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Hintergrund der Erfindung
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1. Gebiet der Erfindung
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Das
Gebiet der vorliegenden Erfindung bezieht sich im Allgemeinen auf
die Halbleiterverarbeitung. Insbesondere bezieht sich das Gebiet
der Erfindung auf Systeme und Verfahren zur chemischen Dampfabscheidung
(CVD = chemical vapor deposition) und thermische Behandlung wie
beispielsweise Epitaxialabscheidung.
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2. Ausgangspunkt
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Unterschiedliche
Halbleiterprozesse erfordern eine gleichförmige thermische Behandlung
bei hohen Temperaturen. Ein Beispiel eines solches Prozesses wird
als chemische Dampfabscheidung (CVD) bezeichnet, bei der eine Materialschicht
aus einer Dampfphase auf einem Halbleitersubstrat abgeschieden wird,
das auf einem Susceptor innerhalb eines Reaktors platziert ist.
Der Susceptor wird dann entweder durch Induktion oder hochintensive
Lichtstrahlung auf hohe Temperaturen erhitzt, typischerweise zwischen
ungefähr
800 bis 1250°C.
Gase werden dann durch den Reaktor geleitet und der Abscheidungsprozess
tritt durch chemische Reaktion innerhalb der Gasphase auf, aber
eng benachbart zu der Oberfläche
des Substrats. Die Reaktion resultiert in der Abscheidung des gewünschten
Produkts auf dem Substrat.
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Eine
Form dieser Art der Behandlung wird als Epitaxie bezeichnet, bei
der eine Einkristallschicht einer Substanz auf einem Substrat abgeschieden
wird, das auch eine Einkristallform besitzt. Als ein Beispiel ist
eine Siliziumepitaxie einer der ersten Schritte, der bei der Herstellung
eines integrierten Schaltungsbauteils durchgeführt wird und bei diesem Prozess
wird eine Schicht eines dotierten Einkristallsiliziums auf einem
Siliziumwafer abgeschieden, um eine Schicht mit bekanntem und streng
reguliertem Widerstand zu erhalten, in der Transistoren und andere
Bauelemente ausgebildet werden können.
Die Epitaxie bietet ein nützliches
Verfahren zum Steuern der Dicke, Konzentration und eines Profils
der Dotierschicht.
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Ein
wichtiger Parameter, der während
einer Epitaxialabscheidung gesteuert werden muss, ist die Temperaturgleichförmigkeit
des Substrats. Temperaturungleichförmigkeiten des Substrats können zu
einem Prozess einer plastischen Deformation führen, der als Slip bezeichnet
wird, bei dem der Kristall aufgebaute Belastungen löst, indem
er Teilen seiner Struktur erlaubt, sich relativ zu anderen Bereichen
zu bewegen. Slip tritt in einem Kristall über bestimmte kristallographische
Ebenen auf, und entlang bestimmter kristallographischer Richtungen,
was bewirkt, das ein Teil des Materials relativ zu einem anderen
versetzt wird. Ein üblicher
Grund für
Slip in einem Kristall ist ein Temperaturgradient während des Filmwachstums,
aber es kann auch das Ergebnis der Art und Weise sein, wie das Substrat
getragen wird, der Mechanismus durch den das Substrat erhitzt wird und
das Zeit-Temperaturprofil des Epitaxialprozesses. Mit Slip in Beziehung
stehende Defekte lassen sich am Häufigsten an den Kanten eines
Substrats finden, und sie erscheinen als kurze Linien.
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Thermische
Gradienten in einem Substrat können
sich als Ergebnis einer nicht gleichförmigen thermischen Umgebung
innerhalb des CVD-Reaktors ergeben. Da Gase innerhalb eines CVD-Reaktors
strömen,
umfassen Wärmetransfermechanismen
Leitung und Konvexion sowie Strahlung. Jedoch ist der Strahlungswärmetransfer
wohl der Wichtigste hinsichtlich der Temperaturgleichförmigkeit.
Ein Substrat benachbart zu einem erhitzten Susceptor innerhalb eines
Kaltwandreaktors sieht unterschiedliche thermische Gradienten in
sowohl Axial- als auch Radialrichtungen. Diese thermischen Gradienten
besitzen einen großen
Effekt, da der Strahlungswärmetransfer
zwischen zwei Objekten eine Funktion von den zwei Temperaturen ist,
wobei jede Temperatur quadriert wird.
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Bei
vielen CVD- und Epitaxialabscheidungssystemen werden hochintensive
Lampen, wie beispielsweise Wolfram-Halogen-Lampen verwendet zum
selektiven Erhitzen eines Wafers innerhalb eines Kaltwandofens.
Da die Lampen eine sehr geringe thermische Masse besitzen, kann
der Wafer rasch erhitzt werden. Jedoch ist es hier schwieriger die Temperatur
des Halbleitersubstrats nur unter Verwendung einer Erwärmung mit
einer Lampe mit niedriger thermischer Masse zu steuern. Einige Reaktoren
verwenden einen siliziumcarbidbeschichteten Graphitsusceptor mit
einer großen
thermischen Masse zum Beibehalten einer Temperaturgleichförmigkeit
des Substrats während
der Behandlung. Das zu behandelnde Substrat wird entweder auf oder
benachbart zu dem Susceptor platziert und infolge der hohen thermischen
Leitfähigkeit
des Susceptors kann er Wärme
seitlich leiten, um eine Temperaturgleichförmigkeit beizubehalten und
Ungleichförmigkeiten über das
Substrat auszugleichen. Der Susceptor ist typischerweise breiter
als das Substrat, was ihm erlaubt, für einen Strahlungswärmeverlust
an der Kante des Substrats zu kompensieren.
