CN105274498B - 气体喷淋头、其制造方法及薄膜生长反应器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种气体喷淋头，所述气体喷淋头包括气体分布扩散板和水冷板，气体分布扩散板包括连接第一反应气体源的若干组第一气体扩散通道和连接第二反应气体源的若干列第二气体扩散通道，在气体分布扩散板下方设置带有冷却液通道的水冷板，水冷板上带有配合第一气体扩散通道流出的第一出气通道和配合第二气体扩散通道内的反应气体流出的第二出气通道，从而实现将至少两种反应气体相互隔离地注入反应腔内。

Description

气体喷淋头、其制造方法及薄膜生长反应器
技术领域
本发明涉及将气体注入反应腔技术领域，尤其涉及一种将反应气体均匀注入反应腔后混合的装置。
背景技术
目前，已有多种反应腔应用于半导体器件、平板、太阳能电池等的制造，例如：化学气相沉淀（CVD）、等离子体增强化学气相沉淀（PECVD），金属有机化合物化学气相沉淀（MOCVD）、气相外延生长（VPE）等。在实际应用中，反应气体进入反应腔的流速不能过快，反应气体在进入反应腔前不能混合，同时，进入反应腔的反应气体要尽量均匀，因此人们提出各种各样的喷淋头设计来保证反应气体在进入反应腔前满足上述要求。此外，有效地对喷淋头进行冷却对反应效果也有很好地帮助，在很多应用中采用包括水在内的流体进行冷却。
然而，现有技术设计复杂，且气体进入反应腔的均匀度不够，由于两种或以上的反应气体在进入反应腔前需要保持相互隔离，这就要求喷淋头有多个层板和复杂的管路设计，此外，冷却系统必须能有效地阻止上升的温度以防止造成任何渗漏，这导致了喷淋头设计的复杂和制造成本的增加，尤为重要的是，为了保证待处理工件在反应腔内的加工均匀，反应气体需要均匀地注入反应腔，因此，在满足多种反应气体相互隔离、有冷却系统且气体均匀注入的前提下，需要设计一种简单且制造成本较低的喷淋头。
发明内容
为了解决反应气体进入反应腔的浓度不均匀、冷却通道内的冷却液易发生泄漏、以及反应气体容易在喷淋头表面形成沉积等技术问题，本发明提供一种气体喷淋头。
本发明的目的是这样实现的，一种气体喷淋头，用于将第一反应气体和第二反应气体注入到等离子体反应腔中，该气体喷淋头包括：
气体分布扩散板，包括连接第一反应气体源的若干列第一气体扩散通道和连接第二反应气体源的若干列第二气体扩散通道，所述若干列第一气体扩散通道和所述若干列第二气体扩散通道列与列之间交替排布；所述每一列第一气体扩散通道和第二气体扩散通道均包括若干个分立的气体扩散路径；
水冷板，位于所述气体分布扩散板的下方，包括若干列冷却液通道，以及配合所述第一气体扩散通道内反应气体流出的第一出气通道和配合所述第二气体扩散通道内的反应气体流出的第二出气通道；
所述若干个分立的气体扩散路径包括若干个导管或孔；所述若干个分立的气体扩散路径均匀地或按一定规律非均匀地分布于所述气体分布扩散板上。所述若干个分立的气体扩散路径包括若干个导管或若干个孔；所述若干个分立的气体扩散路径均匀地或按一定规律非均匀地分布于所述气体分布扩散板上。
所述气体分布扩散板包括上层板和下层板，所述第一气体扩散通道为若干列贯穿所述上层板和所述下层板的第一导管；所述第二气体扩散通道为若干列贯穿所述下层板的第二导管，所述第二导管的上端管口低于所述上层板的下表面，所述第一导管的上端管口高于或平于所述上层板的上表面。
进一步的，所述气体分布扩散板包括上层板和下层板，所述第一气体扩散通道为若干列贯穿所述上层板和所述下层板的导管，所述第二气体扩散通道为若干列贯穿所述下层板的孔。
进一步的，所述气体分布扩散板包括上层板和下层板，所述第一气体扩散通道为若干列贯穿所述上层板和所述下层板的导管，所述下层板上均匀分布有若干列凸台，所述凸台的上表面高于所述下层板的上表面，所述第二气体扩散通道为若干列贯穿所述凸台及所述下层板的孔。
所述导管与所述上层板和所述下层板间的接触面焊接密封。
进一步的，所述气体分布扩散板为具有一定厚度的平板，所述第一气体扩散通道为贯穿所述平板上下表面的若干个分立的第一钻孔，在所述平板内部设置有若干列与所述平板的上下表面大致相平行的气体通道，所述第二气体扩散通道为若干个分立的第二钻孔，所述第二钻孔由所述气体通道贯穿至所述平板的下表面。
进一步的，所述的水冷板为具有一定厚度的平板，包括上表面和下表面，所述第一出气通道和所述第二出气通道为贯穿所述水冷板上下表面的纵长型的槽，所述冷却液通道介于所述第一出气通道和所述第二出气通道之间。
进一步的，所述水冷板为具有一定厚度的平板，包括上表面和下表面，所述第一出气通道和所述第二出气通道包括贯穿所述水冷板的上表面具有一定深度的孔和贯穿所述下表面并与所述孔连通的纵长形的槽，所述冷却液通道介于所述第一出气通道和所述第二出气通道之间。
进一步的，所述第一出气通道在所述水冷板的下表面构成互相连通的第一回路结构，所述第二出气通道在所述水冷板的下表面构成互相连通的第二回路结构，所述第一回路结构和所述第二回路结构相互交替排布或相互套嵌。
