CN107366014B - 喷头、气相生长装置以及气相生长方法 - Google Patents

喷头、气相生长装置以及气相生长方法 Download PDF

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Abstract

一种喷头、气相生长装置以及气相生长方法，实施方式的喷头具备：混合室，被供给工艺气体；多个冷却部，分别隔着从混合室导入工艺气体的间隙设置在混合室的下方，且分别在内部具有沿水平方向设置的冷却孔；多个缓冲区域，设置在间隙的下方，从间隙导入工艺气体；以及喷淋板，设置在缓冲区域的下方，以规定的间隔配置有从缓冲区域导入工艺气体的多个贯通孔。

Description

喷头、气相生长装置以及气相生长方法
技术领域
本发明涉及供给工艺气体的喷头、使用该喷头的气相生长装置以及气相生长方法。
背景技术
作为成膜高品质的半导体膜的方法，具有通过气相生长在基板上进行成膜的外延生长技术。在使用外延生长技术的气相生长装置中，在以常压或者减压保持的气相生长装置内的支承部上载置基板。然后，一边对该基板进行加热，一边将作为原料的工艺气体供给至基板。在基板的表面发生工艺气体的热反应等，从而成膜外延单结晶膜。
在将工艺气体供给至基板的情况下，优选使用喷头对基板上均匀地供给工艺气体。在此，在成膜中由于喷头的温度上升可引起喷头的损伤、变形或工艺气体的热反应。因此，进行对喷头冷却的处理。
发明内容
本发明的实施方式提供一种能够均匀地冷却工艺气体的喷淋板、使用该喷淋板的气相生长装置以及气相生长方法。
实施方式的喷头具备：混合室，被供给工艺气体；多个冷却部，分别隔着从混合室导入工艺气体的间隙设置在混合室的下方，且分别在内部具有沿水平方向设置的冷却孔；多个缓冲区域，设置在间隙的下方，从间隙导入工艺气体；以及喷淋板，设置在缓冲区域的下方，以规定的间隔配置有从缓冲区域导入工艺气体的多个贯通孔。
实施方式的气相生长装置具备上述样式的喷头；设置在喷头下方的反应室；以及设置在反应室内、且能够载置基板的支承部。
实施方式的气相生长方法为，向在分别隔着间隙设置于混合室的下方的多个冷却部的内部分别沿水平方向设置的冷却孔供给制冷剂，向混合室供给工艺气体，由制冷剂来冷却经由间隙供给至设置于间隙的下方的缓冲区域的工艺气体，经由在设置于缓冲区域的下方的喷淋板上以规定的间隔配置的多个贯通孔，将冷却后的工艺气体供给至反应室，在载置于反应室内的基板上，使用工艺气体来使膜生长。
附图说明
图1是实施方式的气相生长装置的主要部分的示意剖视图。
图2是实施方式的其它形态的气相生长装置的主要部分的示意剖视图。
图3是实施方式的外周部冷却机构以及冷却孔的主要部分的示意图。
图4是实施方式的喷头的主要部分的立体剖视图。
图5是实施方式的喷头的主要部分的立体剖视图。
图6是实施方式的气相生长方法的流程图。
具体实施方式
以下，参照附图对本发明的实施方式进行说明。
此外，在本说明书中，将气相生长装置能够成膜地设置的状态下的重力方向定义为“下”，将其相反方向定义为“上”。因此，“下部”意思为相对于基准为重力方向的位置，“下方”意思为相对于基准为重力的方向。而且，“上部”意思为相对于基准为重力方向的相反方向的位置，“上方”意思为相对于基准为重力方向的相反方向。
而且，在本说明书中，“工艺气体”是为了向基板上成膜而使用的气体的总称，例如，包含原料气体、源气体以及载流气体等。
本实施方式的喷头具备：混合室，被供给工艺气体；多个冷却部，分别隔着从混合室导入工艺气体的间隙设置在混合室的下方，且分别在内部具有沿水平方向设置的冷却孔；多个缓冲区域，设置在间隙的下方，从间隙导入工艺气体；以及喷淋板，设置在缓冲区域的下方，以规定间隔配置有从缓冲区域导入工艺气体的多个贯通孔。
图1是实施方式的气相生长装置的主要部分的示意剖视图。图2是实施方式的其它形态的气相生长装置的主要部分的示意剖视图。图3是实施方式的外周部冷却机构以及冷却孔的主要部分的示意图。图4是实施方式的喷头的主要部分的立体剖视图。图5是实施方式的喷头的主要部分的立体剖视图。
