專利名稱：用于mocvd反應(yīng)腔中反應(yīng)氣體輸送與均勻分布控制的裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于生產(chǎn)化合物半導(dǎo)體光電器件的MOCVD(金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉 淀)反應(yīng)腔中對(duì)于反應(yīng)氣體控制的裝置，特別涉及一種能夠適用于大尺寸、多基片的MOCVD 反應(yīng)腔、對(duì)反應(yīng)氣體輸送與均勻分布控制的裝置。
背景技術(shù)：
金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉淀系統(tǒng)(以下簡(jiǎn)稱M0CVD)是用于生產(chǎn)半導(dǎo)體光電器件的最 核心設(shè)備。在金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉淀(MOCVD)過(guò)程中，反應(yīng)氣體從氣源被引入反應(yīng)腔，使放 置在反應(yīng)腔內(nèi)的外延片上外延生長(zhǎng)形成晶格結(jié)構(gòu)薄膜。為了有效控制上述外延生長(zhǎng)的高溫化學(xué)反應(yīng)過(guò)程，通常需要反應(yīng)氣體在外延片的 表面上形成均勻濃度、均勻速度、和均勻溫度的邊界層，以滿足外延生長(zhǎng)的薄膜在晶格結(jié)構(gòu) 和性能上的各項(xiàng)要求。以下介紹現(xiàn)在常見(jiàn)的幾款MOCVD反應(yīng)腔及其在氣體輸送控制方面存在的主要問(wèn) 題，將其中用于反應(yīng)氣體輸送和分布控制的裝置，簡(jiǎn)稱“噴淋頭”。現(xiàn)有水平式MOCVD反應(yīng)腔，其反應(yīng)氣體的進(jìn)口及出口分別設(shè)置在水平管道式的反 應(yīng)腔兩端，水平式反應(yīng)器主要問(wèn)題是反應(yīng)物沿程損耗，即反應(yīng)氣體從外延片一端水平流向 另一端，濃度在流動(dòng)方向上會(huì)不斷衰減。而且熱對(duì)流渦旋及側(cè)壁效應(yīng)均不利于外延薄膜的 生長(zhǎng)。如圖1所示，是現(xiàn)有的行星式MOCVD反應(yīng)腔，其是水平式的改進(jìn)形式，通過(guò)垂直的、 貼近外延片的多重進(jìn)口 110引入，使至少兩種反應(yīng)氣體分別在徑向流動(dòng)。還通過(guò)公轉(zhuǎn)的主 托盤(pán)120，以及沿其周向設(shè)置的、分別自轉(zhuǎn)的多個(gè)子托盤(pán)121，平均了每個(gè)子托盤(pán)121上放置 的若干外延片130表面，在不同徑向位置上與不同濃度反應(yīng)氣體的接觸，因而能夠取得均 勻的鍍膜效果。然而，由于子托盤(pán)121的自轉(zhuǎn)是靠氣流帶動(dòng)，并依賴精密的零件配合，運(yùn)行 過(guò)程中需要頻繁打開(kāi)反應(yīng)腔來(lái)清理子托盤(pán)上的沉積物，防止被卡住，以確保自轉(zhuǎn)的可靠性， 因此難以適合大規(guī)模連續(xù)生產(chǎn)的要求。如圖2所示，是現(xiàn)有一種垂直式的高速旋轉(zhuǎn)式MOCVD反應(yīng)腔，兩種反應(yīng)氣體從反應(yīng) 腔頂端不同的管路進(jìn)入，分別進(jìn)入各自的噴淋頭210區(qū)域，在足夠的高度上分別垂直噴向 外延片230。放置該多個(gè)外延片230的托盤(pán)220高速旋轉(zhuǎn)，當(dāng)其轉(zhuǎn)速足夠高(通常大于1000 轉(zhuǎn)/每分鐘)時(shí)，反應(yīng)氣體獲得充分的動(dòng)能，而被迅速輸送到外延片230的上方，進(jìn)行均勻 混合，并在外延片230的表面取得較均勻的濃度、速度、和溫度邊界層。但是，由于托盤(pán)220 的高速旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的離心力，許多未充分反應(yīng)的氣體和還沒(méi)有參與反應(yīng)的氣體被一起迅速排 出，導(dǎo)致價(jià)格昂貴的反應(yīng)氣體消耗幾倍地增長(zhǎng)，因而在大規(guī)模生產(chǎn)中，極大增加了基片外延 的生產(chǎn)成本。如圖3所示，是目前還有一種垂直噴淋式的MOCVD反應(yīng)腔。兩種反應(yīng)氣體由各自 的進(jìn)氣口 311進(jìn)入，通過(guò)反應(yīng)腔300頂部設(shè)置的噴淋頭310，被近距離地輸送至托盤(pán)320上 的外延片330上方。該兩種反應(yīng)氣體通過(guò)噴淋頭310中各自的噴口 312，分別輸送到外延片
