CN106498368A - 一种用于mocvd设备的喷淋头 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于MOCVD设备的喷淋头，包括多个互相隔离的进气室、相应的进气管道以及位于喷淋头中心的尾气导管。由于喷淋头同时具有进气导管和尾气导管，反应气体经喷淋头的进气导管从上向下喷入反应腔，最终经喷淋头中心的尾气导管从下向上抽出，反应腔内气体沿径向从外侧向中心流动，可大幅减少反应物沿程损耗的不利影响，有利于获得良好的外延生长均匀性。多个相互隔离的进气腔可选择性地输运第一、第二或者第三反应气体，通过选择进气腔合适的排列组合可以大幅提升金属有机气体的利用率，基本消除反应腔的侧壁的反应物沉积。

Description

一种用于MOCVD设备的喷淋头
技术领域
本发明涉及半导体制造技术领域，尤其是涉及一种用于MOCVD设备的喷淋头。
背景技术
金属有机物化学沉积（MOCVD）技术是生长高质量化合物半导体薄膜材料的重要技术手段，在制备薄层异质结、超晶格和量子阱等结构具有显著的优越性，已经成为III-V族和II-VI族化合物半导体及其多元固溶体材料的核心生长技术，尤其在制备氮化镓基发光二极管和激光器等方面获得巨大成功。
目前，主流的MOCVD设备根据气流通道设计可分为水平式和垂直式反应腔，其中：
水平式反应腔设计主要以Aixtron公司的行星式反应腔为代表，其采用自转加公转的行星旋转式技术，反应剂从中央喷口进入反应腔，沿着衬底呈辐射状向外缘水平流动，利用衬底的自转和公转获得稳定的层流，以解决水平式反应腔固有的反应物沿程损耗问题，从而在衬底表面上可获得均匀的生长速度。其优点是低速旋转、气体用量小，但是反应腔上方的石英罩有沉积的风险，且设备复杂，生长过程较难控制，因此设备维护和生长成本高。
垂直式反应腔以Emcore（被Veeco收购）的高速旋转盘式反应腔（RDR）以及ThomasSwan（被Aixtron收购）的紧近耦合喷淋（CCS）反应腔为代表。高速旋转盘式反应腔（RDR）的反应物从顶部法兰喷口进入反应腔，利用基座高速旋转产生的泵效应，抑制了由于喷口和基座距离大而容易引起的热对流，形成稳定的活塞流，保证了外延生长的均匀性，其优点是反应腔内壁沉积少、设备利用率高，但是气体用量大。而紧耦合喷淋式（CCS）反应腔的特点是喷淋头与衬底之间的距离很小，有利于抑制热对流获得稳定的层流，其优点是气体用量小、原材料利用率高，但是反应腔内壁沉积严重、清洁次数多。
对于上述主流的MOCVD设备设计，除了要求反应腔内气体无涡流的层流流动以及良好的外延生长均匀性这些基本要求之外，还需要考虑进一步降低外延片的生产成本。对于理想的MOCVD设备的反应腔设计需求，总结有如下几点：1.提高反应腔容量和设备利用率（减少清洗维护时间等）来提高生产量；2.提高外延生长均匀性和可重复性来提高成品率；3. 降低气体用量，提高金属有机气体的利用率来降低运行成本。可见，上述主流的MOCVD反应腔各有优缺点，并不能同时满足以上的需求，在提高金属有机气体利用率和减少反应腔侧壁沉积等方面都有较大的改进空间。
发明内容
本发明的目的在于提供一种用于MOCVD设备的喷淋头，该喷淋头可大幅提升金属有机气体的利用率，基本消除反应腔侧壁的反应物沉积，同时获得良好的外延生长均匀性。
本发明的目的是这样实现的：
一种用于MOCVD设备的喷淋头，包括用于接收反应气体的进气室，进气室是一个由顶板、外侧壁、内侧壁和底板构成的空心圆柱体，在进气室的下方依次设有冷却腔和反应腔，特征是：在进气室的底板上设有进气导管，在进气室上方的顶板的中心设有尾气导管，进气导管向下穿过进气室下方的冷却腔与反应腔相连通，将进气室内的反应气体通入反应腔中，尾气导管的上端开口于进气室外，尾气导管的下端向下依次穿过顶板、底板、冷却腔后与反应腔相连通，进气室内的反应气体经进气导管从上向下喷入反应腔中，反应腔中的尾气经尾气导管从下向上抽出，反应腔内的气体沿径向从外侧向中心流动。
