TWI330671B - Hydride vpe reactor and method - Google Patents

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TWI330671B
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Description

1330671 玖、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明係有關一種在尤其是結晶基板上氣相沉積尤其 是結晶薄膜之裝置，包括一加熱反應室、一承載至少一基 板之基板座、一或多種加熱材料源，由於一與材料源攜帶 氣體一起輸入之鹵素，尤其是HC1，與其中一材料源金屬， 例如G a, I n, A 1的化學反應而生成一氣態鹵化物，該鹵化 物經一進氣機構而流至位在水平平面之基板座所承載的基 板，並包括一將氫化物，尤其是NH3， AsH3及/或PH3，輸 入反應室的輸入管。 本發明尚有關一種在尤其是結晶基板上氣相沉積尤其 是結晶薄膜之方法，其中一基板座上至少放置一基板，一 與材料源攜帶氣體一起輸入之函素，尤其是HC1，與一或 多種加熱材料源其中一材料源，例如G a, I η，A 1，產生化 學反應而生成一氣態鹵化物，該鹵化物經一進氣機構而流 至位在水平平面之基板座所承載的基板，且一氫化物，尤 其是NH3，AsHa或PHa，經一氫化物輸入管而被輸入反應室 中 〇 【先前技術】
此種裝置及使用此種裝置之方法主要係用於假基板的 沉積。但其亦可用於沉積電子元件以第三及第五族元素為 材料之薄膜，該薄膜可被摻雜》可用於假基板的製造係因 本製程之成長率高於每小時200微米。尤其用於製造以GaN 為主的發光二極體時需要此種假基板。其細節可參閱DE 5 312/發明說明書(補件)/92-11 /92123416 1330671 1 0 1 1 8 1 3 0 . 2。該專利申請案係有關一種將材料源設在水 平基板座中心的配置。 【發明内容】 本發明之目的因此在於提供一種裝置及方法，其在適當 的基板上具高成長率，而可成長出假基板薄膜，該假基板 可進一步沉積出GaN薄膜。 本目的由申請專利範圍所述之裝置及方法而達成。 本發明之主要特徵為，基板與反應室之加熱裝置分開， 且材料源可與反應室分開加熱。其主要如下達成：基板座 具一垂直軸，複數個基板環繞該垂直軸而放置於基板座 上。進氣機構延伸於垂直轴上。以基板座所在水平平面的 投影來看，材料源位在基板所圍繞的中間空間處。故基板 (在投影中）環繞材料源，但真正的源區係在反應室上方。 材料源設在一進氣機構中。位在反應室上方的源區可被一 分開的加熱裝置分開加熱。優先的是以高頻線圈加熱反應 室。反應室蓋板上可設置一第一高頻線圈。第二高頻線圈 可設在反應室下方，以直接加熱由基板座構成的反應室底 板。進氣機構源區的加熱裝置可由一加熱套筒構成。該加 熱套筒可具一電阻加熱裝置。加熱套筒包圍進氣機構金屬 材料源所在的部分。優先的是使源區構成一環形部。各材 料源被分開供給一攜帶氣體及一被攜帶氣體攜帶的氣化 物。該氣化物可是H C 1。材料源的供給利用互相套接的輸 入管。該輸入管各通到一容置有液態金屬的材料源罐。輸 入管的開口可在液體表面上方。材料源的輸出管亦互相套 6 312/發明說明書(補件)/92-11/92123416 1330671 接。氫化物則經一穿過所有材料源罐的中央輸入管而輸 入。各環形材料源罐上下疊設。為使源區與反應室熱隔離， 設有一隔熱體。該隔熱體設置在反應室蓋板中心部上方。 上述輸入管及輸出管由互相套接的管體構成，該管體各構 成輸入管及輸出管的管壁。此外，管體亦構成材料源罐。 管體可由石英管構成。輸出管出口側可具碟形管端，藉此 管端可使金屬氣化物及攜帶氣體由源區内的垂直流動方向 偏轉為徑向向外的水平流動方向。碟形管端優先通到反應 室蓋板一環形室。在該處以前金屬氣化物被分該輸送。環 形室向下，亦即向反應室，被一壁包圍。該壁具一中心孔， 由氫化物輸入管流出的氫化物可經該中心孔而流入反應室 中。該壁在周邊尚具複數個流出孔，其環繞中心而約在基 板上方。氣化物可經此篩孔狀流出孔而流入反應室中。測 定基板座溫度尤其可設光學感測器。該光學感測器穿過環 形室並優先直接設在基板所在徑向部分的上方。故該感測 器不僅可測得基板座表面溫度，亦可測得基板特性。尚為 有利的是，反應室與進氣機構一起設置在一反應器殼體 中。反應器殼體蓋板的中心可設一凸緣，源區一部份可伸 入該凸緣中。該凸緣可被一蓋體封閉。該蓋體罩住階梯式 伸出凸緣開口的所有輸入管。輸入管開口的密封使用〇形 環，其套在管端上。 【實施方式】 圖1之剖視圖所示為本裝置旋轉對稱於垂直軸9。其具 一反應器殼體3 2，該反應器殼體設有一環形壁3 2 ”、一包 7
