CN109844173A - 用于将气体输送到化学气相沉积反应器中的装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于将气体输送到化学气相沉积反应器中的气体循环装置(1)，其包括具有第一端(4)和第二端(3)的导管(2)，该第一端(4)旨在通到所述反应器并以射频电势(V)被极化，该第二端(3)以参考电势(V0)被电极化，该装置的特征在于它还包括用于施加电势的装置(10a‑10e)，用于在第一端和第二端之间向所述导管(2)局部地施加至少一个确定的电势，以便以在所述射频电势和参考电势之间的中间电势将所述导管中的气体局部地极化。

Description

用于将气体输送到化学气相沉积反应器中的装置
技术领域
本发明涉及一种用于将气体输送到化学气相沉积反应器中的装置，该装置用于电气调节在导管中流动的气体。本发明更具体地涉及这样一种装置：它使得能够防止在这种导管中流动的气体由于在通到反应器中的所述导管的出口处施加的电势而局部地经受过大的电场。
背景技术
通常用其盎格鲁-撒克逊名称“化学气相沉积”(CVD)来称呼化学气相沉积。特别地，这种方法能够用于通过化学反应而由反应气体在基板的表面上沉积出薄膜，特别是用于半导体制造。在此情况下，该反应气体包括前体气体和反应气体，所述前体气体例如通过第一喷射路径被喷射到反应器沉积室中，所述反应气体例如通过与第一喷射路径分开的第二喷射路径被喷射到反应器沉积室中，使得所述反应气体只有在已经进入所述沉积室之后才会混合。
在CVD方法的现有变体中，等离子体增强化学气相沉积(PECVD)方法是特别令人感兴趣的。它包括通过从射频源供应电能而由反应气体形成等离子体，该射频源在两个电极或该装置的用作电极的两个部分之间生成足够高的射频电势(RFV)差。通过将电子维持在高的激发水平，等离子体提供了在基板的表面上沉积薄膜所需的能量，同时限制了热能的供应。因此，PECVD方法能够在比CVD方法的其它变体显著更低的温度下实施，并且使得能够实现高质量的层沉积。
在实践中，将反应气体喷射到所述室中的气体导管的出口一般通过射频源引入射频电势。待处理的基板具有零电势，或者具有至少与电路的地电势相对应的电势。该电势差通过引起反应气体的电离而在所述室内生成等离子体。反应气体使前体气体离解，然后通过前体气体与反应气体的反应而在基板上形成所期望的层，并因此在基板的表面上形成层。
然而，在气体导管出口处存在VRF电势具有如下缺点：即使在反应气体进入反应室之前，其也可能导致反应气体(特别是在其各自的循环导管中的前体气体和/或反应物气体)的部分电离。实际上，所述导管的入口或至少其出口上游的部分也处于与电路的地电势相对应的零电势。所述导管的出口和所述导管的上游部分之间的这种电势差可能导致在气体循环导管中形成气体等离子体并降低沉积物的质量。
为了解决该问题，已知的是：使用电阻套管(resistive sleeve)，该电阻套管能够采用围绕气体循环导管的由电阻材料制成的护套的形式。以如下方式选择该套管的总电阻，以限制气体中的能量供应，并因此避免击穿和形成等离子体的风险。
例如，美国专利6,170,430描述了在气体导管周围使用电阻护套，以沿着所述气体导管形成线性电压梯度。
然而，这种电阻护套不足以防止在所述导管中形成等离子体的任何风险，特别是在(例如，由于脉冲气体喷射而导致)所述导管中的压力发生变化的PECVD过程中。实际上，由于所述导管中的气体的局部阻抗取决于压力，因此即使施加线性电压梯度，也可能局部地达到击穿电压。
发明内容
因此，本发明的目的是通过提出一种气体循环装置来克服现有技术的缺点，该气体循环装置使得能够对在导管中流动的气体进行电气调节，以便防止在所述气体循环导管中形成等离子体。
本发明的一个目的是一种用于将气体输送到化学气相沉积反应器中的气体循环装置，该气体循环装置包括具有第一端和第二端的导管，该第一端旨在通到所述反应器中，同时以射频电势被极化，该第二端以参考电势被电极化。该装置的特征在于它还包括电势施加器件，该电势施加器件用于在第一端和第二端之间向所述导管局部地施加至少一个确定的电势，以便以在所述射频电势和参考电势之间的中间电势将所述导管中的气体局部地极化。
