CN103451627A - 一体式气相沉积用喷淋头 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一体式气相沉积用喷淋头，其中，包括:喷淋头本体，其为块状体，包括底部和围绕底部四周的侧部;至少一个第一气体主管道，其开口于所述侧部;至少一个第二气体主管道，其也开口于所述侧部，且与第一气体主管道彼此隔绝;多个第一气体出气孔，其与第一气体主管道连通，且位于所述底部;多个第二气体出气孔，其与第二气体主管道连通，且同样位于所述底部，与第一气体出气孔彼此间隔排列；其中，所述第一气体主管道、第二气体主管道、第一气体出气孔、和第二气体出气孔均为在喷淋头本体上钻孔而形成。本发明的喷淋头结构简单，制造成本低廉，质量可靠，具有极高的经济价值。

Description

一体式气相沉积用喷淋头

技术领域

本发明涉及气相沉积领域，具体涉及一体式气相沉积用喷淋头。

背景技术

金属有机化学气相沉积法(MOCVD，Metal-organic Chemical VaporDeposition)是在基板上成长半导体薄膜的一种方法。

MOCVD成长薄膜时，主要将载流气体(Carrier gas)通过有机金属反应源的容器时，将反应源的饱和蒸气带至反应腔中与其它反应气体混合，然后在被加热的基板上面发生化学反应促成薄膜的成长。一般而言，载流气体通常是氢气，但是也有些特殊情况下采用氮气(例如:成长氮化铟镓(InGaN)薄膜时)。常用的基板为砷化镓(GaAs)、磷化镓(GaP)、磷化铟(InP)、矽(Si)、碳化矽(SiC)及蓝宝石Sapphire，Al₂O₃)等等。而通常所成长的薄膜材料主要为三五族化合物半导体(例如:砷化镓(GaAs)、砷化镓铝(AlGaAs)、磷化铝铟镓(AlGaInP)、氮化铟镓(InGaN))或是二六族化合物半导体，这些半导体薄膜则是应用在光电元件(例如:发光二极体(LED)、雷射二极体(Laserdiode)及太阳能电池)及微电子元件(例如:异质接面双载子电晶体(HBT)及假晶式高电子迁移率电晶体(PHEMT))的制作。

因此，需要两种气体在加热的基板上发生反应，而又要避免两种气体在到达基板之前就发生反应。MOCVD系统的组件可大致分为:反应腔、气体控制及混合系统、反应源及废气处理系统。反应腔(ReactorChamber)主要是所有气体混合及发生反应的地方。喷淋头是反应腔中的重要部件，其作用是通过两套独立的管路将两种气体同时引导至基板的上方。让两种气体在基板的上方充分混合，而在基板上发生反应。

喷淋头(ShowerHead)是由两种气体导入部分、两种气体导出管路、以及导入气体冷却装置构成。由于基板处于被加热状态，其必然会影响到位于基板上方不远处的气体导出管路的导出口处的温度。如果导出口处的温度过高，则两种气体刚从导出口出来相遇后，就会发生化学反应，而不是在基板上再发生化学反应。因此需要对导入气体进行冷却降温，特别是要使得从导出口出来的两种气体的温度较低，不至于发生化学反应。

因此说，冷却装置是喷淋头中非常重要的一部分，位于外延片基板上部，目的是防止两种气体混合后提前反应，而希望通过冷却装置，使两种气体能够充分的冷却。

即，在基板上真空蒸镀(就是发生化学反应促进薄膜生长)之前，防止两种气体在喷淋头的底部(就是两种气体初遇之处)与基板之间的间隙处提前发生化学反应，故而需要对两种气体进行充分冷却。

如果气体在基板上方真空蒸镀前发生反应，就会产生杂质(碳灰会残留)，这些杂质残留在喷淋头上，会降低外延片(基板)的均匀性，从而降低产品质量，且会导致喷淋头的使用寿命缩短。并且，这样还会使得每次生产出来的外延片的性能不尽相同。

