MOCVD处理装置以及用于MOCVD的气体供应装置

摘要

本发明提供一种MOCVD处理装置以及用于MOCVD的气体供应装置，用以改善气体浪费和颗粒污染。其中的气体供应装置包括气体喷淋头(14)，气体喷淋头内设置有：第一气体扩散区(15)、第二气体扩散区(17)，第一气体扩散区包括相互气体隔离的两个扩散室(A1与A2)，第二气体扩散区包括相互气体隔离的两个扩散室(B1与B2)；多个气体通道，分别与第一气体扩散区的两个扩散室、第二气体扩散区的两个扩散室相连通，用于将各扩散室内的气体导入反应腔内；所述第一气体扩散区的两个扩散室中的至少一个以及第二气体扩散区的两个扩散室中的至少一个所容纳的气体种类能够在第一气体与第二气体之间切换。

说明书

技术领域

本发明涉及MOCVD(金属有机化学气相沉积)处理装置，还涉及可应用于上述装置的气体供应装置。

背景技术

作为III-V族薄膜中的一种，氮化镓(GaN)是一种广泛应用于制造蓝光、紫光和白光二极管、紫外线检测器和高功率微波晶体管的材料。由于GaN在制造适用于大量用途的低能耗装置(如，LED)中具有实际和潜在的用途，GaN薄膜的生长受到极大的关注。

包括GaN薄膜在内的III-V族薄膜能以多种不同的方式生长，包括分子束外延(MBE)法、氢化物蒸气阶段外延(HVPE)法、金属有机化合物化学气相沉积(MOCVD)法等。目前，MOCVD法是用于为生产LED得到足够质量的薄膜的优选的沉积方法。

MOCVD是金属有机化合物化学气相沉积(Metal-organic Chemical VaporDeposition)的英文缩写。MOCVD工艺通常在一个具有温度控制的环境下的反应室或反应室内进行。通常，由包含第III-V族元素(例如镓(Ga))的第一前体气体和一含氮的第二前体气体(例如氨(NH3))被通入反应室内反应以在基片上形成GaN薄膜。一载流气体(carriergas)也可以被用于协助运输前体气体至基片上方。这些前体气体在被加热的基片表面混合反应，进而形成第III-V族氮化物薄膜(例如GaN薄膜)而沉积在基片表面。

但是，现有的MOCVD工艺及装置仍有改善空间，特别是在气体供应方面。

发明内容

根据本发明的一个方面，提供一种用于MOCVD的气体供应装置，包括：

第一气体源与第二气体源，分别用于供应第一气体与第二气体，第一、二气体在反应腔(10)内参与反应并在基片表面生成膜层；

气体管路，与第一、二气体源相连，用于传输第一、二气体；

气体喷淋头(14)，与气体管路相连，用于将第一、二气体送入反应腔内，所述气体喷淋头内设置有：

第一气体扩散区(15)、第二气体扩散区(17)，所述第一气体扩散区位于所述第二气体扩散区的上方，所述第一气体扩散区至少包括相互气体隔离的两个扩散室(A1与A2)，所述第二气体扩散区至少包括相互气体隔离的两个扩散室(B1与B2)；

多个气体通道，分别与所述第一气体扩散区的两个扩散室、第二气体扩散区的两个扩散室相连通，用于将各扩散室内的气体导入反应腔内；

所述第一气体扩散区的两个扩散室中的至少一个以及第二气体扩散区的两个扩散室中的至少一个所容纳的气体种类能够在第一气体与第二气体之间切换。

可选的，所述气体管路包括一阀组(30)，通过所述阀组内阀的开关切换可实现某一个或某一些扩散室通入的气体在第一气体与第二气体之间转换。

可选的，用于连接第一气体源的气体管路包括两路，一路(211)直接连接于第一气体扩散区的一个扩散室(A2)，另一路(212、31)通过所述阀组(30)连接于第一气体扩散区的另一个扩散室(A1)；

