專利名稱：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。
背景技術(shù)：
氫化物氣相外延(HVPE)技術(shù)具有生長速度快，生產(chǎn)成本低等特點，非常適用于III 族-氮化物半導(dǎo)體材料生長，比如氮化鎵(GaN)晶片的大批量生產(chǎn)。隨著對于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中的競爭力。
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)襯底的生長上具有一定優(yōu)勢。當(dāng)襯底尺寸變大或者個數(shù)增加時，由于圓形噴頭的結(jié)構(gòu)限制，前驅(qū)物的混合不夠均勻，或者覆蓋面積過小，而不適合用于在大尺寸襯底或者多數(shù)量襯底的生長上，但目前半導(dǎo)體生長設(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)效率過低，所以對于氫化物氣相外延(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。
為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明公開了一種材料氣相外延用方形噴頭結(jié)構(gòu)，通過以下的技術(shù)方案加以實現(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)有多個相互獨立的隔離區(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。
在其中一些實施例中，所述輸入管道上設(shè)有檢測并控制進(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，各種氣體隔離開來予以管控。
在其中一些實施例中，所述噴頭的外觀為方形，采用多個噴頭聯(lián)合使用，組成較大的噴頭區(qū)域，噴頭使用石英材質(zhì)。
在其中一些實施例中，所述所述方形噴頭頂部設(shè)有氮氣管道、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)有氮氣隔離區(qū)域，方形噴頭下部設(shè)有氨氣隔離區(qū)域，氮氣管道獨立連通氮氣隔離區(qū)域，氯化鎵管道獨立連通氯化鎵隔離區(qū)域， 氨氣管道獨立連通氨氣隔離區(qū)域，各隔離區(qū)域底部設(shè)有多個同心圓環(huán)噴管，同心圓環(huán)噴管噴口位于方形噴頭底部，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，中層氮氣隔離區(qū)域的氮氣噴口位于同心圓環(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)明通過方形的噴頭結(jié)構(gòu)，獨立的隔離區(qū)域，以及多個噴頭聯(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)物混合問題，提高生產(chǎn)出來的外延片的質(zhì)量，實現(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)明實施例的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2為本發(fā)明實施例氣體流向的示意圖。
圖3為本發(fā)明實施例氣體噴管部分的示意圖。
圖4為本發(fā)明實施例噴口部分的示意圖。
具體實施方式
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)點與精神，藉由以下結(jié)合附圖與具體實施方式
對本發(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立進(jìn)入隔離區(qū)域后，在此區(qū)域內(nèi)隔離開來，以防過早混合反應(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，各種氣體隔離開來予以管控，各隔離區(qū)域底部設(shè)有多個氣體噴管，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，采用多個噴頭聯(lián)合使用的方式，組成較大的“噴頭區(qū)域”，實現(xiàn)大尺寸襯底或者多數(shù)量襯底的材料生長。噴頭使用石英材質(zhì)。
方形噴頭頂部設(shè)有氮氣管道1、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)有氮氣隔離區(qū)域5，方形噴頭下部設(shè)有氨氣隔離區(qū)域6，氮氣管道I獨立連通氮氣隔離區(qū)域5，氯化鎵管道2獨立連通氯化鎵隔離區(qū)域4，氨氣管道3獨立連通氨氣隔離區(qū)域6，各隔離區(qū)域底部設(shè)有多個同心圓環(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，中層氮氣隔離區(qū)域5的氮氣噴口 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內(nèi)部管道過程中互相隔離的結(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。此外，此新型噴頭的外觀為規(guī)則的正方形，可采用多個噴頭聯(lián)合使用的方式，組成較大的“噴頭區(qū)域”，實現(xiàn)大尺寸襯底或者多數(shù)量襯底的材料生長。
