DE19581484B4

DE19581484B4 - Vorrichtung zur Bildung von Dünnschichten

Info

Publication number: DE19581484B4
Application number: DE19581484T
Authority: DE
Inventors: Pekka Soininen; Janee Patteri
Original assignee: ASM International NV
Current assignee: ASM International NV
Priority date: 1994-11-28
Filing date: 1995-11-28
Publication date: 2006-10-05
Anticipated expiration: 2015-11-29
Also published as: FI945610A0; FI945610A7; WO1996017106A1; KR970700786A; DE19581484T1; AU3985595A; FI97730B; US5855680A; JP3917654B2; FI97730C; KR100255429B1; JPH09508889A

Abstract

Vorrichtung zum Beschichten von wenigstens einem Substrat in alternierend wiederholten Gasphasenreaktionen, die in einer Druckhülle (1) einen Substrathalter in einem Reaktionsbereich, mindestens zwei Feststoffmaterialquellen (S₁ – S₈) zur Erzeugung von Gasimpulsen und Gaszufuhrleitungen von den Quellen (S₁ – S₈) zum Reaktionsbereich enthält, wobei der Reaktionsbereich und die Quellen (S₁ – S₈) mit eigenen Heizungen ausgestattet sind, die ein unabhängiges Steuern der Temperatur ermöglichen und durch aktiv gekühlte thermische Isolierelemente voneinander getrennt sind.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Bildung von Dünnschichten auf einem Substrat, bei der das Substrat alternierend wiederholten Oberflächenreaktionen mit Gasphasen-Reaktanden unterworfen wird, um durch die Oberflächenreaktionen eine Festphasen-Dünnschicht auf dem Substrat zu bilden.
Die Vorrichtung enthält eine Reaktionskammer, in die das Substrat angeordnet werden kann, mindestens zwei Reaktanden- bzw. Feststoffmaterialquellen, von denen die bei dem Verfahren zur Bildung der Dünnschicht verwendeten Reaktanden in Form von Gasphasen-Reaktandenimpulsen eingebracht werden können, Reaktanden-Zufuhrleitungen, die zum Verbinden der Reaktandenquellen mit der Reaktionskammer geeignet sind und mit der Reaktionskammer verbundene Abfuhrleitungen, die zur Entfernung gasförmiger Reaktionsprodukte des Bildungsverfahrens und überschüssiger Reaktanden geeignet sind.

Gewöhnlich werden Dünnschichten unter Verwendung von Vakuumverdampfungsabscheidung, der Molecular Beam Epitaxy (MBE) und anderer Vakuumabscheidungsverfahren, unterschiedlichen Varianten des Chemical Vapor Deposition (CVD)-Verfahrens (einschließlich Niederdruck- und metallorganischem CVD und Plasmaverstärktem CVD) oder, alternativ, des vorstehend beschriebenen Abscheidungsverfahrens von alternierend wiederholten Oberflächenreaktionen, das Atomic Layer Epitaxy (ALE)-Verfahren genannt wird, gebildet. In den MBE- und CVD-Verfahren wird die Bildungsgeschwindigkeit von Dünnschichten auch durch Verfahrensvariablen, wie die Ausgangsmaterial-Konzentrationen in der Zufuhr beeinflusst. Um daher eine einheitliche Dicke der Schichten, die gemäß der ersten Kategorie herkömmlicher Verfahren abgeschieden wurden, zu erreichen, müssen die Konzentrationen und Reaktivitäten der Ausgangsmaterialien über den Substratbereich sorgfältig konstant gehalten werden. Werden die Ausgangsmaterialien vor Erreichen der Substratoberfläche vermischt, wie es beispielsweise bei dem CVD-Verfahren der Fall ist, können diese vorzeitig miteinander reagieren. Folglich ist das Risiko der Bildung von Kleinstteilchen bereits in den Zufuhrleitungen der gasförmigen Reaktanden vorhanden. Derartige Kleinstteilchen haben für die Qualität der Bildung der Dünnschicht schwerwiegende Folgen. Die Möglichkeit vorzeitiger Reaktionen in MBE- und CVD-Reaktoren werden daher dadurch verhindert, dass die Ausgangsmaterialien nicht vor der Substratoberfläche erhitzt werden. Zusätzlich zum Erhitzen kann die gewünschte Reaktion unter Verwendung von beispielsweise Plasma oder anderen, ähnlich aktivierenden Mitteln initiiert werden.

In den MBE- und CVD-Verfahren wird die Bildung von Dünnschichten hauptsächlich durch Steuern der Zufuhrmengen der Ausgangsmaterialien reguliert, die auf das Substrat treffen. Im Gegensatz dazu basiert das ALE-Verfahren darauf, dass die Abscheidung über die Oberflächenbeschaffenheit anstatt über die Konzentrationen des Ausgangsmaterials oder der Zufuhrvariablen der Substratoberflächenqualität gesteuert wird. Die einzige Voraussetzung in dem ALE-Verfahren besteht darin, dass das Ausgangsmaterial zur Bildung von Dünnschichten in ausreichender Konzentration auf allen Seiten des Substrates vorhanden ist.

Das ALE-Verfahren ist in den FI-Patentveröffentlichungen 52,359 und 57,975 und den US-Patentschriften 4,058,430 und 4,389,973 beschrieben, in denen auch einige Ausführungen für eine Vorrichtung offenbart sind, die zur Durchführung dieses Verfahrens geeignet sind. Vorrichtungskonstruktionen zur Bildung von Dünnschichten sind auch in den folgenden Veröffentlichungen zu finden: Material Science Reports 4(7) (1989), 261 und Tyhjiötekniikka (finnische Publikation für Vakuumtechniken), ISBN 951-794-422-5, 253 – 261.

In dem ALE-Verfahren werden Atome oder Moleküle so angeordnet, dass sie die Substrate überstreichen und somit kontinuierlich auf deren Oberfläche aufprallen, so dass eine vollständig gesättigte molekulare Schicht darauf gebildet wird. Gemäß den aus der FI-Patentveröffentlichung 57,975 bekannten konventionellen Techniken folgt auf den Sättigungsschritt ein Impuls mit einem Inertgas, das eine Diffusionsbarriere bildet, die überschüssiges Ausgangsmaterial und die gasförmigen Reaktionsprodukte oberhalb des Substrates entfernt. Die aufeinander folgenden Impulse der Ausgangsmaterialien und Diffusionsbarrieren eines Inertgases, die die vorhergenannten voneinander trennen, bewirken die Bildung der Dünnschicht in einer Geschwindigkeit, die durch die chemischen Oberflächeneigenschaften der unterschiedlichen Materialien gesteuert wird. Ein derartiger Reaktor wird „Wanderwellen"-Reaktor genannt. Zur Durchführung des Verfahrens ist es nicht von Bedeutung, ob die Gase oder die Substrate bewegt werden. Es ist vielmehr wichtig, dass die unterschiedlichen Ausgangsmaterialien der nachfolgenden Reaktionsschritte voneinander getrennt werden und so angeordnet werden, dass sie nacheinander auf das Substrat treffen.

