CN101535523B - 用于竖流型转盘式反应器的密度匹配的烷基挤出流 - Google Patents

Abstract

在一个用于在基片上生长外延层的转盘式反应器或其它CVD反应器系统中，在离圆盘旋转轴(14)不同径向距离的气体进口(8a-8d)处流向基片(3a，3b，3c)的气体在各个进口具有基本相同的气体流量/速度和基本相同的气体密度。流向远离轴的圆盘部分的气体比流向靠近轴的圆盘部分的气体包含更高浓度的反应气，使得离轴不同距离的基片表面部分在每单位面积上所接收的反应气的量基本相同，利用在离旋转轴不同径向距离处具有不同相对分子量的载气的组合，可使反应器各区域内的气体密度基本相等。在应用该系统时，可以在多个气体进口处组合载气，可以在多个进口处组合载气和反应气，可以使用任意多种气体，前提是至少使用两种不同分子量的气体。在反应器内达到了所需的线性流动式样，避免了层流再循环区域，同时能够在基片上均匀地沉积和生长外延膜。

Description

用于竖流型转盘式反应器的密度匹配的烷基挤出流

相关申请的交叉引用

本申请是2006年2月17日提交的美国专利申请第10/568,794号的部分继续，美国专利申请第10/568,794号的内容通过引用结合于此，该申请是2003年8月20日提交的、在美国和国际公开的国际申请PCT/US2003/026112依据35U.S.C.§371进入国家阶段的文件，国际申请PCT/US2003/026112的内容通过引用结合于此。

发明技术领域

本发明涉及金属有机化学气相沉积反应器。更具体地，本发明涉及转盘式反应器，在该反应器中一种或多种气体被注射到旋转基片的表面上，从而在该表面上生长外延层。

发明背景

在垂直高速转盘式反应器中，一种或多种气体向下注射到在反应器内旋转的基片表面上，此种反应器通常用于金属有机化学气相沉积(MOCVD)。特别是已经发现，可将垂直圆盘式CVD反应器用于许多种外延化合物，这些外延化合物包括半导体单膜和多层结构的各种组合，所述多层结构如激光器和LED。在这些反应器中，位于基片支架上方的一个或多个注射器提供预先确定的气流，该气流一旦与基片接触，便会在基片表面上沉积外延材料层。

对于较大的晶片，转盘式反应器使用几个位于基片上方的注射器。注射器通常位于晶片上方，在沿相对于基片支架中轴的一个或多个晶片径向轴的各种位置上。通常对于不同的注射器，将源反应物材料注射入反应器的速率各自不同，使到达基片表面的反应物的摩尔量相同。因此，一些反应物注射器的气体速度可与其它注射器不同。确切地说，这种反应物流量/速度的变化是由注射器的相对位置造成的。由于固定着基片的反应器支架以预定的转速旋转，所以在任意特定的时间内，位于支架外部边缘附近的注射器所覆盖的支架上的表面区域要大于靠近支架中心的注射器所覆盖的区域。因此，外侧注射器的反应物气体流量/速度通常大于内侧注射器，从而保持所需的均匀性。例如，在相邻注射器之间，各注射器的气体速度可能最多相差3-4倍。

尽管气体流量/速度的不同能够帮助确保层厚度更加均匀，但是也可能由于注射器流量的不同在其之间造成湍流。同时，造成层厚不均匀、反应物弥散或反应物先期缩合之类负面影响的危险性也随之增加。

在其受让人与本申请受让人相同的、题为“用于竖流型转盘式反应器的烷基挤出流(ALKYL PUSH FLOW FOR VERTICAL FLOW ROTATINGDISK REACTORS)的PCT申请WO/2005/019496A1和美国专利申请10/568,794(通过引用结合于此)中，所讨论的问题的一种解决方案是使反应器所有区域中的总气流的流量/速率达到匹配，同时通过将各个区域中的反应物气流和载气流合并以匹配各个区域中的总气流流量，而向各个区域提供基本相同的反应物气体。该技术提高了气流所导向的基片上反应物沉积的均匀性，但是在反应物沉积均匀性方面还有上升空间。

发明内容

已经发现，总气体密度均匀性增加可以明显提高沉积的均匀性，减少CVD反应室内流体气流的湍流和涡流。

本发明的一个方面提供一种化学气相沉积反应器，在该反应器的化学气相沉积反应室内，总气体流量/速度和总气体密度基本上匹配，因此提高了均匀性，并且减少了非层流气流再循环的涡流和湍流。在一方面，该系统包括腔室和安装在该腔室内的可移动、最优选绕轴转动的基片支架。所述基片支架适用于固定一个或多个基片，最优选使要进行处理的基片表面基本与轴垂直地放置。根据本发明该方面的反应器宜包括气流发生器，用来在腔室内以基本均匀的流量朝向基片支架输送一股或多股气流。优选对该反应器进行设计，使得其中装有基片支架的腔室保持在基本预定的已知温度和压力下。

最优选对气流发生器进行设置，使所述各气流包括至少一种、优选多种相对分子量不同的载气，并且优选包括至少一种反应气。当基片支架绕轴转动时，气流发生器宜提供所述一股或优选多股气流，所述气流在离轴不同的径向距离处具有不同浓度的反应气和不同相对浓度的载气。导向基片支架近轴部分的气体宜包含较高浓度的一组载气和较低浓度的反应气，而在导向基片支架一部分的气体宜包含高浓度的反应气和低浓度的载气。

此外，通过以下方式匹配每股气流的总气体密度：根据事先选择的反应气浓度和反应气分子量，调节该气流中分子量不同的各载气的相对浓度，使得各气流中总气流的总分子量基本相等。宜通过可调节质量流调整器之类的设备调节多种分子量不同的载气的相对浓度。

气流发生器可包括在离轴不同的距离上与腔室相连的多个气体进口，还包括一个或多个与所述进口相连的反应气源和一个或多个与至少一个进口相连的载气源，以及一个或多个与各反应气源和各载气源相连的用于控制密度的质量流调整器。

