CN100342496C

CN100342496C - 能防止污染并提高膜生长速率的化学气相沉积方法和设备

Info

Publication number: CN100342496C
Application number: CNB028203909A
Authority: CN
Inventors: 卞喆洙
Original assignee: Individual
Current assignee: Piezonics Co ltd; Korea Institute of Industrial Technology KITECH
Priority date: 2001-10-18
Filing date: 2002-10-04
Publication date: 2007-10-10
Anticipated expiration: 2022-10-04
Also published as: WO2003034477A1; JP4387190B2; EP1454346A1; EP1454346A4; EP1454346B1; US7485339B2; CN1572016A; US20030077388A1; US20070065599A1; US7156921B2; JP2005506448A

Abstract

本发明涉及一种CVD方法，包括如下步骤：将自身既不分解也不产生副产物的净化气体喷入放置基体的反应室中；以及将直接参与在基体上形成膜的气相源物质供应到反应室内部，从而通过净化气体与源物质之间的互扩散抑制作用在反应室内部形成保护帘。此外，本发明提供一种CVD设备，其中包括位于形成真空的反应室内的基座，在基座上面放置基体并且进行膜沉积过程，所述设备包括：设置在基座上方的反应气体约束装置，其具有用于供应源物质的至少一个源物质供应口，并且在其表面上形成多个孔；净化气体供应口，通过它使净化气体输送到反应气体约束装置外部；以及排出口，用于排出反应室中产生的废气。

Description

能防止污染并提高膜生长速率的化学气相沉积方法和设备

技术领域

本发明一般地涉及化学气相沉积(CVD)的方法和设备，更具体地涉及这样一种CVD方法和设备，其中通过将形成膜的反应气体输送到反应室中部，并对通过基座(susceptor)扩散的反应气体进行集中以防止反应气体接触反应室的构件，从而防止污染并提高膜的生长速率。

背景技术

化学气相沉积(CVD)是一种使用反应物(通常是气体形式，即反应气体)在基体表面上形成固体材料的薄膜沉积工艺。如图1所示，传统CVD设备一般包括：形成真空的反应室3、用于向室3供应反应气体的入口7、使供应的气体发生化学反应的加热装置、用于排出废气的出口6、以及位于室3中部的基座5，在该基座5上放置有基体并产生沉积。当给定的气相组合物，包括直接参与形成膜的主要源物质以及用于输送、蒸发或稀释主要源物质的辅助源物质，喷射到真空室3时，该组合物立即沿所有方向扩散，从而反应气体的密度在反应室的整个内部具有有限数值。特别是，在基座附近的一部分组合物被基座的高温激发而在基体上形成膜。

传统CVD设备，由于生长速率低，主要用于制备厚度小于3μm的薄膜。为了得到厚度大于3μm的厚膜，必须明显增大反应室中反应气体的密度。但是，喷入室3内的反应气体在反应室构件上产生不需要的膜或粉末，例如壁、反应气体分配喷头、基体加热装置、观察窗等等。而且，在反应室构件上形成的不需要的膜和/或粉末，由于反复地热胀/冷缩和/或反应室构件之间的晶格参数失配，被破碎成小的颗粒，从而在制造过程中污染薄膜。这里，如果室3中污染颗粒的数量增大，则制造过程的可靠性严重下降。例如，在制造超大规模集成电路(VLSI)时，污染颗粒会导致严重的图案次品，例如短路。

同时，为了增强传统CVD系统中的膜生长速率，必须在实际过程中通过向室3所有空间增加反应气体增大基座附近的反应气体密度，这就需要过量的反应气体，从而使经济效率下降。

为了防止反应室3的污染以及不需要的沉积，可以考虑适当调节反应室温度。但是，可以调节的温度范围非常窄，并且，如果反应气体由几种源物质组成，则实际上不存在可调的温度范围。因此，不可能通过调节反应室温度阻止污染颗粒的产生。

此外，在传统CVD系统中，室3的内壁与基座之间的温度差引起自然的对流，使反应气体难以保持均匀地扩散到基体上，从而降低形成的膜的可靠性。并且，自然对流使产生的污染颗粒继续在室内不断重复循环，加剧了污染的问题。

因此，为了快速和经济地制造厚度大于3μm的厚膜或者VLSI电路，需要提供CVD改进方法和设备，即使是高度集中的反应气体喷入反应室也能防止污染，并且在不增大供应的反应气体数量的情况下明显增大反应室中基座附近反应气体的密度。

