TWI418649B - 化學氣相沈積系統 - Google Patents

Description

化學氣相沈積系統

本發明涉及表面沈積薄膜技術，特別涉及用於表面沈積薄膜之化學氣相沈積系統。

化學氣相沈積(Chemical Vapor Deposition,簡稱CVD)係反應物質於氣態條件下發生化學反應，生成固態物質沈積於加熱之固態基底表面，進而製得固體材料之工藝技術。詳細請參閱Pulpytel,J.等人於2005年4月發表之Dendritic Platinum Aggregates Produced in the Plasma Assisted Chemical Vapor Deposition of Tin Oxide Thin Films，Volume33,Issued 10,Page(s):244-245。

化學氣相沈積系統於化學氣相沈積製程中起著重要作用，它直接影響著沈積薄膜之均勻性與純度，薄膜顆粒大小一致性以及沈積薄膜速率等。現有之化學氣相沈積系統主要包括常壓化學氣相沈積(Atmospheric Pressure CVD,簡稱APCVD)系統、低壓化學氣相沈積(Low-Pressure CVD,簡稱LPCVD)系統與電漿輔助化學氣相沈積(Plasma Enhanced CVD，簡稱PECVD)系統。

其中，常壓化學氣相沈積系統係於常壓環境下進行薄膜沈積，其反應器結構簡單，反應速率快。惟，於大氣壓狀況下，氣體分子彼此碰撞機率很高，因此極易發生氣相反應，使得所沈積之薄膜包含微粒，造成微粒污染。

低壓化學氣相沈積系統係於低壓環境下進行薄膜沈積，其反應器內壓力降低，可減少不必要之氣相反應，減少微粒產生以增加薄膜沈積均勻性。然而，低壓化學氣相沈積需較高反應溫度，且其反應速率慢。

電漿輔助化學氣相沈積系統利用電漿增加前驅物之反應速率，可於低溫環境下成長。電漿中之反應物係化學活性較高之離子或自由基，且基底表面受到離子之撞擊亦會使得化學活性提高，該兩因素可促進基底表面之化學反應速率，因此可於較低溫度即可沈積薄膜。然而，其反應機制複雜，較難控制，容易產生化學污染與微粒污染。

有鑑於此，提供一種薄膜沈積均勻、反應速率快，可減少化學污染與微粒污染，且不需過高反應溫度之化學氣相沈積系統實屬必要。

下面將以具體實施例說明一種化學氣相沈積系統。

一種化學氣相沈積系統，其包括進氣裝置、抽氣裝置以及連接於進氣裝置與抽氣裝置之間之反應器，該反應器內設置有用於放置基底之載具，該反應器內位於進氣裝置與抽氣裝置之間設置複數隔板，每一隔板均具有至少一通孔，相鄰兩隔板間之通孔相互錯開。

一種化學氣相沈積系統，其包括進氣裝置、抽氣裝置以及連接於進氣裝置與抽氣裝置之間之反應器，該反應器內設置有用於放置基底之載具，該反應器內位於進氣裝置與抽氣裝置之間設置複數隔板，該複數隔板將反應器內之腔體分隔成複數空間，每相鄰兩空間定義出至少一通孔，每一空間相對兩端之通孔彼此錯開。

相較於先前技術，本技術方案之化學氣相沈積系統中，該反應器內位於進氣裝置與抽氣裝置之間設置複數隔板，每一隔板均具有至少一通孔，相鄰兩隔板間之通孔相互錯開，從而，用於薄膜沈積之混合氣體可於該複數隔板引導下，依次通過每一隔板之通孔以及隔板之間之空間到達放置於待薄膜沈積基底，該複數隔板之設計可藉由控制隔板間距、隔板數量、隔板溫度以及載具溫度等參數使混合氣體濃度更均勻，混合氣體中之氣化前驅物裂解更充分以減少副產物產生，並減少氣相反應，從而可於較低溫度形成薄膜沈積，反應速率快，且可有效減少由副產物引起之微粒污染與化學污染。

