CN103320852A - 用于外延沉积的反应腔 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种用于外延沉积的反应腔,包括:顶部设有第一敞口的第一腔体;装设于所述第一腔体内的加热器;装设于所述加热器上方的衬底托盘;以及喷淋装置,所述喷淋装置装设于所述第一敞口上,用于与所述衬底托盘相互对应并限定喷淋装置与衬底托盘间的区域为反应区,喷淋装置往所述反应区内喷射反应气体;还包括第二腔体,所述第二腔体内形成一密闭空间,至少所述第一敞口和所述喷淋装置设置在所述第二腔体的密闭空间内。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。本发明实现了喷淋装置出气面温度提高且温度可控,提高衬底的制作质量和反应腔的工作稳定性。
Description
技术领域
本发明涉及半导体外延沉积技术,尤其是涉及金属有机化学气相沉淀(MOCVD)设备的改进结构。
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的第一腔体110、装设于所述第一腔体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与所述第一腔体110连接并围合成密闭的反应区112。衬底托盘114装设于所述第一腔体110内,与所述喷淋装置130相对设置。
所述喷淋装置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,影响最终的产品质量。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、喷淋装置与第一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,会使得反应腔中的反应气体泄露。
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,包括:
顶部设有第一敞口的第一腔体;
装设于所述第一腔体内的加热器;
装设与所述加热器上方的衬底托盘;
以及喷淋装置,所述喷淋装置装设于所述第一敞口上,用于与所述衬底托盘相互对应并限定喷淋装置与衬底托盘间的区域为反应区,喷淋装置往所述反应区内喷射反应气体;
还包括第二腔体,还包括第二腔体,所述第二腔体内形成一密闭空间,至少所述第一敞口和所述喷淋装置设置在所述第二腔体的密闭空间内。
优选地,所述喷淋装置还设有有温控装置,用于监测和控制所述喷淋装置温度。
优选地,所述第二腔体还包括保护气通道,用于往所述密闭空间内输入保护气体,用于往所述第二腔体的密闭空间内输入保护气体。
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第二腔体上的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,用于加热所述喷淋装置。
优选地,所述温控装置还包括油冷却腔,所述油冷却腔用于冷却喷淋装置。
优选地,所述第一腔体设于所述第二腔体的密封空间内。
优选地,所述第二腔体包括第二敞口,用于所述第一腔体通过所述第二敞口嵌套于所述第二腔体内。
有益效果:
本发明通过引入第二腔体,使喷淋装置、第一腔体的第一敞口置于所述第二腔体内所形成的密闭空间内,第一方面降低了喷淋装置与第一腔体之间连接处的密闭性要求,使得喷淋装置与第一腔体不需要通过密封组件(例如橡胶密封圈等)来保持高度的密封效果,避免了密封组件因受热过度而性能下降的问题。第二方面,通过在第二腔体的密闭空间内输入保护气体,使得喷淋装置及第一腔体围闭成的反应区外围保持一定气压,保证所述反应区相对稳定的真空反应环境,使得反应气体不会泄露。第三方面,由于不需要考虑温度对密封组件的影响,可提高喷淋装置的受热温度,从而使得反应气体在较高温度的喷淋装置出气面输出,一些未在衬底上沉积的反应气体则形成致密沉积物沉积在喷淋装置底面,避免掉落反应区中污染产品。本发明在喷淋装置上进一步的加装一温控装置,使得喷淋装置出气面温度可以调节。本发明实现了喷淋装置出气面的温度可控制提高,提高外延工艺的良率和反应腔室环境的稳定性。
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1的MOCVD反应腔中第二腔体的结构示意图。
图4是本发明实施例2的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:
顶部设有第一敞口16的第一腔体10;装设于所述第一腔体10底部的衬底托盘15,以及间隔设于衬底托盘15下方的加热器14;以及装设于所述第一敞口16上的喷淋装置30。所述喷淋装置30与所述衬底托盘15相对设置。所述喷淋装置30与衬底托盘15之间限定的区域为反应区12,所述喷淋装置30往所述反应区12内喷射反应气体。
所述喷淋装置30上还设有温控装置40,用于控制所述喷淋装置30温度。
所述MOCVD反应腔还包括第二腔体20。在本实施例中,请结合图3,该第二腔体包括顶壁28、与所述顶壁28相对设置的底壁24和和连接所述顶壁28与所述底壁24的侧壁25。所述底壁24上设置有第二敞口23。所述第一腔体10通过所述第二敞口23嵌套于所述第二腔体20内侧,所述第二腔体20与所述第一腔体10配合围成所述第二腔体20内的密闭空间22;所述喷淋装置30及第一敞口16则设于第二腔体20内的密闭空间22内,所述第一敞口16正对着所述顶壁28。优选地,所述第二腔体20的所述侧壁25上具有开口26及用于密封该开口26的挡片27。所述开口26用于从外界向所述第一腔体10内衬底托盘15上传输衬底或衬底承载器(图中未示出)。当需要向所述衬底托盘15传输衬底时,所述喷淋装置30与所述第一腔体10的第一敞口16分离,所述衬底托盘15暴露在第二腔体20的密闭空间22中,控制挡片27划开,机械手(图中未示出)可以通过所述开口26伸入都所述密闭空间22区域内并将衬底放置在所述衬底托盘15上。
