CN102171795A - 气相外延*** - Google Patents

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Abstract

一种气相外延***，包括支撑用于气相外延的衬底的台板以及气体注入部件。气体注入器件将第一前驱体气体注入到第一区域中，将第二前驱体气体注入到第二区域中。至少一个电极位于第一区域中以使得第一前驱体气体分子流动到靠近电极。该至少一个电极定位为与第二前驱体气体的气流基本上隔离。电源电连接到该至少一个电极。电流产生加热该至少一个电极的电流，从而热激活流动到靠近该至少一个电极的第一前驱体气体分子中的至少一些，由此激活第一前驱体气体分子。

Description

气相外延***
这里使用的各部分标题仅是处于行文组织的目的，而绝不应该被理解为对本申请中所描述主题的限制。
相关申请部分
本申请要求2008年10月3日提交的序列号为61/195,093、题目为“Chemical Vapor Deposition with Energy input(具有能量输入的化学气相沉积)”的美国临时专利申请的优先权，其整个申请通过引用结合于此。
背景技术
气相沉积(VPE)是一种化学气相沉积(CVD)，涉及将一种或更多种包含化学物质的气体引导到衬底的表面，以使得反应物质在衬底的表面上发生反应并形成膜。例如，VPE可以用于在衬底上生长化合物半导体材料。衬底典型地是盘片形式的结晶材料，通常被称作“晶片”。典型地，材料通过将至少第一和第二前驱体气体注入到容纳有结晶衬底的工艺室中来生长。
化合物半导体例如III-V族半导体可以通过采用氢化物前驱体气体和有机金属前驱体气体在衬底上生长各种半导体材料层而形成。金属有机气相外延(MOVPE)是一种气相沉积方法，通常用于利用含有所需化学元素的金属有机物和金属氢化物的表面反应来生长化合物半导体。例如，磷化铟可以通过引入三甲基铟和磷而在反应器中生长在衬底上。在本领域中使用的MOVPE的替代名称包括有机金属气相外延(OMVPE)、金属有机化学气相沉积(MOCVD)、和有机金属化学气相沉积(OMCVD)。在这些工艺中，气体在衬底(例如，蓝宝石、Si、GaAS、InP、InAs或GaP衬底)的表面相互反应以形成通式为InXGaYAlZNAAsBPCSbD的III-V族半导体，其中X+Y+Z约等于1，A+B+C+D约等于1，并且X、Y、Z、A、B、C和D中的每一个可以在0到1之间。在一些示例中，铋可以用于替代一些或全部的其他III族金属。
化合物半导体例如III-V族半导体也可以通过采用氢化物或卤化物的前驱体气体工艺在衬底上生长各种半导体材料层而形成。在一卤化物气相外延(HVPE)工艺中，III族氮化物(例如，GaN、AlN)通过热的气态金属卤化物(例如，GaCl或AlCl)与氨气(NH3)的反应而形成。金属卤化物通过使热的HCl气体在热的III族金属上方通过而生成。所有的反应在控制温度的石英炉中完成。HVPE的一个特征是它可以具有非常高的生长速率，一些现有工艺可达每小时100μm。HVPE的另一特征是它可以用于沉积质量相对较高的膜，因为膜是在无碳的环境中生长并且因为热的HCl气体提供自清洁效果。
在这些工艺中，衬底在反应室内保持在升高的温度。前驱体气体典型地与惰性载气混合，然后被引导到反应室中。典型地，气体当它们被引入到反应室中时处于相对较低的温度。随着气体到达热的衬底，它们的温度升高，由此它们可用于反应的能量也升高。外延层的形成通过成分化学物质在衬底表面处最终的高温分解而发生。通过化学反应而不是通过物理沉积工艺形成结晶。生长在适中的压力下发生于气相中。因此，VPE是热动力学亚稳态合金的期望的生长技术。目前，VPE通常用于制造激光二极管、太阳能电池和LED。
附图说明
根据优选和示例性实施例的本教导及其进一步的优势将在下面的详细描述中结合附图更加具体地描述。本领域的技术人员应该知道，下面描述的附图仅是出于图示的目的。附图并不一定按比例绘制，而是通常将重点放在图解本教导的原理。附图绝不旨在限制申请人的教导的范围。
图1图解了用于形成化合物半导体的已知气相外延***。
图2图解了根据本教导的包括至少一个电极的气相外延***，该至少一个电极位于第一前驱体气体的气流中并基本上与第二前驱体气体的气流隔离。
图3图解了根据本教导的盘状气体注入部件的一个实施例的顶视图，该气体注入部件包括位于气体注入部件的四分之一圆中的第一区域以及径向延伸通过四分之一圆的第二区域。
图4A图解了根据本教导的盘状气体注入部件的一个实施例的截面，该气体注入部件包括在气体注入部件上交替设置的多个第一区域和多个第二区域。
图4B图解了盘状气体注入部件的放大视图，其中图解了将电极与第二前驱体气体隔离的机械或化学阻挡。
图5图解了根据本教导的气相外延***的立体顶视图，该气相外延***包括水平流气体注入部件。
图6图解了在根据本教导的气相外延***中用于热激活前驱体气体的翼形电极，该电极定位为接近台板的表面。
