專利名稱：一種實現mocvd噴淋均勻性的裝置及應用的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種MOCVD技術，尤其是一種實現MOCVD噴淋均勻性的裝置及應用。
背景技術：
“均勻性”是金屬有機物化學氣相沉積(Metal-Organic Chemical Vapor Deposition簡稱MOCVD)系統核心技術指標之一，均勻性控制直接關系到材料外延生長質量的優劣，它包括流速均勻、組份均勻、溫度均勻三個方面“流速均勻性”要求在端蓋噴射面上噴射氣體的流速具有較好的一致性，這就要求氣體在到達噴射面前，在噴淋頭內部就已經形成單向、均勻、穩定的流場。“組份均勻性”要求向反應室內噴射的各種組份混合均勻，但通常反應室內部流場環境會導致組份的波動，因此控制噴淋頭輸運氣體的溫度與組份非常關鍵，要求反應氣體在到達基片前盡量不發生反應，而到達基片后能夠混合均勻，并發生化學反應。“溫度均勻性”要求反應氣體在到達基片前，在反應室內部同一高度水平面保持溫度均勻，這樣才能保證不同基片的外延生長環境幾乎相同，同時，基于抑制寄生反應的考慮，要控制腔室內溫場的梯度分布，盡可能形成薄的熱邊界層。以上三種均勻性指標相互牽連，相互制約，若流速不一致，進入反應室后等體積的組份不可能很均勻；而溫度不均勻則可能導致局部區域寄生反應弱，而其他區域寄生反應強，在到達襯底同一高度的平面內，氣體組份不但不均勻，而且還衍生出其他物質。綜上分析不難看出，MOCVD噴淋頭裝置的結構設計必須緊扣“三個均勻性”指標的實現。因此，主流MOCVD設備的開發商無不在噴淋頭裝置的結構設計上持續改進，不斷升級。而每一代新產品的出現很大程度上都圍繞提高“三個均勻性”指標提出的。中國專利文獻CN201099698Y公開的“三重氣流金屬有機物氣相沉積設備反應腔體”提出的“穿管分層焊接、均勻分布”的方法(見圖1所示)，從根本上解決了 A族與B族氣體的相互隔離，且較好的實現了流速與組份的均勻性；獨立連續的水冷層為兩種氣體的均勻冷卻提供了最優的解決方案。但由于這種穿管熔焊技術只有少數加工商能夠完成，價格極其昂貴，嚴重阻礙了國內該技術對MOCVD開發應用的推廣。此外，中國專利文獻CN101122012A公開的《用于金屬有機物化學氣相淀積設備的大面積梳狀噴淋頭》(見圖2)，介紹了一種大面積梳狀形式的噴淋頭，可實現A族與B族氣體分別從噴淋頭整體結構兩側獨立送氣，并在反應腔襯底方均勻噴射，其實現的方法采用總管進氣，支管送氣，兩類氣源支管交錯排列，并在同側加工均勻布置的噴淋孔。該結構盡管實現獨立送氣，但氣體從總管接口到達每個支管末端一定存在壓力不均，使得從各支管小孔噴出氣體的流速不均，影響流場的均勻性，另外，該結構很難增加獨立的水冷層，因此未知其如何解決溫度均勻這一問題。

發明內容
