CN101403108B - 化学气相淀积反应器和化学气相淀积方法 - Google Patents
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Abstract
本发明揭示了一种用于化学气相淀积的反应器和一种使用该反应器进行化学气相淀积的方法。该反应器有一种圆柱形反应腔,腔内有一种圆柱形顶盖支撑和一种环形气体扩散盘。该圆柱形反应腔能实现多股气流沿着与衬底表面平行或与衬底表面成一定角度的径向方向和另一股气流沿着与衬底表面垂直的方向进入反应腔。该反应器具有结构简单,操作与维修方便,制造和使用成本低等优点,使用该反应器进行化学气相淀积具有效率高,耗源少,重复性,再现性和一致性好等优点。
Description
技术领域
本发明主要涉及一种用于化学气相淀积的反应器和一种使用该反应器进行化学气相淀积的方法,进一步是指所述化学气相淀积反应器包括一种用于在一个或多个晶态或非晶态衬底表面淀积(又称为外延)单层或多层晶态或非晶态结构的圆柱形反应腔。该圆柱形反应腔包含的一种圆柱形顶盖支撑和一种环形气体扩散盘可以简化大型化学气相淀积反应器的设计和结构,降低制造和使用大型化学气相淀积反应器的成本。该圆柱形反应腔能实现多股气流沿着与衬底表面平行或与衬底表面成一定角度的径向方向和另一股气流沿着与衬底表面垂直的方向进入反应腔。垂直气流可抑制晶态或非晶态衬底表面上方的热对流,使进入反应腔的气流能在晶态或非晶态衬底表面形成并保持层流状态。由不同方向引入反应腔的不同反应剂在晶态或非晶态衬底表面附近混合可缩短不同反应剂之间的气相反应时间,提升化学气相反应的效率,降低反应剂的消耗,和提高化学气相淀积的单层或多层晶态或非晶态结构的质量及其均匀性,重复性,再现性和一致性等。
背景技术
为了提升质量和降低成本,化学气相淀积反应器的结构不断优化,方法不断改进,反应腔的尺寸也不断扩大。为抑制反应腔内的热对流,减少反应腔内的气相反应,和保持化学气相淀积结构的均匀性,重复性,再现性和一致性,常见的化学气相淀积反应器的结构变得越来越复杂,制造和使用成本也变得越来越高。
一种常见的称之为行星式化学气相淀积反应器侧面结构如图1所示。所述行星式化学气相淀积反应器包括可进行化学气相淀积的圆柱形反应腔122,加装在反应腔顶盖101上的石英盘104,其间有气体冷却的间隙120,中央气体导入喷嘴107,可旋转石墨盘106,可旋转石墨盘106上加载有若干卫星舟127,可旋转石墨盘106下面有加热装置126,以及围绕石墨盘106外侧的尾气收集环103。
在使用所述行星式反应器实施化学气相淀积时,几股由元素周期表中V族反应剂和III反应剂组成的气流分别经由中央气体导入喷嘴107上各自的喷口进入反应腔122内。中央气体导入喷嘴107和尾气收集环103位于石墨盘106的上方,使得由中央气体导入喷嘴107导入的气体能保持层流状态并沿着径向由内向外方向水平进入尾气收集环103。
所述V族反应剂与III反应剂在气相会发生反应并形成微小颗粒和惰性衍生物,使得反应剂,特别是决定淀积速度的III族反应剂,沿气体流动方向不断减少,导致化学气相淀积速度也沿着气流方向不断下降(所述现象也称为反应剂耗尽效应)。对于圆柱形反应腔,当气体由内向外沿径向方向流动时,其圆周面积的增加也会使反应剂在气相中的质量密度和气体流速不断变小,导致化学气相淀积速度的进一步下降(所述现象也称为气流发散效应),淀积的单层或多层结构的均匀性就会很差。
一种常用的消除反应剂耗尽效应和气流发散效应影响的手段是提升气流速度来减少气流方向的反应剂浓度梯度,但其缺点是化学气相淀积效率很低,耗源很多。另一种常用的用于补偿反应剂耗尽效应和气流发散效应影响的办法是旋转衬底或旋转放置衬底的卫星舟。如图1所示,石墨盘106一般以每分钟10转左右的速度旋转,卫星舟127一般以每分钟50转左右的速度旋转。制造和使用可旋转的大尺寸石墨盘十分困难也十分昂贵,这已经影响到行星式反应器反应腔中石墨盘尺寸的进一步放大,限制了行星式反应器反应腔单次可放置衬底片容量的进一步增加。
由图1所示,反应腔顶盖上由于没有垂直方向的气流导入,使得径向气流不可避免地会在顶盖表面下安装的石英盘104表面不断累积淀积物,它不仅消耗反应剂,而且不断累积的表面淀积会对气相淀积过程产生不可预见的影响。此外,由于顶盖上装有中央气体导入喷嘴107和石英盘104,使得顶盖结构比较复杂,每次化学气相淀积后无法彻底清理反应腔顶盖101,中央气体导入喷嘴107和石英盘104,继而无法确保化学气相淀积过程的重复性,再现性和一致性。此外,反应腔顶盖101中央由于缺乏必要的支撑,当反应腔122处于低压状态时,反应腔顶盖101会发生变形,其变形程度随着圆周尺寸的增加而增加,使得反应腔腔体的设计与制造变得更加复杂和昂贵。
另一种常用的称之为涡盘式化学气相淀积反应器侧面结构如图2所示。所述涡盘式化学气相淀积反应器包括可进行化学气相淀积的圆柱形反应腔222,腔内有进气法兰204,衬底载盘206,加热装置226,和位于圆柱型反应腔底部的尾气排放口203,其中衬底载盘206以每分钟500到1500转的速度高速旋转,所有气体经由进气法兰204垂直由反应腔顶部导入反应腔222内,加热装置226放置在衬底载盘206下方,并可加热衬底载盘206到指定温度,衬底载盘206上有若干凹坑,每个凹坑一般放置一片衬底200。
由于垂直气流均匀覆盖了整个衬底载盘206,以及进气法兰204远离被加热的衬底载盘206,反应剂耗尽效应和气流发散效应以及在进气法兰204下表面淀积对涡盘反应腔222内的化学气相淀积过程影响较小。通常无须旋转衬底或旋转放置衬底的卫星舟也可能实现均匀的化学气相淀积。但由于进气法兰204上进气通道有限,为了在衬底表面有足够均匀的气体混合,所述圆柱形反应腔222必须有一定的高度。所述圆柱形反应腔222直径越大,其所要求的高度就越高,特别是在高气压和衬底载盘206温度很高时,所述圆柱形反应腔222内就会发生严重的热对流,并引发涡流。为了抑制热对流,通常不得不使用很大的气体流量和高速换转衬底载盘206,其负面效应就是气体耗用增加。特别是当衬底载盘206越来越大时,高速旋转衬底载盘206很难避免其摇摆和抖动,以致无法正常执行化学气相淀积过程。低压下,反应腔顶盖201和进气法兰204的变形问题也成为进一步加大反应腔径向尺寸的制约因素。
另一种常用的称之为喷淋头式化学气相淀积反应器侧面结构如图3所示。所述喷淋头式化学气相淀积反应器包括可进行化学气相淀积的圆柱形反应腔322,喷淋头304,衬底载盘306,加热装置326,和位于反应腔底部的尾气排放口303。喷淋头304上有许多小孔用来导入反应气体进入反应腔322,衬底载盘306旋转速度为5~100转/分钟,位于衬底载盘306下方的加热装置326可加热衬底载盘306到指定温度。衬底载盘306上有若干凹坑,每个凹坑一般放置一片衬底。
由于经由喷淋头304上许多小孔导入反应腔的垂直气流均匀覆盖了整个衬底载盘306,反应剂耗尽效应和气流发散效应对喷淋头式反应腔322内的化学气相淀积过程影响很小,通常无须旋转衬底或旋转放置衬底的卫星舟也可能实现均匀的化学气相淀积。所述喷淋头304上成千上万个分立的由水管包裹冷却的小孔可以确保经由不同小孔进入反应腔的各种反应剂能在衬底表面有足够均匀的混合。喷淋头式化学气相淀积反应器反应腔322的高度可以比较低,从而大幅减少反应腔322内的热对流和气相反应。但是随着反应腔322尺寸的加大,所述喷淋头304上的小孔越来越多,漏水的风险越来越高,结构越来越复杂,其可靠性也随之大幅下降,制造和使用成本己变得越来越高。另一方面,由于所述喷淋头304十分靠近被加热的衬底载盘306,使得喷淋头304表面不可以避免地附着许多反应物,成千上万个分立的小孔限制了每次化学气相淀积后不能充分清理喷淋头304表面,继而无法确保化学气相淀积过程的重复性,再现性和一致性。低压下,所述喷淋头304变形又会导致所述喷淋头304与衬底载盘306之间的间距不均匀,热压力和机械压力会过早损坏复杂多孔的喷淋头304,影响其使用寿命,也妨碍了喷淋头304在尺寸上的进一步放大。
