CN115537781A - 一种弥漫层流反应腔体及控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明总的来说涉及半导体制造技术领域。具体而言，本发明涉及一种弥漫层流反应腔体及控制方法。所述反应腔体包括：衬底：主气体入口，其被配置为将工艺气体注入反应腔体中以在衬底的表面形成层流界面层；以及弥漫面，其被配置为将弥漫气体注入或者吸出所述反应腔体以在所述层流界面层的上形成弥漫界面层，其中所述弥漫界面层被配置为使得所述工艺气体的流速增加并且使得所述层流界面层的厚度降低，进而可以加快反应速度并且抑制反应腔壁上的气相成核、减少反应过程中的颗粒。
Description
技术领域
本发明总的来说涉及半导体制造技术领域。具体而言，本发明涉及一种弥漫层流反应腔体及控制方法。
背景技术
在半导体和泛半导体工业中大量存在气相化学工艺，特别是化学气相沉积的工艺。化学气相沉积的工艺通常需要高温来激活反应气体，其中根据反应腔体相对于被加工的衬底(例如硅片、氮化镓等)的温度高低，通常将反应腔体划分为热壁腔体和冷壁腔体，其中热壁腔体是指反应腔体的腔壁的温度高于衬底的温度，冷壁腔体是指反应腔体的腔壁的温度低于衬底的温度。
图1示出了现有技术中一个冷壁腔体的结构示意图。如图1所示，冷壁腔体是一个具有多个密封法兰面、可以配合金属法兰通过密封圈密封的石英腔体。其中在冷壁腔体外使用红外光线进行加热，由于腔壁温度过高会导致反应前驱体在腔壁上沉积，进而阻止红外光在腔壁上的透射，因此必须将腔壁的温度降至沉积反应的起始温度之下。传统上通常使用高速风机对石英腔体的表面进行气冷冷却以抑制反应前驱体在腔壁上的沉积。
冷壁腔体由于冷壁与衬底之间存在相比热壁腔体更大的温度梯度，因此在高温条件下，冷壁腔体中衬底的温度均匀性控制更加困难，技术上更为挑战。而热壁腔体由于温度梯度较小的原因，可以在衬底上获得更好的温度均匀性并且生长速率也更高。然而，热壁腔体在腔壁至衬底之间的空间均满足气相反应生成的条件，因此在这一空间内均可能发生气相反应生成颗粒物，将产生更多的杂质颗粒。
发明内容
为至少部分解决现有技术中的上述问题，本发明提出一种弥漫层流反应腔体，其特征在于，包括：
衬底和/或底座；
主气体入口，其被配置为将工艺气体注入反应腔体中以在衬底的表面形成层流界面层；以及
弥漫面，其被配置为将弥漫气体注入或者吸出所述反应腔体以在所述层流界面层的上形成弥漫界面层。
在本发明的一个实施例中规定，所述弥漫界面层被配置为使得所述工艺气体的流速增加，和/或
所述弥漫界面层使得所述层流界面层的厚度降低。
在本发明的一个实施例中规定，所述弥漫面包括多孔板、多孔陶瓷、多孔透明石英或者渗透膜。
在本发明的一个实施例中规定，所述弥漫面上设置有微通道。
在本发明的一个实施例中规定，弥漫层流反应腔体还包括：
加热器，其布置在所述弥漫层流反应腔体的内部和/或外部，所述加热器被配置为对所述衬底进行加热。
在本发明的一个实施例中规定，弥漫层流反应腔体还包括：
预热环，其环绕所述衬底，所述预热环被配置为对所述衬底进行加热。
在本发明的一个实施例中规定，弥漫层流反应腔体还包括：
基座，所述基座可旋转，并且所述预热环布置在所述基座的四周。
在本发明的一个实施例中规定，所述预热环是一体式加热环使得加热环下方没有工艺气体进入的空隙。
在本发明的一个实施例中规定，所述弥漫面布置在所述衬底上方的腔室上壁处；和/或
所述弥漫面布置在所述衬底下方的腔室下壁处，以便对底部进行吹扫，以减少对衬底工艺的影响。
在本发明的一个实施例中规定，所述腔室上壁和/或所述腔室下壁为穹顶型。
在本发明的一个实施例中规定，弥漫气体从所述弥漫通道注入形成弥漫面，弥漫面的高度表示为d0-d1，层流流动的工艺气体遭到压缩，层流界面层的厚度表示为下式：
