金属有机化合物化学气相沉积装置及其气体输送方法

专利名称：金属有机化合物化学气相沉积装置及其气体输送方法
技术领域：
本发明涉及化学气相沉积技术领域，特别涉及一种金属有机化合物化学气相沉积装置及其气体输送方法。
背景技术：
化学气相沉积(Chemical vapor deposition,简称CVD)是反应物质在气态条件下发生化学反应，生成固态物质沉积在加热的固态基体表面，进而制得固体材料的工艺技术， 其通过化学气相沉积装置得以实现。具体地，CVD装置通过进气装置将反应气体通入反应室中，并控制反应室的压强、温度等反应条件，使得反应气体发生反应，从而完成沉积工艺步骤。为了沉积所需薄膜，一般需要向反应室中通入多种不同的反应气体，且还需要向反应室中通入载气或吹扫气体等其他非反应气体，因此在CVD装置中需要设置多个进气装置。
金属有机化学气相沉积(MetalOrganic Chemical Vapor Deposition,MOCVD)装置主要用于氮化镓、砷化镓、磷化铟、氧化锌等II1-V族，I1-VI族化合物及合金的薄层单晶功能结构材料的制备，随着上述功能结构材料的应用范围不断扩大，MOCVD装置已经成为化学气相沉积装置的重要装置之一。MOCVD —般以II族或III族金属有机源和VI族或V族氢化物源等作为反应气体，用氢气或氮气作为载气，以热分解反应方式在基板上进行气相外延生长，从而生长各种I1-VI化合物半导体、II1-V族化合物半导体以及它们的多元固溶体的薄层单晶材料。由于II族或III族金属有机源和VI族或V族氢化物源的传输条件不同，因此需要通过不同的进气装置分别将II族或I II族金属有机源和VI族或V族氢化物源传输至基板上方。
现有技术中的MOCVD装置一般包括
反应腔；
位于所述反应腔顶部的喷淋组件，所述喷淋组件包括两个进气装置，所述两个进气装置分别将II族或III族金属有机源和VI族或V族氢化物源传输至基板上方；
与所述喷淋组件相对设置的基座，所述基座具有加热单元，所述基座用于支撑和加热基板。
所述喷淋组件根据所提供的反应气体的气流相对基板的流动方向的不同，分为垂直式和水平式。水平式喷淋组件是指所述喷淋组件使得反应气体的气流沿平行于基板的水平方向流动；垂直式喷淋组件是指所述喷淋组件使得反应气体的气流沿垂直基板的竖直方向流动。与水平式喷淋组件相比，垂直式喷淋组件能产生二维轴对称流动，抑制热对流涡旋，分别在基板上方形成较均匀的速度、温度和浓度边界层，从而获得更好的薄膜沉积。
参见中国专利公开号为CN101122012A，该专利申请提供了一种喷淋组件，其可实现III族金属有机物和V族氢化物气体分别从喷淋组件整体结构两侧独立送气，并在反应腔的衬底上方均匀喷射，其实现的方法为包括两组梳状喷淋头，第一组梳状喷淋头由装有进气接头I的气体A总管2和多根平行排列的气体A通气支管3组成，所述气体A通气支管3的一端同所述气体A总管2连通而另一端为封闭端，第二组梳状喷淋头由装有进气接头4的气体B总管5和多根平行排列的气体B通气支管6组成，所述各气体B通气支管6 的一端同所述气体B总管5连通而另一端为封闭端，具体如图1所示。
参见美国专利公开号为US2009/0098276A1，其提供了目前MOCVD装置最通用的喷淋头形式，III族金属有机源和V族氢化物源气体分别从两个进气口进入喷淋头装置的第一进气总通道和第二进气总通道，并通过第一支路通道和第二支路通道，最终进入混合通道，出气后向基板喷射。III族金属有机源气体和V族氢化物源气体分别在加热的基板上发生热分解反应，并外延生长成II1-V族化合物半导体。
现有技术中，CVD装置中喷淋组件中每个进气装置与基座的距离均相等，且每个进气装置一般采用相同的材料，即每个进气装置的热传导系数相同，因此同一反应腔中的每个进气装置的温度相同，最终使得所有反应气体的温度相同。但是不同反应气体的分解温度可能不同，如III族金属有机源的分解温度远远低于V族氢化物源的分解温度。
当MOCVD装置将III族金属有机源和V族氢化物源气体同时加热到较高温度时， III族金属有机源便会先发生分解反应，并与V族氢化物源气体发生反应，从而会产生大量的固体颗粒。一方面这些固体颗粒会沉积在喷淋组件的表面，最终可能会落在正在沉积的薄膜上；因此，为防止沉积在喷淋组件的表面的颗粒落在正在沉积的薄膜上，需要经常对喷淋组件进行清洗，从而增加清洗的成本；另一方面，这些固体颗粒的生成消耗了部分反应气体，从而造成材料的浪费，而金属有机(Metal Organic,MO)源材料的价格是很昂贵的,这必然就造成了生产 成本的提高。同时，也肯定降低薄膜的沉积速率。
当MOCVD装置将III族金属有机源和V族氢化物源气体同时加热到较低温度时，V 族氢化物源气体就不易发生分解反应，最终就很难形成II1-V族致密薄膜。即使沉积得到薄膜，这些薄膜也会有很多气孔，且很容易脱落。
综上所述，现有技术中MOCVD装置将III族金属有机源和V族氢化物源气体加热到同一温度，最终反应沉积的薄膜的质量很差，且薄膜沉积速率低、生产成本高。在除MOCVD 装置之外的其他CVD装置中，也存在不同反应气体所需的加热温度不同的情况，当将这些不同反应气体加热到同一温度，同样地，最终反应沉积的薄膜质量很差，且薄膜沉积速率低、生产成本高。类似地，在其他的CVD装置中，也存在不同反应气体需要不同温度的情况。
因此，如何使CVD装置为不同的反应气体提供不同的温度就成为亟待解决的技术问题。发明内容
本发明的目的是提供一种金属有机化合物化学气相沉积装置及其气体输送方法， 以为不同的反应气体提供不同的温度。
