一种微分混合式化学气相沉积装置的制作方法

本发明属于气相沉积领域，特别涉及一种微分混合式化学气相沉积装置。

背景技术：

用于在物体上形成薄膜的气相沉积方法一般分为物理气相沉积(PVD)方法(例如，溅射)和化学气相沉积(CVD)方法，在PVD方法中，以沉积源的物理特性和薄膜材料的物理特性相同的方式形成薄膜，在CVD方法中，以沉积源的物理特性和薄膜材料的物理特性不同的方式使用化学反应形成薄膜。由于PVD方法成分或厚度的均匀性和台阶覆盖性不如CVD方法，因此通常更多地使用CVD方法。

CVD方法包括常压化学气相沉积(APCVD)，低压化学气相沉积(LPCVD)和等离子体增强化学气相沉积(PECVD)等。在CVD方法中，由于PECVD方法能够实现低温沉积，并且成膜速度快，因此PECVD方法得到广泛使用。PECVD方法是利用微波或射频将注入到反应腔中的反应气体电离，使得反应气体处于等离子体状态，而等离子体化学活性很强，很容易发生反应，在基片上沉积出所期望的薄膜。

薄膜沉积工艺最关键的是沉积薄膜均匀，研究人员已经对此提出了大量改进观点。为了均匀沉积薄膜，均匀分布反应气体或等离子体起到非常重要的作用。为此，许闰成等公开了发明专利名称为“一种用于化学气相沉积的装置”(201110280169.3)申请，通过一种锥形的气体扩散部件，提高气体的分散均匀性，从而提高沉积薄膜的均匀性。这种气体分散方法中的反应气体是从中间向四周扩散，气体流道开阔，不能保证气体分散均匀，并且这种方法要求反应气体在进入气相沉积装置前进行预混合处理，提高了装置的复杂性。此外，对于在常温条件下容易发生反应的反应气体，提前混合容易造成气体提前反应，引起堵塞并影响沉积效果。

技术实现要素：

本发明的目的在于提高现有化学沉积装置气体分散效果，简化装置，提供一种微分混合式化学气相沉积装置。

本发明一种微分混合式化学气相沉积装置,由箱体、流道板、绝缘密封垫片、反应室、支柱、基座、加热系统和射频系统组成；所述反应室为进行化学气相沉积的反应空间；流道板设置在反应室上方，流道板内流道由A入口、B入口、A主流道、B主流道、A分流道、B分流道、A支流道、B支流道、汇集流道、混合流道和喷头组成；射频系统的电极安装在流道板上方；箱体位于流道板下方，其与流道板所包围空间即为所述反应空间，箱体的底面设置有均匀排布的多个抽气孔，抽气孔与抽气管相连通，并连通到抽气装置；绝缘密封垫片上表面和下表面分别与流道板和箱体接触，绝缘密封垫片、流道板与箱体固定；基座位于反应室内，由立柱支撑；基座上方放置基板，基板可用于沉积薄膜或放置待沉积品。

本发明一种微分混合式化学气相沉积装置,所述流道板的A入口与B入口位于流道板的两侧，A入口与A主流道连通，B入口与B主流道连通，A主流道与B主流道平行设置；A主流道与多个A分流道连通，各A分流道与A主流道垂直，B主流道与多个B分流道连通，各B分流道与B主流道垂直,各A分流道与各B分流道为“A-B-A-B”式的交叉排列；每个A分流道分别与多个A支流道连通，每个B分流道分别与多个B支流道连通，对应的各A支流道与B支流道在汇集流道汇合，各汇集流道连通混合流道，混合流道连通喷头。

本发明一种微分混合式化学气相沉积装置,所述流道板的A主流道与B主流道的断面深度大于各A分流道与各B分流道的断面深度。

本发明一种微分混合式化学气相沉积装置,所述流道板的混合流道截面形状由矩形变为圆形，并且截面面积迅速减小。

本发明一种微分混合式化学气相沉积装置,所述流道板可以由上板、中板、下板三块金属板组装而成，上板、中板、下板由螺栓固定；上板内流道为A入口、B入口、A分流道、B分流道以及A主流道和B主流道的上半部分；中板内流道为A支流道、B支流道以及A主流道和B主流道的下半部分；下板内流道为汇集流道、混合流道和喷头。

