双烧结扩散器的制作方法

专利名称：双烧结扩散器的制作方法
本申请是申请日为1999年8月20日的相关未审定申请S.N.09/378,274的系列申请。本申请涉及一种蒸汽发生器，其包括一个高完整性、高纯度的双室化学汽相淀积(CVD)源容器。所述蒸汽发生器应满足在化合物半导体和薄膜加工中所用的汽相外延及其它化学汽相淀积设备的特殊要求。所述蒸汽发生器应能安全地控制、维持急剧反应的化学物品的最高纯度。
本发明特别涉及一种双室蒸汽发生器容器以及一种获得对用于化学汽相淀积系统的固态有机金属源进行稳定。即均匀配送的方法。非均匀配送速率对利用MOVPE(金属-有机-蒸汽-相态外延)系统生长的外延层的成分造成不良影响。在采用MOMBE(金属-有机分子束外延)及CBE(化学束外延)汽相淀积系统时，本发明同样具有优势。
在许多电子装置，特别是光电子装置，如激光器、光电探测器的制造中，使用了Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体材料，这种材料包括不同的单晶层，这些单晶层具有各种成分及几分之一微米至几微米的厚度。利用有机金属化合物的化学汽相淀积法通常用于对金属薄膜或Ⅲ-Ⅴ族化合物的半导体薄膜进行淀积的CVD技术中。通常用于半导体工业的化合物包括环戊二烯镁(Cp2Mg)，三甲基铝(TMA)，三甲基镓(TMG)，三乙基镓(TEG)，三甲基锑(TMSb)，二甲基胼(DMHy)，三甲基铟(TMI)等。固态母体，如TMI被用于含半导体的铟的MOVPE中。将固态TMI置入通常被称为扩散器的一个圆柱容器或器具中，且置于会使固态母体汽化的恒定温度之下。采用一种载气。如氢气来吸收母体蒸汽并将其输送至一个淀积系统。当用于一个传统的扩散器型母体容器中时，大多数固态母体均表现出不良且不稳定的配送速率。传统的扩散器(bubbler)包括两个扩散器容器，它们具有一个安装在由美国专利4,506,815披露的进口上的或者安装在由美国专利5,755,885披露的供气装置上的浸渍管，在浸渍管上具有多个喷气孔以便将载气导入容器中。这些传统的扩散器系统特别在采用固态有机金属母体时会导致母体蒸汽的流速不稳定、不均匀。这种不均匀流速对在MOVPE反应器中生长的半导体薄膜的成分会造成不利影响。由Morton International,Inc研制的另一种扩散器系统省去了浸渍管。虽然发现这种无浸渍管式扩散器能够提供均匀的流速，但是它不能提供母体材料始终如一的高浓度。
对于不能由固态母体以始终如一的高浓度实现输入蒸汽的稳定供给的设备的使用者来说，这种设备是有问题的，特别在半导体元件的制造中尤为如此。不稳定的有机金属流速是由多个因素造成的如产生蒸发的化学物品的整个表面面积逐渐减小，载气与母体形成最小接触的地方形成的贯穿固态母体的沟流。以及母体固体向扩散器上不可能与载气形成有效接触的部分的升华。
已经采用了多种方法来克服所述流动问题，如1)使用回流扩散器，2)在母体材料中使用分散材料，3)在固体床下使用扩散板，4)采用锥形圆柱结构，及5)在圆柱体上进行打击以消除固态母体附聚现象。美国专利NO.4,704,988披露了一种扩散器结构，其中，用一个多孔隔板将容器分为第一和第二室。在第一室内的汽化反应材料通过所述隔板扩散至所述第二室内，在该第二室中所述材料接触并被夹带到载气中，以便从容器输送至适当的淀积室内。