在本文中，“电气调节”是指对在所述导管中流动的气体施加一个或多个确定的电压。
根据本发明的装置还旨在防止在气体喷射压力存在显著变化的情况下(例如在所述气体的脉冲喷射期间)，在气体循环导管中形成等离子体。
根据一个实施例，所述电势施加器件包括至少一个电压源，该至少一个电压源被布置成在所述导管的一部分上施加电势。
根据另一实施例，所述电势施加器件包括分压器(voltage divider)，所述分压器通过两个端子分别电连接到所述导管的第一端和第二端的电势，所述分压器包括多个串联连接的电阻抗模块，两个相继的电阻抗模块之间的至少一个接头电连接到所述导管。
该装置有利地包括电阻抗模块，该电阻抗模块具有以下部件中的至少一个：电阻器、电感器、线圈、电容器。
根据一个实施例，所述导管包括至少一个导电部分，该导电部分被布置成与在所述导管中流动的气体接触并且被电绝缘部分包围。
所述导管可以包括电绝缘部分，该电绝缘部分具有所述导管的区段的形状。
另外，所述导管可以包括导电部分，该导电部分具有所述导管的区段的形状。
根据一个实施例，所述导管具有大致均匀的内截面。
特别地，所述导管可以包括具有管段形状的电绝缘部分。
根据一个实施例，所述导管包括至少一个导电部分，该至少一个导电部分具有包括至少一个气体循环通腔的、由导电材料制成的部分的形状。
所述通腔能够在所述导电部分中限定非直线气体路径。
根据一个实施例，所述导管包括至少一个导电部分，该导电部分具有包括多个允许气体循环的开口的、由导电材料制成的部分的形状。
本发明的另一目的是提出一种用于化学气体沉积的反应器，该反应器包括一个或多个具有这种电气调节装置的气体循环装置，从而使得能够避免在一个或多个气体循环导管中形成等离子体。
根据一个实施例，所述反应器包括两个电极，所述两个电极中的第一电极连接到射频源，并且第二电极连接到地，从而，第一电极和第二电极之间的电势差使得能够形成被喷射到反应器中的所述气体的等离子体。
本发明的第三个目的涉及一种用于避免在化学气相沉积反应器(例如上述反应器)的气体喷射导管中形成等离子体的方法，所述反应器包括具有第一端和第二端的导管，该第一端通到所述反应器中并且被极化到射频电势，该第二端被电极化到参考电势。所述方法的特征在于它包括：在第一端和第二端之间向所述导管局部地施加至少一个确定的电势，以便以在所述射频电势和参考电势之间的中间电势将所述导管中的气体局部地极化。
本发明的第四主题涉及通过上述反应器实施的用于化学气相沉积的方法。
该方法包括通过上述气体循环装置喷射一种或多种气体，所述一种或多种气体旨在在先前已定位在反应器反应室中的基板的表面上反应。
因此，本发明使得能够根据所述导管中的位置将预定电势施加到气体上。因此，使得能够沿着所述导管施加任意的电势分布。
因此，该电势分布能够是线性的、非线性的、二次的、对数的等等。
根据所述导管中的位置，该电势分布也能够是成正比的、成反比的、或者是气体压力分布的函数。
所施加的电势分布基本上是分段线性的(linear in pieces)。通过将特定电势施加到每个导电部分，对两个相继的导电部分之间的气体施加上类似地确定的电势差。这生成了取决于导电部分之间的距离和所述电势差的局部电场。
能够调制所述局部电势或电场的分布，例如：
-通过以非等距的方式布置所述相继的导电部分，或者换句话说，通过在所述导电部分之间插入具有可变长度或不同长度的绝缘部分；和/或
-通过向导电部分施加电势，从而为不同的绝缘部分生成不同的电势差。为此目的，例如，能够使用具有不同值的多个相继的电阻抗模块的分压器。
当然，本发明也能够利用如下部件来实施：
-在整个所述导管或其一部分上的具有相同长度的绝缘部分；和/或
-在整个所述导管或其一部分上的具有相同值的多个相继的电阻抗模块。
优选地，这些导电部分与气体直接接触，这确保了电荷的最佳流动和在具有所施加的电势的所述导管的区段上的良好均匀性。
附图说明
当参考附图阅读以下作为说明性和非穷举性示例给出的描述时，本发明的其它优点和特征将会显现，其中：
