CN102021530A

CN102021530A - 多重气体耦合金属有机物化学气相沉积设备反应腔体

Info

Publication number: CN102021530A
Application number: CN 201010144220
Authority: CN
Inventors: 甘志银; 胡少林
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2009-09-11
Filing date: 2010-04-12
Publication date: 2011-04-20

Abstract

一种多重气体耦合金属有机物化学气相沉积设备反应腔体，包括反应气体进气管道，喷淋盘、喷淋口、喷淋冷却腔、载片盘、衬底、反应腔、反应腔冷却腔、石英整流罩、缓冲喷淋腔、支承轴、加热器，所述缓冲喷淋腔与反应腔之间依次设有上、中、下喷淋盘，喷林口一穿过上喷淋盘、中喷淋盘及下喷淋盘，连通喷淋缓冲腔与反应腔，喷淋口二穿过中喷淋盘、下喷淋盘，连通喷淋缓冲腔与反应腔，一进气管道从一侧接入中喷淋腔。本发明的优点是反应腔具有水平和垂直方向的气流流场，通过垂直方向气流与水平方向气流的相互补偿，使反应气体混合均匀、减少预反应及气体反弹的湍流，抑制了反热涡流，提高外延生长的均匀性也解决了腔体内附着颗粒的清洗问题。

Description

多重气体耦合金属有机物化学气相沉积设备反应腔体

技术领域

本发明涉及化合物半导体外延生长用的气相沉积设备，尤其是涉及一种多重气体耦合金属有机物化学气相沉积设备反应腔体。

背景技术

金属有机物化学气相沉积(MOCVD)是一种非平衡生长技术，其工作机理是通过源气体传输，使得III族烷基化合物(TMGa、TMIn、TMAl、二茂镁等)与V族氢化物(AsH₃、PH₃、NH₃等)在反应腔内的衬底上进行热裂解反应。就外延材料的生长速率比较适中，可较精确地控制膜厚。它的组分和生长速率均由各种不同成分的气流和精确控制的源流量决定的。MOCVD作为化合物半导体材料外延生长的理想方法，具有质量高、稳定性好、重复性好、工艺灵活、能规模化量产等特点，已经成为业界生产半导体光电器件和微波器件的关键核心设备，具有广阔的应用前景和产业化价值。

反应腔体是整个MOCVD设备最核心的部分，决定了整个设备的性能。而腔体的几何结构和尺寸是影响沉积性能的首要因素，因为其直接影响气体在腔体内的流动行为，以及反应气体的输运和扩散方式。研究机构及设备设计制造商一直在寻找一种更为完善的气体配送方案、现有反应腔体的典型气体输送方式要么是中心辐射式，如Aixtron设备，要么是垂直喷淋式，如Thomas Swan设备，中心辐射式的气体配送需要配有衬底片快速旋转的方式实现薄膜沉积的均匀，设备制造复杂，而且稳定性受到一定局限。而喷淋式的气体输送由于所有的气体输送都采用垂直向下输送，衬底上不能形成良好的水平层流状态，生长的效果进一步的改善受到局限。

发明内容

本发明的目的针对已有技术中存在的缺陷，提供了一种多重气体耦合金属有机物化学气相沉积设备反应腔体。包括：反应气体A进气管道1、反应气体B进气管道2、反应气体C进气管道3、反应气体D进气管道4、反应气体E进气管道22、上喷淋盘24、中喷淋盘25、下喷淋盘26、喷淋口一8、喷淋口二23、中喷淋腔27、喷淋冷却腔6、喷淋冷却液进口16、喷淋冷却液出口15、载片盘10、衬底11、反应腔14、反应腔冷却腔21、反应腔冷却液进口18、反应腔冷却液出口19、石英整流罩20、排气口13、缓冲喷淋腔7、腔体外壳17、缓冲挡板5、支承轴9、加热器12，反应气体A进气管道1从反应腔14顶端接入，反应腔14下方设有载片盘10，载片盘10的上部设有喷淋口一8，反应气体B进气管道2、反应气体C进气管道3及反应气体D的进气管道4同轴包裹在反应气体A进气管道1的外壁上，加热器12与反应腔14由石英整流罩20隔开，腔体外壳17与反应腔14之间设有一层反应腔冷却腔21，载片盘10下部设有加热器12，排气口13位于反应腔14的底部，其特征在于所述缓冲喷淋腔7与反应腔14之间依次设有上喷淋盘24、中喷淋盘25、下喷淋盘26，反应气体E进气管道22从一侧接入上喷淋盘24与中喷淋盘25之间的中喷淋腔27，喷淋冷却液进口16与喷淋冷却液出口15安装于中喷淋盘25、下喷淋盘26之间，喷林口一8垂直于载片盘10，穿过上喷淋盘24、中喷淋盘25及下喷淋盘26，连通喷淋缓冲腔7与反应腔14，喷淋口二23垂直于载片盘10，穿过上中喷淋盘25及下喷淋盘26，连通中喷淋腔27与反应腔14。

