CN103243311A - 一种垂直进气和水平进气在基片表面正交的气体输运反应腔体 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种垂直进气和水平进气在基片表面正交的气体输运反应腔体，包括反应腔体上盖、位于反应腔体下部的托盘、加热器以及进气口和出气口，所述出气口位于反应腔体上盖和托盘之间；所述反应腔体上盖的上腔壁设置为斜角；所述托盘上放置基片；所述反应腔体上盖上设置有水平进气口和垂直进气口，所述水平进气口分三层平行进入，所述垂直进气口呈圆形间隔均匀分布，通过调节水平方向上的水平进气口和垂直方向上的垂直进气口的气体进口气量、压强、速率，达到基片上的反应物气源均匀性程度。本发明通过垂直进气和水平进气相结合，在上腔壁采用斜角倾斜设计,使得源气体得到充分混合，反应速率得到提高，反应物浓度从边缘到中心得到均匀分布。

Description

一种垂直进气和水平进气在基片表面正交的气体输运反应腔体

 

技术领域

本发明涉及一种半导体薄膜沉积设备，更具体的说，涉及一种垂直进气和水平进气在衬底表面正交的气体输运MOCVD反应腔体。

 

背景技术

金属有机化学气相沉积，即MOCVD（Metalorganic Chemical Vapor Deposition）,是制备化合物半导体薄膜的一项关键技术。它利用较易挥发的有机物如Ga(CH3)3等作为较难挥发的金属原子的源反应物，通过载气携带到反应器内，与NH3、AsH3等氢化物发生反应，在加热的基片上生成GaN、GaAs等薄膜，用于微电子或光电器件。MOCVD反应器一般包括反应室、加热器以及进气口和出气口。根据主气流相对与基片的流动方向，MOCVD反应器主要分为两大类：㈠主气流沿平行于基片的水平方向上流动的水平式反应器；㈡主气流沿垂直于基片方向上且垂直冲击基片的称为垂直式反应器。现代的商用MOCVD反应器两大供应商Aixtron的行星式系统和Showerhead系统、Veeco的TurboDisc系统分别是从水平式和垂直式反应器演化而来。

薄膜制备的重要指标之一就是其厚度和组分的均匀性。在MOCVD技术中要生长出厚度和组分均匀的大面积薄膜材料，到达基片的反应物浓度和速率应尽可能均匀一致，这就要求基片表面附近存在均匀分层的流场、温场和浓度场，基片上反应处于层流区，无任何形式的涡流，存在大的温度梯度，新鲜的反应物应能够同时到达基片上方各点。

在水平式反应器中反应气体从基片的一侧流向另一侧，这种反应器结构简单容易造成薄膜厚度前后不均匀，而且气体浓度梯度大，一般基片小不能同时沉积多片；在垂直式反应器中托盘要高速旋转才能在基片上方各点得到较均匀的反应物浓度供给，但这种高速旋转另一方面又在离心力的作用下气体不断沿径向被抛出托盘的边缘，这样源气体的消耗量较大，源气体利用率非常低。轴心高速旋转务必加大了反应器密封和控制的难度。

 

发明内容

本发明针对上述现有技术中存在的技术问题，提供一种垂直进气和水平进气在基片表面正交的气体输运反应腔体，通过垂直进气和水平进气相结合，在上腔壁采用斜角倾斜设计, 使得传统的反应腔体气体的消耗量大、源气体利用率非常低的缺陷得到明显改善；源气体得到充分混合反应速率得到提高；水平方向上和垂直方向上源气体相互互补，反应物浓度从边缘到中心得到均匀分布。

为达到上述目的，本发明所采用的技术方案如下：

一种垂直进气和水平进气在基片表面正交的气体输运反应腔体，包括反应腔体上盖、位于反应腔体下部的托盘、加热器以及进气口和出气口，所述出气口位于反应腔体上盖和托盘之间；所述反应腔体上盖的上腔壁设置为斜角；所述托盘上放置基片；所述反应腔体上盖上设置有水平进气口和垂直进气口，所述水平进气口分三层平行进入，所述垂直进气口呈圆形间隔均匀分布，通过调节水平方向上的水平进气口和垂直方向上的垂直进气口的气体进口气量、压强、速率，达到基片上的反应物气源均匀性程度。

