一種微分混合式化學氣相沉積裝置的製作方法

2023-09-17 20:26:20 2

本發明屬於氣相沉積領域，特別涉及一種微分混合式化學氣相沉積裝置。

背景技術：

用於在物體上形成薄膜的氣相沉積方法一般分為物理氣相沉積(PVD)方法(例如，濺射)和化學氣相沉積(CVD)方法，在PVD方法中，以沉積源的物理特性和薄膜材料的物理特性相同的方式形成薄膜，在CVD方法中，以沉積源的物理特性和薄膜材料的物理特性不同的方式使用化學反應形成薄膜。由於PVD方法成分或厚度的均勻性和臺階覆蓋性不如CVD方法，因此通常更多地使用CVD方法。

CVD方法包括常壓化學氣相沉積(APCVD)，低壓化學氣相沉積(LPCVD)和等離子體增強化學氣相沉積(PECVD)等。在CVD方法中，由於PECVD方法能夠實現低溫沉積，並且成膜速度快，因此PECVD方法得到廣泛使用。PECVD方法是利用微波或射頻將注入到反應腔中的反應氣體電離，使得反應氣體處於等離子體狀態，而等離子體化學活性很強，很容易發生反應，在基片上沉積出所期望的薄膜。

薄膜沉積工藝最關鍵的是沉積薄膜均勻，研究人員已經對此提出了大量改進觀點。為了均勻沉積薄膜，均勻分布反應氣體或等離子體起到非常重要的作用。為此，許閏成等公開了發明專利名稱為「一種用於化學氣相沉積的裝置」(201110280169.3)申請，通過一種錐形的氣體擴散部件，提高氣體的分散均勻性，從而提高沉積薄膜的均勻性。這種氣體分散方法中的反應氣體是從中間向四周擴散，氣體流道開闊，不能保證氣體分散均勻，並且這種方法要求反應氣體在進入氣相沉積裝置前進行預混合處理，提高了裝置的複雜性。此外，對於在常溫條件下容易發生反應的反應氣體，提前混合容易造成氣體提前反應，引起堵塞並影響沉積效果。

技術實現要素：

本發明的目的在於提高現有化學沉積裝置氣體分散效果，簡化裝置，提供一種微分混合式化學氣相沉積裝置。

本發明一種微分混合式化學氣相沉積裝置,由箱體、流道板、絕緣密封墊片、反應室、支柱、基座、加熱系統和射頻系統組成；所述反應室為進行化學氣相沉積的反應空間；流道板設置在反應室上方，流道板內流道由A入口、B入口、A主流道、B主流道、A分流道、B分流道、A支流道、B支流道、匯集流道、混合流道和噴頭組成；射頻系統的電極安裝在流道板上方；箱體位於流道板下方，其與流道板所包圍空間即為所述反應空間，箱體的底面設置有均勻排布的多個抽氣孔，抽氣孔與抽氣管相連通，並連通到抽氣裝置；絕緣密封墊片上表面和下表面分別與流道板和箱體接觸，絕緣密封墊片、流道板與箱體固定；基座位於反應室內，由立柱支撐；基座上方放置基板，基板可用於沉積薄膜或放置待沉積品。

本發明一種微分混合式化學氣相沉積裝置,所述流道板的A入口與B入口位於流道板的兩側，A入口與A主流道連通，B入口與B主流道連通，A主流道與B主流道平行設置；A主流道與多個A分流道連通，各A分流道與A主流道垂直，B主流道與多個B分流道連通，各B分流道與B主流道垂直,各A分流道與各B分流道為「A-B-A-B」式的交叉排列；每個A分流道分別與多個A支流道連通，每個B分流道分別與多個B支流道連通，對應的各A支流道與B支流道在匯集流道匯合，各匯集流道連通混合流道，混合流道連通噴頭。

本發明一種微分混合式化學氣相沉積裝置,所述流道板的A主流道與B主流道的斷面深度大於各A分流道與各B分流道的斷面深度。

本發明一種微分混合式化學氣相沉積裝置,所述流道板的混合流道截面形狀由矩形變為圓形，並且截面面積迅速減小。

本發明一種微分混合式化學氣相沉積裝置,所述流道板可以由上板、中板、下板三塊金屬板組裝而成，上板、中板、下板由螺栓固定；上板內流道為A入口、B入口、A分流道、B分流道以及A主流道和B主流道的上半部分；中板內流道為A支流道、B支流道以及A主流道和B主流道的下半部分；下板內流道為匯集流道、混合流道和噴頭。

