CN102534563A - 一种用于金属有机化学气相沉积反应器的斜入式气体喷淋头 - Google Patents

一种用于金属有机化学气相沉积反应器的斜入式气体喷淋头 Download PDF

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Abstract

一种用于金属有机化学气相沉积反应器的斜入式气体喷淋头，所述斜入式气体喷淋头包括位于反应腔室上方的气体喷射板，该气体喷射板上方设有气体连接板，在气体连接板与气体喷射板之间设有至少两个层叠的气体分布板；所述气体连接板上设置有若干气体接口及冷却液接口，且在该气体分布板及气体喷射板上设置有若干相互隔离的气体通道，所述气体通道包括与相应的气体接口连通的第一前体气体通道、第二前体气体通道和载气通道，以及与冷却液接口连通的冷却液通道。本发明解决了水平式反应器中存在的沿气流方向反应物耗尽的问题，同时也避免了垂直式反映器中不容易形成稳定层流的缺点。

Description

一种用于金属有机化学气相沉积反应器的斜入式气体喷淋头
技术领域
本发明涉及一种用于化学气相沉积的气体分布装置，特别涉及一种用于金属有机化学气相沉积反应器的斜入式气体喷淋头。
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，其在半导体产业尤其是在LED产业中具有不可替代性的作用，是特别关键的设备。该设备集计算流体力学、热力传导、系统集成控制、化合物生长等各学科于一体，是一种高科技、新技术高度集中的设备；是突破产业发展瓶颈，提高产业水平的战略性高技术半导体装备。
MOCVD通过使含有II族或III族元素的金属有机物源(MO)与含有VI族或V族元素的气体源在严格控制下的条件下在晶片上反应，生长得到所需要的薄膜材料。一般金属有机源通过载气进入反应室，载气可以为氢气、氮气、惰性气体等不与反应物起化学反应的气体，含有MO源的载气称为第一前体气体；含有VI族或V族元素的气体一般也混有一定比例的载气，称为第二前体气体。
根据第一前体气体与第二前体气体的混合时间，MOCVD的气体分配装置(喷淋头)可以分为两种，第一种是两种前体气体在喷淋头中混合，喷淋头将混合后的气体喷射入反应室。这种方式有利于两种前体气体的充分混合；但是这两种前体气体在混合后会发生加合体反应，导致沉积的薄膜成分不均匀，达不到工艺要求，并且会降低源材料的使用效率。第二种喷淋头是反应气体在喷淋头中相互隔开，在气体进入反应室后再混合，称为后混合式喷淋头；由于两种前体气体在进入反应室之前相互隔开，因此在喷淋头中完全没有加合体反应发生。前体气体通过相间隔的喷嘴进入反应室后也能够充分的混合，在晶片上沉积得到均匀的薄膜。
根据喷淋头中主气流与晶片平面的相对方向，MOCVD分为两种：(1)水平式反应器-主气流的流动方向在一水平面上，并且与晶片表面平行；(2)垂直式反应器-主气流沿垂直晶片平面方向流向晶片。现在正在使用的MOCVD反应器都是由这两种反应器发展而来。
为了得到厚度一致、组分均匀的半导体薄膜，必须保证在薄膜生长时晶片上各处的条件一致，主要包括温度及反应物浓度。因此要在基片表面上方形成一层流区，无任何形式的涡流；基片上方有大的温度梯度，以形成便于控制加合体反应的、均匀的温度场。
水平式反应器能够方便的形成层流，但是其存在沿气体流动方向反应物耗尽和热对流漩涡问题。垂直式反应器其晶片上方各处的反应物浓度基本上是一致的，但是其表面层流是由衬托器高速旋转，依靠流体的粘性力产生泵效应形成的。该机构对制造工艺有很高的要求，并且工艺参数不容易调整。
发明内容
