Metallorganisch chemische ... - JUWEL - Forschungszentrum Jülich

26 2 Grundlagen
Folge sein. Aus diesen Gründen werden Heißwandreaktoren zur Herstellung elektrokeramischer
Dünnschichten relativ selten eingesetzt.
Beim Kaltwandreaktor wird nur der Suszeptor auf Prozesstemperatur gebracht, die Reaktorwände
werden gekühlt. Aufgrund der niedrigen Temperatur der Wände wird dort relativ wenig
Material abgeschieden, der Grad der Verunreinigung und der damit verbundene Reinigungsaufwand
ist deutlich kleiner als beim Heißwandreaktor. Da die Prozessgase erst unmittelbar
über der Suszeptoroberfläche auf Reaktionstemperatur gebracht werden, ist die Gefahr
von parasitären Gasphasenreaktionen gering.
Der einfachste Aufbau eines Horizontalreaktors ist auf der linken Seite von Abbildung 2.13
dargestellt [47]. Hier wird das Gemisch aus Prekursor- und Trägergasen über das heiße Substrat
geleitet. Der Prozessdruck liegt in der Regel zwischen 0,1 und 10mbar, um Vorreaktionen
in der Gasphase zu vermeiden. Der Gasfluss ist laminar. Turbulenzen müssen vermieden
werden, da sie unregelmäßiges Wachstum hervorbringen. Die Verkippung des Substrats um
den Winkel α kompensiert inhomogene Abscheidung über den 1 bis 6“ großen Substraten.
Die Verkippung und der Trägergasfluss müssen derart aufeinander abgestimmt werden, sodass
eine gleichmäßige Beschichtung zustande kommt.
Abbildung 2.13: prinzipieller Aufbau des Horizontalreaktors. Links mit gekippter Suszeptorebene
und rechts Planetenreaktor mit rotierendem Suszeptor und Satelliten.
Eine bedeutende Weiterentwicklung des Horizontalreaktors stellt der Planetenreaktor dar,
siehe Abbildung 2.13 auf der rechten Seite. Beim Planetenreaktor werden die Prozessgase in
der Mitte eingeleitet und über einen außenliegenden Kollektorring wieder abgesaugt. Aus der
radialen Ausbreitung der Gase in Kombination mit der reibungsbedingten Grenzschicht über
dem Suszeptor resultiert ein genau definierter linearer Abfall der Wachstumsrate. Dieser lineare
Abfall wird durch Rotation der einzelnen Satelliten um ihre eigene Achse kompensiert, so
dass sich eine gleichmäßige Schichtdicke ergibt. Um geringfügige radiale Inhomogenitäten
auszugleichen, rotiert der komplette Suszeptor um seine Symmetrieachse. Die daraus resultierende
Bewegung der Wafer ähnelt der eines Planetengetriebes, daher resultiert der Name dieses
Reaktortyps. Das Konzept wurde von Philips entwickelt und 1994 von der Firma
AIXTRON eingeführt [48].
Transportphänomene wie Strömung, Massentransport und Wärmetransport bestimmen die
Zufuhr der gasförmigen Prekursoren zur Schichtoberfläche und beeinflussen die Reaktionen
in der Gasphase. Durch Druckgradienten werden Strömungen verursacht, welche die Prozessgase
vom Einlass über den Suszeptor bis zum Auslass transportieren. Konzentrationsgradienten
führen zu einer Diffusion zum Substrat hin und durch Konvektion entsteht thermischer
Auftrieb, der einen Transport vom darunterliegenden Substrat weg bewirkt.
Die freie Weglänge der Gasteilchen λ lässt sich aus der Maxwellschen Geschwindigkeitsverteilung
der Gasteilchen bestimmen, siehe Formel 2.14.
1 k BT
λ = =
2.14
2
2
π 2nd
π 2 pd