CN103074604A - 用于化学气相沉积工艺的喷淋头和改善工艺均匀性的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种用于化学气相沉积工艺的喷淋头和改善化学气相沉积工艺的均匀性的方法，所述喷淋头用于向衬底提供反应气体，所述喷淋头具有端口，所述端口具有与之对应设置的窗口透明板，所述窗口透明板作为观察通道或测试通道，通过所述窗口透明板对化学气相沉积工艺进行监控，所述窗口透明板与端口之间通有吹扫气体，所述吹扫气体用于防止反应气体在窗口透明板上发生化学反应或物理沉积。本发明使得本领域技术人员能够在化学气相沉积工艺过程中对喷淋头下方的衬底的情况进行实时监控。

Description

用于化学气相沉积工艺的喷淋头和改善工艺均匀性的方法
技术领域
本发明涉及化学气相沉积(CVD)技术领域，特别涉及用于化学气相沉积设备的喷淋头和改善化学气相沉积工艺均匀性的方法。
背景技术
MOCVD(Metal-Organic Chemical Vapor Deposition)是在气相外延生长(VPE)的基础上发展起来的一种化学气相外延沉积工艺。它以III族、II族元素的有机化合物和V、VI族元素的氢化物等作为晶体生长的源材料，以热分解反应方式在至于石墨盘的衬底上进行沉积工艺，生长各种III-V族、II-VI族化合物半导体以及它们的多元固溶体的薄层单晶材料。
下面对现有的化学气相沉积工艺的原理进行说明。具体地，以MOCVD为例，请参考图1所示的现有的化学气相沉积工艺设备的结构示意图。
手套箱10内形成有相对设置的喷淋头11和石墨盘12。所述喷淋头11内可以设置多个通孔，所述喷淋头11用于提供反应气体。所述石墨盘12内具有多个凹槽，每个凹槽内对应放置一片衬底121，所述衬底121的材质通常为价格昂贵的蓝宝石。所述石墨盘12的下方还形成有加热单元13，所述加热单元13对石墨盘12进行加热，石墨盘12受热升温，能够以热辐射和热传导方式对衬底121进行加热。由于衬底121放置在石墨盘12中，两者接触，因此石墨盘12对衬底121的加热以热传导为主。
在进行MOCVD工艺时，反应气体自喷淋头11的通孔进入石墨盘12上方的反应区域(靠近衬底121的表面的位置)，所述衬底121由于加热单元13的热传导加热而具有一定的温度，从而该温度使得反应气体之间进行化学反应，从而在衬底121的表面沉积外延材料层。在MOCVD工艺结束后，将衬底121从手套箱10中取出，对外延材料层的特性进行测试。
在实际中发现，在化学气相沉积工艺过程中，无法对喷淋头下方的衬底的情况进行实时监控。
发明内容
本发明实施例解决的问题是提供了化学气相沉积工艺的喷淋头和改善化学气相沉积工艺均匀性的方法，在喷淋头中设置窗口，能够在化学气相沉积工艺过程中对喷淋头下方的衬底的情况进行实时监控。
为了解决上述问题，本发明提供一种用于化学气相沉积工艺的喷淋头，用于向衬底提供反应气体，所述喷淋头具有端口，所述端口具有与之对应设置的窗口透明板，所述窗口透明板作为观察通道或测试通道，通过所述窗口透明板对化学气相沉积工艺进行监控，所述窗口透明板与端口之间通有吹扫气体，所述吹扫气体用于防止反应气体在窗口透明板上发生化学反应或物理沉积。
可选地，所述吹扫气体为氮气、氢气或两者的混合。
可选地，所述喷淋头上还具有通孔，所述窗口透明板与端口之间还通有反应气体，使得所述端口处的反应气体的组分、流量密度与所述通孔处的反应气体的组分、流量密度一致。
可选地，所述喷淋头应用于MOCVD工艺，所述反应气体为氨气。
可选地，所述端口的面积为所述通孔面积的1～20倍。
可选地，所述窗口透明板用于使得原位测试装置的光学信号通过，所述原位测试装置用于测试的参数包括衬底上的外延材料层的生长速率、厚度、粗糙度、组分、温度、反射率、翘曲度中的一个或多个。
