CN102418086A - 一种实现气体隔离和均匀化的喷淋头装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及的一种实现气体隔离和均匀化的喷淋装置，包括压盖(1)、端盖(2)、底座(3)及经紧固螺钉(7)固定于端盖(1)与底座(3)中心的喷淋头，所述的压盖(1)上设有供不同种类流体进入的进口，所述的喷淋头包括设有槽道(8.2)和筋板(8.1)的气体分隔环(8)、设有槽道(4.2)和筋板(4.1)的气体分配单元(4)和喷射室(5)，并按照气体分隔环(8)、气体分配单元(4)和喷射室(5)自上而下的顺序组装构成喷淋机构，其特征在于：所述的喷淋机构内至少设有一层能在较大压力作用下产生塑性变形、形成类似橡胶或金属一样的密封结构，而在未受挤压部位则构成流体通道的软性多孔材料(6)。

Description

一种实现气体隔离和均匀化的喷淋头装置

技术领域

本发明涉及一种金属有机化学气相沉积设备，尤其是一种实现气体隔离和均匀化的喷淋头装置。

背景技术

金属有机物化学气相沉积设备(Metal-Organic Chemical VaporDeposition简称MOCVD)是制备高亮度发光二级管、大功率激光器和搞电子迁移率晶体管等薄膜器件的关键工艺设备。组份均匀、厚度均匀、界面陡峭是薄膜生长的基本要求，因此提高薄膜生长的均匀性一直是MOCVD反应器持续改进的核心任务之一。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：

“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。

“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。

“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。

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。

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11所示)，从根本上解决了III族与V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。

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12)，介绍了一种大面积梳状形式的喷淋头，可实现III族与V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。

此外申请号为US2009/0098276A1公开了发明名称为《Multi-GASStraight Channel Showerhead》美国专利，提出了目前MOCVD最通用的喷淋头结构(见图13、14所示)。从图13、14表达的结构形式看出它的结构特点为：III、V族气源的气体分别从两个进气口进入喷淋头装置104的第一进气总通道和第二进气总通道，并随后通过第一支路通道和第二支路通道，最终进入混合通道由喷淋出口向衬底喷射。该装置的特点是：1)气体分配通道为水平分层直通道，并采用焊接的金属空心管连通喷射室，保证两路反应气体的独立输送；2)喷射室内气路通道之间相间设有与之平行的水冷通道，用以输送制冷气体提高温度均匀性。其缺陷是：1)装置受水平分式层进气通道的限制，通道之间的链接只能采用金属空心管焊接构成，但喷射室的小孔成千上万，且数量随面积增加而迅速增加，要求穿管焊接的点太多、太密集，现有的焊接工艺极难保证具有百分之百的焊接质量。一旦出现焊接质量问题会导致整个装置报废。2)采用靠近反应壁处的大孔或密集空提高喷射气体的流速，这部分气体包含有反应气体，势必会造成反应气体耗气量增加，同时相间的水冷通道也难于保证周边流场的稳定性和均匀性。

此外，中国专利文献公开了同样用于MOCVD设备的《一种MOCVD设备新型喷淋头装置》(见附图15)，该装置包括一气体分配单元和一喷射室围设形成一密闭空间，通过设置在气体分配单元上的进气端面和若干进气分组隔板构成的若干气体通过区和若干气体阻挡区，并通过设有出气端面和若干出气搁板、并在隔板上设有的若干贯通型出气孔构成的喷射室，使所述气体分配单元的气体通过和所述喷射室的出气孔构成若干垂直分割气路单元，使同一进气体分组隔板内的垂直分隔气路单元构成输送特定气体的喷淋头专用气路。该装置的缺陷在于：装配时需要严格注意上下两层环形部的对位，否则将会因错位而造成上下气路之间的通畅。

发明内容

本发明的目的：旨在提出一种结构更为简单、安装使用更为可靠易行的MOCVD设备喷淋头装置。

这种实现气体隔离和均匀化的喷淋装置，包括压盖1、端盖2、底座3及经紧固螺钉7固定于端盖与底座中心的喷淋头，所述的压盖上设有供不同种类流体进入的进口，所述的喷淋头包括设有槽道和筋板的气体分隔环8、设有槽道和筋板的气体分配单元4和喷射室5，并按照气体分隔环8、软性多孔材料6、气体分配单元4和喷射室5自上而下的顺序组装构成喷淋机构，其特征在于：所述的喷淋机构内至少设有一层能在较大压力作用下产生塑性变形、形成类似橡胶或金属一样的密封结构，而在未受挤压部位则构成流体通道的软性多孔材料6。