因此，如上所述，用现有技术的扩散器容器目前的主要缺点是，固态母体蒸汽的稳定流动/吸收(pick-up)问题。目前扩散器容器的结构和各种配送结构在母体材料最大吸收情况下均无法提供均匀流速。虽然与未采用烧结件的现有技术中的扩散器相比，共悬未决申请S.N.09/378,274中的单烧结扩散器能提供更好的母体蒸汽稳定性和吸收性，并能够提供改进的母体吸收性，但是在技术上仍需要这样的扩散器装置，其适于提供一种均匀及高浓度母体蒸汽直至蒸汽源全部耗尽。在美国专利5,603,169中披露了另一种提高母体吸收的扩散器结构，该扩散器使用了让载气通过的上下多孔板。下多孔板位于载气进料口的上方并支承着固态母体填料。在工作中，载气在接触固态母体之前，通过下多孔板。将一个压紧板设置在下多孔板的上方，以便通过其自身重力压迫母体。这一现有技术的装置的结构比本发明的简单结构复杂。
由本发明提供的蒸汽发生器避免了现有技术结构中出现的不良和不规则配送速率以及不能提供完全均匀地耗尽母体材料的缺点。本发明的新型装置起到了一个固态试剂源的蒸汽配送容器的作用。通过使用双多孔烧结件的本发明扩散器装置在无需使载气以泡状通过固态母体的情况下，能够使有机金属蒸汽在载气中达到饱和。取消这一操作防止了在固体中形成沟槽，由此导致材料的均匀配送直至完全耗尽为止，如图7所示。本发明的新型双烧结扩散器结构(参见图3)通过避免必须以泡状通过固态母体的形式，克服了未使用多孔烧结件的现有技术的扩散器所产生的问题。本发明新型装置的结构能够特别用于汽相外延系统，该系统包括一个外延反应器(epitaxy reactor)，用来将至少一种呈气体状态的试剂，如用于半导体工业的固态有机金属化合物，如TMI,Cp2Mg,CBr4等导入到所述外延反应器中。
本发明的一个目的在于提供一种蒸汽配送装置，该装置具有简单、经济的结构设计，与现有可能的扩散器相比，该装置能以较高的浓度输出、配送平稳、始终一致的流动。
本发明的另一个目的在于提供一种蒸汽配送装置结构，该装置结构能够实现恒定的配送速率直至固态有机金属母体全部耗尽。
本发明的另一个目的在于提供一种蒸汽配送结构，该结构能够对温度和载气流动参数的变化作出快速反应。
本发明的另一个目的在于提供一种蒸汽配送结构，该结构能够根据工作参数，如载气的温度、压力、特性及其流速，在一定的浓度范围内实现恒定的流速/浓度配送。


图1为传统技术中浸渍管扩散器的横截面视图；图2为共悬未决申请S.N.09/378,274中披露的烧结扩散器的横截面视图；图3为本发明双烧结扩散器的横截面视图；图4为一Epison曲线图，其描述了用于图1中现有技术的装置TMI的浓度百分比配送曲线；图5为一Epison曲线图，其描述了用于图2中装置的TMI浓度百分比配送曲线；图6为一Epison曲线图，其描述了随图2所示装置中温度和流速变化的TMI浓度百分比配送曲线；图7为一Epison曲线图，其描述了图3中本发明装置中的TMI浓度百分比配送曲线；图8为一Epison曲线图，其描述了作为图3中所示的本发明装置中的TMI氢气流速的函数的浓度百分比配送曲线；本发明的供气装置包括一个双室圆柱形容器，用于利用载气产生固态有机金属母体的饱和蒸汽。用于形成所述容器的材料没有限制，可采用玻璃、特氟隆或金属，只要所用材料对于其内被加工的有机金属化合物是惰性的。通常，由于安全原因可使用金属。不锈钢是非常理想的。例如，整套组件可由316L不锈钢制得。载气可包括不与所述有机金属化合物反应的任意惰性气体。可用于实现本发明的载气的例子包括氢气、氮气、氩气和氦气。通过在所述容器顶部合适的填料口向所说容器填充固态母体有机金属化合物。
