III-V族化合物的金属有机化学气相沉积(MOCVD)是利用周期表III 族有机化金属和周期表V族氢化物之间的化学反应的薄膜沉积工艺。III族 有机金属和V族氢化物的各种组合是可能的。
该工艺通常用在半导体器件的制造中，例如发光二极管(LED)。该工 艺通常发生在化学气相沉积(CVD)反应器中。CVD反应器的设计是半导 体制造中取得要求的高质量膜的关键因素。
通常，高质量膜的气体流动动力学有利于层流。与对流相反，层流要求 实现高生长性和均匀性。几种商品化的反应器设计适合提供大规模的层生长 条件，即高生产率。这些设计包括转盘反应器(RDR-rotating disk reactor)、 行星旋转反应器(PRR-planetary rotating reactor)和紧配合喷淋头 (CCS-close-coupled showerhead)。
然而，这样的当前反应器存在内在不足，而减损了它们的全部希望，特 别是对于高压和/或高温CVD工艺。这样的现有反应器通常在低压和相对低 温(例如30托和700℃)下运行良好。因此，它们通常适合于生长GaAs、 InP基化合物。
然而，当生长III族氮基化合物(例如GaN、AlN、InN、AlGaN和InGaN) 时，使用这样的现有反应器存在着变得很重要的因素。与GsAs或者InP基 材料不同，III族氮化物优选生长在基本上更高的压力和温度(通常大于500 托和大于1000℃)下。当在高压力和温度下采用上述的反应器设计时，自然 产生严重的热对流。这样的热对流与生长工艺产生不希望的干扰，从而降低 了效率和产量。
当气相多半为氨(ammonia)时该情形变坏。氨通常用作III族氮化物 MOCVD工艺中的氮源。氨比氢粘得多。当环境气体包含高百分比的氨时， 比GsAs或InP基MOCVD生长的情况下环境气体多半为氢时更容易产生热 对流。对于生长高质量的薄膜来说，热对流是有害的，这是因为在生长室中 难于控制由于反应物气体的持续存在而产生的复杂化学反应。这自然导致降 低生长效率和不良的膜均匀性。
根据当前的实践，典型地利用大的气流速度，以便抑制不希望的热对流。 在III族氮化物的生长中，通过增加环境气体流速来实现，其中该气体典型 地为氨与氢或氮的混合物。因此，造成高的氨气消耗，特别是在高生长压力 条件下。该氨气的高消耗导致相应的高成本。
在GaN生长的当前MOCVD工艺中，气相中的源化学品之间的反应是 另一个重要问题。该反应也产生在其它III族氮化物的生长中，例如AlGaN 和InGaN。气相反应通常是不希望的。然而，在III族氮化物MOCVD工艺 中是不能避免的，这是因为该反应是剧烈的和快速的。
当III族烷基(例如三甲基镓(trimethylgallium)、三甲基铟 (trimethylindium)、三甲基铝(trimethylaluminum))遇到氨时，几乎立即产 生反应，导致不希望的加合物的形成。
通常，当所有的源气体进入生长室后发生这些反应时，所产生的加合物 将参与在实际的生长工艺中。然而，如果该些反应发生在气体进入生长室之 前或前后，则所产生的加合物将有机会粘附到固体表面。如果发生这种情况， 则粘合到表面的加合物将作为聚集中心，并且越来越多的加合物将依次趋于 聚集。该工艺将最终耗尽气源，因此使得生长工艺不希望地在批次之间 (between runs)变化和/或将阻塞气体进入。
III族氮生长的有效反应器设计不能避免气相反应，而更适合控制反应， 从而不产生这样的不希望的情形。
因为近些年对GaN基蓝、绿LED的需求显著增加，所以生产反应器的 产量需要变得更为重要。调整生产量的当前方法典型地是建造大的反应器。 在当前适合商品化的反应器中，每个批次所生产的晶片数从6个晶片增加到 20个晶片以上，而每天保持相同的批次。
然而，当用这样的方法调整反应器时，出现了几个新的问题。因为热对 流在大反应器中与在小反应器中一样剧烈(或者甚至更剧烈)，所以膜均匀 性以及晶片对晶片均匀性都没有任何好转(并且可能更坏)。此外，在比较 高的生产压力下，需要很高的气流速度，以抑制热对流。所需要的气流量很 高，以致需要对气体输送系统进行修改和特殊考虑。
另外，由于高温要求，如此(大)规模反应器的大机械部件自然地设置 在高热应力下，并且因此倾向于过早地损坏。在几乎所有的反应器构造中， 不锈钢、石墨和石英是最普遍使用的材料。由于利用金属的氢化作用(使它 们变得易碎)以及由于在高温下用氨蚀刻石墨，大的金属和石墨部件相对于 小的反应器对应部件倾向于更快地损坏。大的石英部件也因为高的热应力而 变得更容易损坏。
