CN101701333A - 一种矩形化学气相沉积反应器 - Google Patents

Abstract

一种矩形化学气相沉积反应器，涉及半导体和光电薄膜化学气相沉积技术领域。其特征在于：将传统的圆柱形反应腔改为长方体或正方体反应腔，将旋转的圆形托盘改为来回移动的矩形托盘，将圆形喷淋头改为若干条平行的下端开有密布小喷孔的喷淋管。生长时，反应气体从喷淋管下方的小喷孔均匀喷向下方的晶片，反应后的气体从喷淋管的两侧向上返回，一直到上方的出口排出。由于每个喷孔下方的气流都为独立的滞止流，而与周围环境无关，通过矩形托盘的来回往复移动，使得晶片上的每一点轮流受到同样浓度的气流喷射，从而实现均匀的薄膜生长。

Description

一种矩形化学气相沉积反应器

技术领域

本发明涉及一种用于生长半导体和光电薄膜的化学气相沉积装置，特别是一种用于生长化合物半导体薄膜、提供均匀气体浓度、消除气相寄生反应、获得均匀生长厚度和组分的多片式矩形化学气相沉积反应器。

背景技术

化学气相沉积(CVD)是制备半导体薄膜器件，包括多种微电子器件、发光二极管、薄膜光伏电池等的关键工艺。化学气相沉积的基本生长过程是，将源气体从气源引入反应器，气体粒子通过输运(对流和扩散)到达晶片表面，在高温晶片上发生化学反应，从而在晶片上沉积单晶或多晶薄膜。

迄今国际上已经开发了多种CVD反应器，从简单的用于实验室的卧式和立式反应器，发展到目前的工业化量产的商用行星式、垂直喷淋式和高速转盘式反应器。其中最重要的改进措施有以下几条：

(1)采用衬底旋转技术产生强迫对流以抵消反应器内强烈的热对流，同时起到使温度均匀和气体浓度均匀的作用；

(2)采用分隔气体进口，使反应气体延迟混合，从而减少反应物的气相寄生反应，进而减少发生在进口处和壁面上的沉积；

(3)采用类似于淋浴头的多孔气体喷头，将反应气体通过喷头近距离喷向晶片，从而使晶片上方各点获得均匀浓度的源气体，产生均匀的薄膜生长。

随着薄膜光伏电池和LED产业的发展，现有的CVD反应器都面临扩大产率的问题。即要求能够一次性生长出上百片的多片式反应器，并且保证均匀的薄膜组分和厚度。这对CVD反应器设计提出更高的要求。

目前采用的各种商用反应器，气体几乎都是从托盘上方的中心进口，然后沿半径方向向托盘外缘“扩散”，一直到托盘外缘或外缘下方的出口方可排出。由于从托盘中心处喷入的气体与从托盘边缘处喷入的气体流经的距离明显不同，靠托盘中心处的生成物尾气不能及时排出，又由于反应气体在流经的路径上不断沉积，因而导致沿半径方向反应物的浓度明显的不同，通常呈衰减趋势。生长的薄膜厚度和杂质浓度沿径向也存在本质的不均匀性。随着托盘的增大，这一矛盾更加突出。

另一方面，目前的各种商用反应器，无论是行星式、垂直喷淋式或高速转盘式，全都采用圆型托盘，并采用托盘旋转的方法来获得均匀的生长。当晶片数增多时，托盘直径增大，反应气体从中心向外缘流过的路径明显加长，反应气体驻留时间随之加长，这将导致气相寄生反应的加剧，使沉积效率大大下降。

又一方面，随着托盘的增大，托盘外缘的旋转线速度将愈来愈大，它将带动其上的边界薄层一起转动，这一转动将导致气体流动的转折，容易使平滑的平直流变为涡旋流，使稳定的层流变为不稳定的湍流。这将导致薄膜生长均匀性的恶化。

因此，随着托盘的增大，现有的反应器都面临浓度沿半径不均匀、寄生反应严重以及流动失稳等问题，传统的依靠公转和自转获得均匀性的方法很难继续在更多片数的反应器中应用，需要新的解决方案。

发明内容

本发明提出一种新的化学气相沉积反应器的结构，目的是使所有晶片接受到同样浓度的源气体供应，同时为反应后的尾气提供一种快速离开反应区域的路径，使反应气体不再向托盘半径方向流动，而是在晶片上方迅速返回。从而为薄膜生长提供均匀的浓度分布，减少薄膜沉积中有害的气相寄生反应，提高源气体利用率，实现厚度和组分都均匀的薄膜生长。

