CN101423930A - 具有前驱物源的喷头设计 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了具有前驱物源的喷头设计，更具体地提供一种可以用于沉积工艺中的方法和装置，例如金属氮化物膜的氢化物气相外延(HVPE)沉积。第一组通路可引入含金属前驱物气体。第二组通路可提供含氮前驱物气体。分散所述第一和第二组通路以分开所述含金属前驱物气体和所述含氮前驱物气体直到它们到达衬底。惰性气体还可流经所述通道以帮助保持间距和限制所述通路处或其附近的反应，从而防止所述通路上的不需要的沉积。

Description

具有前驱物源的喷头设计
技术领域
本发明的实施例一般涉及例如发光二极管(LEDs)的器件的制造，更具体地，涉及用于氢化物气相外延(HVPE)沉积的喷头设计。
背景技术
正在发现III族氮化物半导体对于例如短波长发光二极管(LEDs)、激光二极管(LDs)，以及包括高功率、高频、高温晶体管和集成电路的电子器件等的各种半导体器件的发展和制造更加重要。用于沉积III族氮化物的一种方法是氢化物气相外延(HVPE)沉积方法。在HVPE中，卤化物与III族金属反应以形成含金属前驱物(例如，金属氯化物)。该含金属前驱物随后与含氮气体反应以形成III族金属氮化物。
当对LEDs、LDs、晶体管和集成电路的需求增加时，III族金属氮化物的沉积效率变得更加重要。对能够将膜均匀沉积在大衬底或多层衬底上的具有高沉积率的沉积装置和工艺存在全面的需求。另外，期望均匀的前驱物混合使衬底上的膜的质量一致化。因此，对于改进的HVPE沉积方法和HVPE装置存在技术上的需求。
发明内容
本发明一般涉及用于诸如氢化物气相外延(HVPE)的沉积工艺中的气体传输的方法和装置。
一个实施例提供了在一个或多个衬底上形成金属氮化物的方法。该方法一般包括：经一个或多个衬底之上的第一组通路引入含金属前驱物气体，经一个或多个衬底之上的第二组通路引入含氮前驱物气体，其中第一组通路散布在第二组通路之间，以及在第一和第二组通路之上朝向所述一个或多个衬底引入惰性气体以限制含金属前驱物气体和含氮前驱物气体在第一和第二组通路处或其附近反应。
一个实施例提供了在一个或多个衬底上形成金属氮化物的方法。该方法一般包括：经一个或多个衬底之上的一组通路引入含金属前驱物气体以及在该组通路之上引入含氮前驱物气体，从而该含氮前驱物气体在该组通路之间朝向所述一个或多个衬底流动。
一个实施例提供了用于氢化物气相外延腔的气体传输装置。该装置一般包括：连接到含金属前驱物气体源的第一气体入口，与该第一气体入口分开的第二气体入口，该第二气体入口连接到含氮前驱物气体源，以及与所述第一和第二气体入口分开的一个或多个第三气体入口，该第三气体入口适于将气体沿基本垂直于至少一个衬底的表面的方向引入该腔。
一个实施例提供了用于氢化物气相外延腔的气体传输装置。该装置一般包括：连接到含金属前驱物气体源的第一气体入口以及与该第一气体入口分开的第二气体入口，该第二气体入口连接到含氮前驱物气体源，其中该第二气体入口适于将气体沿基本垂直于至少一个衬底的表面的方向引入该腔。
附图说明
可以结合在所附权利要求中描述的实施例得到以上简要概括的方法，该方法可以得到本发明的上述特征并可以被详细理解。
图1是根据本发明一个实施例的沉积腔的剖面图。
图2是根据本发明一个实施例的喷头组件的剖面透视侧视图。
图3是根据本发明一个实施例的喷头组件的俯视剖面图。
图4是根据本发明一个实施例的喷头组件的透视剖面图。
图5A-5B是根据本发明一个实施例的喷头组件的气体通路部件的透视图。
图6是根据本发明一个实施例的喷头组件的顶板部件的透视图。
图7是根据本发明一个实施例的喷头组件的剖面透视侧视图。
图8A-8C是根据本发明一个实施例的喷头组件的蒸发皿(boat)部件的透视图。
图9A-9B是根据本发明一个实施例的喷头组件的气体通路部件的透视图。
