TWI545224B - 用於有機金屬化學氣相沉積設備之進氣系統 - Google Patents

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Description

用於有機金屬化學氣相沉積設備之進氣系統
本發明關於一種進氣系統，特別是關於一種用於有機金屬化學氣相沉積設備之進氣系統。
有機金屬化學氣相沉積(Metal Organic Chemical Vapor Deposition,MOCVD)或稱有機金屬化學氣相磊晶(Metal Organic Chemical Vapor Phase Epitaxy,MOVPD)是一項製備半導體薄膜的技術，主要用於氮化鎵、砷化鎵、磷化銦、氧化鋅等Ⅲ-V族、Ⅱ-Ⅵ族化合物及合金等半導體薄膜的製備。隨著半導體薄膜應用範圍的擴大，MOCVD設備通常使用在發光二極體(LED)、雷射二極體(LD)或射頻積體電路(RF IC)等元件的製作，已成為半導體製程設備中重要的裝置之一。
MOCVD的原理是將反應物質(precursor)轉換成氣體，並經由進氣系統使反應氣體隨著載流氣體輸送至反應器中，於發生化學反應後生成固態物質沉積於放置在可旋轉的加熱台上的固態基材表面，進而在固態基材表面生成半導體薄膜。在沉積 過程中，控制半導體薄膜的厚度及均勻度是非常重要的，然而反應器中熱浮力及慣力造成的渦流現象卻是導致半導體薄膜的厚度不均勻的重要因素，而且渦流的產生也會造成反應器內腔壁的污染及反應物質的浪費。
上述現象可以透過控制製程參數、進氣系統噴嘴的形狀和反應器的類型來改善。目前業界主要使用的MOCVD設備進氣系統分為三種，第一種是採用垂直進氣模式，配合載台的高速旋轉但無須自轉以達到流場的均勻度，有效提高產量並減少清洗維護的時間和次數，但反應器容積較大，反應氣體的用量比較浪費，且更容易產生渦流造成不穩定。
第二種是中央噴嘴模式，利用載盤低速旋轉配合晶圓的自轉，達到流場穩定的效果，反應器容積較小，反應氣體的用量較節省，但因反應器的腔體高度較低，自動化困難，且每次製程後需要打開反應器，造成接續之製程環境改變，並且磊晶過程中載盤自轉速度常因沉積污染而發生變化甚至停轉，導致生長條件變化並使薄膜生長厚度不均勻。
第三種是使用蓮蓬頭式噴嘴的進氣模式，並配合中低速載台的旋轉使其具有均勻的進氣，但此種進氣模式的進氣口與載台的間距很小(約20公釐)，並且容易使蓮蓬頭式噴嘴的孔洞堵塞，導致需定期清潔或更換蓮蓬頭式噴嘴的問題。
由以上分析，可知目前用於MOCVD設備的進氣系統各有其優缺點，但主要仍是以改變進氣形式並設計進氣孔洞的幾何形狀與陣列來改善反應器腔體內部流場的均勻性，但仍無法確實同時改善反應氣體在腔體內形成不穩定的渦流與反應氣體在進 氣孔周圍產生預反應的現象，導致生成物在進氣口處產生，並阻塞進氣口，而且渦流也會污染反應器內的腔壁，也容易造成反應源的浪費。
本發明為一種用於有機金屬化學氣相沉積設備之進氣系統，輔助進氣模組設置於主要進氣模組之外圍，以減少渦流的產生，並同時能集中反應氣體以達到提升反應氣體的反應率及薄膜生長率，也可提高薄膜生長的均勻性。
本發明提供一種用於有機金屬化學氣相沉積設備之進氣系統，其包括：一主要進氣模組，用以通載至少一反應氣體；以及一輔助進氣模組，其設置於主要進氣模組之外圍，並且包括至少一輔助進氣流道，用以通載一載流氣體。
本發明又提供一種用於有機金屬化學氣相沉積設備之進氣系統，其包括：一主要進氣模組，其包括：至少一第一反應氣體流道，用以通載一第一反應氣體；及至少一第二反應氣體流道，用以通載一第二反應氣體；以及一輔助進氣模組，其包括至少一輔助進氣流道用以通載一載流氣體，並設置於至少一第一反應氣體流道及至少一第二反應氣體流道之間，以分隔至少一第一反應氣體流道及至少一第二反應氣體流道。