进一步的，所述第一回路结构和第二回路结构为正多边形结构或圆形结构。
进一步的，所述水冷板还包括贯穿其上表面并向下延伸一定深度的若干列孔，所述若干个孔与所述第一回路结构和第二回路结构相连通。
所述水冷板的第一出气通道靠近待处理工件的一端横截面积逐渐变大。
所述水冷板的第二出气通道靠近待处理工件的一端横截面积逐渐变大。
所述第一出气通道和第二出气通道与所述第一气体扩散通道和第二气体扩散通道的出口位置相对应。
所述水冷板上选择性地设有若干个气体缓冲开口，所述若干个气体缓冲开口与所述若干个第一出气槽的至少部分或与所述若干个第二出气槽的至少部分一一连通。
所述气体缓冲开口为一台阶状气体缓冲开口或一斜坡状气体缓冲开口或一圆弧形气体缓冲开口。
所述台阶状气体缓冲开口可为一层或多层，靠近气体分布扩散板的一层台阶分别与第一气体扩散通道和第二气体扩散通道的出口位置对应。
进一步的，所述气体分布扩散板包括第一分配区域和第二分配区域，所述第一分配区域靠近反应气体源的气体输入口，所述第二分配区域到反应气体源气体输入口的距离大于所述第一分配区域到反应气体源的气体输入口的距离；所述第一分配区域内第一气体扩散通道和第二气体扩散通道的内径小于第二分配区域内对应的第一气体扩散通道和第二气体扩散通道的内径。
进一步的，所述第一气体扩散通道的长度相等，所述第二气体扩散通道的长度也相等。
所述气体喷淋头包括气体分布扩散板和水冷板两部分，所述两部分通过可拆卸的机械方法组装为一体，制作简单，便于单独拆卸清洗。
进一步的，本发明还公开了一种薄膜生长反应器，包括一反应腔，所述反应腔内设置一支撑部件和位于所述支撑部件上的待处理工件，所述支撑部件可以在大致水平方向上旋转，所述支撑部件上方设置有一上述气体喷淋头。
本发明还公开了一种气体喷淋头的制作方法，所述方法包括：
制作气体分布扩散板步骤：在一第一板体上设置有连接第一反应气体源的若干列第一气体扩散通道和连接第二反应气体源的若干列第二气体扩散通道，所述若干列第一气体扩散通道和所述若干列第二气体扩散通道列与列之间交替排布；所述每一列第一气体扩散通道和第二气体扩散通道均包括若干个分立的气体扩散路径；
制作水冷板步骤：在一第二板体上设置有若干列冷却液通道，以及配合所述第一气体扩散通道流出的第一出气通道和配合所述第二气体扩散通道内的反应气体流出的第二出气通道；
组装步骤：将所述气体分布扩散板和所述水冷板以一可拆卸的机械方法组装在一起；使所述若干列第一气体扩散通道与所述第一出气通道相连通，使所述若干列第二气体扩散通道与所述第二出气通道相连通。
进一步的，所述的制作气体分布扩散板步骤，包括：
制作一个上层板，在所述上层板上钻制第一组复数个孔；
制作一个下层板，在所述下层板上规则的设置若干列凸台，所述凸台的上表面高于所述下层板的上表面，在所述下层板上钻制第二组复数个孔，所述第二组孔的每个孔和所述第一组孔的每个孔位置相对应，在所述上层板的第一组孔和所述下层板的第二组孔之间插入对应个数的导管；在所述凸台上钻制第三组复数个孔；所述第二组复数个孔和所述第三组复数个孔列与列之间均匀地交替排布；
进一步的，所述的水冷板制作步骤，包括：
制作一具有一定厚度的平板，在所述平板内部均匀设置有若干列与所述平板的上下表面大致相平行的冷却液通道，在相邻的两冷却液通道之间设置纵长形的出气槽，所述两列出气槽分别和气体分布扩散板的第二组孔和第三组孔相对应。
采用本发明所述气体喷淋头，优点在于：本发明通过在水冷板上方设置一个气体分布扩散板，将至少两种反应气体相互隔离地均匀分布于水冷板的各个出气通道内，从而实现反应腔内中心区域和边缘区域气体的均匀分配，从而提高反应气体的利用效率和待处理工件的产品合格率；本发明通过将气体扩散板和水冷板分别制作，简化了制作难度，使得反应气体相互隔离地扩散，同时防止冷却液通道内冷却液的泄露，同时通过可拆卸的机械方法组装使得，气体扩散板和水冷板可以独立清洗以及对任一板的替换，降低成本，提高了效率。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
如下附图构成了本说明书的一部分，和说明书一起列举了不同的实施例，以解释和阐明本发明的宗旨。以下附图并没有描绘出具体实施例的所有技术特征，也没有描绘出部件的实际大小和真实比例。
图1示出本发明所述薄膜生长反应器的结构示意图；
图2示出本发明所述气体喷淋头的立体结构的剖面示意图；
图3A为本发明所述气体分布扩散板的一种实施方式的结构示意图；
图3B为图3A所示气体分布扩散板的立体结构的剖面示意图；
图4示出气体分布扩散板的另一种实施例的结构示意图；
图5示出气体分布扩散板的又一种实施例的结构示意图；
图6示出气体分布扩散板的再一种实施例的结构示意图；
图7A示出本发明所述水冷板的一种实施方式结构示意图；
图7B示出图7A所示水冷板的立体结构的剖面示意图；
图8示出水冷板的另一种实施例的结构示意图；
图9示出本发明气体喷淋头的俯视结构示意图；
图10示出水冷板的另一种实施例的结构示意图；
图11为沿着图10所示的AA位置的剖面示意图；
图12示出另一种实施例水冷板的仰视图；
