多种气体同心注射喷头的制作方法

专利名称：多种气体同心注射喷头的制作方法
技术领域：
该发明的实施例一般涉及用于在衬底上化学气相沉积(CVD)的装置和方法， 并且尤其涉及供金属有机化学气相沉积和/或氢化物气相外延(HVPE)里使用 的喷头设计。
背景技术：
发现ni—V族膜在各种半导体器件例如短波长发光二极管(LED)、激光 二极管(LD)和包括高功耗、高频率、高温晶体管和集成电路的电子装置的 研制和制造中较为重要。例如，使用III族一氮化物半导体材料氮化镓(GaN) 制造短波长(例如，蓝/绿至紫外)LED。已经注意到，使用GaN制造短波长 LED，可提供显著更大的效率并且与使用例如II 一VI族材料的非氮化物半导体 材料制造的短波长LED相比工作寿命更长。
一种用于沉积m族一氮化物，例如GaN的方法是金属有机化学气相沉积 (MOCVD)。该化学气相沉积方法通常在具有温度控制环境的反应器中进行 以确保第一前驱物气体的稳定性，该第一前驱物气体包含来自III族的至少一个 元素，例如镓(Ga)。第二前驱物气体，例如氨(NH3 )，提供形成III族一氮 化物所需的氮。这两种前驱物气体注入到反应器之内的处理区中去，在那里将 它们混合并且朝向处理区中的加热衬底移动。可使用载气以协助前驱物气体朝
着衬底输送。该前驱物在加热衬底的表面反应以在衬底表面上形成m族一氮化
物层，例如GaN。膜的质量部分取决于沉积的均匀性，其依次取决于衬底对 面的前驱物的均匀混合。
在衬底载体上可以布置多个衬底并且每个衬底可具有范围从50mm至 100mm或更大的直径。为了增加产量和生产能力，期望在较大衬底和/或更多 衬底以及较大沉积区域之上的前驱物均匀混合。这些因素非常重要，由于其直 接影响生产电子装置的成本并且因而影响器件生产商在市场中的竞争力。
随着对于LED、 LD、晶体管和集成电路的需求增加，沉积高质量III族一氮化物膜的效率呈现出更大的重要性。因而，需要改进的沉积装置和工艺，其 可在较大的衬底和较大的沉积区域之上提供均匀的前驱物混合和稳定的膜质

发明内容
本发明一般提供用于使用MOCVD和/或HVPE沉积III族一氮化物膜的方 法和装置。
一个实施例提供用于在衬底上沉积的气体传送装置。该装置通常包括用于 第一前驱物气体的第一气室和用于第二前驱物气体的第二气室以及多个同心 布置的内部和外部注射孔，该内部注射孔与第一气室相联并且该外部注射孔与 第二气室相联。
另一实施例提供用于在衬底上沉积的气体传送装置。该装置包括限定在喷 头侧面上的多个前驱物混合通道，该喷头面对衬底处理容积，多个第一注射孔， 通过该第一注射孔该第一前驱气体注入到前驱物混合通道中,多个第二注射 孔，通过该第二注射孔该第二前驱气体注入到前驱物混合通道中，其中该第一 注射孔中的每个具有与其同心布置的第二注射孔。
在另一实施例中，公开了一种用于在衬底上沉积的气体传送装置。该装置 通常包括用于第一前驱物气体的第一气室，多个第一气体导管，通过其该第一 前驱物气体从第一气室提供至前驱物混合区域，用于第二前驱物气体的第二气 室，和多个第二气体导管，通过其该第二前驱物气体从第二气室提供至前驱物 混合区域，其中每个第一气体导管具有与其同心布置的第二气体导管。


因此为了更详细地理解本发明的以上所述特征，将参照附图中示出的实施
例对以上简要概括的本发明进行更具体描述。然而，应该注意，附图中只示出
了本发明典型的实施例，因此不能认为是对本发明范围的限定，本发明可以允 许其他等同的有效实施例。
图1A为根据本发明的一个实施例的沉积装置的示意图； 图1B为图1A中示出的喷头组件的详细横截面图2A为根据本发明的一个实施例的图1B中示出的喷头组件的详细横截
6面图2B和2C为对于混合通道和热交换通道的不同实施例的横截面图； 图3A-3D为根据本发明的喷头组件的另外实施例的横截面透视图3E为根据本发明的一个实施例的喷头组件的横截面双断面图3F为根据本发明的一个实施例的图1B中示出的喷头组件的详细横截 面图4A为根据本发明一个实施例的图1B中示出的喷头组件的示意性底视
图4B和4C为对于根据本发明的在图4A中示出的喷头组件的另外实施 例的示意性底视图5为根据本发明的一个实施例的图3C和3D中示出的喷头组件的示意 性底视图6为根据本发明的喷头组件的另外实施例的示意性底视图。 为了帮助理解，在有可能的情况下，使用相同的参考符号指代相同的元件，
该相同的元件为附图所共有。希望， 一个实施例的元件和特征可以有利地合
并到其它实施例中而不进一步的叙述。
具体实施例方式
本发明的实施例通常提供一种为了使用MOCVD和/或HVPE沉积III族一 氮化物膜而应用的方法和装置。图1A为可以用于根据本发明的一个实施例实 施本发明的沉积装置的示意图。在2006年4月14日提交的美国专利申请序列 号11/404,516和在2006年5月5日提交的11/429,022中描述了适合实施本发 明的示例性系统和室，并入其全部内容作为参考。
图1A中示出的装置100包括室102、气体传送系统125、远程等离子源 126和真空系统112。该室102包括封闭处理容积108的室体103。喷头组件 104配置在处理容积108的一个末端并且衬底载体114配置在处理容积108的 另一末端。下部圆顶119配置在下部容积110的一个末端并且衬底载体114 配置在下部容积110的另一末端。衬底载体114在处理位置中示出，还可以被 移至下部位置例如装载或者卸载衬底140的位置。排气环120可以围绕衬底载 体114的外围配置以帮助阻止在下部容积110中发生沉积并且帮助把废气从室102引导至排气口 109。为了辐射加热衬底140，下部圆顶119可以由透明材 料例如高纯度石英构成以允许光通过。可以通过多个内部圆顶121A提供辐射 加热并且在下部圆顶119之下配置外部圆顶121B，反射器166可以用于帮助 控制室102暴露至由内部和外部灯121A、 121B提供的辐射能。为了更好的控 制衬底140的温度,也可使用灯的附加环。