下面將結合附圖與複數實施例對本技術方案之化學氣相沈積系統作進一步詳細說明。

請參閱圖1，本技術方案第一實施例提供之化學氣相沈積系統100，包括進氣裝置10、抽氣裝置20以及連接於進氣裝置10與抽氣裝置20之間之反應器30。

該進氣裝置10與反應器30一端連接，以可為反應器30提供反應氣體。進氣裝置10包括第一進氣管道11、第二進氣管道12、氣體混合腔13以及主進氣管道14。

第一進氣管道11與氣體混合腔13相連通，用於將氣化前驅物輸送至氣體混合腔13。第二進氣管道12亦與氣體混合腔13相連通，用於將輔助性氣體輸送至氣體混合腔13。該輔助性氣體可為氬氣、氮氣等惰性保護氣體，亦可為氧化性氣體(如氧氣)或還原性氣體(如氫氣)。該氣化前驅物與輔助性氣體之類別可根據沈積薄膜要求而定。並且，該氣化前驅物與輔助性氣體之濃度與流速等參數亦可根據具體薄膜而定。

氣體混合腔13用於混合來自第一進氣管道11與第二進氣管道12之氣體，以使氣化前驅物與輔助性氣體混合均勻。氣體混合腔13與主進氣管道14相連通，以將混合後之混合氣體經由主進氣管道14輸送至反應器30。

該抽氣裝置20與反應器30另一端連接，以可將反應後之氣體抽取掉，排出反應器30，使後續薄膜沈積能繼續進行。優選地，抽氣裝置20與進氣裝置10內氣體之流速一致，以使反應器30內之氣體維持恒定氣壓與流速。

該反應器30內設置有用於放置基底之載具311。本實施例中，該反應器30為圓柱狀空腔體，反應器30具有相對之頂壁31、底壁32以及連接該頂壁31與底壁32之側壁33。本實施例中，該頂壁31與底壁32平行。頂壁31開設有用於與主進氣管道14相連通之通孔301。底壁32開設有用於與抽氣裝置20相連通之通孔302。載具311設置於底壁32。載具311用於承載待沈積薄膜之基底。

反應器30內位於進氣裝置10與抽氣裝置20之間設置複數隔板34。隔板34平行於反應器30之頂壁31。每一隔板34均具有通孔35，且相鄰兩隔板34之間之通孔35相互錯開。本實施例中，該反應器30之側壁33定義出相對之第一側壁331與第二側壁332。該複數隔板34定義為相對之第一隔板341與第二隔板342，其中，該第一隔板341與第二隔板342間隔設置。該第一隔板341與第二隔板342將反應器30內之腔體分隔出複數空間303。優選地，該第一隔板341與第二隔板342彼此平行，且第一隔板341與第二隔板342之表面為平面。

每一第一隔板341具有第一通孔343。該第一通孔343設於第一隔板341與第一側壁331之間。每一第二隔板342具有第二通孔344。該第二通孔344設於第二隔板342與第二側壁332之間。並且，彼此相鄰之第一隔板341與第二隔板342之第一通孔343與第二通孔344相互錯開，且無重疊部分。優選地，各第一隔板341之第一通孔343之開設位置與大小均相同，各第一通孔343於垂直於頂壁31方向上之投影重疊。相應地，各第二隔板342之第二通孔344開設位置與大小均相同，各第二通孔344於垂直於頂壁31方向上之投影亦重疊。該第一通孔343與第二通孔344形狀並不限定，其截面可為月牙形、長方形、圓形等。

因此，經由主進氣管道14進入到反應器30之混合氣體可於複數隔板34導引下，依序流過第一隔板341之第一通孔343、第一隔板341與第二隔板342之間之空間303、第二隔板342之第二通孔344、第二隔板342與第二個第一隔板341之間之空間303、第二個第一隔板341之第一通孔343，重複之，直至混合氣體到達承載於載具311基底表面。反應器30內為真空環境，反應器30內之混合氣體於各隔板34形成之空間303內流動時可增加混合氣體分子間碰撞，使氣體混合更均勻，其並不與外界氣體接觸，從而減少氣相反應以及由於氣體不純造成之微粒污染。

該化學氣相沈積系統100還可進一步包括加熱裝置50。加熱裝置50可分別與載具311及隔板34連接以將載具311與隔板34加熱至預定溫度。加熱裝置50可分別將載具311與隔板34加熱至不同預定溫度。優選地，隔板34之間之溫度可根據薄膜沈積要求控制於80°至150°之間之任一恒定值。從而，複數隔板34均對氣體進行加熱，使得反應器30內之混合氣體自始至終均可保持恒溫，氣體濃度保持一致，使得基底表面之薄膜沈積更加均勻。

