CN105200395B - 用于mocvd设备的进气及冷却装置 - Google Patents
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Abstract
本发明中用于MOCVD设备的进气及冷却装置，设有位于反应腔内顶部的喷淋头，将有机金属气体的进气导管穿设在隔离气体的进气口中，使隔离气体能够形成帘幕状的气流并环绕在输送的有机金属气体外围，从而将刚喷出的有机金属气体与氢化物气体隔开，抑制两者过早反应产生寄生颗粒；本发明还可以防止寄生颗粒形成在进气装置底面的进气口附近；使输送的有机金属气体与氢化物气体在基座上及在各基片上都能够均匀分布，保证薄膜生长质量，提升薄膜生长率。
Description
技术领域
本发明涉及半导体制造设备，特别涉及一种用于MOCVD设备的进气及冷却装置。
背景技术
目前，在金属有机化学气相沉积法(以下简称MOCVD)，将II或III族金属有机化合物的气体，与含IV或V族元素的氢化物气体引入MOCVD设备的反应腔内，使两者的混合气体送到放置于反应腔内底部基座上的基片表面时，能够在基片表面发生热分解反应，从而外延生长形成化合物单晶薄膜。
如图1、图2所示，US2010/0143588A1提供的一种进气装置中，设有位于反应腔内顶部的气体分布板，其包含多个平行延伸且交替分布的长形管状气体分布元件第一气体分布元件、第二气体分布元件。第一反应源气体是第V族氢化物(氨气NH3)与载气(氢气H2或氮气N2)的混合气体，通过第一气体分布元件的长条型进气口输送，形成长条形、窗帘状的第一反应气体气流。第二反应源气体是有机金属气体(MO，Metal-Organic)与载气的混合气体，有机金属气体例如是三甲基镓(即(CH3)3Ga，简称TMG或TMGa，)、三甲基铝(即[(CH3)3Al]2，简称TMA或TMAl)等，通过第二气体分布元件的一组进气孔输送，形成排状第二反应气体气流。同时，还有一路载气通过相邻气体分布的第一气体分布元件和第二气体分布元件之间的间隙输送，形成间隔的窗帘状气流穿插在前述第一反应气体的气流和第二反应气体的气流之间。
如图1、图2、图3所示，上述进气装置有以下的缺点：在该进气装置的边缘，圆周上的不同位置具有不同的气体混合状态及气体流量，容易形成涡流；而且，从进气装置喷出后两种反应源气体的分布区域是交替分布的长条型，非中心对称，使得不同基片上或同一基片的不同位置上，特别是中心区域和边缘区域之间两种反应源气体的分布不均匀，导致最终沉积形成的薄膜不均匀，影响产品质量。另外，该进气装置中难以避免两种反应源气体在到达基片表面之前过早反应形成GaN、AlN寄生颗粒的问题，寄生颗粒会附着在反应腔内污染设备，随机落在基片上影响薄膜生长形态，使一部分有机金属气体耗费在生长寄生颗粒的过程，导致薄膜生长率下降。
US2009/0169744A1提供进气装置的一个实施例中，进气装置包括用来输送在混合的氢化物气体和载气的第一气体扩散腔，扩散腔底部包括第一气体导管、用来输送混合的有机金属气体和载气第二气体扩散腔，扩散腔底部包括第二气体导管，两者气体导管排布成列，还包括用来输送吹扫气体(例如Ar、N2、He等等)的第三气体扩散腔，扩散腔底部上包括多个开口，这些开口排列成一行且排列在第一进气导管和第二进气导管之间，用于隔离两种反应气体第三气体扩散腔下方还可以安装一个冷却夹套，使冷却剂在冷却夹套中流动，使进气装置的温度保持在适当水平。
然而，以上述第一实施例为例，该进气装置不仅结构复杂，而且该进气装置的底面为平面，该平面上有很多区域没有气体流过，容易形成涡流扰乱寄生颗粒，致使寄生颗粒附着在进气装置的底面难以去除。并且，第三气体扩散腔下表面的出口远离两种反应源气体的输出位置，因而经由出口输送的吹扫气体难以起到隔开两种反应源气体或将附着寄生颗粒去除的作用。
发明内容
