多個氣體螺旋通路的噴頭的制作方法

專利名稱：多個氣體螺旋通路的噴頭的制作方法
技術領域：
本發明的實施方式一般涉及在基板上化學氣相沉積(CVD)的方法和裝置， 更具體地說，是涉及用在金屬有機化學氣相沉積和/或混合氣相沉積外延 (HVPE)中的噴頭設計。
背景技術：
現已發現ni-v族膜在開發和制造各種半導體器件中較為重要，所述的半
導體器件可以為，例如短波長發光二極管(LED)、激光二極管(LD)以及包
括高功率、高頻、高溫晶體管以及集成電路的電子器件。例如，在使用ni-v
族半導體材料氮化鎵(GaN)制造短波長(例如藍/綠光至紫外線)LED中。 已經觀察到，使用GaN提供的短波長LED能提供明顯比使用非氮化物半導體 材料諸如II-VI族材料制造的短波長LED更高的效率以及更長的操作壽命。
已經用于沉積III族氮化物諸如GaN的一種方法是金屬有機氣相沉積 (MOCVD)。該化學氣相沉積方法一般在具有溫度受控環境的反應室中進行， 以確保第一前體氣體的穩定性，該第一前體氣體含有選自III族的至少一種元素 諸如鎵(Ga)。第二種前體氣體諸如氨(NH3)提供形成III族氮化物所需的氮。 兩種前體氣體都被注入到反應器內的處理區域中，它們在處理區域中混合并移 向處理區域中的加熱基板。載氣可用于輔助將前體氣體向基板傳輸。前體在加 熱基板表面處反應以在基板表面上形成III族氮化物諸如GaN。膜的質量部分 取決于沉積均勻度，依次還取決于橫跨通過基板的前體的均勻混合。
將多個基板設置在基板支架上，且每個基板都具有從50mm至100mm或 更大范圍內的直徑。希望在較大基板和/或更多基板以及較大沉積面積上均勻 混合前體以增加成品率和產量。由于這些因素直接影響到制造電子器件的成本 以及由此器件制造商在市面上的競爭力，因此這很重要。
隨著對LED、 LD、晶體管和集成電路需求的增加，沉積高質量III族氮化物膜的效率更加重要了。因此，需要一種改進的沉積裝置以及工藝，其能夠在 較大基板以及較大沉積面積上方提供均勻前體混合以及一致的膜質量。

發明內容
本發明一般提供了用于使用MOCVD和/或HVPE沉積ni族氮化物膜的
改進的方法和裝置。
一個實施方式提供了在基板上沉積的氣體傳輸裝置。該裝置一般包括用于 第-一前體氣體的第一螺旋氣體通路和用于第二前體氣體的第二螺旋氣體通路， 該第二螺旋氣體通路被設置成與第一螺旋形氣體通路共面。
另一實施方式提供了一種用于在基板上沉積的氣體傳輸裝置。該裝置包括 用于第一前體氣體的第一螺旋氣體通路，該第一螺旋氣體通路具有用于將第一 前體氣體注入到前體混合區域中的注入孔，和用于第二前體氣體的第二螺旋通 路，該第二螺旋通路具有用于將第二前體氣體注入到前體氣體混合區域中的注 入孔。
在另一實施方式中，公開了一種用于在基板上沉積的氣體傳輸裝置。該裝 置一般包括用于第一前體氣體的第一螺旋通路，用于第二前體氣體的第二螺旋 通路，和用于熱交換介質的第三螺旋通路。


通過參見附圖的方式，可以更詳細理解本發明的上述特征、其中對于以上 述簡要說明的方式描述的本發明，可以通過參考實施方式獲得對于本發明更具 體的描述，附圖中示出了本發明的一些實施方式。但是，應當注意所述的附圖 僅示出了本發明的典型實施方式，且由于本發明可允許其他等效實施方式，因 此不應認為這些附圖限定了本發明的范圍。
圖1A是根據本發明第一實施方式的沉積裝置的示意圖1B是于圖1A中示出的噴頭組件的詳細截面圖1C是于圖1B中示出的噴頭組件的另一實施方式的詳細截面圖2A是根據本發明一個實施方式于圖1B中示出的噴頭組件的詳細截面
圖2B是根據本發明一個實施方式的氣體通路和熱交換通路的截面透視剖面圖2C是根據本發明一個實施方式的噴頭組件的截面透視剖面圖2D是根據本發明一個實施方式的噴頭組件的另一個截面透視剖面圖2E是根據本發明一個實施方式的噴頭組件的截面透視雙剖面圖2F是根據本發明一個實施方式于圖2E中示出的噴頭組件的詳細截面
圖3是根據本發明噴頭組件的另一實施方式的截面圖； 圖4A是根據本發明一個實施方式于圖1B中示出的噴頭組件的示意性底 視圖4B是根據本發明另一實施方式于圖1B中示出的噴頭組件的示意性底 視圖5是根據本發明的噴頭組件的又一實施方式的示意性底視圖； 圖6A和6B是示出了用于氣體注入區域的不同實施方式的噴頭組件的示 意性底視為了便于理解，可能的情況下，已經使用相同參考標記表示圖中共用的相 同的元件。將預期在一個實施方式中公開的元件可有利地用在其他實施方式中 而不需特別說明。
具體實施例方式
本發明的實施方式一般提供了一種可用于使用MOCVD和/或HVPE沉 積ni族氮化物膜的方法和裝置。圖1A是根據本發明一個實施方式用于實施本 發明的沉積裝置的示意圖。可用于實施本發明的示意性系統和室在2006年4 月14日申請的美國專利申請序列號No.11/404，516以及2006年5月5日申請 的11/429,022中描述了，在此通過參考將兩篇文件整體結合并入本文。
在圖1A中示出的裝置100包括室102、氣體傳輸系統125、遠程等離子 體源126和真空系統112。室102包括密封了處理容積108的室主體103。噴 頭組件104設置在處理容積108的一端，和基板支架114設置在處理容積108 的另一端。下部圓頂119設置在下部容積110的一端，和基板支架114設置在 下部容積110的另一端。示出基板支架114在處理位置中，但是可向下部位置 移動，例如可裝載或卸載基板140。排氣圈120可設置在基板支架114周圍附近以幫助防止沉積發生在下部容積110中而且也幫助從室102直接排出氣體至