Wird ein Reaktor mit heißen Wänden verwendet, werden diese im allgemeinen dadurch erhitzt, dass Heizelemente und die Isolierung um eine druckfeste Hülle angebracht werden. Aufgrund der verwendeten erhöhten Temperaturen müssen als Isoliermaterial anorganische Fasermaterialien oder Ziegel verwendet werden. Die Handhabung und Anbringung einer derartigen Isolierung setzt am Ort der Verfahrensausrüstung Staub frei. Dies stellt für die herkömmliche Anordnung einer Abscheidungsausrüstung in einer sauberen Umgebung ein Problem dar, da das Risiko von Schichtbildungsstörungen besteht, die durch Staubteilchen verursacht werden, die aus der umgebenden Luft in die abzuscheidende Schicht eingebaut werden.

Darüber hinaus beschränkt ein Erhitzen der Druckhülle der Abscheidungsausrüstung auch die Wahl geeigneter Materialien, die den Erfordernissen bezüglich Druck- und Hitzewiderstandsfähigkeit genügen und bei den Temperaturen gegenüber den in den Reaktionen auftretenden Chemikalien inert sind. Herkömmliche ALE-Reaktoren besitzen eine Druckhülle aus Borsilikat oder Quarzglas und rostfreiem Stahl. Der Aufbau der Reaktoren weist eine längliche Gestalt auf und die darin enthaltenen Druckhüllen werden erhitzt.

Im allgemeinen wird aufgrund der schlechten Widerstandsfähigkeit der verwendeten Elastomerdichtungen die Abscheidungsausrüstung mit einer länglichen Form versehen, wobei die Betriebs-Zufluss-/Abflussöffnungen an den Enden angeordnet sind, um einen ausreichenden Temperaturunterschied zwischen den heißen Teilen und den Dichtungen der Ausrüstung zu liefern. In großen Vorrichtungen sind die erhitzten Massen und die erforderlichen Heizleistungen erheblich, wobei zwischen den unterschiedlichen Teilen der Ausrüstung Temperaturunterschiede gebildet werden, die schwer zu eliminieren sind. Dies vergrößert die Ausrüstungsabmessungen und die gesamte Vorrichtung nimmt eine längliche Form mit getrennten, nach außen ragenden Quellenröhren an, da die verschiedenen Reaktandenquellen thermisch voneinander isoliert werden müssen, in dem die Quellen in ein getrenntes Heizgehäuse mit einer isolierenden Luftlücke zwischen den Gehäusen angeordnet werden. Die Quellen können auch so angeordnet werden, dass der Reaktionsbereich in einer Linie hinter den Quellen zum Liegen kommt. In einer derartigen Konstruktion ist der Reaktionsbereich mit der höchsten Temperatur am anderen Ende der Vorrichtung angeordnet und die Quellen sind in dem länglichen Reaktor derart angeordnet, so dass die Quelle, die die geringste Temperatur benötigt, im Bereich der geringsten Temperatur, am weitesten entfernt von dem Reaktionsbereich, angeordnet ist. Bei der Kontrolle des Temperaturunterschiedes (da die Quelle am Reaktionsbereichsende der Quelle bei einer höheren Temperatur betrieben wird, als das andere Ende der Quelle) und aufgrund der vergrößerten Länge der Vorrichtung tritt hier ein Problem auf.

Eine röhrenförmige Konstruktion kann auch die Verwendung verborgener Verbindungsstücke erfordern, die für den Betreiber nicht zugänglich sind, wobei dieser folglich den erfolgreichen Abschluss von Verbindungen mit der Substrathalterung nicht kontrollieren kann (dies aufgrund der Tatsache, dass die Leitungen der Substrathalterung in der heißen Reaktionsröhre mit anderen Leitungen verbunden sind).

Aufgrund des schlechten Verhaltens von Trägern in einer heißen Umgebung muss die Substrathalterung mittels eines Schlittens oder eines Liftmechanismusses in den Reaktionsbereich angehoben werden. Dies führt aufgrund eventuell möglicher ruckartiger Bewegungen zur Bildung von staubigem Abriebmaterial auf den gleitenden Oberflächen und zum Verkratzen von Glassubstraten.

Die vorstehend aufgeführten Nachteile werden beim Verarbeiten von Substraten mit größeren Bereichen noch verstärkt, wobei die Größe und Steuerung der Ausrüstung und deren Komponenten komplizierter wird.

In der US 5,183,510 A ist eine Vorrichtung zur ALE-Beschichtung beschrieben mit einem Reaktionsbereich, Feststoffmaterialquellen und sich von den Quellen zum Reaktionsbereich erstreckenden Gaszufuhrleitungen, die alle in einer Druckhülle angeordnet sind. Der Reaktionsbereich und die Quellen besitzen eigene unabhängige Heizungen und Isolierelemente.

Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die Nachteile der herkömmlichen Technologie zu überwinden und eine völlig neue Vorrichtung zur Bildung dünner Filme unter Verwendung des ALE-Verfahrens zur Verfügung zu stellen. Eine besondere Aufgabe der Erfindung besteht darin, die mit erhitzten Druckbehältern assoziierten Probleme zu lösen, ohne auf die Vorteile eines Reaktors mit heißen Wänden zu verzichten.

Die erfindungsgemäße Aufgabe wird dadurch gelöst, dass ein heißwandiger Pulsstrom-Reaktor, bei dem die Heizmittel an das Innere der Druckhülle angepasst sind, eine Strahlung reflektierende Isolierung und eine äußere gekühlte Hülle, die von der Druckhülle getrennt oder darin integriert vorliegen kann, zur Verfügung gestellt wird. Erfindungsgemäß wird die Reaktionskammerpackung, die Quellen für das feste Material und die Zufuhrleitungen für das Ausgangsmaterial alle in der Druckhülle angeordnet, wobei individuelle Heizmittel für die Reaktionskammerpackung und die Quellen des festen Materials verwendet werden. Jede Quelle eines festen Materials wird unabhängig heizbar angepasst und die heizbaren Komponenten werden mittels aktiv gekühlter thermischer Isolierelemente voneinander isoliert.

Eine weitere neue, erfindungsgemäße Eigenschaft besteht auch in der Verwendung einer beheizten Beschickungstür, die, neben anderen Vorteilen, die Anordnung der Tür in unmittelbarer Nachbarschaft zur Reaktionskammerpackung erleichtert. Der Reaktor kann dann beispielsweise die Form eines Würfels annehmen, wobei eine Überprüfung der Dichtheit innerer Verbindungsstücke/Verbindungen leicht zu erreichen ist.

Bei der erfindungsgemäßen Ausführungsform können die Heizmittel der Reaktionskammerpackung und der Quellen durch eine Hülle gebildet werden, die die Reaktionskammerpackung bzw. die Quelle umgibt, wobei die Hülle eine erste, wärmeausgleichende Hülle oder Platte aufweist, die an der der Reaktionskammerpackung (bzw. der Quelle) zugewandten Seite angeordnet ist, während eine zweite, wärmeausgleichende Hülle oder Platte nach Wunsch auf der der Druckhülle zugewandten Seite angeordnet sein kann. Zwischen der ersten und zweiten Hülle wird dann ein Heizelement angepasst, das zum Erhitzen der Oberflächen der wärmeausgleichenden Hüllen geeignet ist. Die Heizelemente können beispielsweise röhrenförmige oder planare Heizwiderstandselemente umfassen. Es sollte hier bemerkt werden, dass die Heizelemente in der erfindungsgemäßen Vorrichtung auch in einer einseitigen Konfiguration der wärmeausgleichenden Hülle betrieben werden können.

