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CN114269964A - 用于衬底的气体处理的反应器 - Google Patents

用于衬底的气体处理的反应器 Download PDF

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CN114269964A
CN114269964A CN201980098102.2A CN201980098102A CN114269964A CN 114269964 A CN114269964 A CN 114269964A CN 201980098102 A CN201980098102 A CN 201980098102A CN 114269964 A CN114269964 A CN 114269964A
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CN
China
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gas inlet
gas
reactor
downstream
degrees
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Application number
CN201980098102.2A
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English (en)
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奥洛夫·科迪纳
陈志泰
马丁·埃里克松
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Swegan AB
Original Assignee
Swegan AB
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Publication date
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Abstract

本文披露了一种在用于衬底的气体处理的反应器中使用的气体入口装置(21，21a‑21k)。该气体入口装置包括：入口凹穴，该入口凹穴具有背壁(233)以及在下游方向(F)上从该背壁(233)朝向入口凹穴开口(212)延伸的侧壁(234，235)；撞击表面(243)；气体孔口(210)，该气体孔口被配置成将气流导向该撞击表面(243)；以及锥形表面(244，245)，该锥形表面在该撞击表面(243)下游延伸，使得在该侧壁(234，235)与该锥形表面(244，245)之间形成流动间隙(213)，该流动间隙沿着下游方向(F)具有逐渐增大的截面积。本文进一步披露了一种混合装置、一种气体出口装置、一种反应器以及这种反应器的用途。

Description

用于衬底的气体处理的反应器
技术领域
本披露内容涉及一种用于衬底的气体处理的反应器，比如通过化学气相沉积(“CVD”)来处理，例如是为了在半导体材料衬底上形成外延层。
本披露内容进一步涉及一种对衬底进行气体处理的方法，其中可以使用反应器。
背景技术
在用于衬底的气体处理的反应器中，比如用于在半导体材料衬底上产生外延层的CVD反应器中，期望在整个外延层中实现均匀的材料分布和特性。
实现这个目标的一种策略是确保工艺气体在反应室中均匀分布，如US2011277690 AA中所披露的，在该文献中将多个气体入口作为m x n(竖直x水平)气体入口阵列提供。
另一种策略是实现层流。众所周知，要形成层流，应避免流动面积的突然增加。从例如US 2015167161 AA中已知了为每一气体入口提供出口部分，该出口部分的流动面积逐渐地增加。
除了以上讨论的挑战之外，还期望提供一种更紧凑、具有更好性能并且优选地制造成本更低的反应器。
因此，需要一种改进的反应室。
发明内容
本披露内容的总体目标是提供一种改进的反应室，该反应室可用于衬底的CVD处理。具体目的是提供一种反应室，在该反应室中提供了气体流动和气体分布的均匀性的改进。
本发明由所附的独立权利要求限定，其中实施例在从属权利要求中、在以下说明中以及在附图中进行了阐述。
根据第一方面，提供了一种在用于基材的气体处理的反应器中使用的气体入口装置，该气体入口装置包括：入口凹穴(niche)，该入口凹穴具有背壁、以及在下游方向上从该背壁朝向入口凹穴开口延伸的侧壁；撞击表面；气体孔口，该气体孔口被配置成将气流导向该撞击表面；以及锥形表面，该锥形表面在该撞击表面的下游延伸，使得在该侧壁与该锥形表面之间形成流动间隙，该流动间隙沿着该下游方向具有逐渐增加的截面积。
“撞击表面”是将气流导向的表面，使得该气流将改变方向并扩散。
撞击表面可以与背壁平行。
“下游方向”被定义为气体流动时所沿的方向。
允许气流撞击在表面上将使其在进入流动间隙之前改变方向，这增强了气体在流动间隙上的分布。然后，允许气体沿着锥形表面流动将使该气体恢复为层流，使得紊流减少。
撞击表面可以相对于气体孔口所引导的气流为垂直±10度，优选地±5度或±1度。
气体孔口开口可以与背壁齐平，或者甚至凹入到背壁中。
替代地，气体孔口开口可以从背壁朝向撞击表面延伸出。
撞击表面可以具有凹部。
