ТЕРМОИСТОЧНИК
HEAT SOURCE

ПРЕДШЕСТВУЮЩИЙ УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Изобретение относится к термоисточнику, используемому в методах послойного атомного осаждения (ALD) и химического осаждения из паровой фазы (CVD) для подачи в реактор исходного вещества. В частности, в соответствии с п.1 формулы изобретения изобретение относится к термоисточнику, предназначенному для использования в устройствах для осаждения из паровой фазы для подачи в реактор исходного вещества, при этом термоисточник включает в себя контейнер для исходного вещества, имеющий полость для исходного вещества.
При получении структур методами осаждения из паровой фазы, такими как ALD и другие CVD методы, перед подачей в реакторное пространство реактора исходные вещества должны быть превращены в газообразную форму, поскольку при таких способах реакция протекает в паровой фазе при тесном взаимодействии с поверхностью субстрата. Ввиду того что для многих способов отсутствуют подходящие исходные вещества, способные быть газообразными при условиях с нормальной температурой и давлением (NTP), в таких способах приходится использовать жидкости и твердые вещества. Такие жидкости и твердые вещества имеют низкие давления паров по сравнению с соответствующими давлениями паров газообразных веществ, зачастую их следует нагревать для достижения достаточного значения давления пара. Такое нагревание обычно проводят под давлением, составляющим приблизительно от 10 до 50% от давления системы реактора, в тех случаях, когда используют термоисточник, работающий по так называемому принципу перетекания. При необходимости температура может быть увеличена настолько, что давление термоисточника превысит давление системы реактора, в результате чего перетекания газа не потребуется, а термоисточник может использоваться, так сказать, при собственном давлении пара. Во избежание конденсации испаренных исходных веществ эти исходные вещества следует подавать в реактор таким образом, чтобы все поверхности устройства, контактирующие с исходным веществом, имели такую же или более высокую температуру, чем полость, в которой испаряют исходное вещество.
В соответствии с существующим уровнем техники, термоисточники вставляют внутрь реакторной камеры и снабжают затворами, используя так называемую клапанную систему с инертным газом. Проблемой такого решения является то, что при замене субстрата затворы, требующиеся для клапанной системы с инертным газом, а также исходное вещество перед заменой субстрата следует охлаждать. Это замедляет работу реактора, подвергает исходное вещество нежелательным температурным изменениям и увеличивает число примесей из-за более высокого давления и окружающего воздуха. Кроме того, при использовании такого источника давление системы реактора может вообще не опуститься ниже давления паров источника, поскольку в таком случае исходное вещество поступало бы в реактор неконтролируемо. Кроме того, с учетом рассмотренных выше аспектов, исходное вещество не может храниться в источнике в течение длительного времени.
Другое относящееся к предшествующему уровню техники решение по установке термоисточника на реакторе для осаждения из паровой фазы заключается в использовании металлических баллонов, снабженных клапанами, при этом твердые исходные вещества помещают внутрь баллонов, а баллоны с клапанами помещают в вакуумную или конвекционную печь, расположенную рядом с реактором или соединенную с ним. Во избежание указанного явления конденсации трубки от баллона снабжают, например, проводом высокого сопротивления. Это решение представляет неактивный способ установки твердого источника, однако максимальная возможная рабочая температура, то есть приблизительно от 200 до 250°С, определяется клапанами, срок службы которых значительно сокращается при высоких температурах. Если клапаны расположены за пределами печи, необходим какой-либо дополнительный трубопровод и, кроме того, в конструкции будут формироваться мостики холода. Такие мостики холода образуются, например, в клапанах, имеющих соединения приводов. Кроме того, используемые для таких целей печи занимают значительное пространство и являются дорогостоящими. Применение печей также является трудоемким, поскольку баллоны большие и тяжелые, а их монтаж и демонтаж требует использования инструментов. Металлические баллоны, оборудованные клапанами, также являются дорогостоящими.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ СУЩНОСТИ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Таким образом, задачей изобретения является создание термоисточника таким способом, чтобы можно было решить описанные выше проблемы. Задача изобретения решена при помощи термоисточника устройства для осаждения из паровой фазы, расположенного за пределами реактора, для подачи исходного вещества в реактор, где термоисточник содержит контейнер для исходного вещества, имеющий полость для исходного вещества, причем контейнер для исходного вещества выполнен съемным с возможностью присоединения к крышке, имеющей первое нагревательное устройство для нагревания крышки таким образом, что тепло за счет теплопроводности передается контейнеру для исходного вещества и далее исходному веществу в полости. Термоисточник согласно изобретению отличается тем, что крышка дополнительно включает в себя обогреваемый подводящий канал, находящийся в жидкостной связи с полостью, для подачи исходного вещества из полости в реактор таким образом, что между контейнером для исходного вещества и реактором достигается возрастающий градиент температуры.
