CN106011792B - 旋转预混气的mocvd上下盘匀气组件 - Google Patents

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Abstract

本专利公开了一种在匀气盘内预先混气的匀气组件，包括：第一混气空腔，所述混气空腔中具有圆形截面的第一混气空间，所述第一混气空间中设置有第一喷嘴和第二喷嘴组；所述第一喷嘴沿着所述圆形的直径向内和向外两个方向喷射第一气体；所述第二喷嘴组包括多个沿着所述圆形半径设置的第二喷嘴，所述第二喷嘴沿着垂直于所述半径的方向喷射第二气体，形成旋转气流；第二混气空腔，一腔壁上设置有入口与所述第一混气空腔连通；另一腔壁上设置有出口与匀气组件外部连通；以及冷却层。通过采用上述技术方案，能够提高MOCVD反应气体混合的均匀程度，并且利用冷却层隔离所述匀气组件和周围环境，避免了混合气体在所述匀气组件中的预反应。

Description

旋转预混气的MOCVD上下盘匀气组件
技术领域
本发明涉及金属有机化学气相沉积中的化合物半导体薄膜沉积设备，特别涉及到制备氮化镓基、铝基半导体的有机金属化学气相沉积(MOCVD)设备的反应室关键进气匀气喷头结构。
背景技术
金属有机气象化学沉积(Metal Organic Chemical Vapor Deposition，简称MOCVD)设备，用于化合物半导体氮化镓、氮化铝、砷化镓、磷化铟、氧化锌等功能结构材料的制备。小型机(单片或三片)适用于半导体领域实验室设备；中大型机(三片或数十片机)适用于规模化工业生产，如LED照明上游芯片外延生产、紫外及深紫外芯片外延生产等。因此是目前化合物半导体外延材料生产和研究的关键设备，是当前生产半导体光电器件和微波器件材料的主要手段，应用领域广泛。
MOCVD生长是一种非平衡生长技术，利用带有金属原子的如烷基类有机源反应物(MO源)和氢化物(如NH3等)通过氮气或氢气载气携带到反应室内，在一定压力、温度条件下，在基底上沉积外延生成化合物半导体薄膜。
根据需制备的化合物半导体材料的不同工艺，设计出适合的反应室关键进气匀气喷头结构，一直是MOCVD设备设计的难题。该进气匀气喷头结构既具有针对性的制备一种化合物半导体新型用途材料的结构，又具有制备的所有化合物半导体材料的通用普遍适用结构。
因此目前世界上主流的MOCVD系统如美国Veeco公司的MOCVD设备以及德国Aixtron的MOCVD设备，都在反应室关键进气匀气喷头结构做了大量研发工作，一些进气匀气喷头成熟结构及其专利被国外公司垄断。美国Veeco公司的MOCVD设备从三片到四十多片MOCVD设备有其系列化的典型“狭缝”式进气匀气喷头；德国Aixtron的MOCVD设备从小型机到大型机也有其系列化的典型“点阵”式进气匀气喷头。成熟的受专利保护的进气匀气喷头结构，使两家公司的MOCVD机台各自有不同的特点，外延工艺稳定可靠。适用于工业化生产。
在现有技术中，国内外的MOCVD反应室关键进气匀气结构都是在进气匀气喷头内参与生长的气体不混合，而在承载衬底的托盘上混合。这能够减少气体的预反应，但是给反应气体的均匀混合带来了挑战，进而影响了MOCVD生产的质量。
发明内容
本发明的目的在于，提供一种新型的预先混气MOCVD反应室进气匀气组件结构，可为MOCVD设备，包括但不限于铝基外延生长的MOCVD设备，提供一种在匀气盘内预先混气后从喷头喷出，并能减少反应气体到达基片(衬底)前的预反应的匀气盘。
本专利采用以下技术方案实现上述目的：
一种旋转预混气匀气组件，包括：第一混气空腔，所述混气空腔中具有圆形截面的第一混气空间，所述第一混气空间中设置有第一喷嘴和第二喷嘴组；所述第一喷嘴沿着所述圆形的直径向内和向外两个方向喷射第一气体；所述第二喷嘴组包括多个沿着所述圆形半径设置的第二喷嘴，所述第二喷嘴沿着垂直于所述半径的方向喷射第二气体，形成旋转气流；第二混气空腔，一腔壁上设置有入口与所述第一混气空腔连通；另一腔壁上设置有出口与匀气组件外部连通；冷却层，所述冷却层设置在所述第二混气空腔的所述另一腔壁上。
