CN104264128B - 一种用于mocvd反应器的格栅式气体分布装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了用于MOCVD反应器的格栅式气体分布装置。所述格栅式气体分布装置具有三路单独进气气路，分别为含有第一反应物源材料的气路与含有第二反应物源材料的气路及载气气路。三路气体从格珊式的气体喷嘴进入反应室中，其中载气气路还具有一环形喷气口。其中载气气路形成隔离气帘将含有第一反应源的气体与含有第二反应源的气体隔开，环形的载气喷嘴将反应室内部空间与反应室壁隔开。本发明有效抑制了反应室内部反应物之间的预反应，并且能够减少反应室壁上沉积物的产生。从而提高了反应物源材料的利用率，并且将反应室内部清洗周期大大延长，提高了设备的利用率。

Description

一种用于MOCVD反应器的格栅式气体分布装置

技术领域

本发明涉及一种用于MOCVD反应器的格栅式气体分布装置，特别涉及一种用于MOCVD反应器的反应物源材料隔离的垂直格珊式气体喷淋头。

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，通过使含有Ⅱ族或Ⅲ族元素的金属有机物源（MO源）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源材料起化学反应的气体，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。

MOCVD反应室在制作Ⅲ族、Ⅴ族（或Ⅱ族、Ⅵ族）化合物半导体材料，特别是GaN材料方面表现出了优异的性能，目前在蓝光LED、白光LED方面得到了广泛的应用。但是相对制备GaN薄膜，现有的MOCVD在制作AlN/AlGaN薄膜材料时出现了反应物源材料预反应大，AlN/AlGaN薄膜晶体质量低，薄膜均匀性差，反应物源材料利用率低的现象。出现上述现象的原因是生长AlN/AlGaN材料时一般需要更高的温度（GaN最高1200℃，AlN最高1500℃），以满足生长高质量AlN/AlGaN材料的要求，在此工况下使用的MO源三甲基铝（TMAl）比生长GaN使用的MO源三甲基镓（TMGa）更容易与Ⅴ族源发生预反应，从而导致反应物在反应室壁上大量沉积、生长薄膜的质量下降、反应物源材料的利用率低下。

发明内容

为了克服反应物源材料之间预反应强烈及垂直式反应室壁上沉积物过多的问题，同时保证喷淋头制作简单方便，本发明旨在提供一种用于MOCVD反应器的隔离式气体分布装置，该气体分布装置能够有效抑制反应物源材料之间的预反应，实现生长高质量AlN/AlGaN薄膜的目的，同时能够大大减少垂直式反应室中反应区域外壁上沉积反应物的出现，延长反应室清洗周期，提高设备利用率。

为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：

一种用于MOCVD反应器的格栅式气体分布装置，其结构特点是，包括位于反应腔室上方、且正对于晶片的气体喷嘴板，位于气体喷嘴板上方的上盖板，及位于气体喷嘴板与上盖板之间的一块气体分布结构板或多块上下叠置的气体分布结构板；

所述气体喷嘴板上开有第一前体气体喷嘴通道、第二前体气体喷嘴通道、第一载气喷嘴通道和第二载气喷嘴通道；其中所述第一前体气体喷嘴通道和第二前体气体喷嘴通道之间由第一载气喷嘴通道隔开，使载气气路喷射出来的载气形成隔离气帘将第一前体气体与第二前体气体隔离开；所述反应室腔体与反应室壁之间由第二载气喷嘴通道隔开，使载气喷嘴喷射出来的载气形成隔离气帘将反应室内部空间与反应室壁隔离开；

所述第一前体气体喷嘴通道、第二前体气体喷嘴通道、第一载气喷嘴通道、第二载气喷嘴通道单独地通过设置在所述气体分布结构板和上盖板上的不同管路与相应的气源管路连通。

由此，本发明的用于MOCVD反应器的格栅式气体分布装置具有三路相互独立的进气气路，分别为第一前体气体气路、第二前体气体气路及载气气路；三路气体单独从格珊式气体分布装置中不同的气体喷嘴进入反应室中，其中载气气路还具有一环形喷气口。载气气路的格珊式喷嘴喷射出来的载气形成隔离气帘将第一前体气体与第二前体气体隔离开，环形的载气喷嘴喷射出来的载气形成将反应室内部空间与反应室壁隔开的气帘。