此噴頭使用石英或各種高強度，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，或者對設(shè)備/材料生長產(chǎn)生影響；方形結(jié)構(gòu)的噴頭可與多個噴頭聯(lián)合使用，形成非常大的生長區(qū)域，使材料在此區(qū)域內(nèi)均勻生長；多管道輸入氣體，噴頭結(jié)構(gòu)加入多管道設(shè)計，可以通入多種氣體，方便對氣體的監(jiān)測和控制，對工藝調(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)將被隔離開來，防止氣體提前混合反應(yīng)；氣體通過隔離區(qū)域后從噴口噴出，噴口一般為間隔式，將各種氣體分隔開來，在噴出后再進(jìn)行混合。
參見附圖1所示，氮氣管道1:氮氣通過此管道進(jìn)入噴頭內(nèi)，并與其他氣體隔離開來；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來；氨氣管道3 :氨氣通過此管道進(jìn)入噴頭，并與其他氣體隔離開來；氯化鎵隔離區(qū)域4 :將各種氣體隔離開來，防止這氣體在噴頭內(nèi)過早反應(yīng)，產(chǎn)生副產(chǎn)物污染噴頭；氮氣隔離區(qū)域5:氨氣從管道通入后進(jìn)入此區(qū)域，與其他氣體隔離開來，并在此區(qū)域內(nèi)均勻擴散，然后從下方的管道處排出；氨氣隔離區(qū)域6 :氮氣從管道通入后進(jìn)入此區(qū)域，與其他氣體隔離開來，并在此區(qū)域內(nèi)均勻擴散，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。
參見附圖2所示，氮氣管道I把氮氣通過此管道進(jìn)入噴頭內(nèi)氮氣隔離區(qū)域5，并與其他氣體隔離開來，最終從氮氣噴口 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來，最終從氯化鎵噴口 12噴出；氨氣管道3把氨氣通過此管道進(jìn)入噴頭內(nèi)氨氣隔離區(qū)域6，并與其他氣體隔離開來，最終從氨氣噴口 13噴出。
實施例一涉及化學(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。
氯化氫通過鎵源后形成氯化鎵的混合物，并通過管道進(jìn)入噴頭第一隔離區(qū)域內(nèi)， 在噴頭內(nèi)均勻擴散，然后通過下方的中心管道排出。
氨氣通過進(jìn)氣管道進(jìn)入噴頭，并在氨氣區(qū)域均勻擴散，然后通過下方的管道排出。
氮氣通過進(jìn)氣管道進(jìn)入噴頭，并在氮氣區(qū)域均勻擴散，然后通過下方的管道排出。
三種不同的氣體通過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，氮氣有效地將氯化鎵和氨氣隔離開來，防止這兩種氣體過早反應(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，將混合反應(yīng)，在襯底表面生成氮化鎵。
實施例二 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。
氯化氫通過鎵源后形成氯化鎵的混合物，并通過管道進(jìn)入噴頭第一隔離區(qū)域內(nèi)， 在噴頭內(nèi)均勻擴散，然后通過下方的中心管道排出。
氨氣通過進(jìn)氣管道進(jìn)入噴頭，并在氨氣區(qū)域均勻擴散，然后通過下方的管道排出。
氮氣通過進(jìn)氣管道進(jìn)入噴頭，并在氮氣區(qū)域均勻擴散，然后通過下方的管道排出。
三種不同的氣體通過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，氮氣有效地將氯化鎵和氨氣隔離開來，防止這兩種氣體過早反應(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，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)，石英噴頭多個獨立水平隔離區(qū)域，多個石英噴頭組合使用。
以上所述實施例僅 表達(dá)了本發(fā)明的部分實施方式，其描述較為具體和詳細(xì)，但并不能因此而理解為對本發(fā)明范圍的限制。應(yīng)當(dāng)指出的是，對于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說， 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)有多個相互獨立的隔離區(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，各種氣體隔離開來予以管控。
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)有氮氣管道(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)有氮氣隔離區(qū)域(5)，所述方形噴頭下部設(shè)有氨氣隔離區(qū)域(6)，所述氮氣管道(I)獨立連通氮氣隔離區(qū)域(5)，所述氯化鎵管道(2)獨立連通氯化鎵隔離區(qū)域(4)，所述氨氣管道(3)獨立連通氨氣隔離區(qū)域(6)，各隔離區(qū)域底部設(shè)有多個同心圓環(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，中層氮氣隔離區(qū)域(5)的氮氣噴口(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)物混合問題。本發(fā)明方形噴頭內(nèi)設(shè)有多個相互獨立的隔離區(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)明通過方形的噴頭結(jié)構(gòu)，獨立的隔離區(qū)域，以及多個噴頭聯(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C23C16/455GK103060906SQ20131001239
公開日2013年4月24日 申請日期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, 張國義, 童玉珍 申請人:東莞市中鎵半導(dǎo)體科技有限公司, 北京大學(xué)