下面的两种传统方法分别涉及增大室3中基座附近反应气体密度，以及防止产生污染颗粒，这被认为是本发明的现有技术。

首先，如图2所示，美国专利5851589描述了一种CVD设备，包括第一气体，其中包含反应气体，并通过管2平行地输送到基体5的表面；以及第二气体，其中包含净化气体(非反应气体)，通过喷板1垂直地吹向基体5的表面，稳定并形成第一气体的层流状态。其次，参看图3，美国专利6301434描述了一种双气体歧管，通过上喷头6提供净化气体防止在窗口8上沉积，以及通过下喷头7提供反应气体在基体5上沉积膜。上述现有技术正确地使用了净化气体的控制，用以解决传统的污染问题。但是，在上述两种现有技术中，仅在整个反应室的有限部分中达到了消除污染。

在图2中，在基体的前沿存在不可避免的反复循环区，并且难以抑制反应气体扩散到反应室的壁，这使所述系统的效果变差。并且，净化气体流速的外部控制需要更多的试验，使反应气体的流动稳定，因为反应气体的层流区非常窄，而净化气体完全垂直地抑制此窄区，从而引起流动的潜在不稳定性。在图3中，尽管净化气体控制系统可以有效地防止照明系统窗口的沉积，但不能保证所述设备是否能防止在反应室构件表面上形成颗粒，例如在反应室壁上，特别是远离净化气体喷头的区域周围。当需要长的处理时间以及/或者高的生长速率时，这个问题变得更为严重。

因此，本发明旨在提供一种化学气相沉积的方法和设备，用以消除上述现有技术的缺点。即，这种CVD方法和设备能利用由净化气体与反应气体之间互扩散抑制作用形成的保护帘，以优异的生产率、均匀性、可控性以及高生长速率有效地形成高质量的厚度超过3μm的厚膜。

发明内容

因此，本发明的一个目的是提供一种CVD方法，包括如下步骤：将自身既不分解也不产生副产物的净化气体喷入放置基体的反应室中，将净化气体引入具有多个孔的反应气体约束装置的内部；以及将直接参与在基体上形成膜的气相源物质供应到反应室内部，从而通过净化气体与源物质之间的互扩散抑制作用在反应室内部形成保护帘。根据上述本发明的CVD方法，可以从本质上仅仅增大基体附近的源物质密度，以及明显提高膜的生长速率。

本发明的另一个目的是提供一种CVD方法，包括如下步骤：在反应室中建立具有多个孔的反应气体约束装置；将自身既不分解也不产生副产物的净化气体喷到反应气体约束装置外部；以及将直接参与形成膜的气相源物质提供到反应气体约束装置内部，从而将反应室内部分成源物质密度高的第一区以及源物质密度极低的第二区。

本发明的另一个目的是提供上述的CVD方法，其中反应气体约束装置具有多个孔，由此将净化气体输送到反应气体约束装置内部，从而防止源物质扩散到反应气体约束装置外部，并形成保护帘，用于防止源物质接触反应气体约束装置。

本发明的再一目的是提供上述的CVD方法，其中喷到反应气体约束装置外部的净化气体数量远大于供应到反应气体约束装置内部的源物质数量，从而从反应气体约束装置外部到内部形成净化气体的保护帘，由此防止源物质接触反应气体约束装置。

本发明的又一目的是提供一种CVD设备，其中包括位于形成真空的反应室内的基座，在基座上面放置基体并且进行膜沉积过程，所述设备包括：在基座上方形成的反应气体约束装置，具有用于提供源物质的至少一个源物质供应口，并且在其表面上形成多个孔；净化气体供应口，通过它净化气体输送到反应气体约束装置外部；以及排出口，用于排出反应室中产生的废气。

本发明的又一目的是提供一种CVD设备，其中包括一个舟(boat)，沿水平方向形成在反应室中，在其上面放有多个晶片。所述设备包括：沿水平方向形成的反应气体约束装置，将舟包围，并在其表面上形成多个孔，在其一个末端具有源物质供应装置并且在其另一末端具有用于排出副产物的排出口，从而通过喷到反应气体约束装置外部的净化气体以及供应到反应气体约束装置内部的源物质之间的互扩散抑制作用，在反应室内部形成保护帘。

