专利名称：用于金属有机化学气相沉积反应器的气体分布装置及反应器的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及生长第III族元素和第V族元素化合物薄膜的反应器，尤其涉及 一种用于金属有机化学气相沉积反应器的气体分布装置及相关反应器。
背景技术：
氮化镓(GaN)是一种广泛应用于制造蓝光、紫光和白光二极管、紫外线检测器和 高功率微波晶体管的材料。由于GaN在制造适用于大量用途的低能耗装置(如，LED)中具 有实际和潜在的用途，GaN薄膜的生长受到极大的关注。GaN薄膜能以多种不同的方式生长，包括分子束外延(MBE)法、氢化物蒸气阶段外 延(HVPE)法、金属有机化合物化学气相沉积(MOCVD)法等。目前，MOCVD法是用于为生产 LED得到足够质量的薄膜的优选的沉积方法。MOCVD工艺通常在一个具有温度控制的环境下的反应腔或反应腔内进行。通常， 由包含第III族元素(例如镓(Ga))的第一前体气体和一含氮的第二前体气体(例如氨 (NH3))被通入反应腔内反应以在基片上形成晶体GaN薄膜。一载流气体(carrier gas)也 可以被用于协助运输前体气体至基片上方。这些前体气体在被加热的基片表面混合反应， 进而形成第III族氮化物薄膜(例如GaN薄膜)而沉积在基片表面并形成晶体外延层。前述的第一前体气体第二前体气体需要在到达基片时要按比例均勻混合，但是第 一前体气体和第二前体气体又不能过早的混合，因为基片被加热到反应温度(通常大于 IOOO0C )时基片上方空间受辐射温度也很高，所以两种反应气体的混合气体在温度足够 高的其它空间也能发生反应而形成结晶固体。这种结晶固体会随着气流扩散形成污染而不 会在基片上形成晶体GaN。传统MOCVD反应气体供气形式有多种，其中包括多种气体水平供 气的方法，如现有技术US5370738中所示含V族元素和III族元素的气体通过不同层的通 道在接近基片附近的空间混合并流过基片表面，并在基片另一端被抽走。用这种方法供气 存在明显的问题混合气体流过基片的上游和下游，若气体混合度不同则反应气体成份就 不同，这会造成整个基片表面的沉积均一性降低。为了解决这个问题Thomas Swan公司提出了利用接近基片的喷淋头来供气的方 法，如专利EP0687749所示，利用该方法基本可以实现基本表面的均勻处理，但是由于要在 整个反应区表面均勻地供应不同的反应气体，而且在到达反应区前两种前体气体要互相隔 离，所以气体喷淋头的结构非常复杂、难以制造，在使用中的维护和清洗也非常困难。CN10167849提出了一种层叠的气体喷淋头结构，每层气体分布板中均包括多个互 相隔离的腔体，将多层气体喷淋头部件在高温下压焊形成一个整体，构成一个完整功能的 气体喷淋头。这种结构的喷淋头在工业应用中仍然存在不可弥补的缺陷，由于不同气体分 布板之间是压焊的，在每个高温处理循环中气体喷淋头都会经历一次伸缩过程，长时间运 行后，不同气体管道之间不可避免地会发生串扰，在基片的高温辐射下还会发生化学反应 形成沉积物，污染气体管道。而且由于整个气体喷淋头是被整体焊接在一起的，这些污染物很难被清洗掉，严重影响后续处理的效果。所以业界需要一种既能实现在整个反应表面均勻供气，又能防止不同反应气体在 进入反应区前互相串扰的气体喷淋头，而且该气体喷淋头要易于制造和维护。
