CN1796597A - 金属有机物化学气相淀积设备的多层流反应室结构 - Google Patents

Abstract

本发明设计涉及到半导体设备制造技术领域，特别是涉及金属有机物化学气相淀积(MOCVD)设备中的多层流反应室结构。该结构有多层气流，包括至少一层原材料气流层，一层隔离气流层，或/和反应室天棚的控温装置。原材料气流层紧贴着衬底，其中原材料通过扩散等机制迁移到衬底表面参与材料生长。隔离气流层夹在原材料气流层和反应室天棚之间，减少原材料与反应室天棚之间的接触和淀积。另外，反应室天棚的控温装置，控制反应室天棚的温度，提高了隔离气流层的隔离效果。本发明减少了原材料在反应室天棚上的淀积，提高原料的使用效率和衬底上生长晶体的质量。

Description

金属有机物化学气相淀积设备的多层流反应室结构

技术领域

本发明涉及金属有机物化学气相淀积(MOCVD)设备中的多层流反应室结构，涉及到半导体设备制造技术领域。

背景技术

“MOCVD”是Metal-Organic Chemical Vapor Deposition的简称，中文译为“金属有机物化学气相沉积”。该设备还有另一名称为MOVPE，是Metal-Organic Vapor Phase Epitaxy的简称，中文译为“金属有机物气相外延”。以上两者是同一实物，特此说明。

金属有机物化学气相淀积(MOCVD)自二十世纪六十年代首先提出以来，经过七十至八十年代的发展，九十年代已经成为砷化镓、磷化铟等光电子材料制备的核心生长技术，目前已经在砷化镓、磷化铟等光电子材料和器件生产中得到广泛应用。同时金属有机物化学气相淀积(MOCVD)是制备氮化镓发光二极管和激光二极管外延片的主流方法，从生长的氮化镓外延片和器件的性能以及生产成本等主要指标来看，还没有其它方法能与之相比。

用金属有机物化学气相淀积(MOCVD)设备生长薄膜材料，通常需要各种原材料以及携带气体。原材料包括金属有机物(MO)和气体源，是参与化学反应并且在生成物中含有本原料成分的材料。携带气体包括氢气、氮气、惰性气体等，这些气体只携带原材料输送到反应室中，本身不参与化学反应，即使参与化学反应也不会在生成物中含有气体成分。

通常的原材料金属有机物(MO)和气体源之间有强烈的预反应，如三甲基铝和氨气之间预反应非常剧烈。一般金属有机物(MO)是酸性物质，而气体源为碱性物质，两者物质之间有强烈的预反应生成不能分解的聚合物。为了减少两者之间的预反应，通常金属有机物(MO)和气体源分开进入反应室，直到反应室中衬底附近才汇合。如图1所示，金属有机物(MO)和气体源之间有一层隔板分开，直到反应室中衬底附近才汇合。当然，有些金属有机物(MO)与气体源之间没有预反应，或者预反应微弱，或者有预反应生产的聚合物还能分解，如砷化氢和三甲基镓之间就属于这种情况，此时金属有机物(MO)和气体源可以由一层气流进入反应室即可。

参见图1。现有金属有机物化学气相淀积设备反应室喷气口A，由两个气体入口组成：一是金属有机物MO源入口A1和气体原料入口A2。喷气口A喷出的原材料气体到达高温(通常生长温度为200-1700摄氏度)的反应室B中发生化学反应，在衬底3上生长出所需要的薄膜材料。然而，原材料除了在衬底3上淀积以外，还在反应室周壁上淀积，特别是在反应室天棚1上淀积，产生淀积物2。原材料在反应室天棚1上淀积会造成以下不利影响：a)造成原材料不必要的消耗，降低了原料的使用效率；b)由于原材料的消耗，造成生长厚度不均匀；c)反应室天棚1上的淀积物2脱落在衬底3上，降低了材料的质量；d)由于经常需要清洗反应室B以及天棚淀积物2，延长了设备的停机时间，降低了设备的使用时间。

