CN116219405A - 一种气相沉积设备 - Google Patents

Abstract

本发明总的来说涉及半导体制造技术领域，提出一种气相沉积设备，包括：腔体，其内布置衬底；第一进气口，其中主工艺气体被配置为自所述第一进气口进入所述腔体，并且平行与所述衬底自所述衬底的第一侧流向第二侧；第二进气口，其中辅助气体被配置为自所述第二进气口进入所述腔体；第一排气口，其中所述第一排气口被配置为将所述主工艺气体排出；以及第二排气口，其中所述第二排气口被配置为将所述辅助气体排出。本发明通过对排气口进行质量流量控制来进行强制层流控制，因此当由于界面层控制以及其他工艺需求向水平层流中注入额外的气流时，可以抑制其对层流产生不良的扰动。

Description

一种气相沉积设备

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，本发明涉及一种气相沉积设备，其用于提高衬底上沉积薄膜的质量。

背景技术

在半导体和泛半导体工业中存在大量气相化学工艺，特别是化学气相沉积(CVD)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、碳化硅、蓝宝石等)的温度高低将反应腔体划分为热壁腔体或者冷壁腔体。对于某些工艺(例如气相单晶生长)而言需要将衬底限定在层流中才能生长出合适的薄膜或者厚膜。

图8示出了现有技术中一个典型的气动真空压力控制回路的示意图，在该回路中由位于下游的一个真空泵提供负压，背压控制阀门设置在反应罐或者腔体之间，反应罐出口处设置PT压力传感器。PT压力传感器将测得的压力反馈至压力控制器，压力控制器根据PID控制律或者其他控制律输出阀门开度信号至气动控制器，气动控制器根据阀门控制器输出气动压力至背压控制阀门最终实现对PT压力传感器处的压力控制。可见现有技术中对输入、输出以及控制率的控制是基于压力的。

然而在现有技术中，当由于界面层控制以及其他工艺需求向水平层流中注入额外的气流(Injection)时，对系统中流体的控制变得极为重要。额外的气体可能增大气体流量并提高雷诺系数，另外额外注入的气体的动能可能对层流产生不良的扰动。因此需要提出一种控制方法以及设备对层流进行更好的控制。

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

腔体，其内布置衬底；

第一进气口，其布置在所述腔体的第一侧，其中主工艺气体被配置为自所述第一进气口进入所述腔体，并且平行与所述衬底自所述衬底的第一侧流向第二侧；

第二进气口，其布置在所述腔体的第一侧，并且所述第二进气口布置在所述第一进气口的上方，其中辅助气体被配置为自所述第二进气口进入所述腔体；

第一排气口，其布置在所述腔体的第二侧，其中所述第一排气口被配置为将所述主工艺气体排出；以及

第二排气口，其布置在所述腔体的第二侧，其中所述第二排气口被配置为将所述辅助气体排出。

其中，通过第二排气口可以改善腔体的层流，通过第二进气口可以控制界面层的高度。

在本发明一个实施例中规定，所述辅助气体包括抑制气体，所述抑制气体包括：惰性气体、不活跃气体、载气以及蚀刻气体。

在本发明一个实施例中规定，所述第二排气口的排气速率与所述第二进气口的进气速率相同或者在同一范围；或者

所述第二排气口的排气速率与所述第二进气口的进气速率成正比，并且所述第一排气口的排气速率与所述第一进气口的进气速率成正比。

在本发明一个实施例中规定，还包括：

抽气泵，其与所述第一排气口和第二排气口连接。

在本发明一个实施例中规定，所述第一排气口的开口面积与所述第二排气口的开口面积的比值与所述工艺气体的进气量与所述辅助气体的进气量的比值相同。

其中，在第一进气口和第二进气口可以使用质量流量计来进行质量流量控制(每分钟标准升(SLM，Standard Liter per Minute)或者每分钟标准毫升(SCCM，StandardCubic Centimeter per Minute)，因此在第一排气口和第二排气口只需要进行比例控制。

在本发明一个实施例中规定，所述气相沉积设备还包括：

节流阀，其与所述第一排气口和第二排气口连接，其中所述节流阀被配置为对所述第一排气口和第二排气口的排气速率进行控制，以使所述第一排气口的排气速率与主工艺气体的进气速率相同，所述第二排气口的排气速率与辅助气体的注入速率相同，并且工艺腔体的压力维持在可设定的压力区间内。

