CN1664165A

CN1664165A - 用于化合物半导体材料生长的喷头及原料输入方法

Info

Publication number: CN1664165A
Application number: CN 200510023879
Authority: CN
Inventors: 江风益; 蒲勇; 王立; 方文卿
Original assignee: Nanchang University
Current assignee: Nanchang University
Priority date: 2005-02-02
Filing date: 2005-02-02
Publication date: 2005-09-07

Abstract

本发明公开了一种用于化合物半导体材料生长的化学气相沉积设备的喷头及原料输入方法，它包括第一气体供应管1、第二气体供应管2、冷却水供应管3、喷头本体4、第一进气腔5、第二进气腔6、水冷腔7、第一气体注入管8、第二气体注入管9。所述第一气体注入管的横截面积大于第二气体注入管的横截面积，且所述第一气体注入管和第二气体注入管交替地排列。进入量大的元素周期表中的V或VI族原料通过第一气体注入管进入，进入量小的元素周期表中III族或II组原料通过第二气体注入管进入。

Description

用于化合物半导体材料生长的喷头及原料输入方法

技术领域

本发明涉及一种用于生长化合物半导体材料的化学气相沉积设备的装置，具体地说，涉及一种注入反应气体的喷头。本申请也涉及一种化合物半导体材料生长中原料输入的方法。

背景技术

化合物半导体材料是当今微电子特别是光电子科技发展的基础。以砷化镓等化合物材料为代表的第二代半导体，形成了光通信科技的核心，而近年来得到快速发展的氮化镓和氧化锌等化合物半导体则被普遍认为具有实现半导体照明的潜力。因为这些重要的应用，化合物半导体材料的制备一直受到人们广泛的重视。化学气相沉积(CVD)是一种制备化合物半导体的重要方法。由于它生长的材料质量高，方便制作复杂的微结构，并且容易实现大规模生产，因此已经成为生产化合物半导体的主要方法之一。

由于用化学气相沉积法制备化合物半导体材料需要多种原料气体，而且为满足大规模生产的需求，反应室也需要很大的面积。因此在整个生长面积之内实现气体的均匀分布和混合就成为一个非常重要的问题。为此，在化学气相沉积设备中，常采用喷头技术来实现气体的均匀注入。另一方面，如何减小原料气体在到达衬底之间发生的预反应也是化学气相沉积技术中一个重要问题。原料通过分离式进气喷头输入是一种有效的方法。欧洲专利EP687749公开了一种由于氮化镓生长的分离式进气的喷头技术。在该技术中，生长氮化镓材料的原料通过交错排列的多个进气孔注入。氮源和镓源进气的管道相分离，但交错排列。因此在它们在到达衬底表面很近的地方才混合。这样既实现了气体的均匀注入，又有效地减小了预反应。

然而，该喷头技术没有考虑不同原料的进气量的问题。众所周知，在化学气相沉积法制备化合物半导体材料的工艺中，不同原料的需求量并不相等。以常见的III-V族和II-V族化合物半导体为例。由于V族和VI族组分一般为挥发性组分，而III族和II族组分一般为金属。因此通常V族和VI族原料的需要量要远大于III族和II族。例如用化学气相沉积法生长氮化镓材料时，就需要很大的V/III比。文献J.Appl.Phys.90，4219(2001)给出的V/III比为5000-30000。在欧洲专利EP687749公开的技术中，为实现两种原料的均匀混合，两种原料的进气管交错地排列，因此数目基本相等。因此如果两种原料的进气管大小相同，则两种原料具有相同的进气面积。在此情况下，为了使两路气体注入反应腔时具有基本相同的流速，就必须在III族管道通入大量的载气。在大规模生产中这种用于平衡流速的载气常常需要每分钟几十升或更多，由于半导体工艺中使用的载气一般要求具有很高的纯度，价格昂贵，这就大大增加了工艺成本。另一方面，如果要实现较快的生长速率，则III族和II族原料的流量不能很小，此时，如果工艺需要很大的V/III比或VI/II比时，势必需要很大流量的V族原料或VI族原料。在现有技术中，由于两路原料进气管具有同样的进气面积，就给实现这一工艺要求带来了一定的限制。中国专利公开文本CN1450598中公开了一种顺倒的漏斗形注入孔交错排列的喷头，顺倒漏斗形注入孔的出口具有不同的面积。但这种设计的目的是为了解决局部受热膨胀的问题，没有考虑分离进气，也没有考虑不同原料的流量的问题，即在这种喷头中，不管顺倒漏斗其输入的气体组分是一样的。