本發明一種微分混合式化學氣相沉積裝置,所述流道板也可以由金屬3D列印方法加工成型。

本發明一種微分混合式化學氣相沉積裝置,其加熱系統為電磁感應加熱方式，加熱線圈位於基座內，加熱線圈排布方式為環形排布或點陣式排布。

由以上技術方案可知，本發明的有益效果是：

微分混合式流道能夠提高氣體混合的均勻性和氣體分布的均勻性，使化學氣相沉積薄膜更均勻，省去了氣體混合裝置，簡化設備；採用電磁感應加熱方式，加熱速率快，並且提高了電能的利用率，降低成本；除此之外，本發明化學氣相沉積裝置對於已經混合好的反應氣體，可以關閉一個入口，由一個入口進入，同樣可以提高氣體分布均勻性。

附圖說明

圖1為本發明一種微分混合式化學氣相沉積裝置結構示意圖；

圖2為本發明一種微分混合式化學氣相沉積裝置的微分混合流道結構示意圖；

圖3為本發明一種微分混合式化學氣相沉積裝置的微分混合流道主視圖；

圖4為本發明一種微分混合式化學氣相沉積裝置的微分混合流道俯視圖；

圖5為本發明一種微分混合式化學氣相沉積裝置的微分混合流道支流道至噴頭結構圖。

圖6為本發明一種微分混合式化學氣相沉積裝置流道板的一種組合結構。

圖中：1.支柱，2.抽氣管，3.反應室，4.箱體，5.噴頭，6.絕緣密封墊片，7.流道板，8.A入口，9.進氣管，10.流道，11.電極，12.B入口，13.基板，14.加熱線圈，15.基座，16.抽氣裝置，17.A主流道，18.A分流道，19.A支流道，20.匯集流道，21.混合流道，22.B主流道，23.B分流道，24.B支流道，25.上板，26.中板，27.下板，28.螺栓。

具體實施方式

本發明一種微分混合式化學氣相沉積裝置,如圖1所示，由箱體4、流道板7、絕緣密封墊片6、反應室3、支柱1、基座15、加熱系統和射頻系統組成；所述反應室3為進行化學氣相沉積的反應空間；流道板7設置在反應室3上方，流道板7內流道10由A入口8、B入口12、A主流道17、B主流道22、A分流道18、B分流道23、A支流道19、B支流道24、匯集流道20、混合流道21和噴頭5組成；射頻系統的電極11安裝在流道板7上方；箱體4位於流道板7下方，其與流道板7所包圍空間即為所述反應空間3，箱體4的底面設置有均勻排布的多個抽氣孔，抽氣孔與抽氣管2相連通，並連通到抽氣裝置16；絕緣密封墊片6上表面和下表面分別與流道板7和箱體4接觸，絕緣密封墊片6、流道板7與箱體6之間固定；基座15位於反應室3內，由立柱1支撐；基座15上方放置基板13，基板可用於沉積薄膜或放置待沉積品。

本發明一種微分混合式化學氣相沉積裝置,如圖2-4所示，所述流道板7的A入口8與B入口12位於流道板7的兩側，A入口8與A主流道17連通，B入口12與B主流道22連通，A主流道17與B主流道22平行設置；A主流道17與多個A分流道18連通，各A分流道18與A主流道17垂直，B主流道22與多個B分流道23連通，各B分流道23與B主流道22垂直,各A分流道18與各B分流道23為「A-B-A-B」式的交叉排列；每個A分流道18分別與多個A支流道19連通，每個B分流道23分別與多個B支流道24連通，對應的各A支流道19與B支流道24在匯集流道20匯合，各匯集流道20連通混合流道21，混合流道21連通噴頭5。