图10示出本发明的一个实施例，其中惰性气体可以在包含固态或液态III族三氯化物的安瓿上流动。
图11示出本发明的一个实施例，其中含氮前驱物气体和含金属前驱物气体可以在喷头组件内混合。
为了容易理解，尽可能采用相同的附图标记以指代图中公共的相同部件。预期一个实施例的部件和特征可以有益地结合进其它实施例而不必进一步重复。
然而，要注意的是，附图仅仅描述了本发明的示例性实施例，由此不应认为是对发明范围的限制，因为本发明允许其它等效实施例。
具体实施方式
本发明一般提供了用于诸如氢化物气相外延(HVPE)沉积的沉积工艺的方法和装置。图1是根据本发明一个实施例的用于实现本发明的HVPE腔的示意性剖面图。在美国专利申请Nos.11/411,672和11/404,516中描述了适于实现本发明的示例性腔，通过参考的方式将它们两个全文引入。
图1中的装置100包括：围绕处理部108的腔体102。喷头组件104设置在该处理部108的一端，并且衬底载体11设置在该处理部108的另一端。该衬底载体114可包括在处理期间可将一个或多个衬底设置于其中的一个或多个凹槽116。该衬底载体114装载六个或多个衬底。可以在衬底载体114的下方设置基座。该基座可由允许对衬底进行温度监控的导热材料(例如，碳化硅)制成。在一个实施例中，该衬底载体114装载八个衬底。可以理解的是，在该衬底载体114上可以装载更多或更少的衬底。典型的衬底可以是蓝宝石、SiC或硅。衬底尺寸可以为50mm-100mm或更大的直径。该衬底载体尺寸可以为200mm-500mm。该衬底载体可以由各种材料形成，包括SiC或涂有SiC的石墨。可以理解的是，该衬底可以由蓝宝石、SiC、GaN、硅、石英、GaAs、AlN或玻璃构成。可以理解的是，可以在装置100中并根据上述工艺处理其它尺寸的衬底。如上所述，相比于在传统HVPE腔中，该喷头组件可以允许更多衬底或更大衬底上的更均匀的沉积，从而降低了成本。在处理期间，该衬底载体114可以围绕其中心轴旋转。在一个实施例中，所述衬底可以在衬底载体114中独立旋转。
该衬底载体114可以旋转。在一个实施例中，该衬底载体114可以约2RPM至约100RPM旋转。在另一个实施例中，该衬底载体114可以约30RPM旋转。旋转该衬底载体114有助于提供该处理气体对每个衬底的均匀曝光。
在该衬底载体114之下设置多个灯130a、130b。对于多个应用，典型灯配置可以包括该衬底之上(未示出)和之下(未示出)的灯组。一个实施例从侧边并入灯。在某些实施例中，多个灯可以同心圆设置。例如，灯130b的内部阵列可包括8个灯，以及灯130a的外部阵列包括12个灯。在本发明的一个实施例中，每个灯130a、130b是单独供电的。在另一个实施例中，灯130a、130b的阵列可以位于喷头组件104之上或之内。可以理解的是，多个灯的其它配置和其它数量是可能的。灯130a、130b的阵列可以选择性的供电以加热该衬底载体114的内部和外部区域。在一个实施例中，对作为内部阵列和外部阵列的灯130a、130b集中供电，其中顶部和底部阵列不是集中供电就是独立供电。在又一实施例中，分开的灯或加热部件可以设置在该源蒸发皿280上方和/或下方。可以理解的是，本发明不限于灯阵列的应用。可以利用任何适合的热源以确保将适当的温度充分地应用到处理腔、其中的衬底、以及金属源。例如，可预期的是可以利用快速热处理灯系统，例如美国专利公开No.2006/0018639A1中所说明的，通过参考的方式引入其全文。
对一个或多个灯130a、130b供电以加热衬底和源蒸发皿280。灯可以将该衬底加热到约900摄氏度至约1200摄氏度。在另一个实施例中，该灯130a、130b将源蒸发皿280中的阱820中的金属源保持在约350摄氏度至约900摄氏度。在阱820中可以设置温差电偶以在处理期间测量金属源温度。由温差电偶测量的温度可以反馈到调节由加热灯130a、130b提供的热的控制器，从而必要的话可以控制或调节阱820中的金属源的温度。