所述的软性多孔材料6设置在气体分隔环8与气体分配单元4之间，并与上述两者之间对应设置的槽道构成流体通道，同时也经两者之间对应设置的筋板构成密封面。

所述的软性多孔材料6设置在气体分配单元4与喷射室5之间，其受挤压部构成气体分配单元4与喷射室5连接面的密封结构，其未受挤压部位构成气体分配单元4下部通向喷射室5喷出口的流体通道。

所述的软性多孔材料6为金属材料或非金属材料制成的网状多孔结构，其材质采用铜合金丝、镍合金丝、特殊不锈钢合金丝或聚四氟乙烯丝中的任一种通过编织而形成。

所述的气体分隔环8与气体分配单元4的筋板之间呈凹凸槽型结构，所述的软性多孔材料6在气体分隔环8与气体分配单元4之间呈凹凸装设置，两者的槽道部为流道，两者的结合边部和筋板凹凸结合部为密封面。

所述的气体分隔环8的内平面呈“西瓜片状”分隔，所述圆片型气体分隔环表面由中心向两边形成“西瓜片状”槽道8.2，槽道与槽道之间为弧形筋板8.1

所述的气体分配单元4内平面呈“西瓜片状”分隔，所述圆片型气体分隔环表面由中心向两边形成“西瓜片状”槽道4.2，槽道与槽道之间为弧形筋板4.1。

根据以上技术方案提出的这种实现气体隔离和均匀化的喷淋装置，通过在MOCVD设备喷淋头装置中设置带有软性多孔材料组成均匀层，既利用网孔材料内部的密集网状结构具有较好的透过能力，使之成为实现全体均化的流体通道，同时也通过挤压变形，使处于上下构件结合部为网状结构层形成致密的密封层，起到相邻槽道之间的隔离密封作用。应用这种材料喷淋头装置，不仅可以摒弃现有通功能装置中的采用穿管结构所存在的焊接加工难度、可靠度难度等问题，同时具有非常好的可维护性，喷淋头自上而下几乎都能拆卸，有利于喷淋头内部清洁维护，重复使用。

附图说明

图1为本发明的基本设计结构示意图(一)；

图2为图1BB段剖视图；

图3为本发明的基本设计结构示意图(二)；

图4图3中气体分隔环与气体分配单元结合面放大图；

图5为本发明组装后的整体结构示意图；

图6为本发明“西瓜片状”实施的解析结构示意图；

图7为“西瓜片状”结构中气体分隔环的结构示意图；

图8为“西瓜片状”结构中气体分配环的结构示意图；

图9为挤压前的软性材料示意图；

图10为挤压后的软性材料示意图；

图11为现有技术1的结构示意图；

图12为现有技术2的结构示意图；

图13为现有技术3的结构示意图；

图14为图13的局部放大的结构示意图；

图15为现有技术4的结构示意图。

图中：1-压盖 2-端盖 3-底座 4-气体分配单元 4.1-分配单元筋板 4.2-分配单元槽道 4.3-A族输气通道 4.4-B族输气通道 4.5-B族喷出孔4.6-A族喷出孔 5-喷射室 6-软性多孔材料 6.1-流道孔 6.2-柔性网孔筋板 6.2-密实后的密封边 7-紧固螺钉 7.1-螺孔 8-气体分隔环 8.1-分隔环筋板 8.2-分隔环槽道 9-A族气体进口 10-B族气体进口 11-筋板 12-槽道 13-压力气体进口 14-冷却腔 15-喷淋口 16-载片盘 17-衬底 18-反应腔 19-加热器 20-排气口 21-腔体外壳 22-缓冲腔23-挡板 24-III族气体进气口 25-III族气体总输气管 26-III族气体输气支管 27-V族气体总输气管 28-V族气体输气支管 29-V族气体气口A-A族气体进口 B-B族气体进口 C-水进、出口 104-喷淋头装置。

具体实施方式

以下结合附图进一步阐述本发明，并给出本发明的是实施例。

图1-图4为本发明所涉及的实现气体隔离和均匀化的喷淋装置的核心模块的结构原理图。其中图1、2为气体分隔环与气体分配单元呈平面状连接组合状态时的实际结构示意图。其中图3、4为气体分隔环与气体分配单元呈凹凸契合状连接组合状态时的实际结构示意图。

