CN113818011A - 化学气相沉积反应设备 - Google Patents

Abstract

本申请涉及化学气相沉积技术领域，尤其涉及一种化学气相沉积反应设备。该设备包括炉体和引流装置；炉体内的反应室具有进气口和排气口；引流装置设置在反应室内，包括第一隔板、旋转体和转轴，第一隔板具有通孔，第一隔板设置在进气口与排气口之间，并将反应室分为第一区域和第二区域；进气口位于第一区域，排气口、旋转体和转轴均位于第二区域，转轴的上部连接旋转体、下部穿出炉体，转轴能够带动旋转体旋转。本申请提供的方案能够分散反应室内的气流，促进材料均匀沉积。

Description

化学气相沉积反应设备

技术领域

本申请涉及化学气相沉积技术领域，尤其涉及一种化学气相沉积反应设备。

背景技术

碳化硅（SiC）材料作为优秀的第三代半导体材料，具有热传导度高、耐等离子刻蚀、耐氧化、耐磨损、耐腐蚀、高温稳定等优点，尤其是具备在等离子刻蚀制造工艺中几乎不产生颗粒污染的优良特性。使用碳化硅材料制备而成的部件，比如刻蚀机内部的Top EdgeRing、Focus Ring以及电极，化学气相沉积反应设备使用的基座等，均有效提高了部件的使用周期及品质，成为半导体领域成功量产和良率保证的重要利器之一。

目前，主要的碳化硅部件制备技术为HTCVD（高温化学气相沉积）技术，即利用前驱体在高温生长炉内不断的分解反应沉积进而制备得到期望的碳化硅材料。如图1所示，典型的碳化硅材料高温生长炉反应室内，通常包含前驱体（气体）进气口2、衬底、加热器和排气口3。随着半导体工艺的不断发展，对碳化硅部件的尺寸需求越来越大，生长工艺精度要求亦在不断提高，故生长炉内的气氛均匀分布对于生长工艺和材料性能尤其重要。

现有的碳化硅材料高温生长炉，前驱体被导入反应室内，在衬底材料表面分解反应沉积后，通过外部的真空泵在排气口被抽走，进而确保反应副产物抽离腔室，新的前驱体进入腔室。然而，这种进气排气结构，会导致前驱体及其他反应气体在腔体内的分布不均匀，且流动路径会主要集中在进气口到排气口的动线上（如图1所示），进而导致腔室内部的材料生长沉积不均匀，尤其在生长多片或者大尺寸的碳化硅材料时。另外，当生长多片或者大尺寸的碳化硅材料时，腔体尺寸比较大，进气口和排气口的距离较长，且工艺周期长，在气相中的一些固态反应物容易附着在排气口处生长，长此以往，容易造成设备排气效率低或者排气口堵塞，对工艺和设备造成影响。

发明内容

本申请提供一种化学气相沉积反应设备，以至少优化反应气体的流动路径，促进反应室内材料生长沉积均匀。本申请的技术方案如下：

本申请的提供了一种化学气相沉积反应设备，包括炉体和引流装置；

所述炉体限定出反应室，所述反应室具有进气口和排气口；

所述引流装置设置在所述反应室内，包括第一隔板、旋转体和转轴，所述第一隔板设置在所述进气口与所述排气口之间，并将所述反应室分为第一区域和第二区域；所述进气口位于所述第一区域，所述排气口、所述旋转体和所述转轴均位于所述第二区域，所述转轴的上部连接所述旋转体、下部穿出所述炉体，所述第一隔板具有通孔，所述转轴能够带动所述旋转体旋转。

本申请提供的技术方案至少带来以下有益效果：

通过在反应室内设置引流装置，前驱体及其他反应气体被导入到反应室后，受到引流装置上通孔及旋转体运动的影响，反应气体在从进气口到排气口的流动路径上被通孔分散，扩展了反应气体在第一区域内的流动路径，促进衬底材料在第一区域内均匀反应沉积。通过优化反应气体在反应室内的流动路径，延长了反应气体在反应室内的流动路径和停留时间，增加了前驱体的分解度，提高了成品率。此外，引流装置设置在反应室的排气口前，加之反应气体在反应室内的停留时间增长，会促使反应后的副产物在排出炉体前提前沉积，降低了排气口堵塞的风险。

应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本申请。

附图说明

此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本申请的实施例，并与说明书一起用于解释本申请的原理，并不构成对本申请的不当限定。