本发明另一方面包括基片的处理方法，包括使基片支架在腔室内绕轴旋转，同时将要进行处理的一个或多个基片固定在该支架上，使基片表面与所述轴基本垂直地放置。该方法还包括向腔室内导入反应气和多种载气，使所述气体在所述腔室内以一股或多股气流的形式在离所述轴不同轴向距离处，以基本均匀的流量流向所述表面。该方法还包括在各气流位置调节已知分子量的多种载气中各载气的相对浓度，使得(假设反应气的分子量已知，在各气流位置的浓度已知)在各气流位置的总气体密度(每单位体积的总气体分子量)基本相等。此步骤优选在腔室内、在已知温度和压力下进行，使所述气体在所述腔室内以一股或多股气流的形式在离所述轴不同轴向距离处，以基本均匀的反应气密度流向所述表面。

对一股或多股气流进行设置，使得基片表面离轴不同径向距离处的不同部分在每单位时间每单位面积所接收反应气的量基本相同。最优选导入载气和反应气的步骤包括将至少一些反应气与载气混合，使得流向基片表面径向靠外部分的气体中反应气的浓度高于流向靠近轴的表面径向靠内部分的气体中的反应气浓度，然后调节各载气的质量流，使所得各气流的反应气密度相等。

根据本发明上述方面，优选的反应器和方法能够在基片支架的处理面上，例如在转盘式基片支架的表面上提供均匀的反应气分布，同时避免由不同的反应气速度造成的湍流。例如，在烷基/氢化物沉积体系中，密度匹配和流量匹配的组合由于更好地扩散了烷基，因此提供了更佳的沉积均匀性，减少了由于烷基注射器的不同导致的不均匀的生长速率响应。此外，因为不存在局部密度变化的干扰，而且界面层厚度与密度成正比，所以区域之间的界面层厚度更均匀。另外，界面层均匀性的提高也减少了浮力诱导的再循环，因此在工艺参数空间内，对处理方式可以有更宽的选择。

附图简要说明

图1A显示根据本发明的一个实施方式的反应器的示意图。

图1B是图1A的实施方式中所用基片支架的俯视平面图。

图2显示根据本发明另一实施方式的反应器的部分剖视图。

图3是沿图2中沿线3-3的部分视图。

图4是根据本发明另一实施方式的反应器所用板的部分仰视平面图。

图5A显示根据本发明又一实施方式的反应器的部分剖视图。

图5B是沿图5A中沿线5B-5B的截面图。

图6、7和8是与图4类似的视图，但是显示了根据本发明其它实施方式的反应器中所用板的部分。

图9a和9b提供依据本发明一个实施方式的反应器的侧视图，包括图9a中密度匹配之前以及图9b中密度匹配之后的垂直总气流流量的流体流动示意。

图10a和10b提供依据本发明一个实施方式的气体分配头和晶片支架的分解俯视图，包括图10a中密度匹配之前以及图10b中密度匹配之后，通过水平气体流量/速度得到的反应气密度的流体流动示意。

本发明实施方式

图1所示的根据本发明一实施方式的设备包括反应室1和基片支架2。反应室包括顶壁16和排气口11。基片支架2安装在腔室1内，用于绕中轴14旋转，基片支架2与旋转驱动系统12相连，从而可以绕轴14旋转。基片支架2限定了处理面18，该处理面18通常是垂直于轴14、朝着顶壁16的平面圆盘。图1仅显示了处理面18的一部分。反应室1装有用于促进所需外延生长反应的其它常规元件(未显示)，例如用于将基片支架保持在较高温度的加热系统，温度监测装置和压力监测装置，例如用于加热基片支架的感受器(sucspetor)。具有这些特征的设备可以是新泽西州伍德伯里市的维高仪器股份有限公司(Veeco Instruments Inc.of Woodbury，NY)的商标为TURBODISC

(以前由美国新泽西州萨默塞特市的埃姆科有限公司(EmcoreCorporation of Somerset，New Jersey)出售)的反应器中所用的类型。但本文中描述的系统和方法可以采用多种类型的反应器，包括带有感受器和无感受器的反应器，具有其它几何特征如倒转(颠倒)的反应器或具有侧部气体进口的CVD反应器，以及不仅用于半导体晶片之类的半导体基片还用于其它材料的CVD沉积的反应器。

该反应器具有多个通过顶壁16与腔室内部相连的气流进口8a-8d。在图1的实施方式中，各进口是单独的口，这些口的方向与中轴14平行，向下朝向支架的处理面18，各进口的口径相同。气流进口8a-8d沿从中轴14径向延伸的同一平面排列。该同一平面是由轴14和径向线17所限定、沿垂直于轴14的方向延伸的平面。气流进口8a-8d例如在径向上以均匀的隔距h互相隔开。每个进口8对准处理面18不同的环形区域。因此，最外面的即第一进口8a对准距离轴14最远的最外区域10a；进口8b对准下一区域10b；进口8c对准区域10c，进口8d对准距离轴14最近的最内部区域10d。尽管为了清楚说明起见，在图1中用虚线表示这些区的边缘，但是这些区域通常不会以基片支架的可视特征形式画出来。

反应器包括多个反应气源6a-6d，每个气源都适于以预定的质量流量提供反应气。能够以预定流量提供反应气的装置均可使用，优选的是可调节质量流调整器，以根据反应室内已知的温度和压力调节气体质量流量。但是，在本发明系统中也可以使用其它压力控制系统，例如固定节流孔、手动压力控制器或计算机控制的流动系统。在所示配置中，各反应气源6a-6c是限流装置，反应气源6a-6c与反应气的共同供应源4，例如在一定压力下储存这类气体的储罐连接。如下面图5所示，当在沉积中使用不止一种反应气时，可以有利地使用一个以上反应气供应源。在此实施方式中，储存第二反应气的第二反应气供应源21与同样是限流装置的反应气源6d连接。各气源6a-6d中所结合的限流装置可包括任何常规的流量控制结构，例如固定节流孔、可手动调节的阀或与反馈控制系统(未显示)相连的自动控制阀或计量泵。当反应气是从液相蒸发制得的时候，每个反应气源可包括独立的蒸发器以控制蒸发速率，或者各气源可包括上述限流装置，所有这些均与同一蒸发器相连。

