CN108103480A - 一种化学气相沉积炉 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种化学气相沉积炉，包括炉体以及气氛管理单元，气氛管理单元用于向炉体内通入或抽出气体，气氛管理单元包括多个气流处理装置，气流处理装置具有第一端、第二端以及设于第一端和第二端之间的至少一多孔薄膜，第一端与外部连通，第二端处于炉体内，从而气流在进出炉体时，通过多孔薄膜，多孔薄膜将气流分散，提高了炉体内气体的均匀性，并有利于减少气流冲击。

Description

一种化学气相沉积炉
技术领域
本发明涉及化学气相沉积领域，尤其涉及一种化学气相沉积炉。
背景技术
采用化学气相沉积法生长金刚石的过程对炉内气氛的流速和均匀性有很高的要求，而现有的化学气相沉积炉由于进气口和出气口，难免在炉腔内出现气流冲击，气流的均匀性也难以保证，因而改进现有的气氛管理方式以提高化学气相沉积炉在生长单晶金刚石过程中的炉内气氛稳定性是十分必要的。
目前化学气相沉积炉主要有行星式、垂直喷淋式和高速转盘式，主要的改进有以下几点：
(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，是反应气体延迟混合，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。
目前各种化学气相沉积炉，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不同，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。
发明内容
为了克服现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种化学气相沉积炉，具有使炉内气氛均匀、稳定的气流处理装置。
本发明的目的采用如下技术方案实现：
一种化学气相沉积炉，包括炉体以及气氛管理单元，所述气氛管理单元用于向所述炉体内通入或抽出气体，所述气氛管理单元包括多个气流处理装置，所述气流处理装置具有第一端、第二端以及设于所述第一端和所述第二端之间的至少一多孔薄膜，所述第一端与外部连通，所述第二端处于所述炉体内，从而气流在进出所述炉体时，通过所述多孔薄膜，所述多孔薄膜将气流分散，提高了所述炉体内气体的均匀性，并有利于减少气流冲击。
进一步地，所述多孔薄膜上具有从一侧向另一侧不规则延伸的多个通气孔。由于所述多孔薄膜上的通气孔均为不规则延伸，因此各个所述通气孔不一定沿直线延伸，也可能沿曲线延伸。此外，所述通气孔的进气角度或出气角度也呈现不规则地分布，从而通过所述多孔薄膜进入所述炉体的气体有多个方向，气体更加均匀，同理，通过多孔薄膜抽气时也是从多个方向抽气，气流更为均匀。
进一步地，所述多孔薄膜的横截面积大于1mm2，且每平方毫米的横截面上所述通气孔数量不少于1个，所述通气孔的孔径小于100微米，所述通气孔的长度大于100微米。
进一步地，所述多孔薄膜的横截面积大于2mm2，且每平方毫米的横截面上所述通气孔数量不少于2个，所述通气孔的孔径小于80微米，所述通气孔的长度大于300微米。
进一步地，所述多孔薄膜的横截面积大于5mm2，且每平方毫米的横截面上所述通气孔数量不少于3个，所述通气孔的孔径小于50微米，所述通气孔的长度大于500微米。
所述第一端和所述第二端之间依次设有多个多孔薄膜，靠近进气一侧的所述多孔薄膜的通气孔的孔径大于远离进气一侧的所述多孔薄膜的通气孔的孔径。
进一步地，所述多孔薄膜的材质为金属或陶瓷或金属陶瓷。金属或陶瓷的多孔薄膜力学性能好，不容易发生损坏。
