化学气相沉积外延设备用的喷淋头结构制造技术

本发明专利技术涉及一种化学气相沉积外延设备用的喷淋头结构，它包括层叠设置的上层进气层、至少一中间进气层和下层冷却层；上层进气层中设有上层进气槽，该上层进气槽与至少一上层进口管和至少一上层出口管连通，上层出口管上端与上层进气槽连通，下端由中间进气层和冷却层中垂直穿出；中间进气层中设有中间进气槽，该中间进气槽与至少一中间进口管和至少一中间出口管连通，第一出口管上端与中间进气槽连通，下端由冷却层中垂直穿出；中间出口管同轴套设于对应上层出口管上，且该上层出口管和中间出口管之间留有环形间隙。本发明专利技术加工工艺简单，拆装维护方便，清洗彻底，并能在均匀进气的同时抑制预反应，可为各类化学气相沉积工艺提供可靠的硬件支持。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种化学气相沉积外延设备，具体涉及一种化学气相沉积外延设备用的喷淋头结构。
技术介绍
化学气相沉积(Chemical Vapour D印osition，简称CVD)是上世纪中期发展起来的一种薄膜沉积的方法，是通过气体混合后在一定的条件下发生化学反应，并在基片表面沉积一层薄膜的工艺。在现在广泛用于微电子、光电子以及硬质镀膜等领域中。用化学气相沉积方法沉积薄膜材料，通常需要各种原材料和载入气体，原材料包括参与化学反应并形成薄膜产物的原料成分；载气包括各种携带原材料的气体，如氢气、氮气等，这些载气只载入原材料进入反应室，本身并不参与化学反应。CVD薄膜沉积过程都包含以下步骤(1)载气携带着反应物从反应器进口流向反应器出口，此主气流流动受到温差、流道扩张、基片旋转等引起的强烈影响；( 主气流在基片上方形成平行于基片的三种边界层；在边界层内反应物被加热，发生分解、置换等气相化学反应，生成反应中间产物；(3)反应物或反应中间物通过对流和浓度扩散，穿透边界层到达基片表面；(4)反应物在基片表面吸附，再通过表面扩散、结合入晶格等表面反应步骤完成薄膜沉积；(5)反应物和反应副产物在表面解吸；(6)解吸后的反应副产物再通过对流和浓度扩散，回到主气流，最终被带到反应室外。在CVD反应过程中，表面化学反应速率通常远大于反应物输运速率，因此薄膜的生长速率取决于分子量最大的反应物输运到表面的速率；另一方面，薄膜生长的组分和厚度主要取决于基片上方的反应物浓度分布和温度分布，即无论薄膜生长的速率还是质量，都强烈的受气体输运过程的影响，因此称生长为输运过程控制的反应。薄膜制备的重要指标之一就是其厚度、掺杂浓度和组分的均勻性。要生长出厚度、 掺杂浓度和组分均勻的薄膜材料，根据CVD技术的反应机理可以知必须使达到基片的反应物浓度和速率尽量均勻一致。这就要求基片表面附近存在均勻分布的气流场、温场和浓度场。根据上述CVD生长薄膜所需要的组分均勻、厚度均勻等要求，必须在基片上方提供一个厚度薄而均勻的反应物浓度边界层，使足够量的反应粒子能够通过扩散源源不断地到达基片表面各点。因为在生长过程中只有输运到基片各部位的反应粒子及掺杂粒子速率都相等时，才能满足薄膜的组分、浓度和厚度均勻性的要求。反应物浓度边界层强烈地受气体流动的影响，因此基片上方还需要维持一个厚度薄而均勻的速度边界层。速度边界层的流场应保持为均勻平行层流，避免任何波动、湍流和对流涡旋。为保证稳定的边界层厚度，人们设计了不同的CVD反应器设备。根据进入反应器的反应气体和载气组成的气流相对于基片的流动方向，可以把CVD反应器分为两大类主气流平行于基片方向的水平式反应器和主气流垂直于基片方向的垂直式反应器。在水平式反应器中，反应气体从基片一侧流向另一侧，这种反应器结构简单，但是存在严重的反应物耗尽和热对流涡旋等问题，容易造成薄膜厚度的前后不均勻性，需要用复杂的方法加以克服。如果半导体薄膜材料的均勻性比较差，则宜采用垂直式反应器。垂直式反应器主要由进气喷头、衬底托、转动系统、加热部件、真空系统等部分组成。为了提高外延半导体薄膜材料的生产的大批量和生产的稳定性，可以采用的主要方法有一是加大衬底托的转速，缩短原料气流向高温衬底托的时间，减小原料气在输运过程中的受热时间，但增大转速会影响沉积反应的传质和传热过程，大大增加衬底上方层流稳定性的控制难度，容易因失稳产生涡流而不利于薄膜生长；二是采用不同的原料气体通过不同的管道均勻的通入反应室，人为的使进气达到均勻一致。但是，现有的这种结构的进气装置存在缺陷，喷淋头难于清洗，导致清洗后进气装置上的附着物对后续制备的材料造成污染，影响了材料的质量和性能。