CN105803424A - 薄膜生长腔室和薄膜生长设备 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种薄膜生长腔室和薄膜生长设备，该薄膜生长腔室为环形腔室；环形腔室内具有至少一个托盘放置区，托盘放置区用于放置承载有待生长薄膜的基片的扇形托盘；环形腔室的顶面具有至少一个进气结构，进气结构包括进气孔和与进气孔连接的扇形匀气装置，每一匀气装置位于至少一个托盘放置区的上方，匀气装置用于将进气孔通入的气体均匀喷放到下方的托盘放置区，以使托盘放置区放置的扇形托盘承载的基片表面生成均匀的薄膜。本发明中的环形腔室可以无限制地扩大，只要环形腔室扩大区域的顶面上设置有进气结构，就能提供满足薄膜均匀生长需求的均匀气体，从而能够提高薄膜生长设备的产能。

Description

薄膜生长腔室和薄膜生长设备

技术领域

本发明涉及半导体材料技术领域，更具体地说，涉及一种薄膜生长腔室和薄膜生长设备。

背景技术

MOCVD(MetalOrganicChemicalVaporDeposition，金属有机化合物化学气相沉淀设备)，是制备发光二极管(LED)、半导体激光器(LD)和大功率电子器件的关键设备，尤其在制备GaN基LED方面具有广泛的应用前景和市场需求。

现有技术中，大多数GaN基LED的薄膜生长都是利用MOCVD设备在蓝宝石衬底上生长一层氮化镓或氮化铝缓冲层，然后再在缓冲层上生长掺杂(Mg、Al、In等元素)的InGaN/AIGaN异质结，来构成P-N结发光层。采用MOCVD设备生长薄膜时，需要向反应腔室内通入携带气体以及各种源材料。其中，源材料包括金属有机物(MO)和气体源，这二者是参与化学反应且在生成物中含有该源材料成分的材料；携带气体包括氮气、氢气及惰性气体等，这些携带气体只是携带源材料进入反应室中，本身并不参加化学反应。

但是，由于现有的MOCVD设备的圆形腔室最多能够装载70片到80片的2英寸基片，因此，会使得MOCVD设备的产能较低。虽然增大圆形腔室的体积能够在一定程度上提高MOCVD设备的产能，但是，在气体边界条件即气体流动速度的限制下，圆形腔室的体积不能无限制地扩大，否则会导致通入圆形腔室内的气体不能在腔室内均匀分布，进而无法满足薄膜均匀生长的需求。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种薄膜生长腔室和薄膜生长设备，以解决现有技术中圆形腔室的薄膜生长设备如MOCVD设备产能较低的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种薄膜生长腔室，所述薄膜生长腔室为环形腔室；

所述环形腔室内具有至少一个托盘放置区，所述托盘放置区用于放置承载有至少一个待生长薄膜的基片的扇形托盘；

所述环形腔室的顶面具有至少一个进气结构，所述进气结构包括进气孔和与所述进气孔连接的扇形匀气装置，每一所述匀气装置位于至少一个所述托盘放置区的上方，所述匀气装置用于将所述进气孔通入的气体均匀喷放到下方的托盘放置区，以使所述托盘放置区放置的扇形托盘承载的基片表面生成均匀的薄膜。

优选的，所述匀气装置包括多个均匀分布的喷气口，以将气体均匀喷放到下方的扇形托盘承载的基片表面。

优选的，所述进气结构包括第一进气孔和第二进气孔，所述匀气装置通过管路与所述第一进气孔和第二进气孔连接，所述管路上具有控制阀门，所述控制阀门用于在所述第一进气孔通入的气体和所述第二进气孔通入的气体混合均匀后，将所述混合气体通入所述匀气装置中。

优选的，所述进气结构包括第一进气孔和第二进气孔，所述匀气装置包括与所述第一进气孔连接的第一匀气区域和与所述第二进气孔连接的第二匀气区域，所述第一匀气区域包括多个均匀分布的第一喷气口，所述第二匀气区域包括多个均匀分布的第二喷气口；