4330上方。該兩種氣體的噴口 312交叉排列，致密均勻的分布在整個(gè)噴淋頭310中，以使兩 種氣體在外延片330上方充分和均勻地混合。所述水平放置若干外延片330的托盤(pán)320，沿著其自身的中心軸旋轉(zhuǎn)，既提高了外 延片330之間加熱的均勻性又進(jìn)一步提高了外延片330表面上各種反應(yīng)氣體混和與分布的 均勻性。然而，這種設(shè)計(jì)的噴淋頭310，把反應(yīng)氣體的進(jìn)氣口 311設(shè)在噴淋頭310的頂端中 心位置，使徑向上各噴口 312的流量，會(huì)隨著其距離中心的半徑R的不同而改變。這一氣體 分布不均勻的情況，對(duì)于半徑尺寸大的反應(yīng)腔300尤為突出。所以，這種設(shè)計(jì)的噴淋頭310，一般采用內(nèi)徑很小的噴口 312 (約0.5mm)，通過(guò)提高 噴口 312之間上方的壓力差，來(lái)改善反應(yīng)氣體在整個(gè)噴淋頭310中的均勻分布。由于噴口 312的底面與外延片330的距離很小(約IOmm)，導(dǎo)致噴淋頭310表面溫度很高而沉積反應(yīng) 物，同時(shí)使噴口 312易被沉積的反應(yīng)物堵塞，需要頻繁打開(kāi)反應(yīng)腔300進(jìn)行清理。因此，該 種噴淋頭設(shè)計(jì)難以滿足大規(guī)模連續(xù)生產(chǎn)的要求。從加工制造角度而言，每個(gè)噴管312的口徑很小且要經(jīng)過(guò)多點(diǎn)焊接，加工非常繁 復(fù)。該噴淋頭310中穿過(guò)若干垂直的噴口 312，還水平設(shè)置有冷卻介質(zhì)通道313，冷卻介質(zhì) 通道313的密封性依賴于每個(gè)噴管上對(duì)應(yīng)的幾個(gè)焊接點(diǎn)的密封性，所以對(duì)焊接加工的要求 都非常高，制造成本較高。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種垂直式的用于MOCVD反應(yīng)腔中反應(yīng)氣體輸送與均勻分 布控制的裝置，能夠?qū)⑼庋臃磻?yīng)所需的至少兩種化學(xué)反應(yīng)氣體分別輸入反應(yīng)腔，并控制每 種氣體在反應(yīng)腔里的比例、流量、分布和速度，使各種反應(yīng)氣體在外延片表面能均勻地分布 并混合，以獲得高質(zhì)量的外延薄膜。而且提高大規(guī)模生產(chǎn)中外延生長(zhǎng)率和器件良品率的同 時(shí)，加工維護(hù)簡(jiǎn)單，還能有效地控制昂貴反應(yīng)氣體的消耗，以進(jìn)一步降低基片外延的生產(chǎn)成 本。為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案是提供一種用于MOCVD反應(yīng)腔中反應(yīng)氣體 輸送與均勻分布控制的裝置，與反應(yīng)腔頂部的反應(yīng)腔蓋連接，用于使至少兩種反應(yīng)氣體分 別輸送至托盤(pán)上的若干外延片上方混合進(jìn)行外延反應(yīng)或薄膜沉積，其特征在于，該裝置包 含前置勻氣板，以及設(shè)置在前置勻氣板下方的噴淋頭；所述反應(yīng)腔蓋沿徑向設(shè)為若干區(qū)域，對(duì)應(yīng)每個(gè)區(qū)域設(shè)置有若干氣體輸入通道；所述前置勻氣板上開(kāi)設(shè)有若干氣體通道，對(duì)從輸入通道引入的至少第一反應(yīng)氣體 進(jìn)行流量分布的控制后，輸送至所述噴淋頭；所述至少第二反應(yīng)氣體經(jīng)由所述反應(yīng)腔蓋上沿徑向不同區(qū)域的輸入通道，分別輸 送至所述噴淋頭的不同區(qū)域的氣路；所述噴淋頭上設(shè)置有若干噴口分別對(duì)應(yīng)所述第一、第二反應(yīng)氣體進(jìn)行二次的流量 分配，使所述第一、第二反應(yīng)氣體被獨(dú)立且均勻地輸送至所述外延片上方。所述反應(yīng)腔蓋的中心位置開(kāi)設(shè)有一些輸入通道，外圍位置開(kāi)設(shè)有另一些輸入通 道；