此外，现有技术中的喷淋头多是采用不锈钢材料来进行散热。不锈钢的散热性能较差。那么为什么不采用散热性能更好的材质进行生产呢?例如铜、青铜、黄铜、或铜合金的散热性能都要远远高于不锈钢。这是因为，现有技术中喷淋头的加工工艺决定了无法使用铜材，因为铜材的硬度比不锈钢低，现有的工艺是空心钢针管焊接，使用铜材无法满足其加工要求。

现有的制作方法主要的制作过程是:使用不锈钢材料进行加工制作，在不锈钢板上打孔后将各个出气导管插入孔内(出气导管是一个一个的空心钢针，数量相当庞大)，再用电焊的方式将导气管焊接在板上(由于没有空间供一个一个钢针单独进行点焊，因此焊接方法是将空心钢针插入到各个孔洞中，在孔洞边缘预先设置焊锡材料，然后将插入了钢针的喷淋头在高温下加热再冷却，让这些钢针统一一次性进行焊接。这样特别容易出现其中一两个空心钢针焊接不稳的情况。而出现了焊接不稳的钢针，即使检查到了，也无法修复，只能喷淋头整体报废)。此过程中，如果一个焊接点出现接触不密实的现象，就会使得整个设备无法正常使用。

因此在导气管焊接在不锈钢板上之后，还需要人工进行逐一检查，来判断焊点是否严密。这样一来，喷淋头的成品率很低，制作的速率就会大打折扣，并且设备的使用寿命也很短。

现有喷淋头的制作方法以及制作用材制(不锈钢为主)做出来的喷淋头，其工艺十分复杂，制作速度也十分低下，制作费用十分昂贵，从而使得设备的整体价格也居高不下，还需投入大量的人工费。使得机器的生产价格增加。

并且使用其他手段制作出来的设备也都存在制作速率慢，使用寿命短的缺陷。

发明内容

本发明针对现有技术的弊端，提供一种制作容易，结构简单的喷淋头系统。

本发明的一个目的在于提供一种废品率低，制作可靠性高，气体混合效果好的喷淋头。

本发明的另一个目的在于利用铜材质做喷淋头，以使得喷淋头产生更好的冷却效果。

本发明的又一个目的在于在喷淋头的上下两侧均设置冷却管道，从而达到更好的冷却效果。

为此，本发明提供了一种一体式气相沉积用喷淋头，一体式气相沉积用喷淋头，其中，包括:喷淋头本体，其为块状体，包括底部和围绕底部四周的侧部;至少一个第一气体主管道，其开口于所述侧部;至少一个第二气体主管道，其也开口于所述侧部，且与第一气体主管道彼此隔绝;多个第一气体出气孔，其与第一气体主管道连通，且位于所述底部;多个第二气体出气孔，其与第二气体主管道连通，且同样位于所述底部，与第一气体出气孔彼此间隔排列;其中，所述第一气体主管道、第二气体主管道、第一气体出气孔、和第二气体出气孔均为在喷淋头本体上钻孔而形成。

优选的是，所述的一体式气相沉积用喷淋头中，所述喷淋头本体由铜或铜合金制成。

优选的是，所述的一体式气相沉积用喷淋头中，所述喷淋头本体为长方体，所述底部为长方体的方形底面，而所述侧部为长方体围绕方形底面的四个侧面，第一气体主管道贯通所述喷淋头本体的一对相对侧面，第二气体主管道贯通所述喷淋头本体的与所述一对相对侧面垂直的另外一对相对侧面。

优选的是，所述的一体式气相沉积用喷淋头中，第一气体出气孔和第二气体出气孔孔径相同，彼此间隔地排列在等间距的水平线和竖直线相交的节点上。

优选的是，所述的一体式气相沉积用喷淋头中，还包括:上冷却水通道，设置在第一气体主管道和第二气体主管道的上方，贯通所述喷淋头本体;下冷却水通道，其以倾斜避开节点的方式贯通所述冷却构件。