为解决上述问题，本发明提供了一种金属有机化合物化学气相沉积装置，包括反应腔、冷却装置、位于所述反应腔顶部的喷淋组件以及与所述喷淋组件相对设置的基座，所述基座具有加热单元，所述喷淋组件包括第一进气装置以及第二进气装置，用于分别将第一气体以及第二气体传输至基座与喷淋组件之间的反应区，所述第一气体包括III族金属有机源，所述第二气体包括V族氢化物源；所述第一进气装置的材料不同于所述第二进气装置的材料，在所述金属有机化合物化学气相沉积装置的沉积过程中，所述第一进气装置的温度小于所述第二进气装置的温度。
优选地，所述III 族金属有机源包括 Ga(CH3)3、In(CH3)3、Al (CH3)3、Ga(C2H5)3、 Zn (C2H5) 3气体中的一种或多种。
优选地，所述V族氢化物源包括NH3、PH3> AsH3气体中的一种或多种。
优选地，所述第一进气装置与所述第二进气装置之间的温度差大于或等于100°C 且小于或等于600°C。
优选地，所述第一进气装置的温度大于或等于35°C且小于或等于600°C，所述第二进气装置的温度大于或等于135°C且小于或等于800°C。
优选地,所述金属有机化合物化学气相沉积装置还包括旋转驱动单元,所述旋转驱动单元用于驱动所述基座或喷淋组件在所述金属有机化合物化学气相沉积装置的沉积过程中进行旋转。
优选地，所述冷却装置具有冷却通道，用以通入冷却气体或者冷却液体。
优选地，所述冷却装置、所述第一进气装置与所述第二进气装置依次层叠设置，所述第一进气装置的热传导系数大于所述第二进气装置的热传导系数。
优选地，所述第一进气装置的材料包括石墨或碳化硅，所述第二进气装置的材料成分包括钢、铝、铜、金、银中的一种或多种。
优选地，所述金属有机化合物化学气相沉积装置还包括设置在所述第二进气装置和第一进气装置之间的结合条，所述结合条连接所述第二进气装置和所述第一进气装置， 所述结合条的热传导系数小于所述第一进气装置的热传导系数。
优选地，所述结合条的厚度大于或等于O.1mm且小于或等于2mm。
优选地，所述冷却装置与所述第一进气装置层叠设置，所述冷却装置与所述第二进气装置层叠设置，所述第一进气装置与所述第二进气装置并排设置，所述第一进气装置的热传导系数大于所述第二进气装置的热传导系数。
优选地，所述金属有机化合物化学气相沉积装置还包括设置在所述第一进气装置与冷却装置之间的第一结合条，所述第一结合条连接所述第一进气装置与冷却装置，所述喷淋组件还包括设置在所述第二进气装置与冷却装置之间的第二结合条，所述第二结合条连接所述第二进气装置与冷却装置，所述第一结合条的热传导系数大于所述第二结合条的热传导系数。
优选地，所述第一进气装置与所述第二进气装置组合成为一个圆盘体，所述圆盘体被划分为多个扇形区，所述多个扇形区包括交替间隔设置的多个第一扇形区和第二扇形区，所述第一进气装置设置在所述圆盘体的第一扇形区，所述第二进气装置设置在所述圆盘体的第二扇形区。
优选地，所述第一进气装置为扩散盘，所述扩散盘具有上表面以及与上表面相对的下表面，所述上表面紧贴所述冷却装置，所述上表面设置有第一进气口以及气体扩散槽， 所述下表面设置有若干气孔；所述第一气体依次经由所述第一进气口、气体扩散槽和所述气孔进入所述反应区。
优选地，所述气体扩散槽具有一个第一扩散槽与多个第二扩散槽，所述第一扩散槽沿着所述扩散盘的周沿环形设置，所述第二扩散槽沿着所述扩散盘的半径方向设置，所述第二扩散槽连接所述第一扩散槽，所述第一气体通过所述第一扩散槽流向所述第二扩散槽。
优选地，所述第一进气口设置为两个，分别设置在所述扩散盘的相对两侧。
优选地，任一所述第一进气口设置在所述第一扩散槽上，且位于相邻两所述第二扩散槽之间。
优选地，所述第二进气装置包括导气盘以及若干气体扩散管，所述喷淋组件还包括第二进气管；所述第二进气管贯穿所述扩散盘的中心且与所述导气盘垂直连接；所述气体扩散管上设置有若干出气孔，所述气体扩散管的一端与所述导气盘连接；所述第二气体依次经由所述第二进气管、导气盘、气体扩散管以及所述出气孔进入所述反应区。
优选地，所述各气体扩散管等长，并围绕所述导气盘呈放射状的均匀排布。
优选地，所述气体扩散管的长度等于所述扩散盘半径与所述导气盘半径之差。
优选地，所述气体扩散管与所述扩散盘之间有间隔，且不进行热传导。
为了解决上述问题，本发明还提供了一种金属有机化合物化学气相沉积装置的气体输送方法，所述金属有机化合物化学气相沉积装置包括反应腔、冷却装置、位于所述反应腔顶部的喷淋组件以及与所述喷淋组件相对设置的基座，所述基座具有加热单元，所述喷淋组件包括第一进气装置以及第二进气装置；所述气体输送方法，包括通过所述第一进气装置向所述反应腔通入包含III族金属有机源的第一气体；通过所述第二进气装置向所述反应腔通入包含V族氢化物源的第二气体；启动所述基座加热单元，使所述加热单元进行加热，启动所述冷却装置，使所述冷却装置对所述喷淋组件进行冷却，使得所述第一进气装置具有第一温度，所述第二进气装置具有第二温度，所述第一温度低于所述第二温度。
优选地，所述第一进气装置的材料不同于所述第二进气装置的材料。
优选地，所述第一温度与所述第二温度之间的温度差大于或等于100°C且小于或等于600°C。
优选地，所述III 族金属有机源包括 Ga(CH3)3、In(CH3)3、Al (CH3)3、Ga(C2H5)3、 Zn (C2H5) 3气体中的一种或多种。
优选地，所述第一温度大于或等于35°C且小于或等于600°C。
优选地，所述V族氢化物源包括NH3、PH3或AsH3气体中一种或多种。
优选地，所述第二温度大于或等于135°C且小于或等于800°C。
与现有技术相比，本发明具有以下优点
