專利名稱：用于cvd反應(yīng)器的進(jìn)氣裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種化學(xué)氣相沉積設(shè)備，尤其涉及一種用于化學(xué)氣相沉積反應(yīng)器的進(jìn)
氣裝置。
背景技術(shù)：
化學(xué)氣相淀積(Chemical Vapor D印osition，簡稱CVD)是上世紀(jì)中期發(fā)展起來的 一種薄膜淀積的方法，是通過氣體混合后在一定的條件下發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，并在基片表面淀 積一層薄膜的工藝。在現(xiàn)在廣泛用于微電子、光電子以及硬質(zhì)鍍膜等領(lǐng)域中。用化學(xué)氣相淀積方法淀積薄膜材料，通常需要各種原材料和載入氣體，原材料包 括參與化學(xué)反應(yīng)并形成薄膜產(chǎn)物的原料成分；載氣包括各種攜帶原材料的氣體，如氫氣、氮 氣等，這些載氣只載入原材料進(jìn)入反應(yīng)室，本身并不參與化學(xué)反應(yīng)。CVD薄膜淀積過程都包含以下步驟(1)載氣攜帶著反應(yīng)物從反應(yīng)器進(jìn)口流向反 應(yīng)器出口，此主氣流流動(dòng)受到溫差、流道擴(kuò)張、基片旋轉(zhuǎn)等引起的強(qiáng)烈影響；(2)主氣流在 基片上方形成平行于基片的三種邊界層；在邊界層內(nèi)反應(yīng)物被加熱，發(fā)生分解、置換等氣相 化學(xué)反應(yīng)，生成反應(yīng)中間產(chǎn)物；(3)反應(yīng)物或反應(yīng)中間物通過對流和濃度擴(kuò)散，穿透邊界層 到達(dá)基片表面；(4)反應(yīng)物在基片表面吸附，再通過表面擴(kuò)散、結(jié)合入晶格等表面反應(yīng)步驟 完成薄膜淀積；(5)反應(yīng)物和反應(yīng)副產(chǎn)物在表面解吸；(6)解吸后的反應(yīng)副產(chǎn)物再通過對流 和濃度擴(kuò)散，回到主氣流，最終被帶到反應(yīng)室外。在CVD反應(yīng)過程中，表面化學(xué)反應(yīng)速率通 常遠(yuǎn)大于反應(yīng)物輸運(yùn)速率，因此薄膜的生長速率取決于分子量最大的反應(yīng)物輸運(yùn)到表面的 速率；另一方面，薄膜生長的組分和厚度主要取決于基片上方的反應(yīng)物濃度分布和溫度分 布，即無論薄膜生長的速率還是質(zhì)量，都強(qiáng)烈地受氣體輸運(yùn)過程影響，因此稱生長為輸運(yùn)過 程控制的反應(yīng)。薄膜制備的重要指標(biāo)之一就是其厚度、摻雜濃度和組分的均勻性。要生長出厚度、 摻雜濃度和組分均勻的薄膜材料，根據(jù)CVD技術(shù)的反應(yīng)機(jī)理可知必須使達(dá)到基片的反應(yīng) 物濃度和速率盡量均勻一致。這就要求基片表面附近存在均勻分布的氣流場、溫場和濃度 場。根據(jù)上述CVD生長薄膜所需要的組分均勻、厚度均勻等要求，必須在基片上方提供一個(gè) 厚度薄而均勻的反應(yīng)物濃度邊界層，使足夠量的反應(yīng)粒子能夠通過擴(kuò)散源源不斷地到達(dá)基 片表面各點(diǎn)。因?yàn)樵谏L過程中只有輸運(yùn)到基片各部位的反應(yīng)粒子及摻雜粒子速率都相等 時(shí)，才能滿足薄膜的組分、濃度和厚度均勻性的要求。反應(yīng)物濃度邊界層強(qiáng)烈地受氣體流動(dòng) 的影響，因此基片上方還需要維持一個(gè)厚度薄而均勻的速度邊界層。速度邊界層的流場應(yīng) 保持為均勻平行層流，避免任何波動(dòng)、湍流和對流渦旋。