CN106591805B - 一种mocvd设备喷淋头及包含其的mocvd设备和进气方式 - Google Patents
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Abstract
一种MOCVD设备喷淋头及包含其的MOCVD设备和进气方式。本发明提供一种MOCVD设备喷淋头，包括进气装置、反应腔和旋转基座，所述进气装置包括输运通道、氧源和载气入口、MO源喷射格栅、静态混合器、可调节导流板和整流器，所述整流器设置于反应腔内的顶部；所述MO源喷射格栅包括设置于输运通道中的喷射格栅和部分设置于输运通道外的MO源入口管；所述氧源和载气入口设置于输运通道的初始端；所述输运通道中，从起始端开始依次设置有喷射格栅、静态混合器和可调节导流板，所述可调节导流板位于输运通道的拐角处。本发明提供的输运通道将氧源与MO源在反应腔外掺混完成，防止了预反应的进行，提高了薄膜生长质量，且掺混后的混合气体通过整流器直接均匀喷淋至基片表面，提高生长速率。
Description
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设备喷淋头及包含其的MOCVD设备和进气方式。
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设备生长薄膜具有外延面积大、可重复性强、组分控制精确、淀积速率高、生长规模大等优点，生长的材料和器件质量较高，成为制造芯片薄膜的主要技术。它利用载气运载金属有机源至反应腔内部，在衬底表面与氧化物发生化学反应生成薄膜先驱物，并吸附在衬底表面，在加热的衬底上外延生长形成薄膜。
MOCVD设备对生长环境要求很苛刻，薄膜生长质量与很多因素有关，为了保证薄膜生长质量，一方面，到达衬底表面的反应源气体组分和流速应该尽可能均匀，这需要反应源气体在到达衬底表面前就已经混合均匀，并且能够均匀喷淋至衬底表面；另一方面，应当抑制反应源气体预反应的进行，使得反应源气体在衬底表面才进行化学反应。
CN105420691A公开了一种MOCVD设备喷淋头及其气相反应控制方法，MOCVD设备喷淋头包括MO源通道、保护气体通道、氧源通道、观察通道、以及反应腔，MO源气体、保护气体分别通过MO源通道、保护气体通道直达反应腔内部，氧源气体通过缓冲腔分散后再通过氧源通道到达反应腔，保护气体通道设置于MO源通道和氧源通道之间，保护气体在反应腔内形成气壁，从而分隔开MO源气体以及氧源气体在反应腔内到达旋转基座前的预混合，从而提高MOCVD设备生长薄膜的质量。该发明提供的MOCVD设备喷淋头是通过保护气体在反应腔内形成气壁，从而分隔开MO源气体以及氧源气体在反应腔内到达旋转基座前的预混合得到高质量的薄膜。
为了保证薄膜生长质量，当前主流的MOCVD，进气结构都比较复杂，气体喷淋系统的成本很高，维护成本也很高；反应源气体在反应腔中进行混合，由于衬底高温，反应腔内部温度也很高，导致反应源气体由于高温，还未到达衬底表面就发生预反应，影响薄膜生长质量，效率低下，同时消耗了反应物，提高了成本，也降低了薄膜的外延速度。
发明内容
为解决上述问题本发明提供一种MOCVD设备喷淋头，包括进气装置、反应腔和旋转基座，所述进气装置包括输运通道、氧源和载气入口、MO源喷射格栅、静态混合器、可调节导流板和整流器。
所述整流器设置于反应腔内的顶部；所述MO源喷射格栅包括设置于输运通道中的喷射格栅和部分设置于输运通道外的MO源入口管；所述氧源和载气入口设置于输运通道的初始端；所述输运通道中，从起始端开始依次设置有喷射格栅、静态混合器和可调节导流板，所述可调节导流板位于输运通道的拐角处。
所述静态混合器为3层设置，每层由10-15根文丘里管组成，优选的每层文丘里管为13根，中间层文丘里管与外部两层的排列曾垂直排布。
所述可调节导流板由三层防磨弯导流板组成，为可转动设置，可根据不同的工艺参数条件作出适应性调整。
所述整流器整体为圆台状，所述整流器内部设置为逐渐向圆台底部倾斜的格栅。
所述MO源入口管设有质量流量控制器，可调控MO源气体流量速率。
所述喷射格栅包括中管和小管，所述中管与MO源入口管垂直设置，并且等距、对称嵌于MO源入口管的两边上，所述小管等距垂直嵌于中管上。中管数量为8-12根，优选为10根；最外边的4根中管上分别设置的小管数量为4-6根，优选为5根；中间的每个中管上分别设置的小管数量为6-10根，优选为8-9根。
所述氧源和载气入口设有流量控制器。
所述输运通道为带拐角的圆柱形。
所述转基座设置于反应腔底部，用于承载基片。