-图1，其表示根据本发明的第一目的的气体循环导管的电气调节装置的结构的图，该导管通到根据本发明的第二目的的等离子体辅助化学气相沉积(PECVD)反应器中；
-图2示意性地示出了该导管的导电部分的一个实施例。
具体实施方式
本发明的第一主题涉及一种用于将气体输送到化学气相沉积反应器中的气体循环装置1，图1中示出了该气体循环装置1的结构。
该装置包括气体导管2，该气体导管2旨在将气体从气源(未示出)在与所述导管的对称轴线一致的箭头方向上送到反应室。
该气体导管的入口3位于第一端处，并且连接到参考电势，在所示出的实施例中，该参考电势对应于电路的接地G。因此，其电势V0为零。
该导管的出口4位于第二端处，并且连接到射频源RF，该射频源RF以高频(通常为13.56MHz)施加电势V5＝VRF。
因此，气体导管2在其末端3和4之间经受等于V5-V0的电势差。
在该导管中流动的气体的电气调节包括在所述气体上局部地施加所确定的至少一个电势，所述电势介于射频电势V5和参考电势V0之间。
因此，在施加有该电势的两个区域之间，在所述导管中流动的气体经受比电势差V5-V0低的电势差，该电势差足够低，以使在所述导管内生成等离子体的风险最小化。
电势差V5-V0能够根据需要被有利地划分为沿着所述导管定位的尽可能多个电势差。这使得能够更好地监测或控制所述导管中的电场的局部值，并且确保该电场永远不会达到(即使局部达到)足以生成等离子体的强度。
为此目的，所述导管应包括至少一个导电部分，该导电部分被布置成与在所述导管中流动的气体接触并且被电绝缘部分包围。在图1的实施例中，导电部分是灰色的并且由标记11指示，而电绝缘部分是白色的并由标记12指示。
优选地，每个导电部分都具有在内部限定至少一个气体循环通道的由导电材料制成的部分的形状。在外部，所述导电部分包括适于施加电势的任何器件。本领域技术人员能够为此目的设计出任何适当的电连接器。
气体和导电部分之间的接触表面越大，所述电势对气体的施加越有效。因此，优选通过完全包围所述气流来确保该导电部分在一定长度的气流上延伸。
因此，有利地，所述导电部分形成所述导管的一个区段。
在该导电部分的任一侧上都存在电绝缘部分，所述电绝缘部分的每一个电绝源部都优选是形成导管的一个区段。
每个电绝缘部分都有利地具有管段的形状，如传统导管中那样。
优选地，所述导管具有大致均匀的内截面。特别地，该循环装置被设计成避免在导电部分和电绝缘部分之间的气体通路的截面的变化。这使得能够限制所述导管中的气流的湍流，并因此限制在壁上沉积残留物的风险。
装置1包括用于在所述导管的第一高端3和第二低端4之间、在每个导电部分处将至少一个确定的电势局部地施加到所述导管的器件。该电势施加器件允许沿着所述导管施加多个电势，参见图1中的V1、V2、V3、V4。
两个相继的电势V0、V1、V2、V3、V4和V5之间的差值表示导管2所经受的电势差VRF的一部分。因此，这些电势差的总和等于气体导管2的电势差VRF。
优选地，考虑到所述导管中的气体循环方向，从所述导管的第一端3到所述导管的第二端4，电势的值大于或等于其前面的电势的值，并且小于或等于其后面的电势的值。在此情况下，验证了以下不等式：
V0＝0≤V1≤V2≤V3≤V4≤V5＝VRF
因此，第一导管部分(在上游方向上)经受了等于V1-V0的电势差，并且后继的相邻导管部分别经受了等于V2-V1、V3-V2、V4-V3和V5-V4的电势差。
因此，通过将至少一个特定电势施加于在所述导管中流动的气体以将气体导管2的电势差分成至少两个部分，形成了“电势梯级”。
根据本发明的第一实施例(未示出)，所述电势施加器件包括至少一个电压源，以沿着所述气体导管施加电势值。
根据本发明的第二实施例，所述电势施加器件包括多个阻抗模块，所述阻抗模块沿着所述气体导管分布在两个相继的导电部分之间并且串联连接。
“阻抗模块”是指具有防止电流通过的特性的任何电气或电子部件。
因此，根据本发明的第二实施例，阻抗模块例如可以包括电阻器、电感器、线圈或电容器，或这些部件的组合。
在图1所示的实施例中，电压源包括被标记为10a、10b、10c、10d和10e的五个电阻器，所述五个电阻器被串联连接在气体导管2的第一端3和第二端4之间。两个相继的阻抗之间的每一个接头都电连接到与气体接触的所述导管的导电部分11。