藉由本發明的實施，可達到下列進步功效：一、提升反應氣體的反應率及薄膜生長率；二、減少渦流的產生，以提高薄膜生長的均勻性與穩定性；及三、減少污染，並降低反應器腔體之清洗維護頻率，提升設備的 使用效率，進而降低生產成本。
為了使任何熟習相關技藝者了解本發明之技術內容並據以實施，且根據本說明書所揭露之內容、申請專利範圍及圖式，任何熟習相關技藝者可輕易地理解本發明相關之目的及優點，因此將在實施方式中詳細敘述本發明之詳細特徵以及優點。
10‧‧‧進氣系統
11‧‧‧主要進氣模組
111‧‧‧第一反應氣體流道
112‧‧‧第二反應氣體流道
12‧‧‧輔助進氣模組
121‧‧‧輔助進氣流道
121a‧‧‧第一輔助進氣流道
121b‧‧‧第二輔助進氣流道
121c‧‧‧橫向線狀進氣口
121d‧‧‧縱向線狀進氣口
122‧‧‧外圍進氣口
20‧‧‧反應器腔體
30‧‧‧載台
第1圖為一種反應器腔體與進氣系統之示意圖；第2圖為本發明實施例之一種用於MOCVD設備之進氣系統示意圖；第3圖為本發明實施例之一種輔助進氣模組包括至少二輔助進氣流道之進氣系統示意圖；第4圖為本發明實施例之一種輔助進氣流道包括分離式線狀進氣口之進氣系統示意圖；第5圖為本發明實施例之一種輔助進氣流道包括分離式點狀進氣口之進氣系統示意圖；第6圖為本發明實施例之另一種用於MOCVD設備之進氣系統之示意圖；第7圖為本發明實施例之一種具有線狀進氣口之第一及第二反應氣體流道之進氣系統示意圖；第8圖為第7圖中進一步包括外圍進氣口之進氣系統示意圖；第9圖為本發明實施例之一種具有放射狀排列線狀進氣口之輔助進氣流道之進氣系統示意圖； 第10圖為第9圖中進一步包括外圍進氣口之進氣系統示意圖；第11圖為本發明實施例之一種具有平行排列線狀進氣口之輔助進氣流道之進氣系統示意圖；第12圖為第11圖中進一步包括外圍進氣口之進氣系統示意圖；第13圖為本發明實施例之一種具有彼此相交之橫向線狀進氣口及縱向線狀進氣口之輔助進氣流道之進氣系統示意圖；及第14圖為第13圖中進一步包括外圍進氣口之進氣系統示意圖。
如第1圖所示，其為一種反應器腔體20與進氣系統10之示意圖，於反應器腔體20中下方設置有可旋轉及加熱之載台30，可用以放置固態基材，而進氣系統10則設置於載台30上方，用以通入反應氣體及載流氣體。
如第1圖及第2圖所示，本實施例為一種用於有機金屬化學氣相沉積設備之進氣系統10，其包括：一主要進氣模組11以及一輔助進氣模組12。
主要進氣模組11，用以通載反應氣體，載流氣體會伴隨著反應氣體一起經由主要進氣模組11送入反應器腔體20中，載流氣體可為氫氣或氮氣等不與反應氣體產生化學反應之氣體，反應氣體則例如是Ⅲ族、V族、Ⅱ族、Ⅵ族的單一氣體，又或是混合有Ⅲ族與V族的混合氣體，更或者是混合有Ⅱ族與Ⅵ族的混合氣體。
輔助進氣模組12僅用以通載載流氣體，並設置於主要進氣模組11之外圍，輔助進氣模組12所通載的載流氣體可以和 在主要進氣模組11中載送反應氣體的載流氣體相同，也可以使用不同種類的載流氣體，僅需選用不與反應氣體產生化學反應之氣體即可。
輔助進氣模組12包括至少一輔助進氣流道121，輔助進氣流道121的進氣口圍繞在主要進氣系統10的進氣口的外圍且靠近反應器腔體20的腔壁處。藉由輔助進氣模組12送入載流氣體至反應器腔體中，可藉由載流氣體減少靠近反應器內部腔壁處渦流的產生，還可以阻隔反應氣體對於腔壁的污染，同時集中反應氣體達到提升反應氣體應用效率的功效。
