狹縫式多氣體輸運噴頭結構的製作方法

2023-10-05 17:20:34 1

專利名稱：狹縫式多氣體輸運噴頭結構的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種狹縫式多氣體輸運噴頭結構，尤其是涉及一種具有多氣體噴頭的狹縫式多氣體輸運噴頭結構。
背景技術：
III- V族半導體材料，如氮化鎵(GaN)、氮化鋁(AlN)等，具有寬的直接帶隙、高的熱導率、化學穩定性好等性質，廣泛地應用於微電子器件和光電子器件，如用於照明或背光源的半導體發光二極體(LED)，用於信息存儲和雷射列印的藍紫光雷射器(LD)以及紫外 (UV)探測器和高頻高功率的電晶體等，目前對III- V族半導體材料的研究與應用是全球半導體研究的前沿與熱點。在競爭日益激烈的III - V族半導體器件領域，商業化運行要求半導體設備能夠一次性在大尺寸以及多數量的襯底上進行III-V族半導體材料的生長，將產能最大化。目前典型的商業化半導體生產設備，比如金屬有機物化學氣相澱積系統(MOCVD)和氫化物氣相外延系統(HVPE)，其設計理念一直向著提高產能、降低成本的方向發展。目前市場上主流的商用半導體設備，比如金屬有機物化學氣相澱積系統 (M0CVD),大部分都採用了垂直式反應腔設計，通過反應腔上方的噴頭將沉積所需要的III族和V族源氣體輸運進反應腔，垂直的氣流到達石墨基座後，在基座表面形成一層很薄的滯留層，在該滯留層內反應物通過擴散作用越過滯留層擴散至襯底表面，並在襯底表面成核、 進行薄膜生長，反應的副產物擴散回滯留層後，隨著主氣流被泵抽離反應腔，此類設計可以很好地保證薄膜沉積的均勻性以及可靠性。現今，半導體設備中狹縫式多氣體輸運噴頭結構的設計面臨著產能規模化、擴大狹縫式多氣體輸運噴頭結構容量的同時，控制氣體對流場、減少預反應的發生的問題，而傳統的HVPE系統無法解決此問題。

發明內容
本發明是針對上述背景技術存在的缺陷提供一種反應效率高、滿足商業化規模的要求的狹縫式多氣體輸運噴頭結構。為實現上述目的，本發明一種狹縫式多氣體輸運噴頭結構，包括噴頭，所述噴頭上設有若干進氣管道、若干輔助氣路管道、第一勻氣孔板、第二勻氣孔板及導流板，所述進氣管道管壁與輔助氣路管道空間連通，所述第一勻氣孔板外側設有若干相互平行的進氣管道，所述第一勻氣孔板橫切相交進氣管道，所述第一勻氣孔板內側下面設有平行的第二勻氣孔板，第一勻氣孔板上與進氣管道橫切相交處開設有第一氣孔，所述第二勻氣孔板上開設有若干第二氣孔，第一勻氣孔板內側相鄰進氣管道之間設有與進氣管道平行的導流板， 所述導流板連接第一勻氣孔板及第二勻氣孔板後向下延伸。進一步地，所述第二氣孔分布比第一氣孔密集。進一步地，所述噴頭置於導流壁上，所述導流壁之間設有支撐底座，所述支撐底座上設置有基座，所述噴頭、導流壁及基座共同圍成一反應空間。進一步地，所述基座中部凸設有三角突起。進一步地，所述噴頭、導流壁及支撐底座的材質可為石英；基座的材質可為石墨、 碳化矽、石英或有碳化矽塗層的石墨。進一步地，所述導流板延伸向反應空間內，從而在基座的上部形成若干分割區。進一步，所述分割區的氣路依次設置為III族源氣體、隔離氣體、V族源氣體。進一步地，所述進氣管道與輔助氣路管道成一定角度設置。綜上所述，本發明通過在分割區中的III族和V族源氣體之間始終間隔一路隔離氣體，可有效防止發生預反應，提高反應效率；當噴頭長度增加時，增加對應的輔助氣路管道數量，通過調節氣體流量保證噴頭出口處氣流的濃度和速度均勻分布，從而滿足大規模生產設備的需要。


