CN1942604B - 用于mocvd反应器的入口系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于在处理室(1)中尤其是将结晶层沉积在至少一个尤其是结晶基体上的装置，其包括顶板(2)和用于接收基体(4)的垂直相对的加热底板(3)。使用形成垂直叠加的进气区(6，7)的进气体(5)，分开地引入至少第一和第二气态原料，所述原料在水平方向上与载气一起流过该处理室(1)。气流在直接相邻于进气体(5)的入口区(EZ)中均化，且原料至少部分分解，在相邻于入口区(EZ)的生长区(GZ)中将形成的分解产物沉积在基体(4)之上，同时连续地减少气流。进气体(5)的进气区(8)基本上用于两种原料中的一种，以降低入口区(EZ)的水平延长。

Description

用于MOCVD反应器的入口系统
本发明涉及一种用于在处理室中将尤其是结晶层沉积在一个或多个尤其是结晶基体上的装置，其具有顶板(ceiling)和沿垂直方向与该顶板相对置的、用于接收该基体的被加热的底板，并具有气体入口元件(gas inletmember)，后者形成沿垂直方向上下叠置的进气区，用于将至少第一和第二气态原料彼此独立地引入，其原料在水平方向上与载气一起流过该处理室，在直接邻近于(directly adjacent)气体入口元件的入口区中气流被均化且原料至少部分预分解，在邻近该入口区的生长区中将其原料的分解产物沉积于基体之上，同时稳定地减少(depleted)气流。
本发明另外涉及一种用于在处理室中将尤其是结晶层沉积在一个或多个尤其是结晶基体之上的方法，该处理室具有顶板和沿垂直方向与该顶板相对置的、基体位于其上的被加热的底板，在该方法中，通过气体入口元件的彼此上下叠置的进气区将至少第一和第二气态原料输入该处理室，其原料在水平方向上与载气一起流过该处理室，在直接相邻于气体入口元件的入口区中气流被均化且原料至少部分预分解，在邻近该入口区的生长区中将其原料的分解产物沉积于基体之上，同时稳定地减少气流。
这种类型的装置和这种类型的方法从DE 10043601A1来看是公知的。该文献描述了一种用于尤其是将III-V半导体层沉积在III-V半导体基体之上的圆对称装置。该公知的装置具有在水平面上延伸的圆筒状处理室。通过加热的基体支座(substrate holder)形成该处理室的底板。在该基体支座之上存在多个圆形分布在该基体支座中心周围的基体载体。可以将一个或多个基体放置在每个基体载体之上。旋转地驱动该基体载体。同样可以加热与该处理室底板相对的该处理室顶板。在该顶板的中心具有气体入口元件。其伸入到该处理室中。伸入到处理室中的那部分气体入口元件用水来冷却。该气体入口元件形成了直立于彼此之上的两个进气区。直接位于底板之上的入口区位于底板和气体入口元件的端面之间，气体入口元件在其中心具有氢化物从此与载气一起排出的开口。该氢化物可以是胂、膦或氨。在该入口区之上具有另一入口区，通过该入口区将同样在载气中混合的气态原料引入该处理室。该气态原料可以是TMGa、TMIn或一些其它有机金属化合物。
在通常的处理条件下，流过邻近于处理室底板的进气区的第一原料流显著大于流过第二进气区的原料流。流过第一进气区的原料的浓度也显著大于流过第二进气区的原料的浓度，使得不仅流过第一进气区的气体的速率显著大于流过第二进气区的气体的速率，而且气体的密度也显著地不相同。
在直接连接于气体入口元件的入口区中，原料部分热分解。在该区中，也发生流动的均化或气相的均化。两种原料必须彼此混合。基体在连接于入口区下游的生长区中。在该区中，反应物、尤其是III组份的气相浓度随着到气体入口元件的距离的增加而降低。伴随该气相减少的是生长速率随着到气体入口元件距离的增加而降低。为了使生长更均匀，通过基体载体的旋转来提供补偿。这些情形描述于DE 10057134A1中。