发明内容：

在现有技术的基础上，本发明提供一种用于制备化合物半导体材料的喷头，该喷头可以解决一个或多个由于现有技术的不足所引起的问题。进而提供一种气体输入方法，该方法可以克服现有技术中昂贵的载气的大量浪费的缺陷，同时给实施大的原料流量配比提供方便。

本申请的发明目的是提供一种用于化合物半导体材料生长的化学气相沉积设备的喷头，包括：喷头本体、第一气体供应管、第二气体供应管、第一进气腔、第二进气腔、第一气体注入管、第二气体注入管。其特征在于：所述第一气体注入管的出口的横截面积大于第二气体注入管的出口的横截面积，第一气体注入管的进口横截面积不小于其出口横截面积，且所述第一气体注入管和第二气体注入管交替地排列。

对于所述的第一气体注入管的形状，可以为进口和出口的横面积相同的直管形，也可以为进口横截面积大于出口横截面积的收口管形等。而第二气体注入管的形状是任意形状，直管形，喇叭形，倒喇叭形等，其中为了使第一气体注入管的气体注入量大于第二气体注入管的注入量，第一气体注入管的横截面积大于第二气体注入管的横截面积，而至于横截面积的形状，可以为任意的形状，如简单的圆形，椭圆形，三角形，方形，多边形等，优选为规则的圆形、椭圆形、方形、多边形，特别优选圆形。本发明的另一个目的是提供一种用于制备化合物半导体材料的喷头，该喷头具有多个交替配置的第一注气体入管和第二气体注入管，其中第一进气管的横截面积大于第二注入管的横截面积。因此在第一注入管中通入挥发性组分的原料(V族原料或VI族原料)，而第二注入管中通入非挥发性组分的原料(II族原料或III族原料)时，非挥发性组分原料可以用较小的载气量实现与挥发性组分原料同样的流速，因而达到节约成本的目的。另一方面，由于挥发性组分的注入管具有比非挥发性组分注入管更大的横截面积，因此容易实现大V/III比或VI/II比的生长工艺。

本申请进而提供一种半导体材料生长过程中原料进入的方法，该方法使反应原料通过前述的喷头进入，其中进入量大的元素周期表中的V或VI族原料通过第一气体注入管进入，进入量小的元素周期表中III族或II组原料通过第二气体注入管进入。使用本方法，可以克服现有技术中昂贵的载气的大量浪费的缺陷。相比现有技术更容易实现大V/III比或VI/II比的生长工艺。

附图说明：

为了更清楚地说明本发明的原则和实施方法，下面的附图分别给出本发明四个实施例的喷头结构的局部放大示意图。

图1是本发明实施例1的喷头结构的局部放大示意图；

图2为图1的A-A向透视图；

图3是本发明实施例2的喷头结构的局部放大示意图；

图4为图3的A-A向透视图；

图5是本发明实施例3的喷头的底面结构局部放大示意图；

图6是本发明实施例4的喷头的底面结构局部放大示意图。

具体实施方式：

下面结合附图并对照四个实施例来进一步阐明本发明的原理与实施方法。

实施例1：

如图1所示，该实施方案中，喷头具有第一气体供应管1、第二气体供应管2、冷却水供应管3、喷头本体4、第一进气腔5、第二进气腔6、水冷腔7、第一气体注入管8、第二气体注入管9。第一气体供应管1与第一进气腔5连接，第二气体供应管2与第二进气腔6连接。第一气体注入管8与第一进气腔5连接、第二气体注入管9与第二进气腔6连接。第一气体注入管8穿过第二进气腔6。如图2中A向透视图所示，所述第一气体注入管和第二气体注入管交替地排列，且第一气体注入管的内径d1大于第二气体注入管的内径d2。在该实施方案中，第一气体供应管1、第一进气腔5、第一气体注入管8为V族原料或VI族原料及其载气的通道，而第二气体供应管2、第二进气腔6、第二气体注入管9则为III族原料或II族原料及其载气的通道。其中第一气体注入管8和第二气体注入管9均为圆管。

