專利名稱：一種多噴淋頭的化學(xué)氣相沉積反應(yīng)室結(jié)構(gòu)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及化學(xué)氣相沉積，特指一種多片式化學(xué)氣相沉積反應(yīng)器結(jié)構(gòu)以及氣流分配方 法，為傳統(tǒng)的垂直噴淋式的一種改進(jìn)型式。將傳統(tǒng)的一個大噴淋頭改為許多均布的小噴淋 頭，每個小噴淋頭對準(zhǔn)下方的一個晶片，反應(yīng)后的尾氣從噴淋頭的周圍返回到位于上方的 外管出口。本發(fā)明使每個晶片的生長條件與托盤半徑無關(guān)，通過控制噴淋頭參數(shù)，可生長 出厚度和組分都均勻的薄膜。
背景技術(shù)：
化學(xué)氣相沉積(CVD)是制備半導(dǎo)體薄膜器件的關(guān)鍵工藝，包括各種微電子器件、薄 膜光伏電池、發(fā)光二極管，都離不開CVD工藝。CVD的基本生長過程是，將反應(yīng)氣體從 氣源引入反應(yīng)室，利用加熱的襯底引發(fā)化學(xué)反應(yīng)，從而在基片上生長單晶或多晶薄膜。在 CVD過程中，薄膜生長所需的反應(yīng)物依靠氣體輸運(yùn)(流動和擴(kuò)散)到達(dá)生長表面，在輸運(yùn) 過程的同時(shí)，還發(fā)生大量氣相化學(xué)反應(yīng)，最終生長粒子通過吸附和表面反應(yīng)，結(jié)合進(jìn)薄膜 晶格。由于表面化學(xué)反應(yīng)速率通常遠(yuǎn)大于反應(yīng)物的輸運(yùn)(對流和擴(kuò)散)速率，因此薄膜的 生長速率取決于反應(yīng)物輸運(yùn)到表面的速率，即薄膜生長為輸運(yùn)過程控制。
薄膜制備的最重要指標(biāo)是其厚度和組分的均勻性。在CVD技術(shù)中，要生長出厚度和 組分都均勻的薄膜材料，其中最重要的是均勻分配基片上方的氣體來流，使薄膜生長所需 的反應(yīng)前體能夠同時(shí)到達(dá)基片上方各點(diǎn)，同時(shí)迅速排除反應(yīng)后的尾氣。此外，還要求基片 表面附近存在均勻分層的溫場和濃度場，無任何形式的對流渦旋，基片表面垂直方向存在 大的溫度梯度和濃度梯度等。
國際上目前主要有三種商用反應(yīng)器行星式、垂直噴淋式、高速轉(zhuǎn)盤式。在各種反應(yīng) 器中，所遇到的主要困難包括由于反應(yīng)室襯底與上壁間存在的大的溫度梯度，容易引發(fā) 熱對流渦旋，造成基片附近濃度與溫度隨時(shí)間變化；由于反應(yīng)氣體到達(dá)基片上方各點(diǎn)的流 動路徑不同，以及由于化學(xué)反應(yīng)引起的沿程損耗，造成基片上方各點(diǎn)濃度不均；對于多片 式反應(yīng)器，由于反應(yīng)物在反應(yīng)室內(nèi)流經(jīng)距離延長(即駐留時(shí)間過長)，將產(chǎn)生嚴(yán)重的寄生 反應(yīng)。為了抑制對流渦旋，保持流動為平滑層流，保持基片溫度的均勻性，以及均勻分配 反應(yīng)氣體到晶片各點(diǎn)以獲得晶片上方的均勻濃度等，在各種反應(yīng)器設(shè)計(jì)中通常采用以下幾 種措施-
(1)采用基片自轉(zhuǎn)和公轉(zhuǎn)(行星式反應(yīng)器)；(2) 使上下壁面靠得很近(行星式和噴淋式反應(yīng)器)；
(3) 采用密布的氣體噴孔(噴淋式反應(yīng)器)；
(4) 采用托盤的高速旋轉(zhuǎn)(高速轉(zhuǎn)盤式反應(yīng)器)。
盡管采用上述措施，但由于基片上方各點(diǎn)的反應(yīng)氣體從進(jìn)入反應(yīng)室到流出反應(yīng)室所走 的距離不同，造成沿程損耗和駐留時(shí)間隨托盤半徑變化。因此基片上方各點(diǎn)濃度隨半徑的 變化仍很難消除，這種濃度的不均勻性存在于各種反應(yīng)器中。
