CN102230167A - 化学气相沉积设备 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种化学气相沉积设备。所述设备包括反应室、气体引入单元和气体排出单元。气体室包括基座和反应炉，在基座上装载晶片，在反应炉中用化学气相沉积处理晶片。气体引入单元设置在反应室的外壁，以从反应炉外部向反应炉中心部分供应反应气体。气体排出单元设置在反应室的中心部分，以在反应气体被用于在反应炉中的反应之后将反应气体排放到反应室的上面的外部或下面的外部。因此，即使当增加工艺压力以生长高温沉积层时，室内的气体强度也可保持在基本均匀的状态。

Description

化学气相沉积设备
本申请是申请日为2008年11月20日、申请号为200810176342.3、题为“化学气相沉积设备”的专利申请的分案申请。
本申请要求于2007年12月26日提交到韩国知识产权局的第10-2007-0137715号韩国专利申请和于2008年9月30日提交到韩国知识产权局的第10-2008-0096306号韩国专利申请的优先权，这些申请通过引用包含于此。
技术领域
本发明涉及一种化学气相沉积设备，该设备通过内部供应反应气体来均匀地并稳定地在晶片的表面上生长沉积层。
背景技术
通常，化学气相沉积(CVD)被用作在各种基底上生长各种晶体层的重要的方法。与液相沉积法相比，CVD对于生长高质量晶体层是有利的；然而，CVD由于相对低的晶体生长速率而不利。为了克服这个缺点，在每个循环过程中在多个基底上同时生长层。
然而，在于多个基底上同时生长层的情况下，基底应当被保持在相同的温度下并且暴露于相同的反应气流，以使在基底上生长的层的质量保持均匀。
可用于上述目的的方法的示例包括：利用多个注射管沿基底产生均匀气流的方法；围绕旋转轴放射状地布置多个基底并在旋转同一轴上的全部基底的方法(轨道运行法(orbiting method))；单独旋转多个基底的方法(单独旋转法)。相关领域的这些方法可以一起或单独使用。
发明内容
本发明的一方面提供一种化学气相沉积设备，即使工艺压力在用于生长高温沉积层的工艺条件下增加，所述设备也保持室内的气体密度在基本均匀的状态，并且防止强烈的气相反应，从而允许高质量的气相沉积。
根据本发明的一方面，提供一种化学气相沉积设备，所述设备包括：反应室，包括基座和反应炉，在基座上装载晶片，在反应炉中用化学气相沉积处理晶片；气体引入单元，设置在反应室的外壁，以从反应炉外部向反应炉中心部分供应反应气体；气体排出单元，设置在反应室的中心部分，以在反应气体被用于在反应炉中的反应之后将反应气体排放到反应室的上面的外部或下面的外部。
所述化学气相沉积设备还可包括流控制单元，所述流控制单元设置在气体引入单元和气体排出单元之间，以形成从气体引入单元到气体排出单元的均匀的气流。
所述化学气相沉积设备还可包括驱动单元，所述驱动单元提供转动动力，以沿一个方向转动基座。
所述化学气相沉积设备还可包括加热单元，所述加热单元设置为接近基座，以向基座供应热。
所述流控制单元可包括：障壁构件，设置在反应炉的外部，以在反应室中限定反应炉，并且在调节反应气体的压力的同时，将从气体引入单元供应的反应气体引入到反应炉；至少一个气体室，设置在反应室的外壁和障壁构件之间，用于存储从气体引入单元供应的反应气体并穿过障壁构件供应反应气体。
当设置有多个气体室时，所述化学气相沉积设备还可包括分隔多个气体室的至少一个分开构件。
所述化学气相沉积设备还可包括涡流防止单元，所述涡流防止单元设置在反应室中面对基座的一侧，以使基座和反应室之间的距离朝气体引入单元逐渐减小。
