CN116411265A - 一种化学气相沉积装置及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种化学气相沉积装置及其方法，该装置包含：反应室，其具有一进气开口和一排气开口，且所述反应室内设置有一托盘，用于承载基片；外壳体，其设置于所述反应室外侧，所述外壳体的内壁和所述反应室的外壁之间构成一容纳空间；多个辐射热源，其设置于所述容纳空间内，用于透过所述反应室的外壁加热所述基片；气压调整装置，其用于独立调控所述容纳空间和反应室内的气压。其优点是：该装置的容纳空间的气压小于大气气压，有助于降低反应室腔壁的承压压力，同时其不会影响辐射热源的热传递效率，有助于反应室内反应区域受热均匀性，保证了基片薄膜沉积的均匀性，提高基片工艺生产的良品率。

Description

一种化学气相沉积装置及其方法

技术领域

本发明涉及半导体设备领域，具体涉及一种化学气相沉积装置及其方法。

背景技术

目前常采用等离子刻蚀、物理气相沉积(Physical Vapor Deposition，简称PVD)、化学气相沉积(Chemical Vapor Deposition，简称CVD)等工艺方式对半导体工艺件或衬底进行微加工，例如制造柔性显示屏、平板显示器、发光二极管、太阳能电池等。微加工制造包含多种不同的工艺和步骤，其中，应用较为广泛的为化学气相沉积工艺，该工艺可以沉积多种材料，包括大范围的绝缘材料、大多数金属材料和金属合金材料，这种工艺一般在高真空的反应室内进行。

随着半导体器件特征尺寸的日益缩小以及器件集成度的日益提高，对化学气相沉积的薄膜均匀性提出了越来越高的要求。化学气相沉积装置虽经多次更新换代，性能得到极大提升，但在薄膜沉积均匀性方面仍存在诸多不足，尤其是随着基片尺寸日益增大，现有的气相沉积方法和设备已难以满足薄膜的均匀性要求。

在薄膜沉积过程中，多种工艺条件都会对基片表面薄膜沉积的均匀性造成影响，例如反应气体流动的方向和分布情况、基片的加热温度场情况、反应室内的压力分布情况等。若反应室内反应区域的工艺环境不完全一致，会使基片表面上沉积的薄膜产生厚度不均匀、组分不均匀、物理特性不均匀等不良现象，进而降低基片生产的良品率。因此，需要对现有的化学气相沉积装置进行改进以提高基片薄膜沉积的均匀性。此外对于硅或者硅锗材料的外延生长工艺来说，由于这些外延材料通常是半导体器件的底层，关键尺寸(CD)极小，通常只有几个纳米，而且不能承受长时间高温，否则会导致半导体器件损坏，所以需要在极短时间内加热基片到足够进行硅材料外延生长的温度，如600-700度。由于存在这种苛刻的升温要求，所以硅外延工艺通常是用高功率加热灯透过石英构成的透明反应腔体加热位于反应腔中的基片。由于反应腔内气压远低于石英反应腔外的大气压，为了维持反应腔体结构不因腔体内外巨大的压力差而变形或者碎裂，所以需要在腔体上设计抗压结构。比如在上下石英腔壁呈平板型的反应腔周围设置多个加强筋，或者在上下石英腔壁设计成呈圆穹顶形，以抵抗大气压力。这些石英制的外壁通常具有6-8mm的腔壁厚度，以抵抗大气压力的同时，尽量让更多辐射能量能穿透进入反应腔内部。这两种结构各有优劣，平板型的腔体可以保证气流在流过整个腔体时的稳定分布，但是上方大量加强筋(大于10个)会遮挡加热的辐射光，导致温度分布不均；对于穹顶形的反应腔温度分布更均匀，但是气流会在流入穹顶形的反应区域时产生大量混乱的紊流，导致气流分布很难调控。

发明内容

本发明的目的在于提供一种化学气相沉积装置及其方法，该装置将反应室、外壳体和气压调整装置等相结合，在工艺过程中，通过气压调整装置使反应室和外壳体之间的容纳空间的气压小于大气压力，减小了反应室内外部的压力差，缓解了反应室的抗压压力，使得反应室腔壁上无需设置过多的承压条，保证了辐射热源传递热能的均匀性以及反应室内反应区域受热的均匀性，有助于基片薄膜沉积的均匀性，提高基片工艺生产的良品率。