為保證穩(wěn)定的邊界層厚度，人們設(shè)計(jì)了不同的CVD反應(yīng)器。根據(jù)進(jìn)入反應(yīng)器的反 應(yīng)氣體和載氣組成的氣流相對于基片的流動(dòng)方向，可以把CVD反應(yīng)器分為兩大類主氣流 平行于基片方向的水平式反應(yīng)器和主氣流垂直于基片方向的垂直式反應(yīng)器。在水平式反應(yīng)器中，反應(yīng)氣體從基片一側(cè)流向另一側(cè)，這種反應(yīng)器結(jié)構(gòu)簡單，介是 存在嚴(yán)重的反應(yīng)物耗盡和熱對流渦旋等問題，容易造成薄膜厚度的前后不均勻性，需要用復(fù)雜的方法加以克服。在垂直式反應(yīng)器中，氣體從基片的上方進(jìn)入并折轉(zhuǎn)90度橫穿基片，然后從反應(yīng)器側(cè)面或底部排出。當(dāng)基片高速旋轉(zhuǎn)時(shí)，流體的粘性力產(chǎn)生一種泵效應(yīng)，由于粘 性的作用，靠近基片表面的一層氣體隨同轉(zhuǎn)盤一起轉(zhuǎn)動(dòng)，在離心力的作用下，氣體不斷地沿 徑向被拋向基片的外緣。與此同時(shí)，基片上方的氣體沿軸向注入基片表面以補(bǔ)充失去的氣 體。這種泵效應(yīng)能夠抵消熱對流產(chǎn)生的渦旋，得到基片上方均勻的邊界層厚度，從而使基片 上方各點(diǎn)得到較均勻的粒子濃度供給。垂直噴淋式反應(yīng)器是垂直式反應(yīng)器的改進(jìn)形式，反 應(yīng)氣體通過托盤上方許多密排的小噴管直接噴向基片，從而使到達(dá)基片上方各點(diǎn)的反應(yīng)氣 體濃度基本相同。反應(yīng)氣體再通過濃度擴(kuò)散穿過邊界層到達(dá)基片表面。利用旋轉(zhuǎn)能夠得到 基片上方較均勻的邊界層厚度，從獲得較高質(zhì)量的薄膜生長。由于從基片正上方噴入的反 應(yīng)氣體都必須流到托盤邊緣，再由排布在反應(yīng)器側(cè)面或下部的出口排出，在托盤中心處噴 入的反應(yīng)氣體和在托盤邊緣處的反應(yīng)氣體流經(jīng)的距離明顯不同。中心處的生成物尾氣不能 及時(shí)排出，導(dǎo)致基片沿徑向的厚度和摻雜濃度仍存在不均勻。隨著大規(guī)模生產(chǎn)的發(fā)展，人們迫切需要增加CVD反應(yīng)器的裝片量來降低生產(chǎn)成 本，這就要求CVD反應(yīng)器增加每次裝片的容量來適應(yīng)這種發(fā)展趨勢。然而，從CVD技術(shù)的特 點(diǎn)來看，反應(yīng)器的裝片容量不可能無限地增加。對于垂直式和垂直噴淋式反應(yīng)器來說，只有 擴(kuò)大裝片基座的直徑才能滿足裝片量增加的要求，但氣體是從中心位置進(jìn)入反應(yīng)室的，這 就造成了沿徑向分布的不均勻越來越嚴(yán)重，而且增大直徑后均勻溫度場的設(shè)計(jì)要求也增加 許多，從而造成CVD反應(yīng)器氣流場和溫度場分布不均勻，難以滿足薄膜生長的需求。

發(fā)明內(nèi)容
針對現(xiàn)有CVD反應(yīng)器的氣流場和溫度場分布不均勻，難以滿足薄膜生長的需求， 本發(fā)明的目的旨在提出一種用于CVD反應(yīng)器的進(jìn)氣裝置，以解決傳統(tǒng)CVD反應(yīng)器的進(jìn)氣裝 置設(shè)計(jì)不合理導(dǎo)致相對于基片進(jìn)氣不均勻的問題。本發(fā)明的目的，將通過以下技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn)用于CVD反應(yīng)器的進(jìn)氣裝置，其特征在于所述進(jìn)氣裝置包括呈徑向閉合的氣體 分配管及一體貫通的一路進(jìn)氣管，且所述氣體分配管朝向其所圍裹的空間平面中心設(shè)有復(fù) 數(shù)個(gè)氣體噴射孔，其中所述氣體分配管的徑向截面面積處處相等，所述開口均等的氣體噴 射孔在近進(jìn)氣管側(cè)的周向分布密度小于遠(yuǎn)進(jìn)氣管側(cè)的周向分布密度，且所述各噴射孔的開 設(shè)角度相對于其向心角度朝基片偏移。