衬底载体114可包括一个或多个凹进116，在处理期间在凹进之内可配置 一个或多个衬底140。该衬底载体114可装载六个或更多衬底140。在一个实 施例中，衬底载体114装载8个衬底140。应理解，在衬底载体114上可装载 更多或更少的衬底140。典型的衬底140可包括蓝宝石、碳化硅(SiC)、硅或 氮化镓(GaN)。应理解，可以处理其它类型的衬底140，例如玻璃衬底140。 衬底140直径上的尺寸可从50mm—100mm的范围或更大。衬底114的尺寸 可以从200mm—750mm的范围。衬底载体114可以由多种材料组成，包括SiC 或石墨涂敷SiC。应理解，可在室102中并且根据此处描述的工艺处理其它尺 寸的衬底140。如在此描述的，与传统MOCVD室相比较，喷头组件104可允 许跨过较大数量的衬底140和/或较大的衬底140更加均匀的沉积，因而，增 加了生产量并且减小每个衬底140的处理成本。
在处理期间，衬底114可以关于轴旋转。在一个实施例中,衬底载体114， 以大约2RPM至大约IOORPM旋转。在另一实施例中，衬底载体114以大约 30RPM旋转。旋转衬底载体114有助于提供衬底140的均匀加热并且将处理 气体均匀暴露给每个衬底140。
可以在同心圆或区域(未示出)中布置多个内部和外部灯121A和121B 并且每个灯区域可以分别供以电力。在一个实施例中，在喷头组件104之内可 以配置例如高温计(未示出)的一个或多个温度传感器，以测量衬底140和衬 底载体114的温度并且该温度数据将被发送至控制器(未示出)，该控制器可 对单独的灯区域调节能量以维持跨过衬底载体114的温度曲线。在另一实施例 中，可以调节单独灯区域的电力以补偿前驱物流或前驱物浓度的非均匀性。例 如，假如前驱物浓度在衬底载体114区域附近或外部灯区域附近较低，那么可 以调节提供给外部灯区域的电力以帮助补偿在该区域的前驱物损耗。
内部和外部灯121A、 121B可将衬底140加热至大约400摄氏度至大约 1200摄氏度。应理解，本发明不限于使用内部和外部灯121A、 121B阵列。可利用任何适合的加热源以确保适当的温度适当的温度足以施加给室102和 在其中的衬底140。例如，在另一实施例中，热源可以包括与衬底载体114热 接触的电阻加热元件(未示出)。
气体传送系统125可包括多个气体源或取决于要运行的工艺，一些源可以 是液体源而不是气体，在此情形气体传送装置可包括液体注射系统或其它方式 (例如，喷水器)以汽化该液体。然后，在传送至室102之前，蒸汽可与载气 混合。不同的气体，例如前驱气体、载气、吹扫气、清洁/刻蚀气体或其它气 体可以从气体传送系统125施加至个别供应线131、 132和133到达喷头组件 104。供应线路131、 132和133可以包括截止阀和质量流量计或其它类型的 控制器以监控和调节或关断每个线路中的气体流。
导管129可以从远程等离子体源126接收清洁/刻蚀气体。远程等离子体 源126可通过供应线路124从气体传送系统125接收气体并且可在喷头组件 104和远程等离子源126之间配置阀门130。可打开阀门130以允许清洁和/ 或刻蚀气体或等离子体通过供应线路133流入喷头组件104，该供应线路可适 合用作等离子体的导管。在另一实施例中，装置100可不包括远程等离子源 126，并且清洁/刻蚀气体可以从用于非等离子体清洁和/或使用交替供应线路 构造的刻蚀的气体传送系统125传送至喷头组件140。
该远程等离子体源126可以是适合于室102清洁和/或衬底140刻蚀的射 频或微波等离子体源。清洁和/或刻蚀气体可以通过供应线路124提供至远程 等离子源126以产生等离子物质，可通过导管129和供应线路133输送该等 离子体物质，以便通过喷头组件104散射到室102中。用于清洁应用的气体可 包括氟、氯或其它反应元素。
在另一实施例中，气体传送系统125和远程等离子源126可以相配适应， 因而前驱气体可以提供给远程等离子源126以产生等离子物质，该等离子体物 质可通过喷头组件104输送以沉积CVD层，例如m—V膜，例如在衬底140 上。
吹扫气(例如，氮气)可从喷头组件104和/或从配置在衬底载体114下 面和室体103的底部附近的入口部或管子(未示出)传送至室102中。吹扫气 进入室102的下部容积110并且向上流动经过衬底载体114和排气环120并且 进入多个排气口 109，环绕环形排气通道105配置该排气口。排气导管106将环形排气通道105连接至真空系统112，该真空系统包括真空泵(未示出)。 可使用阀门系统107控制室102的压力，该阀门系统控制气体从环形排气通道 105排出的速率。
图1B为图1A中示出的喷头组件的详细横截面图。在衬底140处理期间， 喷头组件104位于衬底载体114附近。在一个实施例中，在处理期间，从喷头 正面153至衬底载体114的距离可从大约4mm至大约41mm的范围。在一个 实施例中，喷头正面153可包括喷头组件104的大致上共面的并且在处理期间 面对该衬底140的多个表面。
在衬底140处理期间，根据本发明的一个实施例，处理气体152从喷头组 件104朝衬底140表面流动。处理气体152可包括前驱气体、载气和可以与 前驱气体混合的掺杂气体的一个或多个。环形排气通道105的抽吸可以影响气 流，所以处理气体152基本正切于衬底140流动并且可径向均匀分布跨过衬底 140在层流中的配置表面。处理容积108可以保持在大约760Torr下至大约 80Torr的压力。
