CN103409731A - 喷淋头以及气相沉积反应腔 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种喷淋头以及包括所述喷淋头的气相沉积反应腔。所述反应腔包括气体反应区域，所述喷淋头邻近所述反应区域设置，所述喷淋头用于向所述反应区域输出反应气体，所述喷淋头包括相互隔离的III族源气体腔和V族源气体腔，所述V族源气体腔邻近所述反应区域设置，所述III族源气体腔设置于所述V族源气体腔背离所述反应区域的一侧；所述III族源气体腔和V族源气体腔之间至少具有两个相互隔离、层叠设置的冷却腔，所述的至少两个冷却腔用于对从所述V族源气体腔一侧传来的热量进行冷却。因此，能够使得喷淋头内的温度较为缓和的变化，降低对连接III族源气体腔的第一气管的影响，提高了喷淋头整体的可靠性。

Description

喷淋头以及气相沉积反应腔

技术领域

本发明涉及半导体设备技术领域，特别是一种喷淋头以及气相沉积反应腔。

背景技术

自GaN（氮化镓）基第三代半导体材料的兴起，蓝光LED（发光二极管）研制成功，LED的发光强度和白光发光效率不断提高。LED被认为是下一代进入通用照明领域的新型固态光源，因此得到广泛关注。

现有技术的白光LED的制造工艺通常在一个具有温度控制的环境下的反应腔内进行。通常，将III族源气体和V族源气体分别通入化学气相沉积反应腔内，III族源气体和V族源气体在反应腔内反应以在衬底上形成III-V族材料薄膜。

在现有的技术中，采用图1所示的喷淋头10向化学气相沉积反应腔通入反应气体。所述喷淋头10包括依次层叠的V族源气体腔11、冷却腔12和III族源气体腔13，所述III族源气体腔13设置有第一气管1301，所述第一气管1301贯穿所述冷却腔12和V族源气体腔11，所述III族源气体腔13内的气体经过第一气管1301传递至反应区域，所述V族源气体腔11内的气体经过第二气体管1101传递至反应区域。

但是在反应进行时，由于所述V族源气体腔11直接受到反应区域的热辐照，而处于较高的温度，如在GaN外延沉积的反应中，V族源气体腔11下表面的温度可能达到800℃，而在所述冷却腔12中通常通入冷却水从而使得所述III族源气体腔的温度控制在100℃以下，这就使得第一气管1301的温度在穿过冷却腔12进入V族源气体腔11后温度突然升高，严重影响了第一气管1301的机械性能和强度，使得整个喷淋头的可靠性降低。

因此，如何提供一种喷淋头，能够有效避免反应环境对其的影响，保证喷淋头的可靠性并延长使用寿命，已成为本领域技术人员需要解决的技术。

发明内容

本发明的目的在于提供一种喷淋头和气相沉积反应腔，以解决现有技术中喷淋头由于内部温差较高而导致可靠性差的问题。

为解决上述技术问题，一种应用于沉积III-V族材料反应腔的喷淋头，所述反应腔包括气体反应区域，所述喷淋头邻近所述反应区域设置，所述喷淋头用于向所述反应区域输出反应气体，所述喷淋头包括相互隔离的III族源气体腔和V族源气体腔，所述V族源气体腔邻近所述反应区域设置，所述III族源气体腔设置于所述V族源气体腔背离所述反应区域的一侧，所述III族源气体腔和V族源气体腔之间至少具有两个相互隔离、层叠设置的冷却腔，所述的至少两个冷却腔用于对从所述V族源气体腔一侧传来的热量进行冷却。

本发明还提供一种气相沉积反应腔，其包括腔体、用于装载衬底的托盘和喷淋头，所述托盘设置于所述腔体的底部，所述喷淋头设置在所述腔体的顶部并与所述托盘相对设置，所述托盘与所述喷淋头之间限定气体反应区域，所述喷淋头用于向所述反应区域输出反应气体，所述喷淋头为如上所述的喷淋头。