排氣端口109。下部圓頂119可由透明材料制成，諸如高純度石英，以允許光 穿過從而用于輻射加熱基板140。輻射加熱通過設置在下部圓頂119下方的多 個內部燈121A和外部燈121B提供，和反射器166用于幫助控制室102暴露 到由內部和外部燈121A、 121B提供的輻射能量。燈的附加圈也可用于使基板 140的溫度控制更精細。
基板支架114可包括其中在處理期間設置了一個或多個基板140的一個或 多個凹槽116。基板支架114可承載六個或更多個基板140。在一個實施方式 中，基板支架114承載八個基板140。可理解，在基板支架114上可承載或多 或少的基板140。典型的基板140可包括藍寶石、碳化硅(SiC)、硅或氮化鎵 (GaN)。可以理解，可處理其它類型的基板140諸如玻璃基板140。基板140 尺寸為直徑從50mm-100mm或者更大。基板支架114尺寸為從200mm-750mm。 基板支架114可由多種材料形成包括SiC或涂覆了 SiC的藍寶石。可理解，在 處理室102內且根據在此描述的處理可處理其它尺寸的基板140。在常規 MOCVD室中，如在此所描述的噴頭組件104可允許橫跨更大數量基板140 和/或更大基板140更均勻的沉積，從而增加了產量且降低了每個基板140 的處理成本。
在處理期間基板支架114可在軸附近旋轉。在一個實施方式中，基板支架 114以約2RPM至約IOORPM旋轉。在另一個實施方式中，基板支架114以約 30RPM旋轉。旋轉基板支架114輔助提供基板140的均勻加熱以及處理氣體 均勻暴露到每個基板140。
多個內部和外部燈121A、 121B可設置成同心的圓或區域(未示出)，且 每一個燈區域可分別供電。在一個實施方式中，可將一個或多個溫度傳感器諸 如高溫計(未示出)設置在噴頭組件104內以測量基板140和基板支架114 的溫度，和溫度數據被發送到控制器(未示出)，其能調整至分離燈區的功率 以保持橫跨基板支架114的預定溫度分布。在另一個實施方式中，可調整至分 離燈區的功率以補償前體流動或前體濃度不均勻性。例如，如果前體濃度在外 部燈區附近的基板支架114區域較低，則調整至外部燈區的功率以幫助補償該 區域中的前體損耗。
內部和外部燈121A、 121B可加熱基板140至約400攝氏度至約1200攝氏度的溫度。將理解，本發明不限于使用內部和外部燈121A、 121B的陣列。 任何合適的加熱源都可用于確保將合適的溫度適當地施加到室102和其中的 基板140。例如，在另一個實施方式中，加熱源可包括與基板支架114熱接觸 的電阻加熱元件(未示出)。
氣體傳輸系統125可包括多個氣體源，或者根據所進行的處理， 一些源可 以是液態源而不是氣體，這種情況下，氣體傳輸系統可包括液體注入系統或者 汽化該液體的其他裝置(例如起泡器(bubbler))。在傳送到室102之前，蒸 汽此時與載氣混合。不同的氣體諸如前體氣體、載氣、清洗氣體、清潔/蝕刻 氣體等可從氣體傳輸系統125提供至分離的供應線路131、 132和133到達噴 頭組件104。供應線路131、 132和133可包括截止閥和質量流量控制器或其 他類型控制器以監控和調整或者截止每一條線路中的氣流。
管道129可從遠程等離子體源126接收清潔/蝕刻氣體。遠程等離子體源 126可從氣體傳輸系統125經由提供線路124接收氣體，和閥門130設置在噴 頭組件104和遠程等離子體源126之間。閥門130可打開以允許清潔和/或 蝕刻氣體或等離子體經由供應線路133流入到噴頭組件104中，采用該供應線 路133用作等離子體的管道。在另一實施方式中，裝置100不包括遠程等離子 體源126，且清洗和/或蝕刻氣體可從氣體傳輸系統125傳輸到噴頭組件104， 用于使用替換的供應線路結構的非等離子體清潔和/或蝕刻。
遠程等離子體源126可以是用于室102的清洗和/或基板140的蝕刻的射 頻或者是微波等離子體源。清潔和/或蝕刻氣體可經由供應線路124供應到遠 程等離子體源126以產生經由管道129和供應線路133發送的等離子體種類， 用于通過噴頭組件104分配到室102中。用于清潔應用的氣體可包括氟、氯和 其他反應元素。
在另一實施方式中，可適當地采用氣體傳送系統125和遠程等離子體源 126以使前體氣體被提供到遠程等離子體源126中，從而產生經由噴頭組件
104發送的等離子體種類，從而例如在基板14o上沉積cvD層，諸如m-v族膜。
清洗氣體(例如氮)可從設置在基板支架114下方且在室主體103底部附 近的噴頭組件104和/或入口端口或管(未示出)被傳送到室102中。清洗氣 體進入到室102的下部容積110中且向上流過基板支架114和排氣圈120并進
9入到設置在環形排氣通路105附近的多個排氣端口 109中。排氣管道106流 體連接環形排氣通路105至包括真空泵(未示出)的真空系統112。室102壓 力可使用閥門系統107控制，其控制排氣系統從環形排氣通路105抽出排出氣 體的速度。
圖1B是圖1A中示出的噴頭組件的詳細截面圖。在基板140的處理期間 噴頭組件104位于基板支架114附近。在一個實施方式中，在處理期間從噴頭 面153至基板支架114的距離可在從約4mm至約41mm的范圍內。在一個實 施方式中，噴頭面153包括噴頭組件104的多個表面，其在處理期間近似共平 面且面向基板140。
在基板140處理期間，根據本發明的一個實施方式，處理氣體152從噴頭 組件104流向基板140表面。處理氣體152可包括一種或多種前體氣體以及 與前體氣體混合的載氣和摻雜氣體。抽空環形排氣通路105會影響氣體流動從 而處理氣體152基本上與基板140相切地流動且在層流中會橫跨基板140的 沉積表面均勻地徑向分布。處理容積108可保持在約760乇以下至約80乇的 壓力下。
