CN104264129B - 一种mocvd设备的进气装置及mocvd设备 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种MOCVD设备的进气装置及MOCVD设备,进气装置内部设有相互隔离的第一腔体和第二腔体;第一腔体沿进气装置的直径方向设置,在第一腔体上竖向设有多个第一气体进气管,第二腔体位于第一腔体两侧,第二腔体内横向设有第二气体进气管道,第二气体进气管道贯穿进气装置侧壁,第二气体进气管道的管壁上设有多个喷孔;第二腔体上竖向设有多个第三气体进气管,第二气体与第三气体在第二腔体内混合后向下移动,进气装置的底面为第一过滤网,第一气体、第二气体和第三气体穿过第一过滤网向下流动。本发明进气装置的气体管道架构简洁,进气易控制,降低了设备制造成本及难度,提高了气体均匀性以及薄膜生长的均匀性和稳定性。

Description

一种MOCVD设备的进气装置及MOCVD设备
技术领域
本发明属于半导体设备技术领域,具体涉及一种MOCVD设备的进气装置及MOCVD设备。
背景技术
MOCVD(Metal-organic Chemical Vapor Deposition)即金属有机化合物化学气相沉积,是制备化合物半导体薄膜的一项关键技术。MOCVD设备是研发世界先进水平的S、C、X、K和Q等波段的氮化镓大功率电子器件和高压大功率固体开关器件、高端激光器件及效率可达40%以上的太阳电池等光电子器件不可或缺的。它利用较易挥发的有机物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,在适当的气压、温度等条件发生化学反应,在加热的衬底基片上外延生长出薄膜。
MOCVD设备中进气装置的结构是影响整个设备制造成本和薄膜淀积质量的重要因素,而且MOCVD设备成本高低的关键在于气路的成本。现有技术中MOCVD设备进气装置为多层结构,气体管道架构复杂,进气口繁多,进气不易控制,不同的气体经各自进气口直接进入至反应室,在没有充分混合之前就已经到达衬底表面,且在反应室上方会产生较大的涡流,反应室内气体流迹复杂,对薄膜生长的速度、均匀性、结晶质量以及原材料利用率产生不利影响,薄膜厚度和均匀性不好调整,而且该设备体积较大,导致制作成本及难度增大。每个进气口都需用单独的质量流量控制计进行控制,成本较高。因此,一种制造成本低且可提高薄膜淀积均匀性的进气装置将会引起很大程度地关注。
发明内容
本发明的目的在于为了解决以上的不足,设计了一种MOCVD设备的进气装置及MOCVD设备。该进气装置的气路结构简洁,在提高薄膜淀积均匀性的同时,降低了制作成本和体积。
本发明的一种MOCVD设备的进气装置所采取的技术方案是:一种MOCVD设备的进气装置,所述进气装置内部设有相互隔离的第一腔体和第二腔体;所述第一腔体沿进气装置的直径方向设置,在第一腔体上竖向设有多个第一气体进气管,第一气体进气管的进气端凸出于进气装置顶部,从各第一气体进气管流入的气体进入第一腔体内混合;所述第二腔体位于第一腔体两侧,第二腔体内横向设有第二气体进气管道,所述第二气体进气管道贯穿进气装置侧壁,第二进气管道的一端为进气端,另一端为闭合端,且闭合端靠近进气装置中心处设置,第二气体进气管道的管壁上设有多个喷孔;还包括竖向设于第二腔体上的多个第三气体进气管,第三气体进气管的进气端凸出于进气装置顶部;第二气体与第三气体在第二腔体内混合并向下流动;所述进气装置的底面为第一过滤网,第一气体、第二气体和第三气体穿过所述第一过滤网向下流动。
优选的,所述第一气体为MO(金属有机化合物)源,所述第二气体为(Ar)氩源,所述第三气体为(O)氧源。
与现有技术相比,本发明的有益效果在于:
本发明进气装置的管道架构简洁,通过在进气装置中心直径方向上设置第一腔体,使得多个第一气体进气管通过第一腔体相连通,使第一气体在进入进气装置下方的反应室时混合更加均匀,保证了第一气体进入反应室时的连续性和气流的稳定性。避免了传统设备中多个第一气体进气管道直通入反应室上方而带来的各路气流在反应室内混合所造成气场的不稳定和第一气体进气管故障率的提高。而且如此设计对于反应室来说具有更大的进气口,克服了传统结构中气体进入反应室时进气口较小导致涡流现象出现。在第一气体进气的控制方面,可以使第一气体进气管使用同一质量流量控制计进行控制,使质量流量控制计的使用数量明显减少,降低了整个进气装置的成本和不同质量流量控制计自身的误差引起的气体浓度差异。