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Alternativ
kann der Susceptor durch RF-Induktion erhitzt werden. Dieses Verfahren
zieht einen Vorteil aus der Tatsache, dass ein oszillierender elektrischer
Strom, der durch einen Leiter hindurchläuft, der benachbart zu dem
Susceptor platziert ist, ein oszillierendes Magnetfeld um den Leiter
herum erzeugt, was wiederum einen oszillierenden Strom in dem Susceptor
selbst induziert. Da der Susceptor einen elektrischen Widerstand
besitzt, bewirkt der oszillierende elektrische Strom, dass sich
der Susceptor erhitzt. Es sei bemerkt, dass der in dem Susceptor
induzierte Strom linear abfällt
mit einem Abstand zu dem Leiter. Die Beziehung ist derart, dass
sich der Magnetfluss als das inverse Quadrat des Abstandes verändert.
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Eine
typische Konfiguration des Spulenprofils ist in 1 gezeigt.
Der Abstand zwischen irgendeinem bestimmten Spulensegment und dem Susceptor
kann mit Abstandshaltern (in 1 nicht gezeigt)
eingestellt sein. Die Spule in 1 ist profiliert
um Strahlungswärmeverluste
zu kompensieren, die an der Kante des Susceptors auftreten, wenn
sich der Susceptor auf einer Behandlungstemperatur befindet, und
somit ist das Spulensegment 120 näher an dem Susceptor als das
Spulensegment 122. Es sei bemerkt, dass die in 1 gezeigte
Spulenkonfiguration optimal ist, wenn sich der Reaktor auf der Prozess-
bzw. Behandlungstemperatur befindet, aber während Übergangsperioden, d.h. wenn
der Reaktor erhitzt oder gekühlt
wird, nicht optimal ist.
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Das
US-Patent Nr. 6,001,175 zeigt eine Kristallherstellungsvorrichtung
und ein Verfahren, das eine Hochfrequenzinduktionsspule verwendet.
Die britische Patentanmeldung 2 120 279A zeigt einen Träger für eine Induktionsheizspule
in einer Epitalwachstumsvorrichtung, die erlaubt, dass der Abstand zwischen
der Induktionsspule und dem Substratträger eingestellt wird durch
drehbares Betätigen
einer Vielzahl von Schrauben, die an jeweiligen Wicklungen der Induktionsspule
befestigt sind.
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Was
notwendig ist, ist eine verbesserte Vorrichtung und ein Verfahren
für CVD
und/oder eine Epitaxialbehandlung eines Halbleitersubstrats. Vorzugsweise
würde ein
solches System und ein solches Verfahren eine gleichförmige Substratbehandlungstemperatur
vorsehen, so dass Temperaturgradienten in dem Substrat und die sich
daraus ergebenden Probleme hinsichtlich Defekten, wie beispielsweise
kristallographischem Slip reduziert oder eliminiert werden.
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Gemäß der vorliegenden
Erfindung ist ein thermisches Behandlungssystem und ein Verfahren zum
Behandeln eines Substrats nach den Ansprüchen 1 bzw. 5 vorgesehen. Bevorzugte
Ausführungsbeispiele
der Erfindung sind in den abhängigen
Ansprüchen
beansprucht.
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Die Erfindung
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Aspekte
der vorliegenden Erfindung sehen einen CVD-Reaktor für eine Epitaxialbehandlung
vor, wobei der Reaktor konfiguriert ist zum Reduzieren thermischer
Gradienten in den Substraten auf denen Epitaxialschich ten abgeschieden
werden. Das Reduzieren thermischer Gradienten in einem Wafer vermindert
Slip. Eine Art eines Epitaxialreaktors weist eine HF-Induktionsspule
auf, die benachbart zu einem siliziumcarbidbeschichteten Graphitsusceptor positioniert
ist. Ein Wechselstrom, der durch die Spulensegmente strömt, produziert
ein oszillierendes Magnetfeld um jedes Segment herum, das wiederum einen
Strom in dem Susceptor induziert. Elektrische Energie, die mit dem
induzierten Strom assoziiert ist, wird in thermische Energie umgewandelt,
um dadurch den Susceptor zu erhitzen. Die Spule wird durch eine
Anzahl von Tragelementen bzw. – stutzen getragen,
und die unterschiedlichen Segmente der Spule können auf unterschiedlichen
Höhen eingestellt
sein, um dadurch den Abstand zu variieren, der die Spulensegmente
von dem Susceptor trennt. Herkömmliche
Verfahren, welche die Temperaturgleichförmigkeit in einem Susceptor
ansprechen, weisen das Einstellen der Spulensegmente vor, so dass
sie an den Innen- und Außenkanten
des Susceptors näher
am Susceptor sind als an der Mitte, um für einen größeren Wärmeverlust an den Kanten zu
kompensieren. Ferner muss der Susceptor während des Erwärmens und
der Behandlung gedreht werden, um Temperaturgradienten, welche durch
die Spule bewirkt werden, zu minimieren.
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Ein
Problem mit herkömmlichen
Verfahren, welche die Temperaturgleichförmigkeit ansprechen liegt darin,
dass das Spulen-/Susceptortrennungsprofil
konfiguriert ist, zum Vorsehen einer optimalen Temperaturgleichförmigkeit
in dem Susceptor bei der Behandlungstemperatur. Dieses Profil ist
nicht optimal für Übergangsteile
des Verfahrens bzw. Prozesses z.B. während des Aufwärmens und
Abkühlens, bei
denen die eng beabstandeten Spulensegmente an den Susceptorkanten
bewirken, dass sich die Kanten während
des Rampens bzw. Erhitzens oder Abkühlens überhitzen.