所述流控制单元可包括：倾斜障壁，设置在反应炉的外部以在反应室中限定反应炉，并在调节反应气体的压力的同时，将从气体引入单元供应的反应气体引入到反应炉中，倾斜障壁以预定角度倾斜；多个气体室，设置在反应室的外壁和倾斜障壁之间，用于存储从气体引入单元供应的反应气体，并穿过倾斜障壁供应反应气体；分隔气体室的至少一个分开构件。
所述化学气相沉积设备还可包括涡流防止单元，所述涡流防止单元设置在反应室中面对基座的一侧，以使基座和反应室之间的距离朝气体引入单元逐渐减小。
所述流控制单元可包括：多个气体室，设置在反应室中；至少一个分开构件，分隔气体室使得气体室具有不同的长度并且呈阶梯状；分开障壁，设置在气体室的端部，以在调节反应气体的压力的同时，将从气体引入单元供应的反应气体引入到反应炉中，其中，气体室设置在反应室的外壁和分开障壁之间，用于存储从气体引入单元供应的反应气体并穿过分开障壁供应反应气体。
所述化学气相沉积设备还可包括涡流防止单元，所述涡流防止单元设置在反应室中面对基座的一侧，以使基座和反应室之间的距离朝气体引入单元逐渐减小。
所述化学气相沉积设备还可包括多个平行引导构件，所述多个平行引导构件沿基本水平的方向设置在分开障壁上以引导反应气体的流动。
所述气体引入单元可包括与气体室连通的多个气体供应线，用于将不同气体供应到气体室。
驱动单元可包括：从动齿轮，形成在基座的外表面；主动齿轮，与从动齿轮啮合；旋转电机，设置在转动主动齿轮的传动轴的端部，用于提供转动动力。
所述化学气相沉积设备还可包括轴，轴设置在基座的中心部分，用于转动基座，所述轴在其中包括气体排出单元，其中，驱动单元包括：从动齿轮，设置在基座处；主动齿轮，与从动齿轮啮合；旋转电机，设置在转动主动齿轮的传动轴的端部。
气体排出单元可包括：排出孔，形成在反应室的内部的顶部或基座的中心部分；排出线，与排出孔连通。
附图说明
通过下面结合附图进行的详细描述，本发明的上述和其它方面、特征和其它优点将会被更清楚地理解，其中：
图1是示出根据本发明实施例的化学气相沉积设备的示意图；
图2是示出图1的化学气相沉积设备的侧面剖视图；
图3是示出根据本发明另一实施例的化学气相沉积设备的示意图；
图4是示出图3的化学气相沉积设备的侧面剖视图；
图5是示出在本发明的化学气相沉积设备的反应室中会产生的涡流的示意图；
图6是示出根据本发明实施例的包括在化学气相沉积设备中的流控制单元和涡流防止单元的视图；
图7是示出根据本发明另一实施例的包括在化学气相沉积设备中的流控制单元和涡流防止单元的视图；
图8是示出根据本发明另一实施例的包括在化学气相沉积设备中的流控制单元的视图；
图9是示出包括图7的涡流防止单元和图8的流控制单元的化学气相沉积设备的视图；
图10是示出根据本发明又一实施例的包括在化学气相沉积设备中的流控制单元的视图；
图11是示出包括图7的涡流防止单元和图10的流控制单元的化学气相沉积设备的视图；
图12是示出根据本发明实施例的添加到图10的流控制单元的引导构件和循环线的视图；
图13A至图13E是示出根据本发明实施例的化学气相沉积设备的障壁的示例的视图。
具体实施方式
现在将参照附图详细描述本发明的示例性实施例。
本发明的化学气相沉积设备可应用到利用化学反应用于在目标(例如晶片)上沉积薄层(膜)的任何化学气相沉积设备。
图1是示出根据本发明实施例的化学气相沉积设备的透视图，图2是示出图1的化学气相沉积设备的侧面剖视图。
如图1和图2所示，当前实施例的化学气相沉积设备包括反应室10、驱动单元20、加热单元30、气体引入单元40、气体排出单元50和流控制单元60。
反应室10包括具有预定尺寸的内部空间作为反应炉1，被引入的反应气体和诸如晶片的沉积目标之间在反应炉1中发生化学气相反应，并且可在反应炉1的内部设置绝缘材料以保护反应炉1免受热气氛影响。
基座14设置在反应室10的内部，在基座14中形成有多个凹陷(pocket)15，用于容纳多个晶片2。即，基座14设置在反应炉1处。