装有固态母体源的容器可被放置在恒温浴中并保持在适宜的温度下。加热容器的温度范围取决于特定母体有机金属化合物的汽化温度。将所述容器加热至合适温度的任意加热系统都可满足要求，只要该加热系统能提供汽化固态母体材料所需要的热量。例如，所述容器可通过利用流经环绕扩散器的铜管的卤化碳或直接浸入热油浴中而被加热。载气通过在所述容器顶部的一个进料口进入所述装置的进料室，在载气中的有机金属化合物的蒸汽达到饱和后，载气流通过一个位于进料室底板的第一多孔烧结元件排出所述装置的进料室，并进入一个与进料室呈流体连通的出料室，随后，通过位于所述容器出口的一个第二多孔烧结元件排出所述容器。最好将第二多孔烧结元件安装在位于扩散器内的排出管部分的内侧表面上。一个标准质量流量控制器(未示出)控制载气的流速。在排出所述出口后，有机金属蒸汽的饱和载气被输入到适合的淀积室。
图1说明了在美国专利NO.4,506,815中披露的一种现有技术的浸渍管扩散器，它包括一个细长的圆柱形容器1，一个用于配送载气的进料管2，及一个用于排出母体蒸汽的出料管3，该出料管3终止于伸入到所装的母体材料中的浸渍管4处。
图2显示的是在共悬未决申请S.N.09/378,274中披露的设备的一个实施例，其包括一个细长的圆柱形容器10、一个顶部封闭部分15及一个底部金属封闭部分16，该圆柱形容器10具有一个在圆柱体10的整个长度上具有大致恒定横截面的内表面11，该底部金属封闭部分16具有一个平底部分17。顶部封闭部分15具有填充口18、进料口19和出料口20。进料管12和出料管13与在容器的封闭部分15上的进料口19和出料口20连通。管13的下端终结于通过填充口18加入到容器10中的母体填料高度上方的某一位置上，即，管13的下端不会浸入到有机金属物中。出料管13具有定位在其内侧表面上的多孔圆柱形元件14。整个组件由不锈钢，如316L不锈钢制成。作为实例，多孔元件14长度为大约1英寸，且外径为大约1/4英寸。多孔烧结件14的外径尺寸应确保与出料管13内径形成紧配合。元件14的细孔尺寸可以为1-10微米。
图3披露了本发明的双烧结扩散器结构。具有一个顶部封闭部分21和一个底部封闭部分22的一个圆柱形容器20利用一种载气产生固态母体有机金属化合物的饱和蒸汽。顶部封闭部分21具有填充口23、进料口24和出料口25。容器20由壁26和底板27分为进料室28和出料室29。载气的实例包括氮气，氩气和氦气。载气经在容器20顶部的进料管30进入并通过容纳在进料室28内的有机金属固体31。载气中的有机金属化合物达到饱和并且经在底板27内的多孔烧结盘32排入出料室29。饱和载气在通过位于容器20的出口25处的多孔烧结件33后，通过出料管34排出容器20。作为实例，多孔烧结件32为圆盘形，其直径为1英寸，厚度为0.125英寸，而烧结件33为圆柱形，其长度为1英寸且直径为0.25英寸。排出容器20的有机金属母体被配送至一个未示出的传统淀积室。母体金属有机化合物经填充口23填充到容器20。为了容易清洁，可在容器20的壁上可设置一个开口35。该开口可在清洁时打开而在填充有机金属化合物时关闭。可采用一个传统机构(未示出)以便于开口35的开闭。容器20可放置在恒温浴(未示出)中并被保持在适合的温度下，以使固态有机金属母体汽化。
下面，为了说明本发明，以非限定方式给出以下实施例。