为了达到上述目的，本发明通过以下技术方案实现：

一种化学气相沉积装置，包含：

反应室，其具有一进气开口和一排气开口，且所述反应室内设置有一托盘，用于承载基片；

外壳体，其设置于所述反应室外侧，所述外壳体的内壁和所述反应室的外壁之间构成一容纳空间；

多个辐射热源，其设置于所述容纳空间内，用于透过所述反应室的外壁加热所述基片；

气压调整装置，其用于独立调控所述反应室内与所述容纳空间的气压。

可选的，还包括：

气体驱动装置，其用于加强所述容纳空间中的气体流动。

可选的，所述气体驱动装置设置在所述容纳空间内，驱动气体在所述容纳空间内围绕所述反应室的外壁和所述外壳体的内壁流动，所述外壳体还设置有第一热交换装置。

可选的，所述反应室包括与进气开口对应的进气区域、与所述排气开口对应的排气区域以及位于进气区域和排气区域之间的反应区域；

所述反应室的外壁上还设置有多条加强筋，其中，位于反应区域的外壁的加强筋密度小于位于两侧进气区域或排气区域的外壁的加强筋密度。

可选的，所述加强筋和所述反应室均由石英制备而成。

可选的，所述反应室底部包括一向下延展的延伸管，一旋转轴设置于所述延伸管中，所述旋转轴顶部用于支撑并驱动所述托盘，使得所述基片在反应室中旋转。

可选的，所述反应室包括呈穹顶形的顶壁，所述基片的边缘到所述顶壁的高度为H1，所述基片的中心到所述顶壁的高度为H2，所述H2<1.05*H1。

可选的，所述反应室两端包括第一法兰和第二法兰，所述第一法兰和第二法兰分别与外壳体上的第一紧固件和第二紧固件紧密贴合。

可选的，设置于所述反应室外侧的外壳体包括顶板、底板和侧壁，所述顶板、底板和侧壁与所述反应室的外壁、第一紧固件和第二紧固件共同构成容纳空间。

可选的，所述外壳体由铝制成，所述第一紧固件和第二紧固件由不锈钢制成。

可选的，所述外壳体、第一紧固件和第二紧固件中设置有冷却液管道。

可选的，还包含：

温度控制回路，其与所述容纳空间连通共同构成封闭回路，所述封闭回路内包含所述气体驱动装置和第二热交换装置，所述气体驱动装置驱动气体在封闭回路内流动，所述第二热交换装置用于对所述封闭回路中的气体进行冷却。

可选的，所述温度控制回路内的气体从所述容纳空间的顶部和/或底部流入所述容纳空间，所述容纳空间内的气体从所述容纳空间的两侧流出所述容纳空间。

可选的，所述气体为空气、氦气、氮气或氮氦混合物。

可选的，还包含：

温度控制副回路，其与所述温度控制回路连通，所述温度控制副回路包含内部气压高于所述容纳空间内气压的第一容器和内部气压低于所述容纳空间内气压的第二容器。

可选的，一种利用所述的化学气相沉积装置进行沉积的方法，包含如下步骤：

将基片传入反应室内的托盘上；

利用气压调整装置调控容纳空间的气压，使所述容纳空间内的气压小于大气压；

在反应室内执行化学气相沉积工艺；

利用气体驱动装置驱动所述容纳空间中的气体流动。

可选的，利用气压调整装置使所述容纳空间内的气压为0.1～0.6个大气压。

可选的，一种用于外延生长的处理装置，包括：

一两端设置有进气开口和排气开口的反应室，其内设置有托盘，用于承载基片，所述进气开口和排气开口用于形成平行于所述托盘的反应气流；所述反应室包括与进气开口对应的进气区域，与所述排气开口对应的排气区域，以及位于进气区域和排气区域之间的反应区域；

一外壳体，其设置于所述反应室外侧，所述外壳体的内壁和所述反应室的外壁之间构成一容纳空间，所述容纳空间连接到第一气压调整装置；多个辐射热源，其设置于所述容纳空间内，各个所述辐射热源设置于所述反应室的外侧以加热所述基片。

可选的，所述反应室还包括设置在其外壁上的多条加强筋，其中位于反应区域的外壁上的加强筋密度小于位于两侧进气区域或排气区域的外壁上的加强筋密度。

可选的，所述反应室底部包括一向下延展的延伸管，一旋转轴设置于所述延伸管中，所述旋转轴顶部用于支撑并驱动所述托盘，使得所述托盘在反应室中旋转。

可选的，还包含：

温度控制回路，其与所述容纳空间连通共同构成封闭回路，所述封闭回路内包含气体驱动装置和热交换装置，所述气体驱动装置驱动气体在封闭回路内流通，所述热交换装置用于对所述气体进行冷却。

可选的，还包含：

第二气压调整装置，其与所述反应室联通，所述第一气压调整装置、第二气压调整装置独立控制，使得在执行外延生长时所述容纳空间的气压低于大气压，且高于所述反应室内的气压。

可选的，还包含：

气体驱动装置，其用于驱动所述容纳空间中的气体流动。

本发明与现有技术相比具有以下优点：

本发明的一种化学气相沉积装置及其方法中，该装置将反应室、外壳体、辐射热源和气压调整装置等相结合，在工艺过程中，通过气压调整装置使反应室和外壳体之间的容纳空间的气压小于大气压力，该装置保证了反应室内反应区域的受热均匀性，同时在保证反应室内基片薄膜沉积工艺正常进行的情况下，降低了反应室腔壁的承压压力，有助于提高辐射热源的供热效率以及反应室内的气流均匀性，保证了基片薄膜沉积的效果。

进一步的，该装置还包含温度控制回路，该温度控制回路与容纳空间组成封闭回路，通过第二气体驱动装置和第二热交换装置实现了冷却气体在该封闭回路中的流动和热交换，提高了对反应室的降温效率。

进一步的，该装置还包含温度控制副回路，其包含与容纳空间有压力差的第一容器和第二容器，可实现对反应室的短时快速降温，以达到预期的工艺效果，实现对薄膜沉积工艺的调控，保证基片刻蚀质量。

附图说明

图1为本发明的化学气相沉积装置的简略示意图；

图2为本发明的化学气相沉积装置内的气体流动示意图；

图3a为本发明实施例一的一种化学气相沉积装置示意图；

图3b为本发明另一实施例的化学气相沉积装置示意图；

图4为本发明实施例一的反应室结构示意图；

图5为本发明实施例一的另一种化学气相沉积装置示意图；

图6为本发明实施例一的另一种化学气相沉积装置内的气体流动示意图；

图7为本发明实施例一的又一种化学气相沉积装置示意图；

图8为本发明实施例二的一种化学气相沉积装置示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要说明的是，在本文中，术语“包括”、“包含”、“具有”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者终端设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者终端设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括……”或“包含……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者终端设备中还存在另外的要素。

需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比率，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明一实施例的目的。