以下为本发明的进一步改进的技术方案：

优选地，所述上盖板底端面上开有凹槽，该凹槽与最上面的一块气体分布结构板之间形成第一路载气预分布腔；所述气体喷嘴板上分布有第二载气预分布腔。

作为一种优选的技术方案，所述气体分布结构板数量为两块，分别为第一气体分布板与第二气体分布板；所述第二气体分布板上分布有第一载气喷嘴通道与第二前体气体喷嘴通道，第二前体气体连接管道及第二前体气体分布通道；所述第二前体气体连接管道、第二前体气体分布通道、第二前体气体喷嘴通道依次连通；所述第一气体分布板上分布有第一载气喷嘴通道、第一前体气体喷嘴通道、第一前体气体连接管道、第一前体气体分布通道；所述第一前体气体连接管道、第一前体气体分布通道和第一前体气体喷嘴通道依次连通。

所述第一气体分布板与第二气体分布板上分布有相应的前体气体预分布腔，可以调整气流。更进一步地，所述前体气体预分布腔内分布有匀气挡板。

所述第一前体气体喷嘴通道、第二前体气体喷嘴通道及第一载气喷嘴通道相互平行。

所述第一前体气体喷嘴通道、第二前体气体喷嘴通道及第一载气喷嘴通道的形状为长条形狭缝或圆孔或六边形孔或方孔或上述长条形狭缝与上述孔的组合。

所述第一前体气体喷嘴通道喷射气体区域的宽度及长度的尺寸均对应小于与之相邻的第二前体气体喷嘴通道喷射气体区域的宽度及长度的尺寸；所述第一前体气体喷嘴通道喷射气体区域的长度小于与之相邻的第一载气喷嘴通道喷射气体区域的长度。

所述第二载气喷嘴通道位于反应室壁之内，该第二载气喷嘴通道的喷气口为圆环形狭缝，且位于第一载气喷嘴通道、第一前体气体喷嘴通道、第二前体气体喷嘴通道形成的区域之外。

为了更好地起到气帘的作用，所述第二载气喷嘴通道的喷气端为环形喷气口。

所述第一路载气预分布腔和第二载气预分布腔连通。

藉由上述结构，本发明中的上述结构通过不同的结构板组合在一起实现。最上层的结构板为气路、水路连接喷淋头的上盖板，正对晶片，处于气体分布装置最下层的结构板为喷嘴结构板，在上述上盖板与喷嘴结构板之间的是为各气路组成独立喷气管道的气路结构板。

本发明所述之喷嘴结构板上分布有第一前体气体、第二前体气体及载气喷嘴。在喷嘴结构板内部还分布有冷却液通道。

本发明所述之载气喷嘴分为两组，即第一载气喷嘴组与第二载气喷嘴组，每组都通过独立的气体管道与气源气路相连接。

本发明所述之载气气体的第一组气体喷嘴与第一前体气体喷嘴、第二前体气体喷嘴平行分布。第二载气喷嘴组为圆环形狭缝，其外径小于等于反应室壁的最小内径，其内径大于等于第一载气喷嘴组、第一前体气体喷嘴、第二前体气体喷嘴形成的区域之外径。第二载气喷嘴组与相对应的气源连接管道之间还分布有载气预分布腔。

优选的，本发明所述之载气预分布腔为两个相连的预分布腔。

优选的，连通第二载气喷嘴组与对应气源连接管道之间的通气孔错开分布。

优选的，本发明所述之第一前体气体喷嘴与第二前体气体喷嘴相互间隔分布。

优选的，本发明所述之冷却液通道分布于前体气体喷嘴通道侧面，其内部通有温度恒定的冷却液。

根据本发明之实施实例，气体分布装置由喷嘴结构板、第一气路结构板、第二气路结构板及上盖板组成。所述气体喷嘴板的第一载气喷嘴组、第二载气喷嘴组、第一前体气体喷嘴、第二前体气体喷嘴与反应室相连通。所述气体喷嘴板的下表面与晶片相对，其上表面为第一气路结构板，第一气路机构板上开有第一前体气体的预分布腔及将预分布腔与喷嘴相连的气体通道。第一气体分布板上还分布有载气气体喷嘴通道及第二前体气体喷嘴通道。