在这些例子中，使用了一个由一个圆柱体构成的多孔烧结件和一个圆盘，所述圆柱体长度为大约1英寸，外径为大约1/4英寸，而所述圆盘直径为1英寸，而厚度为0.125英寸，由烧结316L不锈钢制成。这种不锈钢具有10微米微孔，可从Mott Metallurgical Corporation获得。多孔烧结件也可由任何相容金属或非金属材料制成，这些材料应具有尺寸为大约1到大约10微米的微孔。其它适用于多孔元件的适宜金属包括304L SS、321 SS、347 SS、430 SS、MONEL、INCONEL、HASTELLOY及Alloy 20。只要能够表现出所要求的控制孔隙，也可将非金属材料，如玻璃和特氟隆用于多孔烧结件。虽然专门描述了特定形状的多孔元件，但是只要能够保持用于实现理想稳定流量特性所必须的控制孔隙，多孔烧结件的特定几何形状并不重要。
实施例1将40克半导体级三甲基铟填料放入图3的双烧结扩散器中，且利用一种氢气载体获得充有三甲基铟的氢气气流。在200sccm氢气流速的情况下，使系统压力保持在800乇。扩散器保持有大约1.3％的均匀浓度。在50℃下、以大约3.5个小时进行试验。配送曲线的Epison曲线如图7所示。
实施例2将35克半导体级三甲基铟填料放入图3的双烧结扩散器中且将氢气作为载气。TMI的配送曲线的Epison曲线如图8所示，该Epison曲线是在氢气流速在100sccm和500sccm之间变化、系统压力800乇和温度在35℃和50℃之间变化条件下获得的。除在TMI耗尽时之外，TMI流速在所有工作条件下均是恒定的。
比较例1利用在共悬未决申请S.N.09/378,274中披露的扩散器进行一项试验，将10克固态半导体级三甲基铟填料置入一个源扩散器(图2)并通过放出速率80sccm、温度保持40℃的载气N2而获得充有三甲基铟的氮气气流。在整个100小时期间，监测到具有大约0.12％平均浓度的TMI流以稳定流速被配送。在扩散器中留有5克TMI。利用一个Epison装置绘制图5所示的TMI配送曲线。一个Epison装置测量另一种惰性气体，通常为H2、N2或氩气中的化学物质的蒸汽浓度。
比较例2利用在共悬未决申请S.N.09/378,274中披露的扩散器进行第二试验，将5克固态半导体级三甲基铟填料置入一个源扩散器(图2)中并通过利用流速在80和400sccm之间而温度在40℃和55℃间变化的氮气获得具有三甲基铟的氮气气流，根据下列顺序40℃下80sccm,40℃下200sccm,40℃下400sccm，40℃下80sccm，50℃下80sccm,55℃下80sccm，55℃下200sccm及55℃下400sccm。在整个72小时期间，TMI的浓度在每一组工作参数下均是稳定的。在试验结束时，TMI完全从扩散器中耗尽。对于在不同组条件下的TMI的配送曲线来说，Epison曲线如图6所示。
上述例子表明本发明的双烧结扩散器结构与比较例中的现有的配送系统相比具有显著优点，其中，本发明的双烧结扩散器能够以均匀的流速供给试剂，然而比较例中的装置提供的却是不规律的配送。与共悬未决申请S.N.09/378,274中的烧结扩散器相比，本发明的双烧结扩散器的优点在于在相同操作条件下，本发明的双烧结扩散器配送的固态母体蒸汽的浓度要高得多。当希望在大面积区域实现高生长率或淀积时，上述这一优点在MOVPE装置的操作中是十分重要的。在本发明的双烧结扩散器中，载气通过固态有机金属母体床并在通过位于进料室底板的多孔烧结件排出之前达到饱和。其产生的饱和水平是通过简单地使载气通过固态母体上方所无法实现的。与包括共悬未决申请S.N.09/378,274中的单烧结扩散器在内的现有扩散器结构相比，本发明的双烧结扩散器的特性是能以较高的浓度输出。
