專利名稱：向外延生長基片輸送前體氣體的裝置的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及氣相外延生長設備，具體而言，提供了將前體氣體加熱并輸送到外延生長室中的裝置；本發(fā)明對用于GaN的大量生長的設備特別有用。
背景技術：
GaN和其它III族-V族的化合物的鹵化物(或氫化物)氣相外延(HVPE)具有的 已知問題是會導致前體氣體向基片處GaN的低效轉(zhuǎn)化。一個問題涉及前體氣體的溫度。在 GaN的情況中，如果GaCl3和NH3的進入溫度低于約850°C，則可能形成不合需要的GaCl3NH3 絡合物，這限制了 GaCl3和NH3之間形成GaN的所需的直接反應。如果前體氣體在緊鄰基片 的附近處接觸之前過早混合，就會出現(xiàn)另一個問題。前體氣體的過早混合可導致有害的氣 相反應副產(chǎn)物，并導致顆粒在反應器內(nèi)產(chǎn)生，二者都會使產(chǎn)品質(zhì)量下降。生長室內(nèi)壁上的不合需要的沉積會引起另一個問題。在GaN的情況中，由于含Ga 的前體如GaCl或GaCl3在相對低的溫度(通常小于500°C)由氣相凝結(jié)而發(fā)生不合需要的 沉積，因而反應器的未保持高于蒸發(fā)區(qū)的溫度的區(qū)域?qū)煌扛病ｋS著時間流逝，這種有害 材料可累積至使所述室的加熱低效的程度并且產(chǎn)生降低質(zhì)量的顆粒。因而，III族-V族的化合物生長的現(xiàn)有技術可得益于改進前體氣體的熱化和向生 長室中的輸送的裝置。這種改進將通過相關成本的降低來更有效地利用前體氣體。不過， 這種裝置還未出現(xiàn)，這至少是因為適于商業(yè)生產(chǎn)的生長室中的物理空間非常有限，并且其 它裝置的添加可能損害機械基片轉(zhuǎn)移系統(tǒng)的效率或者可能受到例如入口管線和排出管線 的可用間隙的限制。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供水平延伸至生長室中從而提供經(jīng)熱化的前體氣體的更準確輸送的氣 體注射器裝置。該改進的注射器可將受熱前體氣體以在沖擊生長基片之前彼此在空間上分 開的流分配到生長室。所述流以足以大量制造的量輸送。重要的是，該改進的注射器的大小 和構(gòu)造可使其適合于多種現(xiàn)有商業(yè)生長室，且不妨礙隨所述室使用的機械和機器人基片處 理設備的運行。本發(fā)明可用于多種元素和化合物半導體的大量生長，尤其可用于III族-V 族的化合物和GaN的大量生長。在優(yōu)選的實施方式中，本發(fā)明提供了超小型、超薄的前體加熱注射器，該注射器可引入到基片上的有限空間中，同時為晶片裝/卸機構(gòu)保留足夠的空間(access)。該注射器 可提供非反應性氣流以分離反應性前體氣體?？赏ㄟ^結(jié)合一種或多種能夠耐受外延生長 室中的腐蝕條件和高溫的可結(jié)合材料來形成注射器。適當?shù)牟牧习突鹧趸锶缡ⅰ?耐火碳化物如碳化硅、耐火氮化物如氮化鋁和類似材料。可以在一層或多層所述材料中形 成通道，其在被其他層密封時形成用于在空間上相互分開的多種氣體流動的管道。所述通 道可具有各種通道幾何形狀和尺寸、各種輸入端口和各種輸出端口等。可通過本領域技術 人員已知的手段來切割通道，所述手段例如包括但不限于濕法蝕刻、等離子體蝕刻、機械切害|J、激光切割等，并且整個裝置可通過將各構(gòu)成層結(jié)合在一起來完成。在優(yōu)選的實施方式中，通道和管道以蛇形布置排列。這種布置及類似布置使注射器內(nèi)的通道長度最大化，從而增加了在注射器內(nèi)流動的氣體的停留時間。這種較長的停留 時間使得氣體能被有效加熱。優(yōu)選的是，例如通過熱燈、電阻/感應加熱等來加熱注射器， 加熱可以通過反應器加熱元件或與反應器無關的加熱元件進行。在優(yōu)選的實施方式中，可以將一種或多種相對非反應性氣體簾幕整合在注射器 中，從而防止前體氣體在離開注射器后過早混合。非反應性氣流的加入增加了反應性氣體 在接觸基片前保持分離的能力。接觸基片時，由高溫基片引起的湍流將破壞惰性氣體簾幕， 從而使氣體在緊鄰基片處反應。除了提供反應性氣體之間的分隔，非反應性氣體流還可使 生長晶片上的氣流優(yōu)化?？衫梅欠磻詺怏w流中的流速來優(yōu)化生長基片上的反應物的混 合和停留時間，增加外延生長層的生長速率和膜均勻性。更具體而言，在優(yōu)選的實施方式中，本發(fā)明提供了用于將氣態(tài)前體分配至外延生 長室的注射器。所述注射器包括一條或多條從鄰近室壁的近端部到生長室中存在的外延生 長基片附近的遠端部的、水平延伸至該生長室中的管道。