CN201626981U - 一种化学气相淀积外延设备用的进气装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种化学气相淀积外延设备用的进气装置，该装置包含：一进气法兰盘，该法兰盘与筛板法兰通过密封胶圈密封连接；一匀气筛板，该匀气筛板嵌装入该进气法兰盘底面中央的圆形沉槽中；一中层筛板，该中层筛板与筛板法兰通过密封胶圈密封连接，中层筛板上的管与筛板法兰所对应的管对接在一起；一筛板法兰，该筛板法兰与反应腔密封连接。该装置将各种不同种类的原料气通过多个喷气筛孔喷射进入反应室内，并且不同的原料气相互交错，空间上分布均匀。该装置加工工艺简单，成本低，成品率高，应用在半导体外延材料制备过程中，该装置结构简单，易于清洗，有利于提高工艺的稳定性和重复性。

Description

一种化学气相淀积外延设备用的进气装置

技术领域

本实用新型涉及化学气相沉积技术领域，具体涉及一种化学气相淀积外延设备用的进气装置。

背景技术

化学气相沉积技术(Chemical Vapor phase Deposition，CVD)是一种重要的半导体材料外延生长沉积技术，其原理是将要沉积的金属或非金属的挥发性化合物在加热的衬底上分解或还原，从而在衬底的表面上析出金属、金属以及化合物半导体等。CVD的研制和生产是应低维半导体器件结构材料外延生长的需要而发展起来的。它主要通过把挥发性的化合物与其它组分的源(主要是氢化物)输送入反应室进行混合并发生气相化学反应和表面反应的途径在衬底上生长固体薄膜材料。

金属有机化学汽相淀积(Metal organic chemical vapor phase deposition，MOCVD)是在CVD的基础上发展起来的一种新型汽相外延生长技术。它采用III族、II族元素的有机化合物和V族元素的氢化物等作为晶体生长原料，以热分解反应方式在衬底上进行汽相外延，生长各种III-V族、II-VI族化合物半导体以及它们的多元固溶体的薄膜层单晶材料。一般的MOCVD设备都由源供给系统、气体输运和流量控制系统、反应室及温度控制系统、尾气处理和安全防护及毒气报警系统构成。与常规的CVD相比，MOCVD具有一系列优点。比如适用范围广泛，几乎可以生长所有化合物及合金半导体；非常适合于生长各种异质结构材料；可以生长超薄外延层，并能获得很陡的界面结构；生长易于控制；可以生长纯度很高的材料；外延层大面积均匀性良好；可以进行大规模生产。

MOCVD的发展趋势是通过改变源气体的供给方式或基片的悬浮与转动，来实现大面积、大批量、高均匀性和陡峭的过渡界面层的计算机控制生产。

1968年，美国洛克威尔公司的H.M.Manasevit等年首先提出了一种制备化合物半导体薄层单晶膜的方法，即MOCVD方法。MOCVD已有近30年的应用历史，其性能已经得到不断改进和完善。MOCVD近年来取得的最大进步是运用流体力学的原理实现生长过程中的基片旋转，从而大大改进了生长的均匀性。主要是参照了卤化物、氢化物汽相外延技术的研究成果，将外延生长控制在质量输运条件下来进行，控制气流为层流，保持稳定的边界层。为此采用了高流速、低压、基座旋转等技术，并对反应室和基座的结构进行了改进。

荷兰Nijmegen大学的Suchtelen等人设计了一种高效、高均匀性、低压脉冲MOCVD反应器。它由常规MOCVD设备上配置快速电磁阀门和真空泵组成。该系统的特点是将源气体周期性引入反应室。当气体进入反应室后，反应室的压强会突然增大，出现一个尖峰，这是一种温度平衡现象。每一周期的过程是：首先对气体混合室抽真空，并通过源气体砷烷(AsH3)、三甲基镓(TMG)等同时对反应室抽真空，打开开关，使混合气体进入，经过反应后排出废气，生长周期结束。在每一周期中，化学组分能任意选取，生长厚度从1～30原子层任意调整。由于在生长过程中，源气体分子只通过扩散到达衬底表面，并不相对衬底流动。所以克服了传统连续反应器中产生的气体″耗尽效应″。这种反应器的优点是，提高了外延层组分和厚度的均匀性；高效率地使用源气体；能生长原子级突变界面外延层；整个过程可用计算机控制批量生产。