又如第3圖所示，輔助進氣模組12也可以包括至少二輔助進氣流道，分別為一第一輔助進氣流道121a及一第二輔助進氣流道121b，其中第一輔助進氣流道121a的進氣口設置於第二輔助進氣流道121b的進氣口之外圍，而第二輔助進氣流道121b的進氣口設置於主要進氣模組11的進氣口之外圍，可以藉由第二輔助進氣流道121b的進氣口包圍主要進氣模組11之進氣口，以減少渦流的產生並且縮小進氣範圍，提高反應氣體的使用率，而設置在第二輔助進氣流道121b外圍的第一輔助進氣流道121a則可設置在靠近反應器腔體20的腔壁處，同樣可以減少於外圍區域處渦流的產生，並避免反應氣體污染反應器腔體20的腔壁。
無論是第2圖或是第3圖中之輔助進氣模組12，其輔助進氣流道121、121a、121b皆可具有一環狀進氣口，藉此無間斷地進氣並產生氣牆，以完整包圍主要進氣模組11之進氣口。但也可以如第4圖及第5圖所示，輔助進氣流道121可具有一分離式線狀進氣口或一分離式點狀進氣口，以分離式線狀進氣口或分離式點 狀進氣口包圍主要進氣模組11，同樣可以達到減少渦流及避免反應氣體污染反應器內部腔壁的功效。
如第6圖及第7圖所示，其提供另一種主要進氣模組11的形式。主要進氣模組11包括：至少一第一反應氣體流道111及至少一第二反應氣體流道112，第一反應氣體流道111用以通載一第一反應氣體，而第二反應氣體流道112用以通載一第二反應氣體。第一反應氣體例如是Ⅲ族氣體，第二反應氣體例如是V族氣體，或兩者互換；又或是第一反應氣體例如是Ⅱ族氣體，第二反應氣體例如是Ⅵ族氣體，或兩者互換。
主要進氣模組11中第一反應氣體流道111及第二反應氣體流道112分別僅通載單一反應氣體，並且第一及第二反應氣體流道111、112的進氣口的形式可以為線狀或是圓孔狀，抑或是其他幾何形狀，在此並不特別限制。
輔助進氣模組12，其包括用以通載載流氣體的至少一輔助進氣流道121，並且設置於第一反應氣體流道111及第二反應氣體流道112之間，用以分隔第一反應氣體流道111及第二反應氣體流道112，進而避免第一反應氣體及第二反應氣體在進氣口周圍產生預反應並堵塞進氣口，更能減少在中低溫區無法成膜的顆粒形成，以達到減少浪費反應氣體的功效，也能減緩當改變第一反應氣體及第二反應氣體的氣體比例時，因慣性差造成氣流不穩定的問題。
舉例來說，輔助進氣流道121可具有至少一環狀進氣口，並且設置於第一反應氣體流道111或是第二反應氣體流道112的外圍，以包圍第一反應氣體流道111或是第二反應氣體流道112 的進氣口。如第6圖所示，輔助進氣流道121的環狀進氣口，便是設置在第二反應氣體流道112的進氣口的外圍，藉此分隔第一反應氣體流道111及第二反應氣體流道112。
雖然圖未示，但除了環狀進氣口外，輔助進氣流道121也可如第4圖及第5圖一樣具有分離式線狀進氣口或分離式點狀進氣口。以分離式線狀進氣口或分離式點狀進氣口包圍第一反應氣體流道111或是第二反應氣體流道112的進氣口，同樣可以達到分隔第一反應氣體及第二反應氣體的功效。
如第6圖及第7圖所示，第一反應氣體流道111與第二反應氣體流道112的進氣口可以分別為線狀及圓孔狀。如第6圖所示，具有圓孔狀進氣口的第二反應氣體流道112可穿插設置在具有線狀進氣口的第一反應氣體流道111之間。
如第7圖所示，第一及第二反應氣體流道111、112的進氣口亦可皆為線狀且交替間隔設置，也就是說第一反應氣體流道111與第二反應氣體流道112皆可具有多個線狀進氣口，並且排列成陣列的形式。第一反應氣體流道111與第二反應氣體流道112的進氣口可以交替間隔設置，而輔助進氣流道121也可設置在具有線狀進氣口的第二反應氣體流道112的外圍。