另一种称之为矩形化学气相淀积反应器的侧面结构如图4所示。所述矩形化学气相淀积反应器包括一种矩形的反应腔422,放置在反应腔一端的第一气体导入装置407,放置在反应腔422顶端的第二气体导入装置404,石墨盘406,加热装置426,和放置在反应腔422另一端的尾气出口403。第一气体导入装置407在水平方向引入气体,第二气体导入装置404从垂直方向引入气体到反应腔422中,加热装置426位于石墨盘406下方。
由图4可知,由第一气体导入装置407进入反应腔422的气体可以沿着水平方向平行于石墨盘406的上表面进入尾气出口403,而由第二气体导入装置404沿垂直方向导入的气体可以抑制热对流,使水平导入的气体始终保持层流状态。由第一和第二气体导入装置引入的气流在衬底400附近混合可以大幅减少气相反应的发生。矩形反应腔中纵向气流的反应剂耗尽效应,和横向反应腔侧壁对与气流垂直方向上的反应剂分布的影响均会造成在纵向和横向不均匀的化学气相淀积。矩形反应腔中的横向侧壁上累积的淀积物不仅降低化学气相淀积的效率也会对气相淀积过程产生不可预见的影响。横向侧壁和纵向反应剂耗尽效应限制了矩形反应腔尺寸的扩大以及淀积层均匀性的改善。
很显然,现有化学气相淀积反应器存在有本质性的缺陷,如反应腔内缺少刚性支撑,复杂的顶盖结构等己无法满足工业化生产的需求,反应腔尺寸的扩大也受到结构和成本上的限制,气相反应和热对流以及沿气流方向的反应剂耗尽效应,气流发散效应,和反应腔侧壁效应都使得在所述化学气相淀积反应器反应腔内进行的化学气相反应效率低,淀积重复性,再现性和一致性差,同时又面临各种配件结构复杂,制造和使用成本高,维护维修困难,控制过程复杂等缺点。
本发明的目的是提供一种能克服现有化学气相淀积反应器缺点和不足的化学气相淀积反应器;本发明的另一个目的是提供一种化学气相淀积反应器,该化学气相淀积反应器具备结构简单,产能大,制造和使用成本低等优点;本发明的另一个目的是提供一种化学气相淀积反应器,以及使用该化学气相淀积反应器实施的化学气相淀积过程具备重复性,再现性,一致性,以及可控性好等优点;本发明的另一个目的是提供一种化学气相淀积反应器来实施一种化学气相淀积方法,该方法不仅能克服气流方向的反应剂耗尽效应和气流发散效应,还能有效抑制气相反应和热对流,从而改善化学气相淀积的均匀性,提高化学气相淀积的质量以及化学气相反应的效率。
发明内容
根据本发明的化学气相淀积反应器通常包含一种圆柱形反应腔,该反应腔进一步包含一种放置在所述圆柱形反应腔底盘中心部位的圆柱形顶盖支撑。通常,所述圆柱形反应腔和所述圆柱形顶盖支撑的圆心位置相互重叠。所述圆柱形顶盖支撑通过其顶部支撑住所述反应腔顶盖内侧的中央部位来有效防止所述反应腔顶盖在低压下的变形,从而减少所述反应腔顶盖设计的复杂性和制造与使用成本。
根据本发明的化学气相淀积反应器通常包含一种圆柱形反应腔,该反应腔进一步包含一种放置在所述圆柱形反应腔底盘中心部位的圆柱形顶盖支撑和一种环形气体扩散盘。所述环形气体扩散盘将所述圆柱形反应腔分成上下二部分,导入所述环形气体扩散盘上方的气流经所述环形气体扩散盘上的通孔以垂直向下的方向进入所述环形气体扩散盘下方的反应腔,形成一股垂直于环形衬底载盘表面的气流。所述垂直于所述环形衬底载盘表面的气流可有效抑制所述环形衬底载盘上方的热对流,使另一股以径向方向进入所述气体扩散盘下方反应腔的气流在所述环形衬底载盘表面形成并保持层流状态。垂直方向气流与径向方向气流在衬底表面附近混合可减少二者之间在气相中的反应时间,提高气相反应的效率和气相淀积的质量。由于垂直气流并非从所述反应腔顶盖上引入反应腔,从而可简化所述反应腔顶盖的设计和减少所述反应腔顶盖的制造与使用成本。垂直向下的气流也能有效抑制径向气流向上翻腾,减少径向气流在所述气体扩散盘下表面的沉积,改善化学气相淀积过程的重复性,再现性和一致性。
根据本发明的化学气相淀积反应器通常包含一种圆柱形反应腔,该反应腔进一步包含一种放置在所述圆柱形反应腔底盘中心部位的圆柱形顶盖支撑和一种环形气体扩散盘。所述圆柱形反应腔内可以实现多股气流由所述圆柱形反应腔的外围沿径向向内方向层流到所述圆柱形反应腔的中央。当气流由外圆周沿径向向内方向流动时,圆周截面积不断减少,气流速度不断加快,反应剂的质量密度也不断增加。其中,不断增加的气流速度使界面层的厚度沿径向向内方向不断减少,由气相扩散到衬底表面的反应剂会随之增加。气流速度和反应剂质量密度沿径向向内方向的增加(又称为气流会聚效应)共同补偿了由于反应剂耗尽效应所引起的化学气相淀积速度的下降。根据本发明的化学气相淀积反应器可以不旋转衬底载盘或衬底本身也能获得均匀的化学气相淀积,从而简化衬底载盘的设计,降低衬底载盘和所述圆柱形反应腔的制造和使用成本,进一步提高化学气相淀积的重复性,再现性和一致性。
通过参照附图和参考本发明优选实施方案和应用实例的详细描述,本发明所述的目的,优点以及其它特性将会变得更加清晰。
附图说明
图1:常见的行星式化学气相淀积反应器反应腔侧面结构示意图
图2:常见的涡盘式化学气相淀积反应器反应腔侧面结构示意图
图3:常见的喷淋头式化学气相淀积反应器反应腔侧面结构示意图
图4:矩形化学气相淀积反应器反应腔侧面结构示意图
图5:一种化学气相淀积反应器反应腔侧面结构示意图,其中气体导入环507水平放置在所述圆柱形反应腔522的侧壁上部。
图6:一种化学气相淀积反应器反应腔侧面结构示意图,其中气体导入环607水平放置在所述圆柱形反应腔622的侧壁上部,气体引入盘604放置在所述圆柱形反应腔622的顶部。
图7:一种化学气相淀积反应器反应腔侧面结构示意图,其中气体导入环707水平放置在圆柱形顶盖支撑702的上部,气体引入盘704放置在所述圆柱形反应腔722的顶部。
图8:一种化学气相淀积反应器反应腔侧面结构示意图,其中气体引入盘804放置在所述圆柱形反应腔822的顶部。
图9:一种化学气相淀积反应器反应腔侧面结构示意图,其中气体导入环907水平放置在所述圆柱形反应腔922的侧壁中部,气体扩散盘904水平放置在所述圆柱形反应腔922靠近所述反应腔顶盖901的下方。
图10:一种化学气相淀积反应器反应腔侧面结构示意图,其中气体导入环1007水平放置在所述圆柱形顶盖支撑1002的中部,气体扩散盘1004水平放置在所述圆柱形反应腔1022靠近所述反应腔顶盖1001的下方。
具体实施方式
本发明和本发明的各种反应器反应腔实施方案可以通过以下优选方案的描述得到充分理解,以下优选方案也可视为本发明权利要求的实例。显然,应该充分理解到由本发明权利要求所定义的本发明所涵盖的内容要比以下描述的优选实施方案更加广泛。在不偏离本发明精神和范围的情况下,借助于平常的技能可以产生更多的经过变更和修改的实施方案。所以,以下描述的实施方案仅仅是为了举例说明而不是用来局限由本发明权利要求所定义的本发明的涵盖范围。
根据本发明一种实施方案,一种化学气相淀积反应器通常有一种圆柱形反应腔522(见图5)。所述圆柱形反应腔522有一种反应腔顶盖501,一种反应腔底盘513,一种筒状反应腔侧壁511,一种圆柱形顶盖支撑502,一种环形衬底载盘506,一种衬底载盘支撑圆管540a和540b,一种气体导入环507,一种环形气体排出通道503b,一种放置在所述环形衬底载盘下方的加热装置526,和一种放置在所述反应腔底盘附近的排气孔509。
所述圆柱形顶盖支撑502一般放置在所述反应腔底盘513的中心部位,所述圆柱形顶盖支撑502和所述圆柱形反应腔522的圆心通常重合在一起(同心圆放置方式)。所述圆柱形顶盖支撑502的顶部支撑到所述反应腔顶盖501内侧的中央部位可有效减轻所述反应腔顶盖501在低压下的变形,简化所述反应腔顶盖501的设计,降低所述反应腔顶盖501的制造与使用成本,使得所述圆柱形反应腔522可以通过增加反应腔直径来增加每次可以淀积的衬底数量或衬底面积。
所述环形衬底载盘506通常水平放置在衬底载盘支撑圆管540a和540b上,所述环形衬底载盘506上有若干凹坑,每种凹坑一般放置一个衬底片500。
