CN103305907A

CN103305907A - 用于外延沉积的反应腔

Info

Publication number: CN103305907A
Application number: CN2013102346279A
Authority: CN
Inventors: 田益西; 黄允文
Original assignee: Light Base Photoelectric Technology (shanghai) Co Ltd
Current assignee: Light Base Photoelectric Technology (shanghai) Co Ltd
Priority date: 2013-06-14
Filing date: 2013-06-14
Publication date: 2013-09-18

Abstract

本发明提供一种外延沉积的反应腔，腔体，所述腔体包括顶盖、第一侧壁和底壁，所述顶盖与所述底壁相对设置，所述顶盖、所述第一侧壁和所述底壁围成所述腔体；以及装设于所述腔体底部的衬底支承座；还包括设置于所述腔体所围成的空间内，并与所述衬底支承座相对设置的喷淋装置，所述喷淋装置与衬底支承座间区域限定反应区；所述喷淋装置与所述腔体之间通过一连接件相接，用于使所述喷淋装置悬于所述腔体所围成的空间内。本发明实现了喷淋装置悬挂于腔体的反应区内，减少与腔体直接进行热传递，实现喷淋装置出气面温度可控制提升，有效减少疏松沉积物的形成或脱落，提高衬底的制作质量和反应腔的工作稳定性。

Description

用于外延沉积的反应腔

技术领域

本发明涉及半导体制备技术，尤其是涉及金属有机化学气相沉积(MOCVD)设备的改进。

背景技术

现有的MOCVD设备中，其反应腔结构如图1所示，包括顶部设有第一敞口116的腔体110、装设于所述腔体110内的加热器113、以及装设于所述第一敞口116上的喷淋装置130，所述喷淋装置130通过一密封组件150与所述腔体110连接并围合成密闭的反应区112。衬底托盘114装设于所述腔体110内，与所述喷淋装置130相对设置。

喷淋装置130包括上下层叠的III族扩散腔131、V族扩散腔132以及设置于所述V族扩散腔132底部的冷却腔133；所述III族扩散腔131、V族扩散腔132分别与所述III族源进气通道135、V族源进气通道136连通，用于往所述III族扩散腔131、V族扩散腔132输入反应气体；

所述III族扩散腔131通过其底部设置的若干条流道134穿过所述V族扩散腔132、所述水冷却腔133与所述反应区112连通，用于将III族扩散腔131中的反应气体输送到所述反应区112中反应；所述V族扩散腔132通过其底部设置的若干条流道134穿过所述冷却腔133与所述反应区112连通，用于将V族扩散腔132中的反应气体输送到所述反应区112中反应。

由于喷淋装置130自身没有加温装置，从喷淋装置130中输出的反应气体依靠反应区112内的加热器113提供热量而受热分解，进而发生化学反应并沉积在衬底上。

现有反应腔结构有几种弊端：

1、目前的喷淋装置难以实现完全的冷壁反应，一些从喷淋装置底面喷出的反应气体分解不完全，并以疏松沉积物沉积在喷淋装置底面，反应过程中这些沉积物会掉落在衬底上，影响最终产品质量。因此，希望通过提高现有喷淋装置底面的温度，以使得沉积在喷淋装置底面的物质形成致密的薄膜。

2、喷淋装置与腔体是直接通过密封组件(通常为硅胶圈)密封的，若单方面提高喷淋装置自身温度(例如在200℃以上)，密封组件难以承受高温会导致性能变差，使得反应气体会泄漏。

发明内容

为解决上述问题，本发明提供一种用于外延沉积的反应腔，其包括：

腔体，所述腔体包括顶盖、第一侧壁和底壁，所述顶盖与所述底壁相对设置，所述顶盖、所述第一侧壁和所述底壁围成所述腔体；以及

装设于所述腔体底部的衬底支承座；

还包括设置于所述腔体所围成的空间内，并与所述衬底支承座相对设置的喷淋装置，所述喷淋装置与衬底支承座间区域限定反应区；所述喷淋装置与所述腔体之间通过一连接件相接，用于使所述喷淋装置悬于所述腔体所围成的空间内。

