CN101107384A - 带有布置于平面中的前腔室的气体分配器 - Google Patents

带有布置于平面中的前腔室的气体分配器 Download PDF

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Abstract

一种用于CVD或OPVD反应器的气体分配器，包括两个或更多的气体空间(1、2)，在每个空间中开有用于过程气体的供应管线(3、4)，每个气体空间(1、2)都连接到用于各个过程气体的多个出口开口(6、7)上，所述开口出口开在气体分配器的底部(5)中。为了增加气体成分的均质性，两个气体空间(1、2)具有位于共用第一平面(8)的前腔室(10、10’、11)，分别与一个气体空间相关联的多个气体分配腔室(12、13)设置在第二平面(9)中，临近气体分配器的底部，每个气体空间(1、2)的前腔室(10、10’、11)和气体分配腔室(12、13)通过连接通道(14、15)连接。

Description

带有布置于平面中的前腔室的气体分配器
技术领域
本发明涉及一种CVD或OVP中的气体分配器，带有两个或更多的气体空间，用于过程气体的供应管线开到每个气体空间中，每个气体空间都与用于各个过程气体的多个出口连接，这些出口开在气体分配器的底部(5)中。
背景技术
一类气体分配器披露于EP 0 687 749A1中。该气体分配其位于CVD反应器中，并形成一过程腔室的顶部，该腔室的底部形成基板保持器，一个或更多个基板被设置在该保持器上以便进行涂层，形成涂层的材料通过气体分配器而被引入到该过程腔室中。EP 687 749A1披露的气体分配器具有多个气体空间，设置为一个位于另一个之上，这些气体空间分别提供不同的过程气体。每个气体空间都具有出口通道，这些通道开在气体分配器的底部。两个气体空间是一个位于另一个之上的且在气体分配器的整个截面区域上方延伸。至气体空间的供应管线位于周边，以使得从气体分配器出来的气体可以具有非均质性(non-homogeneities)。
这类气体分配器用于MOCVD。金属有机化学蒸汽沉积(MOCVD)是用于沉积单组分或多组分氧化物绝缘层(电介质)、半导体层、钝化层或导电层的广泛使用的方法。为达该目的，多种反应气体或气体前体相混合，送入反应腔室，以便在被加热的基板上沉积出层，且随后从反应腔室中泵出。在反应器中，有各种几何布置形式，例如水平和垂直的反应器。在水平反应器的情况下，基板表面平行于被混合的前体和反应气体的流动方向。在垂直反应器的情况下，相应的气体混合物在离开反应腔室之前会垂直地撞击到基板表面并从基板的外边缘流走。通常，基板的旋转也用于增加沉积层的均匀性。
为了确保在基板上进行均质的沉积，必须确保各种气体前体或反应气体的完全混合。为了达到此目的，存在的方法是在气体被引入到反应腔室之前的早期阶段实现气体的混合。这适用于在气体分配器中温度和压力都稳定情况下的前体和反应气体。
然而，前体通常非常具有反应性，且可由此导致初次气相反应。这会导致在基板上游的气体载流部件上的沉积以及由此带来的逐步的污染，导致颗粒形成并由此导致基板的颗粒涂层，改变了基板处的反应化学以及降低生长过程的效率。
在前述多腔室气体分配器的情况下，也可参见US 5871586，在分离的腔室中供应各种气体组分并将各种气体组分直接经由多种开口送至基板。混合仅发生在基板附近的区域。在这种多腔室气体分配器的情况下，输送管从第一腔室行进至气体反应器出口并由此跨过至少一个另一腔室。结果，在腔室中，在输送管附近有窄的流动截面。这导致非均质流动且增加了腔室中的气压降。这些问题随着气体分配器的直径的增大而增大，因为输送管的数量随表面面积而增大。进而，由于输送管数量增加气体分配器的生产过程变得更加复杂，因为在腔室的分离壁处输送管都必须是气密的。这种气体分配器几乎不按比例缩放，且因此不能实际用于相对大基板的涂层的生产或使用，例如200mm、300mm的基板。在基板被生产之后，实际也不太可能打开气体分配器，例如用于维护的目的。