312/發明說明書(補件)/92-11/92123416 1330671 圍反應室下方的底板32’’’及一包圍反應室上方的反應器 蓋板3 2 ’。蓋板3 2 ’中心有一凸緣3 2 ” ”，其可被一蓋體3 6 封閉。底板3 2 ’’’中心，亦即垂直軸9處，有一開口 ，一驅 動軸3 3穿過該開口而可驅動基板座2旋轉。 基板座2位在反應室1下方。反應室1側面被一外環41 包圍，氣體可由該外環排出反應室。反應室1上方設有一 反應室蓋板1 2。基板座2朝向反應室1的表面設有複數個 環繞中心點的凹部。每一凹部中放置一基板載板3 5。藉一 輸入管34輸入一氣體可使每一基板載板35旋轉。故基板 載板3 5上的每一基板3皆繞其自軸旋轉。 環形設置之基板3或基板載板35的中間有一自由空 間，實施例中該自由空間的直徑大於反應室蓋板1 2上方之 源區1 1的直徑。 源區1 1由一進氣機構1 0構成，該進氣機構1 0位在蓋 體3 6下方。源區1 1中有軸向上下設置的材料源4, 5，6， 7。為將材料源4, 5，6, 7加熱至材料源溫度T s而設一加 熱套筒1 5，其包圍整個源區。加熱套筒〗5被以電阻加熱。 加熱反應室1使用兩水冷卻高頻線圈1 3, 1 4。高頻線圈 1 4設在反應室蓋板1 2上方，高頻線圈1 3則設在基板座2 下方。設在反應室蓋板12上方之高頻線圈十心有一位在反 應室蓋板12上的石英環24。該石英環24構成一隔熱體。 隔熱體24上方設一罩體43罩住上述的加熱套筒15。加熱 套筒15包圍一套管40，其一端40’插入蓋體36 —凹σ中 並被一 0形環密封。由石英所構成之套管4 0的另一端4 0 ” 8 312/發明說明書(補件)/92-11/92123416 1330671 則構成反應室蓋板1 2 —環形室2 6之一壁。環形室2 6另一 壁則由一石英板2 5構成。該石英板具一中心孔2 8及複數 個位在基板3上方的周邊孔2 7。 套管40内部設有多個互相套接的石英管體，其構成材 料源4，5, 6，7的輸入管，同時亦可使材料源中所生成金 屬氣化物與攜帶氣體一起輸出至環形室26中。 套接之石英管體部分構成輸入管16, 17, 18, 19。内管16 輸送氫化物為最長。包圍内管16的管體17, 18, 19管端呈 階梯式，故管體1 6，1 7, 1 8, 1 9之管端可各藉一 0形環3 7 而對蓋體3 6密封。階梯式管端伸入蓋體3 6 —階梯式的凹 口中。氣化物由各管連接端38分開送入輸入管16,17,18 及1 9中。 互相套接的輸入管1 6至1 9通到罐形材料源，該材料源 環形包圍氫化物輸入管8。每一材料源罐由一管體構成。 軸向上下疊設之材料源罐的外壁由各套接管體直徑較大部 分構成，其構成同樣互相套接的輸出管20,21,22,23。輸 出管管端21’，22’及23’展開成碟形，使得由輸出管20至 2 3流出的氣化物轉向流入共同的環形室2 6中"内輸出管 20管端連接反應室壁25。由輸入管管端21’至23’流出的 多種氣化物流入環形室26中而彼此混合，再由基板上方的 垂直孔2 7流入反應室1中。氫化物則由中心孔2 8輸入。 如此使得氫化物流經反應室1的時間比氣化物長。且氫化 物的流動方向垂直於氯化物的流動方向。 反應器殼體3 2蓋板3 2 ’中設有感測器2 9， 3 0。感測器 9 312/發明說明書(補件)/92-11/92123416 1330671 2 9是一測定基板3反射率及溫度的光學感測器。故感測器 2 9穿過環形室2 6而伸入反應室壁2 5中。溫度感測器3 0 只穿過高頻線圈14，以測得反應室蓋板1 2的溫度。 底板3 2 ’’’中亦設有一感測器3 1。該溫度感測器3 1穿過 下方的高頻線圈1 3，以測得基板座2的溫度。 如圓3所示，材料源的工作溫度為Ts。該材料源溫度可 在800°C至900°C之間。