CN102482774A - 用于沉积层的cvd反应器和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种具有加工腔(1)的CVD反应器，所述加工腔(1)的底部(3)由基座(2)形成，所述基座(2)用于接收待用层进行涂敷的衬底(4)，所述加工腔(1)的顶部(6)由进气元件(5)的下侧形成，其中该进气元件(5)的下侧具有多个均匀分布在其整个面上的进气开口(13、14)，该进气开口(13、14)分为条状的、在延伸方向上相互平行的第一和第二进气区域(11、12)，其中第一进气区域(11)的进气开口(13)连接共用的第一过程-气体输入管线(9)用于将第一加工气体引入所述加工腔(1)中，第二进气区域(12)的进气开口(14)连接不同于第一过程-气体输入管线(9)的共用的第二过程-气体输入管线(10)用于将第二加工气体引入所述加工腔(1)中，其中所述第一和第二进气区域(11、12)交替地并行排列。每个进气区域(11、12)的多个横跨延伸方向并行排列的进气开口(13、14)的间距(D)约为加工腔(1)的高度(H)的四分之一，每个进气区域(11、12)的宽度(W)约等于高度(H)。

Description

用于沉积层的CVD反应器和方法
本发明涉及一种具有加工腔的CVD反应器，所述加工腔的底部由基座(Suszeptor)形成，所述基座用于接收待用层进行涂敷的衬底，所述加工腔的顶部由进气元件的下侧形成，其中该进气元件的下侧具有多个均匀分布在其整个面上的进气开口，该进气开口分为条状的、在延伸方向上相互平行的第一和第二进气区域，其中第一进气区域的进气开口连接共用的第一过程-气体输入管线用于将第一加工气体引入所述加工腔中，第二进气区域的进气开口连接不同于第一过程-气体输入管线的共用的第二过程-气体输入管线用于将第二加工气体引入所述加工腔中，其中所述第一和第二进气区域交替地并行排列(nebeneinander liegen)。
本发明进一步涉及在加工腔中在衬底上沉积层的方法，所述加工腔的底部由基座形成，所述衬底置于所述基座上，以及所述加工腔的顶部由进气元件的下侧形成，其中该进气元件的下侧具有多个均匀分布在其整个面上的进气开口，该进气开口分为条状的、在延伸方向上相互平行的第一和第二进气区域，第一进气区域的进气开口连接共用的第一过程-气体输入管线，通过该第一过程-气体输入管线将第一加工气体引入所述加工腔中，第二进气区域的进气开口连接不同于第一过程-气体输入管线的、共用的第二过程-气体输入管线，经过该第二过程-气体输入管线将第二加工气体引入所述加工腔中，其中所述第一和第二进气区域交替地并行排列。
US 5,595,606记载了一种一般性装置。在该情况中，在反应器罩内有一个从下方加热的基座。一个或多个衬底支撑在基座的水平面上。衬底的支撑面形成加工腔的底部。加工腔的顶部由进气元件的下侧形成。该下侧形成进气面，其提供了多个喷嘴样的进气开口。进气开口连接输入管线，不同的加工气体可以通过该输入管线导入进气开口中。进气开口配置成条状的、相互平行的第一和第二进气区域，其中第一和第二进气区域并行交替。第一加工气体专有地通过第一进气区域，第二加工气体专有地通过第二进气区域，分别与载气一起导入加工腔中。进气区域的宽度相应于两个邻近进气开口的间距。加工腔的高度明显大于两个进气区域的间距。
WO 2008/032910A1记载了一种CVD反应器，在该反应器中，进气元件可以将三种不同的加工气体引入加工腔中。在进气元件的下侧，存在多个先后位于一条线上的进气开口。分别包含单列设置的出气喷嘴的三个条形区交替并行排列。在单列的附近设置冲洗气体排出口。该列中的一列经过环形进气元件的中心，并且邻近两种彼此不同的反应气体的排出口列，因此给出了一种不对称的设置。
US 4,880,163记载了一种具有进气元件的CVD反应器，所述进气元件具有并排设置的条状进气区域用于彼此不同的加工气体。
US 6,090,210记载了一种CVD反应器，其具有多个共轴的、围绕进气元件中心的进气区域用于彼此不同的加工气体。