位于反應(yīng)腔蓋中心的輸入通道將第一反應(yīng)氣體輸送至前置勻氣板；位于反應(yīng)腔蓋中心的另一輸入通道穿過(guò)所述前置勻氣板，與位于反應(yīng)腔蓋外圍的 所述輸入通道一起，分別將第二反應(yīng)氣體輸送至所述噴淋頭；通過(guò)控制所述輸入通道內(nèi)的 氣體流量，使在所述噴淋頭的中心和外圍區(qū)域獲得所需的氣體流量分布。所述前置勻氣板上的氣體通道是在徑向上以一定疏密規(guī)律分布開(kāi)設(shè)，來(lái)對(duì)前置勻 氣板上不同直徑的環(huán)形區(qū)域上的氣體流量分布進(jìn)行控制的。所述前置勻氣板的邊緣凸起，中間下凹，使在該前置勻氣板上方、與反應(yīng)腔蓋之間 形成一個(gè)空間。所述噴淋頭與前置勻氣板配合連接，使在噴淋頭上方形成一個(gè)空間，并與所述輸 送第一反應(yīng)氣體的若干噴口連通；所述前置勻氣板上游的空間中的氣體壓力P1，大于其下 游的該空間內(nèi)的氣體壓力P2。所述若干噴口是通過(guò)機(jī)械加工、垂直設(shè)置的；對(duì)應(yīng)所述噴淋頭的不同區(qū)域或是對(duì)應(yīng)輸送的反應(yīng)氣體不同，所述若干噴口可設(shè)置 為不同的形狀；并使對(duì)應(yīng)輸送所述第一、第二反應(yīng)氣體的噴口沿徑向和軸向均勻交叉地間隔分布 設(shè)置在所述噴淋頭中。所述噴淋頭中橫向設(shè)置有若干氣路分配通道，在上方分別與所述反應(yīng)腔蓋上的若 干輸入通道連通，在下方與垂直設(shè)置的所述若干噴口連通，來(lái)輸送第二反應(yīng)氣體。所述噴口下游、噴淋頭與襯底基片之間形成有空間；分別對(duì)應(yīng)中間和邊緣的輸入通道與噴口之間的分配通道內(nèi)的氣體壓力P4、P5，均 大于所述噴口下游的空間中的氣體壓力P3。所述噴淋頭中還通過(guò)機(jī)械加工和焊接，形成有若干按照一定規(guī)律分布的冷卻介質(zhì) 通道，由其中的冷卻介質(zhì)控制噴淋頭面板的溫度。所述噴淋頭的底面與放置在托盤(pán)上的若干外延片的表面平行；所述托盤(pán)可沿著其 自身的中心軸旋轉(zhuǎn)。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于，本發(fā)明提出了一種適用于大尺寸、多基片 MOCVD反應(yīng)腔的反應(yīng)氣體輸送與均勻分布控制的裝置，其可以分別對(duì)從若干輸入通道引入 的至少兩種反應(yīng)氣體，控制輸入的濃度、流量和速度的分布，并分別在噴淋頭內(nèi)進(jìn)行二次分 配，最后通過(guò)各自的噴口相互交叉并均勻分布地輸送到外延片的上方，配合外延片旋轉(zhuǎn)進(jìn) 行充分混合，進(jìn)行外延反應(yīng)，因而能有效地控制昂貴反應(yīng)氣體的消耗，降低基片外延的生產(chǎn) 成本。其中一路反應(yīng)氣體(如III族氣體)由反應(yīng)腔蓋的中心位置引入，使得設(shè)計(jì)容易。 之后，由前置勻氣板徑向上以一定疏密規(guī)律分布開(kāi)設(shè)的氣體通道控制，改變不同直徑的環(huán) 形區(qū)域上的氣體流量分布后，輸出至噴淋頭。另一路反應(yīng)氣體(如V族氣體)，分別從反應(yīng)腔蓋中心和外圍的不同區(qū)域進(jìn)入噴淋 頭，通過(guò)分別控制輸入的氣體流量，可以獲得進(jìn)入噴淋頭中心和邊緣不同的氣體流量分布， 因而解決了大尺寸噴淋頭造成的氣體分配困難，使噴淋頭內(nèi)部的氣體通道設(shè)計(jì)得以簡(jiǎn)化。本發(fā)明還可以通過(guò)機(jī)械加工，根據(jù)需要形成不同形狀的噴口，來(lái)控制從噴淋頭輸 出的氣體的速度、方向、擴(kuò)散速度，或是是否產(chǎn)生局部渦流等，以實(shí)現(xiàn)對(duì)反應(yīng)氣體輸送的進(jìn)一步控制。本發(fā)明不僅使放置外延片的托盤(pán)旋轉(zhuǎn)，來(lái)提高外延片之間加熱的均勻性，以及外 延片表面上反應(yīng)氣體混和與分布的均勻性。本發(fā)明還在噴淋頭中設(shè)置若干按照一定規(guī)律分布的冷卻介質(zhì)通道，由其中的冷卻 介質(zhì)直接控制噴淋頭面板的溫度，使得噴淋頭溫度均勻，保證反應(yīng)氣體在合適的溫度下進(jìn) 入反應(yīng)腔，不會(huì)發(fā)生分解、沉積、凝結(jié)等不合適的預(yù)先反應(yīng)。