CN102492937A - 用于金属化学气相沉积设备反应室的进气喷淋头 - Google Patents
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Abstract
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：一混气室，该混气室为一桶状，在混气室的上面或侧面连通有多个进气通道；一冷却匀气喷头，固接于混气室的下面。其中冷却匀气喷头包括：一上盖板、一下盖板和侧壁，该上盖板、一下盖板和侧壁构成密封的空间，该上盖板和下盖板之间贯通有多个进气通道，该进气通道的周围及上盖板和下盖板之间为冷却通道。
Description
技术领域
本发明涉及用于制备III-V族化合物半导体材料的装置和方法，特别涉及到制备氮化物半导体的有机金属化学气相沉积(MOCVD)设备的反应室进气喷淋头结构。
技术背景
MOCVD(Metal Organic Chemical Vapor Deposition，金属有机物化学气相沉积)设备，用于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制备，尤其适合规模化工业生产，因此成为目前化合物半导体外延材料研究和生产的关键设备，是当前生产半导体光电器件和微波器件材料的主要手段，随着LED产业的迅猛发展，该类设备的应用越来越广泛。
目前应用的MOCVD系统进气顶盘广泛采用喷淋式设计的喷头，多个专利公开了这种类型的混气匀气顶盘结构，如欧美EP0687749A1、US5871586、DE 69504762T2等专利，在国内公开的类似专利如CN 201933153U、CN1563483、CN201634761U、CN101294275A以及CN101985742A等专利，这种类似结构即业内熟知的喷淋头结构，典型结构如图1(EP 0687749A1)所示，主要包括分别有两个水平放置的板彼此间隔开形成的三个腔室，上方的两个腔室分别是氢化物如氨气腔室和有机源气体腔室，最下面腔室是冷却室，三个腔室彼此分隔密封，每个气体腔室通过高达上万个小管分别连接至气体喷淋头冷却室的底面，气体通过气体喷淋头底面的多个气体出口开口喷射到反应室衬底上，其优点是容易形成均匀的气流，产生层流而沉积均匀的薄膜。这种类似结构的反应气体都是从喷淋头底面的气体出口喷出后开始混合，喷口疏散则难于实现充分的混合，因此必须采用非常致密的细管结构，并且交替排布穿过两个腔室，加工难度非常大。
US7976631B2揭示了另一种类似结构的喷淋头结构，结构中设计了预先混合通道，如图2所示，III族源和V族源气体分别进入腔室144和145内，进入腔室144的气体通过通道142进入混合通道150中，进入腔室145中的气体进入管道147再通过通道143进入混合通道150中，两种气体在混合通道150初步混合后向衬底喷射。这种结构基本实现了气体到达衬底前充分混合，但缺点是III族源气体依然需成千上万金属细管穿过V族源气体腔室进入混合通道，加工难度很大，而且水冷通道与气体通道平行交错排布，底表面积较大，混合通道中难以保证合适的冷却效果，容易造成预反应，在表面沉积。
喷淋头冷却室起到冷却和匀气的作用，从冷却室出来的反应气体在进入反应室之前保持在预定的温度之下，避免温度过高发生化学反应，若温度过高发生严重预反应，在进气喷头表面或通道产生沉积，将产生杂质颗粒影响晶体质量，同时造成反应物的不必要消耗。CN101985742A也提出了喷淋头的冷却结构，分为外围通道和中央通道，外围通道分为对称平分的两个，中央通道没有分割，冷却液在管路林立的大面积中央通道流动难免会产生流动死区或者回流，冷却均匀性效果难以保证。
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淋头结构，其是在喷淋头内部混合后喷出，可以使反应气体完全充分混合，容易达到均匀生长的气流模式，从而获得均匀的外延膜，可以将大大降低喷淋头底面与衬托之间的距离，从而减少反应用气量。
本发明提供一种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：
一混气室，该混气室为一桶状，在混气室的上面或侧面连通有多个进气通道；
