專利名稱：化學(xué)氣相沉積外延設(shè)備用的噴淋頭結(jié)構(gòu)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種化學(xué)氣相沉積外延設(shè)備，具體涉及一種化學(xué)氣相沉積外延設(shè)備用的噴淋頭結(jié)構(gòu)。
背景技術(shù)：
化學(xué)氣相沉積(Chemical Vapour D印osition，簡稱CVD)是上世紀中期發(fā)展起來的一種薄膜沉積的方法，是通過氣體混合后在一定的條件下發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，并在基片表面沉積一層薄膜的工藝。在現(xiàn)在廣泛用于微電子、光電子以及硬質(zhì)鍍膜等領(lǐng)域中。用化學(xué)氣相沉積方法沉積薄膜材料，通常需要各種原材料和載入氣體，原材料包括參與化學(xué)反應(yīng)并形成薄膜產(chǎn)物的原料成分；載氣包括各種攜帶原材料的氣體，如氫氣、氮氣等，這些載氣只載入原材料進入反應(yīng)室，本身并不參與化學(xué)反應(yīng)。CVD薄膜沉積過程都包含以下步驟(1)載氣攜帶著反應(yīng)物從反應(yīng)器進口流向反應(yīng)器出口，此主氣流流動受到溫差、流道擴張、基片旋轉(zhuǎn)等引起的強烈影響；( 主氣流在基片上方形成平行于基片的三種邊界層；在邊界層內(nèi)反應(yīng)物被加熱，發(fā)生分解、置換等氣相化學(xué)反應(yīng)，生成反應(yīng)中間產(chǎn)物；(3)反應(yīng)物或反應(yīng)中間物通過對流和濃度擴散，穿透邊界層到達基片表面；(4)反應(yīng)物在基片表面吸附，再通過表面擴散、結(jié)合入晶格等表面反應(yīng)步驟完成薄膜沉積；(5)反應(yīng)物和反應(yīng)副產(chǎn)物在表面解吸；(6)解吸后的反應(yīng)副產(chǎn)物再通過對流和濃度擴散，回到主氣流，最終被帶到反應(yīng)室外。在CVD反應(yīng)過程中，表面化學(xué)反應(yīng)速率通常遠大于反應(yīng)物輸運速率，因此薄膜的生長速率取決于分子量最大的反應(yīng)物輸運到表面的速率；另一方面，薄膜生長的組分和厚度主要取決于基片上方的反應(yīng)物濃度分布和溫度分布，即無論薄膜生長的速率還是質(zhì)量，都強烈的受氣體輸運過程的影響，因此稱生長為輸運過程控制的反應(yīng)。薄膜制備的重要指標(biāo)之一就是其厚度、摻雜濃度和組分的均勻性。要生長出厚度、 摻雜濃度和組分均勻的薄膜材料，根據(jù)CVD技術(shù)的反應(yīng)機理可以知必須使達到基片的反應(yīng)物濃度和速率盡量均勻一致。這就要求基片表面附近存在均勻分布的氣流場、溫場和濃度場。根據(jù)上述CVD生長薄膜所需要的組分均勻、厚度均勻等要求，必須在基片上方提供一個厚度薄而均勻的反應(yīng)物濃度邊界層，使足夠量的反應(yīng)粒子能夠通過擴散源源不斷地到達基片表面各點。因為在生長過程中只有輸運到基片各部位的反應(yīng)粒子及摻雜粒子速率都相等時，才能滿足薄膜的組分、濃度和厚度均勻性的要求。反應(yīng)物濃度邊界層強烈地受氣體流動的影響，因此基片上方還需要維持一個厚度薄而均勻的速度邊界層。速度邊界層的流場應(yīng)保持為均勻平行層流，避免任何波動、湍流和對流渦旋。