CN115852343A - 一种进气分配机构及具有其的cvd反应设备 - Google Patents

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    • C23C16/00—Chemical coating by decomposition of gaseous compounds, without leaving reaction products of surface material in the coating, i.e. chemical vapour deposition [CVD] processes
    • C23C16/44—Chemical coating by decomposition of gaseous compounds, without leaving reaction products of surface material in the coating, i.e. chemical vapour deposition [CVD] processes characterised by the method of coating
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Abstract

本发明的实施例公开了一种进气分配机构及具有其的CVD反应设备，该进气分配机构，包括：至少两个沿轴向依次层叠布置的匀气腔室；以及至少两条进气管道，每条所述进气管道与相应一个所述匀气腔室流体连通；每个所述匀气腔室包括：分隔板；气体分配壁，其环绕地布置在所述分隔板的外周以围绕形成气体分配腔，所述气体分配壁上开设有多个连通其内外侧的分配孔；以及至少两个同心布置在所述气体分配腔中的匀气壁，每个所述匀气壁上开设有多个连通其内外侧的匀气通道。根据本发明，其保证了进气分配机构在各个方向上提供均匀气压的气流，以实现均匀的沉积并形成高品质的沉积薄膜。

Description

一种进气分配机构及具有其的CVD反应设备
技术领域
本发明涉及薄膜沉积领域，特别涉及一种进气分配机构及具有其的CVD反应设备。
背景技术
薄膜沉积是目前较流行的表面处理法之一，可广泛应用于装饰品、餐具、刀具、模具、半导体元器件、光伏等的表面处理，泛指在各种金属材料、超硬合金、陶瓷材料及晶圆基板的表面上成长一层同质或异质材料薄膜的制程，以期获得美观耐磨、耐热、耐蚀等特性。一般，依据沉积过程中是否含有化学反应可以将薄膜沉积分为物理气相沉积(PhysicalVapor Deposition,缩写为PVD)和化学气相沉积(Chemical Vapor Deposition,缩写为CVD)。CVD法是将金属氯化物、碳化氢、氮气等气体导入密闭之容器内，在真空、低压、电浆等气氛状况下把工作环境加热之1000℃左右并保持2～8小时，在此綦江将所需之碳化物、氮化物、氧化物、硼化物等柱状晶薄膜沉积在工件表面，沉积后的薄膜厚约1～30μm，结合性良好，较复杂的形状及细小空隙都能蒸镀沉积成膜，由于CVD技术具有成膜范围广、重现性好等优点，被广泛用于多种不同形态的成膜。CVD工艺装置主要由反应室、供气系统和加热系统组成，反应室是CVD中最基本的部分，其中内置有用于引入沉积工艺气体的进气装置，而现有的进气装置在沉积反应过程中仍存在以下技术问题：
在反应室内部喷射沉积工艺气体时，由于每个方向上的喷射气压存在差异，从而导致沉积工艺气体无法实现均匀的沉积并难以形成高品质的沉积薄膜。
有鉴于此，实有必要开发一种进气分配机构及具有其的CVD反应设备，用以保证进气分配机构在各个方向上提供均匀气压的气流，以实现均匀的沉积并形成高品质的沉积薄膜。
发明内容
本发明的实施例提供一种进气分配机构及具有其的CVD反应设备，用以保证进气分配机构在各个方向上提供均匀气压的气流，以实现均匀的沉积并形成高品质的沉积薄膜。
为了解决上述技术问题，本发明的实施例公开了如下技术方案：
一方面，提供了一种进气分配机构，包括：
至少两个沿轴向依次层叠布置的匀气腔室；以及
