[发明专利]一种实现气体隔离和均匀化的喷淋头装置

说明书

技术领域

本发明涉及一种金属有机化学气相沉积设备，尤其是一种实现气体隔离和均匀化的喷淋头装置。

背景技术

金属有机物化学气相沉积设备(Metal-Organic Chemical Vapor Deposition简称MOCVD)是制备高亮度发光二级管、大功率激光器和搞电子迁移率晶体管等薄膜器件的关键工艺设备。组份均匀、厚度均匀、界面陡峭是薄膜生长的基本要求，因此提高薄膜生长的均匀性一直是MOCVD反应器持续改进的核心任务之一。均匀性控制直接关系到材料外延生长质量的优劣，它包括流速均匀、组份均匀、温度均匀三个方面：

“流速均匀性”要求在端盖喷射面上喷射气体的流速具有较好的一致性，这就要求气体在到达喷射面前，在喷淋头内部就已经形成单向、均匀、稳定的流场。

“组份均匀性”要求向反应室内喷射的各种组份混合均匀，但通常反应室内部流场环境会导致组份的波动，因此控制喷淋头输运气体的温度与组份非常关键，要求反应气体在到达基片前尽量不发生反应，而到达基片后能够混合均匀，并发生化学反应。

“温度均匀性”要求反应气体在到达基片前，在反应室内部同一高度水平面保持温度均匀，这样才能保证不同基片的外延生长环境几乎相同，同时，基于抑制寄生反应的考虑，要控制腔室内温场的梯度分布，尽可能形成薄的热边界层。

以上三种均匀性指标相互牵连，相互制约，若流速不一致，进入反应室后等体积的组份不可能很均匀；而温度不均匀则可能导致局部区域寄生反应弱，而其他区域寄生反应强，在到达衬底同一高度的平面内，气体组份不但不均匀，而且还衍生出其他物质。

综上分析不难看出，MOCVD喷淋头装置的结构设计必须紧扣“三个均匀性”指标的实现。因此，主流MOCVD设备的开发商无不在喷淋头装置的结构设计上持续改进，不断升级。而每一代新产品的出现很大程度上都围绕提高“三个均匀性”指标提出的。中国专利文献CN201099698Y公开的“三重气流金属有机物气相沉积设备反应腔体”提出的“穿管分层焊接、均匀分布”的方法(见图11所示)，从根本上解决了III族与V族气体的相互隔离，且较好的实现了流速与组份的均匀性；独立连续的水冷层为两种气体的均匀冷却提供了最优的解决方案。但由于这种穿管熔焊技术只有少数加工商能够完成，价格极其昂贵，严重阻碍了国内该技术对MOCVD开发应用的推广。

此外，中国专利文献CN101122012A公开的《用于金属有机物化学气相淀积设备的大面积梳状喷淋头》(见图12)，介绍了一种大面积梳状形式的喷淋头，可实现III族与V族气体分别从喷淋头整体结构两侧独立送气，并在反应腔衬底方均匀喷射，其实现的方法：采用总管进气，支管送气，两类气源支管交错排列，并在同侧加工均匀布置的喷淋孔。该结构尽管实现独立送气，但气体从总管接口到达每个支管末端一定存在压力不均，使得从各支管小孔喷出气体的流速不均，影响流场的均匀性，另外，该结构很难增加独立的水冷层，因此未知其如何解决温度均匀这一问题。

此外申请号为US2009/0098276A1公开了发明名称为《Multi-GAS Straight Channel Showerhead》美国专利，提出了目前MOCVD最通用的喷淋头结构(见图13、14所示)。从图13、14表达的结构形式看出它的结构特点为：III、V族气源的气体分别从两个进气口进入喷淋头装置104的第一进气总通道和第二进气总通道，并随后通过第一支路通道和第二支路通道，最终进入混合通道由喷淋出口向衬底喷射。该装置的特点是：1)气体分配通道为水平分层直通道，并采用焊接的金属空心管连通喷射室，保证两路反应气体的独立输送；2)喷射室内气路通道之间相间设有与之平行的水冷通道，用以输送制冷气体提高温度均匀性。其缺陷是：1)装置受水平分式层进气通道的限制，通道之间的链接只能采用金属空心管焊接构成，但喷射室的小孔成千上万，且数量随面积增加而迅速增加，要求穿管焊接的点太多、太密集，现有的焊接工艺极难保证具有百分之百的焊接质量。一旦出现焊接质量问题会导致整个装置报废。2)采用靠近反应壁处的大孔或密集空提高喷射气体的流速，这部分气体包含有反应气体，势必会造成反应气体耗气量增加，同时相间的水冷通道也难于保证周边流场的稳定性和均匀性。