凹部可以是任何形状。例如，凹部可以是柱形或者凹形的形状。此外，凹部可以在一部分或整个撞击表面上延伸。
气体孔口可以延伸到凹部中。
由该气体孔口引导的气流可以被导向撞击表面的几何重心。
锥形表面可以相对于下游方向以小于8度的锥角延伸。
锥形表面的最内端可以与撞击表面相交。
纵向表面可以在锥形表面与撞击表面之间延伸，该纵向表面相对于下游方向成角度地延伸，该角度小于锥形表面的锥角。
例如，在锥形表面与撞击表面之间延伸的纵向表面可以相对于下游方向以0至6度、优选地0至4度、0至2度或0度的角度延伸。
侧壁可以相对于下游方向成角度地延伸，该角度小于锥形表面的锥角。
例如，侧壁可以相对于下游方向以0至6度、优选地0至4度、0至2度或0度的角度延伸。
侧壁可以具有上游部分和下游部分，并且相较于上游部分，下游部分以相对于下游方向的更大角度延伸。
如前述权利要求中任一项所述的气体入口装置，进一步包括节流布置，该节流布置被配置为使得该气体入口的气流可在最大流量与最小流量之间调整。
节流布置可以包括任何类型的阀，该阀能够在最大流量与最小流量之间逐步或者连续地调整气流。这种阀的一个示例是针阀。作为另一个示例，可以使用质量流量控制器(“MFC”)。作为又一选项，可以使用撞击表面相对于气体孔口的位置作为节流装置。最小流量可以为零。
凹穴可以具有一对相对的壁，其中锥形表面和侧壁在所述相对的壁之间完全延伸。
即，锥形表面和侧壁可以抵靠这些相对的壁被有效地密封，使得流动间隙由锥形表面、侧壁和相对的壁形成。
流动间隙具有矩形截面，该矩形截面由相对的壁、锥形表面以及侧壁限定。
气体入口装置可以由凹穴和楔形构件形成，该楔形构件被接纳在该凹穴中，使得该楔形构件的短侧提供该撞击表面。
凹穴可以具有一对侧壁，并且楔形构件可以与所述侧壁均间隔开，使得在楔形构件的两侧均形成流动间隙。
如权利要求16或17所述的气体入口装置，其中，该楔形构件具有一对锥形表面，这对锥形表面均以相对于该下游方向(F)小于8度的锥角延伸。
因此，一个流动间隙是由锥形表面之一和侧表面之一限定，并且另一个流动间隙由另一锥形表面和另一侧表面限定。
入口楔形构件可以被形成为直角棱柱，该直角棱柱具有由宽侧与一对锥形侧限定的底表面。
这些相对的表面可以布置为水平±30度，优选地±10度、±5度或±1度。
因此，流动间隙可以朝向一个侧向方向逐渐减小。
水平壁是基本上水平延伸的壁。为了本披露内容的目的，“水平”应解释为以相对于竖直方向90±10度、优选地90±5度或90±1度的角度延伸。
替代地，锥形表面和侧表面可以布置为竖直±30度，优选地±10度、±5度或±1度。
因此，流动间隙可以向上或者向下逐渐减小。
即，流动间隙在楔形构件的侧向侧提供流动面积，使得气体可以流过楔形构件。
因此，气体孔口可以在水平壁之间大约一半处、且在竖直壁之间大约一半处开放。
凹穴可以具有：至少两个并列的侧壁部分，这些侧壁部分彼此成50至150度、优选地90至120度的角度延伸；以及至少两个并列的锥形表面，这些锥形表面彼此成50至150度、优选地90至120度的角度延伸。
气体入口装置可以由凹穴和楔形构件形成，该楔形构件被接纳在该凹穴中，使得该楔形构件的短侧提供该撞击表面。
侧壁可以围绕锥形表面，并且如在与下游方向垂直的截面中所见，侧壁和楔形构件具有相同的形状，但是具有不同的尺寸并且是同轴地布置的，使得流动间隙围绕楔形构件。
侧壁和楔形构件可以被形成为弯曲截面的本体，如卵圆形、椭圆形或圆形。
因此，楔形构件将预设圆锥形部分。
侧壁和楔形构件可以被形成为多边形，这些多边形优选地为三角形、矩形、正方形或六边形。
根据第二方面，提供了一种在用于衬底的气体处理的反应器中使用的混合装置，该混合装置包括具有上游部分和下游部分的本体，其中上游部分具有面向上游的凸形表面，并且其中下游部分在下游方向上朝向在本体的下游端处形成的边缘逐渐变细。
可以在气体入口装置与待处理的衬底之间的流动路径中布置混合装置。混合装置的长形形状和逐渐变细的形式将起作用来使在混合装置的一个侧穿过混合装置的气体与在混合装置的另一侧穿过混合装置的气体以最小的紊流更好地混合。因此，可以使用该混合装置来提供由如本文中披露的气体入口装置引入的气体的温和混合。
本体可以沿着横向于、优选地垂直于下游方向的方向具有恒定的截面。
该截面可以关于与下游方向平行的平面对称。
该截面可以是长形的并且基本上为液滴状的。
根据第三方面，提供了一种气体入口阵列，该气体入口阵列包括如上所述的多个mx n气体入口装置，其中m≥1且n≥2。
在竖直方向上提供的气体入口的数目可以小于5，优选地小于1或2。
在水平方向上提供的气体入口的数目可以为奇数，优选地小于30，小于20或小于15。具体的优选数目可以为7、9、11和13。
一对并列的气体入口可以通过分隔壁分开，该分隔壁形成了这对并列的入口中的每一个的壁，并且该分隔壁可以具有截面，该截面的一部分在下游方向上逐渐减小。
该分隔壁具有非逐渐减小的第一部分和逐渐减小的第二部分。
该分隔壁可以具有至少一个锥形表面，该至少一个锥形表面以相对于下游方向小于8度的锥角延伸。
气体入口阵列可以进一步包括多个如上所述的混合装置，其中每个混合装置与气体入口装置中的至少一个对准。
因此，混合装置的数目可以等于气体入口装置的数目。
替代地，在每个方向(水平或者竖直)上，混合装置的数目可以比布置在相应方向上的气体入口装置的数目多一个或少一个，即，m+/-1及n+/-1。
这些混合装置中的每一个可以与入口凹穴的中心对准，如在垂直于下游方向的方向上所见。