鄰近室壁的管道的近端部包括接 收氣流的至少一個開口 ；位于基片附近的遠端部包括將氣流分配至室中、優(yōu)選分配至基片 的面的至少一部分的多個端口。本發(fā)明的注射器還可以包括用于改善從室的內(nèi)部到注射 器裝置的熱轉(zhuǎn)換的熱轉(zhuǎn)換單元。所述注射器優(yōu)選包括耐受生長室內(nèi)條件和管道內(nèi)條件的材 料，并具有約2mm 約8mm的厚度。這些優(yōu)選實施方式可以是平面的。平面實施方式可以由生長室內(nèi)水平布置的兩種 以上平面材料構(gòu)造，至少一種平面材料形成有一條或多條通道并與另一種平面材料密封結(jié) 合以密封所述通道從而形成管道。各所述管道優(yōu)選從接收氣流的近端部延伸至所述室內(nèi)的 生長基片附近的遠端部(該遠端部具有多個穿過至少一種平面材料的端口)，以將氣流分 配至所述室中。在不同的方面，管道可具有各種結(jié)構(gòu)。例如，多條管道可用于將多種氣體分配在基 片面上；此外，可將所述管道的至少兩個遠端部構(gòu)造為彼此平行布置的線形，或構(gòu)造為彼此 同心布置的至少部分圓形，或者經(jīng)構(gòu)造從而使一個管道遠端的端口與至少另一遠端的端口 相鄰布置。在能夠分配至少三種氣體的三條以上管道的情況中，其遠端的端口可經(jīng)布置從 而使一個遠端的端口在另兩個遠端的端口之間。其它管道結(jié)構(gòu)還包括具有近端部和遠端部之間的蛇形部的至少一條管道；并且還 包括在垂直方向上隔開并且管道間無氣體流通的兩條管道。所述管道可通過密封至少兩條 這樣的通道來形成一條通道與至少另一條通道垂直隔開并隔離。管道結(jié)構(gòu)還包括相互 交叉且管道間無氣體流通的管道，和相互交叉且兩條管道之間有通過端口的氣體流通的管 道。在這些管道中，氣體可在一條管道的近端部和另一條管道的遠端部之間流動。在優(yōu)選的實施方式中，本發(fā)明還提供了具有外延生長室和本發(fā)明的注射器裝置的 外延生長裝置，所述外延生長室中布置有生長基片，所述注射器裝置經(jīng)布置可將多種氣體 分配至生長基片的面上。所述生長室優(yōu)選還包括加熱生長室中材料的輻射元件，并且生長 室對所述輻射元件發(fā)射的輻射至少部分透明，而所述注射器裝置包含具有至少部分吸收性 的材料，所述材料優(yōu)選為所述注射器裝置的整體性部分。所述吸收性材料可以為平面的并 與注射器裝置的載氣部分接觸或接近。
在另一些實施方式中，所述外延生長裝置還可以包括裝/卸端口和通過所述裝/ 卸端口進入生長室并退出生長室的裝/卸機構(gòu)，從而將生長基片放入生長室中和將生長基 片由生長室移除。在這種外延生長裝置中，優(yōu)選的是，本發(fā)明的注射器的尺寸和構(gòu)造以及在 生長室中的布置不妨礙裝/卸機構(gòu)。生長室還可包括用于在所述室中建立氣體橫流(cross flow)的附加氣體端口。在具有能夠分配三種氣體的注射器的本發(fā)明的外延生長裝置的優(yōu) 選應用中，NH3和GaCl3通過外遠端的端口分配，非反應性氣體通過內(nèi)遠端的端口分配。
本發(fā)明的其它方面和細節(jié)以及要素的替代性組合將通過以下詳細描述而變得清 楚，并且也處于本發(fā)明的范圍之內(nèi)。


通過參考對本發(fā)明的優(yōu)選實施方式、本發(fā)明的具體實施方式
的示例的以下詳細描 述并參考附圖，本發(fā)明將得到更加充分的理解，附圖中圖IA 圖ID以示例性方式圖示了內(nèi)部注射器和管道端口的式樣；圖2A 圖2B圖示了示例性管道構(gòu)造；圖3A 圖3C圖示了示例性平面內(nèi)部注射器；圖4圖示了另一示例性平面內(nèi)部注射器；和圖5以示例性方式圖示了受熱內(nèi)部注射器。
具體實施例方式下面描述本發(fā)明的內(nèi)部注射器裝置的優(yōu)選實施方式。此處使用標題僅為清楚起 見，并無任何限制用意。圖IA IB示意性圖示了本發(fā)明的內(nèi)部注射裝置的實施方式。為清楚起見，圖IA 中出現(xiàn)的標示也在圖IB中出現(xiàn)的特征的附圖標記在后圖中不再重復。如這些圖中所示，本 發(fā)明的內(nèi)部注射器13布置在外延生長室1的內(nèi)部，所述外延生長室1可以是已有的，也可 以是為本發(fā)明的應用而設計的。在各情況中，生長室具有如圖IA IB所示的某些常規(guī)特 征，下面簡述這些常規(guī)特征。首先，生長室的尺寸和構(gòu)造可以使其在其內(nèi)部包括至少一個外延生長基片5和至 少一個本發(fā)明的內(nèi)部注射裝置13。