CN115838964A - 一种mocvd长晶设备 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种MOCVD长晶设备。本发明的MOCVD长晶设备包括气体传输腔室、管道组件和沉积腔室，其中，气体传输腔室包括多个容纳腔，气体传输腔室和沉积腔室通过管道组件连通。源气体引流入各自的容纳腔，可使得源气体在到达沉积腔室之前相互隔离，从而避免在传输过程中发生有机源预反应。且位于沉积腔室上方的出气面至少部分相对于托盘倾斜设置，由出气面上管道口流出的三种气体以抛物线的轨迹向下混合沉积，可使得气体混合程度更加均匀，由此可提高生长单晶的质量。
Description
技术领域
本发明涉及晶体生长设备技术领域，具体涉及一种MOCVD长晶设备。
背景技术
金属有机化学气相沉积(Metal-organic Chemical Vapor Deposition,MOCVD)是制备化合物单晶薄膜的一项新型气相外延生长技术，在上世纪80年代初得以实用化。其主要是以三族源气体和五族源气体作为生长晶体的原材料，通过载气将三族源气体和五族源气体快速输运到反应室以热分解的方式在衬底上方进行反应，从而沉积形成晶体。
目前制备单晶薄膜的MOCVD设备，主要存在以下两个问题：首先，由于三族源气体难以扩散均匀，因此无法和载气和五族源气体充分混合，从而导致单晶薄膜表面不均匀生长，其次，MOCVD技术主要是通过三族源气体与五族源气体反应沉积形成晶体，因此在三族源气体与五族源气体接触时便会发生反应，从而导致气体传输管道内的晶体沉积。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种MOCVD长晶设备。
一种MOCVD长晶设备，其特征在于：包括：管道组件、气体传输腔室和沉积腔室；
所述管道组件包括多个管道组，每个所述管道组分别包括多个传输管道；
所述气体传输腔室包括多个容纳腔，每个所述容纳腔分别独立连通有对应的所述管道组；
所述沉积腔室包括出气面和底座；
所述出气面设置有多个开孔，每个开孔对应连接有一所述传输管道；
所述底座与所述出气面相连，所述底座内可用于容纳待沉积衬底或外延片的托盘；
其中，所述出气面至少部分相对于托盘倾斜设置。
优选的，多个所述容纳腔包括第一容纳腔、载气容纳腔和第二容纳腔；多个所述管道组包括由多个第一传输管道组成的第一管道组、由多个载气传输管道组成的载气管道组和由第二传输管道组成的第二管道组；
所述第一容纳腔包括设置于顶部的第一进气口和设置于底部的第一出气区，所述第一出气区上设置有多个开孔，且每个开孔都连接有一所述第一传输管道；
所述载气容纳腔包括设置于底部的载气出气区，所述载气出气区上设置有多个开孔，且每个开孔都连接有一所述载气传输管道；
所述第二容纳腔包括设置于底部的第二出气区，所述第二出气区上设置有多个开孔，且每个开孔都连接有一所述第二传输管道。
优选的，所述第一容纳腔还包括一设置于所述第一容纳腔内部的导流板，所述导流板上设置有多个小孔，且所述导流板边缘处小孔的孔径大于中心处小孔的孔径。
优选的，所述第一传输管道的直径小于所述载气传输管道的直径；所述载气传输管道的直径小于所述第二传输管道的直径。
优选的，所述载气容纳腔和所述第二容纳腔上还分别包括载气进气口和第二进气口，所述载气进气口和所述第二进气口为设置于侧壁上环形开口。
优选的，所述第一进气口、所述载气进气口和所述第二进气口上分别连接有进气管道，该进气管道为流线型。
优选的，所述管道组件在所述气体传输腔室和所述沉积腔室上的分布方式相同，分布方式包括：方型列式分布、围绕式层压分布。
优选的，所述管道组件在连接所述气体传输腔室和所述沉积腔室时遵循就近原则连接。
优选的，所述出气面相对于所述托盘倾斜设置部分的倾斜角度为30°到60°；和/或由所述出气面喷出的气体在沉积过程中相互融合。
优选的，所述出气面所围成的腔体底部形状为方形或圆形，且由下至上依次变小。
