CN201071403Y - 一种上进上出的垂直喷淋式mocvd反应器 - Google Patents
一种上进上出的垂直喷淋式mocvd反应器 Download PDFInfo
- Publication number
- CN201071403Y CN201071403Y CNU2007200400989U CN200720040098U CN201071403Y CN 201071403 Y CN201071403 Y CN 201071403Y CN U2007200400989 U CNU2007200400989 U CN U2007200400989U CN 200720040098 U CN200720040098 U CN 200720040098U CN 201071403 Y CN201071403 Y CN 201071403Y
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- reactor
- substrate
- reaction
- outlet
- gas
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Expired - Fee Related
Links
- 238000002488 metal-organic chemical vapour deposition Methods 0.000 title claims abstract 5
- 238000005507 spraying Methods 0.000 title 1
- 239000000758 substrate Substances 0.000 claims abstract description 50
- 239000007789 gas Substances 0.000 claims abstract description 44
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 claims abstract description 28
- 239000000498 cooling water Substances 0.000 claims abstract description 9
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 claims abstract description 9
- 239000007921 spray Substances 0.000 claims description 13
- 239000000376 reactant Substances 0.000 claims description 12
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 5
- 229910002804 graphite Inorganic materials 0.000 claims description 5
- 239000010439 graphite Substances 0.000 claims description 5
- 229910001220 stainless steel Inorganic materials 0.000 claims description 3
- 239000010935 stainless steel Substances 0.000 claims description 3
- VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N Silicium dioxide Chemical compound O=[Si]=O VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 2
- 230000006698 induction Effects 0.000 claims description 2
- 210000005239 tubule Anatomy 0.000 claims 3
- 239000002826 coolant Substances 0.000 claims 1
- 230000008676 import Effects 0.000 claims 1
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims 1
- 239000012535 impurity Substances 0.000 abstract description 2
- 239000013049 sediment Substances 0.000 abstract 1
- 239000012495 reaction gas Substances 0.000 description 17
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 6
- 239000010409 thin film Substances 0.000 description 6
- 238000005229 chemical vapour deposition Methods 0.000 description 4
- 239000010408 film Substances 0.000 description 4
- 238000000034 method Methods 0.000 description 4
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 description 4
- 239000012159 carrier gas Substances 0.000 description 3
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 3
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 3
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 3
- 235000012431 wafers Nutrition 0.000 description 3
