CN114457321A - 一种进气装置及cvd设备 - Google Patents
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Abstract
本申请提供了一种进气装置及CVD设备，涉及CVD设备技术领域。进气装置包括进气室本体、安装座、多孔透气件及挡风板；安装座设置于进气室本体，多孔透气件设置于安装座与进气室本体之间，且多孔透气件与安装座之间形成至少三个气流调节腔，安装座上对应气流调节腔设有进气接口，进气接口用于向对应的气流调节腔导入反应气体，进气室本体远离进气接口的一侧对应气流调节腔设有导气室；每个气流调节腔内均设有与进气接口对应的挡风板，挡风板位于多孔透气件与安装座之间。本申请提供的进气装置使反应气体进入导气室时能够很快的达到均匀流动的状态，以使晶圆生成厚度均匀、掺杂浓度均匀的外延层，无需设计较长的进气结构，降低成本。
Description
技术领域
本发明涉及CVD设备技术领域，尤其涉及一种进气装置及CVD设备。
背景技术
晶圆的外延过程是制备化合物半导体器件不可或缺的环节，具体方式是利用CVD(Chemical Vapor Deposition，化学气相沉积)的方式在特定的半导体晶圆的表面沉积一层性能优异、缺陷较少的薄膜，该薄膜被称为外延层。该外延层的质量对晶圆制备的半导体器件的性能有很大的影响。
在利用化学气相沉积(CVD)的方式制备薄膜的过程中，除反应表面温度的均匀性外，反应气体流动的均匀性也对沉积薄膜的性能和质量有较大的影响。尤其是在低于常压下进行的CVD反应，反应气体从进气管路进入进气腔室时有着较大的初始速度，在进气室内容易形成较为明显的涡流。对于水平进气结构的进气室及反应室，为改善晶圆表面生长外延层的质量和性能通常有两种方式：1、将进气室设计的较长可以实现反应气体在到达晶圆表面时处于均匀流动的状态；2、采用气动或其他传动方式使晶圆处于旋转的状态。
以上两种方式虽然一定程度上能够缓解反应气体流动的不均匀对沉积的外延层质量及性能的影响。但进气室长度增加的同时也使得外延设备的长度增加，设备的重量及成本也同步增长；其次，使晶圆旋转无法完全消除反应气体流动的不均匀性对晶圆表面沉积外延层的厚度均匀性及掺杂浓度均匀性的影响。
发明内容
本申请的目的在于提供了一种进气装置及CVD设备，用以解决现有技术中存在的不足。
为达上述目的，第一方面，本申请提供了一种进气装置，应用于CVD设备，所述进气装置包括进气室本体、安装座、多孔透气件及挡风板；
所述安装座设置于所述进气室本体，所述多孔透气件设置于所述安装座与所述进气室本体之间，且所述多孔透气件与所述安装座之间形成至少三个气流调节腔，所述安装座上对应所述至少三个气流调节腔分别设有进气接口，所述进气接口用于向对应的所述气流调节腔导入反应气体，所述进气室本体对应所述至少三个气流调节腔分别设有导气室；
其中，每个所述气流调节腔中均设有与所述进气接口对应的所述挡风板，所述挡风板位于所述多孔透气件与所述安装座之间。
结合第一方面，在一种可能的实施方式中，所述气流调节腔的数量为三个，对应的所述导气室设有三个，三个所述导气室分别为第一导气室及为位于所述第一导气室两侧的第二导气室，其中，所述第一导气室的宽度大于所述第二导气室的宽度。
结合第一方面，在一种可能的实施方式中，所述多孔透气件具有连通所述气流调节腔与所述导气室的细小孔群。
结合第一方面，在一种可能的实施方式中，所述细小孔群包括多个细小孔，所述细小孔的孔径与数量成反比关系。
结合第一方面，在一种可能的实施方式中，所述挡风板设置于所述安装座或所述多孔透气件上，且所述挡风板靠近所述进气接口的一侧设有球缺面。
结合第一方面，在一种可能的实施方式中，所述进气接口处设有流量调节器和/或质量流量计。
结合第一方面，在一种可能的实施方式中，所述进气室本体为高纯石英材质或不锈钢材质。
结合第一方面，在一种可能的实施方式中，所述安装座与所述进气室本体之间通过密封件实现密封配合。