图13示出又一种实施例水冷板的仰视图；
图14示出分区的气体分布扩散板俯视结构示意图；
图15示出分区的气体分布扩散板的进气管长度和内径的比例示意图；
图16为带有气体缓冲开口的气体喷淋头结构示意图。
具体实施方式
图1示出本发明所述薄膜生长反应器的结构示意图，如图1所示，本发明公开了一种薄膜生长反应器，包括一反应腔8，反应腔8内设置一支撑部件7和位于所述支撑部件上的待处理工件6，支撑部件7可以在大致水平方向上旋转，其上方设置有一气体喷淋头，用以将不同反应气体相互隔离地分布扩散到反应区域500内并均匀混合，所述气体喷淋头包括气体分布扩散板100和位于气体分布扩散板下方的水冷板200，气体分布扩散板100和水冷板200为分立的两个元件，二者通过可拆卸的机械方法组装为一体，并可以再被拆卸开来用于清洁或替换新部件。本发明所述薄膜生长反应器，可以用于各类化学气相沉积反应，也可以用于薄膜处延生长工艺，如：氢化物气相外延、金属有机化合物化学气相沉积。
图2为图1所示气体喷淋头的立体结构的剖面示意图。图2进一步地示出气体分布扩散板100和水冷板200的相互配置结构。气体分布扩散板100设置于水冷板200的上方。气体分布扩散板100包括连接第一反应气体源（未图示）的若干列第一气体扩散通道1和连接第二反应气体源（未图示）的若干列第二气体扩散通道2，所述若干列第一气体扩散通道1和所述若干列第二气体扩散通道2列与列之间交替排布；所述每一列第一气体扩散通道1和第二气体扩散通道2均包括若干个分立的气体扩散路径（容后详述）。水冷板200包括若干列冷却液通道300，以及配合前述第一气体扩散通道1内反应气体流出的第一出气通道102和配合前述第二气体扩散通道2内的反应气体流出的第二出气通道202。
图3A为本发明所述气体分布扩散板的一种实施方式的结构示意图；图3B为图3A所示气体分布扩散板的立体结构的剖面示意图。如图所示，气体分布扩散板100包括若干列连接第一反应气体区域10的第一气体扩散通道1和若干列连接第二反应气体区域20的第二气体扩散通道2；第一气体扩散通道1和第二气体扩散通道2列与列之间交替排布。每一列第一气体扩散通道1和第二气体扩散通道2均包括若干个分立的气体扩散路径。在图示的实施例中，这些分立的气体扩散路径由若干个独立排配的气体导管101、201组成。在每一列第一气体扩散通道1和第二气体扩散通道2中，各个分立的导管的管口在水平方向的横截面图形可以为圆形、椭圆形、方形、三角形以及不规则图形中的一种，本实施例这些导管管口在水平方向的横截面图形为圆形。
在图3A和图3B描述的实施例中，气体分布扩散板100包括上层板110和下层板120，上层板110包括上表面110a和下表面110b，下层板120包括上表面120a和下表面120b。每一列第一气体扩散通道1包括若干个贯穿上层板110和下层板120的导管101；每一列第二气体扩散通道2包括若干个贯穿下层板120的导管201，导管201的上端管口211低于上层板110的下表面110b。第一气体扩散通道1的导管101与上层板110和下层板120的接触面密封焊接，以防止第一反应气体区域10内的气体和第二反应气体区域20内的气体混合、反应，接触面的焊点为150。为了便于焊接，更为了使第一反应气体能均匀地扩散、分布，第一气体扩散通道1的导管101的上端管口111高于上层板110的上表面110a，也可以平于上表面110a。
第一气体区域10和第二气体区域20的气体经过气体分布扩散板100和水冷板200的输送进入反应区域500后，气体压力的下降与第一气体扩散通道1和第二气体扩散通道2的导管的长度和管口横截面积成一定的比例关系，△P正比于L/d3。△P为第一气体区域10或第二气体区域20的气体经过气体喷淋头进入反应区域500后的气压降，L为第一气体扩散通道1或第二气体扩散通道2中各导管的长度，为了达到较佳的气体扩散效果，第一气体扩散通道1中的导管的长度L的范围选择为20毫米到50毫米之间，第二气体扩散通道2中的导管的长度L的范围选择为2毫米到19毫米之间；d为第一气体扩散通道1和第二气体扩散通道2中的导管的内径，d的范围选择为在0.5毫米到5毫米之间。优选地，为了保证进入反应腔的反应气体浓度均匀，本实施例第一气体扩散通道1的导管选择长度为L1=30毫米、内径为d1=2.5毫米；第二气体扩散通道2的导管选择长度为L2=15毫米、内径为d2=2.5毫米，第二气体扩散通道2中的导管长度L2大于下层板120的厚度。在具体实施过程中，L1大于L2，d1和d2可以相等也可以为不相等。
应当理解，前述每一列第一气体扩散通道1和第二气体扩散通道2中的若干个分立的气体扩散路径还可以有其他实施方式。例如，可以是具有一定厚度的钻孔或具有一定深度的深孔或类似孔形状的通道结构，这些钻孔或深孔或通道结构可以设置在有一定厚度的板体上。如下详述。
图4示出气体分布扩散板的另一种实施例的结构示意图。图4中，第二气体扩散通道2包括若干列贯穿下层板120的孔401，这些孔401构成若干个分立的气体扩散路径，第二气体区域20内的第二气体通过孔401输入到水冷板200对应的出气通道。而第一气体扩散通道1的若干个分立的气体扩散路径仍由若干个导管101组成。