所述气体导入环507通常水平放置在所述圆柱形反应腔522的侧壁上部,并位于所述反应腔顶盖501和所述环形衬底载盘506之间。每个所述气体导入环507通常包含有若干环形气体喷嘴,如507a,507b和507c,所述环形气体喷嘴一般沿垂直方向按一定间距逐个叠加排列放置在所述气体导入环507内。由所述环形气体喷嘴导入所述反应腔522的气流方向通常平行于所述环形衬底载盘506表面或与所述环形衬底载盘506表面成小于90度的斜角。所述环形气体喷嘴之间相互不连通,每一个所述环形气体喷嘴与各自的供气单元连接。
所述环形气体排出通道503b围绕所述圆柱形顶盖支撑502的外围。所述环形气体排出通道503b也可以用水平放置在所述圆柱形顶盖支撑502上部的气体排出环503d代替(未在图5中显示)。所述气体排出环503d位于所述反应腔顶盖501和所述环形衬底载盘506之间,以保持由所述气体导入环507沿径向由外向内方向导入的气流在进入所述气体排出环503d之前保持层流状态。所述气体排出环503d或环形气体排出通道503b也可以放置在所述圆柱形顶盖支撑502内。
所述反应腔顶盖501下表面可以加装一种保护盘(未在图5中显示)以避免化学气相淀积过程中有反应物直接淀积在所述反应腔顶盖501的下表面。
使用根据本发明一种实施方案的一种化学气相淀积反应器反应腔(如图5所示)进行化学气相淀积的一种应用实例可如下所述。一股主要包含V族反应剂,如NH3,的气流,另一股主要包含III族反应剂,如TMGa,TMAl和TMIn,的气流,以及另一股主要包含惰性气体,如Ar,或载气,如H2,N2,或V族反应剂,如NH3,或它们的混合物分别从所述环形气体喷嘴507a,507b和507c沿径向由外向内方向导入到所述圆柱形反应腔522中。如图5所示,所有气体在被所述环形排气通道503b排出前,在所述环形衬底载盘506表面形成并保持层流状态。沿气流方向,特别是决定淀积速度的III族反应剂的耗尽效应被沿径向由外向内方向的气流会聚效应所补偿,使得无需旋转衬底500也能得到均匀的气相淀积。结果可简化所述环形衬底载盘506的设计,并降低其制造和使用成本。由图5所示,由于所述环形气体导入环507水平放置在所述圆柱形反应腔522的外侧上部,从而可简化所述反应腔顶盖501的设计,并降低其制造和使用成本。此外,由于所述反应腔顶盖501没有任何气体导入装置,每次化学气相淀积后都可以对所述反应腔顶盖501内侧进行彻底的清理,从而确保化学气相淀积过程的重复性,再现性和一致性。
根据本发明一种如图5所示的化学气相淀积反应器反应腔的另一种实施方案是将所述气体导入环507水平放置在所述圆柱形顶盖支撑502的上部(未在图5中显示),并位于所述反应腔顶盖501和所述环形衬底载盘506之间。与此同时,所述环形气体排出通道503a可以放置在所述圆柱形反应腔522的外围(未在图5中显示)。所述环形气体排出通道503a也可以用水平放置在所述圆柱形反应腔522侧壁上部的气体排出环503c代替(未在图5中显示)。所述气体排出环503c或环形气体排出通道503a也可以放置在所述圆柱形反应腔522的侧壁511内。在上述方案下,一股主要包含V族反应剂,如NH3,的气流,另一股主要包含III族反应剂,如TMGa,TMAl和TMIn,的气流,以及另一股主要包含惰性气体,如Ar,或载气,如H2,N2,或V族反应剂,如NH3,或它们的混合物分别从所述环形气体喷嘴507d,507e和507f(未在图5中显示)沿径向由内向外方向导入到所述圆柱形反应腔522中。所有气体在被所述环形气体排出通道503a排出前,在所述环形衬底载盘506表面形成并保持层流状态。沿气流方向的耗尽效应,特别是III族反应剂的耗尽效应要求旋转衬底500方能得到均匀的气相淀积。
根据本发明另一种实施方案,一种化学气相淀积反应器通常有一种圆柱形反应腔622(见图6)。所述圆柱形反应腔622有一种反应腔顶盖601,一种反应腔底盘613,一种筒状反应腔侧壁611,一种圆柱形顶盖支撑602,一种气体引入盘604,一种环形衬底载盘606,一种衬底载盘支撑圆管640a和640b,一种气体导入环607,一种气体排出环603,一种放置在所述环形衬底载盘下方的加热装置626,和一种放置在所述反应腔底盘附近的排气孔609。
所述圆柱形顶盖支撑602一般放置在所述反应腔底盘613的中心部位,所述圆柱形顶盖支撑602和所述圆柱形反应腔622的圆心通常重合在一起(同心圆放置方式)。所述圆柱形顶盖支撑602的顶部支撑到所述反应腔顶盖601内侧的中央部位可有效减轻所述反应腔顶盖601在低压下的变形,简化所述反应腔顶盖601的设计,降低所述反应腔顶盖601的制造与使用成本,使得所述圆柱形反应腔622可以通过增加反应腔直径来增加每次可以淀积的衬底数量或衬底面积。
所述气体引入盘604放置在所述圆柱形反应腔622顶部靠近反应腔顶盖601的下侧,所述气体引入盘604的下表面612有若干通孔619,通过所述通孔619可以提供垂直向下的气流。所述气体引入盘604下表面612呈环形分布的通孔619其径向方向上的宽度一般不小于所述衬底载盘606上同样呈环形放置的衬底600在径向方向上的宽度,使得由所述通孔619上垂直下流的气体能均匀完整地覆盖全部衬底600的表面。
所述环形衬底载盘606通常水平放置在衬底载盘支撑圆管640a和640b上,所述环形衬底载盘606上有若干凹坑,每种凹坑一般放置一个衬底片600。
所述气体导入环607通常水平放置在所述圆柱形反应腔622的侧壁上部,并位于所述气体引入盘604和所述环形衬底载盘606之间。每个所述气体导入环607通常包含有若干环形气体喷嘴,如607a和607b,所述环形气体喷嘴一般沿垂直方向按一定间距逐个叠加排列放置在所述气体导入环607内。由所述环形气体喷嘴导入所述反应腔622的气流方向通常平行于所述环形衬底载盘606表面或与所述环形衬底载盘606表面成小于90度的斜角。所述环形气体喷嘴之间相互不连通,每一个所述环形气体喷嘴与各自的供气单元连接。
所述气体排出环603水平放置在所述圆柱形顶盖支撑602的上部。所述气体排出环603位于所述气体引入盘604和所述环形衬底载盘606之间,以保持由所述气体导入环607沿径向由外向内方向导入的气流在进入所述气体排出环603之前保持层流状态。为简化设计,所述气体排出环603也可以用围绕所述圆柱形顶盖支撑602的环形气体排出通道603b代替(未在图6中显示)。所述气体排出环603或环形气体排出通道603b也可以放置在所述圆柱形顶盖支撑602内。
使用根据本发明另一种实施方案的一种化学气相淀积反应器反应腔(如图6所示)进行化学气相淀积的一种应用实例可如下所述。一股主要包含V族反应剂,如NH3,的气流和另一股主要包含III族反应剂,如TMGa,TMAl和TMIn,的气流分别从所述环形气体喷嘴607a和607b沿径向由外向内方向导入到所述圆柱形反应腔622中。另一股主要包含惰性气体,如Ar,或载气,如H2,N2,或V族反应剂,如NH3,或III族反应剂,如TMGa,TMAl和TMIn,或它们的混合物从所述气体引入盘604上的通孔619沿垂直于所述衬底载盘606表面方向向下引入到所述圆柱形反应腔622内。如图6所示,垂直气流能够有效抑制热对流,使得径向气流在整个反应腔内保持层流状况,直到所有气体经所述气体排出环603排出所述反应腔622。垂直气流和径向气流相互交叉,并在所述环形衬底载盘606附近相遇混合,减少了不同反应剂之间发生气相反应的时间,可以提高气相反应的效率和气相淀积的质量。所述III族反应剂沿径向由外向内方向流动所发生的耗尽效应被气流会聚效应所补偿,无需旋转衬底600也能获得均匀的化学气相淀积,从而可简化所述衬底载盘606的设计,降低所述圆柱形反应腔622的制造和使用成本。