具体实施方式
在说明书中参照“一个实施例”或“实施例”是指关于实施例描述的具体特征、结构或特性被包括在本教导的至少一个实施例中。在说明书的各位置出现的短语“在一个实施例中”并不必须全部是指同一个实施例。
应该知道的是，本教导的方法中的各步骤可以以任何顺序和/或同时地进行，只要本教导是可操作的。此外，应该知道的是，本教导的设备和方法可以包括任何数目或者全部的所描述实施例，只要本教导是可操作的。
现在将参考如附图中所示的示例性实施例来更加详细地描述本教导。尽管本教导是结合各种实施例和示例而被描述的，但是并不意味着本教导局限于这些实施例。相反地，正如本领域的技术人员应该知道的，本教导包括各种替代方案、修改方案和等效方案。能够知道本文的教导的本领域技术人员将认识到在本文中所讨论的本公开的范围内的另外的实施方案、另外的修改方案和另外的实施例以及其他领域的应用。
在本公开中使用的术语“有效能”是指在化学反应中使用的反应物质的化学势。化学势是热动力学、物理学和化学中经常使用的用于描述***(颗粒、分子、振动态或电子态、反应平衡等)的能量的术语。然而，术语“化学势”的更具体的替代可以用于各种学科，这些更具体的替代包括吉布斯自由能(热动力学)和费米能级(固态物理学)等。除非另有规定，有效能应该被理解为是指指定材料的化学势。
图1图解了用于形成化合物半导体的已知VPE***100。该***100包括反应室101，反应室101具有安装在其中的主轴102。主轴102通过旋转驱动机构106而关于轴104旋转。轴104在上游方向U和下游方向D上延伸，如图1所示。台板108安装在主轴102上以随主轴102旋转，在许多***中台板108是盘状的衬底载体。典型地，台板108和主轴102以范围在每分钟约100-2000转的旋转速度旋转。台板108用于支撑多个盘状衬底110，以使得衬底100的表面112在与轴104垂直的平面内并面向上游方向U。
诸如电阻电热元件的加热器114位于反应室101中，并紧邻台板108。加热器114将衬底载体加热到期望的处理温度。气体注入部件116安装在台板108和主轴102的上游，气体注入部件116在本领域中有时已知为流入口元件。气体注入部件116连接到工艺气体源118、120和122。气体注入部件116将各种工艺气体的气流引导到反应室101中。流体冷却剂供应部件117耦合到气流注入部件116中的液体冷却通道以使冷却流体循环，从而控制气体注入部件116的温度。
在操作中，来自工艺气体源118、120和122的工艺气体的气流通常在反应室101的在气体注入部件116和台板108之间的区域(这里，将该区域称为“流动区域”124)中沿着下游方向流向台板108和衬底110。在已知的***中，该沿着下游方向的流动不能导致向下游流动的气体的各分离气流间的实质性混合。典型地，期望设计并操作***100以使得在流动区域124中存在层流。在常规操作中，台板108通过旋转驱动部件106而关于轴104快速地旋转，以使得台板108的表面和衬底110的表面快速地运动。台板108和衬底110的快速运动带动气体关于轴104旋转运动。因此，工艺气体快速流动远离轴104，由此使得各种气流中的工艺气体在边界层内彼此混合，边界层以边界层区域126示意性地示出。
在实际中，在流动区域124中箭头128所示的通常沿着下游方向的气流与快速旋转并在边界层126中混合的气流之间存在渐变。尽管如此，边界层126通常被看作为其中气流基本上平行于衬底110的表面的区域。在一些操作方法中，边界层126的厚度在约1cm的量级，从气流注入部件116的朝着下游的面到衬底110的表面112的距离为约5-8cm。因此，流动区域124在气体注入部件116和台板108之间的空间中占据大部分。台板108的旋转运动将气体在台板108的周边边缘附近向外抽吸，由此气体沿下游方向流动到排气***130。在许多操作方法中，反应室101保持在约25-1000托(Torr)的绝对压强。许多工艺在约50-760托的绝对压强下进行。
气体注入部件116保持在相对较低的温度(典型地为约60℃或更低)，尽管有时也采用更高的温度。在卤化物VPE***中，III族卤化物保持在升高的温度以防止冷凝。该升高的温度低于发生沉积的衬底110的温度。选择相对较低的温度以在气体注入部件116和流动区域124中阻止反应物质分解并且/或者阻止形成不期望的反应物的反应。此外，在许多工艺中，反应室101的壁101’被冷却到约25℃，以将流动区域124中远离台板108的工艺气体的任何反应的速率最小化。
期望促进在衬底110的表面处的边界层126中各气体间的快速反应，因为气体在边界层126中的停留时间相对较短。在传统的VPE***中，反应能主要由来自台板108和衬底110的热量提供。例如，在一些工艺中，反应能是分解V族氢化物(例如NH3)以形成活性中间体(例如NH2和NH)所需的能量。然而，增加台板108和衬底110的温度也趋向于增加了所沉积的化合物半导体的分解。例如，增加台板108和衬底110的温度可以导致从半导体损失氮，在生长富铟化合物例如InGaN和InN时尤其如此。
