CN1832111A - 生长氧化物薄膜的金属有机物化学气相沉积反应室结构 - Google Patents

Abstract

一种生长氧化物薄膜的金属有机物化学气相沉积反应室结构，包括：一上罩机构为一桶状，底部开有一圆孔，侧壁上开有一侧孔；一下罩机构为一管状，该上罩机构、下罩机构固接；一辅气气嘴机构包括：一柱体，下面固接有一喇叭口；一三路喷气气嘴机构包括：一固定座为圆筒形，该固定座的小径端插入并固定在侧孔内；一气嘴座为一柱体，包括一大径端和小径端，该小径端的直径与固定座内孔相同，该气嘴座插入固定座内孔固定，该气嘴座的纵向开有三个通孔，该通孔为阶梯状，该通孔朝向内端插接有三根气体喷管，朝向外端插接有三根金属管；一旋转机构包括：一旋转轴，该旋转轴的一端与底座上的通凹孔配合，另一端固定一托盘，该托盘正对着辅气气嘴机构上的喇叭口。

Description

生长氧化物薄膜的金属有机物化学气相沉积反应室结构

技术领域

本发明涉及半导体薄膜外延生长领域，特别是用于外延生长氧化物半导体薄膜的金属有机物化学气相沉积(MOCVD)的反应室结构上。本发明设计具有三路喷气气嘴和高速旋转衬底的反应室结构，可以实现更多种类反应气体原料的引入，既能够有效避免气体预反应，又能够保证薄膜的均匀性。由于气体高速喷到衬底时才接触反应，故而提高了气体反应的效率和外延质量。

背景技术

MOCVD是半导体薄膜外延生长领域非常关键的设备，不仅可以用于科学研究，而且特别是半导体器件规模化生产所不可缺少的。MOCVD设备的生产和操作成本要远远低于分子束外延设备(MBE)，并且生长速度快，效率高；比磁控溅射等物理沉积设备的外延膜晶体质量好，而且可以实现多片同时生长。目前，随着半导体照明工程的启动，国内光电子产业对MOCVD设备的需求越来越大。很多研究单位和企业用户所使用的MOCVD设备大多都是国外的两家主要公司(Veeco和Aixtron)提供。国内目前还没有MOCVD的商业产品出现，因此从我国光电子产业的整体考虑和长远持续性发展来看，拥有自己知识产权的MOCVD设备并积累MOCVD设备设计技术的储备是生死攸关的。而在MOCVD设备中，反应室则是整个设备核心所在。另外，目前商业化MOCVD设备大多数都是用于满足III-IV族半导体薄膜生长，然而并没有专门用于氧化物半导体薄膜生长的MOCVD设备出售。但是随着宽禁带半导体材料的发展，出现了一些具有很好应用前景的氧化物宽禁带半导体材料，如氧化锌(ZnO)，氧化镁(MgO)，和氧化铝(Al₂O₃)，并受到广泛关注和研究。特别是ZnO，除了它和GaN相似的性质外，更高的激子束缚能(60meV)，易解理，原料成本低和低的生长温度使其成为GaN材料的竞争者在光电子领域有着潜在的应用前景。不同于III-V族半导体的材料，氧化物半导体外延用的金属源和氧源有着强烈的预反应，预反应不仅会浪费原料，降低外延质量和效率，也会产生许多大分子污染物。然而原料的预混合却有利于提高外延片的均匀性。这样避免预反应和提高均匀性便是在氧化物外延生长中的矛盾，也是MOCVD反应室设计的关键。另外，P型掺杂一直是宽禁带半导体材料面临的难点，然而实现P型掺杂又是其能否在光电子领域获得应用的前提。以GaN为例，其p型掺杂源可以和其金属源进行混合引入，因此用于GaN的MOCVD反应室通常只有两路气体进入，金属源和氮源。但是对于氧化物，其p型掺杂源还在研究和尝试中，有着更多的选择性。一些p型掺杂源无法与金属源和氧源进行混合引入，这样就要求必须设计一单独的气路以便满足上述掺杂源的引入，并使其能够与金属源和氧源具有同等的相互接触反应的机会，否则金属源和氧源的强烈反应会极大的降低掺杂的水平。考虑到预反应和均匀性的矛盾，以及满足多种掺杂源的引入，本发明设计了适合氧化物半导体薄膜生长的具有三路喷气气嘴的MOCVD反应室结构。这种反应室结构更为有效的避免了气体的预反应，同时能够保证外延的均匀性，进而提高原料利用率和材料质量。

