CN203346472U - 用于外延沉积iii-v材料层的反应腔 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及半导体制作技术设备，是一种用于外延沉积III-V材料层的反应腔，所述反应腔包括：腔体；设置于所述腔体底部的加热器；位于所述加热器上方的衬底托盘；以及设置于所述腔体顶部，并与所述衬底托盘相对设置的喷淋头，所述喷淋头与所述衬底托盘之间限定为反应区，所述喷淋头用于往所述反应区喷射反应气体；所述喷淋头包括III族源扩散腔、V族源扩散腔和油冷却腔，所述III族源扩散腔和所述V族源扩散腔设置在所述油冷却腔背离所述加热器的一侧。本实用新型能扩大沉积气源的输出温度范围内调整，可避免沉积气源在喷淋头出气面上形成疏松沉积物而容易脱落污染衬底，能适应现有工艺要求。

Description

用于外延沉积III-V材料层的反应腔

技术领域

本实用新型涉及III-V材料外延设备领域，尤其是关于金属有机化学气相沉积(MOCVD)设备。

背景技术

如图1所示，现有技术的MOCVD反应腔100中，包括设有顶盖111的腔体110，以及设置于其底部的加热器150、设置于加热器150表面的衬底托盘140；还包括设置于所述腔体110顶部并对应于所述衬底托盘140的喷淋头120，所述喷淋头120与所述腔体110围合形成反应区112。其中，喷淋头120包括从上至下依次层叠的III族源扩散腔121、V族源扩散腔122和水冷却腔123，分别通过第一气管124、第二气管125穿过水冷却腔123将III族源扩散腔121、V族源扩散腔122中的反应气体送至反应区112中进行反应。因此，水冷却腔123的底面也就是喷淋头120的出气面。

现有技术的喷淋头使用水冷却腔对喷淋头进行冷却，以使得喷淋头的出气面的温度较低。现有技术中认为，设置较低的温度是为了减少反应气体在出气面上的反应，然而现有技术中，所述出气表面上还是会有反应物沉积，且沉积物会形成疏松的薄膜，该疏松的薄膜很容易掉落形成颗粒，造成对衬底的污染。

实用新型内容

为解决上述问题，本实用新型提供一种新型的喷淋头，能扩大沉积气源的输出温度范围。

这种用于外延沉积III-V材料层的反应腔，所述反应腔包括：

腔体；

设置于所述腔体底部的加热器；

位于所述加热器上方的衬底托盘；

以及设置于所述腔体顶部，并与所述衬底托盘相对设置的喷淋头，所述喷淋头与所述衬底托盘之间限定为反应区，所述喷淋头用于往所述反应区喷射反应气体；所述喷淋头包括III族源扩散腔、V族源扩散腔和油冷却腔，所述III族源扩散腔和所述V族源扩散腔设置在所述油冷却腔背离所述加热器的一侧。

优选地，所述喷淋头包括顶板、底板及设于顶板、底板周边的侧板，所述顶板、底板及所述侧板围成所述喷淋头外壳；以及第一板和第二板，所述第一板和第二板位于所述喷淋头外壳内，并间隔设置于顶板与底板之间；

所述顶板、第一板和所述侧板连接以限定所述III族源扩散腔；所述第一板、第二板和侧板连接以围成具有所述V族源扩散腔的区域；所述第二板、底板和侧板连接以围成具有所述油冷却腔的区域；

以及第一气管和第二气管，所述第一气管穿过所述第一板、第二板和底板到达所述反应区，使得所述III族源扩散腔与所述反应区连通；所述第二气管穿过所述第二板、底板到达所述反应区，使得所述V族源扩散腔与所述反应区连通。

优选地，所述侧板还包括上侧板和下侧板，所述下侧板用于与所述第二板、底板围成所述油冷却腔；所述第二板和所述底板为钨板、钼板、钽板、铌板、钒板、铬板、钛板、锆板中的一种；所述下侧板为钨板、钼板、钽板、铌板、钒板、铬板、钛板、锆板中的一种。

优选地，所述喷淋头包括气体扩散部和冷却部，所述III族源扩散腔和所述V族源扩散腔设置于所述气体扩散部内，所述油冷却腔设置于所述冷却部内，所述冷却部安装在所述气体扩散部邻近所述衬底托盘的一侧；

还包括：第一气管和第二气管，所述第一气管一端位于所述III族源扩散腔，另一端穿过所述冷却部到达所述反应区；所述第二气管一端位于所述V族源扩散腔，另一端穿过所述冷却部到达所述反应区。