本發明一種微分混合式化學氣相沉積裝置,所述流道板7的A主流道17與B主流道22的斷面深度大於各A分流道18與各B分流道22的斷面深度。

本發明一種微分混合式化學氣相沉積裝置,所述流道板7的混合流道21截面形狀由矩形變為圓形，並且截面面積迅速減小。

本發明一種微分混合式化學氣相沉積裝置,所述流道板7可以由上板25、中板26、下板27三塊金屬板組裝而成，上板25、中板26、下板27由螺栓28固定，如圖5所示；上板25內流道為A入口8、B入口12、A分流道18、B分流道23以及A主流道17和B主流道22的上半部分；中板26內流道為A支流道19、B支流道24以及A主流道17和B主流道22的下半部分；下板27內流道為匯集流道20、混合流道21和噴頭5。

本發明一種微分混合式化學氣相沉積裝置,所述流道板7也可以由金屬3D列印方法加工成型。

本發明一種微分混合式化學氣相沉積裝置,其加熱系統為電磁感應加熱方式，加熱線圈14位於基座內，加熱線圈排布方式為環形排布或點陣式排布。

下面以氮化矽的化學氣相沉積為例，對本發明進行說明：

對於反應室面積為1000mm×1000mm的本發明一種微分混合式化學氣相沉積裝置，A入口8與B入口12的孔徑為40mm，A主流道17與B主流道22截面形狀為矩形，通道寬40mm，深35mm。A主流道17與15條A分流道18連通，B主流道22與15條B分流道23連通，各A分流道18與各B分流道23截面形狀均為矩形，矩形截面寬30mm，深30mm。每個A分流道18分別與15條A支流道19連通，每個B分流道23分別與15條B支流道24連通，各A支流道19與B支流道24截面形狀均為矩形，矩形截面為15mm×20mm。各A支流道19與B支流道24在截面尺寸為20mm×20mm的匯集流道20匯合。各匯集流道20連通混合流道21，混合流道21截面由20mm×20mm的矩形漸變為直徑8mm的圓形。噴頭5連通混合流道21，為錐臺形狀，出口截面直徑為40mm。經過兩次流道微分過程，最後的噴頭5為橫縱各15個排列，相鄰各噴頭5的中心距離為55mm。

反應進行前，流道板7反應室3處於開放狀態。將基板13放置並安裝在基座14上後，通過機械臂或油缸(圖中未標出)將流道板7放置並安裝在箱體4及絕緣密封墊片6上，利用抽氣裝置16將裝置抽真空。以矽烷SiH4作為矽源,以氨氣NH3作為氮源，矽烷從A入口8進入，氨氣從B入口12進入。通入A入口8的矽烷進入A主流道17，經微分分流作用分散進入各A分流道18，由於A主流道17斷面深度比A分流道18斷面深度大，使得矽烷從A入口8進入後，優先充滿整個A主流道17，之後進入各A分流道18,所以各A分流道18的氣體進入量較為均勻。進入各A分流道18的矽烷在微分分流作用下均勻進入各A支流道19。通入B入口12的氨氣進入B主流道22，經微分分流作用分散進入各B分流道23，由於B主流道22斷面深度比B分流道23斷面深度大，使得氨氣從B入口12進入後，優先充滿整個B主流道22，之後進入各B分流道23，所以各B分流道23的氣體進入量較為均勻。進入各B分流道23的氨氣在微分分流作用下均勻進入各B支流道24。相應的各A支流道19內的矽烷與各B支流道24內的氨氣在匯集流道20匯合,之後進入混合流道21。由於混合流道21截面形狀由矩形變化成圓形，並且截面面積迅速變小，使得混合流道21內的混合氣體流動紊亂，加速矽烷與氨氣的混合，混合後的氣體經由噴頭5噴出。由於加熱裝置安置在基座15上，流道板7的溫度不高，因此在匯集流道20、混合流道21與噴頭5內的混合氣體不會發生沉積反應。此種流道設計，使得矽烷與氨氣能夠充分混合，並且各噴頭5噴出的氣體分布均勻。從各噴頭5噴出的混合氣體在電極6的射頻作用下發生電離，形成等離子體狀態。等離子體狀態的混合氣體接觸經過電磁感應加熱後的基板，逐步發生沉積，形成氮化矽薄膜。另外，反應過程中，抽氣裝置16可以對反應室3內的氣體壓力進行控制，由於抽氣孔在箱體內均勻排布，抽氣均勻，反應室3內各處壓力較為均衡。