在一些氧化绝缘层(电介质)、钝化层或导电层的情况下，可以发现这种混合不会导致在基板上充分地形成均质层。对于一些应用来说，基板表面上沉积层的非均质性要求为例如＜+1％。
许多气体金属有机前体都仅是在很小温度范围内稳定的。(金属有机前体可以含有至少一种金属原子和/或至少一种半导体/半金属原子(例如Si、Ge))。在很低的温度下，发生浓缩；在温度过高时，即使在与其他反应气体混合之前，发生分解。因此有必要将气体分配器保持在均一的温度下。
发明内容
基于这类已有技术，本发明的目的是改善气体分配器运转的方式。
通过权利要求中所述的本发明来实现该目的，每个权利要求原则上代表实现该目的的独立的技术方案，且对于每个权利要求来说可以与任何其他的权利要求相结合作为独立的技术方案。
权利要求1第一且首要的是在气体通过分配器底部中的出口开口离开气体分配器之前，气体在径向方向上、在第一平面中分布且随后在周缘方向上、在第二平面中分布，该第二平面位于所述第一平面下方。
权利要求2第一且首要的为，每个气体空间通过多个前腔室形成，这些前腔室位于共用第一平面中，且多个气体分配腔室分别与设置在第二平面中的气体空间相关联，形成气体分配器的底部，每个气体空间前腔室和气体分配腔室通过连接通道连接。优选地，所有前腔室设置在共用的第一平面中。在本发明的改进中，还提出，属于一个气体空间的前腔室处于距离气体分配器中心的不同径向距离。还提出，属于一个气体空间的前腔室如此设置：它们在周缘方向上分布。两个不同气体空间的前腔室如此设置：它们以梳子状的方式彼此接合。在这种情况下，梳状物的延长部为每个腔室的连续结构，其在径向方向上行进。气体分配腔室可同心地环绕气体分配器的中心。还提出，气体分配腔室连接到多个前腔室。前腔室反过来也连接气体分配腔室。优选地，各个腔室之间的连接通道位于第三平面，该第三平面位于第一平面和第二平面之间。本发明提供一种多腔室气体分配器，其中可以包括金属或半导体在内的气体前体和反应气体分离地被引入到气体分配器中。气体分配器具有很高的温度均质程度，以便避免浓缩、沉积和前体与化学反应气体的初期反应。在这个方面，对于气体前体来说，优选的是在通过气体分配器时具有最小可能的气压降。这就是尤其在气体分配器的上游设置蒸发器的情况下。通过该蒸发器，液体或固体起动材料可蒸发到过程气体中。在优选实施例中，气体分配器用于CVD反应器中。在这种情况下，气体分配器大致平行于基板保持器而延伸。基板保持器和气体分配器随后形成过程腔室边界。在这种情况下，气体分配器可以位于基板保持器的上方、下方或侧面。优选地，其分配器提供过程腔室的上边界。气体分配器的底部随后形成过程保持器的顶部。过程腔室的底部为基板保持器。一个或更多的基板可设置在基板保持器上。其分配器具有总体上类似于淋浴头的外形。过程气体从设置在气体分配器底部的开口处排出，以便彼此以气相或在基板上反应，在基板上沉积出沉积层。气体的质量流可以如此设置：气体在气体分配器中的停留时间为10ms-60ms。在这种情况下，气体空间的各个腔室如此构造：可将应用300-1200sccm的总体气体流动。在通过气体分配器时的气压降优选为＜2.5mbar，总体流动为1200sccm。沿气体流动路径的温度非均一性为小于10％。当气体前体从气体分配器的气体出口开口排出时，流动分配的标准偏差为0.3％-0.9％。氮气、氢气、氦气和氩气或其他稀有气体或惰性气体都是用于前体的优选承载气体。在优选结构中，在室温下为液态的气体前体或起动材料或金属起动材料也可以使用。这些材料在特殊蒸发过程中被转换为气相并随后输送到气体分配器。