专利名称：用于cvd系统的气体注射器以及具有该气体注射器的cvd系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及半导体加工设备，特别地，本发明提供向CVD反应室(chamber)中注射经热能化的气体的气体注射器，并提供将经热能化的气体注射成预定的流型的注射器。本发明也提供使用所提供的气体注射器的CVD系统。本发明在高容量制造GaN衬底上具有特别的应用。
背景技术：
前体气体在其被注射至CVD反应室中之前的不充分的热能化(加热)及其在该反应室中的过早混合可导致多个问题，这些问题可特定于所进行的各个具体CVD过程。例如，考虑使用GaCl3和NH3作为前体气体的GaN的氢化物气相外延(hydride-vapour-phase epitaxial) (HVPE)生长，其中由不充分的热能化和过早的混合所导致的问题包括以下方首先，不充分热能化的前体的注射可导致在生长衬底以外的表面上的不需要的沉积。随着时间的推移，此不需要的材料可在反应器中造成足以降低晶圆质量的增加的微粒水平，也可导致足以妨碍有效辐射加热的反应室壁(chamber wall)的涂覆。因为(^aCl3在相对低的温度下(例如500°C以下)从气相冷凝，因此未维持在汽化温度以上的反应器区域有可能变得被涂覆，从而发生这种不需要的沉积。因此，在向反应室中注射之前，需要将 GaCl3热能化到至少约500°C的温度。事实上，在向反应室中注射之前，需要将GaCl3前体热能化到至少730°C的温度。进一步地，关于HVPE过程，不充分热能化的前体的注射可导致不需要的副反应， 该副反应限制GaN的实际沉积。因为约930°C以下的气体温度可导致不需要的加合物(例如 GaCl3INH3)的形成，在向反应室中注射之前，也需要将GaCl3和NH3都热能化到至少约930°C 的温度。另外，为了进一步限制这种不需要的加合物的形成，优选使III族和V族前体流保持隔离，直至它们与生长基座直接相邻为止。前体气体的过早混合可造成不需要的反应副产物，并导致微粒在反应器中的生成。最后，关于HVPE过程，在向反应室中注射之前，需要将V族前体(通常是NH3)热能化。在与经热能化的III族前体混合时，不充分热能化的V族前体可使III族冷却至充分的程度以造成上述不良影响。然而，V族氨前体的热能化不应在包括金属的环境下(例如， 如通常做法，在金属气体管线、金属反应器组件等中)进行。在提高的温度下，金属可将反应活性的NH3催化裂化成N2 (和H2)，N2不与feiCl反应生成GaN。由于不充分的热能化和过早的混合造成的上述问题导致该前体气体在衬底上形成GaN产物的不充分反应。前体反应物由于颗粒/络合物的形成、在不需要的表面上的沉积等而损失。改进前体气体的热能化和传输，可期望带来前体气体的更有效的利用以及降低成本和改进材料生长速率的相关益处。在美国专利6，179，913,6, 733，591中解决了 HVPE III-氮化物沉积中的前体热能化和隔离问题。然而，此现有技术涉及的是常规设备(其中feiCl是通过HCl气体与液态镓的反应而原位形成)，而并不适于直接注射气相GaCl3的设备。美国临时申请60/015，524 涉及利用外部(^aCl3和NH3源的前体热能化和空间隔离，然而此现有技术申请所利用的是用于同时注射III族和V族前体的单个注射固定装置。
发明内容
为了克服现有技术的限制，本发明提供了多种元件(包括热能化气体注射器)以改进前体的热能化和混合，其在前述特征上具有优势。通过使气体穿过导管结构传导(将该导管结构设定尺寸并配置以增加所传导气体的停留时间)同时通过提供被动或主动地加热该导管结构的加热工具，本发明的热能化气体注射器提供了更好的前体热能化。通常，由于停留时间是气体流动长度对气体流动速度的比值，本发明的不同具体实施方案可提供导管结构，将该导管结构配置并设定尺寸以增加或降低气体流动通道长度和气体流动速度，或使其保持不变，只要增加了其比值(停留时间)。在优选的具体实施方案中，仅仅显著改变了这些参数中的一个，而其他参数基本上保持不变。特别地，某些优选的具体实施方案将导管结构配置并设定尺寸以具有较长的通道长度和足以维持气体流动速度的截面，或者使其具有增加的截面(以及相应地降低的气体速度)和基本上不变的通道长度。应用于本发明的导管的相关术语，例如“增加的”、“降低的”和“不变的”，应理解为与通常可用于在相同的气体源和气体阱(sink)之间传输相同选定量的气体的导管相比较。普通的导管通常如同根据源和阱之间的阻碍、设计标准、安全性等所合理地允许的那样短。然而，本发明的具体实施方案具有这样的导管，该导管与这种合理的最小长度相比更长。并且，普通的导管所通常具有的截面如同根据所需质量流量、气体性质等所合理地允许的那样小。类似地，本发明的具体实施方案包括导管，其截面与这种合理的最小截面相比更大。本发明包括特定的优选的热能化注射器，每个满足特定的气体注射要求(并适于特定的CVD反应室)。例如，为了以相对较高的流率注射气体，合适的具体实施方案可具有较宽和/或较短的气体输送导管，而相反地，为了以相对较低的流率注射气体，合适的具体实施方案可具有较窄和/或较长的气体输送导管。而且，为了注射具有选定的截面轮廓的气流，合适的具体实施方案可具有出口，该出口被配置为类似于该选定的截面轮廓。具有较小截面轮廓的气流可通过喷嘴状出口来注射，而具有较大截面轮廓的气流(例如扩展至穿过CVD反应室的显著部分的轮廓)可通过水平方向上宽而垂直方向上窄的出口来注射。并且，为了注射可得益于增加的热能化的气体，合适的具体实施方案可具有停留时间甚至更长的气体导管，例如更长的导管或截面更大的导管，或者二者兼具的导管。进一步地，导管结构和气体流动通道可具有不同的部分，其具有不同的截面尺寸和长度的结合，或具有平滑变化的截面尺寸等，只要净效果(net effect)为停留时间增加。然而，应理解，这些特定的具体实施方案可用于种类广泛的气体，这些气体具有各种各样的其他的和不同的注射要求。导管结构和组件(例如气体传导部分)优选地由能够经受高温、腐蚀环境并且能够以较低成本制成所需形状的材料来制造。优选的材料包括石英。