图5示出气体分布扩散板的又一种实施例的结构示意图。图5中，气体分布扩散板100的下层板120上规则地设置有若干列凸台250，凸台250的上表面250a高于所述下层板120的上表面120a，凸台250可以为一列列连续的凸板，也可以为间断的一列列凸起。第二气体扩散通道2包括若干列贯穿凸台250和下层板120的孔501，这些孔501构成若干个分立的气体扩散路径，第二气体区域20内的第二气体通过孔501输入水冷板200。而第一气体扩散通道1的若干个分立的气体扩散路径仍由若干个导管101组成。
图5所示实施例气体分布扩散板100的制作步骤，包括：制作一个上层板110，在所述上层板110上钻制第一组复数个孔512；制作一个下层板120，在所述下层板120上规则的设置若干列凸台250，凸台250的上表面250a高于下层板120的上表面120a，在下层板120上钻制第二组复数个孔513，所述第二组孔的每个孔513和所述第一组孔的每个孔512上下位置相对应，在上层板110的第一组孔512和下层板120的第二组孔513之间插入对应个数的导管101；在凸台250上钻制第三组复数个孔501；第三组复数个孔501贯穿凸台250和下层板120，第二组孔513和第三组孔501在下层板120的下表面120b上列与列之间均匀地交替排布。
图6示出气体分布扩散板的再一种实施例的结构示意图。在图6中，气体分布扩散板100为具有一定厚度的平板，在平板100的内部均匀设置有若干列与所述平板的上下表面大致相平行的气体通道30，气体通道30内分布有第二反应气体，第二气体扩散通道2包括由气体通道30贯穿至平板下表面110a的钻孔201，第一气体扩散通道1包括贯穿气体分布扩散板100上下表面的钻孔101，所述第一气体扩散通道和所述第二气体扩散通道列与列之间交替排布。钻孔101、钻孔201构成前述若干个分立的气体扩散路径。
图7A、7B示出水冷板的结构示意图，水冷板200包括一具有一定厚度的平板220，在平板220内部设置有若干列与平板220的上下表面大致平行的冷却液通道300，冷却液通道300两侧为配合第一气体扩散通道1内的反应气体流出的纵长形的第一出气槽102和配合第二气体扩散通道2内的反应气体流出的纵长形的第二出气槽202。第一出气槽102和第二出气槽202交替排布，所述的纵长形的第一出气槽和第二出气槽可以为连续也可以为不连续结构。第一气体扩散通道1和第一出气槽102上下对应连通，第二气体扩散通道2和第二出气槽202上下对应连通。第一气体扩散通道1和第一出气槽102相互连通形成第一反应气体通道，第二气体扩散通道2和第二出气槽202相互连通形成第二反应气体通道，第一反应气体通道和所述第二反应气体通道交替排布并且相互隔离。
图8示出水冷板的另一种实施例的结构示意图，如图8所示，为了使第一反应气体和第二反应气体在进入反应区域500空间后能充分地混合，第一出气槽102在靠近待加工工件6(图1)的一端，出气槽横截面140面积逐渐变大，从而缓冲气体在第一出气槽102内的流速，使得第一反应气体和第二反应气体更好地扩散，混合；同理，第二出气槽202靠近待加工工件6的一端的横截面240面积也逐渐变大，随着两个出气槽的横截面积逐渐变大，第一出气槽201和第二出气槽202之间的实体部件340的横截面积逐渐变小，例如形成一尖锥形或三角形，从而最低程度地减少水冷板200靠近反应区域500的实体面积，有利于减少反应气体在水冷板200的下表面上产生沉积；同时，实体部件340的实体面积较少，也更有利于第一出气槽102和第二出气槽202中出来的气体相互混合、反应。优选地，实体部件340的截面形状为倒等腰三角形或顶端具有一定圆滑弧形面的截面。
水冷板200的第一出气槽102和第二出气槽202之间设置有填充冷却液的冷却通道300，优选地，冷却通道300均匀分布于第一出气槽102和第二出气槽202的中间位置，优选地，冷却通道300与第一出气槽102和第二出气槽202平行。冷却通道300可以如图所示以机械加工方式设置成内嵌于水冷板200内，也可以在水冷板200的上表面通过机械加工挖出具有一定深度的槽，再将槽口密封而形成。
作为一种实施方式，水冷板200的加工步骤为：先制作一具有一定厚度的层板220，在平板220内部均匀设置有若干列与所述平板的上下表面大致相平行的冷却液通道300，在相邻的两冷却液通道300之间设置若干列纵长形的第一出气槽102和第二出气槽202，所述第一出气槽102和第二出气槽202分别和气体分布扩散板100的第一气体扩散通道1和第二气体扩散通道2上下相对应。
