CN117587379A - 一种用于提升mocvd薄膜生长均匀性的装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于提升MOCVD薄膜生长均匀性的装置。该装置通过设置气体屏蔽分流罩，在分流罩上开设规律分布的通气孔；利用通气孔通气面积及其分布的变化，调节气体通路各处的流导，从而促使MOCVD反应腔内气体在外延衬体表面流动时形成更为均匀稳定的层流，最终助力于MOCVD薄膜生长均匀性的提升。另外该气体屏蔽分流罩兼具热屏蔽功能，可以降低MOCVD反应腔内的温度梯度，同时可以减少MOCVD反应腔的热损耗，实现节能降耗。
Description
技术领域
本发明涉及用于半导体材料生长的金属有机物化学气相沉积装备，具体涉及一种用于提升MOCVD薄膜材料生长均匀性的装置。
背景技术
金属有机化合物化学气相沉积技术(Metal-organic Chemical VaporDeposition，简称MOCVD)是一种通过外延工艺在基片表面生长薄膜，以形成半导体器件结构的设备。载有金属有机源的气体和其他反应气体进入MOCVD系统反应腔后，会被引导流经衬底表面，在衬底表面按工艺设计生长薄膜材料，未发生化学反应的金属有机源、反应气体和反应副产物形成MOCVD尾气，向MOCVD反应腔的尾气排出口汇集流动，经与出口连接的尾气管排出MOCVD反应腔。MOCVD反应腔内的气体输运结构及外延工艺，综合决定着腔内各种反应源的流动状态，这些流动状态又直接决定了薄膜材料生长的厚度均匀性和生长速率，最终决定了产品的最佳质量和生产良率。
现有的MOCVD尾气结构中，反应物气体从流入到流出的整个过程中，MOCVD反应腔内不同位置的气体距尾气管入口远近不同，没有专门的气体分流屏蔽罩时，通过开腔后白色的生长沉积痕迹可以看出腔内各处的气体流速存在差异，这种差异会给石墨载片盘上表附近的MOCVD反应物流动状态造成负面的扰动，导致反应物流经石墨载片盘上表面放置的外延衬底片时，其流速和浓度存在足以影响外延薄膜沉积生长速率的差异，最终降低了外延薄膜厚度均匀性。因此通过改善尾气结构辅助提升MOCVD薄膜材料生长均匀性，对于MOCVD设备研发是一项有实际意义的持续性工作。
发明内容
针对现有技术中的不足，本发明的目的在于提供一种用于提升MOCVD薄膜生长均匀性的装置，该装置能提升MOCVD薄膜生长的均匀性。
本发明的目的是这样实现的：
一种用于提升MOCVD薄膜生长均匀性的装置，包括MOCVD反应腔腔壁，MOCVD反应腔腔壁上的喷淋头、喷淋头下方的石墨载片盘、支撑石墨载片盘的石墨盘支撑环、围绕在石墨载片盘和石墨盘支撑环侧壁的气体分流屏蔽罩、气体分流屏蔽罩上规律分布的通气孔，与通气孔相连通的集气集灰腔，集气集灰腔下方的尾气管；MOCVD反应腔腔壁围成MOCVD反应腔，喷淋头上设有喷淋孔；通气孔的分布规律与生长相应薄膜材料的MOCVD设备对应。
优选的，通气孔的分布规律为通气孔的通气面积等间距增大或减小或者通气孔的通气面积一大一小等间距周期性排布。
优选的，在生长氮化镓的MOCVD设备中，通气孔的分布规律为通气孔的通气面积分布规律为顺时针等间距减小。
优选的，气体分流屏蔽罩上设有通气孔调节挡板，通气孔调节挡板用于调节通气孔的通气面积，以实现MOCVD反应腔内气体向尾气管入口汇集的输运通路的流导。
进一步的，通气孔调节挡板与气体分流屏蔽罩通过插销连接，通气孔调节挡板的上下滑移或转动实现调节通气孔的通气面积。
