專利名稱：用于化學氣相沉積工藝的噴淋頭和改善工藝均勻性的方法
技術領域：
本發(fā)明涉及化學氣相沉積(CVD)技術領域，特別涉及用于化學氣相沉積設備的噴淋頭和改善化學氣相沉積工藝均勻性的方法。
背景技術：
MOCVD (Metal-Organic Chemical Vapor Deposition)是在氣相外延生長(VPE)的基礎上發(fā)展起來的一種化學氣相外延沉積工藝。它以III族、II族元素的有機化合物和V、VI族元素的氫化物等作為晶體生長的源材料，以熱分解反應方式在至于石墨盤的襯底上進行沉積工藝，生長各種II1-V族、I1-VI族化合物半導體以及它們的多元固溶體的薄層單晶材料。下面對現(xiàn)有的化學氣相沉積工藝的原理進行說明。具體地，以MOCVD為例，請參考圖1所示的現(xiàn)有的化學氣相沉積工藝設備的結(jié)構(gòu)示意圖。手套箱10內(nèi)形成有相對設置的噴淋頭11和石墨盤12。所述噴淋頭11內(nèi)可以設置多個通孔，所述噴淋頭11用于提供反應氣體。所述石墨盤12內(nèi)具有多個凹槽，每個凹槽內(nèi)對應放置一片襯底121，所述襯底121的材質(zhì)通常為價格昂貴的藍寶石。所述石墨盤12的下方還形成有加熱單元13，所述加熱單元13對石墨盤12進行加熱，石墨盤12受熱升溫，能夠以熱輻射和熱傳導方式對襯底121進行加熱。由于襯底121放置在石墨盤12中，兩者接觸，因此石墨盤12對襯底121的加熱以熱傳導為主。在進行MOCVD工藝時，反應氣體自噴淋頭11的通孔進入石墨盤12上方的反應區(qū)域(靠近襯底121的表面的位置)，所述襯底121由于加熱單元13的熱傳導加熱而具有一定的溫度，從而該溫度使得反應氣體之間進行化學反應，從而在襯底121的表面沉積外延材料層。在MOCVD工藝結(jié)束后，將襯底121從手套箱10中取出，對外延材料層的特性進行測試。在實際中發(fā)現(xiàn)，在化學氣相沉積工藝過程中，無法對噴淋頭下方的襯底的情況進行實時監(jiān)控。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明實施例解決的問題是提供了化學氣相沉積工藝的噴淋頭和改善化學氣相沉積工藝均勻性的方法，在噴淋頭中設置窗口，能夠在化學氣相沉積工藝過程中對噴淋頭下方的襯底的情況進行實時監(jiān)控。為了解決上述問題，本發(fā)明提供一種用于化學氣相沉積工藝的噴淋頭，用于向襯底提供反應氣體，所述噴淋頭具有端口，所述端口具有與之對應設置的窗口透明板，所述窗口透明板作為觀察通道或測試通道，通過所述窗口透明板對化學氣相沉積工藝進行監(jiān)控，所述窗口透明板與端口之間通有吹掃氣體，所述吹掃氣體用于防止反應氣體在窗口透明板上發(fā)生化學反應或物理沉積?？蛇x地，所述吹掃氣體為氮氣、 氫氣或兩者的混合。
可選地，所述噴淋頭上還具有通孔，所述窗口透明板與端口之間還通有反應氣體，使得所述端口處的反應氣體的組分、流量密度與所述通孔處的反應氣體的組分、流量密度—致?？蛇x地，所述噴淋頭應用于MOCVD工藝，所述反應氣體為氨氣?？蛇x地，所述端口的面積為所述通孔面積的I 20倍?？蛇x地，所述窗口透明板用于使得原位測試裝置的光學信號通過，所述原位測試裝置用于測試的參數(shù)包括襯底上的外延材料層的生長速率、厚度、粗糙度、組分、溫度、反射率、翹曲度中的一個或多個。