在根据本发明的一个实施例的处理期间，前驱物气体106从喷头组件104流向衬底表面。该前驱物气体106在衬底表面或附近的反应可以将包括GaN、AlN、和InN的各种金属氮化物层沉积在该衬底上。也可以将多层金属用于“组合物膜”的沉积，例如AlGaN和/或InGaN。将处理部108保持在约760Torr至约100Torr的压力下。在一个实施例中，将处理部108保持在约450Torr至约760Torr的压力下。
根据本发明的一个实施例，图2是图1的HVPE腔的剖面透视图。源蒸发皿280围绕该腔体102。金属源填充该源蒸发皿280的阱820。在一个实施例中，该金属源包括任何合适的金属源，例如镓、铝、或铟，以及基于特殊应用需求所选择的特殊金属。卤化物或卤素气体流经该源蒸发皿280的阱820中的金属源之上的通道810，并与金属源反应以形成气态含金属前驱物。在一个实施例中，HCL与液态镓反应以形成气态GaCl。在另一个实施例中，Cl2与液态镓反应以形成GaCl和GaCl3。本发明的另外实施例利用其它卤化物或卤素来获得含金属气相前驱物。合适的氢化物包括具有组合物HX(例如，X＝Cl、Br、和I)的那些材料，并且合适的卤素包括Cl2、Br、和I2。对于卤化物，非平衡反应式为：
HX(气体)+M(液态金属)->MX(气体)+H(气体)
其中，X＝Cl、Br、和I并且M＝Ga、Al或In。对于卤素，该公式为：
Z(气体)+M(液态金属)->MZ(气体)
其中，X＝Cl2、Br、和I2并且M＝Ga、Al、In。以下，包含气态金属的物质将指“含金属前驱物”(例如，金属氯化物)。
通过第一组气体通路，例如管道251，将来自源蒸发皿280中的反应的含金属前驱物气体216引入该处理部108。可以理解的是，含金属前驱物气体216可以由源而不是源蒸发皿280产生。通过第二组通路，例如管道252，将含氮气体226引入处理部108。当将多个管道的配置显示为合适的气体分布结构的示例以及应用在一些实施例中时，设计为如这里所述提供气体分布的不同类型通路的各种其它类型的配置也可以应用于其它实施例。如下面更详细的说明，通路的这种配置的示例包括具有(作为多个通路)形成在板中的气体分布通道的气体分布结构。
在一个实施例中，该含氮气体包括氨。含金属前驱物气体216和含氮气体226可以在衬底的表面或其附近反应，并且将金属氮化物沉积到该衬底上。该金属氮化物可以约1微米/小时至约60微米/小时的速度沉积到该衬底上。在一个实施例中，该沉积速度为约15微米/小时至约25微米/小时。
在一个实施例中，通过板260，将惰性气体206引入到处理部108中。通过使惰性气体206在含金属前驱物气体216与含氮气体226之间流动，该含金属前驱物气体216和含氮气体226可彼此不接触并且过早的反应以沉积在不期望的表面上。在一个实施例中，该惰性气体206包括氢气、氮气、氦气、氩气或其组合。在另一个实施例中，用氨气代替该惰性气体206。在一个实施例中，以约1slm至约15slm的速度将该含氮气体226提供给处理部。在另一个实施例中，该含氮气体226与载气同向流动。该载气可以包括氮气或氢气或惰性气体。在一个实施例中，该含氮气体226与载气同向流动，以约0slm至约15slm的速度提供该载气。对于卤化物或卤素的典型流速为5-100sccm，但可包括等于5slm的流速。用于卤化物/卤素气体的载气可以是0.1-10slm，并且包括之前列出的惰性气体。由0-10slm的惰性气体进行该卤化物/卤素/载气混合物的额外稀释。惰性气体206的流速是5-40slm。处理压力在100-1000torr之间变化。典型的衬底温度是500-1200℃。
