TW201318706A - 帶冷卻系統的氣體注入裝置 - Google Patents

Abstract

本發明公開了一種帶冷卻系統的氣體注入裝置及製造該裝置的方法，在上層板上設置第一組複數個孔，在下層板上設置第二組複數個孔及第三組複數個孔，一組導管插入第一組複數個孔及第二組複數個孔，該下層板的兩組複數個孔隨著小孔深度的變化直徑發生變化，該下層板的上表面的小孔直徑大於該下表面的小孔直徑；該下層板內設置有冷卻管道。通過上下兩層板和頂壁形成兩個相對獨立的空間，用以保持兩組氣體在進入反應腔前保持相互獨立。本發明設計簡單，同時帶有冷卻系統，使得本發明該氣體注入裝置在滿足需要的同時降低了成本。

Description

帶冷卻系統的氣體注入裝置

本發明關於將氣體注入反應腔技術領域，尤其是關於一種帶冷卻系統並將氣體注入反應腔後混合的裝置。

目前，已有多種反應腔應用於半導體器件、平板、太陽能電池等的製造，例如：化學氣相沉澱(CVD)、等離子體增強化學氣相沉澱(PECVD)，金屬有機化合物化學氣相沉澱(MOCVD)、汽相外延生長(VPE)等。在實際應用中，反應氣體在進入反應腔前不能混合，因此人們提出各種各樣的噴淋頭設計來保證反應氣體在進入反應腔前保持相互隔離。此外，有效地對噴淋頭進行冷卻對反應效果也有很好的幫助，在很多應用中採用包括水在內的流體進行冷卻，相關設計可參見美國專利5,871,586和美國公開專利申請檔2010/0170438和2011/0052833。

然而，習知技術設計非常複雜，且製作費用昂貴，由於反應氣體在進入反應腔前需要保持相對獨立，這就要求噴淋頭有多個層板和複雜的管路設計，此外，冷卻系統必須能有效地阻止上升的溫度以防止造成任何滲漏，這導致了噴淋頭設計的複雜和製造成本的增加，因此，在滿足反應氣體相對獨立且有冷卻系統的前提下，需要設計一種簡單且製造成本較低的噴淋頭。

為了解決習知技術的問題，本發明提供一種帶冷卻系統的氣體注入裝置。

本發明的目的是這樣實現的，一種帶冷卻系統的氣體注入裝置，分別輸送第一氣體和第二氣體到反應腔中，該氣體注入裝置，包括：一上層板和一下層板，上層板帶有一組複數個具有第一直徑的孔，下層板帶有與該上層板的小孔相對應的第二組複數個孔，第一組複數個孔的每個小孔和第二組複數個孔的每個小孔位置相對應；下層板還帶有第三組複數個孔，第二組複數個孔和第三組複數個孔隨著小孔深度的變化直徑發生變化，使得每個小孔的氣體進入口直徑大於氣體輸出口直徑；第一組複數個孔和第二組複數個孔內插入並固定一組複數個導管，該複數個導管分別與該兩組複數個孔密封的連接。

導管插入下層板內並穿過下層板一部分。

該第二組複數個孔氣體進入口直徑為第一直徑。

該複數個導管與該第一組複數個孔和該第二組複數個孔密封的連接。

下層板還包括第三組複數個孔，第三組複數個孔內插入第二組導管。

下層板還包括冷卻管道和密封環，密封環固定到下層板並密封冷卻管道。

本發明還包括了一個帶有氣體注入裝置的反應腔，其中反應腔包括一頂壁，一側壁和一底壁；一個基座正對該頂壁設置，基座與頂壁之間的區域為加工區域；該頂壁下設置一氣體注入裝置，氣體注入裝置包括：一上層板安裝在頂壁下，與頂壁形成第一氣體隔離區，上層板上設置第一組複數個孔；一下層板下表面暴露于加工區，上表面面對上層板，下層板與該上層板形成第二氣體隔離區，該下層板設置第二組複數個孔與該上層板第一組複數個孔的每個孔的位置相對應，該下層板還設置第三組複數個孔用於將第二氣體隔離區內的第二氣體注入加工區內；複數個導管，每個導管插入該上層板的第一組孔的一個孔和位置相對應的第二組孔的一個孔，形成傳遞第一氣體隔離區中的第一氣體的通道，該複數個導管和該兩組孔密封的連接。