使用根据本发明另一种实施方案的一种化学气相淀积反应器反应腔(如图6所示)进行化学气相淀积的另一种应用实例可如下所述。一股主要包含V族反应剂,如NH3,的气流从所述环形气体喷嘴607a沿径向由外向内方向导入到所述圆柱形反应腔622中。另一股主要包含III族反应剂,如TMGa,TMAl和TMIn,的气流从所述气体引入盘604上的通孔619沿垂直于所述衬底载盘606表面方向向下引入到所述圆柱形反应腔622内。如图6所示,垂直气流能够有效抑制热对流,使得径向气流在整个反应腔内保持层流状况,直到所有气体经所述气体排出环603排出所述反应腔622。垂直气流和径向气流相互交叉,并在所述环形衬底载盘606附近相遇混合,减少了不同反应剂之间发生气相反应的时间,可以提高气相反应的效率和气相淀积的质量。由所述气体引入盘604导入的III族反应剂能均匀地覆盖到整个所述衬底载盘606的表面,即使所述衬底600不旋转也能获得均匀的化学气相淀积,从而简化所述衬底载盘606的设计,降低所述圆柱形反应腔622的制造和使用成本。
使用根据本发明另一种实施方案的一种化学气相淀积反应器反应腔(如图6所示)进行化学气相淀积的另一种应用实例可如下所述。一股主要包含III族反应剂,如TMGa,TMAl和TMIn,的气流从所述环形气体喷嘴607b沿径向由外向内方向导入到所述圆柱形反应腔622中。另一股主要包含V族反应剂,如NH3,的气流从所述气体引入盘604上的通孔619沿垂直于所述衬底载盘606表面方向向下引入到所述圆柱形反应腔622内。如图6所示,垂直气流能够有效抑制热对流,使得径向气流在整个反应腔内保持层流状况,直到所有气体经所述气体排出环603排出所述反应腔622。所述垂直和径向气流在进入所述圆柱形反应腔622之前完全分离,交叉气流在所述衬底载盘606附近相遇混合,可以降低并抑制气相反应的发生,提高气相反应效率和气相淀积的质量。所述III族反应剂沿径向由外向内方向流动所发生的耗尽效应被气流会聚效应所补偿,所以无需旋转衬底600也能获得均匀的化学气相淀积,从而可简化所述衬底载盘606的设计和降低所述圆柱形反应腔622的制造和使用成本。
根据本发明另一种实施方案,一种化学气相淀积反应器通常有一种圆柱形反应腔722(见图7)。所述圆柱形反应腔722有一种反应腔顶盖701,一种反应腔底盘713,一种筒状反应腔侧壁711,一种圆柱形顶盖支撑702,一种气体引入盘704,一种环形衬底载盘706,一种衬底载盘支撑圆管740a和740b,一种气体导入环707,一种环形气体排出通道703a,一种放置在所述环形衬底载盘下方的加热装置726,和一种放置在所述反应腔底盘附近的排气孔709。
所述圆柱形顶盖支撑702一般放置在所述反应腔底盘713的中心部位,所述圆柱形顶盖支撑702和所述圆柱形反应腔722的圆心通常重合在一起(同心圆放置方式)。所述圆柱形顶盖支撑702的顶部支撑到所述反应腔顶盖701内侧的中央部位可有效减轻所述反应腔顶盖701在低压下的变形,简化所述反应腔顶盖701的设计,降低所述反应腔顶盖701的制造与使用成本,使得所述圆柱形反应腔722可以通过增加反应腔直径来增加每次可以淀积的衬底数量或衬底面积。
所述气体引入盘704放置在所述圆柱形反应腔722顶部靠近反应腔顶盖701的下侧,所述气体引入盘704的下表面712有若干通孔719,通过所述通孔719可以提供垂直向下的气流。所述气体引入盘704下表面呈环形分布的通孔719其径向方向上的宽度一般不小于所述衬底载盘706上同样呈环形放置的衬底700在径向方向上的宽度,使得由所述通孔719上垂直下流的气体能均匀完整地覆盖全部衬底700的表面。
所述环形衬底载盘706通常水平放置在衬底载盘支撑圆管740a和740b上,所述环形衬底载盘706上有若干凹坑,每种凹坑一般放置一个衬底片700。
所述气体导入环707通常水平放置在所述圆柱形顶盖支撑702的上部,并位于所述气体引入盘704和所述环形衬底载盘706之间。每个所述气体导入环707通常包含有若干环形气体喷嘴,如707a和707b,所述环形气体喷嘴一般沿垂直方向按一定间距逐个叠加排列放置在所述气体导入环707内。由所述环形气体喷嘴导入所述反应腔722的气流方向通常平行于所述环形衬底载盘706表面或与所述环形衬底载盘706表面成小于90度的斜角。所述环形气体喷嘴之间相互不连通,每一个所述环形气体喷嘴与各自的供气单元连接。
所述环形气体排出通道703a放置在所述圆柱形反应腔722的外围。所述环形气体排出通道703a也可以用水平放置在所述圆柱形反应腔722侧壁上部的气体排出环703代替(未在图7中显示)。所述气体排出环703位于所述气体引入盘704和所述环形衬底载盘706之间,以保持由所述气体导入环707沿径向由内向外方向导入的气流在进入所述气体排出环703之前保持层流状态。所述气体排出环703或环形气体排出通道703a也可以放置在所述圆柱形反应腔722的侧壁711内。
使用根据本发明另一种实施方案的一种化学气相淀积反应器反应腔(如图7所示)进行化学气相淀积的一种应用实例可如下所述。一股主要包含V族反应剂,如NH3,的气流和另一股主要包含III族反应剂,如TMGa,TMAl和TMIn,的气流分别从所述环形气体喷嘴707a和707b沿径向由内向外方向导入到所述圆柱形反应腔722中。另一股主要包含惰性气体,如Ar,或载气,如H2,N2,或V族反应剂,如NH3,或III族反应剂,如TMGa,TMAl和TMIn,或它们的混合物从所述气体引入盘704上的通孔719沿垂直于所述衬底载盘706表面方向向下引入到所述圆柱形反应腔722内。如图7所示,垂直气流能够有效抑制热对流,使得径向气流在整个反应腔内保持层流状况,直到所有气体经所述环形气体排出通道703a排出所述反应腔722。垂直气流和径向气流相互交叉,并在所述环形衬底载盘706附近相遇混合,减少了不同反应剂之间发生气相反应的时间,可以提高气相反应的效率和气相淀积的质量。由于所述III族反应剂沿径向由内向外方向流动时存在耗尽效应和发散效应,所以需要通过旋转衬底700才能获得均匀的化学气相淀积。
使用根据本发明另一种实施方案的一种化学气相淀积反应器反应腔(如图7所示)进行化学气相淀积的另一种应用实例可如下所述。一股主要包含V族反应剂,如NH3,的气流从所述环形气体喷嘴707a沿径向由内向外方向导入到所述圆柱形反应腔722中。另一股主要包含III族反应剂,如TMGa,TMAl和TMIn,的气流从所述气体引入盘704上的通孔719沿垂直于所述衬底载盘706表面方向向下引入到所述圆柱形反应腔722内。如图7所示,垂直气流能够有效抑制热对流,使得径向气流在整个反应腔内保持层流状况,直到所有气体经所述环形气体排出通道703a排出所述反应腔722。垂直气流和径向气流相互交叉,并在所述环形衬底载盘706附近相遇混合,减少了不同反应剂之间发生气相反应的时间,可以提高气相反应的效率和气相淀积的质量。由所述气体引入盘704导入的III族反应剂能均匀覆盖到整个所述衬底载盘706的表面,即使所述衬底700不旋转也能获得均匀的化学气相淀积,从而简化所述衬底载盘706的设计,降低所述圆柱形反应腔722的制造和使用成本。
使用根据本发明另一种实施方案的一种化学气相淀积反应器反应腔(如图7所示)进行化学气相淀积的另一种应用实例可如下所述。一股主要包含III族反应剂,如TMGa,TMAl和TMIn,的气流从所述环形气体喷嘴707b沿径向由内向外方向导入到所述圆柱形反应腔722中。另一股主要包含V族反应剂,如NH3,的气流从所述气体引入盘704上的通孔719沿垂直于所述衬底载盘706表面方向向下引入到所述圆柱形反应腔722内。如图7所示,垂直气流能够有效抑制热对流,使得径向气流在整个反应腔内保持层流状况,直到所有气体经所述环形气体排出通道703a排出所述反应腔722。所述垂直和径向气流在进入所述圆柱形反应腔722之前完全分离,交叉气流在所述衬底载盘706附近相遇混合,可以降低并抑制气相反应的发生,提高气相反应效率和气相淀积的质量。由于所述III族反应剂沿径向由内向外方向流动时存在耗尽效应和发散效应,所以需要通过旋转衬底700才能获得均匀的化学气相淀积。
根据本发明另一种实施方案,一种化学气相淀积反应器通常有一种圆柱形反应腔822(见图8)。所述圆柱形反应腔822有一种反应腔顶盖801,一种反应腔底盘813,一种筒状反应腔侧壁811,一种圆柱形顶盖支撑802,一种气体引入盘804,一种环形衬底载盘806,一种衬底载盘支撑圆管840a和840b,一种环形气体排出通道803a和803b,一种放置在所述环形衬底载盘下方的加热装置826,和一种放置在所述反应腔底盘附近的排气孔809a和809b。