本發明的目的旨在實現“三個均勻性”目標，提出一種既能理想地實現MOCVD噴淋均勻性的裝置和裝置，同時也克服現有技術中存在的結構復雜、加工難度大、使用效果難以保持穩定的缺陷。這種實現MOCVD噴淋均勻性的裝置，其特征在于其特征在于通過微孔設計布局在噴淋頭中構建分別用于同時輸送A族氣體、B族氣體和冷卻水三種流體的兩層或三層獨立空間孔道，使每一層獨立空間孔道延伸至噴淋頭體表面構成與外部供氣源和冷卻水分別連接的接口 ；同時，通過分別設計在A族氣體輸送孔道和B族氣體輸送孔道內底部設置的通達噴淋頭底面的微孔通道，構成能充分實現“流速均勻”、“組分均勻”、“溫度均勻”的MOCVD 噴淋出口的噴射面。所述的A族氣體輸送孔道、B族氣體輸送孔道呈平行、間隔狀態設于噴淋頭的上部塊體內，所述的冷卻水輸送孔道設于噴淋頭下部塊體內，構成水平+水平上層進氣、下層過水的兩層結構模式；同時，將所述的冷卻水輸送孔道穿插設置在所述A族氣體輸送孔道、B 族氣體輸送孔道向下延伸的每相鄰兩組微孔通道之間，實現對相鄰微孔通道內的過流氣體的溫度調控。所述的B族氣體輸送孔道呈平行狀態設于噴淋頭的上部塊體內，所述的冷卻水輸送孔道設于噴淋頭下部塊體內，并且所述的A族氣體輸送孔道直接貫穿噴淋頭塊體上下， 構成一種“垂直+水平”進氣和水平進水結構模式。在噴淋頭上部增設一帶有頂部進氣口或水平進氣口的上端蓋，形成上部空腔，所述的B族氣體輸送孔道呈平行狀態設于噴淋頭的上部塊體內，所述的冷卻水輸送孔道設于噴淋頭M體的下部塊體內，所述的A族氣體輸送孔道為直接貫穿噴淋頭上下的微孔通道，它與B族氣體微孔通道相間隔設置，并與上端蓋內腔相通，由此構成垂直+水平進氣、下層過水的三層結構模式；同時，將所述的冷卻水輸送孔道穿插設置在所述A族氣體輸送孔道、B 族氣體輸送孔道向下延伸的每相鄰兩組微孔通道之間，實現對相鄰微孔通道內的過流氣體的溫度調控。所述的上端蓋與噴淋頭形成的空腔內設有一均化隔板，并在均化隔板以上的上端蓋的頂部或側邊設有進氣口。上述這種實現MOCVD噴淋均勻性的裝置，與同類技術的噴淋頭相比，具有如下創新點(1)由于采用三種空間(A族氣體、B族氣體、冷卻水)獨立分布的微孔設計，既保證A、B族氣流絕對隔離，而且用微孔替代穿管結構實現氣體內部輸運，避免了穿管焊接加工存在的難度；(2)通過采用上層孔道為氣流層，下層孔道為水流層，形狀可為平行直孔道、S形孔道或其他，使得微孔在噴射面上呈現均勻分布；(3)由于A、B族兩個氣流層可選擇“垂直+水平”或“水平+水平”兩種進氣模式， 前者A族氣體垂直進氣，B族氣體水平進氣，并且兩種氣體均從底部出氣微孔噴出，實現均勻噴射；后者A、B兩族氣體均從水平方向進氣，且兩種氣體交替間隔，然后沿微孔數值向下噴射，兩種方案都能保證獲得較好的均勻性。


圖1為現有技術(一)的結構示意圖2為現有技術(二 )的結構示意圖；圖3為本發明二層結構噴淋頭設計原理示意圖；圖4為本發明三層結構噴淋頭設計原理示意圖；圖5為本發明一種二層結構噴淋頭設計結構示意圖；圖6為本發明另一種二層垂直+水平結構噴淋頭設計結構示意圖；圖7為本發明噴淋頭底面的共同噴射面結構示意圖；圖8為本發明介紹的普通頂進氣三層結構噴淋頭設計結構示意圖；圖9為帶均化層的頂進氣三層結構噴淋頭設計結構示意圖；圖10為本發明介紹的普通側進氣三層結構噴淋頭設計結構示意圖；圖11為本發明介紹的帶均化層的側進氣三層結構噴淋頭設計結構示意圖。