CN115478261A - 一种气体喷淋头及化学气相沉积设备 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种喷淋头，包括扩散板和冷却板，以及设置在两者分界面处的挡气条，挡气条位于扩散板上相邻的两个气体扩散通道之间，当冷却板在沉积反应进行时因受热而发生形变的情况下，挡气条能阻止不同气体输送通道之间的气体在扩散板和冷却板之间的缝隙处横向流动而发生不同气体的提前混合，确保了反应气体工艺参数的稳定，避免在缝隙处形成聚合物沉积，也就避免了随之而来的颗粒物污染。
Description
技术领域
本发明涉及化学气相沉积技术领域，尤其涉及一种气体喷淋头及化学气相沉积设备。
背景技术
化学气相沉积(Chemical vapor deposition，简称CVD)是反应物质在气态条件下发生化学反应，生成固态物质沉积在加热的固态基体表面，进而制得固体材料的工艺技术，其通过化学气相沉积装置得以实现。具体地，CVD装置通过进气装置将反应气体通入反应室中，并控制反应室的压强、温度等反应条件，使得反应气体发生反应，从而完成沉积工艺步骤。
金属有机化学气相沉积(Metal Organic Chemical Vapor Deposition，MOCVD)装置主要用于III-V族化合物、II-VI族化合物或合金的薄层单晶功能结构材料的制备，例如氮化镓、砷化镓、磷化铟、氧化锌等。随着所述功能结构材料的应用范围不断扩大，金属有机化学气相沉积装置已经成为一种重要的化学气相沉积装置。金属有机化学气相沉积一般以II族或III族金属有机源、以及VI族或V族氢化物源作为反应气体，用氢气或氮气作为载气，以热分解反应方式在基板上进行气相外延生长，从而生长各种II-VI化合物半导体、III-V族化合物半导体、以及它们的多元固溶体的薄层单晶材料。
然而，现有的金属有机化学气相沉积装置因喷淋头的部分结构受热变形，导致反应气体的输送精度不稳定，进而对沉积结果产生负面影响。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明提供一种喷淋头，用于承载待处理基片，包括：
扩散板,包括连接第一反应气体源的若干列第一气体扩散通道和连接第二反应气体源的若干列第二气体扩散通道，所述若干列第一气体扩散通道和所述若干列第二气体扩散通道列与列之间交替排布；
位于所述扩散板下方的冷却板，包括配合所述第一气体扩散通道和第二气体扩散通道的第一出气通道和第二出气通道；
所述第一气体扩散通道和第二气体扩散通道与第一出气通道和第二出气通道组成多个从气体源到反应腔的输气通道；
所述扩散板和所述冷却板为分立的两个元件，二者通过可拆卸的机械方法组装为一体；相邻的输送不同气体的所述输气通道之间设置有若干挡气条，所述挡气条用于防止相邻所述输气通道之间的不同反应气体在所述扩散板和冷却板之间混合。第二出气通道可选的，所述冷却板设置有凹槽，用于容纳挡气条，所述挡气条的表面与所述凹槽的表面的垂直距离小于所述第一出气通道或第二出气通道的通道壁之间的距离。
可选的，所述挡气条的表面与所述凹陷部的表面的垂直距离小于所述第一出气通道或第二出气通道的通道壁之间的距离的四分之一。
可选的，所述挡气条的截面为方形。
可选的，所述挡气条的截面为三角形。
可选的，所述挡气条与所述扩散板一体设置，所述挡气条的下部插入所述冷却板内。
可选的，所述挡气条包括上部和下部，所述上部插入所述扩散板内，下部插入所述冷却板内。
可选的，所述挡气条由耐高温耐腐蚀材料制成。
可选的，所述挡气条由不锈钢或特氟龙制成。
可选的，所述冷却板由不锈钢材质制成。
可选的，所述每一列第一气体扩散通道和第二气体扩散通道均包括若干个分立的气体扩散路径，所述气体扩散路径沿条形排列，所述挡气条为长条形。
可选的，所述每一列第一气体扩散通道和第二气体扩散通道均包括若干个分立的气体扩散路径，所述气体扩散路径沿环形排列，所述挡气条为环形。进一步的，本发明还提供了一种化学气相沉积设备，包括一反应腔，所述反应腔内设置有一支撑部件和位于所述支撑部件上的待处理工件，所述支撑部件可以在大致水平方向上旋转，所述支撑部件上方设置一气体喷淋头，所述气体喷淋头具有前述任意一项的权利要求所述的特征。
