CN101748377B - 金属有机物化学沉积设备的反应室 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于金属有机化学气相沉积设备的反应室，包括：反应室腔体；与腔体连通的反应气及载气进气法兰；设置在腔体内用于承载半导体晶片的衬托；与腔体连通的尾气管路；对衬托进行加热的加热器；和使得衬托旋转的旋转装置，其中所述反应室还包括调距装置，所述调距装置用于调节进气法兰与衬托的相对面之间的距离，且所述调距装置包括：设置在上端法兰和下端法兰之间的波纹管，引导波纹管的伸缩移动的支撑杆，以及使得波纹管伸缩移动的调距丝杆。根据本发明的反应室可以实现进气法兰与晶片衬托之间的距离调节，从而提高调节反应室气场、流场模式的灵活性，改善晶体质量和半导体外延片均匀性。
Description
技术领域
本发明涉及半导体设备制造技术领域，特别是涉及一种金属有机物化学沉积设备的反应室。
背景技术
MOCVD(Metal Organic Chemical Vapor Deposition)金属有机物化学气相沉积)设备，是化合物半导体外延材料研究和生产的关键设备，特别适合化合物半导体氮化镓、砷化镓、磷化铟、氧化锌等器件结构功能材料的规模化工业生产，是当今世界上生产半导体光电器件和微波器件材料的主要手段。
在MOCVD设备外延工艺中，气态反应物如有机金属源气体以及氨气等通过反应气及载气进气法兰进入反应室中，在被感应线圈或电阻片加热的衬托上发生复杂的化学反应，进气法兰与所述的承载半导体晶片的衬托之间的距离也是反应物气体进行混合、分解、发生预反应的过程，进气法兰与晶片衬托之间的距离对反应室气场、温场、气体的混合均匀程度以及发生预反应的程度都有很大的影响。
如果进气法兰与承载半导体晶片的衬托之间的距离太大，则气态反应物需要经过一个较长的距离才能到达衬托，由于热的辐射传导，反应室内壁以及进气法兰具有较高的温度，很容易使反应气体之间过早地分解和发生预反应，产生预沉积，容易遭成晶体缺陷，并使原料的使用效率下降。
而如果进气法兰与衬托之间的距离较小，就需要采用多孔状的进气顶盘，以满足进入反应室中的反应气体在很短距离上达到均匀混合，同时由于晶体生长时要求反应气体具有均匀的流速并且在衬托上要实现稳定的层流，如果进气法兰与衬托之间的距离太短，则反应物供给速度的均匀性很难保证，对外延半导体材料的厚度均匀性很难保证，这对生长一些低维半导体结构如量子阱结构的性能将产生很大的不良影响。
图1是发明人对进气法兰与晶片衬托之间的距离对反应室内流场的影响进行的计算机仿真模拟。从图1中看出进气法兰与晶片衬托之间的距离从30mm变为90mm，反应室中气场发生了很大的变化，进气法兰与晶片衬托之间的距离对反应室气场形态具有很大的影响。
目前常规的MOCVD反应室进气法兰与承载半导体晶片的衬托之间的距离是固定的，这样需要高速旋转衬托或者采用结构复杂的进气法兰顶盘来调节反应室内气场模式和外延片均匀性，使反应室结构变得复杂，加工难度增大，降低了调节反应室气场、流场模式的灵活性。
发明内容
基于上述问题提出本发明。
本发明的一个目的是提供一种用于金属有机化学气相沉积系统的反应室，这种结构的反应室能够克服原有技术的一些问题，制备出高质量的化合物半导体外延片。
本发明的另一个目的是提供一种用于金属有机化学气相沉积系统的反应室，利用这种结构的反应室可以灵活控制反应气体在生长室内的预反应，减少预沉积。
本发明的再一个目的是提供一种用于金属有机化学气相沉积系统的反应室，利用这种结构的反应室可以灵活控制反应气体在生长室内的气流模式，容易使反应室内晶片衬托上的气流模式达到要求的层流模式。
本发明的还一个目的是提供一种用于金属有机化学气相沉积系统的反应室，利用这种结构的反应室可以控制反应气体在生长室内均匀混合，提高反应的均匀性，从而提高外延片的晶体均匀性。
本发明在反应室中安装至少一个调距装置来实现改变进气法兰与承载半导体晶片的衬托之间的距离，以优化反应室中气场、温场特性，控制气体的混合均匀程度以及发生预反应程度，从而至少实现上述技术目的之一。