第二方面，本申请还提供了一种CVD设备，应用于晶圆外延层的加工，所述CVD设备包括如上述第一方面提供的进气装置。
结合第二方面，在一种可能的实施方式中，所述导气室的出气侧均朝向所述晶圆的外周面，且位于所述进气室本体中间的所述导气室与所述晶圆对应，且宽度大于等于所述晶圆的直径。
相比于现有技术，本申请的有益效果：
本申请提供的一种进气装置及CVD设备，其中，进气装置通过进气接口向对应的气流调节腔导入CVD设备的反应气体，此时反应气体以较高的流速朝向挡风板流动，挡风板会阻挡反应气体直接流向多孔透气件，进而消耗反应气体的气流速度，使得反应气体进入气流调节腔后的流速降低并分散开，当反应气体再通过多孔透气件进一步的分散，并且多孔透气件的设置使得反应气体在经过多孔透气件后形成压力差，由此反应气体进入对应的导气室时能够很快的达到均匀流动的状态，进而无需设计较长的进气结构。进气装置应用于CVD设备中，可以使晶圆生成厚度均匀、掺杂浓度均匀的外延层，同时减少CVD设备的长度，减少占地面积，降低材料的损耗，进而极大地降低设备成本。
本申请提供的进气装置中，反应气体在进气室本体内通过至少三个导气室实现分区流动，且导气室与气流调节腔对应，进而可实现进气室本体内不同导气室内反应气体的流量的精确控制。应用于CVD设备中，以便于提高CVD设备加工晶圆时沉积外延层的厚度均匀性及性能。
本申请提供的进气装置中，通过气流调节腔能有效的将进入导气室的气流由湍流转化为层流，从而保证晶圆衬底表面气流的稳定性，达到降低晶圆表面膜厚不均匀性、降低掺杂不均匀性、降低表面缺陷密度的目的。
本申请提供的进气装置中，因反应气体进入导气室的稳定性的提高，进而可以适配更大尺寸的晶圆的加工。
本申请提供的进气装置中，通过气流调节腔中挡风板及多孔透气件的作用，可以有效地增加进气室本体前后端的压损，使反应气体在进气室本体前端进行充分混合，从而确保反应气体进入进气室本体后具有更稳定的浓度均匀性。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
图1示出了本申请实施例提供的一种进气装置的立体结构示意图；
图2示出了图1所示进气装置的分解示意图；
图3示出了图2所示进气装置中的安装座的立体结构示意图；
图4示出了图1所示进气装置的主视图；
图5示出了图4所示进气装置的左视图；
图6示出了本申请实施例未设置多孔透气件及挡风板(a)，和设置有多孔透气件及挡风板(b)进气装置的流体仿真得到的流场的速度流线图；
图7示出了未使用本申请实施例提供的进气装置加工得到的晶圆(a)和使用了本申请实施例提供的进气装置加工得到的晶圆(b)的测量17个点位置处外延层的厚度和掺杂浓度的数据图。
主要元件符号说明：
100-进气室本体；110-安装部；120-气室部；130-导气室；131-第一导气室；132-第二导气室；200-安装座；210-进气接口；220-凹槽；221-气流调节腔；300-多孔透气件；310-细小孔群；311-细小孔；400-挡风板；500-第一密封件；600-紧固组件。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
实施例
请参阅图1及图2，本实施例提供了一种进气装置，应用于CVD设备，CVD设备用于晶圆的外延层加工。
本实施例提供的进气装置包括进气室本体100、安装座200及多孔透气件300。其中，安装座200设置于进气室本体100上，多孔透气件300设置于安装座200与进气室本体100之间。
具体的，进气室本体100包括安装部110及气室部120，安装座200设置于进气室本体100的安装部110，安装座200与安装部110为可拆卸连接。
进一步的，安装座200与安装部110之间还设有第一密封件500，第一密封件500可使安装座200与安装部110的配合面处形成密封配合，避免气体泄漏。
可选地，第一密封件500可以是密封圈或橡胶垫片。
