一种实现MOCVD喷淋均匀性的装置及应用

摘要

一种实现MOCVD喷淋均匀性的装置，其特征在于：通过微孔设计布局在喷淋头中构建分别用于同时输送A族气体、B族气体和冷却水三种流体的两层或三层独立空间孔道，使每一层独立空间孔道延伸至喷淋头体表面构成与外部供气源和冷却水分别连接的接口；同时，通过分别设计在A族气体输送孔道(1)和B族气体输送孔道(2)内底部设置的通达喷淋头底面(5)的微孔通道(4、4’)，构成能充分实现“流速均匀”、“组分均匀”、“温度均匀”的MOCVD喷淋出口的喷射面。

权利要求

1.一种实现MOCVD喷淋均匀性的装置，其特征在于：通过微孔设计布局在喷淋头中构建分别用于同时输送A族气体、B族气体和冷却水三种流体的两层或三层独立空间孔道，使每一层独立空间孔道延伸至喷淋头体表面构成与外部供气源和冷却水分别连接的接口；同时，通过分别设计在A族气体输送孔道(1)和B族气体输送孔道(2)内底部设置的通达喷淋头底面(5)的微孔通道(4、4’)，构成能充分实现“流速均匀”、“组分均匀”、“温度均匀”的MOCVD喷淋出口的喷射面。

2.如权利要求1所述的一种实现MOCVD喷淋均匀性的装置，其特征在于：所述的A族气体输送孔道(1)、B族气体输送孔道(2)呈平行、间隔状态设于喷淋头(M)的上部块体内，所述的冷却水输送孔道(3)设于喷淋头(M)下部块体内，构成水平+水平上层进气、下层过水的两层结构模式；同时，将所述的冷却水输送孔道(3)穿插设置在所述A族气体输送孔道(1)、B族气体输送孔道(2)向下延伸的每相邻两组微孔通道(4、4’)之间，实现对相邻微孔通道(4、4’)内的过流气体的温度调控。

3.如权利要求1所述的一种实现MOCVD喷淋均匀性的装置，其特征在于：所述的B族气体输送孔道(2)呈平行状态设于喷淋头(M)的上部块体，所述的冷却水输送孔道(3)设于喷淋头(M)下部块体内，所述的A族气体输送孔道(1)直接贯穿喷淋头块体上下，构成一种“垂直+水平”进气和水平进水结构模式。

4.如权利要求1所述的一种实现MOCVD喷淋均匀性的装置，其特征在于：在喷淋头(M)上部增设一带有顶部进气口(7)或水平进气口(7’)的上端盖(8)，形成上部空腔，所述的B族气体输送孔道(2)呈平行状态设于喷淋头(M)的上部块体内，所述的冷却水输送孔道(3)设于喷淋头(M)体的下部块体内，所述的A族气体输送孔道为直接贯穿喷淋头上下的微孔通道(4)，它与B族气体微孔通道相间隔设置，并与上端盖内腔相通，由此构成垂直+水平进气、下层过水的三层结构模式；同时，将所述的冷却水输送孔道(3)穿插设置在所述A族气体输送孔道(1)、B族气体输送孔道(2)向下延伸的每相邻两组微孔通道(4、4’)之间，实现对相邻微孔通道(4、4’)内的过流气体的温度调控。

5.如权利要求1或3所述的一种实现MOCVD喷淋均匀性的装置，其特征在于：所述的上端盖(8)与喷淋头(M)形成的空腔内设有一均化隔板(9)，并在均化隔板(9)以上的上端盖(8)的顶部或侧边设有进气口(N)。

6.如权利要求1所述的一种实现MOCVD喷淋均匀性的装置，其特征在于：用于金属有机物化学气相沉积技术或其它类似技术领域。

说明书

一种实现MOCVD喷淋均匀性的装置及应用

技术领域

[0001] 本发明涉及一种MOCVD技术，尤其是一种实现MOCVD喷淋均匀性的装置及应用。

背景技术

[0002] “均匀性”是金属有机物化学气相沉积(Metal-Organic Chemical Vapor Deposition简称MOCVD)系统核心技术指标之一，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：