优选的是，所述的一体式气相沉积用喷淋头中，所述上冷却水通道也以倾斜的方式设置在喷淋头本体上。

优选的是，所述的一体式气相沉积用喷淋头中，还包括冷却构件，其一体成型在所述喷淋头本体的下方，也为块状体;下冷却水管道以倾斜的方式设置在冷却构件上，且第一气体出气孔和第二气体出气孔延伸至冷却构件的底部。

优选的是，所述的一体式气相沉积用喷淋头中，所述第一气体主管道、第二气体主管道、第一气体出气孔、第二气体出气孔、上冷却水管道、和/或下冷却水管道中镀有镍。

优选的是，所述的一体式气相沉积用喷淋头中，还包括多个气体存储分配器，每个气体存储分配器具有壳体和由壳体包覆形成的容气空腔，所述壳体扣住第一气体主管道或第二气体主管道的开口处，使得第一气体主管道和第二气体主管道的开口与容气空腔连通，其中每个壳体上设置有一个进气孔。

本发明的一体式气相沉积用喷淋头，改善了现有技术中的不利状况，本发明的一体式喷淋头，采用了导热效果优秀的材料制作而成。

LED外延片最重要的就是气体流动的均匀性，喷淋头的冷却性，衬托盘的温度均匀性。其中最重要的当属喷淋头与相关的气体流动均匀性以及喷淋头的冷却能力。为使气体均匀流动，本发明的结构采取双方向(竖直+水平)排列构造，即水平气体喷射方式，竖直气体喷射方式相结合的结构。

最终气体输出采用竖直方式，竖直气体喷射方式结构，对于外延片的形成，效果更为显著。

而且，具备竖直气体喷射结构的喷淋头内部必须分部众多竖向的导气管。传统技术都是通过焊接空心钢管来实现的。本发明为了改善上述问题，提供了一种不用热焊接，而采用物理手段进行一体加工的方法。

另一方面，为了保持气体的均匀性，除了使用竖直气体输送管之外，喷淋头的冷却能力也是其中重要的一点。

这种冷却性能是针对，上述输气管在在制作过程中，由于采用焊接的方法固定，所以在外延片制作时产生的高温会使焊接点融化，所以冷却性对于保护焊接点有很重要的作用，而且为了保障两种气体的到达衬底片之前，不发生混合化学反应，喷淋头就不会产生碳灰残留，所以冷却性能的优劣直接影响外延片品质。

上述碳灰残留会严重影响外延片的均匀性与反复性等属性。

并且上述碳灰残留一且掉落便会造成外延片不良。本发明为了改善上述问题的，本发明使用了比现有广泛使用的不锈钢材料导热性能更好的铜作为装置制作的材料。使机体的冷却性得到了划时代的提高，从而大幅度提高了外延片的均匀性与可重复使用性，减少了维护的次数，延长了使用寿命，降低了管理费用。

附图说明

图1为本发明的一种喷淋头内部气体管路示意图，其中第一种气体和第二种气体的输入管道是彼此垂直设置的;

图2为本发明的另一种喷淋头内部气体管路示意图，其中第一种气体和第二种气体的输入管道是彼此平行设置的;

图3为本发明的喷淋头的第一气体出气孔和第二气体出气孔的一种间隔排列方式的示意图;

图4为本发明的喷淋头的第一气体出气孔和第二气体出气孔的另一种间隔排列方式的示意图;

图5为本发明的一种喷淋头内部气体管路立体示意图;

图6为本发明的另一种喷淋头内部气体管路立体示意图;

图7为本发明的一个实施方式的喷淋头外部气体管路立体示意图，其中示出了气体存储分配器;

图8为本发明的一个实施方式的喷淋头切面气体管路立体示意图，其中示出了气体存储分配器和内部管路;

图9为本发明的一个实施方式的喷淋头切面气体管路立体示意图，其中示出了气体存储分配器和内部管路，且气体存储分配器处于未安装状态;

图10为本发明的一个实施方式的喷淋头切面气体管路立体示意图，其中示出了气体存储分配器和内部管路，且示出了冷却构件;