該冷卻介質(zhì)通道是直接在噴淋頭上用常規(guī)的機(jī)械加工的方法形成，再通過(guò)常規(guī)焊 接形成的密閉通道，加工簡(jiǎn)單、焊縫可靠，高壓密封性能檢查也容易。本發(fā)明還在冷卻介質(zhì) 通道的加工后，再進(jìn)行噴口的加工，可以有效提高噴淋頭制造合格率，進(jìn)一步降低了制造成 本。因此，通過(guò)上述的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，本發(fā)明所述垂直式用于MOCVD反應(yīng)腔中反應(yīng)氣體輸 送與均勻分布控制的裝置，配合外延片轉(zhuǎn)動(dòng)等其他結(jié)構(gòu)可以獲得外延反應(yīng)所需的均勻分布 的邊界層濃度、速度和溫度，提高大規(guī)模生產(chǎn)的外延薄膜的質(zhì)量和外延片的成品率。此結(jié)構(gòu) 允許適當(dāng)增加噴淋頭表面與外延片之間的距離，減少噴淋頭表面和噴口處在薄膜外延生長(zhǎng) 過(guò)程中產(chǎn)生的沉積物，所以不需頻繁打開(kāi)反應(yīng)腔進(jìn)行清理維護(hù)，能持續(xù)進(jìn)行外延生長(zhǎng)，提高 了生產(chǎn)效率和系統(tǒng)產(chǎn)能。優(yōu)化了噴淋頭制造的加工程序，降低了加工難度和制造成本。相 比高速旋轉(zhuǎn)方式減少了工藝氣體的消耗，降低了外延生產(chǎn)成本。適合于大規(guī)模的工業(yè)生產(chǎn)。


圖1是現(xiàn)有行星式MOCVD反應(yīng)腔的結(jié)構(gòu)側(cè)視示意圖和俯視示意圖；圖2是現(xiàn)有高速旋轉(zhuǎn)式MOCVD反應(yīng)腔的結(jié)構(gòu)示意圖；圖3是現(xiàn)有垂直噴淋式的MOCVD反應(yīng)腔的結(jié)構(gòu)示意圖；圖4是本發(fā)明反應(yīng)氣體輸送與均勻分布控制的裝置與MOCVD反應(yīng)腔的連接關(guān)系示 意圖；圖5是本發(fā)明用于MOCVD反應(yīng)腔中反應(yīng)氣體輸送與均勻分布控制的裝置的總體結(jié) 構(gòu)示意圖；圖6是本發(fā)明中前置勻氣板的結(jié)構(gòu)俯視示意圖；圖7是本發(fā)明中第一反應(yīng)氣體的氣流方向示意圖；圖8是本發(fā)明中第一反應(yīng)氣體結(jié)合不同前置勻氣板結(jié)構(gòu)得到的三種流量分布示 意圖；圖9是本發(fā)明中第二反應(yīng)氣體的氣流方向示意圖；圖10至圖12是本發(fā)明中第二反應(yīng)氣體通過(guò)控制輸入通道中流量獲得的三種流量 分布示意圖；圖13是本發(fā)明中噴口的四種常見(jiàn)結(jié)構(gòu)的示意圖；圖14至圖16是本發(fā)明中結(jié)合不同的噴口結(jié)構(gòu)而獲得的第二反應(yīng)氣體的三種流量 分布示意圖；圖17是本發(fā)明中熱量傳遞方向及冷卻通道的結(jié)構(gòu)示意圖；圖18是本發(fā)明中分別用于第一、第二反應(yīng)氣體引入的噴口在噴淋頭上沿軸向和 徑向交叉分布的結(jié)構(gòu)仰視示意圖。
具體實(shí)施例方式以下結(jié)合附圖，以引入并控制兩種反應(yīng)氣體的均勻分布為例，說(shuō)明本發(fā)明的具體 實(shí)施方式。其中，第一反應(yīng)氣體的流向以實(shí)心箭頭表示，第二反應(yīng)氣體的流向以燕尾箭頭表 示；虛線的箭頭，用以表示熱量傳遞的方向。如圖4所示，本發(fā)明所述用于MOCVD反應(yīng)腔中反應(yīng)氣體輸送與均勻分布控制的裝 置，與反應(yīng)腔50頂部的反應(yīng)腔蓋51連接，底面與放置在托盤(pán)53上的若干外延片531的表 面平行。所述MOCVD反應(yīng)腔還包含設(shè)置在托盤(pán)53下的加熱器54，以及設(shè)置在MOCVD反應(yīng)腔 底端的排氣口 55。所述托盤(pán)53能沿著其自身的中心軸旋轉(zhuǎn)，來(lái)提高外延片531之間加熱的均勻性和 外延片531表面上反應(yīng)氣體混和與分布的均勻性。如圖4、圖5所示，所述反應(yīng)氣體輸送與均勻分布控制的裝置，包含與反應(yīng)腔蓋51 連接的前置勻氣板10，以及設(shè)置在前置勻氣板10下方的噴淋頭20。所述反應(yīng)腔蓋51的中心位置開(kāi)設(shè)有輸入通道511和521，其外圍位置開(kāi)設(shè)有輸入 通道522。