发明内容

本发明的目的在于设计一种生长氧化物薄膜的金属有机物化学气相沉积反应室结构，能够有效避免气体的预反应和提高外延片的均匀性，并可以向反应室内输送三种不同类反应气体以便满足多种掺杂源的需要。其特点是：(1)特殊设计的三路喷气气嘴结构，可用于引入三种不同且无法预混合的气体原料进入反应室进行反应，且气体通过细的喷气孔高速喷向衬底，三种气体在到达衬底进行混合反应。这种设计增加了气体有效反应接触面积，节省原料，在反应原料种类多的情况下可以更为方便和安全进行气体引入，通过增加喷气孔的个数可以满足不同尺寸的单片或者多片外延生长；(2)通过高速旋转衬底基座来改善薄膜的均匀性。这种反应室结构设计既能有效地避免气体预反应，又能保证薄膜的均匀性，能够更方便的增加反应气体种类，更有利于实现多种掺杂源的引入。

本发明一种生长氧化物薄膜的金属有机物化学气相沉积反应室结构，其特征在于，包括：

一上罩机构，该上罩机构为一桶状，在桶的底部中心开有一圆圆孔，在桶的侧壁上开有一侧侧孔，该侧壁的边缘为上法兰；

一下罩机构，该下罩机构为一管状，该直径与上罩机构的直径相同，该下罩机构的上边缘为一下法兰，该上罩机构、下罩机构通过上上法兰固接，在该下罩机构的下面固接有一底座，该底座的中心有一通凹孔，在通凹孔的旁边有一抽气孔；

一辅气气嘴机构包括：一柱体，该柱体的中心开有一通通孔，在柱体的下面固接有一喇叭口，该柱体的直径与上罩机构的圆圆孔相同，并固定在圆圆孔内；

一三路喷气气嘴机构包括：一固定座为圆筒形，该固定座有一大径端和小径端，该小径端的直径与上罩机构的侧侧孔相同，该固定座的小径端插入并固定在侧侧孔内；一气嘴座，该气嘴座为一柱体，包括一大径端和小径端，该小径端的直径与固定座内孔相同，该气嘴座插入固定座内孔固定，该气嘴座的纵向开有三个通孔，该通孔为阶梯状，该通孔朝向内端插接有三根气体喷管，朝向外端插接有三根金属管；

