CN106367731A - 一种氧化物化学气相沉积装置和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种氧化物化学气相沉积装置和方法，主要包括：载片筒、压紧环、载片筒安装环、底座、腔体外壁、加热器、中心气体管、加热器安装座、反应气体进口、反应腔流道、底部流道、中心进气口、尾气口、尾气整流孔。本发明通过流道的中心对称设计，保证反应气体流动的均匀性，提高沉积质量和均匀性，通过中心气体管向载片筒内吹扫保护气体，并与反应腔流道保持一定正压差，阻止反应腔流道的气体不流入载片筒内，保护加热器不被反应气体氧化。
Description
技术领域
本发明涉及半导体材料制备技术领域，尤其是涉及氧化物化学气相沉积装置和方法。
背景技术
目前的化学气相沉积设备主要用于GaN、GaAs材料的生长工艺，而这些工艺不是氧化性气氛，不会对设备的结构材质造成破坏。II-VI族氧化物例如ZnO也主要是通过化学气相沉积设备获得的，ZnO作为一种直接带隙宽禁带半导体材料，是继GaN之后光电研究领域的又一热门研究课题，有着广阔的发展前景。由于ZnO材料的工艺需要用到氧气，且是高温下生长，如何防止设备上的零部件在高温下被氧化而造成寿命减短或直接损坏，是需要迫切解决的问题。
与其它化合物CVD外延生长不同，氧化物生长反应腔体中是氧化氛围，在超高温（1100℃以上）生长条件下，炉丝温度会超过1400℃，甚至达到1700℃，导致炉丝会很快氧化而失效，另外也有可能引入氧化物杂质，一旦杂质扩散到反应气体氛围内，会引起有害掺杂，导致外延材料质量下降。因此，MOCVD方法高温生长氧化物材料，其炉体的制作是非常困难的，要实现腔体内流场均匀，而且还要保证加热部分不被氧化。
发明内容
本发明的目的是提供一种氧化物化学气相沉积装置和方法，在金属氧化物化学沉积设备中实现反应腔体流场的极致均匀性，并保证加热器与反应室密封隔离，防氧化。
本专利采用的技术方案是，一种氧化物化学气相沉积装置，主要包括：载片筒（1）、垫片（2）、压紧环（3）、底座（6）、腔体外壁（7）、加热器（8）、中心气体管（12）、加热器安装座（9）、反应气体进口（15）、反应腔流道（16）、底部流道（18）、中心进气口 (14)、尾气口（13）、尾气整流孔（17），其特征是压紧环（3）通过垫片（2）把载片筒（1）压紧固定在底座（6）上；反应腔流道（16）、尾气整流孔（17）和底部流道（18）在结构上分别设置为轴中心对称方式，反应气体进口（15）通过反应腔流道（16）、尾气整流孔（17）和底部流道（18）与尾气口（13）连通，使反应气体及其载气从反应气体进口（15）进入反应腔体经反应腔流道（16）、尾气整流孔（17）和底部流道（18）从尾气口（13）流出；中心气体管（12）从底座（10）中心穿过伸入到载片筒（1）空腔中心内部，位于腔体的轴对称中心，并且与底座（6）相互密封，通过中心进气口（14）和中心气体管（12）向载片筒（1）内吹扫保护气体，并与反应腔流道（16）内气体保持一定正压差，阻止反应腔流道（16）的气体不流入载片筒（1）内，保护加热器（8）不被反应气体氧化；腔体外壁（7）与底座（6）固定安装。
优选地，石墨筒（1）可以为设置为整体式，也可以设置为由两节或多节石墨环组合形成，以便于制造和安装。
优选地，垫片（2）材质为石英等隔热材料。
优选地，在载片筒（1）和底座（6）之间设置石英隔热环（4）和调节垫片（5），石英隔热环（4）和调节垫片（5）材质为石英等隔热材料，避免载片筒（1）高温对设备造成损害，以及调整载片筒（1）安装的水平和稳定。
优选地，尾气整流孔（17）设置为周向均匀分布8个以上，进一步减少抽气口对反应腔流道（16）流场扰动，提高反应腔流道（16）流场的均匀性。
优选地，设置热电偶（11）穿过底座（6）底部和中心气体管（12）插入载片筒（1）的盲孔，热电偶（11）与底座（6）接触面相对密封，以便监测载片筒（1）的温度。
优选地，在底座（6）设置有驱动轴（10），用于驱动石墨筒（1）旋转，传动方式为齿轮传动或同步带传动传动方式。
