler zugeführt. Sie treten dort in das ihnen zugeordnete Gasvolu- men ein. Der Gasstrom wird aufgespalten in mehrere Teilgasströme mit denen die einzelnen Vorkammern versorgt werden. Über die Vorkammern tritt das Prozessgas dann durch die Verbindungskanäle in die kreisförmig das Zentrum des Gasverteilers umgebende Gasverteilungskammer. Dabei treten Gase aus unterschiedlichen Vorkammern desselben Gasvolumens in ein und dieselbe Gasverteilungskammer. In ein zweites Gasvolumen wird ein reaktives Gas, bei- spielsweise O2, O3, NO2, H2O, NH3 oder H2 eingeleitet. Dieses Gasvolumen kann ein oder mehrere Vorkammern besitzen. Die Vorkammer bzw. die Vorkammern sind ebenfalls über Verbindungskanäle mit konzentrisch um das Zentrum des Gasverteilers angeordnete Gasverteilungskammern verbunden. Die zu den einzelnen Gasvolumina gehörenden Gasverteilungskammern kön- nen sich in Radialrichtung abwechseln. Mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung werden mehrkomponentige, oxidische Isolationsschichten, Dielektrika, Passivierungsschichten, halbleitende Schichten oder elektrisch leitende Schichten oder Schichtenfolgen auf mindestens einem Substrat abgeschieden.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird anhand der beigefügten Zeichnungen erläutert, es zeigen:
Fig. 1 die Draufsicht auf einen Gasverteiler,
Fig. 2 die Seitenansicht auf den Gasverteiler,
Fig. 3 einen Schnitt gemäß der Linie III-III in Figur 1,
Fig. 4 einen Schnitt gemäß der Linie IV-IV in Figur 1,
Fig. 5 einen Schnitt gemäß der Linie V-V in Figur 2, wobei jeweils nur die
Strukturen der unmittelbar darunter liegenden Ebene dargestellt sind,
Fig. 6 einen Schnitt gemäß der Linie VI-VI in Figur 2, wobei nur die unmittel- bar unterhalb der Schnittebene liegenden Strukturen sichtbar gemacht sind, Fig. 7 einen Schnitt gemäß der Linie VII-VII in Figur 2, wobei jeweils nur die unmittelbar unterhalb der Schnittebene liegenden Strukturen sichtbar gemacht sind,
Fig. 8 einen Schnitt gemäß der Linie VIII-VIII in Figur 2, wobei jeweils die unmittelbar unterhalb der Schnittebene liegenden Strukturen sichtbar gemacht sind,
Fig. 9 einen Schnitt gemäß der Linie IX-IX in Figur 2, wobei jeweils nur die unmittelbar unterhalb der Schnittebene liegenden Strukturen sichtbar gemacht sind und
Fig. 10 in grob schematischer Darstellung einen CVD-Reaktor im Querschnitt mit einem in den vorangegangenen Figuren dargestellten Gasverteiler.
Die Figur 10 zeigt den prinzipiellen Aufbau eines CVD, insbesondere MOCVD- Reaktors. Dieser besitzt eine Reaktionskammer 25, die zur Außenwelt hin vakuumdicht ist. Die Reaktionskammer 25 besitzt eine Be-/ Entladeöffnung 26, um in die Prozesskammer 21 ein oder mehrere Substrate einzubringen. Die
Substrate liegen dabei auf einem von unten beheizbaren Suszeptor 22, der mittelst einer drehbaren Suszeptorhalterung 23 in der Reaktorkammer 25 gehalten ist. Die Reaktorkammer 25 weist darüber hinaus einen Gasauslass 24 und einen Gasverteiler 20 auf. Der Gasverteiler 20 wird von zwei Zuleitungen 3, 4 mit den Prozessgasen versorgt und bei diesen Prozessgasen kann es sich um ein metallhaltiges erstes Gas (Precursor) und ein zweites reaktives Gas handeln. Die beiden Gase werden über die Zuleitung 3, 31 eines Gasverteilers 20 zugeleitet, der sich parallel und in einer horizontalen Ebene oberhalb des Suszeptors 22 befindet. Die detaillierte Ausgestaltung des Gasverteilers 20 wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Figuren 1 bis 8 beschrieben.