一旋转机构包括：一旋转轴，该旋转轴的一端与底座上的通凹孔配合，另一端固定一托盘，该托盘正对着辅气气嘴机构上的喇叭口。

其中下罩机构上的下法兰的平面上开有一圈凹槽，该凹槽内放置密封材料。

其中辅气气嘴机构上的喇叭口为绝缘耐热材料石英玻璃。

其中辅气气嘴机构上的通通孔的上端安装有一气嘴。

其中三路喷气气嘴机构上的固定座与气嘴座之间有一密封圈。

其中三路喷气气嘴机构上的气嘴座开有的三个阶梯通孔，其断面为等腰三角排列。

其中旋转机构上的托盘用耐温的石墨或者陶瓷材料制作。

其中三路喷气气嘴机构上的三根气体喷管的外端为封闭状，沿径向开有一列喷孔，该喷孔的朝向为托盘的中心线。

附图说明

为进一步说明本发明的具体技术内容，以下结合实施例及附图详细说明如后，其中：

图1是本发明的剖面图；

图2是图1中三路喷气气嘴局部剖面图。

具体实施方式

请参阅图1和图2所示，本发明一种生长氧化物薄膜的金属有机物化学气相沉积反应室结构，其特征在于，包括：

一上罩机构10，该上罩机构10为一桶状，在桶的底部中心开有一圆圆孔113，在桶的侧壁11上开有一侧侧孔112，该侧壁11的边缘为上法兰12；

一下罩机构20，该下罩机构20为一管状，该直径与上罩机构10的直径相同，该下罩机构20的上边缘为一下法兰21，该上罩机构10、下罩机构20通过上下法兰12、21固接，在该下罩机构20的下面固接有一底座23，该底座23的中心有一通孔232，在凹孔232的旁边有一抽气孔231，其中下罩机构20上的下法兰21的平面上开有一圈凹槽211，该凹槽211内放置密封材料；

一辅气气嘴机构30包括：一柱体34，该柱体34的中心开有一通通孔341，在柱体34的下面固接有一喇叭口33，该柱体34的直径与上罩机构10的圆圆孔113相同，并固定在圆圆孔113内，该辅气气嘴机构30上的喇叭口33为绝缘耐热材料石英玻璃，该辅气气嘴机构30上的通通孔341的上端安装有一气嘴35；

一三路喷气气嘴机构40包括：一固定座41为圆筒形，该固定座41有一大径端411和小径端414，该小径端414的直径与上罩机构10的侧侧孔112相同，该固定座41的小径端414插入并固定在侧侧孔112内；一气嘴座42，该气嘴座42为一柱体，包括一大径端和小径端，该小径端的直径与固定座41内孔相同，该气嘴座42插入固定座41内孔固定，该气嘴座42的纵向开有三个通孔422，该通孔422为阶梯状，该通孔422朝向内端插接有三根气体喷管47，朝向外端插接有三根金属管43，该三路喷气气嘴机构40上的固定座41与气嘴座42之间有一密封圈415，该三路喷气气嘴机构40上的气嘴座42开有的三个阶梯通孔422，其断面为等腰三角排列；

一旋转机构50包括：一旋转轴51，该旋转轴51的一端与底座23上的通凹孔232配合，另一端固定一托盘52，该托盘52正对着辅气气嘴机构30上的喇叭口33，该旋转机构50上的托盘52用耐温的石墨或者陶瓷材料制作，该三路喷气气嘴机构40上的三根气体喷管47的外端为封闭状，沿径向开有一列喷孔471，该喷孔471的朝向为托盘52的中心。

本发明的技术特点是该MOCVD反应室具有三路喷气气嘴结构，这样的气嘴结构能够使得反应气体从气体喷管47的喷孔471高速喷向衬底托盘52上的衬底，在衬底上汇合进行反应，同时衬底托盘52由旋转轴51带动进行高速旋转。这样有效的避免了气体的预反应，提高了气体反应效率，并能够保证外延片的均匀性。本发明生长氧化物半导体薄膜用的MOCVD反应室结构考虑了生长氧化物薄膜气相预反应强烈的特殊性，设计了能够有效避免反应气体预反应的三路喷气气嘴结构，并通过高速旋转衬底基座来改善薄膜的均匀性，并可同时引入三种不同且无法预混合的气体原料进入反应室进行反应。这种设计增加了气体有效反应接触面积，节省原料，在反应原料种类多的情况下可以更为方便和安全进行气体引入，通过增加喷气孔的个数可以满足不同尺寸的单片或者多片外延生长。因此本发明用于生长氧化物半导体薄膜的MOCVD反应室结构既能够保证薄膜的均匀性，又能有效地避免气体预反应，能够更方便的增加反应气体种类，更有利于实现多种掺杂源的引入。

