CN111172516B - 进气装置和化学气相沉积设备 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种进气装置，所述进气装置用于化学气相沉积设备，所述进气装置包括沿进气方向间隔设置的多级气体混合腔，相邻两级气体混合腔之间通过若干个间隔设置的通道相连通，其中，任意一级所述气体混合腔的腔壁上均设置有至少一个进气口，每个所述进气口用于通入其中一种工艺气体；位于最后一级所述气体混合腔的腔壁上设置有若干个出气口。本发明还提供一种化学气相沉积设备。利用所述化学气相沉积设备进行化学气相沉积工艺时，工艺气体基片表面分布更加均匀。
Description
技术领域
本发明涉及化学气相沉积设备领域，具体地，涉及一种进气装置和一种包括该进气装置的化学气相沉积设备。
背景技术
化学气相沉积工艺是微电子加工领域常用的一种外延生长工艺，通常，在化学气相沉积设备中执行化学气相沉积工艺。图1中所示的是化学气相沉积设备的示意图。该化学气相沉积设备包括反应腔10，该反应腔10的前端为进气端11，反应腔10的后端为出气端12。在反应腔的前端形成有多个贯穿反应腔的腔室壁的多个进气孔，在反应腔的出气端形成有多个贯穿反应腔的腔室壁的出气孔(未示出)。反应腔的上下表面为标准矩形，并且，在进气端，多个进气孔10分布的宽度L并不是完整覆盖整个反应腔的宽度。这就导致气体进入反应腔时，腔室进气端两侧形成死角，反应腔内的气体会因浓度差向腔室进气端两侧急速扩散，形成涡流。图2中所示的便是反应腔内的气体分布图，从图中可以看出，在距离进气端比较近的两个角部处出现了涡流。涡流的存在会导致工艺气体待沉积的基片表面分布不均匀，进而影响工艺效果。
因此，如何避免工艺气体在工艺腔内形成涡流成为本领域亟待解决的技术问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种进气装置和一种包括该进气装置的化学气相沉积设备。在利用所述化学气相沉积设备执行化学气相沉积时，腔室内工艺气体分布均匀，不存在涡流。
为了实现上述目的，作为本发明的一个方面，提供一种进气装置，所述进气装置用于化学气相沉积设备，所述进气装置包括沿进气方向间隔设置的多级气体混合腔，相邻两级气体混合腔之间通过若干个间隔设置的通道相连通，其中，
任意一级所述气体混合腔的腔壁上均设置有至少一个进气口，每个所述进气口用于通入其中一种工艺气体；位于最后一级所述气体混合腔的腔壁上设置有若干个出气口。
优选地，所述进气装置包括具有一级气体混合腔的第一混气盒和具有二级气体混合腔的第二混气盒，其中，
所述第一混气盒的底板与所述第二混气盒的顶板贴合，且所述第一混气盒的底板上形成有若干个第一连通气孔，所述第二混气盒的顶板上形成有若干个第二连通气孔，若干个所述第一连通气孔与若干个所述第二连通气孔一一对应且对齐形成若干个所述通道；
所述第一混气盒上形成有至少一个所述进气口，所述第二混气盒上形成有至少一个所述进气口，若干个所述出气口形成在所述第二混气盒的底板上。
优选地，所述进气装置还包括多个进气管，且多个所述进气管与对应的所述进气口连通。
作为本发明的第二个方面，提供一种化学气相沉积设备，所述化学气相沉积设备包括工艺腔和设置在所述工艺腔中的基片承载座，其中，所述化学气相沉积设备还包括设置在所述工艺腔顶部的进气装置，所述进气装置为本发明所提供的上述进气装置。
优选地，所述进气装置的出气口的出气方向朝向所述基片承载座的承载面，且所述出气方向与所述承载面垂直。
优选地，所述化学气相沉积设备还包括用于对所述工艺腔进行加热的加热组件，其中，
所述加热组件包括沿所述工艺腔的高度方向由顶部至底部依次设置的第一加热组件、第二加热组件和第三加热组件，所述第一加热组件、所述第二加热组件和所述第三加热组件能够被分别独立地控制。
优选地，所述第一加热组件为由第一电阻丝绕成的螺旋筒状，所述第二加热组件为由第二电阻丝绕成的螺旋筒状，所述第三加热组件为由第三电阻丝绕成的螺旋盘状，所述基片承载座设置在所述第一加热组件的空腔中。
优选地，所述化学气相沉积设备还包括旋转轴，用于带动所述基片承载座绕其自身轴线旋转；
所述旋转轴的一端位于所述工艺腔内，并与所述基片承载座相连，所述旋转轴的另一端穿过所述工艺腔的底壁上的导向孔并位于所述工艺腔的外部。