在本发明一个实施例中规定，所述气相沉积设备还包括：

第三进气口，其布置在所述腔体的上部，其中第三气体被配置为自所述第三进气口进入所述腔体。

其中，第三气体通常对成膜均匀或者品质有影响的，而通过辅助气体可以将第三气体与主工艺气体隔离。

在本发明一个实施例中规定，所述第三气体被配置为通过所述第二排气口排出，所述主工艺气体被配置为通过所述第一排气口排出，所述辅助气体被配置为通过所述第一排气口或者第二排气口排出。

在本发明一个实施例中规定，对所述第一排气口和第二排气口的至少其中之一进行质量流量控制，以使所述第三气体和所述辅助气体自所述第二排气口排出。

其中，质量流量控制是指根据可设定的气体质量流量，也就是说每分钟标准升或者每分钟标准毫升来进行控制，而不同与现有的根据流速m/s或者固定压差(泵)来进行控制，从而使得第三气体和所述辅助气体自所述第二排气口排出而不会进入第一排气口，也就是说形成强制层流。

在本发明一个实施例中规定，所述质量流量控制包括：

通过超声波测量流速，并且通过压力和温度换算为质量流量以进行控制。

和\或

通过科里奥利质量流量计进行质量控制，其中所述科里奥利质量流量计根据流体在振动管道中流动时产生与质量流量成正比的科里奥利力来进行测量。

在本发明一个实施例中规定，所述第一进气口的数量为m，所述第二进气口的数量为n，其中m，n≥2。

在本发明一个实施例中规定，多个所述第一进气口并列布置。

其中，并列布置的多个第一进气口可以调节膜厚或者掺杂。

在本发明一个实施例中规定，所述气相沉积设备包括：

隔板，其设置在所述第一排气口和所述第二排气口上，所述隔板是可移动的，其中通过移动所述隔板以调节所述第一排气口和第二排气口的开口率以便与所述第一进气口与所述第二进气口的比例相适应。

在本发明一个实施例中规定，所述辅助气体包括工艺气体，其中对所述工艺气体的反应产生的摩尔量增加或者减少而产生的质量流量差值进行补充。

其中，当辅助气体为工艺气体为时，反应两侧的气相物质的摩尔量有可能发生变化，因此需要对补偿反应产生的摩尔量增加或者减少所产生的质量流量差值，可以表示为下式：

前驱气体Precursor a(g)+b(g)

→沉积物deposition(s)+副产物byproduct(g)

Mol(Δ)＝Mol(byproduct)-mol(a)-mol(b)

在本发明一个实施例中规定，设置n个进气口inj 1～n，并且设置n个排气口exhaust1～n，将进气口的进气量表示为∑inj 1～n，其中对排气口exhaust1～(n-1)进行质量流量控制。

其中，排气口exhaust n的流量可以通过∑inj 1～n-∑exhaust1～(n-1)来获得，因此对排气口exhaust n只需要进行压力或者其它控制，或者只进行监测。

在本发明一个实施例中规定，所述气相沉积设备还包括：

第三出气口，其布置在所述腔体的第二侧，其中所述第三排气口被配置为将所述第三气体排出

在本发明中，进入腔体的气体包括从第一进气口进入的工艺气体inj 1，从第二进气口进入的辅助气体inj 2，以及从第三进气口进入的第三气体inj 3，第三气体inj 3可以是刻蚀或者清洁气体。刻蚀或者清洁气体通常容易与衬底或者工艺气体inj 1发生质量交换，因此需要通过辅助气体inj 2将其隔离。可以将工艺气体inj 1、辅助气体inj 2、第三气体inj 3分别通过第一排气口exhaust1、第二排气口exhaust2、第三排气口exhaust3；或者可以如前述实施例，将辅助气体inj 2、第三气体inj 3通过第二排气口exhaust2排出。

此外，第一进气口也可以通入刻蚀气体，对于第一至第三进气口通入的气体可以进行多种组合。

在本发明一个实施例中规定，所述第三气体被配置为通过所述第二排气口排出，其中所述第一排气口的排气量大于所述工艺气体的进气量并且小于所述工艺气体和辅助气体的进气量之和，并且所述第二排气口的排气量大于所述第三气体的排气量并且小于所述第三气体和辅助气体的进气量之和。

在本发明一个实施例中规定，所述第二排气口被配置向所述第三气体提供向上的动能。

其中，第三气体由于从腔体的上方往下进气，因此第三气体会具有一个垂直向下的速度分量V_down，其中第三气体向下运动的距离可以表示为下式：

其中L_chamber表示在第三气体在腔体中移动的水平距离，V_level表示第三气体的水平速度分量。当V_down过大时，第三气体可能吹到衬底影响衬底的工艺；而当V_down过小，同时腔体上方的开口也过小(例如当加热器占据60％的腔体顶部的面积，考虑到腔体结构，开口可能占据30％的腔体顶部的面积)时，第三气体的进气量可能不够。因此可以通过位于顶部的第二排气口提供一个向上的动能(负压)使得靠近腔体的第一侧进入的第三气体不会对衬底后半部分的成膜产生影响。