本发明的优点是反应腔具有水平方向的层流和竖直方向的喷淋相结合的气流流场，通过垂直方向气流与水平方向气流的相互补偿，既能使反应气体混合均匀、减少预反应，增大了反应区域，又能减少喷淋气体反弹回流造成局部湍流，从而形成良好的层流，同时又有效的抑制了反应室内的热涡流，大大提高材料外延生长的均匀性、形成陡峭的界面均匀，也解决了腔体内附着颗粒的清洗问题。同时该反应腔体设计方案是具有可扩展性的。

附图说明

图1本发明的反应腔体结构示意图；

图2不设置缓冲挡板的反应腔体的结构示意图。

图中：1反应气体A进气管道、2反应气体B进气管道、3反应气体C进气管道、4反应气体D进气管道、5缓冲挡板、6喷淋冷却腔、7缓冲喷淋腔、8喷淋口一、9支承轴、10载片盘、11衬底、12加热器、13排气口、14反应腔、15喷淋冷却液出口、16喷淋冷却液进口、17腔体外壳、18反应腔冷却液进口、19反应腔冷却液出口、20石英整流罩、21反应腔冷却腔、22反应气体E进气管道、23喷淋口二、24上喷淋盘、25中喷淋盘、26下喷淋盘、27中喷淋腔。

具体实施方式

下面结合附图进一步说明本发明的实施例。

实施例一

参考图1，缓冲喷淋腔7与反应腔14之间依次设有上喷淋盘24、中喷淋盘25、下喷淋盘26，反应气体A从进气管道1进入反应腔14，沿水平方向径向流动。反应气体进气管道1的出口下方安装有载片盘10，载片盘10上设有喷淋口一8、喷淋口二23及喷淋冷却腔6，喷林口一8垂直于载片盘10，穿过上喷淋盘24、中喷淋盘25及下喷淋盘26，连通喷淋缓冲腔7与反应腔14，喷淋口二23垂直于载片盘10，穿过上中喷淋盘25及下喷淋盘26，连通中喷淋腔27与反应腔14。载片盘10的上表面设有衬底11，载片盘10与下喷淋盘26下表面的距离可以调节，且载片盘10根据支承轴9可以制作为固定式或旋转式。反应气体B进气管道2，反应气体C进气管道3及反应气体D的进气管道4同轴包裹在反应气体A进气管道1的外壁上，反应气体B进气管道2出口位于反应气体A出口上方，反应气体C进气管道3出口位于反应气体B出口上方。反应气体B从进气管道2即中心进气管道中层套管进入反应腔14，位于衬底11的上方沿水平方向流动。反应气体C从中心进气管道3即中心进气管道外层套管进入反应腔14，位于反应腔B的上方沿水平方向流动。反应气体A进气管道1、反应气体B进气管道2、反应气体C进气管道3的出口部分管道为水平状，出口为鸟嘴形状。反应气体D的经进气管道4由喷淋口一8进入反应腔14，反应气体E进气管道22从一侧接入上喷淋盘24与中喷淋盘25之间的中喷淋腔27，反应气体E由中喷淋腔27周边上的孔进入中喷淋腔27，再经喷淋口二23进入反应腔14，喷林口一8和喷淋口二23的形状为孔或缝隙，喷林口的数量可以根据腔体的大小和工艺需要设计为一定的数量，喷林口一8和喷淋口二23的分布方式为圆周分布或阵列分布或散布或根据工艺要求采用特别的分布。喷林口一8和喷淋口二23的底部与反应腔14的顶部平行或突出于反应腔14的顶部，中喷淋腔位于上喷淋盘24和中喷淋盘25之间，反应气体D和经过进气管道4、缓冲喷淋腔7，然后经由喷林口一8沿垂直方向进入反应腔14，反应气体E经过进气管道22、中喷淋腔27，然后经由喷淋口二23沿垂直方向进入反应腔14，与反应气体A、反应气体B和反应气体C在衬底11上方混合反应。喷淋冷却腔6安装于中喷淋盘25与下喷淋盘26之间，喷淋冷却液进口16与喷淋冷却液出口15安装于中喷淋盘25、下喷淋盘26之间，穿过腔体外壳17分别与喷淋冷却腔6的两端连接。反应冷却腔21安装在腔体外壳17里面，反应腔冷却液进口18与反应腔冷却液出口19分别安装于腔体外壳17下部和上部与反应腔冷却腔21连接。石英整流罩20安装与反应腔14与加热器12之间，石英整流罩20上设有小孔便于加热器冷却气体排出。载片盘10下部装有加热器12，加热器12为电阻加热方式或者采用射频感应加热器加热，排气口13设于反应腔14的底部。

从中心进气管道1、2及3流入反应腔14内形成水平径向辐射流动的气体A、B及C与从进气管道4和22分别流入，又从喷淋口一8和喷淋口二23流出的垂直流动气体D和E结合，通过不同管道的气体种类与流量的分配，达到工艺可控的目的。参与反应的气体A、B、C、D及E可以设置成不同种类、流量或流速、不同浓度以达到工艺的优化要求。