发明内容

本发明的目的是减少原材料在反应室天棚上淀积，以及减少由此产生的淀积物，提高原料的使用效率和衬底上生长晶体的质量。

一种金属有机物化学气相淀积设备的多层流反应室结构，含有反应室、喷气口、石墨机座和取样口，其喷气口至少有两个气体入口，其一为隔离气入口，在原材料气体入口与反应室天棚之间，喷入的气体形成一“隔离气体层”，将原材料气体与反应室天棚隔开，减少原材料在反应室天棚上的淀积。

所述的反应室结构，其还包括控温装置，在反应室天棚上方，使反应室天棚与衬底之间的温度一致，提高隔离气流层的隔离效果。

所述的反应室结构，适合于金属有机物化学气相淀积设备以及一切需要避免气相预反应和热浮力的设备。

所述的反应室结构，其所述隔离气，是氢气、氮气、氩气或其它惰性气体中的一种或多种气体混合。

所述的反应室结构，其所述喷气口的原材料气体入口，至少为一个。

所述的反应室结构，其所述喷气口，用于生长氮化镓、砷化镓、磷化铟、氧化锌、碳化硅等的金属有机物化学气相淀积设备。

所述的反应室结构，其所述控温装置，为石墨加热控温装置、感应加热控温装置或电阻加热控温装置。

本发明具有以下优点：

(1)减少原材料与反应室天棚之间的接触和淀积，提高了原材料的生长效率。理论上原材料的生长效率提高50％以上，而我们实验也证实了这一结论。

(2)减少反应室天棚上的淀积物脱落而引发的材料质量下降几率。天棚上的淀积物迟早会脱落，掉在衬底上，影响材料生长。即使这些淀积物不“大块脱落”而是以“粉尘”形式脱落，也会降低外延材料的质量。

(3)由于原材料不在反应室天棚上淀积，反应室无需经常清洗，减少由于清洗反应室天棚而造成的停机时间。

附图说明

图1常规的原料气体入口结构会在反应室天棚上产生淀积物；

图2本发明带有隔离气流层和反应室天棚控温装置的多层流喷气口结构示意图；

图3为本发明第一实施例的示意图；

图4为本发明第二实施例的示意图；

图5为本发明第三实施例的示意图。

具体实施方式

为了更好地了解本分明中“隔离气流层”和“反应室天棚的控温装置”的作用，以下从物理上做更深入的说明。

(1)原材料在反应室内，除了在衬底上淀积生长所需要的物质外，还会在反应室周壁，特别是反应室天棚上淀积生长所不需要甚至有害的物质。

(2)为了减少在反应室天棚上淀积，应该：a)减少原材料向反应室天棚的供给；b)增加吸附在反应室天棚的原材料向气相中脱附速率。

(3)在原材料气流层和反应室天棚之间增加一隔离气流层，有利于减少原材料向反应室天棚供给，因为原材料需经过一层“隔离区”才能到达反应室天棚。

(4)一般情况下，衬底温度高于反应室天棚的温度，由于“热气上升”造成反应室内气体对流不可避免。如果提高反应室天棚的温度，使天棚的温度和衬底的温度相同或接近，反应室内气体如同在一个恒温的管道中流动，则反应室内上下气流层的对流可以大量减少，甚至完全没有对流。

(5)接上面第(4)条，由于反应室内上下气流层的对流可以大量减少，上层隔离气流层就不会与下面的原材料气流层相混合，原材料必须通过“隔离区”才能到达反应室天棚上，因此反应室天棚得到的原材料数量很少。

(6)再接上面第(4)条，由于提高了反应室天棚的温度，吸附在反应室天棚的原材料向气相中脱附的速率加快，温度越高，脱附越快。

(7)因此，在原材料气流层和反应室天棚之间增加一隔离气流层，减少了原材料向反应室天棚的供给。提高反应室天棚温度，一方面增强了隔离气流层的作用，另一方面加速吸附在反应室天棚的原材料向气相中脱附。最终反应室天棚得到原材料的速度小于向气相中脱附的速度。这就是本发明的物理解释。

