专利名称：用于金属有机气相沉积设备的进气喷头的制作方法
技术领域：
本发明涉及用于制造III-V族化合物半导体的装置和方法，特别涉及到有机金属化学气相沉积(MOCVD)设备的反应室进气喷头结构。
背景技术：
MOCVD (Metal Organic Chemical Vapor D印osition 金属有机物化学气相沉积) 设备，适合化合物半导体氮化镓、砷化镓、磷化铟、氧化锌等功能结构材料的规模化工业生产。通过MOCVD生长技术外延的材料其质量取决于反应气体通过进气喷头后的气流输运状态和在衬底表面温场内的后续反应，气态反应物要混合均勻但是不能提前发生分解化合反应，要在衬底表面形成流速均一的层流模式，同时要克服高温的扰动，实现均勻生长。多孔喷淋结构是目前MOCVD反应室进气喷头主要采用的结构方式，如采用沐浴头结构，进气孔均勻密集分布，或采用多孔直线排列，不同反应气体相互间隔进气的喷头结构。如何实现有机金属源气体以及氨气等气态反应物在反应室中形成合适的气流模式， MOCVD进气喷头的优化设计至关重要。美国专利US2008/080044公开了一种与本发明类似的一种结构喷头，其特征是进气由一组螺旋通道构成，该进气装置包括用于第一前体气体的第一螺旋气体通道和用于第二前体气体的第二螺旋气体通道，每一条螺旋气体通道具有用于将相应前体气体注入到前体混合区域中的注入孔，还有用于热交换介质的第三螺旋通道。国内专利CN101122012A公开了一种大面积梳状结构的喷淋头，主要结构包括每一种源的进气总管，进气支管，支管的同侧加工均勻布置的喷淋孔，两种源的进气支管梳状平行排布，进气总管从整体结构两侧独立送气，通过支管小孔在反应腔衬底上方均勻喷射。MOCVD 进气喷头结构上要保证反应物在到达衬底前均勻混合并形成合适的层流模式，还要对于进气流量和进气速度的调节上有较好的灵活性，以便一旦出现晶体质量和厚度不均勻的情况，容易调整均勻性。由于市场需求和降低制造成本的要求，MOCVD设备的生产能力还需要进一步加大，这对于反应室进气喷头提出了更高的要求。
发明内容
本发明的目的是提供一种用于金属有机化学气相沉积系统的进气喷头结构，反应气或载气通过这种进气喷头进入到金属有机气相沉积设备反应室内，达到均勻混合，控制反应气体在生长室内的预反应，减少预沉积，提高外延片的晶体均勻性；与常规MOCVD进气喷头相比，降低制作加工难度，减少维护次数；这种进气喷头结构容易扩展进气面积，从而提高MOCVD的每炉产能，降低生产成本。本发明提供一种用于金属有机气相沉积设备的进气喷头，包括多个进气管路；一上层板，该上层板为圆盘状；一外壳体，该外壳体为圆筒状，位于上层板的下面；一下层板，该下层板为圆盘状，位于外壳体的下面；
气体分配管路，位于下层板上面、外壳体内部，多个进气管路穿过上层板与气体分配管路相连通。
以下参考附图是对具体实施例的详细描述，将会更好地理解本发明的内容和特
；^^，I .图1是本发明的一个具体实施例的三维俯视示意图。图2是图1中沿A-A向的三维剖视图。图3是图1是去掉上层板三维俯视图。图4是有机源分配管路与氢化物分配管路构成单环叉指型气体分配管路的三维俯视示意图。图5是下层板三维俯视图。图6是图;3B-B向的局部三维剖视图。图7是下层板三维上视图。图8是本发明的另一个具体实施例的三维俯视示意图(去掉上层板)。