Die nachstehend als aktive wärmeisolierende Mittel bezeichneten Elemente umfassen im allgemeinen ein Kühlmittel und eine Abschirmung. Die erfindungsgemäße Vorrichtung besitzt daher einen Bereich zwischen zwei wärmeren Punkten, der eine niedrigere Temperatur aufweist als der kühlere Punkt der beiden. Um die Heizmittel herum ist im allgemeinen mindestens ein Satz Wärmestrahlung reflektierender Hüllen angeordnet, wobei eine größere Anzahl konzentrischer Hüllen ebenfalls möglich ist. Zusätzlich ist um die Quellen ein Kühlmittel angeordnet, wobei der Isolierbereich erzielt wird. Die Kühlmittel können beispielsweise Wasserkühlung umfassen, wie in 4 näher dargestellt ist. Ein ähnliches Kühlmittel kann auch bei der Druckhülle vorgesehen sein.

Die Wände der Hüllenstruktur, die die Reaktionskammerpackung und die Quellen umgibt, bestehen vorteilhaft aus einem Metall, wie rostfreiem Stahl, Titan oder Aluminium oder alternativ aus einer Metalllegierung.

Indem der Reaktionsbereich und die Reaktandenquellen voneinander und von der Druckhülle thermisch isoliert gehalten werden, kann die Innentemperatur der Druck hülle unabhängig von der Temperatur der Quellen und des Reaktionsraums eingestellt werden. Die Temperatur der Druckhülle kann tatsächlich erheblich unter der Reaktionstemperatur gehalten werden.

Die Quellen werden vorteilhaft in zwei Gruppen eingeteilt, von denen eine die metallischen Reaktanden und die andere die nichtmetallischen Reaktanden umfasst, wobei die Quellen der gleichen Reaktandengruppe so angeordnet werden können, dass sie eine gemeinsame Zufuhrleitung verwenden. Dies kann vorteilhaft so eingerichtet werden, dass die Quellen der gleichen Reaktandengruppe übereinander oder parallel zueinander angeordnet werden, wobei sie an deren Enden mit einem gemeinsamen Verteilerrohr oder einer Zufuhrleitung verbunden sind, deren Ausgangsende beispielsweise über getrennte Verbindungsstücke mit der Reaktionskammerpackung verbunden ist.

In dem vorliegenden Zusammenhang betrifft der Ausdruck „Reaktand" ein verdampfbares Ausgangsmaterial, das mit der Substratoberfläche reagieren kann. In dem ALE-Verfahren werden gewöhnlich Reaktanden verwendet, die zwei verschiedenen Gruppen angehören. Die Reaktanden können Feststoffe, Flüssigkeiten oder Gase sein. Der Ausdruck „metallische Reaktanden" wird für metallische Verbindungen verwendet, die sogar elementare Metalle sein können. Geeignete metallische Reaktanden sind die Metallhalogenide, einschließlich beispielsweise Chloride und Bromide, und metallorganische Verbindungen, wie die thd-Komplexverbindungen. Als Beispiele für metallische Reaktanden können Zn, ZnCl₂, TiCl₄, Ca(thd)₂, (CH₃)₃Al und Cp₂Mg genannt werden. Der Ausdruck „nichtmetallische Reaktanden" wird für Verbindungen und Elemente verwendet, die zur Umsetzung mit metallischen Verbindungen befähigt sind. Die zuletzt genannte Gruppe ist zweckmäßig durch Wasser, Schwefel, Schwefelwasserstoff und Ammoniak dargestellt.

Wird die Vorrichtung als Würfel ausgebildet, dann wird dessen eine Seite so konstruiert, dass sie eine Beschickungs-/Entnahme-Tür bildet, durch die eine gestapelte Substratpackung, die den Reaktionsbereich in einer zusammengestellten Packung von Reaktionskammern darstellt, in den Druckbehälter eingebracht bzw. nach der Reaktion daraus entnommen werden kann. Gemäß einer besonders vorteilhaften Ausführungsform kann die Türe mit einer Heizeinrichtung versehen sein, die zu dem vorstehend beschriebenen Heizmittel äquivalent ist, wobei die Heizeinrichtung dazu dient, beispielsweise die Gasphasenimpulse der Reaktanden zu erwärmen, die aus den Quellen über die Zufuhrleitungen in die Reaktionskammerpackung eingebracht werden, wobei die Kondensation der Reaktandengase vermieden wird. Es ist dann nicht erforderlich um die Zufuhrleitungen separate Heizmittel anzubringen. Es ist vielmehr ausreichend die Vorrichtung derart zu konfigurieren, dass die Zufuhrleitungen nahe an der geheizten Tür vorbeigeleitet werden.

Durch die Erfindung werden gegenüber den im Stand der Technik verwendeten herkömmlichen ALE-Reaktoren erhebliche Vorteile erzielt.

Die thermische Isolierung wird durch gestapelte, nach außen verlagerte, Wärme reflektierende Schichten mit geringer Absorption und geringer Wärmeabstrahlung gebildet, die in diesem System mit geringem Druck als Satz nebeneinander liegender thermischer Isolierung dienen. Die Schichten dienen auch als herkömmliche thermische Isolierung, indem sie den freien Strom von Restgasen zwischen den heißen und kalten Teilen des Reaktors verhindern, wobei thermische Konduktion und Konvektion reduziert wird. Die hier verwendete Isolierungsstruktur eliminiert die Notwendigkeit der Verwendung anorganischer Fasern oder Ziegelisolierung.

Aufgrund der geringeren Temperatur der Druckhülle wird deren Stabilität hoch gehalten, was einen wichtigen Vorteil darstellt, wenn Substrate mit größerer Ausdehnung verarbeitet werden sollen. Weiterhin werden die Aufbaubeschränkungen hinsichtlich der Form eines bei niedrigerer Temperatur betriebenen metallischen Druckkessels gelockert, wobei die Form der Druckhülle in einer kostengünstigen Art und Weise auch planare Oberflächen aufweisen kann.

Aufgrund der geringen Temperatur der Druckhülle brauchen die Abmessungen der Vorrichtung nicht vergrößert werden, um eine Kühlung der Dichtungen zu ermöglichen. Gleichzeitig braucht der Aufbau nicht auf längliche Reaktorformen beschränkt zu werden, was eine unbeschränkte Anordnung der Beschickungstür auf jeder Seite der Vorrichtung erlaubt.

Die Verwendung eines einzelnen Typs interner Heiz/Kühlanordnungen auch in den Türen der Druckhülle erleichtert es, die Beschickungstüre in unmittelbarer Nachbarschaft der Quelle der Reaktionskammerpackung anzuordnen.

