CN103266307A - 反应腔 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种反应腔。包括腔体内衬、冷却腔体和吹扫结构，所述吹扫结构包括从所述冷却腔体外穿过所述冷却腔体的第一进气管，所述第一进气管朝向腔体内衬一端具有出气口，从所述第一进气管的出气口到所述腔体内衬面向所述冷却腔体的表面最短距离的连线方向为第一方向，吹扫气体从所述出气口导出的方向为第二方向，由于第二方向与第一方向成夹角，可以延长吹扫气体扩散路径，且使得接触内衬的面积也增大，减少了降温的效果，从而减少了腔体内衬局部温度过低的情况发生，能够形成均匀的气流场，同时能够使得腔体内衬与冷却腔体内壁之间的空间得到保护并且维持平稳，有利于维持反应的正常进行。

Description

反应腔

技术领域

本发明涉及半导体设备，特别是一种至少可以应用在化学气相沉积中的反应腔。

背景技术

通常，化学气相沉积腔例如MOCVD反应腔包括腔体内衬和冷却腔体。其中，所述腔体内衬套设在所述反应腔内并围绕反应腔的反应区域，所述冷却腔体围绕所述腔体内衬，以便将外部隔离。

在进行反应时，腔体内衬内部的反应区域高温环境中，以提供需要的反应环境，此外，请参考图1，现有技术在冷却腔体2一周的多个位置中设置有多个气体管道3，沿冷却腔体2的径向在冷却腔体2与腔体内衬1之间的区域通入吹扫气体，吹扫气体可以在冷却腔体2的内壁和腔体内衬1之间的区域中形成相对内衬内部反应区域的5正压力，防止反应过程中反应区域5中的部分反应气体进入冷却腔体2和腔体内衬1之间的空间，以避免由于混入反应气体而在冷却腔体2的侧壁和腔体内衬1之间形成颗粒沉积。

但是，现有的吹扫气体是沿腔体2的径向直接垂直吹向腔体内衬1。腔体内衬1内部为高温环境的反应区域5，由腔体内衬1向外至冷却腔体2的方向的温度逐渐降低，而通入的吹扫气体通常的温度为室温，直接从气体管道3喷射至腔体内衬1外侧壁，如图1中虚线所示，会造成气体管道3对应点4的腔体内衬的局部温度低于其他区域的温度，从而会在反应区域5靠近腔体内衬1的对应点4处形成气流场和温度场的涡旋，导致腔体内衬1内的反应区域5局部气流场和温度场不均匀，从而影响反应区域5中的反应的均匀性。

因此，需要对现有的反应腔组件进行改进。

发明内容

本发明的目的在于提供一种反应腔，以至少缓解现有技术中吹扫气体分布影响反应区域内的反应的均匀性的问题。

为解决上述技术问题，本发明提供一种反应腔，包括腔体内衬和冷却腔体，所述腔体内衬套设在所述反应腔内并围绕反应腔的反应区域；所述反应腔还包括吹扫结构，所述吹扫结构用于向所述冷却腔体与所述腔体内衬之间的空间通入吹扫气体；其特征在于：所述吹扫结构包括从所述冷却腔体外穿过所述冷却腔体，延伸到所述冷却腔体与所述腔体内衬之间的空间的第一进气管，所述第一进气管朝向腔体内衬一端具有出气口，从所述第一进气管的出气口到所述腔体内衬面向所述冷却腔体的表面最短距离的连线方向为第一方向，吹扫气体从所述出气口导出的方向为第二方向，所述第一方向与所述第二方向成夹角。

与现有技术相比较，本发明提供的反应腔，由于导出吹扫气体的第二方向与最短距离的第一方向成夹角，可以延长吹扫气体扩散路径，且使得接触内衬的面积也增大，减少了降温的效果，从而减少了腔体内衬局部温度过低的情况发生，能够形成均匀的气流场，同时能够使得腔体内衬与冷却腔体内壁之间的空间得到保护并且维持平稳，有利于维持反应的正常进行。