Предпочтительные варианты осуществления изобретения раскрыты в зависимых пунктах формулы изобретения.
Изобретение основано на идее о том, что контейнер для исходного вещества, подлежащий нагреванию, изготавливают таким образом, что контейнер для исходного вещества, включающий в себя полость для исходного вещества, снабжают крышкой, выполненной с возможностью отсоединения от контейнера для исходного вещества. Крышка в данном контексте подразумевает под собой любой элемент конструкции, устанавливаемый с возможностью съема на контейнере для исходного вещества. Предпочтительно, чтобы крышка была установлена на контейнере для исходного вещества и закрывала, таким образом, полость для исходного вещества. Крышку дополнительно снабжают первым нагревательным устройством, нагревающим крышку таким образом, что тепло может передаваться за счет теплопроводности от крышки к контейнеру для исходного вещества, соединенному с крышкой с возможностью съема, для нагревания полости и находящегося в ней исходного вещества. Крышку дополнительно снабжают системой труб и подводящим каналом, идущим от крышки к реактору, для перемещения исходного вещества из полости через систему труб и подводящий канал крышки в реактор. Подводящий канал снабжают вторым нагревательным устройством, предпочтительно расположенным внутри подводящего канала для исходного вещества. Таким образом, получают конструкцию, в которой можно в любых условиях поддерживать возрастающий градиент температуры между полостью для исходного вещества и реактором. Другими словами, задачей изобретения является предложение конструкции, в которой для полости для исходного вещества предусмотрена обогреваемая крышка, присоединяемая к полости с возможностью съема, при этом крышка содержит обогреваемый подводящий канал для подачи исходного вещества в реактор. Следовательно, подводящий канал находится в жидкостной связи с полостью контейнера для исходного вещества посредством системы труб крышки таким образом, что за счет нагревательных устройств крышки и нагревательных устройств подводящего канала между контейнером для исходного вещества и реактором обеспечивается возрастающий градиент температуры. Крышку, необходимую для исходного вещества для силовых приводов, снабжают клапанами, устанавливаемыми на поверхности.
Преимущество способа и устройства изобретения заключается в том, что контейнер для исходного вещества и/или исходное вещество могут быть заменены без охлаждения или открывания реактора. Кроме того, отсутствует необходимость в дорогостоящих печах для нагрева исходного вещества и облегчено помещение исходного вещества в реактор. Помимо этого, в конструкции минимизировано образование холодных точек, поскольку изобретение позволяет простым способом получать возрастающий градиент температуры между полостью для исходного вещества и реактором, что предотвращает конденсацию исходного вещества. Более того, модульное строение термоисточника делает возможным модифицирование его в соответствии с требованиями каждого конкретного пользователя, благодаря чему к реактору может быть присоединено требуемое число термоисточников согласно изобретению, например, путем установки термоисточников параллельно или последовательно. Кроме того, при помощи компонентов, устанавливаемых на поверхности, предусмотренных для нагревания крышки, температура системы труб и клапанов, присоединенных к термоисточнику, может поддерживаться выше точки конденсации при помощи простого и надежного способа.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Далее изобретение будет более подробно описано применительно к предпочтительным вариантам изобретения со ссылкой на прилагаемые чертежи, где:
на Фиг.1 изображено поперечное сечение термоисточника согласно варианту осуществления настоящего изобретения; и