优选地，所述工艺腔的侧壁上形成传片口，所述传片口沿所述侧壁的厚度方向贯穿设置。
优选地，所述化学气相沉积设备还包括用于对所述工艺腔的腔室壁进行冷却的冷却装置。
本发明所提供的进气装置尤其适用于对三种以上的工艺气体进行混合。利用本发明所提供的进气装置可以将多种不同的气体分多次进行依次混合而非一次混合，因此，从进气装置的出气口流出的混合气体混合的更加均匀。
附图说明
附图是用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本发明，但并不构成对本发明的限制。在附图中：
图1是现有的化学气相沉积设备的示意图；
图2是利用现有的化学气相沉积设备进行外延生长工艺时，基片表面的流体分布模拟图；
图3是本发明所提供的进气装置的一种优选实施方式的剖视图；
图4是本发明所提供的化学气相沉积设备的一种优选实施方式的剖视示意图；
图5是图4中所示的化学气相沉积设备的A-A剖视图。
附图标记说明
110：第一混气盒 111：一级气体混合腔
112：底板 113：第一混气盒的顶板
120：第二混气盒 114、115、125：进气管
121：二级气体混合腔 122：第二混气盒的顶板
112a：第一连通气孔 122a：第二连通气孔
100：进气装置 124：出气口
200：工艺腔 210：抽气口
221：基片承载座 222：旋转轴
230：第一加热组件 240：第二加热组件
250：第三加热组件 260：冷却管路
270：传片口 230a：第一加热电极
240a：第二加热电极
具体实施方式
以下结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。
作为本发明的一个方面，提供一种进气装置，所述进气装置用于化学气相沉积设备，其中，所述进气装置包括沿进气方向间隔设置的多级气体混合腔，相邻两级气体混合腔之间通过若干间隔设置的通道连通。
其中，任意一级所述气体混合腔的腔壁上均设置有至少一个进气口，每个所述进气口用于通入其中一种工艺气体；位于最后一级所述气体混合腔的腔壁上设置有若干个出气口。
所述进气装置用于化学气相沉积设备中，用于向化学气相沉积设备的工艺腔内提供工艺气体。每级气体混合腔中均可以通入工艺气体，因此，在工艺气体从第一级气体混合腔流向最后一级气体混合腔的过程中，混合的工艺气体的种类越来越多，直至最后一级气体混合腔，化学气相沉积工艺中所需要用到的气体都混合在一起。
本发明所提供的进气装置尤其适用于对三种以上的工艺气体进行混合。利用本发明所提供的进气装置可以将多种不同的气体分多次进行依次混合而非一次混合，因此，从进气装置的出气口流出的混合气体混合的更加均匀。
由于工艺气体混合更加均匀，从而可以提高化学气相沉积设备在基片表面形成的膜层的均匀性，进而提高产品良率。
在本发明中，对所述气体混合腔的数量、所述进气口的数量并不做特殊的限定，例如，在图3中所示的具体实施方式中，所述进气装置包括两个气体混合腔。具体地，所述进气装置包括具有一级气体混合腔111的第一混气盒110和具有二级气体混合腔121的第二混气盒120，第一混气盒110的底板112与第二混气盒120的顶板122贴合。
第一混气盒110的底板112上形成有若干个第一连通气孔112a，第二混气盒120的顶板122上形成有若干个第二连通气孔122a，若干个第一连通气孔112a与若干个第二连通气孔122a一一对应且对齐形成若干个通道。第一混气盒110的一级气体混合腔111与第二混气盒120的二级气体混合腔121通过该通道相连通。
第一混气盒110上形成有至少一个所述进气口，第二混气盒120上形成有至少一个所述进气口，若干个出气口124形成在第二混气盒120的底板123上。
需要指出的是，第一混气盒110的顶板、底板为第一混气盒110内的气体混合腔111的腔壁的一部分，相应地，第二混气盒120的顶板、底板为第二混气盒120内的气体混合腔121的腔壁的一部分。
多种工艺气体通过第一混气盒110上的进气口进入第一混气盒110的一级气体混合腔111内，并在一级气体混合腔111内混合均匀。气体混合腔111内的气体通过对齐且连通的第一连通气孔112a和第二连通气孔122a进入第二混气盒120的气体混合腔121内，与通过第二混气盒120上的进气口进入二级气体混合腔121内的气体进一步混合，并通过形成在第二混气盒120底板上的出气口124进入进行化学气相沉积的工艺腔内。