这些混合装置中的每一个可以与分隔壁对准，该分隔壁将一对相邻的气体入口装置分开。
这些混合装置可以在下游方向上与相应的气体入口装置间隔开。间隔可以为混合装置的总长度的30％至200％，优选地50％至100％，如沿着下游方向所见。
在混合装置本体在竖直方向上具有恒定截面的情况下，对准可以是在水平方向上。
替代地，在混合装置本体在水平方向上具有恒定截面的情况下，对准可以是在竖直方向上。
混合装置可以在界定了入口凹穴的一对相对的壁之间完全延伸。
即，混合装置可以在凹穴底部与凹穴顶部表面之间竖直地延伸。替代地，混合装置可以在一对凹穴侧壁之间水平地延伸。
根据第三方面，提供了一种在用于衬底的气体处理的反应器中使用的气体出口装置，该气体出口装置包括：上游部分，该上游部分具有第一流动面积，该第一流动面积经尺寸调整且经适配为对应于该反应器的气体处理部分的流动面积；下游部分，该下游部分具有小于该上游部分的第二流动面积；以及过渡部分，该过渡部分连接该上游部分与该下游部分，并且具有逐渐减小的流动面积。
该上游部分可以提供第一流动方向，该第一流动方向基本上与该反应器中的流动方向平行，并且该下游部分可以提供第二流动方向，该第二流动方向相对于该第一流动方向成30至90度、优选地60至90度的角度。
在该过渡部分中，流动面积宽度可以由式WF＝Winit-2x lF tan(γ)来近似，其中Winit为气体出口装置的上游部分处的宽度，lF为距过渡部分的上游起点的长度，且γ为过渡部分中的流动面积的锥角，并且其中，在该过渡部分中，该宽度减小了小于长度lF的两倍。
该上游部分可以包括进给开口，该进给开口提供从外部舱口到该反应器的该气体处理部分的笔直路径。
如在竖直平面中所见，该过渡部分可以相对于该上游部分以70至90度、优选地80至90度的角度延伸。
根据第四方面，提供了一种用于衬底的气体处理的反应器，特别是用于通过化学气相沉积工艺形成外延层的反应器，该反应器包括如上所述的气体入口阵列，和/或如上所述的气体出口装置。
该反应器可以进一步包括衬底台，该衬底台被配置为将该衬底保持在一种取向，使得该衬底处的气体流动方向平行于衬底表面，所述衬底台可选地可绕垂直于衬底主平面的轴线旋转。
该入口阵列可以具有主要方向和次要方向，其中该衬底台被配置成将衬底保持为使其衬底表面平行于该主要方向。
这些气体入口装置可以布置成其下游方向彼此平行。
这些气体入口装置可以布置成其下游方向以共同的中心径向地延伸。
这些气体入口装置可以布置在该反应器的中心，而使下游方向径向向外地延伸，并且这些衬底台可以布置在这些气体入口装置的径向外侧。
这些气体入口装置可以布置在该反应器的外围处，而使下游方向径向向内地延伸，并且这些衬底台可以布置在这些气体入口装置的径向内侧。
该反应器可以进一步包括反应室和加热器，该加热器至少用于在处理期间加热该衬底定位于其中的该反应室的区域。
该加热器可以为电阻性加热器，该电阻性加热器在该衬底的两个主侧上具有电阻性加热元件。
该反应器可以具有上游端和下游端，在下游方向上看时，该气体入口阵列布置在该上游端处，并且该下游端布置在该衬底的相反侧。
作为替代方案，该反应器可以包括衬底台，该衬底台被配置为将衬底保持在一种取向，使得该气体入口阵列被定位成使得这些气体入口装置的下游方向基本上垂直于衬底表面，所述衬底台可选地可绕垂直于衬底主平面的轴线旋转。
根据第五方面，提供了如上所述的反应器用于在半导体衬底上形成外延层的用途。
即，该反应器可以用于半导体类型衬底比如硅、碳化硅、氮化镓等的化学气相沉积(“CVD”)。
在优选用途中，仅一种反应性气体通过每个气体入口装置被引入该反应器中。
可选地，通过相应的第一和第二气体入口装置引入至少两种反应性气体。
应注意，每种反应性气体可以通过多个入口装置引入。在这种情况下，引入相同气体的一对入口装置可以被引入另一种气体的至少一个入口装置分开。
保护气体可以通过第三气体入口装置引入，该第三气体入口装置可以夹在该第一气体入口装置与该第二气体入口装置之间。
可以在气体入口装置阵列的一个或多个方向上实现这种夹裹。
本文中披露的气体入口设计和混合装置普遍适用于半导体衬底的CVD处理，尤其是使用易于相互反应的工艺气体的此类处理，比如在以镓源(例如，TMGa)和氧生产氧化镓层时的情况。
附图说明
图1a是CVD反应器的示意性透视图。
图1b是CVD反应器的示意性平面图。
图2是CVD反应器的入口部分的示意性平面图。
图3是入口部分的一部分的详细视图。
图4a至图4d示意性地展示了根据第一实施例的入口楔形件。
图5a至图5e示意性地展示了根据第二施例的入口楔形件。
图6示意性地在广义上展示了本发明。
图7a至图7b示意性地展示了根据第一实施例的气体入口和气体入口阵列。
图8a至图8c示意性地展示了根据第二实施例的气体入口和气体入口阵列。
图9a至图9b示意性地展示了根据第三实施例的气体入口和气体入口阵列。
图10是反应器1的一部分的示意性详细视图，重点放在出口装置。
图11a至图11b示意性地展示了进入反应器的装载/卸载通路。
图12示意性地展示了气体处理系统。
图13a至图13b示意性地展示了混合装置。
图14示意性地展示了混合装置的替代实施例。
具体实施方式
反应器1包括反应器壳体10、气体入口装置2和气体出口装置3。气体入口2和气体出口3布置在衬底台4的相反侧，使得气体可以从气体入口2到气体出口3经过衬底台4。衬底台4可以包括衬底支架(未示出)，该衬底支架被配置为在反应器1中处理期间防止衬底相对于衬底台移动。