附图说明

图1为现有技术的反应腔的截面结构示意图；

图2为本发明第一实施例的反应腔的截面结构示意图；

图3为图2中的反应腔的局部放大图；

图4为本发明另一实施例的反应腔的截面结构示意图；

图5为图4中的反应腔的局部放大图。

具体实施方式

由背景技术中所记载的内容可知，现有技术的反应腔存在吹扫气体容易引起腔体内衬局部温度过低的问题。本发明的核心思想在于，通过改善通入吹扫气体的管道的出气口，使得吹扫气体的出气方向得到控制，并且扩展出气范围，从而可以改变吹扫气体的分布，较少或避免对衬底局部温度的影响。

请参考图2，本发明实施例提供一种反应腔，包括腔体内衬10和冷却腔体20，所述腔体内衬10套设在所述反应腔内并围绕反应腔的反应区域101，具体的，所述反应区域101内设置有相对设置的喷淋头和石墨盘（未图示），所述腔体内衬10与所述喷淋头和石墨盘围城的区域为反应腔的反应区域101，反应腔进行反应时，所述石墨盘被加热，同时冷却腔体20中的冷却部件发挥作用，使得所述反应腔的反应区域101的温度高于所述冷却腔体的腔壁温度。

在本实施例中，优选的，所述冷却腔体20为圆筒型腔体，所述腔体内衬10为圆筒形，所述反应腔还包括吹扫结构，所述吹扫结构用于向所述冷却腔体20与所述腔体内衬10之间的空间通入吹扫气体；具体的，所述吹扫结构包括从所述冷却腔体20外穿过所述冷却腔体20，延伸到所述冷却腔体20与所述腔体内衬10之间的空间的第一进气管30，所述第一进气管30朝向腔体内衬10一端具有出气口303，从所述第一进气管30的出气口303到所述腔体内衬10面向所述冷却腔体20的表面最短距离的连线方向为第一方向，在本实施例中，所述第一方向为出气口303指向所述腔体内衬10轴心的方向，吹扫气体从所述出气口303导出的方向为第二方向，所述第一方向与所述第二方向成夹角。

为了使得气体的分布更加均匀，所述吹扫结构包括多个第一进气管30，所述多个第一进气管30沿所述腔体周向均匀分布，本实施例中设置有4个第一进气管30，并使之均匀分布，一般情况下，3个或以上数量的第一进气管30即可以获得较佳的效果。

具体的，请结合图3，其为图2中区域a的局部放大图。

所述第一进气管30包括沿第一方向延伸的第一管道301及位于第一管道301端部且相连通的气体导向喷嘴302，所述气体导向喷嘴302具有出气口303，即所述第一进气管30的出气口303为所述气体导向喷嘴302的出气口303。具体的，所述气体导向喷嘴302两端扩展为出气口303，从而能够将吹扫气体方向引导为第二方向，所述第二方向与所述第一方向之间形成夹角α，优选的，所述出气口303的形状为向外扩张的喇叭状或台阶状。喇叭状或台阶状的出气口303可以减慢气体喷出速度，使得吹扫气体更好地扩散均匀。

优选的，所述夹角α大于等于45°，从而使得吹扫气体有足够长的路径进行扩散，且接触腔体内衬10的面积也增大，从而降低了对内衬10温度的影响。进一步优选的，所述夹角为大于90゜，从而使得吹扫气体扩散的径更长，对内衬10温度的影响更低；或者优选的，使得吹扫气体向冲击到内腔壁201扩散后在发射流向腔体内衬10，那么吹扫气体在所述冷却腔壁20与所述腔体内衬10之间的空间内扩散的更加均匀。此外，所述第二方向与所述第一方向之间形成夹角α，可以使得从第一进气管30进入的气体更快地在所述冷却腔壁20与所述腔体内衬10之间的空间内扩散均匀，有利于所述冷却腔壁20与所述腔体内衬10之间的空间内压力均匀分布。

