一种垂直喷淋式ＭＯＣＶＤ反应器制造技术

本发明专利技术揭示了一种垂直喷淋式ＭＯＣＶＤ反应器，包括反应室、设于反应室顶部的喷淋头及其冷却水进、出口、设于反应室底部的衬底托、加热器及出气口，用于输入反应气体的进气口设于喷淋头之内，其特点是喷淋头腔体相隔形成三个以上独立区域，各独立区域分别设有各自独立的进气口；喷淋头的轴向中心贯穿设有一转轴，喷淋头与转轴联动；复数个衬底托相对孤立呈环状排布于反应室底部。本发明专利技术技术方案的应用，将反应气源分隔并依次喷淋，能有效消除气相寄生反应，同时反应后的尾气能迅速从各衬底托的空隙流走，被排出反应器，能有效消除积聚未散的尾气对反应气体扰流作用，提高了外延片的生长质量，并为实现无限增大装片容量提供了可能。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种半导体薄膜沉积设备，尤指一种新的垂直喷淋式MOCVD反应器及其喷淋头和衬底托结构。目的是通过控制气体在反应器内的流动路径，使基片上方的气体 流速、温度和反应物浓度都均勻分布，从而得到晶格结构完整、厚度和组分均勻的薄膜沉 积。
技术介绍
金属有机化学气相沉积(即MOCVD，Metalorganic Chemical VaporDeposition), 是制备化合物半导体薄膜的一项关键技术。它利用较易挥发的有机物如Ga (CH3)3等作为较 难挥发的金属原子的源反应物，通过载气携带到反应器内，与NH3、AsH3等氢化物发生反应， 在加热的基片上生成GaN、GaAs等薄膜，用于微电子或光电器件。MOCVD系统一般包括(1) 源供给系统；(2)气体输运系统；(3)反应室；(4)加热系统；(5)尾气处理系统；(6)控制系 统；(7)晶片取放系统。通常所说的MOCVD反应器一般包括反应室、加热系统以及进气口和 出气口。根据主气流与基片的相对方向，MOCVD反应器主要分为两大类(1)主气流沿水平 方向流动且平行于基片的称为水平式反应器；(2)主气流沿垂直方向流动且垂直冲击基片 的称为垂直式反应器。现代的两种商用MOCVD反应器-行星式和垂直喷淋式，可以分别视 为从水平式和垂直式反应器演化而来。薄膜制备的重要指标之一，就是其厚度和组分的均勻性。在MOCVD技术中，要生长 出厚度和组分均勻的大面积薄膜材料，基片各处的生长速度以及到达基片的反应物浓度应 尽量均勻一致。这就要求基片表面附近存在均勻的流场、温场和浓度场分布，基片上方应处 于层流区，无任何形式的涡流，基片上方有大的温度梯度，新鲜的反应物应能够同时到达基 片上方各点。水平式反应器(horizontal reactor)的主要问题是反应物浓度的沿程损耗、热对 流涡旋和侧壁效应，容易造成薄膜厚度的前后不均勻，需用复杂的方法来加以克服，通常只 用于试验室里，不适合工业上规模化生产。而行星式反应器(planetary reactor)作为水 平式的改进形式，采用径向流动消除了侧壁效应，通过托盘公转和基片自转来获得浓度的 均勻，可以进行规模化生产。但由于反应物浓度的沿程损耗不可避免，当托盘直径进一步扩 大时，由于气体流动中被不断加热，热浮现象开始加剧，不利用单晶薄膜的生长，所生长的 薄膜的不均勻性问题将更为突出。尽管行星式在进口段运用垂直多重进口来抑制反应物之 间的预反应，但对于生长AlN等这种需要高活性反应物参与的情况，由于反应器本身的结 构特点，其预反应还是难以被抑制，生长出来的薄膜质量低。一般来讲，垂直式反应器(vertical reactor)比水平式反应器可获得更好的薄 膜沉积，原因主要有两个方面一是可以利用射流冲击在基片上方产生滞止流(stagnation flow) ；二是可以利用托盘旋转产生一种吸引上方气体的泵效应(von pump effect) 0 二者 都可以产生二维轴对称流动，抑制热对流涡旋，特别是在基片上方形成较均勻的速度、温度 和浓度边界层。传统的垂直反应器演变成两种现代类型垂直喷淋式(showerhead)和高速转盘 式(RDR)。垂直喷淋式的主要特点是采用喷淋头和近距离喷口，将反应气体人为的均勻分配 到基片上方，从而使到达基片上方(边界层之外)各点的反应气体浓度基本相同。反应气 体再通过浓度扩散，穿过边界层到达基片表面。但是，由于从托盘正上方喷入的所有反应气 体都必须流到托盘边缘，再由排布在反应器侧面或下部的出口排出，在托盘中心处喷入的 反应气体和在托盘边缘处喷入的反应气体流经的距离明显不同。