на Фиг.2 изображена горизонтальная проекция термоисточника с Фиг.1.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
На Фиг.1 изображено поперечное сечение варианта осуществления термоисточника 1 согласно настоящему изобретению. Термоисточник 1 включает в себя контейнер 2 для исходного вещества, в котором предусмотрена полость 4 для исходного вещества. Контейнер 2 для исходного вещества изготавливают из материала, хорошо проводящего тепло, такого как алюминий. Так, контейнер 2. предпочтительно изготовлен из сплошного материала, в котором при помощи механической обработки образована полость 4 для исходного вещества, или же полость 4 может быть образована при помощи литья. В варианте осуществления, согласно Фиг.1, полость 4 имеет цилиндрическую форму, но она также может иметь и другую форму. Полость 4 дополнительно снабжена чашей или подобным контейнером, изготовленным из стекла или другого инертного материала, внутри которых может размещаться исходное вещество. Предпочтительно, чтобы одна из стенок полости 4 была открыта в соответствии с Фиг.1. На Фиг.1 открытой стенкой является верхняя стенка полости 4. Кроме того, можно оснастить эту открытую полость открываемым затвором или конструкцией типа клапана, при помощи которых полость 4 можно закрывать или отделять от окружающей среды. Таким способом полость может оставаться закрытой, когда полость отсоединена от термоисточника, а также во время установки контейнера 2, и она может быть открыта, когда полость установлена на своем месте, или когда исходное вещество должно быть использовано в ходе процесса. Контейнер для исходного вещества может быть дополнительно снабжен окном или подобной конструкцией, позволяющей наблюдать за исходным веществом, когда контейнер для исходного вещества установлен в термоисточнике. Таким способом можно визуально контролировать состояние и достаточность исходного вещества. На контейнере для исходного вещества установлена крышка 6, размещенная на полости 4. Крышка 6 и контейнер 2 предпочтительно могут быть соединены друг с другом при помощи быстроразъемного фиксирующего устройства, такого как болтовая конструкция, позволяющего отсоединять контейнер 2 от крышки 6 легко и быстро. Может быть подключено фиксирующее устройство полости для исходного вещества для присоединения и отсоединения контейнера 2 таким образом, чтобы фиксирующее устройство открывало полость 4, когда контейнер для исходного вещества устанавливают на место, и снова закрывало полость, когда контейнер 2 отсоединяют от крышки 6. Фиксирующее устройство может представлять собой конструкцию в виде клапана или люка или тому подобное, работа которых по присоединению и отсоединению контейнера 2 от крышки 6 может быть автоматизирована, либо работой которых можно управлять отдельно. Крышку 6 снабжают первым нагревательным устройством 8 (Фиг.2), предназначенным для нагревания крышки 6. Первое нагревательное устройство 8 может представлять собой, например, заменяемый нагревательный картридж, термический картридж или терморезисторы, при этом на крышке 6 может присутствовать один или несколько из них. Как и контейнер 2, крышку 6 предпочтительно изготавливают из теплопроводного материала, такого как нержавеющая сталь, алюминий или их сплавы, либо из другого соответствующего материала. Крышку 6 и контейнер 2, а также соединение между ними выполняют таким образом, чтобы тепло, выделяемое первым нагревательным устройством 8, могло передаваться за счет теплопроводности от крышки 6 к контейнеру 2. Таким образом, контейнер 2 и крышка 6 размещаются напротив друг друга, облегчая передачу тепла. Это означает, что в решении согласно изобретению отсутствует необходимость в отдельном подогреве полости 4, полость 4 нагревается за счет тепла, отводимого от крышки 6.
