CN102317502A

CN102317502A - 气体沉积反应器

Info

Publication number: CN102317502A
Application number: CN2010800074838A
Authority: CN
Inventors: J·毛拉; H·莱斯基宁; K·海尔克宁
Original assignee: Beneq Oy
Current assignee: Qingdao Sifang Sri Intelligent Technology Co ltd
Priority date: 2009-02-13
Filing date: 2010-02-11
Publication date: 2012-01-11
Anticipated expiration: 2030-02-11
Also published as: EP2396453A1; FI123769B; CN102317502B; WO2010092235A1; EA201171044A1; FI20095139A; EA026093B1; FI20095139A0; EP2396453A4; US20110265720A1

Abstract

本发明涉及用于气体沉积方法的反应器，在该方法中，对基体的表面进行交替的起始原料表面反应。反应器包括第一室(2)、安装在第一室(2)内部的第二室(4)以及用于加热第一室(2)的加热装置。根据本发明，反应器还包括一个或多个用于平衡第一室(2)内部温差的传热元件(8)。

Description

气体沉积反应器

技术领域

本发明涉及一种用于气体沉积方法的气体沉积反应器，尤其是涉及用于对基体表面进行交替的起始原料表面反应的气体沉积方法的气体沉积反应器，该反应器包括第一室、安装在第一室内部的第二室以及用于加热第一室的加热装置。

背景技术

气体沉积方法通常使用气体沉积反应器，其包括第一室和设置在第一室内部的第二室。通常用压力室(例如将系统与环境隔离的低压室)作为第一室。代替低压室，也可以使用过压室或具有大体上标准大气压的室。典型地在低压室中使用的压力为大约10至1000Pa。即使在较低压力下，考虑到自然对流现象，第一室结构的尺寸通常相对较大。该自然对流会使第一室内部发生热失衡。单独的第二室(例如在内部放置待处理基体的反应室)通常设在第一室内部。自然对流还会导致第二室内部产生温差，特别是当第二室尺寸变大时。传统上，借助设置在第二室的壁上的加热装置或者通过利用辐射来间接地加热第二室的壁(例如当加热装置安装在第一室的壁上时)，对第二室以及从而对其内的基体进行加热。

为了高效生产，必要的是气体沉积设备在连续反复次的过程中以及在同一次过程中生成具有一致特性的覆层、沉积层或掺杂层。换句话说，适当的是在不同批或在同一批中处理的产品具有一致的特性，从而气体沉积方法的过程参数必须在连续次的过程中以及在同次过程内在反应器的不同位置都是一致的。这样，关键的过程参数必须在不同次的过程中以及在一次过程中在反应器的不同位置都不变。这些关键过程参数中的一个是在沉积过程中基体(被镀覆的表面)的温度。覆层的沉积速率通常取决于基体温度，从而在连续次的过程中或在同一次过程内基体温度的偏差会导致覆层特性偏离所要求的值。

在对基体表面进行起始原料连续表面反应的气体沉积方法中，成批处理是有利的，因为对基体的加热和镀覆/掺杂花费大量的时间，因而对并排的几个基体进行处理提供了经济优点。此外，气体沉积方法例如ALD(原子层沉积)特别适合于进行成批处理，因为ALD提供了极佳的均匀覆层特性并能够使待镀覆部件在第二室内的定位有极大的自由度。当使用处理大工件的大反应器或高反应器或者一下子采用包括大量彼此叠置基体的批次时，例如，反应器的尺寸在第一室内产生温差。该温差通常是由于第一室、第二室和其他部分的结构导致的，这会在第一室内产生和控制热流。例如，在第一室的一些部分中，热流会朝第二室流动，而在其他部分则远离第二室流动。这样，热流在第二室周围产生温差。然后，最高温度通常在反应器或第一室的顶部，最低温度在底部。另一个对此有影响的因素是自然对流，即使加热效果在第一室的高度上均匀地分布，自然对流也会在第一室内产生温差。

在现有技术的方案中，尝试用强制对流来平衡炉内或加热的反应器内的温差。然而，气体沉积方法对流动敏感，并且使用吹风机或相应的强制对流方法会对气流产生不期望的干扰。第二室的外部强制对流是一种可能的方案，但是由流动导致的微粒运动是有害的，且通常在镀覆装置中不使用强制对流。此外，自然对流也会在第二室内部产生温差，特别是当第二室尺寸变大时。在将若干个基体彼此叠置地放在支撑架上的成批处理中，由于上述的温差，支撑架顶部基体的温度会与底部基体的温度不同。在现有技术中，通过在支撑架内例如在重叠的基体之间放置加热器或相应的加热装置来解决该问题。上述单独加热器的使用也能够处理大的或高的基体。在支撑架或其他基体支撑结构或在第二室中使用单独加热器使得设备不必要地复杂化，因为加热器需要进行保护，以便在实施气体沉积方法的过程中不会在加热器上形成沉积层。