- 239000000919 ceramic Substances 0.000 description 2
- 230000008021 deposition Effects 0.000 description 2
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 2
- 238000009826 distribution Methods 0.000 description 2
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 2
- 229910001218 Gallium arsenide Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000005234 chemical deposition Methods 0.000 description 1
- 150000001875 compounds Chemical class 0.000 description 1
- 239000013078 crystal Substances 0.000 description 1
- 238000000151 deposition Methods 0.000 description 1
- 239000012530 fluid Substances 0.000 description 1
- 150000004678 hydrides Chemical class 0.000 description 1
- 150000002500 ions Chemical class 0.000 description 1
- 239000000463 material Substances 0.000 description 1
- 238000004377 microelectronic Methods 0.000 description 1
- 230000005693 optoelectronics Effects 0.000 description 1
- 239000002245 particle Substances 0.000 description 1
- 230000000737 periodic effect Effects 0.000 description 1
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 description 1
- 238000005086 pumping Methods 0.000 description 1
- 239000000126 substance Substances 0.000 description 1
- 238000000427 thin-film deposition Methods 0.000 description 1
- 238000007740 vapor deposition Methods 0.000 description 1
Images
Landscapes
- Chemical Vapour Deposition (AREA)
Abstract
本实用新型公开了一种上进上出的垂直喷淋式MOCVD反应器结构。其包括反应室、加热系统、喷淋头以及冷却水进、出口；其特征为：反应气体从位于顶部的许多密排小喷管喷入反应室，反应后的尾气又从位于顶部的许多小出口排出。进口和出口在顶部交叉排列。它使基片上方的反应气体浓度在每个喷管附近的小范围内呈周期性变化，从而可使薄膜沉积的厚度和杂质浓度沿径向的不均匀性大大减小，还可以取消复杂的基片旋转。
Description
技术领域
本实用新型涉及一种半导体薄膜沉积设备，即一种上进上出的垂直喷淋式MOCVD反应器。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匀分布，从而得到晶格结构完整、厚度和组分均匀的薄膜沉积。
背景技术
金属有机化学气相沉积，即MOCVD(Metalorganic Chemical Vapor Deposition)，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匀性。在MOCVD技术中，要生长出厚度和组分均匀的大面积薄膜材料，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匀一致。这就要求基片表面附近存在均匀的流场、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。
在水平式反应器中，反应气体从基片的一侧流向另一侧，这种反应器结构简单，但是存在严重的反应物耗尽和热对流涡旋等问题，容易造成薄膜厚度的前后不均匀性，需用复杂的方法来加以克服。一般采用两种方法：(1)使衬底以一定的角度倾斜放置，或将反应器的顶部设计为向后下方倾斜，从而使反应气体向后方加速，补偿反应物浓度的消耗；(2)使基片旋转，目的是使基片各点都能接受同样的反应气体浓度供给。水平式反应器最大的缺点是难以同时沉积多片晶片，故通常只用于试验室里，不适合工业上规模化生产。
在垂直式反应器中，气体从基片的上方进入并折转90度横穿基片，然后从反应器侧面或底部排出。当基片高速旋转时，流体的粘性力产生一种泵效应(Von Karman Pump)：由于粘性的作用，靠近基片表面的一层气体随同转盘一起转动，在离心力的作用下，气体不断地沿径向被抛向基片的外缘。与此同时，基片上方的气体沿轴向流入基片表面以补充失去的气体。这种泵效应能够抵消热对流产生的涡旋，得到基片上方均匀的边界层厚度，从而使基片上方各点得到较均匀的粒子浓度供给。高速旋转的垂直式反应器(RDR式)能够沉积高质量的半导体薄膜，但是这种反应器通常一次只能沉积一片晶片，生产效率低。
垂直喷淋式反应器是垂直式反应器的改进形式，反应气体通过托盘上方许多密排的小喷管直接喷向基片，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。利用旋转能够得到基片上方较均匀的边界层厚度，从而获得较高质量的薄膜生长。这种反应器一次可以沉积多个晶片。但是，由于从基片正上方喷入的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(上进下出)，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。中心处的生成物尾气不能及时排出，导致基片沿径向的厚度和杂质浓度仍存在不均匀性。上述不均匀性主要依靠托盘旋转来解决，但这增加了装置的工艺难度、控制难度以及不稳定性。
