用于MOCVD反应腔中反应气体输送与均匀分布控制的装置

摘要

一种垂直式MOCVD反应腔中反应气体输送与均匀分布控制的装置，分别通过前置匀气板的径向上疏密分布的气体通道和不同位置上输入通道的流量控制，分别使至少两种反应气体引入喷淋头上径向、轴向交叉分布的两路、可设置不同形状的喷口进行二次分配，实现在旋转的外延片表面获得所需均匀分布的边界层浓度、速度和温度，提高大规模生产的外延薄膜的质量和外延片的成品率，而且能有效控制昂贵反应气体的消耗，降低外延生产的成本。通过适当增加喷淋头表面与外延片间的距离，减少外延生长中在喷淋头表面和喷口处产生的沉积物，延长清洗周期，提高了生产效率和系统产能。该装置还可降低喷淋头的喷口及冷却介质通道的加工难度和制造成本。

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于生产化合物半导体光电器件的MOCVD(金属有机化学气相沉淀)反应腔中对于反应气体控制的装置，特别涉及一种能够适用于大尺寸、多基片的MOCVD反应腔、对反应气体输送与均匀分布控制的装置。

背景技术

金属有机化学气相沉淀系统(以下简称MOCVD)是用于生产半导体光电器件的最核心设备。在金属有机化学气相沉淀(MOCVD)过程中，反应气体从气源被引入反应腔，使放置在反应腔内的外延片上外延生长形成晶格结构薄膜。

为了有效控制上述外延生长的高温化学反应过程，通常需要反应气体在外延片的表面上形成均匀浓度、均匀速度、和均匀温度的边界层，以满足外延生长的薄膜在晶格结构和性能上的各项要求。

以下介绍现在常见的几款MOCVD反应腔及其在气体输送控制方面存在的主要问题，将其中用于反应气体输送和分布控制的装置，简称“喷淋头”。

现有水平式MOCVD反应腔，其反应气体的进口及出口分别设置在水平管道式的反应腔两端，水平式反应器主要问题是反应物沿程损耗，即反应气体从外延片一端水平流向另一端，浓度在流动方向上会不断衰减。而且热对流涡旋及侧壁效应均不利于外延薄膜的生长。

如图1所示，是现有的行星式MOCVD反应腔，其是水平式的改进形式，通过垂直的、贴近外延片的多重进口110引入，使至少两种反应气体分别在径向流动。还通过公转的主托盘120，以及沿其周向设置的、分别自转的多个子托盘121，平均了每个子托盘121上放置的若干外延片130表面，在不同径向位置上与不同浓度反应气体的接触，因而能够取得均匀的镀膜效果。然而，由于子托盘121的自转是靠气流带动，并依赖精密的零件配合，运行过程中需要频繁打开反应腔来清理子托盘上的沉积物，防止被卡住，以确保自转的可靠性，因此难以适合大规模连续生产的要求。

如图2所示，是现有一种垂直式的高速旋转式MOCVD反应腔，两种反应气体从反应腔顶端不同的管路进入，分别进入各自的喷淋头210区域，在足够的高度上分别垂直喷向外延片230。放置该多个外延片230的托盘220高速旋转，当其转速足够高(通常大于1000转/每分钟)时，反应气体获得充分的动能，而被迅速输送到外延片230的上方，进行均匀混合，并在外延片230的表面取得较均匀的浓度、速度、和温度边界层。但是，由于托盘220的高速旋转产生的离心力，许多未充分反应的气体和还没有参与反应的气体被一起迅速排出，导致价格昂贵的反应气体消耗几倍地增长，因而在大规模生产中，极大增加了基片外延的生产成本。

如图3所示，是目前还有一种垂直喷淋式的MOCVD反应腔。两种反应气体由各自的进气口311进入，通过反应腔300顶部设置的喷淋头310，被近距离地输送至托盘320上的外延片330上方。该两种反应气体通过喷淋头310中各自的喷口312，分别输送到外延片330上方。该两种气体的喷口312交叉排列，致密均匀的分布在整个喷淋头310中，以使两种气体在外延片330上方充分和均匀地混合。

所述水平放置若干外延片330的托盘320，沿着其自身的中心轴旋转，既提高了外延片330之间加热的均匀性又进一步提高了外延片330表面上各种反应气体混和与分布的均匀性。

然而，这种设计的喷淋头310，把反应气体的进气口311设在喷淋头310的顶端中心位置，使径向上各喷口312的流量，会随着其距离中心的半径R的不同而改变。这一气体分布不均匀的情况，对于半径尺寸大的反应腔300尤为突出。