尾气导管具有一个面向反应腔的下端面，冷却腔具有一个面向反应腔的下表面，尾气导管的下端面与冷却腔的下表面之间具有不同的距离，该距离大于或等于零，小于冷却腔的下表面与反应腔中的基座之间的距离。
在进气室内设有1--7个竖直的隔离壁，隔离壁将进气室分隔成2--8个互相隔离的进气腔，在每个进气腔的顶板上或侧壁上设置有各自的进气口以接收反应气体，在每个进气腔的底板上设置有各自的进气导管，进气导管将相应的进气腔内的反应气体从上向下喷入反应腔。
优选地，在进气室内设有2--3个竖直的隔离壁，隔离壁将进气室分隔成3--4个互相隔离的进气腔。
竖直的隔离壁是圆形或者多边形，或者它们的组合。
多个互相隔离的进气腔包括： 1到7个输运第一气体的进气腔，1到7个输运第二气体的进气腔，0到6个输运第三气体的进气腔。多个互相隔离的进气腔可选择性地输运第一气体、第二气体或者第三气体，从而进行排列组合。
所述第一气体为金属有机气体，或者金属有机气体和载气的混合气体；所述第二气体为氢化物气体，或者氢化物气体和载气的混合气体；所述第三气体为载气，包括氮气、氢气和惰性气体中的一种或多种。
与现有技术相比，本发明具有如下特点：
1、本发明同时具有进气导管和尾气导管，和传统MOCVD设备的喷淋头有着本质不同。传统MOCVD设备的尾气基本都是从反应腔的外侧由上向下抽出，其喷淋头或相似功能的部件只有将气体从上向下喷出，反应腔内的气体径向方向都从中心向外侧流动。本发明是在顶板的中心位置设置了尾气导管，反应气体经喷淋头的进气导管从上向下喷入反应腔中，最终经喷淋头中心的尾气导管从下向上抽出，反应腔内的气体沿径向从外侧向中心流动。该独特的气体流动方式可大幅减少反应物沿程损耗的不利影响，有利于获得良好的外延生长均匀性。
2、本发明的尾气导管具有一个面向反应腔的下端面，冷却腔具有一个面向反应腔的下表面，尾气导管的下端面与冷却腔的下表面之间具有不同的距离，该距离大于或等于零，小于冷却腔的下表面与反应腔中的基座之间的距离。这说明尾气导管可延伸至反应腔的内部，通过调节尾气导管的下端面与冷却腔的下表面之间的距离，可以起到调节反应腔内气体流动的重要作用。
3、本发明中多个相互隔离的进气腔可选择性地输运第一、第二或者第三反应气体，通过选择进气腔合适的排列组合可以大幅提升金属有机气体的利用率，基本消除反应腔的侧壁的反应物沉积。
4、在本发明中多个互相隔离的进气腔的顶板上或侧壁上分别设置有相应的进气口，因而可独立控制反应气体流量和气体种类，而且可以根据输运反应气体的种类，来设计进气导管的管径大小、形状和管间距，因此可获得较大的外延生长均匀性的工艺窗口。
5、本发明中反应气体流动集中在反应腔的基座上方的空间，保护了反应腔下方的配件不受反应物的污染，增加配件的使用寿命，减少设备维护成本。
附图说明
图1 是设置本发明所述喷淋头在实施例1中的MOCVD设备的剖面结构示意图；
图2 是本发明所述喷淋头在实施例1中的A-A向仰视图；
图3 是本发明所述喷淋头在实施例1中的B-B向俯视图；
图4 是本发明所述喷淋头在实施例2中的A-A向仰视图；
图5 是本发明所述喷淋头在实施例2中的B-B向俯视图；
图6 是本发明所述喷淋头在实施例3中的A-A向仰视图；
图7 是本发明所述喷淋头在实施例3中的B-B向俯视图。
具体实施方式
下面结合实施例并对照附图1对本发明作进一步的详细说明。
实施例1：
如图1所示，本发明提供了一种用于MOCVD设备的喷淋头，包括：用于接收反应气体的进气室1，进气室1是一个由顶板100、外侧壁110、内侧壁120和底板130构成的空心圆柱体，在进气室1中设有两个竖直的圆形隔离壁201、202，两个圆形隔离壁201、202将进气室1分隔成三个互相隔离的进气腔301、302和303，在三个互相隔离的进气腔301、302和303的顶板100上分别设置有相应的进气口501、502和503，以接收不同的反应气体，在三个互相隔离的进气腔301、302和303的底板130上分别设置有相应的进气导管401、402和403，进气导管401、402和403分别穿过进气室1下方的冷却腔700与反应腔800相连通，将进气腔301、302和303内的反应气体通入反应腔800中。