本发明提供的喷淋头以及气相沉积反应腔中，所述V族源气体腔邻近所述反应区域设置，所述III族源气体腔设置于所述V族源气体腔背离所述反应区域的一侧，所述至少两个冷却腔层叠设置在所述III族源气体腔和V族源气体腔之间，与现有技术相比，在进行气体反应时，既能够借助反应区域的较高温环境，用来加热所述V族源气体腔，以使得所述V族源气体腔中的所述V族源气体产生预热效果，有助V族源气体的热分解，又由于具有至少两个冷却腔，能够对从所述V族源气体腔一侧传来的热量进行冷却，可以使得从V族源气体腔到III族源气体腔的温度变化能够得到较缓和的过渡，避免了直接由高温降为低温而对所述III族源气体腔的第一气管的机械性能产生影响，从而提高了喷淋头整体的可靠性。

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为本发明另一实施例的喷淋头的结构示意图；

图4为本发明一实施例的气相沉积反应腔的结构示意图。

具体实施方式

现有技术的喷淋头中，所述喷淋头包括依次层叠的V族源气体腔、冷却腔以及III族源气体腔，所述III族源气体腔的第一气管贯穿所述冷却腔和V族源气体腔，V族源气体腔直接受到反应区域的热辐照，而处于较高的温度，所述冷却腔遮挡住了所述III族源气体腔，使得所述III族源气体腔的第一气管的温度较低，然而由于所述第一气管贯穿所述冷却腔和V族源气体腔，必然会使得所述第一气管在某一较小的长度内有着较大的温差变化，从而严重影响其机械性能和强度。造成整个喷淋头的可靠性差。发明人经过对现有技术喷淋头的深入研究发现，由于V族源气体的分解温度较高，而III族源气体的分解温度较低，因此不能够轻易对气体腔进行改动，而所述冷却腔是属于温度变化的中间媒介，因此，若采用多个冷却腔层叠设置，且每个冷却腔的冷却温度逐渐变化，其中，所述冷却温度是指喷淋头工作时冷却腔中冷却介质的温度，就能够使得从所述III族源气体腔和所述V族源气体腔之间的温度是渐变的，则既能够保证III族源气体腔的温度较低，又能够使得所述第一气管所处的温度环境从低逐渐升到高，使其本身的温度变化趋于缓和，就能够防止由于短距离高温差而造成的机械性能差的问题。

有鉴于上述的研究，本发明提供一种应用于沉积III-V族材料反应腔的喷淋头，所述反应腔包括气体反应区域，所述喷淋头邻近所述反应区域设置，所述喷淋头用于向所述反应区域输出反应气体，所述喷淋头包括相互隔离的III族源气体腔和V族源气体腔，所述V族源气体腔邻近所述反应区域设置，所述III族源气体腔设置于所述V族源气体腔背离所述反应区域的一侧，所述III族源气体腔和V族源气体腔之间至少具有两个相互隔离、层叠设置的冷却腔，所述的至少两个冷却腔用于对从所述V族源气体腔一侧传来的热量进行冷却。

请参阅图2，图2是本发明第一实施方式的喷淋头的示意图。如图2所示，所述喷淋头100用于向III-V族材料沉积反应腔输入反应气体。所述反应腔包括气体反应区域140，所述喷淋头100邻近所述反应区域140设置，所述喷淋头100用于向所述反应区域140输出反应气体，所述喷淋头100包括相互隔离的V族源气体腔110、冷却腔（本实施例为第一冷却腔121和第二冷却腔122）和III族源气体腔130，所述V族源气体腔110邻近所述反应区域140设置，所述III族源气体腔130设置于所述V族源气体腔110背离所述反应区域140的一侧，所述冷却腔121、122自下而上依次层叠设置在所述V族源气体腔110和III族源气体腔130之间。

