專利名稱：用于金屬化學氣相沉積設備反應室的進氣噴淋頭的制作方法
技術領域：
本發明涉及用于制備III-V族化合物半導體材料的裝置和方法，特別涉及到制備氮化物半導體的有機金屬化學氣相沉積(MOCVD)設備的反應室進氣噴淋頭結構。
背景技術：
MOCVD (Metal Organic Chemical Vapor D印osition，金屬有機物化學氣相沉積) 設備，用于化合物半導體氮化鎵、砷化鎵、磷化銦、氧化鋅等功能結構材料的制備，尤其適合規模化工業生產，因此成為目前化合物半導體外延材料研究和生產的關鍵設備，是當前生產半導體光電器件和微波器件材料的主要手段，隨著LED產業的迅猛發展，該類設備的應用越來越廣泛。目前應用的MOCVD系統進氣頂盤廣泛采用噴淋式設計的噴頭，多個專利公開了這種類型的混氣勻氣頂盤結構，如歐美EP0687749A1、US5871586、DE 69504762T2等專利， 在國內公開的類似專利如 CN 201933153U、CN1563483、CN201634761U、CN101294275A 以及CN101985742A等專利，這種類似結構即業內熟知的噴淋頭結構，典型結構如圖1(EP 0687749A1)所示，主要包括分別有兩個水平放置的板彼此間隔開形成的三個腔室，上方的兩個腔室分別是氫化物如氨氣腔室和有機源氣體腔室，最下面腔室是冷卻室，三個腔室彼此分隔密封，每個氣體腔室通過高達上萬個小管分別連接至氣體噴淋頭冷卻室的底面，氣體通過氣體噴淋頭底面的多個氣體出口開口噴射到反應室襯底上，其優點是容易形成均勻的氣流，產生層流而沉積均勻的薄膜。這種類似結構的反應氣體都是從噴淋頭底面的氣體出口噴出后開始混合，噴口疏散則難于實現充分的混合，因此必須采用非常致密的細管結構，并且交替排布穿過兩個腔室，加工難度非常大。US7976631B2揭示了另一種類似結構的噴淋頭結構，結構中設計了預先混合通道， 如圖2所示，III族源和V族源氣體分別進入腔室144和145內，進入腔室144的氣體通過通道142進入混合通道150中，進入腔室145中的氣體進入管道147再通過通道143進入混合通道150中，兩種氣體在混合通道150初步混合后向襯底噴射。這種結構基本實現了氣體到達襯底前充分混合，但缺點是III族源氣體依然需成千上萬金屬細管穿過V族源氣體腔室進入混合通道，加工難度很大，而且水冷通道與氣體通道平行交錯排布，底表面積較大，混合通道中難以保證合適的冷卻效果，容易造成預反應，在表面沉積。噴淋頭冷卻室起到冷卻和勻氣的作用，從冷卻室出來的反應氣體在進入反應室之前保持在預定的溫度之下，避免溫度過高發生化學反應，若溫度過高發生嚴重預反應，在進氣噴頭表面或通道產生沉積，將產生雜質顆粒影響晶體質量，同時造成反應物的不必要消耗。CN101985742A也提出了噴淋頭的冷卻結構，分為外圍通道和中央通道，外圍通道分為對稱平分的兩個，中央通道沒有分割，冷卻液在管路林立的大面積中央通道流動難免會產生流動死區或者回流，冷卻均勻性效果難以保證
發明內容
本發明的目的是提供一種用于金屬有機化學氣相沉積系統的進氣噴淋頭結構，其是在噴淋頭內部混合后噴出，可以使反應氣體完全充分混合，容易達到均勻生長的氣流模式，從而獲得均勻的外延膜，可以將大大降低噴淋頭底面與襯托之間的距離，從而減少反應