圖1為本發明的結構示意圖。圖2為本發明一種實施例的結構示意圖。圖3為本發明另一種實施例的結構示意圖。
具體實施例方式為能進一步了解本發明的特徵、技術手段以及所達到的具體目的、功能，下面結合附圖與具體實施方式
對本發明作進一步詳細描述。請參閱圖1及圖2，本發明狹縫式多氣體輸運噴頭結構包括噴頭1，噴頭1上設有若干進氣管道10、若干輔助氣路管道20、第一勻氣孔板30、第二勻氣孔板40及導流板50， 進氣管道10管壁與輔助氣路管道20空間連通，第一勻氣孔板30外側設有若干相互平行的進氣管道10，第一勻氣孔板30橫切相交進氣管道10，第一勻氣孔板30內側下面設有平行的第二勻氣孔板40，第一勻氣孔板30上與進氣管道10橫切相交處開設有第一氣孔31，第二勻氣孔板40上開設有若干第二氣孔41，第二氣孔41分布比第一氣孔31密集。第一勻氣孔板30內側相鄰進氣管道10之間設有與進氣管道10平行的導流板50，導流板50連接第一勻氣孔板30及第二勻氣孔板40後向下延伸，從而在基座4的上部形成若干分割區61。 進氣管道10水平間隔地排列於第一勻氣孔板30上，進氣管道10通過第一氣孔31及第二氣孔41與狹縫式多氣體輸運噴頭結構連通。請參閱圖2，噴頭1置於導流壁2上，兩導流壁2之間設有支撐底座3，支撐底座3 上設置有基座4，襯底5設置於基座4上，基座4中部凸設有三角突起41，三角突起41用以防止反應氣體產生中心渦流。噴頭1、導流壁2及基座4共同圍成一反應空間6，應空間 6的兩側還形成有一對排氣出口 7。噴頭1、導流壁2及支撐底座3的材質可為石英；基座 4的材質可為石墨、碳化矽、石英或有碳化矽塗層的石墨；襯底5的尺寸為四英寸，材料可為砷化鎵(GaAs)、氧化鋅(ZnO)、矽(Si )、碳化矽(SiC)、藍寶石(A1203)或者已經生長了一層氮化鎵基材料的藍寶石(GaN/A1203)。本發明狹縫式多氣體輸運噴頭結構在使用時，氣體由噴頭1的進氣管道10及輔助氣路管道20通入，水平的氣流進入進氣管道10後，從進氣管道10下面的第一勻氣孔板30
4溢出，水平流動的氣流從而被強制轉為垂直流動，並再次經過第二勻氣孔板40，保證各處氣流的濃度和流速一致，經過兩級勻氣孔板後，每個分割區61對應的氣路完全實現了水平進氣轉化為均勻的垂直氣流。不同氣路的分割區61的寬度可以進行調節，來滿足不同的出口速度控制要求，當分割區61寬度變寬之後，相應的第二勻氣孔板40上的第二氣孔41數量也會隨著增加，從而保證氣體流場的均勻性。為了保證薄膜沉積的均勻性，噴頭1的總長度的典型尺寸為2500-3000mm，噴頭1 的橫向寬度的典型尺寸為200-250mm ；進氣管道10內徑的典型尺寸為l_3mm、壁厚的典型尺寸為l_3mm ；輔助氣路管道20內徑的典型尺寸為l_3mm、壁厚的典型尺寸為l_3mm ；輔助氣路20之間間隔的典型尺寸為200-300mm ；每個分割區61的寬度的典型尺寸為0. 5_3mm ；導流板50的高度的典型尺寸為l_50mm、導流板50的厚度的典型尺寸為0. 5_3mm ；第一勻氣孔板30和第二勻氣孔板40之間距離的典型尺寸為l_3mm ；第一氣孔31及第二氣孔41的孔洞直徑的典型尺寸為0. 1-2. 5mm。請參閱圖1及圖2，在此實施例中，分割區61對應的氣路以中軸線鏡像對稱分布氣體源，依次設置為III族源氣體、隔離氣體、V族源氣體，III族源氣體一般為III族金屬元素 (Al、Ga或h)的滷化物；隔離氣體一般為氫氣(H2)、氮氣(N2)、惰性氣體或者三者中某兩種或者三種氣體的混合氣體；V族源氣體一般為氨氣(NH3)。