图1是相关技术中反应气体在反应室内的流动路径；

图2是本申请实施例中反应气体在反应室内的流动路径；

图3是根据一示例性实施例示出的引流装置的结构示意图；

图4是根据一示例性实施例示出的一种化学气相沉积反应设备的三维剖视图；

图5是根据一示例性实施例示出的引流装置与炉体的连接示意图；

图6是根据一示例性实施例示出的引流装置中第一隔板的结构示意图。

图中：1-炉体，2-进气口，3-排气口，4-引流装置，5-通孔，6-支柱，7-转轴，8-安装柱，9-卡座，10-第一隔板，11-旋转体，12-第二隔板，13-炉体底面。

具体实施方式

为了使本领域普通人员更好地理解本申请的技术方案，下面将结合附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。

需要说明的是，本申请的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本申请的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本申请相一致的所有实施方式。相反，它们仅是与如所附权利要求书中所详述的、本申请的一些方面相一致的装置和方法的例子。

本发明实施例提供一种化学气相沉积反应设备，该设备包括炉体、引流装置和驱动器，引流装置安装在炉体内部，驱动器设置在炉体外。

炉体为中空结构，其限定出反应室，反应室具有进气口和排气口。反应室可以为柱状结构，如圆柱、椭圆柱、棱柱等。进气口和排气口分别设置在反应室的不同区域内，为扩展气流在反应室内的流动路径，进气口和排气口的连线可以趋近于反应室的对角线，示例性的，可以将进气口设置在反应室的左侧上部区域、将排气口设置在反应室的右侧下部区域，或者，将进气口设置在反应室的左侧下部区域，将排气口设置在反应室的右侧上部区域。排气口用于连接真空泵。

引流装置以固定方式或者可拆卸方式安装在反应室内。在一种可行的实现方式中，引流装置包括第一隔板、旋转体、第二隔板、转轴和支柱。引流装置采用石墨材料制成。

第一隔板设置在进气口与排气口之间，并将反应室分为第一区域和第二区域，进气口位于第一区域，排气口、旋转体、第二隔板、转轴和支柱均位于第二区域。第一隔板上设有至少一个通孔，通孔的形状可以为圆形、椭圆形、多边形、螺旋形或者不规则形状。当第一隔板上仅设置一个通孔的情况下，可以将通孔设计为发散状图形，以促进反应室内气流均匀，示例性的，可以将通孔设置为从第一隔板的中心向其边缘盘旋的螺旋形。当第一隔板上设置至少两个通孔时，至少两个通孔均匀分散在第一隔板上，各通孔的形状可以相同，也可以不相同。在一种可行的实现方式中，至少两个通孔呈环形阵列分布，并且环形阵列的中心与第一隔板的中心重合。

第一隔板与第二隔板之间通过至少一根支柱相连，这些支柱沿第一隔板和/或第二隔板的外沿设置，从而空留出中部区域。旋转体设置在由第一隔板、第二隔板和支柱围合形成的区域内，排气口位于旋转体与第二隔板之间，第二隔板上设有第一轴孔，炉体上设有第二轴孔，转轴的上部连接旋转体、下部依次穿过第一轴孔和第二轴孔后与驱动器相连。其中，转轴与旋转体的连接结构中，旋转体上可以设置孔洞，转轴可以穿出旋转体上的孔洞，或者停留在孔洞的任意位置；或者，旋转体上无孔洞设计，将转轴的上端面与旋转体相连即可。此外，还可以在第二隔板与炉体之间设安装柱，该安装柱采用石墨材料制成，转轴穿过第二隔板后先穿过安装柱的中空部再穿入炉体的第二轴孔，使第二隔板与炉体之间保持间隙，可以避免第二隔板上的沉积物粘连炉体，也便于拆卸或安装引流装置。

旋转体具有至少一个叶片，每个叶片均与转轴相连。在旋转体具有至少两个叶片的情况下，至少两个叶片沿转轴的外周间隔分布。转轴上各叶片可以位于同一平面或者不同平面，在叶片位于不同平面的情况下，可以将各叶片错开设置。叶片的形状可以为扇形、三角形、螺旋形等各种形状；其中，当叶片为螺旋形时，螺旋形的中心线与转轴的中心线重合；在叶片为扇形的情况下，扇形叶片的圆心角与转轴相连，并且，旋转体上所有扇形叶片的圆心角角度总和可以为120°至180°。