其中d0表示衬底与腔体上壁之间的距离、d1表示弥漫面的下界面与所述衬底之间的距离、x表示水平方向的坐标、δ(x)0是上不形成弥漫面时层流界面层的厚度。
在本发明的一个实施例中规定，衬底的扩散通量
表达为下式：
其中Ppar表示气体分压、PS表示气体表面压力、T′表示基板的局部温度、J表示载气的摩尔流速、ρg表示气流的密度、μg表示是气流的动态粘度、Ptot表示总压力、
R表示气体常数、A表示腔体的横截面积、D表示气体扩散系数，
其中衬底上的气相反应速度取决于散通量
通过调节上式中的参数增大
以提高反应速度。
在本发明的一个实施例中规定，弥漫界面层用于压缩腔体的特征尺寸，降低衬底层流的雷诺系数，使得生长速度提高。
在本发明的一个实施例中规定，衬底和/或底座同弥漫面相平行；
主工艺气体注入的方向平行于衬底：
弥漫面注入的气体具有垂直于衬底的分量。
在本发明的一个实施例中规定，所述弥漫层流反应腔体包括以下结构特征中的一项或多项：
弥漫层流反应腔体为单面加热或双面加热；
弥漫层流反应腔体的顶部为：A红外透过壁，外部红外加热器通过透射穿过进行加热；B红外阻断壁；或C穹顶加热壁。
本发明提出一种一种弥漫层流控制方法，利用上述弥漫层流反应腔体，该方法包括下列步骤：
从主气体入口将工艺气体注入反应腔体中以在衬底的表面形成层流界面层；以及
将弥漫气体注入或者吸出所述反应腔体以在所述层流界面层的上形成弥漫界面层，其中所述弥漫界面层被配置为使得所述工艺气体的流速增加并且使得所述层流界面层的厚度降低。
在本发明的一个实施例中规定，弥漫层流控制方法还包括：
调节所述弥漫界面层的厚度以调节所述工艺气体的流速以及所述层流界面层的厚度，其中通过调节所述弥漫面的温度和\或调节所述弥漫面的高度以调节弥漫界面层的厚度。
在本发明的一个实施例中规定，弥漫层流控制方法还包括：
在所述弥漫面上均匀的将所述弥漫气体注入所述反应腔体；或者
在所述弥漫面上沿工艺气体注入的方向按照指数或者线性递减弥漫气体的注入量。
在本发明的一个实施例中规定，所述弥漫气体扩大了弥漫界面层厚度，减少在弥漫面的气相成核导致衬底上颗粒物和/或缺陷的产生和/或减少在弥漫面上的沉积。
在本发明的一个实施例中规定，所述弥漫气体为惰性气体或者非活性气体，以减少弥漫边界层中反应前驱体的含量，并减少在弥漫面的气相成核导致衬底上颗粒物和/或缺陷的产生和/或减少在弥漫面上的沉积；或者
所述弥漫气体为刻蚀气体，将弥漫面上的沉积物进行刻蚀，将弥漫界面层的气相成核蚀刻，减少衬底上颗粒物和/或缺陷的产生，
从而降低在反应腔体顶部的沉积，使得透明的顶部工作在高于非弥漫控制的顶部温度而不产生沉积。
在本发明的一个实施例中规定，所述弥漫面发生的沉积最小化，使得依赖红外传输的石英冷壁外置加热器腔体能够工作在高于传统温度的温度点，升高温度的弥漫面进一步使得衬底的边界层变薄。
在本发明的一个实施例中规定，调节弥漫面的物理高度，以优化工艺各个结果。
在本发明的一个实施例中规定，调整总底部吹扫流量以及相应的吹扫流量分布，以进一步的优化吹扫效果，减少衬底工艺影响。
在本发明的一个实施例中规定，在底部弥漫吹扫气体中加入刻蚀气体，以便在工艺生产的实时将底部的沉积物蚀刻掉。
在本发明的一个实施例中规定，所述弥漫界面层使得层流界面层变薄，提高成膜的沉积速度和/或均匀性。
本发明至少具有如下有益效果：本发明提出一种弥漫层流反应腔体及控制方法，通过造层流界面层的上形成弥漫界面层，可以使得所述工艺气体的流速增加并且使得所述层流界面层的厚度降低，进而可以加快反应速度并且抑制反应腔壁上的气相成核、减少反应过程中的颗粒。
附图说明
为进一步阐明本发明的各实施例中具有的及其它的优点和特征，将参考附图来呈现本发明的各实施例的更具体的描述。可以理解，这些附图只描绘本发明的典型实施例，因此将不被认为是对其范围的限制。在附图中，为了清楚明了，相同或相应的部件将用相同或类似的标记表示。
