一種用于mocvd設備的噴淋頭的制作方法
【專利摘要】一種用于MOCVD設備的噴淋頭，屬于氣體噴淋裝置，解決現(xiàn)有噴淋頭存在的原料氣體不能均勻混合的問題，同時減少在噴淋頭頂部出現(xiàn)沉積堵塞噴口的問題。本發(fā)明包括底座、下隔板、上隔板、頂蓋和中心導管，頂蓋和底蓋之間被隔成上層氣腔、中間氣腔和底層腔體；多根上層氣管平行穿過上隔板、下隔板和底蓋，多根下層氣管平行穿過下隔板和底蓋，各上層氣管和下層氣管下端分別裝設有長噴嘴和短噴嘴；長噴嘴和短噴嘴在底蓋下表面交錯均勻排列。本發(fā)明通過對長、短噴嘴的分配方式，可以提高反應腔內氣體均勻性，提高反應速率，抑制反應物在頂部避免沉積造成噴口堵塞的情況，能夠提高晶體生長質量，顯著提高晶體成品率，降低生產成本。
【專利說明】—種用于MOCVD設備的噴淋頭

【技術領域】
[0001]本發(fā)明屬于氣體噴淋裝置，具體涉及一種用于M0CVD設備的噴淋頭，實現(xiàn)多種氣體隔離以及均勻化噴淋。
技術背景
[0002]金屬有機化合物化學氣相沉積,其英文名稱為Metal-organic Chemical VaporDeposit1n，縮寫為M0CVD，是在氣相外延生長(VPE)的基礎上發(fā)展起來的一種新型氣相外延生長技術，是以III族、II族元素的有機化合物以及V、VI族元素的氫化物等作為氣相沉積的源材料，通過擴散、氣相反應以及表面化學反應，在高溫的襯底上生長各種II1- V族或I1-VI族化合物半導體以及它們的多元固溶體的薄層單晶材料。通常M0CVD的生長條件是在低壓(1000-10000pa)下進行，生長使用的載氣(通常為隊或!12)與原料氣體按一定比例混合通入反應腔內，襯底溫度一般在700-1500K之間，反應器頂部及壁面一般采用冷壁。由于M0CVD生長使用的原料氣體，特別是金屬有機化合物(M0)源大都是易燃、易爆而且毒性較大的物質，對于反應原料氣體的氣體輸運系統(tǒng)的密封性和可靠性有很高的要求。噴淋頭作為氣體輸運到反應腔中最重要的一個環(huán)節(jié)，其對于氣道的分配以及噴淋方式對于晶體質量的好壞具有嚴重影響；由于其重要性，目前已申請的專利較多。中國專利申請?zhí)?00710035447.2公開了一種用于金屬有機物化學氣相淀積設備的大面積梳狀噴淋頭，有效的分隔了兩種原料氣體，但由于是梳狀噴淋，在與梳齒平行的截面上均為一種原料氣體，導致了噴淋的兩種原料氣體不能均勻混合。中國專利申請201010254817.3公開了一種M0CVD設備新型噴淋頭裝置，隔板將底部的噴孔縱向分隔成幾個區(qū)塊，分別對不同的區(qū)塊通入不同的氣體，達到混合的目的，但仍然會導致混合不均的情況出現(xiàn)。
[0003]目前已有的幾種噴淋方式有垂直噴淋式、雙束流方式、徑向三重流方式，以上幾種方式均有沉積反應不均勻、反應不充分、原料氣浪費等缺陷。


【發(fā)明內容】

[0004]本發(fā)明提供一種用于M0CVD設備的噴淋頭，解決現(xiàn)有噴淋頭存在的原料氣體不能均勻混合的問題，同時減少在噴淋頭頂部出現(xiàn)沉積堵塞噴口的問題。
[0005]本發(fā)明所提供的一種用于M0CVD設備的噴淋頭，包括底座、下隔板、上隔板、頂蓋和中心導管，其特征在于:
[0006]所述底座由支承環(huán)和底蓋成一體構成，所述支承環(huán)為圓筒形，所述底蓋固連并覆蓋于所述支承環(huán)下端面；