Aufgrund des Konzepts des inneren Heizens werden thermische Massen auf ein Minimum reduziert und bestehen nur aus den Quellen, den Transport- und Stromsteuerungsröhren der Gase, der Substrathalterung, den Substraten und den Heizmitteln selbst. Diese Verringerung thermischer Massen erleichtert ein schnelles Erhöhen/Absenken der Temperatur bei geringem Verbrauch in einer Art und Weise, die auch in realen Untersuchungen verifiziert wurde.

Wird zwischen einer Röhre mit größerem Durchmesser und einer Röhre mit kleinerem Durchmesser eine Verbindung hergestellt, indem beispielsweise die kleinere Röhre mit einem losen Anschlussstück in die Röhre mit größerem Durchmesser inseriert wird, dann führt dies zu einer undichten Verbindung mit einem Zwischenraum zwischen dem inneren Umfang der größeren Röhre und dem äußeren Umfang der kleineren Röhre. Bestehen hinsichtlich der Gaskonzentrationen außerhalb und innerhalb der Leitungsverbindung Unterschiede, so führt dies zu einem Gasstrom von der höheren Konzentration zu der niedrigeren Konzentration, gleichgültig ob der Unterschied auf Unterschieden des Partialdruckes oder auf Unterschieden im Systemdruck beruht. Dieser Strom kann dann als Leck bezeichnet werden und dessen Größenordnung hängt von den Druckunterschieden, dem vorherrschenden Druck, den Gaseigenschaften und der Temperatur ab. Wird der Druck von 1000 mbar auf 1 mbar gesenkt, dann wird das Gas im Verhältnis 1:1000 verdünnt, wobei auch die über den Zwischenraum ausströmende Menge proportional sinkt. Dies wird auch dann der Fall sein, wenn das Gas unter allen Bedingungen viskos ist. Wird ein Gas nahe seines molekularen Zustandes (d.h. die Dichte der Gasmoleküle im Volumen der Vakuumkammer ist so gering, dass die Moleküle mehr auf die Wand als aufeinander treffen) verdünnt, was für Abmessungen eines kleinen Zwischenraumes in der Größenordnung von 1 mbar liegt, dann wird die ausströmende Menge weiter verringert, da die Gasmoleküle im richtigen Winkel und in richtiger Position in den Zwischenraum gelangen müssen, um durch den Zwischenraum zu gelangen. Die ausströmenden Mengen bei Verbindungen innerhalb der Vakuumvorrichtung sind daher im wesentlichen kleiner als die entsprechend ausströmenden Mengen ähnlicher Verbindungen bei Atmosphärendruck. Indem ein Schutzgas in den Reaktor eingebracht wird, der die Röhren unter solchen Bedingungen umgibt, dass der Druck außerhalb der Röhren höher ist als in den Röhren, kann ein abdichtender Strom von außerhalb der Verbindung in das Innere geliefert werden. Dies führt zu noch geringeren ausströmenden Mengen aus den Röhren und deren Umgebung. Diese Wirkung und deren Verwendung sind im Stand der Technik bekannt und darauf basierende Dichtungsanordnungen werden in ALE-Reaktoren verwendet. Die Leitung kann daher aus mehreren verbundenen Bereichen hergestellt werden, wobei deren Konstruktion bei Verwendung kleinerer und einfacherer Komponenten möglich ist. Auch hier ist es jedoch für die richtige Wirkungsweise des Reaktors erforderlich, die Integrität der Verbindungsstücke/Verbindungen derartiger Komponente nachzuprüfen.

Wird die Quelle in einem kompakten Modul angeordnet, das eine Heizeinrichtung, eine Abschirmung und eine Kühlvorrichtung aufweist, dann können die Quellen im gleichen Raum wie die Reaktionskammerpackung, parallel zur Packung oder beispielsweise um diese herum, angeordnet werden. Dies erleichtert die Anordnung der gesamten Vorrichtung in beispielsweise einer würfelförmigen Druckhülle. Der von den Röhren und den Übertragungsabständen der Gasströme erforderliche Bereich wird daher auf ein Minimum reduziert und die Verbindungsstücke können an einem Punkt angeordnet werden, der von der Beschickungstür leicht zugänglich ist. Die damit erreichten Vorteile umfassen kleinere Zeitkonstanten, eine Minimierung der Leitungsoberflächen und eine kompakte Struktur der Vorrichtung.

Die Anordnung der Quellen, die die Reaktionskammerpackung umgeben, erleichtert die Verbindung der Quellen mit der Substrathalterung, so dass der Betreiber während eines jeden Beschickungszyklus die Integrität der Verbindungen nachprüfen kann. Diese Ausführungsform vereinfacht auch den Erhalt und die Säuberung der Vorrichtung.

Da die Druckhülle, das Heizsystem und die heißen Röhren voneinander getrennt sind, kann die Anzahl und die Größe der Quellen leicht variiert werden.

Aufgrund des Betriebs der heißwandigen Röhrenwandungen innerhalb der Druckhülle bei geringem Druck, müssen die Röhren nicht für den Betrieb bei Druck ausgebildet werden, wodurch Röhrenelemente, wie die Substrathalterungen, als beispielsweise ein Würfel ausgebildet werden können, wenn diese Form für die Strömungsdynamik vorteilhafter ist. Im allgemeinen weisen die ALE-Reaktoren Leitungskomponenten auf, die aus Borsilikatglas und Quarz bestehen, wobei das zuletzt genannte gegenüber in der Reaktion auftretenden Chemikalien äußerst inert ist. Die mechanische Stabilität von Glas ist jedoch im Vergleich zu Stahl schlechter.

Da der Boden der Druckhülle auf einem kalten Boden angeordnet ist, kann der Substratträger auf einem auf Rädern fahrenden Wagen, der sich auf dem inneren Boden der Druckhülle angebrachten Schienen bewegt, eingebracht werden. Der Beschickungswagen kann dann für den Transport schwerer Substrate und eine diese umgebenden Reaktionskammerpackung verwendet werden, und der Beschickungswagen braucht nicht mit beispielsweise einem Gabellift in den Reaktor angehoben werden.

Andere Vorteile und kennzeichnende Eigenschaften der Erfindung werden aus der folgenden ausführlichen Beschreibung unter Bezug zu den in den beiliegenden Zeichnungen gezeigten Diagrammen klar, in denen

1 eine Vorderansicht der schematischen Struktur einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist;

2 eine Seitenansicht der Struktur einer heizbaren Beschickungstüre ist;

3A eine Seitenansicht der Kassettenanordnung, die die Reaktionskammer bildet, mit deren Kassettenträgerstrukturen und Schiebebühne ist, während 3B die Schiebebühne zeigt; und

4 ein Querschnitt der schematischen Struktur der heizbaren Quelle zeigt.

In 1 ist eine mit Bezugszeichen 1 bezeichnete Druckhülle gezeigt, die eine Leitung oder ein Verteilerrohr zur Zirkulation eines Kühlmittels an deren äußerer Oberfläche aufweist. An der Druckhülle befindet sich weiter eine Nut 2 zum Abdichten einer Beschickungstür.