克服了水平式反应器中存在的沿气流方向反应物耗尽的问题，同时也避免了垂直式反映器中不容易形成稳定层流的缺点，本发明旨在提供一种用于金属有机化学气相沉积反应器的斜入式气体喷淋头，该喷淋头结合了水平式反应器易于形成层流与垂直式反应器晶片上各反应物浓度一致的优点。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种用于金属有机化学气相沉积反应器的斜入式气体喷淋头，其结构特点是，包括位于反应腔室上方的气体喷射板，该气体喷射板上方设有气体连接板，在气体连接板与气体喷射板之间设有至少两个层叠的气体分布板；所述气体连接板上设置有若干气体接口及冷却液接口，且在该气体分布板及气体喷射板上设置有若干相互隔离的气体通道，所述气体通道包括与相应的气体接口连通的第一前体气体通道、第二前体气体通道和载气通道，以及与冷却液接口连通的冷却液通道。
本发明所述各板之间可以通过焊接联接，也可以通过可拆卸的机械方式联接、如螺栓联接。至少两种反应气体及一路载气、冷却液从气体连接板板接入该元件，各种气体在部件中经过各自独立、分开的气体腔室及通道进行均匀分布后从气体喷射板以与气体喷射板成一5°到85°的角度喷入反应室。冷却液体经由冷却回路对部件整体进行冷却。
作为一种优选方案，所述气体分布板为第一气体分布板和第二气体分布板。
所述气体喷射板的下表面与反应腔室中的晶片相对，所述第一前体气体通道、第二前体气体通道及载气通道分别与反应腔室连通。
本发明所述斜入式是指，所述气体喷射板中的气体通道与晶片表面成一定的角度，更进一步地，所述气体喷射板与晶片表面之间的角度为5°～85°。
所述第一气体分布板上分布有贯穿其上下表面的气体通道及冷却液通道。
本发明所述第一气体分布板中间设有一圆孔。
所述第二气体分布板上分布有贯穿其上下表面的气体分布通道和冷却液通道。
根据本发明的实施例，所述第一气体分布板的上表面与气体连接板的下表面相贴合，在第一气体分布板的上表面与下表面之间设有内平面，该凹平面、气体连接板的下表面与凹平面周向的凸台形成第一前体气体扩散区域，所述凹平面上分布有贯穿凹平面与下表面的第一前体气体通道。第一气体分布板的外围凸台上分布有第二前体气体通道及冷却液通道。
根据本发明的实施例，所述第二气体分布板的上表面与第一气体分布板的下表面相贴合；所述第二气体分布板分为3个环形区域，其最内部的圆环上分布有若干贯穿第二气体分布板的载气通道，在载气通道圆环的外部分布有若干贯穿第二气体分布板上表面与下表面的第一前体气体通道，在第一前体气体通道的间隔之间还布置有第二前体气体通道，该第二前体气体通道的下方贯穿第二气体分布板下表面，第二前体气体通道上方为一凹槽，该凹槽与环形槽构成第二前体气体的扩散区域；在第二气体分布板上设有冷却液通道；在第二气体分布板的下表面上分布有若干凹槽，该凹槽与气体喷射板的上表面之间形成冷却通道。
藉由上述结构，本发明的所述喷淋头最好是用于包含有上游和下游方向反应室的MOCVD设备中，并理想的安装于反应室的上游端或下游端。气体分布装置的几何中心与反应室的上下游方向平行，且气体分布装置具有沿X轴和Y轴水平方向延伸的气体分布表面，该X轴和Y轴水平方向相互垂直并垂直于下游方向。进一步的气体分布装置理想的具有多个绕气体分布装置几何中心均匀分布的与晶片表面成一定角度的长条形狭缝排气口。
该与晶片表面成一定角度的长条形狭缝排气口包含有多个第一前体气体排气口，用于排放第一前体气体，并包括多个第二前体气体排气口，用于排放第二前体气体。第一排气口与第二排气口绕排气装置轴线相互间隔、穿插布置，第一排气口与第二排气口组成反应气体排放区，该区域成圆环形。
在该第一排气口与第二排气口内围、更靠近排气装置轴线的圆环上布置有载气喷口。该载气喷口为与晶片表面成一定角度的长条形狭缝，并且绕排气装置轴线均匀布置。
上述长条形狭缝排气口的几何中心面与晶片表面成5度到85度的倾角，理想地长条形狭缝排气口绕轴线对称布置，所有的排气口喷出的气体形成一个绕轴线旋转的、气体向晶片靠近的大涡流场。
该气体分布装置具有两个或两个以上的冷却水接口，用于接入冷却水对整个气体分布装置进行冷却，可以通过控制冷却水流量的大小对整个气体分布装置进行温度控制。
