一种h型喷头的mocvd匀气上下盘组件的制作方法
【专利摘要】本发明公开了提供了一种气盘，和使用该气盘的MOCVD设备，包括：第一进气口、第二进气口第三进气口；第一腔室、第二腔室以及与第三腔室；第一种气体喷头区域、第二种气体喷头区域、第三种气体喷头区域；所述第一种气体喷头与第一腔室连通；所述第二种气体喷头与第二腔室连通；所述第三种气体喷头区域与第三腔室连通；所述第一种气体喷头区域设置在所述气盘外表面靠外的部分，所述第二种气体喷头区域设置在所述气盘外表面居中的部分，所述第三气体喷头区域设置在所述第一种气体喷头区域和第二种气体喷头区域之间。通过采用上述技术方案，合理利用了所述气盘底部的空间，减小预反应，避免了在MOCVD托盘上出现不均匀生长的情况。
【专利说明】
一种H型喷头的MOCVD匀气上下盘组件
技术领域
[0001]本发明涉及金属有机化学气相沉积中的化合物半导体薄膜沉积设备领域，特别涉及到制备氮化镓基、铝基半导体的有机金属化学气相沉积(MOCVD)设备的反应室关键进气匀气喷头结构。
【背景技术】
[0002]金属有机气象化学沉积(MetalOrganic Chemical Vapor Deposit1n，简称MOCVD)设备，用于化合物半导体氮化镓、氮化铝、砷化镓、磷化铟、氧化锌等功能结构材料的制备。小型机(单片或三片)适用于半导体领域实验室设备；中大型机(三片或数十片机)适用于规模化工业生产，如LED照明上游芯片外延生产、紫外及深紫外芯片外延生产等。因此是目前化合物半导体外延材料生产和研究的关键设备，是当前生产半导体光电器件和微波器件材料的主要手段，应用领域广泛。
[0003]MOCVD生长是一种非平衡生长技术，利用带有金属原子的如烷基类有机源反应物(MO源)和氢化物(如NH3等)通过氮气或氢气载气携带到反应室内，在一定压力、温度条件下，在基底上沉积外延生成化合物半导体薄膜。
[0004]根据需制备的化合物半导体材料的不同工艺，设计出适合的反应室关键进气匀气喷头结构，一直是MOCVD设备设计的难题。较为理想的进气匀气喷头结构既具有针对性的制备一种化合物半导体新型用途材料的结构，又具有制备的所有化合物半导体材料的通用普遍适用结构。
[0005]因此，目前世界上主流的MOCVD系统如美国Veeco公司的MOCVD设备以及德国Aixtron的MOCVD设备，都在反应室关键进气匀气喷头结构做了大量研发工作。
【发明内容】
[0006]本发明的目的在于，提供一种新型的MOCVD反应室进气匀气喷头结构设计方案，可为MOCVD设备外延生长提供一种减少反应气体到达基片(衬底)前的预反应的匀气盘。
[0007]为了解决上述问题，根据本专利的一个方面提供了一种气盘，用于MOCVD设备，包括:进气口，所述进气口包括第一进气口与第一气源连通、第二进气口与第二气源连通，第三进气口与第三气源连通;所述气盘还包括腔室，所述腔室形成于所述气盘内部，包括与第一进气口连通的第一腔室、与第二进气口连通的第二腔室以及与第三进气口连通的第三腔室;所述第一腔室、第二腔室和第三腔室相互之间不连通;喷头，所述喷头设置在所述气盘的外表面上，包括设置在第一种气体喷头区域的第一气体喷头，设置在第二种气体喷头区域的第二种气体喷头，设置在第三种气体喷头区域的第三种气体喷头;所述第一种气体喷头与第一腔室连通;所述第二种气体喷头与第二腔室连通;所述第三种气体喷头区域与第三腔室连通;所述第一种气体喷头区域设置在所述气盘外表面靠外的部分，所述第二种气体喷头区域设置在所述气盘外表面居中的部分，所述第三气体喷头区域设置在所述第一种气体喷头区域和第二种气体喷头区域之间，将所述第一种气体喷头区域和第二气体种喷头区域完全隔离。
