CN216864318U - 一种mocvd*** - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种MOCVD***，涉及半导体材料生长设备技术领域。该MOCVD***包括气体控制模块、反应腔、气体输送管路和气体切换装置，气体控制模块用于控制反应气体的气体流量、压力和种类。反应气体在反应腔内发生化学反应产生沉积物；气体控制模块与反应腔通过气体输送管路连接，气体切换装置设置于气体输送管路上，气体输送管路自气体切换装置至反应腔的长度为预设长度，缩短了气体切换装置与反应腔之间反应气体的流通路径。在切换不同的反应气体进入反应腔内进行化学反应时，减少了切换后在气体输送管路中残留的切换前的反应气体，使得不同的反应气体在反应腔中界面清晰，没有明显的过渡层，提高了不同沉积材料的分界精准性。

Description

一种MOCVD***

技术领域

本实用新型涉及半导体材料生长设备技术领域，尤其涉及一种MOCVD***。

背景技术

MOCVD***(Metal Organic Chemical Vapor Deposition，金属有机化学气相沉积***)作为半导体材料生长的主要设备，其主要用于生长Ⅲ-Ⅴ族化合物如氮化镓(GaN)、砷化镓(GaAs)等半导体材料，使用MOCVD***也可以用来生长半导体异质结、超晶格、量子阱等低维结构材料，在半导体光电和微电子领域得到广泛应用。

用MOCVD***生长InP-GaAs材料的光电芯片时，在沉积InP-GaAs以及不同参杂材料层时，要求相互之间界面清晰，即各层材料交接面没有第三种非设定的材料层发生。这就要求在前一层材料生长结束时，迅速进行气体切换，减少前后两种材料生长时的反应气体切换时间和切换空间。当前MOCVD***普遍存在不同反应气体切换有明显过渡层，不同沉积材料的分界精准性差的问题。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提出一种MOCVD***，该MOCVD***能够提高不同沉积材料的分界精准性。

为达此目的，本实用新型采用以下技术方案：

一种MOCVD***，包括：

气体控制模块，用于控制反应气体的气体流量、压力和种类；

反应腔，所述反应气体在所述反应腔内发生化学反应后产生沉积物；

气体输送管路，所述气体控制模块与所述反应腔通过所述气体输送管路连接；

气体切换装置，设置于所述气体输送管路上，所述气体输送管路自所述气体切换装置至所述反应腔的长度为预设长度。

作为MOCVD***的一个可选方案，所述预设长度为0mm～500mm。

作为MOCVD***的一个可选方案，所述气体输送管路包括第一输送管路和第二输送管路，通过所述第一输送管路和所述第二输送管路将所述反应气体分别输送至所述反应腔的不同区域。

作为MOCVD***的一个可选方案，所述第一输送管路上设置有第一质量流量控制器，通过所述第一质量流量控制器控制所述第一输送管路的气体流量，所述第二输送管路的气体流量随所述第一输送管路的气体流量的变化而相应变化。

作为MOCVD***的一个可选方案，所述第二输送管路上设置有质量流量计，所述质量流量计用于监测所述第二输送管路的气体流量。

作为MOCVD***的一个可选方案，所述气体切换装置包括第一开关阀和第二开关阀，所述第一开关阀设置于所述第一输送管路上，所述第二开关阀设置于所述第二输送管路上。

作为MOCVD***的一个可选方案，所述MOCVD***包括送气管路和排气管路，所述送气管路与所述气体输送管路连接，所述反应气体经所述送气管路输送至所述气体输送管路，其余气体经所述排气管路排出。

作为MOCVD***的一个可选方案，所述气体控制模块包括第二质量流量控制器和第一压力控制器，第二质量流量控制器和第一压力控制器均设置于所述送气管路上，所述第二质量流量控制器和所述第一压力控制器共同控制所述送气管路中的气体流量，所述第一压力控制器用于控制所述送气管路中的压力。

作为MOCVD***的一个可选方案，所述气体控制模块还包括第二压力控制器和针阀，所述第二压力控制器和所述针阀均设置于所述排气管路上，所述针阀设置于所述排气管路的尾端，所述第二压力控制器用于控制所述排气管路中的压力，以使所述排气管路中的压力与所述送气管路中的压力保持一致。

