CN104498904A - 一种用于mocvd设备的喷淋头 - Google Patents

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Abstract

一种用于MOCVD设备的喷淋头，属于气体喷淋装置，解决现有喷淋头存在的原料气体不能均匀混合的问题，同时减少在喷淋头顶部出现沉积堵塞喷口的问题。本发明包括底座、下隔板、上隔板、顶盖和中心导管，顶盖和底盖之间被隔成上层气腔、中间气腔和底层腔体；多根上层气管平行穿过上隔板、下隔板和底盖，多根下层气管平行穿过下隔板和底盖，各上层气管和下层气管下端分别装设有长喷嘴和短喷嘴；长喷嘴和短喷嘴在底盖下表面交错均匀排列。本发明通过对长、短喷嘴的分配方式，可以提高反应腔内气体均匀性，提高反应速率，抑制反应物在顶部避免沉积造成喷口堵塞的情况，能够提高晶体生长质量，显著提高晶体成品率，降低生产成本。

Description

一种用于MOCVD设备的喷淋头
技术领域
本发明属于气体喷淋装置，具体涉及一种用于MOCVD设备的喷淋头，实现多种气体隔离以及均匀化喷淋。
技术背景
金属有机化合物化学气相沉积，其英文名称为Metal-organic ChemicalVapor Deposition，缩写为MOCVD，是在气相外延生长(VPE)的基础上发展起来的一种新型气相外延生长技术，是以Ⅲ族、Ⅱ族元素的有机化合物以及Ⅴ、Ⅵ族元素的氢化物等作为气相沉积的源材料，通过扩散、气相反应以及表面化学反应，在高温的衬底上生长各种Ⅲ-Ⅴ族或Ⅱ-Ⅵ族化合物半导体以及它们的多元固溶体的薄层单晶材料。通常MOCVD的生长条件是在低压(1000-10000pa)下进行，生长使用的载气(通常为N2或H2)与原料气体按一定比例混合通入反应腔内，衬底温度一般在700-1500K之间，反应器顶部及壁面一般采用冷壁。由于MOCVD生长使用的原料气体，特别是金属有机化合物(MO)源大都是易燃、易爆而且毒性较大的物质，对于反应原料气体的气体输运系统的密封性和可靠性有很高的要求。喷淋头作为气体输运到反应腔中最重要的一个环节，其对于气道的分配以及喷淋方式对于晶体质量的好坏具有严重影响；由于其重要性，目前已申请的专利较多。中国专利申请号200710035447.2公开了一种用于金属有机物化学气相淀积设备的大面积梳状喷淋头，有效的分隔了两种原料气体，但由于是梳状喷淋，在与梳齿平行的截面上均为一种原料气体，导致了喷淋的两种原料气体不能均匀混合。中国专利申请201010254817.3公开了一种MOCVD设备新型喷淋头装置，隔板将底部的喷孔纵向分隔成几个区块，分别对不同的区块通入不同的气体，达到混合的目的，但仍然会导致混合不均的情况出现。
目前已有的几种喷淋方式有垂直喷淋式、双束流方式、径向三重流方式，以上几种方式均有沉积反应不均匀、反应不充分、原料气浪费等缺陷。
发明内容
本发明提供一种用于MOCVD设备的喷淋头，解决现有喷淋头存在的原料气体不能均匀混合的问题，同时减少在喷淋头顶部出现沉积堵塞喷口的问题。
本发明所提供的一种用于MOCVD设备的喷淋头，包括底座、下隔板、上隔板、顶盖和中心导管，其特征在于：
所述底座由支承环和底盖成一体构成，所述支承环为圆筒形，所述底盖固连并覆盖于所述支承环下端面；
所述下隔板和上隔板在所述支承环的内孔轴向自下而上间隔平行设置，所述顶盖固连于并覆盖所述底座的支承环上端面；
所述顶盖和所述上隔板之间的支承环内孔构成上层气腔；
所述上隔板和所述下隔板之间的支承环内孔构成中间气腔；
所述下隔板和底盖之间的支承环内孔构成底层腔体；
