CN102154691B

CN102154691B - 狭缝式多气体输运喷头结构

Info

Publication number: CN102154691B
Application number: CN 201110142242
Authority: CN
Inventors: 李�燮; 刘鹏; 陆羽; 张国义; 孙永健; 赵红军; 袁志鹏
Original assignee: Sino Nitride Semiconductor Co Ltd
Current assignee: Sino Nitride Semiconductor Co Ltd
Priority date: 2011-05-30
Filing date: 2011-05-30
Publication date: 2012-11-21
Anticipated expiration: 2031-05-30
Also published as: CN102154691A

Abstract

本发明公开了一种狭缝式多气体输运喷头结构，包括喷头，喷头上设有若干进气管道、若干辅助气路管道、第一匀气孔板、第二匀气孔板及导流板，进气管道管壁与辅助气路管道空间连通，第一匀气孔板外侧设有若干相互平行的进气管道，第一匀气孔板内侧相邻进气管道之间设有与进气管道平行的导流板，所述导流板连接第一匀气孔板及第二匀气孔板后向下延伸。本发明能有效减少预反应的发生，提高反应效率，且当喷头的长度增加时，增加对应的辅助气路管道的数量，实现气流的浓度和速度均匀分布，从而满足大规模生产设备的需要。

Description

狭缝式多气体输运喷头结构

技术领域

本发明涉及一种狭缝式多气体输运喷头结构，尤其是涉及一种具有多气体喷头的狭缝式多气体输运喷头结构。

背景技术

Ⅲ-Ⅴ族半导体材料，如氮化镓（GaN）、氮化铝（AlN）等，具有宽的直接带隙、高的热导率、化学稳定性好等性质，广泛地应用于微电子器件和光电子器件，如用于照明或背光源的半导体发光二极管（LED），用于信息存储和激光打印的蓝紫光激光器（LD）以及紫外(UV)探测器和高频高功率的晶体管等，目前对Ⅲ-Ⅴ族半导体材料的研究与应用是全球半导体研究的前沿与热点。

在竞争日益激烈的Ⅲ-Ⅴ族半导体器件领域，商业化运行要求半导体设备能够一次性在大尺寸以及多数量的衬底上进行Ⅲ-Ⅴ族半导体材料的生长,将产能最大化。目前典型的商业化半导体生产设备，比如金属有机物化学气相淀积系统（MOCVD）和氢化物气相外延系统（HVPE），其设计理念一直向着提高产能、降低成本的方向发展。

目前市场上主流的商用半导体设备,比如金属有机物化学气相淀积系统（MOCVD）,大部分都采用了垂直式反应腔设计，通过反应腔上方的喷头将沉积所需要的Ⅲ族和Ⅴ族源气体输运进反应腔，垂直的气流到达石墨基座后，在基座表面形成一层很薄的滞留层，在该滞留层内反应物通过扩散作用越过滞留层扩散至衬底表面，并在衬底表面成核、进行薄膜生长，反应的副产物扩散回滞留层后，随着主气流被泵抽离反应腔，此类设计可以很好地保证薄膜沉积的均匀性以及可靠性。

现今，半导体设备中狭缝式多气体输运喷头结构的设计面临着产能规模化、扩大狭缝式多气体输运喷头结构容量的同时，控制气体对流场、减少预反应的发生的问题，而传统的HVPE系统无法解决此问题。

发明内容

本发明是针对上述背景技术存在的缺陷提供一种反应效率高、满足商业化规模的要求的狭缝式多气体输运喷头结构。

为实现上述目的，本发明一种狭缝式多气体输运喷头结构，包括喷头，所述喷头上设有若干进气管道、若干辅助气路管道、第一匀气孔板、第二匀气孔板及导流板，所述进气管道管壁与辅助气路管道空间连通，所述第一匀气孔板外侧设有若干相互平行的进气管道，所述第一匀气孔板横切相交进气管道，所述第一匀气孔板内侧下面设有平行的第二匀气孔板，第一匀气孔板上与进气管道横切相交处开设有第一气孔，所述第二匀气孔板上开设有若干第二气孔，第一匀气孔板内侧相邻进气管道之间设有与进气管道平行的导流板，所述导流板连接第一匀气孔板及第二匀气孔板后向下延伸。

