CN107699864B - Mocvd设备进气装置和反应腔的结构及该设备的薄膜生长方法 - Google Patents

Mocvd设备进气装置和反应腔的结构及该设备的薄膜生长方法 Download PDF

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Abstract

金属有机化学气相沉积法，是一种广泛用来生长半导体和氧化物外延薄膜的技术，目前这项生长技术已经发展的相当成熟，在工业化生产中得到了广泛的应用，MOCVD方法最大的优点在于它生长速度快，容易实现大规模生产，而且此方法对均匀掺杂控制非常方便，同时生长速率和温度的控制范围都很大，所以可以方便地生长出复杂组分的精细结构，现有技术中的MOCVD设备，通入反应腔中的气体流场分布比较复杂，难以定向控制，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，为了解决上述问题本发明提供了一种MOCVD设备进气装置和反应腔的结构，以克服上述缺点。

Description

MOCVD设备进气装置和反应腔的结构及该设备的薄膜生长 方法
技术领域
本发明属于半导体设备技术领域，特别涉及一种MOCVD设备及包含于其中的进气装置和反应腔。
背景技术
MOCVD(Metal-organic Chemical Vapor Deposition)即金属有机化学气相沉积法，是一种广泛用来生长半导体和氧化物外延薄膜的技术。
目前这项生长技术已经发展的相当成熟，在工业化生产中得到了广泛的应用，其原理是控制一定流量的载气流通过装有源的瓶子，此时恒温，所以蒸汽压恒定，携带有饱和蒸汽压源的各路气流流过一定温度的衬底，在表面或靠近表面的气体薄层内反应沉积成膜。
MOCVD方法最大的优点在于它生长速度快，容易实现大规模生产。
而且此方法对均匀掺杂控制非常方便，同时生长速率和温度的控制范围都很大，所以可以方便地生长出复杂组分的精细结构。
外延生长是哪种控制类型下进行的，主要取决于生长条件。
一般低温时，衬底表面上吸附分子进行化学反应的速率最慢，为表面反映控制过程或者动力学控制过程高温时，表面反应速率加快，控制过程为质量控制过程。
不同的控制类型，不仅生长速率不同，而且外延层的晶体质量页会产生很大差异。
MOCVD的外延升脏通常被调整到质量输运控制状态，这样便于外延生长的控制并可得到较高质量的晶体。
确定给定条件下的生长控制类型，对外延生长的优化是非常重要的。
在生长过程的热力学和动力学分析中，有许多方法可用来确定生长控制类型。
其中最简、最常用的是根据外延生长速率与各实验参数的关系在不同的控制过程中表现出的不同规律来确定。
利用MOCVD技术设备的薄膜材料主要应用于光电子和微电子领域，因而对材料的质量、厚度、组成的均匀性以及层与层之间的界限都有着非常严格的要求。
在MOCVD沉积系统的研究中，核心是对反应腔的设计研究而衬底温度分布和通入反应腔中的气体流场分布是影响薄膜质量和均匀性的两个最为重要的因素。
在生过程中，气体输运的驱动力源于系统中各部分的热力学差异，如压力差、温度梯度和浓度梯度。
这些差异使得反应腔中的气体分子通过定向流动、对流、扩散，完成气态反应物和生成物的转移，对基体沉积速度、沉积机理和沉积效果都有着显著的作用。
现有技术中的MOCVD设备，通入反应腔中的气体流场分布比较复杂，难以定向控制，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
为了解决上述问题本发明提供了一种MOCVD设备进气装置和反应腔的结构，其特征在于：其反应腔上连接有进气装置，所述反应腔包括起始端柱、腔体外壳和反应腔出口，所述进气装置包括MO源入口管、氧源和载气入口管；
所述MO源入口管自所述起始端柱的上表面伸入反应腔中，所述氧源和载气入口管上设有多个弯喷淋头，多个所述弯喷淋头向下延伸，并且分别自起始端柱的侧面伸入反应腔中；
所述反应腔中，沿所述起始端柱向所述反应腔出口的方向依次设置有混流板、多孔匀流区和旋转基座；
所述MO源入口管与反应腔同轴，伸入所述反应腔内部的MO源入口管的表面上，向远离MO源入口管的方向延伸有互相平行且对应的上喷淋组和下喷淋组，多个所述弯喷淋头位于上喷淋组和下喷淋组的上方。
优选的，所述上喷淋组包括6个上喷淋头，所述下喷淋组包括6个下喷淋头，6个所述上喷淋头之间等距、对称地嵌于MO源入口管的圆周上，6个所述下喷淋头之间等距、对称地嵌于MO源入口管的圆周上。
优选的，所述氧源和载气入口管垂直于MO源入口管，并且靠近所述起始端柱的一侧为管状圆环，所述起始端柱自管状圆环的中部伸出，所述弯喷淋头的一端设于管状圆环上，另一端贯穿所述起始端柱的侧面伸至反应腔内部。
