CN106011793B - 气盘及气体反应设备 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种用于MOCVD设备的新型的预先混气的顶盘组件，由进气上盘、水冷套、匀气盘、以及匀气网组成，通过对顶盘组件的改进和创新及独特的设计，即：不同的工艺气体在顶盘组件内完成预先混合；进气上盘、匀气网、以及匀气盘的设置形成了多个混气腔；在匀气网及匀气盘上分别设计均匀分布的匀气喷口，并且交错排布。从而使得工艺气体混合的更充分、更均匀。有效抑制了外延生长过程中的预反应，提高了均匀性及薄膜质量。

Description

气盘及气体反应设备

技术领域

本专利属于半导体生产设备领域，具体而言涉及一种气盘及使用该气盘的气体反应设备。

背景技术

MOCVD即金属有机物化学气相沉积技术是一种重要的气相沉积技术，将要沉积的金属或者非金属挥发性化合物在加热的基体衬底上分解或还原，而在衬底上析出金属或非金属。MOVCD技术的发展是半导体外延技术的需要，是生长发光二极管(LED)用半导体发光材料的先进技术。

MOCVD设备即金属有机物化学气相沉积设备是保证外延工艺的最佳设备，目前广泛应用于生长发光二极管(LED)用的半导体发光材料，比如目前的铟、镓、铝氮半导体材料体系，它们对于生产从深紫外到红光波长范围内的LED发光二极管具有绝对竞争优势。

顶盘组件是MOCVD设备中的核心部件，它的结构直接决定了工艺气体的进气、混气、匀气的方式，以及工艺气体的气流状态，进而决定外延生长的质量及均匀性。可以说，顶盘组件的结构设计直接决定了整套MOCVD设备的质量和性能。因此，MOCVD技术的从业者不断改进和创新顶盘组件的结构设计，以提高设备整体性能及质量。

在MOVCD外延生长工艺工程中，防止预反应及提高均匀性是最重要的两个亟待解决的问题。在以往的结构设计中：工艺气体在顶盘组件内不进行预先混气，而是仅仅为了实现匀气功能，在匀气盘上均匀的布置多个出气喷口，不同的工艺气体(例如MO源及氨气)，通过各自在上盘上的进气管道进入匀气盘上各自独立的喷口区域，再通过这些喷口喷射向基体表面。不同的工艺气体在喷射出顶盘组件后到达衬底表面前的过程中完成混气。为了保证混气充分、均匀，不得不提高顶盘组件距衬底表面的距离，不仅加大了腔室的空间，造成腔室材料、抽气系统以及工艺气体不必要的浪费。而且，更为严重的是，由于工艺气体在喷射出顶盘组件后到达衬底表面前的过程中受到热辐射加热，工艺气体温度升高，相互间更容易发生化学反应，因而预反应现象严重，导致原料利用率低、薄膜质量差。虽然，在不得已的情况下增大衬底托盘的转速会在一定程度上对防止预反应起到一点帮助。但是，增大转速会影响沉积反应的传质、传热边界层稳定，形成涡流，不利于薄膜生长。另外，对于电机及整套传动装置的设计成本也不增加。

发明内容

本专利正是基于现有技术上述缺陷而提出的，本专利要解决的技术问题是提供一种气盘或气体反应设备，其能够在供给反应气体时降低预反应的量并提高反应的均匀性。

为了解决上述问题，本专利提供的技术方案包括：

一种MOCVD设备气盘，所述气盘包括：混气空腔，所述混气空腔中具有混气空间和排出混合气体的出口；进气通道，所述进气通道包括分开设置的第一进气通道和第二进气通道，所述第一进气通道包括第一气体喷头沿着第一方向喷射第一气体；所述第二进气通道包括第二气体喷头，沿着第二方向喷射第二气体；第一气体喷头和第二气体喷头均设置在所述混气空腔中；所述第一方向和第二方向之间具有预定的夹角；第一冷却装置，所述第一冷却装置邻近所述混气空腔的出口设置。