第一隔板、旋转体和第二隔板为同轴设置。第一隔板和第二隔板的形状与反应室的横截面形状匹配，并且，第一隔板的边缘和第二隔板的边缘均与炉体的内壁之间保持间隙，以确保第一区域的气流主要从第一隔板的通孔流入第二区域，并防止引流装置上的沉积物粘连炉体内壁。在一种可行的实现方式中，第一隔板和第二隔板的形状与反应室的横截面形状相同，并且第一隔板和第二隔板的尺寸略小于反应室的横截面尺寸。

在另一种可行的实现方式中，引流装置可以仅包括第一隔板、旋转体和转轴。第一隔板设置在进气口与排气口之间，并将反应室分为第一区域和第二区域，进气口位于第一区域，排气口、旋转体和转轴位于第二区域，转轴的上部连接旋转体、下部穿过炉体与驱动器相连，驱动器能够驱动转轴旋转，使转轴带动旋转体转动。其中，进气口位于炉体上部区域，排气口位于炉体下部区域，并且，排气口可以设置在炉体侧壁上或者炉体底部。第一隔板可以通过连接件与炉体内壁相连。其中，第一隔板的结构与上述实施例中第一隔板的结构相同，旋转体的结构与上述实施例中旋转体的结构相同，在此不赘述。

图2示出了反应气体在反应室内的流动路径，请参见图2，反应气体从进气口2进入反应室后，先停留在第一区域进行反应沉积，在真空泵的吸力作用下，第二区域产生负压，旋转体11旋转使第二区域内负压均匀分散，促使第一区域内的反应气体通过第一隔板10上各通孔5进入第二区域，此过程中，反应气体在第一区域分散扩开，延长了反应气体在第一区域的流动路径和停留时间，有利于提高反应气体的分解度，提高成品率；在反应气体进入第二区域后，旋转体11转动带动反应气体盘旋，之后从排气口3排出，延长了反应气体在第二区域内的流动路径和停留时间，利于反应气体中较大或较重的物质在进入排出口前提前沉积，降低排气口3堵塞风险。

本发明实施例提供一种引流装置，该引流装置可以应用于化学气相沉积反应设备中，实现分散气流及承接反应气体副产物的效果。

请参见图3，引流装置可以包括第一隔板10、旋转体11、第二隔板12、转轴7和支柱6。

第一隔板10上设有至少一个通孔5，通孔5的形状可以为圆形、椭圆形、多边形、螺旋形或者不规则形状。当第一隔板10上仅设置一个通孔5的情况下，通孔5的形状为发散状，示例性的，可以将通孔5设置为从第一隔板10的中心向其边缘盘旋的螺旋形。当第一隔板10上设置至少两个通孔5时，至少两个通孔5均匀分散在第一隔板10上，各通孔5的形状可以相同，也可以不相同。在一种可行的实现方式中，至少两个通孔5呈环形阵列分布，并且可以将环形阵列的中心设计为与第一隔板10的中心重合。

第一隔板10与第二隔板12之间通过支柱6相连，支柱6的数量可以为一根或者多根，在引流装置4包括多根支柱6的情况下，多根支柱6可以沿着第一隔板10的外沿和/或第二隔板12的外沿设置，使第一隔板10、第二隔板12与支柱6之间围合形成活动空间；旋转体11设置在该活动空间内。第二隔板12设有第一轴孔，转轴7的一端连接旋转体11、另一端穿出第一轴孔，转轴7能够带动旋转体11在活动空间内转动。

旋转体11具有至少一个叶片，每个叶片均与转轴7相连。在旋转体11具有至少两个叶片的情况下，至少两个叶片沿转轴7的外周间隔分布。转轴7上各叶片可以位于同一平面或者不同平面，在叶片位于不同平面的情况下，可以将各叶片错开设置。叶片的形状可以为扇形、三角形、螺旋形等各种形状；其中，当叶片为螺旋形时，螺旋形的中心线与转轴7的中心线重合；在叶片为扇形的情况下，扇形叶片的圆心角与转轴7相连，并且，旋转体11上所有扇形叶片的圆心角角度总和可以为120°至180°。