相應地，本發(fā)明還提供一種改善化學氣相沉積工藝的均勻性的方法，所述化學氣相沉積工藝利用具有端口、通孔的噴淋頭進行，且所述端口具有與之對應設置的窗口透明板，所述窗口透明板作為觀察通道或測試通道，在進行化學氣相沉積工藝時，在所述窗口透明板和端口之間通入吹掃氣體和 反應氣體，所述端口處的反應氣體的組分、流量密度與通孔處的反應氣體的組分、流量密度一致?？蛇x地，所述噴淋頭應用于MOCVD工藝，所述吹掃氣體為氮氣、氫氣或者兩者的混合，所述反應氣體為氨氣。可選地，所述窗口透明板用于使得原位測試裝置的光學信號通過，所述原位測試裝置用于測試的參數(shù)包括襯底上的外延材料層的生長速率、厚度、粗糙度、組分、溫度、反射率、翹曲度中的一個或多個?？蛇x地，所述反應氣體和吹掃氣體的流量可調(diào)節(jié)。與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)點:本發(fā)明在噴淋頭上設置窗口透明板，所述窗口透明板作為觀察通道或測試通道，這樣本領域技術人員可以通過所述窗口透明板對化學氣相沉積工藝進行監(jiān)控，為了防止反應氣體經(jīng)過端口并且在窗口透明板上發(fā)生化學反應或物理沉積，本發(fā)明在端口與窗口透明板之間通入吹掃氣體，防止窗口透明板的光學透過率下降，從而保證觀察或測試的準確度；進一步優(yōu)化地，所述端口與窗口透明板之間還通入了反應氣體，從而使得在進行化學氣相沉積工藝時斷口處的氣體環(huán)境，所述端口處的反應氣體的組分、流量密度與所述通孔處的反應氣體的組分、流量密度一致，從而改善了噴淋頭表面的反應氣體的分布的均勻性，提高了外延材料層的組分、厚度和性能的均勻性。


圖1是現(xiàn)有技術的MOCVD裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是本發(fā)明一個實施例的噴淋頭的俯視結(jié)構(gòu)示意圖；圖3是圖2沿AA線的剖面結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實施例方式現(xiàn)有的化學氣相沉積工藝過程中，無法對噴淋頭下方的襯底的情況進行實時監(jiān)控，也就無法獲得襯底表面的翹曲變形的情況、襯底表面形成的外延材料層的厚度、組分、均勻性等情況。
為了解決上述問題，本發(fā)明的發(fā)明人提供一種用于化學氣相沉積工藝的噴淋頭，用于向襯底提供反應氣體，所述噴淋頭具有端口，所述端口具有與之對應設置的窗口透明板，所述窗口透明板作為觀察通道或測試通道，通過所述窗口透明板對化學氣相沉積工藝進行監(jiān)控，所述窗口透明板與端口之間通有吹掃氣體，所述吹掃氣體用于防止反應氣體在窗口透明板上發(fā)生化學反應或物理沉積。下面結(jié)合實施例對本發(fā)明的技術方案進行詳細的說明。為了更好地說明本發(fā)明的技術方案，請結(jié)合圖2所示的本發(fā)明一個實施例的化學氣相沉積設備的噴淋頭。本實施例僅以MOCVD設備的噴淋頭為例，對其結(jié)構(gòu)進行說明，在實際中，本發(fā)明的噴淋頭還可以應用于其他的需要利用噴淋頭的化學氣相沉積設備。如圖2所示，噴淋頭100上形成有多個通孔101以及端口 102，噴淋頭100的一側(cè)朝向石墨盤(未圖示)和襯底，所述噴淋頭100的另一側(cè)與反應氣體管路相連接，所述通孔101用于通入反應氣體。