附图说明

所提供的附图是为了进一步理解本发明，附图包括在本申请中并作为本申请的一部分。附图图解了本发明的实施例，并与说明书一起用于解释本发明的原理。

在附图中：

图1、2和3是不同类型的传统CVD设备的示意图；

图4是反应室的概念图，其中充入沉积膜的反应气体；

图5是反应室的概念图，其中充入净化气体；

图6是概念图，表示反应气体约束在充入净化气体的反应室中部的状态；

图7是表示本发明优选实施例的CVD设备反应室的基本概念的部分剖切透视图；

图8是表示本发明反应气体约束装置实施例的透视图；

图9A、9B和9C表示本发明反应气体约束装置顶部的不同类型反应气体供应口；

图10表示本发明另一个实施例，通过图8C所示倾斜反应气体供应口注入的反应气体的漩涡现象；

图11和12表示本发明反应气体约束装置的另一个实施例；

图13、14、15和16表示本发明安装反应气体约束装置的不同类型反应室的示意性剖视图；

图17是表示本发明反应室中不同基座高度的TiO₂生长速率变化的图；

图18表示本发明CVD设备中含有反应气体和净化气体的混合气体的漂移速率矢量；

图19表示本发明CVD设备中反应气体密度是如何分布的；

图20是表示本发明不同净化气体流速的TiO₂生长速率变化的图；

图21表示使用传统喷头型CVD设备和本发明CVD设备得到的TiO₂生长速率变化的图；

图22和23是表示本发明反应室中不同真空压力的TiO₂生长速率变化的图；

图24是表示本发明不同TIP流速的TiO₂生长速率变化的图；

图25是本发明裸硅晶片上形成的TiO₂膜的断面电子显微镜图像；

图26是本发明Si₃N₄层上PZT/Ni/TiO₂+ZrO₂膜的断面电子显微镜图像；

图27是本发明裸硅晶片上生长的PZT膜的断面电子显微镜图像；以及

图28是本发明中图7中所示气体约束装置另一个实施例的反应室中不同基座高度的TiO₂生长速率变化的图。

具体实施方式

下面详细描述本发明优选的实施例，其实例图解在附图中。

参看图4到6，设备具有净化气体供应口27，净化气体通过它输送到反应室3；反应气体供应口7，反应气体通过它供应在室3中；用于支承和加热基体的基座5以及用于排出室3中的副产物的排出口28。当预定的反应气体喷入低压的室3时，反应气体立即向所有方向扩散；同样地，输送到室3的净化气体也立即向所有方向扩散。但是，如图6所示，当反应气体供应到充满净化气体的室3中部时，由于互扩散抑制作用在反应气体与充满的净化气体之间形成保护帘B，从而将室3的内部空间分成两个部分A和C。

净化气体自身在室3中既不分解也不产生副产物。例如，净化气体包括作为载气的Ar、He、H₂、N₂等，作为稀释气体的Ar、N₂，以及自身不产生副产物的O₂。真空抽吸作用对立即扩散的小分子量净化气体的影响很小。

同时，反应气体是直接参与形成膜的气相源物质；含有主要源物质以及用于载运、蒸发或稀释主要源物质的辅助源物质的气相混合物；或者没有用于载运主要源物质的载气的气相纯主要源物质。在这一方面，韩国专利225592提出了一种方法，用于在金属-有机物化学气相沉积(MOCVD)工艺中在没有载气的情况下蒸发和载运这些反应气体。

根据本发明，当净化气体和反应气体单独供应到反应室3时，反应气体高度集中在位于室3中部的基座5的周围区域(部分A)，而净化气体集中在室3内壁附近(部分C)。即，当反应气体输送到事先充满净化气体的室3中部时，形成了一个保护帘B，将室3内部空间分成两个部分A和C，这两个部分具有彼此不同的密度分布。因此，膜的生长速率可能随反应气体密度的增大而加快，并防止在室3内壁上产生污染颗粒，因为反应气体不存在于室3的所有内壁上。但是，室3内壁与基座5之间微小的温度差可以导致自然对流，从而非常难以稳定地保持保护帘B。即，保护帘B容易被自然对流或者供应的两种气体数量变化所破坏。因此，难以将使用不稳定保护帘B的方法应用到需要精确、均匀和高生长速率的化学气相沉积。

为了克服上述问题，本发明提供一种反应气体约束装置1，作为稳定地保持保护帘B的辅助装置。如图7所示，反应气体约束装置1设置在室3中部。装置1具有能包围保护帘B的恰当体积和类型。反应气体供应口7位于装置1的顶部，喷头9装在装置1上方，通过它将净化气体输送到室3，放置基体的基座5装在装置1内。此外，用于排出废物的排出口18位于基座5与装置1之间。