[0003] “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。

[0004] “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。

[0005] “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。

[0006] 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。

[0007] 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1所示)，从根本上解决了A族与B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。

[0008] 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2)，介绍了一种大面积梳状形式的喷淋头，可实现A族与B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。

发明内容

[0009] 本发明的目的：旨在实现“三个均匀性”目标，提出一种既能理想地实现MOCVD喷淋均匀性的装置和装置，同时也克服现有技术中存在的结构复杂、加工难度大、使用效果难以保持稳定的缺陷。

[0010] 这种实现MOCVD喷淋均匀性的装置，其特征在于：其特征在于：通过微孔设计布局在喷淋头中构建分别用于同时输送A族气体、B族气体和冷却水三种流体的两层或三层独立空间孔道，使每一层独立空间孔道延伸至喷淋头体表面构成与外部供气源和冷却水分别连接的接口；同时，通过分别设计在A族气体输送孔道和B族气体输送孔道内底部设置的通达喷淋头底面的微孔通道，构成能充分实现“流速均匀”、“组分均匀”、“温度均匀”的MOCVD喷淋出口的喷射面。

[0011] 所述的A族气体输送孔道、B族气体输送孔道呈平行、间隔状态设于喷淋头的上部块体内，所述的冷却水输送孔道设于喷淋头下部块体内，构成水平+水平上层进气、下层过水的两层结构模式；同时，将所述的冷却水输送孔道穿插设置在所述A族气体输送孔道、B族气体输送孔道向下延伸的每相邻两组微孔通道之间，实现对相邻微孔通道内的过流气体的温度调控。

[0012] 所述的B族气体输送孔道呈平行状态设于喷淋头的上部块体内，所述的冷却水输送孔道设于喷淋头下部块体内，并且所述的A族气体输送孔道直接贯穿喷淋头块体上下，构成一种“垂直+水平”进气和水平进水结构模式。

[0013] 在喷淋头上部增设一带有顶部进气口或水平进气口的上端盖，形成上部空腔，所述的B族气体输送孔道呈平行状态设于喷淋头的上部块体内，所述的冷却水输送孔道设于喷淋头M体的下部块体内，所述的A族气体输送孔道为直接贯穿喷淋头上下的微孔通道，它与B族气体微孔通道相间隔设置，并与上端盖内腔相通，由此构成垂直+水平进气、下层过水的三层结构模式；同时，将所述的冷却水输送孔道穿插设置在所述A族气体输送孔道、B族气体输送孔道向下延伸的每相邻两组微孔通道之间，实现对相邻微孔通道内的过流气体的温度调控。

[0014] 所述的上端盖与喷淋头形成的空腔内设有一均化隔板，并在均化隔板以上的上端盖的顶部或侧边设有进气口。

[0015] 上述这种实现MOCVD喷淋均匀性的装置，与同类技术的喷淋头相比，具有如下创新点：

[0016] (1)由于采用三种空间(A族气体、B族气体、冷却水)独立分布的微孔设计，既保证A、B族气流绝对隔离，而且用微孔替代穿管结构实现气体内部输运，避免了穿管焊接加工存在的难度；

[0017] (2)通过采用上层孔道为气流层，下层孔道为水流层，形状可为平行直孔道、S形孔道或其他，使得微孔在喷射面上呈现均匀分布；

[0018] (3)由于A、B族两个气流层可选择“垂直+水平”或“水平+水平”两种进气模式，前者A族气体垂直进气，B族气体水平进气，并且两种气体均从底部出气微孔喷出，实现均匀喷射；后者A、B两族气体均从水平方向进气，且两种气体交替间隔，然后沿微孔数值向下喷射，两种方案都能保证获得较好的均匀性。