其中，輸入通道511用于將第一反應(yīng)氣體經(jīng)由前置勻氣板10輸入至噴淋頭20 ； 位于中心的輸入通道521穿過(guò)所述前置勻氣板10，與外圍的輸入通道522—起，將第二反應(yīng) 氣體直接輸入至噴淋頭20。配合參見(jiàn)圖4至圖6所示結(jié)構(gòu)及圖7所示第一反應(yīng)氣體的流向，所述圓形的前置 勻氣板10的邊緣凸起，中間下凹，使在該前置勻氣板10上方、與反應(yīng)腔蓋51之間形成一個(gè) 空間41。所述第一反應(yīng)氣體經(jīng)輸入通道511后，被引入該空間41，使其中的氣體壓力為P1。而噴淋頭20與前置勻氣板10配合連接，使在噴淋頭20上方形成空間42，其中氣 體壓力為P2。使前置勻氣板10上游空間41中的氣體壓力P1，大于所述空間42中的氣體 壓力P2，使第一反應(yīng)氣體能順利通過(guò)所述前置勻氣板10。在前置勻氣板10的下凹部分，分布開(kāi)設(shè)有若干氣體通道11，對(duì)流經(jīng)的第一反應(yīng)氣 體的流量進(jìn)行分配，具體地通過(guò)改變徑向上氣體通道11的分布密度，來(lái)控制氣體的徑向分布。如在圖6所示的一種優(yōu)選結(jié)構(gòu)中，前置勻氣板10的中心位置氣體通道11分布稀 疏；越靠近邊緣，氣體通道11分布就越密集，因而能獲得如圖8中的分布1-1所示，邊緣高、 中心低的氣體流量分布。當(dāng)然，若是使前置勻氣板10上氣體通道11的設(shè)置，是徑向分布均勻的結(jié)構(gòu)，或中 心密集、邊緣稀疏的結(jié)構(gòu)，則能夠分別獲得第一反應(yīng)氣體通過(guò)前置勻氣板10后，圖8中分布 1-2所示氣體流量均勻，或分布1-3所示，氣體流量中間高、邊緣低的分布情況。如圖4、圖5及圖18所示，若干垂直的噴口 21、22沿徑向和軸向交叉均勻地間隔分 布在整個(gè)噴淋頭20中，分別用于第一、第二反應(yīng)氣體的輸送。具體地，用于輸送第一反應(yīng)氣 體的噴口 21 (圖18中空心表示)和用于輸送第二反應(yīng)氣體的噴口 22 (圖18中實(shí)心表示)， 在噴淋頭20的徑向上每隔一圈交叉一次，在軸向的同一圈上可間隔一個(gè)或幾個(gè)交叉一次， 實(shí)現(xiàn)在噴淋頭20上的均勻分布。如圖4、圖5所示，其中，若干噴口 21(圖中較長(zhǎng)的)與所述噴淋頭20與前置勻氣 板10之間的空間42連通。假設(shè)噴淋頭20與外延片531之間的空間43內(nèi)，氣體壓力為P3。正常工作時(shí)，噴口 21上游空間42的氣體壓力P2，大于其下游的空間43的氣體壓力P3，使 第一反應(yīng)氣體能經(jīng)由噴口 21實(shí)現(xiàn)二次分配，而被均勻輸送到外延片531的表面。配合參加圖4、圖5所示結(jié)構(gòu)及圖9所示第二反應(yīng)氣體的流向，噴淋頭20中橫向設(shè) 置有若干氣體分配通道23，分別在上方與所述反應(yīng)腔蓋51的輸入通道521、522連通，在下 方與垂直設(shè)置的若干噴口 22(圖中較短的)連通，用于輸送第二反應(yīng)氣體。由于第二反應(yīng)氣體，分別經(jīng)由輸入通道521、522，從反應(yīng)腔蓋51的中心和外圍不 同區(qū)域進(jìn)入噴淋頭20 ；對(duì)應(yīng)地在中間的輸入通道521與噴口 22之間的分配通道23內(nèi)形成 的氣體壓力為P4;而在邊緣的輸入通道522與噴口 22之間的分配通道23的氣體壓力為P5。 正常工作時(shí)，噴口 22上游的氣體壓力P4、P5均大于其下游的空間43中的氣體壓力P3。通過(guò)分別控制輸入通道521、522的氣體流量，可以獲得進(jìn)入噴淋頭20中心和邊緣 不同的氣體流量分布，如圖10所示分布2-1中，中心小于邊緣的氣體流量；或是如圖11所 示分布2-2中，中心與邊緣一致的氣體流量；或是如圖12所示分布2-3中，中心大于邊緣的 氣體流量。由于噴淋頭20上噴口的形狀決定了氣體輸出的速度、方向、擴(kuò)散速度，以及是否 產(chǎn)生局部渦流等，對(duì)于輸送氣體到外延片531表面的過(guò)程影響很大，需要結(jié)合反應(yīng)腔50的 各個(gè)尺寸、工作壓力、氣體流量、外延片531的旋轉(zhuǎn)等，通過(guò)模擬和試驗(yàn)找出最佳的設(shè)計(jì)。