CN1611637A - 化学汽相沉积设备 - Google Patents
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Abstract
一种用于在基质的整个范围内汽相沉积均匀薄膜的化学汽相沉积设备。所述化学汽相沉积设备包括一个与外部隔绝并保持真空的反应室；一个旋转地安装于反应室内并放有至少一片基质的基座；和一个注射器，其包括独立形成的第一和第二气体通道，以及在各自入口处连接各自气体通道的用于将各自的第一和第二气体注射到基座上的第一和第二气体注射管，所述注射器可独立注射不同的气体。所述注射器进一步包括一个与第二气体通道相连接的气体注射部分，以便将第一和第二气体中仅作为非反应载气的第二气体的载气注射到基座的中心区域。
Description
技术领域
本发明涉及一种化学汽相沉积设备，特别是一种用于在基质整个表面上形成均匀薄膜的化学汽相沉积设备，其通过使不同种类的气体流保持平稳而在基质上汽化形成薄膜。
背景技术
一般地，通过在作为原材料的基质上制造电路，反复进行扩散，成像，蚀刻和成膜等过程来制造半导体。
在半导体的制作过程中，成膜过程就是在基质上汽相沉积形成一层所需厚度的薄膜的过程。汽相沉积的方法，包括化学汽相沉积、离子注射、金属汽相沉积以及类似的一些方法。
作为化学汽相沉积方法之一，金属有机化学汽相沉积法就是利用热解和再反应在加热的基质上形成薄膜的方法。在金属有机化学汽相沉积法中，同时将一种第三族元素气体和氨气注入到一反应器中并进行热解和化学反应，因此在基质上就可生成一层氮化物薄膜。金属有机化学汽相沉积法具有易于成膜、维护方便、价格低廉以及精确可控的特点，因此得到广泛应用。
如图1所示，传统的化学汽相沉积设备包括一个与外部隔绝并保持真空的反应室10，一个装有基质P并安装于反应室10中的基座20，和一个用于注入不同的气体以在基座20内的基质P上形成薄膜的气体注射器30。
气体注射器30，包括用于注射第一种气体G1的第一气体注射管31，用于注射第二种气体G2的第二气体注射管32，以及如图中所示的由自上而下的水平隔断33，34和35形成的各自相互独立的通道，如第一气体通道36，第二气体通道37，和冷却剂通道38。
为了沿各自的通道36和37注射第一种和第二种气体G1和G2，管状的第一气体注射管31和第二气体注射管32在长度上是不同的。将隔断33置于第一气体注射管31和第二气体注射管32的入口之间，以便将通道分成位于上边的第一气体通道36和位于下边的第二气体通道37。
作为第一气体注射管31和第二气体注射管32的注射边，注射面35a和基座20的表面都是平的，并确定它们的位置以在其间形成相同的间隙。
冷却剂通道38放在第二气体通道37的下面，并且有各自的气体注射管31和32穿过。
按照传统的化学汽相沉积设备，第一和第二气体G1和G2流过由第一隔断33分隔的各自的气体通道36和37，并注射到由穿过第一和第二气体注射管31和32的基座20带动旋转的基质P上。同时，加热基质P，第一和第二气体G1和G2进行热解和再反应，在基质P上就形成了薄膜。另一方面，流过冷却剂通道380的冷却剂对注射器30的温度进行调节。
如上所述，由于化学汽相沉积是通过第一和第二气体G1和G2在加热的基座20上进行热解和再反应的方式在基质P上形成薄膜的，因此气体的流速、密度和温度是密切相关的。
另外，在薄膜的生长过程中，气体表现为层流，薄膜的生长速度随着反应气流速的增加和反应气体的密度(混合物的比例)增大而增加。
由于必须控制上述的因素，因此传统的化学气相沉积设备具有以下缺点。
由于气体注射面35a和基座20表面间存在间隙，而且单位面积的一定量的气体G1和G2注射到气体注射面35a上，因此中心区域的第一和第二气体G1和G2发生反应过程中靠近基座20中心区域21的基质P上的第一气体G1的密度是增加的，因而与中心区域21对应的基质P的厚度也是增加的，因此薄膜的厚度不均匀。