所以，这种设计的喷淋头310，一般采用内径很小的喷口312(约0.5mm)，通过提高喷口312之间上方的压力差，来改善反应气体在整个喷淋头310中的均匀分布。由于喷口312的底面与外延片330的距离很小(约10mm)，导致喷淋头310表面温度很高而沉积反应物，同时使喷口312易被沉积的反应物堵塞，需要频繁打开反应腔300进行清理。因此，该种喷淋头设计难以满足大规模连续生产的要求。

从加工制造角度而言，每个喷管312的口径很小且要经过多点焊接，加工非常繁复。该喷淋头310中穿过若干垂直的喷口312，还水平设置有冷却介质通道313，冷却介质通道313的密封性依赖于每个喷管上对应的几个焊接点的密封性，所以对焊接加工的要求都非常高，制造成本较高。

发明内容

本发明的目的是提供一种垂直式的用于MOCVD反应腔中反应气体输送与均匀分布控制的装置，能够将外延反应所需的至少两种化学反应气体分别输入反应腔，并控制每种气体在反应腔里的比例、流量、分布和速度，使各种反应气体在外延片表面能均匀地分布并混合，以获得高质量的外延薄膜。而且提高大规模生产中外延生长率和器件良品率的同时，加工维护简单，还能有效地控制昂贵反应气体的消耗，以进一步降低基片外延的生产成本。

为了达到上述目的，本发明的技术方案是提供一种用于MOCVD反应腔中反应气体输送与均匀分布控制的装置，与反应腔顶部的反应腔盖连接，用于使至少两种反应气体分别输送至托盘上的若干外延片上方混合进行外延反应或薄膜沉积，其特征在于，该装置包含：

前置匀气板，以及设置在前置匀气板下方的喷淋头；

所述反应腔盖沿径向设为若干区域，对应每个区域设置有若干气体输入通道；

所述前置匀气板上开设有若干气体通道，对从输入通道引入的至少第一反应气体进行流量分布的控制后，输送至所述喷淋头；

所述至少第二反应气体经由所述反应腔盖上沿径向不同区域的输入通道，分别输送至所述喷淋头的不同区域的气路；

所述喷淋头上设置有若干喷口分别对应所述第一、第二反应气体进行二次的流量分配，使所述第一、第二反应气体被独立且均匀地输送至所述外延片上方。

所述反应腔盖的中心位置开设有一些输入通道，外围位置开设有另一些输入通道；

位于反应腔盖中心的输入通道将第一反应气体输送至前置匀气板；

位于反应腔盖中心的另一输入通道穿过所述前置匀气板，与位于反应腔盖外围的所述输入通道一起，分别将第二反应气体输送至所述喷淋头；通过控制所述输入通道内的气体流量，使在所述喷淋头的中心和外围区域获得所需的气体流量分布。

所述前置匀气板上的气体通道是在径向上以一定疏密规律分布开设，来对前置匀气板上不同直径的环形区域上的气体流量分布进行控制的。

所述前置匀气板的边缘凸起，中间下凹，使在该前置匀气板上方、与反应腔盖之间形成一个空间。

所述喷淋头与前置匀气板配合连接，使在喷淋头上方形成一个空间，并与所述输送第一反应气体的若干喷口连通；所述前置匀气板上游的空间中的气体压力P1，大于其下游的该空间内的气体压力P2。

所述若干喷口是通过机械加工、垂直设置的；

对应所述喷淋头的不同区域或是对应输送的反应气体不同，所述若干喷口可设置为不同的形状；

并使对应输送所述第一、第二反应气体的喷口沿径向和轴向均匀交叉地间隔分布设置在所述喷淋头中。

所述喷淋头中横向设置有若干气路分配通道，在上方分别与所述反应腔盖上的若干输入通道连通，在下方与垂直设置的所述若干喷口连通，来输送第二反应气体。

所述喷口下游、喷淋头与衬底基片之间形成有空间；

分别对应中间和边缘的输入通道与喷口之间的分配通道内的气体压力P4、P5，均大于所述喷口下游的空间中的气体压力P3。

所述喷淋头中还通过机械加工和焊接，形成有若干按照一定规律分布的冷却介质通道，由其中的冷却介质控制喷淋头面板的温度。

所述喷淋头的底面与放置在托盘上的若干外延片的表面平行；所述托盘可沿着其自身的中心轴旋转。

与现有技术相比，本发明的优点在于，本发明提出了一种适用于大尺寸、多基片MOCVD反应腔的反应气体输送与均匀分布控制的装置，其可以分别对从若干输入通道引入的至少两种反应气体，控制输入的浓度、流量和速度的分布，并分别在喷淋头内进行二次分配，最后通过各自的喷口相互交叉并均匀分布地输送到外延片的上方，配合外延片旋转进行充分混合，进行外延反应，因而能有效地控制昂贵反应气体的消耗，降低基片外延的生产成本。

