專利名稱：同軸噴淋式噴頭及其應(yīng)用的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種同軸噴淋式噴頭及其應(yīng)用，用于化學(xué)氣相沉積(CVD)和 有機(jī)金屬化學(xué)氣相沉積方法(MOCVD)制備薄膜的工藝過程中，將所需反應(yīng)氣 體或等離子體通過本發(fā)明設(shè)計(jì)的雙通道或多通道同軸噴淋頭噴出成膜。
背景技術(shù)：
化學(xué)氣相沉積(CVD)和有機(jī)金屬化學(xué)氣相沉積(MOCVD)廣泛應(yīng)用于制備保 形介電薄膜，如Si02薄膜；以及發(fā)光二極管和激光二極管的有源層半導(dǎo)體薄 膜。CVD和MOCVD系統(tǒng)廣泛采用噴淋式設(shè)計(jì)的噴頭以產(chǎn)生層流而沉積均勻的 薄膜。噴淋頭技術(shù)同時(shí)是一項(xiàng)易于擴(kuò)充升級的技術(shù)，M簡單擴(kuò)充噴淋頭的面積 即可提升整個(gè)薄膜沉積系統(tǒng)的成膜面積，從而實(shí)現(xiàn)大面積多基片的薄膜沉積。噴 淋頭設(shè)計(jì)主要有兩種， 一種針對兩種氣體不易發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，即在室溫不會發(fā)生 反應(yīng)的情況，另一種針X寸兩種氣體易于發(fā)生反應(yīng)，在室溫或更低溫度下即可發(fā)生 反應(yīng)的情況。對于第一種情況，兩種氣體可以在進(jìn)入噴淋頭之前混和，因此噴 淋頭只需設(shè)計(jì)一1^t氣通道即可，這種設(shè)計(jì)也較為簡單。而對于第二種情況，兩 種氣體不能在SA噴淋頭之前，甚至也不能在噴淋頭內(nèi)部混和，而只能在通過噴 淋頭噴出之后混和。由于兩種氣體必須完全混和才能獲得均勻的薄膜沉積，因此 如果反應(yīng)氣體只是在噴出之后混和則難于實(shí)現(xiàn)充分的混和。英國Thomas Swan公 司對此提出了一種可行的解決途徑，其MOCVD反應(yīng)器采用了非常致密的交替 式噴頭，分別與兩個(gè)分離的進(jìn)氣通道連接，這種設(shè)計(jì)可以使氣體從噴頭噴出后即 充分混和，并且可以將噴頭與襯底的距離設(shè)計(jì)的非常接近。然而，這種噴頭需要
每平方英寸面積排列ioo個(gè)中空管交替連接到兩個(gè)分離的進(jìn)氣通道而組成，其加
工制作非常困難。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種同軸噴淋式噴頭及其應(yīng)用，解決化學(xué)氣相沉積 中，兩種氣體難于實(shí)現(xiàn)充分的混和，以及進(jìn)氣通道過于密集、加工制作困難等問 題。本發(fā)明旨在開發(fā)低成本、易于加工的噴淋頭，可以應(yīng)用于通過兩種反應(yīng)氣體或者等離子體沉積大面積均勻薄膜的場合。同時(shí)，本發(fā)明也致力于實(shí)現(xiàn)通過噴淋 頭噴射三種或更多反應(yīng)氣體或等離子體以用于大面積均勻薄膜沉積。 本發(fā)明的技術(shù)方案是
一禾中同軸噴淋式噴頭，該同軸噴淋式噴頭設(shè)有進(jìn)氣通道以及同軸管，同軸的 管道分別與對應(yīng)的進(jìn)氣通道魏。
戶，的同軸噴淋式噴頭，同軸管為兩個(gè)管道同軸；或者，同軸管為三個(gè)管道
離由；或者，同軸管為多個(gè)管道同軸。
戶;M的同軸噴淋式噴頭，同軸管的外管周圍附加一層水冷室，水冷室與下進(jìn) 氣通道底部相鄰并環(huán)繞同軸管的外管。