處理氣體152前體在基板140表面處或附近的反應可在基板140上沉積各 種金屬氮化物層，包括GaN、氮化鋁(A1N)和氮化銦(InN)。多種金屬也可 用于沉積其它化合物膜諸如AlGaN和/或lnGaN。此外，摻雜劑諸如硅(Si) 或鎂(Mg)可添加到膜中。該膜可通過在沉積工藝期間添加少量摻雜劑氣體 摻雜。對于硅摻雜，例如可使用硅烷(SiH4)或二硅烷(Si2H6)氣體，和摻 雜劑氣體可包括二 (環戊二烯基)鎂(Cp2Mg或(C5H5) 2Mg))用于鎂摻雜。
在一個實施方式中，噴頭組件104包括第一和第二環形歧管(manifold) 170和171、第一氣室(plenum) 144、第二氣室145、氣體管道147、第一氣 體通路142、第二氣體通路143、熱交換通路141、混合通路150和中心管道 148。在一個實施方式中，氣體管道147可包括石英或其他材料諸如316L不 銹鋼、Incone媳、Hastdloy⑧、無電極電鍍了鎳的鋁、純鎳以及其他抵抗化學 侵蝕的金屬和合金。
第一和第二環形歧管170和171包圍由中間隔板210分隔開的第一和第二 氣室144、 145。第一和第二氣體通路142、 143每一個都包括連續的螺旋通路， 其從噴頭組件104的中心向外圍位置"旋出"。第一和第二氣體通路142、 143相互相鄰且近似共面并形成了交錯的螺旋。多個第一氣體注入孔156和第二氣
體注入孔157設置在第一和第二氣體通路142、 143中每一個的底部且沿著其 長度方向設置。設置在第一和第二氣體通路142、 143下方的是熱交換通路141 和混合通路150，其每一個都包括螺旋通路。熱交換通路141和混合通路150 沿著噴頭組件104的徑向線路交替。熱交換通路141可沿著螺旋通路長度方向 被定位在各個位置，以形成用于熱交換流體的多于一個流動回路。雖然已經公 開了螺旋通路，但是也可使用其它設置諸如同心通路，且也可用于第一和第二 氣體通路142、 143和熱交換通路141和混合通路150。
噴頭組件104經由供應線路131、 132和133接收氣體。在一個實施方式 中，每一個供應線路131、 132都包括連接到噴頭組件104且與其流體連通的 多條線路。第一前體氣體154和第二前體氣體155通過供應線路131和132 流入與第一和第二氣室144和145流體連通的第一和第二環形歧管170、 171 中。非反應氣體151諸如包括氫氣(H2)、氮氣(N2)、氦氣(He)、氬氣(Ar) 或其他氣體和其組合的惰性氣體可通過連接到位于噴頭組件104中心處或中 心附近的中心管道148的供應線路133流動。中心管道148可用作中心惰性 氣體擴散器，其將非反應氣體151流入到處理容積108的中心區域中以幫助防 止氣體在中心區域中再循環。在另一個實施方式中，中心管道148可承載前體 氣體。
在再一實施方式中，清潔和/或蝕刻氣體或等離子體被通過中心管道148 傳送到室102中。中心管道148適合于分配室102內部的清潔和/或蝕刻氣 體或等離子體以提供更加有效的清潔。另一實施方式中，裝置IOO適合于將清 潔和/或蝕刻氣體或等離子體經由其他路徑傳送到室102中，其它路徑諸如是 第一和第二氣體注入孔156、 157。在一個實施方式中，氟或氯基等離子體用 于蝕刻或清潔。在其它實施方式中，可使用鹵素氣體諸如Cl2、 Br、和12、或 鹵化物諸如HC1、 HBr、和HI用于非等離子蝕刻。
在另一實施方式中，中心管道148可用作度量端口，且度量工具(未示出) 連接到中心管道148。計量工具用于測量各種膜特性，諸如厚度、粗糙度、組 成或其他特性。在另一實施方式中，中心管道148適合于用作溫度傳感器諸如 高溫計或熱電偶的端口。
第一和第二前體氣體154、 155從第一和第二環形歧管170、 171流入到第
li一和第二氣室144、 145中，第一氣室144與第一氣體通路142直接流體連通， 和氣體管道147提供第二氣室145和第二氣體通路143之間的流體連通。第 二氣體通路143被密封以防止與第一氣體通路142流體連通且由此防止在氣 體注入到混合通路150之前前體氣體發生混合。設置在第一和第二環形歧管 170、 171的內徑處的節流壁172可具有第一和第二氣隙173、 174 (見圖2F), 從而當氣體流入到第一和第二氣室144、 145中時在方位角方向(azimuthal direction)上提供更均勻的氣體分布。
第一和第二前體氣體154、 155從第一和第二氣體通路142、 143流入到第 一和第二氣體注入孔156、 157且之后進入到混合通路150，這里，第一和第 二前體氣體154、 155混合以形成前體氣體152，此時該混合氣體152流入到 處理容積108中。在一個實施方式中，在傳送到噴頭組件104之前，可包括氮 氣(N2)或氫氣(H2)或惰性氣體的載氣與第一和第二前體氣體154、 155混 合。
在一個實施方式中，被傳送到第一氣室的第一前體氣體154可包括ni族前
體，和被傳送到第二氣室145的第二前體氣體155可包括V族前體。在另一實 施方式中，前體傳送可被轉換以使III族前體通往氣室145和V族前體通往氣室 144。就給定的前體而言，選擇第一或第二氣室144、 145可部分地由氣室至 熱交換通路141的距離和每個氣室和其中的前體所需保持的溫度范圍來確定。
in族前體可以是金屬有機(MO)前體諸如三甲基鎵("TMG")、三甲基 鋁("TMA1")和/或三甲基銦("TMI")，但是也可使用其他合適的MO前體。 V族前體可以是氮前體諸如氨(NH3)。在一個實施方式中，單個MO前體諸 如TMG可被傳送到任一個氣室144或145。在另一實施方式中，兩個或多個 MO前體諸如TMG和TMI可混合且被傳送到任一個氣室144或145。