本发明的目的是提供一种用于MOCVD设备的进气及冷却装置，将有机金属气体与氢化物气体隔开，抑制两者过早反应产生寄生颗粒；防止寄生颗粒形成在进气装置底面的进气口附近；使输送的有机金属气体与氢化物气体在基座上及在各基片上都能够均匀分布。
为了达到上述目的，本发明的技术方案是提供一种用于MOCVD设备的进气及冷却装置，设有位于反应腔内顶部的喷淋头，其中包含：
多个互相隔离的反应气体扩散腔，所述多个反应气体扩散腔包括多块隔板，其中底部隔板上设置有多组气体导管，通过导管向反应腔通入反应气体，所述多组气体导管包括：
一组第一进气导管，用来向MOCVD设备的反应腔内输送有机金属气体；
一组第二进气导管，用来输送氢化物气体；所述有机金属气体和氢化物气体由该喷淋头输送的载气携带至反应腔内底部的基片表面进行薄膜沉积反应；
多个所述反应气体扩散腔下方还包括一块冷却板，所述反应气体扩散腔包括位于底部隔板与冷却板之间的隔离气体扩散腔，所述冷却板上包括：
一组第一进气口，用来向所述反应腔内输送隔离气体；每个所述第一进气导管分别穿设在与之相对应的一个第一进气口之中，使第一进气口输送的隔离气体所形成的帘幕状气流环绕在有机金属气体外围，将刚喷出的有机金属气体与氢化物气体隔开；以及，
一组第二进气口，各自为下端口径大于上端口径的漏斗状；
所述第一进气口及第二进气口的下端开口，在冷却板的底面相互间隔且交替分布；每个所述第二进气口和与之相对应的一个第二进气导管连通，通过所述第二进气口将氢化物气体和载气混合后的气体向所述反应腔内输送。
可选地，所述第一进气导管单独输送有机金属气体，或者输送有机金属气体和载气的混合气体；
所述第二进气导管单独输送氢化物气体，或者输送氢化物气体和载气的混合气体；
所述第一进气口输送的隔离气体，是载气或吹扫气体或其混合气体。
可选地，在所述喷淋头内部，多个互相隔离的反应气体扩散腔的多块隔板包括有第一隔板、第二隔板、第三隔板；
所述冷却板与第三隔板之间形成的隔离气体扩散腔，连通至开设在冷却板上的所述第一进气口和第二进气口；
所述第三隔板与第二隔板之间形成的第二反应气体扩散腔连通至第二进气导管，所述第二进气导管插入到对应的第二进气口中，使第二进气口的上端围绕在第二进气导管的下端的外围；
所述第二隔板与第一隔板之间形成的第一反应气体扩散腔连通至第一进气导管，所述第一进气导管穿插在对应的第一进气口中。
可选地，所述喷淋头的冷却板中，避开各进气口及与之连通的各气体通道的位置，设有供冷却介质流通的管道。
可选地，所述第二进气口的侧壁设置有缓冲区，所述第二进气导管连通所述第二反应气体扩散腔将反应气体通入所述缓冲区，反应气体经过缓冲区后流入第二进气口。
可选地，所述第二进气导管的封闭的底端插入到第二进气口内，在该第二进气导管侧壁上开设有若干开孔用来输送反应气体。
可选地，所述第一进气口的下端位置低于穿设在其中的第一进气导管的下端位置。
可选地，所述第二进气口是侧壁与竖直方向夹角恒定的锥形漏斗结构。
可选地，所述第二进气口是双锥形漏斗结构，包含侧壁与竖直方向夹角为第一角度的上段，和侧壁与竖直方向夹角为第二角度的下段，第一角度小于第二角度。
可选地，所述第二进气口为多面体漏斗结构，所述第二进气口的末端边缘为多边形，侧壁设有多条棱。
与现有技术相比，本发明提供的用于MOCVD设备的进气及冷却装置，其优点在于：
本发明中通过喷淋头内间隔设置的隔板来形成气体通道；将若干进气口直接开设在冷却板上，并使冷却介质通道在其间横向布置，以减少整个设备的体积；各进气口均匀分布，有效改善基座上及在各基片上气体分布的均匀性，从而保证薄膜生长质量，提升薄膜生长率。
本发明中将有机金属气体的进气导管穿设在隔离气体的进气口中，使隔离气体能够形成帘幕状的气流并环绕在有机金属气体外围，从而将刚喷出的有机金属气体与氢化物气体隔开，抑制两者过早反应产生寄生颗粒。
本发明中通过扩大其中一些进气口的末端口径，例如形成漏斗状，来增大喷淋头底面被设置为进气口的面积，利用进气口的气流吹走寄生颗粒，同时有效缩减喷淋头底面寄生颗粒可能吸附的区域的面积。