I)由于III族金属有机源的分解温度低于V族氢化物源的分解温度；又因为，本发明中用于分别传输III族金属有机源和V族氢化物源的所述第一进气装置和所述第二进气装置由不同的材料制成，使得在所述金属有机化合物化学气相沉积装置的沉积过程中， 所述第一进气装置的温度低于所述第二进气装置具的温度；从而避免了分解温度低的III 族金属有机源在高温下先发生预分解后又与分解温度高的V族氢化气体反应并产生大量气相颗粒，降低了沉积在喷淋组件上的气相颗粒脱离到薄膜上的可能性，也避免了分解温度高的V族氢化物源在低温下无法进行分解，最终提高了薄膜沉积的速率，提高了薄膜的质量，节省了原材料，降低清洗以及生产成本。
2)所述第一进气装置的温度大于或等于35°C且小于或等于600°C，所述第二进气装置的温度大于或等于135°C且小于或等于80(TC，使得III族金属有机源和V族氢化物源的温度分别处于各自最佳的分解温度范围内，从而可以较快的反应速率得到较高质量的 II1-V族致密薄膜。
3)所述金属有机化合物化学气相沉积装置还包括旋转驱动单元，所述旋转驱动单元用于驱动所述基座或喷淋组件在所述金属有机化合物化学气相沉积装置的沉积过程中进行旋转，最终使得薄膜沉积更均匀。
4)所述冷却装置具有冷却通道，用以通入冷却气体或者冷却液体，通过控制冷却装置的温度，可以使两个进气装置具有不同的温度变化值，从而使得两个进气装置的温度不同；此外，冷却装置使得喷淋组件处于较低的温度，延长了喷淋组件的使用寿命。
5)所述第二进气装置与所述第一进气装置之间具有间隔，且不进行热传导，减少了两个进气装置之间温度的相互干扰，便于对两个进气装置温度的准确控制。
6)所述第一进气装置为扩散盘，所述扩散盘具有上表面以及与所述上表面相对的下表面，所述上表面设置有第一进气口以及气体扩散槽，所述下表面设置有若干第一气孔; 所述第一气体依次经由所述第一进气口、气体扩散槽和所述第一气孔进入所述反应区，第一气体可以先在气体扩散槽中均匀扩散后，然后再从第一气孔均匀地进入反应区。
7)所述气体扩散槽具有至少一第一扩散槽与多个第二扩散槽，所述第一扩散槽沿着所述扩散盘的周沿环形设置，所述第二扩散槽沿着所述扩散盘的半径方向设置，所述第二扩散槽连接所述第一扩散槽，所述第一气体通过所述第一扩散槽流向所述第二扩散槽， 所述第一气体先在第一扩散槽中均匀扩散，然后进入均匀设置的第二扩散槽中，进一步增加了第一气体扩散至反应区的均匀性。
8)任一所述第一进气口设置在所述第一扩散槽上，且位于所述相邻两第二扩散槽之间，如此，所述第一气体不会直接流向某一特定的第二扩散槽，所述第一气体可以在第一扩散槽内可以充分扩散，充分扩散后的第一气体能均匀进入第二扩散槽，从而增加了第一气体的均匀性。
9)所述第二进气装置包括第二进气通道、导气盘以及若干气体扩散管；所述第二进气通道贯穿所 述扩散盘的中心且与所述导气盘连通；所述气体扩散管上设置有若干第二气孔，所述气体扩散管的一端与所述导气盘连接；所述第二气体依次经由所述第二进气通道、导气盘、气体扩散管以及所述第二气孔进入所述反应区，保证了第二气体均匀地进入所述反应区。
10)所述各气体扩散管等长，并围绕所述导气盘呈放射状均匀排布，在保证第二气体均匀扩散的同时，所述第二进气装置结构简单，节省了空间。


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图1卞^贝州^丑1十叫工衣叫5口例不思図；:中喷淋组件的下表面结构示意图10是沿图9中CC’方向得到的结构示意图；图11是本发明实施例五的M0CVD装置的结构示意图；图12是沿图11中DD’方向得到的结构示意图；图13是本发明实施例金属有机化合物化学气相沉积装置的气体输送方法的流程 示意图。
具体实施例方式为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明 的具体实施方式
做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以 采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限 制。正如背景技术部分所述，M0CVD装置中需要通入多种气体，现有的M0CVD装置将通 入的所有气体统一加热到相同温度，但不同气体所需的温度存在差异，因此降低了薄膜沉 积的速率，在薄膜中引入了缺陷，造成了原材料的浪费，提高了生产成本。为了克服上述缺陷，本发明提供了一种金属有机化合物化学气相沉积装置及其气 体输送方法，所述装置包括反应腔、冷却装置、位于所述反应腔顶部的喷淋组件以及与所 述喷淋组件相对设置的基座，所述基座具有加热单元，所述喷淋组件包括第一进气装置以 及第二进气装置，用于分别将第一气体以及第二气体传输至基座与喷淋组件之间的反应 区，所述第一气体包括III族金属有机源，所述第二气体包括V族氢化物源；所述第一进气 装置的材料不同于所述第二进气装置的材料，在所述金属有机化合物化学气相沉积装置的 沉积过程中，所述第一进气装置的温度低于所述第二进气装置的温度。由于III族金属有 机源的分解温度低于V族氢化物源的分解温度；又因为，本发明中，用于分别传输III族金 属有机源和V族氢化物源的所述第一进气装置和所述第二进气装置由不同的材料构成，使 得在所述金属有机化合物化学气相沉积装置的沉积过程中，所述第一进气装置的温度低于 所述第二进气装置的温度；从而避免了分解温度低的III族金属有机源在高温下先发生预 分解后又与分解温度高的V族氢化气体反应并产生大量气相颗粒，降低了沉积在喷淋组件 上的气相颗粒脱离到薄膜上的可能性，也避免了分解温度高的V族氢化物源在低温下无法 进行分解，最终提高了薄膜沉积的速率，提高了薄膜的质量，节省了原材料，降低清洗以及 生产成本。下面结合附图进行详细说明。实施例一图2是本实施例M0CVD装置的结构示意图，图3是沿图2中AA’方向得到的结构 示意图。如图2和图3所示,本实施例金属有机化合物化学气相沉积装置包括反应腔600 ；冷却装置200 ；位于所述反应腔600顶部的喷淋组件，所述喷淋组件包括第一进气装置300以及 第二进气装置400，用于分别将第一气体以及第二气体传输至基座100与喷淋组件之间的 反应区，所述第一气体为III族金属有机源以及所述第二气体为V族氢化物源，所述第一进气装置300的材料不同于所述第二进气装置400的材料；