用于导管结构的加热工具可为主动或被动的。主动加热工具包括产热元件，例如电阻元件、辐射元件、微波元件等，该产热元件被特别地选定并放置(通常相邻)从而向该导管结构直接传热。被动加热指将导管至少部分地放置在可由其吸收热量的加热环境(例如CVD反应室)中。经加热的环境通常通过主动加热工具来加热，就这种主动加热工具而言，导管结构优选地放置在使得热传递在该情况下最优的环境中。例如，在通过辐射元件加热CVD反应室的情况下，导管结构可放置在辐射元件附近，或者具有通向辐射元件的畅通通道，但并不妨碍基座、机械臂等。被动加热也可通过引入从环境吸热从而向该导管结构传热的结构来优化。另外，被动热传递工具可包括黑体结构，该黑体结构被放置以吸收并向该导管结构再辐射(re-radiate)辐射能。黑体结构优选地由具有与整体(至少对于红外辐射)相近的发射率值并且还能够经受高温、腐蚀环境的材料制造。合适的材料包括A1N、SiC和B4C(分别具有0. 98,0. 92、 0. 92的发射率值)。本发明的优选的具体实施方案提供了用于向CVD(化学气相沉积)反应室注射气体的注射器。该注射器包括一个或多个气体输送导管，该导管用于将气体沿着流动通道从气体入口经过该导管传输至一个或多个气体出口 ；该导管具有一个或多个经配置和/或经尺寸设定的段，从而与该选定段未经如此配置和尺寸设定所需的时间相比，增加气体流过该导管所需的时间。优选地，气体输送导管的至少一部分是石英。本发明的优选的具体实施方案也提供用于加热该导管的加热工具，包括经加热的CVD反应室，或者一种或多种产热元件，或类似物。本发明的注射器的优选用途包括注射前体气体和/或清除气体以进行 CVD过程；例如，该前体气体可包括III-金属前体或氮前体以在CVD反应室中生长III-氮化物半导体。在优选的具体实施方案中，所提供的注射器具有气体输送导管，该导管包括至少一个经配置的段以具有较长的气体流动通道，从而使得气体流动时间增加而不降低气体流动速度。可将较长的段配置为具有螺旋状的形状，从而延长入口和出口之间的气体流动通道。该导管还可包括外壳，该外壳封装所有的段或者螺旋形段的一部分；该外壳可具有与该外壳相邻设置的外部夹套加热器，或者具有内部黑体元件，该黑体元件在该螺旋形段的外部，从而增强从外部(exterior)到气体输送导管的传热；该外壳还可具有气体入口和气体出口，可将该气体入口和气体出口进行配置和设定尺寸，从而使气体可从该入口经过该内壳流动到该出口。在优选的具体实施方案中，所提供的注射器具有气体输送导管，该导管包括至少一个经配置的段以具有截面尺寸较大的气体流动通道，从而使得气体流动时间随着气体流动速度的降低而增加。该较大的段可具有较大但基本恒定的截面；可将该较大的段配置并设定尺寸，从而能被设置在CVD反应室(在加热时，该较大的段可在其中被该CVD反应室加热)以内；此注射器的较大的内部段可进一步沿着该反应室的纵向内壁设置；此注射器的较大的侧向段可具有多个出口，该出口经设置以引导从该反应室的侧壁流向中心的气流。在优选的具体实施方案中，可配置所提供的具有截面尺寸较大的导管的注射器， 以使得该截面尺寸从顶部(气体在该顶部进入该导管)到底部(气体在该底部离开该导管并进入CVD反应室)逐渐变大；可将该较大的段配置为具有相对较窄的顶部，其具有一个或多个气体入口，并具有相对较宽的底部，其具有一个或多个通向该CVD反应室的气体出口 ；可将该较大的段配置为在平面结构内的楔形通道。可将该平面结构配置为在垂直方向上较短，而在横向方向上较大；可将该平面结构进行配置并设定尺寸以使其能被设置在CVD反应室(在加热时，该较大的段可在其中被该CVD反应室加热)内部；特别地，该平面结构可沿着上游的横向反应室壁放置，以使流出气体引导至下游方向；该平面结构还可包括一个或多个并不与该楔形通道相交的第二气体输送导管。该第二气体输送导管可具有基本上恒定的截面尺寸，并且可具有一个或多个在楔形通道的出口侧面的通向该CVD反应室的第二出口。本发明还提供CVD系统，其具有一个或多个所提供的气体注射器。此系统可包括具体实施方案的一个或多个第一注射器，该第一注射器具有导管，将该导管配置并设定尺寸为从顶部到底部逐渐变大；此注射器可在该CVD反应室中具有与基座(具有生长表面) 相邻的出口，并可定向此注射器以将第一气体引导成纵向流动，该纵向流动横向地扩展至部分或全部的基座生长表面；此注射器可包括具有两个或更多个第二出口的第二导管，其可被定向以将第二气体引导成在该第一气流侧面的纵向流动。这种系统还可包括具体实施方案的一个或多个第二注射器，该第二注射器具有导管，将该导管配置为螺旋状形状；此注射器可具有出口，该出口被放置和设置以将气体引导至第一注射器的入口。这种系统还可包括具体实施方案的一个或多个第三注射器，该第三注射器具有以较大的截面尺寸配置的段；可将此注射器配置并发定尺寸，从而使该较大的段可设置在 CVD反应室(在加热时，该较大的段可在其中被该CVD反应室加热)内部；该较大的内部段可沿着该反应室的纵向内壁设置；此较大的段可具有多个出口，所述出口被放置并定向以引导从该反应室的侧壁流向中心的多个气流。