CN103361633B - 一种进气装置、反应腔室以及等离子体加工设备 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种进气装置、反应腔室以及等离子体加工设备，进气装置包括进气管，在所述进气管内设有多个独立的反应气体进气通道，在所述进气管上且位于所述托盘的上方设有多层反应气体进气口，每层所述反应气体进气口分别与一所述反应气体进气通道连通，所述反应气体进气口沿所述进气管的长度方向间隔设置，在相邻两层所述反应气体进气口之间设有用于将由不同所述反应气体进气口排出的气体隔离的隔离板，所述隔离板固定在所述进气管上，所述隔离板的自由端位于所述被加工工件内侧的上方位置。该进气装置可以提高反应气体的利用率，降低生产成本。

Description

一种进气装置、反应腔室以及等离子体加工设备

技术领域

本发明涉及微电子加工技术领域，具体地，涉及一种进气装置、反应腔室以及等离子体加工设备。

背景技术

金属有机化合物化学气相沉积(Metal Organic Chemical Vapor Deposition，以下简称MOCVD)是利用II或III族金属有机化合物与IV或V族元素的氢化物(以下简称源气体)混合，然后在加热的衬底表面使其发生热分解反应，并在衬底表面外延生长形成薄膜。通常，与上述源气体同时通入反应腔室的还有氮气、氢气等用以携带源气体的携带气体，在反应进行的过程中，携带气体用以将源气体携带至衬底表面，并将反应所生成的副产物带出反应腔室。

典型的MOCVD设备包括反应系统、气体输送系统以及排气系统。其中，反应系统包括反应腔室，在反应腔室内设有用于承载衬底等被加工工件的托盘以及向反应腔室内输送气体的进气管。进气管采用“四层进气方式”向反应腔室输送气体，即进气管自反应腔室的顶部伸入反应腔室内，在进气管的长度方向间隔设置四层进气口，其中，下面三层进气口向反应腔室通入源气体，如，从下至上依次通入V族气体、III族气体和V族气体，源气体进入反应腔室后混合，并在加热的衬底表面发生热分解反应，从而在衬底表面形成薄膜。最上层的进气口是向反应腔室通入诸如氢气、氮气或其它不与III/V族气体发生化学反应的携带气体，以避免反应产物在反应腔室的顶壁沉积。

上述进气管在实际应用过程中，由于源气体的流向与衬底的表面平行以及在温度较高的衬底上方形成的热对流均不利于源气体向衬底的扩散，使得反应物无法有效地沉积到衬底的表面。另外，由于衬底通常放置在托盘的周缘位置，而进气管的进气口靠近托盘的中心位置，即进气口与衬底相距较远，源气体在到达衬底之前即发生了反应，容易造成源气体的浪费，从而导致生产成本的增加。

发明内容

本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一，提出了一种进气装置、反应腔室以及等离子体加工设备，其能够减少源气体在到达衬底之前发生的反应，从而提高源气体的利用率，降低生产成本。

为实现本发明的目的而提供一种进气装置，用于向放置在托盘表面的被加工工件输送工艺气体，其包括进气管，在所述进气管内设有多个独立的反应气体进气通道，在所述进气管上且位于所述托盘的上方设有多层反应气体进气口，所述多层反应气体进气口沿所述进气管的长度方向间隔设置，每层所述反应气体进气口分别与一所述反应气体进气通道连通，并且，在相邻两层所述反应气体进气口之间设有用于将由不同所述反应气体进气口排出的气体隔离的隔离板，所述隔离板固定在所述进气管上，所述隔离板的自由端位于所述被加工工件内侧的上方位置；

所述进气装置包括气流调节单元，所述气流调节单元包括气流调节进气通道、气流调节进气口、气流调节腔体以及气流调节排气孔，其中，所述气流调节进气通道设置在所述进气管内，并与携带气体源连通；所述气流调节进气口设置在所述气流调节进气通道上且位于最上层所述反应气体进气口的上方位置；所述气流调节腔体固定在所述进气管且与所述气流调节进气口的位置相对；所述气流调节排气孔设置在所述气流调节腔体的下腔壁上；用于调节反应气体流向的携带气体依次流经所述气流调节进气通道、所述气流调节进气口、所述气流调节腔体和所述气流调节排气孔后向所述反应气体施加向下的作用力。