設置在第一和第二氣體通路142、 143下方且與混合通路150相鄰的是熱 交換通路141，熱交換流體通過該熱交換通路141流動以幫助調節噴頭組件 104的溫度。合適的熱交換流體包括水、水基乙二醇混合物、全氟代聚脂(例 如Galden⑧流體)、油基傳熱流體或者類似的流體。熱交換流體可以通過熱交 換器(未示出)循環以根據需要升高或降低熱交換流體的溫度以保持噴頭組件 104的溫度處于所需溫度范圍內。在一個實施方式中，熱交換流體被保持在約 20攝氏度至約120攝氏度的溫度內。在另一個實施方式中，熱交換流體可保持在約100攝氏度至約350攝氏度的溫度范圍內。在再一實施方式中，熱交換 流體可被保持在大于350攝氏度的溫度下。熱交換流體也可被加熱到其沸點以 便使用容易獲得的熱交換流體使得噴頭組件104也被保持在較高溫度下。而 且，熱交換流體可以是液體金屬諸如鎵或鎵合金。
也可調整熱交換流體的流速以幫助控制噴頭組件104的溫度。此外，熱交 換通路141的壁厚度可被設計成利于各噴頭表面的溫度調節。例如，噴頭面 153的壁厚度T (見圖2A)可被制作得較薄以增加通過該壁的傳熱速度且由 此增加噴頭面153的冷卻或加熱速度。
希望對于各噴頭組件104特征諸如混合通路150和噴頭面153控制溫度以 降低或消除在噴頭組件140上形成冷凝物，以及減少氣相顆粒形成并防止產生 不希望的前體反應產物，該不希望的前體反應產物會不利地影響沉積在基板 140上的膜的合成。在一個實施方式中， 一個或多個熱電耦或其他溫度傳感器 設置在噴頭面153附近以測量噴頭溫度。該一個或多個熱電耦或其他溫度傳感 器設置在噴頭組件104的中心管道148和/或外部周邊504附近(見圖5)。 在另一實施方式中， 一個或多個熱電耦或其他溫度傳感器設置在熱交換通路 141入口和出口附近。在其他實施方式中，溫度傳感器位于其它噴頭組件104 特征附近。
通過一個或多個熱電耦或者其他溫度傳感器測量的溫度數據可被發送到 控制器(未示出)，該控制器可調整熱交換流體溫度和流速以保持噴頭溫度在 預定范圍內。在一個實施方式中，噴頭溫度被保持在約50攝氏度至約350攝 氏度。在另一個實施方式中，噴頭溫度可被保持在大于350攝氏度的溫度下。
圖1C是于圖1B中示出的噴頭組件的另一實施方式的詳細截面圖。中心 管道148可用設置在噴頭組件104中心處或中心附近的熱交換流體管道232 代替，且采用供應線路133以流動熱交換流體。熱交換流體管道232可用作熱 交換通路141的供應或返回線路。
圖2A是根據本發明的一個實施方式于圖1B中示出的噴頭組件的詳細截 面圖。第一和第二前體氣體154、 155從第一和第二氣體通路142、 143流入 第一和第二氣體注入孔156、 157且此時流入到混合通路150中。第一氣體注 入孔156具有直徑D1，和第二氣體注入孔157具有直徑D2。在一個實施方式 中，直徑D1和D2是相等的，且其范圍從約0.25mm至約1.5mm。在另一個實施方式中，第一和第二氣體注入孔157的直徑D1和D2不相等。例如，供 應氮前體氣體諸如氨(NH3)的第二氣體注入孔157可具有大于直徑D1的直 徑D2。第一氣體注入孔156可供應金屬有機前體。可選擇孔直徑Dl和D2 以利于層狀氣體流動，避免氣體再循環，且有助于對于通過第一和第二氣體注 入孔156、 157的第一和第二前體氣體154、 155提供所需氣體流速。在一個 實施方式，通過第一和第二氣體注入孔156、 157中每一個的氣體流速近似相 等。第一和第二氣體注入孔156、 157具有間隔距離X，可選擇該距離X以利 于氣體混合且最小化氣體再循環。
第一和第二前體氣體154、 155在混合通路150內混合以形成處理氣體 152。混合通路150允許第一和第二前體氣體154、 155在進入到處理容積108 中之前部分或全部混合，這里，由于處理氣體流向基板140，因此會發生附加 的前體混合。在處理氣體152達到基板140之前第一和第二前體氣體154、 155 在混合通路150內的該"預先混合"可提供更完全且更均勻的前體混合。，從 而導致更高的沉積速度以及提高的膜質量。
混合通路150的垂直壁201可通過與混合通路150相鄰的熱交換通路141 的外部壁或外壁形成。在一個實施方式中，混合通路150包括通過基本相互平 行的垂直壁201形成的外壁。可測量混合通路150從通路表面202至混合通 路150終止的拐角206的高度H。在一個實施方式中，混合通路150的高度H 在從約5mm至約15mm的范圍內。在另一實施方式中，混合通路150的高度 H可以超出15mm。在一個實施方式中，混合通路150的寬度Wl在從約lmm 至約5mm的范圍內，和熱交換通路141的寬度W2從約2mm至約8mm。
在另一個實施方式中，拐角206可由倒角、斜面、半圓或其他幾何特征代 替以在混合通路150的一端處產生離散壁200 (由虛線表示)，混合通路150 具有從溝道表面202到混合通路150終止的角203測量的高度H'。由于處理 氣體152向下游流動，因此在離散壁200之間的距離可在基板140的方向上 增加以使噴頭面163的表面積被降低且氣流路徑加寬。噴頭面163表面積的降 低會有助于降低氣體凝結，且由于處理氣體152流過熱交換通路141因此離散 壁200可有助于降低氣體再循環。選擇離散角度a以增加或降低噴頭面153 的表面積并有助于降低氣體再循環。在一個實施方式中，角度a是零度。在另 一個實施方式中，角度a是45度。在另一實施方式中，熱交換通路141可具有在通路一側上的拐角206和在通路相反側上的離散壁200。