Крышку 6 снабжают устройствами и/или клапанами 12, устанавливаемыми на поверхности, для подсоединения приводов и впускных трубопроводов, а также других компонентов, подлежащих установке в термоисточник. Устройства 12, устанавливаемые на поверхности, приспособлены для того, чтобы выдерживать высокие температуры, и мостики холода на них сведены к минимуму. Использование технологии монтажа на поверхности позволяет поддерживать клапаны и другие устройства, устанавливаемые на поверхности, практически при той же температуре, что и остальные части крышки 6, и всегда при более высокой температуре, чем полость 4, поскольку крышка 6 снабжена первым нагревательным устройством 8. Крышка 6 дополнительно снабжена загрузочным устройством для подачи исходного вещества из полости 4 контейнера 2 в реактор (не показано). Крышка 6 снабжена системой труб (не показаны), идущих от устройств 12, устанавливаемых на поверхности, а также трубопроводами и приводами, подведенными к ним для полости 4 контейнера 2, когда контейнер 2 установлен в крышке 6. Кроме того, крышка 6 включает в себя систему труб, идущих от полости 4 к загрузочному устройству для подачи исходного вещества из полости 4 в загрузочное устройство и из него далее в реактор. Предпочтительно, чтобы крышка 6 была сплошной, благодаря чему указанные выше системы труб устанавливают на нее при помощи механической обработки, такой как расточка, или иным аналогичным способом. Система труб, установленная при помощи механической обработки, не требует отдельного нагрева, поскольку нагревается за счет первого нагревательного устройства 8, установленного на крышке 6. В данном контексте реактор относится к любому реактору из числа устройств для осаждения из паровой фазы, такому как реактор из числа устройств для CVD, ALD или MCVD (метод модифицированного химического парофазного осаждения), или тому подобное. Внутренняя часть реактора включает в себя полость реактора, образованную внешними стенками реактора, или же внутренняя часть реактора может включать в себя отдельную реакционную камеру, образующую полость реактора, в которую подают исходные вещества.
Крышка 6 дополнительно снабжена подводящим каналом 14, через который исходное вещество поступает в реактор. Вокруг подводящего канала 14 расположен коаксиальный дополнительный канал 20 в соответствии с Фиг.1 таким образом, что между сквозным каналом 14 и дополнительным каналом 20 остается зазор, через который может подаваться поток газообразного азота из клапанного устройства с инертным газом, благодаря чему газ протекает между подающим каналом 14 и указанным дополнительным каналом 20. Предпочтительно, чтобы подающий канал 14 и дополнительный канал 20 были изготовлены из стекла и имели круглое поперечное сечение. При необходимости вокруг подающего канала 14 могут быть добавлены еще два или более таких дополнительных каналов. Подающий канал 14 при посредстве системы труб крышки 6 находится в жидкостной связи с полостью 4 контейнера для исходного вещества, благодаря чему испаренное исходное вещество может протекать из полости для исходного вещества через систему труб 6 в подводящий канал 14 и далее в реактор. Кроме того, газообразный азот или другой соответствующий газ могут подаваться в пространство между подводящим каналом 14 и дополнительным каналом 20 при помощи газопровода 22, установленного на поверхности крышки 6, через систему труб, которой снабжена крышка 6. В части своей длины подводящий канал 14 и дополнительный канал 20 дополнительно окружены и поддерживаются кожухом 24, расположенным между крышкой 6 и реактором. Как кожух 24, так и подводящий канал 20 вставлены в выемку в крышке 6 и прикреплены к крышке 6 при помощи крепежного устройства 28, такого как фланцевая конструкция. Край кожуха 24 на стороне реактора, в свою очередь, оборудован фланцем 26 для присоединения к реактору. Подводящий канал 14 и дополнительный канал 20 выходят за пределы кожуха 24 относительно фланца 26 для того, чтобы доставать до реакционной камеры реактора при установке на месте.
