TWI384089B - Ｃｖｄ反應器之進氣機構 - Google Patents

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Description

CVD反應器之進氣機構
本發明係有關一種CVD反應器之進氣機構，其包括一底部具複數個流出孔的室，由周邊流入口流入室中的反應氣體，可經該底部流出孔流入CVD反應器之反應室中。
本發明尚有關一種設有該種進氣機構之CVD反應器。
EP 1 252 363 B1及EP 0 687 749 A1曾提出此種進氣機構。習知之進氣機構具多個上下設置的室，其各經數個通道與底部連接，故流入各室的不同反應氣體可由進氣機構底部穿孔流出。氣體於是進入位在進氣機構底部下方的反應室中，該反應室底部由一基板座構成，基板座上放置一或多個基板，其被塗佈由進入反應室之反應氣體輸入的成分。該進氣機構係用於MOCVD製程。
金屬有機化學氣相沉積(MOCVD)是一廣泛使用之方法，其可沉積一或多成分氧化物隔離薄膜(介電質)，半導體薄膜、被動薄膜或導電薄膜。其使多種反應氣體及氣態前趨物彼此混合並輸入一反應室中，而在一加熱基板上沉積出一層薄膜，剩餘氣體則被抽出。其反應器具不同幾何設計，例如，水平或垂直反應器。水平反應器之基板表面，平行於混合前趨物與反應氣體之流動方向。垂直反應器之氣體混合物，垂直於基板表面，並流向基板邊緣而離開反應室。一般而言，基板旋轉可提高沉積薄膜之均勻度。
為均勻地沉積於基板上，需充分混合不同氣態前趨物及反應氣體。為此，可在輸入反應室前混合氣體。此種混合適合在氣體分配器之溫度及壓力下為穩定的前趨物及反應氣體。
但，所使用前趨物經常具高反應性，氣相反應產生的副產物導致沉積，而污染輸送氣體至基板之元件，產生顆粒而使顆粒覆蓋基板，改變反應機構並降低成長效率。
習知多室氣體分配器(比較US 5871586)使不同氣體輸送至不同的室，並經複數穿孔直接輸送至基板。混合直接發生於基板處。有些氧化物隔離薄膜(介電質)、被動薄膜或導電薄膜，使用此種混合方法無法在基板上得到均勻的薄膜。某些用途之基板表面沉積薄膜均勻度的要求例如為<＋－1%。
許多氣態金屬有機前趨物只在小範圍的溫度下為穩定。金屬有機前趨物可含有至少一金屬原子，及/或至少一半導體原子(例如Si,Ge)。溫度太低時會出現凝結，溫度太高時會在與其他反應氣體混合前就出現解離。
本發明之目的在於提供一種方法，以改良進氣機構之作用方式。
本目的由申請專利範圍中所述之本發明達成，其各提出一項特徵，但每一項申請專利範圍之特徵亦可與其他申請專利範圍之特徵組合。
依據申請專利範圍第1項，流入口至少設一混合室單元，至少兩反應氣體在該混合室單元內互相混合。故氣體在進入進氣機構中心室時已互相混合，而以混合狀態由底部流出孔流入反應室中。有利的是，使中心室被一環形分配道環繞。該環形分配道具複數個朝向進氣機構中心室之穿孔，已混合之反應氣體由該穿孔流入中心室。中心室可為圓盤形。環形分配道環繞中心室而為圓環形。在一實施例中，由混合室單元流出的氣流，被偏轉向環形分配道的方向。為此，使用一氣流導引件，其簡單地由一金屬板條構成。
