CN116121862B - 垂直式光辅助金属有机物化学气相沉积装置及其沉积方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种垂直式光辅助金属有机物化学气相沉积装置及其沉积方法。本发明采用光场垂直作用于层状反应剂气流上，光场与反应剂气流的作用路径短，减小了所需激光功率，降低了光辅助MOCVD装置的设计难度、提高了安全性；同时减少了光场在MOCVD气场中的传播过程，提高了光场功率的利用效率；通过生长衬底随衬底托盘的自转和公转，使生长腔内的生长衬底之间和每片生长衬底内均匀地获得光场产生的活性反应剂，实现大尺寸IE高均匀性的光辅助MOCVD外延生长；本发明中光生反应剂的产生过程和光生反应剂的化学气相沉积过程空间上分离，简化了光辅助金属有机物化学气相沉积装置中的光场‑流场‑温场耦合设计。

Description

垂直式光辅助金属有机物化学气相沉积装置及其沉积方法

技术领域

本发明涉及半导体材料气相外延技术，具体涉及一种垂直式光辅助金属有机物化学气相沉积装置及其沉积方法。

背景技术

金属有机物化学气相沉积(MOCVD)适用于半导体异质结和低维结构的外延生长，而且易于实现大尺寸衬底上的大规模生产，是制备半导体光电子和微电子器件的重要方法，推动了半导体材料和器件制造技术的飞速发展。在MOCVD外延生长过程中，氢气、氮气等载气携带金属有机化合物和氢化物等反应剂并输运至反应腔内，反应剂经过气相反应和表面反应过程形成外延层。光辅助MOCVD装置引入与反应剂分子振动模式匹配的光场，通过反应剂分子对光场能量的共振吸收，提高反应剂分子的裂解效率，从而促进外延过程的进行并提高外延质量。

提高光场能量利用效率和外延均匀性是光辅助MOCVD装置设计的核心问题和实现光辅助MOCVD技术产业化的关键。然而用于大规模生产的MOCVD装置具有复杂的温场和流场分布，光场的存在进一步增加了MOCVD腔体结构和反应腔内质量输运、化学反应过程的复杂性。为了提高光场能量利用效率和外延均匀性，需要对光辅助MOCVD装置的光场耦合机制和腔体结构进行优化设计，以实现半导体材料的大尺寸、高均匀性的光辅助MOCVD外延。

发明内容

针对以上现有技术存在的问题，本发明提出了一种垂直式光辅助金属有机物化学气相沉积装置及其实现方法，反应剂在反应腔内沿水平方向输运至生长区域，光场垂直于反应剂输运方向作用于反应剂气流上，光生活性反应剂在生长区域完成光辅助MOCVD外延过程。