第二气路结构板与第一气路结构板的结构相类似，分布于第一气体结构板的上方。但是第二气体结构板上只分布有第二前体气体气路预分布腔、扩散通道及载气气体喷嘴通道，没有第一前体气体喷嘴通道。

上盖板分布于气体分布装置的最上方，其上分布有一凹形空腔，凹形空腔与第二气体结构板组合形成载气预分布腔。

根据本发明之实施实例，上述第一气体结构板、第二气体结构板、上盖板上还分布有气路管道、水路管道的安装通孔。

本发明所述之气体分布装置最适合用于具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。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明解决了在高温工艺下，第一前体气体与第二前体气体预反应过大的问题，即减少了反应物源材料的浪费，也为生长高质量AlN/AlGaN薄膜创造了良好条件，同时能够大大减少垂直式反应室中反应区域外壁上沉积反应物的出现，延长反应室清洗周期，提高设备利用率。

以下结合附图和实施例对本发明作进一步阐述。

附图说明

图1为使用本发明一种实施例的反应室的结构图；

图2为本发明一种实施例的组装图；

图3为本发明所述上盖板的结构示意图；

图4为本发明所述上盖板的局部结构放大示意图；

图5为本发明所述第二气体结构板的示意图；

图6为本发明所述第一气体结构板的示意图；

图7为本发明所述气体喷嘴板的结构示意图。

具体实施方式

图1所示为目前一种大量使用的MOCVD反应室1示意图。第一前体气体、第二前体气体、载气通过位于本发明的一个实施例（气体分布装置2）上方的连接管道8进入由反应室壁10围成的反应腔3，反应物源材料通过气体分布装置2进入反应室后通过扩散、输运等过程到达放置于载片盘上表面上的晶片4上，晶片4在位于载片盘下方加热装置7的作用下升到工艺温度，反应物源材料在晶片4表面经过一系列复杂的物理、化学反应后沉积得到所需要的薄膜材料，反应废弃物通过尾气出口9排出反应室。一般在工艺进行过程中，载片盘还会在支撑轴6的带动下旋转。

结合图1与图2，本发明所述之气体分布装置将使用从第一载气喷嘴通道403中喷射出的载气气体隔离开的第一前体气体（从喷嘴通道401中喷射进入反应室）、第二前体气体（从喷嘴通道402中喷射进入反应室）以相互间隔的方式喷射进入反应室，并将一路载气气体从气体分布装置2的第二载气喷嘴通道409喷射进入反应室1，将反应室壁10与反应室内部区域3隔离开。

如图2所示，本发明的气体分布装置由气体喷嘴板41,、第一气体分布板31、第二气体分布板21、上盖板11四块结构板组成。各结构板之间通过螺栓连接成为一个整体。

结合图2、图3、图4，上盖板11上主要分布有第一载气进气管道103，前体气体、冷却液管道的安装通孔102。上盖板11的下表面上还分布有两个半圆形的凹槽106，在106中还分布有载气匀气扩散通道104、载气通道108及安装在凹槽106中的匀气板105。第一路载气由管道103进入到气体分布装置2中，然后经匀气扩散通道104及载气通道108进入由凹槽106与匀气板105组成的匀气区域中，最后经匀气板105与上盖11所形成的狭缝107中喷射进入第一路载气预分布腔101。

所述上盖板11上分布有载气通道108，优选的，载气通道108的数量为2到12个。

所述匀气板与上盖板11之间形成狭缝107，优选的，狭缝107的宽度沿圆周方向尺寸相同。

所述上盖板11上分布有半圆形凹槽106，优选的，半圆形凹槽106成轴对称分布。

结合图2、图5，第二气体分布板21上分布有第一载气喷嘴通道204，第二前体气体连接管道205及第二前体气体预分布腔201及气体分布通道202，在预分布腔201中还分布有气体匀气挡板208。第二前体气体由第二前体气体连接管道205进入气体预分布腔室201，第二前体气体在匀气挡板208的作用下沿挡板往挡板两端扩散，最后通过第二前体气体分布通道202进入第二前体气体喷嘴通道203。第二前体气体上还分布有安装第一气体分布板与气体喷嘴板中的气体管道及冷却液管道通孔（部分未示出）。