In der in 1 erläuterten Konfiguration sind im Inneren der Druckhülle 1 feste Materialquellen S₁-S₈ angeordnet, die in dem Diagramm durch gestrichelte Linien gezeigt sind. Eine feste Materialquelle in seiner einfachsten Form betrifft den Teil der Abscheidungsvorrichtung, in dem zur Anordnung eines festen Materials eine Position vorgesehen ist und der ein Ausgangsmaterial in seinem Schiffchen enthält. Eine derartige Quelle für festes Material soll auch eine Heizeinrichtung, eine thermische Isolierung und eine Kühlvorrichtung und Komponenten enthalten, die für die gepulste Zufuhr des Trägergases und die Steuerung der Gasströme erforderlich sind. Eine ausführliche Struktur einer festen Materialquelle ist in 4 gezeigt.

In der Druckhülle ist weiter eine Reaktionskammerpackung 13 angeordnet, die von mindestens einer thermischen Abschirmplatte 3 mit kleinem Absorptionskoeffizienten umgeben ist. Die Effizient einer derartigen Platte (oder Platten) als aktives thermisches Isolierelement basiert auf der Tatsache, dass die von dem Heizelement der Reaktionskammerpackung 13 emittierte thermische Strahlung von der Platte mit kleinem Absorptionskoeffizient reflektiert wird, und dass der kleine, durch die Platte hindurchgelassene Wärmestrom schlecht weitergegeben wird. Die thermische Isolierung wird bei der nächsten, benachbarten Platte in der gleichen An und Weise wiederholt usw. Bei erhöhtem Druck und ansteigendem Wärmedurchgang durch Konvektion und Konduktion verbessern die Platten immer noch die thermische Isolierung, indem die Bewegung der Moleküle behindert wird.

Das Heizmittel der Reaktionskammerpackung 13 umfasst eine planare Heizeinrichtung, die zwei wärmeausgleichende Platten beinhaltet, d.h. eine äußere wärmeausgleichende Platte 4 und eine innere wärmeausgleichende Platte 5, wobei ein Heizelement 6 wie ein Heizwiderstand zwischen den Platten angeordnet ist. Die Platten 4 und 5 können beispielsweise aus nicht rostendem Stahl sein. Da es deren Funktion ist, den von den Heizwiderstandselementen emittierten Wärmestrom über den gesamten, zwischen den Heizelementen 6 verbleibenden Bereich abzugleichen, sollte das Plattenmaterial ein hohes thermisches Emissionsvermögen aufweisen. In der Praxis wurde gefunden, dass sich die Temperatur der Platten gut abgleicht, was wiederum einen homogenen Wärmetransfer auf die Substrate verbessert. Die wärmeausgleichenden Platten 4, 5 und die thermischen Abschirmplatten 3 sind beispielsweise mit vier bis fünf Schrauben miteinander verbunden und durch Laufbuchsen voneinander getrennt. Es wurde gefunden, dass die thermische Leitfähigkeit der Schrauben vernachlässigbar ist.

Wie vorstehend aufgeführt kann das Heizelement 6 der Reaktionskammerpackung 13 beispielsweise einen röhrenförmigen Heizwiderstand enthalten. Die Funktion des Heizelements 6 wird durch ein Thermoelement zweckmäßig gesteuert, das die Temperatur des Heizelements 6 misst. Ein Beispiel eines Verfahrens zur homogenen Verteilung von Wärme auf alle Seiten der wärmeausgleichenden Platten 4, 5 ist eine gasdichte, im Vakuum anbringbare röhrenförmige Heizeinrichtung mit einem homogenen thermischen Fluss von dessen Oberfläche. Das Heizen kann auch unter Verwendung jeder anderen geeigneten planaren Heizmethode durchgeführt werden.

Alle sechs Wände des inneren Reaktorvolumens, das zur Aufnahme der Reaktionskammerpackung 13 konstruiert wurde, können mittels getrennt steuerbarer Heizwiderstandselemente 6 beheizt werden, wenn die erforderliche Heizleistung aus geometrischen Gründen auf den verschiedenen Wänden des Raums unterschiedlich sein sollte. Anderenfalls könnte ein einziges Heizelement 6 mehrere Wände heizen, wobei die Zahl der erforderlichen Durchführungen verringert würde. Eine notwendige Voraussetzung besteht hier jedoch darin, dass die Reaktionskammerpackung auf jeder Seite von einer Wand mit gleicher Temperatur umgeben ist oder alternativ, dass die innere thermische Leitfähigkeit der Reaktionskammerpackung so hoch ist, dass sie jede Änderung des auftreffenden thermischen Strahlungsflusses ausgleichen kann. In der Praxis wurden über eine Entfernung von 30 cm auf der Oberfläche des geheizten Raumes Temperaturunterschiede von weniger als 1 Kelvin gemessen.

Die gesamte Kombination der Heizeinrichtung 6, der thermischen Isolierung 4, 5 und der Kühlvorrichtung 3, oder alternativ nur ein Teil davon, kann nach Wunsch in ein integriertes Heizmodul eingebaut werden, wobei der Ersatz des Heizmoduls einfach ist und kein Entfernen anderer Teile des Reaktors erforderlich macht und ein Erneuern des Heizsystems des Reaktors gemäß technischer Fortschritte ermöglicht.

Die Reaktionskammerpackung 13 ist auf einem Beschickungswagen 7 angeordnet. Die Reaktionskammerpackung 13 und die in dem Raum zu verarbeitenden Substrate werden außerhalb der Vorrichtung auf einem Beschickungswagen 7 zusammengebracht, der auf einer getrennten Schiebebühne mit Rädern (siehe auch 4) befestigt ist. Die Schiebebühne wird dann vor die Vorrichtung gebracht, so dass die Schienen der Bühne eine Verlängerung der Schienen 8 des inneren Bodens der Druckhülle 1 werden, wobei der Beschickungswagen 7 in das Innere der Druckhülle 1 gebracht werden kann und auf den Rädern 9 auf den Schienen läuft. Die Räder 9 ermöglichen eine leichte und gängige Überführung des Beschickungswagens. Die Funktion der Schienen 8 ist es, die Überführung des Beschickungswagens und dessen genaue Anordnung zu erleichtern. Die Entfernung der Substrathalterung/Reaktionskammerpackung 13 aus dem Reaktor verläuft umgekehrt. Da während der Beschickung/Entnahme keine der Erdanziehung entgegenwirkende Arbeit verrichtet werden muss, ist auch jegliche Überführungsausrüstung zur Bewegung des Beschickungswagens und dessen Schiebebühne überflüssig. Darüber hinaus kann die Reaktionskammerpackung 13 vorgeheizt werden und sie kann außerhalb des Reaktorgehäuses zum Abkühlen gebracht werden, wodurch die Zeit der Handhabung der Verfahrensausrüstung verringert wird und die Durchsatzkapazität der Ausrüstung erhöht wird.

