CN218756159U - 一种用于半导体材料生长的喷淋装置 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种用于半导体材料生长的喷淋装置。本实用新型的用于半导体材料生长的喷淋装置包括：喷淋腔和生长腔，喷淋腔上设置有多个喷淋头。该喷淋头包括：第一源气体进气管，第二源进气管和第三源进气管。三种源气体由喷淋方向为倾斜设置的喷淋头流出，使得气体流出时保持了抛物流线型的源气体混合方式，邻面侧面的源气体对冲流动有助于原本很难扩散的三族源气体变得容易扩散均匀，使得流入到生长衬底上方的反应浓度场均匀分配，保证了晶元在盘间、片间的生长均匀性，提升了生长晶元的质量。
Description
技术领域
本实用新型涉及晶体生长设备技术领域，具体涉及一种用于半导体材料生长的喷淋装置。
背景技术
随着社会经济的不断发展，能源消耗的加剧，人们对低功耗、高节能的生活方式产生了迫切的需求，而半导体材料作为一种特殊的材料，由于其具备低功耗高节能，高电子迁移率和宽禁带的优质属性，半导体材料被应用于众多领域，因此如何制备出高质量半导体材料显得尤为重要。
用于半导体材料生长的喷淋装置的设计会受到半导体材料生长本身缺陷的限制，例如，化合物半导体单晶生长受生长工艺条件、生长设备结构和加工材质等条件的影响。其中，金属有机化学气相沉积(Metal-organic Chemical Vapor Deposition,MOCVD)是制备化合物单晶薄膜的一项新型气相外延生长技术，在上世纪80年代初得以实用化。
使用MOCVD生长化合物半导体存在一个严重的问题，即三族源气体因本身的相对质量分数远大于五族气体和载气，所以在短程反应腔体中难以扩散混合均匀，导致晶元在盘间、片间的生长均匀性很不好，从而严重影响晶元的生长质量。
实用新型内容
为了解决上述技术问题，本实用新型提供了一种用于半导体材料生长的喷淋装置。
一种用于半导体材料生长的喷淋装置，其特征在于：包括：
喷淋腔，该喷淋腔表面设置有多个喷淋头；
生长腔，该生长腔与所述喷淋腔联通，该生长腔底部空间用于容置生长托盘；
其中，所述喷淋头中至少部分喷淋头的喷淋方向相对于生长托盘为倾斜设置。
优选的，所述喷淋腔表面包括侧壁，所述喷淋头连接于所述侧壁，或所述喷淋头与所述侧壁一体成型，所述侧壁或部分所述侧壁相对于生长托盘倾斜设置。
优选的，所述喷淋腔表面包括侧壁和顶部，所述喷淋头位于所述侧壁，和/或，所述喷淋头位于所述侧壁和顶部；所述侧壁或部分侧壁相对于生长托盘倾斜设置。
优选的，所述喷淋腔的形状设置为空心棱台状或空心圆台状；所述喷淋头位于所述空心棱台状或所述空心圆台状的侧壁。
优选的，所述喷淋头的喷淋方向至少有两个。
优选的，所述喷淋头喷出气体沉积路线相交。
优选的，所述喷淋头包括：
第一源气体进气管，设置于所述喷淋腔上，为一空心圆柱状管道，用于传输三族源气体和五族源气体中的一种；
第二源气体进气管，设置于所述喷淋腔上，为一空心圆柱状管道，用于载气的传输；
第三源气体进气管，设置于所述喷淋腔上，为一空心圆柱状管道，用于传输与所述第二源气体进气管传输不同的三族源气体和五族源气体中的一种；
其中，所述第一源气体管道、所述第二源气体管道和所述第三源气体管道依次嵌套，呈同心圆环状，和/或所述第一源气体进气管的直径R1、第二源气体进气管的直径R2和第二源气体进气管的直径R3满足R1<R2<R3；和/或所述第三源气体管道的管壁厚度为2mm，所述第一源气体管道的管径为5-8mm，所述第二源气体管道和所述第三源气体管道的管径依次增加3-4mm。
优选的，所述喷淋头的排列方式包括：圆周式排列、阵列式排列。
优选的，位于所述喷淋腔表面不同高度处的所述喷淋头的喷淋方向倾斜角度不同。
优选的，所述喷淋头的喷淋方向倾斜角度为30°到60°。
本实用新型的有益效果：三种源气体由喷淋方向为倾斜设置的喷淋头流出，使得气体流出时保持了抛物流线型的源气体混合方式，邻面侧面的源气体对冲流动有助于原本很难扩散的三族源气体变得容易扩散均匀，使得流入到生长衬底上方的反应浓度场均匀分配，保证了晶元在盘间、片间的生长均匀性，提升了生长晶元的质量。
附图说明
图1是本实用新型的用于半导体材料生长的喷淋装置的示意图。
图2是本本实用新型的喷淋头的示意图。
图3是本实用新型的喷淋头与现有喷淋头对比。