至少两条进气管道，每条所述进气管道与相应一个所述匀气腔室流体连通；每个所述匀气腔室包括：
分隔板；
气体分配壁，其环绕地布置在所述分隔板的外周以围绕形成气体分配腔，所述气体分配壁上开设有多个连通其内外侧的分配孔；以及
至少两个同心布置在所述气体分配腔中的匀气壁，每个所述匀气壁上开设有多个连通其内外侧的匀气通道；
其中，定义：相邻两个所述匀气壁间的距离为Δh；从所述气体分配腔的圆心出发逐级向外布置的匀气壁依次为第1级匀气壁，第2级匀气壁，…，第n级匀气壁，其中所述第1级匀气壁的半径为r1，第2级匀气壁的半径为r2，…，第n级匀气壁的半径为rn，第n级匀气壁与所述气体分配壁间的距离为ΔH，则则Δh≤r1并且ΔH≥Δh。
除了上述公开的一个或多个特征之外，或者作为替代，所述匀气壁被布置为由至少一对匀气子集构成，每个匀气子集包括相邻布置的一对止挡块及位于所述止挡块之间的匀气通道，每个前级匀气壁的匀气子集中的匀气通道与相邻的后级匀气壁的匀气子集中的止挡块在径向方向上彼此相对布置。
除了上述公开的一个或多个特征之外，或者作为替代，还包括冷却基板，所述冷却基板内开设有横向延伸的冷却腔室，其中，所述冷却基板上连接有沿竖直方向延伸的冷却管道，所述冷却管道在其底部与所述冷却腔室流体连通；所述匀气腔室在其气体分配腔的圆心处依次穿套于所述冷却管道之上。
除了上述公开的一个或多个特征之外，或者作为替代，所述进气管道围绕着所述冷却管道纵向延伸，以使得每条所述进气管道相对相应一个所述匀气腔室的气体分配腔偏心地布置。
除了上述公开的一个或多个特征之外，或者作为替代，每个匀气腔室的第1级匀气壁被配置成近弧段与远弧段，所述近弧段靠近与该匀气腔室相对应的进气管道，所述远弧段远离与该匀气腔室相对应的进气管道，其中，所述近弧段的匀气通道的线密度小于所述远弧段的匀气通道的线密度。
除了上述公开的一个或多个特征之外，或者作为替代，还包括密封层，其中，下一层匀气腔室的气体分配腔被上一层匀气腔室的分隔板所密封，最顶层的匀气腔室的气体分配腔被所述密封层密封。
除了上述公开的一个或多个特征之外，或者作为替代，
Figure BDA0003371762040000031
除了上述公开的一个或多个特征之外，或者作为替代，ΔH≥2Δh。
另一方面，进一步公开了一种CVD设备，除了上述公开的一个或多个特征之外，或者作为替代，所述CVD反应设备包括：
反应腔，其与外界隔绝且封闭；
旋转支撑轴，其布置于所述反应腔中；
基座，其布置于所述反应腔中并由所述旋转支撑轴所支撑；
排气管，其选择性地将所述反应腔与外界流体连通；以及
如上任一项所述的进气分配机构，其布置于所述反应腔中，所述进气分配机构连接于所述反应腔的顶壁上并且向下悬垂。
除了上述公开的一个或多个特征之外，或者作为替代，CVD设备还包括加热组件，其布置于所述基座的下方；所述基座的顶面上周向地布置有多个承载盘。
上述技术方案中的一个技术方案具有如下优点或有益效果：由于相邻两个所述匀气壁间的距离小于第1级匀气壁的半径，且第n级匀气壁与所述气体分配壁间的距离大于相邻两个所述匀气壁间的距离，使得沉积工艺气体在进入气流多级匀气壁间之前能够在气路上游即第1级匀气壁包围的腔室中能够得到充分的扩散，减小了各个方向上的压力差异，而在沉积工艺气体从多级匀气壁间进入到气路下游即第n级匀气壁与所述气体分配壁间时，得到进一步充分扩散，从而进一步减小了各个方向上的压力差异，使得最终进入反应设备的沉积工艺气体量均质化，实现了均匀的沉积并形成高品质的沉积薄膜。
附图说明
下面结合附图，通过对本发明的具体实施方式详细描述，将使本发明的技术方案及其它有益效果显而易见。
图1为可实施本发明实施例的CVD反应设备的纵向剖视图；
图2为本发明实施例提供的进气分配机构的纵向剖视图；
图3为本发明实施例1提供的进气分配机构在图2中的A-A方向下的剖视图；
图4为本发明实施例2提供的进气分配机构在图2中的A-A方向下的剖视图；