图1示出了现有技术中一个冷壁腔体的结构示意图。
图2示出了一个界面层理论的原理示意图。
图3示出了本发明一个实施例中一个弥漫层流反应腔体的结构示意图。
图4示出了本发明一个实施例中工艺腔体中流体速度分布和气体流线的示意图。
图5示出了本发明一个实施例中弥漫面对化学气相沉积工艺产生影响的示意图。
图6A和图6B分别示出了弥漫气体自腔体上壁吸出或者注入工艺腔体时的工艺腔体内的流体速度包线示意图。
图7示出了本发明一个实施例中反应腔体中预热环及加热器的示意图。
图8示出了一个反应腔体的部件温度示意图。
图9示出了本发明一个实施例中工艺控制参数输入和工艺结果输出的关系烹饪书的示意图。
图10示出了本发明一个实施例中基于化学气相沉积工艺的输入参数和输出结果的神经网络的示意图。
图11示出了本发明一个实施例中具有倾斜弥漫层的反应腔体的结构示意图。
图12示出了本发明一个实施例中具有倾斜弥漫层的工艺腔体中流体速度分布和气体流线的示意图。
图13为根据本发明的实施例的上穹顶弥漫、下穹底单点轴向吹扫的氢气浓度分布模拟图。
具体实施方式
应当指出，各附图中的各组件可能为了图解说明而被夸大地示出，而不一定是比例正确的。在各附图中，给相同或功能相同的组件配备了相同的附图标记。
在本发明中，除非特别指出，“布置在…上”、“布置在…上方”以及“布置在…之上”并未排除二者之间存在中间物的情况。此外，“布置在…上或上方”仅仅表示两个部件之间的相对位置关系，而在一定情况下、如在颠倒产品方向后，也可以转换为“布置在…下或下方”，反之亦然。
在本发明中，各实施例仅仅旨在说明本发明的方案，而不应被理解为限制性的。
在本发明中，除非特别指出，量词“一个”、“一”并未排除多个元素的场景。
在此还应当指出，在本发明的实施例中，为清楚、简单起见，可能示出了仅仅一部分部件或组件，但是本领域的普通技术人员能够理解，在本发明的教导下，可根据具体场景需要添加所需的部件或组件。另外，除非另行说明，本发明的不同实施例中的特征可以相互组合。例如，可以用第二实施例中的某特征替换第一实施例中相对应或功能相同或相似的特征，所得到的实施例同样落入本申请的公开范围或记载范围。
在此还应当指出，在本发明的范围内，“相同”、“相等”、“等于”等措辞并不意味着二者数值绝对相等，而是允许一定的合理误差，也就是说，所述措辞也涵盖了“基本上相同”、“基本上相等”、“基本上等于”。以此类推，在本发明中，表方向的术语“垂直于”、“平行于”等等同样涵盖了“基本上垂直于”、“基本上平行于”的含义。
另外，本发明的各方法的步骤的编号并未限定所述方法步骤的执行顺序。除非特别指出，各方法步骤可以以不同顺序执行。
下面结合具体实施方式参考附图进一步阐述本发明。
下面对本发明所基于的原理进行说明。
图2示出了一个界面层理论的原理示意图。如图2所示，可以将衬底上的化学气相沉积表示为衬底上方的界面层传输。其中箭头201表示横轴距离x处上各个垂直高度的流体速度矢量、V0表示最大流速、Vs表示衬底表面的流速、δv表示界面层厚度。
可以根据雷诺数
计算界面层厚度δ，表示为下式
δ＝(x/Rex)1/2。
雷诺数
的计算可以表示为下式：
其中ρg表示气流的密度、vg表示气流的平均速度、μg表示是气流的动态粘度，d表示管径或者特征尺寸。
平均速度vg可以根据气体流量Q进行计算，表示为下式：
Q＝JRT′
其中T′表示基板的局部温度、J表示载气的摩尔流速、R表示气体常数，Ptot表示总压力、A表示腔体的横截面积。
根据上述计算，可以将界面层厚度表示为下式：
进行一阶近似，其中设边界层的气体浓度梯度为线性，将衬底的扩散通量
表达为下式：
其中Ppar表示气体分压、PS表示气体表面压力、D表示气体扩散系数，其中衬底上的气相反应速度取决于衬底表面的质量传输，也就是说取决于扩散通量