这种实现气体隔离和均匀化的喷淋装置，包括压盖1、端盖2、底座3及经紧固螺钉7固定于端盖1与底座3中心的喷淋头，所述的压盖1上设有供不同种类流体进入的进口，所述的喷淋头包括设有槽道8.2和筋板8.1的气体分隔环8、设有槽道4.2和筋板4.1的气体分配单元4和喷射室5，并按照气体分隔环8、气体分配单元4和喷射室5自上而下的顺序组装构成喷淋机构；所述的喷淋机构内至少设有一层能在较大压力作用下产生塑性变形、形成类似橡胶或金属一样的密封结构，而在未受挤压部位则构成流体通道的软性多孔材料6。

在实际应用中上述软性多孔材料6在气体隔离和均匀化的喷淋装置中的设置可以采用以下两种基本形式：

其一，将软性多孔材料6设置在气体分隔环8与气体分配单元4之间，并与上述两者之间对应设置的一组上下槽道构成流体通道，同时也经两者之间对应设置的一组上下筋板及环体边缘结合部构成密封面。

其二，将软性多孔材料6设置在气体分配单元4与喷射室5之间，其受挤压部位构成气体分配单元4与喷射室5结合面的密封结构，其未受挤压部位构成气体分配单元4下部通向喷射室5喷出口的流体通道。

通过上述设置，将气体隔离和均匀化的喷淋装置中内腔形成具有隔离功能软性多孔材料6构成的均匀化流道。在实际应用中，可以根据设计需要利用设置多层气体分隔环、或者气体分配单元的结构形式增设软性多孔材料。在本技术方案中采用在气体分配单元4与喷射室5之间设置一层软性多孔材料6。

此外，在本技术方案中，考虑到气体分隔环8与气体分配单元4之间可能采取的两种基本结构面：a、平面型连接结构；b、凹凸槽道型连接结构。因此给出了附图1和附图3两种基本结构形式。

在图1给出的本发明中：所述的软性多孔材料6设置在平面状结合的气体分隔环8与气体分配单元4之间，并与上述两者之间对应设置的一组上下槽道构成流体通道，同时也经两者之间对应设置的一组上下筋板及环体边缘结合部构成密封面。同时，又将所述的软性多孔材料6设置在气体分配单元4与喷射室5之间，其受挤压部位构成气体分配单元4与喷射室5结合面的密封结构，其未受挤压部位构成气体分配单元4下部通向喷射室5喷出口的流体通道。

在图1、2给出的技术方案中，气体分隔环8与气体分配单元4之气体分配单元4间呈平面结合，要求上部气体分隔环8中的筋板8.1、槽道8.2应该和下部气体分配单元4中的筋板4.1、槽道4.2对应设置，形成筋板对筋板、槽道对槽道形式。这样才能保证该流通的槽道处于畅通状态，而该处于密封的部位处于严格密封状态。同时在图2中可以看出：所述的A族气体可以由进气口进入后分隔环8中槽道形成的通气道4.3，随后通过软性多孔材料6构成的孔道自B族喷出孔4.6喷出。而所述的B族气体自进气口B进入后，首先进入横向贯通的气体通道4.4，而后才能通过软性多孔材料6构成的孔道自A族喷出孔4.5喷出

在图3、4给出的技术方案中，气体分隔环8与气体分配单元4之气体分配单元4间呈凹凸契合面结合，此时，上部气体分隔环8中的筋板8.1设计成向下凸出型，而下部气体分配单元4的筋板4.1部位则设计成与之配合的凹槽型。所述气体分隔环8与气体分配单元4的槽道8.2和槽道4.2依然如旧对应设置。这种结构既通过对应槽道结合、保持槽道畅通状态，同时又通过压紧在凹凸状结合面上的软性多孔材料6，使该处于密封的部位处于严格密封状态。

图6-图10给出的实施本技术方案的一种采用“西瓜片状”槽道分隔的实施例。

这种实现气体隔离和均匀化的喷淋装置，由压盖1、端盖2、底座3、气体分隔环8、气体分配单元4和本发明提出的软性多孔材料6组成，在采用槽道分隔方式进气方式时，将对应的气体分隔环8的结构设计成典型的“西瓜片状”的分隔方式，即将气体分隔环8圆形薄板由中心向两边加工出若干“西瓜片状”的槽道，使相邻的分隔环槽道8.2之间形成一定宽度的分隔环弧形筋板8.1，而气体分配单元4与之配合的上表面上也加工出对应尺寸与形状的分配单元槽道4.2和分配单元筋板4.1，气体进入分配单元4后，进入喷射室5完成二次分配。