具体实施例方式请参阅图2、4所示，本发明提供一种用于金属化学气相沉积设备反应室的进气喷淋头，包括多个进气管路02。一上层板03，该上层板03为圆盘状。一外壳体04，该外壳体04为圆筒状，位于上层板03的下面。一下层板06，该下层板06为圆盘状，位于外壳体04的下面。一气体分配管路05，位于下层板06上面、外壳体04内部，所述进气管路02穿过上层板03与气体分配管路05相连通。其中气体分配管路05分为有机源气体分配管路和氢化物气体分配管路。有机源气体分配管路包括有机源进气管路22、有机源圆形分配总管路51和有机源径向分配支管路52 ；，有机源进气管路22与有机源圆形分配总管路51形成连通，多个有机源径向分配支管路52，与有机源圆形分配总管路51形成向外的放射状连通。氢化物分配管路包括氢化物进气管路21、氢化物圆形分配总管路53和氢化物径向分配支管路M ；氢化物进气管路21与氢化物圆形分配总管路53形成连通，多个氢化物径向分配支管路54，与氢化物圆形分配总管路53形成向内的放射状连通。有机源圆形分配总管路51和氢化物圆形分配总管路53构成环状结构，有机源径向分配支管路52和氢化物径向分配支管路M在径向上成叉指状交互排列。下层板06具有一些径向凹槽或板条61，气体分配管路05的径向分配支管路平铺于下层板06的凹槽或板条61的表面，下层板06的凹槽或板条61表面与气体分配管路05 下表面融为一体。下层板凹槽或板条61有若干中心径向狭缝或沿径向排布的小孔62，所述的狭缝或小孔62与气体分配管路05的支管路的中心线分布相对应，并贯通气体分配管路 05的支管路的管壁，气体从气体分配支管路经过所述下层板06的狭缝或小孔62进入到金属有机气相沉积设备反应室内。
—种用于金属有机气相沉积设备的进气喷头，其中该以环状叉指结构排列的气体分配管路05的数量为一个或一个以上。下面结合实施例并对照附图对本发明作进一步的说明。图1是本发明一个具体实施例的三维俯视示意图，反应气体或载气通过进气喷头01上的一组进气管路02进入进气喷头内，图2是图1中沿A-A向的三维剖视图，进气喷头01主要包括上层板03、外壳体04、 下层板06和气体分配管路05，上层板03、外壳体04、下层板06构成一个腔体，气体分配管路05，位于所述的腔体内。图3是图1去掉上层板三维俯视图，可以更加清晰的看到气体分配管路05。图4是有机源分配管路与氢化物分配管路构成单环叉指型气体分配管路的三维俯视示意图，有机源分配管路由有机源圆形分配总管路51和有机源径向分配支管路52 (本实施例中共十个沿圆周均等排列的有机源径向分配支管路5 构成，多个有机源径向分配支管路52，与有机源圆形分配总管路51形成向外的放射状连通。适当增加气体径向分配支管路，有助于进入反应室气流的均勻性。气体由有机源进气管路22 (本实施例中共四个有机源进气管路22，多个进气管路有助于提高气体压力、流量的稳定性和均勻性)中流入有机源圆形分配总管路51，再由有机源圆形分配总管路51流入有机源径向分配支管路52。 氢化物分配管路由氢化物圆形分配总管路53和氢化物径向分配支管路54(本实施例中共十个沿圆周均等排列的氢化物径向分配支管路54)构成，多个氢化物径向分配支管路M， 与氢化物圆形分配总管路53形成向内的放射状连通。气体由氢化物进气管路21 (本实施例中共六个氢化物进气管路21)中流入氢化物圆形分配总管路53，再由氢化物圆形分配总管路53流入氢化物径向分配支管路54。有机源径向分配支管路52和氢化物径向分配支管路M呈叉指状均勻排布于下层板06之上。如图5所示，本实施例中下层板06上有沿圆周均等分布的20根板条61，每根板条61与一支有机源径向分配支管路52或一支氢化物径向分配支管路M相对应，板条61上表面与分配管路管壁外表面焊接融为一体。下层板06每根板条61上开有狭缝62，也可以做成喷射小孔，如图6(沿图;3B-B向的局部三维剖视图) 所示狭缝62将有机源或氢化物径向分配支管路52或M与反应室连通，反应物气体将通过狭缝62均勻喷射入反应室内。每一路有机源径向分配支管路52和氢化物径向分配支管路 54对应一条狭缝62。下层板三维上视图如图7所示，狭缝62在径向呈楔形，以使反应气体在径向上进入反应室的气流浓度分布相同。