進(jìn)一步地，該用于CVD反應(yīng)器的進(jìn)氣裝置，其中該氣體分配管呈五邊以上的多邊 形結(jié)構(gòu)，可選至少包括六邊形、其它更多邊形，或環(huán)形。而各氣體噴射孔為任意形狀，且所述 氣體分配管對應(yīng)于部分氣體噴射孔設(shè)有導(dǎo)流板。本發(fā)明的目的，還可以通過以下技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn)用于CVD反應(yīng)器的進(jìn)氣裝置，其特征在于所述進(jìn)氣裝置包括呈徑向閉合的氣體 分配管及一體貫通的一路以上進(jìn)氣管，且所述氣體分配管朝向其所圍裹的空間平面中心設(shè) 有復(fù)數(shù)個(gè)氣體噴射孔，其中所述開口均等的氣體噴射孔周向均勻分布，所述氣體分配管的 徑向截面面積自近進(jìn)氣管側(cè)朝遠(yuǎn)進(jìn)氣管側(cè)增大，且所述各噴射孔的開設(shè)角度相對于其向心 角度朝基片偏移。進(jìn)一步地，該用于CVD反應(yīng)器的進(jìn)氣裝置，其中該氣體分配管呈五邊以上的多邊形結(jié)構(gòu)，可選至少包括六邊形、其它更多邊形，或環(huán)形。而各氣體噴射孔為任意形狀，且所述 氣體分配管對應(yīng)于部分氣體噴射孔設(shè)有導(dǎo)流板。為實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的目的，其技術(shù)方案來還可以是用于CVD反應(yīng)器的進(jìn)氣裝置，其特征在于所述進(jìn)氣裝置呈徑向閉合的氣體分配 管及一體貫通的兩路以上進(jìn)氣管，且所述氣體分配管朝向其所圍裹的空間平面中心設(shè)有復(fù) 數(shù)個(gè)氣體噴射孔，其中所述氣體分配管的徑向截面面積處處相等，所述開口均等的氣體噴 射孔在近進(jìn)氣管側(cè)和進(jìn)氣管間的周向分布密度小于遠(yuǎn)進(jìn)氣管側(cè)的周向分布密度，且所述各 噴射孔的開設(shè)角度相對于其向心角度朝基片偏移。為實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的目的，其技術(shù)方案又或是用于CVD反應(yīng)器的進(jìn)氣裝置，其特征在于所述進(jìn)氣裝置呈徑向閉合的氣體分配 管及一體貫通的一路以上進(jìn)氣管，且所述氣體分配管向其所圍裹的空間平面中心設(shè)有復(fù)數(shù) 個(gè)氣體噴射孔，其中所述氣體噴射孔周向均勻分布且氣體分配管的徑向截面面積處處相 等，所述各噴射孔在近進(jìn)氣管側(cè)的孔徑小于遠(yuǎn)進(jìn)氣管側(cè)的孔徑，且開設(shè)角度相對于其向心 角度朝基片偏移。實(shí)施本發(fā)明的技術(shù)方案，其優(yōu)點(diǎn)為本發(fā)明將復(fù)雜的氣流流體分布問題轉(zhuǎn)換成機(jī)械加工問題，通過對進(jìn)氣裝置的結(jié)構(gòu) 進(jìn)行機(jī)械改進(jìn)，能保證到達(dá)樣品表面的氣體流速一致，從而在樣品表面形成均一的邊界層， 保證了生長薄膜的厚度、組分及摻雜濃度均勻性。為使本發(fā)明所述的用于CVD設(shè)備的進(jìn)氣裝置更易于理解其實(shí)質(zhì)性特點(diǎn)及其所具 的實(shí)用性，下面便結(jié)合附圖對本發(fā)明若干具體實(shí)施例作進(jìn)一步的詳細(xì)說明。但以下關(guān)于實(shí) 施例的描述及說明對本發(fā)明保護(hù)范圍不構(gòu)成任何限制。