引流装置4的各部件均采用石墨材料制成。第一个隔板、第二隔板12和转轴7为同轴设置。第一隔板10和第二隔板12的形状可以与化学气相沉积反应设备中的炉体内腔横截面相同，可以将第一隔板10和第二隔板12的尺寸设计为略小于炉体内腔横截面，以便于引流装置的安装拆卸，并且可以避免引流装置上沉积物粘连炉体内壁。

本实施例提供的引流装置可安装于化学反应沉积设备的炉体内，用于对炉体内气流进行分散均匀，使反应副产物在排出炉体前提前沉积在第二隔板上，避免排气口堵塞。本实施例的引流装置与炉体之间通过可拆卸方式连接，用户可根据需要更换引流装置，例如，在引流装置上附着较多反应沉积物的情况下，为避免反应沉积物对正常的反应沉积造成不利影响，可以更换引流装置，使炉体保持清洁。

图4示出了本发明实施例提供的一种化学反应沉积设备的具体实现结构，请参见图4，该化学反应沉积设备包括炉体1、进气口2、排气口3、引流装置4和安装柱8，炉体1为圆柱形中空结构，其内部具有反应室，进气口2和排气口3连通该反应室，并且，进气口2设置在反应室上部，排气口3设置在反应室下部，炉体1底部具有卡座9，引流装置4通过安装柱8安装在卡座9上，该引流装置4为可更换结构，石墨衬底设置在反应室内并位于引流装置4上方。

引流装置4由石墨材料制成，包括第一隔板、第二隔板、旋转体、转轴7和支柱6。第一隔板、第二隔板和旋转体为同轴设置，第一隔板和第二隔板均为直径略小于炉体1内直径的圆形石墨盘。旋转体为可旋转石墨盘，该可旋转石墨盘为总角度处于120°和180°之间的扇形结构，可为单个扇形，也可以为由多个扇形均匀分布的结构；例如旋转体可以为180°半圆形石墨盘或者2个对称设置的90°扇形石墨盘。旋转体的直径小于第一隔板和第二隔板的直径，以确保旋转时与其他结构不干涉。第一隔板和第二隔板之间通过四根支柱6相连，四根支柱6以第二隔板的圆心为中心呈环形阵列分布，并且，每根立柱在第二隔板上的投影与第二隔板内切。参见图5，旋转体11设置在第一隔板（图中未示出）与第二隔板（图中未示出）之间，安装柱8嵌套在炉体1底部的卡座9中，转轴7的上端连接旋转体11，转轴7的下端穿过第二隔板和安装柱8与驱动器连接，驱动器能够驱动转轴7旋转，使得转轴7带动旋转体11在四根支柱6围合限定的范围内旋转。安装柱8采用石墨材料制成，安装柱8与卡座9之间可拆卸，以确保引流装置可以固定在炉体内并且可拆卸。转轴7的直径比安装柱8的内直径略小，保证旋转柱嵌套安装于安装柱8内部，并且可作周期旋转运动。第一隔板10上设有供气流通过的通孔5，通孔5的形状为圆形，圆形通孔5的直径为第一隔板10直径的15%-20% ；如图6所示，第一隔板10上设有8个通孔5，其中一个通孔5设置在第一隔板10的中心位置，其余7个通孔5环绕第一隔板10的中心设置，且外侧7个通孔5与第一隔板10圆心的距离占第一隔板10直径的1/3；第一隔板10上所有通孔5的形状和大小均相同。第二隔板除中心位置设有第一轴孔之外，其余部分无孔洞设计，以便承接反应气体中的沉积物。第一隔板和第二隔板的厚度为2-3厘米；第一隔板与第二隔板之间的距离为8-15厘米。排气口的轴线处于第二隔板与旋转体之间。

图4所示的设备工作时，载气携带前驱体混合其他反应气体通过进气口2进入到炉体1内部反应室，其中载气可选择H₂（氢气）、N₂（氮气）、Ar（氩气），前驱体为甲基三氯硅烷，反应气体可为NH₃（氨气）、N₂（氮气），其中载气、反应气体、甲基三氯硅烷的体积比为6-12：3-6：1。载气携带前驱体及反应气体进入到反应室后，前驱体甲基三氯硅烷在高温下会进行分解，经过复杂的分解反应过程，最终在石墨衬底上沉积碳和硅原子，制备得到碳化硅材料。这里所述的温度为1100-1500℃，可以按照制备材料的实际需求来控制炉体类的温度。最终，反应副产物以及未反应的气体、前驱体从排气口排出。在气体从排气口排出前，会先经过引流装置。