其中一路反应气体(如III族气体)由反应腔盖的中心位置引入，使得设计容易。之后，由前置匀气板径向上以一定疏密规律分布开设的气体通道控制，改变不同直径的环形区域上的气体流量分布后，输出至喷淋头。

另一路反应气体(如V族气体)，分别从反应腔盖中心和外围的不同区域进入喷淋头，通过分别控制输入的气体流量，可以获得进入喷淋头中心和边缘不同的气体流量分布，因而解决了大尺寸喷淋头造成的气体分配困难，使喷淋头内部的气体通道设计得以简化。

本发明还可以通过机械加工，根据需要形成不同形状的喷口，来控制从喷淋头输出的气体的速度、方向、扩散速度，或是是否产生局部涡流等，以实现对反应气体输送的进一步控制。

本发明不仅使放置外延片的托盘旋转，来提高外延片之间加热的均匀性，以及外延片表面上反应气体混和与分布的均匀性。

本发明还在喷淋头中设置若干按照一定规律分布的冷却介质通道，由其中的冷却介质直接控制喷淋头面板的温度，使得喷淋头温度均匀，保证反应气体在合适的温度下进入反应腔，不会发生分解、沉积、凝结等不合适的预先反应。

该冷却介质通道是直接在喷淋头上用常规的机械加工的方法形成，再通过常规焊接形成的密闭通道，加工简单、焊缝可靠，高压密封性能检查也容易。本发明还在冷却介质通道的加工后，再进行喷口的加工，可以有效提高喷淋头制造合格率，进一步降低了制造成本。

因此，通过上述的结构设计，本发明所述垂直式用于MOCVD反应腔中反应气体输送与均匀分布控制的装置，配合外延片转动等其他结构可以获得外延反应所需的均匀分布的边界层浓度、速度和温度，提高大规模生产的外延薄膜的质量和外延片的成品率。此结构允许适当增加喷淋头表面与外延片之间的距离，减少喷淋头表面和喷口处在薄膜外延生长过程中产生的沉积物，所以不需频繁打开反应腔进行清理维护，能持续进行外延生长，提高了生产效率和系统产能。优化了喷淋头制造的加工程序，降低了加工难度和制造成本。相比高速旋转方式减少了工艺气体的消耗，降低了外延生产成本。适合于大规模的工业生产。

附图说明

图1是现有行星式MOCVD反应腔的结构侧视示意图和俯视示意图；

图2是现有高速旋转式MOCVD反应腔的结构示意图；

图3是现有垂直喷淋式的MOCVD反应腔的结构示意图；

图4是本发明反应气体输送与均匀分布控制的装置与MOCVD反应腔的连接关系示意图；

图5是本发明用于MOCVD反应腔中反应气体输送与均匀分布控制的装置的总体结构示意图；

图6是本发明中前置匀气板的结构俯视示意图；

图7是本发明中第一反应气体的气流方向示意图；

图8是本发明中第一反应气体结合不同前置匀气板结构得到的三种流量分布示意图；

图9是本发明中第二反应气体的气流方向示意图；

图10至图12是本发明中第二反应气体通过控制输入通道中流量获得的三种流量分布示意图；

图13是本发明中喷口的四种常见结构的示意图；

图14至图16是本发明中结合不同的喷口结构而获得的第二反应气体的三种流量分布示意图；

图17是本发明中热量传递方向及冷却通道的结构示意图；

图18是本发明中分别用于第一、第二反应气体引入的喷口在喷淋头上沿轴向和径向交叉分布的结构仰视示意图。

具体实施方式

以下结合附图，以引入并控制两种反应气体的均匀分布为例，说明本发明的具体实施方式。其中，第一反应气体的流向以实心箭头表示，第二反应气体的流向以燕尾箭头表示；虚线的箭头，用以表示热量传递的方向。

如图4所示，本发明所述用于MOCVD反应腔中反应气体输送与均匀分布控制的装置，与反应腔50顶部的反应腔盖51连接，底面与放置在托盘53上的若干外延片531的表面平行。所述MOCVD反应腔还包含设置在托盘53下的加热器54，以及设置在MOCVD反应腔底端的排气口55。