现有的MOCVD反应器垂直喷淋头的有关专利，如“用以制造半导体装置的化学气相沉积设备的喷头”(申请号03120956.4，公开号CN1450598A)，“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，公开号CN1563483A)，“一种用于气相沉积的水平式反应器结构”(申请号200310108793.0，公开号CN1544687)等，都属于“上进下出”类型。
发明内容
本实用新型提出一种新型的上进上出的垂直喷淋式MOCVD反应器。该反应器的气体进口和反应后尾气的出口均在托盘的上方，即反应器的顶部。
本实用新型提出的MOCVD反应器包括反应室、加热系统、喷淋头以及冷却水进、出口。反应室壁面采用石英玻璃或不锈钢，加热系统采用感应式或电阻式加热石墨衬底，石墨衬底放在托盘上。托盘可以不旋转，也可以连接陶瓷转轴，由电动机带动缓慢旋转(不需高速旋转)。其特征在于反应气体进口、尾气出口以及冷却水道，都在反应器顶部的喷淋头上，通过喷淋头上布置的许多密排的小孔和管道来实现。反应气体从基片上方向下喷出，又从基片上方的小孔排出，即上进上出。反应室顶部的进气口和出气口周期性地交错排列，类似离子晶体中正负离子的晶格二维排列。
反应器喷淋头上布置有均布的小管和小孔，小管为反应气体进口，小孔为尾气出口，每个小管周围均布有四个气体出口，出口面积的和应大于或等于进口面积的和，气道的间隙还布置有冷却水道。
工作中反应气体从基片上方喷淋头的许多平行小喷管喷出，进入反应区，反应后的尾气又从位于基片上方的出口排出，即进口喷管和尾气出口都在基片上方。这样设计的好处是，由每个小喷管喷出的反应气体，经反应后又从围绕其四周的上方出口排出，于是，基片上方各点的浓度分布，将不再随距离托盘中心的位置变化，只在单个喷管附近作周期性重复。即原来反应物浓度沿托盘中心到边缘的大范围径向波动变成了沿单个喷管周围的小范围周期性波动，基片生长的组分和厚度均匀性将取决于单个喷管周围的小范围浓度波动。通过调节喷管端与基片的距离、喷管间距、流速、压强等，即可达到控制薄膜生长组分和厚度均匀的目的。
本实用新型提出的MOCVD反应器包括两种类型：(1)反应气体预混合进入的反应器；(2)两种反应气体分隔进入的反应器。它们之间的差别是，预混合的反应器上端只需分隔两种气体流道，即进口流道和尾气出口；而两种反应气体分隔进入的反应器上端，需要分隔出两种气体进口流道和一种尾气出口流道。此时顶部喷淋头上均布的小管分属于两种不同的反应气体进口，它们与出口小孔相互间隔、交错排列。
本实用新型的优点是：可以使基片的厚度和组分沿径向的不均匀性大大减小，得以生长出高质量的薄膜。也可以免除托盘的高速旋转，简化反应器的结构。
附图说明
图1为反应气体预混合进入的反应器正面示意图
图2为该反应器的喷淋头仰视图
图3为两种反应气体分隔进入的反应器正面示意图
图4为该反应器的喷淋头仰视图
1进口 2出口 3喷管 4反应室 5基片 6反应器的侧壁面 7加热的石墨盘与不锈钢支承 8陶瓷转轴 9冷却水进口 10冷却水出口 11反应后尾气总出口。
具体实施方式
以下结合附图进一步说明本实用新型的装置结构和工作原理。
如图1、图2所示，预先混合好的反应气体从进口1通入，从喷管3喷入反应室4，反应气体受热后发生化学反应，在基片5上沉积。尾气从位于基片顶部的出口2排出。由于出口2和喷管3交叉排列。每个喷管周围均布四个出口，因此对于每个喷管，侧壁的影响很小。在基片上方各点的流动状态，都是围绕单个喷管的周期性重复。从而消除了反应物浓度从中心到半径的大范围变化。
如图3、4所示，气体进口1A、1B和尾气出口2互相间隔排列，A反应气体和载气从进口1A进入，B反应气体和载气从进口1B进入，分别通过在内部相连的喷管3A和3B喷入反应室4，混合并加热后发生化学反应，在基片5上发生沉积。反应后的尾气从位于基片上方的出口2排出。9为反应后尾气总出口。其余各部件标注与气体预混合进入的反应器(图1和图2)相同(冷却水道未表示出)。
Claims (3)
1.一种上进上出的垂直喷淋式MOCVD反应器，其包括反应室、加热系统、喷淋头以及冷却水进、出口；反应室壁面采用石英玻璃或不锈钢，加热系统采用感应式或电阻式加热石墨衬底，石墨衬底放在托盘上；其特征在于：进气口、出气口以及冷却水道，都在反应器顶部的喷淋头上，为喷淋头上周期性地交错排列的小孔和管道。
2.根据权利要求1所述的一种上进上出的垂直喷淋式MOCVD反应器，其特征在于：反应器喷淋头上布置的小管为反应气体进气口，小孔为尾气出气口，每个小管周围均布有四个气体出口，出口面积的和应大于或等于进口面积的和，气道的间隙布置有冷却水道。
3.根据权利要求2所述的一种上进上出的垂直喷淋式MOCVD反应器，其特征在于：反应器喷淋头上均布的小管分属于为两种不同的反应气体进口，它们与出口小孔相互间隔、交错排列。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CNU2007200400989U CN201071403Y (zh) | 2007-06-27 | 2007-06-27 | 一种上进上出的垂直喷淋式mocvd反应器 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CNU2007200400989U CN201071403Y (zh) | 2007-06-27 | 2007-06-27 | 一种上进上出的垂直喷淋式mocvd反应器 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN201071403Y true CN201071403Y (zh) | 2008-06-11 |
Family
ID=39549964
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CNU2007200400989U Expired - Fee Related CN201071403Y (zh) | 2007-06-27 | 2007-06-27 | 一种上进上出的垂直喷淋式mocvd反应器 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN201071403Y (zh) |