具体地，本发明提出了一种用于金属有机化学气相沉积设备的反应室，包括：反应室腔体；与腔体连通的反应气及载气进气法兰；设置在腔体内用于承载半导体晶片的衬托；与腔体连通的尾气管路；对衬托进行加热的加热器；和使得衬托旋转的旋转装置，其中所述反应室还包括调距装置，所述调距装置用于调节进气法兰与衬托的相对面之间的距离，且所述调距装置包括：设置在上端法兰和下端法兰之间的波纹管，引导波纹管的伸缩移动的支撑杆，以及使得波纹管伸缩移动的调距丝杆。
可选地，所述调距装置通过升高或降低进气法兰、或者通过升高或降低承载半导体晶片的衬托、或者通过同时改变进气法兰和衬托的位置以调节进气法兰与衬托的相对面之间的距离。
可选地，所述进气法兰包括上端法兰和下端法兰，且所述调距装置包括：设置在上端法兰和下端法兰之间的波纹管，引导波纹管的伸缩移动的支撑杆，以及使得波纹管伸缩移动的调距丝杆。
可选地，所述支撑杆设置在上端法兰与下端法兰之间，且所述调距丝杆设置在上端法兰与下端法兰之间。进一步地，上端法兰设置有多个上端法兰支撑杆凸耳，下端法兰设置有分别与多个上端法兰支撑杆凸耳对应的多个下端法兰支撑杆凸耳；多个支撑杆与波纹管的伸缩方向平行布置，支撑杆的上端固定到对应的上端法兰支撑杆凸耳内，支撑杆的下端可滑动地容纳在对应的下端法兰支撑杆凸耳内；上端法兰还设置有一个上端法兰调距丝杠凸耳，下端法兰还设置有一个对应的下端法兰调距丝杠凸耳，调距丝杠的上端固定到上端法兰调距丝杠凸耳，调距丝杆的另一端连接到下端法兰调距丝杠凸耳，下端法兰调距丝杠凸耳中装有滑套，调距丝杠穿过固定在滑套上的丝母；在下端法兰调距丝杠凸耳下方在调距丝杠上装有调距手柄，该调距手柄用于旋转调距丝杠以调节进气法兰与衬托的相对面之间的距离。
有利地，所述波纹管为双层密封结构，在双层密封结构之间的空间循环通过冷却水，以冷却受到高温辐射的内壁。MOCVD设备的反应室内有加热器，是一种高温反应系统，生长时温度可高达1000摄氏度以上，需要冷却装置，用于冷却反应腔体或尾气出口管道的温度。上述波纹管结构以简单的结构达到了冷却目的。
本发明的优点在于，利用本发明的反应室，大大提高了MOCVD设备在控制气场、温场、气体的混合均匀程度以及控制发生预反应的程度等方面的灵活性，从而提高材料晶体质量。
附图说明
图1示意性地显示了进气法兰与承载半导体晶片的衬托之间的距离对反应室内流场影响的计算机仿真模拟；
图2示例性地显示了本发明的一个具体实施例的反应系统结构示意图。
图3示例性地显示了本发明中的调距装置的一个具体实施例。
具体实施方式
下面通过实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步具体的说明。在说明书中，相同或相似的附图标号指示相同或相似的部件。下述参照附图对本发明实施方式的说明旨在对本发明的总体发明构思进行解释，而不应当理解为对本发明的一种限制。
根据本发明的一种用于金属有机化学气相沉积设备的反应室，包括：反应室腔体04；与腔体连通的反应气及载气进气法兰01；设置在腔体内用于承载半导体晶片的衬托03；与腔体连通的尾气管路08；对衬托进行加热的加热器05；和使得衬托旋转的旋转装置，其中所述反应室还包括调距装置02，所述调距装置用于调节进气法兰与衬托的相对面之间的距离。
如图2中所示，旋转装置包括支撑晶片衬托的旋转轴06，和通过旋转轴带动衬托旋转的电机07。尾气管道08位于反应室下方。
所述调距装置可以通过升高或降低进气法兰、或者通过升高或降低承载半导体晶片的衬托、或者通过同时改变进气法兰和衬托的位置以调节进气法兰与衬托的相对面之间的距离。
如图2中所示，进气法兰包括上端法兰021和下端法兰026，且所述调距装置02包括：设置在上端法兰和下端法兰之间的波纹管023，引导波纹管的伸缩移动的支撑杆024，以及使得波纹管伸缩移动的调距丝杆025。
进一步地，支撑杆024设置在上端法兰与下端法兰之间，且调距丝杆025设置在上端法兰与下端法兰之间。再进一步地，上端法兰设置有多个上端法兰支撑杆凸耳022，下端法兰设置有分别与多个上端法兰支撑杆凸耳对应的多个下端法兰支撑杆凸耳027；多个支撑杆与波纹管的伸缩方向平行布置，支撑杆的上端固定到对应的上端法兰支撑杆凸耳内，支撑杆的下端可滑动地容纳在对应的下端法兰支撑杆凸耳内；上端法兰还设置有一个上端法兰调距丝杠凸耳028，下端法兰还设置有一个对应的下端法兰调距丝杠凸耳029，调距丝杠的上端固定到上端法兰调距丝杠凸耳，调距丝杆的另一端连接到下端法兰调距丝杠凸耳，下端法兰调距丝杠凸耳中装有滑套(未示出)，调距丝杠穿过固定在滑套上的丝母(未示出)；在下端法兰调距丝杠凸耳下方在调距丝杠上装有调距手柄0210，该调距手柄用于旋转调距丝杠以调节进气法兰与衬托的相对面之间的距离。