图5为图3或图4中S区域的放大图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。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”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所述特征。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。
实施例1
请参见图2所示，图2所示的本发明实施例1提供的进气分配机构20的纵向剖视图。本实施例提供的进气分配机构20为了保证进气分配机构在各个方向上提供均匀气压的气流，以实现均匀的沉积并形成高品质的沉积薄膜。本实施例提供的进气分配机构20包括：
至少两个沿轴向T依次层叠布置的匀气腔室23；以及
至少两条进气管道234，每条所述进气管道234与相应一个所述匀气腔室23流体连通；其特征在于，每个所述匀气腔室23包括：
分隔板231；
气体分配壁232，其环绕地布置在所述分隔板231的外周以围绕形成气体分配腔236，所述气体分配壁232上开设有多个连通其内外侧的分配孔2321；以及
至少两个同心布置在所述气体分配腔236中的匀气壁233，每个所述匀气壁233上开设有多个连通其内外侧的匀气通道2331；
其中，定义：相邻两个所述匀气壁233间的距离为Δh；从所述气体分配腔236的圆心出发逐级向外布置的匀气壁233依次为第1级匀气壁，第2级匀气壁，…，第n级匀气壁，其中所述第1级匀气壁的半径为r1，第2级匀气壁的半径为r2，…，第n级匀气壁的半径为rn，第n级匀气壁与所述气体分配壁232间的距离为ΔH，则Δh≤r1并且ΔH≥Δh。
在优选的实施方式中，
Figure BDA0003371762040000051
在优选的其他实施方式中ΔH≥2Δh。
由于相邻两个所述匀气壁233间的距离小于第1级匀气壁的半径，且第n级匀气壁与所述气体分配壁232间的距离大于相邻两个所述匀气壁233间的距离，使得沉积工艺气体在进入气流多级匀气壁间之前能够在气路上游即第1级匀气壁包围的腔室中能够得到充分的扩散，减小了气流在各个方向上的压力差异，而在沉积工艺气体从多级匀气壁间进入到气路下游即第n级匀气壁与所述气体分配壁间时，得到进一步充分扩散，从而进一步减小了气流在各个方向上的压力差异，使得最终进入反应设备的沉积工艺气体量均质化，实现了均匀的沉积并形成高品质的沉积薄膜。
在图2及图3示出的实施方式中，多个分配孔2321在周向方向上彼此间隔且均匀布置，多个匀气通道2331在周向方向上彼此间隔且均匀布置，匀气壁233共设有两级，分别为从所述气体分配腔236的圆心出发逐级向外布置的匀气壁233依次为第1级匀气壁，第2级匀气壁，所述第1级匀气壁的半径为r1，第2级匀气壁的半径为r2，相邻两个所述匀气壁233间的距离为Δh，第2级匀气壁与所述气体分配壁232间的距离为ΔH，则有Δh≤r1且ΔH≥Δh。在其他实施方式中，匀气壁233共设有三级，总之，不管匀气壁233设有多少层级，都需满足Δh≤r1且ΔH≥Δh的要求。
所述匀气壁233被布置为由至少一对匀气子集构成，每个匀气子集包括相邻布置的一对止挡块2339及位于所述止挡块2339之间的匀气通道2331，每个前级匀气壁233的匀气子集中的匀气通道2331与相邻的后级匀气壁233的匀气子集中的止挡块2339在径向方向R上彼此相对布置。在图3示出的实施方式中，匀气壁233共设置有两级，及从内到外依次同心布置的第1级匀气壁和第2级匀气壁，第1级匀气壁上的匀气通道2331与第2级匀气壁的止挡块2339在径向方向R上彼此相对布置，具体地，参照图5，定义第1级匀气壁上的其中一个匀气通道2331’的径向方向为L1，第2级匀气壁上距离匀气通道2331’最近的匀气通道为匀气通道2331”，而匀气通道2331”的径向方向为L2，则从图5中可以明显看出L1与L2彼此错开一定角度，在优选的实施方式中，定义气体分配壁232上距离匀气通道2331”最近的分配孔为分配孔2321’，而分配孔2321’的径向方向为L3，则L1、L2及L3三者均不在一条直线上，即L1、L2及L3三者彼此错开布置。采用这种结构设计，使得从上一级匀气壁(例如第1匀气壁)穿出的气流在穿过下一级匀气壁(例如第2匀气壁)时，需要在径向方向上偏转一定角度，如此则能够防止气流在匀质扩散之前就之间穿过下一级匀气壁，进一步提高了沉积工艺气体的匀质化。