实用新型内容针对背景技术中的上述问题，本实用新型的目的在于提供一种既能实现在整个反 应基片表面均勻供气，又能防止不同反应气体在进入反应区前互相串扰的气体分布装置及 相关反应器，而且该气体分布装置要易于制造和维护、大大节省使用者的成本。根据本实用新型的第一方面，本实用新型提供了一种用于金属有机化学气相沉积 反应器的气体分布装置，包括顺序叠加、彼此连接在一起的控温气体分布板、第一气体分布板和第二气体分布 板，其中所述控温气体分布板与所述第一气体分布板之间焊接固定，所述第一气体分布板 和所述第二气体分布板之间通过可拆卸固定装置固定连接；所述控温气体分布板、第一气体分布板和第二气体分布板上分别预设有若干通 道，在所述控温气体分布板、第一气体分布板和第二气体分布板彼此连接后，所述若干通道 相互连通并构成相互隔离的若干个第一气体分布通道与若干个第二气体分布通道，所述若 干个第一气体分布通道与第一反应气体源相连通，所述若干个第二气体分布通道与第二反 应气体源相连通；所述控温气体分布板上还设置有与冷却源相连接的冷却腔。其中，所述控温气体分布板包括一上表面和一下表面，所述下表面靠近所述反应 器的反应区，并且所述第一反应气体源与所述第二反应气体源从所述下表面逸出而进入反 应区。其中，所述第一气体分布板或第二气体分布板上还包括与所述若干个第一气体分 布通道或所述若干个第二气体分布通道相连通的气体扩散空间。其中，所述控温气体分布板上的若干通道贯穿所述上表面和下表面。其中，所述第一气体分布板包括一上表面和一下表面，所述第一气体分布板上的 若干通道贯穿所述第一气体分布板的上表面和下表面。其中，所述气体分布装置还包括一个气密板与所述第二气体分布板相邻并连接在 一起，该气密板上设置有与所述若干个第一气体分布通道或所述若干个第二气体分布通道 互相连通的气体扩散空间。其中，所述气密板与所述第二气体分布板通过可拆卸固定装置固定连接。其中，所述可拆卸固定装置是螺栓或螺钉。其中，所述焊接固定为真空钎焊或真空熔焊。其中，所述第二气体分布板包括一上表面和一下表面，所述第二气体分布板上的 若干通道贯穿所述第二气体分布板的上表面和下表面。其中，所述第二气体分布板包括一上表面和一下表面，所述第二气体分布板上的 若干通道不贯穿所述第二气体分布板的上表面和下表面。根据本实用新型的另一方面，本实用新型还提供了一种金属有机化学气相沉积反 应器，其包括前述所述的气体分布装置。
图1所示为一种使用本实用新型所提供的气体分布装置的金属有机化学气相沉 积反应器示意图；图2所示为根据本实用新型第一种实施方式所提供的气体分布装置的零件构成 图；图3为根据本实用新型第一种实施方式所提供的气体分布装置的组装后的结构 图；图4为根据本实用新型第一种实施方式包括第一种气密板的气体分布装置结构 图；图5为根据本实用新型第一种实施方式所提供的多个气体分布板中包括气体扩 散沟槽的气体分布装置结构图。图6为根据本实用新型第二种实施方式所提供的多片组装气体分布装置结构图。
具体实施方式
以下结合附图对本实用新型进行具体说明。本实用新型所提供的气体分布装置应用在如图1所示的金属有机化学气相沉积 (MOCVD)反应器100中，反应器100包括基片基座104放置在可旋转的轴M上。基片基座 104下安装有加热装置103对基片基座和基片基座上放置的基片105进行加热以达到合适 的反应温度(> 100(TC )。反应器顶部安装有气体分布装置101。气体分布装置101通过 管道43连接到第一气体源41，通过管道44连接到第二气体源42，通过管道5连接到冷却 源50。其中第一气体源和第二气源分别是选自含镓的金属有机物气体如三甲基镓(TMG)和 含氮气体如氨气(NH3)。在本实用新型中含镓气体也可是其它气体如等。前述两种 反应气体中还可以选择性地包括N2或H2等载流气体，以控制反应气体流量与反应效果。本实用新型所提供的气体分布装置要实现两种反应气体在气体分布装置内部沿 互相隔离的路径传输并在分别逸出气体分布装置的下表面后再均一混合，以后向基片表面 供气，所以气体分布装置内两种不同反应气体的通道是交替间隔排列的。