其中，所述气流调节腔体采用石英或陶瓷制作而成。

其中，多个所述气流调节排气孔均匀地设置在所述气流调节腔体的下腔壁上，或者在靠近所述气流调节进气口位置处设置的所述气流调节排气孔的数量少于在远离所述气流调节进气口位置处设置的 所述气流调节排气孔的数量。

其中，在靠近所述气流调节进气口位置处设置的所述气流调节排气孔的孔径大于在远离所述气流调节进气口位置处设置的所述气流调节排气孔的孔径。

其中，所述隔离板采用石英或陶瓷制作而成。

本发明还提供一种反应腔室，包括腔室壁、设置在所述腔室壁内部的用以承载被加工工件的至少一个托盘以及用以向所述腔室壁内部输送工艺气体的进气装置，所述进气装置包括进气管，在所述进气管内设有多个独立的反应气体进气通道，所述进气管垂直于所述托盘且位于所述托盘的中心位置处，在所述进气管上设有与所述托盘的数量对应的反应气体进气口组，所述反应气体进气口组位于所述托盘的上方，所述反应气体进气口组包括多层反应气体进气口，每层所述反应气体进气口分别与一所述反应气体进气通道连通，所述多层反应气体进气口沿所述进气管的长度方向间隔设置，并且，在相邻两层所述反应气体进气口之间设有用于将由不同所述反应气体进气口排出的气体隔离的隔离板，所述隔离板固定在所述进气管上且与所述托盘平行，所述隔离板的自由端位于所述被加工工件的边缘；

所述进气装置还包括与所述托盘数量相同的气流调节单元，所述气流调节单元包括气流调节进气通道和气流调节腔体，在所述气流调节进气通道上设有气流调节进气口，所述气流调节进气口设置在最上层所述反应气体进气口的上方位置，所述气流调节腔体固定在所述气流调节进气通道上且正对所述气流调节进气口，由所述气流调节进气口流出的气体进入所述气流调节腔体内，在所述气流调节腔体的下腔壁上且与所述被加工工件相对的位置处设有多个气流调节排气孔，自所述气流调节排气孔排出的气体向自所述反应气体进气口排出的反应气体施加向下的作用力。

其中，所述气流调节腔体采用石英或陶瓷制作而成。

其中，多个所述气流调节排气孔均匀地设置在所述气流调节腔体的下腔壁上，或者在靠近所述气流调节进气口位置处设置的所述气流调节排气孔的数量少于在远离所述气流调节进气口位置处设置的所述气流调节排气孔的数量。

其中，在靠近所述气流调节进气口位置处设置的所述气流调节排气孔的孔径大于在远离所述气流调节进气口位置处设置的所述气流调节排气孔的孔径。

其中，所述隔离板采用石英或陶瓷制作而成。

其中，在所述腔室壁的外侧设有感应加热线圈，所述感应加热线圈与交流电源连接，所述托盘采用石墨制成。

本发明还提供一种等离子体加工设备，其包括反应腔室、中央进气系统及排气系统，其中，所述反应腔室采用本发明提供的上述反应腔室，所述中央进气系统与所述进气管连接，所述排气系统与设置在所述反应腔室内的排气口连接。

本发明具有以下有益效果：

本发明提供的进气装置，借助设置在相邻两层反应气体进气口之间的隔离板可以避免反应气体在到达被加工工件表面之前发生反应，并使反应气体在到达被加工工件的表面后发生反应，从而提高反应气体的利用率，降低生产成本。

本发明还提供一种反应腔室，在反应腔室内的进气装置的进气管上设有隔离板，而且隔离板设置在相邻的反应气体进气口之间，借助隔离板可以避免反应气体在到达被加工工件表面之前发生反应，并使反应气体在到达被加工工件的表面后发生反应，从而提高反应气体的利用率，降低生产成本。

本发明还提供一种等离子体加工设备，在反应腔室内的进气装置的进气管上设有隔离板，而且隔离板设置在相邻的反应气体进气口之间，借助隔离板可以避免反应气体在到达被加工工件表面之前发生反应，并使反应气体在到达被加工工件的表面后发生反应，从而提高反应气体的利用率，降低等离子体加工设备的生产成本。