优选地，所述冷却部吊挂于气体扩散部的下侧。

优选地，所述气体扩散部和所述冷却部之间具有间隙。

优选地，所述冷却部的材质为钨板、钼板、钽板、铌板、钒板、铬板、钛板、锆板中的一种；所述侧板还包括上侧板和下侧板，所述下侧板用于与所述第二板、底板围成所述油冷却腔；所述下侧板为钨板、钼板、钽板、铌板、钒板、铬板、钛板、锆板中的一种。

优选地，所述III族源扩散腔与一镓源连接，所述镓源用于向所述III族源扩散腔提供III族反应气体；所述V族源扩散腔与一氮源连接，所述氮源用于向所述氮源扩散腔提供V族反应气体。

优选地，所述油槽还包括一温度控制器和流速控制器，所述温度控制器用于控制流入到油冷却腔的冷却油温度；所述流速控制器用于控制流入到油冷却腔的冷却油流量。

优选地，所述喷淋头与所述衬底托盘之间的间距小于等于15mm。

本实用新型通过将喷淋头的水冷却腔替换为油冷腔室，由于油在较高的温度下仍能保持液体状态，从而使得冷却腔的温度可以上升至100℃以上，进而使得出气表面的温度升高(如：能达到800℃)。出气面的温度可控提升，一方面能缩减出气面与衬底表面的温度差，减少反应气体回弹的机会；另一方面，使一些从衬底表面回弹的反应气体，能在较高温度的出气面以致密的沉积物沉积在出气面上，从而减少沉积物脱落污染衬底的问题。同时，由于油冷具有更高的温度调节范围(如能在50至800℃之间调节)使冷却温度的范围扩大，有效使沉积气源的出气温度在较大范围内调整，能广泛适应现有工艺需求。

附图说明

图1为现有技术的反应腔结构示意图。

图2为本实用新型实施例1MOCVD的结构示意图。

图3为本实用新型实施例2MOCVD的结构示意图。

具体实施方式

下面将结合附图对本实用新型作详细介绍。

一种III-V材料外延沉积设备，能通过改进其反应腔的结构，提高反应气体的出气温度，以减少反应气体沉积物污染衬底的问题。

实施例1

如图2所示，本实施例这种III-V材料外延沉积设备，具体为MOCVD设备，其至少包括反应腔100，以及与所述反应腔100连接的镓源32、氮源31。

其中，本实施例的反应腔100，如图2所示，包括腔体10，例如，该腔体10设有顶盖11；设置于所述腔体10底部的加热器50；设置于所述加热器50上方的衬底托盘40；以及设置于所述腔体10顶部的喷淋头20，所述喷淋头20与所述衬底托盘40相对设置，所述喷淋头20与所述衬底托盘40之间限定为反应区12，喷淋头40用于往所述反应区12喷射反应气体。为获得较佳的实施效果，所述喷淋头20与所述衬底托盘40之间的间距小于等于15mm。

所述喷淋头20包括III族源扩散腔20A、V族源扩散腔20B和油冷却腔20C，所述III族源扩散腔20A和所述V族源扩散腔20B设置在所述油冷却腔20C背离所述加热器50的一侧。优选的，所述III族源扩散腔20A、所述V族源扩散腔20B与所述油冷却腔20C依次层叠设置；可选的，所述V族源扩散腔20B、所述III族源扩散腔20A与所述油冷却腔20C依次层叠设置。

进一步地，喷淋头20的具体结构包括：顶板21、底板22、以及设置于所述顶板21、底板22周边的侧板25，所述顶板21、底板22及所述侧板25围成所述喷淋头20外壳；以及第一板23和第二板24，所述第一板23和第二板24位于所述喷淋头20外壳内，并间隔设置于在顶板21与底板22之间。在所述顶板21、第一板23和侧板25连接限定区域为所述III族源扩散腔20A；所述第一板23、第二板24和侧板25连接以围成具有所述V族源扩散腔20B的限定区域；所述第二板24、底板22和侧板25连接以围成具有所述油冷却腔20C的限定区域。即，V族源扩散腔20B和所述油冷却腔20C分设于所述第二板24的两侧，由第二板24分隔开两腔室。

以及，第一气管27和第二气管28，所述第一气管27穿过所述第一板23、第二板24和底板22到达所述反应区12，使得所述III族源扩散腔20A与所述反应区12连通；所述第二气管28穿过所述第二板24、底板22到达所述反应区12，使得所述V族源扩散腔20B与所述反应区12连通。

