专利名称：用于cvd反应器的进气装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种化学气相沉积设备，尤其涉及一种用于化学气相沉积反应器的进
气装置。
背景技术：
化学气相淀积(Chemical Vapor D印osition，简称CVD)是上世纪中期发展起来的 一种薄膜淀积的方法，是通过气体混合后在一定的条件下发生化学反应，并在基片表面淀 积一层薄膜的工艺。在现在广泛用于微电子、光电子以及硬质镀膜等领域中。用化学气相淀积方法淀积薄膜材料，通常需要各种原材料和载入气体，原材料包 括参与化学反应并形成薄膜产物的原料成分；载气包括各种携带原材料的气体，如氢气、氮 气等，这些载气只载入原材料进入反应室，本身并不参与化学反应。CVD薄膜淀积过程都包含以下步骤(1)载气携带着反应物从反应器进口流向反 应器出口，此主气流流动受到温差、流道扩张、基片旋转等引起的强烈影响；(2)主气流在 基片上方形成平行于基片的三种边界层；在边界层内反应物被加热，发生分解、置换等气相 化学反应，生成反应中间产物；(3)反应物或反应中间物通过对流和浓度扩散，穿透边界层 到达基片表面；(4)反应物在基片表面吸附，再通过表面扩散、结合入晶格等表面反应步骤 完成薄膜淀积；(5)反应物和反应副产物在表面解吸；(6)解吸后的反应副产物再通过对流 和浓度扩散，回到主气流，最终被带到反应室外。在CVD反应过程中，表面化学反应速率通 常远大于反应物输运速率，因此薄膜的生长速率取决于分子量最大的反应物输运到表面的 速率；另一方面，薄膜生长的组分和厚度主要取决于基片上方的反应物浓度分布和温度分 布，即无论薄膜生长的速率还是质量，都强烈地受气体输运过程影响，因此称生长为输运过 程控制的反应。薄膜制备的重要指标之一就是其厚度、掺杂浓度和组分的均勻性。要生长出厚度、 掺杂浓度和组分均勻的薄膜材料，根据CVD技术的反应机理可知必须使达到基片的反应 物浓度和速率尽量均勻一致。这就要求基片表面附近存在均勻分布的气流场、温场和浓度 场。根据上述CVD生长薄膜所需要的组分均勻、厚度均勻等要求，必须在基片上方提供一个 厚度薄而均勻的反应物浓度边界层，使足够量的反应粒子能够通过扩散源源不断地到达基 片表面各点。因为在生长过程中只有输运到基片各部位的反应粒子及掺杂粒子速率都相等 时，才能满足薄膜的组分、浓度和厚度均勻性的要求。反应物浓度边界层强烈地受气体流动 的影响，因此基片上方还需要维持一个厚度薄而均勻的速度边界层。速度边界层的流场应 保持为均勻平行层流，避免任何波动、湍流和对流涡旋。为保证稳定的边界层厚度，人们设计了不同的CVD反应器。根据进入反应器的反 应气体和载气组成的气流相对于基片的流动方向，可以把CVD反应器分为两大类主气流 平行于基片方向的水平式反应器和主气流垂直于基片方向的垂直式反应器。在水平式反应器中，反应气体从基片一侧流向另一侧，这种反应器结构简单，介是 存在严重的反应物耗尽和热对流涡旋等问题，容易造成薄膜厚度的前后不均勻性，需要用复杂的方法加以克服。在垂直式反应器中，气体从基片的上方进入并折转90度横穿基片，然后从反应器侧面或底部排出。当基片高速旋转时，流体的粘性力产生一种泵效应，由于粘 性的作用，靠近基片表面的一层气体随同转盘一起转动，在离心力的作用下，气体不断地沿 径向被抛向基片的外缘。与此同时，基片上方的气体沿轴向注入基片表面以补充失去的气 体。这种泵效应能够抵消热对流产生的涡旋，得到基片上方均勻的边界层厚度，从而使基片 上方各点得到较均勻的粒子浓度供给。垂直喷淋式反应器是垂直式反应器的改进形式，反 应气体通过托盘上方许多密排的小喷管直接喷向基片，从而使到达基片上方各点的反应气 体浓度基本相同。反应气体再通过浓度扩散穿过边界层到达基片表面。