所述托盘53能沿着其自身的中心轴旋转，来提高外延片531之间加热的均匀性和外延片531表面上反应气体混和与分布的均匀性。

如图4、图5所示，所述反应气体输送与均匀分布控制的装置，包含与反应腔盖51连接的前置匀气板10，以及设置在前置匀气板10下方的喷淋头20。

所述反应腔盖51的中心位置开设有输入通道511和521，其外围位置开设有输入通道522。其中，输入通道511用于将第一反应气体经由前置匀气板10输入至喷淋头20；位于中心的输入通道521穿过所述前置匀气板10，与外围的输入通道522一起，将第二反应气体直接输入至喷淋头20。

配合参见图4至图6所示结构及图7所示第一反应气体的流向，所述圆形的前置匀气板10的边缘凸起，中间下凹，使在该前置匀气板10上方、与反应腔盖51之间形成一个空间41。所述第一反应气体经输入通道511后，被引入该空间41，使其中的气体压力为P1。

而喷淋头20与前置匀气板10配合连接，使在喷淋头20上方形成空间42，其中气体压力为P2。使前置匀气板10上游空间41中的气体压力P1，大于所述空间42中的气体压力P2，使第一反应气体能顺利通过所述前置匀气板10。

在前置匀气板10的下凹部分，分布开设有若干气体通道11，对流经的第一反应气体的流量进行分配，具体地通过改变径向上气体通道11的分布密度，来控制气体的径向分布。

如在图6所示的一种优选结构中，前置匀气板10的中心位置气体通道11分布稀疏；越靠近边缘，气体通道11分布就越密集，因而能获得如图8中的分布1-1所示，边缘高、中心低的气体流量分布。

当然，若是使前置匀气板10上气体通道11的设置，是径向分布均匀的结构，或中心密集、边缘稀疏的结构，则能够分别获得第一反应气体通过前置匀气板10后，图8中分布1-2所示气体流量均匀，或分布1-3所示，气体流量中间高、边缘低的分布情况。

如图4、图5及图18所示，若干垂直的喷口21、22沿径向和轴向交叉均匀地间隔分布在整个喷淋头20中，分别用于第一、第二反应气体的输送。具体地，用于输送第一反应气体的喷口21(图18中空心表示)和用于输送第二反应气体的喷口22(图18中实心表示)，在喷淋头20的径向上每隔一圈交叉一次，在轴向的同一圈上可间隔一个或几个交叉一次，实现在喷淋头20上的均匀分布。

如图4、图5所示，其中，若干喷口21(图中较长的)与所述喷淋头20与前置匀气板10之间的空间42连通。假设喷淋头20与外延片531之间的空间43内，气体压力为P3。正常工作时，喷口21上游空间42的气体压力P2，大于其下游的空间43的气体压力P3，使第一反应气体能经由喷口21实现二次分配，而被均匀输送到外延片531的表面。

配合参加图4、图5所示结构及图9所示第二反应气体的流向，喷淋头20中横向设置有若干气体分配通道23，分别在上方与所述反应腔盖51的输入通道521、522连通，在下方与垂直设置的若干喷口22(图中较短的)连通，用于输送第二反应气体。

由于第二反应气体，分别经由输入通道521、522，从反应腔盖51的中心和外围不同区域进入喷淋头20；对应地在中间的输入通道521与喷口22之间的分配通道23内形成的气体压力为P4；而在边缘的输入通道522与喷口22之间的分配通道23的气体压力为P5。正常工作时，喷口22上游的气体压力P4、P5均大于其下游的空间43中的气体压力P3。

通过分别控制输入通道521、522的气体流量，可以获得进入喷淋头20中心和边缘不同的气体流量分布，如图10所示分布2-1中，中心小于边缘的气体流量；或是如图11所示分布2-2中，中心与边缘一致的气体流量；或是如图12所示分布2-3中，中心大于边缘的气体流量。

由于喷淋头20上喷口的形状决定了气体输出的速度、方向、扩散速度，以及是否产生局部涡流等，对于输送气体到外延片531表面的过程影响很大，需要结合反应腔50的各个尺寸、工作压力、气体流量、外延片531的旋转等，通过模拟和试验找出最佳的设计。如图13所示，是几种常见的喷口设计，具体可根据不同的设计需要，由机械加工形成。