附图说明

[0019] 图1为现有技术(一)的结构示意图；

[0020] 图2为现有技术(二)的结构示意图；

[0021] 图3为本发明二层结构喷淋头设计原理示意图；

[0022] 图4为本发明三层结构喷淋头设计原理示意图；

[0023] 图5为本发明一种二层结构喷淋头设计结构示意图；

[0024] 图6为本发明另一种二层垂直+水平结构喷淋头设计结构示意图；

[0025] 图7为本发明喷淋头底面的共同喷射面结构示意图；

[0026] 图8为本发明介绍的普通顶进气三层结构喷淋头设计结构示意图；

[0027] 图9为带均化层的顶进气三层结构喷淋头设计结构示意图；

[0028] 图10为本发明介绍的普通侧进气三层结构喷淋头设计结构示意图；

[0029] 图11为本发明介绍的带均化层的侧进气三层结构喷淋头设计结构示意图。

[0030] 图中：1-A族气体输送孔道 2-B族气体输送孔道 3-冷却水输送孔道4-微孔通道 4’-微孔通道 5-喷淋头底面 6-B族气体进口 7-A族气体进口 7’-A族气体进口8-端盖 9-均化层 10-压力气体进口 11-冷却腔 12-喷淋口 13-载片盘 14-衬底
15-反应腔 16-加热器17-排气口 18-腔体外壳 19-缓冲腔 20-挡板 21-A族气体进气口22-A族气体总输气管 23-A族气体输气支管 24-B族气体总输气管 25-B族气体输气支管 26-B族气体气口 N-进气口。

具体实施方式

[0031] 以下结合说明书附图进一步阐述本发明，并给出实施本发明的实施例。

[0032] 这种实现MOCVD喷淋均匀性的装置，通过微孔设计布局在喷淋头中构建分别用于同时输送A族气体、B族气体和冷却水三种流体的两层或三层独立空间孔道，使每一层独立空间孔道延伸至喷淋头体表面构成与外部供气源和冷却水分别连接的接口；同时，通过分别设计在A族气体输送孔道1和B族气体输送孔道2内底部设置的通达喷淋头底面5的微孔通道4、4’，构成能充分实现“流速均匀”、“组分均匀”、“温度均匀”的MOCVD喷淋出口的喷射面。

[0033] 喷淋头结构为实现围绕均匀性从内到外分层布置，内部喷淋头首先构建两层或三层独立空间，每一层延伸至外部接口。若采用“水平+水平”进气模式，则为两层空间，上层空间设计有若干平行孔道，相邻孔道以A族、B族交替排列，两端进气，沿垂直微孔通道向下均匀喷射。

[0034] 图3给出的是这种实现MOCVD喷淋均匀性的装置的基本设计原理示意图。

[0035] 所述的A族气体输送孔道1、B族气体输送孔道2呈平行、间隔状态设于喷淋头M的上部块体内，所述的冷却水输送孔道3设于喷淋头M体的下部块体内，构成水平+水平上层进气、下层过水的两层结构模式；同时，将所述的冷却水输送孔道3穿插设置在所述A族气体输送孔道1、B族气体输送孔道2向下延伸的每相邻两组微孔通道4、4’之间，实现对相邻微孔通道4、4’内的过流气体的温度调控。

[0036] 在实际应用中，按照上述原理设计的实现MOCVD喷淋均匀性的装置，可以采取图5和图6两种结构形式。

[0037] 图5给出的实现MOCVD喷淋均匀性的装置，所述的A族气体输送孔道1、B族气体输送孔道2呈平行、间隔状态设于喷淋头M的上部块体内，所述的冷却水输送孔道3设于喷淋头M体的下部块体内，构成水平+水平上层进气、下层过水的两层结构模式；同时，将所述的冷却水输送孔道3穿插设置在所述A族气体输送孔道1、B族气体输送孔道2向下延伸的每相邻两组微孔通道4、微孔通道4’之间，实现对相邻微孔通道4、微孔通道4’内的过流气体的温度调控。

[0038] 图6给出的实现MOCVD喷淋均匀性的装置，所述该装置喷淋头M块体上的B族气体输送孔道2呈平行状设于喷淋头M的上部块体内，所述的A族气体输送孔道1为直接贯穿喷淋头体上下的微孔通道，所述的冷却水输送孔道3设于喷淋头M体的下部块体内，并穿插设置在所述A族气体输送孔道1、B族气体输送孔道2向下延伸的每相邻两组微孔通道4、微孔通道4’之间，实现对相邻微孔通道4、微孔通道4’内的过流气体的温度调控。在此技术方案中：A族气体输送孔道1直接穿喷淋头块体M上、下，构成一种水平+垂直进气结构。

