專利名稱：化學(xué)氣相淀積材料生長設(shè)備的反應(yīng)源進(jìn)氣分配方法與裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及制備薄膜材料的CVD材料生長設(shè)備的反應(yīng)源進(jìn)氣分配方法與裝 置的優(yōu)化設(shè)計，主要是通過讓分解溫度相差較大的反應(yīng)源氣體分別經(jīng)各自的輸運 通道單獨進(jìn)入反應(yīng)腔體，并對分解溫度較高的反應(yīng)源氣體進(jìn)行加熱預(yù)分解后，再 讓其與分解溫度較低的源氣體充分混合而進(jìn)行反應(yīng)，從而完成薄膜材料的外延生 長過程。
背景技術(shù)：
用于薄膜材料的外延生長方法包括化學(xué)氣相淀積(CVD)、電子回旋共振
等離子化學(xué)氣相淀積(ECR-MPCVD)、液相外延生長(LPE)、氣相外延生長 (VPE)、分子束外延生長(MBE)等。其中CVD生長技術(shù)屬最為常用的方法 之一，其特點是設(shè)備成本較低、生產(chǎn)批量大、薄膜均勻性好、易控制薄膜組分和 摻雜等。
在用CVD設(shè)備進(jìn)行材料生長的過程中，通常是t卜不同的反應(yīng)源氣體在進(jìn)入 反應(yīng)腔之前先進(jìn)行混合，然后再一起被引入反應(yīng)腔屮，在襯底表面附近，已混合 的反應(yīng)氣體分子在生長溫度下分解、罔:經(jīng)化學(xué)反應(yīng)實現(xiàn)原子的重新結(jié)合，從而在 襯底上淀積出所需的薄膜材料。如果參與反應(yīng)的反應(yīng)源中，不同的源氣體分解溫 度相差較大，某一氣源的氣體分子在相對較低的溫度下就可以發(fā)生分解，而另一 氣源的氣體分子的分解需要較高的溫度，這種差異將導(dǎo)致在高溫的襯底表面附 近，分解溫度較低的源氣體已經(jīng)充分分解，而分解溫度較高的源氣體卻還未能完 全分解，從而造成不同反應(yīng)源氣體分子之間不能充分反應(yīng)。這樣不但會降低反應(yīng) 速率，減小氣源氣體的利用率，而且可能會影響外延薄膜材料的質(zhì)量。因為分解 溫度較低的反應(yīng)源氣體的最終分解產(chǎn)物可能會與分解溫度較高的反應(yīng)源氣體的 中間產(chǎn)物反應(yīng)而生成一些其它物質(zhì)淀枳到襯底上，或者分解溫度較低的反應(yīng)源氣 體的最終分解產(chǎn)物處于過剩狀態(tài)而未完全反應(yīng)即淀積到襯底上，這些都將嚴(yán)重降 低外延的薄膜材料的質(zhì)量。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提出一種用于CVD材料生長設(shè)備的反應(yīng)源進(jìn)氣分配方法與 裝置的優(yōu)化設(shè)計，主要是通過讓分解溫度相差較大的反應(yīng)源氣體分別經(jīng)各自的輸 運通道單獨進(jìn)入反應(yīng)腔體，并對分解溫度較高的源氣體進(jìn)行加熱預(yù)分解后，再讓其預(yù)分解產(chǎn)物和分解溫度較低的源氣體在氣體混流區(qū)混合，在反應(yīng)區(qū)完成化學(xué)反 應(yīng)以進(jìn)行薄膜材料的外延生長。
本發(fā)明的技術(shù)方案是CVD材料生長設(shè)備的反應(yīng)源進(jìn)氣分配方法是讓分解溫 度相差較大的反應(yīng)氣源經(jīng)各自的輸運通道單獨地進(jìn)入反應(yīng)腔體，并對分解溫度較 高的源氣體進(jìn)行加熱預(yù)分解后再讓其與分解溫度較低的反應(yīng)源氣體充分混合后 在合適的溫度下進(jìn)行反應(yīng)以外延生長薄膜材料。對于分解溫度較高的反應(yīng)源氣 體，在輸運至石墨反應(yīng)腔進(jìn)氣端前需對其進(jìn)行加熱使其預(yù)分解，這個過程是通過 在導(dǎo)引氣體的細(xì)石英管周圍配置石墨管感應(yīng)件、經(jīng)射頻加熱的方法來實現(xiàn)的。細(xì) 的導(dǎo)引石英管分別把分解溫度較低的反應(yīng)源氣體和已經(jīng)預(yù)分解的分解溫度較高 的反應(yīng)源氣體及其中間產(chǎn)物輸運到石墨反應(yīng)腔的進(jìn)氣端附近，然后再讓兩者充分 混合后在石墨反應(yīng)腔中的被加熱的襯底表面進(jìn)行反應(yīng)并淀積。