本发明的一个目的在于提出一种垂直式光辅助金属有机物化学气相沉积装置。

本发明的垂直式光辅助金属有机物化学气相沉积装置包括：光源、光束传输系统、顶盖、腔体、衬底托盘、传动机构、水平式层状喷淋头、第一至第N进气孔、光场耦合窗口、光束整形装置、原位监测窗口、抽气泵接口和加热装置；其中，腔体具有下底且顶部开口；在腔体内设置衬底托盘，衬底托盘的中心放置在电机驱动的旋转轴上；在衬底托盘上设置有多个传动机构，传动机构能够绕自身中心轴发生自转；在衬底托盘的下方设置有加热装置；在腔体的顶部设置顶盖将腔体密封，腔体与顶盖之间的空间构成MOCVD反应腔；在衬底托盘上方且位于腔体中心设置水平式层状喷淋头，水平式层状喷淋头的中心与旋转轴共轴，水平式层状喷淋头具有N排水平的第一至第N出气孔；分别与第一至第N出气孔相对应，在顶盖上沿垂直衬底托盘表面方向开设有第一至第N进气孔，第一至第N进气孔分别通过第一至第N出气孔连通至MOCVD反应腔内；在顶盖上且以水平式层状喷淋头为中心，设置多个光场耦合窗口，多个光场耦合窗口关于水平式层状喷淋头的中心对称分布，且多个光场耦合窗口的中心位于同一个圆上；光场耦合窗口内设置有光束整形装置；位于MOCVD反应腔外部的光源经过光束传输系统正对光场耦合窗口；在顶盖上且位于多个光场耦合窗口的外侧设置一个或多个原位监测窗口，原位监测窗口的中心位于衬底托盘上放置生长衬底的区域的上方；衬底托盘上被光场覆盖的区域与顶盖之间构成光场耦合腔；衬底托盘上放置生长衬底的区域与顶盖之间构成生长腔；光场耦合腔与生长腔之间的区域构成气流引导腔；光场耦合腔中衬底托盘与顶盖之间的距离大于生长腔中衬底托盘与顶盖之间的距离，且气流引导腔中衬底托盘与顶盖之间的距离逐渐增大，具有倾斜角；使得衬底托盘至顶盖之间的距离从光场耦合腔一侧向生长腔一侧逐渐减小，使得气流引导腔中的气流加速流向生长腔；在腔体的底部开设有抽气泵接口，N为≥2的自然数；将一片或多片生长衬底放置于衬底托盘的传动机构上，然后将衬底托盘放置在MOCVD反应腔中的旋转轴上，通过电机驱动旋转轴带动衬底托盘转动，同时由位于衬底托盘上的传动机构带动生长衬底绕自身中心轴旋转；对衬底托盘进行加热；由载气携带反应剂和间隔气体分别通过第一至第N进气孔并经水平式层状喷淋头水平的第一至第N出气孔进入至MOCVD反应腔内，形成沿平行于衬底托盘的表面方向流动的水平层状反应剂气流和水平层状间隔气流；水平层状间隔气流介于不同反应物元素的水平层状反应剂气流，减少气流输运过程中反应剂之间的气相反应；水平层状反应剂气流和间隔气流从水平式层状喷淋头侧表面的进气孔进入至光场耦合腔；光源产生与MOCVD反应腔中的一种或多种反应剂分子振动模式能量匹配的光场，经光束传输系统进入至光场耦合窗口，经过光束整形装置进行再次整形，垂直入射到衬底托盘之上，在衬底托盘上方形成光场分布，作用在光场耦合腔中的水平层状反应剂气流上；水平层状反应剂气流被光场激发产生活性反应剂气流，在光场耦合腔中反应剂被光场激发成光生反应剂；在间隔气流的保护下，经过气流引导腔的加速作用流入至生长腔，光生反应剂在生长腔内加热的生长衬底表面经过化学气相沉积，在生长衬底上形成外延层，实现光辅助MOCVD外延生长；在光辅助MOCVD外延生长的同时，通过原位监测窗口观察MOCVD反应腔内生长衬底上的生长情况；抽气泵接口连接至外部的抽气泵，未参与化学反应的反应剂，以及化学反应的副产物通过抽气泵接口被抽气泵抽运出MOCVD反应腔。

光源采用激光器、超辐射发光管、高压气体放电灯或发光二极管。

光束整形装置采用凹透镜和凸透镜的组合，对光束进行聚焦、发散、准直和扩束中的一种操作或多种操作的组合。光束传输系统包括用于实现光束聚焦、扩束、分束、反射和直射操作中的一种或多种的光学元件、机械固定及位移调节装置。

与气流引导腔相对应的顶盖的倾斜角为0～45°。

反应剂包括氢化物源和金属有机物源；由载气携带的氢化物源和金属有机物源分别通过两个不同的进气孔进入MOCVD反应腔内。

反应剂采用包含反应物元素的源材料，载气采用氢气、氮气和惰性气体中的一种多种组成的混合气体，间隔气体采用惰性气体、氢气和氮气中的一种或者多种组成的混合气体。

加热装置采用加热丝，加热丝连接至外部的电源。附属装置包括供电模块、气流输运管道及流量控制装置、实时监测装置、安全互锁装置和冷却水回路，其中冷却水回路设置在顶盖和腔体的内部或外壁，以及光束传输系统的光学元件、传输管路和调节装置中，使用循环的冷却水带走加热装置产生的热辐射和光场引起的热量。