所述反应气可以是需要注入反应器、从而在反应器内参与基片沉积的任何气体、蒸气或材料。更具体来说，反应气可以是适于处理基片表面的任何气体。例如，当所需的处理是外延生长之类的半导体层生长时，反应气包含将要生长的半导体的一种或多种组分。例如，反应气可包含用于化合物半导体沉积的一种或多种金属烷基化合物(metal alkyls)。反应气可以是多种化学物质的混合物，可包含惰性的非活性组分。当所需反应包括基片表面蚀刻时，反应气可包含能够与基片表面材料反应的组分。

能应用本发明的材料体系的种类可包括例如GaAs、GaP、GaAs_1-xP_x、Ga_1-yAl_yAs、Ga_1-yIn_yAs、AlAs、InAs、InP、InGaP、InSb、GaN、InGaN、Al_xGa_1-xN、In_0.5(Ga_1-xAl_x)_0.5P、In_xGa_1-xAs_yP_1-y等之类的III-V族半导体的外延生长。然而，本发明还可用于其它体系。这些体系包括II-VI族化合物，例如ZnSe、CdTe、HgCdTe、CdZnTe、CdSeTe等；IV-IV族化合物，例如SiC、金刚石和SiGe；氧化物，例如YBCO、BaTiO、MgO₂、ZrO、SiO₂、ZnO和ZnSiO；以及金属，例如Al、Cu和W。另外，制得的材料可用于许多种电子用途和光电用途，包括高亮度发光二极管(LED)、激光器、太阳能电池、光电阴极、HEMT和MESFET。

在一个结合了下述气体流量/速度匹配和反应气密度匹配的示例性实施方式中，TMG(三甲基镓)和NH₃(氨)用作反应气，并且通过使用氮气(N₂)和氢气(H₂)的各种组合作为载气，使反应气在晶片支架处对均匀的总气体流量、均匀的总气体密度和均匀的反应物沉积速率都达到匹配。

还提供了第一载气源7a-7d。第一载气源7a-7d可与反应气源的结构类似(包括可调节质量流调整器)，可与共用载气供应源5相连。另外，优选提供第二载气源20a-20d，第二载气源20a-20d可与反应气源的结构类似(包括可调节质量流调整器)，可与第二载气供应源19相连。较佳地，载气5和20中的每一种都具有不同分子量。较佳地，也可以通过使用其它气源和气体供应源添加其它载气。每个气流进口8a-8d分别与一个反应气源6a-6d以及载气源7a-7d和20a-20d相连。例如，进口8a与反应气源6a、载气源7a和载气源20a相连，进口8d与反应气源6d、载气源7d和载气源20d相连。

载气可以是在具有将要施加到基片上的反应气的腔室内不会参与沉积反应的任何所需载气，例如反应中的惰性气体或非参与性气体，或者载气本身可以是例如反应气，作为反应中的非速率限制性参与试剂(participant)，因而该反应气可以任何所需的量供给，只要该反应气的量在所需温度、压力和反应条件下超过反应器中的速率限制量(rate limiting quantity)。

在根据本发明一实施方式的方法中，将平面薄圆盘形的基片3放置在基片支架2的处理面18上，使基片3覆盖处理面18，基片3要处理的面向上，朝向顶壁16。优选基片3的暴露面与处理面的周围部分共面或几乎共面。例如，放置于处理面18上的呈较薄晶片形式的基片3具有暴露的向上表面，该表面仅比处理面18的周围部分高出晶片3的厚度。基片支架2的处理面18可包括深度约等于晶片厚度的孔穴或凹陷(未显示)。

当基片支架2和基片3处于反应所需的温度，而且腔室1内处于进行特定反应所需的的压力下，开启反应气源6a-6d、载气源7a-d和载气源20a-d，向进口8a-8d供气。向各气体进口8a-8c供应的反应气4和载气5和19以及向气体进口8d供应的载气5和19分别混合，形成混合气流9a-9d，从各进口8a-8d流出。从进口流出的气流9a-9d沿平行于轴14的轴向向下流入腔室中，冲击在处理面和基片3的暴露表面上。来自不同进口8a-8d的气流9a-9d冲击处理面18的不同区域10a-10d。例如，来自进口8a的气流9a主要冲击在最内部的区域10a上，气流9b、9c和9d分别主要冲击在区域10b、10c和10d上。因此，尽管气流9a-9d互相融合形成流向基片支架的基本连续的径向伸展气流或气流帘，但是来自各进口8a-8d的独立气流9a-9d通向处理面18的不同区域10a-10d。换而言之，冲击在处理面18最内部区域10d上的气体主要由来自进口8d的气流9d中的气体组成，冲击在区域10b上的气体主要由来自进口8b的气流9b中的气体组成，等等。当基片支架2以预定的转速α旋转时，支架2在轴14周围不同圆周位置处的不同部分与气流9a-9d对齐，使得在所有圆周位置上处理面18暴露于气流9a-9d的情况全部相同。

为了使暴露的基片3表面的不同区域具有相等的反应速率，对于处理面18的所有区域10a-10d，在每单位面积的处理面上，每单位时间内应该分别有基本相等量的反应气4和反应气21进行反应。然而，不同气体出口所提供的区域10a-10d具有不相等的面积。例如，与处理面边缘相邻的区域10a的表面积大于与轴相邻的区域10d。因此，对反应气源6a-6d提供的反应气流量进行选择，使来自不同进口8a-8d的气流9a-9d具有不同的反应气流量。除非另外说明，本讨论中所涉及的流量是摩尔流量。摩尔流量表示每单位时间内气体的分子数(或单原子气体的原子数)。对反应气源6a进行设置，以较大的流量向进口8a流出的气流9a提供反应气4，同时对反应气源6c进行设置，以较小的流量向进口8c流出的气流9c提供反应气4。反应气源6b以中等流量提供反应气4。换而言之，反应气流量随着反应器1的基片支架2的旋转中轴14和用来提供反应气的气体进口8a-8d之间的距离的增大而增大。在图1A的例子中，通过中心气源6d以经过选择的流量提供其它反应气21，以确保该反应气在处理面上基本均匀地与反应气4混合。将载气源7a-7d设计成以不同的流量向不同的进口8a-8d提供载气5。对载气流量进行选择，使各气流9a-9d的速度基本相等。对于具有相同结构的进口——给出具有相等横截面积的气流，从各进口8a-8d流出的气流9a-9d的体积流量应当基本相等。