如 圖13所示，是幾種常見(jiàn)的噴口設(shè)計(jì)，具體可根據(jù)不同的設(shè)計(jì)需要，由機(jī)械加工形成。對(duì)于上述第一、第二反應(yīng)氣體分別通過(guò)噴淋頭20上噴口 21、22，輸送至外延片531 表面，如果進(jìn)一步地配合噴口 21、22的形狀及分布改變，還可以在上述圖8、圖10至圖12的 基礎(chǔ)上，得到不同的氣體流量分布，實(shí)現(xiàn)對(duì)反應(yīng)氣體輸送的進(jìn)一步控制。例如，通過(guò)為噴淋頭20中心和邊緣位置的噴口 22，選擇不同的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)后，對(duì)比 圖10所示，可以獲得如圖14中分布2-1-1所示，中心位置最低，之后線性增加，接近邊緣位 置又均勻輸出大于中心位置的流量分布；或是如圖15中分布2-1-2所示，中心位置最低，之 后線性增加，接近邊緣位置線性輸出大于中心位置的流量分布。對(duì)比圖12所示，還可以獲 得如圖16中分布2-3-1所示，中心位置最高，之后線性降低，接近邊緣又均勻輸出的流量分 布。配合參見(jiàn)圖4、圖17所示，由于MOCVD過(guò)程中，加熱器54的熱量自下而上，經(jīng)由托 盤(pán)53和外延片531，傳到噴淋頭20的面板上。因而，在噴淋頭20中設(shè)置若干冷卻介質(zhì)通道30，由其中的冷卻介質(zhì)直接控制噴淋 頭20面板的溫度，使得噴淋頭20溫度均勻而且在一定范圍內(nèi)，保證反應(yīng)氣體在合適的溫度 下進(jìn)入反應(yīng)腔50，不會(huì)發(fā)生分解，沉積，凝結(jié)等不合適的預(yù)先反應(yīng)。冷卻介質(zhì)通道30是直接在噴淋頭20上用常規(guī)的機(jī)械加工的方法形成，再通過(guò)焊 接形成的密閉通道。焊縫多為直線形或大圓弧形，可以采用常規(guī)的焊接方法，加工簡(jiǎn)單、焊 縫可靠，焊接后高壓密封性能檢查也容易。制造噴淋頭20時(shí)，先完成上述冷卻介質(zhì)通道30的加工，確認(rèn)高壓密封測(cè)試合格， 然后再進(jìn)入下一步制造，如氣體噴口的加工。分別制造加工的程序可以有效的提高噴淋頭 20制造合格率，進(jìn)一步降低了制造成本。綜上所述，本發(fā)明提出了一種垂直式適用于大尺寸、多基片MOCVD反應(yīng)腔50的反 應(yīng)氣體輸送與均勻分布控制的裝置，其可以分別對(duì)從若干輸入通道引入的至少兩種反應(yīng)氣體，控制輸入的濃度、流量和速度的分布，并分別在噴淋頭20進(jìn)行二次分配，最后通過(guò)各自 的噴口相互獨(dú)立，并均勻分布地輸送到外延片531的上方進(jìn)行混合，進(jìn)行外延反應(yīng)，因而能 有效地控制昂貴反應(yīng)氣體的消耗，降低基片外延的生產(chǎn)成本。其中一路反應(yīng)氣體(如III族氣體)由反應(yīng)腔蓋51的中心位置引入，使得設(shè)計(jì)容 易。之后，由前置勻氣板10徑向上以一定疏密規(guī)律分布開(kāi)設(shè)的氣體通道11控制，改變不同 直徑的環(huán)形區(qū)域上的氣體流量分布后，輸出至噴淋頭20。另一路反應(yīng)氣體(如V族氣體)，分別從反應(yīng)腔蓋51中心和外圍的不同區(qū)域進(jìn)入 噴淋頭20，通過(guò)分別控制輸入的氣體流量，可以獲得進(jìn)入噴淋頭20中心和邊緣不同的氣體 流量分布，因而解決了噴淋頭20尺寸變大以后造成的氣體分配困難，使噴淋頭20內(nèi)部的氣 體分配通道23設(shè)計(jì)得以簡(jiǎn)化。本發(fā)明還可以通過(guò)機(jī)械加工，根據(jù)需要形成不同形狀的噴口，來(lái)控制從噴淋頭20 輸出的氣體的速度、方向、擴(kuò)散速度，或是是否產(chǎn)生局部渦流等，以實(shí)現(xiàn)對(duì)反應(yīng)氣體輸送的 進(jìn)一步控制。本發(fā)明不僅使放置外延片531的托盤(pán)53旋轉(zhuǎn)，來(lái)提高外延片531之間加熱的均勻 性，以及外延片531表面上反應(yīng)氣體混和與分布的均勻性。本發(fā)明還在噴淋頭20中設(shè)置若干冷卻介質(zhì)通道30，由其中的冷卻介質(zhì)直接控制 噴淋頭20面板的溫度，使得噴淋頭20溫度均勻而且在一定范圍內(nèi)，保證反應(yīng)氣體在合適的 溫度下進(jìn)入反應(yīng)腔50，不會(huì)發(fā)生分解、沉積、凝結(jié)等不合適的預(yù)先反應(yīng)。