图9示出本发明气体喷淋头的俯视结构示意图，它示意出气体分布扩散板的若干个分立的气体扩散路径和水冷板的各出气槽之间的连接关系。如图所示，图中虚线表示水冷板200中若干列相间排列的第一出气槽102和第二出气槽202。第一出气槽102中若干个圆圈示意为前述第一气体扩散通道1中若干个分立的气体扩散路径，如导管101。第二出气槽202中若干个圆圈示意为前述第二气体扩散通道2中若干个分立的气体扩散路径，如导管201。第一反应气体通过第一气体扩散通道1中若干个分立的气体扩散路径（如导管101）得到均匀地扩散和分布，再被输送到第一出气槽102中，再被送到反应区域500（图1）中；第二反应气体通过第二气体扩散通道2中若干个分立的气体扩散路径（如导管201）得到均匀地扩散和分布，再被输送到第二出气槽202中，再被送到反应区域500（图1）中，两反应气体再混合发生反应。
相较于现有技术，本发明的设计具有显著的优点：现有技术中，由于第一反应气体区域10和第二反应气体区域20内的气体浓度很难保持完全均匀，若反应气体直接通过槽型的气体通道102和202进入反应区域500，则反应腔内的反应气体浓度不均匀，从而使得待处理工件6很难得到均匀处理，影响产品合格率。本实施例通过采用在水冷板200上方设置一气体分布扩散板100，通过在气体分布扩散板100上均匀或非均匀地、有一定规律地设置若干个分立的气体扩散路径（例如：导管、具有一定厚度的钻孔或其他等效结构等），相当于在水冷板200上方设置一个使两种反应气体预先得以充分扩散和分布的气体喷淋头，从而将第一反应气体区域10和第二反应气体区域20内的气体在气体分布扩散板100内得到充分分布和扩散，而不是类似于现有技术中一下子就进入到水冷板200中，然后再被输送到水冷板200，从而提高反应腔内的反应气体均匀度，以提高待加工工件的合格率。
图10、图11示出本发明水冷板200的另一实施例，图10为本实施例所述水冷板的俯视图，图11为沿着图10所示的AA位置的剖面示意图。其中，水冷板200在其平板220内部均匀设置有若干列与平板220的上下表面大致相平行的冷却液通道300，冷却液通道300可以有多个冷却液入口和冷却液出口，也可以为只有一个冷却液入口和冷却液出口的结构。两列冷却液通道300之间设置有贯穿水冷板200上表面且向下表面延伸有一定深度的若干个孔112和孔212，孔112和孔212的深度小于水冷板200的厚度，孔112和孔212在水冷板200上列与列之间交替排布，分别与气体分布扩散板100的第一气体扩散通道1和第二气体扩散通道2相对应连通；在孔112和孔212靠近水冷板200下表面的一端还设置有若干贯穿水冷板200下表面的纵长形的出气槽122和出气槽222，其中，多个孔112与出气槽122相连通，二者共同构成水冷板200的第一出气通道；多个孔212与出气槽222相连通，二者共同构成水冷板200的第二出气通道。槽状结构能增大反应气体的通道面积，减缓气流的速度，使反应气体能更好地扩散混合。纵长形的出气槽122和纵长形的出气槽222靠近待加工工件6的一端，出气槽122、222的横截面面积逐渐变大，出气槽122和出气槽222之间的实体部件340的横截面面积逐渐变小，有利于更好地扩大出气通道的面积，减少反应气体在水冷板200的下表面上产生沉积。优选地，实体部件340的截面形状为倒等腰三角形或顶端具有一定圆滑弧形面的截面。
图12示出又一种实施例水冷板的仰视图。图12所示的实施例与前述的区别在于，其若干个第一出气通道1220和若干个第二出气通道1222分别构成一相互连通的回路结构。具体而言，在水冷板200的下表面220b上设置有若干个第一出气通道1220和若干个第二出气通道1222，其中，若干个第一出气通道1220构成互相连通的第一回路结构，若干个第二出气通道1222构成互相连通的第二回路结构，图示实施例中的每一回路构成一四方形的连通通道。该第一回路结构和第二回路结构相互交替排布或相互套嵌。第一回路结构和第二回路结构之间为实体部件340。同前述实施例设置，使第一出气通道1220和第二出气通道1222之间的实体部件340面积逐渐变小，有利于更好地扩大出气通道的面积，减少反应气体在水冷板200的下表面34上产生沉积。前述第一回路结构和第二回路结构为可以设置为多种形式，如：正多边形结构或圆形结构。图示中，这些回路示意为正四边形的通道。作为一种实施方式，前述第一出气通道1220和第二出气通道1222均为从下表面220b向内凹陷一定深度直至贯穿上表面(未图示)的槽结构，两相邻凹槽之间的实体部件340通过连接元件连接(未图示)，例如，纵长形的槽122、222。此外，第一出气通道1220和/或第二出气通道1222还可以是由槽和孔组合而成的结构。例如，水冷板200还包括与下表面220b相对的上表面（未图示）。在水冷板200上还可以设置有贯穿该上表面并向下延伸一定深度直至与槽122、222相连通的若干列孔112、212，这些孔加槽结构类似图11所似的孔112加槽122结构。类似前述实施例，水冷板200上还设置有若干冷却液通道（未图示），这些冷却液通道可以设置为从水冷板200的上表面向下延伸一深度的槽，如图11所示的冷却液通道结构300；也可以设置为如图8所示的内嵌式的冷却液通道结构300。第一反应气体通过若干个第一出气通道1220逸出下表面220b，第二反应气体通过若干个第二出气通道1222逸出下表面220b，然后，两种反应气体相互混合、反应。与前述实施例相比，图12所示的实施方式中，每个回形通道内的反应气体分布更均匀，更好地增大了两种反应气体逸出后的接触面积，实现两种反应气体更好地扩散混合，使得两种反应气体得到最大范围的利用，提高了效率，节约了成本。