相应地，本发明还提供一种改善化学气相沉积工艺的均匀性的方法，所述化学气相沉积工艺利用具有端口、通孔的喷淋头进行，且所述端口具有与之对应设置的窗口透明板，所述窗口透明板作为观察通道或测试通道，在进行化学气相沉积工艺时，在所述窗口透明板和端口之间通入吹扫气体和反应气体，所述端口处的反应气体的组分、流量密度与通孔处的反应气体的组分、流量密度一致。
可选地，所述喷淋头应用于MOCVD工艺，所述吹扫气体为氮气、氢气或者两者的混合，所述反应气体为氨气。
可选地，所述窗口透明板用于使得原位测试装置的光学信号通过，所述原位测试装置用于测试的参数包括衬底上的外延材料层的生长速率、厚度、粗糙度、组分、温度、反射率、翘曲度中的一个或多个。
可选地，所述反应气体和吹扫气体的流量可调节。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
本发明在喷淋头上设置窗口透明板，所述窗口透明板作为观察通道或测试通道，这样本领域技术人员可以通过所述窗口透明板对化学气相沉积工艺进行监控，为了防止反应气体经过端口并且在窗口透明板上发生化学反应或物理沉积，本发明在端口与窗口透明板之间通入吹扫气体，防止窗口透明板的光学透过率下降，从而保证观察或测试的准确度；
进一步优化地，所述端口与窗口透明板之间还通入了反应气体，从而使得在进行化学气相沉积工艺时断口处的气体环境，所述端口处的反应气体的组分、流量密度与所述通孔处的反应气体的组分、流量密度一致，从而改善了喷淋头表面的反应气体的分布的均匀性，提高了外延材料层的组分、厚度和性能的均匀性。
附图说明
图1是现有技术的MOCVD装置的结构示意图；
图2是本发明一个实施例的喷淋头的俯视结构示意图；
图3是图2沿AA线的剖面结构示意图。
具体实施方式
现有的化学气相沉积工艺过程中，无法对喷淋头下方的衬底的情况进行实时监控，也就无法获得衬底表面的翘曲变形的情况、衬底表面形成的外延材料层的厚度、组分、均匀性等情况。
为了解决上述问题，本发明的发明人提供一种用于化学气相沉积工艺的喷淋头，用于向衬底提供反应气体，所述喷淋头具有端口，所述端口具有与之对应设置的窗口透明板，所述窗口透明板作为观察通道或测试通道，通过所述窗口透明板对化学气相沉积工艺进行监控，所述窗口透明板与端口之间通有吹扫气体，所述吹扫气体用于防止反应气体在窗口透明板上发生化学反应或物理沉积。
下面结合实施例对本发明的技术方案进行详细的说明。为了更好地说明本发明的技术方案，请结合图2所示的本发明一个实施例的化学气相沉积设备的喷淋头。本实施例仅以MOCVD设备的喷淋头为例，对其结构进行说明，在实际中，本发明的喷淋头还可以应用于其他的需要利用喷淋头的化学气相沉积设备。
如图2所示，喷淋头100上形成有多个通孔101以及端口102，喷淋头100的一侧朝向石墨盘(未图示)和衬底，所述喷淋头100的另一侧与反应气体管路相连接，所述通孔101用于通入反应气体。所述通孔101形状、尺寸和排布与现有技术相同，在此不作详细的说明。
请结合图3所示，图3为图2沿AA的剖面结构示意图，端口102包括形成在喷淋头100内的端口开口以及向喷淋头100的远离石墨盘200一侧的端口延伸部。参考图3并结合图2，端口开口贯穿喷淋头100，所述端口开口与通孔101平行。所述端口延伸部用于支撑和固定窗口透明板103。作为一个实施例，所述端口延伸部可以与喷淋头100结合为一体，即采用一体化成型的方式加工而成，这样简化喷淋头100的制作流程；作为本发明的又一实施例，所述端口延伸部还可以与喷淋头100分别制作，然后利用螺丝螺母等连接在一起。所述端口延伸部的材质可以与喷淋头100相同或不同，本实施例中，所述端口延伸部的材质与喷淋头100的材质相同。
所述端口延伸部与窗口透明板103相连接，作为一个实施例，所述端口延伸部通过环形法兰109与端口延伸部相连接。为了保证光学信号能够通过窗口透明板103，窗口透明板103的材质应为透明耐热材质，比如所述窗口透明板103的材质可以为蓝宝石、石英等。所述窗口透明板103可以作为观察或测试通道。