在本教导的一个方面中，VPE***包括一个或更多个电活化(electrically active)电极，该一个或更多个电活化电极用于将额外的能量增加到工艺气体以提高反应速率或改变化学反应。本领域的技术人员应该知道，可以采用任何类型的电活化电极，诸如在工艺室101中暴露于工艺气体的任何形状的线和丝。
在本教导的许多实施例中，期望将能量供应到工艺气体之一而不向其他工艺气体供应可观的能量。例如，在许多III-V族沉积工艺中，期望将额外的能量施加给V族氢化物前驱体气体(例如，氨气(NH3))，而不向III族金属前驱体气体供应可观的能量。本领域的技术人员应该知道，将能量选择性施加给一种或更多种工艺气体可以通过很多方式来实现。例如，一个或更多个电活化电极可以与在升高的温度下将反应的前驱体气体物理地隔离。正如这里所描述的，物理隔离可以通过将各气体分离地引入到反应器的不同区域中或者通过采用隔板和/或气幕(gas curtain)来实现。本教导的一个特征是，各气体可以分离地引入，但是引入到距衬底110相同距离的位置处以保持衬底110的表面上方的层流。
图2图解了根据本教导的气相外延***200，其包括位于第一前驱体气体的气流中并与第二前驱体气体的气流基本上隔离的至少一个电极。VPE***200与结合图1描述的VPE***相似。VPE***200包括用于容纳工艺气体的工艺室201。此外，VPE***200包括台板202，其为支撑用于气相外延的衬底204的盘状衬底载体。
VPE***200包括气体注入部件206，其包括由物理阻挡和/或化学阻挡分隔的多个区域。例如，VPE***200包括：第一区域208，耦合到第一前驱体气体源210；以及第二区域212，耦合到第二前驱体气体源214。根据本教导，在VPE***中可以采用任何类型的前驱体气体。在各种其他实施例中，气体注入部件206可以包括额外的区域，该额外的区域由物理阻挡和/或化学阻挡分隔，其可以或者可以不耦合到额外的前驱体和/或惰性气体源211。
如本文所描述的，存在许多可能的气体注入部件设计以将不同的前驱体气体注入到工艺室201的不同区域中。例如，在结合图3描述的一个实施例中，气体注入部件206的第一区域208位于盘的四分之一圆中，第二区域212径向延伸通过四分之一圆。在结合图4A描述的另一个实施例中，气体注入部件206中的第一区域208和第二区域212包括在气体注入部件206的至少一部分上交替设置的多个第一区域和第二区域。在许多实际实施例中，气体注入部件206包括液体冷却通道以控制气体注入部件206的温度。流体冷却剂供应部件216耦合到气流注入部件206的液体冷却通道以使冷却流体循环，以便控制气体注入部件206的温度。
在各种实施例中，气体注入部件206设计为使第一前驱体气体和第二前驱体气体在支撑衬底204的台板202的上方以层流或非层流的方式流动。此外，在各种实施例中，气体注入部件206使第一前驱体气体和第二前驱体气体在相对于支撑衬底204的台板202的各个方向上流动。例如，在根据本发明的一些VPE***中，气体注入部件206使第一和第二前驱体气体中的至少一种在与支撑衬底204的台板202垂直的方向上流动。此外，在一些VPE***中，气体注入部件206使第一和第二前驱体气体中的至少一种在与支撑衬底204的台板202平行的方向上流动。在一个具体的VPE***中，气体注入部件206使第一和第一前驱体气体中的一种在与支撑衬底204的台板202基本平行的方向上流动，并且使通过气体注入部件206的第一和第二前驱体气体中的另一种在与支撑衬底204的台板202基本垂直的方向上流动。
电极218、219位于第一区域212中，从而第一前驱体气体流动以接触或者紧靠电极218、219。此外，电极218、219定位为它们与第二前驱体气体的流基本上隔离。电极218、219可以多种方式取向。例如，电极218、219可以取向为在气体注入部件206的平面内(例如，电极218)。电极218、219也可以取向为垂直于气体注入部件206的平面(例如，电极219)。此外，电极218、219可以位于气体注入部件206和支撑衬底204的台板202之间的任何位置，该任何位置包括紧靠气体注入部件206以及紧靠支撑衬底204的台板202。
在各种实施例中，电极218、219可以由任何类型的电极材料形成。然而，电极218、219典型地由抗腐蚀材料形成，从而它们不向VPE***200引入任何污染。此外，在各种实施例中，可以采用包括任何数量电极的电极构造类型，该任何数量电极可以仅包括一个电极。此外，在各种实施例中，电极218、219可以形成为任何形状。例如，VPE***200示出了两种不同类型的电极：线形(直线)电极218和非线形电极219，非线形电极219例如为使电极暴露于第一前驱体气体的表面面积增加或最大化的卷曲电极或其他结构。在许多***中，采用相同类型的电极，但是在一些***中采用两种或更多种不同类型的电极。