特别地，所述向上的动能并不意味着第三气体具有很大的向上的线速度，乃至该气体出口有向上的角度。流体力学模型分析表明，当该出口水平但远高于衬底，或者具有更靠近腔体上表面的部分时，该高位排气口，或者该排气口的高位部分足够提供向上的能量。

图7A示出了一个没有通过排气口提供负压的腔体内的速度流线图，如图7A所示，其中第三气体很容易到达衬底并且从第一排气口排出。图7B示出了本发明一个实施例中一个通过排气口提供负压的腔体内的速度流线图，如图7B所示，通过一个第二排气口水平方向的负压提供向上的动能，可以将第三气体拉平，使得第三气体不会到达衬底并且从第二排气口排出。事实上，位于高位的出口如果指向下方同样可以提供向上的动能。

在本发明一个实施例中规定，分区注入所述第三气体以调节工艺气体的边界层的厚度，并且控制衬底上各点的沉积速率，进而实现对衬底上各点的膜厚的管控，提高衬底成膜的均匀性。

在本发明一个实施例中规定，通过调节第一排气口和第二排气口的排气比例(也就是说调节图2B所示的输出A(x％)和输出B(y％))以控制靠近腔体第二侧的衬底上方的工艺气体的边界层高度。

在本发明一个实施例中规定，所述气相沉积设备，还包括：

第四进气口，其布置在所述腔体的第一侧，并且所述第四进气口布置在所述第一进气口的下方。

其中，从第四进气口进入腔体的气体可以抑制下方的吹扫气体进入衬底上方，或者可以抑制衬底上方的气体进入腔体的下部。

本发明提供了一种水平多维注入腔体，其通过对排气口进行质量流量控制来进行强制层流控制，其核心在于：在注入为质量流量控制的情况下，利用出口的面积比实现质量流量分配；使用开度阀控制多个出口的开度，利用阀门的开度实现质量流量的控制；在多个出口处实时测量出口的质量流量以对阀门的开度进行进一步的闭环控制，实现对多个出口的质量流量控制，从而实现对层流的强制控制。

本发明至少具有如下有益效果：本发明提供一种气相沉积设备，其通过对排气口进行质量流量控制来进行强制层流控制，因此当由于界面层控制以及其他工艺需求向水平层流中注入额外的气流时，可以抑制其对层流产生不良的扰动。

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水平气相沉积腔体的示意图。

图2A示出了本发明一个实施例中一个气相沉积设备的示意图。

图2B示出了本发明另一实施例中一个气相沉积设备的示意图。

图2C示出了本发明一个实施例中一个多路流体开关盒的示意图。

图3示出了本发明一个实施例中一个腔体的示意图。

图4示出了本发明一个实施例中一个腔体的正截面示意图。

图5A示出了使用现有的上盖板或穹顶时腔体内的气体速度分布示意图。

图5B示出了使用本发明一个实施例中的弥漫的上盖板或穹顶并且弥漫气体注入腔体时腔体内的气体速度分布示意图。

图5C示出了使用现有的上盖板或穹顶时腔体内气体流线示意图。

图5D示出了使用本发明一个实施例中的弥漫的上盖板或穹顶并且弥漫气体注入腔体时腔体内气体流线示意图。

图6示出了本发明一个实施例中弥漫面对化学气相沉积工艺的影响示意图。

图7A示出了一个没有通过排气口提供负压的腔体内的速度流线图。

图7B示出了本发明一个实施例中一个通过排气口提供负压的腔体内的速度流线图。

图8示出了现有技术中一个典型的气动真空压力控制回路的示意图。

图9A-B示出了一个基于超声波的质量流量的测量原理图。

图10示出了一个基于多普勒效应的质量流量的测量原理图。

图11示出了一个界面层理论的原理示意图。

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。

图1示出了现有技术中一个水平气相沉积腔体的示意图。如图1所示，该腔体包括沉积系统100、工艺气体进气口101、腔体尾端气体排气102、基座103、衬底104、上穹顶或上衬垫105、下衬垫106、工艺(如外延)成膜107、上衬垫成膜108、下衬垫成膜109。衬底104(例如是硅、碳化硅或蓝宝石衬底等)位于腔体中间，工艺气体从腔体的一侧进气口101进入腔体，流经腔体及衬底104的上表面，然后从腔体的另一侧腔体尾端气体排气口102排出尾气。如图中箭头所示，工艺气体流经衬底104上表面时，一部分流向衬底。