图11为本发明的喷淋头的一种第一气体出气孔和第二气体出气孔排布下，冷却水管路的排布方式;

图12为本发明的喷淋头的另一种第一气体出气孔和第二气体出气孔排布下，冷却水管路的排布方式。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。

请见图1～图12，对本发明进行详细描述。

本发明提供一种无任何焊接点的一体式气相沉积用喷淋头，运用本发明既延长了设备使用寿命，又提高了制作效率以及扩展性。并且，由于采用了高导热性能的铜合金，使其冷却能力较现有设备得到显提高。使得外延片的生产更加稳定，设备可重复使用性更加突出。

气体的喷射形态采用竖直形态，气体A与气体B的输气管道(gasline)由两种形式(type)通过CNC加工法(CNC-数控机床)与放电加工等物理加工方式制作而成。

A气体输气管道位于B气体输气管道的上端位置，多个喷淋头下端喷淋管道与水平主管道呈垂直角度加工而成。主管道的直径较垂直喷淋管道直径大。气体B的输气管道位于气体A下侧位置，其喷淋管道与气体A的管道制作方法相同。

气体B的主管道与气体A的管道呈水平方向设置，竖直管与气体A的输气管管道制作方法相同。

两种喷淋头下端部位的形态形式1的气体喷射口是交替式排列，形式2是一字型排列形态。

气体A与气体B的输气管分别呈水平分布，喷淋头与其侧面附着的一气体储存装置与分配装置相连接，用于供给气体。通过与水平主管道相连接的竖直管道将气体喷射到外延片基板的上方。

为使喷淋头上部得以冷却，采用了上述铜合金材料(铜，黄铜，青铜)，如图1-1所示，气体的上端与最下端处分布有冷却水管，由此构成了能满足气体不超过摄氏150度的水冷却式喷淋头。最下端的冷却水管如图6所示，避开了气体A与气体B的管道，与其呈45度角，并利用CNC加工法在一体成型过程中制作而成。

喷淋头的材料采用热传导效果非常好，并且加工更加容易的铜合金(铜，黄铜，青铜)制成。本材料的与现有技术所采用的不锈钢材料相比，热传导性能优于不锈钢材料8倍以上。并且加工过程也更为容易，制作速率也更高。

喷淋头的下端与气体管道的厚度为数十微米(μm)，并且用无电极镀镍来增加强度。并且可以防止残留气体附着在喷淋头下端后反应形成碳灰残留。喷淋头的制作材料与导气管间的间隔也是有效防止化学反映的手段之一。

本发明涉及一种气体管道与冷却水管道全部利用物理性CNC加工法，以放电加工的方式制作而成，气体管十分精密，使得众多气体管能精密的竖直喷射，从而提高了epi外延片的均匀度。

喷淋头通过物理手段加工，可以大大提高其扩展性，使得制作大面积epi外延片喷淋头变得更加容易。

气体供给管道采用一体成型式加工而成，从而使得管内气体无法漏出，使其能够永久使用，大大减少了管理费用。

喷淋头的冷却能力得到了提高，减少了气体在到达Epi基板前发生反映的几率，从而减少了碳灰残留物的生成，基板上落下的灰尘颗粒数也随之减少，并且反应器内部的碳灰附着量也能随之减少，从而降低了Epi外延片的变化幅度，增加了Eip外延片的品质与可重复使用性。