Eine Kondensationsröhre 10, die durch den kalten Bereich der Druckhülle 1 läuft, stellt die Kondensation kondensierbarer überschüssiger Chemikalien und Reaktionsprodukte vor der Pumpleitung sicher. Die Röhre ist mit der Druckhülle 1 über eine radiale Lippendichtung 14 verbunden. Die Röhre ist in longitudinaler Richtung der Röhre entlang den Lippen der radialen Lippendichtung verschiebbar, was gegebenenfalls winklige Anordnungsfehler ausgleichen kann. Die Verbindung der Röhre zu der Reaktionskammerpackung 13 ist einfach, sogar wenn in der Reaktionskammerpackungsstruktur oder der Lage des Beschickungswagens kleine Veränderungen auftreten sollten. Die Kondensationsröhre 10 kann beim Austausch verunreinigt werden. Deren Anbringung kann durch beispielsweise ein Kugelgelenk erreicht werden. Feststoffe und Materialien, die unter den beim Pumpen vorherrschenden Bedingungen gasförmig sind, können durch beispielsweise Filtration, Adsorption, Kühlfallen und andere ähnliche Mittel entfernt werden. Wie vorstehend aufgeführt, brauchen die Verbindungen nicht notwendigerweise abgedichtet werden.

Bei dem ALE-Verfahren wird die Schicht nur in den Bereichen gebildet, die den metallischen und nicht-metallischen Quellen-Gasen ausgesetzt sind. Stellen, an denen unerwünschte Schichtbildung vorkommt, d.h. die Oberflächen der Reaktionskammerpackung 13, die nicht Substratoberflächen sind, müssen in regelmäßigen Abständen von der gebildeten Schicht befreit werden oder die verunreinigten Teile müssen durch neue ersetzt werden.

Die metallischen und nicht-metallischen Quellen sind voneinander getrennt, um die Bildung dicker Mehrschichten-Ansammlungen zu verhindern, die durch aufeinanderfolgende Abscheidung dünner Schichten übereinander, während einer langen Reihe von Serien, gebildet wurden. Eine derartige dicke Schicht bricht unausweichlich nach Anwachsen auf eine bestimmte Dicke. Die getrennte Anordnung der Quellen verbessert auch die Wirksamkeit der Verwendung der Ausgangsmaterialien, da die auf unerwünschten Bereichen abgeschiedenen Schichten unnötigerweise eine Verschwendung der Ausgangsmaterialien darstellen. Die Bezugszeichen 11 und 12 in den Diagrammen bezeichnen getrennte Verbindungsstücke zum Verbinden der Verteilerrohre der metallischen und nichtmetallischen Quellen mit der Reaktionskammerpackung 13. Die Verbindungen sind mit geerdeten Kugelgelenken versehen.

Die bereits erwähnte Substrathalterung ist durch die Reaktionskammerpackung 13 gebildet. In dieser Ausführungsform der Substrathalterungsstruktur sind die Substrate so dazwischen angeordnet, dass sich deren Vorderseiten gegenüberliegen und an den Kanten abgedichtet sind, wobei der Reaktionsbereich gebildet wird, und wobei dann derartige Packungen aus zwei Substraten parallel Seite an Seite mit den hinteren Seiten der Substrate gestapelt sind und voneinander in einem bestimmten Abstand getrennt gegenüberliegen. Die sich gegebenenfalls zwischen den Substrat-Paarpackungen in dem Stapel bildenden Temperaturunterschiede können mittels beispielsweise Wärme ausgleichenden Platten aus Graphit, die in die Packungen inseriert sind, ausgeglichen werden. Die Gasströme der Ausgangsmaterialien, die in die Reaktionskammer 13 gebracht werden, werden in einer Sequenz von Gasimpulsen, die zu verschiedenen Zeiten in die Zwischenräume zwischen die gestapelten Substratpackungen geleitet werden, eingebracht. In dem Zwischenraum treffen die Moleküle oder Atome des verdampften Ausgangsmaterials auf die heiße Oberfläche des Substrats und bilden eine gesättigte Molekülschicht auf der Substratoberfläche. Die von dem Reaktionsbereich entfernten Gase werden an dem anderen Ende der Substratpackungen entfernt, wovon sie durch die Kondensationsröhre entnommen werden. Die Heizelemente 6 können auch ein integraler Bestandteil der Reaktionskammerstruktur sein, wobei der Wärmetransfer zur Reaktionskammerpackung und den Substraten darin maximiert ist.