图9A-B示出了一个基于超声波的质量流量的测量原理图。如图9A所示，在质量流量排气(Mass Flow Exhaust)控制方法中，通过超声波测得流速v，流速v对管道横截面进行积分得到体积流量L/min，压力传感器测量压力P，温度传感器测得温度T，根据压力P和温度T折合成标准体积流量SLM(25度一个大气压)。

具体来说，质量流量计通常位于腔体上游，如图9B所示，一对超声波流量计(流速计)进行计算的公式如下：

其中，v表示流体速度、c表示声速、t₁表示上游传输时间、t₂表示下游传输时间。

根据上述公式可以求得声速和流速，将流速对截面积进行积分即可求得该截面积上该流体的体积流量，根据理想气体公式：PV＝nRT可以求得对应的质量流量(标准升每分钟或者标准毫升每分钟)，因此还需要压力和温度传感器测得该控制点处的温度及压力，也就是说：Mass Flow Exhaust Rate＝Function(velocity，pressure，temperature)，质量流量排气速率可以根据流速、压力、温度求得。因此，对于出口处的设定点(Set Point)给定的排气(exhaust)质量流量，依据测得的t₁、t₂求出流速及体积流量后，依照温度和压力换算为标准质量流量。

事实上，对于本发明而言，出口质量流量控制，体积流量乃至速度流量控制可以归一化，视不同的流体工况选择最为适合的测量技术和算法进行控制。

图10示出了一个基于多普勒效应的质量流量的测量原理图。如图10所示，假设液体中微粒流动的速度V，照射在微粒上的光为平面单色光波，波矢量为k，光频率v₀，光速为c，一般v要比c小得多。根据相对论理论，微粒相对于光波运动，微粒散射光的频率因多普勒效应而发生频移。微粒散射光的频率v′可以表示为下式：

其中，θ表示光波波矢量与微粒矢量间的夹角。

散射光相对于入射光产生的多普勒频移量Δv可以表示为下式：

其中，λ表示散射光波长。

气体流体的测量原理与激光测量原理相同，将测量用的波束换成超声波，只需将上述公式中的光速换成该气体当时的温度压强下的声速，便可通过Δv求得相应的流体速度，随后可知对应的体积流量。

此外如科里奥利质量流量计，可以直接获得质量流量，也可以作为本发明的一个选择，不再赘述其原理和详细测量原理。

图2A示出了本发明一个实施例中一个气相沉积设备200的示意图。如图2A所示，该设备包括腔体300，工艺气体A管路及入口201，工艺气体A提供及控制装置202，控制工艺气体边界层用的腔体进气侧上方气体B管路及入口210，控制工艺气体边界层用的腔体进气侧上方气体B的提供及控制装置211，腔体上部弥漫气体C管路及入口220，腔体上部弥漫气体C的提供及控制装置221和222，腔体排气侧下排气口及管路230，腔体排气侧下排气控制装置231，腔体排气侧上方的气体排气口及管路240，腔体排气侧上方的气体排气控制装置241。

所述腔体300是热壁腔体或者冷壁腔体，腔体300里有基座103、衬底104、衬垫106、150、151(见图4)。

主工艺气体A从腔体进气侧通过入口201进入腔体300，工艺气体A提供及控制装置202例如通过质量流量计(MFC)控制工艺气体的流量大小。

控制工艺气体边界层用的气体B，从腔体进气侧上方通过入口210进入腔体，控制工艺气体边界层用的腔体进气侧上方气体B的提供及控制装置211对气体B进行控制，例如通过MFC控制气体B的流量大小。气体B用来控制工艺气体A在衬底上方边界层厚度变化及分布情况，通过调节气体B比如增大B的流量把工艺气体A往衬底方向压制，使得气体A的垂直空间变小，流速加快，边界层变薄，因此有更多的工艺气体反应物通过边界层扩散到衬底表面，进行化学反应形成薄膜。同时，增加气体B还使得工艺气体A难以通过扩散或热浮力(thermal buoyancy)到达上穹顶或上衬垫150和151，减少腔体内壁不想要的额外成膜和颗粒物。

上部弥漫气体C从腔体上方的腔体上部弥漫气体C管路及入口220进入，腔体上部弥漫气体C的提供及控制装置221和222可以通过流量或流速控制弥漫气体C的流量大小或流速大小。弥漫气体尽量覆盖腔体内壁的上表面衬垫150和151，其首先能够阻止工艺气体A难以通过扩散或热浮力(thermal buoyancy)到达上穹顶或上衬垫150和151，防止额外成膜和颗粒物形成，其次还可以通过一定的刻蚀气体可以对其上面已经成膜的区域进行刻蚀清洗，保证上穹顶或上衬垫150和151的清洁。