应该注意的是，在图1中作为管的导管2的表示仅是示意性的。不言而喻，该导管的内部几何形状和/或外部几何形状能够适合于允许施加上述中间电势和/或适合于将该导管的不同部分彼此连接。本领域技术人员将能够定义这些适应性。
此外，尽管导管2在图1中被示出为直的，但不言而喻，本领域技术人员将能够在不超出本发明的范围的情况下改变该导管的几何形状。
特别地，本发明可以包括至少一个具有所谓的“非直线”通腔(through chamber)的导电部分11，在某种意义上该“非直线”通腔被布置为限定非直线气体路径。
这种非直线通腔一方面允许增大与所施加的电势接触的气体表面，另一方面允许在气流中产生湍流，以增加与所施加的电势接触的气体的量，而不影响该装置的长度。
根据实施例，该通腔尤其能够包括：
-气体入口和气体出口，该气体入口和气体出口(至少)相对于气流的方向偏移(即，不彼此相对)；
-具有圆柱形横截面(或任何其它类型的横截面)的腔体，其具有(至少)相对于气流的方向偏移的气体入口和气体出口。根据图2中所示的另一个实施例，导电部分11包括非直线通道110形式的通腔，该通腔例如包括一个或多个或多或少明显的弯曲部，并且将相对于气流的方向偏移的气体入口和气体出口相连。当然，所提到的几何形状(特别是图2中所示的几何形状)仅对应于一个特定实施例，本领域技术人员能够根据喷射条件(injectionconditions)和生成等离子体的风险来调节该气体路径。
根据其它实施例，本发明可以包括至少一个切口或格子状导电部分11，或者可以包括多个开口，所述多个开口允许气体通过所述导电部分11。这些开口能够在如下意义上是纵向的：它们被定向在与气流相同的方向上。这种设置还使得能够增加与所施加的电势接触的气体的量，而不会影响该装置的长度。
此外，不同的导电部分11不必具有相同的几何形状。类似地，不同的电绝缘部分12不必具有相同的几何形状或长度。
本发明的第二主题涉及用于实施等离子体辅助化学气相沉积(PECVD)方法的反应器5，该反应器5包括一个或多个上述装置1。
反应器5有利地配备有喷头6(根据英语术语的“showerhead”)，用于将气体分配到反应室13中。该喷头6优选包括两个气体喷射通道。该喷头6接收来自一个或多个气体管线2的气体并将该气体喷射到反应室中。在这样做时，通过该喷头分配的气体在进入该反应室时具有等于RF的电势。该分配喷头优选适于将气体均匀地分配在基板9的表面上，该基板9被预先放置在反应室13中的基板保持器7上，在该基板9上必须进行随后的沉积。
文献FR2930561中描述了能够在本发明中使用的分配喷头。
有利地，该反应器具有两个平行电极，这两个平行电极中的第一电极连接到射频源，并且第二电极连接到地。第一电极和第二电极之间的电势差使得能够形成经由气体喷射导管喷射到反应器5中的气体的等离子体。
优选地，该第一电极包括具有喷射通道的气体分配喷头6。该第二电极包括基板9和基板保持器7。
包括如上所述的一个或多个气体循环装置的反应器的优点是：具有形成适合于由该反应器实施的等离子体辅助气相沉积(PECVD)方法的参数的电场分布的可能性。
PECVD方法的参数例如包括：前体气体的性质及其喷射压力、反应气体的性质及其喷射压力、方法运行温度、反应器的尺寸、由反应室中的电极生成的电场的强度、或者气体喷射导管出口处的射频电势RF。
另外，本发明使得能够有效地实施等离子体辅助气相沉积(PECVD)工艺，在这种工艺中，气体被脉冲地或以脉冲的形式、随时间同相或异相地喷射到反应室中。在此情况下，依据是否将气体脉冲喷射到反应室中，所述导管中的气体密度随时间变化很大。结果是，所述导管中的介质的电阻抗也能够在空间上和/或时间上高度可变并且局部地允许出现足够强的电场，以触发等离子体的点燃。在此情况下，通过局部地控制所述导管中的任何点处存在的电势差，本发明使得能够避免这种过电场的出现。
参考文献
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·FR 2930561

Claims (16)