另外，它可具有各種構(gòu)造和尺寸，例如，水平截面可為矩 形、圓形或其它形狀，上表面和下表面可形成例如平面、圓頂和其它構(gòu)造選擇。生長室具有 至少一個排出端口 9，廢氣E通過排出端口 9流出所述室?？蛇x的是，除了由內(nèi)部注射器13 提供的注射器端口之外，生長室還可具有附加的注射器端口，通過所述附加的注射器端口 可將示意性圖示為氣體D的各種處理氣引入所述室中。示意性圖示為端口 3的這些附加端 口可具有本領域已知的多種構(gòu)造和布置。生長室可結(jié)合有常規(guī)部件如基座7以支持生長基 片5，基座7可被安裝為可旋轉(zhuǎn)的。生長室還可結(jié)合有加熱單元11，加熱單元11可包括由電流加熱的電阻元件；發(fā) 射諸如RF、紅外、可見光和UV等輻射的輻射元件；其它類型的元件；不同類型加熱元件的組 合。在優(yōu)選的實施方式中，加熱單元11包括如燈和RF線圈等輻射元件，生長室的材料對輻 射元件發(fā)射的輻射至少部分透明，因而所發(fā)射的輻射透入生長室中直接加熱那些吸收所發(fā) 射的輻射的內(nèi)部部件。更優(yōu)選并如圖IA IB所示，生長室的材料包括石英，并且加熱單元包括可位于生長室之上、或生長室之下、或者同時位于生長室之上和生長室之下的已知并 可用于半導體加工設備的類型的加熱燈。現(xiàn)在轉(zhuǎn)向圖IA IB所示的示例性內(nèi)部注射裝置13的細節(jié)，應當理解的是該內(nèi)部 注射器是示意性表示的，而非旨在表示實際實施方式。相反，該例示給出了不是在任何具體 比例(scale)都必需的主要功能部件和主要功能關系。實際的內(nèi)部注射器可具有數(shù)量更多 或更少、且尺寸和布置不同的圖示功能部件。在該理解之下，本發(fā)明的內(nèi)部注射器裝置13 包括承載處理氣體并將處理氣體分配到生長室中(通常分配至生長基片5附近)的注射 器內(nèi)的一條或多條管道17。具有管道的注射器不限于室壁附近等，而可自由延伸到室體內(nèi) 部。從與通常在生長室外的處理氣體供應相連通的端口、管和其它注射器等(均如端口 27 所示)可將處理氣體引入管道17的遠端部。所引入的氣體流經(jīng)管道，并經(jīng)過多個與管道17 連通的管道端口(或管道噴嘴)如管道端口 21、23和25分配至生長室1中。雖然技術上 并不準確，但為了方便和清楚，圖IA圖示了內(nèi)部注射器13分別通過管道端口 21、22和23 分配3種類型氣體，即A型氣體、B型氣體和C型氣體，但僅圖示了一條管道。應當理解的 是，在實際實施中通常每種類型氣體都有單獨的管道。管道17被圖示為具有在頂部15和底部19之間形成的生長室內(nèi)的線性、平面(2D) 布置。這在想要最小化氣體通過管道的傳送時間和最小化所述室中由內(nèi)部注射器占據(jù)的體 積時是優(yōu)選的。其它管道布置也是可以的。在還優(yōu)選最小化所述室中由內(nèi)部注射器占據(jù)的 體積但不必最小化氣體傳送時間的時候，可以使用平面蛇形布置(圖3A)。這種布置甚至可 用于最大化氣體傳送時間。當有可用的室內(nèi)部空間時，管道在所述室中也可采取各種3D路 線?？蓪⒐艿佬纬蔀楣茴愋螤?。 管道端口的尺寸、布置和分組以及與生長基片的分隔優(yōu)選可實現(xiàn)處理氣體在生長 基片上的理想分布。通常，一種或多種處理氣體在基片表面上的均勻分布是所期望的，在所 述情況中，如果基片是旋轉(zhuǎn)的，則端口可基本沿基片直徑分布，或者，如果基片是靜止的，則 端口可基本橫跨基片表面分布。管道端口的空間密度和直徑可在下述范圍內(nèi)從與基片距 離較遠的數(shù)量較少的較大端口到與基片距離較近的數(shù)量較多的較小端口，后一種構(gòu)造在大 多數(shù)實施方式中是優(yōu)選的。例如，對于300mm的生長基片，管道端口優(yōu)選與生長基片表面隔 開約IOmm 約30mm;且管道端口的截面尺寸優(yōu)選為約0.01mm 約1.0mm大小。因此，鑒 于由管道端口到基座的氣流特性，即主要鑒于單個管道端口在基片表面上產(chǎn)生的氣體足跡 或覆蓋面積來選擇管道部分的空間密度。管道端口布置的具體參數(shù)可根據(jù)已知氣流特性的 知識做出選擇，并可通過常規(guī)實驗來改進估計的參數(shù)。此外，當通過管道端口分配多種氣體時，每種氣體的端口的相對空間布置至少部 分取決于多種氣體在沖擊基片之前是否優(yōu)選保持分離，或者氣流在沖擊基片之前的混合是 否是可接受的。在前一種情況中，每種氣體的端口優(yōu)選在空間上分開為分離的組，和/或提 供經(jīng)選擇為非反應性氣體、并能夠作為需保持不混合的氣體之間的“簾幕”的第三種氣體的 居間端口。