一种MOCVD反应器制造技术

本发明专利技术提供MOCVD反应腔，所述反应腔体围绕形成反应空间；反应空间底部包括一个旋转基座，用于支撑并驱动设置在旋转基座上的基片托盘旋转，反应腔体顶部包括一进气装置，所述进气装置包括一个气体喷淋板，用于向下通入第一反应气体和第二反应气体；所述进气装置还包括一个长杆形的气体喷头，所述气体喷头穿过位于气体喷淋板中心的通孔向下延伸到低于所述气体喷淋板下表面，所述气体喷头顶部包括一辅助气体输入管道，通过所述辅助气体输入管道与所述第一反应气源或者第二反应气源之一相连接，所述气体喷头底部为气体喷嘴，所述气体喷嘴底面的多个出气通道向下方的基片托盘中心区域喷出来自所述辅助气体输入管道的气体。

A MOCVD reactor

【技术实现步骤摘要】
一种MOCVD反应器
本专利技术涉及MOCVD(金属有机化学气相沉积)反应器，还涉及可应用于上述装置的气体供应装置。
技术介绍
作为III-V族薄膜中的一种，氮化镓(GaN)是一种广泛应用于制造蓝光、紫光和白光二极管、紫外线检测器和高功率微波晶体管的材料。由于GaN在制造适用于大量用途的低能耗装置(如，LED)中具有实际和潜在的用途，GaN薄膜的生长受到极大的关注。包括GaN薄膜在内的III-V族薄膜能以多种不同的方式生长，包括分子束外延(MBE)法、氢化物蒸气阶段外延(HVPE)法、金属有机化合物化学气相沉积(MOCVD)法等。目前，MOCVD法是用于为生产LED得到足够质量的薄膜的优选的沉积方法。MOCVD是金属有机化合物化学气相沉积(Metal-organicChemicalVaporDeposition)的英文缩写。MOCVD工艺通常在一个具有温度控制的环境下的反应室或反应室内进行。通常，由包含第III-V族元素(例如镓(Ga))的第一反应气体和一含氮的第二反应气体(例如氨(NH3))被通入反应室内反应以在基片上形成GaN薄膜。一载流气体(carriergas)也可以被用于协助运输前体气体至基片上方。这些前体气体在被加热的基片表面混合反应，进而形成第III-V族氮化物薄膜(例如GaN薄膜)而沉积在基片表面。其中第一反应气体和第二反应气体在进入反应腔之前需要互相隔离，避免提前反应形成污染物。但是在到达反应腔后又需要快速混合，最终在到达基片时充分反应形成半导体晶体。第一反应气体和第二反应气体通常经一气体喷淋板注入反应室内，如图1所示为现有技术常用的MOCVD反应器结构，MOCVD反应器包括腔体100，腔体壁中还包括用于流通冷却液的渠道。腔体100围绕而成的内部空间的内底部设置有一个旋转轴12，旋转轴顶部放置有基片托盘10，基片托盘上可以放置一片或者多片的待处理基片。基片托盘下方还包括加热器14和围绕加热器14的热隔离板13。反应器顶部包括一个顶盖，顶盖中的下部为一个气体喷淋板20，气体喷淋板20内包括第一气体扩散腔201和第二气体扩散腔202，这两个气体扩散腔分别连接到第一反应气体源和第二反应气体源。第一气体扩散腔201通过多个第一进气通道211向下输送第一反应气体(g1)到下方的反应空间。第二气体扩散腔202通过多个第二进气通道212输送第二反应气体(g2)到下方反应空间。其中第一进气通道211和第二进气通道212经常是呈互相平行的长条形，这样向下流动过程中能够与相邻的另一种反应气体互相混合。其中气体喷淋头20的底部还包括一水冷渠道25，通过水流带走气体喷淋头上多余热量，控制气体喷淋头稳定在合适温度。反应腔壳体底部通过真空泵抽气使反应腔100内保持真空。气体喷淋头20用于将第一反应气体和第二反应气体注入反应腔100内，第一反应气体和第二反应气体在进入反应腔100前彼此要保持分离，进入反应腔100后开始混合最终到达基片托盘上表面设置的基片，发生充分的反应，从而在基片15表面形成所需的膜层。上述气体供应结构中，气体喷淋板输出的第一反应气体和第二反应气体在向下扩散过程中会发生部分混合，但是无法保证到达基片托盘10上表面时能够按合适的比例充分混合。为此同时需要控制气体喷淋板下方旋转轴12驱动基片托盘保持高速旋转(600-1200转/分)，这样到达基片托盘上表面的不同种类反应气体在高速旋转的基片托盘上表面的驱动下达到充分混合。但是这种高速旋转保证混合的方式存在缺陷，基片托盘中心区域相对托盘边缘区域旋转的线速度很低，无法足够混合。