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Da
das Spulen-/Susceptoroperations- bzw. Trennungsprofil nicht leicht
rekonfiguriert werden kann, insbesondere während der Behandlung, sind eine
Vorrichtung und ein Verfahren zum Verbessern der Temperatur gleichförmigkeit
in dem Susceptor während
der Übergangsabschnitte
des Prozesses notwendig, wenn man annimmt, dass das Spulen-/Susceptortrennungsprofil
festgelegt ist. Gemäß einem
Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein thermisches Behandlungssystem
zum Behandeln eines Halbleitersubstrats vorgesehen, das Folgendes
aufweist:
eine Prozesskammer;
eine Gasquelle zum Vorsehen
eines Gases zu der Prozesskammer zur Bildung einer gewünschten
Abscheidung auf dem Substrat;
einen Induktor, der innerhalb
der Kammer positioniert ist;
ein Susceptor, der innerhalb der
Kammer benachbart zu dem Induktor positioniert ist, zum Tragen des
Substrats, wobei der Induktor elektromagnetische Energie an den
Susceptor vorsieht;
einen Höhenhubmechanismus
zum Variieren des Trennungsabstandes zwischen dem Induktor und dem
Susceptor während
des Erhitzens und Abkühlens
des Substrats; und
eine obere thermische Abschirmung zum Isolieren der
Oberfläche
des Susceptors in den Bereichen, wo keine Substrate vorhanden sind.
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Gemäß einem
weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zum
Behandeln eines Halbleitersubstrats vorgesehen, das die folgenden
Schritte aufweist:
Positionieren des Substrats, benachbart
zu einem Susceptor;
induktives Koppeln von Energie von einem
Induktor zu einem Susceptor zum Erhitzen des Susceptors;
Einführen bzw.
Injizieren eines Gases in die Kammer;
Variieren des Trennungsabstandes
zwischen dem Induktor und dem Susceptor während des Erhitzens und des
Abkühlens
des Substrats;
thermisches Abschirmen der Oberfläche des
Susceptors in den Bereichen, in denen kein Substrat vorhanden ist;
und
Abscheiden einer Materialschicht auf dem Substrat.
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Ein
Aspekt der vorliegenden Erfindung sieht einen Mechanismus zum Anheben
und Absenken des Susceptors vor, während er sich innerhalb des Reaktors
dreht. Da die Magnetfelder linear abfallen mit einem Abstand zu
jedem Spulensegment, entkoppelt ein Anheben des Susceptors die Spulen
an den Kanten (die näher
an dem Susceptor sind) zu einem größeren Grad als die Spulen in
der Mitte (welche von dem Susceptor weiter entfernt sind). Infolgedessen
kann die Überhitzung
der Susceptorkante, die während
des Hochrampens bzw. Erhitzens aufgetreten wäre, verringert werden. Ohne
diese z-Bewegung des Susceptors kann die Kante des Susceptors auf
eine Temperatur erhitzt werden, die bis zu 40°C höher liegt als die Temperatur
in der Mitte des Susceptors. Bei einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden
Erfindung wird ein Algorithmus verwendet zum Bestimmen des gewünschten
Abstandes zwischen der Spule und dem Susceptor zum Beibehalten einer
Gleichförmigkeit
bei unterschiedlichen Temperaturen. Der Susceptor wird näher zu der
Spule bewegt mit jedem Temperaturinkrement während der Übergangsheizperiode gemäß dem Algorithmus.
Zusätzlich
kann der Susceptor von der Spule während einer Übergangsabkühlperiode
in einigen Ausführungsbeispielen
wegbewegt werden. Ein zusätzlicher Vorteil,
der durch die z-Bewegung des Susceptors vorgesehen wird, ist dass
der Reaktor bequemer zu warten ist, da es für das Wartungspersonal leichter
ist den Susceptor von dem Reaktor zu entnehmen, indem er zunächst angehoben
wird.
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Ein
weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung sieht Isolationsschirme
bzw. Abschirmungen vor, die auf dem Susceptor platziert werden können, um
die Bereiche des Susceptors zu kompensieren, die nicht thermisch
durch Substrate isoliert werden. Strahlungsverlust von dem Susceptor
tritt überwiegend
durch Strahlung auf und ist proportional zu dem Unterschied zwischen
(TSusceptor)4 und
(TUmgebung)4. Die Substrate
selbst neigen dazu, eine Isolation an den Susceptortaschen vorzusehen,
welche die Substrate tragen, und eine Abschirmung der verbleibenden
Bereiche verbessert die Temperaturgleichförmigkeit des Susceptors.
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Ein
weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung sieht eine zusätzliche
Wärmeabschirmung
in der Nähe
der Susceptorkanten vor, und zwar sowohl um die Kanten herum als
auch unter diesen. Diese Abschirmungen können als die inneren und äußeren Susceptorkanten-Strahlungsabschirmungen
bezeichnet werden, und als die unteren inneren bzw. äußeren Umfangsstrahlungsabschirmungen.
Da diese Abschirmungen den Wärmeverlust
von den Kanten reduzieren, können
die Spulensegmente, welche die Kanten erwärmen weiter von dem Susceptor
entfernt sein, als sie ansonsten entfernt wären, um dadurch ein gleichförmigeres
Trennungsprofil vorzusehen.
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Ein
weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung sieht einen dickeren
Susceptor vor als der, der in herkömmlichen Reaktoren verwendet
wird. Der dickere Susceptor erlaubt, dass Temperaturunterschiede
am Boden des Susceptors, bewirkt durch diskrete Spulensegmente,
ausgeglichen werden, während
die Wärme
durch den Susceptor zur Oberseite geleitet wird, auf der die Substrate
getragen werden. Herkömmliche
Susceptordicken liegen in einem Bereich wie beispielsweise 0,5 bis
0,9 Zoll (12,7 bis 22,86 mm) und Ausführungsbeispiele der vorliegenden
Erfindung sehen eine Susceptordicke in dem Bereich von 0,5 bis 1,5
Zoll (12,7 bis 38,1 mm) vor. In einem Aspekt der vorliegenden Erfindung
wurde die Susceptordicke von 0,9 auf 1,2 Zoll (22,86 auf 30,48 mm) erhöht.
