TW201343962A - 用於化學氣相沉積工藝的噴淋頭和改善工藝均勻性的方法 - Google Patents

Abstract

一種用於化學氣相沉積工藝的噴淋頭和改善化學氣相沉積工藝的均勻性的方法，所述噴淋頭用於向基板提供反應氣體，所述噴淋頭具有端口，所述端口具有與之對應設置的視窗透明板，所述視窗透明板作為觀察通道或測試通道，通過所述視窗透明板對化學氣相沉積工藝進行監控，所述視窗透明板與端口之間通有吹掃氣體，所述吹掃氣體用於防止反應氣體在視窗透明板上發生化學反應或物理沉積。本發明使得本領域技術人員能夠在化學氣相沉積工藝過程中對噴淋頭下方的基板的情況進行即時監控。

Description

用於化學氣相沉積工藝的噴淋頭和改善工藝均勻性的方法

本發明涉及化學氣相沉積(CVD)技術領域，特別涉及用於化學氣相沉積設備的噴淋頭和改善化學氣相沉積工藝均勻性的方法。

MOCVD(Metal-Organic Chemical Vapor Deposition)係在氣相磊晶生長(VPE)的基礎上發展起來的一種化學氣相沉積工藝。它以Ⅲ族、Ⅱ族元素的有機化合物和V、Ⅵ族元素的氫化物等作為晶體生長的源材料，以熱分解反應方式在置於石墨盤的基板上進行沉積工藝，生長各種Ⅲ-V族、Ⅱ-Ⅵ族化合物半導體以及它們的多元固溶體的薄層單晶材料。

下面對現有的化學氣相沉積工藝的原理進行說明。具體地，以MOCVD為例，請參考第1圖所示之現有的化學氣相沉積工藝設備的結構示意圖。

手套箱10內形成有相對設置的噴淋頭11和石墨盤12。所述噴淋頭11內可以設置多個通孔，所述噴淋頭11用於提供反應氣體。所述石墨盤12內具有多個凹槽，每個凹槽內對應放置一片基板121，所述基板121的材質通常為價格昂貴的藍寶石。所述石墨盤12 的下方還形成有加熱單元13，所述加熱單元13對石墨盤12進行加熱，石墨盤12受熱升溫，能夠以熱輻射和熱傳導方式對基板121進行加熱。由於基板121放置在石墨盤12中，兩者接觸，因此石墨盤12對基板121的加熱以熱傳導為主。

在進行MOCVD工藝時，反應氣體自噴淋頭11的通孔進入石墨盤12上方的反應區域(靠近基板121的表面的位置)，所述基板121由於加熱單元13的熱傳導加熱而具有一定的溫度，從而該溫度使得反應氣體之間進行化學反應，從而在基板121的表面沉積磊晶材料層。在MOCVD工藝結束後，將基板121從手套箱10中取出，對磊晶材料層的特性進行測試。

在實際中發現，在化學氣相沉積工藝過程中，無法對噴淋頭下方的基板的情況進行即時監控。

本發明解決的問題係提供了化學氣相沉積工藝的噴淋頭和改善化學氣相沉積工藝均勻性的方法，在噴淋頭中設置視窗，能夠在化學氣相沉積工藝過程中對噴淋頭下方的基板的情況進行即時監控。

為了解決上述問題，本發明提供一種用於化學氣相沉積工藝的噴淋頭，用於向基板提供反應氣體，所述噴淋頭具有端口，所述端口具有與之對應設置的視窗透明板，所述視窗透明板作為觀察通道或測試通道，通過所述視窗透明板對化學氣相沉積工藝進行監控，所述視窗透明板與端口之間通有吹掃氣體，所述吹掃氣體用於防止反 應氣體在視窗透明板上發生化學反應或物理沉積。

可選地，所述吹掃氣體為氮氣、氫氣或兩者的混合。

可選地，所述噴淋頭上還具有通孔，所述視窗透明板與端口之間還通有反應氣體，使得所述端口處的反應氣體的組分、流量密度與所述通孔處的反應氣體的組分、流量密度一致。

可選地，所述噴淋頭應用於MOCVD工藝，所述反應氣體為氨氣。

可選地，所述端口的面積為所述通孔面積的1~20倍。

可選地，所述視窗透明板用於使得原位測試裝置的光學信號通過，所述原位測試裝置用於測試的參數包括基板上的磊晶材料層的生長速率、厚度、粗糙度、組分、溫度、反射率、翹曲度中的一個或多個。

相應地，本發明還提供一種改善化學氣相沉積工藝的均勻性的方法，所述化學氣相沉積工藝利用具有端口、通孔的噴淋頭進行，且所述端口具有與之對應設置的視窗透明板，所述視窗透明板作為觀察通道或測試通道，在進行化學氣相沉積工藝時，在所述視窗透明板和端口之間通入吹掃氣體和反應氣體，所述端口處的反應氣體的組分、流量密度與通孔處的反應氣體的組分、流量密度一致。