如图2所示，基座14的外径比反应室10的外径小。基座14由诸如石墨的材料形成并且基座14具有盘形。可由具有排出孔51的中空管构件形成结合到反应室10的中心部的轴16。排出孔51形成气体排出通道。
驱动单元20提供转动力，使得上面装载有多个晶片2的基座14可不断地沿一个方向转动。
如图2所示，驱动单元20包括作为整体部件或分离结构的在基座14的外侧底表面处的从动齿轮21和与从动齿轮21啮合的主动齿轮22。主动齿轮22结合到旋转电机24的传动轴23的一端，旋转电机24响应施加的功率产生转动力。
在图4所示的另一实施例中，驱动单元20可包括作为整体部件或分离结构的结合到轴16的从动齿轮21a以及与从动齿轮21a啮合的主动齿轮22a。轴16可从基座14的底部沿垂直方向向下延伸。主动齿轮22a可结合到旋转电机24a的传动轴23a的一端，旋转电机24a响应施加的功率产生转动力。
由于该结构，因此当旋转电机24或24a运转时，上面装载有晶片2的基座14可由于啮合的主动齿轮22(22a)和从动齿轮21(21a)而以大约5rpm至大约50rpm的恒定速度沿一个方向旋转。
加热单元30设置为接近上面装载有晶片2的基座14的底部，向基座14辐射热以间接地加热晶片2。
加热单元30可以是电加热器、高频感应加热器、红外辐射加热器和激光加热器中的一种。
温度传感器(未示出)可设置在反应室10内并且在接近基座14的外表面或加热单元30的位置处，以检测反应室10内的温度来调节加热温度。
为了产生从反应室10的外部向反应室10的内部中心的气流，气体引入单元40设置在反应室10的外壁18处以将气体供应到反应室10。
气体引入单元40包括用于供应不同气体的第一气体引入单元41、第二气体引入单元42和第三气体引入单元43。例如，第一反应气体可以通过第一气体引入单元41供应，第二反应气体可通过第二气体引入单元42和第三气体引入单元43供应。
第一反应气体和第二反应气体可以不同或具有共同组分。可选地，可通过第一气体引入单元41、第二气体引入单元42和第三气体引入单元43来供应相同的气体，或者可通过第一气体引入单元41、第二气体引入单元42和第三气体引入单元43来分别供应三种气体。反应气体的种类可根据将要形成在目标上的沉积层来变化。
气体排出单元50设置在反应室10的中心部分，在气体被从外部供应到反应炉1的内部中心的同时，气体被用于在晶片2的表面上生长层，然后，气体排出单元50将气体(废气)排放到反应室10的上面的外部或下面的外部。
如图1和图2所示，气体排出单元50被构造成通过反应室10的底部中心部分来排放反应气体。为此，气体排出单元50可包括形成在结合到基座14的旋转中心的轴16中的排出孔51以及设置在排出孔51的下端处的排出线52。
在图3和图4所示的另一实施例中，气体排出单元50可包括穿过反应室10的顶部中心部分形成的排出孔51a以及连接到排出孔51a的排出线52a。
因此，在从反应炉1的外部供应(即，穿过外壁18供应)的反应气体向反应室10的中心流动的同时，反应气体与晶片2的上表面(沉积表面)反应以在晶片2的表面上生长层。随后，反应气体(废气)通过设置在基座14底侧的轴16的排出孔51排放到反应室10的下面的外部，或通过设置在反应室10的顶侧的排出孔51a排放到反应室10的上面的外部。
流控制单元60用于产生从气体引入单元40到气体排出单元50的均匀的气流。如图2和图4所示，流控制单元60包括气体室和障壁构件61。
气体室具有预定的尺寸并形成在反应室10的外壁18和障壁构件61之间。气体室与气体引入单元40连通，以暂时存储反应气体并穿过障壁构件61将气体供应到反应炉1。
可设置一个气体室，或者如图2和图4所示，可以设置多个气体室。
