專(zhuān)利名稱：一種材料氣相外延用方形噴頭結(jié)構(gòu)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于在襯底上化學(xué)氣相沉積法(CVD)的裝置及方法，尤其涉及一種氫化物氣相外延(HVPE)里使用的噴頭設(shè)計(jì)。
背景技術(shù)：
氫化物氣相外延(HVPE)技術(shù)具有生長(zhǎng)速度快，生產(chǎn)成本低等特點(diǎn)，非常適用于III 族-氮化物半導(dǎo)體材料生長(zhǎng)，比如氮化鎵(GaN)晶片的大批量生產(chǎn)。隨著對(duì)于LED、LD、晶體管和集成電路的需求增加，沉積高質(zhì)量III族-氮化物薄膜的效率呈現(xiàn)出更大的重要性。為了增加產(chǎn)量和生產(chǎn)能力，期望在較大的襯底和/或更多襯底以及較大沉積區(qū)域之上的前驅(qū)物均勻混合。這些因素非常重要，由于其直接影響生產(chǎn)電子裝置的成本并且因而影響器件在市場(chǎng)中的競(jìng)爭(zhēng)力。
并且目前氫化物氣相外延(HVPE)技術(shù)所使用的噴頭結(jié)構(gòu)大多數(shù)為圓形結(jié)構(gòu)，在小尺寸襯底或者少數(shù)襯底的生長(zhǎng)上具有一定優(yōu)勢(shì)。當(dāng)襯底尺寸變大或者個(gè)數(shù)增加時(shí)，由于圓形噴頭的結(jié)構(gòu)限制，前驅(qū)物的混合不夠均勻，或者覆蓋面積過(guò)小，而不適合用于在大尺寸襯底或者多數(shù)量襯底的生長(zhǎng)上，但目前半導(dǎo)體生長(zhǎng)設(shè)備上的噴頭結(jié)構(gòu)在大尺寸/大沉積面積上的使用上具有一定局限性，前驅(qū)物在大尺寸襯底/大沉積面積上的均勻性不佳及生產(chǎn)效率過(guò)低，所以對(duì)于氫化物氣相外延(HVPE)技術(shù)所使用的噴頭進(jìn)行改進(jìn)是十分有必要的。發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目地在于針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)存在的不足，解決在較大的襯底和較大的沉積區(qū)域之上提供均勻的前驅(qū)物混合問(wèn)題，提供一種方形噴頭結(jié)構(gòu)，使第一前驅(qū)物，第二前驅(qū)物， 各種保護(hù)性氣體在反應(yīng)區(qū)域內(nèi)充分混合后形成較為均勻的流場(chǎng)。
為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明公開(kāi)了一種材料氣相外延用方形噴頭結(jié)構(gòu)，通過(guò)以下的技術(shù)方案加以實(shí)現(xiàn)一種材料氣相外延用方形噴頭結(jié)構(gòu)，包含有方形噴頭，所述方形噴頭內(nèi)設(shè)有多個(gè)相互獨(dú)立的隔離區(qū)域，隔離區(qū)域呈上下結(jié)構(gòu)依層排布，相鄰隔離區(qū)域之間形成獨(dú)立腔體并且相互隔離，方形噴頭頂部設(shè)有與隔離區(qū)域連通的輸入管道，隔離區(qū)域底部設(shè)有多個(gè)氣體噴管， 氣體噴管的噴口設(shè)于方形噴頭底部，隔離區(qū)域底部設(shè)有同芯間隔式氣體噴管，上層隔離區(qū)域的噴口位于間隔式氣體噴管的中心噴管底端，中間的隔離區(qū)域的噴口位于間隔式氣體噴管的中心噴管外側(cè)，底層隔離區(qū)域的噴口位于間隔式氣體噴管最外層，各噴口為間隔式相互隔離。
在其中一些實(shí)施例中，所述輸入管道上設(shè)有檢測(cè)并控制進(jìn)氣流速和流量的控制器，控制器監(jiān)控進(jìn)氣管道內(nèi)氣體的流速、流量并調(diào)節(jié)使 其均勻流場(chǎng)，各種氣體隔離開(kāi)來(lái)予以管控。
在其中一些實(shí)施例中，所述噴頭的外觀為方形，采用多個(gè)噴頭聯(lián)合使用，組成較大的噴頭區(qū)域，噴頭使用石英材質(zhì)。