該氣流導引件呈葉片狀伸入環形分配道，以將氣流導向一特定流動方向。在一優先實施例中，複數個混合室單元均勻分佈在圓周方向上。最好是沿環形分配道等角度設置多個，尤其是至少四個，特別是六個混合室單元。混合室設在徑向外側。在一實施例中，混合室單元包含二或多個室。該兩室各連接一輸入管，而各輸入一反應氣體。只有一室直接與環形分配道及中心室直接連接。該兩室優先以一可使氣體通過之分隔壁彼此分離。該分隔壁可使輸入混合室單元第二室之第二反應氣體流入混合室單元第一室中，而與第一反應氣體一起流入環形分配道中。可使氣體通過之分隔壁最好由一可被更換之孔板構成，故可配合反應室之製程。可使氣體通過之分隔壁一凸緣構成氣流導引件。有利的是，使一或數種氣態前趨物及一或數種化學反應氣體分開輸入至少為一個的混合室單元中並在其內混合。氣體離開混合室單元後，以圓周方向流入環形分配道。然後，經環形分配道穿孔，徑向地流入進氣機構內部空間。進氣機構內部空間設複數個流出孔。混合氣體由該蓮蓬頭狀之流出孔流入反應室中。最好至少設四個混合室單元。每一混合室單元至少包含一反應室，一化學反應氣體被輸入其中。此外，並包含至少一前趨物室，至少一氣態前趨物被輸入其中。混合室單元上使氣體流入環形分配道之氣體流出口，最好設在前趨物室上。前趨物可含一金屬成分，而反應氣體可含氧或氮。氣體均勻地由中心室底部的流出孔流出。環形分配道可由一金屬板環形溝槽構成，而該金屬板內設有複數個凹槽，構成中心室及混合室單元各室。氣體分配器可被控溫。反應室中進行之塗佈製程的製程壓力為0.001 Pa至5 bar。進氣機構之穿孔使其不具固定體積。混合室單元各室可具有圓弧形壁。氣體停留在進氣機構中心室的時間，為氣體停留在各混合室至流入環形分配道的時間的數倍。前趨物可以是室溫下為液態或固態的金屬有機材料或溶於液態或固態溶劑之金屬有機液態或固態材料。該材料被轉變為氣相。該蒸汽經進氣機構而被輸入反應室中。其可藉助一或多種惰性載氣。亦可使用在室溫下已為氣體之前趨物，而將其直接輸入氣體分配器中。其亦可藉助一惰性載氣。化學反應氣體尤其可採用氧化物。其可含O2 ,O3 ,N2 O或H2 O，但亦可是氮化物，尤其是NH3 。化學反應氣體亦可是氫化合物。載氣尤其可採用N2 、H2 、氦、氬或其他稀有氣體或惰性氣體。在設有此種進氣機構之CVD反應器中，可在至少一基板上較佳地沉積多成分氧化物隔離薄膜(介電質)、被動薄膜、半導體薄膜或導電薄膜及積層。前趨物(材料)較佳為含有一金屬或半導體成分。
以下將依據附圖詳細說明本發明。
本發明係有關一種使用一氣體分配器2沈積一或多成分薄膜及積層之裝置及方法。氣態前趨物及反應氣體被分開輸入氣體分配器2中。該氣態前趨物及反應氣體在氣體分配器2中混合，以達到一高混合度。氣體停留在氣體分配器2中的時間宜短，以避免在氣體分配器2中出現氣態反應。氣體分配器2具高溫度均勻度，而可避免前趨物凝結、解離或與化學反應氣體反應。氣態前趨物及反應氣體在到達混合室11,12進行混合之前皆保持分開，而混合室中混合時之壓力應儘量低且混合應儘量較慢發生，以避免生成顆粒。此處，氣態前趨物通過氣體分配器2時之壓力降為最小時較為有利。尤其是，使用一使前趨物轉變為氣態之前置蒸發器(未示出)。為使前趨物達到高氣態飽和，停留時間、溫度均勻度及壓力降差的控制皆極重要。
混合室11,12分佈在一環形分配道14的周邊上，該環形分配道14以一具有穿孔10之環形壁22而與氣體分配器內部空間分離。氣體分配器內部空間4與放置基板的反應室21，以具有穿孔23之氣體分配器壁而分離。
氣體混合物離開混合室11,12後，在環形分配道14中進一步混合，然後，徑向對稱地流入氣體分配器內部空間4。藉此處所述之混合方法，可使環形分配道14任何一處皆具均勻濃度。氣體混合物流入氣體分配器內部空間4時，不會在徑向上出現濃度梯度，該濃度梯度無法以基板旋轉補償。氣體分配器2的設計使得在某些用途上可捨棄基板旋轉。氣體分配器壁上的壓力降低並可使氣體混合物均勻地由氣體分配器內部空間流至反應室。