該冷卻介質(zhì)通道30是直接在噴淋頭20上用常規(guī)的機(jī)械加工的方法形成，再通過(guò) 常規(guī)焊接形成的密閉通道，加工簡(jiǎn)單、焊縫可靠，高壓密封性能檢查也容易。本發(fā)明還優(yōu)化 了制造工序，在完成了冷卻介質(zhì)通道30的加工后，再進(jìn)行噴口的加工，可以有效提高噴淋 頭20制造合格率，進(jìn)一步降低了制造成本。因此，通過(guò)上述的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，本發(fā)明所述用于MOCVD反應(yīng)腔中反應(yīng)氣體輸送與均 勻分布控制的裝置，配合外延片轉(zhuǎn)動(dòng)等其他結(jié)構(gòu)，可以獲得外延反應(yīng)所需的均勻分布的邊 界層濃度、速度和溫度，提高大規(guī)模生產(chǎn)的外延薄膜的質(zhì)量和外延片的成品率。此結(jié)構(gòu)允許 適當(dāng)增加噴淋頭20表面與外延片531之間的距離，減少噴淋頭20表面和噴口處在薄膜外 延生長(zhǎng)過(guò)程中產(chǎn)生的沉積物，所以不需頻繁打開(kāi)反應(yīng)腔50進(jìn)行清理維護(hù)，能持續(xù)進(jìn)行外延 生長(zhǎng)，提高了生產(chǎn)效率和系統(tǒng)產(chǎn)能。同時(shí)還簡(jiǎn)化了噴淋頭20制造的加工方法，進(jìn)一步降低 加工難度和成本。盡管本發(fā)明的內(nèi)容已經(jīng)通過(guò)上述優(yōu)選實(shí)施例作了詳細(xì)介紹，但應(yīng)當(dāng)認(rèn)識(shí)到上述的 描述不應(yīng)被認(rèn)為是對(duì)本發(fā)明的限制。在本領(lǐng)域技術(shù)人員閱讀了上述內(nèi)容后，對(duì)于本發(fā)明的 多種修改和替代都將是顯而易見(jiàn)的。因此，本發(fā)明的保護(hù)范圍應(yīng)由所附的權(quán)利要求來(lái)限定。
10
權(quán)利要求
一種用于MOCVD反應(yīng)腔中反應(yīng)氣體輸送與均勻分布控制的裝置，置于反應(yīng)腔(50)的頂部，反應(yīng)腔蓋(51)之下，用于使至少兩種反應(yīng)氣體分別輸送至托盤(pán)(53)上的若干外延片(531)上方混合進(jìn)行外延反應(yīng)或薄膜沉積，其特征在于，該裝置包含前置勻氣板(10)，以及設(shè)置在前置勻氣板(10)下方的噴淋頭(20)；所述反應(yīng)腔蓋(51)設(shè)為若干區(qū)域，對(duì)應(yīng)每個(gè)區(qū)域設(shè)置有若干氣體輸入通道(511、521、522)；所述前置勻氣板(10)上開(kāi)設(shè)有若干氣體通道(11)，對(duì)從輸入通道(511)引入的至少第一反應(yīng)氣體進(jìn)行流量分布的控制后，輸送至所述噴淋頭(20)；所述至少第二反應(yīng)氣體經(jīng)由所述反應(yīng)腔蓋(51)上不同區(qū)域的輸入通道(521、522)，分別輸送至所述噴淋頭(20)的不同區(qū)域的氣路；所述噴淋頭(20)上設(shè)置有若干噴口(21、22)分別對(duì)應(yīng)所述第一、第二反應(yīng)氣體進(jìn)行二次的流量分配，使所述第一、第二反應(yīng)氣體被獨(dú)立且均勻地輸送至所述外延片(531)上方。
2.如權(quán)利要求1所述用于MOCVD反應(yīng)腔中反應(yīng)氣體輸送與均勻分布控制的裝置，其特 征在于，所述反應(yīng)腔蓋(51)的中心位置開(kāi)設(shè)有一些輸入通道(511、521)，外圍位置開(kāi)設(shè)有 另一些輸入通道(522)；位于反應(yīng)腔蓋(51)中心的輸入通道(511)將第一反應(yīng)氣體輸送至前置勻氣板(10)；位于反應(yīng)腔蓋(51)中心的另一輸入通道(521)穿過(guò)所述前置勻氣板(10)，與位于反應(yīng) 腔蓋(51)外圍的所述輸入通道(522) —起，分別將第二反應(yīng)氣體輸送至所述噴淋頭(20)； 通過(guò)控制所述輸入通道(521、522)內(nèi)的氣體流量，使在所述噴淋頭(20)的中心和外圍區(qū)域 獲得所需的氣體流量分布。
