專利名稱：一種水平切向進口、中心垂直出口的mocvd反應室的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種半導體薄膜沉積設備，即一種水平切向進口、中心垂直出口的M0CVD 反應室。
背景技術：
金屬有機化學氣相沉積，即MOCVD (Metalorganic Chemical Vapor Deposition),是制
備化合物半導體薄膜的一項關鍵技術。它利用較易揮發的有機物如Ga(CH3)3等作為較難揮 發的金屬原子的源反應物，通過載氣攜帶到反應器內，與NH3、 AsH3等氫化物發生反應， 在加熱的基片上生成GaN、 GaAs等薄膜，用于微電子或光電器件。M0CVD反應器一般包括 反應室、加熱器以及進氣口和出氣口。根據主氣流相對于基片的流動方向，M0CVD反應器 主要分為兩大類(1)主氣流沿水平方向流動且平行于基片的稱為水平式反應器；(2)主 氣流沿垂直方向流動且垂直沖擊基片的稱為垂直式反應器。現代的三種商用M0CVD反應器 一一行星式、垂直轉盤式和垂直噴淋式，分別為從水平式和垂直式反應器演化而來。
薄膜制備的重要指標之一，就是其厚度和組分的均勻性。在MOCVD技術中，要生長 出厚度和組分均勻的大面積薄膜材料，到達基片的反應物濃度和速率應盡量均勻一致。這 就要求基片表面附近存在均勻分層的流場、溫場和濃度場，基片上方應處于層流區，無任 何形式的渦流，存在大的溫度梯度，新鮮反應物應能夠同時到達基片上方各點。
在水平式反應器中，反應氣體從基片的一側流向另一側，這種反應器結構簡單，但是 存在嚴重的反應物耗盡和熱對流渦旋等問題，容易造成薄膜厚度的前后不均勻性，需用復 雜的方法來加以克服。 一般采用兩種方法(1)使襯底以一定的角度傾斜放置，或將反應 器的頂部向下游傾斜，從而使反應氣體向下游加速，使下游的邊界層變薄，以補償反應物 濃度的消耗；(2)使基片旋轉，目的是使基片周向的各點接受同樣的反應氣體濃度供給。 水平式反應器最大的缺點是難以同時沉積多片，故通常只用于試驗室里，不適合工業上規 模化生產。
在垂直式反應器中，氣體從基片的上方進入反應室并折轉90度橫穿基片，然后從反 應室側面或底部排出。當基片高速旋轉時，流體的粘性力產生一種泵效應由于粘性的作 用，靠近基片表面的一層氣體隨同轉盤一起轉動，在離心力的作用下，氣體不斷地沿徑向 被拋向基片的外緣；與此同時，基片上方的氣體沿軸向流入基片表面以補充失去的氣體。 這種泵效應能夠抵消熱對流產生的渦旋，得到基片上方均勻的邊界層厚度，從而使基片上方各點得到較均勻的粒子濃度供給。高速旋轉的垂直式反應器(RDR式)能夠沉積高質量 的半導體薄膜，但是這種反應器要求托盤高速旋轉，增加了控制和密封的困難，源氣體消 耗也較大。
現有的M0CVD反應器的有關專利，如"用于化學氣相沉積反應器的多氣體分配噴射器" (申請號200580030594. X，公開號CN101090998),"用以制造半導體裝置的化學氣相沉積 設備的噴頭"(申請號03120956.4，公開號CN1450598A)，"用于金屬有機化學氣相沉積 設備的雙層氣體噴頭"(申請號200410017471. X，公開號CN1563483A),"—種用于氣相 沉積的水平式反應器結構"(申請號200310108793.0，公開號CN1544687)等，都屬于水 平式和垂直式兩大類型，因而都存在上述的濃度不均勻性問題。
發明內容
本發明提出一種全新的MOCVD反應室，它通過切向噴射，使氣體在反應室內發生人工 可控的螺旋流，使基片上方的氣體在水平方向逐漸旋轉與加速，從而控制反應物濃度從邊 緣到中心均勻分布，以便獲得晶格結構完整、厚度和組分均勻的薄膜沉積。克服了現有 MOCVD反應室的不足。
本發明所說的MOCVD反應室，其反應室為圓柱形腔體，反應室內有水平旋轉托盤，氣 體進口沿周向均勻布置在反應室側壁上，不同的反應氣體(in族和v族)間隔進口，噴 嘴方向沿圓周切向(或成一定角度)，出口位于反應室的中心軸線上。即水平切向進口、 中心垂直出口。