实施方式的气相生长装置例如是使用MOCVD法(有机金属气相生长法)的纵型的单张处理型的外延生长装置。在实施方式的外延生长装置中，例如生长GaN(氮化镓)、AlN(氮化铝)、AlGaN(氮化铝镓)、以及InGaN(氮化铟镓)等III－V族的氮化物系半导体的单结晶膜。
气相生长装置1000具备反应室10。膜的生长在反应室10内进行。
在反应室10内，设置有能够载置晶片(基板)W、且能够使晶片W沿晶片W的周向旋转的支承部12。晶片W例如是Si(硅)晶片或蓝宝石晶片。作为支承部12，例如使用在中心具有开口部并用周缘来支承基板的支架，也可以使用没有开口部的基座。而且，在支承部12上，例如设置有用于使晶片W从支承部12拆装的未图示的顶料杆。
旋转轴18的上端设置于反应室10内。支承部12经由旋转环14和设置于旋转环14的下方的旋转基座16而与旋转轴18的上端连接。旋转轴18通过设置于旋转轴18的周围的旋转驱动机构20旋转，由此使晶片W沿其周向旋转。旋转驱动机构20例如由马达或者马达与齿轮的组合等构成。此外，旋转环14、旋转基座16以及旋转轴18的形态并不限定于此。
在反应室10的下方，设置有用于排出剩余的工艺气体以及反应副生成物的气体排出部28，与由用于排出气体并且使反应室10内成为规定的压力的真空泵、阀等构成的排气机构29连接。
加热部26例如由未图示的外部电源经由贯通旋转轴18的内部的电极22来供给电力、即通过未图示的电流导入端子和电极22来进行电力供给，从而发热。
反应室10具有未图示的晶片搬出搬入口。晶片搬出搬入口用于向反应室10内部搬入晶片W、以及向反应容器外部搬出晶片W。在此，对于晶片W的搬出搬入，例如使用未图示的机械手。由机械手搬入的晶片W在反应室10的内部由支承部12支承。此外，晶片W的搬出搬入的方法并不限定于此。
在反应室10的上方设置有喷头100。喷头100具备：第一透明部件192、第二透明部件194、顶板102、混合室110、冷却部120、冷却孔122、间隙126、缓冲区域130、连接部132、喷淋板140、贯通孔144、连接流路172、净化气体供给路37、净化气体连接流路157以及净化气体喷出孔117。
气体供给口162例如设置在两处，导入从供给第一工艺气体的第一气体供给路152、供给第二工艺气体的第二气体供给路154以及供给第三工艺气体的第三气体供给路156供给的各工艺气体。从气体供给口162导入的各工艺气体经由连接流路172等被导入混合室110。
在图1中示出的气相生长装置中，当第一工艺气体、第二工艺气体与第三工艺气体一旦混合后就被分离成两个***，并从两处气体供给口162以及连接流路172供给至混合室110。在图2中所示的气相生长装置中，首先第一工艺气体、第二工艺气体以及第三工艺气体分别被分离成两个***。接下来，被分离成两个***的各个第一工艺气体、第二工艺气体以及第三工艺气体混合，从两处气体供给口162以及连接流路172供给至混合室110。
在例如通过MOCVD法在晶片W上成膜GaN的单结晶膜的情况下，作为第一工艺气体供给氢(H2)。而且，作为第二工艺气体供给氮(N)的源气体即氨气(NH3)。进而，作为第三工艺气体供给将镓(Ga)的源气体即三甲基镓(TMG)用载流气体即氢(H2)稀释后的气体。
多个冷却部120隔着间隙126设置在混合室110的下方。从混合室110对间隙126导入工艺气体。
多个冷却部120在内部具有沿水平方向设置的冷却孔122。冷却孔122的内径为2R1。通过在冷却孔122的内部流动制冷剂，来冷却喷头100。制冷剂例如为水。
将铅垂方向及其相反的方向设为Z方向，将与Z方向垂直的方向中的一个方向设为X方向，将与Z方向和X方向垂直的方向设为Y方向。在气相生长装置1000以能够成膜的状态配置的情况下，多个冷却部120在X方向上隔着间隙126而设置。冷却部120以及冷却孔122与Y方向平行地延伸设置。冷却孔122的中心线124与Y方向平行。而且，冷却孔122的内径2R1是在与XZ面平行的面内取得的。
多个缓冲区域130在间隙126的下方针对各个间隙126的每个而设置。对多个缓冲区域130分别从间隙126导入工艺气体。