优选的，所述氧源和载气入口管上设有6个弯喷淋头，6个所述弯喷淋头等距、对称地嵌于水平设置的管状圆环上，向靠近起始端柱的方向延伸的同时向上收缩为弧形。
优选的，所述上喷淋头和下喷淋头自MO源入口管上伸出的距离，小于起始端柱半径距离的一半，所述弯喷淋头自起始端柱侧面伸入反应腔中的距离，小于起始端柱半径距离的一半。
优选的，所述混流板为圆盘状，自所述混流板中部向边缘靠近的方向上依次设有13层格栅，13层所述格栅的高度自混流板的中部向边缘靠近的方向递减；
所述格栅之间的间隙形成混流通道，所述混流通道的深度与格栅高度一致，所述格栅垂直于旋转基座。
优选的，所述多孔匀流区设于所述旋转基座上方，所述多孔匀流区中设有匀流板，所述匀流板上设有多个孔隙，多个所述孔隙垂直于旋转基座。
优选的，所述旋转基座设置于反应腔底部，用于承载基片，所述旋转基座下部设有旋转轴。
技术方案2提供了一种应用技术方案1的MOCVD设备的薄膜生长方法，其特征在于：包括以下步骤，
(1)打开氧源和载气入口管，单独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)此时，将氧气通入氧源和载气入口管，并调整到预期的流速；
(4)打开MO源入口管，并调整到预期的流速，将MO源喷射进输运通道，分别通过上喷淋组和下喷淋组进入反应腔中，经过混流板、多孔匀流区后混合气体；
(5)基片上开始生长薄膜；
(6)停止通入氧源和MO源；
(7)旋转基座停止旋转并降温；
(8)停止通入载气；
(9)薄膜结束生长。
有益效果
本发明通过将MO源、氧源和载气通过若干个喷淋头在反应腔顶部的起始端柱内进行掺混，并通过混流板流进反应腔中，保证了反应源气体的混合效果，且外部没有高温环境，抑制了预反映的进行；
进入反应腔后混合气体通过多孔介质均匀扩散后直接到达高温衬底表面进行反应，提高了薄膜生长速度。
本次设计以及结构均通过CFD(Computational Fluid Dynamics计算机流体动力学)数值模拟软件对设计结构进行验证，尤其混流区的间距和高度，以及多孔区域的高度都进行多次优化验证，证明了本结构的有一效果。
附图说明
图1为实施例的MOCVD设备立体结构示意图。
图2为实施例的MOCVD设备的平面结构示意图。
图3为实施例的MOCVD设备的进气装置结构示意图。
图4为实施例的MOCVD设备的反应腔结构示意图。
图5为实施例的MOCVD设备的混流板结构主视图。
图6为实施例的MOCVD设备的匀流板俯视图。
图7为实施例的MOCVD设备的温度场分布云图。
图8为实施例的MOCVD设备的温度场分布流线图。
图9为实施例的MOCVD设备生长完成基片表面薄膜沉积分布曲线。
附图标记说明
1MO源入口管，2氧源和载气入口管，3起始端柱，4腔体外壳，5反应腔出口，6混流板，7多孔匀流区，8旋转基座，11上喷淋组，12下喷淋组，21弯喷淋头，22管状圆环，61格栅，62混流通道，71匀流板，72孔隙，111上喷淋头，121下喷淋头。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明：
本实施例中MO源是金属有机化合物的简称，本实施例中MO源为AR和DEZn的混合。
如图1至图6所示,实施例的MOCVD设备进气装置和反应腔的结构，其反应腔上连接有进气装置，所述反应腔包括起始端柱3、腔体外壳4和反应腔出口5，所述进气装置包括MO源入口管1、氧源和载气入口管2；
所述MO源入口管1自所述起始端柱3的上表面伸入反应腔中，所述氧源和载气入口管2上设有多个弯喷淋头21，多个所述弯喷淋头21向下延伸，并且分别自起始端柱3的侧面伸入反应腔中；
所述反应腔中，沿所述起始端柱3向所述反应腔出口5的方向依次设置有混流板6、多孔匀流区7和旋转基座8；
所述混流板6与伸入反应腔的MO源入口管1固定连接。
所述MO源入口管1、氧源和载气入口管2上分别设有流量控制器，可根据需求调节通入气体的流量。
如图所示，MO源入口管1与反应腔同轴，伸入所述反应腔内部的MO源入口管1的表面上，向远离MO源入口管1的方向延伸有互相平行且对应的上喷淋组11和下喷淋组12，多个所述弯喷淋头21位于上喷淋组11和下喷淋组12的上方，从而达到更好的混合效果。
如图所示上喷淋组11包括6个上喷淋头111，所述下喷淋组12包括6个下喷淋头121，6个所述上喷淋头111之间等距、对称地嵌于MO源入口管1的圆周上，6个所述下喷淋头121之间等距、对称地嵌于MO源入口管1的圆周上，能够保证MO源均匀的喷射入反应腔中，以便于达到更好的混合效果。