腔体R侧面(位于L侧面的对侧)设有下排气口及管路230，发生化学气相反应后的副产物气体及工艺气体A残余气体主要通过管路230排出腔体，另外，控制工艺气体边界层用的上方气体B有一部分也会通过管路230排出腔体。

腔体R侧面(位于L侧面的对侧)设有上排气口及管路240，腔体上部弥漫气体C主要通过240排出，另外控制工艺气体边界层用的上方气体B有一部分也会通过240排出腔体。

弥漫气体C通过含有弥漫小孔的上穹顶或上衬垫151进入腔体，151至少有一部分位于衬底104的垂直正上方，其弥漫小孔特征尺寸为0.1-2mm，弥漫小孔面积占穹顶151面积的5％-50％。弥漫气体可以分区控制，可以如图2A所示通过控制装置221和222进行单独的控制，当然也可以根据需求进行更多的分区精准控制。

图2B示出了本发明另一实施例中一个气相沉积设备400的示意图。如图2B所示，该设备包括腔体300，工艺气体A管路及入口201，工艺气体A提供及控制装置202，控制工艺气体边界层用的腔体进气侧上方气体B管路及入口210，控制工艺气体边界层用的腔体进气侧上方气体B的提供及控制装置211，控制工艺气体边界层用的腔体进气侧上方气体B′管路及入口210′，气体B′的提供及控制装置211′，腔体上部弥漫气体C管路及入口220，腔体上部弥漫气体C的提供及控制装置221、222和223，腔体排气侧下排气口及管路230，腔体排气侧上方的气体排气口及管路240，多路流体开关盒(Multiple Flow Switch Box)270，压力传感器251，252，温度传感器253，控制单元250。

在图2B中箭头表示出气体的流动迹线，BL 1-5表示边界层(Boundary Layer)的高度，通过控制装置221-224可以控制BL1-BL4高度。

图2C示出了本发明一个实施例中一个多路流体开关盒270的示意图。如图2C所示，所述多路流体开关盒270可以包括：腔体排气侧下排气管路230比例调节阀232，腔体排气侧上排气管路240比例调节阀242，240排气端后侧质量流量计243以及抽气用的泵260。

排气端流量控制和腔体压力控制通过PID控制单元250共同控制工艺的情况可以包括：工艺气体A发生化学气相反应后的副产物气体及工艺气体A残余气体主要通过腔体排气侧下排气管路230排出腔体，制工艺气体边界层用的上方气体B和B′一部分通过下排气管路230排出腔体，一部分通过管路240排出腔体，腔体上部弥漫气体C主要通过240排出腔体，排气端后侧240后端质量流量计243的流量数据传送给PID控制单元250，根据工艺设定值，PID控制单元调节比例调节阀232和242，控制管路230和管路240出口处的质量流量相对大小，腔体压力传感器251采集工艺腔300的压力，并传送给PID控制单元250，根据工艺压力设定值PID控制单元250同步同比例调节比例调节阀232和242，使得腔体压力达到设定值，管路240对应排气口气体质量流量占比x％，管路230对应排气口气体质量流量占比y％，其中x％+y％＝1。

图3示出了本发明一个实施例中一个腔体300的示意图。如图3所示，腔体300的左右侧分别为腔体L侧面和腔体R侧面，在腔体L侧面布置有工艺气体A入口201A、201B、201C，腔体L侧面上方有控制工艺气体边界层用的气体B入口210A；腔体L侧面布置的前后有保护腔体前后壁的气体入口210B和210C，防止工艺气体A往前后壁扩散，类似的还可以设置一路气体保护腔体的底部防止工艺气体A扩散过来。腔体上部设置弥漫气体C入口220A，220B表示腔体上部弥漫气体C的流向；腔体R侧面设置排气侧下排气口230，腔体R侧面排气侧设置上方排气口240。虽然图3中示出了腔体前、后两侧通有弥漫气体C，腔体下方未示出通有弥漫气体C，但实际也可根据需要添加。

图4示出了本发明一个实施例中一个腔体300的正截面示意图。如图4所示，所述腔体300可以包括工艺气体A管路及入口201，控制工艺气体边界层用的腔体进气侧上方气体B管路及入口210，控制工艺气体边界层用的腔体进气侧上方气体B处腔体内侧的开口212，腔体上部弥漫气体C管路入口220，腔体排气侧下排气口230，腔体排气侧上方的气体排气口240，基座103，衬底104，工艺(如外延)成膜107，下衬垫106，下衬垫成膜109，上穹顶或上衬垫150(含有弥漫小孔的上穹顶或上衬垫151)。在图4中还示出了工艺气体A迹线Fp1，控制工艺气体边界层用的腔体进气侧上方气体B的迹线Fp2，腔体上部弥漫气体C的迹线Fp3。

