CN209816328U - 用于外延生长系统的气体注射装置 - Google Patents
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Abstract
本实用新型属于晶体外延生长设备领域，具体涉及一种用于外延生长系统的气体注射装置。包括反应腔；反应腔包括前空腔和后腔，后腔内设有水平基座，下端连接旋转轴，旋转轴延伸至反应腔外；气体注射装置通过前法兰设于反应腔前端；气体注射装置主体为进气法兰，中部设有第二空腔，第二空腔后端与反应腔连通，第二空腔前端面为1/4圆弧形状的曲面；进气法兰顶部开有第一进气口，第二空腔上方设有第一空腔；第一空腔通过歧管构件连接第二空腔；排气装置通过后法兰设于反应腔后端。本实用新型提升了外延层的生长质量，不仅提升了外延层的厚度均匀性，还减少了晶体缺陷的产生，以满足市场对外延层质量日益严格的要求。
Description
技术领域
本实用新型属于晶体外延生长设备领域，具体涉及一种用于外延生长系统的气体注射装置。
背景技术
化学气相沉积(CVD)的原理是化学气体在高温条件下发生化学反应，从而在晶圆基片的表面生长一层晶体。一般化学气相沉积硅外延生长系统通常会包含有以下基本构成：用来承载晶圆基片的反应腔，一个气体控制单元，一个时间频率控制单元，一个加热装置，以及一个晶圆搬运装置。
反应腔是为了提供一个可控的安全的外延生长环境，是硅外延生长系统的关键组件，腔体的框架材质可以是石英、不锈钢、铝，甚至是由不参与反应的惰性气体氛围构成。常规的外延生长反应腔有三种形式，由工艺气体进入方式的不同所区分，其中卧式硅外延生长炉是基片在反应腔内水平放置，载气带着工艺气体从一端流进反应腔，呈水平方向通过基片表面后从反应腔另一端排出。
目前硅外延生长系统一般使用石英材质的反应腔，加热方式采用辐射加热的方式，包括红外加热和紫外加热方式，辐射能量透过石英腔壁被基片和支撑基片的基座吸收，从而加热基片使其温度达到预想温度，而石英反应腔的温度远低于基片，故称为冷壁外延系统。在冷壁外延系统进行工艺处理时，通常通过一种载气夹带着化学反应所需的工艺气体进入反应腔，工艺气体包括硅源气体，刻蚀气体，以及各种掺杂气体等，最常用的载气是氢气，有时也会采用氦气。硅源气体通常是硅烷或硅烷的氯代烃。刻蚀气体通常在工艺过程之初用来对基片的表面进行清理，通常采用氯化氢(HCl)。掺杂气体通常是砷烷、磷烷或硼烷其中的一种。
在现有的外延生长系统中，往往由于反应腔进气气流质量差导致出现一系列问题，这些问题包括基片表面外延层生长不均匀、基片表面存在杂质颗粒、在反应腔内壁以及其他腔内组件表面形成沉积层从而影响正常加热、气体使用率低下、工艺反应速度缓慢等等。这些问题对单片式硅外延生长系统的影响尤为突出，相较多片式外延系统而言，由于每次只处理一个基片，若是向反应腔通入过量的气体，势必会造成极大浪费。而若是气体量不足会导致反应时间延长，对于单片加工的方式来说会明显降低加工效率。单片式硅外延生长系统要求更快速的反应进程来缩短每一个基片的加工周期，同时要求最大限度的减少在除基片以外的反应腔内壁及其他组件表面上产生的沉积物，并且能够采取一种可控的清洗方式来去除这些沉积物。
实用新型内容
本实用新型要解决的技术问题是，克服现有技术中的不足，提供一种用于外延生长系统的气体注射装置。
为解决上述技术问题，本实用新型采用的解决方案是：
一种用于外延生长系统的气体注射装置，包括反应腔、气体注射装置与排气装置；
反应腔包括前空腔和后腔，后腔内设有水平基座，基座上端面用于放置衬底，下端连接旋转轴，旋转轴延伸至反应腔外，并与外部的驱动装置相连；
气体注射装置通过前法兰设于反应腔前端；气体注射装置主体为进气法兰，中部设有第二空腔，第二空腔后端与反应腔连通，第二空腔前端面为1/4圆弧形状的曲面；进气法兰顶部开有第一进气口，第二空腔上方设有第一空腔，第一进气口与第一空腔通过通道相连；第一空腔包括两部分，即左侧的气体缓冲腔A和右侧的气体分配室B；第一空腔通过歧管构件连接第二空腔；气体注射装置前端连接封板，封板后端设有一水平凸起，凸起的上表面为圆弧曲面，形状与第二空腔的前端形状相适配；
排气装置通过后法兰设于反应腔后端。
