喷头型mocvd初始状态的稳定方法及耐氯双层喷头与制作方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及金属有机化学气相沉积(MOCVD)方法及设备，尤其是涉及一种喷头型MOCVD初始状态的稳定方法及耐氯双层喷头与制作方法。
【背景技术】
[0002]金属有机化合物气相沉积生长设备(MOCVD)目前已广泛用于生长氮化物半导体材料，这类材料属第三代半导体材料，目前以此类材料为基础的制作的发光二极管(LED)已为人类社会带来了高效，长寿命、无汞的半导体照明，未来将在能源转换，无线高速互联方面开辟新的、更广阔的天地。
[0003]喷头型MOCVD在业内归为垂直气流型，目前这种形式的商用MOCVD主要有两款，一款是德国AIXTR0N (爱思强)公司生产的近耦合喷头型M0CVD，其喷头离外延衬底的间距通常选约11mm，一种是美国VEECO (维科)生产的远耦合喷头型M0CVD，其喷头离外延衬底的间距通常选约70_。这两款的共同特征是III族有机源与V族源是从两层气室分开输运进反应管喷头，然后垂直喷向外延衬底，所以，业内称为垂直气流型反应管。这两种垂直气流型反应管，目前均不带氯(指氯气或氯化氢，以下同)在线清洗功能。相对于垂直气流型，AIXTR0N公司还生产一款水平气流型MOCVD反应管，此款已带氯在线清洗功能，后面还会涉及。
[0004]由于MOCVD是一炉炉地进行晶体材料生长，是原子一层层的排列，所以，每炉生长前的反应管状态特别重要。通俗来讲，生长半导体材料好比炒菜，每次炒菜前至少应把“锅”洗干净！但是，由于是晶体生长，按行业习惯，开始生长前的种子很重要，即“籽晶”很重要；为了得到一些特定的“籽晶”，一些氮化物材料外延工程师还有意不洗“锅”，弄得氮化物外延工艺非常神密，居然把一门“技术”变成一门“艺术”;这样带来的直接后果就是外延批量生产不稳定，产线合格率上不去，一些厂甚至因此关门。由此可见，这种不洗“锅”的思维方式离本发明的保持反应管初始状态恒定的先进理念还差得太远。
[0005]近耦合喷头型MOCVD由于喷头离外延衬底很近，所以，生长后的喷头下表面会有淀积物，当然，承载外延衬底的石墨盘表面会有更多淀积物。目前外延制程炉与炉之间的生产步骤通常是这样的:(1)用机械手取下装有生长好外延片的石墨盘，此时露出加热器；
(2)手工用防尘罩罩住加热器及法兰面，然后用毛刷机械清理喷头表面；(3)拿开保护罩，用机械手换上已装好待生长衬底的干净石墨盘；(4)开始下一炉生长，并将“脏”的石墨盘送MOCVD之外的高温炉烘烤干净备用；(5)每生长20炉要清理一下反应管壁的隔热圈。
[0006]一些崇尚“籽晶”概念的外延工程师甚至每炉结束后，只取下外延片，放上新衬底，接着凭经验调整些参数又开始生长，若实在生长不好，就让MOCVD反应管升温空烧清理一次。总之，即便设备型号相同，工艺步骤也各有“奥妙”不同，只是一年下来，就是不见合格率上升。这种近耦合MOCVD虽然变数多，但有以下几个优点不可替代:(I)喷头离外延衬底近，所以预反应少，生长氮化铝之类的材料有优势；(2)喷头离外延衬底近，所以当尾气中的纳米灰尘要扩散到外延衬底表面时，容易被载气分子碰撞回去，也即喷头表面与外延衬底越近，尾气中的灰尘对外延影响就越小；(3)其石墨盘转速慢(100转/分)，所以不会将反应管侧壁上的灰搅到外延衬底表面上来。
[0007]VEECO公司的远耦合喷头型MOCVD由于喷头离外延衬底很近，所以，生长后的喷头下表面很少会有淀积物，当然，石墨盘表面还是会有。其目前的炉与炉之间的生产步骤通常是这样的:(1)用机械手取下装有生长好外延片的石墨盘；(2)用机械手换上装好待生长衬底的干净石墨盘；(3)开始下一炉生长，并将“脏”的石墨盘送MOCVD之外的高温炉烘烤干净备用；(4)每生长一百炉要拆开反应管大清理一次。VEECO的这种生长模式简洁，已彻底抛弃了“籽晶”的概念，目前取得了巨大的成功。但是这种MOCVD也有以下几个弱点:(1)喷头离外延衬底远，所以预反应大，生长氮化铝之类的材料没优势(2)喷头离外延衬底远，所以尾气中的纳米灰尘易扩散到外延衬底表面，不容易被载气分子挡回去，即尾气影响大，原理上无法保持反应管初始状态恒定；(3)其石墨盘转速快(700转/分)，所以会将反应管侧壁上的灰搅到外延衬底上来，原理上无法保持反应管初始状态恒定。
