专利名称：化学气相沉积外延设备用的喷淋头结构的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种化学气相沉积外延设备，具体涉及一种化学气相沉积外延设备用的喷淋头结构。
背景技术：
化学气相沉积(Chemical Vapour D印osition，简称CVD)是上世纪中期发展起来的一种薄膜沉积的方法，是通过气体混合后在一定的条件下发生化学反应，并在基片表面沉积一层薄膜的工艺。在现在广泛用于微电子、光电子以及硬质镀膜等领域中。用化学气相沉积方法沉积薄膜材料，通常需要各种原材料和载入气体，原材料包括参与化学反应并形成薄膜产物的原料成分；载气包括各种携带原材料的气体，如氢气、氮气等，这些载气只载入原材料进入反应室，本身并不参与化学反应。CVD薄膜沉积过程都包含以下步骤(1)载气携带着反应物从反应器进口流向反应器出口，此主气流流动受到温差、流道扩张、基片旋转等引起的强烈影响；( 主气流在基片上方形成平行于基片的三种边界层；在边界层内反应物被加热，发生分解、置换等气相化学反应，生成反应中间产物；(3)反应物或反应中间物通过对流和浓度扩散，穿透边界层到达基片表面；(4)反应物在基片表面吸附，再通过表面扩散、结合入晶格等表面反应步骤完成薄膜沉积；(5)反应物和反应副产物在表面解吸；(6)解吸后的反应副产物再通过对流和浓度扩散，回到主气流，最终被带到反应室外。在CVD反应过程中，表面化学反应速率通常远大于反应物输运速率，因此薄膜的生长速率取决于分子量最大的反应物输运到表面的速率；另一方面，薄膜生长的组分和厚度主要取决于基片上方的反应物浓度分布和温度分布，即无论薄膜生长的速率还是质量，都强烈的受气体输运过程的影响，因此称生长为输运过程控制的反应。薄膜制备的重要指标之一就是其厚度、掺杂浓度和组分的均勻性。要生长出厚度、 掺杂浓度和组分均勻的薄膜材料，根据CVD技术的反应机理可以知必须使达到基片的反应物浓度和速率尽量均勻一致。这就要求基片表面附近存在均勻分布的气流场、温场和浓度场。根据上述CVD生长薄膜所需要的组分均勻、厚度均勻等要求，必须在基片上方提供一个厚度薄而均勻的反应物浓度边界层，使足够量的反应粒子能够通过扩散源源不断地到达基片表面各点。因为在生长过程中只有输运到基片各部位的反应粒子及掺杂粒子速率都相等时，才能满足薄膜的组分、浓度和厚度均勻性的要求。反应物浓度边界层强烈地受气体流动的影响，因此基片上方还需要维持一个厚度薄而均勻的速度边界层。速度边界层的流场应保持为均勻平行层流，避免任何波动、湍流和对流涡旋。为保证稳定的边界层厚度，人们设计了不同的CVD反应器设备。根据进入反应器的反应气体和载气组成的气流相对于基片的流动方向，可以把CVD反应器分为两大类主气流平行于基片方向的水平式反应器和主气流垂直于基片方向的垂直式反应器。在水平式反应器中，反应气体从基片一侧流向另一侧，这种反应器结构简单，但是存在严重的反应物耗尽和热对流涡旋等问题，容易造成薄膜厚度的前后不均勻性，需要用复杂的方法加以克服。如果半导体薄膜材料的均勻性比较差，则宜采用垂直式反应器。垂直式反应器主要由进气喷头、衬底托、转动系统、加热部件、真空系统等部分组成。为了提高外延半导体薄膜材料的生产的大批量和生产的稳定性，可以采用的主要方法有一是加大衬底托的转速，缩短原料气流向高温衬底托的时间，减小原料气在输运过程中的受热时间，但增大转速会影响沉积反应的传质和传热过程，大大增加衬底上方层流稳定性的控制难度，容易因失稳产生涡流而不利于薄膜生长；二是采用不同的原料气体通过不同的管道均勻的通入反应室，人为的使进气达到均勻一致。但是，现有的这种结构的进气装置存在缺陷，喷淋头难于清洗，导致清洗后进气装置上的附着物对后续制备的材料造成污染，影响了材料的质量和性能。同时，现有的喷淋头大多采用焊接的方式，不易于拆装和维护，严重时甚至会影响冷却水路， 造成漏水现象。
发明内容