1.一种用于将气体输送到化学气相沉积反应器中的气体循环装置(1)，所述气体循环装置(1)包括具有第一端(4)和第二端(3)的导管(2)，所述第一端(4)旨在通到所述反应器中，同时以射频电势(V5)被极化，所述第二端(3)以参考电势(V0)被电极化，所述装置的特征在于它还包括电势施加器件(10a-10e)，所述电势施加器件用于在所述第一端和所述第二端之间向所述导管(2)局部地施加至少一个确定的电势，以便以在所述射频电势和所述参考电势之间的中间电势将所述导管中的所述气体局部地极化。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述电势施加器件包括至少一个电压源，所述至少一个电压源被布置成在所述导管的一部分上施加电势。
3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述电势施加器件包括分压器，所述分压器通过两个端子分别电连接到所述导管的所述第一端和所述第二端的电势，所述分压器包括多个串联连接的电阻抗模块，两个相继的电阻抗模块之间的至少一个接头电连接到所述导管。
4.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，所述装置包括具有以下部件中的至少一种部件的电阻抗模块：电阻器、电感器、线圈、电容器。
5.根据前述权利要求之一所述的装置，其特征在于，所述导管包括至少一个导电部分(11)，所述至少一个导电部分(11)被布置成与在所述导管中流动的气体接触并且被电绝缘部分(12)包围。
6.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，所述导管包括具有所述导管的区段的形状的电绝缘部分。
7.根据权利要求5或6中的一项所述的装置，其特征在于，所述导管包括具有所述导管的区段的形状的导电部分。
8.根据前述权利要求之一所述的装置，其特征在于，所述导管具有大致均匀的内截面。
9.根据权利要求5至8之一所述的装置，其特征在于，所述导管包括具有管段形状的电绝缘部分。
10.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，所述导管包括至少一个导电部分，所述至少一个导电部分具有包括至少一个用于气体循环的通腔(110)的、由导电材料制成的部分的形状。
11.根据权利要求10所述的装置，其特征在于，所述通腔在所述导电部分中限定非直线气体路径。
12.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，所述导管包括至少一个导电部分，所述导电部分具有包括多个允许气体循环的开口的、由导电材料制成的部分的形状。
13.一种用于实施化学气相沉积方法的反应器，其特征在于，所述反应器包括反应室和至少一个根据权利要求1至12之一所述的气体循环装置。
14.根据权利要求13所述的反应器，其特征在于，所述反应器包括两个电极，所述两个电极中的第一电极连接到射频源，并且第二电极连接到地，从而，所述第一电极和所述第二电极之间的电势差使得能够形成被喷射到所述反应器中的所述气体的等离子体。
15.一种用于防止在气体循环装置中形成等离子体的方法，所述气体循环装置用于将气体输送到化学气相沉积反应器，所述气体循环装置包括具有第一端和第二端的导管，所述第一端通到所述反应器中，同时以射频电势(V5)被极化，所述第二端以参考电势(V0)被电极化，所述方法的特征在于它包括：在所述第一端和所述第二端之间向所述导管局部地施加至少一个确定的电势，以便以在所述射频电势和所述参考电势之间的中间电势将所述导管中的所述气体局部地极化。
16.一种用于化学气相沉积的方法，其特征在于，所述方法是在根据权利要求13或14中的一项所述的反应器中实施的，所述方法包括通过根据权利要求1至12之一所述的气体循环装置喷射气体的步骤，所述气体旨在在先前已定位在反应器反应室中的基板的表面上反应。
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