CN201560234U - 集成有原子层沉积工艺的化学气相沉积设备 - Google Patents

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甘志银
王亮
胡少林
陈倩翌
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Abstract

一种集成有原子层沉积工艺的化学气相沉积设备，包括：化学气相沉积设备的气体输送系统、反应腔、尾气处理系统、加热系统、控制系统，其特征在于所述载气入口分别与原子层沉积工艺的载气阀(11)、(14)连接，载气阀(11)、(14)的另一端分别与尾气管路、反应腔入口连接，源气体入口分别与载气阀(13)、(12)连接，载气阀(13)、(12)的另一端分别与尾气管路、反应腔入口连接。本实用新型的优点是充分利用了原子层沉积工艺的优点，克服了金属有机物化学气相沉积技术无法精确控制纳米级膜厚及组分等缺点，同时也摆脱原子层沉积工艺中的生长速度低的限制。

Description

集成有原子层沉积工艺的化学气相沉积设备
技术领域
本实用新型涉及一种半导体制造设备，特别涉及一种集成有原子层沉积工艺的化学气相沉积设备。
背景技术
纳米薄膜材料被誉为“21世纪最具有前途的材料”，是近年来发展最迅速的纳米技术之一。人们对纳米薄膜材料的制备、结构、性能及其应用，进行了广泛而深入的研究。纳米薄膜材料在微电子技术、光电通讯开关、微机电系统、传感器等领域发挥着重要的作用。此外，在生物医学、航空航天、国防装备、节能环保、故障诊断等许多重要领域都有非常广阔的应用前景。
薄膜材料的研究严重依赖于薄膜的制备手段。高质量的薄膜材料有利于薄膜器件物理的研究和薄膜器件应用的发展。长期以来，人们发展了多种薄膜制备技术和方法，如真空蒸发沉积、磁控溅射沉积、离子束溅射沉积、金属有机物化学气相沉积(MOCVD)和分子束外延(MBE)等。上述方法各具特色，在一定的范围内得到大量的应用。尽管如此，随着人们对材料尺度进一步减小的需求，传统的薄膜材料制作方法由于其各自的局限性，已经越来越不能满足未来高质量纳米级薄膜材料及器件的制造需要。
MOCVD工艺是将反应物在载气的携带下送入反应腔，控制反应腔内反应物的浓度和温度，从而控制在衬底上生长薄膜的厚度。MOCVD工艺在生长多层超薄层异质结材料方面显示出它独特的优越性。MOCVD设备具有设备简单，操作方便，维护费用较低，规模化的工业生产等特点，解决了高难的生长技术与低廉价格所要求的批量生产之间的尖锐矛盾，在各种化合物薄膜材料的生产制备中具有很大的实用价值。但MOCVD技术无法精确控制纳米级膜厚及组分。
原子层沉积(ALD，Atomic layer deposition)艺通过高精度的在线控制，脉冲交替地将气相反应物通入反应腔，并在衬底上化学吸附且反应成膜。该工艺由于具有精确的厚度控制、沉积厚度均匀性和一致性等特点，可达到在单原子层水平上完全可控。但ALD工艺的薄膜生长速度低，无法达到工业化生产的要求。
发明内容
本实用新型的目的是针对已有技术中存在的不足，鉴于原子层沉积ALD方法和金属有机物化学气相沉积MOCVD方法各自的优缺点，引入ALD工艺，克服MOCVD技术无法精确控制纳米级膜厚及组分等缺点，同时也摆脱ALD方法中的生长速度低的限制。本实用新型将ALD工艺和MOCVD工艺结合起来，形成原子层金属有机物化学气相外延AL-MOCVD。这样就克服了MOCVD技术无法精确控制纳米级膜厚及组分等缺点，同时也摆脱了ALD方法中的生长速度低的限制。
本实用新型包括：化学气相沉积设备的气体输送系统、反应腔、尾气处理系统、加热系统、控制系统，其特征在于所述载气入口分别与原子层沉积工艺的常开载气阀(11)及常闭载气阀(14)连接，常开载气阀(11)的另一端与尾气管路连接，常闭载气阀(14)的另一端与反应腔入口连接，源气体入口分别与原子层沉积工艺的常开载气阀(13)及常闭载气阀(12)连接，常开载气阀(13)的另一端与反应腔入口连接，常闭载气阀(12)的另一端与尾气管路连接，控制系统分别控制载气阀(11)、(12)、(13)、(14)的开启与关闭。控制系统为可编程逻辑控制器PLC，PLC控制二位三通电磁阀，通过控制辅助气路气流方向来控制载气阀的开启或关闭。因为(11)和(12)，(13)和(14)分别共用一个气路，所以可实现互锁，从而实现本实用新型的脉冲式生长的功能。
本实用新型的优点是充分利用了原子层沉积工艺的优点，克服了金属有机物化学气相沉积技术无法精确控制纳米级膜厚及组分等缺点，同时也摆脱原子层沉积工艺中的生长速度低的限制。使MOCVD设备具备生长超薄层结构的能力并充分利用了ALD工艺脉冲式生长的优点。
附图说明
图1现有的原子层沉积工艺的示意图；
图2对现有MOCVD设备的改进，引入ALD阀以实现本发明功能的示意图；
图3用集成有原子层沉积工艺的MOCVD工艺生长InGaN结构的示意图。