它们还进入与它们相关联的气体空间中。气体流动分为多个部分气体流动，通过各个前腔室来供给。经由前腔室，过程气体随后流过连接通道进入气体分配腔室，其环状地围绕在气体分配器周围。在该过程中，从不同前腔室而来的气体进入一个且是相同的气体分配腔室。反应气体，例如O2、O3、NO2、H2O、NH3或H2被引入到第二气体空间中。该气体空间具有一个或更多前腔室。前腔室同样经由通道连接到同心地围绕气体分配器中心的气体分配腔室。属于各个气体空间的气体分配腔室在径向方向上交替。根据本发明的设备，多种成分、氧化绝缘层、电介质、钝化层、半导体层或导电层或单个层可次序沉积到至少一个基板上。
附图说明
基于所附附图对本发明的示例性实施进行解释：
图1为气体分配器的平面图；
图2为气体分配器的侧视图；
图3为图1的III-III线处的截面；
图4为图1的IV-IV线处的截面；
图5为图2的V-V线处的截面，仅分别表示出了位于西方的平面的结构；
图6为图2中VI-VI线处的截面，仅显示了位于所截平面下方的结构；
图7为图2中VII-VII线处的截面，仅分别显示了位于所截平面下方的结构；
图8为图2中VIII-VIII线处的截面，仅分别显示了位于所截平面下方的结构；
图9为图2中IX-IX线处的截面，仅分别显示了位于所截平面下方的结构；
图10为高度示意性视图，显示了前面附图中所示的带有气体分配器的CVD反应器的截面。
具体实施方式
图10显示了CVD反应器的基本结构，具体来说是MOCVD反应器。其具有反应腔室25，该腔室为对于外界来说是真空密封的。反应腔室25具有装载/卸载开口26，以便将一个或多个基板引入过程腔室21。在该过程中，基板随后位于基座22上，该基座22从下方加热并在腔室25中通过旋转基座安装部23来支承。反应腔室25额外地具有气体出口24和气体分配器20。气体分配器20通过两个供应管线2、4来供应过程气体且这些过程气体可以是含有金属的第一气体(前体)和第二反应气体。两种气体经由气体分配器20的供应线3、3’送入，该分配器与基座22平行并位于基座22上方的水平面。
以下参见图1至8来描述气体分配器20的详细结构。
在气体分配器20中，还有两个气体空间1、2，二者彼此分离。含有金属组分的第一过程气体经由供应管线3、3’引入到气体空间1。可以设置多种不同的供应管线3、3’。含有反应气体的第二过程气体经由多种供应管线4引入第二气体空间2。
可从图1中具体看到，第一气体空间包括多个前腔室(pre-chamber)10，其以梳子状形式设置，“梳子”的延伸部大致在具有圆形轮廓的气体分配器的径向方向上延伸。在前腔室10的延伸部之间具有第二前腔室11的指状部，该第二前腔室与第二气体空间相关联。前腔室11的指状部通过壁17与前腔室10的延长部分离。
在与前腔室10的径向间隔处设置前腔室10’，其类似地形成在径向方向延伸的梳子的延长部。与引入前腔室10的过程气体相同的过程气体引入前腔室10’中，从而前腔室10、10’属于一个气体空间1。然而，可以将不同的过程气体引入前腔室10、10’中。然而，这并不是优选的。
分配器的中心由前腔室11形成，从而前腔室10’横截面形成大致V形轮廓。前腔室10形成三个延长梳状物，延长部径向向内导向。将前腔室10、10’的各个部分彼此分开的空间属于前腔室11，该前腔室11总体上具有星形结构。
重要的是各个前腔室10、10’、11在气体分配器的周缘方向上交替，为了达到此目的设置分离壁17，将前腔室10和11彼此分开。壁18将前腔室10’、11彼此分开。在供应管线开口3的区域中，前腔室10还具有挡板19。
气体分配器具有这样结构，该结构包括多个盘状物，该盘状物一个在另一个之上，最上面的盘状物形成封盖，它盖住前腔室10、10’、11，前腔室10、10’、11与位于封盖的下方的盘状物相关联。它们被机加工到该盘状物中，例如通过铣削。