本发明的优点在于：在气体喷淋头的扩散板和冷却板之间的指定位置增加挡气条，即使冷却板在沉积进行时发生形变，增加了扩散板和冷却板之间的缝隙，也能阻止不同气体输送通道之间的气体横向流动，确保了反应气体工艺参数的稳定，避免在缝隙处形成聚合物沉积，也就避免了随之而来的颗粒物污染。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1A为一种现有技术中的化学气相沉积设备结构示意图；
图1B为图1A中反应腔的气体喷淋头局部放大图；
图2A为本发明一个实施例的气体喷淋头局部放大侧视图；
图2B为图2A中实施例A处放大图；
图3A-3B为本发明另一个实施例的气体喷淋头局部放大侧视图；
图4为本发明的一个实施例的气体喷淋头俯视示意图；
图5为本发明的另一个实施例的气体喷淋头俯视示意图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
图1A为现有技术中一种化学气相沉积设备在执行沉积工艺时的结构示意图，包括反应腔100，在反应腔100内的上部设置有气体喷淋头100，在气体喷淋头100下方设置有可旋转的基座120，基片W放置在基座120上方，图1A中示意的标出多个基片W。在图中未示出的加热装置可以从基座120下方通过基座120对基片W进行加热，使基片达到反应温度，气体喷淋头100用于将多种反应气体输送到基片上方进行沉积反应。通常，气体喷淋头100包括扩散板111和冷却板112，当沉积反应进行时，基座120的热量会向上方辐射到冷却板112，使冷却板112发生膨胀，因为冷却板112与扩散板111的边缘被固定，所以在膨胀时，冷却板112会向下进行微小的拱起，导致冷却板112和扩散板111之间产生缝隙。
如图1B所示，为受热膨胀后的气体喷淋头局部放大图，在扩散板111中具有多个气体扩散通道113，在冷却板112中具有多个与气体扩散通道113对应的出气通道114，为了使下方的基片反应均匀，多个通入相同气体的气体扩散通道113间隔排列，致使输送不同气体的气体扩散通道113之间相邻，如图1B中箭头所示，当扩散板111和冷却板112之间产生缝隙时，通过某一气体扩散通道113向下流动的气体会在缝隙处向周围扩散，一方面扩散的气体会跟相邻气体扩散通道的其他种气体发生反应在缝隙内沉积成聚合物，聚合物会附着到气体扩散通道113或出气通道114的侧壁影响气体流量，即使穿过出气通道114进入反应腔100中，又会落在基片W上造成不良；另一方面，反应气体在缝隙处分散后使从出气通道114中流出的气流与工艺条件设定的气体流量产生差异，会对基片的沉积速率和均匀性产生负面影响，导致工艺参数与沉积效果的波动。
如图2A所示为本发明的一种气体喷淋头局部放大侧面示意图，包括扩散板211，反应气体通过连接到反应腔外部的输气管路进入扩散板211中进行初步的扩散，使气体在流进扩散板211上的气体扩散通道213时可以基本保证气体流速均匀，设置在扩散板211上的相邻的两列气体扩散通道213用于输送不同的气体，此处的两列并不限制于线性列，为了描述方便，其他圆环形间隔设置的每个环也包括在列的描述中。在扩散板211下方设置有冷却板212，用于对气体喷淋头整体进行控温，使其保持较低的温度，防止反应气体在到达基片表面之前开始分解，在一些实施例中，通过在冷却板中开设流体通道并通入冷却液循环进行降温。在冷却板212中设置有与气体扩散通道213对应的多个出气通道214。扩散板211和冷却板212为分立的两个元件，二者通过可拆卸的机械方法组装为一体，方便单独部分的替换和修理。第一气体扩散通道213A与第一出气通道214A组成同种气体源的输气通道，第二气体扩散通道213B与第二出气通道214B组成另一种气体源的输气通道，在相邻的用于输送不同气体的输气通道之间设置有若干挡气条215，在图2A的实施例中，输送不同气体的相邻输气通道之间的挡气条215数量为1个，挡气条215穿过扩散板211与冷却板212的接触面，即挡气条215穿过扩散板211与冷却板212之间的面形缝隙。