进行一级近似，假设这些气体接近理想气体，则各气流中气体的体积流量与气流中的总摩尔流量(即反应气摩尔流量和载气摩尔流量之和)成比例。因此，为了使所提供的气流具有基本相同的总摩尔流量，从而具有相同的速度，载气源7c和19c向进口8c提供的载气摩尔流量必须大于载气源7a和19a向进口8a提供的载气摩尔流量。提供给进口8c并结合到气流9c中的较大的载气流量补偿了来自反应气源6c的较小的反应气流量(相对于反应气源6a向进口8a提供的反应气流量)。

换而言之，各气流具有相同的总体积流量，但是其中反应气的浓度不同。冲击到最大的区域10a上的气流9a具有最高的反应气流量和最低的载气流量，冲击在最小的区域10d上的气流9d具有最低的反应气浓度，因此具有最高的载气流量。

图1中用条框13a-13d表示了这种设置。条框13c的总长度C表示从进口8c流出的气流9c的总摩尔流量或体积流量。该条框中深色部分的长度表示气流中反应气的摩尔流量vc，条框中的白色部分表示同一气流9c中载气的摩尔流量ic。类似地，条框13a和13b分别表示气流9a和9b的组成和流量。所有条框13的总长度C是相等的，但是条框13a、13b和13c表明气流9c、9b和9a中逐渐增大的反应气摩尔流量v_c、v_b和v_a，以及逐渐降低的载气摩尔流量i_c、i_b、i_a。通过提供反应气浓度不同但是总气体流量/速度相同的各种气流9a-9c，该体系避免了稳定的层流再循环区域和其它由气流速度不同造成的流动不规则，例如在一些情况下出现湍流，而且向处理面各区域的每单位面积上所提供反应气的摩尔流量基本相等。条框13d表示载气流量id和反应气21的摩尔流量vd，在此实施方式中，与其它三个总气体流量13a-c的情况相同，id和vd经过有利地选择，以使总气体流量(vd+id)基本上等于总数值C。

因此，在处理面18所有部分上的晶片3的暴露表面，在每单位时间内每单位面积上接受到的反应气的量基本相同。因此，在所有暴露的晶片表面3上，反应以基本均匀的速率进行。例如，当反应涉及外延生长之类的层沉积时，沉积的层以基本均匀的速率在各暴露表面上生长。

重要的是，除了如上所述匹配总气体流量外，已经发现，匹配总气体密度可以明显降低气体流动非线性，减少残余的沉积副产物，例如减少气相加合物的形成、气相颗粒的形成和侧壁沉积物。用于匹配气体密度的一种方法是如图1A所示在各气体进口使用两种不同重量的载气。根据反应气4和/或21的密度，在各进口以不同比例混合两种不同摩尔重量的载气，可以很容易地匹配各气体进口9a-9d处的总气体密度。

传统体系通常只采用一种载气以推动反应物通过各气体进口。对于GaN沉积方法，用N₂作为载气来推动烷基反应物，如TMG。因此，当在第一反应物即TMG之类的烷基反应物和另一种释放到更接近中心轴的区域的反应物如氨之间匹配流量时，在所有气体进口处匹配流量所需的N2的量可能导致烷基反应物比氢化物反应物具有更高的气体密度。可以使用分子量不同的两种不同载气同时匹配气体流量和气体密度，以此校正这种差异。

简而言之，在该用于GaN沉积的烷基-氢化物沉积方法中，可以通过以下方法同时匹配气体流量和气体密度：首先，如上所述，设置氢化物混合物，以在腔室内获得良好的层流(以及在生长表面的良好的材料性质)。对于各进口，计算气体的流量/速度(氢化物区域每单位面积的流量)和密度(氢化物区域每单位面积的克/摩尔)。然后，如同氢化物那样，可以通过计算烷基区域所需的总流量，如上所述在各烷基气体进口进行烷基反应物与载气的流量匹配。然后，通过向已存在的载气N₂中加入分子量不同的第二载气(在此情况中是H₂)，并且在各烷基反应物进口调节N₂与H₂的相对比例，而有利且独立地为各烷基反应物进口完成密度匹配。通常，烷基反应物如TMG提供极小的金属有机物流，因此不会明显地影响密度计算，但是在某些设置中，烷基可能是影响总气体密度的重要部分，因此必须加以考虑。

例如，已经发现，在低于大气压的约200托的Veeco Turbodisc E300GaNZilla反应器中，以标准升/分钟(slm)表示，在外侧的烷基进口，设定各气体流量大致为H₂＝100slm，N₂＝17slm，TMGa＝7.7e-4摩尔/分钟＝0.1克/分钟(根据摩尔重量144克/摩尔)，在氢化物进口，NH₃＝30slm。类似地，对于Veeco Enterprise 450LDM，在50托生长时，已经发现在外侧进口H₂＝108slm，反应物TMGa＝2.8e-3摩尔/分钟＝0.4克/分钟，此时内侧进口处反应物AsH₃最大为2slm。两种或多种载气的合适比例的确定通常取决于特定沉积设置的各种性质，包括沉积室压力、反应室的几何构造等等。但是，对于一级近似，可以根据各载气的分子量、反应物的情况和理想气体定律确定各载气的合适含量。

文中使用的第一反应气用R1表示，第二反应气用R2表示，第一载气用C1表示，第二载气用C2表示。各气体的分子量分别表示为mw(R1)、mw(R2)、mw(C1)和mw(C2)。在具有四个气流出口8a、8b、8c和8d的体系中，各气流出口8a、8b、8c和8d分别具有一个出口面积(出口与出口之间的面积可能不同)，即面积a、面积b、面积c和面积d。各气流还具有总气体流量Va、Vb、Vc和Vd，各个总气体流量等于各气体流量(对于各气流a-d为流量6a-d，7a-d和20a-d)的总和除以各相应的气体出口的面积。四个气流位置中的每个位置还分别具有总气体密度da、db、dc和dd，它们分别等于在位置8a、8b、8c和8d提供的各反应物和载气各自的密度乘以反应物和载气各自的分子量之后的总和。因此，例如，假设气体大致为理想气体，基于图1的体系构造：