这种系统还可包括一个或多个黑体板，以增强从CVD反应室外部的加热元件到第三注射器的传热。本发明的另一个具体实施方案涉及用于向CVD(化学气相沉积)反应室中注射气体的如下方法使气体沿着分段的流动通道从气体入口传输到一个或多个气体出口，其中每段均被配置或设定尺寸以增加相比于未经如此配置和尺寸设定的段的气体流动时间；并在气体穿过一个或多个段传输时将一个或多个段加热。至少一个选定的段提供具有较大的截面尺寸的气体流动通道，并在较小的气体流动速度下提供增加的气体流动时间，在其中流动的气体包括用于在反应室中生长III族-氮化物半导体的氮前体。此外，至少一个其他的段具有从顶部到底部(该段在该底部通向反应室)逐渐变大的截面尺寸，其中所流动着的气体包括用于在反应室中生长III族-氮化物半导体的III族-金属前体。反应室优选地在其中包括具有生长表面的基座，并且将III族-金属和氮前体的气体加热并引导至该基座生长表面以使III族-氮化物半导体在该表面上生长。有利地，该气体在约930°c以上的温度下反应以促进III族-氮化物半导体在该基座生长表面上的生长，同时使不需要的前体络合物的形成最少化。本文所述的优选的具体实施方案和特定的实施例应被视作本发明的范围的例子， 但并不限制本发明。本发明的范围应参照权利要求书来确定，其被解释为覆盖了对本领域技术人员显而易见的修改、等同方案、替代方案等。为了清楚和简洁起见，并非具体实施方案的所有特征都在本文中描述；应理解，并未被描述的特征为本领域常规技术，而本领域技术人员可将其加入本发明。
本文所用的标题仅为清楚起见，并不具有任何意欲的限制。本文引用了多份文献， 其全部公开内容为了所有目的以全文引用方式并入本文。此外，并不承认所引文献(无论其特征为何)早于具有本文所要求保护的主题的发明。
参照下文中的对本发明的优选具体实施方案以及特定具体实施方案的说明性实施例的详细说明，以及附图可更加充分地理解本发明，在附图中图1图示地说明了示例性的CVD反应器；图2A-2D图示地说明了本发明的热能化气体注射器的第一具体实施方案；图3A-3C图示地说明了本发明的热能化气体注射器的第二具体实施方案；图4A-4C图示地说明了本发明的热能化气体注射器的第三具体实施方案；和图5图示地说明了包括示例性CVD反应室和本发明的热能化气体注射器的组合。
具体实施例方式本发明提供改进的气体处理，以用于化学气相沉积(CVD)反应器系统，特别地用于半导体加工的CVD系统，更特别地用于具有反应室(其通常具有矩形截面，其中前体气体的平面流动经过衬底，沉积或其他反应在该衬底上发生)的CVD系统。在讨论本发明之前， 简要地描述可在其中有效应用本发明的示例性CVD反应室。图1以平面图说明了本发明可适用的示例性CVD反应室1的相关细节。图3A以截面图说明了类似的CVD反应器。在两幅图中，共同的编号定义相似的元件。示例性反应器1包括反应室3，其通常由石英制成从而使其能通过外部辐射加热灯来加热。包括前体气体和吹扫气体的工艺气体通过开口(或入口或注射器)5和9进入图底部的反应室3。通常将该入口设计并调整以防止前体气体的过早混合。此时，例如，不同的前体气体可通过分隔的(spaced-apart)开口 5和9进入，而相对惰性的吹扫气可通过开口 7进入。该工艺气体随后在图中穿过反应室而向上移动(定义为“下游”方向)并在位于中心的衬底上反应，该衬底由衬底17支撑在基座15上。该基座通常由支撑环或板13引导而旋转。该工艺过程气体通过排气口 11流出该反应室。任选地，反应器1可包括黑体板19，该黑体板19在基座15和衬底17上方，被支撑在例如支撑件21上。通过从辐射加热灯吸收辐射并将所吸收的辐射再次辐射到工艺气体中，此黑体板可帮助靠近该板流动的工艺气体的热能化。参见例如2008年2月27日提交的美国临时专利申请61/031，837 (其为了所有目的以全文引用方式并入本文)。在下文中，术语“纵向”和“横向”用于指由图1中的标注箭头所指明的CVD反应室内的方向。纵向方向也被称作“上游”和“下游”；方向为纵向的壁也被称作侧壁。横向方向也称作“穿过反应器”；方向为横向的壁也被称作端壁(end wall)。本发明在此示例性CVD反应室的情况下如下地描述，其中并不进一步考虑该CVD 反应室的细节。然而，此重点仅是出于简洁的考虑而并非限制，因为应理解此示例性反应室并不是限制性的，并且本发明的装置也与其他的CVD反应室相容。热能化气体注射器的优选具体实施方案现在描述本发明的热能化气体注射器的优选具体实施方案，通过对导管结构进行
9配置和尺寸设定，以使得气体流动通道所具有的长度增加到超过在该情况下合理需要的长度(根据该反应室的物理布局和相关设备)，该热能化气体注射器实现了气体停留时间的增加，并且该热能化气体注射器所具有的截面至少不大幅度地小于为了预期的气体流动速度所合理需要的截面(根据导管中气体流动的已知原理)。因此，该具体实施方案的注射器可用于以相对较低的流率进入CVD反应室的气体。优选地，通道长度的增加可通过将该流动通道弯曲和/或折叠成蛇形(例如螺旋形)而得以满足。由于该具体实施方案的热能化气体注射器更好是用于以相对较低的(或至少不增加的)流率注射热能化气体，当在与III-氮化物化合物的生长相关的使用中，该具体实施方案的注射器更优选地用于III-金属前体(通常以相对较低的流率进入)而不用于N 前体(通常以相对较高的流率进入)。然而，该具体实施方案的注射器也可用于以相对较低的流率进入CVD反应室的气体。图2A-D图解说明了该具体实施方案的热能化气体注射器。特别地，图2A图解说明了导管结构47，该导管结构47具有螺旋形的气体输送导管49，该导管49具有基本上均勻的直径(截面)。