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CN114990528B - 一种改善cvd设备腔内温度场的装置及方法 - Google Patents

一种改善cvd设备腔内温度场的装置及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种改善CVD设备腔内温度场的装置及方法，设置于CVD设备腔室顶部，为与反应腔内轮廓一致的平面喷淋板，在喷淋板上分布若干圈通孔型喷淋孔。气体进入CVD设备腔室顶部后经过喷淋孔阻抗作用，气流通量从喷淋板中心到边缘逐渐增大，均匀到达腔内样品台处。采用本发明使CVD设备腔内样品台处温度场分布均匀并减小温度梯度，从而提高样品的镀膜均匀度。

Description

一种改善CVD设备腔内温度场的装置及方法
技术领域
本发明应用于CVD设备腔室顶部，用于调节腔内气流分布从而使样品台处温度场分布均匀并减小温度梯度。
背景技术
碳化硅具有高热导率、高击穿场强、高饱和电子漂移速率等特点，可以很好地满足新能源汽车电动化发展趋势。新能源汽车产业的飞速发展，极大地推动了碳化硅产业发展与技术创新。目前碳化硅镀膜技术多采用化学气相沉积(CVD)：反应物质以气相状态由进口进入反应腔内发生化学反应，在固态基体表面产生固态物质沉积，从而为固体基体镀膜的一种工艺技术。为了对腔内温度进行精确控制以及获得均匀的温度场，这对其设备的更新优化也带来了挑战。
现阶段的化学气相沉积(CVD)设备根据反应原理不同可分为:等离子增强化学气相沉积(PECVD)设备、低压化学气相沉积(LPCVD)设备以及卤化物化学气相沉积(HCVD)设备等。
常见的卤化物化学气相沉积(HCVD)设备工作原理参见图1。该设备包括导气孔1，保温碳毡2，石墨筒3，顶部盖板4，保温碳毡5，圆形样品台6，保温碳毡7，炉体外壁8，托盘9，加热体10，绝缘支撑块11，保温碳毡12，炉体外壁13，支撑板14，保温碳毡15，石墨电极16，转动轴17，支撑杆18。其中，顶部盖板4与石墨筒3组成了封闭的真空反应腔；反应气体由导气孔1进入真空反应腔；加热体10为该设备唯一热源，由计算机控制石墨电极16使其产生热量，从而使加热体达到精确温度；反应气体发生化学反应，在圆形样品台6上产生碳化硅固体沉积，从而为碳化硅镀膜；转动轴17与托盘9相连发生转动，固定在托盘9上的六根支撑杆18带动圆形样品6实现与转动轴17同转速转动；保温碳毡2、5、7、12、15起到减少反应腔热量散失的作用；支撑板14可固定设备；炉体外壁8、13为空心结构，里面注入循环冷凝水，防止外壁温度过高，起到保护作用。
但是，由于CVD反应腔内气流分布并不均匀，气体从顶部进入经过反应腔到达样品台处时温度已经与设定温度有了偏差，从而形成较大的温度梯度，不利于碳化硅镀膜均匀沉积。
类似的，在其他化学气相沉积(CVD)设备中也存在着样品台处温度场分布不均匀的问题，影响镀膜均匀度。
发明内容
本发明要解决的技术问题是，提供一种面向CVD设备用来调节腔内气流分布的装置及方法，使样品台处温度场分布均匀并减小温度梯度，从而提高样品的镀膜均匀度。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为:
一种改善CVD设备腔内温度场的装置，其特征在于：为与反应腔内轮廓一致的平面喷淋板，在喷淋板上分布若干圈通孔型喷淋孔。
上述技术方案中，喷淋板为圆形。
上述技术方案中，同一圈上所分布的任一喷淋孔直径相等。
上述技术方案中，同一圈上所分布的任一喷淋孔圆心与喷淋板面的中心距离相等。
上述技术方案中，同一圈上所分布的任一相邻的两个喷淋孔与喷淋板面的中心的径向直线所构成的夹角相等。
上述技术方案中，喷淋板面的圆心或中心处不设置通孔。
上述技术方案中，按照最内圈喷淋孔到最外圈喷淋孔顺序，以最内圈喷淋孔圆心与喷淋板面的圆心距离L1为基准，每相邻两圈喷淋孔圆心所构成的同心圆半径差Li呈现以对数函数单调递增依次增大或保持大小不变的变化趋势。