如图2和图4所示，化学气相沉积设备可包括与第一气体引入单元41连通的第一气体室11、与第二气体引入单元42连通的第二气体室12以及与第三气体引入单元43连通的第三气体室13。
障壁构件61垂直地设置并且朝反应室10的中心与反应室10的外壁18(最外侧)隔开预定距离。为此，由沿反应室10的外壁18的圆周连续地设置并与外壁18隔离开预定距离的圆筒构件来构造障壁构件61。
障壁构件61可由多孔体形成，从气体引入单元40供应的反应气体可穿过多孔体自由地流动。
多个气体室11、12和13可被分开构件64a和64b分开。
当反应气体从反应室10的外侧流向内部中心时，如图5所示，在反应气体穿过其而被引入的反应室10的周边侧会观测到不均匀的气流。
这会由当基座14装载有晶片2并且被加热单元30加热到高温时，基座14的顶表面和反应室10的顶板之间的热对流引起。
由于热对流，反应气流受到向上的浮力，因此反应气流的速率从反应室10的外部到中心逐渐加快。即，反应气体在反应室10的周边侧的速率比在反应室10的中心的速率低，因此产生诸如涡流的不均匀气流，从而导致在晶片2的沉积表面上的不稳定的反应并且导致在晶片2上生长不稳定的层。
因此，为了将涡流的产生最小化，或为了最终消除涡流的可能性，可在反应室10中面对基座14的表面处以这样的方式设置涡流防止单元70，即，基座14和反应室10之间的距离朝气体引入单元40逐渐减小，如图6和图7所示。
可通过使反应室10的内顶板向基座14突出来形成涡流防止单元70，或者通过将导热率低的材料诸如石英可拆卸地附着到反应室10的内顶板来形成涡流防止单元70。
如图6所示，涡流防止单元70的与基座14面对的外表面可包括与基座14的顶表面平行的水平表面71和与基座14的顶表面成预定角度的倾斜表面72。在图7中示出的另一实施例中，涡流防止单元70可包括具有预定曲率的弯曲表面73。
在图6和图7中，标号44表示第一气体引入单元41(参照图1)的气体引入孔；标号45表示第二气体引入单元42(参照图1)的气体引入孔；标号46表示第三气体引入单元43(参照图1)的气体引入孔。
以相同的方式将气体引入孔44、45和46应用到图8至图11中示出的实施例。
如图8和图9所示，流控制单元60可包括以预定角度倾斜的倾斜障壁62以及分开构件65a和65b，分开构件65a和65b被构造成将限定在倾斜障壁62和外壁18之间的气体室分为第一气体室11、第二气体室12和第三气体室13。这样，流控制单元60可具有倾斜结构。
倾斜障壁62倾斜并且向反应室10的中心与反应室10的外壁18隔开预定距离。为此，倾斜障壁62可由沿反应室10的外壁18的圆周离开外壁18预定距离连续地设置的圆筒构件来构造。
与障壁构件61相似，倾斜障壁62可由多孔体形成，从气体引入单元40供应的反应气体可穿过多孔体自由流动。
由于流控制单元60包括倾斜障壁62以及分开构件65a和65b，所以上气体室(例如，气体室11)比下气体室(例如，气体室13)长。因此，在反应炉1中，冷的反应气体在反应炉1的上侧可比在反应炉1的下侧流得更远，因此，能抑制热对流并且可以使气流稳定并保持均匀。
图9示出了根据本发明的实施例的化学气相沉积设备，该化学气相沉积设备包括：图8中示出的倾斜障壁62、分开构件65a和65b以及气体室11、12和13；图7中示出的涡流防止单元70。
通过将流控制单元60和涡流防止单元70以这样的方式组合，反应气体可在反应炉1中更均匀地流动。
在图10和图11中示出的另一实施例中，多个气体室11、12和13可在反应炉1的周边侧以阶梯的方式形成，分开障壁63a、63b和63c可设置在气体室11、12和13的端部以形成多阶梯流控制单元60。