圖2B是根據本發明一個實施方式的氣體通路和熱交換通路的截面透視剖 面圖。第一和第二氣體通路142、 143是螺旋通路，該螺旋通路在具有用于基 板140的凹陷116的基板支架114上方且橫跨該基板支架114延伸。在第一和 第二氣體通路142、 143中每一個的底部處是多個第一和第二氣體注入孔156、 157，其提供第一和第二氣體通路142、 143和混合通路150之間的流體連通。 在一個實施方式中，第一和第二氣體注入孔156、 157可包括設置在第一和第 二氣體通路142、 143拐角附近的鉆孔。在一個實施方式中，螺旋混合通路150 具有基本呈矩形的截面220。熱交換通路141被設置在混合通路150的每一個 上以形成垂直壁201。熱交換流體可通過熱交流通路141流動以幫助控制混合 通路150、噴頭面153和其他噴頭組件104特征的溫度。
噴頭組件104可被設置成使得其可被拆卸以利于清潔或部件替換。預處理 環境一致且用于噴頭組件104的材料包括316L不銹鋼、Inconel⑧、Hastelloy⑧、 無電極電鍍了鎳的鋁、純鎳、鉬、鉭或由高溫、熱應力和化學前體反應導致的 退化和變形的其他金屬和合金。為了幫助降低組件復雜性和確保流過組件的不 同氣體和液體之間的隔離，也可使用電成型以制造噴頭組件104的各部件。這 種電成型部件可降低隔離組件內不同氣體和液體所需的部件和密封的數量。此 外，電成型也可幫助降低具有復雜幾何形狀的那些部件的制造成本。
圖2C是根據本發明一個實施方式的噴頭組件104的截面透視剖面圖。噴 頭組件104可包括連接在一起的底板233、中間隔板210和頂板230。且底板 233和進一步包括第一和第二氣體通路142、 143、混合通路150和熱交換通 路141。 一個或多個O形圈(未示出)和O形環槽241可設置在板的周邊附 近以提供流體密封并確保第一和第二氣室144、 145不是流體連通的。 一個或 多個傳感器管301沿著噴頭組件104的半徑或在其半徑附近設置以提供傳感 器(例如溫度傳感器)和/或度量工具至處理容積108的測量入口。兩個或更 多個熱交換流體管道232可設置在噴頭組件104的各位置處以為熱交換通路 141提供用于一個或多個流動回路的熱交換流體入口和出口。在一個實施方式 中，三個流動回路可用于熱交換通路141。
一個或多個第一氣體管道161可與第一環形歧管170流體連通和每個第一 氣體管道141可連接到供應線路131且與其流體連通。在一個實施方式中，六個第一氣體管道161以約60度相間隔設置在頂板230外周附近。此外， 一個 或多個第二氣體管道162與第二環形歧管171流體連通且每個第二氣體管道 162可連接到供應線路132且與其流體連通。在一個實施方式中，六個第二氣 體管道162以約60度間隔設置在頂板230外周附近。
圖2D是根據本發明一個實施方式噴頭組件的另一截面透視剖面圖。底板 233包括螺旋通路，該螺旋通路橫跨基板支架114且在其上方延伸。第一環形 支管170和節流壁172設置在底板233的外周附近。熱交換流體管道232連 接到熱交換通路141且與其流體連通。
第一氣體通路142向第一氣室144打開且多個氣體管道147連接到第二氣 體管道143和第二氣室145且與二者流體連通。第一和第二氣體通路142、 143 每一個都是單個的、連續的通路，其從中心向底板233的外圍位置"旋出"， 且由此每一個螺旋通路都具有相當大的長度。使用多個氣體管道147可沿著第 二氣體通路143的長度方向提供更均勻的氣體分配。在一個實施方式中，沿著 第二氣體通路143的螺旋設置50至150個氣體通路147，以使氣體管道147 以約51mm至約76mm相間隔設置。
圖2E是根據本發明一個實施方式的噴頭組件的截面透視雙剖面圖。第二 前體氣體115可經由第二氣體管道162被傳送到第二環形歧管171和第二氣室 145。第二前體氣體155此時流入到設置在中間隔板210中多個孔240中的一 個中且流入到氣體管道147和第二氣體通路143中至混合通路150。每一個氣 體管道147都設置在孔240內部且合適的密封器件(未示出)被設置在每一個 氣體管道147的外部直徑和每一個孔240的內部直徑之間以形成流體密封，從 而第一和第二氣室144、 145不是流體連通的。在一個實施方式中，第二前體 氣體155可包括氮前體諸如氨。
第一前體氣體154可經由第一氣體管道161被傳送到第一環形歧管170和 第一氣室144中。第一前體氣體154此時可在一些位置處沿著螺旋通路流入到 打開的第一氣體通路142中，并且流入到混合通路150中。在一個實施方式中， 第一前體氣體154可包括金屬有機前體諸如TMG。
圖2F是根據本發明一個實施方式于圖2E中示出的噴頭組件的詳細截面 圖。第一和第二前體氣體154、 155流入到第一和第二環形歧管170、 171中 并且此時流過設置在節流壁172頂部處的第一和第二間隙173、 174。當前體氣體流入到第一和第二氣室144、 145中時，第一和第二間隙173、 174足夠 窄以允許填充第一和第二環形歧管170、 171并在方位角方向上獲得更均勻的 氣體分布。此外，第一和第二間隙173、 174具有第一和第二間隙尺寸G1和 G2，其尺寸可控制氣體流入到氣室中的速度并促進層狀氣體流動。在一個實 施方式中，第 一和第二間隙尺寸Gl和G2相等且在從約0.5mm至約1.5mm的 范圍內。在另一實施方式中，第一和第二間隙尺寸G1和G2是不同的。
圖3是根據本發明噴頭組件另一實施方式的截面圖。裝置100適合于提供 附加氣體源和氣體供應線路，以啟動在此描述的噴頭組件104的附加實施方 式。圖3描述具有第三環形歧管320、第三氣室306、第二中間隔板321和第 三密封氣體通路304的噴頭組件104，其中該氣體通路304連接到管道307并 與其流體連通，以使其他氣體被傳送到混合通路150。該氣體是附加的前體氣 體或惰性氣體(諸如N2、 He、 Ar)。氣體可經由第三氣體注入孔305被注入到 混合通路150中。在一個實施方式中，第一、第二和第三氣體注入孔156、 157、 305可全部都具有相同直徑Dl。在其他實施方式中，第一、第二和第三氣體 注入孔156、 157、 305具有不同直徑。之前已經在此描述了對于氣體注入孔 直徑D1的不同實施方式。