[0008]上面两种MOCVD在生长高铝组分材料如铝镓氮时，共同遇到的问题是，由于这种材料熔点高，生长过后的石墨盘即便拿到真空高温炉烘烤，也无法清除干净，当用这些石墨盘再次生长时，反应管的初始状态已发生了变化，所以，使用垂直气流型MOCVD生长时，目前氮化物电子器件的批量生产，总是无法稳定。
[0009]总结上面两种垂直气流型M0CVD，无论是近耦合的，还是远耦合的，都没有从根本上解决反应管初始状态恒定的问题(即便是VEECO的，也还要100炉清理一次，这100炉的反应管初始状态是在渐变的！)，一些外延工程师还没意识到此问题的重要性，甚至还在反其道而行之，追求某种不确定的“籽晶”效果。
[0010]那么，如何来保证垂直气流型反应管初始状态恒定？答案是像AIXTR0N那款水平流MOCVD那样，在每炉生长后，引进氯气或氯化氢在线清洗(后面简称氯清洗)！此时炉与炉之间的生产步骤通常是这样的:(1)用机械手取下装有生长好外延片的石墨盘；(2)用机械手换上另外一套“脏”的空石墨盘，并将MOCVD升温到860度，充氯清理反应管及这套石墨盘;(3)降温后，用机械手将装满衬底的另一套干净石墨盘送进反应管进行下一炉生长(4)开始下一炉生后，手工放置待生长的衬底到刚用氯清理的那套石墨盘上备用。AIXTR0N公司的这款MOCVD原则上能保证反应管初始状态恒定，也能及时清理高铝组分材料生长后石墨盘上的难熔物质，但因预反应大，这款水平流MOCVD不大适合生长高铝组分材料。说到这里，人们不禁要问，AIXTR0N的近耦合喷头型MOCVD为何不加氯清洗功能？原因是:类似图1_3所示，其喷头是由一根根壁厚仅0.5mm的不锈钢毛细管与三块圆板钎焊而形成III族有机源喷孔(9)及V族源喷孔(10)(还请注意这些毛细管均浸没在有压冷却水中，易漏有隐患！)，不锈钢材料虽然耐氯腐蚀，但钎焊料却无法抵抗氯的腐蚀，所以，无法用氯清洗。
[0011]VEECO生产的远耦合喷头型MOCVD，虽然其喷头加工过程中，没有用到钎焊工艺，也就是讲，这种喷头原则上是可用氯清洗的，但因为以下原因:(1)其喷头不容易脏，已是矮子中的高个子，用户相对来讲还算满意；(2)生长含铝组分材料时，预反应大，人们不大愿选择这种M0CVD，所以问题也没有充分暴露；(3)其喷头及管壁温度低，用氯清理效果也不会好。这些原因共同决定VEECO公司可能还没有意识到保持反应管初始状态恒定的重要性。
[0012]由上面对相关【背景技术】的描述可以看到，本发明的认识层次已不再停留在反应管干净不干净这个问题上，而是上升到如何保证反应管初始状态恒定这一物理本质问题上；分析了粉尘扩散的过程，认为即便是VEECO的远耦合MOCVD喷头，也存在反应管初始状态不恒定问题。氯在线清理手段在半导体行业常见，为加强氯清理效果，需要增加氯腐蚀的温度，不利的是，垂直气流型的喷头是水冷的，是冷壁，热传导到喷头表面的方式主要是气体的对流，不象AIXTR0N水平流M0CVD，其待清理的“天花板”非水冷，是热壁，所以，垂直气流型的喷头清理要困难得多。另外，半导体行业氯清洗时，还有使用灯管群加热石墨基座的，灯光群的光当然也会照到待清理的表面，所以氯清理也相对容易。
【发明内容】
[0013]本发明的第一个目的是提供一种喷头型MOCVD反应管初始状态的稳定方法，它通过稳定反应管的初始状态，能从根本上改善外延生长炉与炉间的重复性。
[0014]本发明的第二个目的是提供一种稳定喷头型MOCVD反应管初始状态的耐氯双层喷头，它能真正使反应管的初始状态得到稳定控制，从而极大地提高近耦合喷头型MOCVD在高铝组分氮化物材料生长时的竞争力。
[0015]本发明的第三个目的是提供一种稳定喷头型MOCVD反应管初始状态的耐氯双层喷头的制作方法。
[0016]本发明的第一个目的是