图13示出再一种实施例水冷板的仰视图，它是图12所示实施例的变形。在图13所示的实施例中，水冷板200上的若干个第一出气通道322和若干个第二出气通道422呈互相交替的同心圆状分布，并且分别构成第一回路结构和第二回路结构。与前述实施例类似，若干个第一出气通道322和若干个第二出气通道422为一种具有一定深度并贯穿水冷板200的上表面和下表面220b的凹槽结构，两相邻凹槽之间的实体部件340通过连接元件连接(未图示)；或者，若干个第一出气通道322和若干个第二出气通道422是凹槽加通孔结构，图中这些通孔示意为孔312、412,它们与凹槽相连通。通孔312、412为贯穿水冷板200的上表面并向下延伸一定深度直至与槽相连通的若干列孔。圆槽形结构能最大面积地增加反应气体的接触面积，实现反应气体更好的扩散、混合。为了更好地扩大同心圆槽的出气通道横截面积，同心圆槽322和同心圆槽422靠近被加工工件6的一端，出气槽的横截面面积逐渐变大，同心圆槽322和同心圆槽422之间的实体部件340面积逐渐变小，有利于更好地扩大出气通道的面积，减少反应气体在水冷板200的下表面220b上产生沉积。优选地，实体部件340的截面形状为倒等腰三角形或顶端具有一定圆滑弧形面的截面。
现有技术中，气体喷淋头中气体传送板与水冷板是一体制成的，因而，其不仅加工制作比较困难，而且若其中的一块失效，则整个气体喷淋头会报废，再者，气体喷淋头也不容易清洁。相较于现有技术，本发明的水冷板200为一独立加工的元件，其通过机械加工手段制造，制作简单，且不易发生冷却液泄漏，能很好地保证其周围出气通道的气体温度恒定，防止反应气体温度过热带来的不利影响。具体而言，本发明气体分布扩散板100和水冷板200为可分离地两个独立部件，两者可以通过可拆卸地机械部件组装为一体，便于加工，降低成本，同时在使用过程结束后可进行拆卸，便于气体分布扩散板100和水冷板200的清洁，提高了工作效率和产品合格率。
图14示出分区的气体分布扩散板俯视结构示意图，图15示出分区的气体分布扩散板的进气管长度和内径的比例示意图；如图14所示，为了使得反应气体进入反应区域500的浓度更加均匀，本实施例将气体分布扩散板100设置为第一分配区域130和第二分配区域230，所述第一分配区域130靠近反应气体源的气体输入口（图中未示出），所述第二分配区域230到反应气体源气体输入口的距离大于所述第一分配区域130到反应气体源的气体输入口的距离；由于靠近反应气体源气体输入口的位置气体浓度较高，气压较大，此处的气体通过气体分布扩散板100和水冷板200进入反应区域500的流速较快，容易造成反应区域500内的气体分布不均。为解决上述问题，所述第一分配区域130内第一气体扩散通道A的导管内径 d11小于第二分配区域230内对应的第一气体扩散通道A的导管的内径d12；第二气体扩散通道B的导管的内径d21小于第二分配区域230内对应的第二气体扩散通道B的导管的内径d22。通过减小导管内径的尺寸来降低反应气体的注入量，从而实现第一分配区域130和第二分配区域230输入水冷板200的气体浓度相同。由于反应气体的气压降与输气管的长度和内径呈一定的比例关系，△P正比于L/d3 ，为了便于确定第一分配区域130和第二分配区域230的进气管内径尺寸，本实施例所述第一气体扩散通道1的导管的长度统一采用L11=50毫米，所述第二气体扩散通道2的导管的长度统一采用L22=18毫米，本实施例的其他技术特征与实施例1相同。
如图16所示，为了更好地缓和反应气体进入反应区域500的流速，使得反应气体更好地扩散、混合，本实施例在第一出气通道102和第二出气通道202靠近气体分布扩散板100一端的槽口一侧到所述水冷板200的上表面220a设有若干个气体缓冲开口400，每一个气体缓冲开口400和每一个第一出气通道102和每一个第二出气通道202至少部分地连通；每一个气体扩散通道和其对应的每一个出气通道在竖直方向上相互错开一定距离，因而，二者不是直接连通，而是通过气体缓冲开口400使二者相互连通。所述气体缓冲开口400优选为台阶状气体缓冲开口，也可以为斜坡状气体缓冲开口或圆弧形气体缓冲开口及其他可以缓冲气流的不规则形状。台阶状气体缓冲开口400可为一层或多层，每层台阶厚度较小，靠近气体分布扩散板100的一层台阶分别与第一气体扩散通道1和第二气体扩散通道2的出口位置对应。第一气体扩散通道1和第二气体扩散通道2流出的气体经过气体缓冲开口400缓冲后进入第一出气通道102和第二出气通道202，再经过第一出气通道102和第二气通道202靠近待处理工件6一端逐渐变大的横截面140缓慢的流出第一出气通道102和第二出气通道B后充分混合反应，本实施例的其他技术特征与上述实施例相同。应当理解，前述若干个气体缓冲开口400可以依实际需要部分地设置或选择性地设置。例如，可以仅仅设置在第一出气通道102口处，这样可以仅仅控制第一反应气体的出气速度；也可以仅仅设置在第二出气通道202口处，这样可以仅仅控制第二反应气体的出气速度；还可以将整个气体喷淋头分成中央区域和边缘区域或更多区域，在某些区域对应的第二出气槽附近选择性地设置前述气体缓冲开口400，从而可以部分地调整该区域的反应气体的出气速度。