在后一種情況中，不同氣體的端口的布置約束更少。圖IA圖示了管道端口的示例性間隔、尺寸、布置和分組。此處，端口的尺寸和與生 長基片的間隔應可以使氣體從各端口流出從而在沖擊生長基片時實現(xiàn)基本均勻的分配。各 端口的覆蓋區(qū)由各自的虛線矩形表示。端口的密度應可實現(xiàn)三種氣體橫跨整個生長基片的 優(yōu)選分布。端口的相對空間布置應以氣體B的簾幕將氣體A與氣體C分離。當然與本示例性圖相反的是，在實際實施中端口 21、22和23實際上可以是大量、較小端口的組。在一些實施方式中，入口端口 3可導入額外的處理氣體，例如可用于將剩余量的未反應氣體A、B和 C連同任何反應產(chǎn)物吹掃為通過廢氣端口 9流出的廢氣E的載氣D?？梢詫⑶绑w氣體的端口與可選的簾幕氣體的端口一同整合在注射系統(tǒng)中，所述簾 幕氣體可限制前體氣體在離開注射固定部(injection fixture)時的過早混合。簾幕氣流 的添加增加了反應性氣體在接觸基片前保持分離的能力，其中由高溫基片引起的湍流將破 壞惰性氣體簾幕，從而使氣體僅在緊鄰基片處混合反應。簾幕氣流使得可以優(yōu)化生長晶片 上的氣流。簾幕氣體流速的調(diào)整可用于優(yōu)化前體氣體在生長基片上的混合和停留時間。從 而改善外延生長層的生長速率和膜均勻性。例如氣體A和氣體C可以是前體氣體。如果氣 體A和氣體C容易反應，則氣體B可以是形成前體氣體之間的簾幕從而防止它們在沖擊生 長基片之前反應的非反應性載氣。在由HVPE法生長GaN的情況中，氣體A和C可以是GaCl3 和NH3,而氣體B可以是N2或H2。圖IB圖示了生長室41中的管道13'的端口的另一示例性間隔、尺寸、布置和分 組。在其它方面，管道13'和室41與圖IA相似。此處，四個示例性管道端口(實際上是多 個管道端口的組)在生長基片上分配三種氣體。假設生長基片由基座旋轉(zhuǎn)，端口 33和37 分別分配氣體A和氣體C，并與生長基片有間隔，并且經(jīng)配置使這些氣體實現(xiàn)在基片的環(huán)形 部上的優(yōu)選氣體分布。端口 31和39以將基片邊緣與氣體A和C隔離的細圓筒形覆蓋區(qū)分 配氣體B。端口 35在基片中央分配簾幕氣體B，用以將氣體A與氣體C分開。圖IC 圖ID圖示了管道遠端部和位于其中的管道端口的兩種示例性2D布置。本 發(fā)明不限于這些圖示的2D布置，還包括管道的多種其他的2D空間布置。為了清楚和方便， 這些管道的由氣源延伸到遠端部的更近端的部分此處并未顯示，但可從上述描述中理解。圖IC圖示了能夠分配一種、兩種或三種不同類型的三種氣體(氣體A、氣體B和 氣體C)的遠端部和管道端口的示例性線性布置。這些遠端部適合于例如旋轉(zhuǎn)基片。氣體 A從該管道的更近端的部分輸送到Illa部中，遠端部107a由Illa部伸出。然后氣體A通 過線性布置的管道端口 109a離開遠端部107a進入生長室。分配氣體C的遠端部107c與 遠端部107a相似。遠端部107b也與遠端部107a相似，不同之處在于其將氣體B通過兩排 線性布置的管道端口 109b分配到生長室中。一般而言，可以將管道端口以各種方式布置在 遠端部上。圖ID圖示了適合于例如靜止基片的遠端部和管道端口的示例性圓形布置。此處， 最外面的遠端部IOla為半圓形；通過接口 103a接收來自管道的更近端部的氣體A ；并通過 半圓形布置的管道端口 105a將氣體A分配至生長室中。中間的遠端部IOlb與最外面的遠 端部相似，為半圓形；通過與管道的更近端部的接口接收氣體B ；并通過半圓形布置的管道 端口分配該氣體。近端部與中間的遠端部IOlb的接口穿過半圓形的最外面的遠端部IOla 的缺口，近端部與最內(nèi)部的遠端部IOlc的接口穿過半圓形的最外面的遠端部IOla的缺口 并穿過半圓形的中間的遠端部IOlb的缺口。與最外面和中間的遠端部相反，最內(nèi)部的遠端 部IOlc此處被圖示為沒有缺口的圓形。它通過與管道的更近端部的接口接收氣體C并通 過圓形布置的管道端口分配該氣體。由于遠端部IOlc之內(nèi)沒有遠端部，因此它本身不需具 有缺口以使接口向內(nèi)穿入更近的端部。圖ID的布置不需要管道相互交叉，因而適合于平面2D內(nèi)部注射器。如果管道能夠在第三維度延伸并相互交叉，則所有三個遠端部均可為沒有缺口的圓形，一個遠端部的 接口可簡單地跨越任何居間的遠端部。例如，在具有兩層以上平面管道層的內(nèi)部注射器中， 如果能夠形成通孔(via)從而使氣體在層之間穿過，則管道交叉是可能的；在其中至少一 條管道是能夠在第三維度上延伸的個體管的內(nèi)部注射器中，交叉也是可能的；并且在其它 結(jié)構(gòu)中交叉也是可能的。管道可以以各種結(jié)構(gòu)形成。