上述的氣體進口噴嘴方向沿圓周切向或成一定角度。所說的氣體出口，可以在托盤上 方或托盤下方。當氣體出口在托盤下方時，氣體出口與托盤轉軸設置為一體。
工作時，反應氣體從均勻分布于側壁且與壁面近似相切的進口噴入反應室，尾氣從反 應室頂部或底部的出口排出。由于切向噴入的氣體一進入反應室就遇到側壁阻擋而發生偏 轉，多重進口的射流將帶動整個氣體在平行于襯底的水平面內旋轉。在襯底的邊緣由于靠 近入口，新鮮氣體充足，反應前體濃度較高；從邊緣往中心，隨著不斷沉積，反應前體濃 度降低。但是由于從邊緣到中心，所圍的圓面積越來越小，流道截面也逐漸縮小，而流速 則越來越大，這將有利于減薄邊界層、增加新鮮反應粒子進入中心區，從而抵消反應前體 濃度的降低。此外，由于流動在水平面內產生旋轉，它將抵消在反應室垂直方向的有害對 流渦旋。該設計還能擺脫復雜的襯底旋轉裝置，通過使氣體在反應室內發生人工可控的螺 旋流動，使襯底上方的氣體逐漸旋轉與加速，來獲得襯底上方從中心到外緣均勻的流場、 溫場和濃度場，實現均勻的薄膜組分和厚度的沉積。
圖1為本發明反應室俯視示意圖， 圖2為上出口式反應室的主視示意圖， 圖3為下出口式反應室的主視示意圖。
la、 lb-進口； 2-出口； 3-轉軸；4-基片；5-托盤；6-圓柱形腔體。
具體實施例方式
本發明提出的MOCVD反應室包括兩種類型(1)水平切向進口一中心上方出口反應 室(2)水平切向進口一中心下方出口反應室。以下結合附圖進一步說明本發明的裝置結
構和工作原理。
如圖l、圖2所示，上出口式反應室，包括圓柱形腔體6，腔體6內有水平托盤5，托 盤5的中軸線上設置有轉軸3，氣體進口 l沿周向均勻布置在腔體6側壁上，出口2在托 盤5的上方，位于反應室的中心軸線上。
如圖l、圖3所示，下出口式反應室，包括圓柱形腔體6，腔體6內有水平托盤5，托 盤5的中軸線上設置有轉軸3，氣體進口 l沿周向均勻布置在腔體6側壁上，出口2在托 盤5的下方，與轉軸3為一體。
不同氣體進口 la、lb沿反應室側壁切向(或成一定角度)，順次間隔分布。工作時，III 族反應氣體和載氣從進口 la通入，V族反應氣體和載氣從進口 lb通入，如此以分隔進口 的形式噴入圓柱形腔體6內，在基片4上方達到充分混合并被加熱，同時發生化學反應， 最終完成在基片上的薄膜沉積。反應后的尾氣從位于中心垂直軸線的出口 2 (上出口或下 出口)排出。對于這種反應室，在運行時可根據需要讓托盤旋轉或不轉。由于氣體進口為 水平且近似切向地均勻布置在反應室周壁上，反應氣體由分隔進口噴入反應室后，在側壁 的約束下，在平行于襯底的平面內發生旋轉和加速。通過調節噴管的角度和氣體進口速度、 壓強等操作參數，在反應室內得到所需的螺旋流動，從而實現薄膜的均勻生長控制。
權利要求
1.一種水平切向進口、中心垂直出口的MOCVD反應室，其特征在于該反應室為圓柱形腔體，反應室內有水平托盤，托盤可旋轉，氣體進口沿周向均勻布置在反應室側壁上，氣體出口位于反應室的中心軸線上。
2. 根據權利要求1所述的M0CVD反應室，其特征在于所述的氣體進口的方向沿圓 周切向或成一定角度。
3. 根據權利要求1所述的M0CVD反應室，其特征在于所述的沿周向均布的氣體進口 分別通III族氣體和V族氣體，它們相互交錯布置。
4. 根據權利要求1所述的M0CVD反應室，其特征在于所述的氣體出口位于托盤上 方或下方，下方的出口與空心轉軸設置為一體。
全文摘要
本發明公開了一種水平切向進口、中心垂直出口的MOCVD反應室。其特征為反應室為圓柱形腔體，反應室內有水平旋轉托盤，氣體進口沿周向均勻布置在反應室側壁上，尾氣出口位于反應室的中心軸線上。反應氣體沿切向噴入反應室，在反應室側壁的約束下，氣體在基片上方的平行平面內逐漸旋轉和加速。通過調節噴管的角度和氣體進口速度、壓強等操作參數，在反應室內得到人為可控的螺旋流動，從而控制反應物濃度從邊緣到中心均勻分布，實現薄膜的均勻生長。
文檔編號C23C16/18GK101314844SQ20081012299
公開日2008年12月3日 申請日期2008年6月20日 優先權日2008年6月20日
發明者然 左, 謙 徐, 王國斌 申請人:江蘇大學