上述技术方案中，按照最内圈喷淋孔到最外圈喷淋孔顺序，以最内圈喷淋孔直径D1为基准，每圈喷淋孔直径Di呈现以对数函数单调递增依次增大或保持不变的变化趋势。
喷淋板上喷淋孔采用上述布置形式主要用于调整喷淋板面阻抗大小，进而调节进入腔室内气流分布：
按照最内圈喷淋孔到最外圈喷淋孔顺序，使分布在各圈上的喷淋孔直径Di与最内圈喷淋孔直径D1大小相等并保持不变，使每相邻两圈喷淋孔圆心所构成的同心圆半径差Li以最内圈喷淋孔圆心与喷淋板面圆心距离L1为基准，呈现以对数函数单调递增变化趋势依次增大，从而使喷淋板面对进气气体阻抗由中心向两边逐渐减小，预计气流通量从喷淋板中心到边缘逐渐增大。
按照最内圈喷淋孔到最外圈喷淋孔顺序，使每相邻两圈喷淋孔圆心所构成的同心圆半径差Li与最内圈喷淋孔圆心与喷淋板面圆心距离L1大小相等并保持不变，使分布在各圈上的喷淋孔直径Di以最内圈喷淋孔直径D1为基准呈现以对数函数单调递增变化趋势依次增大，从而使喷淋板面对进气气体阻抗由中心向两边逐渐减小，预计气流通量从喷淋板中心到边缘逐渐增大。
按照最内圈喷淋孔到最外圈喷淋孔顺序，使分布在各圈上的喷淋孔直径Di以最内圈喷淋孔直径D1为基准呈现以对数函数单调递增变化趋势依次增大，使每相邻两圈喷淋孔圆心所构成的同心圆半径差Li以最内圈喷淋孔圆心与喷淋板面圆心距离L1为基准呈现以对数函数单调递增变化趋势依次增大，从而使喷淋板面对进气气体阻抗由中心向两边逐渐减小，预计气流通量从喷淋板中心到边缘逐渐增大。
上述技术方案中，喷淋板设置于CVD设备腔室顶部，上表面与导气孔下表面相连使得气流经导气孔穿过喷淋板进入腔室內。
上述技术方案中，喷淋板材质为石墨。
一种改善CVD设备腔内温度场的方法，其特征在于采用上述的改善CVD设备腔内温度场的装置，气体进入CVD设备腔室顶部后经过喷淋孔阻抗作用，喷淋板对气流的阻抗作用由中心向四周逐渐减小，因此可使气流通量从喷淋板中心到边缘逐渐增大，均匀到达腔内样品台处。
由此，本发明应用于CVD设备腔室顶部，用于调节反应腔内气流分布从而使样品台处温度场分布均匀并减小温度梯度。该喷淋板上包含若干个大小不等的喷淋孔；通过使喷淋孔圆心与喷淋板中心距离以及喷淋孔直径两参数大小按对数函数由喷淋板面中心向四周逐渐增大，从而调整喷淋板面阻抗大小，进而调节进入腔室内气流分布。本发明设计方案简洁并高效，仅通过改变喷淋孔尺寸以及定位参数便可对腔室内的气流分布进行精细化调节，进而对样品台处温度场进行精细化控制。
与现有结构相比，本发明的有益效果在于:
(1)添加本发明的喷淋板，可以有效使CVD反应腔内气流分布均匀，并且可有效提高进气速度区间，以满足样品镀膜需求。
(2)使喷淋板面中心部位对气流产生的阻力大于四周对气流产生的阻力，从而减少到达样品台中心处反应气体气流量，进而使样品台处气流量分布较为均匀。
(3)本发明廉价、简洁且高效。
(4)本发明的设计理念不仅适用于CVD设备，同样适用于任何对气流分布要求均匀的多孔喷淋板布气系统。
附图说明
图1为本发明适用的HCVD工艺腔室剖面示意图。
图2为本发明实施例中喷淋板主视图。
图3为本发明的工作位置示意图。
具体实施方式
本发明的主要目的是提供一种面向CVD设备用来调节腔内气流分布的喷淋板，下文结合附图2进行说明，并不局限于以下的实施方式。
参见附图2-3，根据本发明实施的改善CVD设备腔内温度场的装置为喷淋板100，其特征在于：设置于CVD设备腔室顶部，喷淋板100上顶面与导气孔1的下表面相连，安装位置如图3显示，为与反应腔内轮廓一致的平面喷淋板，在喷淋板100上分布若干圈通孔型喷淋孔101。
喷淋孔101有以下三种布置形式：
同一圈上分布的喷淋孔直径保持2cm不变，第一圈喷淋孔圆心与喷淋板面圆心距离为ln9cm，相邻两圈喷淋孔所在圆心所构成的同心圆半径差为ln(8+i)cm，其中i指按照最内圈喷淋孔到最外圈喷淋孔顺序的第i圈，i≤7。当i≤3时，第i圈上相邻的两个喷淋孔所在的喷淋板面径向直线所构成夹角为60°；当3<i≤7时，第i圈上相邻的两个喷淋孔所在的喷淋板面径向直线所构成夹角为20°。