用氣里。本發明提供一種一種用于金屬化學氣相沉積設備反應室的進氣噴淋頭，包括一混氣室，該混氣室為一桶狀，在混氣室的上面或側面連通有多個進氣通道；一冷卻勻氣噴頭，固接于混氣室的下面。其中冷卻勻氣噴頭包括一上蓋板、一下蓋板和側壁，該上蓋板、一下蓋板和側壁構成密封的空間，該上蓋板和下蓋板之間貫通有多個進氣通道，該進氣通道的周圍及上蓋板和下蓋板之間為冷卻通道。其中冷卻通道為多組，每一組冷卻通道包括一冷卻劑入口和一冷卻劑出口。其中冷卻勻氣噴頭的下蓋板的表面噴涂有隔熱涂層，其可抑制或屏蔽熱輻射。其中冷卻勻氣噴頭的下蓋板表面的溫度小于200°C。其中混氣室和冷卻勻氣噴頭的材料為不銹鋼。


以下參考附圖是對具體實施例的詳細描述，將會更好地理解本發明的內容和特
；^^，I .圖1是現有技術的結構示意圖；圖2是現有技術的另一結構示意圖；圖3是本發明專利具體實施例的噴淋頭的反應室結構示意圖；圖4是本發明專利具體實施例的噴淋頭結構示意圖；圖5是具體實施例的噴淋頭頂視圖；圖6是圖5內部冷卻劑管路剖視示意圖。
具體實施例方式請參閱圖4所示，本發明提供一種用于金屬化學氣相沉積設備反應室的進氣噴淋頭，包括一混氣室110，該混氣室110為一桶狀，在混氣室110的上面或側面連通有多個進氣通道111 ；一冷卻勻氣噴頭120，固接于混氣室110的下面，所述冷卻勻氣噴頭102包括一上蓋板122、一下蓋板123和側壁125，該上蓋板122、一下蓋板123和側壁125構成密封的空間，該上蓋板122和下蓋板123之間貫通有多個進氣通道121，該進氣通道121的周圍及上蓋板122和下蓋板123之間為冷卻通道124，所述冷卻通道IM為多組，每一組冷卻通道 124包括一冷卻劑入口 1 和一冷卻劑出口 127，所述冷卻勻氣噴頭120的下蓋板123的表面噴涂有隔熱涂層，其可抑制或屏蔽熱輻射，所述冷卻勻氣噴頭120的下蓋板123表面的溫度小于200°C。其中混氣室110和冷卻勻氣噴頭120的材料為不銹鋼。下面結合實施例并對照附圖對本發明作進一步的說明。圖3是根據本發明的一個實施例的金屬有機化學氣相沉積設備反應室的示意性剖視圖，應理解，本公開的圖3及其它附圖重點示出根據本發明的一個實施方式的構成特征，這些附圖并不意在示出設備中的每一個單個部件。如圖3所示，圖中虛線上部分為根據本發明揭示的噴淋頭，虛線下部分為反應室腔體20，噴淋頭和腔體20構成金屬有機化學氣相沉積反應室，氣體通過噴淋頭進入反應室內，向放置在基座21上的襯底22噴射，基座21下方有加熱裝置23，氣體在襯底22 上反應沉積，形成外延薄層。圖4是本發明專利實施例的噴淋頭結構示意圖，噴淋頭主要有兩部分構成，圖中虛線上部分是混氣室110，下部分是冷卻勻氣噴頭120，氣體混合室110和冷卻勻氣噴頭120 之間通過可拆卸固定裝置固定連接，混氣室110和冷卻勻氣噴頭120上蓋板122構成氣體的混合空間；混氣室110有兩個進氣通道111，反應氣體或載氣通過進氣通道111進入混氣室110內，這些氣體進氣通道111包括氫化物如氨氣的進氣管路，包括有機源如TMfe1和載氣如氮氣、氫氣的進氣管路，為了達到各種氣體的充分混合，將混氣室110的進氣口做成相互噴射的噴嘴，或者是相互間隔盤繞的多孔管路等方式(圖中未示出)，最終目的是實現反應氣體或載氣在所述的混合室內完全充分混合。