所述圆柱形顶盖支撑802一般放置在所述反应腔底盘813的中心部位,所述圆柱形顶盖支撑802和所述圆柱形反应腔822的圆心通常重合在一起(同心圆放置方式)。所述圆柱形顶盖支撑802的顶部支撑到所述反应腔顶盖801内侧的中央部位可有效减轻所述反应腔顶盖801在低压下的变形,简化所述反应腔顶盖801的设计,降低所述反应腔顶盖801的制造与使用成本,使得所述圆柱形反应腔822可以通过增加反应腔直径来增加每次可以淀积的衬底数量或衬底面积。
所述气体引入盘804放置在所述圆柱形反应腔822顶部靠近反应腔顶盖801的下侧,所述气体引入盘804的下表面812有若干组互不相通的通孔819,通过所述若干组通孔819可以向所述圆柱形反应腔822提供若干股垂直向下的气流。每一组所述通孔819与独立的供气单元连接。所述气体引入盘804下表面呈环形分布的通孔819其径向方向上的宽度一般不小于所述衬底载盘806上同样呈环形放置的衬底800在径向方向上的宽度,使得由所述通孔819上垂直下流的气体能均匀完整地覆盖全部衬底800的表面。
所述环形衬底载盘806通常水平放置在衬底载盘支撑圆管840a和840b上,所述环形衬底载盘806上有若干凹坑,每种凹坑一般放置一个衬底片800。
所述环形气体排出外通道803a围绕所述圆柱形反应腔822的外围,而所述环形气体排出内通道803b则围绕所述圆柱形顶盖支撑802的外围。所述环形气体排出外通道803a和内通道803b也可以用水平放置在所述圆柱形反应腔822侧壁上部和所述圆柱形顶盖支撑802上部的气体排出外环803c和内环803d代替(未在图8中显示)。所述气体排出外环803c和内环803d位于所述气体引入盘804和所述环形衬底载盘806之间。
使用根据本发明另一种实施方案的一种化学气相淀积反应器反应腔(如图8所示)进行化学气相淀积的一种应用实例可如下所述。一股主要包含V族反应剂,如NH3,的气流和另一股主要包含III族反应剂,如TMGa,TMAl和TMIn,的气流分别由各自独立的一组通孔819沿垂直于所述衬底载盘806表面方向向下引入到所述圆柱形反应腔822内。所述气流均匀覆盖整个所述衬底载盘806,所以无须旋转所述衬底800也能得到均匀的化学气相淀积,从而简化所述衬底载盘806的设计,降低所述圆柱形反应腔822的制造和使用成本。垂直向下的气流本身能有效抑制热对流,从而确保所述衬底载盘806表面上的气流始终处于层流状态。
根据本发明另一种实施方案,一种化学气相淀积反应器通常有一种圆柱形反应腔922(见图9)。所述圆柱形反应腔922有一种反应腔顶盖901,一种反应腔底盘913,一种筒状反应腔侧壁911,一种圆柱形顶盖支撑902,一种环形气体扩散盘904,一种气体引入环905,一种环形衬底载盘906,一种衬底载盘支撑圆管940a和940b,一种气体导入环907,一种环形气体排出通道903b,一种放置在所述环形衬底载盘下方的加热装置926,和一种放置在所述反应腔底盘附近的排气孔909。
所述圆柱形顶盖支撑902一般放置在所述反应腔底盘913的中心部位,所述圆柱形顶盖支撑902和所述圆柱形反应腔922的圆心通常重合在一起(同心圆放置方式)。所述圆柱形顶盖支撑902的顶部支撑到所述反应腔顶盖901内侧的中央部位可有效减轻所述反应腔顶盖901在低压下的变形,简化所述反应腔顶盖901的设计,降低所述反应腔顶盖901的制造与使用成本,使得所述圆柱形反应腔922可以通过增加反应腔直径来增加每次可以淀积的衬底数量或衬底面积。
所述环形气体扩散盘904下表面912有若干通孔919,所述环形气体扩散盘904通常水平放置在所述圆柱形反应腔922上部靠近所述反应腔顶盖901的下方,并与所述反应腔顶盖901的下表面形成所述圆柱形反应腔922之上腔920。所述环形气体扩散盘904的上表面与所述反应腔顶盖901的下表面之间的距离通常比所述环形气体扩散盘904的下表面与所述衬底载盘906的上表面之间的距离短,以便于所述上腔920内的径向气流能处于层流状态。所述气体扩散盘904下表面呈环形分布的通孔919其径向方向上的宽度一般不小于所述衬底载盘906上同样呈环形放置的衬底900在径向方向上的宽度,使得由所述通孔919上垂直下流的气体能均匀完整地覆盖全部衬底900的表面。
所述气体引入环905通常水平放置在所述圆柱形反应腔922的侧壁上部,并位于所述反应腔顶盖901下表面和所述气体扩散盘904上表面之间,使得由所述气体引入环905导入的气体能进入所述上腔920。
所述环形衬底载盘906通常水平放置在衬底载盘支撑圆管940a和940b上,所述环形衬底载盘906上有若干凹坑,每种凹坑一般放置一个衬底片900。
所述气体导入环907通常水平放置在所述圆柱形反应腔922的侧壁中部,并位于所述环形气体扩散盘904和所述环形衬底载盘906之间。每个所述气体导入环907通常包含有若干环形气体喷嘴,如907a和907b,所述环形气体喷嘴一般沿垂直方向按一定间距逐个叠加排列放置在所述气体导入环907内。由所述环形气体喷嘴导入所述反应腔922的气流方向通常平行于所述环形衬底载盘906表面或与所述环形衬底载盘906表面成小于90度的斜角。所述环形气体喷嘴之间相互不连通,每一个所述环形气体喷嘴与各自的供气单元连接。
所述环形气体排出通道903b围绕所述圆柱形顶盖支撑902的外侧。所述环形气体排出通道903b也可以用水平放置在所述圆柱形顶盖支撑902中部的气体排出环903代替(未在图9中显示)。所述气体排出环903位于所述环形气体扩散盘904和所述环形衬底载盘906之间,以保持由所述气体导入环907沿径向由外向内方向导入的气流在进入所述气体排出环903之前保持层流状态。所述气体排出环903或环形气体排出通道903b也可以放置在所述圆柱形顶盖支撑902内。
使用根据本发明另一种实施方案的一种化学气相淀积反应器反应腔(如图9所示)进行化学气相淀积的一种应用实例可如下所述。一股主要包含V族反应剂,如NH3,的气流和另一股主要包含III族反应剂,如TMGa,TMAl和TMIn,的气流分别从所述环形气体喷嘴907a和907b沿径向由外向内方向导入到所述圆柱形反应腔922中。另一股主要包含惰性气体,如Ar,或载气,如H2,N2,或V族反应剂,如NH3,或III族反应剂,如TMGa,TMAl和TMIn,或它们的混合物由所述气体引入环905沿径向由外向内方向引入到所述上腔920内,所述上腔920内的气体再经由所述气体扩散盘904上的通孔919以垂直于所述衬底载盘906表面的方向进入到所述圆柱形反应腔922内,所形成的垂直气流覆盖整个所述衬底载盘906的表面。
由所述环形气体喷嘴907a和907b径向进入所述圆柱形反应腔922的气体可能会由于不同的气体密度,不同的气体流速,和不同的气体温度在所述圆柱形反应腔922上方外侧或所述环形气体扩散盘904下方外侧形成环形涡流。经所述通孔919垂直向下的气流可有效防阻所述环形涡流的形成。如图9所示,在垂直气流作用下,沿径向由外向内的气流可以保持其层流状态,直到经所述环形气体排出通道903b排出所述反应腔922。垂直气流和径向气流相互交叉,并在所述环形衬底载盘906附近相遇混合,减少了不同反应剂之间发生气相反应的时间,可以提高气相反应的效率和气相淀积的质量。所述III族反应剂沿径向由外向内方向流动所发生的耗尽效应被气流会聚效应所补偿,所以无需旋转衬底900也能获得均匀的化学气相淀积,可简化所述衬底载盘906的设计和降低所述圆柱形反应腔922的制造和使用成本。由图9所示,由于所述气体导入环907和气体引入环905均水平放置在所述圆柱形反应腔922的侧壁,从而可简化所述反应腔顶盖901的设计,并降低其制造和使用成本。此外,由于所述反应腔顶盖901无任何气体导入装置,每次化学气相淀积后都可以对所述反应腔顶盖901内侧进行彻底的清理,从而确保化学气相淀积过程的重复性,再现性和一致性。