优选地，所述混气空腔包括第一混气空腔和第二混气空腔，所述第一混气空腔内设置所述第一气体喷头和第二气体喷头，所述第二混气空腔中设置所述混合气体的出口；所述第一混气空腔和第二混气空腔连通，在所述第一混气空腔和第二混气空腔之间设置有匀气网，所述匀气网上设置有匀气孔。

优选地，所述第一混气空腔和第二混气空腔上下对齐设置，所述第一混气空腔位于所述第二混气空腔上方；所述第一混气空腔出口设置在所述第二混气空腔的底壁上。

优选地，所述合气体的出口与所述匀气孔隔离开预定的距离，且交错地设置。

优选地，所述混合气体的出口的下游还设置有冷却经由所述出口排出的混合气体的第二冷却装置。

优选地，所述第一方向和第二方向垂直。

优选地，所述混气空腔的截面为圆形；所述第一气体喷头包括多个沿着所述圆形直径布置的第一气体喷嘴，相邻喷嘴组之间的间隔开同样的角度；每个喷嘴组中均包含第一喷口，所述第一喷口沿着与所述圆形的直径垂直的两个方向喷射第一气体；所述第二气体喷嘴均匀设置在相邻的两个第一气体喷嘴之间；所述第二气体喷嘴沿着所述圆形的直径朝向和远离圆心的方向喷射第二气体。

优选地，所述第一气体喷嘴和所述第二气体喷嘴整体位于同一个圆周上，该圆周与所述混气空腔的截面同心。

优选地，所述气盘还包括隔离气喷射装装置，所述隔离器喷射装置与所述混气空腔分开设置；所述隔离气喷射装置包括沿着所述气盘的外周设置的隔离气喷头。

以及一种气体反应设备，所述气体反应设备包括：气盘，所述气盘如上任一项所述；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。

本发明提出了新型的预先混气的顶盘组件结构形式，即不同的工艺气体通过各自在上盘上的进气管道进入上盘后，在上盘内预先混气；再经过匀气网和匀气盘，实现充分混气后到达衬底表面；将匀气盘设计成水冷结构以及增加水冷套。使得从匀气盘喷口喷射出的工艺气体的温度及喷射距离都大大降低，有效地实现了防止预反应以及提高均匀性的目的，降低了成本，提高了原料的利用率及薄膜质量。

附图说明

图1A为本具体实施方式中的气盘的结构剖面图；

图1B为本具体实施方式中的气盘的结构俯视图；

图2A为图1的Ⅰ部分局部放大视图；

图2B为图1的Ⅱ部分局部放大视图；

图2C为图1的Ⅲ部分局部放大视图；

图2D为图1的Ⅳ部分局部放大视图；

图3为工艺气体在混气空腔内的混气原理图。

图4为本具体实施方式中的一种MOCVD设备的结构图。

其中：

1——上盘，2——水冷套，3——水冷匀气盘，4——匀气网，5——第一进气管，6——第二进气管，7——隔离气进气管道，8——第一喷嘴，9——第二喷嘴；10---第一混气空腔、11——第二混气空腔；12——水冷空腔，14——第一供气槽，15——第二供气槽，16——隔离气供气槽；17——最终喷口，18——第一喷口，19——第二喷口，20——隔离气喷口，21——匀气孔，22——衬底托盘，23——反应腔室。

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

如图1所示，其给出了本具体实施方式中实施例一的结构，在该实施例一中，本具体实施方式提供了一种气盘，该顶盘组件优选用于气体反应设备中，用于供给相关的气体，例如用于MOCVD设备中。当然，本领域技术人员可以理解的是，在其他类似的气体供给或反应设备中也可以使用该气盘组件。

如图1所示，该气盘包括：盘体，所述盘体中形成有进气通道、混气空腔和混合气体出口。所述盘体优选形成为圆形，具有预定的厚度。通过设置圆盘状的盘体可以便于均匀地设置各个进气通道。当然根据实际的需要也可以将所述盘体设置为预定的对称或非对称的形状。

所述盘体可以采用金属材料成型、也可以采用非金属材料成型；根据不同应用场合下的不同需要，所述盘体还可以部分采用金属材料部分采用非金属材料复合成型。所述盘体可以是一体形成的，也可以采用多个部件组装形成上述结构。