本发明的另一个目的在于提出一种垂直式光辅助金属有机物化学气相沉积装置的沉积方法。

本发明的垂直式光辅助金属有机物化学气相沉积装置的沉积方法，包括以下步骤：

1)将一片或多片生长衬底放置于衬底托盘的传动机构上，然后将衬底托盘放置在MOCVD反应腔中的旋转轴上，通过电机驱动旋转轴带动衬底托盘转动，同时由位于衬底托盘上的传动机构带动生长衬底绕自身中心轴旋转；

2)对衬底托盘进行加热；

3)由载气携带反应剂和间隔气体分别通过第一至第N进气孔并经水平式层状喷淋头水平的第一至第N出气孔进入至MOCVD反应腔内，形成沿平行于衬底托盘的表面方向流动的水平层状反应剂气流和水平层状间隔气流；水平层状间隔气流介于不同反应物元素的水平层状反应剂气流，减少气流输运过程中反应剂之间的气相反应；

4)水平层状反应剂气流和间隔气流从水平式层状喷淋头侧表面的进气孔进入至光场耦合腔；光源产生与MOCVD反应腔中的一种或多种反应剂分子振动模式能量匹配的光场，经光束传输系统进入至光场耦合窗口，经过光束整形装置进行再次整形，垂直入射到衬底托盘之上，在衬底托盘上方形成光场分布，作用在光场耦合腔中的水平层状反应剂气流上；

5)水平层状反应剂气流被光场激发产生活性反应剂气流，在光场耦合腔中反应剂被光场激发成光生反应剂；在间隔气流的保护下，经过气流引导腔的加速作用流入至生长腔，光生反应剂在生长腔内加热的生长衬底表面经过化学气相沉积，在生长衬底上形成外延层，实现光辅助MOCVD外延生长；

6)在光辅助MOCVD外延生长的同时，通过原位监测窗口观察MOCVD反应腔内生长衬底上的生长情况；

7)抽气泵接口连接至外部的抽气泵，未参与化学反应的反应剂，以及化学反应的副产物通过抽气泵接口被抽气泵抽运出MOCVD反应腔。

本发明的优点：

1、光场垂直作用于层状反应剂气流上，光场与反应剂气流的作用路径短，减小了所需激光功率，降低了光辅助MOCVD装置的设计难度、提高了安全性；同时减少了光场在MOCVD气场中的传播过程，提高了光场功率的利用效率；

2、通过生长衬底随衬底托盘的自转和公转，使生长腔内的生长衬底之间和每片生长衬底内均匀地获得光场产生的活性反应剂，实现大尺寸IE高均匀性的光辅助MOCVD外延生长；