V_a(厘米/分钟)＝(流量_6a(厘米³/分钟)+流量_7a(厘米³/分钟)+流量_20a(厘米³/分钟))/面积_a(厘米)(式1)

V_b＝(流量_6b+流量_7b+流量_20b)/面积_b(式2)

V_c＝(流量_6c+流量_7c+流量_20c)/面积_c(式3)

V_d＝(流量_6d+流量_7d+流量_20d)/面积_d(式4)

V＝V_a＝V_b＝V_c＝V_d＝各氢化物部分的速度(流量)(式5)

(通过氢化物部分的各截面的氢化物气体的总流量)

各气体的相对浓度(摩尔浓度)采用简化的术语表示，其中R1、R2、C1和C2分别表示来自气源6a-d、7a-d、20a-d和其它气源的两种反应气和两种载气，它们可以根据速度近似为：

$X\left(R1\right)=\frac{V\left(R1\right)}{V\left(R1\right)+V\left(C1\right)+V\left(C2\right)}=\frac{V\left(R1\right)}{V}$ (式6)

类似地，在各气流位置的总气体密度为：

d_a＝X_a(R₁)mw(R₁)+X_a(C₁)mw(C₁)+X_a(C₂)mw(C₂)(式7)

d_b＝X_b(R₁)mw(R₁)+X_b(C₁)mw(C₁)+X_b(C₂)mw(C₂)(式8)

d_c＝X_c(R₁)mw(R₁)+X_c(C₁)mw(C₁)+X_c(C₂)mw(C₂)(式9)

d_d＝X_d(R₂)mw(R₂)+X_d(C₁)mw(C₁)+X_d(C₂)mw(C₂)(式10)

其中：

d＝d_a＝d_b＝d_c＝d_d＝氢化部分的各截面的总气体密度(式11)

预定反应气流量为Va，以使气流a下方的处理区域内每单位面积的沉积情况基本相同，总气体流量v与分子量mw(R1)、mw(C1)和mw(C2)一样保持恒定。因此，根据上述方程式1、5、6和7，人们发现利用基本代数操作可以得到：

V_a(C₁)＝V-V_a(R₁)-V_a(C₂)(式11)

dv＝V_a(R₁)mw_a(R₁)+V_a(C₁)mw_a(C₁)+V_a(C₂)mw_a(C₂)(式12)

$V_a\left(C_2\right)=\frac{V_a\left(R_1\right)\mathrm{mw}\left(R_1\right)+\mathrm{vmw}\left(C_1\right)-V_a\left(R_1\right)\mathrm{mw}\left(C_1\right)}{\mathrm{mw}\left(C_1\right)+\mathrm{mw}\left(c_2\right)}$ (式13)

其中，可以再利用上述式11计算V_a(C1)。按照此方式，对于各气流的载气，可以确定合适的气体流量，以确保相等的总气体流量/速度和相等的总气体密度。

此外，该体系可进行改变，在需要时每单位表面积上每单位时间内输送不等量的反应气。例如，在以下两种情况下需要这种体系：(a)随着反应物沉积在基片上，发生气相消耗，相对浓度降低；或(b)当转盘上的表面物质再蒸发回到气相中时，可能导致再沉积在基片上。例如，反应器内的气流模式可包括一些在处理面上或处理面附近沿径向向外方向、离开轴14的气流。这种气流可能将一些未反应的反应气从最内侧区域10d输送到最外侧区域10a。为了补偿这种影响，可对气源进行调节，向最内侧的区域输送略多的反应气，使最内侧气流9d中的反应气浓度增至高于达到每单位时间内恰好具有相等反应气流所需的浓度。在此情况下，反应气流和反应气浓度将不会完全与离轴14的径向距离成比例。然而，该体系仍使用具有不同浓度但是具有相同流量的多股气流提供向下的或轴向的流动气帘，该气帘在不同的径向位置具有基本均匀的流量，但是反应气浓度不同。例如，当中心气体进口释放氢化物反应物而外侧进口释放烷基等时，也需要不等量的反应物。

而且，可以将该体系调节为提供不包含反应气的密度匹配且流量/速度匹配的载气。在一些情况中，引入密度匹配且流量/速度匹配的载气，以产生包围独立受控的烷基和氢化物口的载气“罩(shroud)”。类似地，如果单个反应物口被注入高分子量反应气，则该口被上述密度匹配且流量/速度匹配的口包围，所述密度匹配且流量/速度匹配的口受控制但独立于单个反应物口，或者与单个反应物口匹配。较佳地，文中所述的体系可用于不止四种气体的情况中，也就是不止两种载气和/或不止两种反应气的情况。例如，在一些体系中，向反应室内提供八种或九种气体，通过选择载气，可以按照文中所述的方法使所有气体和气体进口达到密度匹配和流量/速度匹配。

在另一变化形式中，来自最外侧进口8a的气流中的反应气浓度将为100％，因此冲击在最外区域上的向下流动的气体完全由反应气组成，不含载气。在此情况下，可省去与进口8a相连的载气源7a。同样，上述原理可用于导向更多或更少区域的更多或更少的气体进口。

在根据本发明另一实施方式的设备中，见图2和图3，气流进口并非像图1所示那样位于旋转轴一侧的径向平面上。相反，在图2和图3的实施方式中，最外侧的气体进口108a位于基片支架102旋转轴114的一侧，离轴有很远的径向距离，下一个气体进口108b位于轴114的相对侧，但是与轴的径向距离较短。进口108c和108d离轴114的径向距离较短，它们也位于轴相对两侧的同一直径219上(图3)。此处，不同的气流109a-109d同样冲击在处理面118具有不同面积的不同区域上。以上述相同的方式对分别从载气源107a-107d和119a-119d流出的载气以及从反应气源106a-106d流出的一种或多种反应气的气体流量进行选择，从而提供具有不同反应气浓度和流量、但总气体速度类似且气体密度基本类似的气流109a-109d。在另一变化形式中，气体进口可以是两个成套设备，中轴两侧各一套，每套设备包括用于将气体导向处理面所有区域上的所有气体进口。可以提供两套以上的气体进口，例如位于两条直径上的四套进口。在另一变化形式中(图4)，不同的气体进口36a-36g可沿不同的半径17a-17g分布在离中轴114不同径向距离的位置上。