如图1和图2结合所示，为本发明的一种化学气相沉积装置(CVD)的示意图，该装置包含一个反应室110，所述反应室110的内部形成一个处理空间，处理空间内设置有托盘120，所述托盘120用于承载一个或多个基片W以进行化学气相沉积工艺，该化学气相沉积工艺包括将材料沉积在基片W的上表面。所述反应室110的反应腔体具有位于顶端的上腔壁111、位于底端的下腔壁112以及在上腔壁111和下腔壁112之间两侧延伸的侧腔壁113，可选的，所述上腔壁111、下腔壁112由可以透过热辐射的光学透明或半透明材料制备(如对特定红外波段透明的石英材料)。结合图4，所述反应室110的一端设有与进气开口对应的进气区域，另一端设有与排气开口对应的排气区域，以及位于进气区域和排气区域之间的反应区域，所述基片W位于所述反应区域内，用于沉积的反应气体从进气开口流入反应室110内，在反应区域执行化学气相沉积工艺，并从排气开口流出反应室110。

进一步的，该装置还包含多个为反应室110及基片W提供热能的辐射热源130，各个所述辐射热源130设置于所述反应室110的外侧以加热所述反应室110及其内的基片W。可选的，所述辐射热源130为具有透明石英外壳且含卤素气体如碘的高强度钨丝灯，该高强度钨丝灯产生的辐射热能只有少部分被上腔壁111或下腔壁112吸收，以确保各个辐射热源130产生的热能最大化到达反应室110内的基片W和托盘120。在工艺处理过程中，通过各个辐射热源130使化学气相沉积装置的反应室110内及基片W达到所需的工艺温度，以便使反应室110中的反应气体进行热分解，从而在基片W的上表面沉积薄膜材料。可选的，沉积的薄膜材料为半导体材料如硅和锗，也可以包括其它掺杂材料如III族、IV族和/或V族材料。

多数化学气相沉积工艺通常需要在高温高真空的条件下进行，反应室110通常被加热到较高温度，且反应室110内的气压远低于大气压力，反应室110内外部的压差较大，其腔壁承受的压力也很大。若通过增加反应室110的腔壁厚度来增加反应室110的承压能力，则过厚的反应室110腔壁会吸收过多的热辐射，进而降低辐射热源130对反应室110内的基片的热能传递效率，提高了基片达到工艺温度所需的功率。另一方面，若通过在反应室110外侧均匀增设多个承压条来增加反应室110的机械强度以提高其抗压能力，则间隔设置的承压条会遮挡辐射热源130向反应室110内传递的热能，导致反应室110内基片W上受热分布不均匀，进而影响基片W薄膜沉积的均匀性。

基于上述问题，本发明的化学气相沉积装置还包含一外壳体140。具体地，所述外壳体140设置于所述反应室110的外侧，所述外壳体140的内壁和反应室110的外壁之间为容纳空间150，所述容纳空间150与所述反应室110连接一气压调整装置，其用于独立调控所述容纳空间150与所述反应室110内的气压。所述气压调整装置可以为一真空泵，通过两路管道分别与反应室110和容纳空间150相连通，且至少一路管道上设置有可调阻力装置，以达到反应室110和容纳空间150的气压互相不干扰。在其他一些实施例中，气压调整装置可以包括两个真空泵，即第一真空泵和第二真空泵，两者分别与反应室110和容纳空间150相连通，使反应室110和容纳空间150内的气压可以独立调整为不同数值，例如在执行化学气相沉积工艺时容纳空间150内的气压小于大气气压且高于所述反应室110内的气压。多个辐射热源130设置于所述容纳空间150内。

由上述可知，在工艺过程中，外壳体140和反应室110之间的容纳空间150的气压小于大气压力，反应室110内处于高真空状态，反应室110内部与容纳空间150的压力差绝对值小于反应室110内部与大气环境的压力差绝对值，容纳空间150减小了反应室110腔壁所需承受的压力，使得反应室110腔壁上无需设置过多的承压条，保证了辐射热源130传递热能的均匀性，有助于基片W薄膜沉积的均匀性。

在一些实施例中，该化学气相沉积装置还包含第一气体驱动装置161，以加强所述容纳空间150中的气体流动。所述第一气体驱动装置161的设置位置不做限定，只要其可实现对容纳空间150内气体流动状态的调控即可。

所述第一气体驱动装置161加速了容纳空间150内的气体流动，使容纳空间150内进行自由热运动的气体转换为成簇流动的气流，在一定范围内降低了反应室110外壁的温度，使得反应室110外壁温度低于限定温度，防止反应气体在反应室110的内壁上沉积后形成污染颗粒掉落，减小了基片W被污染的可能性。

可选的，该化学气相沉积装置为一种用于外延生长的处理装置，该装置的反应室110的进气开口和排气开口用于形成平行于托盘120的反应气流，以使基片W上方的气流均匀，进一步保证了外延生长的均匀性。

实施例一

如图1～图4结合所示，为本实施例的一种化学气相沉积装置(CVD)的示意图，该装置包含一个具有长方形气流空间的反应室110(请见图4)，所述反应室110可用于处理一个或多个基片W。所述反应室110内包含设有进气开口的进气区域和设有排气开口的排气区域，以及位于进气区域和排气区域之间的反应区域。工艺气体按照图中箭头所示的方向从进气开口水平流入反应室110(请见图3a)，并从排气出口排出废气。该反应室110为扁平长方体结构，工艺气体在反应室110内为水平流动，保证了反应室110内气体流动的均匀性，进而保证了薄膜沉积工艺的稳定性。在工艺进程中，气压调整装置独立调控所述反应室110内与所述容纳空间150的气压，使容纳空间150内的气压小于大气压力，辐射热源130为基片W提供热能。

由上述可知，在工艺进程中，该化学气相沉积装置中外壳体140和反应室110之间的容纳空间150处于低压状态，其与反应室110之间的压力差小于反应室110与大气环境的压力差。在保证反应室110内基片W薄膜沉积工艺正常进行的情况下，所述容纳空间150减弱了反应室110腔壁的承压压力，使得反应室110无需增厚强度或加设多个承压条保证承压能力，保证了辐射热源130的热能传递效率，避免了热能浪费，也保证了热能传递的均匀性。同时，方形结构的反应室110内反应气体流过的各个截面始终维持长方形，因此保证了反应气体在反应室110内为水平流动状态，保证了反应室110内的气流均匀性，辐射热源130提供的均匀的热能施加于均匀流动的反应气体上，进一步保证了基片W薄膜沉积的均匀性，提高了基片生产的良品率。