如果想通过旋转基座20来提供均匀的厚度，那么基座20中心区域的相对速度低于其外部区域的相对速度。可用基座20的每分钟转速来调节相对速度间的差别。调节靠近中心区域21的基质P上的薄膜生长速度，使其接近于面对基座20外部区域的基质P上的生长速度，则可得到均匀的厚度。但从气体注射面35a的中心区域注射的第一和第二气体G1和G2在无基质P的中心区域21处发生反应，因此有副产物产生。副产物伴随气流一起通过置于基座20上的基质P。副产物阻碍了在基质P上的沉积，使得薄膜的厚度和质量变差，因此制备出质量差的半导体器件。相反本发明通过在中心区域21上使用用来只注射第二气体的喷头(见图2和3)，可消除基座20中心区域21上形成的副产物。
另外，由于在其加热过程中基座20必须进行旋转，因此很难直接加热基座20的中心区域21。尽管可利用基座材料的热导性来加热基座20，但中心区域21的温度仍低于其外部区域。也就是说，很难在基座20的中心区域21上的基质P上进行薄膜的汽相沉积，结果导致反应气体的浪费。
因此，调节注射气体的密度和基座20的每分钟转速可以使化学汽相沉积的条件得到优化，在此条件下用于化学汽相沉积的传统气体注射器就能得到均匀的薄膜。然而由于中心区域副产物的存在，厚度均匀性和薄膜质量的优化有一定的限度。进而，当为增强高质量薄膜的生产能力在同一过程中在数以十计的基质P上生长薄膜时，可以获得均匀的薄膜。但由于副产物随着气体量的增加而增加，因此几乎不可能实现半导体的高生产能力和高质量。
相反，依照本发明的气体注射器从其中心部分注射气体以脱除在基座20的中心区域产生的副产物。因此可得到高质量的薄膜。
另外，由于气体注射表面34和基座20的对应面都是平的，所以向基座20的中心区域注射的气体就表现为滞流，因此基质上的反应气体被阻碍而不能形成层流，所以反应后的气体无法沉积在基质P上。而本发明中的气体注射器(见图4)和基座(见图5)能在基座中心区域使滞流最小化，因而可增强基座20整个区域内的气流。
图7a和7b给出用传统的化学汽相沉积设备沉积的薄膜的厚度和波长PL数据。在图中，薄膜的平均厚度为3.057μm，最小厚度为2.991μm，最大厚度为3.302μm，因此其间存在较大的差异。同时厚度的标准误差为2.11％，这对于商业化薄膜的生产来讲是很不利的。对于波长数据，最小波长为477.7nm，最大波长为492.0nm，波长的标准误差为3.671nm。由于在整个基质上的厚度不均匀，因此波长也不一致，薄膜的厚度不能达到商业化薄膜的要求。
发明内容
因此，本发明是针对以上问题而提出的，本发明的目的是提供一种化学汽相沉积设备，该设备具有一个用于从其中心部分注射单一气体的气体注射器，用以消除在基座中心区域产生的副产物，并提高薄膜厚度的均匀性及薄膜的质量。
本发明的另一个目的是提供一种化学汽相沉积设备，该设备通过向基质上仅注射反应气体来降低基质整个区域上的气体密度(混合物的比例)间的差异，能够提高薄膜厚度的均匀性。
本发明的另一个目的是提供一种化学汽相沉积设备，该设备通过消除在不需要反应的区域产生的滞流能在基座的整个区域上形成气体的层流，所述不需要反应的区域指从化学汽相沉积设备的气体注射器的中心区域到基座的中心区域的部分。
与本发明的目的一致，上述和其他的目的可通过提供一种化学汽相沉积设备来实现，所述设备包括一个与外部隔绝并保持真空的反应室；一个旋转地安装于反应室内并放有至少一片基质的基座；和一个注射器，其包括独立形成的第一和第二气体通道，以及在各自入口处连接各自气体通道的用于将各自的第一和第二气体注入到基座上的第一和第二气体注射管，所述注射器独立地注射不同气体，其中一个对应于基座中心区域的部分仅安装有第二气体注射管，因此仅将第一和第二气体中作为非反应载气的第二气体注射到基座的中心区域。
与本发明的另一目的一致，提供了一种化学汽相沉积设备，该设备包括一个与外部隔绝并保持真空的反应室，一个旋转地安装于反应室内并放有至少一片基质的基座，和一个注射器，其包括独立形成的第一和第二气体通道，以及在各自入口处连接各自气体通道的用于将各自的第一和第二气体注入到基座上的第一和第二气体注射管，所述注射器独立地注射不同的气体，其中所述注射器还进一步包括一个与第二气体通道相连接的气体注射部分，以便将第一和第二气体中仅作为非反应载气的第二气体的载气注射到基座的中心区域。
优选的是，在第二气体通道和气体注射部分之间可以进一步形成有其截面面积大于其它区域的截面面积的第二气体区域。
附图说明
从以下的实施例并结合附图，本发明的这些和/或其它目的及优点将更加显而易见且更易领会，其中：