进一步地，所述气流处理装置包括一侧开口的气体室，所述气体室开口的一侧为所述第二端，所述气体室与开口相对的一侧为所述第一端，所述气体室与开口相对的一侧设有气路接口，所述气路接口的一端向外侧延伸，另一端与所述气体室内连通，所述多孔薄膜设置在所述气体室的开口处，所述多孔薄膜与所述气体室的内壁密封连接。
进一步地，所述气体室包括背部和开口部，所述气路接口密封安装于背部，所述开口部为金属材料，所述背部与所述开口部密封连接，所述多孔薄膜与所述开口部的内壁密封连接。
进一步地，所述化学气相沉积炉还包括设于所述炉体内的样品台，多个所述气流处理装置围绕所述样品台设置在所述样品台的四周，且各所述气流处理装置的第二端朝向所述样品台，设于所述样品台上方以及侧面的所述气流处理装置用于进气，设于所述样品台下方的所述气流处理装置用于排气，用于排气的所述气流处理装置具有多个。
进一步地，所述气氛管理单元还包括角度调节装置，所述角度调节装置用于调节所述气流处理装置进气或排气的角度。
相比现有技术，本发明的有益效果在于：气流通过气流处理装置进入或排出炉体，气流处理装置具有微观尺度的气孔，因此气体可以更为均匀地进、出炉体，也使得气体沉积更加均匀，从而得到的产物品质高、均匀性好。
附图说明
图1为本发明的一个优选实施例的示意图；
图2为本发明的气流处理装置的一个优选实施例的示意图；
图3为实施例1制得的金刚石的光学显微镜照片；
图4为实施例1制得的金刚石的拉曼谱图；
图5为对比例1制得的金刚石的光学显微镜照片；
图6为对比例1制得的金刚石的拉曼谱图；
图中：1、炉体；21、气流处理装置；211、第一端；212、第二端；213、多孔薄膜；2131、通气孔；210、气体室；2102、背部；2103、开口部；214、气路接口；3、样品台。
具体实施方式
下面，结合附图以及具体实施方式，对本发明做进一步描述，需要说明的是，在不相冲突的前提下，以下描述的各实施例之间或各技术特征之间可以任意组合形成新的实施例。
如图1、2所示，本发明的化学气相沉积炉包括炉体1以及气氛管理单元。气氛管理单元用于向炉体1内通入或抽出气体。化学气相沉积炉还包括温度管理系统。
气氛管理单元包括多个气流处理装置21，气流处理装置21具有第一端211、第二端212以及设于第一端211和第二端212之间多孔薄膜213，第一端211与外部连通，第二端212位于炉体1内。
值得一提的是，一部分气流处理装置21用于进气，另一部分气流处理装置21用于排气。
在一个实施例中，第一端211设置在炉体1内部。该实施例中，气氛管理单元2包括延伸进入炉体1内的通气管，第一端211与延伸进入炉体1内的通气管连通，当通气管与进气装置连接时，气流通过通气管到达气流处理装置21的第一端211，然后通过多孔薄膜213后到达第二端212，从而进入炉体1内；当通气管与抽气装置连接时，气流从第二端212进入，通过多孔薄膜213后，经过第一端211排入通气管，从而排出炉体1外。
在另一个实施例中，第一端211设置炉体1外部。该实施例中，第二端212延伸到炉体1内，第一端211可以直接与进气装置或抽气装置连通。
在其他的一些实施例中，气流处理装置21还可以安装在炉体1的侧壁内。该实施例中，炉体1的侧壁形成安装孔，气流处理装置21设置在安装孔内，第一端211与炉体1外部相对，第二端212与炉体1内部相对。
优选地，多孔薄膜213上具有通气孔2131，各通气孔2131不规则地从多孔薄膜213的一侧延伸到另一侧，通气孔2131的进气角度以及出气角度均不规则地分布，使得通过多孔薄膜213排入炉体1内的气流的方向多样，在炉体1内的气流分布更为均匀。
优选地，通气孔2131的孔径小于100微米；较优选地，通气孔2131的孔径小于80微米；更优选地，通气孔2131的孔径小于50微米。通气孔2131的孔径越小，越有利于均匀分散气流。