电极218、219是电活化的。在图2所示的实施例中，电极218、219在没有加电时位于浮置电位(floating potential)。电源220的输出电连接到电极218、219。电源220产生加热电极218、219的电流，从而热激活流动到接触或紧靠电极218、219的第一前驱体气体分子中的至少一些。
本领域的技术人员应该知道，存在多种隔离电极218、219的方式以使得它们与第二前驱体气体的气流基本上隔离。例如，在一个实施例中，气体注入部件206包括一个或更多个隔板222或者物理地分隔第一区域208与第二区域212的其他类型的物理结构，由此使电极218、219与第二前驱体气体的气流隔离。在许多实施例中，一个或更多个隔板222由非导热材料形成，从而工艺室201中的热分布不会根据隔板222发射的热辐射明显改变。在一个实施例中，一个或更多个隔板222成形为横跨支撑衬底204的台板202维持第一和第二前驱体气体中的至少一种的层流。
在一个实施例中，电极218、219由催化材料形成。加热器可以定位为与该催化材料热连通以提高催化材料的反应速率。本领域的技术人员应该知道，可以采用多种类型的催化材料。例如，在一些实施例中，电极218、219由包括铼、钨、铌、钽和钼中的至少一种的催化材料形成。在各种实施例中，电极218、219可以由难熔和/或过渡金属形成。
根据本教导的操作气相外延***的方法包括：将用于气相外延的第一前驱体气体注入到靠近支撑衬底204的台板202的第一区域208中；以及将用于气相外延的第二前驱体气体注入到靠近支撑衬底的台板202的第二区域212中。在一种方法中，如结合图4A所描述的，第一和第二前驱体气体被注入到相应的多个交替的第一和第二区域中。
可以采用任何类型的VPE前驱体气体。例如，第一前驱体气体可以是氢化物前驱体气体例如NH3，第二前驱体气体可以是有机金属前驱体气体例如用于通过VPE生长GaN的三甲基镓。此外，第一前驱体气体可以是氢化物前驱体气体例如NH3，第二前驱体气体可以是金属卤化物前驱体气体例如用于通过VPE生长GaN的氯化镓。在一些方法中，采用三种前驱体气体。例如，在这些方法中，第一前驱体气体可以是氢化物前驱体气体例如NH3，第二前驱体气体可以是有机金属前驱体气体例如三甲基镓。第三前驱体气体可以是卤化物前驱体气体例如HCl。对于这三种前驱体气体，卤化物前驱体气体和有机金属前驱体气体反应以形成金属卤化物。在采用三种前驱体气体的方法中，气体注入部件206可以包括用于注入第三前驱体气体的第三区域。备选地，第三前驱体气体可以注入到第一区域208或第二区域212中。
第一和第二前驱体气体可以以任何角度被注入，该任何角度包括与支撑衬底204的台板202垂直或平行。第二前驱体气体的注入角度可以与第一前驱体气体的注入角度相同或者不同。第一前驱体气体分子流动到接触或紧靠电极218、219。然而，电极218、219至少部分地与注入的第二前驱体气体的流隔离。然后，电极218、219被电激活。在一些方法中，电极218、219通过物理隔板222与注入的第二前驱体气体的气流隔离。可以运用隔板222以维持在支撑衬底204的台板202的上方的层流，如结合图6所描述的。
在采用气幕的方法中，惰性气体注入到将电极218、219和第二前驱体气体的气流隔离的区域中。这里使用的术语“惰性气体”是指基本上不参与生长反应的气体。惰性气体通常与前驱体气体混合。这样的惰性气体在现有技术中称作“载气”。例如，当生长III-V族半导体材料时，诸如N2、H2、He或其混合物的气体被通常用作前驱体气体的载气。
电源220产生流过电极218、219的电流，从而电极218、219产生热激活第一前驱体气体分子而不激活可观量的第二前驱体气体分子的热量。加热的电极218、219通过各种机制将能量传输到第一前驱体气体分子，该各种机制包括电子的热电子发射以及电子和反应物质的相互作用。在根据本教导的一些方法中，电子不具有足以使反应物质离子化的能量。电子不具有足以使反应物质离子化的能量。电子不具有足以使反应物质离子化的能量的示例是使NH3离子化。在使NH3离子化的方法中，电子与反应物质相互作用以将物质激发到更高的能态。
在根据本教导的一些VPE***中，电极218、219是催化电极，其由如果条件有利则能够催化第一前驱体气体的催化材料形成。催化电极可以采用分离的加热器加热以促进催化反应。在一些方法中，这样的催化电极有助于分解靠近气体注入部件206表面的NH3，因为其远离支撑衬底204的台板202并因此可能不具有足够的用于分解的热能。采用催化电极降低了用于分解的激活能，并且因此即使在工艺室201的温度相对较低的区域(即，靠近气体注入部件206而远离衬底的区域)中也能增加NH3分解的可能性。通过降低反应的激活能或者通过使反应以不同的反应路径进行反应，催化电极可以使得反应得以进行，或者如果反应趋于发生则使反应更加快速地进行。在根据本教导的一种VPE***中，催化电极定位为靠近边界层区域126(图1)，以使得在第一前驱体气体与催化电极相互作用之后第一前驱体气体与第二前驱体气体立即混合。