下層板包括一冷卻管道用以存放迴圈冷卻液。

該上層板的第一組複數個孔直徑具有第一直徑，下層板的第二組複數個孔在該下層板上表面直徑為第一直徑，在該下層板的下表面直徑為第二直徑，該第二直徑小於第一直徑。

該下層板的第三組複數個孔在該下層板下表面孔的直徑和該第二直徑相匹配。

該複數個導管密封的焊接到該上層板和該下層板。

本發明也提供一種製造該氣體注入裝置的方法，包括：製作一個上層板，在該上層板上按照第一直徑鑽制第一組複數個孔；製作一個下層板，在該下層板上鑽制第二組複數個孔，第二組孔的每個小孔和該第一組孔的每個小孔位置相對應

在該下層板上鑽制第三組複數個孔，該第三組孔的每個孔從上表面開始按照第一直徑鑽制深度小於下層板厚度的進氣孔，然後從下層板的下表面開始鑽制第二直徑的出氣孔與從上表面開始鑽制的進氣孔連通，將一組複數個導管插入並固定到該上層板的第一組複數個孔和該下層板的第二組複數個孔的進氣口。固定方法為焊接。

該第二組複數個孔的進氣孔鑽制時在該下層板上表面按照第一直徑鑽入一小於該下層板厚度的深度，從該下層板下表面按照第二直徑鑽制出氣孔至與從上表面開始鑽制的進氣孔連通，第一直徑大於第二直徑。

下層板內設置一冷卻管道，冷卻管道上設置一密封部件。

本發明還包括一種將兩種氣體獨立的注入反應腔的氣體注入裝置，其中包括：一帶有第一組複數個孔的上層板，該第一組複數個孔的直徑為第一直徑；一包括上表面和下表面的下層板，該下表面暴露于反應區中，該上表面面對該上層板，該下層板設置有第二組複數個孔和第三組複數個孔，該第二組複數個孔與該上層板的第一組複數個孔位置相對應，一組導管插入該第一組複數個孔和第二組複數個孔的部分深度，使該導管不能到達該下層板下表面，並且該導管外壁和該小孔內壁密封設置。

本發明結構簡單、易於製作，只包括兩個層板，上層板的第一組孔直徑大於實際需要的直徑，鑽孔簡單且價格低廉，下層板的兩組孔設置為兩種不同的直徑，使得需要注入氣體的小孔深度較淺，易於製作。導管與兩層板進行焊接，保證兩種氣體在各自獨立的空間內。冷卻導管可以設置為冷卻管道加密封環的形式，也可以採用在下層板內部設置導管的形式。

通過閱讀參照以下附圖對非限制性實施例所作的詳細描述，本發明的其他特徵、目的和優點將會變得更明顯：如下附圖構成了本說明書的一部分，和說明書一起列舉了不同的實施例，以解釋和闡明本發明的宗旨。以下附圖並沒有描繪出具體實施例的所有技術特徵，也沒有描繪出部件的實際大小和真實比例。

本發明實施例提供的氣體噴淋頭，製作簡單，需要的構件減少，製作成本降低，總體來說，本發明的各實施例該噴淋頭雖然僅包括兩個層板，但能獨立的注入反應氣體，同時還能冷卻下層板。

實施例1：如圖1顯示一包括帶冷卻系統的氣體注入裝置的反應腔，包括反應腔100，反應腔100上方設置一氣體注入裝置120也可稱為氣體噴淋頭，圖1顯示的為氣體噴淋頭120的整體結構，細節的描述在其他圖中顯示。圖1中，反應腔100包括一外殼105，外殼105通過真空泵110使反應腔100保持真空，基架111支撐一個或多個待加工的基板115，氣體注入裝置120用於將處理第一氣體和處理第二氣體注入反應腔100內，處理第一氣體和處理第二氣體在進入反應腔100前彼此要保持分離，進入反應腔100後混合並發生反應，從而對基板115提供所需的處理。

如圖1所示，氣體注入裝置120包括下層板122和上層板425，下層板122與基板115相對，上層板125位於下層板122和外殼105頂壁107之間。這樣，上層板125和頂壁107之間形成擴散區129，第一氣體被輸送到擴散區129內，通過導管127注入反應區117內，上層板125和下層板122形成擴散區123，第二氣體被輸送到擴散區123，通過導管124注入反應區117。冷卻液，例如冷卻水，被輸送到冷卻管道126中用以冷卻氣體注入裝置120，一個水或者其他流體的冷卻系統(圖中未顯示)與冷卻管道126連接，用於對管道內的水或者其他流體進行冷卻。