如图2所示，气体分布装置101包括至少3个气体分布板，它们为顺序叠加、彼此 连接在一起的控温气体分布板30、第一气体分布板20和第二气体分布板10，其中所述控温 气体分布板30与所述第一气体分布板20之间焊接固定，所述第一气体分布板20和所述第 二气体分布板10之间通过可拆卸固定装置固定连接。所述控温气体分布板30、第一气体分布板20和第二气体分布板10上分别预设有 若干通道(如11、21、31、22、32)，在所述控温气体分布板30、第一气体分布板20和第二气 体分布板10彼此连接后，所述若干通道(如11、21、31、22、32)相互连通并构成相互隔离 的若干个第一气体分布通道(参考图3，标号1，容后详述)与若干个第二气体分布通道(参 考图3，标号2，容后详述)，所述若干个第一气体分布通道与第一反应气体源相连通，所述 若干个第二气体分布通道与第二反应气体源相连通。其中，最接近基片反应区的气体分布板30(也称为控温气体分布板)包括一上 表面30a和一下表面30b，所述下表面30b靠近反应器的反应区(即，图1中气体分布装置101的下表面与基片基座104之间的区域)，并且第一反应气体源与所述第二反应气体源从 所述下表面逸出而进入反应区，二者在反应区内混合并在基片表面发生沉积或外延生长反 应。控温气体分布板30上还设置包括有多个冷却腔或冷却管道33分布在整个气体分布板 平面上。冷却腔或冷却管道33连接到图1所示的冷却剂源冷却源50，其中冷却源剂可以是 水或气体。通过这些冷却腔或冷却管道可以使控制气体分布板30的温度，从而将其下方反 应区辐射上来的热量导走，因而整个气体分布装置101的温度可以控制在一定的温度(如 IOO0C )度以下，使整个气体分布装置101保持较低的温度可以防止多片气体分布板(30、 20,10)之间因为剧烈的温度变化和不同的热膨胀系数而发生大幅度的位移和变形，也可以 防止反应气体在高温影响下在没有进入反应腔之前就在气体分布装置101内部发生分解 形成污染物粘附在供气通道的内壁。多片气体分布板发生相对位移、变形时还会造成气体 通道变窄甚至堵塞，影响最终反应效果的均一性。气体分布板30上还包括多个气体通孔 31、32，其中通孔31、32均勻地分布和排列在气体分布板30上，使得在反应过程中向反应腔 内均勻地提供反应所需的两种前体气体。所述控温气体分布板30上设置的若干通道31、32贯穿所述上表面30a和下表面 30b。优选地，若干通道31、32均勻地分布在控温气体分布板30上。在气体分布板30之上是另一气体分布板20 ( S卩，前述第一气体分布板)，其上有与 控温气体分布板30上的多个气体通孔31、32相对应的多个气体通孔21、22。第一气体分布 板20包括一上表面20a和一下表面20b，所述第一气体分布板20上的若干通道21、22也 贯穿所述第一气体分布板20的上表面20a和下表面20b。在气体分布板20之上还有一气体分布板10 ( S卩，前述第二气体分布板)，气体分布 板10上包括与气体分布板20上的通孔21位置对应的若干/多个通孔11。第二气体分布 板10包括一上表面IOa和一下表面10b，所述第二气体分布板上的若干通道11可以选择性 地贯穿或不贯穿所述第二气体分布板的上表面IOa和下表面10b。气体分布板10、20、30的材料可以是不锈钢或者铝等不会与反应气体反应的材料 制成。如图3所示，为根据本实用新型一种实施方式所提供的气体分布装置101组装 后的结构图。所述气体分布装置101中的气体分布板30与气体分布板20通过真空钎焊 (vacuum braze welding)或真空熔焊(vacuum fuse welding)的方式在加热、加压的条件 下焊接在一起，使得气体分布板20与30形成一个整体部件，通过焊接连接可以使所述两个 气体分布板20与30之间连接更紧密，两个气体分布板之间的导热能量大大增加，所以，即 使气体分布板30直接面对高温的环境，但由于气体分布板30上设置有冷却通道及时地将 高温热量带走，仍可以保持两片气体分布板20与30之间的温度差别很小，进而使得两者在 工作过程中因热膨胀引起的延展幅度差别很小，可以避免上述的气孔堵塞、气体通道形变 造成沉积杂质、或造成整个气体分布装置101失效等问题。