其中，任一所述进气结构中的第一匀气区域与相邻的所述进气结构中的第二匀气区域相邻，且所述第一匀气区域与相邻的所述进气结构中的第一匀气区域间隔设置；

或者，任一所述进气结构中的第一匀气区域与相邻的所述进气结构中的第二匀气区域交叠设置，且所述第一匀气区域中的第一喷气口与所述第二匀气区域中的第二喷气口间隔设置。

优选的，所述第一喷气口或第二喷气口的喷出面为倾斜面。

优选的，所述喷气口为圆孔结构。

优选的，所述环形腔室的底部具有沿所述环形腔室的圆周方向依次排列的多个排气口，所述排气口用于将所述环形腔室内反应后的气体排放出去。

优选的，所述薄膜生长腔室还包括传输装置，所述传输装置用于在薄膜生长之前将所述扇形托盘传输至所述匀气装置的下方，在薄膜生长的过程中控制所述扇形托盘做圆周旋转运动，以使所述扇形托盘上方的气体均匀混合。

优选的，所述薄膜生长腔室还包括加热装置，所述加热装置包括多个扇形加热部件，至少一个所述加热部件对应设置在一所述扇形托盘的下方，以控制所述扇形托盘内的基片的薄膜生长温度。

一种薄膜生长设备，包括如上任一项所述的薄膜生长腔室。

与现有技术相比，本发明所提供的技术方案具有以下优点：

本发明所提供的薄膜生长腔室和薄膜生长设备，环形腔室顶面具有至少一个进气结构，该进气结构包括进气孔和与该进气孔连接的扇形的匀气装置，每一匀气装置均位于至少一个托盘放置区的上方，该匀气装置用于将进气孔通入的气体均匀喷放到下方的托盘放置区，以使所述托盘放置区放置的扇形托盘承载的基片表面生成均匀的薄膜，基于此，本发明中的环形腔室的外径可以无限制地扩大，只要腔室扩大后的部分的顶面上设置有进气结构，就能为下方的扇形托盘内的基片提供满足薄膜均匀生长需求的均匀气体，从而能够提高薄膜生长设备的产能。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的一种薄膜生长腔室的一种俯视结构示意图；

图2为本发明实施例提供的一种薄膜生长腔室的剖面结构示意图；

图3为本发明实施例提供的一种薄膜生长腔室的另一种俯视结构示意图；

图4为本发明实施例提供的一种喷气口喷出面的结构示意图；

图5为本发明实施例提供的一种扇形托盘的结构示意图；

图6为本发明实施例提供的另一种薄膜生长腔室的剖面结构示意图；

图7为本发明实施例提供的一种扇形加热部件的结构示意图；

图8为本发明实施例提供的薄膜生长腔室的另一种俯视结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明实施例提供了一种薄膜生长腔室，该薄膜生长腔室可以采用金属有机化学气相沉积方法来生长薄膜，当然，也可以采用物理气相沉积等方法来生长薄膜，本发明并不仅限于此。本实施例仅以采用金属有机化学气相沉积方法生长薄膜的薄膜生长腔室为例来对薄膜生长腔室的具体结构进行说明。

本实施例中的薄膜生长腔室为环形腔室，该环形腔室内具有至少一个托盘放置区，该托盘放置区用于放置承载有至少一个待生长薄膜的基片的扇形托盘，其中，该基片可以为硅晶片或蓝宝石晶片等。

并且，该环形腔室的顶面具有至少一个进气结构，该进气结构包括贯穿腔室顶面的进气孔和与进气孔连接且位于环形腔室顶面内侧的扇形匀气装置，每一匀气装置位于至少一个托盘放置区的上方，该匀气装置用于将进气孔通入的气体均匀喷放到下方的托盘放置区，以使托盘放置区放置的扇形托盘承载的基片表面生成均匀的薄膜。

其中，匀气装置和进气孔之间可以通过法兰连接，以将进气孔通入的气体均匀分配到匀气装置中。并且，匀气装置可以包括多个圆形或方形的喷气口，这些喷气口均匀分布在匀气装置的底面，以将气体均匀喷放到下方的扇形托盘承载的基片表面。

为了在基片上生长高质量的均匀的薄膜，需要在喷气口和基片之间形成均匀的气流，由于喷气口喷出的气体会向环形腔室内侧面和外侧面方向流动，因此，气体边界条件会对环形腔室的内侧面直径和外侧面直径的差值有一定的限制，但是，由于环形腔室的顶面具有进气结构，因此，环形腔室的周长并不受限制，也就是说，环形腔室的外侧面的直径可以无限制地增加，只要环形腔室的内侧面的直径和外侧面的直径的差值满足气体边界条件要求，且增加的部分的顶面上设置有进气结构，即可在腔室内的扇形托盘上方形成均匀的气流。基于此，本发明中的薄膜生长腔室一次可容纳的基片的数量较多，大大提高了薄膜生长设备的产能。