挡气条215可以在冷却板212受热向下弯曲扩大其与扩散板211之间的间隙时，起到阻挡单一的反应气体横向扩散到相邻气体扩散通道213的效果，即使缝隙变大，也可以让扩散的气体维持在单一气体扩散通道213两边相邻的挡气条215之间，而接触不到输送另一气体的气体扩散通道213。在其他实施例中，相邻气体扩散通道213之间的挡气条215的数量可以为多个，数量越多会产生更大的阻力，相比横向扩散更容易沿着既有竖直通道向下输送。
在图2A中所示的挡气条215，其分为上部和下部，在扩散板211中设置有容纳挡气条215的上部的凹槽，在冷却板212中设置有容纳挡气条215的下部的凹槽。在一些实施例中，挡气条215距离冷却板212中凹槽的表面距离，即挡气条215的下部表面距离冷却板212凹槽壁的距离，或者可以看成挡气条215与冷却板212之间缝隙的距离，小于相邻的出气通道214的通道壁的距离，根据△P正比于L/d3。△P为气体的气压降，L为气体通过的长度，d为气体通过的口径。如图2B所示，在局部放大图中，挡气条215的下部距离冷却板212中凹槽的距离可以分为挡气条215距离冷却板212中凹槽侧壁的距离d2以及挡气条215距离冷却板212凹槽底壁的距离d3，而冷却板212中出气通道214通道壁的距离为d1，d1、d2和d3都可视为上述公式中的d，气压降△P对d的变化更敏感，当挡气条215的下部距离冷却板212凹槽壁的距离小于相邻的出气通道214的通道壁的距离时，使气体向挡气条215与冷却板212之间的缝隙流动时，相比向竖直的出气通道214流动，遭遇更大的压强阻力，迫使气体按预设的路径流动进入反应腔。在其他实施例中，挡气条215的下部距离冷却板212凹槽壁的距离小于相邻的出气通道214的通道壁距离的四分之一，可产生更好的阻挡效果，并且在安装时，两者的距离不完全贴紧，即d2和d3的值不为零，可以为受热膨胀留出空间，在受热时完全压紧，阻挡串气，同理，挡气条215的上部距离扩散板211的凹槽壁的距离也可以进行同样条件的设置。
挡气条215的横截面可以是如图2所示的方形，当冷却板212发生变形向下弯曲时，方形截面的挡气条215与侧面冷却板212的距离不变，只有挡气条215与底面冷却板212的距离变大，这样不会影响挡气条215对气体横向扩散的初始压力，在其他一些实施例中，挡气条的横截面也可以是其他形状，例如底边朝下的三角形，同时挡气条215可以与扩散板一体设置，三角形的两个斜边侧面相对于方形的垂直侧面具有横向的分量表面，冷却板212中的凹槽形状与挡气条215相同，这样冷却板向下形变时可以使挡气条215的侧面距离冷却板212中凹槽侧壁的距离减小，甚至完全贴紧，达到阻止气体横向串气的目的。
在如图3A所示的本发明的另一个气体喷淋头实施例中，与上述实施例的区别在于，挡气条315与扩散板311一体设置，挡气条315的下部穿过扩散板和冷却板的交界面深入到冷却板中，这样可以完全阻断挡气条和扩散板311之间的缝隙，又能为冷却板形变留出空间，防止形变产生的挤压损坏。同样可以在如图3B中所示的实施例，挡气条315与冷却板一体设置，挡气条315的上部插入到扩散板311的凹槽中。挡气条315可以选择耐高温耐腐蚀的材料，这样可以承受下方来自基座向上的热量辐射和侧面来自气体的腐蚀而保持稳定化学状态，不产生污染粒子，例如可以选择不锈钢和特氟龙材质。同样为了耐高温和抗腐蚀，冷却板也可以选择不锈钢材质。
图4为本发明的另一个气体喷淋头实施例的局部俯视图，其中用虚线表示的气体扩散通道413A、413B上设置有多个气体扩散路径416，单一气体扩散通道上的多个气体扩散路径416用于通入相同的反应气体，在图4的实施例中，气体扩散路径沿着长条形排列，相应的，挡气条415为条形结构，设置在输送不同气体的两排气体扩散路径416之间。本发明所述的若干列第一气体扩散通道和所述若干列第二气体扩散通道列与列之间交替排布并不限制与直线的列排布，也可以是其他形状的列排布。如图5为本发明的另一个气体喷淋头实施例的局部俯视图，与上述实施例的区别在于，其中用虚线表示的气体扩散通道513A、513B上设置有多个气体扩散路径516，单一气体扩散通道上的多个气体扩散路径516用于通入相同的反应气体，在图5的实施例中，气体扩散路径沿着圆形的边缘排列，相应的，挡气条415为环形结构，设置在输送不同气体的两排气体扩散路径516之间。