优选的，气体分流屏蔽罩兼具热屏蔽功能，可以降低MOCVD反应腔内的温度梯度，同时可以减少MOCVD反应腔的热损耗，实现节能降耗。
有益效果：1、本发明提供的提升MOCVD薄膜生长均匀性的装置简便易行，便于设备研发和工艺调试，本发明提供的气体屏蔽分流罩，可以获得不同流导分布的反应尾气输运通路，经实验快速获取适用于生长相应薄膜材料的MOCVD设备气体屏蔽分流罩的最佳通气孔设置方案，包括通气孔位置、大小及通气面积变化规律等；最佳通气孔设置方案确定后，将结果固化为孔口大小不可调的气体屏蔽分流罩，用于生长相应薄膜材料的MOCVD设备，则有助于简化MOCVD反应管零件制造，也有利于减少工艺调试参数，便于薄膜材料生长工艺调试。
2、本发明提供的提升MOCVD薄膜生长均匀性的气体屏蔽分流罩装置还具备热屏蔽罩的功能，除了通过气体输运通路流导调节提升MOCVD反应腔内气体流动均匀性之外，作为热屏蔽罩可明显减少MOCVD反应腔内热量经腔壁的流失，降低MOCVD反应腔内温度梯度，使得化学反应速率更加均匀，同时外研片正反面的温差降低，翘曲度减小，从而促进薄膜生长厚度均匀性提升，同时通过减少散热也实现了节能降耗。
附图说明
为了更清楚的说明本发明实施例或现有技术的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明用于提升MOCVD薄膜生长均匀性的装置结构示意图。
图2是实施例2通气孔面积可调的气体屏蔽分流罩结构示意图。
图3是实施例3固化通气孔设置的气体屏蔽分流罩结构示意图。
图4是实施例3生长GaN材料时的分流屏蔽罩设置示意图，图中A—E为石墨载片盘边缘至中心的5个取样点。
图5是实施例3采用本发明装置生长薄膜厚度均匀性的实验结果图。
其中，1—MOCVD喷淋头，2—石墨载片盘，3—石墨盘支撑环，4—通气孔调节挡板，5—气体分流屏蔽罩，6—集气集灰腔，7—尾气管，8—MOCVD反应腔腔壁，9—通气孔。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明的一种用于提升MOCVD薄膜生长均匀性的装置及调控方法做进一步说明。
实施例1
如图1所示，一种用于提升MOCVD薄膜生长均匀性的装置，包括MOCVD反应腔腔壁8，MOCVD反应腔腔壁8上壁上的喷淋头1、喷淋头1下方的石墨载片盘2、支撑石墨载片盘2的石墨盘支撑环3、围绕在石墨载片盘2和石墨盘支撑环3侧壁的气体分流屏蔽罩5、气体分流屏蔽罩5上的通气孔9，与通气孔9相连通的集气集灰腔6 ，集气集灰腔6下方的尾气管7。MOCVD反应腔腔壁8围成MOCVD反应腔，喷淋头1上设有喷淋孔。
在装置内生长薄膜材料时，各种所需的MOCVD气体反应物输运至喷淋头1后，从喷淋头1的喷淋孔进入MOCVD反应腔，在MOCVD反应腔内由上至下流动，流至石墨载片盘2上表面并在石墨载片盘2的外延衬底上发生反应生长薄膜材料，反应尾气依次流经石墨载片盘2侧壁、石墨盘支撑环3侧壁和气体分流屏蔽罩5形成的缝隙流道，通过气体分流屏蔽罩5的通气孔9流至集气集灰腔6，最后汇集至尾气管7排出MOCVD反应腔。本发明在集气集灰腔6入口前端增设气体分流屏蔽罩5，并在气体分流屏蔽罩5开设规律分布的通气孔9，通气孔9的排布规律为孔口通气面积等间距增大或减小或者孔口通气面积一大一小等间距周期性排布等。
