CN116716596A - 碳化硅气相沉积装置及碳化硅气相沉积方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种碳化硅气相沉积装置及碳化硅气相沉积方法，属于气相沉积技术领域。碳化硅气相沉积装置包括反应室，内设有反应腔，反应室相对设置有第一端口和第二端口，第一端口和第二端口均与反应腔连通；进气装置，设置于第一端口处，进气装置包括进气盘和转动设置于进气盘的分流盘，进气盘与第一端口密封连接，进气盘上设置有多个进气腔，分流盘上周向均布有多个分气孔，分流盘远离进气盘的一端设置有至少两个分隔环，分隔环将反应腔的底部分隔为多个环形腔，进气腔通过分气孔与对应的环形腔连通。本发明使反应腔内的气流流速相同且均匀，提高涂层表面质量，保证厚度均匀。
Description
技术领域
本发明涉及气相沉积技术领域，尤其涉及一种碳化硅气相沉积装置及碳化硅气相沉积方法。
背景技术
碳化硅材料具有高击穿电压，高热导率等一系列优势，成为高压大功率电力电子器件材料的首选。
现有的化学气相炉反应室内，采用化学气相沉积法(CVD)在异质衬底上生长碳化硅，但是传统的气体整流装置存在气体湍流和紊流，导致化学气相沉积存在涂层表面质量差，厚度不均匀等问题。
为此，亟需提供一种碳化硅气相沉积装置及碳化硅气相沉积方法以解决上述问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种碳化硅气相沉积装置及碳化硅气相沉积方法，使反应腔内的气流流速相同且均匀，提高涂层表面质量，保证厚度均匀。
为实现上述目的，提供以下技术方案：
碳化硅气相沉积装置，包括：
反应室，内设有反应腔，所述反应室相对设置有第一端口和第二端口，所述第一端口和所述第二端口均与所述反应腔连通；
进气装置，设置于所述第一端口处，所述进气装置包括进气盘和转动设置于所述进气盘的分流盘，所述进气盘与所述第一端口密封连接，所述进气盘上设置有多个进气腔，所述分流盘上周向均布有多个分气孔，所述分流盘远离所述进气盘的一端设置有至少两个分隔环，所述分隔环将所述反应腔的底部分隔为多个环形腔，所述进气腔通过所述分气孔与对应的所述环形腔连通。
作为碳化硅气相沉积装置的可选方案，所述进气盘靠近所述分流盘的一端凸设有多个环形隔板，所述环形隔板将所述进气盘和所述分流盘之间的空间分隔为多个所述进气腔。
作为碳化硅气相沉积装置的可选方案，所述分隔环包括第一分隔环和第二分隔环，所述第一分隔环的直径小于所述第二分隔环的直径，所述第一分隔环和所述第二分隔环将所述反应腔的底部分隔为第一环形腔、第二环形腔和第三环形腔，所述进气腔包括第一进气腔、第二进气腔和第三进气腔，所述进气盘上设置有多组进气口，所述进气口包括第一进气口、第二进气口和第三进气口，所述第一进气口和所述第一环形腔均与所述第一进气腔相互连通，所述第二进气口和所述第二环形腔均与所述第二进气腔相互连通，所述第三进气口和所述第三环形腔均与所述第三进气腔相互连通。
作为碳化硅气相沉积装置的可选方案，所述第二分隔环的高度不小于所述第一分隔环高度的1.5倍。
作为碳化硅气相沉积装置的可选方案，所述第二分隔环的直径不小于所述反应腔内径的0.5倍，所述第一分隔环的直径不小于所述反应腔内径的三分之一。
作为碳化硅气相沉积装置的可选方案，还包括匀气盘，所述匀气盘设置于所述反应腔内，所述匀气盘上均匀设置有多个匀气孔。
作为碳化硅气相沉积装置的可选方案，还包括出气盘，所述出气盘与所述第二端口密封连接，所述出气盘上开设有出气孔，所述出气孔与所述反应腔连通。
作为碳化硅气相沉积装置的可选方案，所述进气盘的外边缘设置有第一环形限位槽和多个第一连接孔，第一紧固件穿过所述第一连接孔与所述第一端口连接，第一密封圈夹设于所述第一端口和所述第一环形限位槽之间；
所述出气盘的外边缘设置有第二环形限位槽和多个第二连接孔，第二紧固件穿过所述第二连接孔与所述第二端口连接，第二密封圈夹设于所述第二端口和所述第二环形限位槽之间。
作为碳化硅气相沉积装置的可选方案，所述进气盘的中心处开设有安装孔，所述分流盘凸设有中心转轴，所述中心转轴通过磁流体密封传动装置设置于所述安装孔处。