喷淋板140设置在缓冲区域130的下方。喷淋板140具有多个贯通孔144和主面142。多个贯通孔144的内径为2R2。这里，2R2是在与XY平面平行的面内取得的。多个贯通孔144在X方向上具有规定的间隔L3而设置。这里，规定的间隔L3是各个贯通孔144的中心线146彼此之间的间隔。而且，多个贯通孔144在Y方向上也具有规定的间隔L3而设置。多个贯通孔144的中心线146与Z方向平行。因此，多个贯通孔144的中心线146与冷却孔122的中心线相互垂直。从缓冲区域130对多个贯通孔144导入工艺气体。主面142是设置在喷头100的反应室侧的面，是与XY面平行的面。
多个冷却部120通过设置在各个冷却部120的下方的连接部132与喷淋板140连接。缓冲区域130是设置在多个连接部132之间的区域。
供给至贯通孔144的工艺气体被向反应室10内供给。供给至反应室10内的工艺气体用于反应室10内的支承部12上所载置的晶片W上的成膜。剩余的工艺气体以及通过成膜而产生的副生成物从气体排出部28排出。
在与喷淋板140的主面142平行且与冷却孔122的中心线124垂直的第一方向上的间隙126的宽度L1比与第一方向平行的方向上的缓冲区域130的宽度L2短。这是因为，将供给至间隙126的工艺气体向缓冲区域130供给，在缓冲区域130暂时使工艺气体滞留，由此对多个贯通孔144均匀地供给工艺气体。在本实施方式中，主面142设置在XY平面内。冷却孔122的中心线与Y方向平行。因此，第一方向与X方向平行，在与喷淋板140的主面142平行且与冷却孔122的中心线124垂直的第一方向上的间隙126的长度L1是在与X方向平行的方式下取得的。
贯通孔144的内径2R2和与第一方向平行的方向上的规定的间隔L3之和，在第一方向(宽度方向)上的缓冲区域130的宽度L2以下。在贯通孔144的内径2R2与L3之和比L2长的情况下，在连接部132的下方配置有贯通孔144。无法对这样的贯通孔144良好地供给工艺气体，因此工艺气体向晶片W上的供给变得不均匀。
冷却孔122的内径2R1比与喷淋板140的主面142垂直的方向即Z方向上的冷却部120的长度t1小。这是因为，假设2R1在t1以上时，则在冷却部120内无法配置冷却孔122。
冷却孔122的内径2R1比与喷淋板140的主面142垂直的方向上的缓冲区域130的长度t2大。这是因为，通过增大冷却孔122的内径，并且减小缓冲区域130的长度而使冷却部120与喷淋板140之间的距离缩短，由此对冷却孔122供给较多量的制冷剂，并且通过冷却部120能够高效地冷却喷淋板140。
与喷淋板140的主面142垂直的方向上的缓冲区域130的长度t2比贯通孔144的内径2R2大。这是因为，在使工艺气体在缓冲区域130内充分滞留后，才将工艺气体供给至贯通孔144。
冷却部120、连接部132以及喷淋板140能够一体制作。而且，也可以分别独立地制作冷却部120、连接部132以及喷淋板140，然后通过对它们接合来制作。
优选气相生长装置1000还具备供给净化气体的净化气体供给路37。由此，能够抑制向反应室侧壁的膜堆积，能够在基板上成膜低缺陷的膜。净化气体是指，为了抑制在成膜中膜向反应室10的侧壁内面(内壁)堆积而沿反应室10的侧壁向晶片W的外周侧供给的气体。净化气体包含例如从氮气、氢气以及非活性气体选择的至少一种。
净化气体喷出孔117与净化气体连接流路157连接。净化气体连接流路157作为环状的中空部分形成于喷头100的外侧区域的内部。净化气体供给路37与净化气体连接流路157连接。因此，净化气体供给路37经由净化气体连接流路157与多个净化气体喷出孔117连接。
外周部冷却机构180具备外周部冷却流路184、第一冷机186和第二冷机188。从第一冷机186供给的制冷剂在外周部冷却流路184中将反应室10与喷淋板140之间的O形环(未图示)冷却，在喷淋板140中将外侧的6条冷却孔122a以及外侧的6条冷却孔122d冷却。从第二冷机188供给的制冷剂在喷淋板140中将内侧的3条冷却孔122b以及内侧的3条冷却孔122c冷却。另外，外周部冷却机构180的形态并不限定于此，例如还可以使用公知的冷却散热片等。