本實施例採用噴頭1中的兩路輸運III族源氣體，III族源氣體典型的流量為lO-lOOOsccm，此氣路同時也摻入一定量的隔離氣體，摻入的隔離氣體典型流量為10-5000SCCm，III族源氣體與隔離氣體的混合氣體從噴頭1噴出，即圖1中標註的A氣體；採用另外兩路氣路輸運V族源氣體，V族源氣體的典型流量為100-5000Sccm，此氣路同時也摻入一定量的隔離氣體，摻入的隔離氣體典型值為 10-5000sccm, V族源氣體與隔離氣體混合後從噴頭1噴出，即圖1中的C氣體；在III族和V 族源氣體之間的氣路為隔離氣體，即圖1中的B氣體，以隔開A氣體和C氣體從而防止在噴口處發生預反應而造成不期望的沉積。氣體在兩襯底5上方的空間均勻混合，輸運至基座 4的三角突起41，中心部位的氣流被引導為向兩側水平流動，三角突起41減少了中心渦流產生的可能，水平的氣流通過基座4時形成很薄的滯留層，氣相反應物在此滯留層中通過擴散作用到達襯底5表面，外延生長出氮化鎵基材料，反應的副產物從襯底5的表面擴散到滯留層，並隨著主氣流剩迅速從反應空間6兩側的排氣出口 7被抽走，保證了反薄膜沉積的均勻性。同時，應空間6與中中軸線呈鏡像對稱，左右對稱的襯底5所處的生長條件完全一致，可以外延生長高質量的氮化鎵晶體，通過設計不同長度的噴頭1，可以同時對五十個兩英寸襯底進行沉積，滿足商業化規模的要求。請參閱圖3，在此實施例中，本實施例採用噴頭中的五路輸運III族源氣體，III族源氣體典型的流量為10-1000SCCm，此氣路同時也摻入一定量的隔離氣，摻入的載氣典型流量為10-5000SCCm，III族源氣體與隔離氣的混合氣體從噴頭1噴出，即圖2中標註的A氣體； 採用另外兩路氣路輸運V族源氣體，V族源氣體的典型流量為100-5000sCCm，此氣路同時也摻入一定量的隔離氣，摻入的隔離氣典型值為10-5000sCCm，V族源氣體與載氣混合後從噴頭1噴出，即圖2中的C氣體；在III族和V族源氣體之間的氣路通入載氣做為隔離氣體， 即圖2中標註的B氣體，以隔開A氣體和C氣體從而防止發生預反應而造成不期望的沉積。 反應氣體在襯底5上方的混合均勻後輸運至基座4，主氣流在泵的作用下被引導為向兩側水平流動，水平的氣流通過基座4時形成很薄的滯留層，氣相反應物在此滯留層中通過擴
5散作用到達襯底5表面，外延生長出氮化鎵基材料，反應的副產物再從襯底5表面擴散，並隨著主氣流剩迅速從反應腔兩側的排氣出口 7被抽走。在本實施例中，噴頭1左右兩側靠近導流壁的氣路設置為隔離氣體，即B氣體，這是為了保持導流壁2的清潔，如果在導流壁2上發生了不期望的沉積會造成基座4表面的溫度發生偏移，會對工藝的穩定性造成影響；在本實施例中襯底5的尺寸為四英寸，通過密集分布的、III族氣體-隔離氣體-V族氣體相互間隔的狹縫式噴頭設計，減小反應空間6 的高度，提高混合的均勻性，到達基座4的表面後混合氣體的水平流動距離很短，保證了襯底沉積的均勻性；同時輔助氣路和勻氣孔板的設計保證了流場的均勻性，通過設計不同長度的狹縫式多種氣體輸運噴頭，可以同時對25個四英寸的襯底進行沉積，滿足商業化的要求。綜上所述，本發明本發明通過在分割區61中的III族和V族源氣體之間始終間隔一路隔離氣體，可有效防止在噴口 1處發生預反應，提高反應效率。噴頭1的長度增加時，增加對應的輔助氣路管道20的數量，通過調節氣體流量保證噴頭1出口處氣流的濃度和速度均勻分布，從而滿足大規模生產設備的需要。以上所述實施例僅表達了本發明的一種實施方式，其描述較為具體和詳細，但並不能因此而理解為對本發明範圍的限制。應當指出的是，對於本領域的普通技術人員來說， 在不脫離本發明構思的前提下，還可以做出若干變形和改進，這些都屬於本發明的保護範圍。因此，本發明的保護範圍應以權利要求為準，並涵蓋其合法均等物。