上述排气口及冷却水管道由气体连接板、第一气体分布板、第二气体分布板、气体喷射板依次叠加并相互联接在一起后形成。各板之间的联接方式可以为真空钎焊、真空熔焊或扩散焊接，也可以使用机械联接方式将各结构化板联接在一起得到气体分布装置；也可以是以上联接方式的各种组合。
气体分布装置中第一前体气体、第二前体气体、载气都有各自独立的管道，因此在气体分布装置中各气体互不接触。前体气体、载气、冷却液都通过气体连接板接入到气体分配装置中。
本发明解决了水平式反应器中存在的沿气流方向反应物耗尽的问题，同时也避免了垂直式反映器中不容易形成稳定层流的缺点，本发明结合了水平式反应器易于形成层流与垂直式反应器晶片上各反应物浓度一致的优点。
附图说明
图1为本发明一种实施例的结构示意图；
图2为本发明一种实施例的组装图；
图3为图2的俯视图；
图4为本发明所述气体喷射版的结构示意图；
图5为图3的A-A剖视图；
图6为图3的B-B剖视图；
图7为本发明所述冷却回路结构示意图；
图8为本发明另一种气体喷射版的结构示意图；
图9为本发明又一种气体喷射板的结构示意图；
图10为图9的局部放大示意图。
具体实施方式
图1所示为使用本发明一种实施实例的MOCVD反应器100示意图。该反应器顶端为气体、冷却液接入端1、2、3、4，其气体接口1连接第二前体气体供应管道，第二前体气体为含有III族元素有机物如三甲基镓的气体；气体接口2连接第一前体气体供应管道，第一前体气体为含有V族元素的气体如氨气；气体接口3连接载气供应管道，载气为不与前体气体反应的气体，如氮气、氢气等；冷却液接口4连接冷却系统，为整个气体喷淋头提供冷却、控温。反应器100下方为反应尾气出口113，用于排出反应腔室101内部的废气及形成反应腔室内部低压。反应器100具有由反应室壁115围成的反应腔室101。反应腔室101上方设置有本发明的一个实施实例109，气体分布装置109的正下方装有晶片衬托器111、晶片衬托器111上方装载有进行沉积的晶片110；衬托器下方安装有加热装置112为晶片110加热，以使晶片110处于反应所需要的温度下，并且在晶片110表面形成均匀热场。
本发明的气体分布装置喷出的气体与晶片表面成5到85度的角度，各出气口气体喷出方向如图1中108所示；所有的喷出气体组合后可形成105所示的、分布在整个反应腔室中的大涡流场。
如图2所示，气体分布装置由气体连接板6、第一气体分布板8、第二气体分布板10、气体喷射板14按顺序相互叠加、连接组成。各气体分布板可通过真空钎焊、真空熔焊等方式在加热、加压的条件下焊接为一个整体；也可以通过机械连接方式连接为一个整体，如螺栓连接；也可以使用以上连接方式的各种组合连接成为一个整体。
气体连接板6的上表面6a上主要分布有如前所述的气体接口1，2，3及冷却系统接口4，5。其中每种前体气体进口为两个或两个以上的、同样的气体接口1，2，以使前体气体在气体分布装置内部能够均匀的分布；连接板6中间为载气进口3，用于输送载气，如氮气、氢气等。连接板6上还分布有冷却液进口5及出口4，为了使气体分布装置气体喷射板上的温度均匀，并处于一个设置值附近，如90摄氏度，在连接板上的冷却液进口5、出口4可以为两对或两对以上，每对进口5、出口4形成一个冷却回路，每个冷却回路冷却气体分布装置上的一个区域；这将能够使气体分布装置的温度始终处于目的温度区域内。
所述气体连接板6上分布有气体接口1，2，3，优选地同类气体的接口以对称的方式分布。
所述气体连接板6上分布有冷却液接口4，5，优选地多对冷却液接口以均匀、对称方式分布。
第一气体分布板8位于气体连接板6的下方，第一气体分布板8的上表面8a与气体连接板6的下表面6a相贴合。结合图2与图5可见，第一气体分布板8的中间为一个贯穿其上下表面的圆孔，该圆孔内部空间为载气3的扩散区域24。结合图5与图6可见，在第一气体分布板8的上表面8a与下表面之间还有一个凹平面8c，该凹平面8c与气体连接板6的下表面6b及凹平面8c周围的凸台围成第一前体气体的扩散区域23，在凹平面8c上还分布有贯穿凹平面8c与下表面8b的第一前体气体通道9。第一气体分布板8的外围凸台上分布有通孔20，21，26，通孔20为第二前体气体的通过通道，通孔21、26为冷却液通道。