所述通孔101形狀、尺寸和排布與現(xiàn)有技術相同，在此不作詳細的說明。請結(jié)合圖3所示，圖3為圖2沿AA的剖面結(jié)構(gòu)示意圖,端口 102包括形成在噴淋頭100內(nèi)的端口開口以及向噴淋頭100的遠離石墨盤200 —側(cè)的端口延伸部。參考圖3并結(jié)合圖2，端口開口貫穿噴淋頭100，所述端口開口與通孔101平行。所述端口延伸部用于支撐和固定窗口透明板103。作為一個實施例,所述端口延伸部可以與噴淋頭100結(jié)合為一體，即采用一體化成型的方式加工而成，這樣簡化噴淋頭100的制作流程；作為本發(fā)明的又一實施例，所述端口延伸部還可以與噴淋頭100分別制作，然后利用螺絲螺母等連接在一起。所述端口延伸部的材質(zhì)可以與噴淋頭100相同或不同，本實施例中，所述端口延伸部的材質(zhì)與噴淋頭100的材質(zhì)相同。所述端口延伸部與窗口透明板103相連接，作為一個實施例，所述端口延伸部通過環(huán)形法蘭109與端口延伸部相連接。為了保證光學信號能夠通過窗口透明板103，窗口透明板103的材質(zhì)應為透明耐熱材質(zhì)，比如所述窗口透明板103的材質(zhì)可以為藍寶石、石英等。所述窗口透明板103可以作為觀察或測試通道。作為本發(fā)明的一個實施例，所述窗口透明板103作為觀察通道，本領域技術人員可以通過該窗口透明板103作為觀察通道，通過該窗口透明板103對化學氣相沉積工藝進行監(jiān)控，觀察石墨盤200上放置的襯底(未圖示)的翹曲變形等情況。作為可選的實施例，所述窗口透明板103還具有與之相對應的頂蓋，在需要觀察的時候，該頂蓋打開，本領域技術人員可以透過窗口透明板103對襯底進行觀察，在不需要觀察的時候，頂蓋可以關閉。作為本發(fā)明的又一實施例，所述窗口透明板103作為測試通道，通過所述窗口透明板103對化學氣相沉積工藝進行監(jiān)控，本領域技術人員可以將利用該窗口透明板作為測試信號的通道，對襯底上形成的外延材料層的生長速率、厚度、粗糙度、均勻度、組分、翹曲度、反射率和溫度等參數(shù)中的一個或多個進行測試。所述測試信號可以為光學信號。

由于在噴淋頭100中設置端口 102，所述端口 102的面積(本發(fā)明中所述的端口的面積是指端口的位于噴淋頭內(nèi)的端口開口的面積)不宜過大，以免影響整個噴淋頭的氣流分布。作為一個實施例，所述端口 102的面積應為通孔101的面積的I 20倍，例如所述端口 102的面積可以為通孔101的面積的3倍、5倍、10倍甚至20倍，本領域技術人員可以根據(jù)實際需要進行具體的選擇和設置。所述端口 102的位置、通孔101的大小、數(shù)目和分布不限于本實施例所示，在實際中可以根據(jù)需要進行具體的選擇和設置。由于在噴淋頭上設置了端口 102，來自通孔101的反應氣體可能會擴散至端口 102內(nèi)，并且在窗口透明板103上物理沉積或者發(fā)生化學反應后沉積于窗口透明板103上，這會造成窗口透明板103的光學透過率下降，因而會影響觀察或測試的準確度。因此，作為本發(fā)明的可選的實施例，在所述窗口透明板103與端口 102之間通入吹掃氣體，所述吹掃氣體用于防止噴淋頭100與石墨盤200之間的反應氣體進入端口 102。所述吹掃氣體可以為氮氣、氫氣或兩者的混合。