附图说明

图1为本发明实施例进气装置的结构简图；

图2为本发明实施例进气装置的气流调节单元的仰视图；以及

图3为本发明实施例反应腔室的结构简图。

具体实施方式

为使本领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图来对本发明提供的进气装置、反应腔室以及等离子体加工设备进行详细阐明。

图1为本发明实施例进气装置的结构简图。请参阅图1，进气装置用于向托盘2的表面放置被加工工件3的位置输送工艺气体，其包括进气管1，在进气管1内设有三个独立的反应气体进气通道(图中未示出)，并在进气管1上且位于托盘2的上方设有三层反应气体进气口11，且每层反应气体进气口11分别与一反应气体进气通道连通。三层反应气体进气口11在进气管1的长度方向间隔设置，并且在进气管1上且位于相邻的两层反应气体进气口11之间固定有隔离板4，其采用石英或陶瓷制作而成，用于将由不同反应气体进气口11排出的反应气体隔离，隔离板4的一端固定在进气管1上，隔离板4的另一端位于被加工工件3内侧的上方。需要说明的是，本实施例将固定在进气管1上的一端为隔离板4的固定端，与隔离板4的固定端相对的另一端为隔离板4的自由端。将被加工工件3放置在托盘2上时，靠近进气管1一侧(或靠近托盘2中心一侧)为被加工工件3的内侧，相反，远离进气管1一侧(或远离托盘2中心一侧)为被加工工件3的外侧。实际上，隔离板4延伸了反应气体进气口11，使反应气体在到达被加工工件3内侧的上方时才能混合反应。因此，本实施例借助设置在相邻两层反应气体进气口11之间的隔离板4可以避免反应气体在到达被加工工件3表面之前混合，从而避免了反应气体在到达被加工工件3表面之前发生反应，同时使反应气体在被加工工件3的表面混合，即反应气体在到达被加工工件3的表面后发生反应，从而提高反应气体的利用率，降低生产成本。

需要说明的是，在本实施例中，在进气管1内设有三个独立的反应气体进气通道，但在实际应用中反应气体进气通道的数量并不局限于此，在进气管1内还可以设置四个以上的反应气体进气通道，并 且，设置在进气管1上且位于托盘2的上方的反应气体进气口11的层数与反应气体进气通道的数量相等，且每层反应气体进气口11分别与一反应气体进气通道连通。

在本实施例中，进气装置还包括气流调节单元，气流调节单元包括气流调节进气通道、气流调节进气口12、气流调节腔体5以及气流调节排气孔51，其中，气流调节进气通道(图中未示出)设置在进气管1内，并与携带气体源(图中未示出)连通，携带气体用于调节反应气体的流向。气流调节进气口12设置在气流调节进气通道上且位于最上层反应气体进气口11的上方位置。气流调节腔体5固定在进气管1上且与气流调节进气口12的位置相对，气流调节腔体5采用石英或陶瓷的材料制成。气流调节排气孔51设置在气流调节腔体5的下腔壁上，以使气流调节排气孔51排出的气体能够垂直向下流动，从而自气流调节排气孔51排出的气体能够向自反应气体进气口11排出的气体施加向下的作用力。本实施例，在气流调节腔体5的下腔壁上可以设置多个气流调节排气孔51，如两个、三个或更多个气流调节排气孔51。

用于调节反应气体流向的携带气体依次流经气流调节进气通道、气流调节进气口12、气流调节腔体5和气流调节排气孔51后向反应气体施加向下的作用力，这有利于自反应气体进气口11排出的气体克服在托盘2上方形成的热对流而到达被加工工件3的表面并发生反应，进而使得反应物更有效地沉积到被加工工件3的表面。