应当理解，本专利中所述第一反应气体不限于只指一种反应气体，它也可以是某些气体的混合物体；同理，第二反应气体也是。
本发明所提供的气体喷淋头可以适用于任何薄膜生长反应器，尤其适用于金属有机化合物的薄膜生长反应器。
综上所述，相较于现有技术，本发明的设计具有多个优点：
（1）本发明通过在水冷板200上方设置一个气体分布扩散板100，通过在气体分布扩散板100上均匀或非均匀地、有一定规律地设置若干个分立的气体扩散路径（例如：导管、钻孔或具有一定深度的深孔等），相当于在水冷板200上方设置一个使两种反应气体预先得以充分扩散和分布的气体喷淋头，从而将第一反应气体区域10和第二反应气体区域20内的气体在气体分布扩散板100内得到充分分布和扩散，然后再被输送到水冷板200，从而提高反应腔内的反应气体均匀度，以提高待加工工件的合格率。
（2）本发明水冷板的第一出气通道和第二出气通道被设置成最大程度地减少气体喷淋头下表面的实体面积，从而最大程度地减少杂质沉积在下表面，同时使两种反应气体充分混合，减少气体浪费。
（3）本发明通过将气体扩散板和水冷板分别制作，简化了制作难度，使得反应气体相互隔离地扩散，同时防止冷却液通道内冷却液的泄露，通过可拆卸的机械方法组装使得气体分布扩散板100和水冷板200可以独立清洗以及对任一板的替换，降低成本，提高了效率。
(4) 优选地，通过在至少一组出气通道内设置台阶状气体缓冲开口和/或逐渐变大的出气通道横截面积，使得较大流速的反应气体可以以较为缓慢的流速进入反应腔，便于反应气体的充分混合，从而提高反应气体的利用效率和待处理工件的产品合格率。
本发明虽然以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以做出可能的变动和修改，因此本发明的保护范围应当以本发明权利要求所界定的范围为准。

Claims (20)

1.一种气体喷淋头，用于将至少第一反应气体和第二反应气体相互隔离地注入到反应腔中，其特征在于：所述气体喷淋头包括：
气体分布扩散板，包括连接第一反应气体源的若干组第一气体扩散通道和连接第二反应气体源的若干组第二气体扩散通道，所述若干组第一气体扩散通道和所述若干组第二气体扩散通道组与组之间交替间隔排布；每一组第一气体扩散通道和第二气体扩散通道均包括若干个分立的气体扩散路径；
水冷板，位于所述气体分布扩散板的下方，为一具有一定厚度的平板，包括一上表面和一下表面，所述水冷板包括若干冷却液通道，以及配合所述第一气体扩散通道内反应气体流出的第一出气通道和配合所述第二气体扩散通道内的反应气体流出的第二出气通道；所述第一出气通道和所述第二出气通道贯穿所述水冷板上下表面，所述第一出气通道和所述第二出气通道在所述水冷板下表面的开口为槽状，所述冷却液通道介于所述第一出气通道和所述第二出气通道之间；所述水冷板的第一出气通道或第二出气通道靠近待处理工件的一端通道横截面积逐渐变大；随着所述第一出气通道或所述第二出气通道横截面积的增大，位于所述第一出气通道和所述第二出气通道之间的实体部件的横截面积逐渐减小；
所述气体分布扩散板和所述水冷板为分立的两个元件，二者通过可拆卸的机械方法组装为一体；所述第一反应气体和第二反应气体在从所述气体喷淋头内溢出并进入反应腔之前互相隔离。
2.根据权利要求1所述的气体喷淋头，其特征在于：所述气体分布扩散板包括上层板和下层板，所述第一气体扩散通道为若干组贯穿所述上层板和所述下层板的第一导管；所述第二气体扩散通道为若干组贯穿所述下层板的第二导管；所述第二导管的上端管口低于所述上层板的下表面，所述第一导管的上端管口高于或平于所述上层板的上表面。
3.根据权利要求1所述的气体喷淋头，其特征在于：所述气体分布扩散板包括上层板和下层板，所述第一气体扩散通道为若干组贯穿所述上层板和所述下层板的导管，所述第二气体扩散通道为若干组贯穿所述下层板的孔。
4.根据权利要求1所述的气体喷淋头，其特征在于：所述气体分布扩散板包括上层板和下层板，所述第一气体扩散通道为若干组贯穿所述上层板和所述下层板的导管，所述下层板上均匀分布有若干列凸台，所述凸台的上表面高于所述下层板的上表面，所述第二气体扩散通道为若干组贯穿所述凸台及所述下层板的孔。
5.根据权利要求1所述的气体喷淋头，其特征在于：所述气体分布扩散板为具有一定厚度的平板，所述第一气体扩散通道为贯穿所述平板上下表面的若干个分立的第一钻孔，在所述平板内部设置有若干组与所述平板的上下表面相平行的气体通道，所述第二气体扩散通道为若干个分立的第二钻孔，所述第二钻孔由所述气体通道贯穿至所述平板的下表面。