与所述喷淋组件相对设置的基座100，所述基座具有加热单元120，在所述金属有机化合物化学气相沉积装置的工作过程中，所述第一进气装置300与所述第二进气装置 400具有不同的温度。
本实施例中所述第一进气装置300用于传输III族金属有机源，所述第二进气装置400用于传输V族氢化物源；所述第一进气装置300的材料不同于所述第二进气装置400 的材料，从而使得在所述金属有机化合物化学气相沉积装置的沉积过程中，所述第一进气装置300的温度低于所述第二进气装置400的温度。由于III族金属有机源的分解温度低于V族氢化物源的分解温度；又因为，本发明中，用于分别传输III族金属有机源和V族氢化物源的所述第一进气装置300和所述第二进气装置400由不同的材料制成，使得在所述金属有机化合物化学气相沉积装置的沉积过程中，所述第一进气装置300的温度低于所述第二进气装置400的温度；从而避免了分解温度低的III族金属有机源在高温下先发生预分解后又与分解温度高的V族氢化气体反应并产生大量气相颗粒，降低了沉积在喷淋组件上的气相颗粒脱离到薄膜上的可能性，也避免了分解温度高的V族氢化物源在低温下无法进行分解，最终提高了薄膜沉积的速率，提高了薄膜的质量，节省了原材料，降低清洗以及生产成本。
本实施例中所述第一进气装置300的温度小于所述第二进气装置400的温度，在第一进气装置300传输III族金属有机源和第二进气装置400传输V族氢化物源的同时， 第一进气装置300和第二进气装置400还可以同时传输载气,如氢气或氮气。由于MOCVD 生长工艺要求极高，通常需要极高的温度控制，且需要精确控制反应气体的配比，而III族金属有机源的分解温度与V族氢化物源的分解温度有较大差异，因此当控制使III族金属有机源的温度小于V族氢化物源的温度时，可以减少副反应的发生，提高II1-V族化合物半导体的质量和沉积速率，防止III族金属有机源和V族氢化物源的浪费。
所述III 族金属有机源包括Ga(CH3) 3、In (CH3) 3、A1 (CH3) 3、Ga(C2H5) 3、Zn (C2H5) 3 气体中的一种或多种，其分解温度大于或等于35°C且小于或等于600°C。所述V族氢化物源包括NH3、PH3、AsH3气体中的一种或多种，其分解温度大于或等于135°C且小于或等于800°C。 为达到最佳的薄膜沉积效果，所述第一进气装置300与所述第二进气装置400之间的温度差应大于或等于100°C且小于或等于60(TC。本实施例需要使所述第一进气装置300的温度大于或等于35°C且小于或等于600°C，所述第二进气装置400的温度大于或等于135°C且小于或等于800°C。由于III族金属有机源的分解温度远低于V族氢化物源的分解温度， 本实施例使得III族金属有机源和V族氢化物源的温度分别处于各自较佳的分解温度范围内，从而可以较快的反应速率得到较高质量的II1-V族致密薄膜。
所述基座100包括支撑座110，I个或多个待处理衬底500设置在所述支撑座110 的上表面，所述支撑座Iio用于支撑所述衬底500 ;加热单元120，设置在所述支撑座110下方，用于对所述衬底500进行加热。
本实施例中所述冷却装置200、所述第一进气装置300与所述第二进气装置400依次层叠设置，所述第一进气装置300的热传导系数大于所述第二进气装置400的热传导系数，所述第一进气装置300与所述冷却装置200相邻而进行直接的热交换，所述第二进气装置400与所述冷却装置200之间设置有所述第一进气装置300，因此所述第二进气装置400需要通过所述第一进气装置300与所述冷却装置200进行热交换，而且，所述第一进气装置 300的热传导系数大于所述第二进气装置400的热传导系数，从而使得所述冷却装置200对第一进气装置300的冷却效果大于对第二进气装置400的冷却效果，最终使得所述第一进气装置300的温度要低于所述第二进气装置400的温度。
所述第二进气装置400具有穿透所述第二进气装置300的区域；所述第一进气装置300通过所述区域直接接受所述基座100的加热器120的热辐射。
所述第一进气装置300的热辐射系数可以大于所述第二进气装置400的热辐射系数，如所述第一进气装置300的材料可以为石墨或碳化硅，或为石墨和碳化硅复合材料或叠层材料；所述第二进气装置400的材料成分可以包括钢、铝、铜、金、银中的一种或多种。 尽管第一进气装置300的热辐射系数可以大于所述第二进气装置400的热辐射系数，使得所述第一进气装置具有更强的热辐射的吸收能力，然而，由于所述冷却装置200、所述第一进气装置300和所述第二进气装置400依次层叠设置，且所述第一进气装置300的热传导系数大于所述第二进气装置400的热传导系数，因此仍然可以保证所述第一进气装置300 的温度低于所述第二进气装置400的温度。优选地，由于石墨的价格比较低且热传导性能比较好，不锈钢物理化学性能稳定，因此所述第一进气装置300的材料为石墨，所述第二进气装置400的材料为不锈钢，从而降低了第一进气装置300和第二进气装置400的生产成本。