請參考圖3，氮氣自第一氣體源1081經(jīng)過第一管路1081流入端口 102的端口延伸部，并且經(jīng)過端口延伸部流向噴淋頭100的端口開口，氫氣自第二氣體源1082經(jīng)過第二管路1092流向端口 102的端口延伸部，并且經(jīng)過端口延伸部流向噴淋頭100的端口開口。作為進一步優(yōu)化的實施例，所述第一管路1081和第二管路1082上還可以設置氣體流量/壓力檢測單元和對應的氣體流量控制單元，用于對流向端口 102的吹掃氣體的流量和組成進行控制。所述氣體流量/壓力檢測單元可以為質(zhì)量流量控制器(MFC)和/或壓力控制器(PC)。在實際中，根據(jù)需要，為了簡化MOCVD的氣體系統(tǒng)，可以僅有設置單一的氮氣或氫氣的氣體源，通過氣體管道，向端口 102提供氮氣或氫氣。由于噴淋頭100上設置了端口 102，且端口 102中通入了吹掃氣體，吹掃氣體的材質(zhì)與通孔101中的反應氣體的材質(zhì)不同，這樣會造成噴淋頭100的朝向石墨盤200的一側(cè)的端口 102和通孔101處的反應氣體的分布不均勻，從而可能會造成石墨盤200上的濃度分布不均勻，最終導致石墨盤200上放置的襯底上形成的外延材料層的厚度不均勻，也會導致外延材料層的組分不均勻而無法滿足應用的要求。為了解決上述問題，發(fā)明人提出在端口 102中額外通入反應氣體，以彌補端口 102處的反應氣體的濃度不均勻的問題。以形成金屬氮化物的MOCVD工藝為例，通常需要氨氣和MO源的混合作為反應氣體，并且氨氣的含量通常遠遠大于MO源的含量(氨氣與MO源的摩爾比大于1000: I)，對 石墨盤200上方的化學反應的氣體環(huán)境影響較大。因此，本發(fā)明額外在端口 102中通入了氨氣，以彌補端口 102中的氨氣的分布不均勻的問題。結(jié)合圖3，氨氣自第三氣體源1083經(jīng)過第三管路1093流向端口 102。作為可選的實施例，所述第三管路1093上還可以設置氣體流量/壓力檢測單元和對應的氣體流量控制單元，用于對流向端口 102的反應氣體的流量和組成進行控制。所述氣體流量/壓力檢測單元可以為質(zhì)量流量控制器(MFC)和/或壓力控制器(PC)。由于在端口 102中額外通入了氨氣，從而對端口102處的反應氣體進行補充，使得整個噴淋頭的氣體分布更加均勻，使得所述端口處的反應氣體的組分、流量密度與所述通孔處的反應氣體的組分、流量密度一致。請繼續(xù)參考圖3，所述窗口透明板103用于原位測試裝置107的光學測試信號，光學信號經(jīng)過窗口透明板103和端口照射到放置于石墨盤200上的襯底表面，對襯底表面的外延材料層的特性參數(shù)進行測試。綜上，本發(fā)明在噴淋頭上設置窗口透明板，所述窗口透明板作為觀察通道或測試通道，這樣本領域技術人員可以通過所述窗口透明板對化學氣相沉積工藝進行監(jiān)控，為了防止反應氣體經(jīng)過端口并且在窗口透明板上發(fā)生化學反應或物理沉積，本發(fā)明在端口與窗口透明板之間通入吹掃氣體，防止窗口透明板的光學透過率下降，從而保證觀察或測試的準確度；
進一步優(yōu)化地，所述端口與窗口透明板之間還通入了反應氣體，從而使得在進行化學氣相沉積工藝時斷口處的氣體環(huán)境，所述端口處的反應氣體的組分、流量密度與所述通孔處的反應氣體的組分、流量密度一致，從而改善了噴淋頭表面的反應氣體的分布的均勻性，提高了外延材料層的組分、厚度和性能的均勻性。雖然本發(fā)明己以較佳實施例披露如上，但本發(fā)明并非限定于此。任何本領域技術人員，在不脫離本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)，均可作各種更動與修改，因此本發(fā)明的保護范圍應當以權利要求所限定的范圍為準。`