6.根据权利要求1至5之一所述的气体喷淋头，其特征在于：所述第一出气通道和所述第二出气通道为贯穿所述水冷板上下表面的纵长型的槽，所述冷却液通道介于所述第一出气通道和所述第二出气通道之间。
7.根据权利要求1至5之一所述的气体喷淋头，其特征在于：所述第一出气通道和所述第二出气通道包括贯穿所述水冷板的上表面具有一定深度的孔和贯穿所述下表面并与所述孔连通的纵长形的槽，所述冷却液通道介于所述第一出气通道和所述第二出气通道之间。
8.根据权利要求1所述的气体喷淋头，其特征在于：所述第一出气通道在所述水冷板的下表面构成互相连通的第一回路结构，所述第二出气通道在所述水冷板的下表面构成互相连通的第二回路结构，所述第一回路结构和所述第二回路结构相互交替排布或相互套嵌。
9.根据权利要求8所述的气体喷淋头，其特征在于：所述第一回路结构为正多边形结构或圆形结构，所述第二回路结构为与所述第一回路结构相同的形状。
10.根据权利要求8所述的气体喷淋头，其特征在于：所述水冷板还包括贯穿其上表面并向下延伸一定深度的若干列孔，所述若干个孔与所述第一回路结构和第二回路结构相连通。
11.根据权利要求1至5之一所述的气体喷淋头，其特征在于：所述水冷板上选择性地设有若干个气体缓冲开口，所述若干个气体缓冲开口与所述若干个第一出气通道的至少部分或与所述若干个第二出气通道的至少部分一一连通。
12.根据权利要求11所述的气体喷淋头，其特征在于：所述气体缓冲开口为一台阶状气体缓冲开口或一斜坡状气体缓冲开口或一圆弧形气体缓冲开口。
13.根据权利要求1所述的气体喷淋头，其特征在于：所述若干个分立的气体扩散路径包括若干个导管或若干个孔；所述若干个分立的气体扩散路径均匀地或按一定规律非均匀地分布于所述气体分布扩散板上。
14.根据权利要求1所述的气体喷淋头，其特征在于：所述气体分布扩散板包括第一分配区域和第二分配区域，所述第一分配区域靠近反应气体源的气体输入口，所述第二分配区域到反应气体源气体输入口的距离大于所述第一分配区域到反应气体源的气体输入口的距离；所述第一分配区域内第一气体扩散通道和第二气体扩散通道的内径小于第二分配区域内对应的第一气体扩散通道和第二气体扩散通道的内径。
15.根据权利要求1所述的气体喷淋头，其特征在于：所述水冷板包括若干列设置在水冷板内部或上下表面的冷却液通道，所述若干列冷却液通道之间彼此隔离。
16.根据权利要求1所述的气体喷淋头，其特征在于：所述每一组第一气体扩散通道和每一组第二气体扩散通道平行交替排布。
17.一种薄膜生长反应器，包括一反应腔，所述反应腔内设置一支撑部件和位于所述支撑部件上的待处理工件，所述支撑部件可以在水平方向上旋转，其特征在于：所述反应器包括前述任一项权利要求所述的气体喷淋头。
18.一种气体喷淋头的制作方法，所述气体喷淋头用于将至少第一反应气体和第二反应气体相互隔离地注入到反应腔中，所述方法包括：
制作气体分布扩散板步骤：在一第一板体上设置有连接第一反应气体源的若干组第一气体扩散通道和连接第二反应气体源的若干组第二气体扩散通道，所述若干组第一气体扩散通道和所述若干组第二气体扩散通道组与组之间交替间隔排布；每一组第一气体扩散通道和第二气体扩散通道均包括若干个分立的气体扩散路径；
制作水冷板步骤：在一第二板体上设置有若干列冷却液通道，以及配合所述第一气体扩散通道流出的第一出气通道和配合所述第二气体扩散通道内的反应气体流出的第二出气通道；所述第二板体为具有一定厚度的平板，包括上表面和下表面，所述第一出气通道和所述第二出气通道贯穿所述水冷板上下表面，所述第一出气通道和所述第二出气通道在所述水冷板下表面的开口为槽状，所述冷却液通道介于所述第一出气通道和所述第二出气通道之间；所述第二板体的第一出气通道或第二出气通道靠近待处理工件的一端通道横截面积逐渐变大；随着所述第一出气通道或所述第二出气通道横截面积的增大，位于所述第一出气通道或所述第二出气通道之间的实体部件的横截面积逐渐减小；组装步骤：将所述气体分布扩散板和所述水冷板以一可拆卸的机械方法组装在一起；使所述若干列第一气体扩散通道与所述第一出气通道相连通，使所述若干列第二气体扩散通道与所述第二出气通道相连通。
19.根据权利要求18所述的制作方法，其特征在于：所述制作气体分布扩散板步骤，包括：
制作一个上层板，在所述上层板上钻制第一组复数个孔；
制作一个下层板，在所述下层板上均匀地设置若干列凸台，所述凸台的上表面高于所述下层板的上表面，在所述下层板上钻制第二组复数个孔，所述第二组孔的每个孔和所述第一组孔的每个孔位置相对应，在所述上层板的第一组孔和所述下层板的第二组孔之间插入对应个数的导管；在所述凸台上钻制第三组复数个孔；所述第二组复数个孔和所述第三组复数个孔列与列之间均匀地交替排布。
20.根据权利要求18所述的制作方法，其特征在于：制作水冷板步骤，包括：
制作一具有一定厚度的平板，在所述平板内部均匀设置有若干列与所述平板的上下表面相平行的冷却液通道，在相邻的两冷却液通道之间设置若干纵长形的出气槽，若干列出气槽分别和气体分布扩散板的第二组孔和第三组孔相对应。
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