此外，氣體可傳送到第一、第二和第三氣室144、 145和306中的任一個 以形成多個可能的徑向氣體注入順序。例如，第一氣體注入孔156可注入MO 前體，第二氣體注入孔156可注入氮前體諸如NH3，和第三氣體注入孔305 可注入第三前體氣體，氣體注入順序是MO-NH3-(第三前體)-重復，這里"重 復"表示橫跨噴頭組件104的半徑重復氣體注入順序。在另一實施方式中，氣 體可傳送到第一、第二和第三氣室144、 145和306以產生注入順序NH3-MO-(第三前體)-重復。添加第三氣體通路304形成了三個通路順序142-143-304-重復。將理解，氣體被同時注入且術語"氣體注入順序"涉及到空間順序而非 時間順序。在其他實施方式中，噴頭組件104可包括任意數量的氣室和氣體通 路從而以任意所需氣體注入順序向室102傳送多種氣體。
在另一實施方式中，噴頭組件104可不具有混合通路150且熱交換通路 141可設置在一個或多個氣體通路之間以形成用于噴頭面153的基本平坦的表 面，該噴頭面153包括多個第一、第二和第三氣體注入孔156、 157和305。 在再一實施方式中，噴頭組件104不具有熱交換通路141。此外， 一種或多種惰性氣體可被傳送到氣體通路以在前體氣體之間產生惰性氣體諸如H2、 He、 Ar或其組合的"屏障"，以在到達基板140之前幫助保持前體氣體分離。在 一個實施方式中，四個氣體通路用于形成氣體注入順序MO-(惰性氣體)-NH3-(惰性氣體)-重復。
圖4A是根據本發明一個實施方式于圖1B中示出的噴頭組件的示意性底 視圖。噴頭組件104的螺旋溝道幾何形狀通過第一和第二氣體注入孔156和 157的螺旋設置體現，該第一和第二氣體注入孔156、 157設置在橫跨噴頭面 153形成重復徑向氣體通路順序142-143-重復的第一和第二氣體通路142、 143 的底部處。螺旋混合通路150從噴頭面153凹進并具有垂直壁201。熱交換通 路141是具有寬度W2的螺旋通路，其被設置成與具有寬度Wl的混合通路 150相鄰。
中心管道148可位于噴頭組件104中心處或中心附近，且之前已經在此描 述了中心管道148的幾個實施方式。在另一實施方式中，中心管道148可用熱 交換流體管道232代替。 一個或多個端口 400和401可設置在中心管道148 附近，且端口 400和401直徑根據每個端口 400和401的預定功能而相同或 不同。在一個實施方式中，端口 400和/或401可用于容納溫度傳感器諸如高 溫計或熱電偶以測量基板溫度和/或其他溫度諸如噴頭面153的溫度。端口 400、 401可連接到傳感器管301且與其流體連通。在另一實施方式中，端口 400和401可設置在噴頭組件104上以避免與熱交換通路141交叉。
在另一實施方式中，端口 400和/或401可用作度量端口且可連接到一個 或多個度量工具(未示出)。度量工具可用于測量各種膜特性，諸如實時膜生 長、厚度、粗糙度、成分或其他特性。 一個或多個端口 400和401也可傾斜以 能夠使用度量工具，諸如需要用于所接收激光束的傾斜發射器和接收器的反射 系數測量。
每個端口 400和401也適合于流動清洗氣體(其可以是惰性氣體注入氮或 氬)以防止端口 400和401內器件上的冷凝并能進行精確的原位測量。清洗氣 體在設置在傳感器管301內部且與端口 400、 401相鄰的傳感器、探針、或其 他器件周圍具有環形流路。在另一實施方式中，端口 400、 401可具有離散的 管口或噴嘴設計，從而當氣體向下游移向基板140時清洗氣體流動路徑加寬。 離散的管口或噴嘴可以是加寬氣體流動路徑的錐形擴？L、倒角、徑向射線或其他特征。在一個實施方式中，清洗氣體可具有約50sccm (標準立方厘米每分 鐘)至約500sccm的流速。
圖4B是根據本發明另一實施方式于圖1B中示出的噴頭組件的示意性底 視圖。第一氣體注入孔156相對于第二氣體注入孔157沿著螺旋混合通路150 是交錯的。第一和第二氣體注入孔156和157的交錯設置利于基板140表面 上方更均勻的氣體分布。
圖5是根據本發明噴頭組件的另一實施方式的示意性底視圖。多個氣體注 入孔502與螺旋氣體通路諸如第一和第二氣體通路142、 143流體連通。熱交 換通路141被設置成與氣體通路相鄰。
在一個實施方式中，如第IV象限中所示出的，橫跨噴頭面153使用相同尺 寸的氣體注入孔502。每一個氣體通路都供應不同的氣體，諸如MO前體、氮 前體或惰性氣體至與氣體通路流體連通的氣體注入孔502。可選擇氣體通路尺 寸(諸如長度和寬度)以及用于第二氣體通路143的氣體管道147的數量和位 置以幫助實現成比例的氣體流動，從而將隨著時間呈近似相同數量的氣體傳送 到每個氣體通路，該氣體通路傳送相同前體(或惰性氣體)。可適當設置氣體 注入孔502的直徑尺寸以幫助確保通過每個氣體注入孔502沿著流動相同前 體的每個氣體通路的氣體流速都大致相同。質量流量控制器(未示出)可設置 在噴頭組件104的下游以便調整每種前體至氣體通路的流速且由此控制處理 氣體152的前體化學計量配比。但是，在一定條件下，也希望增加或降低沿著 噴頭面153的各個位置處的處理氣體152流速。
在一個實施方式中，如在象限I中所示的，可在噴頭組件104外周504附 近使用直徑大于氣體注入孔502直徑的較大氣體注入孔503以幫助補償可能 存在于環形排氣通路105基板支架114和外部邊緣處的氣體流動反常。例如， 環形排氣通路105的真空會耗盡外周504附近的處理氣體152且較大的氣體 注入孔503會幫助補償氣體耗盡。在一個實施方式中，較大氣體注入孔503 直徑與氣體注入孔502的直徑的比率在從約1:1至約1.4:1的范圍內。
