CN101812673A

CN101812673A - 用于金属有机物化学沉积设备的扇形进气喷头

Info

Publication number: CN101812673A
Application number: CN201010033960A
Authority: CN
Inventors: 胡国新; 王晓亮; 冉军学; 肖红领; 殷海波; 张露; 李晋闽
Original assignee: Institute of Semiconductors of CAS
Current assignee: Institute of Semiconductors of CAS
Priority date: 2010-01-07
Filing date: 2010-01-07
Publication date: 2010-08-25

Abstract

一种用于金属有机物化学沉积设备的扇形进气喷头，包括：封闭型外壳体，该外壳体包括上层板、中层板和下层板，在上层板与中层板之间形成供气体进入的进气腔室，在中层板和下层板之间形成冷却腔室，进气腔室被分隔成彼此隔离的多个扇形区域。对于每一个扇形区域，在中层板与下层板之间固定有多个导热的细管，细管在外壳体的高度方向上延伸过冷却腔室，且细管的开口端与进气腔室连通，细管的出口端朝向邻近的衬底表面；进气腔室的至少两个扇形区域引入彼此不同的反应气体。本发明可以使不同的反应气体通过扇形区域均匀送入反应室。通过控制衬底旋转速度，可以减少预反应，实现高质量的材料外延生长，也可以通过提高衬底转速，实现普通外延生长模式。

Description

用于金属有机物化学沉积设备的扇形进气喷头

技术领域

本发明涉及半导体设备制造技术领域，特别是涉及一种用于金属有机物化学沉积设备的扇形进气喷头。

背景技术

MOCVD(Metal Organic Chemical Vapor Deposition)设备，即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功能结构材料的规模化工业生产，是其它半导体设备所无法替代的核心半导体设备，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，是当今信息产业发展、国防高新技术突破不可缺少的战略性高技术半导体设备。

用金属有机物化学沉积(MOCVD)设备生长薄膜材料，通常需要各种源材料以及携带气体。源材料包括金属有机物(MO)和气体源，是参与化学反应并且在生成物中含有本原料成分的材料，携带气体包括氮气、氢气及惰性气体等，这些气体只携带原材料进入反应室中，本身并不参加化学反应。

通常的原材料MO源和气体源之间在高温下有强烈的预反应，如三甲基铝和氨气之间在高温下预反应强烈，反应后生成不能分解的聚合物。为了减少两者之间的预反应，通常将MO源和气体源分开进而反应室，直到反应室中衬底附近才相遇，之后参加化学反应，由于反应非常复杂，通常有几十个反应，只有在衬底上参加反应的生成物才可能形成高质量的薄膜材料。

目前用于气相沉积设备的喷头设计基本上都可以将两种反应气源分别送入反应室，但在未到达衬底时已经相遇并混合，在高温下产生预反应，之后预反应的生成物在衬底上沉积，影响晶体质量。

发明内容

基于上述问题提出本发明。

本发明提供了一种用于金属有机物化学沉积设备的扇形进气喷头，包括：封闭型的外壳体，该外壳体包括上层板、中层板和下层板，在上层板与中层板之间形成供气体进入的进气腔室，在中层板和下层板之间形成冷却腔室，其中：进气腔室被分隔成彼此隔离的多个扇形区域，对于每一个扇形区域，在中层板与下层板之间固定有多个导热的细管，细管在外壳体的高度方向上延伸过冷却腔室，且细管的开口端与进气腔室连通，细管的出口端朝向邻近的衬底表面；且进气腔室的至少两个扇形区域引入彼此不同的反应气体。

可选地，扇形进气喷头还包括设置在冷却腔室上的进水管和出水管，冷却水从进水管进入冷却腔室，再经过出水管流出冷却腔室。所述细管可以为不锈钢细管。进一步可选地，不锈钢细管的内径在0.2mm至3mm之间，不锈钢细管之间的距离在0.5mm至10mm之间，且不锈钢细管的管壁厚度在0.5mm至2mm之间。