为了使得吹扫气体尽快进入所述腔体内衬10与冷却腔壁20之间的区域，进行均匀分布，优选的，所述第一管道301的内管径R1大于所述气体导向喷嘴302的内管径R2，以便形成压力差。由于气体导向喷嘴302的两端是逐渐扩大的，所以此处气体导向喷嘴302的内管径R2为其内管径的最小值。

此外，请参阅图3，所述冷却腔体20包括内腔壁201、外腔壁203及位于二者之间的冷却部件202，例如所述冷却部件202可以是水冷系统；具体的，所述水冷系统可以是水冷冷却腔。

所述第一管道301与所述气体导向喷嘴302可以是一体成型，也可以是单独制作，例如，二者可以采取螺纹拧合在一起。

所述吹扫气体通常是氢气、氮气及氨气中的一种或多种。所述第一进气管30通常可以采用不锈钢制作，也可以采用不易与吹扫气体反应的或不易被吹扫气体腐蚀的合金制作。

请参考图4，其为本发明的另一实施例，与上一实施例相同的部件采用相同标号，并省略其说明。在本实施例中，所述反应腔还包括位于所述冷却腔体20外的匀气环50，所述均环50与所述多个第一进气管30连接的；考虑到第一进气管30的尺寸等情况，优选的，本实施例中还包括第二进气管40，以连接所述第一进气管30和匀气环50。所述第二进气管40设置在所述冷却腔体20外。所述吹扫气体先通入匀气环50，经匀气环50分布均匀后依次经过第二进气管40和第一进气管30由出气口303释放于所述腔体内衬10与所述冷却腔体20之间的空间。

具体的，请参考图5，其为图4中区域b的局部放大图。所示第一管道301贯穿所述腔体20，与所述气体导向喷嘴302相反的一端连接第二进气管40的一端，第二进气管40的另一端则连接于匀气环50。由图5中可知，三者连接后，气体导向喷嘴302、第一管道301、第二进气管40及匀气环50相连通，从而形成吹扫气体的进入通道，同样的，为了形成压力差，利于吹扫气体的在各个第一管道301中分布均匀，所述匀气环50、第二进气管40及第一进气管301的内管径逐渐减小（第一进气管30中，第一管道301的内管径大于气体导向喷嘴302的内管径）。所述气体导向喷嘴302的两端与实施例一相同，同样存在夹角α，可对应参考。

所述第二进气管40和匀气环50的材质也可以为不锈钢或其他合金。

本实施例引入了匀气环50，使得吹扫气体在所述各个第一管道301内较为均匀，使得从气体导向喷嘴303释放的气体的流速和浓度（基本）相同，那么这有利于维持压力的稳定和改善吹扫气体在腔体内衬10与冷却腔体20之间的均匀性。

作为一个优选的实施例，所述气体导向喷嘴302、第一管道301、第二进气管40及匀气环50之间为可拆卸式连接，例如可以是螺纹拧合，也可以是利用压锁将两者间的连接处进行卡合连接。所述第一进气管30和所述匀气环50夹持所述第二进气管40，使得所述第二进气管40固定在所述第一进气管30与所述匀气环50之间。上述可拆卸式连接有着较强的适应性，便于拆装和更换，也可以节省成本。

在其他可行的实施例中，所述第一进气管30、第二进气管40及匀气环50至少两个之间为一体成型，这可视需要进行组合，本发明对此不作限定。

可以理解的是，虽然本发明的反应腔是MOCVD反应腔，可以用于外延沉积GaN材质薄膜。但是对于需要运用到通入吹扫气体以形成正压力的设备中皆可借用本发明或者进行适当的替换（例如腔体内衬的替换等）。

综上所述，本发明提供的反应腔，由于导出吹扫气体的第二方向与最短距离的第一方向成夹角，可以延长吹扫气体扩散路径，且使得接触内衬的面积也增大，减少了降温的效果，从而减少了腔体内衬局部温度过低的情况发生，能够形成均匀的气流场，同时能够使得腔体内衬与冷却腔体内壁之间的空间得到保护并且维持平稳，有利于维持反应的正常进行。