在上述技术方案中：设有两层软性多孔材料6，上层设置在气体分隔环8和气体分配单元4之间，下层设置在气体分配单元4与喷射室5之间。上述两层软性多孔材料6，处于上层的软性多孔材料6在组装后，由于受到上层气体分隔环8和和下层气体分配单元4的挤压作用，在材料表面自然形成挤压区域与未挤压区域(见图10)。受到挤压的边缘与筋板对接处被完全填实，起到密封隔离作用；而未受到挤压的“西瓜片区域”仍然为自然状态(见图9)，气体可均化通过。即软性材料被挤压后也呈现“西瓜片状”结构。处于下层的软性多孔材料6设置在分配单元4和喷射室5之间，其被挤压部分受压后产生形变，因此形成紧密型圈状密封面6.3，而其未受到挤压部分则保持正常的网孔型流道。

在本发明的技术方案中选用的软性材料为：为金属材料或非金属材料制成的网状结构体，其材质为铜合金丝、镍合金丝、特殊不锈钢合金丝或聚四氟乙烯丝，或其它具有类似特性的材料中的任一种。由于这些软性材料具有较好的挤压延展性，受到挤压后材料很容易填实密封面，起到隔离作用。因此选用该材料设计的喷淋头装置，将其代替金属穿管，内部不需要任何焊接工艺，就能实现气体的隔离输送。与同功能喷淋头比较，具有非常好的可维护性，喷淋头自上而下几乎都能拆卸，有利于喷淋头内部清洁维护，重复使用。

Claims (7)

1.一种实现气体隔离和均匀化的喷淋装置，包括压盖(1)、端盖(2)、底座(3)及经紧固螺钉(7)固定于端盖(1)与底座(3)中心的喷淋头，所述的压盖(1)上设有供不同种类流体进入的进口，所述的喷淋头包括设有槽道(8.2)和筋板(8.1)的气体分隔环(8)、设有槽道(4.2)和筋板(4.1)的气体分配单元(4)和喷射室(5)，并按照气体分隔环(8)、气体分配单元(4)和喷射室(5)自上而下的顺序组装构成喷淋机构，其特征在于：所述的喷淋机构内至少设有一层能在较大压力作用下产生塑性变形、形成类似橡胶或金属一样的密封结构，而在未受挤压部位则构成流体通道的软性多孔材料(6)。

2.如权利要求1所述的一种实现气体隔离和均匀化的喷淋装置，其特征在于：所述的软性多孔材料(6)设置在平面状结合的气体分隔环(8)与气体分配单元(4)之间，并与上述两者之间对应设置的一组上下槽道构成流体通道，同时也经两者之间对应设置的一组上下筋板环体边缘结合部构成密封面。

3.如权利要求1所述的一种实现气体隔离和均匀化的喷淋装置，其特征在于：所述的气体分隔环(8)与气体分配单元(4)的筋板之间呈凹凸槽型结构，所述的软性多孔材料(6)在气体分隔环(8)与气体分配单元(4)之间呈凹凸状设置，两者的槽道部为流道，两者的结合边部和筋板凹凸结合部，以及环体边缘结合部为密封面。

4.如权利要求1所述的一种实现气体隔离和均匀化的喷淋装置，其特征在于：所述的软性多孔材料(6)设置在气体分配单元(4)与喷射室(5)之间，其受挤压部位构成气体分配单元(4)与喷射室(5)结合面的密封结构，其未受挤压部位构成气体分配单元(4)下部通向喷射室(5)喷出口的流体通道。

5.如权利要求1所述的一种实现气体隔离和均匀化的喷淋装置，其特征在于：所述的软性多孔材料(6)为金属材料或非金属材料制成的网状结构体，其材质为铜合金丝、镍合金丝、特殊不锈钢合金丝或聚四氟乙烯丝中的任一种。

6.如权利要求1所述的一种实现气体隔离和均匀化的喷淋装置，其特征在于：所述的气体分隔环(8)的内平面呈“西瓜片状”分隔，所述圆片型气体分隔环表面由中心向两边形成“西瓜片状”槽道(8.2)，槽道与槽道之间为弧形筋板(8.1)

7.如权利要求1所述的一种实现气体隔离和均匀化的喷淋装置，其特征在于：所述的气体分配单元(4)内平面呈“西瓜片状”分隔，所述圆片型气体分隔环表面由中心向两边形成“西瓜片状”槽道(4.2)，槽道与槽道之间为弧形筋板(4.1)

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