为了更好地说明本发明的意义，下面对所提到的词汇作进一步解释。

所说的“原材料”，指的是利用金属有机物化学气相淀积(MOCVD)设备和方法来生长薄膜材料所需要，且参与化学反应并且在生成物中含有本原料成分的材料。特别指的是金属有机物(MO源)和气体原料。

所说的“携带气体”，指的是利用金属有机物化学气相淀积(MOCVD)设备和方法来生长薄膜材料时使用携带原材料的气体，这些气体本身不参与化学反应，即使参与化学反应也不会在生成物中含有气体成分。包括氢气、氮气、惰性气体等。

所说的“金属有机物”或“MO源”，指的是金属有机化合物，如三甲基镓、三甲基铝，三甲基铟等。

所说的“气体源”，指的是金属有机物化学气相淀积(MOCVD)常用的氢化物，如砷化氢砷烷、磷化氢磷烷、氮化氢氨气、硫化氢等。

所说的“衬底”或“基片”，指的是生长薄膜材料所用的基底，薄膜材料在其上面生长。

所说的“反应室”，指的是生长薄膜材料所在的区域。因为用金属有机物化学气相淀积(MOCVD)生长薄膜材料基本是一个化学反应过程，其所在区域即为反应室。

所说的“反应室天棚”，指的是反应室中最上面的内平面，如同房屋的天棚一样。

本发明提供一种多层流喷气口结构，如图2所示。本发明提供了金属有机物化学气相淀积(MOCVD)设备中一种喷气口A的结构。该结构由三个气体入口组成，吹入的气体构成三层气流层，包括两个原材料气体入口：MO源入口A1和气体源入口A2，两个气体入口A1、A2上下排列，构成了MO源和气体源二层气流层，一个隔离气入口A3，构成了一层隔离气流层。隔离气入口A3位于原材料气体入口上方，在反应室天棚1下方，处于反应室天棚1和原材料气体入口之间。在反应室天棚1的上方水平设置有控温装置5。原材料气流层含有生长材料所需要的原材料，紧贴着衬底3流动，其中原材料通过扩散等机制迁移到衬底表面参与材料生长。两层原材料气流层输送原材料有利于减少原材料之间的气相反应，可根据需要改变两层原材料气流层的混合点。另外一层隔离气流层夹在原材料气流层和反应室天棚1之间，抑制气体热浮力，减少原材料与反应室天棚1之间的接触和淀积，提高了原材料的生长效率，减少反应室天棚1上的淀积物脱落而引发的材料质量下降几率，或者减少由于清洗反应室天棚1而造成的停机时间。另外，反应室天棚1上的控温装置5，控制反应室天棚1的温度，减少隔离气流层与原材料气流层之间的对流，提高了隔离气流层的“隔离”效果。

需要说明的是，图2中含有两层原材料MO源和气体源气流层，这适合MO源与气体源有剧烈预反应的情况，如用三甲基铝和氨气合成氮化铝的情况。如果MO源与气体源没有预反应，或者预反应轻微，或者预反应后的生成物还能够继续反应如用三甲基镓和砷化氢合成砷化镓的情况，那么MO源和气体源只需要一层气流层即可。此时金属有机物化学气相淀积(MOCVD)设备的喷气口结构只有两层气流层，即一层原材料气流层、一层隔离气流层。这也属于本发明的范围，因为本发明的核心是那层“隔离气流层”和/或“反应室天棚1的控温装置5”。

反应室天棚1的控温装置5的目的是保持反应室天棚1与衬底3的温度的一致或接近，以减少热浮力引起的对流。由于衬底3由石墨机座4加热，温度很高(如生长氮化镓的温度为1000摄氏度)，如果反应室天棚1温度较低，那么衬底附近的原材料气体由于“热气”作用而上升，加剧了“隔离气流层”和“原材料气流层”之间的对流，降低隔离气流层的“隔离”效果。关于反应室天棚1的控温装置5的结构，可以是感应加热、电阻加热等加热方式，也可以只在反应室天棚1上增加保温层。本发明只设计到反应室天棚1的控温装置5，不设计到控制反应室天棚1温度的具体方式。