气体分布板10与20之间则通过机械连接方式密封地连接在一起，例如，可以通过 螺栓4穿过固定孔14、M来固定，其中螺栓4也可以是螺钉或者其它机械固定装置。通过机 械固定装置固定后，气体分布板10、20、30就形成一个完整的气体分布装置。气体通孔11、 21、31形成相互连通的第一反应气体通道1 ；气体通孔22、32形成相互连通的第二反应气体 通道2。由于气体分布板10与20位于气体分布板30之后，远离高温的环境，因而，气体分布板10与20的工作温度不会太高，因而，直接通过机械固定装置将它们固定在一起就可 以满足生产的需求，在工作过程中，气体分布板10与20不会出现因高温导致的热膨胀而出 现的变形等问题，此外，这些机械固定装置能够保证在气体分布装置使用一段时间后，将气 体分布板10从气体分布板20与30形成的整体上拆卸下来进行气体通道的清洗，以保证气 体分布装置101工作在最佳状态。与现有技术相比，由于本实用新型的气体分布板10可以 被拆卸清洗后再投入使用，不会产生浪费，因而可以大大节省使用者的成本。图3中没有示出从气体源41、42分布到多个气体通道1、2的路径，图4中显示了 第一气体源41从管道43到气体通道1的方式。图4中在气体分布板10上添加一气密板 10”，气密板10”同样通过螺栓固定并可拆卸。图1中所示的管道43将第一气体源41先输 送到气密板10”与气体分布板10之间形成的扩散腔60中，再通过扩散腔60将气体均勻分 布到不同的第一反应气体通道1中。第二反应气体源42则可以通过气体分布板10和20 之间开挖的沟槽(容后详述)与供应第二气体的管道44相连接。图5显示了气体分布板10与20之间开挖有使多个第一气体通道1相互联通的沟 槽120，气体分布板20与30之间开挖有使多个第二气体通道2互联的沟槽230。从而实现 了不同反应气体在整个气体分布装置101上的均勻分布。图6显示了另一个本实用新型气体分布装置的实施例，在气体分布板10上加了一 片包括气体扩散沟槽110的气密板10'，通过气体扩散沟槽将管道43的气体分布到第一气 体通道。气体分布板10、20之间也有气体扩散沟槽120将气体分布到第二气体通道。气密 板10'，气体分布板10，20，30之间通过螺栓4等机械装置相连接固定。本实用新型除了可以用在图2-6所示的3-4层气体分布板构成的气体分布装置， 也可以根据反应气体扩散的需要设计成更多层气体分布板构成的结构，比如5或者6层，均 属于本实用新型结构适用范围。本实用新型利用焊接方式对最接近反应区的两片或多片气体分布板进行固定，其 上的多片气体分布板则利用可拆卸的装置如螺栓来固定，这样一来，在气体分布装置运行 一段时间之后就可以将多片气体分布板拆卸下来清洗后再重新组装。由于最接近反应区的 气体分布板包括温度控制机能，所以其上的远离反应区的多片气体分布板的温度相对比较 低，即使存在气体串扰也很少会反应生成沉积物污染下游的反应区。所以本实用新型的气 体分布板结构可以在保证反应区内基片上金属有机物气相反应沉积质量的情况下，使气体 分布装置更易维护与保持长期的沉积效果。以上对本实用新型的各个实施例进行了详细说明。需要说明的是，上述实施例仅 是示范性的，而非对本实用新型的限制。任何不背离本实用新型的精神的技术方案均应落 入本实用新型的保护范围之内。此外，不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及 的权利要求。