例如，该衬底支架可以由凹部提供，该凹部的深度可以约为衬底的厚度的50％至150％。该凹部可以具有与衬底的圆周形状基本上对应的形状。
替代地，该衬底支架可以包括从台面突出的一个或多个突出部。在所展示的示例中，在反应器壳体10的中心提供单一衬底台4。衬底台4被布置成使得衬底20将在处理期间水平定向。衬底台4可以围绕基本上竖直的轴线旋转R。
应注意，在其他实施例中，可以提供多个衬底台4。例如，这样的多个衬底台可以按行星式布置提供，即，使得衬底台4可以沿着预定路径移动，该路径可以是封闭的并且特别是卵圆形、椭圆形、圆形的等等。为此，衬底台4可以安装在行星盘上，该行星盘可以围绕行星轴线旋转。
此外，每个衬底台4可以围绕其自身的位于衬底台4的中心的轴线旋转R。为此，衬底台可以提供为卫星盘，每个卫星盘可相对于行星盘旋转。
可以使用驱动布置(未示出)来使行星盘和卫星盘旋转。这种驱动布置可以包括一组皮带和/或齿轮，使得单一驱动源可以驱动行星盘和卫星盘两者。替代地，可以使用一个马达来驱动行星盘，而可以使用另一个马达来驱动卫星盘。例如，可以对卫星盘中的每一个提供一个马达。
作为又一替代方案，可以使用气箔旋转(gas foil rotation，就其本身来说是已知的)，从而使旋转部稍微抬起并旋转。
(多个)衬底台4可以定位成使得衬底处理表面(即，要经受气体处理或在当前情况下经受化学气相沉积的表面)平行于从气体入口2到气体出口3的流动方向F。具体来说，在将气体入口2提供为具有主要方向和次要方向的矩阵的情况下，衬底台4可以定位成与主要方向平行。
反应器1可以进一步包括加热布置5。作为主要选项，加热可以是感应式或电阻式，优选电阻式加热，因为更容易在(多个)衬底台4周围的区域中实现均匀加热。
可以提供一个或多个温度传感器6a-6d以便监测反应器中的温度。在本示例中，主要考虑高温计。
在需要热壁型反应器的情况下，可以提供可加热的室壁7。壁7可以由石墨形成，其例如可以被TaC(碳化钽)或SiC(碳化硅)涂覆。
参考图2，展示了如图1a至图1b中所使用的1x11气体入口阵列的放大视图。
在图2中，展示了多个气体入口装置21a-21k，这些装置形成气体入口阵列。每个气体入口装置21a-21k是经由相应的气体入口控制装置22a-22k来被供应。
气体入口控制装置22a-22k可以提供为可调阀的形式，即，可以被设定到最大打开位置与最大关闭位置之间的多个不同位置的阀。这种阀的一个示例可以是所谓的“针阀”。
在其他实施例中，气体入口控制装置22a-22k可以由所谓的“质量流量控制器”提供。
参考图3，展示了图2中的气体入口阵列的一部分的进一步放大的视图。
在图3中，展示了一对相邻的气体入口21a、21b。每个气体入口包括凹穴23，楔形构件24被接纳在该凹穴中。凹穴具有背壁233、底壁236、顶壁237以及一对侧壁234、235。
背壁233和侧壁234、235可以是基本上竖直的。底壁236和顶壁237可以是基本上水平的。与背壁233相对之处，存在开口。
侧壁234、235、底壁236以及顶壁237从背壁233并且沿着流动方向F朝下游向开口延伸。
气体通过孔口210供应，该孔口连接至气体入口控制装置22a，并且在凹穴的背壁233处开放。
侧壁234、235可以包括第一部分2341，该第一部分可以为最靠近背壁233的近侧部分、平行于流动方向F并且可以基本上垂直于背壁233。
侧壁234、235可以进一步包括第二部分2342，该第二部分可以为最远离背壁233的远侧部分，该第二部分以小于大约8度、优选地小于大约7度的锥角α逐渐变细。
如在该阵列的宽度方向上所见，最外侧壁可以不存在任何锥形部分，只要此最外侧壁与相邻的下游流动通道壁齐平，从而不提供可能引起紊流的尖角。
每一对相邻气体入口21a、21b可以由分隔壁25a、25b分开。侧壁的锥形部分2342因此可以在每个分隔壁25a、25b处形成竖直下游边缘。
在每个凹穴23中，提供楔形构件24。楔形构件具有后壁243和一对锥形壁244、245。
在所展示的示例中，楔形构件被形成为具有底表面和侧表面的直角棱柱。侧表面形成了后壁243和锥形壁244、245。
后壁243定位成基本上与凹穴23的背壁233平行，并且与背壁233间隔开，使得从孔口210流出的气体撞击楔形构件24的后壁243。因此，后壁243形成撞击表面。优选地，孔口应位于后壁243的几何重心处。同样优选地，孔口应提供垂直于后壁243的流动。
如在阵列的宽度方向上(水平地并且垂直于流动方向)所见，楔形构件24在其相关联的凹穴23内居中，使得在楔形构件24的每一侧、在楔形构件24与侧壁234、235之间形成流动间隙。
锥形壁244、245可以相对于流动方向F具有小于8度、优选地小于7度的锥角α。在每个楔形构件处，锥形壁244、245可以形成竖直的下游边缘。
在每个气体入口装置21a-21k的开口处，每个侧壁234、234与楔形构件24的与其相对的锥形壁244、245之间的开口角β应小于16度、优选地小于15度，以便避免由于流动表面的扩大而形成紊流，从而降低气体流动速度。
参考图4a至图4d，展示了根据第一实施例的楔形构件。
图4a是楔形构件24的示意性透视图。图4b是在与流动方向F平行的平面中截取的侧视图。图4c是楔形构件24的俯视图，并且图4d是如在朝向后表面243的方向上所见的楔形构件24的正视图。
楔形构件24形成有直角棱柱形式的本体部分，该直角棱柱的底表面关于与流动方向F平行的竖直平面对称。