本实用新型的有益效果：

本实用新型提供的MOCVD***，通过在气体控制模块和反应腔之间的气体输送管路上设置气体切换装置，气体输送管路自气体切换装置至反应腔的长度为预设长度，缩短了气体切换装置与反应腔之间反应气体的流通路径。在需要切换不同的反应气体进入反应腔内进行化学反应时，大大减少了切换后在气体输送管路中残留的切换前的反应气体，使得不同的反应气体在反应腔中界面清晰，没有明显的过渡层，提高了不同沉积材料的分界精准性。

附图说明

图1是本实用新型具体实施方式提供的MOCVD***的工作原理图。

图中：

1、气体控制模块；2、反应腔；3、气体输送管路；4、第一质量流量控制器；5、质量流量计；6、第一开关阀；7、第二开关阀；8、送气管路；9、排气管路；

11、第二质量流量控制器；12、第一压力控制器；13、第二压力控制器；14、针阀；31、第一输送管路；32、第二输送管路。

具体实施方式

为使本实用新型解决的技术问题、采用的技术方案和达到的技术效果更加清楚，下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本实用新型的技术方案。

在本实用新型的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”、“固定”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。

在本实用新型中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

在本实施例的描述中，术语“上”、“下”、“右”等方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述和简化操作，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅仅用于在描述上加以区分，并没有特殊的含义。

使用MOCVD***生长InP-GaAs材料的光电芯片时，使用的原材料主要有金属有机化合物(MO)和氢化物，其中M0源主要以固态或者液态两种形式存储在不锈钢的源瓶中，需要通过载气经过气体输送管路把MO源蒸汽运送到反应腔中。为了满足生长陡峭异质结，或突变掺杂时，往往需要变换反应气体，这就要求不同的反应气体能快速平稳地切换，且切换时，要维持气路压力平衡。

如图1所示，本实施例提供了一种MOCVD***，包括气体控制模块1、反应腔2、气体输送管路3和气体切换装置，气体控制模块1用于控制反应气体的气体流量、压力和种类。反应气体在反应腔2内发生化学反应产生沉积物；气体控制模块1与反应腔2通过气体输送管路3连接，气体切换装置设置于气体输送管路3上，气体输送管路3自气体切换装置至反应腔2的长度为预设长度。

在现有技术中，气体控制的元器件都集成在气体控制模块1中，反应气体的种类的选择和切换、气体流量和压力等都在气体控制模块1中完成，然后再通过气体输送管路3输送到反应腔2。

本实施例提供的MOCVD***，通过在气体控制模块1和反应腔2之间的气体输送管路3上设置气体切换装置，气体输送管路3自气体切换装置至反应腔2的长度为预设长度，缩短了气体切换装置与反应腔2之间反应气体的流通路径，在需要切换不同的反应气体进入反应腔2内进行化学反应时，大大减少了切换后在气体输送管路3中残留的切换前的反应气体，使得不同的反应气体在反应腔2中界面清晰，没有明显的过渡层，提高了不同沉积材料的分界精准性。

MOCVD***还包括工控机，气体控制模块1、气体切换装置均与工控机电连接。通过工控机控制气体控制模块1中的各个气体控制的元器件控制反应气体种类选择、气体流量和压力，通过工控机控制气体切换装置切换不同的反应气体。

作为MOCVD***的一个可选方案，MOCVD***包括送气管路8和排气管路9，送气管路8与气体输送管路3连接，反应气体经送气管路8输送至气体输送管路3，其余气体经排气管路9排出。

反应气体是由三种或五种不同的有机源混合而成的M0源，在送气管路8中通入H₂、N₂或H₂和N₂混合的载气，将MO源经过气体输送管路3输送至反应腔2进行反应。在需要对反应气体中的有机源的种类进行切换时，通过气体切换装置进行切换。排气管路9用于排出切换之前的反应气体，以实现不同的反应气体能快速平稳地切换。

作为MOCVD***的一个可选方案，气体控制模块1包括第二质量流量控制器11和第一压力控制器12，第二质量流量控制器11和第一压力控制器12均设置于送气管路8上，第二质量流量控制器11和第一压力控制器12共同控制送气管路8中的气体流量，第一压力控制器12用于控制送气管路8中的压力。