欲在基板（Al2〇3，Si等）上沉積出 一核化薄膜時，需使反應室具一溫度T«，該溫度約在4 5 0 ° C 至5 0 0 ° C之間9沉積出核化薄膜之後需將反應室加熱至一 成長溫度Tc，該溫度視用途而定約在700°C至1200°C之 間。在此成長溫度下可沉積出GaN。由於使用水冷卻高頻 線圈加熱反應室1，反應室不僅可被快速加熱且可被快速 冷卻。因源區1 1需保持在恆定的溫度T s下，故其可以電 阻加熱。除了以分開的高頻線圈1 4加熱反應室蓋板1 2外， 亦可藉高頻線圈13，14的不同控制而在反應室中產生一垂 直的溫度梯度。需達到氣相過飽和時，如此為有利。 使用上述裝置亦可使沉積的半導體薄膜產生一摻雜。該 處尤其使摻質經氫化物輸入管輸送入反應室中。但亦可將 液態金屬的摻質容置於一材料源罐中。 除了圖1及2所示將氫化物輸入管8設在進氣機構中心 外，亦可使氫化物包圍金屬材料源的輸入及輸出管。圖4 所示實施例中管體21, 22, 23穿過反應室壁25而伸入反 應室中，故其碟形管端2Γ, 22’，23’延伸於反應室中。在 此實施例中氫化物必要時與摻質一起被輸送至反應室蓋板 10 312/發明說明書(補件)/92-丨1/92123416 1330671 上方的環形室26中，氫化物再與摻質由此環形室26經周 邊孔2 7向下流入反應室中。在圖4所示實施例中，金屬氣 化物以水平方向流向基板3，氫化物則由上向下流入反應 室1中。 所有揭示特徵本身皆具有發明性質。本發明揭示之特徵 係完全包含於本案之申請專利範圍中。 【圖式簡單說明】 以下將依據附圖說明本發明之實施例。 圖1係本發明反應器之剖視圖，包括其内之反應室及反 應室上方具分開加熱源區之進氣機構。 圖2係進氣機構及其源區之放大圖。 圖3係材料源與反應室溫度之不意圖。 圊4係本發明第二實施例反應室左部之剖視圖。 (元件符號說明） 1 反應室 2 基板座 3 基板 4 材料源 5 材料源 6 材料源 7 材料源 8 氫化物輸入管 9 垂直軸 10 進氣機構 11 312/發明說明書(補件)/92-11 /92123416 1330671 11 源 區 12 反 應 室 蓋板 13 高 頻 線 圈 14 南 頻 線 圈 15 加 熱 套 筒 16 輸 入 管 17 輸 入 管 18 輸 入 管 19 輸 入 管 20 輸 出 管 21 輸 出 管 2 1 5 管 端 22 輸 出 管 225 管 端 23 輸 出 管 23 5 管 端 24 隔 熱 體 2 5 壁 2 6 環 形 室 27 周 邊 孔 28 中 心 孔 29 感 測 器 30 感 測 器 3 1 感 測 器 312/發明說明書(補件)/92-11 /92123416 12 1330671 32 反 應 器 殼 體 32 5 反 應 器 蓋 板 32，， 環 形 壁 32… 反 應 器 底 板 32，’， ，凸 緣 33 驅 動 軸 34 輸 入 管 35 基 板 載 板 36 蓋 體 37 0 形 環 38 管 連 接 端 40 套 管 40 5 管 端 40，’ 管 端 4 1 外 環 43 罩 體
312/發明說明書(補件)/92-11/92123416 13

Claims (1)

1330671 ..,., DEC 2 1 2003 ， -· 「 --- ---替換本 f暮.XJ申請專利範圍：％年月η 日修正本| 1. 一種在結晶基板上氣相沉積結晶薄膜的裝置，此裝置 包含： 加熱反應室（1 )，具有一個承載至少一個基板（3 )的基板 座（2); 一或多種加熱材料源（4)，此處·，藉由一鹵素與指定予 材料源（4至7 )的金屬之化學反應，而生成一氣態鹵化物； 該齒素尤其為H C 1，且與攜帶氣體一起供應至材料源，並 且，該金屬例如為G e、I η、A 1 ;該鹵化物係經由進氣機構 (10)而輸送至由延伸於水平平面上的基板座（2)所承載的 基板（3 );以及 氫化物輸入管（8 )，用以將氫化物輪入反應室；該氫化 物尤其為NH3、AsH3、及/或PH3; 其特徵為： 基板座（2 )具有一垂直軸（9 )，複數個基板係環繞著該垂 直軸而配置於其上；以及 進氣機構（1 0 )沿著垂直軸（9 )而延伸；設置在進氣機構 (1 0 )中的諸材料源（4至7 )係設在該進氣機構（1 0 )之源區 (1 1 )中：源區（1 1 )係延伸於容置基板座（2 )的反應室（1 )上 方，且可用指定予此源區（1 1 )的個別的加熱裝置（1 5 )，與 反應室（1 )分開地加熱。 