圖1是本發(fā)明一個(gè)較佳實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是本發(fā)明另一實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意圖；圖3是本發(fā)明又一實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意圖；圖4是本發(fā)明再一實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意圖；圖5a和圖5b分別為圖4所示實(shí)施例中A、B部分的放大示意圖；圖6是本發(fā)明反應(yīng)氣體噴射的狀態(tài)示意圖。
具體實(shí)施例方式本發(fā)明利用流體在管路中流動(dòng)時(shí)受到管壁的阻力的不同，提出用一種特殊設(shè)計(jì)的 金屬管路來解決進(jìn)氣分布不均勻問題。該進(jìn)氣裝置應(yīng)用于立式硅外延反應(yīng)器中，其結(jié)構(gòu)及 工作方式概括來看包括呈徑向閉合的氣體分配管2及一體貫通的一路進(jìn)氣管1，且該氣體 分配管2朝向其所圍裹的空間平面中心周向分布設(shè)有多個(gè)氣體噴射孔3，該些氣體噴射孔3 的分布為均勻的或按一定方式排列的，且開口方向是按一定角度對著基片方向的。除開設(shè) 角度的偏移外，本發(fā)明的氣體分配管2對應(yīng)于部分氣體噴射孔3設(shè)有導(dǎo)流板4。反應(yīng)氣體和載氣通過進(jìn)氣管1進(jìn)入氣體分配管2中；再通過噴射孔3噴射到樣品 基片表面，或是沿導(dǎo)流板4導(dǎo)流的方向噴射至樣品表面。在輸送氣體的裝置中，氣體從離進(jìn)氣管1越近的氣體噴射孔3噴出，其受到的管道阻力越小，噴射出氣體的量也就越多；反之， 氣體從離進(jìn)氣管1越遠(yuǎn)的氣體噴射孔3噴出時(shí)受到的管道阻力越大，噴射出氣體的量也就 越小。在本發(fā)明針對進(jìn)氣裝置的氣體分配管管徑、進(jìn)氣口的數(shù)量、氣體噴射口分布密度及其 管徑相互之間進(jìn)行調(diào)整，保證到達(dá)樣品表面的氣體流速一致，從而在樣品表面形成均一的 邊界層，保證了生長的薄膜均勻性。以下便結(jié)合本發(fā)明若干實(shí)施例及其附圖，對本發(fā)明的創(chuàng)新實(shí)質(zhì)作進(jìn)一步地詳述， 以使本發(fā)明技術(shù)方案更易于理解、掌握。實(shí)施例一如圖1所示的本發(fā)明用于CVD反應(yīng)器的進(jìn)氣裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。從圖中所示可以 看到該進(jìn)氣裝置包括呈徑向閉合的氣體分配管2及一體貫通的一路進(jìn)氣管1，且該氣體分 配管2為徑向截面為其中該氣體分配管2的徑向截面面積處處相等(nl = n2)的圓管狀結(jié) 構(gòu)，并朝向其所圍裹的空間平面中心設(shè)有多個(gè)氣體噴射孔3，而開口均等的氣體噴射孔3在 近進(jìn)氣管側(cè)的周向分布密度小于遠(yuǎn)進(jìn)氣管側(cè)的周向分布密度，且各氣體噴射孔的開設(shè)角度 相對于其向心角度朝基片偏移(未圖示)。此外，該氣體分配管2對應(yīng)于部分氣體噴射孔3 設(shè)有偏斜角度可調(diào)的導(dǎo)流板4，以進(jìn)一步加強(qiáng)對噴射角度的調(diào)整。