3、本发明中光生反应剂的产生过程和光生反应剂的化学气相沉积过程空间上分离，简化了光辅助金属有机物化学气相沉积装置中的光场-流场-温场耦合设计。

附图说明

图1为本发明的垂直式光辅助金属有机物化学气相沉积装置的一个实施例的剖面图；

图2为本发明的垂直式光辅助金属有机物化学气相沉积装置的一个实施例的俯视图。

具体实施方式

下面结合附图，通过具体实施例，进一步阐述本发明。

如图1所示，本实施例的垂直式光辅助金属有机物化学气相沉积装置包括：光源、光束传输系统、顶盖100、腔体101、衬底托盘110、传动机构111、水平式层状喷淋头113、第一至第三进气孔114、115和116、光场耦合窗口107、光束整形装置、原位监测窗口106、抽气泵接口105和加热装置108；其中，腔体具有下底且顶部开口；在腔体内设置衬底托盘，衬底托盘的中心放置在电机驱动的旋转轴109上，电机位于MOCVD反应腔外；在衬底托盘上设置有多个传动机构，传动机构能够绕自身中心轴发生自转；在衬底托盘的下方设置有加热装置；在腔体的顶部设置顶盖将腔体密封，腔体与顶盖之间的空间构成MOCVD反应腔；在衬底托盘上方且位于腔体中心设置水平式层状喷淋头，水平式层状喷淋头的中心与旋转轴共轴，水平式层状喷淋头具有三排水平的第一至第三出气孔；分别与第一至第三出气孔相对应，在顶盖上沿垂直衬底托盘表面方向开设有第一至第三进气孔，第一至第三进气孔分别通过第一至第三出气孔连通至MOCVD反应腔内；在顶盖上且以水平式层状喷淋头为中心，设置多个光场耦合窗口，多个光场耦合窗口关于水平式层状喷淋头的中心对称分布，且多个光场耦合窗口的中心位于同一个圆上；光场耦合窗口内设置有光束整形装置；位于MOCVD反应腔外部的光源经过光束传输系统正对光场耦合窗口；在顶盖上且位于多个光场耦合窗口的外侧设置一个或多个原位监测窗口，原位监测窗口的中心位于衬底托盘上放置生长衬底的区域的上方；衬底托盘上被光场117覆盖的区域与顶盖之间构成光场耦合腔102；衬底托盘上放置生长衬底112的区域与顶盖之间构成生长腔104；光场耦合腔与生长腔之间的区域构成气流引导腔103；光场耦合腔中衬底托盘与顶盖之间的距离大于生长腔中衬底托盘与顶盖之间的距离，且气流引导腔中衬底托盘与顶盖之间的距离逐渐增大，具有倾斜角；使得衬底托盘至顶盖之间的距离从光场耦合腔一侧向生长腔一侧逐渐减小，使得气流引导腔中的气流加速流向生长腔；在腔体的底部开设有抽气泵接口。

在本实施例中，光源采用激光器；与气流引导腔相对应的顶盖的倾斜角为30°。

反应剂包括氢化物源和金属有机物源；反应剂是包含反应物元素的源材料，载气采用惰性气体；间隔气体采用惰性气体；加热装置采用加热丝。

本实施例的垂直式光辅助金属有机物化学气相沉积装置的沉积方法，包括以下步骤：

1)将一片或多片生长衬底112放置于衬底托盘的传动机构上，然后将衬底托盘放置在MOCVD反应腔中的旋转轴上，通过电机驱动旋转轴带动衬底托盘转动，同时由位于衬底托盘上的传动机构带动生长衬底绕自身中心轴旋转；

2)对衬底托盘进行加热(300～1500℃)；

3)由载气携带的氢化物源和金属有机物源分别通过第一和第三进气孔，间隔气体通过第二进气孔，并经水平式层状喷淋头水平的第一至第三出气孔进入至MOCVD反应腔内，形成沿平行于衬底托盘的表面方向流动的水平层状反应剂气流和水平层状间隔气流；水平层状间隔气流介于不同反应物元素的水平层状反应剂气流，减少气流输运过程中反应剂之间的气相反应；

4)水平层状反应剂气流和间隔气流从水平式层状喷淋头侧表面的进气孔进入至光场耦合腔；光源产生与MOCVD反应腔中的一种或多种反应剂分子振动模式能量匹配的光场，经光束传输系统进入至光场耦合窗口，经过光束整形装置进行再次整形，垂直入射到衬底托盘之上，在衬底托盘上方形成光场117分布，作用在光场耦合腔中的水平层状反应剂气流上；

5)水平层状反应剂气流被光场激发产生活性反应剂气流，在光场耦合腔中反应剂被光场激发成光生反应剂；在间隔气流的保护下，经过气流引导腔的加速作用流入至生长腔，光生反应剂在生长腔内加热的生长衬底表面经过化学气相沉积，在生长衬底上形成外延层，实现光辅助MOCVD外延生长；