隨著化合物薄膜太陽電池和白光LED等半導(dǎo)體光電技術(shù)的迅速發(fā)展，對MOCVD技 術(shù)提出了更高的要求，特別是要求提高生產(chǎn)率，降低制造成本，實(shí)現(xiàn)規(guī)模化生產(chǎn)。因此， 研制出一次生長片數(shù)更多、保證質(zhì)量的多片式CVD反應(yīng)器是該領(lǐng)域的關(guān)鍵。而現(xiàn)有的商 用反應(yīng)器，按照目前的生長原理，則很難繼續(xù)擴(kuò)容。如行星式主要依靠晶片自轉(zhuǎn)獲得生長 均勻性，繼續(xù)擴(kuò)大反應(yīng)器片數(shù)不僅將大大增加成本，而且將由于反應(yīng)器的增大而產(chǎn)生強(qiáng)烈 的寄生反應(yīng)。而垂直噴淋式反應(yīng)器如果繼續(xù)擴(kuò)大直徑，其托盤圓心和外緣之間的濃度差也 將越來越大，生長均勻性將迅速變壞。
現(xiàn)有的CVD反應(yīng)器的有關(guān)專利，如"一種水平切向進(jìn)口、中心垂直出口的化學(xué)氣相沉 積反應(yīng)器(專利申請?zhí)?00810122991.5)"、"用于化學(xué)氣相沉積反應(yīng)器的多氣體分配噴 射器"(申請?zhí)?00580030594.X，公開號CN101090998)、"用以制造半導(dǎo)體裝置的化學(xué)氣相 沉積設(shè)備的噴頭"(申請?zhí)?3120956.4，公開號CN1450598A)、"用于金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉 積設(shè)備的雙層氣體噴頭"(申請?zhí)?00410017471.X，公開號CN1563483A)、"一種用于氣相 沉積的水平式反應(yīng)器結(jié)構(gòu)"(申請?zhí)?00310108793.0，公開號CN1544687)等，都屬于前 述的傳統(tǒng)反應(yīng)器類型，因而都存在上述的濃度不均勻性等問題。
在專利"一種上進(jìn)上出的垂直噴淋式MOCVD反應(yīng)器"(申請?zhí)?00720040098.9)中， 公開了一種頂部進(jìn)口、頂部出口型噴淋式CVD反應(yīng)器。其特征是反應(yīng)氣體從位于頂部的 許多密排小噴管噴入反應(yīng)室，反應(yīng)后的尾氣又從位于頂部的許多小出口排出。它可使基片 上方的反應(yīng)氣體濃度只在每個小噴管的周圍呈周期性變化，從而使薄膜沉積的徑向不均勻 性大大減小。但這種反應(yīng)器需將大量微小的進(jìn)口和出口間隔排布，集成在一個大噴淋頭上， 即在一個大噴淋頭上既有進(jìn)口又有出口，工藝實(shí)現(xiàn)過于復(fù)雜，制造困難。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提出一種新的CVD反應(yīng)器結(jié)構(gòu)，它將原有的噴淋式反應(yīng)器單一的噴淋頭改為與 每個晶片一一對應(yīng)的多噴淋頭，將原有的上進(jìn)口、下出口的氣體流動方式改為上進(jìn)口、上 出口。將反應(yīng)室分為內(nèi)管(噴淋頭)和外管(腔體)兩部分，反應(yīng)氣體從內(nèi)管進(jìn)入，反應(yīng)后的氣體從外管排出，即噴淋頭上只有進(jìn)口，噴淋頭外面則是出口。反應(yīng)氣體從噴淋頭噴 向正對的晶片，形成滯止流，反應(yīng)后的氣體折轉(zhuǎn)180度，從各噴淋頭的周圍向上返回，一
直到上方的出口排出。從而使基片上方的氣體濃度不再隨反應(yīng)室半徑變化，而只是單一噴 淋頭的周期性重復(fù)。通過調(diào)整噴淋頭的噴孔和導(dǎo)流管的幾何尺寸以及導(dǎo)流管與襯底之間的 間隙，可以使反應(yīng)物濃度在每一個噴淋頭下方均勻分布，而不隨托盤半徑變化，從而克服