反应气体约束装置1，位于净化气体和反应之间希望形成的保护帘的稍微靠外一点儿，防止保护帘被补偿两种气体之间的互扩散抑制作用所破坏，从而稳定地保护和保持保护帘。即，当净化气体通过净化气体供应口(未图示)输入室3内时，净化气体容易通过装置1表面上加工的多个孔13扩散到装置1内部。接着，当反应气体通过反应气体供应口7输入装置1内部时，在装置1内聚集的反应气体向外驱赶净化气体，从而形成预定的保护帘。反之，一部分净化气体被迫通过孔13扩散到装置1内部，从而强化了需稳定保持的保护帘，而不管自然对流或者净化气体流动的变化如何。

下面将详细描述根据本发明的反应气体约束装置1的不同实施例。装置1，如图8所示，其设计非常像净化气体与反应气体之间形成的保护帘的形状，并将基座5完全包裹。即，装置1，包括主体中的混合部分21、扩散部分23以及沉积部分25，使反应气体的密度曲线平行于基座上侧变平，以便沉积厚度均匀的膜。装置1由耐热和耐腐蚀的材料制成，例如不锈钢、陶瓷、石英或增强玻璃，根据所用的这些材料，其制作方法是不同的，例如旋压、铸造或模制。孔13是根据所用材料适当地通过钻削、铸造或模制形成的。孔13的大小和间距经过恰当设计，用以形成保护帘以及反应气体约束装置1的独特作用。这里，保护帘迫使输入到装置1内部的反应气体不向外扩散。孔13的大小和间距，例如，适当调节到直径为3mm，间距为20mm，但并不限于此，因为它们可以根据不同的因素而改变，例如两种气体的流动速率、反应气体的密度以及所用设备的整个尺寸。

同时，参看图7，喷头9具有多个穿孔19，用于支撑保护帘，穿孔19的间距也是变化的。例如，穿孔在喷头9中部的间距宽，而在喷头9边缘附近窄，这样，在反应室3内形成反应气体的密度差。结果，使净化气体流向反应气体约束装置1的内部。但实际上，如果装置1装在室3中，仅通过图6所示的净化气体供应口27也能得到相同的作用，而不采用喷头9。

重复上述，参看图8，直径较小的混合部分21将主要源物质和辅助源物质在其狭窄空间内迅速混合。此外，通过混合部分21表面附近形成的孔13扩散的净化气体有助于源物质在混合部分21的中部混合，从而防止在混合部分21的内壁上形成污染颗粒。

位于混合部分21上部的反应气体供应口7可以设计成不同形状。例如，当主要和辅助源物质预先混合或者喷入纯的主要气相源物质而没有载气时，可以采用单独的垂直导管作为反应气体供应口7，如图9A所示。另外，如图9B和9C所示，当直接喷入不同种类的、混合的或未混合的源物质时，可以使用多个垂直的或倾斜的导管，作为另一种类型的反应气体供应口7。这里，通过图9C所示倾斜口7喷入的源物质引起漩涡现象(一种气旋效应)，使所供应的源物质的经过路程加长，从而更好地使源物质进行混合。因此，当需要建立源物质经过的长路程时，或者当反应室3的轴向长度短时，需要沿倾斜方向将反应气体输入室3中，如图9C所示。内径小于10mm的反应气体供应口7是使用不锈钢、陶瓷、Teflon等材料制成的管形成的。反应气体供应口7连接到起泡器、气化器等(未图示)，将反应气体供应到装置1内部。

扩散部分23，其直径向下变大，使混合部分21中混合的高度集中的反应气体沿倾斜方向扩散，从而使密度曲线变平。此后，当反应气体沿倾斜方向扩散经过体积向下增大的扩散部分23时，反应气体的密度变小。这里，扩散部分23的散开角度和高度与反应气体的流速密切相关。例如，扩散过程快速发生时，扩散部分23的散开角度可以增大，高度可以减小。