进一步地，所述第二气孔分布比第一气孔密集。

进一步地，所述喷头置于导流壁上，所述导流壁之间设有支撑底座，所述支撑底座上设置有基座，所述喷头、导流壁及基座共同围成一反应空间。

进一步地，所述基座中部凸设有三角突起。

进一步地，所述喷头、导流壁及支撑底座的材质可为石英；基座的材质可为石墨、碳化硅、石英或有碳化硅涂层的石墨。

进一步地，所述导流板延伸向反应空间内，从而在基座的上部形成若干分割区。

进一步，所述分割区的气路依次设置为Ⅲ族源气体、隔离气体、Ⅴ族源气体。

进一步地，所述进气管道与辅助气路管道成一定角度设置。

综上所述，本发明通过在分割区中的Ⅲ族和Ⅴ族源气体之间始终间隔一路隔离气体，可有效防止发生预反应，提高反应效率；当喷头长度增加时，增加对应的辅助气路管道数量，通过调节气体流量保证喷头出口处气流的浓度和速度均匀分布，从而满足大规模生产设备的需要。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

图2为本发明一种实施例的结构示意图。

图3为本发明另一种实施例的结构示意图。

具体实施方式

为能进一步了解本发明的特征、技术手段以及所达到的具体目的、功能，下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述。

请参阅图1及图2，本发明狭缝式多气体输运喷头结构包括喷头1，喷头1上设有若干进气管道10、若干辅助气路管道20、第一匀气孔板30、第二匀气孔板40及导流板50，进气管道10管壁与辅助气路管道20空间连通，第一匀气孔板30外侧设有若干相互平行的进气管道10，第一匀气孔板30横切相交进气管道10，第一匀气孔板30内侧下面设有平行的第二匀气孔板40，第一匀气孔板30上与进气管道10横切相交处开设有第一气孔31，第二匀气孔板40上开设有若干第二气孔41，第二气孔41分布比第一气孔31密集。第一匀气孔板30内侧相邻进气管道10之间设有与进气管道10平行的导流板50，导流板50连接第一匀气孔板30及第二匀气孔板40后向下延伸，从而在基座4的上部形成若干分割区61。进气管道10水平间隔地排列于第一匀气孔板30上，进气管道10通过第一气孔31及第二气孔41与狭缝式多气体输运喷头结构连通。

请参阅图2，喷头1置于导流壁2上，两导流壁2之间设有支撑底座3，支撑底座3上设置有基座4，衬底5设置于基座4上，基座4中部凸设有三角突起41，三角突起41用以防止反应气体产生中心涡流。喷头1、导流壁2及基座4共同围成一反应空间6，应空间6的两侧还形成有一对排气出口7。喷头1、导流壁2及支撑底座3的材质可为石英；基座4的材质可为石墨、碳化硅、石英或有碳化硅涂层的石墨；衬底5的尺寸为四英寸，材料可为砷化镓（GaAs）、氧化锌（ZnO）、硅（Si）、碳化硅(SiC)、蓝宝石（Al2O3）或者已经生长了一层氮化镓基材料的蓝宝石（GaN/Al2O3）。

本发明狭缝式多气体输运喷头结构在使用时，气体由喷头1的进气管道10及辅助气路管道20通入，水平的气流进入进气管道10后，从进气管道10下面的第一匀气孔板30溢出，水平流动的气流从而被强制转为垂直流动，并再次经过第二匀气孔板40，保证各处气流的浓度和流速一致，经过两级匀气孔板后，每个分割区61对应的气路完全实现了水平进气转化为均匀的垂直气流。不同气路的分割区61的宽度可以进行调节，来满足不同的出口速度控制要求，当分割区61宽度变宽之后，相应的第二匀气孔板40上的第二气孔41数量也会随着增加，从而保证气体流场的均匀性。