图1是传统的化学汽相沉积设备的示意图；
图2是按照本发明的第一个实施例中所述的化学汽相沉积设备的结构示意图；
图3是按照本发明的第二个实施例中所述的化学汽相沉积设备的结构示意图；
图4是按照本发明的第三个实施例中所述的化学汽相沉积设备的结构示意图；
图5是按照本发明的第四个实施例中所述的化学汽相沉积设备的结构示意图；
图6a和6b是按照本发明的各个实施例中所述的化学汽相沉积设备在基质上形成的薄膜的厚度和波长PL数据；
图7a和7b是按照传统的化学汽相沉积设备在基质上形成的薄膜的厚度和波长PL数据。
具体实施方式
本发明的特征在于，不论基质被放在基座的任何部分，用于在基质上形成薄膜的不同气体都可形成均匀的薄膜，且提高了产品质量。为达到本发明，必须满足以下条件：
(1)没有副产物，该副产物由在基座中心区域的第一和第二气体之间的反应产生，并阻碍基质上的汽相沉积。
当装置的容积和/或体积增加时，基座的直径和一次所用的基质的数量也随之增加。必须增强在多个基质上形成的薄膜的均匀性。而且，置于基座中心区域的基质的质量必须和置于其外部区域的基质的质量保持一样。这意味着，为了从基座中心区域消除副产物，必须从气体注射器的非中心区域注射反应气，薄膜在由基座的结构问题造成的低温下在所述基座中心区域不能生长。但是如果没有气体流过基座的中心区域，就会产生在其中残留气体的所谓的“死体积”。如果上一过程注入的气体扩散到含有多种反应气如掺杂气的过程中，即使只持续几秒钟这种扩散就会影响以后的过程。如果按照传统方式将与注射到置于基座外部区域基质上的气体相同的气体注射到置于基座中心区域的基质上，由于厚度的变化和副产物的形成，则在中心基质上生成的薄膜的生产能力和质量都变差。
通过消除在其中残留气体的死体积可以解决这个问题。也就是说，仅允许不与基质直接反应的载气流过置于基座中心区域上的基质。
(2)减少由基座旋转引起的滞流，使气流加快、层流平稳。
如果从基座中心区域同时注入不同的气体并流出基座，这些不同的气体就会与在滞流区内不同气体的反应所产生的副产物发生冲撞。这样平稳的层流可能造成在基质内部和外部形成的薄膜的厚度间的巨大差异。这是一个重要的因素，因为薄膜厚度的均匀性决定了半导体器件的质量和生产能力。
按照本发明的实施例，将具体描述化学气相沉积设备，所述的化学汽相沉积设备能满足上述条件，不论基质置于基座的中心区域还是周围区域都能在置于基座的整个区域上的基质上形成均匀的薄膜。
实施例1
如图2所示，按照本发明的第一个实施例所述，化学汽相沉积设备包括一个与外部隔绝并保持真空的反应室100，一个安装于反应室100内部并放有至少一片基质P的基座200，以及一个用来注射不同气体而在置于基座200上的基质P上形成薄膜的气体注射器300。
气体注射器300包括第一气体通道340；第二气体通道350；由图中所示的自上而下排列的隔断310、320和330独立形成的冷却剂通道360；用以注射第一种气体G1的第一气体注射管370；和用以注射第二种气体G2的第二气体注射管380。
为了能沿各自的通道340和350注射第一种和第二种气体G1和G2，管状的第一和第二气体注射管370和380具有各自不同的长度，并且它们的上端入口对应于第一和第二气体通道340和350。
在本实施例中，为了仅把第二气体G2注射到基座200的中心区域210上，对应于中心区域210的区域必须仅安装有第二气体注射管380。也就是说，第一气体注射管370可以安装在除基座200的中心区域210以外的任何区域。
按照本发明实施例中的化学汽相沉积设备的操作方法如下所述。
通过第一气体注射管370将供给第一气体通道340的第一种气体G1注射到基座200上；通过第二气体注射管380将供给第二气体通道350的第二种气体G2注射到基座200上。此时由于两种气体G1和G2直到通过各自的气体注射管370和380时仍是相互分离的，因此这两种不同的气体G1和G2之间几乎不发生反应。通过各自气体注射管370和380的第一种气体G1和第二种气体G2在经过旋转的基座200时分别进行热解，再和热解后的原子重新结合，这样气体G1和G2就可气相沉积在基质P上。同时，注入的气体G1和G2通过旋转的基座200上的基质P。此时第一种气体G1和第二种气体G2在基质P的整个面积上具有均匀的密度(混合物的比例)并相互反应，然后离开基座200。结果在基质P上形成均匀的薄膜。