纵向沉积部分25是具有平密度曲线的反应气体与基座5上侧15平行相遇的区域。基座5的上侧15是膜完全形成的位置，应位于反应气体密度足够大以及密度曲线足够平的区域。因此，纵向沉积部分25的设计应具有足够的高度，足以包围基座5的上侧15。另外，为了平稳地排出废气，也需要尽可能地增大沉积部分25的高度。在装置1的表面上加工有多个孔13，其设计是使分散到反应气体约束装置1外部的一部分净化气体沿垂直方向扩散到装置1的表面。结果，利用净化气体保护帘防止反应气体逸出到装置1外部。另外，易于向外扩散的、高度集中的反应气体也阻止净化气体渗透到装置1内部预定的深度。因此，由于两种气体之间的互扩散抑制作用而在反应室3内部形成保护帘。结果，通过恰当地调节两种气体的数量和流速，可以将反应气体约束在装置1内部，而不到达装置1的内壁。因此，在本发明的CVD设备中，在室3的内壁以及装置1的内、外壁上不产生污染颗粒。

同时，根据本发明的反应气体约束装置1并不限于图7和8所示的形式，而是可以根据反应气体的特性以及室3的条件设计成不同的形式。例如，图11所示的装置没有混合部分21，其扩散部分23的散开角度急剧增大。当反应气体的扩散速率非常高时可以采用这种类型的装置1，并且当使用大尺寸基体时采用这种类型的装置1比较有益。图11所示装置1的其它构件与图8所示的具有相同功能。图12所示的装置1不包括扩散部分23以及混合部分21，而仅是具有预定高度的沉积部分25。在这种情况下，保护帘通过孔13按照与上述相同的方式形成，但是，输入装置1内部的反应气体不容易扩散，从而降低了反应气体密度的水平均匀性。

因此，需要建立反应气体供应口7，如图13和14所示。图13所示的反应气体供应口7以规则的间隔通过装置1顶部上的多个反应气体供应管路37穿过装置1，均匀地向装置1内部供应反应气体。同时，图14所示的反应气体供应口7与装置1中的喷头29相连，宽范围并均匀地喷出反应气体。

参看图15，表示本发明另一种类型的反应气体约束装置1，它是高度低的圆顶形状，不包括混合部分、扩散部分和沉积部分。即，当反应气体和净化气体分别输入充满净化气体的反应室3中部时，在基座5上方形成保护帘。这里，圆顶形反应气体约束装置1防止保护帘被破坏。另外，如果在装置1上方进一步提供喷头9时，更有助于形成更加稳定的保护帘。

下面参看图16，本发明的反应气体约束装置1应用于低压化学气相沉积(LPCVD)，其中多个晶片47竖直地立在沿水平方向形成的舟45上。这里，圆柱形装置1与舟45具有相同的方向，在其表面上加工多个孔13，在其一端加工反应气体供应口，在其另一端加工用于排出副产物的排出口48。当净化气体输入装置1外部，并且反应气体供应到装置1内部时，净化气体通过孔引入装置1内部，从而在装置1的净化气体和反应气体之间形成保护帘。因此，集中在放置多个晶片47的舟45周围的反应气体的密度增大。但是，在反应室3内壁以及装置1的内、外表面上没有反应气体，从而防止污染颗粒的产生。

即，根据本发明反应气体约束装置1和净化气体保护帘的CVD设备，通过将净化气体输入装置1外部同时将反应气体输入装置1内部，集中在反应室3中部的反应气体的密度增大到超过其它区域几倍或几十倍。

另外，室几何形状的不一致引起的局部反复循环，以及室3的较冷壁与热基座5之间的温差导致的自然对流，看起来都不容易出现在装置1内部，因为净化气体具有一个垂直装置1表面的方向，并且产生如下所述的稳定化效应。从装置1的外部指向内部的净化气体，将反应气体约束在装置1中，并使基体附近的反应气体形成层流状态。这个效应的调节可以通过调节净化气体流动速率，净化气体的流动速率可以是，例如，反应气体流动速率的几倍大。

因此，本发明通过最佳地设计反应室3的几何形状，包括反应气体约束装置1的类型、基座的位置等等，以及通过恰当地控制净化气体的流量以及源物质的混合、扩散和排出，从而明显增大膜生产速率以及膜厚的均匀性，并且将污染颗粒的产生减小到最低程度。

下面将在以下的实例中描述本发明能防止污染并增强膜生长的CVD方法和设备的实施例。

实施例1(CVD设备的结构)

在本发明的一个优选实施例中，如图7所示，直径为300mm以及高度为445mm的反应气体约束装置1包围着基座5，基座5的直径为240mm，高度为80mm，并位于反应室3的中部。所用的装置1是漏斗形的，净化气体通过它扩散到装置1内部。反应气体供应口7装在装置1的顶部，净化气体供应口9位于装置1上方。