使用根据本发明另一种实施方案的一种化学气相淀积反应器反应腔(如图9所示)进行化学气相淀积的一种应用实例可如下所述。一股主要包含V族反应剂,如NH3,的气流从所述环形气体喷嘴907a沿径向由外向内方向导入到所述圆柱形反应腔922中。另一股主要包含III族反应剂,如TMGa,TMAl和TMIn,的气流由所述环形气体引入环905沿径向由外向内方向引入到所述上腔920内,所述上腔920内的气体再经由所述气体扩散盘904上的通孔919以垂直于所述衬底载盘906表面的方向进入到所述圆柱形反应腔922内,所形成的垂直气流覆盖整个所述衬底载盘906的表面。如图9所示,垂直气流能够有效抑制热对流,使得径向气流在整个反应腔内保持层流状况,直到所有气体经所述环形气体排出通道903b排出所述反应腔922。垂直气流和径向气流相互交叉,并在所述环形衬底载盘906附近相遇混合,减少了不同反应剂之间发生气相反应的时间,可以提高气相反应的效率和气相淀积的质量。由所述气体扩散盘904导入的III族反应剂能均匀地覆盖到整个所述衬底载盘906的表面,即使所述衬底900不旋转也能在所述衬底900获得均匀的化学气相淀积,从而简化所述衬底载盘906的设计,降低所述圆柱形反应腔922的制造和使用成本。
使用根据本发明另一种实施方案的一种化学气相淀积反应器反应腔(如图9所示)进行化学气相淀积的一种应用实例可如下所述。一股主要包含III族反应剂,如TMGa,TMAl和TMIn,的气流从所述环形气体喷嘴907b沿径向由外向内方向导入到所述圆柱形反应腔922中。另一股主要包含V族反应剂,如NH3,的气流由所述环形气体引入环905沿径向由外向内方向引入到所述上腔920内,所述上腔920内的气体再经由所述气体扩散盘904上的通孔919以垂直于所述衬底载盘906表面的方向进入到所述圆柱形反应腔922内,所形成的垂直气流覆盖整个所述衬底载盘906的表面。所述III族反应剂沿径向由外向内方向流动所发生的耗尽效应被气流会聚效应所补偿,所以无需旋转衬底900也能获得均匀的化学气相淀积,可简化所述衬底载盘906的设计和降低所述圆柱形反应腔922的制造和使用成本。如图9所示,垂直气流能够有效抑制热对流,使得径向气流在整个反应腔内保持层流状况,直到所有气体经所述环形气体排出通道903b排出所述反应腔922。所述垂直和径向气流在进入所述圆柱形反应腔922之前完全分离,交叉气流在所述衬底载盘906附近相遇混合,可以降低并抑制气相反应的发生,提高气相反应效率和气相淀积的质量。
根据本发明一种如图9所示的化学气相淀积反应器反应腔的另一种实施方案是将所述环形气体引入环905a(未在图9中显示)水平放置在所述圆柱形顶盖支撑902的上部,并位于所述反应腔顶盖901的下表面和所述气体扩散盘904的上表面之间。由所述环形气体引入环905a沿着径向由内向外方向引入到所述上腔920内的气体再经由所述气体扩散盘904上的通孔919也同样能形成一股垂直向下的气流进入到所述圆柱形反应腔922内。
根据本发明另一种实施方案,一种化学气相淀积反应器通常有一种圆柱形反应腔1022(见图10)。所述圆柱形反应腔1022有一种反应腔顶盖1001,一种反应腔底盘1013,一种筒状反应腔侧壁1011,一种圆柱形顶盖支撑1002,一种环形气体扩散盘1004,一种气体引入环1005,一种环形衬底载盘1006,一种衬底载盘支撑圆管1040a和1040b,一种气体导入环1007,一种环形气体排出通道1003a,一种放置在所述环形衬底载盘下方的加热装置1026,和一种放置在所述反应腔底盘附近的排气孔1009。
所述圆柱形顶盖支撑1002一般放置在所述反应腔底盘1013的中心部位,所述圆柱形顶盖支撑1002和所述圆柱形反应腔1022的圆心通常重合在一起(同心圆放置方式)。所述圆柱形顶盖支撑1002的顶部支撑到所述反应腔顶盖1001内侧的中央部位可有效减轻所述反应腔顶盖1001在低压下的变形,简化所述反应腔顶盖1001的设计,降低所述反应腔顶盖1001的制造与使用成本,使得所述圆柱形反应腔1022可以通过增加反应腔直径来增加每次可以淀积的衬底数量或衬底面积。
所述环形气体扩散盘1004下表面1012有若干通孔1019,所述环形气体扩散盘1004通常水平放置在所述圆柱形反应腔1022上方靠近所述反应腔顶盖1001的下方,并与所述反应腔顶盖1001的下表面形成所述圆柱形反应腔1022之上腔1020。所述环形气体扩散盘1004的上表面与所述反应腔顶盖1001的下表面之间的距离通常比所述环形气体扩散盘1004的下表面与所述衬底载盘1006的上表面之间的距离短,以便于所述上腔1020内的径向气流能处于层流状态。所述气体扩散盘1004下表面呈环形分布的通孔1019其径向方向上的宽度一般不小于所述衬底载盘1006上同样呈环形放置的衬底1000在径向方向上的宽度,使得由所述通孔1019上垂直下流的气体能均匀完整地覆盖全部衬底1000的表面。
所述气体引入环1005通常水平放置在所述圆柱形反应腔1022侧壁上部,并位于所述反应腔顶盖1001下表面和所述气体扩散盘1004上表面之间,使由所述气体引入环1005导入的气体能进入所述上腔1020。
所述环形衬底载盘1006通常水平放置在衬底载盘支撑圆管1040a和1040b上,所述环形衬底载盘1006上有若干凹坑,每种凹坑一般放置一个衬底片1000。
所述气体导入环1007通常水平放置在所述圆柱形顶盖支撑1002的中部,并位于所述环形气体扩散盘1004和所述环形衬底载盘1006之间。每个所述气体导入环1007通常包含有若干环形气体喷嘴,如1007a和1007b,所述环形气体喷嘴一般沿垂直方向按一定间距逐个叠加排列放置在所述气体导入环1007内。由所述环形气体喷嘴导入所述反应腔1022的气流方向通常平行于所述环形衬底载盘1006表面或与所述环形衬底载盘1006表面成小于90度的斜角。所述环形气体喷嘴之间相互不连通,每一个所述环形气体喷嘴与各自的供气单元连接。
所述环形气体排出通道1003a放置在所述圆柱形反应腔1022的外围。所述环形气体排出通道1003a也可以用水平放置在所述圆柱形反应腔1022侧壁上部的气体排出环1003代替(未在图10中显示)。所述气体排出环1003位于所述环形气体扩散盘1004和所述环形衬底载盘1006之间,以保持由所述气体导入环1007沿径向由内向外方向导入的气流在进入所述气体排出环1003之前保持层流状态。所述气体排出环1003或环形气体排出通道1003a也可以放置在所述圆柱形反应腔1022的侧壁1011内。
使用根据本发明另一种实施方案的一种化学气相淀积反应器反应腔(如图10所示)进行化学气相淀积的一种应用实例可如下所述。一股主要包含V族反应剂,如NH3,的气流从所述环形气体喷嘴1007a沿径向由内向外方向导入到所述圆柱形反应腔1022中。另一股主要包含III族反应剂,如TMGa,TMAl和TMIn,的气流由所述环形气体引入环1005沿径向由外向内方向引入到所述上腔1020内,所述上腔1020内的气体再经由所述气体扩散盘1004上的通孔1019以垂直于所述衬底载盘1006表面的方向进入到所述圆柱形反应腔1022内,所形成的垂直气流覆盖整个所述衬底载盘1006的表面。
如图10所示,在垂直气流作用下,沿径向由内向外的气流可以保持其层流状态,直到经所述环形气体排出通道1003a排出所述反应腔1022。垂直气流和径向气流相互交叉,并在所述环形衬底载盘1006附近相遇混合,减少了不同反应剂之间发生气相反应的时间,可以提高气相反应的效率和气相淀积的质量。由所述气体扩散盘1004导入的III族反应剂能均匀覆盖到整个所述衬底载盘1006的表面,即使所述衬底1000不旋转也能在所述衬底1000获得均匀的化学气相淀积,从而简化所述衬底载盘1006的设计,降低所述圆柱形反应腔1022的制造和使用成本。由图10所示,由于所述气体导入环1007和气体引入环1005均水平放置在所述圆柱形反应腔1022侧壁和所述圆柱形顶盖支撑1002,从而可简化所述反应腔顶盖1001的设计,并降低其制造和使用成本。此外,由于所述反应腔顶盖1001无任何气体导入装置,每次化学气相淀积后都可以对所述反应腔顶盖1001内侧进行彻底的清理,从而可以确保化学气相淀积过程的重复性,再现性和一致性。