碳化硅气相沉积方法，采用如上所述的碳化硅气相沉积装置在异质衬底上生长碳化硅，分流盘的转速为K，1rpm≤K≤10rpm：沿远离所述分流盘中心的方向分隔环的高度依次增大，通入第一进气口、第二进气口和第三进气口的源气体的流速依次增大。
与现有技术相比，本发明的有益效果：
本发明所提供的碳化硅气相沉积装置，在反应室的第一端口处安装有进气装置，其中进气盘与第一端口密封连接，避免源气体从进气盘和第一端口的连接处泄露；多个分气孔周向均布在分流盘上，源气体通过分气孔从进气腔流入反应腔，提高气流的均匀性；至少两个分隔环设置在分流盘上，将反应腔内的气体分布到多个环形腔内形成层流，通过调整分隔环的数量可以增大反应腔内层流面积；通过旋转分流盘，进一步均匀气流，从而提高镀膜均匀性。由于进气盘设置有多个进气腔，通过调节多个进气腔内气流的大小来调节环形腔内层流的流速，进而使反应腔上部汇合的层流流速相同。
本发明所提供的碳化硅气相沉积方法，越远离进气盘中心，进气腔内的源气体流速越小，分隔环的高度也越高，有助于保证进入反应腔内气流速度一致，通过旋转分流盘，进一步均匀气流，从而提高镀膜均匀性。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对本发明实施例描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，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，还可以根据本发明实施例的内容和这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例中碳化硅气相沉积装置的装配示意图；
图2为图1中A处的局部放大图；
图3为图1中B处的局部放大图；
图4为本发明实施例中反应室的结构示意图；
图5为本发明实施例中进气装置的结构示意图；
图6为本发明实施例中进气装置的俯视图；
图7为本发明实施例中进气盘的剖视图；
图8为本发明实施例中分流盘的剖视图；
图9为本发明实施例中分流盘的俯视图；
图10为本发明实施例中匀气盘的俯视图；
图11为本发明实施例中磁流体密封传动装置的剖视图。
附图标记：
1、反应室；2、进气装置；3、出气盘；31、出气孔；32、第二环形限位槽；33、第二连接孔；4、匀气盘；41、匀气孔；5、第一紧固件；6、第一密封圈；7、第二紧固件；8、第二密封圈；
11、第一端口；12、第二端口；13、反应腔；
21、进气盘；22、分流盘；221、分气孔；222、中心转轴；23、进气腔；24、分隔环；25、环形腔；26、进气口；27、磁流体密封传动装置；
211、环形隔板；212、第一环形限位槽；213、第一连接孔；214、安装孔；
231、第一进气腔；232、第二进气腔；233、第三进气腔；
241、第一分隔环；242、第二分隔环；
251、第一环形腔；252、第二环形腔；253、第三环形腔；
261、第一进气口；262、第二进气口；263、第三进气口。
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。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”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，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，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”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
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。
为了使反应腔内的气流流速相同且均匀，提高涂层表面质量，保证厚度均匀，本实施例提供一种碳化硅气相沉积装置及碳化硅气相沉积方法，以下结合图1至图11对本实施例的具体内容进行详细描述。