所述第一进气装置300的热辐射系数优选的可以等于所述第二进气装置400的热辐射系数，如此，可以确保所述第一进气装置300与所述第二进气装置400之间的温度差。 进一步的，所述第一进气装置300的热辐射系数还可以小于所述第二进气装置400的热辐射系数。此时，第一进气装置300的热辐射系数小于第二进气装置400的热辐射系数，就会进一步确保所述第一进气装置300与所述第二进气装置400之间的温度差达到一定的数值，从而更加容易实现所述第一进气装置300与所述第二进气装置400之间温度的不同。
此外，所述第二进气装置400和所述第一进气装置300之间可以具有间隔，也可以不具有间隔。优选地，所述 第二进气装置400与所述第一进气装置300之间具有间隔，且不进行热传导，从而减少了两个进气装置之间温度的相互干扰，使得对两个进气装置温度的控制更简单准确。
所述CVD装置还可以包括由温度传感器和气压传感器组成的检测装置(图中未示出)；控制装置(图中未示出)，其分别连接各温度传感器、气压传感器、冷却装置200和加热单元120。
所述气压传感器可以为一个，设置在所述反应区，将检测到的反应区的当前气压发送给控制装置，控制装置分析得到反应区的当前气压和薄膜沉积反应所需的气压之差， 进而控制装置实现对反应腔600的气压调整，直至使反应区的当前气压等于薄膜沉积反应所需的气压。
所述温度传感器可以为多个，可以在第一进气装置300、第二进气装置400、冷却装置200和加热单元120上分别设置一个温度传感器，分别用于检测第一进气装置300的当前温度、第二进气装置400的当前温度、冷却装置200的当前温度和加热单元120的当前温度，并将检测得到的上述温度发送给控制装置，控制装置通过分析第一进气装置300的当前温度与第一进气装置300所需温度之间的温度之差、第二进气装置400的当前温度与第二进气装置400所需温度之间的温度之差来调节冷却装置200的温度或加热单元120的温度，直至使第一进气装置300的当前温度大于或等于35°C且小于或等于600°C，第二进气装置400的当前温度大于或等于135°C且小于或等于800°C，从而可以更精确地控制薄膜沉积的过程。
在MOCVD装置中，所述反应腔600的材料一般为不锈钢。
所述支撑座110的材料可以为石墨，优选的，所述支撑座110还可以在石墨的表面设置一层碳化硅(SiC)层，从而使得支撑座110具有耐高温、抗氧化、纯度高和耐酸碱盐及有机试剂等特性，物理化学性能更稳定·。
所述加热单元120具体可以为射频加热器、红外辐射加热器或电阻加热器等，可以根据反应腔600的尺寸和材料进行不同的选择。在射频加热方式中，石墨的支撑座110 被射频线圈通过诱导耦合加热，这种加热形式在大型的反应腔600中经常采用，但是通常系统过于复杂。为了避免系统的复杂性，在稍小的反应腔600中，通常采用红外辐射加热方式，卤钨灯产生的热能被转化为红外辐射能，石墨的支撑座110吸收这种红外辐射能并将其转化回热能。在电阻加热方式中，通过电阻丝的发热，进而实现对支撑座110的加热。
所述加热单元120还可以集成于所述支撑座110内，其对于本领域的技术人员是熟知的，故在此不再赘述。
所述冷却装置200具有冷却通道，用以通入冷却气体或者冷却液体。具体地，所述冷却装置200可以采用水冷冷却，也可以采用风冷冷却，其对应的具体结构对于本领域的技术人员是熟知的，故在此不再赘述。本实施例中通过控制冷却装置200的温度，可以使两个进气装置具有不同的温度变化值；此外，冷却装置200还会使得喷淋组件处于较低的温度，延长了喷淋组件的使用寿命。
所述MOCVD装置还可以包括旋转驱动单元(图中未示出)，所述旋转驱动单元用于驱动所述基座100或喷淋组件在所述金属有机化合物化学气相沉积装置的沉积过程中进行旋转，从而使得薄膜沉积更均匀。优选地，所述旋转驱动单元驱动所述基座100旋转。
参见图3所示，本实施例中第一进气装置300为矩形的气体扩散板，第二进气装置 400包括多个平行设置的气体扩散管410，气体扩散管410上设置有多个第二气孔(图中未示)，第一进气装置300未与气体扩散管410对应的位置上设置有多个第一气孔(图中未示出)。
所述喷淋组件还可以包括一个或多个第一进气管(图中未示出)，所述第一进气管贯穿所述冷却装置200，所述第一气体从第一进气管进入第一进气装置300，并从第一进气装置300的第一气孔进入反应区。
所述喷淋组件还可以包括多个贯穿冷却装置200和第一进气装置300的第二进气管，每个气体扩散管410分别与一个第二进气管相连，多个第二进气管可以连接在同一个储存第二气体的装置上，所述第二气体从第二进气管进入气体扩散管410，并从气体扩散管 410上的第二气孔进入反应区。每个所述气体扩散管410的形状和尺寸可以相同，也可以不同。
优选地，所述气体扩散管410均匀地设置在第一进气装置300的下方，从而使得第一气体和第二气体混合更均匀。
优选地，所述第一气孔和第二气孔分别均匀地设置在第一进气装置300和气体扩散管410上，从而使得第一气体和第二气体能在反应区均匀地混合并发生反应，保证了薄膜沉积的均匀性。所述第一气孔和第二气孔的具体数目和尺寸由第一气体的流量速率、第二气体的流量速率以及反应所需的第一气体和第二气体的总量决定。
所述第一进气装置300还可以呈圆形，所述第二进气装置400包括多个圆环形相互嵌套的气体扩散管；所述第一进气装置300和所述第二进气装置400也可以均为多边形等，其不应在此限制本发明的保护范围。
所述第一垂直距离还可以等于第二垂直距离，即第二进气装置400可以镶嵌在第一进气装置300中。
实施例二