CVD材料生長設(shè)備反應(yīng)腔加熱裝置采用射頻感應(yīng)加熱器，射頻感應(yīng)加熱 器的感應(yīng)件為石墨腔，置石墨基座于其中以放置襯底，石墨腔位于石英管內(nèi)以構(gòu) 成石英管反應(yīng)腔。分解溫度較低的反應(yīng)源氣體和分解溫度較高的反應(yīng)源氣體分別 通過石英管封口法蘭后經(jīng)細(xì)石英管導(dǎo)入反應(yīng)腔的進(jìn)氣端附近；氣源氣體在經(jīng)細(xì)石 英管的輸運過程中，導(dǎo)引分解溫度較高的源氣體的細(xì)石英管周圍配置石墨管以構(gòu) 成感應(yīng)件，用射頻感應(yīng)加熱的方式對管中所通過的分解溫度較高的源氣體進(jìn)行加 熱而使其預(yù)分解。
本發(fā)明方案的優(yōu)點是
1、 提高薄膜材料外延生長過程中的生長速率。
2、 提高反應(yīng)源氣體的利用率以節(jié)省材料制備成本。
3、 降低反應(yīng)過程中的雜質(zhì)淀積以提高外延薄膜的質(zhì)量。
附圖是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖，
具體實施例方式
如圖所示，此設(shè)計方案的實施過程主要如下所述
CVD材料生長設(shè)備的反應(yīng)源進(jìn)氣分配的裝置加熱裝置采用射頻感應(yīng)加熱 器，射頻感應(yīng)加熱器的感應(yīng)件為石墨腔；石墨腔中配以石墨基座以放置襯底，石 墨腔位于石英管內(nèi)；分解溫度較低的反應(yīng)源氣體和分解溫度較高的反應(yīng)源氣體分 別通過石英管封口法蘭后經(jīng)細(xì)導(dǎo)引石英管導(dǎo)入反應(yīng)腔的進(jìn)氣端附近；導(dǎo)引分解溫 度較高的源氣體的細(xì)石英管周圍配置石墨管以構(gòu)成感應(yīng)件。
4不同的氣路分別把所需的反應(yīng)源氣體通過法蘭1而導(dǎo)入石英管腔體，隨即在 腔體中用較細(xì)的石英管2分別導(dǎo)引不同分解溫度的反應(yīng)源氣體輸運至石英管內(nèi) 的石墨反應(yīng)腔進(jìn)氣端附近。對于分解溫度較低的反應(yīng)源氣體，在高溫下比較容易 分解，所以將其直接通過細(xì)石英管輸運至石墨反應(yīng)腔進(jìn)氣端附近，在其輸運過程
中并不對其進(jìn)行加熱預(yù)處理；而對于分解溫度較高的反應(yīng)源氣體，在輸運至石墨
反應(yīng)腔進(jìn)氣端之前需對其進(jìn)行加熱而使其預(yù)分解，這個過程通過在細(xì)石英管周圍
配置石墨管感應(yīng)件3、經(jīng)射頻加熱來實現(xiàn)。這樣，到達(dá)石英管中石墨反應(yīng)腔進(jìn)氣
端附近的氣體有分解溫度較低的源氣體，以及被加熱預(yù)分解了的分解溫度較高的 源氣體及其部分中間產(chǎn)物的混合物，它們進(jìn)入腔體后經(jīng)短距離輸運混合、在高溫 下發(fā)生化學(xué)反應(yīng)而在襯底表面實現(xiàn)薄膜材料的淀積。
具體的實施例子，如在半導(dǎo)體薄膜材料碳化硅(SiC)的CVD外延生長過 程中，采用硅烷(SiH4)和乙烯(C2H4)作為反應(yīng)源氣體；SiH4在450。C以上即 可有效分解，而C2H4的有效分解溫度在95(TC以上。若讓兩者直接混合后進(jìn)入 石英管的石墨反應(yīng)腔中反應(yīng)，山于分解溫度的巨大差異將導(dǎo)致兩者不能充分反應(yīng) 就被抽離反應(yīng)區(qū)，從而造成反應(yīng)源氣體的浪費、并影響SiC薄膜的外延生長。但 若通過反應(yīng)源進(jìn)氣分配方法與裝置的優(yōu)化設(shè)計后，讓SiH4直接通過細(xì)的導(dǎo)引石 英管輸運至石墨反應(yīng)腔進(jìn)氣端附近，而C2H,在經(jīng)細(xì)導(dǎo)引石英管的輸運過程中， 在細(xì)石英管周圍配置石墨管以構(gòu)成感應(yīng)件3，用射頻感應(yīng)加熱的方式對管中所通