发明内容

因此，本发明的目的是开发一种用于气体沉积方法的气体沉积反应器，以便解决上述问题。本发明的目的是通过以下气体沉积反应器来实现的，该反应器的特征在于反应器还包括一个或多个由导热材料制成的传热元件，用于平衡和/或调节第一室内部的温差。

在从属权利要求中描述了本发明的优选实施例。

本发明是基于将至少一个由导热材料制成的传热元件定位在气体沉积反应器第一室的内表面和第二室的外表面之间的空间中。传热元件可以是定位在第一和第二室之间的空间中的单独的传热元件，使得传热元件将热从第一室的内部传递走，或者使得传热元件通过在第一室内部从热区到冷区的传导来传递热，从而平衡第一室内部的温差。可选地，传热元件可以设置作为第一室内表面的至少部分衬层，或者作为第二室外表面的衬层，这样传热元件相应地就能够平衡第一室内部或者第二室周围的温差。

这种传热元件优选地是静止的被动元件，即使没有来自被处理基体的反馈，传热元件也能传递热并且平衡第一室内部的温差以及第二室的温度，不受供入第二室的起始原料或其他气体物质的影响。本发明的方案还提供的优点是：结构简单，容易在制造新的气体沉积反应器的过程中实施，以及容易安装在现有的气体沉积反应器上。

附图说明

现在参考附图并借助优选实施例来更加详细地描述本发明，其中：

图1是本发明的一个实施例的示意图，其中，单独的传热元件安装在第一室的顶部；

图2是本发明的第二实施例的示意图，其中，传热元件设置作为第一室内表面的衬层；以及

图3是本发明的第三实施例的示意图，其中，传热元件设置作为第二室外表面的衬层。

具体实施方式

图1示出了根据本发明的气体沉积室的一个实施例。根据图1，气体沉积反应器包括第一室2，其可以是低压室、过压室或具有大体上标准大气压力(NTP：1bar，0℃)的压力室。这里，低压表示相对于NTP状态而言的低压，过压表示相对于NTP状态而言的过压。第一室2将系统与环境隔离。典型地，在低压室中使用的压力为10至1000。低压室可以是任何现有技术的低压室，或者是在气体沉积反应器中使用的一些其他相应的低压室。可选地，用过压室或一些其他相应的室替代低压室。根据本发明的气体沉积反应器特别适用于气体沉积方法，其中，对基体的表面进行交替的起始原料表面反应。这类气体沉积方法包括ALD(原子层沉积)和ALE(原子层外延)等。在这些和相应的方法中，表面沉积是基于由表面控制的反应，以便在基体的所有表面上提供一致的沉积。在这类气体沉积反应器中，温度是关键过程参数之一，因为在基体表面上的沉积速率取决于温度。这里，基体表示任何单个工件、产品等，或者表示在气体沉积反应器中被处理和在镀覆操作中同时被处理的一组或一系列工件、产品等。

如图1所示，单独的第二室4，即在内部放置了进行处理的基体的反应室或镀覆室，进一步定位在第一室2内。第二室4可以是根据现有技术的任何反应室，或者是用于定位在第一室2内的任何相应的反应室。气体沉积反应器还包括用来加热第一室2内部的加热装置(未示出)。设置该加热装置来加热第二室4。在间接加热第二室4时，例如借助热辐射或气体热传导来间接加热第二室4的壁。在间接加热第二室4时，加热装置例如可安装在第一室2的侧壁、端壁、顶壁或底壁上，通过辐射或气体来从第一室2的侧壁、端壁、顶壁或底壁传递热以加热第二室4。例如，加热装置可以是电阻器。此外，加热装置优选定位、安装和实施成使得可以利用加热装置在第二室4内获得尽可能均匀的温度分布，也就是说使第二室4内和其周围的温差尽可能地小。然而，第一室2的内壁和第二室4的外壁之间的空间6容易导致第一室2内产生温差，从而也在第二室4内产生温差。这些温差通常是由第一室2、第二室4和其他部分的结构导致的，从而会在第一室2内产生和控制热流。然后，第二室4周围的热流会不均匀地分布，使得在某些位置热流朝第二室4前进，而在其他部分热流远离第二室4运动。在这种情况下，在第二室4的不同位置之间产生了温差。因此，本发明的目的是以一种简单有效的方式平衡这些温差。