所述第一气体分布板8上分布有若干气体通道9，优选地各气体通道9均匀分布。
第一气体分布板8下方为第二气体分布板10，第二气体分布板10的上表面10a与第一气体分布板8的下表面8b相贴合。第二气体分布板10可分为3个环形区域，其最内部的圆环上分布有若干贯穿第二气体分布板10的载气通道12，在载气通道圆环的外部分布有若干贯穿表面10a与表面10b的第一前体气体通道19，见图6，第一前体气体通道19与第一气体分布板8上的通道9以同样的方式分布，并且相连通。在通道19的间隔之间还布置有第二前体气体通道13，通道13的下方贯穿表面10b，通道13上方为一凹槽7，该凹槽7与环形槽11构成第二前体气体的扩散区域。在第二气体分布板10上还有通孔27，15，通孔27，15分别与位于第一气体分布板上的通孔21，26对齐、连通，形成冷却液通道。见图7，在第二气体分布板10的下表面10b上还分布有若干凹槽22，凹槽22在气体通道12，13，19的间隔之间分布，凹槽22以一定的规律相互连通或隔离且与气体喷射板的上表面14a形成气体分布装置的冷却通道。由于通道22是按一定规律连通或隔离的，通过分别与冷却液通道27，15连通，冷却通道可以形成分区域的单独冷却回路，如图7所示的两个独立的冷却回路。
所述第二气体分布板10上有若干气体通道13，优选地通道13与通道19均匀的相互间隔布置。
所述第二气体分布板10上有冷却液通道回路，优选地各冷却液通道回路的冷却区域相等，并布置成对称形式。
所述第二气体分布板10上分布有若干载气通道12，优选地各载气通道12均匀布置。
在第二气体分布板10下方为气体喷射板14，气体喷射板14的上表面14a与第二气体分布板10的下表面10b相贴合。见图6，气体喷射板14上分布有若干贯穿其上表面14a与下表面14b的、与晶片表面成一定角度的气体喷射通道25，气体喷射通道25分为反应气体喷射通道17，18与载气通道16。其中反应气体通道17，18分布于气体喷射板上靠外的圆环上，并且相互间隔设置；载气喷射通道位于气体喷射板14靠内的圆环上。气体喷射通道17、18、载气通道16分别与第二气体分布板上的气体通道19、13、12相对齐。气体喷射板的下表面14b与晶片相对。
所述气体喷射板14上有若干气体喷射通道25，优选地各气体喷射通道与晶片表面的夹角相等，同时，也优选地各气体喷射通道与晶片表面的夹角处于5度到85度之间。
第一前体气体通过气体接口2进入气体分布装置，在腔室23中扩散后经过由通道9、19、17与晶片成一定角度喷射进入反应腔室101。第二前体气体经过气体接口1进入气体分配装置，经过通道20进入到由凹槽7、11组成的扩散通道，然后经由通道13、18与晶片成一定角度喷射进入反应腔室101。载气气体经过气体接口3进入气体分布装置，在腔室24中扩散后由气体通道12、载气通道16与晶片成一定角度喷射进入反应腔室101。
图8所示为本发明的另一种实施实例，在气体喷射板14上增加了一圈呈圆环形分布的气体喷射口30。晶片载盘上越靠近其圆周边沿其晶片的分布密度可以更大；因此，通过增加此圆环形的喷气口，气体分布装置在靠近圆周边沿的位置其气体喷射量也越大，所以也能够更好的满足晶片沉积对反应物浓度分布的要求。
图9所示为本发明的又一种实施实例，将气体喷射板14上的长条形狭缝喷孔使用一系列圆形喷口31代替。其具体形状如图10所示。
按照专利法律规定的要求，本发明使用实施实例详细的描述了所发明的具体结构及其处理方法的特征。然而，应当理解，所述实例只是为了更好的表述本发明的结构及特征，本发明并不限于本文中所显示及描述的特性。因此，本发明此处声明，对本发明的实施的各种形式的均等改变或变形均被包括于所附的权利要求书的保护范围内。