进一步的，在本实施例中，所述第一气体驱动装置161设置于所述容纳空间150内，以驱动气体在容纳空间150内围绕所述反应室110的外壁和所述外壳体的内壁流动。所述容纳空间150中流动的气体带走了反应室110外壁的热量，实现了对反应室110的降温，防止污染物附着在反应室110内壁上。可选的，所述第一气体驱动装置161为风扇，所述反应室110两侧分别设置有第一气体驱动装置161，以加强容纳空间150内的气体流动。

为进一步提高容纳空间150的温度控制效果，该化学气相沉积装置还包含第一热交换装置162，所述第一热交换装置162和所述第一气体驱动装置161均设置于容纳空间150内。所述第一热交换装置162与容纳空间150中流动的气体进行热交换，使流动气体的温度始终低于反应室110的温度，所述第一气体驱动装置161驱动容纳空间150内的气体在反应室110和外壳体140围绕构成的回路中流动，以降低反应室110外壁的温度，防止污染物沉积在反应室110的内壁上；同时该气体环绕反应室110流动，全方位地对反应室110外壁进行降温，保证了反应室110受温的均匀性。

可选的，所述第一热交换装置162为导热鳍片。较优的，风扇集成于导热鳍片上。当然，所述第一热交换装置162和第一气体驱动装置161的类型和设置方式不仅限于上述，其还可以为其他具有相同功能的结构，本发明对此不加以限制。

如图2和图3结合所示，在本实施例中，所述反应室110底部的底壁上包括一向下延展的延伸管121，一个旋转轴122设置于所述延伸管121中，所述旋转轴122顶部包括多个支撑杆用于支撑并驱动托盘120，使得托盘120承载的基片W在反应室110中旋转，以保证基片W薄膜沉积均匀性的效果。可选的，所述旋转轴122可由石英制成，以降低被颗粒污染的风险。进一步的，所述延伸管121底部与旋转轴122之间采用磁流体密封，以保证反应室110内的真空环境，减少污染的可能性，同时磁流体也不会对旋转轴122的转动产生阻力，进一步保证了工艺的稳定性。

在本实施例中，容纳空间150内的辐射热源130为所述反应室110的反应区域提供热能，以保证反应区域的热均匀性。进一步的，为了保证辐射热源130辐射热能的利用率，在辐射热源130远离反应室110腔壁的一侧加设控温反射板131，所述控温反射板131将辐射热源130发散的热能反射于反应室110方向，以使辐射热源130生成的热能最大化传递到反应室110内。其中控温反射板131中还可以设置冷却液流通管道，使得控温反射板131的温度不会过高导致变形或者保证下方辐射热源130即加热灯的正常工作。可选的，所述控温反射板131为金反射涂层或氧化铝涂层或氧化钛涂层或其他红外反射涂层，本发明对此不加以限制。

图3b为本发明另一实施例的化学气相沉积反应器示意图，与图3a所示的实施例相比，在外壳体和反应腔的排气区域进行了改进设计。如图3b所示，外壳体端部板343与外壳体顶板141、底板142互相紧固连接实现容纳空间150’与大气环境之间的气密。第二紧固件344与反应腔第二法兰紧密连接，实现与外部容纳空间之间的气密；至少一个压力杆345位于外壳体端部板343和第二紧固件344之间，使得第二紧固件344被紧压到第二法兰115，实现反应腔空间110的密封。其中压力杆345穿过外壳体端部板343到外壳体外侧的大气空间，并通过压力装置346提供压紧力到压力杆。压力装置可以是一个气缸，一端与外壳体端部板343的外侧壁密封，气缸内的驱动轴驱动所述压力杆345进行水平方向运动。压力装置346也可以是一个气密波纹管环绕压力杆，波纹管一端与外壳体端部板气密固定，另一端可以设置一个连接件与压力杆的一端气密固定。波纹管与连接件围绕构成一个可以水平方向移动的气密空间，一个位于外壳体外大气环境中的驱动装置如气缸或电机，驱动连接件进而驱动压力杆345，以压紧第二紧固件344到第二法兰115。这样的设计可以使得反应腔密封和外壳体密封结构互相独立，有利于减小第二紧固件和外壳体的结构设计难度。反应腔体的在从常温到稳定的工艺温度的变化过程中会发生几百度的温度变化，所以腔体会发生大幅度的体膨胀，由于腔体呈长方体，所以在沿着腔体的纵长方向会发生最大幅度的体积膨胀。本发明的第二紧固件344通过具有可压缩性的气缸驱动可以在保持紧压力的同时，能够适应反应腔体膨胀的尺寸变化，不会由于应力过大而导致反应腔变形或破裂。除了上述实施例描述的压力装置位置和结构，本发明也可以将压力装置设置在外壳体端部板与第二紧固件之间，压力装置通过压力杆提供压力到第二紧固件，使得反应腔实现气密。甚至压力装置可以设置在外壳体内，直接施加压紧力到第二紧固件，实现反应腔气密。