如图所示，氧源和载气入口管2垂直于MO源入口管1，并且靠近所述起始端柱的一侧为管状圆环22，所述起始端柱3自管状圆环22的中部伸出，所述弯喷淋头21的一端设于管状圆环上，另一端贯穿所述起始端柱的侧面伸至反应腔内部。
如图所示，氧源和载气入口管2上设有6个弯喷淋头21，6个所述弯喷淋头21等距、对称地嵌于水平设置的管状圆环上，向靠近起始端柱3的方向延伸的同时向上收缩为弧形，能将氧源和载气更均匀的喷入反应腔中，并使之与MO源均匀混合；
所述上喷淋头111和下喷淋头121自MO源入口管1上伸出的距离，小于起始端柱3半径距离的一半，所述弯喷淋头21自起始端柱3侧面伸入反应腔中的距离，小于起始端柱3半径距离的一半；使喷出的MO源、氧源和载气，能有充分混合的空间，达到高效混合的效果。
所述上喷淋头111和相对应的下喷淋头121之间的距离，等于上喷淋头111和相对应的弯喷淋头21之间距离，所述下喷淋头121的高度位置和起始端柱3下端边缘平齐。
如图所示，混流板6为圆盘状，自所述混流板6中部向边缘靠近的方向上依次设有13层格栅61，13层所述格栅61的高度自混流板6的中部向边缘靠近的方向递减；
所述格栅61之间的间隙形成混流通道62，所述混流通道62的深度与格栅61高度一致，所述格栅61的设置方向垂直于旋转基座8；
所述混流板6所在位置的腔体外壳4的形状与13层所述格栅的整体结构相对应。
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，每层格栅61数量太多，会导致气体流动不顺畅，数量太少，则会导致混合不均匀，本发明的格栅61数量合理，实现氧源和MO源在进入反应腔后高效混合。
这样的设置同时可以防止出现在拐角处气流冲撞而产生涡流的情况。
如图所示，多孔匀流区7设于所述旋转基座8上方，所述多孔匀流区7中设有匀流板71，所述匀流板71上设有多个孔隙72，多个所述孔隙72的方向垂直于旋转基座8，所述孔隙72的孔隙率为0.2
所述匀流板71设在反应腔的中部，匀流板71外侧边缘与腔体外壳2连接，多个所述孔隙72集中分布在匀流板71的中部；
MO源以及氧源通过混流板后，流入孔隙中，扩散并混合，最后到达高温的旋转基座8表面，生长出氧化锌薄膜。
所述旋转基座8设置于反应腔底部，用于承载基片，所述旋转基座8下部设有旋转轴。
为了更好的说明实施例，下面对具体的生长氧化锌薄膜方法进行描述，
(1)打开氧源和载气入口管2，单独通入载气进行腔体清洁，根据需求调节载气流量，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)此时，将氧气通入氧源和载气入口管2，并调整到预期的流速；
(4)打开MO源入口管，并调整到预期的流速，将MO源喷射进输运通道，分别通过上喷淋组11和下喷淋组12进入反应腔中，MO源和氧源在起始端柱3内部混合，经过混流板6时，再次发生碰撞，改变流向，进而发生混合，混合后的气体进一步流入多孔匀流区7，实现混合气体的进一步掺混均匀，同时可以防止拐角处气流冲撞而产生涡流，最后混合气体均匀扩散至基片表面；
(5)基片上开始生长薄膜；
(6)停止通入氧源和MO源；
(7)旋转基座停止旋转并降温；
(8)停止通入载气；
(9)薄膜结束生长。
本实施例中，MO源入口流量可设置为200-3000sccm，氧源入口流量可设置为1000-10000sccm。
为了更好的揭示本实施例产生的有益效果，结合图7至图9对本实施例做进一步说明，旋转基座8上的基片经加热处于高温状态，在MOCVD设备工作过程中，基片表面温度均匀是保证氧化锌薄膜均匀外延生长的前提.
如图7所示，基片表面温度均匀分布，向外扩散温度逐渐降低，显示了良好的温度均匀性。
如图8所示，为MOCVD设备的温度场分布流线图，气体由上喷淋组11和下喷淋组12进入反应腔后，经过混流板6时，温度以均匀曲线分布，经过多孔匀流区7后，温度由多个孔隙72均匀扩散，混合气体均匀扩散至基片表面进行外延生长，保证了氧化锌薄膜外延生长的速率和均匀性。
如图9所示，MOCVD设备生长完成基片表面薄膜沉积分布情况，整体沉积速率达到4.25，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，以上模拟实验情况说明本实施例MOCVD设备的进气装置和反应腔结构满足氧化锌薄膜生长需求，且生长质量高，满足实际生产需求
根据上述说明书的揭示和教导，本发明所属领域的技术人员还可以对上述实施方式进行变更和修改。因此，本发明并不局限于上面揭示和描述的具体实施方式，对发明的一些修改和变更也应当落入本发明的权利要求的保护范围内。此外，尽管本说明书中使用了一些特定的术语，但这些术语只是为了方便说明，并不对本发明构成任何限制。