所述顶盖表面中心具有进气接头，其为空心圆柱；顶盖表面还具有进水接头和出水接头，
所述中心导管穿过所述顶盖的进气接头和上隔板连通中间气腔；中心导管外壁与进气接头内孔之间形成与上层气腔连通的环形气道；
所述进水接头通过穿过上隔板和下隔板的导水管连通所述底层腔体；所述出水接头通过穿过上隔板和下隔板的导水管连通所述底层腔体；
多根上层气管平行穿过所述上隔板、下隔板和底盖，各上层气管下端露出底盖部分装设有长喷嘴；
多根下层气管平行穿过所述下隔板和底盖，各下层气管下端露出底盖部分装设有短喷嘴；
所述长喷嘴和短喷嘴在底盖下表面交错均匀排列。
所述的喷淋头，其特征在于：
所述底座中，所述支承环为圆筒形，其内腔为同心的台阶孔，自上而下由一级台阶孔、二级台阶孔、三级台阶孔连通构成，各级台阶孔的内径自上而下依次缩小；所述底盖为圆盘形，固连于所述支承环下端面，覆盖三级台阶孔，底盖表面具有按行列均匀分布排列成阵列的透孔；
所述下隔板为圆盘形，其外径与所述支承环的二级台阶孔内径相适应；下隔板表面具有按行列均匀分布排列成阵列的过孔，同时具有进水孔和出水孔，各过孔的位置与底盖的透孔位置一一对应；
所述上隔板亦为圆盘形，其外径与所述支承环的一级台阶孔内径相适应；上隔板表面中心具有进气孔，上隔板表面具有按行列均匀分布排列成阵列的通孔，同时具有进水过孔和出水过孔，各通孔的位置与底盖上每行、每列透孔位置间隔交错对应；进水过孔和出水过孔的位置分别与进水孔和出水孔的位置对应；
所述下隔板搁置在所述支承环的一级台阶孔和二级台阶孔相交台肩上；
所述上隔板搁置在所述支承环的二级台阶孔和三级台阶孔相交台肩上；
所述顶盖为圆盘形，其表面中心的进气接头位置与所述进气孔位置对应，所述进水接头和出水接头位置分别与进水过孔和出水过孔的位置对应；顶盖覆盖底座的一级台阶孔，顶盖和所述上隔板之间的一级台阶孔构成上层气腔；
所述上隔板和所述下隔板之间的二级台阶孔构成中间气腔；
所述下隔板和底盖之间的三级台阶孔构成底层腔体；
所述中心导管穿过所述顶盖的进气接头，连通上隔板中心的进气孔，从而连通中间气腔；中心导管外壁与进气接头内孔之间形成与上层气腔连通的环形气道；
所述进水接头通过穿过进水过孔的导水管连通所述下隔板的进水孔；所述出水接头通过穿过出水过孔的导水管连通所述下隔板的出水孔；
所述上隔板的各通孔均固定有一根上层气管，各上层气管向下穿过所述下隔板和底盖上对应的过孔及透孔；
所述下隔板上除去穿有上层气管的过孔外，其余各过孔均固定有一根下层气管，各下层气管向下穿过所述底盖上对应的透孔。
所述的喷淋头，其特征在于：
所述上层气管与通孔、过孔及透孔的相接部位分别密封；所述下层气管与过孔及透孔的相接部位分别密封。
所述的喷淋头，其特征在于：
所述下隔板、上隔板和所述底座的支承环支承部位分别设有环形密封垫圈；
所述顶盖和所述底座的支承环上端面之间设有环形密封垫圈。
考虑到MOCVD过程是在层流、以扩散为主要影响晶体生长速率以及生长质量的模式，由于两种反应物气体扩散速率并不相同，导致生长表面气体浓度不相同，这样会造成一部分原料气的浪费，特别是在生长GaN薄膜的过程中，低扩散速率的MO源还没输运到表面就已经在气相中耗散掉被载气带出反应器。针对于这种情况，本发明中长喷嘴和短喷嘴在底盖下表面交错均匀排列，长喷嘴将扩散速率较低的MO源送入接近于衬底的位置，而短喷嘴则送入另一扩散速率较高的反应气体，这样能保证在衬底附近都有较高浓度的反应源气体，使喷出气体混合均匀性得到提高，