本发明的优选实施例中通过将其中一些进气口设计为上下两段的侧壁与竖直方向夹角不同的双锥形漏斗结构，使靠近冷却板底面的下段的夹角更大，以保证在冷却板中同时开设进气口与冷却介质通道后的机械强度，并有效减少寄生颗粒可能吸附的区域的面积。
附图说明
图1、图2及图3是现有第一种进气装置气体分布效果的侧视图及俯视图；
图4是设置本发明所述进气及冷却装置的MOCVD设备的结构示意图；
图5是本发明所述进气及冷却装置的进气口分布的示意图；
图6、图7是本发明所述装置在第一实施例中的A-A’向和B-B’向的剖视图；
图8、图9是本发明所述装置在第二实施例中的C-C’向和B-B’向的剖视图；
图10是本发明所述装置在第三实施例中的B-B’向的剖视图；
图11是本发明所述装置中冷却板的第二进气口为多面体漏斗结构的示意图；
图12是图11所示多面体漏斗结构的一个示例在A-A’向的剖视图；
图13是图11所示多面体漏斗结构的另一个示例在B-B’向的剖视图。
图14是本发明所述装置的冷却板上的进气口分布示意图；
图15、图16是本发明中第二进气口为锥形漏斗结构时冷却板沿A-A’向和B-B’向的示意图；
图17、图18是本发明中第二进气口为双锥形漏斗结构时冷却板沿A-A’向和B-B’向的示意图；
图19是本发明中冷却板上进气口分布的一个具体示例的尺寸示意图；
图20是本发明中第二进气口为双锥形漏斗结构时的一个具体示例的尺寸示意图；
图21是本发明中反应腔内的化学反应过程示意图；
具体实施方式
如图4所示，本发明提供的进气装置是一种喷淋头800，其设置在MOCVD(金属有机化学气相沉积)设备反应腔900内的顶部，通过设置的第一进气导管810、第二进气导管820、第一进气口830，分别向反应腔900内输送有机金属气体、氢化物气体，和将两者携带至基片920表面进行薄膜沉积反应的载气，同时还通过由第一进气口830输送的载气将有机金属气体和氢化物气体相互隔开，以防止刚喷出的有机金属气体和氢化物气体太早反应而在喷淋头800底面的进气口附近产生寄生颗粒。
如图5所示，还设置有一组第二进气口840，其与一组第一进气口830各自的开口在喷淋头800底面间隔交替、均匀分布。每一个第二进气导管820连通至与之对应的一个第二进气口840，使第二进气口840的首端围绕在第二进气导管820的末端外围，由第二进气口840将氢化物气体与载气的混合气体输送至反应腔900。每一个第一进气导管810穿设在与之对应的一个第一进气口830中，则由第一进气口830输送的载气形成帘幕状的气流，将由第一进气导管810输送的有机金属气体与由第二进气导管820至第二进气口840输送的氢化物气体隔开。喷淋头底面上，在极边缘区域以内，每一个第一进气口830被多个(如4个)均匀分布的第二进气口840围绕且与该多个第二进气口840距离相等，同样的每一个第二进气口840也被多个均匀分布第一进气口830围绕且与该多个第一进气口830距离相等。
设各个进气口的末端是位于喷淋头800底面的一端，而各个进气口的首端是位于喷淋头800内连通至相应气体通道的一端。本例中第一进气导管810的末端外径，小于环绕在其外侧的第一进气口830的末端内径，且两者都小于第二进气口840的末端口径。若第二进气导管820的末端外径小于第二进气口840的首端内径时，可以使第二进气口840输送的载气包围在第二进气导管820输送的氢化物气体外并将两者在第二进气口840内混合后一起输送至反应腔900；若第二进气导管820的末端外径等于第二进气口840的首端内径(即两者紧密配合)时，可以使第二进气导管820输送的氢化物气体和载气的混合气体直接经由第二进气口840向反应腔900输送。