作为一种改进，气体注射装置与前法兰相接触的配合面间设有O型圈或其他密封件。
作为一种改进，排气装置与后法兰相接触的配合面间设有O型圈或其他密封件。
作为一种改进，岐管构件包括底板，底板水平方向上沿直线布有若干孔组，每个孔组内包括若干有一定间隔、孔径相同的竖向通孔；位于正中位置的孔组直径最大，两侧的孔组关于正中孔组对称，且孔组的孔径自中间向两侧递减。
作为一种改进，第二空腔前端圆弧曲面右端点的高度与第二空腔的下底面等高，即第二空腔前侧的圆弧曲面与下底面是圆滑过渡的。
作为一种改进，岐管构件上的通孔形状为圆形、正方形或正六边形。
与现有技术相比，本实用新型的技术效果是：
通过独特的气体路径控制和流速分配，保证了工艺混合气体的均匀性的同时，实现了工艺气体与衬底沉积区的均匀接触，从而提升了外延层的生长质量，不仅提升了外延层的厚度均匀性，还减少了晶体缺陷的产生，以满足市场对外延层质量日益严格的要求。
附图说明
图1为本实用新型工作原理示意图；
图2为本实用新型的侧面局部剖视图；
图3为本实用新型的侧面局部剖视图；
图4为本实用新型中的岐管构件的俯视图；
图5为为本实用新型的提供工艺气体的管路示意图。
附图标记为：1-气体注射装置；11、12、13、14、15、35-工艺气体气流；2-反应腔；3-排气装置；31-前法兰；32-旋转轴；33-后法兰；34-配合面；35-工艺气体流；4-基座；40-进气法兰；41-封板；42-岐管构件；43-凸起；45-第一进气口；5-衬底；51、52、53、54、55、56、57、58、59-孔组；6-前空腔；61、62、63、64、65-通孔；7-后腔；71-气罐；72、74-管道；73-阀门。
具体实施方式
下面结合附图，对本实用新型的具体实施方式进行详细描述。附图中的单向直箭头表示气体流向。
如图2所示，本实用新型提供的一种用于外延生长系统的气体注射装置，包括反应腔2、气体注射装置1与排气装置3。
反应腔2包括前空腔和后腔，后腔内设有水平基座4，基座4上端面用于放置衬底5，下端连接旋转轴32，旋转轴32延伸至反应腔2外，并与外部的驱动装置相连。由外部驱动装置带动基座4进行旋转或抬升，在工艺反应时，基座4带动衬底5匀速旋转，使得衬底5与工艺气体流进行更充分的接触，在提高工艺气体利用率和沉积均匀性的同时，能够有效的加快反应速度，提升系统生产效率。
气体注射装置1通过前法兰31设于反应腔2前端。排气装置3通过后法兰33设于反应腔2后端。排气装置3与后法兰33相接触的配合面间设有O型圈或其他密封件。
气体注射装置1与前法兰31相接触的配合面34间设有O型圈或其他密封件。以保证气体不会从配合面和前法兰31之间泄露，密封件没有在图中标出。
气体注射装置1主体为进气法兰40，中部设有第二空腔，第二空腔后端与反应腔2连通，第二空腔前端面为1/4圆弧形状的曲面。所述进气法兰40顶部开有第一进气口45，第二空腔上方设有第一空腔，第一进气口45与第一空腔通过通道相连，第一空腔包括两部分，即左侧的气体缓冲腔A和右侧的气体分配室B。第一空腔通过歧管构件42连接第二空腔。气体注射装置1前端连接封板41，封板41后端设有一水平凸起43，凸起43的上表面为圆弧曲面，形状与第二空腔的前端形状相适配。
第二空腔前端圆弧曲面右端点的高度与第二空腔的下底面等高，即第二空腔前侧的圆弧曲面与下底面是圆滑过渡的。
如图3所示，当工艺气体从第一进气口45进入气体注射装置1时，首先通过一段狭长的通道从上到下以一定的入射角度进入第二进气口，由于通道变窄，工艺气体在进入第二进气口之前被增压，从而快速进入气体缓冲腔A，经过气体缓冲腔A腔壁的反射，减速的气体回流与增压气流混合一起进入到气体分配室B。由于工艺气体是由载气(通常是氢气)夹带着硅源气体或其他掺杂气体构成，在进入工艺反应腔2之前的管道中时，由于管路狭窄且流速较快，各种气体来不及充分混合，针对这点，改进的气体注射装置1设置了缓冲腔，工艺气体在气体缓冲腔A中进一步混合达到更均匀的状态。