Innerhalb des Gasverteilers 20 befinden sich zwei voneinander getrennte Gas- volumina 1, 2. In das Gasvolumen 1 wird über die Zuleitung 3, 31 das eine Metallkomponente beinhaltende erste Prozessgas eingeleitet. Es sind eine Vielzahl von verschiedenen Zuleitungen 3,3' vorgesehen. In das zweite Gasvolumen 2 wird über eine Vielzahl von Zuleitungen 4 das zweite Prozessgas, bei dem es sich um ein reaktives Gas handelt, eingeleitet.
Wie insbesondere der Figur 1 zu entnehmen ist, beinhaltet das erste Gasvolumen eine Vielzahl von Vorkammern 10, die kammzinkenartig angeordnet sind, wobei sich die Kammzinken im Wesentlichen in Radialrichtung des eine Kreisgrundrissform aufweisenden Gasverteilers erstrecken. Zwischen diesen Kamm- zinken der Vorkammern 10 erstrecken sich Finger einer zweiten Vorkammer 11, die dem zweiten Gasvolumen zugeordnet ist. Die Finger der Vorkammer 11 sind von den Kammzinken der Vorkammer 10 durch eine Wand 17 getrennt.
An radialer Beabstandung zu den Vorkammern 10 sind Vorkammern 10' vorge- sehen, die ebenfalls in Radialrichtung zu erstreckende Kammzinken ausbilden. Zwischen diesen Kammzinken der Vorkammer 10' befinden sich Abschnitte der Vorkammer 11. In die Vorkammer 10' wird dasselbe Prozessgas eingeleitet wie in die Vorkammer 10, so dass die Vorkammer 10, 10' einen Gasvolumen 1 zugehörig sind. Es ist aber auch möglich, in die Vorkammern 10, 10' unterschiedli- che Prozessgase einzuleiten. Dies ist aber nicht bevorzugt.
Das Zentrum des Gasverteilers wird von der Vorkammer 11 ausgebildet, so dass die Vorkammern 10' im Querschnitt eine etwa V-förmige Grundrisskontur ausbilden. Die Vorkammern 10 bilden einen dreizinkigen Kamm aus, wobei die Zinken radial einwärts gerichtet sind. Die die einzelnen Abschnitte der Vor- kammern 10, 10' voneinander trennenden Räume gehören der Vorkammer 11 an, die insgesamt einen sternförmigen Aufbau hat.
Wesentlich ist, dass die einzelnen Vorkammern 10, 10', 11 in Umfangsrichtung des Gasverteilers sich abwechseln, hierzu sind die Trennwände 17 vorgesehen, die die Vorkammern 10 und 11 voneinander trennen. Die Wände 18 trennen die Vorkammern 10', 11 voneinander. Im Bereich der Zuleitungsöffnung 3 besitzt die Vorkammer 10 noch ein Leitblech 19.
Der Gasverteiler besitzt einen aus mehreren Scheiben bestehenden Aufbau, wobei die Scheiben übereinander liegen. Die zuoberst liegende Scheibe bildet einen Deckel aus. Dieser deckt die Vorkammern 10, 10', 11 ab. Die Vorkammern 10, 10', 11 sind einer unterhalb des Deckels liegenden Scheibe zugeordnet. Sie sind in diese Scheibe beispielsweise durch Fräsen eingearbeitet.
Die Böden der Vorkammern 10, 10', 11, die in einer gemeinsamen Ebene liegen, besitzen nach unten ausgerichtete Öffnungen, die Verbindungskanäle 14, 15 ausbilden. Diese Verbindungskanäle 14, 15 verbindet die Ebene 8 der Vorkammern 10, 10', 11 mit Ebenen 9, 9', in denen Gasverteilungskammern 12, 13 ange- ordnet sind.
