[发明专利]一种垂直喷淋式MOCVD反应器

说明书

技术领域

本发明涉及一种半导体薄膜沉积设备，尤指一种新的垂直喷淋式MOCVD反应器及其喷淋头和衬底托结构。目的是通过控制气体在反应器内的流动路径，使基片上方的气体流速、温度和反应物浓度都均匀分布，从而得到晶格结构完整、厚度和组分均匀的薄膜沉积。

背景技术

金属有机化学气相沉积(即MOCVD，Metalorganic Chemical VaporDeposition)，是制备化合物半导体薄膜的一项关键技术。它利用较易挥发的有机物如Ga(CH₃)₃等作为较难挥发的金属原子的源反应物，通过载气携带到反应器内，与NH₃、AsH₃等氢化物发生反应，在加热的基片上生成GaN、GaAs等薄膜，用于微电子或光电器件。MOCVD系统一般包括：(1)源供给系统；(2)气体输运系统；(3)反应室；(4)加热系统；(5)尾气处理系统；(6)控制系统；(7)晶片取放系统。通常所说的MOCVD反应器一般包括反应室、加热系统以及进气口和出气口。根据主气流与基片的相对方向，MOCVD反应器主要分为两大类：(1)主气流沿水平方向流动且平行于基片的称为水平式反应器；(2)主气流沿垂直方向流动且垂直冲击基片的称为垂直式反应器。现代的两种商用MOCVD反应器-行星式和垂直喷淋式，可以分别视为从水平式和垂直式反应器演化而来。

薄膜制备的重要指标之一，就是其厚度和组分的均匀性。在MOCVD技术中，要生长出厚度和组分均匀的大面积薄膜材料，基片各处的生长速度以及到达基片的反应物浓度应尽量均匀一致。这就要求基片表面附近存在均匀的流场、温场和浓度场分布，基片上方应处于层流区，无任何形式的涡流，基片上方有大的温度梯度，新鲜的反应物应能够同时到达基片上方各点。

水平式反应器(horizontal reactor)的主要问题是反应物浓度的沿程损耗、热对流涡旋和侧壁效应，容易造成薄膜厚度的前后不均匀，需用复杂的方法来加以克服，通常只用于试验室里，不适合工业上规模化生产。而行星式反应器(planetary reactor)作为水平式的改进形式，采用径向流动消除了侧壁效应，通过托盘公转和基片自转来获得浓度的均匀，可以进行规模化生产。但由于反应物浓度的沿程损耗不可避免，当托盘直径进一步扩大时，由于气体流动中被不断加热，热浮现象开始加剧，不利用单晶薄膜的生长，所生长的薄膜的不均匀性问题将更为突出。尽管行星式在进口段运用垂直多重进口来抑制反应物之间的预反应，但对于生长AlN等这种需要高活性反应物参与的情况，由于反应器本身的结构特点，其预反应还是难以被抑制，生长出来的薄膜质量低。

一般来讲，垂直式反应器(vertical reactor)比水平式反应器可获得更好的薄膜沉积，原因主要有两个方面：一是可以利用射流冲击在基片上方产生滞止流(stagnation flow)；二是可以利用托盘旋转产生一种吸引上方气体的泵效应(von pump effect)。二者都可以产生二维轴对称流动，抑制热对流涡旋，特别是在基片上方形成较均匀的速度、温度和浓度边界层。

传统的垂直反应器演变成两种现代类型：垂直喷淋式(showerhead)和高速转盘式(RDR)。垂直喷淋式的主要特点是采用喷淋头和近距离喷口，将反应气体人为的均匀分配到基片上方，从而使到达基片上方(边界层之外)各点的反应气体浓度基本相同。反应气体再通过浓度扩散，穿过边界层到达基片表面。但是，由于从托盘正上方喷入的所有反应气体都必须流到托盘边缘，再由排布在反应器侧面或下部的出口排出，在托盘中心处喷入的反应气体和在托盘边缘处喷入的反应气体流经的距离明显不同。由于中心处的生成物尾气不能及时排出，因此，这种反应器的浓度分布本质上仍是不均匀的。当托盘直径扩大、生长的晶片数目增加时，这种不均匀性将被放大。

高速转盘式利用托盘高速旋转产生的泵效应来抑制对流涡旋，得到基片上方均匀的边界层厚度，从而使基片上方各点得到较均匀的粒子浓度供给。但是MOCVD的生长温度都很高，高温托盘的旋转，其本身就对机械制造工艺提出了很高的要求；再者，在实际操作中还会遇到径向有偏差、旋转同轴度控制困难，当转速加大时，还可能引起理想的二维轴对称流变为复杂的三维流，造成流动失稳和均匀降低的问题。