在一些實施方式中，管道可以通過單個的、通常為圓柱 形的材料片來形成；在另一些實施方式中，管道可以在頂部15和底部19(圖1A)之間以必 要的側(cè)部來形成。這些結(jié)構(gòu)的這種管道在生長室內(nèi)可以在所有三個維度(3D)上延伸。圖 2A圖示了圓柱形實施方式的示例性管道的中間部(即近端和遠端之間的部分)的截面。此 處，材料51是管道49內(nèi)限定的基本為圓形的形式。材料51的截面可以為圓形、橢圓形等。無論是什么形狀，截面尺寸優(yōu)選使本發(fā)明的注射器不妨礙機械和機器人基片處理 設備的運行，且可提供足夠的機械穩(wěn)定性。在一般基片處理設備和一般室的情況中，總尺寸 通常小于約2mm 約8mm。優(yōu)選的厚度在5mm的范圍內(nèi)。在優(yōu)選的實施方式中，管道可在兩層平面形材料之間形成，因而只能在其平面形 材料組成限定的兩個2D平面內(nèi)延伸。圖2B圖示了示例性的所述實施方式的遠端部(即具 有管道端口的部分)的截面。此處，在下層平面材料55中形成了四條通道( 通道59、61、63 和65)并以上層平面材料57密封，從而形成了能夠攜帶1 4種分離的氣體的四條管道。 作為其它選擇，通道可以形成在上層平面材料中，也可以形成在兩層平面材料中，并且可以 具有矩形之外的其它橫截面。通道可各自具有線性或蛇形布置。所示的遠端部包括分別與 管道59、61、63和65連通的管道端口 59'、61'、63'和65'。材料55和57可以相同，也 可以不同，優(yōu)選可結(jié)合在一起，并且優(yōu)選能耐受生長室中的條件。其它平面實施方式可具有兩層以上限定管道的通道，管道可相互交叉并可承載附 加氣體。例如，可以在上層平面材料和下層平面材料中形成不重疊的通道，因而當上層材料 和下層材料結(jié)合在一起時，就形成了兩層管道。又例如，可以將其中兩層以上平面形材料具 有通道的三層以上平面形材料結(jié)合在一起，從而形成兩層以上的通道。尤其是，中間平面材 料可在其上表面和下表面中具有通道，通過將頂部和底部平面材料與中間平面材料的兩個 表面結(jié)合來密封所述通道。此外，這種多層平面實施方式的實施方式可在不同層中的通道 之間具有開口，這起到類似“通孔”的作用。因此，單個管道可在第三維度上從層到層地延 伸。這種其它實施方式使得內(nèi)部注射器可以以不受單層2D通道的幾何學限制的方式將多 種氣體分配至多組管道端口。內(nèi)部注射器組件由這樣的材料形成，所述材料能夠耐受生長室內(nèi)的高溫和由管道 中運載的氣體和生長室內(nèi)部的氣體引起的反應化學環(huán)境。優(yōu)選的材料包括石英、碳化硅、 氮化鋁和其它類似的耐火材料。可通過濕法蝕刻、等離子體蝕刻、機械切割、激光切割或本 領域中已知的其它手段在材料中切割出通道?？梢允褂猛瑯釉诒绢I域中已知的晶片結(jié)合方 法來將材料結(jié)合。內(nèi)部和外部尺寸優(yōu)選為約Imm 約8mm ；管道端口優(yōu)選為約0. Olmm 約 Imm0圖3A 圖3C圖示了結(jié)構(gòu)為較薄的平面樣形狀的具有單層管道的內(nèi)部注射器81 的優(yōu)選實施方式，所述單層管道位于注射器的平面中并導向管道端口的三個線性且平行的 陣列?？烧J為內(nèi)部注射器81是圖IA中示意性圖示的內(nèi)部注射器的一個非限制性實施方式。圖3A呈現(xiàn)了該實施方式的平面圖。內(nèi)部注射器81所具有的三條管道83a、83b和83c 作為平面材料中的密封通道而形成，并從管道入口沿著蛇形路線到3組線性布置的管道端 口。具體而言，通道83a (83b和83c)將氣體從管道入口 85a (分別從85b和85c)傳輸?shù)焦?道端口的線性陣列87a(分別傳輸?shù)?7b和87c)。管道的蛇形路線延長了氣體通過管道的 傳送時間，該特征在后續(xù)參考圖5描述的本發(fā)明的另一優(yōu)選實施方式中是有用的。圖3B顯示注射器81的表面的斜視圖，穿過注射器81的表面開有管道端口。此處 清楚的是通過將薄的平面材料90與薄的平面材料91 (材料90和91可相同或不同)結(jié)合 來形成厚度為約2mm 約8mm且優(yōu)選為約5mm的結(jié)構(gòu)，從而制成了該注射器。圖3A中圖 示的管道可形成為材料90和/或91中的通道，并將一種或多種氣體通過通常位于生長基 片附近的管道端口的陣列87a、87b和87c分配至生長室中。接口塊88a、88b、88c將來自氣 源(通常為外部氣源)的分別通過中間管89a、89b和89c傳導的氣體分別連接至管道入口 85a,85b 和 85c。圖3C顯示放置在生長室1中的內(nèi)部注射器81的布置的平面圖。