Die Vorkammern 10, 10' sind mittels in Vertikalrichtung verlaufenden Verbindungskanälen 14 mit einer Vielzahl von das Zentrum des Gasverteilers umgebenden Gasverteilkammern 12 verbunden. Diese Gasverteilungskammern 12 sind ringförmige Kanäle, die in einer Ebene 9' angeordnet sind, die einer weiteren Scheibe zugeordnet sind. Die Ringstruktur der Gasverteilungskammern 12 kann durch Fräsen erzeugt werden.
Im Boden der ringförmigen das Zentrum umgebenden Gasverteilungskammern 12 befinden sich eine Vielzahl von Austrittsöffnungen 7. Diese werden von Bohrungen ausgebildet, die in der Bodenplatte 5 des Gasverteilers münden und durch welche das erste Prozessgas austreten kann.
Die im Boden der Vorkammer 11 angeordneten Verbindungskanäle 15 verbin- den die Vorkammer 11 mit einer Vielzahl von ebenfalls konzentrisch das Zentrum des Gasverteilers umgebenden Gasverteilungskammern 13. Diese liegen in einer Ebene 9', die unterhalb der Ebene 9 angeordnet sind, so dass die Gasverteilkammern 12 und die Gasverteilungskammern 13 in verschiedenen Ebenen angeordnet sind.
Auch die Gasverteilkammern 13 besitzen bodenseitige Öffnungen, die Austrittsöffnungen 6 für das zweite Prozessgas ausbildet.
In Radialrichtung wechseln sich ringförmige Gasverteilungskammern 12 des ersten Prozessgases und ringförmig angeordnete Gasverteilungskammern 13 des zweiten Prozessgases miteinander ab.
Wie bereits erwähnt, kann der Gasverteiler aus einem geeigneten Metalls bestehen. Er besitzt vorzugsweise einen mehrschichtigen Aufbau. Der Gasverteiler kann temperiert sein und um den die Gasflusswege beinhaltenden Teil einen Rand mit thermischer Masse zur Temperaturhomogenisierung haben. Somit besitzt er entlang der Gasflusswege ein hohes Maß an Temperaturhomogenität.
Es wird als Wesentlich erachtet, dass in einer ersten Verteilebene eine radiale Verteilung des ersten Prozessgases und des zweiten Prozessgases erzielt wird und dass in einer weiteren Ebene eine Umfangsverteilung der beiden Prozessgase erzielt wird, wobei die Prozessgase getrennt voneinander aus den Austrittsöffnungen 6, 7 austreten. Die Umfangsverteilung der beiden Prozessgase kann darüber hinaus in zwei verschiedenen Ebenen stattfinden. Es ist ferner vorteilhaft, dass die Gase den einzelnen Vorkammern 10, 10', 11 in einer Vielzahl von Zuleitungen 3, 31, 4 zugeleitet werden.
Neben der oben erwähnten MOCVD dient der Gasverteiler insbesondere der Verteilung von Gasen in einer Prozesskammer, in der ein Kondensationsverfahren zur Beschichtung von Substraten ausgeführt wird. Insbesondere werden bei den Prozessen oxidische Isolationsschichten (Dielektrika), Passivierungsschich- ten oder elektrisch leitende Schichten auf halbleitende, leitende oder isolierende Substrate abgeschieden.
Zur Durchführung des Verfahrens wird der Suszeptor 22 mittels einer rotierbaren Achse 23 gedreht. Die Prozesskammer 21 kann durch einen Flansch, der die Be- und Entladeöffnung 26 bildet, mit Substraten beladen werden die gasförmigen Precursoren und reaktiven Gase werden durch die separaten Zuleitungen 3 und 4 in den Gasverteiler 20 eingeleitet. Nicht verbrauchte Prozessgase werden durch den Gasauslass 24 abgepumpt. Der Gasverteiler 20 dient dem homogenen Gasaustritt der Prozessgase durch die Austrittsöffnungen 6, 7 an seiner Unterseite. Innerhalb der Prozesskammer 21 werden die Gase miteinander gemischt.