图4是本发明实施例MOCVD装置的结构示意图，图5是沿图4中BB’方向得到的结构示意图。参见图4和图5所示，本实施例与实施例一的区别在于在保证所述冷却装置200、所述第一进气装置300与所述第二进气装置400依次层叠设置且所述第一进气装置 300与所述第二进气装置400材料不同的前提下，所述第一进气装置300为圆形的气体分配盘，所述第二进气装置400包括具有若干第二气孔的若干气体扩散管410和导气盘420 ;所述喷淋组件还包括一个第二进气管(图中未示出)，所述气体扩散管410为长条形，所述导气盘420为圆形，所述气体扩散管410的一端连接所述导气盘420，所述第二进气管穿过冷却装置200和第一进气装置300的中心，连接所述导气盘420 ;所述第二气体依次通过第二进气管、导气盘420、气体扩散管410和第二气孔至所述反应区；所述喷淋组件还可以包括设置在所述第二进气装置400与所述第一进气装置300之间，使得第二进气装置400与所述第一进气装置300相结合的结合条700，所述结合条700的热传导系数小于所述第二进气装置400的热传导系数，所述加热单元120在加热过程中，所述第一进气装置300与所述第二进气装置400具有不同的温度。
所述结合条700的热传导系数小于所述第二进气装置400的热传导系数；其中， 所述第二进气装置400的材料可以为石墨或碳化硅，或石墨与碳化硅的复合材料或叠层材料；所述结合条700的材料成分可以包括钢、铝、铜、金、银中的一种或多种。优选地，由于石墨的价格比较低且热传导性能比较好，不锈钢物理化学性能稳定，因此所述第二进气装置 400的材料为石墨，所述结合条700的材料为不锈钢，从而降低了第二进气装 置400和结合条700的生产成本。
所述结合条700的热传导系数还可以小于所述第一进气装置300的热传导系数， 此时第一进气装置300的热传导系数可以大于所述第二进气装置400的热传导系数，如第一进气装置300的材料为石墨，而所述第二进气装置400的材料为银(银的热传导系数为 429W/(m*K))，所述结合条700的材料为金(金的热传导系数为317W/(m*K));第一进气装置300的热传导系数还可以小于或等于所述第二进气装置400的热传导系数，如所述结合条700的材料为不锈钢(不锈钢的热传导系数为60W/(m*K))，所述第一进气装置300和所述第二进气装置400的材料均为石墨。
优选地，所述第一进气装置300的热传导系数大于所述第二进气装置400的热传导系数，此时第一进气装置300、第二进气装置400和结合条700的热传导系数依次减小，从而冷却装置200对第一进气装置300和第二进气装置400的冷却效果依次降低，加之结合条对第一进气装置300和第二进气装置400之间热传导的阻隔，保证了第一进气装置300的温度小于第二进气装置400的温度。
本实施例中所述结合条700的厚度可以大于或等于O.1mm且小于或等于2mm，如O.lmm、0. 5mm、1. Omm或2mm等。所述结合条700设置在所述第一进气装置300和所述第二进气装置400之间，使得所述第二进气装置400与所述第一进气装置300之间具有间隔，减少了两个进气装置之间温度的相互干扰，使得对两个进气装置温度的控制更简单准确。
所述气体扩散管410的尺寸可以相同，也可以不同。优选地，所述气体扩散管410 的尺寸相同，且所述气体扩散管410均匀地分布在第一进气装置300下方，这样可以保证第一气体和第二气体均匀地进行混合，且结构简单，节省空间。
优选地，所述第一气孔均匀设置在第一进气装置300上，所述第二气孔均匀设置在第二进气装置400上，这样也可以使得第一气体和第二气体均匀混合，最终使得衬底500 上沉积薄膜的均匀性。
本实施例中通过一个导气盘420将第二气体传输至各气体扩散管410，使得结构更为简单，各气体扩散管410中的第二气体更均匀，从而保证了成膜的均匀性。
所述第一垂直距离还可以等于第二垂直距离，即结合条700和第二进气装置400 还可以都镶嵌在第一进气装置300中。
实施例三
图6是本发明实施例MOCVD装置的结构示意图，图7是图6中喷淋组件的上表面结构示意图，图8是图6中喷淋组件的下表面结构示意图。参见图6、图7和图8所示，本实施例与实施例一的区别在于所述第一进气装置300为圆形，所述第一进气装置300为扩散 盘，所述扩散盘具有上表面以及与所述上表面相对的下表面，所述上表面紧贴所述冷却装置200，所述上表面设置有第一进气口 310以及气体扩散槽320，所述下表面设置有若干第一气孔(图中未示出)；所述第一气体依次经由所述第一进气口 310、气体扩散槽320和所述第一气孔进入所述反应区；所述第二进气装置400包括导气盘450以及若干气体扩散管 430 ;所述喷淋组件进一步包括第二进气通道440 ;所述第二进气通道440贯穿所述扩散盘的中心且与所述导气盘450垂直连通；所述气体扩散管430上设置有若干第二气孔(图中未示出)，所述气体扩散管430的一端与所述导气盘450连通；所述第二气体依次经由所述第二进气通道440、导气盘450、气体扩散管430以及所述第二气孔进入所述反应区，所述加热单元120在加热过程中，所述第一进气装置300与所述第二进气装置400具有不同的温度。
具体地，所述气体扩散槽320具有至少一第一扩散槽321与多个第二扩散槽322， 所述第一扩散槽321沿着所述扩散盘的周沿环形设置，所述第二扩散槽322沿着所述扩散盘的半径方向设置，所述第一扩散槽321和所述第二扩散槽322连通，所述第一气体通过所述第一扩散槽流向所述第二扩散槽。优选地，本实施例中所述第一气孔均匀设置在所述第二扩散槽322上，以使所述第一气体均匀排至所述反应区。
为了简单起见，本实施例中所述第二气体扩散槽322为6个。所述第二气体扩散槽322的数目还可以大于或等于3且小于或等于100，优选地，所述第二气体扩散槽322的数目大于或等于10且小于或等于50。
所述第一进气口 310可以为一个或多个。优选地，参见图6和图7所示，所述第一进气口 310设置为两个，分别设置在所述扩散盘的相对两侧，此时既使得第一进气装置300的结构比较简单，而且能够使得第一气体均匀地进入所述气体扩散槽320中。