第二紧固件344内还包括反应腔密封盖和废气排气管道(310)，使得废气沿着废气排气管道向下穿过底板142向外排气。

反应腔上方设置顶部辐射热源130a,用于加热反应腔内的基片上表面，反应腔下方的底部辐射热源130b用于加热托盘120，使得基片上下表面均得到同步加热。

如图3和图4所示，为进一步保证反应室110的机械强度，反应室110可以在反应腔体外壁加设若干条加强筋114。可选的，所述反应室110反应区域的外壁的加强筋114密度小于两侧进气区域或排气区域的外壁加强筋114密度。在本实施例中，所述反应室110的反应区域的外壁不加设加强筋114，只在进气区域和排气区域的外壁加设加强筋114，以增强所述反应室110的机械强度，提高其抗压能力。反应区域的外壁没有加设加强筋114，进一步保证了辐射热源130对反应室110内反应区域的热辐射均匀性，进一步确保了基片W薄膜沉积的均匀性。最佳的，在壳体内部容纳空间气压为0.5个大气压时，可以使的反应腔壁的厚度略微增加到8-12毫米，使得反应区域在不设加强筋的情况下仍能维持反应腔体结构稳固。进一步的，容纳空间的气压降低到0.3个大气压时可以选择厚度更小的反应腔壁厚度。随着气压降低，容纳空间内反应腔壁和外壳之间的导热效率会下将，可以选择导热性能高于空气的导热气体，如H2或氦气等。

在其它实施例中，反应区域的外壁可以设置一根加强筋，加强筋的向下投影穿过方待处理基片的中心，同时在进气区域和排气区域的外壁不设加强筋或者也设置一根或多根加强筋。由于本发明采用了双腔的结构，使得反应腔的石英外壁承受的压力大幅减小到现有技术的一半以下，因此可以在反应区域只设置一根加强筋，就能实现反应腔体在长期真空处理工艺时维持稳定。这种在反应区域设置一根加强筋的设计可以使得反应腔体的壁厚减小到与现有技术接近的水平，比如6-8mm，这样虽然会略微影响反应腔内温度的均一性，但是对整体反应腔的加热效率有一定程度提高，综合效果仍然能远超现有技术在反应区域设置多个加强筋的设计方案。在反应腔设置一根加强筋时，该加强筋向下延伸到反应腔底壁时会与延伸管121融合。延伸管121的厚度和形状只设计用于使旋转轴122被包围在真空的圆柱形延伸管中，无法承受整个腔体的大气压力导致的对加强筋的巨大应力，所以需要在旋转轴和单根加强筋之间设置一过渡部，过渡部设置在反应腔底壁向下延伸，厚度大于反应腔底壁厚度，面积远大于延伸管121管体的截面积，过渡部与延伸管121的外壁连接，也可以与两侧的加强筋两个端点连接。最终使得与基片中心相对应的加强筋与延伸管121及过渡部共同构成一个受力环形结构，使得石英反应室110能够承受本发明减弱后的气压差。

在本实施例中，所述加强筋114和所述反应室110均由石英制备而成，石英材料为光学透明的材料，石英制备的反应室110和加强筋114可减少辐射热源130生成的热能在传递途中的损耗，提高热能的传递效率。另外，加强筋114和反应室110由同种材料制备，减小了设备的加工难度，更进一步保证了两者的结合紧密度，增强其抗压能力。

在本实施例中，如图3所示，设置于所述反应室110外侧的外壳体140包括顶板141、底板142和侧壁143，所述外壳体140内侧设置有第一紧固件144和第二紧固件145，所述顶板141、底板142和侧壁143与所述反应室110的外壁、第一紧固件144和第二紧固件145共同构成容纳空间150。在本实施例中，所述外壳体140由铝制成，所述第一紧固件144和第二紧固件145由不锈钢制成。

进一步的，所述反应室110的两端包括第一法兰115和第二法兰116，所述第一法兰115和第二法兰116分别与外壳体140上的第一紧固件144和第二紧固件145紧密贴合，以将所述反应室110固定于所述外壳体140内。可选的，所述第一法兰115、第二法兰116和第一紧固件144、第二紧固件145通过螺栓组件连接。需要说明的是，所述反应室110和外壳体140的连接方式不仅限于上述，其还可以为其他连接方式，只要实现反应室110和外壳体140之间的气密连接即可，本发明对此不再加以限制。

为进一步提高容纳空间150内流动气体的降温效果，在本实施例中，所述外壳体140、第一紧固件144和第二紧固件145中均设置有冷却液管道170，以便流动气体进行热交换，提高其对反应室110外壁的降温效果。可选的，冷却液为水或冷却油或其他冷却介质，本发明对此不加以限制。

进一步的，如图5和图6结合所示，为进一步提高容纳空间150的温度控制效率，本发明的化学气相沉积装置还包含温度控制回路180，所述温度控制回路180为一个密闭的气流管道，其与所述容纳空间150连通以构成封闭的气流回路。具体地，所述温度控制回路180内包含第二气体驱动装置181和第二热交换装置182，所述第二气体驱动装置181驱动气体在封闭回路内流通，所述第二热交换装置182用于对气体进行热交换冷却，以使封闭回路中的气体保持在低温状态，进而降低反应室110外壁的温度，防止污染物沉积在反应室110的内壁上。可选的，温度控制回路180和容纳空间150构成的封闭回路内只设有一个气体驱动装置，本发明对气体驱动装置的个数不做限制，只要可加强回路内的气体流动即可。

可选的，所述温度控制回路180内的气体从所述容纳空间150的顶部和/或底部流入所述容纳空间150，所述容纳空间150内的气体从所述容纳空间150的两侧流出所述容纳空间150。在本实施例中，所述温度控制回路180内的气体分别从所述容纳空间150的顶部和底部流入所述容纳空间150，以使反应室110顶部和底部承受的温度差均衡，有助于保证反应室110内温度的均匀性，进而保证基片W薄膜沉积的均匀性。

在本实施例中，所述冷却气体从所述容纳空间150的两侧流出后依次经过所述温度控制回路180的第二热交换装置182、第二气体驱动装置181。工艺状态下，反应室110通常处于高温状态，反应室110外侧的容纳空间150的温度也会很高，从容纳空间150流出的气体温度稍高于预设冷却温度。在本实施例中，容纳空间150流出的气体先经第二热交换装置182进行热交换降温，再流经第二气体驱动装置181继续进行气流循环，避免了过热的气体直接与第二气体驱动装置181接触而导致第二气体驱动装置181发生损伤，延长了第二气体驱动装置181的使用寿命，也降低了装置的维护成本。