优选地，所述冷却层设置在整个所述第二混气空腔的所述另一腔壁上。
优选地，所述第二混气空腔的出口穿过所述冷却层设置。
优选地，所述第一混气空腔和所述第二混气空腔之间设置有匀气屏，所述匀气屏上设置有多个匀气孔，所述匀气孔作为所述第一混气空腔的出口和第二混气空腔的入口。
优选地，所述旋转预混气匀气组件还包括：第一进气槽和第二进气槽；所述第一进气槽的一端与所述第一进气管相连通，另一端与所述第一喷嘴连通；所述第二气槽的一端与所述第二进气管相连通，另一端与所述第二喷嘴组连通。
优选地，所述第一进气槽呈十字形，包括两条交叉的直线型的气槽，交叉点与所述圆形的圆心重合；在所述第一进气槽的四个边上对应的位置分别设置有第一喷嘴。这四个喷嘴距离所述上顶盘的圆心距离相等，并且相互之间呈90度的夹角。
优选地，所述第二进气槽包括四个沿着所述上顶盘半径设置的气槽，两个相邻的气槽之间形成90度的夹角；所述第一进气槽和第二进气槽在所述圆形上交错均匀分布，相邻的第一进气槽的气槽和第二进气槽的气槽之间呈45度夹角。
以及，一种气体反应设备，其特征在于，所述气体反应设备包括：匀气组件，所述匀气组件如上述任一项所述；反应腔室，所述反应腔室与所述气盘的混气空腔出口联通；衬底托盘，所述衬底托盘承接所述混气空腔输出的混合气体。
通过采用上述技术方案，能够在MOCVD反应气体进行反应之前将用于反应的气体在所述匀气组件中进行混合，提高了气体混合的均匀程度，并且利用冷却层隔离所述匀气组件和周围环境，避免了混合气体在所述匀气组件中的预反应。
附图说明
以下参考附图是对具体实施例的详细描述，将会更好地理解本发明的内容和特点，其中：
图1是本发明具体实施例中旋转预混的MOCVD上下盘匀气组件的组装结构示意图；
图2是本发明具体实施例中旋转预混的MOCVD上下盘匀气组件中匀气上盘的示意图。
图3是本发明具体实施例中旋转预混的MOCVD上下盘匀气组件中匀气下盘的示意图。
图4是本发明具体实施例中旋转预混的MOCVD上下盘匀气组件的装配示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本专利的具体实施方式进行详细说明，需要指出的是，该具体实施方式仅仅是对本专利优选技术方案的举例，并不能理解为对本专利保护范围的限制。
实施例一
本具体实施方式中提供了一种匀气组件，其结构如图1所示。所述匀气组件包括上顶盘10和下盘20。其中图2示出了上顶盘10的结构，图3示出了下盘20的结构。上顶盘和下盘组装在一起形成本具体实施方式的匀气组件主体。
如图2所示，所述上顶盘呈法兰状。在所述上顶盘的上表面设置有进气管。以从气源向所述上顶盘内部供应气体。所述进气管优选地包括第一进气管、第二进气管和第三进气管，每个气管的一端与所述气盘相连通另一端与气源相连通。藉此，所述第一进气管、第二进气管和第三进气管分别独立地与第一气源、第二气源和第三气源相连，向所述匀气组件供给第一气体、第二气体和第三气体。
所述上盘的下表面设置有匀气腔室21，所述匀气腔室提供所述第一气体、第二气体的第一混气空间，所述匀气腔室与所述第一进气管和第二进气管相连通，提供来自于第一进气管、第二进气管的第一气体、第二气体相混合的空间。所述第一混气空间呈向下开口的圆槽，所述槽壁自所述上顶盘10的底面向下延伸预定的长度，所述槽的封闭端即为上述上顶盘的底面的一部分。所述圆槽与所述上顶盘同心设置。
所述上盘内部设置有第一进气槽和第二进气槽，所述第一进气槽、和第二进气槽均位于所述上盘的盘体内部。所述第一进气槽的一端与所述第一进气管相连通，另一端与所述第一混气空间相连通；所述第二气槽的一端与所述第二进气管相连通，另一端与所述第二混气空间相连通。通过设置所述第一进气槽和第二进气槽能够缓冲供给到所述上顶盘中的气体，使得在所述第一进气槽和第二进气槽中的气体能够相对均匀地供应，并且便于在所述第一混气空间内的多个位置设置多个喷嘴，且保持喷嘴喷射气体的均匀性。