根据本教导的其他VPE***包括不通电的催化电极。这是一种不被电源加电并仅采用催化材料和周围热量来促进催化反应的催化电极。在根据本教导的各种VPE***中，催化电极可以位于工艺室201中的任何位置处。在这些VPE***的一些中，催化电极定位为靠近台板202。定位为靠近台板202的催化电极可以仅通过来自台板202的间接加热而实现有效的催化活性。
在反应室201的气体注入部件206和台板202之间的流动区域224中，热激活的第一前驱体气体分子的片状(slab-like)气流通常沿着下游方向朝台板202和衬底204流动。在根据本教导的许多方法中，沿着下游方向的流动并不引起向下流动的气体的分离气流间的实质混合。有时期望设计并操作***200，使得在流动区域204中存在层流。台板202通过旋转驱动部件106而关于轴104快速地旋转，以使得台板202的表面和衬底204的表面快速地运动。台板202和衬底204的快速运动带动气体关于轴104旋转运动。因此，工艺气体快速流动远离轴104，由此使得各种气流中的工艺气体在边界层内彼此混合，边界层以边界层区域126示意性地示出。在边界层内混合物中的激活的第一前驱体气体分子和第二前驱体气体分子在衬底204的表面上方流动，由此反应以形成VPE膜。
在传统的VPE***中，前驱体气体在相对较低的温度下被引入到工艺室201中，因此具有低的有效能，典型地，有效能远低于诱导在衬底204表面上反应物质的快速反应所需的能量。在VPE的传统方法中，随着反应物质沿着下游方向从入口朝着边界层区域126流动，可能存在反应物质通过辐射热传输进行的一些加热。然而，大部分加热并且由此反应物质的有效能的大部分增加发生在边界层区域126内。在这些传统的VPE***中，基本上所有的加热都依赖于衬底204和台板202的温度。
在根据本教导的VPE***中，除由从衬底、台板和室壁的热量传输施加的能量外，大量的热量被提供给至少一种前驱体气体。可以控制能量被施加的位置。例如，通过将能量施加给在流动区域124(图1)与边界层区域126之间的过渡区附近的第一前驱体气体，第一前驱体气体的给定部分达到高的有效能的时刻与该部分到达衬底表面的时刻之间的时间可以被最小化。这样的控制有助于使不期望的副反应最小化。例如，具有高的有效能的氨气可以自发分解为诸如NH2和NH的物质，这些物质继而可以分解成可以非常快速地形成N2的单原子氮。氮气基本上不可用于与金属有机物的反应。通过正好在氨气进入边界层前或正好在氨气进入边界层时将能量施加给氨气，在表面处沉积半导体的期望的反应可以被促进而不期望的副反应可以被抑制，期望的反应例如为在衬底表面处的激发的NH3与金属有机物的反应或者物质NH2或NH与金属有机物的反应。
因此，本教导的一个特征是，通过采用根据本发明的电极，操作者能够不依赖于衬底204的温度来控制至少一种前驱体气体的有效能。因此，可以增加在边界层区域126(图1)中至少一种前驱体气体的有效能而不需要增加衬底204和台板202的温度。相反地，在仍然保持有效能的可接收水平的同时，衬底204和台板202可以保持在较低的温度。
图3图解了根据本教导的盘状气体注入部件300的一个实施例的顶视图，该气体注入部件300包括位于气体注入部件300的四分之一圆中的第一区域302和径向延伸通过四分之一圆的第二区域304。图3所示的顶视图呈现为沿着上游方向看向气体注入部件300中的前驱体气体入口。盘状气体注入部件300包括使第一区域302和第二区域304隔离的机械或化学阻挡305。如这里所描述的，机械或化学阻挡305可以为物理结构，例如隔板和/或注入惰性气体以隔离第一区域302和第二区域304的气幕。
为了清楚起见，图3示出了两个四分之一圆中的电极306和308。在根据本发明的许多VPE***中，电极306、308位于第一区302的四分之一圆的每个中。在一些实施例中，电极306、308的每个通过绝缘支撑结构来悬挂，以使得电极306、308是电浮置的并且易于连接到电源220(图2)。在各种实施例中，电极可以是线形(直线)电极或者非线形电极，非线形电极例如为使电极306、308暴露于第一前驱体气体的表面面积增加或最大化的卷曲电极或其他结构。
在许多***中，可以在整个第一区域302中采用相同类型的电极，但是在一些***中可以在第一区域302的不同位置处采用两种或更多种不同类型的电极。例如，靠近第二区域304(在第一区域302的边缘处)的电极的类型可以与位于第一区域302中央的电极的类型不同。出于图解定位不同类型电极的目的，图3示出了第一类型电极306，该第一类型电极306可以是线形或非线形的并位于第一前驱体气体气流的平面内。此外，图3示出了位于气体注入部件300的平面内的第二类型电极308。图3以线形图案示出了第二类型电极308。然而，应该知道的是，第二类型电极也可以形成为非线形图案例如卷曲。