该惰性气体206、含金属前驱物气体216、和含氮气体226可通过排气装置236离开处理部108，排气装置236分布在处理部108的周围。排气装置236这样分布可以提供均匀气流通过该衬底的表面。
如图3和图4所示，根据本发明的一个实施例，气体管道251和气体管道252可以分散布置。独立于气体管道252中的含氮气体226的流速，可以控制气体管道251中的含金属前驱物气体216的流速。独立控制的、交替的气体管道有助于通过衬底表面的每种气体的更加均匀的分布，这提供了更好的沉积均匀性。
另外，含金属前驱物气体216和含氮气体226之间的反应的程度依赖于两种气体接触的时间。通过将气体管道251和气体管道252设置为平行于衬底表面，含金属前驱物气体216和含氮气体226将在距离气体管道251和气体管道252相等距离的点同时接触，并且由此将在衬底表面上的所有点反应到相同程度。结果，利用更大直径的衬底能够实现沉积均匀性。明显的是，衬底表面与气体管道251和气体管道252之间距离的变化将支配含金属前驱物气体216和含氮气体226反应的程度。因此，根据本发明的一个实施例，在沉积期间，可以改变处理部108的尺寸。同样，根据本发明的另一个实施例，气体管道251与衬底表面之间的距离可以不同于气体管道252与衬底表面之间的距离。另外，气体管道251和气体管道252之间的间隔也可以防止含金属前驱物气体和含氮前驱物气体之间的反应以及在管道251和管道252或其附近的不必要的沉积。如下所述，惰性气体也可以在管道251和管道252之间流动以帮助保持前驱物气体之间的间隔。
在本发明的一个实施例中，在板260中可以形成测量观察点310。在处理期间，这为发光测量装置提供到处理部108的入口。通过对比反射波长与发射波长，由干涉计确定膜沉积到衬底上的速度，以实现测量。也可以通过高温计测量衬底温度来实现测量。应理解的是，测量观察点310可以对通常结合HVPE使用的任何发光测量装置提供入口。
根据本发明的一个实施例，通过构造如图5所示的管道，实现气体管道251和气体管道252的分散。每组管道一定包括连接端口253，其连接到单一主管道257，其也连接到多分支管道259。所述多分支管道259中的每个具有管道侧边的多个气体端口255，该管道一般面对衬底载体144。气体管道251的连接端口253可构造为设置在气体管道252的连接端口253与处理部108之间。然后，气体管道251的主管道257设置在气体管道252的主管道257与处理部108之间。气体管道252的每个分支管道259可包含与主管道257邻近连接的“S”弯曲258，从而气体管道252的分支管道259的长度平行于并与气体管道251的分支管道259排列在一起。类似地，根据下面讨论的本发明的另一个实施例，通过构造如图9所示的多个管道，实现气体管道251和气体管道252的分散。可以理解的是，分支管道259的数量以及由此相邻分支管道之间的间隔可以变化。相邻分支管道259之间的更大的距离可以减少多个管道的表面上的过早沉积。也可以通过增加相邻管道之间的间隔物来减少过早沉积。该间隔物可以垂直于衬底表面设置，或者可以将该间隔物弯曲以引导气流。在本发明的一个实施例中，该气体端口255可形成为与含氮气体226成一角度来引导含金属前驱物气体216。
根据本发明的一个实施例，图6显示了板260。如前所述，经分布在板260表面的多个气体端口255，将惰性气体206引入处理部108。根据本发明的一个实施例，板260的凹口267容纳气体管道252的主管道257的位置。根据本发明的一个实施例，惰性气体206在气体管道251的分支管道259与气体管道252的分支管道259之间流动，从而保持含金属前驱物气体216气流与含氮气体226的分离，直到该气体到达衬底表面。
根据本发明的一个实施例，如图7所示，经板260将含氮气体226引入处理部108。根据该实施例，由气体管道251的额外分支管道259代替气体管道252的分支管道259。从而经气体管道252将含金属前驱物气体引入处理部108。