再次参照图2，进气分配机构20还包括密封层24，其中，下一层匀气腔室23的气体分配腔236被上一层匀气腔室23的分隔板231所密封，最顶层的匀气腔室23的气体分配腔236则被所述密封层24所密封。从上述描述可以理解，下一层匀气腔室23的气体分配腔236被上一层匀气腔室23的分隔板231所密封，进而使得层叠布置的匀气腔室23通过共用分隔板231实现了相邻两层气体分配腔236之间的密封，这样的布置方式不仅降低了气体在层间泄露的可能性，还进一步降低了进气分配机构20的堆叠高度，使得在高度一定的情况下，进气分配机构20能够堆叠更多的匀气腔室23，提高了气体分配效率。
实施例2
再次参照图2，图2进一步示出了本发明实施例提供的另一种进气分配机构20。本实施例提供的进气分配机构20相对实施例1可扩展出更优的气体分配方式，以对匀气效果进一步提升。实施例2与实施例1的区别在于，本实施例提供的进气分配机构20还包括冷却基板2，所述冷却基板21内开设有横向延伸的冷却腔室211，其中，所述冷却基板21有沿竖直方向延伸的冷却管道22，所述冷却管道22在其底部与所述冷却腔室211流体连通；所述匀气腔室23在其气体分配腔236的圆心处依次穿套于所述冷却管道22之上，进而使得，匀气腔室23被冷却基板2所承托。在具体应用时，可通过冷却管道22向冷却腔室211中连续地注入冷却气体，从而实现对匀气腔室23的冷却。
具体地，所述进气管道234围绕着所述冷却管道22纵向延伸，以使得每条所述进气管道234相对相应一个所述匀气腔室23的气体分配腔236偏心地布置。其中，进气管道234的延伸方向与冷却管道22的延伸方向基本平行，本文中所使用的基本平行是指完全平行或几乎完全平行(例如，在完全平行的10°角度范围内)。
在实践中发现，为了适应中心布置的冷却管道22，进气管道234则进行了偏心布置，采用如此布置方式，会进一步使得引进的沉积工艺气体在第1级匀气壁所围绕的腔室内分配不均匀，为解决这一问题，对进气分配机构20作了如图4所示的进一步改进，具体地，每个匀气腔室23的第1级匀气壁被配置成近弧段233a与远弧段233b，所述近弧段233a靠近与该匀气腔室23相对应的进气管道234，进气管道234’则为下一层匀气腔室的进气管道，所述远弧段233b远离与该匀气腔室23相对应的进气管道234，其中，所述近弧段233a的匀气通道2331a的线密度小于所述远弧段233b的匀气通道2331b的线密度(即单位弧长下，其设置的匀气通道的个数)，在优选的实施方式中，远弧段233b的匀气通道2331b的线密度为近弧段233a的匀气通道2331a的线密度2-3倍，例如在图4所示的实施方式中，远弧段233b的匀气通道2331b开设了10个，而同样长度的近弧段233a的匀气通道2331a仅开设了5个。
在图2所示的实施例中，本实施例提供的进气分配机构20的功能与实施例1实现的功能相对应，所以关于本实施例的其他结构与功能可参见实施例1中的内容，在此不再一一赘述。
实施例3
参照图1，图1示出了可实施本发明实施例1或2的CVD反应设备10的纵向剖视图。本实施例提供的CVD反应设备10采用了实施例1或2中的进气分配机构20，以对匀气效果进行提升。具体地，CVD反应设备10包括：
反应腔11，其与外界隔绝且封闭；
旋转支撑轴13，其部分布置于所述反应腔11中；
基座12，其布置于所述反应腔11中并由所述旋转支撑轴13所支撑；
排气管112，其选择性地将所述反应腔11与外界流体连通；以及
如实施例1或2所述的进气分配机构20，其布置于所述反应腔11中，所述进气分配机构20连接于所述反应腔11的顶壁111上并且向下悬垂。在图1示出的实施方式中，固定部113穿过反应腔11的顶壁111伸入到反应腔11中，进气分配机构20安装于所述反应腔11的顶壁111上，进一步地，进气分配机构20的冷却管道22及进气管道234均穿过所述固定部113以与外界相连通。