电极306、308定位为距第二区域304足够远，以使得第二前驱体的化学势不会因其靠近电极306、308而变化。换言之，电极306、308基本上不与第二前驱体气体相互作用。本教导的VPE***的一个特征是，第一和第二前驱体气体可以注入到距衬底204(图2)相同的距离处。换言之，第二前驱体气体在工艺室201中不必被注入到第一前驱体气体的下方来避免激活。将第一和第二前驱体气体两者注入到工艺室201中的相同水平处在许多VPE工艺中是非常重要的，因为这样的注入可以在垂直流VPE工艺室中在大的面积上实现层流。层流因其可以改善均匀性而被许多VPE工艺所期望。
操作包括图3的气体注入部件300的VPE***的方法包括：在第一区域302的四分之一圆中注入第一前驱体气体以使得第一前驱体气体分子接触电极306、308。电极306、308被电源220(图2)加电，从而它们热激活第一前驱体气体分子。例如，第一前驱体气体可以是与载气混合的氢化物前驱体气体混合物。第二前驱体气体被注入到与电极306、308相邻的第二区域304中。例如，第二前驱体气体可以是与载气诸如氮气混合的有机金属混合物。选择工艺条件以使得第二前驱体气体不会流动到足够接近电极306、308而被电极产生的热量热激活。然后，激活的第一前驱体气体分子和第二前驱体气体分子在衬底204(图2)的表面上方流动，由此反应以形成VPE膜。
图4A图解了根据本教导的盘状气体注入部件400的一个实施例的截面，该气体注入部件400包括在气体注入部件400上交替设置的多个第一区域402和第二区域404。图4A所示的顶视图呈现为沿着上游方向看向气体注入部件400中的前驱体气体入口。多个第一区域402包括用于注入氢化物或卤化物前驱体气体与载气的气体入口。多个第二区域404包括用于注入有机金属气体与载气的气体入口。
在根据本教导的许多VPE***中，第一区域402的面积大于第二区域404的面积。在操作过程中，第一和第二前驱体气体的流速以及载气的流速可以针对第一区域402和第二区域404的具体尺寸而进行调节，以使得期望体积和浓度的前驱体气体横跨正被处理的衬底204(图2)流动。
气体注入部件400包括位于多个第一区域402中的多个电极406、408。在根据本发明的许多VPE***中，多个电极406、408位于第一区域402中或者距第二前驱体气体的气流尽可能地远以最小化通过电极406、408对第二前驱体气体分子的激活。图4A示出了两种不同取向的电极406、408。为了清楚起见，电极仅示出于多个第一区域402的少数部分中。在根据本教导的许多VPE***中，电极406、408位于多个第一区域402的每个中。在一些实施例中，电极406、408的每个通过绝缘支撑结构来悬挂，以使得电极406、408是电浮置的并易于连接到电源220(图2)。在各种实施例中，电极406、408可以是线形(直线)电极或非线形电极，非线形电极例如为使电极暴露于第一前驱体气体的表面面积增加或最大化的卷曲电极或其他结构。
在许多***中，可以在整个第一区域402中采用相同类型的电极，但是在一些***中可以在第一区域402的不同位置处采用两种或更多种不同类型的电极。出于图解定位不同类型电极的目的，图4A示出了第一类型电极406，该第一类型电极406可以是线形或非线形的并位于第一前驱体气体气流的平面内。此外，图4A示出了位于气体注入部件400的平面内的第二类型电极408。图4A将第二类型电极408示出为非线形电极，该非线形电极也可以是卷曲的。然而，应该知道的是，第二类型电极408也可以为线形电极。
图4B图解了盘状气体注入部件400的放大视图，其中图解了将电极406(图4A)、408与第二前驱体气体隔离的机械或化学阻挡405。机械或化学阻挡405将第一区域402中的电极406、408与第二区域404中流动的前驱体气体隔离。如这里所描述的，阻挡405可以是物理结构诸如隔板。此外，如这里所描述的，阻挡405可以是将惰性气体注入在第一区域402和第二区域404之间的气幕。
操作包括图4A和4B的气体注入部件400的VPE***的方法包括：在多个第一区域402中注入第一前驱体气体以使得第一前驱体气体分子接触电极406、408。电极406、408被电源220(图2)加电，从而它们热激活第一前驱体气体分子。例如，第一前驱体气体可以是与载气混合的氢化物前驱体气体混合物，该第一前驱体气体在其流动到接触电极406、408时被热激活。第二前驱体气体被注入到多个第二区域404中。例如，第二前驱体气体可以是与载气混合的有机金属混合物。选择工艺条件以使得第二前驱体气体不会流动到足够接近电极406、408而被电极406、408产生的热量热激活。然后，激活的第一前驱体气体分子和第二前驱体气体分子在衬底204(图2)的表面上方流动，由此反应以形成VPE膜。