通过物理手段进行一体加工制作而成，在制作过程中，不存在变形的可能性，使得不良率大大降低，同时也使得制作费用大幅度降低。

采用无电极镍镀金可以防止喷淋头内部通过的气体腐蚀喷淋头，并且，加强了材料强度，延长了喷淋头的使用寿命。

喷淋头整体(冷却水水管与气体管道)完全没有任何焊接点，一体成型制作而成。

喷淋头的冷却能力得到了提高，采用了导热性能优秀的铜合金作为原材料制作而成。

喷淋头侧面附有气体储存与分配装置。

气体通过喷淋头侧面附着的气体储存装置，2种形式气体通过水平制作而成的主管道，完成竖直气体喷射的过程。

喷淋头下端的冷却水水管，与两种气体的输气管呈45度角制作的情况。

喷淋头下端与气体管道与冷却水水管，采用了镍镀金。

换言之，本发明提供一体式气相沉积用喷淋头，一体式气相沉积用喷淋头包括:喷淋头本体，如图1所示。其为块状体，包括底部和围绕底部四周的侧部，如图7所示。至少一个第一气体主管道1，图5中示出了两个第一气体主管道，图6中示出了三个第一气体主管道。其开口于所述侧部，开口于侧部，并且可以贯通到另外一侧。第一种气体从第一气体主管道1的两侧开口进入，再通过向下延伸的第一气体出气孔从喷淋头中喷出。

至少一个第二气体主管道2，图5中示出3个，图6中示出2个，其也开口于所述侧部，并且可以贯通的另外一侧。第二气体主管道与第一气体主管道彼此隔绝，以避免两种气体在喷淋头内发生混合。多个第一气体出气孔，其与第一气体主管道连通，且位于所述底部。每个第一气体主通道下方都连接有多个第一气体出气孔11，气体出气孔的排列密度相当密集，并且两种气体的出气孔要彼此交错排列，好使的从出气孔中出来的两种气体能够充分混合。

多个第二气体出气孔21，其与第二气体主管道连通，且同样位于所述底部，与第一气体出气孔11彼此间隔排列。排列方式至少有两种，如图3和图4所示，一种是以行或列为单位进行间隔(图4)，另一种是以点为单位进行间隔(图3)。

其中，所述第一气体主管道1、第二气体主管道2、第一气体出气孔11、和第二气体出气孔21均为在喷淋头本体上钻孔而形成。这是本发明与现有技术的最大区别。本发明只需通过钻孔的方式就能够实现气体管道，不但两种气体的管道中完全彼此隔离开，而且在出口处也能得到充分的混合。钻孔与焊接钢针相比，要容易实现得多，并且可以利用延展性散热性更好的金属材料制作。

所述的一体式气相沉积用喷淋头中，所述喷淋头本体由铜或铜合金制成。铜和铜合金的散热性能要远远高于不锈钢材料，而通过钻孔的方式在筒或铜合金内加工出气体管道也是可以实现的。

所述的一体式气相沉积用喷淋头中，所述喷淋头本体为长方体，所述底部为长方体的方形底面，而所述侧部为长方体围绕方形底面的四个侧面，如图7所示。第一气体主管道贯通所述喷淋头本体的一对相对侧面，第二气体主管道贯通所述喷淋头本体的与所述一对相对侧面垂直的另外一对相对侧面。图2和2图6中示出了第一气体主管道和第二气体主管道在同侧时候的情况，而图1、图5、图7、图8和图9中示出了第一气体主管道和第二气体主管道在垂直两侧时候的情况。两种气体的主管道也就是输入气体的管道位于彼此垂直的两侧的好处是主管道易于安排，独立空间比较大。为避免发生干扰，只需上下错开即可。

所述的一体式气相沉积用喷淋头中，第一气体出气孔和第二气体出气孔孔径相同，彼此间隔地排列在等间距的水平线和竖直线相交的节点上，如图3和图4所示。

所述的一体式气相沉积用喷淋头中，还包括:上冷却水通道3，设置在第一气体主管道和第二气体主管道的上方，贯通所述喷淋头本体;下冷却水通道3，其以倾斜避开节点的方式贯通所述冷却构件。如图11和图12所示，本发明与现有技术相比，还包括上冷却水通道，这样能够让冷却水更好地降低喷淋头内气体的温度。并且冷却水通道以倾斜方式穿插在出口之间，也更有利于气体冷却。气体需要冷却的原因是喷淋头下方的基板是被加热的，其必然对喷淋头产生辐射热，由此会导致喷淋头内部的气体被加热。