图4是本实用新型的喷淋头与现有喷淋头沉积效果对比。
图中标号说明：1、喷淋腔；2、喷淋头；201、第一源气体进气管；202、第二源气体进气管；203、第三源气体进气管；3、生长腔。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本实用新型作进一步说明，以使本领域的技术人员可以更好地理解本实用新型并能予以实施，但所举实施例不作为对本实用新型的限定。
如图1所示，本实用新型实施例提供的用于半导体材料生长的喷淋装置包括：
喷淋腔1，该喷淋腔1表面设置有多个喷淋头2；
生长腔3，该生长腔3与所述喷淋腔1联通，该生长腔3底部空间用于容置生长托盘；
其中，所述喷淋头2中至少部分喷淋头2的喷淋方向相对于生长托盘为倾斜设置，且所述喷淋头的喷淋方向至少有两个。
如图2所示，喷淋头2包括：
第一源气体进气管201，设置于所述喷淋腔1上，为一空心圆柱状管道，用于传输三族源气体和五族源气体中的一种；
第二源气体进气管202，设置于所述喷淋腔1上，为一空心圆柱状管道，用于载气的传输；
第三源气体进气管203，设置于所述喷淋腔1上，为一空心圆柱状管道，用于传输与所述第二源气体进气管202传输不同的三族源气体和五族源气体中的一种；
其中，所述第一源气体进气管201、所述第二源气体进气管202和所述第三源气体进气管203依次嵌套，呈同心圆环状。
在本实施例中，三族源气体，载气，五族源气体从所述第一源气体进气管201、所述第二源气体进气管202和所述第三源气体进气管203通入所述喷淋腔1和生长腔3中混合均匀后流至生长托盘上方发生反应沉积单晶薄膜。在本实用新型提出的用于半导体材料生长的喷淋装置中，由于喷淋头2的喷淋方向为倾斜设置，使得源气体从所述第一源气体进气管201、所述第二源气体进气管202和所述第三源气体进气管203的管道口流出时保持了抛物流线型的源气体混合方式，邻面侧面的源气对冲流动有助于原本很难扩散的三族源气体很容易扩散均匀，使得流入到衬底上方的反应浓度场均匀得到分配，保证了晶元在盘间、片间的生长均匀性，提升了生长晶元的质量。
在本实施例中，所述喷淋头2规整的排列在喷淋腔1上会提供更好的气源分布、反应浓度以及生长晶元的均匀性。在一个可选的实施例中，所述喷淋头2呈圆周式排列。在另一个可选的实施例中，所述喷淋头2呈阵列式排列。
在一个可选的实施例中，所述喷淋腔1表面包括侧壁，所述喷淋头2连接于所述侧壁，或所述喷淋头与所述侧壁一体成型，所述侧壁或部分所述侧壁相对于生长托盘倾斜设置。
在另一个可选的实施例中，所述喷淋腔表面包括侧壁和顶部，所述喷淋头位于所述侧壁，和/或，所述喷淋头位于所述侧壁和顶部；所述侧壁或部分侧壁相对于托盘倾斜设置。
在一个可选的实施例中，实现喷淋头2的喷淋方向为倾斜设置可通过所述喷淋腔1表面倾斜设置，所述喷淋头2与所述喷淋腔1表面垂直实现，所述喷淋腔1的倾斜角度范围为30度到60度。在本实施例中，所述喷淋腔1的形状包括：空心棱台状、空心圆台状，所述喷淋头位于所述空心棱台状或所述空心圆台状的侧壁。需要说明的是，上述喷淋腔1的形状设置仅作为本申请实施例中所述喷淋腔1形状的一种示例，实际上，所述喷淋腔1的形状设置以可实现喷淋头2的喷淋方向为倾斜设置为准，本申请实施例中不对所述喷淋腔1的形状做具体限定。
在另一个可选的实施例中，实现喷淋头2的喷淋方向为倾斜设置可通过所述喷淋腔1表面竖直设置，所述喷淋头2在所述喷淋腔1表面倾斜设置实现，所述喷淋头2与所述喷淋腔1表面的倾斜角度范围为30度到60度。作为优选的，位于喷淋腔1表面不同高度处的喷淋头2倾斜角度不同，示例性的，位于顶层的喷淋头2倾斜角度为60度，位于底层的喷淋头2倾斜角度为30度，中间位置的喷淋头2倾斜角度由上至下依次递减。
需要说明的是，上述倾斜角度的具体数值仅作为本申请实施例中所述喷淋腔1和/或喷淋头2倾斜角度具体数值的一种示例，实际生产使用时，可以根据邻面和对面气体混合的效果进行优化调整，本申请实施例中不对所述倾斜角度的具体数值做具体限定。
在本实施例中，位于第一源气体进气管201和第三源气体进气管203之间的第二源气体进气管202用于传输载气，在气体从管道中喷出时，受气体流速影响，由位于中间位置的所述第二源气体进气管202喷出的载气可有效隔绝由所述第一源气体进气管201和所述第三源气体进气管203喷出的三族源气体和五族源气体，避免了三族源气体和五族源气体在管道口处发生预反应，从而预防了石英出口处的寄生沉积。
