一种水平切向进口、中心垂直出口的MOCVD反应室

摘要

本发明公开了一种水平切向进口、中心垂直出口的MOCVD反应室。其特征为：反应室为圆柱形腔体，反应室内有水平旋转托盘，气体进口沿周向均匀布置在反应室侧壁上，尾气出口位于反应室的中心轴线上。反应气体沿切向喷入反应室，在反应室侧壁的约束下，气体在基片上方的平行平面内逐渐旋转和加速。通过调节喷管的角度和气体进口速度、压强等操作参数，在反应室内得到人为可控的螺旋流动，从而控制反应物浓度从边缘到中心均匀分布，实现薄膜的均匀生长。

说明书

技术领域

本发明涉及一种半导体薄膜沉积设备，即一种水平切向进口、中心垂直出口的MOCVD反应室。

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反应器一般包括反应室、加热器以及进气口和出气口。根据主气流相对于基片的流动方向，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。现代的三种商用MOCVD反应器一-行星式、垂直转盘式和垂直喷淋式，分别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，到达基片的反应物浓度和速率应尽量均匀一致。这就要求基片表面附近存在均匀分层的流场、温场和浓度场，基片上方应处于层流区，无任何形式的涡流，存在大的温度梯度，新鲜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，或将反应器的顶部向下游倾斜，从而使反应气体向下游加速，使下游的边界层变薄，以补偿反应物浓度的消耗；(2)使基片旋转，目的是使基片周向的各点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，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反应室并折转90度横穿基片，然后从反应室侧面或底部排出。当基片高速旋转时，流体的粘性力产生一种泵效应：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，但是这种反应器要求托盘高速旋转，增加了控制和密封的困难，源气体消耗也较大。

现有的MOCVD反应器的有关专利，如“用于化学气相沉积反应器的多气体分配喷射器”(申请号200580030594.X，公开号CN101090998)，“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，都属于水平式和垂直式两大类型，因而都存在上述的浓度不均匀性问题。

发明内容

本发明提出一种全新的MOCVD反应室，它通过切向喷射，使气体在反应室内发生人工可控的螺旋流，使基片上方的气体在水平方向逐渐旋转与加速，从而控制反应物浓度从边缘到中心均匀分布，以便获得晶格结构完整、厚度和组分均匀的薄膜沉积。克服了现有MOCVD反应室的不足。

本发明所说的MOCVD反应室，其反应室为圆柱形腔体，反应室内有水平旋转托盘，气体进口沿周向均匀布置在反应室侧壁上，不同的反应气体(III族和V族)间隔进口，喷嘴方向沿圆周切向(或成一定角度)，出口位于反应室的中心轴线上。即水平切向进口、中心垂直出口。

上述的气体进口喷嘴方向沿圆周切向或成一定角度。所说的气体出口，可以在托盘上方或托盘下方。当气体出口在托盘下方时，气体出口与托盘转轴设置为一体。

工作时，反应气体从均匀分布于侧壁且与壁面近似相切的进口喷入反应室，尾气从反应室顶部或底部的出口排出。由于切向喷入的气体一进入反应室就遇到侧壁阻挡而发生偏转，多重进口的射流将带动整个气体在平行于衬底的水平面内旋转。在衬底的边缘由于靠近入口，新鲜气体充足，反应前体浓度较高；从边缘往中心，随着不断沉积，反应前体浓度降低。但是由于从边缘到中心，所围的圆面积越来越小，流道截面也逐渐缩小，而流速则越来越大，这将有利于减薄边界层、增加新鲜反应粒子进入中心区，从而抵消反应前体浓度的降低。此外，由于流动在水平面内产生旋转，它将抵消在反应室垂直方向的有害对流涡旋。该设计还能摆脱复杂的衬底旋转装置，通过使气体在反应室内发生人工可控的螺旋流动，使衬底上方的气体逐渐旋转与加速，来获得衬底上方从中心到外缘均匀的流场、温场和浓度场，实现均匀的薄膜组分和厚度的沉积。

附图说明

图1为本发明反应室俯视示意图，

图2为上出口式反应室的主视示意图，

图3为下出口式反应室的主视示意图。

1a、1b-进口；2-出口；3-转轴；4-基片；5-托盘；6-圆柱形腔体。

具体实施方式

本发明提出的MOCVD反应室包括两种类型：(1)水平切向进口-中心上方出口反应室(2)水平切向进口-中心下方出口反应室。以下结合附图进一步说明本发明的装置结构和工作原理。

如图1、图2所示，上出口式反应室，包括圆柱形腔体6，腔体6内有水平托盘5，托盘5的中轴线上设置有转轴3，气体进口1沿周向均匀布置在腔体6侧壁上，出口2在托盘5的上方，位于反应室的中心轴线上。

如图1、图3所示，下出口式反应室，包括圆柱形腔体6，腔体6内有水平托盘5，托盘5的中轴线上设置有转轴3，气体进口1沿周向均匀布置在腔体6侧壁上，出口2在托盘5的下方，与转轴3为一体。

不同气体进口1a、1b沿反应室侧壁切向(或成一定角度)，顺次间隔分布。工作时，III族反应气体和载气从进口1a通入，V族反应气体和载气从进口1b通入，如此以分隔进口的形式喷入圆柱形腔体6内，在基片4上方达到充分混合并被加热，同时发生化学反应，最终完成在基片上的薄膜沉积。反应后的尾气从位于中心垂直轴线的出口2(上出口或下出口)排出。对于这种反应室，在运行时可根据需要让托盘旋转或不转。由于气体进口为水平且近似切向地均匀布置在反应室周壁上，反应气体由分隔进口喷入反应室后，在侧壁的约束下，在平行于衬底的平面内发生旋转和加速。通过调节喷管的角度和气体进口速度、压强等操作参数，在反应室内得到所需的螺旋流动，从而实现薄膜的均匀生长控制。