图2为本发明实施例进气装置的气流调节单元的仰视图。如图2所示，在气流调节腔体5的下腔壁上设有三圈气流调节排气孔51，三圈气流调节排气孔51分别沿气流调节腔体5的下腔壁的圆周方向均匀分布。并且，靠近气流调节进气口12位置处的气流调节排气孔51的孔径小于远离气流调节进气口12位置处的气流调节排气孔51的孔径；靠近气流调节进气口12位置处的气流调节排气孔51的数量少于远离气流调节进气口12位置处的气流调节排气孔51的数量。由于自气流调节进气口12排出的气体会先到达靠近气流调节进气口12位置处的气流调节排气孔51，后到达远离气流调节进气口12位置处 的气流调节排气孔51，远离气流调节进气口12位置处的气流调节排气孔51的排气速度慢，通过将靠近气流调节进气口12位置处的气流调节排气孔51的孔径设置得比远离气流调节进气口12位置处的气流调节排气孔51的孔径小，可以降低靠近气流调节进气口11位置处的气流调节排气孔51的排气速度，从而均衡了不同位置的气流调节排气孔51的排气速度，进而使气流调节排气孔51的排气均匀。同理，通过将靠近气流调节进气口12位置处的气流调节排气孔51的数量设置得比远离气流调节进气口12位置处的气流调节排气孔51的数量少，进一步均衡了不同位置的气流调节排气孔51的排气速度，从而进一步提高气流调节排气孔51的排气均匀性。

需要说明的是，在本实施例中，不同圈的气流调节进气口11的数量不同，并且不同圈的气流调节排气孔51的孔径也不同，但在实际应用中并不局限于此，不同圈的气流调节进气口11的数量和/或孔径还可以相同，只要能够使气流调节排气孔51排出的气体垂直向下流动，就能够达到本发明向反应气体施加向下的作用力的目的。

还需要说明的是，在实际应用中，气流调节排气孔51分布在气流调节腔体5的下腔壁上的区域可以与放置在托盘2上的被加工工件3的位置对应，也可以均匀地分布在气流调节腔体5的整个下腔壁上，只要能够使气流调节排气孔51排出的气体垂直向下流动，就能够达到本发明向反应气体施加向下的作用力的目的。

综上所述，本实施例提供的上述进气装置，借助设置在相邻两层反应气体进气口11之间的隔离板4可以避免反应气体在到达被加工工件3表面之前发生反应，并使反应气体在到达被加工工件3的表面后发生反应，从而提高反应气体的利用率，降低生产成本。

图3为本发明实施例反应腔室的结构简图。请参阅图3，本发明还提供一种反应腔室，其包括腔室壁30、设置在腔室壁30的侧壁外侧的感应加热线圈31、用以承载被加工工件3的两个托盘2以及用以向腔室壁30内部输送工艺气体的进气装置，其中，感应加热线圈31与交流电源连接，用以加热腔室壁30的内部；托盘2采用石墨制成，其沿腔室壁30的轴向方向间隔设置在腔室壁30内部；进气装置包括 进气管10，在进气管10内设有三个独立的反应气体进气通道(图中未示出)，进气管10垂直于托盘2且位于托盘2的中心位置处，并且，在进气管10上设有两套反应气体进气口组，每套反应气体进气口组位于相应的托盘2的上方。本实施例，反应气体进气口组的数量与托盘2的数量对应。反应气体进气口组包括三层反应气体进气口11，且每层反应气体进气口11分别与一反应气体进气通道连通。三层反应气体进气口在进气管10的长度方向间隔设置，并在进气管10上且位于相邻的两层反应气体进气口11之间固定有用于将由不同反应气体进气口11排出的气体隔离的隔离板4，隔离板4与托盘2平行，其自由端位于放置于托盘2上的被加工工件3的边缘且靠近反应气体进气口11的位置处。借助设置在相邻的两层反应气体进气口11之间的隔离板4可以避免反应气体在到达被加工工件3表面之前发生反应，并使反应气体在到达被加工工件3的表面后发生反应，从而提高反应气体的利用率，降低生产成本。

需要说明的是，在本实施例中，在腔室壁30内设有两个用以承载被加工工件3的托盘2，但在实际应用中托盘2的数量并不局限于此，在腔室壁30的内部还可以设置一个或三个以上的托盘2，并且设置在进气管10上的反应气体进气口组的数量与托盘2的数量相等，并分别设置在进气管10上每个托盘2的上方。