气体(例如前体气体)通过入口 39进入导管结构47，流经螺旋形的导气部分49，并从出口 41流出该导管结构(例如直接进入CVD反应室)。与为了使气体通过入口 39和出口 41之间的较短物理距离传导所合理需要的长度相比，气体输送导管49提供实际上更长的气体通道长度。由于该气体输送导管49的螺旋形，气体流经导管结构47的通道长度长于，甚至大幅度地长于该入口和出口之间的实际物理距离。本文所述的螺旋形并非限制性的，本发明应被理解为包括了其他的蛇形形状。可将前体气体从外部的源以通过外部气体控制设备(“气体面板”)所控制的流率供给至导管结构47。该具体实施方案的导管结构优选地包括外壳，该外壳封装并保护该气体输送导管的至少蛇形部分(其被认为最容易损坏)。本文中，导管结构47包括外壳33，除了入口 39 和出口 41之外，外壳33封装了导气部分49的全部。外壳还可用作例如吹扫气的额外的气体输送导管。本文中，外壳33已配备有吹扫气入口 43和吹扫气出口 45，因此吹扫气可经过该外壳流动。吹扫气(或类似气体)流是有利的，因为它们可形成相对于CVD反应室内部的过压区域，该过压区域可用于限制或防止气体从该反应室内部回流。来自操作中的 CVD反应室内部的反应性且通常为腐蚀性的气体的回流可导致导管结构的损坏或者不需要的沉积。可将导管结构47被动加热或主动加热，或者同时将其被动和主动加热。优选地， 可通过将导管结构部分或全部地放置在被加热的CVD反应室中(或者放置在另一加热环境中)，从而将该导管结构被动加热。图2B图解说明了经被动加热的导管结构54 (类似于图 2A中的导管结构)，其大部分被放置在CVD反应室53中。可任选地提供被动传热元件(本文中未图解说明)以改进从该反应室内部到该导管结构的热传递。例如，如果该CVD反应室是通过加热灯来加热，被动元件可包括与该气体注射器相邻地放置的从加热灯吸收辐射并将其再次辐射至该导管结构的黑体结构。优选地，可通过提供与该导气部分的至少一部分(优选地，配置其中至少一部分以增加气体停留时间)相邻并且直接向该相邻部分供热的产热元件，从而将导管结构主动加热。优选地，将主动加热元件放置在该导管结构的相邻处(或旁边)和外部；也可将其放置在该导管结构的内部。主动加热元件包括释放辐射的元件，例如加热灯、感应加热元件、电加热元件(例如电阻加热元件)等。还可同时将导管结构被动和主动加热，例如将被主动加热的导管结构至少部分地放置在CVD内的情况。图2B图解说明了大部分位于CVD反应室53 (与图1的CVD反应器1类似)外部的被主动加热的气体注射器55。注射器55包括导气部分56和主动加热元件57。在本发明的进一步的具体实施方案中，被主动加热的气体注射器阳可在CVD反应室53的外部，并位于该反应器下方，其中经加热的前体进料41进入该CVD反应室的下侧(即进入底部)。图2C-D图解说明了被主动加热的导管结构51的基本细节。在图2C(平面图)中， 主动加热元件31包括位于外壳33外部和周围的传导元件，例如被电阻加热的夹套加热器。 在图2D (截面图)中，主动加热元件31包括辐射元件，例如加热灯，该辐射元件在该导电结构的外壳33外部，但被封装在壳32之内，该壳32可用作将辐射向内反射至气体输送导管 49。在两幅图中，从入口 39经过螺旋形气体输送导管49流向出口 41的气体在注射进CVD 反应室之前被加热元件31加热。任选地，从入口 43经过外壳33流向出口 45的吹扫气也在注射前被加热。由这些图，显而易见地，该主动加热元件限定了温度较高的区域，而气流在注射前从该区域流过。图2C-D也图解说明了任选的元件35，其可为主动或被动加热元件。优选地，此任选的元件是用于改进从主动元件31到气体输送导管49的传热的被动元件。在采用传导加热元件的情况下，被动元件35可为使热量再次分布至导管49的内侧部分的导热体 (conductor)。在采用辐射加热元件的情况下，被动元件35可为黑体结构，例如再次辐射热量的包括黑体材料的棒。在采用感应加热元件的情况下，被动元件35可包括能吸收感应能量从而加热该气体输送导管的导电结构。通过任选的元件35，可通过主动加热元件将气体输送导管49中的气体直接加热，并且通过被动元件35将其间接加热。如所述的，该具体实施方案的热能化气体注射器(特别是如图2C的注射器51的注射器)可用于将注射气态的III-金属前体注射到CVD反应室中以加工III-氮化物化合物，特别是用于提供气态GaCl3前体，该气态GaCl3前体用于按照HVPE过程来生长GaN。在此应用中，外壳33和气体输送导管49优选地包括石英。被动元件35为实心的或管状的黑体结构，其优选地包括例如SiC、B4C、AlN。主动加热元件31包括电加热套(例如夹套加热器)，该电加热套包围石英外壳33并且能够加热到500至1000°C的温度。在操作中，GaCl3前体通过入口 39进入该注射器，其进料流率通常为数百sccm (标准立方厘米每分钟)的量级，但有可能达到20-30SLM(标准升每分钟)，并通过出口 41优选地在500至1000°C的温度下流出。队(或可选地为队和吐气体混合物)吹扫气通过入口 43进入，其进料流率为约1-5SLM，其至少使该外壳的内部维持过压，并通过出口 45流出。 在其停留在该注射器的过程中，该吹扫气也可被加热。热能化气体注射器的进一步优选的具体实施方案现在描述本发明的热能化气体注射器的优选具体实施方案，通过对导管结构进行配置和尺寸设定，以使得气体流动通道所具有的截面增加到超过为了预期的气体流动速度所合理需要的截面(根据导管中气体流动的已知原理)，并使得气体流动通道的长度至少与该情况下合理需要的长度相同(特别地，根据该反应室的物理布局和相关设备)。