如图2所示，所述第一进气槽呈十字形，包括两条交叉的直线型的气槽，交叉点与所述上盘的圆心重合。在所述第一进气槽的四个边上对应的位置分别设置有第一喷嘴102。这四个喷嘴距离所述上顶盘的圆心距离相等，并且相互之间呈90度的夹角。这样就形成了在所述混气空腔中均匀分布的第一喷嘴。每个所述第一喷嘴上设置有两个喷口，分别沿着所述上顶盘直径方向向内或向外喷射第一气体，形成沿着所述直径方向的第一气流。
所述第二进气槽包括四个沿着所述上顶盘半径设置的气槽，两个相邻的气槽之间形成90度的夹角。进一步优选地，所述第一进气槽中的四个气槽和第二进气槽中的四个气槽整体沿着所述上顶盘的圆形交错均匀分布，相邻的第一进气槽的气槽和第二进气槽的气槽之间呈45度夹角。这样就实现了第一气槽和第二气槽的整体均匀设置，有利于气体的混合。
所述第二进气槽中的四个气槽的每一个均与一个第二喷嘴组连通，所述第二喷嘴组沿上顶盘的半径方向延伸。每个第二喷嘴组上均包括多个第二喷嘴101，相邻的第二喷嘴之间的间隔相同。每个喷嘴组上的每个喷嘴均朝着同样的方向形成一个第二喷口，所述喷口喷射气流的方向与所述上顶盘的直径垂直，从而形成沿着顺时针方向或者沿着逆时针方向的第二气流。
由于所述第一气流和第二气流垂直，而且分布均匀，因而在第一混气空间中能够实现第一次混气，提高了混气的质量和速度。
如图3所示，所述下盘20设置在所述上顶盘10的下部，所述下盘20的上方形成有第二混气空间，所述第二混气空间为一个开口向上的圆形凹槽，该凹槽的底部即为所述下盘上表面的一部分，该凹槽的圆柱形侧壁自所述下盘上表面向上延伸。所述第二混气空间与所述第一混气空间相对设置，所述第一混气空间和第二混气空间的开口直径相同，且通过密封面13a密封接触设置，这样就形成了一个联通且相对密闭的混气空间。
所述第一混气空间和第二混气空间之间设置有匀气屏30，所述匀气屏上设置有多个匀气孔301，当所述第一混气空间中的气体进入到所述第二混气空间中时，经过所述匀气屏的匀气能够实现进一步的均匀混合。在所述第一混气空间中混合的气体经过所述匀气屏的匀气之后在所述第二混气空间中均匀喷出，这样有利于在所述第二混气空间中进行第二次均匀混合。
所述第二混气空间的底部开设有混合气体出口201，所述混合气体出口自所述第二混气空间穿过所述下盘延伸，将所述第二混气空间中的混合气体喷出。
所述下盘内部设置有水冷夹层22，所述水冷夹层中容纳冷却液体，包括但不限于各种冷却液体或者固体等。所诉混合气体出口穿过所述水冷夹层，如图3所示。
通过设置所述水冷夹层，能够将所述混气腔室与下方气体反应设备的反应室隔离，避免反应室对于所述混气腔室中的气体加热从而产生预反应。此外，也能够对于所述混气腔室中的气体进行冷却，避免预反应。
实施例二
在本实施例中提供了一种MOCVD设备，其结构如图4所示。所述MOCVD设备包括如实施例一中所述的匀气组件和反应腔室(未示出)
所述反应腔室成圆筒形结构，所述匀气组件设置在该反应腔室的顶部，在所述反应腔室的底部设置有旋转托盘40，所述旋转托盘上设置有旋转包括基片50。
所述MOCVD设备中的匀气组件的上盘10与下盘20之间采用金属密封。上盘10与下盘20之间装有匀气屏30。上盘10与匀气屏30之间形成旋转预混气、匀气空间12；下盘20与匀气屏30之间形成二次混气、匀气空间21。
在上盘10的第一喷口101喷出的参加反应的工艺气体(例如MO源)由于其第一气体的气流初速度作用，形成沿空间12的圆周方向旋转的气流；与在上盘10的喷口102喷出的参加反应的工艺气体与(例如NH3)旋转混合，并使混合气体浓度在12空间均匀化。经在上盘中的一次预混气后，MOCVD混合反应气体经匀气屏30的匀气孔在所述第二混气空间进行二次混合，并使混合气体浓度在第二混气空间二次均匀化，形成二次混气。