US 5,500,256记载了螺旋形布置的进气区域，此处的区域宽度也相应于两个相互邻近的进气区域之间的直接间距。
DE 10 2005 055 468 A1记载了在CVD反应器中沉积层的方法。此处相互不同的加工气体也由相互不同的进气区域进入加工腔中。用于将相互不同的加工气体引入加工腔中的进气元件，其中对每种加工气体配制独立的进气喷嘴组，也记载于EP 1 118 691 A1、US 6,086,677、US 2004/0040502 A1、US 2004/0191413A1、US 2006/0201428A1和US 2007/0101929A1中。
非-在先公开的WO 2010/065695A2记载了并排设置的进气条状区，其形成为扩散体，从而将不同的加工气体相互分离地引入加工腔中。
一般的装置具有反应器罩，其以相对环境呈气密性的方式关闭，在它的内部具有呈圆柱体形式的加工腔，加工腔的盘状底部由从下方被加热的基座形成，加工腔的盘状顶部由同样可加热的进气元件形成。在衬底支撑物上可以排列一个或多个衬底。衬底支撑物可以包含多个单独的、分别承载一个或多个衬底的承载盘(Lagerscheiben)，该承载盘在气垫上被支撑着旋转驱动。由中心柱承载的基座可以绕加工腔的对称轴旋转。通过第一进气区域气态可以将有机金属化合物与载气一起引入加工腔中，其中载气可以是氢气、氮气或惰性气体。这里指的是例如TMGa、TMIn或TMAl。通过第二进气区域引入加工腔中的第二加工气体是氢化物(Hydride)，例如胂、膦或氨。借由这些加工气体可以在衬底的表面上沉积半导体层，所述层可以包含Ga、In、Al、P、As和N。借由这些装置，不仅可以沉积III-V半导体层，也可以通过适当选择不同的起始材料沉积II-VI半导体层。另外，也可以通过加入合适的、高度-稀释的另一种起始材料对沉积的半导体层进行掺杂。引入加工腔中的加工气体以热解方式分解。最优化的是该分解作用仅发生在衬底表面上。由于位于加工腔内基座上方的气体因导热等而受热，所以起始材料的预分解则是不可避免的。起始材料的预分解产物以不利的方式相互进行反应。在低于例如500℃的温度时，预分解产物形成加成物。加成物形成温度取决于引入加工腔中的加工气体的组成，并且在100℃至500℃的范围中。由于部分分解而形成的加成物不仅降低沉积层的结晶品质。由于加成物上的晶核形成和由此导致的成核可能生成起始材料或其分解产物的团簇物(Konglomerate)，其由向下移动接近衬底表面的热迁移得以抑制。非常昂贵的起始材料中未用于晶体生长的这一部分随气体流夹带至出气元件，在该出气元件处离开加工腔而没有被利用。
本发明的任务是提供一种措施，通过该措施可以改进沉积层的质量
Figure BDA0000137753080000031
和涂敷过程的效率。
该目标通过权利要求中给出的本发明实现，其中首先和重要的是对装置进行如下的改进：加宽了进气区域的宽度。现在更多的进气开口不仅先后排列，而且相邻排列，从而形成了条状或带状进气区域，每个进气区域具有的宽度基本上等于两个相邻进气开口的间距的四倍。进气区域基本上在环形进气元件的整个宽度上延伸，并具有横跨延伸方向并行排列的气体排出口。在中心附近延伸的进气区域是最长的。最短的进气区域在圆周范围延伸。将相互不同的加工气体引入加工腔中的进气区域优选直接相邻排列。因此，在本发明的一优选实施方案中，在两个进气区域之间没有设置进一步的将冲洗气体等引入加工腔中的进气开口。每个进气区域的进气开口通过气体分配室供给，气体分配室再连接输入管线。加工腔的高度相应于该区域的宽度，也约为相邻进气开口间距的四倍。进气开口均匀地设置在进气元件的下侧上。它们可以在矩形、特别是正方形的角点，或在等边三角形的角点处。对以条形并行排列的、交替的进气区域的设置进行选择，使得具有环形轮廓的进气面的中心位于区域边界中。旋转轴也经过该中心，同样具有环形轮廓的基座可绕该中心旋转。进气开口的直径约为0.6mm±10％。