Cited By (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN102220569A (zh) * | 2011-07-06 | 2011-10-19 | 南昌黄绿照明有限公司 | 一种垂直气流型mocvd气体输运喷头装置 |
| CN106337202A (zh) * | 2015-07-17 | 2017-01-18 | 中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所 | 一种用于高温晶体生长的气体花洒装置 |
| CN111321463A (zh) * | 2020-03-06 | 2020-06-23 | 北京北方华创微电子装备有限公司 | 反应腔室 |
| CN115198354A (zh) * | 2022-07-20 | 2022-10-18 | 江苏振宁半导体研究院有限公司 | 一种超薄衬底的制备方法 |
| CN116180048A (zh) * | 2021-11-29 | 2023-05-30 | 湖南红太阳光电科技有限公司 | 一种用于原子层沉积高保形度三维图形的反应室系统 |
-
2007
- 2007-06-27 CN CNU2007200400989U patent/CN201071403Y/zh not_active Expired - Fee Related
Cited By (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN102220569A (zh) * | 2011-07-06 | 2011-10-19 | 南昌黄绿照明有限公司 | 一种垂直气流型mocvd气体输运喷头装置 |
| CN102220569B (zh) * | 2011-07-06 | 2012-07-04 | 南昌黄绿照明有限公司 | 一种垂直气流型mocvd气体输运喷头装置 |
| CN106337202A (zh) * | 2015-07-17 | 2017-01-18 | 中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所 | 一种用于高温晶体生长的气体花洒装置 |
| CN106337202B (zh) * | 2015-07-17 | 2018-11-06 | 中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所 | 一种用于高温晶体生长的气体花洒装置 |
| CN111321463A (zh) * | 2020-03-06 | 2020-06-23 | 北京北方华创微电子装备有限公司 | 反应腔室 |
| CN116180048A (zh) * | 2021-11-29 | 2023-05-30 | 湖南红太阳光电科技有限公司 | 一种用于原子层沉积高保形度三维图形的反应室系统 |
| CN115198354A (zh) * | 2022-07-20 | 2022-10-18 | 江苏振宁半导体研究院有限公司 | 一种超薄衬底的制备方法 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN101914761B (zh) | 用于mocvd反应腔中反应气体输送与均匀分布控制的装置 | |
| CN101824606B (zh) | 一种垂直喷淋式mocvd反应器 | |
| CN101560650B (zh) | 一种多喷淋头的化学气相沉积反应室结构 | |
| JPH08306632A (ja) | 気相エピタキシャル成長装置 | |
| CN105441904A (zh) | 气体喷淋装置、化学气相沉积装置和方法 | |
| CN201071403Y (zh) | 一种上进上出的垂直喷淋式mocvd反应器 | |
| CN106811736A (zh) | 一种化学气相沉积装置 | |
| US20100047450A1 (en) | Chemical Vapor Deposition Reactor and Method | |
| CN106498368B (zh) | 一种用于mocvd设备的喷淋头 | |
| CN101914762B (zh) | 一种用于金属有机物化学气相沉积设备的进气喷头结构 | |
| CN102492937A (zh) | 用于金属化学气相沉积设备反应室的进气喷淋头 | |
| CN102473611B (zh) | 气相生长装置 | |
| CN101949007B (zh) | 用于均匀出气的气体分配器 | |
| CN110241401A (zh) | 化学气相沉积优化腔室 | |
| CN102230165A (zh) | 化学气相沉积外延设备用的喷淋头结构 | |
| CN102199761A (zh) | 薄膜沉积装置 | |
| CN103160814B (zh) | 反应室及其气流控制方法 | |
| CN101314844A (zh) | 一种水平切向进口、中心垂直出口的mocvd反应室 | |
| JPH04233723A (ja) | 可変分配率ガス流反応室 | |
| CN102234792B (zh) | 悬喷式mocvd反应器 | |
| JP2010238831A (ja) | 気相成長装置及び気相成長方法 | |
| CN102586759B (zh) | 一种气体输送系统及应用该系统的半导体处理设备 | |
| KR100944186B1 (ko) | 화학기상증착 반응기의 가스분사장치 | |
| CN103361624B (zh) | 金属有机化合物化学气相沉积方法及其装置 | |
| TW201500577A (zh) | 用於化學氣相沉積的反應裝置及反應製程 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| C17 | Cessation of patent right | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20080611 Termination date: 20120627 |