本发明的目的在于提供一种化学气相沉积外延设备用的喷淋头结构，其既能均勻进气同时抑制预反应，又易于加工清洗、拆装维护，从而克服了现有技术中的不足。为实现上述发明目的，本发明采用了如下技术方案一种化学气相沉积外延设备用的喷淋头结构，其特征在于它包括层叠设置的上层进气层、至少一中间进气层和下层冷却层；其中，所述上层进气层中设有上层进气槽，该上层进气槽与至少一上层进口管和至少一上层出口管连通，所述上层出口管上端与上层进气槽连通，下端由中间进气层和下层冷却层中垂直穿出；所述中间进气层中设有中间进气槽，该中间进气槽与至少一中间进口管和至少一中间出口管连通，所述第一出口管上端与中间进气槽连通，下端由下层冷却层中垂直穿出；所述中间出口管同轴套设于对应的上层出口管上，且该上层出口管和该中间出口管之间留有环形间隙。作为一种优选方案，所述喷淋头结构包括层叠设置的两层以上中间进气层，其中相邻两个中间进气层中位于上方的中间进气层的中间出口管同轴套设于位于下方的中间进气层的相应中间出口管中，且该两个中间出口管之间留有环形间隙。作为又一种优选方案，所述上层进气层、中间进气层和下层冷却层之间设有定位结构，所述定位结构包括相互配合的凸块及凹槽结构。所述冷却层中设有封闭水槽，该水槽与至少一进水口和至少一出水口连通，所述上层出口管和中间出口管均由所述水槽中穿过。所述上层进气层、中间进气层和下层冷却层之间还均设有密封圈。所述喷淋头结构还包括设置于底层的底座法兰。所述底座法兰与冷却水层之间设有定位结构和密封圈，所述定位结构包括相互配合的凸块及凹槽结构。所述底座法兰上分布有可供最下层中间进气层的中间出口管穿过的通孔，且所有上层出口管和中间出口管的下端面均与底座法兰的下端面平齐设置。所述底座法兰与最下层中间进气层的中间出口管之间设有金属密封圈。
所述上层进气层的复数个上层出口管以及每一中间进气层的复数个中间出口管均采用等距、均勻排布的结构。针对现有技术中的不足，本案发明人经长期研究和实践，提出了本发明的技术方案，概括的讲，该技术方案具有以下一些特点，即带有水冷系统，对各反应气体进行分隔， 可根据实际反应气体种类设置进气层数量，气体进气形式为环形嵌套结构，保证了进气的均勻性和可重复性；由于设计结构具有完全对称性，该喷淋头尺寸可无限扩大，可满足大规模生长的要求。本发明的喷淋头结构的工作原理大致如下外延材料生长的时候，不同种类的反应源气体从不同的进气管进入各自的进气槽，然后经下方均勻密排的出口管喷入反应室， 实际的喷射形态为从上层进气层进入的源气体是管面喷出，从中间进气层通入的源气体都是由出口管所围形成的环形出口喷出，即从环形面喷入反应室，通过调节各组同心嵌套的出口管的管径大小、排布密度，以及在反应室中辅以调节喷淋头到衬底的距离等措施，从而实现材料生长和组分的均勻一致。与现有技术相比，本发明至少具有下述优点无需焊接加工，而采用密封连接和硬连接结构，故加工简单、拆装方便，清洗彻底，不会存在现有喷淋头易发生的种种难以维护的问题，可为各类化学气相沉积工艺提供硬件支持，保证生长的高度均勻性和稳定性。
图1是本发明一较佳实施例的结构示意图；图中各组件及其附图标记分别为进气管1、进气槽2、出口管3、出口管4、出口管 5、上盖板进气层6、中间进气层7、底座法兰8、定位槽9、进气管10、进气槽11、冷却水层12、 进水口 13、水槽14、出水口 15、内壁16。