混合后的气体再经下盘20的气体出口201喷向所述托盘40，由于托盘40的旋转，混合好的不同组分(MO源和NH3)的混合气体；喷射到下方托盘40与基片50(衬底)上。在高温作用下，MO源和NH3在基片50(衬底)上反应沉积生成氮化物材料。
同理，此结构可以作为完成成砷化物、磷化物、氧化物等功能结构材料制备的主要方法。
本发明中的“旋转预混的MOCVD上下盘匀气组件”应用于金属有机化学气相沉积MOCVD设备；可为MOCVD设备，包括但不限于铝基外延生长MOCVD设备，提供一种在匀气盘内预先混气后从喷头喷出的匀气盘。可用于化合物半导体氮化铝、氮化镓、砷化镓、磷化铟、氧化锌等等功能结构材料的制备。该发明专利涉及MOCVD设备生长机理。“旋转预混的MOCVD上下盘匀气组件”是该类设备铝基外延生长的关键生长室结构的核心部件。可以说MOCVD外延的化合物结构几乎全部取决于MOCVD匀气盘结构和机理。
本发明涉及的一些其它工艺条件为常规技术工艺，也重点用于特定新型技术领域，例如生长铝基化合物半导体材料，所述铝基化合物半导体材料的应用包括但目前热门的深紫外发光LED等领域。这些属于本领域技术人员熟悉的范畴，在此不再赘述。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，对“旋转预混的MOCVD上下盘匀气组件”专利未经授权用于化合物半导体氮化镓、氮化铝、砷化镓、磷化铟、氧化锌等功能结构材料的制备，也均应包含在本发明的保护范围之内；其中对“旋转预混的MOCVD上下盘匀气组件”专利结构所做的任何工艺气体预混气空间形状变异及结构衍生修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种旋转预混气匀气组件，其特征在于，包括：
第一混气空腔，所述混气空腔中具有圆形截面的第一混气空间，所述第一混气空间中设置有第一喷嘴和第二喷嘴组；所述第一喷嘴沿着所述圆形的半径向内和向外两个方向喷射第一气体；所述第二喷嘴组包括多个沿着所述圆形半径设置的第二喷嘴，所述第二喷嘴沿着垂直于所述半径的方向喷射第二气体，形成旋转气流；
第二混气空腔，一腔壁上设置有入口与所述第一混气空腔连通；另一腔壁上设置有出口与匀气组件外部连通；
所述第一混气空腔和所述第二混气空腔之间设置有匀气屏，所述匀气屏上设置有多个匀气孔，所述匀气孔作为所述第一混气空腔的出口和第二混气空腔的入口；
冷却层，所述冷却层设置在所述第二混气空腔的所述另一腔壁上；
所述匀气组件还包括：第一进气槽和第二进气槽；
所述第一进气槽的一端与所述第一进气管相连通，另一端与所述第一喷嘴连通；所述第二进气槽的一端与所述第二进气管相连通，另一端与所述第二喷嘴组连通；
所述第一进气槽呈十字形，包括两条交叉的直线型的气槽，交叉点与所述圆形的圆心重合；在所述第一进气槽的四个边上对应的位置分别设置有第一喷嘴；四个所述第一喷嘴距离所述圆心距离相等，并且相互之间呈90度的夹角；
所述第二进气槽包括四个沿着所述圆形的半径设置的气槽，两个相邻的气槽之间形成90度的夹角；
所述第一进气槽和第二进气槽在所述圆形上交错均匀分布，相邻的第一进气槽的气槽和第二进气槽的气槽之间呈45度夹角。
2.根据权利要求1所述的匀气组件，其特征在于，所述冷却层设置在整个所述第二混气空腔的所述另一腔壁上。
3.根据权利要求1或2所述的匀气组件，其特征在于，所述第二混气空腔的出口穿过所述冷却层设置。
4.一种气体反应设备，其特征在于，所述气体反应设备包括：
匀气组件，所述匀气组件如权利要求1-3中任一项所述；
反应腔室，所述反应腔室与所述匀气组件的第二混气空腔出口连通；
衬底托盘，所述衬底托盘承接所述混气空腔输出的混合气体。
5.根据权利要求4所述的气体反应设备，其特征在于，所述气体反应设备用于生产半导体材料，所述半导体材料包括氮化镓、氮化铝、砷化镓、磷化铟或氧化锌。
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