因此， 该具体实施方案的注射器可用于以较高流率进入CVD反应室的气体。由于该具体实施方案的热能化气体注射器是用于以相对较高的流率注射热能化气体，当在与III-氮化物化合物的生长相关的使用中，该具体实施方案的注射器更优选地用于N前体(通常以相对较高的流率进入)而不用于III-金属前体(通常以相对较低的流率进入)。然而，该具体实施方案的注射器也可用于以相对较高的流率进入CVD反应室的气体。图3A-B分别图解说明了优选的热能化气体注射器的具体实施方案的截面和横向视图。常规组件包括反应室壳71、基座69、生长衬底67和加热元件60。在该具体实施方案中的导管结构61沿着反应室壳71的两侧设置，其与基座69的上表面的高度一致。气体进入入口 75，在该导管结构内沿者该侧壁朝纵向方向流动，并通过一个或多个出口流出，该一个或多个出口将气体引导至穿过基座69的上表面而流向生长衬底67的横向流62。该具体实施方案的导管结构还可包括其他元件，特别是外壳。导管结构61被现有技术中已知的固定装置支撑并支持在该反应室内，在本文中，示例性的左边和右边的支撑固定装置73具有横向凸出的支架(或架子)，该气体输送导管支撑在该支架上。单独的较长支撑固定装置可伸出该CVD反应室的每个侧壁，或者可选地，多个较短支撑固定装置可沿着每个壁放置。可将导管结构61主动加热或被动加热，或者同时将其被动和主动加热。如同导管结构47 (图2C中)，通过提供与至少该导气部分的一部分相邻的产热元件，也可将导管结构 61主动加热。优选地，通过将导管结构61部分或全部地经过加热环境(例如被加热的CVD 反应室)和/或置于加热环境内，可将导管结构61被动加热。此外，在经加热的具体实施中，被动传热工具优选地与部分(或全部)导管结构相关联，以改进从环境到该导管结构的传热。例如，此被动传热工具可包括黑体材料从而吸收来自反应室加热灯的辐射，并将所吸收的热量再次辐射至该导管结构。图3A图解说明了被动传热工具，其包括一个或多个板65，该板65在该导管结构上方，被支撑在示例性固定结构73的上支架上，并延伸穿过该CVD反应室(因此，也改进了向基座的传热)。图3B图解说明了沿着该反应室放置以覆盖气体导管61的主要部分的多个板65。注意图示的板65之间的空隙仅为清楚起见，而这些板通常将彼此相邻。可选地，气体输送导管61可置于板65下方，或者板65可仅仅延伸至覆盖导管61，而使该反应室的中间部分暴露于该加热灯。该具体实施方案的热能化气体注射器的具体实施可用不同于图3A-B中图示的横向流型的流型来注射气体。例如，图3C图解说明了一个具体实施方案，其中气体输送导管 61进一步被配置为具有在平行于气流63的纵向方向上注射气体的出口 76。图3C的气体输送导管61可配备有用于注射横向流动的气体的其他出口(如图3A-B)。如本领域技术人员所显而易见的，通过提供合适的出口，可注射其他流型的气体。进一步的具体实施方案可仅具有单个(左边的或右边的)气体输送导管61，可通过图示的两个气体输送导管中的每一个来注射不同的第二气体，等等。优选地，该具体实施方案的气体输送导管由能够经受在运行中的CVD反应器(例如HVPE反应器)内部形成的高温、腐蚀环境，并且很少与或不与前体气体(特别是NH3)相互作用的非金属材料来制造。这种优选的材料包括石英。黑体板优选地包括具有高发射率值(接近整体)并且还能经受高温、腐蚀环境的材料。这种优选的材料包括A1N、SiC和 B4C(发射率值分别为0. 98,0. 92和0. 92)。另外，导管结构和被动传热工具优选地根据特定的CVD反应室而被设定尺寸和配
12置，从而使其可被设置在该反应室内而不致于妨碍例如排气注射器、基座、机械传送工具和其他相关组件的操作。因此，可将热能化气体注射器的不同特定具体实施方案设定尺寸并配置以能被设置于不同尺寸和不同构型的CVD反应室内。例如，已将图3A-C中图示的热能化气体注射器设定尺寸并配置，以使其以现在所述的方式设置在图1的示例性CVD反应室 1中，并与该CVD反应室相配合。从位于CVD反应室71的上游末端(图:3B-C中的底部)的注射器以纵向气流63 注射第一气体，该第一气体流向基座。虽然并未特别地举例说明，该上游注射器可为一个或多个图2A-D的具体实施方案的注射器。第二气体通过入口 75 (在反应室71外部)进入该具体实施方案的热能化气体注射器61，并在截面较大的气体输送导管61内流动。在图;3B 的情况下，通过多个出口将气体注射成从两个侧壁流向基座的多股横向流；而在图3C的情况下，将第二气体注射成流向基座的两股纵向流。第一和第二气体在该基座上方相遇并反应，而废气通过排气口 64流出。已将气体输送导管61设定尺寸并配置以将其设置成大部分紧靠反应室71的壁，从而不妨碍该基座和其他组件。同样是在图;3B的情况下，横向气流62的流型细节可容易地通过例如出口尺寸的差异来控制。虽然气体输送导管61的较大截面直径主要是为了增加可用于从反应室内部吸热的停留时间而选定的，较大截面直径也允许该气体输送导管用作增压室(Plenum chamber)，该增压室使沿着该导管长度的气压大约相等。例如，如果出口具有类似的尺寸， 横向流62可在纵向上均勻，而如果该出口具有变化的尺寸，则该横向流可发生变化。如所述的，该具体实施方案的热能化气体注射器(特别是配置成与图3A-C的注射器61类似的注射器)可用于向CVD反应室中提供气态的N前体以加工III-氮化物化合物， 特别是用于提供NH3,该NH3用于按照HVPE过程来生长GaN。对于本申请，气体输送导管61 可被设定成约1厘米至2厘米至2. 