根据本发明的一个实施例，图8显示了源蒸发皿280的部件。该蒸发皿由覆盖底部(图8B)的顶部(图8A)构成。结合该两个部分制造由阱820上的通道810构成的环状槽。如前所述，含氯气体811流经通道810并且可与阱820中的金属源反应以产生含金属前驱物气体813。根据本发明的一个实施例，经气体管道251将含金属前驱物气体813引入处理部108作为该含金属前驱物气体216。
在本发明的另一个实施例中，在图8C所示的稀释端口中用惰性气体812稀释含金属前驱物气体813。可选择的，在进入通道810之前，将惰性气体812加入到含氯气体811中。另外，可以发生两个稀释：即，在进入通道810之前将惰性气体812加入到含氯气体811中，以及在通道810的出口加入额外的惰性气体812。然后经气体管道251将该稀释的含金属前驱物气体引入处理部108作为该含金属前驱物气体216。该含氯气体811在金属源上的滞留时间直接正比于通道810的长度。更长的滞留时间产生了该含金属前驱物气体216的更高的交换效率。因此，通过用源蒸发皿280包围腔体102，可以构造更长的通道810，导致该含金属前驱物气体216的更高的交换效率。构成通道810的顶部(图8A)或底部(图8B)的典型直径是10-12英寸。通道810的长度是顶部(图8A)或底部(图8B)的外围并且在30-40英寸。
图9显示了本发明的另一个实施例。在该实施例中，改装气体管道251和气体管道252的主管道257以适应处理部108的周长。通过将主管道257移至该周长，气体端口255的密度在衬底表面上会变得更均匀。可以理解的是，利用板260的补充改装，主管道257和分支管道259的另一种设置是可能的。
本领域技术人员公知的是，可以对上述实施例进行各种改变，这仍然在本发明的范围之内。作为示例，作为内部蒸发皿的替换(或附加)，一些实施例可以利用设置在腔之外的蒸发皿。对于这些实施例，分离热源和/或热气体线路可以用于将前驱物从外部蒸发皿移至该腔中。
对于一些实施例，一些类型的机构可以用于待重新充满(例如，用液态金属)设于腔中的所有蒸发皿而不必打开该腔。例如，采用注射器和活塞(例如，类似于大尺寸注射器)的某种类型的装置可以设于该蒸发皿之上，从而用液态金属重新充满该蒸发皿而不必打开该腔。
对于一些实施例，从连接到内部蒸发皿的外部大型坩锅将内部蒸发皿填满。用分离加热和温控系统加热(例如，电阻性或经灯)该坩锅。可以通过各种技术将该坩锅用于“供给”该蒸发皿，例如，操作者打开和关闭手动阀门的批处理，或通过工艺控制电子装置和质量流控制器。
对于一些实施例，瞬间蒸馏技术可以应用于将金属前驱物传送到该腔。例如，经由液体注射器输送瞬间蒸馏金属前驱物以将少量金属注射到该气流中。
对于一些实施例，温度控制的某些形式可以用于将前驱物气体保持在最佳操作温度。例如，蒸发皿(内部或外部)可以直接接触地装配有温度传感器(例如，温度电偶)，以决定蒸发皿中的前驱物的温度。该温度传感器可以连接到自动反馈温度控制。作为对于直接接触温度传感器的可选择性，远程高温测定法可以应用于监控蒸发皿的温度。
对于外部蒸发皿设计，可以采用各种不同类型的喷头设计(例如，上面所述的)。该喷头可以由适合的材料制成，该材料可以经受住极端温度(例如，等于1000℃)，例如SiC或石英或涂有SiC的石墨。如上所述，经温度电偶或远程高温测定法可监测管道温度。
对于一些实施例，当有必要实现各种目的时，调整从腔的顶端和底部设置的灯组以调节管道温度。该些目的可包括减小管道上的沉积，在沉积工艺期间保持恒定温度，并且确保不超过最大温度范围(以便于减少由热压引起的损伤)。
图5A-图5B、图6、图8A-图8C和图9A-图9B中显示的部件可以由任何适合的材料构成，例如，SiC、涂有SiC的石墨、和/或石英，并且可以具有任何合适的物理尺寸。例如，对于一些实施例，图5A-图5B和图9A-图9B中显示的该喷头管道可以具有1-10mm的厚度(例如，在某些应用中2mm)。
