[发明专利]一种应用于薄膜沉积技术的气体分配器

说明书

技术领域

本发明涉及半导体原子层沉积技术领域，更具体地，涉及一种应用于半导体原子层沉积技术的可均匀分配反应气体并可防止在原子层沉积时误发生化学气相沉积反应的气体分配器。

背景技术

目前，薄膜沉积反应系统和方法广泛应用于多个领域的设备中，如：半导体、集成电路、太阳能电池板、平面显示器、微电子、发光二极管等。利用化学气相沉积(ChemicalVapourDeposition，CVD)技术在基底表面形成10μm或小于10μm的薄膜是进行薄膜沉积的一种普遍方法。多数的CVD技术一般需要提供多种气体或蒸汽沉积生成薄膜，以便获得期望的性能和化学成分，并且，反应气体一般是在反应腔室中先进行混合并在一定条件下来发生所需的反应的。

而在另外一些薄膜沉积工艺例如利用原子层沉积(AtomicLayerDeposition，ALD)技术进行的薄膜沉积方法中，要求多种反应气体或蒸汽以择一方式相继地、连续地进入反应腔室，并且在进入腔室之前不能发生相互反应。由于ALD技术具有可生成具有一定特性的、极其薄的薄膜的优点，因此，在某些应用场所具有CVD技术不可比拟的应用价值，得以替代CVD技术。ALD技术的原理是，将第一种反应气体或蒸汽经过一气体分配器进入反应腔室，通过化学吸附或物理吸附在其可接触的所有表面(包括基底表面)形成单层原子层；在将反应腔室内未被吸附的残留气体吹扫干净后，再向反应腔室内通入第二种反应气体或蒸汽，与第一种反应气体吸附在表面形成的单层原子层发生反应，生成期望的薄膜，然后再次将反应腔室内未被吸附的残留气体吹扫干净。重复上述过程，直至得到期望的薄膜厚度。由于ALD技术的特性，第一种反应气体和第二种反应气体必须独立地、分别地通过气体分配器通入到反应腔室中。在ALD反应中，如果第一种反应气体和第二种反应气体在气体输送的过程中相遇，就会发生反应。这种不期望的反应其实就是一种CVD反应。虽然在某些场合的CVD反应中，将反应气体或蒸汽在进入反应腔室之前进行混合具有一定的优点，但是，在ALD反应中，如果一些反应气体或蒸汽由于某种原因而在气体输送的过程中发生相遇，例如在反应腔室、气体输送管路或者气体分配器的内表面发生我们所不希望的CVD反应，以至于反应气体或蒸汽在进入反应腔室之前有所损耗，或之前的反应物进入反应腔室和基底表面，就会影响薄膜沉积的质量和效果。

由于ALD技术的周期性和次序性特性，在一种反应气体被送入反应腔室之前，将反应腔室内残留的另一种反应气体吹扫干净就成为一项重要工作。在薄膜沉积技术中，一般是通过排气和吹扫的方式来清理腔室内的残余气体。由于吹扫方法速度快、效率高，经常为首选方法。吹扫方法主要为通过气体分配器向腔室内通入低活性或惰性气体(如：氦气、氮气、氩气等)。并且，如果在通入下一种反应气体之前,能够减少吹扫残余气体的时间，就能明显提高薄膜沉积周期的生产率，具有相当的经济价值。

影响获得所期望的薄膜特性所需要的吹扫气体量的决定因素有很多，其中一些因素例如反应物的化学性质和物理性质，难以实际控制；还有一些因素例如惰性气体流速和需要吹扫的空间体积，可通过恰当的反应系统设计和工艺设置进行控制。不过，虽然对惰性气体流速可以很容易实现自动控制，但是，在沉积工艺已预成型的前提下，惰性气体流速可调节范围实际是很小的。并且，为防止惰性气体流速过大而产生湍流气体环境，从而产生微粒进入气体分配器和反应腔室，惰性气体的流速可调范围实际上也不宜过大。需要吹扫的空间范围主要由气体分配器内部空间体积、输送反应气体到反应腔室的管路体积和反应腔室本身内部空间体积所组成。一般来说，需要吹扫的空间体积越小，吹扫周期也越短。另外，许多CVD技术和ALD技术对反应腔室内和基底表面反应气体的进气均匀性很敏感，进气不均匀会导致基底表面薄膜厚度不均。

上述决定获得所期望的薄膜特性所需要的吹扫气体量的因素，对起用于输送并能够均匀分配反应气体作用的气体分配器的设计，提出了更高的要求。

美国发明专利申请US6921437B1气体分配系统(GasDistributionSystem)公开了一种气体分配器，通过设置在分配器内部的双层树状网络来实现对反应气体的分配和输送。该发明专利申请公开的气体分配器双层网络结构虽然能够实现两种反应源独立通入，但由于各层气体分配器管路均为等径(或等截面积)，容易导致管路末端由于气体压力逐渐减小而出现气体不均匀现象；同时由于其管路中存在的压力减小和流量降低的影响，吹扫气体就不易将此处管道内残留的前一种气体吹扫干净,从而极易误发生CVD反应。

发明内容