而为了减少寄生颗粒在喷淋头800底面的积聚，在兼顾各路气体流量的前提下，可以通过扩大各进气口末端的口径(例如扩大第二进气口840和/或第一进气口830)，将喷淋头800底面尽可能多的面积开设为进气口。因而，在喷淋头800底面的进气口处由于有气体流动，寄生颗粒不容易附着；而喷淋头800底面除进气口外的其他面积被缩减，可以有效减少寄生颗粒附着的影响。参见图6所示，优选的示例中，将第二进气口840设计成末端口径大于其首端口径的漏斗状。第一进气导管810、第二进气导管820、第一进气口830可以为首末端口径一致的直筒状。
如图6、图7所示，所述的喷淋头800内部设有第一隔板851、第二隔板852、第三隔板853和冷却板854，这些板在竖直方向间隔分布。本例中，第一隔板851最靠近喷淋头800的顶部，而冷却板854最靠近喷淋头800的底部。在冷却板854上直接开设所述的第一进气口830和第二进气口840；还在所述的冷却板854中避开各进气口的位置设有横向分布的冷却介质管道850，使冷却介质在管道850中流通，将喷淋头800的温度控制在合适的范围。冷却板854与第三隔板853之间形成的第三气体通道，直接连通冷却板854上的第一进气口830和第二进气口840以输送载气。第三隔板853与第二隔板852之间形成的第二气体通道，连通至作为第二进气导管820的第二导管821以输送氢化物气体；该第二导管821穿过第三气体通道并且与该第三气体通道互不导通，之后该第二导管821的末端插入到冷却板854上的第二进气口840中。第二隔板852与第一隔板851之间形成的第一气体通道，经由第一导管811输送有机金属气体；该第一导管811穿过第二气体通道、第三隔板853和第三气体通道而与之均不导通，所述第一导管811最后插入到所述第一进气口830中作为第一进气导管810。优选地，是使第一进气口830的末端位置，比第一进气导管810(第一导管811)的末端位置更低，即，第一进气口830的末端对应冷却板854的底面，而第一导管811的末端还没有达到冷却板854的底面，从而在第一进气口830内的底部形成一个载气与有机金属气体的混合区域。
如图8、图9所示，在喷淋头800的第二实施例中，与上述第一实施例中的不同点在于，冷却板854上每个第二导管821并不直接插入到第二进气口840中，而是略有偏移。例如，第二进气口840的首端附近设置有一个缓冲区855，本例中该缓冲区855为台阶状，第二导管821向缓冲区855输送氢化物气体，以减少冲击效应(impinging effect)。同时第一进气口830第三气体通道也将一路载气连通至本例的缓冲区855，使载气和第二导管821输送的氢化物气体在缓冲区855处或在第二进气口840中混合后一同由第二进气口840输出。
如图10所示，在喷淋头800的第三实施例中，与上述第一实施例中的不同点在于，提供了另一种第二导管822。本例所述的第二导管822的顶端连通第二气体通道，而该第二导管822的底端是封闭的，所述第二导管822底端插入到第二进气口840内之后，通过开设在该第二导管822侧壁上的若干开孔来输送氢化物气体，以减少冲击效应。
上述第一到第三实施例中所用的冷却板854中，第二进气口840是角度恒定的锥形漏斗结构。该角度是指锥形漏斗结构的侧壁与竖直方向的夹角。
如图17、图18所示，另一个示例的冷却板854中，第二进气口840是双锥形漏斗结构860，即，上段861和下段862分别为角度恒定的锥形漏斗结构，且下段862的角度大于上段861的角度，而下段862末端的口径大于上段861末端的口径；下段862是指该第二进气口840更靠近冷却板854底面的部分，下段862的末端口径就是该第二进气口840的末端口径；上段861则是更靠近冷却板854顶面的部分，位于冷却板854内部。该示例在冷却板854开设第二进气口840之后保证机械强度的同时，还能够有效扩大冷却板854底面开设为进气口的面积，以减少寄生颗粒可能吸附的区域的面积。
如图11、图12所示，还有一个示例的冷却板854中，为了扩大冷却板854底面开设为进气口的面积，将第二进气口840设计为多面体漏斗结构823，即，第二进气口840类似花瓣状，在其侧壁设有多条棱，末端边缘为多边形(而上述两个示例中所示第二进气口840中内壁光滑过渡，末端边缘为圆形)。图13中进一步示出了第二进气口840为多面体漏斗结构823的冷却板854，与底端封闭、侧壁开孔输气的第二导管822组合的一种示例。