关于大尺寸反应器的另一个问题是保持高温度均匀性上的困难。晶片承 载表面的温度均匀性可以直接影响到厚度和成分的均匀性。在大尺寸的反应 器中，温度均匀性通过采用多区域加热构造来实现，这在设计上是复杂的。 由于前述的高热应力和氨的退化，加热器组件的可靠性通常较差。这些工艺 矛盾和大量硬件维修的问题严重地影响产量以及生产成本。
现在参照图1，其示意性地展示了在GaN外延中使用的当前RDR反应 器的实例。反应室具有双壁水冷10”圆筒(double-walled water-cooled 10″ cylinder)11；流动法兰12，在此向室13分配和输送所有的反应或源气体； 旋转组件14，其以每分钟几百转旋转晶片载体16；加热器17组件，在旋转 的晶片载体16的下面，构造成加热晶片10到要求的工艺温度；通道18，使 得晶片载体输入和输出室13；以及排气口19，在室13底侧的中心上。外驱 动轴21实现晶片载体16的旋转。晶片载体16包括多个凹口，其每一个构 造成容放一个晶片10。
加热器17包括两套加热元件。内置加热元件41加热晶片载体16的中 心部分，而外置加热元件42加热晶片载体16的周边。因为加热器17是在 室13的内部，所以其暴露于反应气体的有害作用。
轴以500至100rpm旋转晶片载体。
如前所述，该设计在低压和低温下尤其当氨气为低粘度时工作良好。然 而，在高氨环境气体中，在高压和高温下生长GaN时，产生热对流，并且 气流倾向于不希望的紊乱。
现在参照图2，展示了简单的气体流线来图解该紊乱。清楚地表明紊乱 随着室的尺寸和/或晶片载体与室顶部之间距离的增加而增加。当图1的设计 调整为更高的产量时，室13以及晶片载体16被放大，以支撑并容放更多的 晶片。
当存在紊乱时，在环境气体中倾向于形成气体再循环单元50。本领域的 技术人员将认识到，这样的再循环是不希望的，这是因为其导致反应物浓度 和温度方面的不希望的变化。此外，这样的再循环由于反应气体的无效利用 通常导致降低生长效率。
此外，在大的反应器中要求更多的加热区域。当然，这不合需要地使得 这样大的反应器变得结构复杂，并且增加其成本。
现在参照图3A和3B，在7″六凹口晶片载体16a(如图3A所示，其支 撑六个晶片)和12″十二凹口晶片载体16b(如图3B所示，其支撑十二个晶 片)之间可以容易地进行比较。每个凹口22支撑一个2″圆形晶片。通过这 样的比较可以清楚地看到，为了使反应器容纳更多的晶片，这样的调整大大 增加了其尺寸，特别是体积。反应器尺寸的增加导致不希望的热对流效应以 及如上所讨论的附加的结构复杂性。
然而，众所周知，在当前的水平式反应器中，损耗影响是一个主要缺点。 当载体气体中的反应物从转盘的中心朝着周边行进时，大量的反应物沿途损 耗。这不合需要地使得沉积在晶片上的薄膜沿着半径方向越来越薄。
一个减少损耗影响的当前方法是采用高气流速度，以减少沿着半径方向 的浓度梯度。该方法的缺点是生长效率的自然降低。
考虑到前述问题，希望提供一种反应器，其对于不希望的热对流的影响 基本上不受影响，并且可易于和经济地调整，来增加产量。还希望提供一种 反应器，其具有增强的生长效率(例如，提供反应气体的混合直接接近于晶 片的生长区域，并且保证反应气体于生长区域的密切接触)。又需要提供一 种反应器，其中加热器在其室外，并且因此不暴露于反应气体的有害影响。 再希望减轻不希望的损耗影响，而保持生长效率，以便提供在整个晶片上增 强沉积均匀性。

尽管为了功能解释的文法流动性已经或者将要描述设备和方法，但是除 非35USC 112(美国专利法条文)清楚地阐明，应当清楚理解的是，权利要 求不能解释成由“构件”或“步骤”限制的解释以任何方式加以必要的限制， 而是应当根据在等同物的公正原则下由权利要求提供定义的意义和等同物 的全部范围，并且在35USC 112下明确规定的情况下，应当根据在35USC 112下的全部法定等价物。
本发明具体针对于和减轻有关现有技术的上述缺陷。特别是，根据一个 方面，本发明包括一种化学气相沉积反应器，其包括与反应器室相配合的可 旋转的晶片载体，以促进室内反应气体的层流。
根据另一个方面，本发明包括一种化学气相沉积反应器，其包括对于反 应器室周边密封的可旋转晶片载体，从而促进室内的层流。