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Kurze Beschreibung
der Zeichnungen
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Diese
und weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden
sich dem Fachmann aus der folgenden detaillierten Beschreibung in
Verbindung mit den Zeichnungen ergeben; in den Zeichnungen zeigt:
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1 einen
Seitenquerschnitt eines Reaktors gemäß einem Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung;
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2 eine
Draufsicht auf eine Induktorspule bzw. Induktionsspule, die unterhalb
eines Susceptors gemäß einem
Aspekt der vorliegenden Erfindung positioniert ist;
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3 ein
Graph einer Spulenstutzen- oder -traghöhe als eine Funktion der Position
entlang der beispielhaften Induktionsspule gemäß 2;
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4A eine
Querschnittszeichnung, die den Trennungsabstand zwischen einem Induktor
und einem Susceptor zeigt, wobei das Trennungsprofil für Hochtemperatur-Stetigzustandsabschnitte
eines Prozesses bzw. einer Behandlung geeignet ist;
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4B eine
Querschnittszeichnung, die den Trennungsabstand zwischen einem Induktor
und einem Susceptor zeigt, wobei das Trennungsprofil geeignet ist
für die Übergangsabschnitte,
d.h. die Heiz- und Abkühlabschnitte
eines Prozesses;
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5 einen
Seitenquerschnitt eines Höhenhubmechanismus,
der gemäß einem
Aspekt der vorliegenden Erfindung verwendet werden kann;
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6 eine
Seitenquerschnittsansicht, die beispielhafte optische Pyrometer
zeigt, die verwendet werden können
zum Regulieren des Trennungsabstandes zwischen dem Induktor und
dem Susceptor;
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7 eine
Draufsicht auf die Anordnung von 150 mm Wafern auf einem beispielhaften
Susceptor; wobei die Zeichnung den Unterschied der thermischen Umgebungen
zeigt, die ein Substrat erfahren kann, sowie eine beispielhafte
Wärmeabschirmung, die
aufgebaut werden kann, um zwischen Substrate zu passen;
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8A, 8B u. 8C beispielhafte Wärmeabschirmungen,
die auf dem Susceptor platziert werden können, zum Verbessern der Wärmegleichförmigkeit
des Susceptors;
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9A zwei
beispielhafte Wärmeabschirmungen,
die an der Kante des Susceptors in Ausführungsbeispielen der Erfindung
verwendet werden können;
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9B ein
Graph eines thermischen Profils des Susceptors in einer Radialrichtung,
die den Vorteil zeigt, der mit der Verwendung der beispielhaften Wärmeabschirmungen
gemäß 9A erreicht
wird;
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10A eine schematische Zeichnung, welche die Temperaturgleichförmigkeit
in der Axialrichtung eines dünnen
Susceptors zeigt;
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10B eine schematische Zeichnung, welche die Temperaturgleichförmigkeit
in der Axialrichtung eines dicken Susceptors zeigt.
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Detaillierte
Beschreibung
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Im
Folgenden werden Ausführungsbeispiele der
vorliegenden Erfindung beschrieben. Die Beschreibung spezieller
Designs sind als Beispiele vorgesehen. Unterschiedliche Modifikationen
des bevorzugten Ausführungsbeispiels
werden sich dem Fachmann leicht ergeben und die hier definierten
Grundprinzipien können
auf andere Ausführungsbeispiele und
Anwendungen angewendet werden, ohne vom Umfang der Erfindung abzuweichen.
Die vorliegende Erfindung ist somit nicht durch das gezeigte Ausführungsbeispiel
begrenzt, sondern soll mit dem breitesten Umfang gleichgesetzt werden,
der mit den hier dargestellten Prinzipien und Merkmalen konsistent ist.
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1 ist
ein Seitenquerschnitt eines CVD-Reaktors, der im Allgemeinen bei 100 dargestellt
ist und zwar gemäß einem
Ausführungsbeispiel der
vorliegenden Erfindung. Der beispielhafte Reaktor gemäß 1 ist
geeignet für
die Epitaxialabscheidung von Silizium mit einem hohen Grad der Gleichförmigkeit
und reduzierter Kontamination. Natürlich können auch unterschiedliche
andere Prozesse unter Verwendung der Aspekte der vorliegenden Erfindung
durchgeführt
werden. Gemäß 1 ist
eine glockenförmige
Hülle bzw.
ein Einschluss 101 an eine Grundplatte 102 mit
einem Dichtmechanismus 103 abgedichtet. Ein horizontaler
Susceptor 104 trägt Substrate 105 und
dreht sich um die Mittelachse 106 des Reaktors. Der Susceptor 104 wird
durch einen Induktor 107 erhitzt, der eine Induktionsspule
sein kann. Die Induktionsspule 107 ist von dem Suscep tor 104 durch
eine Spulenabdeckung 108 getrennt, die mit dem glockenförmigen Einschluss 106 das
Gasreaktionsvolumen für
den Reaktor definiert. Ein Kühlmedium
kann durch die Spule gepumpt werden um zu verhindern, dass die Spule überhitzt.
Gase werden durch ein Einlassrohr 109 eingeführt, das
entlang der Mittelachse 106 des Reaktors angeordnet ist.
Die Gasmischung kann reaktive Gase, Abscheidungsgase, Trägergase,
inerte Gase, Dotiergase und andere Arten von Gasen aufweisen. Natürlich können bei
anderen Ausführungsbeispielen
Gase durch Rohre bzw. Schläuche
oder Duschköpfe
hindurchgeleitet werden, die durch die Oberseite oder die Seitenwände der
Glocke hindurchgehen. Gase, welche in den Einschluss vom Boden her
eintreten, folgen einem Pfad, der grob durch die Pfeile 110 angezeigt
ist, welche Konvektionsströme
anzeigen. Die beispielhaften Abmessungen H1,
D1 und D2 in 1 sind
ungefähr 38,
32 bzw. 33 Zoll (965,2; 812,8 bzw. 838,2 mm).
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Der
beispielhafte Reaktor gemäß 1 wird durch
eine Steuerung 118 gesteuert. Die Steuerung 118 besitzt
Verbindungen zum Boden des Reaktors zum Regulieren einer Gasströmung 109.