Für einen Arbeitsbereich von 300 bis 1200 sccm Gasfluss ergibt sich für die Verweilzeit der Gase im Gasverteiler 10ms bis 60ms. Für die gasförmigen Precursoren ergibt sich ein gesamter Druckabfall beim Durchfließen des Gasverteilers von < 2,5 mbar bei einem Gesamtfluss von 1,21 /min. Für viele Prozesse ist eine Temperaturinhomogenität entlang des Gasflussweges über den Durchmesser des Gasverteilers von weniger als 10% der Gasverteilertemperatur vorteilhaft. Für einen Gasfluss von 450sccm Argon als Trägergas für die gasförmigen Precursoren und 300sccm Sauerstoff als reaktives Gas ergeben sich bei einem Druck im Reaktorraum 21 von 2mbar folgende Ergebnisse: Beim Austritt der gasförmigen Precursoren aus den Austrittsöffnungen 6 des Gasverteilers 20 ergibt sich für die Flussverteilung eine Standardabweichung von 0,3% für die Kammer 10 und von 0,9% für die Kammer 10'. Für die reaktiven Gase der Kammer 11 ergibt sich beim Austritt aus den Austrittsöffnungen 7 des Gasverteilers eine Standardabweichung von 0,4%. Als inertes Trägergas kommen z. B. neben Stickstoff, Wasserstoff, Helium auch Argon in Betracht.
Alle offenbarten Merkmale sind (für sich) erfindungswesentlich. In die Offenbarung der Anmeldung wird hiermit auch der Offenbarungsinhalt der zugehörigen/beigefügten Prioritätsunterlagen (Abschrift der Voranmeldung) vollinhaltlich mit einbezogen, auch zu dem Zweck, Merkmale dieser Unterlagen in Ansprüche vorliegender Anmeldung mit aufzunehmen.

Claims

ANSPRÜCHE
1. Gasverteiler in einem CVD- oder OVPD-Reaktor mit zwei oder mehreren Gasvolumina (1, 2), in die jeweils eine Zuleitung (3, 4) für ein Prozessgas mündet, wobei jedes Gasvolumen (1, 2) mit einer Vielzahl von im Boden
(5) des Gasverteilers mündende Austrittsöffnungen (6, 7) für das jeweilige Prozessgas verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Prozessgase in einer ersten Ebene zunächst in Radialrichtung und in einer zweiten Ebene dann in Umf angsrichtung verteilt werden.
2. Gasverteiler in einem CVD- oder OVPD-Reaktor mit zwei oder mehreren Gasvolumina (1, 2), in die jeweils eine Zuleitung (3, 4) für ein Prozessgas mündet, wobei jedes Gasvolumen (1, 2) mit einer Vielzahl von im Boden (5) des Gasverteilers mündende Austrittsöffnungen (6, 7) für das jeweilige Prozessgas verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Gasvolumina (1, 2) in einer gemeinsamen ersten Ebene (8) liegenden Vorkammern (10,. 10', 11) aufweisen, wobei in einer dem Boden des Gasverteilers benachbarten zweiten Ebene (9) eine Vielzahl von jeweils einem Gasvolumen zugeordnete Gasverteilungskammern (12, 13) vorgesehen sind, wobei die Vorkammern (10, 10', 11) und die Gasverteilungskammern
(12, 13) jedes Gasvolumens (1, 2) mit Verbindungskanälen (14, 15) verbunden sind.