用于连接第二气体源的气体管路包括两路，一路(221)直接连接于第二气体扩散区的一个扩散室(B1)，另一路(222、32)通过所述阀组(30)连接于第二气体扩散区的另一个扩散室(B2)。

可选的，所述阀组包括四个阀(V1，V3，V4与V2)，该四个阀由气体管连接成一个首尾相通的圆环，相邻阀之间的气体管上设置有接口；其中，阀(V1)与阀(V2)之间的接口与所述第一气体源相连通，阀(V2)与阀(V4)之间的接口与所述第一气体扩散区的一扩散室(A1)相连通，阀(V4)与阀(V3)之间的接口与所述第二气体源相连通，阀(V3)与阀(V1)之间的接口与所述第二气体扩散区的一扩散室(B2)相连通。

可选的，所述气体供应装置还包括第三气体源，用于提供第三气体，所述第三气体被通入反应腔后并不参与反应。

可选的，所述气体喷淋头内还设置有第三气体扩散区，用于容纳所述第三气体。

可选的，所述第一气体扩散区内扩散室的数目大于2，所述第二气体扩散区内扩散室的数目大于2。

根据本发明的另一个方面，提供一种用于MOCVD的气体供应装置，包括：

第一气体源与第二气体源，分别用于供应第一气体与第二气体，第一、二气体在反应腔内参与反应并在基片表面生成膜层；

气体喷淋头，设置于MOCVD反应腔的上方，所述气体喷淋头内设置有：

气体扩散区，所述气体扩散区被隔离而形成至少两个扩散室，其中的至少一个扩散室通过开关装置既与第一气体源相连也与第二气体源相连，使得该扩散室既可充满第一气体也可充满第二气体；

与每一扩散室相连通的多个气体通道，所述气体通道的一端与气体扩散室连通，另一端通过所述气体喷淋头的底面连通至反应腔，用于将第一、二气体源内的气体依次经气体扩散室、气体通道传输至反应腔内。

可选的，同一扩散室内要么只被通入第一气体要么只被通入第二气体。

可选的，所述开关装置包括第一阀与第二阀，该扩散室通过第一阀与第一气体源连接，通过第二阀与第二气体源连接。

可选的，所述气体喷淋头内设置有至少两层气体扩散区：第一气体扩散区、第二气体扩散区，所述第一气体扩散区位于所述第二气体扩散区的上方，每一气体扩散区内均设置有相互气体隔离的至少两个扩散室。

可选的，所述气体供应装置还包括用于连接第一、二气体源与每一扩散室的气体管路；所述气体管路包括一阀组，通过所述阀组内阀的开关切换可实现某一个或某一些扩散室通入的气体在第一气体与第二气体之间转换；

用于连接第一气体源的气体管路包括两路，一路直接连接于第一气体扩散区的一个扩散室，另一路通过所述阀组连接于第一气体扩散区的另一个扩散室；

用于连接第二气体源的气体管路包括两路，一路直接连接于第二气体扩散区的一个扩散室，另一路通过所述阀组连接于第二气体扩散区的另一个扩散室。

根据本发明的又一个方面，提供一种用于MOCVD的气体供应装置，包括：

第一气体源与第二气体源，分别用于供应第一气体与第二气体，第一、二气体在反应腔内参与反应并在基片表面生成膜层；

气体管路，与第一、二气体源相连，用于传输第一、二气体；

气体喷淋头，与气体管路相连，用于将第一、二气体送入反应腔内，所述气体喷淋头内设置有：

第一气体扩散区、第二气体扩散区，所述第一气体扩散区位于所述第二气体扩散区的上方，所述第一气体扩散区包括相互气体隔离的两个扩散室，所述第二气体扩散区包括相互气体隔离的两个扩散室，第二气体扩散区的扩散室位于第一气体扩散区的扩散室正下方；