实施例

请再参阅附图1和图2，本发明用于生长氧化物薄膜的MOCVD反应室结构主要包括：

(1)上罩机构10，材料为金属材料，一般为不锈钢，所用个数为1个。该上罩机构10为一桶形，上部是圆弧状，在圆弧边缘延伸出一定长度的侧壁11，在上罩机构10的底部的中心及侧壁11上分别开有侧孔112和圆孔113；底部的圆孔113用于焊接辅气气嘴机构30上的柱体34，侧孔112用于焊接三路喷气气嘴机构40上的固定座41。该侧壁11可以由提升机构提起一定的高度，以便装入和取出放在衬底托盘52上的衬底100。该上罩机构10的侧壁11的边缘为上法兰12，通过该上法兰12和下罩机构20上的下法兰21进行压配密封。

(2)上罩机构10上的上法兰12为一环形，环形截面为矩形。该上罩机构10上的上法兰12与下罩机构20上的下法兰21相配合，用来压紧放置在下法兰21凹槽211中的密封材料，进而将上罩机构10上的上法兰12和下罩机构20进行密封。

(3)下罩机构20的下法兰21，材料为金属材料，一般为不锈钢，所用个数为1个。该下罩机构20的下法兰21为一环形，环形截面为矩形，在环形的端面中部开有一个用于放置密封材料的凹槽211。

(4)下罩机构20，材料为金属材料，一般为不锈钢，所用个数为1个。该下罩机构20的下部与底座23焊接。

(5)底座23，材料为金属材料，一般为不锈钢，所用个数为1个。该底座23为一圆盘状，在偏离圆心的一侧开有一抽气孔231，圆心中部也开有一通凹孔232用于安装旋转轴51。该底座23与反应室下桶22进行焊接连接。通过外接气泵到抽气孔231处，可以对反应室进行抽真空和控制一定的反应压力。

(6)辅气气嘴机构30，该辅气气嘴机构30包括一柱体34，该柱体34的下端固接有一喇叭口33，在柱体34的的上端有一气嘴35。辅气从柱体34上的气嘴35处引入，通过该喇叭口33压向衬底，这样可以抑制反应气体的上浮，有利于气体的反应，和减少反应大分子污染物的二次沉积。

(7)喇叭口33，材料为绝缘非金属材料，一般为石英玻璃，所用个数为1个。该喇叭口33为一圆环状。该喇叭口33与柱体34固接。

(8)柱体34，材料为金属材料，一般为不锈钢，所用个数为1个。该柱体34中部开有一通孔341，在柱体34的上端有一气嘴35，该气嘴35用来将辅气引入反应室。该柱体34为一圆柱状，该柱体34插入到上罩机构10上的圆孔113内，在其内外侧的接触圆周处进行焊接密封。

(9)固定座41，材料为金属材料，一般为不锈钢，所用个数为1个。该固定座41为一有台阶外径的圆筒状，圆筒的小径端插入到侧壁11上的侧孔112中，然后在内侧和外侧接触圆周处焊接，保证该固定座41和上罩机构10的侧壁11内外密封。

(10)气嘴座42，材料为金属材料，一般为不锈钢，所用个数为1个。该气嘴座42为一圆柱状。在该气嘴座42的径向沿中心线方向开有三个相同的通孔422，每个通孔422的内径分为三段，三个通孔422在截面图上呈等腰三角形排列，左右两个通道在水平方向，中部通道开在左右两个通道中心线的垂直中心线上。该气嘴座42插入并固定在固定座41上的圆孔内，该气嘴座42与固定座41焊接。这样该气嘴座42可以与固定座41进行固定连接并密封。

(11)金属管43，材料为金属材料，一般为不锈钢，所用个数为3个。该金属管43为一管状，插入到气嘴座42外侧的通孔422中，并在外侧将其与气嘴座42进行焊接进而将金属管43与气嘴座42密封，金属管43的另一端可以焊接CVR接头来引入反应气体。