为实现上述目的，本发明采用如下的的技术方案：将传统的圆柱形反应腔改为长方体反应腔，将旋转的圆形托盘改为来回移动的矩形托盘，将圆形喷淋头改为若干条平行的喷淋管。喷淋管一端封闭，另一端与进气管相连。喷淋管朝下方的管壁上有密布的小喷孔，喷淋管下方是一列晶片。生长时，反应气体从水平喷淋管的微小喷口向下喷出，反应气体在晶片上方形成滞止流，通过射流与扩散到达晶片表面。反应后的尾气折转180度，从喷淋管的两侧向上返回，经过上方的多孔法兰，汇合到顶壁的出口排出。由于从每个小喷口喷出的气体的周围环境近似相同，因此喷口下方的气体浓度与晶片在托盘上所处的位置无关。使矩形托盘在水平横向均匀地来回摆动，从而使矩形托盘上沿纵向排列的的各个晶片轮流受到喷淋管的气流冲击，使晶片各点得到同样的反应气体浓度，从而得到厚度和组分都均匀的薄膜沉积。

所述的长方体反应室腔一侧设有能够开启的侧壁，有横向丝杠和导轨从该侧壁穿过。该侧壁开启后，在丝杠和导轨的作用下，矩形托盘可以整体平移出反应室，方便晶片的取放。

矩形托盘上面放置若干列待镀的晶片，其中每列(沿托盘纵向)的晶片数可多达几十片，即晶片的行数远远多于列数；

附图说明

图1为本发明的反应器结构示意图，图2为反应器的内部结构示意图。图中标示为：

1-进口；2-喷淋管；3-小喷孔；4-矩形托盘(衬底)；5-晶片；6-丝杠；7-导轨；8-加热器；9-多孔法兰；10-排气小孔；11-尾气出口；12-能够开启的侧壁。

以下结合附图(图1和图2)进一步说明本发明的化学气相沉积反应器结构和工作原理。

气体(包括反应气体、掺杂气体和惰性气体)从进口1进入喷淋管2，从均布在喷淋管下方的小喷孔3向下喷出，通过射流与扩散到达矩形托盘4表面。气体在表面附近被高温托盘4加热，发生化学反应分解，并在晶片5上沉积薄膜。反应后的尾气折转180度，从喷淋管2的两侧向上返回，经过上方的多孔法兰9上的排气小孔10，汇合到顶壁的尾气出口11排出。石墨托盘4在丝杠6和导轨7的作用下沿横向来回水平移动，保证了每列晶片上的各点轮流受到同样浓度的气体喷淋。

由于反应后的尾气迅速向上离开沉积区(小喷孔3和托盘4之间)，而不向周边扩散，因此保证了晶片5各点受到均匀浓度的气体冲击，又缩短了气体的驻留时间，减少了寄生反应的发生。由于从每个小喷口喷出的气体的周围环境近似相同，因此喷口下方的气体浓度与晶片在托盘上所处的位置无关。使托盘4在水平横向均匀地来回摆动，从而使托盘4上沿纵向排列的的各个晶片5轮流受到喷淋管的气流冲击。由于晶片5各点受到同样的反应气体浓度冲击，从而得到厚度和组分都均匀的薄膜沉积。

电阻或辐射加热器8用来加热托盘4，托盘4的水平横向来回移动，增加了温度的均匀性。反应室腔体的开启侧壁12可以方便地开启，在丝杠6和导轨7的作用下，托盘4可以携带着晶片5整体平移出反应室，方便晶片的取放。

Claims (6)

1.一种矩形化学气相沉积反应器，其特征在于：将传统的圆柱形反应腔改为长方体或正方体反应腔，将旋转的圆形托盘改为来回移动的矩形托盘(4)，将圆形喷淋头改为若干条平行的喷淋管(2)。

2.权利要求1所述的一种矩形化学气相沉积反应器，其特征在于：喷淋管(2)下端开有小喷孔(3)，喷淋管(2)一端封闭，另一端开口用于通入气体。

3.权利要求1所述的一种矩形化学气相沉积反应器，其特征在于：所述矩形托盘下方沿横向设有导轨(7)和丝杠(6)，使矩形托盘(4)能够在横向来回水平移动。

4.权利要求1所述的一种矩形化学气相沉积反应器，其特征在于：反应腔上端设有一开有排气小孔(10)的多孔法兰(9)，将反应腔下方进口(1)与上方尾气出口(11)隔开，分为上下两个压强不同的腔室。

5.权利要求1所述的一种矩形化学气相沉积反应器，其特征在于：反应室横向一侧设有能够开启的侧壁(12)，侧壁(12)上开孔使得横向丝杠(6)和导轨(7)从该侧壁(12)穿过，该侧壁(12)开启后，在丝杠(6)和导轨(7)的作用下，矩形托盘(4)能够整体平移出反应腔，方便晶片的取放。

6.权利要求2所述的一种矩形化学气相沉积反应器，其特征在于：喷淋管(2)的截面形状为圆形、椭圆型或矩形。

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