根據圖1所示，氣體注入裝置120包括上層板125和下層板122，上層板製作簡單，在一個平盤上設置一組複數個孔，能容第一組導管127穿過，導管127長度足以插入下層板122的小孔內。下層板122為在一個平盤上設置兩組複數個孔，第一組複數個孔內插入導管127，第二組複數個孔內插入第二組導管124，導管124長度短於導管127，圖1中，導管124和導管127的直徑相同，但是也可以設置為不同，下層板122另包括多個可以用多種結構的冷卻管道或者管道126。製造過程中，焊接材料可以用於導管或層板，也可都用。第一組導管127和第二組導管124各自插入對應的上下層板中的小孔後整個組件被加熱，將兩組導管和上下層板焊接在一起並使導管外壁與上下板的小孔內壁密封。

根據圖1顯示的實施例，氣體注入裝置120能將第一氣體和第二氣體單獨容納和傳送，只有當第一氣體和第二氣體進入反應區域117後才能發生混合，完成基板處理所需的化學反應。能量釋放器如等離子體、加熱燈等可以提供引發兩種氣體進行化學反應的必要能量。

圖1顯示反應氣體和冷卻流體從多個地方注入，然而，容易理解的是，每種氣體都是通過各自對應的一個輸入口輸入。冷卻流體通過迴圈的進入冷卻裝置或熱量傳遞裝置能很好的達到冷卻效果，因此，為了能保持氣體注入裝置120的穩定溫度，要設置至少一個冷卻流體入口和至少一個冷卻流體出口，也可以用多個冷卻流體入口和出口來實現溫度的控制。

在很多應用中要求氣體能從氣體注入裝置的多個直徑很小的孔輸出，然而，製作小直徑圓孔的花費昂貴，有時甚至需要極為先進的鑽孔技術，如鐳射鑽孔，此類鑽孔技術在製作的小孔具有高深寬比(深度比直徑)和非常小的直徑時很難達到要求。在本發明公開的技術方案中，小孔製作的複雜程度和花費成本都大大降低，詳細設計見圖2A-2D。

圖2A顯示本發明實施例中氣體注入裝置的橫截面示意圖，圖2A所示的氣體注入裝置包括兩個層板：下層板222和上層板225。圖2B顯示上層板225的俯視圖，上層板225製作技術相對簡單，在一個平盤上製作一組複數個孔221，小孔221的直徑可以大於氣體注入反應腔所需的直徑。也就是小孔221不需要很小，而是可以根據制做簡易的需要選擇孔的直徑。圖2C顯示下層板222的俯視圖，下層板222包括兩組複數個孔，一組和上層板225的小孔221的位置相對應，另一組複數個孔233用於將第二種氣體注入反應腔內。在本實施例中，下層板222的兩組複數個孔直徑隨孔深增加會發生一次變化，每個小孔的上表面的直徑244大於下表面的直徑246，下表面的小孔直徑246見圖2D所示的下層板222的仰視圖。下表面小孔直徑246能按照需要將兩種氣體注入反應腔。但是在製作時，不是在下層板222整個厚度上鑽出精確的小直徑的孔，而是直徑大一點的小孔244從下層板222的上表面開始鑽孔到一定深度，但未穿透下層板，直徑小一點的小孔246從下層板222的下表面開始鑽孔，穿透下層板到達小孔244下端，本實施例可從圖2A中清楚地看出。

在本實施例中，冷卻管道設置在下層板222中，一個簡單的製作方法為在下層板222的上表面切割出一組管道，比如在下層板的上表面。然後焊接密封環228以密封管道226，如圖2A所示。

氣體注入裝置120在組裝時，將長導管227插入上層板225第一組複數個孔221和下層板222第二組複數個孔231直徑較大的一端，將短導管224插入下層板222第三組孔233直徑較大的一端。由於下層板222的兩組孔直徑隨孔深變化發生變化，兩組導管均為到達下層板222的下表面，未暴露到入反應腔內表面。然後將整個氣體注入裝置120放入爐中加熱以將導管227、224和密封環228與上下層板的接觸面進行焊接。

圖3A-3D顯示本發明的另一個實施例，本實施例的原理與上述圖2A-2D該實施例相同，除了採用3xx系列來編號外，部件也與上一個實施例中具有相應編號的部件類似。本實施例與上述實施例相比有兩個不同：第一，密封環328設置在下層板322的下底面，這意味著冷卻管道是從下表面進行機械加工制得，當然，其他方式也可以用於製造冷卻管道，例如，如果下層板是用陶瓷材料燒制的，冷卻管道可以在陶瓷材料燒制前設置。

圖3A-3D顯示了一種在下層板322的第三組孔333內不插入導管的可能性。導管327仍插入上層板325第一組孔331，和下層板322第二組孔內322，第一氣體通過導管327進入反應腔內，進入反應腔前不與第二氣體混合。同樣導管327部分的插入下層板322的第一組孔331內，未暴露在反應腔中，當反應腔中存在等離子體時，導管327不與等離子體接觸。

