CN103060906B - 一种材料气相外延用方形喷头结构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种材料气相外延用方形喷头结构，解决在较大的衬底和较大的沉积区域之上提供均匀的前驱物混合问题。本发明方形喷头内设有多个相互独立的隔离区域，隔离区域呈上下结构依层排布，方形喷头顶部设有与隔离区域连通的输入管道，隔离区域底部设有多个气体喷管，气体喷管的喷口设于方形喷头底部。本发明通过方形的喷头结构，独立的隔离区域，以及多个喷头联合使用的方式，可使前驱物以及各种气体混合后均匀沉积在衬底表面，并提高生产效率。

Description

一种材料气相外延用方形喷头结构

技术领域

本发明涉及一种用于在衬底上化学气相沉积法（CVD）的装置及方法，尤其涉及一种氢化物气相外延（HVPE）里使用的喷头设计。

背景技术

氢化物气相外延（HVPE）技术具有生长速度快，生产成本低等特点，非常适用于Ⅲ族-氮化物半导体材料生长，比如氮化镓（GaN）晶片的大批量生产。随着对于LED、LD、晶体管和集成电路的需求增加，沉积高质量Ⅲ族-氮化物薄膜的效率呈现出更大的重要性。为了增加产量和生产能力，期望在较大的衬底和/或更多衬底以及较大沉积区域之上的前驱物均匀混合。这些因素非常重要，由于其直接影响生产电子装置的成本并且因而影响器件在市场中的竞争力。

并且目前氢化物气相外延（HVPE）技术所使用的喷头结构大多数为圆形结构，在小尺寸衬底或者少数衬底的生长上具有一定优势。当衬底尺寸变大或者个数增加时，由于圆形喷头的结构限制，前驱物的混合不够均匀，或者覆盖面积过小，而不适合用于在大尺寸衬底或者多数量衬底的生长上，但目前半导体生长设备上的喷头结构在大尺寸/大沉积面积上的使用上具有一定局限性，前驱物在大尺寸衬底/大沉积面积上的均匀性不佳及生产效率过低，所以对于氢化物气相外延（HVPE）技术所使用的喷头进行改进是十分有必要的。

发明内容

本发明的目地在于针对现有技术存在的不足，解决在较大的衬底和较大的沉积区域之上提供均匀的前驱物混合问题，提供一种方形喷头结构，使第一前驱物，第二前驱物，各种保护性气体在反应区域内充分混合后形成较为均匀的流场。

为实现上述目的，本发明公开了一种材料气相外延用方形喷头结构，通过以下的技术方案加以实现：

一种材料气相外延用方形喷头结构，包含有方形喷头，所述方形喷头内设有多个相互独立的隔离区域，隔离区域呈上下结构依层排布，相邻隔离区域之间形成独立腔体并且相互隔离，方形喷头顶部设有与隔离区域连通的输入管道，隔离区域底部设有多个气体喷管，气体喷管的喷口设于方形喷头底部，隔离区域底部设有同芯间隔式气体喷管，上层隔离区域的喷口位于间隔式气体喷管的中心喷管底端，中间的隔离区域的喷口位于间隔式气体喷管的中心喷管外侧，底层隔离区域的喷口位于间隔式气体喷管最外层，各喷口为间隔式相互隔离。

在其中一些实施例中，所述输入管道上设有检测并控制进气流速和流量的控制器，控制器监控进气管道内气体的流速、流量并调节使其均匀流场，各种气体隔离开来予以管控。

在其中一些实施例中，所述喷头的外观为方形，采用多个喷头联合使用，组成较大的喷头区域，喷头使用石英材质。

在其中一些实施例中，所述所述方形喷头顶部设有氮气管道、氯化镓管道、氨气管道，方形喷头上部设有氯化镓隔离区域，方形喷头中部设有氮气隔离区域，方形喷头下部设有氨气隔离区域，氮气管道独立连通氮气隔离区域，氯化镓管道独立连通氯化镓隔离区域，氨气管道独立连通氨气隔离区域，各隔离区域底部设有多个同心圆环喷管，同心圆环喷管喷口位于方形喷头底部，上层氯化镓隔离区域的氯化镓喷口位于同心圆环喷管中心，中层氮气隔离区域的氮气喷口位于同心圆环喷管的氯化镓喷口外侧，下层氨气隔离区域的氨气喷口位于同心圆环喷管最外层，各喷口为间隔式相互隔离。

本发明通过方形的喷头结构，独立的隔离区域，以及多个喷头联合使用的方式，可使前驱物以及各种气体混合后均匀沉积在衬底表面，并提高生产效率。本发明解决了在较大的衬底和较大的沉积区域之上提供均匀的前驱物混合问题，提高生产出来的外延片的质量，实现Ⅲ族-氮化物半导体晶片的大批量生产，提高Ⅲ族-氮化物半导体晶片的生产效率。

附图说明

图1为本发明实施例的结构示意图。

图2为本发明实施例气体流向的示意图。

图3为本发明实施例气体喷管部分的示意图。

图4为本发明实施例喷口部分的示意图。

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，解析本发明的优点与精神，藉由以下结合附图与具体实施方式对本发明的详述得到进一步的了解。

本发明提供一种材料气相外延用方形喷头结构，方形喷头内设有多个相互隔离的隔离区域，隔离区域呈上下结构依层排布，相邻隔离区域之间形成独立腔体并且相互隔离，方形喷头顶部设有与隔离区域连通的输入管道，每种气体从各自输入管道独立进入隔离区域后，在此区域内隔离开来，以防过早混合反应且其产物附着在喷头内壁。输入管道上设有检测并控制进气流速和流量的控制器，控制器监控进气管道内气体的流速、流量并调节使其均匀流场，各种气体隔离开来予以管控，各隔离区域底部设有多个气体喷管，气体喷管的喷口设于方形喷头底部，各隔离区域采用同芯间隔式气体喷管，上层隔离区域的喷口位于间隔式气体喷管的中心喷管底端，中间的隔离区域的喷口位于间隔式气体喷管的中心喷管外侧，底层隔离区域的喷口位于间隔式气体喷管最外层，各喷口为间隔式相互隔离。

喷头的外观为方形，采用多个喷头联合使用的方式，组成较大的“喷头区域”，实现大尺寸衬底或者多数量衬底的材料生长。喷头使用石英材质。

方形喷头顶部设有氮气管道1、氯化镓管道2、氨气管道3，方形喷头上部设有氯化镓隔离区域4，方形喷头中部设有氮气隔离区域5，方形喷头下部设有氨气隔离区域6，氮气管道1独立连通氮气隔离区域5，氯化镓管道2独立连通氯化镓隔离区域4，氨气管道3独立连通氨气隔离区域6，各隔离区域底部设有多个同心圆环喷管7，同心圆环喷管7喷口位于方形喷头底部，上层氯化镓隔离区域4的氯化镓喷口12位于同心圆环喷管7中心，中层氮气隔离区域5的氮气喷口11位于同心圆环喷管7的氯化镓喷口12外侧，下层氨气隔离区域6的氨气喷口13位于同心圆环喷管7最外层，各喷口为间隔式相互隔离。

本发明使第一前驱物、第二前驱物、各种保护性气体以及载气通过内部管道过程中互相隔离的结构，而从喷口处喷出后，在反应区域内充分混合形成较为均匀的流场。此外，此新型喷头的外观为规则的正方形，可采用多个喷头联合使用的方式，组成较大的“喷头区域”，实现大尺寸衬底或者多数量衬底的材料生长。

此喷头使用石英或各种高强度，且热膨胀系数较低的材质，可以使此喷头在高温使用下不容易发生变形，产生损坏，或者对设备/材料生长产生影响；方形结构的喷头可与多个喷头联合使用，形成非常大的生长区域，使材料在此区域内均匀生长；多管道输入气体，喷头结构加入多管道设计，可以通入多种气体，方便对气体的监测和控制，对工艺调试有较大帮助；多种气体隔离区域，各种气体进入喷头后，在一定区域内将被隔离开来，防止气体提前混合反应；气体通过隔离区域后从喷口喷出，喷口一般为间隔式，将各种气体分隔开来，在喷出后再进行混合。

参见附图1所示，氮气管道1：氮气通过此管道进入喷头内，并与其他气体隔离开来；氯化镓管道2：氯化镓的混合气体从此处通入，并与其他气体隔离开来；氨气管道3：氨气通过此管道进入喷头，并与其他气体隔离开来；氯化镓隔离区域4：将各种气体隔离开来，防止这气体在喷头内过早反应，产生副产物污染喷头；氮气隔离区域5：氨气从管道通入后进入此区域，与其他气体隔离开来，并在此区域内均匀扩散，然后从下方的管道处排出；氨气隔离区域6：氮气从管道通入后进入此区域，与其他气体隔离开来，并在此区域内均匀扩散，然后从下方的管道处排出；同心圆环喷管7：各种气体从此处排出喷头，并在下方混合反应，生成氮化镓。

参见附图2所示，氮气管道1把氮气通过此管道进入喷头内氮气隔离区域5，并与其他气体隔离开来，最终从氮气喷口11喷出；氯化镓管道2把氯化镓的混合气体从此处通入氯化镓隔离区域4，并与其他气体隔离开来，最终从氯化镓喷口12喷出；氨气管道3把氨气通过此管道进入喷头内氨气隔离区域6，并与其他气体隔离开来，最终从氨气喷口13喷出。