虽然，本发明以上实施例的方式进行揭示，但本发明不限于以上实施方式所述。如：所述第一管道301可以只包括一直喷管，所述直喷管的气体喷出方向为沿所述直喷管的延伸方向，所述直喷管插入到冷却腔体20与所述内衬10之间的区，且所述直喷管的延伸方向与所述第一方向成夹角，优选的，所述夹角大于等于45゜；又如所述第一管道301可以包括一直喷管和喷嘴挡板，所述喷嘴挡板挡设置在所述直喷管的出气口，如此，所述直喷管喷出的吹扫气体先打到所述喷嘴挡板然后反射扩散，从而改变所述直喷管喷出气体的方向，使得所述第一管道301的出气口303的气体导出方向与所述第一方向成夹角。

显然，本领域的技术人员可以对发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包括这些改动和变型在内。

Claims (15)

1.一种反应腔，包括腔体内衬和冷却腔体，所述腔体内衬套设在所述反应腔内并围绕反应腔的反应区域；所述反应腔还包括吹扫结构，所述吹扫结构用于向所述冷却腔体与所述腔体内衬之间的空间通入吹扫气体；其特征在于：所述吹扫结构包括从所述冷却腔体外穿过所述冷却腔体，延伸到所述冷却腔体与所述腔体内衬之间的空间的第一进气管，所述第一进气管朝向腔体内衬一端具有出气口，从所述第一进气管的出气口到所述腔体内衬面向所述冷却腔体的表面最短距离的连线方向为第一方向，吹扫气体从所述出气口导出的方向为第二方向，所述第一方向与所述第二方向成夹角。 

2.如权利要求1所述的反应腔，其特征在于，所述夹角大于等于45゜。 

3.如权利要求1所述的反应腔，其特征在于，所述夹角为大于90゜。 

4.如权利要求1所述的反应腔，其特征在于，所述冷却腔体为圆筒型腔体，所述内衬为圆筒形，所述第一方向为出气口指向所述内衬轴心的方向。 

5.如权利要求4所述的反应腔，其特征在于，所述吹扫结构包括多个第一进气管，所述多个第一进气管沿所述腔体周向均匀分布。 

6.如权利要求1所述的反应腔，其特征在于，所述第一进气管包括沿第一方向延伸的第一管道及位于第一管道端部的气体导向喷嘴，所述气体导向喷嘴具有出气口，所述第一进气管的出气口为所述气体导向喷嘴的出气口。 

7.如权利要求6所述的反应腔，其特征在于，所述气体导向喷嘴的出气口为向外扩张的喇叭状或台阶状。 

8.如权利要求5所述的反应腔，其特征在于，所述吹扫结构还包括位于所述冷却腔体外的匀气环，所述均环与所述多个第一进气管连接；所述吹扫气体先通入所述匀气环，再经匀气环分布到所述多个第一进气管。 

9.如权利要求8所述的反应腔，其特征在于，所述吹扫结构还包括连接于所述均气环与所述第一进气管之间的第二进气管，所述匀气环、第二进气管及第一进气管的内管径逐渐减小。 

10.如权利要求9所述的反应腔，其特征在于，所述第一进气管和第二进气管的材质为不锈钢。 

11.如权利要求9所述的反应腔，其特征在于，所述第一进气管、第二进气管及匀气环之间为可拆卸式连接。 

12.如权利要求1所述的反应腔，其特征在于，所述反应腔的反应区域的温度高于所述冷却腔体的腔壁温度。 

13.如权利要求1所述的反应腔，其特征在于，所述腔体内衬围绕的区域内设置有相对设置的喷淋头和石墨盘，所述腔体内衬与所述喷淋头和石墨盘围城的区域为反应腔的反应区域，反应腔进行反应时，所述石墨盘被加热。 

14.如权利要求1所述的反应腔，其特征在于，所述反应腔为MOCVD反应腔。 

15.如权利要求14所述的反应腔，其特征在于，所述反应腔用于外延沉积GaN材质薄膜。 

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