注意，與圖IA和 圖3C共有的生長室元件在兩幅圖中以相同的附圖標記標示。中間管89a、89b和89c分別 將生長室外的氣體端口 27a、27b和27c (通過此處未示出的接口塊)分別連接至管道入口 85a、85b和85c。平面內(nèi)部注射器81中的管道83a、83b和83c隨后將管道入口 85a、85b和 85c分別連接至管道端口 87a、87b和87c，管道 端口 87a、87b和87c位于帶有生長基片5的 基座的中心之上。因而，從生長室外的氣源到生長基片附近的多氣體端口的陣列建立了氣 體的完整通路。氣體通過排出端口9從生長室中排出。附加氣體端口3可建立穿過生長室 并橫越生長基片的一種或多種氣流。優(yōu)選的是，在內(nèi)部注射器81中氣體相對于由端口 3引 入的氣體的任何橫流反向流動。圖4顯示圖IB中示意性圖示的內(nèi)部注射器的一個非限制性實施方式的平面圖。此 處注射器94的結(jié)構(gòu)同樣為較薄的平面形，具有在注射器平面中延伸的管道并具有管道端 口的四個線性平行陣列。與內(nèi)部注射器81—樣，內(nèi)部注射器94所具有的三條管道83a、83b 和83c作為平面材料中的密封通道而形成，并分別從管道入口 85a、85b和85c沿著蛇形路 線到4組線性布置的管道端口。具體而言，通道83b (83c)將氣體傳輸?shù)焦艿蓝丝诘木€性陣 列93b (93c)。不過，管道圖示了一種替代性布置，其中管道83a的遠端部分為分別將氣體傳 輸至管道端口的線性陣列93a和93d的支管道95和97。因此，來自單一入口端口 85a的氣 體被輸送至出口端口陣列93a和93d，并由這兩組陣列被分配至生長室中從而形成將由管 道端口陣列93c分配的氣體圍起的簾幕。三條管道的蛇形路線延長了氣體通過管道的傳送 時間，該特征在后續(xù)參考圖5描述的本發(fā)明的另一優(yōu)選實施方式中是有用的。本發(fā)明的另一顯著特征是在氣體被分配到生長室中之前，可以在通過本發(fā)明的內(nèi) 部注射器傳輸氣體時對氣體進行加熱。加熱前體氣體對防止前體氣體在沖擊目標生長基片 之前就過早反應是有利的。已知過早反應會例如劣化生長中的外延層的質(zhì)量，并消耗有價 值的氣體試劑等。例如，在以HVPE法生長GaN的情況中，GaCl (或GaCl3)和NH3在較低溫度 可形成抵抗向GaN的轉(zhuǎn)化的絡合物。由于內(nèi)部注射器必須暴露在生長室內(nèi)的較高溫度下， 因此流經(jīng)內(nèi)部注射器的氣體必然被照常加熱至一定程度。不過，在許多實施方式中優(yōu)選包 括促進對在本發(fā)明的內(nèi)部注射器中流動的氣體加熱的特定特征?？纱龠M對在注射器內(nèi)管道中流動的氣體加熱的一個重要設計特征涉及氣體管道的鋪設。優(yōu)選的是，管道鋪設應延長氣體在內(nèi)部注射器固定部內(nèi)的停留時間，這是因為更長的停留時間可提供向氣體熱傳遞的附加時間。另一方面，理想的是氣體流速不顯著受限，氣 壓也不顯著提高。因此，優(yōu)選的是將管道制造得較長，且并不狹窄。在具有形成在結(jié)合的平 面材料之間的通道的內(nèi)部注射器的情況中，較長的管道可采取蛇形路徑。蛇形路徑的許多 式樣都適合于本發(fā)明。圖3A 圖3C和圖4所示的一種優(yōu)選的式樣可用于采取緊密波樣路 徑的通道，可選的是相鄰通道的峰和谷相互交叉嵌套。其它幾何式樣可以是同樣使管道更 長的眾所周知的式樣。可促進氣體加熱的另一個特征涉及向內(nèi)部注射器固定部的熱傳遞。本領域中已知 的多種技術可改善周圍熱向固定部的傳遞，這些技術中具體技術的適合性可取決于例如用 以加熱所述室的加熱單元的類型、生長室內(nèi)的預期氣壓等。例如，可以通過生長室內(nèi)氣體的 對流和傳導來傳熱，并且這些方法可通過較高氣壓得到改善。另外，可通過安置在高溫物體 附近、通過傳導片或其它傳導元件等來改善熱傳導。然而，在優(yōu)選實施方式中生長室由輻射元件加熱，并且所發(fā)射的輻射被捕獲以加 熱內(nèi)部注射器。例如，在內(nèi)部注射器包括至少在一定程度上吸收所發(fā)射輻射的材料(如 SiC)的情況中，內(nèi)部注射器將由所發(fā)射的輻射直接加熱，所述輻射也將基座加熱至生長溫 度。因此，流動氣體可被更有效地加熱至接近生長溫度。另一方面，如果內(nèi)部注射器的材料 對所發(fā)射的輻射基本上是透明的，例如是石英，則這樣布置其它輻射吸收元件材料的構(gòu)造 和尺寸使該輻射吸收元件接觸或緊密接近內(nèi)部注射器。因而，該吸收元件由所發(fā)射的輻射 加熱，然后加熱內(nèi)部注射器。