根据本发明的另一个方面，本发明包括一种化学气相沉积反应器，其包 括室和设置在室内的可旋转晶片载体，该晶片载体构造成在室内增强反应气 体的向外侧流动。
根据本发明的另一个方面，本发明包括一种化学气相沉积反应器，其包 括可旋转的晶片载体和反应室，该反应室的底部基本上由该晶片载体定义。
根据本发明的另一个方面，本发明包括一种化学气相沉积反应器，其包 括室、设置在该室内的晶片载体和设置在该室外部的加热器，该加热器构造 成加热该晶片载体。
根据本发明的另一个方面，本发明包括一种化学气相沉积反应器，其包 括多个室以及公共反应气体供给系统和公共气体排放系统中的至少一个。
根据本发明的另一个方面，本发明包括一种化学气相沉积反应器，其包 括晶片载体，构造成反应气体基本上不在晶片载体下面流动。
根据本发明的另一个方面，本发明包括一种化学气相沉积反应器，其包 括室、晶片载体、总体上位于该室中心的气体进口和形成在该室中完全在晶 片上表面之上的至少一个气体出口，以便增强通过该室的气体层流。
根据本发明的另一个方面，本发明包括一种化学气相沉积反应器，其包 括多个构造成减轻损耗的注射器。特别是，一种化学气相沉积反应器包括与 反应器室相配合的晶片载体，以促进该室内反应气体的层流，并且包括多个 构造成减轻损耗的注射器。
该化学气相沉积反应器可以包括一个进口，设置在最靠近其中心部分。 该注射器可以包括III族注射器。该进口可以包括V族进口。
该注射器可以定义多个环带，并且每个环带可以具有专用的流动控制 器。例如，注射器可以定义三个环带，每个环带的注射器可以具有专用的流 动控制器。
通过每个环带的流动可以分别可控。另外，通过每个注射器的流动可以 选择性地分别可控。此外，通过每个环带的反应物浓度可以分别可控。另外， 通过每个注射器的反应物浓度可以选择性地分别可控。
根据另一个方面，本发明包括化学气相沉积的方法，该方法包括以减轻 损耗的方式向反应器室注射反应气体。特别是，该方法可以包括在反应器室 内旋转晶片载体，该晶片载体与该室相配合以促进该室内反应气体的层流； 并且通过构造为减轻损耗的多个注射器将气体反应物注入该室。
气体，例如V族反应物，如NH3，可以通过设置在接近其中心部分的 进口加到该室中。通过注射器注入的气体可以包括III族反应物。
通过控制器组的气流(例如对应于各环带)可以得到控制。可以根据注 射器就位其中的多个环带之一来控制流动。
因此，根据一个方面，本发明包括化学气相沉积反应器的盖子，其中该 盖子包括或者构造成包括多个注射器。
本发明的这些以及其它优点从下面的描述和附图上将更为明显易懂。应 当理解的是，所示和所描述的具体结构上的变化可以在权利要求的范围内进 行，而不脱离本发明的精神。

现在借助于下面对优选实施例的详细描述可以更好地理解本发明及其 各种实施例，该优选实施例呈现为说明权利要求所定义的本发明的实例。应 当清楚理解的是，权利要求所定义的本发明可以宽于下面描述的说明性实施 例。
图1是当前反应器的半示意性侧截面图，展示了反应气体通过流动法兰 以散布的形式引入其中，并且展示了该气体通过设置在晶片载体下面的气体 出口从该室中排出；
图2是当前反应器的半示意性侧截面图，展示了由室内反应气体再循环 引起的不希望的对流，其中再循环由室顶部和晶片载体之间比较大的距离促 成；
图3A是晶片载体的半示意性上视图，该晶片载体构造成在反应器内支 撑六个晶片；
图3B是晶片载体的半示意性上视图，该晶片载体构造成在反应器内支 撑十二个晶片；
图4是根据本发明的反应器半示意性侧截面图，该反应器在室顶部和晶 片载体之间具有较小的距离，并且具有一个比较小的气体进口，总体上相对 于晶片载体的中央设置；
图5是根据本发明的图4反应器的选择性构造的半示意性侧截面图，该 结构具有多个反应气体出口，全部设置在晶片载体的上表面之上，并且与环 形扩散体流体相通，以便增强气体层流；其具有密封，设置在晶片载体和室 之间；并且具有加热器，沿着加热器气体净化设置在室外部，以便减轻反应 气体对加热器的影响；
图6A是图5反应器的半示意性上视截面图，展示了三个凹口式晶片载 体、晶片载体和室之间的密封、扩散体和反应气体出口；
图6B是图5和6A扩散体的半示意性侧透视图，展示了形成在其内外 表面中的多个孔；
图7是图5反应器选择性结构的半示意性侧截面图，该结构具有单独的 烷基进口和单独的氨进口，给载体气体提供反应气体；