在其中一些實(shí)施例中，所述所述方形噴頭頂部設(shè)有氮?dú)夤艿?、氯化鎵管道、氨氣管道，方形噴頭上部設(shè)有氯化鎵隔離區(qū)域，方形噴頭中部設(shè)有氮?dú)飧綦x區(qū)域，方形噴頭下部設(shè)有氨氣隔離區(qū)域，氮?dú)夤艿廓?dú)立連通氮?dú)飧綦x區(qū)域，氯化鎵管道獨(dú)立連通氯化鎵隔離區(qū)域， 氨氣管道獨(dú)立連通氨氣隔離區(qū)域，各隔離區(qū)域底部設(shè)有多個(gè)同心圓環(huán)噴管，同心圓環(huán)噴管?chē)娍谖挥诜叫螄婎^底部，上層氯化鎵隔離區(qū)域的氯化鎵噴口位于同心圓環(huán)噴管中心，中層氮?dú)飧綦x區(qū)域的氮?dú)鈬娍谖挥谕膱A環(huán)噴管的氯化鎵噴口外側(cè)，下層氨氣隔離區(qū)域的氨氣噴口位于同心圓環(huán)噴管最外層，各噴口為間隔式相互隔離。
本發(fā)明通過(guò)方形的噴頭結(jié)構(gòu)，獨(dú)立的隔離區(qū)域，以及多個(gè)噴頭聯(lián)合使用的方式，可使前驅(qū)物以及各種氣體混合后均勻沉積在襯底表面，并提高生產(chǎn)效率。本發(fā)明解決了在較大的襯底和較大的沉積區(qū)域之上提供均勻的前驅(qū)物混合問(wèn)題，提高生產(chǎn)出來(lái)的外延片的質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)III族-氮化物半導(dǎo)體晶片的大批量生產(chǎn)，提高III族-氮化物半導(dǎo)體晶片的生產(chǎn)效 率。


圖1為本發(fā)明實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2為本發(fā)明實(shí)施例氣體流向的示意圖。
圖3為本發(fā)明實(shí)施例氣體噴管部分的示意圖。
圖4為本發(fā)明實(shí)施例噴口部分的示意圖。
具體實(shí)施方式
為能進(jìn)一步了解本發(fā)明的特征、技術(shù)手段以及所達(dá)到的具體目的、功能，解析本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)與精神，藉由以下結(jié)合附圖與具體實(shí)施方式
對(duì)本發(fā)明的詳述得到進(jìn)一步的了解。
本發(fā)明提供一種材料氣相外延用方形噴頭結(jié)構(gòu)，方形噴頭內(nèi)設(shè)有多個(gè)相互隔離的隔離區(qū)域，隔離區(qū)域呈上下結(jié)構(gòu)依層排布，相鄰隔離區(qū)域之間形成獨(dú)立腔體并且相互隔離， 方形噴頭頂部設(shè)有與隔離區(qū)域連通的輸入管道，每種氣體從各自輸入管道獨(dú)立進(jìn)入隔離區(qū)域后，在此區(qū)域內(nèi)隔離開(kāi)來(lái)，以防過(guò)早混合反應(yīng)且其產(chǎn)物附著在噴頭內(nèi)壁。輸入管道上設(shè)有檢測(cè)并控制進(jìn)氣流速和流量的控制器，控制器監(jiān)控進(jìn)氣管道內(nèi)氣體的流速、流量并調(diào)節(jié)使其均勻流場(chǎng)，各種氣體隔離開(kāi)來(lái)予以管控，各隔離區(qū)域底部設(shè)有多個(gè)氣體噴管，氣體噴管的噴口設(shè)于方形噴頭底部，各隔離區(qū)域采用同芯間隔式氣體噴管，上層隔離區(qū)域的噴口位于間隔式氣體噴管的中心噴管底端，中間的隔離區(qū)域的噴口位于間隔式氣體噴管的中心噴管外側(cè)，底層隔離區(qū)域的噴口位于間隔式氣體噴管最外層，各噴口為間隔式相互隔離。
噴頭的外觀為方形，采用多個(gè)噴頭聯(lián)合使用的方式，組成較大的“噴頭區(qū)域”，實(shí)現(xiàn)大尺寸襯底或者多數(shù)量襯底的材料生長(zhǎng)。噴頭使用石英材質(zhì)。