利用旋转能够得到 基片上方较均勻的边界层厚度，从获得较高质量的薄膜生长。由于从基片正上方喷入的反 应气体都必须流到托盘边缘，再由排布在反应器侧面或下部的出口排出，在托盘中心处喷 入的反应气体和在托盘边缘处的反应气体流经的距离明显不同。中心处的生成物尾气不能 及时排出，导致基片沿径向的厚度和掺杂浓度仍存在不均勻。随着大规模生产的发展，人们迫切需要增加CVD反应器的装片量来降低生产成 本，这就要求CVD反应器增加每次装片的容量来适应这种发展趋势。然而，从CVD技术的特 点来看，反应器的装片容量不可能无限地增加。对于垂直式和垂直喷淋式反应器来说，只有 扩大装片基座的直径才能满足装片量增加的要求，但气体是从中心位置进入反应室的，这 就造成了沿径向分布的不均勻越来越严重，而且增大直径后均勻温度场的设计要求也增加 许多，从而造成CVD反应器气流场和温度场分布不均勻，难以满足薄膜生长的需求。
发明内容
针对现有CVD反应器的气流场和温度场分布不均勻，难以满足薄膜生长的需求， 本发明的目的旨在提出一种用于CVD反应器的进气装置，以解决传统CVD反应器的进气装 置设计不合理导致相对于基片进气不均勻的问题。本发明的目的，将通过以下技术方案来实现用于CVD反应器的进气装置，其特征在于所述进气装置包括呈径向闭合的气体 分配管及一体贯通的一路进气管，且所述气体分配管朝向其所围裹的空间平面中心设有复 数个气体喷射孔，其中所述气体分配管的径向截面面积处处相等，所述开口均等的气体喷 射孔在近进气管侧的周向分布密度小于远进气管侧的周向分布密度，且所述各喷射孔的开 设角度相对于其向心角度朝基片偏移。进一步地，该用于CVD反应器的进气装置，其中该气体分配管呈五边以上的多边 形结构，可选至少包括六边形、其它更多边形，或环形。而各气体喷射孔为任意形状，且所述 气体分配管对应于部分气体喷射孔设有导流板。本发明的目的，还可以通过以下技术方案来实现用于CVD反应器的进气装置，其特征在于所述进气装置包括呈径向闭合的气体 分配管及一体贯通的一路以上进气管，且所述气体分配管朝向其所围裹的空间平面中心设 有复数个气体喷射孔，其中所述开口均等的气体喷射孔周向均勻分布，所述气体分配管的 径向截面面积自近进气管侧朝远进气管侧增大，且所述各喷射孔的开设角度相对于其向心 角度朝基片偏移。进一步地，该用于CVD反应器的进气装置，其中该气体分配管呈五边以上的多边形结构，可选至少包括六边形、其它更多边形，或环形。而各气体喷射孔为任意形状，且所述 气体分配管对应于部分气体喷射孔设有导流板。为实现本发明的目的，其技术方案来还可以是用于CVD反应器的进气装置，其特征在于所述进气装置呈径向闭合的气体分配 管及一体贯通的两路以上进气管，且所述气体分配管朝向其所围裹的空间平面中心设有复 数个气体喷射孔，其中所述气体分配管的径向截面面积处处相等，所述开口均等的气体喷 射孔在近进气管侧和进气管间的周向分布密度小于远进气管侧的周向分布密度，且所述各 喷射孔的开设角度相对于其向心角度朝基片偏移。为实现本发明的目的，其技术方案又或是用于CVD反应器的进气装置，其特征在于所述进气装置呈径向闭合的气体分配 管及一体贯通的一路以上进气管，且所述气体分配管向其所围裹的空间平面中心设有复数 个气体喷射孔，其中所述气体喷射孔周向均勻分布且气体分配管的径向截面面积处处相 等，所述各喷射孔在近进气管侧的孔径小于远进气管侧的孔径，且开设角度相对于其向心 角度朝基片偏移。实施本发明的技术方案，其优点为本发明将复杂的气流流体分布问题转换成机械加工问题，通过对进气装置的结构 进行机械改进，能保证到达样品表面的气体流速一致，从而在样品表面形成均一的边界层， 保证了生长薄膜的厚度、组分及掺杂浓度均勻性。为使本发明所述的用于CVD设备的进气装置更易于理解其实质性特点及其所具 的实用性，下面便结合附图对本发明若干具体实施例作进一步的详细说明。但以下关于实 施例的描述及说明对本发明保护范围不构成任何限制。