象限II示出了在噴頭組件104外周504附近使用用于氣體注入孔502的較 大孔密度(每單位面積的孔數目)的另一實施方式，這有助于在基板140上方 提供更均勻的氣體分布。節距P是沿著相同氣體通路的氣體注入孔502之間 的最短距離，且間隔距離X是設置在相鄰氣體通路中的氣體注入孔502之間
19的最短距離。節距P可改變以增加或降低噴頭組件104所需區域上方的孔密 度。在本實施方式中，節距P降低以增加外周504附近的孔密度同時間隔距
離x保持不改變。在其他實施方式中，間隔距離x和/或氣體通路尺寸也會
改變以增加或降低孔密度。在一個實施方式中，在外周504附近的節距P與 遠離外周504的垂直節距P的比率在從約1:1至約0.5:1的范圍內。
在又一實施方式中，如于象限III中所示出的，較大氣體注入孔503用于一 種或多種前體和/或惰性氣體以幫助實現橫跨噴頭面153的所需氣流、氣體分 布和/或氣體化學計量配比。在其他實施方式中，橫跨噴頭組件104，氣體注 入孔502直徑和孔密度可根據需要變化。于圖5中示出的實施方式以及在此的 描述相結合且與在此描述的用于噴頭組件104的其他組合一起使用。
之前在此討論的實施方式中，已經沿著螺旋氣體通路長度設置了多個氣體 注入孔以沿著螺旋混合通路150注入氣體，如圖2B、 2D和4A中所示。氣體 通路順序包括兩個或多個相鄰通路，其承載前體氣體和惰性氣體以形成徑向氣 體注入順序，諸如M0-NH3，這沿著噴頭組件104的徑向重復。每個氣體通路 的氣體注入孔都形成螺旋氣體注入區域，其注入由通路運載的前體氣體或惰性 氣體。氣體注入區域是螺旋的且徑向氣體注入順序涉及到沿著噴頭面153的徑 向重復的氣體順序。在另一實施方式中，氣體注入區域可具有其他形狀。
圖6A和6B是示出用于氣體注入區域的不同實施方式的噴頭組件的示意 性底視圖。圖6A描述了用于多個第一和第二氣體注入孔156、 157的楔形氣 體注入區域，其與用于噴頭組件104的第一和第二氣體通路142、 143流體連 通。徑向氣體通路順序是142-143-重復。在其他實施方式中，多個螺旋氣體通 路用于形成每個順序都包括多于兩個通路的徑向氣體通路順序。
第一和第二氣體注入孔156、 157可適當地沿著第一和第二氣體通路142、 143中的每一個設置以形成具有由虛線612表示的邊界的氣體注入區域600和 601。通過沿著螺旋氣體通路適當設置氣體注入孔，很多氣體注入區域形狀都 是可以的。而且，氣體注入孔可沿著氣體通路適當地間隔以對于每個氣體注入 區域優化氣流分布。該實例中，氣體注入區域是楔形的且僅示出了用于噴頭組 件104的一個象限的一部分。
每個氣體注入區域600和601都可提供不同氣體至處理室102。例如，氣 體注入區域600僅包括第一氣體注入孔156，其僅與第一氣體通路142流體連通(例如使用鉆孔)和氣體注入區域601僅包括第二氣體注入孔157，其僅與 第二氣體通路143流體連通。
在一個實施方式中，第一氣體通路142可提供MO前體和第二氣體通路 143可提供氮前體諸如氨(NH3)以形成方位角(在順時針方向或逆時針方向 上從一個楔形區域到下一個)氣體注入順序MO-NH3-重復其與氣體注入區域 600_601_重復相對應。在其他實施方式中，任何數量的氣體注入順序和區域都
可通過合適選擇的氣體注入孔位置、用于噴頭組件的不同氣體通路數量以及所 使用的不同氣體數量來形成。例如，添加第三氣體通路304和第三氣室306 可提供第三楔形氣體注入區域，其提供第三前體以形成方位角氣體注入順序 MO-NH3-(第三前體)-重復。在其他實施方式中， 一種前體可由例如可用于 分離前體的惰性氣體替換。可適當選擇用于每個楔形區域的角度3以用于所需 數量的重復氣體注入順序以及用于噴頭組件104的在360度內的所需的區域 尺寸。在本實施方式中，氣體注入區域600和601是楔形的，但是沿著每個螺 旋通路的氣體注入孔位置適合于形成很多其他區域形狀。
圖6B示出了形成為同心環的氣體注入區域600和601的另一實施方式。 第一和第二氣體注入孔156、 157沿著第一和第二氣體通路142、 143中的每 一個適當設置，以形成具有通過虛線612表示的邊界的同心氣體注入區域600 和601。氣體注入區域600僅包括第一氣體注入孔156和氣體注入區域601僅 包括第二氣體注入孔157。可形成與同心氣體注入區域600-601對應的徑向氣 體注入順序MO-NH3-重復(從中心區向外部區域)，但是其它氣體注入順序也 是可以的。另外，氣體注入孔直徑和孔密度在每個氣體注入區域內根據需要變 化。圖6A和6B中示出的以及在此描述的實施方式可組合以及與在此描述的 用于噴頭組件104的其他組合一起使用。
用于MOCVD應用的在此描述的前述噴頭組件104的實施方式適合于用 在公知的混合氣相外延(HVPE)的其它沉積技術中。HVPE工藝在生長一些 III-V族膜、特別是GaN方面提供了幾個優點，諸如高生長速度、相對簡單且 成本有效。該技術中，由于高溫、氯化鎵(GaCl)和氨(NH3)之間的氣相反 應導致繼續進行GaN生長。氨可從標準氣體源提供，同時GaCl也通過在加熱 的液態鎵源上方通過含氫氣體諸如HC1來制造。這兩種氣體氨和GaCl被導向 至加熱的基板，這里其反應以在基板表面上形成外延GaN膜。總之，HVPE
21工藝可用于通過在m族液態源上方流過含氫氣體(諸如HC1、 HBr或ffl)生
長其他的ni-v族氮化物膜，以形成ni族鹵化物氣體，且此時混合m族鹵化物 氣體和含氮氣體諸如氨以形成in族氮化物膜。