本发明实施例提供的薄膜生长腔室中，腔室的顶面可以具有一个进气结构，也可以具有多个进气结构。下面以薄膜生长腔室的顶面具有多个进气结构为例进行说明，如图1和图2所示，图1为该薄膜生长腔室的俯视结构示意图，图2为图1中的薄膜生长腔室沿AA方向的剖面结构示意图，多个进气结构1沿环形腔室01顶面001的圆周方向(箭头所示方向)依次排列，且每一进气结构1中的匀气装置10的内外径差值都近似等于环形腔室顶面001的内外径差值。由于各个进气结构1之间是相互独立的结构，因此，同一环形腔室顶面001上的进气结构1的具体结构可以相同，也可以不同，进气结构1的具体结构形式以及进气结构1之间的间隔大小可以根据具体的薄膜生长工艺进行设计。

在本实施例的一个具体实施方式中，每一进气结构1可以包括一个进气孔，也可以包括两个进气孔。本实施例中以每一进气结构1包括两个进气孔即第一进气孔11和第二进气孔12为例进行说明，该进气结构1中的匀气装置10包括与第一进气孔11连接的扇形的第一匀气区域13和与第二进气孔12连接的扇形的第二匀气区域14，其中，第一匀气区域包括多个均匀分布的第一喷气口130，第二匀气区域14包括多个均匀分布的第二喷气口140。优选的，第一喷气口130和第二喷气口140为圆孔结构。其中，任一进气结构1中的第一匀气区域13与相邻的进气结构1中的第二匀气区域14相邻，且该第一匀气区域13与相邻的进气结构1中的第一匀气区域14间隔设置。

当然，本发明并不仅限于此，在其他实施例中，如图3所示，任一进气结构1中的第一匀气区域13可以与相邻的进气结构1中的第二匀气区域14交叠设置，且第一匀气区域13中的第一喷气口130和第二匀气区域14中的第二喷气口140间隔设置，以使第一喷气口130喷出的气体和第二喷气口140喷出的气体均匀混合。

以生长氮化物为例，第一进气孔11通入的气体为氨气，第二进气孔12通入的气体为MO源，氨气通过梳状结构进入薄膜生长腔室并从第一匀气区域13上的第一喷气口130喷出后呈发散状，与相邻的第二匀气区域14上的第二喷气口140喷出的MO源共同到达下方的基片上进行薄膜生长。

进一步需要说明的是，圆孔状的喷气口的孔径和间距可以根据薄膜生长工艺的不同进行不同的设计，一般情况下，圆形喷气口的孔径在0.1mm～3mm之间，包括端点值；圆形喷气口之间的间距在0.5mm～20mm之间，包括端点值。

进一步地，本实施例中的第一喷气口130或第二喷气口140的喷出面可以为具有一定角度的倾斜面，以增大气体的喷出量。如图4所示，第一喷气口130为狭长缝隙，第二喷气口140在喷出位置为喇叭口形状即第二喷气口140的喷出面包括向内倾斜的表面A1和A2，其中，喷出面A1和A2相对设置，以使第二喷气口140喷出的气体能够更加均匀地混合，该喷出面A1和A2的倾斜角度以及间距D可调节，其倾斜角度一般在30°～60°之间。

在本发明的另一实施例中，匀气装置10可以通过管路与第一进气孔11和第二进气孔12连接，且该管路上具有控制阀门，该控制阀门用于在第一进气孔11通入的气体和第二进气孔12通入的气体均匀混合后，再将该混合气体通入匀气装置10中，并通过匀气装置10底面上的多个圆形或方形的喷气口，将混合气体均匀喷放到下方的扇形托盘承载的基片表面。

进一步需要说明的是，如图1和图2所示，本实施例中的环形腔室内具有多个托盘放置区，每一托盘放置区放置一扇形托盘2，其中，腔室内的扇形托盘2的数量可以根据腔室的装载量来调整。多个扇形托盘2沿环形腔室的圆周方向依次排列，且至少一个扇形托盘2位于一进气结构1的下方。并且，本发明中的扇形托盘2可以为石墨托盘、碳化硅托盘或者涂覆有碳化硅膜层的石墨托盘等。

进一步地，该扇形托盘2的上表面可以具有不同形状不同尺寸的基片承载槽20，该承载槽20可以为圆形，也可以为方形，如图5所示，该圆形承载槽的直径可以是2英寸、4英寸、6英寸、8英寸及以上。当然，本发明并不仅限于此，承载槽20的具体形状和尺寸可以根据基片的形状进行设计。