圖中I-A族氣體輸送孔道2-B族氣體輸送孔道3-冷卻水輸送孔道4_微孔通道4’-微孔通道5-噴淋頭底面6-B族氣體進口 7-A族氣體進口 7’-A族氣體進口 8-端蓋9-均化層10-壓力氣體進口 11-冷卻腔12-噴淋口 13-載片盤14-襯底 15-反應腔16-加熱器17-排氣口 18-腔體外殼19-緩沖腔20-擋板21-A族氣體進氣口 22-A族氣體總輸氣管23-A族氣體輸氣支管M-B族氣體總輸氣管25-B族氣體輸氣支管沈-B族氣體氣口 N-進氣口。
具體實施例方式以下結合說明書附圖進一步闡述本發明，并給出實施本發明的實施例。這種實現MOCVD噴淋均勻性的裝置，通過微孔設計布局在噴淋頭中構建分別用于同時輸送A族氣體、B族氣體和冷卻水三種流體的兩層或三層獨立空間孔道，使每一層獨立空間孔道延伸至噴淋頭體表面構成與外部供氣源和冷卻水分別連接的接口 ；同時，通過分別設計在A族氣體輸送孔道1和B族氣體輸送孔道2內底部設置的通達噴淋頭底面5的微孔通道4、4’，構成能充分實現“流速均勻”、“組分均勻”、“溫度均勻”的MOCVD噴淋出口的噴射面。噴淋頭結構為實現圍繞均勻性從內到外分層布置，內部噴淋頭首先構建兩層或三層獨立空間，每一層延伸至外部接口。若采用“水平+水平”進氣模式，則為兩層空間，上層空間設計有若干平行孔道，相鄰孔道以A族、B族交替排列，兩端進氣，沿垂直微孔通道向下均勻噴射。圖3給出的是這種實現MOCVD噴淋均勻性的裝置的基本設計原理示意圖。所述的A族氣體輸送孔道1、B族氣體輸送孔道2呈平行、間隔狀態設于噴淋頭M 的上部塊體內，所述的冷卻水輸送孔道3設于噴淋頭M體的下部塊體內，構成水平+水平上層進氣、下層過水的兩層結構模式；同時，將所述的冷卻水輸送孔道3穿插設置在所述A族氣體輸送孔道1、B族氣體輸送孔道2向下延伸的每相鄰兩組微孔通道4、4’之間，實現對相鄰微孔通道4、4’內的過流氣體的溫度調控。在實際應用中，按照上述原理設計的實現MOCVD噴淋均勻性的裝置，可以采取圖5 和圖6兩種結構形式。圖5給出的實現MOCVD噴淋均勻性的裝置，所述的A族氣體輸送孔道1、B族氣體輸送孔道2呈平行、間隔狀態設于噴淋頭M的上部塊體內，所述的冷卻水輸送孔道3設于噴淋頭M體的下部塊體內，構成水平+水平上層進氣、下層過水的兩層結構模式；同時，將所述的冷卻水輸送孔道3穿插設置在所述A族氣體輸送孔道1、B族氣體輸送孔道2向下延伸的每相鄰兩組微孔通道4、微孔通道4’之間，實現對相鄰微孔通道4、微孔通道4’內的過流氣體的溫度調控。圖6給出的實現MOCVD噴淋均勻性的裝置，所述該裝置噴淋頭M塊體上的B族氣體輸送孔道2呈平行狀設于噴淋頭M的上部塊體內，所述的A族氣體輸送孔道1為直接貫穿噴淋頭體上下的微孔通道，所述的冷卻水輸送孔道3設于噴淋頭M體的下部塊體內，并穿插設置在所述A族氣體輸送孔道1、B族氣體輸送孔道2向下延伸的每相鄰兩組微孔通道4、 微孔通道4’之間，實現對相鄰微孔通道4、微孔通道4’內的過流氣體的溫度調控。在此技術方案中A族氣體輸送孔道1直接穿噴淋頭塊體M上、下，構成一種水平+垂直進氣結構。