处于共同平面中的前腔室10、10’、11的底部具有向下导向的开口，其形成连接通道14、15。这些连接通道14、15将前腔室10、10’、11的平面8连接到平面9、9’，气体分配腔室12、13设置在其中。
前腔室10、10’借助于在垂直方向上延伸的连接通道14连接到多个气体分配腔室12上，这些腔室12围绕气体分配器。这些气体分配腔室12都是环状通道，设置在平面9’中，与其他的盘状物相关联。气体分配腔室12的环状结构可通过铣削来制造。
围绕中心的环状气体分配腔室12的底部中，存在多个出口7。它们通过钻孔形成，它们开在气体分配器的底板5中且第一过程气体可通过这些出口排出。
设置在前腔室11的底部中的接通道15将前腔室11连接到多个气体分配腔室13，该腔室13同样同心地围绕气体分配器的中心。这些腔室位于平面19’中，其设置在平面9的下方，从而气体分配腔室12和气体分配腔室13设置在不同的平面中。
气体分配腔室13还具有在底部处的开口，其形成用于第二过程气体的出口6。
在径向方向上，用于第一过程气体的气体分配腔室12和用于第二过程气体的环状设置的气体分配腔室13彼此交替。
如已经描述的，气体分配器可以由合适的金属来构成。优选的是具有多层结构。气体分配器的温度可控制且可在围绕包括气体流动路径在内的部分的周围具有一周缘，带有用于温度均一化的热质(heat mass)。因此，它能具有沿气体流动路径的很高的温度均一程度。
被认为重要的是第一过程气体的径向分布和第二过程气体的径向分布是在第一分配平面中实现的，且两种过程气体的周缘分布是在其他的平面中实现的，从出口6、7出来时过程气体的彼此分开的。两种过程气体的周缘分布还可以发生在两个不同的平面中。
优选的是，向在多个供应管线3、3’、4中的各个前腔室10、10’、11提供气体。
与上述MOCVD不同的是，气体分配器具体用于在过程腔室中分配气体，在该过程腔室中为了对基板进行涂层而执行浓缩过程。具体地说，这些过程涉及在半导电、导电或绝缘的基板上沉积氧化绝缘层(电介质)、钝化层或导电层。
为了执行这些过程，基座22通过旋转轴23旋转。过程腔室21可以通过一法兰来装载基板，该法兰形成装载和卸载开口26；气体前体和反应气体通过单独的供应管线3和4引入气体分配器20。不使用的过程气体通过气体出口24泵出。气体分配器20用于通过在其下侧的出口6、7均匀地排出过程气体。在过程腔室21的内部，气体彼此混合。
对于气体流动的300-1200sccm范围的操作来说，气体在气体腔室中的停留时间为10ms-60ms。对于具有1.21/min总体流动的气体前体来说，在流过气体分配器时存在＜2.5mdar的总体气压降。对于许多过程来说，沿气体流动路径、在气体分配器的直径上的小于气体分配器温度10％的温度非均质性是优选的。
对于作为气体前体的承载气体的、具有450sccm的氩气流动以及作为反应气体的具有300sccm的氧气来说，在反应器空间21中具有2mbar的压力，以下是其结果：当气体前体从气体分配器20的出口6排出时，流动分布的标准偏差对于腔室10来说是0.3％而对于腔室10’来说是0.9％。对于腔室11的反应气体来说，当它们从气体分配器的出口7中流出时，标准偏差为0.4％。例如，作为惰性承载气体，氮气、氢气、氦气和氩气互不相同。
所有披露的特征(本身)与本发明相关。相关/所附优先权文件(在先申请副本)的披露内容也以其全部内容合并与此，目的是将这些文件的特征并入本发明的权利要求中。

Claims (17)

1.一种用于CVD或OVPD反应器中的气体分配器，带有两个或更多的气体空间(1、2)，在每个空间中开有用于过程气体的供应管线(3、4)，每个气体空间(1、2)都连接到用于各个过程气体的多个出口(6、7)上，所述出口开在气体分配器的底部(5)中，其特征在于，两种过程气体首先在第一平面中的径向方向上分布且随后在第二平面中的周缘方向上分布。