可选地，多个扇形区域被分成引入第一反应气体的第一扇形区域、引入适于与第一反应气体发生反应的第二反应气体的第二扇形区域和引入不与第一反应气体和第二反应气体发生反应的隔离气体的第三扇形区域，第一扇形区域与第二扇形区域被第三扇形区域在进气腔室中间隔开。这样，第一扇形区域通入第一反应气体，第二扇形区域通入第二反应气体，第三扇形区域通入隔离气体，反应气体被隔离气体隔离，通过控制衬底旋转速度，可以进行原子层模式外延生长。所述隔离气体可选自：氢气，氮气，氩气或其它惰性气体中的一种，氢气、氮气、氩气和其它惰性气体中的一种的至少两种气体的组合。

或可选地，多个扇形区域被分成引入第一反应气体的第一扇形区域、引入适于与第一反应气体发生反应的第二反应气体的第二扇形区域。

可选地，进气腔室被均分成2n个扇形区域，n为小于13的整数。每个扇形区域的扇形圆心角的度数可在0-180度之间。

本发明具有如下至少一种优点：

1)能够将不同的反应原材料分别送入反应室，通过通入隔离气体，可以实现原子层模式外延生长，完全消除预反应，大大提高晶体质量；

2)能够将不同的反应原材料分别送入反应室，通过衬底高速旋转，使反应的原材料充分混合均匀，实现普通的外延生长模式；

3)只有一层进气室，相对于其它双层进气室来说加工简单，成品率高，可以降低制造成本；

4)喷气口的分布可以更密集，从而提高均匀性；

5)该喷头适用于常压和低压生长技术。

附图说明

图1为本发明一个实施例的剖视示意图；

图2为图1去掉上层板之后的上视图，其中示例性地示出了8个扇形区域。

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。

根据本发明的用于金属有机物化学沉积设备的扇形进气喷头，包括：封闭型的外壳体1，该外壳体包括上层板2、中层板3和下层板4，在上层板与中层板之间形成供气体进入的进气腔室5，在中层板和下层板之间形成冷却腔室6。其中：进气腔室5被分隔成彼此隔离的多个扇形区域，对于每一个扇形区域，在中层板与下层板之间固定有多个导热的细管7，细管在外壳体的高度方向上延伸过冷却腔室，且细管的开口端与进气腔室连通，细管的出口端朝向邻近的衬底14表面；且进气腔室的至少两个扇形区域引入彼此不同的反应气体。

扇形进气喷头还包括：设置在冷却腔室上的进水管9和出水管10，冷却水从进水管进入冷却腔室，再经过出水管流出冷却腔室。

细管7为不锈钢细管，当然也可以为其它适合的材料制成的细管。不锈钢细管的内径在0.2mm至3mm之间，不锈钢细管之间的距离在0.5mm至10mm之间，且不锈钢细管的管壁厚度在0.5mm至2mm之间。

如图2中所示，多个扇形区域被分成引入第一反应气体的第一扇形区域11、引入适于与第一反应气体发生反应的第二反应气体的第二扇形区域12和引入不与第一反应气体和第二反应气体发生反应的隔离气体的第三扇形区域13，第一扇形区域与第二扇形区域被第三扇形区域在进气腔室中间隔开。所述隔离气体选自：氢气，氮气，氩气或其它惰性气体中的一种，氢气、氮气、氩气和其它惰性气体中的一种的至少两种气体的组合。

尽管没有示出，但是多个扇形区域可以被分成引入第一反应气体的第一扇形区域、引入适于与第一反应气体发生反应的第二反应气体的第二扇形区域。

需要指出的是，第一扇形区域、第二扇形区域、第三扇形区域均可以设置为包括若干个扇形区域，也可以设置为仅包括一个扇形区域。

有利地，进气腔室被均分成2n个扇形区域，n为小于13的整数。每个扇形区域的扇形圆心角的度数在0-180度之间。

本发明的扇形进气喷头可以实现两种生长模式：一是将不同的原材料分别送入反应室，并且用隔离气体将容易参加预反应的原材料彻底分开，通过衬底旋转，使不同反应原材料交替到达衬底，最终实现原子层模式的外延生长；二是将不同的原材料分别送入反应室，通过衬底高速旋转，使不同的原材料充分混合均匀，之后到达衬底进行反应，最终实现普通模式的外延生长。具体地：