Claims (10)

1.一种用于金属有机化学气相沉积反应器的斜入式气体喷淋头，其特征是，包括位于反应腔室(101)上方的气体喷射板(14)，该气体喷射板(14)上方设有气体连接板(6)，在气体连接板(6)与气体喷射板(14)之间设有至少两个层叠的气体分布板(8，10)；所述气体连接板(6)上设置有若干气体接口(1，2，3)及冷却液接口(4，5)，且在该气体分布板(6)及气体喷射板(14)上设置有若干相互隔离的气体通道，所述气体通道包括与相应的气体接口(1，2，3)连通的第一前体气体通道(9，19)、第二前体气体通道(13，20)和载气通道(16)，以及与冷却液接口(4，5)连通的冷却液通道(15，21，26，27)。
2.根据权利要求1所述的用于金属有机化学气相沉积反应器的斜入式气体喷淋头，其特征是，所述气体分布板(8，10)为第一气体分布板(8)和第二气体分布板(10)。
3.根据权利要求1所述的用于金属有机化学气相沉积反应器的斜入式气体喷淋头，其特征是，所述气体喷射板(14)的下表面与反应腔室(101)中的晶片(110)相对，所述第一前体气体通道(9，19)、第二前体气体通道(13)及载气通道分别与反应腔室(101)连通。
4.根据权利要求3所述的用于金属有机化学气相沉积反应器的斜入式气体喷淋头，其特征是，所述气体喷射板(14)中的气体通道与晶片(110)表面成一定的角度。
5.根据权利要求4所述的用于金属有机化学气相沉积反应器的斜入式气体喷淋头，其特征是，所述气体喷射板(14)与晶片(110)表面之间的角度为5°～85°。
6.根据权利要求1所述的用于金属有机化学气相沉积反应器的斜入式气体喷淋头，其特征是，所述第一气体分布板(8)上分布有贯穿其上下表面的气体通道及冷却液通道。
7.根据权利要求1所述的用于金属有机化学气相沉积反应器的斜入式气体喷淋头，其特征是，所述第一气体分布板(8)中间设有一圆孔。
8.根据权利要求1所述的用于金属有机化学气相沉积反应器的斜入式气体喷淋头，其特征是，所述第二气体分布板(10)上分布有贯穿其上下表面的气体分布通道和冷却液通道。
9.根据权利要求2所述的用于金属有机化学气相沉积反应器的斜入式气体喷淋头，其特征是，所述第一气体分布板(8)的上表面(8a)与气体连接板(6)的下表面(6a)相贴合，在第一气体分布板(8)的上表面(8a)与下表面(8b)之间设有内平面(8c)，该凹平面(8c)、气体连接板(6)的下表面(6b)与凹平面(8c)周向的凸台形成第一前体气体扩散区域(23)，所述凹平面(8c)上分布有贯穿凹平面(8c)与下表面(8b)的第一前体气体通道(9)。第一气体分布板(8)的外围凸台上分布有第二前体气体通道(20)及冷却液通道(21，26)。
10.根据权利要求2所述的用于金属有机化学气相沉积反应器的斜入式气体喷淋头，其特征是，所述第二气体分布板(10)的上表面(10a)与第一气体分布板(8)的下表面(8b)相贴合；所述第二气体分布板(10)分为3个环形区域，其最内部的圆环上分布有若干贯穿第二气体分布板(10)的载气通道(12)，在载气通道圆环的外部分布有若干贯穿第二气体分布板(10)上表面(10a)与下表面(10b)的第一前体气体通道(19)，在第一前体气体通道(19)的间隔之间还布置有第二前体气体通道(13)，该第二前体气体通道(13)的下方贯穿第二气体分布板(10)下表面(10b)，第二前体气体通道(13)上方为一凹槽(7)，该凹槽(7)与环形槽(11)构成第二前体气体的扩散区域；在第二气体分布板(10)上设有冷却液通道(27，15)；在第二气体分布板(10)的下表面(10b)上分布有若干凹槽(22)，该凹槽(22)与气体喷射板(14)的上表面(14a)之间形成冷却通道。
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