根据本发明，利用传热元件8实现上述温差的平衡。在图1的实施例中，单独的传热元件8定位在第一室2和第二室4之间的空间中位于第一室2的顶部。根据以上所述，气体沉积反应器的第一室2中的温度分布典型地是使得第一室2的顶部具有比底部更高的温度。在图1的实施例中，加热装置典型地是布置在第一室2的侧壁7、9和/或顶壁或底壁上和/或布置在圆筒形第一室2的壳体上，使得引导到第二室4的热能优选在每个方向都大体上相等。可选地，加热装置以某些其他方式布置，使得热可通过圆筒形第一室2的侧壁7、9和/或顶壁或底壁和/或壳体进入第一室2内部。在该方案中，典型地是在第二室4的表面侧3、5分别布置装载口和维修口。但是，通常在表面侧3、5附近形成低温区。因此，在图1的方案中，传热元件8定位在温度较高的第一室2的顶部。传热元件8优选地是细长的并水平延伸到优选靠近第一室2的表面侧3、5。因此，传热元件8能够从第一室2的顶部向靠近表面侧3、5的低温区传热。然后，通过从第一室2的顶部去除热能，传热元件8平衡第一室2内的温差。

在一个可选的方案中，单独的传热元件8可布置成使得它还能够将热从第一室2的内部传递走。那么，传热元件8可连接到第一室2的表面侧3、5，使得从传热元件8传递热能并从第一室2传递出热能。传热元件8的温度可被测量，并通过例如在将热能带出第一室2的部分上使用主动冷却来调节传热元件8的温度。在另一个方案中，如果例如第一室2的表面侧3、5中的一个或两者都设置有加热装置或者以其它方式通过表面侧将热传递给第一室2，则可以将单独的传热元件8定位在第一室2和第二室4之间的空间6中，大体上在第一室2的顶部和底部之间延伸。可以设置有一个或多个传热元件8，它们可以大体上垂直于竖直方向延伸或者相对于竖直方向成一角度地延伸。这样，就能够从温度较高的第一室2的顶部向温度较低的第一室2的底部传热。传热元件8可以是板状、杆状或其他适合于传热的相应结构。根据该实施例，传热元件8定位在第一室2的内部，作为安装在第一室2的内表面和第二室4的外表面之间的空间6中并与第一室2的内表面和第二室4的外表面相隔一定距离的单独元件。

图2示出了本发明的另一个实施例。在该实施例中，第一室2的内表面衬有传热元件8。虽然图2示出了第一室2的内表面整个地衬有传热元件8，但是这种衬层也可以是做成使得第一室2的仅仅一部分内表面衬有一个传热元件8或若干个传热元件8。因此，例如第一室2的表面侧3、5可以在第一室2的内部衬有传热元件8，或者可选地仅在第一室2的顶侧7或底侧9衬有传热元件8。换句话说，在该实施例中，第一室2的内表面完全地或在任意部分衬有传热元件8，传热元件通过从高温区向低温区传导热或者把热从第一室2的内部传导走来平衡第一室2内的温差。在图2的实施例中，传热元件8可以是例如安装在第一室2的内表面上的传热板。可选地，可以使用若干个安装在第一室2的内表面上的杆状、肋状或相应元件作为传热元件8。这些传热元件8可以均匀地覆盖第一室2的内表面，或者可以彼此相隔一定距离并排安装。这样，通过传导来从热区向冷区传热，传热元件8平衡第一室2内的温差。可选地，传热元件8布置成通过把热从第一室2传导走并且特别是从第一室2的热区传导走来传递热。在该实施例中，如果加热装置彼此靠近布置，则传热元件8还能够用作辐射热源。

图3示出了本发明的又一个实施例。在该实施例中，第二室4的外表面衬有一个或多个传热元件8。虽然图3示出了第二室4的外表面整个地衬有传热元件8，但是这种衬层也可以是做成使得第二室4的仅仅一部分外表面衬有一个传热元件8或若干个传热元件8。这样，例如第二室4的表面侧15、17或顶侧和/或底侧13、11可以在第二室4的外部衬有传热元件8。换句话说，在该实施例中，第二室4的外表面完全地或在任意部分衬有传热元件8，传热元件通过从高温区向低温区传导热或者把热从第二室4的内部传导走来平衡第一室2内的温差和/或第二室4的外表面上的温差。在图3的实施例中，传热元件8可以是例如安装在第二室4的外表面上的传热板。可选地，可以使用若干个安装在第二室4的外表面上的杆状、肋状或相应元件作为传热元件8。这些传热元件8可以均匀地覆盖第二室4的外表面，或者可以彼此相隔一定的距离并排安装。在第二室4的外表面上安装的传热元件8是有利的，因为它们能够有效地平衡引导到第二室4的热能。换句话说，设在第二室4的外表面上的传热元件8通过传导来平衡第二室4的温度。