由於混合氣體經由主進氣管道14到達待沈積薄膜基底表面過程中，需流經各隔板34間之複數空間303，從而加熱之隔板34可進一步裂解混合氣體中之氣化前驅物，避免該氣化前驅物裂解不充分而產生副產物，影響薄膜沈積品質。

並且，可藉由控制各隔板34之間距或隔板34之數目改變各隔板34間形成之空間303中之混合氣體之飽和度與飽和壓力，從而改變薄膜沈積反應速率與薄膜晶相微結構，以控制該改薄膜沈積品質。例如，可藉由降低各隔板34間距或增加隔板34數量以增加混合氣體飽和度與飽和壓力，從而提高薄膜沈積反應速率。

該化學氣相沈積系統100結構簡單，藉由控制隔板34間距、隔板34數量、隔板34溫度以及基底溫度，即可控制薄膜沈積均勻性與反應速率以得到所需薄膜沈積厚度與品質要求。

請參閱圖2，本技術方案第二實施例中之化學氣相沈積系統200與第一實施例中之化學氣相沈積系統100大致相同，其不同之處在於，該複數隔板234表面呈波浪形，混合氣體可沿具有波浪表面之兩相鄰隔板234形成之空間236流動，從而混合氣體可更好地與隔板234接觸，使混合氣體濃度更均勻，混合氣體之氣化前驅物裂解更充分。

請參閱圖3，本技術方案第三實施例中之化學氣相沈積系統300與第一實施例中之化學氣相沈積系統100大致相同，其不同之處在於，該複數隔板334表面具有複數微凸起336。同理，混合氣體可沿具有微凸起336之兩相鄰隔板334形成之空間流動，從而混合氣體可更好地與隔板334接觸，使混合氣體濃度更均勻，混合氣體之氣化前驅物裂解更充分。

請參閱圖4，本技術方案第四實施例中之化學氣相沈積系統400與第一實施例中之化學氣相沈積系統100大致相同，其不同之處在於，該複數隔板434與反應器430之頂壁431夾角θ為銳角。該複數隔板434之設計可便於混合氣體於兩相鄰隔板434形成之空間403內流動，控制薄膜沈積反應速率。優選地，該複數隔板434與頂壁431之夾角θ為10°~45°之間任一角度，以使隔板434間氣體流動與混合更充分。

請參閱圖5，本技術方案第五實施例中之化學氣相沈積系統500與第一實施例中之化學氣相沈積系統100大致相同，其不同之處在於，該每一隔板534內開設至少一通孔535，相鄰兩隔板534之通孔535互相錯開，即相鄰兩隔板534之通孔535互不重疊。且，該通孔535並不限於開設於隔板534與側壁533相連接處，其可開設於隔板534內任何位置。從而，混合氣體可經由該隔板534之至少一通孔535從該層之空間503依次流動至其下一層空間503，直至其與基底表面接觸反應沈積形成薄膜。

此外，化學氣相沈積系統之反應器並不限於圓柱形空腔體，其可為截面為橢圓形、多邊形等各種形狀之空腔體。

相較於先前技術，本技術方案之化學氣相沈積系統中，該反應器內位於進氣裝置與抽氣裝置之間設置複數隔板，每一隔板均具有至少一通孔，相鄰兩隔板間之通孔相互錯開，從而，用於薄膜沈積之混合氣體可於該複數隔板引導下，依次通過每一隔板之通孔以及隔板之間之空間到達放置於待薄膜沈積基底，該複數隔板之設計可藉由控制隔板間距、隔板數量、隔板溫度以及載具溫度等參數使混合氣體濃度更均勻，混合氣體中之氣化前驅物裂解更充分以減少副產物產生，並減少氣相反應，從而可於較低溫度下形成薄膜沈積，反應速率快，且可有效減少由副產物引起之微粒污染與化學污染。

綜上所述，本發明確已符合發明專利之要件，遂依法提出專利申請。惟，以上所述者僅為本發明之較佳實施方式，自不能以此限制本案之申請專利範圍。舉凡熟悉本案技藝之人士援依本發明之精神所作之等效修飾或變化，皆應涵蓋於以下申請專利範圍內。