此外，法国应用物理电子学实验室的P.M.Frijlink设计了一种多功能大尺寸的MOCVD反应器，可制作大面积、大批量化学组分和厚度极均匀的高纯外延层。该反应器的特征是，利用氢气流将主衬底支持器和7个子衬底支持器悬浮和转动新技术，使衬底支持器上的7片2英寸基片作旋转运动，避免了衬底和外延系统之间的任何物理接触。该反应器忽略边缘效应，2英寸GaAs外延层厚度和掺杂均匀性＜±1％，实现了高二维电子气迁移率的均匀外延生长，1.5K下可获得720000cm2/V.s的迁移率。

用于薄膜外延的CVD设备主要有水平式和垂直式两大类。如果半导体薄膜材料的均匀性比较差，则宜采用垂直式反应器。垂直式反应器主要由进气蓬头、衬底托、转动系统、加热元件、真空系统等部分组成。MOCVD的发展趋势是提高生产的大批量，和生产的稳定性，而大批量生产所要解决的一个问题就是半导体薄膜材料的均匀性，包括组分均匀性和厚度均匀性。

为了提高半导体薄膜材料的均匀性，可以采用的方法主要有：一是加大衬底托的转数，缩短原料气流向高温衬底托的时间，减小原料气在输运过程中的辐射受热时间，但增大转数会影响沉积反应的传质、传热边界层稳定，形成涡流，不利于薄膜生长。二是采用的是不同的原料气通过不同的管道通入反应室。但是，这种结构的进气装置存在缺陷，进气装置难于清洗，导致清洗后进气装置上的附着物对后续制备的材料造成污染，影响材料的质量和性能。

实用新型内容

为达到上述目的，本实用新型提供了一种化学气相淀积外延设备用的进气装置，该装置包含：

一进气法兰盘1，该法兰盘1与筛板法兰4通过密封胶圈密封连接；

一匀气筛板2，该匀气筛板2嵌装入该进气法兰盘1底面中央的圆形沉槽13中；

一中层筛板3，该中层筛板3与筛板法兰4通过密封胶圈密封连接，中层筛板3上的管与筛板法兰4所对应的管对接在一起；

一筛板法兰4，该筛板法兰4与反应腔密封连接。

上述方案中，该装置在所述进气法兰盘1的圆形沉槽13外侧进一步包含有一与该圆形沉槽13同心的矩形密封槽14，且所述进气法兰盘1在其径向有一进气孔12。

上述方案中，所述中层筛板3上焊有多条管径和长度均相同的管道，该管道一端与中层筛板3所在平面对齐，另一端高出中层筛板3另一平面一段距离。

上述方案中，所述中层筛板3上的管道是通过真空焊接方法焊接在中层筛板3上的。

上述方案中，所述中层筛板3上的管道高出中层筛板3所在平面这一端有锥度，该锥度是通过电化学腐蚀方法加工制作而成的。

上述方案中，所述的筛板法兰4带有冷却水槽，焊有多条管道，该管道的外径等于中层筛板3上管道的外径，但内径要大于中层筛板3上管道的内径，且在相同面积上所焊管道密度是中层筛板3上所焊管道密度的两倍。

上述方案中，所述筛板法兰4中央焊接细管道的上下筛板在焊接后经过加工处理，表面平整光滑，细管道端面不高于筛板的表面2毫米。

上述方案中，所述筛板法兰4上焊接的部分细管道与中层筛板3高出筛板平面、有锥度的细管道之间采用硬接触密封相连，形成连通的进气细管。

上述方案中，所述进气法兰1、匀气筛板2、中层筛板3与筛板法兰4是各自独立的部件，相互之间通过O型圈或硬接触密封连接，易于拆卸和清洗。

上述方案中，所述的中层筛板3之上进一步加入另一个与中层筛板3结构相同的筛板5，该筛板5上的细管道与中层筛板3的细管道之间采用硬接触密封连接方式，形成相互连通的进气管道。

从上述技术方案可以看出，本实用新型具有以下有益效果：

1、由于本实用新型的进气装置把各种不同种类的原料气通过各自的多个喷气管进入反应室内，并且不同的原料气相互交错，基座与衬底同进气装置的距离可以很小，这样使不同种类的原料气在空间上得以隔离，从而避免了原料气相互之间的混合，消除了寄生反应，提高了薄膜质量。

2、与传统的进气装置相比，本实用新型采用原料气通过均匀分布的多进气孔进入反应室并到达衬底表面，因而原料气能够均匀的到达石墨基座和衬底表面，所以制备的薄膜材料厚度、组分均匀性都很高。