实施例2：

如图3所示，该实施方案中，喷头具有第一气体供应管2、第二气体供应管1、冷却水供应管3、喷头本体4、第一进气腔6、第二进气腔5、水冷腔7、第一气体注入管9、第二气体注入管8。第一气体供应管2与第一进气腔6连接，第二气体供应管1与第二进气腔5连接。第一气体注入管9与第一进气腔6连接、第二气体注入管8与第二进气腔5连接。第二气体注入管8穿过第一进气腔6。如图4中A向透视图所示，所述第一气体注入管和第二气体注入管交替地排列，且第一气体注入管的内径d1大于第二气体注入管的内径d2。在该实施方案中，第一气体供应管2、第一进气腔6、第一气体注入管9为V族原料或VI族原料及其载气的通道，而第二气体供应管1、第二进气腔5、第二气体注入管8则为III族原料或II族原料及其载气的通道。其中第一气体注入管9和第二气体注入管8均为圆管。

实施例3：

在该实施方案中，喷头与实施例1具有相同的腔体结构，即具有：第一气体供应管、第二气体供应管、冷却水供应管、喷头本体、第一进气腔、第二进气腔、水冷腔、第一气体注入管、第二气体注入管。其中第一气体供应管与第一进气腔连接，第二气体供应管与第二进气腔连接。第一气体注入管与第一进气腔连接、第二气体注入管与第二进气腔连接。第一气体注入管8穿过第二进气腔6。与第一实施例不同的是，如图5，该实施方案中第一气体注入管和第二气体注入管均为方管。第一气体注入管和第二气体注入管仍交替地排列，且第一气体注入管的横截面积大于第二气体注入管的横截面积。在该实施方案中，第一气体供应管、第一进气腔、第一气体注入管为V族原料或VI族原料及其载气的通道，而第二气体供应管、第二进气腔、第二气体注入管则为III族原料或II族原料及其载气的通道。

实施例4：

在该实施方案中，喷头与实施例2具有相同的腔体结构，即具有：第一气体供应管、第二气体供应管、冷却水供应管、喷头本体、第一进气腔、第二进气腔、水冷腔、第一气体注入管、第二气体注入管。其中第一气体供应管与第一进气腔连接，第二气体供应管与第二进气腔连接。第一气体注入管与第一进气腔连接、第二气体注入管与第二进气腔连接。第二气体注入管8穿过第一进气腔6。与第二实施例不同的是，如图6，该实施方案中第一气体注入管和第二气体注入管均为椭圆管。第一气体注入管和第二气体注入管仍交替地排列，且第一气体注入管的横截面积大于第二气体注入管的横截面积。在该实施方案中，第一气体供应管、第一进气腔、第一气体注入管为V族原料或VI族原料及其载气的通道，而第二气体供应管、第二进气腔、第二气体注入管则为III族原料或II族原料及其载气的通道。

Claims

1、一种用于化合物半导体材料生长的喷头，包括：喷头本体、第一气体供应管、第二气体供应管、第一进气腔、第二进气腔、第一气体注入管、第二气体注入管，其特征在于：所述第一气体注入管出口的横截面积大于第二气体注入管出口的横截面积，第一气体注入管的进口恒截面积不小于其出口横截面积，且所述第一气体注入管和第二气体注入管交替地排列。

2、如权利要求1所述的喷头，包括：喷头本体、第一气体供应管、第二气体供应管、冷却水供应管、第一进气腔、第二进气腔、水冷腔、第一气体注入管、第二气体注入管，其特征在于：所述第一气体注入管的出口横截面积大于第二气体注入管的出口横截面积，第一气体注入管的进口横截面积不小于其出口横截面积，且所述第一气体注入管和第二气体注入管交替地排列。

3、如权利要求1-2中所述任意一项所述的喷头，其特征在于：所述第一气体注入管和第二气体注入管内横截面可以为圆形、三角形、方形、椭圆形等，也可以是它们的任意组合。

4、如权利要求1-3中任意一项所述的喷头，其特征在于：第一气体注入管为元素周期表中V族或VI族原料的通道，第二气体注入管为元素周期表中III族或II组原料的通道。

5、一种化合物半导体材料生长过程中原料进入的方法，其特征在于：原料通过使用权利要求1-4所述的喷头进入，其中进入量大的原料通过第一气体注入管进入，进入量小的原料通过第二气体注入管进入。

6、如权利要求5所述的气体进入方法，所述的半导体材料为氮化镓。

7、如权利要求5所述的气体进入方法，所述的半导体材料为氧化锌。

8、如权利要求5、6所述的气体进入方法，所述进入量大的原料为氨气，所述进入量小的原料为含有镓元素的化合物。

9、如权利要求5、7所述的气体进入方法，所述进入量大的原料为含有氧元素的气体，所述进入量小的原料为含锌元素的化合物。