同时，现有的喷淋头大多采用焊接的方式，不易于拆装和维护，严重时甚至会影响冷却水路， 造成漏水现象。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种化学气相沉积外延设备用的喷淋头结构，其既能均勻进气同时抑制预反应，又易于加工清洗、拆装维护，从而克服了现有技术中的不足。为实现上述专利技术目的，本专利技术采用了如下技术方案一种化学气相沉积外延设备用的喷淋头结构，其特征在于它包括层叠设置的上层进气层、至少一中间进气层和下层冷却层；其中，所述上层进气层中设有上层进气槽，该上层进气槽与至少一上层进口管和至少一上层出口管连通，所述上层出口管上端与上层进气槽连通，下端由中间进气层和下层冷却层中垂直穿出；所述中间进气层中设有中间进气槽，该中间进气槽与至少一中间进口管和至少一中间出口管连通，所述第一出口管上端与中间进气槽连通，下端由下层冷却层中垂直穿出；所述中间出口管同轴套设于对应的上层出口管上，且该上层出口管和该中间出口管之间留有环形间隙。作为一种优选方案，所述喷淋头结构包括层叠设置的两层以上中间进气层，其中相邻两个中间进气层中位于上方的中间进气层的中间出口管同轴套设于位于下方的中间进气层的相应中间出口管中，且该两个中间出口管之间留有环形间隙。作为又一种优选方案，所述上层进气层、中间进气层和下层冷却层之间设有定位结构，所述定位结构包括相互配合的凸块及凹槽结构。所述冷却层中设有封闭水槽，该水槽与至少一进水口和至少一出水口连通，所述上层出口管和中间出口管均由所述水槽中穿过。所述上层进气层、中间进气层和下层冷却层之间还均设有密封圈。所述喷淋头结构还包括设置于底层的底座法兰。所述底座法兰与冷却水层之间设有定位结构和密封圈，所述定位结构包括相互配合的凸块及凹槽结构。所述底座法兰上分布有可供最下层中间进气层的中间出口管穿过的通孔，且所有上层出口管和中间出口管的下端面均与底座法兰的下端面平齐设置。所述底座法兰与最下层中间进气层的中间出口管之间设有金属密封圈。所述上层进气层的复数个上层出口管以及每一中间进气层的复数个中间出口管均采用等距、均勻排布的结构。针对现有技术中的不足，本案专利技术人经长期研究和实践，提出了本专利技术的技术方案，概括的讲，该技术方案具有以下一些特点，即带有水冷系统，对各反应气体进行分隔， 可根据实际反应气体种类设置进气层数量，气体进气形式为环形嵌套结构，保证了进气的均勻性和可重复性；由于设计结构具有完全对称性，该喷淋头尺寸可无限扩大，可满足大规模生长的要求。本专利技术的喷淋头结构的工作原理大致如下外延材料生长的时候，不同种类的反应源气体从不同的进气管进入各自的进气槽，然后经下方均勻密排的出口管喷入反应室， 实际的喷射形态为从上层进气层进入的源气体是管面喷出，从中间进气层通入的源气体都是由出口管所围形成的环形出口喷出，即从环形面喷入反应室，通过调节各组同心嵌套的出口管的管径大小、排布密度，以及在反应室中辅以调节喷淋头到衬底的距离等措施，从而实现材料生长和组分的均勻一致。与现有技术相比，本专利技术至少具有下述优点无需焊接加工，而采用密封连接和硬连接结构，故加工简单、拆装方便，清洗彻底，不会存在现有喷淋头易发生的种种难以维护的问题，可为各类化学气相沉积工艺提供硬件支持，保证生长的高度均勻性和稳定性。附图说明图1是本专利技术一较佳实施例的结构示意图；图中各组件及其附图标记分别为进气管1、进气槽2、出口管3、出口管4、出口管 5、上盖板进气层6、中间进气层7、底座法兰8、定位槽9、进气管10、进气槽11、冷却水层12、 进水口 13、水槽14、出本文档来自技高网...

【技术保护点】
１．一种化学气相沉积外延设备用的喷淋头结构，其特征在于：它包括层叠设置的上层进气层、至少一中间进气层和下层冷却水层；其中，所述上层进气层中设有上层进气槽，该上层进气槽与至少一上层进口管和至少一上层出口管连通，所述上层出口管上端与上层进气槽连通，下端由中间进气层和下层冷却层中垂直穿出；所述中间进气层中设有中间进气槽，该中间进气槽与至少一中间进口管和至少一中间出口管连通，所述第一出口管上端与中间进气槽连通，下端由下层冷却层中垂直穿出；所述中间出口管同轴套设于对应的上层出口管上，且该上层出口管和该中间出口管之间留有环形间隙。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：朱建军，王国斌，张永红，
申请(专利权)人：中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所，
类型：发明
国别省市：32