作为本发明的一个实施例，所述窗口透明板103作为观察通道，本领域技术人员可以通过该窗口透明板103作为观察通道，通过该窗口透明板103对化学气相沉积工艺进行监控，观察石墨盘200上放置的衬底(未图示)的翘曲变形等情况。作为可选的实施例，所述窗口透明板103还具有与之相对应的顶盖，在需要观察的时候，该顶盖打开，本领域技术人员可以透过窗口透明板103对衬底进行观察，在不需要观察的时候，顶盖可以关闭。
作为本发明的又一实施例，所述窗口透明板103作为测试通道，通过所述窗口透明板103对化学气相沉积工艺进行监控，本领域技术人员可以将利用该窗口透明板作为测试信号的通道，对衬底上形成的外延材料层的生长速率、厚度、粗糙度、均匀度、组分、翘曲度、反射率和温度等参数中的一个或多个进行测试。所述测试信号可以为光学信号。
由于在喷淋头100中设置端口102，所述端口102的面积(本发明中所述的端口的面积是指端口的位于喷淋头内的端口开口的面积)不宜过大，以免影响整个喷淋头的气流分布。作为一个实施例，所述端口102的面积应为通孔101的面积的1～20倍，例如所述端口102的面积可以为通孔101的面积的3倍、5倍、10倍甚至20倍，本领域技术人员可以根据实际需要进行具体的选择和设置。所述端口102的位置、通孔101的大小、数目和分布不限于本实施例所示，在实际中可以根据需要进行具体的选择和设置。
由于在喷淋头上设置了端口102，来自通孔101的反应气体可能会扩散至端口102内，并且在窗口透明板103上物理沉积或者发生化学反应后沉积于窗口透明板103上，这会造成窗口透明板103的光学透过率下降，因而会影响观察或测试的准确度。
因此，作为本发明的可选的实施例，在所述窗口透明板103与端口102之间通入吹扫气体，所述吹扫气体用于防止喷淋头100与石墨盘200之间的反应气体进入端口102。所述吹扫气体可以为氮气、氢气或两者的混合。
请参考图3，氮气自第一气体源1081经过第一管路1081流入端口102的端口延伸部，并且经过端口延伸部流向喷淋头100的端口开口，氢气自第二气体源1082经过第二管路1092流向端口102的端口延伸部，并且经过端口延伸部流向喷淋头100的端口开口。作为进一步优化的实施例，所述第一管路1081和第二管路1082上还可以设置气体流量/压力检测单元和对应的气体流量控制单元，用于对流向端口102的吹扫气体的流量和组成进行控制。所述气体流量/压力检测单元可以为质量流量控制器(MFC)和/或压力控制器(PC)。在实际中，根据需要，为了简化MOCVD的气体系统，可以仅有设置单一的氮气或氢气的气体源，通过气体管道，向端口102提供氮气或氢气。
由于喷淋头100上设置了端口102，且端口102中通入了吹扫气体，吹扫气体的材质与通孔101中的反应气体的材质不同，这样会造成喷淋头100的朝向石墨盘200的一侧的端口102和通孔101处的反应气体的分布不均匀，从而可能会造成石墨盘200上的浓度分布不均匀，最终导致石墨盘200上放置的衬底上形成的外延材料层的厚度不均匀，也会导致外延材料层的组分不均匀而无法满足应用的要求。
为了解决上述问题，发明人提出在端口102中额外通入反应气体，以弥补端口102处的反应气体的浓度不均匀的问题。以形成金属氮化物的MOCVD工艺为例，通常需要氨气和MO源的混合作为反应气体，并且氨气的含量通常远远大于MO源的含量(氨气与MO源的摩尔比大于1000∶1)，对石墨盘200上方的化学反应的气体环境影响较大。因此，本发明额外在端口102中通入了氨气，以弥补端口102中的氨气的分布不均匀的问题。结合图3，氨气自第三气体源1083经过第三管路1093流向端口102。作为可选的实施例，所述第三管路1093上还可以设置气体流量/压力检测单元和对应的气体流量控制单元，用于对流向端口102的反应气体的流量和组成进行控制。所述气体流量/压力检测单元可以为质量流量控制器(MFC)和/或压力控制器(PC)。由于在端口102中额外通入了氨气，从而对端口102处的反应气体进行补充，使得整个喷淋头的气体分布更加均匀，使得所述端口处的反应气体的组分、流量密度与所述通孔处的反应气体的组分、流量密度一致。
