CN101560650B - 一种多喷淋头的化学气相沉积反应室结构 - Google Patents

Abstract

本发明涉及化学气相沉积，公开了一种多喷淋头的化学气相沉积反应室结构。其特征为：反应室为圆柱形腔体，反应室下部为一整体石墨托盘，托盘上可放置多达几十片待镀的晶片(直径2英寸或4英寸均可)，托盘下方为电阻加热器。反应室上部有多个均匀分布、尺寸比晶片略大的喷淋头，喷淋头由密布的微喷孔和下方的导流管组成。每个导流管对准一个晶片，即喷淋头数与晶片数相等。反应气体从喷淋头喷向正对的晶片，形成滞止流，反应后的气体折转180度，从各喷淋头的周围向上返回，一直到上方的出口排出。由于每个晶片上方的气流都为独立的滞止流，与周围环境无关，通过调节喷淋头的高度和气体进口速度、压强等参数，可以实现薄膜的多片式均匀生长。

Description

一种多喷淋头的化学气相沉积反应室结构

技术领域

本发明涉及化学气相沉积，特指一种多片式化学气相沉积反应器结构以及气流分配方法，为传统的垂直喷淋式的一种改进型式。将传统的一个大喷淋头改为许多均布的小喷淋头，每个小喷淋头对准下方的一个晶片，反应后的尾气从喷淋头的周围返回到位于上方的外管出口。本发明使每个晶片的生长条件与托盘半径无关，通过控制喷淋头参数，可生长出厚度和组分都均匀的薄膜。

背景技术

化学气相沉积(CVD)是制备半导体薄膜器件的关键工艺，包括各种微电子器件、薄膜光伏电池、发光二极管，都离不开CVD工艺。CVD的基本生长过程是，将反应气体从气源引入反应室，利用加热的衬底引发化学反应，从而在基片上生长单晶或多晶薄膜。在CVD过程中，薄膜生长所需的反应物依靠气体输运(流动和扩散)到达生长表面，在输运过程的同时，还发生大量气相化学反应，最终生长粒子通过吸附和表面反应，结合进薄膜晶格。由于表面化学反应速率通常远大于反应物的输运(对流和扩散)速率，因此薄膜的生长速率取决于反应物输运到表面的速率，即薄膜生长为输运过程控制。

薄膜制备的最重要指标是其厚度和组分的均匀性。在CVD技术中，要生长出厚度和组分都均匀的薄膜材料，其中最重要的是均匀分配基片上方的气体来流，使薄膜生长所需的反应前体能够同时到达基片上方各点，同时迅速排除反应后的尾气。此外，还要求基片表面附近存在均匀分层的温场和浓度场，无任何形式的对流涡旋，基片表面垂直方向存在大的温度梯度和浓度梯度等。

国际上目前主要有三种商用反应器：行星式、垂直喷淋式、高速转盘式。在各种反应器中，所遇到的主要困难包括：由于反应室衬底与上壁间存在的大的温度梯度，容易引发热对流涡旋，造成基片附近浓度与温度随时间变化；由于反应气体到达基片上方各点的流动路径不同，以及由于化学反应引起的沿程损耗，造成基片上方各点浓度不均；对于多片式反应器，由于反应物在反应室内流经距离延长(即驻留时间过长)，将产生严重的寄生反应。为了抑制对流涡旋，保持流动为平滑层流，保持基片温度的均匀性，以及均匀分配反应气体到晶片各点以获得晶片上方的均匀浓度等，在各种反应器设计中通常采用以下几种措施：

(1)采用基片自转和公转(行星式反应器)；

(2)使上下壁面靠得很近(行星式和喷淋式反应器)；

(3)采用密布的气体喷孔(喷淋式反应器)；

(4)采用托盘的高速旋转(高速转盘式反应器)。

尽管采用上述措施，但由于基片上方各点的反应气体从进入反应室到流出反应室所走的距离不同，造成沿程损耗和驻留时间随托盘半径变化。因此基片上方各点浓度随半径的变化仍很难消除，这种浓度的不均匀性存在于各种反应器中。