一冷却匀气喷头，固接于混气室的下面。
其中冷却匀气喷头包括：一上盖板、一下盖板和侧壁，该上盖板、一下盖板和侧壁构成密封的空间，该上盖板和下盖板之间贯通有多个进气通道，该进气通道的周围及上盖板和下盖板之间为冷却通道。
其中冷却通道为多组，每一组冷却通道包括一冷却剂入口和一冷却剂出口。
其中冷却匀气喷头的下盖板的表面喷涂有隔热涂层，其可抑制或屏蔽热辐射。
其中冷却匀气喷头的下盖板表面的温度小于200℃。
其中混气室和冷却匀气喷头的材料为不锈钢。
附图说明
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点，其中：
图1是现有技术的结构示意图；
图2是现有技术的另一结构示意图；
图3是本发明专利具体实施例的喷淋头的反应室结构示意图；
图4是本发明专利具体实施例的喷淋头结构示意图；
图5是具体实施例的喷淋头顶视图；
图6是图5内部冷却剂管路剖视示意图。
具体实施方式
请参阅图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：
一混气室110，该混气室110为一桶状，在混气室110的上面或侧面连通有多个进气通道111；
一冷却匀气喷头120，固接于混气室110的下面，所述冷却匀气喷头102包括：一上盖板122、一下盖板123和侧壁125，该上盖板122、一下盖板123和侧壁125构成密封的空间，该上盖板122和下盖板123之间贯通有多个进气通道121，该进气通道121的周围及上盖板122和下盖板123之间为冷却通道124，所述冷却通道124为多组，每一组冷却通道124包括一冷却剂入口126和一冷却剂出口127，所述冷却匀气喷头120的下盖板123的表面喷涂有隔热涂层，其可抑制或屏蔽热辐射，所述冷却匀气喷头120的下盖板123表面的温度小于200℃。
其中混气室110和冷却匀气喷头120的材料为不锈钢。
下面结合实施例并对照附图对本发明作进一步的说明。图3是根据本发明的一个实施例的金属有机化学气相沉积设备反应室的示意性剖视图，应理解，本公开的图3及其它附图重点示出根据本发明的一个实施方式的构成特征，这些附图并不意在示出设备中的每一个单个部件。如图3所示，图中虚线上部分为根据本发明揭示的喷淋头，虚线下部分为反应室腔体20，喷淋头和腔体20构成金属有机化学气相沉积反应室，气体通过喷淋头进入反应室内，向放置在基座21上的衬底22喷射，基座21下方有加热装置23，气体在衬底22上反应沉积，形成外延薄层。
图4是本发明专利实施例的喷淋头结构示意图，喷淋头主要有两部分构成，图中虚线上部分是混气室110，下部分是冷却匀气喷头120，气体混合室110和冷却匀气喷头120之间通过可拆卸固定装置固定连接，混气室110和冷却匀气喷头120上盖板122构成气体的混合空间；混气室110有两个进气通道111，反应气体或载气通过进气通道111进入混气室110内，这些气体进气通道111包括氢化物如氨气的进气管路，包括有机源如TMGa和载气如氮气、氢气的进气管路，为了达到各种气体的充分混合，将混气室110的进气口做成相互喷射的喷嘴，或者是相互间隔盘绕的多孔管路等方式(图中未示出)，最终目的是实现反应气体或载气在所述的混合室内完全充分混合。
冷却匀气喷头120是一个将气体均匀分散的密封装置，同时由于直接面对反应腔体中衬托的高温辐射，需要充分冷却，保持低温，以降低在其表面和管路内发生预反应造成沉积，此结构优先选择不锈钢材质。内部有两组通道，一组为进气通道121，竖直均匀规则排布在冷却匀气喷头120内部，进气通道121可以呈规则排列的细孔、细管或狭缝，也可以在金属板条上打孔，开狭缝，或在上下表面焊接细管。所谓规则排布如成直线状、圆弧、六边形顶点等规则形状进气匀气，优先选择成直线排布的细孔排列，孔径0.5mm-5mm，本实施例进气通道121是成线性规则排布的金属板条上打的细孔，孔径、孔间均为约1.5mm，冷却匀气喷头进气通道121贯穿冷却匀气喷头的上盖板122和下盖板123，其上口面对混气室，下口面对衬底基座。由于气体已经提前充分混合，进气通道密度相比其他喷淋头结构至少可以降低一倍，大大降低加工难度。