根据本发明氧化物化学气相沉积装置进行氧化物化学气相沉积的方法，包括：通过中心进气口（14）和中心气体管（12）向载片筒（1）内吹扫保护气体；反应气体及其载气从反应气体进口（15）进入反应腔体经反应腔流道（16），尾气整流孔（17）和底部流道（18）从尾气口（13）流出； 控制载片筒（1）内气体与反应腔流道（16）内气体保持一定正压差，阻止反应腔流道（16）的气体不流入载片筒（1）内；加热器（8）升温，使载片筒（1）表面达到设定温度；反应气体及载气进行一系列物理化学反应在载片筒（1）上的衬底表面沉积所需薄膜。
优选地，通过控制程序自动控制使加热器腔体内部的压力始终大于其外部压力。
优选地，保护气体为不与加热器发生化学反应的还原性气体或惰性气体。
优选地，定期把炉体内通入还原性气体，如氢气，对载片筒（1）内和加热器（8）上积累的氧化物进行还原反应以将其清除。
本发明所有进入反应腔的气体均以腔体中心为中心均匀分布，从整个流道呈中心对称结构，可以较好的保证反应气体流动的均匀性，提高沉积的质量和均匀性，通过设置中心气体管向载片筒内吹扫保护气体，并与反应腔流道内气体保持一定正压差，因此进入石墨筒内腔的保护气体可以动态的隔离氧化性或者腐蚀性气体进入，确保生产过程中加热器或其他高温零件不被氧化或者腐蚀。
附图说明
图1为本发明氧化物化学气相沉积装置的剖面示意图。
具体实施方式
下面结合附图进一步说明本发明的实施例，图1是根据本发明的实施方式装置的工作示意性图示。应理解，本发明公开的图1重点示意了根据本发明实施方式装置的元部件，也就是说，图1并不意在示意出本发明装置中的每一个单独的元部件。
如图1所示，一种氧化物化学气相沉积装置，主要包括：载片筒1、垫片2、压紧环3、底座6、腔体外壁7、加热器8、中心气体管12、加热器安装座9、反应气体进口15、反应腔流道16、底部流道18、中心进气口 14、尾气口13、尾气整流孔17，其特征是压紧环3通过垫片2把载片筒1压紧固定在底座6上；反应腔流道16、尾气整流孔17和底部流道18在结构上分别设置为轴中心对称方式，反应气体进口15通过反应腔流道16、尾气整流孔17和底部流道18与尾气口13连通，使反应气体及其载气从反应气体进口15进入反应腔体经反应腔流道16、尾气整流孔17和底部流道18从尾气口13流出；中心气体管12从底座10中心穿过伸入到载片筒1空腔中心内部，位于腔体的轴对称中心，并且与底座6相互密封，通过中心进气口14和中心气体管12向载片筒1内吹扫保护气体，并与反应腔流道16内气体保持一定正压差，阻止反应腔流道16的气体不流入载片筒1内，保护加热器8不被反应气体氧化；腔体外壁7与底座6固定安装。
优选地，石墨筒1可以为设置为整体式，也可以设置为由两节或多节石墨环组合形成，以便于制造和安装。
优选地，垫片2材质为石英等隔热材料。
优选地，在载片筒1和底座6之间设置石英隔热环4和调节垫片5，石英隔热环4和调节垫片5材质为石英等隔热材料，避免载片筒1高温对设备造成损害，以及调整载片筒1安装的水平和稳定。
优选地，尾气整流孔17设置为周向均匀分布8个以上，进一步减少抽气口对反应腔流道16流场扰动，提高反应腔流道16流场的均匀性。
优选地，设置热电偶11穿过底座6底部和中心气体管12插入载片筒1的盲孔，热电偶11与底座6接触面相对密封，以便监测载片筒1的温度。
优选地，在底座6设置有驱动轴10，用于驱动石墨筒1旋转，传动方式为齿轮传动或同步带传动传动方式。
根据本发明氧化物化学气相沉积装置进行氧化物化学气相沉积的方法，包括：通过中心进气口14和中心气体管12向载片筒1内吹扫保护气体；反应气体及其载气从反应气体进口15进入反应腔体经反应腔流道16，尾气整流孔17和底部流道18从尾气口13流出； 控制载片筒1内气体与反应腔流道16内气体保持一定正压差，阻止反应腔流道16的气体不流入载片筒1内；加热器8升温，使载片筒1表面达到设定温度；反应气体及载气进行一系列物理化学反应在载片筒1上的衬底表面沉积所需薄膜。
优选地，通过控制程序自动控制使加热器腔体内部的压力始终大于其外部压力。
优选地，保护气体为不与加热器发生化学反应的还原性气体或惰性气体。