优选地，所述顶盖通过一密封组件与所述第一侧壁连接，所述密封组件用于辅助所述顶盖及所述第一侧壁形成密闭的腔体；所述喷淋装置悬置于所述顶盖与衬底支承座之间，且所述喷淋装置与所述密封组件之间具有间隔。

优选地，所述顶盖往下延伸一第二侧壁，与所述第一侧壁顶部对应；所述密封组件设于所述第二侧壁与第一侧壁之间。

优选地，所述喷淋装置通过所述连接件与所述顶盖的顶壁连接，用于使所述喷淋装置悬挂于所述衬底支承座上方。

优选地，所述喷淋装置通过所述连接件与所述第一侧壁连接，用于支撑所述喷淋装置悬所述衬底支承座上方。

优选地，所述喷淋装置通过所述连接件与所述第二侧壁连接，用于支撑所述喷淋装置悬于所述衬底支承座上方。

优选地，所述喷淋装置还设有温控装置，用于监测和控制所述喷淋装置温度。

优选地，所述温控装置包括温度探测器以及围绕所述喷淋装置设置的电热丝。

优选地，所述温控装置包括设置在喷淋装置上的油冷却腔，所述油冷却腔用于冷却喷淋装置。

优选地，所述腔体还包括设于所述顶盖上的吹气通道，用于防止反应气体进入所述顶盖与所述喷淋装置之间的空隙。

优选地，所述喷淋装置包括上下层叠的III族扩散腔、V族扩散腔；所述III族扩散腔、V族扩散腔分别与设置于所述顶盖上的III族源进气通道、V族源进气通道连通，用于往所述III族扩散腔、V族扩散腔输入反应气体；

所述III族扩散腔的底部设有若干条III族流道，所述III族流道穿过所述V族扩散腔与所述反应区连通，用于将III族扩散腔中的反应气体输送到所述反应区中反应；所述V族扩散腔的底部设有若干条V族流道，所述V族流道与所述反应区连通，用于将V族扩散腔中的反应气体输送到所述反应区中反应。

优选地，所述喷淋装置的喷淋面积不小于所述衬底托盘的面积，用于使从喷淋装置喷出的反应气体能完全覆盖置于所述衬底托盘上的衬底。

优选地，所述顶盖和/或第一侧壁和/或底壁上设有冷却槽，用于通入冷却水调节所述腔体温度；所述密封组件为硅胶圈。

有益效果：

本发明通过引入连接件，使喷淋装置悬挂于腔体的顶盖和衬底支承座之间，一方面，使喷淋装置与腔体存在一定距离，喷淋装置的热量不会直接传导到腔体以及用于密封腔体的密封组件上，这样用于密封腔体的密封组件不会因过热而性能下降。另外一方面，在喷淋装置装设温控装置，使喷淋装置出气面的温度升高，由于规避了密封组件的影响因素，出气面的温度可以大大提升，例如高于200℃。提高了出气面的温度，则能使反应气体在较高温度的出气面以致密沉积膜沉积，避免因脱离而污染衬底的问题。本发明实现了喷淋装置悬挂于腔体所围成的空间内，减少与腔体直接进行热传递，实现喷淋装置出气面温度可控制提升，有效减少疏松沉积物的形成或脱落，提高衬底的制作质量和反应腔的工作稳定性。

附图说明

图1是现有的MOCVD反应腔结构示意图。

图2是本发明实施例1的MOCVD反应腔结构示意图。

图3是本发明实施例2的MOCVD反应腔结构示意图。

图4是本发明实施例3的MOCVD反应腔结构示意图。

图5是本发明实施例4的MOCVD反应腔结构示意图。

图6是本发明实施例4另一MOCVD反应腔结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明实施例作详细说明。