3、本实用新型是由进气法兰盘1、匀气筛板2、中层筛板3和筛板法兰4四个结构简单分立元件组装而成的，而且每套装置的元件可逐一互换，其优点在于：一是如果进气装置中一个元件损坏，只需要更换这个元件即可，而不需要整套装置更换，如此就降低了MOCVD的运行成本、节省了时间；二是因为采用了可拆装的结构，这样减少了焊接的点和焊接的次数，加工的难度也就相应的降低了；三是随着加工难度降低，加工的成本和成品率也就随之提高。

4本实用新型是由进气法兰盘1、匀气筛板2、中层筛板3和筛板法兰4四个分立元件组装而成的，在清洗时可以将进气装置的四个独立的元件分别进行清洗，这样使清洗过程中被清洗件不存在封闭的空间，所以经过长期使用所沉积的反应物很容易清洗掉。清洗后的进气装置重新装在MOCVD上可以完全去除经过长期使用所沉积的反应物对后续薄膜材料制备的影响。

5、本实用新型在结构上不存在可以使气体滞留的空间，所有的原料气都能够顺畅的流经进气装置，因此进气装置不容易产生沉积物，从而不会影响后续制备的薄膜材料的质量，同时提高了设备的稳定性。

附图说明

图1(a)是本实用新型提供的化学气相淀积外延设备用的进气装置的装配示意图；

图1(b)是本实用新型提供的化学气相淀积外延设备用的进气装置的分体示意图；

图2是本实用新型中进气法兰1的示意图；

图3是本实用新型中匀气筛板2的示意图；

图4是本实用新型中中层筛板3的示意图；

图5是本实用新型中筛板法兰4的示意图；

图6是依照本实用新型实施例的一种可以旋转的基座的示意图；

图7是依照本实用新型实施例的进气装置与石墨基座配合的分解示意图。

具体实施方式

为使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本实用新型进一步详细说明。

请参阅图1至图4，本实用新型提供了一种化学气相淀积外延设备用的进气装置，其中包含：

一进气法兰1(图2)，为一盘状金属法兰，用于上层源气进气和匀气；该金属法兰的径向方向有一进气口12，轴向有一圆形沉槽13和沉槽底部11，用于将上层气体均匀分布到匀气筛板2的每个孔和中层筛板3的每根管道32，在进气法兰1的下端面有一密封槽14；进气法兰1通过螺钉及密封槽14中的密封胶圈与筛板法兰4真空密封(图1(a)所示)；

一匀气筛板2(图3)，是在圆形金属板上开多个孔21，该匀气筛板2嵌装在进气法兰1下端面圆形沉槽13中；

一中层筛板3(图4)，是在圆形平板31上开多个孔，然后通过真空焊接工艺焊上管道32，管道非焊接端33有一定锥度；中层筛板3管道非焊接端33与筛板法兰4上对应的管道对接。中层筛板3与筛板法兰4上通过筛板法兰密封槽46中的密封圈进行密封装配；

一筛板法兰4，该部件位于中层筛板3下方，法兰上端面与法兰1的下端密封连接；该筛板法兰4由上下两层筛板和金属法兰焊接而成，上筛板48上所有孔的中心轴和下筛板47所有孔的中心轴重合；在筛板法兰的径向方向开有四个孔分别是进气孔43，进水口42，出水口41。该筛板法兰4带有冷却水槽，焊有多条管道，该管道的外径等于中层筛板3上管道的外径，但内径要大于中层筛板3上管道的内径，且在相同面积上所焊管道密度是中层筛板3上所焊管道密度的两倍。

实施例一：

参见图1，2，3，4，5所示，一种金属有机物化学汽相外延设备用进气装置的装配示意图和各个部件示意图。包括一个带有沉槽的上法兰1、一个圆形匀气筛板2、一焊有多条管道管道、非焊接端有一定锥度的中层筛板3和一个筛板法兰4。另外在进气装置下方放置一个可以绕其轴心旋转的石墨基座如图6所示，石墨基座由一个帽子形状的主体54组成，主体的顶上挖了三个用来安放衬底片的凹槽。基座在反应室中位于如图7所示分层进气装置的正下方。进气装置和基座之间的距离可以根据情况调节，以利于降低预反应。在生长过程中进气装置是静止不动的，基座的主体54则是旋转的。旋转的54携带着安放在凹槽51、52和53中的的衬底片沿着其轴心以一定速度旋转，如图7所示。在实施中，因为进气装置和石墨基座之间的距离比较小，而石墨基座在材料制备工艺中需要加热到几百到上千摄氏度。为了避免进气装置因温度过高而损坏，必须将冷却水通入筛板法兰进水孔41，然后在经出水孔42流出。