图8是图5反应器选择性结构的半示意性侧截面图，该结构具有氨进口， 总体上与烷基/载体气体进口同心设置；
图9是比较大的调整的RDR反应器的半示意性侧透视图，该反应器具 有二十一个晶片容量，并且具有多个反应气体进口；
图10是反应器系统的半示意性侧透视图，该系统具有三个比较小的反 应器(其每一个具有七个晶片容量，从而总容量等于图9的比较大的反应器)， 其分成公共反应气体供给系统和公共反应气体排放系统；
图11是反应器的半示意性侧截面图，该反应器具有多个气体进口，形 成为定义多个环带；和
图12是图11反应器盖子的半示意性上视图，更好地展示了该多个气体 进口如何定义多个环带。

本领域的普通技术人员可以进行很多变更和修改，而不脱离本发明的精 神和范围。因此，必须理解的是，所图解的实施例已经阐明仅为了实例的目 的，并且不应当认为对所附权利要求所界定的本发明的限制。例如，虽然实 际上权利要求的元件在下面阐明为在某个结合中，但是必须清楚理解的是， 本发明包括其它的与上面所揭示的少的、多的或者不同元件的结合，甚至开 始不需要在该结合中。
本说明书所采用的描述本发明及其各种实施例的词汇应理解为不仅包 括通常定义意思的含义，而且包括通常定义意思范围之外的在本说明书的结 构、材料或者作用中的特定定义。因此，如果在该说明书的上下文中一个要 素可以理解为包括一个以上的含义，则其在权利要求中的应用必须理解为说 明书和词汇自身支持的所有可能含义的普通含义。
因此，所附权利要求的词汇或者元件的定义在该说明书中予以确定，不 仅包括字面意义上阐述的元件结合，而且包括所有等同的结构、材料或作用， 用于以基本上相同的方法，执行基本上相同的功能，达到基本上相同的效果。 因此，在这样的意义上可以预期的是，在所附权利要求中，对于任何一个元 件可以进行两个或者多个元件的等效替代，或者权利要求中的两个或者多个 元件可以替代一个元件。尽管元件可以如上描述用于某些结合中，甚至开始 要求如此，但是应当清楚理解的是，所要求的结合中的一个或多个元件可以 在某些场合下从该结合中分开，并且所要求的结合可以定向为子结合或者子 结合的变化。
对于如本领域的普通技术人员之所见的所要求的主题内容的非实质性 变化，无论是现在知晓的还是未来修改的，都清楚地预期为权利要求范围内 的等同物。因此，本领域的普通技术人员现在或者未来所知的明显的替代定 义为在所界定要素的范围内。
因此，权利要求应当理解为包括具体图解的和上面所描述的内容，概念 上的等同物，可以显而易见替代的内容，还包括实质上为本发明基本构思的 合并的内容。
因此，下面结合附图所阐明的详细描述意味着对本发明优选实施例的描 述，并不意味着代表本发明可以构造或实现的唯一形式。该描述结合所图解 的实施例阐明了构造和运行本发明的功能和步骤次序。然而，应当理解的是， 不同的实施例可以实现相同的或者等同的功能，这也旨在包含在本发明的精 神之内。
根据一个方面，本发明包括化学气相沉积反应器，该反应器包括可旋转 的晶片载体，该晶片载体与反应器室相配合，以促进室内反应气体的层流。
根据一个方面，本发明包括化学气相沉积反应器，该反应器包括可旋转 的晶片载体，该晶片载体对于反应器室在其周边密封，从而促进室内的层流。
根据一个方面，本发明包括化学气相沉积反应器，该反应器包括室和设 置在室内的可旋转晶片载体，该晶片载体构造成增强室内反应气体的向外流 动。
根据一个方面，本发明包括化学气相沉积反应器，该反应器包括可旋转 的晶片载体和反应室，该反应室的底板基本上由晶片载体定义。
根据一个方面，本发明包括化学气相沉积反应器，该反应器包括室、设 置在室内的晶片载体和设置在室外的加热器，该加热器构造成加热该晶片载 体。
根据一个方面，本发明包括化学气相沉积反应器，该反应器包括多个室 和至少一个公共反应器提供给系统以及公共气体排放系统。
根据一个方面，本发明包括化学气相沉积反应器，该反应器包括晶片载 体，构造成反应气体基本上不在晶片载体下面流动。
根据一个方面，本发明包括化学气相沉积反应器，该反应器包括室、晶 片载体、总体上位于室内中心的气体进口，以及形成在室中晶片载体整个上 表面上的至少一个气体出口，从而增强通过室的气体层流(laminar flow)。
根据一个方面，本发明包括化学气相沉积反应器，该反应器包括室、设 置在室内并且与室的一部分(例如，顶部)相配合来定义流动路线的晶片载 体，以及旋转晶片载体的轴。晶片载体和室的一部分之间的距离足够小，以 实现通过流动路线的气体的总体上层流。