如第8圖所示，輔助進氣流道121進一步包括至少一外圍進氣口122，設置於環狀進氣口、至少一第一反應氣體流道111及至少一第二反應氣體流道112之外圍，以包圍輔助進氣流道121的環狀進氣口、第一反應氣體流道111及第二反應氣體流道112。
也就是說，外圍進氣口122可以圍繞在主要進氣系統10的進氣口的外圍且靠近反應器腔體的腔壁處。外圍進氣口122的 形式可以是如第8圖所示連續的外圍環狀進氣口，藉此無間斷地進氣並產生氣牆，以完整包圍主要進氣模組11之進氣口。外圍進氣口122的形式也可以是如第4圖及第5圖所示的一分離式線狀進氣口或一分離式點狀進氣口，以分離式線狀進氣口或分離式點狀進氣口包圍主要進氣模組11，同樣可以達到減少渦流及避免反應氣體污染反應器內部腔壁的功效。
如第9圖所示，主要進氣模組11包括至少一第一反應氣體流道111及至少一第二反應氣體流道112，並且第一反應氣體流道111與第二反應氣體流道112可呈輻射狀設置並且交替排列。也就是說，於進氣系統10中可劃分出多個區域，每一區域中僅設置有一種反應氣體流道，如第一區域中僅設置有第一反應氣體流道111，而第二區域僅設置有第二反應氣體流道112，第一區域及第二區域則交替設置。舉例來說，在同一區域中，第一反應氣體流道111或第二反應氣體流道112的進氣口可以彼此平行，以使得設置有第一反應氣體流道111的第一區域與設置有第二反應氣體流道112的第二區域呈輻射狀設置並且交替排列。又或者，雖然圖並未特別繪製出，但在同一區域中第一反應氣體流道111或第二反應氣體流道112的形狀亦可為圓孔狀。
輔助進氣模組12則可包括至少一輔助進氣流道121，並具有複數個線狀進氣口，線狀進氣口可呈放射狀排列，而且線狀進氣口可如第9圖所示一般相交於一點，又或者彼此獨立。每一線狀進氣口設置於至少一第一反應氣體流道111及至少一第二反應氣體流道112之間，也就是可作為第一區域及第二區域之間的界線，藉此隔開第一反應氣體流道111及第二反應氣體流道112。
輔助進氣流道121的線狀進氣口可將第一反應氣體流道111與第二反應氣體流道112區隔開來，使得每一輔助進氣流道121的線狀進氣口的兩側分別為第一反應氣體流道111及第二反應氣體流道112。
如第10圖所示，輔助進氣流道121可進一步包括一外圍進氣口122，其可以與輔助進氣流道121的該些線狀進氣口連通，或是與輔助進氣流道121的該些線狀進氣口彼此分離。外圍進氣口122可設置於至少一第一反應氣體流道111及至少一第二反應氣體流道112之外圍，以包圍第一反應氣體流道111及第二反應氣體流道112。
外圍進氣口122可以圍繞在主要進氣系統10的進氣口的外圍且靠近反應器腔體的腔壁處。外圍進氣口122的形式可以是如第10圖所示連續的外圍環狀進氣口，藉此無間斷地進氣並產生氣牆，以完整包圍主要進氣模組11之進氣口。外圍進氣口122的形式也可以是如第4圖及第5圖所示的一分離式線狀進氣口或一分離式點狀進氣口，以分離式線狀進氣口或分離式點狀進氣口包圍主要進氣模組11，同樣可以達到減少渦流及避免反應氣體污染反應器內部腔壁的功效。
如第11圖所示，主要進氣模組11包括至少一第一反應氣體流道111及至少一第二反應氣體流道112，並且第一反應氣體流道111與第二反應氣體流道112可呈平行排列且交替設置。
輔助進氣模組12則可包括至少一輔助進氣流道121，並具有複數個線狀進氣口。每一線狀進氣口可相互平行並設置於至少一第一反應氣體流道111及至少一第二反應氣體流道112 之間，藉此隔開第一反應氣體流道111及第二反應氣體流道112。
如第12圖所示，輔助進氣流道121可進一步包括一外圍進氣口122，其可以與輔助進氣流道121的該些線狀進氣口連通，或是與輔助進氣流道121的該些線狀進氣口彼此分離。外圍進氣口122設置於至少一第一反應氣體流道111及至少一第二反應氣體流道112之外圍，以包圍輔助進氣流道121的該些線狀進氣口、第一反應氣體流道111及第二反應氣體流道112。