为了便于向各个气体混合腔内通入工艺气体，优选地，在本发明中，所述进气装置还包括多个进气管，且多个所述进气管与对应的进气口连通。具体地，所述进气管的一端设置在相应的进气口中，所述进气管的另一端与相应的工艺气体源的出气口连通。
在图3中所示的具体实施方式中，第一混气盒110的顶板113上设置有两个进气口，第二混气盒120的顶板122上设置有一个进气口，也就是说，利用图3中的进气装置可以对三种不同的气体进行混合。
在第一混气盒110的两个进气口中分别设置有进气管114和进气管115，在第二混气盒120的进气口中设置有进气管125。为了设置进气管125，在第一混气盒的顶板113上设置第一通孔，在第一混气盒的底板112上设置与第一通孔同轴且直径相同的第二通孔，进气管125的一端穿过所述第一通孔和所述第二通孔设置在形成在第二混气盒的顶板122上的进气口中。
当利用化学气相沉积的方法在硅基片上通过气相外延生长的方法形成硅层时，需要用到的工艺气体包括氢气、三氯硅烷(即，TCS)气体和掺杂气体。在本发明中，掺杂气体可以是磷烷或硼烷。其中，通过进气管115向气体混合腔111内通入氢气，通过进气管114向一级气体混合腔111内通入掺杂气体，使二者在气体混合腔内进行初步混合。一级气体混合腔111内的气体通过对齐的第一连通气孔112a和第二连通气孔122a进入二级气体混合腔121，并与通过进气管125进入二级气体混合腔121内的气体进行进一步的混合，并通过出气口124流出二级气体混合腔121进入执行化学气相沉积的工艺腔。
作为本发明的第二个方面，提供一种化学气相沉积设备，如图4所示，所述化学气相沉积设备包括工艺腔200和设置在该工艺腔200中的基片承载座221。其中，所述化学气相沉积设备包括设置在工艺腔200的顶部的进气装置100。其中，进气装置100为本发明所提供的上述进气装置100。
如上文中所述，利用本发明所提供的进气装置可以使得多种工艺气体混合均匀，从而提供化学气相沉积工艺成膜的良率。
在图4中所示的实施方式中，所述化学气相沉积设备还包括形成在工艺腔200的底部的抽气口210。
基片承载座221设置在工艺腔200中，进气装置100的出气口的出气方向朝向基片承载座221的承载面，且所述出气方向与所述承载面垂直。
作为一种优选实施方式，基片承载座221能够绕该基片承载座221的纵向轴线旋转。需要解释的是，基片承载座221的纵向轴线的方向与工艺腔的高度方向一致。
利用本发明所提供的化学气相沉积设备执行化学气相沉积工艺(即，外延生长工艺)时，将基片设置在基片承载座221的承载面上。
通过进气孔将工艺气体源内的工艺气体分别通入相应的气体混合腔，工艺气体在进气装置100中混合均匀后通过进气装置100的出气口进入工艺腔200内。同时，在抽气口210处对工艺腔200进行抽气，使得从工艺腔200顶部进入的工艺气体可以垂直流向基片承载座221的承载面。基片承载座221绕自身的纵向轴线转动，在离心力的作用下，工艺气体的气流由沿垂直于承载面的方向流动变为沿平行于承载面的方向流动，从而可以使得工艺气体在基片的表面(即，反应区)分布均匀。
为了使得工艺腔内的温度达到所需的工艺温度，优选地，所述化学气相沉积设备还包括用于对所述工艺腔进行加热的加热组件。
为了便于对工艺腔进行均匀加热，优选地，如图4所示，所述加热组件包括沿工艺腔200的高度方向(即，图4中的上下方向)由顶部至底部依次设置的第一加热组件230、第二加热组件240和第三加热组件250。并且，第一加热组件230、第二加热组件240和第三加热组件250能够各自独立地控制。
第一加热组件230主要对工艺腔200的上部进行加热，第二加热组件240主要对工艺腔200的中部进行加热，第三加热组件250主要用于对工艺腔200的底部进行加热。
在本发明中，对第一加热组件230、第二加热组件240和第三加热组件250的具体结构没有特殊的限制。为了对工艺腔进行均匀的加热，优选地，第一加热组件230为由第一电阻丝绕成的螺旋筒状，第二加热组件240为由第二电阻丝绕成的螺旋筒状，第三加热组件250为由第三电阻丝绕成的螺旋盘状。如图4所示，基片承载座221位于第二加热组件240中的空腔中。