為保證穩(wěn)定的邊界層厚度，人們設(shè)計了不同的CVD反應(yīng)器設(shè)備。根據(jù)進入反應(yīng)器的反應(yīng)氣體和載氣組成的氣流相對于基片的流動方向，可以把CVD反應(yīng)器分為兩大類主氣流平行于基片方向的水平式反應(yīng)器和主氣流垂直于基片方向的垂直式反應(yīng)器。在水平式反應(yīng)器中，反應(yīng)氣體從基片一側(cè)流向另一側(cè)，這種反應(yīng)器結(jié)構(gòu)簡單，但是存在嚴重的反應(yīng)物耗盡和熱對流渦旋等問題，容易造成薄膜厚度的前后不均勻性，需要用復(fù)雜的方法加以克服。如果半導(dǎo)體薄膜材料的均勻性比較差，則宜采用垂直式反應(yīng)器。垂直式反應(yīng)器主要由進氣噴頭、襯底托、轉(zhuǎn)動系統(tǒng)、加熱部件、真空系統(tǒng)等部分組成。為了提高外延半導(dǎo)體薄膜材料的生產(chǎn)的大批量和生產(chǎn)的穩(wěn)定性，可以采用的主要方法有一是加大襯底托的轉(zhuǎn)速，縮短原料氣流向高溫襯底托的時間，減小原料氣在輸運過程中的受熱時間，但增大轉(zhuǎn)速會影響沉積反應(yīng)的傳質(zhì)和傳熱過程，大大增加襯底上方層流穩(wěn)定性的控制難度，容易因失穩(wěn)產(chǎn)生渦流而不利于薄膜生長；二是采用不同的原料氣體通過不同的管道均勻的通入反應(yīng)室，人為的使進氣達到均勻一致。但是，現(xiàn)有的這種結(jié)構(gòu)的進氣裝置存在缺陷，噴淋頭難于清洗，導(dǎo)致清洗后進氣裝置上的附著物對后續(xù)制備的材料造成污染，影響了材料的質(zhì)量和性能。同時，現(xiàn)有的噴淋頭大多采用焊接的方式，不易于拆裝和維護，嚴重時甚至?xí)绊懤鋮s水路， 造成漏水現(xiàn)象。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種化學(xué)氣相沉積外延設(shè)備用的噴淋頭結(jié)構(gòu)，其既能均勻進氣同時抑制預(yù)反應(yīng)，又易于加工清洗、拆裝維護，從而克服了現(xiàn)有技術(shù)中的不足。為實現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明采用了如下技術(shù)方案一種化學(xué)氣相沉積外延設(shè)備用的噴淋頭結(jié)構(gòu)，其特征在于它包括層疊設(shè)置的上層進氣層、至少一中間進氣層和下層冷卻層；其中，所述上層進氣層中設(shè)有上層進氣槽，該上層進氣槽與至少一上層進口管和至少一上層出口管連通，所述上層出口管上端與上層進氣槽連通，下端由中間進氣層和下層冷卻層中垂直穿出；所述中間進氣層中設(shè)有中間進氣槽，該中間進氣槽與至少一中間進口管和至少一中間出口管連通，所述第一出口管上端與中間進氣槽連通，下端由下層冷卻層中垂直穿出；所述中間出口管同軸套設(shè)于對應(yīng)的上層出口管上，且該上層出口管和該中間出口管之間留有環(huán)形間隙。作為一種優(yōu)選方案，所述噴淋頭結(jié)構(gòu)包括層疊設(shè)置的兩層以上中間進氣層，其中相鄰兩個中間進氣層中位于上方的中間進氣層的中間出口管同軸套設(shè)于位于下方的中間進氣層的相應(yīng)中間出口管中，且該兩個中間出口管之間留有環(huán)形間隙。