權利要求
1.一種用于化學氣相沉積工藝的噴淋頭，用于向襯底提供反應氣體，其特征在于，所述噴淋頭具有端口，所述端口具有與之對應設置的窗口透明板，所述窗口透明板作為觀察通道或測試通道，通過所述窗口透明板對化學氣相沉積工藝進行監(jiān)控，所述窗口透明板與端口之間通有吹掃氣體，所述吹掃氣體用于防止反應氣體在窗口透明板上發(fā)生化學反應或物理沉積。
2.如權利要求1所述的噴淋頭，其特征在于，所述吹掃氣體為氮氣、氫氣或兩者的混入口 ο
3.如權利要求1所述的噴淋頭，其特征在于，所述噴淋頭上還具有通孔，所述窗口透明板與端口之間還通有反應氣體，使得所述端口處的反應氣體的組分、流量密度與所述通孔處的反應氣體的組分、流量密度一致。
4.如權利要求3所述的噴淋頭，其特征在于，所述噴淋頭應用于MOCVD工藝，所述反應氣體為氨氣。
5.如權利要求3所述的噴淋頭，其特征在于，所述端口的面積為所述通孔面積的I 20倍。
6.如權利要求1所述的噴淋頭，其特征在于，所述窗口透明板用于使得原位測試裝置的光學信號通過，所述原位測試裝置用于測試的參數(shù)包括襯底上的外延材料層的生長速率、厚度、粗糙度、組分、溫度、反射率、翹曲度中的一個或多個。
7.一種改善化學氣相沉 積工藝的均勻性的方法，所述化學氣相沉積工藝利用具有端口、通孔的噴淋頭進行，且所述端口具有與之對應設置的窗口透明板，所述窗口透明板作為觀察通道或測試通道，其特征在于，在進行化學氣相沉積工藝時，在所述窗口透明板和端口之間通入吹掃氣體和反應氣體，所述端口處的反應氣體的組分、流量密度與通孔處的反應氣體的組分、流量密度一致。
8.如權利要求7所述的改善化學氣相沉積工藝的均勻性的方法，其特征在于，所述噴淋頭應用于MOCVD工藝，所述吹掃氣體為氮氣、氫氣或者兩者的混合，所述反應氣體為氨氣。
9.如權利要求7所述的改善化學氣相沉積工藝的均勻性的方法，其特征在于，將所述窗口透明板用于使得原位測試裝置的光學信號通過，所述原位測試裝置用于測試的參數(shù)包括襯底上的外延材料層的生長速率、厚度、粗糙度、組分、溫度、反射率、翹曲度中的一個或多個。
10.如權利要求7所述的改善化學氣相沉積工藝的均勻性的方法，其特征在于，所述反應氣體和吹掃氣體的流量可調(diào)節(jié)。
全文摘要
本發(fā)明提供一種用于化學氣相沉積工藝的噴淋頭和改善化學氣相沉積工藝的均勻性的方法，所述噴淋頭用于向襯底提供反應氣體，所述噴淋頭具有端口，所述端口具有與之對應設置的窗口透明板，所述窗口透明板作為觀察通道或測試通道，通過所述窗口透明板對化學氣相沉積工藝進行監(jiān)控，所述窗口透明板與端口之間通有吹掃氣體，所述吹掃氣體用于防止反應氣體在窗口透明板上發(fā)生化學反應或物理沉積。本發(fā)明使得本領域技術人員能夠在化學氣相沉積工藝過程中對噴淋頭下方的襯底的情況進行實時監(jiān)控。
文檔編號C23C16/52GK103074604SQ201210121860
公開日2013年5月1日 申請日期2012年4月23日 優(yōu)先權日2012年4月23日
發(fā)明者梁秉文 申請人:光達光電設備科技(嘉興)有限公司