对于上述第一、第二反应气体分别通过喷淋头20上喷口21、22，输送至外延片531表面，如果进一步地配合喷口21、22的形状及分布改变，还可以在上述图8、图10至图12的基础上，得到不同的气体流量分布，实现对反应气体输送的进一步控制。

例如，通过为喷淋头20中心和边缘位置的喷口22，选择不同的结构设计后，对比图10所示，可以获得如图14中分布2-1-1所示，中心位置最低，之后线性增加，接近边缘位置又均匀输出大于中心位置的流量分布；或是如图15中分布2-1-2所示，中心位置最低，之后线性增加，接近边缘位置线性输出大于中心位置的流量分布。对比图12所示，还可以获得如图16中分布2-3-1所示，中心位置最高，之后线性降低，接近边缘又均匀输出的流量分布。

配合参见图4、图17所示，由于MOCVD过程中，加热器54的热量自下而上，经由托盘53和外延片531，传到喷淋头20的面板上。

因而，在喷淋头20中设置若干冷却介质通道30，由其中的冷却介质直接控制喷淋头20面板的温度，使得喷淋头20温度均匀而且在一定范围内，保证反应气体在合适的温度下进入反应腔50，不会发生分解，沉积，凝结等不合适的预先反应。

冷却介质通道30是直接在喷淋头20上用常规的机械加工的方法形成，再通过焊接形成的密闭通道。焊缝多为直线形或大圆弧形，可以采用常规的焊接方法，加工简单、焊缝可靠，焊接后高压密封性能检查也容易。

制造喷淋头20时，先完成上述冷却介质通道30的加工，确认高压密封测试合格，然后再进入下一步制造，如气体喷口的加工。分别制造加工的程序可以有效的提高喷淋头20制造合格率，进一步降低了制造成本。

综上所述，本发明提出了一种垂直式适用于大尺寸、多基片MOCVD反应腔50的反应气体输送与均匀分布控制的装置，其可以分别对从若干输入通道引入的至少两种反应气体，控制输入的浓度、流量和速度的分布，并分别在喷淋头20进行二次分配，最后通过各自的喷口相互独立，并均匀分布地输送到外延片531的上方进行混合，进行外延反应，因而能有效地控制昂贵反应气体的消耗，降低基片外延的生产成本。

其中一路反应气体(如III族气体)由反应腔盖51的中心位置引入，使得设计容易。之后，由前置匀气板10径向上以一定疏密规律分布开设的气体通道11控制，改变不同直径的环形区域上的气体流量分布后，输出至喷淋头20。

另一路反应气体(如V族气体)，分别从反应腔盖51中心和外围的不同区域进入喷淋头20，通过分别控制输入的气体流量，可以获得进入喷淋头20中心和边缘不同的气体流量分布，因而解决了喷淋头20尺寸变大以后造成的气体分配困难，使喷淋头20内部的气体分配通道23设计得以简化。

本发明还可以通过机械加工，根据需要形成不同形状的喷口，来控制从喷淋头20输出的气体的速度、方向、扩散速度，或是是否产生局部涡流等，以实现对反应气体输送的进一步控制。

本发明不仅使放置外延片531的托盘53旋转，来提高外延片531之间加热的均匀性，以及外延片531表面上反应气体混和与分布的均匀性。

本发明还在喷淋头20中设置若干冷却介质通道30，由其中的冷却介质直接控制喷淋头20面板的温度，使得喷淋头20温度均匀而且在一定范围内，保证反应气体在合适的温度下进入反应腔50，不会发生分解、沉积、凝结等不合适的预先反应。

该冷却介质通道30是直接在喷淋头20上用常规的机械加工的方法形成，再通过常规焊接形成的密闭通道，加工简单、焊缝可靠，高压密封性能检查也容易。本发明还优化了制造工序，在完成了冷却介质通道30的加工后，再进行喷口的加工，可以有效提高喷淋头20制造合格率，进一步降低了制造成本。

因此，通过上述的结构设计，本发明所述用于MOCVD反应腔中反应气体输送与均匀分布控制的装置，配合外延片转动等其他结构，可以获得外延反应所需的均匀分布的边界层浓度、速度和温度，提高大规模生产的外延薄膜的质量和外延片的成品率。此结构允许适当增加喷淋头20表面与外延片531之间的距离，减少喷淋头20表面和喷口处在薄膜外延生长过程中产生的沉积物，所以不需频繁打开反应腔50进行清理维护，能持续进行外延生长，提高了生产效率和系统产能。同时还简化了喷淋头20制造的加工方法，进一步降低加工难度和成本。

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。