随着化合物薄膜太阳电池和白光LED等半导体光电技术的迅速发展，对MOCVD技术提出了更高的要求，特别是要求提高生产率，降低制造成本，实现规模化生产。因此，研制出一次生长片数更多、保证质量的多片式CVD反应器是该领域的关键。而现有的商用反应器，按照目前的生长原理，则很难继续扩容。如行星式主要依靠晶片自转获得生长均匀性，继续扩大反应器片数不仅将大大增加成本，而且将由于反应器的增大而产生强烈的寄生反应。而垂直喷淋式反应器如果继续扩大直径，其托盘圆心和外缘之间的浓度差也将越来越大，生长均匀性将迅速变坏。

现有的CVD反应器的有关专利，如“一种水平切向进口、中心垂直出口的化学气相沉积反应器(专利申请号：200810122991.5)”、“用于化学气相沉积反应器的多气体分配喷射器”(申请号200580030594.X，公开号CN101090998)、“用以制造半导体装置的化学气相沉积设备的喷头”(申请号03120956.4，公开号CN1450598A)、“用于金属有机化学气相沉积设备的双层气体喷头”(申请号200410017471.X，公开号CN1563483A)、“一种用于气相沉积的水平式反应器结构”(申请号200310108793.0，公开号CN1544687)等，都属于前述的传统反应器类型，因而都存在上述的浓度不均匀性等问题。

在专利“一种上进上出的垂直喷淋式MOCVD反应器”(申请号：200720040098.9)中，公开了一种顶部进口、顶部出口型喷淋式CVD反应器。其特征是反应气体从位于顶部的许多密排小喷管喷入反应室，反应后的尾气又从位于顶部的许多小出口排出。它可使基片上方的反应气体浓度只在每个小喷管的周围呈周期性变化，从而使薄膜沉积的径向不均匀性大大减小。但这种反应器需将大量微小的进口和出口间隔排布，集成在一个大喷淋头上，即在一个大喷淋头上既有进口又有出口，工艺实现过于复杂，制造困难。

发明内容

本发明提出一种新的CVD反应器结构，它将原有的喷淋式反应器单一的喷淋头改为与每个晶片一一对应的多喷淋头，将原有的上进口、下出口的气体流动方式改为上进口、上出口。将反应室分为内管(喷淋头)和外管(腔体)两部分，反应气体从内管进入，反应后的气体从外管排出，即喷淋头上只有进口，喷淋头外面则是出口。反应气体从喷淋头喷向正对的晶片，形成滞止流，反应后的气体折转180度，从各喷淋头的周围向上返回，一直到上方的出口排出。从而使基片上方的气体浓度不再随反应室半径变化，而只是单一喷淋头的周期性重复。通过调整喷淋头的喷孔和导流管的几何尺寸以及导流管与衬底之间的间隙，可以使反应物浓度在每一个喷淋头下方均匀分布，而不随托盘半径变化，从而克服了现有CVD反应器的不足，实现厚度和组分都均匀的薄膜生长。

本发明所说的CVD反应器，其反应室为圆柱形腔体，反应室顶部为进口连接法兰，下面连接气体混合室，混合室下方通过管道连接多个喷淋头。喷淋头由喷淋孔与导流管组成，每个喷淋头对准一个晶片，即喷淋头数与晶片数相等。反应室下方为一整体水平石墨托盘，托盘上可放置多达几十片待镀的晶片(直径2英寸或4英寸)。托盘下方为电阻加热器，托盘中间为旋转轴，使托盘携带基片绕轴旋转。