本发明的有益效果：本发明的MOCVD长晶设备包括气体传输腔室、管道组件和沉积腔室，其中，气体传输腔室包括多个容纳腔，气体传输腔室和沉积腔室通过管道组件连通。源气体引流入各自的容纳腔，可使得源气体在到达沉积腔室之前相互隔离，从而避免在传输过程中发生有机源预反应。且位于沉积腔室上方的出气面至少部分相对于托盘倾斜设置，由出气面上管道口流出的三种气体以抛物线的轨迹向下混合沉积，可使得气体混合程度更加均匀，由此可提高生长单晶的质量。
附图说明
图1是本发明的MOCVD长晶设备平面示意图。
图2是本发明的MOCVD长晶设备进气方式示意图。
图3是本发明的流线型进气方式示意图。
图4是本发明的管道组件的排列方式示意图。
图5是本发明的具有弧形侧壁的出气面示意图。
图中标号说明：1、气体传输腔室；110、第一容纳腔；120、载气容纳腔；130、第二容纳腔；101、导流板；102、第一出气区；103、第一传输管道；104、载气出气区；105、载气传输管道；106、第二出气区；107、第二传输管道；111、第一进气口；112、载气进气口；113、第二进气口；2、管道组件；3、沉积腔室；301、出气面；302、底座。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，以使本领域的技术人员可以更好地理解本发明并能予以实施，但所举实施例不作为对本发明的限定。
如图1所示，本发明的一种MOCVD长晶设备包括：管道组件、气体传输腔室及沉积腔室；
管道组件包括多个管道组；每个管道组包括多个传输管道；
气体传输腔室1包括多个容纳腔，每个容纳腔分别独立连通有对应的管道组；
沉积腔室3，包括：出气面301和底座302；
出气面301设置有多个开孔，每个开孔对应连接有一传输管道；
底座302，与出气面301相连，底座内可用于容纳待沉积衬底或外延片的托盘；
其中，出气面301至少部分相对于托盘倾斜设置，使得由连接于出气面301上的传输管道流入的三种源气体以抛物线型的轨迹在沉积腔室3内沉积。
在本发明的一个实施例中，气体传输腔室包括第一容纳腔110、载气容纳腔120和第二容纳腔130；管道组件为所有传输管道的集合，根据连接容纳腔的不同，传输管道分为第一管道组，载气管道组和第二管道组；其中，第一管道组连通至第一容纳腔，为第一传输管道103的集合；载气管道组连通至载气容纳腔，为载气传输管道105的集合；第二管道组连通至第二容纳腔，为第二传输管道107的集合。
第一容纳腔110包括设置于顶部的第一进气口111和设置于底部的第一出气区102，第一出气区102上设置有多个开孔，且每个开孔都连接有一第一传输管道103；
载气容纳腔120包括设置于底部的载气出气区104，载气出气区104上设置有多个开孔，且每个开孔都连接有一载气传输管道105；
第二容纳腔130包括设置于底部的第二出气区106，第二出气区106上设置有多个开孔，且每个开孔都连接有一第二传输管道107。
可以理解为，本发明中的第一容纳腔110、载气容纳腔120和第二容纳腔130相互独立且用于容纳不同的气体，第一容纳腔110、载气容纳腔120和第二容纳腔130分别连通有独立的进气管道和独立的传输管道，避免了源气体的预反应。
在本发明的一个实施例中，第一传输管道103、载气传输管道105和第二传输管道107依次嵌套。
本实施例中的载气容纳腔和第二容纳腔上还分别包括载气进气口112和第二进气口113，载气进气口112和第二进气口113为设置于侧壁上环形开口。
在本发明的一个实施例中，第一容纳腔110的进气口设置于该第一容纳腔110的顶部，如此设置有利于难以扩散的反应源气体的扩散，同时，在第一容纳腔110内设置导流板101，其上设置有多个小孔；该导流板101设置于第一进气口111下方，且导流板边缘处小孔的孔径大于中心处小孔的孔径，如此设置可进一步有利于难以扩散的反应源气体的扩散，如在实际工作时，可将二族或三族源气体通入第一容纳腔110中。
如图2所示，在一个可选的实施例中，载气进气口112和第二进气口113分别设置于载气容纳腔120和第二容纳腔130的侧面。在其他实施例中，载气进气口112和第二进气口113也可以分别设置于载气容纳腔120和第二容纳腔130的顶面，具体地，载气进气口112可穿过第一容纳腔110后，连通于载气容纳腔120，第二进气口113可穿过第一容纳腔110和载气容纳腔120后，连通于第二容纳腔130。