[0007]所述下隔板和上隔板在所述支承環(huán)的內孔軸向自下而上間隔平行設置，所述頂蓋固連于并覆蓋所述底座的支承環(huán)上端面；
[0008]所述頂蓋和所述上隔板之間的支承環(huán)內孔構成上層氣腔；
[0009]所述上隔板和所述下隔板之間的支承環(huán)內孔構成中間氣腔；
[0010]所述下隔板和底蓋之間的支承環(huán)內孔構成底層腔體；
[0011]所述頂蓋表面中心具有進氣接頭，其為空心圓柱；頂蓋表面還具有進水接頭和出水接頭，
[0012]所述中心導管穿過所述頂蓋的進氣接頭和上隔板連通中間氣腔；中心導管外壁與進氣接頭內孔之間形成與上層氣腔連通的環(huán)形氣道；
[0013]所述進水接頭通過穿過上隔板和下隔板的導水管連通所述底層腔體；所述出水接頭通過穿過上隔板和下隔板的導水管連通所述底層腔體；
[0014]多根上層氣管平行穿過所述上隔板、下隔板和底蓋，各上層氣管下端露出底蓋部分裝設有長噴嘴；
[0015]多根下層氣管平行穿過所述下隔板和底蓋，各下層氣管下端露出底蓋部分裝設有短噴嘴；
[0016]所述長噴嘴和短噴嘴在底蓋下表面交錯均勻排列。
[0017]所述的噴淋頭，其特征在于:
[0018]所述底座中，所述支承環(huán)為圓筒形，其內腔為同心的臺階孔，自上而下由一級臺階孔、二級臺階孔、三級臺階孔連通構成，各級臺階孔的內徑自上而下依次縮??；所述底蓋為圓盤形，固連于所述支承環(huán)下端面，覆蓋三級臺階孔，底蓋表面具有按行列均勻分布排列成陣列的透孔；
[0019]所述下隔板為圓盤形，其外徑與所述支承環(huán)的二級臺階孔內徑相適應；下隔板表面具有按行列均勻分布排列成陣列的過孔，同時具有進水孔和出水孔，各過孔的位置與底蓋的透孔位置一一對應；
[0020]所述上隔板亦為圓盤形，其外徑與所述支承環(huán)的一級臺階孔內徑相適應；上隔板表面中心具有進氣孔，上隔板表面具有按行列均勻分布排列成陣列的通孔，同時具有進水過孔和出水過孔，各通孔的位置與底蓋上每行、每列透孔位置間隔交錯對應；進水過孔和出水過孔的位置分別與進水孔和出水孔的位置對應；
[0021]所述下隔板擱置在所述支承環(huán)的一級臺階孔和二級臺階孔相交臺肩上；
[0022]所述上隔板擱置在所述支承環(huán)的二級臺階孔和三級臺階孔相交臺肩上；
[0023]所述頂蓋為圓盤形，其表面中心的進氣接頭位置與所述進氣孔位置對應，所述進水接頭和出水接頭位置分別與進水過孔和出水過孔的位置對應；頂蓋覆蓋底座的一級臺階孔，頂蓋和所述上隔板之間的一級臺階孔構成上層氣腔；
[0024]所述上隔板和所述下隔板之間的二級臺階孔構成中間氣腔；
[0025]所述下隔板和底蓋之間的三級臺階孔構成底層腔體；
[0026]所述中心導管穿過所述頂蓋的進氣接頭，連通上隔板中心的進氣孔，從而連通中間氣腔；中心導管外壁與進氣接頭內孔之間形成與上層氣腔連通的環(huán)形氣道；
[0027]所述進水接頭通過穿過進水過孔的導水管連通所述下隔板的進水孔；所述出水接頭通過穿過出水過孔的導水管連通所述下隔板的出水孔；
[0028]所述上隔板的各通孔均固定有一根上層氣管，各上層氣管向下穿過所述下隔板和底蓋上對應的過孔及透孔；
[0029]所述下隔板上除去穿有上層氣管的過孔外，其余各過孔均固定有一根下層氣管，各下層氣管向下穿過所述底蓋上對應的透孔。
[0030]所述的噴淋頭，其特征在于:
[0031]所述上層氣管與通孔、過孔及透孔的相接部位分別密封；所述下層氣管與過孔及透孔的相接部位分別密封。