在本实施例中，安装座200与安装部110之间通过紧固组件600进行连接，紧固组件600的数量至少为两个，且该些紧固组件600沿安装座200四周均匀分布。
在一些实施例中，紧固组件600为螺栓。
在另一些实施例中，紧固组件600包括夹头、连接杆、垫片、弹簧及调节螺母，连接杆贯出安装座200设置，夹头设置于连接杆的一端，且夹头与安装部110远离安装座200的一侧抵接。垫片及弹簧依次套设于连接杆上，且垫片和弹簧均位于安装座200远离安装部110的一侧，垫片与安装座200抵接。调节螺母与连接杆为螺纹配合，调节螺母位于弹簧远离安装座200的一端，由此，弹簧位于调节螺母与垫片之间，并且弹簧受调节螺母及垫片的夹持。
可以理解的，当紧固组件600将安装座200与安装部110压紧时，此时弹簧处于压缩状态，弹簧为了恢复形变会给予调节螺母及垫片一定的推力，调节螺母会将该推力通过夹头作用于安装部110上，进而使夹头与垫片共同作用将安装座200与安装部110夹紧。由此，可通过拧动调节螺母，即可调节压紧力度。
请参阅图2、图3及图4，多孔透气件300位于安装座200与安装部110之间，在本实施例中，多孔透气件300安装于安装座200靠近安装部110的一侧，多孔透气件300与安装座200为螺钉连接。
进一步的，安装座200靠近多孔透气件300的一侧凹设有至少三个凹槽220，由于，多孔透气件300位于凹槽220的敞口侧，因此安装座200与多孔透气件300之间对应凹槽220形成至少三个气流调节腔221，安装座200远离多孔透气件300的一侧对应每个气流调节腔221均设有一个进气接口210，进气接口210用于向对应的气流调节腔221导入反应气体。
进一步的，在安装座200与多孔透气件300之间设置有第二密封件，第二密封件用以在安装座200与多孔透气件300面接触的地方形成密封，以使相邻的两个气流调节腔221之间相对密封，进而避免相邻的两个气流调节腔221之间漏气，使得每个气流调节腔221相对独立。
其中，安装座200上凹槽220的数量可以设置三个、四个、五个或五个以上。为了更清楚的描述本申请的技术方案，在本实施例中，以安装座200上设有三个凹槽220进行举例说明，即安装座200上设有三个凹槽220，则对应气流调节腔221的数量也为三个。
在本实施例中，进气室本体100的气室部120对应设有三个导气室130，其中，三个导气室130分别与三个气流调节腔221一一对应设置。三个导气室130的进气侧与对应的气流调节腔221连通，三个导气室130的出气侧朝向CVD设备中待加工的晶圆的外周面，该外周面为晶圆的圆柱形的侧面，由此，导气室130用于将气流调节腔221调节后输出的反应气体向待加工的晶圆输送，以使晶圆的表面形成薄膜，即加工出外延层。
请一并参阅图5，进一步的，多孔透气件300具有连通气流调节腔221与导气室130的细小孔群310，其中，每个气流调节腔221对应的细小孔群310均包括多个细小孔311，且多个细小孔311在多孔透气件300与气流调节腔221对应的区域均匀分布。
为了避免进气接口210导入气流调节腔221的反应气体直接流向多孔透气件300，使得局部的细小孔311处的流速过大。由此，在本实施例中，进气装置还包括多个挡风板400，其中，每个气流调节腔221中均设置一块挡风板400，挡风板400位于多孔透气件300与安装座200之间，且挡风板400与进气接口210对应，以使反应气体的流速在挡风板400处先被消耗，使得反应气体在气流调节腔221中扩散开，再沿细小孔311进入导气室130中。
可以理解的，多孔透气件300的设置可增加反应气体在多孔透气件300前后的气流调节腔221与导气室130之间的压力差，进而使反应气体从多孔透气件300流出时能够很快达到均匀流动的状态，由此，进入导气室130的反应气体能够快速达到均匀流动状态，进而可缩短气室部120的设计长度。
请参阅图6，图中示出了由流体仿真得到的流场的速度流线图，图中可以看出增加挡风板400和多孔透气件300反应气体在流过多孔透气件300后流线在很短的路径内已达到非常均匀的状态，且速度分布也更加均匀。