附圖4給出的是一種三層結構的MOCVD噴淋均勻性的裝置設計原理，頂層為A族進氣，中間層為B族進氣，底層為水冷層，這種模式下，由于頂層A族空間對進氣接口基本無約束，故可將進氣口 7或者7’選擇開設在頂部或側面，但進入A族空間后，氣流都沿垂直微孔通道4向下均勻噴射；而B族空間則選擇在側面進氣，在將B族氣體由噴淋頭M側面進入 B族氣體輸送孔道2后通過與該氣體輸送孔道相垂直設置的微孔通道4’向下均勻噴射。實施“垂直+水平”進氣模式時，所述的噴淋頭可以在噴淋頭的上部塊體增設一上端蓋8，構成三層結構形式。在這種設計原理下，這種“垂直+水平”進氣模式可以形成四種實現MOCVD噴淋均勻性的裝置。圖8和圖10給出的這兩種“垂直+水平”進氣模式實現MOCVD噴淋均勻性的裝置， 所述該裝置的噴淋頭M塊體上部通過增設的帶有進氣口 N的上端蓋8構成“垂直+水平”進氣、水平進水模式。其中輸送A族氣體的微孔通道4直接貫穿噴淋頭體上下，通過設置在上端蓋8頂部或者側邊的A族氣體進口 N與A族氣體氣源連通；B族氣體輸送孔道2則呈平行設于噴淋頭M的上部塊體內，所述的冷卻水輸送孔道3設于噴淋頭M體的下部塊體內，并穿插設置在所述A族氣體輸送孔道1、B族氣體輸送孔道2向下延伸的每相鄰兩組微孔通道4、微孔通道4’之間，實現對相鄰微孔通道4、微孔通道4’內的過流氣體的溫度調控。在上述這兩種裝置中，A族氣體輸送孔道、B族氣體輸送孔道2的設計位置可以互換。圖9和圖11給出的另外兩種“垂直+水平”實現MOCVD噴淋均勻性的裝置，所述該裝置噴淋頭M塊體上部通過增設的帶有進氣口 N的上端蓋8構成“垂直+水平”進氣、水平進水模式，并在上端蓋8構成的腔體內增設一塊均化隔板9，并在均化隔板，9以上的上端蓋8的頂部或側邊設有進氣口 N。其中輸送A族氣體的微孔通道4直接貫穿噴淋頭體上下，通過設置在上端蓋8頂部或者側邊的A族氣體進口 N與A族氣體氣源連通；B族氣體輸送孔道2則呈平行設于噴淋頭M的上部塊體內，所述的冷卻水輸送孔道3設于噴淋頭M體的下部塊體內，且穿插設置在輸送A族氣體的微孔通道4、B族氣體輸送孔道2向下延伸的每相鄰兩組微孔通道4、微孔通道4’之間，實現對相鄰微孔通道4、微孔通道4’內的過流氣體的溫度調控。在這兩種裝置中，A族氣體輸送孔道與合并成微孔通道4，同時B族氣體輸送孔道 2與A族氣體輸送孔道可以互換。
這種帶均化隔板9的實現MOCVD噴淋均勻性的裝置，通過均化隔板9的作用使自進氣口 N進入均化隔板9上部的A族氣體或B族氣體能夠比較均勻地進入貫通噴淋頭M的微孔通道4或微孔通道4’，進一步提高進入氣體的均勻度。在實際應用中，按照上述原理設計的實現MOCVD噴淋均勻性的裝置，不僅可用于兩種不同介質流體的噴淋，也可以通過相同的結構原理，設計出應用于兩種以上的多種流體介質的噴淋需要。以上各實施例僅用于說明本發明而非限制本發明所闡述的技術方案，并不局限于以上的形式，還可以對本發明在主體設計原理進行修改或等同的替換；一切不脫離本發明創意主體的技術方案及其改進，都將落入本發明的保護范圍。
權利要求