[0032]所述的噴淋頭，其特征在于:
[0033]所述下隔板、上隔板和所述底座的支承環(huán)支承部位分別設有環(huán)形密封墊圈；
[0034]所述頂蓋和所述底座的支承環(huán)上端面之間設有環(huán)形密封墊圈。
[0035]考慮到M0CVD過程是在層流、以擴散為主要影響晶體生長速率以及生長質量的模式，由于兩種反應物氣體擴散速率并不相同，導致生長表面氣體濃度不相同，這樣會造成一部分原料氣的浪費，特別是在生長GaN薄膜的過程中，低擴散速率的M0源還沒輸運到表面就已經在氣相中耗散掉被載氣帶出反應器。針對于這種情況，本發(fā)明中長噴嘴和短噴嘴在底蓋下表面交錯均勻排列，長噴嘴將擴散速率較低的M0源送入接近于襯底的位置，而短噴嘴則送入另一擴散速率較高的反應氣體，這樣能保證在襯底附近都有較高濃度的反應源氣體，使噴出氣體混合均勻性得到提高，
[0036]本發(fā)明將氣體入口的進氣接頭設計為兩層套管結構，中心導管將反應氣體A直接導入中間氣腔，中心導管外壁與進氣接頭內孔之間形成的環(huán)形氣道將氣體B導入上層氣腔，這種結構避免了要在噴淋頭側面或是在偏心的區(qū)域增加入口，使入口氣體也能均勻的分配到每一個噴孔中。上隔板除了起到分隔兩種原料氣體作用，還起到固定中心導管和上層氣管的作用；下隔板分離原料氣和冷卻水，也起到固定下層氣管的作用。在高溫下反應氣體混合會發(fā)生反應，這樣會在噴嘴和壁面發(fā)生沉積，因此，底層腔體通過冷卻水，保持噴淋口處壁面以及氣體較低溫度，防止發(fā)生沉積。
[0037]與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明具有以下有益效果:本發(fā)明通過對噴嘴的分配方式，可以提高反應腔內氣體均勻性；進氣接頭為套管結構，消除了多入口的不均勻性影響；通過增加長短噴嘴，改善了襯底表面可能出現(xiàn)的M0源耗盡的情況，提高了表面處M0源濃度，從而提高反應速率，改變反應源氣體混合位置，減少氣相次生反應的發(fā)生，從而抑制反應物在頂部避免沉積造成噴口堵塞的情況。
[0038]本發(fā)明有效地改善內部氣體均勻性，從而提高晶體生長質量，能顯著提高晶體成品率，降低生產成本。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0039]圖1為本發(fā)明的分解結構示意圖；
[0040]圖2為本發(fā)明的截面圖；
[0041]圖3為噴嘴的結構示意圖；
[0042]圖4為底座的結構不意圖；
[0043]圖5為下隔板的結構示意圖；
[0044]圖6為上隔板的結構示意圖；
[0045]圖7為頂蓋的結構示意圖；
[0046]圖8為底座和氣體支管的排布不意圖。

【具體實施方式】
[0047]以下結合附圖和實施例對本發(fā)明進一步說明。
[0048]如圖1、圖2所不，本發(fā)明包括底座1、下隔板2、上隔板3、頂蓋4和中心導管5 ；
[0049]所述底座1由支承環(huán)1-1和底蓋1-2成一體構成，所述支承環(huán)1-1為圓筒形，所述底蓋1-2固連并覆蓋于所述支承環(huán)1-1下端面；
[0050]所述下隔板2和上隔板3在所述支承環(huán)1-1的內孔軸向自下而上間隔平行設置，所述頂蓋4固連于并覆蓋所述底座1的支承環(huán)1-1上端面；