因此可以通过调节上式中的参数增大
以提高反应速度。通过本发明中一种弥漫层流控制方法来降低衬底上的边界层厚度并且提高衬底的生长速度。
图3示出了本发明一个实施例中一个弥漫层流反应腔体的结构示意图。如图3所示，所述反应腔体包括加热器301、预热环302、衬底303、腔体上壁304以及主气体入口305。
其中所述加热器301布置在所述衬底303的下方，所述预热环302环绕所述衬底303、所述腔体上壁304布置在所述衬底303的上方，并且所述主气体入口305布置在所述衬底303的第一侧。其中工艺气体自所述主气体入口305进入所述反应腔体，并且自所述衬底303的第一侧流向第二侧。所述腔体上壁面304被构造为使得弥漫气体自所述腔体上壁304流入或者流出以形成弥漫面。弥漫气体自所述腔体上壁304吸出或者注入工艺腔体时的工艺腔体内的流体速度包线示意图如图6A和图6B所示，其中Vplate表示弥漫气体向下运动的速度，Vplate＞0表示向工艺腔体内注入弥漫气体，Vplate＜0表示从工艺腔体内吸出弥漫气体。
图4示出了本发明一个实施例中工艺腔体中流体速度分布和气体流线的示意图。如图4所示，腔体上壁304可以是上盖板或穹顶(upper plate or dome)，在所述腔体上壁304上可以设置弥漫通道，所述弥漫通道可以是多个通孔或者微管路，其中弥漫气体自所述弥漫通道注入以形成弥漫面，并且随着工艺气体自所述衬底304的第一侧流向第二侧。弥漫气体可以是惰性气体蚀刻气体或者氢气等非活性气体，在进行硅外延工艺时优选使用氢气。
具体而言，图4中，1A是采用上盖板或穹顶(normal upper plate or dome)时，反应腔体内气体速度分布示意图；2A是本发明采用弥漫的上盖板或穹顶(permeable upperplate or dome)时，且弥漫气体为注入(injection)反应腔体时，腔体内气体速度分布示意图；3A是本发明采用弥漫的上盖板或穹顶(permeable upper plate or dome)时，且弥漫气体为吸出(suction)反应腔体时，腔体内气体速度分布示意图；1B是现有的采用上盖板或穹顶(normal upper plate or dome)时，反应腔体内气体流线示意图；2B是本发明采用弥漫的上盖板或穹顶(permeable upper plate or dome)时，且弥漫气体为注入(injection)反应腔体时，反应腔体内气体流线示意图；3B是本发明采用弥漫的上盖板或穹顶(permeableupper plate or dome)时，且弥漫气体为吸出(suction)反应腔体时，反应腔体内气体流线示意图。
图4的1A、2A和3B中，上盖板或穹顶与衬底之间的U形曲线表示气体速度轮廓线，从上盖板或穹顶出发向中心线靠近的虚线表示上盖板或穹顶的边界层，从衬底出发向中心线靠近的虚线表示衬底边界层。
弥漫的上盖板或穹顶(permeable upper plate or dome)设计的目的首先为通过控制上盖板或穹顶的边界层对衬底边界层厚度及一些其他重要的沉积参数进行控制(弥漫气体的速度垂直分量提供了一个重要的控制因子)，其次，提供了额外的上盖板或穹顶的吹扫保护和/或减少气相成核(颗粒物形成)，乃至可以通过蚀刻气体去除plate沉积和/或减少气相成核(颗粒物形成)。
图5示出了本发明一个实施例中弥漫面对化学气相沉积工艺产生影响的示意图。如图5所示，其中U表示工艺气体的水平流速、d0表示所述衬底303与所述腔体上壁304之间的距离、d1表示所述弥漫面的下界面与所述衬底303之间的距离、z表示弥漫面的高度。工艺气体流入反应腔体中，在所述腔体上壁304的下方形成上界面层、并且在所述衬底303的上方形成下界面层。工艺气体在进行硅外延时可以是TCS，DCS，SiH4以及氢气。在图5中粗虚线501表示所述腔体上壁304上形成弥漫面时上、下界面层之间的界线。细虚线502表示所述腔体上壁304上不形成弥漫面时上、下界面层之间的界线。