3. Gasverteiler nach Anspruch 1, 2 oder insbesondere danach, dadurch ge- kennzeichnet, dass zu einem Gasvolumen (1, 2) gehörende Vorkammern
(10, 10', 11) einen verschiedenen Radialabstand zum Zentrum des Gasverteilers haben.
4. Gasverteiler nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche oder insbesondere danach, gekennzeichnet durch verschiedene in Um- fangsrichtung voneinander getrennt angeordnete Vorkammern (10) eines Gasvolumens.
5. Gasverteiler nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche oder insbesondere danach, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorkammern (10, 10', 11) zweier unterschiedlicher Gasvolumina (1, 2) kammartig ineinandergreifend angeordnet sind.
6. Gasverteiler nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche oder insbesondere danach, dadurch gekennzeichnet, dass die von den
Vorkammern (10, 10', 11) ausgebildeten ineinandergreifenden kammzin- kenartigen Fortsätze sich in Radialrichtung erstrecken.
7. Gasverteiler nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche oder insbesondere danach, dadurch gekennzeichnet, dass jede Vorkammer (10, 10', 11) von mehr als einer Zuleitung (3, 4) gespeist wird.
8. Gasverteiler nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche oder insbesondere danach, dadurch gekennzeichnet, dass ein erstes Gas- volumen (1) für die Zuführung eines gasförmigen, insbesondere metallhaltigen, bzw. halbleiterhaltigen Ausgangsstoffs und ein zweites Gasvolumen (2) für ein chemisch reaktives Gas vorgesehen ist, für insbesondere eine Sauerstoff-, Stickstoff- oder Wasserstoffverbindung.
9. Gasverteiler nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche oder insbesondere danach, gekennzeichnet durch eine zwischen der ersten (8) und der zweiten Ebene (9,9') gelegene dritte Ebene (16), welche den Verbindungskanälen (14, 15) zugeordnet ist.
10. Gasverteiler nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche oder insbesondere danach, dadurch gekennzeichnet, dass die Gasvertei- lungskammern (12, 13) das Zentrum des Gasverteilers konzentrisch umgeben.
11. Gasverteiler nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche oder insbesondere danach, dadurch gekennzeichnet, dass eine Gasverteilungskammer (12, 13) mit mehreren Vorkammern (10, 10', 11) mit Verbindungskanälen (14, 15) verbunden ist.
12. Gasverteiler nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche oder insbesondere danach, dadurch gekennzeichnet, dass eine Vorkammer (10, 10', 11) mit mehreren Gasverteilungskammern (12, 13) mit Verbindungskanälen (14, 15) verbunden ist.
13. Gasverteiler nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche oder insbesondere danach, dadurch gekennzeichnet, dass die Gasverteilkammern (12, 13) in voneinander verschiedenen Teilebenen (9, 91) angeordnet sind.
14. Gasverteiler nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche oder insbesondere danach, dadurch gekennzeichnet, dass der Gasverteiler temperiert ist.
15. Gasverteiler nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche oder insbesondere danach, dadurch gekennzeichnet, dass der Gasverteiler aus massiv metallischen Teilen gefertigt ist, die eine thermische Masse ausbilden zur Temperaturhomogenisierung.
16. Gasverteiler nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche oder insbesondere danach, dadurch gekennzeichnet, dass der Gasvertei- ler aus mehreren aufeinander gesetzten Scheiben besteht, in welche die Vorkammern (10, 10', 11), die Gasverteilkammern (12, 13), die Verbindungskanäle (14, 15) und die Austrittsöffnungen (6, 7) eingearbeitet sind.
17. Verwendung eines Gasverteilers gemäß einem oder mehreren der vorher- gehenden Ansprüche oder insbesondere danach in einem CVD-Reaktor oder OVPD-Reaktor mit einer Prozesskammer (21) zur Beschichtung von mindestens einem auf einem Substrathalter befindlichen Substrat, wobei der Druck in der Prozesskammer zwischen 0,001 Pa bis 5 bar beträgt.
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