可选的，用于冷却的所述气体为空气、氦气、氮气或氮氦混合物，以获得最佳的热导率和流体质量流量。当然，所述气体的种类不仅限于上述，其还可以为其他具有冷却作用的气体，本发明对此不加以限制。

进一步的，如图5所示，所述温度控制回路180还包含控制器183，所述控制器183与所述第二气体驱动装置181连接，所述控制器183用于控制第二气体驱动装置181以调控所述冷却气体的流通速度，以实现冷却气体降温的精准调控。通常情况下，容纳空间150和温度控制回路180组成的封闭回路内的冷却气体流动速度越快，其降温效果越明显，降温效率更高。

在实际应用时，某些工艺需要对反应室110进行短时快速降温，以达到工艺预期效果。基于此，本发明的化学气相沉积装置还包含温度控制副回路190。如图7所示的温度控制副回路190与所述温度控制回路180和容纳空间150连通，各回路之间可设置闸门，以便在需要时连通。所述温度控制副回路190包含至少两个具有气压差的容器，在本实施例中，其包含内部气压高于所述容纳空间的气压的第一容器191和内部气压低于所述容纳空间的气压的第二容器192。

当需要对反应室110快速降温时，温度控制回路180的第二气体驱动装置181停止工作，打开温度控制副回路190的第一容器191和第二容器192，通过第一容器191、第二容器192和容纳空间150的压力差使容纳空间150、温度控制回路180和温度控制副回路190构成的封闭回路内的气体在短时间内快速流动，将反应室110外壁的热量快速带离反应室110周侧，以快速降低反应室110的温度。同时，上述三者组成的封闭回路路径较长，为冷却气体的热交换提供了足够的时间和路径长度，有助于实现对反应室110的快速降温。

进一步的，本发明的温度控制副回路190还包含气压控制装置，所述气压控制装置与各个容器连接以调节所述容器内的气压。如上所述，当打开温度控制副回路190中的第一容器191和第二容器192实现反应室110的快速降温后，第一容器191和第二容器192内的气压会与容纳空间150中的气压一致，为了将其用于下次快速降温过程，采用气压控制装置对第一容器191和第二容器192内的气压进行调节，使各容器与容纳空间150具有一定的气压差。可选的，所述气压控制装置包含真空泵，当然其还可以包含其他气压调节装置。

基于同一发明构思，本发明还提供了一种利用所述化学气相沉积装置进行沉积的方法，该方法包含：将基片W传入反应室110内的托盘120上；利用气压调整装置调控容纳空间150的气压，使所述容纳空间150内的气压小于大气压；在反应室110内执行化学气相沉积工艺，利用第一气体驱动装置161驱动所述容纳空间150中的气体流动。该方法不仅减小了反应室110腔壁承受的压力，避免破坏反应室110内薄膜沉积工艺的均匀性，同时也对反应室110的外壁起到了降温作用，容纳空间150内流动的气体使反应室110外壁的热量离开反应室110外表面，防止污染物附着在反应室110内壁上。

可选的，利用气压调整装置使所述容纳空间150内的气压为0.1～0.6个大气压，以降低反应室110内外部的压力差，削弱其所承受的压力。当然，所述容纳空间150内的气压范围不仅限于上述范围，可根据实际工艺需求进行调节，本发明对此不加以限制。容纳空间150内的气压如果过低(<0.1个大气压)会导致容纳空间150内气体分子过少，第一气体驱动装置161也无法驱动大量气体分子在反应室110外壁和外壳体140之间运动碰撞，导致反应室110的散热能力大幅降低，反应室110腔体内壁就不可避免的产生大量沉积物，不仅导致温度分布不均匀而且导致颗粒物掉落致使器件失效。气压过高会使得本发明的降低反应腔体内外气压差的效果不明显，仍然需要在腔体外壁设置大量加强筋114才能使腔体承受两侧的巨大气压差。

进一步的，该方法还包含：所述温度控制回路180的第二气体驱动装置181驱动气体在温度控制回路180和容纳空间150组成的封闭回路中流动，第二热交换装置182对封闭回路中的气体进行热交换，以使气体保持在低温状态，提高其对反应室110的降温效果。

进一步的，该方法还包含：当工艺需要对反应室110短时快速降温时，所述温度控制回路180的第二气体驱动装置181停止工作，开启温度控制副回路190的第一容器191和第二容器192，使温度控制回路180、温度控制副回路190和容纳空间150内的气体快速流动，快速将反应室110外壁的热量带离，以降低反应室110外壁的温度。

基于上述方法，该方法还包含：所述温度控制副回路190的第一容器191和第二容器192开启后，采用气压控制装置调节第一容器191和第二容器192的内部气压，以使第一容器191和第二容器192与容纳空间150保持一定的压力差。

实施例二

如图8所示，为本实施例的一种化学气相沉积装置。该化学气相沉积装置的反应室210包括呈穹顶形的顶壁211。在本实施例中，所述反应室210的顶壁211和底壁212均为穹顶形，所述基片W的边缘到所述顶壁211的高度为H1，基片W中心到顶壁211的高度为H2，所述H2<1.05*H1。所述反应室210的外侧设置有外壳体240，在执行沉积工艺时，利用气压调整装置将两者之间的容纳空间250的气压调整为小于大气压力，多个辐射热源230设置于所述容纳空间250内以提供热能。