具体实施例方式本发明的用于化学气相沉积外延设备用的喷淋头是由多个进气层组成，每个进气层都有相同数目的密排出口管，各层的出口管在喷淋头盘面的分布完全一致。出口管管径自上而下依次增大。各进气层法兰之间无需焊接，有定位槽固定位置，并通过密封胶圈密封和螺钉连接。如此将各进气层的出口管呈同心嵌套的形式固定在底座法兰上，该底座法兰上有相同排布的通孔，并与反应室密封连接。在工作时，多种不同的反应气体可以通过不同进气层，经过密排同心嵌套的出气管束族，高度对称的喷入反应室内，在保证进气的均勻性的同时，又由于分隔各原料气体，避免了预反应的发生，提高了成膜的质量。以下结合附图及一较佳实施例对本发明的技术方案作详细说明。参阅图1，该化学气相沉积外延设备用的喷淋头包括层叠设置的上盖板进气层6、 一层以上中间进气层7、冷却水层12和底座法兰8。其中，上盖板进气层6由一根进气管1和与喷淋头相同形状的内嵌于其的进气槽 2以及一定数量和一定长度的出口管3构成。上盖板进气层与中间进气层7由定位槽9定位，通过密封胶圈密封连接在一起。中间进气层同样由进气管和进气槽以及对应的出口管构成，该出口管比上盖板进气层的出口管管径要大，管长要短，定位槽内有凹凸硬接触(凸块和凹槽配合的结构)连接来确保两出口管为同心嵌套。中间进气层的个数由需要而定，各中间层之间由定位槽9定位，密封胶圈密封连接。每一中间进气层的结构基本相同，只是出口管的管径自上而下依次增大，管长依次减小。例如，对于本实施例来说，中间进气层可为两层，其中，位于上方的中间进气层7由进气管10和进气槽11以及对应的出口管4构成，而位于下方的中间进气层则由进气管和进气槽以及对应的出口管5构成。冷却水层12设置于在最后一个中间进气层下方，它是一块带通孔的板，冷却水从进水口 13进入水槽14对喷淋头进行冷却，再由出水口 15流出。前述水槽14为除去上述出口管径通孔的封闭区域，出口管有内壁16包裹。冷却水层与上下层紧密接合在一起，以保证冷却的效果。最底层的底座法兰8上有最后一层中间进气层的出口管径大小一致的通孔，此处因接近衬底辐射面，建议使用金属密封圈密封。底座法兰与其上的冷却水层同样由定位槽定位，密封胶圈密封连接。前述的上盖板进气层及各中间进气层的出口管出口端面均与此处的底座法兰底面平行。以上这些部件通过螺钉连接，形成整体喷淋头结构，无需焊接工艺。为验证前述喷淋头结构的性能，本案发明人将原有的商用MOCVD反应器 (ThomasSwan CCS 3X2”)的喷淋头换成新设计的喷淋头结构。该进气装置包括了一个上盖板进气层，两个中间进气层和一个底盘法兰。喷淋头为圆柱体，外径164mm;出口管喷射区域覆盖整个衬底托，外径为140mm。上盖板进气层的出口管内径为0. 5mm，第一中间进气层的出口管内径为1.7mm，第二中间进气层的出口管内径为2. 7mm，出口管的管壁厚都为 0.2mm。每个嵌套的出口管组里有内中外三层，内为圆形管喷射，中外为环形管喷射。出口管组等距紧密排布，在整个出口管喷射区域内的排布密度为30个/平方英寸。用装备了新设计的喷淋头的反应器来生长氮化铝(AlN)薄膜，反应气体三甲基铝 (TMAl)从上盖板进气层由载气携带通入，反应气体氨气(NH3)从第二中间进气层通入，第一中间进气层走载气，它的作用除了调节反应气体的总流量之外，还在空间上起到了隔离两种反应气体的功效，使三甲基铝和氨气在接近衬底的过程中各自独立输运，在受热的过程中抑制预反应和寄生反应的发生，减少了有害反应产物或中间产物引入薄膜。通过调节反应室的高度、托盘转速等工艺参数，我们获得的氮化铝薄膜厚度均勻性< +_1%，X射线衍射半宽(002面)< 200秒，可见生长获得的薄膜的缺陷密度被大大降低。长期使用中进气装置的各个部件会沉积上反应物，如在喷口区域，甚至进气槽内也会有不同程度的寄生沉积存在。将各个部件拆下，放入由去离子水、双氧水和磷酸配成的洗液中超声清洗M小时，所有存在沉积物的表面都能清洗干净，然后烘干，重新安装，换新的密封圈，检漏后试生长氮化镓(GaN)薄膜材料。此时喷淋头内的走气方式为反应气体三甲基镓(TMGa)从上盖板进气层由载气H2携带通入，反应气体氨气(NH3)从第二中间进气层通入，第一中间进气层通载气H2。生长出的氮化镓薄膜的质量比较高，本底载流子浓度达到 < 1. OE+17/cm3。与现有的喷淋头相比，该进气装置的突出特点就是无需焊接，多为密封连接和硬连接结构。故其加工简单、拆装方便，清洗彻底，不会存在现有喷淋头易发生的种种难以维护的问题，可为各类化学气相沉积工艺提供硬件支持，保证生长的高度均勻性和稳定性。需要指出的是，上述实施例仅为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟
6悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
权利要求
1.一种化学气相沉积外延设备用的喷淋头结构，其特征在于它包括层叠设置的上层进气层、至少一中间进气层和下层冷却水层；其中，所述上层进气层中设有上层进气槽，该上层进气槽与至少一上层进口管和至少一上层出口管连通，所述上层出口管上端与上层进气槽连通，下端由中间进气层和下层冷却层中垂直穿出；所述中间进气层中设有中间进气槽，该中间进气槽与至少一中间进口管和至少一中间出口管连通，所述第一出口管上端与中间进气槽连通，下端由下层冷却层中垂直穿出；所述中间出口管同轴套设于对应的上层出口管上，且该上层出口管和该中间出口管之间留有环形间隙。
2.如权利要求1所述的化学气相沉积外延设备用的喷淋头结构，其特征在于所述喷淋头结构包括层叠设置的两层以上中间进气层，其中相邻两个中间进气层中位于上方的中间进气层的中间出口管同轴套设于位于下方的中间进气层的相应中间出口管中，且该两个中间出口管之间留有环形间隙。
3.如权利要求1所述的化学气相沉积外延设备用的喷淋头结构，其特征在于所述冷却层中设有封闭水槽，该水槽与至少一进水口和至少一出水口连通，所述上层出口管和中间出口管均由所述水槽中穿过。
4.如权利要求1所述的化学气相沉积外延设备用的喷淋头结构，其特征在于所述上层进气层、中间进气层和下层冷却层之间设有定位结构，所述定位结构包括相互配合的凸块及凹槽结构。
5.如权利要求1或4所述的化学气相沉积外延设备用的喷淋头结构，其特征在于所述上层进气层、中间进气层和下层冷却层之间还均设有密封圈。
6.如权利要求1所述的化学气相沉积外延设备用的喷淋头结构，其特征在于所述喷淋头结构还包括设置于底层的底座法兰。
7.如权利要求6所述的化学气相沉积外延设备用的喷淋头结构，其特征在于所述底座法兰与冷却水层之间设有定位结构和密封圈，所述定位结构包括相互配合的凸块及凹槽结构。
8.如权利要求6所述的化学气相沉积外延设备用的喷淋头结构，其特征在于所述底座法兰上分布有可供最下层中间进气层的中间出口管穿过的通孔，且所有上层出口管和中间出口管的下端面均与底座法兰的下端面平齐设置。
9.如权利要求8所述的化学气相沉积外延设备用的喷淋头结构，其特征在于所述底座法兰与最下层中间进气层的中间出口管之间设有金属密封圈。
10.如权利要求1所述的化学气相沉积外延设备用的喷淋头结构，其特征在于所述上层进气层的复数个上层出口管以及每一中间进气层的复数个中间出口管均采用等距、均勻排布的结构。
全文摘要
本发明涉及一种化学气相沉积外延设备用的喷淋头结构，它包括层叠设置的上层进气层、至少一中间进气层和下层冷却层；上层进气层中设有上层进气槽，该上层进气槽与至少一上层进口管和至少一上层出口管连通，上层出口管上端与上层进气槽连通，下端由中间进气层和冷却层中垂直穿出；中间进气层中设有中间进气槽，该中间进气槽与至少一中间进口管和至少一中间出口管连通，第一出口管上端与中间进气槽连通，下端由冷却层中垂直穿出；中间出口管同轴套设于对应上层出口管上，且该上层出口管和中间出口管之间留有环形间隙。本发明加工工艺简单，拆装维护方便，清洗彻底，并能在均匀进气的同时抑制预反应，可为各类化学气相沉积工艺提供可靠的硬件支持。
文档编号C23C16/455GK102230165SQ20111016214
公开日2011年11月2日 申请日期2011年6月16日 优先权日2011年6月16日
发明者张永红, 朱建军, 王国斌 申请人:中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所