为了保证薄膜沉积的均匀性，喷头1的总长度的典型尺寸为2500-3000mm，喷头1的横向宽度的典型尺寸为200-250mm；进气管道10内径的典型尺寸为1-3mm、壁厚的典型尺寸为1-3mm；辅助气路管道20内径的典型尺寸为1-3mm、壁厚的典型尺寸为1-3mm；辅助气路20之间间隔的典型尺寸为200-300mm；每个分割区61的宽度的典型尺寸为0.5-3mm；导流板50的高度的典型尺寸为1-50mm、导流板50的厚度的典型尺寸为0.5-3mm；第一匀气孔板30和第二匀气孔板40之间距离的典型尺寸为1-3mm；第一气孔31及第二气孔41的孔洞直径的典型尺寸为0.1-2.5mm。

请参阅图1及图2，在此实施例中，分割区61对应的气路以中轴线镜像对称分布气体源，依次设置为Ⅲ族源气体、隔离气体、Ⅴ族源气体，Ⅲ族源气体一般为Ⅲ族金属元素（Al、Ga或In）的卤化物；隔离气体一般为氢气（H2）、氮气（N2）、惰性气体或者三者中某两种或者三种气体的混合气体；Ⅴ族源气体一般为氨气（NH3）。本实施例采用喷头1中的两路输运Ⅲ族源气体，Ⅲ族源气体典型的流量为10-1000sccm，此气路同时也掺入一定量的隔离气体，掺入的隔离气体典型流量为：10-5000sccm，Ⅲ族源气体与隔离气体的混合气体从喷头1喷出，即图1中标注的A气体；采用另外两路气路输运Ⅴ族源气体，Ⅴ族源气体的典型流量为100-5000sccm，此气路同时也掺入一定量的隔离气体，掺入的隔离气体典型值为10-5000sccm，Ⅴ族源气体与隔离气体混合后从喷头1喷出，即图1中的C气体；在Ⅲ族和Ⅴ族源气体之间的气路为隔离气体，即图1中的B气体，以隔开A气体和C气体从而防止在喷口处发生预反应而造成不期望的沉积。气体在两衬底5上方的空间均匀混合，输运至基座4的三角突起41，中心部位的气流被引导为向两侧水平流动，三角突起41减少了中心涡流产生的可能，水平的气流通过基座4时形成很薄的滞留层，气相反应物在此滞留层中通过扩散作用到达衬底5表面，外延生长出氮化镓基材料，反应的副产物从衬底5的表面扩散到滞留层，并随着主气流剩迅速从反应空间6两侧的排气出口7被抽走，保证了反薄膜沉积的均匀性。同时，应空间6与中中轴线呈镜像对称，左右对称的衬底5所处的生长条件完全一致，可以外延生长高质量的氮化镓晶体，通过设计不同长度的喷头1，可以同时对五十个两英寸衬底进行沉积，满足商业化规模的要求。

请参阅图3，在此实施例中，本实施例采用喷头中的五路输运Ⅲ族源气体，Ⅲ族源气体典型的流量为10-1000sccm，此气路同时也掺入一定量的隔离气，掺入的载气典型流量为：10-5000sccm，Ⅲ族源气体与隔离气的混合气体从喷头1喷出，即图2中标注的A气体；采用另外两路气路输运Ⅴ族源气体，Ⅴ族源气体的典型流量为100-5000sccm，此气路同时也掺入一定量的隔离气，掺入的隔离气典型值为10-5000sccm，Ⅴ族源气体与载气混合后从喷头1喷出，即图2中的C气体；在Ⅲ族和Ⅴ族源气体之间的气路通入载气做为隔离气体，即图2中标注的B气体，以隔开A气体和C气体从而防止发生预反应而造成不期望的沉积。反应气体在衬底5上方的混合均匀后输运至基座4，主气流在泵的作用下被引导为向两侧水平流动，水平的气流通过基座4时形成很薄的滞留层，气相反应物在此滞留层中通过扩散作用到达衬底5表面，外延生长出氮化镓基材料，反应的副产物再从衬底5表面扩散，并随着主气流剩迅速从反应腔两侧的排气出口7被抽走。