其中衬底104可以是晶圆或者具有要气相沉积薄膜同材料或不同材料的衬底材料。衬底104可以是硅、锗、锗硅、碳化硅(SiC)、蓝宝石、III-V族、II-VI族化合物等材料。这里III族材料主要是铝(Al)、镓(Ga)、铟(In)，V族主要是氮(N)、磷(P)元素，当然三元或四元化合物半导体衬底材料同样适用。广泛被使用的有GaN、GaAs、InP、AlGaN、AllnN、AllNGaN等。

主工艺气体A从腔体进气侧通过入口201进入腔体，流经腔体及衬底104的上表面，一部分通过衬底上方的边界层扩散传输到衬底，并在衬底表面发生气相反应成膜，发生化学气相反应后的副产物气体及工艺气体A残余气体从腔体的另一侧下方气体排气口230排出尾气。衬底的加热可以通过石英腔体外的红外灯管加热，也可以通过热壁腔体加热、或者通过感应加热衬底。

主工艺气体A根据工艺条件而定，通常含有反应物气体、载气、或刻蚀气体等。反应物气体含有SiH4、DCS(SiH2Cl2)、TCS(SiHCl3)、SiCl4、B2H6、PH3、AsH3、C3H8、C2H4、N2、NH3、TMGa、TMAl等一种或多种。载气通常有H2、Ar中一种或多种。刻蚀气体有HCl、Cl2、CF4等中一种或多种。

控制工艺气体边界层用的腔体进气侧上方气体B，可以选用低扩散系数的气体或惰性气体，比如H2、He、Ne、Ar、Kr、Xe、N2等一种或多种。另外也可以含有一些刻蚀气体，比如HCl、Cl2、CF4等一种或多种，对于SiC薄膜外延，还可以选用含碳气体比如C3H8等。

腔体上部弥漫气体C，可以选用低扩散系数的气体或惰性气体，比如H2、He、Ne、Ar、Kr、Xe、N2等的一种或多种。另外也可以含有刻蚀气体，比如HCl、Cl2、CF4等的一种或多种，对于SiC薄膜外延，还可以选用含碳气体比如C3H8等。惰性气体优选H2、刻蚀气体优选HCl。其不仅可以通过气体弥漫分布保护上穹顶或上衬垫150和151，对于热壁或暖壁设备还可以对其腔壁已有的额外薄膜进行刻蚀清洗。

腔体300可以是热壁腔体或冷壁腔体，当腔体是热壁腔体时，腔壁或内衬垫150、151由高纯石墨材料组成，或涂有SiC、TaC的高纯石墨、或高纯石英组成。当腔体是冷壁腔体时，腔壁或内衬垫150、151由高纯石英材料组成。

放置衬底104的基座103由高纯石墨材料组成，或涂有SiC、TaC的高纯石墨组成。衬底104放置于基座103上面，为了消除气流方向成膜的不均匀性，基座103还可以以一定的速度带动衬底104一起转动，转速通常为0-100rpm。本示例中仅画出一个基座103和衬底104，对于多基座或多衬底同样适用。

控制工艺气体边界层用的腔体进气侧上方气体B处腔体内侧的开口212形状如图成喇叭口，该形状便于气体B进入腔体成水平层流流动。当然，开口212也可以设计成其他利于层流的形状。

如图3和图4所示，主工艺气体A的入口201位于腔体的L侧面，主工艺气体A的入口可以由多个小入口组成。如图3所示，入口201由小入口201A和201B组成，小入口201A和201B位于同一水平面，且下表面比较接近衬底104的上表面，当主工艺气体沿Fp1迹线流向腔体R侧面时，在腔体内应基本为层流流动，保证气相沉积尤其是外延工艺的稳定性和薄膜的质量，防止涡流的发生。当工艺气体为层流时，反应如果要到达腔体内壁如上穹顶150和151只能通过扩散实现。本发明在工艺气体上方增加了一层或多层能够控制边界层的气体B从210入口进入，所述气体B能够压制工艺气体使其尽量靠近衬底并使得衬底附件的边界层厚度降低，同时还能够减小甚至阻止工艺气体A往上扩散，当然更上方的弥漫层气体C更完整的保护了上穹顶150和151。通常，开口210的位置在腔体水平中心线的上方，距衬底的垂直距离大约是腔体高度的1/2至4/5。如图4所示，气体B在腔体里基本是水平层流状态，这样在压低工艺气体A的同时对工艺气体的水平流动不会造成扰动。气体B开口210的宽度大于或等于主工艺气体入口201，以使气体B对工艺气体A完全包裹。如图5所示，增加控制边界层的气体B和弥漫吹扫的气体C时，与现有的只有主工艺气体流动时相比较，衬底附件的边界层厚度得到控制变薄。