此外，在上述任一实施例的基础上，如图2所示，本发明提供的薄膜生长腔室即环形腔室的底部具有多个沿环形腔室的圆周方向依次排列的排气口。具体地，该排气口包括预排气口30和与预排气口30相通的主排气口31，可选的，预排气口30和主排气口31都为圆形气孔，且主排气口31的孔径大于预排气口30的孔径，主排气口31的数量小于或等于预排气口30的数量。

进一步地，多个预排气口30沿环形腔室的圆周方向依次设置在环形腔室的内侧和外侧，如图2所示；或者，预排气口30可以仅设置在环形腔室的外侧，如图6所示，或者，预排气口30可以仅设置在环形腔室的内侧，以将腔室内反应后的气体均匀排出，再经过主排气口31排出环形腔室的外部。本发明中预排气口30和主排气口31的位置、尺寸以及间距可以根据具体的薄膜生长工艺进行设计。

在上述任一实施例的基础上，如图2所示，本发明提供的薄膜生长腔室还包括加热装置，该加热装置包括多个加热部件4，至少一个加热部件4对应设置在一扇形托盘2的下方，以控制扇形托盘2内的基片的薄膜生长温度。本实施例中的加热部件4为片状电阻加热或丝状电阻加热，如图7所示，加热部件4还可以为由加热丝弯折成的扇形结构，在其他实施例中，加热部件4还可以是片状结构，或者是金属丝缠绕的圆柱状结构，当然，本发明并不仅限于此，加热片或加热丝的结构和形状可以根据具体情况进行设计。优选的，加热部件4的扇形面积与扇形托盘2的底面面积相等，以对扇形托盘2内的基片均匀加热。

在上述任一实施例的基础上，如图2所示，本发明提供的薄膜生长腔室还包括传输装置5，该传输装置5用于在薄膜生长之前将扇形托盘2传输至相应的匀气装置10的下方，或者在薄膜生长的过程中控制扇形托盘2做圆周旋转运动，以使扇形托盘2上方的气体能够均匀混合，进而提高生长出的薄膜的均匀性。具体地，该传输装置5可以包括承载机构、传输机构和驱动机构，该承载机构可以为传送带等，传输机构可以为带动传送带运动的齿轮等，驱动机构可以为发动机等，其中，本实施例中可以通过传输机构控制扇形托盘2做圆周旋转运动，也可以通过与其分离的往复机构带动扇形托盘2做往复运动。

基于此，该传输装置5还可与机械手配合来将扇形托盘2装载并传输到匀气装置10下方的托盘放置区上，如图8所示，环形腔室和机械手腔室之间具有闸板阀60。在开始生长薄膜之前，开启闸板阀60，位于机械手腔室61内的机械手臂62移动至托盘存储室63内，将托盘存储室63内的扇形托盘2传输至环形腔室内的传输装置5的承载机构上，并通过传输装置5将扇形托盘2移动到相应的托盘放置区，以此类推，可以将其他更多托盘移至生长室内。在薄膜生长结束后，还可以通过机械手臂62将环形腔室内的扇形托盘2取出。

当然，本发明提供的薄膜生长腔室还可以包括冷却水系统和抽真空系统等，本发明并不仅限于此。其中，冷却水系统用于对生长薄膜后的环形腔室进行降温，抽真空系统用于在薄膜生长之前抽出环形腔室内的空气，以保证通入的气体的纯度等。

下面以基片为蓝宝石基片，生长的薄膜为氮化镓薄膜为例，来对本发明提供的薄膜生长腔室的工作流程进行描述。首先，一次性地将多片(约10片～300片)2英寸的蓝宝石基片装载到多个扇形托盘2上，打开闸板阀60，通过机械手臂62将第一个扇形托盘2传输到传输装置5上，通过传输装置5带动第一个扇形托盘2移动一个托盘的距离，之后通过机械手臂62将第二个扇形托盘2传输到传输装置5上，通过传输装置5带动第一个扇形托盘2和第二个扇形托盘2移动一个托盘的距离，以此类推，直至将4个扇形托盘2均移动到相应的托盘放置区后，关闭闸板阀60。