Die Verbindung 124 kann verwendet werden zum Antrieb des Höhenhubmechanismus
und zum Vorsehen einer Drehung des Susceptors. Die Verbindungen 124 und 128 können verbunden
werden zum Lesen von Information von Temperaturabfühleinrichtungen,
wie beispielsweise optischen Pyrometem von der Mitte bzw. der Außenkante
des Susceptors. Alternativ kann eine-Temperaturabfühlung über die Verbindungen 134, 136 und/oder 138 erfolgen,
wobei diese Verbindungen auch verwendet werden können zum Einleiten von Gasen
und zum Einstellen der Gasströmung. Das
ausgestoßene
Gas kann reguliert werden durch die Verbindung 128 um unter
anderem den gewünschten
Druck in dem Reaktor beizubehalten. Die Steuerung kann auch verwendet
werden zum Regulieren der Strömung
des Kühlmediums
durch die Spule.
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Es
ist in der Technik bekannt, unterschiedliche Segmente der Induktionsspule
auf unterschiedlichen Trennungsabständen zum Susceptor zu hal ten, um
einen größeren Wärmeverlust
zu kompensieren, der an den Kanten des Susceptors auftritt. Es sei
bemerkt, dass jegliche Spulenkonfiguration typischerweise für den Stetigzustands-Hochtemperaturteil
eines Prozesses konfiguriert ist und dass diese Konfiguration nicht
notwendigerweise optimal für
die Übergangsteile
eines Prozesses, wie beispielsweise das Aufheizen oder das Abkühlen ist.
Bei einigen Ausführungsbeispielen
kann die Höhe
der individuellen Spulensegmente in einem Reaktor automatisch eingestellt
werden, während
der Behandlung unter Verwendung von Tragstutzen bzw. -elementen,
die nachfolgend kurz besprochen werden, aber bei einem Ausführungsbeispiel
umfasst ein einfacherer Ansatz statt dessen die Bewegung des Susceptors. Natürlich könnte die
Anbringungsplatte, welche die Stutzen trägt, hoch- und runterbewegt
werden. Diese Ausführungsbeispiele
der vorliegenden Erfindung besitzen gemeinsam die Fähigkeit,
den Trennungsabstand zwischen dem Induktor und dem Susceptor, der
Energie von dem Induktor aufnimmt, zu beeinflussen. Somit sieht
die vorliegende Erfindung eine Vorrichtung und ein Verfahren zum
Optimieren von Temperaturgleichförmigkeiten
in sowohl den Übergangs-
als auch den Stetigzustands-Abschnitten eines Prozesses bzw. einer
Behandlung vor.
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2 ist
eine Draufsicht auf einen Susceptor mit einer Spule unterhalb des
Susceptors. Zur Vereinfachung der Darstellung sind die Spule unterhalb des
Susceptors und die Position des Wafers auf dem Susceptor simultan
in 2 dargestellt, obwohl leicht zu verstehen ist,
dass der Susceptor körperlich die
Spule von den Wafern trennt und der Susceptor nicht tatsächlich transparent
ist. Es sei bemerkt, dass die Spule oberhalb oder sogar innerhalb
des Susceptors liegen könnte.
Der beispielhafte Susceptor ist in dieser Figur so aufgebaut, dass
er simultan achtzehn 150 mm Substrate aufnimmt bzw. behandelt. Die Spule
besitzt ungefähr
zehn Wicklungen, ausgehend von ihrer innersten Wicklung 210 zu
ihrer äußersten Wicklung 212.
Die Breite der Spule, die durch das Bezugszeichen 214 bezeichnet
ist und die zehn Wicklungen der Spule sind derart aufgebaut, dass
die Spule ungefähr
vier Durchläufe
unter jedem der 150 mm Substrate macht.
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Die
Spule wird durch ungefähr
fünfzig
einstellbare Elemente bzw. Stutzen getragen, die an periodischen
Intervallen entlang der Spulenlänge
angeordnet sind. Mehrere dieser Stutzenträger an der äußersten Wicklung der Spule
sind durch die Orte 216, 218, 220 und 222 in 2 bezeichnet.
Die Träger können eingestellt
werden zum Variieren des Trennungsabstandes zwischen dem Segment
der Spule, das durch den bestimmten Stutzen getragen wird und dem
Susceptor. Die Vielzahl von einstellbaren Spulenträgern bedeutet,
dass bestimmte Abschnitte der Spule auf unterschiedlichen Höhen gehalten
werden können
und daher sind Spulenkonfigurationen, wie beispielsweise die in 1 gezeigte,
möglich.
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Eine
beispielhafte Spulentraghöhe
oder „Stutzenhöhe"-Konfiguration ist
in 3 dargestellt. Die Stutzenhöhe bezieht sich auf den Abstand
zwischen z.B. dem Spulensegment 422 und der Anbringungsplatte 420 in 4A,
wobei der tatsächliche Träger in 4A als
Stutzen 424 dargestellt ist. Die Höhen der äußersten Träger (Stutzen Nr. 1 bis 10 in 3)
sind auf eine Stutzenhöhe
von ungefähr
1,5 Zoll (38,1 mm) eingestellt. Die Stutzen, welche Spulensegmente
benachbart zu der Mitte des Susceptors (Stutzen Nr. 15 bis 30) tragen,
sind auf ungefähr 1,1
bis 1,2 Zoll (27,94 bis 30,48 mm) eingestellt. Diese Höhen sind
in Bezug zu einer Anbringungsplatte 420 gemäß 4A angegeben
und somit sind die Spulensegmente, welche durch die Stutzen 1 bis
10 getragen werden, näher
an dem Susceptor. Die Höhen,
welche die innersten Stutzen 35 bis 50 tragen, sind auf Werte angehoben,
die höher
sind als die der Stutzen 15 bis 30, aber nicht ganz so hoch wie
die der Stutzen 1 bis 10, da dieser Bereich des Susceptors, obwohl
er eine Kante definiert, einige Wärme von Spulensegmenten auf
der anderen Seite des Tragelements 408 gemäß 4A aufnimmt.