Claims (9)

1.MOCVD设备进气装置和反应腔的结构，其特征在于：其反应腔上连接有进气装置，所述反应腔包括起始端柱、腔体外壳和反应腔出口，所述进气装置包括MO源入口管、氧源和载气入口管；
所述MO源入口管自所述起始端柱的上表面伸入反应腔中，所述氧源和载气入口管上设有多个弯喷淋头，多个所述弯喷淋头向下延伸，并且分别自起始端柱的侧面伸入反应腔中；
所述反应腔中，沿所述起始端柱向所述反应腔出口的方向依次设置有混流板、多孔匀流区和旋转基座；
所述MO源入口管与反应腔同轴，伸入所述反应腔内部的MO源入口管的表面上，向远离MO源入口管的方向延伸有互相平行且对应的上喷淋组和下喷淋组，多个所述弯喷淋头位于上喷淋组和下喷淋组的上方。
2.根据权利要求1所述的结构，其特征在于：所述上喷淋组包括6个上喷淋头，所述下喷淋组包括6个下喷淋头，6个所述上喷淋头之间等距、对称地嵌于MO源入口管的圆周上，6个所述下喷淋头之间等距、对称地嵌于MO源入口管的圆周上。
3.根据权利要求2所述的结构，其特征在于：所述氧源和载气入口管垂直于MO源入口管，并且靠近所述起始端柱的一侧为管状圆环，所述起始端柱自管状圆环的中部伸出，所述弯喷淋头的一端设于管状圆环上，另一端贯穿所述起始端柱的侧面伸至反应腔内部。
4.根据权利要求3所述的结构，其特征在于：所述氧源和载气入口管上设有6个弯喷淋头，6个所述弯喷淋头等距、对称地嵌于水平设置的管状圆环上，向靠近起始端柱的方向延伸的同时向上收缩为弧形。
5.根据权利要求4所述的结构，其特征在于：所述上喷淋头和下喷淋头自MO源入口管上伸出的距离，小于起始端柱半径距离的一半，所述弯喷淋头自起始端柱侧面伸入反应腔中的距离，小于起始端柱半径距离的一半。
6.根据权利要求1所述的结构，其特征在于：所述混流板为圆盘状，自所述混流板中部向边缘靠近的方向上依次设有13层格栅，13层所述格栅的高度自混流板的中部向边缘靠近的方向递减；
所述格栅之间的间隙形成混流通道，所述混流通道的深度与格栅高度一致，所述格栅垂直于旋转基座。
7.权利要求1所述的结构，其特征在于：所述多孔匀流区设于所述旋转基座上方，所述多孔匀流区中设有匀流板，所述匀流板上设有多个孔隙，多个所述孔隙垂直于旋转基座。
8.根据权利要求1所述的结构，其特征在于：所述旋转基座设置于反应腔底部，用于承载基片，所述旋转基座下部设有旋转轴。
9.一种应用权利要求1所述结构的设备的薄膜生长方法，其特征在于：包括以下步骤，
(1)打开氧源和载气入口管，单独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)此时，将氧气通入氧源和载气入口管，并调整到预期的流速；
(4)打开MO源入口管，并调整到预期的流速，将MO源喷射进输运通道，分别通过上喷淋组和下喷淋组进入反应腔中，经过混流板、多孔匀流区后混合气体；
(5)基片上开始生长薄膜；
(6)停止通入氧源和MO源；
(7)旋转基座停止旋转并降温；
(8)停止通入载气；
(9)薄膜结束生长。
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