优选地，定期把炉体内通入还原性气体，如氢气，对载片筒1内和加热器8上积累的氧化物进行还原反应以将其清除。
以上说明对本发明而言只是说明性的，而非限制性的，本领域普通技术人员的理解，在不脱离权利要求所限定的精神和范围的情况下，可根据上述揭示内容做出变更、修饰或等效，但都将落入本发明的保护范围内。
Claims (12)
1.一种氧化物化学气相沉积装置，主要包括：载片筒（1）、垫片（2）、压紧环（3）、底座（6）、腔体外壁（7）、加热器（8）、中心气体管（12）、加热器安装座（9）、反应气体进口（15）、反应腔流道（16）、底部流道（18）、中心进气口 (14)、尾气口（13）、尾气整流孔（17），其特征是压紧环（3）通过垫片（2）把载片筒（1）压紧固定在底座（6）上；反应腔流道（16）、尾气整流孔（17）和底部流道（18）在结构上分别设置为轴中心对称方式，反应气体进口（15）通过反应腔流道（16）、尾气整流孔（17）和底部流道（18）与尾气口（13）连通，使反应气体及其载气从反应气体进口（15）进入反应腔体经反应腔流道（16）、尾气整流孔（17）和底部流道（18）从尾气口（13）流出；中心气体管（12）从底座（10）中心穿过伸入到载片筒（1）空腔中心内部，位于腔体的轴对称中心，并且与底座（6）相互密封，通过中心进气口（14）和中心气体管（12）向载片筒（1）内吹扫保护气体，并与反应腔流道（16）内气体保持一定正压差，阻止反应腔流道（16）的气体不流入载片筒（1）内，保护加热器（8）不被反应气体氧化；腔体外壁（7）与底座（6）固定安装。
2.如权利要求1所述的氧化物化学气相沉积装置，其特征在于所述石墨筒（1）可以为设置为整体式，也可以设置为由两节或多节石墨环组合形成。
3.如权利要求1所述的氧化物化学气相沉积装置，其特征在于所述垫片（2）材质为石英等隔热材料。
4.如权利要求1所述的氧化物化学气相沉积装置，其特征在于在载片筒（1）和底座（6）之间设置石英隔热环（4）和调节垫片（5），石英隔热环（4）和调节垫片（5）材质为石英等隔热材料，避免载片筒（1）高温对设备造成损害，以及调整载片筒（1）安装的水平和稳定。
5.如权利要求1所述的氧化物化学气相沉积装置，其特征在于尾气整流孔（17）设置为周向均匀分布8个以上，进一步减少抽气口对反应腔流道（16）流场扰动，提高反应腔流道（16）流场的均匀性。
6.如权利要求1所述的氧化物化学气相沉积装置，其特征在于设置热电偶（11）穿过底座（6）底部和中心气体管（12）插入载片筒（1）的盲孔，热电偶（11）与底座（6）接触面相对密封，以便监测载片筒（1）的温度。
7.如权利要求1所述的氧化物化学气相沉积装置，其特征在于在底座（6）设置有驱动轴（10），用于驱动石墨筒（1）旋转，传动方式为齿轮传动或同步带传动传动方式。
8.一种氧化物化学气相沉积方法，其特征在于，所述氧化物化学气相沉积方法应用权利要求1所述的氧化物化学气相沉积装置，包括：通过中心进气口（14）和中心气体管（12）向载片筒（1）内吹扫保护气体；反应气体及其载气从反应气体进口（15）进入反应腔体经反应腔流道（16），尾气整流孔（17）和底部流道（18）从尾气口（13）流出； 控制载片筒（1）内气体与反应腔流道（16）内气体保持一定正压差，阻止反应腔流道（16）的气体不流入载片筒（1）内；加热器（8）升温，使载片筒（1）表面达到设定温度；反应气体及载气进行一系列物理化学反应在载片筒（1）上的衬底表面沉积所需薄膜。
9.根据权利要求8所述的氧化物化学气相沉积方法，其特征在于通过控制程序自动控制使加热器腔体内部的压力始终大于其外部压力。
10.根据权利要求8所述的氧化物化学气相沉积方法，其特征在于所述保护气体为不与加热器发生化学反应的还原性气体或惰性气体。
11.根据权利要求8所述的氧化物化学气相沉积方法，其特征在于定期把炉体内通入还原性气体，对载片筒（1）内和加热器（8）上积累的氧化物进行还原反应以将其清除。
12.根据权利要求11所述的氧化物化学气相沉积方法，其特征在于所述还原性气体为氢气。
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