优选地，晶片载体和室的一部分之间的距离足够小，用晶片载体旋转所 引起的离心力来实现室内气体的向外流动。优选地，晶片载体和室的一部分 之间的距离足够小，从而在反应气体中有效部分的反应物在排除室前接触晶 片表面。优选地，晶片载体和室的一部分之间的距离足够小，从而反应气体 中的多数反应物在排除室之前接触晶片表面。优选地，晶片载体和室的一部 分之间的距离足够小，以减轻室与晶片之间的热对流。
优选地，晶片载体和室的一部分之间的距离少于约2英寸。优选地，晶 片载体和室的一部分之间的距离在约0.5英寸与约1.5英寸之间。优选地， 晶片载体和室的一部分之间的距离少于约0.75英寸。
优选地，气体进口形成在晶片载体之上，并且总体上居于其中心。
优选地，室由圆柱体定义。优选地，室由这样的圆柱体定义，其上具有 一个总体上扁平的壁定义室的顶部和大约位于室顶部中心的反应气体进口。 然而，本领域的技术人员将认识到，室可以由任何其它希望的几何形状选择 性地定义。例如，室可以由立方体、箱体、球体或椭圆体选择性地定义。
优选地，化学气相晶片载体构造成关于其轴旋转，并且反应气体进口设 置成总体上与晶片载体的轴同轴。
优选地，反应气体进口的直径小于室直径的1/5。优选地，反应气体进 口的直径小于约2英寸。优选地，反应气体进口的直径在约0.25英寸与约 1.5英寸之间。
因此，反应气体进口大小为引起反应气体总体上从晶片载体的中心到其 周边以导致反应气体基本上层流的方式流动。以这样的方式，减轻了对流流 动，并且提高了反应效率。
优选地，反应气体被限定为总体上在室内的水平流动。优选地，反应气 体被限定为总体上通过路线的水平流动。优选地，反应气体由旋转的晶片载 体引起的至少部分向外的流动。
优选地，该至少一个反应气体出口形成在室中晶片载体之上。优选地， 多个反应气体出口形成在室中晶片载体的整个上表面之上。通过促进反应气 体的径向流动(通过为气体提供更多的从晶片载体中心到其周边的直线流 道)，增加反应气体出口数量增强了反应气体的层流，特别是在晶片载体的 周边上的层流。在晶片载体的整个上表面之上形成反应气体出口减轻了由晶 片载体边缘上面流动的反应气体导致的在反应气体中的不希望的紊乱。
因此，至少一个反应气体出口优选形成在室中晶片载体之上并且在室顶 之下。
化学气相沉积反应器优选包括总体上形成在室内中心的反应气体进口 和形成在室中的至少一个反应气体出口。晶片载体设置在室内气体出口之 下，以便定义室顶和晶片载体中间的流动路线，从而反应气体通过反应气体 进口流入室中，经由流动路线通过室，并且经由反应气体出口排出室。
环形扩散体优选设置在接近于晶片载体的边缘，并且构造成增强从反应 气体进口到反应气体出口的层流。晶片载体设置在室内气体出口之下，以便 定义室顶和晶片载体中间的流动路线，从而反应气体通过反应气体进口流入 室中，经由流动路线通过室，并且经由反应气体出口排出室外。
环形扩散体优选包括基本上中空的环面，具有内表面和外表面、形成在 内表面中的多个开口和形成在外表面中的多个开口。在内表面中的开口增强 了反应气体在晶片载体上流动的均匀性。
内表面中的开口优选构造成对于通过其流动的反应气体产生有效的限 制，从而增强反应气体在晶片载体上的流动均匀性。
环形扩散体优选由这样的材料组成，其抵抗加热的氨造成的退化。例如， 环形扩散体可以由SiC涂敷石墨、SiC、石英或钼形成。
根据本发明的一个方面，环形密封设置在晶片载体和室中间。环形密封 构造成减轻反应气体从反应气体出口之外的地方流出该室。环形密封优选包 括石墨、石英或者SiC。
根据本发明的一个方面，加热器组件设置在室的外部，并且接近晶片载 体。加热器可以是感应加热器、辐射加热器或者任何其它希望类型的加热器。 优选地，加热器净化系统构造成减轻反应气体与加热器的接触。
典型地，气流控制器构造成控制经由气体进口引入室的反应气体量。
晶片载体优选地构造成支撑至少三个2英寸圆晶片。然而，晶片载体可 以选择性地构造成支撑任何希望数量的晶片、任何希望尺寸的晶片和任何希 望形状的晶片。
根据本发明的一个方面，晶片载体构造成由于离心力而促进反应气体的 向外流动。因此，晶片载体优选包括旋转的晶片载体。晶片载体优选地构造 成以大于约500rpm的转速旋转。晶片载体构造成以约100rpm和约1500rpm 之间的转速旋转。晶片载体优选地构造成以约800rpm的转速旋转。
