TWI822023B - 氣體噴淋頭及化學氣相沉積設備 - Google Patents
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Abstract
本發明提供了一種氣體噴淋頭，包含擴散板和冷卻板，以及設置在兩者分界面處的擋氣條，擋氣條位於擴散板上相鄰的兩個氣體擴散通道之間，當冷卻板在沉積反應進行時因受熱而發生形變的情況下，擋氣條能阻止不同氣體輸送通道之間的氣體在擴散板和冷卻板之間的縫隙處橫向流動而發生不同氣體的提前混合，確保了反應氣體製程參數的穩定，且避免在縫隙處形成聚合物沉積，也就避免了隨之而來的顆粒物污染。
Description
本發明涉及化學氣相沉積技術領域，尤其涉及一種氣體噴淋頭及化學氣相沉積設備。
化學氣相沉積(Chemical vapor deposition，簡稱CVD)是反應物質在氣態條件下發生化學反應，生成固態物質沉積在加熱的固態基體表面，進而製得固體材料的製程技術，其透過化學氣相沉積裝置得以實現。具體地，化學氣相沉積裝置透過進氣裝置將反應氣體通入至反應室中，並控制反應室的壓力、溫度等反應條件，使得反應氣體發生反應，從而完成沉積製程步驟。
金屬有機化學氣相沉積(Metal Organic Chemical Vapor Deposition，MOCVD)裝置主要用於III-V族化合物、II-VI族化合物或合金的薄層單晶功能結構材料的製備，例如氮化鎵、砷化鎵、磷化銦、氧化鋅等。隨著上述功能結構材料的應用範圍不斷擴大，金屬有機化學氣相沉積裝置已經成為一種重要的化學氣相沉積裝置。金屬有機化學氣相沉積一般以II族或III族金屬有機源、以及VI族或V族氫化物源作為反應氣體，並使用氫氣或氮氣作為載氣，以熱分解反應方式在基板上進行氣相外延生長，從而生長各種II-VI化合物半導體、III-V族化合物半導體、以及它們的多元固溶體的薄層單晶材料。
然而，現有的金屬有機化學氣相沉積裝置因噴淋頭的部分結構受熱變形，導致反應氣體的輸送精度不穩定，進而對沉積結果產生負面影響。
為了解決上述技術問題，本發明提供一種噴淋頭，用於承載待處理基片，包含：擴散板，包含連接第一反應氣體源的複數列第一氣體擴散通道和連接第二反應氣體源的複數列第二氣體擴散通道，複數列第一氣體擴散通道和複數列第二氣體擴散通道列與列之間交替排佈；冷卻板，其位於擴散板下方，包含配合第一氣體擴散通道和第二氣體擴散通道的第一出氣通道和第二出氣通道；第一氣體擴散通道和第二氣體擴散通道與第一出氣通道和第二出氣通道組成從氣體源到反應腔的複數個輸氣通道；擴散板和冷卻板為獨立的兩個元件，二者透過可拆卸的機械方法組裝為一體；相鄰的輸送不同氣體的輸氣通道之間設置有複數個擋氣條，擋氣條用於防止相鄰輸氣通道之間的不同反應氣體在擴散板和冷卻板之間混合。
較佳地，冷卻板設置有凹槽，用於容納擋氣條，擋氣條的表面與凹槽的表面的垂直距離小於第一出氣通道或第二出氣通道的通道壁之間的距離。
較佳地，擋氣條的表面與凹槽的表面的垂直距離小於第一出氣通道或第二出氣通道的通道壁之間的距離的四分之一。
較佳地，擋氣條的截面為方形。
較佳地，擋氣條的截面為三角形。
較佳地，擋氣條與擴散板一體設置，擋氣條的下部插入至冷卻板內。
較佳地，擋氣條包含上部和下部，上部插入至擴散板內，下部插入至冷卻板內。
較佳地，擋氣條由耐高溫耐腐蝕材料製成。
較佳地，擋氣條由不銹鋼或鐵氟龍製成。
較佳地，冷卻板由不銹鋼材質製成。