显然，上面仅以非限定实施例的形式进行了描述。在不超出本发明权利要求范围的情况下，能够对本发明作出各种改变和改进。例如，蒸汽发生器可采用圆柱体以外的其它几何形状。
权利要求
1．一种用于将有机金属化合物材料的饱和流体流送至一个化学汽相淀积系统的装置，其包括一个容器，其具有一个细长圆柱形部分、一个顶部封闭部分及一个底部封闭部分，所述圆柱形部分具有一个在所述圆柱部分的整个长度上限定一个大致恒定横截面的内表面，所述顶部封闭部分具有一个用于引入载气的进料口和一个出料口，所述细长的圆柱形部分具有流体连通的进料室和出料室，其中，所述进料室的底板与所述底部封闭部分隔开间距，且包括一个第一多孔件，该多孔件允许在所述进料室产生中的蒸汽进入所述出料室，一个容纳在所述容器的所述进料室内的固态有机金属母体化合物源，所述装置还包括一个位于所述出料口的第二多孔件，从而所述流体流经过所述多孔件排出所述容器。
2．根据权利要求1所述的装置，其特征在于；所述出料口包括一个从所述容器内一端延伸的管。
3．根据权利要求2所述的装置，其特征在于；所述第二多孔件被安装在所述出料管的内侧。
4．根据权利要求1所述的装置，其特征在于；所述顶部封闭部分还包括一个填充口，用于将反应材料装入所述进料室。
5．根据权利要求3所述的装置，其特征在于；所述第一和第二多孔件包括多孔烧结材料。
6．根据权利要求5所述的装置，其特征在于；所述多孔烧结材料由烧结金属构成。
7．根据权利要求6所述的装置，其特征在于；所述烧结金属包括不锈钢。
8．根据权利要求5所述的装置，其特征在于；所述多孔烧结材料包括玻璃或特氟隆。
9．一种用于按时间函数均匀配送原料气体的方法，在所述原料气体中，有机金属化合物始终保持高浓度地达到基本饱和，该方法包括将固态有机金属化合物材料装入所述进料室并向权利要求1的容器供给热量，经过一个载气进料管，将载气导入所述容器的所述进料室，所述容器被保持在足以使所述有机金属化合物汽化的恒定温度下，及使所述载气以足够的流速流动，接触所述有机金属化合物，以使所述化合物在所述载气中达到基本饱和，让所述化合物的饱和载气经在进料室底板中的一个第一多孔件从所述进料室排入所述容器的出料室，在此，所述化合物的饱和载气经在所述容器出料口处的一个第二多孔件从所述出料室排出，从而产生一个具有始终保持高浓度的有机金属化合物的所说有机金属化合物的饱和载气的基本均匀的流速。
10．根据权利要求9所述的方法，其特征在于从所述容器流出的有机金属化合物的基本饱和的气体适于作为成形薄膜的原料气体。
11．一种含有用于汽相淀积加工的固态母体的双室扩散器，其包括一个封闭的圆柱形容器，其具有顶部和底部，在所述容器的所述顶部设有载气进出扩散器的进料开口和出料开口，所述容器包括一个终止于与所述容器底部隔开间距的底板中的进料室，以便容纳所述固态母体，一个位于所述底板中的第一多孔件，一个与所述进料室流体连通的出料室，和一个第二多孔件，其位于所述出料室的出料开口上。
全文摘要
一种供用于化学汽相淀积系统的固态有机金属源材料使用的双室扩散器以及一种将源材料的饱和载气输送到这种系统中的方法。所述扩散器的容器结构应使载气通过其顶部的进料口进入到一个进料室,且之后使有机金属蒸汽的饱和载气经位于进料室底板的第一多孔烧结件排入到一个出料室,并在通过位于扩散器出口的一个第二多孔烧结件之后从扩散器排出。
文档编号H01L21/203GK1300876SQ0012929
公开日2001年6月27日 申请日期2000年8月18日 优先权日1999年8月20日
发明者西尔·普拉卡什·兰加拉詹, 约翰·奥格雷迪 申请人:莫顿国际公司