进一步地,如图2所示,本实施例的喷淋装置30包括上下层叠的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分别与设置于所述第二腔体20顶壁28上的Ⅲ族源进气通道35、Ⅴ族源进气通道36连通,用于往所述Ⅲ族扩散腔31、Ⅴ族扩散腔32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,例如为三甲基镓,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,例如为氨气,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,例如该温控装置40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,电热丝42还可以靠近喷淋装置30的出气面(即所述喷淋装置30面向所述衬底托盘14的表面)的壁板内用于更有效地控制该出气面的温度。温度探测器41可监测喷淋装置30的实时温度,从而使得温控装置40能够及时调整电热丝42的工作功率。另一方面,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。
优选地,所述第二腔体20还包括保护气通道37,用于往所述密闭空间22内输入保护气体,使得喷淋装置30及第一腔体10所围闭成的反应区外周围保持一定气压,通过调节该密闭空间22气压,保证上述反应区相对稳定的真空反应环境,使得反应气体不会泄露。所述保护气体采用氮气,氢气或氦气。
在喷淋装置工作时,从其出气面喷出的反应气体,到达反应区衬底表面后,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,反应气体分解不完全,容易形成疏松的沉积物沉积在出气面上,导致这些疏松沉积物容易脱落而污染沉积。另一方面,由于现有喷淋装置采用水冷却腔控制出气面的温度不大于100℃,而衬底支承座工作温度可高达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。
本实施例喷淋装置30、第一腔体10的第一敞口16置于所述第二腔体20所形成的密闭空间22内,一方面降低了喷淋装置30与第一腔体10之间连接处的密闭性要求,使得喷淋装置30与第一腔体10不需要通过密封组件(例如橡胶密封圈等)来保持高度的密封效果,避免了密封组件因受热过度而性能下降的问题。往第二腔体的密闭空间内输入保护气体,使得喷淋装置及第一腔体10围闭成的反应区外围保持一定气压,保证所述反应区相对稳定的真空反应环境,使得反应气体不会泄露。由于不需要考虑温度对密封组件的影响,可提高喷淋装置30的受热温度。温控装置40的电热丝42发热提高喷淋装置30出气面的温度,可让出气面温度提高至200℃以上。使反应气体从喷淋装置30出气输出后,一些未能沉积在衬底的反应气体,能在高温的喷淋装置30出气面完全分解,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,从而提高产品质量。
实施例2
本实施例与实施例1所不同的是:请参阅图4,第二腔体20包括相对设置的顶壁28和底壁24,以及连接位于所述顶壁28与底壁24之间的侧壁25。所述顶壁28、底壁24和侧壁25共同围成一密闭空间22,并没有设敞口,其中,所述顶壁与所述侧壁25之间,所述底壁24与所述侧壁25之间可以焊接,通过连接元件,如通过螺钉等相互连接。所述第一腔体10及喷淋装置30则完全设置于该第二腔体20形成的密闭空间22内。其中,所述第一腔体10的底部设置在所述底壁24上。所述第一敞口16对着所述顶壁28。同样地,所述侧壁25上设有开口26及挡片27,用于机械臂取送衬底。
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 (8)
1.一种用于外延沉积的反应腔,包括:
顶部设有第一敞口的第一腔体;
装设于所述第一腔体内的加热器;
装设于所述加热器上方的衬底托盘;
以及喷淋装置,所述喷淋装置装设于所述第一敞口上,用于与所述衬底托盘相互对应并限定喷淋装置与衬底托盘间的区域为反应区,喷淋装置往所述反应区内喷射反应气体;
其特征在于,还包括第二腔体,所述第二腔体内形成一密闭空间,至少所述第一敞口和所述喷淋装置设置在所述第二腔体的密闭空间内。
2.根据权利要求1所述的反应腔,其特征在于,所述喷淋装置上还设有温控装置,用于监测和控制所述喷淋装置温度。
3.根据权利要求1所述的反应腔,其特征在于,还包括:保护气通道,用于往所述第二腔体的密闭空间内输入保护气体。
4.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Ⅲ族源进气通道、Ⅴ族源进气通道相连通,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。
5.根据权利要求2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,用于加热所述喷淋装置。
6.根据权利要求5所述的反应腔,其特征在于,所述温控装置还包括油冷却腔,所述油冷却腔用于冷却喷淋装置。
7.根据权利要求1所述的反应腔,其特征在于,所述第一腔体设于所述第二腔体的密封空间内。
8.根据权利要求1所述的反应腔,其特征在于,所述第二腔体包括第二敞口,用于所述第一腔体通过所述第二敞口嵌套于所述第二腔体内。
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
C06 | Publication | ||
PB01 | Publication | ||
C10 | Entry into substantive examination | ||
SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
C02 | Deemed withdrawal of patent application after publication (patent law 2001) | ||
WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |
Application publication date: 20130925 |