本发明将气体入口的进气接头设计为两层套管结构，中心导管将反应气体A直接导入中间气腔，中心导管外壁与进气接头内孔之间形成的环形气道将气体B导入上层气腔，这种结构避免了要在喷淋头侧面或是在偏心的区域增加入口，使入口气体也能均匀的分配到每一个喷孔中。上隔板除了起到分隔两种原料气体作用，还起到固定中心导管和上层气管的作用；下隔板分离原料气和冷却水，也起到固定下层气管的作用。在高温下反应气体混合会发生反应，这样会在喷嘴和壁面发生沉积，因此，底层腔体通过冷却水，保持喷淋口处壁面以及气体较低温度，防止发生沉积。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：本发明通过对喷嘴的分配方式，可以提高反应腔内气体均匀性；进气接头为套管结构，消除了多入口的不均匀性影响；通过增加长短喷嘴，改善了衬底表面可能出现的MO源耗尽的情况，提高了表面处MO源浓度，从而提高反应速率，改变反应源气体混合位置，减少气相次生反应的发生，从而抑制反应物在顶部避免沉积造成喷口堵塞的情况。
本发明有效地改善内部气体均匀性，从而提高晶体生长质量，能显著提高晶体成品率，降低生产成本。
附图说明
图1为本发明的分解结构示意图；
图2为本发明的截面图；
图3为喷嘴的结构示意图；
图4为底座的结构示意图；
图5为下隔板的结构示意图；
图6为上隔板的结构示意图；
图7为顶盖的结构示意图；
图8为底座和气体支管的排布示意图。
具体实施方式
以下结合附图和实施例对本发明进一步说明。
如图1、图2所示，本发明包括底座1、下隔板2、上隔板3、顶盖4和中心导管5；
所述底座1由支承环1-1和底盖1-2成一体构成，所述支承环1-1为圆筒形，所述底盖1-2固连并覆盖于所述支承环1-1下端面；
所述下隔板2和上隔板3在所述支承环1-1的内孔轴向自下而上间隔平行设置，所述顶盖4固连于并覆盖所述底座1的支承环1-1上端面；
所述顶盖4和所述上隔板3之间的支承环内孔构成上层气腔；
所述上隔板3和所述下隔板2之间的支承环内孔构成中间气腔；
所述下隔板2和底盖1-2之间的支承环内孔构成底层腔体；
所述顶盖4表面中心具有进气接头4A，其为空心圆柱；顶盖4表面还具有进水接头4B和出水接头4C，
所述中心导管5穿过所述顶盖4的进气接头4A和上隔板3连通中间气腔；中心导管5外壁与进气接头4A内孔之间形成与上层气腔连通的环形气道；
所述进水接头4B通过穿过上隔板3和下隔板2的导水管连通所述底层腔体；所述出水接头4C通过穿过上隔板3和下隔板2的导水管连通所述底层腔体；
多根上层气管6平行穿过所述上隔板3、下隔板2和底盖1-2，各上层气管6下端露出底盖1-2部分装设有长喷嘴7；
多根下层气管8平行穿过所述下隔板2和底盖1-2，各下层气管8下端露出底盖1-2部分装设有短喷嘴9；
所述长喷嘴7和短喷嘴9在底盖1-2下表面交错均匀排列，长喷嘴7和短喷嘴9如如图3所示，。
如图4(A)所示，所述支承环1-1为圆筒形，其内腔为同心的台阶孔，自上而下由一级台阶孔1-1A、二级台阶孔1-1B、三级台阶孔1-1C连通构成，各级台阶孔的内径自上而下依次缩小；
如图4(B)所示，所述底盖1-2为圆盘形，固连于所述支承环1-1下端面，覆盖三级台阶孔1-1C，底盖1-2表面具有按行列均匀分布排列成阵列的透孔1-2A；
如图5所示，所述下隔板2为圆盘形，其外径与所述支承环1-1的二级台阶孔1-1B内径相适应；下隔板2表面具有按行列均匀分布排列成阵列的过孔2A，同时具有进水孔2B和出水孔2C，各过孔2A的位置与底盖1-2的透孔1-2A位置一一对应；
如图6所示，所述上隔板3亦为圆盘形，其外径与所述支承环1-1的一级台阶孔1-1A内径相适应；上隔板3表面中心具有进气孔3D，上隔板3表面具有按行列均匀分布排列成阵列的通孔3A，同时具有进水过孔3B和出水过孔3C，各通孔3A的位置与底盖1-2上每行、每列透孔1-2A位置间隔交错对应；进水过孔3B和出水过孔3C的位置分别与进水孔2B和出水孔2C的位置对应；