在上述實施例中，通過採用密封環，使得冷卻管道設計簡單，價格低廉。當然也可以採用將冷卻管道設置在下層板內部不用密封環的結構，採用該設計方案雖然會增加製作的複雜程度，但是從本質上杜絕了洩露的問題，如圖4A-4D所示。本實施例部件標號和上述實施例相同，採用的是4xx系列，部件也與上一個實施例中具有相應編號的部件類似，4A-4D顯示的實施例該技術方案和3A-3D顯示的實施例的技術方案大致相同，區別在於本實施例的冷卻管道426位於下層板內部。

本發明實施例該氣體注入裝置結構簡單，易於製作，整個噴淋頭結構只包括兩個層板，上層板的第一組孔直徑大於實際需要的直徑，鑽孔簡單且價格低廉，下層板的兩組孔設置為兩種不同的直徑，使得需要注入氣體的小孔深度較淺，易於製作。導管與兩層板進行焊接，保證兩種氣體在各自獨立的空間內。冷卻管道可以設置為冷卻管道加密封環的形式，也可以採用在下層板內部設置管道的形式。

本發明雖然以較佳實施例公開如上，但其並不是用來限定本發明，任何本領域技術人員在不脫離本發明的精神和範圍內，都可以做出可能的變動和修改，因此本發明的保護範圍應當以本發明申請專利範圍所界定的範圍為准。

100．．．反應腔

105．．．外殼

107．．．頂壁

110．．．真空泵

111．．．基架

115．．．基板

117．．．反應區

120．．．氣體注入裝置

122．．．下層板

123．．．擴散區

124．．．導管

125．．．上層板

126．．．冷卻管道

127．．．導管

129．．．擴散區

221．．．第一組孔

222．．．下層板

224．．．短導管

225．．．上層板

227．．．長導管

228．．．密封環

231．．．第二組孔

233．．．第三組孔

244．．．孔

246．．．孔

321．．．孔

322．．．下層板

325．．．上層板

327．．．導管

328．．．密封環

331．．．第一組孔

332．．．第二組孔

333．．．第三組孔

344．．．孔

346．．．孔

421．．．孔

422．．．下層板

425．．．上層板

426．．．管道

427．．．導管

431．．．第一組孔

433．．．第三組孔

444．．．孔

446．．．孔

圖1顯示帶有一個本發明氣體噴淋頭實施例的反應腔結構示意圖；

圖2A顯示本發明一個實施例的氣體噴淋頭截面示意圖；可以與圖1所示的反應腔配合一起使用

圖2B為圖2A所述實施例氣體注入裝置的上層板俯視圖；

圖2C-2D為圖2A所述實施例氣體注入裝置的下層板俯視圖和仰視圖；

圖3A-3D為另一實施例的氣體注入裝置的結構示意圖；

圖4A-4D為另一實施例的氣體注入裝置的結構示意圖。

100．．．反應腔

105．．．外殼

107．．．頂壁

110．．．真空泵

111．．．基架

115．．．基板

117．．．反應區

120．．．氣體注入裝置

122．．．下層板

123．．．擴散區

124．．．導管

125．．．上層板

126．．．冷卻管道

127．．．導管

129．．．擴散區

Claims (20)

