专利名称：化学气相沉积装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及化学气相沉积技术领域，特别涉及一种化学气相沉积装置。
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。以下以金属有机化学气相沉积(Metal Organic Chemical Vapor Deposition,M0CVD)装置为例，介绍现有技术中包括多个进气装置的CVD装置。
MOCVD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、πι-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III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。
所述喷淋组件根据反应气体的气流与相对基板的流动方向不同，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反应气体的气流沿垂直于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)源材料的价格昂贵,这必然就造成了生产成本的提高。
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化学气相沉积装置，以为不同进气装置中的气体提供不同的温度。
为解决上述问题，本发明提供了一种化学气相沉积装置，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，所述加热单元在加热过程中，所述第一进气装置与所述第二进气装置具有不同的温度。
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不锈钢、铝、铜、金、银中的一种或多种。
优选地，所述第一气体包括反应前体、载气、吹扫气体中的一种或多种。
优选地，所述第二气体包括反应前体、载气、吹扫气体中的一种或多种。
优选地，所述第一进气装置用于传输III族金属有机源，所述第二进气装置用于传输V族氢化物源。
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，所述加热单元在加热过程中，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,所述旋转驱动单元驱动所述基座或喷淋组件在所述化学气相沉积装置的沉积过程中进行旋转。
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，所述化学气相沉积装置为金属有机化合物化学气相沉积(MOCVD)装置、 低压化学气相沉积(Low Pressure Chemical VaporDeposition, LPCVD)装置、等离子体化学气相沉积(Plasma Chemistry VaporDeposition, PCVD)装置或原子层沉积(Atomic Layer Deposition, ALD)装置。
优选地，所述第一进气装置和所述第二进气装置均包括若干气体扩散管，且所述第一进气装置的气体扩散管和所述第二进气装置的气体扩散管交替设置。
优选地，所述相邻的第二进气装置与第一进气装置之间具有横向间隔。
优选地，所述横向间隔中填充有隔热物质。
优选地，所述第一进气装置的热辐射系数小于或等于所述第二进气装置的热辐射系数。
优选地，所述第一进气装置具有与所述冷却装置相接触的第一上表面和与所述第一上表面相对的第一下表面，所述第一下表面面对所述基座，第二进气装置具有与冷却装置相接触的第二上表面和与所述第二上表面相对的第二下表面，所述第二下表面面对所述基座，所述第一上表面与所述第一下表面的比率大于或等于所述第二上表面与所述第二下表面的比率。
与现有技术相比，本发明具有以下优点
I)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，从而所述冷却装置对所述第一进气装置和所述第二进气装置的冷却速率不同，当所述加热单元在加热过程中，由于所述冷却装置对所述第一进气装置与所述第二进气装置的冷却速率与冷却效果均不同，因此所述第一进气装置与所述第二进气装置具有不同的温度，避免了分解温度低的气体在高温下先发生预分解后又与分解温度高的气体反应并产生大量固体颗粒，降低了沉积在喷淋组件上的固体颗粒脱离到薄膜上的可能性，也避免了分解温度高的气体在低温下无法进行分解，提高了薄膜沉积的速率，提高了薄膜的质量，节省了原材料，降低了清洗以及生产成本。
2)所述第一进气装置用于传输III族金属有机源，所述第二进气装置用于传输V 族氢化物源，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族金属有机源和V族氢化物源的温度不同时，可以减少副反应的发生，提高 II1-V族化合物半导体薄膜的质量和沉积速率，防止III族金属有机源和V族氢化物源的浪费。
3)所述第一进气装置的温度控制在大于或等于35°C且小于或等于600°C的范围内，所述第二进气装置的温度控制在大于或等于135°C且小于或等于800°C的范围内，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，本发明使得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，从而能以较快的反应速率得到较高质量的II1-V族致密薄膜。
4)所述化学气相沉积装置还包括旋转驱动单元，所述旋转驱动单元驱动所述基座或喷淋组件在所述化学气相沉积装置的沉积过程中进行旋转，使得薄膜沉积更均匀。