在上述设备中，每股气流都是通过在将混合气体通入反应室之前，混合载气和反应气而形成的。然而，这并非关键。在图5A和5B所示的设备中，最内侧的气体进口208d包括两个通过反应器顶壁216的独立开口：反应气口230d和载气口232d。反应气口230d与反应气源206d相连，而载气口232d与载气源207d和第二载气源219a相连，如上所述，优选第一和第二载气具有不同的分子量。口230d和232d的位置相邻，从而在气体进入反应室201内部后，通过口232d导入的载气立即与通过口230d导入的反应气相混合，形成朝向下方通到处理面218相关区域的混合气流。每个其它进口208a-208c均由类似的一对口组成，以相同的方式操作。

图5A和5B所示设备还包括位于反应室210内顶壁216和处理面之间的多孔板215。根据美国专利第6,197,121号(其内容参考结合入本文)较为详细的讨论，这种多孔板可包括例如由一组冷却剂导管支承的金属网筛。该多孔板具有朝向顶壁216的上游侧或进口侧，还具有朝向基片支架202(朝向图5A中图示的底部)的下游侧。多孔板215与顶壁隔开。一组隔离壁250在进口208a-208d附近的顶壁216和多孔壁215之间延伸。隔离壁250将多孔板的上游空间细分为空间254a-254d。每个气体进口208a-208d通向一个这样的空间。另外的壁256将空间254a-254d与位于多孔板上游的其它空间258(图5B)分隔。

在操作中，通过各进口提供的载气和反应气在与该进口相连的空间254内混合，通过与该空间对齐的多孔板区域。例如，由进口208d提供的混合气体(该混合气体包括来自口230d的反应气和来自口232d的载气)向下通过多孔板215区域，以气流209d的形式从注射板的下游侧到达处理面，该气流主要冲击在处理面218最内侧区域210d上。来自进口208c、208b和208d的气体分别以相同的方式在空间254c、254b和254a内混合形成气流209c、209b和209a，这些气流冲击处理面的其它区域。尽管图5A为了清楚说明起见，分别描绘了独立的流，但是在实际中，在从多孔板215到处理面的途中，气流会放射状地散开并互相融合。此处，同样要对各气源提供的载气和反应气的流量进行选择，使各气流209的总流量基本相等，从而各气流的速量基本相等，并且使两股载气219和207的比例发生变化，以使各气流209中的气体密度相同，但是各气流中反应气的浓度不相等。在此结构中，也可在绕中轴214的圆周隔开的其它位置上安装其它的载气和反应气进口208′组。每组这种进口的排列方式与进口208a-208d相同。也可通过与其它空间258相连的其它进口(未显示)导入生长过程中所用的其它气体。这些其它气体可以与载气和反应气同时导入，也可在其它时间，在处理过程的其它阶段导入。

类似的多孔板可与上面结合图1A和2所讨论的进口一起使用。

在根据另一实施方式的设备中(图6)，用构成进口的口来控制各气流中的气体量。在此实施方式中，最外侧的气体进口308a包括反应气口330a和载气口332a，各个其它的气体进口308b、308c和308d包括类似成对的口。此处，构成各气体进口的口同样彼此相邻。这些口沿同一径向线317排列。所有的反应气口330a、330b、330c和330d与共用导管306相连，该导管与一反应气供应源相连，从而以基本相同的压力向所有的反应气口供应反应气。类似地，所有的载气口332a、332b、332c和332d与共用导管307相连，该导管与一载气供应源相连，从而以基本相同的压力向所有的载气口供应载气。这些口的尺寸不同，因此它们的流阻也不同。最外侧气体进口308a的反应气口330a较大，具有较低的流阻，而最外侧气体进口的载气口332a较小，因此具有较高的流阻。因此，从这些口中、进而从气体进口308a中流出的气流将结合大比例的反应气和小比例的载气。相反地，最内侧气体进口308d的反应气口330d较小，具有高流阻，而该进口的载气口332d较大，具有高流阻。从进口308d流出的气流将具有较大比例的载气。从图6可以看出，反应气口330的尺寸沿离开轴314的径向向外方向(即从处理面最小区域到最大区域的方向)逐渐增大，因而反应气口的流阻沿此方向逐渐减小。相反地，载气口的流阻在此方向上逐渐增大。因此，该设备将提供总流量(载气+反应气)基本相等、但反应气浓度不等的气流，该气流冲击在处理面的不同区域上。可如上所述沿多条径向线提供多组口，从而绕腔室的圆周提供多股这种气流。

在另一变化形式中(图7)，独立的口和进口被延伸通过顶板416的载气通道432和反应气通道430代替。在图7中可看到这些通道的下游端(这些通道在反应室内的开口端)。这些通道并排排列。载气通道432与载气导管407相连，反应气通道430与反应气导管406相连。导管407和406分别与载气和反应气供应源相连。载气通道432的宽度w432沿离开轴414的径向向外方向逐渐减小。因此，载气通道对载气沿通道下游方向(图7中垂直于纸面向外的方向)流动的流阻沿径向向外的方向逐渐增大。反应气通道的宽度w430沿径向向外的方向逐渐增大，因此反应气通道对反应气下游流动的流阻沿径向向外的方向逐渐减小。在操作中，较大量的反应气通过反应气通道430径向靠外的部分，而较少量的载气通过载气通道432径向靠外的部分。相反地，少量的反应气和大量的载气通过通道径向靠内的部分。载气和反应气混合形成向下(图7中垂直于纸面向外的方向)流动的气流，该气流在每单位截面面积(各气体进口)或每单位径向距离上具有基本恒定的总流量，在所有径向位置上具有基本恒定的流量/速度，但是其中反应气浓度沿径向向外方向逐渐增大。