在工艺腔体中，将腔体截面积表示为A，单位时间工艺气体合计注入流量表示为F，则工艺气体的流速可以表示为下式：Vavg＝F/A；
驻床时间(弛豫时间)可以表示为：L/Vavg，L表示工艺腔体的长度；
附加的注入弥漫面＝注入速度*平均驻床时间Vplate注入，出口处弥漫面高度Z＝Vplate*Tre＝Vplate*L*A/F。
下界面层的厚度可以表示为下式：
其中，μg表示粘滞系数，ρg表示气体密度，v表示气体速度，x表示水平方向的坐标。
当所述腔体上壁304上不形成弥漫面时，工艺气体以U的速度进入腔体并且形成上、下界面层，此时下界面层的厚度可以表示为下式：
当所述腔体上壁304上设置有弥漫通道时，弥漫气体从所述弥漫通道注入形成弥漫面，弥漫面的高度可以表示为d0-d1，(即该处腔体的特征尺寸由d0减小至d0-d1)原本层流流动的工艺气体遭到压缩，工艺气体的上界面也就是弥漫面的下界面。工艺气体的密度增大为
工艺气体的流速增大为
此时下界面层的厚度可以表示为下式：
也就是说当所述腔体上壁304处形成弥漫面时，下界面层的厚度将变薄为原本的
化学气相沉积的沉积速度受到化学反应速率和衬底反应气体浓度的限制，当化学反应速率充分时沉积速度主要受衬底反应气体浓度的限制。衬底反应气体来源于从反应腔体扩散到达衬底的工艺气体，受扩散通量影响。
根据菲克第一定律
其中J表示气体的扩散通量，C表示腔体里反应气体浓度，d表示扩散距离，可知，扩散通量正比于气体浓度。因此当存在弥漫面时，由于下界面层的厚度将变薄为原本的
气体的浓度梯度和扩散通量也随之增加，进而增加了衬底上的反应速率和成膜速率。
此外，由于弥漫气体例如氢气的密度通常小于工艺气体，因此弥漫层中的弥漫气体将悬浮于所述腔体上壁304下方的d0-d1处，可以抑制工艺气体与所述腔体上壁304接触并成膜，有利于化学气相沉积工艺的进行并且降低了腔体的维护频度。
图11示出前述实施例的一个变型，其中上穹顶弥漫面处于倾斜状态。图12示出了本发明一个实施例中具有倾斜弥漫层的工艺腔体中流体速度分布和气体流线的示意图。该弥漫面气体仅仅拥有一个向右的水平流量(流速)，其速度矢量垂直向下的分量为零。该设计的优点在于，其流体构型同传统的水平层流(上下平行板或者管内)模型接近或者类似。一个简化的模型为直角三角形的弥漫区域的流速均相等，为V水平；垂直分量为零。该模型的控制和模拟也相较前一平行穹顶具有向下速度分量的弥漫模型更为简单。该构型的另外一个好处在于，弥漫吹扫没有向下的垂直分量，对衬底的工艺产生干扰的可能性更小。
图7示出了本发明一个实施例中反应腔体中预热环及加热器的示意图。如图7所示，所述预热环302可以使用一体式单面加热结构。在反应腔体中还可以设置底座701，所述底座701的材料可以是OP石英。其中所述加热器301可以埋入所述底座701中，所述预热环302可以布置在所述底座701上。通过将加热器301埋入底座701并且配合预热环302可以使得反应腔体的加热部件布置更紧凑，形成均质加热获得更好的加热均匀性，并且使得反应腔体的下腔体缩小以获得更小的热惯性、产生更少的污染。此外，在图1所示的传统反应腔体中底部吹扫流量过小，则吹扫气体直接从尾部排出。底部的的前半周很难得到良好的吹扫。如果加大底部吹扫流量则底部的吹扫气体很容易从基座的前缘溢出，溢出的吹扫气体与工艺气体混合后将对工艺产生干扰。当使用图7所示的一体式预热环时，预热环下方与腔体下壁702之间需要被吹扫的空间被取消。进一步的，在所述腔体下壁702处也可以使用与腔体上壁304处类似的弥漫式吹扫。从而使得底部得到完全吹扫的同时，对衬底工艺的影响减小到最少。设计一个合理的总底部吹扫流量以及相应的吹扫流量分布规则，可以使得其得到进一步的优化即吹扫效果最佳，对衬底工艺影响最小。进一步地，在底部弥漫吹扫气体中加入刻蚀气体，可以在工艺生产的实时将底部的沉积物蚀刻掉。