5厘米的尺寸(及其之间的尺寸)，其优选地包括石英， 通过固定装置73而被支撑在该反应室内的黑体板下方(可选地在黑体板上方)，并具有与基座69的上表面相邻的气体出口 62。该注射器优选地包括石英；并且被动加热板优选地包括 SiC、B4C、AlN。在操作中，NH3以1-3SLM的流率通过入口 75进入该注射器。可利用仅一个或多于两个的这种入口。气体输送导管61的出口位于基座69旁边。通过来自被加热的CVD反应室内部和SiC板(两者均通过位于石英反应器壳71上方(和下方)的外部灯源60而加热)的传热来加热NH3。在进入该反应室之前，优选地将该NH3加热到至少600°C的温度。热能化气体注射器的进一步优选的具体实施方案现在描述本发明的热能化气体注射器的优选的具体实施方案，除了由于气体停留时间的增加而达到一定程度的热能化以外，该具体实施方案还将一股或多股气流注射成独立的纵向气流，该气流具有受控的横向空间分布。特别地，将至少一股纵向气流的空间分布控制成在横向上大部分均勻地经过占基座直径的显著部分的宽度。也可控制空间分布以使得不同的气体并不过早混合或者发生温度变化或化学相互作用。本文中，该具体实施方案的注射器被称作“帽舌(visor)，，型注射器或“帽舌”注射器或“帽舌”。例如，在生长III-氮化物化合物的情况下，该具体实施方案的帽舌注射器可用于注射III-前体气体、N前体气体和吹扫气。特别地，帽舌注射器可将前体气体注射成在横向方向上大部分均勻的流，该横向方向上所经过的宽度占基座直径的显著部分。因此，在该基座旋转时，该生长衬底将大部分均勻地暴露于该前体的一种。在用于本文的上文中时，术语“基座的显著部分”意指气流(注射的，且无显著传播)，可充分到达该基座的所有部分，从而使得其上负载的所有生长衬底均可直接暴露于该气流。因为基座通常在运行时旋转，延伸至经过至少该基座的约一半直径或更大部分的纵向流将大部分均勻地穿过“基座的显著部分”。更优选地，该流延伸穿过至少该基座直径的 65%或80%或更大部分。甚至更优选地，当反应室的配置允许时，该气流基本上延伸至覆盖该基座的全部直径。术语“大部分均勻”意指所述流的气体速度变化小于约15%，或小于约 25%，或小于约35%。帽舌型注射器具有出口，该出口具有选定的截面以形成并促使该流出气体成为选定的纵向分布。特别地，帽舌型注射器具有至少一个出口，该出口具有占该基座的显著部分的横向宽度，例如约为该基座直径的一半或更大部分的横向宽度(“宽”出口)。其他出口 (“窄”出口)通常较窄，从而将气体注射成更加受限的流(例如，通过配置成类似于图3C 的出口 76的出口来注射的流)。方便且优选地，宽出口的垂直宽度小于(或远小于)其横向宽度，从而使得这些出口可被认为具有例如“扁平”的形状。窄出口可具有可比较的横向水平宽度和垂直宽度。具有较大横向宽度和较小垂直宽度的出口可方便地通过由平面材料制造具有平面形状的帽舌型注射器而得以满足。出口优选地沿着该平面形状的横向边缘，入口可优选地在主体中或者沿着相对的横向边缘，而该平面形状内的通道连接入口和出口。通过例如蚀刻或机械加工或烧蚀等，可容易地在第一平面材料中制造开口和通道(或槽或开孔)，并随后通过用第二平面材料将该敞开的通道密封。在其他的具体实施方案中，通道可在第一和第二平面材料中同时形成或者在单片平面材料内形成而制造。优选地，该平面材料能够经受高温、化学腐蚀环境。优选的这种材料为石英，也可使用黑体材料如A1N、SiC和B4C。优选地，连接宽出口与其(一个或多个)入口的通道具有增加的横向宽度，该宽度在该入口附近相对较窄，并逐渐增加直至其与该通道出口的横向宽度相符。在各个具体实施方案中，这种增加的通道可具有不同的形状以及配置不同的侧壁。例如，具有线形侧壁的这种通道可具有“楔状”形状；可选地，具有曲线形侧壁的这种通道可具有“钟状”(凸侧壁) 或“喷嘴状”(凹侧壁)的形状。通常，可根据流体流动的原理来选定通道的形状和壁的配置，从而使得经过该出口注射的流体具有需要的特征，例如横向均一性。连接窄出口与其入口的通道可具有大部分恒定的截面尺寸。图4A-C图解说明了帽舌型注射器的示例性具体实施方案，该帽舌型注射器具有示例性的配置以及宽和窄的通道设置。图4A图解说明了具有位于中央的单个宽出口 89和位于开口 89侧面的两个窄出口 99的帽舌注射器。实心箭头指出了可通过这些开口来注射的气流。气体输送导管97连接入口 91和出口 89，并通常具有楔状形状，延伸自该气体入口 91附件的较窄顶部并线性地加宽直至其具有与出口 89的横向宽度相等的横向宽度。气体输送导管85连接入口 93(在此图中不可见)和两个出口 99。将此导管配置成具有两个末端为该出口的分枝(arm)和将该分枝与该入口相连接的中央部分并且将此导管设定尺寸成具有大部分恒定且相对窄的截面尺寸。此导管位于导管97的外侧(但并不与之相交)。 在此帽舌型注射器中，开口和通道在底层平面材料105中，并通过顶层平面材料103密封， 底层平面材料105和顶层平面材料103均优选包括石英。