權利要求
1.一種狹縫式多氣體輸運噴頭結構，包括噴頭(1 )，其特徵在於所述噴頭(1)上設有若干進氣管道(10)、若干輔助氣路管道(20)、第一勻氣孔板(30)、第二勻氣孔板(40)及導流板(50)，所述進氣管道(10)管壁與輔助氣路管道(20)空間連通，所述第一勻氣孔板(30) 外側設有若干相互平行的進氣管道(10)，所述第一勻氣孔板(30)橫切相交進氣管道(10)， 所述第一勻氣孔板(30)內側下面設有平行的第二勻氣孔板(40)，第一勻氣孔板(30)上與進氣管道(10)橫切相交處開設有第一氣孔(31)，所述第二勻氣孔板(40)上開設有若干第二氣孔(41)，第一勻氣孔板(30)內側相鄰進氣管道(10)之間設有與進氣管道(10)平行的導流板(50)，所述導流板(50)連接第一勻氣孔板(30)及第二勻氣孔板(40)後向下延伸。
2.根據權利要求1所述的狹縫式多氣體輸運噴頭結構，其特徵在於所述第二氣孔 (41)分布比第一氣孔(31)密集。
3.根據權利要求1所述的狹縫式多氣體輸運噴頭結構，其特徵在於所述噴頭(1)置於導流壁(2)上，所述導流壁(2)之間設有支撐底座(3)，所述支撐底座(3)上設置有基座(4)， 所述噴頭(1)、導流壁(2)及基座(4)共同圍成一反應空間(5)。
4.根據權利要求4所述的狹縫式多氣體輸運噴頭結構，其特徵在於所述基座(4)中部凸設有三角突起(41)。
5.根據權利要求4所述的狹縫式多氣體輸運噴頭結構，其特徵在於所述噴頭(1)、導流壁(2)及支撐底座(3)的材質為石英；基座(4)的材質為石墨、碳化矽、石英或有碳化矽塗層的石墨。
6.根據權利要求4所述的狹縫式多氣體輸運噴頭結構，其特徵在於所述導流板(50) 延伸向反應空間(5 )內，從而在基座(4 )的上部形成若干分割區(61)。
7.根據權利要求7所述的狹縫式多氣體輸運噴頭結構，其特徵在於所述分割區(61) 的氣路依次設置為III族源氣體、隔離氣體、V族源氣體。
8.根據權利要求1所述的狹縫式多氣體輸運噴頭結構，其特徵在於所述進氣管道 (10)與輔助氣路管道(20)成一定角度設置。
全文摘要
本發明公開了一種狹縫式多氣體輸運噴頭結構，包括噴頭，噴頭上設有若干進氣管道、若干輔助氣路管道、第一勻氣孔板、第二勻氣孔板及導流板，進氣管道管壁與輔助氣路管道空間連通，第一勻氣孔板外側設有若干相互平行的進氣管道，第一勻氣孔板內側相鄰進氣管道之間設有與進氣管道平行的導流板，所述導流板連接第一勻氣孔板及第二勻氣孔板後向下延伸。本發明能有效減少預反應的發生，提高反應效率，且當噴頭的長度增加時，增加對應的輔助氣路管道的數量，實現氣流的濃度和速度均勻分布，從而滿足大規模生產設備的需要。
文檔編號C30B25/14GK102154691SQ20111014224
公開日2011年8月17日 申請日期2011年5月30日 優先權日2011年5月30日
發明者劉鵬, 孫永健, 張國義, 李 燮, 袁志鵬, 趙紅軍, 陸羽 申請人:東莞市中鎵半導體科技有限公司