它们的间距，即正方形的边长，为约2.6mm±10％，其中进气开口位于该正方形的角点处，从而得到最优加工腔高度为约11.0mm±10％。基座或进气面的直径以及因而加工腔的直径大于300mm。典型地，其直径为约32cm。在CVD反应器中实施的方法的特征在于，第一加工气体在各种情况中经过第一进气区域，第二加工气体在各种情况中通过第二进气区域，与载气一起引入加工腔中，其中该第一加工气体包含上述有机金属化合物中的一种，该第二加工气体包含上述氢化物的一种。载气可以是氢气、氮气或惰性气体。为了在生长表面上提供有效过量的氢化物，沉积过程在总压力为500mbar至1000mbar和优选约为600mbar时进行。选择通过进气开口进入加工腔中的质量流量，使得在加工腔体积的上半部中流体缓和(relaxieren)，各加工气体混合，从而基本上在加工腔的下半部中通过扩散作用将各加工气体输送至衬底表面上。均匀涂敷通过基座的连续旋转引起的均一化作用而实现。不存在不可容忍的平均结晶体组成的局部偏差(lokal Abweichung)。在加工腔体积的上半部和加工腔体积的下半部的上区域，相互不同的加工气体基本上仅在区域边界的范围进行接触。仅在这个区域中可以形成在本文开头所述的要避免的加成物。在本文开始处所提及的关于团簇形成的有害损失机制尽管不能通过根据本发明的措施完全得以避免，但是可以显著地减小。可以放弃使用设置在单个进气区域之间的冲洗区域。在各区域的中心区中(即经过各进气区域的两个内部进气开口引入加工腔中)的加工气体首先在边界处靠近加工腔的下区域接触各其他加工气体。直到这时，各加工气体和特别是有机金属成分分解成一种或多种分解产物。但是由于至衬底的路径缩短，剩余的反应时间显著减小。模型计算已显示该反应时间对于加成物和团簇的形成而言具有极大的重要性。如果通过合适措施缩短反应时间，那么不可避免地减小了团簇以及由此导致的有害损失机制。因而基座的表面温度可以在各处高于1000℃，特别地高于1100℃。所引入加工腔中的前体的扩散长度在加工条件下，即在总压力为至少500mbar和气体温度为至少500℃的条件下，为约加工腔高度的一半。因此，选择加工腔高度使得它等于扩散长度的两倍。
以下将参考附图对本发明的示例性实施方案进行说明，其中：
图1图示了穿过在反应器罩内部设置的加工腔的横截面，
图2示出了进气元件5的进气面的俯视图，
图3示出了图1中加工腔横截面的放大段III-III，以及
图4示出了包含气体混合体系的CVD反应器的示意图。
图4示出了根据本发明的CVD反应器的示意结构，根据本发明的方法可以在该CVD反应器中实施。由附图标记19表示的反应器罩19以相对环境呈气密性方式封装在进气元件5和基座2之间延伸的加工腔1。加工气体经过至少两个输入管线9、10引入加工腔1中。运载加工气体的载气和反应产物一起通过出气环18从加工腔2中以及未示出的排出管线从CVD反应器罩19中带出。
第一输入管线9和第二输入管线10由气体混合体系20供应。气体混合体系20具有有机金属成分用的存贮器，该有机金属成分形成第一加工气体。其可以为TMGa、TMIn或TMAl。在存贮器22中容纳的第二加工气体是氢化物，例如胂、膦或氨。容纳有机金属成分的存贮器23可以具有洗瓶的形式，其中载气流经该洗瓶。就存放在存贮器24(特别是中心)中的载气而言，该载气以氢气、氮气或惰性气体的形式存在。两种加工气体和载气一起借由质量流控制器21和设置在上游或下游的阀以计量方式供给至各输入管线9、10。
由图1显然可见，各第一输入管线9和第二输入管线10分流成多路，使得进气元件5的多个第一分配室7通过第一输入管线9提供第一加工气体供应，进气元件5的多个第二分配室8通过第二输入管线10提供第二加工气体供应。
进气元件在平面图中呈环形，并且具有下侧6，该下侧6包含多个均匀分布在其表面上的进气开口13、14。如从图2显然可见，单个进气开口13、14排列在示意为正方形的角点处。