所述的同軸噴淋式噴頭，同軸管的內(nèi)管和外管對氣流具有相等的流導(dǎo)，并且
內(nèi)管和外管在噴頭出口處保持同一高度；或者，同軸管的內(nèi)管和外管對氣流具有 不同的流導(dǎo)，并且內(nèi)管和外管在噴頭出口處保持同一高度；或者，同軸管的內(nèi)管 和外管X寸氣流具有相同的流導(dǎo)，并且內(nèi)管和外管在噴頭出口處高度不同；或者， 同軸管的內(nèi)管和外管對氣流具有不同的流導(dǎo)，并且內(nèi)管和外管在噴頭出口處高度 不同。
所述的同軸噴淋式噴頭，在噴淋式噴頭上沿軸向設(shè)有通過噴淋式噴頭的進(jìn)氣 管或監(jiān)測管。
戶;M的同軸噴淋式噴頭的應(yīng)用，該同軸噴淋式噴頭應(yīng)用于CVD或MOCVD 方法沉積薄膜。
戶，的同軸噴淋式噴頭的應(yīng)用，該同軸噴淋式噴頭應(yīng)用于沉積GaN, AIN, InN, InGaN或AlGaN薄膜。
戶，的同軸噴淋式噴頭的應(yīng)用，該同軸噴淋式噴頭應(yīng)用于沉積ZnO, ZnM^), ZnCdO或ZnBeO薄膜。
所述的同軸噴淋式噴頭的應(yīng)用，該同軸噴淋式噴頭應(yīng)用于沉積SiQz或Si3N4 薄膜。
本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)及有益效果如下
1、本發(fā)明同軸噴淋頭由兩個(gè)分離的進(jìn)氣通道組成，每個(gè)通道都與大量高密 度分布的管相連接，分別與兩個(gè)通道相連的管又以同軸方式組對套在一起。其中 內(nèi)管與上進(jìn)氣通道相連，外管與下進(jìn)氣通道相連。上述設(shè)計(jì)可以保證兩禾中反應(yīng)氣
體由噴頭噴出之前不會發(fā)生混和。以采用MOCVD方法制備ZnO為例，通過 DEZn (二乙基鋅)和Oz兩種氣體沉積ZnO薄膜為例，噴淋頭的上進(jìn)氣通道與DEZn氣路連接，而下進(jìn)氣通道與02相連。噴淋頭的內(nèi)管和外管分別噴出DEZn 和02氣體。兩種氣體一旦從噴頭噴出后立即開始發(fā)生混和。此外，采用高密度 分布的同軸管(50個(gè)左右/平方英寸)，氣體離開噴頭一傲艮近的距離(3cm左 右)即可混和完全。本發(fā)明設(shè)計(jì)的外管橫截面積為內(nèi)管的兩倍，即DEZn和02 氣體具有相等的流導(dǎo)。按照常規(guī)設(shè)計(jì)，內(nèi)管和夕卜管在噴氣口處保持同一高度；此 外，內(nèi)管和外管在噴氣口處也可高度不同。
2、 本發(fā)明可以進(jìn)一步擴(kuò)充為三進(jìn)氣通道或多進(jìn)氣通道與三套同軸排列管或 多套同軸排列管相連的噴頭結(jié)構(gòu)，以滿足三種或多種反應(yīng)氣體或等離子體的需 要。本發(fā)明同時(shí)可以進(jìn)一步設(shè)計(jì)成不同尺寸的內(nèi)管和夕嗜，以及使內(nèi)管和外管距 離各自的進(jìn)氣通道的高度不同，以進(jìn)一步優(yōu)化氣流和氣體混和禾號。
3、 本發(fā)明同軸排列噴淋式設(shè)計(jì)的新型噴頭，適用于通過兩種氣相反應(yīng)物來 生長薄膜(或納米結(jié)構(gòu))的化學(xué)氣相沉積工藝，可以生長的材料包括SiQz， GaN、 ZnO等。
4、 本發(fā)明提出的噴淋式噴頭即由兩個(gè)或多個(gè)同軸管構(gòu)成，并且同軸管的每 個(gè)管各自所連接的進(jìn)氣通道是分離的。此外，本發(fā)明在同軸管周圍設(shè)計(jì)一個(gè)冷卻 室以提^t盾環(huán)7jC冷卻。本發(fā)明噴頭設(shè)計(jì)只需選擇合適的噴頭與襯底的距離，即可 有效避免兩種或多種反應(yīng)物氣體的預(yù)反應(yīng)，并且保證反應(yīng)氣體的充分混和。