第一加热组件230和第二加热组件240均为螺旋筒状，从而可以对工艺腔200的上部和中部进行全面均匀的加热，第三加热组件250为盘状，可以对工艺腔的下部进行加热。
具体地，第一加热组件230用于对基片承载座221进行加热，以使得基片承载座221所处的环境温度达到所需的工艺温度(例如，在进行硅的外延生长工艺时，所需工艺温度为1300℃)，第二加热组件240和第三加热组件250用于对工艺腔进行补偿加热以及温度调节。
具体地，基片承载座221被位于该基片承载座221四周的第一加热组件230加热，因此基片承载座的中心区域温度低于该基片承载座外围区域的温度，第二加热组件240和第三加热组件250可以对基片承载座221中部进行加热，并调整基片承载座221中部的温度。
在本发明中，可以采用比例-积分-导数(PID)控制器分别对第一加热组件230、第二加热组件240和第三加热组件250进行控制。具体地，所述化学气相沉积设备还可以包括多个温度传感器，多个所述温度传感器分别检测第一加热组件230对应的区域的温度、第二加热组件240对应的区域的温度和第三加热组件250对应的区域的温度，并将温度转化为电信号反馈给PID控制器。
PID控制器通过接收到的与温度相关的电信号控制第一加热组件、第二加热组件以及第三加热组件的电流。以使得第一加热组件的温度浮动在±5.3℃、第二加热组件的温度浮动在±5.3℃、第三加热组件的温度浮动在±5.3℃。
作为一种优选实施方式，第一加热组件230的第一电阻丝的横截面宽度可以为10mm，第二加热组件240的第二电阻丝的横截面宽度可以为14.5mm，第三加热组件250的第三电阻丝的横截面宽度可以为15mm。
需要指出的是，电阻丝越粗，电阻越小。通过设置第一加热组件的第一电阻丝的粗细程度、第二加热组件的第二电阻丝的粗细程度、第三加热组件的第三电阻丝的粗细程度可以在所述工艺腔内形成温度均匀的温度场。
在本发明中，第三加热组件250与第二加热组件240之间的间距要尽可能小，但是二者不能够接触，避免二者之间发生短路。
在本发明中，对如何各自独立地控制第一加热组件230、第二加热组件240和第三加热组件250并没有特殊的限制。在图4中所示的实施方式中，利用贯穿工艺腔200的腔室壁的第一加热电极230a对第一加热组件230的第一加热电阻丝进行供电，利用贯穿工艺腔200的腔室壁的第二极加热电极240a对第二加热组件240的第二加热电阻丝进行供电。利用第三加热电极(未示出)对第三加热组件230的第三加热电阻丝进行供电。
在本发明中，对第一加热电阻丝、第二加热电阻丝、第三加热电阻丝的具体材料不做特殊限制。例如，可以采用石墨制成上述第一加热电阻丝、第二加热电阻丝和第三加热电阻丝。为了减少石墨电阻丝在高温状态下对化学气相沉积工艺形成的膜造成p掺杂，优选地，可以在石墨电阻丝的外表面设置碳化硅层。
在本发明中，对如何驱动基片承载座221进行旋转没有特殊的要求，例如，在图4中所示的实施方式中，所述化学气相沉积设备还包括旋转轴222，该旋转轴222用于带动基片承载座221绕其自身轴线旋转。
旋转轴222的一端位于工艺腔200内，并与基片承载座221相连，旋转轴222的另一端穿过过工艺腔200的底壁并位于工艺腔200的外部。
在本发明中，旋转轴222位于工艺腔200外的一端与驱动装置相连，驱动装置带动旋转轴222旋转，进而带动基片承载座221旋转。
当利用所述化学气相沉积设备执行硅的外延生长工艺时，旋转轴222的速度可以在1000rpm。
为了便于在基片承载座221的承载面上设置待处理的基片、以及将处理结束的基片从基片承载座221的承载面上取下，优选地，所述工艺腔的侧壁上形成有沿厚度方向贯穿所述工艺腔的侧壁的传片口，所述传片口能够被封闭，所述旋转轴能够在所述导向孔的内表面的引导下沿所述旋转轴的轴线移动，以带动所述基片承载座在所述工艺腔内升降，使得所述基片承载座能够从高于所述传片口的工艺位置移动至不高于所述传片口的位置、并从不高于所述传片口移动至所述工艺位置。