Gemäß 4A bedeutet
dies, dass das Spulensegment 404 näher an dem Susceptor ist als
das Segment 418, aber nicht so nah ist wie das Segment 414.
Die Spulen sind derart eingestellt, dass sie ein Temperaturprofil
innerhalb eines Bereichs von ± 5°C über den Susceptor
hinweg bei Abscheidungstemperaturen, gemessen durch ein optisches
Pyrometer, das durch das Glockenfenster schaut, beibehalten. Das
schlussendliche Spulenprofil wird erhalten durch Messen der Gleichförmigkeit
des Widerstands des Epitaxialfilms und durch Einstellen des Spulenprofils
zum Erhalten einer Gleichförmigkeit
des Widerstands über den
gesamten Substratbereich hinweg, die üblicherweise in einem Variationsbereich
von ± 2
% oder weniger liegt. Die Dotiergase sind sehr empfänglich für Veränderungen
der Substrattemperatur und sehen somit ein exzellentes Mittel zur
Feineinstellung der Spule für
eine optimale Temperaturgleichförmigkeit vor.
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Die 4A und 4B illustrieren
einen Aspekt der vorliegenden Erfindung, bei dem die Temperaturgleichförmigkeit
verbessert wird, während Übergangsabschnitten
eines Prozesses durch Verändern des
Trennungsabstandes zwischen dem Induktor und dem Susceptor eines
Epitaxial-CVD-Reaktors.
In 4A ist ein Susceptor 410 in einer Position
gezeigt, die nahe zu einem Induktor beabstandet ist, in diesem Fall
einer Induktionsspule, wie es der Fall sein kann während des
Hochtemperatur-Stetigzustandsabschnitts
eines Epitaxialprozesses. In dieser Position ist der Trennungsabstand
zwischen der Kante des Susceptors 412 und dem Spulensegment 414 kleiner
als der zwischen der Mitte des Susceptors 416 und dem Spulensegment 418.
Die Position des Susceptors in 4A ist
für den
Stetigzustandsprozess.
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Vor
dieser Situation gibt es jedoch die Übergangs-Heizphase. In diesem
Aspekt der Erfindung kann der Susceptor wie in 4B gezeigt,
positioniert werden. Das Anheben des Susceptors für einen Übergangsabschnitt
eines Prozesses entkoppelt Spulensegmente 430 und 432,
die benachbart zu Kanten des Susceptors angeordnet sind, stärker als Spulensegmente 434 und 436,
die in der Nähe
der Mitte angeordnet sind. Wenn der Susceptor von der Spule wegbewegt
wird, wird die Leistung die zu dem Susceptor gekoppelt wird, reduziert.
Die Spulensegmente, die am Nächs ten
am Susceptor liegen, koppeln die meiste Energie in den Susceptor
und die Verringerung erhöht
sich nicht linear mit dem Abstand. Wenn der Susceptor somit wegbewegt
wird, ist der Abfall der Leistungsübertragung am Größten für die am
naheliegendsten (Kanten) Spulen.
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Dies
hat zur Folge, dass die geringen Positonsunterschiede unter den
unterschiedlichen Spulen bzw. Spulenabschnitten einen geringeren
Einfluss besitzen, wenn der Susceptor wegbewegt wird. Wenn sich
der Susceptor in der Nähe
befindet, bewirken die Abstandsunterschiede zwischen den Spulensegmenten
relativ große
Unterschiede hinsichtlich des Prozentsatzes und der in den Susceptor
gekoppelten Leistung. Bei größeren Abständen ist
der Leistungstransfer von den Spulensegmenten ähnlicher bzw. gleichmäßiger.
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Die
Tatsache, dass die Kantensegmente Energie in den Susceptor mit einer
unterschiedlichen Rate koppeln als dies die Mittelsegmente tun,
und zwar mit Änderungen
hinsichtlich des Induktor-/Susceptortrennungsabstandes
kommt daher, dass die Magnetflusslinien, welche die Spulensegmente
umgeben, nicht linear mit Abstand abfallen. Da Kantensegmente näher an dem
Susceptor sind, sind die Magnetflusslinien, welche durch den Susceptor
aufgefangen werden, dichter und somit besitzt das Wegbewegen des
Susceptors einen größeren Effekt
bezüglich
der Wärmeerzeugung
innerhalb des Susceptors. Das Bewegen des Susceptors relativ zu
einem Induktor für Übergangsteile
des Prozesses verbessert die Temperaturgleichförmigkeit, wenn der Induktor
für den
Stetigzustands-Abschnitt des Prozesses konfiguriert ist.
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Die
Temperatur des Susceptors kann durch optische Pyrometer oder andere
Temperaturmessinstrumente gemessen werden. Das Überwachen der Temperaturen
des Susceptors ist wichtig zur Bestimmung wann die Position des
Susceptors eingestellt werden muss. Für wiederholbare vorhersagbare
Prozesse kann es jedoch möglich
sein, den Abstand für festgelegte
Zeitperioden zu verändern,
und zwar gemäß bestimmter
Rezepte, statt die Temperatur während
jedes Schrittes der Übergangsperiode
zu messen.
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Ein
beispielhafter Prozess für
den Übergangsteil
eines Epitaxialprozesses kann Folgendes umfassen: Starten, wobei
sich der Susceptor auf einem Trennungsabstand 438, wie
er in 4B gezeigt ist, befindet; Warten
bis der sich drehende Susceptor eine ausgeglichene Temperatur von
700°C erreicht;
graduelles Reduzieren des Abstandes in feinen Inkrementen, um beispielsweise
nur ungefähr 0,2
Zoll (5,08 mm), da rasche Veränderungen
Probleme mit der Siliziumcarbidbeschichtung des Susceptors und/oder
dem HF-Generatorsteuersystem bewirken kann; Warten bis der Susceptor
eine ausgeglichene Temperatur von 800°C erreicht; wiederum Reduzieren
des Abstandes um ungefähr
0,2 Zoll (5,08 mm); Warten bis der Susceptor eine ausgeglichene Temperatur
von 1050°C
erreicht; und dann Reduzieren des Abstandes um weitere 0,2 Zoll
(5,08 mm). Zu diesem Zeitpunkt ist der sich drehende Susceptor in der
eng beabstandeten Position gemäß 4A angeordnet.