[0039] 附图4给出的是一种三层结构的MOCVD喷淋均匀性的装置设计原理，顶层为A族进气，中间层为B族进气，底层为水冷层，这种模式下，由于顶层A族空间对进气接口基本无约束，故可将进气口7或者7’选择开设在顶部或侧面，但进入A族空间后，气流都沿垂直微孔通道4向下均匀喷射；而B族空间则选择在侧面进气，在将B族气体由喷淋头M侧面进入B族气体输送孔道2后通过与该气体输送孔道相垂直设置的微孔通道4’向下均匀喷射。

[0040] 实施“垂直+水平”进气模式时，所述的喷淋头可以在喷淋头的上部块体增设一上端盖8，构成三层结构形式。在这种设计原理下，这种“垂直+水平”进气模式可以形成四种实现MOCVD喷淋均匀性的装置。

[0041] 图8和图10给出的这两种“垂直+水平”进气模式实现MOCVD喷淋均匀性的装置，所述该装置的喷淋头M块体上部通过增设的带有进气口N的上端盖8构成“垂直+水平”进气、水平进水模式。

[0042] 其中输送A族气体的微孔通道4直接贯穿喷淋头体上下，通过设置在上端盖8顶部或者侧边的A族气体进口N与A族气体气源连通；B族气体输送孔道2则呈平行设于喷淋头M的上部块体内，所述的冷却水输送孔道3设于喷淋头M体的下部块体内，并穿插设置在所述A族气体输送孔道1、B族气体输送孔道2向下延伸的每相邻两组微孔通道4、微孔通道4’之间，实现对相邻微孔通道4、微孔通道4’内的过流气体的温度调控。

[0043] 在上述这两种装置中，A族气体输送孔道、B族气体输送孔道2的设计位置可以互换。

[0044] 图9和图11给出的另外两种“垂直+水平”实现MOCVD喷淋均匀性的装置，所述该装置喷淋头M块体上部通过增设的带有进气口N的上端盖8构成“垂直+水平”进气、水平进水模式，并在上端盖8构成的腔体内增设一块均化隔板9，并在均化隔板，9以上的上端盖8的顶部或侧边设有进气口N。

[0045] 其中输送A族气体的微孔通道4直接贯穿喷淋头体上下，通过设置在上端盖8顶部或者侧边的A族气体进口N与A族气体气源连通；B族气体输送孔道2则呈平行设于喷淋头M的上部块体内，所述的冷却水输送孔道3设于喷淋头M体的下部块体内，且穿插设置在输送A族气体的微孔通道4、B族气体输送孔道2向下延伸的每相邻两组微孔通道4、微孔通道4’之间，实现对相邻微孔通道4、微孔通道4’内的过流气体的温度调控。

[0046] 在这两种装置中，A族气体输送孔道与合并成微孔通道4，同时B族气体输送孔道2与A族气体输送孔道可以互换。

[0047] 这种带均化隔板9的实现MOCVD喷淋均匀性的装置，通过均化隔板9的作用使自进气口N进入均化隔板9上部的A族气体或B族气体能够比较均匀地进入贯通喷淋头M的微孔通道4或微孔通道4’，进一步提高进入气体的均匀度。

[0048] 在实际应用中，按照上述原理设计的实现MOCVD喷淋均匀性的装置，不仅可用于两种不同介质流体的喷淋，也可以通过相同的结构原理，设计出应用于两种以上的多种流体介质的喷淋需要。

[0049] 以上各实施例仅用于说明本发明而非限制本发明所阐述的技术方案，并不局限于以上的形式，还可以对本发明在主体设计原理进行修改或等同的替换；一切不脱离本发明创意主体的技术方案及其改进，都将落入本发明的保护范围。