Для сохранения испаренного исходного вещества в подводящем канале 14 при достаточно высокой температуре во избежание конденсации внутри подводящего канала устанавливают второе нагревательное устройство 16 и заключают внутрь защитной трубы 18. Предпочтительно, чтобы это второе нагревательное устройство 16 представляло собой резистор, расположенный так, чтобы его можно было регулировать при помощи регулирующих устройств таким образом, чтобы температуру резистора в каждом отдельном случае можно было отрегулировать до требуемого уровня. Второе нагревательное устройство 16 также может быть и нагревательным устройством, отличным от резисторов. Это второе нагревательное устройство 16 нагревает подводящий канал 14 и, в частности, его внутренние стенки, а значит и исходное вещество, протекающее по подводящему каналу 14, до достаточно высокой температуры либо поддерживают температуру исходного вещества во избежание конденсации. Второе нагревательное устройство 16 расположено в подводящем канале, предпочтительно, на таком расстоянии, чтобы можно было за счет теплового эффекта реактора поддерживать требуемую температуру исходного вещества в подводящем канале во избежание конденсации. Второе нагревательное устройство 16 установлено в подводящем канале, и исходное вещество может протекать в пространстве между защитной трубой 18 и подводящим каналом 14. Подводящий канал 14. дополнительный канал 20 и защитная труба 18 предпочтительно изготовлены из инертного материала, такого как стекло. В соответствии с Фиг.1, крышка 6 снабжена сквозным каналом, идущим от места установки подводящего канала 14 на одной стороне крышки 6 через крышку к другой ее стороне таким образом, что второе нагревательное устройство 16 может быть установлено внутри подводящего канала 14 путем пропускания его через сквозной канал 30 с одной стороны крышки к подводящему каналу 14. Кроме того, второе нагревательное устройство 16 может присоединяться к крышке 6 при помощи фланцевой конструкции 32 или другого соответствующего приспособления. Поскольку подводящий канал 14 тянется от крышки 6, обогреваемой первыми нагревательными устройствами, к реактору, между полостью 4 и подающим каналом достигается возрастающий градиент температуры, а также, поскольку подводящий канал обогревается при помощи второго нагревательного устройства 16, между подводящим каналом 14 и реактором или между крышкой 6 и реактором достигается возрастающий градиент температуры. Таким образом, можно получать возрастающий градиент температуры на всем пути от полости 4 до реактора, или по меньшей мере температура на пути к реактору нигде не опускается ниже температуры полости 4.
Сквозной канал 30 и отверстия на противоположных сторонах крышки 6 для установки подводящего канала 14 и для установки нагревательных устройств, подлежащих установке внутри подводящего канала, соответственно, позволяют последовательно устанавливать два или более термоисточников согласно изобретению. Так, например, после термоисточника, изображенного в варианте осуществления на Фиг.1, второй термоисточник размещают таким образом, что вместо второго нагревательного устройства подводящий канал этого второго термоисточника направлен к реактору внутри подводящего канала изображенного термоисточника. Таким образом, второе нагревательное устройство размещают как на Фиг.1, но так, чтобы оно располагалось непрерывно по всей длине подводящих каналов обоих термоисточников при установке через сквозной канал второго термоисточника внутри подводящих каналов. Можно устанавливать два или более термоисточников согласно изобретению параллельно таким образом, чтобы термоисточники использовали один и тот же подводящий канал, идущий к реактору. Тем не менее, во всех случаях, когда несколько термоисточников соединены параллельно или последовательно, в термоисточниках и подводящих каналах необходимо использовать такие температуры, чтобы образующийся градиент температуры всегда увеличивался по направлению к реактору. Иначе говоря, это выполняется, например, когда несколько термоисточников установлены последовательно так, что температура термоисточника, ближайшего к реактору, всегда выше, чем температура термоисточника, более удаленного от реактора. Таким образом, в разных термоисточниках могут испаряться разные исходные вещества с разными температурами испарения. В связи с этим, исходные вещества с более высокой температурой испарения помещают в термоисточники, ближайшие к реактору. Таким образом, при таком способе градиент температуры, возрастающий по направлению к реактору, обеспечивает то, что испаренные исходные вещества не будут конденсироваться на поверхностях устройства по пути к реактору.