在用不同的气体G1和G2进行薄膜汽相沉积的过程中，由于对应于基座200中心区域210的区域仅安装有第二气体注射管380，所以在中心区域210处只有第二种气体G2存在。因此在基座200的中心区域210，不发生气体G1和G2之间的反应。第二种气体G2占据了缺乏气体G2的空间，并在离开基座200时与第一种气体G1在基座200的外部区域相遇。此时第二种气体G2与第一种气体G1发生反应并沉积在基质P上。置于基座200上的多个基质P上的气体(其密度：第一和第二种气体G1和G2的混合物比例)不会在一侧聚集，而是在整个范围均匀分布，而且在基座200的中心区域210不发生反应。
实施例2
本实施例中的化学汽相沉积设备基本上与第一个实施例中的化学汽相沉积设备具有相同的结构。但本实施例中的制备过程比第一个实施例的制备过程更简单，在中心区域制备如图2所示的气体注射器时，通过减少气体注射管的数量使气体注射管与隔断间的连接点也减少。这也有效降低了产生的劣质的注射器的数量。
如图3所示，在本实施例中，仅把第二气体G2注射到基座200的中心区域210上，因此在中心区域210上不发生反应。通过这样做，为使暴露于整个基座200上的基质P上能均匀的沉积薄膜，用于分隔第二气体通道350和冷却剂通道360的第二隔断320在对应于基座200中心区域的位置有一个环型的中心部分。也就是说，第二隔断320包括水平部分321和垂直部分322，而垂直部分322是在对应基座200中心区域210的中心部分上形成的。第二隔断320可以是整体结构，在所述整体结构中垂直部分322的下端与第三隔断330在整体上是连接在一起的。
因此，在第三隔断330的中心部分(对应于第二隔断320的中心部分和基座200中心区域210的部分)安装带有注射孔331a的第二气体注射部分331，以便于仅注射第二气体G2。第二隔断320的内部与第二气体通道350相通，并划定出一个第二气体区域390。
在用不同气体G1和G2进行薄膜汽相沉积的过程中，部分载气，如第二气体G2，经第二气体区域390朝第二气体注射部分331的注射孔331a流动。此时，由于从气体注射器中心注射的唯一气体是第二种气体，因此在基座200的中心区域210不发生气体G1和G2之间的反应。第二种气体G2占据了缺乏气体G2的空间，并在离开基座200时与第一种气体G1相遇。此时第二种气体G2与第一种气体G1发生反应并沉积在基质P上。因此，置于基座200上的多个基质P上的气体(其密度：第一和第二种气体G1和G2的混合物比例)不会在一侧聚集，而是在整个范围均匀分布，而且在基座200的中心区域210不发生反应。
实施例3
如图4所示，本实施例中的化学汽相沉积设备基本上与第一个实施例中的化学汽相沉积设备相同。但第二气体注射部分331有一个朝基座200方向凸出的弓形结构，因此通过第二注射部分331的注射孔331a注入的第二种气体G2可以平稳地注入。
按照本实施例，通过第二气体区域390的第二种气体G2经注射孔331引导朝基座200的外围流动，所述注射孔331是朝基座200的周边形成的。因此使基座200的未使用的反应空间和滞流现象最小化，从而增强气体流动。
实施例4
如图5所示，本实施例中的化学汽相沉积设备基本上与第二个实施例中的化学汽相沉积设备相同，并进一步包括一个引导件220。引导件220是在对应于第二气体注射部分331的基座200的中心区域形成的，并可引导从第二气体注射部分331注入的第二种气体G2的流动。
引导件220用于消除从第二气体注射部分331注入的第二种气体G2的滞流现象，因此注射到基座200上的第一和第二气体G1和G2在整个范围内都表现为层流。尽管图5给出了一个凸面形的引导件220，但引导件220的形状并不局限于凸面形结构，有助于第二气体G2流动的任何形状均可。
另外，尽管本实施例中的引导件220仅用于第二个实施例中，但是通过修饰其结构和/或形状也可将引导件220用于第一和第三个实施例中。