控制机构190与旋转驱动机构20连接，进行基于旋转驱动机构20的晶片W的旋转以及旋转速度的控制。而且，与加热部26连接，进行晶片W的温度控制。进而，与排气机构29连接，进行反应室10内的压力控制。进而，与在第一气体供给路152、第二气体供给路154以及第三气体供给路156上分别设置的流量控制机构151、153、155连接，从而控制各气体的流量。另外，进行机械手搬运晶片W的控制等的适当控制。另外，作为流量控制机构151、153、155，使用公知的质量流量控制器、针阀、或者它们的组合。
控制机构190可以由电气电路、量子电路等硬件构成，也可以由软件构成。在由软件构成的情况下，可以使用以CPU(Central Processing Unit)为中心的微处理器、存储处理程序的ROM(Read Only Memory)、暂时存储数据的RAM(Random Access Memory)以及输入输出端口以及通信端口。记录介质并不限定于磁盘、光盘等能够装卸的记录介质，也可以是硬盘装置或存储器等的固定型的记录介质。
计测装置50设置在顶板102上。计测装置50例如为使用激光来测定晶片W的弯曲的装置、使用激光来测定在晶片W上生长的膜的膜厚或膜质的装置、或者通过来自晶片W的辐射来测定晶片W的温度的放射温度计等。
第一透明部件192设置在顶板102内。第二透明部件194设置在喷淋板140内。在第二透明部件194中，设置有以与贯通孔144相同的直径、间距设置的、用于导入混合后的工艺气体的贯通孔195。第一透明部件192以及第二透明部件194使从计测装置50照射的激光或来自晶片W的辐射通过。
为了检测使上述激光高效地照射至晶片W而反射的激光、或者高效地检测上述辐射，优选第一透明部件192或者/以及第二透明部件194分别贯通顶板102以及喷淋板140。而且，优选第一透明部件192配置在第二透明部件194的正上方，并且计测装置50配置在第一透明部件192的正上方。
第一透明部件192以及第二透明部件194是相对于在计测装置50中使用的规定的波长足够透明的部件，例如能够优选使用石英玻璃。而且，如果需要充分强度、相对于上述规定的波长足够透明且相对于工艺气体等的耐性较高，则能够优选使用蓝宝石等。
在第二透明部件194的上方区域196，为了不妨碍计测装置50的测定，也可以不设置冷却部120或冷却孔122。根据这样的结构，在将第二透明部件194设置在喷淋板140内的情况下，借助使用将第二透明部件194从喷淋板140上方安装到喷淋板140内的机构，能够容易进行喷头100的制作。
接下来，对实施方式的喷头100以及气相生长装置1000的作用效果进行叙述。
在实施方式的喷头100中，各个冷却部120由在冷却孔122中流动的制冷剂来冷却。喷淋板140经由连接部132而由冷却部120冷却。由此，能够对喷头100均匀地冷却。
而且，通过了间隙126的工艺气体在暂时滞留在缓冲区域130内之后，通过贯通孔144、195而供给至反应室10。由此，根据实施方式的喷头100，能够均匀地对反应室10供给工艺气体。
借助外周部冷却流路184从外周来冷却喷头100。因此，根据实施方式的喷头，能够提供可进一步进行均匀冷却的喷头。
根据实施方式的气相生长装置，能够使喷头100所具有的各个贯通孔144的压力损失一致，从而使工艺气体流量、流速全部均匀。而且，借助设置在喷淋板140的内外的双***的冷却机构，能够控制温度分布，使通过喷淋板140的工艺气体的温度均匀，或者使其保持分布。因此，根据实施方式的气相生长装置，能够使工艺气体均匀地供给至反应室10，能够使优质的膜在基板上生长。
图6是实施方式的气相生长方法的流程图。
本实施方式的气相生长方法为，向在分别隔着间隙设置于混合室的下方的多个冷却部的内部分别沿水平方向设置的冷却孔供给制冷剂，向混合室供给工艺气体，由制冷剂来冷却经由间隙供给至设置于间隙的下方的缓冲区域的工艺气体，经由在设置于缓冲区域的下方的喷淋板上以规定间隔配置的多个贯通孔，将冷却后的工艺气体供给至反应室，在载置于反应室内的基板上，使用工艺气体来使膜生长。