如图2所示为基片托盘10的顶视图，其中基片托盘10上设置有大量基片15，其中位于中心区域10A区域的基片由于气体混合不充分，所以会出现反应不充分或者其中一种反应气体过量的问题，其余的10B区域由于基片托盘的高速旋转能够实现快速沉积。上述基片托盘中心区域半导体生长不均匀的问题是现有技术无法有效解决的，所以一般基片托盘中心区域不设置基片。另一方面，反应腔内底部外侧包括抽气口，联通到真空泵，使得反应腔内在反应过程中维持在接近真空的低压。所以从上方向下流的第一、第二反应气体会向外侧边缘流动，所以流到基片托盘120中心区域10A的气流量小于10B区域的流量，这一差异也会导致中心区域的生长效果不佳，无法生长有效的半导体结构。所以，需要提出一种新的技术进一步减小托盘中心区域中出现的无效生长区域。另一方面，当前部分工艺(用于生产GaN功率器件)中一片托盘上只设置一整片基片，这种应用场合下基片中心出现大片质量无法满足要求的区域也会严重影响生产效率。
技术实现思路
本专利技术提供一种MOCVD反应器，使得MOCVD反应器内基片托盘中心区域的反应与周围区域的气体流量和混合比更接近，大幅提高基片中心区域半导体材料的生长质量。本专利技术的MOCVD反应器包括：反应腔体，所述反应腔体围绕形成反应空间；反应空间底部包括一个旋转基座，用于支撑并驱动设置在旋转基座上的基片托盘旋转，所述基片托盘用于固定一片或多片待处理基片；反应腔体顶部包括一顶盖，顶盖下部包括一进气装置，所述进气装置包括一个气体喷淋板，用于向下通入第一反应气体和第二反应气体；所述进气装置还包括一个长杆形的气体喷头，所述气体喷头穿过位于气体喷淋板中心的通孔向下延伸到低于所述气体喷淋板下表面，所述气体喷头顶部包括一辅助气体输入管道，通过所述辅助气体输入管道与所述第一反应气源或者第二反应气源之一相连接，所述气体喷头底部为气体喷嘴，所述气体喷嘴底面的多个出气通道向下方的基片托盘中心区域喷出来自所述辅助气体输入管道的气体。其中气体喷头内的辅助气体输入管道也可与抽气装置相联通，以抽走喷头周围多余反应气体。其中喷头上端通过一个气密装置与所述顶盖连接，气密装置为磁流体密封装置，实现高速旋转的气体喷头与固定安装的顶盖之间的气密。MOCVD反应器还包括一驱动装置，驱动所述气体喷头能够上下移动或者旋转。本专利技术的MOCVD反应器用于生长多层材料层，其中用于生长不同材料层时气体喷嘴具有不同高度。本专利技术的气体喷头旋转方向与所述基片托盘旋转方向可以选择不同或相同，旋转速度也可以选择与基片托盘的转速相同，使得补充入反应腔的反应气体能够与气体喷淋板在基片托盘上中心区域的气流分布互相补偿，改善生长质量。本专利技术中的气体喷嘴包括多组互相隔离的出气通道，第一组出气通道的气体联通到第一反应气体源，第二组出气通道联通到第二反应气体源，所述第一组出气通道和第二组出气通道输出的气体流向基片托盘中心区域内的第一区域和第二区域。所述第一区域内所述第一气体通道的喷出的气体方向与基片托盘平面垂直，第二区域内所述第二气体通道喷出的气体方向与基片托盘平面互相平行或者倾斜相交。本专利技术所适用的气体喷淋板底部包括多个互相平行的纵长形气体通道，第一组的气体通道与第一反应气源相联通用于通入第一反应气体，第二组气体通道与第二反应气源相联通用于通入第二反应气体，其中第一组和第二组气体通道交替排布。所述气体喷嘴侧壁包括多个出气通道，所述侧壁的出气通道使得喷出的第一本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种MOCVD反应器，包括：/n反应腔体，所述反应腔体围绕形成反应空间；/n反应空间底部包括一个旋转基座，用于支撑并驱动设置在旋转基座上的基片托盘旋转，所述基片托盘用于固定一片或多片待处理基片；/n反应腔体顶部包括一顶盖，顶盖包括一进气装置，所述进气装置包括位于顶盖下部的一个气体喷淋板，用于向下通入第一反应气体和第二反应气体；/n所述进气装置还包括一个长杆形的气体喷头，所述气体喷头穿过位于气体喷淋板中心的通孔向下延伸到低于所述气体喷淋板下表面，所述气体喷头顶部包括一辅助气体输入管道，通过所述辅助气体输入管道与第一反应气源和/或第二反应气源相连接，所述气体喷头底部为气体喷嘴，所述气体喷嘴底面的多个出气通道向下方的基片托盘中心区域喷出来自所述辅助气体输入管道的气体。/n