100、200、300、400、500．．．化學氣相沈積系統

10．．．進氣裝置

20．．．抽氣裝置

30、430．．．反應器

11．．．第一進氣管道

12．．．第二進氣管道

13．．．氣體混合腔

14．．．主進氣管道

311．．．載具

31、431．．．頂壁

32．．．底壁

33、533．．．側壁

301、302．．．通孔

34、234、334、434、534．．．隔板

35、535．．．通孔

331．．．第一側壁

332．．．第二側壁

341．．．第一隔板

342．．．第二隔板

303、236、403、503．．．空間

343．．．第一通孔

344．．．第二通孔

50．．．加熱裝置

336．．．微凸起

圖1係本技術方案第一實施例提供之化學氣相沈積系統示意圖。

圖2係本技術方案第二實施例提供之化學氣相沈積系統示意圖。

圖3係本技術方案第三實施例提供之化學氣相沈積系統示意圖。

圖4係本技術方案第四實施例提供之化學氣相沈積系統示意圖。

圖5係本技術方案第五實施例提供之化學氣相沈積系統示意圖。

100．．．化學氣相沈積系統

10．．．進氣裝置

20．．．抽氣裝置

30．．．反應器

11．．．第一進氣管道

12．．．第二進氣管道

13．．．氣體混合腔

14．．．主進氣管道

311．．．載具

31．．．頂壁

32．．．底壁

33．．．側壁

301、302．．．通孔

34．．．隔板

35．．．通孔

331．．．第一側壁

332．．．第二側壁

341．．．第一隔板

342．．．第二隔板

303．．．空間

343．．．第一通孔

344．．．第二通孔

50．．．加熱裝置

Claims (10)

1. 一種化學氣相沈積系統，其包括進氣裝置、抽氣裝置以及連接於進氣裝置與抽氣裝置之間之反應器，該反應器內設置有用於放置基底之載具，其中，該反應器內位於進氣裝置與抽氣裝置之間設置複數隔板，每一隔板均具有至少一通孔，相鄰兩隔板間之通孔相互錯開。
2. 如申請專利範圍第1項所述之化學氣相沈積系統，其中，該反應器包括相對之第一側壁與第二側壁，該複數隔板包括第一隔板與第二隔板，第一隔板與第二隔板間隔設置，該第一隔板、第二隔板與第一側壁、第二側壁相連接且使反應器內之腔體分隔形成複數空間，每一第一隔板具有第一通孔，每一第二隔板具有第二通孔。
3. 如申請專利範圍第2項所述之化學氣相沈積系統，其中，該第一通孔設於第一隔板與第一側壁之間，該第二通孔設於第二隔板與第二側壁之間。
4. 如申請專利範圍第2項所述之化學氣相沈積系統，其中，該第一隔板與第二隔板彼此平行。
5. 如申請專利範圍第1項所述之化學氣相沈積系統，其中，該複數隔板之表面呈波浪形。
6. 如申請專利範圍第1項所述之化學氣相沈積系統，其中，該複數隔板之表面具有複數微凸起。
7. 如申請專利範圍第1項所述之化學氣相沈積系統，其中，該反應器具有與進氣裝置相連之頂壁以及與抽氣裝置相連之底壁，該頂壁平行於底壁，該複數隔板與頂壁之間夾角為銳角。
8. 如申請專利範圍第7項所述之化學氣相沈積系統，其中，該複數隔板與頂壁之間夾角為10°~45°之間任一角度。
9. 如申請專利範圍第1項所述之化學氣相沈積系統，進一步包括加熱裝置，該加熱裝置分別連接至載具與複數隔板，以分別將載具與隔板加熱至不同預定溫度。
10. 一種化學氣相沈積系統，其包括進氣裝置、抽氣裝置以及連接於進氣裝置與抽氣裝置之間之反應器，該反應器內設置有用於放置基底之載具，其中，該反應器內位於進氣裝置與抽氣裝置之間設置複數隔板，該複數隔板將反應器內之腔體分隔成複數空間，每相鄰兩空間定義出至少一通孔，每一空間相對兩端之通孔彼此錯開。