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Ein
Querschnitt des Mechanismus, der verwendet wird zum Anheben und
Absenken des Susceptors ist in 5 dargestellt,
wobei der Susceptor 501 in Beziehung zur HF-Spulenanordnung 505 gezeigt
ist. Der Susceptor 501 wird durch ein Podest 510 getragen,
das in einer Podestschale 512 ruht und wird durch eine
Susceptorhubplatte 525 angehoben oder abgesenkt. Die Podestschale
kann rostfreien Stahl aufweisen.
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Die
Hubplatte 525 wird durch eine Führungsschraube 520 hoch
und runter angetrieben. Die Drehbewegung eines Motors (nicht gezeigt)
wird auf die Führungsschraube übertragen über eine
Drehdurchführung 530.
Die Ausrichtung der Susceptorhubplatte wird durch die Verwendung
von Linearlagern 527 beibehalten. Die Linearlager können auch
als Hub-Führungslager
bezeichnet werden. Eine zweite Drehdurchführung 550 wird verwendet
zum Vorsehen einer Drehung des Susceptors (wobei der Antrieb für den Drehmechanismus
nicht gezeigt ist) über
ein Getriebe an einer Drehbuchse 540.
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6 illustriert
einen Aspekt der vorliegenden Erfindung, bei dem der Susceptorhub
durch eine Steuerung gesteuert wird, welche Temperaturvariationen über den
Susceptor hinweg überwacht.
Bei einem Ausführungsbeispiel
würde eine Übergangs-Erwärmungsrampe
damit beginnen, dass sich der Susceptor in seiner obersten Position
befindet. Der Susceptor wird dann abgesenkt, bis sich die Mitteltemperatur,
gemessen durch das optische Pyrometer 610 erhöht, um im
Wesentlichen mit der Temperatur an der Außenkante des Susceptors, gemessen
durch das optische Pyrometer 620, übereinzustimmen.
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7 illustriert
Ausführungsbeispiele
der vorliegenden Erfindung, welche Wärmeabschirmungen verwenden
zum Verbessern der Temperaturgleichförmigkeit. Der beispielhafte
Susceptor gemäß 7 trägt achtzehn
150 mm Substrate. Natürlich könnten Substrate
in einer einzelnen Reihe entlang eines Ringraums um die Mitte des
Susceptors herum angeordnet sein, aber dieses Muster erlaubt nicht
die große
Anzahl von Substraten, die simultan mit einem Doppelreihenmuster
gemäß 7 behandelt
werden können,
das einen höheren
Durchsatz erreicht. In 7 sind zwei Substrate innerhalb
des äußeren Ringraums
für jeweils
ein Substrat in dem inneren Ringraum vorgesehen. Dieses Ausführungsbeispiel kann
natürlich
allein in Kombination mit dem bewegbaren Susceptor oder mit anderen
Aspekten der Erfindung verwendet werden.
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Obwohl
diese Technik den Durchsatz des Reaktors erhöht, kann sie zu einer neuen
Temperaturungleichförmigkeit
führen,
in der die Substrate größere Unterschiede
an thermischen Umgebungen in Richtungen parallel zur Ebene des Susceptors
sehen. Zum Beispiel sieht das Substrat 746 eine Isolierung
für das
Substrat 720 entlang der Richtung 723 vor; wenigstens
eine größere Isolierung
als ein nicht vorhandenes Substrat entlang den Richtungen 722 und 744.
Es sei bemerkt, dass selbst entlang der Richtungen 722 und 744,
die beide zu Taschen zwischen Substraten führen, die thermische Umgebung nicht
dieselbe ist. Die Tasche in der Richtung 744 ist kleiner
und sieht somit eine größere Wärmeisolierung
für das
Substrat 720 vor, als die größere Tasche entlang der Richtung 722.
Ausführungsbeispiele
der vorliegenden Erfindung sehen eine erhöhte thermische Gleichförmigkeit
in Richtungen parallel zur Oberseite des Susceptors vor, unter Verwendung thermischer
Abschirmungen. Die thermischen Abschirmungen können unterschiedliche Formen
aufweisen, was sich teilweise aus der Tatsache ergibt, dass sie
in Bereichen zwischen den Substrattaschen auf der Oberfläche des
Susceptors ruhen können.
Alternativ können
die thermischen Abschirmungen auch ausgerichtet werden um in passende
Taschen auf den Susceptor zu passen. Die Variation hinsichtlich
der Form der Abschirmungen hängt
vom Substratdurchmesser und der Anzahl von Taschen in dem Susceptor
ab.
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Der
Zweck der Abschirmungen liegt darin, für jedes Substrat eine Situation
vorzusehen, so dass jede Kante des Substrats im Wesentlichen derselben thermischen
Umgebung ausgesetzt ist; dass die thermische Umgebung für alle zu
behandelnden Substrate gleich ist; und dass die thermische Umgebung
unabhängig
von der Position auf dem Susceptor ist. Eine repräsentative
Auswahl der Abschirmungen ist in 7 als Abschirmungen 750, 752 und 754 dargestellt
und in den 8A, 8B und 8C als
Abschirmungen 810, 820 bzw. 830 reproduziert.