还需要说明的是，在本实施例中，在进气管10内设有三个独立的反应气体进气通道，但在实际应用中反应气体进气通道的数量并不局限于此，在进气管10内还可以设置四个以上的反应气体进气通道，并且，反应气体进气口11的层数与反应气体进气通道的数量相等，且每层反应气体进气口11分别与一反应气体进气通道连通。

在本实施例中，进气装置还包括两套气流调节单元，每套气流调节单元分别包括设置在进气管10内的气流调节进气通道和气流调节腔体5，其中，在进气管10上设有与气流调节进气通道连通的气流调节进气口12，气流调节进气口12设置在最上层反应气体进气口11的上方位置处；气流调节腔体5采用石英或陶瓷的材料制成，其固定在进气管10上且正对气流调节进气口12的位置处，以使自气流 调节进气口12排出的气体进入相应的气流调节腔体5内。并且，在气流调节腔体5的下腔壁上设有多个气流调节排气孔51，以使气流调节排气孔51排出的气体能够垂直向下流动，从而自气流调节排气孔51排出的气体能够向自反应气体进气口11排出的气体施加向下的作用力，这有利于自反应气体进气口11排出的气体克服在托盘2上方形成的热对流而到达被加工工件3的表面并发生反应，进而使得反应物更有效地沉积到被加工工件3的表面。气流调节排气孔51的孔径、数量以及分布方式在前文中已有了详细的说明，这里不再赘述。

需要说明的是，在实际应用中，与腔室壁30的顶壁相邻的气流调节腔体5可以将腔室壁30的顶壁作为腔体的上腔壁；位于相邻的两个托盘2之间的气流调节腔体5可以将位于其上方的托盘2的下表面作为腔体的上腔壁，这样的优点在于：不仅缩短了反应腔室在竖直方向上的尺寸，而且有利于气流调节腔体的加工。当然，气流调节腔体5还可以完全由其本体形成腔体，只要能够在气流调节单元内形成腔体，就能够达到本发明的目的。

另外，在实际应用中，气流调节单元的套数与托盘2的数量相等。

综上所述，本发明提供一种反应腔室，在反应腔室内的进气装置的进气管上设有隔离板，而且隔离板设置在相邻的反应气体进气口之间，借助隔离板可以避免反应气体在到达被加工工件表面之前发生反应，并使反应气体在到达被加工工件的表面后发生反应，从而提高反应气体的利用率，降低生产成本。

本发明还提供一种等离子体加工设备，其包括反应腔室、中央进气系统及排气系统，其中，反应腔室采用了本发明提供的上述反应腔室，并且中央进气系统与进气装置的进气管连接；排气系统与设置在反应腔室内的排气口连接。

本发明提供的等离子体加工设备，在反应腔室内的进气装置的进气管上设有隔离板，而且隔离板设置在相邻的反应气体进气口之间，借助隔离板可以避免反应气体在到达被加工工件表面之前发生反应，并使反应气体在到达被加工工件的表面后发生反应，从而提高反应气体的利用率，降低等离子体加工设备的生产成本。

可以理解的是，以上实施方式仅仅是为了说明本发明的原理而采用的示例性实施方式，然而本发明并不局限于此。对于本领域内的普通技术人员而言，在不脱离本发明的精神和实质的情况下，可以做出各种变型和改进，这些变型和改进也视为本发明的保护范围。

Claims (12)

1.一种进气装置，用于向放置在托盘表面的被加工工件输送工艺气体，其包括进气管，在所述进气管内设有多个独立的反应气体进气通道，在所述进气管上且位于所述托盘的上方设有多层反应气体进气口，所述多层反应气体进气口沿所述进气管的长度方向间隔设置，每层所述反应气体进气口分别与一所述反应气体进气通道连通，其特征在于，

在相邻两层所述反应气体进气口之间设有用于将由不同所述反应气体进气口排出的气体隔离的隔离板，所述隔离板固定在所述进气管上，所述隔离板的自由端位于所述被加工工件内侧的上方位置；