圖1為同軸氣體噴淋頭的三維咅艦圖。 圖2為氣體噴淋頭二維橫截面圖(圖4的A-A剖視圖)。 圖3為氣體噴頭內(nèi)部同軸管排列的放大截面視圖。 圖4為同軸氣體噴淋頭頂視圖。 圖5為同軸氣體噴淋頭側(cè)視圖。 圖6為同軸氣體噴淋頭的底部視圖。
圖7為采用同軸噴淋式噴頭的MOCVD系統(tǒng)在4英寸硅襯底上生長的ZnO 薄膜。
圖中，1進(jìn)氣管I; 2進(jìn)氣管II; 3進(jìn)氣管III; 4進(jìn)水管；5出水管；6監(jiān)測 管；7上進(jìn)氣通道；8下進(jìn)氣通道；9水冷室；10內(nèi)管；11外管；12焊口； 13圓 盤；14進(jìn)氣管IV; 15同軸管。
具體實(shí)歸式如圖l"6所示，本發(fā)明采用同軸設(shè)計(jì)的噴淋式噴頭主要包含兩層進(jìn)氣通道 (上進(jìn)氣通道7和下進(jìn)氣通道8)、與其相連的一套兩個(gè)不同直徑的中空同軸管
15 (內(nèi)管IO和外管11)以及一層7K冷室9，兩層進(jìn)氣通道(即兩個(gè)分離氣體腔 室)、 一層7jC冷室各層之間通過圓盤13隔開，小直徑管-內(nèi)管10和大直徑管-外 管11分別與上進(jìn)氣通道7和下進(jìn)氣通道8連通；，氣通道7與進(jìn)氣管I 1相連 通，下進(jìn)氣通道8與進(jìn)氣管II2相連通，以噴入兩種氣相反應(yīng)物來生長薄膜。同 軸管15的外管11周圍附加一層水冷室9，水冷室9與下進(jìn)氣通道8底部相鄰并 環(huán)繞同軸管的外管ll，水冷室9兩端分別與進(jìn)水管4和出水管5相連通。其中，
1、 同軸管15的內(nèi)管IO和外管11對氣流可以具有相等的流導(dǎo)，并且內(nèi)管10 和外管11在噴頭出口處可以保持同一高度。
2、 同軸管15的內(nèi)管10和外管11對氣流可以具有不同的流導(dǎo)，并且內(nèi)管IO 和外管11在噴頭出口處可以保持同一高度。
3、 同軸管15的內(nèi)管IO和外管11對氣流可以具有相同的流導(dǎo)，并且內(nèi)管10 和外管11在噴頭出口處可以高度不同。
4、 同軸管15的內(nèi)管IO和外管11對氣流可以具有不同的流導(dǎo)，并且內(nèi)管10 和外管11在噴頭出口處可以高度不同。
如圖3所示，同軸管的外管11通過焊口 12焊接于對應(yīng)的圓盤13上。 本發(fā)明可以應(yīng)用于CVD或MOCVD方法沉積薄膜。如應(yīng)用于沉積GaN, 細(xì),InN, InGaN， AlGaN薄膜；或者，應(yīng)用于沉積ZnO， ZnMgO, ZnCdO, ZnBeO薄
膜；或者，應(yīng)用于沉積Si02或SisN4薄膜。
如圖7所示，采用同軸噴淋式噴頭的MOCVD系統(tǒng)在4英寸硅襯底上生長的 ZnO薄膜。由圖7可以看出，成膜相當(dāng)均勻(中心點(diǎn)除外，這是由于中心點(diǎn)的轉(zhuǎn) 速為零造成的)。
如圖4-6所示，本發(fā)明噴淋式噴頭上沿軸向設(shè)有通過噴淋式噴頭的進(jìn)氣管 1113、進(jìn)氣管W14鵬測管6;其中，進(jìn)氣管IH3、進(jìn)氣管IV14可以通有用于特殊 用途的氣體(如滲氮?dú)怏w等)，監(jiān)測管6可以安 頭，用于觀測膜厚等。