過的C2H4進(jìn)行加熱而使其預(yù)分解后再輸運至石墨反應(yīng)腔進(jìn)氣端附近，然后讓
SiH4和C2HU及其分解的中間產(chǎn)物在混合區(qū)4充分混合后進(jìn)入高溫反應(yīng)區(qū)5反應(yīng)， 6為反應(yīng)加熱器，7為進(jìn)氣管與細(xì)石英管的接頭，圖中箭頭為氣流方向，從而完 成SiC薄膜材料的淀積和生長。
再如在氮化鎵(GaN)薄膜材料的外延生長過程中，由于有機Ga源的分解 溫度較低G00 40(TC)，而氨氣(NH3)的有效分解溫度在800°C以上，同樣可 以采用反應(yīng)源進(jìn)氣分配方法與裝置的優(yōu)化設(shè)計來改善GaN薄膜材料的外延生 長。
權(quán)利要求
1、CVD材料生長設(shè)備的反應(yīng)源進(jìn)氣分配的方法，其特征是讓分解溫度相差較大的反應(yīng)氣源經(jīng)各自的輸運通道單獨地進(jìn)入反應(yīng)腔體，并對分解溫度較高的源氣體進(jìn)行加熱預(yù)分解后再讓其與分解溫度較低的反應(yīng)源氣體充分混合后，在合適的溫度下進(jìn)行反應(yīng)以外延生長薄膜材料。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的CVD材料生長設(shè)備的反應(yīng)源進(jìn)氣分配的方法， 其特征是對于分解溫度較高的反應(yīng)源氣體，在輸運至石墨反應(yīng)腔進(jìn)氣端前需對其 進(jìn)行加熱而使其預(yù)分解，這個過程是通過在導(dǎo)引氣體的細(xì)石英管周圍配置石墨管 感應(yīng)件、經(jīng)射頻加熱的方法來實現(xiàn)的。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的CVD材料生長設(shè)備的反應(yīng)源進(jìn)氣分配的方法， 其特征是導(dǎo)引細(xì)石英管分別把分解溫度較低的反應(yīng)源氣體和已經(jīng)預(yù)分解的分解 溫度較高的反應(yīng)源氣體及其中間產(chǎn)物輸均運到石墨反應(yīng)腔的進(jìn)氣端附近，然后再 讓兩者充分混合后在石墨反應(yīng)腔中的被加熱的襯底表面進(jìn)行反應(yīng)并淀積。
4、 CVD材料生長設(shè)備的反應(yīng)源進(jìn)氣分配的裝置，其特征是CVD材料生長 設(shè)備的加熱裝置采用射頻感應(yīng)加熱器，射頻感應(yīng)加熱器的感應(yīng)件為石墨腔；石墨 反應(yīng)腔中的基座上放置襯底，石墨腔位于石英管內(nèi)；分解溫度較低的反應(yīng)源氣體 和分解溫度較高的反應(yīng)源氣體分別通過石英管封口法蘭后經(jīng)導(dǎo)弓I細(xì)石英管導(dǎo)入 反應(yīng)腔的進(jìn)氣端附近；導(dǎo)引分解溫度較高的源氣體的細(xì)石英管周圍配置石墨管以 構(gòu)成感應(yīng)件。
全文摘要
CVD材料生長設(shè)備的反應(yīng)源進(jìn)氣分配的方法，讓分解溫度相差較大的反應(yīng)氣源經(jīng)各自的輸運通道單獨地進(jìn)入反應(yīng)腔體，并對分解溫度較高的源氣體進(jìn)行加熱預(yù)分解后再讓其與分解溫度較低的反應(yīng)源氣體充分混合后，在合適的溫度下進(jìn)行反應(yīng)以外延生長薄膜材料。對于分解溫度較高的反應(yīng)源氣體，在輸運至石墨反應(yīng)腔進(jìn)氣端前需對其進(jìn)行加熱而使其預(yù)分解，這個過程是通過在導(dǎo)引氣體的細(xì)石英管周圍配置石墨管感應(yīng)件、經(jīng)射頻加熱的方法來實現(xiàn)的。
文檔編號C23C16/455GK101519772SQ20091003091
公開日2009年9月2日 申請日期2009年4月20日 優(yōu)先權(quán)日2009年4月20日
發(fā)明者樂 于, 斐 俞, 修向前, 華雪梅, 軍 吳, 榮 張, 琦 王, 王榮華, 謝自力, 紅 趙, 鄭有炓, 平 韓 申請人:南京大學(xué)