5)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；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。
6)所述第二进气装置与所述第一进气装置之间具有横向间隔，优选地，在所述间隔上填充隔热物质，从而可以 减少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。
图1是现有技术一种喷淋组件的结构示意图2是本发明实施例一的CVD装置的结构示意图3是沿图2中AA’方向得到的结构示意图4是本发明实施例二的CVD装置的结构示意图5是沿图4中BB’方向得到的结构示意图。
具体实施方式
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，CVD装置中需要通入多种气体，现有的CVD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。
化学气相沉积装置通常包括反应腔、冷却装置、位于反应腔顶部的喷淋组件以及与喷淋组件相对设置的基座，基座具有加热单元，所述喷淋组件包括进气装置。发明人在进行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 tocooling surface)是指进气装置与冷却装置接触的面积；进气装置的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；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，所述加热单元在加热过程中， 所述第一进气装置与所述第二进气装置具有不同的温度。
2.如权利要求1所述的化学气相沉积装置，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不锈钢、铝、铜、金、银中的一种或多种。
3.如权利要求1所述的化学气相沉积装置，其特征在于，所述第一气体包括反应前体、 载气、吹扫气体中的一种或多种。
4.如权利要求1所述的化学气相沉积装置，其特征在于，所述第二气体包括反应前体、 载气、吹扫气体中的一种或多种。
5.如权利要求1所述的化学气相沉积装置，其特征在于，所述第一进气装置用于传输 111族金属有机源，所述第二进气装置用于传输V族氢化物源。
6.如权利要求5所述的化学气相沉积装置，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。
7.如权利要求5所述的化学气相沉积装置，其特征在于，所述V族氢化物源包括順3、 PH3、AsH3气体中的一种或多种。
8.如权利要求5所述的化学气相沉积装置，其特征在于，所述加热单元在加热过程中， 所述第一进气装置的温度小于所述第二进气装置的温度。
9.如权利要求8所述的化学气相沉积装置，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。
10.如权利要求9所述的化学气相沉积装置，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。
11.如权利要求1所述的化学气相沉积装置，其特征在于，还包括旋转驱动单元，所述旋转驱动单元驱动所述基座或喷淋组件在所述化学气相沉积装置的沉积过程中进行旋转。
12.如权利要求1所述的化学气相沉积装置，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。
13.如权利要求1所述的化学气相沉积装置，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。
14.如权利要求1所述的化学气相沉积装置，其特征在于，所述化学气相沉积装置为金属有机化合物化学气相沉积装置、低压化学气相沉积装置、等离子体化学气相沉积装置或原子层沉积装置。
15.如权利要求1所述的化学气相沉积装置，其特征在于，所述第一进气装置和所述第二进气装置均包括若干气体扩散管，且所述第一进气装置的气体扩散管和所述第二进气装置的气体扩散管交替设置。
16.如权利要求1所述的化学气相沉积装置，其特征在于，所述相第二进气装置的与第一进气装置的之间具有横向间隔。
17.如权利要求16所述的化学气相沉积装置，其特征在于，所述横向间隔中填充有隔热物质。
18.如权利要求1所述的化学气相沉积装置，其特征在于，所述第一进气装置的热辐射系数小于或等于所述第二进气装置的热辐射系数。
19.如权利要求1至18中任一项所述的化学气相沉积装置，其特征在于，所述第一进气装置具有与所述冷却装置相接触的第一上表面和与所述第一上表面相对的第一下表面，所述第一下表面面对所述基座，第二进气装置具有与冷却装置相接触的第二上表面和与所述第二上表面相对的第二下表面，所述第二下表面面对所述基座，所述第一上表面与所述第一下表面的比率大于或等于所述第二上表面与所述第二下表面的比率。
全文摘要
一种化学气相沉积装置，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，所述加热单元在加热过程中，所述第一进气装置与所述第二进气装置具有不同的温度。本发明可以为不同进气装置中的气体提供不同的温度。
文档编号C23C16/455GK103014667SQ20111028750
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, 林芳, 黄占超 申请人:理想能源设备(上海)有限公司