进一步的，本发明还提供了一种化学气相沉积设备，包括以反应腔，所述反应腔内设置有一支撑部件和位于所述支撑部件上的待处理工件，所述支撑部件可以在大致水平方向上旋转，包括上述任意一项的气体喷淋头。
在气体喷淋头的扩散板和冷却板之间的指定位置增加挡气条，即使冷却板在沉积进行时发生形变，增加了扩散板和冷却板之间的缝隙，也能阻止不同气体输送通道之间的气体横向流动，确保了反应气体工艺参数的稳定，避免在缝隙处形成聚合物沉积，也就避免了随之而来的颗粒物污染。
本发明公开的喷淋头不限于应用于上述化学气相沉积装置，在其他薄膜生长装置中也可以适用，此处不再赘述。
尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。
Claims (14)
1.一种气体喷淋头，用于向反应腔内输入多种反应气体，其特征在于，包括：
扩散板,包括连接第一反应气体源的若干列第一气体扩散通道和连接第二反应气体源的若干列第二气体扩散通道，所述若干列第一气体扩散通道和所述若干列第二气体扩散通道列与列之间交替排布；
位于所述扩散板下方的冷却板，包括配合所述第一气体扩散通道和第二气体扩散通道的第一出气通道和第二出气通道；
所述第一气体扩散通道和第二气体扩散通道与第一出气通道和第二出气通道组成多个从气体源到反应腔的输气通道；
所述扩散板和所述冷却板为分立的两个元件，二者通过可拆卸的机械方法组装为一体；相邻的输送不同气体的所述输气通道之间设置有若干挡气条，所述挡气条用于防止相邻所述输气通道之间的不同反应气体在所述扩散板和冷却板之间混合。
2.如权利要求1所述的气体喷淋头，其特征在于，所述冷却板设置有凹槽，用于容纳挡气条，所述挡气条的表面与所述凹槽的表面的垂直距离小于所述第一出气通道或第二出气通道的通道壁之间的距离。
3.如权利要求2所述的气体喷淋头，其特征在于，所述挡气条的表面与所述凹陷部的表面的垂直距离小于所述第一出气通道或第二出气通道的通道壁之间的距离的四分之一。
4.如权利要求3所述的气体喷淋头，其特征在于，所述挡气条的截面为方形。
5.如权利要求3所述的气体喷淋头，其特征在于，所述挡气条的截面为三角形。
6.如权利要求1所述的气体喷淋头，其特征在于，所述挡气条与所述扩散板一体设置，所述挡气条的下部插入所述冷却板内。
7.如权利要求1所述的气体喷淋头，其特征在于，所述挡气条与所述冷却板一体设置，所述挡气条的上部插入所述扩散板内。
8.如权利要求1所述的气体喷淋头，其特征在于，所述挡气条包括上部和下部，所述上部插入所述扩散板内，下部插入所述冷却板内。
9.如权利要求1所述的气体喷淋头，其特征在于，所述挡气条由耐高温耐腐蚀材料制成。
10.如权利要求8所述的气体喷淋头，其特征在于，所述挡气条由不锈钢或特氟龙制成。
11.如权利要求1所述的气体喷淋头，其特征在于，所述冷却板由不锈钢材质制成。
12.如权利要求1所述的气体喷淋头，其特征在于，所述每一列第一气体扩散通道和第二气体扩散通道均包括若干个分立的气体扩散路径，所述气体扩散路径沿条形排列，所述挡气条为长条形。
13.如权利要求1所述的气体喷淋头，其特征在于，所述每一列第一气体扩散通道和第二气体扩散通道均包括若干个分立的气体扩散路径，所述气体扩散路径沿环形排列，所述挡气条为环形。
14.化学气相沉积设备，其特征在于，包括一反应腔，所述反应腔内设置有一支撑部件和位于所述支撑部件上的待处理工件，所述支撑部件可以在大致水平方向上旋转，所述支撑部件上方设置一气体喷淋头，所述气体喷淋头具有前述任一项的权利要求所述的特征。
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