对于原子层模式外延生长：

例如如图1和图2中所示，第一路反应原材料从对应的气管8进入第一扇形区域11再经过第一扇形区域11的细不锈钢管到达衬底表面，第二路反应原材料从对应的气管8进入第二扇形区域12再经过第二扇形区域12的细不锈钢管到达衬底表面，隔离气体从对应的气管8进入第三扇形区域13再经过第三扇形区域13的细不锈钢管到达衬底表面，通过控制衬底14旋转速度，两路原材料交替到达衬底表面并反应，实现原子层模式外延生长。

对于普通模式外延生长：

例如，第一路反应原材料从对应的气管8进入扇形区域11和12再经过相应扇形区域的细不锈钢管到达衬底表面，第二路反应原材料从对应的气管8进入扇形区域13再经过扇形区域13的细不锈钢管到达衬底表面，通过衬底14高速旋转可以进行普通模式外延生长。

另外，本发明的用于金属有机物化学沉积设备的扇形进气喷头的喷气口可用于生长氮化镓、砷化镓、磷化铟、氧化锌、碳化硅等材料的金属有机物化学气相沉积设备。

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

1.一种用于金属有机物化学沉积设备的扇形进气喷头，包括：

封闭型的外壳体，该外壳体包括上层板、中层板和下层板，在上层板与中层板之间形成供气体进入的进气腔室，在中层板和下层板之间形成冷却腔室，其中：

进气腔室被分隔成彼此隔离的多个扇形区域，对于每一个扇形区域，在中层板与下层板之间固定有多个导热的细管，细管在外壳体的高度方向上延伸过冷却腔室，且细管的开口端与进气腔室连通，细管的出口端朝向邻近的衬底表面，且

进气腔室的至少两个扇形区域引入彼此不同的反应气体。

2.如权利要求1所述的扇形进气喷头，还包括：

设置在冷却腔室上的进水管和出水管，冷却水从进水管进入冷却腔室，再经过出水管流出冷却腔室。

3.如权利要求2所述的扇形进气喷头，其中：

所述细管为不锈钢细管。

4.如权利要求3所述的扇形进气喷头，其中：

不锈钢细管的内径在0.2mm至3mm之间，不锈钢细管之间的距离在0.5mm至10mm之间，且不锈钢细管的管壁厚度在0.5mm至2mm之间。

5.如权利要求1-4中任一项所述的扇形进气喷头，其中：

多个扇形区域被分成引入第一反应气体的第一扇形区域、引入适于与第一反应气体发生反应的第二反应气体的第二扇形区域和引入不与第一反应气体和第二反应气体发生反应的隔离气体的第三扇形区域，第一扇形区域与第二扇形区域被第三扇形区域在进气腔室中间隔开。

6.如权利要求5所述的扇形进气喷头，其中：

所述隔离气体选自：氢气，氮气，氩气或其它惰性气体中的一种，氢气、氮气、氩气和其它惰性气体中的一种的至少两种气体的组合。

7.如权利要求1-4中任一项所述的扇形进气喷头，其中：

多个扇形区域被分成引入第一反应气体的第一扇形区域、引入适于与第一反应气体发生反应的第二反应气体的第二扇形区域。

8.如权利要求1-4中任一项所述的扇形进气喷头，其中：

进气腔室被均分成2n个扇形区域，n为小于13的整数。

9.如权利要求8所述的扇形进气喷头，其中：

每个扇形区域的扇形圆心角的度数在0-180度之间。