冷卻勻氣噴頭120是一個將氣體均勻分散的密封裝置，同時由于直接面對反應腔體中襯托的高溫輻射，需要充分冷卻，保持低溫，以降低在其表面和管路內發生預反應造成沉積，此結構優先選擇不銹鋼材質。內部有兩組通道，一組為進氣通道121，豎直均勻規則排布在冷卻勻氣噴頭120內部，進氣通道121可以呈規則排列的細孔、細管或狹縫，也可以在金屬板條上打孔，開狹縫，或在上下表面焊接細管。所謂規則排布如成直線狀、圓弧、六邊形頂點等規則形狀進氣勻氣，優先選擇成直線排布的細孔排列，孔徑0. 5mm-5mm，本實施例進氣通道121是成線性規則排布的金屬板條上打的細孔，孔徑、孔間均為約1. 5mm，冷卻勻氣噴頭進氣通道121貫穿冷卻勻氣噴頭的上蓋板122和下蓋板123，其上口面對混氣室，下口面對襯底基座。由于氣體已經提前充分混合，進氣通道密度相比其他噴淋頭結構至少可以降低一倍，大大降低加工難度。冷卻勻氣噴頭120內另一組通道為冷卻通道124，冷卻通道IM水平環繞在豎直進氣通道周圍。冷卻通道1 可以是圓形、直立橢圓形或方形通道，冷卻劑從冷卻通道中流過，冷卻劑可以為水或油類，優先選擇冷卻水作為冷卻劑。冷卻勻氣噴頭有若干組冷卻通道，每一組冷卻通道具有引入冷卻劑的冷卻劑入口和相應排放冷卻劑的冷卻劑出口，所述的冷卻劑入口和冷卻劑出口在冷卻勻氣噴頭側面與冷卻通道聯通。一般GaN基材料襯底溫度在1000°C到1100°C之間，冷卻勻氣噴頭下蓋板123表面直接面對反應室基座21，因此下蓋板123承受從基座21傳遞來的巨大熱量，主要承受輻射加熱。而從冷卻勻氣噴頭120出來的NH3和有機源等反應氣體已經充分混合，因此需要冷卻勻氣噴頭120控制在合適的溫度，冷卻勻氣噴頭120上蓋板122溫度低于100°C，優先選擇40°C -60°C之間，冷卻勻氣噴頭下蓋板123表面溫度低于200°C，優先選擇80°C -150°C 之間。為了達到冷卻劑流動冷卻效果，冷卻通道環繞在豎直進氣通道周圍，充分將規則排列的進氣通道隔開，避免形成流動冷卻液的流動死區，或漩渦，也可采用增壓或泵抽提高冷卻劑流動速率，提高換熱效率，達到所要溫度限制。除優化冷卻管道結構設計，提高冷卻劑壓力、流速等提高冷卻效果外，還可以在冷卻勻氣噴頭下表面通過表面處理措施，如冷卻勻氣噴頭下表面拋光，增加輻射反射率，降低熱吸收和溫度；或隔熱涂層噴涂冷卻勻氣下表面，如在表面噴涂耐高溫隔熱保溫涂料，形成一層堅硬的陶瓷釉面硬殼，能有效抑制并屏蔽紅外線的輻射熱和熱量的傳導，起到降溫作用。本實施例采取了兩種主要措施，一種是采用多組冷卻通道。圖5、圖6中示出了兩組，圖6是圖5內部冷卻劑管路剖視示意圖，箭頭表示冷卻劑的流動方向，每一組冷卻通道有引入冷卻劑的冷卻劑入口 1 和相應排放冷卻劑的冷卻劑出口 127，冷卻劑入口 1 和冷卻劑出口 127在冷卻勻氣噴頭120側壁與冷卻通道IM聯通；每一條冷卻通道IM將直線排布的進氣通道121隔開，避免形成流動冷卻液的流動死區或漩渦，提高換熱效果。