图5图解了根据本教导的VPE***500的立体顶视图，该VPE***500包括水平流的气体注入部件502。VPE***500与结合图2描述的VPE***200相似。然而，VPE***500包括圆形的气体注入部件504、506和508，该气体注入部件504、506和508将前驱体气体和惰性气体注入到台板510的平面内(即，将水平流注入到工艺室中)。
在图5所示的实施例中，第一圆形气体注入部件504耦合到第一前驱体气体源512。第二圆形气体注入部件506耦合到惰性气体源514。第三圆形气体注入部件508耦合到第二前驱体气体源516。在根据本教导的一些VPE***中，第一圆形气体注入部件504和第三圆形气体注入部件505也耦合到载气源。第一圆形气体注入部件504将第一前驱体气体注入到第一水平区域518中。第三圆形气体注入部件508将第二前驱体气体注入到第二水平区域520中。
第一圆形电极522位于第一水平区域518中，以使得第一前驱体气体分子流动到接触或靠近圆形电极522。物理或化学阻挡可以位于第一水平区域518和第二水平区域520之间，以将圆形电极522与第二前驱体气体分子的气流隔离。在根据本教导的一些***中，隔板位于圆形电极522上方，以基本上防止第一前驱体气体分子在它们流到台板510时被电极522热激活。
在根据本教导的一些***中，气幕用于分离第一水平区域518和第二水平区域520。在这些***中，第二圆形气体注入部件506将惰性气体以如下图案注入到第一水平区域518和第二水平区域520之间，该图案可以基本上防止第二前驱体气体分子被圆形电极522热激活。
操作图5的VPE***500的方法包括：采用第一圆形气体注入部件504注入第一前驱体气体，采用第三圆形气体注入部件508注入第二前驱体气体。采用第二圆形气体注入部件506将惰性气体注入在第一水平区域518和第二水平区域520之间，以形成防止第二前驱体气体分子被圆形电极522激活的化学阻挡。当圆形电极522被电源220(图2)加电时，圆形电极522热激活第一前驱体气体分子，该第一前驱体气体分子由第一圆形气体注入部件504注入并流动到接触或紧靠圆形电极522。然后，激活的第一前驱体气体分子和第二前驱体气体分子在衬底524的表面上方流动，由此反应以形成VPE膜。
图6图解了在根据本教导的VPE***中用于热激活前驱体气体的翼形电极(foil-shaped)600，该电极600定位为接近台板602的表面。电极600定位为接近正被处理的衬底604和台板602的表面。图6所示的电极600成形为飞翼形，以横跨衬底604的表面提供前驱体气体的层流或近似层流。此外，在电极600由催化材料形成的实施例中，电极600可以成形为提供用于催化反应的相对较大的表面面积。
等效方案
尽管结合各种实施例描述了申请人的教导，但是并不旨在将申请人的教导局限于这些实施例。相反地，如本领域的技术人员应该知道的，申请人的教导包括在其中进行的各种替代方案、修改方案和等效方案而不脱离本教导的精神和范围。

Claims (37)

1.一种气相外延***，包括：
a.台板，支撑用于气相外延的衬底；
b.气体注入部件，包括耦合到第一前驱体气体源的第一区域和耦合到第二前驱体气体源的第二区域，该气体注入部件将第一前驱体气体注入到第一区域中并将第二前驱体气体注入到第二区域中；
c.至少一个电极，位于第一区域中以使第一前驱体气体分子流动到靠近该至少一个电极，并且该至少一个电极定位为与第二前驱体气体的气流基本上隔离；以及
d.电源，具有电连接到至少一个电极的输出，该电源产生加热至少一个电极的电流，从而热激活流动到靠近至少一个电极的第一前驱体气体分子中的至少一些。
2.根据权利要求1所述的***，其中气体注入部件包括控制该气体注入部件的温度的液体冷却通道。
3.根据权利要求1所述的***，其中在气体注入部件中的第一区域和第二区域包括在气体注入部件的至少一部分上交替设置的多个第一区域和第二区域。
4.根据权利要求1所述的***，其中第一前驱体气体和第二前驱体气体中的至少之一在与支撑衬底的台板垂直的方向上流过气体注入部件。
5.根据权利要求1所述的***，其中第一前驱体气体和第二前驱体气体中的至少之一在与支撑衬底的台板平行的方向上流过气体注入部件。
6.根据权利要求1所述的***，其中第一前驱体气体和第二前驱体气体中的一种在与支撑衬底的台板基本平行的方向上流过气体注入部件，而第一前驱体气体和第二前驱体气体中的另一种在与支撑衬底的台板基本垂直的方向上流过气体注入部件。
7.根据权利要求1所述的***，其中气体注入部件使第一前驱体气体和第二前驱体气体在台板上方以层流流动。
8.根据权利要求1所述的***，其中气体注入部件使第一前驱体气体和第二前驱体气体在台板上方以非层流流动。
9.根据权利要求1所述的***，其中气体注入部件还包括物理分隔第一区域和第二区域的隔板。
10.根据权利要求9所述的***，其中隔板成形为横跨支撑衬底的台板维持第一前驱体气体和第二前驱体气体的层流。
11.根据权利要求9所述的***，其中隔板由非导热材料形成。