如图5所示，传片口270设置在工艺腔的侧壁上，当执行化学气相沉积工艺时，将传片口270封闭，并且将基片承载座上升至工艺位置。当气相沉积工艺结束时，将传片口270打开，并将基片承载座降低至与传片口270平齐或者低于传片口270的位置，将沉积有膜层的基片取出，并将待沉积的基片防止在基片承载座上，再次控制旋转轴升起，将基片承载座上升至工艺位置。
在本发明中，工艺位置是与第二加热组件240相对应的位置。
在本发明中，对制成工艺腔的腔室壁的材料没有特殊的要求。例如，可以采用不锈钢材料制成所述腔室壁，并且在所述腔室壁的内表面设置二氧化硅涂层，以避免在气相沉积过程中，腔室壁表面的金属材料脱落对气相沉积工艺造成影响，优选地，可以在腔室壁的内表面镀一层二氧化硅涂层。
为了避免腔室壁的外表面过热、提高生产环境的安全性，优选地，所述化学气相沉积设备还包括用于对所述工艺腔的腔室壁的外表面进行冷却的冷却装置。
在本发明中，多所述冷却装置的具体结构不做特殊的限定，在图4中所示的具体实施方式中，所述冷却装置包括设置在所述工艺腔的腔室壁内的冷却管路260。在执行化学气相沉积工艺时，向冷却管路内通入冷却液，可以对工艺腔的腔室壁进行冷却，避免工艺腔的腔室壁外表面温度过高而对化学气相沉积设备外围的人或物造成威胁。
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 (9)
1.一种进气装置，所述进气装置用于化学气相沉积设备，其特征在于，所述进气装置包括沿进气方向间隔设置的多级气体混合腔，相邻两级气体混合腔之间通过若干个间隔设置的通道相连通，其中，
任意一级所述气体混合腔的腔壁上均设置有至少一个进气口，每个所述进气口用于通入其中一种工艺气体；位于最后一级所述气体混合腔的腔壁上设置有若干个出气口；
所述进气装置包括具有一级气体混合腔的第一混气盒和具有二级气体混合腔的第二混气盒，所述第一混气盒和所述第二混气盒为轮廓相同的盒体，其中，
所述第一混气盒的底板与所述第二混气盒的顶板贴合，且所述第一混气盒的底板上形成有若干个第一连通气孔，所述第二混气盒的顶板上形成有若干个第二连通气孔，若干个所述第一连通气孔与若干个所述第二连通气孔一一对应且对齐形成若干个所述通道；若干个所述通道相对于所述第二混气盒均匀分布；
所述第一混气盒上形成有至少一个所述进气口，所述第二混气盒上形成有至少一个所述进气口，若干个所述出气口形成在所述第二混气盒的底板上。
2.根据权利要求1所述的进气装置，其特征在于，所述进气装置还包括多个进气管，且多个所述进气管与对应的所述进气口连通。
3.一种化学气相沉积设备，所述化学气相沉积设备包括工艺腔和设置在所述工艺腔中的基片承载座，其特征在于，所述化学气相沉积设备还包括设置在所述工艺腔顶部的进气装置，所述进气装置为权利要求1至2中任意一项所述的进气装置。
4.根据权利要求3所述的化学气相沉积设备，其特征在于，所述进气装置的出气口的出气方向朝向所述基片承载座的承载面，且所述出气方向与所述承载面垂直。
5.根据权利要求3所述的化学气相沉积设备，其特征在于，所述化学气相沉积设备还包括用于对所述工艺腔进行加热的加热组件，其中，
所述加热组件包括沿所述工艺腔的高度方向由顶部至底部依次设置的第一加热组件、第二加热组件和第三加热组件，所述第一加热组件、所述第二加热组件和所述第三加热组件能够被分别独立地控制。
6.根据权利要求5所述的化学气相沉积设备，其特征在于，所述第一加热组件为由第一电阻丝绕成的螺旋筒状，所述第二加热组件为由第二电阻丝绕成的螺旋筒状，所述第三加热组件为由第三电阻丝绕成的螺旋盘状，所述基片承载座设置在所述第一加热组件的空腔中。
7.根据权利要求3至5中任意一项所述的化学气相沉积设备，其特征在于，所述化学气相沉积设备还包括旋转轴，用于带动所述基片承载座绕其自身轴线旋转；
所述旋转轴的一端位于所述工艺腔内，并与所述基片承载座相连，所述旋转轴的另一端穿过所述工艺腔的底壁上的导向孔并位于所述工艺腔的外部。
8.根据权利要求7所述的化学气相沉积设备，其特征在于，所述工艺腔的侧壁上形成传片口，所述传片口沿所述侧壁的厚度方向贯穿设置。
9.根据权利要求3至5中任意一项所述的化学气相沉积设备，其特征在于，所述化学气相沉积设备还包括用于对所述工艺腔的腔室壁进行冷却的冷却装置。
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