封闭环形腔室，用干泵对环形腔室抽真空，环形腔室达到一定的真空度后，通过加热装置把基片加热到约1050℃，同时通入氢气，进行高温清洗。然后通入一定比例的反应气体三甲基镓和氨气，以氮气或氢气为载气，将三甲基镓从环形腔室顶面的第一进气孔11通入环形腔室内部，将氨气从第二进气孔12通入环形腔室内部，通过匀气装置将三甲基镓和氨气均匀排放到蓝宝石基片表面，其中三甲基镓气体从第一喷气口130喷出，氨气从第二喷气口140喷出，当扇形托盘做圆周运动时，三甲基镓和氨气均匀混合，三甲基镓和氨气在蓝宝石基片上受热分解出镓原子和氮原子，在0001晶向的蓝宝石基片上沉积一层氮化镓单晶薄膜。根据不同的工艺条件，如改变气体源的种类及改变蓝宝石基片的温度，可以生长出不同结构的外延片，本发明并不对薄膜的结构具体限定。

本实施例提供的薄膜生长腔室，环形腔室的外径可以无限制地扩大，只要环形腔室的内径和外径的差值满足气体边界条件，且扩大后的区域的顶面上设置有进气结构，就能为下方的扇形托盘内的基片提供满足薄膜均匀生长需求的均匀气体，从而能够提高薄膜生长设备的产能。

本发明的实施例还提供了一种薄膜生长设备，该薄膜生长设备包括如上任一实施例提供的薄膜生长腔室，本实施例提供的薄膜生长设备不仅产能高，而且还具有薄膜生长流程和气流模式简单，加热系统的设计更加方便等优点。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (10)

1.一种薄膜生长腔室，其特征在于，所述薄膜生长腔室为环形腔室；

所述环形腔室内具有至少一个托盘放置区，所述托盘放置区用于放置承载有至少一个待生长薄膜的基片的扇形托盘；

所述环形腔室的顶面具有至少一个进气结构，所述进气结构包括进气孔和与所述进气孔连接的扇形匀气装置，每一所述匀气装置位于至少一个所述托盘放置区的上方，所述匀气装置用于将所述进气孔通入的气体均匀喷放到下方的托盘放置区，以使所述托盘放置区放置的扇形托盘承载的基片表面生成均匀的薄膜。

2.根据权利要求1所述的薄膜生长腔室，其特征在于，所述匀气装置包括多个均匀分布的喷气口，以将气体均匀喷放到下方的扇形托盘承载的基片表面。

3.根据权利要求2所述的薄膜生长腔室，其特征在于，所述进气结构包括第一进气孔和第二进气孔，所述匀气装置通过管路与所述第一进气孔和第二进气孔连接，所述管路上具有控制阀门，所述控制阀门用于在所述第一进气孔通入的气体和所述第二进气孔通入的气体混合均匀后，将所述混合气体通入所述匀气装置中。

4.根据权利要求1所述的薄膜生长腔室，其特征在于，所述进气结构包括第一进气孔和第二进气孔，所述匀气装置包括与所述第一进气孔连接的第一匀气区域和与所述第二进气孔连接的第二匀气区域，所述第一匀气区域包括多个均匀分布的第一喷气口，所述第二匀气区域包括多个均匀分布的第二喷气口；

其中，任一所述进气结构中的第一匀气区域与相邻的所述进气结构中的第二匀气区域相邻，且所述第一匀气区域与相邻的所述进气结构中的第一匀气区域间隔设置；

或者，任一所述进气结构中的第一匀气区域与相邻的所述进气结构中的第二匀气区域交叠设置，且所述第一匀气区域中的第一喷气口与所述第二匀气区域中的第二喷气口间隔设置。

5.根据权利要求4所述的薄膜生长腔室，其特征在于，所述第一喷气口或第二喷气口的喷出面为倾斜面。

6.根据权利要求2～5任一项所述的薄膜生长腔室，其特征在于，所述喷气口为圆孔结构。

7.根据权利要求1所述的薄膜生长腔室，其特征在于，所述环形腔室的底部具有沿所述环形腔室的圆周方向依次排列的多个排气口，所述排气口用于将所述环形腔室内反应后的气体排放出去。

8.根据权利要求1所述的薄膜生长设备，其特征在于，所述薄膜生长腔室还包括传输装置，所述传输装置用于在薄膜生长之前将所述扇形托盘传输至所述匀气装置的下方，在薄膜生长的过程中控制所述扇形托盘做圆周旋转运动，以使所述扇形托盘上方的气体均匀混合。

9.根据权利要求1所述的薄膜生长设备，其特征在于，所述薄膜生长腔室还包括加热装置，所述加热装置包括多个扇形加热部件，至少一个所述加热部件对应设置在一所述扇形托盘的下方，以控制所述扇形托盘内的基片的薄膜生长温度。

10.一种薄膜生长设备，其特征在于，包括权利要求1～9任一项所述的薄膜生长腔室。