本发明还包括包含上述喷淋头的MOCVD设备。
包含上述喷淋头的MOCVD设备的进气方法，包括以下步骤：
(1)单独打开氧源和载气入口中的载气入口，通入载气进行腔体清洁，所述载气优选为氩气；
(2)启动旋转基座，对旋转基座上的基片进行加热；
(3)打开氧源和载气入口中氧源开关，通入氧气，并调整到预期的流速；
(4)打开MO源喷射格栅，并调整到预期的流速，将MO源喷射进输运通道，经过静态混合器、可调节导流板，再通过整流器喷淋混合气体；
(5)基片上开始生长薄膜；
(6)关闭氧源开关和MO源开关；
(7)旋转基座停止旋转并降温；
(8)关闭载气入口开关；
(9)薄膜结束生长。
本发明的有益效果：
本发明通过将MO源和氧源通过静态混合器在反应腔外部进行掺混，并通过可调节导流板导流进反应腔中，保证了反应源气体的混合效果，且外部没有高温环境，抑制了预反应的进行；进入反应腔后混合气体通过整流器均匀扩散后直接到达高温衬底表面进行反应，提高了薄膜生长质量，且本发明中MOCVD设备喷淋头结构比较简单，制造成本低，维护成本也低。
附图说明
附图1为本发明MOCVD设备喷淋头的立体结构示意图；
附图2为本发明MOCVD设备喷淋头的平面结构示意图；
附图3为本发明MOCVD设备喷淋头的MO源喷射格栅排布示意图；
附图4为本发明MOCVD设备喷淋头的静态混合器结构示意图；
附图5为本发明MOCVD设备喷淋头的底视示意图；
附图6为本发明MOCVD设备喷淋头的温度场分布云图；
附图7为本发明MOCVD设备喷淋头的速度场分布云图；
附图8为MOCVD生长完成基片表面薄膜沉积分布曲线；
附图中，1-氧源和载气入口；2-MO源喷射格栅；3-静态混合器；4-输运通道；5-可调节导流板；6-整流器；7-反应腔；8-旋转基座；21-喷射格栅；22-MO源入口管；211-中管；212-小管。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进一步描述。
结合图1和图2，本发明提供一种MOCVD设备喷淋头，包括进气装置、反应腔7和旋转基座8，所述进气装置包括输运通道4、氧源和载气入口1、MO源喷射格栅2、静态混合器3、可调节导流板5和整流器6，所述整流器6设置于反应腔7内的顶部；所述MO源喷射格栅2包括设置于输运通道4中的喷射格栅21和部分设置于输运通道4外的MO源入口管22；所述氧源和载气入口1设置于输运通道4的初始端；所述输运通道4中，从起始端开始依次设置有喷射格栅21、静态混合器3和可调节导流板5，所述可调节导流板5位于输运通道4的拐角处。所述氧源和载气入口1设有流量控制器，可根据需求调控气体流量。所述输运通道4为带拐角的圆柱形。
再结合图3，所述MO源喷射格栅2包括设置于输运通道4中的喷射格栅21和部分设置于输运通道4外的MO源入口管22，所述MO源入口管22设有质量流量控制器，可调控MO源气体流量速率。所述喷射格栅21包括中管211和小管212，所述中管211与MO源入口管22垂直设置，并且等距、对称嵌于MO源入口管的两边上，所述小管212等距垂直嵌于中管211上。中管211数量为8-12根，优选为10根；最外边的4根中管211上分别设置的小管212数量为4-6根，优选为5根；中间的每个中管211上分别设置的小管212数量为6-10根，优选为8-9根。MO源喷射格栅2的多个管道对称设置，能够保证MO源均匀的喷射入输运通道4中，靠近MO源喷射格栅2的静态混合器3能够使喷射的MO源和氧源充分进行混合，达到更好的混合效果。
再结合图4，所述静态混合器3为3层设置，每层由10-15根文丘里管组成，优选的每层文丘里管为13根，中间层文丘里管与外部两层的排列曾垂直排布。通过这种垂直交错的排布使流动的氧源和MO源发生碰撞，改变流向，达到充分混合的效果。每层文丘里管的数量太多，气体流动不顺畅；数量太少，则会导致混合不均匀，本发明每层文丘里管数量设置合理，实现氧源和MO源在反应腔7外高效混合。
所述可调节导流板5由三层防磨弯导流板组成，为可转动设置，可根据不同的工艺参数条件作出适应性调整。不仅可进一步促进气体混合，还能抑制拐角处的涡流产生。
再结合图5，所述整流器6整体为圆台状，所述整流器6内部设置为逐渐向圆台底部倾斜的格栅。能够使输运通道4中已经混合好的气体均匀的流入反应腔7中，使混合气体均匀分布喷淋至基片表面，提高薄膜生长质量。
所述转基座设置于反应腔7底部，用于承载基片。
本发明MOCVD设备的进气方法，包括以下步骤：
(1)单独打开氧源和载气入口1中的载气入口，通入载气进行腔体清洁，可根据需求调控载气流量；所述载气优选为氩气。