根据本发明一种如图10所示的化学气相淀积反应器反应腔的另一种实施方案是将所述环形气体引入环1005a(未在图10中显示)水平放置在所述圆柱形顶盖支撑1002的上部,并位于所述反应腔顶盖1001的下表面和所述气体扩散盘1004的上表面之间。由所述环形气体引入环1005a沿着径向由内向外引入到所述上腔1020内的气体再经由所述气体扩散盘1004上的通孔1019也同样可以形成一股垂直向下的气流进入到所述圆柱形反应腔1022内。
根据本发明所述实施方案的一种化学气相淀积反应器反应腔内的圆柱形顶盖支撑可以减少反应腔顶盖变形,从而简化设计大型反应腔的复杂性和制造难度,降低制造和使用成本;反应腔内的气体扩散盘能在不增加反应腔顶盖复杂性和制造成本的同时,提供一股垂直气流来维持径向气流始终处于层流状态;多股气流交叉引入反应腔,并使不同反应剂在衬底表面附近相遇混合,可以减少不同反应剂之间发生气相反应的时间,从而提升化学气相反应效率,降低各种反应剂的耗用和提高化学气相淀积质量,垂直方向的均匀气流或径向由外向内气流所产生的会聚效应可以消除或自动补偿反应剂耗尽效应对气相淀积均匀性的影响,从而可以简化衬底载盘的设计,降低衬底载盘的制造和使用成本。
Claims (18)
1.一种化学气相淀积反应器,该化学气相淀积反应器包括圆柱形反应腔,所述圆柱形反应腔内包括反应腔顶盖,反应腔底盘,筒状反应腔侧壁,放置在所述反应腔底盘中心部位的圆柱形顶盖支撑,水平放置在所述圆柱形反应腔中的环形衬底载盘,水平放置在所述反应腔侧壁上部界于所述反应腔顶盖和环形衬底载盘之间的气体导入环,围绕着所述圆柱形顶盖支撑的环形气体排出通道或水平放置在所述圆柱形顶盖支撑上部的气体排出环,放置在所述环形衬底载盘下方的加热装置和放置在所述反应腔底盘附近的排气孔;其特征在于:所述圆柱形顶盖支撑所提供的顶部支撑到所述反应腔顶盖内侧的中央部位;所述气体导入环包含若干环形气体喷嘴,由所述环形气体喷嘴导入所述反应腔的气流方向平行于所述环形衬底载盘表面或与所述环形衬底载盘表面成小于90度的斜角,所述环形气体喷嘴之间相互不连通,每一个所述环形气体喷嘴与各自的供气单元连接。
2.一种使用权利要求1所述化学气相淀积反应器进行化学气相淀积的方法,其特征在于,该方法包括至少有一片衬底放置在所述环形衬底载盘上,若干气流由所述气体导入环上相对应的环形气体喷嘴沿径向由外向内方向导入到所述圆柱形反应腔,所述气流在所述环形衬底载盘表面形成由外向内的层流,并经由所述环形气体排出通道或所述气体排出环排出所述反应腔。
3.一种化学气相淀积反应器,该化学气相淀积反应器包括圆柱形反应腔,所述圆柱形反应腔内包括反应腔顶盖,反应腔底盘,筒状反应腔侧壁,放置在所述反应腔底盘中心部位的圆柱形顶盖支撑,水平放置在所述圆柱形反应腔中的环形衬底载盘,水平放置在所述圆柱形顶盖支撑上部界于所述反应腔顶盖和环形衬底载盘之间的气体导入环,围绕着所述反应腔外围的环形气体排出通道或水平放置在所述反应腔侧壁上部的气体排出环,放置在所述环形衬底载盘下方的加热装置和放置在所述反应腔底盘附近的排气孔;其特征在于:所述圆柱形顶盖支撑所提供的顶部支撑到所述反应腔顶盖内侧的中央部位;所述气体导入环包含若干环形气体喷嘴,由所述环形气体喷嘴导入所述反应腔的气流方向平行于所述环形衬底载盘表面或与所述环形衬底载盘表面成小于90度的斜角,所述环形气体喷嘴之间相互不连通,每一个所述环形气体喷嘴与各自的供气单元连接。
4.一种使用权利要求3所述化学气相淀积反应器进行化学气相淀积的方法,该方法包括至少有一片衬底放置在所述环形衬底载盘上,若干气流由所述气体导入环上相对应的环形气体喷嘴沿径向由内向外方向导入所述圆柱形反应腔,所述气流在所述环形衬底载盘表面形成由内向外的层流,并经由所述环形气体排出通道或所述气体排出环排出所述反应腔。
5.一种化学气相淀积反应器,该化学气相淀积反应器包括圆柱形反应腔,所述圆柱形反应腔内包括反应腔顶盖,反应腔底盘,筒状反应腔侧壁,放置在所述反应腔底盘中心部位的圆柱形顶盖支撑,水平放置在所述圆柱形反应腔中的环形衬底载盘,放置在所述反应腔顶部的气体引入盘,水平放置在所述反应腔侧壁上部界于所述气体引入盘和所述环形衬底载盘之间的气体导入环,水平放置在所述圆柱形顶盖支撑上部的气体排出环或者围绕着所述圆柱形顶盖支撑的环形气体排出通道,放置在所述环形衬底载盘下方的加热装置和放置在所述反应腔底盘附近的排气孔;其特征在于:所述圆柱形顶盖支撑所提供的顶部支撑到所述反应腔顶盖内侧的中央部位;所述气体引入盘下表面有若干通孔;所述气体导入环包含若干环形气体喷嘴,由所述环形气体喷嘴导入所述反应腔的气流方向平行于所述环形衬底载盘表面或与所述环形衬底载盘表面成小于90度的斜角,所述环形气体喷嘴之间相互不连通,每一个所述环形气体喷嘴与各自的供气单元连接。
6.一种使用权利要求5所述化学气相淀积反应器进行化学气相淀积的方法,其特征在于,该方法包括至少有一片衬底放置在所述环形衬底载盘上,至少有一股气流由所述气体导入环上相对应的环形气体喷嘴沿径向由外向内方向导入到所述圆柱形反应腔,另一股气流沿垂直于所述环形衬底载盘表面方向由所述气体引入盘引入到所述圆柱形反应腔;所述垂直气流与径向气流在所述环形衬底载盘表面附近混合,并在所述环形衬底载盘表面形成由外向内的层流,直到所有气体经所述气体排气环或所述环形排气通道排出所述反应腔。
7.一种化学气相淀积反应器,该化学气相淀积反应器包括圆柱形反应腔,所述圆柱形反应腔内包括反应腔顶盖,反应腔底盘,筒状反应腔侧壁,放置在所述反应腔底盘中心部位的圆柱形顶盖支撑,水平放置在所述圆柱形反应腔中的环形衬底载盘,放置在所述反应腔顶部的气体引入盘,水平放置在所述圆柱形顶盖支撑上部界于所述气体引入盘和所述环形衬底载盘之间的气体导入环,放置在所述圆柱形反应腔外围的环形气体排出通道或者水平放置在所述反应腔侧壁上部的气体排出环,放置在所述环形衬底载盘下方的加热装置和放置在所述反应腔底盘附近的排气孔;其特征在于:所述圆柱形顶盖支撑所提供的顶部支撑到所述反应腔顶盖内侧的中央部位;所述气体引入盘下表面有若干通孔;所述气体导入环包含若干环形气体喷嘴,由所述环形气体喷嘴导入所述反应腔的气流方向平行于所述环形衬底载盘表面或与所述环形衬底载盘表面成小于90度的斜角,所述环形气体喷嘴之间相互不连通,每一个所述环形气体喷嘴与各自的供气单元连接。
8.一种使用权利要求7所述化学气相淀积反应器进行化学气相淀积的方法,其特征在于,该方法包括至少有一片衬底放置在所述环形衬底载盘上,至少有一股气流由所述气体导入环上相对应的环形气体喷嘴沿径向由内向外方向导入到所述圆柱形反应腔,另一股气流沿垂直于所述环形衬底载盘表面方向由所述气体引入盘引入到所述圆柱形反应腔;所述垂直气流与径向气流在所述环形衬底载盘表面附近混合,并在所述环形衬底载盘表面形成由内向外的层流,直到所有气体经所述环形排气通道或所述气体排出环排出所述反应腔。
9.一种化学气相淀积反应器,该化学气相淀积反应器包括圆柱形反应腔,所述圆柱形反应腔内包括反应腔顶盖,反应腔底盘,筒状反应腔侧壁,放置在所述反应腔底盘中心部位的圆柱形顶盖支撑,水平放置在所述圆柱形反应腔中的环形衬底载盘,放置在所述反应腔顶部的气体引入盘,围绕所述圆柱形反应腔外围的环形气体排出外通道或者水平放置在所述反应腔侧壁上部的气体排出外环,围绕所述圆柱形顶盖支撑外围的环形气体排出内通道或者水平放置在所述圆柱形顶盖支撑上部的气体排出内环,放置在所述环形衬底载盘下方的加热装置和放置在所述反应腔底盘附近的排气孔;其特征在于:所述圆柱形顶盖支撑所提供的顶部支撑到所述反应腔顶盖内侧的中央部位;所述气体引入盘下表面有若干组互不相通的通孔,每一组所述通孔与独立的供气单元连接。
10.一种使用权利要求9所述化学气相淀积反应器进行化学气相淀积的方法,其特征在于,该方法包括至少一片衬底被放置在所述环形衬底载盘上,至少有二股气流沿各自的通孔由所述气体导入盘以垂直于所述环形衬底载盘表面方向向下导入到所述圆柱形反应腔,所述垂直气流在所述衬底载盘表面折弯形成由所述环形衬底载盘的中心向二侧扩散的径向水平层流,并经所述环形气体排出内通道或所述气体排出内环和所述环形气体排出外通道或所述气体排出外环排出所述反应腔。