请继续参考图3，所述窗口透明板103用于原位测试装置107的光学测试信号，光学信号经过窗口透明板103和端口照射到放置于石墨盘200上的衬底表面，对衬底表面的外延材料层的特性参数进行测试。
综上，本发明在喷淋头上设置窗口透明板，所述窗口透明板作为观察通道或测试通道，这样本领域技术人员可以通过所述窗口透明板对化学气相沉积工艺进行监控，为了防止反应气体经过端口并且在窗口透明板上发生化学反应或物理沉积，本发明在端口与窗口透明板之间通入吹扫气体，防止窗口透明板的光学透过率下降，从而保证观察或测试的准确度；
进一步优化地，所述端口与窗口透明板之间还通入了反应气体，从而使得在进行化学气相沉积工艺时断口处的气体环境，所述端口处的反应气体的组分、流量密度与所述通孔处的反应气体的组分、流量密度一致，从而改善了喷淋头表面的反应气体的分布的均匀性，提高了外延材料层的组分、厚度和性能的均匀性。
虽然本发明己以较佳实施例披露如上，但本发明并非限定于此。任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，均可作各种更动与修改，因此本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。

Claims (10)

1.一种用于化学气相沉积工艺的喷淋头，用于向衬底提供反应气体，其特征在于，所述喷淋头具有端口，所述端口具有与之对应设置的窗口透明板，所述窗口透明板作为观察通道或测试通道，通过所述窗口透明板对化学气相沉积工艺进行监控，所述窗口透明板与端口之间通有吹扫气体，所述吹扫气体用于防止反应气体在窗口透明板上发生化学反应或物理沉积。
2.如权利要求1所述的喷淋头，其特征在于，所述吹扫气体为氮气、氢气或两者的混合。
3.如权利要求1所述的喷淋头，其特征在于，所述喷淋头上还具有通孔，所述窗口透明板与端口之间还通有反应气体，使得所述端口处的反应气体的组分、流量密度与所述通孔处的反应气体的组分、流量密度一致。
4.如权利要求3所述的喷淋头，其特征在于，所述喷淋头应用于MOCVD工艺，所述反应气体为氨气。
5.如权利要求3所述的喷淋头，其特征在于，所述端口的面积为所述通孔面积的1～20倍。
6.如权利要求1所述的喷淋头，其特征在于，所述窗口透明板用于使得原位测试装置的光学信号通过，所述原位测试装置用于测试的参数包括衬底上的外延材料层的生长速率、厚度、粗糙度、组分、温度、反射率、翘曲度中的一个或多个。
7.一种改善化学气相沉积工艺的均匀性的方法，所述化学气相沉积工艺利用具有端口、通孔的喷淋头进行，且所述端口具有与之对应设置的窗口透明板，所述窗口透明板作为观察通道或测试通道，其特征在于，在进行化学气相沉积工艺时，在所述窗口透明板和端口之间通入吹扫气体和反应气体，所述端口处的反应气体的组分、流量密度与通孔处的反应气体的组分、流量密度一致。
8.如权利要求7所述的改善化学气相沉积工艺的均匀性的方法，其特征在于，所述喷淋头应用于MOCVD工艺，所述吹扫气体为氮气、氢气或者两者的混合，所述反应气体为氨气。
9.如权利要求7所述的改善化学气相沉积工艺的均匀性的方法，其特征在于，将所述窗口透明板用于使得原位测试装置的光学信号通过，所述原位测试装置用于测试的参数包括衬底上的外延材料层的生长速率、厚度、粗糙度、组分、温度、反射率、翘曲度中的一个或多个。
10.如权利要求7所述的改善化学气相沉积工艺的均匀性的方法，其特征在于，所述反应气体和吹扫气体的流量可调节。
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