通过生长速率的最大值来确定入口区和生长区之间界限的位置。该最大值位于气相和流体的预分解或均化基本上完成且有限生长的III族原料被来自较低进口的稠密高浓缩气流慢慢扩散的位置。该最大值倾向于位于流动方向上生长区开始之前不远的地方。
如果想增加该公知装置的容量，能同时容纳更多待涂覆的基体，必须增加生长区的延伸(extent)。同时，但是也必须增加原料的供给。如果增加到处理室中的原料的气流，那么入口区与生长区之间的界限会偏离气体入口元件。但是，通过这种方式增加进气区是不期望的，因为在该区中可以形成不期望的加合物。但是，在另一方面，为了确保层在基体之上的均匀生长，生长速率的最大值不必位于生长区之内。此外，增加入口区需要或是缩小生长区或是结构上增加整个处理室的尺寸。出于成本的考虑，后者是不期望的。
因此，本发明的目的是，规定可以如何增加处理室中有效表面积的措施。在实现该增加的同时，能够不缩小基体支座上基体的排列密度(packdensity)。
通过权利要求中所规定的本发明实现了该目的。
权利要求1首先提供了用于两种原料中之一的气体入口元件的另一进气区，以降低入口区的水平延伸。依据权利要求2的方案，为了降低入口区的水平延伸，将两种原料中的一种不是只通过一个进气区而是通过两个进气区引入处理室。优选地，将通过邻近于处理室底板的进气区引入的第一原料，也通过另一进气区引入。其可以邻近于该处理室的顶板。因此，总共提供了三个进气区。将V组份或氢化物通过邻近于顶板和底板的两个外进气区引入该处理室。将III组份通过中间进气区(任选地具有压力挡板(pressure barrier))引入该处理室。该组份优选为有机金属化合物，其溶解于载气(例如氮气或氢气)中。在依据本发明的装置或依据本发明的方法的情形中，引入处理室的第一原料的浓度也能够高于第二原料100～5000倍。依据本发明的装置可以具有加热的底板。顶板可以或是被加热或是不被加热。但是，优选地，其为具有加热底板和未加热顶板的热壁式反应器。此外，邻近于底板和顶板的进气区的垂直高度能够小于中间进气区的垂直高度。邻近于底板和顶板的进气区的两个高度之和也可以小于中间进气区的高度。通过外进气区流入的气体相对于通过中间进气区流入的气体具有更高的流速。该反应器可以具有如DE 10043601A1所述的旋转驱动的基体支座。同样该基体支座可以具有以卫星(satellites)形式分布在基体支座中心周围的基体载体。总共可以具有6个基体载体，其围绕在圆形入口区周围，以圆形布局紧密地靠近。那么生长区为环形。每个单独基体载体可以带有总共7个基体。这样实现了高的排列密度。以类似于现有技术的方式，气体入口元件可以用水来冷却，使得当其流入处理室时突然地加热处理气体。以这样的方式来设计入口元件，使得三个或多个入口区的每一个可以单独地供给气体。提供相应的质量流量调节器和阀门来用于该目的。特别地，与有机金属组份相关联的中间进气区可以具有压力挡板。该压力挡板可以由多孔材料组成。这样避免了反向扩散。该气体入口元件可以以公知的方式具有旋转对称的形状，例如DE 10064941A1中所述那样。加热基体支座。通过辐射和/或热传导的方式来进行加热。用于加热底板的热量可以以红外热量的方式来生成。也可以是电阻加热。
参照附图解释了本发明的示例性实施方式，其中：
图1以一般性图示方式显示了通过旋转对称反应器的一半的横截面，
图2显示了生长速率的径向变化，和
图3显示了总共具有六个基体载体的基体支座的平面图，每种情形中其载有七个基体。
示例性实施方式显示了一种旋转对称反应器，其中气体在中间引入，并且其中气体在周边区域中移出.但是，本发明也涉及管状形式的那些反应器，其中气体在一端引入并且在另一端排出气体.