所述第二气体分布板21上分布有第一载气喷嘴通道204与第二前体气体喷嘴通道203，优选的，第一载气喷嘴通道204与第二前体气体喷嘴通道203相互平行分布。

所述第二气体分布板21上分布有第二前体气体连接管道205、匀气挡板208，优选的，第二前体气体连接管道205、匀气挡板208成轴对称分布。

结合图2、图6，第一气体分布板31与上述第二气体分布板的结构类似；第一气体分布板31上分布有第一载气喷嘴通道304、第二前体气体喷嘴通道302、第一前体气体连接管道305、第一前体气体分布通道303及第一前体气体预分布腔301，在第一前体气体预分布腔301中还分布有气体匀气挡板306。第一前体气体由第一前体气体连接管道305进入气体预分布腔室301，第一前体气体在匀气挡板306的作用下沿挡板往挡板两端扩散，最后通过第一前体气体分布通道303进入第一前体气体喷嘴通道307。第一前体气体上还分布有安装气体喷嘴板中的气体管道及冷却液管道通孔308（部分未示出）。

所述第一气体分布板31上分布有第一载气喷嘴通道304、第二前体气体喷嘴通道302及第一前体气体喷嘴通道307，优选的，第一载气喷嘴通道304、第二前体气体喷嘴通道302及第一前体气体喷嘴通道307之间相互平行分布。

结合图2与图7，气体喷嘴板41上分布有第一前体气体喷嘴通道401、第二前体气体喷嘴通道402、第一载气气体通道403、第二载气气体连接管道408、第二载气气体预分布腔405，气体预分布腔405被挡板410分割成为两个或两个以上的单独腔室，各单独腔室通过挡板410上的通孔406、407连通。气体喷嘴板41上还分布有冷却液通道404、冷却液连接管道411，其中冷却液连接管道411分为进口与出口，冷却液通道404与冷却液连接管道411共同组成完整的冷却回路。第二载气气体通过第二载气气体连接管道408进入第二载气气体预分布腔405，第二载气气体经由气体挡板410上的通孔406、407经第二载气气体喷嘴409进入到反应室3中。

第一载气喷嘴通道204、304、403共同组成第一载气喷嘴，如前所述，第一载气由第一载气管道103进入第一载气预分布腔后，再由第一载气喷嘴喷射进入反应室3中。

第一前体气体喷嘴通道307、401共同组成第一前体气体喷嘴，如前所述，第一前体气体由管道305进入第一前体气体预分布腔后，再由第一前体气体喷嘴喷射进入反应室3中。

第二前体气体喷嘴通道203、302、402共同组成第二前体气体喷嘴，如前所述，第二前体气体由管道205进入第二前体气体预分布腔后，再由第二前体气体喷嘴喷射进入反应室3中。

所述气体喷嘴板41上分布有第一前体气体喷嘴通道401、第二前体气体喷嘴通道402，优选的，喷嘴通道401每个通道的宽度及长度方向的尺寸都小于与之相邻的气体喷嘴通道402的尺寸。

所述气体喷嘴板41上分布有第一载气喷嘴通道403、第一前体气体喷嘴通道401、第二前体气体喷嘴通道402，优选的，所述喷嘴通道以相互平行的方式分布。

所述气体喷嘴板41上分布有第二载气喷嘴409，优选的，所述喷嘴409的位置位于反应室壁之内、前体气体及第一载气气体形成的区域之外。

所述气体喷嘴板41上的各气体喷射面可以处于同一水平面上，也可以处于不同的水平面上。

上述实施例阐明的内容应当理解为这些实施例仅用于更清楚地说明本发明，而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。

Claims (6)

1.一种用于MOCVD反应器的格栅式气体分布装置，其特征在于，包括位于反应腔室（1）上方、且正对于晶片（4）的气体喷嘴板（41），位于气体喷嘴板（41）上方的上盖板（11），及位于气体喷嘴板（41）与上盖板（11）之间的多块上下叠置的气体分布结构板（21,31）；