[0051]所述頂蓋4和所述上隔板3之間的支承環(huán)內孔構成上層氣腔；
[0052]所述上隔板3和所述下隔板2之間的支承環(huán)內孔構成中間氣腔；
[0053]所述下隔板2和底蓋1-2之間的支承環(huán)內孔構成底層腔體；
[0054]所述頂蓋4表面中心具有進氣接頭4A，其為空心圓柱；頂蓋4表面還具有進水接頭4B和出水接頭4C，
[0055]所述中心導管5穿過所述頂蓋4的進氣接頭4A和上隔板3連通中間氣腔；中心導管5外壁與進氣接頭4A內孔之間形成與上層氣腔連通的環(huán)形氣道；
[0056]所述進水接頭4B通過穿過上隔板3和下隔板2的導水管連通所述底層腔體；所述出水接頭4C通過穿過上隔板3和下隔板2的導水管連通所述底層腔體；
[0057]多根上層氣管6平行穿過所述上隔板3、下隔板2和底蓋1-2，各上層氣管6下端露出底蓋1-2部分裝設有長噴嘴7 ；
[0058]多根下層氣管8平行穿過所述下隔板2和底蓋1-2，各下層氣管8下端露出底蓋1-2部分裝設有短噴嘴9 ；
[0059]所述長噴嘴7和短噴嘴9在底蓋1-2下表面交錯均勻排列，長噴嘴7和短噴嘴9如如圖3所示，。
[0060]如圖4(A)所示，所述支承環(huán)1-1為圓筒形，其內腔為同心的臺階孔，自上而下由一級臺階孔1-1A、二級臺階孔1-1B、三級臺階孔1-1C連通構成，各級臺階孔的內徑自上而下依次縮?。?br> [0061]如圖4(B)所示，所述底蓋1-2為圓盤形，固連于所述支承環(huán)1-1下端面，覆蓋三級臺階孔1-1C，底蓋1-2表面具有按行列均勻分布排列成陣列的透孔1-2A ；
[0062]如圖5所示，所述下隔板2為圓盤形，其外徑與所述支承環(huán)1-1的二級臺階孔1-1B內徑相適應；下隔板2表面具有按行列均勻分布排列成陣列的過孔2A，同時具有進水孔2B和出水孔2C，各過孔2A的位置與底蓋1-2的透孔1-2A位置——對應；
[0063]如圖6所示，所述上隔板3亦為圓盤形，其外徑與所述支承環(huán)1-1的一級臺階孔1-1A內徑相適應；上隔板3表面中心具有進氣孔3D，上隔板3表面具有按行列均勻分布排列成陣列的通孔3A，同時具有進水過孔3B和出水過孔3C，各通孔3A的位置與底蓋1_2上每行、每列透孔1-2A位置間隔交錯對應；進水過孔3B和出水過孔3C的位置分別與進水孔2B和出水孔2C的位置對應；
[0064]如圖7(A)、圖7(B)所示，所述頂蓋4為圓盤形，其表面中心的進氣接頭4A位置與所述進氣孔3D位置對應，所述進水接頭4B和出水接頭4C位置分別與進水過孔3B和出水過孔3C的位置對應；
[0065]如圖2所示，所述下隔板2擱置在所述支承環(huán)1-1的一級臺階孔1-1A和二級臺階孔1-1B相交臺肩上；
[0066]所述上隔板3擱置在所述支承環(huán)1-1的二級臺階孔1-1B和三級臺階孔1_1C相交臺肩上；
[0067]頂蓋4覆蓋底座1的一級臺階孔1-1A，頂蓋4和所述上隔板3之間的一級臺階孔
1-1A構成上層氣腔；
[0068]所述上隔板3和所述下隔板2之間的二級臺階孔1-1B構成中間氣腔；
[0069]所述下隔板2和底蓋1-2之間的三級臺階孔1-1C構成底層腔體；
[0070]所述中心導管5穿過所述頂蓋4的進氣接頭4A，連通上隔板3中心的進氣孔3D，從而連通中間氣腔；中心導管5外壁與進氣接頭4A內孔之間形成與上層氣腔連通的環(huán)形氣道；