工作时，反应气体(本例设为三种气体，分别为III族、V族和氢气，也可以增加更多气体进口)首先从进口管道进入到混合室，在此混合后，经连接管道均匀分配给各个喷淋头。混合气体从分布于每个喷淋头的许多小喷口喷入反应室，在导流管的引导下，以滞止流的形态喷向下方(或上方)的晶片，在晶片阻挡下，转过90度角，从导流管与托盘的四周间隙流出。然后再折转90度，沿着导流管外围(即喷淋头外围)从原路方向返回。不同的是，进口气体在导流管内部，出口气体在导流管外部。最后尾气从位于反应室顶部的出口排出。

由于喷淋头中许多小喷口和导流管的作用，使每个晶片上方的气流都为独立的滞止流，与周围环境无关，通过调节喷淋头的高度、气体进口速度、压强等参数，得到优化的滞止流和浓度场。将此优化的滞止流应用于所有喷淋头，获得基片上方均匀的反应气体浓度，托盘的旋转则进一步改善了温度和浓度的均匀性，从而实现薄膜的多片式均匀生长。

附图说明

图1为本发明的反应器主视示意图，图2为该反应器的俯视示意图，图中标示为：

1-进口；2-混合室；3-气体分配管；4-喷淋头(内管)；5-小喷孔；6-导流管；7-基片；8-托盘；9-电阻加热器；10-旋转轴；11-反应器腔体(外管)；12-出口。

以下结合附图(以III-V族化合物半导体薄膜生长为例)进一步说明本发明的装置结构和工作原理。

三种气体(也可以增加掺杂气体进口)同时进入进口1，然后进入混合室2混合，混合后的气体经气体分配管3分别流到各个喷淋头4，经过小喷孔5向下喷出，在导流管6的约束下，气体形成滞止流，在“撞击”(实际包括扩散)到晶片7后，折转90度，从导流管6与晶片7之间的间隙水平流出，然后再折转90度，从反应腔腔体11流向出口12，然后从出口12排出。

反应气体经过小喷孔5向下喷出后，迅速被高温衬底7加热，发生化学反应分解，由于滞止流具有轴向速度近似相等、与半径无关的特性，因此从小喷孔喷出的气体(包括分解后的气体)浓度在平行于基片7的平面可以保持不变，于是得到基片7各点均匀的薄膜生长。电阻加热器9用来加热石墨托盘8，为了在石墨托盘8上获得均匀的的温度分布，旋转轴10缓慢公转。由于每个喷淋头4具有相对独立的生长条件，因此每片晶片7的薄膜生长与托盘8半径无关，因此该反应器具有同时均匀沉积多片薄膜的能力。

Claims (2)

1.一种多喷淋头的化学气相沉积反应室，包括喷淋头(4)、进口(1)、出口(12)和反应室、托盘(8)和电阻加热器(9)，其特征在于：喷淋头(4)为与每个晶片一一对应的多喷淋头，气体流动方式为反应室顶部的进口(1)、反应室顶部的出口(12)；将反应室分为内管和外管两部分，内管为喷淋头(4)，外管为反应室腔体(11)；反应室为圆柱形腔体，进口(1)与混合室(2)相连，混合室(2)通过气体分配管(3)与各个喷淋头(4)相连，喷淋头(4)设有若干小喷孔(5)，小喷孔(5)下方有导流管(6)；喷淋头(4)下方为托盘(8)，托盘(8)下方为电阻加热器(9)；反应气体从喷淋头(4)通过导流管(6)喷向下方正对的晶片，形成滞止流，反应后的气体折转90度，从喷淋头(4)与晶片的间隙水平流出，然后再折转90度，从喷淋头(4)的周围向上返回，一直到反应室顶部的的出口(12)排出。

2.根据权利要求1所述的化学气相沉积反应室，其特征在于：进口(1)和出口(12)均为在反应室底部，喷淋头(4)置于反应室下方，晶片置于反应室上方，气体由下向上喷射，然后折转180度从反应室底部的出口(12)排出。 

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