在本实施例中，在容纳空间250的气压小于大气压力的基础上，该反应室210的顶壁211和底壁212为弧度更小的穹顶结构，其抵抗反应室210内外气压差的能力更强，该反应室210不需要在反应室210腔壁上加设加强筋即可实现较大的抗压能力。同时，该反应室210的穹顶弯曲度很小，避免了常见穹顶结构内气流分布紊乱的问题，反应气体在反应室210的反应区域内仍可保持水平的流动状态。本实施例的双腔结构降低了穹顶型反应室210所需承受的气压差，其穹顶的高度降低，反应室210内的气流不会存在大规模垂直方向的扩散气流，该结构提高了反应室210内气流分布的均一性，有助于基片W薄膜沉积的均匀性，保证了基片W生产的良品率。

与实施例一相似，在本实施例中，所述化学气相沉积装置还包含气体驱动装置、温度控制回路和温度控制副回路等部件。可选的，温度控制回路中的气体从容纳空间250顶部注入外壳体240和反应室210之间，并从容纳空间250底部流出。进一步的，本实施例的其他结构及各组件的连接、作用方式，均可与实施例一的相似，在此不再加以赘述和限制。

综上所述，本发明的一种化学气相沉积装置及其方法中，该装置将反应室110、外壳体140和气压调整装置等相结合，在工艺过程中，通过气压调整装置使反应室110和外壳体140之间的容纳空间150的气压小于大气压力，不仅减小了反应室110内外部的压力差，缓解了反应室110的抗压压力，还进一步保证了反应室110内的气流均匀性和受热均匀性，有助于基片W薄膜沉积的均匀性，提高基片W工艺生产的良品率。

进一步的，该装置还包含第一气体驱动装置161以加强容纳空间150内的气体流动，气流带走了反应室110外壁的热量，在一定范围内降低了反应室110外壁的温度，实现了反应室110外壁的均匀降温，防止污染物在反应室110上沉积，保证了真空环境的整洁性。

进一步的，该装置还包含温度控制回路180，该温度控制回路180与容纳空间150组成封闭回路，通过第二气体驱动装置181和第二热交换装置182实现了冷却气体在该封闭回路中的流动和热交换，提高了对反应室110的降温效率。

进一步的，该装置还包含温度控制副回路190，其包含与容纳空间150有压力差的第一容器191和第二容器192，可实现对反应室110的短时快速降温，以达到期待的降温效果，实现对工艺进程的调控，保证基片W薄膜沉积的效果。

进一步的，该装置中的反应室110可为穹顶型结构，基片W边缘到顶壁的高度为H1，基片W中心到顶壁的高度为H2，所述H2<1.05*H1，该穹顶型结构的反应室110抗压能力更强，无需额外加装加强筋114等结构即可实现较大的抗压能力，不会影响辐射热源130的热传递效率。另外该反应室110的穹顶结构的弯曲度较小，反应室110内的气流不会存在大规模垂直方向的扩散气流，该结构提高了反应室110内气流分布的均一性，有助于基片W薄膜沉积的均匀性，保证了基片W生产的良品率。

在一些实施例中，所述化学气相沉积装置为外延生长处理装置，其用于同质外延工艺，例如硅外延。在该外延生长处理装置中，气流需要沿着平行于托盘120的方向均匀流动，所以进气开口和排气开口位于反应室110的两端，使反应室110内形成一狭长气体通道。

本发明除了可以用于上述化学气相沉积的反应器或外延生长处理装置，也可以用于其它真空处理器，比如快速热处理器(RTP)，直接将基片放入具有处理气体的快速热处理器，利用处理器上下设置的加热灯组件快速加热基片，使得基片表面被处理，但是处理气体不会反应在基片上形成新的薄膜。由于快速热处理反应器内部也需要真空状态，而且灯组与反应器内部空间之间也被透明的反应腔壁隔开，所以本发明也可以应用于该应用场合，以减小反应腔壁的设计厚度。所以本发明可以适用于任何需要灯组加热的真空反应腔。

尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。

Claims (26)

1.一种化学气相沉积装置，其特征在于，包含：

反应室，其具有一进气开口和一排气开口，且所述反应室内设置有一托盘，用于承载基片；

外壳体，其设置于所述反应室外侧，所述外壳体的内壁和所述反应室的外壁之间构成一容纳空间；

多个辐射热源，其设置于所述容纳空间内，用于透过所述反应室的外壁加热所述基片；

气压调整装置，其用于独立调控所述反应室内与所述容纳空间的气压。

2.如权利要求1所述的化学气相沉积装置，其特征在于，还包括：

气体驱动装置，其用于加强所述容纳空间中的气体流动。

3.如权利要求2所述的化学气相沉积装置，其特征在于，

所述气体驱动装置设置在所述容纳空间内，驱动气体在所述容纳空间内围绕所述反应室的外壁和所述外壳体的内壁流动，所述外壳体还设置有第一热交换装置。

4.如权利要求1所述的化学气相沉积装置，其特征在于，

所述反应室包括与进气开口对应的进气区域、与所述排气开口对应的排气区域以及位于进气区域和排气区域之间的反应区域；

所述反应室的外壁上还设置有多条加强筋，其中，位于反应区域的外壁的加强筋密度小于位于两侧进气区域或排气区域的外壁的加强筋密度。

5.如权利要求1所述的化学气相沉积装置，其特征在于，所述反应室包括与进气开口对应的进气区域、与所述排气开口对应的排气区域以及位于进气区域和排气区域之间的反应区域；