优选地，在本发明中，将第一进气口111设置在第一容纳腔110的顶面，可通入难扩散的三族或二族气体，且第一进气口111也大于载气进气口112和第二进气口113，第一进气口111的宽度约为第一容纳腔宽度的1/5至1/2，本发明中的三族源进气口较大，相对于现有技术给更利于扩散，第一进气口111的顶端设计在不增加气体传输腔室整体体积的基础上利于第一气体的扩散。载气进气口112和第二进气口113分别设置于载气容纳腔120和第二容纳腔130的侧面，在气体传输腔室增加环状的载气进气通道和第二气体进气通道，载气进气通道和第二气体进气通道分别通过载气进气口112和第二进气口113连通至载气容纳腔120和第二容纳腔130，在考虑载气和第二气体易扩散的基础上，不占用容纳腔内的空间，利于容纳腔内的管道走向顺畅，且环状的进气通道设计，利于进气的均匀性。
第一进气口111、载气进气口112和第二进气口113外侧都设置有一管道通至气体传输腔室1上方，且进气管道呈同心圆状，三种气体由位于气体传输腔室1上方同一平面上的不同管道口流入。在一个可选的实施例中，如图3所示，进气管道为流线型，该设计有利于源气体在各自腔室中的扩散，提供更好的气源分布。
如图4所示，本实施例的管道组件2在连接气体传输腔室1和沉积腔室3时以相同的分布方式分布，可使得气源分布、反应浓度以及生长晶元的均匀性更好，分布方式包括：方型列式分布、围绕式层压分布。
位于气体传输腔室底部的管道组件入口数量应小于或等于位于沉积腔室出气面上的出口数量。其中，以管道组件口数量相等为最佳方案。
图1中示意性的展示了管道组件的连接方式，在连接气体传输腔室1和沉积腔室3时，管道组件2的连接方式遵循就近原则连接，如此设置可使得管道分布规则有序，且如此设置可大大减少连接管道的长度，避免了材料的浪费。
作为单晶生长设备核心的喷淋头，其通常采用石英材质加工，而石英材质的加工技术冗余度低于常规金属，因此在设计喷淋头时还需考虑其加工难度。在本实施例中，第一传输管道103的管径R1、载气传输管道105的管径R2和第二传输管道107的管径R3可以通过需求进行调节，满足R1<R2<R3即可；如此设置保证了石英管加工技术冗余度。在一个可选的实施例中，第一传输管道103、载气传输管道105、第二传输管道107的管壁厚度为2mm。第一传输管道103的管径为5-8mm，载气传输管道105和第二传输管道107的管径依次增加3-4mm。底座302高度为30-50mm，该高度设置可使得三族源气体、五族源气体以及载气混合均匀，从而保证了晶元在盘间、片间的生长均匀性，提升了生长晶元的质量。
在一个可选的实施例中，传输管道连接于出气面301，或传输管道与出气面301一体成型，出气面301或部分出气面301相对于托盘倾斜设置。
在另一个可选的实施例中，沉积腔室还包括顶部，顶部和出气面301围成一进气腔室，传输管道连接于顶部和/或出气面301，或传输管道与顶部和/或出气面301一体成型，出气面301或部分出气面301相对于托盘倾斜设置。
在一个可选的实施例中，出气面301相对于托盘倾斜设置部分的倾斜角度范围为30度到60度，优选的，出气面301相对于托盘倾斜设置部分的倾斜角度为45度。需要说明的是，上述出气面301相对于托盘倾斜设置部分的倾斜角度的具体数值仅作为本申请实施例中出气面301相对于托盘倾斜设置部分的倾斜角度具体数值的一种示例，实际生产使用时，可以根据邻面和对面气体对冲混合的效果进行优化调整，本申请实施例中不对出气面301相对于托盘倾斜设置部分的倾斜角度的具体数值做具体限定。
本实施例沉积腔室3的出气面301所围成的腔体底部形状为方形或圆形，且由下至上依次变小。具体地，在一实施例中，出气面301包括四个侧壁，四个侧壁两两相对设置，该四个侧壁所围成的形状与四棱台侧壁形状类似，由设置于出气面上的传输管道流入的气体在到达托盘表面前相互融合。在该实施例中，底座设置为带有圆柱形空腔的立方体或圆柱体。