11.一种化学气相淀积反应器,该化学气相淀积反应器包括圆柱形反应腔,所述圆柱形反应腔内包括反应腔顶盖,反应腔底盘,筒状反应腔侧壁,放置在所述反应腔底盘中心部位的圆柱形顶盖支撑,水平放置在所述圆柱形反应腔中的环形衬底载盘,水平放置在所述反应腔顶盖和所述环形衬底载盘之间的环形气体扩散盘,水平放置在所述反应腔侧壁上部界于所述反应腔顶盖下表面和所述气体扩散盘上表面之间的气体引入环,水平放置在所述反应腔侧壁中部界于所述环形气体扩散盘和所述环形衬底载盘之间的气体导入环,围绕着所述圆柱形顶盖支撑的环形气体排出通道或者放置在所述圆柱形顶盖支撑中部的气体排出环,放置在所述环形衬底载盘下方的加热装置和放置在所述反应腔底盘附近的排气孔;其特征在于:所述圆柱形顶盖支撑所提供的顶部支撑到所述反应腔顶盖内侧的中央部位;所述环形气体扩散盘下表面有若干通孔,其上表面和所述反应腔顶盖的下表面形成上腔;所述气体导入环包含若干环形气体喷嘴,由所述环形气体喷嘴导入所述反应腔的气流方向平行于所述环形衬底载盘表面或与所述环形衬底载盘表面成小于90度的斜角;所述环形气体喷嘴之间相互不连通,每一个所述环形气体喷嘴与各自的供气单元连接。
12.一种使用权利要求11所述化学气相淀积反应器进行化学气相淀积的方法,其特征在于,该方法包括至少一衬底片放置在所述环形衬底载盘上,至少有一股气流分别由所述气体导入环上的环形气体喷嘴沿径向由外向内方向导入到所述圆柱形反应腔,另一股气流由所述气体引入环沿径向由外向内方向引入到所述上腔,引入所述上腔的气流再经由所述气体扩散盘上的通孔以垂直向下的方向进入到所述圆柱形反应腔;所述垂直气流与径向气流在所述环形衬底载盘附近混合,并在所述环形衬底载盘表面形成由外向内的层流,直到所有气体经所述环形排气通道或所述气体排出环排出所述反应腔。
13.一种化学气相淀积反应器,该化学气相淀积反应器包括圆柱形反应腔,所述圆柱形反应腔内包括反应腔顶盖,反应腔底盘,筒状反应腔侧壁,放置在所述反应腔底盘中心部位的圆柱形顶盖支撑,水平放置在所述圆柱形反应腔中的环形衬底载盘,水平放置在所述反应腔顶盖和所述环形衬底载盘之间的环形气体扩散盘,水平放置在所述圆柱形顶盖支撑上部界于所述反应腔顶盖下表面和所述气体扩散盘上表面之间的气体引入环,水平放置在所述反应腔侧壁中部界于所述环形气体扩散盘和所述环形衬底载盘之间气体导入环,围绕着所述圆柱形顶盖支撑的环形气体排出通道或者放置在所述圆柱形顶盖支撑中部的气体排出环,放置在所述环形衬底载盘下方的加热装置和放置在所述反应腔底盘附近的排气孔;其特征在于:所述圆柱形顶盖支撑所提供的顶部支撑到所述反应腔顶盖内侧的中央部位;所述环形气体扩散盘下表面有若干通孔,其上表面和所述反应腔顶盖的下表面形成上腔;所述气体导入环包含若干环形气体喷嘴,由所述环形气体喷嘴导入所述反应腔的气流方向平行于所述环形衬底载盘表面或与所述环形衬底载盘表面成小于90度的斜角;所述环形气体喷嘴之间相互不连通,每一个所述环形气体喷嘴与各自的供气单元连接。
14.一种使用权利要求13所述化学气相淀积反应器进行化学气相淀积的方法,其特征在于,该方法包括至少一衬底片放置在所述环形衬底载盘上,至少有一股气流分别由所述气体导入环上的环形气体喷嘴沿径向由外向内水平方向导入到所述圆柱形反应腔,另一股气流由所述气体引入环沿径向由内向外方向引入到所述上腔,引入所述上腔的气流再经由所述气体扩散盘上的通孔以垂直向下的方向进入到所述圆柱形反应腔;所述垂直气流与径向气流在所述环形衬底载盘附近混合,并在所述环形衬底载盘表面形成由外向内的层流,直到所有气体经所述环形排气通道或所述气体排出环排出所述反应腔。
15.一种化学气相淀积反应器,该化学气相淀积反应器包括圆柱形反应腔,所述圆柱形反应腔内包括反应腔顶盖,反应腔底盘,筒状反应腔侧壁,放置在所述反应腔底盘中心部位的圆柱形顶盖支撑,水平放置在所述圆柱形反应腔中的环形衬底载盘,水平放置在所述反应腔顶盖和所述环形衬底载盘之间的环形气体扩散盘,水平放置在所述反应腔侧壁上部界于所述反应腔顶盖下表面和所述气体扩散盘上表面之间的气体引入环,水平放置在所述圆柱形顶盖支撑中部界于所述环形气体扩散盘和所述环形衬底载盘之间的气体导入环,围绕着所述圆柱形反应腔外围的环形气体排出通道或者水平放置在所述反应腔侧壁中部的气体排出环,放置在所述环形衬底载盘下方的加热装置和放置在所述反应腔底盘附近的排气孔;其特征在于:所述圆柱形顶盖支撑所提供的顶部支撑到所述反应腔顶盖内侧的中央部位;所述环形气体扩散盘下表面有若干通孔,其上表面和所述反应腔顶盖的下表面形成上腔;所述气体导入环包含若干环形气体喷嘴,由所述环形气体喷嘴导入所述反应腔的气流方向平行于所述环形衬底载盘表面或与所述环形衬底载盘表面成小于90度的斜角;所述环形气体喷嘴之间相互不连通,每一个所述环形气体喷嘴与各自的供气单元连接。
16.一种使用权利要求15所述化学气相淀积反应器进行化学气相淀积的方法,其特征在于,该方法包括至少一衬底片放置在所述环形衬底载盘上,至少有一股气流分别由所述气体导入环上的环形气体喷嘴沿径向由内向外方向导入到所述圆柱形反应腔,另一股气流由所述气体引入环沿径向由外向内方向引入到所述上腔,引入所述上腔的气流再经由所述气体扩散盘上的通孔以垂直向下的方向进入到所述圆柱形反应腔;所述垂直气流与径向气流在所述环形衬底载盘附近混合,并在所述环形衬底载盘表面形成由内向外的层流,直到所有气体经所述环形排气通道或所述气体排出环排出所述反应腔。
17.一种化学气相淀积反应器,该化学气相淀积反应器包括圆柱形反应腔,所述圆柱形反应腔内包括反应腔顶盖,反应腔底盘,筒状反应腔侧壁,放置在所述反应腔底盘中心部位的圆柱形顶盖支撑,水平放置在所述圆柱形反应腔中的环形衬底载盘,水平放置在所述反应腔顶盖和所述环形衬底载盘之间的环形气体扩散盘,水平放置在所述圆柱形顶盖支撑上部界于所述反应腔顶盖下表面和所述气体扩散盘上表面之间的气体引入环,水平放置在所述圆柱形顶盖支撑中部界于所述环形气体扩散盘和所述环形衬底载盘之间的气体导入环,围绕着所述圆柱形反应腔外围的环形气体排出通道或者水平放置在所述反应腔侧壁中部的气体排出环,放置在所述环形衬底载盘下方的加热装置和放置在所述反应腔底盘附近的排气孔;其特征在于:所述圆柱形顶盖支撑所提供的顶部支撑到所述反应腔顶盖内侧的中央部位;所述环形气体扩散盘下表面有若干通孔,其上表面和所述反应腔顶盖的下表面形成上腔;所述气体导入环包含若干环形气体喷嘴,由所述环形气体喷嘴导入所述反应腔的气流方向平行于所述环形衬底载盘表面或与所述环形衬底载盘表面成小于90度的斜角;所述环形气体喷嘴之间相互不连通,每一个所述环形气体喷嘴与各自的供气单元连接。
18.一种使用权利要求17所述化学气相淀积反应器进行化学气相淀积的方法,其特征在于,该方法包括至少一衬底片放置在所述环形衬底载盘上,至少有一股气流分别由所述气体导入环上的环形气体喷嘴沿径向由内向外方向导入到所述圆柱形反应腔,另一股气流由所述气体引入环沿径向由内向外方向引入到所述上腔,引入所述上腔的气流再经由所述气体扩散盘上的通孔以垂直向下的方向进入到所述圆柱形反应腔;所述垂直气流与径向气流在所述环形衬底载盘附近混合,并在所述环形衬底载盘表面形成由内向外的层流,直到所有气体经所述环形排气通道或所述气体排出环排出所述反应腔。
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
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C06 | Publication | ||
PB01 | Publication | ||
C10 | Entry into substantive examination | ||
SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
C14 | Grant of patent or utility model | ||
GR01 | Patent grant |