进一步地，任一所述第一进气口 310设置在所述第一扩散槽321上，且位于所述相邻两第二扩散槽322之间，从而使得第一气体在第一扩散槽321中混合均匀后再进入所述第二扩散槽322中。
优选地，所述气体扩散管430的形状为扇形，第二气孔均匀设置在所述气体扩散管430上，以使所述第二气体均匀排至所述反应区。
所述各气体扩散管430的长度可以相等，也可以不相等。优选地，参见图8所示， 所述各气体扩散管430等长，并围绕所述导气盘450呈放射状均匀排布，这样可以充分利用空间，且使得所述第二气体均匀排向所述反应区。
进一步地，参见图8所示，所述气体扩散管430的长度等于所述扩散盘的半径与所述导气盘450半径之差；所述气体扩散管430与所述扩散盘之间有间隔，且不进行热传导。
本实施例中所述第二进气装置400镶嵌在第一进气装置300中，即所述第一进气装置300面向所述基座100的出气面与基座100面向所述喷淋组件的支撑面之间的第一垂直距离等于所述第二进气装置400面向所述基座100的出气面与基座100面向所述喷淋组件的支撑面之间的第二垂直距离。
所述第二进气装置400还可以设置在所述第一进气装置300的下方，即所述第一进气装置300的出气面与基座100的第一垂直距离大于所述第二进气装置400的出气面与基座100的第二垂直距离。
实施例四
图9是本发明实施例MOCVD装置的结构示意图，图10是沿图9中 CC’方向得到的结构示意图。参见图9和图10所示，本实施例与实施例一的区别在于所述冷却装置200 与所述第一进气装置300层叠设置，所述冷却装置200与所述第二进气装置400层叠设置， 所述第一进气装置300与所述第二进气装置400并排设置。
发明人在进行上述化学气相沉积装置的研发过程中发现；所述进气装置在反应腔中温度达到平衡状态后的温度值主要取决于冷却装置的温度、加热单元的温度、受热面积、冷却面积、热传导系数(Thermal Conductivity)和热福射系数(Emissivity)。其中，受热面积(area exposed to radiation heating)是指进气装置接受加热单元加热福照的面积；冷却面积(area exposed to cooling surface)是指进气装置与冷却装置接触的面积； 进气装置温度达到平衡状态指的是单位时间内进气装置吸收的热量和散失的热量相同，从而进气装置的温度稳定在一固定值。
经过模拟实验，得到了如表I所示的实验结果。表I示出了在加热装置为1050°C， 冷却装置为40°C时，16种不同受热面积、冷却面积、热传导系数和热辐射系数条件下，进气装置达到平衡状态后的温度值。比较表I中的数据可知在其他条件不变的前提下，所述进气装置的温度随着受热面积的增大而升高；随着热传导系数的增大而降低；随着冷却面积的增大而降低；随着热辐射系数的增大而升高。
表I
权利要求
1.一种金属有机化合物化学气相沉积装置，包括反应腔、冷却装置、位于所述反应腔顶部的喷淋组件以及与所述喷淋组件相对设置的基座，所述基座具有加热单元，所述喷淋组件包括第一进气装置以及第二进气装置，用于分别将第一气体以及第二气体传输至基座与喷淋组件之间的反应区，所述第一气体包括III族金属有机源，所述第二气体包括V族氢化物源；其特征在于，所述第一进气装置的材料不同于所述第二进气装置的材料，在所述金属有机化合物化学气相沉积装置的沉积过程中，所述第一进气装置的温度小于所述第二进气装置的温度。
2.如权利要求1所述的金属有机化合物化学气相沉积装置，其特征在于，所述III族金属有机源包括 Ga (CH3) 3、In (CH3) 3、Al (CH3) 3、Ga (C2H5) 3、Zn (C2H5) 3 气体中的一种或多种。
3.如权利要求1所述的金属有机化合物化学气相沉积装置，其特征在于，所述V族氢化物源包括NH3、PH3> AsH3气体中的一种或多种。
4.如权利要求1所述的金属有机化合物化学气相沉积装置，其特征在于，所述第一进气装置与所述第二进气装置之间的温度差大于或等于100°C且小于或等于600°C。
5.如权利要求4所述的金属有机化合物化学气相沉积装置，其特征在于，所述第一进气装置的温度大于或等于35°C且小于或等于600°C，所述第二进气装置的温度大于或等于135°C且小于或等于800°C。
6.如权利要求1所述的金属有机化合物化学气相沉积装置，其特征在于，还包括旋转驱动单元，所述旋转驱动单元用于驱动所述基座或喷淋组件在所述金属有机化合物化学气相沉积装置的沉积过程中进行旋转。
7.如权利要求1所述的金属有机化合物化学气相沉积装置，其特征在于，所述冷却装置具有冷却通道，用以通入冷却气体或者冷却液体。
8.如权利要求1所述的金属有机化合物化学气相沉积装置，其特征在于，所述冷却装置、所述第一进气装置与所述第二进气装置依次层叠设置，所述第一进气装置的热传导系数大于所述第二进气装置的热传导系数。
9.如权利要求8所述的金属有机化合物化学气相沉积装置，其特征在于，所述第一进气装置的材料包括石墨或碳化硅，所述第二进气装置的材料成分包括钢、铝、铜、金、银中的一种或多种。
10.如权利要求8所述的金属有机化合物化学气相沉积装置，其特征在于，还包括设置在所述第二进气装置和第一进气装置之间的结合条，所述结合条连接所述第二进气装置和所述第一进气装置，所述结合条的热传导系数小于所述第一进气装置的热传导系数。
11.如权利要求10所述的金属有机化合物化学气相沉积装置，其特征在于，所述结合条的厚度大于或等于0.1mm且小于或等于2mm。
