[发明专利]膜形成装置及方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种通过化学气相沉积法制备膜的装置和方法。

发明背景

含金属或类金属的膜，如氮化镓(GaN)膜，在从发光二极管(LED)到紫外线检测器再到晶体管器件的器件范围内均有应用。

通常，生产这些膜的技术，包括分子束外延(MBE)、金属有机化学气相沉积(MOCVD)和远程等离子体增强化学气相沉积(RPECVD或RPCVD)。RPECVD用于在比MOCVD中所使用的低得多的温度下制造高质量的膜，因而降低了生产成本，并能够使用温度敏感的优选衬底用于膜沉积。

使用任何化学气相沉积(CVD)技术的薄膜生产过程中，必须解决的一个问题是，获得试剂在待生长薄膜的衬底表面上均匀且可控的分布，从而实现均匀的薄膜生长。通过设计分布系统可至少部分地解决了这个问题。例如，在RPECVD中，可采用喷头或网格的设计以获得衬底上均匀分布的有机金属试剂，同时可使用挡板来增强活性氮形态(species)的等离子流的均匀分布。WO/2010/091470中公开了一种这样的挡板设计，其全部公开的内容在此以引证的方式并入本文，其中采用“倒塔”形状的挡板来扩散和过滤等离子流。

这些方法的大部分集中在单一膜的生长，因此，试剂例如金属有机物、分布的网格和具有挡板的等离子体通道通常集中在衬底位置，从而提供了两种材料在整个衬底表面上大致均匀的分布。当需要在相同的生长室中生长多个薄膜来提高生产率时，这种形式的腔室设计并不是那么有效的。

在生长速率极其缓慢的那些薄膜沉积技术中，多个衬底的使用是特别理想的。例如，原子层沉积(ALD)是有用生长技术，其基于化学前体蒸气的连续脉冲，从而每次脉冲获得一个原子层。由于ALD的连续脉冲设置，每种试剂脉冲与沉积表面反应，直到反应完成。在每次脉冲后，用吹扫气体带走过量的试剂和反应副产物，以试图最小化沉积在膜中的杂质。

ALD备受关注，因为能够生产出薄的均匀薄膜，薄膜厚度和组成高度可控。ALD的缺点之一是生长可用的膜需要一定的时间，因为每个完整的沉积周期，仅能沉积单层。每个周期需要的时间受限于试剂释放阀的切换速度、以及每半个周期后吹扫和旋转衬底到位所花费的时间。这导致每个全周期花费0.5秒至数秒，进一步导致了生产速度慢。

此外，吹扫周期并不完全有效，这往往意味着一定量的金属有机试剂，如三甲基镓(TMG)，在包含活性第二试剂如氮的等离子体脉冲期间保留在生长室中。这可能导致碳杂质掺入到生长膜中，从而降低了其质量。

尽量减少碳和氧两种杂质在生长膜中的包含程度，是CVD膜生产中的重大挑战。此外，改变膜期望的化学组成，这些杂质破坏了形成层的晶格匹配，从而在膜中引起缺陷，并对产品的整体质量产生负面影响。

在降低生长薄膜中氧掺入方面，MOCVD方法一直比某些其他的CVD技术更成功，但碳掺入的水平不理想。更具体地说，MOCVD法通常使用大约1000℃至1200℃的生长温度，这从而导致了高的设备成本，排除了温度敏感的优选衬底用于膜沉积。

因此，希望提供一种CVD的装置和方法，其具有的优点在于ALD提供的可控膜生长同时最小化那一技术的缺点。特别地，提供CVD装置和方法将是有用的，能够降低碳和氧杂质在膜产品中的掺入水平，且优选的CVD装置和方法，能够在比标准MOCVD方法使用的较低温度下运行。

发明内容

在第一方面，尽管它未必是唯一的或实际的最宽范围形式，本发明在于一种形成膜的RPCVD装置，包括生长室的所述装置包括：

(a)第VA族的等离子体入口，位于所述生长室的第一沉积区中以向其中引入第VA族的等离子体；

(b)第IIIA族试剂入口，位于所述生长室的第二沉积区以向其中引入第IIIA族的试剂；

(c)第IIIA族试剂入口附近的另外试剂入口，以引入选自氨、肼、二甲基肼的另外试剂和氢等离子体到第二沉积区中，使得另外试剂和第IIIA族试剂在沉积前混合；和

(d)衬底支架，适用于支撑一个或多个衬底并在第一和第二沉积区之间旋转每个衬底。

优选的是，另外试剂入口是氨入口。

优选地，第VA族等离子体入口、第IIIA族试剂入口和另外试剂入口在与一个或多个衬底的生长表面距离约1cm到30cm通入生长室中。更优选地，约1到约20cm或1到10cm。

优选地，生长室的顶板位于衬底位置垂直上方小于约30cm处，更优选小于约25cm，甚至更优选小于约20cm，更优选小于约10cm。5cm和7.5cm值是有效的，3cm至4cm为下限值。