权利要求1.一种用于金属有机化学气相沉积反应器的气体分布装置，其特征在于，所述装置包括顺序叠加、彼此连接在一起的控温气体分布板、第一气体分布板和第二气体分布板，其 中所述控温气体分布板与所述第一气体分布板之间焊接固定，所述第一气体分布板和所述 第二气体分布板之间通过可拆卸固定装置固定连接；所述控温气体分布板、第一气体分布板和第二气体分布板上分别预设有若干通道，在 所述控温气体分布板、第一气体分布板和第二气体分布板彼此连接后，所述若干通道相互 连通并构成相互隔离的若干个第一气体分布通道与若干个第二气体分布通道，所述若干个 第一气体分布通道与第一反应气体源相连通，所述若干个第二气体分布通道与第二反应气 体源相连通；所述控温气体分布板上还设置有与冷却源相连接的冷却腔。
2.根据权利要求1所述的气体分布装置，其特征在于所述控温气体分布板包括一上 表面和一下表面，所述下表面靠近所述反应器的反应区，并且所述第一反应气体源与所述 第二反应气体源从所述下表面逸出而进入反应区。
3.根据权利要求1或2所述的气体分布装置，其特征在于所述第一气体分布板或第 二气体分布板上还包括与所述若干个第一气体分布通道或所述若干个第二气体分布通道 相连通的气体扩散空间。
4.根据权利要求2所述的气体分布装置，其特征在于所述控温气体分布板上的若干 通道贯穿所述上表面和下表面。
5.根据权利要求1或4所述的气体分布装置，其特征在于所述第一气体分布板包括 一上表面和一下表面，所述第一气体分布板上的若干通道贯穿所述第一气体分布板的上表 面和下表面。
6.根据权利要求1所述的气体分布装置，其特征在于还包括一个气密板与所述第二 气体分布板相邻并连接在一起，该气密板上设置有与所述若干个第一气体分布通道或所述 若干个第二气体分布通道互相连通的气体扩散空间。
7.根据权利要求6所述的气体分布装置，其特征在于所述气密板与所述第二气体分 布板通过可拆卸固定装置固定连接。
8.根据权利要求1或6所述的气体分布装置，其特征在于其中可拆卸固定装置是螺 栓或螺钉。
9.根据权利要求1所述的气体分布装置，其特征在于所述焊接固定为真空钎焊或真空熔焊。
10.根据权利要求1所述的气体分布装置，其特征在于所述第二气体分布板包括一上 表面和一下表面，所述第二气体分布板上的若干通道贯穿所述第二气体分布板的上表面和 下表面。
11.根据权利要求1所述的气体分布装置，其特征在于所述第二气体分布板包括一上 表面和一下表面，所述第二气体分布板上的若干通道不贯穿所述第二气体分布板的上表面 和下表面。
12.—种金属有机化学气相沉积反应器，其特征在于，包括前述任一项权利要求所述的 气体分布装置。
专利摘要一种用于金属有机化学气相沉积反应器的气体分布装置，包括顺序叠加、彼此连接在一起的控温气体分布板、第一气体分布板和第二气体分布板，其中所述控温气体分布板与所述第一气体分布板之间焊接固定，所述第一气体分布板和所述第二气体分布板之间通过可拆卸固定装置固定连接；所述控温气体分布板、第一气体分布板和第二气体分布板上分别预设有若干通道，在所述控温气体分布板、第一气体分布板和第二气体分布板彼此连接后，所述若干通道相互连通并构成相互隔离的若干个第一气体分布通道与若干个第二气体分布通道，所述若干个第一气体分布通道与第一反应气体源相连通，所述若干个第二气体分布通道与第二反应气体源相连通；所述控温气体分布板上还设置有与冷却源相连接的冷却腔。
文档编号C23C16/455GK201933153SQ201020695188
公开日2011年8月17日 申请日期2010年12月31日 优先权日2010年12月31日
发明者周宁, 姜勇, 杜志游, 荒见淳一 申请人:中微半导体设备(上海)有限公司