CN101956182A - 用于化学气相沉积设备中的气体墙结构 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于化学气相沉积设备中的气体墙结构，包括设置于外管内腔中的内管，内、外管之间留有均匀间隙，该间隙与设置在外管上的进气口连通，内管上沿轴向分布多个连通内管内腔和上述均匀间隙的气隙结构，其中每一气隙结构包括沿周向均匀分布的多个进气缝隙、一延伸壁和一导流壁，延伸壁和导流壁沿进入该气隙结构的气流运动方向依次分布在内管内腔中，延伸壁一端固定在内管内壁上，另一端盖过进气缝隙，导流壁为设置在内管内壁上的倾斜面。本发明藉设于一系列交错相连的壁面之间的进气缝隙，令由进气缝隙进入的气体在壁面内侧形成气体墙，从而补偿反应源的沿程损失或者防止壁面的寄生沉积。本发明可应用在化学气相沉积设备中的不同位置。

Description

用于化学气相沉积设备中的气体墙结构

技术领域

本发明涉及一种化学气相沉积设备，具体涉及一种用于化学气相淀积设备中的气体墙结构。

背景技术

用化学气相淀积方法(Chemical Vapor Deposition，简称CVD)淀积薄膜材料，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薄膜淀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，在反应室的壁面约束下流向反应器出口，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；(2)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淀积；(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。要生长出厚度、掺杂浓度和组分均匀的薄膜材料，根据CVD技术的反应机理可知：必须使达到基片的反应物浓度尽量均匀一致。但是，随着气流在基片上方的流动，反应物的沿程损耗不可避免。为此，人们在反应器上进行了特殊的设计，包括了在进气方式，反应室结构，出气方式等等。典型的有，在水平式反应器中，通过抬高放置基片的石墨基座，使流道截面积变窄，增大流速以减薄边界层，从而达到补偿后程的反应物的消耗；在垂直式反应器中，通过托盘的高速旋转实现薄边界层来提高基片上方反应物的浓度均匀性；因为传统的上进下出式结构的反应器中，从基片正上方喷入的反应气体必须流到托盘边缘，再由排布在反应器侧面或下部的出口排出，在托盘中心处喷入的反应气体和在托盘边缘处的反应气体流经的距离明显不同。中心处的生成物尾气不能及时排出，导致基片沿径向的厚度和掺杂浓度仍存在不均匀。于是有专家提出上进上出式结构，使反应尾气能从每个基片周围迅速的排出，从而来提高生长的均匀度。

在CVD反应器中，壁面的作用通常是约束主气流，使其在高温基片上方反应，沉积所需的薄膜，往往壁面上也不可避免的有寄生沉积。为此，如在金属有机化学气相沉积(MOCVD)中，反应室壁面一般都需要水冷，使壁面保持在低温，来减少寄生沉积的量。但是，实际上每次生长完毕后，壁面的沉积物仍然会影响到下次的生长。特别是在生长复杂结构时，如发光二极管(LED)、激光器(LD)等，需要引入化学活性高的Al源。其反应生成的大多为不可逆的加聚物，形成的白色粉末会沉积在反应室壁面上。长期生长后留下的影响，即使经过烘烤、化学腐蚀等处理，也不能完全消除，会危害生长的薄膜质量。

发明内容

本发明的目的在于提出一种用于化学气相沉积设备中的气体墙结构，其可有效防止壁面寄生沉积，并使薄膜的沉积更加均匀，从而克服现有技术中的不足。

为实现上述发明目的，本发明采用了如下技术方案：

一种用于化学气相沉积设备中的气体墙结构，其特征在于：所述气体墙结构包括外管和内管，内管设置在外管内腔中，且内管外壁和外管内壁之间留有均匀间隙，该间隙与设置在外管上的一个以上进气口连通，所述内管上沿轴向还分布复数个连通内管内腔和所述均匀间隙的气隙结构；

其中，每一气隙结构包括沿周向均匀分布的两个以上进气缝隙、一环形延伸壁和一环形导流壁，所述延伸壁和导流壁沿进入该气隙结构的气流运动方向依次分布在内管内腔中，所述延伸壁一端固定在内管内壁上，另一端盖过进气缝隙，并与进气缝隙、内管内壁共同构成气流通道，所述导流壁为设置在内管内壁上的环形倾斜面，该倾斜面自其靠近进气缝隙的一端起向内管中心处倾斜。