优选地，通气孔2131的长度大于100微米；较优选地，通气孔2131的长度大于300微米；更优选地，通气孔2131的长度大于500微米。
优选地，多孔薄膜213的横截面大于1mm2；较优选地，多孔薄膜213的横截面大于2mm2；更优选地，多孔薄膜213的横截面大于5mm2。
优选地，多孔薄膜213每平方毫米的横截面上通气孔2131数量不少于1个；较优选地，多孔薄膜213每平方毫米的横截面上通气孔2131数量不少于2个；更优选地，多孔薄膜213每平方毫米的横截面上通气孔2131数量不少于3个。
多孔薄膜213可以采用金属、陶瓷或金属陶瓷材料通过离子束刻蚀、光刻蚀、分子束外延、高分子模板法、X射线刻蚀、3D打印等方式制备。
值得一提的是，第一端211与第二端212之间可以只设置一个多孔薄膜213，也可以多个多孔薄膜213串联设置。当第一端211与第二端212之间串联设置多个多孔薄膜213时，气流依次经过各个多孔薄膜213，从而更好地被分散。
优选地，靠近进气一侧的多孔薄膜213的通气孔2131的孔径大于远离进气一侧的多孔薄膜213的通气孔2131的孔径，从而气体在通过气流处理装置21时，逐渐被分散为更细小的气流。换句话说，当气流处理装置21用于进气时，靠近第一端211的多孔薄膜213的通气孔2131的孔径大于靠近第二端212的多孔薄膜213的通气孔2131的孔径。
进一步地，气流处理装置21包括一侧开口的气体室210，气体室210开口的一侧即为第二端212，气体室210与开口相对的一侧即为第一端211。气体室210与开口相对的一侧设有气路接口214，气路接口214一端向外侧延伸，另一端与气体室210内连通；多孔薄膜213设置在气体室210的开口处，且多孔薄膜213与气体室210的内壁密封连接。
进一步地，气体室210包括背部2102和开口部2103，气路接口214密封安装于背部2102，开口部2103为金属材料，背部2102与开口部2103密封连接。
背部2102与开口部2103可通过以下方式密封连接：热镶密封，焊接密封，密封圈密封，卡箍密封。气路接口214与背部2102也可以通过以上方式密封。
多孔薄膜213的边缘与开口部2103的内壁密封连接，以保证进入气体室210内的气体只通过多孔薄膜213上的通气孔2131排出。多孔薄膜213与开口部2103可通过以下方式密封连接：热镶密封，焊接密封，密封圈密封，卡箍密封。
在一个优选实施例中，所述化学气相沉积炉还包括设于炉体1内的样品台3，多个气流处理装置21围绕样品台3设置在样品台3的四周，且各气流处理装置21的第二端212均朝向样品台3。
值得一提的是，设于样品台3上方以及侧面的气流处理装置21用于进气，设于样品台3下方的气流处理装置21用于排气。
优选地，样品台3上方设置两个气流处理装置21，样品台3的两侧各设一个气流处理装置21，样品台3的下方设置两个气流处理装置21，从而进气和出气都可以保证炉体1内气流均匀。
优选地，气氛管理单元包括还包括角度调节装置(图中未示出)，角度调节装置用于调节气流处理装置21第二端212的角度，使第二端212的角度可以根据样品台3上的基片进行调节。角度调节装置可以是微型电机，气流处理装置21可转动地设置在炉体1内，角度调节装置驱动气流处理装置21转动。角度调节装置也可以是手动调节。
实施例1
采用如图1所示的化学气相沉积炉制备单晶金刚石，具体的工艺为现有技术，本发明不再详述。图3显示了实施例1制得的金刚石的光学显微镜照片，获得的金刚石几乎无色，不带杂质。图4显示了实施例1制得的金刚石的拉曼谱图，除1332cm-1附近的单晶金刚石特征峰外，未出现其他杂质峰，说明单晶金刚石的质量较好。此外，检测实施例1制得的金刚石的红外透过率为70％。