请参阅图7，图中示出了未使用本申请实施例提供的进气装置加工得到的晶圆与使用了本申请实施例提供的进气装置加工得到的晶圆分别取17个点位置处测量的外延层的厚度和掺杂浓度的数据图。其中，图中横坐标表示17个测量点，左侧纵坐标为厚度(单位微米)，图中以方块点及连线进行表示，右侧纵坐标为氮元素的掺杂浓度，在图中以圆点及连线进行表示。由图7可知，未使用本申请实施例提供的进气装置加工得到的晶圆的外延层厚度和掺杂浓度均不均匀，使用了本申请实施例提供的进气装置加工得到的晶圆的外延层厚度和掺杂浓度的均匀程度都得到了极大的改善。
请参阅图2、图3及图5在本实施例中，为保证多孔透气件300前后的气体调节腔与导气室130之间的压力差，其细小孔311的孔径与数量成反比关系，即保持细小孔311的总面积接近于固定的数值。
进一步的，挡风板400设置于多孔透气件300上，或者设置于安装座200上。
可选地，挡风板400靠近进气接口210的一侧设有球缺面，更有利于反应气体的扩散。
可选地，多孔透气件300为多孔透气板。当然，多孔透气件300也可由其它类型的材料压缩或者铸造成的形式，如三维的多孔材料，例如泡沫板。
进一步的，在本实施例中，细小孔311的孔径选择设计的范围为0.3mm-1mm。以确保多孔透气件300前后的压差范围在300mbar～30mbar之间，进而使反应气体从多孔透气件300流出时能够更快达到均匀流动的状态。
在一些实施例中，细小孔311的孔径选择设计的范围为0.3mm-0.85mm。
在另一些实施例中，细小孔311的孔径选择设计的范围为0.3mm-0.65mm。
可选地，细小孔311的孔径可选择设计为0.32mm、0.35mm、0.38mm、0.4mm、0.43mm、0.45mm、0.47mm、0.49mm、0.51mm、0.54mm、0.58mm、0.6mm、0.62mm或0.64mm。应当理解的，上述仅是举例说明，不作为本申请保护范围的限制。
进一步的，气室部120内的三个导气室130位于同一平面内。在本实施例中，三个导气室130分别是第一导气室131及为位于第一导气室131两侧的第二导气室132，第一导气室131的宽度大于两侧第二导气室132的宽度。其中，第一导气室131与待加工的晶圆对应，且第一导气室131的宽度大于等于晶圆的直径。
可以理解的，对于大尺寸的晶圆(如6"和8"的晶圆)，由于晶圆边缘距离CVD设备的反应室的侧壁距离较近，反应气体流动时由于形成边界层将导致晶圆边缘部分的流速略小于晶圆中间部分的速度，进而导致沉积形成的薄膜的厚度均匀性和掺杂均匀性略差，因此将气室部120设置成至少三个导气室130，进而形成多个分区，多个分区可以方便调整晶圆不同位置的反应气体的流量以获得更加均匀的薄膜，且工艺参数可调整性更好。
另外，由于边界层范围较小，因此将两侧的第二导气室132的宽度设置相对较窄，用以调节反应室侧壁边界层的流速与流量。由此，至少设置三个导气室130即可实现流经晶圆中间及两侧的流量和速度的调节，又有利于获得更加均匀的薄膜。
此外，三个导气室130进气对于小尺寸的晶圆(如4"的晶圆)，根据工艺验证结果，中间进气的宽度对沉积的薄膜的厚度、掺杂浓度的均匀性影响很大，当宽度大于4"晶圆的直径时，晶圆上沉积薄膜的质量更高，边缘进气区域的流量改变对沉积薄膜的质量基本无影响。因此，设置三个导气室130时，要求中间宽，两边窄。
进一步的，本实施例可在每个进气接口210处均设有流量调节器和质量流量计，以对进入每个气流调节腔221的反应气体的流量进行独立调节以及独立监控。
进一步的，进气室本体100为高纯石英材质、不锈钢材质或其它耐高温的金属材质。
在本实施例中，进气室本体100由多个高纯石英片体及石英座熔焊而成，相邻的两个导气室130之间形成隔板，其中，隔板长度与进气室长度一致熔焊后保证进气室本体100不存在漏气的情况。
本实施例还一并提供了一种CVD设备，该CVD设备用于晶圆的外延层加工，其中，CVD设备包括上述提供的进气装置。