較佳地，每一列的第一氣體擴散通道和第二氣體擴散通道均包含獨立的複數個氣體擴散路徑，氣體擴散路徑沿條形排列，擋氣條為長條形。
較佳地，每一列的第一氣體擴散通道和第二氣體擴散通道均包含獨立的複數個氣體擴散路徑，氣體擴散路徑沿環形排列，擋氣條為環形。
進一步地，本發明更提供了一種化學氣相沉積設備，包含反應腔，反應腔內設置有支撐部件和位於支撐部件上的待處理工件，支撐部件可以在大致水平方向上旋轉，支撐部件上方設置一氣體噴淋頭，氣體噴淋頭具有上述特徵。
本發明的優點在於：在氣體噴淋頭的擴散板和冷卻板之間的指定位置增加擋氣條，即使冷卻板在沉積進行時發生形變，增加了擴散板和冷卻板之間的縫隙，也能阻止不同氣體輸送通道之間的氣體橫向流動，確保了反應氣體製程參數的穩定，且避免在縫隙處形成聚合物沉積，也就避免了隨之而來的顆粒物污染。
為使本發明實施例的目的、技術方案和優點更加清楚，下文中將結合本發明實施例中的附圖，對本發明實施例中的技術方案進行清楚、完整地說明，顯而易見地，所說明的實施例是本發明一部分實施例，而不是全部的實施例。基於本發明中的實施例，本領域具有通常知識者在沒有做出創造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬於本發明保護的範圍。
圖1A為現有技術中一種化學氣相沉積設備在執行沉積製程時的結構示意圖，化學氣相沉積設備包含反應腔100，在反應腔100內的上部設置有氣體噴淋頭110，在氣體噴淋頭110下方設置有可旋轉的基座120，基片W放置在基座120上方，圖1A中示意地標出多個基片W。在圖中未繪示出的加熱裝置可以從基座120下方透過基座120對基片W進行加熱，使基片W達到反應溫度，氣體噴淋頭110用於將多種反應氣體輸送到基片W上方進行沉積反應。通常來說，氣體噴淋頭110包含擴散板111和冷卻板112，當沉積反應進行時，基座120的熱量會向上方輻射到冷卻板112，使冷卻板112發生膨脹，因為冷卻板112與擴散板111的邊緣被固定，所以在膨脹時，冷卻板112會向下進行微小的拱起，導致冷卻板112和擴散板111之間產生縫隙。
如圖1B所示，為受熱膨脹後的氣體噴淋頭局部放大圖，在擴散板111中具有複數個氣體擴散通道113，在冷卻板112中具有與複數個氣體擴散通道113對應的複數個出氣通道114，為了使下方的基片W反應均勻，通入相同氣體的複數個氣體擴散通道113間隔排列，致使輸送不同氣體的氣體擴散通道113之間相鄰設置，如圖1B中箭頭所示，當擴散板111和冷卻板112之間產生縫隙時，通過某一氣體擴散通道113向下流動的氣體會在縫隙處向周圍擴散，一方面擴散的氣體會跟相鄰氣體擴散通道113的其他種氣體發生反應，且在縫隙內沉積成聚合物，聚合物會附著到氣體擴散通道113或出氣通道114的側壁而影響氣體流量，即使穿過出氣通道114進入反應腔100中，又會落在基片W上造成成品的不良。另一方面，反應氣體在縫隙處分散後使從出氣通道114中流出的氣流與製程條件設定的氣體流量產生差異，會對基片W的沉積速率和均勻性產生負面影響，導致製程參數與沉積效果的波動。