重要的组件是气体入口元件5。其位于将气体引入处理室的位置，也就是说，在环形对称形状的处理室1的情形中是位于中间。气体入口元件5具有三个直立于彼此之上的进气区6、7、8。该三个进气区位于该处理室1的顶板2和和底板3之间。
在该示例性实施方式中，通过适当的方式将底板3有效加热。通过辐射和热传导的方式由加热的底板3来间接加热顶板2。用于加热底板3的热量可以以红外热量来生成。但是，也设想通过DE 10043601A1描述的方式(其是通过高频加热)来生成热量。
在示例性实施方式情形中，处理气体流过该处理室1，从中间到周边。为了沉积III-V半导体，将V组份以氢化物形式通过进气区6、8(其分别直接邻近于顶板2和底板3)喂入。尤其是，将PH3、AsH3或NH3通过进气区6、8引入。
将有机金属III组份通过中间进气区7(其位于外进气区6和8之间)引入；尤其是，将TMG或TMI或Al化合物在此处引入。
参考数字11表示的是一种多孔、透气性材料的环形(annular)压力挡板。III组份与载气一起流过该挡板。通过外侧进气区6和8的气体相对于通过中间进气区7流入处理室1的气体，具有更大的密度和质量流量。可以将进气区6、8中的气体入流设定为独立于进气区7中的气体入流。
参考数字12和13表示的是横档或分离元件，通过其将通过进气区6、7、8进入处理室1的气体分开。本文中，该表现形式只是示意性的。不用说，也可以提供这样的气体导入方式，如能够将彼此分开地流过进气区6、7、8的气体从供气装置导入到该反应器的导管或输送管。
在图2中，EZ表示的是进料区。在该进料区之内，将从进气区6和8或7进入处理室的反应性组份混合。其主要通过扩散来进行。在进料区的界限(其由图2中的虚线表示)之前实现了充分的混合。通过该界限，处理室中的流动分布(flow profile)也已被均化。可热分解的组份和尤其是氢化物(其更难以分解且通过进气区6和8流入处理室1)，同样通过该界限已部分热分解。但是，进料区EZ的径向宽度太小，以至于很大程度上抑止了组份之间加合物的形成。
图2中的实线曲线表述了生长速率与到处理室1中心的径向距离之间依赖关系的特征。生长速率r的最大值10位于进料区EZ的界限之前不远。在径向向外的方向上邻近于进料区EZ的生长区GZ的区域中，生长速率r随径向距离R的增加而下降。生长速率的该降低通过围绕图3中所示圆形盘状基体载体9的它们自己的轴的旋转来补偿。在该情形中，基体载体9可以安装在气垫上，并且-如DE 10043601A1中所述的那样-通过气体喷流而旋转地驱动。整个基体支座3的旋转(其通过处理室1的底板来形成，且围绕该处理室的轴旋转)也用于使基体4上的层厚更均匀。
从图3中可以推断，各个基体载体9的直径大到足以以非常紧密排列的形式(closely packed formation)容纳下7个2”基体的程度。总之，将6个基体载体以均匀分布的方式放置在该基体支座3的中心周围。
图2中点划线所示的曲线显示了生长速率r相对于到处理室1中心的径向距离R的变化，其如现有技术中那样，其中使用了例如DE 10043601A1中所述的气体入口元件.用于V组份的额外的进气区8所具有的效果是，生长速率r的最大值向更小的径向距离R一侧偏移.
前提是进气区6和8的垂直高度分别是相同尺寸。优选地，流过这些进气区6和8的单位时间气体的数量也是相同的。进气区6、8的高度小于中间进气区7的高度。尤其是，进气区6和8的高度之和小于中间进气区7的高度。
在现有技术(DE 10043601A1)装置情形中的模型计算(modelcalculation)已显示，通过进气区进入处理室的气体的不同密度和较大流速差产生了进料区EZ区域中顶板之下的环状涡流。已经观察到，具有流过邻近于顶板2的另一进气区8的气体的气流抑止了该涡流。在进料区EZ区域中形成了相对于处理室1的水平中心面为对称的流动分布，并将其均化为直到由虚线所示的界限的抛物线流动分布。
进气区6、进气区7和进气区8彼此之间的高度比例优选为4∶15∶4。
所有公开的特征(本身)都属于本发明的重要内容。相关/所附优先权文献(在先申请的副本)的公开内容在此也全部引入本申请的公开内容之中，包括将这些文献的特征结合到本申请的权利要求之中。

Claims (19)