实施例2(TiO₂膜的沉积)

使用实施例1中所述的CVD设备进行TiO₂膜的沉积。下面的方程表示通过TIP热解进行TiO₂膜的沉积：

Ti(OC₃H₇)₄→TiO₂(s)+4C₃H₆+2H₂O

使用异丙醇钛(Ti(OC₃H₇)₄)作为沉积TiO₂膜的前驱体。TIP的蒸气压在70℃下为2Torr。TIP的加热温度为85℃，反应室的压力为133Pa。在没有载气帮助下以1×10^-6kg/s的流速将纯TIP输入装置1内部，而氩气作为净化气体以10×10^-6kg/s的流速喷入装置1外部。在适当的低加热温度，即，在70℃-100℃的范围内，在TIP容器中TIP容易蒸发但难以分解。纯TIP气在没有载气的帮助下输送到室3中，其中室压力大大低于TIP蒸气压。这里，具有便于执行在MOCVD过程中使用的定量分析金属有机化合物的优势。为了模拟沉积行为，使用了一个计算流体动力学程序Fluent。其中，为了方便起见引入了Lennard Jones参数，因为分子运动论能容易地计算TIP的理论物理性质，如扩散系数、导热系数、比热等。L-J特征长度(埃)和能量参数(K)是TIP和其它气体的Lennard Jones参数值，可以从别处引用。

实施例3

如图17所示，利用实施例1和实施例2分别描述的CVD设备和条件，在装置1底部以上不同的基座高度进行了TiO₂膜的沉积，同时在径向位置小于100mm的范围内保持位置的均匀性为±5％。可以理解的是，径向位置在100mm以外的位置，即基座上表面的边缘部分的膜生长速率急剧增大的原因是此位置附近的速率矢量突变。

实施例4

图18表示由反应气体和净化气体组成的混合气体的漂移速率矢量。最大速率约1.5m/s。可以看出形成了保护帘，将高度集中的反应气体约束在反应室3的中部，与装置1内部的外侧分离。此外，图19表示本发明中TIP的密度(质量分数)如何在CVD设备中分布的。最大和最小的浓度分别是100％和0％，密度曲线是以1％的间隔绘出的。可以注意到，输入到装置1内部的净化气体并未大大降低混合部分21所在位置的从反应气体供应口7喷入的TIP密度。并且，由于从装置1外部到内部垂直方向的保护帘作用，室3内壁附近的TIP密度极低，从而在室3内壁上未生成不期望出现的污染颗粒。除此以外，TIP的纯速率，即混合气体的漂移速率与TIP扩散速率的矢量和，可以选定为从装置1的外部到内部具有垂直方向。即，由于所选择的净化气体流速的范围非常宽，例如，是TIP流速的几倍到几十倍，并且实际过程保持TiO₂生长的均匀性为±5％，TIP的纯速率不可能最终处于从装置1内部到外部的方向上。

实施例5

图20表示TiO₂生长速率随净化气体流速的变化，这是在供应未稀释的纯TIP蒸气至实施例1所述CVD设备的装置1内部时得到的。可以注意到，将TIP流动约束在装置1内的保护帘，随着净化气体流速增大而相应地变厚。即，在净化气体流速为20×10^-6kg/s时，在基座径向方向的TiO₂生长速率最大并且比较均匀。但是，如果净化气体流速超过300×10^-6kg/s时，TIP蒸气在室3中部过于集中。结果基体上200mm Si晶片中部的TiO₂生长速率，例如，远高于晶片边缘部分的生长速率。

实施例6

接着，图21表示使用传统喷头型CVD设备和实施例1所述CVD设备得到的TiO₂生长速率的变化。这里，TIP的输入质量分数定义为TIP输入质量流速与总输入质量流速之比。可以发现，在所有的TIP输入质量分数下，本发明(■●◆)比传统方法(□○◇)得到更高的TiO₂生长速率。例如，如果TIP的输入质量分数为10％，则本发明的TiO₂生长速率(●)大于传统方法的TiO₂生长速率(○)超过30％。如果TIP的输入质量分数为1％，则本发明的TiO₂生长速率(◆)大于传统方法的TiO₂生长速率(◇)超过300％。