2.一种用于CVD或OVPD反应器中的气体分配器，带有两个或更多的气体空间(1、2)，在每个空间中开有用于过程气体的供应管线(3、4)，每个气体空间(1、2)都连接到用于各个过程气体的多个出口(6、7)上，所述出口开在气体分配器的底部(5)中，其特征在于，所述两个气体空间(1、2)具有位于共用第一平面(8)的前腔室(10、10’、11)，分别与气体空间相关联的多个气体分配腔室(12、13)设置在第二平面(9)中，临近气体分配器的底部，每个气体空间(1、2)的前腔室(10、10’、11)和气体分配腔室(12、13)通过连接通道(14、15)连接。
3.如权利要求1或2所述的气体分配器，其特征在于，属于一个气体空间(1、2)的前腔室(10、10’、11)处于距离气体分配器中心的不同的径向距离处。
4.如前述权利要求中一项或多项所述的气体分配器，其特征在于，气体空间的前腔室(10)在周缘方向上彼此分开。
5.如前述权利要求中一项或多项所述的气体分配器，其特征在于，两个不同气体空间(1、2)的前腔室(10、10’、11)如此设置：它们以梳子状的方式彼此接合。
6.如前述权利要求中一项或多项所述的气体分配器，其特征在于，通过前腔室(10、10’、11)形成的、并以梳状物的延长部的方式彼此接合的连续结构在径向方向上延伸。
7.如前述权利要求中一项或多项所述的气体分配器，其特征在于，每个前腔室(10、10’、11)通过多于一条供应管线(3、4)来输送。
8.如前述权利要求中一项或多项所述的气体分配器，其特征在于，第一气体空间(1)是为气体前体设置的，尤其是含有金属或含有半导体的起动材料，而第二气体空间(2)是为化学反应气体设置的，尤其是氧气、氮气或氢气组分。
9.如前述权利要求中一项或多项所述的气体分配器，其特征在于，第三平面(16)位于第一平面(8)和第二平面(9、9’)之间并与连接通道(14、15)相关联。
10.如前述权利要求中一项或多项所述的气体分配器，其特征在于，气体分配腔室(12、13)同心地环绕气体分配器的中心。
11.如前述权利要求中一项或多项所述的气体分配器，其特征在于，气体分配腔室(12、13)通过连接通道(14、15)连接到多个前腔室(10、10’、11)。
12.如前述权利要求中一项或多项所述的气体分配器，其特征在于，前腔室(10、10’、11)通过连接通道(14、15)连接到多个气体分配腔室(12、13)。
13.如前述权利要求中一项或多项所述的气体分配器，其特征在于，气体分配腔室(12、13)设置在彼此不同的部分平面(9、9’)中。
14.如前述权利要求中一项或多项所述的气体分配器，其特征在于，气体分配器的温度可控。
15.如前述权利要求中一项或多项所述的气体分配器，其特征在于，气体分配器用固体金属部件制造，其形成用于温度均匀化的热质。
16.如前述权利要求中一项或多项所述的气体分配器，其特征在于，气体分配器包括多个放置于彼此之上的盘状物，前腔室(10、10’、11)、其分配腔室(12、13)、连接通道(14、15)和出口(6、7)机加工在盘状物中。
17.一种在CVD或OPVD反应器中使用如前述权利要求中一项或多项所述的气体分配器的用途，该反应器带有过程腔室(21)，用于涂覆在位于基板保持器上的基板，过程腔室中的压力在0.001Pa和5bar之间。
CN2006800031484A 2005-01-31 2006-01-05 带有布置于平面中的前腔室的气体分配器 Active CN101107384B (zh)

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