对比例1
采用现有技术的化学气相沉积炉制备单晶金刚石，具体的工艺与实施例1相同。对比例1的化学气相沉积炉具有进一个进气口和一个出气口，进气口和出气口处也设有气体分散装置，但是对比例1的气体分散装置的气孔的尺寸为宏观尺寸，与本发明的多孔薄膜213的通气孔的孔径相差将近2个数量级。图5显示了对比例1制得的金刚石的光学显微镜照片，金刚石块颜色灰黄，含有大量灰色杂物。图6显示了对比例1制得的金刚石的拉曼谱图，1400cm-1至1600cm-1之间的杂质峰表明金刚石的质量较差。此外，检测对比例1制得的金刚石的红外透过率为39％。
上述实施方式仅为本发明的优选实施方式，不能以此来限定本发明保护的范围，本领域的技术人员在本发明的基础上所做的任何非实质性的变化及替换均属于本发明所要求保护的范围。

Claims (10)

1.一种化学气相沉积炉，包括炉体以及气氛管理单元，所述气氛管理单元用于向所述炉体内通入或抽出气体，其特征在于，所述气氛管理单元包括多个气流处理装置，所述气流处理装置具有第一端、第二端以及设于所述第一端和所述第二端之间的至少一多孔薄膜，所述第一端与外部连通，所述第二端处于所述炉体内，从而气流在进出所述炉体时，通过所述多孔薄膜，所述多孔薄膜将气流分散。
2.根据权利要求1所述的化学气相沉积炉，其特征在于，所述多孔薄膜上具有从一侧向另一侧不规则延伸的多个通气孔。
3.根据权利要求2所述的化学气相沉积炉，其特征在于，所述多孔薄膜的横截面积大于1mm2，且每平方毫米的横截面上所述通气孔数量不少于1个，所述通气孔的孔径小于100微米，所述通气孔的长度大于100微米。
4.根据权利要求2所述的化学气相沉积炉，其特征在于，所述多孔薄膜的横截面积大于5mm2，且每平方毫米的横截面上所述通气孔数量不少于3个，所述通气孔的孔径小于50微米，所述通气孔的长度大于500微米。
5.根据权利要求2所述的化学气相沉积炉，其特征在于，所述第一端和所述第二端之间依次设有多个所述多孔薄膜，靠近进气一侧的所述多孔薄膜的通气孔的孔径大于远离进气一侧的所述多孔薄膜的通气孔的孔径。
6.根据权利要求1-5任一所述的化学气相沉积炉，其特征在于，所述多孔薄膜的材质为金属或陶瓷或金属陶瓷。
7.根据权利要求1-5任一所述的化学气相沉积炉，其特征在于，所述气流处理装置包括一侧开口的气体室，所述气体室开口的一侧为所述第二端，所述气体室与开口相对的一侧为所述第一端，所述气体室与开口相对的一侧设有气路接口，所述气路接口的一端向外侧延伸，另一端与所述气体室内连通，所述多孔薄膜设置在所述气体室的开口处，所述多孔薄膜与所述气体室的内壁密封连接。
8.根据权利要求7所述的化学气相沉积炉，其特征在于，所述气体室包括背部和开口部，所述气路接口密封安装于背部，所述开口部为金属材料，所述背部与所述开口部密封连接，所述多孔薄膜与所述开口部的内壁密封连接。
9.根据权利要求1-5任一所述的化学气相沉积炉，其特征在于，还包括设于所述炉体内的样品台，多个所述气流处理装置围绕所述样品台设置在所述样品台的四周，各所述气流处理装置的第二端朝向所述样品台，设于所述样品台上方以及侧面的所述气流处理装置用于进气，用于进气的所述气流处理装置具有多个，设于所述样品台下方的所述气流处理装置用于排气，用于排气的所述气流处理装置具有多个。
10.根据权利要求1-5任一所述的化学气相沉积炉，其特征在于，所述气氛管理单元还包括角度调节装置，所述角度调节装置用于调节所述气流处理装置进气或排气的角度。
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