本发明的第二气体进气管道采用与第一腔体呈一定夹角的侧壁进气方式,并在第二腔体上竖向均匀设置第三气体进气管,减少了在进气装置不同区域上第三气体浓度的差异,而且第二气体和第三气体在第二腔体混合后进入反应室,提高了气体均匀性,使气体能够充分反应以保证薄膜淀积的均匀性。同时第一腔体和第二腔体相互隔离,在提高气体均匀性的基础上,有效地避免了气体进入反应室之前的预反应,使薄膜的沉积均匀性大大提高。进气装置底部的过滤网使进入反应室的气体流迹更加光滑和顺畅,在极大程度上提高了薄膜生长的均匀性和稳定性。
本发明进气装置的气路布局合理,使进气装置的空间得以有效利用,大大减小了进气装置的体积,同时降低了MOCVD设备的复杂度和制造难度,使进气能够更好地控制,设备可操作性更强,使MOCVD设备从出厂到大规模生产的调试周期大大缩短。
优选的,所述第一腔体由至少两段单排直列的条状型腔体组成,各条状型腔体的底部相互连通。
同一条状型腔体或者与进气装置的中心呈中心对称的两个条状型腔体上的进气管之间可使用同一质量流量控制计,不仅使进气装置整个范围内气体的分布更加均匀,而且大大减少了质量流量控制计的数量,降低了制作成本。
优选的,所述第二进气管道为多个,各第二进气管道以进气装置中心为圆心,呈放射状均匀分布。
优选的,所述多个第三气体进气管呈环向均匀分布在进气装置上,所述第三气体进气管与进气装置中心的距离为0.03-0.1m。
优选的,所述第二气体进气管道上的多个喷孔等距离排列,且相邻喷孔的距离为0.04-0.09m。
优选的,在所述第二气体进气管道的下方设有第二过滤网,第三气体进气管道的排气端位于所述第二过滤网下方,第二气体从所述喷孔中喷出后穿过第二过滤网向下流动,并在第二过滤网下方与第三气体混合,混合后的气体穿过所述第一过滤网向下移动。
第二气体和第三气体之间不会发生反应,第二过滤网的增加使得第二气体在不同区域的分布更加均匀,与第三气体能够更好的混合,使进气装置不同区域内气体组分的均匀性提高,使混合气体在进入反应室时能更充分的反应。
优选的,所述第二过滤网的孔径小于所述第一过滤网的孔径。
穿过第二过滤网的第二气体的气流更加均匀和稳定。
优选的,还包括分别设于第一气体进气管、第二气体进气管道和第三气体进气管道的进气端处的质量流量控制计。
以进气装置中心相互对称的同一气体进气管可共同使用一个质量流量控制计,使进气更方便控制,且降低了进气口的故障率。
本发明的MOCVD设备所采取的技术方案是:一种MOCVD设备,包括所述的进气装置,还包括反应室、衬底承载座和位于衬底承载座下方的加热装置;所述进气装置位于反应室上方,所述衬底承载座可旋转地设于反应室底部;气体从所述第一过滤网喷出至反应室内进行反应,在衬底承载座上形成薄膜。
本发明的MOCVD设备结构简洁,易操作,从进气装置进入反应室的气体均匀且流向稳定,使淀积形成的薄膜均匀性提高,与现有技术相比制作成本大大降低。
附图说明
图1是本发明的进气装置的结构示意图;
图2是本发明的进气装置的俯视图;
图3是本发明的MOCVD设备的结构示意图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的具体实施方式做进一步说明。
参照附图1至附图3所示,一种MOCVD设备的进气装置,所述进气装置内部设有第一腔体1和第二腔体2,第一腔体1和第二腔体2相互隔离。第一腔体指的是MO(金属有机物)源腔体,MO源腔体1沿进气装置的直径方向设置且向下延伸至进气装置底部,MO源腔体可以是一个条状型腔体,也可以由多个单排直列在进气装置直径方向上的条状型腔体11组成,且各条状型腔体11的底部相互连通。在各条状型腔体11上均匀设有多个竖向的第一气体进气管(即MO源进气管111),MO源进气管的进气端凸出于进气装置顶部,从各MO源进气管111流入的气体进入MO源腔1内混合后向下移动。
第二腔体2位于MO源腔1两侧,第二腔体2内横向设有第二气体进气管道3,在本实施例中第二气体进气管道3为(氩源)Ar源进气管道。Ar源进气管道3为4个,4个Ar氩源进气管道3以进气装置中心为圆心,呈放射状均匀分布在进气装置内部,4个Ar源进气管道分别与条状型第一腔体的排列方向呈45°或135°。4个Ar源进气管道3之间相互连通。Ar源进气管道3贯穿进气装置侧壁,Ar源进气管道的一端为进气端31,另一端33为闭合端,且闭合端33靠近进气装置中心附近,在Ar源进气管道3的管壁上距离进气装置中心距离为0.04、0.09、0.16米处均设有喷孔32。还包括多个竖向设置的第三气体进气管4,本实施例中第三气体为氧源,氧源进气管4竖向均匀分布在第二腔体上,即在M0源腔1的外腔壁和Ar源进气管道3之间的区域以及相邻的Ar源进气管道3之间的区域内。