结合参阅图1至图7，相比于现有技术，本实施例提供的进气装置通过进气接口210向对应的气流调节腔221导入CVD设备的反应气体，此时反应气体以较高的流速朝向挡风板400流动，挡风板400会阻挡反应气体直接流向多孔透气件300，进而消耗反应气体的气流速度，使得反应气体进入气流调节腔221后的流速降低并分散开，当反应气体再通过多孔透气件300进一步的分散，并且多孔透气件300的设置使得反应气体在经过多孔透气件300后形成压力差，由此反应气体进入对应的导气室130时能够很快的达到均匀流动的状态，进而无需设计较长的进气结构。进气装置应用于CVD设备中，可以是晶圆生成厚度均匀、掺杂浓度均匀的外延层，同时减少CVD设备的长度，减少占地面积，降低材料的损耗，进而极大地降低设备成本。
另外本申请提供的进气装置中还具有如下优点：
(1)反应气体在进气室本体100内通过至少三个导气室130实现分区流动，且导气室130与气流调节腔221对应，进而可实现进气室本体100内不同导气室130内反应气体的流量的精确控制。应用于CVD设备中，以便于提高CVD设备加工晶圆时沉积外延层的厚度均匀性及性能。
(2)通过气流调节腔221能有效的将进入导气室130的气流由湍流转化为层流，从而保证晶圆衬底表面气流的稳定性，达到降低晶圆表面膜厚不均匀性、降低掺杂不均匀性、降低表面缺陷密度的目的。
(3)因反应气体进入导气室130的稳定性的提高，进而可以适配更大尺寸的晶圆的加工。
(4)通过气流调节腔221中挡风板400及多孔透气件300的作用，可以有效地增加进气室本体100前后端的压损，使反应气体在进气室本体100前端进行充分混合，从而确保反应气体进入进气室本体100的导气室130后具有更稳定的浓度均匀性。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。
Claims (10)
1.一种进气装置，应用于CVD设备，其特征在于，所述进气装置包括进气室本体、安装座、多孔透气件及挡风板；
所述安装座设置于所述进气室本体，所述多孔透气件设置于所述安装座与所述进气室本体之间，且所述多孔透气件与所述安装座之间形成至少三个气流调节腔，所述安装座上对应所述至少三个气流调节腔分别设有进气接口，所述进气接口用于向对应的所述气流调节腔导入反应气体，所述进气室本体对应所述至少三个气流调节腔分别设有导气室；
其中，每个所述气流调节腔中均设有与所述进气接口对应的所述挡风板，所述挡风板位于所述多孔透气件与所述安装座之间。
2.根据权利要求1所述的进气装置，其特征在于，所述气流调节腔的数量为三个，对应的所述导气室设有三个，三个所述导气室分别为第一导气室及为位于所述第一导气室两侧的第二导气室，其中，所述第一导气室的宽度大于所述第二导气室的宽度。
3.根据权利要求1所述的进气装置，其特征在于，所述多孔透气件具有连通所述气流调节腔与所述导气室的细小孔群。
4.根据权利要求3所述的进气装置，其特征在于，所述细小孔群包括多个细小孔，所述细小孔的孔径与数量成反比关系。
5.根据权利要求1所述的进气装置，其特征在于，所述挡风板设置于所述安装座或所述多孔透气件上，且所述挡风板靠近所述进气接口的一侧设有球缺面。
6.根据权利要求1所述的进气装置，其特征在于，所述进气接口处设有流量调节器和/或质量流量计。
7.根据权利要求1所述的进气装置，其特征在于，所述进气室本体为高纯石英材质或不锈钢材质。
8.根据权利要求1所述的进气装置，其特征在于，所述安装座与所述进气室本体之间通过密封件实现密封配合。
9.一种CVD设备，应用于晶圆外延层的加工，其特征在于，所述CVD设备包括如权利要求1-8中任一项所述的进气装置。
10.根据权利要求9所述的CVD设备，其特征在于，所述导气室的出气侧均朝向所述晶圆的外周面，且位于所述进气室本体中间的所述导气室与所述晶圆对应，且宽度大于等于所述晶圆的直径。
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