图13为根据本发明的实施例的上穹顶弥漫、下穹底单点轴向吹扫的氢气浓度分布模拟图。左侧坐标氢气的浓度比值。氢气含量较高则说明该处，反应气体含量较低氢气占比较高，吹扫保护更佳。模拟显示当底部仅有单点(轴部)吹扫时候，吹扫仅仅能够覆盖部分(后半周)下穹底(lower dome/plate)，而上穹顶的弥漫吹扫可以完整保护整个上穹顶。显而易见，弥漫吹扫单点或者多点可以提供对整个上穹顶和/或下穹底的完整吹扫覆盖。
在反应腔体中还可以设置基座703，所述基座703是可旋转的，并且所述基座703的材料可以是具有高纯涂层的石墨。在所述基座703上可以水平放置一片或者多片衬底303。
在所述腔体上壁304上可以设置弥漫通道，所述弥漫通道可以是多个通孔或者微管路，其中弥漫气体自所述弥漫通道注入以形成弥漫面。并且所述腔体上壁304可以通过水冷、风冷以及微通道换热面的一项或者多项进行换热。通过调节腔体上壁304的换热量可以使得腔体上壁304保持在一个设定的温度区间上。所述腔体上壁304的弥漫面处的材料可以是高纯非金属材料，例如高纯多孔陶瓷、石英或者(涂层)石墨微通道，高纯耐高温的膜，使得弥漫气体可以按照设定的规则注入到弥漫面。弥漫气体注入的规则可以是将弥漫气体在所述腔体上壁304处均匀注入，也可以是在所述腔体上壁304处沿工艺气体注入的方向按照指数或者线性递减弥漫气体的注入量，其中不同的注入规则可以通过流体控制阀门、质量流量计等来进行切换。其中可以通过调节所述腔体上壁304的高度以控制弥漫边界层的厚度。
所谓的弥漫通道的一种可能的结构是由微结构(microstructure)形成，其设置有微通道(microchannels)、和/或微管道(microtubes)、和/或细小通道(millichannels)、和/或细小管道(millitubes)。其中，通道和管道结构较为相似，区别在于通道结构的截面是二维图形，管道结构的截面是轴对称图形。“微”和“细小”的区别在于通道的尺寸大小，“微”通常指0.1微米到数百微米的特征尺寸大小，“细小”通常指0.1毫米到数百毫米的特征尺寸大小。本发明“通道”或“管道”的特征尺寸可以为0.1微米到数厘米之间，当然，对于更小的纳米级尺寸本发明同样适用。
所述腔体上壁304的主体可以是绝热材料或者透明石英。
所述加热器301可以是感应线圈，感应线圈可以加热基座703以加热衬底303形成单面加热，或者感应线圈可以同时腔体上壁304和基座703形成双面加热。
所述加热器301还可以是红外灯(例如卤素灯)或者电阻式发热体。
当所述腔体上壁304的主体是绝热材料或者不透明的材料或者布置红外反射材料的透明材料时，可以仅在衬底303的下方布置红外加热器灯或者感应线圈进行单面加热。
红外电阻加热器可以是发热面积大于20％或者一维线度＞大于20％的均质加热器。红外电阻加热器的材料可以是石墨或者碳材料，并且红外电阻加热器可以布置碳化硅或者其他高纯涂层以便将红外电阻加热器布置在反应腔体内与反应气体接触。
应当理解的是，上述反应腔体中各部件的实施例是可以任意组合的，其形成的不同的技术方案可以如表1-表4所示：
表1
表2
表3
表4
图8示出了现有技术中一个反应腔体的部件温度示意图。如图8所示，使用红外加热器的冷壁反应腔体的温度边界条件要求腔壁的温度控制在740k以下。如果升高腔壁的温度则可以压低工艺气体的层流边界层、提高工艺气体的流速进而提高衬底的生长速度并且提高衬底的生成均匀性，然而也会带来更多的气相成核产生更多的颗粒。而在本发明中，通过将腔体上壁面304构造为使得弥漫气体自所述腔体上壁304流入或者流出以形成弥漫面，可以在提升腔体上壁304的温度的同时抑制腔体上壁304的气相成核和气相生长，进而可以抑制颗粒物的产生，有利于化学气相沉积工艺的进行并且降低了腔体的维护频度。