了現(xiàn)有CVD反應(yīng)器的不足，實(shí)現(xiàn)厚度和組分都均勻的薄膜生長。
本發(fā)明所說的CVD反應(yīng)器，其反應(yīng)室為圓柱形腔體，反應(yīng)室頂部為進(jìn)口連接法蘭，下 面連接氣體混合室，混合室下方通過管道連接多個噴淋頭。噴淋頭由噴淋孔與導(dǎo)流管組成， 每個噴淋頭對準(zhǔn)一個晶片，即噴淋頭數(shù)與晶片數(shù)相等。反應(yīng)室下方為一整體水平石墨托盤， 托盤上可放置多達(dá)幾十片待鍍的晶片(直徑2英寸或4英寸)。托盤下方為電阻加熱器， 托盤中間為旋轉(zhuǎn)軸，使托盤攜帶基片繞軸旋轉(zhuǎn)。
工作時(shí)，反應(yīng)氣體(本例設(shè)為三種氣體，分別為m族、V族和氫氣，也可以增加更多 氣體進(jìn)口)首先從進(jìn)口管道進(jìn)入到混合室，在此混合后，經(jīng)連接管道均勻分配給各個噴淋 頭。混合氣體從分布于每個噴淋頭的許多小噴口噴入反應(yīng)室，在導(dǎo)流管的引導(dǎo)下，以滯止 流的形態(tài)噴向下方(或上方)的品片，在晶片阻擋下，轉(zhuǎn)過90度角，從導(dǎo)流管與托盤的 四周間隙流出。然后再折轉(zhuǎn)90度，沿著導(dǎo)流管外圍(即噴淋頭外圍)從原路方向返回。 不同的是，進(jìn)口氣體在導(dǎo)流管內(nèi)部，出口氣體在導(dǎo)流管外部。最后尾氣從位于反應(yīng)室頂部 的出口排出。
由于噴淋頭中許多小噴口和導(dǎo)流管的作用，使每個晶片上方的氣流都為獨(dú)立的滯止流， 與周圍環(huán)境無關(guān)，通過調(diào)節(jié)噴淋頭的高度、氣體進(jìn)口速度、壓強(qiáng)等參數(shù)，得到優(yōu)化的滯止 流和濃度場。將此優(yōu)化的滯止流應(yīng)用于所有噴淋頭，獲得基片上方均勻的反應(yīng)氣體濃度， 托盤的旋轉(zhuǎn)則進(jìn)一步改善了溫度和濃度的均勻性，從而實(shí)現(xiàn)薄膜的多片式均勻生長。


圖1為本發(fā)明的反應(yīng)器主視示意圖，圖2為該反應(yīng)器的俯視示意圖，圖中標(biāo)示為 l一進(jìn)口； 2 —混合室；3 —?dú)怏w分配管；4一噴淋頭(內(nèi)管)；5 —小噴孔；6 —導(dǎo)流管；
7 —基片；8 —托盤；9一電阻加熱器；IO —旋轉(zhuǎn)軸；ll一反應(yīng)器腔體(外管)；12_出口。 以下結(jié)合附圖(以III一V族化合物半導(dǎo)體薄膜生長為例)進(jìn)一步說明本發(fā)明的裝置結(jié)
構(gòu)和工作原理。
三種氣體(也可以增加摻雜氣體進(jìn)口)同時(shí)進(jìn)入進(jìn)口 1，然后進(jìn)入混合室2混合，混 合后的氣體經(jīng)氣體分配管3分別流到各個噴淋頭4，經(jīng)過小噴孔5向下噴出，在導(dǎo)流管6
5的約束下，氣體形成滯止流，在"撞擊"(實(shí)際包括擴(kuò)散)到晶片7后，折轉(zhuǎn)90度，從導(dǎo)流 管6與晶片7之間的間隙水平流出，然后再折轉(zhuǎn)90度，從反應(yīng)腔腔體ll流向出口 12，然 后從出口 12排出。
反應(yīng)氣體經(jīng)過小噴孔5向下噴出后，迅速被高溫襯底7加熱，發(fā)生化學(xué)反應(yīng)分解，由 于滯止流具有軸向速度近似相等、與半徑無關(guān)的特性，因此從小噴孔噴出的氣體(包括分 解后的氣體)濃度在平行于基片7的平面可以保持不變，于是得到基片7各點(diǎn)均勻的薄膜 生長。電阻加熱器9用來加熱石墨托盤8，為了在石墨托盤8上獲得均勻的的溫度分布， 旋轉(zhuǎn)軸10緩慢公轉(zhuǎn)。由于每個噴淋頭4具有相對獨(dú)立的生長條件，因此每片晶片7的薄 膜生長與托盤8半徑無關(guān)，因此該反應(yīng)器具有同時(shí)均勻沉積多片薄膜的能力。