主工艺气体A在腔体中的水平流速为0.05至50m/s。控制工艺气体边界层用的气体B的水平流速与气体A的流速基本相当。弥漫气体C的入口速度相比工艺气体A的水平流速很小，例如是0.001至0.1m/s，可以减少对下层气体B的流动影响。

由于控制工艺气体边界层用的气体B和弥漫气体C对腔壁的保护，主工艺气体A的流量可以适当加大，流速增加，配合边界层厚度变薄，使得有更多的气体反应物达到衬底表面，气相反应速度增加1-3倍，例如，SiC外延沉积速度可以达到100-150um/min。另外，腔体内壁没有不想要的额外沉积薄膜，工艺时间可以加长，结合更快的沉积速度，可以沉积更厚的薄膜，薄膜尤其是外延薄膜厚度可以达到200-300um。另外，本发明通过增加气体B和弥漫气体C解决了腔体内壁额外沉积薄膜，还可以降低腔体上穹顶或上衬垫150的高度，使得上穹顶150与衬底104之间的垂直距离可以降低至1至4mm，沉积腔体的体积减小，可以使腔体内尤其是基座103和衬底104处的面内温度分布更均匀，提高沉积薄膜的外延层的质量和膜厚均一性，同时还提高了工艺气体的有效利用率。

图5A示出了使用现有的上盖板或穹顶(normal upper plate or dome)时，反应腔体内的气体速度分布示意图。图5B示出了使用本发明一个实施例中的弥漫的上盖板或穹顶(permeable upper plate or dome)时，并且弥漫气体注入(injection)反应腔体时，反应腔体内的气体速度分布示意图。图5C示出了使用现有的上盖板或穹顶(normal upperplate or dome)时，反应腔体内气体流线示意图。图5D示出了使用本发明一个实施例中的弥漫的上盖板或穹顶(permeable upper plate or dome)时，并且弥漫气体注入(injection)反应腔体时，反应腔体内气体流线示意图。其中，弥漫的上盖板或穹顶(permeable upper plate or dome)被配置为，在实际使用时使弥漫气体的速度垂直分量(相对于主工艺气体的方向)对衬底上沿的气流基本不会造成垂直方向上的影响，也就是说工艺气体的层流状态不变，弥漫气体只在上盖板或穹顶附近的一定范围对气流有影响。

图11示出了一个界面层理论的原理示意图。如图11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X01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、V_s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/Re_x)^1/2。

雷诺数

的计算可以表示为下式：

其中ρ_g表示气流的密度、v_g表示气流的平均速度、μ_g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v_g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表示载气的厚尔流速、R表示气体常数，P_tot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P_par表示气体分压、P_S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/>

压低边界层厚度，以提高反应速度。

图6示出了本发明一个实施例中弥漫面对化学气相沉积工艺的影响示意图。其中U表示工艺气体的水平流速、d₀表示所述衬底与所述腔体上壁之间的距离、d₁表示所述弥漫面的下界面与所述衬底之间的距离、z表示弥漫面的高度。工艺气体流入反应腔体中，在所述腔体上壁的下方形成上界面层、并且在所述衬底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6中粗虚线601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602表示所述腔体上壁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：V_avg＝F/A；

驻床时间(弛豫时间)可以表示为：L/V_avg，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V_plate注入，出口处弥漫面高度Z＝V_plate*Tre＝V_plate*L*A/F。

下界面层的厚度可以表示为下式：

其中，μ_g表示粘滞系数，ρ_g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下方的d₀-d₁处，可以抑制工艺气体与所述腔体上壁接触并成膜，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。

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 (21)