可選地，所述噴淋頭應用於MOCVD工藝，所述吹掃氣體為氮氣、氫氣或者兩者的混合，所述反應氣體為氨氣。

可選地，所述視窗透明板用於使得原位測試裝置的光學信號通過，所述原位測試裝置用於測試的參數包括基板上的磊晶材料 層的生長速率、厚度、粗糙度、組分、溫度、反射率、翹曲度中的一個或多個。

可選地，所述反應氣體和吹掃氣體的流量可調節。

與現有技術相比，本發明具有以下優點： 本發明在噴淋頭上設置視窗透明板，所述視窗透明板作為觀察通道或測試通道，這樣本領域技術人員可以通過所述視窗透明板對化學氣相沉積工藝進行監控，為了防止反應氣體經過端口並且在視窗透明板上發生化學反應或物理沉積，本發明在端口與視窗透明板之間通入吹掃氣體，防止視窗透明板的光學透過率下降，從而保證觀察或測試的準確度；進一步優化地，所述端口與視窗透明板之間還通入了反應氣體，從而使得在進行化學氣相沉積工藝時端口處的氣體環境得到改善，即所述端口處的反應氣體的組分、流量密度與所述通孔處的反應氣體的組分、流量密度一致，從而改善了噴淋頭表面的反應氣體的分佈的均勻性，提高了磊晶材料層的組分、厚度和性能的均勻性。

10‧‧‧手套箱

11‧‧‧噴淋頭

12‧‧‧石墨盤

121‧‧‧基板

13‧‧‧加熱單元

100‧‧‧噴淋頭

101‧‧‧通孔

102‧‧‧端口

103‧‧‧視窗透明板

107‧‧‧原位測試裝置

109‧‧‧環形法蘭

200‧‧‧石墨盤

1081‧‧‧第一氣體源

1082‧‧‧第二氣體源

1083‧‧‧第三氣體源

1091‧‧‧第一管路

1092‧‧‧第二管路

1093‧‧‧第三管路

第1圖系現有技術之MOCVD裝置的結構示意圖。

第2圖系本發明一個實施例之噴淋頭的俯視結構示意圖。

第3圖系圖2沿AA線的剖面結構示意圖。

現有的化學氣相沉積工藝過程中，無法對噴淋頭下方的 基板的情況進行即時監控，也就無法獲得基板表面的翹曲變形的情況、基板表面形成的磊晶材料層的厚度、組分、均勻性等情況。

為了解決上述問題，本發明的發明人提供一種用於化學氣相沉積工藝的噴淋頭，用於向基板提供反應氣體，所述噴淋頭具有端口，所述端口具有與之對應設置的視窗透明板，所述視窗透明板作為觀察通道或測試通道，通過所述視窗透明板對化學氣相沉積工藝進行監控，所述視窗透明板與端口之間通有吹掃氣體，所述吹掃氣體用於防止反應氣體在視窗透明板上發生化學反應或物理沉積。

下面結合實施例對本發明的技術方案進行詳細的說明。為了更好地說明本發明的技術方案，請結合第2圖所示的本發明一個實施例之化學氣相沉積設備的噴淋頭。本實施例僅以MOCVD設備的噴淋頭為例，對其結構進行說明，在實際中，本發明的噴淋頭還可以應用於其他的需要利用噴淋頭的化學氣相沉積設備。

如第2圖所示，噴淋頭100上形成有多個通孔101以及端口102，噴淋頭100的一側朝向石墨盤(未圖示)和基板，所述噴淋頭100的另一側與反應氣體管路相連接，所述通孔101用於通入反應氣體。所述通孔101形狀、尺寸和排布與現有技術相同，在此不作詳細的說明。

請結合第3圖所示，第3圖為第2圖沿AA線的剖面結構示意圖，端口102包括形成在噴淋頭100內的端口開口以及向噴淋頭100的遠離石墨盤200一側的端口延伸部。參考第3圖並結合第2圖，端口開口貫穿噴淋頭100，所述端口開口與通孔101平行。所述端 口延伸部用於支撐和固定視窗透明板103。作為一個實施例，所述端口延伸部可以與噴淋頭100結合為一體，即採用一體化成型的方式加工而成，這樣簡化噴淋頭100的製作流程；作為本發明的又一實施例，所述端口延伸部還可以與噴淋頭100分別製作，然後利用螺絲螺母等連接在一起。所述端口延伸部的材質可以與噴淋頭100相同或不同，本實施例中，所述端口延伸部的材質與噴淋頭100的材質相同。