图中：(1)载气入口、(2)尾气出口、(3)源气体入口、(4)反应腔入口、(11)常开载气阀、(12)常闭载气阀、(13)常开载气阀、(14)开常闭载气阀、(15)二位三通电磁阀、(16)二位三通电磁阀、21出气口、22二位三通电磁阀的进气口、23二位三通电磁阀的泄压口。
具体实施方式
下面结合附图进一步说明本实用新型的实施例：
参见图1，现有的原子层沉积工艺的示意图。其脉冲式生长的过程如下：先通入反应气体A至反应腔，接着通入惰性吹扫气体，再通入反应气体B，如此循环以实现脉冲式生长。
本实用新型将ALD工艺和MOCVD工艺结合起来，形成原子层金属有机物化学气相外延(AL-MOCVD)。本实用新型包括：化学气相沉积设备的气体输送系统、反应腔、尾气处理系统、加热系统、控制系统，载气入口(1)分别与原子层沉积工艺的常开载气阀(11)及常闭载气阀(14)连接，常开载气阀(11)的另一端与尾气出口(2)连接，尾气由尾气处理系统处理，常闭载气阀(14)的另一端与反应腔入口(4)连接，气体输送系统的源气体入口(3)分别与原子层沉积工艺的常开载气阀(13)及常闭载气阀(12)连接，常开载气阀(13)的另一端与反应腔入口(4)连接，常闭载气阀(12)的另一端与尾气出口(2)连接，控制系统为可编程逻辑控制器PLC，PLC控制二位三通电磁阀，通过控制辅助气路气流方向来控制载气阀的开启或关闭。因为(11)和(12)，(13)和(14)分别共用一个气路，所以可实现互锁，从而实现本发明的脉冲式生长的功能。由一个二位三通电磁阀(15)控制载气阀(12)、(13)，由另一个二位三通电磁阀(16)控制载气阀(11)、(14)。由于由同一个二位三通电磁阀控制，所以载气阀(12)和(13)、(11)和(14)可以同时动作，即打开载气阀(11)的同时关闭了载气阀(14)，打开载气阀(12)的同时关闭了载气阀(13)，从而实现主气路的同步切换，进而实现脉冲式生长。参见图2。图中的(15)、(16)表示二位三通电磁阀，虚线表示的是辅助气路，(22)为二位三通电磁阀的进气口，(23)为二位三通电磁阀的泄压口，(21)为出气口。
其实现脉冲式生长的过程如下：第一步，在加热系统对反应腔加热时保持如图中所示阀的状态，载气阀(11)通入到尾气管路中，金属有机源反气体通过阀(13)通入到反应腔中；第二步，切换(11)、(12)、(13)、(14)四个阀的状态，使(11)、(13)由开启变为关闭状态，(12)、(14)由关闭变为开启状态，这时载气通过阀(14)通入反应腔中，金属有机源反应气体通过阀(12)通入到尾气管路中。接着再重复第一步。如此循环即可实现脉冲式生长过程。整个过程当中(1)端载气的量和(3)端金属有机源反应气体的量始终保持一致，这样可以保证切换时不会引起反应腔中压力的变化。在不进行原子层沉积工艺时，图2所示结构始终保持第一步的状态不变。
图3是用集成有原子层沉积工艺的MOCVD工艺生长InGaN结构的示意图。保持如图2所示结构中阀的状态不变即可单独进行MOCVD工艺生长，这一工艺可以进行缓冲层、n型GaN、p型GaN的生长。利用此本实用新型所具有的原子层沉积工艺可进行缓冲层、InGaN量子阱结构的生长，尤其是后者，其垒层和阱层的厚度直接影响着发光效率。利用脉冲式生长可以很好的控制其垒层和阱层的厚度并且可以实现现有MOCVD设备无法达到超薄膜结构。使用本实用新型的设备的化学气相沉积工艺包含以下步骤：
1.衬底表面处理，控制电路不输出控制信号，电磁阀保持默认状态；
2.缓冲层生长，控制电路不输出控制信号，电磁阀保持默认状态；
3.n-GaN生长，控制电路不输出控制信号，电磁阀保持默认状态。
4.InGaN量子阱纳米结构生长，控制电路如下动作：
1)、打开常闭载气阀(14)，关闭常开载气阀(11)，打开常闭载气阀(12)，关闭常开载气阀(13)；
2)、一段时间间隔后，打开常闭载气阀(11)，关闭常开载气阀(14)，打开常闭载气阀(13)，关闭常开载气阀(12)；
3)、循环数次1)、2)步骤，其中的时间间隔可根据工艺的需要自行设定。
5.p-GaN生长，控制电路不输出控制信号，电磁阀保持默认状态。

Claims (2)

1.一种集成有原子层沉积工艺的化学气相沉积设备，包括：化学气相沉积设备的气体输送系统、反应腔、尾气处理系统、加热系统、控制系统。其特征在于：载气入口分别与原子层沉积工艺的常开载气阀(11)及常闭载气阀(14)连接，常开载气阀(11)的另一端与尾气管路连接，常闭载气阀(14)的另一端与反应腔入口连接，源气体入口分别与原子层沉积工艺的常开载气阀(13)及常闭载气阀(12)连接，常开载气阀(13)的另一端与反应腔入口连接，常闭载气阀(12)的另一端与尾气管路连接。
2.根据权利要求1所述的集成有原子层沉积工艺的化学气相沉积设备，其特征在于所述控制系统分别控制载气阀(11)、(12)、(13)、(14)的开启与关闭，载气阀为实现高频响应的气动阀，载气阀(11)和(12)共用一个气路，载气阀(13)和(14)共用一个辅助气路，控制系统为可编程逻辑控制器PLC控制二位三通电磁阀。
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