作為又一種優(yōu)選方案，所述上層進氣層、中間進氣層和下層冷卻層之間設(shè)有定位結(jié)構(gòu)，所述定位結(jié)構(gòu)包括相互配合的凸塊及凹槽結(jié)構(gòu)。所述冷卻層中設(shè)有封閉水槽，該水槽與至少一進水口和至少一出水口連通，所述上層出口管和中間出口管均由所述水槽中穿過。所述上層進氣層、中間進氣層和下層冷卻層之間還均設(shè)有密封圈。所述噴淋頭結(jié)構(gòu)還包括設(shè)置于底層的底座法蘭。所述底座法蘭與冷卻水層之間設(shè)有定位結(jié)構(gòu)和密封圈，所述定位結(jié)構(gòu)包括相互配合的凸塊及凹槽結(jié)構(gòu)。所述底座法蘭上分布有可供最下層中間進氣層的中間出口管穿過的通孔，且所有上層出口管和中間出口管的下端面均與底座法蘭的下端面平齊設(shè)置。所述底座法蘭與最下層中間進氣層的中間出口管之間設(shè)有金屬密封圈。
所述上層進氣層的復(fù)數(shù)個上層出口管以及每一中間進氣層的復(fù)數(shù)個中間出口管均采用等距、均勻排布的結(jié)構(gòu)。針對現(xiàn)有技術(shù)中的不足，本案發(fā)明人經(jīng)長期研究和實踐，提出了本發(fā)明的技術(shù)方案，概括的講，該技術(shù)方案具有以下一些特點，即帶有水冷系統(tǒng)，對各反應(yīng)氣體進行分隔， 可根據(jù)實際反應(yīng)氣體種類設(shè)置進氣層數(shù)量，氣體進氣形式為環(huán)形嵌套結(jié)構(gòu)，保證了進氣的均勻性和可重復(fù)性；由于設(shè)計結(jié)構(gòu)具有完全對稱性，該噴淋頭尺寸可無限擴大，可滿足大規(guī)模生長的要求。本發(fā)明的噴淋頭結(jié)構(gòu)的工作原理大致如下外延材料生長的時候，不同種類的反應(yīng)源氣體從不同的進氣管進入各自的進氣槽，然后經(jīng)下方均勻密排的出口管噴入反應(yīng)室， 實際的噴射形態(tài)為從上層進氣層進入的源氣體是管面噴出，從中間進氣層通入的源氣體都是由出口管所圍形成的環(huán)形出口噴出，即從環(huán)形面噴入反應(yīng)室，通過調(diào)節(jié)各組同心嵌套的出口管的管徑大小、排布密度，以及在反應(yīng)室中輔以調(diào)節(jié)噴淋頭到襯底的距離等措施，從而實現(xiàn)材料生長和組分的均勻一致。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明至少具有下述優(yōu)點無需焊接加工，而采用密封連接和硬連接結(jié)構(gòu)，故加工簡單、拆裝方便，清洗徹底，不會存在現(xiàn)有噴淋頭易發(fā)生的種種難以維護的問題，可為各類化學(xué)氣相沉積工藝提供硬件支持，保證生長的高度均勻性和穩(wěn)定性。


圖1是本發(fā)明一較佳實施例的結(jié)構(gòu)示意圖；圖中各組件及其附圖標(biāo)記分別為進氣管1、進氣槽2、出口管3、出口管4、出口管 5、上蓋板進氣層6、中間進氣層7、底座法蘭8、定位槽9、進氣管10、進氣槽11、冷卻水層12、 進水口 13、水槽14、出水口 15、內(nèi)壁16。