(12)气体喷管47，材料为耐热非金属材料，一般为石英玻璃，所用个数为3个。该气体喷管47为一管状，管内径与气嘴座42中部通孔422直径相同，一端开口，另一端封死，在封死的一端垂直与管中心线的方向上开有一排细的喷孔471，这些喷孔471在同一条直线上。该气体喷管47具开口的一端插入到气嘴座42上的通孔422中。在截面图上看，三根气体喷管47的喷气孔轴线在托盘52上交汇为一条直线，即左侧气体喷管47的喷孔471轴线向右下倾斜，右侧气体喷管47的喷孔471轴线向左下倾斜，中部气体喷管47的喷孔471垂直向下。反应三路气体就是从这些喷气孔中高速喷向托盘52上的衬底100，在到达衬底100时三路气体接触发生发应，这样有效的减少了气体之间的预反应。由于气体在到达衬底100时才接触反应，进而提高了气体反应效率和节省原料。

(13)旋转轴51，材料为金属材料，一般不锈钢或者金属钼，所用个数为1个。该旋转轴51为一杆状，截面为圆形。该旋转轴51上部与衬底托盘52固定，下部通过连接机构与电机相连(未图示)，电机转动可以带动该旋转轴51的旋转，转速在一定范围内可调，进而该旋转轴51可以带动衬底托盘52一起高速旋转，高速旋转的衬底托盘52带动上面的衬底100进行旋转，可以改善外延的均匀性。

(14)衬底托盘52，材料为绝缘材料，一般为石磨或者陶瓷，所用个数为1个。该衬底托盘52为一圆饼状，上平面内圆心中部开有一定深度的圆槽，用于放置外延衬底100，圆槽内径和所用衬底100外径一致。

本发明的工作过程如下：

本发明生长氧化物薄膜的金属有机物化学气相沉积反应室结构具有能够有效避免气体预反应的三路喷气气嘴结构。请结合参阅图1和图2，其具体实施操作过程如下：在使用本发明前，首先将三根金属管43外端焊接气嘴，并通过气嘴连接三种气体气路，如有机金属源，氧源和氮源，以便向反应室内引入反应气体；其次是将气嘴35与辅气气路进行连接，将旋转轴51的下部和电机系统相连，最后在抽气孔231外接抽气泵(未图示)。然后将上罩机构10通过提升机构(未图示)提起到一定高度，把准备好的外延衬底100放置在托盘52上。放置好衬底100之后，通过提升机构将上罩机构10放下使得上法兰12和下法兰21彼此压紧放置在凹槽211中的密封材料，进而使得整个反应室(该反应室为上罩机构10和下罩机构20之内)与外界隔离。打开与抽气孔231相连的抽气泵对反应室进行抽真空，维持在外延生长要求的真空度，之后启动与旋转轴51相连的电机，带动旋转轴51和上面的托盘52一起高速旋转。这样放置在托盘52上的衬底100也会被带动和托盘52一起高速旋转。然后打开辅气气路使得一定流量的辅气从气嘴35内沿喇叭口33吹向衬底100。这时可以打开和金属管43外接的气路，引入反应气体。根据外延的需要，可以选择打开与三路中的两路或者三路。反应气体经由金属管43，气嘴座42的通孔422到达气体喷管47，从其细小的喷气孔471高速喷向托盘52上的衬底100。由于三路气体喷管的喷气孔471都朝向衬底100的中心，则三种反应气体便在衬底100上汇合进行反应，进而实现外延生长。由于喷气孔和衬底的距离短，喷气速度快，三路气体交汇接触面积大的特点，这样的三路喷气气嘴结构增加了气体有效反应接触面积，节省原料，有效的避免了气体之间强烈的预反应。同时衬底托盘52的高速旋转可保证外延片的均匀性。这样很好的解决了预反应强烈和均匀性的矛盾。