如图7(A)、图7(B)所示，所述顶盖4为圆盘形，其表面中心的进气接头4A位置与所述进气孔3D位置对应，所述进水接头4B和出水接头4C位置分别与进水过孔3B和出水过孔3C的位置对应；
如图2所示，所述下隔板2搁置在所述支承环1-1的一级台阶孔1-1A和二级台阶孔1-1B相交台肩上；
所述上隔板3搁置在所述支承环1-1的二级台阶孔1-1B和三级台阶孔1-1C相交台肩上；
顶盖4覆盖底座1的一级台阶孔1-1A，顶盖4和所述上隔板3之间的一级台阶孔1-1A构成上层气腔；
所述上隔板3和所述下隔板2之间的二级台阶孔1-1B构成中间气腔；
所述下隔板2和底盖1-2之间的三级台阶孔1-1C构成底层腔体；
所述中心导管5穿过所述顶盖4的进气接头4A，连通上隔板3中心的进气孔3D，从而连通中间气腔；中心导管5外壁与进气接头4A内孔之间形成与上层气腔连通的环形气道；
所述进水接头4B通过穿过进水过孔3B的导水管连通所述下隔板2的进水孔2B；所述出水接头4C通过穿过出水过孔3C的导水管连通所述下隔板2的出水孔2C；
所述上隔板3的各通孔3A均固定有一根上层气管6，各上层气管6向下穿过所述下隔板2和底盖1-2上对应的过孔2A及透孔1-2A；
所述下隔板2上除去穿有上层气管6的过孔2A外，其余各过孔2A均固定有一根下层气管8，各下层气管8向下穿过所述底盖1-2上对应的透孔1-2A。
本发明的实施例中，所述上层气管6与通孔3A、过孔2A及透孔1-2A的相接部位分别密封；所述下层气管8与过孔2A及透孔1-2A的相接部位分别密封。
上层气管6和下层气管8在底盖1-2上的排列情况如图8所示。
所述下隔板2、上隔板3和所述底座1的支承环1-1支承部位分别设有环形密封垫圈；
所述顶盖4和所述底座1的支承环1-1上端面之间设有环形密封垫圈。
本发明的实施例中，底座1、下隔板2、上隔板3、顶盖4和中心导管5均采用不锈钢材料制作，循环水管采用不锈钢材料或铜合金材料制作；
上层气管6采用不锈钢材料制作，数量为169个；
下层气管8采用不锈钢材料制作，数量为164个。

Claims (4)

1.一种用于MOCVD设备的喷淋头，包括底座(1)、下隔板(2)、上隔板(3)、顶盖(4)和中心导管(5)，其特征在于：
所述底座(1)由支承环(1-1)和底盖(1-2)成一体构成，所述支承环(1-1)为圆筒形，所述底盖(1-2)固连并覆盖于所述支承环(1-1)下端面；
所述下隔板(2)和上隔板(3)在所述支承环1-1的内孔轴向自下而上间隔平行设置，所述顶盖(4)固连于并覆盖所述底座1的支承环1-1上端面；
所述顶盖(4)和所述上隔板(3)之间的支承环内孔构成上层气腔；
所述上隔板(3)和所述下隔板(2)之间的支承环内孔构成中间气腔；
所述下隔板(2)和底盖(1-2)之间的支承环内孔构成底层腔体；
所述顶盖(4)表面中心具有进气接头(4A)，其为空心圆柱；顶盖4表面还具有进水接头(4B)和出水接头(4C)，
所述中心导管(5)穿过所述顶盖(4)的进气接头(4A)和上隔板(3)连通中间气腔；中心导管(5)外壁与进气接头(4A)内孔之间形成与上层气腔连通的环形气道；
所述进水接头(4B)通过穿过上隔板(3)和下隔板(2)的导水管连通所述底层腔体；所述出水接头(4C)通过穿过上隔板(3)和下隔板(2)的导水管连通所述底层腔体；
多根上层气管(6)平行穿过所述上隔板(3)、下隔板(2)和底盖(1-2)，各上层气管(6)下端露出底盖(1-2)部分装设有长喷嘴(7)；