權(quán)利要求
1、一種多噴淋頭的化學(xué)氣相沉積反應(yīng)室結(jié)構(gòu)，包括噴淋頭(4)、進(jìn)口(1)、出口(12)和反應(yīng)室，其特征在于將原有的噴淋式反應(yīng)器單一的噴淋頭(4)改為與每個晶片一一對應(yīng)的多噴淋頭(4)，將原有的上進(jìn)口(1)、下出口(12)的氣體流動方式改為上進(jìn)口(1)、上出口(12)；將反應(yīng)室分為內(nèi)管和外管兩部分，內(nèi)管為噴淋頭(4)，外管為反應(yīng)室腔體(11)。
2、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的化學(xué)氣相沉積反應(yīng)室結(jié)構(gòu)，包括進(jìn)口 (1)、出口 (12)、噴 淋頭(4)、圓柱形腔體的反應(yīng)室、托盤(8)和電阻加熱器(9)，其特征在于進(jìn)口 (1) 與混合室(2)相連，混合室(2)通過氣體分配管(3)與各個噴淋頭(4)相連，噴淋頭(4)設(shè)有若干小噴孔(5)，小噴孔(5)下方有導(dǎo)流管(6);噴淋頭(4)下方為托盤(8)， 托盤(8)下方為電阻加熱器(9)。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的化學(xué)氣相沉積反應(yīng)室結(jié)構(gòu)的流分配方法，其特征在于 反應(yīng)氣體從噴淋頭(4)通過導(dǎo)流管(6)噴向下方正對的晶片，形成滯止流，反應(yīng)后的氣 體折轉(zhuǎn)90度，從噴淋頭(4)與晶片的間隙水平流出，然后再折轉(zhuǎn)90度，從噴淋頭(4) 的周圍向上返回， 一直到上方的出口 (12)排出。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的化學(xué)氣相沉積反應(yīng)室結(jié)構(gòu)，其特征在于進(jìn)口 (1)和出口(12) 均改為在反應(yīng)室底部，噴淋頭(4)置于反應(yīng)室下方，晶片置于反應(yīng)室上方，氣體 由下向上噴射，然后折轉(zhuǎn)180度從下方出口 (12)排出。
全文摘要
本發(fā)明涉及化學(xué)氣相沉積，公開了一種多噴淋頭的化學(xué)氣相沉積反應(yīng)室結(jié)構(gòu)。其特征為反應(yīng)室為圓柱形腔體，反應(yīng)室下部為一整體石墨托盤，托盤上可放置多達(dá)幾十片待鍍的晶片(直徑2英寸或4英寸均可)，托盤下方為電阻加熱器。反應(yīng)室上部有多個均勻分布、尺寸比晶片略大的噴淋頭，噴淋頭由密布的微噴孔和下方的導(dǎo)流管組成。每個導(dǎo)流管對準(zhǔn)一個晶片，即噴淋頭數(shù)與晶片數(shù)相等。反應(yīng)氣體從噴淋頭噴向正對的晶片，形成滯止流，反應(yīng)后的氣體折轉(zhuǎn)180度，從各噴淋頭的周圍向上返回，一直到上方的出口排出。由于每個晶片上方的氣流都為獨(dú)立的滯止流，與周圍環(huán)境無關(guān)，通過調(diào)節(jié)噴淋頭的高度和氣體進(jìn)口速度、壓強(qiáng)等參數(shù)，可以實(shí)現(xiàn)薄膜的多片式均勻生長。
文檔編號C23C16/455GK101560650SQ20091002783
公開日2009年10月21日 申請日期2009年5月15日 優(yōu)先權(quán)日2009年5月15日
發(fā)明者然 左 申請人:江蘇大學(xué)