在本实施例中，如图1所示，碳化硅气相沉积装置包括反应室1、进气装置2、匀气盘4和出气盘3。其中，如图4所示，反应室1内设有反应腔13，反应室1相对设置有第一端口11和第二端口12，第一端口11和第二端口12均与反应腔13连通。匀气盘4设置于反应腔13内，匀气盘4上均匀设置有多个匀气孔41。如图10所示，由于匀气盘4周向均匀设有多个匀气孔41，气流与被沉积体反应后，通过匀气盘4周向设有的匀气孔41流出，保证CVD反应的尾气进行均匀排出，从而保证流场的稳定性。出气盘3与第二端口12密封连接，出气盘3上开设有出气孔31，出气孔31与反应腔13连通，最后气流通过出气盘3位于中心的出气孔31排出腔体。
示例性地，CVD源气体包含甲基三氯硅烷、甲基三氯硅烷+甲烷、四氯化硅+乙烯或甲基硅烷等气源。
进一步地，如图1至图9所示，进气装置2设置于第一端口11处，进气装置2包括进气盘21和转动设置于进气盘21的分流盘22，进气盘21与第一端口11密封连接，进气盘21上设置有多个进气腔23，分流盘22上周向均布有多个分气孔221，分流盘22远离进气盘21的一端设置有至少两个分隔环24，分隔环24将反应腔13的底部分隔为多个环形腔25，进气腔23通过分气孔221与对应的环形腔25连通。
简而言之，本发明所提供的碳化硅气相沉积装置，在反应室1的第一端口11处安装有进气装置2，其中进气盘21与第一端口11密封连接，避免源气体从进气盘21和第一端口11的连接处泄露；多个分气孔221周向均布在分流盘22上，源气体通过分气孔221从进气腔23流入反应腔13，提高气流的均匀性；至少两个分隔环24设置在分流盘22上，将反应腔13内的气体分布到多个环形腔25内形成层流，通过调整分隔环24的数量可以增大反应腔13内层流面积；通过旋转分流盘22，进一步均匀气流，从而提高镀膜均匀性。由于进气盘21设置有多个进气腔23，通过调节多个进气腔23内气流的大小来调节环形腔25内层流的流速，进而使反应腔13上部汇合的层流流速相同。
进一步地，进气盘21的外边缘设置有第一环形限位槽212和多个第一连接孔213，第一紧固件5穿过第一连接孔213与第一端口11连接，第一密封圈6夹设于第一端口11和第一环形限位槽212之间；出气盘3的外边缘设置有第二环形限位槽32和多个第二连接孔33，第二紧固件7穿过第二连接孔33与第二端口12连接，第二密封圈8夹设于第二端口12和第二环形限位槽32之间。如图7、图8和图11所示，进气盘21的中心处开设有安装孔214，分流盘22凸设有中心转轴222，中心转轴222通过磁流体密封传动装置27设置于安装孔214处。进气装置通过第一密封圈6与反应室1密封接触，并通过第一紧固件5锁紧保证密封性，出气盘3通过第二密封圈8与反应室1密封接触，并通过第二紧固件7锁紧保证密封性，通过位于进气盘21中心的磁流体密封传动装置27与分流盘22下部中心转轴222进行径向密封从而实现反应室1密封。
具体地，在本实施例中，分隔环24包括第一分隔环241和第二分隔环242，第一分隔环241的直径小于第二分隔环242的直径，第一分隔环241和第二分隔环242将反应腔13的底部分隔为第一环形腔251、第二环形腔252和第三环形腔253，进气腔23包括第一进气腔231、第二进气腔232和第三进气腔233，进气盘21上设置有多组进气口26，示例性地，进气盘21下方设有三组进气口26，分别为第一进气口261、第二进气口262和第三进气口263。第一进气口261和第一环形腔251均与第一进气腔231相互连通，第二进气口262和第二环形腔252均与第二进气腔232相互连通，第三进气口263和第三环形腔253均与第三进气腔233相互连通。CVD源气体从位于进气盘21下端的第一进气口261进入后，流入第一进气腔231并通过周向均布分气孔221的分流盘22进入反应室1的第一环形腔251内，由于分流盘22绕中心转轴222旋转，从而保证CVD源气体被带动旋转，从而实现CVD源气体在第一进气口261上方气流的均匀性；CVD源气体从位于进气盘21下端的第二进气口262进入后，流入第二进气腔232并通过周向均布分气孔221的分流盘22进入反应室1的第二环形腔252内，由于分流盘22绕中心转轴222旋转，从而保证CVD源气体被带动旋转，从而实现CVD源气体在第二进气口262上方气流的均匀性；CVD源气体从位于进气盘21下端的第三进气口263进入后，流入第三进气腔233并通过周向均布分气孔221的分流盘22进入反应室1的第三环形腔253内，由于分流盘22绕中心转轴222旋转，从而保证CVD源气体被带动旋转，从而实现CVD源气体在第三进气口263上方气流的均匀性。