12.根据权利要求1所述的***，其中至少一个电极由催化材料形成。
13.根据权利要求12所述的***，其中催化材料包括钨、铼和钼中的至少一种。
14.根据权利要求1所述的***，还包括定位为靠近台板的催化电极。
15.根据权利要求1所述的***，其中电极形成为非线形结构。
16.根据权利要求1所述的***，其中电极取向为在气体注入部件的平面内。
17.根据权利要求1所述的***，其中电极取向为在与气体注入部件垂直的平面内。
18.根据权利要求1所述的***，其中电极定位为靠近台板。
19.一种气相外延方法，该方法包括：
a.将用于气相外延的第一前驱体气体注入到靠近支撑衬底的台板的第一区域中；
b.将用于气相外延的第二前驱体气体注入到靠近支撑衬底的台板的第二区域中；
c.将电极定位在注入的第一前驱体气体的气流中；
d.将电极与注入的第二前驱体气体的气流隔离；以及
e.通过电极激活第一前驱体气体。
20.根据权利要求19所述的方法，其中激活第一前驱体气体产生第一前驱体气体基。
21.根据权利要求19所述的方法，其中激活第一前驱体气体包括：使电极通电以热激活第一前驱体气体。
22.根据权利要求19所述的方法，其中激活第一前驱体气体包括：通过催化电极材料催化激活第一前驱体气体。
23.根据权利要求19所述的方法，其中注入第一前驱体气体包括注入氢化物前驱体气体，而注入第二前驱体气体包括注入有机金属前驱体气体。
24.根据权利要求23所述的方法，还包括注入卤化物前驱体气体。
25.根据权利要求19所述的方法，其中注入用于气相外延的第一前驱体气体包括注入氢化物前驱体气体，而注入用于气相外延的第二前驱体气体包括注入金属卤化物前驱体气体。
26.根据权利要求19所述的方法，其中注入用于气相外延的第一前驱体气体和第二前驱体气体包括：与支撑衬底的台板平行地注入第一前驱体气体和第二前驱体气体。
27.根据权利要求19所述的方法，其中注入用于气相外延的第一前驱体气体和第二前驱体气体包括：与支撑衬底的台板垂直地注入第一前驱体气体和第二前驱体气体。
28.根据权利要求19所述的方法，其中注入用于气相外延的第一前驱体气体和第二前驱体气体包括：与支撑衬底的台板垂直地注入第一前驱体气体和第二前驱体气体中的一种，并且与支撑衬底的台板平行地注入第一前驱体气体和第二前驱体气体中的另一种。
29.根据权利要求19所述的方法，其中注入第一前驱体气体和第二前驱体气体包括：将第一前驱体气体和第二前驱体气体注入到多个交替的第一区域和第二区域中，其中第一前驱体气体注入到多个交替的第一区域和第二区域中的第一区域中，并且第二前驱体气体注入到多个交替的第一区域和第二区域中的第二区域中。
30.根据权利要求19所述的方法，其中将电极与注入的第二前驱体气体的气流隔离包括：用隔板隔离电极。
31.根据权利要求30所述的方法，其中用隔板隔离电极维持支撑衬底的台板上方的层流。
32.一种气相外延***，包括：
a.将用于气相外延的第一前驱体气体注入到靠近支撑衬底的台板的第一区域中的装置；
b.将用于气相外延的第二前驱体气体注入到靠近支撑衬底的台板的第二区域中的装置；
c.位于注入的第一前驱体气体的气流中的电极；
d.将电极与注入的第二前驱体气体的气流隔离的装置；以及
e.通过电极激活第一前驱体气体的装置。
33.根据权利要求32所述的***，其中通过电极激活第一前驱体气体的装置包括使电极通电。
34.根据权利要求32所述的***，其中通过电极激活第一前驱体气体的装置包括通过电极形成催化反应。
35.根据权利要求32所述的***，其中将电极与注入的第二前驱体气体的气流隔离的装置包括用隔板隔离电极。
36.一种气相外延方法，该方法包括：
a.将用于气相外延的包括H2和N2的第一前驱体气体注入到靠近支撑衬底的台板的第一区域中；
b.将用于气相外延的第二前驱体气体注入到靠近支撑衬底的台板的第二区域中；
c.将催化电极定位在注入的第一前驱体气体的气流中；
d.将电极与注入的第二前驱体气体的气流隔离；以及
e.对催化电极通电以激活第一前驱体气体，从而产生NH2和NH中的至少一种。
37.根据权利要求36所述的方法，还包括：定位与支撑衬底的台板热连通的第二催化电极，该第二催化电极不通电。
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PB01 Publication
C10 Entry into substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
C02 Deemed withdrawal of patent application after publication (patent law 2001)
WD01 Invention patent application deemed withdrawn after publication

Application publication date: 20110831