实施例7

如图22和23所示，表示TiO₂生长速率随室3真空压力的变化。可以发现，TiO₂生长速率随室压力的增大逐渐增大，在压力133Pa时达到最大，接着当压力大于133Pa时缓慢下降。此外，可以注意到，压力在133Pa附近的宽范围内TiO₂生长速率对室压力的影响不敏感，从而批量生产时真空压力允许有大范围的变化。

实施例8

如图24所示，表示TiO₂生长速率随TIP质量流速的变化。可以注意到，当使用本发明的装置1时，TiO₂膜的生长速率随TIP流速的增大显著增大。尤其是，当不使用载气而将纯TIP蒸气输送装置1内部时，TiO₂膜的生长速率随TIP输入流速的增大按比例增大。即，由于在供应没有载气的纯TIP蒸气时很容易增大TIP的输入流速，因此当需要保证高的生长速率时需要使用没有载气的纯TIP蒸气。

实施例9

图25是使用本发明的CVD设备在裸硅晶片上形成的TiO₂膜的断面电子显微镜照片。在压力133Pa的室3中，在20μm/h的生长速率下，TiO₂膜的厚度长到8μm。可以理解的是，在此实施例中得到的生长速率相当高，这表明了本发明用于沉积厚膜的优势。

同时，图26是使用本发明CVD设备在Si₃N₄层上得到的PZT/Ni/TiO₂+ZrO₂膜的断面电子显微镜照片。首先，在氮化硅晶片上沉积TiO₂+ZrO₂层，其中TIP和tert-butoxide锆分别用作TiO₂和ZrO₂的前驱体。接着，通过RF溅射在TiO₂+ZrO₂层上形成Ni电极。最后，使用本发明沉积PZT层。这里，使用四乙铅(Pb(C₂H₅)₄)作为铅成分的前驱体，并共同使用上述的TIP和tert-butoxide锆，使用氧形成氧化铅，这也是参与形成PZT的一种化合物。如图26所示，Si₃N₄层上生长的TiO₂+ZrO₂膜的厚度为5μm，Ni电极上形成的PZT膜的厚度为3μm。

实施例10

接着，图27是使用本发明CVD设备在裸硅晶片上生长的PZT膜的断面电子显微镜照片。在压力200Pa的室3中，在6μm/h的生长速率下，PZT膜的厚度长到6μm。可以看出，沉积的PZT膜的形貌不是很平，但与上述传统方法相比，本发明得到的PZT膜的厚度明显提高，并且可以属于金属有机物化学气相沉积(MOCVD)制备的PZT膜中最厚的一个。

实施例11

最后，图28是室3中TiO2生长速率随室3中基座高度的变化曲线，这里室3属于图11所示本发明另一个实施例的没有混合部分的装置1。在此实施例中，装置的整个高度是300mm，其它条件与实施例1相同。如图28所示，可以注意到，膜生长速率显著增大，而膜生长的均匀性多少有些降低了。即，这表明，对于保证膜生长的均匀性，需要通过充分地增大装置1的高度使源物质的密度曲线变平。因此，装置1的轴向长度需要同时根据结构效率以及膜生长的均匀性慎重确定。

工业实用性

根据上述的本发明，通过将净化气体输入装置1内部形成的保护帘作用，将反应气体约束在膜生长的反应室3的中部，可以增大反应气体的密度，从而明显提高膜的生长速率。

此外，根据本发明的保护帘作用，可以防止在反应室3的内壁上生成污染颗粒。

并且，根据本发明的另一个实施例，提供了一种反应气体约束装置1，它具有适当的尺寸和形状可以包围反应室3中的基座5，并在其表面上加工有多个孔13，净化气体通过这些孔进入。使用装置1，通过调节净化气体流动以及扩散速率，从而将输送到装置1外部的净化气体引入到装置1内部，通过反应气体与净化气体之间的互扩散抑制作用形成保护帘的作用，利用此保护帘作用可以防止装置1表面上生成污染颗粒。

并且，根据本发明的反应气体约束装置1，可以快速和稳定地混合并扩散反应气体，防止由于反应室构件之间的温差形成的自然对流，从而明显提高重复性、均匀性、可控性以及生长速率。

另外，与相用传统CVD设备相比，本发明可以明显增大用于膜生长的反应室3中部的反应气体的浓度，而反应气体不会有任何损失，并可防止由于高浓度的反应气体造成的污染颗粒的生成，从而高效地形成厚度超过3μm的厚膜，应用于微机电系统(MEMS)等。