作为进一步改进，为了将反应腔11维持在工艺所需的温度，CVD反应设备10还包括加热组件14，其布置于所述基座12的下方；所述基座12的顶面上周向地布置有多个承载盘121，承载盘121用于承载待沉积的工件。
在图1及图2所示的实施例中，本实施例提供的进气分配机构20的功能与实施例1和/或实施例2实现的功能相对应，所以关于本实施例的其他结构与功能可参见实施例1中的内容，在此不再一一赘述。
以上对本发明实施例所提供的一种进气分配机构及具有其的CVD反应设备进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的技术方案及其核心思想；本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例的技术方案的范围。

Claims (10)

1.一种进气分配机构，包括：
至少两个沿轴向依次层叠布置的匀气腔室；以及
至少两条进气管道，每条所述进气管道与相应一个所述匀气腔室流体连通；其特征在于，每个所述匀气腔室包括：
分隔板；
气体分配壁，其环绕地布置在所述分隔板的外周以围绕形成气体分配腔，所述气体分配壁上开设有多个连通其内外侧的分配孔；以及
至少两个同心布置在所述气体分配腔中的匀气壁，每个所述匀气壁上开设有多个连通其内外侧的匀气通道；
其中，定义：相邻两个所述匀气壁间的距离为Δh；从所述气体分配腔的圆心出发逐级向外布置的匀气壁依次为第1级匀气壁，第2级匀气壁，…，第n级匀气壁，其中所述第1级匀气壁的半径为r1，第2级匀气壁的半径为r2，…，第n级匀气壁的半径为rn，第n级匀气壁与所述气体分配壁间的距离为ΔH，则Δh≤r1并且ΔH≥Δh。
2.如权利要求1所述的进气分配机构，其特征在于，所述匀气壁被布置为由至少一对匀气子集构成，每个匀气子集包括相邻布置的一对止挡块及位于所述止挡块之间的匀气通道，每个前级匀气壁的匀气子集中的匀气通道与相邻的后级匀气壁的匀气子集中的止挡块在径向方向上彼此相对布置。
3.如权利要求2所述的进气分配机构，其特征在于，还包括冷却基板，所述冷却基板内开设有横向延伸的冷却腔室，其中，所述冷却基板上连接有沿竖直方向延伸的冷却管道，所述冷却管道在其底部与所述冷却腔室流体连通；所述匀气腔室在其气体分配腔的圆心处依次穿套于所述冷却管道之上。
4.如权利要求3所述的进气分配机构，其特征在于，所述进气管道围绕着所述冷却管道纵向延伸，以使得每条所述进气管道相对相应一个所述匀气腔室的气体分配腔偏心地布置。
5.如权利要求4所述的进气分配机构，其特征在于，每个匀气腔室的第1级匀气壁被配置成近弧段与远弧段，所述近弧段靠近与该匀气腔室相对应的进气管道，所述远弧段远离与该匀气腔室相对应的进气管道，其中，所述近弧段的匀气通道的线密度小于所述远弧段的匀气通道的线密度。
6.如权利要求1～5任一项所述的进气分配机构，其特征在于，还包括密封层，其中，下一层匀气腔室的气体分配腔被上一层匀气腔室的分隔板所密封，最顶层的匀气腔室的气体分配腔被所述密封层密封。
7.如权利要求1～5任一项所述的进气分配机构，其特征在于，
Figure FDA0003371762030000021
8.如权利要求1～5任一项所述的进气分配机构，其特征在于，ΔH≥2Δh。
9.一种CVD设备，其特征在于，包括：
反应腔，其与外界隔绝且封闭；
旋转支撑轴，其部分布置于所述反应腔中；
基座，其布置于所述反应腔中并由所述旋转支撑轴所支撑；
排气管，其选择性地将所述反应腔与外界流体连通；以及
如权利要求1～8任一项所述的进气分配机构，其布置于所述反应腔中，所述进气分配机构连接于所述反应腔的顶壁上并且向下悬垂。
10.如权利要求9所述的CVD设备，其特征在于，还包括加热组件，其布置于所述基座的下方；所述基座的顶面上周向地布置有多个承载盘。
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