所述后一種優(yōu)選的熱傳遞技術如圖IA IB所示，現(xiàn)對其進行描述。平面材料板 材29包含這種適合加熱平面內(nèi)部注射器的吸收元件。在多種實施方式中，加熱單元11包 括高強度燈，并且生長室1將至少部分地由對該燈發(fā)射的輻射透明的材料形成。于是板材 29可優(yōu)選為與內(nèi)部注射器13接觸或緊密接近布置的、可耐受生長室條件的高吸收性平面 材料，例如SiC。板材29可吸收加熱燈的輻射并達到與基片所達到的外延生長溫度相似的 溫度。因此，內(nèi)部注射器和其中流動的氣體可被更有效地加熱至接近生長溫度。圖5圖示了生長室1中的示例性的受熱內(nèi)部注射器。如前，氣體通過排出端口 9 排出，而端口 3可導入貫穿室1長度的額外氣流。如圖3C所示，端口 27a、27b、27c用于導 入擬由內(nèi)部注射器分配的氣體。在一個實施方式中，內(nèi)部注射器固定部包括與下面的內(nèi)部 注射器13接觸或緊密接近的上部吸收性板材29。在另一個實施方式中，吸收性板材或材 料29是內(nèi)部注射器13的整體式部件(例如平面注射器的上部板材)。將吸收性板材或材 料29安置為直接暴露于生長室1上的加熱燈(未示出)，并且如果內(nèi)部注射器13與板材或 材料29分離，則將內(nèi)部注射器13安置為接觸或緊密接近板材或材料29。還將內(nèi)部注射器 安置為使其管道端口在生長基片5之上。生長基片僅部分地被注射器固定部的吸收部分覆 蓋，因而它也可以由加熱燈直接加熱。如圖所示，板材29的整個表面是吸收性的；不過，在 其它實施方式中，板材29的吸收部分可以僅為其表面的一部分。例如，生長基片上的片材 的部分或全部可以或多或少地具有透明性，例如以更好地加熱生長基片。圖5圖示了本發(fā)明的另一方面。在許多生長室中，可由通過門控裝/卸端口進入 和離開生長室的自動機構(gòu)如貝努里棒(Bernoulli wand)來進行裝載和卸載。例如，生長室 1就是這種室并且能夠通過具有可控門49的端口 47進行裝載和卸載。此外，與許多這種生長室中一樣，在生長室1中，生長基片上可用于裝/卸結(jié)構(gòu)的垂直間隔(此處由雙箭頭45 表示)是有限的。因此，內(nèi)部注射器固定部，即內(nèi)部注射器和任何重疊的加熱片材，優(yōu)選足 夠薄以使此處由雙箭頭45表示的生長基片上可用于裝/卸結(jié)構(gòu)的剩余垂直間隔不會受限 到阻礙該結(jié)構(gòu)運行的程度。對許多生長室而言，已發(fā)現(xiàn)注射器固定部的適當總厚度小于約 8mm、優(yōu)選為小于約5mm、更優(yōu)選為小于約2mm。實施例對于通過HVPE法生長的GaN，可以由石英構(gòu)造本發(fā)明的內(nèi)部注射器，并將SiC板 材置于注射器上從而促進對注射器和其中流動的氣體的加熱。SiC板材使得從輻射加熱源 向注射流路的熱傳遞更有效。前體是NH3和GaCl3 = NH3以約ISLM 5SLM(標準升/分鐘) 的速率流經(jīng)內(nèi)部注射器；挾攜著GaCl3的N2載氣也以約ISLM 5SLM的速率流經(jīng)內(nèi)部注射 器。此外，可以通過額外的橫流輸入端口以約OSLM 約50SLM的流速引入其它氣體從而更 好地優(yōu)化生長基片上的氣流。所示生長室中與圖3A 3C、4和5圖示的實施方式相似的內(nèi) 部注射器適合于這種應用。上述的本發(fā)明的優(yōu)選實施方式不應限制本發(fā)明的范圍，這是因為這些實施方式只 是對本發(fā)明的幾個優(yōu)選方面的闡釋。任何等同的實施方式都應處在本發(fā)明的范圍內(nèi)。實際 上，除了本文所顯示和所描述的內(nèi)容之外，本發(fā)明的各種變化，例如所述 要素的替代性可用 組合，通過后續(xù)描述對本領域技術人員而言都是顯而易見。所述變化還應落入所附權利要 求的范圍內(nèi)。在下面(和在本申請全文中)，標題和圖例僅為清楚和方便起見而用。本文引 用了多篇參考文獻，將這些參考文獻的所有公開內(nèi)容以用于所有目的的援引方式整體并入 本文。此外，無論所引文獻在上文中怎樣表述，都不應認為其在本文所要求保護的發(fā)明主題
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權利要求
一種用于將氣態(tài)前體分配至外延生長室中的注射器裝置，所述裝置包括一條或多條從鄰近室壁的近端部到存在于所述室中的外延生長基片附近的遠端部、水平延伸到所述生長室中的管道；所述管道各自具有鄰近室壁并帶有至少一個用于接收氣流的開口的近端部；并且所述管道各自具有位于所述基片附近并帶有用于將所述氣流分配到所述室中的多個端口的遠端部。