图4B图解说明了另外的示例性帽舌型注射器，其具有两个相对宽且位于侧面的出口 117和123，并且具有单个相对窄且位于中央的出口。气体输送导管115连接入口 113 和出口 117，并且具有带一个直侧壁和一个曲线形侧壁的形状，从而使得其横向宽度在入口 113附近增加得较快，而在出口 117附近增加得较慢。连接入口 119和出口 123的气体输送导管121具有类似但镜像的形状。一同显现地，这两个导管均具有可被视作“喷嘴状”的形式。气体输送导管127连接入口 125和较窄的出口 129，并具有大部分恒定的截面尺寸。图4C图解说明了图4B的具体实施方案的后视图，并表明了帽舌型注射器可由种类不同的材料制造。本文中，对比于图2A的具体实施方案，底层平面材料优选包括石英，而顶层平面材料优选包括黑体材料。优选地，使通过帽舌注射器来注射的气体热能化。在某些具体实施方案中，帽舌型注射器可接收已通过预先流过辅助注射器(例如类似于图2A-D或图3A-C的具体实施方案的注射器)而被热能化的气体。在优选的具体实施方案中，将帽舌注射器加热以使被注射的气体热能化，或使其进一步热能化。较少地优选使用额外加热元件的主动加热(由于注射器大的横向宽度)。更优选地，可通过将帽舌注射器置于CVD反应室内而将帽舌注射器被动加热。同时，通过宽出口注射的气体的停留时间可由于平均流动速度的降低而增加。特别地，与通过长度相同但截面尺寸恒定的通道注射的气体相比，当气体从通道的较窄部分流向该通道的较宽部分时，其流动速度降低。此外，可提供被动、黑体元件以增加向帽舌型注射器的传热。 此黑体元件可为如图4C中图解说明的注射器的一部分。同时，与本发明的其他注射器类似，可将黑体板装在帽舌型注射器的外部但与该帽舌型注射器相邻。图5图解说明了示例性CVD反应室111与数个本发明的热能化气体注射器的组合，特别是与帽舌型注射器的组合，其配合注射某种CVD过程所必需的热能化气体。本文中，帽舌型注射器82 (类似于图4A中图解说明的具体实施方案)被放置在反应室111的上游末端，并注射第一和第二气流第一气流89在横向方向上是大部分均勻的，该横向方向上所经过的宽度占基座84的直径的显著部分；而第二气流99在流89侧面，并具有受限的横向宽度。第一和第二气流均被热能化。帽舌型注射器82从外部源接收气流108，该气流108 已通过流经注射器83而被热能化，该注射器83与参照图2C-D所述的注射器类似。将注射器83主动加热并使其大部分位于反应室111的外部。帽舌型注射器82位于反应室111内， 因此帽舌型注射器82可在注射前使气体进一步热能化。提供与注射器81相邻的任选的黑体板109(为清楚起见，以虚线指出)，以改进从该反应室到该帽舌型注射器的传热。该组合也包括注射器81 (与参照图3A-B所述的注射器类似)，该注射器81被放置在基座84的侧面并与反应室111的侧壁相邻，并在横向方向上注射第三气流87，该横向方向是从两个反应室壁到基座84并经过基座84。横向流可具有选定的纵向分布，该纵向分布取决于注射器81的出口的结构的尺寸。例如，可将该出口配置并设定尺寸以使得横向流 87也基本上均勻地经过该基座的显著部分。注射器81位于反应室111内，因此可将气体在注射前热能化。提供与注射器81 相邻的任选的黑体板109，以改进从该反应室到该帽舌型注射器的传热。这种CVD反应室与本发明的热能化气体注射器的组合可用于例如III-氮化物材料(特别是按照HVPE过程的GaN)的沉积。对于GaN沉积，气流89可包括气相feCl3，气流 87可包括NH3,而气流99可包括吹扫气如H2。从垂直方向将两种前体气体注射成在横向方向上大部分均勻的流，所述流在该横向方向上经过的宽度占基座84的直径的显著部分，而吹扫气可为了各种目的而注射。可配置本发明的注射器的不同组合，从而将气流注射成其他选定的流型。虽然本发明的特定的特征显示在一些图中，而并未显示在其他图中，但这仅仅是为了方便起见，而每个特征可与根据本发明的任何其他特征或所有其他特征相结合。本文中使用的词语“包括”、“包含”、“具有”和“含有”应广泛而综合地予以阐述，而并不限于任何物理互连。也将冠词“一”(“a”或“an”)等广泛而综合地阐述为指单和复数两者。同时， 并不将本申请所公开的任何具体实施方案视作唯一可能的具体实施方案。本领域技术人员将想到其他具体实施方案，这些具体实施方案落在权利要求书范围内。
权利要求
1.一种用于向CVD (化学气相沉积)反应室注射气体的气体注射器，其包括气体输送导管，所述气体输送导管用于将气体沿着流动通道从气体入口经过该导管传输至一个或多个气体出口 ；所述气体输送导管的一个或多个段，其中每段被配置或设定尺寸以增加相比于未经如此配置或尺寸设定的气体输送导管的段的气体经过所述导管的流动时间；和加热工具，所述加热工具被设置从而在气体穿过所述气体输送导管的一个或多个段传输时将所述气体输送导管的一个或多个段加热。
2.根据权利要求1所述的气体注射器，其中所述气体输送导管包括石英。
3.根据权利要求1所述的气体注射器，其中所述加热工具进一步包括将CVD反应室加热，且其中所述气体输送导管被设置以接收来自所述CVD反应室的热量。
4.根据权利要求1所述的气体注射器，其中所述加热工具进一步包括一个或多个产热元件，且其中所述气体输送导管被设置以接收来自所述产热元件的热量。
5.根据权利要求1所述的气体注射器，其中至少一个选定的段被配置为具有较长的气体流动通道并且在基本相似的气体流动速度下具有增加的气体流动时间。
6.根据权利要求5所述的气体注射器，其中所述气体输送导管包括在其中流动的气体，所述气体包括用于在所述CVD反应室中生长III族-氮化物半导体的III族-金属前体。
7.根据权利要求5所述的气体注射器，其中所述气体输送导管的所述选定的段包括螺旋状形状。
8.根据权利要求7所述的气体注射器，其进一步包括外壳，该外壳封装所述螺旋形的段的部分或全部，且其中所述加热元件进一步包括一个或多个夹套加热器，所述一个或多个夹套加热器设置在所述外壳的外部并且邻近所述外壳。
9.根据权利要求7所述的气体注射器，其中所述加热工具进一步包括黑体元件，该黑体元件位于所述外壳内，但位于所述螺旋形的段外部，用于增强从所述外部加热器到所述气体输送导管的传热。
10.根据权利要求7所述的气体注射器，其中所述外壳进一步包括气体入口和气体出口，并且将所述外壳进一步配置并设定尺寸，以使得气体可从所述入口经过所述内壳流动到所述出口。