本发明的设备和方法可以用于形成晶片，用其形成各种不同的半导体器 件。例如，晶片可以用于形成制造LED的管芯。
图1-10中图解了本发明，其展示了其中的优选实施例。本发明涉及化 学气相沉积(CVD)反应器和集成的多个反应器系统，其适合于规模性生产。 反应器采用基本上抑制热对流的几何形状，气体注入方案提供非常高的气体 流速来避免加合物粘合到表面，以及限制生长区域来增强生长效率(通过减 少源气消耗)。
对于高产量的构造，所述反应器的多个单元可以结合起来。在多个单元 构造中的每个反应器在尺寸上可以是相对小的，从而机械结构可以简单和可 靠。所有的反应器分享公共的气体输送、排除和控制系统，从而成本与相同 产量的大的传统反应器相类似。
生产量增长的概念对于反应器设计来说是不受约束的，并且还可以应用 于各种其它反应器设计上。在理论上，一个系统中可以结合多少反应器没有 限制。但是根据实际情况，结合反应器的最大数量基本上由气体输送系统如 何构造来限定。反应器设计和增长概念也都可以应用于各种不同材料的生长 上，因此包括但不限于III族氮化物、所有其它III-V族化合物、氧化物、氮 化物及V族外延。
现在参照图4，反应器100具有狭窄的气体进口112，位于反应器圆筒 111的顶部中心上。圆筒111为双层围墙并且水冷，类似于图1所示的反应 器。水温可以变化，以便控制室113的温度。狭窄的气体通道130由反应器 100的晶片载体116和顶部131定义，引导气体向外。
形成在晶片载体116中的凹口构造成容放和支撑晶片110，例如2英寸 晶片，适合于应用在LED的制造中。
旋转晶片载体116借助离心力帮助气体向外流动。旋转晶片载体116优 选转速为10至1500rpm之间。本领域的技术人员将认识到，晶片载体116 的转速越高，典型地导致作用在反应气体上的离心力越大。
通过从中心引入气体，气体受力在狭窄通道130中总体上水平地流动， 使得生长工艺有点类似水平反应器。本领域的技术人员将认识到，水平反应 器的一个优点是其高的生长效率。这是因为在水平反应器中的所有反应物受 限于非常狭窄的体积，因此使得反应物更加有效地与生长表面接触。
优选地，反应气体进口具有尺寸A的直径，其小于室直径的1/5。优选 地，反应气体进口的直径小于约2英寸。优选地，反应气体进口的直径在约 0.25英寸和约1.5英寸之间。
与立式反应器例如图2所示的RDR采用附加气流抑制热对流不同，通 过采用狭窄的流道130实现热对流的抑制，从而气流在要求的方向上受力。
晶片载体116的上表面和室111的顶部之间的距离设计为尺寸B。尺寸 B优选小于约2英寸。尺寸B优选在约0.5英寸至约1.5英寸之间。尺寸B 优选约0.75英寸。
如上所述，在水平反应器中，损耗影响是主要缺点。作为在载体气体从 转盘的中心向周边行进中的反应物，沿着路径消耗大量的反应物，使得沉积 的薄膜沿着晶片上的半径方向越来越薄。
根据本发明，通过采用比较高的晶片载体旋转速度改善生长效率，从而 由晶片载体的旋转产生的离心力提高了在晶片上的气体速度，而不是采用高 的气流速度。
现在参照图5，通过形成完全在晶片载体的上表面之上的反应气体出口， 可以降低气流阻力，从而产生高度层流。通过形成完全在晶片载体116的上 表面之上的反应气体出口，提供从气体进口112至气体出口119更直接的反 应气体路径(因此减少弯曲)。本领域的技术人员将认识到，反应气体的路 径越直接而不弯曲，其流动的湍流将越少(更加层流，more laminar)。
通过加入围绕旋转晶片载体116的环形密封132，来过渡排放气流的流 道130，减小了流动阻力，并且显著地提高了层流。这是因为消除了气流在 晶片载体边缘上的方向改变。环形密封132可以由石英、石墨、SiC或者其 它适合反应器环境的耐用材料制造。
为了达到平稳抽出排放气体(因此更加层流)，可以采用环形扩散体133 (详见图6A和6B)。环形扩散体133有效地使得接近晶片载体132周边的 几乎反应器的整个周边上成为一个总体上连续的气体出口的端口。
加热器117设置在室的外部(它是反应气体容易流动的反应器的一部 分)。加热器设置在晶片载体116的下面。因为环形密封132减轻了反应气 体在晶片载体116下面的流动，所以加热器基本上不暴露到反应气体，并且 因此基本上不由此造成退化。