尾气导管600采用密封圈密封的可拆卸结构设置在喷淋头的顶板100的中心，尾气导管600与进气室1的侧壁120相邻，尾气导管600由双层不锈钢钢管焊接而成，中间有尾气导管冷却腔620，尾气导管600的上端开口于进气室1外，尾气导管600的下端向下依次穿过顶板100、底板130、冷却腔700后与反应腔800相连通，将反应腔800中的尾气从下向上抽出。
反应腔800包括侧壁810、位于反应腔800底部的基座820，基座820能够绕中心轴旋转；在基座820的上面设有用于放置晶片的晶片区；在基座820的下方设有加热器830，通过加热器830的加热可以使基座820上的晶片温度达到合适的生长晶体的温度。
如图2和图3所示，两个竖直的圆形隔离壁201和202将进气室1分隔成三个圆环状的进气腔301、302和303，且三个进气腔的进气导管401、402和403分别在相应的进气腔301、302和303内均匀分布，呈规则单圈或多圈同心圆排列，保证所有通过进气导管401进入反应腔800的气体流速相同，所有通过进气导管402进入反应腔800的气体流速相同，所有通过进气导管403进入反应腔800的气体流速相同。
本实施例中，三个进气腔从外到内依次为输运第二气体的进气腔302、输运第一气体的进气腔301和输运第三气体的进气腔303。所述第一气体为金属有机气体，或者金属有机气体和载气的混合气体；所述第二气体为氢化物气体，或者氢化物气体和载气的混合气体；所述第三气体为载气，包括氮气、氢气和惰性气体中的一种或多种。
三个进气腔的进气导管401、402和403呈规则的单圈或多圈同心圆排列，其中输运第一气体的进气腔301的进气导管401采用了单圈结构，以形成足够快的流速，保证金属有机气体到达基座820表面的输运能力，以能覆盖基座820的外缘为佳。
氢化物气体经进气腔302接收并从进气导管402喷出，一方面带动其内侧的金属有机气体以水平流形式向中心流动，同时也阻止了内侧的金属有机气体向反应腔800的侧壁810扩散，防止侧壁810的反应物沉积。
载体经进气腔303接收并从进气导管403喷出，将混合而成的金属有机气体和氢化物气体向下压制，即可阻止金属有机气体向上方的喷淋头以及尾气导管600的管壁610的扩散，减少上述区域反应物的沉积，更重要的作用是可以增加金属有机气体向基座820上的沉积效率，提高金属有机气体利用率，还可通过流量控制来调节该区域外延时的生长速度。
反应气体在经喷淋头从上到下输运到基座820的同时，在基座820的下方设有腔体吹扫气体进气口840，腔体吹扫气体可以是第二气体或者是第三气体，气流从下向上吹，以阻止上方下来含有金属有机气体和氢化物气体的混合气体向基座820下方的腔体流动，防止反应腔800的侧壁810下腔体部分的沉积以及保护加热器830。
在本实施例中，MOCVD设备的喷淋头同时具有进气导管401、402和403和尾气导管600，和传统MOCVD设备的喷淋头有着本质不同。传统MOCVD设备的尾气基本都是从反应腔的外侧由上向下抽出，其喷淋头或相似功能的部件只有将气体从上向下喷出，反应腔内的气体径向方向都从中心向外侧流动。本实施例的MOCVD设备的喷淋头在中心位置设置了尾气管600，反应气体经喷淋头中心的尾气管600从下向上被抽出，反应腔800内的气体沿径向从外侧向中心流动。该独特的气流流动方式可大幅减少反应物沿程损耗的不利影响，有利于获得良好的外延生长均匀性。