11.根据权利要求1所述的气体注射器，其中至少一个选定的段被配置为具有气体流动通道，所述气体流动通道具有较大的截面尺寸，并且在较低的气体流动速度下具有增加的气体流动时间。
12.根据权利要求11所述的气体注射器，其中所述气体输送导管包括在其中流动的气体，所述气体包括用于在所述CVD反应室中生长III族-氮化物半导体的氮前体。
13.根据权利要求11所述的气体注射器，其中较大的段具有基本恒定的、较大的截面尺寸。
14.根据权利要求11所述的气体注射器，其中所述加热工具进一步包括被加热的CVD 反应室，并且其中将所述较大的段配置并设定尺寸从而能沿着所述反应室的纵向内壁而被设置在所述CVD反应室内部，所述较大的段具有多个出口，所述出口被设置以引导从所述反应室的侧壁流向中心的气流。
15.根据权利要求11所述的气体注射器，其中所述较大的段的所述截面尺寸从顶部到底部逐渐变大，其中所述段通向CVD反应室。
16.根据权利要求15所述的气体注射器，其中在所述气体输送导管中流动的气体包括用于在所述CVD反应室中生长III族-氮化物半导体的III族-金属前体。
17.根据权利要求15所述的气体注射器，其中所述较大的段包括在平面结构内的楔形通道，所述楔形通道具有相对较窄的顶部和相对较宽的底部，所述顶部具有气体入口，所述底部具有通向所述CVD反应室的第一出口，并且所述平面结构在垂直方向上较短，而在横向方向上较大。
18.根据权利要求17所述的气体注射器，其进一步包括至少一个并不与所述楔形通道相交的第二导气通道，该第二导气通道具有第二气体入口，具有基本恒定的截面尺寸，并且具有一个或多个在所述楔形通道出口的侧面的通向CVD反应室的第二出口。
19.根据权利要求17所述的气体注射器，其中所述加热工具进一步包括被加热的CVD 反应室，其中将所述平面结构配置并设定尺寸从而能沿着上游的横向壁而被设置在所述 CVD反应室内部，并且所述平面结构被设置以使气流导向至下游方向。
20.一种CVD (化学气相沉积)系统，其包括CVD反应室，所述CVD反应室具有上游和下游横向壁和两个较长的纵向壁；和一个或多个根据权利要求1、7、14和17的一个或多个所述的气体注射器，其用于向所述CVD反应室注射气体。
21.根据权利要求20所述的CVD系统，其进一步包括基座，所述基座具有生长表面，并且位于所述CVD反应室内；和根据权利要求17所述的第一气体注射器，所述第一气体注射器位于所述反应室内，与所述上游横向壁相邻，并且被配置和设定尺寸以使得第一出口与所述基座相邻并将第一气体注射成纵向流动，该第一气体延伸至穿过所述基座生长表面的一部分，和两个第二出口将第三气体注射成两股纵向流，该两股纵向流在所述第一气流的每一侧。
22.根据权利要求20所述的CVD系统，其进一步包括根据权利要求7所述的第三气体注射器，该第三气体注射器被配置以使第一气体从所述第三注射器的出口流向所述第一注射器的入口。
23.根据权利要求20所述的CVD系统，其进一步包括两个根据权利要求14所述的第二气体注射器，该第二气体注射器位于所述反应室内，将每股第二气体配置为沿着纵向反应室壁的内侧，并且该第二气体注射器被设置以使得所述多个出口将气流从所述反应室的侧壁引导至中心。
24.根据权利要求23所述的CVD系统，其进一步包括一个或多个用于增强从所述CVD 反应室外部的加热元件向所述两个第二气体注射器传热的黑体板。
25.根据权利要求21所述的CVD系统，其中所述第、第二和第三气体包括用于CVD过程的前体气体和吹扫气。
26.一种用于向CVD (化学气相沉积)反应室中注射气体的方法，该方法包括沿着分段的流动通道，将气体从气体入口传输到一个或多个气体出口，其中每段被配置或设定尺寸以增加相比于未经如此配置或设定尺寸的段的气体流动时间；和在所述气体穿过所述一个或多个段传输时，将所述一个或多个段加热。
27.根据权利要求沈所述的方法，其中至少一个选定的段提供具有较大的截面尺寸的气体流动通道，并在较小的气体流动速度下提供增加的气体流动时间，在其中流动的气体包括用于在所述反应室中生长III族-氮化物半导体的氮前体。
28.根据权利要求27所述的方法，其中至少一个其他的段具有从顶部到底部逐渐变大的截面尺寸，所述段在所述底部通向反应室，在其中流动的气体包括用于在所述反应室中生长III族-氮化物半导体的III族金属前体。
29.根据权利要求观所述的方法，其中所述反应室在其中包括具有生长表面的基座， 并且将III族金属和氮前体的气体加热并引导至所述基座生长表面以使III族-氮化物半导体在该表面上生长。
30.根据权利要求四所述的方法，其中所述气体在约930°C以上的温度下反应以促进 III族-氮化物半导体在所述基座生长表面上的生长，同时使不需要的前体络合物的形成最少化。
全文摘要
本发明提供了用于CVD(化学气相沉积)系统的改进的气体注射器，其在将气体注射至CVD反应室中之前将气体热能化。配置所提供的注射器以增加气体经过被加热区域的流动时间，并且该注射器包括气体输送导管，该气体输送导管延长气体在该被加热区域中的停留时间。所提供的注射器也具有经过尺寸设定、定型和配置从而将气体注射成选定的流型的出口。本发明也提供使用所提供的热能化气体注射器的CVD系统。本发明在高容量制造GaN衬底上具有特别的应用。
文档编号C30B23/06GK102388162SQ201080005892
公开日2012年3月21日 申请日期2010年2月17日 优先权日2009年3月3日
发明者C·阿里纳, E·林多, R·T·小伯特伦 申请人:S.O.I.Tec绝缘体上硅技术公司