参阅图3，为第一实施例，是一个用氨气和三甲基镓TMGa生长氮化镓的反应室B。该反应室B的喷气口A有三层气体入口，分别为氢气入口A3、三甲基镓TMGa入口A1和氨气入口A2。衬底3放置在石墨机座4上，另外一块石墨做为控温装置5放置在反应室天棚1上，控制反应室天棚1的温度。该装置有两处用到本发明：i在三甲基镓TMGa和反应室天棚之间有一氢气通道作“隔离气流层”；ii在反应室天棚上方有一块石墨控制反应室天棚的温度。

在本发明第一实施例中“隔离气流层”中是氢气，也可以为氮气、氩气或其他惰性气体等。

在本发明第一实施例中“反应室天棚控温装置”中靠一块石墨加热控温，也可以改为其它控温方式。

参阅图4，为第二实施例，是一个用砷烷和三甲基镓TMGa生长砷化镓的反应室B。该反应室B的喷气口A有两层气体入口，分别为氢气入口A3、三甲基镓TMGa和砷烷入口A1。衬底3放置在石墨机座4上，另外一块石墨做为控温装置5放置在反应室天棚1上，控制反应室天棚1的温度。该装置有两处用到本发明：i在原材料气体三甲基镓TMGa、砷烷和反应室天棚之间有一氢气通道作“隔离气流层”；ii在反应室天棚上方有一块石墨控制反应室天棚的温度。

在本发明第二实施例中“隔离气流层”中是氢气，也可以为氮气、氩气或其他惰性气体等。

在本发明第二实施例中“反应室天棚控温装置”中靠一块石墨加热控温，也可以改为其它控温方式。

需要说明的是，虽然该反应室中只有一层原材料气体层，但这不影响本发明的有效性，因为本发明的核心是“隔离气流层”或/和“反应室天棚控温装置”。

参阅图5，为第三实施例，是一个用氧气和二乙基锌DEZn生长氧化锌的反应室B。该反应室B的喷气口A有三层气体入口，分别为氮气入口A3、二乙基锌DEZn入口A1和氧气入口A2。衬底3放置在石墨机座4上。由于氧化锌的生长温度低，在反应室天棚1上无需设置保温层和控温装置。该装置有一处用到本发明：即在二乙基锌DEZn和反应室天棚之间有一氮气通道作“隔离气流层”。

在本发明第三实施例中“隔离气流层”中是氮气，也可以为氩气或其他惰性气体等。

需要说明的是，虽然该反应室天棚无控温装置，但这不影响本发明的有效性，因为该反应室仍然使用“隔离气流层”。

Claims (7)

1、一种金属有机物化学气相淀积设备的多层流反应室结构，含有反应室、喷气口、石墨机座和取样口，其特征在于，喷气口至少有两个气体入口，其一为隔离气入口，在原材料气体入口与反应室天棚之间，喷入的气体形成一“隔离气体层”，将原材料气体与反应室天棚隔开，减少原材料在反应室天棚上的淀积。

2、如权利要求1所述的反应室结构，其特征在于，还包括控温装置，在反应室天棚上方，使反应室天棚与衬底之间的温度一致或接近，提高隔离气流层的隔离效果。

3、如权利要求1或2所述的反应室结构，其特征在于，适合于金属有机物化学气相淀积设备以及一切需要避免气相预反应和热浮力的设备。

4、如权利要求1所述的反应室结构，其特征在于，所述隔离气，是氢气、氮气、氩气或其它惰性气体中的一种或多种气体混合。

5、如权利要求1所述的反应室结构，其特征在于，所述喷气口的原材料气体入口，至少为一个。

6、如权利要求1或5所述的反应室结构，其特征在于，所述喷气口，用于生长氮化镓、砷化镓、磷化铟、氧化锌、碳化硅的金属有机物化学气相淀积设备。

7、如权利要求2所述的反应室结构，其特征在于，所述控温装置，为石墨加热控温装置、感应加热控温装置或电阻加热控温装置。

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