其中，所述III族源气体腔130内通入III族源气体，如三甲基镓、三甲基铝或三甲基铟中的一种或几种的组合，但所述III族源气体并不限于为三甲基镓、三甲基铝或三甲基铟。所述V族源气体腔110内通入Ⅴ族源气体，如磷化氢、砷化氢或氨气中的一种或几种的组合，但所述Ⅴ族源气体并不限于为磷化氢、砷化氢或氨气，只要所述III族源气体与所述Ⅴ族源气体反应生成III-V族材料的薄膜，亦在本发明的思想范围之内。在本实施方式中，所述III族源气体腔130内通入三甲基镓，所述V族源气体腔110内通入氨气，三甲基镓的分解温度低，氨气的分解温度高，这也是所述V族源气体腔110位于所述III族源气体腔130下方的缘故，位于所述喷淋头下方的托盘（未图示）的温度高于650℃，由于受所述托盘的热辐射，使氨气被预热，有利于氨气的热分解，而所述冷却腔122、121的存在能够对从所述V族源气体腔110一侧传来的热量进行冷却，阻挡所述III族源气体腔130受到高温的影响，以降低所述III族源气体腔130中的三甲基镓的温度，防止三甲基镓分解过快，从而使氨气和三甲基镓在所述衬底表面附近发生热分解，以在所述衬底上发生结晶反应而沉积薄膜。

所述喷淋头100还包括第一气管131，所述第一气管131穿过所述冷却腔122、121和所述V族源气体腔110，所述第一气管131连通所述III族源气体腔130和所述反应区域140，所述V族源气体腔110与所述反应区域140之间设置有出气通道111，所述V族源气体腔110与所述反应区域140之间通过所述出气通道111连通。优选的，所述V族源气体腔110的下表面为一平板，所述出气通道111为设置在所述平板中的通孔。但所述喷淋头100的结构并不限于此，例如所述V族源气体腔110的下表面也可以为网状结构板，所述出气通道111为所述网状结构板的孔眼。

在本发明中，由于是要使得所述第一气管131的机械性能得到保护，故所述至少两个冷却腔需要能够分别达到不同的冷却温度。具体的，在本实施例中，第一冷却腔121接近所述V族源气体腔110，所述第二冷却腔122接近所述III族源气体腔130。由于所述V族源气体腔110直接受到热辐射，温度较高，因此，所述第一冷却腔121的冷却温度需要高于所述第二冷却腔122的冷却温度。为了达到这一目的，所述第一冷却腔121优选为气体冷却腔或油冷冷却腔，所述第二冷却腔122优选为水冷冷却腔。那么这便能够使得温度从所述V族源气体腔110到III族源气体腔130的变化缓和，而穿过所述冷却腔122、121的第一气管131的管体温度也会从下至上的温度从高温逐渐降低至低温，避免了在局部区域发生温度突变的状况，从而温度变化对第一气管131的机械性能和强度的影响大大降低，也使得整个喷淋头的可靠性得到了保障。具体的，所述第一冷却腔121与第二冷却腔122的温度差可以为小于等于350摄氏度，这样对第一气管131的机械性能的影响可以控制在机械设计允许的范围内。

考虑到所述第一冷却腔的冷却温度可能更高，为了进一步的降低对第一气管的机械性能和强度的影响，请参考图3，其为本发明另一实施例的喷淋头的结构示意图。在此，相同或相似的模块采取相同的标号，并省略其说明。

如图3所示，所述喷淋头包括第一冷却腔121、第二冷却腔122和第三冷却腔123，所述第一冷却腔121接近所述V族源气体腔110，所述第二冷却腔122接近所述III族源气体腔130，所述第三冷却腔123位于所述第一冷却腔121和第二冷却腔122之间。由于所述V族源气体腔110直接受到热辐射，温度较高，因此，使得所述第一冷却腔121的冷却温度高于所述第三冷却腔123的冷却温度，且所述第三冷却腔123的冷却温度高于所述第二冷却腔122的冷却温度。为了达到这一目的，所述第一冷却腔121优选为气体冷却腔，所述第二冷却腔122优选为水冷冷却腔，所述第三冷却腔优选为油冷冷却腔。那么，就能够使得当反应进行时，所述第一冷却腔121的冷却温度高于第三冷却腔123的冷却温度，且所述第三冷却腔123的冷却温度高于第二冷却腔122的冷却温度，由于所述V族源气体腔110的温度与III族源气体腔130的温度相差可能较大（例如大于700度的温差），则采用本实施例的三个冷却腔能够使得喷淋头内的温度更加缓和的过渡，从而使得第一气管131所处于的温度环境是更加平缓的变动，能够使得温差对第一气管131的机械性能和强度的影响进一步降低。