在衬底140表面或其附近的处理气152前驱物的反应可在衬底140之上沉 积各种金属氮化物层，包括GaN、氮化铝(A1N)和氮化铟(InN)。对于其它 化合物膜例如AlGaN和/或InGaN的沉积也可利用多种金属。另外地，诸如硅 (Si)或镁(Mg)的惨杂剂可添加至该膜。该膜可以通过在沉积工艺期间添 加小量的掺杂气体来掺杂。对于硅掺杂，可使用硅烷(SiH4)或乙硅烷(Si2H6) 气体，例如，掺杂气体可包括用于镁掺杂的二 (环戊二烯基)镁(Cp2Mg or (C5H5)2Mg)。
在一个实施例中，喷头组件104包括环形歧管170、第一气室144、第二 气室145、第三气室160、气体导管147、阻断片161、热交换通道141、混合 通道150和中心导管148。环形歧管170围绕第一气室144，其通过具有多个 中间片孔240的中间片210从第二气室145分离。第二气室145通过具有多 个阻断片孔162的阻断片161从第三气室160分离并且该阻断片161连接至 顶部片230。中间片210包括多个气体导管147，该气体导管147配置在中间 片孔240中并且向下延伸穿过第一气室144并且进入位于底部片233的底部 片孔250中去。减小每个底部片孔250的直径以形成第一气体注射孔156，该 第一气体注射孔通常与形成第二气体注射孔157的气体导管147同心或同轴。在另一实施例中，第二气体注射孔157可从第一气体注射孔156偏移，其中该 第二气体注射孔157配置在第一气体注射孔156的边界之内。底部片233也 包括热交换通道141和混合通道150，混合通道150包括彼此平行的并且横越 喷头组件104延伸的直的通道。
喷头组件104通过供应线路131、 132和133接收气体。在另一实施例中， 每个供应线路131、 132可包括连接至喷头组件104并且与喷头组件104液体 相联的多个线路。第一前驱物气体154和第二前驱物气体155流经供应线路 131和132进入环形歧管170和顶部歧管163中。非反应气体151，其可为惰 性气体例如氢(H2)、氮(N2)、氦(He)、氩(Ar)或其它气体及其组合，可 流经连接至中心导管148的供应线路133，该中心导管位于喷头组件中心或在 喷头组件104的中心附近。中心导管148可以用作中心惰性气体的扩散器，其 使非反应气体151流入到处理容积108的中心区域中去以帮助阻止中心区域 中的气体回流。在另一实施例中，中心导管148可运送前驱物气体。
在又一实施例中，通过中心导管148将清洁和/或刻蚀气体或等离子传送 到室102中去。中心导管148适于分散室102内部的清洁和/或刻蚀气体或等 离子体以提供更加有效的清洁。在另一实施例中，该装置ioo可适合通过其它 路线将传送清洁和/或刻蚀气体或等离子体到室102中去，例如第一和第二气 体注射孔156、 157。在一个实施例中，氟或氯基等离子用做刻蚀或清洁。在 另一实施例中，卤素气体，例如Cl2、 Br和12或卤化物例如HCl,、 HBr和ffl
可用做非等离子体刻蚀。
在另一实施例中，中心导管148可用作计量端口，计量工具(未示出)可
连接至中心导管148。计量工具可用于测量例如厚度、粗糙度、成分的各种膜 特性或其它特性。在另一实施例中，中心导管148可以用作诸如高温计或热电 偶的温度传感器的端口。
第一前驱物气体154流入环形歧管170中并且穿过由配置在环形歧管170 的内部直径上的限制墙172形成的间隙173。当第一前驱物气体154流入与第 一气体注射孔156液体相联的第一气室144中时，该限制墙172可在环形歧 管170的第一方位角方向上提供更加均匀的气体分布。第二前驱物气体155 流入顶部歧管163中去并且被分散放射状穿过孔164进入第三气室160。于是， 第二前驱物气体155流动穿过阻断片孔162进入第二气室145并且进入与第二气体注射孔157液体相联的气体导管147。第一气室144不与第二或第三气 室145、 160液体相联，所以第一和第二前驱物气体154、 155保持隔离直到 注入到室102中。
第一和第二前驱物气体154、 155从第一和第二气体注射孔156、 157流 入，然后进入混合通道150中，在此将第一和第二前驱物气体混合154、 155 混合以形成处理气体152，然后该处理气体流入处理容积108中。在一个实施 例中，载气，其可包括氮气(N2)或氢气(H2)或惰性气体，在传送到喷头 组件104之前，与第一和第二前驱物气体154、 155混合。
在一个实施例中，传送至第一气室144的第一前驱物气体154可包括V族 前驱物，传送至第二喷头145的第二前驱物气体155可包括ffl族前驱物。在另 一实施例中，可转换前驱物的传送，因此V族前驱物输送至第二气室145并且 m族前驱物输送至第一气室144。用于特定前驱物的第一或第二气室144、 145 的选择，部分通过气室离热交换通道141的距离以及对于每个气室及在其中的 前驱物可保持的期望的温度范围来确定。
m族前驱物可以是金属有机物(MO)前驱物例如三甲基镓("TMG")、 三甲基铝("TMA1")和/或三甲基铟("TMI")，但是也可使用其它合适的MO 前驱物。V族前驱物可以是诸如氨(NH3)的氮前驱物。在一个实施例中，单 一MO前驱物，例如TMG，可以传送至第一气室144或第二气室145。在另 一实施例中，可混合两个或更多MO前驱物，例如TMG和TMI，并且传送到 第一气室或第二气室145。
邻近第一和第二气体注射孔156、 157和混合通道150配置的是热交换通 道141，热交换流体通过热交换通道流动以帮助调节喷头组件104的温度。合 适的热交换流体包括水，水基乙烯乙二醇混合物、全氟聚醚(例如,Galden⑧液 体)、油基热传递液体或类似液体。当需要将喷头组件104的温度维持在期望 的温度范围之内时，热交换流体可以循环穿过热交换器(未示出)以升高或降 低热交换流体的温度。在一个实施例中，热交换流体保持在大约20摄氏度至 大约120摄氏度的温度范围之内。在另一实施例中，热交换流体保持在大约 100摄氏度至大约350摄氏度的温度范围之内。在又一实施例中，热交换流体 保持在大于350摄氏度的温度范围之内。也可将热交换液加热到其沸点之上， 因此喷头组件104可以使用容易获得的热交换流体保持较高的温度。同时，热