首先，控制机构190使用例如机械手将晶片W搬入反应室10，并载置于支承部12。接下来，控制机构190使用加热部26来对晶片W进行加热。接下来，控制机构190使用旋转驱动机构20使晶片W沿晶片W的周向以规定的旋转速度旋转。
接下来，从第一冷机186向在各自的内部具有冷却孔122且隔着间隙126设置在混合室110的下方的多个冷却部120的冷却孔122供给制冷剂(S08)。而且，从第二冷机188向外周部冷却流路184供给制冷剂。此外，外周部冷却流路184可以与冷却孔122串联，也可以将冷却孔122作成双重管构造，使外侧体与外周部冷却流路184串联而由第一冷机控制，使内侧体由第二冷机控制。这些也可以由控制机构190来控制。
接下来，将由控制机构190进行了流量控制的、第一工艺气体以及第二工艺气体、另外根据需要而使用的第三工艺气体进行混合，然后供给至混合室110(S10)。
接下来，通过制冷剂来冷却经由间隙126而供给至设置于间隙126的下方的缓冲区域130的工艺气体(S12)。
冷却后的工艺气体经由以规定间隔配置在设置于缓冲区域130的下方的喷淋板140上的多个贯通孔144，供给至反应室10。
供给至混合室110的工艺气体经由间隙126、缓冲区域130、贯通孔144而被导入反应室10，并在晶片W上形成膜(S14)。
接下来，净化气体经由净化气体供给路37和净化气体连接流路157而从净化气体喷出孔117供给至反应室10的侧壁内面(内壁)。
当膜的生长结束时，使晶片W的温度下降，使用例如机械手将晶片W搬出至反应室10外。
剩余的工艺气体以及反应副生成物经由设置于反应室10下方的气体排出部28而借助真空泵等排气机构29排出至反应室10外。
根据实施方式的气相生长方法，能够控制工艺气体的冷却而向反应室10供给，因此能够使优质的膜在晶片W上生长。
在实施方式中，对于结构等、对本发明的说明所不直接需要的部分等省略了记载，但能够适当选择使用所需要的结构等。而且，具备本发明的要素、且本领域技术人员可适当进行设计变更的喷头、以及使用该喷头的气相生长装置以及气相生长方法包含在本发明的范围中。本发明的范围由专利请求的范围以及其等同物的范围来定义。

Claims (5)

1.一种喷头，具备：
混合室，被供给用于在基板上形成膜的各工艺气体，并将该各工艺气体进行混合；
多个冷却部，分别隔着从上述混合室导入上述各工艺气体的间隙设置在上述混合室的下方，且分别在内部具有沿水平方向设置的冷却孔；
多个缓冲区域，分别设置在上述间隙以及上述冷却部的下方，从上述间隙被导入上述各工艺气体，暂时使上述各工艺气体滞留；以及
喷淋板，设置在上述缓冲区域的下方，以规定的间隔配置有从上述缓冲区域导入上述各工艺气体的多个贯通孔，
上述多个缓冲区域沿着与上述喷淋板的主面平行且与上述冷却孔的中心线垂直的方向延伸。
2.根据权利要求1所述的喷头，其中，
上述间隙的宽度比上述缓冲区域的宽度短。
3.根据权利要求1所述的喷头，其中，
在上述缓冲区域的宽度方向上的上述贯通孔的内径与上述规定的间隔之和，在上述缓冲区域的宽度以下。
4.一种气相生长装置，具备：
权利要求1所述的喷头；
反应室，设置在上述喷头的下方；以及
支承部，设置在上述反应室内，能够载置基板。
5.一种气相生长方法，其中，
向在分别隔着间隙设置于混合室的下方的多个冷却部的内部分别沿水平方向设置的冷却孔供给制冷剂，
向上述混合室供给用于在基板上形成膜的各工艺气体，并在该混合室将上述各工艺气体混合，
由上述制冷剂来冷却经由上述间隙供给至设置于上述间隙以及上述冷却部的下方的缓冲区域的上述各工艺气体，
使通过了上述间隙的上述各工艺气体暂时滞留在上述缓冲区域内之后，经由在设置于上述缓冲区域的下方的喷淋板上以规定的间隔配置的多个贯通孔，将冷却后的上述各工艺气体供给至反应室，
在载置于上述反应室内的基板上，使用上述各工艺气体来使膜生长，
上述缓冲区域沿着与上述喷淋板的主面平行且与上述冷却孔的中心线垂直的方向延伸。
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