使用例一：采用实施例一的进气装置和石墨基座的放置结构，在制备高晶体质量的氮化镓(GaN)薄膜时，一种原料气三甲基镓(或三乙基镓)从上法兰的进气口12进入到匀气用沉槽13，然后再经过匀气筛板2上的孔21、中层筛板3上的管道32及筛板法兰4对应的管道进入反应腔并最终到达旋转的基座携带着放在凹槽51、52和53中的衬底表面。原料气氨气从筛板法兰进气口43进入到筛板和筛板法兰所密封的空间45，然后经筛板法兰4上、与中层筛板3管道32不对接的管道进入反应腔并最终到达旋转的基座携带着放在凹槽51、52和53中的衬底表面。原料气三甲基镓和氨气在接近衬底过程中各自独立输运，受热时不发生寄生反应，寄生反应产物或中间产物不会引入薄膜。因此，薄膜的缺陷密度可以大大降低、均匀性非常好，得到的氮化镓薄膜迁移率可以大于1000cm2/V·S。

使用例二：采用实施例一的进气装置和石墨基座的放置结构，在制备高晶体质量的氮化铝(AlN)薄膜时，一种原料气三甲基铝)从上法兰的进气口12进入到匀气用沉槽13，然后再经过匀气筛板2上的孔21、中层筛板3上的管道32及筛板法兰4对应的管道进入反应腔并最终到达旋转的基座携带着放在凹槽51、52和53中的衬底表面。原料气氨气从筛板法兰进气口43进入到筛板和筛板法兰所密封的空间45，然后经筛板法兰4上、与中层筛板3管道32不对接的管道进入反应腔并最终到达旋转的基座携带着放在凹槽51、52和53中的衬底表面。原料气三甲基铝、和氨气在接近衬底过程中各自独立输运，受热时不发生寄生反应，寄生反应产物或中间产物不会引入薄膜。因此，薄膜的缺陷密度可以大大降低，得到的氮化铝薄膜晶体质量、均匀性会比较高，X光衍射半宽(102面)可以小于300秒。

实施例二：

参见图1，2，3，4，5所示，一种金属有机物化学汽相外延设备用进气装置的装配示意图和各个部件示意图。包括一个带有沉槽的上法兰1、一个圆形匀气筛板2、一焊有多条管道管道、非焊接端有一定锥度的中层筛板3和一个筛板法兰4。

使用例一：采用实施例一的进气装置和石墨基座的放置结构；应用在制备高晶体质量的氮化镓(GaN)薄膜的MOCVD设备上。在长期使用中进气装置的各个元件会沉积上反应物，如：进气法兰1沉槽的内表面；匀气筛板2的表面；中层筛板3的表面和其管道32的内壁和外壁；筛板法兰4上管道内壁和筛板48、47的表面。清洗时将各个元件放入去离子水中超声清洗24小时，所有有沉积物的表面都可以清洗干净，其中包括进气法兰1沉槽的内表面；匀气筛板2的表面；中层筛板3的表面和其管道32的内壁和外壁；筛板法兰4上管道内壁和筛板48、47的表面进气装置经过清洗、烘干后重新装在MOCVD系统上，应用在GaN薄膜材料制备时，GaN薄膜材料的质量比较高，本底载流子浓度可以小于1.0E+171/cm3。

使用例二：采用实施例一的进气装置和石墨基座的放置结构；应用在制备高晶体质量的氮化镓(AlN)薄膜的MOCVD设备上。在长期使用中进气装置的各个元件会沉积上反应物，如：进气法兰1沉槽的内表面；匀气筛板2的表面；中层筛板3的表面和其管道32的内壁和外壁；筛板法兰4上管道内壁和筛板48、47的表面。清洗时将各个元件放入由去离子水、双氧水和磷酸配成的洗液中超声24小时，所有有沉积物的表面都可以清洗干净，其中包括进气法兰1沉槽的内表面；匀气筛板2的表面；中层筛板3的表面和其管道32的内壁和外壁；筛板法兰4上管道内壁和筛板48、47的表面进气装置经过清洗、烘干后重新装在MOCVD系统上，应用在GaN薄膜材料制备时，AlN薄膜材料的质量比较高。