第二质量流量控制器11和第一压力控制器12均与工控机电连接，通过工控机控制第一质量流量控制器4和第一压力控制器12，第一质量流量控制器4和第一压力控制器12共同调节送气管路8中的反应气体的气体流量，以满足反应腔2所需求的反应气体的气体流量。通过工控机控制第一压力控制器12，第一压力控制器12用于控制送气管路8中的压力，以使反应气体被高速流动的载气通过气体输送管路3运送至反应腔2内。

作为MOCVD***的一个可选方案，气体控制模块1还包括第二压力控制器13和针阀14，第二压力控制器13和针阀14均设置于排气管路9上，针阀14设置于排气管路9的尾端，第二压力控制器13用于控制排气管路9中的压力，以使排气管路9中的压力与送气管路8中的压力保持一致。针阀14的设置，使得排气管路9中的压力能够随第二压力控制器13的调节而变化。

第二压力控制器13与工控机电连接。在生长陡峭异质结或需要突变掺杂时，需要变换多种或不同的反应气体使它们可以在送气管路8和排气管路9之间进行快速平稳的切换，这就需要送气管路8和排气管路9中的压力保持一致，当送气管路8中的压力发生改变，排气管路9中的压力也要跟随改变，且始终保持跟随关系。

作为MOCVD***的一个可选方案，预设长度为0mm～500mm。为了提高不同沉积材料的分界精准性，气体切换装置与反应腔2之间的气体输送管路3的长度应尽可能地缩短。根据反应腔2的腔体结构的不同，气体切换装置与反应腔2之间气体输送管路3的长度设置在0mm～500mm之间，即最短距离为将气体切换装置设置在反应腔2上，气体切换装置与反应腔2之间无气体输送管路3。

作为MOCVD***的一个可选方案，气体输送管路3包括第一输送管路31和第二输送管路32，通过第一输送管路31和第二输送管路32将反应气体分别输送至反应腔2的不同区域。

作为MOCVD***的一个可选方案，气体切换装置包括第一开关阀6和第二开关阀7，第一开关阀6设置于第一输送管路31上，第二开关阀7设置于第二输送管路32。

第一开关阀6和第二开关阀7均与工控机电连接。第一开关阀6和第二开关阀7为常开阀，只需在切换不同的反应气体时，工控机控制第一开关阀6和第二开关阀7断开设定时间，使得切换前的反应气体都进入反应腔2中进行反应，在第一输送管路31和第二输送管路32中均无残留。然后工控机再控制第一开关阀6和第二开关阀7打开，将切换后的反应气体输送至反应腔2进行反应，使得在切换不同的反应气体时，不会有明显的过渡层，提高了不同沉积材料的分界精准性。

在本实施例中，设定时间很短，一般以毫秒为单位，具体根据实验标定获得。

当然，在其他实施例中，也可以通过质量流量控制器切换不同反应气体。在切换时，先将质量流量控制器的流量调节为零，经过设定时间后，再将质量流量控制器的流量调节为切换后反应气体所需的流量。

对于同一种反应气体在反应腔2内的不同区域进行反应，通过第一输送管路31和第二输送管路32将同一种反应气体分别输送至反应腔2的不同区域。

同一种气体在不同区域所需求的气体流量在反应过程中需要发生改变时，需要改变第一输送管路31和第二输送管路32中的气体流量。示例性地，第一输送管路31将反应气体输送至反应腔2的第一区域，第二输送管路32将同一种反应气体输送至反应腔2的第二区域。原来的第一区域和第二区域中该反应气体的气体流量均是400立方米/小时，现在需要改成第一区域中是300立方米/小时，第二区域中是500立方米/小时。此时送气管路8中的反应气体的气体流量是不变的，第一输送管路31中的气体流量和第二输送管路32中的气体流量均需发生改变。

为了保证反应气体在不同区域的气体流量切换实现完全同步，避免在不同区域发生生长材料不均匀的现象。作为MOCVD***的一个可选方案，第一输送管路31上设置有第一质量流量控制器4，通过第一质量流量控制器4控制第一输送管路31的气体流量，第二输送管路32的气体流量随第一输送管路31的气体流量的变化而相应变化。