本实施例与上一实施例的主要区别在于冷却腔的设计，此外，其他结构处也可以进行相应的改动，例如所述出气通道111可以具有较大的尺寸，例如大于所述第一气管131的直径，以使得所述第一气管131嵌套入所述出气通道111中，以降低制作难度。

如上两个实施例给出了优选的实施方案，然而所述喷淋头并不限于该两个实施例所描述的结构，所述冷却腔的数量也并非是越多越好，诚然较多数目的冷却腔可能更加有利于保护第一气管，但是却势必给喷淋头的制作增加更多的工序，也会使得喷淋头的体积增大，成本增多，因此，冷却腔的数量应当以上下两个气体腔的温度差异、第一气管131的材料本身的受热性能及制作成本等因素加以综合考量，以获得最佳的喷淋头。较优的，相邻两个冷却腔的冷却温度的差的范围为100-200摄氏度，能够使得所述V族源气体腔110与III族源气体腔130之间的温度改变较快，且能够在对第一气管131的机械性能的影响最小的情况下，使得层叠设置的腔室数量较少，从而喷淋头结构相对简单。

以下对包括本发明思想的喷淋头的气相沉积反应腔加以具体描述，在此，所述气相沉积反应腔包括第一实施例所述的喷淋头100。请参阅图4，所述气相沉积反应腔200包括腔体201、用于装载衬底211的托盘210和所述喷淋头100。所述托盘210设置于所述腔体201的底部，所述喷淋头100设置在所述腔体201的顶部并与所述托盘210相对设置。所述托盘210与所述喷淋头100之间限定气体反应区域140。所述喷淋头100用于向所述反应区域140输出反应气体，在所述反应区域140内，V族源气体、III族源气体混合，并进行反应，以在所述衬底211上形成薄膜沉积。在本实施方式中，所述喷淋头100位于所述腔体201内，以向所述腔体201内的所述反应区域140喷射反应气体；但所述喷淋头100也可以部分位于所述腔体201内，如：所述喷淋头100只有所述V族源气体腔110的下半部分位于所述腔体201内，亦可以实现向所述腔体201内的所述反应区域140喷射反应气体，亦在本发明的思想范围之内。

此外，所述气相沉积反应腔200还包括加热器220，所述加热器220位于所述腔体201内，用于加热所述托盘210，在本实施例中，所述加热器220设置于所述托盘210背离所述反应区域140的一侧，以方便加热所述托盘210，但所述加热器220并不限于设置于所述托盘210背离所述反应区域140的一侧，只要能加热所述托盘210，亦在本发明的思想范围之内。

较佳的，在气相沉积工艺时，所述托盘210的温度为700℃～1400℃，使得能够在衬底211上沉积III-V材料薄膜，同时，有利于对所述V族源气体腔110内的V族源气体进行预热，从而提高沉积效率。所述托盘210的温度并不限于为700℃～1400℃，具体的温度可以根据气相沉积工艺的具体需要设定，如需要根据沉积的薄膜类型、厚度或V族源气体、III族源气体等进行温度设定，对应的，针对不同的温度需要，所述冷却腔的数量应当根据不同的工艺而进行适当的设定，以获得最佳的匹配。

本发明提供的喷淋头以及气相沉积反应腔中，所述V族源气体腔邻近所述反应区域设置，所述III族源气体腔设置于所述V族源气体腔背离所述反应区域的一侧，所述至少两个冷却腔层叠设置在所述III族源气体腔和V族源气体腔之间，与现有技术相比，在进行气体反应时，既能够借助反应区域的较高温环境，用来加热所述V族源气体腔，以使得所述V族源气体腔中的所述V族源气体产生预热效果，有助V族源气体的热分解，又由于具有至少两个冷却腔，能够对从所述V族源气体腔一侧传来的热量进行冷却，可以使得从V族源气体腔到III族源气体腔的温度变化能够得到较缓和的过渡，避免了直接由高温降为低温而对所述III族源气体腔的第一气管的机械性能产生影响，从而提高了喷淋头整体的可靠性。