例如图1中所述，所述盘体包括上盘1、水冷套2、水冷匀气盘3、匀气网4等多个部件，组装而成。

所述盘体内形成有混气空腔，所述混气空腔包括第一混气空腔10、和第二混气空腔11，所述第一混气空腔与第二混气空腔之间通过匀气网4隔开。所述第一混气空腔中包括入口，所述入口包括第一气体入口和第二气体入口，所述第一气体入口和第一气体管道相连通，所述第二气体入口和第二气体管道相连通，所述第一气体管道和第二气体管道彼此独立或者间隔开。通过所述第一气体管道向所述混气空腔内供给第一气体例如在MOCVD反应中供给MO源气体；通过所述第二气体管道供给第二气体，例如在MOCVD反应中供给NH₃气体。所述第一气体和第二气体在供给到所述混气空腔之前彼此不相混合，同时供给到所述混气空腔之后首先在所述第一混气空腔中混合。所述第一混气空腔还包括出口，所述出口与所述第二混气空腔相连通，在本具体实施方式中，所述出口即为设置在所述匀气网4上的第一组匀气孔，所述第一组匀气孔包括多个均匀分布的小孔，设置在所述匀气网4上，当气体经由所述匀气网自所述第一混气空腔流向所述第二混气空腔时，通过所述匀气网4上的匀气孔的作用进一步实现了第一气体和第二气体的均匀混气，提高了第一气体和第二气体混合的均匀程度。

在本实施例中，所述第一混气空腔10可以形成在所述上盘1的底部，借助所述上盖底部形成的槽形结构形成所述第一混气空腔10的顶壁和侧壁，所述匀气网4固定在所述槽形结构的下端开口上，形成所述第一混气空腔的底壁。所述第一气体管道和第二气体管道穿过所述顶壁向所述上盖之上延伸，以便于和第一气源、第二气源连通从而相应地供给所述第一气体、第二气体。

所述第一混气空腔10中的第一气体入口和第二气体入口的排布如图3所示。所述第一气体入口包括多个第一气体喷嘴8，多个所述第一气体喷嘴8之间的结构相同。所述第二气体入口包括多个第二气体喷嘴9，多个所述第二气体喷嘴9之间的结构相同。所述第一气体喷嘴8和第二气体喷嘴9交替分布，即相邻的两个第一气体喷嘴之间设置一个第二气体喷嘴8，相邻的两个第二气体喷嘴9之间设置一个第一气体喷嘴。

进一步地，所述第一气体喷嘴和第二气体喷嘴均可以沿着与所述气盘同心的圆周均匀分布，如图3所示。所述第一气体喷嘴包括沿着圆周相互间隔90度分布的四个喷嘴，所述第二气体喷嘴也包括沿着圆周相互间隔90度分布的四个喷嘴。所有第一气体喷嘴和第二气体喷嘴一起均匀分布在一个圆周上。这样可以均匀地供给第一气体和第二气体同时使得第一气体和第二气体能够尽量充分地接触，从而为均匀混合和均匀反应提供有利条件。

如图3所示，所述第一气体喷嘴沿着与圆盘直径垂直的两个方向喷射气体，所述第二气体喷嘴沿着所述气盘直径向内和向外的两个方向喷射气体。这样第一喷嘴喷射的气体和第二喷嘴喷射的气体流向相互垂直，从而进一步有利于第一气体和第二气体的均匀、快速混合。

图2B、图2C分别示出了本实施例中的第一气体喷嘴和第二气体喷嘴的具体结构。

如图2B所示，所述第一喷嘴包括第一喷嘴管道和第一喷口18，所述第一喷嘴管道的一端与所述第一气体管道连通，所述第一喷嘴管道的另一端与所述第一喷口相连。所述第一喷口包括导向板，所述导向板垂直于所述所述第一喷嘴管道并与所述第一喷嘴管道间隔开预定的距离设置，通过所述导向板的导向形成两个开口朝向相反的第一喷口。在本实施例中，两个所述第一喷口分别沿着垂直于圆盘直径的两个方向开口，喷射预定方向的气流。这种第一喷嘴的结构简单可靠，方向性强。当然本领域技术人员可以理解，采用其它结构的喷口只要能够形成沿着预定方向的气流即可，例如，包括但不限于采用喷气管道的方式或者其他适于导流的结构。