本实施例中的尾气导管600延伸至反应腔800的内部。冷却腔700的下表面与反应腔800内的基座820之间的距离为70mm，而尾气导管600的下端面与冷却腔700的下表面之间的距离为35mm。通过调节（由于尾气导管是密封圈密封的可拆卸结构，在开炉的时候可以拆卸更换，同时可以调节该距离）尾气导管600的下端面与冷却腔700的下表面之间的距离，可以起到调节反应腔800内气体流动的重要作用。
本实施例气体输运的特点为：（1）金属有机气体集中由输运第一气体的进气腔301接收并从较少数量的进气导管401进入反应腔800，保证了高浓度的金属有机气体快速的达到基座820，大幅提高了金属有机气体的利用率。（2）氢化物气体由位于喷淋头外侧的输运第二气体的进气腔302接收并从进气导管402进入反应腔800，既带动了其内侧的金属有机气体以水平流形式向中心流动，又阻止金属有机气体向反应腔800的侧壁810扩散，防止侧壁810沉积。（3）载体经输运第三气体的进气腔303接收并从进气导管403喷出将混合而成的金属有机气体和氢化物气体向下压制，防止在喷淋头中心区域形成湍流，提高反应腔800的气体流动的稳定性，同时阻止金属有机气体向上方的喷淋头以及尾气导管600的管壁610的扩散，减少反应物的沉积，而且也可以增加金属有机气体向基座820上的沉积效率，通过流量控制来调节该区域外延时的生长速度。（4）基座820下方设置腔体吹扫气体进气口840，气流从下向上吹，防止反应腔800的侧壁810下腔体部分的沉积以及保护加热器830。（5）反应气体最终从位于喷淋头中心的尾气管600从下向上被抽出，因此反应腔800内气体径向方向是从从外侧向中心流动，减少了反应物沿程损耗的不利影响。
可见，三个进气腔301、302和303内的反应气体各司其职，形成反应腔800内独特的气流流动方式，保证稳定的层流流动，不仅大幅提升了金属有机气体利用率而且大幅减少反应腔800的侧壁810的反应物沉积。由于三个进气腔301、302和303内的反应气体可通过进气口501、502和503单独控制气体流量，因此可获得较大的外延生长均匀性的工艺窗口。
三个进气腔301、302和303的反应气体除了上述的组合之外，还有其他的气体组合同样可以达到上述实施例的效果。表1列出了若干可行的反应气体组合。
。
实施例2：
如图4和图5所示，实施例2的结构与实施例1的结构基本相同，不同之处在于：
三个竖直的圆形隔离壁201、202和203将进气室1分隔成四个圆环状的进气腔301、302、303和304，且四个进气腔的进气导管401、402、403和404分别在相应的进气腔301、302、303和304内均匀分布，呈规则单圈或多圈同心圆排列。
本实施例中，四个进气腔从外到内依次为输运第二气体的进气腔302、输运第一气体的进气腔301和输运第三气体的进气腔303、304。所述第一气体为金属有机气体，或者金属有机气体和载气的混合气体；所述第二气体为氢化物气体，或者氢化物气体和载气的混合气体；所述第三气体为载气，包括氮气、氢气和惰性气体中的一种或多种。
四个进气腔的进气导管401、402、403和404呈规则单圈或多圈同心圆排列，其中输运第一气体的进气腔301的进气导管401采用了单圈结构而且数量更少，进一步增强了金属有机气体到达基座820表面的输运能力，以能覆盖基座820的外缘为佳。
实施例1中的进气腔303输运第三气体，本实施例中的两个进气腔303和304同时输运第三气体，这样可以进一步增强调节气体流动和外延生长速度的能力。
载体经输运第三气体的进气腔303接收并从进气导管403喷出，将混合而成的金属有机气体和氢化物气体往下压，形成压制气流。压制气流可阻止金属有机气体向上方的喷淋头扩散，减少喷淋头上该区域反应物的沉积，也可以增加金属有机气体向基座820上衬底的沉积效率，提高金属有机气体利用率，也可通过流量控制来调节该区域外延时的生长速度。
载体经输运第三气体的进气腔304接收并从进气导管404喷出，将阻挡金属有机气体和氢化物气体在进入尾气管之前向上扩散，防止在喷淋头中心区域形成湍流，提高反应腔800内气体流动的稳定性，减少金属有机气体在尾气导管600的管壁610和喷淋头中心的沉积。
