[发明专利]用于CVD反应器的进气装置

说明书

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 Deposition，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匀性。要生长出厚度、掺杂浓度和组分均匀的薄膜材料，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匀一致。这就要求基片表面附近存在均匀分布的气流场、温场和浓度场。根据上述CVD生长薄膜所需要的组分均匀、厚度均匀等要求，必须在基片上方提供一个厚度薄而均匀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、浓度和厚度均匀性的要求。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匀的速度边界层。速度边界层的流场应保持为均匀平行层流，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匀性，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，得到基片上方均匀的边界层厚度，从而使基片上方各点得到较均匀的粒子浓度供给。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匀的边界层厚度，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匀。

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匀越来越严重，而且增大直径后均匀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匀，难以满足薄膜生长的需求。