如图14、图15、图16所示，在一个具体的应用(例如第二进气口840为锥形漏斗结构)中，喷淋头800的冷却板854为厚度20mm、直径460mm的圆形。在A-A’方向任意两个第二进气口840圆心到圆心之间的间距为28.3mm，在B-B’方向任意两个第二进气口840圆心到圆心之间的间距D为20mm。每四个第二进气口840将一个第一进气口830包围在其中，使该第一进气口830位于这些第二进气口840的对角线交叉点，相邻第二进气口840的边缘之间的最近距离为G-1，第一进气口830的边缘到任意一个第二进气口840的边缘的最近距离为G-2。
如图19所示，将这四个第二进气口840的圆心位置作为四角围成的方形区域设为一单元区，则该单元区的边长为间距D，面积S1＝D2。设第二进气口840的末端口径为Od-1，第二进气口840的首端口径为Od-5。设第一进气口830的末端口径为Od-2，穿插在其中的第一导管811的外径为Od-3，第一导管811的内径即第一进气导管810的末端口径为Od-4。设一作业区的面积为作业区与单元区的面积的比值S2/S1，表1、表2中列出了上述若干参数的一些示例。
表1单位 mm
| 序号 | D | S1 | Od-1 | Od-2 | Od-3 | Od-4 | S2 | G-1 | G-2 | S2/S1 |
| 1 | 20.0 | 400.0 | 16.0 | 4.0 | 1.477 | 1.069 | 213.6 | 4.0 | 4.1 | 53.4％ |
| 2 | 20.0 | 400.0 | 15.0 | 4.0 | 1.477 | 1.069 | 189.3 | 5.0 | 4.6 | 47.3％ |
| 3 | 20.0 | 400.0 | 14.0 | 4.0 | 1.477 | 1.069 | 166.5 | 6.0 | 5.1 | 41.6％ |
| 4 | 20.0 | 400.0 | 14.0 | 3.0 | 1.477 | 1.069 | 160.8 | 6.0 | 5.6 | 40.2％ |
| 5 | 20.0 | 400.0 | 13.5 | 3.0 | 1.477 | 1.069 | 150.0 | 6.5 | 5.9 | 37.5％ |
| 6 | 20.0 | 400.0 | 13.0 | 3.5 | 1.477 | 1.069 | 142.4 | 7.0 | 5.9 | 35.6％ |
| 7 | 20.0 | 400.0 | 13.0 | 3.0 | 1.477 | 1.069 | 139.8 | 7.0 | 6.1 | 35.0％ |
| 8 | 20.0 | 400.0 | 12.0 | 5.0 | 1.477 | 1.069 | 132.7 | 8.0 | 5.6 | 33.2％ |
| 9 | 20.0 | 400.0 | 12.0 | 3.0 | 1.477 | 1.069 | 120.2 | 8.0 | 6.6 | 30.0％ |
表2单位mm
| D | S1 | Od-1 | Od-2 | Od-5 | S2 | G-1 | G-2 | S2/S1 |
| 20.0 | 400.0 | 17.00 | 4.00 | 2.00 | 239.5 | 3.00 | 3.60 | 59.9％ |
如图17、图18、图20所示，在另一个具体应用(例如第二进气口840为双锥形漏斗结构860)中，冷却板854的厚度为T；其中，与该冷却板854顶面距离T-3的区域为直筒状，口径(即第二进气口840的首端口径)为Od-5；之后厚度T-2的区域为上段，上段861的侧壁与竖直方向的角度为θ，上段861的末端口径为Od-x；与该冷却板854底面距离T-1的区域为下段862，下段862的侧壁与竖直方向的角度为2θ，下段862的末端口径为Od-1。各参数有如下的关系：