方形噴頭頂部設(shè)有氮?dú)夤艿?、氯化鎵管道2、氨氣管道3，方形噴頭上部設(shè)有氯化鎵隔離區(qū)域4，方形噴頭中部設(shè)有氮?dú)飧綦x區(qū)域5，方形噴頭下部設(shè)有氨氣隔離區(qū)域6，氮?dú)夤艿繧獨(dú)立連通氮?dú)飧綦x區(qū)域5，氯化鎵管道2獨(dú)立連通氯化鎵隔離區(qū)域4，氨氣管道3獨(dú)立連通氨氣隔離區(qū)域6，各隔離區(qū)域底部設(shè)有多個(gè)同心圓環(huán)噴管7，同心圓環(huán)噴管7噴口位于方形噴頭底部，上層氯化鎵隔離區(qū)域4的氯化鎵噴口 12位于同心圓環(huán)噴管7中心，中層氮?dú)飧綦x區(qū)域5的氮?dú)鈬娍?11位于同心圓環(huán)噴管7的氯化鎵噴口 12外側(cè)，下層氨氣隔離區(qū)域6的氨氣噴口 13位于同心圓環(huán)噴管7最外層，各噴口為間隔式相互隔離。
本發(fā)明使第一前驅(qū)物、第二前驅(qū)物、各種保護(hù)性氣體以及載氣通過(guò)內(nèi)部管道過(guò)程中互相隔離的結(jié)構(gòu)，而從噴口處噴出后，在反應(yīng)區(qū)域內(nèi)充分混合形成較為均勻的流場(chǎng)。此外，此新型噴頭的外觀為規(guī)則的正方形，可采用多個(gè)噴頭聯(lián)合使用的方式，組成較大的“噴頭區(qū)域”，實(shí)現(xiàn)大尺寸襯底或者多數(shù)量襯底的材料生長(zhǎng)。
此噴頭使用石英或各種高強(qiáng)度，且熱膨脹系數(shù)較低的材質(zhì)，可以使此噴頭在高溫使用下不容易發(fā)生變形，產(chǎn)生損壞，或者對(duì)設(shè)備/材料生長(zhǎng)產(chǎn)生影響；方形結(jié)構(gòu)的噴頭可與多個(gè)噴頭聯(lián)合使用，形成非常大的生長(zhǎng)區(qū)域，使材料在此區(qū)域內(nèi)均勻生長(zhǎng)；多管道輸入氣體，噴頭結(jié)構(gòu)加入多管道設(shè)計(jì)，可以通入多種氣體，方便對(duì)氣體的監(jiān)測(cè)和控制，對(duì)工藝調(diào)試有較大幫助；多種氣體隔離區(qū)域，各種氣體進(jìn)入噴頭后，在一定區(qū)域內(nèi)將被隔離開(kāi)來(lái)，防止氣體提前混合反應(yīng)；氣體通過(guò)隔離區(qū)域后從噴口噴出，噴口一般為間隔式，將各種氣體分隔開(kāi)來(lái)，在噴出后再進(jìn)行混合。
參見(jiàn)附圖1所示，氮?dú)夤艿?:氮?dú)馔ㄟ^(guò)此管道進(jìn)入噴頭內(nèi)，并與其他氣體隔離開(kāi)來(lái)；氯化鎵管道2 :氯化鎵的混合氣體從此處通入，并與其他氣體隔離開(kāi)來(lái)；氨氣管道3 :氨氣通過(guò)此管道進(jìn)入噴頭，并與其他氣體隔離開(kāi)來(lái)；氯化鎵隔離區(qū)域4 :將各種氣體隔離開(kāi)來(lái)，防止這氣體在噴頭內(nèi)過(guò)早反應(yīng)，產(chǎn)生副產(chǎn)物污染噴頭；氮?dú)飧綦x區(qū)域5:氨氣從管道通入后進(jìn)入此區(qū)域，與其他氣體隔離開(kāi)來(lái)，并在此區(qū)域內(nèi)均勻擴(kuò)散，然后從下方的管道處排出；氨氣隔離區(qū)域6 :氮?dú)鈴墓艿劳ㄈ牒筮M(jìn)入此區(qū)域，與其他氣體隔離開(kāi)來(lái)，并在此區(qū)域內(nèi)均勻擴(kuò)散，然后從下方的管道處排出；同心圓環(huán)噴管7:各種氣體從此處排出噴頭，并在下方混合反應(yīng)，生成氮化鎵。
參見(jiàn)附圖2所示，氮?dú)夤艿繧把氮?dú)馔ㄟ^(guò)此管道進(jìn)入噴頭內(nèi)氮?dú)飧綦x區(qū)域5，并與其他氣體隔離開(kāi)來(lái)，最終從氮?dú)鈬娍?11噴出；氯化鎵管道2把氯化鎵的混合氣體從此處通入氯化鎵隔離區(qū)域4，并與其他氣體隔離開(kāi)來(lái)，最終從氯化鎵噴口 12噴出；氨氣管道3把氨氣通過(guò)此管道進(jìn)入噴頭內(nèi)氨氣隔離區(qū)域6，并與其他氣體隔離開(kāi)來(lái)，最終從氨氣噴口 13噴出。
實(shí)施例一涉及化學(xué)氣相沉積法(CVD)或者氫化物氣相外延(HVPE)的反應(yīng)都需要在高溫條件下進(jìn)行。所以噴頭結(jié)構(gòu)的制作材質(zhì)需要選擇高強(qiáng)度，不與反應(yīng)氣體產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)，且熱膨脹系數(shù)較低的材質(zhì)。