图8是本发明的另一个具体实施例，其反应气体分配管路07由内分配管路72和外分配管路71构成双环形叉指结构排列的气体分配管路，拓展反应室尺寸，提高MOCVD设备单炉产能。同时相对应的，衬底基托08可以为双环形，反应后的气流可以从衬底基托中心和环与环之间的空隙排除，减小反应气体在衬底表面输运过程的干扰，以提高气流的均勻性。描述的具体实施例中的勻气喷头还包括冷却水管路，至少包括一个进水管和一个出水管(附图中未示出)，冷却水从进水管进入所述的封闭腔体内，气体分配管路05浸泡于冷却水中，冷却水从出水管流出。本发明的优点在于，本发明所述的进气喷头可以使反应气体均勻的进入反应室内，有机源和氢化物反应物在周向上交叉分布，混合均勻，径向上根据小孔或狭缝的结构达到分布量的调节，使反应室内气体达到均勻生长的气流模式，同时可以避免严重的预反应； 本发明所述的进气喷头在调节气体的进气流量方面具有较高的灵活性；本发明所述的进气喷头相比常规的进气喷头加工难度小、维护简单；本发明所述的进气喷头比常规的进气喷头相比更容易向大尺寸MOCVD设备扩展，从而提高每炉的产能，降低成本。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
权利要求
1.一种用于金属有机气相沉积设备的进气喷头，包括多个进气管路；一上层板，该上层板为圆盘状；一外壳体，该外壳体为圆筒状，位于上层板的下面；一下层板，该下层板为圆盘状，位于外壳体的下面；气体分配管路，位于下层板上面、外壳体内部，多个进气管路穿过上层板与气体分配管路相连通。
2.如权利要求1所述的用于金属有机气相沉积设备的进气喷头，其中气体分配管路分为有机源气体分配管路和氢化物气体分配管路。该有机源气体分配管路包括有机源进气管路，有机源圆形分配总管路，与有机源进气管路形成连通，多个有机源径向分配支管路，与有机源圆形分配总管路形成向外的放射状连通；该氢化物分配管路包括氢化物进气管路，氢化物圆形分配总管路，与氢化物进气管路形成连通，氢化物径向分配支管路，与氢化物圆形分配总管路形成向内的放射状连通；该有机源圆形分配总管路和氢化物圆形分配总管路构成环状结构，有机源径向分配支管路和氢化物径向分配支管路在径向上成叉指状交互排列。
3.如权利要求1所述的用于金属有机气相沉积设备的进气喷头，其中下层板具有多个径向凹槽或板条，气体分配管路的径向分配支管路平铺于下层板多个凹槽或板条表面，下层板的凹槽或板条表面与气体分配支管路下表面融为一体。
4.如权利要求1或3所述的用于金属有机气相沉积设备的进气喷头，其中下层板的凹槽或板条有多个中心径向狭缝或沿径向排布的小孔，所述的狭缝或小孔与气体分配管路的支管路的中心线分布相对应，并贯通气体分配管路的支管路的管壁，气体从气体分配支管路经过所述下层板的狭缝或小孔进入到金属有机气相沉积设备反应室内。
5.如权利要求2所述的用于金属有机气相沉积设备的进气喷头，其中该以环状叉指结构排列的气体分配管路的数量为一个或一个以上。
全文摘要
一种用于金属有机气相沉积设备的进气喷头，包括多个进气管路；一上层板，该上层板为圆盘状；一外壳体，该外壳体为圆筒状，位于上层板的下面；一下层板，该下层板为圆盘状，位于外壳体的下面；气体分配管路，位于下层板上面、外壳体内部，多个进气管路穿过上层板与气体分配管路相连通。本发明具有混合均匀，减少预沉积，提高外延片的晶体均匀性；与常规MOCVD进气喷头相比，可以降低制作加工难度，减少维护次数；这种进气喷头结构容易扩展进气面积，从而提高MOCVD的每炉产能，降低生产成本。
文档编号C23C16/455GK102534559SQ20121002917
公开日2012年7月4日 申请日期2012年2月10日 优先权日2012年2月10日
发明者冉军学, 曾一平, 李晋闽, 梁勇, 王军喜, 胡国新, 胡强 申请人:中国科学院半导体研究所