[0008]优选地，所述气盘包括上下设置的上盘和下盘，所述上盘与下盘上下布置，所述上盘和所述下盘之间采用金属密封，上盘和下盘接触面为密封面;通过对在上盘和下盘之间形成所述腔室。
[0009]优选地，所述气盘呈圆盘状，底面为圆形，所述第一种气体喷头区域位于所述气盘底面上，包括两个沿着所述圆形直径对称设置的子区域，每个子区域的边界包括与所述圆形同心的圆弧，以及连接圆弧两端的线段。
[0010]优选地，所述第二种气体喷头区域包括两个沿着所述直径对称设置的子区域，每个子区域的形状包括与所述直径平行的带状区域。
[0011]优选地，所述第三种气体喷头区域包括位于所述第二种气体喷头区域的两个子区域之间的区域。
[0012]优选地，所述气盘还包括水冷装置，所述水冷装置靠近所述第一种气体喷头区域、第二种气体喷头区域设置。
[0013]优选地，所述水冷装置远离所述第三种气体喷头区域设置。
[0014]优选地，所述水冷装置设置在多个所述第一种气体喷头之间，以及，所述水冷装置还设置在多个所述第二气体喷头之间。
[0015]优选地，所述第二种气体喷头区域的每个带状子区域的边界上设置有垂直于所述气盘底面的壁。
[0016]根据本发明的另一个方面，提供了一种MOCVD设备，所述MOCVD设备包括:气盘，所述气盘如上述任一项所述;托盘，与所述气盘的喷口相对设置，所述托盘上包括驱动所述托盘选柱的转轴;衬底，设置在所述托盘与所述喷口相对的面上。
[0017]通过采用上述技术方案，合理利用了所述气盘底部的空间，首先能够设置隔离气的喷口减小预反应，其次，在整个气盘的直径方向气体都能够均匀供给，从而避免了在MOCVD托盘上出现不均匀生长的情况。
【附图说明】
[0018]以下附图是对本专利具体实施例的详细描述，将有助于更好地理解本发明的内容和特点，其中:
[0019]图1是本发明具体实施例中H型喷头的MOCVD匀气下盘的正面结构示意图。
[0020]图2是本发明具体实施例中H型喷头的MOCVD匀气下盘的反面结构示意图。
[0021]图3是本发明具体实施例中H型喷头的MOCVD匀气上下盘组合件的示意图。
[0022]图4是本发明具体实施例中H型喷头的MOCVD匀气下盘的结构示意图。
【具体实施方式】
[0023]下面结合附图对本发明作进一步说明。需要指出的是，该【具体实施方式】仅仅是对本专利优选技术方案的举例，并不能理解为对本专利保护范围的限制。
[0024]图1示出了本发明【具体实施方式】中一种气相沉积反应设备的结构，如图1所示，所述气相沉积设备包括气盘和托盘40，所述托盘40上设置有衬底30，所述托盘上还包括转轴，用于驱动所述托盘旋转。当不同组分的气体混合而成的混合气体喷射到所述托盘40上时，在所述托盘旋转的作用下，所述混合气体均匀混合从而在所述衬底30上反应并沉积成所需要的材料。
[0025]所述气盘与所述托盘40相对，用于向所述托盘供给混合气体，所述气盘可形成为适于供给混合气体的结构，可以是一体成型的也可以是通过各种组件组合而成的。
[0026]例如，在本【具体实施方式】中出于方便制造与维修的目的，通过多个部件组装而成所述气盘。其中的所述气盘包括上气盘10和下气盘20 ο在本【具体实施方式】中，所述气盘分别引入和排出不同成分的气体，不同成分的气体在所述气盘中并不相互混合。例如可以包括第一种气体、第二种气体和第三种气体，其中所述第一种气体和第二种气体是用于实现MOCVD反应的气体，第三种气体不参与所述MOCVD反应而是起到隔离气体的作用。所述上盘10与下盘20上下布置，所述上盘和所述下盘之间采用金属密封，上盘和下盘接触面为密封面。通过对在上盘和下盘之间腔室的划分形成三个独立的气体腔室。所述气体腔室包括第一腔室、第二腔室和第三腔室分别用于容纳所述第一种气体、第二种气体和第三种气体，所述第一腔室、第二腔室和第三腔室之间相互不连通。