在進(jìn)行CVD加工時(shí)，反應(yīng) 氣體的噴射效果如圖6所示。實(shí)施例二如圖2所示的本發(fā)明用于CVD反應(yīng)器的進(jìn)氣裝置另一實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意圖。從圖 中所示可以看到該進(jìn)氣裝置包括呈徑向閉合的氣體分配管2及一體貫通的一路進(jìn)氣管1， 且該氣體分配管2朝向其所圍裹的空間平面中心設(shè)有復(fù)數(shù)個(gè)氣體噴射孔3，該些開口均等 的氣體噴射孔3為周向均勻分布設(shè)置，且各氣體噴射孔3的開設(shè)角度相對于其向心角度朝 基片偏移(未圖示)。較之于實(shí)施例一，本實(shí)施例的區(qū)別在于其中該氣體分配管的徑向截 面面積自近進(jìn)氣管側(cè)朝遠(yuǎn)進(jìn)氣管側(cè)增大(nl > n2)。實(shí)施例三如圖3所示的本發(fā)明用于CVD反應(yīng)器的進(jìn)氣裝置又一實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意圖。從圖 中所示可以看到該進(jìn)氣裝置的基本結(jié)構(gòu)與實(shí)施例一大致相同，所不同的是進(jìn)氣口的設(shè) 置數(shù)量增為兩個(gè)，其實(shí)際可為更多，按需增加；另外，本實(shí)施例還省略了導(dǎo)流板4的導(dǎo)流作 用。在進(jìn)行CVD加工時(shí)，反應(yīng)氣體的噴射效果與圖6所示相接近。實(shí)施例四如圖4、圖5a和圖5b所示的本發(fā)明用于CVD反應(yīng)器的進(jìn)氣裝置再一實(shí)施例的結(jié)構(gòu) 示意圖及其細(xì)節(jié)放大示意圖。從圖中所示可以看到該進(jìn)氣裝置的基本結(jié)構(gòu)與實(shí)施例一大 致相同，所不同的是其中所設(shè)的各氣體噴射孔3的孔徑呈過渡式變化，即各氣體噴射孔在 近進(jìn)氣管側(cè)的孔徑小于遠(yuǎn)進(jìn)氣管側(cè)的孔徑。從同比例的圖5a和圖5b來看，很明顯，圖4所 示A部分的氣體噴射孔孔徑小于圖4所示B部分的氣體噴射孔孔徑。在進(jìn)行CVD加工時(shí)， 反應(yīng)氣體的噴射效果與圖6所示相接近。除上述實(shí)施例以外，本發(fā)明具有具體實(shí)施方式
多樣性的特點(diǎn)。例如該氣體分配管 2的外觀形狀可以是環(huán)形，也可以是五邊以上的任意多邊形，其截面可以是圓形，也可以是 方形或其它形狀，其選材可以是不銹鋼管、鉬管、鎢管或其它金屬制成，也可以是其它非金 屬材料制成；而該氣體噴射口在氣體分配管上的分布均勻度、密度均為可調(diào)的，且噴射口形
6狀可以是圓形的，也可是其它任意幾何形狀。 在立式硅外延反應(yīng)器中，使用本發(fā)明的進(jìn)氣裝置，得到了如圖6所示的氣體分配、 噴射的狀態(tài)示意圖。氣體流速的分配不均勻性小于0.87%，保證了噴射到每個(gè)基片上的反 應(yīng)氣體均勻，也保證了薄膜材料生長的穩(wěn)定性。
權(quán)利要求
