｜一噴灑頭式MOCVD反應器之流場及GaN薄膜成長模擬分析

摘要：本研究利用計算流體力學的方式分析探討一新型垂直噴灑式MOCVD反應器之熱流場及GaN薄膜成長效能，此參考模型係經濟部矽基氮化鎵LED科專計畫與工研院共同開發的噴灑頭式反應器，反應器成分氣體之擴散可藉由數值方法對各輸送方程式求解。首先針對噴灑頭內不同氣體通過之多個同心圓管道流量分布的均勻性做探討，其次利用氣相反應及表面反應的化學動力模式對GaN在晶圓表面的沉積速率做預測，透過改變反應腔體內的壓力及承載盤的轉速，探討這些參數對薄膜成長的影響，並從所觀察到的腔內流場對所得的結果做出說明。。

Abstract: In this article, computational fluid dynamics (CFD) is adopted to study the thermal-flow field and deposition of GaN in a new showerhead type MOCVD reactor. This showerhead was developed by ITRI through a project sponsored by the Ministry of Economic Affairs. The transport phenomena of gas species is simulated via numerical methods by solving the corresponding governing equations. The first part of the study is to examine the uniformity of the gas flow through the concentric tubes in the showerhead to feed the reactor chamber. Then the deposition of GaN is investigated using gas-phase and gas-surface kinetic models. The pressure in the chamber and the rotational speed of the susceptor are varied to examine their effects on the growth of the GaN film. The cause of the results is elucidated after observing the flow field in the reactor.

關鍵詞：金屬有機氣相化學沉積、噴灑頭式反應器、磊晶、氮化鎵

Keywords：Metal Organic Chemical Vapor Deposition (MOCVD), Showerhead CVD Reactor, Epitaxy, GaN

前言
GaN基材的光譜覆蓋範圍寬，具有良好的物理及化學特性，可以應用於藍/綠光LED、大功率雷射、以及高頻功率放大器等。在GaN的磊晶製作中，MOCVD為最重要的製程技術之一，其原理為將氣態的金屬有機物三甲基鎵(TMGa)及氨氣(NH₃)稀釋於載送氣體中注入反應室內，經過一系列化學動力反應，在高溫基座上的載片表面，沉積形成奈米到微米厚度的GaN晶體薄膜。MOCVD技術的挑戰為，如何能精確控制大面積或多載片表面上沉積層成分的一致性和厚度均勻性，保證製程的重複性，以及在批量生產環境下獲得較高的生產效率。為了抑制TMGa與NH₃的寄生反應，反應氣體通常在進入反應腔後才開始混合，接著被加熱，然後在壁面附面層中形成GaN粒子沉積，這些過程涉及大量複雜的氣體傳遞及化學動力現象。對於薄膜沉積的化學反應過程，其反應速率隨溫度升高呈指數增加，在高溫的MOCVD製程中，其化學反應速率極快，因此晶體薄膜的成分和均勻度更依賴反應物的傳輸效益，因而要有一良好的反應器設計，須充分了解反應腔內的熱浮力效應、渦旋的形成、反應氣體的混合等現象及其對薄膜成長的影響。

技術演進
根據相對於基板的氣體流動方向，MOCVD反應器一般可分為水平式及垂直式。水平式反應器[1,2]的氣體流動平行於基板，此種反應器由於存在反應物濃度沿程的耗損、熱對流渦旋、及側壁效應等，容易造成反應物濃度的不均勻分布，難以成長高品質的薄膜，因此通常只適用於實驗室。垂直式反應器中進入反應腔內的氣流垂直於基板方向，此種型態反應器由於可利用承載盤旋轉、噴入口設計、及噴口距離的改變等，控制腔內由於熱浮力效應、承盤旋轉、及腔體形狀等所引起的渦旋，能將成分氣體較均勻的分配到基板上，因此能獲得較佳的薄膜品質，並能同時在多個晶片上沉積，因而廣為工業界所採用。

在較早期發展的垂直式反應器主要是一種高速轉盤式（RDR）反應器[3-7]，此種型式的氣體噴入口距承盤較遠，造成較大的Grashof number，因而有較強的熱浮力效應，於基板上方易生成許多渦流，為抑制這些渦流，需將承載盤以高速旋轉，以便在承盤上方產生發展較完整的邊界層，如此獲得較佳的薄膜生長，此種反應器一般較只適用於較低的腔壓，方能有效減少浮力效應。

由於降低噴口至承盤的距離能有效減少熱浮力效應，因此近年來利用此特性的設計獲得相當大的關注，可分為兩種類型，一為行星式（planetary），另一為噴灑式（showerhead）。行星式反應器[8-10]的進口侷限在中心軸附近，三及五族氣體自不同管道分別進入反應腔後，在承載盤上方沿著徑向流動，因此其流場混合型式接近水平式反應器，可對多個載片磊晶，為獲得更均勻的沉積，承盤可以公轉，而各個載片也可自轉。