外圍進氣口122可以圍繞在主要進氣系統10的進氣口的外圍且靠近反應器腔體的腔壁處。外圍進氣口122的形式可以是如第12圖所示連續的外圍環狀進氣口，藉此無間斷地進氣並產生氣牆，以完整包圍主要進氣模組11之進氣口。外圍進氣口122的形式也可以是如第4圖及第5圖所示的一分離式線狀進氣口或一分離式點狀進氣口，以分離式線狀進氣口或分離式點狀進氣口包圍主要進氣模組11，同樣可以達到減少渦流及避免反應氣體污染反應器內部腔壁的功效。
如第13圖所示，主要進氣模組11包括至少一第一反應氣體流道111及至少一第二反應氣體流道112，並且第一反應氣體流道111與第二反應氣體流道112分別具有複數個進氣口，而第一反應氣體流道11的進氣口與第二反應氣體流道112的進氣口可呈一陣列形式並且交替排列設置。
輔助進氣模組12則可包括至少一輔助進氣流道121，並具有複數個橫向線狀進氣口121c及複數個縱向線狀進氣口121d。該些橫向線狀進氣口121c與該些縱向線狀進氣口121d彼此相交，並包圍至少一第一反應氣體流道111的進氣口或至少一第二 反應氣體流道112的進氣口，以隔開第一反應氣體流道111及第二反應氣體流道112。
每一橫向及縱向線狀進氣口121c、121d的兩側分別為第一反應氣體流道111及第二反應氣體流道112，並用以將載流氣體通入至反應器腔體，因輔助進氣流道121的橫向及縱向線狀進氣口121c、121d可使載流氣體在進氣口處便將第一及第二反應氣體流道111、112流出之反應氣體在進氣口處隔離，可抑制預反應之產生，進而解決進氣口阻塞的問題。
如第14圖所示，輔助進氣流道121可進一步包括一外圍進氣口122，其可以與該些橫向線狀進氣口121c及該些縱向線狀進氣口121d連通，或是與該些橫向線狀進氣口121c及該些縱向線狀進氣口121d彼此分離。外圍進氣口122設置於至少一第一反應氣體流道111及至少一第二反應氣體流道112之外圍，以包圍該些橫向線狀進氣口121c、該些縱向線狀進氣口121d、第一反應氣體流道111及第二反應氣體流道112。
外圍進氣口122的形式可以是如第14圖所示連續的外圍環狀進氣口，藉此無間斷地進氣並產生氣牆，以完整包圍主要進氣模組11之進氣口。外圍進氣口122的形式也可以是如第4圖及第5圖所示的一分離式線狀進氣口或一分離式點狀進氣口，以分離式線狀進氣口或分離式點狀進氣口包圍主要進氣模組11，同樣可以達到減少渦流及避免反應氣體污染反應器內部腔壁的功效。
如第8圖、第10圖、第12圖及第14圖所示，由於外圍進氣口122設置在靠近反應器腔體的腔壁處，可減少外圍區域靠近腔壁處的渦流的產生，進而避免反應氣體污染反應器內部腔壁， 可達到減少清洗及維護反應器頻率的功效。
藉由本實施例之實施，在現有的進氣系統中可輕易地進行加工製作輔助進氣模組，針對反應氣體進行阻隔及導流，並有效地增加半導體薄膜的生長速度與厚度均勻性，並減少污染與反應氣體的浪費，同時可減少反應器腔體內渦流的產生，以提高製程穩定度。
又因在習知進氣系統的外圍的反應氣體使用率並不高，大多是直接流出腔體外造成浪費，因此在主要進氣模組外圍設置輔助進氣模組後，可透過輔助進氣模組縮小反應氣體的進氣範圍，以提高反應氣體的使用率。
對於主要進氣模組而言，藉由輔助進氣模組在進氣處隔離兩種以上的反應氣體，可以減少反應氣體在進氣口周圍產生預反應而堵塞進氣口的問題，又由於預反應及腔壁污染的降低，因此可大幅減少清洗及維護的頻率，可提升MOCVD設備的使用效率。