圖5所示之反應器配置包括一反應器殼體1，其為真空密封。反應氣體經分開之輸入管8,9流入反應器殼體1中的進氣機構2，該進氣機構在一基板座3上方。承受座3與進氣機構2下側一起構成反應室21，而反應氣體在進氣機構2中混合後進入該反應室中，以凝結在承受座之基板上。承受座3可被旋轉。此係因設置驅動軸5所致。反應室21之裝載作業係透過載入及取出開口6而達成。廢氣由氣體流出口7排出。
進氣機構2之細部結構參見圖1至6。進氣機構基本上由上下兩金屬板18,19構成。金屬板19構成蓋板。其具備成對設置之輸入道16,17，可使氣體分開進入進氣機構2。輸入道16,17的數目等於混合室11,12的數目。
輸入道16,17連接進氣室11,12，該進氣室與一分隔壁13共同構成一混合室單元。
在圓周方向上總共設有六個混合室單元11,12,13。其係由底板18之凹槽構成。底板18尚構成一作為氣體分配室之中心室4。其底部具複數個可見穿孔，該等穿孔構成已混合的反應氣體流出孔23。
中心室4被環形分配道14所環繞，而該環形分配道用於分配氣體。環形分配道14係由一溝槽所構成。使環形分配道14與室4分離的溝槽壁22具有複數個徑向穿孔10。混合氣體可經該徑向穿孔而由環形分配道14流入中心室4中。
每一混合室單元包括一個連接輸入道16的第一進氣室11，而該輸入道16連接輸入道8。一攜帶有前趨物之載氣經上述通道而進入進氣室11。進氣室11具一圓弧形壁11’。進氣室11的流出口24略微窄縮。進氣室11經該流出口24而直接而與環形分配道14連接。
進氣室11鄰接一第二進氣室12，其連接輸入道17，而該輸入道則連接輸入道9。一反應氣體經上述通道而進入進氣室12。進氣室12亦具一圓弧形壁12’。不同於進氣室11，進氣室12非直接與環形分配道14連接。流出口24或進氣室11與進氣室12之間，設有一分隔壁13，其係由一有孔金屬板構成，使得反應氣體可經此分隔壁13之孔而流到流出口24。
流出口24之出口處設有一氣流導引件15。其係由一彎折金屬板條構成，可將由流出口24流出的氣體導入延伸在圓周方向上的環形分配道14。該氣流導引件係分隔壁13之一凸緣。分隔壁13及氣流導引件15連接一延伸在環形分配道14外壁上的固定板20。
由構件13,15,20構成的金屬件為可更換。更換時，只需分開兩金屬板18,19。
氣流導引件15之葉片狀末端，約延伸至環繞中心室4之由一溝槽所構成的環形分配道14中心。
圖4所示實施例中，兩混合室的壁彼此平行，而以圓弧形壁11’,12’彼此連接。圖6所示實施例中，只有進氣室12的壁彼此平行，而以圓弧形壁12’彼此連接。進氣室11則具一近球形壁，而構成一窄縮部。
所有揭示特徵本身皆具有發明性質。本發明揭示之特徵完全包含於本案之申請專利範圍中。
1．．．反應器殼體；反應器
2．．．氣體分配器；進氣機構
3．．．基板座；承受座
4．．．氣體分配器內部空間；(中心)室
5．．．驅動軸
6．．．載入及取出開口
7．．．氣體流出口
8．．．輸入道
9．．．輸入道
10．．．穿孔；流入口
11．．．第一室；混合室；混合室單元；(第一)進氣室
11’．．．圓弧形壁
12．．．第二室；混合室；混合室單元；(第二)進氣室
12’．．．圓弧形壁
13．．．分隔壁；混合室單元
14．．．(環形)分配道
15．．．氣流導引件
16．．．輸入道
17．．．輸入道
18．．．金屬板；底板
19．．．金屬板；蓋板
20．．．固定板
21．．．反應室
22．．．環形溝槽；(環形溝槽)壁
23．．．(底部)流出孔
24．．．流出口
圖1係氣體分配器蓋板之俯視圖。
圖2係圖1氣體分配器之側視圖。
圖3係氣體分配器無蓋板之俯視圖。
圖4係圖3線中IV－IV之剖視圖。