所述端口延伸部與視窗透明板103相連接，作為一個實施例，所述端口延伸部通過環形法蘭109與端口延伸部相連接。為了保證光學信號能夠通過視窗透明板103，視窗透明板103的材質應為透明耐熱材質，比如所述視窗透明板103的材質可以為藍寶石、石英等。所述視窗透明板103可以作為觀察或測試通道。

作為本發明的一個實施例，所述視窗透明板103作為觀察通道，本領域技術人員可以通過該視窗透明板103作為觀察通道，通過該視窗透明板103對化學氣相沉積工藝進行監控，觀察石墨盤200上放置的基板(未圖示)的翹曲變形等情況。作為可選的實施例，所述視窗透明板103還具有與之相對應的頂蓋，在需要觀察的時候，該頂蓋打開，本領域技術人員可以透過視窗透明板103對基板進行觀察，在不需要觀察的時候，頂蓋可以關閉。

作為本發明的又一實施例，所述視窗透明板103作為測試通道，通過所述視窗透明板103對化學氣相沉積工藝進行監控，本領域技術人員可以利用該視窗透明板作為測試信號的通道，對基板上形成的磊晶材料層的生長速率、厚度、粗糙度、均勻度、組分、翹曲 度、反射率和溫度等參數中的一個或多個進行測試。所述測試信號可以為光學信號。

由於在噴淋頭100中設置端口102，所述端口102的面積(本發明中所述的端口的面積係端口的位於噴淋頭內的端口開口的面積)不宜過大，以免影響整個噴淋頭的氣流分佈。作為一個實施例，所述端口102的面積應為通孔101的面積的1~20倍，例如所述端口102的面積可以為通孔101的面積的3倍、5倍、10倍甚至20倍，本領域技術人員可以根據實際需要進行具體的選擇和設置。所述端口102的位置、通孔101的大小、數目和分佈不限於本實施例所示，在實際中可以根據需要進行具體的選擇和設置。

由於在噴淋頭上設置了端口102，來自通孔101的反應氣體可能會擴散至端口102內，並且在視窗透明板103上物理沉積或者發生化學反應後沉積於視窗透明板103上，這會造成視窗透明板103的光學透過率下降，因而會影響觀察或測試的準確度。

因此，作為本發明的可選的實施例，在所述視窗透明板103與端口102之間通入吹掃氣體，所述吹掃氣體用於防止噴淋頭100與石墨盤200之間的反應氣體進入端口102。所述吹掃氣體可以為氮氣、氫氣或兩者的混合。

請參考第3圖，氮氣自第一氣體源1081經過第一管路1091流入端口102的端口延伸部，並且經過端口延伸部流向噴淋頭100的端口開口，氫氣自第二氣體源1082經過第二管路1092流向端口102的端口延伸部，並且經過端口延伸部流向噴淋頭100的端口開口。作 為進一步優化的實施例，所述第一管路1081和第二管路1082上還可以設置氣體流量/壓力檢測單元和對應的氣體流量控制單元，用於對流向端口102的吹掃氣體的流量和組成進行控制。所述氣體流量/壓力檢測單元可以為品質流量控制器(MFC)和/或壓力控制器(PC)。在實際中，根據需要，為了簡化MOCVD的氣體系統，可以僅設置單一的氮氣或氫氣的氣體源，通過氣體管道，向端口102提供氮氣或氫氣。

由於噴淋頭100上設置了端口102，且端口102中通入了吹掃氣體，吹掃氣體的組分與通孔101中的反應氣體的組分不同，這樣會造成噴淋頭100的朝向石墨盤200的一側的端口102和通孔101處的反應氣體的分佈不均勻，從而可能會造成石墨盤200上的反應氣體濃度分佈不均勻，最終導致石墨盤200上放置的基板上形成的磊晶材料層的厚度不均勻，也會導致磊晶材料層的組分不均勻而無法滿足應用的要求。

為了解決上述問題，發明人提出在端口102中額外通入反應氣體，以彌補端口102處的反應氣體的濃度不均勻的問題。以形成金屬氮化物的MOCVD工藝為例，通常需要氨氣和MO源的混合作為反應氣體，並且氨氣的含量通常遠遠大於MO源的含量(氨氣與MO源的摩爾比大於1000：1)，對石墨盤200上方的化學反應的氣體環境影響較大。因此，本發明額外在端口102中通入了氨氣，以彌補端口102中的氨氣的分佈不均勻的問題。結合圖3，氨氣自第三氣體源1083經過第三管路1093流向端口102。作為可選的實施例，所述第三管路1093上還可以設置氣體流量/壓力檢測單元和對應的氣體流量控 制單元，用於對流向端口102的反應氣體的流量和組成進行控制。所述氣體流量/壓力檢測單元可以為品質流量控制器(MFC)和/或壓力控制器(PC)。由於在端口102中額外通入了氨氣，從而對端口102處的反應氣體進行補充，使得整個噴淋頭的氣體分佈更加均勻，使得所述端口處的反應氣體的組分、流量密度與所述通孔處的反應氣體的組分、流量密度一致。