第一质量流量控制器4与工控机电连接，通过工控机控制第一质量流量控制器4，第一质量流量控制器4控制第一输送管路31中的气体流量，送气管路8中的反应气体的气体流量不变，第二输送管路32中的气体流量随第一输送管路31中的气体流量的改变而改变。这样的设置，使得第二输送管路32中的气体流量随第一输送管路31中的气体流量的变化而相应变化，实现同步变化。相对第一输送管路31和第二输送管路32各自独立控制，避免了两个控制信息不同步，从而避免了同一种气体因在不同区域的气体流量改变切换不同步，导致的在不同区域发生生长材料不均匀的现象。

作为MOCVD***的一个可选方案，第二输送管路32上设置有质量流量计5，质量流量计5用于监测第二输送管路32的输送流量。质量流量计5只是监测第二输送管路32的气体流量，并不受工控机的控制。第二输送管路32上的质量流量计5的设置，能够监测第二输送管路32的气体流量随第一输送管路31的气体流量改变后的气体流量是否与需求的气体流量一致。

以上内容仅为本实用新型的较佳实施例，对于本领域的普通技术人员，依据本实用新型的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，本说明书内容不应理解为对本实用新型的限制。

Claims (9)

1.一种MOCVD***，其特征在于，包括：

气体控制模块(1)，用于控制反应气体的气体流量、压力和种类；

反应腔(2)，所述反应气体在所述反应腔(2)内发生化学反应后产生沉积物；

气体输送管路(3)，所述气体控制模块(1)与所述反应腔(2)通过所述气体输送管路(3)连接；

气体切换装置，设置于所述气体输送管路(3)上，所述气体输送管路(3)自所述气体切换装置至所述反应腔(2)的长度为预设长度。

2.根据权利要求1所述的MOCVD***，其特征在于，所述预设长度为0mm～500mm。

3.根据权利要求1所述的MOCVD***，其特征在于，所述气体输送管路(3)包括第一输送管路(31)和第二输送管路(32)，通过所述第一输送管路(31)和所述第二输送管路(32)将所述反应气体分别输送至所述反应腔(2)的不同区域。

4.根据权利要求3所述的MOCVD***，其特征在于，所述第一输送管路(31)上设置有第一质量流量控制器(4)，通过所述第一质量流量控制器(4)控制所述第一输送管路(31)的气体流量，所述第二输送管路(32)的气体流量随所述第一输送管路(31)的气体流量的变化而相应变化。

5.根据权利要求4所述的MOCVD***，其特征在于，所述第二输送管路(32)上设置有质量流量计(5)，所述质量流量计(5)用于监测所述第二输送管路(32)的气体流量。

6.根据权利要求3所述的MOCVD***，其特征在于，所述气体切换装置包括第一开关阀(6)和第二开关阀(7)，所述第一开关阀(6)设置于所述第一输送管路(31)上，所述第二开关阀(7)设置于所述第二输送管路(32)上。

7.根据权利要求1所述的MOCVD***，其特征在于，所述MOCVD***包括送气管路(8)和排气管路(9)，所述送气管路(8)与所述气体输送管路(3)连接，所述反应气体经所述送气管路(8)输送至所述气体输送管路(3)，其余气体经所述排气管路(9)排出。

8.根据权利要求7所述的MOCVD***，其特征在于，所述气体控制模块(1)包括第二质量流量控制器(11)和第一压力控制器(12)，第二质量流量控制器(11)和第一压力控制器(12)均设置于所述送气管路(8)上，所述第二质量流量控制器(11)和所述第一压力控制器(12)共同控制所述送气管路(8)中的气体流量，所述第一压力控制器(12)用于控制所述送气管路(8)中的压力。

9.根据权利要求8所述的MOCVD***，其特征在于，所述气体控制模块(1)还包括第二压力控制器(13)和针阀(14)，所述第二压力控制器(13)和所述针阀(14)均设置于所述排气管路(9)上，所述针阀(14)设置于所述排气管路(9)的尾端，所述第二压力控制器(13)用于控制所述排气管路(9)中的压力，以使所述排气管路(9)中的压力与所述送气管路(8)中的压力保持一致。

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