所述进气装置包括气流调节单元，所述气流调节单元包括气流调节进气通道、气流调节进气口、气流调节腔体以及气流调节排气孔，其中，

所述气流调节进气通道设置在所述进气管内，并与携带气体源连通；

所述气流调节进气口设置在所述气流调节进气通道上且位于最上层所述反应气体进气口的上方位置；

所述气流调节腔体固定在所述进气管且与所述气流调节进气口的位置相对；

所述气流调节排气孔设置在所述气流调节腔体的下腔壁上；

用于调节反应气体流向的携带气体依次流经所述气流调节进气通道、所述气流调节进气口、所述气流调节腔体和所述气流调节排气孔后向所述反应气体施加向下的作用力。

2.根据权利要求1所述的进气装置，其特征在于，所述气流调节腔体采用石英或陶瓷制作而成。

3.根据权利要求1所述的进气装置，其特征在于，多个所述气流调节排气孔均匀地设置在所述气流调节腔体的下腔壁上，或者

在靠近所述气流调节进气口位置处设置的所述气流调节排气孔的数量少于在远离所述气流调节进气口位置处设置的所述气流调节排气孔的数量。

4.根据权利要求3所述的进气装置，其特征在于，在靠近所述气流调节进气口位置处设置的所述气流调节排气孔的孔径大于在远离所述气流调节进气口位置处设置的所述气流调节排气孔的孔径。

5.根据权利要求1所述的进气装置，其特征在于，所述隔离板采用石英或陶瓷制作而成。

6.一种反应腔室，包括腔室壁、设置在所述腔室壁内部的用以承载被加工工件的至少一个托盘以及用以向所述腔室壁内部输送工艺气体的进气装置，所述进气装置包括进气管，在所述进气管内设有多个独立的反应气体进气通道，所述进气管垂直于所述托盘且位于所述托盘的中心位置处，在所述进气管上设有与所述托盘的数量对应的反应气体进气口组，所述反应气体进气口组位于所述托盘的上方，所述反应气体进气口组包括多层反应气体进气口，每层所述反应气体进气口分别与一所述反应气体进气通道连通，所述多层反应气体进气口沿所述进气管的长度方向间隔设置，其特征在于，在相邻两层所述反应气体进气口之间设有用于将由不同所述反应气体进气口排出的气体隔离的隔离板，所述隔离板固定在所述进气管上且与所述托盘平行，所述隔离板的自由端位于所述被加工工件的边缘；

所述进气装置还包括与所述托盘数量相同的气流调节单元，所述气流调节单元包括气流调节进气通道和气流调节腔体，在所述气流调节进气通道上设有气流调节进气口，所述气流调节进气口设置在最上层所述反应气体进气口的上方位置，所述气流调节腔体固定在所述气流调节进气通道上且正对所述气流调节进气口，由所述气流调节进气口流出的气体进入所述气流调节腔体内，在所述气流调节腔体的下腔壁上且与所述被加工工件相对的位置处设有多个气流调节排气孔，自所述气流调节排气孔排出的气体向自所述反应气体进气口排出的反应气体施加向下的作用力。

7.根据权利要求6所述的反应腔室，其特征在于，所述气流调节腔体采用石英或陶瓷制作而成。

8.根据权利要求6所述的反应腔室，其特征在于，多个所述气流调节排气孔均匀地设置在所述气流调节腔体的下腔壁上，或者

在靠近所述气流调节进气口位置处设置的所述气流调节排气孔的数量少于在远离所述气流调节进气口位置处设置的所述气流调节排气孔的数量。

9.根据权利要求8所述的反应腔室，其特征在于，在靠近所述气流调节进气口位置处设置的所述气流调节排气孔的孔径大于在远离所述气流调节进气口位置处设置的所述气流调节排气孔的孔径。

10.根据权利要求6所述的反应腔室，其特征在于，所述隔离板采用石英或陶瓷制作而成。

11.根据权利要求6所述的反应腔室，其特征在于，在所述腔室壁的外侧设有感应加热线圈，所述感应加热线圈与交流电源连接，所述托盘采用石墨制成。

12.一种等离子体加工设备，其包括反应腔室、中央进气系统及排气系统，其特征在于，所述反应腔室采用权利要求6-11中任意一项所述的反应腔室，所述中央进气系统与所述进气管连接，所述排气系统与设置在所述反应腔室内的排气口连接。