还可以防止来自化学蚀刻和/或腐蚀的损伤的方式来构造多个管道。例如，所述多个管道可以包括例如SiC的某种类型的覆盖物或减小来自化学蚀刻和腐蚀的某些其它覆盖物。作为可选择的，或另外的，通过与蚀刻和腐蚀屏蔽开的隔离部分来围绕该多个管道。对于一些实施例，当分支管道可为SiC时，主管道(例如，中心管道)可以是石英。
在一些应用中，存在形成在多个管道上的沉积的风险，例如通过阻塞气体端口影响性能。对于一些实施例，为了防止或减小沉积，将某种阻隔物(例如，挡板或板)放置于多个管道之间。这些阻隔物可以设计成可移除的和可容易替换的，从而便于维护和修理。
对于一些实施例，当在此说明采用分支管道的喷头设计时，可以用设计成实现相似功能的不同类型的构造来代替该管道构造。作为示例，对于一些实施例，传输通道和孔可以钻入单片板，在气体与主腔隔离和传输进该主腔的方面，该板提供与管道相似的功能。可选择的，除了单片，分配板可以通过多层部分构造，该多层部分能以某些方式密接在一起或安装(例如，结合、焊接或蒸镀)。
对于其它实施例，可形成涂有SiC的固体石墨管道，并且随后移除该石墨以保留一系列通道和孔。对于一些实施例，可以用其中形成有孔的各种形状(例如，椭圆形、圆形、矩形或正方形)的清洁的或不透明的石英板构成喷头。可以将合适的尺寸化的管材(例如，具有2mmID×4mmOD)熔化为用于气体传输的板。
对于一些实施例，各种部件可以由不相似的材料形成。在某些情况下，进行测量以确保部件密封安全和防止漏气。作为示例，对于一些实施例，挡圈用于将石英管道安全密封进金属部分，从而防止漏气。该挡圈可由任何合适的材料形成，例如，允许由不同数量导致该部分延伸和紧缩的不相同部分的热膨胀不同，其导致该部分或漏气的损伤。
如上所述(例如，参见图2)，卤化物和卤素气体用于沉积工艺中。另外，前述卤化物和卤素用作用于反应器的原位清洗的蚀刻剂气体。该清洗过程可包括使卤化物或卤素气体(有或没有惰性载气)流入该腔中。在100-1200℃的温度下，蚀刻剂气体可以移除来自反应器墙壁和表面的沉积物。蚀刻剂气体的流速在1-20slm变化并且惰性载气的流速在0-20slm变化。相应的压力可在100-1000torr变化，并且腔温度可在20-1200℃变化。
此外，前述卤化物和卤素气体可用于衬底的预处理工艺，例如，促进高质量膜生长。一个实施例可包括使卤化物或卤素气体经管道251或经板260流入该腔中而不流经蒸发皿280。惰性载气和/或稀释气体可与卤化物或卤素气体合成。同时NH3或相似的含氮前驱物可以流经管道252。预处理的其它实施例可包括仅使具有或不具有惰性气体的含氮前驱物流动。另外的实施例可以包括一系列两个或多个不连续的步骤，对于持续时间、气体、流速、温度和压力，每个所述步骤是不同的。对于卤化物或卤素的典型流速是50-1000sccm，但是包括等于5slm的流速。用于卤化物/卤素气体的载气可以是1-40slm，并且包括以前列出的惰性气体。卤化物/卤素载气混合物的额外稀释可以用0-10slm流速的惰性气体发生。NH3的流速在1-30slm之间并且典型的比蚀刻剂气体流速快。处理压力可在100-1000torr之间变化。典型的衬底温度范围是500-1200℃。
另外，产生Cl2等离子体用于清洗/沉积工艺。进一步，在此说明的腔可作为美国专利申请序列号11/404,516中所述的多腔系统的一部分，在此通过引用引入其全文。如在此说明的，包括远程等离子体发生器作为腔硬件的一部分，能应用于这里所述的HVPE腔。用于在申请中所述的沉积和清洗工艺的气体线路和工艺控制硬件/软件也可以应用于在此所述的HVPE腔。对于一些实施例，含氯气体或等离子体可以在顶板之上传输，例如图6所示，或经传输含Ga前驱物的管道传输。可以采用的等离子体类型不限于氯，而可以包括氟、碘、溴。用于产生等离子体的源气可以是卤素，例如Cl2、Br、I2，或者包含7A族元素的气体，例如NF3。