其中位于反应区域的外壁设置有一个反应区加强筋，所述反应区加强筋向下投影穿过基片中心，与反应区加强筋相邻的加强筋位于进气区域或排气区域对应的反应室外壁。

6.如权利要求4或5所述的化学气相沉积装置，其特征在于，

所述加强筋和所述反应室均由石英制备而成。

7.如权利要求1所述的化学气相沉积装置，其特征在于，

所述反应室底部包括一向下延展的延伸管，一旋转轴设置于所述延伸管中，所述旋转轴顶部用于支撑并驱动所述托盘，使得所述基片在反应室中旋转。

8.如权利要求1所述化学气相沉积装置，其特征在于，

所述反应室包括呈穹顶形的顶壁，所述基片的边缘到所述顶壁的高度为H1，所述基片的中心到所述顶壁的高度为H2，所述H2<1.05*H1。

9.如权利要求1所述的化学气相沉积装置，其特征在于，

所述反应室两端包括第一法兰和第二法兰，所述第一法兰和第二法兰分别与外壳体上的第一紧固件和第二紧固件紧密贴合。

10.如权利要求9所述的化学气相沉积装置，其特征在于，

所述外壳体包括顶板、底板和侧壁，所述顶板、底板和侧壁与所述反应室的外壁、第一紧固件和第二紧固件共同构成容纳空间。

11.如权利要求9所述的化学气相沉积装置，其特征在于，

所述外壳体由铝制成，所述第一紧固件和第二紧固件由不锈钢制成。

12.如权利要求9所述的化学气相沉积装置，其特征在于，

所述外壳体、第一紧固件和第二紧固件中设置有冷却液管道。

13.如权利要求2所述的化学气相沉积装置，其特征在于，还包含：

温度控制回路，其与所述容纳空间连通共同构成封闭回路，所述封闭回路内包含所述气体驱动装置和第二热交换装置，所述气体驱动装置驱动气体在封闭回路内流动，所述第二热交换装置用于对所述封闭回路中的气体进行冷却。

14.如权利要求13所述的化学气相沉积装置，其特征在于，

所述温度控制回路内的气体从所述容纳空间的顶部和/或底部流入所述容纳空间，所述容纳空间内的气体从所述容纳空间的两侧流出所述容纳空间。

15.如权利要求13所述的化学气相沉积装置，其特征在于，

所述气体为空气、氦气、氮气或氮氦混合物。

16.如权利要求13所述的化学气相沉积装置，其特征在于，还包含：

温度控制副回路，其与所述温度控制回路连通，所述温度控制副回路包含内部气压高于所述容纳空间内气压的第一容器和内部气压低于所述容纳空间内气压的第二容器。

17.如权利要求9所述的化学气相沉积装置，其特征在于，所述外壳体的排气端包括一外壳体端部板，所述外壳体端部板和所述第二紧固件之间存在间隙，至少一个压力装置设置在所述间隙内或者外壳体外，用于向所述第二紧固件提供压紧力。

18.一种利用如权利要求2所述的化学气相沉积装置进行沉积的方法，其特征在于，包含如下步骤：

将基片传入反应室内的托盘上；

利用气压调整装置调控容纳空间的气压，使所述容纳空间内的气压小于大气压；

在反应室内执行化学气相沉积工艺；

利用气体驱动装置驱动所述容纳空间中的气体流动。

19.如权利要求18所述的进行沉积的方法，其特征在于，

利用气压调整装置使所述容纳空间内的气压为0.1～0.6个大气压。

20.一种用于外延生长的处理装置，其特征在于，包括：

一两端设置有进气开口和排气开口的反应室，其内设置有托盘，用于承载基片，所述进气开口和排气开口用于形成平行于所述托盘的反应气流；所述反应室包括与进气开口对应的进气区域，与所述排气开口对应的排气区域，以及位于进气区域和排气区域之间的反应区域；

一外壳体，其设置于所述反应室外侧，所述外壳体的内壁和所述反应室的外壁之间构成一容纳空间，所述容纳空间连接到第一气压调整装置；多个辐射热源，其设置于所述容纳空间内，各个所述辐射热源设置于所述反应室的外侧以加热所述基片。

21.如权利要求20所述的处理装置，其特征在于，

所述反应室还包括设置在其外壁上的多条加强筋，其中位于反应区域的外壁上的加强筋密度小于位于两侧进气区域或排气区域的外壁上的加强筋密度。

22.如权利要求20所述的处理装置，其特征在于，

所述反应室底部包括一向下延展的延伸管，一旋转轴设置于所述延伸管中，所述旋转轴顶部用于支撑并驱动所述托盘，使得所述托盘在反应室中旋转。

23.如权利要求20所述的处理装置，其特征在于，还包含：

温度控制回路，其与所述容纳空间连通共同构成封闭回路，所述封闭回路内包含气体驱动装置和热交换装置，所述气体驱动装置驱动气体在封闭回路内流通，所述热交换装置用于对所述气体进行冷却。

24.如权利要求20所述的处理装置，其特征在于，还包含：

第二气压调整装置，其与所述反应室连通，所述第一气压调整装置、第二气压调整装置独立控制，使得在执行外延生长时所述容纳空间的气压低于大气压，且高于所述反应室内的气压。

25.如权利要求20所述的处理装置，其特征在于，还包含：

气体驱动装置，其用于加强所述容纳空间中的气体流动。

26.一种真空处理装置，其特征在于，包含：

真空处理腔室，其具有一进气开口和一排气开口，且所述真空处理腔室内设置有一托盘，用于承载基片；

外壳体，其设置于所述真空处理腔室外侧，所述外壳体的内壁和所述真空处理腔室的外壁之间构成一容纳空间；

多个辐射热源，其设置于所述容纳空间内，用于透过所述真空处理腔室的外壁加热所述基片；

气压调整装置，其用于独立调控所述真空处理腔室内与所述容纳空间的气压；

所述真空处理腔室两端包括第一法兰和第二法兰，所述第一法兰和第二法兰分别与外壳体上的第一紧固件和第二紧固件紧密贴合；

所述外壳体的排气端包括一外壳体端部板，所述外壳体端部板和所述第二紧固件之间存在间隙，至少一个压力装置设置在所述间隙内或者外壳体外，用于向所述第二紧固件提供压紧力。

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