具體實施例方式本發(fā)明的用于化學(xué)氣相沉積外延設(shè)備用的噴淋頭是由多個進氣層組成，每個進氣層都有相同數(shù)目的密排出口管，各層的出口管在噴淋頭盤面的分布完全一致。出口管管徑自上而下依次增大。各進氣層法蘭之間無需焊接，有定位槽固定位置，并通過密封膠圈密封和螺釘連接。如此將各進氣層的出口管呈同心嵌套的形式固定在底座法蘭上，該底座法蘭上有相同排布的通孔，并與反應(yīng)室密封連接。在工作時，多種不同的反應(yīng)氣體可以通過不同進氣層，經(jīng)過密排同心嵌套的出氣管束族，高度對稱的噴入反應(yīng)室內(nèi)，在保證進氣的均勻性的同時，又由于分隔各原料氣體，避免了預(yù)反應(yīng)的發(fā)生，提高了成膜的質(zhì)量。以下結(jié)合附圖及一較佳實施例對本發(fā)明的技術(shù)方案作詳細說明。參閱圖1，該化學(xué)氣相沉積外延設(shè)備用的噴淋頭包括層疊設(shè)置的上蓋板進氣層6、 一層以上中間進氣層7、冷卻水層12和底座法蘭8。其中，上蓋板進氣層6由一根進氣管1和與噴淋頭相同形狀的內(nèi)嵌于其的進氣槽 2以及一定數(shù)量和一定長度的出口管3構(gòu)成。上蓋板進氣層與中間進氣層7由定位槽9定位，通過密封膠圈密封連接在一起。中間進氣層同樣由進氣管和進氣槽以及對應(yīng)的出口管構(gòu)成，該出口管比上蓋板進氣層的出口管管徑要大，管長要短，定位槽內(nèi)有凹凸硬接觸(凸塊和凹槽配合的結(jié)構(gòu))連接來確保兩出口管為同心嵌套。中間進氣層的個數(shù)由需要而定，各中間層之間由定位槽9定位，密封膠圈密封連接。每一中間進氣層的結(jié)構(gòu)基本相同，只是出口管的管徑自上而下依次增大，管長依次減小。例如，對于本實施例來說，中間進氣層可為兩層，其中，位于上方的中間進氣層7由進氣管10和進氣槽11以及對應(yīng)的出口管4構(gòu)成，而位于下方的中間進氣層則由進氣管和進氣槽以及對應(yīng)的出口管5構(gòu)成。冷卻水層12設(shè)置于在最后一個中間進氣層下方，它是一塊帶通孔的板，冷卻水從進水口 13進入水槽14對噴淋頭進行冷卻，再由出水口 15流出。前述水槽14為除去上述出口管徑通孔的封閉區(qū)域，出口管有內(nèi)壁16包裹。冷卻水層與上下層緊密接合在一起，以保證冷卻的效果。最底層的底座法蘭8上有最后一層中間進氣層的出口管徑大小一致的通孔，此處因接近襯底輻射面，建議使用金屬密封圈密封。底座法蘭與其上的冷卻水層同樣由定位槽定位，密封膠圈密封連接。前述的上蓋板進氣層及各中間進氣層的出口管出口端面均與此處的底座法蘭底面平行。以上這些部件通過螺釘連接，形成整體噴淋頭結(jié)構(gòu)，無需焊接工藝。為驗證前述噴淋頭結(jié)構(gòu)的性能，本案發(fā)明人將原有的商用MOCVD反應(yīng)器 (ThomasSwan CCS 3X2”)的噴淋頭換成新設(shè)計的噴淋頭結(jié)構(gòu)。該進氣裝置包括了一個上蓋板進氣層，兩個中間進氣層和一個底盤法蘭。噴淋頭為圓柱體，外徑164mm;出口管噴射區(qū)域覆蓋整個襯底托，外徑為140mm。上蓋板進氣層的出口管內(nèi)徑為0. 5mm，第一中間進氣層的出口管內(nèi)徑為1.7mm，第二中間進氣層的出口管內(nèi)徑為2. 7mm，出口管的管壁厚都為 0.2mm。每個嵌套的出口管組里有內(nèi)中外三層，內(nèi)為圓形管噴射，中外為環(huán)形管噴射。出口管組等距緊密排布，在整個出口管噴射區(qū)域內(nèi)的排布密度為30個/平方英寸。