进一步地，如图7所示，进气盘21靠近分流盘22的一端凸设有多个环形隔板211，环形隔板211将进气盘21和分流盘22之间的空间分隔为多个进气腔23。在本实施例中，环形隔板211的直径与对应的分隔环24的直径相同。环形隔板211与进气盘21为一体化结构。
如图5所示，在一具体实施例中，为了保证第一进气腔231、第二进气腔232和第三进气腔233“相对密封的腔体”之间无明显的气流窜动，进气盘21与分流盘22轴向通过小缝隙（≤0.5mm）进行“密封”。当缝隙＞0.5mm时，由于第一进气口261、第二进气口262和第三进气口263进气流量、压力不同，从而导致气体在分流盘22下方第一环形腔251、第二环形腔252和第三环形腔253之间窜动，导致分流盘22下方第一进气腔231、第二进气腔232和第三进气腔233之间的气流压力差别较小，从而无法实现均气作用。
进一步地，第二分隔环242的高度不小于第一分隔环241的高度的1.5倍。在一具体实施例中，第二分隔环242的高度≥1.5倍的第一分隔环241的高度，由于第三进气腔233上方气流较快，为了保证第二分隔环242上方沉积区域气流均匀性，需通过增高分隔环24的高度对第三进气腔233上方气体进行降速处理，从而保证气流在第二分隔环242上方汇聚后速度一致性良好。
进一步地，第二分隔环242的直径不小于反应腔13内径的0.5倍，第一分隔环241的直径不小于反应腔13内径的三分之一。在一具体实施例中，第二分隔环242的直径≥反应腔13的内径×1/2，由于第二分隔环242用于对第三进气腔233上方气流降速处理，第二分隔环242距反应室1内壁过大会导致降速效果较差或无降速效果，无法实现第二分隔环242上方气流流速的一致性，从而影响沉积效果。在一具体实施例中，第一分隔环241的直径≥反应腔13的内径×1/3，由于第二进气腔232上方气流流速比第一进气腔231上方气流流速快，通过第一分隔环241对第一进气腔231、第二进气腔232上方气体匀速混合后，再通过第二分隔环242进行匀速混合，则需对第二进气腔232上方气流进行降速处理，若第一分隔环241的直径＜反应腔13的内径×1/3，则会导致第二环形腔252降速较慢，整流距离过长，浪费反应室1轴向空间。
本实施例还提供了一种碳化硅气相沉积方法，该碳化硅气相沉积方法采用上面提到的碳化硅气相沉积装置在异质衬底上生长碳化硅，分流盘22的转速为K，1rpm≤K≤10rpm：沿远离分流盘22中心的方向分隔环24的高度依次增大，通入第一进气口261、第二进气口262和第三进气口263的源气体的流速依次增大。优选地，1rpm≤分流盘22的旋转速度≤10rpm，若分流盘22旋转速度＜1rpm时，则分流盘22无法带动气流旋转运动，从而无法在周向上均匀气流，若分流盘22的旋转速度＞10rpm时，则分流盘22旋转速度过快，从而扰动气流产生局部涡流影响气流均匀性，从而影响沉积效果。在一具体实施例中，由于气流为粘滞流状态，为了保证靠近反应室1侧壁流速较快，第三进气口263的气流速度≥第二进气口262气流速度，如果第三进气口263的气流速度＜第二进气口262的气流速度，则气体靠近反应室1侧壁存在较“厚”的分界层，从而影响设备空间利用率，从而影响产能。在一具体实施例中，由于气流为粘滞流状态，为了保证靠近反应室1中心处流速较慢，第一进气口261的气流速度＜第二进气口262的气流速度，如果第一进气口261的气流速度＞第二进气口262的气流速度，则靠近反应室1中心处气流流速较快，靠近反应室1侧壁气流流速明显较缓慢，从而存在3-4层不同速度气流分区，从而明显影响沉积均匀性，影响沉积效果。
注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里所说的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。
Claims (10)
1.碳化硅气相沉积装置，其特征在于，包括：