12交换液可以为液体金属，例如镓或镓合金。
也可调节热交换液的流速以帮助控制喷头组件104的温度。另外的，设计 热交换通道141的壁厚度以有助于各种喷头表面的温度调节。例如，喷头正面 153的壁厚度T (见图2A)可以做的更薄以增加通过壁的热传递的速率并且 因而增加喷头正面153的冷却或加热速率。
对于诸如混合通道150和喷头正面153的各种喷头组件104部件的温度控 制，期望减小或消除在喷头组件104上冷凝物的形成，同时减少形成气相微粒 形成并阻止不需要的前驱物反应产物的产生，该产物不利地影响在衬底140 上沉积的膜的成分。在一个实施例中，接近喷头正面153配置一个或多个热偶 或其它温度传感器以测量喷头温度。在中心导管148和/或喷头组件104的外 部周界504 (见图6)附近配置该一个或多个热偶或其它温度传感器。在另一 实施例中，接近热交换通道141的入口和出口配置一个或多个热偶或其它温度 传感器。在另一实施例中，接近其它喷头组件104部件设置该温度传感器。在 另一实施例中，接近其它喷头组件104部件设置温度传感器。
由一个或多个热偶或其它温度传感器测量的温度数据可以发送至控制器 (未示出)，该控制器可调节热交换流体的温度和流速以使喷头温度保持在预 定范围之内。在一个实施例中，喷头温度可保持在大约50摄氏度至大约350 摄氏度。在另一实施例中，喷头温度可保持在大于350摄氏度的温度。
图2A为根据本发明的一个实施例的图1B中示出的喷头组件的详细横截 面图。该第一和第二前驱物气体154、 155从底部片孔(bottomplate hole) 250 和气体导管147流入到第一和第二气体注射孔156、 157中并且然后进入混合 通道150。第一气体注射孔156具有直径D1并且第二气体注射孔157具有直 径D2。气体导管147为在第一气体注射孔156附近的具有内部直径D2和外 部直径D3的管子。在一个实施例中，气体导管147为圆柱管。在另一实施例 中，气体导管147可包括多个具有不同横截面的管子。例如，气体导管147 可包括具有不同内部和外部直径的导管251、 252和253 (见虚线)，其中导管 251、 252和253连接在一起(例如，铜焊或焊接)以形成单一、集成的管子。 在又一实施例中，气体导管147可包括一个或多个已经成型的管子并且每个管 子具有不同的横截面。在其它实施例中，该气体导管147可具有其它形状。
在中间片孔240内配置气体导管147的第一末端并且该气体导管147的第一末端合适地连接(例如，铜焊)至中间片210，因而在气体导管147和中间 片210之间形成液体密封。在底部片孔250内配置气体导管147的第二末端 以使气体导管147与底部片孔250及第一气体注射孔156同心或同轴，因而 该气体导管147的第二末端形成同心或同轴于第一气体注射孔156的第二气 体注射孔157。在一个实施例中，该第一和第二气体注射孔156、 157延伸至 公共表面如通道表面202并且近似共面。在另一实施例中，可稍微在第一气体 注射孔156的平面外部配置气体导管147的第二末端，因而第一和第二气体注 射孔156、 157不共面。
底部片孔250具有延伸穿过底部片233的直径D4。在一个实施例中，直 径D4可在大约1毫米(mm)至大约7毫米(mm)的范围。在底部片孔250 之内配置具有直径D1的环形垫圈254以形成气体注射孔156。该环形垫圈(ring insert) 254可为部分或完全沿着底部片孔250的长度延伸的管子。该环形垫圈 254连接至(例如，压配合或铜焊或焊接)底部片孔250，因而在底部片孔250 和环形垫圈254之间形成液体密封。在另一实施例中，环形垫圈254可以被类 似的环形部件代替，该环形部件用机械加工(例如，扩孔)至底部片孔250 中去。在又一实施例中，可以合适的选择底部片孔250的大小以形成这样的第 一气体注射孔156使得直径D4等于直径Dl 。
在第一气体注射孔156之内配置气体导管147的第二末端并且在气体导 管147和第一气体注射孔156之间形成注射孔间隙165，前驱物气体154穿过 该注射孔间隙165流动。该注射孔间隙165形状上为环形并具有间隙尺寸Gl。 可选择孔直径D1、内部直径D2、外部直径D3和间隙尺寸G1以促进层气体 流动，避免气体回流并帮助提供对于第一和第二前驱物气体154、 155的期望 的气体流速。在一个实施例中，穿过每个第一和第二气体注射孔156的气体流 速可以近似相等。在一个实施例中，第一气体注射孔156具有从大约.7mm至 大约1.5毫米范围的直径D1;气体导管147的内部直径D2可在从大约.2mm 至大约.8mm的范围；气体导管147的外部直径D3可在从大约.4mm至大约 lmm的范围；和间隙尺寸G1可在从大约.05mm至大约.5mm的范围。
第一和第二前驱物气体154、 155流入混合通道150并且混合以形成处理 气体152。混合通道150在进入处理容积108之前，允许第一和第二处理气体 154、 155部分或完全混合，在处理容积中当处理气体152流向衬底140时可发生额外的前驱物混合。另外地，同心注射孔间隙165和第二气体注射孔157 的接近性可促进在混合通道150之内前驱物气体的更快和更彻底的混合。第一 和第二前驱物气体154、 155的这种"预先混合"可在处理气体152到达衬底 140之前提供前驱物的更加完全和均匀混合，导致更高的沉积速率和改善的膜 质量。