用裝備了新設(shè)計的噴淋頭的反應(yīng)器來生長氮化鋁(AlN)薄膜，反應(yīng)氣體三甲基鋁 (TMAl)從上蓋板進氣層由載氣攜帶通入，反應(yīng)氣體氨氣(NH3)從第二中間進氣層通入，第一中間進氣層走載氣，它的作用除了調(diào)節(jié)反應(yīng)氣體的總流量之外，還在空間上起到了隔離兩種反應(yīng)氣體的功效，使三甲基鋁和氨氣在接近襯底的過程中各自獨立輸運，在受熱的過程中抑制預(yù)反應(yīng)和寄生反應(yīng)的發(fā)生，減少了有害反應(yīng)產(chǎn)物或中間產(chǎn)物引入薄膜。通過調(diào)節(jié)反應(yīng)室的高度、托盤轉(zhuǎn)速等工藝參數(shù)，我們獲得的氮化鋁薄膜厚度均勻性< +_1%，X射線衍射半寬(002面)< 200秒，可見生長獲得的薄膜的缺陷密度被大大降低。長期使用中進氣裝置的各個部件會沉積上反應(yīng)物，如在噴口區(qū)域，甚至進氣槽內(nèi)也會有不同程度的寄生沉積存在。將各個部件拆下，放入由去離子水、雙氧水和磷酸配成的洗液中超聲清洗M小時，所有存在沉積物的表面都能清洗干凈，然后烘干，重新安裝，換新的密封圈，檢漏后試生長氮化鎵(GaN)薄膜材料。此時噴淋頭內(nèi)的走氣方式為反應(yīng)氣體三甲基鎵(TMGa)從上蓋板進氣層由載氣H2攜帶通入，反應(yīng)氣體氨氣(NH3)從第二中間進氣層通入，第一中間進氣層通載氣H2。生長出的氮化鎵薄膜的質(zhì)量比較高，本底載流子濃度達到 < 1. OE+17/cm3。與現(xiàn)有的噴淋頭相比，該進氣裝置的突出特點就是無需焊接，多為密封連接和硬連接結(jié)構(gòu)。故其加工簡單、拆裝方便，清洗徹底，不會存在現(xiàn)有噴淋頭易發(fā)生的種種難以維護的問題，可為各類化學(xué)氣相沉積工藝提供硬件支持，保證生長的高度均勻性和穩(wěn)定性。需要指出的是，上述實施例僅為說明本發(fā)明的技術(shù)構(gòu)思及特點，其目的在于讓熟
6悉此項技術(shù)的人士能夠了解本發(fā)明的內(nèi)容并據(jù)以實施，并不能以此限制本發(fā)明的保護范圍。凡根據(jù)本發(fā)明精神實質(zhì)所作的等效變化或修飾，都應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種化學(xué)氣相沉積外延設(shè)備用的噴淋頭結(jié)構(gòu)，其特征在于它包括層疊設(shè)置的上層進氣層、至少一中間進氣層和下層冷卻水層；其中，所述上層進氣層中設(shè)有上層進氣槽，該上層進氣槽與至少一上層進口管和至少一上層出口管連通，所述上層出口管上端與上層進氣槽連通，下端由中間進氣層和下層冷卻層中垂直穿出；所述中間進氣層中設(shè)有中間進氣槽，該中間進氣槽與至少一中間進口管和至少一中間出口管連通，所述第一出口管上端與中間進氣槽連通，下端由下層冷卻層中垂直穿出；所述中間出口管同軸套設(shè)于對應(yīng)的上層出口管上，且該上層出口管和該中間出口管之間留有環(huán)形間隙。
2.如權(quán)利要求1所述的化學(xué)氣相沉積外延設(shè)備用的噴淋頭結(jié)構(gòu)，其特征在于所述噴淋頭結(jié)構(gòu)包括層疊設(shè)置的兩層以上中間進氣層，其中相鄰兩個中間進氣層中位于上方的中間進氣層的中間出口管同軸套設(shè)于位于下方的中間進氣層的相應(yīng)中間出口管中，且該兩個中間出口管之間留有環(huán)形間隙。