楔形构件因此具有第一底表面241和与第一底表面241相反的第二底表面242。底表面241、242可以基本上是平面的并且彼此平行，如图所示。在另外的实施例中，底表面241可以具有变化的形貌，并且特别地，如在下游方向F上所见可以彼此发散。
底表面241、242是由后侧2431、一对锥形侧2441、2451以及一对可选的纵向侧2461、2471限定的。
后侧2431限定了后壁243；锥形侧2441、2451限定了锥形壁244、245，并且纵向侧2461、2471限定了纵向壁246、247。
纵向侧2461、2471(如果有的话)可以短于锥形侧2441、2451。具体来说，纵向侧2461、2471沿着流动方向F的长度可以小于锥形侧的长度的50％，优选地小于25％或小于15％。
锥形侧2441、2451可以关于后侧2431对称。优选地，每个锥形侧提供相对于流动方向F小于8度、优选地小于7度或约6度的锥角。
可以在楔形构件中提供附接装置。在所展示的示例中，附接装置包括垂直于底表面延伸的埋头通孔31。
还可以提供另外的对准孔32a、32b。
图5a至图5e示意性地展示了楔形构件的另一个实施例。图5a至图5e中所示的楔形构件与图4a至图4d中所示的楔形构件的不同之处在于其后表面243具有凹部33。
凹部33可以从后表面243垂直地延伸到楔形构件本体中。因此，如在下游方向F上所见，凹部可以延伸楔形构件本体的长度的3％与40％之间，优选地10％到30％。
凹部33可以具有圆形截面，其直径可以为楔形构件24的宽度(即后侧2431的长度)的50％至90％，优选地60％至80％。
图5e示意性地展示了如在包含流动方向F的竖直横截平面内所见的气体入口装置21。
如图5e中所示，气体孔口210的延伸部可以延伸到凹部33中，使得气流撞击凹部的内侧，从而改变(可能反转)方向，然后再次抵住凹穴23的背壁233改变方向。
图6是气体入口装置21的示意性截面视图，展示了根据本披露内容的气体入口装置的更一般方面。气体入口装置21在凹穴23的后壁233处具有近侧部分211，并且在凹穴23的开口处具有远侧部分212。
在图6中所示的装置中，气体源221通过气体入口控制装置22连接到气体入口装置，该气体入口控制装置连接到孔口210，在所展示的实施例中，该孔口与凹穴23的背壁233齐平。可选地，孔口可以从背壁233延伸出，并且进一步可选地，它可以延伸到楔形构件的后壁243中的凹部33中。
在侧壁234、235与锥形表面244、245之间形成了流动间隙213。流动间隙213具有至少一个部分，在此处流动间隙的流动面积沿着下游方向F逐渐增大。
在所示的示例中，流动间隙213具有：上游部分，流动面积在整个上游部分中基本上恒定；中心部分，其中开口角度等于楔形构件的锥形表面244、245的锥角，即大约6至8度；以及下游部分，其中开口角度等于楔形构件的锥形表面244、245的锥角与侧壁的锥形表面2342的锥角的总和，即大约12至16度。
图7a示意性地展示了如从凹穴的开口部分所见的被接纳在凹穴中的楔形构件21。
图7b示意性地展示了由分隔壁25a-25d分开的五个楔形构件21a-21e的1x5阵列，如从凹穴的开口部分所见。
图7c示意性地展示了由分隔壁25a-25d分开的15个楔形构件21a-21e的3x5阵列，如从凹穴的开口部分所见。此外，每对相邻的水平行的楔形构件由分隔板26分开。分隔板的最靠近凹穴开口的部分可以具有与分隔壁类似的逐渐减小的板厚度。在分隔壁与分隔板之间的相交处，可以提供对应的锥形相交，如图所示。
应注意，楔形构件24的底表面可以形成为遵循分隔板26的锥度。
替代地，分隔板26的锥度可以从分隔壁25、25a-25d的边缘的下游开始。
与图7a至图7c类似，图8a至图8c展示了具有金字塔形式的楔形构件的实施例，其中后表面243为底。因此，如图8a中所示，不仅存在侧向定向的锥形表面244、245，而且存在向上和向下定向的锥形表面248、249。
图8b示意性地展示了具有这种金字塔形楔形构件的气体入口装置21a-21e的1x5阵列。
图8c示意性地展示了具有这种金字塔形楔形构件的气体入口装置21a-21e的3x5阵列。
图9a至图9b示意性地展示了气体入口装置21的进一步发展，该气体入口装置具有为带有六边形底的金字塔形式的楔形构件。这个楔形构件因此具有六个锥形表面244、245、248、249、250、251、顶壁和底壁235、235以及四个侧壁234、235、238、239。
如图9b中所示，这种六边形气体入口装置对于提供具有多个气体入口装置的2D阵列特别有用，其可应用于期望提供穿过具有例如圆形或卵圆形截面的通道的受控层流的应用。
图9a至图9b中的实施例还以及图7c和8c中的实施例的另一种应用是在所谓的莲蓬头型气体入口装置中使用，其中气体在垂直于待处理的衬底表面的方向上引入。通常，这种气体入口装置将被竖直定位在衬底上方。
图10是反应器1的一部分的示意性详细视图，重点放在气体出口装置3。
气体出口装置包括上游部分301，该上游部分的流动面积是恒定的并且尺寸和形状被确定为对应于该反应器的气体处理部分(即，反应器的正在处理该衬底的部分)的流动面积。因此，通过不显著改变流动面积，上游部分301提供了到气体处理部分的平滑过渡。因此，对横越气体处理部分的流速没有影响或影响可忽略不计。
气体出口装置进一步包括下游部分302，该下游部分具有小于上游部分的流动面积。例如，下游部分可以具有为上游部分的1％至10％的流动面积。