实施例1

如图2所示，本实施例的这种用于外延沉积的MOCVD反应腔，包括：

腔体10，所述腔体10包括顶盖11、第一侧壁16、底壁17，所述顶盖11对应设于所述第一侧壁16上方，且与所述底壁17相对设置。所述顶盖11、所述第一侧壁16和所述底壁17围成所述腔体10。所述顶盖11通过一密封组件50与所述第一侧壁16连接，用于辅助所述顶盖11与所述第一侧壁16之间形成密封连接。所述腔体10内部，例如在顶盖11、第一侧壁16、底壁17内部设有冷却槽18，用于通入冷却水调节所述腔体10整体温度。

衬底支承座15，装设于所述腔体10底部，该衬底支承座15包括加热器13；以及与加热器13对应的衬底托盘14。

还包括设置于所述腔体10所围成的空间内，并与所述衬底支承座15相对设置的喷淋装置30，所述喷淋装置30与衬底支承座15之间限定了反应区12。所述喷淋装置30与所述腔体10之间通过一连接件21相接，用于使所述喷淋装置30悬于所述腔体10内。如图2所示，喷淋装置30通过横截面为“L”型连接件21与顶盖11连接。该“L”型的连接件21具有一体成型水平部21a和竖直部21b，水平部21a与所述喷淋装置30底部连接，用于支撑所述喷淋装置30，并使所述喷淋装置30的出气面与衬底托盘14对应。竖直部21b两端则分别与所述水平部21a和顶盖11连接。连接件21使得喷淋装置30悬挂于所述顶盖11及所述衬底支承座15之间。所述喷淋装置30用于向设置在衬底托盘14上的衬底(图中未示出)输出反应气体。

连接件21的材料可以采用隔热材料，如耐高温陶瓷等。连接件21的设置使得喷淋装置30与腔体10不直接相连，这样喷淋装置30与密封组件50的距离拉大，即使喷淋装置30被加热到较高温度也不至于使密封组件50温度过高。

进一步地，所述喷淋装置30包括从上下层叠的III族扩散腔31、V族扩散腔32。且所述III族扩散腔31位于所述V族扩散腔32离于所述衬底托盘14的一侧。所述III族扩散腔31、V族扩散腔32分别与设置于所述顶盖11上的III族源进气通道35、V族源进气通道连通36，用于往所述III族扩散腔、V族扩散腔输入反应气体。

所述III族扩散腔31的底部设有若干条III族流道33，所述III族流道33穿过所述V族扩散腔32与所述反应区12连通，用于将III族扩散腔32中的反应气体输送到所述反应区12中反应；所述V族扩散腔32的底部设有若干条V族流道34，所述V族流道34与所述反应区12连通，用于将V族扩散腔34中的反应气体输送到所述反应区12中进行反应。

进一步的，所述喷淋装置30还包括温控装置40，例如所述温控装置包括：温度探测器41以及围绕所述喷淋装置30侧壁设置的电热丝42，优选地，相对所述喷淋装置的顶面，所述电热丝42更靠近喷淋装置30出气面(即所述喷淋装置30面向所述衬底托盘14的表面)设置，用于更有效地控制该底面的温度。温度探测器41可监控喷淋装置30的实时温度，用以及时调整电热丝42的工作功率。

为进一步提高出气面温度的可控性，所述温控装置40还可以包括油冷却腔43，可用于冷却喷淋装置30。该油冷却腔43优选靠近喷淋装置30的出气面装设，例如可设置在喷淋装置30的V族扩散腔32下方。同时III族流道33、V族流道34往衬底托盘15方向延伸，并穿过所述油冷却腔43到达反应区12，使得III族扩散腔31、V族扩散腔32分别与所述反应区12连通。该油冷却腔43内有油(图中未示出)流动，由于油可以在较大的温度范围(如在200～800℃之间)保持液态，能在较宽的范围内调节喷淋装置30出气面温度。

进一步地，装设有油冷却腔43的喷淋装置30，油冷却腔43底面为喷淋面，即III族流道33、V族流道34出口均设置于油冷却腔43底部，因此该连接件21需要避开III族流道33、V族流道34设置，且保证所述喷淋装置30的喷淋面积不小于所述衬底托盘14的面积，使反应气体的喷淋面积能覆盖衬底托盘14上的所有衬底。