[0027]如图2所示，其中所述上盘10设置为法兰状，在所述上盘上设置有进气管道，所述进气管道包括第一进气管道，第二进气管道和第三进气管道。所述第一进气管道、第二进气管道和第三进气管道分别向所述气盘供给第一种气体、第二种气体和第三种气体。
[0028]如图2所示，其中，所述第一进气管道、第二进气管道和第三进气管道都设置于所述上盘的上表面，所述第一进气管道、第二进气管道和第三进气管道的一端分别与第一气源、第二气源和第三气源连通，向所述气盘中供给不同的气体。所述第一进气管道、第二进气管道和第三进气管道的另一端分别与所述第一腔室、第二腔室和第三腔室连通，用于将所述第一种气体、第二种气体和第三种气体输送到所述气盘中。
[0029]进一步优选地，所述第一腔室、第二腔室和第三腔室中还设置有匀气装置，例如包括但不限于匀气网等结构，以便在相应腔室内实现气体的匀气从而便于后续在MOCVD腔室中反应。
[0030]如图3所示，所述下盘上设置有喷头，所述喷头与所述托盘相对。所述喷头优选包括设置在所述下盘下表面上的第一种气体喷口区21、第二种气体喷口区22和第三种气体喷口区23。向所述托盘喷射相关的第一种气体、第二种气体和第三种气体，以进行相关的MOCVD反应。其中，所述第一种气体喷口区域与所述第一腔室连通、所述第二种气体喷口区域与所述第二腔室连通、所述第三种气体喷口区域与所述第三种气体喷口区域连通。由于所述第一腔室、第二腔室和第三腔室分别供给第一种气体、第二种气体和第三种气体，因而所述一气体喷口区21、第二种气体喷口区22和第三种气体喷口区23分别相应地喷射第一种气体、第二种气体和第三种气体。
[0031]如图3所示，所述第一种气体喷口区域21形成在所述下盘的下表面上，所述第一种气体喷口区域包括两个对称设置的区域，两个所述子区域分开地设置，每一个子区域的边界包括与所述圆形下盘下表面同心的圆弧，以及连接圆弧两端的线段。两个子区域分别沿着所述下盘外表面的直径对称地设置从而形成两个近似于半圆的形状。第一种气体喷口在所述第一种气体喷口区域21中均匀设置，所述第一种气体喷口中喷射用于MOCVD反应的第一种气体。例如MO源气体。
[0032]所述第三种气体喷口区域23，也形成在所述下盘的下表面上，所述第三种气体喷口区域与所述第一种气体喷口区域相邻设置。优选地，所述第三种气体喷口区域包括第一直线部分和第二直线部分，所述第一直线部分和所述第二直线部分相互平行地设置并彼此间隔开预定的距离。当所述下盘的下表面呈圆形时，所述第一直线部分和第二直线部分优选地与所述圆形的直径平行设置。所述第三喷口区域中均匀地设置有第三种气体喷口，所述第三种气体喷口与所述气盘的第三腔室相连，以喷射第三种气体。优选地，在本【具体实施方式】中，所述喷射第三种气体喷口喷射所述第三种气体并不参与所述MOCVD反应，所述第三种气体可以是隔离气体，例如Hs。通过喷射隔离气体将所述第一种气体和第二种气体隔离开来，从而避免所述第一种气体和第二种气体在接触所述托盘上的衬底之前进行预反应。
[0033]进一步优选地，如图4所示，所述第三种气体喷口区域中的第一直线部分和第二直线部分的中部对称地向所述圆盘的中心倾斜预定的距离。即如图4所示，所述第三种气体喷口区域形成为两个相对于所述圆盘中心对称的U形，即整体呈现大致H形的形状。与之对应的，在所述第一种气体喷口区域21与所述U形的底部对应的部分也相对于其他部分向所述圆心突出预定的距离，这样就可以进一步充分利用所述圆盘上的空间，保证第一种气体供给的量更大，以便于满足相关反应的需要。由于所述托盘的中心通常不设置衬底，因而在所述下盘正中心周围的预定区域也可以不设置喷口，S卩，所述U形的底部不封口。这样就避免了气体的浪费以及增加不必要的加工成本。