本发明的传热布置能够平衡低压室2中的温差，因此也能够以简单的方式平衡在第一室2和第二室4的不同位置处引导到反应室的热能。在一个优选的实施例中，传热元件8是静止的被动元件。然而，可选地，可以将传热元件8连接到可用来调节传热元件8温度的热敏元件。然后，传热元件8可操作性地连接到反应器的加热装置以调节传热元件的温度，或者传热元件可操作性地连接到反应器的加热装置以调节第一室2的温度。此外，可以布置反馈耦合器，其利用从第二室4、第一室2或基体的温度测量获得的值来控制传热元件8或热敏元件的温度。传热元件8优选由铝或其他一些具有良好导热性的材料制成，例如铜、铍、钼、锆、钨、锌或它们的化合物。传热元件8优选形成为具有用于有效传热的足够大的表面积和质量。

对本领域技术人员来说显而易见的是，随着技术进步，可以用多种不同方式实施本发明的基本思想。因此，本发明及其实施例不限于上面描述的实例，而是可以在权利要求的范围内变化。

Claims

1.一种用于气体沉积方法的气体沉积反应器，在该方法中对基体的表面进行交替的起始原料表面反应，该反应器包括第一室(2)、安装在第一室(2)内部的第二室(4)以及用于间接加热第二室(4)的加热装置，其特征在于，气体沉积反应器还包括一个或多个由导热材料制成的传热元件(8)，用于平衡和/或调节第一室(2)内部的温差。

2.根据权利要求1所述的气体沉积反应器，其特征在于，传热元件(8)由导热良好的材料制成，以便通过热传导来平衡第一室(2)内部的温差。

3.根据权利要求1或2所述的气体沉积反应器，其特征在于，传热元件(8)定位在第一室(2)和第一室内部的第二室(4)之间的空间(6)中。

4.根据权利要求1至3中任何一项所述的气体沉积反应器，其特征在于，传热元件(8)定位在加热装置和第二室(4)之间。

5.根据权利要求1至4中任何一项所述的气体沉积反应器，其特征在于，传热元件(8)安装在第一室(2)的内表面或第二室(4)的外表面上。

6.根据权利要求1至5中任何一项所述的气体沉积反应器，其特征在于，传热元件(8)布置成将第一室(2)内的热从热区传递到冷区或者从第一室(2)的内部传递走。

7.根据权利要求6所述的气体沉积反应器，其特征在于，传热元件(8)布置成将热从第一室(2)的顶部传递走。

8.根据权利要求6或7所述的气体沉积反应器，其特征在于，传热元件(8)布置成在第一室(2)的顶部大体上水平地延伸，以便将第一室(2)顶部的热向第一室(2)的端壁(3、5)传递或者从第一室(2)的内部传递走。

9.根据权利要求1至7中任何一项所述的气体沉积反应器，其特征在于，传热元件(8)布置成沿与自然对流相反的方向传热。

10.根据权利要求9所述的气体沉积反应器，其特征在于，传热元件(8)布置成在第一室(2)内至少部分地垂直于竖直方向延伸或者相对竖直方向成角度地延伸，以便从第一室(2)的顶部向第一室(2)的底部传热或者把热从第一室(2)的内部传走。

11.根据权利要求1至10中任何一项所述的气体沉积反应器，其特征在于，传热元件(8)形成为布置在第一室(2)的内表面上的衬层，该衬层覆盖第一室(2)的至少部分内表面。

12.根据权利要求1至11中任何一项所述的气体沉积反应器，其特征在于，传热元件(8)形成为布置在第二室(4)的外表面上的衬层，该衬层覆盖第二室(4)的至少部分外表面。

13.根据权利要求1至12中任何一项所述的气体沉积反应器，其特征在于，通过使第二室(4)和/或第一室(2)的结构大体上比它们功能所要求的更厚，来从结构上设置传热元件(8)。

14.根据权利要求1至13中任何一项所述的气体沉积反应器，其特征在于，传热元件(8)是被动传热元件。

15.根据权利要求1至13中任何一项所述的气体沉积反应器，其特征在于，热敏元件连接到传热元件(8)，用于调节传热元件(8)的温度。

16.根据权利要求14所述的气体沉积反应器，其特征在于，传热元件(8)操作性地连接到反应器的加热装置，以调节传热元件(8)的温度；或者传热元件(8)操作性地连接到气体沉积反应器的加热装置，以调节第一室(2)和/或第二室(4)的温度。

17.根据权利要求15或16所述的气体沉积反应器，其特征在于，热敏元件包括反馈耦合器，其中，根据第二室(4)、第一室(2)或基体的温度调节传热元件(8)的温度。

18.根据权利要求1至17中任何一项所述的气体沉积反应器，其特征在于，传热元件(8)由铝、铜、铍、钼、锆、钨、锌或它们的化合物制成。

19.根据权利要求1至18中任何一项所述的气体沉积反应器，其特征在于，第一室(2)是包括低压、过压或大体上标准大气压的压力室。

20.根据权利要求1至18中任何一项所述的气体沉积反应器，其特征在于，第二室(4)是对基体表面进行交替的起始原料表面反应的反应室。