引流装置中，转轴在驱动器的驱动作用下，带动旋转体慢速旋转（如顺时针方向旋转，转速为1转/分钟），使得第一隔板上通孔的气流通过性在不停的发生规律性的周期变化，进而使第一隔板上方的气流也跟随每个通孔的通过性变化做流动路径的调整，调整过程中，反应室内气流分布会更加均匀。当气流通过第一隔板的通孔后，在旋转体搅动影响下，气流在第一隔板与第二隔板之间停留时间延长，不但可以增加前驱体及其他反应气体在反应室内的分解反应时间、提升成品率，而且气相中的固态副产物会提前在引流装置上沉积，进而避免在排气口处沉积堆积引起排气口堵塞。引流装置由石墨材料加工而成，更换成本低，且方便拆卸安装，当需要更换的时候，可以实现高效更换，有效提高生产效率。

本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的发明后，将容易想到本申请的其它实施方案。本申请旨在涵盖本申请的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本申请的一般性原理并包括本申请未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本申请的真正范围和精神由下面的权利要求指出。

应当理解的是，本申请并不局限于上面已经描述并在附图中示出的精确结构，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本申请的范围仅由所附的权利要求来限制。

Claims (10)

1.一种化学气相沉积反应设备，其特征在于，包括炉体和引流装置；

所述炉体限定出反应室，所述反应室具有进气口和排气口；

所述引流装置设置在所述反应室内，包括第一隔板、旋转体和转轴，所述第一隔板设置在所述进气口与所述排气口之间，并将所述反应室分为第一区域和第二区域；所述进气口位于所述第一区域，所述排气口、所述旋转体和所述转轴均位于所述第二区域，所述转轴的上部连接所述旋转体、下部穿出所述炉体，所述第一隔板具有通孔，所述转轴能够带动所述旋转体旋转。

2.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述引流装置包括第二隔板，所述第二隔板位于所述炉体与所述旋转体之间，所述转轴依次穿过所述第二隔板和所述炉体。

3.根据权利要求2所述的设备，其特征在于，所述引流装置还包括支柱，所述第一隔板与所述第二隔板之间通过所述支柱相连，所述旋转体设置在由所述第一隔板、所述第二隔板和所述支柱限定的活动空间内。

4.根据权利要求2所述的设备，其特征在于，所述设备还包括驱动器，所述转轴穿出所述炉体的一端与所述驱动器相连，所述转轴能够在所述驱动器的驱动作用下带动所述旋转体旋转。

5.根据权利要求3所述的设备，其特征在于，所述引流装置包括至少一根所述支柱，所述至少一根所述支柱沿所述第一隔板和/或所述第二隔板的外沿设置；和/或，所述第一隔板的边缘、所述第二隔板的边缘均与所述炉体的内壁之间具有间隙；和/或，所述第一隔板和所述第二隔板的形状均与所述反应室的横截面形状匹配；和/或，所述第一隔板、所述旋转体和所述第二隔板为同轴设置。

6.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述旋转体具有至少一个叶片，每个叶片与所述转轴相连。

7.根据权利要求6所述的设备，其特征在于，在所述旋转体具有至少两个叶片的情况下，所述至少两个叶片沿所述转轴的外周间隔分布；和/或，所述叶片为扇形叶片，所述扇形叶片的圆心角与所述转轴相连；和/或，所有扇形叶片的圆心角角度总和为120°至180°。

8.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述第一隔板上设有至少两个所述通孔，所述至少两个所述通孔均匀分布在所述第一隔板上。

9.根据权利要求2所述的设备，其特征在于，所述设备还包括中空的安装柱，所述安装柱设置在所述炉体与所述第二隔板之间，所述转轴依次穿出所述第二隔板、所述安装柱和所述炉体，使所述第二隔板与所述炉体之间保持间隙；和/或，所述引流装置以可拆卸方式设置于所述反应室内；和/或，所述通孔为从所述第一隔板的中心向边缘盘旋的螺旋形。

10.根据权利要求8所述的设备，其特征在于，所述至少两个所述通孔呈环形阵列分布，所述环形阵列的中心与所述第一隔板的中心重合；和/或，所述进气口位于所述反应室的上部，所述排气口位于所述反应室的下部；和/或，所述引流装置采用石墨材料制成。

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