过渡部分303连接该上游部分与该下游部分，并且具有逐渐减小的流动面积。
该过渡部分可以通过上游部分的向下限制表面或通过上游部分的向上限制表面通向上游部分。
上游部分的长度可以对应于从气体入口装置到过渡部分的起点的总流动路径长度的大约10％至30％。
该上游部分提供第一流动方向，该第一流动方向基本上与该反应器的气体处理部分中的流动方向平行。该下游部分提供第二流动方向，该第二流动方向相对于该第一流动方向成30至90度、优选地60至90度的角度，如在与第一流动方向平行的竖直平面中所见。
在过渡部分中，流动面积可以通过具有如在至少一个平面中所见的渐缩的过渡部分壁而逐渐减小。锥度可以是线性的，其中流动面积的总锥角为大约30至60度，优选地40至50度。
例如，在过渡部分中，流动面积宽度可以按下式来近似：WF＝Winit-2x lF tan(γ)，其中Winit为气体出口装置的上游部分处的宽度，lF为距过渡部分的上游起点的长度，且γ为过渡部分中的流动面积的锥角，并且其中，在过渡部分中，宽度减小了小于长度lF的两倍。
上游部分可以包括进给开口310，该进给开口提供从外部舱口到反应器的气体处理部分的笔直路径。
图11a至图11b示意性地展示了进入反应器的装载/卸载通路。可以使用机器人400-404通过开口310来对反应器进行装载/卸载。通常，反应器1和机器人400-404将被布置在真空环境中，例如通过定位在彼此连通的外壳501、502中，使得它们将被相同的压力(或者更确切地说是真空)包围。
参考图12，可以用第一气闸511将反应器外壳501与机器人外壳502分开。可以用第二气闸503将机器人外壳502与装载外壳503分开。可以用另外的气闸513、514将机器人外壳502与另外的外壳504、505分开。例如，可以提供预热外壳504和冷却外壳505。
机器人可以包括：固定底座400；第一臂402，其近侧部分可旋转地连接到底座400；第二臂403，其近侧部分可旋转地连接到第一壁402的远侧部分；以及第三臂404，其近侧部分可旋转地连接到第二壁403的远侧部分并且其远侧部分具有适于可释放地抓握衬底20的抓握装置401。
第一和第二臂402、403可以被配置为进行移动而使得在其移动穿过开口310到达衬底台4以及返回的整个移动过程中，第三臂404被定向成基本上与气体出口装置3的上游部分中的流动方向平行。
参考图13a至图13b，展示了混合装置6，用于增强通过不同气体入口装置引入的气体的混合。
该混合装置包括本体60，该本体在相关联的入口凹穴的高度或宽度上具有基本上恒定的截面。
该本体的限定了该截面的底表面沿着下游方向F为长形，并且包括上游部分61和下游部分62。上游部分61从底表面宽度为最大值的点向上游延伸，并且下游部分62从底表面宽度为最大值的点向下游延伸。
下游部分62沿着下游方向的长度大于上游部分61的长度。通常，下游部分长度可以为上游部分的长度的2至5倍。
上游部分可以具有面向上游方向的大致凸形表面611。
下游部分62的宽度可以朝向下游方向逐渐减小，使得下游部分具有面向下游方向的边缘621。
本体60可以关于平行于下游方向的平面PA对称。
因此，本体60可以具有延长的液滴的大体截面。
在图13a至图13b中所示的示例中，混合装置本体的对称平面PA与楔形构件24的对称平面对准。
在不存在对称楔的形构件24的情况下，混合装置本体的对称平面可以转而与入口凹穴23的中心线对准。
在图14中所示的替代实施例中，混合装置本体60的对称平面PA可以与分隔壁25的对称平面PA对准。
在不存在对称的分隔壁25的情况下，混合装置本体的对称平面可以转而与分隔壁的中心线对准。

Claims (61)

1.一种在用于衬底的气体处理的反应器中使用的气体入口装置(21，21a-21k)，包括：
入口凹穴，该入口凹穴具有背壁(233)以及在下游方向(F)上从该背壁(233)朝向入口凹穴开口(212)延伸的侧壁(234，235)，
撞击表面(243)，
气体孔口(210)，该气体孔口被配置成将气流导向该撞击表面(243)，以及
锥形表面(244，245)，该锥形表面在该撞击表面(243)下游延伸，使得在该侧壁(234，235)与该锥形表面(244，245)之间形成流动间隙(213)，该流动间隙沿着该下游方向(F)具有逐渐增大的截面积。
2.如权利要求1所述的气体入口装置，其中，该撞击表面(243)相对于该气体孔口(22a-22k)所引导的气流为垂直±10度，优选地±5度或±1度。
3.如权利要求1或2所述的气体入口装置，其中，气体孔口(22a-22k)开口与该背壁(233)齐平。
4.如权利要求1或2所述的气体入口装置，其中，气体孔口开口从背壁朝向该撞击表面(243)延伸出。
5.如前述权利要求中任一项所述的气体入口装置，其中，该撞击表面(243)具有凹部。
6.如权利要求5所述的气体入口装置，其中，该气体孔口延伸到该凹部中。
7.如前述权利要求中任一项所述的气体入口装置，其中，由该气体孔口引导的气流被导向该撞击表面的几何重心。
8.如前述权利要求中任一项所述的气体入口装置，其中，该锥形表面以相对于该下游方向(F)小于8度的锥角延伸。
9.如前述权利要求中任一项所述的气体入口装置，其中，该锥形表面的最内端与该撞击表面相交。
10.如权利要求1至8中任一项所述的气体入口装置，其中，纵向表面在该锥形表面与该撞击表面之间延伸，该纵向表面相对于该下游方向(F)成角度地延伸，该角度小于该锥形表面的锥角。