因此本发明生长氧化物薄膜的金属有机物化学气相沉积反应室结构考虑了生长氧化物薄膜气相预反应强烈的特殊性，和改善均匀性的矛盾，设计了能够有效避免反应气体预反应的三路喷气气嘴结构，并通过高速旋转衬底基座来保证薄膜的均匀性。该反应室的核心是特殊设计的三路喷气气嘴结构，可用于引入三种不同且无法预混合的气体原料进入反应室进行反应，在反应原料种类多的情况下可以更为方便和安全进行气体引入，通过增加喷气孔的个数可以满足不同尺寸的单片或者多片外延生长。这种反应室结构设计既能够保证薄膜的均匀性，又能有效地避免气体预反应，可更方便的增加反应气体种类，更有利于实现多种掺杂源的引入。

Claims (8)

1、一种生长氧化物薄膜的金属有机物化学气相沉积反应室结构，其特征在于，包括：

一上罩机构，该上罩机构为一桶状，在桶的底部中心开有一圆圆孔，在桶的侧壁上开有一侧侧孔，该侧壁的边缘为上法兰；

一下罩机构，该下罩机构为一管状，该直径与上罩机构的直径相同，该下罩机构的上边缘为一下法兰，该上罩机构、下罩机构通过上下法兰固接，在该下罩机构的下面固接有一底座，该底座的中心有一通凹孔，在通凹孔的旁边有一抽气孔；

一辅气气嘴机构包括：一柱体，该柱体的中心开有一通通孔，在柱体的下面固接有一喇叭口，该柱体的直径与上罩机构的圆圆孔相同，并固定在圆圆孔内；

一三路喷气气嘴机构包括：一固定座为圆筒形，该固定座有一大径端和小径端，该小径端的直径与上罩机构的侧侧孔相同，该固定座的小径端插入并固定在侧侧孔内；一气嘴座，该气嘴座为一柱体，包括一大径端和小径端，该小径端的直径与固定座内孔相同，该气嘴座插入固定座内孔固定，该气嘴座的纵向开有三个通孔，该通孔为阶梯状，该通孔朝向内端插接有三根气体喷管，朝向外端插接有三根金属管；

一旋转机构包括：一旋转轴，该旋转轴的一端与底座上的通凹孔配合，另一端固定一托盘，该托盘正对着辅气气嘴机构上的喇叭口。

2、如权利要求1所述的生长氧化物薄膜的金属有机物化学气相沉积反应室结构，其特征在于，其中下罩机构上的下法兰的平面上开有一圈凹槽，该凹槽内放置密封材料。

3、如权利要求1所述的生长氧化物薄膜的金属有机物化学气相沉积反应室结构，其特征在于，其中辅气气嘴机构上的喇叭口为绝缘耐热材料石英玻璃。

4、如权利要求1所述的生长氧化物薄膜的金属有机物化学气相沉积反应室结构，其特征在于，其中辅气气嘴机构上的通通孔的上端安装有一气嘴。

5、如权利要求1所述的生长氧化物薄膜的金属有机物化学气相沉积反应室结构，其特征在于，其中三路喷气气嘴机构上的固定座与气嘴座之间有一密封圈。

6、如权利要求1所述的生长氧化物薄膜的金属有机物化学气相沉积反应室结构，其特征在于，其中三路喷气气嘴机构上的气嘴座开有的三个阶梯通孔，其断面为等腰三角排列。

7、如权利要求1所述的生长氧化物薄膜的金属有机物化学气相沉积反应室结构，其特征在于，其中旋转机构上的托盘用耐温的石墨或者陶瓷材料制作。

8、如权利要求1所述的生长氧化物薄膜的金属有机物化学气相沉积反应室结构，其特征在于，其中三路喷气气嘴机构上的三根气体喷管的外端为封闭状，沿径向开有一列喷孔，该喷孔的朝向为托盘的中心线。

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