如圖2A所示為本發明的一種氣體噴淋頭局部放大側面示意圖，體噴淋頭包含擴散板211，反應氣體通過連接到反應腔外部的輸氣管路進入擴散板211中進行初步的擴散，使氣體在流進擴散板211上的氣體擴散通道213時可以基本保證氣體流速均勻，設置在擴散板211上的相鄰的兩列氣體擴散通道213用於輸送不同的氣體，此處的兩列並不限制於線性列，為了說明方便，其他圓環形間隔設置的每個環也包含在列的說明中。在擴散板211下方設置有冷卻板212，用於對氣體噴淋頭整體進行控溫，使其保持較低的溫度，防止反應氣體在到達基片表面之前開始分解，在一些實施例中，透過在冷卻板212中開設流體通道並通入冷卻液迴圈進行降溫。在冷卻板212中設置有與氣體擴散通道213對應的複數個出氣通道214。擴散板211和冷卻板212為獨立的兩個元件，二者透過可拆卸的機械方法組裝為一體，方便單獨部分的替換和修理。第一氣體擴散通道213A與第一出氣通道214A組成同種氣體源的輸氣通道，第二氣體擴散通道213B與第二出氣通道214B組成另一種氣體源的輸氣通道，在相鄰的用於輸送不同氣體的輸氣通道之間設置有複數個擋氣條215，在圖2A的實施例中，輸送不同氣體的相鄰輸氣通道之間的擋氣條215數量為1個，擋氣條215穿過擴散板211與冷卻板212的接觸面，即擋氣條215穿過擴散板211與冷卻板212之間的面形縫隙。
擋氣條215可以在冷卻板212受熱向下彎曲擴大其與擴散板211之間的間隙時，發揮阻擋單一的反應氣體橫向擴散到相鄰氣體擴散通道213的效果，即使縫隙變大，也可以讓擴散的氣體維持在單一氣體擴散通道213兩邊相鄰的擋氣條215之間，而接觸不到輸送另一氣體的氣體擴散通道213。在其他實施例中，相鄰氣體擴散通道213之間的擋氣條215的數量可以為複數個，數量越多會產生更大的阻力，相比橫向擴散更容易沿著既有豎直通道向下輸送。
在圖2A中所繪示的擋氣條215，其分為上部和下部，在擴散板211中設置有容納擋氣條215的上部的凹槽，在冷卻板212中設置有容納擋氣條215的下部的凹槽。在一些實施例中，擋氣條215距離冷卻板212中凹槽的表面距離，即擋氣條215的下部表面距離冷卻板212凹槽壁的距離，或者可以看成擋氣條215與冷卻板212之間縫隙的距離，小於相鄰的出氣通道214的通道壁的距離，根據ΔP正比於L/d3，其中ΔP為氣體的氣壓變化，L為氣體通過的長度，d為氣體通過的口徑。如圖2B所示，在局部放大圖中，擋氣條215的下部距離冷卻板212中凹槽的距離可以分為擋氣條215距離冷卻板212中凹槽側壁的距離d2以及擋氣條215距離冷卻板212中凹槽底壁的距離d3，而冷卻板212中出氣通道214通道壁的距離為距離d1，距離d1、d2和d3都可視為上述公式中的d，氣壓變化ΔP對口徑d的變化更敏感，當擋氣條215的下部距離冷卻板212凹槽壁的距離小於相鄰的出氣通道214的通道壁的距離時，使氣體向擋氣條215與冷卻板212之間的縫隙流動時，相比向豎直的出氣通道214流動，遭遇更大的壓強阻力，迫使氣體按預設的路徑流動進入反應腔。在其他實施例中，擋氣條215的下部距離冷卻板212凹槽壁的距離小於相鄰的出氣通道214的通道壁距離的四分之一，可產生更好的阻擋效果，並且在安裝時，兩者的距離不完全貼緊，即距離d2和距離d3的值不為零，可以為受熱膨脹留出空間，在受熱時完全壓緊以阻擋串氣，同理，擋氣條215的上部距離擴散板211的凹槽壁的距離也可以進行同樣條件的設置。
擋氣條215的橫截面可以是如圖2所示的方形，當冷卻板212發生變形向下彎曲時，方形截面的擋氣條215與側面冷卻板212的距離不變，只有擋氣條215與底面冷卻板212的距離變大，這樣不會影響擋氣條215對氣體橫向擴散的初始壓力，在其他一些實施例中，擋氣條的橫截面也可以是其他形狀，例如底邊朝下的三角形，同時擋氣條215可以與擴散板一體設置，三角形的兩個斜邊側面相對於方形的垂直側面具有橫向的分量表面，冷卻板212中的凹槽形狀與擋氣條215相同，這樣冷卻板向下形變時可以使擋氣條215的側面距離冷卻板212中凹槽側壁的距離減小，甚至完全貼緊，達到阻止氣體橫向串氣的目的。