图6a和6b表示了依据本发明各个实施例的化学汽相沉积设备在基质上形成的薄膜的厚度和波长PL数据。与图7a中的传统化学汽相沉积设备形成的薄膜的厚度相比，依据本发明各个实施例的化学汽相沉积设备形成的薄膜的平均厚度是3.304μm，增加了8.08％。与图7a中的传统化学汽相沉积设备形成的薄膜的厚度相比，依据本发明各个实施例的化学汽相沉积设备形成的薄膜厚度的标准误差是0.039μm，提高了44.5％。对于相同厚度的薄膜来说，薄膜厚度生长速度的增加可减少气体消耗。从波长PL数据可见，与图7b中的传统化学汽相沉积设备形成的薄膜波长的标准误差相比，本发明中的波长的标准误差是1.317nm，提高了64.1％。这表明当薄膜在基质的整个范围内均匀形成时，波长也是均匀的。换句话说，它证实了可以提高基质的生产能力。
如上所述，按照本发明中所述的化学汽相沉积设备，发生在旋转基座中心区域的反应是受限制的，因此薄膜可以均匀地汽相沉积在暴露于基座整个区域的基质上。表1和2表示了依据本发明实施例的化学气相沉积设备形成的波长PL数据和薄膜的厚度数据。在表1中，与传统化学汽相沉积设备形成的薄膜的厚度和厚度的标准误差相比，本发明的厚度增加了8.08％，厚度的标准误差提高了44.5％。这意味着薄膜厚度生长速度的提高可减少约8％的注入的原料量。
表1
| 传统设备 | 本发明 | 增幅(％) | |
| 平均厚度(μm) | 3.057 | 3.304 | 8.08％ |
| 标准误差(％) | 2.11 | 1.17 | 44.5％ |
在表2中，与传统化学汽相沉积设备形成的薄膜的波长的标准误差相比，本发明中的化学汽相沉积设备形成的薄膜的波长的标准误差提高64.1％。这表明基质的生产能力增强了，因此可形成高质量的薄膜。而且，由于仅有少量副产物产生，可以减少为进行下步过程而消除副产物所需的时间，因此生产能力得到增强。
表2
| 传统设备 | 本发明 | 增幅(％) | |
| 标准误差(nm) | 3.671 | 1.317 | 64.1％ |
表2显示薄膜可以同时在数以十计的基质上生长，而且所有基质上的薄膜厚度的均匀性使高质量薄膜的大规模生产得以实现。
尽管优选的实施例是用于说明本发明的目的的，但是本领域的技术人员可以理解对不超越列于权利要求中的发明范围和主旨的各种修饰、添加和取代。
Claims (5)
1、一种化学汽相沉积设备，包括：
一个与外部隔绝并保持真空的反应室；
一个旋转地安装于反应室内并放有至少一片基质的基座；和
一个注射器，其包括独立形成的第一和第二气体通道，以及在各自入口处连接各自气体通道的用于将各自的第一和第二气体注射到基座上的第一和第二气体注射管，所述注射器独立地注射不同的气体；
其中对应于基座的中心区域的部分仅安装有第二气体注射管，使得仅将第一和第二气体中作为非反应载气的第二气体注射到基座的中心区域。
2、一种化学汽相沉积设备，包括：
一个与外部隔绝并保持真空的反应室；
一个基座，其上放有至少一片基质，且旋转地安装于反应室内；和
一个注射器，其包括独立形成的第一和第二气体通道，以及在各自入口处连接各自气体通道的用于将各自的第一和第二气体注射到基座上的第一和第二气体注射管，所述注射器独立地注射不同的气体；
其中所述注射器进一步包括一个与第二气体通道相连接的气体注射部分，以便将第一和第二气体中仅作为非反应载气的第二气体的载气注射到基座的中心区域。
3、如权利要求2所述的化学汽相沉积设备，其中所述气体注射部分是朝基座方向凸起形成的，以便将第二气体注射到基座的外部。
4、如权利要求2或3所述的化学汽相沉积设备，其中在第二气体通道和气体注射部分之间进一步形成有其截面面积大于其它区域的截面面积的第二气体区域。
5、如权利要求4所述的化学汽相沉积设备，其中对应于气体注射部分的基座进一步形成有一个用以引导从气体注射部分注入的第二气体的气流的引导件。
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| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
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| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |