CN103255392A - 喷淋头以及气相沉积设备 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种喷淋头以及气相沉积设备。所述喷淋头包括：喷淋头体，所述喷淋头体具有多个气体腔和冷却腔；其中，所述冷却腔位于所述气体腔下方，所述每个气体腔皆具有多个气体管道贯穿所述冷却腔和所述喷淋头体的下表面；所述喷淋头还包括设置在喷淋头体下方的热壁板；从而使得喷淋头表面的温度不至于过低；通过设置与喷淋头主体间隔设置的热壁板，能够吸收由加热器产生的热量，且减少所述喷淋头冷却腔对热壁板的冷却，使得热壁板的下表面温度升高至大于等于350℃，使得在下表面沉积的材料层致密不易掉落，从而减少污染，此外，气体腔的气体管道贯穿冷却腔，能够保证气体在到达反应腔室之前处于较为稳定的状态，不易发生预反应。

Description

喷淋头以及气相沉积设备

技术领域

本发明涉及半导体设备，特别是一种喷淋头以及气相沉积设备。

背景技术

化学气相沉积例如有机金属化学气相沉积（MOCVD）工艺的基本生长过程是，将反应气体从气源引入反应腔室，利用以加热器加热的衬底引发化学反应，从而在基片上生成单晶薄膜。在进行MOCVD工艺过程中，薄膜生长所需要的反应物依靠气体运输（例如流动和扩散）到达生长表面，在运输过程的同时还发生着化学反应，最终生长粒子通过吸附和表面反应，结合进薄膜晶格。

在现有工艺中，通常是由喷淋头（showerhead）来提供相应的反应气体，为了防止位于喷淋头下方的加热器产生的热量对喷淋头及反应气体的影响，一般气体喷淋头都设有一个位于其下方的冷却腔。

如图1所示，喷淋头1包括III族源腔10、氨气腔11和冷却腔12这三个层叠的腔室，III族源腔10、氨气腔11中的III族物质和氨气气体通过气体管道101、111分别穿过冷却腔12进入反应腔（未图示）中反应。冷却腔12中通入冷却水，以控制喷淋头表面的温度。

然而，虽然所述冷却腔能够起到对喷淋头及反应气体进行控温的目的，但是由于水的沸点在100℃，即便考虑到反应腔室内的环境，也不会有太大差异，因此，喷淋头的表面将维持在较低的温度（相比反应温度），这会使得反应产物在喷淋头的下表面沉积并形成疏松的沉积物，该沉积物容易掉落，形成污染。

因此，如何保证喷淋头表面的温度处于一个合适的范围，是一个十分重要的问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种喷淋头以及气相沉积设备，以解决现有技术中喷淋头表面温度过低的问题，减少喷淋头头表面形成的疏松沉积形成的污染。

为解决上述技术问题，本发明提供一种喷淋头，包括：喷淋头体，所述喷淋头体具有至少两个气体腔和冷却腔；其中，所述冷却腔位于所述气体腔下方，所述每个气体腔皆具有多个气体管道贯穿所述冷却腔和所述喷淋头体的下表面；还包括一热壁板，所述热壁板间隔设置于所述喷淋头体的下方，所述间隔使得所述热壁板在进行MOCVD工艺过程中下表面的温度大于等于350℃，所述热壁板具有多个用于气体腔的气体管道穿过的通孔，至少一个气体腔的气体管道穿过所述通孔延伸到所述热壁板下方。

本发明还提供一种包括如上所述的喷淋头的气相沉积设备。

本发明提供的喷淋头以及气相沉积设备，在喷淋头体的下方设置有与喷淋头主体间隔设置的热壁板，一方面该热壁板能够吸收由加热器产生的热量，另一方面，由于该热壁板与喷淋头主体之间间隔设置，减少了所述喷淋头的冷却腔对热壁板的冷却，使得热壁板的下表面温度能够升高至大于等于350℃，使得在热壁板下表面沉积的材料层致密不易掉落，从而减少污染，此外，气体腔的气体管道贯穿冷却腔，能够保证气体在到达反应腔室之前处于较为稳定的状态，不易发生预反应。因此，本发明提供的喷淋头能够很大程度上提高形成的膜层的质量。

附图说明

图1为现有技术的喷淋头的结构示意图；

图2为本发明一实施例的喷淋头的结构示意图；

图3为对图2所示实施例的热壁板改进后的结构示意图；

图4为本发明实施例改进的喷淋头的结构示意图；

图5为本发明另一实施例的喷淋头的结构示意图。

具体实施方式

由背景技术中所记载的内容可知，现有技术的喷淋头存在表面温度过低的问题。

发明人考虑到，喷淋头体由于其内部的冷却结构存在必然影响其温度处于较低的范围，这会使得在喷淋头体下表面沉积的材料层疏松，容易脱落形成污染颗粒，而若要减少材料层脱落的几率，需要使得材料层变得致密，那就需要使其温度升高至足够的温度。因此在喷淋头体下方设置一热源将能够解决这一问题，为了简化设备，并充分利用现有设备的条件，发明人在喷淋头体下方设置了一热壁板。进一步的，发明人经过研究，如果热壁板的温度不能达到一定的温度，热壁板的表面仍然不能形成致密的材料层。由此，经过发明人进一步研究，可以通过调节喷淋头本体与热壁板之间的间隙，来调节热壁板的表面的温度，使其大于等于350℃。当热壁板的表面的温度大于等于350℃时就能形成致密的材料层。发明人有鉴于上述研究，提出本发明。请参考图2，本发明提供一种喷淋头，用于MOCVD工艺，包括：

喷淋头体2，所述喷淋头体2具有至少两个气体腔和冷却腔22，在本实施例中，所述气体腔为III族源腔20、氨气（NH₃）腔21，二者层叠于所述喷淋头体2中；所述冷却腔22位于所述气体腔的下方，所述III族源腔20和氨气腔21皆具有多个气体管道201、211贯穿所述冷却腔22和所述喷淋头体2的下表面；优选的，所述冷却腔22中注有冷却水，用于控制喷淋头表面的温度。

此外，本发明的喷淋头还包括一热壁板3，所述热壁板3间隔设置于所述喷淋头体2的下方，通过设置所述间隔，使得所述热壁板3下表面的温度达到或超过350℃。从而使得在整个喷淋头的下表面（即所述热壁板3的朝向加热器的一侧的表面）形成致密的材料层，减少污染的产生。优选的，将所述热壁板3与所述喷淋头体2之间的距离设置在2mm以上，如此，所述喷淋头体2中的冷却腔22对热壁板3的冷却能力较少到足够小，从而能够保证所述热壁板3下表面的温度达到或超过350℃；当然，所述距离也可以小于2mm，只要能够使得所述热壁板3下表面的温度达到或超过350℃。

为了减少所述热壁板3与所述喷淋头体2之间的相互影响，所述热壁板3与所述喷淋头体2之间设置有隔热垫块4，通过所述隔热垫块4连接所述热壁板3与所述喷淋头体2，防止冷却的喷淋头体2与热壁板3在边缘处接触，而引起的热壁板3的表面温度不均匀，从而不会影响反应区的气流场或热场分布。所述热壁板3的下表面温度应控制小于等于800℃，过高的热壁板3的下表面温度会使得喷淋头引入的反应气体在进入反应腔之前因温度过高发生预分解，而影响喷淋沉积效率。

这种设计在于利用热壁板3吸收位于喷淋头下方且相对设置的加热器散发出的热量，那么热壁板3将会保持在一定的温度范围，这一温度范围大于经冷却后的喷淋头体2的温度，由于这种情况下，在喷淋头下表面形成的材料层是附着在所述热壁板3上，而热壁板3的温度较高，所以形成的材料层将会较为致密，能够较好的减少材料层脱落。

本发明中热壁板3采用耐高温材料制成，例如可以为石墨、钨、钼、钽、铌、钒、铬、钛或锆中的一种或多种。

所述热壁板3具有多个通孔30，所述通孔用于使得III族源腔20的气体管道201和/或氨气腔21的气体管道211穿过所述热壁板3。本发明中，至少一个气体腔的气体管道穿过所述通孔30延伸到所述热壁板3的下方。如图2所示，本实施例中III族源腔20的气体管道201穿过所述通孔30，而氨气腔21的气体管道211则延伸至位于喷淋头体2下表面与热壁板3之间的区域中。由于氨气通常较难分解且具有较高的分解温度，将所述氨气腔21的气体管道211延伸至位于喷淋头体2下表面与热壁板3之间的区域，可以使得氨气反应气体在所述区域中先受热进行热分解，在再进入热壁板3下方的反应区域中，有利于氨气的分解，提高沉积效率。

考虑到受热后的膨胀情况，本实施例做了进一步的改进，请参考图3，所述通孔30的孔径大于所述气体管道的直径，优选的，所述通孔30自热壁板3的中心向四周逐渐增大，如此，在热膨胀等情况下，可以补偿所述热壁板上通孔从中心向四周逐渐增加的位移量。所述通孔30的孔径与气体管道的直径的差异可由其材料本身的膨胀差异进行设定。

请参考图4，在通孔30采用具有不同的直径时，为了避免较大的通孔30可能带来的不良影响，例如，在本实施例中，氨气将通过所述通孔30进入所述热壁板3下方的反应区域；如此，氨气与III族气体在所述喷淋头上的出口太接近，从而会使得氨气与III族气体过快接触并反应，从而降低沉积效率。本实施例中，进一步提供多个套板5，所述套板5套在所述穿过热壁板3的气体管道201上，用于遮挡所述气体管道201与所述通孔30内壁之间的间隙，如此，使得氨气不能通过所述通孔30。本改进进一步适用于至少一个气体腔的气体管道延伸至所述喷淋头体2与所述热壁板3之间的区域的喷淋头实施例。具体的，对于本实施例中至少包括III族源腔20和NH₃腔21的喷淋头而言，所述III族源腔20的气体管道201穿过所述通孔30延伸到所述热壁板3下方，所述NH₃腔21的气体管道211延伸至所述喷淋头体2与所述热壁板3之间的区域。为使得氨气能够方便流入到热壁板3下方的反应区域，所述热壁板3还进一步包括多个出气口31，从而使得例如气体管道211排出的氨气气体通过，并进入热壁板3下方的反应区域。进一步的，为使得氨气能够均匀分布，所述出气口31在所述热壁板3上均匀分布。

请参考图5，其为本发明的另一实施例，同样的，所述至少两个气体腔包括III族源腔20和NH₃腔21，所述III族源腔20和所述NH3腔21的气体管道201、211皆穿过所述通孔30延伸到所述热壁板3下方，这有利于不同的反应气体所处的环境相同，为了防止反应气体自通孔30反冲进入喷淋头体2和热壁板3之间的间隙中，并在所述间隙中反应形成污染物，在本实施例中，优选的向所述喷淋头体2和热壁板3之间的间隙中通入吹扫气体。例如可以通入N₂、H₂或NH₃中的一种或多种，便可避免在所述间隙中进行反应，形成粉尘。

优选的，可以在隔热垫块4中设置通气孔40，以进行吹扫气体的通入，其数量可以为多个，通常2～4个为宜，以使得所述间隙中能够布满吹扫气体。

本实施例中，为防止反应气体自通孔30反冲进入喷淋头体2和热壁板3之间的间隙中，可以结合上一实施例，在气体管道201和气体管道211上套设套板，用于遮挡所述气体管道201、211与所述通孔30内壁之间的间隙，如此，由于所述套板遮挡所述通孔30，反应气体不能通过所述通孔30进入所述间隙区域。为达到最好的防止反应气体自通孔30反冲进入喷淋头体2和热壁板3之间的间隙中的效果，还可以在所述气体管道201和气体管道211套设套板的基础上，进一步的，向所述喷淋头体2和热壁板3之间的间隙中通入吹扫气体。

依据本发明的上述多个实施例皆可以获得一种气相沉积设备，主要包括如上所述的喷淋头，及与所述喷淋头相对设置且能够旋转的托盘，从而至少可以进行MOCVD工艺。

综上所述，本发明提供的喷淋头以及气相沉积设备，在喷淋头体的下方设置有与喷淋头主体间隔设置的热壁板，一方面该热壁板能够吸收由加热器产生的热量，另一方面，由于该热壁板与喷淋头主体之间间隔设置，减少了所述喷淋头的冷却腔对热壁板的冷却，使得热壁板的下表面温度能够升高至大于等于350℃，使得在热壁板下表面沉积的材料层致密不易掉落，从而减少污染，此外，气体腔的气体管道贯穿冷却腔，能够保证气体在到达反应腔室之前处于较为稳定的状态，不易发生预反应。因此，本发明提供的喷淋头能够很大程度上提高形成的膜层的质量。

进一步优化的，本发明使得所述热壁板的通孔具有不同的直径，且配备有多个套板，既减少了热膨胀对气体管道和通孔的影响，又能够防止氨气与III族气体过快接触并反应，从而降低沉积效率这种情况发生。

进一步优化的，本发明指导出为向所述喷淋头体和热壁板之间的间隙中通入吹扫气体，从而能够有效的防止反应气体自通孔反冲进入喷淋头体和热壁板之间的间隙中，并在所述间隙中反应形成污染物。

显然，本领域的技术人员可以对发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包括这些改动和变型在内。

Claims (11)

1.一种喷淋头，用于MOCVD工艺，包括：喷淋头体，所述喷淋头体具有至少两个气体腔和冷却腔；其中，所述冷却腔位于所述气体腔下方，所述每个气体腔皆具有多个气体管道贯穿所述冷却腔和所述喷淋头体的下表面；其特征在于，还包括一热壁板，所述热壁板间隔设置于所述喷淋头体的下方，所述间隔使得所述热壁板在进行MOCVD工艺过程中下表面的温度大于等于350℃，所述热壁板具有多个用于气体腔的气体管道穿过的通孔，至少一个气体腔的气体管道穿过所述通孔延伸到所述热壁板下方。

2.如权利要求1所述的喷淋头，其特征在于，所述热壁板与所述喷淋头体之间的间隔为大于等于2毫米。

3.如权利要求1所述的喷淋头，其特征在于，所述通孔的孔径大于所述气体管道的直径，且自热壁板中心向四周逐渐增大。

4.如权利要求1所述的喷淋头，其特征在于，所述喷淋头还包括多个套板，所述套板套在所述穿过热壁板的气体管道上，用于遮挡气体管道与所述通孔内壁之间的间隙。

5.如权利要求4所述的喷淋头，其特征在于，至少一个气体腔的气体管道延伸至所述喷淋头体与所述热壁板之间的区域，所述热壁板还包括多个出气口。

6.如权利要求5所述的喷淋头，其特征在于，所述至少两个气体腔包括III族源腔和NH₃腔，所述III族源腔的气体管道穿过所述通孔延伸到所述热壁板下方，所述NH₃腔的气体管道延伸至所述喷淋头体与所述热壁板之间的区域。

7.如权利要求1所述的喷淋头，其特征在于，所述热壁板的材料为石墨、钨、钼、钽、铌、钒、铬、钛或锆中的一种或多种。

8.如权利要求1所述的喷淋头，其特征在于，所述至少两个气体腔包括III族源腔和NH₃腔，所述III族源腔和所述NH3腔的气体管道穿过所述通孔延伸到所述热壁板下方，所述热壁板与喷淋头体之间的间隙中通入有吹扫气体。

9.如权利要求8所述的喷淋头，其特征在于，所述吹扫气体为N₂、H₂或NH₃。

10.如权利要求1所述的喷淋头，其特征在于，所述热壁板与所述喷淋头之间设置有隔热垫块。

11.一种气相沉积设备，其特征在于，包括如权利要求1至10中任意一项所述的喷淋头。

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