圖5係具有一進氣機構之CVD反應器之示意圖。
圖6係如圖4之剖視圖，其中混合室11具有另一剖面輪廓。
4．．．氣體分配器內部空間；(中心)室
10．．．穿孔；流入口
11．．．第一室；混合室；混合室單元；(第一)進氣室
12．．．第二室；混合室；混合室單元；(第二)進氣室
13．．．分隔壁；混合室單元
15．．．氣流導引件
18．．．金屬板；底板
20．．．固定板
22．．．環形溝槽；(環形溝槽)壁
23．．．(底部)流出孔

Claims (14)

  1. 一種CVD反應器之進氣機構(2)，其包括一底部具複數個流出孔(23)的室(4)，由周邊流入口(10)流入室(4)中的反應氣體，可經該底部流出孔流入CVD反應器(1)之反應室(21)中，其特徵為：流入口(10)設有複數個實質上均勻分佈在圓周方向上的混合室單元(11,12,13)，而至少兩反應氣體在每一該混合室單元內互相混合。
  2. 如申請專利範圍第1項之進氣機構，其中，中心室(4)被一環形分配道環繞，而該環形分配道經複數個分佈於圓周方向的流入口(10)而與中心室(4)相連接。
  3. 如申請專利範圍第1項之進氣機構，其中，由混合室單元(11,12,13)流出之氣流，被導向環形分配道(14)。
  4. 如申請專利範圍第3項之進氣機構，其中，氣流被氣流導引件(15)導引。
  5. 如申請專利範圍第1項之進氣機構，其中，混合室單元(11,12,13)包括：第一室(11)，一輸入道(16)將第一反應氣體輸入其中；及，第二室(12)，一輸入道(17)將第二反應氣體輸入其中；該兩室係以可使氣體通過的分隔壁(13)而彼此分離。
  6. 如申請專利範圍第5項之進氣機構，其中，第一室(11)對環形分配道(14)開放，第二室(12)對環形分配道(14)封閉。
  7. 如申請專利範圍第5項之進氣機構，其中，可使氣體 通過之分隔壁(13)係由一孔板所構成。
  8. 如申請專利範圍第5項之進氣機構，其中，可使氣體通過之分隔壁(13)一凸緣構成氣流導引件(15)。
  9. 如申請專利範圍第5項之進氣機構，其中，分隔壁(13)與氣流導引件(15)為混合室單元(11,12,13)之可更換組件，尤其是金屬板件。
  10. 如申請專利範圍第5項之進氣機構，其中，具有底部流出孔(23)之中心室(4)、環繞中心室之環形分配道(14)、及混合室單元之兩室(11,12)，皆由一金屬板(18)之銑出凹槽所構成，該金屬板被一蓋板(19)所覆蓋，連接混合室單元之兩室(11,12)的輸入道(16,17)設在該蓋板上。
  11. 如申請專利範圍第10項之進氣機構，其中，環形溝槽(22)穿孔(10)設在環形溝槽壁(22)一半之處，尤其是，環形溝槽壁(22)三分之一處。
  12. 如申請專利範圍第10項之進氣機構，其中，進氣機構被控溫，以使氣體分配器內部空間(4)、環形分配道(14)及混合室單元(11,12,13)的邊緣達到熱均勻。
  13. 一種申請專利範圍第1至12項中任一項所述進氣機構(2)於CVD反應器之用途，混合室單元(11,12,13)之第一室(11)被輸入一氣態前驅物，其特別含有一金屬或半導體成分；混合室單元(11,12,13)之第二室(12)被輸入一反應氣體，特別是一氧或氮化合物或氫化合物。
  14. 一種CVD反應器，其包括一反應室(21)，用來塗佈 至少一個被一基板座所承載之基板，其特徵為：反應氣體被申請專利範圍第1至12項中任一項所述進氣機構(2)輸入反應室中。
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