所述反应腔体上盖上腔壁采用斜角10°<γ<35°的倾斜。

本发明技术方案，采用气体输运反应腔体通过垂直进气和水平进气相结合，上腔壁采用斜角倾斜设计，通过托盘的旋转使气体在反应室内发生人工可控的螺旋流，反应腔体内气体在水平方向上逐渐发生旋转和加速，在垂直方向上气体的推力作用下，水平方向上的气体的利用率得到提高，反应速率得到提高。水平方向上和垂直方向上源气体相互互补，使反应物浓度从边缘到中心均匀分布。

 

附图说明

图1是本发明所提供的反应腔体主视图；

图2是本发明所提供的反应腔体上盖仰视图。

 

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明技术方案作详细说明：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但

本发明的保护范围不限于下述的实施例。

参见图1、图2，本实施例中提供一种垂直进气和水平进气在基片表面正交的气体输运反应腔体，包括：金属有机物气源（MO源）的进口1a，2a、氢化物气源（hydride）的进口1b，2b、反应腔体上盖3、基片4、托盘5、圆柱形反应腔体6、反应腔体尾气排放示意7、氢化物气源示意8、金属有机物气源示意9。

不同的气体沿水平方向同时进入圆柱形反应腔体6中，Ⅲ族气体金属有机物气源（MO源）从1a进口通入，Ⅴ族气体氢化物气源（hydride）从1b进口通入，在托盘5和基片4上方达到充分混合并被加热，同时发生化学反应，最终完成在基片4上的薄膜沉积。

在反应腔体上盖3上，金属有机物气源（MO源）从进口2a通入，氢化物气源（hydride）从进口2b通入。进口2a和2b在反应腔体上盖3上呈间隔均匀状分布，进口2a、2b在反应腔体上盖3上垂直通入圆柱形反应腔体6中，如图2所示。反应腔体上盖3上腔壁采用斜角γ（10°<γ<35°）倾斜设计，如图1所示。

该反应腔体工作时，反应气体从进口1a、1b从水平方向上注入圆柱形反应腔体6中，由于进气口采用三层同心圆结构，如图1所示氢化物气源示意8、金属有机物气源示意9，中间为金属有机物气源，上下两层为氢化物气源，在垂直方向上的金属有机物气源（MO源）进口2a和氢化物气源（hydride）进口2b垂直的推力作用下，水平方向上的气体的利用率得到提高，反应速率得到提高，气体混合的均匀性得到提高。

在水平方向上存在气源的浓度梯度，金属有机物气源（MO源）从进口1a通入，氢化物气源（hydride）从进口1b通入后在水平方向上存在浓度梯度问题：反应物气源浓度从托盘5中心到边缘不断减少的梯度分布，为此在垂直方向上用同样的反应气体来补充上述浓度梯度，金属有机物气源（MO源）从进口2a通入，氢化物气源（hydride）从进口2b通入且反应腔体上盖3上腔壁采用斜角γ（10°<γ<35°）倾斜设计，使得反应物浓度从托盘中心到边缘反应物气源浓度不断增加的梯度分布。通过调节进口1a，1b和进口2a、2b的气体进口气量、压强、速率来达到基片4上的反应物气源均匀分布。

圆柱形反应腔体6中反应物在基片4上沉积后尾气通过托盘5旋转的离心力的作用下，通过如图1所示的反应腔体尾气排放示意7的出气口位置排放。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明

的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种垂直进气和水平进气在基片表面正交的气体输运反应腔体，包括反应腔体上盖、位于反应腔体下部的托盘、加热器以及进气口和出气口，其特征在于，所述出气口位于反应腔体上盖和托盘之间；所述反应腔体上盖的上腔壁设置为斜角；所述托盘上放置基片；所述反应腔体上盖上设置有水平进气口和垂直进气口，所述水平进气口分三层平行进入，所述垂直进气口呈圆形间隔均匀分布，通过调节水平方向上的水平进气口和垂直方向上的垂直进气口的气体进口气量、压强、速率，达到基片上的反应物气源均匀性程度。

2.根据权利要求1所述的垂直进气和水平进气在基片表面正交的气体输运反应腔体，其特征在于，所述反应腔体上盖上腔壁采用斜角10°<γ<35°的倾斜。

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