图2C所示，所述第二喷嘴9包括第二喷嘴管道和第二喷口19，所述第二喷嘴管道的一端与所述第二气体管道连通，所述第二喷嘴管道的另一端与所述第二喷口连通。所述第二喷口包括导向板，所述导向板垂直于所述所述第二喷嘴管道并与所述第二喷嘴管道间隔开预定的距离设置，通过所述导向板的导向形成两个开口朝向相反的第二喷口。在本实施例中，两个所述第二喷口分别沿着圆盘直径向内和向外的两个方向开口，喷射预定方向的气流。这种第二喷嘴的结构简单可靠，方向性强。当然本领域技术人员可以理解，采用其它结构的喷口只要能够形成沿着预定方向的气流即可，例如，包括但不限于采用喷气管道的方式或者其他适于导流的结构。

如图1A、1B所示，所述第一喷嘴与第一气体管道相连，从所述第一气体管道向所述第一喷嘴8供给第一气体，并通过所述第一喷嘴8将所述第一气体供给到所述混合腔室10中。所述第一气体管道包括设置在所述上盘中的第一供气槽14以及与所述第一供气槽连通并位于所述上盘之外的第一进气管5。所述第一进气管与气源相连通接受来自于气源中的第一气体，并把所述第一气体供给到所述第一供气槽14中。所述第一供气槽与所述第一气体喷嘴连通，将所述第一气体供给到所述第一喷嘴8。

优选地，如图3所示，在本实施例中，所述第一供气槽14设置在所述上盘之中，其包括两个沿着圆盘直径对称设置的两个圆弧形通路，每个通路均与第一进气管相连。所述第一喷嘴直接在所述第一供气槽上与所述第一气体管道连通。

设置所述第一供气槽可以使来自第一气源的气体在所述进气槽中实现缓冲，这样即可实现供给到第一气源喷嘴组压力较为均匀，从而便于均匀地将所述第一气体供给到所述混气空腔中。

所述第二喷嘴9与第二气体管道相连，从所述第二气体管道向所述第二喷嘴供给第二气体，并通过所述第二喷嘴9将所述第二气体供给到所述混合腔室10中。所述第二气体管道包括设置在所述上盘中的第二供气槽15以及与所述第二供气槽连通并位于所述上盘之外的第二进气管6。所述第二进气管与气源相连通接受来自于气源中的第二气体，并把所述第二气体供给到所述第二供气槽中。所述第二供气槽与所述第二气体喷嘴连通，将所述第二气体供给到所述第二喷嘴。优选地，在本实施例中，所述第二供气槽设置在所述上盘之中，其包括两个相互垂直的直线型通路，即十字形。所述第一供气管路相对于两个直线型通路均对称。所述第二供气槽在两个直线型通路的交接处于所述第二进气管相连。设置所述第二供气槽可以使来自第二气源的气体在所述进气槽中实现缓冲，同时设置这种对称的第二供气槽能够便于利用有限的空间形成所述第一供气槽之间的均匀布置。

所述第一气体和第二气体在所述第一混气空腔中混合后通过所述匀气网4进入到所述第二混气空腔11，所述第二混气空腔的入口即为所述匀气网上的匀气孔21。所述第二混气空腔的出口为最终喷口17，即所述最终喷口喷出的混合气体进入到反应室。所述最终喷口也形成为匀气小孔的结构，通过所述最终喷口喷出的混合气体进一步通过所述最终喷口实现进一步匀气。

所述匀气网上的匀气孔与所述最终喷口间隔开预定的距离设置，在间隔的距离中形成所述第二混气空腔的腔室。在所述腔室中，可以提供第一气体和第二气体进一步混合的空间。通过，为了避免气体直接从所述匀气网上的喷口喷射后直接直线地从所述最终喷口喷出，如图2A所示，所述匀气网上的匀气孔在所述最终喷口的面板上的投影与所述最终喷口交错排布，这样就使得气体在所述腔室中实现充分混合后再经由所述最终喷口喷出。