Gemäß einer beispielhaften Ausführungsform kann ein kaltwandiger ALE-Reaktor aus den folgenden modularen Bestandteilen zusammengestellt werden:
Druckhülle
Heizeinrichtung – thermische Isolierung – Kühlvorrichtung
Quelle für festes Material
Röhren
Reaktionskammerpackung
Beschickungswagen
Pumpleitung und Pumpe
Steuerausrüstung
Software
Jede modulare Einheit kann getrennt betreut, auf das Niveau des Standes der Technik erneuert werden und sogar durch eine völlig neue Konstruktion ersetzt werden, ohne dabei die innen gelegenen Module austauschen zu müssen. Die Verwendung interner Heizvorrichtungen trägt zum modularen Aufbau der Reaktorkonstruktion weiter bei.
Quellen, die gasförmige oder flüssige Ausgangsmaterialien verwenden, können als individuelle Module vorgesehen sein, die vom Rest der Reaktorkonstruktion völlig getrennt sind.
Wie vorstehend aufgeführt, besitzt die Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung eine neue Eigenschaft, da eine mit der Heizvorrichtung ausgestattete Beschickungstür verwendet wird. In 2 ist die Struktur einer derartigen Tür 21 gezeigt. Die Beschickungstür 21 weist letztendlich mindestens eine daran angebrachte Abschirmplatte 25 mit einem geringen Strahlungsabsorptions-Koeffizienten auf. Diese Platte liefert die gleiche Funktion wie die vorstehend beschriebenen Platten 3. Das Heizelement der Tür 21 stellt eine planare Heizvorrichtung 22 mit zwei wärmeausgleichenden Platten dar, wobei ein Heizelement 23, wie Heizwiderstandselemente zwischen den Platten angeordnet sind. Die Platten sind aus dem gleichen Material wie andere wärmeausgleichende Platten des Reaktors und deren Funktion ist es, die durch die Heizelemente 23 emittierte Wärme über die Platte gleichmäßig zu verteilen. Der Türmechanismus enthält weiter eine Steuereinheit 24 der Heizelemente 23, wobei die Steuereinheit beispielsweise einfach eine Steuerelektronik enthält, die über elektrische Verbindungen 26 mit dem Heizelement 23 verbunden ist. Die Abschirmplatten 25, die wärmeausgleichenden Platten 22 und die Heizelemente 23 sind an der inneren Oberfläche der Tür 21 über angebrachte Träger 27 befestigt.
Die vorstehend aufgeführten Strukturen ergeben solche Vorteile wie die Möglichkeit, die Beschickungstür 21 nahe an die Reaktionskammerpackung 13 zu bringen. Der Reaktor kann dann beispielsweise in Form eines Würfels gebracht werden, wobei eine Nachprüfung der Integrität der Verbindungsstücke/Verbindungen einfach ist. Die Heizmittel der Beschickungstür können zum Erhitzen der Gasphasen-Materialimpulse, die von den Quellen über die Zufuhrleitung zur Reaktionskammerpackung 13 strömen, verwendet werden, so dass eine Kondensation von Gasen in der Zuflussleitung verhindert wird.
Die 3A und 3B erläutern die Konstruktion des Transportwagens 31 der Substrathalterung 32 genauer. Diese Diagramme zeigen auch die Anordnung der Substrathalterung 32 auf dem Beschickungswagen 33 und die Lage der Räder 34 und der Schienen 35.
4 zeigt eine kompakte, modulare Materialquelle zur Verwendung in Verbindung mit der vorliegenden Erfindung. Die modulare Quelle umfasst ein inneres Quellenrohr 41 (im allgemeinen aus Glas), in das das Ausgangsmaterial-Schiffchen überführt werden kann. Das innere Quellenrohr 41 ist von einem äußeren Quellenrohr 42 umgeben, das ebenfalls aus herkömmlichem Glas ist. Dieses Rohr kann als ein durchgehendes, verzweigtes Verteilerrohr ausgebildet sein, dessen Verzweigungen mit allen Quellen des festen Materials des gleichen Blocks in Verbindung stehen, die mittels des gemeinsamen Verteilerrohrs des Blocks vereinigt werden. Ein abdichtender Stickstoffstrom ist vorgesehen, um den Zwischenraum zwischen den Quellenrohren 41, 42 zu spülen. Um die Quellenrohre herum ist ein wärmeausgleichendes Rohr 43 oder eine Platte angeordnet, dessen Zweck es ist, die durch das Heizelement 44 emittierte Wärme gleichmäßig über die Oberfläche des Heizwiderstandselementes zu verteilen. Zusammen mit den Widerstandselementen bilden die wärmeausgleichenden Rohre eine röhrenförmige Heizeinrichtung, um die hier beschriebene Ausführungsform beispielhaft zu erläutern.
Die Wärme emittierenden Heizelemente 44 können beispielsweise röhrenförmige Heizeinrichtungen sein, deren Temperatur mittels Thermoelementen verfolgt wird. Eine röhrenförmige Heizeinrichtung mit einer gleichmäßigen Temperaturverteilung über die Oberfläche ist eine Möglichkeit zur gleichmäßigen Verteilung der Wärme über den gesamten Bereich der wärmeausgleichenden Platte. Alternativ ist jede andere Heizmittelstruktur denkbar, die ein homogenes Erhitzen ermöglicht. Röhrenförmige Reaktoren sind gewöhnlich so konstruiert, dass beide Enden des Reaktors mit Heizwiderstandselementen ausgestattet sind, die einen größeren Output besitzen als die Heizelemente im Zentrum des Reaktors, um den höheren Wärmeverlust an den Enden auszugleichen. In der erfindungsgemäßen symmetrischen Ausführungsform Heizvorrichtung – thermische Isolierung – Kühlvorrichtung ist die ständige Wärmeabführmenge der Kühlvorrichtung im Vergleich mit den anderen Wärmeverlusten so hoch, dass ein Abführen der Wärme auf diesem Weg maßgeblich wird. Wenn daher eine gleichmäßige Wärmeverteilung gewünscht ist, muss notwendigerweise der Wärme-Input mit ständiger Abführung der Wärme ausgeglichen werden.
Das röhrenförmige Heizelement ist von mindestens einer thermischen Isolierplatte umgeben. Die Funktion dieser Platten basiert auf der Tatsache, dass die von den Widerstandselementen emittierte thermische Strahlung von der benachbarten Platte mit niedrigem Absorptionskoeffizient zurückgeworfen wird und dass auch der geringe Wärmestrom, der durch die Platte gelassen wird, nur schlecht weitergegeben wird. Bei der nächsten, benachbarten Platte wird die thermische Isolierung in der gleichen Art und Weise wiederholt usw. Bei erhöhten Drücken und ansteigender thermischer Transmission durch Konvektion und Konduktion verbessern die Platten immer noch die thermische Isolierung, indem die Bewegung der Moleküle behindert wird.
Das äußere Gehäuse der modularen Quelle besteht aus einer die Temperatur verteilenden, ausgleichenden Platte oder Röhre 46, die zum Sammeln des Wärmestroms dient, der von der Oberfläche zwischen den außen gelegenen Kühlelementen 47 ausgeht. In der beispielhaft aufgeführten Ausführungsform wird ein Rohr als Kühlelement 47 verwendet. Ein für die Abmessungen der Wärme- und Kühlung-ausgleichenden Platten ist, dass die interne Wärmekonduktion in der Platte hinsichtlich des Wärmestroms, der von beispielsweise der Oberfläche zwischen den Kühlrohren aufgenommen wird, wirksam sein muss. Die Abmessungen werden hier durch die jeweilige Entfernung zwischen den Kühlrohren, das Schicht-/Rohrmaterial, die Dicke der Schicht-/Rohrwandung, erlaubten Temperaturunterschieden und der Wärmeströmungsgeschwindigkeit beeinflusst. Das Kühlelement 47, wie beispielsweise das Rohr, führt zusammen mit dem Wärmetransfermedium (Flüssigkeit oder Gas) die durch die thermische Isolierung durchgelassene Wärme ab. Wird als Kühlelement 47 ein Rohr verwendet, dann muss das Rohr vakuumdicht sein und vorzugsweise so angeordnet sein, dass es ohne Verbindungen, von außerhalb des Reaktors in diesen hinein und zurück zu dem äußeren Bereich verläuft. Das Kühlelement 47 ist durch Hartlöten, Schweißen, mechanischen oder ähnlichen Mitteln mit hoher thermischer Leitfähigkeit an die Temperatur verteilende, ausgleichende Kühlplatte angebracht. Die/das kühlende-ausgleichende Platte/Rohr und das Kühlelement kann in einer integrierten Strukturkomponente hergestellt werden.
Der Reaktor kann eine derartige Konstruktion aufweisen, bei der eine Heizeinrichtung, eine thermische Isolierung und eine Kühlvorrichtung auf einem getrennten Befestigungsflansch für die Quellen vereinigt sind, in der auch die radialen Lippendichtungen der Glasrohre und der Zufluss-/Abflussleitungs-Verbindungen des Prozessgases vereinigt sein können. Die in der Druckhülle des Reaktors vorkommende Öffnung muss einen Durchmesser aufweisen, der größer ist als der des Kühlelementes. Die Größe des modularen Befestigungsflansches für Quellen und deren Dichtung werden durch den Durchmesser der Druckhüllenöffnung bestimmt. Die Zahl fester Materialquellen, die mit dem Reaktor verbunden werden können, wird hauptsächlich durch die zur Befestigung der benachbarten Quellen-Flansche bestimmt. Diese Struktur ergibt die feste Materialquelle als modulare Form, die eine einfache Zugabe, Entfernung oder ein einfaches Ersetzen der Quellen in dem Reaktorsystem erlaubt. Die Konstruktion der modularen Quelle kann in einer einfachen Art und Weise variiert werden, ohne größere Änderungen in den anderen Strukturen des Reaktors erforderlich zu machen.
Neben festen Materialquellen kann der Reaktor mit einer fast unbegrenzten Anzahl flüssiger und gasförmiger Ausgangsmaterial-Quellen versehen werden. Es können daher dem Reaktorsystem eine größere Anzahl fester Materialquellen zugefügt werden, ohne die maximale Anzahl der anderen Quellen zu vermindern. Da die gewünschte Anzahl fester Materialquellen die Reaktorabmessungen beeinflusst, ist die maximale Zahl dieser Quellen für jede Reaktorkonstruktion beschränkt.
Der vorstehend beschriebene Reaktor wird wie folgt betrieben:

1. Eine gewünschte Anzahl metallischer und nicht-metallischer Ausgangsmaterialquellen wird mit dem Reaktor verbunden.
2. In die Quellen wird beispielsweise von der Seite der Beschickungstür aus ein mehrfach verzweigtes Verteilerrohr aus Glas eingeführt. Beide Gruppen der Ausgangsmaterial-Quellen werden mit jeweiligen Verteilerrohren versehen.
3. Beide inneren Quellenrohre werden über die Quellenbefestigungs-Flansche eingebracht.
4. In die inneren Quellenrohre werden die Thermoelemente und Ausgangsmaterial-Schiffchen eingebracht, von denen jedes ein Ausgangsmaterial enthält.
5. Die Reaktionskammerpackung wird zusammengebracht und die Substrate werden darin angeordnet.
6. Der Beschickungswagen und die Reaktionskammerpackung werden auf der Schiebebühne nahe an den Reaktor in eine Position gebracht, wobei die Schienen der Schiebebühne eine Verlängerung der Schienen sind, die am Boden der Druckhülle befestigt sind.
7. Der Beschickungswagen wird in die Reaktordruckhülle bis zu seiner vorbestimmten Position überführt und die Schiebebühne wird wieder herausgenommen.
8. Zwischen den Quellenrohren und der Reaktionskammerpackung werden die Verbindungsleitungen befestigt und die Kondensationsröhre wird an ihrem Platz angebracht. Die Integrität der Verbindungsstücke/Verbindungen wird überprüft.
9. Die Beschickungstür wird verschlossen und die Reaktordruckhülle wird evakuiert.
10. Das Systemsteuerungsprogramm wird gestartet (zur Steuerung der Wärme und der Führung der Reaktandenpulsströme).
11. Nach dem Lauf wird die Reaktordruckhülle auf Atmosphärendruck gebracht und die Beschickungstür wird geöffnet.
12. Die Kondensationsröhre und die Verbindungsleitungen werden entfernt und die offenen Rohrenden werden mit Dichtungsstopfen versehen.
13. Die Reaktionskammerpackung wird entfernt und der Beschickungswagen wird auf dem Transportwagen aus dem Reaktor gebracht.

Mit der Maßgabe, dass die Ausgangsmaterialien in den Quellen noch nicht aufgebraucht sind, können diese für den nächsten Lauf belassen werden, wobei deren Entfernung nicht erforderlich ist. Ist eine größere Anzahl an Reaktionskammerpackungen verfügbar, dann kann die nächste Reaktionskammerpackung in die Reaktordruckhülle überführt werden und der Lauf kann unmittelbar gestartet werden. Die aus dem Reaktor entnommene Reaktionskammerpackung kann ungestört abkühlen gelassen werden und deren Abbau, Reinigung und erneutes Zusammensetzen kann weit vor dem nächsten Verarbeitungslauf erfolgen.

Claims

Vorrichtung zum Beschichten von wenigstens einem Substrat in alternierend wiederholten Gasphasenreaktionen, die in einer Druckhülle (1) einen Substrathalter in einem Reaktionsbereich, mindestens zwei Feststoffmaterialquellen (S₁ – S₈) zur Erzeugung von Gasimpulsen und Gaszufuhrleitungen von den Quellen (S₁ – S₈) zum Reaktionsbereich enthält, wobei der Reaktionsbereich und die Quellen (S₁ – S₈) mit eigenen Heizungen ausgestattet sind, die ein unabhängiges Steuern der Temperatur ermöglichen und durch aktiv gekühlte thermische Isolierelemente voneinander getrennt sind.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Innentemperatur der Druckhülle (1) unabhängig von den Temperaturen der Quellen (S₁ – S₈) und des Reaktionsbereichs mittels der thermischen Isolierungselemente gesteuert werden kann.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Heizung des Reaktionsbereichs eine Hülle umfasst, die den Reaktionsbereich umgibt und die eine erste wärmeausgleichende Hülle enthält, die an der dem Reaktionsbereich zugewandten Seite angebracht ist, während eine zweite wärmeausgleichende Hülle gegebenenfalls an der der Druckhülle (1) zugewandten Seite angeordnet ist, und wobei zwischen der ersten und zweiten Hülle ein Heizelement (6) angepasst ist, das zum Erhitzen der Oberflächen der wärmeausgleichenden Hüllen geeignet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das thermische Isolierungselement des Reaktionsbereichs mindestens eine die Wärme reflektierende Hülle umfasst, die um das Heizelement des Reaktionsbereichs angepasst ist.
Vorrichtung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Heizelement des Reaktionsbereichs ein röhrenförmiges Widerstandselement enthält.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Wände der Hüllenstrukturen, die den Reaktionsbereich umgeben, aus einem Metall, wie nicht rostendem Stahl, Titan oder Aluminium, oder einer Metalllegierung bestehen.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Heizung der Quellen (S₁ – S₈) aus einer Hülle besteht, die die Quelle (S₁ – S₈) umgibt, wobei die Hülle eine erste wärmeausgleichende Hülle besitzt, die an der der Quelle (S₁ – S₈) zugewandten Seite angeordnet ist, während eine zweite wärmeausgleichende Hülle oder Platte gegebenenfalls an der der Druckhülle (1) zugewandten Seite angeordnet ist, und wobei zwischen der ersten und zweiten Hülle ein Heizelement (6) angepasst ist, das zum Erhitzen der Oberflächen der wärmeausgleichenden Hüllen geeignet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das thermische Isolierungselement der Quelle (S₁ – S₈) mindestens eine Wärmestrahlung reflektierende Hülle enthält, die um das Heizelement der Quelle angepasst ist.
Vorrichtung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Heizelement der Quelle (S₁ – S₈) ein röhrenförmiges Heizelement umfasst.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Quellen in zwei Gruppen eingeteilt werden, wobei eine die metallischen Reaktanden und die andere die nicht-metallischen Reaktanden umfasst, wobei die Quellen der gleichen Gruppe von Reaktanden so angeordnet sind, dass sie eine gemeinsame Zufuhrleitung verwenden.
Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Quellen der gleichen Reaktandengruppe übereinander oder parallel angeordnet sind, wobei sie an deren einen Enden mit einer gemeinsamen Zufuhrleitung verbunden sind, deren Ausgang mit dem des Reaktionsbereichs verbunden ist.
Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Zufuhrleitung der Reaktanden durch Heizeinrichtungen, die außerhalb der Leitung angeordnet sind, heizbar ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Druckhülle (1) mit einer Tür ausgestattet ist, deren Wand, die dem Inneren der Druckhülle (1) zugewandt ist, mit Heizeinrichtungen ausgestattet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Zufuhrleitung der Reaktanden in der Druckhülle (1) an der der Tür zugewandten Seite angepasst ist, wobei die Leitung mit Hilfe der Heizeinrichtungen der Tür heizbar ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Abfuhrleitung für nicht-umgesetzte Reaktionskomponenten mit dem Reaktionsbereich verbunden ist, wobei die Leitung so angepasst ist, dass sie in dem kühlen Bereich der Druckhülle (1) läuft, um eine Kondensation nicht-umgesetzter Komponenten durchzuführen.