根据反应气体的种类、反应气体之间比例要求和某种反应气体的利用率要求，反应气体A、反应气体C和反应气体D或E可以设为同种或不同种气体，或同种气体但浓度不同，反应气体B和反应气体E或D可以设为同种气体或不同气体，或同种气体但浓度不同。反应气体A和反应气体C对反应气体B可以进行包围以充分混合，达到工艺调节目的，可提高反应气体B的利用率，也可以减少预反应，增大反应区域。气体D和E经喷淋口进入可以根据工艺调节反应气体之间比例或维持反应气体之间比例，并能对反应气体进行补充，与径向流动结合形成良好的流场，保证薄膜沉积的均匀性、形成陡峭的界面均匀，解决腔体内附着颗粒的清洗问题。

实施例二

参见图2，实施例二与实施例一相同，所不同的是缓冲喷淋腔7的中间根据设计要求可以设置一缓冲挡板5，以此来改变反应气体D进入喷淋口一8的流动方式，达到喷淋流速均匀的目的。

Claims

1.一种多重气体耦合金属有机物化学气相沉积设备反应腔体，包括：反应气体A进气管道(1)、反应气体B进气管道(2)、反应气体C进气管道(3)、反应气体D进气管道(4)、反应气体E进气管道(22)、上喷淋盘(24)、中喷淋盘(25)、下喷淋盘(26)、喷淋口一(8)、喷淋口二(23)、中喷淋腔(27)、喷淋冷却腔(6)、喷淋冷却液进口(16)、喷淋冷却液出口(15)、载片盘(10)、衬底(11)、反应腔(14)、反应腔冷却腔(21)、反应腔冷却液进口(18)、反应腔冷却液出口(19)、石英整流罩(20)、排气口(13)、缓冲喷淋腔(7)、腔体外壳(17)、缓冲挡板(5)、支承轴(9)、加热器(12)，反应气体A进气管道(1)从反应腔(14)顶端接入，反应腔(14)下方设有载片盘(10)，载片盘(10)的上部设有喷淋口一(8)，反应气体B进气管道(2)、反应气体C进气管道(3)及反应气体D的进气管道(4)同轴包裹在反应气体A进气管道(1)的外壁上，加热器(12)与反应腔(14)由石英整流罩(20)隔开，腔体外壳(17)与反应腔(14)之间设有一层反应腔冷却腔(21)，载片盘(10)下部设有加热器(12)，排气口(13)位于反应腔(14)的底部，其特征在于所述缓冲喷淋腔(7)与反应腔(14)之间依次设有上喷淋盘(24)、中喷淋盘(25)、下喷淋盘(26)，反应气体E进气管道(22)从一侧接入上喷淋盘(24)与中喷淋盘(25)之间的中喷淋腔(27)，喷淋冷却液进口(16)与喷淋冷却液出口(15)安装于中喷淋盘(25)、下喷淋盘(26)之间，喷林口一(8)垂直于载片盘(10)，穿过上喷淋盘(24)、中喷淋盘(25)及下喷淋盘(26)，连通喷淋缓冲腔(7)与反应腔(14)，喷淋口二(23)垂直于载片盘(10)，穿过上中喷淋盘(25)及下喷淋盘(26)，连通中喷淋腔(27)与反应腔(14)。

2.根据权利要求1所述的多重气体耦合金属有机物化学气相沉积设备反应腔体，其特征在于在缓冲喷淋腔(7)内的中部、上喷淋盘(24)之上设置或不设置缓冲挡板(5)。

3.根据权利要求1所述的多重气体耦合金属有机物化学气相沉积设备反应腔体，其特征在于所述喷淋口一(8)的形状为孔或缝隙，其分布方式为圆周分布或阵列分布或散布，喷淋口一(8)的底部与反应腔(14)的顶部平行或突出于反应腔(14)的顶部。

4.根据权利要求1所述的多重气体耦合金属有机物化学气相沉积设备反应腔体，其特征在于所述喷淋口二(23)的形状为孔或缝隙，其分布方式为圆周分布或阵列分布或散布，喷淋口二(23)的底部与反应腔(14)的顶部平行或突出于反应腔(14)的顶部。

5.根据权利要求1所述的多重气体耦合金属有机物化学气相沉积设备反应腔体，其特征在于所述载片盘(10)的上表面设有衬底(11)，载片盘(10)与喷淋口(8)之间的距离可调节，载片盘(10)可根据支撑轴(9)设为固定型式或旋转型式。

6.根据权利要求1所述的多重气体耦合金属有机物化学气相沉积设备反应腔体，其特征在于所述加热器(12)为电阻加热或射频感应加热。

7.根据权利要求1所述的多重气体耦合金属有机物化学气相沉积设备反应腔体，其特征在于所述反应气体A进气管道(1)、反应气体B进气管道(2)、反应气体C进气管道(3)的出口部分管道为水平状，出口为鸟嘴形状。

8.根据权利要求1所述的多重气体耦合金属有机物化学气相沉积设备反应腔体，其特征在于所述反应气体A进气管道(1)、反应气体B进气管道(2)、反应气体C进气管道(3)输出的气体为中心辐射流动模式，反应气体D进气管道(4)、反应气体E进气管道(22)输出的气体为垂直喷淋流动模式。