换言之，图10的化学气相沉积设备的流控制单元60包括第一气体室11、比第一气体室11短并从第一气体室11缩进的第二气体室12和比第二气体室12短并从第二气体室12缩进的第三气体室13。
此外，第一分开障壁63a设置在第一气体室11的与反应炉1的内部面对的端部处，第二分开障壁63b设置在第二气体室12的与反应炉1的内部面对的端部处，第三分开障壁63c设置在第三气体室13的与反应炉1的内部面对的端部处。
气体室11、12和13被分开构件66a和66b分隔。
由于上述流控制单元60的多阶梯结构，所以上气体室(例如，气体室11)比下气体室(例如，气体室13)长。因此，在反应炉1中，冷的反应气体在反应炉1的上侧可比在反应炉1的下侧流得更远，因此，能抑制热对流并且可以使气流稳定并保持均匀。
图11示出了根据本发明的实施例的化学气相沉积设备，该化学气相沉积设备包括：图10中示出的分开障壁63a、63b和63c、分开构件66a和66b以及气体室11、12和13；图7中示出的涡流防止单元70。
通过将流控制单元60和涡流防止单元70以这样的方式组合，反应气体可在反应炉1中更均匀地流动。
图12示出了根据本发明实施例的添加到图10的流控制单元的引导构件和循环线。
参照图12，多个引导构件67可沿气流方向分别设置在分开障壁63a、63b和63c上，以向反应炉1的内侧引导气流。
由于引导构件67以预定的长度引导气流，所以气流可以均匀。沿着向下的方向，引导构件67的长度会减小。
如图12所示，循环线68可设置在气体室11、12和13的外部，以允许冷却剂沿反应室10的外壁18流动，来冷却反应室10。
障壁构件61、倾斜障壁62以及分开障壁63a、63b和63c(在下文中，称作障壁)是多孔的，使得反应气体能穿过障壁自由地流动。障壁可由如图13A所示的具有多个细孔的多孔介质M形成。
可选地，如图13B所示，障壁可由板P形成，穿过板P形成内径相同或内径不同的多个孔H以允许反应气体穿过障壁自由地流动。
可选地，如图13C和图13D所示，障壁可由板P形成，穿过板P形成多个水平狭缝S1或垂直狭缝S2以允许反应气体穿过障壁自由地流动。
可选地，如图13E所示，障壁可由垂直杆P1和以直角或预定角度与垂直杆P1交叉的水平杆P2形成，在垂直杆P1和水平杆P2之间限定了具有预定尺寸的空间S。
根据本发明的实施例，可在化学气相沉积设备中执行沉积如下。将诸如晶片2的沉积目标装载到设置在反应室10中的基座14的凹陷15中。
在装载晶片2之后，将功率供应到接近基座14设置的加热单元30，然后加热单元30向基座14辐射热，使得晶片2被加热到大约700℃至大约1200℃的温度，并且反应室10的内部保持高温状态。
参照图2，旋转电机24运转以转动与形成在基座14处的从动齿轮21啮合的主动齿轮22。可选地，如图4所示，旋转电机24a运转以转动与设置在基座14的轴16处的从动齿轮21a啮合的主动齿轮22a。这样，基座14沿一个方向旋转。
在这种状态下，通过连接到反应室10的外壁18的气体引入单元40供应反应气体。如图1至图4所示，供应的反应气体暂时在反应室10的外壁18和隔开外壁18预定距离的流控制单元60之间限定的气体室11、12和13停留。然后，反应气体穿过由多孔体形成的障壁构件61以层流的形式流至反应室10的内部。
即，随着反应气流穿过流控制单元60，反应气流变为层流，从而可沿从反应室10的外部向反应室10的中心的方向形成反应气体的层流。
这时，从反应室10外侧供应的反应气体会受到由被加热到高温的基座14的顶表面和反应室10的顶板之间的热对流引起的向上的浮力，因此，反应气流会变得不稳定。
为了防止这种情况，如图6和图7所示，本发明的化学气相沉积设备包括在障壁构件61和反应室10的顶板之间的涡流防止单元70，以朝气体引入单元40逐渐减小基座14和反应室10之间的距离，从而反应气流可以被稳定并保持均匀。