进一步地讲：

所述延伸壁另一端位于进气缝隙和导流壁之间。

所述进气口为一个，其设置在外管的中部。

所述进气口为两个以上，其均匀分布在外管上。

所述进气口为一个，其设置在外管的一侧，且沿气流运行方向，外管与内管之间的间隙逐渐减小。

所述内管包括复数个内部单元管，相邻两个内部单元管按照首尾相接的方式依次排布，且每一内部单元管首端部沿周向均匀设置二个以上进气缝隙，尾端部设置延伸壁，且进气缝隙与延伸壁之间的管体内壁上设置导流壁。

所述每一内部单元管的首端部设置内螺纹，尾端部设置外螺纹，相邻两个内部单元管的首端部与尾端部以所述内螺纹和外螺纹固定组接。

所述的进气缝隙为条状或带状。

本案发明人针对现有CVD反应器中存在的上述缺陷，经长期研究和实践，提出一种新型的壁面结构(气体墙)，该气体墙能够在近壁面的区域形成一股附加的贴壁气流，用来补充反应源或者防止壁面寄生沉积之用。

具体而言，本发明的气体墙结构主要由外管和内管两部分组成，外管上设置有进气口，从此进入的可以是反应源气体(一般由载气携带)或者是惰性气体N₂、Ar等。外管管径要大于内管管径，内外管间留有缝隙，并可以根据入气口的不同位置来调整前、后程缝隙的流道截面积大小，来实现进气缝隙的气流均匀性。内管包括多个内部单元管，每一内部单元管上沿周向均匀分布多条进气缝隙，通常情况下，周向上分布的进气缝隙越密，形成的贴壁气流会更快达到均匀。

另外，在各内部单元管的内、外表面还可分别设置可配合的内、外螺纹，藉此内、外螺纹，相邻两个内部单元管即可相互啮合连接在一起。同时，各内部单元管中还设置有一段延伸壁和一段导流壁，当气流从进气缝隙进入后，首先会经过延伸壁，它起的是一个缓冲气流的作用，使气流由纵向过流动慢慢过渡到平行于主管道轴线的横向流动，接着气流在横向流动下经过导流壁，它的作用是对气流进行约束和导流，使气流慢慢在周向均匀，再经过一段的流程，最终使进入的气体形成均匀的贴壁流，在主管道内部横向流动。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：藉本发明的气体墙结构，可以得到对主流气体无影响的贴壁气流，这种贴壁气流可以用在CVD反应器的两个地方：一是可以用在主反应区以补偿反应源的沿程损失，使薄膜的沉积更加均匀；二是可以用在不希望发生寄生沉积的区域(如尾气系统等)用来阻止反应产物扩散到近壁面区域，从而防止了壁面寄生沉积，使反应室内更清洁，有效减小了炉与炉之间的相互影响。

附图说明

图1是本发明具体实施方式中一种用于化学气相沉积设备中的气体墙结构示意图；

图2是图1中所示内部单元管的结构示意图；

图3是将图1中所示气体墙应用于主反应区以补偿反应源的沿程损失的效果图；

图4是将图1中所示气体墙应用于在不希望发生寄生沉积区域的效果图。

具体实施方式

以下结合附图及一较佳实施例对本发明的技术方案作详细说明。

如图1-2所示，该用于化学气相沉积设备中的气体墙结构，包括外管2和内管，内管设置在外管内腔中，且内管外壁和外管内壁之间留有均匀间隙，该间隙与设置在外管上的进气口1连通。

上述内管包括若干内部单元管3，相邻两个内部单元管按照首尾相接的方式依次排布，且每一内部单元管3首端部沿周向均匀设置若干条状或带状的进气缝隙4，尾端部设置环形延伸壁7，且进气缝隙4与延伸壁7之间的管体内壁上设置环形导流壁6。在任一内部单元管尾端部和与之相邻的另一内部单元管的首端部固定连接后，该任一内部单元管的延伸壁7尾端部盖过该另一内部单元管的进气缝隙4，从而形成连通内管内腔和上述均匀间隙的气流通道，但该任一内部单元管的延伸壁7尾端未延伸到该另一内部单元管的导流壁6的起始端处。上述导流壁6为设置在内管内壁上的环形倾斜面，该倾斜面自其靠近进气缝隙4的一端起向内管中心处倾斜。