1.一种用于在处理室(1)中将结晶层沉积在一个或多个结晶基体之上的装置，该处理室(1)具有顶板(2)和沿垂直方向与该顶板相对置的、用于接收该基体(4)的被加热的底板(3)，还具有气体入口元件(5)，该气体入口元件(5)形成沿垂直方向上下叠置的进气区(6，7)，以分别用于将至少第一和第二气态原料彼此独立地引入，所述原料在水平方向上与载气一起流过该处理室(1)，第一原料是氢化物，第二原料是金属有机化合物，在直接邻近于气体入口元件(5)的入口区(EZ)中气流被均化且原料至少部分预分解，在邻近该入口区(EZ)的生长区(GZ)中将原料的分解产物沉积于所述基体(4)之上，同时稳定地减少气流，其特征在于，该气体入口元件(5)的三个进气区(6，7，8)彼此沿垂直方向上下叠置，第一原料通过邻近于该处理室(1)底板(3)的进气区(6)和邻近该处理室(1)顶板(2)的进气区(8)引入，第二原料通过位于一个邻近底板的进气区和一个邻近顶板的进气区之间的中间进气区(7)引入，以降低入口区(EZ)的水平延伸。
2.依据权利要求1的装置，其特征在于，第一原料的分解产物为V或VI族的元素，且第二原料的分解产物为III或II族的元素。
3.依据权利要求2的装置，其特征在于，通过载气，将第一和第二原料分别通过与其相关的进气区(6、7、8)引入该处理室(1)。
4.依据权利要求1的装置，其特征在于，邻近于底板或顶板的进气区(6、8)的垂直高度小于中间进气区(7)的垂直高度。
5.依据权利要求4的装置，其特征在于，邻近于底板和顶板的进气区(6、8)两者的高度之和小于中间进气区(7)的高度。
6.依据权利要求1的装置，其特征在于，从下面加热形成基体支座的处理室(1)的底板(3)。
7.依据权利要求1的装置，其特征在于，处理室(1)为轴对称的，气体入口元件位于中心(5)。
8.依据权利要求7的装置，其特征在于，基体支座(3)围绕该处理室(1)的中心被旋转驱动。
9.依据权利要求7的装置，其特征在于，在圆周方向上彼此紧接地布置在基体支座(3)之上的多个圆形盘状基体载体(9)，相对于该基体支座(3)被旋转驱动，并且带有一个或多个基体(4)。
10.依据权利要求9的装置，其特征在于，每个基体载体(9)带有7个圆形基体(4)，并且总共6个或更多的基体载体(9)沿圆周方向均匀分布并彼此靠近地与基体支座(3)相配置。
11.依据权利要求7的装置，其特征在于，最大生长速率(10)的区域沿径向位于环形生长区(GZ)内侧的入口区(EZ)边缘区域中。
12.依据权利要求11的装置，其特征在于，入口区(EZ)的直径小于生长区(GZ)的径向延伸。
13.一种用于在处理室(1)中将结晶层沉积在一个或多个结晶基体之上的方法，该处理室(1)具有顶板(2)和沿垂直方向与该顶板相对置的、基体(4)位于其上的被加热的底板(3)，在该方法中，通过气体入口元件(5)的沿垂直方向上下叠置的进气区(6，7)将至少第一和第二气态原料输入该处理室(1)，所述原料在水平方向上与载气一起流过该处理室(1)，第一原料是氢化物，第二原料是金属有机化合物，在直接相邻于气体入口元件(5)的入口区(EZ)中气流被均化且原料至少部分预分解，在邻近该入口区(EZ)的生长区(GZ)中将原料的分解产物沉积于基体(4)之上，同时稳定地减少气流，其特征在于，第一原料通过邻近于该处理室(1)底板(3)的进气区(6)和邻近该处理室(1)顶板(2)的进气区(8)引入，第二原料通过位于一个邻近底板的进气区和一个邻近顶板的进气区之间的中间进气区(7)引入，以降低入口区(EZ)的水平延伸.
14.依据权利要求13的方法，其特征在于，第一原料为PH3、AsH3或NH3。
15.依据权利要求13的方法，其特征在于，第一原料的分解产物为V或VI族的元素，且第二原料的分解产物为III或II族的元素。
16.依据权利要求13的方法，其特征在于，通过载气，将第一和/或第二原料分别通过与其相关的进气区(6、7、8)引入该处理室(1)。
17.依据权利要求13的方法，其特征在于，引入处理室的第一原料的浓度比第二原料高100～5000倍或者1000～5000倍。
18.依据权利要求13的方法，其特征在于，处理室(1)为轴对称的，气体入口元件位于中心(5)，其中最大生长速率(10)的区域沿径向位于环形生长区(GZ)内侧的入口区(EZ)边缘区域中。
19.依据权利要求18的方法，其特征在于，入口区(EZ)的直径小于生长区(GZ)的径向延伸。
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