反应室(1)，内设有反应腔(13)，所述反应室(1)相对设置有第一端口(11)和第二端口(12)，所述第一端口(11)和所述第二端口(12)均与所述反应腔(13)连通；
进气装置(2)，设置于所述第一端口(11)处，所述进气装置(2)包括进气盘(21)和转动设置于所述进气盘(21)的分流盘(22)，所述进气盘(21)与所述第一端口(11)密封连接，所述进气盘(21)上设置有多个进气腔(23)，所述分流盘(22)上周向均布有多个分气孔(221)，所述分流盘(22)远离所述进气盘(21)的一端设置有至少两个分隔环(24)，所述分隔环(24)将所述反应腔(13)的底部分隔为多个环形腔(25)，所述进气腔(23)通过所述分气孔(221)与对应的所述环形腔(25)连通。
2.根据权利要求1所述的碳化硅气相沉积装置，其特征在于，所述进气盘(21)靠近所述分流盘(22)的一端凸设有多个环形隔板(211)，所述环形隔板(211)将所述进气盘(21)和所述分流盘(22)之间的空间分隔为多个所述进气腔(23)。
3.根据权利要求1所述的碳化硅气相沉积装置，其特征在于，所述分隔环(24)包括第一分隔环(241)和第二分隔环(242)，所述第一分隔环(241)的直径小于所述第二分隔环(242)的直径，所述第一分隔环(241)和所述第二分隔环(242)将所述反应腔(13)的底部分隔为第一环形腔(251)、第二环形腔(252)和第三环形腔(253)，所述进气腔(23)包括第一进气腔(231)、第二进气腔(232)和第三进气腔(233)，所述进气盘(21)上设置有多组进气口(26)，所述进气口(26)包括第一进气口(261)、第二进气口(262)和第三进气口(263)，所述第一进气口(261)和所述第一环形腔(251)均与所述第一进气腔(231)相互连通，所述第二进气口(262)和所述第二环形腔(252)均与所述第二进气腔(232)相互连通，所述第三进气口(263)和所述第三环形腔(253)均与所述第三进气腔(233)相互连通。
4.根据权利要求3所述的碳化硅气相沉积装置，其特征在于，所述第二分隔环(242)的高度不小于所述第一分隔环(241)高度的1.5倍。
5.根据权利要求3所述的碳化硅气相沉积装置，其特征在于，所述第二分隔环(242)的直径不小于所述反应腔(13)内径的0.5倍，所述第一分隔环(241)的直径不小于所述反应腔(13)内径的三分之一。
6.根据权利要求1所述的碳化硅气相沉积装置，其特征在于，还包括匀气盘(4)，所述匀气盘(4)设置于所述反应腔(13)内，所述匀气盘(4)上均匀设置有多个匀气孔(41)。
7.根据权利要求1所述的碳化硅气相沉积装置，其特征在于，还包括出气盘(3)，所述出气盘(3)与所述第二端口(12)密封连接，所述出气盘(3)上开设有出气孔(31)，所述出气孔(31)与所述反应腔(13)连通。
8.根据权利要求7所述的碳化硅气相沉积装置，其特征在于，所述进气盘(21)的外边缘设置有第一环形限位槽(212)和多个第一连接孔(213)，第一紧固件(5)穿过所述第一连接孔(213)与所述第一端口(11)连接，第一密封圈(6)夹设于所述第一端口(11)和所述第一环形限位槽(212)之间；
所述出气盘(3)的外边缘设置有第二环形限位槽(32)和多个第二连接孔(33)，第二紧固件(7)穿过所述第二连接孔(33)与所述第二端口(12)连接，第二密封圈(8)夹设于所述第二端口(12)和所述第二环形限位槽(32)之间。
9.根据权利要求1所述的碳化硅气相沉积装置，其特征在于，所述进气盘(21)的中心处开设有安装孔(214)，所述分流盘(22)凸设有中心转轴(222)，所述中心转轴(222)通过磁流体密封传动装置(27)设置于所述安装孔(214)处。
10.碳化硅气相沉积方法，其特征在于，采用如权利要求3-9任一项所述的碳化硅气相沉积装置在异质衬底上生长碳化硅，分流盘(22)的转速为K，1rpm≤K≤10rpm：沿远离所述分流盘(22)中心的方向分隔环(24)的高度依次增大，通入第一进气口(261)、第二进气口(262)和第三进气口(263)的源气体的流速依次增大。
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