如图8和图9所示，流控制单元60可具有倾斜形状，或如图10和图11所示，流控制单元60可具有多阶梯形状，以允许冷的反应气体在反应炉1的上部内侧比在反应炉1的下部内侧运动得更远。在这种情况下，可抑制热对流，并且反应气流可以被稳定并保持均匀。
通过设置在反应室10的周边侧的流控制单元60供应到反应室10的中心部分的反应气体与晶片2的顶表面(沉积表面)反应，以通过化学沉积在晶片2的顶表面上均匀地生长层。然后，将反应气体(废气)与副产物一起从反应室10的中心部分通过反应室10的上侧或下侧排放到反应室10的外部。
即，如图1和图2所示，在设置在基座14的底侧的轴16由具有连接到排出线52的排出孔51的中空管形成的情况下，废气通过排出孔51和排出线52从反应室10的中心部分排放到反应室10的下面的外部。
可选地，如图3和图4所示，在排出孔51a形成在反应室10的顶部中心部分并连接到排出线52a的情况下，通过由加热到高温的基座14引起的强的热对流，废气通过排出孔51a和排出线52a从反应室10的中心部分平稳地排放到反应室10的上面的外部。
根据本发明的化学气相沉积设备，即使工艺压力在用于生长高温沉积层的工艺条件下增加，室内部的气体强度也能保持在基本均匀的状态。
此外，通过连接到反应室外部的气体引入单元供应到反应室的周边侧的反应气体暂时地存储在流控制单元中，然后反应气体供应到反应室的中心部分，从而防止在气体引入单元附近产生由加热到高温的基座表面的热对流引起的涡流或将产生的涡流最小化。此外，废气可从反应室向反应室的上面的外部或下面的外部排放。因此，可提高气流的均匀性，并且可防止在反应室内的强烈的气相反应。因此，可制造上面均匀地生长有层的高质量沉积晶片。
虽然已经结合示例性实施例示出并描述了本发明，但是本领域技术人员应该理解，在不脱离如权利要求限定的本发明的精神和范围的情况下，可以进行修改和变化。

Claims (7)

1.一种化学气相沉积设备，包括：
反应室，包括基座和反应炉，在基座上装载晶片，在反应炉中用化学气相沉积处理晶片；
气体引入单元，设置在反应室的外壁，以从反应炉外部向反应炉中心部分供应反应气体；
气体排出单元，设置在反应室的中心部分，以在反应气体被用于在反应炉中的反应之后将反应气体排放到反应室的上面的外部或下面的外部，
流控制单元，所述流控制单元设置在气体引入单元和气体排出单元之间，以形成从气体引入单元到气体排出单元的均匀的气流。
2.如权利要求1所述的化学气相沉积设备，还包括驱动单元，所述驱动单元提供转动动力以沿一个方向转动基座。
3.如权利要求1所述的化学气相沉积设备，还包括加热单元，所述加热单元设置为接近基座以向基座供应热。
4.如权利要求1所述的化学气相沉积设备，其中，流控制单元包括：
障壁构件，设置在反应炉的外部，以在反应室中限定反应炉，并在调节反应气体的压力的同时，将从气体引入单元供应的反应气体引入到反应炉中；
至少一个气体室，设置在反应室的外壁和障壁构件之间，以存储从气体引入单元供应的反应气体并穿过障壁构件供应反应气体。
5.如权利要求4所述的化学气相沉积设备，其中，当设置多个气体室时，化学气相沉积设备还包括分隔多个气体室的至少一个分开构件。
6.如权利要求4所述的化学气相沉积设备，还包括涡流防止单元，所述涡流防止单元设置在反应室中面对基座的一侧，以使基座和反应室之间的距离朝气体引入单元逐渐减小。
7.如权利要求1所述的化学气相沉积设备，其中，气体排出单元包括：
排出孔，形成在反应室的内部的顶部或基座的中心部分；
排出线，与排出孔连通。
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