CN103132139A - 外延沉积设备、喷淋头和及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于沉积外延材料层的外延沉积设备，用于所述外延沉积设备的喷淋头和制造所述喷淋头的方法。所述于沉积外延材料层的外延沉积设备包括腔体，设置在所述腔体底部的衬底支承座和设置在所述腔体顶部的喷淋头，所述喷淋头与所述衬底支承座相对设置，并限定其间的反应区域，所述喷淋头面向所述反应区域的出气面具有一涂层，所述涂层使得外延层材料在所述表面沉积生长。本发明的外延沉积设备可以减少外延沉积工艺过程副产物粉尘的产生。

Description

外延沉积设备、喷淋头和及其制造方法

技术领域

本发明涉及外延沉积设备领域，特别涉及一种外延沉积设备、用于外延沉积的喷淋头和所述喷淋头的制造方法。

背景技术

自氮化镓(GaN)基第三代半导体材料的兴起，蓝光发光二极管(LED)外延结构研制成功，发光二极管芯片的发光强度和白光发光效率不断提高。半导体发光元件被认为是下一代进入通用照明领域的新型光源，因此得到广泛关注。

现有技术中，制造氮化镓基蓝光LED外延片的关键设备为外延设备，如金属有机化学气相沉积(MOCVD)设备。MOCVD设备是用于完成LED外延片的氮化镓材料外延沉积的关键设备。

请参阅图1，图1是现有技术MOCVD设备的剖面结构示意图。现有技术的MOCVD设备1包括腔体11、喷淋头12和衬底支承座13。所述喷淋头12设置于所述腔体11的顶部；所述衬底支承座13设置于所述腔体11的底部。所述喷淋头12与所述衬底支承座13相对设置，并共同限定其间的反应区域。

在现有技术的MOCVD设备中进行GaN材料的沉积过程中，反应副产物会形成在所述喷淋头12位于反应区域一侧的表面。该些反应副产物很容易从所述喷淋头表面脱落，形成粉尘。该些粉尘会污染放置在所述衬底支撑坐上的衬底，正在进行GaN材料沉积的衬底。

因此有必要研发一种外延沉积设备，以减少反应副产物脱落形成的粉尘造成的污染。

发明内容

现有技术的外延沉积设备存在反应副产物容易从喷淋头上脱落进而形成粉尘的问题，因此，有必要提供一种能解决上述问题的外延沉积设备。

一种用于沉积外延材料层的外延沉积设备，其包括腔体，设置在所述腔体底部的衬底支承座和设置在所述腔体顶部的喷淋头，所述喷淋头与所述衬底支承座相对设置，并限定其间的反应区域，所述喷淋头面向所述反应区域的出气面具有一涂层，所述涂层使得外延层材料在所述表面沉积生长。

本发明还提供一种解决上述问题的用于外延沉积工艺的喷淋头。

一种用于外延沉积工艺的喷淋头，所述喷淋头包括进气通道和出气面，从所诉进气通道进入的气体从所述出气面输出，所述出气面具有一涂层，所述涂层使得外延层材料在所述表面沉积生长。

本发明还提供一种用于制造上述喷淋头的制造方法。

一种外延沉积工艺喷淋头制作方法，所述喷淋头具有出气面，所述制作方法包括：提供所述喷淋头或具有所述出气面的喷淋头部件；通过热喷涂的方法在所述出气面上涂布一层涂层，所述涂层使得外延层材料在所述表面沉积生长。

发明人通过对现有技术的外延沉积设备进行研究后发现，现有技术喷淋头上容易发生粉尘脱落是因为：制作喷淋头的材料使得外延沉积反应产生的副产物不能在所述喷淋头的表面发生沉积生长，即副产物不能与所述喷淋头的表面的材料通过化学键键合，使得副产物在所述喷淋头的表面疏松地的堆积，从而很容易脱落形成粉尘。如：现有技术中使用MOCVD设备外延沉积GaN材料时，由于MOCVD设备喷淋头的材料通常为不锈钢等金属，外延沉积过程中，产生的GaN副产物由于不能在不锈钢等金属材质的喷淋头表面沉积生长，即GaN副产物不能与所述喷淋头的表面的材料通过化学键键合，从而在所述喷淋头的表面堆积了疏松的GaN材料，GaN材料脱落形成污染衬底的粉尘。

本发明的外延沉积设备中，在所述喷淋头的表面具有一涂层，所述涂层是使得外延沉积的材料层材料能在所述涂层上沉积生长，即外延沉积的材料层材料能够与所述喷淋头的表面的材料形成由化学键键合，从而使得外延沉积反应的副产物能够在所述喷淋头表面沉积生长，在所述喷淋头的表面形成较为致密的薄膜，从而减少粉尘的长生，提高在衬底上生长的外延沉积薄膜的质量。

附图说明

图1是现有技术MOCVD设备的剖面结构示意图。

图2是本发明外延沉积设备第一实施方式的剖面结构示意图。

图3是本发明外延沉积设备第二实施方式的剖面结构示意图。

具体实施方式

现有技术的外延沉积设备存在反应副产物容易从喷淋头上脱落形成粉尘的问题，因此，有必要提供一种能解决上述问题的外延沉积设备。具体地，本发明提供一种用于沉积外延材料层的外延沉积设备，其包括腔体，设置在所述腔体底部的衬底支承座和设置在所述腔体顶部的喷淋头，所述喷淋头与所述衬底支承座相对设置，并限定其间的反应区域，所述喷淋头面向所述反应区域的出气面具有一涂层，所述涂层使得外延层材料在所述表面沉积生长。

与现有技术相比较，本发明外延沉积设备中，在所述喷淋头的表面具有一涂层，所述涂层是使得外延沉积的材料层材料能在所述涂层上沉积生长，即外延沉积的材料层材料能够与所述喷淋头的表面的材料形成由化学键键合，从而使得外延沉积反应的副产物能够在所述喷淋头表面沉积生长，在所述喷淋头的表面形成较为致密的薄膜，从而减少粉尘的产生，提高在衬底上生长的外延沉积薄膜的质量。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。

请参阅图2，图2是本发明外延沉积设备第一实施方式的剖面结构示意图。所述外延沉积设备2包括腔体21，设置在所述腔体内的喷淋头22和衬底支承座23。所述喷淋头22设置在所述腔体21的顶部；所述衬底支承座23设置在所述腔体21的底部。所述衬底支承座23与所述喷淋头22相对设置。所述喷淋头22与所述衬底23之间限定反应区域24。所述衬底支撑23具有位于所述反应区域24一侧的衬底支撑面231，在进行外延沉积工艺时，待处理衬底25被放置在所述衬底支撑面231上。所述喷淋头22具有进气管道(图未示)和位于所述反应区域24一侧的出气面221，反应气体从所述进气管道引入到所述喷淋头22并穿过所述出气面221进入所述反应区域24。所述喷淋头22的出气面221上具有一涂层222，所述涂层222在所述外延沉积设备2进行外延沉积工艺时，外延层材料能够在所述涂层表面沉积生长，即外延沉积的材料层材料能够与所述喷淋头的表面的材料形成由化学键键合。

在进行外延沉积工艺时，待处理衬底25被放置在所述衬底支撑面231上并被所述衬底支承座23加热，反应气体通过所述喷淋头22的进气管道引入，并从所述出气面221进入到所述反应区域24，反应气体在所述反应区域24中反应，在所述衬底25上外延沉积一层外延沉积材料层；同时，反应气体在所述反应区域24中反应，生成与所述外延沉积材料相同的副产物并向所述喷淋头22的出气面221堆积。由于所述出气面221上覆盖有所述涂层222；所述涂层222使得所述向出气面221堆积的与外延沉积材料相同的副产物在所述涂层222表面沉积生长，形成较为致密的薄膜；从而减少堆积的外延副产物从所述喷淋头22的出气面221上脱落形成粉尘，进而减少粉尘对衬底25的污染。

其中，在本实施方式中，所述外延沉积设备2为MOCVD设备，所述在所述待处理衬底25上外延沉积的材料层为III-V族外延材料层，如氮化III族外延材料层，特别是用制作白光LED用的氮化镓(GaN)材料层。优选的，使用所述MOCVD设备外延沉积所述III-V外延材料层，特别是进行GaN外延材料层外延沉时，所述喷淋头22的出气面221的温度应该具有较高的温度，如所述温度大于等300℃。如此，III-V外延材料，特别是GaN材料能够在所述涂层222的表面沉积生长，形成较为致密的III-V外延材料薄膜，特别是GaN薄膜；同时，由于所述喷淋头22的出气表面221具有较高的温度，其与所述衬底支承座23的衬底支撑面231之间的温度差较少，从而抑制喷淋头22与衬底支撑面231之间的涡流，提高在待处理衬底25上形成的外延材料层的均匀性。特别是在外延沉积GaN外延薄膜过程中，所述喷淋头22的出气面221高于300℃，可以提高氮源气体(氨气)进入所述反应区域24的初始温度，从而能够提高氮源气体的分解效率，有效提高GaN材料沉积速率。进一步的，所述述喷淋头22的出气表面221的温度应该小于等于900℃。因为较高的喷淋头22出气面221温度使得喷淋头22的制造工艺难度增加，且高于900℃的温度使得在沉积GaN外延材料层时，用以外延沉积GaN材料的镓源气体会过早分解，有可能未进入所述反应区域24就已经与氮源气体反应并沉积在所述喷淋头22的出气面221。

在本实施方式中，为使得所述III-V外延材料副产物，特别是GaN材料能够在所述涂层222上沉积生长，以形成较为致密的III-V外延材料薄膜，特别是GaN材料薄膜；所述涂层222的材料与所述III-V外延材料层材料，特别是GaN材料的应该能够形成化学键键合。其中优选的，所述涂层222的材料为碳化硅材料、氮化III族材料、氧化III族材料或氧化IV族材料；其中，所述氮化III族材料可以是氮化铝、氮化硼或氮化镓等，所述氧化III族材料优选的可以是氧化铝，所述氧化IV族材料优选的可以是氧化硅。上述材料均可以与III-V族材料，特别是GaN材料在外延反应环境中形成化学键合。使得III-V外延材料层材料，特别是GaN材料层材料能够在所述涂层222表面形成产生沉积生长，产生致密的薄膜，从而降低薄膜脱落形成粉尘几率。

在本实施方式中，所述喷淋头22还包括主体223，所述主体223面向所述反应区域24的表面为出气面221，所述涂层涂布于所述出气面221。构成所述本体材料为金属材料；由于MOCVD设备的喷淋头22的结构非常复杂，因此，需要使用金属材料制作喷淋头22主体223。金属材料具有良好的加工性能，且材料成本较低，因此，可以大为降低所述喷淋头22的制造成本。可选的，如所述制造所述喷淋22主体223的材料为不锈钢，由于不锈钢材料价格便宜，性能稳定，易于加工，因此，是用于制造喷淋头22主体的良好材料；所述制造所述喷淋22主体223的材料还可以是耐热金属材料，如，所述材料为钨、钼、钽、铌、钒、铬、钛和锆中的一种，由于上述各种金属材料能够耐受高的温度，因此适用于制造能够承受较高温度的喷淋头22的主体223，如用于制造所述出气表面的温度要高于500℃的喷淋头22。所述涂层可以通过各种方式涂布于所述出气面221，只要所述涂层222能够牢固地粘附在所述出气面221；当所述涂层222的材料为碳化硅材料、氮化III族材料、氧化III族材料或氧化IV族材料时，由于材料的性质原因，难以通过通常的涂布工艺将所述涂层222涂布于所述金属材质制成的喷淋头22主体223上，并使得所述涂层222与所述喷淋头22主体223结合牢固。为此，发明人经过大量研究与实验发现，要在金属材料构成的喷淋头22主体223上涂布所述涂层，优选的使用热喷涂的方法将所述涂层222涂布于所述喷淋头22的出气面221。因为热喷涂工艺可以使得涂层222的材料通过形成微细熔滴或高温颗粒，以很高的飞行速度喷射到所述出气面221，并在冲击压力下凝结层叠沉积在所述出气面221而在所述出气面22形成牢固的涂层222。进一步的，为使得所述涂层222更加紧密地与所述出气面221结合，在使用热喷涂工艺涂布所述涂层222之前，还可以在所述出气面221先涂敷一层粘附层(图未示)，所述粘附层可以与所述金属材料制成的喷淋头22主体223结合牢固，并且能够很好地与所述涂层222结合；其中优选的，当所述涂层222的材料为碳化硅材料、氮化III族材料、氧化III族材料或氧化IV族材料时，所述粘附层的材料为银、镍或钛。

为在所述喷淋头22的出气面221通过热喷涂的方式涂布所述涂层222，可以将所述喷淋头22作为一个整体放置在热喷涂设备上，然后使用所述热喷涂设备在所述喷淋头22的出气面221上涂布所述涂层222。具体可以包括以下步骤：

步骤1：先对所述喷淋头22的出气面221先进行清洗，或将所述喷淋头22的出气面221进行表面粗化处理并进行清洗；

步骤2：将所述清洗完成的喷淋头22放置到热喷涂设备上，通过热喷涂工艺在所述出气面221上涂布一层所述涂层222。

为进一步增强所述涂层222与所述喷淋头22出气面221的结合强度，可以在上述步骤1和步骤2之间增加步骤2’，在步骤2’中，在所述清洁后的喷淋头22的出气面221上涂敷一层所述粘附层；然后表面粗化所述粘附层；然后再执行步骤2，在所述粘附层的粗化表面上通过热喷涂的方式涂布所述涂层222。

可选的，所述喷淋头22还可以由多个部件组合而成，因此，还可以将所述喷淋头22的多个部件中具有所述出气面221的部件从所述喷淋头22中分离出来，用所述具有所述出气面221的部件代替所述喷淋头22整体执行上述方法的步骤，从而完成在所述出气面221涂布所述涂层222。

与现有技术相比较，本发明外延沉积设备2中，在所述喷淋头22的出气面221具有一涂层222，所述涂层222是使得外延沉积的材料层材料能在所述涂层222上沉积生长，即外延沉积的材料层材料能够与所述喷淋头的表面的材料形成由化学键键合，从而使得外延沉积反应的副产物能够在所述喷淋头22的出气面221沉积生长，在所述喷淋头22的出气面221形成较为致密的薄膜，从而减少粉尘的长生，提高在衬底上生长的外延沉积薄膜的质量。

请参阅图3，图3是本发明外延沉积设备第二实施方式的剖面结构示意图。所述第二实施方式的外延沉积设备3与所述第一实施方式的外延沉积设备2基本相同，其区别在于：喷淋头32的主体包括本体323和吸热板324。所述吸热板324设置于所述本体临近所述反应区域34的一侧，所述吸热板324与所述本体323之间具有间隔；所述间隔使得所述吸热板324与所述本体323之间不直接发生热传递。所述吸热板324临近所述反应区域34的表面为所述喷淋头32的出气面321。涂层322涂敷于所述吸热板324临近所述反应区域34的表面。在本实施方式中，所述吸热板324能够吸收其下方衬底支撑座辐射的热量，使得所述吸热板324到达较高的温度，如：使得所述出气面321的温度大于等于300℃，然而所述喷淋头32本体323的则可以处于一个较低的温度，如此，对可以降低对所述喷淋头材料的温度要求，降低成本；同时也可以控制反应气体处于一个较低的温度，减少预反应的发生。可选的，所述吸热板324为金属材料的吸热板324，如所述吸热板324为不锈钢吸热板；优选的，为使得所述出气面322具有更高的温度，所述吸热板324的材质可以为耐高温金属，如所述为钨、钼、钽、铌、钒、铬、钛和锆中的一种或多种。使用金属制造所述吸热板324，由于金属具有良好的加工性能，因此可降低整个喷淋头32的制造成本。

在第二实施方式中，优选的，所述喷淋头32的本体323具有冷却腔326，所述冷却腔326可以控制所述喷淋头32的本体323的温度低于100℃，从而有效减少反应气体的预反应。进一步的，所述本体323具有向所述吸热板324延伸并穿过所述吸热板324的多根输气管325，所述输气管325使得所述反应气体在进入所述反应区域34后再混合，防止反应气体在所述本体323与所述吸热板324之间的间隙预混合，减少预反应的发生。

在第二实施方式中，在所述出气面321上涂敷所述涂层322时，可以将所述喷淋头32作为一个整体，使用如第一实施方式中涂敷所述涂层222的方法，涂敷所述涂层322。也可以将所述吸热板324从所述喷淋头32上分离出来，以所述吸热板324代替所述喷淋头32，使用如第一实施方式中涂敷所述涂层222的方法，涂敷所述涂层322。

虽然本发明已以较佳实施例披露如上，但本发明并非限定于此。任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，均可作各种更动与修改，因此本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。

Claims (33)

1.一种用于沉积外延材料层的外延沉积设备，其包括腔体，设置在所述腔体底部的衬底支承座和设置在所述腔体顶部的喷淋头，所述喷淋头与所述衬底支承座相对设置，并限定位于所述喷淋头与所述衬底支承座之间的反应区域，其特征在于：所述喷淋头面向所述反应区域的出气面具有一涂层，所述涂层使得外延层材料在所述表面沉积生长。

2.根据权利要求1所述的外延沉积设备，其特征在于：所述外延材料层的材料为III-V族材料。

3.根据权利要求1所述的外延沉积设备，其特征在于：所述外延材料层的材料为氮化III族材料。

4.根据权利要求1所述的外延沉积设备，其特征在于：所述外延材料层的材料为氮化镓材料。

5.根据权利要求2至4中任意一项所述的外延沉积设备，其特征在于：所述外延沉积设备进行外延沉积工艺时，所述出气面的温度大于等于300℃。

6.根据权利要求5所述的外延沉积设备，其特征在于：所述外延沉积设备进行外延沉积工艺时，所述出气面的温度小于等于900℃。

7.根据权利要求5所述的外延沉积设备，其特征在于：所述涂层的材料为碳化硅、氮化III族材料、氧化III族材料或氧化IV族材料中的一种或多种。

8.根据权利要求7所述的外延沉积设备，其特征在于：所述出气面所在的喷淋头部件的材质为金属材质，所述涂层通过热喷涂的方式涂布于所述出气面。

9.根据权利要求8所述的外延沉积设备，其特征在于：所述喷淋头部件的材质为不锈钢、钨、钼、钽、铌、钒、铬、钛和锆中的一种或多种。

10.根据权利要求8所述的外延沉积设备，其特征在于：所述出气面与所述涂层之间具有粘附层。

11.根据权利要求10所述的外延沉积设备，其特征在于：所述粘附层的材质为银、镍或钛。

12.根据权利要求8所述的外延沉积设备，其特征在于：所述喷淋头包括本体和设置在所述本体临近所述反应区域一侧的吸热板，所述吸热板与所述本体之间具有间隙，所述吸热板为所述出气面所在的喷淋头部件。

13.一种用于外延沉积工艺的喷淋头，所述喷淋头包括进气通道和出气面，从所述进气通道进入的气体从所述出气面输出，其特征在于：所述出气面具有一涂层，所述涂层使得外延层材料在所述表面沉积生长。

14.根据权利要求13所述的喷淋头，其特征在于：所述外延沉积工艺为外延沉积III-V族材料的工艺。

15.根据权利要求13所述的喷淋头，其特征在于：所述外延沉积工艺为外延沉积氮化III族材料的工艺。

16.根据权利要求13所述的喷淋头，其特征在于：所述外延沉积工艺为外延沉积氮化镓材料的工艺。

17.根据权利要求14至16中任意一项所述的喷淋头，其特征在于：进行所述外延沉积工艺时，所述出气面的温度大于等于300℃。

18.根据权利要求17所述的喷淋头，其特征在于：进行所述外延沉积工艺时，所述出气面的温度小于等于900℃。

19.根据权利要求17所述的喷淋头，其特征在于：所述涂层的材料为碳化硅、氮化III族材料、氧化III族材料或氧化IV族材料中的一种或多种。

20.根据权利要求19所述的喷淋头，其特征在于：所述出气面所在的喷淋头部件的材质为金属材质，所述涂层通过热喷涂的方式涂布于所述出气面。

21.根据权利要求20所述的外延沉积腔，其特征在于：所述喷淋头部件的材质为不锈钢、钨、钼、钽、铌、钒、铬、钛和锆中的一种或多种。

22.根据权利要求20所述的外延沉积腔，其特征在于：所述出气面与所述涂层之间具有粘附层。

23.根据权利要求22所述的外延沉积腔，其特征在于：所述粘附层的材质为银、镍或钛。

24.根据权利要求20所述的外延沉积腔，其特征在于：所述喷淋头包括本体和设置在所述本体临近所述反应区域一侧的吸热板，所述吸热板与所述本体之间具有间隙，所述吸热板为所述出气面所在的喷淋头部件。

25.一种外延沉积工艺喷淋头制作方法，所述喷淋头具有出气面，所述制作方法包括：提供所述喷淋头或具有所述出气面的喷淋头部件；通过热喷涂的方法在所述出气面上涂布一层涂层，所述涂层使得外延层材料在所述表面沉积生长。

26.根据权利要求25所述的喷淋头制作方法，其特征在于：所述外延沉积工艺为外延沉积氮化III族材料的工艺。

27.根据权利要求26所述的喷淋头制作方法，其特征在于：所述外延沉积工艺为外延沉积氮化镓材料的工艺。

28.根据权利要求26或27所述的喷淋头制作方法，其特征在于：所述涂层的材料为碳化硅、氮化III族材料、氧化III族材料或氧化IV族材料中的一种或多种。

29.根据权利要求28所述的喷淋头制作方法，其特征在于：所述喷淋头或具有所述出气面的喷淋头部件的材质为金属材质。

30.根据权利要求28所述的喷淋头制作方法，其特征在于：所述喷淋头或具有所述出气面的喷淋头部件的材质为不锈钢、钨、钼、钽、铌、钒、铬、钛和锆中的一种或多种。

31.根据权利要求29所述的喷淋头制作方法，其特征在于：在通过热喷涂方式在所述出气面喷涂所述涂层之前，还包括在所述出气面涂敷一层粘附层。

32.根据权利要求31所述的喷淋头制作方法，其特征在于：所述粘附层的材料为银、镍或钛。

33.根据权利要求31所述的喷淋头制作方法，其特征在于：在通过热喷涂方式在所述出气面喷涂所述涂层之前，还包括粗化所述粘附层表面的步骤。

Images