为了更好地承受油性冷却液的高温，油冷却腔20C制作板材可以有所改进。例如，侧板25包括上侧板25a及下侧板25b，所述上侧板25a是围绕所述III族源扩散腔20A和所述V族源扩散腔20B所对应的侧板25靠上部分；所述下侧板25b为围绕所述油冷却腔20C所对应的侧板25靠下部分。所述上侧板25a与所述下侧板25b通过焊接连接，形成所述侧板25。利用下侧板25b与第二板24、底板22构成油冷却腔20C，至少所述第二板24、下侧板25b和底板22采用耐高温的板材，例如钨板、钼板、钽板、铌板、钒板、铬板、钛板或锆板中的任一种。其余顶板21、第一板23可为不锈钢板。可选地，所述喷淋头20所有部件的材质均为钨、钼、钽、铌、钒、铬、钛或锆中的任一种。

所述III族源扩散腔20A与一镓源31连接，所述镓源31用于向所述III族源扩散腔20A提供含镓的反应气体；所述V族源扩散腔20B与一氮源32连接，所述氮源32用于向所述V族源扩散腔20B提供含氮的反应气体。

所述油冷却腔20C连接一油槽29，所述油槽29使得冷却油在所述油冷却腔20C与所述油槽之间循环流动。

所述油槽29还包括一温度控制器33和流速控制器34，所述温度控制器33用于控制流入到油冷却腔20C的冷却油温度；所述流速控制器34用于控制流入到油冷却腔20C的冷却油流量。其中，所述温度控制器33可以是以冷却器，所述流速控制器34可以是以流量控制阀。

由于III族、V族的反应气体分别通过第一气管27、第二气管28经过油冷却腔20C输送到底板22底部，及所述底板22面向反应区12的一面也就是喷淋头22的出气面。油冷却腔20C用于控制出气面的出气温度，其中填充油性冷凝剂，例如液状石蜡、植物油、硅油等，在50～800℃之间均能保持液体状态。

现有技术中的喷淋头工作过程中，喷淋头与衬底托盘之间的间距通常较小(通常小于等于15mm)，一些未能及时反应的反应气体被回弹到出气面。此时，若出气面温度较低，容易在出气面沉积形成疏松的沉积物，导致这些疏松沉积物容易脱落而污染衬底。另一方面，由于现有喷淋头采用水冷却腔控制出气面的温度不大于100℃，而加热器工作温度可高达800℃，造成出气面与衬底表面的温度差非常大，更进一步促使反应气体反弹。

本实施例中，喷淋头20工作时，其III族源扩散腔20A和V族源扩散腔20B分别从镓源31、氮源32获得反应气体，例如，镓源为三甲基镓、氮源为氨气。油冷却腔20C中冷凝剂例如为硅油，由第一气管27、第二气管28输出的沉积气源经过油冷却腔20C，在喷淋头20底面(出气面)输出。采用油冷却腔代替水冷却腔，油冷却腔20C具有较大的温度调节范围(50～200℃)，缩减出气面与衬底表面之间的温度差，减少反应气体从衬底表面回弹到出气面的机会。并且，可以实现提高出气面的温度，较高温度的出气面使反应气体即使回弹并沉积在出气面上，也能形成致密沉积薄膜沉积，避免脱落污染衬底。

实施例2

本实施例在实施例1的结构基础上进一步改进。

本实施例的喷淋头与实施例1相比，不同之处在于，如图3所示，喷淋头20包括气体扩散部M和冷却部P，所述冷却部P安装在所述气体扩散部M邻近所述衬底托盘40的一侧。所述III族源扩散腔20A和所述V族源扩散腔20B设置于所述气体扩散部M内，类似地，由顶板21、第一板23、第二板24和侧板25实现III族源扩散腔20A和所述V族源扩散腔20B的限定与划分。所述油冷却腔20C设置于所述冷却部P内。

还包括：第一气管27和第二气管28，所述第一气管27一端位于所述III族源扩散腔20A内，另一端穿过所述冷却部P到达所述反应区12；所述第二气管28一端位于所述V族源扩散腔20B，另一端穿过所述冷却部P到达所述反应区12。

本实施例的结构设置使得冷却部P与气体扩散部M可以紧邻相接，如所述冷却部P直接设置或甚至直接焊接于所述气体扩散部M面向所述反应区12的表面；也可以间隔设置，例如，使冷却部P吊挂于气体扩散部M的下侧，置于冷却部P中的油冷却腔20C实现与所述气体扩散部M独立分离。这种结构优势为：在油冷却腔20C工作时，受热膨胀，使得所述油冷却腔20C能够有充足的空间膨胀伸展。并且，油冷却腔20C可以方便地拆卸或安装，有利于更换或维修。