[0034]所述第三种气体喷口的外周设置有侧壁，所述侧壁沿着所述第三种气体喷口区域的边界设置，从所述底盘外表面向外延伸预定的距离，所述侧边优选地垂直于所述底盘的下表面设置。通过设置所述侧壁对其两侧喷口喷射出来的气体具有导向作用，从而减小在所述底盘下方的一定距离内不同气体之间的混合，从而降低了反应气体的预反应，提高了隔离的效果。
[0035]所述第二种气体喷口区域22设置在所述设置在所述下盘的中部，即位于所述第三种气体喷口区域靠内的边界所围出来的区域，如图4所示，即第三种气体喷口区域的第一直线和第二直线之间的区域。所述第二种气体喷口与所述第二腔室和第二进气管道相连，从而向外喷射第二种气体，所述第二种气体是用于MOCVD反应的气体，例如NH3或者类似的反应气体。所述第二种气体喷口区域包括多个第二种气体喷口，所述多个第二种气体喷口均匀地布置在所述第二种气体喷口区域内22。
[0036]这样将第一种气体喷口区域设置在所述第三种气体喷口区域的外周面侧，将所述第二种气体喷口区域设置在所述第三种气体喷口区域的内周面，就便于将所述第一种气体喷口区域和第二种气体喷口区域中喷射反应气体在一定喷射距离内隔离开;减少了反应气体到达基片(衬底)前的预反应。
[0037]大致呈“H"形状的23区域使其隔离出第一种气体喷口区域、第二种气体喷口区域，能够均匀喷射反应气体的面积最大化，这样，即便是靠近所述气盘圆心的区域，也能够有均匀并且充足的反应气体供给。
[0038]同时，由于第一种气体喷口区域和第二种气体喷口区域都能够贯穿所述圆盘的直径设置，因而可以保证所述圆盘从内环到外环都具有充足且均匀的气体供给，当上述气体供给到所述托盘的表面上时，在所述托盘的转动下，带动所述气体均匀地混合，因而整个托盘的反应区域都具有充分第一种气体和第二种气体，从而保证了在托盘的沉底上形成的化合物的质量均匀稳定。更进一步地，当需要第一种气体和第二种气体的的量相差悬殊时，所述呈狭长“H"形状的区域能够保证在MOCVD气盘上隔离出的21区域面积与22区域面积之比能够最大化，并且不影响在所述托盘表面气体分布的均匀性尤其适用于两种工艺气体需要量相差悬殊的场合下进行的外延生长。
[0039]更进一步地，所述气盘中还设置有水冷夹层(图中未示出)，所述水冷夹层设置在所述第一种气体喷口和所述第二种气体喷口的周围，而在所述第三种气体喷口的周围并未设置所述水冷夹层。所述水冷夹层能够降低所述第一种气体喷口和所述第二种气体喷口喷射出的气体的温度，从而进一步避免所述气体在到达所述托盘表面前的预反应。而在所述第三种气体喷口区域周围不设置相关的水冷夹层能够保证在所述第三种气体喷口区域具有较小的占用尺寸的情况下具有足够的喷口密度，从而在形成足够隔离的气帘时不过多占用所述底盘上设置第一种气体喷口第二种气体喷口的空间，而且有利于所述气盘的制造加工，使得制造加工工艺简便。
[0040]采用上述气盘的MOCVD设备在工作时，不同气体从上盘10各个进气管12进入上下盘之间不同形状的独立空间，经匀气后，从两个半圆分布的喷口251(例如MO源)、二个“一"字的形状分布的喷口 252 (例如NH3)、“H”型分布的喷口 26 (例如H2)喷出，由于托盘40的旋转，不同组分的气体混合;喷射到下方托盘40与基片30(衬底)上。在高温作用下，MO源和NH3在基片30(衬底)上反应沉积生成氮化物材料。同理，此结构可以作为完成成砷化物、磷化物、氧化物等功能结构材料制备的主要方法。
[0041 ]采用本【具体实施方式】的上述气盘和MOCVD反应设备可应用于金属有机化学气相沉积；以用于化合物半导体氮化铝、氮化镓、砷化镓、磷化铟、氧化锌等等功能结构材料的制备。