(2)启动旋转基座8，对旋转基座8上的基片进行加热；
(3)打开氧源和载气入口1中氧源开关，通入氧气，并调整到预期的流速；
(4)打开MO源喷射格栅2，并调整到预期的流速，将MO源喷射进输运通道4，MO源和氧源与静态混合器3的文丘里管发生碰撞，改变流向，进而发生混合，混合后的气体进一步流入输运通道4的拐角处，此处设有可调节导流板5，实现混合气体进一步掺混均匀，同时可以防止拐角处气流冲撞而产生涡流，进一步混合后的气体再通过整流器6均匀喷淋混合气体至基片表面；
(5)基片上开始生长薄膜；
(6)关闭氧源开关和MO源开关；
(7)旋转基座8停止旋转并降温；
(8)关闭载气入口开关；
(9)薄膜结束生长。
在一具体实施例中，设计的氧源和载气入口1和输运通道4截面积为0.0315m2，MO源入口管22面积为0.0007m2，MO源喷射格栅2的小管212喷口面积为0.0000283m2，静态混合器3采用3层，每层13根截面积为0.0000785m2文丘里管设置而成。MO源入口流量可设置为200-3000sccm，氧源入口流量可设置为1000-10000sccm。
效果实施例：结合图6-8，图6中2维模拟结果显示，石墨底座加热处于高温状态，在MOCVD工作过程中，基片表面温度均匀是保证ZnO薄膜均匀外延生长的前提，图6中基片表面温度分布均匀，向外扩散温度逐渐降低，显示了良好的温度均匀性。图7为MOCVD设备喷淋头的速度场分布云图，整体在氧源，MO源入口以及拐角处流速较大，经过整流器6后，速度分布均匀，混合气体均匀喷淋至基片表面进行外延生长，保证了ZnO薄膜外延生长的速率和均匀性。图8为MOCVD生长完成基片表面薄膜沉积分布情况，整体沉积速率达到0.25，为正常生长速率水平，且沿径向分布过程中沉积率保持一致性，基片表面薄膜沉积均匀性高。以上模拟情况说明此MOCVD设备满足ZnO薄膜生长需求，且生长质量高，满足实际生产需求。
本发明提供的输运通道将氧源与MO源在反应腔外掺混完成，防止了预反应的进行，提高了薄膜生长质量，且掺混后的混合气体通过整流器直接均匀喷淋至基片表面，提高生长速率。
Claims (10)
1.一种MOCVD设备喷淋头，其特征在于，包括进气装置、反应腔和旋转基座，所述进气装置包括输运通道、氧源和载气入口、MO源喷射格栅、静态混合器、可调节导流板和整流器，
所述整流器设置于反应腔内的顶部；所述MO源喷射格栅包括设置于输运通道中的喷射格栅和部分设置于输运通道外的MO源入口管；所述氧源和载气入口设置于输运通道的初始端；所述输运通道中，从起始端开始依次设置有喷射格栅、静态混合器和可调节导流板，所述可调节导流板位于输运通道的拐角处。
2.根据权利要求1所述的一种MOCVD设备喷淋头，其特征在于，所述静态混合器为3层设置，每层由10-15根文丘里管组成，中间层文丘里管与外部两层的排列曾垂直排布。
3.根据权利要求1所述的一种MOCVD设备喷淋头，其特征在于，所述可调节导流板由三层防磨弯导流板组成，为可转动设置。
4.根据权利要求1所述的一种MOCVD设备喷淋头，其特征在于，所述整流器整体为圆台状，所述整流器内部设置为逐渐向圆台底部倾斜的格栅。
5.根据权利要求1所述的一种MOCVD设备喷淋头，其特征在于，所述MO源入口管设有质量流量控制器。
6.根据权利要求1所述的一种MOCVD设备喷淋头，其特征在于，所述喷射格栅包括中管和小管，所述中管与MO源入口管垂直设置，并且等距、对称嵌于MO源入口管的两边上；所述小管等距垂直嵌于中管上。
7.根据权利要求1所述的一种MOCVD设备喷淋头，其特征在于，所述氧源和载气入口设有流量控制器。
8.根据权利要求1所述的一种MOCVD设备喷淋头，其特征在于，所述转基座设置于反应腔底部，用于承载基片。
9.一种包含权利要求1-8任一项所述喷淋头的MOCVD设备。
10.一种MOCVD设备喷淋头的进气方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)单独打开氧源和载气入口中的载气入口，通入载气进行腔体清洁；
(2)启动旋转基座，对旋转基座上的基片进行加热；
(3)打开氧源和载气入口中氧源开关，通入氧气，并调整到预期的流速；
(4)打开MO源喷射格栅，并调整到预期的流速，将MO源喷射进输运通道，经过静态混合器、可调节导流板，再通过整流器喷淋混合气体；
(5)基片上开始生长薄膜；
(6)关闭氧源开关和MO源开关；
(7)旋转基座停止旋转并降温；
(8)关闭载气入口开关；
(9)薄膜结束生长。
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