用于CVD反應(yīng)器的進(jìn)氣裝置，其特征在于所述進(jìn)氣裝置包括呈徑向閉合的氣體分配管及一體貫通的一路進(jìn)氣管，且所述氣體分配管朝向其所圍裹的空間平面中心設(shè)有復(fù)數(shù)個(gè)氣體噴射孔，其中所述氣體分配管的徑向截面面積處處相等，所述開口均等的氣體噴射孔在近進(jìn)氣管側(cè)的周向分布密度小于遠(yuǎn)進(jìn)氣管側(cè)的周向分布密度，且所述各噴射孔的開設(shè)角度相對于其向心角度朝基片偏移。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于CVD反應(yīng)器的進(jìn)氣裝置，其特征在于所述氣體分配管 呈五邊以上的多邊形，至少包括六邊形和環(huán)形。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于CVD反應(yīng)器的進(jìn)氣裝置，其特征在于所述各氣體噴射 孔為任意形狀，且所述氣體分配管對應(yīng)于部分氣體噴射孔設(shè)有導(dǎo)流板。
4.用于CVD反應(yīng)器的進(jìn)氣裝置，其特征在于所述進(jìn)氣裝置包括呈徑向閉合的氣體分 配管及一體貫通的一路以上進(jìn)氣管，且所述氣體分配管朝向其所圍裹的空間平面中心設(shè)有 復(fù)數(shù)個(gè)氣體噴射孔，其中所述開口均等的氣體噴射孔周向均勻分布，所述氣體分配管的徑 向截面面積自近進(jìn)氣管側(cè)朝遠(yuǎn)進(jìn)氣管側(cè)增大，且所述各噴射孔的開設(shè)角度相對于其向心角 度朝基片偏移。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的用于CVD反應(yīng)器的進(jìn)氣裝置，其特征在于所述氣體分配管 呈五邊以上的多邊形，至少包括六邊形和環(huán)形。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的用于CVD反應(yīng)器的進(jìn)氣裝置，其特征在于所述各氣體噴射 孔為任意形狀，且所述氣體分配管對應(yīng)于部分氣體噴射孔設(shè)有導(dǎo)流板。
7.用于CVD反應(yīng)器的進(jìn)氣裝置，其特征在于所述進(jìn)氣裝置包括呈徑向閉合的氣體分 配管及一體貫通的兩路以上進(jìn)氣管，且所述氣體分配管朝向其所圍裹的空間平面中心設(shè)有 復(fù)數(shù)個(gè)氣體噴射孔，其中所述氣體分配管的徑向截面面積處處相等，所述開口均等的氣體 噴射孔在近進(jìn)氣管側(cè)和進(jìn)氣管間的周向分布密度小于遠(yuǎn)進(jìn)氣管側(cè)的周向分布密度，且所述 各噴射孔的開設(shè)角度相對于其向心角度朝基片偏移。
8.用于CVD反應(yīng)器的進(jìn)氣裝置，其特征在于所述進(jìn)氣裝置包括呈徑向閉合的氣體分 配管及一體貫通的一路以上進(jìn)氣管，且所述氣體分配管向其所圍裹的空間平面中心設(shè)有復(fù) 數(shù)個(gè)氣體噴射孔，其中所述氣體噴射孔周向均勻分布且氣體分配管的徑向截面面積處處相 等，所述各噴射孔在近進(jìn)氣管側(cè)的孔徑小于遠(yuǎn)進(jìn)氣管側(cè)的孔徑，且開設(shè)角度相對于其向心 角度朝基片偏移。
全文摘要
本發(fā)明揭示了一種用于CVD反應(yīng)器的進(jìn)氣裝置，包括呈徑向閉合的氣體分配管及一體貫通的一路以上進(jìn)氣管，且該氣體分配管朝向其所圍裹的空間平面中心設(shè)有復(fù)數(shù)個(gè)氣體噴射孔，且各噴射孔的開設(shè)角度相對于其向心角度朝基片偏移。通過調(diào)整氣體噴射孔的分布密度、氣體噴射孔的孔徑大小及氣體分配管的管徑分布，使到達(dá)基片上的氣體流速相同，并在樣品表面形成均一的邊界層，從而保證了薄膜生長的均勻性和一致性。
文檔編號C23C16/455GK101824607SQ201010168749
公開日2010年9月8日 申請日期2010年5月12日 優(yōu)先權(quán)日2010年5月12日
發(fā)明者張寶順, 張永紅, 朱建軍, 楊輝, 王國斌, 王懷兵, 邱凱 申請人:中國科學(xué)院蘇州納米技術(shù)與納米仿生研究所