实施例一：

涉及化学气相沉积法（CVD）或者氢化物气相外延（HVPE）的反应都需要在高温条件下进行。所以喷头结构的制作材质需要选择高强度，不与反应气体产生化学反应，且热膨胀系数较低的材质。

石英材质热膨胀系数较低，具有较高的强度，且不与各种反应气体发生反应，故选用石英制作喷头。

氯化氢通过镓源后形成氯化镓的混合物，并通过管道进入喷头第一隔离区域内，在喷头内均匀扩散，然后通过下方的中心管道排出。

氨气通过进气管道进入喷头，并在氨气区域均匀扩散，然后通过下方的管道排出。

氮气通过进气管道进入喷头，并在氮气区域均匀扩散，然后通过下方的管道排出。

三种不同的气体通过不同管道在喷口处排出，喷口采用的同心圆环结构能起到较好的隔离效果，氮气有效地将氯化镓和氨气隔离开来，防止这两种气体过早反应，产生副产物污染喷口。

当气体到达下方区域时，将混合反应，在衬底表面生成氮化镓。

实施例二：

涉及化学气相沉积法（CVD）或者氢化物气相外延（HVPE）的反应都需要在高温条件下进行。所以喷头结构的制作材质需要选择高强度，不与反应气体产生化学反应，且热膨胀系数较低的材质。

石英材质热膨胀系数较低，具有较高的强度，且不与各种反应气体发生反应，故选用石英制作喷头。

利用多个石英喷头组合使用，在反应腔室内可形成较大的反应面积，有利于大尺寸衬底或者多数量的衬底生长。

氯化氢通过镓源后形成氯化镓的混合物，并通过管道进入喷头第一隔离区域内，在喷头内均匀扩散，然后通过下方的中心管道排出。

氨气通过进气管道进入喷头，并在氨气区域均匀扩散，然后通过下方的管道排出。

氮气通过进气管道进入喷头，并在氮气区域均匀扩散，然后通过下方的管道排出。

三种不同的气体通过不同管道在喷口处排出，喷口采用的同心圆环结构能起到较好的隔离效果，氮气有效地将氯化镓和氨气隔离开来，防止这两种气体过早反应，产生副产物污染喷口。

当气体到达下方区域时，将混合反应，在衬底生成氮化镓。

本发明石英喷头整体方形结构，石英喷头多个独立水平隔离区域，多个石英喷头组合使用。

以上所述实施例仅表达了本发明的部分实施方式，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所附权利要求为准。

Claims (4)

1.一种材料气相外延用方形喷头结构，包含有：方形喷头，其特征在于，所述方形喷头内设有多个相互独立的隔离区域，所述隔离区域呈上下结构依层排布，相邻隔离区域之间形成独立腔体并且相互隔离，所述方形喷头顶部设有与隔离区域连通的输入管道，所述隔离区域底部设有多个气体喷管，所述气体喷管的喷口设于方形喷头底部，所述隔离区域底部设有同芯间隔式气体喷管，上层隔离区域的喷口位于间隔式气体喷管的中心喷管底端，中间的隔离区域的喷口位于间隔式气体喷管的中心喷管外侧，底层隔离区域的喷口位于间隔式气体喷管最外层，各喷口为间隔式相互隔离。

2.根据权利要求1所述的一种材料气相外延用方形喷头结构，其特征在于，所述输入管道上设有检测并控制进气流速和流量的控制器，所述控制器监控进气管道内气体的流速、流量并调节使其均匀流场，各种气体隔离开来予以管控。

3.根据权利要求1所述的一种材料气相外延用方形喷头结构，其特征在于，所述喷头的外观为方形，采用多个喷头联合使用，组成较大的喷头区域，所述喷头使用石英材质。

4.根据权利要求1所述的一种材料气相外延用方形喷头结构，其特征在于，所述方形喷头顶部设有氮气管道（1）、氯化镓管道（2）、氨气管道（3），所述方形喷头上部设有氯化镓隔离区域（4），所述方形喷头中部设有氮气隔离区域（5），所述方形喷头下部设有氨气隔离区域（6），所述氮气管道（1）独立连通氮气隔离区域（5），所述氯化镓管道（2）独立连通氯化镓隔离区域（4），所述氨气管道（3）独立连通氨气隔离区域（6），各隔离区域底部设有多个同心圆环喷管（7），所述同心圆环喷管（7）喷口位于所述方形喷头底部，上层氯化镓隔离区域（4）的氯化镓喷口（12）位于同心圆环喷管（7）中心，中层氮气隔离区域（5）的氮气喷口（11）位于同心圆环喷管（7）的氯化镓喷口（12）外侧，下层氨气隔离区域（6）的氨气喷口（13）位于同心圆环喷管（7）最外层，各喷口为间隔式相互隔离。