图1是本发明一个较佳实施例的结构示意图；图2是本发明另一实施例的结构示意图；图3是本发明又一实施例的结构示意图；图4是本发明再一实施例的结构示意图；图5a和图5b分别为图4所示实施例中A、B部分的放大示意图；图6是本发明反应气体喷射的状态示意图。
具体实施例方式本发明利用流体在管路中流动时受到管壁的阻力的不同，提出用一种特殊设计的 金属管路来解决进气分布不均勻问题。该进气装置应用于立式硅外延反应器中，其结构及 工作方式概括来看包括呈径向闭合的气体分配管2及一体贯通的一路进气管1，且该气体 分配管2朝向其所围裹的空间平面中心周向分布设有多个气体喷射孔3，该些气体喷射孔3 的分布为均勻的或按一定方式排列的，且开口方向是按一定角度对着基片方向的。除开设 角度的偏移外，本发明的气体分配管2对应于部分气体喷射孔3设有导流板4。反应气体和载气通过进气管1进入气体分配管2中；再通过喷射孔3喷射到样品 基片表面，或是沿导流板4导流的方向喷射至样品表面。在输送气体的装置中，气体从离进气管1越近的气体喷射孔3喷出，其受到的管道阻力越小，喷射出气体的量也就越多；反之， 气体从离进气管1越远的气体喷射孔3喷出时受到的管道阻力越大，喷射出气体的量也就 越小。在本发明针对进气装置的气体分配管管径、进气口的数量、气体喷射口分布密度及其 管径相互之间进行调整，保证到达样品表面的气体流速一致，从而在样品表面形成均一的 边界层，保证了生长的薄膜均勻性。以下便结合本发明若干实施例及其附图，对本发明的创新实质作进一步地详述， 以使本发明技术方案更易于理解、掌握。实施例一如图1所示的本发明用于CVD反应器的进气装置的结构示意图。从图中所示可以 看到该进气装置包括呈径向闭合的气体分配管2及一体贯通的一路进气管1，且该气体分 配管2为径向截面为其中该气体分配管2的径向截面面积处处相等(nl = n2)的圆管状结 构，并朝向其所围裹的空间平面中心设有多个气体喷射孔3，而开口均等的气体喷射孔3在 近进气管侧的周向分布密度小于远进气管侧的周向分布密度，且各气体喷射孔的开设角度 相对于其向心角度朝基片偏移(未图示)。此外，该气体分配管2对应于部分气体喷射孔3 设有偏斜角度可调的导流板4，以进一步加强对喷射角度的调整。在进行CVD加工时，反应 气体的喷射效果如图6所示。实施例二如图2所示的本发明用于CVD反应器的进气装置另一实施例的结构示意图。从图 中所示可以看到该进气装置包括呈径向闭合的气体分配管2及一体贯通的一路进气管1， 且该气体分配管2朝向其所围裹的空间平面中心设有复数个气体喷射孔3，该些开口均等 的气体喷射孔3为周向均勻分布设置，且各气体喷射孔3的开设角度相对于其向心角度朝 基片偏移(未图示)。较之于实施例一，本实施例的区别在于其中该气体分配管的径向截 面面积自近进气管侧朝远进气管侧增大(nl > n2)。实施例三如图3所示的本发明用于CVD反应器的进气装置又一实施例的结构示意图。从图 中所示可以看到该进气装置的基本结构与实施例一大致相同，所不同的是进气口的设 置数量增为两个，其实际可为更多，按需增加；另外，本实施例还省略了导流板4的导流作 用。在进行CVD加工时，反应气体的喷射效果与图6所示相接近。实施例四如图4、图5a和图5b所示的本发明用于CVD反应器的进气装置再一实施例的结构 示意图及其细节放大示意图。从图中所示可以看到该进气装置的基本结构与实施例一大 致相同，所不同的是其中所设的各气体喷射孔3的孔径呈过渡式变化，即各气体喷射孔在 近进气管侧的孔径小于远进气管侧的孔径。从同比例的图5a和图5b来看，很明显，图4所 示A部分的气体喷射孔孔径小于图4所示B部分的气体喷射孔孔径。在进行CVD加工时， 反应气体的喷射效果与图6所示相接近。除上述实施例以外，本发明具有具体实施方式