在如圖3A所繪示的本發明的另一個氣體噴淋頭實施例中，與上述實施例的區別在於，擋氣條315與擴散板311一體設置，擋氣條315的下部穿過擴散板和冷卻板的交界面深入到冷卻板中，這樣可以完全阻斷擋氣條和擴散板311之間的縫隙，又能為冷卻板形變留出空間，以防止形變產生的擠壓損壞。同樣可以在如圖3B中所繪示的實施例中，將擋氣條315與冷卻板312一體設置，擋氣條315的上部插入到擴散板311的凹槽中。擋氣條315可以選擇耐高溫耐腐蝕的材料，這樣可以承受下方來自基座向上的熱量輻射和側面來自氣體的腐蝕而保持穩定化學狀態，且不產生污染粒子，例如可以選擇不銹鋼和鐵氟龍材質。同樣地，為了耐高溫和抗腐蝕，冷卻板312也可以選擇不銹鋼材質。
圖4為本發明的另一個氣體噴淋頭實施例的局部俯視圖，其中用虛線表示的氣體擴散通道413A、413B上設置有複數個氣體擴散路徑416，單一氣體擴散通道上的複數個氣體擴散路徑416用於通入相同的反應氣體，在圖4的實施例中，氣體擴散路徑沿著長條形排列，相應地，擋氣條415為條形結構，設置在輸送不同氣體的兩排氣體擴散路徑416之間。本發明的複數列第一氣體擴散通道和複數列第二氣體擴散通道列與列之間交替排佈並不限制與直線的列排佈，也可以是其他形狀的列排佈。如圖5為本發明的另一個氣體噴淋頭實施例的局部俯視圖，與上述實施例的區別在於，其中用虛線表示的氣體擴散通道513A、513B上設置有複數個氣體擴散路徑516，單一氣體擴散通道上的複數個氣體擴散路徑516用於通入相同的反應氣體，在圖5的實施例中，氣體擴散路徑516沿著圓形的邊緣排列，相應的，擋氣條515為環形結構，設置在輸送不同氣體的兩排氣體擴散路徑516之間。
進一步地，本發明更提供了一種化學氣相沉積設備，包含反應腔，反應腔內設置有支撐部件和位於支撐部件上的待處理工件，支撐部件可以在大致水平方向上旋轉，且包含上述的氣體噴淋頭。
在氣體噴淋頭的擴散板和冷卻板之間的指定位置增加擋氣條，即使冷卻板在沉積進行時發生形變，增加了擴散板和冷卻板之間的縫隙，也能阻止不同氣體輸送通道之間的氣體橫向流動，確保了反應氣體製程參數的穩定，且避免在縫隙處形成聚合物沉積，也就避免了隨之而來的顆粒物污染。
本發明所揭露的噴淋頭不限於應用於上述化學氣相沉積裝置，在其他薄膜生長裝置中也可以適用，此處不再贅述。
儘管本發明的內容已經透過上述較佳實施例作了詳細說明，但應當認識到上述的說明不應被認為是對本發明的限制。在本領域具有通常知識者閱讀了上述內容後，對於本發明的多種修改和替代都將是顯而易見的。因此，本發明的保護範圍應由所附的申請專利範圍來限定。
100:反應腔
110:氣體噴淋頭
111,211,311:擴散板
112,212,312:冷卻板
113,213,213A,213B,413A,413B,513A,513B:氣體擴散通道
114,214,214A,214B:出氣通道
120:基座
215,315,415,515:擋氣條
416,516:氣體擴散路徑
W:基片
d1,d2,d3:距離
為了更清楚地說明本發明實施例或現有技術中的技術方案，下面將對實施例或現有技術說明中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面說明中的附圖僅僅是本發明的一些實施例，對於本領域具有通常知識者而言，在不付出創造性勞動的前提下，可以根據這些附圖進一步獲得其他的附圖。