所述的一体式气相沉积用喷淋头中，所述上冷却水通道也以倾斜的方式设置在喷淋头本体上。目的也是为了使得冷却效果更佳。

所述的一体式气相沉积用喷淋头中，还包括冷却构件，其一体成型在所述喷淋头本体的下方，也为块状体，如图9所示。下冷却水管道3以倾斜的方式设置在冷却构件上，且第一气体出气孔和第二气体出气孔延伸至冷却构件的底部。

所述的一体式气相沉积用喷淋头中，所述第一气体主管道1、第二气体主管道2、第一气体出气孔11、第二气体出气孔21、上冷却水管道3、和/或下冷却水管道3中镀有金属镍。镀镍是为了防腐，增强喷淋头的寿命。

如图9所示，所述的一体式气相沉积用喷淋头中，还包括多个气体存储分配器，每个气体存储分配器具有壳体4和由壳体包覆形成的容气空腔5，所述壳体4扣住第一气体主管道1或第二气体主管道2的开口处，使得第一气体主管道和第二气体主管道的开口与容气空腔连通，其中每个壳体上设置有一个进气孔6。使用的时候，只需要向进气孔6中通入气体，气体散入容气空腔，在进入到气体主管道中，并由气体主管道向下方的出气孔喷出。

尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。

Claims (9)

1.一体式气相沉积用喷淋头，其中，包括:

喷淋头本体，其为块状体，包括底部和围绕底部四周的侧部;

至少一个第一气体主管道，其开口于所述侧部;

至少一个第二气体主管道，其也开口于所述侧部，且与第一气体主管道彼此隔绝;

多个第一气体出气孔，其与第一气体主管道连通，且位于所述底部;

多个第二气体出气孔，其与第二气体主管道连通，且同样位于所述底部，与第一气体出气孔彼此间隔排列;

其中，所述第一气体主管道、第二气体主管道、第一气体出气孔、和第二气体出气孔均为在喷淋头本体上钻孔而形成。

2.如权利要求1所述的一体式气相沉积用喷淋头，其中，所述喷淋头本体由铜或铜合金制成。

3.如权利要求1或2所述的一体式气相沉积用喷淋头，其中，所述喷淋头本体为长方体，所述底部为长方体的方形底面，而所述侧部为长方体围绕方形底面的四个侧面，第一气体主管道贯通所述喷淋头本体的一对相对侧面，第二气体主管道贯通所述喷淋头本体的与所述一对相对侧面垂直的另外一对相对侧面。

4.如权利要求3所述的一体式气相沉积用喷淋头，其中，第一气体出气孔和第二气体出气孔孔径相同，彼此间隔地排列在等间距的水平线和竖直线相交的节点上。

5.如权利要求4所述的一体式气相沉积用喷淋头，其中，还包括:

上冷却水通道，设置在第一气体主管道和第二气体主管道的上方，贯通所述喷淋头本体;

下冷却水通道，其以倾斜避开节点的方式贯通所述冷却构件。

6.如权利要求5所述的一体式气相沉积用喷淋头，其中，所述上冷却水通道也以倾斜的方式设置在喷淋头本体上。

7.如权利要求6所述的一体式气相沉积用喷淋头，其中，还包括冷却构件，其一体成型在所述喷淋头本体的下方，也为块状体;下冷却水管道以倾斜的方式设置在冷却构件上，且第一气体出气孔和第二气体出气孔延伸至冷却构件的底部。

8.如权利要求7所述的一体式气相沉积用喷淋头，其中，所述第一气体主管道、第二气体主管道、第一气体出气孔、第二气体出气孔、上冷却水管道、和/或下冷却水管道中镀有金属镍。

9.如权利要求7所述的一体式气相沉积用喷淋头，其中，还包括多个气体存储分配器，每个气体存储分配器具有壳体和由壳体包覆形成的容气空腔，所述壳体扣住第一气体主管道或第二气体主管道的开口处，使得第一气体主管道和第二气体主管道的开口与容气空腔连通，其中每个壳体上设置有一个进气孔。

Images