所述混气空腔的下游端设置有水冷空腔12，所述水冷空腔优选地与所述第二混气空腔相邻设置，所述第二混气空腔的最终喷口具有预定的长度，所述最终喷口的自所述第二混气空腔穿过所述水冷空腔而将混合气体排出。所述最终喷口的部分管路位于所述水冷空腔之中。通过设置所述水冷空腔，将所述混气空腔中的混合气体冷却，避免其在混气空腔中发生预反应，由于在反应室内需要保持一定的温度，因此为了避免反应室与所述混气空腔之间发生热交换，设置所述水冷空腔还具有隔离所述混气空腔与所述反应腔室的作用。

在本实施例中，所述第二匀气空腔和所述水冷空腔可以通过水冷匀气盘3来形成，将形成有第二匀气空腔和所述水冷空腔的水冷匀气盘3固定到所述上盘1上即完成组装。

进一步地，由于所述混合气体在所述顶盘组件的混合气体出口处也不希望产生预反应，而混合气体出口与所述反应腔室直接连通，因而对于所述混合气体出口处本实施例设置了第二冷却装置进行冷却。所述第二冷却装置优选地可以采用水冷套2，所述水冷套环套在所述水冷运气盘的下游的周围，呈圆环布置，对圆环中的混合空气进行冷却。

如图1、2D所示，为了进一步提高在所述反应腔室中的反应质量，本实施例中优选地在所述顶盘组件上设置隔离气喷射装置，所述隔离气体喷射装置设置在所述顶盘上，独立于所述混合腔室设置，即，与所述混合腔室不联通。所述隔离气体喷射装置包括隔离气供给管道7，所述隔离器供给管道7包括隔离气供气槽17和隔离气喷口20。所述隔离气从气源供给至所述隔离气供气槽17后通过所述隔离气喷口20喷出，所述隔离气喷口20与反应腔室的侧壁内侧相对，优选地可以在所述反应腔室侧壁内侧设置一圈所述隔离气喷口。通过喷射隔离气体起到了对工艺气体的隔离作用，进一步防止工艺气体向衬底托盘外侧扩散，提高了薄膜质量和利用率，同时保护设备的生长室壁不被污染。所述隔离气体可以采用氢气。实施例二

本实施例提供了一种MOCVD设备，其结构如图4所示，所述MOCVD设备包括顶盘，所述顶盘如实施例一所述，在此不再详细描述。

所述MOCVD设备还包括反应腔室23，所述反应腔室23中设置有衬底托盘22。所述反应腔室位于所述顶盖的下方，与所述顶盖的混合气体出口6相连通。所述衬底托盘位于所述混合气体出口6的下方。

本实施例中所述MOCVD在工作中，采用本专利提供的顶盘组件，生成高晶体质量氮化铝(AlN)薄膜。原料气体是三甲基铝和氨气，载气和隔离气均为氢气。

载气氢气携带原料气体三甲基铝分别经过由两个第一气源进气管和两组第一气源进气槽形成的第一气源进气通道，到达第一喷嘴，由第一喷口喷出，在第一混气空腔内形成扩散气流；第二种气体，氨气，经过由一个第二气体进气管和一组第二气源供气槽到达第二喷嘴，在第二喷口喷出，沿着第一混气空腔直径方向扩散，与第一气体达到充分混气；在第一混气空腔内混合后的工艺气体经过匀气网上均匀分布的匀气孔喷射向第二混气空腔,并在第二混气空腔中进一步扩散混气；最终，工艺气体经过在水冷匀气盘中均匀分布的匀气小管的最终喷口喷射至所述混气空腔外的混合气体出口，然后喷射向衬底。

同时，隔离气体氢气经过由隔离气进气管道和隔离气供气槽16形成的隔离气进气通道，隔离气进入通道后，经由所述上盘底部圆周上的一圈隔离气喷口20喷出，起到了对工艺气体的隔离作用，防止工艺气体向衬底托盘外侧扩散，提高薄膜质量和利用率，同时保护设备的生长室壁不被污染。