本发明一种微分混合式化学气相沉积装置,所述流道板也可以由金属3D打印方法加工成型。

本发明一种微分混合式化学气相沉积装置,其加热系统为电磁感应加热方式，加热线圈位于基座内，加热线圈排布方式为环形排布或点阵式排布。

由以上技术方案可知，本发明的有益效果是：

微分混合式流道能够提高气体混合的均匀性和气体分布的均匀性，使化学气相沉积薄膜更均匀，省去了气体混合装置，简化设备；采用电磁感应加热方式，加热速率快，并且提高了电能的利用率，降低成本；除此之外，本发明化学气相沉积装置对于已经混合好的反应气体，可以关闭一个入口，由一个入口进入，同样可以提高气体分布均匀性。

附图说明

图1为本发明一种微分混合式化学气相沉积装置结构示意图；

图2为本发明一种微分混合式化学气相沉积装置的微分混合流道结构示意图；

图3为本发明一种微分混合式化学气相沉积装置的微分混合流道主视图；

图4为本发明一种微分混合式化学气相沉积装置的微分混合流道俯视图；

图5为本发明一种微分混合式化学气相沉积装置的微分混合流道支流道至喷头结构图。

图6为本发明一种微分混合式化学气相沉积装置流道板的一种组合结构。

图中：1.支柱，2.抽气管，3.反应室，4.箱体，5.喷头，6.绝缘密封垫片，7.流道板，8.A入口，9.进气管，10.流道，11.电极，12.B入口，13.基板，14.加热线圈，15.基座，16.抽气装置，17.A主流道，18.A分流道，19.A支流道，20.汇集流道，21.混合流道，22.B主流道，23.B分流道，24.B支流道，25.上板，26.中板，27.下板，28.螺栓。

具体实施方式

本发明一种微分混合式化学气相沉积装置,如图1所示，由箱体4、流道板7、绝缘密封垫片6、反应室3、支柱1、基座15、加热系统和射频系统组成；所述反应室3为进行化学气相沉积的反应空间；流道板7设置在反应室3上方，流道板7内流道10由A入口8、B入口12、A主流道17、B主流道22、A分流道18、B分流道23、A支流道19、B支流道24、汇集流道20、混合流道21和喷头5组成；射频系统的电极11安装在流道板7上方；箱体4位于流道板7下方，其与流道板7所包围空间即为所述反应空间3，箱体4的底面设置有均匀排布的多个抽气孔，抽气孔与抽气管2相连通，并连通到抽气装置16；绝缘密封垫片6上表面和下表面分别与流道板7和箱体4接触，绝缘密封垫片6、流道板7与箱体6之间固定；基座15位于反应室3内，由立柱1支撑；基座15上方放置基板13，基板可用于沉积薄膜或放置待沉积品。

本发明一种微分混合式化学气相沉积装置,如图2-4所示，所述流道板7的A入口8与B入口12位于流道板7的两侧，A入口8与A主流道17连通，B入口12与B主流道22连通，A主流道17与B主流道22平行设置；A主流道17与多个A分流道18连通，各A分流道18与A主流道17垂直，B主流道22与多个B分流道23连通，各B分流道23与B主流道22垂直,各A分流道18与各B分流道23为“A-B-A-B”式的交叉排列；每个A分流道18分别与多个A支流道19连通，每个B分流道23分别与多个B支流道24连通，对应的各A支流道19与B支流道24在汇集流道20汇合，各汇集流道20连通混合流道21，混合流道21连通喷头5。