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 (13)

1.一种应用于沉积III-V族材料反应腔的喷淋头，所述反应腔包括气体反应区域，所述喷淋头邻近所述反应区域设置，所述喷淋头用于向所述反应区域输出反应气体，所述喷淋头包括相互隔离的III族源气体腔和V族源气体腔，所述V族源气体腔邻近所述反应区域设置，所述III族源气体腔设置于所述V族源气体腔背离所述反应区域的一侧；其特征在于，所述III族源气体腔和V族源气体腔之间至少具有两个相互隔离、层叠设置的冷却腔，所述的至少两个冷却腔用于对从所述V族源气体腔一侧传来的热量进行冷却。

2.如权利要求1所述的喷淋头，其特征在于，所述第一冷却腔接的冷却温度高于所述第二冷却腔的冷却温度。

3.如权利要求2所述的喷淋头，其特征在于：所近第一冷却腔的冷却温度与所述第二冷却腔的冷却温度之间的温度差范围为小于等于200摄氏度。

4.如权利要求1所述的喷淋头，其特征在于，所述至少两个冷却腔包括第一冷却腔和第二冷却腔，所述第一冷却腔接近所述V族源气体腔，所述第二冷却腔接近所述III族源气体腔；所述第一冷却腔为气体冷却腔或油冷冷却腔，所述第二冷却腔为水冷冷却腔。

5.如权利要求1所述的喷淋头，其特征在于，所述至少两个冷却腔包括第一冷却腔、第二冷却腔和第三冷却腔，所述第一冷却腔接近所述V族源气体腔，所述第二冷却腔接近所述III族源气体腔，所述第三冷却腔位于所述第一冷却腔和第二冷却腔之间；所述第一冷却腔为气体冷却腔，所述第二冷却腔为水冷冷却腔，所述第三冷却腔为油冷冷却腔。

6.如权利要求1所述的喷淋头，其特征在于，所述喷淋头进一步包括第一气管，所述第一气管穿过所述至少两个冷却腔和所述V族源气体腔，所述第一气管连通所述III族源气体腔和所述反应区域。

7.如权利要求6所述的喷淋头，其特征在于，所述V族源气体腔与所述反应区域之间设置有出气通道，所述V族源气体腔与所述反应区域之间通过所述出气通道连通。

8.如权利要求7所述的喷淋头，其特征在于，所述V族源气体腔的下表面为一平板，所述出气通道为设置在所述平板中的通孔。

9.如权利要求8所述的喷淋头，其特征在于，所述通孔的直径大于所述第一气管的直径，所述第一气管设置于所述通孔中。

10.如权利要求6所述的喷淋头，其特征在于，所述V族源气体腔的下表面为网状结构板，所述出气通道为所述网状结构板的孔眼。

11.如权利要求1-10中任意一项所述的喷淋头，其特征在于，所述III族源气体腔内通入III族源气体，所述III族源气体为三甲基镓、三甲基铝或三甲基铟中的一种或几种的组合，所述V族源气体腔内通入V族源气体，所述V族源气体为磷化氢、砷化氢或氨气中的一种或几种的组合。

12.一种气相沉积反应腔，其包括腔体、用于装载衬底的托盘和喷淋头，所述托盘设置于所述腔体的底部，所述喷淋头设置在所述腔体的顶部并与所述托盘相对设置，所述托盘与所述喷淋头之间限定气体反应区域，所述喷淋头用于向所述反应区域输出反应气体，其特征在于：所述喷淋头为如权利要求1-11中任意一项所述的喷淋头。

13.如权利要求12所述的气相沉积反应腔，其特征在于：所述气相沉积反应腔进一步包括加热器，所述加热器设置于所述托盘背离所述反应区域一侧，用于加热所述托盘。

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