优选地，所述顶盖11还包括吹扫气通道37，用于往位于所述反应区12顶部的，所述顶盖11与喷淋装置30之间的区域输入吹扫气体，例如，氮气。由于喷淋装置30是悬挂于所述反应区12上空，往衬底喷出的反应气体若被反弹，容易流向喷淋装置30与顶盖11之间的空隙中沉积，形成疏松沉积物。所述疏松沉积物容易脱落造成灰尘，污染衬底；且更不利于成本节约和资源有效利用。因此，在喷淋装置30正上方的顶盖11上布设吹扫气体通道37，防止反应气体进入喷淋装置30与顶盖11之间的空隙。

优选地，本实施例的密封组件50为硅胶圈。硅胶圈设置在顶盖11与第一侧壁16之间，所述顶盖11与所述第一侧壁16相互压合时使所述硅胶圈弹性形变保持所述反应区12的密闭效果。由于所述喷淋装置30悬置于腔体10所围成的空间内，所述喷淋装置30与密封组件50之间进行了有效的热量隔离，防止由于喷淋装置30的热量对腔体10的密封组件的密封效果和寿命产生影响。

现有技术的喷淋装置30在工作时，从其出气面喷出的反应气体，到达所述衬底托盘14上的衬底(图中未示出)表面后，一些未能沉积到衬底的反应气体被回弹到出气面。此时，若出气面温度较低，反应气体会反应并在所述出气面沉积形成疏松的沉积物，导致这些疏松沉积物容易脱落而污染沉积。另一方面，由于现有喷淋装置30采用水冷却腔控制出气面的温度不大于100℃，而衬底支承座15工作温度可高达800℃，造成出气面与衬底表面的温度差非常大，更进一步促使反应气体反弹。

本实施例中，通过引入连接件21，使喷淋装置30悬挂于腔体10的顶盖11和衬底支承座15之间，一方面，使喷淋装置30与腔体10存在一定距离，喷淋装置30的热量不会直接传导到腔体10以及用于密封腔体的密封组件50上，这样用于密封腔体的密封组件50不会因过热而性能下降。另外一方面，在喷淋装置30装设温控装置40，使喷淋装置30出气面的温度升高，由于规避了密封组件50的影响因素，出气面的温度可以大大提升，例如高于200℃。提高了出气面的温度，则能使反应气体在较高温度的出气面以致密沉积膜沉积，避免因脱离而污染衬底的问题。本发明实现了喷淋装置30悬挂于腔体10的反应区12内，减少与腔体10直接进行热传递，实现喷淋装置30出气面温度可控制提升，有效减少疏松沉积物的形成或脱落，提高衬底的制作质量和反应腔的工作稳定性。

进一步的，本实施例中在喷淋装置30引入温控装置40，电热丝42主要作用在于提高喷淋装置30出气温度，使反应气体从喷淋装置30输出后，一些未能沉积在衬底的反应气体，能在高温的喷淋装置30出气面以致密的沉积薄膜沉积在出气面上，而不会掉落反应区污染衬底。同时，由于出气面温度的提高，缩减了其与衬底表面的温度差，更进一步减少反应气体回弹的机会，从而提高产品质量。油冷却腔43内填充的冷却油，实现在较高的温度范围内调节喷淋装置30出气面的温度。

实施例2

本实施例与实施例1相比，如图3所示，不同的是连接件21截面为条形，即连接21只有水平部，且水平部一端设于喷淋装置30底部，另一端与第一侧壁16连接，使喷淋装置30与顶盖11独立分离，依靠与第一侧壁16连接悬于顶盖11与衬底支承座15之间。

实施例3

本实施例与实施例1相比，不同的是，如图4所示，所述顶盖11往下延伸一第二侧壁11a，与所述第一侧壁16顶部对应。整个顶盖11呈现倒扣的杯子状，并且与第一侧壁16的形状和尺寸配合，该第二侧壁11a与第一侧壁16共同构成腔体10的侧壁。本实施例通过在所述第二侧壁11a与第一侧壁16之间设置密封组件50，将第二侧壁11a与第一侧壁16连接，并且使得该腔体10围成一密封空间。类似地，“L”型的连接件21使喷淋装置30与顶盖11的内壁连接，使喷淋装置30悬挂于顶盖11内侧。