图9示出了本发明一个实施例中工艺控制参数输入和工艺结果输出的关系烹饪书的示意图。如图9所示，其中可以通过调节工艺气体的流量、弥漫气体注入的流量、弥漫面(DOME)的温度、弥漫面的高度来调节弥漫界面层以及层流界面层的厚度、进而可以改变衬底上的反应速率、膜厚均一性、气相成核和颗粒度。
图10示出了本发明一个实施例中基于化学气相沉积工艺的输入参数和输出结果的神经网络的示意图。如图10所示，可以根据图9中示出的输入和输出关系生成包括输入层、输出层以及两个中间层的神经网络，所述神经网络是一个多输入多输出系统(MIMO)。
在所述神经网络的工艺及设备参数输入层输入的参数包括工艺气体流的流量、弥漫注入气体流的流量及控制规则、掺杂气体流的流量、腔室上壁(Dome)的温度、腔室上壁(Dome)的高度、总压强以及其它输入。流体构型(一级)中间层处理和生成的参数包括工艺气体流速、掺杂气体流速、温度梯度、不同气体的分压以及其它一级中间算子。反应动力学(二级)中间层处理和生成的参数包括衬底边界层厚度、弥漫边界层厚度、掺杂边界层厚度、其他动力学边界层厚度以及其它二级中间算子。工艺制程结果输出层输出的参数包括掺杂均一性、膜的沉积速率、膜厚均一性、气相成核及颗粒度、掺杂速率以及掺杂均一性。
尽管上文描述了本发明的各实施例，但是，应该理解，它们只是作为示例来呈现的，而不作为限制。对于相关领域的技术人员显而易见的是，可以对其做出各种组合、变型和改变而不背离本发明的精神和范围。因此，此处所公开的本发明的宽度和范围不应被上述所公开的示例性实施例所限制，而应当仅根据所附权利要求书及其等同替换来定义。
Claims (25)
1.一种弥漫层流反应腔体，其特征在于，包括：
衬底和/或底座；
主气体入口，其被配置为将工艺气体注入反应腔体中以在衬底的表面形成层流界面层；以及
弥漫面，其被配置为将弥漫气体注入或者吸出所述反应腔体以在所述层流界面层的上形成弥漫界面层。
2.根据权利要求1所述的弥漫层流反应腔体，其特征在于，所述弥漫界面层被配置为使得所述工艺气体的流速增加，和/或
所述弥漫界面层使得所述层流界面层的厚度降低。
3.根据权利要求1所述的弥漫层流反应腔体，其特征在于，所述弥漫面包括多孔板、多孔陶瓷、多孔透明石英或者渗透膜。
4.根据权利要求1所述的弥漫层流反应腔体，其特征在于，所述弥漫面上设置有微通道。
5.根据权利要求1所述的弥漫层流反应腔体，其特征在于，还包括：
加热器，其布置在所述弥漫层流反应腔体的内部和/或外部，所述加热器被配置为对所述衬底进行加热。
6.根据权利要求5所述的弥漫层流反应腔体，其特征在于，还包括：
预热环，其环绕所述衬底，所述预热环被配置为对所述衬底进行加热。
7.根据权利要求6所述的弥漫层流反应腔体，其特征在于，还包括：
基座，所述基座可旋转，并且所述预热环布置在所述基座的四周。
8.根据权利要求6所述的弥漫层流反应腔体，其特征在于，所述预热环是一体式加热环使得加热环下方没有工艺气体进入的空隙。
9.根据权利要求1所述的弥漫层流反应腔体，其特征在于，所述弥漫面布置在所述衬底上方的腔室上壁处；和/或
所述弥漫面布置在所述衬底下方的腔室下壁处，以便对底部进行吹扫，以减少对衬底工艺的影响。
10.根据权利要求9所述的弥漫层流反应腔体，其特征在于，所述腔室上壁和/或所述腔室下壁为穹顶型。
11.根据权利要求1所述的弥漫层流反应腔体，其特征在于，弥漫气体从所述弥漫通道注入形成弥漫面，弥漫面的高度表示为d0-d1，层流流动的工艺气体遭到压缩，层流界面层的厚度表示为下式：