由于中心处的生成物尾气 不能及时排出，因此，这种反应器的浓度分布本质上仍是不均勻的。当托盘直径扩大、生长 的晶片数目增加时，这种不均勻性将被放大。高速转盘式利用托盘高速旋转产生的泵效应来抑制对流涡旋，得 到基片上方均勻 的边界层厚度，从而使基片上方各点得到较均勻的粒子浓度供给。但是MOCVD的生长温度 都很高，高温托盘的旋转，其本身就对机械制造工艺提出了很高的要求；再者，在实际操作 中还会遇到径向有偏差、旋转同轴度控制困难，当转速加大时，还可能引起理想的二维轴对 称流变为复杂的三维流，造成流动失稳和均勻降低的问题。尽管上述反应器的设计上也有采用分隔进口(垂直喷淋式通过双层喷口焊接的 方式，实现了密布喷口间的气路分隔)，一定程度上抑制了预反应的发生，但当生长A1N、 AlGaN等时，由于相邻喷口距离较近，生长出来的薄膜的效果仍然不够好。近期，英国EMF公 司生产的矢量流(vectored flow epitaxy)反应器，通过各反应物分区的径向喷射以及托 盘的低速旋转，最大限度的降低了预反应的发生，生长出了高质量的AlN材料，但是这种反 应器同样面临着托盘直径增大的困难。可见，随着近年来LED行业的蓬勃发展，对外延片的需求量将会越来越大，高质量 材料的规模化生产对MOCVD反应器提出了更高的要求。而现今的MOCVD反应器都有很大的 改进的余地，对新型可扩展式的反应器的设计也更加迫切。现有MOCVD反应器的有关专利，如“一种用于气相沉积的水平式反应器结构”(申 请号200310108793. 0)，“用于金属有机化学气相沉积设备的双层气体喷头”(申请号 200410017471. X)，“一种上进上出的垂直喷淋式反应器”(专利号ZL 200720040098. 9)，“一 种水平切向进口、中心垂直出口的MOCVD反应室”(申请号200810122991.5)等。
技术实现思路
针对上述现有技术存在的缺陷，本专利技术的目的旨在提供一种垂直喷淋式MOCVD反 应器，以其特有的喷淋头和衬底托结构，防止预反应的发生，实现高质量化合物半导体材料 的生长，消除各基片间厚度和组分的不均勻性，实现重复单元生长，进而无限扩展反应器的容量。本专利技术的上述目的，将通过以下技术方案来实现一种垂直喷淋式MOCVD反应器，包括反应室、设于反应室顶部的喷淋头及其冷却 水进、出口、设于反应室底部的衬底托、加热器及出气口，用于输入反应气体的进气口设于 喷淋头之内，其特征在于所述喷淋头腔体相隔形成三个以上独立区域，各独立区域分别设 有各自独立的进气口 ；喷淋头的轴向中心贯穿设有一转轴，喷淋头与转轴联动；复数个衬 底托相对孤立呈环状排布于反应室底部。进一步地，前述的一种垂直喷淋式MOCVD反应器，其中该喷淋头为圆盘形状，其喷淋头腔体分为上、下两层，上层喷淋腔由隔板相隔形成三个以上独立区域，各独立区域顶面分别开设有独立的进气口 ；下层喷淋腔为实体结构，并于其上贯通上层喷淋腔及反应室设 有密布的喷管。更进一步地，前述的一种垂直喷淋式MOCVD反应器，其中该喷淋头上层喷淋腔由 隔板相隔形成四个扇形的独立区域。且根据不同反应气体与载气的体积配比形成两个容积 相对另两个容积较大的四个扇形的独立区域，该四个独立区域的容积两两相等，间隔排布。更进一步地，前述的一种垂直喷淋式MOCVD反应器，其中该喷淋头下层喷淋腔的 喷管分布密度大约在10个/cm2左右，喷管的内径大约在Imm左右。进一步地，前述的一种垂直喷淋式MOCVD反应器，其中该喷淋头对应下方衬底托 各环之间的位置设有用于隔断气体的本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种垂直喷淋式ＭＯＣＶＤ反应器，包括反应室、设于反应室顶部的喷淋头及其冷却水进、出口、设于反应室底部的衬底托、加热器及出气口，用于输入反应气体的进气口设于喷淋头之内，其特征在于：所述喷淋头腔体相隔形成三个以上独立区域，各独立区域分别设有各自独立的进气口；喷淋头的轴向中心贯穿设有一转轴，喷淋头与转轴联动；复数个衬底托相对孤立呈环状排布于反应室底部。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：王国斌，张永红，王怀兵，邱凯，朱建军，张宝顺，杨辉，
申请(专利权)人：中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所，
类型：发明
国别省市：32[中国|江苏]