本发明一种微分混合式化学气相沉积装置,所述流道板7的A主流道17与B主流道22的断面深度大于各A分流道18与各B分流道22的断面深度。

本发明一种微分混合式化学气相沉积装置,所述流道板7的混合流道21截面形状由矩形变为圆形，并且截面面积迅速减小。

本发明一种微分混合式化学气相沉积装置,所述流道板7可以由上板25、中板26、下板27三块金属板组装而成，上板25、中板26、下板27由螺栓28固定，如图5所示；上板25内流道为A入口8、B入口12、A分流道18、B分流道23以及A主流道17和B主流道22的上半部分；中板26内流道为A支流道19、B支流道24以及A主流道17和B主流道22的下半部分；下板27内流道为汇集流道20、混合流道21和喷头5。

本发明一种微分混合式化学气相沉积装置,所述流道板7也可以由金属3D打印方法加工成型。

本发明一种微分混合式化学气相沉积装置,其加热系统为电磁感应加热方式，加热线圈14位于基座内，加热线圈排布方式为环形排布或点阵式排布。

下面以氮化硅的化学气相沉积为例，对本发明进行说明：

对于反应室面积为1000mm×1000mm的本发明一种微分混合式化学气相沉积装置，A入口8与B入口12的孔径为40mm，A主流道17与B主流道22截面形状为矩形，通道宽40mm，深35mm。A主流道17与15条A分流道18连通，B主流道22与15条B分流道23连通，各A分流道18与各B分流道23截面形状均为矩形，矩形截面宽30mm，深30mm。每个A分流道18分别与15条A支流道19连通，每个B分流道23分别与15条B支流道24连通，各A支流道19与B支流道24截面形状均为矩形，矩形截面为15mm×20mm。各A支流道19与B支流道24在截面尺寸为20mm×20mm的汇集流道20汇合。各汇集流道20连通混合流道21，混合流道21截面由20mm×20mm的矩形渐变为直径8mm的圆形。喷头5连通混合流道21，为锥台形状，出口截面直径为40mm。经过两次流道微分过程，最后的喷头5为横纵各15个排列，相邻各喷头5的中心距离为55mm。

反应进行前，流道板7反应室3处于开放状态。将基板13放置并安装在基座14上后，通过机械臂或油缸(图中未标出)将流道板7放置并安装在箱体4及绝缘密封垫片6上，利用抽气装置16将装置抽真空。以硅烷SiH₄作为硅源,以氨气NH₃作为氮源，硅烷从A入口8进入，氨气从B入口12进入。通入A入口8的硅烷进入A主流道17，经微分分流作用分散进入各A分流道18，由于A主流道17断面深度比A分流道18断面深度大，使得硅烷从A入口8进入后，优先充满整个A主流道17，之后进入各A分流道18,所以各A分流道18的气体进入量较为均匀。进入各A分流道18的硅烷在微分分流作用下均匀进入各A支流道19。通入B入口12的氨气进入B主流道22，经微分分流作用分散进入各B分流道23，由于B主流道22断面深度比B分流道23断面深度大，使得氨气从B入口12进入后，优先充满整个B主流道22，之后进入各B分流道23，所以各B分流道23的气体进入量较为均匀。进入各B分流道23的氨气在微分分流作用下均匀进入各B支流道24。相应的各A支流道19内的硅烷与各B支流道24内的氨气在汇集流道20汇合,之后进入混合流道21。由于混合流道21截面形状由矩形变化成圆形，并且截面面积迅速变小，使得混合流道21内的混合气体流动紊乱，加速硅烷与氨气的混合，混合后的气体经由喷头5喷出。由于加热装置安置在基座15上，流道板7的温度不高，因此在汇集流道20、混合流道21与喷头5内的混合气体不会发生沉积反应。此种流道设计，使得硅烷与氨气能够充分混合，并且各喷头5喷出的气体分布均匀。从各喷头5喷出的混合气体在电极6的射频作用下发生电离，形成等离子体状态。等离子体状态的混合气体接触经过电磁感应加热后的基板，逐步发生沉积，形成氮化硅薄膜。另外，反应过程中，抽气装置16可以对反应室3内的气体压力进行控制，由于抽气孔在箱体内均匀排布，抽气均匀，反应室3内各处压力较为均衡。