作为单晶生长设备核心的喷淋头2，其通常采用石英材质加工，而石英材质的加工技术冗余度低于常规金属，因此在设计喷淋头2时还需考虑其加工难度。在本实施例中，所述第一源气体管道的管径R1、所述第二源气体管道的管径R2和所述第三源气体管道的管径R3可以通过需求进行调节，满足R1<R2<R3即可；如此设置保证了石英管加工技术冗余度。
在一个可选的实施例中，所述第一源气体管道、所述第二源气体管道、所述第三源气体管道的管壁厚度为2mm。所述第一源气体管道的管径为5-8mm，所述第二源气体管道和所述第三源气体管道的管径依次增加3-4mm。
在本实施例中，所述生长腔3高度为30-50mm，该高度设置可使得三族源气体、五族源气体以及载气混合均匀，从而保证了晶元在盘间、片间的生长均匀性，提升了生长晶元的质量。
为验证本实用新型的技术效果，进行了下列实验：如图3所示，常规垂直式喷淋装置设计的进气孔设置于衬底正上方，垂直沉积在衬底表面，本实用新型喷淋装置设计的进气孔与衬底表面有一定夹角，使得三种源气体以抛物线型的轨迹沉积在衬底表面。
实验结果如图4所示，在相同气体流量下，相同管路布置下，相同的气路流程下，本实用新型的喷淋装置设计可以获得更好的气体混合效果，为此产生的沉积薄膜均匀性也更好。
以上所述实施例仅是为充分说明本实用新型而所举的较佳的实施例，本实用新型的保护范围不限于此。本技术领域的技术人员在本实用新型基础上所作的等同替代或变换，均在本实用新型的保护范围之内。本实用新型的保护范围以权利要求书为准。
Claims (10)
1.一种用于半导体材料生长的喷淋装置，其特征在于：包括：
喷淋腔，该喷淋腔表面设置有多个喷淋头；
生长腔，该生长腔与所述喷淋腔联通，该生长腔底部空间用于容置生长托盘；
其中，所述喷淋头中至少部分喷淋头的喷淋方向相对于生长托盘为倾斜设置。
2.如权利要求1所述的用于半导体材料生长的喷淋装置，其特征在于：所述喷淋腔表面包括侧壁，所述喷淋头连接于所述侧壁，或所述喷淋头与所述侧壁一体成型，所述侧壁或部分所述侧壁相对于生长托盘倾斜设置。
3.如权利要求1所述的用于半导体材料生长的喷淋装置，其特征在于：所述喷淋腔表面包括侧壁和顶部，所述喷淋头位于所述侧壁，和/或，所述喷淋头位于所述侧壁和顶部；所述侧壁或部分侧壁相对于生长托盘倾斜设置。
4.如权利要求1所述的用于半导体材料生长的喷淋装置，其特征在于：所述喷淋腔的形状设置为空心棱台状或空心圆台状；所述喷淋头位于所述空心棱台状或所述空心圆台状的侧壁。
5.如权利要求2所述的用于半导体材料生长的喷淋装置，其特征在于：所述喷淋头的喷淋方向至少有两个。
6.如权利要求1所述的用于半导体材料生长的喷淋装置，其特征在于：所述喷淋头喷出气体沉积路线相交。
7.如权利要求1所述的用于半导体材料生长的喷淋装置，其特征在于：所述喷淋头包括：
第一源气体进气管，设置于所述喷淋腔上，为一空心圆柱状管道，用于传输三族源气体和五族源气体中的一种；
第二源气体进气管，设置于所述喷淋腔上，为一空心圆柱状管道，用于载气的传输；
第三源气体进气管，设置于所述喷淋腔上，为一空心圆柱状管道，用于传输与所述第二源气体进气管传输不同的三族源气体和五族源气体中的一种；
其中，所述第一源气体进气管、所述第二源气体进气管和所述第三源气体进气管依次嵌套，呈同心圆环状，和/或所述第一源气体进气管的直径R1、第二源气体进气管的直径R2和第二源气体进气管的直径R3满足R1<R2<R3；和/或所述第三源气体进气管的管壁厚度为2mm，所述第一源气体进气管的管径为5-8mm，所述第二源气体进气管和所述第三源气体进气管的管径依次增加3-4mm。
8.如权利要求1所述的用于半导体材料生长的喷淋装置，其特征在于：所述喷淋头的排列方式包括：圆周式排列、阵列式排列。
9.如权利要求1所述的用于半导体材料生长的喷淋装置，其特征在于：位于所述喷淋腔表面不同高度处的所述喷淋头的喷淋方向倾斜角度不同。
10.如权利要求1所述的用于半导体材料生长的喷淋装置，其特征在于：所述喷淋头的喷淋方向倾斜角度为30°到60°。
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