四个进气腔301、302、303和304的反应气体除了上述的组合之外，还有其他的气体组合同样可以达到上述实施例的效果。表2列出了若干可行的反应气体组合。
。
实施例3：
如图6和图7所示，实施例3的结构与实施例1的结构基本相同，不同之处在于：
两个竖直的六边形隔离壁201和202将进气室1分隔成三个进气腔301、302和303，且三个进气腔的进气导管401、402和403分别在相应的进气腔301、302和303内均匀分布，呈正六边形单圈或多圈排列。
本实施例中，三个进气腔从外到内依次为输运第二气体的进气腔302、输运第一气体的进气腔301和输运第三气体的进气腔303。所述第一气体为金属有机气体，或者金属有机气体和载气的混合气体；所述第二气体为氢化物气体，或者氢化物气体和载气的混合气体；所述第三气体为载气，包括氮气、氢气和惰性气体中的一种或多种。
三个进气腔301、302和303的反应气体除了上述的组合之外，还有其他的气体组合同样可以达到上述实施例的效果。表3列出了若干可行的反应气体组合。
虽然本发明披露如上，但本发明并非限定于此。任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，均可作各种更动与修改，因此本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。

Claims (7)

1.一种用于MOCVD设备的喷淋头，包括用于接收反应气体的进气室，进气室是一个由顶板、外侧壁、内侧壁和底板构成的空心圆柱体，在进气室的下方依次设有冷却腔和反应腔，其特征在于：在进气室的底板上设有进气导管，在进气室上方的顶板的中心设有尾气导管，进气导管向下穿过进气室下方的冷却腔与反应腔相连通，将进气室内的反应气体通入反应腔中，尾气导管的上端开口于进气室外，尾气导管的下端向下依次穿过顶板、底板、冷却腔后与反应腔相连通，进气室内的反应气体经进气导管从上向下喷入反应腔中，反应腔中的尾气经尾气导管从下向上抽出，反应腔内的气体沿径向从外侧向中心流动。
2.根据权利要求1所述的用于MOCVD设备的喷淋头，其特征在于：尾气导管具有一个面向反应腔的下端面，冷却腔具有一个面向反应腔的下表面，尾气导管的下端面与冷却腔的下表面之间具有不同的距离，该距离大于或等于零，小于冷却腔的下表面与反应腔中的基座之间的距离。
3.根据权利要求1所述的用于MOCVD设备的喷淋头，其特征在于：在进气室内设有1--7个竖直的隔离壁，隔离壁将进气室分隔成2--8个互相隔离的进气腔，在每个进气腔的顶板上或侧壁上设置有各自的进气口以接收反应气体，在每个进气腔的底板上设置有各自的进气导管，进气导管将相应的进气腔内的反应气体从上向下喷入反应腔。
4.根据权利要求3所述的用于MOCVD设备的喷淋头，其特征在于：在进气室内设有2--3个竖直的隔离壁，隔离壁将进气室分隔成3--4个互相隔离的进气腔。
5.根据权利要求3所述的用于MOCVD设备的喷淋头，其特征在于：竖直的隔离壁是圆形或者多边形，或者它们的组合。
6.根据权利要求3所述的用于MOCVD设备的喷淋头，其特征在于：多个互相隔离的进气腔包括：1到7个输运第一气体的进气腔，1到7个输运第二气体的进气腔，0到6个输运第三气体的进气腔；多个互相隔离的进气腔可选择性地输运第一气体、第二气体或者第三气体，从而进行排列组合。
7.根据权利要求6所述的用于MOCVD设备的喷淋头，其特征在于：所述第一气体为金属有机气体，或者金属有机气体和载气的混合气体；所述第二气体为氢化物气体，或者氢化物气体和载气的混合气体；所述第三气体为载气，包括氮气、氢气和惰性气体中的一种或多种。
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