其中d0表示衬底与腔体上壁之间的距离、d1表示弥漫面的下界面与所述衬底之间的距离、x表示水平方向的坐标、δ(x)0是上不形成弥漫面时层流界面层的厚度。
12.根据权利要求1所述的弥漫层流反应腔体，其特征在于，衬底的扩散通量
表达为下式：
其中Ppar表示气体分压、PS表示气体表面压力、T′表示基板的局部温度、J表示载气的摩尔流速、ρg表示气流的密度、μg表示是气流的动态粘度、Ptot表示总压力、
R表示气体常数、A表示腔体的横截面积、D表示气体扩散系数，
其中衬底上的气相反应速度取决于散通量
通过调节上式中的参数增大
以提高反应速度。
13.根据权利要求1所述的弥漫层流反应腔体，其特征在于，弥漫界面层用于压缩腔体的特征尺寸，降低衬底层流的雷诺系数，使得生长速度提高。
14.根据权利要求1所述的弥漫层流反应腔体，其特征在于，衬底和/或底座同弥漫面相平行；
主工艺气体注入的方向平行于衬底；
弥漫面注入的气体具有垂直于衬底的分量。
15.根据权利要求1所述的弥漫层流反应腔体，其特征在于，所述弥漫层流反应腔体包括以下结构特征中的一项或多项：
弥漫层流反应腔体为单面加热或双面加热；
弥漫层流反应腔体的顶部为：A红外透过壁，外部红外加热器通过透射穿过进行加热；B红外阻断壁；或C穹顶加热壁。
16.一种弥漫层流控制方法，其特征在于，利用权利要求1-15之一所述的弥漫层流反应腔体，该方法包括下列步骤：
从主气体入口将工艺气体注入反应腔体中以在衬底的表面形成层流界面层；以及
将弥漫气体注入或者吸出所述反应腔体以在所述层流界面层的上形成弥漫界面层，其中所述弥漫界面层被配置为使得所述工艺气体的流速增加并且使得所述层流界面层的厚度降低。
17.根据权利要求16所述的弥漫层流控制方法，其特征在于，还包括：
调节所述弥漫界面层的厚度以调节所述工艺气体的流速以及所述层流界面层的厚度，其中通过调节所述弥漫面的温度和\或调节所述弥漫面的高度以调节弥漫界面层的厚度。
18.根据权利要求17所述的弥漫层流控制方法，其特征在于，还包括：
在所述弥漫面上均匀的将所述弥漫气体注入所述反应腔体；或者
在所述弥漫面上沿工艺气体注入的方向按照指数或者线性递减弥漫气体的注入量。
19.根据权利要求16所述的弥漫层流控制方法，其特征在于，所述弥漫气体扩大了弥漫界面层厚度，减少在弥漫面的气相成核导致衬底上颗粒物和/或缺陷的产生和/或减少在弥漫面上的沉积。
20.根据权利要求16所述的弥漫层流控制方法，其特征在于，
所述弥漫气体为惰性气体或者非活性气体，以减少弥漫边界层中反应前驱体的含量，并减少在弥漫面的气相成核导致衬底上颗粒物和/或缺陷的产生和/或减少在弥漫面上的沉积；或者
所述弥漫气体为刻蚀气体，将弥漫面上的沉积物进行刻蚀，将弥漫界面层的气相成核蚀刻，减少衬底上颗粒物和/或缺陷的产生，
从而降低在反应腔体顶部的沉积，使得透明的顶部工作在高于非弥漫控制的顶部温度而不产生沉积。
21.根据权利要求20所述的弥漫层流控制方法，其特征在于，所述弥漫面发生的沉积最小化，使得依赖红外传输的石英冷壁外置加热器腔体能够工作在高于传统温度的温度点，升高温度的弥漫面进一步使得衬底的边界层变薄。
22.根据权利要求16所述的弥漫层流控制方法，其特征在于，调节弥漫面的物理高度，以优化工艺各个结果。
23.根据权利要求16所述的弥漫层流控制方法，其特征在于，调整总底部吹扫流量以及相应的吹扫流量分布，以进一步的优化吹扫效果，减少衬底工艺影响。
24.根据权利要求23所述的弥漫层流控制方法，其特征在于，在底部弥漫吹扫气体中加入刻蚀气体，以便在工艺生产的实时将底部的沉积物蚀刻掉。
25.根据权利要求16-24中任一项所述的弥漫层流控制方法，其特征在于，所述弥漫界面层使得层流界面层变薄，提高成膜的沉积速度和/或均匀性。
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