冷却介质管道850横向开设在第二进气口840与第一进气口830之间的冷却板854中，各冷却介质管道850的圆心到相邻的第二进气口840或第一进气口830的中心轴的距离为7.07mm；各冷却介质管道850的圆心与冷却板854顶面的距离为T-4。表3、表4中列出了上述若干参数的一些示例。
表3单位：mm
| θ(deg) | Od-1 | Od-2 | Od-5 | Od-3 | Od-6 | T-1 | T-2 | T-3 | T-4 | T |
| 10 | 17.00 | 4.00 | 2.00 | 8.30 | 5.00 | 12.00 | 17.76 | 2.24 | 7.00 | 32.00 |
表4单位：mm
| θ | tanθ | Tan2θ | Od-1 | Od-5 | Od-x | T-1 | T-2 | T-3 | T |
| 10 | 0.176 | 0.364 | 17.0 | 2.0 | 8.3 | 12.00 | 17.76 | 2.00 | 31.76 |
| 10 | 0.176 | 0.364 | 16.0 | 2.0 | 8.0 | 11.00 | 16.99 | 2.00 | 29.99 |
| 10 | 0.176 | 0.364 | 16.0 | 4.0 | 7.3 | 12.00 | 9.26 | 2.00 | 23.26 |
| 10 | 0.176 | 0.364 | 16.0 | 4.0 | 5.8 | 14.00 | 5.13 | 2.00 | 21.13 |
| 10 | 0.176 | 0.364 | 15.5 | 4.0 | 8.2 | 10.00 | 11.97 | 2.00 | 23.97 |
| 10 | 0.176 | 0.364 | 15.0 | 4.0 | 7.7 | 10.00 | 10.55 | 2.00 | 22.55 |
| 10 | 0.176 | 0.364 | 14.0 | 4.0 | 7.4 | 9.00 | 9.78 | 2.00 | 20.78 |
| 10 | 0.176 | 0.364 | 13.5 | 4.0 | 6.9 | 9.00 | 8.36 | 2.00 | 19.36 |
| 10 | 0.176 | 0.364 | 13.0 | 4.0 | 6.8 | 8.50 | 7.98 | 2.00 | 18.48 |
| 10 | 0.176 | 0.364 | 13.0 | 4.0 | 7.2 | 8.00 | 9.01 | 2.00 | 19.01 |
| 10 | 0.176 | 0.364 | 12.0 | 4.0 | 6.5 | 7.50 | 7.20 | 2.00 | 16.70 |
如图4所示，上述各例提供的喷淋头800，位于MOCVD设备反应腔900内的顶部；所述反应腔900内的底部设置有用来承载基片920的基座910，其能够绕中心轴旋转；该基座910下方还设有基片920的加热器930；通过加热器可以使基座910上的基片温度达到合适的生长晶体的温度，典型的如大于600℃，甚至大于1000℃。MOCVD设备还设置有抽气装置，将反应后的尾气排出反应腔进行处理或再利用。
所述基片常用的有：磷化镓(GaP)、磷化铟(InP)、硅(Si)、碳化硅(SiC)及蓝宝石(Sapphire，Al2O3)等等。通常所生长的主要为III-V族化合物半导体薄膜，其中通过第一进气口输送用来提供Ⅲ族元素来源的有机金属气体，常用的有：三甲基镓(TMGa)、三甲基铝(TMAl)、三甲基铟(TMIn)等等。通过第二进气口输送用来提供V族元素来源的氢化物气体，常用的有氨气(NH3)、砷化氢(AsH3)、磷化氢(PH3)、及硅乙烷(Si2H6)等等。可能还在所输入的气体中混有作为n型掺杂源的硅烷(SiH4)，或作为p型掺杂源的二茂镁(CP2Mg)，等等。通过第一、第二进气口输送的载气，常用的有：氢气(H2)、氮气(N2)，等等。