1.一種實現MOCVD噴淋均勻性的裝置，其特征在于通過微孔設計布局在噴淋頭中構建分別用于同時輸送A族氣體、B族氣體和冷卻水三種流體的兩層或三層獨立空間孔道，使每一層獨立空間孔道延伸至噴淋頭體表面構成與外部供氣源和冷卻水分別連接的接口 ；同時，通過分別設計在A族氣體輸送孔道(1)和B族氣體輸送孔道O)內底部設置的通達噴淋頭底面(5)的微孔通道(4、4’)，構成能充分實現“流速均勻”、“組分均勻”、“溫度均勻” 的MOCVD噴淋出口的噴射面。
2.如權利要求1所述的一種實現MOCVD噴淋均勻性的裝置，其特征在于所述的A族氣體輸送孔道(1)、B族氣體輸送孔道( 呈平行、間隔狀態設于噴淋頭(M)的上部塊體內， 所述的冷卻水輸送孔道C3)設于噴淋頭(M)下部塊體內，構成水平+水平上層進氣、下層過水的兩層結構模式；同時，將所述的冷卻水輸送孔道C3)穿插設置在所述A族氣體輸送孔道 (1)、B族氣體輸送孔道(2)向下延伸的每相鄰兩組微孔通道G、4’)之間，實現對相鄰微孔通道(4、4’ )內的過流氣體的溫度調控。
3.如權利要求1所述的一種實現MOCVD噴淋均勻性的裝置，其特征在于所述的B族氣體輸送孔道( 呈平行狀態設于噴淋頭(M)的上部塊體，所述的冷卻水輸送孔道(3)設于噴淋頭(M)下部塊體內，所述的A族氣體輸送孔道(1)直接貫穿噴淋頭塊體上下，構成一種“垂直+水平”進氣和水平進水結構模式。
4.如權利要求1所述的一種實現MOCVD噴淋均勻性的裝置，其特征在于在噴淋頭(M) 上部增設一帶有頂部進氣口(7)或水平進氣口(7’)的上端蓋(8)，形成上部空腔，所述的B 族氣體輸送孔道( 呈平行狀態設于噴淋頭(M)的上部塊體內，所述的冷卻水輸送孔道(3) 設于噴淋頭(M)體的下部塊體內，所述的A族氣體輸送孔道為直接貫穿噴淋頭上下的微孔通道G)，它與B族氣體微孔通道相間隔設置，并與上端蓋內腔相通，由此構成垂直+水平進氣、下層過水的三層結構模式；同時，將所述的冷卻水輸送孔道C3)穿插設置在所述A族氣體輸送孔道(1)、B族氣體輸送孔道(2)向下延伸的每相鄰兩組微孔通道(4、4’ )之間，實現對相鄰微孔通道(4、4’ )內的過流氣體的溫度調控。
5.如權利要求1或3所述的一種實現MOCVD噴淋均勻性的裝置，其特征在于所述的上端蓋(8)與噴淋頭(M)形成的空腔內設有一均化隔板(9)，并在均化隔板(9)以上的上端蓋(8)的頂部或側邊設有進氣口(N)。
6.如權利要求1所述的一種實現MOCVD噴淋均勻性的裝置，其特征在于用于金屬有機物化學氣相沉積技術或其它類似技術領域。
全文摘要
一種實現MOCVD噴淋均勻性的裝置，其特征在于通過微孔設計布局在噴淋頭中構建分別用于同時輸送A族氣體、B族氣體和冷卻水三種流體的兩層或三層獨立空間孔道，使每一層獨立空間孔道延伸至噴淋頭體表面構成與外部供氣源和冷卻水分別連接的接口；同時，通過分別設計在A族氣體輸送孔道(1)和B族氣體輸送孔道(2)內底部設置的通達噴淋頭底面(5)的微孔通道(4、4’)，構成能充分實現“流速均勻”、“組分均勻”、“溫度均勻”的MOCVD噴淋出口的噴射面。
文檔編號C23C16/455GK102352493SQ20111036254
公開日2012年2月15日 申請日期2011年11月16日 優先權日2011年11月16日
發明者張瑜, 龔岳俊 申請人:上海卓銳材料科技有限公司