可通过热交换通道141的邻近混合通道150的外部或表面壁形成混合通 道150的垂直壁201。在一个实施例中，混合通道150包括由基本上彼此平行 的垂直壁201形成的表面壁。从通道表面202至拐角206测量混合通道150 的高度H，在拐角206处混合通道150结束。在一个实施例中，混合通道150 的该高度H可从大约3mm至大约15mm的范围。在另一实施例中，混合通道 150的高度H可超过15mm。在一个实施例中，混合通道150的宽度Wl可从 大约lmm至大约5mm的范围并且热交换通道141的宽度W2可以从大约2mm 至大约8mm。
在另一实施例中，由斜面、斜角、扇形或其它几何形状代替拐角206以在 混合通道150的一个末端产生发散壁200 (通过虚线表示)，该混合通道150 具有由通道表面202至拐角203测量的高度H'，在拐角203处混合通道结束。 在衬底140的方向上增加发散壁200之间的距离，从而喷头正面153的表面 积减小并且当处理气152向下游流动时气流路径变宽。喷头正面153的表面积 的减小将帮助减小气体冷凝，而在处理气体152流经热交换通道141时，分散 壁200可帮助减小气体回流。可选择分散角a以增加或减小喷头正面153的 表面积并且帮助减小气体回流，在一个实施例中，角度a为零度。在另一实施 例中，角度a为45度。在另一实施例中，热交换通道141可在通道的一侧上 具有拐角206并且在通道的相反侧上具有分散壁200。
图2B和2C用于喷头组件104的混合通道150和热交换通道141的不同 实施例的横截面图。图2B为将斜面、斜角、扇形或其它几何形状放置在混合 通道150的一个末端以在混合通道150的一个末端产生分散壁200的实施例， 该混合通道150具有如从拐角203至通道表面202测得的高度H '。
图2C示出其中垂直壁201和分散壁200都被使用并且关于热交换通道 141的中心平面205不对称设置的另一实施例。当处理气体152从喷头组件 104流至环形排气通道105时，该非对称壁结构可使回流降低到最小程度。高
15度H '和H分别从通道表面202至拐角203和206测量。高度H '和H可用于 表示混合通道150的有效长度的特征。
图2C示出图1B中示出的喷头组件104的另一实施例。可通过配置在喷 头组件104处或附近的热交换流体导管232代替中心导管148，和供应线路 133可以适合使热交换流体流动。热交换流体导管232可用作用于热交换通道 141的供应或返回线路。
图3A-3D为根据本发明的喷头组件的另外实施例的横截面透视图。图3A 示出混合通道150和热交换通道141。如图4中所示，这些通道是直的并且彼 此平行，线性延伸跨过喷头的底部表面。热交换导管232连接至热交换通道 141并且向上延伸穿过中间片210。可环绕热交换流体导管232配置诸如O型 环的密封装置(未示出)，因而，第一气室144不与第二或第三气室145、 160 液体相联。环绕第一气室144的外周配置具有限制壁172和间隙173的环形 歧管170。气体导管147从中间片延伸并且与底部片孔250同心或同轴，同时 在环形垫圈254之内配置每个气体歧管147的第二末端以形成注射孔间隙 165，该注射孔间隙与第二气体注射孔157同心。在一个实施例中，气体歧管 147可包括石英或诸如316L不锈钢、Inconel 、 Hastelloy 、化学镀镍的铝、 纯镍及其它抵抗化学侵蚀的金属或合金的其它材料。注射孔间隙165和第二气 体注射孔157与混合通道150液体相联，该混合通道150具有拉长混合通道 150的长度的矩形横截面220。
图3B示出图3A中示出的气体导管147的另一实施例。气体导管147为 漏斗状并且包括具有不同内部和外部直径的导管251、 252和253，其中导管 251、 252、 253耦接在一起(例如，铜焊或焊接)以形成单一、集成的管子。 在另一实施例中，气体导管147可以包括一个或多个已经成型的管子并且每个 管子可具有不同横截面直径。
图3C和3D示出对于底部片孔250、混合区325和热交换通道141的另 外的实施例。图3C示出延伸进入底部片孔250的圆柱状气体导管147，该底 部片孔为圆锥或漏斗状。底部片233可以包括耦接在一起的两个或更多片，其 中片的其中之一包括热交换通道141 。底部片孔250的下部255可以具有圆柱 形状。该气体导管147与底部片孔250同心或同轴并且延伸至底部片孔250 中以形成注射孔间隙165和与配置在热交换通道141之间的混合区域325液体相联的第二气体注射孔157。混合区域325形状上是具有环形横截面221的 圆锥形。在一个实施例中，热交换通道141包括x-y栅格(见图5)，其中热 交换流体可以在同样以栅格图案配置的混合区域325之间流动。图3D示出对 于气体导管147的另一实施例，其中该气体导管147是漏斗形状。
图3E为根据本发明的一个实施例的喷头组件的横截面双断面图。该喷头 组件104包括连接在一起的顶部片230、阻断片161 、中间片210和底部片233。 底部片233包括热交换通道141和混合通道150，混合通道150包括横越并且 在衬底载体114之上延伸的彼此平行的直的通道。
第二前驱物气体155通过阻断片161传送至第二气室145。然后，第二前 驱物气体155流入多个配置在中间片210中的中间片孔中去并且进入与混合 通道150流通相联的气体导管147中去。在每个中间片孔240中配置气体导 管147，但是为了清楚，仅示出几个气体导管147。在一个实施例中，第二前 驱物气体155可以是金属有机前驱物，例如TMG。