优选地，提供加热器净化146，以便净化通过环形密封132泄漏进入晶 片载体之下区域中的任何反应气体。
现在参照图6A，四个抽气端口或气体出口119与扩散体133流体相通。 所有的气体出口119优选连接到公共的泵上。
环形密封132过渡晶片载体116和室111之间的间隙，以便使得反应气 体容易层流，如上所述。
现在参照图6B，扩散体133包括多个内孔136和多个外孔137。本领域 的技术人员将认识到，其上内孔136的数量越大，内孔越接近于一个连续的 开口。当然，内孔越接近于一个连续的开口，通过室的气流越层流。
扩散体133优选至少包括与气体出口端口一样多的外孔(例如，如图6A 所示，有四个气体出口端口119)。
扩散体133优选由石墨、SiC涂敷石墨、固体SiC、石英、钼或耐热氨 的其它材料制造。本领域的技术人员将认识到适合的各种材料。
扩散体133中的孔的尺寸可以制成足够小，以对气流产生微小的限制， 从而可以实现更平稳地分配到排出口。然而，孔尺寸不应当制成很小而会产 生堵塞，这是因为反应产品包含蒸汽和固体微粒，其会粘附或者凝结在扩散 体孔上。
现在参照图7和8，反应物气体注入构造可以进行改进，以改善气相反 应。根据这些改进的构造，烷基(alkyls)和氨在引入如图7所示的反应室 之前大部分分离，并且在进入如图8所示的反应室之前完全分离。在两种情 况中，反应物在到达晶片所处的生长区域之前直接混合。气相反应仅发生在 气体参与生长工艺的非常短的时间。
单独参照图7，烷基进口141与氨进口142分开。烷基进口141和氨进 口142都在这些气体进入室111之前给载体气体进口112直接提供反应气体。
单独参照图8，烷基进口141给载体进口112提供反应气体与图7所示 的情况很类似。氨进口151包括设置在载体进口112内的管。氨进口优选总 体上共中心地设置在载体进口112内。然而，本领域的技术人员将认识到， 烷基进口141、氨进口151和载体进口112的各种其它构造同样是适合的。
喷嘴161倾向于均匀地展开氨越过晶片载体116，以便提供更好的反应 效率。
图7和图8的反应气体进口构造减轻了在反应气体接触晶片前不希望的 气相反应。
如上所述，如图5、7和8所示的反应器构造的优点是有效地减少了在 加热器117上的不希望的沉积。加热器组件可以是辐射加热器或者射频(RF) 感应加热器。通过给反应器111的下部提供加热器净化146，反应气体可以 有效地防止进入加热器区域。因此，任何通过环形密封132泄漏的反应气体 被迅速从加热器区域清除，从而减轻了由此引起的加热器117的退化。
根据一个方面，本发明包括金属有机化学气相沉积(MOCVD)系统等 的增加产量的方法。与通过增加反应室尺寸来增加MOCVD反应器的现代尝 试不同，本发明结合几个小的反应器模块来实现相同的晶片产量。
现在参照图9，其展示了二十一晶片反应器900。由于反应器900的尺 寸很大，气体通常通过多个端口901-903引入，以便提供其均匀的分配。气 流控制器902促进控制提供到室的反应气体的数量和反应气体成分含量。
气体供给系统940给端口901-903提供反应气体。气体排出系统950从 反应器111去除剩余的反应气体。
现在参照图10，其展示了本发明的结合三室反应器。每个室951-953是 比较小的室，例如每个室定义一个七晶片反应器。所有的反应器分享相同的 气体进口系统960和气体排出系统970。
图9和图10的两种构造生产出相同的二十一个晶片的产量。然而，如 图10所示，与图9所示的反应器相比，本发明具有实质的优点。小的反应 器具有更好的部件可靠性，尤其是对于III族氮化物生长，这是因为机械部 件越小在高温下的热应力越低。
此外，小的反应器会更好地实现生长一致性，因为温度和流动动力学比 大反应器更容易保持。同样，因为小反应器的结构比大反应器简单得多，所 以小反应器的维护更容易，并且耗时少。因此，小反应器通常具有更高的正 常运行时间，以及减少了频繁又昂贵的部件维修。
对于小反应器，所有这些因素导致业主更低的成本，因为实际的晶片产 量更高而维护成本更低了。因为建造反应器的成本仅为整个MOCVD系统的 约2-5％，所以在系统中增加多个反应器没有增加太多的总成本。本发明的 受益远大于另增反应器的成本。
如上面的详细讨论，本发明包括化学气相沉积反应室，其具有旋转的晶 片载体、狭窄的流道、位于顶盖中心的气体进口、在晶片载体之上的气体出 口、围绕晶片载体的密封环，以促进至排出口的层流，并且限定了加热器室。