[0042]本发明涉及的一些其它工艺条件为常规技术工艺，属于本领域技术人员熟悉的范畴，在此不再赘述。以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，对本专利所做的任何工艺气体喷口分区变异及结构其他修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
【主权项】
1.一种气盘，用于MOCVD设备，包括: 进气口，所述进气口包括第一进气口与第一气源连通、第二进气口与第二气源连通，第三进气口与第三气源连通； 其特征在于，所述气盘还包括 腔室，所述腔室形成于所述气盘内部，包括与第一进气口连通的第一腔室、与第二进气口连通的第二腔室以及与第三进气口连通的第三腔室;所述第一腔室、第二腔室和第三腔室相互之间不连通； 喷头，所述喷头设置在所述气盘的外表面上，包括设置在第一种气体喷头区域的第一气体喷头，设置在第二种气体喷头区域的第二种气体喷头，设置在第三种气体喷头区域的第三种气体喷头;所述第一种气体喷头与第一腔室连通;所述第二种气体喷头与第二腔室连通;所述第三种气体喷头区域与第三腔室连通； 所述第一种气体喷头区域设置在所述气盘外表面靠外的部分，所述第二种气体喷头区域设置在所述气盘外表面居中的部分，所述第三气体喷头区域设置在所述第一种气体喷头区域和第二种气体喷头区域之间，将所述第一种气体喷头区域和第二气体种喷头区域完全隔离。2.根据权利要求1所述的一种气盘，其特征在于，所述气盘包括上下设置的上盘和下盘，所述上盘与下盘上下布置，所述上盘和所述下盘之间采用金属密封，上盘和下盘接触面为密封面;通过对在上盘和下盘之间形成所述腔室。3.根据权利要求1-2中任一项所述的气盘，其特征在于，所述气盘呈圆盘状，底面为圆形，所述第一种气体喷头区域位于所述气盘底面上，包括两个沿着所述圆形直径对称设置的子区域，每个子区域的边界包括与所述圆形同心的圆弧，以及连接圆弧两端的线段。4.根据权利要求3所述的气盘，其特征在于，所述第二种气体喷头区域包括两个沿着所述直径对称设置的子区域，每个子区域的形状包括与所述直径平行的带状区域。5.根据权利要求4所述的气盘，其特征在于，所述第三种气体喷头区域包括位于所述第二种气体喷头区域的两个子区域之间的区域。6.根据权利要求1-5中任一项所述的气盘，其特征在于，所述气盘还包括水冷装置，所述水冷装置靠近所述第一种气体喷头区域、第二种气体喷头区域设置。7.根据权利要求6所述的气盘，其特征在于，所述水冷装置远离所述第三种气体喷头区域设置。8.根据权利要求6-7中任一项所述的气盘，其特征在于，所述水冷装置设置在多个所述第一种气体喷头之间，以及，所述水冷装置还设置在多个所述第二气体喷头之间。9.根据权利要求1-8中任一项所述的气盘，其特征在于，所述第二种气体喷头区域的每个带状子区域的边界上设置有垂直于所述气盘底面的壁。10.一种MOCVD设备，其特征在于，包括: 气盘，所述气盘如权利要求1-9中任一项所述； 托盘，与所述气盘的喷口相对设置，所述托盘上包括驱动所述托盘旋转的转轴； 衬底，设置在所述托盘与所述喷口相对的面上。
【文档编号】C23C16/455GK106086818SQ201610597251
【公开日】2016年11月9日
【申请日】2016年9月20日 公开号201610597251.1, CN 106086818 A, CN 106086818A, CN 201610597251, CN-A-106086818, CN106086818 A, CN106086818A, CN201610597251, CN201610597251.1
【发明人】梁勇, 胡国新, 曾一平, 王军喜, 段瑞飞, 李辉
【申请人】北京中科优唯科技有限公司