如图4所示，歧管构件42的材料是不锈钢，岐管构件42上部为气体分配室的下底板，在下底板上分布有若干组孔，分别为孔组51至59，孔组51位于中央，其余孔组呈对称分布，即孔组52与孔组53对称，孔组54与孔组55对称，孔组56与孔组57对称，孔组58与孔组59对称。孔组51的各个通孔直径最大，孔组52与53次之，越靠近两端孔径越小，即通孔61＞孔62＞孔63＞孔64＞孔65。在本实施方式中，各个通孔为圆孔。工艺气体在气体分配室B中的气压是均匀的，当工艺气体通过孔组44后，在相同大小的截面中，由于通过孔组中间即孔组51的气体流量最大，根据公式：流速＝单位时间流量/截面面积。同理，气流进入第二空腔后呈现中间流速快，两端流速慢的气流分布。
如图5所示，气罐71为工艺气体供给来源，工艺气体通过管道72到达阀门73，阀门73控制工艺气体的通断，当阀门73打开时，工艺气体通过管道74进入气体注射装置21的第一进气口45。工艺气体不仅限于硅源气体，也可以是氢气、氮气等作为清洗或载气作用的气体，还可以是各种掺杂气体如磷烷(PH3)和硼烷(B2H6)等等。
本实用新型原理为：
根据康达效应(Coanda Effect)：流体与它流过的物体表面之间存在表面摩擦时，只要曲率不大，流体将离开本来的流动方向，改为随着凸出的物体表面流动的倾向，即附壁作用。故工艺在从第二进气口出来后在曲面上产生附壁效果的气流，沿着曲面做90°的转向后，以水平方向流出第三进气口，再通过空腔6后到达衬底5的上表面，工艺气体流如图4中箭头35所示。由于附壁作用，工艺气体流35保持从孔组55—59流出时的气体流速分布，且为层流状态。
如图1所示，本实用新型中，工艺气体通过气体注射装置1进入反应腔2，工艺气体气流如箭头11、12、13、14和15所示，气体流11、12、13、14和15流速是不相同的，图中箭头长度代表气流的流速，气流13的流速较高，气流12和气流14次之，气流11和15最低。工艺气体成一定的速度分布通过反应腔2的中空内部6，再通过基座4以及放置在基座4上的衬底5上方，在衬底5的表面发生沉积反应，最终通过排气装置3排出腔体。在气体被输送到排气装置3之前，它通过衬底5上的不同长度路径L1、L2和L3。
最后需要注意的是，以上列举的仅是本实用新型的具体实施例。显然，本实用新型不限于以上实施例，还可有很多变形。本领域的普通技术人员能从本实用新型公开的内容中直接导出或联想到的所有变形，均应认为是本实用新型的保护范围。
Claims (6)
1.一种用于外延生长系统的气体注射装置，其特征在于，包括反应腔、气体注射装置与排气装置；
所述反应腔包括前空腔和后腔，后腔内设有水平基座，基座上端面用于放置衬底，下端连接旋转轴，旋转轴延伸至反应腔外，并与外部的驱动装置相连；
所述气体注射装置通过前法兰设于反应腔前端；所述气体注射装置主体为进气法兰，中部设有第二空腔，第二空腔后端与反应腔连通，第二空腔前端面为1/4圆弧形状的曲面；所述进气法兰顶部开有第一进气口，第二空腔上方设有第一空腔，第一进气口与第一空腔通过通道相连，第一空腔包括两部分，即左侧的气体缓冲腔A和右侧的气体分配室B；第一空腔通过歧管构件连接第二空腔；气体注射装置前端连接封板，封板后端设有一水平凸起，凸起的上表面为圆弧曲面，形状与第二空腔的前端形状相适配；
所述排气装置通过后法兰设于反应腔后端。
2.根据权利要求1所述的一种用于外延生长系统的气体注射装置，其特征在于，所述气体注射装置与前法兰相接触的配合面间设有O型圈或其他密封件。
3.根据权利要求1所述的一种用于外延生长系统的气体注射装置，其特征在于，所述排气装置与后法兰相接触的配合面间设有O型圈或其他密封件。
4.根据权利要求1所述的一种用于外延生长系统的气体注射装置，其特征在于，所述歧管构件包括底板，底板水平方向上沿直线布有若干孔组，每个孔组内包括若干有一定间隔、孔径相同的竖向通孔；位于正中位置的孔组直径最大，两侧的孔组关于正中孔组对称，且孔组的孔径自中间向两侧递减。
5.根据权利要求1所述的一种用于外延生长系统的气体注射装置，其特征在于，所述歧管构件上的通孔形状为圆形、正方形或正六边形。
6.根据权利要求1所述的一种用于外延生长系统的气体注射装置，其特征在于，第二空腔前端圆弧曲面右端点的高度与第二空腔的下底面等高，即第二空腔前侧的圆弧曲面与下底面是圆滑过渡的。
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