2. —種在結晶基板上氣相沉積結晶薄膜的方法，包含： 將至少一個基板（3)放置於基板座（2)上； 藉由一齒素與指定予材料源（4至7)的金屬之化學反 14 92123416 1330671 應，於一或多種加熱材料源（4至7 )中生成一氣態鹵化物； 該鹵素尤其為HC1，且與攜帶氣體一起供應至材料源（4至 7 )，並且，該金屬例如為G e、I η、A1 ;該鹵化物係經由進 氣機構（10)而輸送至由水平延伸的基板座（2)所承載的基 板（3 )，以及 經由氫化物輸入管（8 )，將氫化物輸入反應室（1 );該氫 化物尤其為NH3、AsH3、及/或PH3; 其特徵為： 設置於基板座（2 )中心上方的進氣機構（1 0 )中的材料源 (4至7 )，係與反應室（1 )分開地加熱，並且，複數個基板 (3 )係環繞著基板座（2 )之中心而設置。 3. 如申請專利範圍第1項之裝置，其中，反應室（1 )底 板（基板座2)下方及反應室（1)蓋板（12)上方各設一尤其 是水冷卻的高頻線圈（1 3， 1 4 )以加熱反應室（1 )。 4. 如申請專利範圍第1項之裝置，其中，一加熱套筒 (15)，尤其是一電阻加熱裝置，包圍進氣機構（1 0 )的源區 (11)。 5. 如申請專利範圍第1項之裝置，其中，數個材料源（4 至7)軸向上下疊設。 6. 如申請專利範圍第1項之裝置，其中，材料源（4至 7)具互相套接的輸入管及輸出管（16至19;20至23)。 7. 如申請專利範圍第6項之裝置，其中，輸入管及輸出 管（16至19;20至23)包圍一中心的氫化物輸入管（8)。 8. 如申請專利範圍第1項之裝置，其中，源區（1 1 )以一 15 92123416 1330671 隔熱體（24)而與反應室蓋板（12)隔離。 9. 如申請專利範圍第1項之裝置，其中，進氣 具複數個互相套接的管體，其分別構成輸入管與套 至19;20至23)及材料源（4至7)罐的壁。 10. 如申請專利範圍第7項之裝置，其中，輸出 23)具碟形管端（25， 21’至23’）。 1 1 .如申請專利範圍第1 0項之裝置，其中，碟形 至23’）伸入反應室蓋板（12)之一環形室（26)中。 12. 如申請專利範圍第11項之裝置，其中，反 上方包圍環形室（26)的壁（25)具周邊的氯化物流 及中心的氫化物流出孔（2 8 )。 13. 如申請專利範圍第11項之裝置，其中，反 上方包圍環形室（2 6 )的壁（2 5 )具周邊的氫化物流 (2 7 )，氣化物則由壁（2 5 )中心的孔流入反應室中 該處被偏轉為水平方向流動。 14. 如申請專利範圍第11項之裝置，其中，一感 穿過環形室（2 6 )以測量基板座（2 )溫度及/或基板 特性。 15. 如申請專利範圍第1項之裝置，其中，反肩 進氣機構（10)—起設置在一反應器殼體（32)中。 16. 如申請專利範圍第9項之裝置，其中，輸入 1 9 )階梯式的開口被一共同的蓋體（3 6 )封閉，且互 管（1 6至1 9 )以0形環（3 7 )密封。 17. 如申請專利範圍第2項之方法，其中，欲名 92123416 機構（1 0) 合出管（1 6 管（20至 管端（21 ’ 應室（1 ) 出孔（2 7 ) 應室（1 ) 出孔 心，並在 測器（29) (3)光學 L室（1 )與 管（1 6至 相套接的 :基板（3) 16 1330671 上沉積出一核化薄膜時，將反應室（1 )加熱至一溫度T N， 該溫度低於材料源溫度Ts，沉積出核化薄膜之後將反應室 加熱至一成長溫度Tg，該溫度高於材料源溫度Ts。 18. 如申請專利範圍第2項之方法，其中，基板座在成 長製程時被旋轉。 19. 如申請專利範圍第2項之方法，其中，基板（3)被放 置於圓形的基板載板（35)上，該基板載板被驅動而繞其自 軸旋轉。 17 92123416 T330671_____ 公告本 拾壹、圖式： DEC 2 1 2009 替换頁 [s 92123416 18 1330671 1/3
1330671 HCI+H， HCU-H； HCI+H； HCI+H. 38 32
Ts Tg
Tn 1330671 3/3 12
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