多个气体通道，分别与所述第一气体扩散区的两个扩散室、第二气体扩散区的两个扩散室相连通，用于将各扩散室内的气体导入反应腔内；

所述第一气体扩散区的两个扩散室中的至少一个以及第二气体扩散区的两个扩散室中的至少一个所容纳的气体种类能够在第一气体与第二气体之间切换。

可选的，所述第一、二气体扩散区呈圆形，所述第一或第二气体扩散区内的扩散室呈环形或呈扇形。

根据本发明的再一个方面，提供一种具有如前所述气体供应装置的MOCVD处理装置。

附图说明

图1是一典型的MOCVD处理装置的结构示意图；

图2至图4是本发明一个实施例的示意图；

图5是图2实施例的变更例；

图6是图2实施例的又一变更例。

具体实施方式

图1示出一典型的MOCVD处理装置，其包括反应腔100，反应腔100上方设置一气体喷淋头120(也可称为气体注入装置)。图1中，反应腔100包括一外壳105，外壳105通过真空泵110使反应腔100保持真空。基座111支撑一个或多个待加工的基片115。气体喷淋头120用于将第一气体和第二气体注入反应腔100内，第一气体和第二气体在进入反应腔100前彼此要保持分离，进入反应腔100后混合并发生反应，从而对在基片115表面形成所需的膜层。

如图1所示，气体喷淋头120包括下层板122和上层板125，下层板122与基片115相对，上层板125位于下层板122和外壳105顶壁107之间。这样，上层板125和顶壁107之间形成扩散室129，第一气体被输送到扩散室129内，通过导管127(也可以是导管外的气体通道)注入反应区117内，上层板125和下层板122形成扩散室123，第二气体被输送到扩散室123，通过导管124(也可以是导管外的气体通道)注入反应区117。冷却液，例如冷却水，被输送到冷却管道126中用以冷却气体喷淋头120，一个水或者其他流体的冷却系统(图中未示出)与冷却管道126连接，用于对管道内的水或者其他流体进行冷却。

根据图1所示，气体喷淋头120包括上层板125和下层板122，上层板制作简单，在一个平盘上设置一组复数个孔，能容第一组导管127穿过，导管127长度足以插入下层板122的小孔内。下层板122为在一个平盘上设置两组复数个孔，第一组复数个孔内插入导管127，第二组复数个孔内插入第二组导管124，导管124长度短于导管127，图1中，导管124和导管127的直径相同，但是也可以设置为不同，下层板122另包括多个可以用多种结构的冷却渠道或者管道126。

气体喷淋头120能将第一气体和第二气体单独容纳和传送，第一、二气体在刚离开气体喷淋头120时不会充分混合、发生反应，通常只有当第一气体和第二气体进入反应区域117后才能发生混合，完成基板处理所需的化学反应。能量释放器如等离子体、加热装置(图中未显示)等可以提供引发两种气体进行化学反应的必要能量。

在图1及与其类似的气体喷淋头中，喷出的第一气体与第二气体交错配置，这使得离开气体喷淋头的第一、二气体能够快速混合，有利于快速在基片表面形成膜层。但是，这也会带来一些新的问题，比如气体利用效果不高、反应腔内的颗粒增多等。发明人研究发现，出现这些缺陷的原因如下：第一气体和第二气体经喷淋头均匀相间地流入反应腔，由于两者反应敏感且迅速，使得它们在未到达基片表面前就已大量反应而消耗严重，造成气体浪费、利用率低；并且，这些反应所生成的物质也容易成为颗粒污染的重要来源。基于上述发现，发明人对类似的气体喷淋头(包括位于其前端的、用于将第一/二气体源内的气体传送至气体喷淋头的气体管路)作出进一步改善。

图2是根据本发明一个实施例用于MOCVD的气体供应装置的结构示意图。它的改进主要集中在气体喷淋头以及连接在第一、二气体源与气体喷淋头之间的气体管路，因而下面将以这些为重点作详细阐释。