石英材質(zhì)熱膨脹系數(shù)較低，具有較高的強(qiáng)度，且不與各種反應(yīng)氣體發(fā)生反應(yīng)，故選用石英制作噴頭。
氯化氫通過(guò)鎵源后形成氯化鎵的混合物，并通過(guò)管道進(jìn)入噴頭第一隔離區(qū)域內(nèi)， 在噴頭內(nèi)均勻擴(kuò)散，然后通過(guò)下方的中心管道排出。
氨氣通過(guò)進(jìn)氣管道進(jìn)入噴頭，并在氨氣區(qū)域均勻擴(kuò)散，然后通過(guò)下方的管道排出。
氮?dú)馔ㄟ^(guò)進(jìn)氣管道進(jìn)入噴頭，并在氮?dú)鈪^(qū)域均勻擴(kuò)散，然后通過(guò)下方的管道排出。
三種不同的氣體通過(guò)不同管道在噴口處排出，噴口采用的同心圓環(huán)結(jié)構(gòu)能起到較好的隔離效果，氮?dú)庥行У貙⒙然壓桶睔飧綦x開(kāi)來(lái)，防止這兩種氣體過(guò)早反應(yīng)，產(chǎn)生副產(chǎn)物污染噴口。
當(dāng)氣體到達(dá)下方區(qū) 域時(shí)，將混合反應(yīng)，在襯底表面生成氮化鎵。
實(shí)施例二 涉及化學(xué)氣相沉積法(CVD)或者氫化物氣相外延(HVPE)的反應(yīng)都需要在高溫條件下進(jìn)行。所以噴頭結(jié)構(gòu)的制作材質(zhì)需要選擇高強(qiáng)度，不與反應(yīng)氣體產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)，且熱膨脹系數(shù)較低的材質(zhì)。
石英材質(zhì)熱膨脹系數(shù)較低，具有較高的強(qiáng)度，且不與各種反應(yīng)氣體發(fā)生反應(yīng)，故選用石英制作噴頭。
利用多個(gè)石英噴頭組合使用，在反應(yīng)腔室內(nèi)可形成較大的反應(yīng)面積，有利于大尺寸襯底或者多數(shù)量的襯底生長(zhǎng)。
氯化氫通過(guò)鎵源后形成氯化鎵的混合物，并通過(guò)管道進(jìn)入噴頭第一隔離區(qū)域內(nèi)， 在噴頭內(nèi)均勻擴(kuò)散，然后通過(guò)下方的中心管道排出。
氨氣通過(guò)進(jìn)氣管道進(jìn)入噴頭，并在氨氣區(qū)域均勻擴(kuò)散，然后通過(guò)下方的管道排出。
氮?dú)馔ㄟ^(guò)進(jìn)氣管道進(jìn)入噴頭，并在氮?dú)鈪^(qū)域均勻擴(kuò)散，然后通過(guò)下方的管道排出。
三種不同的氣體通過(guò)不同管道在噴口處排出，噴口采用的同心圓環(huán)結(jié)構(gòu)能起到較好的隔離效果，氮?dú)庥行У貙⒙然壓桶睔飧綦x開(kāi)來(lái)，防止這兩種氣體過(guò)早反應(yīng)，產(chǎn)生副產(chǎn)物污染噴口。
當(dāng)氣體到達(dá)下方區(qū)域時(shí)，將混合反應(yīng)，在襯底生成氮化鎵。
本發(fā)明石英噴頭整體方形結(jié)構(gòu)，石英噴頭多個(gè)獨(dú)立水平隔離區(qū)域，多個(gè)石英噴頭組合使用。
以上所述實(shí)施例僅 表達(dá)了本發(fā)明的部分實(shí)施方式，其描述較為具體和詳細(xì)，但并不能因此而理解為對(duì)本發(fā)明范圍的限制。應(yīng)當(dāng)指出的是，對(duì)于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來(lái)說(shuō)， 在不脫離本發(fā)明構(gòu)思的前提下，還可以做出若干變形和改進(jìn)，這些都屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。因此，本發(fā)明的保護(hù)范圍應(yīng)以所附權(quán)利要求為準(zhǔn)。
權(quán)利要求