本实施例中在距离进气装置中心0.04米,与进气装置直径夹角为60°的方向存在氧源进气管47和氧源进气管48;在距离进气装置中心0.09米,与进气装置直径夹角为45°、90°方向存在氧源进气管44、氧源进气管45和氧源进气管46;在距离进气装置中心0.16米,与进气装置直径夹角为36°、72°方向存在氧源进气管40、氧源进气管41、氧源进气管42和氧源进气管43。上述所列氧源进气管的进气端均位于进气装置顶部,氧源进气管的排气端位于第二腔体内。
进气装置的底面为第一过滤网6,Ar源和氧源在第二腔体2内混合后,经第一过滤网6向下移动进入进气装置下方的反应室。同时从各MO源进气管111进入MO源腔1的MO源经过第一过滤网6向下移动进入反应室。
还可以在第二腔体2内的Ar源进气管道3下方设置第二过滤网,第二过滤网的孔径小于所述第一过滤网的孔径。氧源进气管的排气端位于第二过滤网下方,Ar源从所述Ar源进气管道3的喷孔32中喷出后穿过第二过滤网向下流动,并在第二过滤网下方与氧源混合,混合后的气体穿过所述第一过滤网向下移动。
还包括分别设于MO源进气管111、Ar源进气管道3和氧源进气管道4的进气端处的质量流量控制计。与进行装置中心呈中心对称的同一气体进气管可以使用同一个质量流量控制计,减少了质量流量控制计的使用成本和故障率。在进气装置顶部还设有观察窗5,工艺人员可以透过观察窗5即时监测气路内部情况。
参照附图3所示,一种包括上述进气装置的MOCVD设备,其包括反应室7、衬底承载座8、加热装置和排气通道。所述进气装置位于反应室7上方,衬底承载座8位于反应室7底部,且与反应室7同轴设置。衬底承载座8底部设有转轴,衬底承载座8在加热装置加热下可高速旋转。气体从进气装置底部喷出至反应室7内进行反应,在高速旋转的衬底承载座上的衬底基片81上淀积形成薄膜。气路的优化设计使得气体的流出更加均匀稳定,有效抑制了反应腔7内涡流的形成,反应后的气体沿衬底承载座8的侧壁向下流动从排气通道底部排出至外界的废气处理系统。
根据上述说明书的揭示和教导,本发明所属领域的技术人员还可以对上述实施方式进行变更和修改。因此,本发明并不局限于上面揭示和描述的具体实施方式,对本发明的一些修改和变更也应当落入本发明的权利要求的保护范围内。此外,尽管本说明书中使用了一些特定的术语,但这些术语只是为了方便说明,并不对本发明构成任何限制。

Claims (9)

1.一种MOCVD设备的进气装置,其特征在于,所述进气装置内部设有相互隔离的第一腔体和第二腔体;
所述第一腔体沿进气装置的直径方向设置,在第一腔体上竖向设有多个第一气体进气管,第一气体进气管的进气端凸出于进气装置顶部,从各第一气体进气管流入的气体进入第一腔体内混合;
所述第二腔体位于第一腔体两侧,第二腔体内横向设有第二气体进气管道,所述第二气体进气管道贯穿进气装置侧壁,第二进气管道的一端为进气端,另一端为闭合端,且闭合端靠近进气装置中心处设置,第二气体进气管道的管壁上设有多个喷孔;还包括竖向设于第二腔体上的多个第三气体进气管,第三气体进气管的进气端凸出于进气装置顶部;第二气体与第三气体在第二腔体内混合并向下流动;
所述进气装置的底面为第一过滤网,第一气体、第二气体和第三气体穿过所述第一过滤网向下流动。
2.根据权利要求1所述的进气装置,其特征在于,所述第一腔体由至少两段单排直列的条状型腔体组成,各条状型腔体的底部相互连通。
3.根据权利要求1所述的进气装置,其特征在于,所述第二进气管道为多个,各第二进气管道以进气装置中心为圆心,呈放射状均匀分布。
4.根据权利要求3所述的进气装置,其特征在于,所述多个第三气体进气管呈环向均匀分布在进气装置上,所述第三气体进气管与进气装置中心的距离为0.03-0.1m。
5.根据权利要求1所述的进气装置,其特征在于,所述第二气体进气管道上的多个喷孔等距离排列,且相邻喷孔的距离为0.04-0.09m。
6.根据权利要求1所述的进气装置,其特征在于,在所述第二气体进气管道的下方设有第二过滤网,第三气体进气管的排气端位于所述第二过滤网下方,第二气体从所述喷孔喷出后穿过第二过滤网向下流动,并在第二过滤网下方与第三气体混合,混合后的气体穿过所述第一过滤网向下移动。
7.根据权利要求6所述的进气装置,其特征在于,所述第二过滤网的孔径小于所述第一过滤网的孔径。
8.根据权利要求1所述的进气装置,其特征在于,还包括分别设于第一气体进气管、第二气体进气管道和第三气体进气管的进气端处的质量流量控制计。
9.一种MOCVD设备,其特征在于,包括权利要求1至8任一项所述的进气装置,还包括反应室、衬底承载座和位于衬底承载座下方的加热装置;所述进气装置位于反应室上方,所述衬底承载座可旋转地设于反应室底部;气体从所述第一过滤网喷出至反应室内进行反应,在衬底承载座上形成薄膜。
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