冷却匀气喷头120内另一组通道为冷却通道124，冷却通道124水平环绕在竖直进气通道周围。冷却通道124可以是圆形、直立椭圆形或方形通道，冷却剂从冷却通道中流过，冷却剂可以为水或油类，优先选择冷却水作为冷却剂。冷却匀气喷头有若干组冷却通道，每一组冷却通道具有引入冷却剂的冷却剂入口和相应排放冷却剂的冷却剂出口，所述的冷却剂入口和冷却剂出口在冷却匀气喷头侧面与冷却通道联通。
一般GaN基材料衬底温度在1000℃到1100℃之间，冷却匀气喷头下盖板123表面直接面对反应室基座21，因此下盖板123承受从基座21传递来的巨大热量，主要承受辐射加热。而从冷却匀气喷头120出来的NH3和有机源等反应气体已经充分混合，因此需要冷却匀气喷头120控制在合适的温度，冷却匀气喷头120上盖板122温度低于100℃，优先选择40℃-60℃之间，冷却匀气喷头下盖板123表面温度低于200℃，优先选择80℃-150℃之间。为了达到冷却剂流动冷却效果，冷却通道环绕在竖直进气通道周围，充分将规则排列的进气通道隔开，避免形成流动冷却液的流动死区，或漩涡，也可采用增压或泵抽提高冷却剂流动速率，提高换热效率，达到所要温度限制。除优化冷却管道结构设计，提高冷却剂压力、流速等提高冷却效果外，还可以在冷却匀气喷头下表面通过表面处理措施，如冷却匀气喷头下表面抛光，增加辐射反射率，降低热吸收和温度；或隔热涂层喷涂冷却匀气下表面，如在表面喷涂耐高温隔热保温涂料，形成一层坚硬的陶瓷釉面硬壳，能有效抑制并屏蔽红外线的辐射热和热量的传导，起到降温作用。
本实施例采取了两种主要措施，一种是采用多组冷却通道。图5、图6中示出了两组，图6是图5内部冷却剂管路剖视示意图，箭头表示冷却剂的流动方向，每一组冷却通道有引入冷却剂的冷却剂入口126和相应排放冷却剂的冷却剂出口127，冷却剂入口126和冷却剂出口127在冷却匀气喷头120侧壁与冷却通道124联通；每一条冷却通道124将直线排布的进气通道121隔开，避免形成流动冷却液的流动死区或漩涡，提高换热效果。
本实施例中采取的另一种措施是在冷却匀气喷头下盖板123表面通过涂层处理，阻挡红外高温辐射，达到防止表面温度过高的效果，具体措施是在冷却匀气喷头下盖板123表面喷涂耐高温隔热保温涂料，有效抑制并屏蔽反应室基座22高温红外线的辐射热和热量的传导，起到降温作用。
本发明的优点之一是，不像现有技术应用的那样气体从喷淋头喷出后再混合，而是在喷淋头内部混合后喷出，可以使反应气体完全充分混合，混合效果好，容易达到均匀生长的气流模式，从而获得均匀的外延膜。
本发明的另一个优点是这可以将大大降低喷淋头底面与衬托之间的距离，从而减少反应用气量，降低设备运行成本。
本发明的另一个优点是不同气体进入同一个进气腔室混合，与现有技术中至少两个进气室相比，简化结构，可避免焊接成千上万个密集金属空心管，采用较简单加工工艺即可实现。
本发明提出的冷却匀气喷头方案，如多组冷却管道或在冷却匀气盘下表面喷涂耐高温隔热保温涂料等，提高温控的均匀性、稳定性、降低表面温度，具有好的冷却效果，避免NH3和有机源等反应气体在气体混合室和冷却匀气室通道中发生反应，减少表面沉积。
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。
Claims (6)
1.一种用于金属化学气相沉积设备反应室的进气喷淋头，包括：
一混气室，该混气室为一桶状，在混气室的上面或侧面连通有多个进气通道；
一冷却匀气喷头，固接于混气室的下面。
2.如权利要求1所述的用于金属化学气相沉积设备反应室的进气喷淋头，其中冷却匀气喷头包括：一上盖板、一下盖板和侧壁，该上盖板、一下盖板和侧壁构成密封的空间，该上盖板和下盖板之间贯通有多个进气通道，该进气通道的周围及上盖板和下盖板之间为冷却通道。
3.如权利要求2所述的用于金属化学气相沉积设备反应室的进气喷淋头，其中冷却通道为多组，每一组冷却通道包括一冷却剂入口和一冷却剂出口。
4.如权利要求1所述的用于金属化学气相沉积设备反应室的进气喷淋头，其中冷却匀气喷头的下盖板的表面喷涂有隔热涂层，其可抑制或屏蔽热辐射。
5.如权利要求1所述的用于金属化学气相沉积设备反应室的进气喷淋头，其中冷却匀气喷头的下盖板表面的温度小于200℃。
6.如权利要求1所述的用于金属化学气相沉积设备反应室的进气喷淋头，其中混气室和冷却匀气喷头的材料为不锈钢。
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