本發(fā)明設(shè)計(jì)的雙同軸管噴頭，可以進(jìn)一步推廣成包含三個(gè)或更多的同軸管的 噴頭，以應(yīng)用于需要噴射更多種反應(yīng)氣體的場合。此外，本發(fā)明的噴頭設(shè)計(jì)也可 通過調(diào)節(jié)各個(gè)噴管的長度來進(jìn)一步優(yōu)化薄膜生長工藝。
權(quán)利要求
1、一種同軸噴淋式噴頭，其特征在于該同軸噴淋式噴頭設(shè)有進(jìn)氣通道以及同軸管，同軸的管道分別與對應(yīng)的進(jìn)氣通道連通。
2、 按照權(quán)利要求1所述的同軸噴淋式噴頭，其特征在于同軸管為兩個(gè)管 道同軸；或者，同軸管為三個(gè)管道同軸；或者，同軸管為多個(gè)管道同軸。
3、 按照權(quán)利要求1所述的同軸噴淋式噴頭，其特征在于同軸管的外管周 圍附加一層7K冷室，水冷室與下進(jìn)氣通道底部相鄰并環(huán)繞同軸管的外管。
4、 按照權(quán)利要求1所述的同軸噴淋式噴頭，其特征在于同軸管的內(nèi)管和 外管對氣流具有相等的流導(dǎo)，并且內(nèi)管和外管在噴頭出口處保持同一高度；或者，同軸管的內(nèi)管和外管對氣流具有不同的流導(dǎo)，并且內(nèi)管和外管在噴頭出口處保持同一高度;或者，同軸管的內(nèi)管和外管X寸氣流具有相同的流導(dǎo)，并且內(nèi)管和 外管在噴頭出口處高度不同；或者，同軸管的內(nèi)管和外管對氣流具有不同的流 導(dǎo)，并且內(nèi)管和外管在噴頭出口處高度不同。
5、 按照權(quán)利要求1所述的同軸噴淋式噴頭，其特征在于在噴淋式噴頭上 沿軸向設(shè)有通過噴淋式噴頭的進(jìn)氣管，測管。
6、 按照權(quán)利要求1所述的同軸噴淋式噴頭的應(yīng)用，其特征在于該同軸噴淋式噴頭應(yīng)用于CVD或MOCVD方法沉積薄膜。
7、 按照權(quán)利要求6所述的同軸噴淋式噴頭的應(yīng)用，其特征在于該同軸噴 淋式噴頭應(yīng)用于沉積GaN, AIN, InN, InGaN或AlGaN薄膜。
8、 按照權(quán)利要求6所述的同軸噴淋式噴頭的應(yīng)用，其特征在于該同軸噴 淋式噴頭應(yīng)用于沉積ZnO, ZnM^), ZnCdO或ZnBeO薄膜。
9、 按照權(quán)利要求6所述的同軸噴淋式噴頭的應(yīng)用，其特征在于該同軸噴 淋式噴頭應(yīng)用于沉積SiQz或Si3N4薄膜。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種同軸排列噴淋式噴頭及其應(yīng)用，用于化學(xué)氣相沉積和有機(jī)金屬化學(xué)氣相沉積方法制備薄膜的工藝過程中，將所需反應(yīng)氣體或等離子體通過本發(fā)明設(shè)計(jì)的雙通道或多通道同軸噴淋頭噴出成膜。該同軸噴淋式噴頭設(shè)有進(jìn)氣通道以及同軸管，同軸的管道分別與對應(yīng)的進(jìn)氣通道連通。本發(fā)明解決化學(xué)氣相沉積中，兩種氣體難于實(shí)現(xiàn)充分的混合，以及進(jìn)氣通道過于密集、加工制作困難等問題。本發(fā)明適用于通過兩種氣相反應(yīng)物來生長薄膜(或納米結(jié)構(gòu))的化學(xué)氣相沉積工藝，可以生長的材料包括SiO₂，GaN和ZnO等。同時(shí)，本發(fā)明也致力于實(shí)現(xiàn)通過噴淋頭噴射三種或更多反應(yīng)氣體或等離子體以用于大面積均勻薄膜沉積。
文檔編號C23C16/44GK101294275SQ20071015882
公開日2008年10月29日 申請日期2007年12月12日 優(yōu)先權(quán)日2007年12月12日
發(fā)明者劉立寧, 孫小衛(wèi) 申請人:孫小衛(wèi);劉立寧