如图8所示，根据本发明另一实施方式的反应器具有与图7所示通道类似的反应气通道530和载气通道532。然而，在图8的反应器中，这些通道在其径向范围内的宽度恒定。反应气通道530中填有筛网或其它多孔结构531，这些筛网或其它多孔结构531的孔隙率沿离开轴514的径向向外方向逐渐增大。因此，通道530对反应气向下游流动的流阻沿径向向外方向逐渐减小。载气通道532中填有多孔结构533，该多孔结构533的孔隙率沿径向向外的方向逐渐减小，从而其流阻沿此方向逐渐增大。其净效果与结合图7所讨论的效果相同。可以对通道的其它特征进行改变，使通道沿径向范围的流阻有类似的变化。例如，通道可在不同的径向位置具有挡板或局部障碍。在另一变化形式中，各通道在下游方向以及内边缘和外边缘的长度可以不同。例如，当通道延伸通过板时，板厚度可在径向方向改变，从而改变通道的长度，改变通道在径向上的流阻。

图9a和9b提供了依据本发明一个实施方式的反应器的侧视图，包括用气体进口每单位截面积上垂直气体流量表示的反应气密度的示意图，其中图9a表示密度匹配之前的情形，图9b表示密度匹配之后的情形。反应室900内包括一组注射口910和总气体流动920的模型示意，其中线性流动区域如流动图案940所示，表示不希望出现的稳定层流再循环区域的非线性气体流动涡流如总气体流动模型920的开放区域930所示。如图9a所示，当气流在单位面积上的流量(即线性速度)匹配但密度不匹配时，非线性气流涡流930是明显的，但是当密度匹配时这些涡流就消失。在图9b中，模拟了流量和密度都匹配的情况，此时没有出现非线性气流涡流。

图10a和10b提供了依据本发明一个实施方式的气体分配头和晶片支架的分解俯视图，包括用气体进口每单位面积上水平气体流量/速度表示的反应气密度的示意图，其中图10a表示密度匹配之前的情形，图10b表示密度匹配之后的情形。或者，可以测量反应器每单位面积上的水平气体流量。例如，一个实施方式可能具有一组密度约为1.55个进口/厘米²的气体进口，如2005年7月29日提交的、其受让人与本申请受让人相同的题为″用于化学气相沉积反应器的多路气体分布注射器(MULTI-GASDISTRIBUTION INJECTOR FOR CHEMICAL VAPOR DEPOSITIONREACTORS)″的美国专利申请11/192,483中所描述的(其内容通过引用结合于此)。引入气体的进口的截面积随使用的进口类型的不同而变化。在一个实施方式中，注射器内烷基和氢化物管的直径分别约为0.047″(0.18毫米)和0.089″(0.35毫米)，或截面积分别为1.7e-3平方英寸和6.2e-3平方英寸。两个注射器之间的间距约为0.35″(1.3毫米)。可使用的其它注射器包括内径约为0.04″(面积＝1.2e-3平方英寸)、约0.11″等间距的注射器，或者是直径为1/4″-3/8″、具有不同尺寸(宽度0.5-0.75″，深度0.125-0.25″，长度0.5-3″)的进料空隙的管状注射器。因此，气体进口和反应室之间的界面处的截面积可能随着实施和应用的不同而变化。这里提到的截面积通常指气流通过的进口的内截面积。

图10a显示，反应室900上具有一组注射口1010，通过该口注入用于沉积的流量匹配(但密度不匹配)的气体。图中提供了沉积表面流动模型1000，其中不希望出现的、导致不均匀沉积的稳定层流再循环区域显示为开放区域1020。在图10b中，当在注射口1030不仅进行流量(引入气体的注射口每单位截面积上的流量)匹配，还进行密度匹配时，密度匹配的沉积表面流动模型1040没有显示涡流、不希望出现的稳定的线性再循环、湍流或开放区域，因此表明通过流量/速度匹配和密度匹配的组合实现了沉积均匀性的提高。尽管本文已结合具体实施方式对本发明进行了描述，但是应当理解这些实施方式仅是用于说明本发明的原理和应用。因此，应当理解，在不背离所附权利要求书所限定的本发明精神和范围的前体下，可以对列举的实施方式进行各种修改，并且可以作出其它安排。

工业应用

本发明可用于电子制造工业以及需要借助材料在电子元件上外延生长而大量制造电子元件的领域。本发明可用于例如在用作电子元件的硅芯片上外延生长材料的垂直型圆盘反应器。

Claims (31)

1.一种处理基片的方法，其包括：

使基片支架绕轴旋转，同时将一个或多个基片固定在所述支架上，使待处理的一个或多个基片表面与气体处理室内的旋转轴基本垂直地放置；

通过多个气体进口将多股气流引入腔室内，导向基片，所述各气流具有已知的气流截面积，所述各气流含有至少一种载气，所述气流中至少两股不同的气流含分子量不同的不同载气，对所述气流中每股气流的载气在每单位截面积上的流量进行选择，使得构成各股气流的气体的总密度与构成其它气流的气体的总密度相同，构成各股气流的气体在每单位截面积上的总流量与构成其它任何气流的气体在每单位截面积上的总流量相同。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述气流中的至少一股气流包含至少两种不同的载气。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述气流中的至少一股气流包含反应气。

4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述引入多股气流的步骤包括通过多个喷嘴引入气流，各喷嘴具有已知的截面积。

5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述引入多股气流的步骤包括通过具有已知狭缝截面积的气体狭缝通道引入气流。

6.一种处理基片的方法，其包括：

使基片支架绕轴旋转，同时将一个或多个基片固定在所述支架上，使待处理的一个或多个基片表面与气体处理室内所述轴基本垂直地放置；

将多股气体通过多个气体输入口引入所述腔室内，所述各气体输入口具有输入截面积；

至少将具有第一载气分子量的第一载气和具有第二分子量的第二气体作为第一气流通过气体输入口中的第一输入口引入所述腔室内，所述第一载气分子量与所述第二分子量不同，所述第一气流具有每单位输入截面积上的第一总气体流量和第一总气体密度；

至少将具有第三分子量和第三气体流量的第三气体作为第二气流通过气体输入口中的第二输入口引入所述腔室内，所述第二气流具有每单位输入截面积上的第二总气体流量和第二总气体密度；