惟上述各實施例係用以說明本發明之特點，其目的在使熟習該技術者能瞭解本發明之內容並據以實施，而非限定本發明之專利範圍，故凡其他未脫離本發明所揭示之精神而完成之等效修飾或修改，仍應包含在以下所述之申請專利範圍中。
10‧‧‧進氣系統
11‧‧‧主要進氣模組
12‧‧‧輔助進氣模組
121‧‧‧輔助進氣流道

Claims (12)

  1. 一種用於有機金屬化學氣相沉積設備之進氣系統，其包括：一主要進氣模組，用以通載至少一反應氣體；以及一輔助進氣模組，其設置於該主要進氣模組之外圍，並且包括至少一輔助進氣流道，用以通載一載流氣體。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之進氣系統，其中該輔助進氣模組包括該至少二輔助進氣流道，分別為一第一輔助進氣流道及一第二輔助進氣流道，其中該第一輔助進氣流設置於該第二輔助進氣流道之外圍，且該第二輔助進氣流道設置於該主要進氣模組之外圍。
  3. 如申請專利範圍第1項或第2項所述之進氣系統，其中該至少一輔助進氣流道具有一環狀進氣口、一分離式線狀進氣口或一分離式點狀進氣口。
  4. 一種用於有機金屬化學氣相沉積設備之進氣系統，其包括：一主要進氣模組，其包括：至少一第一反應氣體流道，用以通載一第一反應氣體；及至少一第二反應氣體流道，用以通載一第二反應氣體；以及一輔助進氣模組，其包括至少一輔助進氣流道用以通載一載流氣體，並設置於該至少一第一反應氣體流道及該至少一第二反應氣體流道之間，以分隔該至少一第一反應氣體流道及該至少一第二反應氣體流道。
  5. 如申請專利範圍第4項所述之進氣系統，其中該至少一輔助進氣流道具有至少一環狀進氣口，且該至少一環狀進氣口設置於該至少一第一反應氣體流道或該至少一第二反應氣體流道之 外圍。
  6. 如申請專利範圍第5項所述之進氣系統，其中該至少一第一反應氣體流道及該至少一第二反應氣體流道係交錯間隔設置。
  7. 如申請專利範圍第6項所述之進氣系統，其中該輔助進氣流道進一步包括至少一外圍進氣口，設置於該至少一環狀進氣口、該至少一第一反應氣體流道及該至少一第二反應氣體流道之外圍，其中該至少一外圍進氣口為一外圍環狀進氣口、一分離式線狀進氣口或一分離式點狀進氣口。
  8. 如申請專利範圍第4項所述之進氣系統，其中該至少一輔助進氣流道具有複數個線狀進氣口，且該些線狀進氣口係呈放射狀排列，每一該線狀進氣口係設置於該至少一第一反應氣體流道及該至少一第二反應氣體流道之間。
  9. 如申請專利範圍第4項所述之進氣系統，其中該至少一輔助進氣流道具有複數個線狀進氣口，每一該線狀進氣口相互平行並設置於該至少一第一反應氣體流道及該至少一第二反應氣體流道之間。
  10. 如申請專利範圍第8項或第9項所述之進氣系統，其中該輔助進氣流道進一步包括至少一外圍進氣口，設置於該至少一第一反應氣體流道及該至少一第二反應氣體流道之外圍，其中該至少一外圍進氣口為一外圍環狀進氣口、一分離式線狀進氣口或一分離式點狀進氣口。
  11. 如申請專利範圍第4項所述之進氣系統，其中該至少一輔助進氣流道具有複數個橫向線狀進氣口及複數個縱向線狀進氣口，該些橫向線狀進氣口與該些縱向線狀進氣口彼此相交，並 包圍該至少一第一反應氣體流道或該至少一第二反應氣體流道。
  12. 如申請專利範圍第11項所述之進氣系統，其中該輔助進氣流道進一步包括至少一外圍進氣口，設置於該至少一第一反應氣體流道及該至少一第二反應氣體流道之外圍，其中該至少一外圍進氣口為一外圍環狀進氣口、一分離式線狀進氣口或一分離式點狀進氣口。
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