11.如前述权利要求中任一项所述的气体入口装置，其中，该侧壁(234，235)相对于该下游方向(F)成角度地延伸，该角度小于该锥形表面的锥角。
12.如前述权利要求中任一项所述的气体入口装置，其中，该侧壁(234，235)具有上游部分(2341)和下游部分(2342)，并且其中相较于该上游部分，该下游部分相对于该下游方向(F)以更大角度延伸。
13.如前述权利要求中任一项所述的气体入口装置，进一步包括节流布置，该节流布置被配置为使得该气体入口的气流可在最大流量与最小流量之间调整。
14.如前述权利要求中任一项所述的气体入口装置，其中，该凹穴(23)具有一对相对的壁(236，237)，并且其中该锥形表面(244，245)和该侧壁(234，235)在所述相对的壁之间完全延伸。
15.如权利要求14所述的气体入口装置，其中，该流动间隙具有矩形截面，该矩形截面由这些相对的壁(236，237)、该锥形表面(244，245)以及该侧壁(234，235)限定。
16.如权利要求14或15所述的气体入口装置，其中，该气体入口装置是由该凹穴(23)和楔形构件(24)形成，该楔形构件被接纳在该凹穴中，使得该楔形构件的短侧提供该撞击表面(243)。
17.如权利要求16所述的气体入口装置，其中，该凹穴(23)具有一对侧壁(234，235)，并且其中该楔形构件(24)与所述侧壁均间隔开，使得在该楔形构件的两侧均形成流动间隙。
18.如权利要求16或17所述的气体入口装置，其中，该楔形构件(24)具有一对锥形表面(244，245)，所述锥形表面均以相对于该下游方向(F)小于8度的锥角延伸。
19.如权利要求16至18中任一项所述的气体入口装置，其中，该楔形构件(24)被形成为直角棱柱，该直角棱柱具有由宽侧与一对锥形侧限定的底表面。
20.如权利要求14至19中任一项所述的气体入口装置，其中，这些相对的表面(236，237)被布置为水平±30度，优选地±10度、±5度或±1度。
21.如权利要求14至20中任一项所述的气体入口装置，其中，该锥形表面(244，245)和该侧表面(234，235)被布置为竖直±30度，优选地±10度、±5度或±1度。
22.如权利要求1至13中任一项所述的气体入口装置，其中，该凹穴(23)具有：至少两个并列的侧壁部分(235，237；234，236；235，239；234，238)，这些侧壁部分彼此成50至150度、优选地90至120度的角度延伸；以及至少两个并列的锥形表面(245，249，248，244；245，251；244，250)，这些锥形表面彼此成50至150度、优选地90至120度的角度延伸。
23.如权利要求22所述的气体入口装置，其中，该气体入口装置是由该凹穴(23)和楔形构件(24)形成，该楔形构件被接纳在该凹穴中，使得该楔形构件的短侧提供该撞击表面。
24.如权利要求22所述的气体入口装置，其中，该侧壁(234，235，236，237，238，239)围绕该锥形表面(244，245，248，249，250，251)，并且在与该下游方向(F)垂直的截面中看到，该侧壁和该楔形构件具有相同的形状，但是具有不同的尺寸并且是同轴地布置的，使得该流动间隙围绕该楔形构件。
25.如权利要求22所述的气体入口装置，其中，该侧壁和该楔形构件被形成为弯曲截面的本体，诸如卵圆形、椭圆形或圆形。
26.如权利要求22所述的气体入口装置，其中，该侧壁和该楔形构件被形成为多边形，优选地为三角形、矩形、正方形或六边形。
27.一种在用于衬底的气体处理的反应器中使用的混合装置(6)，包括：
本体(60)，该本体具有上游部分(61)及下游部分(62)，
其中该上游部分(61)具有面向上游方向的凸形表面(611)，并且
其中该下游部分(62)在下游方向(F)上朝向在该本体(60)的下游端处形成的边缘(621)逐渐变细。
28.如权利要求27所述的混合装置，其中，该本体(60)沿着横向于、优选地垂直于该下游方向(F)的方向具有恒定的截面。
29.如权利要求28所述的混合装置，其中，该截面是关于与该下游方向(F)平行的平面(PA)对称的。
30.如权利要求28或28所述的混合装置，其中，该截面为长形并且基本上为液滴状的。
31.一种气体入口阵列，包括多个如权利要求1至26中任一项所述的m×n个气体入口装置(21a-21k)，其中，m≥1并且n≥2。
32.如权利要求31所述的气体入口阵列，其中，在竖直方向上提供的气体入口的数目(m)小于5，优选地小于1或2。
33.如权利要求31或32所述的气体入口阵列，其中，在水平方向上提供的气体入口的数目(n)是奇数，优选地小于30，小于20或小于15。
34.如权利要求31至33中任一项所述的气体入口阵列，其中，一对并列的气体入口装置(21a-21k)藉由分隔壁(25a-25d)分开，该分隔壁形成该对并列的入口中的每一个的壁，并且其中该分隔壁具有截面，该截面的一部分在该下游方向上逐渐减小。
35.如权利要求34所述的气体入口阵列，其中，该分隔壁(25a-25d)具有非逐渐减小的第一部分(2341)和逐渐减小的第二部分(2342)。
36.如权利要求34或35所述的气体入口阵列，其中，该分隔壁具有至少一个锥形表面，该至少一个锥形表面以相对于该下游方向(F)小于8度的锥角延伸。
37.如权利要求31至36中任一项所述的气体入口阵列，进一步包括多个如权利要求27至30中任一项所述的混合装置(6)，其中，每个混合装置与这些气体入口装置(21a-21k)中的至少一个对准。