所述气体喷嘴板（41）上开有第一前体气体喷嘴通道（401）、第二前体气体喷嘴通道（402）、第一载气喷嘴通道（403）和第二载气喷嘴通道（409）；其中所述第一前体气体喷嘴通道（401）和第二前体气体喷嘴通道（402）之间由第一载气喷嘴通道（403）隔开，使载气气路喷射出来的载气形成隔离气帘将第一前体气体与第二前体气体隔离开；所述反应室（3）腔体与反应室壁（10）之间由第二载气喷嘴通道（409）隔开，使载气喷嘴喷射出来的载气形成隔离气帘将反应室内部空间与反应室壁隔离开；

所述气体喷嘴板（41）上的第一前体气体喷嘴通道（401）、第二前体气体喷嘴通道（402）、第一载气喷嘴通道（403）、第二载气喷嘴通道（409）单独地通过设置在所述气体分布结构板（21,31）和上盖板（11）上的不同管路与相应的气源管路连通；

所述气体分布结构板数量为两块，分别为第一气体分布板（31）与第二气体分布板（21）；

所述第二气体分布板（21）上分布有第一载气喷嘴通道（204）与第二前体气体喷嘴通道（203），第二前体气体连接管道（205）及第二前体气体分布通道（202）；所述第二前体气体连接管道（205）、第二前体气体分布通道（202）、第二前体气体喷嘴通道（203）依次连通；

所述第一气体分布板（31）上分布有第一载气喷嘴通道（304）、第一前体气体喷嘴通道（307）、第一前体气体连接管道（305）、第一前体气体分布通道（303）；所述第一前体气体连接管道（305）、第一前体气体分布通道（303）和第一前体气体喷嘴通道（307）依次连通；

所述第一气体分布板（31）与第二气体分布板（21）上分布有相应的前体气体预分布腔（301、201）；

所述上盖板（11）底端面上开有凹槽（106），该凹槽（106）与最上面的一块气体分布结构板之间形成第一路载气预分布腔（101）；所述气体喷嘴板（41）上分布有第二载气预分布腔（405）；所述第一路载气预分布腔（101）和第二载气预分布腔（405）连通；

所述气体喷嘴板（41）上的第一前体气体喷嘴通道（401）喷射气体区域的宽度及长度的尺寸均对应小于与之相邻的气体喷嘴板（41）上的第二前体气体喷嘴通道（402）喷射气体区域的宽度及长度的尺寸；所述气体喷嘴板（41）上的第一前体气体喷嘴通道（401）喷射气体区域的长度小于与之相邻的气体喷嘴板（41）上的第一载气喷嘴通道（403）喷射气体区域的长度。

2.根据权利要求1所述的用于MOCVD反应器的格栅式气体分布装置，其特征在于，所述前体气体预分布腔（301、201）内分布有匀气挡板（306、208）。

3.根据权利要求1或2所述的用于MOCVD反应器的格栅式气体分布装置，其特征在于，所述气体喷嘴板（41）上的第一前体气体喷嘴通道（401）、第二前体气体喷嘴通道（402）及第一载气喷嘴通道（403）相互平行。

4.根据权利要求1或2所述的用于MOCVD反应器的格栅式气体分布装置，其特征在于，所述气体喷嘴板（41）上的第一前体气体喷嘴通道（401）、第二前体气体喷嘴通道（402）及第一载气喷嘴通道（403）的形状为长条形狭缝或圆孔或六边形孔或方孔或上述长条形狭缝与上述孔的组合。

5.根据权利要求1或2所述的用于MOCVD反应器的格栅式气体分布装置，其特征在于，所述气体喷嘴板（41）上的第二载气喷嘴通道（409）位于反应室壁（10）之内，该气体喷嘴板（41）上的第二载气喷嘴通道（409）的喷气口为圆环形狭缝，且位于气体喷嘴板（41）上的第一载气喷嘴通道（403）、第一前体气体喷嘴通道（401）、第二前体气体喷嘴通道（402）形成的区域之外。

6.根据权利要求1或2所述的用于MOCVD反应器的格栅式气体分布装置，其特征在于，所述气体喷嘴板（41）上的第二载气喷嘴通道（409）的喷气端为环形喷气口。