保持所述第一总气体流量和所述第二总气体流量基本相等；以及

保持所述第一总气体密度和所述第二总气体密度基本相等。

7.如权利要求6所述的方法，其特征在于，保持所述第一和第二气体流量以及第一和第二气体密度基本相等的步骤还包括：

通过第一可调节质量流调整器调节所述第一载气流入所述第一气体输入口的流量；

通过第二可调节质量流调整器调节所述第二气体流入所述第一气体输入口的流量。

8.如权利要求6所述的方法，其特征在于，保持所述第一和第二气体流量以及第一和第二气体密度基本相等的步骤还包括调节气体输入口中第一输入口的输入截面积。

9.如权利要求6所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：

将所述第一载气以及第二和第三气体通过基本上与所述基片平行的气体狭缝通道引入反应室。

10.如权利要求6所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：

将所述第一载气以及第二和第三气体通过基本上与所述基片平行的气体喷淋头表面上的喷嘴引入反应室。

11.如权利要求6所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：

提供反应气作为第三气体。

12.如权利要求10所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：

提供反应气作为第二气体。

13.如权利要求10所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：

在所述第二气体输入口与所述反应气一起提供其它载气。

14.如权利要求10所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：

在第三气体输入口提供具有每单位输入截面积上的第四气体流量和第四气体分子量的第四气体，所述第三气体输入口具有第三总气体流量和第三总气体密度；

保持所述第一总气体流量、所述第二总气体流量和所述第三气体流量基本相等；

保持所述第一总气体密度、第二总气体密度、第三总气体密度基本相等。

15.如权利要求6所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：

提供作为第二气体的载气，提供作为第三气体的载气。

16.如权利要求15所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：

在第三气体输入口提供具有每单位截面积上的第四载气流量和第四载气分子量的第四载气，所述第三气体输入口具有第三总气体流量和第三总气体密度；

保持所述第一总气体流量、所述第二总气体流量和所述第三气体流量基本相等；

保持所述第一总气体密度、第二总气体密度、第三总气体密度基本相等。

17.一种处理基片的反应器，其包括：

反应室；

可移动安装在该反应室内的基片支架，从而可以将至少一个基片安装在基片支架上；

与所述反应室气体连通的多个气体进口，对所述进口进行构建和设置，使得各进口将气流导向所述室内的基片支架，各进口具有各自的气体进口面积，该面积是在气体进口和反应室之间的界面处，与反应室气体连通的进口的截面积，各气体进口具有每单位气体进口面积上的总气体流量，以及通过该气体进口的气体的总气体密度；

具有第一载气分子量的第一载气的第一气源，该第一气源以每单位面积上的第一载气流量与所述进口中的至少第一进口相连；

具有第二气体分子量的第二气体的第二气源，该第二气源以每单位面积上的第二气体流量与所述进口中的至少第一进口相连；

具有第三分子量的第三气体的第三气源，该第三气源以每单位面积上的第三气体流量与所述进口中的至少第二进口相连，对所述第一载气流量、第二气体流量和第三气体流量进行选择，使在所述第一进口的总气体流量与在所述第二进口的总气体流量基本相等，在所述第一进口的总气体密度与在所述第二进口的总气体密度基本相等。

18.如权利要求17所述的反应器，其特征在于，所述第二气体是载气。

19.如权利要求18所述的反应器，其特征在于，所述第三气体是载气。

20.如权利要求17所述的反应器，其特征在于，所述第二气体是反应气。

21.如权利要求20所述的反应器，其特征在于，所述第三气体是载气。

22.如权利要求20所述的反应器，其特征在于，所述第三气体是反应气，还包括：

具有第四分子量的第四载气的第四气源，该第四气源以每单位面积上的第四载气流量与所述进口中的至少第二进口相连，对所述第一载气流量、第二气体流量、第三气体流量和第四载气流量进行选择，使在所述第一进口的总气体流量与在所述第二进口的总气体流量基本相等，在所述第一进口的总气体密度与在所述第二进口的总气体密度基本相等。

23.如权利要求17所述的反应器，其特征在于，所述各气体进口选自独立的喷嘴、凹陷的开口、气体喷淋头和气体狭缝。

24.如权利要求17所述的反应器，还包括：与所述第一载气相关的第一流量控制装置，该装置用于控制第一载气流入至少第一气体进口的流量；与第二气体相关的第二流量控制装置，该装置用于控制第二气体流入至少第一气体进口的流量；第三流量控制装置，该装置用于控制第三气体流入至少第二气体进口的流量。

25.如权利要求23所述的反应器，其特征在于，所述流量控制装置是可调节质量流控制器。

26.一种保持化学气相沉积系统中层流的方法，该方法将多股气体通过具有进口截面积的多个气体进口引入含一个或多个基片的密封大气环境中，所述各股气体各自具有每单位面积上的气体流量和气体密度，该方法包括：

使多股气体中的第一亚组气体通过气体进口中的第一进口；

使多股气体中的第二亚组气体通过气体进口中的第二进口，所述第二亚组气体中的至少一种气体不在第一亚组气体中；

保持在第一气体进口处的第一亚组气体在每单位面积上的总气体流量与在第二气体进口处的第二亚组气体在每单位面积上的总气体流量基本相等；

保持通过第一气体进口的第一亚组气体的总气体密度与通过第二气体进口的第二亚组气体的总气体密度基本相等。

27.如权利要求25所述的方法，其特征在于，所述多股气体中的第一亚组气体包括第一载气，所述多股气体中的第二亚组气体包括第二载气，所述第一载气与所述第二载气不同。

28.如权利要求25所述的方法，其特征在于，保持总气体流量基本相等的步骤通过多个与多股气体中各气体相关的多个气体流量调节装置来进行。

29.如权利要求27所述的方法，其特征在于，所述气体流量调节装置是质量流调整器。

30.如权利要求25所述的方法，其特征在于，所述多股气体中的第一亚组气体包括至少一种载气和至少一种烷基气体，所述多股气体中的第二亚组气体包括至少一种载气和至少一种氢化物气体。

31.如权利要求25所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：

调节所述多股气体的第一亚组气体中至少一种气体的气体流量和所述多股气体的第二亚组气体中至少一种气体的气体流量，以保持总气体流量之间基本相等；以及

调整所述多股气体的第一亚组气体中所包含的气体的选择，以保持通过第一气体进口的第一亚组气体的总气体密度与通过第二气体进口的第二亚组气体的总气体密度基本相等。

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