进气开口13、14与相互不同的进气区域11、12相关联。提供了两种不同类型的进气区域11、12，分别单独设置第一分配室7和第二分配室8。通过第一类型的进气区域11，仅溶解在载气中的第一加工气体进入加工腔1中。通过第二类型的进气区域，仅第二加工气体和载气一起进入加工腔1中。以条或带的方式提供了第一和第二类型的进气区域11、12。进气区域11、12上下相互交替，使得直到两个设置在最外面的进气区域为止，每个第一类型的进气区域11邻近两个第二类型的进气区域12，每个第二类型的进气区域12邻近两个第一类型的进气区域11。相互不同的进气区域11、12之间的区域边界16沿分界壁15的下面布置，其将两个相互不同的、同样也以条或带形并形排列布置的分配室7、8彼此分开。
进气区域11、12相互平行延伸，从进气元件5的进气面6的一边不间断直到进气元件5的进气面6的对边。在这个路线中，设置分界壁15使得一个分界壁和由该壁定义的区域边界16经过进气面6的中心M。中心M因此侧面和相互不同的两个进气区域11、12相接，这些进气区域11、12是最长的进入区域。两个最短的进气区域11、12是进气面6的最外边缘。
彼此上下相同设计的第一类型的进气开口13和第二类型的进气开口14的直径为约0.6mm。进气开口13、14相互的间距为约2.6mm。进气区域11、12的长度可以不同。然而它们的宽度是相同的。选择进气区域11、12的宽度使得各进气区域11、12的四个进气开口13、14并行排列。进气区域11、12的宽度W因而等于进气开口13、14之间的间距D的四倍。各进气区域11、12的宽度基本上由横跨进气区域11、12的延伸方向并行排列的进气开口13、14的数目所限定。
认为有利的是，进气区域11、12直接相邻接，其中彼此不同的加工气体通过进气区域11、12流入加工腔中。无需在第一类型的进气区域和第二类型的进气区域之间提供冲洗气体开口，其中惰性气体通过该冲洗气体开口引入在加工腔中。
设置在进气元件5的下方且与其平行的基座2具有表面3，在其上设置了多个衬底4。在此，衬底4可以最紧密的包装位于由石墨构成的环形基座2上。基座2可以通过未示出的驱动装置绕旋转轴17驱动旋转，其中旋转轴17穿过进气元件5的中心M。单个衬底4也可以置于旋转驱动的支撑盘上。
选择加工腔1的高度H，即底部3和顶部6之间的间距，使得从各进气区域11、12的两个内部开口13、14中离开的加工气体首先进入下半部以及优选仅在加工腔体积1的下半部的下区域中接触各其他加工气体。因此，在加工腔1的上半部内，仅仅是从各靠近区域边界16的进气开口13、14离开的加工气体相互混合。因此，加成物的形成在此处受限于区域边界16周围的紧邻区。最优的方案为，加工腔1的高度H等于溶解在载气中的加工气体的扩散长度的两倍。加工腔内的总压力在500mbar至1000mbar的范围以及优选约为600mbar。衬底温度为约1100℃。加工腔顶6的表面温度稍大于500℃或600℃。该温度取决于加工气体的组成，加成物形成温度取决于该组成在500℃至600℃的范围中。然而，加工腔顶6的温度维持低于动态生长的生长-温度极限值，该温度取决于加工气体在850℃至900℃的范围。
为了满足这些需求，加工腔1的高度H约等于进气区域11、12具有的宽度W。所有的进气区域11、12具有相同的宽度W约10.4mm。在示例性的实施方案中，加工腔的高度为11mm。由出气环18围绕的加工腔的直径约为32cm。从而导致反应器体积为约900cm3。在加工腔的上半部中可以形成加成物的体积减小至约40cm3。但是加成物也可以形成在进气区域11、12的中心区中，因为在加工腔体积的下区域中充分混合是期望的。但是，在此形成的加成物仅具有短路径长度直到衬底4的表面且因而仅具有非常短的反应时间，从而有效地减小了团簇作用。
本文中公开的所有特征(本身)对于本发明是重要的。相关的/附带的优先权文献(在先申请的文本)的公开内容也全部包括在本申请的公开文中，出于将这些文献的特征并入本申请的权利要求中的目的。从属权利要求以它们任选非独立的形式代表了对现有技术的独造性发展，特别是用于基于这些权利要求提交分案的目的。

Claims (10)