【技术特征摘要】
1.一种MOCVD反应器，包括：
反应腔体，所述反应腔体围绕形成反应空间；
反应空间底部包括一个旋转基座，用于支撑并驱动设置在旋转基座上的基片托盘旋转，所述基片托盘用于固定一片或多片待处理基片；
反应腔体顶部包括一顶盖，顶盖包括一进气装置，所述进气装置包括位于顶盖下部的一个气体喷淋板，用于向下通入第一反应气体和第二反应气体；
所述进气装置还包括一个长杆形的气体喷头，所述气体喷头穿过位于气体喷淋板中心的通孔向下延伸到低于所述气体喷淋板下表面，所述气体喷头顶部包括一辅助气体输入管道，通过所述辅助气体输入管道与第一反应气源和/或第二反应气源相连接，所述气体喷头底部为气体喷嘴，所述气体喷嘴底面的多个出气通道向下方的基片托盘中心区域喷出来自所述辅助气体输入管道的气体。


2.如权利要求1所述的MOCVD反应器，其特征在于，所述气体喷头上端通过一个气密装置与所述顶盖连接，气密装置为磁流体密封装置。


3.如权利要求1所述的MOCVD反应器，其特征在于，所述MOCVD反应器还包括一驱动装置，驱动所述气体喷头能够上下移动或者旋转。


4.如权利要求3所述的MOCVD的反应器，其特征在于，所述MOCVD反应器用于生长多层材料层，其中用于生长不同材料层时气体喷嘴具有不同高度。


5.如权利要求3所述的MOCVD的反应器，其特征在于，所述气体喷头旋转方向与所述基片托盘旋转方向不同。


6.如权利要求3所述的MOCVD反应器，其特征在于，所述气体喷头的旋转方向与所述基片托盘的旋转方向相同。


7.如权利要求6所述MOCVD反应器，其特征在于所述气体喷头的旋转速度与基片托盘的转速相同。


8.如权利要求6所述的MOCVD反应器，其特征在于，所述气体喷嘴包括多组互相隔离的出气通道，第一组出气通道的气体联通到第一反应气体源，第二组出气通道联通到第二反应气体源，所述第一组出气通道和第二组出气通道输出的气体流向基片托盘中心区域内的第一区域和第二区域。


9.如权利要求8所述的MOCVD反应器，其特征在于，所述第一区域内所述第...

【专利技术属性】
技术研发人员：姜勇，
申请(专利权)人：中微半导体设备上海股份有限公司，
类型：发明
国别省市：上海;31