請繼續參考第3圖，所述視窗透明板103用於使得原位測試裝置107的光學測試信號通過，光學信號經過視窗透明板103和端口照射到放置於石墨盤200上的基板表面，對基板表面的磊晶材料層的特性參數進行測試。

綜上，本發明在噴淋頭上設置視窗透明板，所述視窗透明板作為觀察通道或測試通道，這樣本領域技術人員可以通過所述視窗透明板對化學氣相沉積工藝進行監控，為了防止反應氣體經過端口並且在視窗透明板上發生化學反應或物理沉積，本發明在端口與視窗透明板之間通入吹掃氣體，防止視窗透明板的光學透過率下降，從而保證觀察或測試的準確度；進一步優化地，所述端口與視窗透明板之間還通入了反應氣體，從而使得在進行化學氣相沉積工藝時端口處的氣體環境得到改善，即所述端口處的反應氣體的組分、流量密度與所述通孔處的反應氣體的組分、流量密度一致，從而改善了噴淋頭表面的反應氣體的分佈的均勻性，提高了磊晶材料層的組分、厚度和性能的均勻性。

雖然本發明己以較佳實施例披露如上，但本發明並非限 定於此。任何本領域技術人員，在不脫離本發明的精神和範圍內，均可作各種更動與修改，因此本發明的保護範圍應當以權利要求所限定的範圍為准。

100‧‧‧噴淋頭

101‧‧‧通孔

102‧‧‧端口

103‧‧‧視窗透明板

107‧‧‧原位測試裝置

109‧‧‧環形法蘭

1081‧‧‧第一氣體源

1082‧‧‧第二氣體源

1083‧‧‧第三氣體源

1091‧‧‧第一管路

1092‧‧‧第二管路

1093‧‧‧第三管路

200‧‧‧石墨盤

Claims (10)

1. 一種用於化學氣相沉積工藝的噴淋頭，用於向基板提供反應氣體，所述噴淋頭具有端口，所述端口具有與之對應設置的視窗透明板，所述視窗透明板作為觀察通道或測試通道，通過所述視窗透明板對化學氣相沉積工藝進行監控，所述視窗透明板與端口之間通有吹掃氣體，所述吹掃氣體用於防止反應氣體在視窗透明板上發生化學反應或物理沉積。
2. 根據申請專利範圍第1項之噴淋頭，其中，所述吹掃氣體為氮氣、氫氣或兩者的混合。
3. 根據申請專利範圍第1項之噴淋頭，其中，所述噴淋頭上還具有通孔，所述視窗透明板與端口之間還通有反應氣體，使得所述端口處的反應氣體的組分、流量密度與所述通孔處的反應氣體的組分、流量密度一致。
4. 根據申請專利範圍第3項之噴淋頭，其中，所述噴淋頭應用於MOCVD工藝，所述反應氣體為氨氣。
5. 根據申請專利範圍第3項之噴淋頭，其中，所述端口的面積為所述通孔面積的1~20倍。
6. 根據申請專利範圍第1項之噴淋頭，其中，所述視窗透明板用於使得原位測試裝置的光學信號通過，所述原位測試裝置用於測試的參數包括基板上的磊晶材料層的生長速率、厚度、粗糙度、組分、溫度、反射率、翹曲度中的一個或多個。
7. 一種改善化學氣相沉積工藝的均勻性的方法，所述化學氣相沉積工 藝利用具有端口、通孔的噴淋頭進行，且所述端口具有與之對應設置的視窗透明板，所述視窗透明板作為觀察通道或測試通道，在進行化學氣相沉積工藝時，在所述視窗透明板和端口之間通入吹掃氣體和反應氣體，所述端口處的反應氣體的組分、流量密度與通孔處的反應氣體的組分、流量密度一致。
8. 根據申請專利範圍第7項之改善化學氣相沉積工藝的均勻性的方法，其中，所述噴淋頭應用於MOCVD工藝，所述吹掃氣體為氮氣、氫氣或者兩者的混合，所述反應氣體為氨氣。
9. 根據申請專利範圍第7項之改善化學氣相沉積工藝的均勻性的方法，其中，將所述視窗透明板用於使得原位測試裝置的光學信號通過，所述原位測試裝置用於測試的參數包括基板上的磊晶材料層的生長速率、厚度、粗糙度、組分、溫度、反射率、翹曲度中的一個或多個。
10. 根據申請專利範圍第7項之改善化學氣相沉積工藝的均勻性的方法，其中，所述反應氣體和吹掃氣體的流量可調節。