6)在光辅助MOCVD外延生长的同时，通过原位监测窗口观察MOCVD反应腔内衬底上的生长情况；

7)抽气泵接口连接至外部的抽气泵，未参与化学反应的反应剂，以及化学反应的副产物通过抽气泵接口被抽气泵抽运出MOCVD反应腔。

最后需要注意的是，公布实施例的目的在于帮助进一步理解本发明，但是本领域的技术人员可以理解：在不脱离本发明及所附的权利要求的精神和范围内，各种替换和修改都是可能的。因此，本发明不应局限于实施例所公开的内容，本发明要求保护的范围以权利要求书界定的范围为准。

Claims (6)

1.一种垂直式光辅助金属有机物化学气相沉积装置，其特征在于，所述垂直式光辅助金属有机物化学气相沉积装置包括：光源、光束传输系统、顶盖、腔体、衬底托盘、传动机构、水平式层状喷淋头、第一至第N进气孔、光场耦合窗口、光束整形装置、原位监测窗口、抽气泵接口和加热装置；其中，腔体具有下底且顶部开口；在腔体内设置衬底托盘，衬底托盘的中心放置在电机驱动的旋转轴上；在衬底托盘上设置有多个传动机构，传动机构能够绕自身中心轴发生自转；在衬底托盘的下方设置有加热装置；在腔体的顶部设置顶盖将腔体密封，腔体与顶盖之间的空间构成MOCVD反应腔；在衬底托盘上方且位于腔体中心设置水平式层状喷淋头，水平式层状喷淋头的中心与旋转轴共轴，水平式层状喷淋头具有N排水平的第一至第N出气孔；分别与第一至第N出气孔相对应，在顶盖上沿垂直衬底托盘表面方向开设有第一至第N进气孔，第一至第N进气孔分别通过第一至第N出气孔连通至MOCVD反应腔内；在顶盖上且以水平式层状喷淋头为中心，设置多个光场耦合窗口，多个光场耦合窗口关于水平式层状喷淋头的中心对称分布，且多个光场耦合窗口的中心位于同一个圆上；光场耦合窗口内设置有光束整形装置；位于MOCVD反应腔外部的光源经过光束传输系统正对光场耦合窗口；在顶盖上且位于多个光场耦合窗口的外侧设置一个或多个原位监测窗口，原位监测窗口的中心位于衬底托盘上放置生长衬底的区域的上方；衬底托盘上被光场覆盖的区域与顶盖之间构成光场耦合腔；衬底托盘上放置生长衬底的区域与顶盖之间构成生长腔；光场耦合腔与生长腔之间的区域构成气流引导腔；光场耦合腔中衬底托盘与顶盖之间的距离大于生长腔中衬底托盘与顶盖之间的距离，且气流引导腔中衬底托盘与顶盖之间的距离逐渐增大，具有倾斜角；使得衬底托盘至顶盖之间的距离从光场耦合腔一侧向生长腔一侧逐渐减小，使得气流引导腔中的气流加速流向生长腔；