多根下层气管(8)平行穿过所述下隔板(2)和底盖(1-2)，各下层气管(8)下端露出底盖(1-2)部分装设有短喷嘴(9)；
所述长喷嘴(7)和短喷嘴(9)在底盖(1-2)下表面交错均匀排列。
2.如权利要求1所述的喷淋头，其特征在于：
所述底座(1)中，所述支承环(1-1)为圆筒形，其内腔为同心的台阶孔，自上而下由一级台阶孔(1-1A)、二级台阶孔(1-1B)、三级台阶孔(1-1C)连通构成，各级台阶孔的内径自上而下依次缩小；所述底盖(1-2)为圆盘形，固连于所述支承环(1-1)下端面，覆盖三级台阶孔(1-1C)，底盖(1-2)表面具有按行列均匀分布排列成阵列的透孔(1-2A)；
所述下隔板(2)为圆盘形，其外径与所述支承环(1-1)的二级台阶孔(1-1B)内径相适应；下隔板(2)表面具有按行列均匀分布排列成阵列的过孔(2A)，同时具有进水孔(2B)和出水孔(2C)，各过孔(2A)的位置与底盖(1-2)的透孔(1-2A)位置一一对应；
所述上隔板(3)亦为圆盘形，其外径与所述支承环(1-1)的一级台阶孔(1-1A)内径相适应；上隔板(3)表面中心具有进气孔(3D)，上隔板(3)表面具有按行列均匀分布排列成阵列的通孔(3A)，同时具有进水过孔(3B)和出水过孔(3C)，各通孔(3A)的位置与底盖(1-2)上每行、每列透孔(1-2A)位置间隔交错对应；进水过孔(3B)和出水过孔(3C)的位置分别与进水孔(2B)和出水孔(2C)的位置对应；
所述下隔板(2)搁置在所述支承环(1-1)的一级台阶孔(1-1A)和二级台阶孔(1-1B)相交台肩上；
所述上隔板(3)搁置在所述支承环(1-1)的二级台阶孔(1-1B)和三级台阶孔(1-1C)相交台肩上；
所述顶盖(4)为圆盘形，其表面中心的进气接头(4A)位置与所述进气孔(3D)位置对应，所述进水接头4B和出水接头4C位置分别与进水过孔(3B)和出水过孔(3C)的位置对应；顶盖(4)覆盖底座(1)的一级台阶孔(1-1A)，顶盖(4)和所述上隔板(3)之间的一级台阶孔(1-1A)构成上层气腔；
所述上隔板(3)和所述下隔板(2)之间的二级台阶孔(1-1B)构成中间气腔；
所述下隔板(2)和底盖(1-2)之间的三级台阶孔(1-1C)构成底层腔体；
所述中心导管(5)穿过所述顶盖(4)的进气接头(4A)，连通上隔板(3)中心的进气孔(3D)，从而连通中间气腔；中心导管(5)外壁与进气接头(4A)内孔之间形成与上层气腔连通的环形气道；
所述进水接头(4B)通过穿过进水过孔(3B)的导水管连通所述下隔板(2)的进水孔(2B)；所述出水接头(4C)通过穿过出水过孔(3C)的导水管连通所述下隔板(2)的出水孔(2C)；
所述上隔板(3)的各通孔(3A)均固定有一根上层气管(6)，各上层气管(6)向下穿过所述下隔板(2)和底盖(1-2)上对应的过孔(2A)及透孔(1-2A)；
所述下隔板(2)上除去穿有上层气管6的过孔(2A)外，其余各过孔(2A)均固定有一根下层气管(8)，各下层气管(8)向下穿过所述底盖(1-2)上对应的透孔(1-2A)。
3.如权利要求2所述的喷淋头，其特征在于：
所述上层气管(6)与通孔(3A)、过孔(2A)及透孔(1-2A)的相接部位分别密封；所述下层气管(8)与过孔(2A)及透孔(1-2A)的相接部位分别密封。
4.如权利要求1、2或3所述的喷淋头，其特征在于：
所述下隔板(2)、上隔板(3)和所述底座(1)的支承环(1-1)支承部位分别设有环形密封垫圈；
所述顶盖(4)和所述底座1的支承环(1-1)上端面之间设有环形密封垫圈。
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