利用通气孔9通气面积及其分布的变化，调节气体通路各处的流导，在尾气抽吸排除过程中，因距尾气管7入口远近不同，MOCVD反应腔内不同区域气体所受扰动差异较大的问题，减少这种扰动可使MOCVD反应腔内各处气体从喷淋头1输运至尾气管7入口的过程中流场更为均匀稳定，更易于在外延衬体表面获得均匀且稳定的反应物层流；且经实验证实，其提升薄膜生长厚度均匀性的效果良好。
实施例2
本实施例的装置结构与实施例1相同，不同点在于本实施例中气体分流屏蔽罩通气孔通气面积可调，如图2所示，在气体分流屏蔽罩5上设有通气孔调节挡板4，通气孔调节挡板4与气体分流屏蔽罩5通过插销连接，通过通气孔调节挡板4的上下滑移或转动实现通气孔通气面积的调整。
实施例3
本实施例的装置结构与实施例1相同，不同点在于本实施例中为生长氮化镓的MOCVD设备，通气孔孔口大小已固化为最佳设置，如图3，通气孔通气面积分布规律为顺时针等间距减小。如图4所示，采用图3中通气孔通气分布规律，初始位置通气孔通气面积最大处与尾气管排气口重合，记为分流屏蔽罩旋转0°；然后将初始位置中最大通气孔的顺时针相邻的通气孔设置为最大通气孔，通气面积依然顺时针等间距减小，最大通气孔与尾气管之间的角度记为分流屏蔽罩旋转角度；然后重复此过程，直到最大通气孔与尾气管角度为180°，记为分流屏蔽罩旋转180°；如图5所示，通过石墨载片盘上5个取样点结果对比，当气体分流屏蔽罩顺时针依次转过180°时，薄膜厚度均匀性可实现由“石墨载片盘中心外延片厚、边缘外延片薄”向“石墨载片盘中心外延片薄、边缘外延片厚”的转变；经过实验验证，图5中的分流屏蔽罩及通气孔的孔口设置可以有效提升氮化镓薄膜的生长均匀性。
实施例中的方案并非用以限制本发明的专利保护范围，凡未脱离本发明所为的等效实施或变更，均包含于本案的专利范围中。
Claims (6)
1.一种用于提升MOCVD薄膜生长均匀性的装置，其特征在于：包括MOCVD反应腔腔壁，MOCVD反应腔腔壁上的喷淋头、喷淋头下方的石墨载片盘、支撑石墨载片盘的石墨盘支撑环、围绕在石墨载片盘和石墨盘支撑环侧壁的气体分流屏蔽罩、气体分流屏蔽罩上规律分布的通气孔，与通气孔相连通的集气集灰腔，集气集灰腔下方的尾气管；MOCVD反应腔腔壁围成MOCVD反应腔，喷淋头上设有喷淋孔；通气孔的分布规律与生长相应薄膜材料的MOCVD设备对应。
2.如权利要求1所述的用于提升MOCVD薄膜生长均匀性的装置，其特征在于：通气孔的分布规律为通气孔的通气面积等间距增大或减小或者通气孔的通气面积一大一小等间距周期性排布。
3.如权利要求2所述的用于提升MOCVD薄膜生长均匀性的装置，其特征在于：在生长氮化镓的MOCVD设备中，通气孔的分布规律为通气孔通气面积分布规律为顺时针等间距减小。
4.如权利要求1所述的用于提升MOCVD薄膜生长均匀性的装置，其特征在于：气体分流屏蔽罩上设有通气孔调节挡板，通气孔调节挡板用于调节通气孔的通气面积，以实现MOCVD反应腔内气体向尾气管入口汇集的输运通路的流导。
5.如权利要求4所述的用于提升MOCVD薄膜生长均匀性的装置，其特征在于：通气孔调节挡板与气体分流屏蔽罩通过插销连接，通气孔调节挡板的上下滑移或转动实现调节通气孔的通气面积。
6.如权利要求4所述的一种用于提升MOCVD薄膜生长均匀性的装置，其特征在于：气体分流屏蔽罩兼具热屏蔽功能，降低MOCVD反应腔内的温度梯度，同时减少MOCVD反应腔的热损耗，实现节能降耗。
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