在腔体的底部开设有抽气泵接口，N为≥2的自然数；

将一片或多片生长衬底放置于衬底托盘的传动机构上，然后将衬底托盘放置在MOCVD反应腔中的旋转轴上，通过电机驱动旋转轴带动衬底托盘转动，同时由位于衬底托盘上的传动机构带动生长衬底绕自身中心轴旋转；对衬底托盘进行加热；由载气携带反应剂和间隔气体分别通过第一至第N进气孔并经水平式层状喷淋头水平的第一至第N出气孔进入至MOCVD反应腔内，形成沿平行于衬底托盘的表面方向流动的水平层状反应剂气流和水平层状间隔气流；水平层状间隔气流介于不同反应物元素的水平层状反应剂气流，减少气流输运过程中反应剂之间的气相反应；水平层状反应剂气流和间隔气流从水平式层状喷淋头侧表面的进气孔进入至光场耦合腔；光源产生与MOCVD反应腔中的一种或多种反应剂分子振动模式能量匹配的光场，经光束传输系统进入至光场耦合窗口，经过光束整形装置进行再次整形，垂直入射到衬底托盘之上，在衬底托盘上方形成光场分布，作用在光场耦合腔中的水平层状反应剂气流上；水平层状反应剂气流被光场激发产生活性反应剂气流，在光场耦合腔中反应剂被光场激发成光生反应剂；在间隔气流的保护下，经过气流引导腔的加速作用流入至生长腔，光生反应剂在生长腔内加热的生长衬底表面经过化学气相沉积，在生长衬底上形成外延层，实现光辅助MOCVD外延生长；在光辅助MOCVD外延生长的同时，通过原位监测窗口观察MOCVD反应腔内生长衬底上的生长情况；抽气泵接口连接至外部的抽气泵，未参与化学反应的反应剂，以及化学反应的副产物通过抽气泵接口被抽气泵抽运出MOCVD反应腔。

2.如权利要求1所述的垂直式光辅助金属有机物化学气相沉积装置，其特征在于，所述光源采用激光器、超辐射发光管、高压气体放电灯或发光二极管。

3.如权利要求1所述的垂直式光辅助金属有机物化学气相沉积装置，其特征在于，所述反应剂包括氢化物源和金属有机物源。

4.如权利要求1所述的垂直式光辅助金属有机物化学气相沉积装置，其特征在于，所述加热装置采用加热丝，加热丝连接至外部的电源。

5.如权利要求1所述的垂直式光辅助金属有机物化学气相沉积装置，其特征在于，所述反应剂采用包含反应物元素的源材料，载气采用氢气、氮气和惰性气体中的一种多种组成的混合气体，间隔气体采用惰性气体、氢气和氮气中的一种或者多种组成的混合气体。

6.一种如权利要求1所述的垂直式光辅助金属有机物化学气相沉积装置的沉积方法，其特征在于，所述沉积方法包括以下步骤：

1)将一片或多片生长衬底放置于衬底托盘的传动机构上，然后将衬底托盘放置在MOCVD反应腔中的旋转轴上，通过电机驱动旋转轴带动衬底托盘转动，同时由位于衬底托盘上的传动机构带动生长衬底绕自身中心轴旋转；

2)对衬底托盘进行加热；

3)由载气携带反应剂和间隔气体分别通过第一至第N进气孔并经水平式层状喷淋头水平的第一至第N出气孔进入至MOCVD反应腔内，形成沿平行于衬底托盘的表面方向流动的水平层状反应剂气流和水平层状间隔气流；水平层状间隔气流介于不同反应物元素的水平层状反应剂气流，减少气流输运过程中反应剂之间的气相反应；

4)水平层状反应剂气流和间隔气流从水平式层状喷淋头侧表面的进气孔进入至光场耦合腔；光源产生与MOCVD反应腔中的一种或多种反应剂分子振动模式能量匹配的光场，经光束传输系统进入至光场耦合窗口，经过光束整形装置进行再次整形，垂直入射到衬底托盘之上，在衬底托盘上方形成光场分布，作用在光场耦合腔中的水平层状反应剂气流上；

5)水平层状反应剂气流被光场激发产生活性反应剂气流，在光场耦合腔中反应剂被光场激发成光生反应剂；在间隔气流的保护下，经过气流引导腔的加速作用流入至生长腔，光生反应剂在生长腔内加热的生长衬底表面经过化学气相沉积，在生长衬底上形成外延层，实现光辅助MOCVD外延生长；

6)在光辅助MOCVD外延生长的同时，通过原位监测窗口观察MOCVD反应腔内生长衬底上的生长情况；

7)抽气泵接口连接至外部的抽气泵，未参与化学反应的反应剂，以及化学反应的副产物通过抽气泵接口被抽气泵抽运出MOCVD反应腔。

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