Die Abschirmungen können
Siliziumcarbid oder siliziumcarbidbeschichtetes Graphit sein und
sie können
eine Dicke in einem Bereich von ungefähr 0,02 bis 0,06 Zoll (1,524
mm) besitzen. Eine allgemeine Daumenregel ist, dass die Abschirmungsdicke
im Wesentlichen dieselbe wie die Dicke des Substrats sein sollte.
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Eine
Temperaturgleichförmigkeit
in seitlichen Richtungen, parallel zur Oberseite des Susceptors, kann
auch durch Abschirmungen beeinflusst werden, die an den Kanten des
Susceptors positioniert sind, wie beispielsweise die Abschirmung 910,
die in 9A gezeigt ist. Es kann meh rere
Abschirmungen an der Kante des Susceptors geben, oder die Abschirmung 910 kann
in zwei vertikale Abschnitte 920 und 930 aufgeteilt
sein zum thermischen Isolieren der inneren sowie der äußeren Kanten
des Susceptors 940, was einen erhöhten Isolierungsgrad vorsehen würde, als
sonst mit einer einzelnen Abschirmung mit einer äquivalenten Dicke von 920 und 930 kombiniert vorgesehen
werden würde.
Das Abschirmungsmaterial kann Siliziumcarbid oder siliziumcarbidbeschichtetes
Graphit aufweisen.
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Die
Temperaturgleichförmigkeit
des Susceptors in vertikalen Richtungen, parallel zur Achse des Susceptors
kann auch gemäß weiteren
Aspekten der vorliegenden Erfindung verbessert werden. Dies kann
erreicht werden durch die Verwendung von Susceptor-Kantenabstrahlungsabschirmungen
(Bodenradialumfang), wie beim Bezugszeichen 950 in 9A gezeigt
ist. Das Ergebnis des Hinzufügens dieser
Abschirmungen am Temperaturprofil in einer Radialrichtung (parallel
zur Oberseite des Susceptors) ist als Kurve 960 in 9B dargestellt.
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Zusätzliche
Temperaturgleichförmigkeit
in der Axialrichtung (senkrecht zum Susceptor) kann verbessert werden
durch Erhöhen
der Dicke des Susceptors, wie in den 10A und 10B gezeigt ist. Temperaturungleichheiten in der
Axialrichtung sind als Kurven 1010 in 10A gezeigt; diese Ungleichheiten ergeben sich
aus der diskreten Natur der Induktorspulensegmente und den Abschnitten
des Susceptors, die sie erwärmen.
Durch die Zeit, welche die Wärme
benötigt
um durch die Susceptordicke 1020 von der Unterseite 1030 zur
Oberseite 1040 übertragen
zu werden, kann die Temperaturgleichheit etwas ausgeglichen werden.
Durch Erhöhen
der Susceptordicke von 1020 in 10A (die
ungefähr 0,9
Zoll (22,9 mm) beträgt)
zu der, die durch das Bezugszeichen 1060 in 10B dargestellt ist (die ungefähr 1,2 Zoll (30,48 mm) beträgt) glättet sich
die Susceptor-Temperaturgleichförmigkeit
weiter zur Kurve 1070, wie in 10B gezeigt
ist.
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Dies
reduziert Temperaturungleichmässigkeiten
in Richtungen parallel zur Oberseite des Susceptors von dem Profil 1080 in 10A zum Profil 1090 in 10B. Herkömmliche
Susceptordicken liegen in dem Bereich von 0,5 bis 0,9 Zoll (12,7
bis 22,86 mm) und Ausführungsbeispiele
der vorliegenden Erfindung sehen eine Susceptordicke in dem Bereich
von 0,5 bis 1,5 Zoll (12,7 bis 38,1 mm) vor. Gemäß einem Aspekt der vorliegenden
Erfindung wurde die Susceptordicke von 0,9 auf 1,2 Zoll (22,86 auf 30,48
mm) erhöht.
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Das
Design der Dicke des Susceptors wird auch durch die Frequenz beeinflusst,
mit der der HF-Generator betrieben wird: während die Betriebsfrequenz
verringert wird, wird die Eindringtiefe der Energie in den Susceptor
erhöht
und somit muss die Dicke des Susceptors erhöht werden. Ferner wird das
Design durch die Tatsache motiviert, dass es kosteneffektiver ist,
den HF-Generator mit niedrigen Frequenzen zu betreiben, wobei sich
niedrige Frequenzen auf 25 bis 30 kHz beziehen, im Vergleich zu älteren Systemen,
die bei 180 und sogar bei 350 bis 450 kHz arbeiten. Die mechanische
Stabilität
des Systems wird ebenfalls verbessert, da der Susceptor nur in seinen
Mittelbereichen getragen werden kann.
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Natürlich können die
unterschiedlichen Ausführungsbeispiele
der vorliegenden Erfindung alleinstehend und in Kombination eingesetzt
werden. Mit anderen Worten, kann es in einigen Situationen zweckmäßig sein,
einen dickeren Susceptor in Zusammenarbeit mit den fledermausflügelartigen
thermischen Abschirmungen zu verwenden. In einigen Situationen kann
das Variieren des Trennungsabstandes zwischen dem Induktor und dem
Susceptor zusammen mit der Abschirmung um die Außenkante des Susceptors herum,
unter Verwendung eines dünneren
Susceptors die beste thermische Gleichförmigkeit vorsehen. Der Fachmann
wird erkennen, dass einige Aspekte der vorliegenden Erfindung, wie
beispielsweise eine Susceptor-Kantenabschirmung den Grad der Ausführung anderer
Aspekte der Erfindung ausgleichen bzw. abschwächen, wie beispielsweise eine Relativbewegung
des Susceptors in einer Axialrichtung, relativ zum Induktor.
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Während die
Erfindung unter Bezugnahme auf bestimmte Ausführungsbeispiele beschrieben und
dargestellt wurde, wird der Fachmann rasch erkennen, dass der Umfang
der vorliegenden Erfindung nicht durch die offenbarten Ausführungsbeispiele,
sondern im Gegenteil durch die folgenden Ansprüche begrenzt ist.