或者，在另一种应用结构中，通过第一进气导管来输送有机金属气体与载气的混合气体，通过第二进气导管来输送有机金属气体与氢化物气体的混合气体。通过第一进气口输送并形成帘幕状气流，用以将前两路气体隔开的隔离气体，不仅可以使用载气，还可以使用Ar或He等等吹扫气体(purge gas)，或者吹扫气体与载气的混合气体，或者其他能够有效隔开有机金属气体与氢化物气体同时又不会影响反应腔内工艺处理的辅助气体。
如图21所示，以三甲基镓TMGa为例，分析反应腔内的化学反应过程。在反应腔内靠近进气口处(100℃左右时)，通过与NH3反应TMGa迅速耗尽变成加合物；随着气体向下喷射，加合物遇热(在约500℃左右时)又重新分解使TMGa浓度升高；进而在更靠近高温的基片处(温度约900K以上时)，TMGa则几乎全部热解为一甲基镓MMGa，由MMGa作为GaN薄膜生长中Ga原子的主要来源。位于基片表面的气体形成边界层，该边界层的厚度δ有一个优选值δ0，例如δ0＝10mm，δ0一般与金属有机气体的种类扩散、温度梯度、气体流速等。通常是希望边界层的厚度δ能够小于该优选值δ0，以保证能具有高的薄膜生长率；否则薄膜生长率会降低而生成的寄生颗粒将增加。
现有涡轮式(turbo disk type)的MOCVD设备中需要消耗的反应气体更多，气体流速高，并且必须使承载基片的基座高速旋转(>1000rpm)，来减少边界层的厚度δ，及使气体能够在基片上均匀分布。本发明在涡轮式的MOCVD设备中使用上述各实施例描述的喷淋头后，不需要使基座高速旋转，也能保证有具有高的薄膜生长率和气体均匀分布状态。
尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。
Claims (10)
1.一种用于MOCVD设备的进气及冷却装置，其特征在于，设有位于反应腔内顶部的喷淋头，其中包含：
多个互相隔离的反应气体扩散腔，多个所述反应气体扩散腔包括多块隔板，其中底部隔板上设置有多组气体导管，通过导管向反应腔通入反应气体，所述多组气体导管包括：
一组第一进气导管，用来向MOCVD设备的反应腔内输送有机金属气体；
一组第二进气导管，用来输送氢化物气体；所述有机金属气体和氢化物气体由该喷淋头输送的载气携带至反应腔内底部的基片表面进行薄膜沉积反应；
多个所述反应气体扩散腔下方还包括一块冷却板，所述反应气体扩散腔包括位于底部隔板与冷却板之间的隔离气体扩散腔，所述冷却板上包括：
一组第一进气口，用来向所述反应腔内输送隔离气体；每个所述第一进气导管分别穿设在与之相对应的一个第一进气口之中，使第一进气口输送的隔离气体所形成的帘幕状气流环绕在有机金属气体外围，将刚喷出的有机金属气体与氢化物气体隔开；以及，
一组第二进气口，各自为下端口径大于上端口径的漏斗状；
所述第一进气口及第二进气口的下端开口，在冷却板的底面相互间隔且交替分布；每个所述第二进气口和与之相对应的一个第二进气导管连通，通过所述第二进气口将氢化物气体和载气混合后的气体向所述反应腔内输送。
2.如权利要求1所述的进气及冷却装置，其特征在于，
所述第一进气导管单独输送有机金属气体，或者输送有机金属气体和载气的混合气体；
所述第二进气导管单独输送氢化物气体，或者输送氢化物气体和载气的混合气体；
所述第一进气口输送的隔离气体，是载气或吹扫气体或其混合气体。
3.如权利要求1所述的进气及冷却装置，其特征在于，
在所述喷淋头内部，多个互相隔离的反应气体扩散腔的多块隔板包括有第一隔板、第二隔板、第三隔板；
所述冷却板与第三隔板之间形成的隔离气体扩散腔，连通至开设在冷却板上的所述第一进气口和第二进气口；
所述第三隔板与第二隔板之间形成的第二反应气体扩散腔连通至第二进气导管，所述第二进气导管插入到对应的第二进气口中，使第二进气口的上端围绕在第二进气导管的下端的外围；