3.如權(quán)利要求1所述的化學(xué)氣相沉積外延設(shè)備用的噴淋頭結(jié)構(gòu)，其特征在于所述冷卻層中設(shè)有封閉水槽，該水槽與至少一進水口和至少一出水口連通，所述上層出口管和中間出口管均由所述水槽中穿過。
4.如權(quán)利要求1所述的化學(xué)氣相沉積外延設(shè)備用的噴淋頭結(jié)構(gòu)，其特征在于所述上層進氣層、中間進氣層和下層冷卻層之間設(shè)有定位結(jié)構(gòu)，所述定位結(jié)構(gòu)包括相互配合的凸塊及凹槽結(jié)構(gòu)。
5.如權(quán)利要求1或4所述的化學(xué)氣相沉積外延設(shè)備用的噴淋頭結(jié)構(gòu)，其特征在于所述上層進氣層、中間進氣層和下層冷卻層之間還均設(shè)有密封圈。
6.如權(quán)利要求1所述的化學(xué)氣相沉積外延設(shè)備用的噴淋頭結(jié)構(gòu)，其特征在于所述噴淋頭結(jié)構(gòu)還包括設(shè)置于底層的底座法蘭。
7.如權(quán)利要求6所述的化學(xué)氣相沉積外延設(shè)備用的噴淋頭結(jié)構(gòu)，其特征在于所述底座法蘭與冷卻水層之間設(shè)有定位結(jié)構(gòu)和密封圈，所述定位結(jié)構(gòu)包括相互配合的凸塊及凹槽結(jié)構(gòu)。
8.如權(quán)利要求6所述的化學(xué)氣相沉積外延設(shè)備用的噴淋頭結(jié)構(gòu)，其特征在于所述底座法蘭上分布有可供最下層中間進氣層的中間出口管穿過的通孔，且所有上層出口管和中間出口管的下端面均與底座法蘭的下端面平齊設(shè)置。
9.如權(quán)利要求8所述的化學(xué)氣相沉積外延設(shè)備用的噴淋頭結(jié)構(gòu)，其特征在于所述底座法蘭與最下層中間進氣層的中間出口管之間設(shè)有金屬密封圈。
10.如權(quán)利要求1所述的化學(xué)氣相沉積外延設(shè)備用的噴淋頭結(jié)構(gòu)，其特征在于所述上層進氣層的復(fù)數(shù)個上層出口管以及每一中間進氣層的復(fù)數(shù)個中間出口管均采用等距、均勻排布的結(jié)構(gòu)。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種化學(xué)氣相沉積外延設(shè)備用的噴淋頭結(jié)構(gòu)，它包括層疊設(shè)置的上層進氣層、至少一中間進氣層和下層冷卻層；上層進氣層中設(shè)有上層進氣槽，該上層進氣槽與至少一上層進口管和至少一上層出口管連通，上層出口管上端與上層進氣槽連通，下端由中間進氣層和冷卻層中垂直穿出；中間進氣層中設(shè)有中間進氣槽，該中間進氣槽與至少一中間進口管和至少一中間出口管連通，第一出口管上端與中間進氣槽連通，下端由冷卻層中垂直穿出；中間出口管同軸套設(shè)于對應(yīng)上層出口管上，且該上層出口管和中間出口管之間留有環(huán)形間隙。本發(fā)明加工工藝簡單，拆裝維護方便，清洗徹底，并能在均勻進氣的同時抑制預(yù)反應(yīng)，可為各類化學(xué)氣相沉積工藝提供可靠的硬件支持。
文檔編號C23C16/455GK102230165SQ20111016214
公開日2011年11月2日 申請日期2011年6月16日 優(yōu)先權(quán)日2011年6月16日
發(fā)明者張永紅, 朱建軍, 王國斌 申請人:中國科學(xué)院蘇州納米技術(shù)與納米仿生研究所