如图5所示，在另一实施例中，出气面301包括一个弧形侧壁，该弧形侧壁与圆台侧壁形状类似，由设置于出气面301上的传输管道流入的气体在到达托盘表面前相互融合。在该实施例中，底座设置为带有圆柱形空腔的立方体或圆柱体。
需要说明的是，上述出气面301的形状设置仅作为本申请实施例中出气面301形状的一种示例，实际上，出气面301的形状设置以可实现气体的沉积方向为倾斜设置为准，本申请实施例中不对出气面301的形状做具体限定。
在本实施例中，不同源气体由各自的进气口分别引流到各自的腔室，后进入各源气体管道一直通到沉积腔室3的出气面301流出，且载气传输管道105位于由第一传输管道103、载气传输管道105和第二传输管道107组成的同心圆的中间位置，第一源气体与第二源气体由载气两侧流出，此时在出气面301处，载气可有效隔绝三族源气体和五族源气体，避免了发生有机源的预反应，从而避免了出气面301开孔处的寄生沉积。
以上所述实施例仅是为充分说明本发明而所举的较佳的实施例，本发明的保护范围不限于此。本技术领域的技术人员在本发明基础上所作的等同替代或变换，均在本发明的保护范围之内。本发明的保护范围以权利要求书为准。
Claims (10)
1.一种MOCVD长晶设备，其特征在于：包括：管道组件、气体传输腔室和沉积腔室；
所述管道组件包括多个管道组，每个所述管道组分别包括多个传输管道；
所述气体传输腔室包括多个容纳腔，每个所述容纳腔分别独立连通有对应的所述管道组；
所述沉积腔室包括出气面和底座；
所述出气面设置有多个开孔，每个开孔对应连接有一所述传输管道；
所述底座与所述出气面相连，所述底座内可用于容纳待沉积衬底或外延片的托盘；
其中，所述出气面至少部分相对于托盘倾斜设置。
2.如权利要求1所述的MOCVD长晶设备，其特征在于：多个所述容纳腔包括第一容纳腔、载气容纳腔和第二容纳腔；多个所述管道组包括由多个第一传输管道组成的第一管道组、由多个载气传输管道组成的载气管道组和由第二传输管道组成的第二管道组；
所述第一容纳腔包括设置于顶部的第一进气口和设置于底部的第一出气区，所述第一出气区上设置有多个开孔，且每个开孔都连接有一所述第一传输管道；
所述载气容纳腔包括设置于底部的载气出气区，所述载气出气区上设置有多个开孔，且每个开孔都连接有一所述载气传输管道；
所述第二容纳腔包括设置于底部的第二出气区，所述第二出气区上设置有多个开孔，且每个开孔都连接有一所述第二传输管道。
3.如权利要求2所述的MOCVD长晶设备，其特征在于：所述第一容纳腔还包括一设置于所述第一容纳腔内部的导流板，所述导流板上设置有多个小孔，且所述导流板边缘处小孔的孔径大于中心处小孔的孔径。
4.如权利要求2所述的MOCVD长晶设备，其特征在于：所述第一传输管道的直径小于所述载气传输管道的直径；所述载气传输管道的直径小于所述第二传输管道的直径。
5.如权利要求2所述的MOCVD长晶设备，其特征在于：所述载气容纳腔和所述第二容纳腔上还分别包括载气进气口和第二进气口，所述载气进气口和所述第二进气口为设置于侧壁上环形开口。
6.如权利要求4所述的MOCVD长晶设备，其特征在于：所述第一进气口、所述载气进气口和所述第二进气口上分别连接有进气管道，该进气管道为流线型。
7.如权利要求1所述MOCVD长晶设备，其特征在于：所述管道组件在所述气体传输腔室和所述沉积腔室上的分布方式相同，分布方式包括：方型列式分布、围绕式层压分布。
8.如权利要求1所述MOCVD长晶设备，其特征在于：所述管道组件在连接所述气体传输腔室和所述沉积腔室时遵循就近原则连接。
9.如权利要求1所述MOCVD长晶设备，其特征在于：所述出气面相对于所述托盘倾斜设置部分的倾斜角度为30°到60°；和/或由所述出气面喷出的气体在沉积过程中相互融合。
10.如权利要求1所述的MOCVD长晶设备，其特征在于：所述出气面所围成的腔体底部形状为方形或圆形，且由下至上依次变小。
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