在生长工艺(沉积)期间，晶片载体旋转，典型地在几百个rpm，例如 500-1500rpm，以便通过离心力的应用促进在流道中的快速气体流动。混合 有很少反应气体例如氮或氢(载体气体)的反应物被输入流道，并且导致沉 积在热基板上。
然而，当气体行进通过通道时，部分化学反应产生迅速，这是希望的， 并且气体中的大部分，可能最多的反应物靠近气体进口消耗了。当气体沿着 通道行进时，气源剩下逐渐缩小的量。这就是所谓的损耗影响(depletion effect)。损耗影响是周知的，并且通常发生在水平反应器中，这里气体从室 的一端水平行进到室的另一端。
在GaN生长的情况下，所采用的反应物可以是三甲基镓 (TMG-trimethylgallium)和氨(NH3)，这两种物质可以由氢(H2)或氮(N2) 携载。在GaN的典型金属化学气相沉积(MOCVD)生长工艺中，NH3的 供给远大于TMG的供给，以便防止GaN在表面的分解。这是采用MOCVD 进行III-V族化合物和III族氮化物生长的情况，其中V族气体供给远大于 III族气体。因此，不利影响生长均匀性的损耗影响主要是由于III族气源的 损耗。
现在参照图11，根据本发明的至少一个方面，III族和V族气体进口分 开。反应器211的顶或盖子212具有总体上形成于其中心的NH3进口213。 多个III族注射器214以定义多个环带(详见图12)的形式形成在盖子中。
现在参照图12，多个单独的环带250由III族注射器214的分组定义。 注射器214的每个组定位在专一的环带250内。一定环带250的所有注射器 214可以具有公共的管路，并且每个环带的流动相对于通过其它环带250的 注射器214的流动是分别可控的。就是说，流入每个环带中的气体量可以由 专用的流动控制器控制，从而任何希望的III族气体(源)分配可以柔性调 解。无论是相同的气体还是不同的气体都可以流动通过每组214的注射器。 因此，所有注射器214流动速度可以大约相同，并且III族反应物的浓度可 以例如环带至环带地变化。
图12展示了三个环带250和相应的三组注射器214。然而，本领域的技 术人员将认识到，可以提供任何希望数量的环带250和任何希望数量的注射 器组214。每个环带250可以包含任何希望数量的注射器214。当然，各单 一注射器可以定义一个环带，并且可以相对于注入其中的气体种类和注射流 速分别控制。因此，图11和12所示的环带250和注射器214的构造以及在 此讨论的只是借助的实例，而不是对其的限制。
盖子212可以包括任何希望数量的注射器214。例如，盖子212可以包 括12、24、36、48、64或者更多的注射器214。此外，每个环带可以包含任 何希望数量的注射器214。例如，每个环带可以包含4、6、8、12或更多的 注射器214。
通过保持在盖子212中心上的V族气体进口213并且以可控的方式分配 在整个盖子212上的III族气体，V族气体建立了层流，而消除了III族气源 的损耗影响。可以实现在整个晶片载体上的更好的沉积均匀性。晶片载体可 以旋转在约10rpm和约1500rpm之间的转速。反应室中的压力可以小于或 者等于约760托。
在整个盖子212上分配III族气体可以通过在该盖子中产生孔(注射器) 来实现。还可以提供III族注射器的水冷，以防止III族源的过早分解。
应当理解的是，在此所描述和在附图中所展示的化学气相沉积的示范性 方法和设备仅代表本发明的优选实施例。当然，对于该些实施例可以进行各 种修改和添加，而不脱离本发明的精神和范围。例如，应当理解的是，本发 明的设备和方法可以得到不同于金属有机化学气相沉积的应用。当然，本发 明可以适合于完全与半导体器件制造不相关的应用。因此，这些和其它的修 改和添加对于本领域的技术人员可以是显而易见的并且可以实现，以使本发 明适应于各种不同的应用。
相关申请
本专利申请是2003年7月15日提交的同时另案待审专利申请 (co-pending patent application)系列号10/621,049标题为化学气相沉积反应 器(CHEMICAL VAPOR DEPOSITION REACTOR)的部分接续专利申请 (continuation-in-part(CIP)patent application)，其全部内容在此明确地引作 参考。