在一個實施方式中，氣體傳送系統125可包括在室102外部的加熱的源舟 (未示出)。該加熱的源舟可含有金屬源(例如Ga)，將其加熱至液相，且含 氫氣體(例如HC1) 了流過金屬源上方以形成III族鹵化物氣體諸如GaCl。 III 鹵化物氣體和含氮氣體諸如NH3此時經由供應線路131、 132被傳送到噴頭組 件104的第一和第二氣室144、 145，用于注入到處理容積108中以在基板140 上沉積III族氮化物膜諸如GaN。在另一實施方式中，可加熱一個或多個供應 線路131、 132以從外部舟傳送前體至室102。在另一實施方式中，惰性氣體 可以是氫、氮、氦、氬或其組合，其可在第一和第二 HVPE前體氣體之間流 動以幫助保持前體在到達基板140之前是分開的。HVPE前體氣體也可包括摻 雜劑氣體。
除了之前在此提到的III族前體，也可將其他m族前體與噴頭組件104 —起 使用。例如，也可使用具有一般公式MX3的前體(例如GaCl3)，其中M是m 族元素(例如鎵、鋁或銦)和X是W族元素(例如溴、氯、或碘)。氣體傳送 系統125 (例如起泡器、供應線路)的部件可適當地用于傳送MX3前體至噴 頭組件104。
雖然前述內容涉及到本發明的實施方式，但是可設計出本發明其他和進一 步的實施方式而不超出其基本范圍，且其范圍通過以下的權利要求限定。
權利要求
1. 一種噴頭裝置，包括第一氣體通路，用于第一前體氣體；和第二氣體通路，用于第二前體氣體，該第二氣體通路被設置成與第一氣體通路共面。
2. 如權利要求1的裝置，其特征在于，所述第一和第二氣體通路以交錯方式設置。
3. 如權利要求2的裝置，其特征在于，所述第一和第二氣體通路包括螺旋 通路。
4. 如權利要求2的裝置，其特征在于，還進一步包括第一氣室，用于提供 第一前體氣體至第一氣體通路，和第二氣室，用于提供第二前體氣體至第二氣 體通路，其中第一和第二壓力氣室設置在第一和第二氣體通路上方。
5. 如權利要求3的裝置，其特征在于，還進一步包括用于熱交換介質的第 三螺旋通路。
6. 如權利要求5的裝置，其特征在于，還包括用于氣體的第四螺旋通路， 該第四螺旋通路被設置成與第一和第二螺旋氣體通路共面。
7. 如權利要求3的裝置，其特征在于，所述第一和第二螺旋氣體通路具有 被設置成限定多個注入區域的注入孔。
8. 如權利要求7的裝置，其特征在于，所述注入區域是同心的且交替在用 于第一前體氣體的注入區域和用于第二前體氣體的注入區域之間。
9. 如權利要求7的裝置，其特征在于，注入區域是楔形的且交替在用于第 一前體氣體的注入區域和用于第二前體氣體的注入區域之間。
10. 如權利要求7的裝置，其特征在于，還包括第三螺旋氣體通路，該第 三螺旋氣體通路具有被設置成在用于第一和第二前體氣體的多個注入區域之 間限定惰性氣體注入區域的注入孔。
11. 一種噴頭裝置，包括用于第一前體氣體的第一氣體通路，該第一氣體通路具有注入孔，第一 前體氣體通過該注入孔注入到前體混合區域中；和用于第二前體氣體的第二氣體通路，該第二氣體通路具有注入孔，第二前體氣體通過該注入孔注入到前體混合區域中。
12. 如權利要求11的裝置，其特征在于，所述第一和第二氣體通路包括以 交錯方式設置的螺旋通路。
13. 如權利要求11的裝置，其特征在于，用于注入所述第一和第二前體氣 體的注入孔的尺寸具有相同孔直徑。
14. 如權利要求13的裝置，其特征在于，用于注入所述第一和第二前體氣體的注入孔的密度不同，其中孔密度在越接近噴頭裝置外周的區域處越大。
15. 如權利要求11的裝置，其特征在于，用于注入所述第一和第二前體氣 體的注入孔的尺寸具有不同的孔直徑，其中孔直徑在越接近噴頭裝置外周的孔 位置處越大。
16. 如權利要求11的裝置，其特征在于，用于注入第一前體氣體的注入孔 的尺寸不同于用于注入第二前體氣體的注入孔的尺寸。
17. 如權利要求11的裝置，其特征在于，前體混合區域被限定在面對基板 處理容積的噴頭裝置的側面上。
18. 如權利要求17的裝置，其特征在于，還包括形成在面對基板處理容積 的噴頭裝置側面上的熱交換通路。
19. 如權利要求18的裝置，其特征在于，所述熱交換通路具有向基板處理 容積延伸并限定混合區域的多個壁。
20. —種噴頭裝置，包括 用于第一前體氣體的第一通路； 用于第二前體氣體的第二通路；和 用于熱交換介質的第三通路。
21. 如權利要求20的裝置，其特征在于，所述第一和第二通路是共面的且 是交錯的。
22. 如權利要求21的裝置，其特征在于，所述第一和第二通路包括螺旋通路。
23. 如權利要求22的裝置，其特征在于，所述第一和第二通路具有用于將 所述第一和第二前體氣體注入到由第三通路壁限定的混合區域中的注入孔。
24. 如權利要求22的裝置，其特征在于，還包括用于惰性氣體的第四螺旋 通路。
25.如權利要求20的裝置，其特征在于，所述第一前體氣體包括III族前體 氣體和所述第二前體氣體包括V族前體氣體。
全文摘要
本發明涉及一種噴頭裝置，更具體的是一種多個氣體螺旋通路的噴頭，本發明還提供了一種用于化學氣相沉積和/或混合氣相外延(HVPE)沉積的方法和裝置。在一個實施方式中，使用金屬有機化學氣相沉積(MOCVD)工藝在多個基板上沉積III族氮化物膜。III族前體諸如三甲基鎵、三甲基鋁或三甲基銦以及含氮前體諸如氨被傳送到隔離前體氣體的多個螺旋通路中。前體氣體被注入到混合通路中，這里氣體在進入到含有基板的處理容積之前混合。
文檔編號C23C16/30GK101423936SQ20081017060
公開日2009年5月6日 申請日期2008年10月16日 優先權日2007年10月16日
發明者亞歷山大·塔姆, 薩姆埃德霍·阿卡賴亞, 雅各布·格雷森 申請人:應用材料股份有限公司