38.如权利要求37所述的气体入口阵列，其中，这些混合装置(6)中的每一个与入口凹穴(23)的中心对准，如在垂直于该下游方向(F)的方向上所见。
39.如权利要求37所述的气体入口阵列，其中，这些混合装置(6)中的每一个与分隔壁(25a-25d)对准，该分隔壁将一对相邻的气体入口装置(21a-21k)分开。
40.如权利要求37至39中任一项所述的气体入口阵列，其中，这些混合装置(6)在该下游方向(F)上与相应的气体入口装置(21a-21k)间隔开。
41.如权利要求37至40中任一项所述的气体入口阵列，其中，该混合装置(6)在界定该入口凹穴(23)的一对相对的壁(236，237)之间完全延伸。
42.一种在用于衬底的气体处理的反应器中使用的气体出口装置(3)，包括：
上游部分(301)，该上游部分具有第一流动面积，该第一流动面积经尺寸调整且经适配为对应于该反应器的气体处理部分的流动面积，
下游部分(302)，该下游部分具有小于该上游部分(301)的第二流动面积，以及
过渡部分(303)，该过渡部分连接该上游部分与该下游部分，并且具有逐渐减小的流动面积。
43.如权利要求42所述的气体出口装置，
其中，该上游部分(301)提供第一流动方向，该第一流动方向基本上与该反应器中的流动方向平行，并且
其中，该下游部分(302)提供第二流动方向，该第二流动方向相对于该第一流动方向具有30至90度、优选地60至90度的角度。
44.如权利要求42或43所述的气体出口装置，
其中在该过渡部分(303)中，流动面积宽度可按下式来近似：
WF＝Winit-2x lF tan(γ)，
其中Winit为该气体出口装置的上游部分处的宽度，lF为距该过渡部分的上游起点的长度，且γ为该过渡部分中的流动面积的锥角，并且
其中，在该过渡部分中，该宽度减小了小于该长度lF的两倍。
45.如权利要求42至44中任一项所述的气体出口装置，其中，该上游部分(301)包括进给开口(310)，该进给开口提供从外部舱口到该反应器的该气体处理部分的笔直路径。
46.如权利要求42至45中任一项所述的气体出口装置，其中，如在竖直平面中所见，该过渡部分(303)相对于该上游部分(301)以70至90度、优选地80至90度的角度延伸。
47.一种用于衬底的气体处理的反应器(1)，特别是用于通过化学气相沉积工艺形成外延层的反应器，该反应器包括如权利要求27至32中任一项所述的气体入口阵列(2)、和/或如权利要求33至37中任一项所述的气体出口(3)。
48.如权利要求47所述的反应器，进一步包括衬底台(4)，该衬底台被配置为将该衬底(20)保持在一种取向，使得该衬底处的气体流动方向平行于衬底表面，所述衬底台(4)可选地可绕垂直于衬底主平面的轴线旋转。
49.如权利要求47或48结合权利要求27至32中任一项所述的反应器，其中，该入口阵列具有主要方向和次要方向，并且其中该衬底台(4)被配置成将该衬底(20)保持为使其衬底表面平行于该主要方向。
50.如权利要求47至49中任一项结合权利要求31至41中任一项所述的反应器，其中，这些气体入口装置(21a-21k)被布置成其下游方向(F)彼此平行。
51.如权利要求47至50中任一项结合权利要求31至41中任一项所述的反应器，其中，这些气体入口装置(21a-21k)被布置成其下游方向以共同的中心径向地延伸。
52.如权利要求47至51中任一项结合权利要求31至41中任一项所述的反应器，其中，这些气体入口装置(21a-21k)布置在该反应器的中心，而使下游方向(F)径向地向外延伸，并且其中，所述衬底台(4)布置在这些气体入口装置(21a-21k)的径向外侧。
53.如权利要求47至52中任一项结合权利要求31至41中任一项所述的反应器，其中，这些气体入口装置(21a-21k)布置在该反应器的外围处，而使这些下游方向(F)径向地向内延伸，并且其中，所述衬底台(4)布置在这些气体入口装置的径向内侧。
54.如权利要求47至53中任一项所述的反应器，进一步包括反应室和加热器(5)，该加热器至少用于在处理期间加热该衬底(20)定位于其中的该反应室的区域。
55.如权利要求54所述的反应器，其中，该加热器(5)为电阻性加热器，该电阻性加热器在该衬底的两个主侧上具有电阻性加热元件。
56.如权利要求47至55中任一项所述的反应器，其中，该反应器(1)具有上游端和下游端，在该下游方向(F)上看时，该气体入口阵列(2)布置在该上游端处，并且该下游端布置在该衬底的相反侧。
57.如权利要求47所述的反应器，进一步包括衬底台(4)，该衬底台被配置为将该衬底(20)保持在一种取向，使得该气体入口阵列(2)被定位成使得这些气体入口装置(21a-21k)的下游方向基本上垂直于衬底表面，所述衬底台(4)可选地可绕垂直于衬底主平面的轴线旋转。
58.如权利要求47至57中任一项所述的反应器用于在半导体衬底上形成外延层的用途。
59.如权利要求58所述的用途，其中，仅一种反应性气体通过每个气体入口装置被引入该反应器中。
60.如权利要求59所述的用途，其中，通过相应的第一和第二气体入口装置引入至少两种反应性气体。
61.如权利要求60所述的用途，其中，保护气体通过第三气体入口装置被引入，该第三气体入口装置夹在该第一气体入口装置与该第二气体入口装置之间。
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