1. 一種帶冷卻系統的氣體注入裝置，分別輸送第一氣體和第二氣體到反應腔中，該帶冷卻系統的氣體注入裝置包括：一上層板，該上層板帶有第一組複數個孔；一下層板，該下層板帶有與該上層板的小孔相對應的第二組複數個孔，該第一組複數個孔的每個小孔和該第二組複數個孔的每個小孔位置相對應，該下層板還帶有第三組複數個孔，該第二組複數個孔的直徑及該第三組複數個孔的直徑隨著深度變化，使得該第二組複數個孔的每個小孔及該第三組複數個孔的每個小孔的氣體進入口直徑大於氣體輸出口直徑，該第一組複數個孔和該第二組複數個孔內插入並固定複數個導管，該複數個導管分別與該第一組複數個孔及該第二組複數個孔密封地連接。
2. 如申請專利範圍第1項所述的一種帶冷卻系統的氣體注入裝置，其中該第二組孔的進氣口直徑為第一直徑。
3. 如申請專利範圍第2項所述的一種帶冷卻系統的氣體注入裝置，其中該導管與該第一組孔及該第二組孔焊接密封。
4. 如申請專利範圍第3項所述的一種帶冷卻系統的氣體注入裝置，其中該下層板還包括第三組複數個孔，該第三組複數個孔內插入第二組管道。
5. 如申請專利範圍第1項所述的一種帶冷卻系統的氣體注入裝置，其中該下層板還包括冷卻管道。
6. 如申請專利範圍第5項所述的一種帶冷卻系統的氣體注入裝置，其中還包括密封環固定到下層板以密封冷卻管道。
7. 如申請專利範圍第1項所述的一種帶冷卻系統的氣體注入裝置，其中該第一組複數個導管插入該下層板內並穿過該下層板一部分。
8. 一種帶有氣體注入裝置的反應腔，其中該反應腔包括一頂壁、一側壁、及一底壁，一個基座正對該頂壁設置，該基座與該頂壁之間的區域為加工區域，該頂壁下設置該氣體注入裝置，該氣體注入裝置包括一上層板、一下層板、及複數個導管，該上層板安裝在該頂壁下，該上層板與該頂壁形成第一氣體隔離區，該上層板上設置第一組複數個孔，該下層板下表面暴露于該加工區域而上表面面對該上層板，該下層板與該上層板形成第二氣體隔離區，該下層板設置第二組複數個孔與該上層板第一組複數個孔的每個孔位置相對應，該下層板還設置第三組複數個孔而用於將第二氣體隔離區內的第二氣體注入加工區內，每個複數個導管插入該上層板的第一組孔的一個孔和位置相對應的第二組孔的一個孔，形成傳遞第一氣體隔離區中的第一氣體的通道，該複數個導管與該第一組孔及該第二組孔密封地連接。
9. 如申請專利範圍第8項所述的帶有氣體注入裝置的反應腔，其中該下層板包括一冷卻管道，以存放迴圈冷卻液。
10. 如申請專利範圍第8項所述的帶有氣體注入裝置的反應腔，其中該下層板的第二組孔的每個孔在該下層板上表面直徑為第一直徑，在該下層板的下表面直徑為第二直徑，該第二直徑小於該第一直徑。
11. 如申請專利範圍第10項所述的帶有氣體注入裝置的反應腔，其中該上層板的第一組複數個孔的每個孔的直徑為第一直徑。
12. 如申請專利範圍第10項所述的帶有氣體注入裝置的反應腔，其中該下層板的第三組複數個孔在該下層板下表面的直徑和該第二直徑相匹配。
13. 如申請專利範圍第8項所述的帶有氣體注入裝置的反應腔，其中該複數個導管密封地焊接到該上層板和該下層板。
14. 一種製造氣體注入裝置的方法，包括：製作一個上層板，在該上層板上按照第一直徑鑽制第一組複數個孔；製作一個下層板，在該下層板上鑽制第二組複數個孔，該第二組孔的每個小孔和該第一組孔的每個小孔位置相對應；在該下層板上鑽制第三組複數個孔，該第三組孔的每個孔從上表面開始按照第一直徑鑽制深度小於下層板厚度的進氣孔，然後從下層板的下表面開始鑽制第二直徑的出氣孔與從上表面開始鑽制的進氣孔連通；將一組複數個導管插入並固定到該上層板的第一組複數個孔和該下層板的第二組複數個孔的進氣口。
15. 如申請專利範圍第14項所述的方法，其中該第二組複數個孔的進氣孔鑽制時在該下層板上表面按照第一直徑鑽入一小於該下層板厚度的深度，從該下層板下表面按照第二直徑鑽制出氣孔至與從上表面開始鑽制的進氣孔連通，該第一直徑大於第二直徑。
16. 如申請專利範圍第15項所述的方法，其中該第一直徑與該上層板的第一組複數個孔直徑相等。
17. 如申請專利範圍第14項所述的方法，其中該下層板內包括一冷卻管道。
18. 如申請專利範圍第17項所述的方法，其中該冷卻管道上設置一密封部件。
19. 如申請專利範圍第14項所述的方法，其中該固定方法為焊接。
20. 一種將兩種氣體獨立的注入反應腔的氣體注入裝置，包括：一帶有第一組複數個孔的上層板，該第一組複數個孔的直徑為第一直徑；一包括上表面和下表面的下層板，該下表面暴露于反應區中，該上表面面對該上層板，該下層板設置有第二組複數個孔及第三組複數個孔，該第二組複數個孔與該上層板的第一組複數個孔位置相對應；一組複數個導管，插入該第一組複數個孔及第二組複數個孔的部分深度，使該複數個導管不能到達該下層板下表面，並且該複數個導管和該第一組複數個孔及第二組複數個孔密封地連接。