实施例4

本实施例是在实施例2、实施例3的基础上的变形或改进。例如，如图5所示，连接件21截面为条形，即连接件21只有水平部，由该连接件21一端连接于顶盖11的第二侧壁11a内侧，另一端设于喷淋装置30底部，实现将喷淋装置30悬于顶盖11内侧。这种结构的好处是，制作方便和节省材料，喷淋装置30可以与顶盖11嵌套为一个整体，喷淋装置30可以随着顶盖11方便移动。

又例如，如图6所示，类似地，也可以将连接件21装设在第一侧壁16内侧。

当然，本领域技术人员应该知道，连接件的结构还有多种变形，只要实现喷淋装置悬于顶盖与衬底支承座之间的结构，均能达到本发明的目的。例如在其他实施例中连接件还可以只有竖直部(图中未示出)，由竖直部一端直接焊接在喷淋装置顶部，另一端则焊接于顶盖底部，同样能实现使喷淋装置悬挂于顶盖与衬底支承座之间，更可以避免连接件遮盖III族流道、V族流道的问题。

尽管已经参照其示例性实施例具体显示和描述了本发明，但是本领域的技术人员应该理解，在不脱离权利要求所限定的本发明的精神和范围的情况下，可以对其进行形式和细节上的各种改变。

Claims

1.一种用于外延沉积的反应腔，其特征在于，包括：

装设于所述腔体底部的衬底支承座；

2.根据权利要求1所述的反应腔，其特征在于，所述顶盖通过一密封组件与所述第一侧壁连接，所述密封组件用于辅助所述顶盖及所述第一侧壁形成密闭的腔体；所述喷淋装置悬置于所述顶盖与衬底支承座之间，且所述喷淋装置与所述密封组件之间具有间隔。

3.根据权利要求2所述的反应腔，其特征在于，所述顶盖包括往下延伸一第二侧壁，与所述第一侧壁顶部对应；所述密封组件设于所述第二侧壁与第一侧壁之间。

4.根据权利要求2或3所述的反应腔，其特征在于，所述喷淋装置通过所述连接件与所述顶盖的顶壁连接，用于使所述喷淋装置悬挂于所述衬底支承座上方。

5.根据权利要求2或3所述的反应腔，其特征在于，所述喷淋装置通过所述连接件与所述第一侧壁连接，用于支撑所述喷淋装置悬于所述衬底支承座上方。

6.根据权利要求3所述的反应腔，其特征在于，所述喷淋装置通过所述连接件与所述第二侧壁连接，用于支撑所述喷淋装置悬于所述衬底支承座上方。

7.根据权利要求1或2所述的反应腔，其特征在于，所述喷淋装置还设有温控装置，用于监测和控制所述喷淋装置温度。

8.根据权利要求7所述的反应腔，其特征在于，所述温控装置包括温度探测器以及围绕所述喷淋装置设置的电热丝。

9.根据权利要求7所述的反应腔，其特征在于，所述温控装置包括设置在喷淋装置上的油冷却腔，所述油冷却腔用于冷却喷淋装置。

10.根据权利要求1或2所述的反应腔，其特征在于，所述腔体还包括设于所述顶盖上的吹气通道，用于防止反应气体进入所述顶盖与所述喷淋装置之间的空隙。

11.根据权利要求1或2所述的反应腔，其特征在于，所述喷淋装置包括上下层叠的III族扩散腔、V族扩散腔；所述III族扩散腔、V族扩散腔分别与设置于所述顶盖上的III族源进气通道、V族源进气通道连通，用于往所述III族扩散腔、V族扩散腔输入反应气体；

12.根据权利要求1或2所述的反应腔，其特征在于，所述喷淋装置的喷淋面积不小于所述衬底托盘的面积。

13.根据权利要求1所述的反应腔，其特征在于，所述顶盖和/或第一侧壁和/或底壁上设有冷却槽，用于通入冷却水调节所述腔体温度。