3.如權(quán)利要求1所述用于MOCVD反應(yīng)腔中反應(yīng)氣體輸送與均勻分布控制的裝置，其特 征在于，所述前置勻氣板(10)上的氣體通道(11)是在徑向上以一定疏密規(guī)律分布開(kāi)設(shè)，來(lái) 對(duì)前置勻氣板(10)上不同直徑的環(huán)形區(qū)域上的氣體流量分布進(jìn)行控制的。
4.如權(quán)利要求1所述用于MOCVD反應(yīng)腔中反應(yīng)氣體輸送與均勻分布控制的裝置，其特 征在于，所述前置勻氣板(10)的邊緣凸起，中間下凹，使在該前置勻氣板(10)上方、與反應(yīng) 腔蓋(51)之間形成一個(gè)空間(41)。
5.如權(quán)利要求4所述用于MOCVD反應(yīng)腔中反應(yīng)氣體輸送與均勻分布控制的裝置，其特 征在于，所述噴淋頭(20)與前置勻氣板(10)配合連接，使在噴淋頭(20)上方形成一個(gè)空 間(42)，并與所述輸送第一反應(yīng)氣體的若干噴口(21)連通；所述前置勻氣板(10)上游的 空間(41)中的氣體壓力P1，大于其下游的該空間(42)內(nèi)的氣體壓力P2。
6.如權(quán)利要求2所述用于MOCVD反應(yīng)腔中反應(yīng)氣體輸送與均勻分布控制的裝置，其特 征在于，所述若干噴口是通過(guò)機(jī)械加工、垂直設(shè)置的；對(duì)應(yīng)所述噴淋頭(20)的不同區(qū)域或是對(duì)應(yīng)輸送的反應(yīng)氣體不同，所述若干噴口可設(shè) 置為不同的形狀；并使對(duì)應(yīng)輸送所述第一、第二反應(yīng)氣體的噴口(21、22)沿徑向和軸向均勻交叉地分布 在所述噴淋頭(20)中。
7.如權(quán)利要求6所述用于MOCVD反應(yīng)腔中反應(yīng)氣體輸送與均勻分布控制的裝置，其特 征在于，所述噴淋頭(20)中的噴口(22)上方形成有氣路的分配通道(23)，在上方分別與 所述反應(yīng)腔蓋(51)上的若干輸入通道(521、522)連通，在下方與垂直設(shè)置的所述若干噴口 (22)連通，來(lái)輸送第二反應(yīng)氣體。
8.如權(quán)利要求7所述用于MOCVD反應(yīng)腔中反應(yīng)氣體輸送與均勻分布控制的裝置，其特 征在于，所述噴口(22)下游、噴淋頭(20)與襯底基片(531)之間形成有空間(43)；分別對(duì)應(yīng)中間和邊緣的輸入通道(521、522)與噴口(22)之間的分配通道(23)內(nèi)的氣 體壓力P4、P5，均大于所述噴口(22)下游的空間(43)中的氣體壓力P3。
9.如權(quán)利要求1所述用于MOCVD反應(yīng)腔中反應(yīng)氣體輸送與均勻分布控制的裝置，其特 征在于，所述噴淋頭(20)中還通過(guò)機(jī)械加工和焊接，形成有若干冷卻介質(zhì)通道(30)，由其 中的冷卻介質(zhì)控制噴淋頭(20)面板的溫度。
10.如權(quán)利要求1所述用于MOCVD反應(yīng)腔中反應(yīng)氣體輸送與均勻分布控制的裝置，其 特征在于，所述噴淋頭(20)的底面與放置在托盤(pán)(53)上的若干外延片(531)的表面平行； 所述托盤(pán)(53)可沿著其自身的中心軸旋轉(zhuǎn)。全文摘要
一種垂直式MOCVD反應(yīng)腔中反應(yīng)氣體輸送與均勻分布控制的裝置，分別通過(guò)前置勻氣板的徑向上疏密分布的氣體通道和不同位置上輸入通道的流量控制，分別使至少兩種反應(yīng)氣體引入噴淋頭上徑向、軸向交叉分布的兩路、可設(shè)置不同形狀的噴口進(jìn)行二次分配，實(shí)現(xiàn)在旋轉(zhuǎn)的外延片表面獲得所需均勻分布的邊界層濃度、速度和溫度，提高大規(guī)模生產(chǎn)的外延薄膜的質(zhì)量和外延片的成品率，而且能有效控制昂貴反應(yīng)氣體的消耗，降低外延生產(chǎn)的成本。通過(guò)適當(dāng)增加噴淋頭表面與外延片間的距離，減少外延生長(zhǎng)中在噴淋頭表面和噴口處產(chǎn)生的沉積物，延長(zhǎng)清洗周期，提高了生產(chǎn)效率和系統(tǒng)產(chǎn)能。該裝置還可降低噴淋頭的噴口及冷卻介質(zhì)通道的加工難度和制造成本。
文檔編號(hào)C23C16/455GK101914761SQ20101025887
公開(kāi)日2010年12月15日 申請(qǐng)日期2010年8月16日 優(yōu)先權(quán)日2010年8月16日
發(fā)明者孫仁君, 金小亮, 陳愛(ài)華 申請(qǐng)人:華晟光電設(shè)備(香港)有限公司