本實施例中采取的另一種措施是在冷卻勻氣噴頭下蓋板123表面通過涂層處理， 阻擋紅外高溫輻射，達到防止表面溫度過高的效果，具體措施是在冷卻勻氣噴頭下蓋板123 表面噴涂耐高溫隔熱保溫涂料，有效抑制并屏蔽反應室基座22高溫紅外線的輻射熱和熱量的傳導，起到降溫作用。本發明的優點之一是，不像現有技術應用的那樣氣體從噴淋頭噴出后再混合，而是在噴淋頭內部混合后噴出，可以使反應氣體完全充分混合，混合效果好，容易達到均勻生長的氣流模式，從而獲得均勻的外延膜。本發明的另一個優點是這可以將大大降低噴淋頭底面與襯托之間的距離，從而減少反應用氣量，降低設備運行成本。本發明的另一個優點是不同氣體進入同一個進氣腔室混合，與現有技術中至少兩個進氣室相比，簡化結構，可避免焊接成千上萬個密集金屬空心管，采用較簡單加工工藝即可實現。本發明提出的冷卻勻氣噴頭方案，如多組冷卻管道或在冷卻勻氣盤下表面噴涂耐高溫隔熱保溫涂料等，提高溫控的均勻性、穩定性、降低表面溫度，具有好的冷卻效果，避免 NH3和有機源等反應氣體在氣體混合室和冷卻勻氣室通道中發生反應，減少表面沉積。以上所述的具體實施例，對本發明的目的、技術方案和有益效果進行了進一步詳細說明，所應理解的是，以上所述僅為本發明的具體實施例而已，并不用于限制本發明，凡在本發明的精神和原則之內，所做的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發明的保護范圍之內。
權利要求
1.一種用于金屬化學氣相沉積設備反應室的進氣噴淋頭，包括一混氣室，該混氣室為一桶狀，在混氣室的上面或側面連通有多個進氣通道；一冷卻勻氣噴頭，固接于混氣室的下面。
2.如權利要求1所述的用于金屬化學氣相沉積設備反應室的進氣噴淋頭，其中冷卻勻氣噴頭包括一上蓋板、一下蓋板和側壁，該上蓋板、一下蓋板和側壁構成密封的空間，該上蓋板和下蓋板之間貫通有多個進氣通道，該進氣通道的周圍及上蓋板和下蓋板之間為冷卻通道。
3.如權利要求2所述的用于金屬化學氣相沉積設備反應室的進氣噴淋頭，其中冷卻通道為多組，每一組冷卻通道包括一冷卻劑入口和一冷卻劑出口。
4.如權利要求1所述的用于金屬化學氣相沉積設備反應室的進氣噴淋頭，其中冷卻勻氣噴頭的下蓋板的表面噴涂有隔熱涂層，其可抑制或屏蔽熱輻射。
5.如權利要求1所述的用于金屬化學氣相沉積設備反應室的進氣噴淋頭，其中冷卻勻氣噴頭的下蓋板表面的溫度小于200°C。
6.如權利要求1所述的用于金屬化學氣相沉積設備反應室的進氣噴淋頭，其中混氣室和冷卻勻氣噴頭的材料為不銹鋼。
全文摘要
一種用于金屬化學氣相沉積設備反應室的進氣噴淋頭，包括一混氣室，該混氣室為一桶狀，在混氣室的上面或側面連通有多個進氣通道；一冷卻勻氣噴頭，固接于混氣室的下面。其中冷卻勻氣噴頭包括一上蓋板、一下蓋板和側壁，該上蓋板、一下蓋板和側壁構成密封的空間，該上蓋板和下蓋板之間貫通有多個進氣通道，該進氣通道的周圍及上蓋板和下蓋板之間為冷卻通道。
文檔編號C23C16/455GK102492937SQ201110451659
公開日2012年6月13日 申請日期2011年12月29日 優先權日2011年12月29日
發明者冉軍學, 曾一平, 李晉閩, 梁勇, 王軍喜, 胡國新, 胡強 申請人:中國科學院半導體研究所