多样性的特点。例如该气体分配管 2的外观形状可以是环形，也可以是五边以上的任意多边形，其截面可以是圆形，也可以是 方形或其它形状，其选材可以是不锈钢管、钼管、钨管或其它金属制成，也可以是其它非金 属材料制成；而该气体喷射口在气体分配管上的分布均勻度、密度均为可调的，且喷射口形
6状可以是圆形的，也可是其它任意几何形状。 在立式硅外延反应器中，使用本发明的进气装置，得到了如图6所示的气体分配、 喷射的状态示意图。气体流速的分配不均勻性小于0.87%，保证了喷射到每个基片上的反 应气体均勻，也保证了薄膜材料生长的稳定性。
权利要求
用于CVD反应器的进气装置，其特征在于所述进气装置包括呈径向闭合的气体分配管及一体贯通的一路进气管，且所述气体分配管朝向其所围裹的空间平面中心设有复数个气体喷射孔，其中所述气体分配管的径向截面面积处处相等，所述开口均等的气体喷射孔在近进气管侧的周向分布密度小于远进气管侧的周向分布密度，且所述各喷射孔的开设角度相对于其向心角度朝基片偏移。
2.根据权利要求1所述的用于CVD反应器的进气装置，其特征在于所述气体分配管 呈五边以上的多边形，至少包括六边形和环形。
3.根据权利要求1所述的用于CVD反应器的进气装置，其特征在于所述各气体喷射 孔为任意形状，且所述气体分配管对应于部分气体喷射孔设有导流板。
4.用于CVD反应器的进气装置，其特征在于所述进气装置包括呈径向闭合的气体分 配管及一体贯通的一路以上进气管，且所述气体分配管朝向其所围裹的空间平面中心设有 复数个气体喷射孔，其中所述开口均等的气体喷射孔周向均勻分布，所述气体分配管的径 向截面面积自近进气管侧朝远进气管侧增大，且所述各喷射孔的开设角度相对于其向心角 度朝基片偏移。
5.根据权利要求4所述的用于CVD反应器的进气装置，其特征在于所述气体分配管 呈五边以上的多边形，至少包括六边形和环形。
6.根据权利要求4所述的用于CVD反应器的进气装置，其特征在于所述各气体喷射 孔为任意形状，且所述气体分配管对应于部分气体喷射孔设有导流板。
7.用于CVD反应器的进气装置，其特征在于所述进气装置包括呈径向闭合的气体分 配管及一体贯通的两路以上进气管，且所述气体分配管朝向其所围裹的空间平面中心设有 复数个气体喷射孔，其中所述气体分配管的径向截面面积处处相等，所述开口均等的气体 喷射孔在近进气管侧和进气管间的周向分布密度小于远进气管侧的周向分布密度，且所述 各喷射孔的开设角度相对于其向心角度朝基片偏移。
8.用于CVD反应器的进气装置，其特征在于所述进气装置包括呈径向闭合的气体分 配管及一体贯通的一路以上进气管，且所述气体分配管向其所围裹的空间平面中心设有复 数个气体喷射孔，其中所述气体喷射孔周向均勻分布且气体分配管的径向截面面积处处相 等，所述各喷射孔在近进气管侧的孔径小于远进气管侧的孔径，且开设角度相对于其向心 角度朝基片偏移。
全文摘要
本发明揭示了一种用于CVD反应器的进气装置，包括呈径向闭合的气体分配管及一体贯通的一路以上进气管，且该气体分配管朝向其所围裹的空间平面中心设有复数个气体喷射孔，且各喷射孔的开设角度相对于其向心角度朝基片偏移。通过调整气体喷射孔的分布密度、气体喷射孔的孔径大小及气体分配管的管径分布，使到达基片上的气体流速相同，并在样品表面形成均一的边界层，从而保证了薄膜生长的均匀性和一致性。
文档编号C23C16/455GK101824607SQ201010168749
公开日2010年9月8日 申请日期2010年5月12日 优先权日2010年5月12日
发明者张宝顺, 张永红, 朱建军, 杨辉, 王国斌, 王怀兵, 邱凯 申请人:中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所