类似地，为了承受冷却油的高温，冷却部P的材质为钨板、钼板、钽板、铌板、钒板、铬板、钛板或锆板中的任一种。由于油冷却腔20C和III族源扩散腔20A和所述V族源扩散腔20B分隔开，故顶板21、第一板23、第二板24和侧板25均可以采用不锈钢板制作。

类似地，所述油冷却腔20C连接一油槽29，所述油槽29使得冷却油在所述油冷却腔20C与油槽29之间循环流动。所述油槽29还包括一温度控制器33和流速控制器34，所述温度控制器33用于控制流入到油冷却腔20C的冷却油温度；所述流速控制器34用于控制流入到油冷却腔20C的冷却油流量。

本实施例使油冷却腔与反应气体的扩散腔分离，避免过高温度促使反应气体过早分解，也有利于油冷却腔的膨胀伸展，使结构更稳定可靠。

Claims (10)

1.一种用于外延沉积III-V材料层的反应腔，所述反应腔包括：

腔体；

设置于所述腔体底部的加热器；

位于所述加热器上方的衬底托盘；

以及设置于所述腔体顶部，并与所述衬底托盘相对设置的喷淋头，所述喷淋头与所述衬底托盘之间限定为反应区，所述喷淋头用于往所述反应区喷射反应气体；其特征在于，所述喷淋头包括III族源扩散腔、V族源扩散腔和油冷却腔，所述III族源扩散腔和所述V族源扩散腔设置在所述油冷却腔背离所述加热器的一侧。

2.根据权利要求1所述的反应腔，其特征在于，所述喷淋头包括顶板、底板及设于顶板、底板周边的侧板，所述顶板、底板及所述侧板围成所述喷淋头外壳；以及第一板和第二板，所述第一板和第二板位于所述喷淋头外壳内，并间隔设置于顶板与底板之间；

所述顶板、第一板和所述侧板连接以限定所述III族源扩散腔；所述第一板、第二板和侧板连接以围成具有所述V族源扩散腔的区域；所述第二板、底板和侧板连接以围成具有所述油冷却腔的区域；

以及第一气管和第二气管，所述第一气管穿过所述第一板、第二板和底板到达所述反应区，使得所述III族源扩散腔与所述反应区连通；所述第二气管穿过所述第二板、底板到达所述反应区，使得所述V族源扩散腔与所述反应区连通。

3.根据权利要求2所述的反应腔，其特征在于，所述侧板还包括上侧板和下侧板，所述下侧板用于与所述第二板、底板围成所述油冷却腔；所述第二板和所述底板为钨板、钼板、钽板、铌板、钒板、铬板、钛板、锆板中的一种；所述下侧板为钨板、钼板、钽板、铌板、钒板、铬板、钛板、锆板中的一种。

4.根据权利要求1所述的反应腔，其特征在于，所述喷淋头包括气体扩散部和冷却部，所述III族源扩散腔和所述V族源扩散腔设置于所述气体扩散部内，所述油冷却腔设置于所述冷却部内，所述冷却部安装在所述气体扩散部邻近所述衬底托盘的一侧；

还包括：第一气管和第二气管，所述第一气管一端位于所述III族源扩散腔，另一端穿过所述冷却部到达所述反应区；所述第二气管一端位于所述V族源扩散腔，另一端穿过所述冷却部到达所述反应区。

5.根据权利要求4所述的反应腔，其特征在于，所述冷却部吊挂于气体扩散部的下侧。

6.根据权利要求4所述的反应腔，其特征在于，所述气体扩散部和所述冷却部之间具有间隙。

7.根据权利要求4或5或6所述的反应腔，其特征在于，所述冷却部的材质为钨板、钼板、钽板、铌板、钒板、铬板、钛板、锆板中的一种。

8.根据权利要求1所述的反应腔，其特征在于，所述III族源扩散腔与一镓源连接，所述镓源用于向所述III族源扩散腔提供含镓的反应气体；所述V族源扩散腔与一氮源连接，所述氮源用于向所述V族源扩散腔提供含氮的反应气体。

9.根据权利要求1所述的反应腔，其特征在于，所述油冷却腔连接一油槽，所述油槽还包括一温度控制器和流速控制器，所述温度控制器用于控制流入到油冷却腔的冷却油温度；所述流速控制器用于控制流入到油冷却腔的冷却油流量。

10.根据权利要求1所述的反应腔，其特征在于，所述喷淋头与所述衬底托盘之间的间距小于等于15mm。

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