不使用源蒸发皿而引入的含金属前驱物气体
尽管在上述实施例中含金属前驱物气体通过在源蒸发皿中通过混合卤化物或卤素气体与金属源而形成，但是含金属前驱物气体也可以不使用源蒸发皿而形成。本发明的这些实施例可以不需要源蒸发皿280，由此简化生产，同时保持金属氮化物在衬底表面上的沉积均匀性以及限制在不期望表面上的沉积。
例如，图10示出本发明的一个实施例，其中惰性气体可以在包含固态或液态III族三氯化物1002(例如GaCl3)的安瓿1000上流动。可以加热安瓿以蒸发与惰性载气结合的III族三氯化物1004，从而生成含金属前驱物气体1051。然后，经由第一组气体管道251将含金属前驱物气体提供至处理部108。可以通过第二组气体管道252将含氮前驱物气体引入处理部108。在一些实施例中，含氮前驱物气体可以包含氨。
虽然可以在50摄氏度至150摄氏度之间蒸发GaCl3，但是蒸发GaCl3的典型温度是100摄氏度。在一些实施例中，III族三氯化物可由III族三碘化物或III族三溴化合物替代。在这些实施例中，可在50摄氏度至250摄氏度之间蒸发物质。
在分布到处理部之前混合含金属前驱物气体与氨
尽管在上述实施例中前驱物气体通过分离的管道传输到处理部108，其中金属氮化物形成在衬底表面处或附近，但是可以在处理部内、在处理部之外而一小部分在处理部之内、或完全在处理部之外允许在50摄氏度至550摄氏度之间进行温度控制的混合区域内混合含金属前驱物气体与含氮前驱物气体，处理部如图1中的整个装置所限定。本发明的这些实施例可以(1)提高混合均匀性以及(2)简化设计同时(3)最小化在表面上不需要的沉积和前驱物损耗。
例如，图11示出本发明的一个实施例，其中含氮前驱物气体226和含金属前驱物气体216紧接在进入主管道257之前，可以在喷头组件104内的热混合区域1100中混合。在一些实施例中，含氮气体可以包括氨。在一些实施例中，热混合区域可以是含氮前驱物气体和含金属前驱物气体源与喷头之间的任何地方。为了使热腔1100保持在预定温度，例如保持在50摄氏度至550摄氏度之间的温度范围内，可以包括温度监控部件。
尽管在图11中仅示出喷头管道的一个实施例，但是本领域技术人员将理解在本发明的范围内可以进行各种修改。在图5B、图6、图9A和图9B中可以看到这些修改的实例。
虽然上述范围内的任何温度已满足，但是理想的混合区域可保持在425摄氏度。应注意为了将表面暴露在混合前驱物气体的所有部分设定并保持在例如50摄氏度至550摄氏度范围内的预定温度，对于GaCl3理想地保持在约425摄氏度，可以使用温度控制部件。对于这些实施例，这些控制部件允许对暴露于前驱物气体的各种区域共同或独立控制。这些区域例如包括可以在处理部之内或之外(以及或许在腔之外)的混合区域、腔部分(例如，喷头部件)、以及衬底处或附近的区域(例如，在基座处或附近)。对于为了前驱物传输而使用安瓿的实施例，还可以共同或独立控制安瓶温度。
例如，可以使用多个灯130a、130b来保持期望的温度范围。在某些实施例中，多个灯可以同心圆设置。例如，灯130b的内部阵列可包括8个灯，以及灯130a的外部阵列包括12个灯。在本发明的一个实施例中，每个灯130a、130b是单独供电的。在一些实施例中，灯130a、130b的阵列可以位于喷头组件104之上或之内。可以理解的是，多个灯的其它配置和其它数量是可能的。应理解本发明不限于灯阵列的使用。
尽管以类似于混合区域的加热方式来加热包含一个或多个衬底的处理部，但是处理部的加热可以独立于混合区域的加热。在一些实施例中，用于加热处理部的加热装置可以是用于加热衬底的相同加热装置。衬底和基座理想地可由多个灯加热到1050摄氏度。
尽管上述实施例提及使用加热灯来保持温度，但是可以利用任何适当的加热源来确保对处理腔、喷头和气态前驱物充分应用适当的温度。