上述每一内部单元管3的首端部设置内螺纹5，尾端部设置外螺纹8，相邻两个内部单元管3的首端部与尾端部以上述内螺纹5和外螺纹8相互啮合组接。

上述外管采用整体管道，上述进气口1可为一个或多个，当采用一个进气口时，应将其布置在外管的中部，但若该进气口布置在外管的一侧时，则外管应为变径结构，具体为沿流动气流运行方向，逐渐减小外管与内部管之间的流道截面积，增加远离进口管的出气速度，来使气流进入各进气夹缝4的速度保持一致。

上述内部单元管亦可采用一体设置的结构，即，令内管为一整体管道结构。上述外管2和内部单元管3可以是圆柱形、多边形或其他任何适宜形状，其材质可采用不锈钢、石英、陶瓷或其他材料。

本实施例的气体墙若应用在主反应区，则可以看到越靠近气流下游，补充的反应源浓度越大，即扩散到主反应区的反应源更多，此正好与CVD反应器中的沿程损耗导致的越往下游反应源浓度越低互补(如图3所示)；而若应用在不希望发生寄生沉积的区域，则还可看到贴近壁面有一股气流在运行，它能阻止反应产物向近壁面区域扩散，防止了壁面寄生沉积的发生，同时不影响主流反应气体的原有运行轨道(如图4所示)。

需要指出的是，上述较佳实施例仅为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种用于化学气相沉积设备中的气体墙结构，其特征在于：所述气体墙结构包括外管(2)和内管，内管设置在外管内腔中，且内管外壁和外管内壁之间留有均匀间隙，该间隙与设置在外管上的一个以上进气口(1)连通，所述内管上沿轴向还分布复数个连通内管内腔和所述均匀间隙的气隙结构；

其中，每一气隙结构包括沿周向均匀分布的两个以上进气缝隙(4)、一环形延伸壁(7)和一环形导流壁(6)，所述延伸壁(7)和导流壁(6)沿进入该气隙结构的气流运动方向依次分布在内管内腔中，所述延伸壁(7)一端固定在内管内壁上，另一端盖过进气缝隙(4)，并与进气缝隙(4)、内管内壁共同构成气流通道，所述导流壁(6)为设置在内管内壁上的环形倾斜面，该倾斜面自其靠近进气缝隙(4)的一端起向内管中心处倾斜。

2.根据权利要求1所述的用于化学气相沉积设备中的气体墙结构，其特征在于：所述延伸壁(7)另一端位于进气缝隙(4)和导流壁(6)之间。

3.根据权利要求1所述的用于化学气相沉积设备中的气体墙结构，其特征在于：所述进气口(1)为一个，其设置在外管(2)的中部。

4.根据权利要求1所述的用于化学气相沉积设备中的气体墙结构，其特征在于：所述进气口(1)为两个以上，其均匀分布在外管(2)上。

5.根据权利要求1所述的用于化学气相沉积设备中的气体墙结构，其特征在于：所述进气口(1)为一个，其设置在外管(2)的一侧，且沿气流运行方向，外管与内管之间的间隙逐渐减小。

6.根据权利要求1所述的用于化学气相沉积设备中的气体墙结构，其特征在于：所述内管包括复数个内部单元管(3)，相邻两个内部单元管按照首尾相接的方式依次排布，且每一内部单元管(3)首端部沿周向均匀设置二个以上进气缝隙(4)，尾端部设置延伸壁(7)，且进气缝隙(4)与延伸壁之间的管体内壁上设置导流壁(6)。

7.根据权利要求1所述的用于化学气相沉积设备中的气体墙结构，其特征在于：所述每一内部单元管(3)的首端部设置内螺纹(5)，尾端部设置外螺纹(8)，相邻两个内部单元管(3)的首端部与尾端部以所述内螺纹(5)和外螺纹(8)固定组接。

8.根据权利要求1或6所述的用于化学气相沉积设备中的气体墙结构，其特征在于：所述的进气缝隙(4)为条状或带状。

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