或者按照最内圈喷淋孔到最外圈喷淋孔顺序，第i圈喷淋板直径为ln(2+i)cm，第i圈上分布的喷淋孔圆心构成的同心圆半径为2.5icm。其中i指按照最内圈喷淋孔到最外圈喷淋孔顺序的第i圈，i≤7。当i≤2时，第i圈上相邻的两个喷淋孔所在的喷淋板面径向直线所构成夹角为40°；当2<i≤7时，第i圈上相邻的两个喷淋孔所在的喷淋板面径向直线所构成夹角为20°。
或者按照最内圈喷淋孔到最外圈喷淋孔顺序，第i圈喷淋板直径为ln(3+i)cm，第一圈喷淋孔圆心与喷淋板面圆心距离为ln10cm，相邻两圈喷淋孔所在圆心所构成的同心圆半径差为ln(9+i)cm，其中i指按照最内圈喷淋孔到最外圈喷淋孔顺序的第i圈，i≤7。当i≤2时，第i圈上相邻的两个喷淋孔所在的喷淋板面径向直线所构成夹角为40°；当2<i≤7时，第i圈上相邻的两个喷淋孔所在的喷淋板面径向直线所构成夹角为20°。
优选喷淋板100的材质为石墨。
应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (6)

1.一种改善CVD设备腔内温度场的装置，其特征在于：为与反应腔内轮廓一致的圆形平面喷淋板，在喷淋板上分布若干圈通孔型喷淋孔，喷淋板面的圆心或中心处不设置通孔；
同一圈上分布的喷淋孔直径保持2cm不变，第一圈喷淋孔圆心与喷淋板面圆心距离为ln9cm，相邻两圈喷淋孔所在圆心所构成的同心圆半径差为ln(8+i)cm，其中i指按照最内圈喷淋孔到最外圈喷淋孔顺序的第i圈，i≤7；
当i≤3时，第i圈上相邻的两个喷淋孔所在的喷淋板面径向直线所构成夹角为60o；当3<i≤7时，第i圈上相邻的两个喷淋孔所在的喷淋板面径向直线所构成夹角为20°。
2.一种改善CVD设备腔内温度场的装置，其特征在于：为与反应腔内轮廓一致的圆形平面喷淋板，在喷淋板上分布若干圈通孔型喷淋孔，喷淋板面的圆心或中心处不设置通孔；
按照最内圈喷淋孔到最外圈喷淋孔顺序，第i圈喷淋孔直径为ln(2+i)cm，第i圈上分布的喷淋孔圆心构成的同心圆半径为2.5icm；其中i指按照最内圈喷淋孔到最外圈喷淋孔顺序的第i圈，i≤7；
当i≤2时，第i圈上相邻的两个喷淋孔所在的喷淋板面径向直线所构成夹角为40o；当2<i≤7时，第i圈上相邻的两个喷淋孔所在的喷淋板面径向直线所构成夹角为20o。
3.一种改善CVD设备腔内温度场的装置，其特征在于：为与反应腔内轮廓一致的圆形平面喷淋板，在喷淋板上分布若干圈通孔型喷淋孔，喷淋板面的圆心或中心处不设置通孔；
按照最内圈喷淋孔到最外圈喷淋孔顺序，第i圈喷淋孔直径为ln(3+i)cm，第一圈喷淋孔圆心与喷淋板面圆心距离为ln10cm，相邻两圈喷淋孔所在圆心所构成的同心圆半径差为ln(9+i)cm，其中i指按照最内圈喷淋孔到最外圈喷淋孔顺序的第i圈，i≤7；
当i≤2时，第i圈上相邻的两个喷淋孔所在的喷淋板面径向直线所构成夹角为40o；当2<i≤7时，第i圈上相邻的两个喷淋孔所在的喷淋板面径向直线所构成夹角为20o。
4.根据权利要求1或2或3所述的改善CVD设备腔内温度场的装置，其特征在于：喷淋板材质为石墨。
5.根据权利要求1或2或3所述的改善CVD设备腔内温度场的装置，其特征在于：喷淋板设置于CVD设备腔室顶部，上表面与CVD设备腔室梯形截面导气孔下表面相连使得气流经导气孔穿过喷淋板进入腔室內。
6.一种改善CVD设备腔内温度场的方法，其特征在于采用上述权利要求1-5任一项所述的改善CVD设备腔内温度场的装置，气体进入CVD设备腔室顶部后经过喷淋孔阻抗作用，喷淋板对气流的阻抗作用由中心向四周逐渐减小，使得气流通量从喷淋板中心到边缘逐渐增大，均匀到达腔内样品台处。
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