12.如权利要求1所述的金属有机化合物化学气相沉积装置，其特征在于，所述冷却装置与所述第一进气装置层叠设置，所述冷却装置与所述第二进气装置层叠设置，所述第一进气装置与所述第二进气装置并排设置，所述第一进气装置的热传导系数大于所述第二进气装置的热传导系数。
13.如权利要求12所述的金属有机化合物化学气相沉积装置，其特征在于，还包括设置在所述第一进气装置与冷却装置之间的第一结合条，所述第一结合条连接所述第一进气装置与冷却装置，所述喷淋组件还包括设置在所述第二进气装置与冷却装置之间的第二结合条，所述第二结合条连接所述第二进气装置与冷却装置，所述第一结合条的热传导系数大于所述第二结合条的热传导系数。
14.如权利要求12所述的金属有机化合物化学气相沉积装置，其特征在于，所述第一进气装置与所述第二进气装置组合成为一个圆盘体，所述圆盘体被划分为多个扇形区，所述多个扇形区包括交替间隔设置的多个第一扇形区和第二扇形区，所述第一进气装置设置在所述圆盘体的第一扇形区，所述第二进气装置设置在所述圆盘体的第二扇形区。
15.如权利要求8所述的金属有机化合物化学气相沉积装置，其特征在于，所述第一进气装置为扩散盘，所述扩散盘具有上表面以及与上表面相对的下表面，所述上表面紧贴所述冷却装置，所述上表面设置有第一进气口以及气体扩散槽，所述下表面设置有若干气孔；所述第一气体依次经由所述第一进气口、气体扩散槽和所述气孔进入所述反应区。
16.如权利要求15所述的金属有机化合物化学气相沉积装置，其特征在于，所述气体扩散槽具有一个第一扩散槽与多个第二扩散槽，所述第一扩散槽沿着所述扩散盘的周沿环形设置，所述第二扩散槽沿着所述扩散盘的半径方向设置，所述第二扩散槽连接所述第一扩散槽，所述第一气体通过所述第一扩散槽流向所述第二扩散槽。
17.如权利要求16所述的金属有机化合物化学气相沉积装置，其特征在于，所述第一进气口设置为两个，分别设置在所述扩散盘的相对两侧。
18.如权利要求16所述的金属有机化合物化学气相沉积装置，其特征在于，任一所述第一进气口设置在所述第一扩散槽上，且位于相邻两所述第二扩散槽之间。
19.如权利要求15所述的金属有机化合物化学气相沉积装置，其特征在于，所述第二进气装置包括导气盘以及若干气体扩散管，所述喷淋组件还包括第二进气管；所述第二进气管贯穿所述扩散盘的中心且与所述导气盘垂直连接；所述气体扩散管上设置有若干出气孔，所述气体扩散管的一端与所述导气盘连接；所述第二气体依次经由所述第二进气管、导气盘、气体扩散管以及所述出气孔进入所述反应区。
20.如权利要求19所述的金属有机化合物化学气相沉积装置，其特征在于，所述各气体扩散管等长，并围绕所述导气盘呈放射状的均匀排布。
21.如权利要求20所述的金属有机化合物化学气相沉积装置，其特征在于，所述气体扩散管的长度等于所述扩散盘半径与所述导气盘半径之差。
22.如权利要求20所述的金属有机化合物化学气相沉积装置，其特征在于，所述气体扩散管与所述扩散盘之间有间隔，且不进行热传导。
23.一种金属有机化合物化学气相沉积装置的气体输送方法，其特征在于，所述金属有机化合物化学气相沉积装置包括反应腔、冷却装置、位于所述反应腔顶部的喷淋组件以及与所述喷淋组件相对设置的基座，所述基座具有加热单元，所述喷淋组件包括第一进气装置以及第二进气装置；所述气体输送方法，包括通过所述第一进气装置向所述反应腔通入包含III族金属有机源的第一气体；通过所述第二进气装置向所述反应腔通入包含V族氢化物源的第二气体；启动所述基座加热单元，使所述加热单元进行加热，启动所述冷却装置，使所述冷却装置对所述喷淋组件进行冷却，使得所述第一进气装置具有第一温度，所述第二进气装置具有第二温度，所述第一温度低于所述第二温度。
24.如权利要求23所述的金属有机化合物化学气相沉积装置的气体输送方法，其特征在于，所述第一进气装置的材料不同于所述第二进气装置的材料。
25.如权利要求23所述的金属有机化合物化学气相沉积装置的气体输送方法，其特征在于，所述第一温度与所述第二温度之间的温度差大于或等于100°C且小于或等于600°C。
26.如权利要求23至24中任一项所述的金属有机化合物化学气相沉积装置的气体输送方法，其特征在于，所述III族金属有机源包括Ga(CH3) 3、In (CH3) 3、Al (CH3) 3、Ga(C2H5) 3、Zn (C2H5) 3气体中的一种或多种。
27.如权利要求26所述的金属有机化合物化学气相沉积装置的气体输送方法，其特征在于，所述第一温度大于或等于35°C且小于或等于600°C。
28.如权利要求23至25中任一项所述的金属有机化合物化学气相沉积装置的气体输送方法，其特征在于，所述V族氢化物源包括NH3、PH3或AsH3气体中一种或多种。
29.如权利要求28所述的金属有机化合物化学气相沉积装置的气体输送方法，其特征在于，所述第二温度大于或等于135°C且小于或等于800°C。
全文摘要
一种金属有机化合物化学气相沉积装置及其气体输送方法，所述装置包括反应腔、冷却装置、位于所述反应腔顶部的喷淋组件以及与所述喷淋组件相对设置的基座，所述基座具有加热单元，所述喷淋组件包括第一进气装置以及第二进气装置，用于分别将第一气体以及第二气体传输至基座与喷淋组件之间的反应区，所述第一气体包括III族金属有机源，所述第二气体包括V族氢化物源；所述第一进气装置的材料不同于所述第二进气装置的材料，在所述金属有机化合物化学气相沉积装置的沉积过程中，所述第一进气装置的温度不同于所述第二进气装置的温度。本发明可以为不同的反应气体提供不同的温度。
文档编号C23C16/455GK103014665SQ20111028703
公开日2013年4月3日 申请日期2011年9月23日 优先权日2011年9月23日
发明者奚明, 马悦, 萨尔瓦多, 黄占超 申请人:理想能源设备(上海)有限公司