本领域一般技术人员应该清楚的是，在不偏离本发明精神或范围的情况下可以做出不同修改和变化。这样，只要对本发明的修改和变化落在所附权利要求及其等价内容的范围，则本发明将覆盖这些修改和变化。

Claims

1.一种化学气相沉积方法，包括如下步骤：

在反应室中建立具有多个孔的反应气体约束装置；

将自身既不分解也不产生副产物的净化气体喷入到该反应气体约束装置外部；以及

将直接参与形成膜的气相源物质供应到该反应气体约束装置内部，从而将反应室内部分成源物质密度高的第一区以及源物质密度极低的第二区。

2.如权利要求1所述的化学气相沉积方法，

其中源物质是由直接参与形成膜的主要源物质与用于运载、气化或稀释该主要源物质的辅助源物质混合而成的组合物。

3.如权利要求1所述的化学气相沉积方法，

其中源物质仅由没有载气的纯气相的主要源物质组成。

4.如权利要求1所述的化学气相沉积方法，

其中净化气体是由Ar、N₂，He、H₂和O₂气之中的一种气体组成，或者是由其中一些气体混合而成的组合物。

5.如权利要求1所述的化学气相沉积方法，

其中反应气体约束装置具有多个孔，通过这些孔将净化气体输送到反应气体约束装置内部，从而防止源物质扩散到反应气体约束装置外部，并形成用于防止源物质接触反应气体约束装置的保护帘。

6.如权利要求1或5所述的化学气相沉积方法，

其中喷到反应气体约束装置外部的净化气体的量远大于供应到反应气体约束装置内部的源物质的量，从而从反应气体约束装置外部到内部形成净化气体的保护帘，由此防止源物质接触反应气体约束装置。

7.一种化学气相沉积设备，包括位于形成真空的反应室内的基座，基座上面放置基体并且进行膜沉积过程，所述设备包括：

反应气体约束装置，其在基座上方形成，具有用于供应源物质的至少一个源物质供应口，并且在该装置的表面上形成多个孔；

净化气体供应口，通过它将净化气体输送到反应气体约束装置外部；和

排出口，用于排出反应室中产生的废气。

8.如权利要求7所述的化学气相沉积设备，

其中反应气体约束装置包括使通过源物质供应口供应的源物质混合的混合部分，使混合的源物质沿倾斜方向扩散的发散扩散部分，以及垂直沉积部分，该垂直沉积部分所具有的长度使通过扩散部分扩散的源物质的密度曲线变平。

9.如权利要求7所述的化学气相沉积设备，

其中源物质供应口是管状导管，通过它将预先混合的或分别单独供应的主要源物质和辅助源物质沿垂直方向输送到反应气体约束装置内部。

10.如权利要求7所述的化学气相沉积设备，

其中源物质供应口是管状导管，通过它将预先混合的或分别单独供应的主要源物质和辅助源物质沿倾斜方向输送到反应气体约束装置内部。

11.如权利要求7所述的化学气相沉积设备，

其中基座位于反应气体约束装置的中部，基座的顶面离开反应气体约束装置底部预定的距离。

12.如权利要求7所述的化学气相沉积设备，

其中排出口位于反应气体约束装置与基座之间。

13.如权利要求7所述的化学气相沉积设备，

其中反应气体约束装置包括使混合的源物质沿倾斜方向扩散的发散扩散部分以及垂直沉积部分，该垂直沉积部分所具有的长度使通过扩散部分扩散的源物质的密度曲线变平。

14.如权利要求7所述的化学气相沉积设备，

其中反应气体约束装置包括垂直沉积部分，该垂直沉积部分所具有的长度使通过扩散部分扩散的源物质的密度曲线变平。

15.如权利要求7所述的化学气相沉积设备，

其中反应气体约束装置包括高度低的圆顶状沉积部分。

16.如权利要求7所述的化学气相沉积设备，

其中在反应气体约束装置内的上部形成喷头或多个源物质供应管路，通过它使源物质在宽范围内均匀地供应并快速扩散。

17.一种化学气相沉积设备，其中包括一个舟，舟沿水平方向形成在反应室中，在舟上面放置多个晶片，所述设备包括：

反应气体约束装置，它沿水平方向形成并将舟包围，并在其表面上形成多个孔，在其一个末端具有源物质供应装置并且在其另一末端具有用于排出副产物的排出口，从而通过喷到反应气体约束装置外部的净化气体以及供应到反应气体约束装置内部的源物质之间的互扩散抑制作用，在反应室内部形成保护帘。