所述第二隔板与第一隔板之间形成的第一反应气体扩散腔连通至第一进气导管，所述第一进气导管穿插在对应的第一进气口中。
4.如权利要求3所述的进气及冷却装置，其特征在于，
所述喷淋头的冷却板中，避开各进气口及与之连通的各气体通道的位置，设有供冷却介质流通的管道。
5.如权利要求3所述的进气及冷却装置，其特征在于，
所述第二进气口的侧壁设置有缓冲区，所述第二进气导管连通所述第二反应气体扩散腔将反应气体通入所述缓冲区，反应气体经过缓冲区后流入第二进气口。
6.如权利要求3所述的进气及冷却装置，其特征在于，
所述第二进气导管的封闭的底端插入到第二进气口内，在该第二进气导管侧壁上开设有若干开孔用来输送反应气体。
7.如权利要求1所述的进气及冷却装置，其特征在于，
所述第一进气口的下端位置低于穿设在其中的第一进气导管的下端位置。
8.如权利要求1或3所述的进气及冷却装置，其特征在于，
所述第二进气口是侧壁与竖直方向夹角恒定的锥形漏斗结构。
9.如权利要求1或3所述的进气及冷却装置，其特征在于，
所述第二进气口是双锥形漏斗结构，包含侧壁与竖直方向夹角为第一角度的上段，和侧壁与竖直方向夹角为第二角度的下段，第一角度小于第二角度。
10.如权利要求1或3所述的进气及冷却装置，其特征在于，
所述第二进气口为多面体漏斗结构，所述第二进气口的末端边缘为多边形，侧壁设有多条棱。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| EE01 | Entry into force of recordation of patent licensing contract |
Application publication date: 20151230 Assignee: Nanchang Medium and Micro Semiconductor Equipment Co., Ltd. Assignor: Advanced Micro-Fabrication Equipment (Shanghai) Inc. Contract record no.: 2018990000345 Denomination of invention: Gas inflowing and cooling device for MOCVD equipment Granted publication date: 20171103 License type: Exclusive License Record date: 20181217 |
|
| EE01 | Entry into force of recordation of patent licensing contract | ||
| CP01 | Change in the name or title of a patent holder |
Address after: 201201 No. 188 Taihua Road, Jinqiao Export Processing Zone, Pudong New Area, Shanghai Patentee after: Medium and Micro Semiconductor Equipment (Shanghai) Co., Ltd. Address before: 201201 No. 188 Taihua Road, Jinqiao Export Processing Zone, Pudong New Area, Shanghai Patentee before: Advanced Micro-Fabrication Equipment (Shanghai) Inc. |
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| CP01 | Change in the name or title of a patent holder |