1.一种气相沉积设备，其特征在于，包括：

腔体，其内布置衬底；

第一进气口，其布置在所述腔体的第一侧，其中主工艺气体被配置为自所述第一进气口进入所述腔体，并且平行与所述衬底自所述衬底的第一侧流向第二侧；

第二进气口，其布置在所述腔体的第一侧，并且所述第二进气口布置在所述第一进气口的上方，其中辅助气体被配置为自所述第二进气口进入所述腔体；

第一排气口，其布置在所述腔体的第二侧，其中所述第一排气口被配置为将所述主工艺气体排出；以及

第二排气口，其布置在所述腔体的第二侧，其中所述第二排气口被配置为将所述辅助气体排出。

2.根据权利要求1所述的气相沉积设备，其特征在于，所述辅助气体包括抑制气体，所述抑制气体包括：惰性气体、不活跃气体、载气以及蚀刻气体。

3.根据权利要求1所述的气相沉积设备，其特征在于，所述第二排气口的排气速率与所述第二进气口的进气速率相同或者在同一范围；或者

所述第二排气口的排气速率与所述第二进气口的进气速率成正比，并且所述第一排气口的排气速率与所述第一进气口的进气速率成正比。

4.根据权利要求1所述的气相沉积设备，其特征在于，还包括：

抽气泵，其与所述第一排气口和第二排气口连接。

5.根据权利要求1所述的气相沉积设备，其特征在于，所述第一排气口的开口面积与所述第二排气口的开口面积的比值与所述工艺气体的进气量与所述辅助气体的进气量的比值相同。

6.根据权利要求4所述的气相沉积设备，其特征在于，还包括：

节流阀，其与所述第一排气口和第二排气口连接，其中所述节流阀被配置为对所述第一排气口和第二排气口的排气速率进行控制，以使所述第一排气口的排气速率与主工艺气体的进气速率相同，所述第二排气口的排气速率与辅助气体的注入速率相同，并且工艺腔体的压力维持在可设定的压力区间内。

7.根据权利要求1所述的气相沉积设备，其特征在于，还包括：

第三进气口，其布置在所述腔体的上部，其中第三气体被配置为自所述第三进气口进入所述腔体。

8.根据权利要求7所述的气相沉积设备，其特征在于，所述第三气体被配置为通过所述第二排气口排出，所述主工艺气体被配置为通过所述第一排气口排出，所述辅助气体被配置为通过所述第一排气口或者第二排气口排出。

9.根据权利要求7所述的气相沉积设备，其特征在于，对所述第一排气口和第二排气口的至少其中之一进行质量流量控制、体积流量控制或者速度流量控制，以使所述第三气体和所述辅助气体自所述第二排气口排出。

10.根据权利要求9所述的气相沉积设备，其特征在于，所述质量流量控制包括：

通过超声波测量流速，并且通过压力和温度换算为质量流量以进行控制；和\或

通过科里奥利质量流量计进行质量控制，其中所述科里奥利质量流量计根据流体在振动管道中流动时产生与质量流量成正比的科里奥利力来进行测量。

11.根据权利要求1所述的气相沉积设备，其特征在于，所述第一进气口的数量为m，所述第二进气口的数量为n，其中m，n≥2。

12.根据权利要求11所述的气相沉积设备，其特征在于，多个所述第一进气口并列布置，以控制气体在腔体内的分布，获得性能更好的薄膜。

13.根据权利要求1所述的气相沉积设备，其特征在于，还包括：

隔板，其设置在所述第一排气口和所述第二排气口上，所述隔板是可移动的，其中通过移动所述隔板以调节所述第一排气口和第二排气口的开口率以便与所述第一进气口与所述第二进气口的比例相适应。

14.根据权利要求1所述的气相沉积设备，其特征在于，所述辅助气体包括工艺气体，其中对所述工艺气体的反应产生的摩尔量增加或者减少而产生的质量流量差值进行补充。

15.根据权利要求9所述的气相沉积设备，其特征在于，设置n个进气口inj 1～n，并且设置n个排气口exhaust1～n，将进气口的进气量表示为∑inj 1～n，其中对排气口exhaust1～(n-1)进行质量流量控制。

16.根据权利要求7所述的气相沉积设备，其特征在于，还包括：

第三出气口，其布置在所述腔体的第二侧，其中所述第三排气口被配置为将所述第三气体排出。

17.根据权利要求7所述的气相沉积设备，其特征在于，所述第三气体被配置为通过所述第二排气口排出，其中所述第一排气口的排气量大于所述工艺气体的进气量并且小于所述工艺气体和辅助气体的进气量之和，并且所述第二排气口的排气量大于所述第三气体的排气量并且小于所述第三气体和辅助气体的进气量之和。

18.根据权利要求7所述的气相沉积设备，其特征在于，所述第二排气口被配置向所述第三气体提供负压，以使第三气体获得向上的能量。

19.根据权利要求18所述的气相沉积设备，其特征在于，分区注入所述第三气体以调节工艺气体的边界层的厚度，并且控制衬底上各点的沉积速率。

20.根据权利要求1所述的气相沉积设备，其特征在于，通过调节第一排气口和第二排气口的排气比例以控制靠近腔体第二侧的衬底上方的工艺气体的边界层高度。

21.根据权利要求1所述的气相沉积设备，其特征在于，还包括：

第四进气口，其布置在所述腔体的第一侧，并且所述第四进气口布置在所述第一进气口的下方。

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