如图3E中所示，每个气体导管147为漏斗状。在另一实施例中，气体导 管147形状上可以是圆柱状。在中间片孔240中配置每个气体导管147的第 一末端并且气体导管147的第一末端合适地连接(例如，铜焊和/或压配合) 至中间片210，因而在气体导管147和中间片210之间形成液体密封。在底部 片孔250之内配置每个气体导管147的第二末端，以使气体导管147同心于 或同轴于底部片孔250。
第一气室144包含流入多个底部片孔250中去的第一前驱物气体154,该 多个底部片孔与混合通道150液体相联。在一个实施例中，第一前驱物气体 154可以是氮前驱物，例如氨。
图3F为根据本发明的一个实施例的图1B中示出的喷头组件的详细横截 面图。通过供应线路131将第一前驱物气体154传送至配置在第一气室144 的外围的环形歧管170中。然后，气体流经配置在位于环形歧管170的内周的 限制壁172的顶部的间隙173并且进入第一气室144和底部片孔250。当前驱 物气体流入第一气室144中时，间隙173可以十分狭窄以使环形歧管170能 够填充并且在方位角方向上获得更加均匀的气体分布。另外的，间隙173具有 间隙尺寸G2，可以使该间隙尺寸大小合适以控制进入气室的气流速率和促进 层流气体流动。在一个实施例中，间隙尺寸G2可从大约.5mm至大约1.5mm的范围。
第二前驱物气体155从第三气室160流入阻断片孔162中并且进入第二气 室145，在第二气室气体流入多个中间片孔240中并且进入气体导管147。通 过同心的第一和第二气体注射孔156、 157将第一和第二前驱物气体154、 155 注入到混合通道150中。
图3F也示出包括多个片的喷头组件104。将顶部片230、中间片210和 底部片233耦接在一起以形成喷头组件104并且底部片233可包括两个或多 个片，其中该片中的一个包括热交换通道141。在整个组件中可以配置一个或 多个o型环(未示出)和o型沟槽241或其它密封装置以允许诸如气室和冷却 液通道的各种喷头元件的液体隔离。
可设计喷头组件104以使其可被分解以有助于清洗和部分替代。可与处理 环境兼容的和可用做喷头组件104的材料包括316L不锈钢、Inconel , Hastdloy ,无电镀镍铝、纯镍、钼、钽及抵抗来自高温、热应力、和化学前 驱物反应引起的退化和变形的其它金属和合金。为了帮助减小装配的复杂性并 且确保不同气体和流经该组件的液体的隔离，电铸也可用于制造喷头组件104 的各部分。这种电铸件可减小零件的数量并且需要密封以隔离组件之内的不同 气体和液体。另外的，电铸也可帮助减小用于那些具有复杂几何形状的部件的 制造成本。
图4A为根据本发明一个实施例的图1B中示出的喷头组件的示意性底视 图。喷头组件104的直通道几何结构通过同心的第一和第二注入孔156和157 的线性布置和配置于喷头组件104底部的注入孔间隙165体现。混合通道150 包括从喷头正面153凹进且有垂直壁201的直的并且平行的通道。热交换通道 141包括宽度为W2并且配置于宽度为W2的混合通道150之间的直的和平行 的通道。混合通道150平行于热交换通道141。
如图4A中所示，同心气体注入孔的位置可以从一个混合通道150到下一 个交错。孔距P是沿着相同的混合通道150同心气体注入孔之间最短的距离， 如图所示虚线A之间和虚线B之间的距离。沿着相邻混合通道150的同心气 体注入孔之间的垂直距离(如在混合通道150方向上测量的)通过交错排列气 体注入孔可以减少到P/2，如图所示虚线A和虚线B之间的距离。气体注入孔 的这样交错可以在衬底载体114和衬底140之上提供更均匀的气体分布。在另一个实施例中，同心气体注入孔不是交错排列，P代替P/2。
中心导管148位于或在喷头组件104附近，并且此处对于中心导管148 的几个实施例己在前面描述。 一个或多个端口 400和401可以围绕中心导管 148配置，并且取决于每个端口 400和401期望的功能，端口 400和401的直 径可以相同或不同。在一个实施例中，端口 400和/或401可用于容纳诸如高 温计或热电偶的温度传感器，以测量衬底温度和/或诸如喷头正面153的温度 的其它温度。在一实施例中，端口 400和401可以配置在喷头组件104上以 避免和热交换通道141交叉。
在另一实施例中，端口 400和/或401可用作计量端口并且可耦接至一个 或多个计量工具(未示出)。该计量工具可用于测量诸如实时膜生长、厚度、 粗糙度、成分的各种膜特性，或其它特性。 一个或多个端口 400和401也可以 被倾斜一定角度以允许使用计量工具，诸如用于反射系数测量，其可能需要用 于例如，反射的激光束的倾斜的发射器和接收器。
每个端口 400和401也可适合使吹扫气(其可为惰性气体，例如氮和氩) 流通以防止在端口 400和401之内器件上的冷凝并且使原位测量能够精确。吹 扫气可以具有环绕传感器、探针和其它配置在管子传感器301内部并且临近端 口 400、 401的装置的环形流。在另一实施例中，端口 400、 401可具有分散 喷头构造，因而当气体朝向140向下游移动时，吹扫气流路径变宽。分散喷头 可以是埋头孔、斜面、扇形和可使气流路径变宽的其它特征。在一个实施例中， 吹扫气可具有大约50sccm (标准立方厘米每分钟)至大约500ccm的流速。
图4B和4C为对于根据本发明的在图4A中示出的喷头组件的另外实施 例的示意性底视图。图4B示出喷头组件104的另一实施例，其中直通道几何 结构被螺旋通道取代。混合通道150和热交换通道141包括从喷头组件104 的中心"螺旋出来"的螺旋通道。同心第一和第二气体注入孔156和157和注 入孔间隙165沿着到垂直壁测得距离为宽度Wl的螺旋混合通道150配置在喷 头组件104的底部。螺旋混合通道150远离喷头正面153并且紧邻宽度为W2 的螺旋热交换通道141，并且混合通道150和热交换通道141交替沿着喷头组 件104的半径。此处中心导管148和端口 400、 401在前面实施例中已经描述。 虽然螺旋通道己经被公开，但例如同心通道的其他装置也可用做热交换通道 141和混合通道150。图4C为另一实施例的喷头组件104的示意性底视图。混合通道150和热 交换通道141组成同心通道配置在喷头组件104的底部。同心第一和第二气体 注入孔156和157和注入孔间隙165沿着到垂直壁201距离为宽度Wl的同心 混合通道150配置。同心混合通道150远离喷头正面153并且紧邻宽度为W2 的同心热交换通道141，并且混合通道150和热交换通道141交替沿着喷头组 件104的半径。