圖1A為一種現有技術中的化學氣相沉積設備結構示意圖；
圖1B為圖1A中反應腔的氣體噴淋頭局部放大圖；
圖2A為本發明一個實施例的氣體噴淋頭局部放大側視圖；
圖2B為圖2A中實施例A部分放大圖；
圖3A及圖3B為本發明另一個實施例的氣體噴淋頭局部放大側視圖；
圖4為本發明的一個實施例的氣體噴淋頭俯視示意圖；
圖5為本發明的另一個實施例的氣體噴淋頭俯視示意圖。
211:擴散板
212:冷卻板
213,213A,213B:氣體擴散通道
214,214A,214B:出氣通道
215:擋氣條
Claims (14)
- 一種氣體噴淋頭，用於向一反應腔內輸入多種反應氣體，包含： 一擴散板，包含連接一第一反應氣體源的複數列第一氣體擴散通道和連接一第二反應氣體源的複數列第二氣體擴散通道，該複數列第一氣體擴散通道和該複數列第二氣體擴散通道列與列之間交替排佈； 一冷卻板，係位於該擴散板下方，其包含配合該第一氣體擴散通道和該第二氣體擴散通道的一第一出氣通道和一第二出氣通道； 該第一氣體擴散通道和該第二氣體擴散通道與該第一出氣通道和該第二出氣通道組成從氣體源到該反應腔的複數個輸氣通道； 該擴散板和該冷卻板為獨立的兩個元件，二者透過可拆卸的機械方法組裝為一體；相鄰的輸送不同氣體的該輸氣通道之間設置有複數個擋氣條，該擋氣條用於防止相鄰該輸氣通道之間的不同反應氣體在該擴散板和該冷卻板之間混合。
- 如請求項1所述之氣體噴淋頭，其中該冷卻板設置有一凹槽，用於容納該擋氣條，該擋氣條的表面與該凹槽的表面的垂直距離小於該第一出氣通道或該第二出氣通道的通道壁之間的距離。
- 如請求項2所述之氣體噴淋頭，其中該擋氣條的表面與該凹槽的表面的垂直距離小於該第一出氣通道或該第二出氣通道的通道壁之間的距離的四分之一。
- 如請求項3所述之氣體噴淋頭，其中該擋氣條的截面為方形。
- 如請求項3所述之氣體噴淋頭，其中該擋氣條的截面為三角形。
- 如請求項1所述之氣體噴淋頭，其中該擋氣條與該擴散板一體設置，該擋氣條的一下部插入至該冷卻板內。
- 如請求項1所述之氣體噴淋頭，其中該擋氣條與該冷卻板一體設置，該擋氣條的一上部插入至該擴散板內。
- 如請求項1所述之氣體噴淋頭，其中該擋氣條包含一上部和一下部，該上部插入至該擴散板內，該下部插入至該冷卻板內。
- 如請求項1所述之氣體噴淋頭，其中該擋氣條由耐高溫耐腐蝕材料製成。
- 如請求項8所述之氣體噴淋頭，其中該擋氣條由不銹鋼或鐵氟龍製成。
- 如請求項1所述之氣體噴淋頭，其中該冷卻板由不銹鋼材質製成。
- 如請求項1所述之氣體噴淋頭，其中每一列的該第一氣體擴散通道和該第二氣體擴散通道均包含獨立的複數個氣體擴散路徑，該氣體擴散路徑沿條形排列，該擋氣條為長條形。
- 如請求項1所述之氣體噴淋頭，其中每一列的該第一氣體擴散通道和該第二氣體擴散通道均包含獨立的複數個氣體擴散路徑，該氣體擴散路徑沿環形排列，該擋氣條為環形。
- 一種化學氣相沉積設備，其包含一反應腔，該反應腔內設置有一支撐部件和位於該支撐部件上的一待處理工件，該支撐部件在大致水平方向上旋轉，該支撐部件上方設置一氣體噴淋頭，該氣體噴淋頭為請求項1至請求項13中的任意一項所述之氣體噴淋頭。
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Patent Citations (4)
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