如图2，用于MOCVD的气体供应装置包括第一气体源与第二气体源、气体喷淋头14以及连接第一/二气体源与气体喷淋头的气体管路。第一气体源与第二气体源分别用于向反应腔10供应第一气体1与第二气体2，进入反应腔10内的第一、二气体1、2将相互发生反应并在基片表面生成所需的膜层。气体管路用于接收来自第一、二气体源的第一、二气体并将它们传输至气体喷淋头14。

气体喷淋头14用于将来自气体管路的第一、二气体输送至反应腔10内，尤其是基片上方区域。气体喷淋头14的主要结构与传统MOCVD气体注入装置类似，都包括容积较大的气体扩散室、位于气体扩散室下方用于将气体扩散室内的气体传送至反应腔的多个气体通道等，因而除后面将介绍的主要区别外，本发明实施例气体喷淋头的具体结构细节均可参考传统设计(如图1中所示)。

气体喷淋头14的主要改进之处是将原本一体的气体扩散室(相当于本发明中的第一气体扩散区、第二气体扩散区)分割为两个或更多个相互气体隔离的子扩散室。这里所说的“气体隔离”指的是一个自扩散室内的气体无法扩散至相邻的子扩散室。这样，相邻的自扩散室内可以用来容纳不同的气体。

具体到本实施例中，气体喷淋头14内设置有两层气体扩散室：第一气体扩散区15(A1或A2所在的层)与第二气体扩散区17(B1或B2所在的层)，其中所述第一气体扩散区15位于所述第二气体扩散区17的上方，所述第一气体扩散区15包括相互气体隔离的两个扩散室A1与A2，所述第二气体扩散区17包括相互气体隔离的两个扩散室B1与B2。在其它实施例中，气体喷淋头可以具有更多的气体扩散区，用来容纳更多种的气体；每一层气体扩散室也可以被分割为更多数目(比如3、4、6、8等)的相互气体隔离的扩散室。说明一点，每一扩散室在同一时刻或同一段时刻内只会被通入或者说用于容纳同一类气体，比如第一气体或第二气体。

每一扩散室A1、A2、B1、B2下方均设置有多个气体通道(图中未显示，其具体结构可参考图1)，用于将各扩散室内的气体导入反应腔内。通常可将各个扩散室的气体通道间隔排列，比如，扩散室A1的气体通道可插入扩散室B1的气体通道之间，扩散室A2的气体通道可插入扩散室B2的气体通道之间(与图1中导管127与导管124之间的交错排布类似或相同)。

用于连接第一气体源的气体管路包括两路，一路直接连接于第一气体扩散区的一个扩散室A2，另一路通过一阀组30连接于第一气体扩散区的另一个扩散室A1。用于连接第二气体源的气体管路包括两路，一路直接连接于第二气体扩散区的一个扩散室B1，另一路通过该阀组30连接于第二气体扩散区的另一个扩散室B2。

所述阀组30包括四个阀V1，V3，V4与V2，该四个阀由气体管连接成一个首尾相通的圆环，相邻阀之间的气体管上设置有接口；其中，阀V1与阀V2之间的接口与所述第一气体源相连通，阀V2与阀V4之间的接口与所述第一气体扩散区的扩散室A1相连通，阀V4与阀V3之间的接口与所述第二气体源相连通，阀V3与阀V1之间的接口与所述第二气体扩散区的扩散室B2相连通。

图3是图2气体供应装置的一种工作状态。在此加工过程中，可令阀门V1、V4同处于关闭状态，阀门V2、V3同处于开启状态。

来自第一气体源的第一气体1分为两路，一路可经气体管路212、阀V2进入扩散室A1(使得扩散室A1内为第一气体)，另一路可经气体管路211进入扩散室A2(使得扩散室A2内为第一气体)。这使得由扩散室A1、A2传送至反应腔的气体均为第一气体，具体传送途径可如图中长箭头所示。长箭头同时也代表了与扩散室A1、A2相对应的气体通道的分布。