图5为根据本发明的一个实施例的图3C和3D中示出的喷头组件的示意 性底视图。在此实施例中，混合通道被圆锥形的有圆形横截面221的混合区域 325取代。第一和第二气体注入孔156和157和注入孔间隙165关于混合区域 325同心，混合区域325沿着喷头正面153以x-y网格模式排列。
热交换通道141配置在混合区域325之间以使热交换通道141组成在x 方向上宽度为X2而在y方向上宽度为Y2的x-y网格模式(见交叉阴影)。对 于载送热交换流体的热交换通道141， X2和Y2指示近似宽度。宽度XI和 Yl指出包括混合区域325但位于热交换通道141外的近似面积。在一实施例 中，宽度X1、 X2、 Y1和Y2近似相等。此处对于中心导管148和端口 400、 401前面实施例已描述。
图6为根据本发明的喷头组件的另外实施例的示意性底视图。多个同心气 体注入孔502与配置于热交换通道141之间的直的混合通道150液体连通。 同心气体注入孔502包括第一和第二气体注入孔156和157和注入孔间隙165， 分别具有直径D1、直径D2和间隙大小G1。
在一实施例中，如象限IV所示，可使用相同尺寸的气体注入孔502穿过 喷头正面153。术语"同样尺寸"意味着从一个气体注入孔502到另一个，Dl 、 D2和Gl的值不会改变。喷头组件104可以被合适地设计有助于达到适当的 气流以使近似相同数量的气体随时间通过每个传送相同前驱物气体的气体注 入孔传送。气体注入孔的直径也可以设计为合适的尺寸以有助于确保来自每个 流相同前驱物气体的气体注入孔的气流速度大致相同。质量流量控制器可以配 置在喷头组件104的上流以使每种前驱物到气室的流速可调整，从而控制处理 气体152的前驱物化学配比。然而，在一定条件下，也可能期望在沿着喷头正 面153的不同位置增加或减小处理气体152的流速。
在一实施例中，如象限I所示，在喷头组件104的外部周界504附近可以
20使用比同心气体注入孔502的相应直径有更大直径Dl和D2的更大的同心气 体注入孔503来增加气流速度，以有助于补偿在环形排气通道105和衬底载体 114外部边缘附近可能存在的气流不规则性。例如，在外部周界504附近环形 排气通道105的真空可能耗尽处理气体152，并且更大的同心气体注入孔503 有助于补偿气体损耗。在一实施例中，可以选择更大的D1和D2的值以使间 隙大小以相应比例增加从而使第一和第二前驱物气体154、 155之间的相对流 速不变。
象限II示出在喷头组件104的外部周界504附近对于同心气体注入孔502 使用更大孔密度(单位面积孔数目)，这有助于在衬底140上提供更均匀的气 体分布。孔距P是沿着相同混合通道150在同心气体注入孔502之间的最短 距离，并且间隔距离X是配置在相邻混合通道150中的同心气体注入孔502 之间的最短距离。在喷头组件104期望的面积上，孔距P可以改变以增加或 减小孔密度。在此实施例中，孔距P减小以增加在外部周界504附近的密度 而间隔距离X保持不变。在另一实施例中，间隔距离X和/或气体通道501的 尺寸也可以改变以增加或减小孔密度。在一实施例中，在外部周界504附近的 孔距P和远离外部周界504的正常孔距的比例范围从大约1:1到大约0.5:1。
在又一实施例中，如象限m所示，同心气体注入孔506可用作增加相对 于另一前驱物气体的前驱物气体的流速而有助于获得跨过喷头正面153的期 望气流、气体分布和/或化学配比。在该实施例中，仅增加相对于同心气体注 入孔502的第一气体注入孔156的直径D1。在另一实施例中，可以仅增加相 对于同心气体注入孔502的第二气体注入孔157的直径D2。在其他实施例中， 视需要跨过喷头组件104的同心气体注入孔502的直径和孔密度可以变化。此 处在图6中示出的实施例可以和此处关于喷头组件104描述的其他实施例组 合使用。
此处前面描述的喷头组件104在MOCVD的应用适合于另一沉积技术， 总所周知为氢化物气相外延(HVPE)。 HVPE工艺在一些III-V族薄膜的生长， 特别是GaN生长具有诸如高的生长率、相对简单性和成本效率的几个优势。 在此技术中，GaN的生长进行应归于高温、在氯化镓(GaCl)和氨之间的气 相反应。氨由标准气源提供，而GaCl是由含有氢化物的气体，例如HC1，通 过热的液态镓源而产生。两种气体，氨和GaCl，朝加热的衬底引导，在衬底处反应并且在衬底表面形成GaN薄膜。通常，HVPE工艺可以用作生长其他 III族-氮化物薄膜，通过使含有氯化物的气体(例如HC1、 HBr或HI)流过III 族液态源而形成m族-卤化物气体，然后混合III族-卤化物和诸如氨的含氮气 体而生成III族-氮化物薄膜。
在一个实施例中，气体传送系统125包括连到腔室102的外部热源舟(未 示出)。热源舟包括加热到液相的金属源(例如，Ga)，并且包含氯化物的气体 (例如，HC1)可以流过金属源而形成III族-卤化物气体，例如GaCl。 III族-卣 化物气体和诸如NH3的含氮气体，通过供应线路131、132传送的喷头组件104 的第一和第二气室，注入处理容积108而在衬底140上沉积诸如GaN的III 族-氮化物薄膜。在另一实施例中，加热一个或多个供应线路131、 132以从外 部热舟传送前驱物气体到腔室102。在另一实施例中，惰性气体，可能是氢、 氮、氦、氩或他们的组合，在第一和第二 HVPE前驱物气体之间流动以保持 在到达衬底140之前前驱物气体分开。HVPE前驱物气体可以包括掺杂气体。