有利地，波纹管023可以为双层密封结构，在双层密封结构之间的空间循环通过冷却水，以冷却受到高温辐射的内壁。MOCVD设备的反应室内有加热器，是一种高温反应系统，生长时温度可高达1000摄氏度以上，需要冷却装置，用于冷却反应腔体或尾气出口管道的温度。上述波纹管结构以简单的结构达到了冷却目的。
图3是对调距装置02的一个实施例的详细说明示意图，可伸缩的波纹管023上下端焊接相应直径的上端法兰021和下端法兰026，上端法兰带有三个上端法兰支撑杆凸耳022，下端法兰带有三个下端法兰支撑杆凸耳027，上下凸耳中心同轴。三个支撑杆024与波纹管023的伸缩方向平行，支撑杆在上法兰的凸耳022中固定，支撑杆在下端法兰的凸耳026中不固定，在上下滑动时起到稳定支撑的作用，保证波纹管伸缩时其中心轴上下一维运动。上端法兰带有一个上端法兰调距丝杠凸耳028，下端法兰带有一个下端法兰调距丝杠凸耳029，上下凸耳中心同轴，调距丝杠上端固定在上法兰的某一凸耳中(可旋转)，对应的下端凸耳中装有滑套，丝杠穿过固定在滑套上的丝母，在下端凸耳下方一定距离在丝杠上装有调距手柄0210用于旋转丝杠调节距离。
需要注意的是，图中示出的调距装置的位置和结构仅仅是示例性的。调距装置可以安装在其它位置，只要其可以调节进气口(进气法兰)与衬托的相对面之间的距离。也可以设置多个调距丝杆，可以设置不同数目的支撑杆。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行变化，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。
Claims (6)
1.一种用于金属有机化学气相沉积设备的反应室，包括：反应室腔体；与腔体连通的反应气及载气进气法兰；设置在腔体内用于承载半导体晶片的衬托；与腔体连通的尾气管路；对衬托进行加热的加热器；和使得衬托旋转的旋转装置，
其特征在于：
所述反应室还包括调距装置，所述调距装置用于调节进气法兰与衬托的相对面之间的距离，
所述调距装置包括：设置在上端法兰和下端法兰之间的波纹管，引导波纹管的伸缩移动的支撑杆，以及使得波纹管伸缩移动的调距丝杆。
2.如权利要求1所述的反应室，其特征在于：
所述调距装置通过升高或降低进气法兰、或者通过升高或降低承载半导体晶片的衬托、或者通过同时改变进气法兰和衬托的位置以调节进气法兰与衬托的相对面之间的距离。
3.如权利要求1或2所述的反应室，其特征在于：
所述进气法兰包括上端法兰和下端法兰，且
所述调距装置包括：设置在上端法兰和下端法兰之间的波纹管，引导波纹管的伸缩移动的支撑杆，以及使得波纹管伸缩移动的调距丝杆。
4.如权利要求3所述的反应室，其特征在于：
所述支撑杆设置在上端法兰与下端法兰之间，且所述调距丝杆设置在上端法兰与下端法兰之间。
5.如权利要求4所述的反应室，其特征在于：
上端法兰设置有多个上端法兰支撑杆凸耳，下端法兰设置有分别与多个上端法兰支撑杆凸耳对应的多个下端法兰支撑杆凸耳；
多个支撑杆与波纹管的伸缩方向平行布置，支撑杆的上端固定到对应的上端法兰支撑杆凸耳内，支撑杆的下端可滑动地容纳在对应的下端法兰支撑杆凸耳内；
上端法兰还设置有一个上端法兰调距丝杠凸耳，下端法兰还设置有一个对应的下端法兰调距丝杠凸耳，调距丝杠的上端固定到上端法兰调距丝杠凸耳，调距丝杆的另一端连接到下端法兰调距丝杠凸耳，下端法兰调距丝杠凸耳中装有滑套，调距丝杠穿过固定在滑套上的丝母；
在下端法兰调距丝杠凸耳下方在调距丝杠上装有调距手柄，该调距手柄用于旋转调距丝杠以调节进气法兰与衬托的相对面之间的距离。
6.如权利要求3所述的反应室，其特征在于：
所述波纹管为双层密封结构，在双层密封结构之间的空间循环通过冷却水，以冷却受到高温辐射的内壁。
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