在这个生长工艺过程中，冷却水通过水冷管道分别接入水冷套2及水冷匀气盘3，对所述MOCVD设备的顶盘进行冷却。整个工艺过程没有出现预反应现象，得到的氮化铝(AlN)薄膜晶体质量高，均匀性好。

本专利的上述具体实施方式中通过预先混气的整体设计，使得工艺气体在喷射出顶盘组件前即完成充分混气，缩短了工艺气体混气、匀气的距离，也就缩短了顶盘组件到衬底的距离，有效抑制了预反应，提高了材料的利用率和薄膜的质量。通过进气通道的设计，使得工艺气体进入各自的每一路喷口的量都是相等的，对于混气效果、均匀性及外延工艺的操作性都大有帮助；通过独特的混气喷口的设计，使得工艺气体在混气空腔内混合得更充分、更均匀；匀气网的设置，使混气空腔的数量增加，利于充分混气，其上均匀分布的小孔，利于提高均匀性；设计成水冷匀气盘，通过水冷空腔对每个匀气管的有效冷却，减少了热辐射的影响，降低了工艺气体的出口温度，有效抑制了预反应；水冷套的设置进一步对喷出的工艺气体起到一定的冷却作用，降低预反应。同时对工艺气体具有导向作用，防止工艺气体向衬底托盘外侧扩散，提高了薄膜质量和利用率；隔离气体的设置起到了对工艺气体的隔离作用，进一步防止工艺气体向衬底托盘外侧扩散，提高了薄膜质量和利用率，同时保护设备的生长室壁不被污染。

以上仅仅是对本专利优选技术方案的描述，凡是在本专利基础上对于本专利的技术方案进行等同的修改、替换和省略，由于并没有脱离本专利的发明构思，因此均应当纳入本专利的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种MOCVD设备气盘，其特征在于，所述气盘包括：

混气空腔，所述混气空腔中具有混气空间和排出混气空间中混合气体的出口；

进气通道，所述进气通道包括分开设置的第一进气通道和第二进气通道，所述第一进气通道将第一气体供给到所述混气空腔中，所述第二进气通道将第二气体供给到所述混气空腔中，所述第一气体和第二气体在所述混气空间中混合；

所述混气空腔包括第一混气空腔和第二混气空腔，所述第一混气空腔内设置所述第一气体喷头和第二气体喷头，所述第二混气空腔中设置所述混合气体的出口；所述第一混气空腔和第二混气空腔连通，在所述第一混气空腔和第二混气空腔之间设置有匀气网，所述匀气网上设置有匀气孔；

所述混气空腔的截面为圆形；

所述第一气体喷头包括多个沿着所述圆形直径布置的第一气体喷嘴，相邻喷嘴组之间的间隔开同样的角度；每个喷嘴组中均包含第一喷口，所述第一喷口沿着与所述圆形的直径垂直的两个方向喷射第一气体；

所述第二气体喷嘴均匀设置在相邻的两个第一气体喷嘴之间；所述第二气体喷嘴沿着所述圆形的直径朝向和远离圆心的方向喷射第二气体。

2.根据权利要求1所述的气盘，其特征在于，所述气盘还包括：第一冷却装置，所述第一冷却装置邻近所述混气空腔的出口设置。

3.根据权利要求1所述的气盘，其特征在于，所述第一混气空腔和第二混气空腔上下对齐设置，所述第一混气空腔位于所述第二混气空腔上方；所述第一混气空腔出口设置在所述第二混气空腔的底壁上。

4.根据权利要求1所述的气盘，其特征在于，所述混合气体的出口与所述匀气孔隔离开预定的距离，且交错地设置。

5.根据权利要求1所述的气盘，其特征在于，所述混合气体的出口的下游还设置有冷却经由所述出口排出的混合气体的第二冷却装置。

6.根据权利要求1所述的气盘，其特征在于，所述第一气体喷嘴和所述第二气体喷嘴整体位于同一个圆周上，该圆周与所述混气空腔的截面同心。

7.根据权利要求1所述的气盘，其特征在于，所述气盘还包括隔离气喷射装装置，所述隔离器喷射装置与所述混气空腔分开设置；所述隔离气喷射装置包括沿着所述气盘的外周设置的隔离气喷头。