来自第二气体源的第一气体2分为两路，一路可经气体管路221进入扩散室B1(使得扩散室B1内为第二气体)，另一路可经气体管路222、阀V3、气体管路32进入扩散室B2(使得扩散室B2内为第二气体)。这使得由扩散室B1、B2传送至反应腔的气体均为第二气体，具体传送途径可如图中短箭头所示。短箭头同时也代表了与扩散室B1、B2相对应的气体通道的分布。

在该工作状态下，第一气体1与第二气体2经气体喷淋头均匀分布进入反应腔。这种工作状态尤其适用是第一、二气体反应不过分迅速或不容易颗粒污染的情形。

图4是图2气体供应装置的另一种工作状态。在此加工过程中，可令阀门V2、V3同处于关闭状态，阀门V1、V4同处于开启状态。

来自第一气体源的第一气体1分为两路，一路可经气体管路212、阀V1、气体管路32进入扩散室B2(使得扩散室B2内为第一气体)，另一路可经气体管路211进入扩散室A2(使得扩散室A2内为第一气体)。这使得由扩散室B2、A2传送至反应腔的气体均为第一气体，具体传送途径可如图中A2区域的长箭头以及B2区域的短箭头所示。这使得气体喷淋头的右半区域流出的均为第一气体。

来自第二气体源的第一气体2分为两路，一路可经气体管路221进入扩散室B1(使得扩散室B1内为第二气体)，另一路可经气体管路222、阀V4、气体管路31进入扩散室A1(使得扩散室A1内为第二气体)。这使得由扩散室A1、B1传送至反应腔的气体均为第二气体，具体传送途径可如图中A1区域的长箭头以及B1区域的短箭头所示。这使得气体喷淋头的左半区域流出的均为第二气体。

在该工作状态下，第一气体1与第二气体2经气体喷淋头，分为左右两个独立分布区域进入反应腔。这种工作模式尤其适用于第一、二气体极易发生反应的情形。由于第一、二气体进入反应腔的初期，两者几乎不接触或者接触面积极小(在其它实施例中，可通过在第一、二气体之间通入惰性气体来进一步避免两者的接触)，可有效防止它们提前发生反应，从而有效避免了气体浪费和颗粒污染。在接近或到达晶圆表面附近后，第一、二气体方能有效、充分地混合，从而在基片表面生成所需的膜层。

由以上可知，与图2类似的用于MOCVD的气体供应装置可具有两种工作模式，这使得其可适用于不同环境/情形，既可保证膜层生长速度也可防止气体过度浪费和颗粒污染。

为保证较佳的切换效果，通常相邻的两个扩散室(如A1与A2)中最好至少有一个可进行气体切换。同样，在竖直方向上相邻的两个扩散室(如A1与B1)中最好至少有一个可进行气体切换。

说明一点，上述实施例中的阀组并非必需，可用其它开关装置(如，其它多个阀的组合)来实现它的功能。比如，在其它实施方式中，可利用阀V11与V12的组合来实现扩散室A1内的气体切换，如图5所示，扩散室A1通过阀V11与第一气体源相连通，通过阀V12与第二气体源相连通。需切换至第一气体时，可开启阀V11、关闭阀V12；需切换至第二气体时，可开启阀V12、关闭阀V11。

另外，气体扩散区也不必是两层，还可以是三层或更多层，用于通入更多种类的反应气体或非反应气体(比如，用来进一步隔离第一气体与第二气体的惰性气体)。不仅如此，假如不需要工作模式切换功能而只解决气体过度浪费和颗粒污染严重的问题，气体扩散区可以仅有一层。该层气体扩散区可被均匀分隔为多个(本说明书及权利要求中所说的“多个”包括两个)方形或多个环形的区域，每一区域形成一个独立的扩散室。在工作过程中，相邻的扩散室被通入不同的气体，如图6中所示。

另外，在相邻反应室A1与A2或相邻反应室B1与B2之间还可设置第三气体通道，该第三气体不参与反应，用来隔离第一、二气体，防止它们过早发生混合。在一个实施例中，该第三气体通道可设置在用于隔离相邻反应室的隔离壁内。

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。