1.具有加工腔(1)的CVD反应器，所述加工腔(1)的底部(3)由基座(2)形成，该基座(2)用于接收待用层进行涂敷的衬底(4)，所述加工腔(1)的顶部(6)由进气元件(5)的下侧形成，其中该进气元件(5)的下侧具有多个均匀分布在其整个面上的进气开口(13、14)，该进气开口(13、14)分为条状的、在延伸方向上相互平行的第一和第二进气区域(11、12)，其中第一进气区域(11)的进气开口(13)连接共用的第一过程-气体输入管线(9)用于将第一加工气体引入所述加工腔(1)中，第二进气区域(12)的进气开口(14)连接不同于第一过程-气体输入管线(9)的共用的第二过程-气体输入管线(10)用于将第二加工气体引入所述加工腔(1)中，其中所述第一和第二进气区域(11、12)交替地并行排列，其特征在于，每个进气区域(11、12)的多个横跨延伸方向并行排列的进气开口(13、14)的间距(D)约为加工腔(1)的高度(H)的四分之一，每个进气区域(11、12)的宽度(W)约等于高度(H)。
2.根据权利要求1或特别是与其相应的CVD反应器，其特征在于，所述顶部(6)和所述底部(3)具有大致呈环形的轮廓，基座(2)可以围绕旋转轴(17)旋转。
3.根据上述权利要求中一项或多项或特别是与其相应的CVD反应器，其特征在于，第一进气区域(11)和第二进气区域(12)的区域边界(16)经过所述进气元件(5)的盘形进气面(6)的中心，所述基座的旋转轴(17)经过该中心(M)。
4.根据上述权利要求中一项或多项或特别是与其相应的CVD反应器，其特征在于，所述以列的方式在一条线上并行排列的排出口(13、14)的间距为约2.6mm。
5.根据上述权利要求中一项或多项或特别是与其相应的CVD反应器，其特征在于，所述加工腔的高度(H)为约11mm。
6.根据上述权利要求中一项或多项或特别是与其相应的CVD反应器，其特征在于，所述加工腔的直径大于300mm。
7.在加工腔(1)中在衬底上沉积层的方法，所述加工腔(1)的底部(3)由基座(2)形成，所述衬底(4)置于所述基座(2)上，以及所述加工腔(1)的顶部(6)由进气元件(5)的下侧形成，其中该进气元件(5)的下侧具有多个均匀分布在其整个面上的进气开口(13、14)，该进气开口(13、14)分为条状的、在延伸方向上相互平行的第一和第二进气区域(11、12)，第一进气区域(11)的进气开口(13)连接共用的第一过程-气体输入管线(19)，通过该第一过程-气体输入管线(19)将第一加工气体引入所述加工腔(1)中，第二进气区域(12)的进气开口(14)连接不同于第一过程-气体输入管线的、共用的第二过程-气体输入管线(10)，经过该第二过程-气体输入管线(10)将第二加工气体引入所述加工腔(1)中，其中所述第一和第二进气区域(11、12)交替地并行排列，其特征在于，选择所述进气开口(13、14)彼此之间的间距(D)、所述加工腔(1)的高度(H)、每个进气区域(11、12)的宽度(W)以及在500mbar至1000mbar范围的总压力、与加工气体一起经过各进气区域(11、12)引入所述加工腔(1)的载气的质量流量，使得所述彼此不同的第一和第二加工气体的充分混合仅在所述加工腔(1)的下半部发生，其中特别地，所述多个横跨延伸方向并行排列的、分配给共用进气区域的进气开口(13、14)的间距(D)约为所述加工腔的高度(H)的四分之一，每个进气区域(11、12)的宽度(W)约等于所述高度(H)。
8.根据权利要求7或特别是与其相应的方法，其特征在于，所述第一加工气体是有机金属化合物，特别是TMIn、TMGa或TMAl。
9.根据上述权利要求中一项或多项或特别是与其相应的方法，其特征在于，所述第二加工气体是氢化物，特别是胂、膦或氨。
10.根据上述权利要求中一项或多项或特别是与其相应的方法，其特征在于，所述具有进气开口(13、14)的进气元件(5)的进气顶部(6)的温度高于所述第一和第二加工气体的加成物形成温度。
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