В соответствии с Фиг.1, крышка 6 может быть дополнительно снабжена фильтром 34, который располагается выше полости 4 при установке контейнера 2 на месте. Назначение фильтра 34 заключается в предотвращении попадания частиц пылящих исходных веществ в подводящий канал и далее в реактор. Например, при использовании твердых исходных веществ, которые вполне могут пылить, фильтр 34 может устанавливаться в верхней части контейнера 2 во избежание возможного попадания пыли в систему подающих труб реактора и через нее на поверхность субстратов. Такой фильтр может представлять собой, например, проволочное сито, керамический фильтр или, как на Фиг.1, «лабиринт», составленный из нескольких пластин. Действие последнего основано на идее о том, что для перемещения с поверхности исходного вещества в систему подающих труб частицы должны обладать способностью проходить сквозь изогнутую конструкцию, обладающую значительной площадью поверхности. Каждая пластина в конструкции имеет канал или соответствующее отверстие, через которое частицы сначала должны пройти. В дальнейшем скорость частиц замедляется, когда газ попадает в больший объем. Соответственно, частицы имеют тенденцию к налипанию на стенки этого объема. При переходе к следующей зоне снова возникает необходимость прохождения через дросселирующее отверстие и так далее. На практике газ, протекающий сквозь лабиринт, представляет собой по большей части диффузионный поток, способность которого к переносу частиц является несущественной. Во время работы в импульсном режиме опустошается в основном объем выше «лабиринта», а при необходимости - также и самые верхние пространства лабиринта. Образованные отверстия являются достаточно большими, чтобы не вызывать значительного сопротивления потоку, что позволяет верхнему объему быстрее заполняться в промежутках между импульсами по сравнению с большинством решений, связанных с керамическими фильтрами и ситами. Соответственно, во время подачи импульсов частицы, которые могут переноситься потоком, создаваемым всасыванием и большим, чем диффузионный поток, отфильтровываются в такой структуре. Кроме того, при использовании того, что называется «раздутое» состояние, эффект переноса пылевидных веществ газом-носителем, вдуваемым в термоисточник, предотвращается за счет разбивания потока о самую верхнюю пластину лабиринта.
Конструкция согласно изобретению и, в частности, крышка 6, могут быть дополнительно снабжены предохранительным клапаном, системой труб для отвода кристаллизационной воды, промежуточным объемом для содержания пара исходного вещества, подлежащего выпуску во время импульсов, и тому подобными известными элементами.
На Фиг.2 представлена горизонтальная проекция термоисточника с Фиг.1. В соответствии с этой фигурой, крышка 6 снабжена первым нагревательным устройством 8, установленным внутри сплошной крышки. Кроме того, крышка 6 включает в себя установленный в ней измеритель 10 температуры для измерения температуры крышки и/или контейнера для исходного вещества. На основании получаемых измерений температуры первое нагревательное устройство может быть отрегулировано для получения надлежащей температуры в контейнере для исходного вещества и полости для исходного вещества. Кроме того, измеритель 10 температуры может использоваться просто для наблюдения за температурой. На Фиг.2 также изображены устройства и клапаны 12, устанавливаемые на поверхности, для установки приводов и трубопроводов в крышке 6. Устройства и клапаны 12, устанавливаемые на поверхности, предпочтительно вставлены в крышку 6. Подводящий канал 14 для исходного вещества и окружающий его дополнительный канал 20, расположенные внутри кожуха 24, на фиг.2 направлены вправо от крышки. Первые присоединены к крышке 6 при помощи фланцевой конструкции. Кожух 24 дополнительно включает фланец 26 для прикрепления к реактору. На стороне, противоположной подводящему каналу, имеется вторая фланцевая конструкция 32, при помощи которой можно присоединять к крышке 6 второе нагревательное устройство и от которой через крышку 6 проходит сквозной канал к подводящему каналу.
Хотя на Фиг.1 и 2 и в описанных решениях крышка 6 установлена на контейнере для исходного вещества, также может быть создана такая конструкция термоисточника, при которой крышку 6 можно устанавливать с одной из сторон или даже под контейнером для исходного вещества, благодаря чему полость для исходного вещества по меньшей мере частично будет открыта в направлении крышки 6. Например, полость для исходного вещества может быть открытой с одной стороны в горизонтальном направлении, благодаря чему крышка устанавливается с одной стороны контейнера для исходного вещества на этой открытой стороне. Существенным в изобретении является наличие крышки, устанавливаемой в контейнере для исходного вещества, причем эта крышка имеет более высокую температуру, чем контейнер для исходного вещества, и через эту крышку исходное вещество втекает в подводящий канал, который, в свою очередь, имеет более высокую температуру, чем крышка. Таким образом, получают градиент температуры, возрастающий по направлению к реактору, что предотвращает конденсацию исходного вещества.
Для специалиста в данной области техники будет очевидным, что по мере развития технологии основная идея изобретения может быть реализована разнообразными способами. Изобретение и варианты его осуществления, таким образом, не ограничиваются приведенными выше примерами, а могут варьироваться в объеме формулы изобретения.