在本实施例中，喷头1左右两侧靠近导流壁的气路设置为隔离气体，即B气体，这是为了保持导流壁2的清洁，如果在导流壁2上发生了不期望的沉积会造成基座4表面的温度发生偏移，会对工艺的稳定性造成影响；在本实施例中衬底5的尺寸为四英寸，通过密集分布的、Ⅲ族气体-隔离气体-Ⅴ族气体相互间隔的狭缝式喷头设计，减小反应空间6的高度，提高混合的均匀性，到达基座4的表面后混合气体的水平流动距离很短，保证了衬底沉积的均匀性；同时辅助气路和匀气孔板的设计保证了流场的均匀性，通过设计不同长度的狭缝式多种气体输运喷头，可以同时对25个四英寸的衬底进行沉积，满足商业化的要求。

综上所述，本发明本发明通过在分割区61中的Ⅲ族和Ⅴ族源气体之间始终间隔一路隔离气体，可有效防止在喷口1处发生预反应，提高反应效率。喷头1的长度增加时，增加对应的辅助气路管道20的数量，通过调节气体流量保证喷头1出口处气流的浓度和速度均匀分布，从而满足大规模生产设备的需要。

以上所述实施例仅表达了本发明的一种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明的保护范围应以权利要求为准，并涵盖其合法均等物。

Claims

1.一种狭缝式多气体输运喷头结构，包括喷头（1），其特征在于：所述喷头（1）上设有若干进气管道（10）、若干辅助气路管道（20）、第一匀气孔板（30）、第二匀气孔板（40）及导流板（50），所述进气管道（10）管壁与辅助气路管道（20）空间连通，所述第一匀气孔板（30）外侧设有若干相互平行的进气管道（10），所述第一匀气孔板（30）横切相交进气管道（10），所述第一匀气孔板（30）内侧下面设有平行的第二匀气孔板（40），第一匀气孔板（30）上与进气管道（10）横切相交处开设有第一气孔（31），所述第二匀气孔板（40）上开设有若干第二气孔（41），第一匀气孔板（30）内侧相邻进气管道（10）之间设有与进气管道（10）平行的导流板（50），所述导流板（50）连接第一匀气孔板（30）及第二匀气孔板（40）后向下延伸。

2.根据权利要求1所述的狭缝式多气体输运喷头结构，其特征在于：所述第二气孔（41）分布比第一气孔（31）密集。

3. 根据权利要求1所述的狭缝式多气体输运喷头结构，其特征在于：所述喷头（1）置于导流壁（2）上，所述导流壁（2）之间设有支撑底座（3），所述支撑底座（3）上设置有基座（4），所述喷头（1）、导流壁（2）及基座（4）共同围成一反应空间（5）。

4. 根据权利要求3所述的狭缝式多气体输运喷头结构，其特征在于：所述基座（4）中部凸设有三角突起（41）。

5.根据权利要求3所述的狭缝式多气体输运喷头结构，其特征在于：所述喷头（1）、导流壁（2）及支撑底座（3）的材质为石英；基座（4）的材质为石墨、碳化硅、石英或有碳化硅涂层的石墨。

6. 根据权利要求3所述的狭缝式多气体输运喷头结构，其特征在于：所述导流板（50）延伸向反应空间（5）内，从而在基座（4）的上部形成若干分割区（61）。

7. 根据权利要求6所述的狭缝式多气体输运喷头结构，其特征在于：所述分割区（61）的气路依次设置为Ⅲ族源气体、隔离气体、Ⅴ族源气体。

8. 根据权利要求1所述的狭缝式多气体输运喷头结构，其特征在于：所述进气管道（10）与辅助气路管道（20）成一定角度设置。