1.一種材料氣相外延用方形噴頭結(jié)構(gòu)，包含有方形噴頭，其特征在于，所述方形噴頭內(nèi)設(shè)有多個(gè)相互獨(dú)立的隔離區(qū)域，所述隔離區(qū)域呈上下結(jié)構(gòu)依層排布，相鄰隔離區(qū)域之間形成獨(dú)立腔體并且相互隔離，所述方形噴頭頂部設(shè)有與隔離區(qū)域連通的輸入管道，所述隔離區(qū)域底部設(shè)有多個(gè)氣體噴管，所述氣體噴管的噴口設(shè)于方形噴頭底部，所述隔離區(qū)域底部設(shè)有同芯間隔式氣體噴管，上層隔離區(qū)域的噴口位于間隔式氣體噴管的中心噴管底端， 中間的隔離區(qū)域的噴口位于間隔式氣體噴管的中心噴管外側(cè)，底層隔離區(qū)域的噴口位于間隔式氣體噴管最外層，各噴口為間隔式相互隔離。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種材料氣相外延用方形噴頭結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述輸入管道上設(shè)有檢測(cè)并控制進(jìn)氣流速和流量的控制器，所述控制器監(jiān)控進(jìn)氣管道內(nèi)氣體的流速、流量并調(diào)節(jié)使其均勻流場(chǎng)，各種氣體隔離開(kāi)來(lái)予以管控。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種材料氣相外延用方形噴頭結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述噴頭的外觀為方形，采用多個(gè)噴頭聯(lián)合使用，組成較大的噴頭區(qū)域，所述噴頭使用石英材質(zhì)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種材料氣相外延用方形噴頭結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述方形噴頭頂部設(shè)有氮?dú)夤艿?I)、氯化鎵管道(2)、氨氣管道(3)，所述方形噴頭上部設(shè)有氯化鎵隔離區(qū)域(4)，所述方形噴頭中部設(shè)有氮?dú)飧綦x區(qū)域(5)，所述方形噴頭下部設(shè)有氨氣隔離區(qū)域(6)，所述氮?dú)夤艿?I)獨(dú)立連通氮?dú)飧綦x區(qū)域(5)，所述氯化鎵管道(2)獨(dú)立連通氯化鎵隔離區(qū)域(4)，所述氨氣管道(3)獨(dú)立連通氨氣隔離區(qū)域(6)，各隔離區(qū)域底部設(shè)有多個(gè)同心圓環(huán)噴管(7)，所述同心圓環(huán)噴管(7)噴口位于所述方形噴頭底部，上層氯化鎵隔離區(qū)域(4)的氯化鎵噴口(12)位于同心圓環(huán)噴管(7)中心，中層氮?dú)飧綦x區(qū)域(5)的氮?dú)鈬娍?11)位于同心圓環(huán)噴管(7)的氯化鎵噴口(12)外側(cè)，下層氨氣隔離區(qū)域(6)的氨氣噴口(13)位于同心圓環(huán)噴管(7)最外層，各噴口為間隔式相互隔離。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種材料氣相外延用方形噴頭結(jié)構(gòu)，解決在較大的襯底和較大的沉積區(qū)域之上提供均勻的前驅(qū)物混合問(wèn)題。本發(fā)明方形噴頭內(nèi)設(shè)有多個(gè)相互獨(dú)立的隔離區(qū)域，隔離區(qū)域呈上下結(jié)構(gòu)依層排布，方形噴頭頂部設(shè)有與隔離區(qū)域連通的輸入管道，隔離區(qū)域底部設(shè)有多個(gè)氣體噴管，氣體噴管的噴口設(shè)于方形噴頭底部。本發(fā)明通過(guò)方形的噴頭結(jié)構(gòu)，獨(dú)立的隔離區(qū)域，以及多個(gè)噴頭聯(lián)合使用的方式，可使前驅(qū)物以及各種氣體混合后均勻沉積在襯底表面，并提高生產(chǎn)效率。
文檔編號(hào)C23C16/455GK103060906SQ20131001239
公開(kāi)日2013年4月24日 申請(qǐng)日期2013年1月14日 優(yōu)先權(quán)日2013年1月14日
發(fā)明者張俊業(yè), 劉鵬, 畢綠燕, 趙紅軍, 袁志鵬, 張國(guó)義, 童玉珍 申請(qǐng)人:東莞市中鎵半導(dǎo)體科技有限公司, 北京大學(xué)