[0071]所述進水接頭4B通過穿過進水過孔3B的導水管連通所述下隔板2的進水孔2B ；所述出水接頭4C通過穿過出水過孔3C的導水管連通所述下隔板2的出水孔2C ；
[0072]所述上隔板3的各通孔3A均固定有一根上層氣管6，各上層氣管6向下穿過所述下隔板2和底蓋1-2上對應的過孔2A及透孔1-2A ；
[0073]所述下隔板2上除去穿有上層氣管6的過孔2A外，其余各過孔2A均固定有一根下層氣管8，各下層氣管8向下穿過所述底蓋1-2上對應的透孔1-2A。
[0074]本發(fā)明的實施例中，所述上層氣管6與通孔3A、過孔2A及透孔1_2A的相接部位分別密封；所述下層氣管8與過孔2A及透孔1-2A的相接部位分別密封。
[0075]上層氣管6和下層氣管8在底蓋1-2上的排列情況如圖8所示。
[0076]所述下隔板2、上隔板3和所述底座1的支承環(huán)1-1支承部位分別設有環(huán)形密封墊圈；
[0077]所述頂蓋4和所述底座1的支承環(huán)1-1上端面之間設有環(huán)形密封墊圈。
[0078]本發(fā)明的實施例中，底座1、下隔板2、上隔板3、頂蓋4和中心導管5均采用不銹鋼材料制作，循環(huán)水管采用不銹鋼材料或銅合金材料制作；
[0079]上層氣管6采用不銹鋼材料制作，數(shù)量為169個；
[0080]下層氣管8采用不銹鋼材料制作，數(shù)量為164個。
【權利要求】
1.一種用于MOCVD設備的噴淋頭，包括底座(1)、下隔板(2)、上隔板(3)、頂蓋(4)和中心導管(5)，其特征在于: 所述底座(1)由支承環(huán)(1-1)和底蓋(1-2)成一體構成，所述支承環(huán)(1-1)為圓筒形，所述底蓋(1-2)固連并覆蓋于所述支承環(huán)(1-1)下端面； 所述下隔板(2)和上隔板(3)在所述支承環(huán)1-1的內孔軸向自下而上間隔平行設置，所述頂蓋(4)固連于并覆蓋所述底座1的支承環(huán)1-1上端面； 所述頂蓋⑷和所述上隔板⑶之間的支承環(huán)內孔構成上層氣腔； 所述上隔板(3)和所述下隔板(2)之間的支承環(huán)內孔構成中間氣腔； 所述下隔板(2)和底蓋(1-2)之間的支承環(huán)內孔構成底層腔體； 所述頂蓋(4)表面中心具有進氣接頭(4A)，其為空心圓柱；頂蓋4表面還具有進水接頭(4B)和出水接頭(4C)， 所述中心導管(5)穿過所述頂蓋(4)的進氣接頭(4A)和上隔板(3)連通中間氣腔；中心導管(5)外壁與進氣接頭(4A)內孔之間形成與上層氣腔連通的環(huán)形氣道； 所述進水接頭(4B)通過穿過上隔板(3)和下隔板(2)的導水管連通所述底層腔體；所述出水接頭(4C)通過穿過上隔板(3)和下隔板(2)的導水管連通所述底層腔體； 多根上層氣管(6)平行穿過所述上隔板(3)、下隔板(2)和底蓋(1-2)，各上層氣管(6)下端露出底蓋(1-2)部分裝設有長噴嘴(7)； 多根下層氣管(8)平行穿過所述下隔板(2)和底蓋(1-2)，各下層氣管(8)下端露出底蓋(1-2)部分裝設有短噴嘴(9)； 所述長噴嘴(7)和短噴嘴(9)在底蓋(1-2)下表面交錯均勻排列。