除了这里上述的前驱物，喷头组件104可以使用其他前驱物。例如，还可以使用具有通式MX3的前驱物(例如，GaCl3)，其中M是III族元素(例如，镓、铝或铟)，X是VII族元素(例如，溴、氯或碘)。气体传输系统125的部件(例如，起泡器、供应线)可以适当地适于将MX3前驱物传输至喷头组件104。
虽然前述的内容关注于本发明的实施例，但是可以设计本发明的其它和进一步的实施例而不偏离它的基本范围，并且其范围由随后的权利要求书确定。

Claims (15)

1、一种在一个或多个衬底上形成III-V族膜的方法，包括：
通过在固态或液态III族含金属源上方流经惰性气体来形成一个或多个金属前驱物气体；
经所述一个或多个衬底上方的第一组通路，引入一个或多个含金属前驱物气体；以及
经所述一个或多个衬底上方的第二组通路，引入含氮前驱物气体，其中所述第一组通路分散于所述第二组通路中。
2、根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述III族含金属源是包含至少一种固态或液态III族三氯化物的安瓿。
3、根据权利要求2所述的方法，其特征在于，还包括：
监视包含至少一种III族三氯化物的安瓿的温度；以及
基于所述安瓿的监视温度控制安瓿的温度。
4、根据权利要求2所述的方法，其特征在于，
加热包含固态或液态III族三氯化物的安瓿，并使其保持在预定温度，以形成气态III族三氯化物，其中所述预定温度在50摄氏度至250摄氏度之间的范围内。
5、根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述III族含金属源包括：
从由镓、铝和铟组成的组群中所选的至少一种金属；以及
从由氯、碘和溴组成的组群中的至少一种VII族元素。
6、一种用于氢化物气相外延腔的气体传输装置，包括：
包含至少一种固态或液态III族三氯化物的安瓶，生成含金属前驱物气体；
第一组通路，提供含金属前驱物气流；以及
第二组通路，提供含氮前驱物气流。
7、根据权利要求6所述的气体传输装置，其特征在于，
加热包含至少一种固态或液态III族三氯化物的安瓿，并使其保持在预定温度，以生成III族三氯化物气体，其中所述预定温度在50摄氏度至250摄氏度之间的范围内。
8、根据权利要求7所述的气体传输装置，其特征在于，所述第一和第二组通路中的每一个包括：
中空主管道，位于至少一个衬底的表面上方；
一个或多个中空分支管道，液态连接到所述主管道并设置于所述至少一个衬底的表面上方并基本平行于所述至少一个衬底的表面；以及
多个气体端口，形成在所述分支管道中，从而所述分支管道中的气体向所述至少一个衬底方向离开所述分支管道；
其中，所述第二气体入口的分支管道分散于所述第一气体入口的分支管道。
9、根据权利要求8所述的装置，其特征在于，所述中空主管道和中空分支管道由不同材料构成。
10、根据权利要求8所述的装置，其特征在于，
每个所述主管道沿由主管道形成的弧形设置；以及
每个所述分支管道穿过所述腔延伸，从所述主管伸出道。
11、根据权利要求8所述的装置，其特征在于，
加热表面可以暴露于混合的前驱物气体的所述装置的所有部分，并使其保持在预定温度，所述预定温度在50摄氏度至550摄氏度之间的范围内。
12、根据权利要求6所述的装置，其特征在于，还包括：
温度控制部件，将暴露于一个或多个前驱物气体的一个或多个区域保持在一个或多个预定温度。
13、根据权利要求12所述的装置，其特征在于，
所述温度控制部件允许独立控制所述区域的至少两个。
14、根据权利要求12所述的装置，其特征在于，
所述一个或多个区域包括所述安瓶。
15、根据权利要求14所述的装置，其特征在于，
所述一个或多个区域还包括所述衬底处或附近的区域。
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