2.如權利要求1所述的裝置，其中，至少一條管道的所述遠端部的所述端口被布置成 將所述氣體分配在所述基片的面的至少一部分上。
3.如權利要求2所述的裝置，其中，至少兩個所述遠端部被構(gòu)造為彼此平行布置的線形。
4.如權利要求2所述的裝置，其中，至少兩個所述遠端部被構(gòu)造為彼此同心布置的至 少部分圓形。
5.如權利要求1所述的裝置，所述裝置還包括將多種氣體分配在所述基片的面上的多條管道。
6.如權利要求1所述的裝置，所述裝置還包括能夠分配至少兩種氣體并在其遠端帶有 端口的至少兩條管道，所述端口經(jīng)布置而使一個遠端的所述端口與另一個遠端的所述端口 相鄰。
7.如權利要求1所述的裝置，所述裝置還包括能夠分配至少三種氣體并在其遠端帶有 端口的至少三條管道，所述端口經(jīng)布置而使一個遠端的所述端口在另兩個遠端的所述端口 之間。
8.如權利要求1所述的裝置，所述裝置還包括用于改善從所述室的內(nèi)部到所述注射器 裝置的熱傳遞的熱傳遞單元。
9.如權利要求1所述的注射裝置，所述注射裝置還包括在所述生長室內(nèi)水平布置的兩種或多于兩種的平面材料，至少一種所述平面材料中形 成有一條或多條通道，所述兩種或多于兩種的平面材料密封結(jié)合在一起以密封所述通道從 而形成所述管道，由此形成的所述管道各自帶有穿過至少一種所述平面材料的多個端口。
10.如權利要求9所述的裝置，所述裝置具有約2mm 約8mm的厚度，并且還包含能耐 受所述生長室內(nèi)的條件和所述管道內(nèi)的條件的材料。
11.如權利要求9所述的裝置，其中，至少一條所述管道在所述近端部和所述遠端部之 間的部分采取蛇形路徑。
12.如權利要求9所述的裝置，其中，至少一條所述通道與至少另一條所述通道垂直隔 開并隔離，當密封時，所述通道形成在垂直方向上隔開的至少兩條管道，且所述管道間無氣 體流通，其中，至少一條所述管道與至少另一條所述管道交叉且所述管道間無氣體流通。
13.如權利要求12所述的裝置，所述裝置還包括垂直隔開的兩條管道之間的端口，以 使氣體能夠在一條所述管道的近端部和另一條所述管道的遠端部之間流動。
14.如權利要求9所述的裝置，所述裝置還包括具有遠端的至少三條管道，所述遠端經(jīng) 構(gòu)造和布置從而使一個所述遠端帶有的端口在另兩個所述遠端帶有的端口之間。
15.一種外延生長裝置，所述裝置包括 其中布置有生長基片的外延生長室；和經(jīng)布置以將多種氣體分配到所述生長基片的面上的權利要求1 14中任一項所述的注射器裝置。
16.如權利要求15所述的裝置，所述裝置還包括用于加熱所述生長室內(nèi)的材料的輻射元件，所述生長室對所述輻射元件發(fā)射的輻射至 少部分透明；并且其中，所述注射器裝置包含能夠至少部分吸收發(fā)射的所述輻射的材料。
17.如權利要求16所述的裝置，其中，所述吸收性材料是所述注射器裝置的整體性部 分，或者被構(gòu)造為接觸或接近所述注射器裝置的氣體運載部分的平面材料。
18.如權利要求15所述的裝置，所述裝置還包括裝/卸端口；通過所述裝/卸端口進入和離開所述生長室從而將生長基片放入所述生長室中和將 所述生長基片從所述生長室中取出的裝/卸機構(gòu)；并且其中，所述注射器裝置的尺寸和構(gòu)造以及在所述生長室中的布置應當不妨礙所述裝/ 卸機構(gòu)。
19.如權利要求15所述的裝置，所述裝置還包括用于在所述室中建立氣體橫流的附加 氣體端口。
20.如權利要求15所述的裝置，其中，所述注射器裝置還包括具有遠端的至少三條管 道，所述遠端經(jīng)構(gòu)造和布置從而使一個內(nèi)部遠端所帶有的端口在另兩個外部遠端所帶有的 端口之間，其中，通過所述外部遠端的所述端口分配NH3和GaCl3，并且其中通過所述內(nèi)部遠 端的所述端口分配非反應性氣體。
全文摘要
本發(fā)明提供了延伸到生長室中以提供熱化前體氣體的更準確輸送的氣體注射器裝置。該改進的注射器可將受熱的前體氣體以在沖擊生長基片之前彼此在空間上分開、具有足以大量制造的量的流分配到生長室中。重要的是，該改進的注射器的大小和構(gòu)造可使其適合于現(xiàn)有的商品化生長室，且不妨礙隨所述室使用的機械和機器人基片處理設備的運行。本發(fā)明可用于多種元素和化合物半導體的大量生長，尤其可用于III族-V族的化合物和GaN的大量生長。
文檔編號C30B25/14GK101849042SQ200880114701
公開日2010年9月29日 申請日期2008年12月5日 優(yōu)先權日2007年12月20日
發(fā)明者丹尼斯·L·古德溫, 克里斯蒂安·J·韋爾克霍芬, 埃德·林多, 尚塔爾·艾爾納, 羅納德·托馬斯·小伯特倫 申請人:硅絕緣體技術有限公司