2.如權利要求1所述的噴淋頭，其特征在于: 所述底座(1)中，所述支承環(huán)(1-1)為圓筒形，其內腔為同心的臺階孔，自上而下由一級臺階孔(1-1A)、二級臺階孔(1-1B)、三級臺階孔(1-1C)連通構成，各級臺階孔的內徑自上而下依次縮??；所述底蓋(1-2)為圓盤形，固連于所述支承環(huán)(1-1)下端面，覆蓋三級臺階孔(1-1C)，底蓋(1-2)表面具有按行列均勻分布排列成陣列的透孔(1-2A)； 所述下隔板(2)為圓盤形，其外徑與所述支承環(huán)(1-1)的二級臺階孔(1-1B)內徑相適應；下隔板(2)表面具有按行列均勻分布排列成陣列的過孔(2A)，同時具有進水孔(2B)和出水孔(2C)，各過孔(2A)的位置與底蓋(1-2)的透孔(1-2A)位置一一對應； 所述上隔板⑶亦為圓盤形，其外徑與所述支承環(huán)(1-1)的一級臺階孔(1-1A)內徑相適應；上隔板(3)表面中心具有進氣孔(3D)，上隔板(3)表面具有按行列均勻分布排列成陣列的通孔(3A)，同時具有進水過孔(3B)和出水過孔(3C)，各通孔(3A)的位置與底蓋(1-2)上每行、每列透孔(1-2A)位置間隔交錯對應；進水過孔(3B)和出水過孔(3C)的位置分別與進水孔(2B)和出水孔(2C)的位置對應； 所述下隔板⑵擱置在所述支承環(huán)(1-1)的一級臺階孔(1-1A)和二級臺階孔(1-1B)相父臺肩上； 所述上隔板⑶擱置在所述支承環(huán)(1-1)的二級臺階孔(1-1B)和三級臺階孔(1-1C)相父臺肩上； 所述頂蓋(4)為圓盤形，其表面中心的進氣接頭(4A)位置與所述進氣孔(3D)位置對應，所述進水接頭4B和出水接頭4C位置分別與進水過孔(3B)和出水過孔(3C)的位置對應；頂蓋(4)覆蓋底座(1)的一級臺階孔(1-1A)，頂蓋(4)和所述上隔板(3)之間的一級臺階孔(1-1A)構成上層氣腔； 所述上隔板⑶和所述下隔板⑵之間的二級臺階孔(1-1B)構成中間氣腔； 所述下隔板(2)和底蓋(1-2)之間的三級臺階孔(1-1C)構成底層腔體； 所述中心導管(5)穿過所述頂蓋(4)的進氣接頭(4A)，連通上隔板(3)中心的進氣孔(3D)，從而連通中間氣腔；中心導管(5)外壁與進氣接頭(4A)內孔之間形成與上層氣腔連通的環(huán)形氣道； 所述進水接頭(4B)通過穿過進水過孔(3B)的導水管連通所述下隔板(2)的進水孔(2B);所述出水接頭(4C)通過穿過出水過孔(3C)的導水管連通所述下隔板(2)的出水孔(2C)； 所述上隔板(3)的各通孔(3A)均固定有一根上層氣管￠)，各上層氣管￠)向下穿過所述下隔板(2)和底蓋(1-2)上對應的過孔(2A)及透孔(1-2A)； 所述下隔板(2)上除去穿有上層氣管6的過孔(2A)外，其余各過孔(2A)均固定有一根下層氣管(8)，各下層氣管(8)向下穿過所述底蓋(1-2)上對應的透孔(1-2A)。
3.如權利要求2所述的噴淋頭，其特征在于: 所述上層氣管(6)與通孔(3A)、過孔(2A)及透孔(1-2A)的相接部位分別密封；所述下層氣管(8)與過孔(2A)及透孔(1-2A)的相接部位分別密封。
4.如權利要求1、2或3所述的噴淋頭，其特征在于: 所述下隔板(2)、上隔板(3)和所述底座(1)的支承環(huán)(1-1)支承部位分別設有環(huán)形密封墊圈； 所述頂蓋(4)和所述底座1的支承環(huán)(1-1)上端面之間設有環(huán)形密封墊圈。
【文檔編號】C23C16/455GK104498904SQ201410844764
【公開日】2015年4月8日 申請日期:2014年12月29日 優(yōu)先權日:2014年12月29日
【發(fā)明者】張之, 方海生, 蔣志敏, 鄭江, 劉勝, 甘志銀 申請人:華中科技大學