本实用新型提供的这种金属有机物化学气相淀积外延生长设备的反应室部件，是一种通过特殊设计把各种不同种类的原料气通过多个喷气筛孔喷射进入反应室内的进气装置，并且不同的原料气相互交错，空间上分布均匀。该装置加工工艺简单，成本低，成品率高。应用在半导体外延材料(尤其是三族氮化物材料，包括AlN、GaN和InN以及它们的合金化合物)制备过程中，该装置结构简单，易于清洗，有利于提高工艺的稳定性和重复性。

本实用新型提供的这种新的MOCVD设备用反应室进气装置，利用该装置可以降低原料气之间的寄生反应、提高生长速率。同时，该装置结构简单，易于清洗干净，有利于提高材料制备工艺的重复性和稳定性。这种装置的加工工艺简单，成品率高，有利于降低该装置的制作成本和材料生长的工艺成本。

本实用新型提供的这种新的MOCVD设备用反应室进气装置，还具有以下几个优点：一是筛板与管的焊接方法采用的是真空焊接，采用这种方法的好处是焊接工艺简单，焊接质量和成功率高。二是管的锥度加工采用电化学加工方法，这样可以避免加工过程中造成的管变形，同时管插装是也比较容易。三是结构上采用可拆卸结构设计，使之日后维修清洗比较方便。

以上所述的具体实施例，对本实用新型的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本实用新型的具体实施例而已，并不用于限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种化学气相淀积外延设备用的进气装置，其特征在于，该装置包含：

一进气法兰盘(1)，该法兰盘(1)与筛板法兰(4)通过密封胶圈密封连接；

一匀气筛板(2)，该匀气筛板(2)嵌装入该进气法兰盘(1)底面中央的圆形沉槽(13)中；

一中层筛板(3)，该中层筛板(3)与筛板法兰(4)通过密封胶圈密封连接，中层筛板(3)上的管与筛板法兰(4)所对应的管对接在一起；

一筛板法兰(4)，该筛板法兰(4)与反应腔密封连接。

2.根据权利要求1所述的化学气相淀积外延设备用的进气装置，其特征在于，该装置在所述进气法兰盘(1)的圆形沉槽(13)外侧进一步包含有一与该圆形沉槽(13)同心的矩形密封槽(14)，且所述进气法兰盘(1)在其径向有一进气孔(12)。

3.根据权利要求1所述的化学气相淀积外延设备用的进气装置，其特征在于，所述中层筛板(3)上焊有多条管径和长度均相同的管道，该管道一端与中层筛板(3)所在平面对齐，另一端高出中层筛板(3)另一平面一段距离。

4.根据权利要求3所述的化学气相淀积外延设备用的进气装置，其特征在于，所述中层筛板(3)上的管道是通过真空焊接方法焊接在中层筛板(3)上的。

5.根据权利要求3所述的化学气相淀积外延设备用的进气装置，其特征在于，所述中层筛板(3)上的管道高出中层筛板(3)所在平面这一端有锥度，该锥度是通过电化学腐蚀方法加工制作而成的。

6.根据权利要求1所述的化学气相淀积外延设备用的进气装置，其特征在于，所述的筛板法兰(4)带有冷却水槽，焊有多条管道，该管道的外径等于中层筛板(3)上管道的外径，但内径要大于中层筛板(3)上管道的内径，且在相同面积上所焊管道密度是中层筛板(3)上所焊管道密度的两倍。

7.根据权利要求1所述的化学气相淀积外延设备用的进气装置，其特征在于，所述筛板法兰(4)中央焊接细管道的上下筛板在焊接后经过加工处理，表面平整光滑，细管道端面不高于筛板的表面2毫米。

8.根据权利要求1所述的化学气相淀积外延设备用的进气装置，其特征在于，所述筛板法兰(4)上焊接的部分细管道与中层筛板(3)高出筛板平面、有锥度的细管道之间采用硬接触密封相连，形成连通的进气细管。

9.根据权利要求1所述的化学气相淀积外延设备用的进气装置，其特征在于，所述进气法兰(1)、匀气筛板(2)、中层筛板(3)与筛板法兰(4)是各自独立的部件，相互之间通过O型圈或硬接触密封连接，易于拆卸和清洗。

10.根据权利要求1所述的化学气相淀积外延设备用的进气装置，其特征在于，所述的中层筛板(3)之上进一步加入另一个与中层筛板(3)结构相同的筛板(5)，该筛板(5)上的细管道与中层筛板(3)的细管道之间采用硬接触密封连接方式，形成相互连通的进气管道。

Images