除此处前面提到的III族前驱物气体之外，其他III族前驱物气体可用于喷 头组件104。有通式MX3的前驱物气体，此处M为III族元素(例如，镓、铝 或铟)，且X为VII族元素(例如溴、氯或碘)，也可以使用(例如，GaCl3)。 气体传送系统125的组件(例如，起泡器、供应线路)相称地适合于传送MX3 前驱物气体到喷头组件104。
虽然前述针对本发明的实施例，不偏离本发明的基本范围的条件下可以设 计本发明其他和进一步的实施例，并且本发明的范围通过下述权利要求确定。
权利要求
1. 一种喷头装置，包括用于第一前驱物气体的第一气室；用于第二前驱物气体的第二气室；和多个内部和外部注射孔，其中该内部注射孔配置在该外部注射孔的边界之内，该内部注射孔与第一气室液体相联并且该外部接触孔与第二气室液体相联。
2. 根据权利要求1中所述的装置，其特征在于，进一歩包括多个内部气 体导管，通过其提供该第一前驱物气体用于穿过该内部孔注射，和多个外部气 体导管，通过其提供该第二前驱物气体用于穿过外部注射孔注射。
3. 根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述内部气体导管的每个 具有与其同心布置的外部气体导管。
4. 根据权利要求1所述的装置，其特征在于，进一步包括在面对衬底处 理容积的喷头的侧面上限定的混合通道，其中该第一前驱物气体和该第二前驱 物气体通过内部和外部注射孔注入该混合通道。
5. 根据权利要求4所述的装置，其特征在于，该混合通道具有直的并且 平行的构造。
6. 根据权利要求4所述的装置，其特征在于，该混合通道具有螺旋构造。
7. 根据权利要求4所述的装置，其特征在于，该混合通道具有同心构造。
8. 根据权利要求1所述的装置，其特征在于，对于在面对衬底处理容积 的喷头侧面上的内部和外部注射孔中的每对分别限定混合区域。
9. 根据权利要求8所述的装置，其特征在于，在x-y栅格区域中布置对 于多对内部和外部注射孔限定的混合区域。
10. —种喷头装置包括多个在面对衬底处理容积的侧面上限定的前驱物混合通道； 多个第一注射孔，通过其第一前驱物气体注入到前驱物混合通道中；和 多个第二注射孔，通过其第二前驱物气体注入到前驱物混合通道中；其中第一注射孔中的每个具有在该第一气体注射孔的边界之内配置的第 二注射孔。
11、 根据权利要求io所述的装置，其特征在于，所述第一注射孔的每个具有与其同心布置的第二注射孔。
12、 根据权利要求10所述的装置，其特征在于，该第一注射孔具有相 同的孔直径并且该第二注射孔具有相同的孔直径。
13、 根据权利要求10所述的装置，其特征在于，该第一注射孔具有不 同的孔直径，以致该孔直径在越靠近喷头装置的外围区域的孔位置越大。
14、 根据权利要求10所述的装置，其特征在于，该第一和第二注射孔 在越靠近喷头装置的外围区域附近的孔位置具有越大的密度。
15、 根据权利要求10所述的装置，其特征在于，进一步包括形成在面 对衬底处理容积的喷头装置侧面上的热交换通道。
16、 根据权利要求15所述的装置，其特征在于，该热交换通道具有多 个朝向衬底处理容积延伸并且限定前驱物混合通道的壁。
17、 根据权利要求10所述的装置，其特征在于，改第一前驱物气体包括in族前驱物气体并且该第二前驱物气体包括V族前驱物气体。
18、 一种喷头装置，包括 用于第一前驱物气体的第一气室；多个第一气体导管，通过其该第一前驱物气体从该第一气室提供至前驱物 混合区域；用于第二前驱物气体的第二气室；和多个第二气体导管，通过其该第二前驱物气体从该第二气室提供至前驱物 混合区域，其中每个第一气体导管具有在该第一气体导管的边界之内配置的第二气 体导管。
19、 根据权利要求18所述的装置，其特征在于，所述第一气体导管的 每个具有与其同心布置的第二气体导管。
20、 根据权利要求18所述的装置，其特征在于，每个第一和第二气体 导管具有圆柱形结构。
21、 根据权利要求18所述的装置，其特征在于，该第一和第二气体导 管中的至少一个具有圆锥形结构。
22、 根据权利要求18所述的装置，其特征在于，进一步包括在面对衬底处理容积的喷头装置侧面上形成的热交换通道。
23、 根据权利要求22所述的装置，其特征在于，该热交换通道具有朝 向衬底处理容积延伸并且限定前驱物混合通道的多个壁。
24、 根据权利要求23所述的装置，其特征在于，进一步包括用于测量 喷头的温度的一个或多个温度传感器，其中基于测得的温度来控制流经热交换 通道的热交换流体的流速和温度。
25、 根据权利要求18所述的装置，其特征在于，对于在面对衬底处理 容积的喷头的侧面上的第一和第二气体导管中同心布置的每对分别限制混合 区域。
全文摘要
本发明提供了一种可用做化学气相沉积和/或氢化物气相外延(HVPE)沉积的方法和装置。在一个实施例中，金属有机化学气相沉积(MOCVD)工艺用于在多个衬底上沉积III族-氮膜。III族-前驱物，例如，三甲基镓、三甲基铝或三甲基铟及诸如氨的含氮前驱物，分别传送至多个同心气体注射端口。该前驱物气体注入到混合区域中，该气体在进入包含衬底的处理容积之前在混合区域中混合。
文档编号C23C16/455GK101423937SQ20081017060
公开日2009年5月6日 申请日期2008年10月16日 优先权日2007年10月16日
发明者亚历山大·塔姆, 戴维·布尔, 桑迪普·尼杰霍安, 罗纳德·史蒂文斯, 雅各布·W·格雷森 申请人:应用材料股份有限公司